生物成礦作用
——以云南金頂鉛鋅礦床的有機成礦作用為例

宋志堃

(成都理工大學 四川 成都 610000)

生物成礦作用
——以云南金頂鉛鋅礦床的有機成礦作用為例

宋志堃

(成都理工大學 四川 成都 610000)

一

1.生物成礦

生物成礦是指生物及其衍生的有機質在礦床形成過程中的作用。煤、石油和天然氣等，直接由生物遺體及其分解產物形成。有一些礦產，雖然不顯示明顯的直接的生物證據，但其組成結構及形成與生物化學過程密切相關，如沉積鐵礦、深海多金屬結核礦等。20世紀70年代以來，人們發現越來越多的生物和有機質參與礦床形成過程，并對生物富集、搬運和沉淀某些金屬的機制作了研究，生物成礦作用的研究正在向廣度和深度方向發展。

2.生物成礦研究現狀

Seebenthal(1915)最早提出了生物成礦的概念，并開始研究美國的MVT鉛鋅礦床；Bastin(1926)的研究也證實了生物成礦作用的存在；1964年澳大利亞首次在世界上建立生物地質實驗室(Baas Becking生物地質實驗室)并很快合成出了細菌成因的黃鐵礦。之后各國的地質學家開始研究有機質及其演化物在各類層控礦床成礦中的作用[1]。

20世紀80年代，隨著掃描電鏡、微區分析和微量元素等分析測試技術在地質學領域的廣泛運用，使得人們對生物成礦作用的認識得到深化，該領域的研究才逐漸受到重視。第28屆國際地質大會中，有關生物-有機質成礦作用的研究論文空前增多，大會還專門設立了相關專題，Zierenberg等發現微生物可以參與大洋熱液硫化物中金屬元素的礦化。

在國內，對生物成礦作用的研究起步較晚，20世紀60年代以后，葉連俊對表生條件下各種形式的有機質與金屬(及某些非金屬)成礦進行了比較系統地研究，重點探討了有機質對元素的絡合、吸附、遷移富集的影響；侯奎等在對宣龍鐵礦的研究過程中，發現藍藻對鐵礦有富集作用；涂光熾提出了油氣礦床與活潑金屬成礦相關理論；劉文均在湖南城步鋪頭黃鐵礦礦床中發現該礦床與生物礁有關；殷鴻福提出了“生物-有機質-流體”成礦系統。進入21世紀以來，隨著科學技術的進步，對大洋、湖泊中生物成礦現象的發現和研究力度逐漸加大，袁峰等對東天山自然銅礦化帶銅礦石的有機質進行了詳細地研究，重點探討了有機質與礦床之間的關系；朱正杰等對湖泊沉積的有機碳同位素進行了研究，總結了有機質含量、碳同位素與湖泊生產力之間的對應關系；汪衛國對弧后盆地、大洋中脊不同熱液類型的金屬元素和微生物成礦現象進行了研究，目的在于探討不同熱液區微生物成礦的差異性[2]。

3.生物成礦的特點

有機質成礦作用的研究可以為正確認識成礦機理，準確了解成礦的環境和背景標志，為全面了解成礦盆地的地史演化，深入了解地質流體的作用提供信息，為尋找新的礦床提供依據。該項研究不但可以豐富和完善有機質成礦理論，而且對于生態地質學、環境地質學、古生物學和沉積學的研究具有重要意義。人們通過鑒定發現不但有些生物可以吸收某些元素，使元素富集，而且在成巖階段，沉積物中的有機質在成礦中起著重要作用。根據前人的研究，生物有機質在成礦中所起作用的方式有兩大類：一是動植物本身對某些元素的吸收富集作用；二是有機物在沉積以后，促使沉積物(或沉積巖)中的元素再富集或者使深部流體帶來的元素沉淀而形成礦床。

有機質生成世代是指在沉積有機質演化的不同時期所生成的、具不同表現形式的有機質，其順序是：腐殖酸一低成熟干酪根—有機羧酸—石油—高成熟干酪根—瀝青和甲烷—石墨。不同的有機質對生物成礦中所起的作用也不盡相同[1]。

(1)生物有機質對成礦金屬的預富集作用

自然界許多生物具有通過生物化學作用從周圍環境吸取某些金屬元素的能力，并形成其體內某種機體以維持生命前人研究表明。幾乎所有的菌藻類生物由于同化作用和生長代謝活動都能吸收大量的金屬和非金屬離子合成藻細胞組分。金頂礦區外圍基底地層，尤其是中生代地層中鉛、鋅元素豐度值較高，極有可能是地層中富含的大量有機質的吸附作用所致。

在很多礦區有大量的草莓狀黃鐵礦產出，關于草莓狀黃鐵礦的成因問題，有些研究者認為有機質對黃鐵礦草莓球的形成有重大影響。它們的形成通常是細菌死亡后Fe2+、HS-進入細胞體壁形成FeS2微晶，后來的FeS2沿礦化的細胞壁沉淀交代有機質，最終形成多種莓體。由此可見，草莓狀黃鐵礦的存在是生物-有機質在沉積作用早期參與成礦的重要標志。

(2)活化遷移作用

有機地球化學研究表明，有機-金屬絡合物具有很高的穩定性，即使濃度很低也是這樣。有機化合物中一般都存在著相當數量的親水官能團，這些官能團能與多種金屬離子螯合生成可溶性絡合物，從而大大增加了它們從礦物和巖石中淋濾浸出以及在水溶液中的遷移能力。實驗證明，在羧酸陰離子和酚類有機質的作用下，容易形成金屬有機絡合物遷移。含有機質的水溶液比單純只含無機鹽的水溶液，礦質的溶解度高的多。一般可高達幾倍到十幾倍，有機配位基和鉛、鋅等元素形成穩定的可溶性金屬-有機絡合物在水溶液中具有良好的熱穩定性(180～240℃)。當成礦流體遇到熱異常或自身溫度升高后(>240℃)，液態金屬有機絡合物發生化學變化如裂解而轉化為小分子的氣態有機物并同時沉淀出金屬元素，這種成礦機制簡述為“低溫遷移，高溫沉淀”，是一種有別于一般成礦過程的特殊的成礦機制，美國卡林型金礦床可能就與這種機制有關。

(3)還原沉淀作用

在一些典型礦區的主成礦階段，有機包裹體和鹽水溶液包裹體緊密共生，是該區成礦流體的重要特征，表明在礦床主要成礦階段，不同性質的流體混和可能是導致成礦的重要原因之一。有機質本身就是直接的強還原劑，羧酸陰離子可能是溶液中[H+]的主要來源或受體，因此它們直接或間接地控制了成礦流體的pH值，在80～120℃條件下，溶液的pH值典型的由羧酸陰離子控制。當固體有機質與不同氧化-還原狀態的流體接觸或有機流體與不同氧化-還原狀態的流體混和時，發生強烈的還原反應，由于流體混和時的反應速率比通常意義上的水-巖反應速率快，且影響范圍大，會引起流體系統成礦物理化學參數(如溫度、鹽度、pH值和Eh值等)的突變，最終導致成礦元素沉淀，形成礦床[2]。

4.生物成礦研究方法

(1)有機包裹體

有機包裹體能夠提供與有機質相關的金屬元素富集、遷移、沉淀的成巖成礦信息。有機包裹體是由液態、氣態或固態有機質組成的礦物流體包裹體，主要含有甲烷、乙烷等各類烷烴、芳香族化合物、液體原油等瀝青有機質。根據有機包裹體的相態、顏色、大小、分布等特征，可分為烴有機包裹體和含烴有機包裹體。有機包裹體的均一溫度是了解流體古溫度、推測盆地演化史的主要依據，也是確定有機質充注時間的依據。

(2)硫、碳同位素標志

硫同位素的組成特征可以判別生物是否參與成礦，通常把硫化物富含32S以及同位素變化范圍很大，看成是生物與大規模礦化作用相關的標志。硫酸鹽通過細菌還原成硫化物時，其分餾大小取決于還原細菌的種類、反應速率以及體系開放或封閉程度，但是在營養物質豐富或硫酸鹽濃度較低的條件下，細菌致使硫同位素分流作用減小。在有生物或有機質參與下形成的礦床中，碳酸鹽的。δ13C值變化很大，且多為負值，有機碳同位素的大小不僅與水體的生產力有關，與生物的類型也關系密切。值得注意的是在有機質成礦過程中，熱化學硫酸鹽還原反應會導致有機碳同位素δ13C值升高。這是由于有機質在化學反應過程中12C首先被消耗，導致δ13C相對富集。因此在判別是否有生物參與成礦的工作中，應充分考慮有機質化學反應所帶來的影響。

(3)試驗模擬

孫慶津等對藻類#細菌和有機質富集金屬成礦元素的能力進行了試驗模擬；林麗等對菌藻生物活體、死體、原油、有機質和黏土礦物的富金作用先后進行了對比試驗，總結了不同物質對金的富集機理；喬海明模擬了鐵細菌+脫氮硫桿菌+氧化硫硫桿菌+硝化細菌+亞硝化細菌+氧化亞鐵硫桿菌對鈾的氧化溶解作用等[3]。

5.生物成礦作用的找礦意義

(1)由于生物生存有一定環境，沉積巖相及古地理環境研究十分重要。地層縱橫剖面上巖性變化，即產生相變易引起生物群體的變化及物理化學條件的變化，原有平衡被打破從而容易引起生物大量死亡，導致生物成礦作用及有用礦物質的沉淀，要在巖性發生相變的地方去找礦。

(2)根據盆地水的深淺、溫度、鹽度、礦化度、生物的多少、沉積物來源等方面進行深入研究，確定找礦有利環境及位置[1]。

二、云南金頂鉛鋅礦床的有機成礦作用

前人[6]從巖石學和礦相學研究中歸納了金頂鉛鋅礦床的礦物生成順序，礦物的形成明顯可以分為三期，即沉積成巖期、熱鹵水成礦期和表生成礦期[5]。

1.沉積成巖期的生物有機成礦作用

生物的正常生長發育和新陳代謝必須有一些元素參加，這些元素稱為生命必須元素，包括C、H、O、N、P、K等26種元素，當然也包括Zn、Fe。生物對Zn、Fe元素的依賴使得許多生物體成為Zn、Fe的富集體。雖然Pb是有害的重金屬元素，但許多微生物卻能夠大量吸收Pb元素，從而使Pb元素初步富集。表1是雙殼和綠藻富集Pb、Zn實驗的模擬。

從表中可以看出，無論雙殼還是綠藻，對Pb2+、Zn2+都具有富集作用，而藻類對Pb2+、Zn2+的富集系數更大，分別是雙殼的1.36倍和1.04倍[7]。對金頂礦床中有機質的研究表明，有機質母源主要為細菌和藻類[8]，雖然金頂礦區至今為止在含礦層內沒有發現化石，但較老的三疊系灰巖中含有較豐富的化石(三疊系灰巖為金頂鉛鋅礦床有機質的主要來源層)，主要有雙殼類、頭足類、珊瑚、藻類、介形類等多個門類的眾多屬種[9]。

表1 雙殼、藻類富集Pb、Zn實驗模擬

2.熱鹵水成礦期的有機成礦作用

對金頂鉛鋅礦床閃鋅礦及有關脈石礦物(石英、天青石、方解石和硬石膏)的流體包裹體的研究表明，均一溫度主要在110～150℃之間，根據生油理論，這一溫度正好處于“生油窗”的溫度范圍內(60℃～210℃)，即有機質處于成熟階段，為主要的生烴時期，而這時期也正是金頂鉛鋅礦床的主要成礦期。

隨著地層埋藏深度的增加，地層中的有機質進一步演化，當埋深達到一定深度時有機質演化開始達到成熟階段，此期的有機質以油田鹵水或石油的形式存在。

3.表生成礦期的生物成礦作用

金頂礦區富含有機質的成礦流體由于受上覆巖層的“封堵作用”而就位于一定的構造空間及巖層空間(即儲集層)，由于儲集層中本身含有孔隙水及大氣降水，成礦流體在儲集層中與儲集水發生流體混合作用，因物理化學條件的劇變而發生礦物質沉淀，進而形成礦床。之后金頂礦區開始了表生成礦期的演化。

金頂礦區表生期成礦主要表現為后期的構造破壞作用，同時也有微生物參與下的氧化、還原作用。細菌(如氧化亞鐵流桿菌)在較低pH值時對黃鐵礦等金屬硫化物具有強烈的氧化作用，形成以含硫酸亞鐵為主的酸性溶液，這種酸性溶液的存在加速了方鉛礦和閃鋅礦的氧化，形成較易溶的PbSO4及ZnSO4，進而形成金頂鉛鋅礦床中的氧化礦石。

三、小結

金頂礦床礦石礦物的演化經歷了沉積成巖期、熱鹵水成礦期及表生成礦期三個階段，在不同的礦石礦物演化階段，生物有機質均以不同的形式存在，并對礦石礦物的形成起著重要的作用：

(1)沉積成巖期，藻類及其它生物體以Pb、Zn等成礦元素為“食”，使得海水中大量的金屬成礦元素的初始富集。隨著這些生物的死亡，Pb、Zn等成礦元素沉積下來，同時，這些死亡生物體形成的腐殖酸對Pb、Zn等成礦元素具有強烈的吸附作用。

(2)熱鹵水成礦期，有機質以有機羧酸的形式大量存在于地層水中，有機羧酸對Pb、Zn等成礦元素具有較強的溶蝕作用，同時這些有機羧酸的存在能夠控制礦床的形成環境。原油殘留的存在表明原油在金頂鉛鋅礦床的形成過程中起著積極作用，但只是部分Pb、Zn等成礦元素以這種方式運移。

(3)表生成礦期，由于礦體大量暴露于地表，使得黃鐵礦等金屬硫化物易于氧化，而礦區內大量氧化細菌的存在不僅加速了黃鐵礦等硫化物的氧化，也使得方鉛礦、閃鋅礦等極難溶的硫化物氧化形成氧化礦石，部分Pb、Zn等成礦元素發生了再遷移，在潛水面之下的溶洞及裂隙中，由于硫還原細菌的存在發生再沉淀，形成次生硫化物礦[5]。

[1]李昌兵，劉通.生物成礦作用的研究意義[J].地球，2013，10:102-103.

[2]魏國文.生物有機成礦作用研究進展[J].科技信息，2013，03:414+402.

[3]張玲，楊恩林，方開雄.生物-有機質與金屬礦床成礦作用研究進展[J].現代礦業，2014，05:67-69+79.

[4]王新利，龐艷春，付修根，田曉樺，李宏偉.云南金頂鉛鋅礦床的有機成礦作用——來自圍巖、礦石中有機質生物標志化合物的證據[J].地質通報，2009，06:758-768.

[5]付修根.金頂鉛鋅礦床生物有機成礦作用探討[J].資源調查與環境，2004，03:184-189.

宋志堃(1992-)，男，漢族，河北涿州人，在讀研究生，成都理工大學地球科學學院，礦產普查與勘探(固體礦產勘查)專業。