黑色巖系多元素富集層特征、成因和研究意義

李治興，秦明寬，劉鑫揚，王文全，王健，李龍龍

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029；2.中國核工業(yè)地質(zhì)局，北京 100013；3.中國石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西 定邊 718606）

關(guān)于碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、泥巖及其過渡型巖類這一特殊巖類組合，中國和國際不同學(xué)者使用不同的名稱，如“黑色巖系”“碳硅泥巖”和“黑色頁巖”等。這一特殊巖類組合的報道最早見于國外，1893 年在瑞典發(fā)現(xiàn)了世界上第一個黑色巖系型鈾礦床［1］，1902 年，首次報道了美國堪薩斯州白堊紀黑色巖系中Au 和Ag 的含量分別為3.2×10-6和0.17×10-6，以及瑞典黑色明礬頁巖富鈾結(jié)核中的U3O8含量為0.47%［2］。中國對黑色巖系的勘查和研究始于20 世紀50 年代核工業(yè)系統(tǒng)對黑色巖系中鈾礦及范德廉對于湘潭地區(qū)錳礦床的勘查和研究，這一時期提交的湖南郴州金銀寨、江西上饒坑口等黑色巖系型鈾礦床成為中國第一批可供開采的鈾礦山［1-5］，為中國核工業(yè)的發(fā)展作出了開創(chuàng)性的歷史貢獻。進入21 世紀后，黑色巖系中鈾礦調(diào)查與評價、資源潛力評價項目的重新啟動以及中國黑色巖系非常規(guī)鈾資源、基本類型、基本分布、成礦條件、富集機理等研究，同時華南寒武系底部黑色巖系多金屬富集層的研究，取得了豐富的研究成果［5］。由于華南寒武系底部黑色巖系發(fā)育多元素富集層，眾多有色金屬、黑色金屬、稀土、稀散及分散金屬、貴金屬、非金屬和能源礦產(chǎn)的形成與黑色巖系有關(guān)，其物源和成因一直為國內(nèi)外學(xué)者所爭議的焦點，隨著國家日益重視能源礦產(chǎn)安全保障、資源綜合利用、地球環(huán)境的問題，對黑色巖系的勘查和研究顯得尤為迫切。本文通過對黑色巖系、碳硅泥巖和黑色頁巖三者之間概念廣義和狹義的比較，進一步明確了三者之間廣義和狹義概念的區(qū)別。本文統(tǒng)一使用“黑色巖系”指碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、泥巖及其過渡型巖類這一特殊巖類組合。同時系統(tǒng)梳理和總結(jié)了黑色巖系全球和中國分布，賦存礦產(chǎn)類型、分布地區(qū)、礦床實例，物源和成礦機理，明確提出了黑色巖系的勘查和研究具有重要的理論意義、經(jīng)濟意義和環(huán)境意義。

1 “黑色巖系”的概念

1.1 “黑色巖系”的定義

“黑色巖系”一詞國內(nèi)首先由范德廉在1973年發(fā)表的文獻中公開使用，文獻中將黑色頁巖、黑色硅巖組合統(tǒng)稱為黑色巖系［2，6］。隨著研究的深入，范德廉對“黑色巖系”的定義進行了逐步的修改完善，認為“黑色巖系”是指海相富有機質(zhì)細粒沉積巖的總稱，是海相含有機碳（C有機含量接近或大于1%）及硫化物（鐵硫化物為主）較多的深灰-黑色的硅巖、碳酸鹽巖、泥質(zhì)巖（含層凝灰?guī)r）及其變質(zhì)巖石的組合體系［7］。黑色巖系是否包括磷塊巖，不同學(xué)者有不同的觀點，有的學(xué)者認為黑色巖系不包括磷塊巖，理由是根據(jù)國際原子能機構(gòu)鈾礦床分類，含鈾磷塊巖型與黑色巖系型并列，以及含鈾磷塊巖是目前國際上非常規(guī)鈾資源的主要開發(fā)對象，且磷塊巖與黑色巖系之間是一個沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)折點，前者代表了水動力較強、較氧化的環(huán)境，而后者卻反映了水動力較弱、缺氧的沉積環(huán)境［7］。漆富成等認為黑色巖系型非常規(guī)鈾資源不僅包括含鈾黑色巖系型，還包括含鈾磷塊巖型與鈾多金屬磷塊巖型，理由是含鈾黑色巖系、含鈾磷塊巖與鈾多金屬磷塊巖型組成的黑色巖系型非常規(guī)鈾資源通常為一個地層序列，且明確提出黑色巖系型是中國重要的非常規(guī)鈾資源類型［8］。因此可以理解為廣義的黑色巖系包括含鈾磷塊巖與鈾多金屬磷塊巖，狹義的黑色巖系不包括磷塊巖。

1.2 黑色巖系與碳硅泥巖和黑色頁巖的關(guān)系

“碳硅泥巖型鈾礦床”是中國鈾礦地質(zhì)工作者建立的一種鈾礦類型，系指“產(chǎn)于未變質(zhì)或弱變質(zhì)海相碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、泥巖及其過渡型巖類中的鈾礦床”，它是中國四大工業(yè)鈾礦類型之一。在碳硅泥巖型鈾礦床賦礦主巖具體論述時，又增加了“與其有較密切聯(lián)系的細碎屑巖及磷塊巖等”［9］，因此廣義的碳硅泥巖包括與其聯(lián)系密切的磷塊巖［1］，顯然廣義的“碳硅泥巖”與“黑色巖系”近乎相同。

1989年國際地質(zhì)對比計劃254 項目將“黑色頁巖”定義為“一種黑色或灰色的細粒沉積巖，通常為泥質(zhì)，含相當(dāng)高的有機質(zhì)（C＞0.5%）［10］”。結(jié)合前述黑色巖系定義，黑色巖系包含黑色頁巖，范圍遠大于黑色頁巖。但是根據(jù)國際原子能機構(gòu)鈾礦床分類，黑色頁巖型與砂巖型、火山巖型和含鈾磷塊巖型并列，且黑色頁巖型和含鈾磷塊巖型鈾資源量在國際原子能機構(gòu)分類的十四大鈾礦床類型中分別占據(jù)第一位和第二位，顯示巨大的資源潛力。在國內(nèi)，隨著頁巖氣勘查和研究的學(xué)者越來越多，黑色頁巖的概念被廣泛使用。因此，黑色頁巖在國際和國內(nèi)實際使用中，與國內(nèi)狹義的黑色巖系近乎相同。

2 時空分布

2.1 全球黑色巖系分布

黑色巖系在全球分布廣泛，在巴基斯坦、印度、伊朗、法國、英國、德國、威爾士、荷蘭、阿曼北部、澳大利亞南部、美國、加拿大、俄羅斯、蒙古、中亞以及中國均有出露［11］，Raymond 等總結(jié)了世界上主要黑色巖系及其大型沉積礦床的分布，見圖1［12］。

圖1 全球主要黑色巖系及其大型沉積礦床分布示意圖（據(jù)文獻［12］修改）Fig.1 Sketch map of major black rock series and large-scale sedimentary deposits hosted in black rock series in the world（from reference［12］）

2.2 中國黑色巖系分布

在中國，黑色巖系自元古宙到第三系都有分布，主要分布于揚子陸塊西緣、揚子陸塊東緣、揚子陸塊北緣、華北陸塊南緣和塔里木陸塊北緣（圖2）［2］。下寒武統(tǒng)黑色巖系在中國遍及云南、貴州、湖南、江西、廣西、廣東、四川、湖北、安徽、浙江、江蘇、河南、山西、陜西、甘肅、新疆和河北等省區(qū)［13］，沉積層位較為穩(wěn)定，但各地對下寒武統(tǒng)黑色巖系的稱呼不一致，如木昌組、小煙溪組、楊家坪組、牛蹄塘組、荷塘組、筇竹寺組等。各地下寒武統(tǒng)黑色巖系厚度不一，一般30～250 m［14］。

圖2 中國黑色巖系富鈾建造、含鈾建造及已發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)礦點分布示意圖Fig.2 Sketch map of the distribution of uranium-rich formation，uranium-bearing formation，unconventional occurrences discovered in black rock series of China

震旦系黑色巖系層位在貴州、湖北、湖南等地稱陡山沱組，在云南稱漁戶村組（下段）。對于志留系的黑色巖系層位，南方各地均稱為龍馬溪組。

3 黑色巖系賦存礦產(chǎn)

盡管20 世紀50 年代黑色巖系中探明的坑口和金銀寨等鈾礦床為中國第一批鈾礦山、水冶廠建設(shè)提供了工業(yè)儲量，為中國核工業(yè)的發(fā)展作出了開創(chuàng)性的歷史貢獻。但是一直以來，對于黑色巖系中賦存的礦產(chǎn)沒有給予足夠的重視，尤其是對賦存于黑色巖系中的多礦產(chǎn)的綜合利用價值重視程度不夠。通過系統(tǒng)梳理黑色巖系中礦產(chǎn)的報道，發(fā)現(xiàn)有25 種礦產(chǎn)與黑色巖系有密切的成因和空間關(guān)系，包括有色金屬礦產(chǎn)（銅、鉛、鋅、鎳、鉬、錫、銻），黑色金屬礦產(chǎn)（釩、錳、鈦），稀土、稀散及分散金屬礦產(chǎn)（硒、碲、鉈、鍺、稀土元素），貴金屬礦產(chǎn)（金、銀、鉑族元素），非金屬礦產(chǎn)（磷、汞、重晶石、毒重石）和能源礦產(chǎn)（鈾、石煤、油氣）［15］。

據(jù)目前勘查成果，黑色巖系在多個地區(qū)已形成大規(guī)模的礦床，世界上比較著名的有英格蘭南部、荷蘭以及到中歐諸國Kupferschifer 地層中的銅-銀礦床（上二疊統(tǒng)），芬蘭凱努（Kainuu）-奧托昆普（Outokumpu）地區(qū)的銅-鋅-鎳-鈷礦床（元古宇），羅馬尼亞喀爾巴阡山脈（Carpathian）地區(qū)的錳礦床（寒武系至奧陶系），俄羅斯干谷地區(qū)的金礦床（前寒武里菲紀），加拿大育空地區(qū)的鎳-鉬-鉑族元素多金屬礦床（上泥盆統(tǒng)），加拿大沙利文地區(qū)的鉛-鋅-銀礦床（元古界）［16］，非洲摩洛哥的黑色巖系型銀礦［15］、美國密執(zhí)安州北部WhitePine 銅礦床（中元古代）、加拿大阿薩巴斯卡盆地鈾礦床（下、中元古代），哈薩克斯坦穆龍?zhí)捉鸬V床（晚元古代）等［10］。在中國，黑色巖系中也有鈾礦、鎳鉬礦、釩礦、磷礦、重晶石礦、錳礦、鉑族元素、鉛鋅銀礦、金礦、稀土、石煤和油氣能源等礦產(chǎn)，具體如下。

鈾礦：中國黑色巖系中鈾礦與其他類型鈾礦的勘查和研究工作同步啟動，始于20 世紀50年代中期，并于20 世紀50 年代提交了金銀寨、坑口等黑色巖系型鈾礦床供中國第一批鈾礦山開采，其中坑口礦床為中國第一個建礦開采的鈾礦床，該時期同時發(fā)現(xiàn)了一批礦化和異常。20 世紀70—80 年代中期是中國黑色巖系型鈾礦找礦取得重大成就的時期，在上震旦統(tǒng)、下寒武統(tǒng)、上古生界泥盆系和石炭系多個層位中探明了鏟子坪、老臥龍、麻池寨、黃材、董坑、大新、馬鞍肚、坌頭等一批鈾礦床，成為中國四大工業(yè)鈾礦類型之一［4］。漆富成等認為中國黑色巖系建造分布受控于陸緣裂谷體系、陸緣裂陷體系、陸緣盆地體系及陸緣活動帶斷陷臺溝體系，并明確提出黑色巖系中大規(guī)模鈾成礦作用受控于陸緣裂谷體系和陸緣裂陷體系，并依據(jù)黑色巖系鈾成礦條件和成礦規(guī)律，優(yōu)選出11 個黑色巖系鈾成礦帶［8，17-18］。

鎳鉬礦：主要分布于湘西北、貴州、湖北、浙江、滇東和贛西北等地區(qū)，賦礦層位為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，Ni-Mo 多元素富集層厚度約10～50cm，除Ni、Mo 外還富含鈾、稀土元素、鉑族元素、錸、鉈和非金屬元素P2O5等，如湘西北的大滸、白竹峪、曉坪、桿子坪、大坪，貴州的金頂山、新土溝、黃家灣、織金、巖孔等地，以及鄂西石牌、浙江諸暨、滇東、贛西北修水等地也發(fā)現(xiàn)有類似的鎳鉬含礦層位，它們大致呈北東向排列，但是由于未開展資源評價工作致使資源前景不明，但是該類型有望成為新的重要鎳鉬礦類型［8，14，19］。

釩礦：黑色巖系型是中國第一大釩礦類型，品位高、儲量大，V2O5品位多在0.5%～2.0%之間，中國僅湖南、湖北、江西、浙江、安徽、貴州、陜西七省黑色巖系中蘊藏的V2O5儲量就達11 797 萬t，是中國釩礦第二大類型釩鈦磁鐵礦（品位介于0.2%～0.35%）中蘊藏V2O5儲量的6.7 倍，超過世界上其他各國釩礦儲量的總和，顯示黑色巖系型釩礦更具經(jīng)濟價值和資源潛力［20］。中國黑色巖系型釩礦含礦層位主要包括震旦系、寒武系、奧陶系、泥盆系和二疊系等，但絕大部分儲量賦存在南方下寒武統(tǒng)底部的黑色巖系建造中［14］。

磷礦：下寒武統(tǒng)梅樹村組是中國第二大賦磷沉積層位（第一大層位是陡山沱組，巖性為碳酸鹽巖），屬于全球三大成磷期的晚震旦世-早寒武世成磷期。中國磷礦主要分布在中國西南、中南盆地，其中云南、貴州、四川、湖北和湖南5 省的磷礦查明資源儲量占全國的75%以上，代表性礦床有云南昆陽磷礦、晉寧磷礦、貴州織金磷礦等大型-超大型磷礦床。在其他地區(qū)如湖南、廣西、湖北、重慶等下寒武統(tǒng)黑色巖系發(fā)育的地區(qū)，黑色巖系底部也普遍存在含磷層位，常形成眾多的中小型磷礦［14］。

重晶石礦：產(chǎn)于黑色巖系中的重晶石礦集中分布于湖南、貴州兩省交界處，賦存層位是下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，僅貴州天柱縣北部湘黔兩省交界處的大河邊重晶石礦床與湖南新晃縣貢溪重晶石礦床兩個礦床的儲量就占中國大中型產(chǎn)地總儲量的一半以上，其中，大河邊重晶石礦探明儲量已超億噸，是中國探明儲量最大的超大型重晶石礦床，向北延伸與新晃縣貢溪大型-超大型重晶石礦床相接，BaSO4平均含量為85.6%（重晶石礦原生礦最低工業(yè)品位w（BaSO4）≥50%）。另外在湖北、廣西、云南、江西、安徽、陜南、川北等地也有同類型重晶石礦產(chǎn)出，如湖北隨州柳林、廣西三江板必、云南會澤馬路等重晶石礦床［14］。

錳礦：廣泛分布于湖南、貴州、四川、湖北等地，典型代表礦床為湘潭錳礦和大塘坡錳礦床。湘潭式錳礦是湖南省最重要的錳礦類型，賦存于早震旦世黑色巖系中［21］。大塘坡錳礦位于貴州省松桃苗族自治縣，賦存于震旦系黑色巖系［10］。

鉑族元素（PGE）礦產(chǎn)：主要分布在湖南、貴州，賦礦地層從上元古界到二疊系均有分布，且鉑族元素礦床常與黑色巖系鎳鉬多元素富集層共（伴）生，最典型的礦床為貴州遵義鎳鉬鉑族元素礦床［10］。

鉛鋅銀礦：富集鉛鋅銀的黑色巖系主要分布在湘西、湘中、黔北等地區(qū)，賦礦層位主要為泥盆-石炭系，如黔北地區(qū)黑色巖系中銀的富集系數(shù)高達3 173.3，并且銀的富集與金屬硫化物關(guān)系密切［22］。

金礦：中國南方下寒武統(tǒng)黑色巖系中金的富集局部可達甚至超過工業(yè)品位。桂東-粵西地區(qū)許多金礦可能就是黑色巖系中富集金形成的，此外湖南與廣東、廣西和江西邊界等巖漿巖發(fā)育地區(qū)，以及下寒武統(tǒng)黑色巖系與區(qū)域性大斷裂交匯地帶均是尋找黑色巖系型金礦的有利遠景區(qū)［14］。

稀土元素：富集稀土元素的黑色巖系主要分布在湖南、貴州、浙江等地。貴州遵義鎳-鉬礦石中發(fā)現(xiàn)了呈不規(guī)則細粒、蠕蟲狀的獨居石（稀土的獨立礦物）與鎳、鉬的獨立礦物共生。在浙江西部黑色巖系中發(fā)現(xiàn)稀土元素主要富集在膠磷礦中，其次是伊利石、綠泥石及碳酸鹽礦物［22］。

石煤：主要分布于中國南方下寒武統(tǒng)黑色巖系中，南方各省凡有下寒武統(tǒng)底部黑色巖系發(fā)育的地區(qū)，或多或少都有石煤層賦存，由于“石煤”的存在，所以黑色巖系常會形成自燃現(xiàn)象［10］。

油氣能源礦產(chǎn)：黑色巖系中富含大量有機質(zhì)，不僅是良好的烴源巖，更是非常規(guī)能源-頁巖氣的目的層。中國南方地區(qū)是頁巖氣發(fā)育有利區(qū)，重慶涪陵志留系龍馬溪組的黑色頁巖中已發(fā)現(xiàn)了中國第一口頁巖氣井。對黑色巖系的研究將有利于能源礦產(chǎn)，特別是頁巖氣的勘探開發(fā)。

黑色巖系賦存礦產(chǎn)除以上主要礦產(chǎn)資源外，還有如銅、鍺、硒等在局部地區(qū)單獨構(gòu)成礦床，但限于當(dāng)前對黑色巖系的重視程度不夠和勘查工作程度較低的原因，黑色巖系中礦產(chǎn)的規(guī)模和潛力還有待進一步挖掘。前述國外和國內(nèi)黑色巖系中礦床的的一些相關(guān)發(fā)現(xiàn)值得我們借鑒。

4 成 因

4.1 物源

關(guān)于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組“鈾多金屬富集層”物源的觀點較多，主要有以下5 種觀點：第一種觀點認為，絕大部分金屬物質(zhì)來源于缺氧的海水，成礦作用與有機質(zhì)對金屬元素的富集有關(guān)［23-27］。第二種觀點認為，物質(zhì)來源主要為陸源，有熱水物質(zhì)加入［28］；第三種觀點認為，成礦物質(zhì)來源主要為深部巖漿房經(jīng)火山爆發(fā)帶出成礦物質(zhì)，原因是特殊的元素富集組合特征和底部的Se 超常富集［29-30］。第四種觀點認為，成礦物質(zhì)最主要來源于與裂谷活動有關(guān)的盆地?zé)嵋海?1］；第五種觀點認為，成礦物質(zhì)來源與海底熱水、生物沉積、陸緣碎屑等有關(guān)［32］。

綜合國內(nèi)外黑色巖系成礦物源有關(guān)的研究成果，鑒于黑色巖系多元素富集層中特殊的元素富集組合特征，認為成礦物質(zhì)來源為多來源的，有陸源供給、海底熱液攜帶以及對基底巖石的萃取、海水，局部有巖漿噴發(fā)作用的貢獻，不同地段物源可能不同。

4.2 成礦機理

黑色巖系多金屬富集層的成礦機理目前仍然眾說紛紜，主要有以下5 種觀點：

1）天體撞擊成因。范德廉根據(jù)華南下寒武統(tǒng)底部黑色巖系元素組合和Ir 異常特征［33-34］，提出鉑族元素、Co、Ni 可能為地外來源，而Pb、Zn、Ba、Mo、V、Cd、Se、Te 等來自海底熱泉，后在海水中正常沉淀而形成多金屬礦層。黃懷勇在湘西震旦-寒武系界線上發(fā)現(xiàn)有沖擊角礫、沖擊巖脈、微球粒撞擊玻粒和玻璃隕石，特別是隕石碎屑殘跡等可能為天體撞擊事件的痕跡，認為天體的撞擊參與了多金屬元素的富集［35］，但是，美國Coveney 等人測得張家界和遵義金屬富集層中Ir 含量分別為2.1 ng /g和1.9 ng /g［36］，中國李勝榮等獲得張家界和遵義黑色巖系金屬富集層中Ir 含量平均值為6.88 ng /g 和湘黔地區(qū)金屬富集層Os/Ir 平均值為80.1［37］，與典型天體撞擊形成的丹麥白堊系-古近系界線粘土層中的Ir 含量（47±9 ng/g）相差較大，說明黑色巖系多元素富集層并不存在Ir 異常，以及Os/Ir 比值大大超過了地外物質(zhì)的相應(yīng)比值，結(jié)合黑色巖系Ni-Mo-PGE 金屬層分布不具有全球性［37］，天體撞擊成因已被美國Coveney 和中國李勝榮等學(xué)者所否定。

2）正常海相沉積成因。毛景文等獲得黔北黃家灣黑色巖系Ni-Mo-PGE 礦石Re-Os 等時線年齡541±16 Ma，n（187Os）/ n（188Os）初始值0.78±0.19，接近現(xiàn)代海水值［38］。李勝榮等獲得黑色巖系礦石的Re-Os 等時線年齡為542±11Ma［39］。Jiang 等獲得黑色巖系礦石Re-Os 等 時 線年齡 為537±10 Ma［40］。Lehmann 等獲得貴州黃家灣礦區(qū)黑色巖系多元素富集層Mo 含量大于10 000×10-6的5 個樣品中鉬的同位素組成，表明與現(xiàn)代海水中的值基本一致，結(jié)合上述礦石年齡與牛蹄塘組地層年齡一致，推測Ni-Mo 多元素富集層屬正常海相沉積礦床［41］。Schyltz 根據(jù)許多“黑色巖系多元素富集層”發(fā)育在遠離活動大陸邊緣或者與火山活動無關(guān)的構(gòu)造背景下，提出黑色巖系多元素可能在還原環(huán)境下，以非常低的沉積速率從海水中萃取金屬元素發(fā)生沉淀。Gavshin 等對比了黑色巖系與黑?，F(xiàn)代沉積物腐泥，Vine 和Tourtelot 對世界200 多個地區(qū)的黑色頁巖的金屬元素進行了統(tǒng)計，均認為絕大部分金屬物質(zhì)是從海水中萃取發(fā)生沉淀形成的［31］。

3）海底熱液噴流成因。Coveney 等根據(jù)多元素富集層呈區(qū)域線性分布的特點，推測多元素富集層是海底熱泉攜帶的金屬元素沿深大斷裂沉積的結(jié)果，區(qū)域上受控于區(qū)域深大斷裂，由此提出海底熱水噴流沉積模式［36，42］，隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者認識到黑色巖系中多元素的超常富集與海底噴流沉積作用密切相關(guān)，如李勝榮等根據(jù)湘黔寒武系底部黑色巖系多元素富集層金、銀和鉑族元素的豐度及其比值、元素的相關(guān)性、元素分布模式和配分模式，認為該多元素富集層可能主要由海底熱水通過深循環(huán)萃取元古宙武陵期基性一超基性巖物質(zhì)沉淀的產(chǎn)物，與海底熱水噴流作用有關(guān)［36］。毛景文等根據(jù)遵義黃家灣鎳鉬鉑族元素礦床礦石的PGE 和REE 測試，結(jié)合前人的工作成果，認為礦床的形成是由海底噴流系統(tǒng)從海底鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖中萃取物質(zhì)與下伏富Mo-Re-（Cu）巖漿房提供成礦能源和部分物源共同作用的結(jié)果［43］。張光弟等分析了貴州遵義下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖剖面、礦石的鉑族元素、礦石物相，認為該地區(qū)多元素富集層是黑色頁巖沉積早期迅速疊加了一次海底熱水噴流沉積作用的結(jié)果，熱液流體由基底和鉑族元素礦床中衍生的含Cu、Co、Ni、PGE、Fe、Cr 流體和基底蓋層震旦系白云巖衍生的含Cu、Pb、Zn 流體混合而成［44］。楊瑞東等通過對貴州遵義松林小竹一帶的寒武系底部地層系統(tǒng)的巖石、礦物、地球化學(xué)研究，認為遵義松林小竹一帶寒武系底部多元素富集層屬于海底熱液噴流沉積［45］。王康年根據(jù)湘黔下寒武統(tǒng)黑色巖系底部發(fā)育條帶狀-層紋狀硅質(zhì)巖以及層狀-條紋狀重晶石巖等熱水噴流沉積巖組合［46］。江永宏通過對湘黔張家界—遵義地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系成巖成礦研究，認為熱鹵水循環(huán)與黑色巖系的交互作用是主要成巖成礦作用期，并且將熱水噴流沉積作用可分為3個階段［47］。漆富成等利用高分辨透射電鏡、掃描電鏡微區(qū)解剖等手段，認為超顯微（1～4 μm）晶質(zhì)鈾礦的鈾存在形式揭示了揚子陸塊東南緣的陸緣裂陷中海底噴流作用［48］。王文全等認為黔北遵義松林地區(qū)鎳鉬多金屬層磷塊巖中鈾以獨立礦物形式存在并與中高溫?zé)嵋旱V物共生，提供了陸塊東緣陸源裂陷環(huán)境下發(fā)生海底噴流和熱水沉積作用新的微觀證據(jù)［49］，作者等通過對西大明山、湘西北成礦帶典型礦床成礦地質(zhì)背景、地質(zhì)特征、地球化學(xué)特征和成礦作用分析，認為黑色巖系多元素富集層發(fā)生了熱液改造作用［50-53］。

4）巖漿火山碎屑成因：羅泰義根據(jù)遵義松林礦區(qū)鎳鉬層強烈富集了一套氣相遷移元素［Mo-As-Se-Re-（Tl）］，其次主要富集了一套深源金屬元素［Ni-Au-Ag-PGE-（U）］，以及底部Se 的超常富集，結(jié)合元素的地球化學(xué)性質(zhì)，認為早寒武世時期深部存在堿性-超基性巖漿活動，最終的物質(zhì)來源是深部的巖漿巖，成礦過程經(jīng)歷了巖漿作用、熱水沉積和機械沉積作用，是深部巖漿活動強烈噴發(fā)期的產(chǎn)物［29-30］。王康年在貴州鎮(zhèn)遠、銅仁壩黃、天柱大河邊和湖南鳳凰等地下寒武統(tǒng)黑色巖系多元素富集層中發(fā)現(xiàn)了大量的凝灰質(zhì)碎屑，表明上述地區(qū)該時期海底火山、氣液活動頻繁，復(fù)雜的構(gòu)造-火山活動為多元素富集層的形成提供了豐富的物源和熱源條件［46］。

5）生物成因：不同學(xué)者通過顯微鏡下古生物學(xué)的鑒定，發(fā)現(xiàn)黑色巖系多元素富集層中有大量生物殘體（包括藻類、古介形類、節(jié)肢動物、蠕蟲、海綿骨針等）和干酪根演化形成的瀝青和碳瀝青，并對比研究生物演化和多元素富集，發(fā)現(xiàn)不同元素富集與生物的出現(xiàn)具有較好的對應(yīng)關(guān)系。硫同位素研究結(jié)果表明，多元素富集層硫化物同位素值較小，顯示微生物細菌對硫酸鹽的還原作用，反映了生物有機質(zhì)的成礦作用［54］。

隨著黑色巖系多元素富集層研究范圍和廣度的深入，越來越多的古生物化石、巖漿碎屑、熱液作用等證據(jù)被發(fā)現(xiàn)，因此，很難用單一成因來解釋。綜合國內(nèi)外最新研究成果，認為黑色巖系多元素富集層物源是多來源的，成礦機理為多階段復(fù)成因的，黑色巖系多元素富集層是在淺海-半深海還原環(huán)境下，海底噴流熱液（水）沉積作用、巖漿火山噴發(fā)作用、生物沉積作用和海水作用等共同作用下形成的。不同地段、不同層位由于成礦地質(zhì)背景的不同，具有不同的成礦作用和元素富集過程，形成不同的元素富集組合。

5 黑色巖系研究意義

5.1 理論意義

黑色巖系多元素富集層處于前寒武紀-寒武紀轉(zhuǎn)折期，該套黑色巖系具有全球性和等時性的特點，這一時期發(fā)生了許多重大地質(zhì)事件，如寒武紀生物大爆發(fā)、雪球事件等，對于研究海洋極端事件、古氣候、古環(huán)境、古生物、沉積、構(gòu)造和礦產(chǎn)活動，進而探究該時期的地球演化過程，并可與全球黑色巖系進行對比，具有重要的基礎(chǔ)理論科學(xué)意義。

黑色巖系中地球成礦元素的超常富集，進而形成超大型礦床的地球動力學(xué)背景，成礦地質(zhì)、物理化學(xué)過程一直是地質(zhì)學(xué)者們的研究熱點，通過對黑色巖系中超大型礦床的解剖，從深層次上揭示多種金屬元素、非金屬元素巨量堆積過程，豐富地球化學(xué)元素交換過程和超大型礦床機理具有重要理論意義。

黑色巖系多元素富集層中發(fā)現(xiàn)大量少見礦物及礦物組合，包括許多單質(zhì)金屬、硫鹽礦物、磷酸鹽類、鎢酸鹽類、碲化物、Pt-Cu-Fe 金屬固溶體、砷鉑礦、硫鉑礦、Sn-Sb 固溶體、Ni-Sb 固溶體以及大量的Fe-Ni-S 和Cu-S 礦物系列［11］。中國湘西北和黔北等地區(qū)早寒武世黑色 巖 系 同 時 富 集U、Ni、Mo、V、PGE、Re、Tl、REE、P2O5等元素，研究其形成機理，對于深化認識地球化學(xué)元素遷移、富集、分布規(guī)律、礦物結(jié)晶和礦床成因?qū)W等基礎(chǔ)科學(xué)具有重要研究意義［16］。

5.2 經(jīng)濟意義

礦產(chǎn)資源是人類經(jīng)濟、社會、國防、航天、可再生能源和通信生存與可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和基石，與農(nóng)業(yè)一樣，都為了人類社會提供不可缺少的“糧食”。2019 年底，中國15 種礦產(chǎn)對外依存度高于50%，其中鉻、鎳、錳、鈮、鈷、鋯高于90%，鉑族元素、鐵礦石高于80%，石油、鈾、鋰、銅高于70%，硼、鋁、鉀鹽高于50%［55］。

黑色巖系具有全球性規(guī)模，分布范圍廣、面積大、層位多，有25 種礦產(chǎn)（涉及王登紅定義的關(guān)鍵礦產(chǎn)中的稀土金屬、稀散金屬、稀貴金屬、能源金屬、黑色和有色金屬等礦產(chǎn)［56］）與黑色巖系有密切的成因和空間關(guān)系，潛在礦產(chǎn)資源潛力較大，如中國湖南、貴州下寒武統(tǒng)黑色巖系底部富集U-Ni-Mo-REE-PGE 等，局部地段常形成多種礦產(chǎn)共生的大型-超大型礦床，此外，鈾礦床中還有多種元素達到綜合利用品位。隨著后工業(yè)時代戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)興起，全球?qū)ΦV產(chǎn)資源尤其對關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)的需求將高速增長，因此黑色巖系中賦存的多種礦產(chǎn)的勘查、研究和綜合開發(fā)利用將顯得尤為迫切。黑色巖系的勘查和研究對于增加關(guān)鍵礦產(chǎn)儲量，減少礦產(chǎn)對外依存具有重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。

5.3 環(huán)境意義

中國要實現(xiàn)“雙碳”目標，除了降低化石能源消費占比，從而減少化石能源使用過程中的碳排放以及提高非化石能源（核能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮芎蜌淠埽┫M占比，另一方面固碳和吸收碳等中和碳的措施同樣重要。黑色巖系富含有機質(zhì)，是碳的重要儲庫，研究黑色巖系中有機質(zhì)的遷移富集機理對重塑地球演化歷史，反演全球碳的生物地球化學(xué)循環(huán)、生物圈的演化研究和全球環(huán)境變化的研究具有重要環(huán)境意義。

此外，具有全球性和等時性分布的黑色巖系可能是全球性缺氧環(huán)境下的產(chǎn)物，這對全球氣候演變的研究具有重要意義，以及黑色巖系含有重金屬和放射性金屬等多種元素，對黑色巖系時空分布和地球化學(xué)組合規(guī)律的研究，有利于元素的綜合回收利用，同時可以有效的避免環(huán)境污染。

6 結(jié) 論

1）通過系統(tǒng)比較黑色巖系、碳硅泥巖與黑色頁巖概念和內(nèi)涵，明確了三者之間的異同，認為廣義的碳硅泥巖與黑色巖系近乎相同，包括含鈾磷塊巖與鈾多金屬磷塊巖，黑色頁巖為狹義的黑色巖系和碳硅泥巖，不包括與其密切聯(lián)系的磷塊巖，第一次比較清晰地厘清了三者之間的區(qū)別，避免了概念混淆。

2）黑色巖系分布具有全球性規(guī)模，廣泛出露在巴基斯坦、印度、伊朗、法國、英國、德國、威爾士、荷蘭、阿曼北部、澳大利亞南部、美國、加拿大、俄羅斯、蒙古、中亞地區(qū)以及中國的揚子陸塊、塔里木陸塊和華北陸塊周緣。在中國，黑色巖系分布時間上橫跨上元古宙到新近系，空間上主要分布于揚子陸塊東緣、揚子陸塊西緣、揚子陸塊北緣、華北陸塊南緣和塔里木陸塊北緣。有多達25 種礦產(chǎn)（包括有色金屬、黑色金屬、稀有、稀散及分散金屬、貴金屬、非金屬和能源礦產(chǎn)）與黑色巖系有密切的成因和空間關(guān)系，并且常常形成大型-超大型礦床。

3）綜合國內(nèi)外黑色巖系多元素富集層物源、成礦機理有關(guān)的最新研究成果，認為黑色巖系多元素富集層成礦物質(zhì)是多來源的，成礦機理為多階段復(fù)成因。物源有陸源供給、海底熱液攜帶以及對基底巖石的萃取、海水，局部有巖漿噴發(fā)作用的貢獻。生物、有機質(zhì)對元素的吸收、絡(luò)合作用是多種元素富集的主要原因。黑色巖系多元素富集層是在淺海-半深海相缺氧的還原環(huán)境下，海底噴流熱液（水）沉積作用、巖漿火山噴發(fā)作用、生物沉積作用和海水作用等共同作用下形成的。不同地段、不同層位由于成礦地質(zhì)背景的不同，具有不同的成礦作用和元素富集過程，形成不同的元素富集組合。

4）黑色巖系多元素富集層處于前寒武-寒武紀轉(zhuǎn)折期，具有重要理論意義、經(jīng)濟意義和環(huán)境意義。這套黑色巖系對于恢復(fù)地球演化過程、研究全球環(huán)境變化，豐富超大型礦床成礦機理，深化認識地球表層（淺部）化學(xué)元素的分布規(guī)律與機制、礦物結(jié)晶和礦床成因?qū)W等具有重要的基礎(chǔ)理論科學(xué)意義。黑色巖系中超常富集或者賦存25 種礦產(chǎn)，尤其賦存多種戰(zhàn)略關(guān)鍵礦產(chǎn)，對于增加戰(zhàn)略關(guān)鍵礦產(chǎn)儲量，減少我國戰(zhàn)略關(guān)鍵礦產(chǎn)對外依存度具有重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。此外，黑色巖系對全球氣候演變，以及黑色巖系含有重金屬和放射性金屬等多種元素，對于元素的綜合回收利用和生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。