峨眉地幔柱與西南(貴州)晚二疊世成煤條件及成煤區帶劃分探討

劉遠輝,鄧克勇,陳啟飛

(1.貴州省地質礦產勘查開發局,貴州 貴陽 550004;2.貴州省地質調查院,貴州 貴陽 550081)

貴州煤資源豐富,素有“江南煤?！敝Q。含煤面積約7.75×104km2,占全省面積的44%。主要分布在務川—貴陽—羅甸一線以西地區。截至2022年12月底統計,查明資源儲量845.22億t,其中保有資源儲量803.79億t(貴州省自然資源廳,2023),超過了江南12省(區、市)之和,位居全國第5位。

貴州省含煤地層由老至新有石炭系下統祥擺組(C1x),二疊系中統梁山組(P2l),二疊系中—上統峨眉山玄武巖組(P2-3em)、宣威組(P3x)、龍潭組(P3l)、長興組(P3c)、吳家坪組(P3w),三疊系上統把南組(T3b)、火把沖組(T3h),三疊系—侏羅系二橋組(T3J1e),新近系中新統翁哨組(N1w)。其中以晚二疊世含煤地層分布范圍最大,查明資源儲量769.30億噸,占全省查明資源儲量的98.92%,保有資源儲量744.34億噸,占全省保有資源儲量的99.09%。

聶愛國等(2011)、邵龍玉等(2021)、唐顯貴等(2012,2013)、貴州省煤田地質局(1994,2011)等對貴州晚二疊世煤炭形成環境、古地理及聚礦規律等開展了較多研究,但對峨眉地幔柱重大地質事件與西南地區大規模成煤作用聯系起來進行研究較少,本文以貴州地區為例,進行一些探索研究。

1 峨眉地幔柱事件

地幔流體的深部對流循環并不斷聚集能量過程中,形成地幔熱柱并在某種外力作用下向上運移。貴州大地構造上位于特提斯與濱太平洋構造域交匯部位(秦建華等,1996),在地質構造演化過程中經歷了武陵構造運動、雪峰—加里東構造運動、華力西—印支—燕山構造運動、喜馬拉雅及新構造運動等四個構造旋回期(《中國區域地質志·貴州志》編輯委員會,2017)。區域造山構造運動促進地幔熱流體(地幔熱柱)上涌并使巖石圈變薄、隆起、斷裂,引發幔源巖漿沿地殼斷裂帶噴溢并與地殼發生同化混染形成峨眉山玄武巖。巨量的玄武巖漿沿貴州以西的牛首山古陸兩側溢出,構成分布在我國西南部川滇黔的峨眉大火成巖省,在貴州省內的分布面積約為30 000 km2。玄武巖漿的噴發不論是陸相還是海相,主要發生在揚子板塊隆升階段,首先噴發于康滇古陸兩側,噴發的主要時代為陽新世(中二疊)晚期—樂平世(晚二疊)早期(劉家鐸等,2004)。

貴州處于峨眉大火成巖省的東部,據《中國區域地質志·貴州志》(2017),境內海西期巖漿活動均表現為大陸板內為主導的巖漿活動。由若干個呈放射狀分布的次級地幔亞熱柱組成的峨眉地幔熱柱的上涌,導致地殼拉伸變薄、裂陷直至玄武巖漿大噴溢。在貴州西部出現早期以沿彌勒—盤縣—貴陽、水城—紫云、埡都—納雍、黑土河、龍吟等斷裂帶不連續的中心式爆發為主,中期轉為裂隙式泛流,分布的玄武巖被覆蓋面積約30 000 km2(圖1),構成大陸溢流石英拉斑玄武巖的主體,最后以爆發—溢流交替結束火山噴發,同時還伴有巖漿淺成侵位,形成潛火山相輝綠巖。

圖1 貴州地區峨眉山玄武巖組等厚線及含煤段分布略圖(據《中國區域地質志·貴州志》,2017,修編)

2 峨眉地幔柱事件地質環境效應與大規模成煤作用探討

峨眉地幔柱事件系列地質環境效應與大規模成煤的作用主要體現在三個方面:一是以張裂斷陷作用轉變為以巖漿上涌后期效應熱流傳遞為主的隆升作用,使中泥盆世—中二疊世陸內斷陷盆地轉變為晚二疊世規模較大的被動大陸邊緣盆地;二是峨眉地幔柱引發了大規模的巖漿噴溢,形成了西部玄武巖高原。大面積噴溢的玄武巖漿對晚二疊系沉積基底的“填平補齊”作用,改變了晚二疊世之前北高南低的古地勢,形成晚二疊世由西向東傾斜、西高東低的古地勢,奠定了貴州晚二疊世沉積盆地格局,即由原近東西向的臺—盆格局轉變為晚二疊世北北東向相帶展布的沉積格局;三是峨眉地幔柱事件產生了強烈溫室效應,使大氣圈二氧化碳濃度升高,改變了晚二疊世的氣候,形成有利于植物生長繁茂的森林生態環境,為聚煤成煤提供了豐富的木本。

2.1 構筑了極為有利的聚煤盆地

峨眉地幔柱事件形成了分布于西南地區的晚二疊世大型被動大陸邊緣盆地。盆地基底由北西向南東傾斜,與之對應的由南東向北西的振蕩性海水進退,形成由北西向南東由陸相→海陸交互相→海相有規律的沉積相分布(圖2)。陸相區主要分布于威寧—水城一帶,為河流沉積,沉積亞相主要為曲流河、網狀河、湖泊和沼澤;海陸交互相區分布于習水、仁懷、金沙、織金、六枝、興義一帶,總體呈北東向展布,沉積亞相主要有河控三角洲平原、河流潮汐雙重控制過渡帶三角洲平原、潮控下三角洲平原、瀉湖、潮坪等,受河流和海洋潮汐的雙重影響,沉積物既有河流攜帶的陸源碎屑,也有海侵期沉積的泥巖和灰巖,原生沉積構造,既有河流作用形成的各種交錯層理,又有潮汐波浪作用形成的潮汐層理,植物化石和海相動物化石混生,是晚二疊世最主要的成煤區,該相區查明煤炭資源儲量占晚二疊世總量的94.54%,其中六盤水和織納地區是晚二疊世的兩個聚煤中心;海相區分布于遵義、息烽、貴陽、平壩、貞豐一線以東地區,沉積亞相有局限臺地、開闊臺地、臺地邊緣生物礁、深水盆地等(表1)。

表1 貴州晚二疊世沉積體系、沉積相和沉積類型

圖2 貴州省晚二疊世巖相古地理圖(據《貴州省煤炭資源潛力評價》,2011,修編)

2.2 形成有利植物生長繁茂的生態環境

貴州石炭世—早二疊世時期,受全球冰室效應的影響,氣候復雜多變。冰室效應之后全球氣溫開始回升,南半球冰川開始溶化,海平面開始上升。中二疊世棲霞時期開始大規模海侵至茅口時期最大,貴州全境淪為海,中二疊世晚期地殼隆升,海水退至南部的紫云—水城裂隙槽一帶,貴州大部分地區成陸遭受剝蝕。隨后,峨眉地幔熱柱產生的強烈火山作用及其溫室效應,使大氣圈二氧化碳濃度升高,形成晚二疊世氣候炎熱、多雨、潮濕的熱帶、亞熱帶雨林區,噴發的火山灰和溢出的玄武巖帶來的微量元素,利于形成植物生長繁殖的沃土,形成有利植物生長繁茂的生態環境,以蕨類植物為代表的華夏植物群極為繁茂,為成煤提供了豐富的木本。

2.3 形成有利成煤植物聚集環境

前述晚二疊世由西向東傾斜、西高東低的沉積基底,與由南東向北西的海水進退,為植物的生長與遺體的堆積、搬運沉積和保存創造了條件。海水的振蕩性進退導致多期次的植物遺體堆積—搬運—沉積—保存—泥炭化,為晚二疊世大面積分布的復煤層的形成提供了物質基礎。海退期陸生植物生長和繁盛,海進期在陸源沉積和海水的雙重作用下,大量堆積的高等植物遺體搬運至三角洲—潮坪以及淺海等有利沉積環境,被淹沒、覆蓋,經泥炭化作用形成泥炭,經煤化作用成煤。

在陸相區宣威組(圖3a)和海陸交互相區龍潭組(圖3b),煤層層數等值線走向與海水進退方向大致垂直,而海相區吳家坪組(圖3c)不明。不同相區植物遺體的堆積方式可能各有差異。據《貴州晚二疊世含煤地層沉積環境與聚煤規律》(貴州省煤田地質局,1991)不同相區代表性含煤巖系地層剖面資料,海相區煤層直接底板主要為含燧石灰巖,植物遺體的堆積方式可能為異地堆積;海陸交互相區煤層直接底板多為泥巖或粉砂巖、具水平層理或微波狀層理,普遍含植物葉片化石,部分底板中見植物根莖化石,其堆積方式可能以異地堆積為主、原地堆積為輔;在陸相區,各煤層直接底板為粉砂巖或粉砂質泥巖,普遍含植物根莖化石,個別煤層底板為粘土巖,堆積方式可能以原地堆積為主、異地堆積為輔。

圖3 晚二疊世不同相區可采煤層層數等值線圖(a—陸相區宣威組;b—海陸交互相區龍潭組;c—海相區吳家坪組)

3 晚二疊世成煤區帶劃分

據前述構造和聚煤盆地特征,依據層級結構,《中國礦產地質志·貴州卷·煤》(貴州省地質調查院,2020)將貴州省晚二疊世成煤區帶劃分為4級:Ⅰ級成煤區(聚煤區),Ⅱ級成煤區(含煤區),Ⅲ級成煤區(儲煤帶),Ⅳ成煤區(煤田)。Ⅰ級成煤區屬華南二疊紀聚煤區,Ⅱ級成煤區屬上揚子含煤區,Ⅲ級成煤區與沉積環境對應,由西向東依次劃分為陸相儲煤帶(Ⅲ1)、海陸交互相儲煤帶(Ⅲ2)、海相儲煤帶(Ⅲ3),Ⅳ級成煤區劃分威寧煤田(Ⅳ1)、六盤水煤田(Ⅳ2)、織納煤田(Ⅳ3)、畢遵煤田(Ⅳ4)、興義煤田(Ⅳ5)、思南煤田(Ⅳ6)、貴陽煤田(Ⅳ7)、惠水煤田(Ⅳ8)、天柱煤區(Ⅳ9)。詳見表2、圖4。

表2 貴州晚二疊世煤成礦區帶劃分結果表

圖4 貴州省晚二疊世煤成礦區帶(Ⅲ、Ⅳ級)劃分示意圖

Ⅰ級成礦區(聚煤區):在地質歷史過程中有聚煤作用的廣大地區,同一聚煤區內的煤田和含煤區的形成條件具有一定的共性,據《地球科學大辭典》(地球科學大辭典·應用學科卷編委會.2006),貴州位屬華南二疊紀聚煤區。

Ⅱ級成礦區(含煤區):據張韜等《中國主要聚煤期沉積環境與聚煤規律》(1995),貴州屬上揚子聚煤區,劃為上揚子含煤區。

Ⅲ級成礦區(儲煤帶):以貴州晚二疊世含煤巖系不同的巖相分布,劃分3個儲煤帶(陸相、海陸交互相、海相)。由于玄武巖漿對晚二疊系沉積基底的“填平補齊”,儲煤帶沉積基底地層各有區別:西部陸相儲煤帶沉積基底為峨眉山玄武巖;東部海相儲煤帶沉積基底為二疊系中統茅口組第二段和第三段;兩者之間的海陸交互相儲煤帶沉積基底主要為二疊系中統茅口組第三段和峨眉山玄武巖,局部為二疊系中統茅口組第一段和第二段。

Ⅳ級成礦區(煤田):依據在地質歷史發展過程中,同一地質時期形成并大致連續發育的含煤巖系分布區域,并具有一定面積(幾十至幾百平方千米)和資源儲量劃分為煤田。同一個煤田不跨巖相(陸相、海陸交互相、海相)區;同一個煤田聚煤時期相同;陸相區,劃為1個煤田(即威寧煤田);在海陸交互相儲煤區,以煙煤相對集中的富煤區、無煙煤相對集中的富煤區各劃為1個煤田(即六盤水煤田、織納煤田),在北部含煤地層厚度較薄區域劃為1個煤田(畢遵煤田),南部劃為1個煤田(興義煤田);在海相儲煤帶,以聚煤相對較集中的貴陽一帶劃為1個煤田(貴陽煤田),其北部劃為1個煤田(思南煤田)、南部劃為1個煤田(惠水煤田)、東部(江南加里東造山帶西段)因面積太小、資源儲量達不到煤田規模,另劃為煤區(天柱煤區);煤田命名原則:一律以市、州或縣所在地名命名,盡量延用原貴州省煤田地質局劃分的煤田名稱,對原煤田命名不合理的重新命名,據此將貴州省晚二疊世的煤劃分為8個煤田和1個煤區。

4 結論

(1)峨眉地幔柱事件形成了晚二疊世有利聚煤的被動大陸邊緣盆地;奠定了貴州晚二疊世大規模聚煤的沉積盆地格局;改變了晚二疊世的氣候,形成有利于植物生長繁茂的森林生態環境,為聚煤成煤提供了豐富的木本。

(2)貴州處于西南地區晚二疊世聚煤盆地的中心部位,具備大規模成煤的聚煤盆地、成煤物質(木本)、聚煤環境的成煤條件。

(3)據構造和聚煤盆地特征,依據層級結構,將貴州晚二疊世成煤區帶劃分為Ⅰ級成煤區(聚煤區),Ⅱ級成煤區(含煤區),Ⅲ級成煤區(儲煤帶),Ⅳ成煤區(煤田)。