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1、生物化学沉积矿床,（一）概述,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：由生物或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，经沉积作用而形成的矿床。生物在成矿过程中有直接或间接的作用.,直接参与成矿作用：是指成矿物质直接来自生物有机体本身，沉积的生物遗迹、生物残骸而成的矿床；例如磷块岩矿床、硅藻土矿床、沉积硫矿床、白垩矿床、生物灰岩以及煤、石油、天然气等。间接参与成矿
2、作用：是指生物（细菌）活动促使成矿物质沉淀富集形成的矿床。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）生物及生物化学在成矿过程中的作用,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。主要包括：生物机体对有用组分的富集作用 微生物化学作用,1、生物机体对有用组分的富集作用,各种生物在生长过程中，由于生物机体的需要，能从周围的环境中（水体、空气、岩石土壤
3、等）不断地吸收某些元素或物质，使这些元素在生物机体中得到高度富集。例如一些海洋生物中某些元素的含量比海水高出几十倍至几十万倍：F、B、K、S、Si、P一般高出几十倍，Br、Sr、Fe、As、Ag高出几百倍，Cu、I高出几万倍，Zn、Mn高出几十万倍。有的生物对某些元素特别集中。生物的蛋白质、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。各种生物对于元素的这种有选择性的吸收、浓集作用，是许多生物化学沉积矿床的物质基础。,2、微生物化学作用,藻类和细菌作用对成矿具有相当大的意义。其作用主要有：聚集某些成矿元素；例如硫酸盐还原细菌及硫磺细菌可以分解硫酸盐吸收
4、硫形成自然硫矿床。有些细菌活动过程中具胶体属性，能吸附Cu,Pb,Zn,Fe,Mn,Mo,I,B多种成矿元素。改变介质的物理化学条件，促使成矿物质的沉淀；由于微生物分解有机质而形成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，引起硫化物、碳酸盐及铀、钒等元素的沉淀成矿；产生有机物质；微生物可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。还可使生物机体中富集的有用元素释放、活化-富集成矿，如磷块岩矿床。以生物的代谢作用把元素从一个状态转化为另一个状态。某些微生物(microbe)还可以使许多的变价元素如S,Fe,Mn,
5、V,U等由高价还原成低价态，从而导致元素沉积形式的变化和固相化合物的重新溶解、迁移和再沉积。,（三）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
6、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。,（四）沉积磷块岩矿床,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
7、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：生物成因说生物-化学成因说化学成因说（上升洋流说）,（1）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。主要依据是有的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。主要成矿因素是海水温度、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
8、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。,南非的好望角，在赤道暖流与南极寒流的汇合处，生物大量死亡，其遗体在海底堆积起来形成磷酸盐结核。,（2）生物-化学沉积成因,这种观点认为磷块岩矿床不是由生物的遗体直接堆积而成的，而是与生物在海底淤泥中化学分解有关。在气候炎热干旱的浅海地带，浮游生物大量繁殖（吸收磷）。当这些生物死亡后下沉到海底淤泥中，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倍150倍。而在深海淤泥中仅高出海底水23倍。在成岩过程中磷酸盐溶液
9、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。,（3）化学成因说（上升洋流成矿说）,苏联学者卡查科夫（1937），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，提出了沉积磷块岩矿床的洋流成矿理论。这种成矿理论的核心是洋流上升。上升洋流将深处富磷的冷水带到大陆浅水地带，其中的磷酸盐以无机磷的形式聚集或以生物-化学的形式沉积下来。主要依据是：P2O5溶解度与水中CO2含量呈正相关，P2O5在不同深度海水中含量不同。,第一层：从水面至60m深的上部海水层，是浮游生物的活动地带，称为光合作用带。在这一深
10、度的范围内几乎不含磷，因为海水中的磷已被生物大量吸取，其间P2O5的最大含量只有50mg/m3，一般常低于25 mg/m3。该带CO2的分压力不超过310-4大气压。（生物吸收带）,第二层：水深60m至300400m地带，为死亡生物通过带，当生物死亡后向海底下沉，也将表层水中磷带到较深水层。由于有机质分解出CO2，因而随着深度增加，CO2含量不断增高，分压力提高了，海水溶解磷的能力增大。,第三层：水深4001000m，为死亡生物大量分解带。此层海水CO2的分压力增加到1210-4大气压左右，生物遗体至此处完全分解，使磷大量溶解在海水中。在300800m深处的海水含磷量达300600 mg/m3
11、，甚至高至1000 mg/m3。（完全分解带）第四层：水深10001500m以下的地带，磷的含量重新降低。,当深处寒流向上回流时磷灰岩在陆缘带生成简图（据卡查科夫）1海滨砂和砾石相；2磷灰岩相；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,由于海水的垂直循环，上升洋流把富含磷和CO2的深部寒冷海水带至陆缘地带时，由于水温越来越高、深度越来越小，CO2不断向浮游植物光合带扩散，或形成碳酸钙的沉积。因此，随着水中CO2分压力减小，磷酸钙饱和，其溶解度也随之下降，所以磷酸钙就以磷灰石的一种变种（氟磷灰石，即Ca5PO43（F,OH），即一般所指的磷灰石）沉淀下来，在陆缘带的上部和中部
12、（海水深50150m），生成具鲕状构造的胶状磷块岩。,大洋洋流和现代磷酸盐沉积物的分布图,洋流上升与表面洋流循环有关，而表面洋流循环则由信风及海水温差引起。发生在低纬度区的信风带，在北半球由东北向西南运动，而在南半球则由东南向西北方向移动，这样造成赤道暖流沿大洋西缘流向两极，两极的冷流沿大洋东缘流向赤道，形成一个封闭系统；由于表层温度较高的海水流动，致使深部温度较低的海水向上补充，形成上升流。上升流使富磷的海水在沿岸沉积磷灰石。此外，深部洋流接近海岸是，由于遇到正地形而发生偏斜，引起洋流循环与上升。,这一假说的核心在于必须有洋流的上升作用。20世纪60年代，谢尔盖等人认为，洋流上升作用引起的磷
13、块岩矿床成矿作用主要发生在低纬度地区。洋流上升成矿理论用于指导海相沉积磷矿床的普查和预测，受到了显著的效果。例如，澳大利亚在1966年以前还是一个缺磷国家，自利用这一理论找磷矿取得空前成功以来，一跃成为磷矿产的出口国。此外，秘鲁、智利、印度等国也应用这一理论进行磷矿的普查，相继找到了大型磷块岩矿床。,2、磷块岩矿床的沉积环境、岩系及岩相特征,（1）成矿古地理环境：古纬度542间大陆东西两侧浅海洋流上升的区域；（2）含磷岩系的特征：一般岩性组合为砂岩、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。（3）沉积相的分布：自滨-浅海陆坡
14、上段应依次分布为：（a）滨浅海陆源碎屑岩相：砂岩及粉砂岩等（取决于陆源供给状况，缺乏陆源碎屑时此带不发育）。（b）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。（c）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。（d）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。,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。（1）层状磷
15、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
16、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215m，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。,（2）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
17、，我国江苏、浙江一带二叠系地层中的磷结核矿床属于此类。,我国是一个磷矿产十分丰富的国家，著名代表有云南的昆阳磷矿，贵州的开阳磷矿，湖北的襄阳磷矿（荆襄）。合称“三阳”磷矿。这些都是为世人所知的大型沉积磷块岩矿床。我国的重要含磷层位：震旦系、寒武系。我国磷矿床分布不均匀，主要集中于南方各省，而北方广大地区则十分贫穷，故有“南磷北调”之说。,（五）硅藻土矿床,生活在海洋和湖泊中的硅藻虫和放射虫等生物，吸收水中的SiO2组成躯体，它们的体形虽小，但数量极多。当有机部分腐烂，硅质介壳则保留下来形成硅藻淤泥，在经成岩作用形成了硅藻土矿床。硅藻土矿床分布很广，但在地质时代上则是很有限，中生代以前的矿床尚未
18、发现。在美国加利福尼亚、前苏联伏尔加河流域的矿床均属第三纪，我国硅藻土矿床主要分布于吉林、黑龙江、山东和湖南等省的第三纪湖相沉积物中。,硅藻土矿床常产于白垩系及第三系和第四系的海相或湖相地层中，主要赋存于砂岩、页岩、泥岩、含磷沉积岩及火山岩类中，矿体呈透镜状，最厚可达数十米，甚至数百米。硅藻土的成分和结构特征：主要成分：硅藻壳（蛋白石质的SiO2）次要成分：粘土矿物，长石、石英及云母的碎屑 结构松散、孔隙发育、比表面积大（用于过滤剂、漂白剂、催化剂载体、填料、隔音隔热材料）,我国第三纪硅藻土矿床剖面示意图1冲积层；2粘土层；3硅藻土；4白色细砂岩；5炭质页岩；6砾岩层；7玄武岩（除冲积层外，余
19、皆为第三系）,（六）沉积金属硫化物矿床,这类矿床往往赋存于黑色页岩、炭质粉砂岩、沥青质泥灰岩中，矿体呈层状或似层状，与围岩整合接触，常具有一定的层位，矿层中的硫化物多呈微粒状散布。根据大量的观察和研究表明，在现代滞流盆地底部的细粒沉积物中，含有大量的细菌、有机质、金属元素和硫化氢气体。例如，在黑海盆地底部氧化还原环境的过渡带，淤泥中重金属含量分别为：铜25010-6，锌25010-6，铀3210-6，钼8010-6，银1610-6。在还原带中则富含腐殖质、硫和黄铁矿等，这些金属元素富集的事实为这类金属硫化物矿床的沉积成因提供了有力佐证。,沉积成因的硫化物常具有显微球粒结构，显微球粒的粒径在41
20、5m不等，球粒集合体外形似草莓状，每个球粒由中心体和囊体组成。中心体的每个细胞中均有一粒硫化物（黄铁矿或辉铜矿）。,勒夫曾从苏格兰下石炭统油页岩中的黄铁矿球粒里成功地分离出了微生物化石，从而证明了这些黄铁矿显微球粒是微生物形成的。沉积物中硫同位素值以及生物成矿实验都证明了此类矿床的生物成因。,关于它的成因，一般认为，各种金属成矿物质是通过各种来源的含矿热液和H2S发生化学反应而沉淀富集成矿。在海盆地中氧化-还原界面下（还原条件），由微生物作用（如海底厌氧细菌）分解水中的硫酸盐和生物遗体产生H2S，当含金属离子的溶液进入这种沉积环境后，受到H2S的影响，形成金属硫化物，如有足够的金属离子供给，就
21、能形成沉积的金属硫化物矿床。矿石同位素：34S 显示生物硫特点。由生物化学沉积作用形成的金属硫化物矿床种类很多。由于大部分沉积金属硫化物矿床均遭受了后生成矿作用的改造，在此仅做简单介绍。,黑色页岩系中的镍钼等多金属矿床,常与磷块岩矿层共生，矿体呈层状、透镜状、延伸稳定，厚度一般不大，矿石多呈极细的条带状和浸染状，矿物成分复杂，颗粒细小，显微球粒构造普遍。矿石中除镍、钼外，常伴生有多种金属如钒、铀、铜、银、稀土等，一般可综合利用。目前发现的一些重要矿床有我国湘西、鄂西一带、云南的德译、宜良、嵩明、禄劝一带的该类矿床。主要分布于下寒武统黑色岩系中。,沉积黄铁矿矿床,常在古代煤系地层中形成，矿层常发
22、育在煤系底部，呈层状或透镜状，矿层可以有24层不等，矿体一般不大，长从几厘米至百余米，厚几厘米至一米，断续分布，分布面积较广，矿石主要由黄铁矿与白铁矿组成，成结核状、团块状以及浸染状构造。这类矿床是中小型矿床，我国石炭-二叠纪煤系中这类矿床分布很广。,沉积型铜矿床,在表生条件下，铜一般呈CuSO4溶液从风化壳中被搬运出去，当其汇聚到盆地中的还原环境中时，由于H2S的存在，铜易发生沉淀和集中，由这种方式沉淀的矿质多与砂、泥质物伴生，成岩后为含铜砂页岩矿床或砂页岩型铜矿床。这类矿床的含矿岩系的颜色很杂，一般产在灰色层和紫色层中，灰色层中一般含有较多的有机质和植物残骸以及黄铁矿微粒，无疑是还原环境的产物。矿体呈层状、透镜状，厚度不大，但层位稳定，矿石矿物主要有辉铜矿、斑铜矿、黄铜矿、黄铁矿等，矿物颗粒细小，显微球粒结构普遍这类矿床一般规模大，是主要的铜矿床类型之一，最著名的是德国的曼斯费尔德、赞比亚铜矿带等。我国云南东川、鄂西三叠系巴东组的粉砂质灰岩、泥灰岩中的铜矿床等也属此类。,思考题,1、生物在成矿中可起哪些作用？生物-化学沉积矿床具何特征？2、按照洋流学所的观点沉积磷块岩矿床形成于何中沉积环境？含磷岩系有何特征？岩相分带有何规律？3、硅藻土矿床形成于哪些地质时代？沉积盆地及含矿岩系有何特征？,
