华南早寒武世黑色岩系生物热水海水三元叠合成矿作用及其差异性研究

第1章华南早寒武世黑色岩系及其矿床概述 1.1 黑色岩系特征及其研究现状 黑色岩系是指一套深灰色－黑色的包括硅质岩、碳酸盐岩、泥质岩（含沉凝灰岩）及其变质岩石等在内的岩石组合体系，其典型特征是有机碳含量较高（Corg≥ 1.0 %），并富含硫化物（以铁硫化物为主）（Tyson， 1987；范德廉等 ， 1987， 2004； Steiner et al.， 2001；Xu et al.， 2013）。黑色岩系在全球分布广泛，具有重要的沉积学与古生态学意义，反映了特定的沉积环境，长期以来被认为是缺氧沉积环境的证据，并被视为全球缺氧事件的标志（Wright et al.， 1987；Wignall and Twitchett， 1996；Isozaki， 1997）。 对于黑色岩系的研究昀早是从黑色页岩开始的，早在 1904年，Clarke（1904）提出早古生代的黑色页岩相模式与现今黑海相似，代表一种深水滞留盆地沉积。 Strom（1939）认为深水滞留的富含有机质的软泥是缺氧状态下沉积形成的。 Schlanger和 Jenkyns（1976）提出“大洋缺氧事件”，用以解释深海钻探中发现的白垩纪沉积物的异常富集层——“黑色页岩”的成因，这引起了众多学者对大洋缺氧事件的研究，以了解它在地层与地理上的分布，并探讨其原因（Jenkyns， 1985； Arthur et al.， 1987）。Wilde等（1989）认为缺氧环境的形成与强烈的海底扩张和火山作用有关，活动大洋中脊的上升环流系统对形成热的缺氧流体具有重要意义，昀大的缺氧效应发生于有强烈活动和扩张的洋中脊造海时期。 随着对黑色岩系和缺氧事件的不断研究，从开始的侏罗纪－白垩纪逐渐拓展到整个显生宙，早古生代大洋主要由缺氧条件控制，晚泥盆世转化为氧化条件，并持续至晚二叠世，自晚二叠世至早三叠世才重新恢复缺氧环境，而后氧化条件又再次出现于晚三叠世至侏罗纪大洋内（Kaiho，1992；Wignall and Twitchett，1996；Bratton et al.，1999；Kaiho et al.， 1999），对黑色岩系的研究进入到新的阶段。 我国对黑色岩系的研究从 20世纪 60年代已开始。范德廉等（1973）对秦岭志留纪黑色岩系中的铀矿和湘西早寒武世的镍钼多金属元素富集层进行了研究，并将黑色岩系定义为黑色页岩-硅岩组合。王成善和张哨楠（1987）将缺氧事件作为黑色岩系的成因。刘宝珺等（1993）对早古生代黑色岩系层序地层学进行了研究，认为其代表一套海侵体系域沉积，并伴有凝缩段的磷块岩沉积。蒲心纯等（1993）对我国南方寒武纪黑色岩系进行了划分与对比，研究了沉积作用与沉积相、大地构造及沉积盆地关系、沉积盆地类型及演化、岩相古地理展布与主要矿产的关系及远景预测，并编制了 6幅寒武系 1∶500万岩相古地理图。姜月华等（1994）认为我国南方古生界至少发生了四次大规模的缺氧事件与相关的黑色岩系沉积。李有禹（1997）通过对湘西一带黑色硅质岩进行主量、微量和稀土元素分布特征的研究，认为硅质岩是一种典型的喷流岩，并构成湘西北镍钼多金属矿床的容矿岩系。吴朝东等（1999a）对湘西黑色岩系的沉积演化、有机岩石学、地球化学以及多种形态硫进行了系统研究，认为海底热液活动为黑色岩系提供了丰富的物质来源，生物、有机质对一些元素的吸收、络合作用是多种元素富集的主要原因。廖卫华（2001）详细地研究了中生代的缺氧事件，并分析了古生代生物集群灭绝事件。于炳松等（2003）研究了塔里木盆地早寒武世黑色页岩，认为其沉积作用发生于受陆源影响的陆棚环境，海相富有机质黑色页岩中有机质的保存主要受环境因素控制。杨剑等（2005）研究了黔北黑色岩系，认为黑色岩系形成于干燥气候的陆棚边缘浅海还原环境，是正常海水与岩浆热卤水混合沉积的产物。陈兰等（2006）对黔湘地区早寒武世黑色岩系研究后认为，其沉积环境为贫氧－缺氧还原环境，并划分出晚震旦世－早寒武世 3个主要海平面升降旋回。杨兴莲等（2008）对黔东震旦系－下寒武统黑色岩系进行了稀土元素地球化学研究，认为这套黑色岩系总体沉积于缺氧和具热水注入的环境。游先军等（2009）对湘西北早寒武世黑色岩系地球化学特征进行研究后认为，成矿作用以热水作用为主，成矿环境不局限于浅海环境。李娟等（2013）通过对黔北地区下寒武统黑色页岩微量、稀土元素的研究，探讨了黑色页岩的沉积条件与源区构造背景。 总体而言，随着对黑色岩系研究的不断深入，黑色岩系所包括的类型也在不断丰富。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，它由碎屑、化学及生物沉淀的矿物及有机物组成，其端元组分有黏土岩、粉砂岩、灰岩、白云岩、硫酸岩、燧石、磷块岩、煤等。 Pettijohn（1975）认为黑色页岩是易剥裂的，富含有机碳（Corg为 3 %～5 %）和硫化铁的纹层状岩石。我国学者范德廉等（2004）提出，黑色岩系是一套生物岩-化学岩-泥岩组合，其端元组分主要为黑色硅岩、碳酸盐岩、泥质岩及它们的变质产物。根据各种岩石的比例，又可将黑色岩系划分为 10种岩类组合（图 1-1），各种岩类组合往往具有独特的岩石类型、岩性序列、结构构造、元素组合和含矿性。 图 1-1 黑色岩系岩石类型及岩类组合图解 1.2 华南早寒武世黑色岩系矿床研究现状 我国华南扬子地台东南边缘，自早震旦世至寒武纪，广泛发育了一套黑色岩系，已发现有镍钼多金属、重晶石、磷、钒、铀以及锰矿床等赋存于其中（吴朝东等，1999a）。这些矿床矿层与围岩岩性一致，并均以富含有机质为典型特征，一直以来为地学界研究的热点。 1.2.1 Ni-Mo-PGE多金属矿床 在我国华南早寒武世发育有一套黑色岩系，在这套黑色岩系的底部有 Ni、 Mo、V、Pd、Pt、Au、Ag、Hg、Sb等多金属富集层（范德廉等， 1973；Murowchick et al.， 1994；Lott et al.， 1999；罗泰义等， 2003），并在部分矿点富集成镍钼多金属矿床，如湖南张家界三岔和贵州遵义黄家湾（曾明果 ， 1998；毛景文等 ， 2001）。前人对这套多元素富集层及其矿床开展了极其丰富的研究，主要包括以下几个方面： （1）沉积环境研究（陈南生等， 1982；李胜荣和高振敏， 1995；吴朝东等， 1999a；李任伟等， 1999；杨剑等，2004；黄燕， 2011）。前人根据该矿床中矿石及其围岩中富含有机质和大量黄铁矿，且呈线理或层状展布，结合一些元素地球化学特征，认为可能形成于滞留的浅水盆地还原环境中。 （2）成矿年代研究（Murowchick et al.，1992；Horan et al.，1994；毛景文等，2001；李胜荣等，2002；Mao et al.， 2002；Jiang et al.， 2003）。前人主要对矿层中的矿石进行了 Re-Os同位素测年，得出的 Re-Os等时线年龄主要集中于（541±16） Ma，同时有些研究者对矿层底部的围岩进行了锆石定年，得出的锆石 U-Pb年龄集中于（425±10）Ma左右，由于测试方法与所选样品的差异，对这一矿床的成矿年代研究仍存在争议与不确定性，需进一步详细研究。 （3）成矿温度研究（Lott et al.，1999；王敏等， 2004a；杨剑， 2009）。前人主要对矿石中石英所含流体包裹体进行测温，得到所测流体包裹体均一温度为 100～180℃，显示其受到热流体的影响，还有一些通过测试黑色岩系沥青反射率也显示受到热水的影响。 （4）成矿元素赋存形式研究（范德廉等， 1973；鲍正襄等， 2001；张光弟等， 2002；潘家永等， 2005；曾明果， 2007；杨剑， 2009；韩善楚等， 2012）。前人研究发现镍的赋存形式较复杂，主要由针镍矿、辉砷镍矿、二硫镍矿、方硫镍矿等形式存在，而钼仅以碳硫钼矿的形式存在。 （5）元素地球化学特征及成矿元素来源和成因研究（范德廉等， 1987；吴朝东等，1999a；黄怀勇等， 2002；张光弟等， 2002；曹双林等， 2004；林丽等， 2009；马莉燕等，2010；游先军， 2010；黄燕， 2011；韩善楚等， 2012）。前人根据黑色岩系稀土配分模式中 Eu的正异常、Ce的负异常、岩石中 U/Th＞1、Co/Zn＜1等，认为受到热液的影响。 虽然前人做了许多研究，但对其成因存在争论，主要存在以下5种： （1）地外成因。认为这一多金属元素的富集主要是由于天体的撞击所形成（Fan et al.， 1984；黄怀勇等， 2002， 2004），主要证据是黑色岩系中发现的 Ir异常及 PGE的分布特征，以及在湘西震旦—寒武系界线上发现有天体撞击事件的痕迹。 （2）热水（液）成因。认为这些金属元素的超常富集与海底热水（液）沉积成矿作用有关，部分金属元素可能由海底热水（液）提供（车勤建， 1995；丁佑良和李有禹， 1997；李有禹， 1997；胡清洁，1997；彭军等，1999a；吴朝东等， 1999b；Lott et al.， 1999；Steiner et al.， 2001；曹双林等，2004；Jiang et al.， 2006， 2007， 2009；杨兴莲等， 2008）。 （3）海水成因（Mao et al.， 2002；Lehmann et al.， 2007；Wille et al.， 2008）。认为这些金属元素的超常富集是于还原环境中，在沉积速率极低的条件下直接从海水中沉淀而来的。 （4）火山碎屑成因。认为深部岩浆房经火山爆发带出成矿物质，后经机械富集成矿，主要证据为矿层处的元素组合特征以及黑色岩系底部 Se元素的超常富集，在基底存在一套复杂的碱性—超基性岩浆演化体系（罗泰义等， 2003，2005）。 （5）多种成因复合而成。认为成矿元素具有多种复杂成因，可能来自热液汲取基底地层中的成矿元素、海水中碎屑物质的沉积、生物及其有机质对元素的富集等（Coveney et al.， 1992；Orberger et al.， 2007；K.íbek et al.， 2007；Pa.ava et al.， 2008）。 1.2.2 重晶石矿床 扬子地台东南缘早寒武世黑色岩系中还赋存有重晶石矿床，该类矿床以储量巨大、层位稳定、富含有机质为特点，仅贵州天柱大河边－大公塘矿区的地质储量就达到 2亿 t以上，属于特大型重晶石矿床（杨瑞东等， 2007a），对其的研究一直为地学界的热点。 前人对该类矿床开展了丰富的岩石学、矿物学、地球化学等方面的研究，取得了许多成果。余洪云（1988）对天柱大河边重晶石矿床进行了稀土元素、硫同位素研究，提出成矿物质来自基底层，硫来自海水，成因为海相化学沉积。 Wang和 Li（1991）对早寒武世的重晶石和毒重石矿床进行研究后，认为生物硫酸盐还原菌的作用造成了重晶石极富 34S，提出海底喷流与热泉成因。王忠诚和储雪蕾（1993）及王忠诚等（1993）研究了重晶石矿床的锶、硫同位素，认为锶主要来自热水输入，高 34S特征显示出硫酸盐受到强烈的生物分馏作用。胡清洁（1997）阐述了重晶石岩的组构特征，划分出 5类重晶石岩，并对重晶石岩的组构特征与沉积成岩作用的成因联系进行了探讨。高怀忠（1998）根据矿床的地质特征，依据生物化学沉积成因的认识，提出了矿床的生物化学沉积成矿。彭军等（1999a）通过对矿床元素地球化学与硫同位素进行研究，讨论了矿床成矿环境与成矿物质来源，提出矿床为典型的热水化学沉积型矿床。吴朝东等（1999b）综合分析了重晶石矿床的沉积学和地球化学特征，认为钡来源于热液喷气作用，硫来源于海水，生物的发育为钡