恩施地區(qū)富硒地層分布規(guī)律及其控制因素探討

李明龍, 徐 輝, 許克元, 陳發(fā)俊, 唐 成, 楊登銀

(湖北省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊,湖北 恩施 445000)

湖北省恩施州位于武陵山連片貧困區(qū),擁有全球唯一探明的獨(dú)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到“武陵山片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅”國家戰(zhàn)略和“武陵山少數(shù)民族經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展試驗(yàn)區(qū)建設(shè)”省級戰(zhàn)略在該州的實(shí)施。

恩施地區(qū)的硒元素最初來源于巖石風(fēng)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(qū)采集到硒含量達(dá)84 000 mg/kg的碳質(zhì)硅質(zhì)巖樣品[1];王鴻發(fā)闡述了漁塘壩硒礦床的礦床地質(zhì)特征[2];鄭寶山探討了恩施孤峰組富硒黑色巖系的開發(fā)利用[3];朱建明研究了漁塘壩硒礦石中硒的賦存狀態(tài)[4-5];馮彩霞研究了漁塘壩硒礦床成因[6]等。但恩施地區(qū)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(tǒng)性。因此,筆者在前人研究基礎(chǔ)上,對恩施地區(qū)主要出露的地層單元進(jìn)行了系統(tǒng)的采樣分析(重點(diǎn)針對黑色巖系地層),探討了該地區(qū)富硒地層分布規(guī)律及其控制因素,以期為當(dāng)?shù)馗晃Y源開發(fā)利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)基本情況

恩施州地處湖北省西南部,是中國中部地區(qū)與西部地區(qū)的結(jié)合部,地跨東經(jīng)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(nóng)架林區(qū)。

圖1 研究區(qū)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(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性山地濕潤氣候,年均氣溫16.2 ℃,年均降水量1 600 mm,冬少嚴(yán)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(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置屬于揚(yáng)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(yáng)子臺坪的八面山臺褶帶,北端為鄂中褶斷區(qū)的神農(nóng)架斷穹。

研究區(qū)地層出露廣泛,從中元古代神農(nóng)架群臺子組至新生界第四系均有出露,僅志留系上統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)、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(tǒng)、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(zhì)工作證實(shí),黑色巖系中硒元素相對其他巖石富集,恩施出露多個地質(zhì)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(xué)成分對成土母巖具有一定的繼承性,富硒地層的風(fēng)化為表生環(huán)境介質(zhì)帶來了豐富的硒元素,營造了富硒的地質(zhì)環(huán)境。因此,以上黑色巖系地層是本研究的重點(diǎn)層位(圖2)。

2 樣品采集與處理

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

根據(jù)以往研究成果,重點(diǎn)觀察描述了可能富集硒元素的黑色巖系及煤系地層的發(fā)育厚度、巖性特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等,以詳細(xì)研究其沉積環(huán)境及巖石富硒機(jī)理。其中在二疊系高硒地層區(qū),對巖石采樣間距進(jìn)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(jìn)行測試分析,所有測試分析均在湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心完成。

3 富硒地層分布規(guī)律

3.1 時代分布規(guī)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(qū)富硒地層出露情況Fig.2 Exposure of selenium rich strata in Enshi area1.二疊系龍?zhí)督M、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(xué)剖面位置。

本次巖石樣品實(shí)測結(jié)果表明(圖3),恩施地區(qū)在地質(zhì)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?zhí)督M0.656～45.134 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(jì)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(guī)律

下寒武統(tǒng)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(zhì)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(zhì)巖和含磷結(jié)核為特征,由下至上組成硅質(zhì)—泥砂質(zhì)—碳酸鹽建造,富硒層位主要為下部石煤和硅質(zhì)巖段。

下志留統(tǒng)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(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖和硅質(zhì)頁巖,下部硅質(zhì)巖較多,剖面層序顯示出北西淺南東深的古地貌特點(diǎn),富硒層位亦為下部碳硅質(zhì)巖段。

圖3 恩施地區(qū)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?guī)r;2.白云巖;3.粉砂巖;4.粉砂質(zhì)泥頁巖;5.含碳質(zhì)硅質(zhì)巖;6.生物碎屑灰?guī)r;7.泥質(zhì)灰?guī)r;8.泥質(zhì)白云巖;9.瘤狀泥灰?guī)r;10.石英砂巖;11.炭質(zhì)頁巖;12.含量曲線。

中二疊統(tǒng)孤峰組—上二疊統(tǒng)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(qū),主要呈北東—南西向分布,與區(qū)域構(gòu)造形跡一致(圖2)。研究區(qū)孤峰組下段主要發(fā)育薄層含碳硅質(zhì)巖與炭質(zhì)頁巖互層,上段發(fā)育炭質(zhì)頁巖為主;大隆組由一套灰黑色薄層硅質(zhì)巖夾含碳質(zhì)頁巖所組成,向上炭質(zhì)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(qū)主要出露的富硒地層。結(jié)合恩施地區(qū)不同地質(zhì)時代大地構(gòu)造背景、沉積環(huán)境及有機(jī)碳特征,對恩施地區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組及孤峰組等富硒巖層分布規(guī)律及控制因素進(jìn)行了探討。

4.1 構(gòu)造背景與沉積環(huán)境

4.1.1 牛蹄塘期

早寒武世,泛大陸解體,導(dǎo)致?lián)P子陸塊與華夏陸塊處于強(qiáng)烈的拉張階段,深大斷裂活動加劇,可成為深部物質(zhì)上涌通道[8],帶來了大量幔源的硒元素。南方各地下寒武統(tǒng)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(guān)。

圖4 中揚(yáng)子地區(qū)寒武紀(jì)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(qū);3.淺水陸棚相區(qū);4.深水陸棚相區(qū);5.陸棚邊緣盆地相區(qū);6.相區(qū)界線;7.斷裂帶;8.主要海侵方向。

震旦紀(jì)晚期燈影末期發(fā)生的“惠亭運(yùn)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(qū)張性環(huán)境下構(gòu)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(qū)該時期位于深水陸棚相區(qū)[10],有機(jī)質(zhì)得以在深水條件造成的還原環(huán)境下保存,與深水泥質(zhì)和熱水硅質(zhì)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(yùn)動影響下,揚(yáng)子板塊四周古陸面積增大,并逐漸向揚(yáng)子區(qū)伸展,使揚(yáng)子海處于半封閉狀態(tài),上揚(yáng)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(gòu)造相對穩(wěn)定的封閉環(huán)境下,研究區(qū)沉積了一套靜海生物成因的硅質(zhì)巖[12]和炭質(zhì)頁巖,同樣沉積物中炭質(zhì)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(gòu)造活動頻繁強(qiáng)烈[13],研究區(qū)富硒地層的地質(zhì)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(fā))時間基本一致。同時,漁塘壩富硒硅質(zhì)巖微量元素特征均符合熱水沉積特征[14],可能與火山噴發(fā)引起的海底流體升溫有關(guān)。顯然,張性大地構(gòu)造環(huán)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(qū);5.沉積相界線;6.斷層線;7.海侵方向。

圖6 研究區(qū)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(fā)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(qū)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(huán)境中(圖6)海水不流暢,生物死亡堆積后提供豐富的有機(jī)碳,硒被大量固定在含碳沉積物中,形成富硒的炭質(zhì)硅質(zhì)巖層。孤峰組、下窯組及大隆組巖層中均有大量的硅質(zhì)成分,且還原環(huán)境沉積了大量炭質(zhì),而炭質(zhì)吸附了海水中異常高的硒元素,以至于研究區(qū)二疊紀(jì)中晚期沉積巖中出現(xiàn)了硒元素的最高峰。

4.2 有機(jī)碳的吸附

由上述分析可知,恩施地區(qū)主要富硒地層的巖性為黑色碳硅質(zhì)巖及炭質(zhì)泥頁巖,硒元素含量與有機(jī)碳含量關(guān)系密切。統(tǒng)計了31個巖石地層單元的樣品硒含量與有機(jī)炭平均值,兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.8,呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(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(jī)碳含量相關(guān)系數(shù)為0.64,亦呈正相關(guān)性(圖7-b),這與該地區(qū)土壤中硒元素受有機(jī)碳吸附機(jī)理一致[15]。

從巖性上看,恩施地區(qū)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(zhì)頁巖、含碳硅質(zhì)巖)>煤系>碳酸鹽巖(灰?guī)r、白云巖)>泥巖>砂巖?？梢缘贸鼋Y(jié)論,硒元素富集與巖石有機(jī)碳含量密切相關(guān)。

圖7 研究區(qū)巖石中orgC與Se含量的相關(guān)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(zhì)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(gòu)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(huán)境下沉積的大量有機(jī)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(gòu)造環(huán)境相對穩(wěn)定,深源的硒元素相對缺乏,巖石硒含量遠(yuǎn)低于上述兩個沉積期(硒含量均值2.14 mg/kg),但閉塞海盆內(nèi)較高的炭質(zhì)也富集了相當(dāng)含量的硒元素,本區(qū)龍?zhí)督M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(zhì)吸附外,也受到該時期硒元素供給豐富的影響。此外,研究區(qū)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(fā)育的溫暖淺海環(huán)境下,是典型的生物化學(xué)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(xì)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(jī)碳影響較小的情況下,泥質(zhì)巖中粘土礦物等細(xì)粒物質(zhì)的吸附作用就凸顯出來了。

5 結(jié)論

(1) 通過對恩施地區(qū)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(fā)現(xiàn)研究區(qū)在地質(zhì)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(qū)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(qū)中南部。

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

(3) 探討了控制富硒地層分布的因素,認(rèn)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(gòu)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(huán)境下沉積的大量有機(jī)碳吸附,完成富硒地層中硒元素的源與匯。