黑色岩系有机质与钒地球化学特征及伴生机制

第1章 黑色岩系地质特征与资源形成机制 本章厘定了黑色岩系的定义及岩类组合，总结了国内外黑色岩系分布与资源赋存特征，对比分析了黑色岩系矿床形成机理、有机质与钒伴生机制。黑色岩系是在缺氧或贫氧水体中形成的，是具有一定的沉积学、古生态学和地球化学特征的黑色细粒沉积岩组合，主要包括硅质岩、磷块岩、碳质泥岩、粉砂岩、石煤、重晶石岩和碳酸盐岩等。黑色岩系型金属、非金属矿床与油气具有明显的时控性。黑色岩系矿床形成机理包括同生沉积初始富集与沉积成矿机理、沉积成岩与后生地质作用轻微改造成矿机理、构造-热液强烈改造成矿机理、变质与构造-热液改造成矿机理。黑色岩系中钒的生物成矿作用可分为直接成矿作用和间接成矿作用。 1.1 黑色岩系概念及岩类组合 黑色岩系长期以来广受地学界的重视是因为其不仅是重要的低热值燃料资源，也是多种稀有元素（如 Au、Ag、Ni、Mo、Cu、Pb、Pt、Zn、Se、U、V、 Tl、Cd等）的重要聚集岩系，其中常产出石煤、重晶石、磷、多金属等许多大型、超大型矿床，极具经济价值，素有“多元素富集体”之称，也是重要的烃源岩系。黑色岩系代表着全球地质历史发展过程中重要的转折阶段的沉积记录，具重现性的时限沉积相，是地球演化中特定地质环境缺氧环境的产物，是岩石圈、水圈、气圈和生物圈变化和相互作用的结果，也是开放的地球复杂动力系统演化的标志和体现。 对黑色岩系的研究是从黑色页岩（black shale）引申而来的。 Vine和 Tourtelot（1969）认为黑色页岩是沉积于海相或盐湖相环境中的黑色细粒沉积岩，由碎屑、化学及生物沉淀的矿物及有机物组成。 Pettijohn（1975）认为黑色页岩是易剥裂的富含有机碳[总有机碳（TOC）含量为3%~5%]和硫化铁的纹层状岩石。国内学者也广泛使用黑色页岩来指代颜色较深、含有机质较高的细粒沉积岩。范德廉等（1987）认为黑色页岩是泥质岩的一个小类，不能作为黑色岩系的统称来使用，并首次使用“黑色岩系”（black rock series）的概念。高振敏等（1997）提出黑色岩系是一套富含有机质海相细粒沉积岩的总称，包含暗色泥页岩、粉砂岩、硅质岩和少量碳酸盐岩等。范德廉等（2004）将黑色岩系定义为含有机碳（TOC含量接近或大于1%）及硫化物（铁硫化物为主）较多的深灰色—黑色的硅岩、碳酸盐岩、泥质岩(含层凝灰岩)及其变质岩的组合体系（图1.1），其主要端元组成是黑色硅岩、黑色碳酸盐岩、黑色泥质岩，不同的岩类组合反映不同的沉积背景。中国南方寒武系下部黑色岩系为一套富含有机质的硅质、泥质建造，主要为碳质（页）岩、碳质硅质（页）岩、含磷结核碳质页岩和硅质岩、含碳泥质硅质岩及白云质碳质泥（页）岩（吕惠进和王建，2005）。 图1.1 黑色岩系的岩石类型及岩类组合图解（范德廉等，2004）1.黑色硅质岩为主；2.黑色碳酸盐岩-硅岩组合；3.黑色硅岩-碳酸盐岩组合；4.黑色碳酸盐岩为主；5.黑色泥 质岩-碳酸盐岩组合；6.黑色碳酸盐岩-泥质岩组合；7.黑色泥质岩为主；8.黑色硅岩-泥质岩组合；9.黑色泥质岩-硅岩组合；10.黑色硅岩-泥质岩-碳酸盐岩组合 综上所述，黑色岩系是沉积地层中广泛存在的，普遍具有陆源、内源、深源、生物和宇宙物质等多种物质来源，在缺氧或贫氧水体中形成，具有一定的沉积学、古生态学和地球化学特征的黑色细粒沉积岩组合，主要包括硅质岩、磷块岩、碳质泥岩、粉砂岩、石煤、重晶石岩和碳酸盐岩等（图1.2）。 图1.2 遵义松林下寒武统黑色岩系野外露头（周文喜，2017） a.下采区埃迪卡拉系与寒武系界线； b.下采区下寒武统牛蹄塘组底部磷块岩与埃迪卡拉系灯影组白云岩呈假整合接触； c.下采区牛蹄塘组底部磷结核； d.下采区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩； e.上采区下寒武统牛蹄塘组剖面； f.上采区底部凝灰岩； g.牛蹄塘组黑色页岩中的层状黄铁矿； h.牛蹄塘组黑色页岩中的结核； i.牛蹄塘组黑色页岩中的海绵骨针 1.2 黑色岩系分布与资源赋存特征 黑色岩系在空间上广泛分布于五大洲，时间上从元古宙到显生宙都有产出。黑色岩系型矿床具有明显的时控性，各时代含矿系具有各自特征的岩类组合，产出不同的金属、非金属矿床与油气。 1.2.1 全球黑色岩系分布与资源赋存特征 黑色岩系在全球分布广泛，古生代及更老地层的黑色岩系具有全球性规模。例如，分布在英格兰南部、荷兰、德国到中欧诸国的上二叠统 Kupferschifer组，加拿大育空地区中上泥盆统，印度小喜马拉雅、伊朗、巴基斯坦北部、法国南部、威尔士、英格兰、俄罗斯、阿曼北部、澳大利亚南部、加拿大、蒙古国等地的下寒武统，俄罗斯西伯利亚里菲系（Riphean）上部以及波兰的前寒武系都发育黑色岩系。 全球目前已于多处发现了与黑色岩系建造相关的工业矿床或金属元素堆积。与黑色岩系有关的矿床在时空上分布广泛，比较典型的如纵贯西欧到中欧赋存于上二叠统 Kupferschifer组的 Cu-Ag矿床，罗马尼亚东 Carpathian地区寒武系至奥陶系的 Mn矿床，俄罗斯西伯利亚干谷地区里菲系上段的 Au矿床，摩洛哥北部小阿特拉斯山（Anti-Atlas）造山带新元古界的 Ag矿床，加拿大 Sullivan地区元古宇的 Pb-Zn-Ag金属矿床，芬兰 Kainuu-Outo-kumpu地区元古宇的 Cu-Zn-Ni-Co矿床等。 这些黑色岩系多富含有机质，既是常规油气的烃源岩，也是页岩油气与煤层气等非常规油气资源的储集体。 1.2.2 国内黑色岩系分布与资源赋存特征 黑色岩系广布于多个地质时代，与之有关的大、中、小型矿床及矿点广泛产出于我国元古宇至新近系的许多层位内。大-超大型矿床的黑色岩系分布于中元古界下昆阳群、新元古界歪头山组、震旦系、下寒武统、下中志留统、上泥盆统、下二叠统、中三叠统、中新统，矿床*为集中的时代是早寒武世、晚泥盆世、早震旦世、晚震旦世和中新元古代（表1.1）（范德廉等，2004）。黑色岩系中非常规油气资源丰富，我国油气勘探开发结果显示：页岩气资源主要赋存在下古生界海相暗色泥页岩中，煤层气资源主要赋存在上古生界海陆过渡相煤系中，页岩油主要赋存在中新生界湖相暗色泥页岩中。 1.古元古界—中元古界 古元古界矿种有 Fe、Au、Cu、Co、V、Mo、Zn、石墨、 U等，赋矿岩类主要是变泥质-砂泥质-变含碳泥质岩型。中元古代是一个重要的成矿时代，不仅成矿元素种类多，而且许多矿床往往是多组分的，不少具大型、超大型规模。中元古界的矿种有 Pb、Zn、Cu、REE、Au、Ag、B、K、石墨等。其中， REE和 Cu、Pb、Zn 尤为重要，形成地史上**次超大规模聚集。赋矿岩类主要是黑色板岩或片岩、黑色板岩-白云岩-硅岩等以及相应的变质岩。 蓟县剖面含有三套烃源岩层：一是距今1.7Ga的串岭沟组页岩， TOC平均值为1.47%，但 Tmax相当高，氢指数相当低，属于过成熟烃源岩；二是距今1.42Ga的洪水庄组页岩， TOC平均值为2.84%，氢指数可达134mg/g TOC，是高成熟烃源岩；三是距今1.37Ga的下马岭组页岩， TOC平均值为1.67%，Tmax为447℃，氢指数*高可达500mg/g TOC，是成熟度较高的烃源岩（孙枢和王铁冠，2016）。 2.新元古界—早古生界 新元古代也是一个重要成矿期，尤其是震旦纪—寒武纪过渡期是地史上一个重要 Mn、P、V和重晶石-毒重石-钡解石成矿期，而且有一系列大—超大型矿床，