冀北赤城霧迷山組硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境

鄭秀才 （長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

冀北赤城霧迷山組硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境

鄭秀才 （長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

冀北赤城霧迷山組發(fā)育的硅質(zhì)巖屬于低硅質(zhì)含量硅質(zhì)巖，其SiO2平均含量為83.76%。巖石Al2O3含量 （平均0.03%）和TiO2含量 （平均0.01%）相對(duì)較低，MgO含量 （平均3.65%）相對(duì)于Al2O3和TiO2含量較高，但明顯與SiO2呈負(fù)相關(guān)。Fe/Ti、（Fe＋ Mn）/Ti、Al/（Al＋Fe＋Mn）比值，Al－Fe－Mn、Fe/Ti和Al/（A1＋Fe＋Mn）的圖解都顯示區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖具有明顯的熱水沉積的特征；MnO/TiO2比值，F(xiàn)e2O3/TiO2和Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）雙變量圖解判別顯示硅質(zhì)來源于大洋中脊；CaO/（Fe＋CaO）、（MgO/Al2O3）×100比值指示出其形成于高鹽度環(huán)境。

硅質(zhì)巖；熱水沉積；地球化學(xué)；沉積環(huán)境；霧迷山組；冀北

燕山地區(qū)中元古代霧迷山組發(fā)育一套白云巖，其中以夾層或者互層狀產(chǎn)出大量的硅質(zhì)巖，野外露頭上非常醒目，引起許多研究者的關(guān)注［1～3］。這些研究主要集中在燕山地區(qū)的東段，涉及西段的文獻(xiàn)甚少。

中晚元古代華北地臺(tái)處于燕遼拗拉谷拉張發(fā)展階段，其位于內(nèi)蒙古古陸南側(cè)，是華北地區(qū)強(qiáng)烈拗陷地帶，高于莊組－霧迷山組期燕遼拗拉谷構(gòu)造古地理格局表現(xiàn)為一個(gè)巖相受軸部斷裂控制的古陸棚海盆 （圖1）［4，5］。

研究區(qū)位于燕遼拗拉谷盆地西北部 （圖1）。實(shí)測(cè)剖面位于河北省赤城縣東卯鎮(zhèn)的古子房一帶，區(qū)內(nèi)地層出露良好，霧迷山組地層出露齊全，實(shí)測(cè)厚度1860.04m，明顯較東段薄 （薊縣剖面約3300m，凌源剖面約2947m）。主要巖性為白云巖，包括泥晶云巖、藻疊層云巖、鮞粒云巖、內(nèi)碎屑云巖和硅質(zhì)巖等。硅質(zhì)巖呈薄層狀、條帶狀、結(jié)核狀和團(tuán)塊狀呈夾層或者互層產(chǎn)出于白云巖中。

筆者對(duì)該套硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為燕山西段霧迷山組硅質(zhì)巖地球化學(xué)研究提供了實(shí)例，填補(bǔ)了燕山西段霧迷山組硅質(zhì)巖地球化學(xué)研究的空白。

1 巖石學(xué)特征

1.1 結(jié)晶硅質(zhì)巖

該類巖石普遍發(fā)育，是硅質(zhì)巖中的最主要巖石類型。巖石以淺色調(diào)為主，少量深色調(diào)結(jié)晶硅質(zhì)巖。其產(chǎn)狀多樣，主要以薄層狀 （圖2（a））、條帶狀、透鏡狀和團(tuán)塊狀為主。鏡下薄片觀察，巖石主要由玉髓和石英組成 （圖2（b）），具隱晶－微晶結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均一。石英一般為微晶質(zhì)，局部可重結(jié)晶達(dá)粉晶或細(xì)晶級(jí)；玉髓多為小球狀、纖維狀。鏡下顆粒極細(xì)，一般0.01～0.05mm，甚至更細(xì)。

1.2 顆粒硅質(zhì)巖

顆粒硅質(zhì)巖在野外呈褐色、淺褐色、淺灰色者為主，呈條帶狀、團(tuán)塊狀，順層狀產(chǎn)夾于紋層泥晶云巖、顆粒云巖等巖石之中。顆粒的主要類型包括鮞粒、藻鮞、似鮞粒和硅質(zhì)球粒等。

鮞粒硅質(zhì)巖與周圍的白云巖呈不規(guī)則接觸，接觸關(guān)系清楚，橫向上可以過渡為鮞粒白云巖。薄片顯微鏡下，鮞粒呈圓形，大小在0.5～1mm之間，具有明顯的同心層狀構(gòu)造，大小均勻，分選好。鮞粒含量在80%～85%左右。巖石為接觸－孔隙式膠結(jié)，硅質(zhì)膠結(jié)，保留了原生結(jié)構(gòu)的殘余暗影，具有明顯交代成因的特征。

圖2 野外照片及巖石薄片

似鮞粒、藻鮞、硅質(zhì)球粒等顆粒硅質(zhì)巖露頭上呈層狀，或者斷續(xù)呈層的條帶狀。似鮞粒的外表形態(tài)與鮞粒相仿，顆粒大小與鮞粒相近或者稍小，所不同的是它們一般不具內(nèi)部結(jié)構(gòu) （圖2（c）），也沒有明顯的核心，空間上與鮞粒云巖無關(guān)。藻鮞其外形與一般鮞粒相同，呈球形、橢球形，粒徑為0.05～0.4mm，少數(shù)可大于0.5mm。但藻鮞內(nèi)部具有與有機(jī)質(zhì)殘余有關(guān)的輻射狀、麻點(diǎn)狀、花瓣?duì)畹葍?nèi)部結(jié)構(gòu)。硅質(zhì)球粒大小在0.5～1mm之間，放大鏡下即可觀察到似 “瑪瑙”的同心層構(gòu)造，顯微鏡下球粒由放射纖維狀或微晶玉髓組成，具同心層構(gòu)造，沒有明顯的交代現(xiàn)象，可能為原生沉淀或成巖期的新生變形的產(chǎn)物。

1.3 疊層石硅質(zhì)巖

其產(chǎn)狀主要呈條帶狀、薄層狀和少量的團(tuán)塊狀。野外露頭上，疊層石硅質(zhì)巖也具有明顯的由 “亮暗”相間的 “紋層對(duì)”疊加而成 （圖2（d））。疊層石硅質(zhì)巖中，一類橫向上可 “過渡”為疊層石白云巖，這類硅質(zhì)巖應(yīng)為疊層石白云巖的交代產(chǎn)物。但是還有大量硅質(zhì)疊層石主要分布在層狀、層紋狀硅質(zhì)巖中或者呈層狀、層紋狀成層分布，露頭上宏觀觀察均無明顯交代現(xiàn)象，其基本層由暗色和亮色兩種硅質(zhì)層紋織成，鏡下暗層富含有機(jī)質(zhì)，常被瀝青質(zhì)浸染為黃色，具藻纖結(jié)構(gòu)，纖維狀玉髓放射狀，不顯交代現(xiàn)象。亮層由顆粒較大的石英和纖維狀玉髓組成，有時(shí)見有以褐色團(tuán)塊為中心，周圍具放射性或者同心圓狀纖維狀玉髓組成球狀構(gòu)造。顯然該類硅質(zhì)巖不是后期交代成因。

2 樣品分析結(jié)果

該次研究對(duì)不同產(chǎn)狀的硅質(zhì)巖進(jìn)行樣品采樣。樣品主要由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。分析結(jié)果如表1。

表1 區(qū)內(nèi)霧迷山組硅質(zhì)巖化學(xué)分析結(jié)果

從表1看，該區(qū)硅質(zhì)巖主要化學(xué)成分中SiO2的含量變化范圍為61.82%～98.23%，其中7件樣品屬于純硅質(zhì)巖 （SiO2含量為91.18%～98.23%）［6］；總體平均值為83.76%，屬于低硅質(zhì)含量的硅質(zhì)巖。Al2O3和TiO2含量相對(duì)較低，Al2O3含量為0.01%～0.37% （平均0.03%），TiO2平均含量為0.01% ，表明區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖其來源遠(yuǎn)離大陸邊緣。區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖 MgO含量在0.28%～8.83%，平均3.65%，相對(duì)于Al2O3和TiO2其含量較高，但明顯與SiO2呈負(fù)相關(guān)。

3 討 論

3.1 硅質(zhì)巖的成因

硅質(zhì)巖中Fe、Mn富集主要與熱液的參與有關(guān)，而Al富集則與陸源物質(zhì)的介入有關(guān)［7，8］。Bostrom等［8，9］提出利用 Fe/Ti、 （Fe＋Mn）/Ti、Al/（Al＋Fe＋Mn）來判別熱水和正常海水沉積物。當(dāng)上述指標(biāo)分別大于20、25，小于0.35時(shí)一般認(rèn)為屬于熱水來源的沉積物。Adachi等［7］研究表明，純生物成因的硅質(zhì)巖Al/（Al＋Fe＋Mn）的值接近0.6，而純熱水成因的硅質(zhì)巖該值接近0.01，受熱水作用影響的硅質(zhì)巖該值小于0.35。由表2可以看出，該區(qū)Fe/Ti在61.62～294.82，平均131； （Fe＋Mn）/Ti在 66.13～317.36，平 均 為 140；Al/ （Al＋Fe＋Mn）在0.01～0.20，平均0.02。顯然，這些判別指標(biāo)均與國內(nèi)外典型的熱水成因硅質(zhì)巖相似，而與生物成因硅質(zhì)巖和非熱水成因硅質(zhì)巖具有明顯差別，顯示了區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖與熱液活動(dòng)有關(guān)。

表2 硅質(zhì)巖成因判別指標(biāo)特征

Bostrom［9］和 Spry［10］利用 Fe/Ti和 Al/（A1＋Fe＋Mn）圖解判別熱水源與陸源物質(zhì)混合比例，取得了很好的效果。在Fe/Ti和A1/（Al＋Fe＋Mn）關(guān)系圖 （圖3）上，區(qū)內(nèi)的樣品主要集中在曲線上半部，熱水源比例在60%～80%，大部分樣品的熱水源比例為80%左右，且顯示集中分布的特征，只有一個(gè)樣品的熱水源比例占60%，表明區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖主要為熱水作用產(chǎn)物，陸源物質(zhì)有參與。

Adachi等［7］和Yamamoto［11］在系統(tǒng)研究了熱水成因沉積與正常生物成因沉積硅質(zhì)巖后 ，提出Al－Fe－Mn三角圖。把該區(qū)樣品在圖上投點(diǎn) （圖4），可以看出全部樣品投點(diǎn)均落在熱水成因沉積硅質(zhì)巖區(qū)內(nèi)，反映出硅質(zhì)巖主要為熱水成因沉積作用的產(chǎn)物。

圖3 硅質(zhì)巖Fe/Ti和A1/ （A1＋Fe＋Mn）圖解 （據(jù)文獻(xiàn) ［10］）

圖4 硅質(zhì)巖成因判別Al－Fe－Mn三角圖

3.2 硅質(zhì)來源的構(gòu)造環(huán)境

硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征能很好地反映沉積環(huán)境，許多研究者提出了用硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征來判斷其形成時(shí)的構(gòu)造環(huán)境［6，7，11～13］。

Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）是判別硅質(zhì)巖形成環(huán)境的一個(gè)重要標(biāo)志［6］。洋中脊硅質(zhì)巖Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）的比值＜0.4，大洋盆地在0.4～0.7之間，大陸邊緣則在0.5～0.9。區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖樣品的Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）都介于0.1～0.34之間，表現(xiàn)出類似于洋中脊硅質(zhì)巖的特征。

MnO/TiO2也可以作為判斷硅質(zhì)巖來源及沉積盆地古地理位置的重要標(biāo)志［6，7，12，13］。研究表明，離陸較近的大陸斜坡和邊緣海沉積的硅質(zhì)巖的MnO/TiO2值一般小于0.5；而開闊大洋中的硅質(zhì)沉積物的比值則比較高，可達(dá)0.5～3.5。區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖MnO/TiO2的比值在3.49～17.45之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開闊大洋硅質(zhì)巖，類似于藏南彭錯(cuò)林［14］，反映硅質(zhì)巖形成于洋中脊附近和深海盆地環(huán)境。

Al2O3和TiO2的含量具有指示陸緣物質(zhì)來源的意義，而Fe2O3被用作洋中脊熱水活動(dòng)組分的指標(biāo)，并且它們?cè)诔蓭r過程中相對(duì)穩(wěn)定不易變化，因此，常利用Fe2O3/TiO2和Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）圖解來判別硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境［6］。在圖5中，區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖樣品均分布在洋中脊附近硅質(zhì)巖區(qū)，與比值法判別的結(jié)果一致。

圖5 Fe2O3/TiO2 和Al2O3/ （Al2O3＋Fe2O3）圖解

熱水沉積作用受熱源形成和活動(dòng)機(jī)制、熱源穩(wěn)定性及維持時(shí)間長短、深部殼－幔相互作用等因素的制約。它可以發(fā)育于地殼演化的不同階段和各種大地構(gòu)造位置。大洋中脊、弧后和弧間盆地、裂谷或斷陷盆地等都是理想的熱水活動(dòng)沉積的場(chǎng)所。區(qū)內(nèi)霧迷山組沉積時(shí)期處于拗拉谷發(fā)育階段［4，5］，是一個(gè)受軸部斷裂控制的古陸棚海盆，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的拉張作用，因此從地殼深部經(jīng)斷裂到淺部的熱液流體活動(dòng)強(qiáng)烈，這為區(qū)內(nèi)熱水成因硅質(zhì)巖的形成提供了理想的構(gòu)造環(huán)境。這種強(qiáng)烈的拉張作用的構(gòu)造背景，導(dǎo)致了區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖化學(xué)特征的判別上類似于大洋中脊的特點(diǎn)。

3.3 硅質(zhì)巖形成的水體環(huán)境

許多研究者應(yīng)用CaO/（Fe＋CaO）和 MgO/Al2O3比值作為水體鹽度的指標(biāo)［15～17］。一般認(rèn)為，CaO/ （Fe＋CaO）其值小于0.2為低鹽度，0.2～0.5為中等鹽度，大于0.5為高鹽度；區(qū)內(nèi)霧迷山組硅質(zhì)巖CaO/（Fe＋CaO）的比值在0.33～0.97范圍，平均為0.87，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.5，表明其形成于高鹽度環(huán)境。

（MgO/Al2O3）×100比值作為水體環(huán)境指標(biāo)時(shí)，淡水沉積環(huán)境該值小于1，海陸過渡沉積環(huán)境在1～10之間，海水沉積環(huán)境在10～100［17］。區(qū)內(nèi)霧迷山組硅質(zhì)巖 MgO/Al2O3的比值在84～3550范圍，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100，表明其形成于海水環(huán)境。這與CaO/（Fe＋CaO）參數(shù)判別結(jié)果一致。

3.4 因子分析

對(duì)區(qū)內(nèi)的硅質(zhì)巖主元素進(jìn)行R型因子分析得到的結(jié)果見表3。

第1主因子中的元素包括CaO、MgO、SiO2，其中CaO、MgO存在強(qiáng)烈的正相關(guān)性，而與SiO2呈負(fù)相關(guān)。這種負(fù)相關(guān)可能表明：①硅質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖的交代；②硅質(zhì)巖和碳酸鹽巖的交替沉積?？紤]到取樣時(shí)排除了交代成因硅質(zhì)巖，筆者認(rèn)為其反映了硅質(zhì)巖和碳酸鹽巖的交替沉淀過程。這與王正允等［1］成巖研究得出區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖脈動(dòng)成因機(jī)理的結(jié)論一致。

第2主因子為Al2O3、TiO2、K2O和 Na2O，反映陸源物質(zhì)的部分。Al2O3和TiO2含量很少受成巖作用和后期變質(zhì)作用的影響，其含量主要取決于陸源物質(zhì)的輸入量［12］，表明在熱水沉積作用發(fā)生的同時(shí)，正常沉積作用仍然存在［18］，這與Fe/Ti和A1/（A1＋Fe＋Mn）圖解判別結(jié)果一致 （圖3）。

表3 區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖主元素R型因子分析結(jié)果

第3主因子為Fe2O3和MnO。Maynard［19］認(rèn)為FeO和MnO具有相似的沉積地球化學(xué)特性，在還原環(huán)境中FeO和MnO通常表現(xiàn)為正相關(guān)性。區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖并不支持FeO和MnO組合，而是與Fe2O3具有良好的正相關(guān)。這一特征與華南地區(qū)二疊系硅質(zhì)巖相似［19］，表明區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖形成于氧化環(huán)境，反映了區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖熱水沉積成因的特征。

第4主因子為P2O5。楊海生等［20］認(rèn)為，它是硅質(zhì)巖熱水成因的結(jié)果。

4 結(jié) 語

區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征的研究表明，其明顯具有熱水成因的特征，硅質(zhì)來源于類似于洋中脊的拗拉谷構(gòu)造背景條件，形成于高鹽度水體環(huán)境中，常量元素R型因子分析結(jié)果第1主因子CaO、MgO與SiO2呈負(fù)相關(guān)，表明碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖的沉積互為消長，體現(xiàn)了沉積作用脈動(dòng)過程，這與野外觀察到的硅質(zhì)巖與碳酸鹽巖的 “交替互層”構(gòu)造相一致。

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Geochemical Characteristics of Siliceous Rocks in Wumishan Formation of Northern Hebei

ZHENG Xiu－cai（Author's Address：College of Technology and Engineering，Yangtze University，Jingzhou434020，Hubei，China）

The siliceous rocks in Wumishan Formation of Northern Hebei are characterized by low content of the siliceous rocks with average content of 83.76%，the major elements such as Al2O3（the average content of 0.03%）and TiO2（the average content of 0.01%），were low and MnO（the average content of 3.65%）was higher，and was negatively correlated with SiO2.The ratios of Fe/Ti，（Fe＋ Mn）/Ti，Al/（Al＋Fe＋Mn）and Al－Fe－Mn diagrams show that the siliceous rocks are the sedimentary rocks of hydrothermal origin.From the MnO/TiO2ratios，and Fe2O3/TiO2－Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）diagrams，the hydrothermal system are mainly distributed in the tensile environment such as MOR，Arc－rear basin，Aulacogen and so on.The ratios of CaO/（Fe＋CaO）and MgO/Al2O3×100show that the seawater during the deposition of the siliceous rocks in the Wumishan Formation in northern Hebei might be freshened.

siliceous rock；hydrothermal sediment；geochemistry；depositional environment；Wumishan Formation；northern Hebei

P59

A

1000－9752（2011）06－0053－06

2011－03－16

中國石油化工股份有限公司海相前瞻性研究項(xiàng)目 （YPH08026）。

鄭秀才 （1963－），男，1987年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，研究員，現(xiàn)主要從事沉積與儲(chǔ)層方面的研究工作。

［編輯］ 龍 舟