農(nóng)學(xué)5生物化學(xué)沉積礦床課件

第五節(jié)生物沉積礦床

一、概述1、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)菌的生命活動而使某些元素聚集而形成的礦床。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沉積而形成的礦床。生物化學(xué)作用和生物成礦作用

生物在許多外生礦床的形成過程中占有極其重要的地位，尤其是在成礦物質(zhì)的風(fēng)化剝蝕階段、搬遷運(yùn)移階段、沉積富集階段、固結(jié)成巖階段以及后生變化階段，都發(fā)揮重要的影響。歸納起來，在外生成礦過程中，生物的參與可以是直接的，也可以是間接的。直接參與

成礦作用間接參與

成礦作用

是指成礦物質(zhì)直接來自生物有機(jī)體本身，例如磷塊巖礦床、硅藻土礦床、沉積硫礦床、生物灰?guī)r以及煤、石油、天然氣等。

是指生物遺體經(jīng)過腐爛、分解、或者生物在其生命的延續(xù)活動過程中所形成的產(chǎn)物、酶、有機(jī)酸、腐殖質(zhì)等組分的影響下，改變了成礦的物理-化學(xué)環(huán)境、促使金屬元素聚集成礦，如Fe，Mn，Al，U，V，Cu，Zn，Co，Ni，Ge，黃鐵礦等礦床的形成。二、生物化學(xué)沉積礦床的形成機(jī)理（生物化學(xué)成礦作用）1、生物化學(xué)機(jī)能在生物化學(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。①產(chǎn)生氣體②氧化③還原④濃集某些元素⑤分解或合成形成

各種有機(jī)化合物①產(chǎn)生氣體

任何生物都有產(chǎn)生氣體的機(jī)能，特別是綠色植物的光合作用更能產(chǎn)生大量的氧氣。人們認(rèn)為，大氣圈中的游離氧全部都與植物的光合作用有關(guān)。而動物以及各種微生物的呼吸作用則產(chǎn)生大量的二氧化碳和其他的氣體，這些氣體的存在，都會導(dǎo)致成礦環(huán)境的物化條件的改變，從而改變其中發(fā)生成礦作用的過程。大氣圈與生物界的演化

生物界的演化趨勢是：從單細(xì)胞到多細(xì)胞，從水生到陸生，從低級到高級。因此，大氣圈的氣體成分也在不斷地發(fā)生變化，這些變化對于沉積礦床的形成都有影響。②氧化

許多有機(jī)物具有氧化的機(jī)能，即所謂的喜氧細(xì)菌，在這樣的沉積環(huán)境中，由于喜氧細(xì)菌的參與，使得成礦環(huán)境具有較強(qiáng)的氧化性質(zhì)。例如，絲狀鐵菌能使Fe(HCO3)2氧化成為Fe(OH)3。當(dāng)條件有利于鐵菌繁殖時，在靜止的水體低部可形成鐵礦。在有硫菌參與的情況下可以使硫化氫氧化成分子硫，這亦是生物成因的硫礦床形成的重要階段。③還原

即厭氧細(xì)菌作用。這種細(xì)菌在一種缺氧的環(huán)境中生存，可以把硫酸鹽還原成硫化氫，因而有利于自然硫礦床和許多金屬硫化物礦床的形成。某些微生物還可以使許多的變價元素如S,Fe,Mn,V,U等由高價還原成低價態(tài)，從而導(dǎo)致沉積形成的變化和固相化合物的重新溶解、遷移和再沉積。④濃集某些元素

各種生物在其生命的活動過程中，可以不斷地從周圍的介質(zhì)中（水體、空氣、巖石土壤）有選擇性地獲取某些元素，然后在其生理的新陳代謝過程中被固定下來。⑤分解或合成形成各種有機(jī)化合物

許多生物死亡之后，其軀體可被其它的生物（如微生物）分解而形成CO2，CO，CH4，H2S，H2，H2O等，可使周圍的水體介質(zhì)的PH和EH值發(fā)生變化。 此外，生物的生理作用可以將所吸收的元素合成形成各種有機(jī)化合物，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、酶、維生素等。這些組分在經(jīng)過生物化學(xué)的變化，就會變成腐殖質(zhì)。而腐殖質(zhì)就是泥炭和煤的前身。淤泥中的有機(jī)物經(jīng)細(xì)菌分解、合成、還可以形成石油等。⑥吸附作用

某些細(xì)菌，在生命的活動過程中，還具有膠體物質(zhì)的特征，是一種具有吸附能力的細(xì)菌微粒，因而可以吸附各種金屬元素，產(chǎn)生遷移而富集。經(jīng)研究查明細(xì)菌能吸附Cu、Pb、Zn、Fe、Mn、Mo、Li、B等微量元素。

2、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)幾個礦層；4）礦體形狀：主要為層狀、透鏡狀、扁豆?fàn)?；沿走向可以延長很遠(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)：膠狀、隱晶質(zhì)、細(xì)粒狀以及生物碎屑結(jié)構(gòu)；以致密塊狀、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、氧化物等。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。

三、生物化學(xué)沉積礦床的類型

生物直接形成礦床的典型例子是可燃有機(jī)礦產(chǎn)：煤、石油、油頁巖和天然氣。至于生物到底形成那些礦產(chǎn)，所起的作用究竟有多大。生物成礦作用經(jīng)歷過什么樣的過程等問題，目前研究不甚深入。與生物成礦作用直接或間接有關(guān)的礦床有：磷塊巖礦床、硅藻土礦床、沉積自然硫礦床、金屬硫化物礦床、金礦床、鈾礦床。下面我們僅僅擇其中的幾種礦床簡單地介紹。①磷的來源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。沉積磷礦床中磷的來源，主要來自是來自大陸含磷巖石風(fēng)化后所產(chǎn)生的磷酸鹽溶液，例如：有人統(tǒng)計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。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、

沉積型磷塊巖礦床②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：生物成因說化學(xué)成因說生物-化學(xué)成因說A、生物成因說認(rèn)為磷塊巖是在海洋中生物大量死亡后直接堆積形成的。主要依據(jù)：礦床中有大量生物化石，現(xiàn)代海底生物遺體可轉(zhuǎn)化為膠狀物質(zhì)。主要成礦因素：海水溫度、鹽度和流速變化。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。B、化學(xué)成因說（上升洋流成礦論）

蘇聯(lián)學(xué)者卡扎科夫，1937，1938年根據(jù)海洋學(xué)和水化學(xué)的資料，研究了近代海水中磷的分布狀況和P2O5-CaO-HF-H2O相平衡關(guān)系，較為系統(tǒng)地闡明了磷的化學(xué)沉積過程，首次提出了沉積型磷塊巖礦床的洋流形成理論。核心：洋流上升

上升的洋流將深處的富磷冷水帶到大陸淺水地帶，使其中的磷酸鹽以無機(jī)磷的形式形成，或以生物-化學(xué)的形式沉積下來。上升洋流成礦論認(rèn)為

在海水層上部的0～60米深度范圍內(nèi)，為浮游生物活動繁殖的地帶，由于此帶海水中的磷已被生物大量吸收，因此水中幾乎不含游離態(tài)的磷或者極少，一般為10～15mg/m3或低于2～5mg/m3

，并且CO2的分壓較低，小于3×10-4大氣壓。

當(dāng)這些生物死亡以后其遺體向海底下沉，于是將磷質(zhì)也帶到深處的水體中。由于有機(jī)質(zhì)分解不斷析出CO2因而隨著海水深度增大，CO2的含量也不斷增高，因此海水溶解磷的能力也增大，在海面以下500～1000米深處，CO2的分壓可達(dá)12×10-4大氣壓。因此生物的遺體便在這樣深的海水中完全分解，使磷都大量溶于海水中，海水中的P2O5含量可達(dá)300mg/m3。也就是說在這樣深度的海水中，生物遺體不再被保存，而被完全分解破壞，這時海水變成富含磷的水溶液。

由于海水溫度發(fā)生變化，或者由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)力，產(chǎn)生海水的垂直循環(huán)作用，而使深部富含磷的海水向上作垂直運(yùn)動。當(dāng)這種富含磷和二氧化碳的深部海水上升到陸緣地帶時，因海水深度越來越小，壓力越來越小，二氧化碳的含量也越來越小，從而使海水中的碳酸鹽的溶解度也隨之降低，首先對碳酸鈣飽和而沉淀，隨之磷酸鈣就以磷灰石的一種變種（氟磷灰石，即Ca5[PO4]3（F,OH），即一般所指的磷灰石）在陸緣地帶的上部和中部（水深50～150米深處）沉積下來。生成具有鮞狀構(gòu)造的膠狀磷灰?guī)r。

當(dāng)深處寒流向上回流時磷灰?guī)r在陸緣帶生成簡圖1-海濱砂和礫石相，2-鱗灰?guī)r相，3-泥質(zhì)和灰質(zhì)沉積物相，4-浮游生物遺骸下沉方向，5-上升海流方向上升洋流沉積說的主要證據(jù)

③、磷塊鹽的沉積環(huán)境、巖系特征及巖相分布

a、磷塊巖的成礦古地理環(huán)境：古緯度5?—42o間大陸東西兩側(cè)淺海洋流上升的區(qū)域；

b、含磷巖系的特征：一般巖性性組合為砂巖、白云巖、硅質(zhì)巖、磷塊巖、硅質(zhì)頁巖及炭質(zhì)頁巖。其中代表上升洋流的典型沉積相組合是硅質(zhì)巖-磷塊巖-黑色（炭質(zhì)）頁巖。

c、沉積相的理想分布：自濱-淺海→陸坡上段濱淺海碳酸鹽巖-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。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。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。濱淺海陸源碎屑巖相：砂巖及粉砂巖等④、

我國的重要含磷層位：震旦系、寒武系下統(tǒng)C、生物-化學(xué)沉積成因

這種觀點認(rèn)為磷塊巖礦床既不是從海水中沉積的，也不是生物的遺體直接堆積而成的，而是與生物在海底淤泥中經(jīng)過化學(xué)分解有關(guān)。認(rèn)為：磷的富集與海洋生物有關(guān)。在氣候炎熱干旱的淺海地帶，由河流帶入海洋的陸源碎屑極少，但浮游生物大量繁殖。當(dāng)這些生物死亡之后沉到海底淤泥中，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。從現(xiàn)代淺海淤泥中化驗可知，淤泥中的含磷量比海底水高出數(shù)十～150倍。而在深海淤泥中僅高出海底水2～

3倍。在成巖過程中磷酸鹽溶液圍繞小的砂粒，生物碎屑進(jìn)行聚集形成磷酸鹽結(jié)核、鮞?；蚰z結(jié)物。

盡管上述三種磷礦床形成理論都各自強(qiáng)調(diào)了各自的觀點，但是都肯定了生物在成礦中的直接或間接意義。

③沉積磷塊巖礦床特征磷塊巖礦床，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。A、層狀磷灰?guī)r礦床這類礦床中磷塊巖呈層狀產(chǎn)出，礦石礦物主要由細(xì)晶磷灰石或膠狀磷灰石組成，并有方解石、白云石、石英、云母、粘土等礦物伴生。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。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。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。云南昆陽磷塊巖礦床該礦床是著名的大型磷礦床，該礦區(qū)位于康滇古陸東南緣的斜坡上，與淺海相海侵序列有關(guān)，礦區(qū)出露地層由前震旦系到第三系，礦層位于下寒武統(tǒng)地層中，主要有磷灰?guī)r2層，中間夾有白色含磷頁巖。上礦層厚2~15m，層位穩(wěn)定，形態(tài)規(guī)則；下礦層形態(tài)復(fù)雜，主要受底板古侵蝕面起伏的影響，最大厚度可達(dá)7m，礦石呈灰和黃褐色，致密堅硬，以氟磷灰石為主，約占85%，其余為方解石、石英和白云石等。P2O5品位較低，一般為20%左右。B、結(jié)核狀磷塊巖礦床該類礦床多產(chǎn)于粘土層、碳酸鹽巖和海綠石砂巖中，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。礦石礦物為含水氟碳磷灰石，并常與石英砂粒、海綠石、粘土礦物伴生。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。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。我國是一個磷礦產(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。

但是，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。2、

硅藻土礦床（1）硅藻土的成分和結(jié)構(gòu)特征

a、主要成分——硅藻殼（蛋白石質(zhì)的SiO2）

b、次要成分——粘土礦物，長石、石英及云母的碎屑（雜質(zhì)）

c、結(jié)構(gòu)松散、孔隙發(fā)育、比表面積大（用于助濾劑、漂白劑、催化劑載體、填料、隔音隔熱材料）（2）礦床形成條件a、成礦時代

K--Qb、盆地條件廣而淺、鹽度穩(wěn)定、富中基性火山巖及火山碎屑(包括盆地基底及周圍）的湖泊及淺海c、粗碎屑的摻合作用弱，d、保存條件未經(jīng)強(qiáng)烈壓實和膠結(jié)（3）

礦床特征a、含礦巖系海相：泥灰?guī)r、白堊、砂層、粉砂層、粘土層夾火山熔巖及凝灰?guī)r。陸相：砂礫層、砂層、粉砂層、泥質(zhì)層夾中基性火山熔巖及凝灰?guī)r或基底是火山巖。b、礦體特征：礦體呈層狀產(chǎn)于細(xì)碎屑巖（粉砂巖或泥巖）中。c、礦石特征：礦石呈土狀、塊狀，可見層理構(gòu)造，礦石體重小，有粗糙感，吸水性強(qiáng)（粘舌）

我國第三紀(jì)硅藻土礦床剖面示意圖1-沖積層；2-黏土層；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，其余皆為第三系）

3、

金屬硫化物礦床

已知世界有許多產(chǎn)在沉積巖中的層狀Cu、Pb、Zn、Co、Ni、Mo和黃鐵礦等金屬硫化物礦床，而且規(guī)模十分巨大。關(guān)于礦床的成因，人們可以確定其中的某些礦床的形成和生物化學(xué)有密切的關(guān)系。這種與生物化學(xué)沉積有關(guān)的金屬硫化物礦床，都是在還原條件下形成的。有生物作用分解水中的硫酸鹽和生物遺體，產(chǎn)生了H2S，這是成礦作用的主要因素。銅礦床

在風(fēng)化殼中，Cu呈二價離子轉(zhuǎn)入溶液后，主要以CuSO4的形式進(jìn)行遷移，當(dāng)匯集到閉塞的水盆地中時，在還原條件下，由于生物作用分解水中的硫酸鹽產(chǎn)生H2S和有機(jī)體腐爛分解出來集中形成銅礦床。礦床特點這種含銅礦層多為黑色頁巖，有時為綠色砂巖和碳酸鹽巖；礦體成層狀，厚度不大，但分布面積廣，常見礦物有，黃銅礦，輝銅礦、黃鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦等，一般都呈極細(xì)小顆粒分散在巖石中；在礦石可以見到硫化物呈顯微球粒結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。工業(yè)價值

這類礦床具有極大的工業(yè)價值，最著名的有，德國曼斯費爾德、贊比亞、扎伊爾等礦床。分布于德國、波蘭、英國、荷蘭境內(nèi)的曼斯費爾德型銅礦床，又稱“含銅頁巖”，延伸1500公里，總面積60萬km2。在礦石中可見到球狀海藻植物，有時完全被Cu,Pb,Zn硫化物交代，或被它們包圍，有時可見到有孔蟲及高級植物的孢子被黃鐵礦、白鐵礦包圍，還可見到黃鐵礦和黃銅礦等交代魚化石等。近年來，根據(jù)硫同位素測定的結(jié)果，也完全證實組成礦床的各種硫化物的硫具有生物成因。3、

釩—鈾礦床

由生物化學(xué)沉積的V、U礦床具有極大的工業(yè)價值。釩的克拉克值為0.015%，大部分呈分散狀態(tài)存在，在表生條件下，釩呈V+5，易溶于堿性溶液而被遷移。鈾的克拉克值為3×10-4%，其化學(xué)性質(zhì)活潑，呈V+6從風(fēng)化殼中遷出后具有很高的溶解性和遷移能力。當(dāng)