重大地質(zhì)事件與大規(guī)模沉積成礦作用(代序言)*

杜遠(yuǎn)生 周 琦 張連昌 余文超

1 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074 2 自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州貴陽 550081 3 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，貴州貴陽 550004 4 中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

沉積礦產(chǎn)是形成于沉積盆地或陸表，通過機(jī)械、化學(xué)、生物和生物化學(xué)等作用形成的具有工業(yè)元素異?；虺８患铱晒┤祟惱门c開采的工業(yè)礦物或巖石等。多數(shù)沉積礦產(chǎn)的形成代表著一種成礦事件。這種成礦事件通常與全球或巨域(地理上洲際的、地質(zhì)上板塊或板塊之間的)重大地質(zhì)事件密切相關(guān)或耦合。所謂“事件”，是指具有開始的突發(fā)性、過程的短暫性(瞬時(shí)性)、結(jié)果的突變性(災(zāi)變性)的自然或人為過程，譬如戰(zhàn)爭(zhēng)、疫情、地震分別是政治事件、衛(wèi)生事件、自然事件。所謂“地質(zhì)事件”，是指在地質(zhì)歷史時(shí)期發(fā)生的具有地質(zhì)記錄的自然事件，如地震、海嘯、風(fēng)暴(臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng))、生物集群滅絕等。所謂“重大地質(zhì)事件”，是指全球或巨域發(fā)生的、對(duì)全球具有重要影響的有地質(zhì)記錄的地質(zhì)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)、新元古代冰室氣候事件(Spenceetal.,2016；Hoffmanetal.,2017)、晚古生代冰室氣候事件(Shi and Waterhouse，2010；Montaez and Poulsen，2013)、造山旋回—超大陸聚合事件(李三忠等，2015)、超大陸裂解事件、中生代溫室事件(王成善，2006)、小行星碰撞事件(杜遠(yuǎn)生等，2008)、生物集群滅絕事件(沈樹忠和張華，2017)、大火成巖省事件(徐義剛，2002)等等(圖 1)。所謂“耦合”，是指地質(zhì)事件之間存在的因果關(guān)系。上述這些重大地質(zhì)事件均具有開始的突發(fā)性、結(jié)果的突變性特征，雖然有的事件是持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的事件，但相對(duì)于漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史平靜期，也具有一定程度上的過程短暫性，這些事件相互之間可能也存在密切聯(lián)系，甚至是耦合關(guān)系(孫樞和王成善，2009；王成善等，2017；Skrimshire，2019)。

黃色代表幾個(gè)重要的成礦事件對(duì)應(yīng)于其他事件；生物圈事件綠色代表生物爆發(fā)，紅色代表生物滅絕；成礦事件不同顏色代表不同礦種圖 1 重大地質(zhì)事件與大規(guī)模沉積成礦作用關(guān)系Fig.1 Relationship between major geological events and large-scale sedimentary metallogensis

初步的研究發(fā)現(xiàn)，成礦事件或多或少與地質(zhì)事件具有密切關(guān)系，甚至存在大規(guī)模成礦事件和重大地質(zhì)事件之間的耦合關(guān)系，即大規(guī)模的沉積成礦作用發(fā)生于重大地質(zhì)事件的某一特定時(shí)期，重大地質(zhì)事件導(dǎo)致的成礦條件發(fā)生變化，促進(jìn)了沉積成礦事件的發(fā)生。本專輯主題為“重大地質(zhì)事件與大規(guī)模沉積成礦作用”，旨在通過沉積礦產(chǎn)與重大地質(zhì)事件的耦合關(guān)系研究實(shí)例，推動(dòng)礦產(chǎn)沉積學(xué)從沉積礦產(chǎn)的應(yīng)用研究向基礎(chǔ)研究方向的延伸。

傳統(tǒng)認(rèn)為，沉積礦產(chǎn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，具有穩(wěn)定的成層性，分布規(guī)模大，成礦理論簡(jiǎn)單，找礦難度不大，所以一直不太受到重視。但在找礦勘探(尤其是勘查成本高的全隱伏深部找礦)的實(shí)踐過程中，鉆井見礦率低一直是困擾沉積礦產(chǎn)找礦的尖銳問題。許多沉積礦產(chǎn)找礦勘探基本上處于一種“瞎子摸象”、“運(yùn)氣找礦”的狀態(tài)，重要的原因是礦床成因不清、規(guī)律不明，找礦勘探?jīng)]有科學(xué)的理論依據(jù)支撐。通過10余年的貴州、廣西等地鋁土礦、錳礦、磷礦等沉積礦產(chǎn)的研究，利用沉積學(xué)的基本原理和方法，借助于高精度的樣品儀器分析，基本摸清了這些沉積礦產(chǎn)的分布規(guī)律，為找礦勘探提供了科學(xué)依據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了錳礦、磷礦、鋁土礦的重大找礦突破。

值得注意的是，很多沉積礦產(chǎn)存在時(shí)空分布的特異性。

1)沉積型錳礦與裂谷型盆地相關(guān)，此處提出的裂谷型盆地，是廣義的具有伸展性質(zhì)的盆地，以區(qū)別于嚴(yán)格意義上的裂谷盆地。由于沉積型菱錳礦的形成受氧化還原條件、堿度的控制，沉積型菱錳礦多形成于較淺的裂谷型盆地中。如非洲西部和南非古元古代(～2.4-2.0iGa)的菱錳礦礦床，巴西新元古代Santa Cruz錳礦均形成于陸內(nèi)裂谷盆地環(huán)境(Roy，1981，2006；Urbanetal.,1992；Beukesetal.,2016)。華南南華紀(jì)“大塘坡式”菱錳礦形成于南華裂谷盆地中；遵義二疊系茅口組“遵義式”菱錳礦形成于與峨眉山地幔柱頂托形成的水城—遵義裂陷槽(臺(tái)溝)中；廣西宜州石炭紀(jì)“龍頭式”菱錳礦形成于丹池—宜州—鹿寨裂陷槽(臺(tái)溝)中；廣西下雷泥盆紀(jì)“下雷式”菱錳礦形成于下雷—東平裂陷槽(臺(tái)溝)中；廣西柳州—湖南永州二疊系孤峰組菱錳礦形成于北東向的湘桂裂陷槽中；重慶城口高燕寒武系菱錳礦形成于揚(yáng)子地塊北緣的大陸邊緣裂谷盆地中；河北冀東中元古代菱錳礦形成于燕遼坳拉槽中；新疆西昆侖新發(fā)現(xiàn)的超大型菱錳礦、東天山石炭紀(jì)的景峽菱錳礦帶、寒武紀(jì)的巖灘—紅柳溝菱錳礦也有學(xué)者認(rèn)為形成于裂陷盆地背景(杜遠(yuǎn)生等，2015；Yuetal.,2016；周琦等，2016；張幫祿等，2018；劉志臣等，2019)。很顯然，沉積型菱錳礦與裂谷型盆地存在著成因之間的聯(lián)系。

2)沉積礦產(chǎn)與深時(shí)全球變化也存在時(shí)空的相關(guān)性。全球古元古代的BIF(Banded Iron Formation，簡(jiǎn)稱BIF，即條帶狀鐵建造)形成于全球大氧化事件(GOE)前后；古元古代錳礦形成于大氧化事件期間(張連昌等，2012；Wangetal.,2014)；全球前寒武紀(jì)2次大成磷事件與分別形成于大氧化事件(GOE)之后、休倫冰期的冰后期和新元古代氧化事件(NOE)、Marinoan冰期之后；全球新元古代的菱錳礦形成于Sturtian冰期之后間冰期，或許與新元古代大氧化事件(NOE)存在某種關(guān)聯(lián)；古特提斯域的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)的鋁土礦形成于晚古生代冰室(LPIA)氣候期。很顯然，這些沉積礦產(chǎn)與深時(shí)全球變化也存在成因之間的聯(lián)系。

3)一些沉積礦產(chǎn)呈現(xiàn)“條帶式”、“中心式”超常富集特征。條帶式分布很明顯受沉積成礦環(huán)境控制。中心式分布部分受古地貌控制，如貴州遵義、務(wù)正道鋁土礦(Wengetal.,2019；Yuetal.,2019a；Lietal.,2020)；部分受深部熱液噴溢中心控制，周琦等(2013)建立的以噴溢中心含瀝青充填的氣泡狀構(gòu)造塊狀錳礦石為特色的中心相，以紋層狀礦石為特色過渡相和以含錳頁巖為特色的邊緣相的相模式，指導(dǎo)黔東全隱伏深部錳礦獲得重大找礦突破，2014年以來進(jìn)行的勘查區(qū)鉆孔見礦率達(dá)到了100%。

鑒于上述特異的地質(zhì)現(xiàn)象和沉積礦產(chǎn)與重大地質(zhì)事件的聯(lián)系，有必要對(duì)大規(guī)模成礦作用與重大地質(zhì)事件的關(guān)系進(jìn)行深入探討。二者僅僅是“巧合”關(guān)系，還是“耦合”關(guān)系？這是本專輯關(guān)注的主要問題?，F(xiàn)以2個(gè)實(shí)例說明他們之間可能存在的耦合關(guān)系。

1)華南湘黔桂毗鄰區(qū)南華紀(jì)“大塘坡式”錳礦與Rodinia超大陸裂解(南華裂谷、深部熱液活動(dòng))、深時(shí)全球變化(Sturtian冰期、冰后期古氣候，NOE)的耦合關(guān)系。

新元古代是全球重大地質(zhì)事件和大規(guī)模成錳作用的集中爆發(fā)期，包括：(1)Rodinia超大陸旋回，包括超大陸的聚合(1000iMa左右)和裂解(820iMa或720iMa之后)。(2)新元古代冰室氣候事件，包括2次全球雪球事件(720-654iMa的Sturtian冰期和640-635iMa的Marinoan冰期)。(3)新元古代(800-500iMa)的大氧化事件(NOE)。(4)新元古代大規(guī)模成錳事件(720-640iMa)，全球集中發(fā)育一系列沉積型錳礦，如納米比亞Otjozondu錳礦、巴西Santa Cruz錳礦、巴西Urucum錳礦、印度Adilaba錳礦(Roy，1981，2006；Urbanetal.,1992)、華南“大塘坡式”錳礦等(周琦等，2013)。這些重大地質(zhì)事件與大規(guī)模成礦事件是巧合關(guān)系還是耦合關(guān)系，是一個(gè)值得探討的科學(xué)問題。

初步的研究表明，華南新元古代南華紀(jì)(成冰紀(jì))錳礦包括內(nèi)生成礦(以具瀝青充填的氣泡構(gòu)造、軟沉積變形構(gòu)造的塊狀礦石為特色)和外生成礦(以具微生物結(jié)構(gòu)的沉積紋層的礦石為特色)2種礦石類型。“大塘坡式”錳礦的大規(guī)模成錳作用與Rodinia超大陸裂解(南華裂谷的形成演化)、新元古代Stuetian冰期—冰后期的氣候波動(dòng)及新元古代氧化時(shí)間(NOE)具有內(nèi)在聯(lián)系和耦合關(guān)系，并形成2條耦合線：一是Rodinia超大陸裂解—南華裂谷的形成演化—深部富錳熱液噴溢—內(nèi)生錳礦形成的耦合線(Wangetal.，2019)；二是Sturtian冰期—冰后期的氣候波動(dòng)+新元古代氧化事件(NOE)—海底間歇性充氧—微生物成礦作用耦合線(Yuetal.,2017，2019b；Wangetal.,2020)(圖 2)。Rodinia超大陸裂解、新元古代冰室氣候與NOE之間或許存在成因聯(lián)系，此處不再贅述。

圖 2 黔東“大塘坡式”錳礦與重大地質(zhì)事件的耦合關(guān)系 (據(jù)杜遠(yuǎn)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)中國石炭紀(jì)—二疊紀(jì)鋁土礦與晚古生代冰室氣候背景下的海平面變化、古地貌演化、古水文系統(tǒng)、陸表淋濾成礦的耦合關(guān)系。

晚古生代冰期(Late Paleozoic Ice Age，LPIA)是地質(zhì)歷史時(shí)期全球持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一次冰室氣候期，冰蓋系統(tǒng)主要位于南半球的岡瓦納大陸，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(約120iMa)、多中心、多旋回特點(diǎn)。受LPIA影響，全球海平面出現(xiàn)高頻次變化。晚石炭世，南半球的岡瓦納大陸和北半球的勞俄大陸之間的瑞亞克洋關(guān)閉，形成海西(或華力西)造山帶，并形成了Pangea超大陸的雛形。雛形的Pangea超大陸內(nèi)部鮮見石炭紀(jì)—二疊紀(jì)的鋁土礦，而位于古特提斯洋的中國原生鋁土礦發(fā)育，包括貴州的龍里杜內(nèi)期“豐源層”、黔中—遵義的韋憲期“九架爐式”、華北的晚石炭世“山西式”、黔北的早二疊世“大竹園式”、廣西桂西的中—晚二疊世之交的“合山式”鋁土礦。中國石炭紀(jì)—二疊紀(jì)時(shí)間上與晚古生代冰室氣候吻合，分別對(duì)應(yīng)于晚古生代冰期的啟動(dòng)期、主冰期(Yuetal.,2019a)。晚古生代冰期時(shí)，華南、華北板塊位于古特提斯洋東部近赤道地區(qū)，明顯受晚古生代冰期—間冰期的氣候與海平面變化影響(Yuetal.,2019a)。由于受冰期—間冰期氣候波動(dòng)(溫度變化與冰蓋消長(zhǎng))的影響，全球海平面發(fā)生高頻次大幅升降。當(dāng)冰期海平面下降時(shí)，造成了古大陸暴露、喀斯特化和巖溶低地貌(漏斗或洼地)的形成，為鋁土礦成礦作用的產(chǎn)生提供了沉積空間。間冰期海平面上升時(shí)，引起陸地被海水淹沒，鋁土礦成礦作用停滯或減緩。由于這些地區(qū)處于熱帶輻合帶濕熱的氣候條件，有利于化學(xué)風(fēng)化形成初始風(fēng)化的殘坡積物，之后這些風(fēng)化物質(zhì)被搬運(yùn)到喀斯特漏斗和洼地等負(fù)地形中形成鋁土礦的含礦巖系。由氣候波動(dòng)導(dǎo)致的降雨量變化，引起地下水水位的旋回性波動(dòng)，形成早期含礦巖系的多旋回暴露，強(qiáng)烈的陸表淋濾作用形成高品質(zhì)的鋁土礦(杜遠(yuǎn)生和余文超，2020)。因此，中國石炭紀(jì)—二疊紀(jì)的鋁土礦與晚古生代全球冰室氣候具有很好的耦合關(guān)系(圖 3): 冰期海平面下降造成古陸暴露形成成礦空間，高溫、潮濕的氣候條件引起強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化。旋回性的氣候變化導(dǎo)致地下水水位升降引起古水文系統(tǒng)的波動(dòng)。古水文系統(tǒng)的波動(dòng)導(dǎo)致旋回性的淋濾作用的產(chǎn)生，從而形成高品質(zhì)的鋁土礦。

圖 3 中國石炭紀(jì)—二疊紀(jì)鋁土礦與重大地質(zhì)事件的 耦合關(guān)系(據(jù)杜遠(yuǎn)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，重大地質(zhì)事件，包括超大陸旋回事件、深時(shí)全球變化，已經(jīng)取得大量的研究成果。但以沉積礦產(chǎn)為研究對(duì)象，或與大規(guī)模成礦作用相結(jié)合，還處于起步階段，積累的研究成果尚不多。本專輯也僅僅提供有限的研究實(shí)例，研究深度也有待提升。但相信本專輯可以起到一個(gè)“拋磚引玉”的作用，能促進(jìn)更多的專家學(xué)者關(guān)注礦產(chǎn)沉積學(xué)、關(guān)注大規(guī)模成礦作用與重大地質(zhì)事件的關(guān)系，探索二者更多的耦合過程，促進(jìn)沉積學(xué)和礦產(chǎn)沉積學(xué)的學(xué)科發(fā)展。