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(zhì)學系，陜西西安 710069；2.長安大學地質(zhì)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(zhì)被自生礦物膠結所形成的集合體，能與圍巖顯著區(qū)分[1]。關于結核的起源一直是地質(zhì)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(zhì)研究中的一個難點。結核為揭示古生態(tài)學和恢復古生物環(huán)境[4]、古地理重建[5]、同沉積時期地震的發(fā)生[6]提供了重要依據(jù)，結核不僅能顯示當時的沉積環(huán)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(xù)或不連續(xù)的帶狀（透鏡狀）、串珠狀、連生狀或其他不規(guī)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(huán)境可以是海洋環(huán)境也可以是湖泊等陸相[13-15]，在非海洋環(huán)境中形成的結核一般呈鮞粒狀、豆狀、土壤結節(jié)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?guī)r、頁巖、砂巖、含煤礦物中十分容易形成結核[19]。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

滇東地區(qū)，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(huán)太平洋構造域與特提斯構造域的交接復合帶[20]。研究區(qū)出露的地層有元古代、震旦系、寒武系、泥盆系（見圖1），該地區(qū)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(fā)生抬升出現(xiàn)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(xiàn)[21]。寒武紀初期，揚子地臺處于赤道附近的熱帶地區(qū)[22]。滇東地區(qū)，由東北向東南水體逐漸加深，總體由淺水陸棚變?yōu)榘肷詈Ｐ逼轮梁Ｅ璩练e環(huán)境[23]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況和地層發(fā)育簡圖（據(jù)楊愛華等，2015；張志亮等，2015）

滇東地區(qū)梅樹村剖面的結核，主要形成在下寒武統(tǒng)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(huán)境；石巖頭段沉積前期，海平面快速上升，梅樹村地區(qū)海水底部處于缺氧狀態(tài)，在底部沉積了灰黑色—黑色的頁巖，水平層理發(fā)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(zhì)粉砂巖中發(fā)現(xiàn)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(huán)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(xiàn)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(zhì)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(fā)育。

2 結核類型及主要特征

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

2.1 砂質(zhì)結核

該地區(qū)砂質(zhì)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(guī)則塊狀，結核最大直徑可達90 cm，最小直徑僅為4 cm。多數(shù)結核以獨立的個體分布在砂巖中，極個別發(fā)現(xiàn)有“連生”現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)結核具核心、包核結構[25，26]。結核的成分以砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主含有較高的鈣質(zhì)成分，部分結核成分為藍灰色磷質(zhì)砂巖，深灰色泥質(zhì)粉砂巖成分的結核中含黃鐵礦及硅質(zhì)膠結物。

大部分砂質(zhì)結核內(nèi)部及圍巖均不顯現(xiàn)層理，結核與圍巖接觸部位未發(fā)生變形，存在切割關系，屬成巖結核（見圖2A）；在少數(shù)泥質(zhì)粉砂巖結核中發(fā)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(fā)現(xiàn)圍巖的層理“繞過”結核呈彎曲狀，屬同生結核（見圖2B）；在少數(shù)結核內(nèi)部發(fā)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(nèi)部層理發(fā)生微弱變形（見圖2C），可能為后生結核。砂質(zhì)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(zhì)粉砂巖，部分為灰黑色含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，在少數(shù)成分為泥質(zhì)粉砂巖的圍巖中發(fā)育裂縫，裂縫被方解石充填（見圖2D）。

圖2 滇東地區(qū)下寒武統(tǒng)砂質(zhì)結核與圍巖特征

2.2 泥質(zhì)結核

研究區(qū)泥質(zhì)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(nèi)部層理發(fā)育，部分結核中發(fā)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(fā)現(xiàn)“連生”現(xiàn)象。圍巖的成分以灰黑—黑色泥巖或粉砂質(zhì)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(fā)育（見圖3C）。在結核與圍巖接觸的下表面出現(xiàn)了明顯的“凹陷”（見圖3D），根據(jù)結核與圍巖層理之間的關系，判斷此研究區(qū)中的泥質(zhì)結核為同生結核。

圖3 滇東地區(qū)下寒武統(tǒng)泥質(zhì)結核與圍巖特征

2.3 黃鐵礦結核

研究區(qū)發(fā)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(shù)的黃鐵礦結核都以獨立的個體順層分布在圍巖中，但少數(shù)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(zhì)泥巖、灰黑色泥巖，部分為凝灰?guī)r（見圖4B），圍巖水平層理發(fā)育，周圍富集大量草莓狀黃鐵礦；凝灰?guī)r中水平層理的發(fā)育說明沉積時水動力條件弱，黃鐵礦的發(fā)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(tài)?；液谏凵百|(zhì)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?guī)r中的黃鐵礦結核多數(shù)穿層分布，屬成巖結核（見圖4D）。

圖4 滇東地區(qū)下寒武統(tǒng)黃鐵礦結核與圍巖特征

3 成因分析

3.1 砂質(zhì)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(diào)了砂巖中膠結物的組分和圍巖之間轉(zhuǎn)化的重要性[28]。當含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖與粉砂巖交互沉積相對較快時，含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖膠結成巖速率較慢，此時剛沉積的球粒狀泥質(zhì)粉砂巖尚未固結且強度很低，在較深的水體環(huán)境中，上覆沉積物產(chǎn)生過大的壓力作用，很容易發(fā)生變形。泥質(zhì)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(fā)生脫水作用，而粉砂巖發(fā)生變形的程度相對較弱。在同生和成巖作用的早期，含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖膠結的速率大于粉砂巖固結的速率，先形成的泥質(zhì)粉砂巖優(yōu)先膠結，因泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)部黏土礦物差異分布，造成差異壓實，從而使得泥質(zhì)粉砂的形狀呈橢球狀。上覆沉積物對黏土礦物產(chǎn)生定向壓實，使泥質(zhì)粉砂巖結核內(nèi)部逐漸變成有層理構造特征。

3.2 泥質(zhì)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(zhì)轉(zhuǎn)移的主要證據(jù)，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(qū)泥質(zhì)結核的外形呈橢球狀主要是早期的成巖過程中收縮，層內(nèi)微拉斷、機械壓實等綜合作用的結果[30]。泥質(zhì)結核的形成過程（見圖5）如下：早期形成的泥質(zhì)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(chǎn)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(jīng)進入壓實作用階段，泥質(zhì)沉積物側向微拉產(chǎn)生的斷裂作為上覆泥質(zhì)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(chǎn)生持續(xù)的垂向壓力，為了抵抗上覆沉積物的壓力，泥質(zhì)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(zhì)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(nèi)部保留了原生的水平層理，若上覆泥巖物質(zhì)產(chǎn)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(zhì)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(qū)內(nèi)泥質(zhì)結核內(nèi)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(nèi)部膠結物發(fā)生脫水作用產(chǎn)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(chǎn)于熱液礦床中。由沉積作用形成的產(chǎn)于含油地層、煤系地層及黑色頁巖、砂巖、石灰?guī)r中，呈透鏡狀或薄層產(chǎn)出，它是重要的還原環(huán)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(huán)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(fā)現(xiàn)了大量的小殼化石，S2-的來源可能是這些生物及有機質(zhì)遭遇生物降解后生成H2S。滇東地區(qū)筇竹寺組的泥巖平行層理發(fā)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(huán)境，這樣就為黃鐵礦結核的形成提供了物質(zhì)和環(huán)境的保障。

在有游離氧存在的氧化環(huán)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(zhì)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(huán)境下，F(xiàn)e3+被還原成Fe2+。H2S 氣體與Fe2+發(fā)生反應生成FeS·nH2O，F(xiàn)eS·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(zhì)結核成因模式圖（據(jù)劉萬洙，1997，修改）

4 結論

（1）研究區(qū)筇竹寺組主要發(fā)育3 種結核：砂質(zhì)結核、泥質(zhì)結核和黃鐵礦結核，砂質(zhì)結核巖性為含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，主要成分為石英、長石，膠結物為鈣質(zhì)；其中砂質(zhì)結核主要為成巖結核，少量為后生結核；泥質(zhì)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(zhì)結核主要是同生階段泥質(zhì)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(zhì)結核的形成主要因為含鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖膠結的速率大于粉砂巖固結的速率，先形成的泥質(zhì)粉砂巖優(yōu)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(huán)境下，F(xiàn)e2+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。