豫西寒武系辛集组含磷层沉积环境及磷酸盐富集机制

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.094

摘要/Abstract

摘要：

寒武纪是全球性磷酸盐沉积的重要时期,华北克拉通南缘寒武系辛集组是北方重要的含磷层位,但含磷地层与沉积环境的联系鲜有提及,磷酸盐的富集模式有待进一步研究。本文选取豫西宝丰地区辛集组中部的典型含磷层段为研究对象,进行野外宏观和室内微观观察,分析其沉积环境,探讨辛集组含磷层的磷质来源和富集机制。结果表明,辛集组磷结核为黑色,不规则扁平盘状,粒径在2 mm至2 cm范围内变化,沿层面分布在细砂岩中。磷结核的主要组成矿物为胶磷矿,具两种形态:(1)隐晶质圆形胶磷矿,内部无结构,部分发育龟裂纹;(2)微晶质鲕状胶磷矿,发育细微纹层。辛集组沉积环境为滨浅海过渡带,磷质来源于大洋深层富磷水以及小壳生物生命活动,经历了同沉积、成岩早期两个阶段,在动荡的浅水中大量沉积。与扬子克拉通寒武纪含磷岩系对比得知,含磷地层具穿时性且磷酸盐沉积发生在沉积间断后;寒武纪磷酸盐初始沉积以生物、化学作用为主,随后由沉积环境与古构造控制含磷地层经历再次富集。辛集组含磷层的研究确定了华北克拉通南缘寒武纪初期磷酸盐富集与沉积环境之间的关系,为磷酸盐大规模沉积的原因丰富了数据资料。

关键词: 华北克拉通南缘, 辛集组, 含磷层, 沉积环境, 富集机制

Abstract:

The Cambrian is an important period for global phosphate deposition, and the Cambrian Xinji Formation is an important phosphorus-bearing sequence on the southern margin of North China Craton. However, the relationship between the phosphorus-bearing stratigraphy and the sedimentary environment is poorly understood, and the phosphate enrichment mechanism needs to be further studied. Here, we studied the middle Xinji Formation at Baofeng, which contains a typical phosphorus-bearing layer. Field observations and laboratory analyses were conducted to reveal its depositional environment and explore its phosphorus source and enrichment mechanism. The results show that phosphorus nodules from the Xinji Formation are black, irregular flat disk-shaped, with size of 2 to 20 mm, and are distributed in the fine sandstone beds. Collophanite is the main mineral in the nodules. There are two forms: (1) cryptocrystalline rounded colloidal phosphorite with no internal structure and locally cracked; (2) microcrystalline oolitic colloidal phosphorite with fine veins. The depositional environment of the Xinji Formation was likely littoral-shallow marine transition. Phosphorus was likely derived from deep oceanic phosphorus-rich water and small shell biological activities. Formation of the phosphorus nodules was likely dominated by chemical deposition with indirect biological involvement. It has undergone syn-deposition and early diagenesis stages, and large amounts of phosphorus nodules were deposited in turbulent shallow water. Compared with the Cambrian phosphorus-bearing facies in the Yangtze Craton, the phosphate-bearing stratigraphy is clearly diachronic, and phosphate deposition occurred after the sedimentary hiatus. Initial deposition of the Cambrian phosphate was dominated by biological and chemical processes, and then the depositional environment and paleotectonics controlled the phosphorus-bearing stratigraphy and promoted the re-enrichment. We point out the relationship between phosphorus enrichment and the Early Cambrian sedimentary environment in the southern North China Craton, and provide abundant data for studying large-scale phosphate deposition.

Key words: Southern North China Craton margin, Xinji Formation, phosphorus-bearing stratigraphy, sedimentary environment, enrichment mechanism

中图分类号:

P534.41

贾冰玲, 张碧云, 汤彬, 郑德顺. 豫西寒武系辛集组含磷层沉积环境及磷酸盐富集机制[J]. 现代地质, 2023, 37(04): 858-869.

JIA Bingling, ZHANG Biyun, TANG Bin, ZHENG Deshun. Sedimentary Environment of the Phosphorus-bearing Layers and Its Phosphate Enrichment Mechanism of the Cambrian Xinji Formation, Western Henan[J]. Geoscience, 2023, 37(04): 858-869.

图/表 8

图1 华北克拉通寒武系区域地质概况 (A)寒武纪早期华北克拉通沉积构造格局(据文献[37]修改);(B)豫西辛集组沉积示意图(据文献[38]修改)

Fig.1 Regional geological map of the Cambrian North China Craton

图2 豫西宝丰寒武系辛集组地层柱状图 (A)辛集组实测剖面地层;(B)细粒石英砂岩,单偏光,100×;(C)含磷结核细粒石英砂岩,单偏光,100×;(D)含磷结核粉砂质石英砂岩,单偏光,100×;(E)粉砂质石英砂岩,单偏光,100×;(F)粉砂质泥岩,单偏光,50×;Q. 石英;Gla. 海绿石;Fe. 铁质碎屑;Clh. 胶磷矿

Fig.2 Stratigraphic column of the Cambrian Xinji Formation at Baofeng, western Henan

图3 宝丰椿树坪村辛集组野外沉积特征 (A)(B)实测段整体地层;(C)底部紫红色厚层细粒石英砂岩,块状层理;(D)紫红色含磷结核细粒石英砂岩,中上层风化严重;(E)灰绿色含磷结核细砂岩;(F)灰绿色中层粉砂岩,块状层理,与上覆紫红色粉砂质长石石英砂岩分层明显(白色虚线示地层分界线;红色箭头示采样点)

Fig.3 Field photos of the characteristics of Xinji Formation at Chunshuping, Baofeng

表1 宝丰椿树坪村辛集组砂岩粒度参数统计

Table 1 Statistics for the sandstone grain size of the Xinji Formation at Chunshuping, Baofeng

样品	岩性	平均粒径 (M_Z)	标准偏差 (σ₁)	偏度 (SK₁)	峰度 (K_G)	Y_{海滩:浅海}
XJ-01	块状砂岩	3.45	0.46	0.23	0.32	78.30
XJ-02	含磷结核砂岩	3.30	0.38	-0.02	0.36	67.42
XJ-03	含磷结核砂岩	3.36	0.44	-0.01	0.38	72.40
XJ-04	块状砂岩	3.16	0.34	0.05	0.19	61.34
XJ-05	含磷结核砂岩	3.37	0.61	0.23	0.67	93.85
XJ-06	含磷结核砂岩	3.24	0.30	-0.09	0.18	58.37
XJ-07	块状粉砂岩	4.41	0.52	0.20	0.34	96.65
XJ-08	含磷结核砂岩	3.67	0.63	-0.02	0.63	94.90
XJ-10	块状粉砂岩	4.60	0.43	-0.31	0.37	85.43

图4 宝丰椿树坪村辛集组磷结核宏观特征

Fig.4 Hand-specimen photos showing the macroscopic characteristics of phosphorite nodules from the Xinji Formation at Chunshuping, Baofeng

图5 宝丰椿树坪村辛集组磷结核微观特征 (A)胶磷矿,内部无结构,单偏光,50×;(B)胶磷矿,内部包裹石英颗粒,正交光,50×;(C)胶磷矿表面的龟裂纹,单偏光,50×;(D)鲕状胶磷矿,单偏光,200×;(E)鲕状胶磷矿的十字消光,正交光,100×;(F)磷酸盐化的动物胚胎,单偏光,100×;(G)生物碎屑,单偏光,50×;(H)生物碎屑,单偏光,100×;(I)生物碎屑,正交光,100×;(J)石英颗粒间的胶磷矿,表面卵球形突起;(K)磷酸盐超微莓群;(L)表面脉状突起的胶磷矿及能谱分析结果;(M)鲕状胶磷矿;(N)鲕状胶磷矿磷质外壳的局部放大及能谱分析结果;(O)瘤状突起;Clh. 胶磷矿;Q. 石英;Embryo. 动物胚胎;bio. 生物碎屑;Ap. 磷灰石

Fig.5 Microphotographs showing the micromorphological characteristics of phosphorus nodules from the Xinji Formation at Chunshuping, Baofeng

图6 豫西宝丰辛集组磷酸盐富集机制 (A)磷酸盐沉积模式图(据文献[29]修改);(B)成岩初期磷酸盐在孔隙中沉积;(C)磷酸盐沉积后经历脱水作用产生龟裂纹

Fig.6 Schematic diagram showing the enrichment mechanism for phosphate for the Xinji Formation at Baofeng, western Henan

表2 扬子克拉通与华北克拉通寒武纪早期含磷岩系差异[11,26,34,51-52]

Table 2 Differences in the Early Cambrian phosphorus-bearing facies between the Yangzi Craton and the North China Craton[11,26,34,51-52]

地区	扬子克拉通	华北克拉通
地层	寒武系纽芬兰统	寒武系第二统
宏观特征	多种磷块岩形成磷矿,呈灰色、灰蓝色	磷结核,黑色
微观特征	主要矿物是细晶磷灰石、胶磷矿;多具内碎屑结构;扫描电镜下可见磷质鲕球、磷质微晶以及磷质雏晶,大部分已重结晶	主要矿物是胶磷矿,无结构;扫描电镜下可见磷酸盐超微莓群、磷灰石超微晶集合体,大部分保留胶体化学特征
形成机制	初始沉积以生物、化学作用为主,经风暴、潮汐、波浪等物理作用再次富集,形成磷矿	与石英等矿物在胶体化学、生物间接作用下沉积,未经再次富集
沉积环境	浅水或极浅水的古陆边缘,潮间-潮下高能环境是磷块岩沉积的主要环境	滨浅海过渡带,水动力不稳定
古构造	与弧后盆地有关的大陆边缘,发育在次级裂陷带或局限台地,有障壁	稳定克拉通边缘,发育在裂陷带,无障壁

参考文献 52

[1]	ABED A. The eastern Mediterranean phosphorite giants: An interplay between tectonics and upwelling[J]. Geoarabia, 2013, 18(2):67-94. DOI URL
[2]	陈从云. 中国北方震旦—寒武纪磷块岩的地质特征[J]. 矿床地质, 1983, 2(4): 78-88.
[3]	叶连俊, 陈其英. 沉积矿床多因素多阶段成矿论[J]. 地质科学, 1989, 24(2): 109-128, 209.
[4]	COOK P J, SHERGOLD J H. Phosphorus, phosphorites and skeletal evolution at the Precambrian—Cambrian boundary[J]. Nature, 1984, 308: 231-236. DOI
[5]	梅冥相. 地球历史中的巨型氧化作用事件: 了解古地理背景演变的重要线索[J]. 古地理学报, 2016, 18(3): 315-334.
[6]	娄方炬, 顾尚义. 磷块岩中磷灰石铈异常与地球大气氧演化[J]. 矿物学报, 2019, 39(4): 412-419.
[7]	叶杰. 华南震旦纪—寒武纪两期成磷事件及其地球动力学意义[D]. 北京: 中国科学院地质与地球物理研究所, 2002.
[8]	PUFAHL P K, GROAT L A. Sedimentary and igneous phosphate deposits: Formation and exploration: An invited paper[J]. Economic Geology, 2017, 112(3): 483-516. DOI URL
[9]	陈其英, 郭师曾. 中国东部震旦纪和寒武纪磷块岩的结构成因类型及其沉积相和环境[J]. 地质科学, 1985, 20(3): 224-235, 313.
[10]	毛铁. 黔中地区寒武系底部成磷环境及成矿控制因素分析[D]. 贵阳: 贵州大学, 2015.
[11]	杨瑞东, 毛铁, 陈吉艳, 等. 黔中寒武系底部磷块岩沉积特征[J]. 矿物学报, 2017, 37(4): 448-455.
[12]	YANG H Y, XIAO J F, XIA Y, et al. Origin of the Ediacaran Weng’an and Kaiyang phosphorite deposits in the Nanhua Basin, SW China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2019, 182: 103931. DOI URL
[13]	吴祥和. 贵州磷块岩[M]. 北京: 地质出版社, 1999.
[14]	牟南, 吴朝东. 上扬子地区震旦—寒武纪磷块岩岩石学特征及成因分析[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2005, 41(4): 551-562.
[15]	施春华. 磷矿的形成与Rodinia超大陆裂解、生物爆发的关系: 以贵州瓮安、开阳、织金磷矿床为例[D]. 贵阳: 中国科学院地球化学研究所, 2005.
[16]	邓克勇, 吴波, 罗明学, 等. 贵州开阳双山坪陡山沱组磷块岩地球化学特征及成因意义[J]. 地质与勘探, 2015, 51(1): 123-132.
[17]	BREMNER J M. Concretionary phosphorite from SW Africa[J]. Journal of the Geological Society, 1980, 137(6): 773-786. DOI URL
[18]	骆学全. 湘西磷块岩的沉积相及沉积模式[J]. 岩相古地理, 1993, 13(3): 33-39.
[19]	LIANG J W, TAO W X, MA X J. Origin and paleoenvironmental reconstruction of phosphorus-bearing sandstones of the Cambrian Xinji Formation, southwestern margin of the Ordos Basin, China[J]. Canadian Journal of Earth Sciences, 2020, 57(8): 903-917. DOI URL
[20]	陈其英, 陈孟莪, 李菊英. 沉积磷灰石形成中的生物有机质因素[J]. 地质科学, 2000, 35(3): 316-324.
[21]	密文天. 瓮安震旦系磷块岩中的生物成矿作用[J]. 地质找矿论丛, 2017, 32(1): 8-14.
[22]	陈永权, 蒋少涌, 凌洪飞, 等. 华南寒武纪海洋中沉积矿床及其古环境[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2005, 25(1): 79-84.
[23]	叶连俊, 陈其英, 刘魁梧. 工业磷块岩物理富集成矿说[J]. 沉积学报, 1986, 4(3): 1-22.
[24]	SATO T, ISOZAKI Y, HITACHI T, et al. A unique condition for early diversification of small shelly fossils in the lowermost Cambrian in Chengjiang, South China: Enrichment of phosphorus in restricted embayments[J]. Gondwana Research, 2014, 25(3): 1139-1152. DOI URL
[25]	曾允孚, 杨卫东. 云南昆阳、海口磷矿的富集机理[J]. 沉积学报, 1987, 5(3): 19-27, 185.
[26]	邓小林, 姚超美, 江新华, 等. 川西南—滇东北地区磷矿的形成与富集[J]. 化工矿产地质, 2007, 29(3): 139-140.
[27]	杨卫东, 曾允孚. 黔中陡山沱期磷块岩成因的系统研究[J]. 沉积学报, 1990, 8(3): 84-92.
[28]	陶永和, 梁永忠. 滇东磷块岩及工业磷矿床成因[J]. 云南地质, 2002, 21(3): 266-283.
[29]	戴文晗. 华北地台南缘辛集组和三道撞组(白术沟组)建造特征及其铀、磷沉积成矿作用[J]. 沉积学报, 1988, 6(4): 52-61.
[30]	许效松, 牟传龙. 河南鲁山下寒武统辛集组丘状层理类型及环境意义[J]. 河南地质, 1990(3): 35-39.
[31]	段吉业, 刘鹏举, 夏德馨. 浅析华北板块中元古代—古生代构造格局及其演化[J]. 现代地质, 2002, 16(4): 331-338.
[32]	左鹏飞, 李雨, 刘思聪, 等. 华北克拉通南缘中—新元古代沉积演化: 以豫西地区黄连垛组和董家组为例[J]. 岩石学报, 2019, 35(8): 2545-2572.
[33]	韩作振, 金之钧. 中国北方地区早古生代岩相古地理与油气地质基本条件[M]//第十二届全国古地理学及沉积学学术会议论文摘要集. 青岛, 2012: 83-84.
[34]	潘兵, 李洛阳. 华北地台西南缘寒武系第二统小壳化石组合面貌[M]//中国古生物学会第十二次全国会员代表大会暨第29届学术年会论文摘要集. 郑州, 2018: 51-52.
[35]	张抗. 鄂尔多斯地区寒武纪海侵及其地层的时侵[J]. 地质科学, 1981, 16(3): 254-258.
[36]	苗兰云, 朱茂炎. 华北板块南部寒武系底部辛集组遗迹化石及其时代意义[J]. 古生物学报, 2014, 53(3): 274-289.
[37]	祝有海, 马丽芳. 华北地区下寒武统的划分对比及其沉积演化[J]. 地质论评, 2008, 54(6): 731-740.
[38]	刘印环. 河南省下寒武统辛集组[J]. 河南地质, 1986(4): 28-35.
[39]	孟宪松. 河南西部寒武纪地层划分及三叶虫化石带[J]. 河南地质, 1987(1): 23-30.
[40]	宋小军, 曾道国, 蔡健龙, 等. 贵州省福泉市英坪磷矿矿石特征及成因分析[J]. 矿产与地质, 2019, 33(2): 203-212, 219.
[41]	周建平. 安宁县街磷矿床中低品位矿石地质特征及产出状态[J]. 云南化工, 2010, 37(6): 56-60.
[42]	刘发禄, 黄菊芳, 杨振强. 川西早寒武世梅树村早期磷块岩特征及其沉积、成岩环境[J]. 地质论评, 1985, 31(2): 149-157, 202.
[43]	赵东旭. 磷块岩结核的显微结构和生成特点[J]. 地质科学, 1988, 23(1): 57-67, 99.
[44]	LAMBOY M. Nannostructure and genesis of phosphorites from ODP Leg 112, the Peru margin[J]. Marine Geology, 1994, 118(1/2): 5-22. DOI URL
[45]	庞艳春, 林丽, 朱利东, 等. 贵州瓮安地区北斗山矿区寒武系牛蹄塘组的特征[J]. 地质通报, 2011, 30(8): 1245-1250.
[46]	朱筱敏. 沉积岩石学[M]. 北京: 石油工业出版社, 2008: 64-79.
[47]	刘魁梧. 成岩作用中磷灰石矿物的演变[J]. 地质学报, 1989, 63(4): 310-323, 385.
[48]	张亚冠, 杜远生, 陈国勇, 等. 富磷矿三阶段动态成矿模式: 黔中开阳式高品位磷矿成矿机制[J]. 古地理学报, 2019, 21(2): 351-368.
[49]	余和中, 吕福亮, 郭庆新, 等. 华北板块南缘原型沉积盆地类型与构造演化[J]. 石油实验地质, 2005, 27(2): 111-117.
[50]	杨海英, 肖加飞, 和景阳. 贵州震旦纪陡山沱期磷矿的成矿作用[J]. 矿物学报, 2015, 35(增): 555-556.
[51]	崔晓亮, 张芹贵, 曾礼, 等. 川西南金阳地区麦地坪组沉积特征及成磷沉积环境分析[J]. 矿物岩石, 2019, 39(3): 78-84.
[52]	杨杰东, 王宗哲. 云南晋宁梅树村下寒武统砾屑磷块岩的扫描电镜研究[J]. 沉积学报, 1989, 7(2): 125-129.