恩施地區富硒地層分布規律及其控制因素探討

李明龍, 徐 輝, 許克元, 陳發俊, 唐 成, 楊登銀

(湖北省地質局 第二地質大隊,湖北 恩施 445000)

湖北省恩施州位于武陵山連片貧困區,擁有全球唯一探明的獨立硒礦床——漁塘壩硒礦床,被第14屆國際人與動物微量元素大會授予“世界硒都”殊榮。恩施富硒產業的發展直接關系到“武陵山片區區域發展與扶貧攻堅”國家戰略和“武陵山少數民族經濟社會發展試驗區建設”省級戰略在該州的實施。

恩施地區的硒元素最初來源于巖石風化,富硒地層的出露對天然硒資源分布具有控制作用。前人對漁塘壩硒礦床所賦存的二疊系孤峰組黑色巖系做過大量研究:楊光圻曾在漁塘壩地區采集到硒含量達84 000 mg/kg的碳質硅質巖樣品[1];王鴻發闡述了漁塘壩硒礦床的礦床地質特征[2];鄭寶山探討了恩施孤峰組富硒黑色巖系的開發利用[3];朱建明研究了漁塘壩硒礦石中硒的賦存狀態[4-5];馮彩霞研究了漁塘壩硒礦床成因[6]等。但恩施地區其他地層單元含硒情況尚不明確;且除二疊系孤峰組外,恩施還出露二疊系大隆組、志留系龍馬溪組、寒武系牛蹄塘組等多套黑色巖系地層,其研究尚缺乏系統性。因此,筆者在前人研究基礎上,對恩施地區主要出露的地層單元進行了系統的采樣分析(重點針對黑色巖系地層),探討了該地區富硒地層分布規律及其控制因素,以期為當地富硒資源開發利用提供基礎依據。

1 研究區概況

1.1 研究區基本情況

恩施州地處湖北省西南部,是中國中部地區與西部地區的結合部,地跨東經108°23′12″～110°38′08″,北緯29°07′10″～31°24′13″(圖1),東接湖北省宜昌市,南毗湖南湘西,西連重慶黔江,北鄰重慶萬州,東北端連接神農架林區。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographical position of the study area

地貌以碳酸鹽巖組成的高原型山地為主體,兼有低山峽谷與溶蝕盆地、山間盆地,整體地勢呈西北、東北部高,中部低,平均海拔1 000 m以上;研究區屬亞熱帶季風性山地濕潤氣候,年均氣溫16.2 ℃,年均降水量1 600 mm,冬少嚴寒、夏無酷暑、雨量充沛、四季分明,氣候垂直差異突出;生物資源豐富,以豐富性、古老性和多樣性著稱。

1.2 區域地質概況

研究區大地構造位置屬于揚子地臺的中段,其北西部為四川臺拗的川東臺褶帶,南東部為上揚子臺坪的八面山臺褶帶,北端為鄂中褶斷區的神農架斷穹。

研究區地層出露廣泛,從中元古代神農架群臺子組至新生界第四系均有出露,僅志留系上統、泥盆系下統、第三系等地層沉積缺失或遭剝蝕而缺失。從出露地層時代上看,寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系等31個巖石地層單元出露最為廣泛;從巖性上看,白堊系、三疊系上統、泥盆系、志留系主要為碎屑巖,其余地層單元均以碳酸鹽巖為主。此外,大量地質工作證實,黑色巖系中硒元素相對其他巖石富集,恩施出露多個地質時代的黑色巖系地層,主要為寒武系牛蹄塘組、奧陶—志留系龍馬溪組、二疊系孤峰組及大隆組[7]。而土壤元素地球化學成分對成土母巖具有一定的繼承性,富硒地層的風化為表生環境介質帶來了豐富的硒元素,營造了富硒的地質環境。因此,以上黑色巖系地層是本研究的重點層位(圖2)。

2 樣品采集與處理

為詳細查明主要出露地層巖石硒含量特征,本次工作共在研究區測量6條巖石地球化學剖面(圖2),分別位于恩施市新塘鄉、鶴峰縣走馬鎮和中營鎮、來鳳縣革勒車鎮和大河鎮。

根據以往研究成果,重點觀察描述了可能富集硒元素的黑色巖系及煤系地層的發育厚度、巖性特征、結構構造等,以詳細研究其沉積環境及巖石富硒機理。其中在二疊系高硒地層區,對巖石采樣間距進行了加密,并通過探槽揭露覆蓋的局部高硒地層,盡可能采集新鮮樣品。本次研究共采集了31個巖石地層單元的495件巖石樣品進行測試分析,所有測試分析均在湖北省地質實驗測試中心完成。

3 富硒地層分布規律

3.1 時代分布規律

硒是一種痕量元素,在地殼中平均含量僅為0.05 mg/kg,本次研究中將硒含量大于克拉克值200倍(即硒含量>10 mg/kg)的巖石稱為富硒巖石。

圖2 恩施地區富硒地層出露情況Fig.2 Exposure of selenium rich strata in Enshi area1.二疊系龍潭組、下窯組、大隆組;2.二疊系孤峰組;3.奧陶系—志留系龍馬溪組;4.寒武系牛蹄塘組;5.巖石地球化學剖面位置。

本次巖石樣品實測結果表明(圖3),恩施地區在地質歷史上存在多個硒元素含量高峰期,分別為早寒武世牛蹄塘期(樣品硒含量6.6～57.33 mg/kg,均值32.47 mg/kg)、晚奧陶世—早志留世龍馬溪期(硒含量0.14～34.23 mg/kg,均值2.14 mg/kg)、中二疊世孤峰期—晚二疊世大隆期(其中孤峰組硒含量8.67～4 900.252 mg/kg,均值175.379 mg/kg;龍潭組0.656～45.134 mg/kg,均值15.666 mg/kg;下窯組0.314～293.89 mg/kg,均值16.049 mg/kg;大隆組2.428～80.812 mg/kg,均值32.833 mg/kg)。硒元素主要富集時代集中在二疊紀中晚期,主要富硒地層為孤峰組和大隆組,尤其以孤峰組為最主要的富硒地層。

3.2 空間分布規律

下寒武統牛蹄塘組主要出露在鶴峰走馬一帶(圖2)。該組上段以灰色—灰黑色泥砂質頁巖夾碳酸鹽巖透鏡體為特征,下段以灰黑—深灰色含碳粘土巖、石煤、硅質巖和含磷結核為特征,由下至上組成硅質—泥砂質—碳酸鹽建造,富硒層位主要為下部石煤和硅質巖段。

下志留統龍馬溪組主要出露在宣恩縣、恩施市、咸豐縣、來鳳縣及鶴峰縣。為一套富含筆石的黑色、灰黑色頁巖、炭質頁巖、硅質巖和硅質頁巖,下部硅質巖較多,剖面層序顯示出北西淺南東深的古地貌特點,富硒層位亦為下部碳硅質巖段。

圖3 恩施地區主要出露地層硒含量分布情況Fig.3 Distribution of selenium content in the main outcropping strata in Enshi area1.灰巖;2.白云巖;3.粉砂巖;4.粉砂質泥頁巖;5.含碳質硅質巖;6.生物碎屑灰巖;7.泥質灰巖;8.泥質白云巖;9.瘤狀泥灰巖;10.石英砂巖;11.炭質頁巖;12.含量曲線。

中二疊統孤峰組—上二疊統大隆組地層主要分布在利川市的東部、恩施市的東南部及西北部、宣恩的北部、建始與巴東南部等地區,主要呈北東—南西向分布,與區域構造形跡一致(圖2)。研究區孤峰組下段主要發育薄層含碳硅質巖與炭質頁巖互層,上段發育炭質頁巖為主;大隆組由一套灰黑色薄層硅質巖夾含碳質頁巖所組成,向上炭質頁巖增多。

4 富硒地層分布控制因素探討

綜上所述,古生界黑色巖系是恩施地區主要出露的富硒地層。結合恩施地區不同地質時代大地構造背景、沉積環境及有機碳特征,對恩施地區牛蹄塘組、龍馬溪組及孤峰組等富硒巖層分布規律及控制因素進行了探討。

4.1 構造背景與沉積環境

4.1.1 牛蹄塘期

早寒武世,泛大陸解體,導致揚子陸塊與華夏陸塊處于強烈的拉張階段,深大斷裂活動加劇,可成為深部物質上涌通道[8],帶來了大量幔源的硒元素。南方各地下寒武統牛蹄塘組基本上都具有熱水沉積特征[9],與火山或裂谷活動造成的海底熱水噴流作用密切相關。

圖4 中揚子地區寒武紀牛蹄塘期巖相古地理[10]Fig.4 Lithofacies palaeogeography of middle Yangtze area duringCambrian Niutitang Age1.鄂中古陸;2.碳酸鹽潮坪相區;3.淺水陸棚相區;4.深水陸棚相區;5.陸棚邊緣盆地相區;6.相區界線;7.斷裂帶;8.主要海侵方向。

震旦紀晚期燈影末期發生的“惠亭運動”使湖北中部抬升,形成鄂中古陸(圖4)。早寒武世牛蹄塘早期,研究區張性環境下構造沉降加劇,海平面上升,海盆可容空間增大,沉積速率降低。恩施地區該時期位于深水陸棚相區[10],有機質得以在深水條件造成的還原環境下保存,與深水泥質和熱水硅質沉積物一起形成黑色巖系,并對硒元素起到吸附作用。

4.1.2 龍馬溪期

晚奧陶世晚期至早志留世早期,在早加里東運動影響下,揚子板塊四周古陸面積增大,并逐漸向揚子區伸展,使揚子海處于半封閉狀態,上揚子地臺東南緣受華夏陸塊擠壓隆升,川東到鄂西一帶形成閉塞海盆(圖5)[11]。

在構造相對穩定的封閉環境下,研究區沉積了一套靜海生物成因的硅質巖[12]和炭質頁巖,同樣沉積物中炭質對硒元素起到了一定吸附作用。

4.1.3 孤峰期

中晚二疊世,華南大陸板塊構造活動頻繁強烈[13],研究區富硒地層的地質時代與板塊拉張作用造成的火山活動(峨眉山玄武巖的噴發)時間基本一致。同時,漁塘壩富硒硅質巖微量元素特征均符合熱水沉積特征[14],可能與火山噴發引起的海底流體升溫有關。顯然,張性大地構造環境下,深部硒元素易隨裂谷和火山活動來到地表,并為沉積物提供了硒元素來源。

圖5 湖北省晚奧陶—早志留世龍馬溪期巖相古地理[11]Fig.5 Lithofacies palaeogeography during Longmaxi Age from Late Ordovician to Early Silurian1.淺海盆地相;2.淺海滯流盆地相;3.淺海陸棚相;4.巖相不明區;5.沉積相界線;6.斷層線;7.海侵方向。

圖6 研究區中二疊世孤峰期巖相古地理圖Fig.6 Lithofacies palaeogeography of the Permian Gufeng period in the study area1.淺海碳酸鹽巖臺地;2.淺海滯留盆地;3.基性火山噴發相;4.古陸;5.物源來源方向;6.海侵主方向;7.海侵次方向。

中二疊世晚期孤峰組沉積期,研究區處于鄂川滇淺海北東部的一個半封閉近東西向的淺海海盆,海盆聚積了來自古陸上的碎屑,在封閉海盆的還原環境中(圖6)海水不流暢,生物死亡堆積后提供豐富的有機碳,硒被大量固定在含碳沉積物中,形成富硒的炭質硅質巖層。孤峰組、下窯組及大隆組巖層中均有大量的硅質成分,且還原環境沉積了大量炭質,而炭質吸附了海水中異常高的硒元素,以至于研究區二疊紀中晚期沉積巖中出現了硒元素的最高峰。

4.2 有機碳的吸附

由上述分析可知,恩施地區主要富硒地層的巖性為黑色碳硅質巖及炭質泥頁巖,硒元素含量與有機碳含量關系密切。統計了31個巖石地層單元的樣品硒含量與有機炭平均值,兩者相關系數高達0.8,呈現顯著正相關(圖7-a);富硒地層除外的其他地層巖石(碎屑巖、碳酸鹽巖)樣品硒含量與有機碳含量相關系數為0.64,亦呈正相關性(圖7-b),這與該地區土壤中硒元素受有機碳吸附機理一致[15]。

從巖性上看,恩施地區主要出露的巖石硒元素富集程度排列依次為:黑色巖系(炭質頁巖、含碳硅質巖)>煤系>碳酸鹽巖(灰巖、白云巖)>泥巖>砂巖?？梢缘贸鼋Y論,硒元素富集與巖石有機碳含量密切相關。

圖7 研究區巖石中orgC與Se含量的相關性Fig.7 Correlation of orgC and Se in the rocks of the study area

綜上所述,早寒武世牛蹄塘期(含碳硅質巖段硒含量均值32.47 mg/kg)及中晚二疊世孤峰期—大隆期(硒含量均值范圍15.67～156.38 mg/kg),在拉張性的大地構造背景下,深源硒元素沿深大斷裂或火山活動來到地表,并被同時期淺海滯留盆地或深海陸棚等還原環境下沉積的大量有機碳吸附,從而完成了沉積期富硒地層中硒元素的源與匯;同樣屬于黑色巖系地層的奧陶—志留系龍馬溪組沉積時期大地構造環境相對穩定,深源的硒元素相對缺乏,巖石硒含量遠低于上述兩個沉積期(硒含量均值2.14 mg/kg),但閉塞海盆內較高的炭質也富集了相當含量的硒元素,本區龍潭組煤系(硒含量均值15.67 mg/kg)對硒元素的富集因素除了與龍馬溪組類似的炭質吸附外,也受到該時期硒元素供給豐富的影響。此外,研究區除二疊系外各時代碳酸鹽巖硒含量均值一般在0.05～0.56 mg/kg,含量亦較高,眾所周知,海相碳酸鹽巖一般沉積于生物較發育的溫暖淺海環境下,是典型的生物化學沉積,生物的生命活動離不開硒元素的代謝,碳酸鹽巖硒元素含量可能受到了生物影響;含炭量較低的碎屑巖地層單元硒含量均值主要0.04～0.398 mg/kg,其中42件新灘組泥巖樣品硒含量均值0.398 mg/kg,11件紗帽組細砂巖樣品硒含量均值為0.146 mg/kg,且所有樣品硒含量均值最低的為白堊系跑馬崗組砂巖(0.044 mg/kg),說明在有機碳影響較小的情況下,泥質巖中粘土礦物等細粒物質的吸附作用就凸顯出來了。

5 結論

(1) 通過對恩施地區廣泛出露的31個巖石地層單位(組)的495件巖石樣品硒含量分析,發現研究區在地質歷史上多個黑色巖系沉積時期為巖石硒元素富集高峰期,具體為早寒武世牛蹄塘期(巖石樣品硒含量均值32.47 mg/kg)、晚奧陶世—早志留世龍馬溪期(巖石樣品硒含量均值2.14 mg/kg)、中二疊世孤峰期—晚二疊世大隆期(巖石樣品硒含量均值15.67～175.38 mg/kg)。其中最富硒地層為二疊系孤峰組,主要出露于恩施地區中東部和北部,寒武系牛蹄塘組、奧陶—志留系龍馬溪組等地層主要出露于恩施地區中南部。

(2) 研究區巖石樣品的硒元素與有機碳含量呈明顯正相關,硒元素在不同巖性巖石中富集程度為:黑色巖系(碳硅質頁巖)>煤層>碳酸鹽巖(灰巖、白云巖)>泥巖>砂巖。

(3) 探討了控制富硒地層分布的因素,認為中晚二疊世孤峰期—大隆期和早寒武世牛蹄塘期是最有利的巖石富硒期,在拉張性的大地構造背景下,深源硒元素沿深大斷裂或火山活動來到地表,并被同時期淺海滯留盆地或深水陸棚等還原環境下沉積的大量有機碳吸附,完成富硒地層中硒元素的源與匯。