峽東地區(qū)的“三峽奇石”
——沉積結核

張先進, 彭松柏, 李華亮 , 易順華 , 胡升奇

1) 中國地質大學地球科學學院, 武漢, 430074; 2) 中國地質大學/教育部長江三峽庫區(qū)地質災害研究中心, 武漢, 430074

內容提要：峽東地區(qū)大量發(fā)現(xiàn)的具有極大觀賞價值的三峽奇石，實際上是夾持在沉積巖中的同生大型鈣(硅)質沉積結核。通過對這些奇石野外特征、內部組成、形成環(huán)境等方面的研究，表明它們應該是形成于強還原環(huán)境中陸棚淺?！獪?海灣)盆地，穩(wěn)定水動力條件下的產物。本文借鑒 “人工合成錳礦物實驗及其產物”報道的經驗和“晶體成核理論”以及國外有關學者的近期研究見解，全面深入地分析、討論了該類罕見的同生鈣質結核的形成機理。

最近20年來，在三峽庫區(qū)不少城市的旅游景點、奇石園中，往往可見透鏡石、飛碟石、梅花石、烏龜石、怪獸石，葫蘆石，甚至彌勒佛像石等多種形態(tài)的奇石，其具有極大觀賞和收藏價值，吸引了大量游客駐足觀賞。它們既不是當今奇石市場上通常稱謂的“畫面石”，也不是經過流水沖刷、風沙磨蝕作用形成的“普通像形石”，而是與同生沉積、成核、成巖作用等具有密切的成因關系。

國內外關于鈣質結核的研究，一般分為同生，成巖及后生三種成因類型。一些國內學者對后生結核(劉彬昌，1980；鄭鐵民等，1986；單連芳等，1987；王振宇，1990；滕志宏等，1990；滕志宏等，1991；樓章華等，1993)、成巖結核 (李立文等，1985；王玉明等，2006；鐘福平等，2011)做過較多研究，對同生結核的研究則相對較少(董進，2009； 董進等，2009)，而國外學者則做過較多研究 (Hudson, 1978; Duck, 1990;Lash et al., 2004 )。而峽東地區(qū)的沉積結核三峽奇石前人少有詳細報道和深入研究，長期以來一直被簡單描述為沉積透鏡體或鍋底灰?guī)r(湖北省地質礦產局，1984)，一些學者也認識到其實質是罕見類型的沉積結核 (董進，2009；董進等，2009)，其沉積環(huán)境特殊，形成機理與通常所謂錳、磷、燧石結核的成因有一定類似之處，也有較多不同之點。

因此，探索與闡明峽東地區(qū)產出的該種沉積結核體的發(fā)育特征、形成條件和形成機理，不僅是當今社會大眾均感興趣的問題，而且更具有沉積巖石學研究的理論意義。

1 野外地質特征

1.1 產出地域

區(qū)域地層資料表明，該沉積結核三峽奇石主要產出在秭歸、巴東、枝江、宜昌一帶，方圓為數百平方千米的地方，平面圈閉為近東西弧形走向的長條形地帶(湖北省地質礦產局，1984)。跨出這一范圍：向北至興山、遠安、當陽，向南至五峰、宜都，向西至建始、恩施之后，震旦系陡山沱組第四段( Z1d4)的地層已大部分尖滅；寒武系水井沱組(∈1sh)的地層厚度減小，巖性也有較大變化。該沉積結核產出地域變化的標志主要體現(xiàn)在兩個方面：其一，極少見有灰質白云質的透鏡體，其二，可見生物和流水擾動現(xiàn)象并發(fā)育較多生物化石。

1.2 賦存層位

沉積結核三峽奇石主要賦存在震旦系陡山沱組第四段(Z1d4)和下寒武系統(tǒng)水井沱組(∈1sh)的兩套地層之中，兩套地層均由黑色頁巖、碳質頁巖、高碳質頁巖、碳質硅質頁巖，夾少量薄層或透鏡狀鈣質頁巖、泥灰?guī)r、微晶灰?guī)r和微晶灰質白云巖等巖性組合而成；其特征為無底棲生物和流水擾動現(xiàn)象，生物化石稀少。

圖 1 峽東地區(qū)沉積結核三峽奇石Fig. 1 Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion in Eastern Three Gorges Area(a) 透鏡石; (b) 飛碟石; (c) 梅花石; (d) 烏龜石; (e) 怪獸石; (f) 葫蘆石; (g) 二像奇石: 腹部顯示彌勒佛像; (h) 二像奇石: 背部顯示烏龜石(a) lens-shaped stone; (b) UFO(flying saucer)-shaped stone; (c) plum-shaped stone; (d) turtle-shaped stone; (e) monster-shaped stone; (f) gourd-shaped stone; (g) two facing stone: abdomen, showing maitreya buddha; (h) two facing stone: back, showing stone turtle

1.3 空間形態(tài)

按奇石命名原則，具體可見：① 雙面凸起、中心最厚、由中心至邊緣逐漸變薄的透鏡石(圖1a); ② 雙面凸起、中心最厚、由中心至邊緣突然變薄的飛碟石(圖1b); ③單面凸出、一個中心、總體為餅狀，但邊緣有連續(xù)缺口，總體狀似梅花的梅花石(圖1c); ④ 由一大一小兩個中心結合形成，具有烏龜形態(tài)的烏龜石(圖1d); ⑤由多個大小不一的中心結合形成，具有怪獸形態(tài)的怪獸石(圖1e); ⑥由一大一小兩個中心疊置在一起形成，具有葫蘆形態(tài)的葫蘆石(圖1f)，以及腹部表征彌勒佛像，背部表征烏龜像的“二像奇石”(圖1g、h)等。在上述沉積結核三峽奇石中，透鏡石的發(fā)育最為普遍；飛碟石、烏龜石、怪獸石、梅花石、葫蘆石的發(fā)育比較難見；二像奇石的發(fā)育，則極為罕見、獨一無二。

圖 3 團塊狀內核的的沉積結核三峽奇石Fig. 3 Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion with blocky cores(a) 內核為粘土、方解石、白云石礦物集合體；(b) 內核為黃鐵礦集合體(a) kernel is displayed as clay, calcite, dolomite mineral aggregates；(b) kernel is displayed as pyrite aggregates

圖 2 沉積結核三峽奇石發(fā)育的紋層或圈層與圍巖的層理具協(xié)調空間關系Fig. 2 Harmonious distribution relationship between laminae or circular layer developed in Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion and bedding in country rock

此外，沉積結核三峽奇石可進一步細分為單體和復合體。其中，圍繞一個中心逐漸長大成形的為單體；圍繞二個甚至三個中心逐漸長大成形的為復合體。例如，透鏡石、飛碟石、梅花石(圖1a、b、c)就是圍繞一個中心逐漸長大成形的單體，烏龜石(圖1d)是圍繞二個中心逐漸長大成形的平面二連復合體，葫蘆石(圖1e)是圍繞二個中心逐漸長大成形的剖面二連復合體，怪獸石(圖1f)則是圍繞多個中心逐漸長大成形的三維多連復合體。

圖 4 (a)、(b) 、(c) 結核從里到外的偏光顯微鏡圖像Fig. 4 Polarizing microscope images of sedimentary concretion from inside to outside： (a), (b), (c)

從天然陡坎中脫落和人工采石場剝露的樣本上我們觀察到，該沉積結核的實際空間幾何形態(tài)總體呈現(xiàn)三大類型：① 占絕大多數的a=b>c扁球體，② 占少數的a=b

表 1 A、B、C三個結核由內而外的組分含量分析(%)Table 1 The component content analysis (%) from inside to outside of the three sedimentary concretion A, B, C

注：湖北省地礦局鄂東北實驗室分析。

1.4 與圍巖的關系

本文所研究的沉積結核主要賦存于震旦系陡山沱組第四段(Z1d4)和下寒武系統(tǒng)水井沱組(∈1sh)兩這套地層之中；寒武系水井沱組的沉積厚度為40～80m，震旦系陡山沱組第四段的沉積厚度為20～60m。沉積結核往往以50～300 cm的間距順層生長于圍巖之中，具體可見4～6個層位，每個具體層位圍巖的厚度，一般為0.5～2.5 m。在剖面上該沉積結核三峽奇石呈竄珠狀產出，在平面(層面)上呈“二維點陣式”均勻或不完全均勻分布。在野外三維空間露頭上，它們的產出狀態(tài)與圍巖地層的層面有關，其a、b二軸通常與圍巖地層的層面持平行關系，c軸通常與圍巖地層的層面持垂直關系。a、b、c三軸與圍巖地層的層面持斜交關系的情況，幾乎完全不存在。

沉積結核三峽奇石發(fā)育的紋層或圈層與圍巖的層理具協(xié)調空間關系。這祌關系的具體表現(xiàn)是：結核的層理絕不切穿圍巖的層理；當圍巖層理延伸至結核時，圍繞結核發(fā)生彎曲變化；離開結核之后，恢復正常狀態(tài)(圖2)。

沉積結核三峽奇石與圍巖的物質成分有顯著差別。前者的巖性總體表征為含泥質灰?guī)r或含泥質白云巖，后者的巖性總體表征為碳質、含碳質的泥巖或頁巖。二者呈突變接觸關系。

2 內部組成特征

沉積結核三峽奇石由內核和殼體兩大部分組成。內核和殼體直徑的比例，一般為1∶3～1∶6。該結核的內核呈團塊狀發(fā)育。在多數情況下，由粘土、方解石、白云石等礦物組成(圖3a)；在少數情況下，為黃鐵礦集合體(圖3b)。其殼體具紋層或圈層構造。其中，每一紋層的厚度為1～3mm，圈層數量為5～330個(與奇石大小有關)；組成礦物為粘土、方解石、白云石等(圖3a)。

圖 6 沉積結核三峽奇石CaO—SiO2(a)、(b)、(c)和MgO—SiO2(d)、(e)、(f)圖解Fig. 6 CaO—SiO2(a) , (b) , (c) and MgO—SiO2(d), (e), (f) diagrams of Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion(a)、(d) 結核A；(b)、(e) 結核B；(c)、(f) 結核C(a), (d) concretion A；(b) , (e) concretion B；(c) , (f) concretion C

為詳細了解沉積結核三峽奇石由內核到殼體邊緣的成分變化特征，我們采用了兩祌觀察研究手段：

(1)巖石薄片分析；通過普通偏光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，該結核由內而外礦物成分及變化特征表現(xiàn)為石英和粘土礦物逐漸減少，方解石、白云石逐漸增多。按形成的巖石名稱描述，依次為：(a) 灰質或白云質泥巖，(b) 泥質灰?guī)r或白云巖，(c) 含泥質灰?guī)r或白云巖(圖4a、b 、c)。

圖 5 微型鉆孔系統(tǒng)取樣照片F(xiàn)ig. 5 Sampling photo of micro-drilling system

(2)地球化學分析；選取A、B、C三個結核體，通過微型鉆孔系統(tǒng)取樣(圖5)，獲取該鈣(硅)質結核三峽奇石由內而外的常量元素化學成分及變化特征的有關數據(表1)。在CaO—SiO2(圖6a、b、c)和MgO—SiO2(圖6d、e、f)圖解中，可以看出結核由核部到邊緣，隨著SiO2逐漸減少，具有CaO 、MgO逐漸增加變化趨勢。此一規(guī)律，在A(圖6a、d)、B(圖6b、e)、C(圖6c、f)三個結核中表現(xiàn)極好。

顯然，以上兩種研究分析手段獲得的結果非常吻合，均說明沉積結核三峽奇石由內核到殼體邊緣的成分變化，具有泥質減少，鈣質、鎂質增加的特征。

3 形成環(huán)境及其機理

3.1 形成環(huán)境

在沉積結核三峽奇石產出的地域范圍內，1∶20萬巴東幅(湖北省地質礦產局?) 、奉節(jié)幅(四川省地質局?)，1∶25萬宜昌幅(湖北省地質調查院?)、建始幅(湖北省地質調查院?) 區(qū)域地質調查報告一致認為，震旦系陡山沱組第四段( Z1d4)以及下寒武統(tǒng)水井沱組(∈1sh)地層，均是海相沉積的產物，并且其沉積結核的殼體具深灰，圍巖具黑色，內核有時可見全部由黃鐵礦集合體構成，圍巖中含有一定數量黃鐵礦晶體的特點，均反映它們應該是還原、甚至強還原環(huán)境的產物。

圖 7 結核的成因類型Fig. 7 Genetic types of sedimentary concretion(a) 同生結核；(b) 成巖結核；(c) 后生結核(a) syngenetic concretion；(b) diagenetic concretion；(c) epigenetic concretion

沉積結核三峽奇石的圍巖地層內，不發(fā)育底棲生物化石記錄的特征指示，在沉積結核三峽奇石形成的過程中，以秭歸為中心的此一沉積盆地的中心地帶，其水體深度應該為淺水至半深水，具體形成深度在50～200余米(湖北省地質礦產局，1984)。此外，在其結核賦存的圍巖中，具有無流水擾動現(xiàn)象和生物化石稀少的特征，以及通過沉積和自由生長作用形成的三峽奇石具有千姿百態(tài)的形體特點，均說明了沉積結核三峽奇石是形成在平靜、滯流，而不是動蕩、湍激的流水環(huán)境。

現(xiàn)已研究表明，峽東地區(qū)陡山沱組、水井沱組這兩套巖石地層均是陸棚淺海相的產物(湖北省地質礦產局，1984)；在對貴州江口與峽東地區(qū)陡山沱組第四段沉積的灰黑色含碳質泥巖、頁巖夾灰色薄一中厚層狀白云巖、透鏡狀白云巖的研究中，也表明其屬于局限淺海(海灣)相巖相古地理的產物(喻美藝等，2005)。綜合考慮沉積結核三峽奇石形成古地理環(huán)境的獨特、罕見性，以及在各個地史時期極少可見完全類同例證的情況，我們最終認定，陸棚淺海—滯流(海灣)盆地可能是沉積結核三峽奇石形成的確切古地理環(huán)境。

3.2 形成機理

依據結核與圍巖層理的相互關系，沉積結核的形成機理包括同生結核、成巖結核和后生結核等三種情況(樂昌碩，1984；地球科學大辭典編輯委員會，2006；陳建強等，2011)：

(1)同生結核：結核體與沉積物同時形成，即在沉積過程中某些礦物圍繞其核心物質，層層凝聚而成。例如，石灰?guī)r中含有的燧石結核，砂巖中含有的鐵質結核，以及現(xiàn)代海底的鐵錳結核等。同生結核的特點是結核體不切穿圍巖的層理，而圍巖的層理卻圍繞結核發(fā)生彎曲變化(圖7a)。

(2)成巖結核：沉積物在成巖過程中，由于物質重新分配而形成。它的特點是結核體部分切穿層理，部分被層理包圍(圖7b)。

(3)后生結核：形成于沉積物固結之后，在巖石的裂縫或層里面上，由于地下水的滲濾、交代及充填作用而生成。它的特點是呈不規(guī)則狀或樹枝狀團塊，明顯切穿圍巖層理，圍巖層理沒有彎曲現(xiàn)象(圖7c)。例如，在我國北方黃土地層中廣泛發(fā)育的“姜結石” (劉彬昌，1980；鄭鐵民等，1986；單連芳等，1987；王振宇，1990；滕志宏等，1990；滕志宏等，1991；樓章華等，1993)，就是通過此一機理形成的。

對照上述三祌情況可知，峽東地區(qū)沉積結核三峽奇石的形成，應該屬于同生結核的形成機理。換言之，是富含鈣、鎂的真溶液，與富含泥質的膠體溶液相互作用，共同沉淀的產物。

4 形成的影響因素

4.1 水環(huán)境條件

眾所周知，鮞?；?guī)r的形成與波浪和潮汐作用有關。在波浪和潮汐的作用下，引起水介質的攪動，每攪動一次，生物碎屑、球粒、內碎屑、陸源碎屑等便處于懸浮狀態(tài)，同時促使二氧化碳從水體中逸出，過飽和的碳酸鈣(文石針)圍繞碎屑顆?！澳鄢恋怼毙纬砂鼩ぃ@樣周而復始的攪動，便形成具有一圈圈同心紋包殼的鮞粒。當鮞粒達到一定大小，其質量超過波浪、水流攪動的能量，便堆積在海底，不再被攪動，并為亮晶方解石膠結，形成亮晶鮞?；?guī)r。 鮞狀赤鐵礦和錳、磷結核的形成，基本雷同鮞?；?guī)r(楊勝雄等，1989；雷加錦等，2000)。

圖 8 現(xiàn)代海洋沉積—水界面下地球化學環(huán)境分帶(據Roberts et al., 2005; 董進等, 2009修改)及沉積結核可能的生長模式Fig. 8 Geochemical environment zoning below modern marine sediment — water interface (modified from Roberts et al., 2005; Dong et al., 2009) and probable growing methods of sedimentary concretion

研究發(fā)現(xiàn)，沉積結核三峽奇石具有千姿百態(tài)的形態(tài)，以及絕大多數為a=b>c的扁球體，少數為a=b

當前，關于物質凝聚成核控制機理的研究，主要針對“晶體成核理論”(劉光照等，1981)而言，對同沉積過程中發(fā)生的巖石或礦物集合體的成核，僅指出了“與凝聚作用有關”的認識。例如，大量文獻在論及鮞?；?guī)r、鮞狀赤鐵礦、錳結核等沉積地質體時，均提到了凝聚作用，但是，均沒有指出導致凝聚作用發(fā)生的具體原因或控制機理。

值得一提的是，國外學者(Berner, 1981; Kasten et al., 2003; Roberts et al., 2005)在研究現(xiàn)代海洋沉積物發(fā)生過程時認識到，在富含有機質的現(xiàn)代海洋中，從沉積—水界面往下根據反應物和生成物不同可分為：① 有機質氧化; ② 硝酸鹽、錳和鐵離子還原; ③ 硫酸鹽還原; ④ 甲烷生成等 4個成巖帶(圖8)。并強調指出：

圖 10 結核中(a)和圍巖中(b)紙房狀構造(據Lash et al，2004)Fig.10 Card-house structure in concretion(a)and country rock(b)(after Lash et al，2004)(a) 為結核中板狀碎屑礦物紙房狀構造；(b) 為圍巖中板狀碎屑礦物壓實后平行層面的定向排列(a) Card-house structure of the platy detrital minerals in sedimentary concretion；(b) The platy detrital minerals directional arrangement of parallel bedding surface after compaction in country rock

4.2 圍巖的壓實、沉積速率條件

4.2.1 圍巖的壓實

沉積結核三峽奇石在成巖之后，不存在滑動及顯著受力壓扁的變形特征。支持這一認識的證據為：① 三峽奇石具有的千姿百態(tài)，自由生成的形態(tài)普遍未遭受破壞; ② 三峽奇石的表面通常不發(fā)育擦痕構造; ③ 當三峽奇石內核由黃鐵礦集合體構成時，其邊緣往往呈現(xiàn)完美風景畫面(圖9)。

圖 9 由沉積結核三峽奇石內核黃鐵礦集合體表征的無變形風景畫Fig. 9 Pyrite aggregates of inner core showing no deformation landscape in Three Gorges landscape stones of sedimentary concretion

圖 11 結核中(a)和圍巖中(b)膠黃鐵礦掃描電鏡背散射圖Fig.11 SEM back-scattering map of greigite in concretion(a) and rock(b) (a) 結核中發(fā)育的草莓狀黃鐵礦(據Roberts et al., 2005); (b) 為圍巖中發(fā)育的自形黃鐵礦(據Chang et al., 2008); G—膠黃鐵礦，Py—黃鐵礦，Sid—菱鐵礦(a) strawberry pyrite developed in concretion(after Roberts et al., 2005); (b) euhedral pyrite developed in country rock(after Chang et al., 2008); G—greigite，Py—pyrite，Sid—siderite

此外，國外學者(Moon,1972; Zabawa,1978; Duck,1990; Lash et al，2004; Roberts et al., 2005; Chang Liao et al., 2008 ) 以黃鐵礦和粘土礦物為研究對象，以鈣質結核、圍巖為比較研究目標，觀察到：結核中，粘土礦物具有保持完好的紙房狀構造(圖10a)，黃鐵礦往往呈草莓狀晶形(圖11a)；而圍巖中，粘土礦物的紙房狀構造呈現(xiàn)壓扁并定向排列特征(圖10b)，黃鐵礦幾乎全部為自形晶體(圖11b)。此外，對鈣質結核三峽奇石和圍巖中的粘土礦物和黃鐵礦的研究，也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象(董進，2009)。以此為據，結合圍巖層理圍繞結核發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，我們指出：雖然圍巖地層卻表征了顯著壓扁特征，但這些結核形成之后，產生了抵抗壓實作用的能力，使結核并未受到強烈的壓實作用。

4.2.2 圍巖的沉積速率

一般認為，沉積速率(V)等于原始沉積厚度(H)除以地層形成的時間間隔(△t),而原始沉積厚度與壓實量之間遵循以下的換算公式,即H=h/(1-k),其中,h和k分別代表地層厚度和壓實量。如果研究對象是泥頁巖，其壓實量(k)為62.5%(耿良玉，1986)。按水井沱組現(xiàn)今所見平均厚度等于60m進行計算，其原始沉積厚度大約為H=60/(1-62.5%)=160m。按陡山沱組第四段平均厚度等于40m進行計算，其原始沉積厚度大約為H=40/(1-62.5%)=107m。

中國區(qū)域年代地層表(全國地層委員會，2002)提供的數據認為，寒武系水井沱組的形成經歷了7.5Ma ，陡山沱組第四段的形成經歷了12.5 Ma時間(董進，2009a)。

依據上述原則及有關數據進行計算可知，水井沱組的沉積速率V=160 m/7.5Ma=21.3 m/Ma=21.3 mm/ka；陡山沱組第四段的沉積速率V=100 m/12.5Ma = 8.6 m/Ma=8.6mm/ka。由于沉積結核三峽奇石沉積結核是同生鈣質結核，因此，有充分理由認為，結核與圍巖的沉積速率大體應該一致。按圍巖21.3～8.6 mm/ka的沉積速率，以個體較大，C軸(結核厚度)達1.5 m 的奇石進行估算，其形成的時間，大約需要70～ 174 ka。

5 結語

(1) 通過對沉積結核三峽奇石野外特征、內部組成、形成環(huán)境等方面深入、細致地分析、討論，指出其應該是在極穩(wěn)定水動力條件下，發(fā)育于強還原環(huán)境中陸棚淺?！獪?海灣)盆地的產物。

(2) 長期以來，不少學者普遍認為鈣質結核或灰?guī)r透鏡體在成巖后期遭受了強烈的壓扁變形作用。本文以4個方面重要現(xiàn)象為依據指出，沉積結核三峽奇石，在成巖后期實際表現(xiàn)具有抵抗壓實作用的非常能力。這一認識，將對傳統(tǒng)理念有較大沖擊作用。

(3) 本文從沉積地球化學研究角度出發(fā)，全面深入地分析、討論了同身生鈣質結核的形成原因，完善了鈣質沉積結核凝聚成核的研究機理。

致謝： 沉積結核三峽奇石，是中國地質大學(武漢)秭歸基地教學實習的重要內容之一，有關師生對這一地質現(xiàn)象的形成過程、控制機理倍感關注，為本文的寫作提供了大量照片和有關數據； 中國地質大學(武漢)的碩士生吳林波同學對文章的寫作提供了幫助；匿名審稿人提出了寶貴的意見和建議；在此一并致謝！

注釋/Notes

? 湖北省地質礦產局. 1984. 1∶20萬巴東幅區(qū)調報告. 武漢: 湖北省地質礦產局.

? 四川省地質局. 1980. 1∶ 20萬奉節(jié)幅區(qū)調報告. 成都: 四川地質局.

? 湖北省地質調查院. 2005. 1∶25萬宜昌幅區(qū)域地質調查報告. 武漢: 湖北省地質調查院.

? 湖北省地質調查院. 2005. 1∶25萬建始幅區(qū)域地質調查報告. 武漢: 湖北省地質調查院.