山西省早白垩世下地壳地质图：基于镜质组反射率证据的修正

Geological map of the lower crust in the Early Cretaceous of Shanxi Province: Based on vitrinite reflectance evidence

摘要

我们已经根据花岗岩的资料编制了一份山西省早白垩世下地壳地质图，本文增加了镜质组反射率资料，重新编制了一份山西省早白垩世下地壳地质图。经过对比，得出了许多新认识。对比说明，在下地壳填图中，镜质组反射率是一个非常有用的资料。镜质组反射率可以记录它形成以后所能够达到的最高温度，是煤田和石油地质部门成熟度测量中广泛应用且可靠的方法之一。镜质组反射率方法对岩石学和矿床学也非常有用，因此可以根据镜质组反射率资料推测深部是否有隐伏岩体以及隐伏岩体的分布和规模，推测下地壳底部是否有地幔上涌以及地幔上涌的分布。利用镜质组反射率分布寻找隐伏岩体，再根据隐伏岩体找矿，是一个找矿的新方法。文中根据山西省镜质组反射率的分布，推测在若干R_o>3.0%的地区的深部有可能发现隐伏岩体，其中，祁县隐伏岩体已经被钻探验证所证实。山西省煤矿很多，凡是无烟煤分布区均是寻找隐伏岩体的有利地区。文中还根据镜质组反射率资料对山西省早白垩世下地壳地质图进行了修改，指出山西省中部和南部的深部为大片中生代（主要是早白垩世）花岗岩分布区，也是早白垩世时地幔上涌的区域。根据地层资料和花岗岩资料推测山西省北部（大同以北）为地壳厚度正常区，南部为地壳加厚区（为中国东部高原的一部分）。南部为地幔上涌区，北部无地幔上涌迹象；故南部下地壳为高温榴辉岩相区，北部下地壳为低温榴辉岩相区。地表有矿产分布的区域，下地壳为含流体榴辉岩相区。山西省中部和西部的下地壳可能为榴辉岩相-麻粒岩相过渡区，暗示中国东部高原在山西省可能呈现为向西缓慢下降的趋势。

关键词

山西省 / 镜质组反射率 / 无烟煤 / 下地壳地质图 / 隐伏岩体 / 高原 / 早白垩世

Key words

Shanxi Province / vitrinite reflectance / anthracite / lower crust geological map / concealed rock mass / plateau / Early Cretaceous

0 引言

通过新增镜质组反射率资料,我们根据花岗岩资料^[1]重新编制了一份山西省早白垩世下地壳地质图。经过对比,得出了许多新的认识。

下地壳填图是一个尝试,我们是根据地表花岗岩的特征反演下地壳花岗岩形成源区特征的理论编制的。花岗岩来自下地壳底部变质岩的部分熔融,熔体与部分熔融留下的残留处于平衡,故可以根据地表出露的花岗岩特征反演下地壳底部变质岩的特征。当然,这种反演还是比较复杂的,很难确定地表花岗岩与下地壳变质岩一一对应的关系。这需要很多资料的限定,资料越多,限定的条件越精确,下地壳地质图越精细,可靠性也越高。

在下地壳填图中,镜质组反射率有很重要的作用。镜质体反射率是煤田和石油地质部门成熟度测量中广泛应用而且可靠性较高的方法之一,当镜质体经历热变质时,其反射率不可逆增加,因此镜质体反射率保留了盆地演化历史过程中曾经达到过的最大古地温的信息^[2]。镜质组反射率不仅对下地壳填图有用,对浅部找矿也有用。因为与岩浆岩有关的矿产(如斑岩型、夕卡岩型、石英脉型、破碎蚀变岩型、大脉型、卡林型、细脉浸染型,以及高、中、低温热液型等)大多围绕岩体分布,故隐伏岩体是找矿的前提^[3]。因此,利用镜质组反射率分布图推测隐伏岩体,再根据隐伏岩体找矿,是一个找矿的新方法。

1 什么是镜质组反射率及其意义

镜质组(vitrinites)是指高等陆生植物的木质素和纤维素经腐殖化作用和凝胶化作用而形成的凝胶化物质,普遍存在于泥盆纪以后的沉积地层中。这一术语最早是由斯托普斯(M.Stopes)于1935年提出并用以命名镜煤(亮煤)中显微镜下能够辨认的主要有机组分,其词源是拉丁文的virtum,意思是玻璃、镜子^[4]。

镜质组反射率的数据获取方法很多,数据类型也较多,有最大镜质组反射率R_max、最小镜质组反射率R_min、随机镜质组反射率R_ran、平均镜质组反射率R_m和油浸物镜反射率值R_o等。其应用范围很广,可以推算古地温、恢复地层剥蚀厚度、推断构造应力场、反映有机成熟度、煤化程度和煤焦配煤等(图1^[5])。

根据上述关系,镜质组反射率与温度的近似关系大体如下:

R_o=2.0% T=170 ℃

R_o=3.0% T=220 ℃

R_o=5.0% T=250 ℃

R_o=6.5% T=300 ℃

R_o=9.0% T=450 ℃

镜质组有以下特点:对温度和时间的影响效应最为敏感,在煤和碳质泥岩中含量最高,在一些碎屑岩和碳酸盐岩中也存在,不可逆性反映深成变质作用下地层处于最大埋深时的地温信息或其他变质作用下经历的最高古地温信息^[4]。关键在于镜质组反射率与温度有关,它可以记录镜质组形成后所经历的最高的温度。而岩浆岩侵入带来的热是导致局部地区地温梯度发生变化的一个重要的原因,故如果一个地区的地温变化很大,通常可能与岩浆岩的侵入有关。因此,镜质组反射率可以作为寻找隐伏岩体的一个重要指标,没有多解性(图2^[6],3)。

煤田和油气地质的许多研究方法是岩石学和矿床学可以借鉴的,其中最值得重视的是镜质组反射率方法,其对寻找隐伏岩体特别有用。寻找隐伏岩体有多种方法,如磁法、电法、重力、放射性法等,唯独缺少热法,即岩浆热场法。岩浆热场法最大的优势是其结果没有多解性,只与岩浆岩有关。识别岩浆热场温度变化的方法很多,有接触变质带法、镜质组反射率法、煤质分布法、牙形石色变度法、伊利石结晶度法、蚀变分带法和矿化分带法等,其中以镜质组反射率方法最佳,该方法简单、经济、精确、适用,采用此方法可以取得最佳效果^[7⇓⇓-10]。

镜质组反射率与煤质有关是杨起院士发现的^{[11⇓⇓-14]}。杨起先生(1919—2010年)是我国煤田地质的奠基人和开拓者,杨起先生及其团队多年来关于中国煤的理论和实践,可称为“杨起煤变质理论”^[15-16]。杨起先生把国外先进理论与国内实际紧密结合提出了针对中国煤田地质的一系列理论问题,建立了中国煤变质的理论。他强调岩浆岩对中国区域煤变质的重要作用,指出中国煤质分布与岩浆活动有密切的关系,这种关系不仅表现在一个煤田一个煤层,且表现在一个省甚至全国范围。杨起煤变质理论的核心是岩浆导致煤变质,岩浆(主要是热,其次为热液)对煤的影响,主要表现在煤变质程度上(煤级、煤质和煤化程度)^[16]。杨起先生的创新,不仅开辟了煤岩学研究的新思路,而且开拓了一个新的分支学科:岩浆热场-煤岩学(简称热煤岩学)。杨起煤变质理论是中国煤田地质理论与实践的结晶,是热煤岩学的基础。开展对杨起煤变质理论的深入研究,挖掘杨起煤变质理论的精髓,推进杨起煤变质理论的发展与实践,是发展中国煤炭事业的关键环节,它将改变中国煤炭事业的面貌,带来中国煤炭事业新的进步。

杨起等早在1987年即指出,中国无烟煤之下存在隐伏岩体。图4、5是河北-山西和山东地区的资料,图中在无烟煤分布的深处有几个可能的隐伏岩体,都是杨起先生推测的^[15-16]。

寻找隐伏岩体一直是岩石学和矿床学一个困难的问题,隐伏岩体很重要,查明隐伏岩体对找矿具有指导意义,这是大家熟知的,而另一个意义则与下地壳填图有关。

岩体与矿床的关系(主要指与岩浆岩有关的矿床),学术界早已知晓,如图6所示为不同类型的矿床围绕岩体分布的状况。靠近岩体温度高,有利于形成高温热液矿床,远离岩体,温度降低,有利于低温热液矿床的产出。国内也不乏这样的实例(如图7^[17],8^[18]),广西芒场剖面图更显示了温度场、接触变质带与金属矿化成矿带的关系,是一个岩浆热场控制成矿的极好的实例^[18]。

根据镜质组反射率的分布查明隐伏岩体是本文的重要任务,这个问题要做精细了很不容易,因为需要考虑的因素很多。本文的初步研究表明可以简单化处理,如图9^[19]所示为镜质组反射率分布,可能的隐伏岩体情况如图10所示。

图9是一个河南省的镜质组分布实例,根据张旗等^[1]的推测,在3个镜质组反射率的高值区的下部可能存在隐伏岩体(图10)。其中最佳成矿部位是根据矿床形成的最佳温度条件推测的^[3]。上述镜质组反射率与温度的关系、温度与岩体的关系和岩体与矿床分布的关系等均总结在图11中^[3]。

2 山西省镜质组反射率资料

2.1 山西省镜质组反射率资料解译

图12是山西省镜质组反射率分布图,右图是实际材料图,全省镜质组反射率分布图是综合了其他许多资料推测的。图12说明了以下问题。

(1)山西省镜质组反射率分布总的趋势是北低南高,如果大致以R_o=1.0%为界,北部大同煤田、宁武煤田的镜质组反射率较低,产低级煤;沁水煤田R_o较高,产优质煤。镜质组反射率最高的部位在南部,R_o超过4.5%,延续进入河南省。

(2)山西省镜质组反射率的分布说明,山西省地热场分布是北冷南热。可能原因有两种:一是山西省地热场分布的反映;二是可能叠加了岩浆热场的控制。地热场分布通常是大范围的,在一个很短的范围内一般不会有剧烈的变化。而岩浆热场由于与岩浆的侵入活动有关,局部变化可以是很大的^[15]。当然,如果岩浆活动非常发育,岩浆热场的范围也可以很大,例如中国南方各省^[12]。根据山西省镜质组反射率分布的特征,镜质组反射率局部变化很大,这种变化可能主要受隐伏岩体控制,近地表的隐伏岩体,镜质组反射率增加,更深处的隐伏岩体,R_o值较低。因此,根据上述认识,我们可以得出山西省镜质组反射率的第3个特征。

(3)山西省镜质组反射率北部变化比较平稳,说明没有岩浆岩侵入,或有岩浆侵入,但深度太大,影响不到地表浅部的地温曲线,如图2所示,主要反映了地热场的作用。而南部热场变化大,出现多个R_o值较高的封闭的情况,这是典型的隐伏岩体的表现,其中分布在太原南部的小异常,已经得到钻探验证,为一侵入体的反映并命名为祁县隐伏岩体^[20]。故山西省镜质组反射率受两种因素制约,北部为地热场控制,南部为岩浆热场控制。

(4)山西省地表花岗岩不发育,而镜质组反射率的资料表明,山西省中部和南部的深部可能有大片花岗岩隐伏岩体分布。推测R_o>1.0%(或R_o>1.5%)的地区统统是深部隐伏岩体的反映。因此,山西省不是岩浆活动不发育,而是岩浆活动异常发育,只是岩浆岩埋藏的深度比较大(或剥蚀程度不够)而已。

(5)山西省有大面积岩浆活动,推测上述活动主要是中生代时期的。表明山西省在早白垩世时可能发生了大范围强烈的地幔活动,正是地幔上涌提供的热,导致下地壳发生部分熔融,形成大量花岗岩,花岗岩侵入到地壳浅部,带来巨量的热,烘烤地层,使煤层受热变质成为高级煤,才出现镜质组反射率明显增加的现象。

图12使我们对山西省岩浆活动有了颠覆性的认识。据任战利^[2]的研究,山西地区高变质煤的分布与岩浆岩的分布是吻合的。而按照图12,山西省镜质组反射率的数值相当高,我们估计R_o>1.0%(或R_o>1.5%)可能是隐伏岩体的反映。如此,花岗岩即可能占据山西省70%~80%的面积,山西省中部和南部为花岗岩分布区。下面以实例说明。

(1)山西西山煤田的实例(图13,14)。西山煤田是位于沁水盆地西北侧的一个石炭系—二叠系煤田,西山煤田的西边恰好有一个狐堰山岩体,西山煤田的煤质恰恰是围绕狐堰山岩体分布的^[2](图13)。说明中生代狐堰山岩体的侵入影响了西山组煤层的煤质,使煤层环绕岩体分布,岩体近处为无烟煤,远处煤级逐渐降低(图13)。

据刘洪林等^[20]的研究,西山煤田在燕山期发生的岩浆侵入事件在该煤田形成了异常的古地热场,使煤级在短暂地质时限内迅速增高。西山煤田的R_o等值线围绕狐堰山岩体分布,这是早先已经确认的。令人意想不到的是,西山煤田R_o等值线还有向东南方向增强的趋势(图14),暗示在煤田的东南方向可能还存在隐伏岩体。后经煤田钻探,在石炭系—二叠系地层下钻遇燕山期的石英二长岩,重磁资料证明在西山煤田的东南部存在一个规模很大的祁县隐伏岩体,石英二长花岗岩,同位素年龄140 Ma^[21]。

(2)山西省黄河边的意外发现。汤达祯等^[22]在研究鄂尔多斯东缘煤变质作用时,意外在紫金山岩体的南部发现了两个侵入体(图15):一个在紫金山岩体南部的石楼县北,可称为石楼隐伏岩体,时代估计与紫金山大体同时;另一个在更南部的乡宁县北,称为乡宁隐伏岩体。从图中看,乡宁岩体的R_o和古地温数值在220 Ma之前很高,220~125 Ma时反而很低,说明乡宁岩体是在220 Ma之前形成的,是三叠纪时期的。

(3)沁水盆地镜质组反射率资料。沁水盆地镜质组反射率的资料很多,其中3号煤的资料比较有代表性(图16)。图中将无烟煤分为3个级别,暗示镜质组反射率与煤层气具有大体正向的关系,说明温度越高,煤级越高,煤层气的含量也越高。根据杨起等^[12]的理论,无烟煤的下面有隐伏岩体。高级别无烟煤下面隐伏岩体的位置可能更浅一些,是有利于发现隐伏岩体的地区。从图16看,未来山西省寻找隐伏岩体主要在沁水盆地的中部和南部地区(R_o高值分布区)。

2.2 山西省镜质组反射率资料的启示

2.2.1 对山西省岩浆活动的启示

按照地质研究,山西省岩浆活动不发育,全省几乎没有比较像样的岩体,仅在山西省东北部和西南的局部地区有非常小的岩体分布。但最近义兴寨特大型金矿的发现给人们注入了一些希望——山西省也可能存在大型的矿床。而镜质组反射率在全省的分布表明,山西省不仅煤矿多,深部岩浆活动也很多,可以说,山西省中部和南部的深部(尤其无烟煤分布区)统统是由花岗岩占据的(图17)。

图17是根据镜质组反射率资料修正重新绘制的山西省下地壳地质图,现说明如下。

(1)山西省全省镜质组反射率分布说明,山西省南部地温高,北部地温低。南部二叠纪煤矿以高级煤和无烟煤为主,北部(例如大同)以低级煤为主。

(2)以R_o=1.0%为界,大致可以将R_o>1.0%确定为有岩浆岩分布的范围,R_o<1.0%为无岩浆岩分布的地区。由于在繁峙地区出露有较多的岩浆活动(图17中红色点线分布的范围),因此,这个界线需要作一些修改,在山西省东北部地区,界线并没有受R_o=1.0%的严格限制(图17)。

(3)图17汇聚了不同资料的镜质组反射率分布结果^[2,16,20,22],据此初步提出了有利于寻找隐伏岩体的部位。由于资料不同,表示的方法也不同,详细解说如下:①全省镜质组分布图的R_o高值部位(图17的棕色),其中紫金山下部的棕色小圆已经得到验证,为祁县隐伏岩体^[21](石英二长花岗岩);②汤达祯等^[22]提供的资料(图17中紫金山岩体南部的石楼隐伏岩体);③沁水盆地煤田资料的无烟煤分布区和无烟煤中的高值区(图16);④根据沁水盆地的资料,无烟煤主要分布在R_o为3.0%以上地区,因此,对于没有说明是否有无烟煤的山西省南部地区,可根据R_o的分布,推测有可能发现隐伏岩体的位置(以灰色表示),可延伸到周边的河南省(图18)。

图18资料虽然比较陈旧,但是,仍然可以给我们许多启示:①R_o<1.0的部位代表地热场,华北基本上属于地热场主导的,是找油的可能的地区。②地热场显示在陕北(延安附近)有一片高值区,R_o最高值可达2.8(图18)。③局部镜质组反射率很高(R_o最高达6.0)的圆形和椭圆形的异常区(例如银川东北的高值区),可能解释为岩浆热场的显示,深部有隐伏岩体。主要位于太原以南和郑州地区,推测为大片隐伏岩体的显示,其中R_o数值高的可能表明隐伏岩体的位置较浅,是有利的找矿地区。④从太原向南拐到郑州的热场是连续的,该区深部可能有隐伏岩体,是山西省和河南省下一步找矿的可能目标。

2.2.2 对山西省下地壳地质图的启示

我们已经得出了一份山西省早白垩世下地壳地质图^[1]。由于镜质组反射率给出了山西省大片隐伏岩的新资料,所以,早先的下地壳地质图需要大幅度地修改(图19)。

(1)山西省下白垩统(K₁)地层出露很少,仅分布于左云县一带(图19的浅蓝色区域),上白垩统(K₂)也仅分布于北部,但范围扩展了很多(图19的蓝色细虚线以北的地区)。下白垩统有冰川泥石流沉积,一直向西可达陕西省东胜地区^[23],暗示在早白垩世时期该区地势很高,达雪线以上,为高原的显示。故以红色粗虚线为界,北部为地壳厚度正常区,南部为地壳厚度加厚区,为中国东部高原的一部分^[24]。

(2)大致以R_o>1.0%(蓝色虚线)为界,南部为地幔上涌区,北部无地幔上涌迹象;故南部为高温榴辉岩相区(灰色),北部为低温榴辉岩相区(白色)。繁峙地区小,岩体很多,预示深部可能有大岩体存在(这是可以肯定的),而该区主要为前寒武纪变质岩出露区,无镜质组反射率资料,故本文将繁峙地区也划入地幔上涌区范围。

(3)棕色虚线圈定的范围为山西省金矿产地,金矿的出现指示下地壳有流体活动,可能为含流体的榴辉岩相区。

(4)图中粉红色部分颇费思量,该区与东部有稍许不同:花岗岩主要是石英二长花岗岩(狐堰山、二峰山、紫金山等);其次,该区有零星中生代地层出露(主要可能是三叠纪的,无侏罗纪、白垩纪地层的记录,图20);再次,无论山西省或陕西省,没有发现早白垩世的A型花岗岩出露。综合上述情况,中国东部高原没有显示垮塌的痕迹,或许山西省中部为榴辉岩相-麻粒岩相过渡区,暗示高原可能为向西缓慢下降的趋势,而不是陡然垮塌的趋势。

3 结论与建议

(1)镜质组反射率是一份非常重要的资料,因为仅仅依靠地表花岗岩的分布,会有很大的局限性。而镜质组反射率可以显示地表以下几千米甚至近10 km的岩浆活动情况,这不仅对地质研究有用,对找矿也有用。因此,岩石学、矿床学应尽快引进镜质组反射率方法。

(2)根据镜质组反射率的分布,山西省早白垩世下地壳地质图大体是这样的情况:①山西省北部(沿大同一线,图19的红色虚线)为地壳厚度正常区,下地壳变质岩为角闪岩相;南部为地壳加厚区,下地壳底部为榴辉岩相。②以图19的蓝色虚线⑤④为界,在早白垩世时期,山西省南部有大规模地幔上涌,而北部无。故南部为高温榴辉岩相区(灰色),北部为低温榴辉岩相区(白色);棕色虚线圈定的为含流体榴辉岩相区。③山西省西部情况并不确定,如图中的粉红色部分,可能属于榴辉岩相-麻粒岩相过渡区,暗示高原可能为向西缓慢下降的趋势。

(3)镜质组反射率不仅可以给出下地壳和地幔活动的情况,还可给出地壳浅部岩浆活动分布的情况,这是寻找隐伏岩体的新指标,完全有效,没有多解性。例如,根据山西省镜质组反射率的分布,山西省中部和南部为大片中生代(主要是早白垩世)花岗岩分布区,而有利于寻找隐伏岩体的部位在R_o>3.0%的地区(如图17中的棕色圆圈、紫色无烟煤分布区和灰色R_o高值区),其中的祁县隐伏岩体已被钻探验证。

(4)根据上述研究所获成果,下面一些认识可能对山西省进一步找矿有益。

① 根据地壳加厚有利于金铜成矿,地壳减薄有利于钨锡成矿的规律,根据山西省及周边地区的实例。我们认为,大同以南为金成矿区(华北与埃达克岩有关的大多是金矿,铜矿很少,可能与源区特征有关),大同以北成矿的可能性低,如果能够成矿,则为钨锡成矿区。

② 山西省中部和南部的深部有大范围中生代花岗岩分布,是有利于成矿的区域。因此,山西省下一步找矿前景非常大,不仅限于地表有岩体和矿床分布的范围(如繁峙、运城等地区)。

③ 找矿方法建议先找隐伏岩体,再围绕隐伏岩体找矿。因为与花岗岩有关的矿床一般围绕岩体分布(如斑岩型、夕卡岩型、石英脉型、破碎蚀变岩型、细脉浸染型、卡林型、高中低温热液型和大脉型等),成矿与岩体在时间和空间上有关,而不是成因上有关^[7,25-26]。因此,不是所有的岩体都有矿。成矿一般与流体有关:流体多,成矿好;流体少,成矿差;无流体,不成矿(卢欣祥私人通讯)。而流体一般与岩体有时空联系,故成矿离不开岩体。这里的关系是:成矿与流体有关,流体与岩体有关,故成矿与岩体有关^[3,7]。因此,找矿的第一步是寻找隐伏岩体,这是找矿的前提。知道隐伏岩体后,第二步是围绕隐伏岩体找矿,这时,即可采用各种物化探遥感资料等,查明与成矿、流体有关的信息。如果能够从许多隐伏岩体中筛选出若干有利于成矿的岩体,则可开展第三步,对选中的岩体做进一步研究。

④ 为了获得更加精准的找矿区域和找矿目标,建议与煤田、石油部门合作,做到:一是尽可能收集全省各地区大比例尺镜质组反射率分布图,以圈定R_o高值异常区;二是对镜质组反射率做深入的研究,查明深部隐伏岩体的位置、深度、规模、形态等,为钻探验证指路;三是加强物化探精准探测方法的研究,尤其注意含矿流体的显示。开辟对山西省找矿新方法新思路的探索,改变山西省找矿勘探的面貌。

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基金资助

中国地质调查局项目“地球科学大数据‘一张图’体系建设与知识服务”(DD20230761)

自然资源部深地科学与探测技术实验室开放课题(202211)

国家重点研发计划项目“基于地质云的地质灾害基础信息提取与大数据分析挖掘”(2018YFC1505501)

邢台学院“邢台天梯山溶洞碳酸盐同位素记录的第四纪季风信息研究”(XTXYYB202210)

中国铁建股份有限公司重大科技研发项目“地质信息数字化平台研发与应用示范”(2021-A02)