湖南天门山镍钼矿的生物成矿作用

郑世雯

摘 要：本文通过研究湖南张家界天门山一带早寒武世早期牛蹄塘组底部地层岩石及矿层岩石中所含化石，结合前人研究来探讨牛蹄塘组底部生物群组合及特征，研究其所代表的沉积环境，展开对该地区生物成矿作用的讨论。

关键词：天门山；牛蹄塘组；生物组合；生物成矿

1 地质背景

本文研究区域涉及的 5个剖面位于湖南天门山地区，该研究区属于湘西北地区，该地区位于扬子准地台大地构造单元的东南缘，上扬子台褶带和江南地轴结合部位，与华南造山带相邻。区域构造主要为古丈复背斜北西翼上的次级天门山复向斜。沉积建造的走向分布受NEE向深大断裂控制。

2 生物化石组合

文中所用岩石样品采自湖南张家界天门山云盘乡（ZJJYP）、后坪（ZJJHPP、ZJJHPP2）、大坪（ZJJDPP）和三岔（HZSN）等地区牛蹄塘组的5条剖面。经切片，制成岩石薄片和光薄片22个，在生物显微镜、偏光显微镜及反光显微镜下观察并取照片。经过挑选，得到化石标本碎片数个，在立体显微镜下观察并取照片。通过观察发现在矿层样品及矿层样品下部岩层中发现有大量的孤立分散的海绵骨针和管状化石，而藻类化石分布较均匀。

2.1 海绵骨针化石

研究薄片样品和立体标本时发现，在矿层及下层地层中均含有大量的针状硅质体，其切面呈圆形，壳体为双层结构，特征与寒武系底部牛蹄塘组黑色页岩中发现的海绵骨针化石类似（赵元龙，2006）。薄片样品中可见：骨针的横切面和纵切面，纵切面形状可见细长十字、粗短十字和长轴状，形状较完整，最长1mm左右。横切面多为圆形，还可见其他切面，呈椭圆形。立体标本可见大量破碎的海绵骨针化石，化石呈黑色圆柱形、圆锥形，直径粗的达到0.2mm，中空，通过立体标本与薄片标本中化石对比研究，发现研究地层中海绵骨针类型多样，主要有：四射二轴针、四射三轴针（图2-2-2）、三射两轴针、单轴双射针和单轴单射（图2-2-1）海绵骨针等几类，未出现复杂结构骨针类型。

薄片及标本中所有海绵骨针化石均为硅质，没有出现黄铁矿化的壳体，出现在薄片HZSN2和ZJJHPP-5中，标本出现在ZJJDPP-4中，即出现在在矿层及矿层下部层位中，而在其他地层中未发现踪迹。

2.2 管状化石

在薄片与标本中发现一些管状化石，与海绵骨针化石的特征不同，薄片中观察可见这类化石横切面为圆形，比海绵骨针截面直径小，斜切面为椭圆形，纵切面为长方形；标本中可见化石碎片为圆柱状，两端未收缩，中心中空，壳体为三层（图2-2-3），外层和内层为灰黑色，中层为黑色，一些横切面显示由双壳管组成，壳管具有双层壳壁结构，壳管由磷质组成，一部分壳管内为黄铁矿质充填，可以认为与海绵骨针化石不同，不是海绵骨针化石。薄片中，管状化石中心为空心，充填周围胶质物，为椭圆形，标本中，在样品ZJJHPP2-5可见大量化石碎片（如图2-2-4），大的直径在0.2mm左右，小的直径小于0.1mm。由于管状化石标本多为碎片，无法进行属种的鉴定，只能将之归类与小壳化石。以前报道现代热水生物群中管状生物非常发育，例如管状蠕虫，从结构上分析，这类管状化石与管状蠕虫结构很相似（赵元龙等，2006；施春华等，2013；范振刚，2007；魏怀瑞，2008）。

本文发现的管状化石有硅质和磷质两种类型，少量管状化石黄铁矿化，在薄片HZSN2和ZJJHPP-5中多见，ZJJDPP2-5样品中，含有管状化石标本。与海绵骨针化石出现的层位一致，均为含矿层和矿层下部地层。

图2-2 湖南天门山牛蹄塘组底部生物化石标本

1立体显微镜×5，层ZJJDPP-4中产出，单轴海绵骨针化石，细棒状；2透光×10，薄片HZSN2，矿层，含藻类、海绵骨针四射三轴针；3立体显微镜×5，层ZJJHPP2-5产出，管状化石很切面，可见三层壳壁结构，中空；4立体显微镜×5，层ZJJHPP2-5产出，细管状、粗圆柱状管状化石碎片；照片中比例尺均为1mm

2.3 藻类化石

薄片中藻类化石多以团粒和与微细粒黄铁矿颗粒形成草莓状黄铁矿的形态存在，一些藻类黄铁矿化，形成藻纹层结构。在团粒中心，藻类为球状，外部不断增长，形成结核，也有大量藻团粒聚集形成大片不规则团块。如图所见藻类，没有根系，应为浮游藻类。草莓

状黄铁矿中的藻类特殊（吴朝东等，1999），缺氧环境下，现代大洋中脊存在的黑烟囱周围，藻类和细菌共生，不进行有氧呼吸，因细菌为厌氧细菌，直接吸收硫化物为自身供给，而吸收硫化物同时，直接大量吸收海水中的金属物质，形成多金属矿床（杨瑞东等，2005）。牛蹄塘组样品薄片的镜下观察可见草莓状黄铁矿层与重晶石互层的结构，推测为热水间接性喷发，所产生的纹层。因此推测牛蹄塘组底部形成期间藻类生物群异常繁盛。在黄铁矿富集样品中，藻类化石也非常富集。

同海绵骨针相似在薄片HZSN2和ZJJHPP-5中含有大量未黄铁矿化藻类化石，这类藻化石在偏光镜和反光偏光镜下均为不透明的黑色团状物，推测含有机质含量极高。

3 生物与元素富集

一些研究者曾在湖南西北部地区下寒武统牛蹄塘组黑色岩系中发现大量的“微古植物”化石、放射虫、海绵骨针化石等多种微体化石，地层中还出现有丰富小壳化石，藻类等低等海相低等生物碎片，这些化石的存在都说明在牛蹄塘组沉积物中菌、藻类得到了大量的繁殖，至化石堆积，保存较多（罗卫，2010）。而研究表明，菌藻类生物对于富集镍、钼、钒、铀多种金属元素有着十分重要的作用，如菌藻类沉积，镍、钼钒等多种金属元素常呈紧密薄层覆盖于寒武系底部磷质岩、磷块岩之上，与现代大洋锰结壳的赋存方式相类似。一些磷质结核中心为碎屑状矿石成分，有时结核中心为硅质化石碎屑（图3-1-1），而其部圈环绕着隐晶硅质层，黄铁矿层及极薄的铁镍硫化物层。

经过研究发现，湖南天门山地区含矿地层与含矿地层下部地层中出现大量分散的海绵骨针结构、管状化石结构、一些微小的细菌结构、似细菌结构和分散的浮游藻类矿化结构（3-1-3），这些都说明在成矿过程中有微生物的直接参与。在该地区地层碳质页岩中还可以见到少量的沥青斑点（图3-1-2）及富含有机质等，通过这些证据都证明了生物在富集镍钼多金属元素及磷等非金属元素过程中起的重要作用，可以认为，海生微生物在使海底沉积物中金属元素、微量元素、稀土元素富集成矿的作用中起到了一定作用的主导因素，是各种元素富集的主要因素之一。

图3-1 生物矿化结构

1 单偏光×10，中心为碎屑的结核； 2 正交偏光×4，沥青斑点； 3 反光×10，晶粒状的黄铁矿

通过研究和对比还发现，湖南天门山下寒武统底部牛蹄塘组生物群中的海绵骨针化石和管状化石分布于矿层、矿层之下的岩层中，出现在样品HZSN2、ZJJHPP-5、ZJJHPP2-5和ZJJDPP-4中。团块型的藻类在各剖面的矿层中分布，而黄铁矿化的藻类在矿层及矿层下层均有广泛分布。分布在矿层中的海绵骨针化石和一些藻类化石基本保持了原本生物体矿物成分，未黄铁矿化，推测这些海绵骨针和藻类为快速生长堆积并快速沉积成岩，并未遭到后期的改造。而其他黄铁矿化的管状化石和藻类有可能在沉积过程中就开始吸收海水中的矿物阳离子，并与自身结合，形成薄片中所见黄铁矿化。

4 结论

通过对牛蹄塘组底部实测剖面研究，结合岩石薄片与生物标本化石的观测，与现有资料进行对比，本文对湖南天门山地区牛蹄塘组地层、生物组成以及该地区矿床的生物成矿作用有了初步了解。得出以下结论：

1.通过研究湖南天门山牛蹄塘组底部岩石样品及样品薄片，发现矿层岩石的硅质海绵骨针化石、管状化石及藻类化石的组合，黄铁矿化藻类分布于各地层中，而海绵骨针、管状化石和部分未矿化的藻类存在于矿层及矿层下层地层中。湖南天门山地区的生物群仅含有海绵骨针、管状化石和藻类化石，未出现“松林生物群”中所含生物特征，推测该生物群并不属于已发现的“松林生物群”，仅可能是小壳动物群出现后，松林生物群之前的一次小规模的生物事件。

2.经过研究还发现，湖南天门山地区含矿地层与含矿地层下部地层中出现大量分散的海绵骨针结构、一些微小的细菌结构、似细菌结构和分散的浮游藻类矿化结构，这些都说明在成矿过程中有微生物的直接参与。在该地区地层碳质页岩中还可以见到少量的沥青斑点，且地层中富含有机质，通过这些证据都证明了生物在富集镍钼多金属元素及非金属元素过程中起的重要作用。

参考文献

[1]范振刚.海底热液口与生命起源[J]，生命世界，2007，212（6）：88-95.

[2]罗卫，缪远兴，唐攀科. 湘西北下寒武统黑色岩系中含贵金属镍钼矿矿床成因探讨[C]. 全国成矿理论与深部找矿新方法及勘查开发关键技术交流研讨会，2010.

[3]施春华，曹剑，胡凯等.黑色岩系矿床成因及其海水热水与生物有机成矿作用[J].地学前缘.2013，20（1）：19-31.

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