生物成矿作用——以云南金顶铅锌矿床的有机成矿作用为例

宋志堃

(成都理工大学 四川 成都 610000)

生物成矿作用
——以云南金顶铅锌矿床的有机成矿作用为例

宋志堃

(成都理工大学 四川 成都 610000)

一

1.生物成矿

生物成矿是指生物及其衍生的有机质在矿床形成过程中的作用。煤、石油和天然气等，直接由生物遗体及其分解产物形成。有一些矿产，虽然不显示明显的直接的生物证据，但其组成结构及形成与生物化学过程密切相关，如沉积铁矿、深海多金属结核矿等。20世纪70年代以来，人们发现越来越多的生物和有机质参与矿床形成过程，并对生物富集、搬运和沉淀某些金属的机制作了研究，生物成矿作用的研究正在向广度和深度方向发展。

2.生物成矿研究现状

Seebenthal(1915)最早提出了生物成矿的概念，并开始研究美国的MVT铅锌矿床；Bastin(1926)的研究也证实了生物成矿作用的存在；1964年澳大利亚首次在世界上建立生物地质实验室(Baas Becking生物地质实验室)并很快合成出了细菌成因的黄铁矿。之后各国的地质学家开始研究有机质及其演化物在各类层控矿床成矿中的作用[1]。

20世纪80年代，随着扫描电镜、微区分析和微量元素等分析测试技术在地质学领域的广泛运用，使得人们对生物成矿作用的认识得到深化，该领域的研究才逐渐受到重视。第28届国际地质大会中，有关生物-有机质成矿作用的研究论文空前增多，大会还专门设立了相关专题，Zierenberg等发现微生物可以参与大洋热液硫化物中金属元素的矿化。

在国内，对生物成矿作用的研究起步较晚，20世纪60年代以后，叶连俊对表生条件下各种形式的有机质与金属(及某些非金属)成矿进行了比较系统地研究，重点探讨了有机质对元素的络合、吸附、迁移富集的影响；侯奎等在对宣龙铁矿的研究过程中，发现蓝藻对铁矿有富集作用；涂光炽提出了油气矿床与活泼金属成矿相关理论；刘文均在湖南城步铺头黄铁矿矿床中发现该矿床与生物礁有关；殷鸿福提出了“生物-有机质-流体”成矿系统。进入21世纪以来，随着科学技术的进步，对大洋、湖泊中生物成矿现象的发现和研究力度逐渐加大，袁峰等对东天山自然铜矿化带铜矿石的有机质进行了详细地研究，重点探讨了有机质与矿床之间的关系；朱正杰等对湖泊沉积的有机碳同位素进行了研究，总结了有机质含量、碳同位素与湖泊生产力之间的对应关系；汪卫国对弧后盆地、大洋中脊不同热液类型的金属元素和微生物成矿现象进行了研究，目的在于探讨不同热液区微生物成矿的差异性[2]。

3.生物成矿的特点

有机质成矿作用的研究可以为正确认识成矿机理，准确了解成矿的环境和背景标志，为全面了解成矿盆地的地史演化，深入了解地质流体的作用提供信息，为寻找新的矿床提供依据。该项研究不但可以丰富和完善有机质成矿理论，而且对于生态地质学、环境地质学、古生物学和沉积学的研究具有重要意义。人们通过鉴定发现不但有些生物可以吸收某些元素，使元素富集，而且在成岩阶段，沉积物中的有机质在成矿中起着重要作用。根据前人的研究，生物有机质在成矿中所起作用的方式有两大类：一是动植物本身对某些元素的吸收富集作用；二是有机物在沉积以后，促使沉积物(或沉积岩)中的元素再富集或者使深部流体带来的元素沉淀而形成矿床。

有机质生成世代是指在沉积有机质演化的不同时期所生成的、具不同表现形式的有机质，其顺序是：腐殖酸一低成熟干酪根—有机羧酸—石油—高成熟干酪根—沥青和甲烷—石墨。不同的有机质对生物成矿中所起的作用也不尽相同[1]。

(1)生物有机质对成矿金属的预富集作用

自然界许多生物具有通过生物化学作用从周围环境吸取某些金属元素的能力，并形成其体内某种机体以维持生命前人研究表明。几乎所有的菌藻类生物由于同化作用和生长代谢活动都能吸收大量的金属和非金属离子合成藻细胞组分。金顶矿区外围基底地层，尤其是中生代地层中铅、锌元素丰度值较高，极有可能是地层中富含的大量有机质的吸附作用所致。

在很多矿区有大量的草莓状黄铁矿产出，关于草莓状黄铁矿的成因问题，有些研究者认为有机质对黄铁矿草莓球的形成有重大影响。它们的形成通常是细菌死亡后Fe2+、HS-进入细胞体壁形成FeS2微晶，后来的FeS2沿矿化的细胞壁沉淀交代有机质，最终形成多种莓体。由此可见，草莓状黄铁矿的存在是生物-有机质在沉积作用早期参与成矿的重要标志。

(2)活化迁移作用

有机地球化学研究表明，有机-金属络合物具有很高的稳定性，即使浓度很低也是这样。有机化合物中一般都存在着相当数量的亲水官能团，这些官能团能与多种金属离子螯合生成可溶性络合物，从而大大增加了它们从矿物和岩石中淋滤浸出以及在水溶液中的迁移能力。实验证明，在羧酸阴离子和酚类有机质的作用下，容易形成金属有机络合物迁移。含有机质的水溶液比单纯只含无机盐的水溶液，矿质的溶解度高的多。一般可高达几倍到十几倍，有机配位基和铅、锌等元素形成稳定的可溶性金属-有机络合物在水溶液中具有良好的热稳定性(180～240℃)。当成矿流体遇到热异常或自身温度升高后(>240℃)，液态金属有机络合物发生化学变化如裂解而转化为小分子的气态有机物并同时沉淀出金属元素，这种成矿机制简述为“低温迁移，高温沉淀”，是一种有别于一般成矿过程的特殊的成矿机制，美国卡林型金矿床可能就与这种机制有关。

(3)还原沉淀作用

在一些典型矿区的主成矿阶段，有机包裹体和盐水溶液包裹体紧密共生，是该区成矿流体的重要特征，表明在矿床主要成矿阶段，不同性质的流体混和可能是导致成矿的重要原因之一。有机质本身就是直接的强还原剂，羧酸阴离子可能是溶液中[H+]的主要来源或受体，因此它们直接或间接地控制了成矿流体的pH值，在80～120℃条件下，溶液的pH值典型的由羧酸阴离子控制。当固体有机质与不同氧化-还原状态的流体接触或有机流体与不同氧化-还原状态的流体混和时，发生强烈的还原反应，由于流体混和时的反应速率比通常意义上的水-岩反应速率快，且影响范围大，会引起流体系统成矿物理化学参数(如温度、盐度、pH值和Eh值等)的突变，最终导致成矿元素沉淀，形成矿床[2]。

4.生物成矿研究方法

(1)有机包裹体

有机包裹体能够提供与有机质相关的金属元素富集、迁移、沉淀的成岩成矿信息。有机包裹体是由液态、气态或固态有机质组成的矿物流体包裹体，主要含有甲烷、乙烷等各类烷烃、芳香族化合物、液体原油等沥青有机质。根据有机包裹体的相态、颜色、大小、分布等特征，可分为烃有机包裹体和含烃有机包裹体。有机包裹体的均一温度是了解流体古温度、推测盆地演化史的主要依据，也是确定有机质充注时间的依据。

(2)硫、碳同位素标志

硫同位素的组成特征可以判别生物是否参与成矿，通常把硫化物富含32S以及同位素变化范围很大，看成是生物与大规模矿化作用相关的标志。硫酸盐通过细菌还原成硫化物时，其分馏大小取决于还原细菌的种类、反应速率以及体系开放或封闭程度，但是在营养物质丰富或硫酸盐浓度较低的条件下，细菌致使硫同位素分流作用减小。在有生物或有机质参与下形成的矿床中，碳酸盐的。δ13C值变化很大，且多为负值，有机碳同位素的大小不仅与水体的生产力有关，与生物的类型也关系密切。值得注意的是在有机质成矿过程中，热化学硫酸盐还原反应会导致有机碳同位素δ13C值升高。这是由于有机质在化学反应过程中12C首先被消耗，导致δ13C相对富集。因此在判别是否有生物参与成矿的工作中，应充分考虑有机质化学反应所带来的影响。

(3)试验模拟

孙庆津等对藻类#细菌和有机质富集金属成矿元素的能力进行了试验模拟；林丽等对菌藻生物活体、死体、原油、有机质和黏土矿物的富金作用先后进行了对比试验，总结了不同物质对金的富集机理；乔海明模拟了铁细菌+脱氮硫杆菌+氧化硫硫杆菌+硝化细菌+亚硝化细菌+氧化亚铁硫杆菌对铀的氧化溶解作用等[3]。

5.生物成矿作用的找矿意义

(1)由于生物生存有一定环境，沉积岩相及古地理环境研究十分重要。地层纵横剖面上岩性变化，即产生相变易引起生物群体的变化及物理化学条件的变化，原有平衡被打破从而容易引起生物大量死亡，导致生物成矿作用及有用矿物质的沉淀，要在岩性发生相变的地方去找矿。

(2)根据盆地水的深浅、温度、盐度、矿化度、生物的多少、沉积物来源等方面进行深入研究，确定找矿有利环境及位置[1]。

二、云南金顶铅锌矿床的有机成矿作用

前人[6]从岩石学和矿相学研究中归纳了金顶铅锌矿床的矿物生成顺序，矿物的形成明显可以分为三期，即沉积成岩期、热卤水成矿期和表生成矿期[5]。

1.沉积成岩期的生物有机成矿作用

生物的正常生长发育和新陈代谢必须有一些元素参加，这些元素称为生命必须元素，包括C、H、O、N、P、K等26种元素，当然也包括Zn、Fe。生物对Zn、Fe元素的依赖使得许多生物体成为Zn、Fe的富集体。虽然Pb是有害的重金属元素，但许多微生物却能够大量吸收Pb元素，从而使Pb元素初步富集。表1是双壳和绿藻富集Pb、Zn实验的模拟。

从表中可以看出，无论双壳还是绿藻，对Pb2+、Zn2+都具有富集作用，而藻类对Pb2+、Zn2+的富集系数更大，分别是双壳的1.36倍和1.04倍[7]。对金顶矿床中有机质的研究表明，有机质母源主要为细菌和藻类[8]，虽然金顶矿区至今为止在含矿层内没有发现化石，但较老的三叠系灰岩中含有较丰富的化石(三叠系灰岩为金顶铅锌矿床有机质的主要来源层)，主要有双壳类、头足类、珊瑚、藻类、介形类等多个门类的众多属种[9]。

表1 双壳、藻类富集Pb、Zn实验模拟

2.热卤水成矿期的有机成矿作用

对金顶铅锌矿床闪锌矿及有关脉石矿物(石英、天青石、方解石和硬石膏)的流体包裹体的研究表明，均一温度主要在110～150℃之间，根据生油理论，这一温度正好处于“生油窗”的温度范围内(60℃～210℃)，即有机质处于成熟阶段，为主要的生烃时期，而这时期也正是金顶铅锌矿床的主要成矿期。

随着地层埋藏深度的增加，地层中的有机质进一步演化，当埋深达到一定深度时有机质演化开始达到成熟阶段，此期的有机质以油田卤水或石油的形式存在。

3.表生成矿期的生物成矿作用

金顶矿区富含有机质的成矿流体由于受上覆岩层的“封堵作用”而就位于一定的构造空间及岩层空间(即储集层)，由于储集层中本身含有孔隙水及大气降水，成矿流体在储集层中与储集水发生流体混合作用，因物理化学条件的剧变而发生矿物质沉淀，进而形成矿床。之后金顶矿区开始了表生成矿期的演化。

金顶矿区表生期成矿主要表现为后期的构造破坏作用，同时也有微生物参与下的氧化、还原作用。细菌(如氧化亚铁流杆菌)在较低pH值时对黄铁矿等金属硫化物具有强烈的氧化作用，形成以含硫酸亚铁为主的酸性溶液，这种酸性溶液的存在加速了方铅矿和闪锌矿的氧化，形成较易溶的PbSO4及ZnSO4，进而形成金顶铅锌矿床中的氧化矿石。

三、小结

金顶矿床矿石矿物的演化经历了沉积成岩期、热卤水成矿期及表生成矿期三个阶段，在不同的矿石矿物演化阶段，生物有机质均以不同的形式存在，并对矿石矿物的形成起着重要的作用：

(1)沉积成岩期，藻类及其它生物体以Pb、Zn等成矿元素为“食”，使得海水中大量的金属成矿元素的初始富集。随着这些生物的死亡，Pb、Zn等成矿元素沉积下来，同时，这些死亡生物体形成的腐殖酸对Pb、Zn等成矿元素具有强烈的吸附作用。

(2)热卤水成矿期，有机质以有机羧酸的形式大量存在于地层水中，有机羧酸对Pb、Zn等成矿元素具有较强的溶蚀作用，同时这些有机羧酸的存在能够控制矿床的形成环境。原油残留的存在表明原油在金顶铅锌矿床的形成过程中起着积极作用，但只是部分Pb、Zn等成矿元素以这种方式运移。

(3)表生成矿期，由于矿体大量暴露于地表，使得黄铁矿等金属硫化物易于氧化，而矿区内大量氧化细菌的存在不仅加速了黄铁矿等硫化物的氧化，也使得方铅矿、闪锌矿等极难溶的硫化物氧化形成氧化矿石，部分Pb、Zn等成矿元素发生了再迁移，在潜水面之下的溶洞及裂隙中，由于硫还原细菌的存在发生再沉淀，形成次生硫化物矿[5]。

[1]李昌兵，刘通.生物成矿作用的研究意义[J].地球，2013，10:102-103.

[2]魏国文.生物有机成矿作用研究进展[J].科技信息，2013，03:414+402.

[3]张玲，杨恩林，方开雄.生物-有机质与金属矿床成矿作用研究进展[J].现代矿业，2014，05:67-69+79.

[4]王新利，庞艳春，付修根，田晓桦，李宏伟.云南金顶铅锌矿床的有机成矿作用——来自围岩、矿石中有机质生物标志化合物的证据[J].地质通报，2009，06:758-768.

[5]付修根.金顶铅锌矿床生物有机成矿作用探讨[J].资源调查与环境，2004，03:184-189.

宋志堃(1992-)，男，汉族，河北涿州人，在读研究生，成都理工大学地球科学学院，矿产普查与勘探(固体矿产勘查)专业。