江永宏

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心,北京100037)

黑色巖系中海底熱液SEDEX礦床的研究概況

江永宏

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心,北京100037)

黑色巖系是含硫化物和有機(jī)質(zhì)較高的暗色泥質(zhì)巖、硅巖、碳酸鹽巖組合,黑色巖系中以海底熱液噴流作用形成的礦床是國(guó)際研究熱點(diǎn)。因?yàn)楹ｊ懽兓?、殼幔作用以及全球?gòu)造變動(dòng)均導(dǎo)致黑色巖系和SEDEX礦床的演化,所以研究湘黔張家界—遵義地區(qū)有機(jī)物從保存、埋藏、生烴、排氣到過(guò)成熟,均與微生物的生命代謝、內(nèi)生地質(zhì)作用、成礦機(jī)制同步諧動(dòng),地球化學(xué)影響和生物成礦作用與全球性的氣候變遷、缺氧事件相關(guān)聯(lián),而且以上研究集中體現(xiàn)在事件地質(zhì)學(xué)的成因解釋、熱水噴流沉積作用、生物礦化與金屬礦化、礦物成因與環(huán)境影響、鉑族元素礦物、黑色頁(yè)巖石煤與金屬礦化、元素地球化學(xué)影響等方面。研究數(shù)據(jù)充分顯示了特定的地質(zhì)背景、成礦環(huán)境、生物作用機(jī)制在黑色巖系SEDEX礦床成巖成礦中的作用。

黑色巖系;SEDEX礦床;生命代謝;內(nèi)生地質(zhì)作用;成礦機(jī)制

0 引言

1948年,瑞典“信天翁”號(hào)海洋考察船在紅海中部水深1 937 m處發(fā)現(xiàn)水溫和鹽度的異常。60年代中期,美、英、德的考察船又在此處發(fā)現(xiàn)富含F(xiàn)e, Mn,以及Zn,Cu,Cd,Pb,Ag的多金屬軟泥,成為研究海底噴流成礦作用的開(kāi)端[1]。中國(guó)對(duì)海底熱液區(qū)的調(diào)查研究始于1988年[2],“黑色巖系”的概念由范德廉首次使用[3],有機(jī)質(zhì)含量較高是黑色巖系的主要特點(diǎn),黑色巖系是含硫化物和有機(jī)質(zhì)較高(C有機(jī)≥1%)的暗色泥質(zhì)巖、硅巖、碳酸鹽巖組合[3]。生物及生物地球化學(xué)作用對(duì)黑色巖系的形成起著重要作用,進(jìn)入沉積物中的有機(jī)質(zhì)可由微生物的作用而轉(zhuǎn)化為CO2和甲烷,或被細(xì)菌轉(zhuǎn)化為其他生物化合物?？茖W(xué)家認(rèn)為以原核生物為主體的熱泉微生物群落代表了生命起源之后第一個(gè)完美的地表微生物生態(tài)系統(tǒng),在40億年前生命可能起源于地球淺層巖石圈,而熱泉和海底“黑煙囪”正是地球生命從地下向地表擴(kuò)展的窗口。熱水噴流沉積作用為重要的黑色巖系成巖成礦背景,黑色巖系中礦物學(xué)、沉積學(xué)、地球化學(xué)、礦床學(xué)研究在國(guó)內(nèi)外均有建樹(shù)[4-11]。我國(guó)的香山科學(xué)會(huì)議231次會(huì)議就是以海底熱液系統(tǒng)與極端生態(tài)系統(tǒng)展開(kāi)科研,迄今為止,國(guó)內(nèi)外黑色巖系中有關(guān)海底熱液的SEDEX礦床研究集中體現(xiàn)在事件地質(zhì)學(xué)的成因解釋、熱水噴流沉積作用、生物礦化與金屬礦化、礦物成因與環(huán)境影響、黑色頁(yè)巖石煤與金屬礦化、元素地球化學(xué)影響等方面。

1 事件地質(zhì)學(xué)的成因解釋

近10年來(lái),國(guó)際上對(duì)缺氧事件的研究已從侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)逐漸擴(kuò)展到整個(gè)顯生宙,有許多學(xué)者用“大洋缺氧事件”模式來(lái)解釋黑色頁(yè)巖的成因。中國(guó)南方下古生界至少有4次大規(guī)模的缺氧事件,它們均與黑色頁(yè)巖有關(guān)。這4次缺氧事件發(fā)生的時(shí)代為早寒武世荷塘期(筇竹寺期)、中奧陶世五峰期和早志留世龍馬溪期。這4次缺氧事件均具全球性或近于全球性的規(guī)模,例如中奧陶世廟坡期和早志留世龍馬溪期形成的黑色頁(yè)巖具全球性規(guī)模;早寒武世荷塘期黑色頁(yè)巖的沉積在印度、巴基斯坦北部、伊朗、法國(guó)南部、英格蘭、威爾士、阿曼北部、前蘇聯(lián)、蒙古、澳大利亞南部、加拿大等大范圍內(nèi)均有分布,顯示出全球性或近于全球性的規(guī)模[12]。

關(guān)于早古生代的缺氧事件,目前主要有以下解釋:①海平面上升造成靜水滯留狀態(tài);②地形控制;③穩(wěn)定氣侯的控制;④溫度上升;⑤細(xì)菌作用;⑥洋流上翻作用。上述因素對(duì)于解釋局部地區(qū)缺氧環(huán)境的成因較為可信,但無(wú)法解釋全球性的缺氧事件[13]。

一些學(xué)者提出了全球性缺氧的另外幾種解釋:①缺氧事件應(yīng)與全球大陸冰川活動(dòng)有關(guān):因?yàn)槿蛐匀毖跏录纬捎诖箨懕ɑ顒?dòng)的初期和晚期,并且這一時(shí)期冷暖洋流交會(huì)造成的鹽度分層效應(yīng)最顯著,因而保護(hù)并加劇了“缺氧事件”,使缺氧期能穩(wěn)定存在一定地質(zhì)歷史時(shí)期[14];②天體事件也可引起區(qū)域性和全球性的短暫時(shí)間的海水缺氧: McLaren(1988)認(rèn)為在穿過(guò)地球軌道的星際中,直徑>10 km的外星天體大約相隔0.6～1 Ma就撞擊地球一次。在澳大利亞南部的下寒武統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)巨型隕石(估計(jì)直徑5 km),可推斷地外的隕星可能在早寒武世時(shí)撞擊了地球而引發(fā)了全球范圍內(nèi)的缺氧事件[13];③板塊構(gòu)造活動(dòng)可能是導(dǎo)致缺氧事件的一個(gè)重要原因:在揚(yáng)子板塊和華夏板塊上寒武紀(jì)早期都有一層黑色頁(yè)巖,幾乎覆蓋了揚(yáng)子板塊整個(gè)碳酸鹽臺(tái)地;我國(guó)南方從震旦紀(jì)開(kāi)始就處于大陸邊緣裂谷環(huán)境,到寒武紀(jì)早期揚(yáng)子板塊與華夏板塊之間達(dá)到強(qiáng)裂拉張狀態(tài),并可能形成初始洋盆;隨著海侵和海平面上升,水體加深,浪基面和光合作用的界面也隨之向上移動(dòng),揚(yáng)子地臺(tái)此時(shí)成為典型淹沒(méi)臺(tái)地,其結(jié)果是下部水體光合作用減弱,原來(lái)水體的耗氧量增加,溶解氧受到消耗,最終導(dǎo)致缺氧產(chǎn)生;④其他板塊構(gòu)造活動(dòng)機(jī)制也可造成缺氧環(huán)境:可能的洋中脊擴(kuò)張使海水介質(zhì)的Eh值、p H值發(fā)生顯著的改變,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了生物的耐性,從而使海洋生物大規(guī)模的絕滅[13]。

華南地區(qū)早古生代發(fā)生的4次缺氧事件在δ (13C)穩(wěn)定同位素方面留下了明顯的記錄,例如,采自下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖中薄層灰?guī)r及中上寒武統(tǒng)灰?guī)r的樣品分析顯示,缺氧環(huán)境中的δ(13CPDB)值分別為1.26×10-3和1.91×10-3,與貧氧(1.01×10-3)、充氧(-0.08×10-3,0.46×10-3)環(huán)境中的數(shù)值相比具有正偏移現(xiàn)象。奧陶紀(jì)也具類(lèi)似的特點(diǎn),如鄂東南黃馬沖剖面中奧陶統(tǒng)硯瓦山組、上奧陶統(tǒng)黃泥崗組、五峰組的灰?guī)r樣品分析結(jié)果,δ(13CPDB)從0.79 ×10-3,0.38×10-3突然增高至1.17×10-3,也顯示了五峰組黑色頁(yè)巖中薄層灰?guī)r值發(fā)生了正偏移[12]。安徽地科所陸彥邦等在研究安徽奧陶紀(jì)巖相古地理時(shí),也發(fā)現(xiàn)與中奧陶世胡樂(lè)組同期沉積的大田壩組碳酸鹽巖的δ(13CPDB)=+0.65×10-3,同其下伏地層紅花園組碳酸鹽組δ(13CPDB)值(-2.25 ×10-3～-1.98×10-3,平均-2.11×10-3)相比,發(fā)生了2.76×10-3的正向變動(dòng),從而也顯示了胡樂(lè)組同期沉積的大田壩組碳酸鹽巖δ(13C)值發(fā)生了明顯的正偏移。這種δ(13C)值的偏移現(xiàn)象并非華南早古生代特有,在世界許多地區(qū)(如歐洲、中美洲地區(qū)、非洲北部地區(qū)以及太平洋、印度洋區(qū)等)白堊紀(jì)(賽諾曼晚期至土侖早期)缺氧事件發(fā)生的沉積物中都存在δ(13C)值的正值偏移[12]。我國(guó)的相關(guān)研究也認(rèn)為[13],一定程度上可以說(shuō),下寒武統(tǒng)的黑色頁(yè)巖在南半球可追蹤對(duì)比,顯然不是地區(qū)性海水缺氧,應(yīng)與全球海平面上升和大陸解體有關(guān)。

2 熱水噴流沉積作用

沿大洋中脊裂谷及島弧張裂帶,海底熱液、噴氣活動(dòng)是一種普遍的地質(zhì)現(xiàn)象。這種作用被稱(chēng)為“熱水沉積成礦作用”、“熱鹵水沉積成礦作用”及“熱液噴流成礦作用”[1]。海底熱水或熱液循環(huán)系統(tǒng)能夠形成巨量化學(xué)沉積巖,特別是硅質(zhì)巖和金屬硫化物的巖(礦)石等[15]。華南下寒武統(tǒng)黑色巖系、重晶石層、磷礦層也被認(rèn)為屬于熱水沉積成因[16]。

海底熱液活動(dòng)和極端生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)前深海研究的熱點(diǎn)和突破口。1969年,Tag多聚酶從黃石公園“蘑菇泉”中首次被提取,其中,冰層下“東方湖”的發(fā)現(xiàn)和古老微生物可能存在的推測(cè),以及在1986—1999年ODP實(shí)施中,諸如加拉帕戈斯(Galapagos)海丘獨(dú)特的熱液生物群。海底熱液及其形成的多金屬礦床具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科研意義。海底多金屬礦床稱(chēng)為“海底金庫(kù)”,其富含Cu,Pb,Zn,Fe,Co, Ni,Au,Ag,Pt等多種金屬元素,是極為重要的礦床資源。據(jù)估算,僅紅海的熱液硫化物礦床儲(chǔ)量就近1億t,位于東太平洋的加拉帕戈斯熱液硫化物礦床儲(chǔ)量約25 000 t,北胡安德富卡海嶺的熱液硫化物礦床儲(chǔ)量近100萬(wàn)t[11]。

海底噴氣(噴流)礦床和密西西比河谷型鉛鋅礦床的成因,本質(zhì)上都與沉積盆地以下及沉積盆地中沉積物內(nèi)的熱水循環(huán)有關(guān)。海底噴氣(噴流)礦床的成因是隨上世紀(jì)60年代中期紅海海底擴(kuò)張中心發(fā)現(xiàn)熱水礦化作用和太平洋中脊發(fā)現(xiàn)富金屬沉積物與發(fā)展和確立起來(lái)的新概念,即海底熱水噴氣(噴流)礦床。顯然,海底噴氣(噴流)礦床的成因觀點(diǎn)與海底擴(kuò)張中心概念的形成息息相關(guān)。海底噴氣(噴流)礦床的現(xiàn)代模式可分為兩種:即紅海式的熱水池模式、瓜伊馬斯盆地(Guaymas Basin)和Escanaba深海槽中的丘(mound)模式。

對(duì)取自煙囪及其附近的熱液沉積物樣品的分析表明,可將南奄西海丘海底熱液沉積物分為4種類(lèi)型:①富硅熱液沉積物(I型):其特點(diǎn)是w(SiO2)高,達(dá)83%;②富硫酸鹽熱液沉積物(Ⅱ型):主要礦物為硬石膏和石膏;③塊狀富硫化物熱液沉積物(Ⅲ型):樣品為塊狀構(gòu)造,金屬礦物明顯增多,硫化物含量>40%;④碎屑狀富硫化物熱液沉積物(Ⅳ型):樣品中金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,其中w(Zn)可達(dá)23%,以富鋅鋁、多金銀為特點(diǎn),而且熱液沉積物具有碎屑構(gòu)造。

海水熱液礦床的圍巖類(lèi)型主要包括玄武巖、濁積巖及長(zhǎng)英質(zhì)火山巖等,此外在失落之城(Lost City)熱液活動(dòng)區(qū)還發(fā)現(xiàn)有橄欖巖、斜方輝橄巖、輝石巖和蛇紋巖。海底噴氣(噴流)礦床的硫同位素變化很大。以粵北泥盆紀(jì)海底噴氣(噴流)礦床為例,反映硫源變化、熱水與海水混合程度和生物有機(jī)硫的影響程度一般可分幾種情況:①重硫型:δ(34S)=+17 ×10-3～+20×10-3,反映硫源為海水或者硫化物為硫酸鹽礦物還原而成;②負(fù)值型:反映以生物硫源為主的特征;③正值窄分布型:δ(34S)在+1×10-3～+5×10-3狹窄范圍內(nèi)分布,反映以深部熱水提供硫源為主。大寶山礦區(qū)熱水成因硫同位素的變化范圍為-5×10-3～+7.16×10-3,顯示深部硫源和生物碎屑的雙重作用,而且該礦床上部礦帶還明顯有海水還原的重硫型特征(δ(34S)=15×10-3)?；洷边B縣小帶鉛-鋅-錳噴流礦床的δ(34S)值變化于+1.5×10-3～-2.5×10-3范圍內(nèi),反映出硫源為深部來(lái)源與生物硫源的混合。

硅質(zhì)巖是指由化學(xué)作用、生物和生物化學(xué)作用以及某些火山作用所形成的富含SiO2(一般> 70%)的巖石,其中也包括在盆地內(nèi)經(jīng)機(jī)械破碎再沉積的硅質(zhì)巖,但不包括陸源石英碎屑經(jīng)搬運(yùn)沉積而成的石英砂巖和沉積石英巖,盡管它們的w(SiO2)有時(shí)可達(dá)95%以上。一般沉積地層中硅巖層厚度數(shù)十到百米以上,分布范圍數(shù)百到數(shù)千平方千米, w(SiO2)≥90%者多處可見(jiàn)。許多賤金屬礦床也有類(lèi)似的情況。對(duì)于這種極難以海水中富集到巨大規(guī)模的海相沉積物中的金屬和非金屬元素的來(lái)源曾提出過(guò)許多假說(shuō),熱水沉積作用的了解,特別是現(xiàn)代熱水沉積物中多金屬硫化物、鐵錳氧化物、碳酸鹽和硅酸鹽,紋層狀重晶石的發(fā)現(xiàn)和海底純SiO2煙囪的發(fā)現(xiàn)才找到可信的證據(jù)。

羅甸城西二疊系石英脈、硅化巖、燧石結(jié)核及硅巖提供了熱水沉積作用的良好巖石學(xué)證據(jù)。類(lèi)似的現(xiàn)象也程度不一地出現(xiàn)于我國(guó)南方震旦系、寒武系和泥盆系。硅質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)有化學(xué)-生物化學(xué)成因結(jié)構(gòu)、生物成因結(jié)構(gòu)、粒屑結(jié)構(gòu)和成巖后生結(jié)構(gòu);硅質(zhì)巖的構(gòu)造比較單一,以塊狀、條帶狀和紋層狀構(gòu)造為主[13]。

研究認(rèn)為,①根據(jù)SiO2-Al2O3圖解,華南硅質(zhì)巖絕大多數(shù)投點(diǎn)落入熱水沉積物區(qū),僅少數(shù)投點(diǎn)落在正常水成沉積物區(qū),從而推斷硅質(zhì)巖主要屬于熱水成因,元素Si系由熱水從火成巖淋濾而來(lái),從而部分地具有了火山成因硅質(zhì)巖的氧化物特征;在眾多相對(duì)富集的微量元素中,Ba,As,Sb的富集構(gòu)成熱水沉積作用最主要的標(biāo)志,Ba具有熱水成因標(biāo)志元素的地位;華南下寒武統(tǒng)硅質(zhì)巖正是富硫化物層多種成礦元素沉淀高峰期前后出現(xiàn)的富硅質(zhì)熱鹵水活動(dòng)的遺跡[17];②在微量元素上,硅質(zhì)巖除Ni,Mo, Pt族元素有富集趨勢(shì)外,比較突出的是Se,As,Ba的富集,后者的地球化學(xué)特征表明,它們與地下熱液和海底噴流作用有成因聯(lián)系;在氧同位素組成上,本區(qū)硅巖δ(18O)=-17.62×10-3～22.91×10-3,與國(guó)內(nèi)外海底噴流成因硅巖相近似[18];③含放射蟲(chóng)硅巖在Al-Fe-Mn圖解上落入熱水沉積硅巖區(qū)[14]。

海水中的w(Ba)僅20×10-9,而w(BaSO4)> 80%的重晶石層常具有巨大的規(guī)模,其中僅湖南貴州交界的重晶石礦區(qū)就有近5億t的重晶石礦儲(chǔ)量[19];含重晶石巖的礦層富含Ni,Mo,V,Ag和稀土元素。礦層中V/Ni=1.33～23.01,超出無(wú)氧環(huán)境界限值0.83。重晶石礦層的Sr/Ba=0.01,說(shuō)明Ba來(lái)自于水熱活動(dòng),重晶石、磷灰石和石煤的U/ Th=1～100,說(shuō)明很強(qiáng)烈的熱水活動(dòng),而圍巖比值接近于1,說(shuō)明圍巖為正常的遠(yuǎn)洋沉積。LREE和大離子元素在源沉積物中非常豐富,由洋脊括張環(huán)境中產(chǎn)生的海底上侵火山的氣體和液體提供。重晶石之中痕量金屬元素含量非常低。重晶石和源巖中的微量元素組合說(shuō)明礦石的形成與生物成因和水熱活動(dòng)的稀釋有關(guān)。當(dāng)富Ba的底層水與殘余的富SO2-4的水混合,BaSO4快速沉積[14]。

對(duì)于金屬硫化物礦層而言,研究發(fā)現(xiàn)Ni-Mo礦石中富氣流體包裹體內(nèi)NaCl對(duì)應(yīng)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)< 0.5%,比海水低,與發(fā)生相分離的含鹽-共生H2O包裹體截然不同。兩種不同的流體包裹體的相對(duì)含量與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以相比,表明了在沸騰溶液里生長(zhǎng)的晶體含有的典型包裹體主要為富液體-與富氣流體有關(guān)的包裹體,說(shuō)明礦石的堆積環(huán)境是非常淺的海水環(huán)境。如果礦化流體在與圍巖接觸的過(guò)程中受冷,包裹體內(nèi)升高的流體鹽度將不會(huì)變化,但是如果與海水混合導(dǎo)致冷卻,鹽度將會(huì)稀釋。如將貴州的Ni-Mo礦化系統(tǒng)看作一個(gè)整體,上述兩種情況都不明顯。但事實(shí)上有一種總體趨勢(shì),隨著靠近海底的沸騰向上穿越沉積巖層的過(guò)程,包裹體的均一溫度降低,鹽度增高。在其他可能的沉積噴流型和密西西比河谷型礦石中,流體包裹體也有同樣的鹽度趨勢(shì),并且流體的混合被認(rèn)為是礦石堆積的原因。

3 生物礦化與金屬礦化

生物礦化的機(jī)理目前眾說(shuō)不一:①藍(lán)藻能夠吸收水體中溶解的氮,通過(guò)固氮酶把氮固定下來(lái);在固氮酶系統(tǒng)中有鋁蛋白和鐵蛋白;為了提高固氮酶的活性,藍(lán)藻還必須吸取砷、鎳、銅等微量元素[20],而成為金屬元素的富集體;②死亡和未死亡的生物個(gè)體均可能調(diào)制金屬的富集;鎳鉬釩礦礦石物質(zhì)成分為鎳鉬硫化物以及有機(jī)碳、長(zhǎng)石、石英、黏土礦物、黃鐵礦、膠磷礦、方解石等,礦石中還見(jiàn)有少量海綿骨針、軟舌螺、菌藻類(lèi)生物碎屑,低等藻類(lèi)植物有直接吸收鎳元素的功能,而似碎屑狀產(chǎn)出的硫鉬礦呈非晶質(zhì),可能是生物死亡后分解出的氨基酸或卟啉與鉬結(jié)合成的絡(luò)合物[2];也有人認(rèn)為,生物殘骸的腐爛、耗氧,釋放出CO2和H2S及有機(jī)酸,促進(jìn)了金屬元素的沉淀和富集[21];③黑色巖系直接、間接地與生物活動(dòng)和生物地球化學(xué)元素(C,N,P,S,O和Fe, Mn,Mo,V,Zn,Si等)的循環(huán)有密切聯(lián)系,在其沉積-成巖過(guò)程中離不開(kāi)生物地球化學(xué)作用;原生的生物地球化學(xué)作用為黑色巖系中的礦床提供物源,次生的生物地球化學(xué)作用則為這些礦床的形成創(chuàng)造地球化學(xué)環(huán)境和條件[16];總的說(shuō)來(lái),有機(jī)質(zhì)演化與成礦的關(guān)系已不同程度地為成礦實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[22-24];④作為熱水噴流構(gòu)造背景的重要標(biāo)志,重晶石礦化與有機(jī)質(zhì)也有聯(lián)系:如重晶石巖中有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.89%,顯示成巖過(guò)程中有機(jī)物質(zhì)的損耗,而且重晶石巖中有機(jī)物來(lái)源于細(xì)菌和藍(lán)藻,在重晶石巖中5α、14α、17α羧苯甲?；且阴０稢2720R和5α、14α、17α羧苯甲?；且阴０稢2920R是2.28,而在圍巖中為1.75～1.98,說(shuō)明了是細(xì)菌和藍(lán)藻來(lái)源[25,26],重晶石巖和圍巖中的有機(jī)質(zhì)雖然均為藻類(lèi),但是重晶石巖中的有機(jī)質(zhì)在成巖過(guò)程中已被微生物改造;又如,重晶石巖中有機(jī)物的成熟度比圍巖中的成熟度要高,黑色頁(yè)巖中Ts/(Tm+Ts)=0.47～0.51,但在重晶石中為0.54,有機(jī)地球化學(xué)說(shuō)明了重晶石和圍巖在成巖過(guò)程中伴隨著強(qiáng)烈的細(xì)菌活動(dòng)[27]。

有機(jī)質(zhì)演化的不同階段具有不同的成礦作用。在沉積和成巖早期,生物的活動(dòng)大量地濃集海水中的金屬元素,大批的生物遺體在生物菌解作用下產(chǎn)生大量的腐植酸、CH4和CO2等可導(dǎo)致沉積界面處于穩(wěn)定的還原狀態(tài),從而不僅有利于沉積物對(duì)海洋中金屬元素的充分吸附沉淀,而且有效地防止了沉淀的金屬有機(jī)絡(luò)合物再度從沉淀物中被釋放和參與海洋的循環(huán)活動(dòng)。成巖變質(zhì)作用表明有機(jī)質(zhì)演化進(jìn)入成熟階段,有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)生大量液態(tài)烴,由于富含多種有機(jī)官能團(tuán)(如-OH,-COOH,-OCH3, -HN3等),可通過(guò)O,N原子與各種金屬離子配位,形成金屬有機(jī)絡(luò)合物[28],引起黑色巖系中金屬元素的活化,為黑色巖系中金屬元素的遷移和富集提供必要的物理-化學(xué)條件。當(dāng)有機(jī)質(zhì)演化進(jìn)入過(guò)成熟階段之后,有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生大量還原性甲烷氣體,為含礦熱流體中金屬元素的還原沉淀成礦提供了保證[29]。這可以說(shuō)從理論上證明了有機(jī)流體可以活化和遷移黑色巖系中的金屬元素[30],成為直接影響金屬元素活化、遷移乃至富集成礦的重要機(jī)制。

4 礦物成因與環(huán)境影響

4.1 礦物的成因信息

通過(guò)成因礦物學(xué)研究,得出了黃鐵礦、重晶石、磷結(jié)核、硅質(zhì)巖、含碳硫鉬礦的成因信息。

4.1.1 生成介質(zhì)性質(zhì)

(1)與黃鐵礦有關(guān)的生成介質(zhì)性質(zhì):為熱水噴流的金屬元素礦化流體,但也有相當(dāng)量的海水加入。

(2)與重晶石有關(guān)的生成介質(zhì)性質(zhì):重晶石富含Cr,Ni,Si元素,表明重晶石的形成伴隨著燧石化和熱水汲取幔源組分的過(guò)程,也說(shuō)明了熱水成因;而湖南張家界柑子坪的重晶石中硫同位素為54.3× 10-3～57.4×10-3,接近華南地區(qū)的最高值,說(shuō)明此處的海水曾經(jīng)發(fā)生很強(qiáng)的同位素分餾作用。因?yàn)橹鼐騺?lái)自海水,結(jié)合其他資料綜合分析,重晶石應(yīng)是在深部熱鹵水與海水混合的體系中沉積而成的。

(3)與磷結(jié)核有關(guān)的生成介質(zhì)性質(zhì):磷結(jié)核的磷質(zhì)來(lái)源于同期海底火山噴發(fā)或熱液噴流作用,反映了生物富集的特點(diǎn)。

(4)與硅質(zhì)巖有關(guān)的生成介質(zhì)性質(zhì):為熱水噴流的水熱流體。通過(guò)3件樣品的硅同位素標(biāo)型δ (30Si)和氧同位素標(biāo)型δ(18O)的研究,證明了與熱水來(lái)源及熱泉水中石英一致,湘黔張家界—遵義地區(qū)硅質(zhì)巖系熱水成因的隱晶或微晶燧石質(zhì)硅質(zhì)巖,屬于熱水噴流沉積型。

(5)與含碳硫鉬礦有關(guān)的生成介質(zhì)性質(zhì):為來(lái)源于殼幔組分的混合成因的熱鹵水,并有有機(jī)質(zhì)流體和海水的存在。①富親鐵性元素(V,Cr,Fe,Ni, Zn):是早期溶液及硫鉬礦形成的標(biāo)志性特點(diǎn),與黃鐵礦、輝鎳礦為主要共生礦物組合相一致,特別是Cr,Ni元素的存在說(shuō)明熱水噴流不僅汲取了酸性巖組分,也汲取了侵入地殼中的基性、超基性巖組分,具有混合成因;②富As,Se元素:除了湖南張家界柑子坪的樣品中有As>Se的趨勢(shì)外,張家界三叉與貴州遵義中南村的樣品中As與Se無(wú)明顯配位優(yōu)勢(shì);③變化的Mo︰S︰C比值:同樣來(lái)自于湖南的三叉和柑子坪的2個(gè)樣品,其理想化的Mo︰S︰C可從1︰2︰2變化到1︰2︰4.5,說(shuō)明不同地點(diǎn)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大,可能對(duì)應(yīng)著生成時(shí)的有機(jī)質(zhì)環(huán)境和有機(jī)質(zhì)成礦流體的不均一性;④C/S與Mo/(Mo+Fe+Ni)比值研究:Mo/(Mo+Fe+ Ni)的均值(Mean(Mo/(Mo+Fe+Ni))與C/S的均方差(MSD(C/S))呈線性負(fù)相關(guān),充分證明了C/S比值越高,不僅有機(jī)質(zhì)流體環(huán)境更不穩(wěn)定,而且Mo在成礦熱液中的相對(duì)濃度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),或者說(shuō)富鉬的成礦熱液有被稀釋的趨勢(shì)。

4.1.2 生成流體環(huán)境條件

(1)與黃鐵礦有關(guān)的生成流體環(huán)境條件:從Co/ Ni的比值可判斷湘黔張家界—遵義地區(qū)黃鐵礦主要為熱液成因,礦化物質(zhì)來(lái)源為熱水噴流體系內(nèi)的熱液;δ(34S)的極端變化可能是在成礦過(guò)程中由于生物和水熱活動(dòng)的作用而產(chǎn)生,黃鐵礦ln(δ(34S))平均值與S/Fe有近于同消長(zhǎng)的關(guān)系,反映的是介質(zhì)組分條件是黃鐵礦硫同位素分餾的主導(dǎo)性因素;形成溫度為低溫(100～240℃),集中于115～185℃,平均156℃,說(shuō)明與熱水-海水的混合沉積有關(guān),而一般熱水的溫度變化區(qū)間為90～350℃,而介質(zhì)流體的p H=7.0～7.8,Eh=-0.3 V。

(2)與重晶石、磷結(jié)核、硅質(zhì)巖生成有關(guān)的流體環(huán)境條件:溫度標(biāo)型研究表明重晶石包體測(cè)溫最低溫度為121℃,重晶石形成時(shí)熱鹵水的最高溫度在200℃。據(jù)此認(rèn)為重晶石生成時(shí)的熱水環(huán)境溫度為121～200℃,而其生成介質(zhì)p H≈7.0～7.8,Eh≈0.0～0.1 V;磷結(jié)核中磷灰石的化學(xué)成分說(shuō)明成因類(lèi)型應(yīng)為生物化學(xué)沉積,p H≈6.0～7.5,磷結(jié)核生成時(shí)的水溫應(yīng)為正常海水水溫,而磷灰石晶體化學(xué)特征參數(shù)((P-3)×10、(Ca/P-1)×10))剖面成分梯度分析顯示,在1/4大小的磷結(jié)核橫剖面上,存在著單核或雙核沉積中心結(jié)核的內(nèi)部構(gòu)造類(lèi)型為不規(guī)則紋層狀,反映底流水水體相對(duì)均一的動(dòng)態(tài)振蕩;硅質(zhì)巖古海洋水溫為80.44～90.69℃(或者79.20～98.34℃),平均84.81℃或87.27℃,說(shuō)明為熱水噴流成因,硅質(zhì)巖的生成介質(zhì)p H≈7.0～7.8,Eh≈0.0～0.1 V。

(3)與含碳硫鉬礦生成有關(guān)的流體環(huán)境條件:含碳硫鉬礦中的C是以石墨層的形式存在于MS2的間層之間,其組成可表達(dá)成(Mo,Fe,Ni)3(S, As)6Cn,n的變化范圍是6～15,若同除以3,對(duì)應(yīng)著每一個(gè)MoS2晶層,石墨層的數(shù)目為3～5不等。石墨層的存在反映了后期變質(zhì)作用直接促成了膠體礦物含碳硫鉬礦的最終形成。在熱水噴流的體系內(nèi),是沉積早期的熱水活動(dòng)(200～300℃)形成了富Ni,Mo,Fe的膠體溶液,然后通過(guò)與嗜熱性微生物的交互作用(即微生物的新陳代謝)形成了化學(xué)動(dòng)態(tài)平衡,最終在富CH2-和S2-的生物場(chǎng)內(nèi)結(jié)晶生成含碳硫鉬礦。

4.2 有機(jī)地球化學(xué)標(biāo)型

對(duì)黑色巖系中有機(jī)質(zhì)的組成、Corg含量、氣相色譜、色譜-質(zhì)譜、生物標(biāo)記物并結(jié)合鏡質(zhì)體反射率進(jìn)行分析,找出相應(yīng)的有機(jī)地球化學(xué)標(biāo)型,可以得出以下結(jié)論:

(1)類(lèi)異戊間二烯烷烴/正烷烴比值(Pr/nC17和Ph/nC18)以湖南張家界硅質(zhì)巖為最高,分別為0.68和0.67,說(shuō)明硅質(zhì)巖的成熟度最低;磷塊巖的姥膠烷含量Pr和植烷含量均為最高,分別為3.33%和5.84%,說(shuō)明其生物成因最為顯著;遵義富硫鉬礦黑色頁(yè)巖的甲基菲比4.50為最高值,張家界柑子坪金屬富集層的二甲基菲比1.36為最高值,說(shuō)明成熟度最高。類(lèi)異戊間二烯化合物姥鮫烷與植烷的比值Pr/Ph=0.57～0.86,且均<1,據(jù)此可判斷黑色頁(yè)巖的生成對(duì)應(yīng)著缺氧的沉積作用,低的Pr/Ph表明缺氧的超鹽度環(huán)境。

(2)貴州遵義中南村金屬富集層的Pr/nC17和Ph/nC18最低,分別為0.36和0.34,而湖南張家界柑子坪金屬富集層的Pr/nC17和Ph/nC18分別為0.46和0.54,反映了湖南張家界有機(jī)質(zhì)成熟度要比貴州遵義的低;貴州遵義的鏡質(zhì)體反射率(6.678)明顯偏高,半石墨化現(xiàn)象嚴(yán)重;貴州遵義中南村的樣品C29甾烷的20S/20(S+R)可判斷該地區(qū)在地史上生過(guò)油,并且經(jīng)歷了生油高峰期,可見(jiàn)貴州遵義的金屬富集層成熟度最高。

(3)從不同巖性和地點(diǎn)的樣品的飽和烴氣相色譜測(cè)試看出,碳數(shù)范圍分布較窄,多分布在C13～C33之間,主峰碳為C23,C24,C25,比例為1︰4︰3,總體曲線無(wú)奇偶優(yōu)勢(shì),不同分子量范圍的碳數(shù)相似分布的特征反映有機(jī)質(zhì)應(yīng)有相同的來(lái)源,均為浮游生物。通過(guò)飽和烴色譜-質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)湖南張家界三岔、柑子坪的樣品和貴州遵義中南村的樣品雖然來(lái)自于相距400 km不同的采樣地點(diǎn),并且?guī)r性分別為硅質(zhì)巖、金屬富集層2種,但在烴源巖成熟度分區(qū)圖上,反映了均為低熟的生成環(huán)境。

(4)雖然湘、黔兩地礦床都經(jīng)歷了后生期的構(gòu)造熱變質(zhì)事件,但兩地有機(jī)質(zhì)的熱演化歷史不同,表現(xiàn)為兩地有機(jī)質(zhì)成熟度不同,或有機(jī)質(zhì)的熱解、成流體遷移、生烴、生油、成氣、排氣等過(guò)程不同。研究表明,貴州遵義境內(nèi)的金屬富集層和黑色頁(yè)巖較湖南張家界的相應(yīng)層位貴金屬元素含量明顯偏高,可能是由于貴州遵義中南村地區(qū)的金屬富集層有機(jī)質(zhì)成熟度要比湖南張家界柑子坪的高,其中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生了程度較高的芳構(gòu)化效應(yīng),導(dǎo)致鉑族元素更為富集。

4.3 有機(jī)質(zhì)與貴金屬元素成礦的相關(guān)性

(1)海水正常沉積的有機(jī)質(zhì)來(lái)源是浮游生物,而在熱液噴口附近生長(zhǎng)的極嗜熱微生物是PGE早期礦化的主要控制因素,來(lái)源于殼幔混合作用的、屬于典型基性成分的貴金屬元素得到初步富集。

(2)部分鉑族元素賦存在有機(jī)質(zhì)干酪根和黏土礦物中,并應(yīng)以獨(dú)立礦物形式存在。

(3)鉑族元素含量特征參數(shù)ΣPGE,ln(Pd/Pt), (Ru/Ir)×(Pd/Pt),ln[(Ru/Ir)×(Pd/Pt)]均與有機(jī)質(zhì)含量特征參數(shù)有較好的相關(guān)性。

(4)趨勢(shì)分析顯示,鉑族元素含量特征參數(shù)ln [(Ru/Ir)×(Pd/Pt)]與總有機(jī)碳含量特征參數(shù)ln (Corg)有很好的線性相關(guān),線性相關(guān)公式為y= 0.4762x-1.1316,相關(guān)系數(shù)r=0.7584。說(shuō)明該參數(shù)為一穩(wěn)定性參數(shù),主要受有機(jī)質(zhì)總量決定,集中反映了生物對(duì)成礦作用的制約性。

(5)與湖南張家界樣品有機(jī)碳含量ln(Corg)與鉑族元素含量(ΣPGE)呈同步正消長(zhǎng)關(guān)系不一樣,貴州遵義地區(qū)鉑族元素總量(ΣPGE)與有機(jī)碳含量的相關(guān)性表現(xiàn)出不盡一致的特點(diǎn),后者可解釋為后生期的熱事件(海西晚期,Rb-Sr等時(shí)線年齡(274± 22)Ma)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)干酪根的高成熟化、大量生過(guò)氣(C>2%)和石墨化趨勢(shì)(或者說(shuō)是芳構(gòu)化效應(yīng))改變了源巖有機(jī)質(zhì)而導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)的損耗,例如黑色頁(yè)巖的鏡質(zhì)體反射率R0=6.678,為準(zhǔn)變質(zhì)階段,而富金屬硫化物層中的有機(jī)質(zhì)已成為石墨。

5 鉑族元素礦物

鉑族元素通常被作為內(nèi)生金屬成礦進(jìn)行實(shí)際研究,但巖漿作用不是控制鉑族元素遷移和富集的唯一地質(zhì)因素和成礦條件,鉑族元素既可在巖漿期后熱液作用富集和成礦,又可在熱水溶液作用下活動(dòng)和富集。研究表明,在富含有機(jī)物的泥炭田還原環(huán)境中,由進(jìn)入成煤盆地的低溫礦化溶液可以形成鉑礦物。1991年,在加拿大一個(gè)含鉑超基性巖體附近的煤田中首次發(fā)現(xiàn)鉑礦物,而且鉑族元素含量很高(w(Pd)=6.1×10-6,w(Pt)>10×10-6)。前蘇聯(lián)一直未在鉑族元素含量異常高的黑色頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)鉑礦物,而在1995年,在俄羅斯濱海邊疆區(qū)巴甫洛夫-2剖面的煤和石化木中第一次發(fā)現(xiàn)鉑礦物。據(jù)稱(chēng),在加拿大煤層中這種高含量的鉑礦物受斷裂控制,似具有后生性質(zhì),但文獻(xiàn)中沒(méi)有談到有關(guān)Pt和Pd的礦物載體情況,而俄羅斯煤層的富鉑地段同斷裂帶沒(méi)有明顯的聯(lián)系。

俄羅斯學(xué)者H.M.切爾內(nèi)紹夫在沃羅涅日結(jié)晶地塊發(fā)現(xiàn)了鉑族元素和含金量異常高的層狀黑色頁(yè)巖和交代巖,并著重研究了鉑族元素礦物的礦物組合。在庫(kù)爾斯克的研究表明,在層狀黑色頁(yè)巖中,鉑族元素以傳統(tǒng)的礦物形式進(jìn)行富集。雖然對(duì)鉑族礦物及與之伴生的鋇、鈣和鉍的鈦酸鹽來(lái)說(shuō),目前尚未查明它們與造巖礦物、黑色頁(yè)巖的典型礦石礦物的相互關(guān)系,但有關(guān)這些硫化物顆粒富含Pd和Pt的資料對(duì)于查明黑色頁(yè)中的鉑族元素礦化來(lái)說(shuō)可能是有用的?？梢哉f(shuō),在磁異常區(qū)的黑色頁(yè)巖當(dāng)中,鉑族礦物這種非同尋常的伴生情況(自然鈀和自然鉑,鈀的硒化物和錫化物,鉑和鋇、鈣和鉍的鈦酸鹽伴生)是已知天然礦床所絕無(wú)僅有的現(xiàn)象。

在波蘭蔡希斯坦,含貴金屬黑色頁(yè)巖原為在受限區(qū)域形成的數(shù)毫米厚的黑色頁(yè)巖。Pt的單體礦物至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn),Pt和Ir分別以鉑金礦的混合物產(chǎn)出(不超過(guò)2%和0.8%),有時(shí)以金屬有機(jī)化合物產(chǎn)出。Au是存在于有機(jī)化合物中,作為自然金、AuPb2,以及在Pd的砷化物中以混合物產(chǎn)出(不超過(guò)20%)。Pd產(chǎn)出在自然金、六方鉍鈀礦、Pd3As5、PdAs2、Pd3As2、(Pd,Au)5As2、PdAs3-文砷鈀礦、Pd8As2S-Pd4As3、砷的鈀氫氧化物、砷鎳鈀礦、PdCu (As,S)6、Pd8As6S3和Pd2As-斜砷鈀礦等礦物相中,它形成了Ni砷化物和Co砷化物中的混合物。有機(jī)質(zhì)中的Pd含量遠(yuǎn)比重鉑族元素低,不超過(guò)0.3%。然而有時(shí)Pd超過(guò)2%,并且與Bi,Pt,甚至有時(shí)與Sn及少量S共生[6],與俄羅斯庫(kù)爾斯克的富Sn-Se鉑族元素礦物比較而言,波蘭為富S-As組合,這不僅反映上述元素組合(富Sn-Se和富S-As)具有地質(zhì)場(chǎng)背景指示作用,也具有成礦場(chǎng)標(biāo)志作用,直接或間接地說(shuō)明鉑族元素礦物的出現(xiàn)或產(chǎn)出與生成熱液條件有關(guān),至少與半揮發(fā)性元素的飽合度這一化學(xué)性參數(shù)有關(guān)。PGE剖面也說(shuō)明了在搬運(yùn)礦床中PGE元素和Au元素的過(guò)程中有水熱流體的參與,因?yàn)樵谒疅釛l件下Ir和Os是比Pt,Pd或Au更少溶解,水溶液里的沉積將通常導(dǎo)致相對(duì)于其他PGE元素和Au元素而言的Ir和Os的消耗。

6 黑色頁(yè)巖石煤與金屬礦化

湖南大庸下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖含有機(jī)碳達(dá)8%～12%,上震旦統(tǒng)陡山沱組黑色頁(yè)巖有機(jī)碳為1.73%～3.89%,中奧陶統(tǒng)黑色頁(yè)巖有機(jī)碳平均含量為2.33%,下二疊統(tǒng)茅口組黑色頁(yè)巖有機(jī)碳為8.2%。這些黑色頁(yè)巖往往有金屬的聚集和成礦,特別是Au,Ag,Ni,Mo,V等,形成多金屬或貴金屬礦床,還伴生鉑族元素,我國(guó)德興盆地的前寒武系雙橋山群的含碳質(zhì)千枚巖和凝灰質(zhì)千枚巖含碳量一般為3%～5%,含有Pt和Pd,并賦存有含Pt和Pd的蝕變巖型金礦體。表明缺氧沉積物和變質(zhì)沉積巖及有機(jī)質(zhì)對(duì)鉑族元素聚集具有重要的意義[21]。

黑色頁(yè)巖與金屬礦化具有成因聯(lián)系。在還原-強(qiáng)還原的地球化學(xué)環(huán)境中,海底噴發(fā)作用形成大量的硫化物礦層,硫鎳礦、硫鉬礦和膠狀黃鐵礦圍繞碳質(zhì)、磷質(zhì)碎屑或礫屑核心構(gòu)成膠狀構(gòu)造,為其重要的礦床特征,而且當(dāng)粉砂狀碳質(zhì)頁(yè)巖作為賦礦圍巖時(shí)[18],黑色巖系本身就很富集貴金屬元素。在沉積和成巖環(huán)境中,孔隙和孔隙水對(duì)圍巖進(jìn)行充分作用,貴金屬元素處于活潑狀態(tài),氨(或有機(jī)胺)是貴金屬元素(特別是Pt,Pd,Os)的一種搬運(yùn)體,Au,Ag等可能以HS-,Cl-等形式搬運(yùn),碳的吸附作用可使貴金屬元素得到濃縮。加拿大的黑色頁(yè)巖層序都賦存有金屬硫化物層鎳、鉬、鉑(族)礦床。

對(duì)加拿大、美國(guó)、波蘭和中國(guó)黑色頁(yè)巖化學(xué)成分的研究表明,黑色頁(yè)巖是鉑族元素的重要容礦巖石,鉑族元素常與有機(jī)質(zhì)伴生,有機(jī)質(zhì)對(duì)鉑族元素的富集具有重要意義。研究證明,在礦石形成過(guò)程中的流體參與作用可能較為復(fù)雜,包括弱鹽度的地層水、寒武紀(jì)海水、由水熱流體的沸騰作用形成的濃縮鹵水、來(lái)源于蒸氣凝聚形成的稀釋流體和寒武紀(jì)隕石水的加入。有機(jī)質(zhì)對(duì)鉑族元素富集成礦的意義極為重要,近10多年來(lái),國(guó)內(nèi)外的地質(zhì)工作者十分注意研究不同時(shí)代黑色頁(yè)巖的多金屬成礦作用,特別是發(fā)現(xiàn)黑色頁(yè)巖中的金屬礦床伴生有鉑族元素和高含量的有機(jī)碳。

石煤與多金屬元素的富集層、有機(jī)巖或烴源巖類(lèi)均存在空間上的組合關(guān)系。并且有機(jī)成礦作用在黑色巖系的貴金屬礦化中起主導(dǎo)作用[31]。石煤層與黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖有關(guān),鎳鉬多金屬礦層與含磷、有機(jī)質(zhì)和白云質(zhì)較高的黑色頁(yè)巖有關(guān),而釩礦層則與硅質(zhì)巖和黑色頁(yè)巖互層有關(guān),三礦層交替出現(xiàn)[32]。

石煤沉積在深水盆地內(nèi),其組成也分有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)兩部分。通常當(dāng)黑色巖系中黑色碳泥質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖的有機(jī)碳近于10%或>15%,發(fā)熱量達(dá)3 347 J/g或800 K/g時(shí),可作燃料,俗稱(chēng)石煤[32,33]。其有機(jī)質(zhì)來(lái)源為以藍(lán)藻為主的藻類(lèi)體。無(wú)機(jī)質(zhì)成分主要為非晶質(zhì)硅、黏土礦物、硫化物、碳酸鹽礦物,少量為石英、長(zhǎng)石、重晶石、膠磷礦[14]。如湘西北地區(qū)的石煤,主要賦存于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組下部(有時(shí)為中部),并常伴生有鎳、鉬、釩、銅、鈾、磷、銀和金等元素,有時(shí)尚見(jiàn)海綿骨針和藍(lán)綠藻類(lèi);石煤呈薄-中厚層狀,含線理狀或浸染狀黃鐵礦,可分為含磷結(jié)核硅質(zhì)碳泥質(zhì)石煤、碳泥質(zhì)硅質(zhì)石煤、角礫狀或磷片狀石煤、條紋狀碳泥質(zhì)硅質(zhì)石煤和泥碳質(zhì)硅質(zhì)石煤[32]。

7 元素地球化學(xué)影響

在江西樟村—鄭坊黑色巖系釩礦床[34]的含礦巖系中,鋇冰長(zhǎng)石、黏土礦物和污染型有機(jī)碳質(zhì)為礦床的主要成分,次要成分為黃鐵礦、重晶石,全巖化學(xué)成分的w(BaO)較高(1.5%～6%),熱水環(huán)境特征顯著,巖石中存在長(zhǎng)石的片狀晶晶簇、重晶石板狀晶體的扁杏仁狀晶洞,無(wú)疑為熱水(噴流)成因的遺留氣泡,含鋇長(zhǎng)石被認(rèn)為熱水成因標(biāo)志物[35,36],釩礦床也是熱水噴流成因的。硫鉬礦是黑色頁(yè)巖中很重要的硫化物,含碳硫鉬礦有Mo-O,Mo-S-Fe和Mo-S等3種鍵性類(lèi)型,并且Mo-S-Fe化合物理論上被認(rèn)為具有方黃銅礦型結(jié)構(gòu),其中Mo源于海水中的MoO2-4,以方黃銅礦型結(jié)構(gòu)為成熟中間態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類(lèi)似于輝鉬礦的物質(zhì)[4]。

有多種模型用于解釋寒武紀(jì)黑色巖系的生成環(huán)境:①早寒武世磷塊巖和相關(guān)含金屬黑色巖系的形成是由于海水溫度分層以及海洋運(yùn)動(dòng)的反復(fù)性;②黑色巖系和礦石中的V元素由于囊類(lèi)動(dòng)物的生物作用而被富集,而海洋的水熱煙囪為細(xì)菌富Ag提供條件,藻類(lèi)和泥炭則有助于從溶液中富集Mo;③部分金屬元素PGE和Ni具有地外成因[37,38],與Pd,Au相比,Ir和Os有相對(duì)較低的標(biāo)準(zhǔn)值[39]型的水熱搬運(yùn)的PGE組合;④與喀斯特有關(guān)的結(jié)核狀黃鐵礦礦層的表生富集形成了礦石[40]的時(shí)代差異,包括元素組成、礦物學(xué)、交代組構(gòu)等礦石基本特征,表明水熱流體參與了生物作用和沉積過(guò)程,產(chǎn)生了這些非同尋常的礦床[41]。

(1)稀土元素:①湘黔張家界—遵義地區(qū)黑色頁(yè)巖與海水型稀土模式有一定的差別,說(shuō)明其不完全具備海相化學(xué)沉積的特點(diǎn)。據(jù)劉家軍(1994)和周永章(1994)等綜合前人的資料,海底熱水沉積巖具有與海水相似的稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化模式,δ(Ce)負(fù)異常、輕稀土虧損、重稀土富集、稀土總量低及模式曲線近于水平或左傾為其主要特征;②微生物導(dǎo)致δ(Eu)負(fù)異常。輕稀土元素易以類(lèi)質(zhì)同象形式替代生物灰?guī)r中的Ca2+而使海水富輕稀土,硅藻具有Eu負(fù)異常,某些植物中輕稀土元素富集并呈明顯的Eu負(fù)異常,因此黑色頁(yè)巖中數(shù)值不穩(wěn)定的δ(Eu)負(fù)異常、與微生物活動(dòng)可能有關(guān)[33]的負(fù)異常往往是海相沉積的特征,并被用來(lái)指示其海水來(lái)源。湘黔張家界—遵義地區(qū)黑色頁(yè)巖中出現(xiàn)不同程度的Ce負(fù)異常(δ(Ce)<1),說(shuō)明海水對(duì)黑色頁(yè)巖中稀土元素的富集有重要貢獻(xiàn)。

利用ICP-MS對(duì)黑色頁(yè)巖的稀土元素進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果表明,遵義和張家界黑色頁(yè)巖的δ(Ce)負(fù)異常很明顯,δ(Eu)值在張家界和遵義富黃鐵礦的黑色頁(yè)巖中為負(fù)異常,而在富硫鉬礦黑色頁(yè)巖中接近1[33],元素一般呈正3價(jià),但Ce與Eu具變價(jià)性,研究認(rèn)為,它們的異常含量常常是判別海水深、淺或環(huán)境氧化、還原的標(biāo)志。Ce在海水中的停留時(shí)間最短,僅為80年(其他元素為180～1 800年),它常以Ce4+狀態(tài)存在。由于其溶解度甚小而使海水呈現(xiàn)Ce的強(qiáng)烈負(fù)異常。洋中脊的多金屬沉積物中常常富集稀土元素,且其模式化圖呈現(xiàn)出Ce的負(fù)異常,說(shuō)明熱水沉積物吸收了海水中的稀土元素。

在湘黔地區(qū)的燈影組-牛蹄塘組不同巖類(lèi)的北美頁(yè)巖組合樣標(biāo)準(zhǔn)化稀土模式中,燈影組鐵白云巖和硅質(zhì)巖都呈明顯的左傾曲線和Ce負(fù)異常,這與它們以化學(xué)方式沉積有密切關(guān)系。①磷塊巖:海相生物組分的集中加強(qiáng)了海水模式特征,因?yàn)楹Ｏ嗌镩L(zhǎng)期生活在海水中,生物體與環(huán)境的平衡變換使其微量元素組分具備了海水特征,并且反映了熱水與正常海水的混合作用;②牛蹄塘組硅質(zhì)巖:具有典型的熱水沉積特征;③富金屬層、黑色頁(yè)巖:主要為正常沉積,同時(shí)顯示某些熱水沉積稀土模式特征,反映了熱水與正常海水的混合作用。另外,在La/Yb-Ce/La和La/Yb-REE圖解上,多點(diǎn)落于沉積巖和玄武巖重疊區(qū),則進(jìn)一步指示了武陵期基性、超基性巖類(lèi)在黑色巖系物質(zhì)供應(yīng)方面可能起到的積極作用。

(2)PGE元素:根據(jù)代表太陽(yáng)系組成的CI碳質(zhì)球粒隕石[42]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,可做鉑族元素的分布模式圖,鉑族元素主要載體金屬富集層和黑色頁(yè)巖曲線上Pd,Pt明顯富集,而Ir,Ru嚴(yán)重虧損,且Ir的含量非常穩(wěn)定,在金屬富集層和黑色頁(yè)巖中含量幾乎相等。鉑族元素的明顯分異說(shuō)明黑色巖系的分布模式不具有地外物質(zhì)的特征[33,43]。通過(guò)鉑族元素配分模式和(Pt+Pd)/(Os+Ru+Rh+Ir), Pd/Ir等比值的研究,查知牛蹄塘組黑色頁(yè)巖所顯示的Pt-Pd配分型鉑族元素可能由兩種來(lái)源的物質(zhì)所造成,一是正常海水?dāng)y帶來(lái)的陸源物質(zhì),一是地下熱鹵水汲取而來(lái)的武陵期基性、超基性巖物質(zhì)。進(jìn)一步對(duì)正常海水沉積物和海底噴出有關(guān)沉積物鉑族元素的比較,證明正常海水沉積不能成就鉑族元素的超常富集,因而只能歸因于攜帶有海底巖石物質(zhì)的熱水作用。

(3)稀散元素:如將牛蹄塘組巖石的其他微量元素與正常沉積物和熱水沉積物對(duì)比,牛蹄塘組具有熱水沉積物所特有的元素組合特征,如Ba,Mo,As, Sb,Se,U等多種元素的高度濃集,U/Th>1等。在Zn-Ni-Co水成沉積-熱水沉積判別圖解上,牛蹄塘組更多地顯示了熱水沉積的特征[41]。

(4)Re-Os和Rb-Sr同位素測(cè)年和示蹤研究。有關(guān)黑色巖系硫化物層中金屬極度富集的成因,可以通過(guò)Re-Os同位素進(jìn)行判定;利用中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)所MAT-262 NTIMS進(jìn)行Re-Os同位素研究后認(rèn)為:①湘黔等地黑色頁(yè)巖樣品中Re,Os含量與加拿大育空地區(qū)的Re,Os含量大致吻合;②加拿大的187Re/186Os值比中國(guó)的大,187Os/186Os與中國(guó)的相當(dāng)[44-46]。據(jù)研究,現(xiàn)代黑海沉積物中Os同位素具很不均勻性,187Os/186Os=5.7～7.1,表明黑色巖系與現(xiàn)代黑海沉積在Os同位素比值有很大差別;③Re-Os模式年齡為530～561 Ma。雖然湘黔兩地相距400余km,而且它們的Re,Os含量相差10倍,但它們?cè)?87Os/188Os-187Re/188Os的投影圖上擬合成一條直線,說(shuō)明二者是同一期礦化作用的產(chǎn)物;另187Os/186Os=16.355～96.664(平均62.081),不僅高于隕石和地幔的相應(yīng)值,也高于海洋沉積物的比值,其下限值與地殼的均值較為接近,反映地殼Os對(duì)黑色頁(yè)巖中的Os有較大貢獻(xiàn),可以說(shuō),黑色巖系的物質(zhì)來(lái)源不限于海水;黑色巖系異常的元素組合(Ni,PGE,Re和Mo)也表明源巖的巖性是多樣的[44-46]。

與Re-Os等時(shí)線法測(cè)年直接得出硫化物的形成年齡或Ni-Mo礦床礦化(或熱水沉積)年齡不同的是,Rb-Sr等時(shí)線法測(cè)年可得出構(gòu)造熱變質(zhì)事件的年齡。湘黔地區(qū)發(fā)生的后生期構(gòu)造熱變質(zhì)事件年齡屬于海西晚期,Rb-Sr等時(shí)線年齡分別為(274± 22)Ma,相當(dāng)于石炭與二疊界線年齡(290 Ma)。雖然作圖方法略有差異,但仍可以得出與前文所述一致的結(jié)論,即海西印支島弧褶皺系在古亞洲大陸邊緣構(gòu)成了一個(gè)完整的構(gòu)造帶,在該時(shí)期內(nèi),太平洋板塊西南翼向下俯沖于亞歐板塊東南邊緣,使本地區(qū)在290 Ma前后發(fā)生構(gòu)造變動(dòng)(構(gòu)造帶主線方向?yàn)镹E-NEE向),導(dǎo)致了加里東期基底上的蓋層發(fā)生變形,并有一系列熱變質(zhì)事件,從而造成了礦物中Rb-Sr同位素體系發(fā)生新的分餾反應(yīng)。有別于湖南樣品,貴州樣品有可能因來(lái)自于同種巖性(黑色頁(yè)巖),因而呈現(xiàn)出很完好的擬合。根據(jù)87Sr/86Sr= 0.7088～0.7237,明顯高于玄武巖的值,而比陸源硅酸鹽的值偏低,可推斷物質(zhì)來(lái)源為陸源物質(zhì)和深源物質(zhì)的混合物。因?yàn)闃?gòu)造熱變質(zhì)事件與有機(jī)質(zhì)的熱解過(guò)程或熱演化史相關(guān),所以該過(guò)程應(yīng)影響了成礦早期富集的PGE元素在后生期伴隨著熱變質(zhì)事件而出現(xiàn)在富烴有機(jī)質(zhì)流體中的活化、遷移以及再次富集。

中國(guó)南部板塊和澳大利亞板塊于早寒武紀(jì)分離期間所形成的深大斷裂帶可能是海水進(jìn)行深部循環(huán)吸取鎂鐵質(zhì)下地殼PGE形成富金屬熱鹵水而在海底沉積的通道,Re也在此過(guò)程中在海底富集[10,15]。值得注意的是,Horan等(1994)在利用負(fù)熱離子質(zhì)譜(NTIMS)對(duì)貴州天鵝山和湖南大庸鎳鉬鉑族元素礦層進(jìn)行Re-Os年齡測(cè)定時(shí),7個(gè)數(shù)據(jù)同樣來(lái)自相距400多km的遵義和大庸,但獲得的是非擬合一致的2條參考等時(shí)線。據(jù)研究,湘黔張家界—遵義地區(qū)黑色巖系等時(shí)線年齡值有(542±11)Ma[10,15]和(541±16)Ma[24],其等時(shí)線年齡初始值分別為0.84±0.12和0.78±0.19。接近前寒武紀(jì)和寒武紀(jì)的分界時(shí)限544 Ma[13,19]。

8 結(jié)論

通過(guò)成巖成礦研究,我們可以建立有關(guān)模型來(lái)判斷黑色巖系和SEDEX礦床,可以認(rèn)為歷史上的構(gòu)造事件是黑色巖系中多元素源巖(基性巖、超基性巖和花崗巖)的形成就位時(shí)期。熱鹵水循環(huán)與黑色巖系的交互作用是有關(guān)物質(zhì)形成的主要成巖成礦期。熱水噴流沉積作用可分為3個(gè)階段,即下硅質(zhì)巖形成階段、金屬富集層形成階段和上硅質(zhì)巖形成階段。熱水活動(dòng)由下硅質(zhì)巖沉積開(kāi)始,到多金屬硫化物富集層和重晶石層等形成時(shí)期達(dá)到鼎盛,再在上硅質(zhì)巖(碳酸鹽)層的沉積時(shí)期轉(zhuǎn)為衰減和尾聲。在后生期,金屬元素在較大范圍內(nèi)向下遷移,造成黑色巖系下部有機(jī)巖類(lèi)富集的部分元素更趨富集,該過(guò)程是通過(guò)區(qū)域熱變質(zhì)事件——構(gòu)造活動(dòng)和外來(lái)充氧水的加入而實(shí)現(xiàn)的。無(wú)論哪一次海陸變化、殼幔作用以及全球構(gòu)造變動(dòng)均在黑色巖系的物質(zhì)組成留下深深的記錄。特別是有機(jī)物從保存、埋藏、生烴、排氣到過(guò)成熟,均與湘黔張家界—遵義地區(qū)微生物的生命代謝、內(nèi)生地質(zhì)作用、成礦機(jī)制同步諧動(dòng),并與全球性的氣候變遷、缺氧事件相關(guān)聯(lián),可以說(shuō)黑色巖系中海底熱液SEDEX多金屬元素的成礦過(guò)程是多個(gè)過(guò)程平行與重疊、交叉與復(fù)合共同完成的過(guò)程。

致謝:在研究過(guò)程中,得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)李勝榮教授和孫岱生教授提供的寶貴資料,在此表示感謝。

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INTRODUCTION OF THE RESEARCH ON SUBMARINE HYDROTHERMAL SEDEX MINERAL DEPOSITS IN THE BLACK ROCK SERIES

JIANGYong-hong
(Development and Research Center of the China Geological Survey,Beijing100037,China)

The black rock series is the dark-colored argillaceous,siliceous,carbonate rock assemblage which is rich in sulfide and organic matter.And the Sedex mineral deposits in the assemblage are the focuses of the international research.The sea-continent change,crust-mantle interaction and the global structural variation all lead to evolution of the black rock series and Sedex mineral deposit.Preservation,burial,hydrocarbon generation,gas discharge and over maturation of organic matter in the research area are all in coherent harmony with the bacteria metabolism,the regional innate geologic role.The geochemical influence and bio-metallogenic role are connected with the global climate migration and anoxic event.The researches are mainly concentrated on genetic explanation of the geological event,Sedex activity,biometallogenic role and metal mineralization,genesis of minerals and environment influence,PGE minerals, black shale,bone coal and metal mineralization,elemental geochemical influence.Data obtained reveal evidently the role of the specific geological background,metallogenic environment,bio-metallogenic mechanism in rock-forming and ore-forming processes of Sedex mineral deposits in the black rock series.

black rock series;Sedex ore deposit;metabolism;innate geological activity;mineralization mechanism

P611;P618.4

: A

: 1001-1412(2010)03-0177-11

2009-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(40073012),國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(G1998040800)和國(guó)土資源大調(diào)查(199910200264, 20001020223023,200313000068-02)項(xiàng)目資助。

江永宏(1973-),男,安徽廬江人,助理研究員,博士,現(xiàn)在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心情報(bào)室,從事成因礦物學(xué)研究工作和地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目情報(bào)編譯與科技成果集成課題研究。E-mail:jackykat@sina.com