利用Mo-U等多指标判别黑色岩系中硅质岩形成氧化-还原环境的可行性分析及意义.pdf
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1、硅质岩作为一种重要的沉积岩类型,是研究前新生代古海洋环境的重要手段,但其缺乏在氧化-还原环境方面的应用;同时硅质岩是黑色岩系的重要组成部分,拓展硅质岩在该方面的应用,有利于加深对黑色岩系形成机理的认识。本文综述了硅质岩的现有研究方法、黑色岩系中黑色页岩和硅质岩研究的局限性和互补性,并论述了将Mo-U等氧化-还原敏感金属多指标判别方法应用于硅质岩,用来判断其形成的氧化-还原环境和盆地局限性等方面的理论可行性。在分析扬子地块及其周缘黑色岩系及硅质岩研究现状的基础上,认为将在黑色页岩使用成熟的氧化-还原环境研究方法应用于互层的(热水沉积)硅质岩,理论上具有可行性,并在扬子地块西北缘若尔盖地区奥陶-志
2、留纪黑色岩系中互层的黑色页岩和热水沉积硅质岩岩性组合中得到进一步验证。该方法的应用可深化对扬子地块西北缘黑色岩系沉积环境特殊性及其中U-Au-Ni-Mo-V多金属矿源层形成机理的认识。关键词黑色岩系 硅质岩 氧化-还原敏感金属 奥陶-志留纪 沉积环境中图分类号P736;P595 文献标识码A 文章编号0495-5331(2023)04-0852-20Zhang Yan,Qi Fucheng,Chen Wen,Zhang Dehui,Zhao Liangliang,Liu Hanbin.Using redox sensitive trace metals of chert interbedded
3、 in black rock series to analyze paleoredox condition and sedimentary environmentJ.Geology and Exploration,2023(4):0852-0871.0 前言由黑色页岩、硅质岩和碳酸盐岩组成的黑色岩系,是沉积矿床、后生矿床的矿源层,更是地球古表生系统演化的产物,对其研究意义重大(范德廉等,2004;王聚杰等,2015;Algeo and Li,2020;徐林刚等,2021)。以往黑色岩系的研究主要集中在黑色页岩氧化-还原条件和沉积环境方面,主要是通过原生黄铁矿形态学(Bond et al.,20
4、10;Poulton et al.,2011)、相关金属元素比值(Algeo et al.,2020)、Mo-U非传统稳定同位素(Poulson et al.,2006;Goto et al.,2014;Andersen et al.,2014)、铁组分和黄铁矿S同位素(Bond et al.,2010;Poulton et al.,2011),来 反 演 沉 积 氧 化-还 原 环 境 和 盆 地 的 局 限 性(Tribovillard et al.,2006,2012;Algeo and Tribovillard,2009),却不能反演其沉积海洋地理环境。而黑色岩系中硅质岩就能很好地解决
5、这个问题,但硅质岩在氧化-还原条件和沉积环境方面的研究实例较少,大部分研究主要集中于硅质岩成因,比如热液、正常海水、硅化和生物成因等(van den Boorn et al.,2010;Chen et al.,2016)、Si和O同位素分馏机制(Geilert et al.,2014;Roerdink et al.,2015;Wostbrock et al.,2018;Zheng et al.,2019;Fernandez et al.,2019)、成 岩 作 用(Tatzel et al.,2015;Geilert et al.,2016;Yanchilina et al.,2020)和后期
6、改造作用(Marin-Carbonne et al.,2012,2014;doi:10.12134/j.dzykt.2023.04.012收稿日期 2022-08-17;改回日期 2023-04-23;责任编辑 郝情情。基金项目 国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0600207)、国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目(编号:42127801)和中国冶金地质总局自主勘查项目(编号:中冶地 2022 CMGBC002)联合资助。第一作者 张 岩(1987年-),男,2018年毕业于中国地质科学院,地球化学专业,获博士学位,主要从事岩石学、金属矿床成因等方面的研究工作。E-mail:Zh
7、Y。张 岩Zakharov et al.,2021)。是否可以以沉积环境相近的黑色页岩为比例尺,对快速堆积硅质岩-热水沉积硅质岩开展相关研究,将黑色页岩的相关判别标准运用到硅质岩上,并进行校正,以达到硅质岩既能揭示沉积海洋地理环境,又能揭示沉积环境的目的,这样便可通过各种岩性地层中的热水沉积硅质岩和正常沉积硅质岩的研究,揭示黑色岩系的形成机制。加之,前寒武纪和部分古生代黑色页岩地层普遍受到变质作用和热液流体的后期改造,所以寻找黑色页岩的“替代品”迫在眉睫。因此,本文在硅质岩和黑色页岩的现有研究基础上,从理论角度论述黑色页岩的氧化-还原环境和盆地限制性分析方法可以应用于(互层)硅质岩中,并在详细
8、分析扬子地块西北缘黑色岩系相关热水沉积硅质岩和沉积古环境的基础上,以若尔盖铀矿田黑色岩系中互层的热水沉积硅质岩和黑色页岩为例,说明这种方法应用于地质实际的可行性。1 黑色岩系及其中硅质岩与黑色页岩的互补性研究和意义黑色岩系是由有机碳含量1%的泥岩、碳酸盐岩和硅质岩组成的黑色、缺氧沉积序列,它是 U、Au、Ni、Mo、V、Cu、Pb、Zn等多种矿产的矿源层(范德廉等,2004;王聚杰等,2015)。(1)黑色岩系相关研究工作较早,实验测试手段较为成熟,主要包括U-Mo-V 等元素富集程度(Tribovillard et al.,2006,2012;Algeo and Tribovillard,2
9、009),V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th、V/Sc 等 元 素 比 值(Adams and Weaver,1958;Patterson et al.,1986;Shaw et al.,1990;Jones and Manning,1994;Kimura and Watanabe,2001)和 U-Mo 非 传 统 稳 定 同 位 素(Poulson et al.,2006;Goto et al.,2014;Andersen et al.,2014);(2)相关研究主要集中在其中的黑色页岩 上,而 对 硅 质 岩、碳 酸 盐 岩 研 究 相 对 较 少(Tribovillard
10、 et al.,2006,2012;Algeo and Tribovillard,2009,2020;汤冬杰等,2015;张明亮等,2017);(3)黑色岩系的分布时代(新太古代、元古宙、显生宙)和分布地域(如扬子地块及周缘、华北板块北缘、江南造山带)特别广,形成构造环境多样,所富集的优势矿种也具特殊性(Xu et al.,2021;Shi et al.,2021;Lehmann et al.,2016,2022);(4)由于黑色岩系是大陆边缘地带大陆圈、水圈、生物圈等古外生复杂系统综合作用的结果(范德廉等,2004;Jiang et al.,2007;Zhang et al.,2016;Fa
11、ng et al.,2019),导致黑色岩系相关研究工作有待深化和发展。黑色岩系中黑色页岩和硅质岩中的有机质及金属富集程度最大(范德廉等,2004;徐林刚等,2021;Lehmann et al.,2022),并且这两种岩性的相关研究存在局限性和互补性,所以应重点对这两种岩性进行研究,以揭示黑色岩系的形成机理。扬子地块及其周缘受新元古代南华纪至早古生代志留纪早期独特的沉积古环境和岩相古地理控制,形成了厚度2 km且分布广泛的黑色岩系地层(Xu et al.,2016),并且其厚度变化大,呈带状分布,这些黑色岩系中直接产出有Mn矿、P 矿、BaSO4/BaCO3矿、Mo-Ni 多金属硫化物矿、V
12、 矿和石煤矿(Xu et al.,2016;Lehmann et al.,2016,2022),并且是卡林型Au矿、Pb-Zn矿(徐林刚等,2021)和燕山期成矿的(层控)Au 矿-U 矿的矿源层(张岩等,2017,2018)。南华纪,扬子板块东南缘大塘坡组产出大塘坡式锰矿,是受Rodinia超大陆裂解及新元古代雪球地球事件间冰期的大规模成锰事件控制,为富氧寒冷海水密度流进入缺氧海水形成锰的氧化物,后经富有机质沉积地层中二氧化碳或天然气水合物反应形成的菱锰矿体(杜远生等,2015,2018,2020;周琦等,2018)。而部分学者提出了受构造-热液控制的“内源外生”的观点(周琦等,2018;薛
13、友智等,2019;杨瑞东等,2022),争议的焦点主要为Mn物质来源的差异,但锰矿的沉积模式受氧化-还原条件及有机质含量及其CO2、天然气等降解产物控制。震旦纪-早寒武世,震旦纪扬子地块周缘(包括西缘)氧化/次氧化环境下产出大型沉积磷矿床(Lehmann et al.,2016,2022),如湖北宜昌地区震旦纪陡山沱组大型沉积磷矿床;早寒武世受原特提斯洋演化控制,磷的沉积中心由东向西转移,如云南昆阳下寒武统筇竹寺组磷矿,在此期间扬子板块周缘形成了由 NE-SW 发展和展布的沉积型磷矿(王聚杰等,2015;Lehmann et al.,2022)。早寒武世,初期受构造热-液活动影响,形成呈带状分
14、布的硅质岩和受氧化/次氧化环境控制的重晶石/毒重石矿层及结核(周锡强等,2016;Xu et al.,2021),如湖南新晃贡溪-天柱大河边超大型重晶石矿(方维萱等,2002;周锡强等,2016);后期,受全球氧化事件峰期影响,古大陆风化作用加强,古海洋氧化-还原环境发生变化(Johnson et al.,2017),扬子地块北缘和东南缘磷结核/磷质透镜体上部,在古海水还原环境下852张 岩等:利用Mo-U等多指标判别黑色岩系中硅质岩形成氧化-还原环境的可行性分析及意义第 4 期Zakharov et al.,2021)。是否可以以沉积环境相近的黑色页岩为比例尺,对快速堆积硅质岩-热水沉积硅质
15、岩开展相关研究,将黑色页岩的相关判别标准运用到硅质岩上,并进行校正,以达到硅质岩既能揭示沉积海洋地理环境,又能揭示沉积环境的目的,这样便可通过各种岩性地层中的热水沉积硅质岩和正常沉积硅质岩的研究,揭示黑色岩系的形成机制。加之,前寒武纪和部分古生代黑色页岩地层普遍受到变质作用和热液流体的后期改造,所以寻找黑色页岩的“替代品”迫在眉睫。因此,本文在硅质岩和黑色页岩的现有研究基础上,从理论角度论述黑色页岩的氧化-还原环境和盆地限制性分析方法可以应用于(互层)硅质岩中,并在详细分析扬子地块西北缘黑色岩系相关热水沉积硅质岩和沉积古环境的基础上,以若尔盖铀矿田黑色岩系中互层的热水沉积硅质岩和黑色页岩为例,
16、说明这种方法应用于地质实际的可行性。1 黑色岩系及其中硅质岩与黑色页岩的互补性研究和意义黑色岩系是由有机碳含量1%的泥岩、碳酸盐岩和硅质岩组成的黑色、缺氧沉积序列,它是 U、Au、Ni、Mo、V、Cu、Pb、Zn等多种矿产的矿源层(范德廉等,2004;王聚杰等,2015)。(1)黑色岩系相关研究工作较早,实验测试手段较为成熟,主要包括U-Mo-V 等元素富集程度(Tribovillard et al.,2006,2012;Algeo and Tribovillard,2009),V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th、V/Sc 等 元 素 比 值(Adams and Weaver,1
17、958;Patterson et al.,1986;Shaw et al.,1990;Jones and Manning,1994;Kimura and Watanabe,2001)和 U-Mo 非 传 统 稳 定 同 位 素(Poulson et al.,2006;Goto et al.,2014;Andersen et al.,2014);(2)相关研究主要集中在其中的黑色页岩 上,而 对 硅 质 岩、碳 酸 盐 岩 研 究 相 对 较 少(Tribovillard et al.,2006,2012;Algeo and Tribovillard,2009,2020;汤冬杰等,2015;张明
18、亮等,2017);(3)黑色岩系的分布时代(新太古代、元古宙、显生宙)和分布地域(如扬子地块及周缘、华北板块北缘、江南造山带)特别广,形成构造环境多样,所富集的优势矿种也具特殊性(Xu et al.,2021;Shi et al.,2021;Lehmann et al.,2016,2022);(4)由于黑色岩系是大陆边缘地带大陆圈、水圈、生物圈等古外生复杂系统综合作用的结果(范德廉等,2004;Jiang et al.,2007;Zhang et al.,2016;Fang et al.,2019),导致黑色岩系相关研究工作有待深化和发展。黑色岩系中黑色页岩和硅质岩中的有机质及金属富集程度最大
19、(范德廉等,2004;徐林刚等,2021;Lehmann et al.,2022),并且这两种岩性的相关研究存在局限性和互补性,所以应重点对这两种岩性进行研究,以揭示黑色岩系的形成机理。扬子地块及其周缘受新元古代南华纪至早古生代志留纪早期独特的沉积古环境和岩相古地理控制,形成了厚度2 km且分布广泛的黑色岩系地层(Xu et al.,2016),并且其厚度变化大,呈带状分布,这些黑色岩系中直接产出有Mn矿、P 矿、BaSO4/BaCO3矿、Mo-Ni 多金属硫化物矿、V 矿和石煤矿(Xu et al.,2016;Lehmann et al.,2016,2022),并且是卡林型Au矿、Pb-Zn
20、矿(徐林刚等,2021)和燕山期成矿的(层控)Au 矿-U 矿的矿源层(张岩等,2017,2018)。南华纪,扬子板块东南缘大塘坡组产出大塘坡式锰矿,是受Rodinia超大陆裂解及新元古代雪球地球事件间冰期的大规模成锰事件控制,为富氧寒冷海水密度流进入缺氧海水形成锰的氧化物,后经富有机质沉积地层中二氧化碳或天然气水合物反应形成的菱锰矿体(杜远生等,2015,2018,2020;周琦等,2018)。而部分学者提出了受构造-热液控制的“内源外生”的观点(周琦等,2018;薛友智等,2019;杨瑞东等,2022),争议的焦点主要为Mn物质来源的差异,但锰矿的沉积模式受氧化-还原条件及有机质含量及其C
21、O2、天然气等降解产物控制。震旦纪-早寒武世,震旦纪扬子地块周缘(包括西缘)氧化/次氧化环境下产出大型沉积磷矿床(Lehmann et al.,2016,2022),如湖北宜昌地区震旦纪陡山沱组大型沉积磷矿床;早寒武世受原特提斯洋演化控制,磷的沉积中心由东向西转移,如云南昆阳下寒武统筇竹寺组磷矿,在此期间扬子板块周缘形成了由 NE-SW 发展和展布的沉积型磷矿(王聚杰等,2015;Lehmann et al.,2022)。早寒武世,初期受构造热-液活动影响,形成呈带状分布的硅质岩和受氧化/次氧化环境控制的重晶石/毒重石矿层及结核(周锡强等,2016;Xu et al.,2021),如湖南新晃贡
22、溪-天柱大河边超大型重晶石矿(方维萱等,2002;周锡强等,2016);后期,受全球氧化事件峰期影响,古大陆风化作用加强,古海洋氧化-还原环境发生变化(Johnson et al.,2017),扬子地块北缘和东南缘磷结核/磷质透镜体上部,在古海水还原环境下853地质与勘探2023 年形成钼-镍多金属硫化物层(Lehmann et al.,2016,2022;Xu et al.,2021),并伴有C-S-Mo-U-Cr-Cd等同位素异常(Lehmann et al.,2016,2022;Johnson et al.,2017),如湖南张家界三岔和贵州遵义黄家湾镍-钼多金属矿床;由于扬子地块两侧裂
23、谷盆地古地形上的差异(地堑-地垒),导致氧化-还原环境的变化,在缺氧/次氧化环境(Lehmann et al.,2016,2022)形成并保存沉积型钒矿,并在生物作用繁盛的氧化-还原环境下形成石煤层。奥陶纪,分布少量钒矿床(王聚杰等,2015),受控于奥陶纪中-晚期华南裂谷萎缩成陆事件(Zhang et al.,2013)。志留纪早期,扬子板块北缘形成的陆缘裂谷系(勉略洋前身)(Dong et al.,2016)在陆缘缺氧环境下形成铀-金多金属富集的矿源层,如南秦岭若尔盖铀矿田(张岩等,2017,2018)。扬子地块及周缘黑色岩系及相关矿产的形成,受控于Rodinia超大陆裂解后的洋-陆格局引
24、起的气候变化、雪球地球事件及后期相关冰期-间冰期、古海水氧化-次氧化-缺氧(局部硫化还原)分层并逐渐氧化的海洋环境、生物演化和火山喷发事件的影响、大氧化事件和大陆构造演化共同导致的古大陆隆升-剥蚀变化和构造-海底热液活动等多种因素。黑色岩系中硅质岩的成因类型与重晶石具有相近性(周锡强等,2016;张岩等,2017,2018),产状上两者互层或共生(Xu et al.,2016)。扬子地块重晶石带主要产于早寒武世地层中,分布在东南缘的江南区带(全国储量最大)和北缘的秦岭-大别区带(全国储量第二)两大区带上,产状上在扬子地块北缘和东南缘呈带状分布,并与磷块岩沉积层/结核密切相关(Xu et al.
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