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(zhì)勘探三隊(duì)，江蘇常州 213017)

0 引言

師砦坳陷為一含石鹽礦資源儲(chǔ)量20多億噸的大型礦床，自1957年以來(lái)，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(jìn)行過(guò)電法勘探80余千米、地震勘探線7條，總長(zhǎng)度22.8 km，施工各類(lèi)鉆孔(井)48個(gè)，累計(jì)完成鉆探工程量49 209.05 m。自2011年實(shí)施勘探以來(lái)，在本區(qū)進(jìn)行了大量工作，完成二維地震測(cè)線10條，鉆孔11個(gè)，采取各類(lèi)樣品2 142件[1]，結(jié)合以往地質(zhì)資料并結(jié)合勘探階段資料，對(duì)本區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1 構(gòu)造特征

師砦坳陷位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(亦稱(chēng)華北地臺(tái))魯西背斜、魚(yú)臺(tái)坳陷的次一級(jí)構(gòu)造—?dú)g口向斜的南翼，是燕山晚期形成的箕狀坳陷[2]，這個(gè)時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為鹽類(lèi)沉積提供盆地的同時(shí)也提供了物質(zhì)來(lái)源，并在適宜的氣候下蒸發(fā)沉積。

魚(yú)臺(tái)坳陷在古生代前，為一復(fù)式向斜構(gòu)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(yùn)動(dòng)使魚(yú)臺(tái)坳陷抬升，并遭受了長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)影響下，太平洋板塊向大陸俯沖，伴隨著一系列的運(yùn)動(dòng)，本區(qū)強(qiáng)烈下沉。特別是在燕山運(yùn)動(dòng)晚期，東西向的豐沛、鳧山斷裂構(gòu)造活動(dòng)有所加強(qiáng)，且又產(chǎn)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(yú)臺(tái)坳陷南翼，為次一級(jí)構(gòu)造單元，其東西走向長(zhǎng)約12 km，南北寬約10 km，主要受東西向構(gòu)造控制。受東西向及南北向次級(jí)斷裂切割，從古近紀(jì)開(kāi)始，構(gòu)造活動(dòng)繼承了燕山期構(gòu)造活動(dòng)的特點(diǎn)，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(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Shizhai depression

師砦坳陷南北兩側(cè)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(cè)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(gè)較封閉的南淺北深的斷陷盆地(師砦坳陷)，并在盆地內(nèi)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(gòu)造(圖2)，其向斜南翼地層平緩，呈單斜構(gòu)造。

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

2 物源特征

如果說(shuō)構(gòu)造為成鹽提供了場(chǎng)所的話，那么鹵水則提供了鹽類(lèi)物質(zhì)來(lái)源。鹵水的來(lái)源地表巖石風(fēng)化、深部古鹵水、海侵[3]。

2.1 風(fēng)化的鹽類(lèi)物質(zhì)

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(chóng)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(wú)口器粉屬I(mǎi)naperturopollenites

麻黃粉屬Ephedripites

山核桃粉屬Caryapollenites

擬樺粉Betulaceopollenitesbitulitus

榆粉屬Ulmipollenites

櫟粉屬Q(mào)uercoidites

楝粉屬M(fèi)eliaceaeoidites

從化石群來(lái)看，師砦坳陷的沉積應(yīng)是湖相而非海相。伴隨著構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，大量地表風(fēng)化的鹽類(lèi)物質(zhì)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(lái)源。

2.2 深部古鹵水

四川三疊紀(jì)鹵水礦床的發(fā)現(xiàn)說(shuō)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(dòng)的循鴛樓斷層或嘉祥支斷層上升，亦可隨巖漿活動(dòng)的通道而上升。坳陷內(nèi)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(fēng)化的鹽類(lèi)物質(zhì)和深部古鹵水兩種途徑所帶來(lái)的鹽類(lèi)物質(zhì)的量遠(yuǎn)非海侵所能及。雖有學(xué)者在鄰近的魚(yú)臺(tái)坳陷發(fā)現(xiàn)了海相介形蟲(chóng)化石[7]， 但師砦坳陷內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)海相生物化石，“近?！辈⒉灰馕吨欢苁芎Ｋ绊慬8]。且有結(jié)論認(rèn)為中國(guó)東部早第三紀(jì)未出現(xiàn)海侵,僅依靠單一的標(biāo)志來(lái)判斷是否發(fā)生海侵,可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論[9]。因此，師砦坳陷排除海侵帶來(lái)物質(zhì)來(lái)源的可能。

構(gòu)造形成的坳陷盆地和源源不斷的鹽類(lèi)物質(zhì)補(bǔ)充，加之炎熱的氣候使本區(qū)長(zhǎng)期處于蒸發(fā)量大于降水量狀況，鹽類(lèi)物質(zhì)就此沉積在坳陷內(nèi)[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(gè)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(jiàn)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(fù)交替組成(圖4)。根據(jù)含鹽沉積旋回、標(biāo)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(gè)鹽群和上鹽亞段(Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)三個(gè)鹽群。每個(gè)鹽群又由2～5個(gè)鹽層組成，整個(gè)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(guān)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(guò)程中一系列控制因素(如地殼運(yùn)動(dòng)、古地理、古氣候等)的周期性變化。

根據(jù)巖石的物質(zhì)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(jí)別。

官莊組下段：紅色，以粉砂巖為主，夾細(xì)砂巖，底部含細(xì)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(xì)砂巖不等厚互層。因此，在垂直剖面上，從上到下，巖性由粗-細(xì)-粗，顏色由紅-黑(深灰)-紅(褐灰)，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)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(jí)韻律中，將各段劃分為Ⅱ級(jí)韻律，那么官莊組中段就是Ⅱ級(jí)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(tuán)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(jī)質(zhì)及鈣質(zhì)，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(xì)砂巖，頂部石膏、硬石膏含量漸少，泥巖增多。

整個(gè)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(jí)含鹽韻律中，將各亞段劃分為Ⅲ級(jí)韻律，那么下鹽亞段、上鹽亞段就是Ⅲ級(jí)含鹽韻律。含鹽地層橫向變化穩(wěn)定，特征明顯，對(duì)比清楚。從下到上：Ⅰ鹽群，含1、2、3工業(yè)鹽層。鹽層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，上部?jī)蓪欲}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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xì)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(lái)，整個(gè)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(fù)出現(xiàn)。本區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)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(gè)Ⅲ級(jí)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(gè)成鹽階段中，存在著或強(qiáng)或弱、或多或少的沖淡作用的影響，即在單個(gè)Ⅲ級(jí)含鹽韻律剖面中，出現(xiàn)厚薄不等的淡化夾層，以此可進(jìn)一步劃分出Ⅳ級(jí)含鹽韻律。

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

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)師砦坳陷構(gòu)造特征研究發(fā)現(xiàn)，師砦坳陷位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(亦稱(chēng)華北地臺(tái))魯西背斜、魚(yú)臺(tái)坳陷的次一級(jí)構(gòu)造——?dú)g口向斜的南翼，是燕山期晚期形成的箕狀坳陷，這個(gè)時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為鹽類(lèi)沉積提供盆地的同時(shí)也提供了物質(zhì)來(lái)源，并在適宜的氣候下蒸發(fā)沉積。

通過(guò)對(duì)師砦坳陷物源特征研究發(fā)現(xiàn)，坳陷內(nèi)鹽類(lèi)物質(zhì)來(lái)源主要是地表風(fēng)化產(chǎn)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(lái)少量物質(zhì)的可能性。

通過(guò)對(duì)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(fù)交替組成，韻律特征十分明顯，坳陷內(nèi)的鹽系地層有Ⅰ—Ⅴ級(jí)韻律特征，每一級(jí)皆由更小的韻律組合而成。