金顶铅锌矿盐构造发育特征范文

《大地构造与成矿学杂志》2016年第二期

摘要:

滇西兰坪中新生代盆地广泛发育盐岩层系。通过对金顶超大型铅锌矿区的露天采厂和地下采坑的最新野外调查及大量钻孔资料的综合分析,研究区盐岩层系具有多期、多阶段运动的特点,厚度分布极不均一,它们作为区域推覆构造作用的滑脱层,对盐上层构造变形起着重要控制作用,形成一系列储矿构造。研究表明,矿区盐构造主要包括盐枕、盐背斜、盐焊接、盐穿刺、盐推覆、盐岩滑脱断层相关褶皱组合等多种盐构造变形样式。这些盐构造的形成演化及变形机制主要受到推覆挤压缩短作用、基底断层作用和塑性流动汇聚作用、盐下和盐上层断裂滑脱作用等控制,主要沿推覆断裂构造带呈串珠状分布。金项矿区盐构造分为两个阶段:古新世–始新世挤压–拗陷层内变形阶段,形成盐枕、隆升较低的盐背斜等整合型盐构造;渐新世的逆冲推覆–盐岩滑脱阶段,受强烈的挤压推覆作用而形成盐墙、盐株等盐穿刺型构造。盐构造不同阶段的变形演化对金属元素富集成矿起到关键作用,其流动变形而形成的盐构造圈闭促使了金属聚集成矿。

关键词:

金顶铅锌矿;盐构造;成矿特征;兰坪盆地

盐构造不仅与油气关系密切,它还能聚集许多金属与非金属工业矿床,如钾盐、(硬)石膏、重晶石、自然硫、铅、锌、银、硫酸锶等矿床(KyleandPosey,1991)。位于我国三江多金属成矿带中的兰坪金顶超大型铅锌矿是目前中国最大的铅锌矿床,也是世界上形成时代最新且唯一产于陆相沉积岩容矿的超大型Pb-Zn矿床,并且不同于世界上公认的沉积岩容矿SST、MVT、Sedex等基本类型(薛春纪等,2007)。金顶超大型铅锌矿拥有2亿吨矿石,在不到10km2范围内堆积了如此巨量金属实属罕见,但是关于矿床成因一直存在众多分歧。在金顶矿区及其邻区可见到大量的金属矿体与膏盐在空间上密切伴生,前人研究发现金顶矿区硬石膏产于铅锌矿体的边缘或深部,在平面上,围绕铅锌矿体,形成明显的分带特征,由中心向外,依次为铅锌矿体、天青石矿体、硬石膏矿体(潘忠华,1989)。高广立(1989)认为兰坪金顶铅锌矿容矿岩石之一的灰岩角砾岩就是膏溶构造角砾岩;王安建等(2007)将容矿角砾岩进一步分为不含矿的构造–膏溶角砾岩和含铅锌矿、黄铁矿、天青石和硬石膏矿化的底辟–侵位角砾岩两类;高怀忠(1989)认为矿体分布于盐溶洞穴中,并在溶洞中能够产生次生硫化物的富集。通过砂岩型矿体和灰岩角砾岩型矿体的叠置关系研究,认为(硬)石膏、天青石矿体空间上展现了残余盐丘的特点。进而认为金顶超大型铅锌矿床的形成与盐丘破坏、油气逃逸作用使成矿物质大量聚集等有一定的联系(修群业等,2005)。随着研究的深入,王安建等(2009)提出金顶矿床为构造推覆–盐丘穹窿–区域伸展–油气聚集–流砂底辟–流体排泄–金属沉淀的成矿模式。

也有学者认为金顶矿床矿化与逆冲推覆引起的盐底辟构造密切相关,金顶穹窿是逆冲推覆引起盐底辟的结果,底辟角砾或底辟后盐溶角砾是矿化的重要部位(吴淦国和吴习东,1989;宋玉财等,2011)。董帅(2012)论证了兰坪盆地金顶矿区发育大量的盐丘构造。李彬等(2012)通过研究盐丘周缘的矿化情况发现盐丘底辟也影响着矿体的矿化蚀变分带。总之,盐构造与金顶成矿的关系受到越来越多学者的关注。在金顶矿区膏盐体多呈蘑菇状、透镜状、囊状、枕状等,显示出不同变形样式和不同变形期次的盐构造特征,虽然许多学者在兰坪盆地已经重视膏盐与铅锌多金属成矿的联系,但是对盐构造的发育规律、变形期次及其与金属成矿的关系尚未见有报道。本文拟对金顶矿区盐构造进行解析,查明盐构造与金属成矿的关系,为该区金属矿产勘查提供更多的理论依据。对丰富“金顶”式成矿理论具有重要意义,为在含盐盆地及盐构造发育的盆地中进行金属矿产勘探提供新思路。

1地质背景

滇西兰坪盆地处于欧亚板块与印度板块的结合部位,位于金沙江断裂带与澜沧江断裂带之间,是三江褶皱带的一部分(罗君烈等,1994;王义昭等,2000)。东以金沙江断裂为界与扬子陆块西南缘的金沙江–哀牢山造山带相邻,西以澜沧江断裂为界与藏滇板块北东缘的碧罗雪山–崇山造山带相邻。北起维西,南至景东,与思茅盆地相连,南北长约270km,宽约25~70km,面积近2000km2。兰坪盆地除东西两侧发育巨型断裂以外,中部还有兰坪–思茅中轴断裂。在兰坪充填序列中已经证实主要有三套盐岩层系(帅开业,1987;高建华,1989;肖荣阁等,1990)(图1),中、上三叠统三合洞组普遍发育以硫酸盐为主蒸发岩建造,局部达到石盐沉积阶段,如云龙县的宝丰乡和兰坪县的马登乡、河西乡及洱源乔后盐矿等地;中、上侏罗统膏盐沉积主要沿澜沧江东侧展布,如兰坪县阿尼戛、大华,永平四角田等地;上白垩统–古新统盐系分布较广,石盐矿床、矿点及盐泉、卤井随处可见,且岩盐储量丰富,已经开采的有兰坪的拉井镇、乔后等地。

2金顶矿区盐构造类型及特征

2.1盐构造平面展布特征金顶矿区已圈定天青石矿体100个,(硬)石膏矿体48个(李永强,2006),其规模都达到大型矿床。其中天青石矿体主要集中在北厂矿段66个,跑马坪矿段21个及架崖山矿段13个。(硬)石膏矿体在架崖山矿段4个,北厂矿段13个,蜂子山矿段4个,跑马坪矿段27个,仅跑马坪矿段的石膏储量为16622万吨,达到大型规模。随着金顶铅锌矿架崖山–北厂矿段大面积、更深层地露天开采,揭露出的地质现象为研究矿区盐构造提供了更为直观的证据(图2)。本文选取了架崖山–北厂矿段–跑马坪矿段Ⅲ线进行盐构造剖析,该勘探剖面具体位置见图2中的AA线段。金顶矿区的膏盐体主要分布在矿区东北部及东部,至跑马坪矿段膏盐层更大、更厚(图3),再往北东和东的方向膏盐层一直延伸到矿区外。(硬)石膏矿体在矿区有两种,一种产于棕红色和紫红色粉砂岩及粉砂质泥岩中,硬石膏矿体表现为青灰色的膏泥和纯白色的块状石膏,晶体呈粗大粒状,石膏层中夹紫红色的泥岩层,未见灰岩夹层,此膏盐矿体与铅锌矿体相差甚远。另一种主要产于Pb、Zn矿体上、下及边部,在平面上围绕铅锌矿体形成由中心向外,依次为铅锌矿体、天青石矿体、硬石膏矿体。垂向上,天青石矿体分布于(硬)石膏矿体上、下或石膏矿体与铅锌矿体的过渡带,其矿体长几十米至二百米,厚几十米至三四百米,形态呈透镜状、囊状和蘑菇状,表现出不同的后期变形特征。(硬)石膏矿体往往呈块状,夹薄层沥青质灰岩,含有大量黑色灰岩角砾,角砾多为白云质灰岩、沥青质灰岩,角砾为尖棱角状,大小混杂,偶见灰岩条带。矿区见石膏矿钻孔近50多个,各个矿体呈断续分布,在石膏矿体内部变形强烈,常见揉皱构造,有时不仅膏盐中所夹灰岩薄层被揉碎成角砾,而且膏盐本身也呈角砾,之后又被石膏胶结,偶见这些角砾长轴呈定向排列,显示出一定的流动特征,尤其以跑马坪矿段最为发育。据钻孔揭露,跑马坪矿段上三叠统三合洞组灰岩层上、下皆有膏盐体,上部膏盐保存较好,呈大凸透镜状,长度>1500m,最大垂直厚度约300m。下部膏盐体分布不规则,如图3ZK383孔,在孔深474m处突然出现厚层膏盐体,直至600.65m终孔,而相距仅不到100m的ZK390孔的膏盐层很薄。该矿段膏盐层呈现出角砾状、碎裂状及沉积韵律不明显等特征,仅在含季纹层白云岩角砾的(硬)石膏中见有纹层,灰岩角砾中有膏晶化现象,(硬)石膏矿体在相邻钻孔中突然尖灭,显然,这些膏盐体已经不是原始沉积的产物了,而是受到区域构造推覆–滑覆作用而形成的不同样式的盐构造。盐构造的样式和展布与矿区的穹隆构造具有一定的耦合关系,说明矿区的盐构造与穹隆构造在成因上有联系,推测围绕穹隆构造边部发育的系列放射状断裂为膏盐底辟构造所造成。众观全矿区可以看出:盐构造走向大致有两种,一种近SN向,另一种为NW向,可划分三个盐构造发育带,东部平缓厚盐层带;中部盐底辟发育带和北西部成熟盐底辟发育带。由钻孔资料揭示,在矿区东侧盐层较厚,主要发育盐枕、盐背斜等构造;中部膏盐层在穹隆斜坡背景上发育隆升幅度较低的盐底辟构造,盐穿刺构造特征并不发育;在北西侧表现为隆起幅度较高、盐穿刺特点明显的盐穿刺型构造,盐层厚度由中心向两侧迅速减薄。

2.2盐构造类型及特征通过钻孔资料、地表及坑道观察可以看出金顶矿区的架崖山–北厂矿段和跑马坪矿段分布着大量不同样式的盐构造(图4),样式主要有盐丘、盐株、盐焊接、盐推覆体,外来盐席、盐枕、盐背斜。按照其分布大致分为三类:一类是远离断层主要分布于矿区东部、东南部云龙组砖红色粉砂岩、泥质粉砂岩地层内部的盐构造,埋深较浅,在露天开采的矿区直接就可以观察到,主要由透镜状、盐背斜、膏盐脉等样式组成。组成这类盐构造的石膏为较纯净的纤维状浅灰白–白色石膏。无论是从矿区平面图还是纵剖面图都可以看出,此类盐构造主要是远离断层的层内聚集、塑性流动揉皱而形成,样式呈透镜体状、盐背斜及不规则条带状等。第二类是位于矿区北部及北西部与矿体密切相连的盐构造,大量的钻孔及露天开采揭露出此类盐构造规模大,由纯白石膏与有机质很高的黑色膏泥互层组成,间夹黑色灰岩薄层。主要分布在断裂带中,由于受到构造作用的强烈影响而形成盐穿刺等构造样式,同时对成矿流体蚀变具有一定分带影响。第三类盐构造分布在矿段中部及北西部的逆冲断层带内,属于与成矿关系密切的盐构造。此类盐构造往往伴随许多断裂一起出现,以褐铁矿化成土黄色的膏泥为核心,以黄铁矿壳或者膏溶角砾为边缘构成膏盐体。主要分布于中部和北西部的砂岩型矿石及南部的灰岩附近,外形上表现为独立的丘状、树枝状等样式。根据盐构造的外部形态,金顶矿区盐构造可以分为:盐枕构造、盐背斜、盐焊接、盐推覆构造、盐穿刺构造等。盐枕构造:是隆起较低的盐背斜构造,与上、下地层产状基本一致,属于整合型盐构造,多发育在矿区东部、东南部云龙组砖红色粉砂岩、泥质粉砂岩地层中,层位较浅,在露天开采的矿区直接就可以观察到(图5)。另外,由钻孔资料揭露在跑马坪矿段深部发育大量盐枕构造,这些盐枕构造往往呈底平顶凸样式,其滑脱面为推覆断裂F5,盐枕主要由云龙组膏盐组成。膏盐层在挤压应力作用下,盐体发生横向塑性流动而上涌形成隆起幅度较低的盐拱,在盐枕中心处盐体厚度较大,往往大于300m,向两边迅速减薄。盐背斜:由于受到侧向挤压,背斜形态一般不对称,盐核上拱幅度为几十米到上百米不等,云龙组中下部的膏盐层明显加厚,而盐下层褶皱幅度很小,反映出云龙组以上的背斜与盐层上拱隆起有关;盐层在近NE-SW向区域性挤压作用下,导致地层整体缩短,膏盐体在横向上加速流动,使早期产生的低隆起的盐枕构造因膏盐体塑性流动而进一步加强,逐渐汇聚隆升形成盐背斜(图5)。盐焊接:是指盐体向某一特定方向发生塑性流动,使原来被盐体分隔的盐上层和盐下层因为盐体流失殆尽而直接叠置在一起,主要发育在盐背斜与盐枕之间(图3)。盐推覆构造:主要形成于矿区的北部及北西部,沿NWW方向延伸,在北厂矿段的露天采场直接可以看到盐推覆构造前缘由三合洞组膏盐层组成,逆冲断层面北东倾斜,倾角较小。滑脱逆冲断层主要有F1、F2和F5,在F5滑脱逆冲断层之上的推覆体由云龙组和果郎组构成,F1和F2两条逆冲断层主要发育在三合洞组的两层膏盐层中。盐上层产状与滑脱断层基本平行,膏盐层沿逆冲断层在矿区的北西部形成薄板状分布的外来盐席(图4)。盐墙主要发育在架崖山矿段,露天采厂清晰可见膏盐刺穿上覆的三合洞组灰岩而侵入云龙组,因为盐穿刺作用使盐墙两侧的岩层顺着滑脱断层呈近似直立状产出(图5)。溶蚀型盐构造:指金顶铅锌矿主要赋矿岩石之一的灰岩角砾岩,主要分布在矿区的东北部及东部,在西部的峰子山等矿段也见有少量分布,其角砾成分与角砾状膏盐体的角砾相似,主要为沥青质灰岩、白云质灰岩及泥质白云岩等。大小不一,大者为较大的岩块,排列无规律,多呈尖棱角状。胶结物主要为较纯的亮晶方解石,杂基为石英细砂及泥质粉砂等。显微镜下观察,方解石胶结物重结晶、去膏化、天青石化和石膏化现象较明显。灰岩角砾岩体在矿区分布较常见,分布于各个矿段,常与膏盐体相伴生,不具层理构造,厚度变化巨大,呈透镜状及不规则状。在矿区的东部灰岩角砾岩边缘就有巨厚的膏盐体。在峰子山矿段砖红色石英砂岩中夹有灰岩角砾岩透镜体,且含有石膏。在矿区坑道中可见到形状极不规则灰岩角砾岩体,与围岩呈指状“侵入”接触关系(图6)。综上所述,笔者认为金顶矿区的灰岩角砾岩为上三叠统含膏盐层系,在推覆挤压构造作用下,由于膏盐体抗压强度弱,弹性模量小而发生塑性流动,冲破其上、下灰岩层,并将其变为角砾或岩块,包裹于膏盐体中一起发生塑性流动,并侵入到围岩中。后期由于地表水的淋滤、地下水的潜蚀和其他溶液的渗滤使得膏盐体水化、淋失,残留下来的灰岩角砾及岩块被后期持续上升的富含Pb、Zn等金属元素的热卤水充填胶结,且不断叠加富集成矿。并不是所有的灰岩角砾岩都有矿,如果呈盐穿刺穿插到比较封闭的围岩中,缺少断层活动,石膏就得以保存下来。矿体边部及深部膏盐保存较好,靠近架崖山–北厂矿段,穹隆构造抬升,断层发育,盐构造遭受溶蚀作用强烈,膏盐仅有少量残留,Pb、Zn、Sr矿化较好。除此之外,还有一些小的形状很不规则灰岩角砾岩体,其产出无规律可循,此类为盐穿刺构造。

3金顶矿区盐构造成因机制和演化

3.1盐构造成因机制分析盐构造样式及成因机制与油气的关系密切,相关研究受到国内外学者的关注。余一欣等,2007),但是在与金属成矿关系方面研究很少涉及。与国外典型被动大陆边缘、拉张环境或构造稳定环境下的盐构造发育区相比,我国主要发育在构造挤压环境下的盐构造和较薄含盐层系变形特征具有很大的特殊性,而发育在云南兰坪盆地逆冲推覆背景下的盐构造研究未见公开报道。通过分析金顶矿区架崖山–北厂矿段发育于云龙组地层内的盐构造,得出膏盐体与盐上、盐下层变形较一致,盐构造样式主要为早期挤压作用下而形成的盐株、盐枕、盐背斜、盐焊接等样式,还没有达到盐穿刺的程度。而在此过程中下伏地层三合洞组中的膏盐层也受到了挤压及上覆岩层重力作用而形成盐枕及盐背斜等构造样式。这些发育于三合洞灰岩中的膏盐体是形成逆冲挤压型盐构造和灰岩中的盐构造的雏形,由于受到后期的推覆挤压,改造作用强烈,再次发生盐底辟构造。在逆冲推覆挤压作用下,盐岩层充当润滑剂产生盐岩滑脱,从而形成滑脱断层及相关褶皱组合型盐构造。此类盐构造发育于矿区南侧三合洞组与云龙组接触面处的F5断层上盘的底部、景星组与三合洞组接触面上F2断层的下盘,平面上呈带状、串珠状、盐拱起状分布,反映了推覆挤压运动的特点,通过对盐构造赋存层位的区域应力分析,主压应力为NE-SW向。三合洞组中的膏盐层在逆冲推覆作用下,一部分沿逆冲断裂上升,在上覆岩层中压缩形成岩株及盐焊接,同时会形成层间断裂,另一部分则被封闭在原始地层内,在高压缩短作用下三合洞组膏盐层刺穿上覆地层,而形成各种盐底辟构造,如盐蘑菇。膏盐体夹带着冲碎的上覆岩层的角砾及岩块一起构成盐底辟构造的主体,(硬)石膏呈巨大岩块出现,晶体粗大,偶见定向排列,其内灰岩薄层被揉碎成角砾,在推覆作用下,膏盐体发生塑性流动,呈指状侵入到上覆地层中,而形成盐株、盐墙等构造样式。含灰岩角砾的膏盐体如果侵入到封闭性较好的地层中,且断层影响较小,这样石膏就得以保存下来,这就是在矿区许多地方看到完好的含灰岩角砾膏盐体,呈盐株状产出。而那些侵入地层浅处,断层活动频繁的含灰岩角砾膏盐体,在地表水淋滤、地下水溶蚀作用下,石膏流失殆尽,而被石膏包裹着的灰岩角砾及岩块就残留原地,从而形成膏溶角砾。

3.2盐构造演化过程分析盐构造发育是一个多期、多阶段的地质过程,通过金顶矿区露天采厂和地下坑道的野外调查及大量钻孔资料综合分析,将金顶矿区盐构造演化划分为两个阶段:(1)早期挤压–拗陷层内变形阶段:前期研究表明(朱志军等,2014),古新世-始新世的云龙组和果郎组沉积阶段,兰坪盆地处于印度与欧亚大陆软碰撞和调整阶段,由于受扬子古陆缓慢挤压抬升,使被挤压一侧地块发生挠曲变形,从而形成近南北向展布的狭长型兰坪挤压拗陷盆地,盆地总体以坳陷沉积为主,盆地充填序列中,上三叠统三合洞组含盐层系和古近系云龙组含盐层系为盐构造的发育提供了物质基础,在挤压拗陷阶段它们仅在层内发生塑性流动,向盆地中心汇聚,形成盐枕、隆升较低的盐背斜等整合型盐构造,未达到盐刺穿程度(图7)。(2)逆冲推覆–盐岩滑脱阶段:渐新世宝相寺组沉积阶段,盆地东、西两侧构造挤压剧烈,形成对冲挤压格局,区域抬升运动强烈,形成大面积逆冲推覆体。强烈的推覆挤压作用产生主推覆断裂及其次级断裂,早期压缩聚集的膏盐体一部分沿着推覆断裂发育成串珠状盐株、沿着节理发育成盐枝。另一部分则冲破上覆岩层,携带冲碎的岩层角砾及岩块上侵到上覆岩层中,形成盐墙和盐枝(图8)。

4盐构造与金属成矿的关系

盐构造的形成与演化在早期对成矿元素的聚集成矿至关重要,晚期则主要起到次生改造和破坏作用。早期盐构造快速生长促使构造隆起,在含盐层系的压缩汇聚,驱使盆地中的热卤水发生大面积、长距离的运移,地下热卤水具有很强的溶解和携带金属元素的能力(姚志健等,1991;吴南平等,2003;胡古月等,2013),在构造应力驱使运移过程中萃取各个地层中分散的Pb、Zn等金属元素,富含金属元素的热卤水(成矿流体)运移到盆地中部汇聚,同时膏盐体也因塑性流动聚集到盆地中部,因大量膏盐体的上涌隆起从而形成金顶穹隆(图9)。晚期,兰坪盆地东、西两侧构造挤压加剧,形成对冲挤压格局,强烈的推覆挤压作用使金顶穹隆构造破裂,围绕穹隆产生许多放射状断裂,盐构造及其相关断层构成了成矿流体运移和金属元素聚集的立体网络通道。由盐构造上部的断裂系统和盐底辟通道、膏盐体和围岩接触断裂等构成垂向输导通道,使得早期运移到盆地中心的富含金属元素的热卤水(成矿流体)源源不断沿通道持续上升,在储矿空间成矿元素不断叠加富集成矿,这些已经在金顶铅锌矿勘探开采中得到佐证,金顶矿区及其邻区可见到大量的金属矿体与盐构造密切共生,盐构造产于铅锌矿体的边缘和深部,在平面上围绕铅锌矿体发育。

5结论

(1)研究区晚三叠世、古近纪盐构造变形复杂,主要包括盐枕构造、盐背斜构造、盐焊接构造、盐穿刺构造、逆冲推覆–盐岩滑脱–断层相关褶皱组合型盐构造等,其形成演化和变形机理主要受到挤压缩短作用、塑性流动汇聚作用,盐层滑脱作用、盐上层断裂推覆作用等因素控制,可以划分为早期挤压–拗陷层内变形和晚期逆冲推覆–盐岩滑脱两个阶段。早期发育的盐构造样式主要为整合型的盐枕和隆升较低的盐背斜构造,形成的盐构造主要为层内变形,晚期发育的盐构造样式主要为盐穿刺和盐推覆,形成的盐构造主要沿推覆断裂呈带状或串珠状分布。(2)金顶矿区及其邻区的上三叠统三合洞组和古新统膏盐层系,作为区域滑脱层对盐上、盐下层变形起重要控制作用,对金顶成矿作用起决定性作用。早期盐构造变形为成矿流体的形成和汇聚提供驱动力,晚期盐构造变形为成矿提供导矿构造和储矿空间。研究金顶矿区盐构造的类型和期次,明确其构造特征、变形样式和形成机理,对兰坪盆地盐构造发育特征、区域构造演化、矿产勘探至关重要。

作者：朱志军 郭福生 单位：东华理工大学 省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地 东华理工大学地球科学学院