生物化学沉积矿床

1、第五节第五节 生物沉积矿床生物沉积矿床 一、概述一、概述1 1、定义、定义 指由指由沉积作用沉积作用堆积起来的生物遗体，或经过生物有机堆积起来的生物遗体，或经过生物有机体的分解而导致有用组分（矿物）沉淀所形成的矿床，也体的分解而导致有用组分（矿物）沉淀所形成的矿床，也包括在沉积过程中由于细菌的生命活动而使某些元素聚集包括在沉积过程中由于细菌的生命活动而使某些元素聚集而形成的矿床。而形成的矿床。 这类矿床的成矿过程中，生物作用占有很大的意义。这类矿床的成矿过程中，生物作用占有很大的意义。因此，根据上述的定义我们可以将这类矿床理解为：由因此，根据上述的定义我们可以将这类矿床理解为：由生生物化学作用

2、物化学作用促使有机的或无机的成矿物质在各种水盆地中促使有机的或无机的成矿物质在各种水盆地中聚集沉积而形成的矿床。聚集沉积而形成的矿床。 生物化学作用和生物成矿作用生物化学作用和生物成矿作用 生物在许多外生矿床的形成过程中占有极其重要的地位，生物在许多外生矿床的形成过程中占有极其重要的地位，尤其是在成矿物质的风化剥蚀阶段、搬迁运移阶段、沉积富尤其是在成矿物质的风化剥蚀阶段、搬迁运移阶段、沉积富集阶段、固结成岩阶段以及后生变化阶段，都发挥重要的影集阶段、固结成岩阶段以及后生变化阶段，都发挥重要的影响。响。 归纳起来，在外生成矿过程中，生物的参与可以是归纳起来，在外生成矿过程中，生物的参与可以是直接

3、直接的，也可以是间接的。的，也可以是间接的。直接参与直接参与成矿作用成矿作用间接参与间接参与成矿作用成矿作用 是指成矿物质直接来自生物有机体本身，是指成矿物质直接来自生物有机体本身，例如磷块岩矿床、硅藻土矿床、沉积硫矿床、例如磷块岩矿床、硅藻土矿床、沉积硫矿床、生物灰岩以及煤、石油、天然气等。生物灰岩以及煤、石油、天然气等。 是指生物遗体经过腐烂、分解、或者是指生物遗体经过腐烂、分解、或者生物在其生命的延续活动过程中所形成的产生物在其生命的延续活动过程中所形成的产物、酶、有机酸、腐殖质等组分的影响下，物、酶、有机酸、腐殖质等组分的影响下，改变了成矿的物理改变了成矿的物理- -化学环境、促使金属

4、元化学环境、促使金属元素聚集成矿，如素聚集成矿，如FeFe，MnMn，AlAl，U U，V V，CuCu，ZnZn，CoCo，NiNi，GeGe，黄铁矿等矿床的形成。，黄铁矿等矿床的形成。二、生物化学沉积矿床的形成机理（生物化学成矿二、生物化学沉积矿床的形成机理（生物化学成矿作用）作用）1 1、生物化学机能、生物化学机能 在生物化学沉积矿床的形成在生物化学沉积矿床的形成过程中，生物具有多种生物过程中，生物具有多种生物化学机能。这些机能对于矿化学机能。这些机能对于矿床的形成起着重大的影响。床的形成起着重大的影响。产生气体产生气体氧化氧化还原还原浓集某些元素浓集某些元素分解或合成形成分解或合成形成

5、各种有机化合物各种有机化合物产生气体产生气体 任何生物都有产生气体的机能，特别是绿色植物的光任何生物都有产生气体的机能，特别是绿色植物的光合作用更能产生大量的氧气。合作用更能产生大量的氧气。 人们认为，大气圈中的游离氧全部都与植物的光合作人们认为，大气圈中的游离氧全部都与植物的光合作用有关。而动物以及各种微生物的呼吸作用则产生大量的用有关。而动物以及各种微生物的呼吸作用则产生大量的二氧化碳和其他的气体，这些气体的存在，都会导致成矿二氧化碳和其他的气体，这些气体的存在，都会导致成矿环境的物化条件的改变，从而改变其中发生成矿作用的过环境的物化条件的改变，从而改变其中发生成矿作用的过程。程。大气圈与

6、生物界的演化大气圈与生物界的演化 生物界的演化趋势是：从单细胞到多细胞，从水生到生物界的演化趋势是：从单细胞到多细胞，从水生到陆生，从低级到高级。因此，大气圈的气体成分也在不陆生，从低级到高级。因此，大气圈的气体成分也在不断地发生变化，这些变化对于沉积矿床的形成都有影响。断地发生变化，这些变化对于沉积矿床的形成都有影响。还原还原 即即这种细菌在一种缺氧的环境中生存，这种细菌在一种缺氧的环境中生存，可以把可以把，因而有利于自然硫矿床和许，因而有利于自然硫矿床和许多金属硫化物矿床的形成。某些微生物还可以使许多的变多金属硫化物矿床的形成。某些微生物还可以使许多的变价元素如价元素如S, Fe, Mn,

7、 V, US, Fe, Mn, V, U等由高价还原成低价态，等由高价还原成低价态，。 各种生物在其生命的活动过程中，可以不断地从周围各种生物在其生命的活动过程中，可以不断地从周围的介质中（水体、空气、岩石土壤）有选择性地获取某些的介质中（水体、空气、岩石土壤）有选择性地获取某些元素，然后在其生理的新陈代谢过程中被固定下来。元素，然后在其生理的新陈代谢过程中被固定下来。 吸附作用吸附作用 1 1）地理和气候：）地理和气候：主要产于陆棚浅海盆地的边缘地带，主要产于陆棚浅海盆地的边缘地带，炎热气候炎热气候条件提供条件提供了生物生长繁殖的环境；了生物生长繁殖的环境； 2 2）环境：）环境：它们多赋存

8、于海相地层中；它们多赋存于海相地层中； 3 3）含矿岩系：）含矿岩系：为为富含有机质的页岩富含有机质的页岩、砂岩碳酸盐岩。矿层内、砂岩碳酸盐岩。矿层内常含有化常含有化石或有机质石或有机质；常具旋回性，出现几个矿层；常具旋回性，出现几个矿层； 4 4）矿体形状：）矿体形状：主要为层状、透镜状、扁豆状；沿走向可以延长很远、但主要为层状、透镜状、扁豆状；沿走向可以延长很远、但沿倾向延长比较小。受海水进退的影响，在倾向上常沿倾向延长比较小。受海水进退的影响，在倾向上常呈雁行式呈雁行式分布；分布； 5 5）矿石组构：）矿石组构：胶状、隐晶质、细粒状以及生物碎屑结构；以致密块状、胶状、隐晶质、细粒状以及生

9、物碎屑结构；以致密块状、条带状和浸染状构造为主；矿石有用矿物多为条带状和浸染状构造为主；矿石有用矿物多为磷酸盐、硫化物、碳酸盐磷酸盐、硫化物、碳酸盐、氧化物、氧化物 等。 6 6）矿床规模）矿床规模很大，分布广；很大，分布广； 有重要工业意义的生物有重要工业意义的生物- -化学沉积矿床有磷块岩矿床、硫铁矿矿床、自化学沉积矿床有磷块岩矿床、硫铁矿矿床、自然硫矿床、硅藻土矿床、石灰石矿床、与黑色页岩有关的沉积型然硫矿床、硅藻土矿床、石灰石矿床、与黑色页岩有关的沉积型MoMo、NiNi、CuCu、 V V、U U、等矿床。、等矿床。 磷的来源磷的来源 磷在地壳中的含量为磷在地壳中的含量为0.13%0

10、.13%，被认为是一种典型的生物元素。，被认为是一种典型的生物元素。动物动物在其在其生命循环中都要吸取生命循环中都要吸取磷磷以组成其躯体，如骨骼、牙齿、甲壳等。以组成其躯体，如骨骼、牙齿、甲壳等。例如：例如：脊椎动物的骨骼含脊椎动物的骨骼含P P2 2O O5 5达达53.31%53.31%，许多低等生物贝壳中含，许多低等生物贝壳中含P P2 2O O5 5达达36.5%36.5%，虾类含虾类含CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2达达26%26%，等等。，等等。 沉积磷矿床中沉积磷矿床中磷磷的来源，主要来自是来自大陆含磷岩石风化后所产生的的来源，主要来自是来自大陆含磷岩石风化后所产生的

11、磷酸盐溶液，例如：有人统计伏尔加河每年带入黑海的呈溶解状态的磷磷酸盐溶液，例如：有人统计伏尔加河每年带入黑海的呈溶解状态的磷多达多达60006000多吨之巨。当然，海底火山喷发带出的磷也是重要的来源。多吨之巨。当然，海底火山喷发带出的磷也是重要的来源。 对于磷是如何通过对于磷是如何通过生物化学作用生物化学作用而富集起来形成矿床的，目前对其机制而富集起来形成矿床的，目前对其机制认识尚不一致，除了认识尚不一致，除了鸟粪磷矿床鸟粪磷矿床和贝壳等生物遗体磷矿床与动物有直接和贝壳等生物遗体磷矿床与动物有直接关系外，世界上磷矿床主要为关系外，世界上磷矿床主要为海相沉积的层状或结核状磷块岩矿床。海相沉积的层

12、状或结核状磷块岩矿床。1 1、 沉积型磷块岩矿床沉积型磷块岩矿床磷块岩矿床的成因磷块岩矿床的成因 关于磷块岩的成因，比较一致地认为是海关于磷块岩的成因，比较一致地认为是海洋沉积的，但有三种成因观点：洋沉积的，但有三种成因观点： 生物成因说生物成因说 化学成因说化学成因说 生物生物- -化学成因说化学成因说A A、生物成因说、生物成因说n认为磷块岩是在海洋中生物大量死亡后认为磷块岩是在海洋中生物大量死亡后直接堆积直接堆积形成的。形成的。n主要依据：矿床中有大量生物化石，现代海底生物遗体可转主要依据：矿床中有大量生物化石，现代海底生物遗体可转化为胶状物质。化为胶状物质。n主要主要成矿因素：成矿因素

13、：海水温度、盐度和流速变化。海水温度、盐度和流速变化。n例如在爱沙尼亚早志留世的磷块岩矿床中，有三层磷块岩几例如在爱沙尼亚早志留世的磷块岩矿床中，有三层磷块岩几乎全由矿化的圆货贝的贝壳组成；我国昆南磷块岩矿床中则乎全由矿化的圆货贝的贝壳组成；我国昆南磷块岩矿床中则有矿化软舌螺层。有矿化软舌螺层。B B、化学成因说（上升洋流成矿论）、化学成因说（上升洋流成矿论） 苏联学者卡扎科夫，苏联学者卡扎科夫，19371937，19381938年根据海洋学和水化年根据海洋学和水化学的资料，研究了近代海水中磷的分布状况和学的资料，研究了近代海水中磷的分布状况和P P2 2O O5 5-CaO-CaO-HF-H

14、HF-H2 2O O相平衡关系，较为系统地阐明了磷的化学沉积过程，相平衡关系，较为系统地阐明了磷的化学沉积过程，首次提出了沉积型磷块岩矿床的首次提出了沉积型磷块岩矿床的洋流形成理论洋流形成理论。核心：核心：洋流上升洋流上升 上升的洋流将深处的富上升的洋流将深处的富磷冷水带到大陆浅磷冷水带到大陆浅水地带水地带，使其中的磷酸盐以，使其中的磷酸盐以无机磷无机磷的形式形的形式形成，或以生物成，或以生物- -化学的形式沉积下来。化学的形式沉积下来。上升洋流成矿论认为 在海水层上部的在海水层上部的0 06060米米深度范围内，为浮深度范围内，为浮游生物活动繁殖的地带，由于此带海水中的磷已游生物活动繁殖的地

15、带，由于此带海水中的磷已被生物大量吸收，因此水中被生物大量吸收，因此水中几乎不含游离态的磷几乎不含游离态的磷或者极少或者极少，一般为，一般为101015 mg/m15 mg/m3 3或低于或低于2 25 5 mg/mmg/m3 3 ，并且，并且COCO2 2的的分压较低，分压较低，小于小于3 31010-4-4大气大气压。压。 当这些生物死亡以后其当这些生物死亡以后其遗体遗体向向海底海底下沉，于是将下沉，于是将磷质磷质也带到也带到深处的水体中深处的水体中。由于有机质分解不断析出。由于有机质分解不断析出COCO2 2因而随因而随着海水着海水深度增大深度增大， COCO2 2的含量也不断的含量也不

16、断增高增高，因此海水溶解，因此海水溶解磷的能力也磷的能力也增大，增大，在海面以下在海面以下50050010001000米深处，米深处，COCO2 2的分的分压可达压可达12121010-4-4大气压。大气压。 因此生物的遗体便在这样深的海水中因此生物的遗体便在这样深的海水中完全分解完全分解，使磷，使磷都大量都大量溶于海水溶于海水中，海水中的中，海水中的P P2 2O O5 5含量可达含量可达300mg/m300mg/m3 3。也。也就是说在这样深度的海水中，生物遗体不再被保存，而被就是说在这样深度的海水中，生物遗体不再被保存，而被完全分解破坏，这时海水变成完全分解破坏，这时海水变成富含磷的水溶

17、液富含磷的水溶液。 当深处寒流向上回流时磷灰岩在陆缘带生成简图当深处寒流向上回流时磷灰岩在陆缘带生成简图1-海滨砂和砾石相，海滨砂和砾石相，2-鳞灰岩相，鳞灰岩相，3-泥质和灰质沉积物相，泥质和灰质沉积物相，4-浮游生物遗骸下沉方浮游生物遗骸下沉方向，向，5-上升海流方向上升海流方向上升洋流沉积说的主要证据上升洋流沉积说的主要证据 、磷块盐的沉积环境、岩系特征及岩相分布、磷块盐的沉积环境、岩系特征及岩相分布 古纬度古纬度542间大间大陆东西两侧浅陆东西两侧浅 海洋流上升的区域；海洋流上升的区域； 一般岩性性组合为砂岩、白云一般岩性性组合为砂岩、白云岩、硅质岩、磷块岩、硅质页岩及炭质页岩。其中岩

18、、硅质岩、磷块岩、硅质页岩及炭质页岩。其中代表上升洋流的代表上升洋流的典型沉积相组合是典型沉积相组合是硅质岩硅质岩-磷块岩磷块岩-黑黑色（炭质）页岩。色（炭质）页岩。c c、沉积相的理想分布：、沉积相的理想分布：自滨自滨- -浅海浅海陆坡上段陆坡上段 滨浅海碳酸盐岩滨浅海碳酸盐岩- -磷块岩相：磷块岩相：岩性组合为白云岩、硅质岩性组合为白云岩、硅质白云岩、磷块岩（矿体呈层状、矿石多为碎屑结构、白云岩、磷块岩（矿体呈层状、矿石多为碎屑结构、鲕状及块状构造）等。鲕状及块状构造）等。浅海硅质岩浅海硅质岩- -硅质页岩硅质页岩- -磷块岩相：磷块岩相：代表洋流代表洋流上升区上段较为氧化环境的沉积相，在

19、硅质上升区上段较为氧化环境的沉积相，在硅质岩与碳酸盐岩的过渡段可能出现层状磷块岩，岩与碳酸盐岩的过渡段可能出现层状磷块岩，但多为结核状磷块岩。但多为结核状磷块岩。黑色页岩相：黑色页岩相：代表洋流上升区下段强还原环境的沉积相代表洋流上升区下段强还原环境的沉积相含结核状磷块岩、可构成含结核状磷块岩、可构成U U、V V、NiNi、MoMo等矿床。等矿床。滨浅海陆源碎屑岩相：滨浅海陆源碎屑岩相：砂岩及粉砂岩等砂岩及粉砂岩等、我国的重要含磷层位：我国的重要含磷层位：震旦系、寒武系下统震旦系、寒武系下统C C、生物、生物- -化学沉积成因化学沉积成因 这种观点认为磷块岩矿床既不是从海水中沉积这种观点认为

20、磷块岩矿床既不是从海水中沉积的，也不是生物的遗体直接堆积而成的，而是与生的，也不是生物的遗体直接堆积而成的，而是与生物在物在海底淤泥海底淤泥中经过化学分解有关。中经过化学分解有关。认为：磷的富集与海洋生物有关。在气候炎热干旱的认为：磷的富集与海洋生物有关。在气候炎热干旱的浅海地带浅海地带，由河流带入海洋的陆源碎屑极少，但由河流带入海洋的陆源碎屑极少，但浮游生物浮游生物大量繁殖。当这大量繁殖。当这些生物些生物死亡死亡之后之后沉到海底淤泥中沉到海底淤泥中，通过细菌化学分解，形成富，通过细菌化学分解，形成富含磷的淤泥水。由于富磷的淤泥水发生扩散作用，磷围绕碎屑含磷的淤泥水。由于富磷的淤泥水发生扩散作

21、用，磷围绕碎屑进行聚集，形成磷结核。进行聚集，形成磷结核。 从现代浅海淤泥中化验可知，淤泥中的含磷量比海底水高从现代浅海淤泥中化验可知，淤泥中的含磷量比海底水高出数十出数十150150倍。而在深海淤泥中仅高出海底水倍。而在深海淤泥中仅高出海底水2 2 3 3倍。在成倍。在成岩过程中磷酸盐溶液围绕小的砂粒，生物碎屑进行聚集形成磷岩过程中磷酸盐溶液围绕小的砂粒，生物碎屑进行聚集形成磷酸盐结核、鲕粒或胶结物。酸盐结核、鲕粒或胶结物。 尽管上述三种磷矿床形成理论都各自强调了各尽管上述三种磷矿床形成理论都各自强调了各自的观点，但是都肯定了生物在成矿中的直接或间自的观点，但是都肯定了生物在成矿中的直接或间

22、接意义。接意义。沉积磷块岩矿床特征沉积磷块岩矿床特征n磷块岩矿床，按其矿石成分、结构和构造上的差别，可分为层状磷块岩矿磷块岩矿床，按其矿石成分、结构和构造上的差别，可分为层状磷块岩矿床和结核状磷块岩矿床。床和结核状磷块岩矿床。nA A、层状磷灰岩矿床、层状磷灰岩矿床q这类矿床中磷块岩呈层状产出，这类矿床中磷块岩呈层状产出，q矿石矿物主要由细晶磷灰石或胶状磷灰石组成，并有方解石、白云石矿石矿物主要由细晶磷灰石或胶状磷灰石组成，并有方解石、白云石、石英、云母、粘土等矿物伴生。、石英、云母、粘土等矿物伴生。q矿石多具致密块状或鲕状构造，鲕粒外形为圆形或椭圆形，内部具有矿石多具致密块状或鲕状构造，鲕粒

23、外形为圆形或椭圆形，内部具有同心层构造，胶结物有碳酸盐、二氧化硅和磷酸盐等。同心层构造，胶结物有碳酸盐、二氧化硅和磷酸盐等。q矿石一般含矿石一般含P P2 2O O5 5较富，规模一般较大，并常含有钒、铀、稀土元素等，较富，规模一般较大，并常含有钒、铀、稀土元素等，可供综合利用。可供综合利用。q此类矿床是世界上最重要的磷块岩矿床类型。如前苏联卡拉套、美国此类矿床是世界上最重要的磷块岩矿床类型。如前苏联卡拉套、美国落基山、阿尔及利亚、突尼斯、摩洛哥和埃及的磷块岩矿床以及我国落基山、阿尔及利亚、突尼斯、摩洛哥和埃及的磷块岩矿床以及我国昆阳、开阳、荆襄等磷矿床均属此类型。昆阳、开阳、荆襄等磷矿床均属

24、此类型。云南昆阳磷块岩矿床云南昆阳磷块岩矿床n该矿床是著名的大型磷矿床，该矿区位于康滇古陆东南缘的该矿床是著名的大型磷矿床，该矿区位于康滇古陆东南缘的斜坡上，与浅海相海侵序列有关，斜坡上，与浅海相海侵序列有关，n矿区出露地层由前震旦系到第三系，矿层位于下寒武统地层矿区出露地层由前震旦系到第三系，矿层位于下寒武统地层中，主要有磷灰岩中，主要有磷灰岩2 2层，中间夹有白色含磷页岩。上矿层厚层，中间夹有白色含磷页岩。上矿层厚215m215m，层位稳定，形态规则；下矿层形态复杂，主要受底，层位稳定，形态规则；下矿层形态复杂，主要受底板古侵蚀面起伏的影响，最大厚度可达板古侵蚀面起伏的影响，最大厚度可达7

25、m7m，n矿石呈灰和黄褐色，致密坚硬，以氟磷灰石为主，约占矿石呈灰和黄褐色，致密坚硬，以氟磷灰石为主，约占85%85%，其余为方解石、石英和白云石等。，其余为方解石、石英和白云石等。nP2O5P2O5品位较低，一般为品位较低，一般为20%20%左右。左右。nB B 、结核状磷块岩矿床、结核状磷块岩矿床q该类矿床多产于粘土层、碳酸盐岩和海绿石砂岩中，该类矿床多产于粘土层、碳酸盐岩和海绿石砂岩中，q矿体为层状，矿层由球状、肾状、不规则状的磷酸盐结核矿体为层状，矿层由球状、肾状、不规则状的磷酸盐结核组成，大小不等。组成，大小不等。q矿石矿物为含水氟碳磷灰石，并常与石英砂粒、海绿石、矿石矿物为含水氟碳

26、磷灰石，并常与石英砂粒、海绿石、粘土矿物伴生。粘土矿物伴生。q矿石品位一般较低。矿石中常有丰富的已磷酸盐化的化石矿石品位一般较低。矿石中常有丰富的已磷酸盐化的化石，如海藻、头足类和鱼类等。，如海藻、头足类和鱼类等。q此类矿床规模小，含矿率变化大，我国江苏、浙江一带二此类矿床规模小，含矿率变化大，我国江苏、浙江一带二叠系地层中的磷结核矿床属于叠系地层中的磷结核矿床属于此类。 我国是一个磷矿产十分丰富的国家，著名代表有云南的我国是一个磷矿产十分丰富的国家，著名代表有云南的昆昆阳磷矿阳磷矿，贵州的，贵州的开阳磷矿开阳磷矿，湖北的，湖北的襄阳磷矿襄阳磷矿。合称。合称“三阳三阳”磷矿。这些都是为世人所知

27、的大型沉积磷块岩矿床。磷矿。这些都是为世人所知的大型沉积磷块岩矿床。 但是，我国磷矿床分布不均匀，主要集中于南方各省，但是，我国磷矿床分布不均匀，主要集中于南方各省，而北方广大地区则十分贫穷，故有而北方广大地区则十分贫穷，故有“南磷北调南磷北调”之说。之说。（1 1）硅藻土的成分和结构特征）硅藻土的成分和结构特征 a a、主要成分、主要成分硅藻壳硅藻壳（蛋白石质的（蛋白石质的SiOSiO2 2） b b、次要成分、次要成分粘土矿物，长石、石英及云母的碎屑粘土矿物，长石、石英及云母的碎屑（杂质）（杂质） c c、结构松散、孔隙发育、比表面积大（用于助滤剂、结构松散、孔隙发育、比表面积大（用于助滤剂、漂白剂、催化剂载体、填料、隔音隔热材料）漂白剂、