下寒武統(tǒng)黑色頁巖金屬富集機理與小行星撞擊

丁衛(wèi)平, 代曉光, 鄧宇飛, 王富強

(中化地質礦山總局地質研究院, 北京 100101)

揚子地臺乃至整個華南的下寒武統(tǒng)筇竹寺組下部有層黑色頁巖,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,如四川漢源在該層有鈾磷礦層,湘黔交界寒武系下統(tǒng)產(chǎn)重晶石、銻礦、辰砂、毒砂礦。很多學者對該黑色頁巖層存在金屬富集特征進行過研究,有熱水沉積說[1]、缺氧事件沉積說[2]等,這些學說其實都歸結為一個成因,那就是來自當時海底基性巖的海底熱泉提供的這些金屬成礦物質,現(xiàn)結合從事的磷礦專著項目的研究成果,對鉑族元素來自海底噴發(fā)的基性巖提出質疑,因為華南早寒武世是地球相對穩(wěn)定的時期,當時根本沒這類巖漿活動,下寒武統(tǒng)地層中沒有玄武巖基性巖(鉑族元素含量相對高的巖石)等巖石,認為不同元素的富集機理不同,但不排除存在海底熱泉作用,不過只對部分金屬富集有作用,因為熱泉應該主要是與Ba、Sb、Hg、V等元素的富集有關,華南揚子地臺寒武系早期的湖南貴州一帶就有很多這類礦床。至于鉑族元素的富集,則應該與隕石撞擊有關。其他元素的富集學說除了U外,都可與隕石撞擊存在某種聯(lián)系,或者直接來自隕石成分,或者是撞擊產(chǎn)生了裂隙,這些元素從地下冒出到當時海底等。

1 白堊紀末期小行星撞擊事件的啟發(fā)

目前地質年代劃分中,最沒有年代爭議的是白堊紀與古近紀的劃分,基本都是以6 600萬年左右為界。目前廣泛認可的分界理由是存在小行星撞擊地球,導致恐龍等很多生物的滅絕[3],撞擊地點在現(xiàn)在的墨西哥灣尤卡坦半島。這個小行星直徑達到9.6 km,在墨西哥灣砸出了一個直徑29 km的隕石坑。這次撞擊導致地球氣候大變,地球表面被厚厚的煙霧和塵埃覆蓋,陽光不能照進,光合作用停止,很多植物死去,海里浮游生物幾乎全部被殺死,大氣含氧量急劇下降,陸地上的恐龍更是因缺少氧和食物等而全部死亡[4]。這次撞擊產(chǎn)生的碎石和灰燼在地表產(chǎn)生了薄層的沉積帶,而且發(fā)現(xiàn)該沉積帶中銥(Ir)元素含量很高,遠遠超過地球表面的含量,其他鉑族元素(platinum group element,PGE)和C同位素也有異常。此外,白堊系與古近系界線附近樣品中的Os/Ir、Ru/Ir與地球以外的行星或者隕石物質十分接近[5],說明白堊系的結束與這次撞擊事件顯著相關。

需要注意的是,撞擊雖然在墨西哥灣發(fā)生,但對地球的影響是全球性的,因為撞擊產(chǎn)生巨大的氣候改變,而且由于是撞擊在海灣地區(qū),它同時還產(chǎn)生了巨大的海嘯,所以國外對分界線的研究多集中在海相地層中,因為海嘯高度達到了100～ 300 m,進入陸地距離超過300 km[6],它對全球性的影響絕不可低估。以2004年的印尼地震引發(fā)的海嘯為例,這次海嘯幾乎橫掃了印度洋沿岸數(shù)千公里內的城鎮(zhèn)村莊。這還只是地表發(fā)生的情況,因為沒有行星撞擊地球產(chǎn)生的灰塵對地球大氣的影響,小行星撞擊產(chǎn)生的灰塵影響深遠,這些無不在當時的地層中留下印記。

目前在中國的大約30個地區(qū)發(fā)現(xiàn)了白堊紀和古近紀的界線[5],主要在中國東部地區(qū)。界線證據(jù)包括恐龍蛋銥含量和碳氧同位素異常等。本來,地殼和上地幔中的Ir含量小于0.1×10-9,但在白堊紀-古近紀界線附近達到了9.1×10-9,超過了地殼或者上地幔的90倍,說明了本次隕石撞擊對中國是有影響的,但是這種影響是否處處存在尚有疑問,因為在某些地方白堊系和古近系呈連續(xù)過渡沉積[5],雖然有此疑問,但是這并不妨礙小行星撞擊對地球表層的重大影響。

筇竹寺組黑色頁巖中也存在銥異常,受上述觀點的啟發(fā),加上劉英俊等[7]認為寒武系深海沉積物中鉑族金屬(PGE),其中部分是宇宙塵埃的觀點,所以,初步認為下寒武統(tǒng)黑色頁巖中至少部分鉑族金屬富集也與隕石撞擊有關。

2 有關金屬在隕石及地球中分布特點

小行星其實就是很大的隕石,其成分接近基性巖,也因此,在月球上見得最多的是玄武巖(月球上沒有地球常見的花崗巖)。為分析寒武系下統(tǒng)黑色頁巖中V、U、Ni、Mo、Ba和PGE等的富集,現(xiàn)先分析這些元素在隕石和地球各層圈[7]和巖漿巖[8]中的含量情況,因為隕石包括鐵隕石和石隕石兩大類,石隕石中最常見的是球粒隕石,所以這里主要說明鐵隕石和球粒隕石的含量。可以發(fā)現(xiàn),PGE和Ni從地殼到地幔含量增高,對應地,從球粒隕石到鐵隕石,含量也逐漸增高;相反地,V、U、Ba從地殼到地幔含量逐漸降低,對應地,從球粒隕石到鐵隕石,含量也是逐漸降低;Mo的含量變化不明顯,地核中含量最高,但最低不是在地殼中,而在下地幔中,鐵隕石中Mo比球粒隕石高。

從表1可以看出,PGE和過渡金屬族元素中的Ni,典型地具有從地殼→地幔→地核不斷升高過程,從球粒隕石到鐵隕石也是升高的,表現(xiàn)出非常明顯的親鐵特征。釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、銥(Ir)在鐵隕石中的含量是地殼中的2 500～3 600倍,鈀(Pd)和鉑(Pt)要相對低一些,但也達到了72～360倍。鉑族元素從超基性巖到酸性巖,元素含量越來越低。鉑族元素在超基性巖中的含量低于球粒隕石很多,更是遠低于鐵隕石,鉑族元素含量少,在超基性巖中含量基本與下地幔中的含量相當,遠低于地核。

表1 隕石、巖漿巖和地球不同層圈中某些金屬元素平均含量

V在中基性巖中最高,酸性巖和超基性巖最低(這與中基性巖既含Al又含F(xiàn)e有關)。U、Ba在酸性巖中富集,超基性巖中很少(但U的最低值在中性巖中)。

鉑族元素具有親鐵、親硫的雙重性,在還原的環(huán)境下,尤其是在0價鐵存在的情況下,更表現(xiàn)出親鐵性(非0價鐵情況下表現(xiàn)為親硫性),因為隕石中0價鐵的普遍存在,因此鉑族元素在隕石的鐵、鎳金屬相中有較高含量,由此也說明鐵隕石中鉑族元素的含量明顯高于球粒隕石,所以在白堊紀末期,撞向墨西哥灣的小行星(隕石)極大可能是一個鐵隕石或者鎳鐵隕石。

需要說明的是,表1沒有列出富鎳的鐵隕石情況,在富鎳鐵隕石中鋨(Os)和銥(Ir)含量更高[7],鋨(Os)和銥(Ir)含量分別是8.62×10-6和5.65×10-6,因此很大可能含銥高的地層是因為富鎳的鐵隕石撞擊地球所致。另外,鐵隕石中Ir-Os呈顯著正相關,由此看來,鎳鐵隕石撞擊地球產(chǎn)生的灰塵,沉積形成地層后, Ni、Ir、Or、Au、Pt含量都將高于相鄰地層。

通過以上分析,可以推測,白堊系和古近系之間的高PGE含量沉積層,極大可能是含鎳高的鐵隕石或者以鐵隕石為主,含部分球粒隕石的小行星撞擊地球所致。鉑族元素的抗淋濾能力由大到小的排序是Ir、Or、Ru、Rh、Pt、Pd[7],這能夠解釋相對來說為什么Ir異常比其他元素更加明顯,或者一般都說是高銥(Ir)層,因為Ir最抗淋濾而保存在地層中,其他相對沒這么明顯。

黑色頁巖中的V、Ba、U、Mo含量高,有的是局部相對集中,從表1看,隕石能提供較多的Mo,但是其他元素不太可能是隕石來源,它們是典型的親石元素。

3 含鈾巖系的分布特征

2015—2016年,中化地質礦山總局地質研究院對四川漢源-甘洛地區(qū)的磷塊巖鈾礦地質情況進行了調查,通過放射性測量,發(fā)現(xiàn)漢源一帶含磷巖系鈾異常普遍,除白云巖中U為正常值外,泥巖、砂巖、磷塊巖均顯異常,其中尤以下寒武統(tǒng)筇竹寺組底部的炭質頁巖及其上部的含鈾磷塊巖、上泥盆統(tǒng)下段含鈾磷層上部(含磷黏土巖)中鈾含量較高[9]。此外,奧陶系下統(tǒng)紅石涯組下部紫紅色灰色砂質頁巖中的含磷層也多有放射性異常顯示。表2顯示了其中的震旦燈影組、寒武紀梅樹村組、筇竹寺組、上泥盆統(tǒng)含鈾情況,依據(jù)最新《磷礦地質勘查規(guī)范》(DZ/T 0209—2002)中規(guī)定“對于含鈾大于200×10-6的磷礦石應考慮綜合回收”。U礦體最低品位ω(U)≥50×10-6。因此,有些地區(qū)的U異常情況,說明已經(jīng)是U礦體了,如峨眉高橋的鈾磷礦,最高達到480×10-6。由此可見,不同地區(qū)含鈾磷塊巖大致有相似的特征,均屬鈾磷組合,磷礦化層較穩(wěn)定,鈾礦化層變化較大,一般100×106～200×10-6,局部富集可達400×106～500×10-6,雖然目前還不具備工業(yè)利用價值,但作為一種鈾的潛在資源,應當給予足夠的重視。

表2 漢源-甘洛含磷巖系中部分鈾異常[9]

從表2可以看出,在漢源-甘洛一帶,震旦系、寒武系和奧陶系,甚至泥盆系都有鈾的異常顯示,這些巖石作為沉積巖,不同層位有U異常,這現(xiàn)象說明了U有比較穩(wěn)定的物質來源提供,很顯然寒武紀之前就已經(jīng)存在的康滇地軸中的鈾礦風化流失到古海洋中沉積是一個重要的原因,而與某次突發(fā)事件,如隕石撞擊應該關系不大,最重要的是隕石本身含U是很低的,也提供不了很多U。當然,相對來說,黏土物質多的頁巖因易吸附金屬將使異常更加明顯,但是這起不了決定作用。

4 筇竹寺組地層巖性特點

4.1 平面分布特征

寒武紀筇竹寺期的海侵范圍,與之前的梅樹村期比較起來,范圍擴大,江南古陸的大部分都被海水淹沒,僅僅存在一些孤島[10],這其中就包括當時比較大的孤島-康滇古陸,如圖1西昌-米易所在剝蝕區(qū)所示。梅樹村期存在的一些比較深的淺海凹陷在四川雷波及其南部云南一帶,到筇竹寺期已經(jīng)基本填滿沉積物,不存在較深的凹陷,也就是說,筇竹寺期與之前的梅樹村期比較起來,淺海海底地形由于長期的沉積,尤其是凹陷處的沉積,導致海底地形已經(jīng)相對平坦了,這也是筇竹寺期磷礦相對來說沒有梅樹村期多的原因,因為有利于磷質沉淀的較深凹陷,如四川雷波那種大型凹陷已經(jīng)沒有了,但是在漢源及其北邊一帶有些凹陷盆地則尚存在,屬于一種近陸(康滇古陸)斜坡洼陷區(qū),如圖2所示,這是一種能有利于含磷的深海洋流沉積到古陸棚構造的古地理環(huán)境,中化地質礦山總局地質研究院總結這種構造古地理環(huán)境為漢源式控礦(找礦)模型[11],這種地理環(huán)境靠近古陸形成的磷塊巖特點是水動力較強,砂質較多,為異地內碎屑。圖1顯示了筇竹寺期含磷巖系在揚子地臺的分布,華東浙贛一帶雖然也有筇竹寺組含磷巖系,但很薄,含磷少。

圖1 揚子地臺筇竹寺組含磷巖系分布圖[10]

1為細砂巖;2為粉砂巖;3為頁巖;4為碳質頁巖;5為復理石;6為透鏡層狀和結核狀磷塊巖

4.2 縱向分布特征

筇竹寺組地層在華南從西到東,砂量由高到低,泥質由低到高,所以越是往東,頁巖的成分越多,砂巖越少。揚子地臺西緣的靠近康滇古陸的地方如漢源、甘洛、越西等為砂巖,顯然這些砂巖的陸源碎屑來自康滇古陸的風化,但到東緣的湘西、湘中和江西、浙江等地,由于是遠離康滇古陸的海洋環(huán)境,則以泥質為主,該組的底部普遍含有1～2層結核狀或者透鏡狀磷塊巖,如圖2所示。

由于筇竹寺組的縱向分布在華南各地有較大變化,這種變化主要體現(xiàn)在厚度不同上,下面主要以含有可開采磷礦層的漢源磷礦來說明,中化地質礦山總局地質研究院2015年在漢源一帶做了鈾磷礦的調查,總結了其地層的含磷和鈾的特征[9]。

筇竹寺組上覆地層:下寒武統(tǒng)滄浪鋪組含磷組砂巖、白云巖和黏土巖,整合接觸。下伏地層:梅樹村組古風化殼,平行不整合接觸,對筇竹寺組巖性說明如表3所示,可以看出,漢源一帶筇竹寺組巖性以陸源碎屑為主,砂巖比較多,白云質等化學沉積碳酸鹽成分很少,這是緊鄰康滇古陸的原因。基本從下到上都存在磷,因此筇竹寺組是個含磷巖系,但只有一個可采礦層,基本位于中間位置(第⑤層)。巖系下部有層凝灰?guī)r,依據(jù)文獻[12],在整個四川省及其周邊,寒武紀火山活動很少,見表4。

表3 漢源-甘洛筇竹寺組地層說明表[9]

表4 四川及其周邊地區(qū)巖漿巖發(fā)育情況表[12]

由表4可知,在巴塘一帶存在寒武紀火山活動,巴塘位于漢源的西邊偏北大約340 km處,經(jīng)查文獻[13],這里發(fā)生過有少量的基性-中酸性火山活動,很顯然漢源筇竹寺組英安質層凝灰?guī)r層就是這些火山爆發(fā)引起的,推測巴塘的中酸性火山灰往東偏南漂移到漢源一帶天空落下掉入濱海環(huán)境形成了這層凝灰?guī)r。總體看,由于下部有古風化殼,從巖性特征看,筇竹寺組含磷巖系頂?shù)锥即嬖诩毶皫r,屬于高能帶,中上部存在粉砂巖,屬于低能帶,反映這套地層是在海侵過程中沉積的。該巖系最值得關注的是第一層的黑色頁巖,另外在第⑥層和第⑦層,存在高密度且厚層的軟舌螺,在四川省漢源縣香樹頂可以見到5～10 cm厚的密集軟舌螺化石層[14],這應該是寒武紀澄江生物大爆發(fā)在這里的表現(xiàn)。

4.3 巖性特征分析

四川漢源的筇竹寺組與下部的梅樹村組,中間存在一個古風化殼(不整合面),風化殼上有棕褐色褐鐵礦層,局部混有膠磷礦團塊,厚度變化大,為0～0.25 m,屬古風化殼型褐鐵礦,無工業(yè)價值,鐵礦底面起伏。梅樹村組最頂部與風化殼接觸的是碳酸鹽巖。

現(xiàn)在對漢源黑色頁巖所在的筇竹寺組底部地層做進一步分析,既然這里緊挨著下部古風化殼,風化殼下部又是碳酸鹽巖,說明在筇竹寺期沉積之前,這里是一個古陸,但隨著地殼下沉而發(fā)生海侵,開始接受筇竹寺期沉積,理論上,該時期因為是濱海環(huán)境,又緊鄰西側的康滇古陸(原來實際上就是康滇古陸的東側部分,只不過后來海侵而淹沒)。所以在濱海這種動蕩的水環(huán)境中,存在細砂巖是正常的(見表3中的第①層),但是這些細砂巖中又夾了黑色頁巖,由于頁巖是由泥質物質組成的,多在淺海甚至深海環(huán)境才有,濱海環(huán)境不應該出現(xiàn)黑色頁巖。水下沉積物成分往往有一個漸變過程,不斷的量變才能產(chǎn)生質變,非常純的泥巖(或頁巖)不可能與純細砂巖或者粗砂巖等直接接觸,泥巖與細砂巖之間一定存在過渡帶。由純泥巖過渡到純砂巖,肯定要經(jīng)過泥質逐漸減少、砂質逐漸增加的過程,如果發(fā)生兩種截然不同的地層伴生,那么就說明當時發(fā)生了突發(fā)事件,比如發(fā)生了突然的風暴,或者海底洋流經(jīng)過,或者火山爆發(fā),大量灰塵突然掉落到沉積層,當然也包括隕石撞擊后產(chǎn)生的塵埃物質沉積。在表3中第①層除了細砂巖與頁巖伴生外,還可見到綠泥石砂礫巖,這些礫巖,如果不是地球外來源,只能是靠近康滇古陸的巖石風化和水系沉積,與這些細砂巖或者砂礫巖伴生的黑色頁巖則應該不是正常的海侵形成的,這一分析其實也是印證了黑色頁巖是非正常的海相環(huán)境下形成的觀點。

5 下寒武統(tǒng)黑色頁巖金屬含量特征及富集機理

5.1 下寒武統(tǒng)黑色頁巖金屬元素含量特征

下寒武統(tǒng)筇竹寺組含結核狀磷塊巖的黑色頁巖中具有含鈾(U)高的特點,但是,根據(jù)文獻[15],該層還富含有機質和自生黃鐵礦,具有V、Ni、Mo、PGE含量也高的特點,顯示比較明顯的銥(Ir)異常,這是許靖華等[16]在1986年提出的,而且Ir異常的分布很廣,不僅在四川存在,在貴州、湖南、江西和浙江都存在,它可以當作一個標志層。除銥(Ir)異常外,富Ir層位處還存在C的同位素異常[17]。

李娟等[18]對黔北黑色頁巖化學成分進行了研究,由表5可以看出,V、Ni、Sb、Ba、U、Mo的濃集系數(shù)很大,說明了其富集特征。從表2可見靠近康滇古陸的漢源一帶筇竹寺組中的U含量最高達到了480×10-6,為礦層,而從表5可以看出,U含量平均為35.3×10-6,雖然與克拉克值相比含量很高,但不能稱為鈾礦,僅顯示U從西到東降低的特點。在湖南、江西和浙江一帶就沒有該層特別富鈾的報道,只是有一定富集。另外,這里的Ba含量高,因此貴州一帶與該層位有關的重晶石礦多,湖南貴州的下寒武統(tǒng)產(chǎn)的銻礦也是與該層位的Sb含量高有關。該黑色巖系在印度、巴基斯坦、法國、英格蘭、阿曼、俄羅斯以及蒙古、澳大利亞、加拿大都存在,其中蘊含著豐富的鉬、釩等貴金屬礦床,是多種有用元素的重要載體,素有“多元素富集層”之稱[2]。

表5 黔北牛蹄塘組黑色頁巖微量元素含量[18]

此外,吳朝東等[19]研究了湘西牛蹄塘組黑色頁巖的鉑族金屬(Os未檢測),其含量數(shù)據(jù)如表6所示,可以發(fā)現(xiàn)鉑族元素富集(與其他海洋沉積物比較),因為對比海洋沉積物的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的數(shù)據(jù)就可發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,同時也認為Ir異常是判斷地外撞擊事件的主要依據(jù)之一,Ir含量最高為2.12×10-9。

表6 湘西牛蹄塘組黑色頁巖剖面PGE分析結果[19]

另外,在貴州黑色頁巖中提取了稀土元素樣品[2],分析數(shù)據(jù)和有關指數(shù)值如表7和圖3所示。

圖3 貴州黑色頁巖稀土分布圖

表7 貴州黑色頁巖的稀土元素含量及相關指數(shù)[2,20]

統(tǒng)計分析表明,泥質巖中的稀土含量是沉積巖中最高的(錳結核和磷酸鹽除外),其中以輕稀土相對富集,除了太古代頁巖外,世界不同時代、不同地區(qū)的頁巖,其地球化學參數(shù)很相近,稀土元素分布模式相互平行[20],稀土數(shù)據(jù)經(jīng)過北美頁巖標準化后,顯示的曲線基本水平,且標準化值基本在1.00上下附近,說明基本具有典型的沉積巖特征,即基本代表了上地殼的稀土元素豐度,與大陸殼火成巖的平均值很接近。但是依據(jù)其他稀土指數(shù),還能看出它不一樣的特點。

依據(jù)地球化學理論[21],(La/Sm)N反映了輕稀土之間的分餾程度,(La/Sm)N越大,輕稀土越富集,(La/Sm)N<1為虧損型,(La/Sm)N>1為富集型,(La/Sm)N近似1為過渡型,這里的值為0.89～1.53,1號樣和2號樣的該指數(shù)大于1,說明為地幔熱柱型或者異常型,黑色頁巖上部受到了地幔類型或者隕石類的物質干擾,下部樣品小于1 說明沒受到地幔物質干擾,屬于正常沉積。(La/Yb)N>1,曲線右傾,富集輕稀土,為酸性巖類;近似1,曲線水平,屬于球粒隕石型分布(如大洋拉斑玄武巖、科馬提巖);<1則為虧損型(富Ca、Al的尖晶石或石榴石二輝橄欖巖,橄欖質科馬提巖,受交代的或強分異富重稀土的淺色花崗巖),這里該值在0.90～1.41,其中最底部(3號樣)是0.90,說明是虧損型,富Ca、Al成分,說明可能是沒受干擾的沉積巖,而另外兩個樣該指數(shù)大于1,在這種沉積巖中,表示硅鋁成分多的砂泥巖,在這里對應為黑色頁巖中相對硅鋁成分多的部分。δEu如超過1.05表示正異常,而這里為1.49～1.65,顯然是一個非常顯著的正異常,因輝石及牌號小的斜長石易導致δEu正異常,因此推測有可能存在隕石或者基性火山巖成分的混入;δCe小于0.95的都是負異常,這里是0.63～0.93,顯然都是負異常,理論上反映了海相沉積巖的特點,這點是吻合這里海相沉積情況的。

另外,龔剛等[22]研究湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組的黑色巖系(含V高),利用δCe等稀土地球化學參數(shù),進一步判斷這些黑色巖系具有海相熱水沉積特征。

以上說明黑色頁巖受到了類似玄武巖或者其他基性成分的物質干擾,肖加飛等[2]也認為這里的黑色巖系是在非正常的海相環(huán)境下形成的(缺氧環(huán)境),在地球巖石(La/Yb)N-∑REE相關圖解中(圖4)也可以看出來,因為3個取樣點在沉積巖和玄武巖重疊區(qū)域,說明沉積巖中存在類似玄武巖成分的物質,但是在當時沒有基性巖漿活動(表4),而球粒隕石與玄武巖成分接近,所以認為存在隕石成分。

圖4 地球巖石(La/Yb)N-∑REE相關圖解[21]

5.2 金屬元素富集成因

黑色頁巖中金屬元素V、U、Ni、Mo和Ir、Os等鉑族元素(PGE)甚至Hg、As、Sb、Ba等有含量高的特點,它們富集的機理各不相同。

5.2.1 PGE、Ni、Mo等元素富集機理:來自鎳鐵隕石

PGE、Ni、Mo等元素基本是在整個地層富集(指與其他地層相比),依據(jù)前面的分析,認為這是與鎳鐵隕石撞擊地球有關的。前面關于白堊紀撞擊事件的實例,認為Ir異常的存在是隕石撞擊所致,銥和其他鉑族元素(PGE)的異常都被認為是小行星(主要是鐵隕石或者鎳鐵隕石)撞擊的結果,由此有理由推測,下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖中的這些元素高含量也與隕石撞擊有關。除Ir外,Ni、Os、Mo也都是在基性巖中含量高的元素,隕石成分是最接近基性巖成分的巖石,前面也已分析了在隕石中存在Ni、Ir、Or、Mo、Pt等元素含量高的特點,隕石撞擊后受影響的地層中這些元素含量高是自然的。雖然基性巖中這些元素含量高,但是,從現(xiàn)有四川乃至全國的區(qū)調資料[13]看,這些元素的高含量與基性巖有關的熱液侵入到裂隙無關,因為筇竹寺組黑色頁巖沉積或者之前的沉積都沒有見到基性巖漿活動,而且,由于黑色頁巖中這些金屬含量高的特征具有很大的分布范圍,也就是說不同地質特點的地區(qū)都如此,說明這些高含量特征已經(jīng)與所在區(qū)域的地質情況沒關系了,應該是影響范圍大,類似于白堊系末期墨西哥小行星撞擊事件導致的。

5.2.2 Ba、Hg、As、Sb元素的富集機理:構造-熱事件導致

Ba、Hg、As、Sb元素的富集是局部性的,表面原因是震旦紀或者寒武紀時間的泛非運動的構造熱事件導致的,但內在原因還是與隕石撞擊有關,因為隕石撞擊導致地球出現(xiàn)裂縫,地下熱液上涌。

貴州、湖南等地筇竹寺組(即牛蹄塘組)存在Ba高值區(qū),應該是與華南揚子地塊的古熱水沉積作用有關[1],也就是說Ba的高含量與隕石成分沒關系,從表1也可知,這些元素在隕石中的含量是很低的, 因Ba是典型的親石元素,基性巖中的含量遠低于酸性巖或者堿性巖中的含量,輝石巖中,BaO含量可以達到3×10-6,但在花崗巖中可發(fā)現(xiàn)有480×10-6,Ba往往富集在巖漿熱液的晚期階段,因此,筇竹寺期揚子板塊的熱水中富集了Ba[7],導致了地層中元素含量高,為重晶石的形成提供了優(yōu)越物質條件。熱液礦床原生暈垂向分帶序列[23]為: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在最左邊,W在最右邊。靠左側的元素往往在熱液活動的最前面,屬于低溫成礦元素。因為Ba-Sb-As-Hg最靠左,在構造-熱事件中,出現(xiàn)海底裂隙后,熱液中的Ba最先跑出來,其次是Sb-As-Hg等。肖加飛等[2]也指出了高含量的As、Sb、Ba可作為熱水沉積作用的指標,所有這些都是與這些元素往往隨著熱液上涌時分布在前緣有關的。比如重晶石的形成,孫學通等[24]認為是構造運動產(chǎn)生的斷層為成礦熱液提供了上涌通道;上升熱液為礦床提供了鋇離子,鋇離子與古海水中硫酸根離子結合形成了重晶石礦床。實際上湘黔一帶的辰砂和雄黃、雌黃和輝銻礦,其中的Hg、Sb、As都與Ba相同,與熱水事件相關。

中國地質大學(北京)構造地質學家萬天豐[25]指出,寒武紀時期,中國大陸多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為構造活動比較穩(wěn)定,這在揚子地臺一帶在震旦和寒武紀很少發(fā)現(xiàn)大量巖漿巖或者火山巖就可知,但是該段時間也是受泛非運動廣泛影響的時期(非洲大陸乃至整個岡瓦納大陸前寒武紀至寒武紀的構造運動),以構造-熱事件為其主要突出特點,這些熱事件在局部地區(qū)出現(xiàn),其表現(xiàn)形式就是地下裂隙和溫泉。

隕石撞擊地球,打破了地球原來的應力平衡,產(chǎn)生裂隙,這種裂隙可能不是很深,沒有導致地球巖漿從深部冒出,但有地下熱液冒出,產(chǎn)生溫泉。而且隕石撞擊導致天空出現(xiàn)大量灰塵,可能出現(xiàn)缺氧事件,黑色頁巖的存在本身就是缺氧事件的反映,所以隕石撞擊地球理論既能解釋某些金屬元素富集的機理,也能解釋這種缺氧事件和地下熱液冒出等現(xiàn)象。

白堊紀是巖漿活動格外活躍的特殊時期,由于大量火山噴發(fā)引發(fā)了一系列重大環(huán)境變化,也出現(xiàn)了缺氧環(huán)境,是個典型的溫室氣候時期[26],出現(xiàn)了白堊紀黑色頁巖沉積,但是下寒武統(tǒng)黑色頁巖沉積之時并沒有火山活動,不存在火山活動引起的重大環(huán)境變化,這也從另一方面輔助證明了隕石撞擊導致環(huán)境變化的可能性。

5.2.3 V元素的富集機理:生物富集+構造熱事件

釩(V)的富集,主要與生物富集有關,但在泛非運動的構造-熱事件的影響下會局部富集成礦。依據(jù)已有的報道,V分布很廣,不是局部性的,如果非要說有局部性,那也是局部成礦了,比如在湖南和貴州某些地區(qū),這套黑色頁巖已經(jīng)成富釩礦地層了,V分布很廣這暗示了V含量與頁巖附近地質特征無關,因為大范圍內的地質情況肯定各有不同。從前面分析的隕石成分看,隕石中的V很少,黑色頁巖層中的V不可能直接來自隕石撞擊地球。在地球化學特征上,V雖然是鐵族元素,常與鐵族元素緊密共生,如釩鈦磁鐵礦等,但是就自然界的分布而言,V基本上是親石元素,因此可以見到隕石中V的含量很低,但地殼中的V含量很高[7]。

V的離子半徑與Fe和Al相同或者相似,這是出現(xiàn)上述特征的主要原因。V在自然界主要是3價V3+和5價V5+的狀態(tài),V3+的離子半徑與Fe2+的離子半徑完全相同,都為0.74 ?(1 ?=0.1 nm),正因為這原因,V3+幾乎不形成礦物本身,而是以類質同像的形式替換含F(xiàn)e2+礦物中的鐵位置,又因為V5+的離子半徑是0.59 ?,與Al3+的離子半徑0.57 ?十分接近,因此導致V在含鋁礦物中也能與Al類質同像存在。因鐵和鋁是典型的造巖礦物中的元素,而且鐵和鋁是地殼最多的金屬元素,這導致V在地球巖石中高度分散,因此,釩在超基性巖(V含量40×10-6),基性巖(V含量200×10-6～250×10-6),中性巖(V含量30×10-6～100×10-6)和酸性巖(V含量40×10-6～88×10-6)中,V含量區(qū)別不大,中性巖或基性巖中V最高,主要是因為這兩大類巖石主要的組成礦物輝石和角閃石既含F(xiàn)e,又含Al,而超基性巖含F(xiàn)e多含Al少,酸性巖含Al多含F(xiàn)e少。

對于黑色頁巖中高V含量,1980年代曾經(jīng)對V的來源有兩種觀點[7],一種觀點是釩的富集與有機體的生理作用有關,另一種觀點是釩的富集與釩的陸相懸浮物有關。筆者認為第一種可能性最大,中南大學的胡能勇等[27]在2010年也依據(jù)最新的資料認為生物地球化學作用是釩富集的主要作用。黑色頁巖中有機質越多,V越富集,某些生物如棘皮動物需要從海水中大量吸收V,陸生以及海生物質中V是重要微量組分之一,含量常在10-6水平,這些為V的生物地球化學富集也提供了輔助證據(jù)。另外還需要說明的是,雖然因生物作用而有V在黑色頁巖中的普遍富集,但是也只是在特定的地方才更加富集成礦,因為V的富集還與熱水沉積有關。依據(jù)有關調查[7],在表生帶中,一般湖水和地下水甚至地面水和海水中的釩含量特別低,平均含量在1×10-6左右,但是熱泉水中的V含量比較高,尤其是酸性泉水,最高可達250×10-6,一般也有70×10-6。這就說明地下冒出來的熱泉水尤其是酸性泉水富含V元素,肖加飛等[2]研究貴州該層中的V礦時也已經(jīng)提出了熱水沉積促進了這種V的富集。由此得出結論,不同巖石(不是特定巖石)風化后,水中的生物吸收V而富集到沉積地層,尤其是有機質多的黑色頁巖中,當然泥質多的巖石與其他巖石相比有較強的離子吸附作用,這也是一個富集因素,而局部地區(qū)疊加溫泉或者熱水沉積會導致V更加富集甚至成礦。溫泉熱水推測也與泛非運動產(chǎn)生的構造熱事件有關,這實際上就是早寒武世強烈的Rodinia大陸裂解作用,發(fā)生海底噴流作用,揚子地臺的磷質和V等來源與這海底噴流作用有關[28],湘黔的釩礦與此有關。

5.2.4 U元素的富集:康滇古陸鈾礦風化流失

U的含量高具有局部性,如在四川漢源縣一帶存在沉積型鈾礦。貴州、湖南的黑色頁巖中有U富集,但含量不是特別高。地層中的U來源存在3種可能,第一種來源可能是地球外部;第二種來源可能是沉積黑色頁巖時,從當時的地下裂隙中冒出;第三種來源可能是陸地U礦風化流失到海水中沉積。

首先,對于是否是地球外來源,又分兩種情況,一種是火山灰掉落,一種是隕石或者隕石產(chǎn)生的灰塵或者宇宙塵埃掉落,前面已經(jīng)說明黑色頁巖層的上層才有層凝灰?guī)r,也就是說黑色頁巖層沉積以后才有過火山凝灰?guī)r沉積,所以黑色頁巖沉積時期沒有火山活動。依據(jù)前面的分析,U是親石元素,在隕石中含量極低,黑色頁巖中的U不可能來自隕石或者小行星撞擊。

對于U是否來自地下裂隙,認為可能性很小,U是親石元素,一般富集在花崗巖等酸性巖石中,地幔、地核以及隕石中U很少,而揚子地臺在寒武紀時期很少見到巖漿活動(康滇地軸除外),如現(xiàn)在湖南貴州一帶基本就沒見到寒武紀時期的火山活動,最多見到少量的凝灰?guī)r,況且凝灰?guī)r還是時代更新的地層,這樣U就沒有可能來自當時同時代的花崗巖或者流紋巖。

在漢源一帶的西南側存在康滇古陸,現(xiàn)今攀西地區(qū)就是康滇古陸(地軸)中南區(qū)域上的鈾礦化集中區(qū)。依據(jù)有關資料,攀枝花的米易、大田,甚至云南牟定都存在鈾礦床[29-32],這些鈾礦形成于中元古代,為混合巖化鈾礦床,這些鈾礦的風化物質不僅流動到漢源,也影響到其他地區(qū)。其中米易、大田位于漢源的南部偏西大約240 km的位置,如圖5顯示了康滇地區(qū)鈾礦分布情況,值得注意的是,漢源-甘洛在區(qū)域的最北邊,如果觀察康滇古陸老地層的分布情況,也可以看出,從米易往北,確實存在一個近南北向的凹陷,鈾礦風化剝蝕物很容易從南往北流動到甘洛、漢源一帶的淺海中沉積。

鈾礦化主要產(chǎn)于元古界的康定群五馬菁組變質-混合巖中,如在米易縣海塔地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多個高品位的鈾礦體,存在4種礦石類型,分別是①混合巖化片巖礦石;②混合巖礦石;③長英質脈礦石,局部發(fā)育共生輝鉬礦;④富晶質鈾礦石英脈礦石,地表混合巖中就有這種礦石。

如果從表2中看鈾的異常形態(tài),可以發(fā)現(xiàn),鈾異常都是顯示層狀,也就是說與地層產(chǎn)狀基本平行,這基本排除了鈾來自當時地層裂隙中的可能,因為如果是這種情況,鈾異常應該不是層狀特征,而是顯示有根的異常或者蘑菇狀的異常特征。

黑色頁巖U的含量從四川漢源到貴州明顯降低,由480×10-6降到35×10-6,反映出漢源因為緊靠康滇古陸鈾礦化區(qū)而含量較高,貴州遠離鈾礦化區(qū)而含量較低。

6 隕石撞擊及對生物的影響

現(xiàn)在的月球表面存在非常多的圓形隕石坑,如圖6所示為中國科學院團隊2022年6月公布的世界首幅1∶250萬月球全月地質圖成果。該圖是目前世界上最完整、最高精度、最詳細的全月地質圖,顯示出月球總計有12 341個撞擊坑,其中存在81個撞擊盆地[33]。

圖6 全月球地質圖(1∶2 500 000)[33]

月球為地球的唯一衛(wèi)星,地球的直徑是月球直徑的4倍,推測地球被隕石撞擊的概率要大很多,因為隕石撞擊天體的概率應該主要是與天體最大的直徑所在圓的面積有關,所以可以用此面積來大致推算。如果按赤道面的面積來計算,推測地球被隕石撞擊次數(shù)是月球的16倍,也就是可能大致有12 341×16= 197 456個撞擊坑,撞擊盆地大致可能有81×16=1 296個。所以完全可以相信地球上曾有大量隕石撞擊,但地球的隕石坑被發(fā)現(xiàn)的數(shù)量很少,表8列出了地球發(fā)現(xiàn)的超過40 km直徑的隕石坑,僅僅10個。之所以隕石坑痕跡這么少,是與地球后來遭受的地質作用,如火山作用、海水侵蝕作用等比較多有關的。這類地質作用大量出現(xiàn)使撞擊痕跡難以被找到。表8中并沒有早寒武世發(fā)生的隕石撞擊地球事件,這說明如果早寒武世小行星撞擊事件存在,將是一個新發(fā)現(xiàn)。

表8 全球十大隕石撞擊事件

巨大隕石撞擊事件,往往對生物活動產(chǎn)生重大影響,可能導致某些生物的滅絕,但也可能導致另一些生物的產(chǎn)生,這是以往比較忽視的方面,尤其是碳質球粒隕石極可能是生物產(chǎn)生的源頭,因為碳是生命組成的最基本物質,有報道顯示,含碳量高的隕石中不僅存在組成蛋白質的氨基酸成分,另外還有核酸、脂肪酸等,而任何生命都是由蛋白質組成的,不排除這些有機質成分可能起了作用。

表8中與早寒武世最接近的是震旦紀,在震旦紀所在的5.8億年前,在南澳大利亞州的安克曼(Acraman)發(fā)生了隕石撞擊地球事件,現(xiàn)在該地已經(jīng)變成了一個湖泊(安克曼湖)。需要注意的是震旦紀,在國外又稱為埃迪卡拉紀(Ediacaran),是因為該年代的地層在埃迪卡拉(Ediacara)存在一大群軟體的多細胞無脊椎動物,埃迪卡拉(Ediacara)也在南澳大利亞州,Acraman湖的中心與Ediacara相距293.67 km, Acraman隕石坑本身直徑就達到90 km,這說明兩地相距是很近的,這似乎說明了在Acraman發(fā)生的撞擊事件導致了這次埃迪卡拉動物群的爆發(fā)。這次埃迪卡拉動物群的爆發(fā),因為目前數(shù)據(jù)顯示生物大爆發(fā)的時間最早是在5.65億年前,而撞擊是在5.8億年前,這說明撞擊不久就發(fā)生了生物大爆發(fā)。參考表3的漢源一帶的地層柱狀圖(西南地區(qū)下寒武統(tǒng)地層基本如此)都可以發(fā)現(xiàn)在筇竹寺組或者牛蹄塘組黑色頁巖的上部就存在澄江生物化石群(即寒武紀生物大爆發(fā)事件)地層,二者比較,推測大型隕石(小行星)撞擊地球可能導致了生物大爆發(fā),也就是說寒武紀早期的澄江生物大爆發(fā)可能是川滇一帶的小行星撞擊所致。張維加等[34]曾提出過撞擊導致HSP90(一種積累突變的蛋白)變異,環(huán)境突然發(fā)生變化,所有DNA突變將得以表達,在短時間內新的生命形式得以進化,并且這種變化是可以遺傳的。所以這從另一方面也推測20世紀最大的科學發(fā)現(xiàn)——澄江一帶的生物大爆發(fā)是隕石撞擊所致。

7 討論與結論

小行星撞擊地球產(chǎn)生的影響有如下3個。

(1)撞擊帶來親鐵元素,導致地層中的鉑族元素(PGE)和Ni,甚至Mo在黑色頁巖地層中含量增高,其中鉑族元素中Ir最抗淋濾,因此相對保存較多。

(2)撞擊產(chǎn)生巨大撞擊力,引起地球產(chǎn)生裂隙,不僅包括直接撞擊產(chǎn)生的裂隙,還包括撞擊地球導致地球速度變化(變快或慢)而產(chǎn)生慣性力[35]和剪切力(泛非運動的可能動力源),并產(chǎn)生相應的斷層等,各種裂隙產(chǎn)生以后,將使地下熱水噴出,Ba、Hg、Sb、As等熱液前緣暈元素進入當時的海底,從而在黑色頁巖中富集。V在有機質較多巖石中有富集,但在這種熱液環(huán)境下將更加富集,甚至成礦。

(3)撞擊產(chǎn)生大量的灰塵,引起氣候變化,產(chǎn)生缺氧事件,出現(xiàn)還原環(huán)境,是黑色頁巖形成的原因之一。此外,撞擊如果發(fā)生在海洋或者海陸交互地帶,還會引起巨大的海嘯,從而波及整個地球,并對沉積地層產(chǎn)生影響,地球在寒武紀時代有很長一段時間表面大部分都是海洋,所以隕石撞擊到水面的概率很大,這也是導致現(xiàn)在尋找隕石坑痕跡較難的原因。

U的富集與隕石撞擊無關,而是與康滇地軸寒武紀之前即已形成的U礦風化流失到古海水有關,因此除了寒武系下統(tǒng)黑色頁巖含U高外,寒武紀之后其他地層也含U高,尤其靠近康滇地軸附近明顯。

隕石尤其是小行星撞擊地球,極可能導致某些生物的滅亡,但也可能導致某些生物的大量爆發(fā),5.8億年前的澳大利亞隕石撞擊導致了震旦紀的生物大爆發(fā)(埃迪卡拉生物大爆發(fā)),而6 400萬年前的墨西哥小行星撞擊則導致恐龍等的滅絕。其中產(chǎn)生生物大爆發(fā)的隕石撞擊很可能是含碳質較多隕石所致,因為碳是組成生命的重要物質。云南澄江早寒武世生物大爆發(fā)可能是當?shù)鼗蛘吒浇谥安婚L的時間有過碳質隕石撞擊。

雖然提供了較多的證據(jù)說明有關問題,如稀土特征證據(jù),巖相特征證據(jù)等,但是證據(jù)仍不夠完善,一些比較重要的判斷巖石來源的同位素證據(jù),如δS34資料缺失,而這往往需要尋找直接的隕石碎片,卻因年代久遠難以找到。尋找隕石撞擊地球產(chǎn)生的高壓礦物如柯石英是比較重要的工作,可以找到白堊紀末的柯石英,但是由于年代久遠,寒武紀時期隕石撞擊產(chǎn)生的柯石英很難找到,可能當時形成的柯石英晶體發(fā)生了退變質作用,結構已經(jīng)改變,所以工作重點不應該放在尋找柯石英等高壓礦物上,目前能找到的證據(jù)已經(jīng)比較充分說明了隕石撞擊的存在。

可以推斷,大型隕石撞擊事件引發(fā)生物大爆發(fā),由此可以在現(xiàn)在已知的生物大爆發(fā)集中區(qū)或者在其附近尋找隕石坑。另外隕石坑周圍應該存在一個銥等鉑族元素含量暈圈,也就是從中心往外銥等元素的含量越來越低,利用這些特點也許有利于尋找隕石坑,據(jù)已有資料,目前尚沒有人做過這方面的工作,以后可著手做這方面的工作,如在云南澄江一帶利用下寒武統(tǒng)Ir含量暈圈開展早寒武世時期的隕石撞擊坑尋找。