川西早寒武世磷块岩的结构-成因

川西早寒武世磷块岩的结构-成因

西川早寒武世磷矿床位于康滇古陆东侧川滇磷矿床以北。含磷岩系呈北东南西方向延伸数百公里。目前已探明的矿区有会东、金阳、雷波、马边、绵竹等地。富矿体分布于马边、雷波一带。梅树村组含磷岩系由碳酸盐岩、磷块岩、硅质岩及其各种过渡岩石类型组成。从结构-成因观点看,这种岩性系列反映了浅水碳酸盐台地及其边缘的沉积特征。磷块岩本身的结构构造特点与浅水碳酸盐的特点十分相似,反映这两种岩类古沉积环境的相似性。通过对磷块岩岩石学特征的研究,特别是结构构造和成岩环境的研究,表明川西早寒武世梅树村早期磷块岩为干燥炎热气候条件下典型的泻湖一潮坪沉积(图1)。一、黄岩的结构和结构磷块岩结构构造特征的成因意义,已见于许多文献中。这里简单介绍本区常见的结构构造。(一)项目1.制备成纹层的层理构造在会东、金阳、绵竹等地特别发育。条带状构造由暗色磷酸盐岩和白色碳酸盐岩(或硅质岩)呈厘米级的韵律交替而成的层理构造(图版Ⅰ-1)。有时见到磷块岩条带具有向上变细的颗粒粒序层理。毫米级的纹层构造常是由球粒(团粒)的胶磷矿和亮晶白云石交替成纹层排列而成。这与碳酸盐中层纹状构造十分相似。2.致密块结构常与条带-纹层状构造伴随出现,是富矿石常见的构造,几乎全由胶磷矿球(团)粒紧密堆积,并由胶磷矿基质胶结而成。多见于马边、雷波一带。3.斜层理论结构4.眼睛结构多见于含磷岩系中的含磷泥晶白云岩,或团粒磷块岩中,平行纹层中的筛状孔隙为亮晶白云石或细晶白云石充填。这是潮坪地区最发育的构造标志。5.叠层构造内部的裂隙会东淌塘矿区生长有穹状叠层石(SS-C型)。在隐藻组成的泥晶白云岩中见到蓝绿藻丝体。叠层构造的内部有“V”字形干缩裂隙和被方解石亮晶充填的收缩孔穴(图版Ⅰ—2)。这种构造普遍被认为形成于间歇暴露的潮坪环境。会东塘坊见到的叠层构造被强硅化后,形成扭曲的肠状构造,也是潮坪暴露的标志之一。6.检验所增设的孔穴金阳矿区的磷质泥灰岩中由于生物的穿孔和搅动,整个岩石构造变得模糊,而且趋向于均匀化。虫孔构造的下方呈浑圆袋状孔穴,孔内为胶磷矿团粒充填,并为正玉髓胶结(图版Ⅰ-3)。孔穴周围是条带状磷块岩。这种构造有双重意义:首先是虫孔,其次其中充填物受到成岩渗流作用而成类似“渗流砂”的形成机理。其它一些潮间、潮上的暴露标志(如干缩龟裂纹),在磷块岩中也十分常见。在金阳还可找到潮下低能环境的水平层理(其中亦找到小型几丁质的双壳类生物)。(二)碳酸盐岩的形成机制磷块岩的结构特点和碳酸盐岩的颗粒结构类型酷似。碳酸盐岩的凝聚、加积、破碎、搬运、磨蚀等现象在磷块岩中都可找到。根据川西磷块岩的大量薄片观察,其主要结构简述如下:1.对于碱屑的电镜描述砾屑有两种:(1)可塑性竹叶状砾屑。见于会东塘坊矿区之矿石中。处于固结或半固结状态的磷块岩,暴露于潮间或潮上带,干裂收缩成砾屑状,后经潮汐水流反复冲刷而成。最大粒径为7.5毫米,一般2.7毫米,最小为1.5毫米左右。胶结物为碳酸盐、玉髓与石英(图版Ⅰ-4)。电镜图象显示砾屑内部为雏晶碳氟磷灰石组成。(2)长条状砾屑。见于马边、金阳、雷波一带。砾屑成分与胶结物都是胶磷矿,组成富矿石条带。这代表与潮汐作用有关的同生砾屑产物。特别要指出的是这种砾屑内部显示特殊的多角边形胶结作用,形成“网环状结构”(图版Ⅰ-5)。关于它的成因意义将在团粒结构中叙述。2.砂屑胶磷矿、砂屑胶磷矿、砂屑胶磷矿、清坪砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑砂屑胶磷矿砂屑胶磷矿砂屑砂屑胶磷矿砂屑胶磷矿砂屑胶磷砂屑砂屑砂屑砂屑胶磷矿砂屑胶结物为带磷砂屑指认磷质或少量碳酸盐、硅质颗粒呈砂级至粉砂级出现于磷块岩中,是内碎屑磷块岩粒度变化系列中较细粒的一部分。含磷砂屑形状浑圆、次浑圆、次棱角形(图版Ⅰ-6)。由于物质来源不同和沉积条件的差异,各地所见也有区别。会东一带以含磷的粗砂屑为主,夹有少量粉砂岩薄层和陆源砂屑。有机质多集中于砂屑边缘,形成暗色圈。胶结物为泥质与磷质。金阳一带以磷细砂屑为主,砂屑胶磷矿有两种:一种为淡黄色透明度好的砂屑,表面凝胶状陈化裂纹发育,可能由球(团)粒再沉积而成。另一种混入有机质、泥质,呈污浊状,可能由磷质粪团粒再沉积而成。胶结物为泥晶或亮晶白云石,见有针管状磷质生物。马边矿区砂屑粗细混杂。绵竹清坪一带为小的浑圆状粪团粒再沉积。从川西磷矿带分布看,南西段(会东)以砂屑、粉砂屑结构为主,而北东段(马边)砂屑、粉砂屑含量相对减少。3.下地壳下矿层结构粒度较均匀,多数为可塑性,可变形呈长椭圆形。长轴平行沉积底面,密集堆积,并由胶磷矿胶结(图版Ⅰ-7)。是条带状与层状矿石的主要结构。在马边、金阳一带富矿石中见到“网环状结构”。这种结构特点是:在单个团粒边缘都包围一层厚10微米左右的结晶磷灰石包皮,具明显隐晶现象,即孙枢称为“窄圈纤维集晶状碳磷灰石镶边。它与隐晶质团粒形成鲜明的对照。当团粒紧密互相支撑变形拉长时,在一片隐晶质的背景上突出了窄圈镶边。单个镶边变成似菱形、多边形,形成“网环状结构”(图版I-5)。电镜图象揭示其超显微结构与内碎屑磷块岩不同。团粒中心由微晶碳氟磷灰石组成,单晶粒径0.7—2微米。团粒外缘镶边由纤片状碳氟磷灰石组成,纤片层包围团粒表面(图版Ⅰ-8)。从邹采杼等(1965)发表藻磷块岩层中藻体的显微照片看,由藻球(团)粒构成的叠锥构造中具有上述的“网环状结构”,即所谓环壳状结晶磷灰石。这种团粒镶边结构只限于特殊的泻湖环境个别相带中。在一些团粒中见到丝管状挠曲的蓝绿藻丝体(图版Ⅱ-1)。有时为褐黄色粘球形藻(藻体聚集成球形),每个团粒可由几十个藻球集合而成。在马边矿石中存在另一种粪团粒:细小,色暗,富含有机质,是一种生物粪化石。这些现象均说明微生物在聚磷过程中起一定的富集作用。4.矿石结构类型核心为磷质、有机质、碳酸盐矿物、石英与生物碎屑等。同心圆层由胶磷矿与泥质、胶磷矿与碳酸盐交替组成。鲕粒是马边、绵竹、清坪矿区矿石中的主要结构类型。马边矿石中鲕粒同心层清晰,一般7—8层,甚至十几层。这说明环境为动荡浅水(图版Ⅱ-2)。鲕粒壳层扫描图象显示同心层界线清晰,由外圈向核心矿物成分为:碳酸盐一磷酸盐一碳酸盐一磷酸盐交替分布(图版Ⅱ-3)。清坪矿区矿石中鲕粒多为双壳层的薄皮鲕,核心为碳酸盐泥晶,外壳层为磷质薄皮。有的核心为藻磷集合体,外壳为纤片状碳氟磷灰石组成,粒径细小。这说明清坪磷块岩产于低能环境。5.成岩基结构退化与碳酸盐岩中见到的现象相似,磷团粒或鲕粒就地粘结成团块,外圈有磷质环边包壳。团块中混入有机质、泥质和藻斑点,使它污浊不清。有的团块由外向里生长着皮壳状环边,显示出成岩早期磷质富集的可能性。在雷波矿区矿石中团块具暗色圈,胶结物为暗色胶磷矿,表现明显的“结构退化”,是一种典型的滞留沉积(图版Ⅱ-4)。代表簸选带内粗粒物质的缓慢沉积。6.马边、雷波、马边磷酸盐与碳酸盐以化学方式凝聚沉积。多见于马边、雷波等地。在成岩过程中碳酸盐结晶为自形晶,胶磷矿微微结晶分布于碳酸盐矿物粒间,构成磷基结构。7.矿石的生物成分软舌螺富集成层,其原始壳层为胶磷矿,部分或全部壳层为碳酸盐交代。基质为泥晶碳酸盐及硅质。多见于马边矿区的矿石中(图版I-5)。代表正常浅水陆棚沉积。此外,在绵竹矿区矿石中针管状生物密集成层,个体象小软舌螺,外壳为硅质交代,而管内仍保留胶磷矿,长0.1毫米左右。这种生物与卢衍豪《中国寒武纪沉积矿产与“生物-环境控制论”》一书中图版Ⅺ所示的生物一样,构成含磷岩石生物结构。二、细晶磷灰石的表征区内磷块岩中磷酸盐矿物主要为细晶磷灰石,偶见磷铝石、磷锶石。磷酸盐矿物在显微镜下呈隐晶质集合体,构成砾屑、团块、砂屑、鲕粒、团粒、生物外壳及凝胶状磷基等形态的主要成分。颜色有灰白色、灰黑色、棕褐色等。薄的碎片为浅褐色或无色,半透明弱油脂光泽。折光率值(碎屑油浸法)N=1.6253±0.0002(20℃)。不同结构中的细晶磷灰石X衍射分析结果表明主要以碳氟磷灰石的形式存在。根据三件提纯的单矿物的化学全分析结果计算,其分子式应为:Ca5[PO4]3(F,OH,Cl,CO3)其中氟的含量低于标准的碳氟磷灰石。红外光谱证实磷灰石晶格中有存在,说明本区磷块岩中磷酸盐矿物为碳氟磷灰石,部分为中一低碳氟磷灰石(图2)。采用透射与扫描电镜观察结果,磷酸盐矿物超显微结构形态可分为:1.晶体晶体结构2.纤段结构3.纤圆柱形结构4.薄晶结构电镜图象表明,磷酸盐颗粒内部的胶磷矿大部分都已重结晶,转变为细晶磷灰岩,只有少数保存胶体化学沉积特征。三、碳酸盐岩中的几种特殊胶结类型磷块岩中的基质是颗粒间同生沉积的胶磷矿和泥晶白云石、方解石,少量石英、粘土矿物、有机质等。胶结物主要是亮晶白云石、亮晶方解石、玉髓、石英、胶磷矿等组成。其结构有粒状、马牙状、栉壳状、带状、放射状、次生加大等。胶结类型有基底式、孔隙式、接触式和交代式。此外,笔者还找到了反映成岩环境的几种特殊胶结类型:即上述的团粒“网环状结构”。在碳酸盐岩中也有类似的胶结类型。Shinn(1975)描述的等厚纤维状胶结物交会成的多角形边与本类型十分相似,只是成分不同而已。对碳酸盐岩来说,这是一种典型活跃海水潜流带的胶结,是成岩早期潮汐水进入沉积物中进行循环的标志。2.粒屑间等厚环边胶结颗粒堆积的孔隙间,为亮晶方解石胶结,在层状或透镜状潜流层下面的岩层中常见。当团粒磷块岩处于潜流带时,上部的层状潜流水向下渗透充填于粒间孔隙中而成。多见于砂屑磷块岩中。垂直颗粒表面并包围粒间孔隙生长,厚约24—36微米的玉髓环边。这种胶结可能是海水潜流特征,因为在碳酸盐岩海水潜流中常见这种环边结构。但是在我们所研究的标本中(Lw,06),这种玉髓环边与铸模孔共生,而铸模孔常代表淡水溶解和缓慢的交代作用。因为渗流带中的大气水常常是对碳酸钙不饱和的,又含有硅质。因此,粒屑间等厚环边胶结有可能是晚期渗流带中SiO2交代早期海水潜流碳酸盐环边的结果,或者仅代表渗流带中的环边胶结。本区磷块岩中发现硅质矿物。它们的结晶形态有:微晶石英,正、负玉髓和正方形石英等四种。微晶石英紧密镶嵌成硅质层。正、负玉髓呈皮壳状、环边状,常为孔隙胶结物。玉髓的正负光性是由结晶C轴与纤维延伸方向不同来决定的。石英C轴与正方形对角线一致(见ML-19标本)。据R.L.福克和J.S.皮得曼研究1):正延性玉髓代表蒸发环境产物,负玉髓为淡水环境沉积或交代产物。正方形石英在马边矿石中以铸模孔形式存在于鲕粒中,虽然其成因未圆满地解决,但这种石英曾被报道于德国泥盆纪蒸发岩层中,也是蒸发作用的标志。四、微相类型及成岩环境上述材料揭示本区磷块岩沉积于浅水和极浅水的古陆边缘,即是形成于有障壁的浅滩后的泻湖一潮坪及其相邻的浅海陆棚。在具体划分相带时,先根据结构-成因分类将本区磷块岩类型分为:内砾屑磷块岩,砂屑-粉砂屑磷块岩,团粒磷块岩,鲕粒磷块岩,生物碎屑磷块岩,胶状磷块岩等。笔者着重研究了磷块岩结构成因的意义,将本区磷块岩划分出18种微相类型,分别属于深水陆棚,浅水陆棚,潮汐浅滩,滩后泻湖,潮间带,潮上带等6个相带(表1)。一般地说,在每一个矿区的含磷岩系的剖面上都可以观察到由潮下低能带→潮下高能带→潮间→潮上低能的变化系列,即由陆棚→潮汐浅滩→泻湖→潮间→潮上层序。但从微相类型在整个矿带上的空间展布特点来看,西南段(会东矿区)以潮间带和潮上带的微相类型(即微相11—18)比较发育。中段(金阳、雷波、马边等矿区)以潮汐浅滩和潮间带(即微相6—12)比较常见。北东段(峨边、汉源、绵竹、南竹等矿区)以陆棚和潮汐浅滩(即微相1—6)的微相类型比较普遍。通过本区磷块岩微相类型的初步划分,能使我们具体地阐明磷块岩的沉积环境。在陆棚地区以碳酸盐和硅质沉积为主,沉积在此区内的磷质,均处于不稳定状态,在同生和早期成岩阶段遭到溶解作用,因此在此环境中只有弱矿化或矿化消失(图版Ⅱ-5)。潮汐浅滩常是碳酸盐颗粒和磷酸盐颗粒混合沉积地段。在此相带内,因受早期成岩作用的影响,淡水渗流常使磷质颗粒形成铸模孔,致使磷质含量降低。泻湖和潮间带是磷的富集相带,表现为磷质团粒或磷质粪团粒之间的胶结物为胶磷矿。因此成岩作用对磷的富集有利,成为高品位矿石。潮上带磷的沉积作用减弱,碳酸盐化作用加强,成岩早期的碳酸盐化和成岩晚期地表水渗透产生的硅化,对磷的富集非常不利。磷酸盐的成岩阶段包括准同生阶段、早期成岩阶段和晚期成岩阶段。每一阶段都有不同的结构特征和矿物标志。准同生阶段沉积物有胶磷矿基质、泥晶白云石、玉髓、石英等。此阶段在陆棚和潮上带上,海解和陆解都十分强烈。早期成岩阶段发生在沉积物埋藏的初期,沉积物中的孔隙与海水连通,产生粒状、马牙状碳酸盐环边、纤片状碳氟磷灰石镶边和超盐度下形成的正玉髓。晚期成岩阶段形成菱形白云石、亮晶方解石和磷颗粒的铸模孔。渗流带的标志,以顺层硅化作用较为强烈。根据磷块岩的结构构造,胶结物相互交代和结晶世代关系,以及微相类型在剖面上的层序和在空间上的分布特点,我们将本区内磷的沉积区域初步划分出九个带(图3)。众所周知,磷酸盐是干燥气候下的生物化学沉积。其成岩环境的地下水循环的特点是:地表水淡水渗流由于降雨量少而不发育;出现潮上蒸发环境一—潮上盐渍带;地下水活动的方向是向上泵吸的海水。地表水渗流带中磷质和白云质被溶解,负延性玉髓沿水平层理渗透交代。硅化和去白云化现象显著(图版I-4)。潮上盐渍带主要为强烈白云石化,颗粒的铸模孔和正玉髓(图版Ⅰ-3)。潮间海水潜流带出现藻类等微生物钻孔和磷酸盐鲕粒(图版Ⅱ-1,2)。磷质团粒出现镶边,鸟眼构造中常为亮晶白云石(或方解石)充填。活跃海水潜流带出现特殊的磷团粒镶边结构(“网环状结构”,图版Ⅰ-5)。停滞海水潜流带发生在泻湖底层,海水不循环,主要为胶状磷酸盐胶结(图版Ⅰ-7)。地下水潜流带主要标志是硅质铸模孔,方解石粒状环边和新生变形作用。潮汐浅滩上部的渗流带-淡水潜流带主要表现为磷团粒铸模孔,粒间碳酸盐胶结和颗粒的粒状方解石环边(图版Ⅰ-6)。滩外潜流带表现为马牙状粒状白云石环边。陆棚海解带表现为含磷生物和磷质团粒的溶解,并被硅