李賽賽,劉戰(zhàn)慶

(桂林理工大學 a.廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心; b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室,廣西 桂林 541004)

南秦嶺早寒武世黑色巖系釩礦床成因研究進展

李賽賽,劉戰(zhàn)慶

(桂林理工大學 a.廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心; b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室,廣西 桂林 541004)

通過調研、分析南秦嶺早寒武世黑色巖系釩礦床的相關文獻,結合筆者對該類釩礦床的研究、認識,述評了這一領域的研究進展。該類礦床形成于滯留海相的還原環(huán)境,有熱水活動的參與。成礦元素釩的賦存形式主要以吸附狀態(tài)賦存于粘土礦物中,少量以游離氧化物形式存在。礦床成因有陸源碎屑沉積、熱水沉積、沉積+構造改造、沉積+熱水、多來源成因等5種觀點，生物有機質對成礦具有重要作用?？傊?該類礦床成因復雜,受到海水、熱水、生物有機質等多種因素的影響。建議今后在原位測試分析、生物有機質成礦作用方面加強對礦床的成因研究,進而對揚子地塊周緣與黑色巖系有關的礦床進行時空對比分析,以期全面、合理地揭示礦床的成礦過程。

黑色巖系;釩礦床;下寒武統(tǒng);成因;南秦嶺

震旦紀與寒武紀之交是地球發(fā)育演化歷史中的一個重大突變時期之一,與此相對應,在我國揚子地塊、南秦嶺下寒武統(tǒng)底部廣泛發(fā)育有一套黑色頁巖、硅質巖、碳酸鹽巖的巖石組合,層位穩(wěn)定[1-9]。而且,在揚子地塊北、東南緣下寒武統(tǒng)中分布有釩礦、鎳鉬礦、重晶石(毒重石)礦和磷礦的相對密集成礦區(qū),在南秦嶺北部下寒武統(tǒng)中分布有釩礦的相對密集成礦區(qū),南秦嶺南部下寒武統(tǒng)中分布有釩(鉬)礦、重晶石(毒重石)礦的相對密集成礦區(qū)(圖1)。在早寒武世時,南秦嶺屬于揚子地塊北緣的被動大陸邊緣。在同一時期,圍繞揚子地塊的周緣產(chǎn)出有如此多的具有經(jīng)濟價值的礦床,因而具有重要的理論研究意義和重大的實際應用價值。國內外眾多學者對其進行了詳細的研究,取得了許多重要成果[10-25]。然而,該類礦床的主要賦礦巖石為黑色頁(泥)巖,由于其礦物粒度十分細小,常規(guī)的測試儀器很難分辨,這為其研究帶來很大難度;又因其成礦的復雜性,目前對其成因的研究尚存在諸多爭議和不確定性。在這些礦床中,釩礦的分布最廣,從揚子地塊的北緣至東南緣均有產(chǎn)出。因此,鑒于黑色巖系及其相關礦床分布的廣泛性,本文以筆者近年來一直研究的南秦嶺寒武系中的釩礦床為對象,通過文獻調研分析,結合筆者對該類釩礦床的研究和認識,旨在深化對礦床的成因認識,以期對該類礦床區(qū)域上的對比研究提供必要的參考資料。

鑒于黑色巖系型釩礦床成礦作用的復雜性, 本文擬分別主要從黑色巖系形成環(huán)境、 成礦元素賦存形式、 成礦元素來源與礦床成因、 生物有機成礦作用方面分別敘述南秦嶺東段北部、 南部下寒武統(tǒng)的黑色巖系及其中的釩(鉬)礦床的研究現(xiàn)狀。

1 南秦嶺早寒武世黑色巖系(及其釩礦床)的分布

南秦嶺東段下寒武統(tǒng)的黑色巖系大致以寧陜—白河斷裂為界(圖1), 北部沿下寒武統(tǒng)連續(xù)分布有眾多中-大型的釩礦床;南部也分布有眾多的釩礦床,但是其中不同程度伴生有鉬, 一般鉬的含量在0.01%～0.1%,局部形成鉬礦床[24,26];靠近揚子地塊的南秦嶺南緣分布有眾多的重晶石(毒重石)礦床[18-20,27]。南秦嶺下寒武統(tǒng)黑色巖系的巖性總體變化規(guī)律為:底部為硅質巖或以硅質巖為主,向上硅質巖逐漸減少,炭質泥巖逐漸增多,頂部全為炭質泥巖。

圖1 南秦嶺東段寒武系露頭分布及礦產(chǎn)分布圖

南秦嶺北部下寒武統(tǒng)黑色巖系中連續(xù)產(chǎn)出有中-大型的釩礦床,眾多學者對該區(qū)內的黑色巖系及其中的釩礦床進行了大量的研究工作。相比北部,南部有關釩礦床的研究比較少。南秦嶺南部下寒武統(tǒng)底部分布有大量厚層硅質巖,最厚可達242 m(紫陽瓦廟),重晶石(毒重石)礦床主要位于底部的硅質巖中;而釩礦床、釩(鉬)礦床主要位于炭質泥巖中,空間上位于重晶石(毒重石)礦床的上部。南部黑色巖系中普遍含有鉬[24,26],多伴生于釩礦床中,但由于其特殊的賦存形式,很難回收利用,因此目前很少對鉬進行勘查評價,研究資料匱乏。

2 黑色巖系的形成環(huán)境

2.1 南秦嶺北部

目前主要從沉積建造、巖性組合、巖石學、地球化學特征等方面展開研究,并普遍認為是還原環(huán)境，但是在形成的海水深度方面有不同的認識。如侯俊富[12]、張復新等[13]、朱紅周等[15]、王立社等[16-17]對下寒武統(tǒng)水溝口組黑色巖系地質背景、微量元素地球化學特征的研究,認為黑色巖系形成于環(huán)繞島鏈古隆起的一種干燥缺氧的深水—半深水滯留斷陷局限海盆。林長謙等[28]根據(jù)鄂西北地區(qū)巖石組合的研究,認為黑色巖系形成于一次大規(guī)模的缺氧事件的次深海相環(huán)境。陳高潮等[29]通過對盆地沉積建造、巖性組合及剖面結構的研究,認為其形成于滯留深水還原環(huán)境。王松濤等[30]據(jù)秦嶺早古生代沉積作用與構造演化研究,認為黑色巖系屬板塊擴張背景下的斜坡-盆地體系滯流盆地相。姜驍疆等[31]根據(jù)湖北省鄖縣青木溝釩礦床巖系、巖性及巖石的結構構造特征,認為黑色巖系形成于半封閉的寧靜淺海相、陸棚邊緣盆地。王曉江等[32]、薛亞飛等[33]通過對內鄉(xiāng)黃金坡釩礦床地質特征的研究,認為其是在濱海至淺海靜水還原環(huán)境中形成的。

在黑色巖系的形成過程中, 普遍認為有熱水活動的參與。 如侯俊富[12]、 張復新等[13]、王立社等[17]對下寒武統(tǒng)水溝口組黑色巖系地質背景、微量元素地球化學特征研究,認為黑色硅質巖為熱水沉積成因,炭質泥巖為正常沉積。李賽賽等[23]通過對南秦嶺水溝釩礦床的巖石化學、微量元素、 稀土元素及氧同位素特征研究, 表明水溝釩礦形成于大陸邊緣與深海環(huán)境過渡帶上的還原環(huán)境中。 任濤等[34]通過對夏家店金釩礦床的微量元素、 H、 O同位素、 流體包裹體等特征的研究, 認為黑色巖系的形成過程中有熱水活動的參與。

2.2 南秦嶺南部

與南秦嶺北部的研究成果相似,普遍認為是還原環(huán)境,但是在形成的海水深度方面也有不同的認識。如高長林等[35]通過對下寒武統(tǒng)層狀硅質巖的微量元素研究,認為其成因與火山活動有關,形成于深海環(huán)境。張復新等[13]、王立社[16]對魯家坪組黑色巖系地質背景、礦床地球化學特征研究,認為其形成于揚子板塊北緣早古生代沉積區(qū)局部拉張環(huán)境發(fā)育裂谷式斷陷盆地中,有熱水沉積作用參與,沉積環(huán)境為淺海深水半封閉滯流環(huán)境-淺海陸棚環(huán)境。倪新遠等[27]、陳高潮等[29]通過對盆地沉積建造、巖性組合及剖面結構的研究,認為其形成于外陸棚-次深海相滯流還原環(huán)境。

3 成礦元素賦存形式

3.1 南秦嶺北部

目前研究認為釩主要有類質同象、吸附狀態(tài)、釩酸鹽、有機絡合物及游離氧化物5種賦存狀態(tài)。其中前4種主要通過巖石學、化學分析、溶解試驗、電滲試驗及X衍射分析等傳統(tǒng)方法得出。如任濤等[34]、張衛(wèi)敏等[36]通過巖石學、化學分析及溶解試驗研究,認為釩主要以類質同像形式存在于粘土類礦物中。張復新等[13]、王立社[16]、朱紅周等[14]經(jīng)大量顯微巖石學觀察、化學分析及電滲試驗研究,認為硅質巖型礦石中釩主要以類質同象形式存在,泥質巖型礦石中釩主要以吸附狀態(tài)存在。王曉江等[32]、薛亞飛等[33]根據(jù)礦石特征及選礦試驗結果,認為釩呈吸附狀態(tài)賦存于粘土礦物或呈離子狀態(tài)吸附于硅氧中。朱培輝等[37]、姜驍疆等[31]、于洋等[38]根據(jù)選冶試驗研究,認為釩的賦存狀態(tài)有單礦物(釩云母)、離子吸附、金屬有機絡合物(釩卟啉)3種形式。

在傳統(tǒng)方法的基礎上結合電子探針分析,發(fā)現(xiàn)了釩的一些游離氧化物。如侯俊富[12]、 朱紅周等[14]在水溝口組的黑色巖系中發(fā)現(xiàn)釩以鐵的氧化物、釩鈦礦等形式存在。李賽賽等[24-25]在商洛地區(qū)黑色巖系中發(fā)現(xiàn)了以膠體狀態(tài)存在的V-Fe和以集合體形式存在的V-Ti氧化物(圖2),前者主要出現(xiàn)在黑色巖系下部硅質巖夾泥巖中的炭質泥巖中,后者則主要出現(xiàn)在黑色巖系上部的炭質泥巖中。

圖2 穆家河釩礦床礦石的背散射電子圖像

3.2 南秦嶺南部

釩的賦存狀態(tài)與南秦嶺北部基本相同。鉬沒有獨立礦物,以吸附狀態(tài)存在于粘土礦物或碳質組分之中,特別在礦石的焙燒物質中含量較高,未以獨立礦物解離出來,難于通過選礦富集回收[16]。

4 成礦元素來源與礦床成因

4.1 南秦嶺北部

目前主要有3種認識：第1種為陸源碎屑沉積成因。如張衛(wèi)敏等[36]、王曉江等[32]、薛亞飛等[33]、于洋等[38]分別對前寒武系與寒武系進行光譜分析及研究,認為釩主要來源于前寒武系,尤其是超基性和基性等含釩巖石;釩礦床屬于沉積型礦床。第2種為熱水成因模式。如林長謙等[28]通過巖石學、地球化學的研究,認為是海底噴氣熱流體帶入大量的成礦物質形成富含金屬的黑色巖系。李賽賽等[21-24]對陜西省商洛地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系中的釩礦床進行了研究,認為V、Ti、Ba、Si等元素主要來源于海底熱水活動;并根據(jù)黑色巖系中釩礦床的古構造、巖相古地理、巖石學、生物及地球化學特征,提出了南秦嶺黑色巖系型釩礦床成因模式圖(圖3)。朱紅周等[15]根據(jù)巖石學、主量元素、微量元素地球化學特征,認為釩主要來源于深部熱水。陳高潮等[29]通過對黑色巖系形成的地質背景及釩礦床的特征研究,認為釩礦床是在同沉積斷裂活動的熱水溶液攜帶釩、鉬、鎳、錳等金屬元素在缺氧還原條件下被黑色巖系中泥質巖吸附基礎上形成的。王松濤等[30]通過對成巖、成礦的研究,認為釩礦的形成主要與熱水參與的沉積作用有關。第3種為多來源成因模式。如王立社[16]認為物源以陸源物質為主,但同生沉積時期的海底熱水提供重要的成礦物質來源,屬于沉積成巖與熱水沉積礦床。呂文獻等[39]根據(jù)釩礦床的地質特征及硫同位素研究,認為成礦物質來源具有多源性,包括火山活動、陸源、生物來源。

4.2 南秦嶺南部

南秦嶺南部的成礦模式有沉積、沉積+構造改造、沉積+熱水3種模式。如王立社[16]認為物源以陸源物質為主,鯉魚山釩(鉬)礦床為沉積成巖-輕微改造成因礦床,釩礦屬沉積成巖成因;鉬在含礦層位中具有超常的富集,但需要多期多階段遞進式剪切構造作用的疊加改造富集成礦。倪新遠等[27]通過對釩礦體特征的研究,認為釩是由富含碳質的泥巖經(jīng)歷熱接觸變質或韌性剪切帶動力變質富集疊加成礦。陳高潮等[29]通過對黑色巖系形成的地質背景及釩礦床的特征研究,認為紫陽-平利地塹北側安康月河同生斷裂為含礦熱水運移的通道,黑色巖系中的泥質巖石在還原環(huán)境吸附鎳、鉬、釩等元素,形成鎳、鉬、釩礦源層,經(jīng)歷構造疊加改造富集成礦。李曉彪等[40]、朱正杰等[41]通過對重慶城口黑色巖系的微量元素、稀土元素地球化學特征研究,認為多金屬富集層明顯受熱水沉積的影響,同時還存在火山活動的影響,火山活動可能為熱水活動提供了動力及物質成分。

5 生物有機成礦作用

整個南秦嶺地區(qū)的認識基本一致。南秦嶺下寒武統(tǒng)黑色巖系中發(fā)現(xiàn)有豐富的斑點狀、球狀、絲狀藍綠藻的遺跡,李賽賽等[23]認為這些藻類的生命活動將金屬元素富集于體內, 死亡后其遺體和金屬元素一起沉積保存在黑色巖系中。 侯俊富[12]、 王立社[16]對生物標志化合物研究表明, 南秦嶺北部有機質來源于細菌、 微生物和藻類,并以細菌為主; 南部有機質主要來源于藻類等低等浮游生物。

圖3 南秦嶺黑色巖系型釩礦床成因模式

生物在成礦作用中主要表現(xiàn)為:通過吸收和吸附作用富集成礦物質;通過改變環(huán)境的物理化學條件,促使成礦元素活化或沉淀;通過新陳代謝作用使成礦元素氧化或還原,導致成礦。

有機質在成礦作用中主要表現(xiàn)為:有機質可以與金屬元素形成有機絡合物,或其分解形成的腐殖酸可以與金屬離子結合,導致金屬元素成可溶態(tài)以便于長距離遷移;有機質演化產(chǎn)生的溶膠和凝膠體對金屬有很強的吸附能力,具有對金屬元素的富集作用;有機質的還原作用促使許多金屬元素沉淀下來[16,31,36-37]。

6 結論及展望

(1)南秦嶺下寒武統(tǒng)黑色巖系型釩礦床是全球黑色巖系有關礦床的典型實例，其成礦環(huán)境是滯留海相的還原環(huán)境,有熱水活動的參與。成礦元素釩的賦存形式主要以吸附狀態(tài)賦存于粘土礦物中,有少量以游離氧化物形式存在。礦床成因有陸源碎屑沉積、熱水沉積、沉積+構造改造、沉積+熱水、多來源成因,目前主要側重于海水和熱水兩種成因的研究,多來源成因的可能性較大。

(2)生物有機質對成礦具有重要作用,生物主要為細菌、微生物和藻類。生物的生命活動、有機質的分解一方面通過改變環(huán)境的物理化學條件而促進成礦元素的活化或沉淀;另一方面自身對成礦元素具有一定的吸附、聚集作用。

基于對于南秦嶺黑色巖系釩礦床的研究論述,建議今后應從以下三方面加強對礦床成因的研究。

①深化生物有機質成礦作用的認識。以往研究多為籠統(tǒng)地推測生物及有機質在成礦中的作用,究竟是生物生命活動直接富集成礦元素，還是通過改變環(huán)境而間接促進成礦元素的沉淀尚不清楚,或是以其中一種為主。

②加強原位測試分析。目前的研究技術和方法多側重于對原巖樣品的全巖分析,得出的結論往往是宏觀的認識,不利于復雜成礦過程的研究。原位測試分析可以查明成礦元素具體富集在生物體的何種部位。

③進行黑色巖系的時空對比分析。 在早寒武世時, 南秦嶺屬于揚子地塊北緣的被動大陸邊緣。 那么, 引起我們不得不考慮的一個問題: 為什么在同一個板塊(揚子地塊)上, 在同一個時期的地層(下寒武統(tǒng))中, 會形成如此多礦種的密集成礦區(qū)?導致礦床種類在空間上差異性的原因又是什么? 故應當在對各地區(qū)的礦床進行精細研究的基礎上, 加強對比分析, 找出成礦差異性的原因, 以期準確認識礦床的成因, 得出合理的成礦模式。

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Review on the origin of vanadium deposit in Lower Cambrian black rock series of South Qinling

LI Sai-sai, LIU Zhan-qing

(a.Guangxi Scientific Experiment Center of Mining, Metallurgy and Environment; b.Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposit Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004,China)

By the investigation and analysis of vanadium deposit from Lower Cambrian black rock series in South Qinling,the research progress of this field is reviewed. This type of deposit was formed in the reducing environment of the residence marine facies, with the participation of the hot water activity. The existing forms of ore-forming elements are clay minerals mainly in adsorption state. Only a small amount is in the form of free oxides. The genesis of the deposit has five views, including terrigenous clastic sedimentary, hydrothermal and sedimentary, sedimentary and tectonic reworking, sedimentary and hydrothermal and multiple sources. Biological organic matter has important effect on mineralization. In short, its genesis is complex, affected by sea water, hot water, organic matter and so on. Therefore, further study is necessary. Three important directions are suggested(in-situ experimental analyses, biological organic matter mineralization and temporal and spatial contrast analysis of deposits hosted in black rock series around the Yangtze block) so that it is possible to reveal the ore forming process comprehensively and reasonably.

black rock series; vanadium deposit; Lower Cambrian; origin;South Qinling

1674-9057(2015)04-0774-06

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.015

2015-05-17

陜西省地質勘查基金項目(61201002080);廣西大規(guī)模地質礦產(chǎn)勘查項目(桂財預函[2013]116)

李賽賽(1983—),男,博士,講師,研究方向:黑色巖系和礦田構造,lanqi178@163.com。

李賽賽, 劉戰(zhàn)慶. 南秦嶺早寒武世黑色巖系釩礦床成因研究進展[J]. 桂林理工大學學報， 2015, 35(4): 774-779.

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