沉积矿产是形成于沉积盆地或陆表, 通过机械、化学、生物和生物化学等作用形成的具有工业元素异常或超常富集且可供人类利用与开采的工业矿物或岩石等。多数沉积矿产的形成代表着一种成矿事件。这种成矿事件通常与全球或巨域(地理上洲际的、地质上板块或板块之间的)重大地质事件密切相关或耦合。所谓“ 事件” , 是指具有开始的突发性、过程的短暂性(瞬时性)、结果的突变性(灾变性)的自然或人为过程, 譬如战争、疫情、地震分别是政治事件、卫生事件、自然事件。所谓“ 地质事件” , 是指在地质历史时期发生的具有地质记录的自然事件, 如地震、海啸、风暴(台风或飓风)、生物集群灭绝等。所谓“ 重大地质事件” , 是指全球或巨域发生的、对全球具有重要影响的有地质记录的地质事件, 如古元古代大氧化事件(GOE)(Holland, 2002)、新元古代氧化事件(NOE)(Och and Shields-Zhou, 2012)、新元古代冰室气候事件(Spence et al., 2016; Hoffman et al., 2017)、晚古生代冰室气候事件(Shi and Waterhouse, 2010; Montañ ez and Poulsen, 2013)、造山旋回— 超大陆聚合事件(李三忠等, 2015)、超大陆裂解事件、中生代温室事件(王成善, 2006)、小行星碰撞事件(杜远生等, 2008)、生物集群灭绝事件(沈树忠和张华, 2017)、大火成岩省事件(徐义刚, 2002)等等(图 1)。所谓“ 耦合” , 是指地质事件之间存在的因果关系。上述这些重大地质事件均具有开始的突发性、结果的突变性特征, 虽然有的事件是持续时间较长的事件, 但相对于漫长的地质历史平静期, 也具有一定程度上的过程短暂性, 这些事件相互之间可能也存在密切联系, 甚至是耦合关系(孙枢和王成善, 2009; 王成善等, 2017; Skrimshire, 2019)。

图 1

Fig.1

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	图 1 重大地质事件与大规模沉积成矿作用关系 黄色代表几个重要的成矿事件对应于其他事件; 生物圈事件绿色代表生物爆发, 红色代表生物灭绝; 成矿事件不同颜色代表不同矿种Fig.1 Relationship between major geological events and large-scale sedimentary metallogensis

初步的研究发现, 成矿事件或多或少与地质事件具有密切关系, 甚至存在大规模成矿事件和重大地质事件之间的耦合关系, 即大规模的沉积成矿作用发生于重大地质事件的某一特定时期, 重大地质事件导致的成矿条件发生变化, 促进了沉积成矿事件的发生。本专辑主题为“ 重大地质事件与大规模沉积成矿作用” , 旨在通过沉积矿产与重大地质事件的耦合关系研究实例, 推动矿产沉积学从沉积矿产的应用研究向基础研究方向的延伸。

传统认为, 沉积矿产相对比较简单, 具有稳定的成层性, 分布规模大, 成矿理论简单, 找矿难度不大, 所以一直不太受到重视。但在找矿勘探(尤其是勘查成本高的全隐伏深部找矿)的实践过程中, 钻井见矿率低一直是困扰沉积矿产找矿的尖锐问题。许多沉积矿产找矿勘探基本上处于一种“ 瞎子摸象” 、“ 运气找矿” 的状态, 重要的原因是矿床成因不清、规律不明, 找矿勘探没有科学的理论依据支撑。通过10余年的贵州、广西等地铝土矿、锰矿、磷矿等沉积矿产的研究, 利用沉积学的基本原理和方法, 借助于高精度的样品仪器分析, 基本摸清了这些沉积矿产的分布规律, 为找矿勘探提供了科学依据, 并实现了锰矿、磷矿、铝土矿的重大找矿突破。

值得注意的是, 很多沉积矿产存在时空分布的特异性。

1)沉积型锰矿与裂谷型盆地相关, 此处提出的裂谷型盆地, 是广义的具有伸展性质的盆地, 以区别于严格意义上的裂谷盆地。由于沉积型菱锰矿的形成受氧化还原条件、碱度的控制, 沉积型菱锰矿多形成于较浅的裂谷型盆地中。如非洲西部和南非古元古代(~2.4-2.0 Ga)的菱锰矿矿床, 巴西新元古代Santa Cruz锰矿均形成于陆内裂谷盆地环境(Roy, 1981, 2006; Urban et al., 1992; Beukes et al., 2016)。华南南华纪“ 大塘坡式” 菱锰矿形成于南华裂谷盆地中; 遵义二叠系茅口组“ 遵义式” 菱锰矿形成于与峨眉山地幔柱顶托形成的水城— 遵义裂陷槽(台沟)中; 广西宜州石炭纪“ 龙头式” 菱锰矿形成于丹池— 宜州— 鹿寨裂陷槽(台沟)中; 广西下雷泥盆纪“ 下雷式” 菱锰矿形成于下雷— 东平裂陷槽(台沟)中; 广西柳州— 湖南永州二叠系孤峰组菱锰矿形成于北东向的湘桂裂陷槽中; 重庆城口高燕寒武系菱锰矿形成于扬子地块北缘的大陆边缘裂谷盆地中; 河北冀东中元古代菱锰矿形成于燕辽坳拉槽中; 新疆西昆仑新发现的超大型菱锰矿、东天山石炭纪的景峡菱锰矿带、寒武纪的岩滩— 红柳沟菱锰矿也有学者认为形成于裂陷盆地背景(杜远生等, 2015; Yu et al., 2016; 周琦等, 2016; 张帮禄等, 2018; 刘志臣等, 2019)。很显然, 沉积型菱锰矿与裂谷型盆地存在着成因之间的联系。

2)沉积矿产与深时全球变化也存在时空的相关性。全球古元古代的BIF(Banded Iron Formation, 简称BIF, 即条带状铁建造)形成于全球大氧化事件(GOE)前后; 古元古代锰矿形成于大氧化事件期间(张连昌等, 2012; Wang et al., 2014); 全球前寒武纪2次大成磷事件与分别形成于大氧化事件(GOE)之后、休伦冰期的冰后期和新元古代氧化事件(NOE)、Marinoan冰期之后; 全球新元古代的菱锰矿形成于Sturtian冰期之后间冰期, 或许与新元古代大氧化事件(NOE)存在某种关联; 古特提斯域的石炭纪— 二叠纪的铝土矿形成于晚古生代冰室(LPIA)气候期。很显然, 这些沉积矿产与深时全球变化也存在成因之间的联系。

3)一些沉积矿产呈现“ 条带式” 、“ 中心式” 超常富集特征。条带式分布很明显受沉积成矿环境控制。中心式分布部分受古地貌控制, 如贵州遵义、务正道铝土矿(Weng et al., 2019; Yu et al., 2019a; Li et al., 2020); 部分受深部热液喷溢中心控制, 周琦等(2013)建立的以喷溢中心含沥青充填的气泡状构造块状锰矿石为特色的中心相, 以纹层状矿石为特色过渡相和以含锰页岩为特色的边缘相的相模式, 指导黔东全隐伏深部锰矿获得重大找矿突破, 2014年以来进行的勘查区钻孔见矿率达到了100%。

鉴于上述特异的地质现象和沉积矿产与重大地质事件的联系, 有必要对大规模成矿作用与重大地质事件的关系进行深入探讨。二者仅仅是“ 巧合” 关系, 还是“ 耦合” 关系?这是本专辑关注的主要问题。现以2个实例说明他们之间可能存在的耦合关系。

1)华南湘黔桂毗邻区南华纪“ 大塘坡式” 锰矿与Rodinia超大陆裂解(南华裂谷、深部热液活动)、深时全球变化(Sturtian冰期、冰后期古气候, NOE)的耦合关系。

新元古代是全球重大地质事件和大规模成锰作用的集中爆发期, 包括: (1)Rodinia超大陆旋回, 包括超大陆的聚合(1000 Ma左右)和裂解(820 Ma或720 Ma之后)。(2)新元古代冰室气候事件, 包括2次全球雪球事件(720-654 Ma的Sturtian冰期和640-635 Ma的Marinoan冰期)。(3)新元古代(800-500 Ma)的大氧化事件(NOE)。(4)新元古代大规模成锰事件(720-640 Ma), 全球集中发育一系列沉积型锰矿, 如纳米比亚Otjozondu锰矿、巴西Santa Cruz锰矿、巴西Urucum锰矿、印度Adilaba锰矿(Roy, 1981, 2006; Urban et al., 1992)、华南“ 大塘坡式” 锰矿等(周琦等, 2013)。这些重大地质事件与大规模成矿事件是巧合关系还是耦合关系, 是一个值得探讨的科学问题。

初步的研究表明, 华南新元古代南华纪(成冰纪)锰矿包括内生成矿(以具沥青充填的气泡构造、软沉积变形构造的块状矿石为特色)和外生成矿(以具微生物结构的沉积纹层的矿石为特色)2种矿石类型。“ 大塘坡式” 锰矿的大规模成锰作用与Rodinia超大陆裂解(南华裂谷的形成演化)、新元古代Stuetian冰期— 冰后期的气候波动及新元古代氧化时间(NOE)具有内在联系和耦合关系, 并形成2条耦合线: 一是Rodinia超大陆裂解— 南华裂谷的形成演化— 深部富锰热液喷溢— 内生锰矿形成的耦合线(Wang et al., 2019); 二是Sturtian冰期— 冰后期的气候波动+新元古代氧化事件(NOE)— 海底间歇性充氧— 微生物成矿作用耦合线(Yu et al., 2017, 2019b; Wang et al., 2020)(图 2)。Rodinia超大陆裂解、新元古代冰室气候与NOE之间或许存在成因联系, 此处不再赘述。

图 2

Fig.2

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	图 2 黔东“ 大塘坡式” 锰矿与重大地质事件的耦合关系(据杜远生等, 2020; 有修改)Fig.2 Coupling relationship between major geological events and “ Datangpo type” manganese ore(modified from Du et al., 2020)

2)中国石炭纪— 二叠纪铝土矿与晚古生代冰室气候背景下的海平面变化、古地貌演化、古水文系统、陆表淋滤成矿的耦合关系。

晚古生代冰期(Late Paleozoic Ice Age, LPIA)是地质历史时期全球持续时间最长的一次冰室气候期, 冰盖系统主要位于南半球的冈瓦纳大陆, 具有持续时间长(约120 Ma)、多中心、多旋回特点。受LPIA影响, 全球海平面出现高频次变化。晚石炭世, 南半球的冈瓦纳大陆和北半球的劳俄大陆之间的瑞亚克洋关闭, 形成海西(或华力西)造山带, 并形成了Pangea超大陆的雏形。雏形的Pangea超大陆内部鲜见石炭纪— 二叠纪的铝土矿, 而位于古特提斯洋的中国原生铝土矿发育, 包括贵州的龙里杜内期“ 丰源层” 、黔中— 遵义的韦宪期“ 九架炉式” 、华北的晚石炭世“ 山西式” 、黔北的早二叠世“ 大竹园式” 、广西桂西的中— 晚二叠世之交的“ 合山式” 铝土矿。中国石炭纪— 二叠纪时间上与晚古生代冰室气候吻合, 分别对应于晚古生代冰期的启动期、主冰期(Yu et al., 2019a)。晚古生代冰期时, 华南、华北板块位于古特提斯洋东部近赤道地区, 明显受晚古生代冰期— 间冰期的气候与海平面变化影响(Yu et al., 2019a)。由于受冰期— 间冰期气候波动(温度变化与冰盖消长)的影响, 全球海平面发生高频次大幅升降。当冰期海平面下降时, 造成了古大陆暴露、喀斯特化和岩溶低地貌(漏斗或洼地)的形成, 为铝土矿成矿作用的产生提供了沉积空间。间冰期海平面上升时, 引起陆地被海水淹没, 铝土矿成矿作用停滞或减缓。由于这些地区处于热带辐合带湿热的气候条件, 有利于化学风化形成初始风化的残坡积物, 之后这些风化物质被搬运到喀斯特漏斗和洼地等负地形中形成铝土矿的含矿岩系。由气候波动导致的降雨量变化, 引起地下水水位的旋回性波动, 形成早期含矿岩系的多旋回暴露, 强烈的陆表淋滤作用形成高品质的铝土矿(杜远生和余文超, 2020)。因此, 中国石炭纪— 二叠纪的铝土矿与晚古生代全球冰室气候具有很好的耦合关系(图 3): 冰期海平面下降造成古陆暴露形成成矿空间, 高温、潮湿的气候条件引起强烈的化学风化。旋回性的气候变化导致地下水水位升降引起古水文系统的波动。古水文系统的波动导致旋回性的淋滤作用的产生, 从而形成高品质的铝土矿。

图 3

Fig.3

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	图 3 中国石炭纪— 二叠纪铝土矿与重大地质事件的耦合关系(据杜远生等, 2020)Fig.3 Coupling relationship between major geological events and bauxite deposits from the Carboniferous to Permian in China (after Du et al., 2020)

值得指出的是, 重大地质事件, 包括超大陆旋回事件、深时全球变化, 已经取得大量的研究成果。但以沉积矿产为研究对象, 或与大规模成矿作用相结合, 还处于起步阶段, 积累的研究成果尚不多。本专辑也仅仅提供有限的研究实例, 研究深度也有待提升。但相信本专辑可以起到一个“ 抛砖引玉” 的作用, 能促进更多的专家学者关注矿产沉积学、关注大规模成矿作用与重大地质事件的关系, 探索二者更多的耦合过程, 促进沉积学和矿产沉积学的学科发展。

(责任编辑 郑秀娟)