太湖現代沉積物中鐵質結核特征:對太湖形成機制的探討

黃志誠 劉冠邦

(內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室 南京大學地球科學與工程學院 南京 210023)

1 太湖現代沉積物

太湖湖區水域面積2 338 km2，湖底平坦，水深1～2.6 m左右，湖底沉積物分兩種，一種為早期沉積物，以風成堆積后經河流沖刷改造的黃土狀粉砂質黏土為主，一般厚2～4 m;其次為分布于黃土層面上的河道和淺洼地上河湖相沉積層。第二種為湖區現代沉積的黏土質粉砂和細淤泥，厚度0.5～2 m，局部可達3 m。湖心大面積無泥分布，全湖區沉積泥層占湖區面積的67.2%，總泥量達1 911×106m3。現代沉積淤泥層深20 cm處14C年齡為5 490±140 a B.P.，160～170 cm 深處，14C 年齡為 8 575±410 a B.P.，黃土層深度在 269 cm，14C 年齡為 11 640±290 a B.P.［8，9，12］。沉積物中pH值、Eh值隨深度發生變化，在10 cm以下pH值和Eh值均快速降低，造成沉積物中碳酸鹽巖溶解和鐵質析出，以及出現還原環境。太湖中水生植物大量生長，藻類發育。生物腐爛形成的有機質造成沉積的還原環境有利于菱鐵礦的形成。而沉積淤泥上層細菌的氧化作用造成氧化環境，有利于褐鐵礦的形成，細菌的聚集作用為褐鐵礦的形成起重要作用。湖區周邊的沉積地層以志留系、泥盆系以及早石炭統的含鐵質碎屑巖和黏土質巖石和石炭系、二疊系及三疊系的碳酸鹽巖為湖區現代沉積物提供鐵離子和碳酸根離子的來源，水生動物(軟體動物為主)的CaCO3殼體，也提供部分形成菱鐵礦所需的物質來源(圖 1)。

2 太湖現代沉積物中鐵質結核的特征

太湖現代沉積物中鐵質結核有兩類:一類為菱鐵礦結核，另一類為褐鐵礦結核。

2.1 菱鐵礦結核的特征

菱鐵礦結核的形狀，以圓棍狀、棒狀和不規則疙瘩狀為主(圖2A)。X衍射分析其礦物組成以菱鐵礦(FeCO3)為主，含量從49%～91%。圓棍狀最高達91%，不規則狀較低為49%。其晶體為他形鑲嵌狀，大小以2～5 μm 為主，少數10～20 μm，局部見菱面體連晶組呈刃狀晶體集束出現，其次含針鐵礦，含量8%～26.6%之間，可呈褐黑色層包覆于菱鐵礦之外，或散布于菱鐵礦之間，使菱鐵礦呈現土黃色調，圓棍狀菱鐵礦結核含菱鐵礦最高，因而呈現鋼灰色。除此之外還含少量黃鐵礦，呈草莓狀(圖2C)或細小八面體晶形，含量可達0.6%，以及少量Mn，Zn等元素混入菱鐵礦晶格之中，結核中均含粉砂級陸源碎屑以石英、長石為主，含少量黏土礦物。在結核中最具標志性的混入物為水生的維管束植物碎片(圖2B)，生物細胞、花粉(圖2D)和植物蛋白石(Opal Phytolith)(圖 2G，H)［4］。

圖1 太湖衛星圖Fig.1 Satellite image of Lake Taihu

2.2 褐鐵礦結核特征

褐鐵礦結核有各種大小，從0.25～20 mm的球形、橢球形、瘤狀、柱狀以及各種不規則狀或呈包殼狀包覆于菱鐵礦之外，顏色以黑褐色和黃棕色為主(圖2E，F)。X衍射分析的礦物組成以針鐵礦(α-FeO(OH))為主，少量棕紅色纖鐵礦(γ-FeO(OH))，呈片狀晶體。混入物以石英為主，少量鉀長石、鈉長石以及伊利石、高嶺石、埃洛石黏土等。更重要的混入物為各種植物碎片，孢子(圖2K)，植物根莖的殘留體，少量植物蛋白石以及大量絲狀、球狀細菌(圖2J，L)及放線菌。在被包覆的菱鐵礦結核中還見軟體動物殼體碎片(圖2I)。

3 鐵質結核的成因

3.1 菱鐵礦結核的成因

菱鐵礦是典型的沉積成巖礦物，形成于還原封閉環境中［5，6］，這早已成為沉積學、礦床學的經典科學結論。太湖現代沉積物中菱鐵礦結核普遍含有多種水生維管束植物和淡水軟體動物碎片，充分證明結核形成于太湖水生生物的現代沉積環境中。14C測年結果顯示，圓棍狀結核年齡為5 915±30至6 365±35 a B.P.，棒狀結核為4 645±35 a B.P.，不規則狀結核為2 705±30 a B.P.［4］，普遍比沉積物年齡約晚 2 000 年，證明其為沉積之后成巖期的產物，是在太湖沉積層10 cm以下有機質增加、Eh值降低的沉積淤泥封閉還原條件下，由Fe2+與CO32-結合而形成菱鐵礦，圍繞植物的碎片、根系形成不規則狀的菱鐵礦結核。部分菱鐵礦可能是由軟體動物殼體碎片的CaCO3在孔隙水中Fe2+濃度大于Ca2+濃度的1/151時交代而成，并圍繞碎屑形成團球狀結核(圖2I)。圓棍狀結核直徑15 mm與水生植物蘆葦桿內管腔直徑完全一致，14C年齡邊緣老于中心年齡，其差值在450年以上［4］，說明邊緣先礦化，并逐漸向中心充填而成，是蘆葦內管腔的“鑄型體”，棒狀結核也是“鑄型體”。菱鐵礦結核的碳同位素δ13C分析在-4.6‰～-10.89‰(PDB)之間［4］，顯示為淡水無機碳所形成碳酸鹽巖特征［13］。少數 δ13C分析在-12.39‰～-14.79‰(PDB)之間(蔣少涌提供)，可能反應淡水生物殼體 CaCO3的13C［13］參與作用形成菱鐵礦。

3.2 褐鐵礦結核的成因

在太湖沉積物上部，pH值稍微降低的環境中，進入湖區含鐵碎屑的鐵質溶解，在氧化條件下形成三價態，與氧、氫氧根離子結合成針鐵礦或纖鐵礦。在絲狀、球狀細菌的沉淀、吸附與聚集作用下或圍繞植物碎片根莖等形成大小不等的球狀褐鐵礦結核或不規則狀結核，部分球狀結核以絲狀細菌吸附、聚集，棕紅色纖鐵礦成多層包殼層，其間黏附粉砂，說明這類結核形成于沉積泥層上部，經過水的擾動、滾動形成多層包殼的球狀結核(圖2F1)。部分包覆菱鐵礦結核作為核心的褐鐵礦結核，是因菱鐵礦結核形成后，由于有機質消耗或含氧水的進入，以及細菌的氧化作用形成氧化環境，在細菌的作用下沉淀針鐵礦或纖鐵礦包覆于原先的菱鐵礦結核外部，形成具菱鐵礦核心的褐鐵礦結核。

在太湖及周邊低洼、濕地沼澤中，凡是有鐵質、碳酸鹽巖來源，有水生植物，藻類和細菌存在的沉積泥層中均可形成菱鐵礦結核和褐鐵礦結核，并且現在正在形成之中，在太湖西部，吸泥船用吸管在沉積泥層上部大量吸取褐鐵礦結核，可見其數量之多，估計可能已經形成總量在幾百萬噸以上。

圖2 太湖菱鐵礦結核、褐鐵礦結核A.菱鐵礦結核(標本);B.菱鐵礦結核中維管束植物輸導管;C.植物根系纖維及其中草莓狀黃鐵礦;D.藜科花粉;E1.不規則狀褐鐵礦結核;E2.球狀褐鐵礦結核;F1.球狀褐鐵礦結核，由棕紅色纖鐵礦組成多層包殼，核心由針鐵礦與粉砂組成，具植物根溶孔;F2.由針鐵礦組成無包殼的褐鐵礦結核;G.菱鐵礦結核植物根溶孔中植物蛋白石碎片;H.植物蛋白石呈褶皺薄膜狀，能譜顯示以Si，O為主;I.褐鐵礦結核核心由球纖結構的軟體動物殼片與菱鐵礦組成團塊;J.球狀褐鐵礦結核的纖鐵礦中大量絲狀細菌(箭頭);K.褐鐵礦結核中孢子已裂開，能譜顯示已鐵礦化;L.褐鐵礦結核中球狀細菌呈葡萄狀，能譜顯示已鐵礦化。Fig.2 Siderite and limonite concretions in Lake Taihu

4 太湖形成機制的探討

關于太湖的成因，早已為人關注，提出許多假說:潟湖成因說［26，27］，構造成湖說，洪水淹沒說［8，9，12］和隕石撞擊說［10，18～20］。

4.1 關于太湖成因的“隕石撞擊說”

太湖西南部的弧形形態，引起了人們的遐想，不少人認為太湖可能是隕石撞擊而成。在眾人研究未果之際(何永年［18］;王爾康［19，20］)，王鶴年等［10］在高校地質學報第15卷4期發文，聲稱取得重大的突破性進展，發現了“太湖沖擊坑濺射物”。此說轟動一時，王鶴年等所說的“沖擊坑濺射物”是什么東西?就是前面我們介紹的太湖現代沉積物中的菱鐵礦結核和褐鐵礦結核(見參考文獻［10］圖3)。他們從奇石收藏家認為是“天外來物”處獲得樣品，僅憑其形態外貌和推測，提出是隕石沖擊坑濺射物。甚至把太湖現代沉積層之下黃土層中鈣結核也當作濺射物，稱之為“貧鐵濺射物”(見參考文獻［10］圖6)。把鈣結核中具有典型的粉砂結構的粉砂和各種結核中棱角狀粉砂混入物當作隕石沖擊破碎的產物;把石英砂巖中石英在成巖中形成的微裂隙條紋，當作隕石沖擊變形紋;把菱鐵礦結核中的植物蛋白石，當成沖擊熔融的玻璃(見參考文獻［10］圖4e，f);把植物內管腔的“鑄型體”，說成經熔融變形并濺射飛行形成的“濺射物”［10］。我們用太湖的菱鐵礦結核經 600℃ ～800℃灼燒后，X衍射證實全部變成赤鐵礦［4］。菱鐵礦高溫(500℃～1 000℃)分解成赤鐵礦［14］是早已存在的實驗結論，因此不可能存在高溫熔融狀態(需1 500℃以上［27］)的菱鐵礦。這些菱鐵礦結核14C測年，已經證明是不同年齡產物［4］，并不是沖擊瞬間所成。所以只要是菱鐵礦組成的任何形態的物體，都不可能是“沖擊濺射物”。經我們評論后［4］，該文［10］通信作者承認是菱鐵礦結核;承認原文中石英變形紋僅僅是裂理紋，太湖地區石英變形不足以作為沖擊證據;承認太湖由隕石直接“沖擊成坑說”不成立［16］。但是王鶴年仍堅持太湖“濺射物”的觀點［17］，顯然缺乏進一步的數據支持。

隕石撞擊地球是一種近乎瞬間的機械變質作用，持續時間10-3秒至幾分鐘，瞬間沖擊波壓力達幾百萬帕，使物質破碎、融化，甚至氣化，溫度高達2 000℃以上，甚至10 000℃。沖擊變質作用有三種效應和相應的產物:①高壓效應，產物:礦物密度加大，形成同質異象體如柯石英、斯石英;②高應變率效應，產物:礦物發生變形或融化如面狀構造(變形頁理)和融長玻璃;③高溫效應，產物:礦物融化和巖石融化，如焦石英，撞擊巖(撞擊玻璃);礦物分解如斜鋯石。在沖擊鑿坑過程中可瞬間形成拋出的物質，稱濺射物［2］。在研究太湖可能形成于隕石撞擊的證據中，何永年等［18］、王爾康等［19，20］采用石英變形特征作為隕石沖擊變質的佐證，隨著研究的深入，關于石英的變形作為沖擊變質的證據，需要重新審視。石英受應力后易發生變形和破裂，在巖漿結晶過程中和結晶之后，石英均會受到應力的作用而產生變形，出現波狀消光、勃姆紋、裂理紋和變形紋在教科書中早已闡明［7］。在沉積的石英砂巖類巖石中的石英砂粒在沉積之前受應力作用和在沉積之后的埋藏成巖的壓應力下，或斷層的錯動的應力作用均能發生明顯的變形，出現波狀消光、變形紋、裂理紋，甚至破裂成亞顆粒。我們從震旦系到白堊系的所有地層的大量巖石薄片中均可見到這些現象。如浙江余杭泰山震旦系石英砂巖中(圖3A)，廣西賀州寒武系的蝕變巖屑石英砂巖中(圖3F)，南京湖山二疊系龍潭組的長石石英砂巖中(圖3B)，福建西南鉆井中二疊系的巖屑石英砂巖中(圖3C)，西藏薩嘎上白堊統混雜巖帶的石英砂巖中(圖3D，E)，除普遍存在裂理紋和不同程度的波狀消光之外，均可見到數量不等密集程度從近3 μm到6 μm一條的變形紋，這些變形紋、波狀消光是在較低的應力作用下形成，是沉積學中常見的現象，并不是沖擊高壓應力的效應產物。何永年［18］和王爾康［19］等所描述的現象均屬于此種類型。只有那些在礦物中的面狀構造(Planar Deformation Feature，簡稱PDF)，也稱沖擊頁理［2，21，23］或稱變形頁理，所具有緊密排列的平行顯微平面，通常有多組的面狀構造才可作為沖擊變質作用的可靠證據［21］。關于人字形微裂隙，王爾康［20］等認為是沖擊卸載作用造成。我們用石英砂巖薄片在金剛砂磨料中人工蹭出多條不同夾角的人字形微裂隙，與王爾康等［20］文中描述的圖形完全一致，證明人字形微裂隙是磨制薄片過程中，個別金剛砂粒阻擋碰撞石英表面產生人字形兩組向外張開的破裂張裂隙。因此，人字形微裂隙的沖擊卸載成因值得懷疑。上述的石英變形紋與人字形微裂隙與沖擊變質作用的效應沒有必然的聯系，故不能作為沖擊變質作用的可靠證據。在德國形成于14.8×106年前直徑24 km的Ries隕石撞擊坑形成大量的撞擊擊變角礫巖［21，24］(圖 3H)，其中有大量的帶有熔融的具有氣孔的棕褐色撞擊玻璃(圖3I)，其化學成分與圍巖的成分相似［2］，并且在輝石晶屑中有兩組非常密集的(1 μm一條)變形頁理(圖3J)和石英晶屑中多組變形頁理(圖3K)，從而證實Ries隕石撞擊坑的存在［2，21～24］。我國遼寧岫巖的隕石坑直徑 1 800 m，深150 m，發現擊變角礫巖，柯石英和石英變形頁理和擊變玻璃，而確定是隕石坑，是我國第一個能夠確定的隕石坑［25］。太湖直徑約50 km，如果是隕石撞擊而成，根據已有資料［2］大致推算需要直徑850～1 000 m大小的隕石撞擊，才能形成這樣大的坑，其沖擊力超強，必定有非常明顯的沖擊變質作用的產物和濺射物，沖擊坑深度一般在成坑直徑的1/10左右。但是太湖及其周邊直到現在為止沒有找到任何一種沖擊效應的產物和濺射物，太湖湖底平坦。水深不超過3 m，沉積物厚僅2 m，沒有隕石坑的地形地貌特征，無法證明隕石沖擊的存在。早在1995年鐘華邦［15］對太湖地區的古歷史、地理、地質和地球物理資料等八個方面全面分析，從而否定太湖是隕石撞擊的成因。我們支持這種觀點。

4.2 關于太湖成因的“洪水淹沒說”

經中國科學院南京地理與湖泊研究所用一系列的深、淺鉆探和淺地層剖面儀，對湖底40 m以上的沉積層探測。結果表明，黃土層之下10 m為海相沉積的砂泥互層，之下為起伏的侵蝕面。太湖形成之前，太湖平原為黃土覆蓋，非常平坦的沖積平原。湖底除局部有河道和洼地之外，湖水直接覆蓋于黃土層的平坦面之上，顯示出一種突發性淹沒的特征。證明是洪水泛濫在低地形成湖泊［8，9］。導致這種突發性洪水與人為有關。據史載，公元前570年，襄公三年，吳國為伐楚稱雄，采用伍子胥的計謀，開挖太湖平原，經高淳至蕪湖的運河，西入長江，后稱胥溪河，以便運糧送兵。淺地層剖面儀可探測到河道，在此掩埋的河道沉積物的14C年齡為2 575 a B.P.。史載大洪水源于太湖西部丘陵山區的固城湖，丹陽，過宜興入太湖平原。歷史上，洪水頻發持續數百年，后經明朝多次修筑圍堰，筑壩、封堵洪水，東泄之路斷絕而圍成現今的太湖［8］。

圖3 各時代石英砂巖類巖石中石英砂粒的變形紋，人造人字形微裂隙和德國Ries隕石坑擊變巖A.浙江余杭震旦系燈影組石英砂巖中石英變形紋(因薄片厚故達二級干涉色);B.南京湖山二疊系龍潭組長石石英砂巖中石英變形紋;C.福建豐海1601井中二疊系地層石英砂巖中石英變形紋;D.西藏薩嘎上白堊統混雜巖帶中石英砂巖中石英變形紋，為早期壓應力產生變形紋的石英砂粒;E.西藏薩嘎上白堊統混雜巖帶中石英砂巖中相鄰石英砂粒變形紋互相貫通;F.廣西賀州寒武系巖屑砂巖中石英變形紋;G.人造人字形微張裂隙;H.德國Ries隕石坑擊變角礫巖(凌洪飛提供);I.德國Ries隕石坑撞擊玻璃，化學成分與圍巖相似［22］;J.德國Ries隕石坑擊變巖中輝石晶屑見兩組沖擊變形頁理;K.德國Ries隕石坑擊變巖中石英晶屑多組沖擊變形頁理(A圖左、G、I、J、K為單偏光，其它為正交偏光)。Fig.3 Deformed laminar structure of quartz sands in sandstone of the different ages，man-made microfractures of adult-shaped and impactite of Ries meteorite crater in German

從沉積層的分布和特點來看，在平坦的低洼地淹沒成湖是可信的。其西南部的圓弧形狀，從現今的衛星圖像可見由人工筑壩的圍堰的特征，沒有沖擊濺射覆蓋層的任何痕跡。

4.3 潟湖成因說和構造成因說

潟湖成因說:認為現代太湖源于古海灣和潟湖，在全新世早中期距今6 000～7 000年前，太湖平原是與海相通的大海灣，由于長江南岸沙咀與錢塘江北岸沙咀向東延伸與反曲，包圍了太湖地區，使原來海灣逐漸變成潟湖，最后從潟湖變成為與海洋完全隔離的湖泊。太湖及太湖平原的湖群就是由古潟湖演變而來［26，27］。

構造成因說:一般認為一些大湖與構造作用和斷層陷落所引起，故認為太湖也可能具有此種成因，但太湖這種成因的證據并不充分。

5 結論

太湖現代沉積物中發育大量各種形態的菱鐵礦結核和褐鐵礦結核，在這些結核中含有大量的水生植物碎片和少量動物碎片以及大量細菌，其形成與生物有關。菱鐵礦結核形成于太湖現代沉積泥層較下部的封閉還原環境中，不同形狀的結核14C測年證明形成于不同年代，不是瞬間形成。而褐鐵礦結核形成于沉積泥層的上部氧化環境中，細菌起了關鍵性的作用。二者都是沉積成巖階段的產物，現仍在形成之中。王鶴年［10］把這些結核以及黃土層中的鈣結核當作是“太湖沖擊坑濺射物”并聲稱取得突破性進展，認為太湖形成于隕石的撞擊。何永年等［18］，王爾康等［19，20］以石英的變形特征作為隕石撞擊的證據的石英變形紋均為沉積巖中常見的較低應力的產物，并不是變形頁理(PDF)。人字形微裂隙可由磨片造成，與隕石撞擊的沖擊變質作用無關。到目前為止，在太湖及周圍地區沒有找到與隕石撞擊有關的沖擊變質作用形成物的任何證據，無法證明太湖是隕石沖擊坑。根據對太湖地區沉積層的研究及人類活動的考古遺跡和歷史史實記載，太湖形成于洪水淹沒平原，而筑壩，圍堰成湖的說法較為可信。

致謝 中國科學院廣州地化所和北京大學核物理與核技術國家重點實驗室在14C測年分析的幫助；中國科學院南京地理與湖泊研究所于革研究員在資料和研究工作方面的幫助；南京大學蔣少涌教授的支持和提供部分測試數據；凌洪飛教授提供德國Ries隕石沖擊坑的樣品；以及王勤教授在研究方面的幫助；蔡元峰教授、李娟博士、賴鳴遠高工、張光輝工程師在分析測試的幫助；博士生安慰提供西藏上白堊統石英砂巖薄片樣品，湖北地調中心李響博士提供廣西賀州寒武系樣品，以及孫達梁夫婦在采樣品上的幫助。王來金先生提供菱鐵礦結核的樣品，以及研究生李娟、安慰、孫法俊等在文圖處理上的幫助，表示衷心感謝。

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25 陳鳴，肖萬生，謝先德，等.岫巖隕石撞擊坑的證實［J］.科學通報，2009，54(22):3507-3511［Chen Ming，Xiao Wansheng，Xie Xiande，et al.Xiuyan crater，China:Impact origin confirmed［J］.Chinese Science Bulletin，2009，54(22):3507-3511

26 丁文江，汪胡楨.太湖之構成與退化［J］.水利月刊，1936，11(6):10-15［Ding Wenjiang，Wang Huzhen.Formation and shrinkage of Lake Taihu［J］.Monthly of Water Resources，1936，11(6):10-15］

27 陳吉余，虞志英，惲才興.長江三角洲的地貌發育［J］.地理學報，1959，25(3):201-220 ［Chen Jiyu，Yu Zhiying，Yun Caixing.Morphology of Yangtze River Delta［J］.Acta Geographica Sinica，1959，25(3):201-220］

28 王箴.化工詞典［M］.北京:化學工業出版社，1979:466［Wang Zhen.Dictionary of Chemical Industry［M］.Beijing:Chemical Industry House，1979:466］