生物化学沉积矿床.

第五节生物沉积矿床一、概述1、定义指由沉积作用堆积起来的生物遗体，或经过生物有机体的分解而导致有用组分（矿物）沉淀所形成的矿床，也包括在沉积过程中由于细菌的生命活动而使某些元素聚集而形成的矿床。这类矿床的成矿过程中，生物作用占有很大的意义。因此，根据上述的定义我们可以将这类矿床理解为：由生物化学作用促使有机的或无机的成矿物质在各种水盆地中聚集沉积而形成的矿床。生物化学作用和生物成矿作用生物在许多外生矿床的形成过程中占有极其重要的地位，尤其是在成矿物质的风化剥蚀阶段、搬迁运移阶段、沉积富集阶段、固结成岩阶段以及后生变化阶段，都发挥重要的影响。归纳起来，在外生成矿过程中，生物的参与可以是直接的，也可以是间接的。直接参与成矿作用间接参与成矿作用是指成矿物质直接来自生物有机体本身，例如磷块岩矿床、硅藻土矿床、沉积硫矿床、生物灰岩以及煤、石油、天然气等。是指生物遗体经过腐烂、分解、或者生物在其生命的延续活动过程中所形成的产物、酶、有机酸、腐殖质等组分的影响下，改变了成矿的物理-化学环境、促使金属元素聚集成矿，如Fe，Mn，Al，U，V，Cu，Zn，Co，Ni，Ge，黄铁矿等矿床的形成。二、生物化学沉积矿床的形成机理（生物化学成矿作用）1、生物化学机能在生物化学沉积矿床的形成过程中，生物具有多种生物化学机能。这些机能对于矿床的形成起着重大的影响。①产生气体②氧化③还原④浓集某些元素⑤分解或合成形成各种有机化合物①产生气体任何生物都有产生气体的机能，特别是绿色植物的光合作用更能产生大量的氧气。人们认为，大气圈中的游离氧全部都与植物的光合作用有关。而动物以及各种微生物的呼吸作用则产生大量的二氧化碳和其他的气体，这些气体的存在，都会导致成矿环境的物化条件的改变，从而改变其中发生成矿作用的过程。大气圈与生物界的演化生物界的演化趋势是：从单细胞到多细胞，从水生到陆生，从低级到高级。因此，大气圈的气体成分也在不断地发生变化，这些变化对于沉积矿床的形成都有影响。②氧化许多有机物具有氧化的机能，即所谓的喜氧细菌，在这样的沉积环境中，由于喜氧细菌的参与，使得成矿环境具有较强的氧化性质。例如，丝状铁菌能使Fe(HCO3)2氧化成为Fe(OH)3。当条件有利于铁菌繁殖时，在静止的水体低部可形成铁矿。在有硫菌参与的情况下可以使硫化氢氧化成分子硫，这亦是生物成因的硫矿床形成的重要阶段。③还原即厌氧细菌作用。这种细菌在一种缺氧的环境中生存，可以把硫酸盐还原成硫化氢，因而有利于自然硫矿床和许多金属硫化物矿床的形成。某些微生物还可以使许多的变价元素如S,Fe,Mn,V,U等由高价还原成低价态，从而导致沉积形成的变化和固相化合物的重新溶解、迁移和再沉积。④浓集某些元素各种生物在其生命的活动过程中，可以不断地从周围的介质中（水体、空气、岩石土壤）有选择性地获取某些元素，然后在其生理的新陈代谢过程中被固定下来。⑤分解或合成形成各种有机化合物许多生物死亡之后，其躯体可被其它的生物（如微生物）分解而形成CO2，CO，CH4，H2S，H2，H2O等，可使周围的水体介质的pH和Eh值发生变化。此外，生物的生理作用可以将所吸收的元素合成形成各种有机化合物，如碳水化合物、蛋白质、有机酸、酶、维生素等。这些组分在经过生物化学的变化，就会变成腐殖质。而腐殖质就是泥炭和煤的前身。淤泥中的有机物经细菌分解、合成、还可以形成石油等。⑥吸附作用某些细菌，在生命的活动过程中，还具有胶体物质的特征，是一种具有吸附能力的细菌微粒，因而可以吸附各种金属元素，产生迁移而富集。经研究查明细菌能吸附Cu、Pb、Zn、Fe、Mn、Mo、Li、B等微量元素。2、生物化学沉积矿床的特征1）地理和气候：主要产于陆棚浅海盆地的边缘地带，炎热气候条件提供了生物生长繁殖的环境；2）环境：它们多赋存于海相地层中；3）含矿岩系：为富含有机质的页岩、砂岩－碳酸盐岩。矿层内常含有化石或有机质；常具旋回性，出现几个矿层；4）矿体形状：主要为层状、透镜状、扁豆状；沿走向可以延长很远、但沿倾向延长比较小。受海水进退的影响，在倾向上常呈雁行式分布；5）矿石组构：胶状、隐晶质、细粒状以及生物碎屑结构；以致密块状、条带状和浸染状构造为主；矿石有用矿物多为磷酸盐、硫化物、碳酸盐、氧化物等。6）矿床规模很大，分布广；有重要工业意义的生物-化学沉积矿床有磷块岩矿床、硫铁矿矿床、自然硫矿床、硅藻土矿床、石灰石矿床、与黑色页岩有关的沉积型Mo、Ni、Cu、V、U、等矿床。三、生物化学沉积矿床的类型生物直接形成矿床的典型例子是可燃有机矿产：煤、石油、油页岩和天然气。至于生物到底形成那些矿产，所起的作用究竟有多大。生物成矿作用经历过什么样的过程等问题，目前研究不甚深入。与生物成矿作用直接或间接有关的矿床有：磷块岩矿床、硅藻土矿床、沉积自然硫矿床、金属硫化物矿床、金矿床、铀矿床。下面我们仅仅择其中的几种矿床简单地介绍。①磷的来源磷在地壳中的含量为0.13%，被认为是一种典型的生物元素。动物在其生命循环中都要吸取磷以组成其躯体，如骨骼、牙齿、甲壳等。例如：脊椎动物的骨骼含P2O5达53.31%，许多低等生物贝壳中含P2O5达36.5%，虾类含Ca3(PO4)2达26%，等等。沉积磷矿床中磷的来源，主要来自是来自大陆含磷岩石风化后所产生的磷酸盐溶液，例如：有人统计伏尔加河每年带入黑海的呈溶解状态的磷多达6000多吨之巨。当然，海底火山喷发带出的磷也是重要的来源。对于磷是如何通过生物化学作用而富集起来形成矿床的，目前对其机制认识尚不一致，除了鸟粪磷矿床和贝壳等生物遗体磷矿床与动物有直接关系外，世界上磷矿床主要为海相沉积的层状或结核状磷块岩矿床。1、沉积型磷块岩矿床②磷块岩矿床的成因关于磷块岩的成因，比较一致地认为是海洋沉积的，但有三种成因观点：生物成因说化学成因说生物-化学成因说A、生物成因说认为磷块岩是在海洋中生物大量死亡后直接堆积形成的。主要依据：矿床中有大量生物化石，现代海底生物遗体可转化为胶状物质。主要成矿因素：海水温度、盐度和流速变化。例如在爱沙尼亚早志留世的磷块岩矿床中，有三层磷块岩几乎全由矿化的圆货贝的贝壳组成；我国昆南磷块岩矿床中则有矿化软舌螺层。B、化学成因说（上升洋流成矿论）苏联学者卡扎科夫，1937，1938年根据海洋学和水化学的资料，研究了近代海水中磷的分布状况和P2O5-CaO-HF-H2O相平衡关系，较为系统地阐明了磷的化学沉积过程，首次提出了沉积型磷块岩矿床的洋流形成理论。核心：洋流上升上升的洋流将深处的富磷冷水带到大陆浅水地带，使其中的磷酸盐以无机磷的形式形成，或以生物-化学的形式沉积下来。上升洋流成矿论认为在海水层上部的0～60米深度范围内，为浮游生物活动繁殖的地带，由于此带海水中的磷已被生物大量吸收，因此水中几乎不含游离态的磷或者极少，一般为10～15mg/m3或低于2～5mg/m3，并且CO2的分压较低，小于3×10-4大气压。当这些生物死亡以后其遗体向海底下沉，于是将磷质也带到深处的水体中。由于有机质分解不断析出CO2因而随着海水深度增大，CO2的含量也不断增高，因此海水溶解磷的能力也增大，在海面以下500～1000米深处，CO2的分压可达12×10-4大气压。因此生物的遗体便在这样深的海水中完全分解，使磷都大量溶于海水中，海水中的P2O5含量可达300mg/m3。也就是说在这样深度的海水中，生物遗体不再被保存，而被完全分解破坏，这时海水变成富含磷的水溶液。由于海水温度发生变化，或者由于地球自转产生了偏转力，产生海水的垂直循环作用，而使深部富含磷的海水向上作垂直运动。当这种富含磷和二氧化碳的深部海水上升到陆缘地带时，因海水深度越来越小，压力越来越小，二氧化碳的含量也越来越小，从而使海水中的碳酸盐的溶解度也随之降低，首先对碳酸钙饱和而沉淀，随之磷酸钙就以磷灰石的一种变种（氟磷灰石，即Ca5[PO4]3（F,OH），即一般所指的磷灰石）在陆缘地带的上部和中部（水深50～150米深处）沉积下来。生成具有鲕状构造的胶状磷灰岩。当深处寒流向上回流时磷灰岩在陆缘带生成简图1-海滨砂和砾石相，2-鳞灰岩相，3-泥质和灰质沉积物相，4-浮游生物遗骸下沉方向，5-上升海流方向浮游植物光合带海平面残余P2O5100mg/m溶液中含CO2和P2O5量最高地带P2O5≥300mg/mCO212×10大气压陆缘3P2O510~50mg/m3CO2≤3×10大气压-4-431234550m10020030040050010002000图9-18磷块岩矿床形成示意图（据卡查科夫，1937）1-海滨砂和砾石相；2-磷灰岩相；3-灰岩相；4-浮游生物遗体下沉方向；5-上升洋流方向上升洋流沉积说的主要证据③、磷块盐的沉积环境、岩系特征及岩相分布a、磷块岩的成矿古地理环境：古纬度5˚—42º间大陆东西两侧浅海洋流上升的区域；b、含磷岩系的特征：一般岩性性组合为砂岩、白云岩、硅质岩、磷块岩、硅质页岩及炭质页岩。其中代表上升洋流的典型沉积相组合是硅质岩-磷块岩-黑色（炭质）页岩。c、沉积相的理想分布：自滨-浅海→陆坡上段滨浅海碳酸盐岩-磷块岩相：岩性组合为白云岩、硅质白云岩、磷块岩（矿体呈层状、矿石多为碎屑结构、鲕状及块状构造）等。浅海硅质岩-硅质页岩-磷块岩相：代表洋流上升区上段较为氧化环境的沉积相，在硅质岩与碳酸盐岩的过渡段可能出现层状磷块岩，但多为结核状磷块岩。黑色页岩相：代表洋流上升区下段强还原环境的沉积相含结核状磷块岩、可构成U、V、Ni、Mo等矿床。滨浅海陆源碎屑岩相：砂岩及粉砂岩等④、我国的重要含磷层位：震旦系、寒武系下统C、生物-化学沉积成因这种观点认为磷块岩矿床既不是从海水中沉积的，也不是生物的遗体直接堆积而成的，而是与生物在海底淤泥中经过化学分解有关。认为：磷的富集与海洋生物有关。在气候炎热干旱的浅海地带，由河流带入海洋的陆源碎屑极少，但浮游生物大量繁殖。当这些生物死亡之后沉到海底淤泥中，通过细菌化学分解，形成富含磷的淤泥水。由于富磷的淤泥水发生扩散作用，磷围绕碎屑进行聚集，形成磷结核。从现代浅海淤泥中化验可知，淤泥中的含磷量比海底水高出数十～150倍。而在深海淤泥中仅高出海底水2～3倍。在成岩过程中磷酸盐溶液围绕小的砂粒，生物碎屑进行聚集形成磷酸盐结核、鲕粒或胶结物。尽管上述三种磷矿床形成理论都各自强调了各自的观点，但是都肯定了生物在成矿中的直接或间接意义。③沉积磷块岩矿床特征磷块岩矿床，按其矿石成分、结构和构造上的差别，可分为层状磷块岩矿床和结核状磷块岩矿床。A、层状磷灰岩矿床这类矿床中磷块岩呈层状产出，矿石矿物主要由细晶磷灰石或胶状磷灰石组成，并有方解石、白云石、石英、云母、粘土等矿物伴生。矿石多具致密块状或鲕状构造，鲕粒外形为圆形或椭圆形，内部具有同心层构造，胶结物有碳酸盐、二氧化硅和磷酸盐等。矿石一般含P2O5较富，规模一般较大，并常含有钒、铀、稀土元素等，可供综合利用。此类矿床是世界上最重要的磷块岩矿床类型。如前苏联卡拉套、美国落基山、阿尔及利亚、突尼斯、摩洛哥和埃及的磷块岩矿床以及我国昆阳、开阳、荆襄等磷矿床均属此类型。云南昆阳磷块岩矿床该矿床是著名的大型磷矿床，该矿区位于康滇古陆东南缘的斜坡上，与浅海相海侵序列有关，矿区出露地层由前震旦系到第三系，矿层位于下寒武统地层中，主要有磷灰岩2层，中间夹有白色含磷页岩。上矿层厚2~15m，层位稳定，形态规则；下矿层形态复杂，主要受底板古侵蚀面起伏的影响，最大厚度可达7m，矿石呈灰和黄褐色，致密坚硬，以氟磷灰石为主，约占85%，其余为方解石、石英和白云石等。P2O5品位较低，一般为20%左右。B、结核状磷块岩矿床该类矿床多产于粘土层、碳酸盐岩和海绿石砂岩中，矿体为层状，矿层由球状、肾状、不规则状的磷酸盐结核组成，大小不等。矿石矿物为含水氟碳磷灰石，并常与石英砂粒、海绿石、粘土矿物伴生。矿石品位一般较低。矿石中常有丰富的已磷酸盐化的化石，如海藻、头足类和鱼类等。此类矿床规模小，含矿率变化大，我国江苏、浙江一带二叠系地层中的磷结核矿床