豐縣師砦坳陷石鹽礦床成礦特征探討

顧扣泉

(江蘇煤炭地質勘探三隊，江蘇常州 213017)

0 引言

師砦坳陷為一含石鹽礦資源儲量20多億噸的大型礦床，自1957年以來，由地礦、化工、煤田等多家地勘單位以找煤、找鉀鹽為目的在師砦坳陷進行過電法勘探80余千米、地震勘探線7條，總長度22.8 km，施工各類鉆孔(井)48個，累計完成鉆探工程量49 209.05 m。自2011年實施勘探以來，在本區(qū)進行了大量工作，完成二維地震測線10條，鉆孔11個，采取各類樣品2 142件[1]，結合以往地質資料并結合勘探階段資料，對本區(qū)進行了詳細研究。

1 構造特征

師砦坳陷位于中朝準地臺(亦稱華北地臺)魯西背斜、魚臺坳陷的次一級構造—歡口向斜的南翼，是燕山晚期形成的箕狀坳陷[2]，這個時期的構造運動為鹽類沉積提供盆地的同時也提供了物質來源，并在適宜的氣候下蒸發(fā)沉積。

魚臺坳陷在古生代前，為一復式向斜構造。至古生代，廣泛發(fā)育了石炭、二疊系含煤地層。古生代中后期，華力西運動使魚臺坳陷抬升，并遭受了長期的剝蝕夷平，致使石炭、二疊系及其以下地層受到了不同程度的破壞。至中生代，在印支、燕山運動影響下，太平洋板塊向大陸俯沖，伴隨著一系列的運動，本區(qū)強烈下沉。特別是在燕山運動晚期，東西向的豐沛、鳧山斷裂構造活動有所加強，且又產生了南北向的嶧山、師砦和嘉祥斷裂，控制了中生代沉積。

歡口向斜，位于魚臺坳陷南翼，為次一級構造單元，其東西走向長約12 km，南北寬約10 km，主要受東西向構造控制。受東西向及南北向次級斷裂切割，從古近紀開始，構造活動繼承了燕山期構造活動的特點，發(fā)育了一系列斜列式的斷塊盆地，師砦坳陷即為其中之一(圖1)。

圖1 師砦坳陷構造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Shizhai depression

師砦坳陷南北兩側為近東西向的區(qū)域性大斷層所控制，在緊鄰北部邊緣的鴛樓正斷層，走向近東西，斷層面南傾，落差大于2 000 m；其南部為豐縣城北正斷層，北升南降，斷層落差大于750 m；東西兩側被師砦斷層和嘉祥支斷層所切割，兩斷層分別為東升西降和西升東降，落差較大，形成一個較封閉的南淺北深的斷陷盆地(師砦坳陷)，并在盆地內保留了含鹽系蒸發(fā)巖地層。根據(jù)最新二維地震資料分析，本區(qū)石鹽礦層主要分布于勘查區(qū)西北部，含鹽系地層總體為一軸向北西西向的向斜構造(圖2)，其向斜南翼地層平緩，呈單斜構造。

圖2 師砦坳陷9鹽層底板構造線圖Figure 2 Halite layer No.9 floor lineament mapin Shizhai depression

2 物源特征

如果說構造為成鹽提供了場所的話，那么鹵水則提供了鹽類物質來源。鹵水的來源地表巖石風化、深部古鹵水、海侵[3]。

2.1 風化的鹽類物質

師砦坳陷的石鹽主要存在于古近系官莊組中段，其化石群主要為輪藻、非海相介形蟲和孢粉。

基士京橫棒輪藻Rhabdocharakisgyonensis

橫棒輪藻 未定種Rhabdocharasp.

哈氏輪藻 未定種Harrisicharasp.

異星介？ 未定種Heterocypris? sp.

網(wǎng)紋中華金星介 相似種Sinocypriscf.reticulata

德氏金星介Cyprisdecaryi

雙束松粉屬Pinuspollenites

單束松粉屬Abietieaepollenites

杉科粉屬Taxodiaceaepollenites

?？似澤挤跿.bockwitzensis

無口器粉屬Inaperturopollenites

麻黃粉屬Ephedripites

山核桃粉屬Caryapollenites

擬樺粉Betulaceopollenitesbitulitus

榆粉屬Ulmipollenites

櫟粉屬Quercoidites

楝粉屬Meliaceaeoidites

從化石群來看，師砦坳陷的沉積應是湖相而非海相。伴隨著構造運動，大量地表風化的鹽類物質被地表徑流帶入坳陷[4]。官莊組中段發(fā)現(xiàn)的官莊組下段的孢粉就可靠地解釋了這一來源。

2.2 深部古鹵水

四川三疊紀鹵水礦床的發(fā)現(xiàn)說明了深部存在古鹵水的可能性[5-6]。

深部的古鹵水可循同期活動的循鴛樓斷層或嘉祥支斷層上升，亦可隨巖漿活動的通道而上升。坳陷內分布著平均厚度12.12 m的巖漿巖，且越往箕狀坳陷的深處(即斷裂交匯處)，巖漿巖厚度也越大(圖3)。

圖3 師砦坳陷控制斷層及巖漿巖等厚線圖Figure 3 Shizhai depression controlling faults and magmaticrock isopach

2.3 海侵

風化的鹽類物質和深部古鹵水兩種途徑所帶來的鹽類物質的量遠非海侵所能及。雖有學者在鄰近的魚臺坳陷發(fā)現(xiàn)了海相介形蟲化石[7]， 但師砦坳陷內尚未發(fā)現(xiàn)海相生物化石，“近海”并不意味著一定能受海水影響[8]。且有結論認為中國東部早第三紀未出現(xiàn)海侵,僅依靠單一的標志來判斷是否發(fā)生海侵,可能會導致錯誤的結論[9]。因此，師砦坳陷排除海侵帶來物質來源的可能。

構造形成的坳陷盆地和源源不斷的鹽類物質補充，加之炎熱的氣候使本區(qū)長期處于蒸發(fā)量大于降水量狀況，鹽類物質就此沉積在坳陷內[10]。

3 韻律特征

官莊組中段主要由灰—深灰色泥巖、硬石膏巖夾石鹽礦層及鈣芒硝巖呈不等厚、互層狀組合而成。綜合分析前人資料和勘探階段鉆井揭露的官莊組中段巖性、巖相組合特征及沉積韻律[11]，特別是鹽層在剖面上和橫向上的變化及分布規(guī)律，可將官莊組中段分為五個亞段(下石膏亞段、下鹽亞段、中部淡化段、上鹽亞段和上石膏亞段)，見表1。含鹽地層自下而上有規(guī)律地由咸化層與淡化層反復交替組成(圖4)。根據(jù)含鹽沉積旋回、標志層特征及工業(yè)要求，共劃分出下鹽亞段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)五個鹽群和上鹽亞段(Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)三個鹽群。每個鹽群又由2～5個鹽層組成，整個上、下鹽亞段共劃分出27層巖鹽。

表1 官莊組中段地層劃分表

從各施工鉆井柱狀及剖面中可以清楚地看到有共生關系的巖性或巖相呈現(xiàn)規(guī)律性組合和交替。它反映本區(qū)含鹽地層在形成過程中一系列控制因素(如地殼運動、古地理、古氣候等)的周期性變化。

根據(jù)巖石的物質巖性、成分、顏色、粒度等特征在垂直剖面上的交替變化，將含鹽地層及鹽礦層劃分為不同的韻律級別。

官莊組下段：紅色，以粉砂巖為主，夾細砂巖，底部含細礫；官莊組中段：深灰色，以泥巖、硬石膏巖為主，夾鹽巖及鈣芒硝巖；官莊組上段：灰-棕灰色、褐灰色，泥巖、粉砂巖、中細砂巖不等厚互層。因此，在垂直剖面上，從上到下，巖性由粗-細-粗，顏色由紅-黑(深灰)-紅(褐灰)，構成一個獨立沉積旋回。沉積環(huán)境總的變化反映了干濕交替環(huán)境下在師砦坳陷中沉積的一套碎屑巖-蒸發(fā)巖建造。

在Ⅰ級韻律中，將各段劃分為Ⅱ級韻律，那么官莊組中段就是Ⅱ級含鹽韻律[12]。

下石膏亞段：紅色、頂部漸變?yōu)榫G灰色及深灰色，巖性為泥巖、粉砂巖，含硬石膏薄層及其團塊，上部多夾硬石膏及少量鈣芒硝巖。

下鹽亞段：灰色、深灰色。鹽巖、泥巖、硬石膏巖、鈣芒硝巖不等厚互層。

中部淡化段：深灰色泥巖、含膏泥巖與淺灰色硬石膏巖不等厚互層，泥巖多含有機質及鈣質，局部有巖漿巖參與。

上鹽亞段：灰色、深灰色。鹽巖、泥巖、硬石膏巖、鈣芒硝巖不等厚互層。

上石膏亞段：淺灰—深灰色。泥巖、石膏巖、硬石膏巖夾粉砂巖、細砂巖，頂部石膏、硬石膏含量漸少，泥巖增多。

整個官莊組中段在垂直剖面上，從下到上，巖性為泥巖—硫酸鹽巖—鹽巖—硫酸鹽巖—泥巖?？偟某练e環(huán)境反映了干旱環(huán)境下古鹽湖從發(fā)生、發(fā)展到消亡，即淡-咸-淡的演化層序。

在Ⅱ級含鹽韻律中，將各亞段劃分為Ⅲ級韻律，那么下鹽亞段、上鹽亞段就是Ⅲ級含鹽韻律。含鹽地層橫向變化穩(wěn)定，特征明顯，對比清楚。從下到上：Ⅰ鹽群，含1、2、3工業(yè)鹽層。鹽層結構簡單，下部1、2鹽層較薄，上部3鹽層較厚，橫向厚度較穩(wěn)定，鹽群底板為深灰色泥巖；Ⅱ鹽群，含4、5、6、7-1、7-3工業(yè)鹽層，鹽層結構簡單，厚度大、橫向變化穩(wěn)定。鹽群底板為灰褐色泥巖；Ⅲ鹽群，含8、9、10工業(yè)鹽層，結構簡單，含鈣芒硝夾石。鹽群底板為紅棕色泥巖，且下部夾一層鈣芒硝巖，上部夾一薄層棕灰色粉砂巖；Ⅳ鹽群，含11、12工業(yè)鹽層，結構簡單，含鈣芒硝夾石。鹽群底板為深灰色泥巖夾硬石膏巖。直接底板為鈣芒硝巖；Ⅴ鹽群，含13、14工業(yè)鹽層。結構簡單，上部鹽層特厚，鹽群下部夾鈣芒硝薄層。鹽群底板為深灰色泥巖與硬石膏薄互層；Ⅵ鹽群，含15、16、17工業(yè)鹽層，簡單結構，上部兩層鹽層薄。鹽群底板為深灰色泥巖與硬石膏厚互層，總厚度大；Ⅶ鹽群，含18、19-1、19-2、19-3工業(yè)鹽層，結構簡單，厚度大，鹽群底板為硬石膏巖及灰紫色泥巖；Ⅷ鹽群，含20、21、22、23工業(yè)鹽層，結構簡單，各鹽層厚度僅次于14鹽層，鹽群底板厚度大，為深灰色泥巖與硬石膏巖互層，其中部夾厚層淺灰色粉、細砂巖。

圖4 師砦坳陷含鹽地層沉積旋回Figure 4 Sedimentary cycles of halite-bearing strata in Shizhai depression

總的看來，整個含鹽地層，在垂向上，從下到上，由泥巖、硫酸鹽及石鹽巖的組合形式重復出現(xiàn)。本區(qū)地殼運動的周期性交替，物源供給的間歇性以及季節(jié)的干濕交替使沉積環(huán)境發(fā)生周期性變化，這種沉積環(huán)境的變化造成了成鹽作用的階段性，以此可分出八個Ⅲ級含鹽韻律(圖5)。

圖5 含鹽地層含鹽韻律劃分示意圖Figure 5 Schematic diagram of halite-bearing strata rhythmic unit division

每個成鹽階段中，存在著或強或弱、或多或少的沖淡作用的影響，即在單個Ⅲ級含鹽韻律剖面中，出現(xiàn)厚薄不等的淡化夾層，以此可進一步劃分出Ⅳ級含鹽韻律。

Ⅴ級韻律基本上是由一個鹽層及其頂、底板淡化層組成的簡單析出鹽周期，可看成是基本含鹽韻律。

4 結論

通過對師砦坳陷構造特征研究發(fā)現(xiàn)，師砦坳陷位于中朝準地臺(亦稱華北地臺)魯西背斜、魚臺坳陷的次一級構造——歡口向斜的南翼，是燕山期晚期形成的箕狀坳陷，這個時期的構造運動為鹽類沉積提供盆地的同時也提供了物質來源，并在適宜的氣候下蒸發(fā)沉積。

通過對師砦坳陷物源特征研究發(fā)現(xiàn)，坳陷內鹽類物質來源主要是地表風化產物，存在深部古鹵水循斷裂或巖漿巖通道上升的可能，而排除海侵帶來少量物質的可能性。

通過對師砦坳陷韻律特征研究發(fā)現(xiàn)，含鹽地層自下而上有規(guī)律地由咸化層與淡化層反復交替組成，韻律特征十分明顯，坳陷內的鹽系地層有Ⅰ—Ⅴ級韻律特征，每一級皆由更小的韻律組合而成。