沉积学研究在沉积和层控矿床勘查中的作用(代序)

周 琦，吴冲龙，杜远生，张志庭，覃永军

(1.自然资源部基岩区矿产资源勘查工程技术创新中心，贵州 贵阳 550081；2.中国地质大学(武汉)地质信息科技研究所，湖北 武汉 430074；3.贵州省地质调查院，贵州 贵阳，550081)

沉积矿产和层控矿产的形成过程，除了与物源及运移方式有关外，还与一定的沉积环境、水动力条件、介质物理化学条件和水生生物条件等相关。由此，必然会在这类矿床的矿体、夹石和围岩中，打下一些相关的烙印。这些烙印以隐性或者显性形态存在，可以通过岩性、岩相、沉积相和层位等特征分析来感知。贵州省的优势矿产资源，基本上都是沉积矿产和层控矿产，为了认识并掌握其形成、分布规律，需要深入开展沉积学研究，细致地观察、识别、研究和提取其特征信息。因此，加强沉积学特征的观察、搜集和研究，对这次重要矿产资源大精查而言，意义是不言而喻的。下面结合若干示例，谈谈在这次贵州省重要矿产资源大精查中，开展沉积学研究和采集沉积学数据的作用。

1 获取成矿机制的同沉积证据

黔东北的一系列超大型、大型菱锰矿矿床，具有明显的内生外成特征。从露头、岩芯和薄片中发现了许多重要现象，提出了全新的含锰矿气液喷溢沉积成矿模型(周琦 等，2013，2016，2017，2019；袁良军 等，2018；张遂 等，2015)。在这次大精查中，通过岩芯观察，又发现了许多具有成因标识意义的沉积构造，可补充在深水环境中同沉积成矿的证据(图1)。其中包括在岩(矿)芯中普遍发育的滑塌构造(图1a)、同生砾(图1b)、粒序层理(图1e下)、火焰构造(图1e下)、负载构造(图1e下)、砂球构造(图1c下)和条带状互层层理(图1d)和递变粉砂层，以及不完整的鲍玛序列(图1c中上和图1e中)。

图1 菱锰矿层(灰黑色条带)与水下重力流沉积(滑积、碎屑流、浊积，a-e)以及菱锰矿团块状构造(f，g)

在图1中，灰黑色碎屑状物质为细砂级和粉砂级菱锰矿泥晶团块，它们与炭泥质碎屑混杂共生(图1f)，部分菱锰矿泥晶具明显的鲕状特征(图1g)。灰白色碎屑为陆源碎屑，应属异地重力流成分。上述沉积构造在大塘坡组一段大量出现，并分别与水下重力流沉积亚相对应(图2)，即滑塌构造对应滑积亚相，同生砾对应碎屑流亚相；而粒序层理、火焰构造、负载构造、砂球构造、不完整的鲍玛序列、条带状互层层理和递变粉砂层，则分别对应浊积亚相的近端、中部和远端微相。这些现象说明，菱锰矿矿层形成于较深水体底部，属于该处海底原地的原生沉积物。层理中的每一个菱锰矿泥晶条带，可能是一次含锰流体底辟喷溢到水底后与原地炭泥质混合(凝聚)的产物。堆积于喷溢口附近的互层状菱锰矿泥晶薄层-炭泥质碎屑薄层，被卷入滑塌事件的情况表明重力流作用的规模较大。在一个滑塌构造中，被卷入的菱锰矿泥晶条带越多，说明重力流事件规模越大。碎屑流和浊流沉积层的存在，表明重力流事件规模较小。水下重力流的成因，可能与含锰热流体大规模底辟-喷溢作用有关，也可能与风暴、地震等事件有关，有待系统的沉积学研究来揭示。

图2 水下重力流沉积模式及其沉积物沉积构造空间分布(据Shanmugam等，1995)Fig.2 Under water gravity sedimentary mode and its sedimentary structure spatial distribution of sediment

此外，在岩芯中还发现了含锰气液有三种不同的喷溢方式，即导管式喷溢、烟雾式喷溢和喷泉式喷溢。这三种喷溢方式，同样说明含锰气液流体底辟上涌到达海底时，大塘坡组一段仍处于沉积过程中。喷溢方式的差异，反映了含锰气液喷溢动力的强弱不同，以及含锰热流体喷溢成矿机制的差异。对此，将另外撰文介绍。

2 揭示成矿环境条件和成矿过程

铝土矿在贵州省内分布广泛，前人做过大量研究工作，在成矿地质背景、物质来源、赋存位置、矿床规模、埋藏条件、成矿过程和成矿规律等，都取得了丰硕的成果。已有的研究证明，贵州省的铝土矿多为一水硬铝石型铝土矿，总体上属于风化壳中的异地沉积矿床；铝土物质历经了风化、剥蚀和搬运作用，沉积于海湾环境中，又经分选、淘洗得到初步富集，然后在地下水化学系统中通过脱硅和脱铁再富集，最后通过淋漓作用而进一步得到富集(陈履安，1993；殷科华，2009；翁申富 等，2010；韩忠华，2008；余文超 等，2013；崔滔 等，2013；杜远生 等，2014，2015；金中国 等，2018)。然而，对于与成矿过程和机制相关的一些关键细节问题，还需要进一步研究和阐明。例如，成矿铝土物质在水体中是如何沉积的?是一次性异地搬运沉积而成，还是经过异地搬运沉积后，又经微异地迁移再沉积而成?不同矿石类型分别具备什么沉积相，反映了什么水动力条件?富矿体和贫矿体各自的空间分布特征和分布规律如何?主要控制因素是什么?等等。

这些问题的进一步解决，同样需要通过系统的岩芯和露头沉积相分析来实现。在这次大精查中，尽管我们没有条件开展系统的工作，但仅通过ZK15906的初步观察，就已经发现了一些有助于这些问题解决的重要信息——沉积相标志。从ZK15906的岩芯上所看到的沉积相标志，主要是含矿层大竹园组中的一些宏观沉积构造。为了便于说明这些沉积相标志所反映的相关信息，需要循着沉积过程由下而上进行阐述。

在大竹园组下部，即通常所说的由绿泥石粘土岩、含黄铁矿粘土岩和粘土组成的“粘土岩”段，实际上是具有大量撕裂状泥质同生砾和浑浊状(包卷?)层理的灰黑色泥岩(图3)，其中夹有多个代表原地沉积的薄层水平纹理泥岩和粉砂质泥岩。从垂向层序和横向分布状况推测，可能属于海湾潮下带环境中形成的泥质碎屑流沉积。它们可能是潮坪上半固结或未固结的泥质碎屑，在风暴发生时被卷入潮下带较深水处的。

向上至铝土矿层底部，为具负载构造和砂球构造的细砂级铝土矿(岩)分层，内部具块状构造，即块状铝土矿(岩)，应属铝土质浊积岩(图4a上部)。与下伏灰黑色铝土质泥岩呈连续沉积关系，相互间无沉积间断，可能是在某种动力(风暴或地震)作用下，停积在滨岸或潮坪上的铝土质碎屑，以浊流形式进入潮下带沉积而成的。

图3 旦坪中二叠统大竹园组下部灰黑色铝土质碎屑流沉积中的铝土质同生砾和原地水平纹理状泥岩

再向上为具土状、半土状的铝土矿富矿分层(图4b)，显示出清晰的变形层理，大量不规则的黄灰色铝土质团块与灰黑色泥质砾屑混杂在一起。这些铝土质团块和泥质砾屑，具有明显的内碎屑特征，应属于铝土质碎屑流沉积。究其成因，可能是更大规模和强度的风暴作用，以碎屑流形式将停积在滨岸或潮坪上富铝沉积物，卷入潮下带沉积而成的。从沉积学角度看，铝土质碎屑流也是水下重力流的一种类型。

图4 铝土岩层中不同含矿段的沉积特征Fig.4 Sedimentary characteristics of different ore bearing seam in aluminum rock layer

再向上是具有鲕、豆状结构的贫矿分层，其中的鲕、豆粒状铝土矿颗粒形态完整，粒度分选较好，即便破损也形成完整的再生鲕、豆，表明均为原生鲕粒和豆粒，后生风化和改造并不明显(图5c)。鲕粒和豆粒是波浪做垂向运动时，使从下伏铝土质碎屑流沉积物中析出的氧化铝凝胶上下翻滚、逐步凝聚而成的，指示潮下带浪基面附近较深水环境。粒度越大，表明波浪作用的动力越强并且持续过程越长。鲕粒密集堆积而铝品位低，可能与未经淋漓脱硅、脱铁有关，也可能与鲕、豆粒间充填大量非铝土质碎屑有关。

再向上是梁山组煤层，显示海水已经退出，转变为海陆交互的成煤环境。

综上所述，ZK15906的大竹园组含矿层岩芯，为我们清晰地展示出了早二叠世的一个较完整的海退沉积序列，即自下而上：由浪基面以下的潮下带深水环境，到浪基面附近的潮下带较深水环境，再到浪基面以上的潮下带较浅水环境，最后到海陆交互的成煤环境。在大竹园组沉积初期，风暴作用由弱而强，不间断地发生并对铝土矿的成矿作用产生强烈影响。我们由此而有理由认为，只要能够对务正道铝土矿田的全部或大部钻孔岩芯、露头，进行系统沉积相和沉积环境观察和分析，就一定能够进一步深化已有的各项研究成果，全面把握这里的铝土矿矿床的成因条件、控矿因素和分布规律。

3 查明矿体厚度分布的同期破坏 因素

对贵州开阳-瓮福磷矿的成因及其分布规律的研究成果很多，特别是从沉积学角度对其成矿机理和成矿模式的认识，已经得到普遍认同，其预测模式也很成熟了(朱士兴，王砚耕，1983；东野脉兴，2001；陈国勇 等，2015；王泽鹏 等，2016；杜远生 等，2017；张亚冠 等，2016；刘建中 等，2019)。然而，在具体工作中，还是常被一些意想不到的状况所困惑。例如，明明是磷质成矿最有利的部位，却为何矿层分叉变薄甚至消失?为什么明明应该是高品位、高纯度矿体出现的部位，却被一大堆角砾状的铝硅质或碳酸盐质碎屑所占据?是后期构造现象还是同沉积现象?所有这些问题，也可以通过对岩芯、露头的沉积学观察和分析来解决。下面拟以瓮福磷矿田大湾勘查区的一个典型事例来加以说明。

瓮福磷矿田的围岩是硅化岩系，包括硅化白云岩和硅化碎屑岩系。通过对岩(矿)芯的观察，发现a、b磷矿层之间的夹石层几乎全由水下重力流沉积构成，同样包含滑塌堆积、碎屑流堆积和浊流沉积，沉积物的粒度、圆度和球度不同，分选性极差，成分主要是白云岩和碎屑岩，具有滑塌构造、递变粒序层理和负载构造(图5)。

图5 大湾磷矿区a矿层和b矿层之间夹石层的水下重力流特征

大湾磷矿区及其外围的a矿层和b矿层夹石层的等厚线，呈现出向北东伸出的扇形。根据其整体的厚度变化趋势，推测是一个向东伸出的大型重力流扇体(图6a)。这个夹石层等厚度图，与a矿层+b矿层的等厚度图(图6b)，正好构成此消彼长的对应关系。这种情况说明，磷灰石的沉积成矿作用与重力流作用同时进行，后者的频繁出现干扰和破坏了前者的沉积环境，导致磷矿层厚度与重力流扇厚度互为消长。

有证据表明，同成矿期的水下重力流对瓮福磷矿田各矿床的影响和破环，是一种普遍现象。甚至在开阳磷矿田，都存在此种现象。如果我们能够在钻探岩芯编录时，注意这个问题，对整个瓮福磷矿田乃至开阳磷矿田的所有钻孔，重新进行一次全面的沉积相观察和分析，并且制作其沉积相分布图、夹石层(水下重力流)和磷矿层累计厚度分布图，便有可能掌握同沉积期近岸水下重力流活动情况、空间分布及其对磷矿层厚度的影响，进而对磷矿层厚度及品位的空间变化趋势做出准确预测。这对于勘探靶区选择、勘查区范围划定和勘探工程的部署，以及见矿情况的预测将会有很大好处。

4 基于沉积相模式开展矿区外 围的成矿预测

天柱-新晃重晶石成矿带，位于扬子地块东南缘的晚震旦世-早寒武世陆缘裂谷边缘。对于该重晶石矿床的成因，虽然还有一些分歧，但越来愈多的证据表明，应属于海底热液喷流沉积型(胡清洁，1997；吴朝东 等，1999；彭军 等，1999；方维萱 等，2002；夏菲 等，2004；杨瑞东 等，2007)，其中可能有生物有机质共同作用(高怀忠，1998；韩善楚 等，2014)。一系列重晶石矿床沿着一条深断裂平行展布，分别处于深部含矿热流体喷涌的热点上(杨瑞东 等，2007)，表明该深断裂是含矿热流体喷涌的同沉积导矿断裂。

但是，目前对于矿床中的重晶石颗粒状碎屑是如何沉淀的?其厚度变化规律如何?受到什么因素控制?尚缺乏从沉积学角度开展研究。显然，这几个问题的解决，对于了解这些矿床的成矿机制，开展深部和外围的成矿预测，有重要的意义。在这次大精查中，通过对寨脚勘查区多个钻孔的含矿段岩(矿)芯和野外露头进行系统观察，同样找到了许多典型的沉积相标志。这些沉积相标志，基本上都是反映与水下重力流有关的沉积构造，例如滑塌构造、碎屑流构造和浊流构造。其中，滑塌构造包括滑塌褶皱、包卷层理或变形层理(图7a)；碎屑流构造包括同生砂泥角砾和撕裂砂泥块(图7b，c)；浊流构造包括负载构造、砂球构造、砂枕构造和递变层理(图7d，e)，甚至构成不完整的鲍玛序列。

图7 重晶石质浊流沉积中的负载构造、砂球构造和变形构造(右侧图片为镜下照片)

这些反映不同类型和不同动力学条件的水下重力流沉积构造，不但普遍存在于矿区内所有重晶石岩(矿)芯中，更在平面上有规律地分布着，而且与重晶石矿层的厚度有很好的对应关系(图8)。以钻孔中该段岩(矿)芯的主要沉积构造所反映的沉积环境为标志，以重晶石矿层厚度4.0 m和2.5 m为界，大致可以把寨脚重晶石矿体划分为滑积亚相、碎屑流亚相和浊积亚相。三个亚相及其空间分布，很好地刻画出了寨脚矿区重晶石水下重力流扇的结构、形态和形成机制——由南向北、由南东向北西方向倾泻而来。

这实际上是由多个规模大小不等的水下重力流扇叠置而成的复合体，因而在扇头部的厚度最大，中部其次，而扇尾部最薄。而且，根据重力流的形成机制，滑塌现象靠近碎屑物料原始堆积处(近源)，碎屑流现象离碎屑物料原始堆积处较远，而浊流现象离碎屑物料堆积处最远(远源)。这种情况说明，寨脚勘查区重晶石矿层的厚度变化，一方面受控于与导矿同沉积深断裂及热流体喷溢口的距离，另一方面受控于同沉积水下重力流的作用，而与成矿期的裂谷古地形和后期的逆冲推覆断层改造、破坏，关系并不大。根据这一基本认识，利用大河边-寨脚勘查区的全部钻孔资料，制作了重晶石矿层等厚线图(图9)，并开展基于水下重力流扇沉积模式的矿区外围勘探靶区预测。

图8 寨脚重晶石矿区含矿层段矿层厚度和沉积构造分布对比

图9 大河边-寨脚地区基于水下重力流扇沉积模式的重晶石矿区外围勘探靶区预测Fig.9 Peripheral prspection target prediction of the barite deposit based on under water gravity flow deposit mode in Dahebian-Zhaijiao area

5 若干初步认识

在岩(矿)芯编录中进行细致观察，识别并正确地提取其中的沉积相标志，是一项基础性的沉积学工作。通过以上的观察和分析，得到如下几点初步认识：

(1)贵州省的优势矿产资源，多是沉积矿产和层控矿产。在勘查中开展系统的沉积学研究，对于认识其形成、分布条件和成矿机制有重要意义。

(2)在本次优势矿产资源大精查中，沉积学研究的作用主要体现在如下几个方面：获取成矿机制的同沉积证据、揭示矿床形成的环境条件和成矿过程、查明矿体空间分布的准同生破坏因素和基于沉积相模式开展矿区外围的成矿预测等。

(3)实践表明，系统而准确地进行岩(矿)芯和露头观察，是识别沉积构造并获取其特征信息，判别其沉积相和沉积环境的基本方法，也是揭示沉积矿床和层控矿床形成条件、机制和分布规律的根本途径，需要加强这方面的学习和工作。

(4)水下重力流是较深水环境的时常发生的事件沉积，因此滑塌构造、碎屑流构造和浊流构造等水下重力流沉积构造，常见于海底热流体喷溢沉积矿体中，这在已有的工作得到了初步证实，今后还需特别注意相关的观察、分析和研究。

上述观察和分析十分粗略，介绍的目的只是为了说明沉积学工作的重要性。如果要查明各个精查区的矿床成矿背景、控矿因素、成因机制和空间分布规律，进而提供进行外围和深部矿床勘探靶区预测的有效依据，还需要进行系统而深入的沉积学研究。