下寒武统黑色页岩金属富集机理与小行星撞击

丁卫平, 代晓光, 邓宇飞, 王富强

(中化地质矿山总局地质研究院, 北京 100101)

扬子地台乃至整个华南的下寒武统筇竹寺组下部有层黑色页岩,其中V、Ni、Ir、Mo等的含量高,局部U或者其他元素如Hg、Sb、As、Ba含量也高,如四川汉源在该层有铀磷矿层,湘黔交界寒武系下统产重晶石、锑矿、辰砂、毒砂矿。很多学者对该黑色页岩层存在金属富集特征进行过研究,有热水沉积说[1]、缺氧事件沉积说[2]等,这些学说其实都归结为一个成因,那就是来自当时海底基性岩的海底热泉提供的这些金属成矿物质,现结合从事的磷矿专著项目的研究成果,对铂族元素来自海底喷发的基性岩提出质疑,因为华南早寒武世是地球相对稳定的时期,当时根本没这类岩浆活动,下寒武统地层中没有玄武岩基性岩(铂族元素含量相对高的岩石)等岩石,认为不同元素的富集机理不同,但不排除存在海底热泉作用,不过只对部分金属富集有作用,因为热泉应该主要是与Ba、Sb、Hg、V等元素的富集有关,华南扬子地台寒武系早期的湖南贵州一带就有很多这类矿床。至于铂族元素的富集,则应该与陨石撞击有关。其他元素的富集学说除了U外,都可与陨石撞击存在某种联系,或者直接来自陨石成分,或者是撞击产生了裂隙,这些元素从地下冒出到当时海底等。

1 白垩纪末期小行星撞击事件的启发

目前地质年代划分中,最没有年代争议的是白垩纪与古近纪的划分,基本都是以6 600万年左右为界。目前广泛认可的分界理由是存在小行星撞击地球,导致恐龙等很多生物的灭绝[3],撞击地点在现在的墨西哥湾尤卡坦半岛。这个小行星直径达到9.6 km,在墨西哥湾砸出了一个直径29 km的陨石坑。这次撞击导致地球气候大变,地球表面被厚厚的烟雾和尘埃覆盖,阳光不能照进,光合作用停止,很多植物死去,海里浮游生物几乎全部被杀死,大气含氧量急剧下降,陆地上的恐龙更是因缺少氧和食物等而全部死亡[4]。这次撞击产生的碎石和灰烬在地表产生了薄层的沉积带,而且发现该沉积带中铱(Ir)元素含量很高,远远超过地球表面的含量,其他铂族元素(platinum group element,PGE)和C同位素也有异常。此外,白垩系与古近系界线附近样品中的Os/Ir、Ru/Ir与地球以外的行星或者陨石物质十分接近[5],说明白垩系的结束与这次撞击事件显著相关。

需要注意的是,撞击虽然在墨西哥湾发生,但对地球的影响是全球性的,因为撞击产生巨大的气候改变,而且由于是撞击在海湾地区,它同时还产生了巨大的海啸,所以国外对分界线的研究多集中在海相地层中,因为海啸高度达到了100～ 300 m,进入陆地距离超过300 km[6],它对全球性的影响绝不可低估。以2004年的印尼地震引发的海啸为例,这次海啸几乎横扫了印度洋沿岸数千公里内的城镇村庄。这还只是地表发生的情况,因为没有行星撞击地球产生的灰尘对地球大气的影响,小行星撞击产生的灰尘影响深远,这些无不在当时的地层中留下印记。

目前在中国的大约30个地区发现了白垩纪和古近纪的界线[5],主要在中国东部地区。界线证据包括恐龙蛋铱含量和碳氧同位素异常等。本来,地壳和上地幔中的Ir含量小于0.1×10-9,但在白垩纪-古近纪界线附近达到了9.1×10-9,超过了地壳或者上地幔的90倍,说明了本次陨石撞击对中国是有影响的,但是这种影响是否处处存在尚有疑问,因为在某些地方白垩系和古近系呈连续过渡沉积[5],虽然有此疑问,但是这并不妨碍小行星撞击对地球表层的重大影响。

筇竹寺组黑色页岩中也存在铱异常,受上述观点的启发,加上刘英俊等[7]认为寒武系深海沉积物中铂族金属(PGE),其中部分是宇宙尘埃的观点,所以,初步认为下寒武统黑色页岩中至少部分铂族金属富集也与陨石撞击有关。

2 有关金属在陨石及地球中分布特点

小行星其实就是很大的陨石,其成分接近基性岩,也因此,在月球上见得最多的是玄武岩(月球上没有地球常见的花岗岩)。为分析寒武系下统黑色页岩中V、U、Ni、Mo、Ba和PGE等的富集,现先分析这些元素在陨石和地球各层圈[7]和岩浆岩[8]中的含量情况,因为陨石包括铁陨石和石陨石两大类,石陨石中最常见的是球粒陨石,所以这里主要说明铁陨石和球粒陨石的含量。可以发现,PGE和Ni从地壳到地幔含量增高,对应地,从球粒陨石到铁陨石,含量也逐渐增高;相反地,V、U、Ba从地壳到地幔含量逐渐降低,对应地,从球粒陨石到铁陨石,含量也是逐渐降低;Mo的含量变化不明显,地核中含量最高,但最低不是在地壳中,而在下地幔中,铁陨石中Mo比球粒陨石高。

从表1可以看出,PGE和过渡金属族元素中的Ni,典型地具有从地壳→地幔→地核不断升高过程,从球粒陨石到铁陨石也是升高的,表现出非常明显的亲铁特征。钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铱(Ir)在铁陨石中的含量是地壳中的2 500～3 600倍,钯(Pd)和铂(Pt)要相对低一些,但也达到了72～360倍。铂族元素从超基性岩到酸性岩,元素含量越来越低。铂族元素在超基性岩中的含量低于球粒陨石很多,更是远低于铁陨石,铂族元素含量少,在超基性岩中含量基本与下地幔中的含量相当,远低于地核。

表1 陨石、岩浆岩和地球不同层圈中某些金属元素平均含量

V在中基性岩中最高,酸性岩和超基性岩最低(这与中基性岩既含Al又含Fe有关)。U、Ba在酸性岩中富集,超基性岩中很少(但U的最低值在中性岩中)。

铂族元素具有亲铁、亲硫的双重性,在还原的环境下,尤其是在0价铁存在的情况下,更表现出亲铁性(非0价铁情况下表现为亲硫性),因为陨石中0价铁的普遍存在,因此铂族元素在陨石的铁、镍金属相中有较高含量,由此也说明铁陨石中铂族元素的含量明显高于球粒陨石,所以在白垩纪末期,撞向墨西哥湾的小行星(陨石)极大可能是一个铁陨石或者镍铁陨石。

需要说明的是,表1没有列出富镍的铁陨石情况,在富镍铁陨石中锇(Os)和铱(Ir)含量更高[7],锇(Os)和铱(Ir)含量分别是8.62×10-6和5.65×10-6,因此很大可能含铱高的地层是因为富镍的铁陨石撞击地球所致。另外,铁陨石中Ir-Os呈显著正相关,由此看来,镍铁陨石撞击地球产生的灰尘,沉积形成地层后, Ni、Ir、Or、Au、Pt含量都将高于相邻地层。

通过以上分析,可以推测,白垩系和古近系之间的高PGE含量沉积层,极大可能是含镍高的铁陨石或者以铁陨石为主,含部分球粒陨石的小行星撞击地球所致。铂族元素的抗淋滤能力由大到小的排序是Ir、Or、Ru、Rh、Pt、Pd[7],这能够解释相对来说为什么Ir异常比其他元素更加明显,或者一般都说是高铱(Ir)层,因为Ir最抗淋滤而保存在地层中,其他相对没这么明显。

黑色页岩中的V、Ba、U、Mo含量高,有的是局部相对集中,从表1看,陨石能提供较多的Mo,但是其他元素不太可能是陨石来源,它们是典型的亲石元素。

3 含铀岩系的分布特征

2015—2016年,中化地质矿山总局地质研究院对四川汉源-甘洛地区的磷块岩铀矿地质情况进行了调查,通过放射性测量,发现汉源一带含磷岩系铀异常普遍,除白云岩中U为正常值外,泥岩、砂岩、磷块岩均显异常,其中尤以下寒武统筇竹寺组底部的炭质页岩及其上部的含铀磷块岩、上泥盆统下段含铀磷层上部(含磷黏土岩)中铀含量较高[9]。此外,奥陶系下统红石涯组下部紫红色灰色砂质页岩中的含磷层也多有放射性异常显示。表2显示了其中的震旦灯影组、寒武纪梅树村组、筇竹寺组、上泥盆统含铀情况,依据最新《磷矿地质勘查规范》(DZ/T 0209—2002)中规定“对于含铀大于200×10-6的磷矿石应考虑综合回收”。U矿体最低品位ω(U)≥50×10-6。因此,有些地区的U异常情况,说明已经是U矿体了,如峨眉高桥的铀磷矿,最高达到480×10-6。由此可见,不同地区含铀磷块岩大致有相似的特征,均属铀磷组合,磷矿化层较稳定,铀矿化层变化较大,一般100×106～200×10-6,局部富集可达400×106～500×10-6,虽然目前还不具备工业利用价值,但作为一种铀的潜在资源,应当给予足够的重视。

表2 汉源-甘洛含磷岩系中部分铀异常[9]

从表2可以看出,在汉源-甘洛一带,震旦系、寒武系和奥陶系,甚至泥盆系都有铀的异常显示,这些岩石作为沉积岩,不同层位有U异常,这现象说明了U有比较稳定的物质来源提供,很显然寒武纪之前就已经存在的康滇地轴中的铀矿风化流失到古海洋中沉积是一个重要的原因,而与某次突发事件,如陨石撞击应该关系不大,最重要的是陨石本身含U是很低的,也提供不了很多U。当然,相对来说,黏土物质多的页岩因易吸附金属将使异常更加明显,但是这起不了决定作用。

4 筇竹寺组地层岩性特点

4.1 平面分布特征

寒武纪筇竹寺期的海侵范围,与之前的梅树村期比较起来,范围扩大,江南古陆的大部分都被海水淹没,仅仅存在一些孤岛[10],这其中就包括当时比较大的孤岛-康滇古陆,如图1西昌-米易所在剥蚀区所示。梅树村期存在的一些比较深的浅海凹陷在四川雷波及其南部云南一带,到筇竹寺期已经基本填满沉积物,不存在较深的凹陷,也就是说,筇竹寺期与之前的梅树村期比较起来,浅海海底地形由于长期的沉积,尤其是凹陷处的沉积,导致海底地形已经相对平坦了,这也是筇竹寺期磷矿相对来说没有梅树村期多的原因,因为有利于磷质沉淀的较深凹陷,如四川雷波那种大型凹陷已经没有了,但是在汉源及其北边一带有些凹陷盆地则尚存在,属于一种近陆(康滇古陆)斜坡洼陷区,如图2所示,这是一种能有利于含磷的深海洋流沉积到古陆棚构造的古地理环境,中化地质矿山总局地质研究院总结这种构造古地理环境为汉源式控矿(找矿)模型[11],这种地理环境靠近古陆形成的磷块岩特点是水动力较强,砂质较多,为异地内碎屑。图1显示了筇竹寺期含磷岩系在扬子地台的分布,华东浙赣一带虽然也有筇竹寺组含磷岩系,但很薄,含磷少。

图1 扬子地台筇竹寺组含磷岩系分布图[10]

1为细砂岩;2为粉砂岩;3为页岩;4为碳质页岩;5为复理石;6为透镜层状和结核状磷块岩

4.2 纵向分布特征

筇竹寺组地层在华南从西到东,砂量由高到低,泥质由低到高,所以越是往东,页岩的成分越多,砂岩越少。扬子地台西缘的靠近康滇古陆的地方如汉源、甘洛、越西等为砂岩,显然这些砂岩的陆源碎屑来自康滇古陆的风化,但到东缘的湘西、湘中和江西、浙江等地,由于是远离康滇古陆的海洋环境,则以泥质为主,该组的底部普遍含有1～2层结核状或者透镜状磷块岩,如图2所示。

由于筇竹寺组的纵向分布在华南各地有较大变化,这种变化主要体现在厚度不同上,下面主要以含有可开采磷矿层的汉源磷矿来说明,中化地质矿山总局地质研究院2015年在汉源一带做了铀磷矿的调查,总结了其地层的含磷和铀的特征[9]。

筇竹寺组上覆地层:下寒武统沧浪铺组含磷组砂岩、白云岩和黏土岩,整合接触。下伏地层:梅树村组古风化壳,平行不整合接触,对筇竹寺组岩性说明如表3所示,可以看出,汉源一带筇竹寺组岩性以陆源碎屑为主,砂岩比较多,白云质等化学沉积碳酸盐成分很少,这是紧邻康滇古陆的原因。基本从下到上都存在磷,因此筇竹寺组是个含磷岩系,但只有一个可采矿层,基本位于中间位置(第⑤层)。岩系下部有层凝灰岩,依据文献[12],在整个四川省及其周边,寒武纪火山活动很少,见表4。

表3 汉源-甘洛筇竹寺组地层说明表[9]

表4 四川及其周边地区岩浆岩发育情况表[12]

由表4可知,在巴塘一带存在寒武纪火山活动,巴塘位于汉源的西边偏北大约340 km处,经查文献[13],这里发生过有少量的基性-中酸性火山活动,很显然汉源筇竹寺组英安质层凝灰岩层就是这些火山爆发引起的,推测巴塘的中酸性火山灰往东偏南漂移到汉源一带天空落下掉入滨海环境形成了这层凝灰岩。总体看,由于下部有古风化壳,从岩性特征看,筇竹寺组含磷岩系顶底都存在细砂岩,属于高能带,中上部存在粉砂岩,属于低能带,反映这套地层是在海侵过程中沉积的。该岩系最值得关注的是第一层的黑色页岩,另外在第⑥层和第⑦层,存在高密度且厚层的软舌螺,在四川省汉源县香树顶可以见到5～10 cm厚的密集软舌螺化石层[14],这应该是寒武纪澄江生物大爆发在这里的表现。

4.3 岩性特征分析

四川汉源的筇竹寺组与下部的梅树村组,中间存在一个古风化壳(不整合面),风化壳上有棕褐色褐铁矿层,局部混有胶磷矿团块,厚度变化大,为0～0.25 m,属古风化壳型褐铁矿,无工业价值,铁矿底面起伏。梅树村组最顶部与风化壳接触的是碳酸盐岩。

现在对汉源黑色页岩所在的筇竹寺组底部地层做进一步分析,既然这里紧挨着下部古风化壳,风化壳下部又是碳酸盐岩,说明在筇竹寺期沉积之前,这里是一个古陆,但随着地壳下沉而发生海侵,开始接受筇竹寺期沉积,理论上,该时期因为是滨海环境,又紧邻西侧的康滇古陆(原来实际上就是康滇古陆的东侧部分,只不过后来海侵而淹没)。所以在滨海这种动荡的水环境中,存在细砂岩是正常的(见表3中的第①层),但是这些细砂岩中又夹了黑色页岩,由于页岩是由泥质物质组成的,多在浅海甚至深海环境才有,滨海环境不应该出现黑色页岩。水下沉积物成分往往有一个渐变过程,不断的量变才能产生质变,非常纯的泥岩(或页岩)不可能与纯细砂岩或者粗砂岩等直接接触,泥岩与细砂岩之间一定存在过渡带。由纯泥岩过渡到纯砂岩,肯定要经过泥质逐渐减少、砂质逐渐增加的过程,如果发生两种截然不同的地层伴生,那么就说明当时发生了突发事件,比如发生了突然的风暴,或者海底洋流经过,或者火山爆发,大量灰尘突然掉落到沉积层,当然也包括陨石撞击后产生的尘埃物质沉积。在表3中第①层除了细砂岩与页岩伴生外,还可见到绿泥石砂砾岩,这些砾岩,如果不是地球外来源,只能是靠近康滇古陆的岩石风化和水系沉积,与这些细砂岩或者砂砾岩伴生的黑色页岩则应该不是正常的海侵形成的,这一分析其实也是印证了黑色页岩是非正常的海相环境下形成的观点。

5 下寒武统黑色页岩金属含量特征及富集机理

5.1 下寒武统黑色页岩金属元素含量特征

下寒武统筇竹寺组含结核状磷块岩的黑色页岩中具有含铀(U)高的特点,但是,根据文献[15],该层还富含有机质和自生黄铁矿,具有V、Ni、Mo、PGE含量也高的特点,显示比较明显的铱(Ir)异常,这是许靖华等[16]在1986年提出的,而且Ir异常的分布很广,不仅在四川存在,在贵州、湖南、江西和浙江都存在,它可以当作一个标志层。除铱(Ir)异常外,富Ir层位处还存在C的同位素异常[17]。

李娟等[18]对黔北黑色页岩化学成分进行了研究,由表5可以看出,V、Ni、Sb、Ba、U、Mo的浓集系数很大,说明了其富集特征。从表2可见靠近康滇古陆的汉源一带筇竹寺组中的U含量最高达到了480×10-6,为矿层,而从表5可以看出,U含量平均为35.3×10-6,虽然与克拉克值相比含量很高,但不能称为铀矿,仅显示U从西到东降低的特点。在湖南、江西和浙江一带就没有该层特别富铀的报道,只是有一定富集。另外,这里的Ba含量高,因此贵州一带与该层位有关的重晶石矿多,湖南贵州的下寒武统产的锑矿也是与该层位的Sb含量高有关。该黑色岩系在印度、巴基斯坦、法国、英格兰、阿曼、俄罗斯以及蒙古、澳大利亚、加拿大都存在,其中蕴含着丰富的钼、钒等贵金属矿床,是多种有用元素的重要载体,素有“多元素富集层”之称[2]。

表5 黔北牛蹄塘组黑色页岩微量元素含量[18]

此外,吴朝东等[19]研究了湘西牛蹄塘组黑色页岩的铂族金属(Os未检测),其含量数据如表6所示,可以发现铂族元素富集(与其他海洋沉积物比较),因为对比海洋沉积物的Pt在0.7×10-9～21.9×10-9, Pd在4×10-9,Ir在0.2×10-9～1.2×10-9的数据就可发现这一现象,同时也认为Ir异常是判断地外撞击事件的主要依据之一,Ir含量最高为2.12×10-9。

表6 湘西牛蹄塘组黑色页岩剖面PGE分析结果[19]

另外,在贵州黑色页岩中提取了稀土元素样品[2],分析数据和有关指数值如表7和图3所示。

图3 贵州黑色页岩稀土分布图

表7 贵州黑色页岩的稀土元素含量及相关指数[2,20]

统计分析表明,泥质岩中的稀土含量是沉积岩中最高的(锰结核和磷酸盐除外),其中以轻稀土相对富集,除了太古代页岩外,世界不同时代、不同地区的页岩,其地球化学参数很相近,稀土元素分布模式相互平行[20],稀土数据经过北美页岩标准化后,显示的曲线基本水平,且标准化值基本在1.00上下附近,说明基本具有典型的沉积岩特征,即基本代表了上地壳的稀土元素丰度,与大陆壳火成岩的平均值很接近。但是依据其他稀土指数,还能看出它不一样的特点。

依据地球化学理论[21],(La/Sm)N反映了轻稀土之间的分馏程度,(La/Sm)N越大,轻稀土越富集,(La/Sm)N<1为亏损型,(La/Sm)N>1为富集型,(La/Sm)N近似1为过渡型,这里的值为0.89～1.53,1号样和2号样的该指数大于1,说明为地幔热柱型或者异常型,黑色页岩上部受到了地幔类型或者陨石类的物质干扰,下部样品小于1 说明没受到地幔物质干扰,属于正常沉积。(La/Yb)N>1,曲线右倾,富集轻稀土,为酸性岩类;近似1,曲线水平,属于球粒陨石型分布(如大洋拉斑玄武岩、科马提岩);<1则为亏损型(富Ca、Al的尖晶石或石榴石二辉橄榄岩,橄榄质科马提岩,受交代的或强分异富重稀土的浅色花岗岩),这里该值在0.90～1.41,其中最底部(3号样)是0.90,说明是亏损型,富Ca、Al成分,说明可能是没受干扰的沉积岩,而另外两个样该指数大于1,在这种沉积岩中,表示硅铝成分多的砂泥岩,在这里对应为黑色页岩中相对硅铝成分多的部分。δEu如超过1.05表示正异常,而这里为1.49～1.65,显然是一个非常显著的正异常,因辉石及牌号小的斜长石易导致δEu正异常,因此推测有可能存在陨石或者基性火山岩成分的混入;δCe小于0.95的都是负异常,这里是0.63～0.93,显然都是负异常,理论上反映了海相沉积岩的特点,这点是吻合这里海相沉积情况的。

另外,龚刚等[22]研究湘西北下寒武统牛蹄塘组的黑色岩系(含V高),利用δCe等稀土地球化学参数,进一步判断这些黑色岩系具有海相热水沉积特征。

以上说明黑色页岩受到了类似玄武岩或者其他基性成分的物质干扰,肖加飞等[2]也认为这里的黑色岩系是在非正常的海相环境下形成的(缺氧环境),在地球岩石(La/Yb)N-∑REE相关图解中(图4)也可以看出来,因为3个取样点在沉积岩和玄武岩重叠区域,说明沉积岩中存在类似玄武岩成分的物质,但是在当时没有基性岩浆活动(表4),而球粒陨石与玄武岩成分接近,所以认为存在陨石成分。

图4 地球岩石(La/Yb)N-∑REE相关图解[21]

5.2 金属元素富集成因

黑色页岩中金属元素V、U、Ni、Mo和Ir、Os等铂族元素(PGE)甚至Hg、As、Sb、Ba等有含量高的特点,它们富集的机理各不相同。

5.2.1 PGE、Ni、Mo等元素富集机理:来自镍铁陨石

PGE、Ni、Mo等元素基本是在整个地层富集(指与其他地层相比),依据前面的分析,认为这是与镍铁陨石撞击地球有关的。前面关于白垩纪撞击事件的实例,认为Ir异常的存在是陨石撞击所致,铱和其他铂族元素(PGE)的异常都被认为是小行星(主要是铁陨石或者镍铁陨石)撞击的结果,由此有理由推测,下寒武统筇竹寺组黑色页岩中的这些元素高含量也与陨石撞击有关。除Ir外,Ni、Os、Mo也都是在基性岩中含量高的元素,陨石成分是最接近基性岩成分的岩石,前面也已分析了在陨石中存在Ni、Ir、Or、Mo、Pt等元素含量高的特点,陨石撞击后受影响的地层中这些元素含量高是自然的。虽然基性岩中这些元素含量高,但是,从现有四川乃至全国的区调资料[13]看,这些元素的高含量与基性岩有关的热液侵入到裂隙无关,因为筇竹寺组黑色页岩沉积或者之前的沉积都没有见到基性岩浆活动,而且,由于黑色页岩中这些金属含量高的特征具有很大的分布范围,也就是说不同地质特点的地区都如此,说明这些高含量特征已经与所在区域的地质情况没关系了,应该是影响范围大,类似于白垩系末期墨西哥小行星撞击事件导致的。

5.2.2 Ba、Hg、As、Sb元素的富集机理:构造-热事件导致

Ba、Hg、As、Sb元素的富集是局部性的,表面原因是震旦纪或者寒武纪时间的泛非运动的构造热事件导致的,但内在原因还是与陨石撞击有关,因为陨石撞击导致地球出现裂缝,地下热液上涌。

贵州、湖南等地筇竹寺组(即牛蹄塘组)存在Ba高值区,应该是与华南扬子地块的古热水沉积作用有关[1],也就是说Ba的高含量与陨石成分没关系,从表1也可知,这些元素在陨石中的含量是很低的, 因Ba是典型的亲石元素,基性岩中的含量远低于酸性岩或者碱性岩中的含量,辉石岩中,BaO含量可以达到3×10-6,但在花岗岩中可发现有480×10-6,Ba往往富集在岩浆热液的晚期阶段,因此,筇竹寺期扬子板块的热水中富集了Ba[7],导致了地层中元素含量高,为重晶石的形成提供了优越物质条件。热液矿床原生晕垂向分带序列[23]为:Ba-(Sb-As-Hg)-Cu1-Cd-Ag-Pb-Zn-Sn1-Au-Cu2-Bi-Ni-Co-Mo-U-Sn2-As2-Be-W。

可以看出,Ba在最左边,W在最右边。靠左侧的元素往往在热液活动的最前面,属于低温成矿元素。因为Ba-Sb-As-Hg最靠左,在构造-热事件中,出现海底裂隙后,热液中的Ba最先跑出来,其次是Sb-As-Hg等。肖加飞等[2]也指出了高含量的As、Sb、Ba可作为热水沉积作用的指标,所有这些都是与这些元素往往随着热液上涌时分布在前缘有关的。比如重晶石的形成,孙学通等[24]认为是构造运动产生的断层为成矿热液提供了上涌通道;上升热液为矿床提供了钡离子,钡离子与古海水中硫酸根离子结合形成了重晶石矿床。实际上湘黔一带的辰砂和雄黄、雌黄和辉锑矿,其中的Hg、Sb、As都与Ba相同,与热水事件相关。

中国地质大学(北京)构造地质学家万天丰[25]指出,寒武纪时期,中国大陆多数地区表现为构造活动比较稳定,这在扬子地台一带在震旦和寒武纪很少发现大量岩浆岩或者火山岩就可知,但是该段时间也是受泛非运动广泛影响的时期(非洲大陆乃至整个冈瓦纳大陆前寒武纪至寒武纪的构造运动),以构造-热事件为其主要突出特点,这些热事件在局部地区出现,其表现形式就是地下裂隙和温泉。

陨石撞击地球,打破了地球原来的应力平衡,产生裂隙,这种裂隙可能不是很深,没有导致地球岩浆从深部冒出,但有地下热液冒出,产生温泉。而且陨石撞击导致天空出现大量灰尘,可能出现缺氧事件,黑色页岩的存在本身就是缺氧事件的反映,所以陨石撞击地球理论既能解释某些金属元素富集的机理,也能解释这种缺氧事件和地下热液冒出等现象。

白垩纪是岩浆活动格外活跃的特殊时期,由于大量火山喷发引发了一系列重大环境变化,也出现了缺氧环境,是个典型的温室气候时期[26],出现了白垩纪黑色页岩沉积,但是下寒武统黑色页岩沉积之时并没有火山活动,不存在火山活动引起的重大环境变化,这也从另一方面辅助证明了陨石撞击导致环境变化的可能性。

5.2.3 V元素的富集机理:生物富集+构造热事件

钒(V)的富集,主要与生物富集有关,但在泛非运动的构造-热事件的影响下会局部富集成矿。依据已有的报道,V分布很广,不是局部性的,如果非要说有局部性,那也是局部成矿了,比如在湖南和贵州某些地区,这套黑色页岩已经成富钒矿地层了,V分布很广这暗示了V含量与页岩附近地质特征无关,因为大范围内的地质情况肯定各有不同。从前面分析的陨石成分看,陨石中的V很少,黑色页岩层中的V不可能直接来自陨石撞击地球。在地球化学特征上,V虽然是铁族元素,常与铁族元素紧密共生,如钒钛磁铁矿等,但是就自然界的分布而言,V基本上是亲石元素,因此可以见到陨石中V的含量很低,但地壳中的V含量很高[7]。

V的离子半径与Fe和Al相同或者相似,这是出现上述特征的主要原因。V在自然界主要是3价V3+和5价V5+的状态,V3+的离子半径与Fe2+的离子半径完全相同,都为0.74 Å(1 Å=0.1 nm),正因为这原因,V3+几乎不形成矿物本身,而是以类质同像的形式替换含Fe2+矿物中的铁位置,又因为V5+的离子半径是0.59 Å,与Al3+的离子半径0.57 Å十分接近,因此导致V在含铝矿物中也能与Al类质同像存在。因铁和铝是典型的造岩矿物中的元素,而且铁和铝是地壳最多的金属元素,这导致V在地球岩石中高度分散,因此,钒在超基性岩(V含量40×10-6),基性岩(V含量200×10-6～250×10-6),中性岩(V含量30×10-6～100×10-6)和酸性岩(V含量40×10-6～88×10-6)中,V含量区别不大,中性岩或基性岩中V最高,主要是因为这两大类岩石主要的组成矿物辉石和角闪石既含Fe,又含Al,而超基性岩含Fe多含Al少,酸性岩含Al多含Fe少。

对于黑色页岩中高V含量,1980年代曾经对V的来源有两种观点[7],一种观点是钒的富集与有机体的生理作用有关,另一种观点是钒的富集与钒的陆相悬浮物有关。笔者认为第一种可能性最大,中南大学的胡能勇等[27]在2010年也依据最新的资料认为生物地球化学作用是钒富集的主要作用。黑色页岩中有机质越多,V越富集,某些生物如棘皮动物需要从海水中大量吸收V,陆生以及海生物质中V是重要微量组分之一,含量常在10-6水平,这些为V的生物地球化学富集也提供了辅助证据。另外还需要说明的是,虽然因生物作用而有V在黑色页岩中的普遍富集,但是也只是在特定的地方才更加富集成矿,因为V的富集还与热水沉积有关。依据有关调查[7],在表生带中,一般湖水和地下水甚至地面水和海水中的钒含量特别低,平均含量在1×10-6左右,但是热泉水中的V含量比较高,尤其是酸性泉水,最高可达250×10-6,一般也有70×10-6。这就说明地下冒出来的热泉水尤其是酸性泉水富含V元素,肖加飞等[2]研究贵州该层中的V矿时也已经提出了热水沉积促进了这种V的富集。由此得出结论,不同岩石(不是特定岩石)风化后,水中的生物吸收V而富集到沉积地层,尤其是有机质多的黑色页岩中,当然泥质多的岩石与其他岩石相比有较强的离子吸附作用,这也是一个富集因素,而局部地区叠加温泉或者热水沉积会导致V更加富集甚至成矿。温泉热水推测也与泛非运动产生的构造热事件有关,这实际上就是早寒武世强烈的Rodinia大陆裂解作用,发生海底喷流作用,扬子地台的磷质和V等来源与这海底喷流作用有关[28],湘黔的钒矿与此有关。

5.2.4 U元素的富集:康滇古陆铀矿风化流失

U的含量高具有局部性,如在四川汉源县一带存在沉积型铀矿。贵州、湖南的黑色页岩中有U富集,但含量不是特别高。地层中的U来源存在3种可能,第一种来源可能是地球外部;第二种来源可能是沉积黑色页岩时,从当时的地下裂隙中冒出;第三种来源可能是陆地U矿风化流失到海水中沉积。

首先,对于是否是地球外来源,又分两种情况,一种是火山灰掉落,一种是陨石或者陨石产生的灰尘或者宇宙尘埃掉落,前面已经说明黑色页岩层的上层才有层凝灰岩,也就是说黑色页岩层沉积以后才有过火山凝灰岩沉积,所以黑色页岩沉积时期没有火山活动。依据前面的分析,U是亲石元素,在陨石中含量极低,黑色页岩中的U不可能来自陨石或者小行星撞击。

对于U是否来自地下裂隙,认为可能性很小,U是亲石元素,一般富集在花岗岩等酸性岩石中,地幔、地核以及陨石中U很少,而扬子地台在寒武纪时期很少见到岩浆活动(康滇地轴除外),如现在湖南贵州一带基本就没见到寒武纪时期的火山活动,最多见到少量的凝灰岩,况且凝灰岩还是时代更新的地层,这样U就没有可能来自当时同时代的花岗岩或者流纹岩。

在汉源一带的西南侧存在康滇古陆,现今攀西地区就是康滇古陆(地轴)中南区域上的铀矿化集中区。依据有关资料,攀枝花的米易、大田,甚至云南牟定都存在铀矿床[29-32],这些铀矿形成于中元古代,为混合岩化铀矿床,这些铀矿的风化物质不仅流动到汉源,也影响到其他地区。其中米易、大田位于汉源的南部偏西大约240 km的位置,如图5显示了康滇地区铀矿分布情况,值得注意的是,汉源-甘洛在区域的最北边,如果观察康滇古陆老地层的分布情况,也可以看出,从米易往北,确实存在一个近南北向的凹陷,铀矿风化剥蚀物很容易从南往北流动到甘洛、汉源一带的浅海中沉积。

铀矿化主要产于元古界的康定群五马菁组变质-混合岩中,如在米易县海塔地区发现了多个高品位的铀矿体,存在4种矿石类型,分别是①混合岩化片岩矿石;②混合岩矿石;③长英质脉矿石,局部发育共生辉钼矿;④富晶质铀矿石英脉矿石,地表混合岩中就有这种矿石。

如果从表2中看铀的异常形态,可以发现,铀异常都是显示层状,也就是说与地层产状基本平行,这基本排除了铀来自当时地层裂隙中的可能,因为如果是这种情况,铀异常应该不是层状特征,而是显示有根的异常或者蘑菇状的异常特征。

黑色页岩U的含量从四川汉源到贵州明显降低,由480×10-6降到35×10-6,反映出汉源因为紧靠康滇古陆铀矿化区而含量较高,贵州远离铀矿化区而含量较低。

6 陨石撞击及对生物的影响

现在的月球表面存在非常多的圆形陨石坑,如图6所示为中国科学院团队2022年6月公布的世界首幅1∶250万月球全月地质图成果。该图是目前世界上最完整、最高精度、最详细的全月地质图,显示出月球总计有12 341个撞击坑,其中存在81个撞击盆地[33]。

图6 全月球地质图(1∶2 500 000)[33]

月球为地球的唯一卫星,地球的直径是月球直径的4倍,推测地球被陨石撞击的概率要大很多,因为陨石撞击天体的概率应该主要是与天体最大的直径所在圆的面积有关,所以可以用此面积来大致推算。如果按赤道面的面积来计算,推测地球被陨石撞击次数是月球的16倍,也就是可能大致有12 341×16= 197 456个撞击坑,撞击盆地大致可能有81×16=1 296个。所以完全可以相信地球上曾有大量陨石撞击,但地球的陨石坑被发现的数量很少,表8列出了地球发现的超过40 km直径的陨石坑,仅仅10个。之所以陨石坑痕迹这么少,是与地球后来遭受的地质作用,如火山作用、海水侵蚀作用等比较多有关的。这类地质作用大量出现使撞击痕迹难以被找到。表8中并没有早寒武世发生的陨石撞击地球事件,这说明如果早寒武世小行星撞击事件存在,将是一个新发现。

表8 全球十大陨石撞击事件

巨大陨石撞击事件,往往对生物活动产生重大影响,可能导致某些生物的灭绝,但也可能导致另一些生物的产生,这是以往比较忽视的方面,尤其是碳质球粒陨石极可能是生物产生的源头,因为碳是生命组成的最基本物质,有报道显示,含碳量高的陨石中不仅存在组成蛋白质的氨基酸成分,另外还有核酸、脂肪酸等,而任何生命都是由蛋白质组成的,不排除这些有机质成分可能起了作用。

表8中与早寒武世最接近的是震旦纪,在震旦纪所在的5.8亿年前,在南澳大利亚州的安克曼(Acraman)发生了陨石撞击地球事件,现在该地已经变成了一个湖泊(安克曼湖)。需要注意的是震旦纪,在国外又称为埃迪卡拉纪(Ediacaran),是因为该年代的地层在埃迪卡拉(Ediacara)存在一大群软体的多细胞无脊椎动物,埃迪卡拉(Ediacara)也在南澳大利亚州,Acraman湖的中心与Ediacara相距293.67 km, Acraman陨石坑本身直径就达到90 km,这说明两地相距是很近的,这似乎说明了在Acraman发生的撞击事件导致了这次埃迪卡拉动物群的爆发。这次埃迪卡拉动物群的爆发,因为目前数据显示生物大爆发的时间最早是在5.65亿年前,而撞击是在5.8亿年前,这说明撞击不久就发生了生物大爆发。参考表3的汉源一带的地层柱状图(西南地区下寒武统地层基本如此)都可以发现在筇竹寺组或者牛蹄塘组黑色页岩的上部就存在澄江生物化石群(即寒武纪生物大爆发事件)地层,二者比较,推测大型陨石(小行星)撞击地球可能导致了生物大爆发,也就是说寒武纪早期的澄江生物大爆发可能是川滇一带的小行星撞击所致。张维加等[34]曾提出过撞击导致HSP90(一种积累突变的蛋白)变异,环境突然发生变化,所有DNA突变将得以表达,在短时间内新的生命形式得以进化,并且这种变化是可以遗传的。所以这从另一方面也推测20世纪最大的科学发现——澄江一带的生物大爆发是陨石撞击所致。

7 讨论与结论

小行星撞击地球产生的影响有如下3个。

(1)撞击带来亲铁元素,导致地层中的铂族元素(PGE)和Ni,甚至Mo在黑色页岩地层中含量增高,其中铂族元素中Ir最抗淋滤,因此相对保存较多。

(2)撞击产生巨大撞击力,引起地球产生裂隙,不仅包括直接撞击产生的裂隙,还包括撞击地球导致地球速度变化(变快或慢)而产生惯性力[35]和剪切力(泛非运动的可能动力源),并产生相应的断层等,各种裂隙产生以后,将使地下热水喷出,Ba、Hg、Sb、As等热液前缘晕元素进入当时的海底,从而在黑色页岩中富集。V在有机质较多岩石中有富集,但在这种热液环境下将更加富集,甚至成矿。

(3)撞击产生大量的灰尘,引起气候变化,产生缺氧事件,出现还原环境,是黑色页岩形成的原因之一。此外,撞击如果发生在海洋或者海陆交互地带,还会引起巨大的海啸,从而波及整个地球,并对沉积地层产生影响,地球在寒武纪时代有很长一段时间表面大部分都是海洋,所以陨石撞击到水面的概率很大,这也是导致现在寻找陨石坑痕迹较难的原因。

U的富集与陨石撞击无关,而是与康滇地轴寒武纪之前即已形成的U矿风化流失到古海水有关,因此除了寒武系下统黑色页岩含U高外,寒武纪之后其他地层也含U高,尤其靠近康滇地轴附近明显。

陨石尤其是小行星撞击地球,极可能导致某些生物的灭亡,但也可能导致某些生物的大量爆发,5.8亿年前的澳大利亚陨石撞击导致了震旦纪的生物大爆发(埃迪卡拉生物大爆发),而6 400万年前的墨西哥小行星撞击则导致恐龙等的灭绝。其中产生生物大爆发的陨石撞击很可能是含碳质较多陨石所致,因为碳是组成生命的重要物质。云南澄江早寒武世生物大爆发可能是当地或者附近在之前不长的时间有过碳质陨石撞击。

虽然提供了较多的证据说明有关问题,如稀土特征证据,岩相特征证据等,但是证据仍不够完善,一些比较重要的判断岩石来源的同位素证据,如δS34资料缺失,而这往往需要寻找直接的陨石碎片,却因年代久远难以找到。寻找陨石撞击地球产生的高压矿物如柯石英是比较重要的工作,可以找到白垩纪末的柯石英,但是由于年代久远,寒武纪时期陨石撞击产生的柯石英很难找到,可能当时形成的柯石英晶体发生了退变质作用,结构已经改变,所以工作重点不应该放在寻找柯石英等高压矿物上,目前能找到的证据已经比较充分说明了陨石撞击的存在。

可以推断,大型陨石撞击事件引发生物大爆发,由此可以在现在已知的生物大爆发集中区或者在其附近寻找陨石坑。另外陨石坑周围应该存在一个铱等铂族元素含量晕圈,也就是从中心往外铱等元素的含量越来越低,利用这些特点也许有利于寻找陨石坑,据已有资料,目前尚没有人做过这方面的工作,以后可着手做这方面的工作,如在云南澄江一带利用下寒武统Ir含量晕圈开展早寒武世时期的陨石撞击坑寻找。