（本文發表于2023年第4期）

> 釩元素 視覺中國 / 供

第一作者簡介

劉成林，教授，博士生導師，研究方向為油氣地球化學與資源評價、非常規油氣地質。

億萬斯年，地殼的發展演化一直遵循著特定規律，不停進行著物質循環和能量轉化。其中，無機礦物與有機質之間的耦合作用關系，則遠比人們之前的認識要豐富得多。本文以釩為例，詳敘其與有機質的密切聯系，一窺礦物成藏的謎底所在。

與釩初識：

釩的應用與分布

釩（vanadium）是一種金屬元素，因其化合物色澤鮮艷明亮，故而賦以北歐神話中的美麗女神“凡娜迪絲（Vanadis）”之名。它是具有戰略意義的稀有金屬，應用領域十分廣泛。含釩鋼具有強度高、韌性大、耐磨性好等優良特性，廣泛應用于機械、汽車、造船、鐵路、航空、橋梁、電子技術、國防工業等行業，約占釩消耗量的85%。大約有10%的釩用于生產航天工業所需的鈦合金。釩在鈦合金中可以作為穩定劑和強化劑，使鈦合金具有很好的延展性和可塑性。金屬釩具有熔點高、易加工、耐腐蝕、快中子吸收截面小等特點，主要用于原子能工業、超導合金材料、特種合金的添加劑以及電子工業等方面。釩在化學工業中主要作為催化劑和著色劑。釩還被用于生產可充電氫蓄電池或釩氧化還原蓄電池，等等。

> 紅釩鉛礦 視覺中國 / 供

自然界中，釩通常以礦物形式存在，主要有釩鈦磁鐵礦、鉀釩鈾礦和石油伴生礦，現在已探明的釩資源約有98%存在于釩鈦磁鐵礦中。根據美國地質調查局不完全統計，2021年，全球釩資源儲量（以釩金屬計，可開采量）約2 400 萬噸，其中，中國儲量居世界第一，約950萬噸。俄羅斯、南非和澳大利亞也是釩資源大國。

我國釩礦主要有兩種類型，一是與巖漿活動相關的巖漿型釩礦，主要有河北承德大廟黑山釩鈦磁鐵礦和四川攀枝花釩鈦磁鐵礦；二是與水體沉積作用相關的黑色巖系型釩礦，廣泛分布于湖南、湖北、貴州、江西、浙江、河南、陜西、甘肅和新疆等地，其與黑色巖系的分布密切相關。

黑色巖系：

礦產之家

黑色巖系在貧氧或缺氧水體中形成，是具有一定沉積學、古生態學和地球化學特征的黑色細粒沉積巖組合。它形成于地球演化中特定的地質環境，具有多類型和成因多樣化特點，不同黑色巖系反映出不同地質背景和沉積缺氧環境。普遍具有陸源碎屑、深部熱流、生物和宇宙等多種物質來源，主要包括硅質巖、磷塊巖、碳質泥巖、粉砂巖、石煤、重晶石巖和碳酸鹽巖，等等。

在貧氧—缺氧環境中，水體和營養物質交換受到限制，原始光面球藻、粗面球形藻和網面球藻等浮游藻類、宏觀底棲藻類、海綿等浮游動物，以及細菌等生物大量死亡，沉入水底，為有機質和釩元素的富集提供了良好的條件。

黑色巖系能夠產出不同類型的金屬、非金屬礦床與石油、天然氣。早在20世紀80年代中后期，國際上興起并開展“含金屬黑色頁巖”“有機質與礦產資源”和“重要環境中的有機質”等國際地質對比計劃研究。多年研究認為黑色巖系礦床形成機理包括同生沉積初始富集與沉積、沉積成巖與后生地質作用輕微改造、構造—熱液強烈改造、變質與構造—熱液改造成礦機理。

> 巖漿型釩礦： 釩鈦磁鐵礦

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> 沉積型釩礦： 南秦嶺千家坪釩礦礦體特征 （徐林剛 等，2022）

黑色巖系廣泛存在于沉積地層中，在時間上跨越元古宙和顯生宙，在空間上廣泛分布于五大洲。例如，俄羅斯西伯利亞里菲系上部以及波蘭的前寒武系，印度小喜馬拉雅、伊朗、巴基斯坦北部、法國南部、威爾士、英格蘭、俄羅斯、阿曼北部、澳大利亞南部、加拿大、蒙古等地的下寒武統，加拿大育空地區的中上泥盆統，英格蘭南部、荷蘭、德國到中歐諸國的上二疊統均發育黑色巖系。

我國黑色巖系分布廣泛，礦床最為集中的有華南中新元古界、震旦系、上泥盆統、下寒武統。

> 青海省北部砂巖微裂隙及粒間孔隙中的碳瀝青

> 湖南省西部黑色巖系

釩與有機質：

相伴相生

在數億年的地質時期，釩與有機質一起經歷滄海桑田，相互成就，最終賦存在同一空間。海洋生物通過新陳代謝作用攝入一定量的釩供生命活動使用。浮游生物、底棲生物等具有富集金屬能力明顯的纖維素外壁，從周圍環境中不斷攝入釩，釩在生物體內不斷增加。這些生物死亡后，釩等金屬元素與生物遺體共同沉積，缺氧環境也提供了良好的保存條件，在其后的成巖作用過程中，釩通過吸附作用或交代作用在有機質和黏土礦物中慢慢富集。

通過參與有機質生烴反應，釩與有機質形成絡合物，攜手進入油氣，并運移至儲層中。由于巖漿熱液作用以及金屬元素的催化作用，有機質不斷發生熱演化直至形成碳瀝青（一種經受過高溫過程、含碳量高的黑色堅硬固體瀝青）。釩也相應發生成礦作用，最終在黑色巖系中等到它們的身影。

筆者曾為之作詩一首：

牽 手

女神居祁連，湘西名釩海。

尋伊路千里，叩問黑色巖。

早古洋浩瀚，熱流伴火山。

釩與有機質，牽手億萬年。

> 釩與有機質的演化及聚集模式

見微知著：

服務找礦事業

對黑色巖系的研究，可深化認識地球表層或淺部化學元素的分布規律與機制，尤其是可以揭示地球演化中元素在沉積圈內時空上涌現和聚集的不均一性，特別是環境突變的成因，從而有助于重塑和認識地球演化的歷史和過程。

作為油氣母質的生物在繁殖、聚集、生油氣過程中均會影響某些特定類型元素的富集和保存，適宜有機質保存的沉積環境同樣具備能夠穩定保存某些特定元素并助其成礦的優良條件。開展油氣資源與一種或多種固體礦產資源之間的協同勘探工作在理論上是可行的，廣泛存在的黑色巖系伴生礦床的發現也表明開展協同勘探具有重要的現實意義。

我國大多數沉積盆地不僅具有“上陸（相）、下海（相）”，而且常呈現“有機和無機”的疊合特征，金屬形成與油氣的生成、演化以及成藏表現出密切聯系。兼顧油氣、金屬、非金屬礦產資源的協同勘探模式，為資源類型多樣、環境復雜多變地區的勘探工作提供了一種有效思路，可以提高勘探效率，促進多種能源共同勘探開發，更有效地服務于國家找礦事業。

作者： 劉成林 許 諾 龔宏偉 劉永軍 頓 超 童 超 徐 韻

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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