淮南寒武系土坝组硅质层赋存规律及成因.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:)作者简介:张著(),男,硕士研究生,主要从事水文地质及构造地质研究.通讯作者:许光泉(),男,博士,教授,主要从事水文地质及环境地质研究.淮淮南南寒寒武武系系土土坝坝组组硅硅质质层层赋赋存存规规律律及及成成因因张 著,许光泉,刘晓娟,刘 倩,鲍慧,王 凯(安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南 )摘要:通过野外地质调查,查明硅质层平面和垂向分布,分析了岩样及显微结构特征,总结了地区硅质来源及其成因.结果表明:受长期构造地质运动改造与风化剥蚀,沉积间断,硅质层与上覆贾汪组泥页岩假整合接触,硅质突出,蜂窝状构造较发育;层面硅质条带是早期成岩过程中深源硅质热水裂隙发育形成,沿走向伸展较远,近南北硅质条带由后期陆源黏土矿物转化的溶解硅充填裂隙形成,在垂向上延伸有一定局限性;薄片中大量悬浮交代菱形白云石颗粒,是热液相关的硅化作用的结果,石英颗粒保留有原有白云石颗粒形态,局部残余白云石晶体,具典型热水交代成因特征.关键词:硅质层;赋存;硅质条带;白云石;成因中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:()O c c u r r e n c eR e g u l a r i t ya n dT h e i rO r i g i no fS i l i c e o u sL a y e r i nH u a i n a nC a m b r i a nT u b aF o r m a t i o nZ h a n gZ h u,X uG u a n g q u a n,L i uX i a o j u a n,L i uQ i a n,B a oH u i,W a n gK a i(S c h o o l o fE a r t hS c i e n c ea n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,H u a i n a n,A n h u i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h r o u g hf i e l dg e o l o g i c a ls u r v e y,t h ep l a n ea n dv e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fs i l i c e o u sl a y e r sw e r ei d e n t i f i e d;r o c ks a m p l e sa n dm i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d,a n dt h es o u r c ea n dg e n e s i so fs i l i c e o u s i nt h i sa r e aw e r e s u mm a r i z e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e s i l i c e o u s l a y e r i sd i s i n t e g r a t e dw i t ht h eo v e r l y i n gm u ds h a l eo fJ i a w a n gF o r m a t i o nd u et ot h el o n gt e r mt e c t o n i ca n dg e o l o g i c a lm o v e m e n t,w e a t h e r i n ga n dd e n u d a t i o n T h e s i l i c e o u s l a y e r i sp r o m i n e n t a n d t h eh o n e y c o m bs t r u c t u r e i s r e l a t i v e l yd e v e l o p e d T h es t r a t i f i e ds i l i c e o u sb a n d sw e r e f o r m e db yd e e ps i l i c e o u sh y d r o t h e r m a l f i s s u r e i ne a r l yd i a g e n e t i cp r o c e s s a n de x t e n d e d f a r a l o n gs t r i k e T h e s i l i c e o u sb a n d sn e a rn o r t ha n ds o u t hw e r e f o r m e db y t h ed i s s o l v e ds i l i c e o u s f i s s u r e f i l l e db yl a t et e r r i g e n o u sc l a ym i n e r a l c o n v e r s i o n,a n dh a ds o m e l i m i t a t i o n s i nv e r t i c a l e x t e n s i o n Al a r g en u m b e r o f s u s p e n d e dm e t a s o m a t i cp r i s m a t i cd o l o m i t ep a r t i c l e s a r e t h e r e s u l t o fh y d r o t h e r m a l s i l i c i f i c a t i o n T h eq u a r t zp a r t i c l e s r e t a i n t h eo r i g i n a l d o l o m i t ep a r t i c l em o r p h o l o g ya n d l o c a lr e s i d u a l d o l o m i t ec r y s t a l s,w i t ht y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o t h e r m a lm e t a s o m a t i co r i g i n K e yw o r d s:s i l i c e o u s l a y e r;o c c u r r e n c e;s i l i c e o u sb a n d s;d o l o m i t e;g e n e s i s 引言自 世纪 年代基伍湖和红海海底发现热水沉积物以来,深部热水循环流动与沉积界面的密切联 系 一 直 是 学 者 们 研 究 的 重 点,.B o s t r o mK将热水沉积作用定义为“地球内部热液流体在海、湖盆水体底部形成的化学沉积物或碎屑沉积物”.深部热水携带丰富的成岩物质,在岩层系中多具富硅的属性,简单致密的矿物组成下蕴含丰富的古地理、古环境等地质信息,.冯胜斌等通过分析东秦岭二郎坪群硅质岩地质特征、地球化学特征,认为其具典型热水沉积特征,形成于弧后盆地环境,研究区铜金属矿床与海底热液喷流沉积 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期密切相关.张岩等对降扎铀矿床碳硅泥岩进行地球化学分析,表明硅质岩为典型热水沉积成因,可能形成于陆缘裂谷或裂谷向小洋盆过渡的环境,沉积成岩热水可能为与下伏中酸性火山岩进行水岩反应的深循环海水.肖凡等对龙岩地区晚石炭世经畲组铅锌矿硅质岩岩相学及地球化学分析,发现其为热水沉积成因,是海底热水喷口塌陷作用的产物.可见开展热水沉积研究,对丰富沉积学理论、寻找金属矿床,具有非常重要的理论与现实意义.为此,本文以淮南地质背景资料为基础,结合热水沉积特征,查明硅质层野外地质特征、不同地区硅质层时空分布的差异和镜下矿物组成、结构特征,进而揭示硅质来源及成因,以期填补华北板块南缘地区土坝组硅质层沉积事件的空白.研究区概况 地层与构造淮南煤田地处华北板块南缘,自寒武纪晚期以来经历加里东运动、海西、印支及燕山等多期构造地质运动,使得不同年代老地层覆于原始地层之上,形成南北两侧阜凤逆冲推覆构造带和重力滑覆构造带及中部复向斜构造带,整体呈压性构造特征(图).北部间夹于刘府深断裂与尚塘明龙山断层之间,北西向延伸,呈中窄两侧宽的长条状,断层面上陡下缓,走向近东西,第三系地层较发育,仅东部唐集镇一带,有寒武系地层隐伏发育,并伴有少量花岗岩.中部为淮南扇形复向斜,走向近东西,由朱集背斜、潘集背斜及陆堂背斜等次级褶皱组成,核部为奥陶系、石炭系地层,东侧常坟镇附近,有少量寒武系地层发育,走向近北北西,向斜两翼由石炭二叠系地层组成,被走向逆断层横切,北翼端陈桥背斜一带,晚寒武纪地层较发育,地层平缓,走向近东西.南部主要由舜耕山和八公山岩片组成,构造为走向近EW,倾向S的叠瓦状逆冲推覆.舜耕山岩片发育有裸露寒武系地层,伴有隐伏石炭二叠系夹片,自东向西变薄,倾角变缓,上盘地层产状向南倒转,走向近东西,总体上为向南倾斜的单斜构造,西缘罗山断块,太古界、元古界老地层都有发育,倾角近乎直立;八公山段宽度较大,凤台岩片以震旦二叠系地层为主,中部寒武系地层较发育,走向近东西,倾角较大,南侧八公山断块走向近北东,寒武系地层发育明显,由北向南,倾角逐渐平缓.图淮南煤田基岩地质 区域构造演化早寒武纪(距今亿年),接受震旦纪晚期的古地理轮廓,海水缓慢上升;在霍邱淮南地区,受海水冲蚀,陡峭海崖崩塌,沉积成排列无序的凤台组砾岩.中寒武纪,淮南地区总体处于相对缓慢的下降状态,淮南一带形成局限台地;张夏期海侵明显扩大,淮南地区发育范围广泛的以碳酸盐岩沉积为主的陆表浅海环境.晚寒武纪(距今亿年),华北板块南部台地缓慢抬升,海水下降,发育有白云岩为主的潮上带沉积;蚌埠隆起,上升成陆地,淮南地区成为碳酸盐岩开阔台地和白云岩蒸发台地,形成以白云岩为主的碳酸盐岩地层.张著,等:淮南寒武系土坝组硅质层赋存规律及成因绿色创新研究:工程与技术 硅质层赋存规律松散覆盖层下,土坝组硅质层主要赋存于阜李逆冲断层上盘前缘,部分散落被二叠系地层包裹,总体近东西北西西分布.通过野外地质调查发现,淮南煤田南部八公山舜耕山逆冲推覆构造带舜耕山段,土坝组硅质层出露明显,根据构造特征,可分为舜耕山东南缘、舜耕山中部.平面分布根据野外调查发现,舜耕山段热水活动强度不均,平面上,不同地区硅质层赋存和剖面特征不尽相同(图,表),现详述如下.舜耕山东南缘九龙岗地区硅质层呈肉红、深灰色硅质白云岩,层面中下部伸展较远,层面中部发育有硅质结核显露,与围岩接触不明显,规模较小,面积约 m.九龙岗地区硅质层整体发育程度较高,最大层厚 m,总厚度 m.大通地区硅质层为灰白、深灰色硅质白云岩,层面顶部含多条裂隙充填硅质条带,表面凸出,近南北向延伸,有一定局限性,延伸长度 c m不等,层面中上部内发育有硅质团块出露,与白云岩接触外缘较平滑,规模较大、分散不均,约 m.受舜耕山逆断层推移,有近 m硅质层被构造推覆.整体上大通地区硅质层发育程度较强,最大层厚 m,总厚度 m.图舜耕山土坝组硅质层平面表舜耕山地区硅质层出露情况及剖面特征剖面出露情况走向/倾向/倾角/剖面特征D 贴近庙山段构造作用活跃,硅质层倾角较小,层面受挤压破碎N E ES S E 硅质层中下部新鲜面含大面积黄铁矿D 受后期推覆体挤压、隆升,硅质层海拔较高、倾角较小EWS S E 长期风化剥蚀,蜂窝状构造大量发育T 松散层覆盖,硅质层局部裸露在地表NWWS S W 硅质层局部有溶蚀构造,孔洞发育T 除少部分被第四系松散层覆盖,出露明显,顶底完整NWWS W 硅质层局部有残余白云岩斑块,接触界线清晰T 受舜耕山逆断层 推移,硅 质层近乎直立,总体出露明显NWWS W 硅质层与底部白云岩接触较清晰,顶部与围岩呈过渡的形态J 后期开采,土坝组硅质层主要发育于开采宕口旁,顶面出露清晰NWWS S W 地层抬升、淋漓,溶蚀构造发育,规模较大,层面中下部呈面包状 舜耕山中部洞山地区土坝组硅质层呈肉红、灰白色硅质白云岩,层面中部发育硅质条带,与层面界线接触清晰,相互平行,参差不齐,沿走向延伸,蔓延较远,长度大于 m.受舜耕山段推覆体挤压,贴近庙山地区构造活动剧烈,在土坝组顶部出露有少量硅质白云岩,破碎较薄,发育程度一般较弱,最大层厚 m,总厚度 m.垂向分布通过野外调查,在舜耕山东南缘、中 部段内的典型位置实测了条地质剖面,通过野外数据采集、计算,绘制剖面柱状图,发现在垂向上,不同地区硅质层赋存特征有所不同(图),现详述如下.舜耕山东南缘九龙岗地区土坝组硅质层多厚层状,蔓延较 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期图舜耕山土坝组硅质层系列剖面柱状深,硅质结核呈不规则圆椭圆形串珠状相连,长轴长度 c m不等,下伏 m崮山组泥灰岩,上覆有 m贾汪组泥页岩.大通地区硅质层主要发育在土坝组中上部,多厚层状,灰白硅质条带多呈半穹窿状,局部含少量泥质充填,宽 mm,硅质团块多呈椭圆、块状,大部分为厘米级,呈定向排列,长轴长度 c m,下伏土坝组约 m白云岩,上覆有贾汪组约 m泥页岩.舜耕山中部洞山地区硅质层主要发育于土坝组上部,中厚层状,蔓延较小,发育有互层灰黑硅质条带,两侧边界线不平直,呈断续歪曲状,宽 mm,单层厚度自下而上由厚变薄,部分风化表面灰黑呈糖粒、粗糙,呈蜂窝状构造,下伏约 m结晶白云岩,上覆约 m贾汪组黄绿色薄层泥页岩.采样分析硅质白云岩主要呈灰白、黄白及深灰色,坚硬致密,呈块状构造 图(a)、结晶结构,具贝壳状断口 图(b),发育有互层及近南北硅质细脉 图(c),方解石脉充填,新鲜面橙黄色黄铁矿 图(d),与深部热液作用有一定联系,受长期风化剥蚀,白云质大量流失,硅质突出,呈蜂窝状构造 图(e),遇稀盐酸缓慢起泡或不起泡.依据岩样中碳酸盐矿物、白云石和玉髓自生石英所占百分比,为碳酸盐岩.图舜耕山土坝组硅质层岩样及显微照片张著,等:淮南寒武系土坝组硅质层赋存规律及成因绿色创新研究:工程与技术 分布特征 宏观结构特征硅质层平面分布不均,出露明显,总体呈弧状,走向近东西,与舜耕山断层相向.在垂向上,硅质层厚度较大,主要发育于土坝组中上部,顶部底部常伴有泥页岩、白云岩出露,沉积间断,与上覆贾汪组薄层泥页岩假整合接触.受推覆挤压及隆升剥蚀,自九龙岗至庙山,硅质层表现为东厚西薄的条带状,倾角呈不断减小的趋势.受构造应力的作用,发育多处左行平移断层,硅质层沿断裂面近南北向滑移.微观结构特征显微镜下显示,硅质白云岩为隐晶细晶结构,主要由白云石、隐晶质玉髓及微晶细晶石英组成,薄片中可见大量悬浮交代小颗粒 图(f),粒径约 mm,含扇状硅质矿物隐晶质玉髓,表明处于结核形成初期.经热水活动及重结晶,发育有等轴微晶石英,石英颗粒保留有原有白云石颗粒的形态,局部石英晶体内存留未完全被硅化交代的残余白云石自形晶体 图(g).在不同地区,显微镜下硅质特征有所不同.舜耕山中部薄片中偶见楔形巨晶石英发育,直径 m,热水活动剧烈,针状孔较发育 图(h);舜耕山东南缘硅质层顶部裂隙发育,局部孔洞中充填有微晶石英 图(i),具似圆形轮廓,伴有少量沥青充填,被菱形白云石包裹.硅质来源及成因 硅质来源研究区土坝组硅质层层面中下部新鲜面含大规模黄铁矿,说明S i O的来源主要与深源热液活动密切相关.深部岩浆房热液中硅质矿物沿可渗透的裂隙通道上涌,溶解的S i O可进入海水.此外上覆陆源贾汪组泥岩中黏土矿物被化学分解后也可形成部分S i O,沉积间断,地层抬升、淋漓,可形成溶解硅渗流进入土坝组,多元化成因的S i O汇集,沉积形成土坝组硅质层.成因讨论硅质层的成因与硅质来源、沉积环境及成岩过程等方面密切相关,综合研究区土坝组硅质层分布、宏观微观结构特征及岩石学特征等,笔者认为其具典 型 热 水 交 代 成 因 特 征,主 要 依 据 为如下.()研究区土坝组硅质层均呈层状、似层状产出,多为被交代的岩体,局部岩层中含有残余原岩结构、构造的斑块;在成岩过程中,受围岩固结及交代程度的差异,部分层面有裂隙发育硅质细脉,孔洞充填硅质结核、硅质团块,为热液中硅质矿物充填正常碳酸盐岩的结果.()岩样薄片呈隐晶细晶结构,显微镜下可见大量悬浮交代菱形白云石颗粒,石英颗粒保留白云石颗粒形态,局部有残余白云石自形晶体,这种结构是热液相关的硅化作用和硅的置换作用形成,而非热水硅质饱和凝聚的结果,有较典型的热液交代成因特征;此外,镜下局部孔隙充填微晶石英,被菱形白云石颗粒包裹,表明有一定陆源物质参与.()在垂向上,硅质层颜色逐渐变浅,次生裂隙逐渐发育,暗示S i O含量降低,硅质热水趋渐消退;其间,层面中下部新鲜面多发育黄铁矿出露,与深源岩浆房热液作用有一定联系.()舜耕山东南缘大通剖面土坝组见硅质层与底部白云岩接触关系是突变的,接触界限明显,为典型喷流沉积结果,顶部与围岩邻接线部分地区呈过渡的形态,暗示热水喷流活动逐渐减弱.结论()土坝组硅质层在平面上分布不均,出露较好,总体呈弧状;垂向上,硅质层主要赋存于土坝组中上部,顶部底部常伴有泥页岩、白云岩出露,沉积间断,与上覆贾汪组泥页岩假整合接触,受推覆挤压及隆升剥蚀,自东至西,呈东厚西薄的条带状,倾角为不断减小的趋势.()硅质层硅质发育与热液活动密切相关,在早期成岩过程中,受围岩固结及交代程度的差异,硅质分布不均,部分层面裂隙发育硅质细脉,孔洞充填硅质结核、硅质团块,为热液中硅质矿物充填正常碳酸盐岩的结果.()显微结构分析发现,层面硅质条带是早期成岩过程中深源硅质热水裂隙发育形成,沿走向伸展较远,近南北硅质条带由后期陆源黏土矿物转化的溶解硅充填裂隙形成,在垂向上延伸有一定局限性.()土坝组硅质层野外分布规律、岩石学特征及宏观微观结构特征等显示,具典型热液交代成因特征.即寒武纪晚期,蚌埠隆起,促使基底断裂活化,激发深部岩浆房发育,硅质热水沿地堑、地垒断裂上涌,发生一系列与热液相关的硅化作用.参考文献:陈先沛,高计元,陈多福,等热水沉积作用的概念和几个岩石学标志J沉积学报,():E d m o n d T h eh o t s p r i n go nt h eo c e a n f l o o r sJ S c i e n c e,:(下转第 页)石慧群,等:基于D I n S A R技术的黑山峡地区地表沉降监测研究绿色创新研究:工程与技术 刘国祥,丁晓利,陈永奇,等使用卫星雷达差分干涉技术测量香港赤腊角机场沉降场J科学通报,():姜岩,高均海合成孔径雷达干涉测量技术在矿山开采地表沉陷监测中的应用J矿山测量,():郭山川,侯湖平,张绍良,等 D I n S A R的黄土高原矿区地表形变监测J测绘科学,():成晓倩,马超,康建荣,等联合DI n S A R和P I M技术的沉陷特征模拟和时 序分析J中国 矿 业 大 学 学 报,():W a n gL,D e n gK,Z h e n g M R e s e a r c ho ng r o u n dd e f o r m a t 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