硅質(zhì)結(jié)核的巖石學(xué)、地球化學(xué)特征及成因綜述

吳西峰，郗愛華(西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

硅質(zhì)結(jié)核作為非層狀硅質(zhì)巖，主要以結(jié)核狀或者條帶狀賦存在碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖或者火山巖中[1]。硅質(zhì)結(jié)核因較強(qiáng)的抵抗后期改造的能力，而保存較多關(guān)于古地理、古環(huán)境、古構(gòu)造以及古氣候、物源以及成巖成礦的信息。多數(shù)硅質(zhì)結(jié)核本身保存有豐富且相對(duì)完整的生物化石，為揭示生物在地質(zhì)歷史演化提供寶貴的線索[2]。作為燧石結(jié)核硅質(zhì)來源的硅質(zhì)殼生物可以用來恢復(fù)沉積環(huán)境。大部分含硅質(zhì)結(jié)核的巖石的有機(jī)碳含量較高，有些可達(dá)10%以上，形成硅質(zhì)結(jié)核的重要生物(硅藻)往往也是重要的生烴母質(zhì)，導(dǎo)致這類巖石是重要的潛在烴源巖。因此對(duì)硅質(zhì)結(jié)核的深入研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

總體來講，硅質(zhì)結(jié)核形成需要有豐富的物質(zhì)來源和局部范圍內(nèi)形成有利于硅沉淀的地球化學(xué)域。自19世紀(jì)硅質(zhì)巖被學(xué)者關(guān)注研究以來，針對(duì)硅質(zhì)結(jié)核研究的文獻(xiàn)相當(dāng)豐富，研究重點(diǎn)主要集中在含硅質(zhì)結(jié)核的巖石的沉積環(huán)境、硅質(zhì)組分的成巖轉(zhuǎn)化以及硅質(zhì)結(jié)核的形成機(jī)理等方面。但是硅質(zhì)結(jié)核這些方面的研究文獻(xiàn)分散在不同的地學(xué)領(lǐng)域期刊中，為方便研究，筆者從含硅質(zhì)結(jié)核的巖石的沉積環(huán)境、硅質(zhì)結(jié)核的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征以及硅質(zhì)結(jié)核的成因進(jìn)行綜述。

1 硅質(zhì)結(jié)核的發(fā)育特征

1.1 硅質(zhì)結(jié)核的產(chǎn)狀

常見的硅質(zhì)結(jié)核的產(chǎn)狀有結(jié)核狀(團(tuán)塊狀和/或透鏡狀)、條帶狀和薄層狀產(chǎn)出。他們與圍巖(宿主巖石)之間界線或清晰或呈過渡狀態(tài)。當(dāng)硅質(zhì)結(jié)核與圍巖邊界呈現(xiàn)過渡狀態(tài)產(chǎn)出時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與供應(yīng)速率有關(guān)的0～0.5 cm過渡帶帶內(nèi)物質(zhì)一般為混雜沉積。結(jié)核狀的硅質(zhì)結(jié)核產(chǎn)出形態(tài)有團(tuán)塊狀和/或透鏡狀。該產(chǎn)狀硅質(zhì)結(jié)核一般呈分散孤立產(chǎn)出，但也可沿某一層面斷續(xù)產(chǎn)出。團(tuán)塊狀和/或透鏡狀產(chǎn)出的硅質(zhì)結(jié)核的長(zhǎng)軸方向一般與圍巖紋層發(fā)育方向一致。條帶狀硅質(zhì)結(jié)核多順層、橫向斷續(xù)發(fā)育，延伸長(zhǎng)度規(guī)模較大差別。條帶狀產(chǎn)出的硅質(zhì)結(jié)核一般呈現(xiàn)出均一的厚度和不同程度的起伏，有些保存著原巖的層理和同沉積變形構(gòu)造。薄層狀硅質(zhì)一般為極薄層和薄層，順裂縫或者順層發(fā)育。順裂縫發(fā)育多穿層或截?cái)鄮r層，多發(fā)生在同沉積-早成巖階段。而順層發(fā)育硅質(zhì)結(jié)核多為夾層分布在宿主巖石中。

1.2 硅質(zhì)結(jié)核宿主巖石的沉積環(huán)境以及生物類型

前人研究顯示，硅質(zhì)結(jié)核的發(fā)育有兩個(gè)轉(zhuǎn)折期和三個(gè)階段。轉(zhuǎn)折期為寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)過渡期和晚白堊世-古近紀(jì)過渡期；三個(gè)階段為：(1)新元古代；(2)志留紀(jì)-早白堊世；(3)始新世至今。

在第一階段新元古代時(shí)期，硅質(zhì)結(jié)核中缺乏生物成因直接證據(jù)，推測(cè)化學(xué)作用形成硅質(zhì)結(jié)核，其中細(xì)菌可能參與沉淀過程。第二階段寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)時(shí)期，硅質(zhì)海綿是淺水-深水環(huán)境沉積巖中硅質(zhì)結(jié)核硅的主要來源。但是這個(gè)階段由于硅質(zhì)生物并不繁盛，因此化學(xué)沉淀的硅質(zhì)仍然存在；直到奧陶紀(jì)中后期放射蟲爆發(fā)使得海水中硅質(zhì)明顯降低，才導(dǎo)致非生物成因的硅質(zhì)沉淀減少。第三階段中，藻類在第二個(gè)轉(zhuǎn)折期爆發(fā)，取代放射蟲和海綿的硅質(zhì)生物沉淀的地位，并且繁盛的硅藻攝取表層海水硅質(zhì)，而深海仍存在海綿，因此導(dǎo)致淺水陸棚環(huán)境中硅質(zhì)結(jié)核減少。

在新元古代和中元古代，深海富營養(yǎng)鹽使得海洋生物和藻類的繁盛，而生物的死亡導(dǎo)致海水局部的偏酸性，有助于硅質(zhì)沉淀。富硅熱水運(yùn)移到該酸性環(huán)境中時(shí)，無定形二氧化硅過飽和而聚合膠凝，形成二氧化硅膠體，覆蓋在藻席和浮游菌藻殘?bào)w之上，經(jīng)脫水和重結(jié)晶形成紋層狀硅質(zhì)結(jié)核。

2 硅質(zhì)結(jié)核巖石學(xué)特征和地球化學(xué)特征

2.1 硅質(zhì)結(jié)核的巖石學(xué)特征

硅質(zhì)結(jié)核在手標(biāo)本和野外常表現(xiàn)為一種致密堅(jiān)硬、常具貝殼狀斷口的隱晶質(zhì)或微晶質(zhì)巖石，一般呈灰色-黑色，偶見黃棕色、乳白色、灰(白)色。存在有蛋白石組成的年代較新的硅質(zhì)結(jié)核，主要由玉髓和自生石英組成，含有少量黏土和有機(jī)質(zhì)雜質(zhì)。

在顯微鏡下，硅質(zhì)結(jié)核的石英一般呈非晶質(zhì)硅、玉髓、微-中晶石英顆粒以及巨晶石英顆粒等形式。常見結(jié)構(gòu)有紋層狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、殘余結(jié)構(gòu)、隱晶結(jié)構(gòu)。與石英伴生往往有黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦等礦物，此外還有菌藻絲狀體、藻粒、放射蟲顆粒和球菌狀磷質(zhì)核形石等生物顆粒。

2.2 硅質(zhì)結(jié)核的地球化學(xué)特征

(1)硅質(zhì)結(jié)核的元素地球化學(xué)。Fe、Mn是地幔中的物質(zhì)，而硅質(zhì)結(jié)核中二者的富集可能與熱水沉積作用有關(guān)；而Al、Ti的富集則與陸源碎屑物質(zhì)的參與有關(guān)。熱水成因硅質(zhì)結(jié)核的Al/(Al+Fe+Mn)比值為0.01，遠(yuǎn)洋生物沉積硅質(zhì)結(jié)核的Al/(Al+Fe+Mn)比值為0.60。在Al-Fe-Mn三角判識(shí)圖中，所有熱水沉積的數(shù)據(jù)均落入Al-Fe-Mn三角圖的富鐵端，非熱水沉積的數(shù)據(jù)落入圖中的富鋁端。

Fleet、Michard、陳多福以及周永章的研究表明：熱水成因硅質(zhì)結(jié)核具有REE總量低、Ce呈負(fù)異常、Eu有弱的正異常、HREE(包括Y)相對(duì)富集的特征[4]。同時(shí)海相熱水沉積物稀土經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化后，模式曲線近于水平或左傾。另外Eu的異常值也可以判斷硅質(zhì)巖是否熱液成因(熱液成因硅質(zhì)結(jié)核Eu正異常，非熱液成因硅質(zhì)結(jié)核Eu負(fù)異常)。

研究表明：大陸邊緣硅質(zhì)結(jié)核V≈20 μg/g，Ti/V≈40；大洋盆地硅質(zhì)結(jié)核V≈38 μg/g，Ti/V≈25；洋中脊硅質(zhì)結(jié)核則為V≈42 μg/g，Ti/V≈7。因此可以用來研究硅質(zhì)結(jié)核形成的環(huán)境是否為洋中脊/大陸邊緣環(huán)境。同時(shí)洋中脊附近(La/Ce)N大于3.5，大洋盆地在2～3之間，而大陸邊緣約為1。還可用δCe和Lan/Cen的值來進(jìn)行表征：大洋中脊附近的δCe平均值為0.29,Lan/Cen值3.5，大洋盆地的δCe平均值0.5, Lan/Cen值為1.0～2.5；大陸邊緣環(huán)境的δCe值為0.79～1.54, Lan/Cen值為0.5～1.5。

(2)硅質(zhì)結(jié)核的同位素地球化學(xué)。硅質(zhì)結(jié)核的主要成分是石英，因此硅質(zhì)結(jié)核的硅氧同位素可以用來分析其地球化學(xué)成因。如熱水來源SiO2的δ30Si在-1.5‰～0.8‰之間、生物成因SiO2的δ30Si在-1.1‰～1.7‰之間、熱水交代成因的SiO2的δ30Si在2.4‰～3.4‰之間；火成石英的δ18O值在8.3‰～11.2‰之間、變質(zhì)石英的δ18O值在11.2‰～16.4‰之間、熱泉華石英的δ18O值在12.2‰～23.6‰之間、成巖石英的δ18O值在13‰～36‰之間、現(xiàn)代海灘石英的δ18O值在10.3‰～12.5‰之間。宋天銳研究推斷：硅質(zhì)結(jié)核沉積在離火山噴發(fā)區(qū)近的地方其δ30Si值負(fù)值；而遠(yuǎn)離火山噴發(fā)區(qū)沉積的巖石為數(shù)值小于1的正值[5]。

圖1 不同來源SiO2的δ30Si值和不同石英的δ18O值示意圖

目前利用氧同位素地質(zhì)溫度計(jì)來測(cè)定硅質(zhì)結(jié)核形成時(shí)的水溫，Knauth等提出的硅質(zhì)結(jié)核氧同位素地質(zhì)溫度計(jì)方程式為(Knauth and Epstein，1975)：

根據(jù)上述方程式估計(jì)硅質(zhì)結(jié)核形成時(shí)的溫度，由水溫判斷硅質(zhì)結(jié)核是否形成于熱液環(huán)境。

3 結(jié)語

(1)硅質(zhì)結(jié)核二氧化硅含量較高(一般含SiO2在90%以上，甚至可高達(dá)99%)，礦物組成一般為非晶質(zhì)硅、玉髓、微-中晶石英顆粒以及巨晶石英顆粒等形式組成的石英，一般呈灰白色-淺灰色、偶見黃棕色、乳白色、灰(白)色和灰色。

(2)硅質(zhì)結(jié)核在深水環(huán)境-淺水環(huán)境均有發(fā)育，所含硅質(zhì)生物化石主要為放射蟲、硅質(zhì)海綿和海綿骨針。

(3)熱液硅質(zhì)巖中的主微量元素以及稀土特征表現(xiàn)出一定的規(guī)律性和一定的異常值。熱水沉積硅質(zhì)結(jié)核Fe、Mn富集、Ba/Sr大于1、Th/U值大于1；與陸源有關(guān)的硅質(zhì)結(jié)核則Al、Ti富集。Ti/V的值可以判斷硅質(zhì)巖形成的構(gòu)造環(huán)境。另外Eu和Ce的異常值，可以表征硅質(zhì)結(jié)核是否為熱液成因。