岩相古地理作业.docx

早寒武世黑色页岩沉积环境1.绪论黑色页岩是在循环极差的停滞水环境中沉积形成的、富含有机质（如有机碳等）和分散状（浸染状）黄铁矿的一类特殊岩石。该类岩石在全球分布广泛，化学性质特殊，既是一种十分重要的矿物资源，又具有特别重要的环境意义1。寒武纪早期是地球演化历史上最重要的时期之一。在这一时期发生了生命大爆发事件；地球真极移（True polar wander）在短短的大约10百万年内发生了90度的旋转；大陆强烈拉张引起全球范围内的热液事件、缺氧事件。因此，早寒武世早期沉积地层中蕴含着地球早期演化历史信息的关键性沉积段。我国寒武系底部普遍发育这套黑色页岩夹硅质岩的岩石组合。黑色页岩中有机碳含量为1%-13%2。过去的一些年来，矿化黑色页岩的经济重要性越来越大。世界上许多地方发现了与黑色页岩建造有关的工业矿床和有远景的金属富集。它们是U、Mo、Ni、Mn、V、Hg、Sb、W和其他金属的重要来源3。黑色页岩不但富含多种矿产资源，产有大型、超大型多金属矿床，而且可用作复合化肥以改良土壤。同时，黑色页岩因风化分解释放CO2、产生酸性矿排水、释出重金属元素等而可能对环境产生严重影响，引起环境问题。开发利用黑色页岩不但要充分认识其资源功能特征，拓宽其应用途径，而且要特别注意其可能引发的环境问题1。2.与黑色页岩有关的矿床的研究在地球上存在着几个分布广泛的黑色页岩系层位，如我国南方寒武系底部，纵贯英格兰南部、荷兰、德国到中欧诸国的上二叠统Kupferschifer（约60万km2），加拿大育空地区中上泥盆统，我国扬子克拉通周缘震旦系以及俄罗斯西伯利亚里菲纪上部和波兰的前寒武纪早元古代与有机碳有关的PGE-Au-U岩系。这些黑色岩系的共同特点是含有大量的有机质和丰富的金属元素PGE，Cu，Ni，Mo，Au，U，V，Mn，Fe，Co，Bi，Cr，Se等。这些元素在一些地区形成一定规模的矿床，具有工业价值。例如，波兰的Lubin-Glogow地区长期开采铜及银；我国遵义民采钼矿；斯洛伐克黑色页岩系内的碳酸盐型锰矿经风化后，于第三系沉积物中富集并得到开采。但是，绝大多数地区的黑色岩系主要表现为一种金属元素富集层位，目前尚不具工业价值。对中欧、中国华南、加拿大以及波罗的海地区和俄罗斯西伯利亚的黑色页岩系进行了一定程度的研究，但对其中的金属矿床或矿化的成因在认识上存在着差异。在研究程度比较高的波兰Lubin-Glogo地区，关于成因模型的建立，考虑以下几个事实：20%的铜出现于Kupferschifer黑色页岩系中，50%在下伏的Weissliegendes砂岩中，30%在上覆Zech-stein灰岩中；Cu矿化与还原界面密切相关；主要含铜矿物为辉铜矿，伴随有斑铜矿和黄铜矿，向外为铅和锌的硫化物；尽管有几个矿化阶段，但主要矿化阶段为早三叠世，成岩阶段的伊利石放射性测年数据为190-216Ma，利用赤铁矿古地磁资料厘定为220-250Ma。关于早阶段同生沉积作用，Karnkowski描述了波兰二叠纪Rotliegenedes盆地发育在高度变形的古生代岩石的基底上，盆地由一组次级且相互沟通的盆地组成，沿NW向分布于波西尼亚刚性地块与东欧克拉通之间的脆弱地壳带，有人称为内陆盆地。这些盆地主要由早二叠世火山碎屑岩、熔岩和碎屑沉积岩充填。介于二叠系与三叠系之间的Kupferschiefer含沥青钙质或白云质页岩覆盖于这些碎屑沉积岩之上，有时与灰岩共存。同生的Kupferschifer黑色页岩沉积虽然含有硫化物，但并不构成经济矿床，富铜高银的块状铜矿石可能是由下伏Rotliegendes层位的含铜溶液与Kupfer-schifer层内经生物硫酸盐还原生成并储集于裂隙中的H2S发生反应，从而导致铜大量堆积成矿的。最近，通过对惰性气体同位素的研究，认为在三叠纪，深部流体积极参与了成矿过程，这为进一步深入研究该区黑色页岩铜矿提供了新思路。在我国华南和加拿大育空地区出露比较广的黑色页岩系中存在Mo-Ni-PGE矿，虽然形成时代有差异，但物质组分和产出状态比较相似，厚度较薄，时断时续，沿同一层位出现。关于其成因，多年来海底喷流认识占有主导地位，推断下伏富Mo-W花岗岩体可能作为成矿的能源和Mo-Re-Os的源区，并与海底喷流的Ni-PGE-Fe-V-Co矿化源汇合成矿。最近，又有人提出它们是一种蒸发-还原环境的正常沉积产物。在我国华南地区，对镍钼矿石的Re-Os同位素精确测年，获得（541.316）Ma的年龄数据。黑色页岩系对于后生成矿也具有重要的影响，例如，哥伦比亚祖母绿矿床被认为是赋矿的白垩纪黑色页岩与盆地卤水进行水岩反应，由钠质交代作用和阳离子交换引致成矿，铍主要来自粘土岩。通过对广西大厂锡多金属矿区赋矿的泥盆系页岩和成矿流体的系统研究，不仅证明区内的层状和网脉状锡多金属矿同为与花岗岩有关的成矿系统的产物，还发现有大量的有机质以CO2、CH4等形式存在于成矿流体中，这些有机质被认为来自围岩。锗是一种稀散元素，但在不少以黑色泥页岩为主岩的煤层中广泛存在和富集。在我国西南和俄罗斯远东地区发现煤中锗高度富集成为独立矿床，甚至达到超大型规模。煤中富锗反映了有机质对锗成矿的重要控制作用，尽管在锗的来源方面仍然有同生和后生之争论。由于黑色页岩系是一种强还原环境的产物，在不少矿区发现大量少见矿物及其组合，包括许多单质金属、金属合金或互化物，硫盐矿物、磷酸盐类、钨酸盐类、碲化物、Pt-Cu-Fe金属固溶体以及砷铂矿、硫铂矿、Sn-Sb固溶体、Ni-Sb固溶体和大量的Fe-Ni-S和Cu-S矿物系列4。3.岩相古地理中的沉积地球化学标志海水和淡水中溶解的盐度差异很大，常用岩石中易溶组分、难溶组分、粘土质点吸附阳离子的成分等，来确定盆地的古盐度。但除磷酸盐法外，气体均因干扰因素较多，各有缺点，应用受到局限，较常用的是微量元素和同位素方法。3.1微量元素常用做指相标志的，主要是粘土沉积物中的微量元素，如Mn、B、Br、Cl、Na、Sr、P、Ni、V、Cr、U、As、Zn、Ga等，以硼应用最广。1.硼（B）沉积物种的硼除来源陆源碎屑（电气石）外，主要是从海水中吸取而来，现代海水中硼为4.77mg/L，而淡水中一般不含硼，内陆盐湖中具有很高的硼量。沉积物种的硼的含量与水体中的硼含量有关，因而也和水的盐度存在着函数关系，这就是硼含量可以作为古沉积环境指标的依据。一般情况是：湖相沉积中硼含量最低，海相沉积中约为100mg/L或更高，含盐瀉湖中含盐粘土含硼在1000mg/L以上。各类岩石硼含量不等，泥岩中硼含量最高，泥岩中硼含量比较能反应古盐度的情况，泥岩中伊利石最能反应古盐度情况。必须把硼含量与粘土矿物分析结合进行，才能客观反映出沉积环境。化石中分析出B2O3的含量，推算出水介质盐度。海相贝壳中大于0.0035%，淡水贝壳中小于0.0025%，半咸水贝壳中处于二者之间。2.Sr/Ba淡水相向海相过渡，Sr/Ba增高。淡水沉积物中Sr/Ba通常小于1；海相沉积物中Sr/Ba大于1；从淡水相向海相过渡，沉积物中Sr/Ba值急剧增大的趋势明显。3.Sr/Ca湖水和河水以Sr/Ca值低为特征，而海水中Sr/Ca值较前者为大，锶Sr在海水与大洋水中都表明有绝对的和相对的富集。4.Th/UTh/U比值陆相高、海相低。在风化过程中铀易氧化和淋失，则钍残留在沉积物种或吸附于粘土矿物上，于是在风化物中，如陆相页岩和三水铝土矿中Th/U比值高达7以上，而从水介质中固定出来的黑色页岩、暗色层状硅岩、石灰岩等岩层中Th/U比值不到2。因此可以用Th/U比值来判断海、陆相地层。5.Mn/Fe海相页岩中Mn/Fe比值比淡水页岩要高很多。6.Fe黄铁矿/C有机资料指出海相岩石中Fe黄铁矿/C有机的比值为0.2-2.0，通常在0.5-0.8之间，而淡水湖波相的岩石中，这一比值在0.03-0.06之间。此外，尚有Rb/K比值、V/Ni比值等也常用在区分海、陆相地层方面。3.2稳定同位素海水中的氧的同位素18O和碳的同位素13C都比淡水中要多，沉积物中的自生矿物（碳酸钙、碳酸铁等）反映了这种差别，这是用稳定同位素作为指相标志的依据。海相沉积物中所含碳元素的13C/12C比值高于非海相沉积物中有机质的相应比值，同时海相碳酸盐中13C较富，淡水相的碳酸盐岩中13C较贫，并且差别明显。因而石灰岩中碳与的13C/12C比值是比较好的指相标志。也有页岩中的菱铁矿结核中的13C/12C比值来区别海相、陆相、过渡相地层的。海水中氧的同位素18O/16O的比值较高，淡水中较低。该指标受水体温度变化影响大，不是一种可靠的指相标志，但用在古气候的研究方面是有效的。海水中18O和13C比淡水中要多，常利用如下公式计算获得海相或陆相的标志。Z=2.04813C+50+0.498（18O+50）Z120为海相；Z120为陆相（淡水）；Z=120为不定型。18O/16O，海相沉积物中含量高，淡水中低。13C/12C，海相沉积物中含量高，陆相中低。烃类中34S/32S，海相稳定，陆相变化大。3.3有机组分异戊间二烯中的植烷和姥鲛烷可作海相或陆相的标志。通常认为植烷是从植醇衍生而来，可以作陆相环境标志，而姥鲛烷一般表示海相沉积环境。目前利用原油的含蜡量、姥鲛烷与植烷（C19/C20）的比值来判断沉积环境较为广泛。沉积岩及石油中卟啉分子量的窄范围可作为湖相标志，而其宽范围可作为海成的标志。植烷为陆相，姥鲛烷为海相，沉积岩及石油中卟啉分子量的，窄范围为湖相；宽范围为海相。以上三个方面数十项沉积标志都有一定的指相性，但也都有其局限性。岩性标志是沉积学研究在最基本对象，在覆盖区，要充分利用钻井资料和地震资料。所以相分析中应综合利用各项标志、互相补充、验证。4.黑色页岩沉积环境与缺氧事件图1中国早寒武世早期的岩相古地理图在中国早寒武世早期的岩相古地理图（图1）中，最主要的特征是“两槽和三台相间分布”，两槽即天山北山蒙辽吉槽地和昆仑秦岭槽地，三台即准噶尔蒙兴台地、塔里木柴达木华北台地和西藏华南台地。两槽三台相间分布构成了这幅岩相古地理图的基本格局5。以下以黔北地区下寒武统黑色页岩沉积环境与缺氧事件为例说明。4.1缺氧事件Schlanger and Jenkyns（1976）最早提出了大洋缺氧事件的概念，用于解释深海钻探时在白垩纪沉积层中的“黑色页岩”的成因。所谓大洋缺氧事件，是指在相对短暂的某些特定地质历史时期内，全球或局部海域水体中贫氧层（主要指中底水层）膨大或强化，导致海洋生物大量死亡或灭绝，有机碳大量埋藏，海水的占13C值出现大的正漂移的一种作用。关于大洋缺氧事件的发生及其演化机理尚无定论。大洋缺氧事件发生的结果，造成了富含有机碳和多种金属的黑色页岩的大量沉积。当时，海洋中生物生产力极高，生物大量繁殖和大批死亡，这些生物遗骸在海底沉积，大大消耗了海底水中溶解的有限浓度的O2，造成严重缺氧的还原环境。由于地壳的构造运动，海底扩张速度加剧、洋盆的打开,伴随大规模的海侵事件和大洋缺氧事件,造成有机质的大量埋藏并带走大量的12C。生物通过光合作用固碳，优先吸收大气CO2中的12C，致使大气中由于得不到或很少得到12C的补充，从而造成大气CO2的13C值明显升高。全球性大洋缺氧事件发生之初，往往伴随剧烈的火山喷发，使地球深部的大量还原性气体进入大气圈，从而破坏了原先建立的大气圈-水圈-生物圈之间的平衡关系，因此全球火山喷发可能是造成全球缺氧和生物灭绝的主要原因。然而，关于全球缺氧事件和生物灭绝的原因也不乏“外星撞击地球说”。上升洋流的活动很可能也是形成缺氧事件的一个重要因素。缺氧沉积中有机质的富集，磷的高含量，硅质生物尤其是放射虫化石的大量发育，均表明当时上升洋流的存在。上升洋流一般为贫氧但富含营养物（磷酸盐类和硝酸盐类）和硅质的海流，可促使表层水域中的生物高度繁殖，生物遗体沉至水底增加了深水环境中氧的消耗，从而在上升洋流之下形成缺氧环境。中国华南新元古代一早古生代发育多幕次的大洋缺氧事件，表现为黑色页岩的巨厚沉积和广泛分布。华南新元古代至少发育两次大的大洋缺氧事件，一次为南华纪的大塘坡期，一次为震旦纪的陡山沱和灯影期；早古生代至少存在4次大的大洋缺氧事件，它们分别是早寒武世的筑竹寺期，中奥陶世的庙坡期，晚奥陶世的五峰期和早志留世的龙马溪期。华南下寒武统底部的黑色页岩，作为瞬时灾变沉积物，并可与全球大洋缺氧事件对比6。4.2沉积环境黑色岩系具有独特的形成环境，是地史上多次出现的时限沉积相，反映环境变化中的突变及环境事件，它是地球内部和外部因素、甚至地外因素相互作用的产物。黑色岩系代表了缺氧的沉积环境。缺氧环境是指水体中溶解氧含量低于0.lmL/L的环境，它限制了多细胞生物的发育，只有微生物，而且原则上只有硫酸盐还原细菌可以在这种环境中生存。缺氧环境一般形成于水体分层、循环有限的区域（如海湾、泻湖、海洋和湖泊深层水）或大陆边缘的上升流区，它是油气源岩发育的主要控制因素之一，是一种能提供多种类型矿化定位的沉积环境。现代海洋学研究表明，大洋中的溶解氧主要富集在表层海水中或透光带内，向下由于生物死亡和降解作用，逐渐变为不饱和，从而在中等水深处（约250-1500m）往往出现海水中的氧含量最低层，即缺氧层。下寒武统黑色岩系几乎覆盖整个扬子碳酸盐岩台地，成为典型淹没台地，为半深海沉积环境。在南华纪南沱冰期以后，随着冰川消融，海平面相对上升，扬子地壳处于相对稳定和下降的状态，扬子海侵扩大，由洋流带来营养素形成高有机质生产率和营浮游生活的菌藻，水体相对宁静，而底层海水含氧量降到最低限度，引起缺氧环境，形成了一套由硅质岩、磷块岩、碳质页岩、粉砂岩、石煤、重晶石岩和碳酸盐岩等组成的黑色岩系。早寒武世海洋缺氧事件（环境）导致湘黔地区黑色岩系富含有机质，其有机碳含量为0.67%-9.29%，有机硫含量为0.08%-23.30%。黔北黑色岩系有机碳含量大大超过缺氧事件的黑色页岩1%的标准。有机质丰度与生物生产率、有机质的聚集和保存以及有机质的转化程度等三个方面的因素有关。具有丰富有机质来源的表层水生产力是富有机碳沉积物形成的基本因素，富有机碳堆积的原因是生产力的升高。黔北下寒武统黑色岩系菌、藻类及海绵骨针、放射虫等丰富，有机质来源于浅水台地边缘的菌藻类生物。但是，进入海洋的有机质中，有90%来自陆源或原始海洋生产力，在与沉积物结合之前，被氧化和细菌降解作用所破坏，只有少数保存下来。有机质的保存受到几种独立的和相互作用参数的制约，主要包括有机质供给、有机质类型、底层水缺氧、快速埋藏、自然硫化、细粒沉积物等。缺氧环境中有机碳被分解的可能性要比在氧化条件下小，在缺氧环境里有机碳有利于保存，可形成富有机碳沉积物的堆积。水动力条件和氧化还原条件是控制有机质聚集和保存的重要环境因素。在水动力条件较弱，氧化还原电位较低的环境，沉积有机质往往得到有效地聚集和保存，使原始沉积有机质总量较高。黔北早寒武世黑色岩系形成时期为滞流的静水环境，黑色页岩同生沉积期与成岩早期的氧化还原电位较低，Eh约为-0.3V。成烃作用和排烃作用的强度也可以表征有机质转化程度。成烃和排烃作用越强，有机质转化程度就越高，而有机质的转化又取决于有机质类型和有机质的热演化程度。黔北地区有机质以藻类为主，有机质的热稳定性较高，热降解作用对于有机质的改造比较微弱，有机质丰度在热降解过程中变化不大，干酪根组成和结构也表明黑色岩系的有机质成熟度高，反映经历了较强的热演化过程。显然，研究区黑色岩系形成环境完全具备有机质保存的必要条件，致使其有机质丰度高。黔北下寒武统黑色岩系干酪根占13C值为-23.74-31.63，属于L型。震旦纪和早寒武世沉积有机质来源于光合作用的水生浮游生物，其碳同位素组成既取决于被浮游生物所吸收的无机碳源的存在形式和同位素组成，也取决于光合作用的机制。根据碳同位素异常，富有机质黑色页岩是在具有密度分层的水体中沉积的。表层为缓慢流动的充氧洋流，而底层洋流活跃，在沿岸带形成上升流，底层水比表层水比重较大，处于相对停滞状态的缺氧水。表层水中繁衍着大量的藻类和浮游生物，使表层生产力进一步增强。随后，大量陆源碎屑中的有机物质与海水表层浮游生物死亡后的有机体一道下沉，下沉过程中的氧化分解作用消耗了水体内大量的氧，使海水中的溶解氧含量降低，导致大洋中层水体开始缺氧，缺氧水层的强盛造成富有机质沉积在陆棚区不断扩展，富有机质沉积物也会在陆棚位置形成黑色页岩的再沉积。缺氧层的形成制约了水底沉积有机碳的氧化分解，使其不能返回到水体，形成了有机碳的大量埋藏，导致13C发生正向偏移。海相富有机质生产率模式可以解释黑色岩系的成因。在大陆边缘的陆坡地区，特别是上升洋流发育区，浮游生物及藻类繁殖迅速，大量生物死亡下沉，遗体腐烂分解吸收大量溶解氧，水深250-1500m出现缺氧层，上升流又将缺氧层中大量营养物质周期性地带到表层水中使生物大量繁殖，生物生产率增加，生物死亡后下沉至缺氧层与海底的接触带被保存下来，如此循环，在这种水动力条件较弱，氧化还原电位较低的环境，沉积有机质得到有效聚集和保存，使原始沉积有机质总量较高。黑色岩系演化的物理化学条件主要表现在酸碱度和氧化还原电位。黑色页岩同生沉积期与成岩早期的物理化学环境未发生明显变化，成岩早期共生矿物组合为黄铁矿+石英/玉髓+轻磷灰石十有机质，所对应的pH值约为7.0-7.8，Eh约为-0.3V。黑色页岩中的粘土矿物为伊利石，其磨蚀pH值也在7.0-8.0之间，似乎表明成岩晚期环境仍保持着偏碱性还原条件。硅质岩层（位于富硫化物黑色页岩上下）的共生矿物组合为石英+重晶石+有机质，其形成条件为Ph=7.0-7.8，Eh=0.0-0.1V，属于偏碱性弱还原环境。后生期的特征矿物组合为石英+方解石+重晶石，所对应的物理