湖南天門山鎳鉬礦的生物成礦作用

鄭世雯

摘 要：本文通過研究湖南張家界天門山一帶早寒武世早期牛蹄塘組底部地層巖石及礦層巖石中所含化石，結(jié)合前人研究來探討牛蹄塘組底部生物群組合及特征，研究其所代表的沉積環(huán)境，展開對(duì)該地區(qū)生物成礦作用的討論。

關(guān)鍵詞：天門山；牛蹄塘組；生物組合；生物成礦

1 地質(zhì)背景

本文研究區(qū)域涉及的 5個(gè)剖面位于湖南天門山地區(qū)，該研究區(qū)屬于湘西北地區(qū)，該地區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)大地構(gòu)造單元的東南緣，上揚(yáng)子臺(tái)褶帶和江南地軸結(jié)合部位，與華南造山帶相鄰。區(qū)域構(gòu)造主要為古丈復(fù)背斜北西翼上的次級(jí)天門山復(fù)向斜。沉積建造的走向分布受NEE向深大斷裂控制。

2 生物化石組合

文中所用巖石樣品采自湖南張家界天門山云盤鄉(xiāng)（ZJJYP）、后坪（ZJJHPP、ZJJHPP2）、大坪（ZJJDPP）和三岔（HZSN）等地區(qū)牛蹄塘組的5條剖面。經(jīng)切片，制成巖石薄片和光薄片22個(gè)，在生物顯微鏡、偏光顯微鏡及反光顯微鏡下觀察并取照片。經(jīng)過挑選，得到化石標(biāo)本碎片數(shù)個(gè)，在立體顯微鏡下觀察并取照片。通過觀察發(fā)現(xiàn)在礦層樣品及礦層樣品下部巖層中發(fā)現(xiàn)有大量的孤立分散的海綿骨針和管狀化石，而藻類化石分布較均勻。

2.1 海綿骨針化石

研究薄片樣品和立體標(biāo)本時(shí)發(fā)現(xiàn)，在礦層及下層地層中均含有大量的針狀硅質(zhì)體，其切面呈圓形，殼體為雙層結(jié)構(gòu)，特征與寒武系底部牛蹄塘組黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)的海綿骨針化石類似（趙元龍，2006）。薄片樣品中可見：骨針的橫切面和縱切面，縱切面形狀可見細(xì)長(zhǎng)十字、粗短十字和長(zhǎng)軸狀，形狀較完整，最長(zhǎng)1mm左右。橫切面多為圓形，還可見其他切面，呈橢圓形。立體標(biāo)本可見大量破碎的海綿骨針化石，化石呈黑色圓柱形、圓錐形，直徑粗的達(dá)到0.2mm，中空，通過立體標(biāo)本與薄片標(biāo)本中化石對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)研究地層中海綿骨針類型多樣，主要有：四射二軸針、四射三軸針（圖2-2-2）、三射兩軸針、單軸雙射針和單軸單射（圖2-2-1）海綿骨針等幾類，未出現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)骨針類型。

薄片及標(biāo)本中所有海綿骨針化石均為硅質(zhì)，沒有出現(xiàn)黃鐵礦化的殼體，出現(xiàn)在薄片HZSN2和ZJJHPP-5中，標(biāo)本出現(xiàn)在ZJJDPP-4中，即出現(xiàn)在在礦層及礦層下部層位中，而在其他地層中未發(fā)現(xiàn)蹤跡。

2.2 管狀化石

在薄片與標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)一些管狀化石，與海綿骨針化石的特征不同，薄片中觀察可見這類化石橫切面為圓形，比海綿骨針截面直徑小，斜切面為橢圓形，縱切面為長(zhǎng)方形；標(biāo)本中可見化石碎片為圓柱狀，兩端未收縮，中心中空，殼體為三層（圖2-2-3），外層和內(nèi)層為灰黑色，中層為黑色，一些橫切面顯示由雙殼管組成，殼管具有雙層殼壁結(jié)構(gòu)，殼管由磷質(zhì)組成，一部分殼管內(nèi)為黃鐵礦質(zhì)充填，可以認(rèn)為與海綿骨針化石不同，不是海綿骨針化石。薄片中，管狀化石中心為空心，充填周圍膠質(zhì)物，為橢圓形，標(biāo)本中，在樣品ZJJHPP2-5可見大量化石碎片（如圖2-2-4），大的直徑在0.2mm左右，小的直徑小于0.1mm。由于管狀化石標(biāo)本多為碎片，無法進(jìn)行屬種的鑒定，只能將之歸類與小殼化石。以前報(bào)道現(xiàn)代熱水生物群中管狀生物非常發(fā)育，例如管狀蠕蟲，從結(jié)構(gòu)上分析，這類管狀化石與管狀蠕蟲結(jié)構(gòu)很相似（趙元龍等，2006；施春華等，2013；范振剛，2007；魏懷瑞，2008）。

本文發(fā)現(xiàn)的管狀化石有硅質(zhì)和磷質(zhì)兩種類型，少量管狀化石黃鐵礦化，在薄片HZSN2和ZJJHPP-5中多見，ZJJDPP2-5樣品中，含有管狀化石標(biāo)本。與海綿骨針化石出現(xiàn)的層位一致，均為含礦層和礦層下部地層。

圖2-2 湖南天門山牛蹄塘組底部生物化石標(biāo)本

1立體顯微鏡×5，層ZJJDPP-4中產(chǎn)出，單軸海綿骨針化石，細(xì)棒狀；2透光×10，薄片HZSN2，礦層，含藻類、海綿骨針?biāo)纳淙S針；3立體顯微鏡×5，層ZJJHPP2-5產(chǎn)出，管狀化石很切面，可見三層殼壁結(jié)構(gòu)，中空；4立體顯微鏡×5，層ZJJHPP2-5產(chǎn)出，細(xì)管狀、粗圓柱狀管狀化石碎片；照片中比例尺均為1mm

2.3 藻類化石

薄片中藻類化石多以團(tuán)粒和與微細(xì)粒黃鐵礦顆粒形成草莓狀黃鐵礦的形態(tài)存在，一些藻類黃鐵礦化，形成藻紋層結(jié)構(gòu)。在團(tuán)粒中心，藻類為球狀，外部不斷增長(zhǎng)，形成結(jié)核，也有大量藻團(tuán)粒聚集形成大片不規(guī)則團(tuán)塊。如圖所見藻類，沒有根系，應(yīng)為浮游藻類。草莓

狀黃鐵礦中的藻類特殊（吳朝東等，1999），缺氧環(huán)境下，現(xiàn)代大洋中脊存在的黑煙囪周圍，藻類和細(xì)菌共生，不進(jìn)行有氧呼吸，因細(xì)菌為厭氧細(xì)菌，直接吸收硫化物為自身供給，而吸收硫化物同時(shí)，直接大量吸收海水中的金屬物質(zhì)，形成多金屬礦床（楊瑞東等，2005）。牛蹄塘組樣品薄片的鏡下觀察可見草莓狀黃鐵礦層與重晶石互層的結(jié)構(gòu)，推測(cè)為熱水間接性噴發(fā)，所產(chǎn)生的紋層。因此推測(cè)牛蹄塘組底部形成期間藻類生物群異常繁盛。在黃鐵礦富集樣品中，藻類化石也非常富集。

同海綿骨針相似在薄片HZSN2和ZJJHPP-5中含有大量未黃鐵礦化藻類化石，這類藻化石在偏光鏡和反光偏光鏡下均為不透明的黑色團(tuán)狀物，推測(cè)含有機(jī)質(zhì)含量極高。

3 生物與元素富集

一些研究者曾在湖南西北部地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色巖系中發(fā)現(xiàn)大量的“微古植物”化石、放射蟲、海綿骨針化石等多種微體化石，地層中還出現(xiàn)有豐富小殼化石，藻類等低等海相低等生物碎片，這些化石的存在都說明在牛蹄塘組沉積物中菌、藻類得到了大量的繁殖，至化石堆積，保存較多（羅衛(wèi)，2010）。而研究表明，菌藻類生物對(duì)于富集鎳、鉬、釩、鈾多種金屬元素有著十分重要的作用，如菌藻類沉積，鎳、鉬釩等多種金屬元素常呈緊密薄層覆蓋于寒武系底部磷質(zhì)巖、磷塊巖之上，與現(xiàn)代大洋錳結(jié)殼的賦存方式相類似。一些磷質(zhì)結(jié)核中心為碎屑狀礦石成分，有時(shí)結(jié)核中心為硅質(zhì)化石碎屑（圖3-1-1），而其部圈環(huán)繞著隱晶硅質(zhì)層，黃鐵礦層及極薄的鐵鎳硫化物層。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，湖南天門山地區(qū)含礦地層與含礦地層下部地層中出現(xiàn)大量分散的海綿骨針結(jié)構(gòu)、管狀化石結(jié)構(gòu)、一些微小的細(xì)菌結(jié)構(gòu)、似細(xì)菌結(jié)構(gòu)和分散的浮游藻類礦化結(jié)構(gòu)（3-1-3），這些都說明在成礦過程中有微生物的直接參與。在該地區(qū)地層碳質(zhì)頁巖中還可以見到少量的瀝青斑點(diǎn)（圖3-1-2）及富含有機(jī)質(zhì)等，通過這些證據(jù)都證明了生物在富集鎳鉬多金屬元素及磷等非金屬元素過程中起的重要作用，可以認(rèn)為，海生微生物在使海底沉積物中金屬元素、微量元素、稀土元素富集成礦的作用中起到了一定作用的主導(dǎo)因素，是各種元素富集的主要因素之一。

圖3-1 生物礦化結(jié)構(gòu)

1 單偏光×10，中心為碎屑的結(jié)核； 2 正交偏光×4，瀝青斑點(diǎn)； 3 反光×10，晶粒狀的黃鐵礦

通過研究和對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，湖南天門山下寒武統(tǒng)底部牛蹄塘組生物群中的海綿骨針化石和管狀化石分布于礦層、礦層之下的巖層中，出現(xiàn)在樣品HZSN2、ZJJHPP-5、ZJJHPP2-5和ZJJDPP-4中。團(tuán)塊型的藻類在各剖面的礦層中分布，而黃鐵礦化的藻類在礦層及礦層下層均有廣泛分布。分布在礦層中的海綿骨針化石和一些藻類化石基本保持了原本生物體礦物成分，未黃鐵礦化，推測(cè)這些海綿骨針和藻類為快速生長(zhǎng)堆積并快速沉積成巖，并未遭到后期的改造。而其他黃鐵礦化的管狀化石和藻類有可能在沉積過程中就開始吸收海水中的礦物陽離子，并與自身結(jié)合，形成薄片中所見黃鐵礦化。

4 結(jié)論

通過對(duì)牛蹄塘組底部實(shí)測(cè)剖面研究，結(jié)合巖石薄片與生物標(biāo)本化石的觀測(cè)，與現(xiàn)有資料進(jìn)行對(duì)比，本文對(duì)湖南天門山地區(qū)牛蹄塘組地層、生物組成以及該地區(qū)礦床的生物成礦作用有了初步了解。得出以下結(jié)論：

1.通過研究湖南天門山牛蹄塘組底部巖石樣品及樣品薄片，發(fā)現(xiàn)礦層巖石的硅質(zhì)海綿骨針化石、管狀化石及藻類化石的組合，黃鐵礦化藻類分布于各地層中，而海綿骨針、管狀化石和部分未礦化的藻類存在于礦層及礦層下層地層中。湖南天門山地區(qū)的生物群僅含有海綿骨針、管狀化石和藻類化石，未出現(xiàn)“松林生物群”中所含生物特征，推測(cè)該生物群并不屬于已發(fā)現(xiàn)的“松林生物群”，僅可能是小殼動(dòng)物群出現(xiàn)后，松林生物群之前的一次小規(guī)模的生物事件。

2.經(jīng)過研究還發(fā)現(xiàn)，湖南天門山地區(qū)含礦地層與含礦地層下部地層中出現(xiàn)大量分散的海綿骨針結(jié)構(gòu)、一些微小的細(xì)菌結(jié)構(gòu)、似細(xì)菌結(jié)構(gòu)和分散的浮游藻類礦化結(jié)構(gòu)，這些都說明在成礦過程中有微生物的直接參與。在該地區(qū)地層碳質(zhì)頁巖中還可以見到少量的瀝青斑點(diǎn)，且地層中富含有機(jī)質(zhì)，通過這些證據(jù)都證明了生物在富集鎳鉬多金屬元素及非金屬元素過程中起的重要作用。

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