含金属黑色页岩及其矿成作用黑色岩系及其含矿性研究选编(一) 编者按近年来,在黑色岩系中已拙到不少重要矿床.因而引起极大的关注.所谓黑色岩系t 据有些研究者_白勺意 黑色页岩是碳,氮,磷,硫,氧和重金属如Fe,Mo,V和u的循环链.它既是一种能源.矿产资 源,又对环境有公害.这就引起国际地质组织的重视1987 年,国际对 比纲要(IGCP)254 项计划对 含金属黑色页岩及有关矿床提出了讨论,并对页岩,黑邑页岩及含金屑黑色页岩分别定义,并提出 它们的位置,层位,变化规模,区域分布,厚度,沉积相,古生物,沉积环境,岩石学,结构,颜色,矿物 学,有机碳重量的百分比,碳酸盐碳的重量百分比,硫化物硫的重量百分比,黄铁矿化程度(DOP) 和有机物质的类型及成熟度等方面的基本特征.此外,还对沥青色和橙色沉积物的地球化学,同位 黑色页岩在岩石成分,成固上有很大的不同.它们有含沥青质的,含磷的,含高或低微量金的碳 酸盐在硫化物含量一般且碳特低的地段.则有可能含矿(与页岩平均值相比).黑色页岩的典型环 境有淡水的,半咸水的,海水的或超盐成固的.它们有的含有丰富的大型和微型化石,也可只含少 量化石.黑色页岩可以沿大陆边缘的陆缘海或在深海和湖泊中形成.他们可形成于原地或具外 源性质,所含的有机质可以是成熟的或幼年期的在所有的特征中为什么要突出一个”黑色”呢?因为 所有的黑色页岩都直接地或间接地与高含量有机质活动有关,与生物地球化学的循环链有关(图1). 有机碳泥质岩11一避石12 一硅质页岩13 碳驻盐一硅质岩14-页岩 15-泥质一硅蕨页岩l6-碳驻盐岩 17-碳驻盐蜃页岩18-碳酸盐一据质页岩19一泥质页岩20-泥岩 色(暗灰或黑色)细粒的层纹状沉积岩,一般为泥质岩,含有肉眼明显可见的有机碳(>0.Swt/). 有些学者提出有机碳的下限为1.0,这里主要是考虑页岩在热熟化作 用中碳的损耗.黑色页岩可 以比暗灰色页岩含的有机物质少.Kukal(1988)认为,有机碳的含量是影响岩石颜色的主要因素, 含金属黑色页岩是富含任何金属和黑色页岩,其富含金属的量相当美国地质调查所标准参考 页岩的2倍(铍,钴,钼,铀除外).所确定的黑色页岩:”含 金属”所用的数值是Vine 倍分子之阿,不包括 Au,Ba,Cr,Sr,V,Zn,因这些元 素不超过Vine和Tourtelot 报道的数值的1/Z 般在黑色页岩中,如果任何一种次要金属元素,在所采样品中,在元素分布百分频率总和中 的出现率超过90,该黑色页岩可称为含金属的黑色页岩第二种意见 认为,黑色页岩所含任何一 倍.则可称为含金属的黑色页岩(表L).第三种意见是 J.SLeventhal(1989)提出,在不同元素的完全任意底数上,如果含金属页岩在每种元素的含量 上与页岩相比都要超过百分之几,那将意味着黑色页岩中它的含量应为[(v+cr+c0+Ni+Cu+ Zn+Mo-}-Ag+Cd+Pb+U)+(As+Se-t-Sb+Ti)+(Ba+Mn+REE+Zr)/5+(C—S+Fe)/ 作为矿产资源形成的一要地质作用之一的生物成矿作用,在70 年代 发现了越来越多的证据, 目前认为,黑色_页岩中的碳质是生物成固的,通过生物对金属的吸附,有机质对金属的吸附,活 生物能够在其细胞内积极地富集各种元素,生成活性很大的化合物(如H!s).这些化合物对沉 积环境的氧化还原电位和亲铜元素的活动性具有显着的控制作用.受到化学,微生物和热成岩作用 过程改造的生物有机残余物,也能利用其固有的还原性质,酸性和螫合性质与金属反应.. 早期.出.F细茁!出斛作用形成:量的育机晴,某些 金可溶于腐植酸巾, 时期都发育有富有机质的地层1,B,克里贝等人在研究了元古宙叠层石及其周围黑色页岩富集 金属的情况后指出,这些岩石中的有机质是在早期成岩作用期间有选择地聚集金属.金属可能是来 自基性凝灰岩和火山岩,或者是由于潮问带海水的淋滤,或者是由于雨水冲刷,使金属溶解在溶液 中.在波希米亚金属矿床中存在生物成困标志植烷和降植烷,说明这些物质是来自碳质地层,金属 活性碳是一种复杂的有机聚合物,表面积非常大,并且是电的良导体,可产生吸附作用.藻类 R?J?戴维森认为,活性碳的吸附作用对维特瓦特斯兰德金矿的形成可能起了十分重要的作 用.在维特瓦特斯兰德内陆海,在缺氧的环境中,可能在硫循环微生物作用下,金从太古宇源岩中被 活化出来,呈溶液形式和被腐殖酸或硫循环的中间产物稳定,以胶体形式被搬运到江水冲积平原 上.在那里有大量原核微生物藻类存在,这种藻类沉积物后来会在通常认为是弱氧化的条件下分 解,形成具吸附性质的活性生物体沉积.在这种条件下溶液中的以氰化物络合物形式存在的金 (银),就会被选择性地吸附到这种活性物质的表面,活性碳对金铀的吸附使盆地内的金铀发生了初 研究证明经生物吸取,有机化合,碳质吸附荨成矿作用使含碳岩系中成矿元素初步富集,除少 数可能形成矿床外,若不经后期地质作用使成矿元素活化迁移和再次富集,一般都不具工业意义 现代研究结果认为,从地层中活化转移出来的成矿组分是大多数矿床的主要物质来源.对含碳岩系 中的金属矿床,成矿物质来源不仅限于含碳岩系本身,而更重要的是来自含碳岩系以外的其他地 层.构造条件是矿质沉淀的重要因素.在含碳岩系中因富古碳质,沥青,CH.,HnHS 等还原物质和 特定的还原环境,可使热液体系的氧化性减弱,使像金,银这样的金属一氰化物络台物被还原而沉 淀.由此可见,含碳岩系,特别是发生构造破碎的含碳岩系,是热液中矿床沉淀的有利场所. 1-Vh和Tourle[ol”(197.)2?Kk.pt(1979)3-c”和#他【lB8)地壳丰度古 量是Vl Tot(1970)富金屠黑色页岩地壳丰鹿量是多数小于 Vine 碳质地层中有用组分的富集可出现在不同条件下:1)在沉积和成岩作用期间;2)碳质岩石的变 质作用期间}3)受深成热液活动的影响f4)变质和深成热液活动的共 同影响;5)不同作用的复合影 响.因此矿床可以分为:1)沉积的(沉积成困的);2)变质戚囡的;3)深成热液成因的;4)变质一深成 热液成因的和5)复成因的.沉积矿床又可分为正常沉积的,热水沉积 的,火山和1 喷气沉积的变质 矿床再可分为受变质的和新生变质热液的典型的沉积矿床有Mn,V,U,Cu(?),P 火山和热水沉 积的有Mn,P,Pb,Zn,Cu.变质矿床以Pb,zn,Cu,u为特征;变质热液矿床 以Ag,U,W和稀有元 素为特征.变质一深成热液成因的以Ag,U,稀有和稀土元素为特征一复成囡的以有不同的元素为特征. 这类矿床以南非维特瓦特斯兰德地区和加拿大安大略省盲河一埃利奥特湖地区最着名.前者 以开采金为主(28—22亿年),后者以开采铀为主,沉积时间25 到21.6 亿年期间.矿化作用集中在 了一个以”生物成矿”作用为主的成矿模式.他们认为从太古宙源岩中活化溶出的金呈溶液形式和 稳定胶体形式被搬运到江水冲积平原上,在那里有大量原棱微生物藻类存在,由于兰藻群落内局部 小环境中产生氧,形成具吸附性质的活性生物体沉积一原核微生物群落或微生物藻类的遗体一干 此外,以硫为配位原子的活性物质也能吸收很稀的溶液中的铁和贱金属以碳酸盐络合物形式 富金砾岩后来被埋藏和压实,温度上升到400左右,因而使被吸附 的金还原成一个含Au— Ag金属相(含金95—98).而剩下含铁,贱金属和砷以及少量金和银的 加拿大锡尔湖矿床,由大而品位高的矿体组成.矿体沿高度褶皱变质的太古宙和早元古宙岩石 与中元古宙砂岩分开的不整合面产出.矿体位于石墨片岩附近.铀可能是从渗透到砂岩内的具氧 化能力的成矿溶液中沉淀出来的,受地温梯度影响,在200左右条 件下,水与石墨反应生成甲烷 甲烷起着一种活泼的还原剂作用,将铀从氧化流体中以沥青铀矿形式沉淀出来 加蓬奥克洛砂岩型铀矿床是氧化流体中的铀在与来自上覆富含有机质的地层中沥青接触的地 金通常以自然金的形式堆积,或以替代物的形式出现在硫化物 中.H.L-翁格等人认为,金在自 然环境中是作为胶体搬运.金被有机物分子屠保存在胶体中,如前所述的维特瓦特斯兰德金一铀矿 在加拿大安大略一魁北克省阿比提比成矿带的剪切带矿床中,金在石墨片糟中的石英脉接触 带附近发生富集.J.S斯普林认为.这是因为金在矿脉边缘还原,并优 先沉淀于碳质岩石造成的.有 前苏联穆龙套金矿,矿化主要在石英大脉或同脉中,但明显受碳质干枚岩,碳质绿泥石绢云母 天山的太古界一早元古界结晶岩层(金源层)剥蚀过程中,金及碎屑物质以机械胶体和离子溶液形 式进行搬运,与泥质,硅质和其它沉积物进入沉积盆地,由于沉积物中有机质的吸附作用使金沉淀 美国密执安州北部怀特潘铜矿床产于中元古诺萨奇组.该组由砂岩,粉砂岩,页岩及少量碳酸 重量百分比底部层三分,分别称帕廷页岩,上 部砂岩和上酃页岩.沉积环境从边缘湖相环境演变为深湖相环境,再变为活水湖泊相环境.大多数 有人认为富铜溶液迁移到诺萨奇组中与富有机碳的岩石层理相互反应,沉淀出铜,铁硫化物和 上部页岩:1.粒圾层中的块状灰色粉砂岩,厚10 50cm.往南为含粗垃砂岩层. 2.红色和灰色层t宽纹细层纹绿灰色粉砂岩和红色页岩 4.UZV层:块状深灰色粉砂岩潮含量约1.2 棕色块状层:红褐色刊灰色块状粉砂岩,底部含方解石结核,铜含量约0l. 7.上过渡层t细粒砂岩灰黑色页岩夹层.铜含量高达3.4. 上部砂岩,红色到灰色,细粒到粗牡砂岩,局部有碌岩透镜体.在中部见有檄虹色页岩和粉砂岩,含铜 帕廷页岩t1.虎纹层t宽纹理灰色粉砂岩和红色页岩. 3.DGM层:深灰色块状砂岩,铜含量约达2. 5.多米诺层t薄层层纹状灰色粉砂岩和黑色页岩,铜含量高圭勺2.5. 自然铜和自然银【Wiese1973,Kelly和Nishioka1985)铜矿一般只产在 怀特潘铜矿床元古宙沉积岩为容矿岩石,在铜从含金属流体中沉淀出来时,有机碳发生氧化 产生CO:,CO:又与金属离子结合沉淀出碳酸盐矿物.有机质还可以 起溶解在热水或热卤水中的金 属碳酸盐的还原剂的作用.硫酸盐还原后可使有机质氧化,从而可以使溶解度较低的硫化物和自然 金属沉淀下来.故有机质相对于该组不舍铜的岩层来说似乎发生了降解. 怀特潘矿山诺萨奇组舍盘属岩石和矿山外部不含盘属的岩石有机!I白特征的对比 有机碳总富集度0—05gO一28 6L,C平均值一33.00 一3304 我国贵J州省遵义县松林附近,在元古界和寒武系界线层上.在2m厚 的黑色页岩中分布有薄的 30ppm,Asl一2.5,Se2700ppm. 矿山,该矿山目前还没有生产镍和贵金属,但 绝大多数变质作用船可以使金强烈的再侈迂.由于变质作用引起的升温,升压,往往形成碱性 的变质热液.把蹩邑系中分散的金活化为可溶性络离子迁移.通过构造~暑浆作用,形成炭质板 岩(千枚岩,片岩)中的金矿.这种矿化作用可以使各种结晶石墨的大量形成.析出的金被控制在炭 苏联学者伊万金等人对黑色扳岩中金的矿化作用进行了较详细的研究.这种金矿化的特征是: 常与低级区域变质的炭质陆屑沉积岩有关;分散状的金矿化通常在纵向上和横向上延伸很大;矿石 为一组同一类型的硫化物组成(以黄铁矿和毒砂为主,少见磁黄铁矿,黄铜矿,闪锌矿,方铅矿,黝铜 矿),脉石矿物为石英,碳酸盐,钾长石,绢云母,碳质;矿石中硫化物的含量比较固定(3~5),金的 含量虽低但比较稳定;金的赋存状态多以细小的自然金产出,或在硫化物中(绝大多数在毒砂中)呈 细井散状(微米)浸染.同时也可见到金与石英,各种不同的碳质物质,菱铁矿以及铁镁碳酸盐矿物 矿床的上述特征表明,矿石是从碱性,强还原的介质中形成的,这种介质能溶解搬运金,氧化 硅,碳化氢(烃及其它),砷,锑和硫等成矿物质.金在这种溶液中不是以氯络合物迁移的,田氯络合 物是在氧化和酸性条件下存在+根本不能与”硫化物一石英一碳质”这种组台并存.金也不能完全以 硫氢络台物迁移,因它是在弱碱性介质中存在的,若在强碱巾就分解(HS 一十OH~一H.O+S 浅变质作用形成的炭质板岩金矿床,赋存在措构造断裂形成并往往被后期断裂破坏的复杂褶 媛矿床至少有两个矿化阶段:第一阶段为同生和热液阶段.硅质通道的存在表明与基底断裂有 关的海下热泉沉积的结谈状硫化物矿石.是在沉积作用螭间形成的从钻井中所取黄铁矿结核样品 从一l1.2 7.3.矿石中许多硫化物小结核具明显的多孔状黄铁矿边缘环.经分析这些黄 铁矿环中Ni,Mo,As,se的含量较结核内部高.第二阶段可能是表生阶 段,与近代区域岩溶作用有 关.因为Mo 矿物在低温荣件下碱性溶液中容易溶解.这种喀斯特化 溶液能使Mo 发生活化形成外 生环.此外.与深部古风化作用有关,类似于下一中元古界不整台铀矿形成环境中的铂族元素. 在波兰(Kucha1982)的页岩中,在加拿大及美国中央宾夕法尼亚州分布有广泛的富铝页岩, 俄克拉荷马含碳层发现全岩铂含量高达160ppb.最近在中国也发现 了Ni—M0~Pt—Au 矿床与黑 色页岩相伴的矿床,它很可能构成全球重要的Ni,Mo,和Pl 旅金属的 新资源区. 由上可知,许多矿床选择性地赋存在黑色岩层中是由于:(1)黑邑页岩层中这些元素有较高的 初始浓度;(2)由于有j=fL 碳和副矿物对流经这些岩石的内生热 力;(3)还由于黑色页有利的物理机械特胜.有较高的塑性棚窬易形成片岩.而在形成黑色页岩 曷原始成矿专属’睦方『『l『.火山喷气,深水热灰质和凝灰成圜物质起主导作用.