黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系形成環(huán)境與地球化學(xué)研究.pdf

1、中國(guó)南方早寒武世廣泛分布富有機(jī)質(zhì)的黑色巖系，是PGE、Au、Ag、Ni、Mo、V等的重要載體，常產(chǎn)出Ni-Mo-PGE礦床、V-Cu-U礦床、磷礦床和重晶石礦床等大型-超大型金屬和非金屬礦床。 黑色巖系也是沉積巖中的一種烴源巖，與化石能源有直接關(guān)系。黑色巖系的研究已成為當(dāng)今地學(xué)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 黔北是下寒武統(tǒng)黑色巖系發(fā)育的典型地區(qū)，前人已在古生物學(xué)、地層學(xué)、地球化學(xué)和礦床學(xué)方面進(jìn)行了大

2、量研究工作，但全面系統(tǒng)的有機(jī)地球化學(xué)和元素地球化學(xué)的結(jié)合研究尚不多見。 本文通過研究黔北地區(qū)黑色巖系的礦物巖石學(xué)特征、有機(jī)地球化學(xué)特征和元素地球化學(xué)特征，在查明黑色巖系物質(zhì)組成的基礎(chǔ)上，探討了黑色巖系形成環(huán)境、元素來源、賦存狀態(tài)和富集規(guī)律。 本文通過野外露頭觀察、室內(nèi)巖礦分析，結(jié)合前人研究資料，確定了研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系的巖性序列自下而上劃分為5個(gè)巖性段，即黑色硅巖(下硅質(zhì)層)、磷塊巖(磷礦層)、多元素富集層(鎳礦層和

3、鉬礦層)、黑色條紋狀碳泥質(zhì)硅質(zhì)巖(上硅質(zhì)層)、黑色碳質(zhì)伊利石頁巖。 為了查明黑色巖系的礦物組合特征，對(duì)各類巖石樣品進(jìn)行了X射線粉末衍射分析和掃描電鏡分析。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色巖系主要由粉砂巖、頁巖、石煤、硅巖、碳酸鹽巖、磷塊巖、重晶石巖等組成，主要礦物組合為石英、伊利石、綠泥石、磷灰石、黃鐵礦、重晶石和方解石等，其中鎳-鉬多元素富集層中硫化物礦物主要有黃鐵礦、閃鋅礦、毒砂、輝鉬礦、針鎳礦、砷鎳礦、輝砷鎳礦、輝銅礦、黃銅礦和方鉛礦

4、等。 基于研究區(qū)的大地構(gòu)造、巖石地層和古生物特征，確認(rèn)黔北遵義地區(qū)黑色巖系形成的巖相古地理環(huán)境為近濱-遠(yuǎn)濱相，即淺水陸架區(qū)，向東逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼?盆地區(qū)，即深水陸棚區(qū)。 深大斷裂構(gòu)造成為含礦物質(zhì)來源的構(gòu)造通道，海底火山噴溢和侵入活動(dòng)提供大量的成礦物質(zhì)和“熱源”。在綜合分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，認(rèn)定早寒武世及其以前，研究區(qū)發(fā)育一系列深大斷裂并長(zhǎng)期活動(dòng)，沿深大斷裂發(fā)生較強(qiáng)的海底火山噴溢和侵入活動(dòng)，控制了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)展和礦產(chǎn)

5、的分布，對(duì)黑色巖系中多元素的富集起著重要作用。 測(cè)定巖樣有機(jī)碳和有機(jī)硫含量，目的是為了查明黑色巖系的有機(jī)質(zhì)豐度。黑色巖系有機(jī)碳含量平均為5.481％，最高達(dá)9.29％，有機(jī)硫含量平均為4.532％，最高達(dá)23.30％，富含有機(jī)碳和有機(jī)硫。黑色巖系中有機(jī)質(zhì)主要來源于藻類和菌類生物。有機(jī)硫，連同黃鐵礦，指示一種封閉-半封閉的缺氧還原環(huán)境。 有機(jī)質(zhì)成熟度是有機(jī)質(zhì)熱演化程度的反映。黑色巖系氯仿瀝青“A”族組分中，具有高飽和烴、低

6、芳烴和高非烴的族組分分布特征，表現(xiàn)出以富含類脂化合物和蛋白質(zhì)為特點(diǎn)的低等水生生物來源的腐泥型有機(jī)質(zhì)的特點(diǎn)。 黑色巖系干酪根顯微組分絕大部分為腐泥組，干酪根類型為I型(腐泥型)，此類型干酪根與細(xì)菌和藻類有關(guān)。有機(jī)碳含量和鏡質(zhì)體反射率證實(shí)，黑色巖系是較好的烴源巖，有機(jī)質(zhì)成熟度高，達(dá)到生油門限或高成熟(交替作用)階段。 通過飽和烴氣相色譜分析，檢測(cè)出生物標(biāo)志化合物，從分子級(jí)水平探討地質(zhì)體中有機(jī)分子化合物的演化規(guī)律。 黑

7、色巖系高主峰碳、較小的∑nC21-/∑nC22+值和(nC21+nC22)/(nC28+nC29)值，可能與成巖后期作用有關(guān)。黑色巖系OEP為1.04～1.12，奇偶優(yōu)勢(shì)比接近于1，無奇偶優(yōu)勢(shì)或具有微弱的奇偶優(yōu)勢(shì)，表明低等海洋浮游生物是有機(jī)質(zhì)的主要來源。黑色巖系Pr/Ph值為0.80～1.18，小于1或近于1，顯示出還原或弱還原沉積環(huán)境。 黑色巖系各巖樣碳同位素組成的差別意味著沉積時(shí)古海洋環(huán)境的變化。黑色巖系δ13CpDB值為-

8、23.74％0～-31.63‰之間，總體屬于L型無定形干酪根，且更富輕碳同位素(12C)。剖面上從磷塊巖→鎳礦層→鉬礦層，δ13C值逐漸減小，海平面處于上升階段，缺氧還原環(huán)境逐漸增強(qiáng)，在鉬礦層δ13C值減小到最低值，代表了最大海進(jìn)期，之后在黑色頁巖δ13C值增大，海平面有所下降，缺氧還原強(qiáng)度減弱。 熱演化溫度是成巖成礦的重要因素。黑色巖系樣品的固體瀝青反射率測(cè)定結(jié)果為5.25％～6.27％，折算出來的鏡質(zhì)體反射率為3.645％～

9、4.455％，得到黑色巖系的受熱溫度為92℃～250℃。按照干酪根和微體藻類化石顏色指標(biāo)，大致確定該地層的古地溫為60℃～110℃。結(jié)合前人黃鐵礦熱電系數(shù)法測(cè)溫(100℃～240℃)和包裹體均一法測(cè)溫(226℃～230℃和113℃～153℃)，判定牛蹄塘組黑色巖系的受熱溫度介于60℃～250℃之間，經(jīng)歷的最高古地溫估計(jì)為200℃～250℃，屬中、低溫沉積成巖成礦作用，并以低溫(200℃以下)沉積成巖成礦作用為主。 為了探明黑色巖

10、系中貴金屬元素的來源，系統(tǒng)測(cè)定了樣品Au、Ag、PGE含量。結(jié)果表明，鉑族元素(包括Au和Ag)在黑色巖系多金屬元素富集層，特別是鉬礦層中得到富集。從貴金屬元素的含量、特征參數(shù)、配分模式來判定，黑色巖系不具有地外物質(zhì)的性質(zhì)，鉑族元素(包括Au和Ag)不是來源于地外，而是來自沿著深大斷裂上涌的海底巖漿噴溢，元素的異常富集是海底含礦熱鹵水與正常海水共同作用的結(jié)果。 稀土元素總量(∑SREE)在多金屬元素富集層之鉬礦層中出現(xiàn)峰值，達(dá)3

11、15.12×10-6。La/Sm均大于1，代表地幔熱柱或異常型，暗示黑色巖系形成時(shí)有地下深部物質(zhì)介入。REE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式為曲線右傾斜，LREE富集型。δEu=0.52～0.87<1，δCe=0.68～0.88<1，Eu、Ce均呈負(fù)異常，表明黑色巖系形成于缺氧的還原沉積環(huán)境。REE北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化模式顯示出Ce負(fù)異常，LREE

12、是其他微量元素(如Mo、Se、As、Sb、Tl、Ni、U、Pb、Bi、Cu、Cs、Zn、V等)的富集體。微量元素總量在鉬礦層達(dá)到最高(110759.11×10-6)。δU>1，表現(xiàn)為缺氧沉積環(huán)境。微量元素富集系數(shù)高，U/Th>1，表明受到較強(qiáng)的熱液活動(dòng)的影響。 巖石中微量元素賦存特征是沉積物形成環(huán)境和成巖變化的綜合反映。黑色巖系富含有機(jī)質(zhì)，粘土礦物成分高，Ni-Mo礦層以硫化物礦物為主，表明元素賦存狀態(tài)主要為硫化物態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合

13、態(tài)和粘土礦物吸附態(tài)等。根據(jù)上述研究，結(jié)合前人成果，簡(jiǎn)要闡述了PGE、REE、Ni、Mo、Au、Ag、V、U、Cu、Pb、Zn、As、Sb、Tl、Se等元素在黑色巖系中的賦存狀態(tài)。 在全面分析有機(jī)地球化學(xué)特征和元素地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造背景，探討了黑色巖系的形成環(huán)境和多金屬元素富集規(guī)律：在542Ma左右的寒武紀(jì)早期，黔北地區(qū)發(fā)育古熱液噴口，沿深大斷裂發(fā)生多期次海底火山噴溢和侵入活動(dòng)，深部熱源物質(zhì)上涌，與地表水、地下水和

14、海水一道形成具一定溫度的熱鹵水，進(jìn)行熱水循環(huán)或熱水活動(dòng)。 熱鹵水在流動(dòng)過程中，大量溶解元古代武陵期基性-超基性巖物質(zhì)中的有用元素，進(jìn)一步形成含礦熱鹵水，這種含礦熱鹵水是黑色巖系多金屬元素的直接來源。 在滯留、還原的臺(tái)緣斜坡帶(水深200m左右)，表層水中繁衍著大量的藻類和浮游生物，生物生產(chǎn)力高，大量生物死亡下沉，向海底提供充分的有機(jī)物質(zhì)，遺體腐爛分解吸收大量溶解氧，造成大洋中層水體缺氧還原環(huán)境，致使形成的黑色巖系富含有機(jī)

15、質(zhì)，有機(jī)質(zhì)在多金屬元素的遷移聚集過程中發(fā)揮著重要作用。 研究區(qū)早寒武世缺氧事件(環(huán)境)可與全球大洋缺氧事件對(duì)比。多金屬元素礦化經(jīng)歷了沉積期、成巖期、后生期和表生期各個(gè)階段。礦化溫度以低溫(200℃以下)為主。黑色巖系沉積以來，鉑族元素(包括Au和Ag)在低溫條件下進(jìn)行了重新分配(成巖期)、遷移與富集(后生期)。表生期只在地表不深處有一定作用。 黑色巖系形成環(huán)境和地球化學(xué)的研究，為查明黑色巖系的成因、構(gòu)建多金屬元素的富集模