南秦嶺竹山地區(qū)硅質巖的地球化學特征及其形成環(huán)境

張 眾，劉成新，艾智龍，郝仁紅，楊 成，劉萬亮，萬 俊，段先鋒

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

上世紀90年代以來,秦嶺造山帶地殼演化被歸結為多個階段的裂解、匯聚、拼合等交替過程[1-2]；商丹和勉略縫合帶的確定[1-4],將秦嶺造山帶分為：兩縫(勉略縫合帶和商丹縫合帶)三塊(秦嶺微板塊、華北板塊及揚子板塊),并認為勉略洋是在晚古生代形成的再生洋盆,這一系列的成果是基于南北秦嶺構造帶中古生代蛇綠巖帶的確定及蛇綠巖帶中硅質巖的研究[3,5]。

本文擬通過對竹山斷裂南緣所采集的硅質巖進行元素地球化學研究,結合前人的研究成果,探討該區(qū)硅質巖的形成環(huán)境和構造背景。

1 地質背景

石泉—安康—竹山斷裂帶北西端延至陜西安康、石泉,往東經竹山縣,至房縣與青峰斷裂會聚。該構造帶為南北兩條斷裂所圍限,帶內物質組合為前人劃分的武當巖群、耀嶺河組及窄條狀震旦系、寒武系地層,與“構造混雜巖”特征相近。

研究所采集的硅質巖位于竹山斷裂帶南緣,竹山縣城南西6.8 km的保安村附近的保安寨剖面,共采集到5件樣品(圖1、圖2)。硅質巖為楊家堡組硅質巖,產出于基性火山巖(耀嶺河組)之上,與中性火山巖呈互層產出,硅質巖中可見薄層片理化火山巖(圖3-a),與基性火山巖接觸部位可見滑塌的灰?guī)r團塊(圖3-a,b),硅質巖內部可見灰?guī)r薄層(圖3-c)。

硅質巖經鑒定為紋層狀含碳質(鈣質)硅質巖,主要礦物以自生石英—硅質為主(含量可>95%)。含有一定量的炭質、鈣質、粘土礦物,因炭質及粘土礦物的層狀富集構成了顯微鏡下巖石的紋層狀構造(圖3-d,e)。

圖1 秦嶺構造簡圖(據(jù)張國偉等[4])Fig.1 Structural sketch of Qinling Mountains

圖2 竹山地區(qū)剖面簡圖及硅質巖采樣位置圖Fig.2 Profile map and sampling location map of siliceous rocks in Zhushan area 1.基性火山巖；2.中性火山巖；3.硅質巖；4.灰?guī)r；5.炭質千枚巖。

圖3 硅質巖產出特征及鏡下特征Fig.3 Occurrence characteristics and microscopiccharacteristics of siliceous rocks

2 樣品采集及分析

樣品由湖北省地質實驗測試中心(國土資源部武漢礦產資源監(jiān)督檢測中心)完成。主量元素分析采用X射線熒光光譜分析熔鑄玻璃片法,分析儀器為XRF-1599(X-ray fluorescence),分析精度為1%。微量元素、稀土元素由FinningMAT公司生產的激光剝蝕—電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定,分析精度高于5%,部分過渡元素(如Ⅴ)分析精度介于5%～10%,用于ICP-MS分析樣品，其流程如下：①取粉碎至200目以下的樣品粉末放入90 ℃烘箱中4 h,取粉末50 mg放入特氟龍(Teflon)溶樣器中；②采用特氟龍(Teflon)溶樣器中加入HF+HNO3混合酸,在195 ℃條件下消解48 h；③溶解好的樣液在120 ℃條件下蒸干除Si后,樣品用2%的HNO3稀釋2 000倍,定容于干凈的聚酯瓶。

3 硅質巖地球化學特征及沉積環(huán)境

3.1 主量元素

測試樣品的SiO2含量在96%以上,均在純硅質巖含量范圍(91%～99.8%)變化[6]。

硅質巖的主要元素Fe、Mn、Al含量可用于區(qū)分其成因類型,Fe、Mn的富集主要與熱液的參與有關；而Al的富集則與陸源物質的介入有關。Al/(Al+Fe+Mn)常用來衡量沉積物中熱液沉積物的含量[7],且該比值多變化于0.01(純熱液成因)～0.06(純生物成因),熱液成因的硅質巖Al/(Al+Fe+Mn)<0.4,而受陸源碎屑影響的硅質巖則相反,Al/(Al+Fe+Mn)>0.4[8-9]。從表1的主量元素分析結果可以得出,研究區(qū)的硅質巖Al/(Al+Fe+Mn)值為0.19～0.30,屬于熱液成因。

表1 硅質巖主量元素組成(%)Table 1 Major element composition of siliceous rocks

Bostrom等和Yamamotom利用已知成因硅質巖建立了判別硅質巖成因的Al-Fe-Mn圖解[7,9],將研究區(qū)硅質巖的Al、Fe、Mn投入圖4,可見樣品落于Ⅱ類型區(qū)域,說明研究區(qū)樣品屬熱液成因,不受陸源碎屑影響。

Murray等指出Al2O3和TiO2與鋁硅酸鹽礦物有很好的親緣性,其含量可用于指示陸源物質的加入多少,Fe2O3在洋中脊附近沉積物中相對富集,被用于洋中脊熱液組分活動的指標,且它們在成巖過程中相對穩(wěn)定,故將Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)作為判斷硅質巖沉積環(huán)境的指標。研究區(qū)硅質巖Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)范圍大致在0.26～0.39,與洋中脊硅質巖(<0.4)一致,不同于大陸邊緣硅質巖(0.4～0.7)。在Fe2O3/(100-SiO2)-Al2O3/(100-SiO2)圖解中它們大致分布于洋中脊范圍內(圖5-a),在Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解中則處于洋中脊附近(圖5-b),遠離大陸邊緣所在區(qū)域。但它們的Fe2O3含量很低(0.13～0.51),不同于洋中脊硅質巖特征。這些特征說明研究區(qū)硅質巖形成于遠離大陸靠近洋中脊的深海盆地。

圖4 硅質巖的Al-Fe-Mn(底圖據(jù)Yamamoto[9])Fig.4 Al-Fe-Mn in siliceous rocksⅠ.正常沉積硅質巖；Ⅱ.熱水沉積硅質巖。

圖5 硅質巖形成環(huán)境判別圖(底圖據(jù) Murray[17])Fig.5 Discrimination diagram of siliceous rock forming environment

3.2 微量元素

微量元素含量分析測試結果及有關化學參數(shù)如表2。硅質巖大部分微量元素是小于地殼元素豐度的,但是V、Ba、As、Sb、U明顯較高。

Herzig等人通過對現(xiàn)代地熱田及海底熱水沉積物的分析,指出Ba、As、Sb、U主要來源于海底熱水系統(tǒng)淋濾盆地基底巖石的活潑性元素或深部巖漿房揮發(fā)分的直接釋放,故熱水或熱泉沉積成因的硅質巖中通常以含量高為特征[10]。

Marchig等研究得出,Zr的含量在正常深海、成巖含金屬沉積物中通常>100×10-6；而熱水沉積物中一般<50×10-6,且不隨Cr的升高而升高,是區(qū)分熱水沉積和正常深海的重要標志[11]。由表2中數(shù)據(jù),本次樣品Zr含量32.9×10-6～65.1×10-6,平均值在48.70×10-6,符合熱水沉積特征。

Kato等指出Nb、Rb、Th等元素主要來源于陸源,不溶于海水,它們在硅質巖中含量可用于指示成巖過程受陸源物質的影響程度[12]。本文測試樣品的Nb=0.20×10-6～2.05×10-6(平均值0.98×10-6),Rb=2.74×10-6～6.17×10-6(平均值4.14×10-6),Th=0.23×10-6～1.13×10-6(平均值0.58×10-6),均遠小于地殼豐度值；McLennan等通過研究得出U和Th在熱水沉積環(huán)境和正常沉積環(huán)境中會出現(xiàn)分異的結論,認為相對Th,熱水沉積中更富集U,樣品中U明顯高于Th,其比值>1,反映其受熱水沉積作用[13]；Wignall利用U和Th的相互關系(δU=6U/(3U+Th))來判斷沉積環(huán)境,指出δU>1表示缺氧環(huán)境,δU<1表示正常海水環(huán)境[14]。如表2所示,樣品的δU極其一致,均>1。據(jù)此判斷,研究區(qū)的硅質巖沉積環(huán)境符合熱水體系的缺氧環(huán)境特征。

表2 硅質巖微量元素分析結果(×10-6)Table 2 Analysis results of trace elements in siliceous rocks

3.3 稀土元素

稀土分析結果及相關化學參數(shù)如表3。其中,稀土元素數(shù)據(jù)分析采用北美頁巖組合樣進行標準化處理,Ce/Ce*和Eu/Eu*值采用Ce/Ce*=CeN/(LaN×PrN)1/2和Eu/Eu*=EuN/(SmN×GdN)1/2[15]。

前人研究表明熱水成因的硅質巖ΣREE往往偏低,測試樣品ΣREE為9.14×10-6～16.29×10-6,平均為12.57×10-6,符合熱水沉積硅質巖總量特征(ΣREE<200×10-6)[16]。稀土元素配分模式圖(圖6)中硅質巖表現(xiàn)出富集重稀土的左傾,Eu正異常、Ce負異常的特征,具有明顯熱水沉積的成因特征[17],并符合洋脊盆地發(fā)育與海底熱液活動有關的硅質巖特征[18]。

表3 硅質巖的稀土元素分析結果(×10-6)Table 3 REE analysis results of siliceous rocks

圖6 硅質巖稀土元素配分模式圖(Pm據(jù)內插法求得)Fig.6 REE distribution pattern of siliceous rocks

通過對(La/Lu)N、(La/Yb)N及(La/Ce)N研究發(fā)現(xiàn)，從洋中脊—離開洋中脊—大陸邊緣過程中,三個指標均有規(guī)律的變化,一定程度上通過該項指標的比對可判斷硅質巖的形成環(huán)境[15-16]。

(La/Lu)N從洋中脊(0.65)—大洋盆地(2.7)—大陸邊緣(0.79),經歷逐漸升高再降低的過程,大陸邊緣的LREE和HREE分異不明顯,而大洋中脊明顯虧損LREE而富集HREE,本次測試樣品(La/Lu)N為0.10～0.15,表現(xiàn)出強烈HREE富集,符合洋中脊硅質巖特征。

(La/Yb)N從洋中脊(0.3)—遠洋盆地(0.7)—大陸邊緣(1.1～1.4)表現(xiàn)出逐漸升高的特征,測試樣品的(La/Yb)N為0.11～0.14,代表硅質巖形成環(huán)境為與洋中脊環(huán)境相似的洋盆噴口或斷裂附近,并且<1,符合典型熱水成因的富集重稀土的特征。

(La/Ce)N從洋中脊(≥3.5)—大洋盆地(1.0～2.5)—大陸邊緣(≈1,變化于0.5～1.5)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。測試樣品(La/Ce)N值介于1.23～1.66,平均值為1.5,主要反映為大洋盆地環(huán)境。

3.4 硅質巖形成環(huán)境的討論

如圖3所示,測試樣品采集于竹山斷裂南緣，硅質巖產出于基性火山巖之上,與中性火山巖互層產出。

上述通過對硅質巖地球化學特征的討論,得出該硅質巖形成于靠近洋中脊的深海盆地中,為熱水沉積成因的結論。

近期許志琴等基于對秦嶺、桐柏地區(qū)的野外地質調查和前人的研究成果,提出勉略縫合帶向東經洋縣—寧陜—湘河左行走滑剪切帶、南秦嶺北部的耀嶺河高壓變質帶延至桐柏高壓變質帶、紅安—大別高壓/超高壓變質帶,最終抵達蘇魯高壓/超高壓變質帶的新連接方式[19]。李源等通過對寧陜左行走滑斷裂內同構造花崗巖脈的研究,認為寧陜走滑斷裂帶至少從晚三疊世中期之前就已經開始活動,與勉略縫合帶內中—晚三疊世左行走滑韌性剪切帶一起構成了一條區(qū)域性走滑斷層,將勉略古特提斯洋縫合帶與秦嶺—大別—蘇魯陸陸碰撞造山帶連接在一起[20]。

劉成新等通過采集和收集整理大量近期在兩竹—隨州地區(qū)獲得的高精度測年數(shù)據(jù)及巖石地球化學資料,研究區(qū)內不同時代的基性巖類發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)表現(xiàn)為板內構造背景,與伸展構造有關,只有大阜山基性—超基性雜巖例外；區(qū)內中酸性巖漿巖類(七尖峰除外),也與伸展構造活動有關,沒有發(fā)現(xiàn)與俯沖碰撞有關的火成巖組合，認為在兩竹—隨州構造帶不大可能出現(xiàn)具有板塊邊界性質的構造帶[21]。

從Fe2O3/(100-SiO2)-Al2O3/(100-SiO2)和Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解及(La/Lu)N、(La/Yb)N、(La/Ce)N值可以看出,測試樣品與標準的三類環(huán)境硅質巖并不完全吻合,但總體上更趨近于洋中脊環(huán)境,故結合上述研究成果,推測本次分析的硅質巖采集對象應為裂谷盆地的沉積混雜巖,硅質巖形成環(huán)境可能為深水盆地。

4 結論

(1) 通過地球化學特征討論可以得出，硅質巖為熱水成因,Al/(Al+Fe+Mn)值、Ba含量、U含量、As含量、Sb含量、ΣREE和稀土元素配分模式均符合熱水沉積成因的硅質巖特征。

(2) 硅質巖形成環(huán)境為深水盆地。