恩施地区富硒地层分布规律及其控制因素探讨

李明龙, 徐 辉, 许克元, 陈发俊, 唐 成, 杨登银

(湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施 445000)

湖北省恩施州位于武陵山连片贫困区,拥有全球唯一探明的独立硒矿床——渔塘坝硒矿床,被第14届国际人与动物微量元素大会授予“世界硒都”殊荣。恩施富硒产业的发展直接关系到“武陵山片区区域发展与扶贫攻坚”国家战略和“武陵山少数民族经济社会发展试验区建设”省级战略在该州的实施。

恩施地区的硒元素最初来源于岩石风化,富硒地层的出露对天然硒资源分布具有控制作用。前人对渔塘坝硒矿床所赋存的二叠系孤峰组黑色岩系做过大量研究:杨光圻曾在渔塘坝地区采集到硒含量达84 000 mg/kg的碳质硅质岩样品[1];王鸿发阐述了渔塘坝硒矿床的矿床地质特征[2];郑宝山探讨了恩施孤峰组富硒黑色岩系的开发利用[3];朱建明研究了渔塘坝硒矿石中硒的赋存状态[4-5];冯彩霞研究了渔塘坝硒矿床成因[6]等。但恩施地区其他地层单元含硒情况尚不明确;且除二叠系孤峰组外,恩施还出露二叠系大隆组、志留系龙马溪组、寒武系牛蹄塘组等多套黑色岩系地层,其研究尚缺乏系统性。因此,笔者在前人研究基础上,对恩施地区主要出露的地层单元进行了系统的采样分析(重点针对黑色岩系地层),探讨了该地区富硒地层分布规律及其控制因素,以期为当地富硒资源开发利用提供基础依据。

1 研究区概况

1.1 研究区基本情况

恩施州地处湖北省西南部,是中国中部地区与西部地区的结合部,地跨东经108°23′12″～110°38′08″,北纬29°07′10″～31°24′13″(图1),东接湖北省宜昌市,南毗湖南湘西,西连重庆黔江,北邻重庆万州,东北端连接神农架林区。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical position of the study area

地貌以碳酸盐岩组成的高原型山地为主体,兼有低山峡谷与溶蚀盆地、山间盆地,整体地势呈西北、东北部高,中部低,平均海拔1 000 m以上;研究区属亚热带季风性山地湿润气候,年均气温16.2 ℃,年均降水量1 600 mm,冬少严寒、夏无酷暑、雨量充沛、四季分明,气候垂直差异突出;生物资源丰富,以丰富性、古老性和多样性著称。

1.2 区域地质概况

研究区大地构造位置属于扬子地台的中段,其北西部为四川台拗的川东台褶带,南东部为上扬子台坪的八面山台褶带,北端为鄂中褶断区的神农架断穹。

研究区地层出露广泛,从中元古代神农架群台子组至新生界第四系均有出露,仅志留系上统、泥盆系下统、第三系等地层沉积缺失或遭剥蚀而缺失。从出露地层时代上看,寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系等31个岩石地层单元出露最为广泛;从岩性上看,白垩系、三叠系上统、泥盆系、志留系主要为碎屑岩,其余地层单元均以碳酸盐岩为主。此外,大量地质工作证实,黑色岩系中硒元素相对其他岩石富集,恩施出露多个地质时代的黑色岩系地层,主要为寒武系牛蹄塘组、奥陶—志留系龙马溪组、二叠系孤峰组及大隆组[7]。而土壤元素地球化学成分对成土母岩具有一定的继承性,富硒地层的风化为表生环境介质带来了丰富的硒元素,营造了富硒的地质环境。因此,以上黑色岩系地层是本研究的重点层位(图2)。

2 样品采集与处理

为详细查明主要出露地层岩石硒含量特征,本次工作共在研究区测量6条岩石地球化学剖面(图2),分别位于恩施市新塘乡、鹤峰县走马镇和中营镇、来凤县革勒车镇和大河镇。

根据以往研究成果,重点观察描述了可能富集硒元素的黑色岩系及煤系地层的发育厚度、岩性特征、结构构造等,以详细研究其沉积环境及岩石富硒机理。其中在二叠系高硒地层区,对岩石采样间距进行了加密,并通过探槽揭露覆盖的局部高硒地层,尽可能采集新鲜样品。本次研究共采集了31个岩石地层单元的495件岩石样品进行测试分析,所有测试分析均在湖北省地质实验测试中心完成。

3 富硒地层分布规律

3.1 时代分布规律

硒是一种痕量元素,在地壳中平均含量仅为0.05 mg/kg,本次研究中将硒含量大于克拉克值200倍(即硒含量>10 mg/kg)的岩石称为富硒岩石。

图2 恩施地区富硒地层出露情况Fig.2 Exposure of selenium rich strata in Enshi area1.二叠系龙潭组、下窑组、大隆组;2.二叠系孤峰组;3.奥陶系—志留系龙马溪组;4.寒武系牛蹄塘组;5.岩石地球化学剖面位置。

本次岩石样品实测结果表明(图3),恩施地区在地质历史上存在多个硒元素含量高峰期,分别为早寒武世牛蹄塘期(样品硒含量6.6～57.33 mg/kg,均值32.47 mg/kg)、晚奥陶世—早志留世龙马溪期(硒含量0.14～34.23 mg/kg,均值2.14 mg/kg)、中二叠世孤峰期—晚二叠世大隆期(其中孤峰组硒含量8.67～4 900.252 mg/kg,均值175.379 mg/kg;龙潭组0.656～45.134 mg/kg,均值15.666 mg/kg;下窑组0.314～293.89 mg/kg,均值16.049 mg/kg;大隆组2.428～80.812 mg/kg,均值32.833 mg/kg)。硒元素主要富集时代集中在二叠纪中晚期,主要富硒地层为孤峰组和大隆组,尤其以孤峰组为最主要的富硒地层。

3.2 空间分布规律

下寒武统牛蹄塘组主要出露在鹤峰走马一带(图2)。该组上段以灰色—灰黑色泥砂质页岩夹碳酸盐岩透镜体为特征,下段以灰黑—深灰色含碳粘土岩、石煤、硅质岩和含磷结核为特征,由下至上组成硅质—泥砂质—碳酸盐建造,富硒层位主要为下部石煤和硅质岩段。

下志留统龙马溪组主要出露在宣恩县、恩施市、咸丰县、来凤县及鹤峰县。为一套富含笔石的黑色、灰黑色页岩、炭质页岩、硅质岩和硅质页岩,下部硅质岩较多,剖面层序显示出北西浅南东深的古地貌特点,富硒层位亦为下部碳硅质岩段。

图3 恩施地区主要出露地层硒含量分布情况Fig.3 Distribution of selenium content in the main outcropping strata in Enshi area1.灰岩;2.白云岩;3.粉砂岩;4.粉砂质泥页岩;5.含碳质硅质岩;6.生物碎屑灰岩;7.泥质灰岩;8.泥质白云岩;9.瘤状泥灰岩;10.石英砂岩;11.炭质页岩;12.含量曲线。

中二叠统孤峰组—上二叠统大隆组地层主要分布在利川市的东部、恩施市的东南部及西北部、宣恩的北部、建始与巴东南部等地区,主要呈北东—南西向分布,与区域构造形迹一致(图2)。研究区孤峰组下段主要发育薄层含碳硅质岩与炭质页岩互层,上段发育炭质页岩为主;大隆组由一套灰黑色薄层硅质岩夹含碳质页岩所组成,向上炭质页岩增多。

4 富硒地层分布控制因素探讨

综上所述,古生界黑色岩系是恩施地区主要出露的富硒地层。结合恩施地区不同地质时代大地构造背景、沉积环境及有机碳特征,对恩施地区牛蹄塘组、龙马溪组及孤峰组等富硒岩层分布规律及控制因素进行了探讨。

4.1 构造背景与沉积环境

4.1.1 牛蹄塘期

早寒武世,泛大陆解体,导致扬子陆块与华夏陆块处于强烈的拉张阶段,深大断裂活动加剧,可成为深部物质上涌通道[8],带来了大量幔源的硒元素。南方各地下寒武统牛蹄塘组基本上都具有热水沉积特征[9],与火山或裂谷活动造成的海底热水喷流作用密切相关。

图4 中扬子地区寒武纪牛蹄塘期岩相古地理[10]Fig.4 Lithofacies palaeogeography of middle Yangtze area duringCambrian Niutitang Age1.鄂中古陆;2.碳酸盐潮坪相区;3.浅水陆棚相区;4.深水陆棚相区;5.陆棚边缘盆地相区;6.相区界线;7.断裂带;8.主要海侵方向。

震旦纪晚期灯影末期发生的“惠亭运动”使湖北中部抬升,形成鄂中古陆(图4)。早寒武世牛蹄塘早期,研究区张性环境下构造沉降加剧,海平面上升,海盆可容空间增大,沉积速率降低。恩施地区该时期位于深水陆棚相区[10],有机质得以在深水条件造成的还原环境下保存,与深水泥质和热水硅质沉积物一起形成黑色岩系,并对硒元素起到吸附作用。

4.1.2 龙马溪期

晚奥陶世晚期至早志留世早期,在早加里东运动影响下,扬子板块四周古陆面积增大,并逐渐向扬子区伸展,使扬子海处于半封闭状态,上扬子地台东南缘受华夏陆块挤压隆升,川东到鄂西一带形成闭塞海盆(图5)[11]。

在构造相对稳定的封闭环境下,研究区沉积了一套静海生物成因的硅质岩[12]和炭质页岩,同样沉积物中炭质对硒元素起到了一定吸附作用。

4.1.3 孤峰期

中晚二叠世,华南大陆板块构造活动频繁强烈[13],研究区富硒地层的地质时代与板块拉张作用造成的火山活动(峨眉山玄武岩的喷发)时间基本一致。同时,渔塘坝富硒硅质岩微量元素特征均符合热水沉积特征[14],可能与火山喷发引起的海底流体升温有关。显然,张性大地构造环境下,深部硒元素易随裂谷和火山活动来到地表,并为沉积物提供了硒元素来源。

图5 湖北省晚奥陶—早志留世龙马溪期岩相古地理[11]Fig.5 Lithofacies palaeogeography during Longmaxi Age from Late Ordovician to Early Silurian1.浅海盆地相;2.浅海滞流盆地相;3.浅海陆棚相;4.岩相不明区;5.沉积相界线;6.断层线;7.海侵方向。

图6 研究区中二叠世孤峰期岩相古地理图Fig.6 Lithofacies palaeogeography of the Permian Gufeng period in the study area1.浅海碳酸盐岩台地;2.浅海滞留盆地;3.基性火山喷发相;4.古陆;5.物源来源方向;6.海侵主方向;7.海侵次方向。

中二叠世晚期孤峰组沉积期,研究区处于鄂川滇浅海北东部的一个半封闭近东西向的浅海海盆,海盆聚积了来自古陆上的碎屑,在封闭海盆的还原环境中(图6)海水不流畅,生物死亡堆积后提供丰富的有机碳,硒被大量固定在含碳沉积物中,形成富硒的炭质硅质岩层。孤峰组、下窑组及大隆组岩层中均有大量的硅质成分,且还原环境沉积了大量炭质,而炭质吸附了海水中异常高的硒元素,以至于研究区二叠纪中晚期沉积岩中出现了硒元素的最高峰。

4.2 有机碳的吸附

由上述分析可知,恩施地区主要富硒地层的岩性为黑色碳硅质岩及炭质泥页岩,硒元素含量与有机碳含量关系密切。统计了31个岩石地层单元的样品硒含量与有机炭平均值,两者相关系数高达0.8,呈现显著正相关(图7-a);富硒地层除外的其他地层岩石(碎屑岩、碳酸盐岩)样品硒含量与有机碳含量相关系数为0.64,亦呈正相关性(图7-b),这与该地区土壤中硒元素受有机碳吸附机理一致[15]。

从岩性上看,恩施地区主要出露的岩石硒元素富集程度排列依次为:黑色岩系(炭质页岩、含碳硅质岩)>煤系>碳酸盐岩(灰岩、白云岩)>泥岩>砂岩。可以得出结论,硒元素富集与岩石有机碳含量密切相关。

图7 研究区岩石中orgC与Se含量的相关性Fig.7 Correlation of orgC and Se in the rocks of the study area

综上所述,早寒武世牛蹄塘期(含碳硅质岩段硒含量均值32.47 mg/kg)及中晚二叠世孤峰期—大隆期(硒含量均值范围15.67～156.38 mg/kg),在拉张性的大地构造背景下,深源硒元素沿深大断裂或火山活动来到地表,并被同时期浅海滞留盆地或深海陆棚等还原环境下沉积的大量有机碳吸附,从而完成了沉积期富硒地层中硒元素的源与汇;同样属于黑色岩系地层的奥陶—志留系龙马溪组沉积时期大地构造环境相对稳定,深源的硒元素相对缺乏,岩石硒含量远低于上述两个沉积期(硒含量均值2.14 mg/kg),但闭塞海盆内较高的炭质也富集了相当含量的硒元素,本区龙潭组煤系(硒含量均值15.67 mg/kg)对硒元素的富集因素除了与龙马溪组类似的炭质吸附外,也受到该时期硒元素供给丰富的影响。此外,研究区除二叠系外各时代碳酸盐岩硒含量均值一般在0.05～0.56 mg/kg,含量亦较高,众所周知,海相碳酸盐岩一般沉积于生物较发育的温暖浅海环境下,是典型的生物化学沉积,生物的生命活动离不开硒元素的代谢,碳酸盐岩硒元素含量可能受到了生物影响;含炭量较低的碎屑岩地层单元硒含量均值主要0.04～0.398 mg/kg,其中42件新滩组泥岩样品硒含量均值0.398 mg/kg,11件纱帽组细砂岩样品硒含量均值为0.146 mg/kg,且所有样品硒含量均值最低的为白垩系跑马岗组砂岩(0.044 mg/kg),说明在有机碳影响较小的情况下,泥质岩中粘土矿物等细粒物质的吸附作用就凸显出来了。

5 结论

(1) 通过对恩施地区广泛出露的31个岩石地层单位(组)的495件岩石样品硒含量分析,发现研究区在地质历史上多个黑色岩系沉积时期为岩石硒元素富集高峰期,具体为早寒武世牛蹄塘期(岩石样品硒含量均值32.47 mg/kg)、晚奥陶世—早志留世龙马溪期(岩石样品硒含量均值2.14 mg/kg)、中二叠世孤峰期—晚二叠世大隆期(岩石样品硒含量均值15.67～175.38 mg/kg)。其中最富硒地层为二叠系孤峰组,主要出露于恩施地区中东部和北部,寒武系牛蹄塘组、奥陶—志留系龙马溪组等地层主要出露于恩施地区中南部。

(2) 研究区岩石样品的硒元素与有机碳含量呈明显正相关,硒元素在不同岩性岩石中富集程度为:黑色岩系(碳硅质页岩)>煤层>碳酸盐岩(灰岩、白云岩)>泥岩>砂岩。

(3) 探讨了控制富硒地层分布的因素,认为中晚二叠世孤峰期—大隆期和早寒武世牛蹄塘期是最有利的岩石富硒期,在拉张性的大地构造背景下,深源硒元素沿深大断裂或火山活动来到地表,并被同时期浅海滞留盆地或深水陆棚等还原环境下沉积的大量有机碳吸附,完成富硒地层中硒元素的源与汇。