峨眉地幔柱与西南(贵州)晚二叠世成煤条件及成煤区带划分探讨

刘远辉,邓克勇,陈启飞

(1.贵州省地质矿产勘查开发局,贵州 贵阳 550004;2.贵州省地质调查院,贵州 贵阳 550081)

贵州煤资源丰富,素有“江南煤海”之称。含煤面积约7.75×104km2,占全省面积的44%。主要分布在务川—贵阳—罗甸一线以西地区。截至2022年12月底统计,查明资源储量845.22亿t,其中保有资源储量803.79亿t(贵州省自然资源厅,2023),超过了江南12省(区、市)之和,位居全国第5位。

贵州省含煤地层由老至新有石炭系下统祥摆组(C1x),二叠系中统梁山组(P2l),二叠系中—上统峨眉山玄武岩组(P2-3em)、宣威组(P3x)、龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)、吴家坪组(P3w),三叠系上统把南组(T3b)、火把冲组(T3h),三叠系—侏罗系二桥组(T3J1e),新近系中新统翁哨组(N1w)。其中以晚二叠世含煤地层分布范围最大,查明资源储量769.30亿吨,占全省查明资源储量的98.92%,保有资源储量744.34亿吨,占全省保有资源储量的99.09%。

聂爱国等(2011)、邵龙玉等(2021)、唐显贵等(2012,2013)、贵州省煤田地质局(1994,2011)等对贵州晚二叠世煤炭形成环境、古地理及聚矿规律等开展了较多研究,但对峨眉地幔柱重大地质事件与西南地区大规模成煤作用联系起来进行研究较少,本文以贵州地区为例,进行一些探索研究。

地幔流体的深部对流循环并不断聚集能量过程中,形成地幔热柱并在某种外力作用下向上运移。贵州大地构造上位于特提斯与滨太平洋构造域交汇部位(秦建华等,1996),在地质构造演化过程中经历了武陵构造运动、雪峰—加里东构造运动、华力西—印支—燕山构造运动、喜马拉雅及新构造运动等四个构造旋回期(《中国区域地质志·贵州志》编辑委员会,2017)。区域造山构造运动促进地幔热流体(地幔热柱)上涌并使岩石圈变薄、隆起、断裂,引发幔源岩浆沿地壳断裂带喷溢并与地壳发生同化混染形成峨眉山玄武岩。巨量的玄武岩浆沿贵州以西的牛首山古陆两侧溢出,构成分布在我国西南部川滇黔的峨眉大火成岩省,在贵州省内的分布面积约为30 000 km2。玄武岩浆的喷发不论是陆相还是海相,主要发生在扬子板块隆升阶段,首先喷发于康滇古陆两侧,喷发的主要时代为阳新世(中二叠)晚期—乐平世(晚二叠)早期(刘家铎等,2004)。

贵州处于峨眉大火成岩省的东部,据《中国区域地质志·贵州志》(2017),境内海西期岩浆活动均表现为大陆板内为主导的岩浆活动。由若干个呈放射状分布的次级地幔亚热柱组成的峨眉地幔热柱的上涌,导致地壳拉伸变薄、裂陷直至玄武岩浆大喷溢。在贵州西部出现早期以沿弥勒—盘县—贵阳、水城—紫云、垭都—纳雍、黑土河、龙吟等断裂带不连续的中心式爆发为主,中期转为裂隙式泛流,分布的玄武岩被覆盖面积约30 000 km2(图1),构成大陆溢流石英拉斑玄武岩的主体,最后以爆发—溢流交替结束火山喷发,同时还伴有岩浆浅成侵位,形成潜火山相辉绿岩。

图1 贵州地区峨眉山玄武岩组等厚线及含煤段分布略图(据《中国区域地质志·贵州志》,2017,修编)

峨眉地幔柱事件系列地质环境效应与大规模成煤的作用主要体现在三个方面:一是以张裂断陷作用转变为以岩浆上涌后期效应热流传递为主的隆升作用,使中泥盆世—中二叠世陆内断陷盆地转变为晚二叠世规模较大的被动大陆边缘盆地;二是峨眉地幔柱引发了大规模的岩浆喷溢,形成了西部玄武岩高原。大面积喷溢的玄武岩浆对晚二叠系沉积基底的“填平补齐”作用,改变了晚二叠世之前北高南低的古地势,形成晚二叠世由西向东倾斜、西高东低的古地势,奠定了贵州晚二叠世沉积盆地格局,即由原近东西向的台—盆格局转变为晚二叠世北北东向相带展布的沉积格局;三是峨眉地幔柱事件产生了强烈温室效应,使大气圈二氧化碳浓度升高,改变了晚二叠世的气候,形成有利于植物生长繁茂的森林生态环境,为聚煤成煤提供了丰富的木本。

2.1 构筑了极为有利的聚煤盆地

峨眉地幔柱事件形成了分布于西南地区的晚二叠世大型被动大陆边缘盆地。盆地基底由北西向南东倾斜,与之对应的由南东向北西的振荡性海水进退,形成由北西向南东由陆相→海陆交互相→海相有规律的沉积相分布(图2)。陆相区主要分布于威宁—水城一带,为河流沉积,沉积亚相主要为曲流河、网状河、湖泊和沼泽;海陆交互相区分布于习水、仁怀、金沙、织金、六枝、兴义一带,总体呈北东向展布,沉积亚相主要有河控三角洲平原、河流潮汐双重控制过渡带三角洲平原、潮控下三角洲平原、泻湖、潮坪等,受河流和海洋潮汐的双重影响,沉积物既有河流携带的陆源碎屑,也有海侵期沉积的泥岩和灰岩,原生沉积构造,既有河流作用形成的各种交错层理,又有潮汐波浪作用形成的潮汐层理,植物化石和海相动物化石混生,是晚二叠世最主要的成煤区,该相区查明煤炭资源储量占晚二叠世总量的94.54%,其中六盘水和织纳地区是晚二叠世的两个聚煤中心;海相区分布于遵义、息烽、贵阳、平坝、贞丰一线以东地区,沉积亚相有局限台地、开阔台地、台地边缘生物礁、深水盆地等(表1)。

表1 贵州晚二叠世沉积体系、沉积相和沉积类型

图2 贵州省晚二叠世岩相古地理图(据《贵州省煤炭资源潜力评价》,2011,修编)

2.2 形成有利植物生长繁茂的生态环境

贵州石炭世—早二叠世时期,受全球冰室效应的影响,气候复杂多变。冰室效应之后全球气温开始回升,南半球冰川开始溶化,海平面开始上升。中二叠世栖霞时期开始大规模海侵至茅口时期最大,贵州全境沦为海,中二叠世晚期地壳隆升,海水退至南部的紫云—水城裂隙槽一带,贵州大部分地区成陆遭受剥蚀。随后,峨眉地幔热柱产生的强烈火山作用及其温室效应,使大气圈二氧化碳浓度升高,形成晚二叠世气候炎热、多雨、潮湿的热带、亚热带雨林区,喷发的火山灰和溢出的玄武岩带来的微量元素,利于形成植物生长繁殖的沃土,形成有利植物生长繁茂的生态环境,以蕨类植物为代表的华夏植物群极为繁茂,为成煤提供了丰富的木本。

2.3 形成有利成煤植物聚集环境

前述晚二叠世由西向东倾斜、西高东低的沉积基底,与由南东向北西的海水进退,为植物的生长与遗体的堆积、搬运沉积和保存创造了条件。海水的振荡性进退导致多期次的植物遗体堆积—搬运—沉积—保存—泥炭化,为晚二叠世大面积分布的复煤层的形成提供了物质基础。海退期陆生植物生长和繁盛,海进期在陆源沉积和海水的双重作用下,大量堆积的高等植物遗体搬运至三角洲—潮坪以及浅海等有利沉积环境,被淹没、覆盖,经泥炭化作用形成泥炭,经煤化作用成煤。

在陆相区宣威组(图3a)和海陆交互相区龙潭组(图3b),煤层层数等值线走向与海水进退方向大致垂直,而海相区吴家坪组(图3c)不明。不同相区植物遗体的堆积方式可能各有差异。据《贵州晚二叠世含煤地层沉积环境与聚煤规律》(贵州省煤田地质局,1991)不同相区代表性含煤岩系地层剖面资料,海相区煤层直接底板主要为含燧石灰岩,植物遗体的堆积方式可能为异地堆积;海陆交互相区煤层直接底板多为泥岩或粉砂岩、具水平层理或微波状层理,普遍含植物叶片化石,部分底板中见植物根茎化石,其堆积方式可能以异地堆积为主、原地堆积为辅;在陆相区,各煤层直接底板为粉砂岩或粉砂质泥岩,普遍含植物根茎化石,个别煤层底板为粘土岩,堆积方式可能以原地堆积为主、异地堆积为辅。

图3 晚二叠世不同相区可采煤层层数等值线图(a—陆相区宣威组;b—海陆交互相区龙潭组;c—海相区吴家坪组)

据前述构造和聚煤盆地特征,依据层级结构,《中国矿产地质志·贵州卷·煤》(贵州省地质调查院,2020)将贵州省晚二叠世成煤区带划分为4级:Ⅰ级成煤区(聚煤区),Ⅱ级成煤区(含煤区),Ⅲ级成煤区(储煤带),Ⅳ成煤区(煤田)。Ⅰ级成煤区属华南二叠纪聚煤区,Ⅱ级成煤区属上扬子含煤区,Ⅲ级成煤区与沉积环境对应,由西向东依次划分为陆相储煤带(Ⅲ1)、海陆交互相储煤带(Ⅲ2)、海相储煤带(Ⅲ3),Ⅳ级成煤区划分威宁煤田(Ⅳ1)、六盘水煤田(Ⅳ2)、织纳煤田(Ⅳ3)、毕遵煤田(Ⅳ4)、兴义煤田(Ⅳ5)、思南煤田(Ⅳ6)、贵阳煤田(Ⅳ7)、惠水煤田(Ⅳ8)、天柱煤区(Ⅳ9)。详见表2、图4。

表2 贵州晚二叠世煤成矿区带划分结果表

图4 贵州省晚二叠世煤成矿区带(Ⅲ、Ⅳ级)划分示意图

Ⅰ级成矿区(聚煤区):在地质历史过程中有聚煤作用的广大地区,同一聚煤区内的煤田和含煤区的形成条件具有一定的共性,据《地球科学大辞典》(地球科学大辞典·应用学科卷编委会.2006),贵州位属华南二叠纪聚煤区。

Ⅱ级成矿区(含煤区):据张韬等《中国主要聚煤期沉积环境与聚煤规律》(1995),贵州属上扬子聚煤区,划为上扬子含煤区。

Ⅲ级成矿区(储煤带):以贵州晚二叠世含煤岩系不同的岩相分布,划分3个储煤带(陆相、海陆交互相、海相)。由于玄武岩浆对晚二叠系沉积基底的“填平补齐”,储煤带沉积基底地层各有区别:西部陆相储煤带沉积基底为峨眉山玄武岩;东部海相储煤带沉积基底为二叠系中统茅口组第二段和第三段;两者之间的海陆交互相储煤带沉积基底主要为二叠系中统茅口组第三段和峨眉山玄武岩,局部为二叠系中统茅口组第一段和第二段。

Ⅳ级成矿区(煤田):依据在地质历史发展过程中,同一地质时期形成并大致连续发育的含煤岩系分布区域,并具有一定面积(几十至几百平方千米)和资源储量划分为煤田。同一个煤田不跨岩相(陆相、海陆交互相、海相)区;同一个煤田聚煤时期相同;陆相区,划为1个煤田(即威宁煤田);在海陆交互相储煤区,以烟煤相对集中的富煤区、无烟煤相对集中的富煤区各划为1个煤田(即六盘水煤田、织纳煤田),在北部含煤地层厚度较薄区域划为1个煤田(毕遵煤田),南部划为1个煤田(兴义煤田);在海相储煤带,以聚煤相对较集中的贵阳一带划为1个煤田(贵阳煤田),其北部划为1个煤田(思南煤田)、南部划为1个煤田(惠水煤田)、东部(江南加里东造山带西段)因面积太小、资源储量达不到煤田规模,另划为煤区(天柱煤区);煤田命名原则:一律以市、州或县所在地名命名,尽量延用原贵州省煤田地质局划分的煤田名称,对原煤田命名不合理的重新命名,据此将贵州省晚二叠世的煤划分为8个煤田和1个煤区。

(1)峨眉地幔柱事件形成了晚二叠世有利聚煤的被动大陆边缘盆地;奠定了贵州晚二叠世大规模聚煤的沉积盆地格局;改变了晚二叠世的气候,形成有利于植物生长繁茂的森林生态环境,为聚煤成煤提供了丰富的木本。

(2)贵州处于西南地区晚二叠世聚煤盆地的中心部位,具备大规模成煤的聚煤盆地、成煤物质(木本)、聚煤环境的成煤条件。

(3)据构造和聚煤盆地特征,依据层级结构,将贵州晚二叠世成煤区带划分为Ⅰ级成煤区(聚煤区),Ⅱ级成煤区(含煤区),Ⅲ级成煤区(储煤带),Ⅳ成煤区(煤田)。

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