黑色岩系中的“多元素富集层”

黑色岩系的形成与地质事件~

黑色岩系是地球演化中特定地质环境（缺氧环境）的产物，是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈变化和相互作用的结果，也是开放的地球复杂动力系统演化的标志和体现（范德廉等，2004）。1989年国际地质对比计划“254”项目“含金属黑色页岩及有关矿床”把“黑色页岩”定义为“一种黑色（灰或黑）的细粒（粉砂或更细）沉积岩，通常为泥质、含相当高的有机质（C>0.5%）”。“含金属黑色页岩”是指“富含任何金属的黑色页岩。其富含金属量相当于美国地质调查所标准参考材料SDO-1页岩的2倍或1倍”。涂光炽（1999）通过对世界，特别是中亚地区某些金属矿床研究后，对“黑色岩系型矿床”下了较好的定义：所谓黑色岩系矿床是指赋存于高有机碳含量（一般>0.5%）的浅变质岩系中的层控矿床，碎屑岩系中常含碳酸盐岩、硅质岩和火山岩，但以砂、板岩为主。
有的研究者认为，黑色岩系是指含较多有机碳（≥1%）及硫化物（铁硫化物为主）的暗灰-黑色的硅质、碳酸盐岩、泥质岩（含层凝灰岩）及其相应变质岩的组合的总称；它是沉积地壳中广泛存在的一种岩石组合类型，是海相富有机质细粒沉积岩的总称（Fan De-lian等，1983；吴朝东等，1999；雷加锦等，2000）。也有人定义为黑色岩系是生物岩、化学岩、泥质岩组合，其端元组分为硅岩、碳酸岩、泥质岩及它们的变质产物（范德廉等，1987）。本专著所指的黑色岩系指的是含有机质较高，颜色以黑色为主的一套泥岩、板岩、碳酸盐岩、硅质岩、磷块岩等。
黑色岩系沉积作用有以下特点：①生物沉积作用居重要地位，它向海底供应了丰富的生物遗体和有机质，以及生物在其生活过程中富集的各种元素。②陆源（包括火山喷发物）物质以粉砂和黏土级细砂泥质为主，部分来自附近的火山喷发物。③洋底为还原环境，底栖生物不发育，在弱还原环境下，发生元素的再迁移和再分配。④具有十分缓慢的沉积速率。⑤地质构造背景对沉积作用有直接或间接的影响，洋壳扩张及断裂和火山活动造就了海底地形的原始起伏，从而造成不同地区有不同类型沉积物的形成和分布。沿断裂带活动的热水溶液不仅可能供应部分金属元素，还可生成重晶石类矿物。
黑色岩系是全球性大规模缺氧事件产物，伴随有一系列矿产和矿化作用。我国华南黑色岩系“多金属元素富集层”富含有色金属、贵金属、稀有元素、分散元素和放射性元素（李胜荣等，2002），西南地区东部（贵州—桂西—湘西）是我国南方黑色岩系发育的典型地区之一。在一个相对短的地质时期几十种元素异常地富集，这一多金属矿化时期（或多元素富集期）开始于寒武纪早期，代表了一次重要的地质事件。
从寒武纪经奥陶纪到志留纪，西南地区从一大片海域演变为一大片古陆，造成这种大规模的古陆变迁的重要地质事件包括：寒武纪末期的郁南运动、中奥陶世末期的都匀运动（崇余运动）和志留纪末期的广西运动。寒武纪末期的郁南运动，最为典型的是在晚古生代南盘江坳陷的中心地带——滇东南、桂西北、黔西南一带形成了“滇黔桂古陆”的雏形，造成了早中奥陶世特殊的古地理格局。中奥陶世末期的都匀运动，使研究区域抬升成一大片古陆，形成了真正的“滇黔桂古陆”，尽管来自于北部的海侵，早中晚志留世时古陆面积有所减小，但是未造成较大规模的改变；都匀运动之后，以前的拉张板块边界（寒武纪）或被动大陆边缘边界（早中奥陶世）演变为晚奥陶世至志留纪的“碰撞板块边界”，从晚奥陶世到志留纪，沿着碰撞板块边界分布的残留海槽面积逐渐变小，最终在广西“钦州—防城”一带形成一个著名的“钦-防残留海槽”。而志留纪末期的广西运动，使以前的大片古陆分布的古地理格局加剧，广西运动之后又一个崭新的古地理格局形成，研究区域进入了“滇黔桂盆地”的演化和发育阶段。正是因为都匀运动所造成的大片古陆还受到广西运动进一步加剧，在研究区域内，广西的大部分地区、黔西南、滇东南等广阔的地区，泥盆系直接超覆在寒武系之上，形成一个间断时间较长的不整合面，向北该不整合面演变为三个不整合面——郁南运动不整合面、都匀运动不整合面、广西运动不整合面（李浩，2005）。
加里东阶段西南地区从寒武纪至中奥陶世以海相沉积为主要特征，其相变方向大致是从北西至南东由浅变深，寒武纪末期的郁南运动对这种古地理格局造成了一定的影响，在西南地区形成了“滇黔桂古陆”的雏形；中奥陶世末期的都匀运动是一个重要的地质事件，它使西南地区的大片地区上升成陆，形成范围较大的“滇黔桂古陆”（刘宝珺等，1993）。从晚奥陶到志留纪，海水主要从北而南海侵，与晚古生代形成明显的区别。志留纪末期的广西运动更是一次重要的地质事件，它使华南板块最终与扬子板块对接，在西南地区形成更大范围的“滇黔桂古陆”。
在泥盆纪扬子地台主体升出海面，海侵范围局限于滇黔桂地区。下泥盆统大多为陆相-滨海浅海相碎屑到泥碳质沉积，中晚泥盆世岩相分异明显。由黔桂至粤、湘、鄂西至苏浙皖地区，沉积环境为：次深海、滨浅海、造山陆源区；对应的沉积相为正常浅海相、以碳酸盐岩为主变为海陆交互相、以碎屑岩为主及完全陆相的红色碎屑岩沉积。
晚石炭世海侵范围更大，至早二叠世早期是本区海侵最大的时期之一，浅海碳酸盐岩广泛发育。中上扬子隆起区形成于下古生代，在石炭世逐渐成为夷平区域。下扬子地区此时处于浅海环境，此时的海退使雪峰山北部地区鄂中一带由浅海环境变为潟湖-浅海环境。
华夏地块与扬子地块的过渡带依然处于浅海相环境，华夏地块的浅海区域面积也向南扩大，只在闽粤沿海为隆起的陆源区。自黔、桂向东至湘、鄂一带，岩相由浅海相灰岩渐变为常含燧石结核的灰岩，硅质成分增多；再东至苏、浙、皖、闽等地变为硅质页岩及碎屑岩为主。
发生于早二叠世末的东吴运动，使扬子地块普遍抬升。在川西峨眉山地区爆发了大规模的基性火山，称“峨眉山玄武岩”。东吴运动使扬子地块晚二叠世早期广泛发育陆相至海陆交互相含煤沉积，海水较深地区以灰岩为主，底部夹含煤沉积，西部地区仍有玄武岩喷发。
晚二叠世后期华南又发生新的海侵事件，其浅海相古地理环境进一步向南迁移并扩大了面积。此时位于川东地区的中上扬子隆起区下降，成为扬子浅海。钦防滨海与湘中浅海和扬子浅海相通，并开始连为一体。华夏地块在石炭世的浅海环境，此时已逐渐成为滨岸三角洲沉积环境。在晚二叠世，除了华夏古陆，华夏地块的主体已成为浅海相沉积环境（王涛，2010）。在二叠纪，整个华南主体上从次深海的环境转变为浅海的沉积环境，并且一直持续到早三叠世。

黑色岩系呈灰黑色，是一套还原环境下形成的碳酸盐岩、硅质岩、泥质岩、细碎屑岩和相应的浅变质岩石（黑色页岩等）组合，含有Cu、Au、U、Mo、Ni、V、Fe、Mn、Se、P GE等多金属元素，大多数元素都具有氧化还原变价性质。岩石中有机碳含量较高（一般大于0.5%）且常见金属硫化物（铁硫化物为主）。根据黑色岩系的这一特定含义，结合国内外学者对黑色岩系铀矿的研究，本文认为，黑色岩系铀矿包含国外文献提到的黑色页岩铀矿和磷块岩铀矿，也包括国内提到的碳硅泥岩型铀矿、磷块岩型铀矿（非传统铀矿）等矿床类型。
西南地区早古生代有两套典型的黑色岩系。一套是晚震旦-早寒武纪时期在滇东、黔西南、黔中、川西地区广泛分布的黑色岩系地层，另一套是志留纪时期在西秦岭的川西北地区广泛分布的黑色岩系地层。
晚震旦-早寒武纪黑色岩系的广泛分布，是在罗迪尼亚超大陆的裂解作用的大陆动力构造作用背景条件下发生的。晚震旦-早寒武纪时期，由于罗迪尼亚超大陆的裂解作用，在滇东、黔西南、黔中、川西等地区形成了相对封闭的缺氧环境海相沉积。例如，贵州早寒武世的黑色岩系沉积的古地理环境为浅水陆架和深水陆棚，其分界线大致在平塘—都匀—余庆—石阡一线，其岩性主要为黑色页岩、硅质岩、磷块岩及泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等。硅质岩及磷块岩一般位于底部。在浅水陆架区（台地区）称牛蹄塘组，与下伏震旦系灯影组（厚层白云岩）假整合接触；在深水陆棚区（斜坡-盆地区）称渣拉沟组，与下伏震旦系留茶坡组（薄层硅质岩）整合接触。厚度变化大，一般数米至百余米。为一套海平面迅速上升造成的沉积速率低的海侵体系域沉积。黑色岩系中产钼、钒等矿床。富集Mo、V、Ba、Ag、Au、U、P、PGE等元素，地层特征、元素地球化学特征及特征元素比值所反映的是早寒武世黑色岩系形成于缺氧的还原环境，有热水沉积的加入。这一时期的缺氧事件波及面广，造成了早寒武世早期一套层位稳定的黑色岩系，它不仅与中国南方其他地区该时期的黑色岩系特征相近，而且可与印度、巴基斯坦、法国、英格兰、阿曼、苏联及蒙古国、澳大利亚、加拿大等地该时期的黑色岩系相对比，应属早寒武世全球性缺氧事件的一个部分（肖加飞等，2006）。
贵州下寒武统牛蹄塘组黑色岩系富含多种有用元素。该黑色岩系的岩性演化序列按由下而上的顺序为：下伏震旦系灯影组白云岩→牛蹄塘组→下硅质岩→磷块岩→金属富集层→上硅质岩→薄层状黑色页岩→厚层状黑色页岩。经研究，牛蹄塘组黑色岩系具有热水-正常海水混合沉积特征，其中，下硅质岩属热水沉积岩（李胜荣等，1995）。在贵州遵义松林地区黄家湾、金沙出露的下寒武统牛蹄塘组非常典型，牛蹄塘组与下伏震旦系灯影组块状白云岩呈假整合接触。主要有铁锰氧化物黏土岩、褐灰色含铀磷块岩夹透镜状白云岩层、碳质粉砂质水云母黏土岩夹透镜状磷块岩层、镍钼硫化物矿层、含钼钒石煤层、碳质水云母黏土岩及粉砂质黏土岩。牛蹄塘组胶磷矿中含铀（U含量可高达0.02%～0.03%），黏土岩中Mo、Ni、V、Y 等元素可达工业综合利用指标（毛景文等，2001）。有人认为Zn、Mo、Ba、U、Cd、Se、Tl等元素可能主要与海底热水喷流作用有关（李胜荣等，2000）。其实，贵州遵义松林、金沙地区的黑色岩系中富集U、P、Mo、V、PGE元素，刚好与海底热水喷流中心的地质环境吻合。
西秦岭南段甘川交界处的白龙江上游地区，广泛分布一套志留系地层，为一套巨厚的浅海-海湾相的细碎屑岩-碳酸盐岩黑色岩系。下志留统主要由变粉砂岩、碳质板岩、硅质岩、硅质板岩和凝灰质板岩组成，厚150～1870m。中、上志留统主要为砂质板岩、碳质板岩、砂岩和凝灰质砂岩间夹硅灰岩透镜体，厚1940～4191m。这一套志留系黑色岩系中富含多种金属成矿元素，化探异常反映良好，目前已在志留系中发现的矿产有铀、铜、钒、钼、锌、钴、锑等矿床和矿点（赵慎之等，1985）。川西若尔盖地区主要以海相碎屑岩、硅质岩、碳酸盐岩以及复理石、火山碎屑岩相为主的浅变质地层，厚2000～4000m。铀丰度较高，可达（9～13）×10-6。在川西北降扎地区，上志留统以砂质板岩、碳质板岩、绢云母千枚岩为主，夹硅质岩、硅质板岩及灰岩透镜体。铀聚集在富含碳质的板岩、硅板岩、硅质岩、硅灰岩、硅质灰岩中。铀的丰度为（7～15）×10-6，局部可达（30～300）×10-6。产有多个中小型铀矿床。在平武-松潘地区，上志留统由深灰色、黑色碳硅质板岩、泥板岩、含碳绢云母石英千枚岩组成，间夹变质粉砂岩-细砂岩、硅质岩和薄层灰岩，铀的丰度为（7.2～8.5）×10-6，局部可达32×10-6。在碳硅质板岩中有大量放射性异常点，目前只发现有两个成矿年龄落在早古生代时期，一个是在降扎510铀矿床下志留统碳质板岩和硅灰岩中发现有450Ma年龄的沥青铀矿，另一个是在崇尔511铀矿床中发现有410Ma年龄的沥青铀矿（中国核工业地质局等，2004）。大量的成矿年龄值都集中在中生代和新生代，尤其以新生代为主。另外，若尔盖地区铀矿床伴生元素主要有Ni、Zn、Mo、V、Se、Au、Cu、Co、As、P、S、Ga、Cd等，这是一套黑色岩系地层常见的元素组合。综合上述特征，可以认为，西秦岭的川西北地区的志留纪黑色岩系，是该地区早古生代形成的一个铀的预富集层。
西南地区早古生代黑色岩系地层中发现的铀矿组合类型比较丰富。勘查和研究工作发现，铀在黑色岩系中较为富集，和其他一些金属组合形成矿点和矿床。目前发现的主要组合类型有U-P、U-Hg、U-Mo、U-V、U-PGE等。例如，U-P型矿床（点）主要出现在四川的清平磷矿、贵州的瓮安磷矿、福泉磷矿、织金磷矿、金沙703铀矿、金沙松林矿区等以及云南的昆阳磷矿等。U-Hg矿床（点）的典型实例是贵州白马洞铀矿。U-Mo型矿床（点）主要在贵州的白马洞铀矿和金沙703铀矿区。U-V型矿床（点）主要出现在贵州三穗县V（U）矿点、镇远县马鬃岭V（U）矿床等。U-PGE型矿点主要出现在贵州遵义松林地区（毛景文等，2001）和云南德泽的Ni-Mo-V-PGE矿区（夏庆霖等，2008）。
尽管黑色岩系铀矿既有成岩阶段形成的“铀源层”和“储铀层”，也有后期改造（淋积作用或热液作用）形成的铀矿床，还有后期叠加成矿（深源流体）形成的富矿和大型矿床，本书为叙述方便起见，将黑色岩系地层中的成岩阶段形成的“铀源层”和“储铀层”单列出来讨论，定义为早古生代黑色岩系铀的预富集事件。

本节黑色岩系“多元素富集层”主要指早寒武世形成的一套黑色岩系。

下寒武统黑色岩系在湘黔地区分布广泛，各地命名各不相同，贵州有筇竹寺组、牛蹄塘组、木昌组、九门冲组；湖南有木昌组、杨家坪组、牛蹄塘组等。各地厚度不一，从几米至几百米不等，一般30～250m。

“多元素富集层”仅指下寒武统黑色岩系底部的厚度在几厘米至几十厘米的页岩层（贵州遵义—湖南张家界地区为典型），是一层贵金属矿化特征明显的金属硫化物富集层（李胜荣，2002）。“多元素富集层”在黔东北和湘西南部不存在或表现并不明显。将“多元素富集层”广义化，在区内划分为两种类型：即钼镍硫化物层和含钒碳质页岩层（王康年，2009）。

钼镍硫化物层呈黑色、深灰色，厚几厘米至100cm，厚度变化较小，距灯影组白云岩厚度约1m（图5.4，剖面①、②、③、④），一般为一层（偶见两层），集中分布在贵州遵义、开阳以西和湖南张家界一带，产于含磷岩系→碳质页岩→黑色页岩岩性组合序列的含磷岩系中。该层与围岩界线明显，以钼、镍品位高构成钼镍矿体为特征，呈似层状或透镜状产出，富矿体多呈透镜状、扁豆状或扁豆体群以及筒状出现，其上为碳质页岩和白云质黑色页岩等，其下为磷块岩或含磷结核碳质页岩层（含磷岩系）。岩性自下往上依次为白云岩（灯影组）→铁质黏土岩→含磷岩系→钼镍硫化物层→碳质页岩→黑色页岩，以贵州遵义松林剖面为典型（图5.4，剖面①），通常缺失硅质岩层。

含钒碳质页岩层赋存于碳质页岩（含磷结核）与薄层硅质岩互层（或互夹）—碳质页岩—黑色页岩以碳质页岩为主的岩性组合序列中，分布于遵义—张家界一带中部以及南东地区，以湖南凤凰长坪剖面为典型（图5.4，剖面⑧）。呈层状、似层状产出，与围岩界限不清，单层厚度几厘米至几米不等，一般为一层，局部地区见两层或多层。通常见一层的地区该层厚度大，见两层或多层者单层厚度小。产出层位岩性以鳞片状-板状碳质页岩为主，或含磷结核，或夹薄层硅质岩（或互层），在贵州镇远—岑巩注溪—湖南凤凰一带的下部钒矿层则为硅质岩夹碳质页岩（钒矿层）。该层距灯影组白云岩厚度1米至几十米不等，其上为板状碳质页岩；其下岩性变化较大，主要有硅质岩、磷块岩、含磷结核鳞片状碳质页岩等，在贵州镇远至铜仁一带往南东至天柱大河边以及湖南凤凰等地，还出现凝灰岩或凝灰质黏土透镜体（图5.4，剖面⑦、⑩）。

图5.4 湘黔下寒武统黑色岩系“多金属富集层”对比图

（据王康年，2009）

1—粉砂质碳质页岩；2—板状碳质页岩；3—含磷结核鳞片状碳质页岩；4—硅质岩；5—铁质黏土岩；6—钼镍硫化物层“多元素富集层”；7—含钒碳质页岩“多元素富集层”；8—磷块岩；9—重晶石矿或重晶石透镜体；10—白云岩；11—薄层状凝灰质黏土岩

由图5.4不难看出，以灯影组白云岩为底界，由北西往南东，形成“多元素富集层”的沉积厚度由小到大特征非常明显；在研究区贵州开阳—铜仁—湖南安化一线，由南西向北东，形成“多元素富集层”的沉积厚度由小到大特征也非常明显。

“多元素富集层”在湘黔地区分带特征明显，其形成的矿床也有明显的分带性。王康年（2009）根据上述地层岩性特征、矿物组合特征、地球化学特征、目前已发现的矿床类型以及前人大量的研究成果，以北东向贵阳-镇远-怀化-常德大断裂为界，把区内分为两个成矿带（图5.5）。

图5.5 湘黔下寒武统黑色岩系分布及成矿分带示意图

（据王康年，2009）

Ⅰ—钼镍-钒成矿带；Ⅱ—钡-银-重晶石矿成矿带。1—下寒武统黑色岩系分布区；2—剖面位置图；3—断层；4—钼镍硫化物层“多元素富集层”集中分布区；5—成矿带界限

（1）钼-镍矿成矿带

该成矿带位于贵阳-镇远-怀化-常德大断裂北西，包含两种类型的“多元素富集层”，但还是以含钒碳质页岩层为主。钼镍硫化物层主要集中分布于贵州遵义以西、开阳以西和湖南张家界一带（图5.5），在贵州以形成单一的钼镍矿为特征，如遵义松林、新土沟、黄家湾钼镍矿床和开阳翁昭钼镍矿床；在湖南张家界以形成钼镍-银多金属矿床为特征，如张家界的后坪、柑子坪、三岔、大浒等地的钼镍-金银多金属矿床。该类矿床钒的品位低，很少达到工业品位，且其底部往往缺失硅质岩系。含钒碳质页岩层则大面积分布于该区的贵州遵义—南张家界之间，以产钒矿为主，钼多达工业品位以上，镍则很少达到工业品位。如贵州镇远江古钒矿、铜仁坝黄钼矿，湖南风东方红、长坪钒矿床和安化烟竹、天井山钒矿床等。

（2）钒-银-重晶石矿成矿带

该带位于贵阳-镇远-怀化-常德大断裂南东，仅出现含钒碳质页岩层“多元素富集层”，钼、镍品位极低，以钒矿、重晶石矿为主，如贵州丹寨南皋磷矿伴生钒矿、三穗煤炭井钒矿、天柱大河边大型重晶石矿及其伴生钒、银矿等。

长期以来，下寒武统黑色岩系“多元素富集层”的成因一直存有争议，存在不同的认识和相应的成因模式。范德廉（Fan De-lian，1983）认为是地外物质来源，即“热卤水＋火山喷发物＋地外物质”模式；张爱云（1987）等则认为是“正常海水沉积成因”模式；Coveney（1991）及Coveney等（1992）认为与深大断裂有关，是海底热泉同生沉积的结果，即“海底热泉或其他陆源等未定型”模式；Hulbert等（1992）认为来源于富有机质的热卤水，即“有机质＋热卤水”模式；李胜荣（1994）认为与海底热水喷流作用有关，即“海相热水成因的多阶段”模式；李胜荣（2000）、杨瑞东（2007）等则认为是“海底喷流热水沉积成因”模式。但经大量的研究成果表明，和近年来“热水沉积成矿”理论的热潮，“海底喷流热水沉积成因”模式愈来愈占主导地位。

贵州及邻区下寒武统牛蹄塘组底部的Ni-Mo矿多金属层的成因，部分学者认为可能为热水喷流作用所致（Steiner et al.，2001；Jiang et al.，2007；Pan et al.，2004；Yang R D et al.，2005），是一个比较稳定的凝缩层（CS），而且也是最大海泛面的标志，可作地层对比标志层，在扬子地台分布比较稳定，所以也被作为梅树村阶的顶界，即筇竹寺阶底界（Yang X L et al.，2005，2007）。

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