南秦岭早寒武世黑色岩系钒矿床成因研究进展

李赛赛,刘战庆

(桂林理工大学 a.广西矿冶与环境科学实验中心; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541004)

南秦岭早寒武世黑色岩系钒矿床成因研究进展

李赛赛,刘战庆

(桂林理工大学 a.广西矿冶与环境科学实验中心; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541004)

通过调研、分析南秦岭早寒武世黑色岩系钒矿床的相关文献,结合笔者对该类钒矿床的研究、认识,述评了这一领域的研究进展。该类矿床形成于滞留海相的还原环境,有热水活动的参与。成矿元素钒的赋存形式主要以吸附状态赋存于粘土矿物中,少量以游离氧化物形式存在。矿床成因有陆源碎屑沉积、热水沉积、沉积+构造改造、沉积+热水、多来源成因等5种观点，生物有机质对成矿具有重要作用。总之,该类矿床成因复杂,受到海水、热水、生物有机质等多种因素的影响。建议今后在原位测试分析、生物有机质成矿作用方面加强对矿床的成因研究,进而对扬子地块周缘与黑色岩系有关的矿床进行时空对比分析,以期全面、合理地揭示矿床的成矿过程。

黑色岩系;钒矿床;下寒武统;成因;南秦岭

震旦纪与寒武纪之交是地球发育演化历史中的一个重大突变时期之一,与此相对应,在我国扬子地块、南秦岭下寒武统底部广泛发育有一套黑色页岩、硅质岩、碳酸盐岩的岩石组合,层位稳定[1-9]。而且,在扬子地块北、东南缘下寒武统中分布有钒矿、镍钼矿、重晶石(毒重石)矿和磷矿的相对密集成矿区,在南秦岭北部下寒武统中分布有钒矿的相对密集成矿区,南秦岭南部下寒武统中分布有钒(钼)矿、重晶石(毒重石)矿的相对密集成矿区(图1)。在早寒武世时,南秦岭属于扬子地块北缘的被动大陆边缘。在同一时期,围绕扬子地块的周缘产出有如此多的具有经济价值的矿床,因而具有重要的理论研究意义和重大的实际应用价值。国内外众多学者对其进行了详细的研究,取得了许多重要成果[10-25]。然而,该类矿床的主要赋矿岩石为黑色页(泥)岩,由于其矿物粒度十分细小,常规的测试仪器很难分辨,这为其研究带来很大难度;又因其成矿的复杂性,目前对其成因的研究尚存在诸多争议和不确定性。在这些矿床中,钒矿的分布最广,从扬子地块的北缘至东南缘均有产出。因此,鉴于黑色岩系及其相关矿床分布的广泛性,本文以笔者近年来一直研究的南秦岭寒武系中的钒矿床为对象,通过文献调研分析,结合笔者对该类钒矿床的研究和认识,旨在深化对矿床的成因认识,以期对该类矿床区域上的对比研究提供必要的参考资料。

鉴于黑色岩系型钒矿床成矿作用的复杂性, 本文拟分别主要从黑色岩系形成环境、 成矿元素赋存形式、 成矿元素来源与矿床成因、 生物有机成矿作用方面分别叙述南秦岭东段北部、 南部下寒武统的黑色岩系及其中的钒(钼)矿床的研究现状。

1 南秦岭早寒武世黑色岩系(及其钒矿床)的分布

南秦岭东段下寒武统的黑色岩系大致以宁陕—白河断裂为界(图1), 北部沿下寒武统连续分布有众多中-大型的钒矿床;南部也分布有众多的钒矿床,但是其中不同程度伴生有钼, 一般钼的含量在0.01%～0.1%,局部形成钼矿床[24,26];靠近扬子地块的南秦岭南缘分布有众多的重晶石(毒重石)矿床[18-20,27]。南秦岭下寒武统黑色岩系的岩性总体变化规律为:底部为硅质岩或以硅质岩为主,向上硅质岩逐渐减少,炭质泥岩逐渐增多,顶部全为炭质泥岩。

图1 南秦岭东段寒武系露头分布及矿产分布图

南秦岭北部下寒武统黑色岩系中连续产出有中-大型的钒矿床,众多学者对该区内的黑色岩系及其中的钒矿床进行了大量的研究工作。相比北部,南部有关钒矿床的研究比较少。南秦岭南部下寒武统底部分布有大量厚层硅质岩,最厚可达242 m(紫阳瓦庙),重晶石(毒重石)矿床主要位于底部的硅质岩中;而钒矿床、钒(钼)矿床主要位于炭质泥岩中,空间上位于重晶石(毒重石)矿床的上部。南部黑色岩系中普遍含有钼[24,26],多伴生于钒矿床中,但由于其特殊的赋存形式,很难回收利用,因此目前很少对钼进行勘查评价,研究资料匮乏。

2 黑色岩系的形成环境

2.1 南秦岭北部

目前主要从沉积建造、岩性组合、岩石学、地球化学特征等方面展开研究,并普遍认为是还原环境，但是在形成的海水深度方面有不同的认识。如侯俊富[12]、张复新等[13]、朱红周等[15]、王立社等[16-17]对下寒武统水沟口组黑色岩系地质背景、微量元素地球化学特征的研究,认为黑色岩系形成于环绕岛链古隆起的一种干燥缺氧的深水—半深水滞留断陷局限海盆。林长谦等[28]根据鄂西北地区岩石组合的研究,认为黑色岩系形成于一次大规模的缺氧事件的次深海相环境。陈高潮等[29]通过对盆地沉积建造、岩性组合及剖面结构的研究,认为其形成于滞留深水还原环境。王松涛等[30]据秦岭早古生代沉积作用与构造演化研究,认为黑色岩系属板块扩张背景下的斜坡-盆地体系滞流盆地相。姜骁疆等[31]根据湖北省郧县青木沟钒矿床岩系、岩性及岩石的结构构造特征,认为黑色岩系形成于半封闭的宁静浅海相、陆棚边缘盆地。王晓江等[32]、薛亚飞等[33]通过对内乡黄金坡钒矿床地质特征的研究,认为其是在滨海至浅海静水还原环境中形成的。

在黑色岩系的形成过程中, 普遍认为有热水活动的参与。 如侯俊富[12]、 张复新等[13]、王立社等[17]对下寒武统水沟口组黑色岩系地质背景、微量元素地球化学特征研究,认为黑色硅质岩为热水沉积成因,炭质泥岩为正常沉积。李赛赛等[23]通过对南秦岭水沟钒矿床的岩石化学、微量元素、 稀土元素及氧同位素特征研究, 表明水沟钒矿形成于大陆边缘与深海环境过渡带上的还原环境中。 任涛等[34]通过对夏家店金钒矿床的微量元素、 H、 O同位素、 流体包裹体等特征的研究, 认为黑色岩系的形成过程中有热水活动的参与。

2.2 南秦岭南部

与南秦岭北部的研究成果相似,普遍认为是还原环境,但是在形成的海水深度方面也有不同的认识。如高长林等[35]通过对下寒武统层状硅质岩的微量元素研究,认为其成因与火山活动有关,形成于深海环境。张复新等[13]、王立社[16]对鲁家坪组黑色岩系地质背景、矿床地球化学特征研究,认为其形成于扬子板块北缘早古生代沉积区局部拉张环境发育裂谷式断陷盆地中,有热水沉积作用参与,沉积环境为浅海深水半封闭滞流环境-浅海陆棚环境。倪新远等[27]、陈高潮等[29]通过对盆地沉积建造、岩性组合及剖面结构的研究,认为其形成于外陆棚-次深海相滞流还原环境。

3 成矿元素赋存形式

3.1 南秦岭北部

目前研究认为钒主要有类质同象、吸附状态、钒酸盐、有机络合物及游离氧化物5种赋存状态。其中前4种主要通过岩石学、化学分析、溶解试验、电渗试验及X衍射分析等传统方法得出。如任涛等[34]、张卫敏等[36]通过岩石学、化学分析及溶解试验研究,认为钒主要以类质同像形式存在于粘土类矿物中。张复新等[13]、王立社[16]、朱红周等[14]经大量显微岩石学观察、化学分析及电渗试验研究,认为硅质岩型矿石中钒主要以类质同象形式存在,泥质岩型矿石中钒主要以吸附状态存在。王晓江等[32]、薛亚飞等[33]根据矿石特征及选矿试验结果,认为钒呈吸附状态赋存于粘土矿物或呈离子状态吸附于硅氧中。朱培辉等[37]、姜骁疆等[31]、于洋等[38]根据选冶试验研究,认为钒的赋存状态有单矿物(钒云母)、离子吸附、金属有机络合物(钒卟啉)3种形式。

在传统方法的基础上结合电子探针分析,发现了钒的一些游离氧化物。如侯俊富[12]、 朱红周等[14]在水沟口组的黑色岩系中发现钒以铁的氧化物、钒钛矿等形式存在。李赛赛等[24-25]在商洛地区黑色岩系中发现了以胶体状态存在的V-Fe和以集合体形式存在的V-Ti氧化物(图2),前者主要出现在黑色岩系下部硅质岩夹泥岩中的炭质泥岩中,后者则主要出现在黑色岩系上部的炭质泥岩中。

图2 穆家河钒矿床矿石的背散射电子图像

3.2 南秦岭南部

钒的赋存状态与南秦岭北部基本相同。钼没有独立矿物,以吸附状态存在于粘土矿物或碳质组分之中,特别在矿石的焙烧物质中含量较高,未以独立矿物解离出来,难于通过选矿富集回收[16]。

4 成矿元素来源与矿床成因

4.1 南秦岭北部

目前主要有3种认识：第1种为陆源碎屑沉积成因。如张卫敏等[36]、王晓江等[32]、薛亚飞等[33]、于洋等[38]分别对前寒武系与寒武系进行光谱分析及研究,认为钒主要来源于前寒武系,尤其是超基性和基性等含钒岩石;钒矿床属于沉积型矿床。第2种为热水成因模式。如林长谦等[28]通过岩石学、地球化学的研究,认为是海底喷气热流体带入大量的成矿物质形成富含金属的黑色岩系。李赛赛等[21-24]对陕西省商洛地区下寒武统黑色岩系中的钒矿床进行了研究,认为V、Ti、Ba、Si等元素主要来源于海底热水活动;并根据黑色岩系中钒矿床的古构造、岩相古地理、岩石学、生物及地球化学特征,提出了南秦岭黑色岩系型钒矿床成因模式图(图3)。朱红周等[15]根据岩石学、主量元素、微量元素地球化学特征,认为钒主要来源于深部热水。陈高潮等[29]通过对黑色岩系形成的地质背景及钒矿床的特征研究,认为钒矿床是在同沉积断裂活动的热水溶液携带钒、钼、镍、锰等金属元素在缺氧还原条件下被黑色岩系中泥质岩吸附基础上形成的。王松涛等[30]通过对成岩、成矿的研究,认为钒矿的形成主要与热水参与的沉积作用有关。第3种为多来源成因模式。如王立社[16]认为物源以陆源物质为主,但同生沉积时期的海底热水提供重要的成矿物质来源,属于沉积成岩与热水沉积矿床。吕文献等[39]根据钒矿床的地质特征及硫同位素研究,认为成矿物质来源具有多源性,包括火山活动、陆源、生物来源。

4.2 南秦岭南部

南秦岭南部的成矿模式有沉积、沉积+构造改造、沉积+热水3种模式。如王立社[16]认为物源以陆源物质为主,鲤鱼山钒(钼)矿床为沉积成岩-轻微改造成因矿床,钒矿属沉积成岩成因;钼在含矿层位中具有超常的富集,但需要多期多阶段递进式剪切构造作用的叠加改造富集成矿。倪新远等[27]通过对钒矿体特征的研究,认为钒是由富含碳质的泥岩经历热接触变质或韧性剪切带动力变质富集叠加成矿。陈高潮等[29]通过对黑色岩系形成的地质背景及钒矿床的特征研究,认为紫阳-平利地堑北侧安康月河同生断裂为含矿热水运移的通道,黑色岩系中的泥质岩石在还原环境吸附镍、钼、钒等元素,形成镍、钼、钒矿源层,经历构造叠加改造富集成矿。李晓彪等[40]、朱正杰等[41]通过对重庆城口黑色岩系的微量元素、稀土元素地球化学特征研究,认为多金属富集层明显受热水沉积的影响,同时还存在火山活动的影响,火山活动可能为热水活动提供了动力及物质成分。

5 生物有机成矿作用

整个南秦岭地区的认识基本一致。南秦岭下寒武统黑色岩系中发现有丰富的斑点状、球状、丝状蓝绿藻的遗迹,李赛赛等[23]认为这些藻类的生命活动将金属元素富集于体内, 死亡后其遗体和金属元素一起沉积保存在黑色岩系中。 侯俊富[12]、 王立社[16]对生物标志化合物研究表明, 南秦岭北部有机质来源于细菌、 微生物和藻类,并以细菌为主; 南部有机质主要来源于藻类等低等浮游生物。

图3 南秦岭黑色岩系型钒矿床成因模式

生物在成矿作用中主要表现为:通过吸收和吸附作用富集成矿物质;通过改变环境的物理化学条件,促使成矿元素活化或沉淀;通过新陈代谢作用使成矿元素氧化或还原,导致成矿。

有机质在成矿作用中主要表现为:有机质可以与金属元素形成有机络合物,或其分解形成的腐殖酸可以与金属离子结合,导致金属元素成可溶态以便于长距离迁移;有机质演化产生的溶胶和凝胶体对金属有很强的吸附能力,具有对金属元素的富集作用;有机质的还原作用促使许多金属元素沉淀下来[16,31,36-37]。

6 结论及展望

(1)南秦岭下寒武统黑色岩系型钒矿床是全球黑色岩系有关矿床的典型实例，其成矿环境是滞留海相的还原环境,有热水活动的参与。成矿元素钒的赋存形式主要以吸附状态赋存于粘土矿物中,有少量以游离氧化物形式存在。矿床成因有陆源碎屑沉积、热水沉积、沉积+构造改造、沉积+热水、多来源成因,目前主要侧重于海水和热水两种成因的研究,多来源成因的可能性较大。

(2)生物有机质对成矿具有重要作用,生物主要为细菌、微生物和藻类。生物的生命活动、有机质的分解一方面通过改变环境的物理化学条件而促进成矿元素的活化或沉淀;另一方面自身对成矿元素具有一定的吸附、聚集作用。

基于对于南秦岭黑色岩系钒矿床的研究论述,建议今后应从以下三方面加强对矿床成因的研究。

①深化生物有机质成矿作用的认识。以往研究多为笼统地推测生物及有机质在成矿中的作用,究竟是生物生命活动直接富集成矿元素，还是通过改变环境而间接促进成矿元素的沉淀尚不清楚,或是以其中一种为主。

②加强原位测试分析。目前的研究技术和方法多侧重于对原岩样品的全岩分析,得出的结论往往是宏观的认识,不利于复杂成矿过程的研究。原位测试分析可以查明成矿元素具体富集在生物体的何种部位。

③进行黑色岩系的时空对比分析。 在早寒武世时, 南秦岭属于扬子地块北缘的被动大陆边缘。 那么, 引起我们不得不考虑的一个问题: 为什么在同一个板块(扬子地块)上, 在同一个时期的地层(下寒武统)中, 会形成如此多矿种的密集成矿区?导致矿床种类在空间上差异性的原因又是什么? 故应当在对各地区的矿床进行精细研究的基础上, 加强对比分析, 找出成矿差异性的原因, 以期准确认识矿床的成因, 得出合理的成矿模式。

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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

陕西省地质勘查基金项目(61201002080);广西大规模地质矿产勘查项目(桂财预函[2013]116)

李赛赛(1983—),男,博士,讲师,研究方向:黑色岩系和矿田构造,lanqi178@163.com。

李赛赛, 刘战庆. 南秦岭早寒武世黑色岩系钒矿床成因研究进展[J]. 桂林理工大学学报， 2015, 35(4): 774-779.

P618.61

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