古地理为探矿工作之指南.pdf

文章编号 1671 1505 2001 04 0001 09 古地理为探矿工作之指南 3 原著 谢家荣 翻译 张宏远 邵龙义 校正 张鹏飞 谢学锦 冯增昭 中国矿业大学 北京校区 资源开发工程系 北京100083 中国地质科学院地质研究所 北京100037 石油大学 北京 北京100083 摘要 本文以煤 铝土矿 磷酸盐岩以及铜和铁等矿产的赋存规律为例说明了古地理分析在矿 产预测及勘探中的指南作用 新淮南煤田的发现证明了古地理解释的关键作用 煤田的类型与古 地理背景有密切的联系 古地理条件控制煤层的化学性质 物理性质以及煤田的经济价值 钙红土 型铝土矿床的展布明显受古地理控制 古地理条件也是控制磷酸盐岩分布规律的重要因素 宣龙 式铁矿赋存于震旦纪海盆的古海岸线之上 宁乡式铁矿主要分布于晚泥盆世海侵的古滨岸或近滨 带附近 正确理解古地理特征对勘探铜矿亦是至关重要的 关键词 古地理 沉积矿床 煤 铝土矿 磷酸盐岩 铜铁矿床 作者简介 谢家荣 著名矿床地质学家 1898年9月6日生于上海市 1966年8月14日卒于北 京 曾任地质调查所北京分所所长 中山大学 中央大学 北京大学 清华大学教授 全国地质工作指 导委员会副主任 地质部地矿司总工程师 地质部普查委员会常务委员兼总工程师 中国科学院学部 委员 中国地质学会理事长等职 第一译者简介 张宏远 男 1977年生 2000年毕业于中国矿业大学 徐州 获工学学士学位 现为中国矿业大学 北京校区 硕士研究生 主要从事沉积学和构造地质学研究工作 本刊主编的话 谢家荣先生是我国第一位公开提出 古地理为探矿工作之指南 的地质学家 实践证明 古地理为探矿工作之指南 这一命题是正确的 这就是本文的重要历史意义和现实意 义 鉴于此 我接受韩德馨院士的建议 请邵龙义教授和他的高足张宏远硕士生把此文译成中文 张鹏飞教授 谢家荣先生之子谢学锦院士和我均参与了译文的审校和修改工作 谢学锦院士还写信 对译者和本刊表示感谢 现把此译文在本刊刊出 既是对谢家荣先生在古地理学中的历史贡献的肯 定和尊重 也是对当今古地理学的发展和创新的促进 更是对古地理学在各种矿产资源预测及勘探 工作中的指导作用的示范 我想 广大读者会欢迎这篇有重要历史意义和现实意义的译文刊出的 中图分类号 P531 文献标识码 A 一 引 言 古地理学研究的目的之一是对地球历史进行地质解释 它建立在矿物学 地层学 构造地 3 本文为作者在1947年11月16日在台北召开的中国地质学会第23届年会前夕的理事长学术报告 刊于中国地质学会 志 1948年 第28卷 第1 2期 第1 11页 原文为英文 收稿日期 2001年6月11日 第3卷 第4期 2001年11月 古 地 理 学 报 JOURNAL OF PALAEOGEOGRAPHY Vol13 No14 Nov12 0 0 1 质学 古生物学 自然地理学 岩相学 矿床学等学科基础之上 其实 所有的地质科学分支都 可用于古地形的研究和解释 人们可以借助化石和沉积记录在大范围内追索各地质年代的海陆分布 并且利用大地构 造学及自然地理学等学科解释古山系的形成和分布 详细的地质填图及其对地质现象的解 释 可以使我们得到任何地质历史时期的复杂而精妙的知识 如海岸线的走向 海洋深度 水系 的模式 湖沼的分布等 将今论古 地质学家正是这样从丰富的岩石记录中 在合理的精度范 围内 得出不同地质历史时期的古地理特征 由于古地理是各种沉积岩形成的基本条件 并且煤 石油 铝土矿 磷酸盐岩以及沉积铜铁 矿床都是沉积岩的一部分 因此古地理知识将对这些矿产的研究和勘探提供极大的帮助 岩 浆成因的金属矿床大都与岩浆活动和地壳变动有关 反之 岩浆活动和地壳变动又常常受到古 地理环境的制约 因此古地理的研究也能对亲岩浆矿床的位置和产状研究提供一些思路 一些欧美学者已对古地理与矿床之间的密切联系作了很好的说明 然而在经济地质学的 中文文献中 这一有意思的学科尚未受到足够的重视 笔者近期在对中国沉积矿床研究中 收 集了许多古地理控矿的典型例子 这些古地理因素如能被正确认识 它们就能成为探矿工作 的指南 下面就对这些典型的例子进行阐述 二 古地理是发现新淮南煤田的关键 淮南含煤盆地位于安徽省北部 以其采煤历史悠久著称 迄今为止 不论是地质学家还是 采矿工程师都只知道在舜耕山一带有煤以及舜耕山北侧20 km处的上窑一带有少量劣质煤 根据构造地质背景 曾认为在舜耕山和上窑两个煤田之间 应是一个大型含煤盆地 但煤层埋 深可能很大 抗战期间 日本人做的地震勘探也证实了这个推断 该地震勘探资料表明煤层可 能位于地下1000 m左右 在个别地点煤层可见于地下500 m 据我所知 到目前为止 人们还 未曾想到在舜耕山一带还会发现新的可采煤田 1946年夏 笔者应淮南采矿和铁路公司之邀对位于舜耕山和上窑之间的盆地进行了地质 调查 我在查阅了研究区地质文献后 认为在其西部可能找到一个隐伏煤田 这个煤田即现 在的八公山煤田 该煤田走向为NW SE 它和走向为NEE SWW的舜耕山交汇成一个典型 的弧形构造 在煤田西北侧发育有奥陶纪石灰岩 地层向东部平原倾斜 八公山向西北一直 延伸到凤台地区 向北跨进淮河平原30 km 即可见到一座孤立的小山丘 即明龙山 从明龙 山向东再穿越淮河平原30 km就是上窑山地 该山地构成了巨大的淮南复向斜的北翼 这一 地区的这个大型盆地构造控制着其中的二叠纪煤系的沉积范围 随后的调查中又揭示了一处 乌拉尔阶石灰岩的连续露头 该石灰岩层被看作是煤系的基底 在舜耕山煤矿的井下所发现 的这一石灰岩层距其上覆的最下一层煤仅20 30 m 这一地层学证据并结合古地理和构造 解释 足以使笔者相信 在八公山东北部平原地区 有可能找到一个隐伏煤田 笔者已经向淮 南采矿和铁路公司提出了钻井建议 该公司业已在8月下旬开始施工 施工人员用了不到10 天时间 就在29 m深处的冲积层下 钻到一层316 m厚的煤层 到现在写本文时 已钻到总共 24层煤层 煤层累计厚度已达3819 m 现在已经确定这个新煤田的长度为815 km 已勘探面 积超过了煤田总面积的一半 均证实有煤 新煤田煤炭的储量约为6 10 8 吨 这一数字大约 相当于舜耕山煤矿煤炭储量的6倍 这是一个近水平产状和舒缓倾斜煤层的待开发处女煤 2古地理学报 2001年 田 这与老煤田的急陡倾斜乃至倒转的岩层形成鲜明对照 通过以上介绍 我们可以看到如何借助古地理解释并结合地层学和构造地质学的知识 来 发现全新的具有巨大经济价值的煤田 牢记这一相同的古地理背景特征 我们今后就会在这 个缺少勘探资料的含煤盆地中找到更多的新煤田 这个盆地横跨淮河南北两岸 可称为大淮 南盆地 三 中国煤田的类型与古地理特征 对中国煤系的详细地层学研究可以提供形成煤层的古地理条件的线索 正确地理解这些 古地理条件具有重要意义 因为它不仅能解释煤田的定位和展布 还能为确定煤质和煤田经济 价值提供依据 众所周知 中国北方主要含煤岩系为乌拉尔阶的太原统 3 二叠纪的山西统和石盒子统 太原统除了砂岩 页岩 煤层外 通常还夹有5层以上厚度从不足1 m到9 m的石灰岩层 煤层通常跟海相层密切相关 并且总是位于海相层之下 这表明每次海退之后都紧跟着新一 轮的基底沉降和新一轮的海侵 这种旋回多次地重复出现 沼泽形成之后的海侵使得已堆积 的植物体免遭破坏从而形成煤层 太原统煤虽然与其上覆的山西统煤在层数上相当 但太原统煤层只是偶尔能达到可采厚 度 这些可采煤层产于如下地区 辽宁南部的五虎寺 山西中部的太原和阳泉 临城 以及山东 南部的沂县 太原统煤的典型特征是含硫量通常超过1 甚至可达5 以上 与其他统的煤 相比 它的挥发分也较高 另一方面 山西统和石盒子统实际上不含海相夹层 它们完全由砂岩和页岩夹20多层煤 层构成 其中部分煤层达到了可采厚度 煤的含硫量一般较低 不超过1 这一点与太原统 煤差别较大 后者的含硫量通常在1 以上 山西统煤和石盒子统煤在煤质特征上有明显区别 到目前为止还没有找到 仅在安徽北 部 江苏北部和山东南部的煤田中 山西统中有一层优质的炼焦煤 石盒子统中有一层劣质的 炼焦煤 综上所述 太原统煤层显然代表了一种海平面不断摆动 海水不断入侵的低位的滨海沼泽 相沉积 换言之 它是一种近海型煤 另一方面 山西统和石盒子统的煤层沉积相几乎都属于 陆相 即属于湖沼型煤 这种煤是秦岭以北 华北和华中地区的高产煤 在华南二叠纪煤系中 也相应地发现了近海型和湖沼型两种不同类型的煤 这一煤系称 作乐平统 其中 根据黄汲清先生的研究 可区分出近海型的周塘 音译 统 Choutang series 和 湖沼型的篱笆沟 音译 统 Leipagou series 周塘统主要由燧石 页岩 灰岩 少量砂岩夹多达 7 9层的煤层组成 但仅少数几层煤可采 周塘统的煤和太原统的煤相似 通常是高硫 高挥 发分的 并且可能富含孢子体 角质层 藻类等物质 与此相反 篱笆沟统主要是陆相沉积 包括砂岩 页岩 煤层 并且在部分地方存在下伏砾 岩基底 其中普遍发育繁盛的大羽羊齿植物群 煤层数很多 从下至上都有发育 许多煤层达 到了可采厚度 这种煤常含硫很低 不超过1 3 本文中出现的 统 都是作者写文章时使用的术语 3第4期 谢家荣 古地理为探矿工作之指南 近海型的煤有较高的含硫量 这与理论背景是一致的 例如 Schuchert的研究结果就显示 硫总是存在于海相草沼中 而在淡水沉积中几乎不存在 云南东部和贵州西部的煤田反映出煤盆地由湖沼型向近海型过渡的特点 云南东部的煤 田常有丰厚的低硫煤 并有繁盛的大羽羊齿植物群 这里完全没有海相夹层 在贵州西部 即 水城东部或威宁一带 含腕足类等动物化石的海相层开始在煤系中出现 煤的含硫量从1 向 东增加到5 在贵州中部的贵阳附近甚至达8 事实上 研究区西部滨岸木本沼泽相和东 部海水草沼泽相之间的界线可以追索出来 图 1 图1 云南和贵州煤田的分布及其与古地理特征的关系 Fig11 Distribution of coal fields in Yunnan and Guizhou Provinces and their relation to palaeogeography 综上所述 古地理与煤田类型有密切的联系 这种联系可反过来影响煤层的化学性质 物 理性质以及煤田的经济价值 全面正确的理解这种联系对勘探实践具有极其重要的帮助 四 古地理控制铝土矿的分布 中国铝土矿床的成因和种类划分是国家资源委员会矿产测勘处开展的一项大规模研究项 目 现在已经取得满意结果 总体上讲 就是划分了两种类型的沉积 即再沉积成因的钙红土 型铝土矿 Terra2rossa Type 和残积成因的砖红土型 Lateritic Type 再沉积的钙红土型铝土矿 广泛分布于辽宁 河北 山东 山西 直到苏皖北部 在中国西南地区 这种铝土矿也广泛分布于 滇中和黔中一带 这些沉积主要赋存在石炭 二叠系的几个层位上 主要由硬水铝石及某些 4古地理学报 2001年 图2 贵州和云南地区已知铝土矿产地及其展布范围 Fig12 A sketch showing the known localities of bauxite in Guizhou and Yunnan and their possible extension 1 平越 今福泉 黄丝 2 贵阳王比 3 贵阳云雾山 4 修文王官 5 修文扎佐 6 清镇新店 7 黔西西溪 8 宜良卢塘 9 昆明大板桥 10 安宁草铺 11 富民 含有一水软铝石的高硅矿石组 成 目前所知残积型铝土矿仅分 布于福建南部 但它也可能向西 南扩展到雷州半岛 海南岛等地 因为那里有着相似的地质和古气 候条件 滇黔地区所有重要的铝土矿 都赋存于下石炭统的底部 它们 或覆盖于厚层状奥陶纪白云质灰 岩之上 如贵州中部 或覆盖于 陆相泥盆系和海相石炭纪石灰岩 之上 如云南东部 在贵州中部 铝土矿床总厚 度为10 15 m 其上部是6 m多 厚的低 中品位的铝土矿 中部 和下部是2 3 m厚的高品位铝 土矿 而最下部又是低品位的铝 土矿 这样 我们就可以粗略地 得到这层铝土矿的化学成分垂向 变化规律 在云南中部 铝土矿 产状要复杂得多 看不出化学成 分的变化规律 滇黔两地铝土矿的原始物质很显然是奥陶纪石灰岩在志留纪 泥盆纪期间遭受长期风化 剥蚀而成的厚层状钙红土 在随后的石炭纪海侵过程中 这种钙红土就沿着浅水区域以铝土 矿的形式沉积下来 因此 如果能够绘出一张滇黔地区古地理图来展示志留纪 泥盆纪古陆 分布以及石炭纪的海侵范围 那么志留纪 泥盆纪古陆与石炭纪浅海交接的地带就应是铝土 矿的理论上的分布区 图2已勾绘出了这一理论分布区 令人吃惊的是 所有黔中已知的铝 土矿床都分布在这一带状的理论分布区内 在贵州西部 由于这个带状分布区延伸到了大方 和毕节的西部 所以可以预测该地也应赋存铝土矿 根据同样的古地理条件 图2也揭示出云 南中部铝土矿床可能的延展范围 综上所述 古地理特征显然在很大程度上控制着中国钙红土型铝土矿床的展布 运用这 一理论 我们可以在未知地区预测并发现新的铝土矿 五 古地理是磷酸盐岩形成的先决条件 尽管云南当地的农民在很早以前就用磷酸盐岩做肥料 但是中国的地质学家直到1926年 才了解到这里有磷酸盐岩矿床 并且直到1938年以后对磷酸盐岩矿床才有了较系统的研究 目前 云南中部已有8个磷酸盐岩矿床产地 他们离昆明市都不远 这些矿床均位于寒武系底 部 接近于震旦系 寒武系界面 均呈层状产出 矿层厚度从2 m到7 m不等 矿石主要矿物 5第4期 谢家荣 古地理为探矿工作之指南 图3 中国磷酸盐矿床的分布及其与 前寒武纪古陆的关系 Fig13 Map showing distribution of phosphate deposits in China and its relation to Pre2Cambrian oldland 成分为碳磷灰石 其中部分已重结晶成碳羟 磷灰石 矿石品位一般较高 其P2O5含量超 过35 磷酸盐岩显然是一种浅水沉积 主要沿 着与结晶岩体 磷的发生源 相邻的早寒武世 古海岸线发育 位于云南中部 四川西南部 中南半岛北部等地的结晶片岩极有可能构成 了当时的古陆 沿着这条片岩带 早寒武世 海侵扩展到云南 贵州 四川和广西等地 所 有这些磷酸盐岩都沿着或接近早寒武世古海 岸线分布 图3大体上反映了这些情况 矿产测勘处的成员最近发现了一个全新 的磷酸盐矿床 该矿床位于安徽省北部的凤 台县 呈层状产出 其矿物成分与西南地区磷 酸盐矿床的矿物成分相同 即碳磷灰石和碳 羟磷灰石 事实上 这一新的磷酸盐矿床正 是云南中部的同类矿床在其东北方向2000 km以外地区的再现 但是 凤台县的矿石的 品位相当低 其P2O5的平均含量只有20 左 右 矿石的主要杂质是硅 而云南的矿石则 是一种磷酸盐化的石灰岩 安徽北部的这一 矿床位于古秦岭地轴的北部边界上 因而也 代表了一种早寒武世的海岸线沉积 根据黄 汲清的研究 早寒武世的古地理格局由北侧 的秦岭古陆 南侧的江南古陆及中间的一个 狭窄的海峡组成 因为江南古陆在贵州东部 向南转向 所以这个海峡是向湖北西部 贵州 北部加宽的 假如磷酸盐岩确实代表晚寒武世的海岸线沉积的话 那么磷酸盐岩将会在贵州 东部和江西北部 九江附近 的古海岸线处找到 因为在这两地的震旦 寒武系界线出露良好 新矿床可能在秦岭古陆北部的滨岸地带 即在皖西和豫东一带找到 在这条古山系南侧的浦 口和宿县等地 可能发现相同的磷酸盐矿床 出露于浦口附近的这种石灰岩层 或多或少是含 磷的 其时代很可能是震旦纪 它标志着震旦纪海已开始磷酸盐化 类似的现象在云南的震旦 纪石灰岩中也能见到 由此可以看出 若要更好地理解磷酸盐矿床的分布特点 特别是为了勘探和发现新的矿 床 首先要考虑的应当是古地理因素 六 沉积铁矿床和铜矿床及其与古地理的关系 中国的沉积铁矿床见于多个地质时代 其中两个最主要的铁矿床的地质时代是震旦纪和 6古地理学报 2001年 晚泥盆世 前者称宣龙式铁矿 后者称宁乡式铁矿 宣龙式铁矿赋存于河北北部的宣化龙关地区 河北南部的井陉地区以及山西南部的静乐 地区 连接这3个地区的一条曲线就代表了震旦纪海盆的古海岸线 该海盆是大型震旦纪石 灰岩建造的沉积场所 宁乡式铁矿主要分布于湖南的东部和北部 江西的西部 湖北的西南部 陕西的南部 很可 能在甘肃东南部某些地区也有分布 这些已知矿点的连线可以大体上反映晚泥盆世海侵的古 滨岸或近滨带位置 铁矿石在浅水环境中沉积比较有利 在该带以东地区很少见或缺失泥盆 纪海相沉积物 如将该曲线与葛利普的晚泥盆世海侵的古地理图对照 将会发现两者具有惊 图4 宜龙式和宁乡式铁矿分布与古地理的关系 Fig14 Relation of palaeogeography to the distribution of iron deposits of Xuanlong and Ningxiang types 人的相似性 图 4 该线以西的地区 如新化和安化地区 尽管也都发现了宁 乡式铁矿沉积 但其沉积厚度已变得很 薄 这说明该地区已逐渐向深海环境过 渡 使得铁矿难于形成 在四川会理西南的卢昌 有著名 的铜矿床 该矿床至少部分是沉积成因 的 根据唐 孙 郭 尹等人的研究 该矿 床以辉铜矿为主 含有少量黄铜矿 斑铜 矿以及其他一些氧化铜矿物 该矿床赋 存于砾岩层中 该砾岩层穿插在可能是 白垩纪的巨厚红层之中 矿石品位很 低 最高的大约有5 由于会理红层 铜矿床厚度大 展布有规律 面积大 因 而该矿床值得系统的勘探 关于该矿床的成因 人们意见不一 究竟矿床是在贫瘠的内陆盆地直接沉积 而成 还是在多孔的砾岩层内由寒冷地 下水环流沉积而成 需要在将来的研究中去解决 但可以明确指出的是 铜的最终来源必然是 会理盆地周围山地中大量出露的东川型原生铜矿 很可能 直接沉积作用和地下水的环流浓 缩作用共同起作用并最终形成这个令人感兴趣的矿床 如果以上的解释是合理的 那么砾岩中的矿层及其富集在很大程度上取决于盆地的古地 形及其周围山地地形等因素 了解古地下水位的变化规律也是很重要的 因为这将有利于认 识地下水对铜矿的次生浓缩和富集作用 理论上 富矿层应赋存于有东川型矿石出露且以崎 岖陡峭地形为主的地带 即在有利于快速侵蚀作用发生的地带 富矿体也应赋存于古水系出 口处 内部拐弯处或水流受到障碍的地方 因为正是在这些地方 古河道水流受到阻挡 从而有 利于铜矿颗粒的沉积 总之 在未来勘探未知铜矿过程中 对会理盆地古地理有一个清楚的认 识是至关重要的 7第4期 谢家荣 古地理为探矿工作之指南 参考文献 Chao C H1The Fengtai phosphate deposit1Manuscript 1947 Hsieh C Y1Coal fields and coal mining industry in China a general survey1Contributions to Economic Geology No12 Mineral Exploration Bureau 1944 Hsieh C Y1Origin of the Chinese bauxite deposits1Contributions to Economic Geology No12 Mineral Exploration Bureau 1944 Hsieh C Y1How the new Hwainan Coal Field was discovered1Manuscript 1947 Hsieh C Y1The discoveryof the Fengtai phosphate rock deposits General China in Chinese 1Monthly News Mineral Exploration Bureau No177 July 1947 Huang T K1The Permian Formations of Southern China1Geol1Surv1China1Ser1A No110 1932 Lee J S1The geology of China1London Thomas Murby Co1 1939 Lee J S Chao YT1Classification and correlationof Palaeozoic coal2bearingformations in China1Bull1Geol1Soc1China 1926 5 2 107 134 PALAEOGEOGRAPHY AS A GUIDE TO MINERAL EXPLORATION Xie Jiarong C1Y1Hsieh Translated by Zhang Hongyuan Shao Longyi Revised by Zhang Pengfei Xie Xuejin Feng Zengzhao Department of Resources Development Engineering China University of Mining Technology Beijing Beijing100083 Institute of Geology Chinese Academy of Geological Sciences Beijing100037 University of Petroleum Beijing Beijing100083 Abstract Taking coal bauxite phosphate rock sedimentary copper and iron ores etc1 as ex2 amples this paper has demonstrated the use of palaeogeographic interpretation in prediction and explora2 tion of sedimentary deposits1The discoveryof the New Huainan Coal Field proves that a clear understand2 ing of the palaeogeography is of great help for the discovery of new coal fields1There is a close relation2 ship between palaeogeography and typesof coal fields1The palaeogeographic conditions control the chemi2 cal and physical propertiesof coal seams as well as the economic value of coal fields1Palaeogeography has determined the distribution of the Chinese bauxite of the terra2rossa type1The distribution of the phosphate rock also follows the palaeogeographic trend1The iron deposits of Xuanlong type is mainly distributed along the old shoreline of the Sinian basin1The iron deposits of Ningxiang type mainly occurs along the old shoreline or nearshore zone of the Late Devonian transgression1A clear understanding of the palaeo2 geography should be of paramount importance in the future exploration of the hitherto little known copper deposits1In conclusion palaeogeography can be taken as a guide to mineral exploration1 Key words palaeogeography sedimentary deposits coal bauxite phosphate rock iron and copper deposits About the author Xie Jiarong C1Y1Hsieh a famous geologist working on mineral deposits was born in Shanghai on Sep16 1898 and died in Beijing on Aug114 19661He graduated from the 8古地理学报 2001年 Geological Institute of the Agriculture Business Ministry in 1916 and obtained a Master of Science Geology degree at Wisconsin University in 19201During