湖北菊花石形成原因初探

湖北菊花石形成原因初探矿晶矿标论文集
       菊花石是我国特有的一种观赏石，通常指在黑色底上有白色形似花瓣组成菊花状岩石，岩石学上属沉积成因的碳酸盐岩。该石天然产出，黑白分明，白色构成千姿百态的花形，犹如盛开怒放的白菊，令人赏心悦目，加之石质细腻，软硬适中，易雕琢成各种观赏奇石和工艺品，优雅高贵，是人们喜爱与收藏的石雕珍品。
菊花石资源稀少罕见，目前世界上仅在我国湖南、湖北、陕西、江西等地有所发现，未见国外有报道。菊花石最早见于湖南浏阳永和镇，距今已有200多年。湖北菊花石产于恩施地区，又称三峡菊花石，最早于1987年在宣恩长潭河发现，之后在恩施地区数县市都有出露。湖北菊花石分布广，蕴藏量大，现已开采及利用，是国内菊花石的重要产地之一。
菊花石的发现已有数百年，制成各种观赏石和工艺品流传于世，是玉石工艺品的一朵奇葩。为深入了解湖北菊花石的特征，本人通过野外地质调查及取样，室内进行薄片鉴定，X射线衍射分析和化学分析等工作，从岩石学的角度总结出菊花石的组成及其成因。
一、地质产出
现已知，湖北菊花石分布鄂西南恩施地区的宣恩、恩施、建始等县市境内。该地区大地构造位置隶属于扬子地台，从震旦纪到中三叠世，一直处在沉降过程，沉积了上万米厚以碳酸盐岩为主的地层。湖北菊花石赋存其中距今有2亿多年的二叠系下统栖霞灰岩段，与湖南浏阳菊花石属同一层位。
恩施地区二叠系下统栖霞组分上下两个岩性段。下段为含煤碎屑岩，称马鞋段。上段由碳酸盐岩组成，称灰岩段。灰岩段在恩施地区岩性和厚度都较稳定，厚度139.22～272.65米，按岩性分上下两部分，上部为含燧石结核灰岩，下部为生物碎屑灰岩。菊花石集中产于生物碎屑灰岩中，其它岩石类型中则没有菊花石产出。
从构造条件分析，湖北菊花石一般出现在较为开阔向斜的翼部，核部为三叠系地层。如恩施菊花石产于花坪向斜，该向斜轴向NE45°，核部地层近于水平，倾角15°左右，两翼二叠系地层倾角25°～45°。
据野外观察，湖北菊花石呈带状分布，往往沿河谷出露，形成一个带，其带长达30～40公里。在此带内，菊花石断续分布，有的地段聚集成片，一平方米内有数十个菊花石；有的地段零星散落，数平方米内才有1～2个菊花石，分布很不均匀。
二、岩石特征
湖北菊花石外观呈块状，致密坚硬，由灰黑色基底和白色菊花形两部分组成，有时见白色方解石细脉穿插和体态较大生物化石点缀。
基底呈灰黑色，由生物碎屑和泥晶两部分组成。生物种类繁多，有蜓类，腕足类、孔虫类、苔藓虫类等。其碎屑大小不等，一般0.1mm～2mm，个别较大，可达20cm。泥晶为细小粒状或扁平粒状，粒径0.005mm～0.03mm，充填在生物碎屑颗粒之间起胶结作用。基底的矿物组成主要为方解石，其次有少量石英和白云石，微量矿物有炭质、黄铁矿、褐铁矿等，有时见自生钠长石晶体和粘土矿物水云母等。基底的化学成分(表1)主要为CaO和CO.. 2.. ，其次有SiO.. 2.. 和MgO，而其它成分的含量都甚少，这与矿物组成相一致.
菊花石呈白色，包裹基底为灰白色，花形按其完整程度可分三种：①有花蕊花瓣菊花石。这是菊花石的上品，花瓣为向四周散开的放射状，形态多样，有蝴蝶状，绣球状，凤尾状等。花蕊呈圆形，位于花瓣中心。菊花石大小不一，直径一般5cm～15cm，最大者可达40cm～50cm。②有花瓣无花蕊菊花石。此种亦好看，但不如完整花形，其特点与前者相同。③无花形菊花石。该种为菊花石下品，呈似脉状、不规则状、星点状等散落在基底上。
菊花石花瓣放射状实为一个个菱面体晶体形态紧挨或断续连接所致，其矿物成分主要是方解石和玉髓(石英)，有的含菱锶矿及天青石。矿物生成顺序及交代现象明显，镜下见花瓣中有基底生物碎屑灰岩被交代的残余。菱锶矿沿天青石颗粒边缘交代。菱锶矿位于中央，四周为方解石、玉髓(石英)组成环带构造，等等。花蕊主要由方解石和玉髓(石英)组成。菊花石的化学成分主要由CaO、CO.. 2.. 及SiO.. 2.. 组成，有的含SrO高(表2)，并且SrO的含量与CaO、SiO.. 2.. 呈反相关，即CaO、SiO.. 2.. 的含量越高，SrO的含量越少，说明随着交代作用的强烈发生， 早期生成的锶矿物被大量交代。此外，菊花石与基底成分相比，菊花石的特点是SrO及SiO.. 2.. 含量高，而基底很少
三、成因探讨..
关于菊花石的成因，目前仍有争议，没有一致看法。有人认为是接触交代形成，有人认为是一种古生物化石，等等。但这些结论都未见有可靠证据报道。..
根据对湖北菊花石的地质产出和岩石特征的研究，菊花石是含锶高碳酸盐岩在成岩深埋藏阶段后期经重结晶—交代作用形成的。下面就物质来源、生成阶段和形成方式等问题作一简单说明。..
物质来源。菊花石作为一种沉积成因的碳酸盐岩，仅赋存下二叠世栖霞组灰岩段的生物碎屑灰岩中，其它层位及岩石中未发现。因此，菊花石的物质来源必然与其依存的生物碎屑灰岩有关。从化学组成得知，它们有相同的化学成分，富含Ca、Si和CO.. 2.. 等。但菊花石最重要的特征成分特征Sr元素来自哪里？据对湖北数地二叠系栖霞灰岩的Sr成分分析(表3)得知，恩施含菊花石生物碎屑灰岩的Sr含量最高，为0.085％～0.135％，高于世界碳酸盐岩Sr平均含量0.061％(据Turekien，1956)，属于含锶高灰岩。而湖北鄂州等地同层位灰岩含Sr低，也不含菊花石。由此不难看出，恩施二叠系含锶高的生物碎屑灰岩，不仅提供了菊花石的主要成分Ca、SiO.. 2.. 、CO.. 2.. ，而且为最多显著特征锶矿物组成提供物质来源。总之，没有含锶高的碳酸盐岩是产生不出菊花石的，这也是菊花石稀少，产于一定层位的重要原因。..
生成阶段。恩施菊花石产于二叠系栖霞灰岩，生成在二亿多年前。但众多证据表明，菊花石与基底生物碎屑灰岩是不同成岩阶段在不同成岩环境下形成的。基底生物碎屑灰岩从松散沉积物到固结成岩，成岩作用有重力胶结、压溶缝合线、泥晶化、白云石化和自生长石等结构特征，反映它经历了早期和中期成岩阶段。而菊花石矿物组成具粗晶结构和交代结构，并在菊花石颗粒内包裹有基底岩石，说明菊花石是在基底岩石固结后才开始生成。此外，晚期方解石细脉穿插菊花石，或与之相连。故菊花石为成岩中期深埋藏阶段后期生成。..
形成方式。整个恩施地区大面积出露的都是沉积岩地层，没有任何岩浆活动和变质作用。因此，菊花石的生成只与沉积成岩作用有关，其形成过程为基底生物碎屑灰岩到深埋藏阶段后期。由于温度压力高，粒间水及层间水溶有较多的Sr、Ca、Si、CO.. 2.. 等，可能因蒸发或比重等因素，先是造成Sr.. 2+.. 过饱和，与SO.. 3.. 2-.. 结合生成天青石，并长大为粗晶，具完好的板柱状晶形。之后，由于组份的不断变化，早期形成的矿物被后期矿物交代，发生菱锶矿交代天青石，玉髓(石英)、方解石交代天青石、菱锶矿等，交代强烈甚至完全取代，仅保留菱面体假象。由上述知，湖北菊花石是通过重结晶—交代作用形成的。