第10章-5-生物化學(xué)沉積

1、五、生物五、生物化學(xué)沉積礦床化學(xué)沉積礦床u定義：指由沉積作用堆積起來的生物遺體，或經(jīng)過生物有機(jī)體的分解而導(dǎo)致有用組分（礦物）沉淀所形成的礦床，也包括在沉積過程中由于細(xì)菌的生命活動(dòng)而使某些元素聚集而形成的礦床。u 這類礦床的成礦過程中，生物作用占有很大的意義。因此，根據(jù)上述的定義我們可以將這類礦床理解為：由生物或生物化學(xué)作用促使有機(jī)的或無機(jī)的成礦物質(zhì)在各種水盆地中聚集，經(jīng)沉積作用而形成的礦床。 生物在成礦過程中有直接或間接的作用.沉積的生物遺跡、生物殘骸而成的礦床；沉積的生物遺跡、生物殘骸而成的礦床；生物（生物（）活動(dòng)促使成）活動(dòng)促使成礦物質(zhì)沉淀富集形成的礦床。礦物質(zhì)沉淀富集形成的礦床。（二）生

2、物及生物化學(xué)在成礦過程中（二）生物及生物化學(xué)在成礦過程中的作用的作用 n在生物化學(xué)沉積礦床的形成過程中，生物具有多種生物化學(xué)機(jī)能。這些機(jī)能對于礦床的形成起著重大的影響。主要包括：n生物機(jī)體對有用組分的富集作用 n微生物化學(xué)作用 n各種生物在生長過程中 ，由于生物機(jī)體的需要，能從周圍的環(huán)境中（水體、空氣、巖石土壤等）不斷地吸收某些元素或物質(zhì)，使這些元素在生物機(jī)體中得到高度富集。n例如一些海洋生物中某些元素的含量比海水高出幾十倍至幾十萬倍：F、B、K、S、Si、P一般高出幾十倍，Br、Sr、Fe、As、Ag高出幾百倍，Cu、I高出幾萬倍，Zn、Mn高出幾十萬倍。有的生物對某些元素特別集中。生物的蛋

3、白質(zhì)、脂肪及血液中集中C、H、O、N、S、P、K、Fe等元素，骨骼中集中Ca、P、Si等元素。n各種生物對于元素的這種有選擇性的吸收、濃集作用，是許多生物化學(xué)沉積礦床的物質(zhì)基礎(chǔ)。 （三）生物化學(xué)沉積礦床的特征三）生物化學(xué)沉積礦床的特征1）地理和氣候：主要產(chǎn)于陸棚淺海盆地的邊緣地帶，炎熱氣候條件提供了生物生長繁殖的環(huán)境；2）環(huán)境：它們多賦存于海相地層中；3）含礦巖系：為富含有機(jī)質(zhì)的頁巖、砂巖碳酸鹽巖。礦層內(nèi)常含有化石或有機(jī)質(zhì)；常具旋回性，出現(xiàn)幾個(gè)礦層；4）礦體形狀：主要為層狀、透鏡狀、扁豆?fàn)睿谎刈呦蚩梢匝娱L很遠(yuǎn)、但沿傾向延長比較小。受海水進(jìn)退的影響，在傾向上常呈雁行式分布；5）礦石組構(gòu)：以致密塊

4、狀、條帶狀和浸染狀構(gòu)造為主；礦石有用礦物多為磷酸鹽、硫化物、碳酸鹽、氧化物6）礦床規(guī)模很大，分布廣；有重要工業(yè)意義的生物-化學(xué)沉積礦床有磷塊巖礦床、硫鐵礦礦床、自然硫礦床、硅藻土礦床、石灰石礦床、與黑色頁巖有關(guān)的沉積型Mo、Ni、Cu、 V、U、等礦床。 （四）（四） 沉積磷塊巖礦床沉積磷塊巖礦床n磷在地殼中的含量為0.13%，被認(rèn)為是一種典型的生物元素。動(dòng)物在其生命循環(huán)中都要吸取磷以組成其軀體，如骨骼、牙齒、甲殼等。例如：脊椎動(dòng)物的骨骼含P2O5達(dá)53.31%，許多低等生物貝殼中含P2O5達(dá)36.5%，蝦類含Ca3(PO4)2達(dá)26%，等等。n沉積磷礦床中磷的來源，主要來自是來自大陸含磷巖石

5、風(fēng)化后所產(chǎn)生的磷酸鹽溶液，例如：有人統(tǒng)計(jì)伏爾加河每年帶入黑海的呈溶解狀態(tài)的磷多達(dá)6000多噸之巨。當(dāng)然，海底火山噴發(fā)帶出的磷也是重要的來源。n對于磷是如何通過生物化學(xué)作用而富集起來形成礦床的，目前對其機(jī)制認(rèn)識尚不一致，除了鳥糞磷礦床和貝殼等生物遺體磷礦床與動(dòng)物有直接關(guān)系外，世界上磷礦床主要為海相沉積的層狀或結(jié)核狀磷塊巖礦床。 1 1、沉積磷塊巖礦床的成因、沉積磷塊巖礦床的成因 關(guān)于磷塊巖的成因，比較一致地認(rèn)為是海洋沉積的，但有三種成因觀點(diǎn)：生物成因說生物-化學(xué)成因說化學(xué)成因說（上升洋流說）n認(rèn)為磷塊巖是在海洋中生物大量死亡后直接堆積直接堆積形成的。主要依據(jù)是有的礦床中有大量生物化石，現(xiàn)代海底生

6、物遺體可轉(zhuǎn)化為膠狀物質(zhì)。主要成礦因素是海水溫度、鹽度和流速變化。n例如在愛沙尼亞早志留世的磷塊巖礦床中，有三層磷塊巖幾乎全由礦化的圓貨貝的貝殼組成；我國昆南磷塊巖礦床中則有礦化軟舌螺層。u這種觀點(diǎn)認(rèn)為磷塊巖礦床不是由生物的遺體直接堆積而成的，而是與生物在海底淤泥中化學(xué)分解有關(guān)。u在氣候炎熱干旱的淺海地帶，浮游生物大量繁殖（吸收磷）。當(dāng)這些生物死亡后下沉到海底淤泥中，通過細(xì)菌化學(xué)分解，形成富含磷的淤泥水。由于富磷的淤泥水發(fā)生擴(kuò)散作用，磷圍繞碎屑進(jìn)行聚集，形成磷結(jié)核。u從現(xiàn)代淺海淤泥中化驗(yàn)可知，淤泥中的含磷量比海底水高出數(shù)十倍150倍。而在深海淤泥中僅高出海底水23倍。在成巖過程中磷酸鹽溶液圍繞小

7、的砂粒、生物碎屑進(jìn)行聚集形成磷酸鹽結(jié)核，鮞?；蚰z結(jié)物。n這種成礦理論的核心是洋流上升。上升洋流將深處富磷的冷水帶到大陸淺水地帶，其中的磷酸鹽以無機(jī)磷的形式聚集或以生物-化學(xué)的形式沉積下來。n主要依據(jù)是P2O5溶解度與水中CO2含量呈正相關(guān)P2O5在不同深度海水中含量不同生物吸收帶 當(dāng)深處寒流向上回流時(shí)磷當(dāng)深處寒流向上回流時(shí)磷灰?guī)r在陸緣帶生成簡圖灰?guī)r在陸緣帶生成簡圖（據(jù)卡查科夫）（據(jù)卡查科夫）1海濱砂和礫石相；海濱砂和礫石相；2磷灰?guī)r相；磷灰?guī)r相；3泥質(zhì)和灰泥質(zhì)和灰質(zhì)沉積物相；質(zhì)沉積物相；4浮游生浮游生物遺骸下沉方向；物遺骸下沉方向；5上上升海流方向升海流方向n由于海水的垂直循環(huán)，上升洋流把富含

8、磷和CO2的深部寒冷海水帶至陸緣地帶時(shí)，由于水溫越來越高、深度越來越小，CO2不斷向浮游植物光合帶擴(kuò)散，或形成碳酸鈣的沉積。因此，隨著水中CO2分壓力減小，磷酸鈣飽和，其溶解度也隨之下降，所以磷酸鈣就以磷灰石的一種變種（氟磷灰石，即Ca5PO43（F,OH），即一般所指的磷灰石）沉淀下來，在陸緣帶的上部和中部（海水深50150m），生成具鮞狀構(gòu)造的膠狀磷塊巖。洋流上升與表面洋流循環(huán)有關(guān)，而表面洋流循環(huán)則由信風(fēng)及海水溫差引起。發(fā)生在低緯度區(qū)的信風(fēng)帶，在北半球由東北向西南運(yùn)動(dòng)，而在南半球則由東南向西北方向移動(dòng)，這樣造成赤道暖流沿大洋西緣流向兩極，兩極的冷流沿大洋東緣流向赤道，形成一個(gè)封閉系統(tǒng)；由于

9、表層溫度較高的海水流動(dòng)，致使深部溫度較低的海水向上補(bǔ)充，形成上升流。上升流使富磷的海水在沿岸沉積磷灰石。此外，深部洋流接近海岸是，由于遇到正地形而發(fā)生偏斜，引起洋流循環(huán)與上升。n這一假說的核心在于必須有洋流的上升作用。n20世紀(jì)60年代，謝爾蓋等人認(rèn)為，洋流上升作用引起的磷塊巖礦床成礦作用主要發(fā)生在低緯度地區(qū)。洋流上升成礦理論用于指導(dǎo)海相沉積磷礦床的普查和預(yù)測，受到了顯著的效果。n例如，澳大利亞在1966年以前還是一個(gè)缺磷國家，自利用這一理論找磷礦取得空前成功以來，一躍成為磷礦產(chǎn)的出口國。此外，秘魯、智利、印度等國也應(yīng)用這一理論進(jìn)行磷礦的普查，相繼找到了大型磷塊巖礦床。（a）濱淺海陸源碎屑巖相

10、：砂巖及粉砂巖等（取決于陸源供給狀況，缺乏陸源碎屑時(shí)此帶不發(fā)育）。（b）濱淺海碳酸鹽巖-磷塊巖相：巖性組合為白云巖、硅質(zhì)白云巖、磷塊巖（礦體呈層狀、礦石多為碎屑結(jié)構(gòu)、鮞狀及塊狀構(gòu)造）等。（c）淺海硅質(zhì)巖-硅質(zhì)頁巖-磷塊巖相：代表洋流上升區(qū)上段較為氧化環(huán)境的沉積相，在硅質(zhì)巖與碳酸鹽巖的過渡段可能出現(xiàn)層狀磷塊巖，但多為結(jié)核狀磷塊巖。（d）黑色頁巖相：代表洋流上升區(qū)下段強(qiáng)還原環(huán)境的沉積相，含結(jié)核狀磷塊巖、可構(gòu)成U、V、Ni、Mo等礦床。n磷塊巖礦床，按其礦石成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上的差別，可分為層狀磷塊巖礦床和結(jié)核狀磷塊巖礦床。（1）層狀磷灰?guī)r礦床:這類礦床中磷塊巖呈層狀產(chǎn)出，n礦石礦物主要由細(xì)晶磷灰石或

11、膠狀磷灰石組成，并有方解石、白云石、石英、云母、粘土等礦物伴生。n礦石多具致密塊狀或鮞狀構(gòu)造，鮞粒外形為圓形或橢圓形，內(nèi)部具有同心層構(gòu)造，膠結(jié)物有碳酸鹽、二氧化硅和磷酸鹽等。n礦石一般含P2O5較富，規(guī)模一般較大，并常含有釩、鈾、稀土元素等，可供綜合利用。n此類礦床是世界上最重要的磷塊巖礦床類型。如前蘇聯(lián)卡拉套、美國落基山、阿爾及利亞、突尼斯、摩洛哥和埃及的磷塊巖礦床以及我國昆陽、開陽、荊襄等磷礦床均屬此類型。n（2）結(jié)核狀磷塊巖礦床n該類礦床多產(chǎn)于粘土層、碳酸鹽巖和海綠石砂巖中，n礦體為層狀，礦層由球狀、腎狀、不規(guī)則狀的磷酸鹽結(jié)核組成，大小不等。n礦石礦物為含水氟碳磷灰石，并常與石英砂粒、海

12、綠石、粘土礦物伴生。n礦石品位一般較低。礦石中常有豐富的已磷酸鹽化的化石，如海藻、頭足類和魚類等。n此類礦床規(guī)模小，含礦率變化大，我國江蘇、浙江一帶二疊系地層中的磷結(jié)核礦床屬于此類。n我國是一個(gè)磷礦產(chǎn)十分豐富的國家，著名代表有云南的昆陽磷礦，貴州的開陽磷礦，湖北的襄陽磷礦（）。合稱“三陽”磷礦。這些都是為世人所知的大型沉積磷塊巖礦床。我國的重要含磷層位我國的重要含磷層位：震旦系、寒武系。n我國磷礦床分布不均勻，主要集中于南方各省，而北方廣大地區(qū)則十分貧窮，故有“南磷北調(diào)”之說。n生活在海洋和湖泊中的硅藻蟲和放射蟲等生物，吸收水中的SiO2組成軀體，它們的體形雖小，但數(shù)量極多。當(dāng)有機(jī)部分腐爛，硅

13、質(zhì)介殼則保留下來形成硅藻淤泥，在經(jīng)成巖作用形成了硅藻土礦床。n硅藻土礦床分布很廣，但在地質(zhì)時(shí)代上則是很有限，中生代以前的礦床尚未發(fā)現(xiàn)。在美國加利福尼亞、前蘇聯(lián)伏爾加河流域的礦床均屬第三紀(jì)，我國硅藻土礦床主要分布于吉林、黑龍江、山東和湖南等省的第三紀(jì)湖相沉積物中。n硅藻土礦床常產(chǎn)于白堊系及第三系和第四系的海相或湖相地層中，主要賦存于砂巖、頁巖、泥巖、含磷沉積巖及火山巖類中，礦體呈透鏡狀，最厚可達(dá)數(shù)十米，甚至數(shù)百米。n硅藻土的成分和結(jié)構(gòu)特征： 主要成分：硅藻殼（蛋白石質(zhì)的SiO2） 次要成分：粘土礦物，長石、石英及云母的碎屑 結(jié)構(gòu)松散、孔隙發(fā)育、比表面積大（用于過濾劑、漂白劑、催化劑載體、填料、隔

14、音隔熱材料） 我國第三紀(jì)硅藻土礦床剖面示意圖1沖積層；2粘土層；3硅藻土；4白色細(xì)砂巖；5炭質(zhì)頁巖；6礫巖層；7玄武巖（除沖積層外，余皆為第三系）n這類礦床往往賦存于黑色頁巖、炭質(zhì)粉砂巖、瀝青質(zhì)泥灰?guī)r中，礦體呈層狀或似層狀，與圍巖整合接觸，常具有一定的層位，礦層中的硫化物多呈微粒狀散布。n根據(jù)大量的觀察和研究表明，在現(xiàn)代滯流盆地底部的細(xì)粒沉積物中，含有大量的細(xì)菌、有機(jī)質(zhì)、金屬元素和硫化氫氣體。例如，在黑海盆地底部氧化還原環(huán)境的過渡帶，淤泥中重金屬含量分別為：銅25010-6，鋅25010-6，鈾3210-6，鉬8010-6，銀1610-6。在還原帶中則富含腐殖質(zhì)、硫和黃鐵礦等，這些金屬元素富集

15、的事實(shí)為這類金屬硫化物礦床的沉積成因提供了有力佐證。n沉積成因的硫化物常具有顯微球粒結(jié)構(gòu)，顯微球粒的粒徑在415m不等，球粒集合體外形似草莓狀，每個(gè)球粒由中心體和囊體組成。中心體的每個(gè)細(xì)胞中均有一粒硫化物（黃鐵礦或輝銅礦）。n關(guān)于它的成因，一般認(rèn)為，各種金屬成礦物質(zhì)是通過各種來源的含礦熱液和H2S發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而沉淀富集成礦。n在海盆地中氧化-還原界面下（還原條件），由微生物作用（如海底厭氧細(xì)菌）分解水中的硫酸鹽和生物遺體產(chǎn)生H2S，當(dāng)含金屬離子的溶液進(jìn)入這種沉積環(huán)境后，受到H2S的影響，形成金屬硫化物，如有足夠的金屬離子供給，就能形成沉積的金屬硫化物礦床。n礦石同位素：34S 顯示生物硫特點(diǎn)。n由生物化