河北省灤縣地區(qū)晚太古代盆地的古構(gòu)造環(huán)境及成因探討

河北省灤縣地區(qū)晚太古代盆地的古構(gòu)造環(huán)境及成因探討

元縣地區(qū)包括元縣、福寧、福隆地區(qū)和盧龍地區(qū)。它是中國東部地震勘探的主要礦區(qū)之一。在變質(zhì)巖系原巖建造特征研究的基礎(chǔ)上,本文根據(jù)火山巖巖石化學(xué)、磁鐵礦氧同位素等方面的資料,初步探討了灤縣晚太古代盆地的古構(gòu)造環(huán)境以及磁鐵石英巖中主要金屬礦物磁鐵礦的原生沉積物的性質(zhì)。從礦物相、巖相、含鐵建造組構(gòu)和層狀特征等方面推斷成鐵盆地的地球化學(xué)環(huán)境。一、變質(zhì)巖系的恢復(fù)區(qū)內(nèi)灤縣群地層分布廣泛,同位素地質(zhì)年齡約20～26億年,屬晚太古代。該群底部以斜長角閃巖為主;下部主要由角閃變粒巖組成,間夾斜長角閃巖等;中部以黑云變粒巖為主,靠上夾數(shù)層磁鐵石英巖薄層;上部為含閃石的磁鐵石英巖,夾有黑云變粒巖、鉀長變粒巖等,是本區(qū)最重要的含礦層位;預(yù)部巖性變化較大,主要為鉀長變粒巖、石英片巖等,局部發(fā)育大理巖,靠下夾薄層磁鐵石英巖。變質(zhì)程度較淺,屬綠片巖～角閃巖相。在研究地質(zhì)產(chǎn)狀、巖石共生組合及巖相學(xué)標(biāo)志的基礎(chǔ)上,處理了139組巖石化學(xué)分析資料。利用A.西蒙南的(al+fm)-(c+alk)對Si、B·莫依納的(Al+Fe+Ti)對(Ca+Mg)和密德莫斯特等圖解以及二組判別分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法恢復(fù)變質(zhì)巖系的原巖。根據(jù)地層層序及原巖恢復(fù)結(jié)果,原巖建造的特征是,底部以基性(玄武質(zhì))火山凝灰?guī)r為主;下部主要為中基性(玄武安山質(zhì))火山凝灰?guī)r間夾基性火山凝灰?guī)r等;中部則出現(xiàn)中酸性(英安質(zhì))火山凝灰?guī)r,靠上夾數(shù)層鐵硅質(zhì)巖薄層;上部是鐵硅質(zhì)巖,夾中酸性火山凝灰?guī)r,凝灰質(zhì)沉積巖等;頂部主要為凝灰質(zhì)沉積巖,局部發(fā)育碳酸鹽巖,靠下夾薄層鐵硅質(zhì)巖。整個層序反映了一個較完整的火山噴發(fā)沉積旋回,自下而上火山作用逐漸減弱,沉積作用逐漸增強(qiáng),由以基性火山巖為主發(fā)展到以凝灰質(zhì)沉積巖為主,鐵硅質(zhì)巖則位于火山凝灰?guī)r向凝灰質(zhì)沉積巖過渡的部位。二、古島弧—晚太古代構(gòu)造環(huán)境本區(qū)火山巖建造里特曼指數(shù)為1.99～2.49,皮科克指數(shù)為56.5,屬非堿性巖系。在FeO*/MgO對SiO2(圖1)和FeO*/MgO對FeO*(圖2)圖上,基性火山巖主要分布在拉斑玄武巖區(qū)(TH),中酸性火山巖主要分布在鈣堿性火山巖區(qū)(CA)。顯然,與許多太古代火山巖一樣,灤縣地區(qū)晚太古代火山巖組合是拉斑玄武巖及鈣堿性火山巖的混合體,其中以鈣堿性火山巖占優(yōu)勢。一般認(rèn)為,大洋中脊和深海洋通常沒有或缺乏中酸性火山巖(角斑巖、石英角斑巖除外),而中性及中酸性火山巖一般多產(chǎn)在島弧區(qū)及貝尼奧夫帶的上面。本區(qū)中酸性火山巖為偏堿性英安質(zhì)凝灰?guī)r而非角斑巖等?；曰鹕綆r中有部分屬島弧拉斑玄武巖。故可推斷本區(qū)晚太古代為島弧環(huán)境。都城秋穗認(rèn)為,雖然TH和CA系列可出現(xiàn)在不同的構(gòu)造背景,TH系列可出現(xiàn)在所有的構(gòu)造背景,如大洋中脊、邊緣海、某些洋島、島弧、活動大陸邊緣和穩(wěn)定大陸；CA系列則主要出現(xiàn)在島弧和活動大陸邊緣。但是,它們的“規(guī)律組合”卻是島弧火山巖的特征。初始島弧只有TH系列,幼年島弧主要由TH系列組成,成熟島弧則由TH+CA系列火山巖組成。從層序上看,本區(qū)上太古界底部以TH系列為主,發(fā)育洋脊深海拉斑玄武巖及部分島弧拉斑玄武巖。中、上部以CA系列為主,隨著島強(qiáng)弧的發(fā)育,CA系列增加TH系列減少以致完全被CA系列所取代,表現(xiàn)了一個典型的島弧漸進(jìn)演化過程。鐵硅質(zhì)建造則形成于島弧漸進(jìn)演化過程的末了。從空間分布上看,TH系列火山巖主要分布在灤縣盆地的北部,CA系列火山巖則廣布于盆地的南部。區(qū)內(nèi)陸源沉積巖很少,且多見于鐵硅質(zhì)建造上部及其上覆巖層,同時巖漿活動也很微弱,僅發(fā)育少量基性巖脈。綜上所述,灤縣盆地當(dāng)時應(yīng)處于遠(yuǎn)離陸塊的島弧的外緣,盆地的北側(cè)是靠近深海溝的洋底環(huán)境,盆地的其他地區(qū)則位于火山島弧外緣的海下部位?？傊?屬于一種島弧—海溝間隙構(gòu)造環(huán)境。在A·M·吉德溫的地殼理想圖(圖3)中,島弧外緣確是一套玄武巖和英安質(zhì)、安山質(zhì)火山巖組合?；鹕綆r的地球化學(xué)特征還可提供關(guān)于構(gòu)造環(huán)境較詳細(xì)的資料。現(xiàn)代弧溝系火山巖巖石化學(xué)成分和震源深度的對比研究表明,島弧火山巖中堿金屬含量與震源深度(貝尼奧夫帶)密切相關(guān)。堿金屬的含量隨震源深度的增加而有規(guī)律地增加。據(jù)此確定已絕跡的古火山弧下面貝尼奧夫帶的深度、走向、傾向,從而推測深海溝的原始位置。從圖4可見,絕大多數(shù)投影點(diǎn)分布在120～250公里之間,平均深度約200公里,與康迪(Condie,1973)方程(貝尼奧夫帶深度=89.3K2O-14.3)所算的平均深度基本一致。結(jié)合張兆忠等推測的消減帶之傾角及古海溝(大致在多倫一樺甸一線,與現(xiàn)在的“內(nèi)蒙地軸”北緣深斷裂相吻合)的位置,圖解得出當(dāng)時的古火山弧大致在灤縣以南100多公里,呈NE77°方向延伸。與成礦物質(zhì)來自遠(yuǎn)源火山活動的結(jié)論一致。弧溝系處于近南北向擠壓應(yīng)力為主的構(gòu)造環(huán)境,這正是灤縣盆地呈NEE—SWW向長條形,區(qū)內(nèi)早期構(gòu)造線方向近東西延展的原因所在。灤縣盆地所處的弧溝間隙構(gòu)造環(huán)境模式如圖5所示?；祥g隙由一系列盆地和隆起構(gòu)成。灤縣盆地就是其中之一。盆地內(nèi)并非所有部位都可成礦,礦層的斷續(xù)分布及其厚度的劇變就是佐證。研究表明,有利成礦部位往往是那些半封閉性的次級小盆地,即所謂的“成鐵盆地”。三、鐵盆地的地球化學(xué)環(huán)境磁鐵礦還原沉積物氧同位素組成與巖石學(xué)因素原生沉積物可指示沉積時的物理化學(xué)環(huán)境。由于磁鐵石英巖是變質(zhì)作用的產(chǎn)物,因些,不能憑借現(xiàn)存礦物直接推測沉積當(dāng)時的物化環(huán)境,必須首先查明磁鐵石英巖的,尤其是作為最主要的金屬礦物一磁鐵礦的原生沉積物的性質(zhì)。據(jù)認(rèn)為,磁鐵石英巖中磁鐵礦可能有三種成因:1.從膠體溶液中沉淀的原始沉積物是氫氧化鐵,經(jīng)脫水形成赤鐵礦,磁鐵礦則是赤鐵礦在成巖作用或變質(zhì)作用過程中的還原產(chǎn)物;2.從離子溶液中沉淀的原始沉積物是菱鐵礦,在稍氧化環(huán)境下,菱鐵礦經(jīng)變質(zhì)作用形成磁鐵礦;3.磁鐵礦和赤鐵礦都被認(rèn)為是原生沉積的或是成巖作用的產(chǎn)物。究竟是磁鐵礦還是赤鐵礦,主要取決于沉積時的Eh、pH、Pco2等物理化學(xué)條件。而且在變質(zhì)作用條件下,它們沒有本質(zhì)變化。菱鐵礦在稍氧化條件下經(jīng)變質(zhì)作用將形成石墨和磁鐵礦的組合。但區(qū)內(nèi)含鐵巖系至今未發(fā)現(xiàn)石墨和磁鐵礦組合,這就排除了磁鐵礦是由菱鐵礦轉(zhuǎn)變而成的可能性,說明磁鐵礦的原生沉積物不是菱鐵礦。那么,磁鐵礦的原生沉積物是赤鐵礦還是磁鐵礦呢?同位素地球化學(xué)提供了解決這問題的途徑。研究成果表明,不同成因類型磁鐵礦的δO18(以下用表示)是不同的。原生沉積的為+1.3～+6.8‰;由鐵碳酸鹽分解形成的較高,達(dá)+11.2‰;由赤鐵礦還原形成的磁鐵礦與原生沉積的赤鐵礦相比,其δO18要低。根據(jù)磁鐵石英巖中磁鐵礦的氧同位素組成推論其原生沉積物氧同位素組成之前,需查明磁鐵礦的原生沉積物形成后,在區(qū)域變質(zhì)作用條件下,氧同位素分鎦的程度問題。一般地說,自然界可測出的明顯的同泣素分餾現(xiàn)象主要是化學(xué)交換過程與生物作用等引起的,其它因素所造成的氧同位素分餾極其微小,只起附加和次要的作用。從表1可見,本區(qū)相對變化較大,變化范圍在—1.3～+7.35‰之間,變化總幅度達(dá)8.65%。司家營南礦區(qū)S—311五個樣品平均值為+6,41‰,司家營北礦區(qū)N10199七個樣品的平均值為+4.27‰,兩地相差2.41‰,反映東水平方向上變化不小,垂直方向即同一鉆孔不同深度樣品δO的差異也不小,平均變化圍約2.44‰,最大者達(dá)4.56‰。這種差異甚至在數(shù)米范圍內(nèi)部有所反映,例如CK283孔6、7兩個樣品,相距僅七米,但其δO竟相差3.51‰。類似情況也見于國外某些礦區(qū),如蘇聯(lián)克里沃羅格和庫爾斯克的δO在不太大的距離內(nèi)變化范圍也很大,前者達(dá)5～12‰,后者為4.6‰。的這種變化說明,在變質(zhì)作用過程中缺乏氧同位素交換的平衡,在遭受變質(zhì)的巖石和大量氧同位素儲存之間幾乎沒有聯(lián)系。區(qū)域變質(zhì)過程中一般與外部貯氧庫,尤其是外部水貯存發(fā)生氧同位素交換。費(fèi)爾霍根等認(rèn)為,變質(zhì)巖的氧同位素組成能很好地指示外界水影響母體沉積巖或火成巖原始組成的程度。R.H·貝克等指出,與其說含鐵建造的最終平衡是在深部水—巖石比很低的基本封閉的體系中發(fā)生的,毋寧說是通過與外界的大型氧貯體進(jìn)行同位素交換的結(jié)果,這種氧貯體可能是大氣降水或地表水補(bǔ)給的。本區(qū)含礦巖系主要是黑云變粒巖或鉀長變粒巖。它們不但是礦層的頂?shù)装鍑鷰r,而且在礦層內(nèi)與磁鐵石英巖呈互層交替出現(xiàn)。組成巖礦石的礦物粒度均很細(xì)小,顆粒間緊密鑲嵌,不利于流體的流動,使流體不可能在礦層中大量集中,阻礙了礦物與外部水發(fā)生同位素交換。區(qū)內(nèi)風(fēng)化淋濾作用微弱,僅發(fā)育于淺部或破碎帶附近,熱液蝕變也很微弱,皆為流體活動微弱的佐證。至于生物作用的影響,由于迄今為止區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有大量生物活動的跡象,故生物作用引起氧同位素分餾的可能性不大。本區(qū)具有單峰對稱正態(tài)分布的特點(diǎn)(圖6),這種分布屬于一種簡單分布,即單一成因總體構(gòu)成的統(tǒng)計(jì)分布,似乎表明磁鐵礦具有以某種單一成為主的特征。初看起來,這和實(shí)際情況相矛盾,因?yàn)橛^今所見的前震旦紀(jì)磁鐵石英巖曾經(jīng)歷原生沉積和后期期變質(zhì)兩個主要階段,是兩種成礦作用的綜合產(chǎn)物。理論上,這樣的磁鐵礦同位素組成分布一般不可能是單峰對稱正態(tài)分布,很可能是多峰非正態(tài)的。筆者認(rèn)為,呈單峰對稱正態(tài)分布,恰好說明磁鐵礦的原生沉積物形成以后,雖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用,但是:磁鐵礦的氧同位素?cái)?shù)值沒有發(fā)生本質(zhì)變化,仍保留了原有氧同位素組成特征。綜上所述,在區(qū)域變質(zhì)作用過程中,本區(qū)磁鐵石什英巖中磁鐵礦氧同位素分餾不顯著,沒有或者很少發(fā)生變化,即使有變化,其波范圍也很窄小,基本上保留了原生沉積物的氧同位素組成,總之,的差異是由原生沉積物的氧同位素值所決定的。因此磁鐵石英巖中磁鐵礦的原生沉積物的氧同位素值也應(yīng)是-1。3～+7.35‰左右。據(jù)統(tǒng)計(jì),59個樣品的平均值μ=14.7‰,均方差σ=1.61‰。在+1.3～6.8‰之間的有54個約占92%,該值與原生沉積的磁鐵礦,赤鐵礦的δO18值一致。根據(jù)氧同位素分餾,一般情況下,氧化使O18增加,還原使O18減少,因此,由赤鐵礦還原形成的磁鐵礦要比赤鐵礦貧O18,即δO18要低于+1.3～+6.8‰,故本區(qū)磁鐵礦的原生沉積物也不可能是赤鐵礦。本區(qū)與國內(nèi)外某些前震旦紀(jì)磁鐵石英巖磁鐵礦氧同位素組成相似(表2),大多集中在0～+7‰之間,據(jù)認(rèn)為這些礦床的磁鐵礦多是原生沉積的。綜上所述,并結(jié)合礦物共生組合、磁鐵礦的標(biāo)型化學(xué)成分、變質(zhì)作用過程中氧呈惰性(緩沖)組分的規(guī)律、前寒武紀(jì)大氣圈、水圈貧氧特點(diǎn)等方面的論證,我們認(rèn)為本區(qū)磁鐵石英巖中磁鐵礦的原生沉積物是磁鐵礦。鐵礦石特征原生沉積物形成時的地球化學(xué)環(huán)境是控制含鐵建造成生的主要因素之一。由于本區(qū)含鐵巖系所遭受的變質(zhì)作用和構(gòu)造變形均較強(qiáng)烈,而且缺乏現(xiàn)代形成的條帶狀鐵硅質(zhì)沉積物,沒有完整的現(xiàn)代模式可用于建立起決定鐵硅質(zhì)沉積物形成時的地質(zhì)參數(shù),從而使復(fù)原鐵硅質(zhì)沉積物沉積時地球化學(xué)環(huán)境的工作復(fù)雜化。我們從以下幾方面對環(huán)境問題加以探討。1.礦物相通過含鐵建造的礦物成份及其組合特征,不同元素的氧化還原狀態(tài)可判斷沉積環(huán)境的地球化學(xué)特點(diǎn)。鐵是變價元素,自然界有Fe2+和Fe3+兩種離子存在,由于介質(zhì)物理化學(xué)條件不同,鐵在沉積時可形成不同的礦物。本區(qū)原生礦物組合是石英、磁鐵礦和鐵的硅酸鹽。以氧化物相為主,硅酸鹽相為次。從鐵礦物的穩(wěn)定范圍(圖7)看出,在很強(qiáng)和較強(qiáng)的氧化環(huán)境下,唯一穩(wěn)定的是赤鐵礦;在還原環(huán)境中,穩(wěn)定礦物可以是黃鐵礦、磁鐵礦與菱鐵礦,溶解硫與溶解CO2的總濃度控制著它們穩(wěn)定場的消長。在高∑CO2與低∑S的條件下,菱鐵礦有著較寬的穩(wěn)定場。磁鐵礦則在堿性(pH≥9),還原性(Eh=0.2～0.8)及CO2分壓低的環(huán)境下形成。2.巖相一定的巖相特點(diǎn),反映其形成時的地質(zhì)特點(diǎn)、物理化學(xué)環(huán)境和演變過程。變火山巖是灤縣群的主要組成部分,含鐵建造與火山巖建造在時間上、空間上、物質(zhì)成分上有著密切的成因聯(lián)系,因此,通過火山巖的巖相特征可指示含鐵建造形成時的地球化學(xué)環(huán)境。據(jù)報道,火山巖石氧化指數(shù)Fe2+/(Fe3++Fe2+)≤0.40的為海相成因火山巖。區(qū)內(nèi)各火山巖平均氧化指數(shù)皆小于0.40。變質(zhì)建造粒度細(xì)小均勻,一般為0.0n～0.3mm,若排除變質(zhì)重結(jié)晶作用,原巖建造粒度就更顯微小。巖石中未見殘留的氣孔、杏仁狀構(gòu)造。另外,鐵礦石中鍺的含量較高,為0.0004%,鍺聚集局部增多是水下火山活動的結(jié)果,反映了遠(yuǎn)源海相火山沉積的環(huán)境。3.含鐵建造的組構(gòu)特點(diǎn)黑白相間分布之條帶狀構(gòu)造是本區(qū)鐵礦石最顯著的特征之一。它們是礦物組分或含量比的變化引起的。由于每礦物只在一定的物理化學(xué)環(huán)境下才穩(wěn)定,所以條帶的更替反映了成鐵盆地物理化學(xué)環(huán)境的周期性交替變化。條帶多以細(xì)紋狀、條紋狀為主,條帶較平直,相互間近于平行,連續(xù)性較好,延伸較遠(yuǎn),這些都表明鐵硅質(zhì)沉積物的沉積是在相對深水環(huán)境下進(jìn)行的。因?yàn)樯畈克畬游飳ζ届o,有利于這種條帶形成。4.含鐵建造層狀特征要形成一個相當(dāng)規(guī)模的礦床需要在較長的地質(zhì)時期間隔內(nèi)有一穩(wěn)定的礦質(zhì)聚集環(huán)境。含鐵建造賦存于中酸性凝灰?guī)r之上,形成于火山噴發(fā)的末了,說明含鐵建造形成于構(gòu)造環(huán)境相對穩(wěn)定的階段。然而穩(wěn)定是相對的,動蕩則是絕對的,穩(wěn)定之中包含著不穩(wěn)定。本區(qū)含鐵建造分上、中、下三個含鐵段。中部含鐵段呈厚層狀且夾層很少,表明成鐵盆地當(dāng)時是穩(wěn)定下沉的環(huán)境,幾乎沒有火山噴發(fā)活動的干擾;而上、下