峡东地区的“三峡奇石”<br/>——沉积结核

峡东地区的“三峡奇石”
——沉积结核

2013-04-13张先进彭松柏李华亮易顺华胡升奇

地质论评 2013年4期

张先进, 彭松柏, 李华亮 , 易顺华 , 胡升奇

1) 中国地质大学地球科学学院, 武汉, 430074; 2) 中国地质大学/教育部长江三峡库区地质灾害研究中心, 武汉, 430074

内容提要：峡东地区大量发现的具有极大观赏价值的三峡奇石，实际上是夹持在沉积岩中的同生大型钙(硅)质沉积结核。通过对这些奇石野外特征、内部组成、形成环境等方面的研究，表明它们应该是形成于强还原环境中陆棚浅海—滞流(海湾)盆地，稳定水动力条件下的产物。本文借鉴 “人工合成锰矿物实验及其产物”报道的经验和“晶体成核理论”以及国外有关学者的近期研究见解，全面深入地分析、讨论了该类罕见的同生钙质结核的形成机理。

最近20年来，在三峡库区不少城市的旅游景点、奇石园中，往往可见透镜石、飞碟石、梅花石、乌龟石、怪兽石，葫芦石，甚至弥勒佛像石等多种形态的奇石，其具有极大观赏和收藏价值，吸引了大量游客驻足观赏。它们既不是当今奇石市场上通常称谓的“画面石”，也不是经过流水冲刷、风沙磨蚀作用形成的“普通像形石”，而是与同生沉积、成核、成岩作用等具有密切的成因关系。

国内外关于钙质结核的研究，一般分为同生，成岩及后生三种成因类型。一些国内学者对后生结核(刘彬昌，1980；郑铁民等，1986；单连芳等，1987；王振宇，1990；滕志宏等，1990；滕志宏等，1991；楼章华等，1993)、成岩结核 (李立文等，1985；王玉明等，2006；钟福平等，2011)做过较多研究，对同生结核的研究则相对较少(董进，2009；董进等，2009)，而国外学者则做过较多研究 (Hudson, 1978; Duck, 1990;Lash et al., 2004 )。而峡东地区的沉积结核三峡奇石前人少有详细报道和深入研究，长期以来一直被简单描述为沉积透镜体或锅底灰岩(湖北省地质矿产局，1984)，一些学者也认识到其实质是罕见类型的沉积结核 (董进，2009；董进等，2009)，其沉积环境特殊，形成机理与通常所谓锰、磷、燧石结核的成因有一定类似之处，也有较多不同之点。

因此，探索与阐明峡东地区产出的该种沉积结核体的发育特征、形成条件和形成机理，不仅是当今社会大众均感兴趣的问题，而且更具有沉积岩石学研究的理论意义。

1 野外地质特征

1.1 产出地域

区域地层资料表明，该沉积结核三峡奇石主要产出在秭归、巴东、枝江、宜昌一带，方圆为数百平方千米的地方，平面圈闭为近东西弧形走向的长条形地带(湖北省地质矿产局，1984)。跨出这一范围：向北至兴山、远安、当阳，向南至五峰、宜都，向西至建始、恩施之后，震旦系陡山沱组第四段( Z1d4)的地层已大部分尖灭；寒武系水井沱组(∈1sh)的地层厚度减小，岩性也有较大变化。该沉积结核产出地域变化的标志主要体现在两个方面：其一，极少见有灰质白云质的透镜体，其二，可见生物和流水扰动现象并发育较多生物化石。

1.2 赋存层位

沉积结核三峡奇石主要赋存在震旦系陡山沱组第四段(Z1d4)和下寒武系统水井沱组(∈1sh)的两套地层之中，两套地层均由黑色页岩、碳质页岩、高碳质页岩、碳质硅质页岩，夹少量薄层或透镜状钙质页岩、泥灰岩、微晶灰岩和微晶灰质白云岩等岩性组合而成；其特征为无底栖生物和流水扰动现象，生物化石稀少。

图 1 峡东地区沉积结核三峡奇石Fig. 1 Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion in Eastern Three Gorges Area(a) 透镜石; (b) 飞碟石; (c) 梅花石; (d) 乌龟石; (e) 怪兽石; (f) 葫芦石; (g) 二像奇石: 腹部显示弥勒佛像; (h) 二像奇石: 背部显示乌龟石(a) lens-shaped stone; (b) UFO(flying saucer)-shaped stone; (c) plum-shaped stone; (d) turtle-shaped stone; (e) monster-shaped stone; (f) gourd-shaped stone; (g) two facing stone: abdomen, showing maitreya buddha; (h) two facing stone: back, showing stone turtle

1.3 空间形态

按奇石命名原则，具体可见：① 双面凸起、中心最厚、由中心至边缘逐渐变薄的透镜石(图1a); ② 双面凸起、中心最厚、由中心至边缘突然变薄的飞碟石(图1b); ③单面凸出、一个中心、总体为饼状，但边缘有连续缺口，总体状似梅花的梅花石(图1c); ④ 由一大一小两个中心结合形成，具有乌龟形态的乌龟石(图1d); ⑤由多个大小不一的中心结合形成，具有怪兽形态的怪兽石(图1e); ⑥由一大一小两个中心叠置在一起形成，具有葫芦形态的葫芦石(图1f)，以及腹部表征弥勒佛像，背部表征乌龟像的“二像奇石”(图1g、h)等。在上述沉积结核三峡奇石中，透镜石的发育最为普遍；飞碟石、乌龟石、怪兽石、梅花石、葫芦石的发育比较难见；二像奇石的发育，则极为罕见、独一无二。

图 3 团块状内核的的沉积结核三峡奇石Fig. 3 Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion with blocky cores(a) 内核为粘土、方解石、白云石矿物集合体；(b) 内核为黄铁矿集合体(a) kernel is displayed as clay, calcite, dolomite mineral aggregates；(b) kernel is displayed as pyrite aggregates

图 2 沉积结核三峡奇石发育的纹层或圈层与围岩的层理具协调空间关系Fig. 2 Harmonious distribution relationship between laminae or circular layer developed in Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion and bedding in country rock

此外，沉积结核三峡奇石可进一步细分为单体和复合体。其中，围绕一个中心逐渐长大成形的为单体；围绕二个甚至三个中心逐渐长大成形的为复合体。例如，透镜石、飞碟石、梅花石(图1a、b、c)就是围绕一个中心逐渐长大成形的单体，乌龟石(图1d)是围绕二个中心逐渐长大成形的平面二连复合体，葫芦石(图1e)是围绕二个中心逐渐长大成形的剖面二连复合体，怪兽石(图1f)则是围绕多个中心逐渐长大成形的三维多连复合体。

图 4 (a)、(b) 、(c) 结核从里到外的偏光显微镜图像Fig. 4 Polarizing microscope images of sedimentary concretion from inside to outside： (a), (b), (c)

从天然陡坎中脱落和人工采石场剥露的样本上我们观察到，该沉积结核的实际空间几何形态总体呈现三大类型：① 占绝大多数的a=b>c扁球体，② 占少数的a=b

表 1 A、B、C三个结核由内而外的组分含量分析(%)Table 1 The component content analysis (%) from inside to outside of the three sedimentary concretion A, B, C

注：湖北省地矿局鄂东北实验室分析。

1.4 与围岩的关系

本文所研究的沉积结核主要赋存于震旦系陡山沱组第四段(Z1d4)和下寒武系统水井沱组(∈1sh)两这套地层之中；寒武系水井沱组的沉积厚度为40～80m，震旦系陡山沱组第四段的沉积厚度为20～60m。沉积结核往往以50～300 cm的间距顺层生长于围岩之中，具体可见4～6个层位，每个具体层位围岩的厚度，一般为0.5～2.5 m。在剖面上该沉积结核三峡奇石呈窜珠状产出，在平面(层面)上呈“二维点阵式”均匀或不完全均匀分布。在野外三维空间露头上，它们的产出状态与围岩地层的层面有关，其a、b二轴通常与围岩地层的层面持平行关系，c轴通常与围岩地层的层面持垂直关系。a、b、c三轴与围岩地层的层面持斜交关系的情况，几乎完全不存在。

沉积结核三峡奇石发育的纹层或圈层与围岩的层理具协调空间关系。这祌关系的具体表现是：结核的层理绝不切穿围岩的层理；当围岩层理延伸至结核时，围绕结核发生弯曲变化；离开结核之后，恢复正常状态(图2)。

沉积结核三峡奇石与围岩的物质成分有显著差别。前者的岩性总体表征为含泥质灰岩或含泥质白云岩，后者的岩性总体表征为碳质、含碳质的泥岩或页岩。二者呈突变接触关系。

2 内部组成特征

沉积结核三峡奇石由内核和壳体两大部分组成。内核和壳体直径的比例，一般为1∶3～1∶6。该结核的内核呈团块状发育。在多数情况下，由粘土、方解石、白云石等矿物组成(图3a)；在少数情况下，为黄铁矿集合体(图3b)。其壳体具纹层或圈层构造。其中，每一纹层的厚度为1～3mm，圈层数量为5～330个(与奇石大小有关)；组成矿物为粘土、方解石、白云石等(图3a)。

图 6 沉积结核三峡奇石CaO—SiO2(a)、(b)、(c)和MgO—SiO2(d)、(e)、(f)图解Fig. 6 CaO—SiO2(a) , (b) , (c) and MgO—SiO2(d), (e), (f) diagrams of Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion(a)、(d) 结核A；(b)、(e) 结核B；(c)、(f) 结核C(a), (d) concretion A；(b) , (e) concretion B；(c) , (f) concretion C

为详细了解沉积结核三峡奇石由内核到壳体边缘的成分变化特征，我们采用了两祌观察研究手段：

(1)岩石薄片分析；通过普通偏光显微镜观察发现，该结核由内而外矿物成分及变化特征表现为石英和粘土矿物逐渐减少，方解石、白云石逐渐增多。按形成的岩石名称描述，依次为：(a) 灰质或白云质泥岩，(b) 泥质灰岩或白云岩，(c) 含泥质灰岩或白云岩(图4a、b 、c)。

图 5 微型钻孔系统取样照片Fig. 5 Sampling photo of micro-drilling system

(2)地球化学分析；选取A、B、C三个结核体，通过微型钻孔系统取样(图5)，获取该钙(硅)质结核三峡奇石由内而外的常量元素化学成分及变化特征的有关数据(表1)。在CaO—SiO2(图6a、b、c)和MgO—SiO2(图6d、e、f)图解中，可以看出结核由核部到边缘，随着SiO2逐渐减少，具有CaO 、MgO逐渐增加变化趋势。此一规律，在A(图6a、d)、B(图6b、e)、C(图6c、f)三个结核中表现极好。

显然，以上两种研究分析手段获得的结果非常吻合，均说明沉积结核三峡奇石由内核到壳体边缘的成分变化，具有泥质减少，钙质、镁质增加的特征。

3 形成环境及其机理

3.1 形成环境

在沉积结核三峡奇石产出的地域范围内，1∶20万巴东幅(湖北省地质矿产局❶) 、奉节幅(四川省地质局❷)，1∶25万宜昌幅(湖北省地质调查院❸)、建始幅(湖北省地质调查院❹) 区域地质调查报告一致认为，震旦系陡山沱组第四段( Z1d4)以及下寒武统水井沱组(∈1sh)地层，均是海相沉积的产物，并且其沉积结核的壳体具深灰，围岩具黑色，内核有时可见全部由黄铁矿集合体构成，围岩中含有一定数量黄铁矿晶体的特点，均反映它们应该是还原、甚至强还原环境的产物。

图 7 结核的成因类型Fig. 7 Genetic types of sedimentary concretion(a) 同生结核；(b) 成岩结核；(c) 后生结核(a) syngenetic concretion；(b) diagenetic concretion；(c) epigenetic concretion

沉积结核三峡奇石的围岩地层内，不发育底栖生物化石记录的特征指示，在沉积结核三峡奇石形成的过程中，以秭归为中心的此一沉积盆地的中心地带，其水体深度应该为浅水至半深水，具体形成深度在50～200余米(湖北省地质矿产局，1984)。此外，在其结核赋存的围岩中，具有无流水扰动现象和生物化石稀少的特征，以及通过沉积和自由生长作用形成的三峡奇石具有千姿百态的形体特点，均说明了沉积结核三峡奇石是形成在平静、滞流，而不是动荡、湍激的流水环境。

现已研究表明，峡东地区陡山沱组、水井沱组这两套岩石地层均是陆棚浅海相的产物(湖北省地质矿产局，1984)；在对贵州江口与峡东地区陡山沱组第四段沉积的灰黑色含碳质泥岩、页岩夹灰色薄一中厚层状白云岩、透镜状白云岩的研究中，也表明其属于局限浅海(海湾)相岩相古地理的产物(喻美艺等，2005)。综合考虑沉积结核三峡奇石形成古地理环境的独特、罕见性，以及在各个地史时期极少可见完全类同例证的情况，我们最终认定，陆棚浅海—滞流(海湾)盆地可能是沉积结核三峡奇石形成的确切古地理环境。

3.2 形成机理

依据结核与围岩层理的相互关系，沉积结核的形成机理包括同生结核、成岩结核和后生结核等三种情况(乐昌硕，1984；地球科学大辞典编辑委员会，2006；陈建强等，2011)：

(1)同生结核：结核体与沉积物同时形成，即在沉积过程中某些矿物围绕其核心物质，层层凝聚而成。例如，石灰岩中含有的燧石结核，砂岩中含有的铁质结核，以及现代海底的铁锰结核等。同生结核的特点是结核体不切穿围岩的层理，而围岩的层理却围绕结核发生弯曲变化(图7a)。

(2)成岩结核：沉积物在成岩过程中，由于物质重新分配而形成。它的特点是结核体部分切穿层理，部分被层理包围(图7b)。

(3)后生结核：形成于沉积物固结之后，在岩石的裂缝或层里面上，由于地下水的渗滤、交代及充填作用而生成。它的特点是呈不规则状或树枝状团块，明显切穿围岩层理，围岩层理没有弯曲现象(图7c)。例如，在我国北方黄土地层中广泛发育的“姜结石” (刘彬昌，1980；郑铁民等，1986；单连芳等，1987；王振宇，1990；滕志宏等，1990；滕志宏等，1991；楼章华等，1993)，就是通过此一机理形成的。

对照上述三祌情况可知，峡东地区沉积结核三峡奇石的形成，应该属于同生结核的形成机理。换言之，是富含钙、镁的真溶液，与富含泥质的胶体溶液相互作用，共同沉淀的产物。

4 形成的影响因素

4.1 水环境条件

众所周知，鲕粒灰岩的形成与波浪和潮汐作用有关。在波浪和潮汐的作用下，引起水介质的搅动，每搅动一次，生物碎屑、球粒、内碎屑、陆源碎屑等便处于悬浮状态，同时促使二氧化碳从水体中逸出，过饱和的碳酸钙(文石针)围绕碎屑颗粒“凝聚沉淀”形成包壳，这样周而复始的搅动，便形成具有一圈圈同心纹包壳的鲕粒。当鲕粒达到一定大小，其质量超过波浪、水流搅动的能量，便堆积在海底，不再被搅动，并为亮晶方解石胶结，形成亮晶鲕粒灰岩。鲕状赤铁矿和锰、磷结核的形成，基本雷同鲕粒灰岩(杨胜雄等，1989；雷加锦等，2000)。

图 8 现代海洋沉积—水界面下地球化学环境分带(据Roberts et al., 2005; 董进等, 2009修改)及沉积结核可能的生长模式Fig. 8 Geochemical environment zoning below modern marine sediment — water interface (modified from Roberts et al., 2005; Dong et al., 2009) and probable growing methods of sedimentary concretion

研究发现，沉积结核三峡奇石具有千姿百态的形态，以及绝大多数为a=b>c的扁球体，少数为a=b

当前，关于物质凝聚成核控制机理的研究，主要针对“晶体成核理论”(刘光照等，1981)而言，对同沉积过程中发生的岩石或矿物集合体的成核，仅指出了“与凝聚作用有关”的认识。例如，大量文献在论及鲕粒灰岩、鲕状赤铁矿、锰结核等沉积地质体时，均提到了凝聚作用，但是，均没有指出导致凝聚作用发生的具体原因或控制机理。

值得一提的是，国外学者(Berner, 1981; Kasten et al., 2003; Roberts et al., 2005)在研究现代海洋沉积物发生过程时认识到，在富含有机质的现代海洋中，从沉积—水界面往下根据反应物和生成物不同可分为：① 有机质氧化; ② 硝酸盐、锰和铁离子还原; ③ 硫酸盐还原; ④ 甲烷生成等 4个成岩带(图8)。并强调指出：

图 10 结核中(a)和围岩中(b)纸房状构造(据Lash et al，2004)Fig.10 Card-house structure in concretion(a)and country rock(b)(after Lash et al，2004)(a) 为结核中板状碎屑矿物纸房状构造；(b) 为围岩中板状碎屑矿物压实后平行层面的定向排列(a) Card-house structure of the platy detrital minerals in sedimentary concretion；(b) The platy detrital minerals directional arrangement of parallel bedding surface after compaction in country rock

4.2 围岩的压实、沉积速率条件

4.2.1 围岩的压实

沉积结核三峡奇石在成岩之后，不存在滑动及显著受力压扁的变形特征。支持这一认识的证据为：① 三峡奇石具有的千姿百态，自由生成的形态普遍未遭受破坏; ② 三峡奇石的表面通常不发育擦痕构造; ③ 当三峡奇石内核由黄铁矿集合体构成时，其边缘往往呈现完美风景画面(图9)。

图 9 由沉积结核三峡奇石内核黄铁矿集合体表征的无变形风景画Fig. 9 Pyrite aggregates of inner core showing no deformation landscape in Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion

图 11 结核中(a)和围岩中(b)胶黄铁矿扫描电镜背散射图Fig.11 SEM back-scattering map of greigite in concretion(a) and rock(b) (a) 结核中发育的草莓状黄铁矿(据Roberts et al., 2005); (b) 为围岩中发育的自形黄铁矿(据Chang et al., 2008); G—胶黄铁矿，Py—黄铁矿，Sid—菱铁矿(a) strawberry pyrite developed in concretion(after Roberts et al., 2005); (b) euhedral pyrite developed in country rock(after Chang et al., 2008); G—greigite，Py—pyrite，Sid—siderite

此外，国外学者(Moon,1972; Zabawa,1978; Duck,1990; Lash et al，2004; Roberts et al., 2005; Chang Liao et al., 2008 ) 以黄铁矿和粘土矿物为研究对象，以钙质结核、围岩为比较研究目标，观察到：结核中，粘土矿物具有保持完好的纸房状构造(图10a)，黄铁矿往往呈草莓状晶形(图11a)；而围岩中，粘土矿物的纸房状构造呈现压扁并定向排列特征(图10b)，黄铁矿几乎全部为自形晶体(图11b)。此外，对钙质结核三峡奇石和围岩中的粘土矿物和黄铁矿的研究，也发现了类似的现象(董进，2009)。以此为据，结合围岩层理围绕结核发生弯曲的现象，我们指出：虽然围岩地层却表征了显著压扁特征，但这些结核形成之后，产生了抵抗压实作用的能力，使结核并未受到强烈的压实作用。

4.2.2 围岩的沉积速率

一般认为，沉积速率(V)等于原始沉积厚度(H)除以地层形成的时间间隔(△t),而原始沉积厚度与压实量之间遵循以下的换算公式,即H=h/(1-k),其中,h和k分别代表地层厚度和压实量。如果研究对象是泥页岩，其压实量(k)为62.5%(耿良玉，1986)。按水井沱组现今所见平均厚度等于60m进行计算，其原始沉积厚度大约为H=60/(1-62.5%)=160m。按陡山沱组第四段平均厚度等于40m进行计算，其原始沉积厚度大约为H=40/(1-62.5%)=107m。

中国区域年代地层表(全国地层委员会，2002)提供的数据认为，寒武系水井沱组的形成经历了7.5Ma ，陡山沱组第四段的形成经历了12.5 Ma时间(董进，2009a)。

依据上述原则及有关数据进行计算可知，水井沱组的沉积速率V=160 m/7.5Ma=21.3 m/Ma=21.3 mm/ka；陡山沱组第四段的沉积速率V=100 m/12.5Ma = 8.6 m/Ma=8.6mm/ka。由于沉积结核三峡奇石沉积结核是同生钙质结核，因此，有充分理由认为，结核与围岩的沉积速率大体应该一致。按围岩21.3～8.6 mm/ka的沉积速率，以个体较大，C轴(结核厚度)达1.5 m 的奇石进行估算，其形成的时间，大约需要70～ 174 ka。