黔东地区新元古代“大塘坡式”锰矿沉积地球化学条件研究

发布时间：2019-09-30 19:09

【摘要】：新元古代1000~541Ma之间,全球发生了一系列重要的地质事件,使整个地球系统发生了重大的变化。尤其是大约8到6亿年前与“雪球地球事件”相对应的全球性冰川沉积事件,不仅改变了地球表面的气候,改变了大气、海洋、大陆的环境,而且也产生了与之相关的大型超大型的沉积矿产。新元古代全球至少发育两次重要冰期,分别是Marinoan冰期(650~635Ma)和Sturtian冰期(710~720Ma)。黔东地区保存有Marinoan冰期和Sturtian冰期之相对应的冰川沉积记录。同时,该地区两次冰期之间的间冰期沉积大塘坡组以盛产“大塘坡式”锰矿而闻名。上世纪中期贵州省地矿局103地质大队在松桃大塘坡率先发现大塘坡锰矿以来,“大塘坡式”锰矿勘查取得了重大进展,目前已成为我国最重要、资源潜力最大的锰矿类型。“大塘坡式”锰矿均产于大塘坡组第一段黑色炭质页岩中,即称黑色“含锰岩系”。“含锰岩系”空间分布上变化很大,沿南华纪早期区域构造所控制的地堑盆地中心分布,锰矿体主要分布在地堑盆地中心,其矿体厚度与含锰岩系厚度、岩石组合的复杂程度呈明显的正相关。前人对“大塘坡式”锰矿形成的沉积环境、成矿条件等方面进行了大量研究,但对其成因机制一直存在较大争议。主要的观点包括生物成因、生物化学沉积成因、热水成因、火山喷发-沉积成因和古天然气渗漏成因。本文对锰矿所在层位间冰期大塘坡组第一段锰矿、炭质页岩进行了较系统的地球化学研究。包括主量、微量元素分析,全岩的锶(Sr)同位素、碳(C)氧(O)同位素、硫(S)同位素,以及大量与锰矿共生的黄铁矿的铼(Re)锇(Os)同位素,以此来制约新元古代间冰期锰矿形成的古气候条件,探讨锰矿的物质来源和成因,研究间冰期古气候变化对锰矿沉积的影响。本次所有氧化锰(Mn O)的含量大于10%的样品均产在大塘坡组第一段之中,其氧化锰(Mn O)的含量最高达35.21%。整体上,块状菱锰矿的Mn O含量高于条带状菱锰矿,而且,Mn O含量越高,Si O2含量越低。也就是说,一般的情况砂质含量越高,锰含量则越低。一般情况Mn O的含量高于20%者为块状菱锰矿,7%~20%者为条带状菱锰矿。大塘坡组其下伏的铁丝坳组粉砂岩Si O2含量明显高于大塘坡组第一段锰矿中的Si O2含量,但大塘坡组第一段锰矿与黑色炭质页岩无明显差别。大塘坡组第二段与大塘坡组第一段之间,明显存在Si O2含量的显著增加。从铁丝坳组到大塘坡组第一段,以及大塘坡组第一段到大塘坡组第二段之间,Si O2含量明显的变化,可能反应了一种物源的变化,以及海平面的变化。镁铝比值(m=100×Mg O/Al2O3)可以用来作为判别沉积环境的标志之一。一般m?1为淡水环境,海陆过渡环境m为1~10,海水沉积环境m为10~500,陆表海环境m500。本次所分析的大塘坡组第一段42件样品,m值变化较大,为5.07~303.6,平均值为59.2,表明沉积环境为水体相对较深的一个海水环境。Sr/Ba值通常用来作为区分海相和陆相的一个重要的指标,海相沉积Sr/Ba值通常大于1,而陆相沉积环境一般小于1。锰矿所赋存的大塘坡组一段所分析的42件样品中,有10件Sr/Ba值为大于1,32件样品Sr/Ba值小于1,其平均值为0.91,可能表明其主要是在海陆过渡的一种环境中,但其陆相的性质特征更加的明显。大塘坡组第一段稀土总量较高,(122×10-6~428×10-6,平均256×10-6)。所有样品的稀土配分曲线基本一致,主要表现为平坦型,分布于近岸河口沉积物平均值配分曲线与深海粘土配分曲线之间,且曲线特征与近岸河口沉积物配分曲线相似。这些特征表明,沉积物质更多的来源于陆壳的风化,同时亦有部分大洋物质的参与。Rb/Sr值通常用来反映气候变化,以及化学风化的程度。一般在湿热的条件下,化学风化作用强,会有较多的Sr进入沉积环境,因此Rb/Sr值变小,相反在寒冷干燥的环境Rb/Sr值会变大。此次大塘坡组第一段中样品的Rb/Sr值波动较大,介于0.01~2.95之间,平均值为0.46,反映了化学风化作用相对较强湿热的环境,同时较大Rb/Sr值波动,也暗示了气候波动。高Mg O/Ca O值反应干热的气候,而低Mg O/Ca O值指示湿润的气候。大塘坡组第一段的Mg O/Ca O值绝大多数小于1,多数在0.3~0.7之间,平均值为0.58,反应了气候相对干热的条件。通常利用V/Cr比值、Ni/Co比值、U/Th比值来判别氧化还原环境,大塘坡组一段锰矿及页岩样品的V/Cr(0.8~3.2,平均1.6)、Ni/Co(0.29~3.95,平均0.87)、U/Th(0.15~0.84,平均0.28)等值均较低,均显示为氧化环境。大塘坡组一段的锰矿和炭质页岩的碳同位素存在明显的负偏移,δ13CV-PDB均小于-5.5‰,最低达-9.4‰,平均为-7.2‰,明显低于陡山沱组碳的同位素组成(0.5‰和1.4‰)。此次工作大塘坡组一段的锰矿体和炭质页岩之间δ13C值无明显差别,总体上δ13C值低于正常沉积碳酸盐的δ13C(0.0‰),而高于生物藻类的碳同位素组成(-12‰~-23‰),也明显高于海泥有机质的δ13C值(-20‰),而基本处于现代洋底热泉水中溶解的δ13C值(-5‰~-8‰)范围,可能指示着大塘坡组一段沉积与洋底热泉的内在联系。间冰期大塘坡组黄铁矿硫同位素组成明显区别于南沱组和陡山沱组。大塘坡组中δ34SV-CDT值变化范围不大,除样品ZK0608-26a稍微偏小为19.4‰,其它样品值均高于35‰,平均达42‰。而且,南沱组和陡山沱组中黄铁矿硫同位素δ34SV-CDT值迅速降低为负值,最低达-18.5‰,震荡幅度非常大。目前对于间冰期大塘坡组黄铁矿、菱锰矿黑色页岩等的研究均显示硫同位素组成异常高的正值,且该异常高的硫同位素组成在间冰期是一个普遍的现象,这明显区别于陡山沱组。大塘坡组黄铁矿异常高的硫同位素组成非常接近于南海大洋钻探自生黄铁矿的同位素δ34SV-CDT值(47.8‰~67.1‰),高于现代鄂霍茨克海底的甲烷冷泉成因的重晶石δ34SV-CDT值(21.0‰~38.6‰),这些特征可能表明,锰矿的成因可能与冷泉的关系不大,而更有可能与类似现代深海的热水关系密切。样品87Sr/86Sr初始比值在0.7036~0.7135之间,均高于海底热水值(0.7031)。在大塘坡组一段的6件样品中,3件样品的初始值高于海水平均值(0.709),3件低于该值。较低的87Sr/86Sr初始比值反映了较多的海底热液物质参与沉积,可能正是这海底热液物质提供了锰矿的物质来源。而较高87Sr/86Sr初始比值反映了陆壳风化物作为主要的沉积物质来源,而较少的大洋及海底热液物质参与,同时物源区可能存在高Rb/Sr的矿物。大塘坡组一段中黄铁矿Re含量的变化范围为0.440~3.008ng/g,均值为1.477ng/g,略低于大陆地壳丰度2ng/g。Os含量为0.0045~0.0063ng/g,平均值0.0052ng/g,与陆地壳丰度0.005ng/g丰度几乎一致。187Re/188Os比值较高,最低值为334,最高值达2706,均大于世界主要河流平均227,但均小于海水平均值4270。8件样品的187Os/188Os值亦较高,最低为3.69,最高达21.69,187Os/188Os初始值为1.02±0.41,明显大于地幔特征值(0.12~0.13),显示放射性成因特征。所有8件样品低Os含量、高Re/Os比值及高的187Os/188Os同位素比值表明,样品中的Os是高放射成因的,具有明显的壳源特征,即表明大塘坡组第一段的沉积物质来源盆地本身,并且沉积盆地处于海水与河水的一个混合环境。综上可知,新元古代间冰期“大塘坡式”锰矿形成于相对温暖的气候条件,当时气候温暖,生物发育,整体上处于一个氧化的环境。锰矿的沉积环境处于一个海陆过渡带,沉积的盆地具有现代海底一些特征。沉积盆地中海底热泉为锰矿提供了物质来源,沉积盆地中较少的陆源物质注入时,形成锰矿,当沉积盆地中有较多的陆源风化物注入,则形成砂质含量较高的页岩。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P618.32

【参考文献】