太湖地区早全新世沉积物中富铁质棍状结核体成因研究

左书豪，谢志东

南京大学 地球科学与工程学院，内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京 210023

太湖成因一直为中外学者关注，其成因假说有潟湖说（陈吉余等，1959）、构造成湖说（黄第藩等，1965）、河道扩张成湖说（孙顺才和黄漪平，1993）、火山喷爆说（沈自励，2003）、综合成湖说（姜加虎等，2009），另外还有颇受争议的冲击成因假说（何永年等，1990；杨主恩和徐道一，1993；王尔康等，1993a，b，2001；王鹤年等，2009）等。

20 世纪末，何永年等（1990）在太湖东岸以及湖中一些岛屿上，发现晚泥盆世五通组石英岩的石英晶粒中广泛发育微裂隙及变形纹，认为是冲击的证据，提出太湖冲击成因的可能性；王尔康等（1993a，b，2001）根据太湖地区发现的疑似震裂锥、砂岩中石英变形纹（PDFs 和人字形裂隙）等证据推断太湖为冲击成因。但由于这些变形特征存在多解性，因此太湖冲击成因的结论多是假设与推论，很难定论。

21 世纪初，太湖及其周边地区发现的形态各异的富铁质结核体引起人们的关注，其中棍状菱铁矿结核体非常特别，据笔者所知，世界其他地方未见有此类棍状结核体的报道和研究。王鹤年等（2009）根据太湖区域发现的奇特菱铁矿结核，并结合前人的结论（王尔康等，1993a，b），再次复兴了冲击学说，并确定太湖是陨石冲击坑，认为棍状菱铁矿结核体为冲击溅射物。黄志诚和刘冠邦（2012）持不同观点，认为太湖地区发现的棍状结核是太湖现代沉积淤泥层中形成的菱铁矿结核，与冲击无关。董宇洁等（2012）对太湖地区的石英砂岩中的石英变形特征进行了详细的研究，认为太湖砂岩石英变形特征不足以为确凿的冲击证据，冲击坑确定的认识（王鹤年等，2009）有待充分论证。董宇洁等（2012）一文也提出菱铁矿结核体是探究太湖成因的一个突破口，值得深入研究（董宇洁等，2012）。

随着研究的深入，笔者认为这类棍状结核体有两种成因模式，其一可能是泥质层中生长，其二可能是冲击气柱的回落物（Xie et al.，2015，2016，2019）。本文主要聚焦在棍状结核体的产状特征、分布特征和矿物学特征描述，进而探讨棍状结核体的成因。

1 地质概况、样品来源和实验方法

1.1 湖区地质概况

图1 综合地层柱状图（据孙顺才等，1987修改）Fig. 1 Composite columnar section of Taihu lake area

太湖地处长江三角洲平原，南北长68.5 km，东西宽34 km，平均水深近1.89 m，最大水深不超过三米（图1）。太湖基底地层为晚更新世的硬黄土层，质地坚硬致密且层位稳定，与陆地相接（孙顺才和黄漪平，1993；姜加虎等，2009），湖底硬黄土层的形成年代为20～11 ka B.P.（孙顺才，1992；刘金陵等，1996）。太湖以西山岛为界，大致分为东太湖和西太湖。东太湖部分硬黄土层上的淤泥层较厚(图1 中Unit I 和Ⅱ)，平均2～4 m，而西太湖中部大部分湖底受水体扰动影响较大，仅有极薄的淤泥表层，厚度0.2～1 m 左右，而靠近岸边，淤泥层厚度增加。

太湖地区发育最广泛的基岩地层是泥盆系五通组（D3w）与志留系茅山组砂岩层系，如图1，2 所示，主要出露在太湖岛屿及周边地区。五通组主要包括灰白色厚层至巨厚层粗至细粒石英砂岩，局部含页岩和泥岩夹层；茅山组包括紫红色或浅紫红色中细粒石英砂岩，局部含泥岩夹层。另外太湖区域零星分布石炭系石灰岩（C3c）和二叠系龙潭组（P2l1）石灰岩，零星出露侏罗（J3）火山岩、燕山期花岗岩以及花岗闪长岩。太湖四周分别被北西向与北东向两组区域性断层所围限，整个湖区被断块作用分割为棋盘格式断块（沈自励和张邦柱，1990）。太湖区域在加里东—海西期为海相或海陆交互相沉积；印支期古生界盖层发生强烈挤压，产生多组构造断裂；燕山期中性与中酸性岩浆喷出与侵入；新近系为海陆交互环境，沉积厚度自西向东递增（孙顺才和伍贻范，1987）。20～11 K是硬黄土层，是小冰期时期的季风黄土沉积，当时海面退至日本海，现在海岸线几百公里外，太湖平原为剥蚀沉积台地，有通海河道。现代太湖基底为一层连续的硬黄土层，太湖的基底形成不会早于11 ka B.P.（孙顺才，1992，刘金陵等，1996）。小冰期结束11 K 之后，气候转暖，海面上升，7 K 左右升至最高，是否覆盖全部太湖区域，尚有争议，最近的一些孢粉工作，也显示太湖平原在8000 年前还是沼泽平原（程瑜等，2018；萧家仪等，2004；景存义，1985）。前人根据众多的古文化遗址点，推算太湖地区大水面形成在2～3 千年前（孙顺才，1992；洪雪晴，1991；刘金陵等，1996；王建等，1996）。

1.2 样品来源

苏州石湖湖底清淤工程、太湖西山岛周边的围湖取土及修路等工程显露了一层以前没有认识的富含富铁质结核的标志性泥质层，此泥质层广泛发育于太湖及其周边地区，包括苏州石湖、西山岛周边、苏州湾、平台山岛附近等地（袁悦等，2019）。此泥质层含有大量富铁质小球粒、棍状菱铁矿结核体及不规则状结核体。本文的主要研究对象为棍状结核体，采样点如图2 所示。

1.3 实验方法

主要研究方法包括手标本观察，薄片和光片的显微镜观察及扫面电镜（SEM）、电子探针（EPMA）等。以上实验主要在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室进行。

手标本观察主要是观察棍状结核体的外表特征，包括结核体的外部颜色、长短、大小，表面纹路，不同类型结核体的相互连接关系等。选取比较新鲜的野外样品，主要为来自石湖湖底或太湖原始层位的结核体。野外采集的新鲜样品常包裹在泥土中，取出后用软毛刷轻轻刷去表层泥土。选取部分棍状样品制作光薄片或光片，制作的薄片以Al2O3粉打磨，由于内部含黏土矿物，较松散，磨制厚度较厚，大于标准薄片厚度（0.03 mm），在正交偏光显微镜 (Nikon LV100POL)下进行初步鉴定。

图2 太湖地理简图及采样点（简图根据最新卫星图像绘制，地层分布参考1：20万地质图，1977①江苏省地质局地质调查队. 1977. 1:20万地质图（苏州图幅，宜兴图幅）.）Fig. 2 Simplified geological map of Taihu lake area and sample collecting sites

应用SEM 观察样品内部微区结构特征，运用能谱（EDS）半定量分析获得微区矿物成分。仪器为日产JSM-6490 型扫描电镜。为了增加样品导电性，部分样品表面喷C；因所测样品中含大量菱铁矿（FeCO3），更多的样品表面喷Au。电子探针（EMPA）被用来定点定性/定点定量分析，仪器为JEOL JXA8100M，仪器工作条件为：加速电压15 KV，加速电流20 nA，束斑直径1～2 μm，所有测试数据均以ZAF 程序进行了矫正处理，元素的特征峰测量时间为10 s，背景测量时间为5 s。Fe的标样是赤铁矿和蔷薇辉石；Si 的标样为石英，石榴子石；Al 的标样为石榴子石。另外，部分样品进行了XRD，XRF 分析，以确定样品所含矿物组成、各元素相对含量。

2 结果

2.1 棍状结核体的产出层位及分布

如图1 太湖地区综合地层柱状图所示，棍状结核体主要出露在湖底的标志性泥质层中。此类泥质层广泛发育于太湖及其周边地区（图2），包括平台山岛附近、西山岛周边、苏州湾、苏州石湖等地均有分布（Xie et al.，2016；袁悦等， 2019），14C 测年数据显示该标志性泥质层年龄约为7000 a B.P.,（袁悦等，2019）。该层为一层约60～80 cm 厚的青灰色泥质层（图3a），暴露一段时间为褐色（图3b）。标志性泥质层下伏硬黄土层，上覆现代淤泥层（图3a, b）。

太湖地区棍状结核体、球粒及不规则状结核体横向上分布广泛，西太湖平台山岛、西山岛、三山岛、苏州石湖、无锡、宜兴等地均有出露；纵向上，棍状和块状结核体在太湖地区不同高度都有发现，从湖底到岸边的田地，山麓下的沟槽里也有出露。结核体所处高度相差可达几十米。这些非湖底富铁质结核大多已经土质化，外表通常都有磨损的迹象，这些结核显然是被搬运后再被掩埋。这些不同高处的结核所处层位不是连续地层；根据不同高处所处地层下伏基岩地层判断，所处高度可能代表古地形的不同高度。

图3 (a)石湖湖底地层和 (b)太湖西山岛附近的湖底地层Fig. 3 (a) The layers of Shihu Lake bottom of Suzou city (b) The layers of the Taihu lake bottom near the Xishan Island

新鲜的棍状结核体多直立插在较厚的原始泥质层中，如苏州石湖湖底的原始泥质地层，西山岛衙甪里原始地层。棍状体竖直插于标志性泥层中，与水平方向夹角75°～90°，个别棍状体头部插在硬黄土层顶部，个别棍状体顶部（尾部）暴露在泥质层外，成为被氧化的一段。图4 显示苏州石湖的棍状体的原始直立产状。有些短的棍状结核直立插在标志性泥质层中（图4a）。图4b 可见直立的石棍在青灰色泥质层中，泥质层还含有大量焦炭（烧焦的木炭在图左上角）。图4c 显示直立的小石棍插在石湖清淤后的湖底。图4d 显示细长的石棍直立在泥质层中。原始层位中具有直立产状的棍状结核体大多比较新鲜，保存完整的表面特征和内部特征。

被扰动过的标志性泥质层，主要的标志是富含被磨损的富铁质结核、氧化严重的结核，或堆积在一起的小球粒。西太湖中心位置，靠近平台山岛附近的湖底存在一个长几公里宽几十米的铁砂带，曾被报道过（孙顺才和伍贻范，1987），被认为是硬黄土中被淘洗出来的富铁质小球粒的富集。笔者认为这些铁砂带是原始层位被扰动后，所留结核的富集。由于湖中心暴风流的作用，原始泥质层中的粘土被冲走，但其中的富铁质结核较重，被搬运、淘洗、富集在一起，形成铁砂带。

在太湖区域及周边地区也常发现风化氧化或磨损严重的棍状体，一般为短柱状，基本没有长棍，大多被翻上来暴露在地表或保存在扰动层中。新鲜的棍状菱铁矿结核体中含大量FeCO3，极易风化和氧化，需要保存在具有还原性质的清灰色泥质层中，否则棍状体难以保存（图5a, b）。西太湖平台山附近的铁砂带，其中也包含一些表面被磨损棍状体，铁砂带是原始层位被淘洗后的富集物。一些近岸边的河道出口，也可见散落的棍状体。据新闻报道，无锡梅山河道中也有大量表皮被磨损的短的棍状体。山麓边或湖边的浅滩上的棍状体大多氧化严重，表皮被磨损，显然不是原始层位的棍状体，是原始地层扰动后被搬运或冲刷的结果。

图4 棍状结核原始直立产状Fig. 4 The field pictures of the original upright occurrence of elongated concretions

图5 西山果园、西山近湖堤岸棍状结核照片Fig. 5 Photos of weathering rod-shaped concretions

2.2 棍状结核体的外形特征

棍状结核体直径0.5～2 cm，长度2～80 cm，新鲜外表为灰色—钢灰色，自然断面灰色，泥质光泽。完整的棍状体如箭矢，有头有尾；原始直立产状时，下端为头部，多为半球状，半球表面具放射纹延展到棍身（图6a-d）；上端为尾，稍粗。棍状结核体表面纹路特征独特，表面具有螺旋纹，如皱皮纹、鲽形纹或干裂纹；偶尔可见较深的螺旋纹，就如旋扭的草绳。保存完好的棍状结核体表层具有交错双螺旋纹（图6a-d）。太湖地区棍状结核体多含外壳层，厚0.1～0.2 cm，致密。

图6 太湖地区富铁质棍状结核体的外形特征Fig. 6 The morphology characteristics of iron-rich rod-shaped concretions in Taihu lake area

棍状结核体头部常粘有小球粒，有些球粒为空壳球粒，有些球粒内嵌在棍状体表面，球粒与棍状体连接处具有内陷特征（图6d）。不少不规则状结核体是棍状体的集合体或变体。环状结核体是棍状体的弯曲形态，外表依然可见棍状体独特的交错螺旋纹（图6e）。多个棍状体集合在一起，或扭在一起，个别棍状结核体为两根或三根石棍相互缠绕，形成螺旋状结核体（图6f）。

2.3 棍状结核体的内部特征

棍状结核体内部具有典型的胶体结构。我们以两个石湖的短柱状样品Su2 和Su3（图7a, 8a）为代表来介绍棍状结核体的胶体结构特征。棍状结核体中，胶结物为微米级的自形程度较高的菱铁矿微晶，正交透射光下显示为黄色—黄褐色（图7b，8b）,因为菱铁矿原子量高，电子显微镜图像衬度高，为白色。被包裹的碎屑主要包含几微米到几百微米大小不等的石英晶屑、长石晶屑或岩屑等（图7b-d，8b-f），晶屑和岩屑原子量相对较低，为灰色。石英晶屑棱角分明，分选差，岩屑块体混杂于石英碎屑中（图8d，e）。棍状结核体多具有深褐色针铁矿壳层（图7b, 8b）。也可见“小球粒”被包裹在棍状结核体内部。棍状结核横切面显示一些球粒被包裹在棍状结核体中。棍状结核体本身也可以是球粒的集合体，如Su3 样品就含有大量球粒（图8e）。小球粒不仅在棍状结核体的外表黏结（图6e）, 也可以是组成棍状结核体的基本单元。

Su2 和Su3 具有不同内部矿物特征，石英晶屑的大小与所占的比例，菱铁矿微晶的大小、成分组成、胶结物的结构都稍有不同。Su2 样品中，石英晶屑和岩屑较小，几微米到几十微米，所占比例低，不到25%，菱铁矿自形晶成嵌晶状结构，粒径从微米以下到5 μm （图7b-d）。而Su3 样品所含石英晶屑和岩屑较大，可达300 μm，并且晶屑在样品中所含比例高，可达50%以上。菱铁矿自形晶有的成嵌晶结构，粒径在几个微米，也见到菱铁矿微晶围绕晶屑为中心集合成小球粒集合体，直径15～30 μm，如图8e 所示，大量的球粒集合体成为胶体的基质。

图7 棍状结核体Su2显微图像Fig. 7 The microphotographs of rod-shaped concretion (Su2)

图8 棍状结核体Su3显微图像Fig. 8 Micrographs of rod-shaped concretion of Su3

电子探针(EMPA)数据（表1）显示棍状结核体中主要矿物有石英、菱铁矿及少量长石和黏土矿物。EMPA 数据与SEM 数据、XRD 数据、XRF数据及偏光显微镜的观察相互一致，可以确定棍状结核体中的胶结基质为菱铁矿FeCO3，探针数据显示灰色基质（图7d, 8f）总体含量63%～73%,含FeO（45%～69%），含少量的CaO 和 MnO。棍状结核中的被包裹物主要为石英晶屑，但石英的总量～97%，推测石英中含有少量水。表1 中Su2样品中的点1 与点2 为草莓状黄铁矿，电子探针数据总量远大于100%，若去除配比的O，黄铁矿（FeS2）质量百分比接近99%。

3 讨论

3.1 棍状结核体的直立产状、分布特征与成因模式

清淤工程或取土工程使得棍状体的原始产状得以被发现，棍状结核体的原始产状有助于解释其成因模式及其与标志性泥质层的相互关系。太湖地区标志性泥质层中棍状体的原始直立产状说明其不会老于下面的硬黄土层，不是前人文献中认为的硬黄土的淘洗物（孙顺才和伍贻范，1987）, 也不会老于标志性泥质层的7000 a B.P.（袁悦等，2019）。太湖地区有许多杂乱分布、非直立、表面没有纹路的棍状结核，此类棍状结核大多为短柱状，是后期搬运和磨损的结果。太湖西山岛的一些果园、农田的上翻泥土中也发现不少短棍状结核，氧化和土化非常严重（图5），说明菱铁矿棍状结核体不易保存，青灰色的标志性泥质层是一层具有还原性质的保护层。

原始直立产状也说明棍状体的成因模式可能有两类，其一是就地生长，传统的水底淤泥中的胶体沉积结核模式，如注模化石（黄志诚等，2012）。其二是空爆气柱的回落物（Xie et al.,2016, 2019），在气柱中合成，自空中落下，插入已有的泥质层或与泥质层同时落下，形成如图4所示的直立产状。棍状结核体横向上在太湖地区分布广泛，太湖湖底、湖岸边、苏州石湖等地均有出露，这些结核中，被淤泥覆盖，处在原始层位可以保持原始产状，如西山岸边，石湖湖底；若湖底淤泥层较薄，风暴流影响较大，结核会被扰动和汇集，如西太湖的铁砂带等。纵向上从太湖湖底到山边的田地，再到山麓下的沟槽，甚至几十米高的山坡上，不同高度都有发现棍状结核体，这些结核外表通常都有磨损的迹象，这些结核显然是被搬运后再被掩埋。水沉积很难解释不同高度都有的现象。空中回落物可以解释棍状结核分布广泛及不同高程都有的现象。

表1 Su2和Su3电子探针数据（wt%）Table 1 EPMA analysis of Su2 and Su3 (wt%)

3.2 棍状结核体外形及内部特征

太湖地区的棍状菱铁矿结核体具有自然界中非常罕见的独特的外形特征。新鲜的棍状结核体头部多为曲面半球体或尖头，且有螺旋纹延展到棍状结核体表面（图6a，b，c），偶尔可见较深的螺旋纹，就如旋扭的草绳。这些特征说明棍状体形成时可能受到旋转力的扭曲作用，另外，也有许多弯曲成环的棍状体（图6e），还有多个棍状体的扭曲集合体（图6f），皆显示棍状结核体的半塑性特征。棍状结核体外表还会黏结小球粒，个别小球粒内陷在棍状体表面（图6d），显示半塑性体的相互挤压和黏结的效果。这些半塑性特征有可能是空气动力学作用的结果，空中回落物的模式可解释这些现象。

棍状结核体内部为胶体结构，主要胶结物为微米级自形程度高的菱铁矿晶体，包裹大量石英晶屑，及少量岩屑集合体（图7，8）。石英晶屑棱角分明、磨圆度差、分选差（图7b-d；图8bf），说明这一类石英没有经过远距离搬运，这些特征是机械破碎的结果。棍状结核体内部局部区域包含大量小球粒集合体（图8e），小球粒是由菱铁矿微晶围绕微小晶屑组成。棍状结核体为胶体产物，可以是气溶胶或水溶胶产物。如果是水溶胶，这些结核体可能产于太湖大面积水域下的湖底淤泥。如果是气溶胶，这些结核体可以是空爆气柱的合成产物。

3.3 菱铁矿的成因模式及密实度

自然界中菱铁矿的成因模式主要有三类：水沉积胶体成因（Raiswell et al.，2000；姚凤良等，2006；Mozley et al.，1992； Mozley，1989）、岩 浆成因（常丽华等，2006；王凯怡等，2002；薛云兴等，2007；Halama et al.， 2005）、热液交代成因（Palinkaš et al., 2009；Pohl et al., 1986）。考虑到太湖棍状体的产状和分布特征，岩浆成因与热液交代成因模式显然不符合，可以不考虑。菱铁矿的水沉积成因模式，通常指含铁溶液，如Fe(OH)3胶体溶液或Fe(HCO3)2真溶液，在水体与淤泥交界面下空隙中，处于还原且HCO3-过饱和的环境下形成菱铁矿胶体结核（Raiswell et al.，2000）。

原生的菱铁矿微晶是太湖富铁质结核体的主要组成部分，是棍状结核体与不规则状结合体的主要胶结物基质，部分小球粒也含有菱铁矿。黄志诚和刘冠邦（2012）认为太湖富铁质结核为生物或细菌作用沉积成因，与冲击无关。该文中指出，棍状菱铁矿结核体内部含有植物碎片和植物蛋白，部分微区发现生物残留化石，认为菱铁矿是在较封闭的条件下逐渐聚集充填而成，是各种水生维管束植物内管腔的铸型体（黄志诚和刘冠邦，2012）。该文介绍了球粒结核与棍状结核体的矿物学特征，尤其是内部含有大量生物残留化石，与笔者的观察也类似。笔者认为空爆形成的冲击波冲击地表，形成垂直地面的空爆气柱可以含有大量地表的粉碎物质，可以解释这类残留物的存在。空中爆炸的冲击波会将基岩和土壤粉碎，大量石英、黏土、碳酸岩碎屑形成，并将粉尘抛向空中；冲击气柱具有高还原性环境（Knauth et al.，2005 ；Burt et al.，2008），气柱如同一个气溶胶反应室，菱铁矿在粉尘云柱中结晶，此过程类似于冰雹的形成过程（Sheridan and Wohletz, 1983 ；Schumacher and Schmincke，1995），CO2可由太湖地区的石灰岩或大气提供，Fe 可由含铁的黏土或砂岩提供，菱铁矿微晶形成结核体基质；粉尘含有大量粉碎的石英晶屑和表层土的各类物质，可包含岩屑、黏土集合体及植物碎屑。棍状菱铁矿结核体可以是空爆气柱中合成的产物（王鹤年等，2009 ；Xie et al., 2016，2019）。笔者也关注水沉积成因模式的可能性。但认为黄志诚和刘冠邦（2012）缺乏结核体的产状认识，没有认识到原始层与扰动层的区别（文章中从宜兴一侧所捞取的样品是扰动层位的结核，并且氧化严重），另外所观察的样品很少，新鲜样品更少，难以对富铁质结核体的成因提供有效的解释。

水沉积模式的菱铁矿结核的形成除了必要的溶液酸碱度、还原电势、化学成分浓度外，也与温压条件和形成深度有关，菱铁矿沉积深度与其孔隙度存在以下关系，depth (km)=6.02 (1-φ)6.35，depth 为沉积深度（水底淤泥交接面为0），φ为菱铁矿孔隙度（Raiswell et al.，2000）。太湖区域新鲜的棍状菱铁矿结核体孔隙度小于 20%，发现深度在水底界面以下2～3 m 左右。 而根据公式计算，深度2.88 m 对应的结核体孔隙度应该在 70%（d=2.88 m，φ=70%）。孔隙度20%对应的深度是1460 m。水沉积成因模式难以解释如此浅的深度如何形成如此密实的太湖棍状结核体。

4 结论

棍状菱铁矿结核体横向上广泛分布于太湖及其周边地区一层标志性泥质层中，纵向上，棍状结核体从湖底到山边的田地, 山麓下的沟槽里，在不同高度都有发现。原始泥质层位可见新鲜棍状结核体，其原始产状为直立插于标志性泥质层中，头部多为具有发散螺纹的半圆球，棍身表面多具螺旋纹。棍状菱铁矿结核具有自然界中非常罕见的独特的外形特征和内部特征。棍状结核体的原始直立产状说明其不是下伏硬黄土层的淘洗物，不会老于标志性泥质层的年龄（7 ka B.P.）。两种成因模式可以解释棍状结核体的成因，其一是就地生长，水底淤泥中的胶体结核沉积模式；其二是空爆气柱的回落物，在气柱中合成，自空中落下，插入已有的泥质层或与泥质层一起落下。空爆气柱回落物的假说可以合理解释棍状菱铁矿结核体的产状及分布特征，也可解释其独特的外形和内部特征。

致谢：感谢国家自然科学基金项目（40972031）及南大地科院国家重点实验室的自主研究课题（2008-II-15, 2012-II-13)等资助项目的支持。ZSH在此感谢王德滋院士、蒋少涌教授对于太湖研究的支持和鼓励，感谢王鹤年老师、钱汉东老师、李永祥老师在野外工作与研究中的帮助与教导。我们特别感谢王来金、王家超两位太湖奇石收集者提供的大量研究样品并一起出野外。感谢缪秉魁及李永祥两位审稿人的建议和指正，特别感谢本杂志原执行主编邱检生教授的帮助和肯定。感谢关心太湖富铁质结核研究的众多师长及友人的一贯支持，不好一一具名，在此表示衷心的谢意。