浙江省“ 硒庫(kù)”
—— 寒武系黑色巖系面面觀

□ 浙江省地質(zhì)調(diào)查院 劉 健 汪一凡 林鐘揚(yáng) 潘少軍

隨著富硒農(nóng)產(chǎn)品的適生性研究及重金屬污染防治工作的不斷深入，黑色巖系對(duì)土壤環(huán)境的影響越來(lái)越受到人們的重視，浙江省在近十幾年積極開(kāi)展農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查與研究。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，浙江省內(nèi)的絕大多數(shù)富硒土壤分布區(qū)與黑色巖系出露范圍吻合性較好，因此，“黑色巖系”被譽(yù)為浙江省“硒庫(kù)”。本文從地質(zhì)學(xué)角度簡(jiǎn)要介紹浙江省黑色巖系的相關(guān)知識(shí)，使相關(guān)工作者對(duì)黑色巖系有更加全面的認(rèn)識(shí)。

一、黑色巖系的定義

說(shuō)到“富硒土壤”，人們自然而然就想到了“黑色巖系”，富硒土壤源于黑色巖系已經(jīng)成為業(yè)界的一個(gè)共識(shí)。那么到底什么是“黑色巖系”？黑色巖系是指含有機(jī)碳（有機(jī)碳含量接近或大于1%）及硫化物（鐵硫化物為主）較多的深灰——黑色的硅質(zhì)巖、碳酸鹽巖、泥質(zhì)巖及其變質(zhì)巖石的組合體系，是還原性巖石。黑色巖系的主要端元組成是黑色硅質(zhì)巖、碳酸鹽巖、泥質(zhì)巖（可能還包括砂巖）。黑色碳酸鹽巖可據(jù)方解石、白云石的含量區(qū)分為灰?guī)r、白云巖；黑色泥質(zhì)巖可據(jù)粉砂（或黏土礦物）含量劃分為粉砂巖和黏土巖等。黑色巖系具有多類(lèi)型和成因多樣化特點(diǎn)，不同的黑色巖系反映不同地質(zhì)背景和沉積缺氧環(huán)境。因此，黑色巖系并不是通常所認(rèn)為的黑色頁(yè)巖，而是在特定環(huán)境下沉積的一整套巖石組合。

二、黑色巖系的分布

黑色巖系作為特定環(huán)境下沉積的產(chǎn)物，其分布具有其特殊性。浙江省黑色巖系位于下寒武統(tǒng)荷塘組地層中，主要分布于浙西北開(kāi)化、昌化、德清、江山、建德、諸暨等地，出露面積不大，大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的東南緣、江山—紹興拼合帶北西側(cè)，呈北東向條帶展布（圖1）。

該層位與滇東的筇竹寺組和滄浪鋪組下部、黔北的牛蹄塘組和明心寺組、鄂西的水井沱組相當(dāng)，主要由黑色薄層碳質(zhì)硅質(zhì)巖、碳質(zhì)硅質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、石煤層夾灰?guī)r透鏡體及磷礦層組成，其下部地層為上震旦統(tǒng)燈影組白云巖或皮園村組薄板狀碳質(zhì)硅質(zhì)巖，兩者呈平行不整合或整合接觸關(guān)系，上部地層為中寒武統(tǒng)大陳嶺組條帶狀白云質(zhì)灰?guī)r，兩者呈整合接觸關(guān)系。

▲ 圖1 浙江省荷塘組地層分布圖

三、黑色巖系與礦產(chǎn)

浙江省寒武系荷塘組黑色巖系地層中富集元素較多，富集程度高的有 Mo、Se、Cd、Ag、Sb、U、As、P，較富集的有V、B、Cu、Tl、Zn，弱富集的有 Au、Pt、Pb、Ni，因此具有尋找鉬、磷、礬和有色金屬礦產(chǎn)的潛力。根據(jù)微量元素的豐度，結(jié)合浙江省礦產(chǎn)及圍巖時(shí)代的分析，業(yè)界將其確定為銅、鉛、鋅、釩、鎳、鉬、鈾、銀等的礦源層。20世紀(jì)70年代以來(lái)，在浙江省西部地區(qū)廣泛開(kāi)展了石煤、釩、磷等礦產(chǎn)的勘查工作。已發(fā)現(xiàn)石煤礦床43處，釩礦床（點(diǎn)）9處，其中中型礦床5處，小型礦床3處、礦點(diǎn)2處，小型磷礦床5處。

浙西寒武系底部黑色巖系中，底部有一厚度不等的磷塊巖（結(jié)核）層，部分地段鈾的含量較高，可達(dá)到工業(yè)品位。在磷塊巖（結(jié)核）層之上為金屬層或石煤層，金屬層的厚度與磷塊巖的發(fā)育呈正相關(guān)，與石煤層的厚度呈負(fù)相關(guān)。石煤中伴生有釩、鎳、鉬、鈦、銅、鉛、鋅、鋇、鈾、銀、砷、汞和稀土等，其中的釩、鎳、鉬、銅、鋅、鋇、鈾、銀和稀土具有綜合利用的價(jià)值。在石煤層或其上部的碳質(zhì)頁(yè)巖中含黃鐵礦層，在部分地段可富集成礦。黑色巖系以富集親銅、親鐵、分散、鉑族、放射性及稀土等元素為特點(diǎn)，大量研究已發(fā)現(xiàn)許多大型、超大型礦床與黑色巖系有關(guān)。

四、黑色巖系與環(huán)境

黑色巖系地層中富集元素較多，特別是富集了較多的重金屬元素。巖石中如此高含量的元素，特別是As、Cd、Se、Mo、Ni、U 等 在 風(fēng)化過(guò)程中會(huì)進(jìn)入水和土壤中，勢(shì)必對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。浙江省生態(tài)地球化學(xué)研究已證實(shí)浙西北地區(qū)土壤中As、Cd、Ni高含量與荷塘組地層有關(guān)。最近開(kāi)展的土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查工作發(fā)現(xiàn)，浙江省建德市的鎘超標(biāo)土壤分布范圍與荷塘組黑色巖系的出露范圍具有很好的空間吻合性，說(shuō)明了土壤中的鎘元素來(lái)源于荷塘組黑色巖系。有研究指出，硒在荷塘組地層的富集系數(shù)高達(dá)300。湖北恩施和陜西紫陽(yáng)出現(xiàn)的硒中毒也與黑色巖系有關(guān)。因此，黑色巖系的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程需高度重視其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

五、黑色巖系與硒

近年來(lái)，隨著土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查工作的不斷開(kāi)展，“富硒土壤”越來(lái)越受到廣大農(nóng)業(yè)地質(zhì)工作者的關(guān)注，“富硒農(nóng)產(chǎn)品”也越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞。然而多年以前，對(duì)于硒元素的研究主要偏向于硒中毒方面，如湖北恩施和陜西紫陽(yáng)均出現(xiàn)過(guò)硒中毒事件。隨著醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，有研究指出，硒具有保護(hù)血紅蛋白免受過(guò)氧化氫和過(guò)氧化物損害，抑制和分解化學(xué)致癌物，促使長(zhǎng)期積存在人體中的鉛、汞、砷、鎳等有害金屬離子排出體外，因此具有增強(qiáng)人體免疫力、抵抗衰老和抗癌的生理作用。由于硒與人類(lèi)健康有著密切的關(guān)系，近年來(lái)，硒元素作為“長(zhǎng)壽元素”不斷受到科研工作者的關(guān)注。尋找富硒土壤、開(kāi)發(fā)利用富硒土壤資源、培育富硒農(nóng)產(chǎn)品，已經(jīng)成為目前農(nóng)業(yè)研究的一大趨勢(shì)。

學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為土壤富硒與黑色巖系有著密不可分的關(guān)系，那么，為什么黑色巖系中會(huì)大量富集硒元素呢？這與硒元素的地球化學(xué)行為及黑色巖系的沉積環(huán)境有關(guān)。

硒在地殼中的豐度較低，中國(guó)大陸巖石圈中硒元素豐度僅為0.08μg/g。既然硒的豐度如此之低，那么土壤中的硒元素又來(lái)自哪里呢？有研究指出，在地球的演化歷程中，硒傾向于在地幔和地核中富集，在正常沉積巖中含量較低。由于地殼中硒的來(lái)源極其有限，難以形成富硒的黑色巖系，因此火山作用及巖漿期后熱液作用常常被認(rèn)為是硒產(chǎn)生的一個(gè)重要源泉。在火山及噴氣活動(dòng)產(chǎn)物（有關(guān)熱泉）中硒有很高的富集，如巴厘島火山含硒硫磺中硒含量平均達(dá)18%，夏威夷島的火山硫中硒含量平均達(dá)20%。由于硒與硫均為氧族元素，兩者的地球化學(xué)性質(zhì)接近，硒能大量地呈分散形式（類(lèi)質(zhì)同象）或獨(dú)立礦物形式存在于巖漿期后熱液活動(dòng)階段。幾乎所有的硒礦物都與熱液作用有關(guān)，熱液硫化物中硒含量可達(dá)0.00n%—0.0n%。

關(guān)于硒的富集機(jī)理，有研究認(rèn)為，硒含量變化與海平面升降曲線表現(xiàn)出一致性，硒異常層常賦存于海侵體系域上部至頂部（即最大海泛面附近），表明硒的富集與海平面升降有密切關(guān)系。同時(shí)，水體能量較低的沉積環(huán)境，使得海底易形成一種以生物遺體為主的富有機(jī)碳質(zhì)的沉積，有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)能大量吸附硒元素。因容納空間的增大，海水中富含硒的火山噴發(fā)物或風(fēng)化物供應(yīng)量增多，這有利于有機(jī)碳質(zhì)吸附海水中豐富的硒，因而在地層中硒含量較高。

浙江省黑色巖系的富硒機(jī)理與該省地質(zhì)歷史時(shí)期的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。元古代時(shí)期，浙江省發(fā)生了神功構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，該構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在江山—紹興拼合帶北西側(cè)發(fā)育了雙溪塢群火山巖，巖石類(lèi)型有細(xì)碧—角斑巖以及安玄巖、安山巖、英安巖、流紋巖，為一套島弧型鈣堿性系列火山巖。隨后的晉寧運(yùn)動(dòng)時(shí)期，江山—紹興拼合帶南東側(cè)邊緣發(fā)育陳蔡群火山巖，以中基性火山巖為主。上述一系列的火山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可從地幔中帶來(lái)豐富的硒元素。這些相對(duì)富硒的中基性火山巖屬于不穩(wěn)定的巖石類(lèi)型，易風(fēng)化淋濾，有利于硒等微量元素的析出。在海侵作用過(guò)程中，隨著海平面不斷上升，海水不斷向陸上超覆，海域中的中基性火山巖不斷增多，析出的硒迅速被有機(jī)質(zhì)吸附，在海水中沉積，形成海相沉積型的富硒黑色巖系。

▲ 黑色巖系野外露頭

六、黑色巖系的成因

黑色巖系作為地質(zhì)歷史上出現(xiàn)的特殊巖層，其成因必然會(huì)引起地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。大地構(gòu)造學(xué)、巖相古地理學(xué)及古生物學(xué)研究表明，浙西北地區(qū)在早寒武世荷塘?xí)r期還是一片汪洋大海，屬于古揚(yáng)子海的一個(gè)邊緣海灣，即錢(qián)塘海盆。海底古地勢(shì)由北西向南東和南西向北東逐漸抬升，向南西方向傾斜。在海平面上升時(shí)期，錢(qián)塘海盆充滿海水，形成靜水滯流海盆和平緩斜坡環(huán)境。深海洋流的頻繁活動(dòng)為錢(qián)塘海盆帶來(lái)了富營(yíng)養(yǎng)海水，使菌藻類(lèi)大量繁殖，消耗了大量的氧氣，并由此導(dǎo)致下層水體嚴(yán)重缺氧，使得在斜坡帶中大量死亡降落的生物遺體避免遭受氧化破壞而保存下來(lái)。溫?zé)岬臍夂蚣皩庫(kù)o的水體，宜于菌藻類(lèi)的繁盛，還原條件又適合其殘骸的保存，由于其殘骸的堆積，從而形成了浙西北地區(qū)典型的黑色巖系。因此，浙江省荷塘組黑色巖系形成于一種缺氧滯水沉積環(huán)境，由上升洋流帶來(lái)的豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使得海水表層菌藻類(lèi)生物大量繁殖，然后發(fā)生死亡堆積，再經(jīng)過(guò)一定的變質(zhì)作用形成。

七、結(jié)束語(yǔ)

黑色巖系由于其特殊的沉積環(huán)境、富含豐富的成礦元素，特別是硒元素，使其成為地球留給人類(lèi)的一大寶庫(kù)。大量研究已發(fā)現(xiàn)許多大型、超大型礦床與黑色巖系有關(guān)，在其出露區(qū)也發(fā)現(xiàn)了豐富的富硒土壤，并產(chǎn)出了多種富硒農(nóng)產(chǎn)品，因此越來(lái)越受到人們的重視。當(dāng)然，它對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的負(fù)面影響也不容忽視。黑色巖系蘊(yùn)含的豐富的地質(zhì)信息，記錄了地質(zhì)歷史時(shí)期重大的地質(zhì)事件，將有助于人們不斷探索，揭示更多的地球奧秘。