肖 依 周漢文,2 劉愛民 吳 琪

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074)

秦皇島地區(qū)奧陶紀(jì)硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境意義①

肖 依1周漢文1,2劉愛民1吳 琪1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074)

秦皇島地區(qū)位于華北地臺東北緣,該區(qū)奧陶系亮甲山組和馬家溝組主要由細(xì)晶白云質(zhì)灰?guī)r、細(xì)晶白云巖、豹皮狀灰?guī)r、礫屑灰?guī)r組成,灰?guī)r中普遍含有結(jié)核狀、條帶狀和團(tuán)塊狀硅質(zhì)巖。XRD分析顯示硅質(zhì)巖主要礦物成分為石英、方解石和少量白云石,硅質(zhì)巖顯微鏡下為蠕蟲狀、球狀、針狀玉髓集合體,個別樣品可見交代結(jié)構(gòu)。硅質(zhì)巖貧Mn、Fe,Mn/TiO2小于0.5,Si/(Si+Al+Fe)比值在0.98～0.99之間,U/Th(0.422～1.225),REE總量低;硅質(zhì)巖經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化的REE配分模式圖上無明顯Ce負(fù)異常,呈現(xiàn)平坦配分曲線;同時(La/Ce)N=(0.98～1.23),(La/Yb)N= (0.8～1.78),Ce/Ce*=0.92～1.02,反映奧陶紀(jì)亮甲山組和馬家溝組中硅質(zhì)巖團(tuán)塊和條帶為生物化學(xué)成因,形成于離陸較近的淺海環(huán)境。

硅質(zhì)巖 地球化學(xué)特征 沉積環(huán)境 奧陶紀(jì)亮甲山組和馬家溝組 華北地臺

0 引言

硅質(zhì)巖是指自生硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)超過50%且以層狀產(chǎn)出的沉積巖[1],層厚一般為幾十米到幾百米[2]。硅質(zhì)巖礦物組成簡單,抗風(fēng)化能力強(qiáng),形成之后受內(nèi)外力地質(zhì)作用改造程度小,保留了豐富的地球化學(xué)“指紋”信息,因此,通過對硅質(zhì)巖的研究對揭示古地理、古環(huán)境和古氣候具有十分重要的指示意義[3]。

硅質(zhì)巖的成因一直是地質(zhì)學(xué)中有爭論的問題,其中最關(guān)鍵的問題是硅質(zhì)來源,其次是二氧化硅形成的機(jī)理以及硅質(zhì)巖形成的沉積環(huán)境[4]。關(guān)于硅質(zhì)巖的成因目前主要有4種認(rèn)識:(1)生物化學(xué)作用成因[5,6];(2)熱液成因[7～16];(3)富鈣巖石被硅質(zhì)交代成因[17,18];(4)海水的正常沉積[19]。

秦皇島地區(qū)位于華北板塊的東北緣,連續(xù)出露奧陶系亮甲山組和馬家溝組,其中灰?guī)r中普遍含有硅質(zhì)巖。本文研究該區(qū)硅質(zhì)巖巖石學(xué)和地球化學(xué)特征,并探討本區(qū)硅質(zhì)巖成因和古環(huán)境意義。

1 地質(zhì)概況

華北地臺是我國最大的地臺,總體輪廓呈倒三角形,其范圍東鄰渤海,南抵秦嶺、大別山,西緣賀蘭山、六盤山與秦祁海槽相連,北與黑吉海槽和蒙古地槽為鄰[20]。研究區(qū)秦皇島地區(qū)位于華北板塊東北緣,其地層屬于華北型[21]。區(qū)內(nèi)奧陶系亮甲山組依巖性自下而上可劃分為三段[21]:灰色細(xì)晶豹皮狀灰?guī)r夾礫屑灰?guī)r及少量黃綠色鈣質(zhì)頁巖;灰色豹皮狀灰?guī)r含燧石結(jié)核及條帶微晶灰?guī)r,夾少量礫屑;灰色中厚層豹皮狀灰?guī)r。奧陶系馬家溝組依巖性自下而上可劃分為四段[21]:黃灰色白云質(zhì)灰?guī)r夾淺灰白色細(xì)晶白云質(zhì)灰?guī)r,具明顯層理,部分含燧石結(jié)核和礫屑;黃灰色厚層細(xì)晶白云巖夾黃灰色細(xì)晶豹皮狀白云質(zhì)灰?guī)r;灰色中厚層含燧石結(jié)核細(xì)晶白云質(zhì)灰?guī)r;黃灰色中薄層細(xì)晶白云巖(圖1)。

本區(qū)硅質(zhì)巖主要呈團(tuán)塊和條帶狀分布于奧陶系亮甲山組灰?guī)r和馬家溝組白云質(zhì)灰?guī)r中。從石門寨、亮甲山和沙鍋店地區(qū)分別采得奧陶系亮甲山組中部,奧陶系馬家溝組下部及中部硅質(zhì)巖樣品,采樣層位如圖2。

2 硅質(zhì)巖的巖石學(xué)特征

2.1 硅質(zhì)巖樣品野外產(chǎn)狀

本文研究的硅質(zhì)巖樣品共9件,分別采于亮甲山組和馬家溝組,詳見圖2.3件硅質(zhì)巖樣品(編號SM1-1、SM1-2、SM1-3)采自石門寨地區(qū)亮甲山組中部,硅質(zhì)巖樣品在野外露頭上表現(xiàn)為灰黑-黑色,呈現(xiàn)不規(guī)則團(tuán)塊狀,夾持于灰?guī)r層間,且與硅質(zhì)巖接觸部位的灰?guī)r層發(fā)生輕微彎曲(圖2A);馬家溝組中的硅質(zhì)巖分析樣品共計6件,其中3件樣品(編號LJ1-8、LJ1-9、LJ1-8-3)采于亮甲山地區(qū),層位為馬家溝組下部,硅質(zhì)巖呈灰黑色,珍珠光澤,團(tuán)塊(6～10 cm)和條帶狀斷續(xù)分布于灰?guī)r層間,灰?guī)r巖層可見水平層理(圖2B);樣品SG1-1、SG1-2、SG1-3采于沙鍋店地區(qū),屬于馬家溝組中上部,硅質(zhì)巖呈淺黑褐色,為橢球狀,具有很好的定向性,長軸與層面平行,結(jié)核與圍巖接觸界限清楚,巖層層理邊緣圓滑的繞過結(jié)核,結(jié)核直徑1～5 cm不等,具有同心層結(jié)構(gòu)(圖2C,2D)。

圖1 秦皇島大地構(gòu)造位置圖及采樣區(qū)地質(zhì)概況圖(大地構(gòu)造位置圖原圖據(jù)[22])1。潛粗面安山巖;2。山西組;3。山海關(guān)花崗巖;4。寒武系(未分);5。奧陶系(未分);6。牛心山片麻巖;7。第四系;8。。北漂組;9。張家口組;10。青白口系;11。中上石炭統(tǒng);12。髫髻山組;13。正長花崗巖;14。閃長玢巖;15。正長斑巖;16。流紋正長斑巖脈;17。三疊系(未分);18。采樣點(diǎn); 19。行政區(qū)界線;20。斷層;21。角度不整合界線;22。。整合巖層界線Fig.1 Geotectonicmap and geologic general situation of Qinhuangdao area

圖2 秦皇島地區(qū)硅質(zhì)巖采樣層位圖1。白云巖;2。含燧石結(jié)核白云質(zhì)灰?guī)r;3。豹皮狀白云質(zhì)灰?guī)r;4。豹皮狀灰?guī)r;5。豹皮狀灰?guī)r夾礫屑灰?guī)r夾燧石結(jié)核;6。豹皮狀灰?guī)r夾礫屑灰?guī)rFig.2 Sampling position of cherts in Qinhuangdao area

圖3 秦皇島奧陶紀(jì)硅質(zhì)巖顯微鏡下照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of Ordovician cherts in Qinhuangdao area

2.2 硅質(zhì)巖巖相學(xué)特征

奧陶紀(jì)亮甲山組(O1l)樣品SM1-1、SM1-2、SM1-3鏡下為基質(zhì)支撐,基質(zhì)中可見不規(guī)則排列的礫屑,粒徑大于2 mm,礫屑分選差,磨圓好,可能受海岸帶海浪多次沖刷。樣品中泥質(zhì)成分較高,軟變形發(fā)育(圖3a),并且可見介形蟲(圖3b)、雙殼類(圖3c)、三葉蟲、腕足、鈣球等古生物碎屑,基質(zhì)中碳酸鹽泥晶排列具有定向性,有流動的特征(圖3d),可見方解石膠結(jié)物。硅質(zhì)團(tuán)塊中礦物為微晶石英,內(nèi)部穿插方解石脈,脈體呈波狀消光,玉髓呈蠕蟲狀(圖3e)、條狀分布,團(tuán)塊內(nèi)有輕微白云石化。礫屑的形成需要侵蝕和搬運(yùn)作用,風(fēng)暴作用可以產(chǎn)生侵蝕作用[23],樣品中巖石和古生物組合顯示該樣品可能形成于正常淺海,并且受到海岸帶海浪沖刷的高能量動蕩環(huán)境。

奧陶紀(jì)馬家溝組(O1m)下部樣品LJ1-8、LJ1-9、LJ1-8-3中硅質(zhì)團(tuán)塊中玉髓含量極高并且形態(tài)多樣,可見橢圓狀玉髓集合體、沿方解石邊生長的玉髓集合體(圖3f)、放射狀玉髓集合體、沿被溶蝕的方解石邊生長的櫛殼狀玉髓集合體、長條狀玉髓集合體、針狀、蠕蟲狀玉髓集合體等。可見方解石被溶蝕后留下的殘余結(jié)構(gòu)(圖3g),這些殘余結(jié)構(gòu)在正交偏光鏡下光性方位一致,有機(jī)質(zhì)含量高,可見介形蟲(圖3h)、雙殼類、腕足類等淺海古生物碎屑,顯示正常淺海,低能量的淺水潮下環(huán)境[23]。

O1m中上部樣品SG1-1、SG1-2、SG1-3中泥質(zhì)含量低,且鮮見古生物碎屑,硅質(zhì)結(jié)核中為微晶石英,玉髓集合體較小,結(jié)核中可見明顯的方解石被溶蝕現(xiàn)象。硅質(zhì)巖中主要為隱晶質(zhì)硅、微晶石英、粗晶石英、玉髓、方解石、白云石。微晶石英呈等粒狀集合體,粗晶石英單其外為放射狀針狀,由外圍向中心粒度由細(xì)變粗(圖3i)。結(jié)核中方解石分為兩種形態(tài),一種呈細(xì)脈狀穿插于燧石結(jié)核中,另一種為港灣狀、殘余狀,可見明顯的溶蝕邊(圖3j),這種方解石在正交偏光下光性方位一致,因此判斷原為一個整體,可能是由于鈣質(zhì)未被硅質(zhì)交代完全而留下的殘余。白云石多沿結(jié)核裂隙發(fā)育,為成巖期后產(chǎn)物。上馬家溝灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)條帶和團(tuán)塊形成于淺海-潮上蒸發(fā)環(huán)境,構(gòu)成海侵體系域-高水位體系域[24]。

2.3 硅質(zhì)巖的礦物組合

硅質(zhì)巖的X射線粉晶衍射實(shí)驗(yàn)在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的荷蘭X'Pert PRO Dy 2198型粉晶衍射儀上完成。該儀器的工作條件:管壓40 kV,管流30 mA,Cu靶Kα線,Ni濾波,掃描速度10°/min。

X射線粉晶物相分析結(jié)果(圖4,5)表明,亮甲山組硅質(zhì)巖(SM1-1、SM1-2、SM1-3)主要礦物組成為石英和方解石,SM1-1和SM1-3中含少量白云石,SM1-1中含少量含鐵礦物。馬家溝組下部硅質(zhì)巖(LJ1-9、LJ1-8、LJ1-8-3)的主要礦物組成為石英和方解石,其中LJ1-8-3中方解石含量較高。馬家溝組上部硅質(zhì)巖中普遍輕微白云石化,主要礦物組成為石英、方解石,其中SG1-1和SG1-3中含少量含鐵礦物。

圖4 秦皇島奧陶系亮甲山組硅質(zhì)巖樣品X射線衍射圖Fig.4 XRD frofile of chert's samples from the Liangjiashan group in Ordovician

圖5 秦皇島奧陶紀(jì)馬家溝組硅質(zhì)巖樣品X射線衍射圖Fig.5 XRD frofile of chert's samples from the Majiagou group in Ordovician

3 元素地球化學(xué)特征

對所有采集的樣品嚴(yán)格剔除周圍的灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r部分,只選取硅質(zhì)結(jié)核、團(tuán)塊和條帶部分制備元素地球化學(xué)分析樣品。

樣品主、微量元素分析在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所進(jìn)行。主量元素X射線熒光光譜法(XRF)測試在Rigaku100e型波長色散型光譜儀上進(jìn)行,靈敏度為>30 Mcps/mg/L(Rh);微量元素ICP-MS測試在PEElan6000電耦合等離子質(zhì)譜儀上進(jìn)行,XRF分析精度為2%,ICP-MS精度優(yōu)于1%～3%。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[25],分析結(jié)果列于表1。

3.1 主量元素特征

研究的硅質(zhì)巖樣品中SiO2含量的變化范圍為65.10%～94.55%,其中LJ1-8、LJ1-9、SG1-2接近純硅質(zhì)巖SiO2含量(91.0%～99.8%),其他樣品略低于該含量,樣品LJ1-8-3 SiO2含量為65.1%,遠(yuǎn)低于純硅質(zhì)巖SiO2含量。LJ1-8-3和SM1-1的CaO分別達(dá)到19.33%和15.31%,是由于LJ1-8-3和SM1-1樣品中含較高的灰質(zhì)殘余的緣故。將本區(qū)硅質(zhì)巖與典型的熱液成因硅質(zhì)巖[26]相比,SiO2、Fe2O、MnO偏低(平均為85.64%、0.014%和0%),CaO、MgO偏高(平均為6.48%和0.64%);與典型高硅型生物成因硅質(zhì)巖[27]相比,SiO2含量偏低,CaO、MgO和K2O含量偏高(K2O平均為0.31%);本區(qū)硅質(zhì)巖SiO2、Al2O3、CaO與典型低硅型生物成因硅質(zhì)巖[27]相比相差不大(Al2O3平均為0.78%),Fe2O、MnO、Na2O、P2O5含量偏低(Na2O平均為0.06%,P2O5平均為0.007%),Fe、Mn含量極低是本區(qū)硅質(zhì)巖的特點(diǎn)。

硅質(zhì)巖中Fe、Mn富集主要與熱液的參與有關(guān),而Al的富集則與陸源物質(zhì)的介入有關(guān)[28]。樣品中Fe、Mn含量很低,明顯不同于熱水沉積硅質(zhì)巖。

大量統(tǒng)計數(shù)字表明,與海底火山作用有密切相關(guān)的硅質(zhì)巖,其K2O/Na2O值小于1,而以正常生物化學(xué)作用為主的硅質(zhì)巖該比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1[29]。樣品中K2O/Na2O比值在1～11之間,表明該硅質(zhì)巖與海底火山作用沒有非常密切的關(guān)系,為正常生物化學(xué)沉積硅質(zhì)巖。Si/(Si+Al+Fe)比值也是判斷硅質(zhì)巖成因的重要參數(shù),生物成因的硅質(zhì)巖具有高的Si/(Si+Al +Fe)比值[30],一般>0.9,本文硅質(zhì)巖樣品中Si/(Si +Al+Fe)比值均大于0.9,表明本區(qū)硅質(zhì)巖為典型的生物成因硅質(zhì)巖。

MnO/TiO2比值是判斷硅質(zhì)巖硅質(zhì)來源及其在海洋中沉古地理位置的重要指標(biāo),MnO作為來自海洋深部的標(biāo)志,而TiO2則認(rèn)為多與陸源物質(zhì)的介入相關(guān)[31]。已有的研究認(rèn)為離陸較近的大陸坡和邊緣淺海沉積硅質(zhì)MnO/TiO2比值一般小于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[32]。本區(qū)硅質(zhì)巖MnO/TiO2比值均遠(yuǎn)小于0.5,顯示本區(qū)硅質(zhì)巖形成于離陸較近的邊緣淺海環(huán)境的特征。

表1 秦皇島奧陶紀(jì)質(zhì)硅質(zhì)巖分析結(jié)果(主量wB/%,微量/(μg/g))Tab le 1 W hole rock analyses of O rdovician cherts from Qinhuangdao(main elements%,trace elemensμg/g)

表2 秦皇島奧陶紀(jì)硅質(zhì)巖部分主量、微量元素比值及不同構(gòu)造環(huán)境硅質(zhì)巖特征比值Table2 Ratios of somemajor and trace elements from Ordovician cherts in Qinhuangdao and different tectonic settings

3.2 微量元素特征

本區(qū)硅質(zhì)巖微量元素含量總體較低,僅Co、Sr、Ba含量稍高。將本區(qū)硅質(zhì)巖與北太平洋和DSDPLeg62生物成因硅質(zhì)巖[33]和DSDPLeg32[34]熱水沉積硅質(zhì)巖對比,本區(qū)硅質(zhì)巖Ba、Ni、Cu、Zn的含量明顯偏低,而Co含量則偏高,不同于熱水沉積物相對富含Cu和Ni,而貧Co[35]的特征。

一般情況下,大多數(shù)沉積巖中Th的含量都高于U,熱水沉積巖中兩者正好相反,由于熱水沉積有較高的沉積速率,常常相對富集U,因此熱水沉積中U/ Th>1,而非熱水沉積巖中U/Th<1[36],本區(qū)硅質(zhì)巖除LJ1-8-3的U/Th比值略大于1,其余樣品該比值均小于1,顯示本區(qū)硅質(zhì)巖為非熱水作用硅質(zhì)巖的特征。

3.3 稀土元素特征

硅質(zhì)巖經(jīng)北美頁巖和標(biāo)準(zhǔn)化REE配分模式圖見圖6,文中經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)均用下標(biāo)N表示。

硅質(zhì)巖中稀土元素配分模式、Ce異常以及(La/ Yb)N、(La/Ce)N、Ce/Ce*比值可以用來有效的判別硅質(zhì)巖的成因及形成環(huán)境[37～39]。通常情況下,深海沉積環(huán)境形成的硅質(zhì)巖有明顯的Ce負(fù)異常,遠(yuǎn)洋環(huán)境中形成的硅質(zhì)巖具中等Ce負(fù)異常,大陸邊緣環(huán)境的硅質(zhì)巖基本沒有Ce負(fù)異常,與大陸邊緣有關(guān)的硅質(zhì)巖經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化的稀土模式一般都表現(xiàn)為無Ce異常的平坦型[39]。Murray等[37～39]的研究表明,在大陸邊緣,(La/Yb)N值為1.1～1.4;在洋脊附近, (La/Yb)N平均值為0.3;深海平原硅質(zhì)巖的(La/ Yb)N值介于上述兩者之間。大陸邊緣硅質(zhì)巖(La/ Ce)N為0.5～1.5,Ce/Ce*=1.09±0.25,洋中脊附近硅質(zhì)巖(La/Ce)N約為3.5,Ce/Ce*=0.3±0.13,大洋盆地硅質(zhì)巖(La/Ce)N=1.0～2.5,Ce/Ce*為= 0.6±0.13。

本區(qū)稀土元素總量(2.212 X 10-6～5.433 X 10-6)遠(yuǎn)低于北美頁巖REE含量,說明沉積速率較高,硅質(zhì)巖暴露于海水的時間較短,吸收的稀土元素較少。硅質(zhì)巖樣品經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化的REE配分模式均呈現(xiàn)無明顯Ce負(fù)異常的平坦配分曲線(SM1-3樣品出現(xiàn)輕微Eu正異常,可能受輕微陸源物質(zhì)混入影響),輕重稀土分異不明顯。硅質(zhì)巖(La/Yb)N的值為0.80～1.78,平均值為1.2,Ce/Ce*值在0.90～ 1.02之間變化,平均值為0.97,(La/Ce)N值在0.98 ～1.23之間變化,平均值為1.1,明顯不同于洋中脊和遠(yuǎn)洋盆地硅質(zhì)巖而與大陸邊緣硅質(zhì)巖特征相近,表明研究區(qū)硅質(zhì)巖形成大陸邊緣環(huán)境。

本文將本區(qū)硅質(zhì)巖樣品稀土元素特征與北祁連造山帶老虎山奧陶紀(jì)硅質(zhì)巖生物化學(xué)成因硅質(zhì)巖[5]、浙江西裘熱水成因硅質(zhì)巖[15]、四川宣漢陸源成因硅質(zhì)巖[40]及浙江江山丁家山組正常地下水交代成因硅質(zhì)巖[17]進(jìn)行對比,本區(qū)硅質(zhì)巖樣品經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化后的REE分布曲線與北祁連造山帶老虎山奧陶系下部形成于大陸邊緣的生物化學(xué)成因硅質(zhì)巖CJ9(9)具有相似的REE分布曲線,而明顯不同于四川宣漢陸源成因硅質(zhì)巖[40]、浙江西裘熱水沉積硅質(zhì)巖[15]及浙江江山丁家山組正常地下水交代成因硅質(zhì)巖[17],可能表明本區(qū)硅質(zhì)巖硅質(zhì)來源于生物化學(xué)作用,而非來源于陸源及熱水。

圖6 硅質(zhì)巖稀土元素經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(NASC數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[36],CJ9(9),ZJ,XQ-2,SC,原始數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[5],[15],[17],[40])Fig.6 NASC-normalized REE patterns for cherts

在大洋中,隨水體的加深Eu負(fù)異常明顯增加[39],O1m下部硅質(zhì)巖樣品Eu/Eu*平均值為0.754; O1m中上部硅質(zhì)巖樣品Eu/Eu*平均值為0.817,O1l下部硅質(zhì)巖樣品Eu/Eu*平均值為0.907,說明從亮甲山組到馬家溝組,硅質(zhì)巖樣品的沉積環(huán)境海水深淺發(fā)生變化,O1l硅質(zhì)巖樣品沉積環(huán)境海水較深,O1m硅質(zhì)巖樣品沉積環(huán)境海水較淺。鏡下觀察到的O1l硅質(zhì)巖圍巖礫屑灰?guī)r中發(fā)育大量的磨圓好的礫屑顯示高能的淺海環(huán)境以及O1m硅質(zhì)巖圍巖白云質(zhì)灰?guī)r中出現(xiàn)白云石化現(xiàn)象顯示淺海-潮上環(huán)境的結(jié)論與樣品元素地球化學(xué)特征基本吻合。

4 討論

產(chǎn)于碳酸鹽巖中的團(tuán)塊狀、結(jié)核狀和條帶狀硅質(zhì)巖的成因及其硅質(zhì)來源一直是學(xué)術(shù)界的爭論點(diǎn)。一些學(xué)者認(rèn)為這種硅質(zhì)巖是交代成因,他們認(rèn)為形成這種團(tuán)塊狀和條帶狀硅質(zhì)巖的硅質(zhì)來源于生物殼,并指出生物化學(xué)作用形成的氧化硅與碳酸鹽沉積在一起,在成巖分異的過程中發(fā)生溶解富集并交代碳酸鹽沉積物,也有學(xué)者認(rèn)為這種硅質(zhì)巖是直接由海水中的硅膠沉淀而來,硅質(zhì)可能來源于陸源[18],也可能來源于熱水[15]。

不同成因的硅質(zhì)巖在野外特征,巖相學(xué)特征以及元素地球化學(xué)特征上存在明顯的差異。在本次硅質(zhì)巖樣品中發(fā)現(xiàn)大量的介形蟲,雙殼類等,這些原本是鈣質(zhì)殼體的介形蟲均已經(jīng)硅化,同時硅質(zhì)巖中明顯的交代結(jié)構(gòu)均可以作為本區(qū)硅質(zhì)巖為交代成因的一個有力證據(jù)。在元素地球化學(xué)方面,本區(qū)硅質(zhì)巖具有較低的Fe、Mn含量,貧與熱水成因有關(guān)的元素,說明本區(qū)硅質(zhì)巖并沒有受到明顯的熱水作用的影響;同時硅質(zhì)巖的Al與Si沒有明顯的相關(guān)性,在北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化的配分模式圖上,配分曲線輕重稀土沒有明顯的分異,并且REE總量低于北美頁巖幾個數(shù)量級,薄片鏡下觀察缺乏陸源碎屑顆粒均說明本區(qū)硅質(zhì)巖非陸源成因;Ca與Si負(fù)相關(guān),同時交代結(jié)構(gòu)清晰可見,可以證明本區(qū)硅質(zhì)巖是交代成因,是硅質(zhì)交代碳酸鹽巖的產(chǎn)物。

奧陶紀(jì)時期華北板塊東南緣的秦皇島地區(qū)沉積環(huán)境相對穩(wěn)定,沉積物以碳酸鹽巖、砂巖、頁巖為主,厚度較小,巖相穩(wěn)定,生物化石豐富,底棲、底棲游泳和浮游生物群交替出現(xiàn)[24],這些海洋中的生物對凝聚、保護(hù)和沉積SiO2起到了重要作用,它們在適當(dāng)?shù)腜H值、Eh值以及適當(dāng)?shù)臏囟认?聚集保存于間隙水中,飽和后再沉積為蛋白石-α-方石英-玉髓-微晶α-石英,或者交代其他成分[41]。與硅質(zhì)巖伴生的碳酸鹽巖的孔隙度大,有利于由生物硅來源在其孔隙中聚集并且交代碳酸鹽巖,從而有利于本區(qū)硅質(zhì)巖的形成。

本區(qū)奧陶系硅質(zhì)巖從亮甲山組到馬家溝組,硅質(zhì)巖在巖相學(xué)、礦物組成和元素地球化學(xué)方面存在明顯的差異。亮甲山組豹皮狀灰?guī)r夾礫屑灰?guī)r中生物碎屑發(fā)育,泥質(zhì)成分高,可見分選較差磨圓好的礫屑,形成于潮間帶受海岸帶海浪沖刷的動蕩環(huán)境;馬家溝組下部為含燧石結(jié)核白云質(zhì)灰?guī)r夾礫屑灰?guī)r,仍然反映了硅質(zhì)巖形成環(huán)境高能動蕩的特點(diǎn),而到馬家溝組上部則反映了一種淺海-潮上帶環(huán)境。

研究區(qū)下、中奧陶統(tǒng)硅質(zhì)巖均顯示生物化學(xué)成因,形成于離陸較近的淺海環(huán)境,將本區(qū)硅質(zhì)巖與北祁連造山帶老虎山奧陶系下部生物化學(xué)成因硅質(zhì)巖對比,兩者REE配分模式曲線具有相似的趨勢,均顯示本區(qū)硅質(zhì)巖硅質(zhì)來源主要為生物來源,為生物化學(xué)沉積硅質(zhì)巖。

5 結(jié)論

(1)秦皇島地區(qū)奧陶紀(jì)硅質(zhì)巖巖相學(xué)特征表明本區(qū)硅質(zhì)巖屬交代成因,為成巖作用過程中硅質(zhì)交代鈣質(zhì)形成的結(jié)果;

(2)本區(qū)奧陶紀(jì)硅質(zhì)巖貧Fe、Mn,Mn/TiO2為0, Si/(Si+Al+Fe)比值在0.98～0.99之間,硅質(zhì)巖樣品REE總量低,經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化的REE配分模式均呈現(xiàn)無明顯Ce負(fù)異常的平坦配分曲線,(La/Ce)N(0.98～1.23),(La/Yb)N(0.8～1.78),Ce/Ce*(0.92～1.02),顯示本區(qū)硅質(zhì)巖為生物成因硅質(zhì)巖,形成于離陸較近的邊緣淺海環(huán)境。

致謝 感謝中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所劉穎老師、韋剛健老師實(shí)驗(yàn)過程中給予的幫助,另外,在本文編寫過程中得到了佘振兵老師、以及王錦榮和李飛等同學(xué)的幫助,在此表示感謝!

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Geochem istry Characteristic and the Environmental Imp lications of Chert from Ordovician in Qinhuangdao Area

XIAO Yi1,2ZHOU Han-wen1,2LIU Ai-ming1WU Qi1
(1.China University of Geosciences,W uhan 430074; 2.State Key Laboratory of Geological Processes and M ineral Resources,China University of Geosciences,W uhan 430074)

The Qinhuangdao area is located in the northeastern margin of the North China Block.The Liangjiashan and Majiagou Formation in this area aremainly composed of fine-grained dolomitic limestone,fine-grained dolomite, leopard-like limestone and calcirudite,which generally contain nodular,striped and lump cherts.XRD analyses show that themajorminerals of the silicalite are quartz,calcite and some dolomite.The silicalite samples are worm-like, spherical and needle-like chalcedony aggregates with metasomatic structure in some of them under the microscope.The silicalites are poor in Mn and Fe,with Si/(Si+Al+Fe)ratios of0.98-0.99,low∑REE,and very weak negative Ce anomalies in the NASC-normalized flat REE patterns.The characteristics of Mn/TiO2(<0.5),U/Th (0.422-1.225),Ce/Ce*(0.92-1.02),(La/Ce)N(0.98-1.23),and(La/Yb)N(0.8-1.78)reflects a bio-chemical origin rather than hydrothermal origin formed in a setting of continentalmargin.

chert;geochemistry;sedimentary environment;the Liangjiashan and Majiagou Formation;the North China Block

肖依 女 1987年出生 碩士研究生 巖礦學(xué)

周漢文 E-mail:hwzhou@cug.edu.cn

P594

A

1000-0550(2011)06-1145-11

①國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(編號:2007CB411307)和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教學(xué)研究項目資助。

2010-05-20;收修改稿日期:2011-03-10