滇東地區下寒武統筇竹寺組細粒巖中結核類型與成因分析

張娜娜，方澤鑫，陳 沖

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室，地質學系，陜西西安 710069；2.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安 710069）

結核是指在沉積巖中的碎屑物質被自生礦物膠結所形成的集合體，能與圍巖顯著區分[1]。關于結核的起源一直是地質研究中的一個難題[2]，結核的化學組成和同位素的組成往往要比結核的結構復雜很多。早期的沉積學研究中，認為結核是以脈體、凝結物或膠結物的形式存在的自生沉淀物[3]，但它們在沉積前期、沉積后期以及交代作用時期大量膠結并廣泛存在的原因仍然是地質研究中的一個難點。結核為揭示古生態學和恢復古生物環境[4]、古地理重建[5]、同沉積時期地震的發生[6]提供了重要依據，結核不僅能顯示當時的沉積環境，結核沉積后期的來源可以作為了解沉積巖成巖演化的關鍵特征[7]。結核一般呈球狀，通常也呈橢圓狀、盤狀、連續或不連續的帶狀（透鏡狀）、串珠狀、連生狀或其他不規則形狀[3，8，9]。它們的沉積時期可追溯到寒武紀[10，11]到整個顯生宙[12，13]，形成的環境可以是海洋環境也可以是湖泊等陸相[13-15]，在非海洋環境中形成的結核一般呈鮞粒狀、豆狀、土壤結節狀和洞穴堆積（鐘乳石）狀[16-18]。結核是沉積巖中一些礦物成分聚集形成的團塊，這些礦物一般是母巖中的次要組成成分，石灰巖、頁巖、砂巖、含煤礦物中十分容易形成結核[19]。

1 研究區地質概況

滇東地區，整體位于小江斷裂東北、彌勒斷裂北西部位，地處揚子地臺西南緣，上揚子古陸與華南陸塊拼接部位，即環太平洋構造域與特提斯構造域的交接復合帶[20]。研究區出露的地層有元古代、震旦系、寒武系、泥盆系（見圖1），該地區自古生代以來，巖漿活動微弱，蓋層在晚燕山運動的影響下整體發生抬升出現微弱褶皺，新生代的小型山間盆地由于后期受喜馬拉雅運動的強烈影響，褶皺隆起而出現[21]。寒武紀初期，揚子地臺處于赤道附近的熱帶地區[22]。滇東地區，由東北向東南水體逐漸加深，總體由淺水陸棚變為半深海斜坡至海盆沉積環境[23]。

圖1 研究區地質概況和地層發育簡圖（據楊愛華等，2015；張志亮等，2015）

滇東地區梅樹村剖面的結核，主要形成在下寒武統筇竹寺組的玉案山段和石巖頭段，玉案山段和石巖頭段地層總厚度約105 m。下覆地層為漁戶村組的大海段，以灰色、淺灰色白云巖為主，整體為淺水環境；石巖頭段沉積前期，海平面快速上升，梅樹村地區海水底部處于缺氧狀態，在底部沉積了灰黑色—黑色的頁巖，水平層理發育，并伴有大量黃鐵礦結核的形成[23，24]。在石巖頭段底部的黑色頁巖、灰黑色泥質粉砂巖中發現了大量的草莓狀黃鐵礦，也證明了石巖頭段的沉積早期，整體都處于一個較強的還原環境中。石巖頭段沉積后期，相對海平面逐漸下降，水體變淺，中部出現最古老的三葉蟲化石，頂部有大量的澄江動物群，在中上部主要為灰色頁巖、粉砂質泥巖和粉砂巖[19]。玉案山巖性以黑色頁巖為主夾少量薄層灰色粉砂巖，細砂巖，水平層理發育。

2 結核類型及主要特征

通過對滇東地區下寒武統筇竹寺組野外剖面測量觀察，按成分將該區的結核分為砂質結核、泥質結核、黃鐵礦結核3 種類型。

2.1 砂質結核

該地區砂質結核的顏色一般為灰—深灰色，主要為橢球狀、圓球狀、扁球狀以及不規則塊狀，結核最大直徑可達90 cm，最小直徑僅為4 cm。多數結核以獨立的個體分布在砂巖中，極個別發現有“連生”現象，未發現結核具核心、包核結構[25，26]。結核的成分以砂巖、泥質粉砂巖為主含有較高的鈣質成分，部分結核成分為藍灰色磷質砂巖，深灰色泥質粉砂巖成分的結核中含黃鐵礦及硅質膠結物。

大部分砂質結核內部及圍巖均不顯現層理，結核與圍巖接觸部位未發生變形，存在切割關系，屬成巖結核（見圖2A）；在少數泥質粉砂巖結核中發育微弱的平行層理，與圍巖不存在切割關系，結核中部層理與圍巖的層理平行，在結核與圍巖接觸的上下部位，發現圍巖的層理“繞過”結核呈彎曲狀，屬同生結核（見圖2B）；在少數結核內部發育“空心腔”，其直徑約5 cm。“空心腔”與結核具同心圓狀并被方解石充填，同時結核內部層理發生微弱變形（見圖2C），可能為后生結核。砂質結核的圍巖成分與結核成分相似，主要為灰—灰黑色砂巖、泥質粉砂巖，部分為灰黑色含鈣質泥質粉砂巖，在少數成分為泥質粉砂巖的圍巖中發育裂縫，裂縫被方解石充填（見圖2D）。

圖2 滇東地區下寒武統砂質結核與圍巖特征

2.2 泥質結核

研究區泥質結核顏色以灰黑色、黑色為主，結核的形狀多為球狀、橢球狀，直徑最大約為60 cm，最小約為1 cm。結核的成分為灰黑色泥巖，內部層理發育，部分結核中發育裂縫，裂縫多被方解石充填（見圖3A）。此外，結核都以獨立個體順層分布在圍巖中（見圖3B），未發現“連生”現象。圍巖的成分以灰黑—黑色泥巖或粉砂質泥巖為主，部分圍巖的成分為灰色粉砂巖，圍巖中水平層理發育（見圖3C）。在結核與圍巖接觸的下表面出現了明顯的“凹陷”（見圖3D），根據結核與圍巖層理之間的關系，判斷此研究區中的泥質結核為同生結核。

圖3 滇東地區下寒武統泥質結核與圍巖特征

2.3 黃鐵礦結核

研究區發育的黃鐵礦結核的顏色多呈黃褐色，結核的形狀大多為球狀，部分結核為草莓狀，直徑大者達9 cm～10 cm，小者僅為0.5 cm～1 cm，直徑普遍偏小。絕大多數的黃鐵礦結核都以獨立的個體順層分布在圍巖中，但少數草莓狀黃鐵礦結核雜亂分布在圍巖的表面（見圖4A）。結核的成分為黃鐵礦，圍巖的成分為灰黑色粉砂質泥巖、灰黑色泥巖，部分為凝灰巖（見圖4B），圍巖水平層理發育，周圍富集大量草莓狀黃鐵礦；凝灰巖中水平層理的發育說明沉積時水動力條件弱，黃鐵礦的發育進一步說明該套巖層沉積時水動力條件弱，且處于較強的還原狀態?；液谏凵百|泥巖中的黃鐵礦結核，順層分布在圍巖中（見圖4C），屬同生結核，而灰色砂巖、凝灰巖中的黃鐵礦結核多數穿層分布，屬成巖結核（見圖4D）。

圖4 滇東地區下寒武統黃鐵礦結核與圍巖特征

3 成因分析

3.1 砂質結核成因分析

不同圍巖中的結核具有不同的成因，在其組分、結構特征上有明顯的差異[27]。早期的研究中強調了砂巖中膠結物的組分和圍巖之間轉化的重要性[28]。當含鈣質泥質粉砂巖與粉砂巖交互沉積相對較快時，含鈣質泥質粉砂巖膠結成巖速率較慢，此時剛沉積的球粒狀泥質粉砂巖尚未固結且強度很低，在較深的水體環境中，上覆沉積物產生過大的壓力作用，很容易發生變形。泥質粉砂巖中黏土礦物含量較多，黏土礦物顆粒較小，比表面積大，具有較強的吸水性，同時絮狀的黏土礦物很容易被壓實，體積變小，發生脫水作用，而粉砂巖發生變形的程度相對較弱。在同生和成巖作用的早期，含鈣質泥質粉砂巖膠結的速率大于粉砂巖固結的速率，先形成的泥質粉砂巖優先膠結，因泥質粉砂巖內部黏土礦物差異分布，造成差異壓實，從而使得泥質粉砂的形狀呈橢球狀。上覆沉積物對黏土礦物產生定向壓實，使泥質粉砂巖結核內部逐漸變成有層理構造特征。

3.2 泥質結核成因分析

泥頁巖中的結核是富黏土沉積物中大量物質轉移的主要證據，其礦物組成可以揭示頁巖中流體的演化，其球狀的結核代表了離子擴散的生長模式，半徑可能與生長時間有關[28]。研究區泥質結核的外形呈橢球狀主要是早期的成巖過程中收縮，層內微拉斷、機械壓實等綜合作用的結果[30]。泥質結核的形成過程（見圖5）如下：早期形成的泥質結核聚集物（層2）開始結晶，結晶導致體積的收縮，并在上覆沉積物超重荷作用下，產生側向微拉，而后期形成的圍巖（層1）仍處于交代階段，下覆沉積物（層3）已經進入壓實作用階段，泥質沉積物側向微拉產生的斷裂作為上覆泥質沉積物的排水通道；上覆沉積物交代作用結束后，進入壓實排水階段，由此產生持續的垂向壓力，為了抵抗上覆沉積物的壓力，泥質結核向外凸起，形成弧狀的輪廓，與結核接觸的下覆泥巖的原生層理構造也會在結核的壓實排水過程中受到破壞；泥質結核完全形成，為了能夠更加有效地抵抗上下覆圍巖的壓力，結核呈球狀，且內部保留了原生的水平層理，若上覆泥巖物質產生的靜壓力大于結核的抵抗力，結核就會呈橢球狀，下覆的泥質沉積物壓實作用結束后進入早期成巖階段，圍巖的層理也會隨結核呈弧形彎曲。研究區內泥質結核內部的裂縫呈多個近水平透鏡狀，裂縫的寬度由中心到邊緣逐漸變窄，可能是在結核內部膠結物發生脫水作用產生裂縫，從而方解石進入孔隙成為裂縫的填充物。

3.3 黃鐵礦結核成因分析

黃鐵礦是地殼中分布最廣泛的硫化物，主要產于熱液礦床中。由沉積作用形成的產于含油地層、煤系地層及黑色頁巖、砂巖、石灰巖中，呈透鏡狀或薄層產出，它是重要的還原環境標志礦物[31]。球狀黃鐵礦結核形成的重要條件包括：含有豐富的Fe2+和S2-、具有強還原的沉積環境以及各向近似均一的滲透性、約束性、Fe2+和S2-的補給性[32]。筇竹寺組沉積早期古海洋水體較深，還原性強，在筇竹寺組底部形成了厚層的富含黃鐵礦的黑色頁巖，這為后期海水提供了豐富的Fe 元素；同時在漁戶村組大海段的下覆地層中誼村段，發現了大量的小殼化石，S2-的來源可能是這些生物及有機質遭遇生物降解后生成H2S。滇東地區筇竹寺組的泥巖平行層理發育，反映水動力條件弱，泥頁巖顏色以黑色、灰黑色為主，反映了較強的還原環境，這樣就為黃鐵礦結核的形成提供了物質和環境的保障。

在有游離氧存在的氧化環境下，二價的鐵離子很容易被氧化成三價鐵離子并形成Fe（OH）3膠體。在一定的條件下，黃鐵礦的鐵質是以Fe（OH）3膠體溶液的形式被地表水帶出風化殼，并在適量腐植酸的保護下被搬運到沉積盆地中。進入盆地中后，在強還原的環境下，Fe3+被還原成Fe2+。H2S 氣體與Fe2+發生反應生成FeS·nH2O，FeS·nH2O 與 S 反應生成 FeS2·nH2O，稱為膠黃鐵礦；并進一步在聚集過程中結晶脫水，在各向相對均一的滲透性地層中最終形成黃鐵礦結核[32]。

圖5 泥質結核成因模式圖（據劉萬洙，1997，修改）

4 結論

（1）研究區筇竹寺組主要發育3 種結核：砂質結核、泥質結核和黃鐵礦結核，砂質結核巖性為含鈣質泥質粉砂巖，主要成分為石英、長石，膠結物為鈣質；其中砂質結核主要為成巖結核，少量為后生結核；泥質結核主要為同生結核；黃鐵礦結核主要為成巖結核，少量為同生結核。

（2）泥質結核主要是同生階段泥質結核結晶-收縮、側向微拉和上覆圍巖壓實作用等綜合作用結果形成；砂質結核的形成主要因為含鈣質泥質粉砂巖膠結的速率大于粉砂巖固結的速率，先形成的泥質粉砂巖優先膠結，形成結核核心，后期在差異壓實過程中形成結核；橢球狀黃鐵礦結核主要是在強還原的環境下，Fe2+及S2-形成膠黃鐵礦后結晶脫水，在各向均一的滲透性地層中形成。