西藏甲馬弧內盆地晚侏羅世海綿礁的類型及成因

1晚侏羅世至晚白堊世甲馬火山島弧帶沉積型甲馬弧內盆地與岡底斯火山巖拱以東的甲馬島弧密切相關。這是一個由火山島弧底部堆積而成的火山沉積盆地。盆地內主要堆積著一套濱、淺海相活動大陸邊緣的沉積物,并以巨厚的弧火山巖和碎屑巖夾少量碳酸鹽巖為特征。火山島弧分別在葉巴期和林子宗期經歷了2次強烈的火山活動,但在晚侏羅世至晚白堊世甲馬火山島弧不活動,厚達5000余米的淺水環境堆積起來的沉積物中沒有弧火山巖層。沉積相的演變在縱相上清晰,橫向上不甚明顯。縱向上,表現為河流、濱岸碎屑巖淺灘、海綿礁相碳酸鹽→潮坪相碎屑巖→濱岸碎屑巖夾煤層→濱岸相碎屑巖夾灰巖→障壁海岸碎屑巖→河流相砂、礫巖與泥巖所構成的變淺沉積序列。橫向上,從晚侏羅世多底溝組礁相組合研究表明,由西南向北東水體逐漸變淺,沉積相演化為礁前斜坡相→臺緣礁相組合→礁后坪相。生物礁相組合僅見于多底溝組(J3d)中,是甲馬礦區的最主要和最重要的賦礦層位。甲馬礦區海綿礁的發現無疑將對礦床的成因認識起到積極作用。2晚侏羅世海綿礁巖的沉積環境甲馬礦區晚侏羅世臺緣海綿礁呈近EW向展布,延伸長達4~5km,寬約50m,建筑在早先的葉巴期火山巖漿弧的正地形上。這些EW向連綿伸展的殘留火山島弧時淹時露,構成當時海上或海下比較獨特的景觀,造礁生物海綿與喜礁生物雙殼、腕足、珊瑚、海百合莖和藍綠藻等共生。很明顯,這種大規模的臺地邊緣海綿礁在岡底斯島弧帶乃至整個青藏高原都是罕見的。礦區多底溝組灰巖大多被構造和變質重結晶強烈改造,以致有時難以找到較好的沉積結構、構造和生物特征等沉積記錄。目前,礦區這套碳酸鹽沉積物就是由片理或劈理化發育的重結晶灰巖構成的,包括大理巖、粗-中晶灰巖與細、粉晶灰巖。野外露頭上,通過詳細沉積顆粒、結構、構造與生物性質來恢復當時堆積的巖石類型,確定宏觀的沉積相和進行沉積環境的解釋。晚侏羅世厚達1315m的碳酸鹽巖占據礦區背斜構造的核部和南北兩翼的大部分,展布在甲馬銅山和鉛山上。遠遠看上去,下白上紅,白色者為多底溝組灰巖,紅色為整合于多底溝組之上的林布宗組被氧化了的碎屑巖層所顯示的顏色。由SN向橫跨礦區多底溝組灰巖,能完整地觀察到由礫、砂屑灰巖、泥灰巖、泥晶灰巖與海綿礁灰巖等構成的礁坪相→礁核相→礁前斜坡相的側向演變。礁前斜坡相的角礫狀灰巖與泥晶灰巖和泥灰巖等微相組合在甲馬礦區西側的甘丹寺附近發育得最好。礁核相主要由海綿骨架巖、障積巖和粘結巖等構成,在鉛山與銅山普遍可見;伴隨礁核相出現的礁坪相由礫-砂屑灰巖、生屑砂屑灰巖組成。宏觀上,這套海綿礁灰巖呈弧立的、串珠狀丘、隆聳立在山頂、山谷和山坡上,形成凸凹相間的正地形和負地形,礁灰巖中強烈發育的孔、洞、縫使得一個個的小丘峰千瘡百孔,奇形怪狀。從現有的觀察看,礦區至少發育6套海綿礁灰巖,在垂向上相互迭疊,平面上呈EW向沿主要構造線展布。礁相組合中的礁核相的海綿骨架、障積巖與粘結巖是目前礦區成礦的最佳部位,隨處可見與主礦體或次要礦體共生的海綿礁灰巖。在次要礦體或礦體發育欠佳處,柱狀、塊狀纖維與串管海綿的中央腔被亮晶的方解石充填,且沿片理或劈理面發生定向排列現象,這種被構造定向的排列情況在礦區與外圍特別普遍,以致于前人多將這種塊狀的海綿礁灰巖誤認為“礫屑灰巖”或作為受剪切影響的“糜棱灰巖”。在主礦體層,仍然可以見到由完全交代成礦的礦化體小“透鏡”和偶爾未被礦體交代的白亮色方解石小“透鏡”構成的海綿中央腔部分被構造定了向的情形,產于海綿礁中的礦體礦石所具有的強烈交代結構與鉛山采坑所見的未徹底交代的灰巖條帶或弧立灰巖塊便是例證。與礦區海綿礁成礦以及普遍的交代現象不同,在礦區外圍,尤以東側的斯布龍溝-多底溝礁灰巖的海綿生物構造特征保存完好,由于未受成礦作用常見的交代作用以及大理巖化作用的影響,生物礁相組合的沉積旋回顯得更清晰,礁相組合的巖性、巖相、沉積結構、構造與生物特征較礦區海綿礁更易觀察和恢復。3巖、泥灰巖、砂、礫屑巖夾斯布龍溝海綿礁組合主要由礁核相骨架巖、障積巖-粘結巖、礁后坪泥晶灰巖、泥灰巖、砂、礫屑泥晶灰巖夾生物泥晶灰巖、礁基相泥灰巖、亮晶砂礫屑、生屑灰巖-泥晶灰巖、礁前角礫狀灰巖、砂礫屑灰巖與泥灰巖、泥晶灰巖等構成。這些巖石類型具有各自不同的宏觀與微觀特征(自下而上分別論述)。3.1礁基建設階段礁基相是海綿礁形成的前提,不同時代不同類型的生物礁都要經歷這一礁基建設階段。在生物礁產生抗浪骨架構造之前,波痕強烈地沖刷、淘選海底生物顆粒與灰泥,形成亮晶砂礫屑-生屑灰巖、泥灰巖與泥晶灰巖等沉積物。區內礁基相可分為淺灘亞相和開闊臺地亞相。3.1.1生物顆粒及孔隙結構屬碳酸鹽臺地內部淺灘,主要由亮晶砂屑-礫屑灰巖、亮晶生屑灰巖構成。其中亮晶砂、礫屑灰巖特征為:砂、礫屑顆粒占60%~65%,生物顆粒(如海百合莖、雙殼碎片、藻屑等,占5%~10%左右,生物顆粒大小不一,形狀極不規則,雜亂排列,磨蝕和磨圓一般。顆粒間為具世代膠結特征的亮晶方解石膠結,說明顆粒是在浪基面上經搬運沖洗而堆積成的高能淺灘。亮晶生屑灰巖為:生物碎屑占65%~80%,其中以海百合莖與海綿碎片為主,占45%~60%,一般為2~3mm大小;其他生物顆粒見有雙殼類、腕足類,藻屑與少量珊瑚、有孔蟲等,含量在20%~25%。生物顆粒大小懸殊,分選差,磨蝕較強,但磨圓度差。孔隙間為亮晶方解石膠結。顯然,亮晶生屑灰巖系在動蕩高能的水體環境形成的。3.1.2生物碎片的沉積相主要由泥灰巖、泥晶灰巖和生屑泥晶灰巖構成。生屑泥晶灰巖的特征為:生物顆粒含量一般為20%~35%,見有雙殼、海綿、腕足與少量珊瑚、有孔蟲和藻屑等豐富多樣的生物碎片,大小不等,分選差,磨蝕與磨圓均較差;生物碎片發育泥晶套,局部具微粒序與底沖刷侵蝕現象;整個巖石中生物分布不均勻,局部富集,呈團塊狀、斑點狀出現。泥晶化的鈣質泥含量可達70%~80%左右,具明顯的重結晶。說明生屑泥晶灰巖可能是受風暴擾動形成的。從所見多種門類的生物化石和泥灰巖、泥晶灰巖與生屑泥晶灰巖等微相組合來看,這套碳酸鹽沉積物是在開闊臺地相中堆積的。3.2沉船表面根據造礁生物含量與亮晶、灰泥填隙物的膠結程度可分為骨架巖、障積巖和粘結巖。3.2.1囊狀海綿海綿生物以柱狀、塊狀和囊狀原地生長方式為主;含量高達75%~85%,局部高達35%~40%,具個體完整、格架清晰、原地埋藏等特點。造礁生物主要為纖維海綿和串管海綿。纖維海綿呈圓柱狀或分枝狀,外壁厚實,身體不分節,體內呈腦紋狀的水道系統發育。一般直徑在1~3cm之間,長8~15cm;被亮晶方解石填充的白色中央腔的橫切面呈圓形、橢圓形,局部呈不規則狀相連。串管海綿常見柱狀、串珠狀與囊狀,其中柱狀串管海綿一般直徑為2~4cm,長達2~12cm,最長者可達30cm,呈柱狀叢生集合體產出,中央腔發育,枝體分節明顯;串珠狀串管海綿多呈不規則的串珠狀、連環狀,主要由球形、似球形的房室組成;囊狀海綿的中央腔由囊狀、泡沫狀房室構成;海綿個體小,呈圓柱狀或分枝狀,外壁厚,與纖維海綿生態特征類似。串管海綿的不同生態特征與其形成環境的水動力條件有關,柱狀串管海綿代表了較高能環境,串珠狀串管海綿反映了低能環境,囊狀海綿發育的環境的能量介于二者之中。在骨架巖中,附礁生物少,含量多為5%~8%,見有雙殼、腕足、有孔蟲、海百合等。主要由藻組成的粘結生物少見,偶而可見極薄層的長2~3cm藻紋層小透鏡體,與亮晶方解石、砂-礫級生物顆粒與少量灰泥一起構成填隙物。海綿格架就是通過這些填隙物來固結的,由于水動力能量高,孔隙中灰泥的含量少見,被波痕破碎與磨圓的生物顆粒常見,局部富集呈透鏡體、團塊狀填充在造礁生物骨架之間的孔隙中。亮晶方解石膠結和充填海綿中央腔是常見的現象,這些被構造定向了的充填亮晶方解石的中央腔往往誤認為是“礫屑”顆粒或“糜棱巖”中的小透鏡體,以致對這套實際上為海綿礁灰巖的認識產生了分歧。在海底膠結極為發育的地方,亮晶方解石可見到2~3個世代膠結結構,亮晶為針狀、葉狀、片狀方解石,干凈透明,最末一期為三角形貼面接觸的簇狀方解石。3.2.2雙殼、國百合、海百合粉/雙殼引導的藥物生物以囊狀、串珠狀海綿為主,少量為纖維海綿。造礁生物含量30%~45%不等,附礁生物較豐富,含量達15%~20%,見有雙殼、腕足、海百合與少量珊瑚、有孔蟲等。障積灰泥達35%~75%;生物骨架多見藻紋層包殼或包覆,后者在波痕沖洗強烈的地方,與骨架生物與附礁生物一樣也發生破碎與磨圓。造礁海綿骨架孔隙仍是通過砂、礫級破碎的生物顆粒、較多的灰泥與偶見的亮晶方解石來固結的。3.2.3海綿骨架現象造礁生物少,生物完整,含量達15%~25%,以藍綠藻粘結、包繞或包覆原地生長的海綿骨架現象極為常見;藻紋層發育數層至幾十層,單個藻紋層厚數毫米。骨架之間的孔隙多為含生物碎屑的灰泥充填。值得指出的是,海綿礁灰巖中發育強烈的硅化、長石化與放射狀透閃石化,這可能是島弧活動所提供的SiO2與礦區灰巖交代反應的結果。3.3生物碎屑型礁后坪相主要由砂屑、礫屑、生屑泥晶灰巖與泥晶灰巖薄互層構成。生屑泥晶灰巖特征為:顆粒碎屑含量20%~35%,以生物碎屑為主,見有海綿、藻、雙殼、海百合與少量有孔蟲等碎片,次有砂屑和礫屑。顆粒大小不一,分選較好,磨蝕與磨圓好,雜亂排列,散布于巖石中。巖石呈雜基支撐結構,填隙物為鈣質泥。說明生屑泥晶灰巖是高能環境產生的顆粒在低能環境中被鈣質泥膠結形成的。泥晶灰巖中藻絲體含量較多,局部富集構成藻紋層構造。3.4角礫類型及特點礁前相為角礫狀灰巖、砂礫屑泥晶灰巖和泥晶灰巖、泥灰巖,其特征的微相為角礫狀灰巖。角礫狀灰巖呈透鏡體,強烈侵蝕與切割下伏巖層,主要產出的地點在礦區外圍西南側的甘丹寺;角礫大小不等,一般5~10cm,小者2~3cm,分選差;棱角狀、次棱角狀;磨圓差;角礫成分多為海綿礁灰巖、具紋層構造的泥晶灰巖、泥灰巖、砂礫屑泥晶灰巖與少量生屑泥晶灰巖等,既有淺水又有深水角礫,以淺水的礁灰巖為主。角礫之間為富含砂、礫級生屑碎片的灰泥充填,含量20%~35%。巖石呈現雜基支撐結構,塊狀構造。顯然,該角礫狀灰巖為臺緣斜坡碎屑流沉積。4海綿礁的形成機制礦區晚侏羅世臺地邊緣海綿礁的沉積相模式如圖1所示,該模式給出了典型的臺緣礁相組合,由NNE向SSW依次展布著礁后坪相、外圍發育而礦區缺乏的礁后淺灘相、礁核相和礁前相組成,代表了一個成熟的生物礁相組合。隨著時間的推移,生物礁的生長狀態、生長方式和幾何形態以及礁相的組合都因海平面的變化而發生改變,礦區晚侏羅世多底溝組中自下而上所識別出的6套海綿礁沉積旋回就是這種變化的最好例子。剛開始的時候,海綿礁除高出周圍碳酸鹽沉積物外,規模還是較小的,生長速率可能也不夠快,主要呈加積與退積方式生長,礁的相帶相對較窄,由于礁小與所提供的鈣質沉積物相對少,不足以產生礁前相的角礫狀灰巖透鏡體(如多底溝組下部記錄的厚度相對薄的第1、2、3、4套礁灰巖)。當海平面繼續上升,礁的生長速率增加,礁不斷加積和進積,使海綿礁明顯高出海底,追趕海平面生長,不斷長高和加寬的礁規模也增大,變高變陡的海綿礁受海底波痕沖洗、侵蝕的影響以及自身重力的垮塌作用,產生的各種礫、砂級的鈣質碎屑被碎屑流搬運并堆積在礁前斜坡相中,形成典型的角礫狀灰巖(多底溝組上部記錄的厚度相對大的第5和第6套礁灰巖)。礦區內海綿礁的發育主體與海平面上升同步,類似于現今處于全球海平面上升期生長的南海珊瑚礁。根據礁的生長速率與海平面的關系,將礦區海綿礁分為并進礁和中止礁2種類型(圖2)。①并進礁(圖2-A)是以礁灰巖和礁后坪相砂屑泥晶灰巖與泥灰巖為特征,縱向上相互迭置,無明顯的水體加深和變淺序列的趨勢,總體上表現為海綿礁的生態生長序列,并以骨架礁灰巖為主。這種類型的礁反映了礁的生長保持與海平面上升速率相一致的特點。(礦區多底溝組下部的第1套至第4套礁旋回);②中止礁以礁的生長被中斷、淹沒或毒害而死亡為特征,圖2-B的情形說明,隨海平面的突然下降,陸源砂、泥質沉積物中斷了海綿礁的生長,導致礁的死亡。在礦區第6套海綿礁的頂部灰巖中發生了白云石化、淡水透鏡體現象;向上砂、泥質碎屑增多,再向上過渡為陸源泥巖沉積。因而礦區海綿礁是因海平面下降,陸源砂、泥質物的輸入而滅亡的。礁的成因受礁的基座、礁的生長速率、海平面變化、構造及其成巖固結、海水溫度、透光性等多種因素的制約。研究表明,礦區海綿礁形成的關鍵因素是海平面變化。晚侏羅世近EW向展布的海綿礁是在由俯沖導致的具正地形的葉巴期火山島基座上發育起來的(圖1),葉巴組(J2~3y)弧火山巖夾砂板巖后來又受到以擠壓應力為主的逆沖斷裂所破壞和攏動,隆升暴露出海平面之上接受了卻桑溫泉組下部陸相粗碎屑沉積,相對短時間的陸上暴露之后,礦區發生了海進。初期的海侵通過填平補齊作用在火山島隆凹不平的地形上,建立起由卻桑溫泉組上部濱、淺海碎屑沉積構成的碎屑陸架。繼續的海平面上升發育了多底溝組的海綿礁,自下而上所識別出的6套礁灰巖和礁的沉積旋回與礁的生長方式、生長速率和追蹤海平面變化的能力有關。海平面上升的初期,海綿礁可能依賴于火山島正地形而成長,到后來的成熟礁時期,海底地形取決海平面變化和礁的垂向與側向生長方式,與地形和地貌的關系變得不明顯,礁相帶變寬,進積作用