韓宗珠,肖 楠,李安龍,高 芳,徐翠玲,何雨旸
(中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院;海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室,山東 青島26100)
硅質(zhì)巖是由化學(xué)作用、生物和生物化學(xué)作用及某些火山作用、熱水作用所形成的富含SiO2(一般>70%)的巖石,也包括在盆地內(nèi)經(jīng)機械破碎再沉積者,都可以稱為硅質(zhì)巖[1]。自 Wadsworth[1]最初提出硅質(zhì)巖這一名稱以來,對其概念和成因一直有不同看法,歸納起來大致可分為3種成因類型:(1)生物或生物化學(xué)沉積成因[2];(2)化學(xué)沉積,包括火山噴發(fā)成因、超堿性條件下沉積及熱水沉積成因[3-5];(3)交代(硅化)成因[6]。下?lián)P子區(qū)下二疊統(tǒng)孤峰組中發(fā)育了數(shù)十米厚的層狀硅質(zhì)巖,關(guān)于該區(qū)硅質(zhì)巖的成因和形成環(huán)境一直存在不同的認識。有人認為是生物成因[7-9],也有人認為是上升流沉積成因[10],夏邦棟等[11]則提出了熱水沉積成因的觀點。
本文旨在通過對安徽巢湖地區(qū)下二疊統(tǒng)硅質(zhì)巖的巖石學(xué)特征、常量元素和稀土元素等地球化學(xué)特征進行綜合分析的基礎(chǔ)上,探討該區(qū)硅質(zhì)巖的成巖環(huán)境。
巢湖市位于安徽省中部,巢湖之濱,屬于江淮丘陵區(qū)的南部。巢湖市郊北部山區(qū)的地層區(qū)劃上屬于揚子地層區(qū)下?lián)P子地分區(qū)之六合——巢湖地層小區(qū)的巢北沉積區(qū),構(gòu)造上屬于華南板塊的東北緣或下?lián)P子斷塊的北緣。山脈走向為35°~40°,平面圖上呈“M”形延伸,主要由龜山、馬家山、平頂山、朝陽山、碾盤山、鳳凰山、大尖山、炬嶂山等組成(見圖1)。最高峰大尖山海拔高程350m,一般山區(qū)海拔高程100~300m,最低獅子口海拔高程僅20m。區(qū)內(nèi)地層除第三系缺失外,自上震旦統(tǒng)燈影組至第四系均有不同程度的發(fā)育,以古生界發(fā)育為特點,尤其是上古生界至下三疊統(tǒng)發(fā)育齊全,剖面完整,露頭連續(xù),化石豐富,是進行科研、教學(xué)、地質(zhì)旅游的良好地區(qū)。
巖性和地質(zhì)構(gòu)造對巢北山系的地貌發(fā)育起著主控作用。印支運動形成的褶皺構(gòu)造影響了三疊紀(jì)早、中期以前形成的全部地層,受郯廬深大斷裂帶的影響,斷層極為發(fā)育,性質(zhì)復(fù)雜。
本區(qū)地層總厚度達3 485~4 397m。其中二疊系分布在平頂山、馬家山、龜山及俞府大村等地,由下統(tǒng)棲霞組、孤峰組、銀屏組,上統(tǒng)龍?zhí)督M、大隆組組成。總厚288~488m。孤峰組由薄層黑色硅質(zhì)巖及薄層棕、褐、紫等色泥巖組成,巢北地區(qū)該組厚度一般在28m左右。
本組底部與棲霞組界面凹凸不平,其上含有10~20cm的含礫黏土,故兩者之間為假整合接觸。
在巢湖北郊平頂山采石坑出露一套較完整的孤峰組硅質(zhì)巖剖面(見圖2),在此逐層采樣,其剖面描述如下:
(1)底部黃褐色薄層粉沙質(zhì)泥巖和頁巖,層內(nèi)變形強烈,與中部放射蟲硅質(zhì)巖接觸面起伏不平,且層內(nèi)見大量磷結(jié)核,在此處采集標(biāo)本GF01~GF14。
(2)黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖夾極薄層泥巖,硅質(zhì)巖單層厚6~8cm,層厚2m,在此采集標(biāo)本GF15~GF21。
(3)寬緩的“Z”型褶皺變形帶,屬層間褶皺,此層放射蟲硅質(zhì)巖減薄,單層厚4cm,采集標(biāo)本GF21~GF32。
(4)黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖夾極薄層泥巖,層內(nèi)受層間褶皺的影響,巖層發(fā)生輕微彎曲。
(5)褐色中層強風(fēng)化硅質(zhì)泥巖,質(zhì)輕。
(6)黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖夾極薄層泥巖互層,風(fēng)化面帶綠色,采集標(biāo)本GF33~GF50。
(7)黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖、炭質(zhì)泥巖夾極薄層泥巖互層,風(fēng)化面帶紅褐色,采集標(biāo)本GF51~GF62。
從以上孤峰組出露巖層的剖面描述中可以看出,該組是一套層狀硅質(zhì)巖與泥質(zhì)巖交互沉積巖系,其主要由黑色層狀含放射蟲硅質(zhì)巖與泥、頁巖構(gòu)成。其下部以含磷質(zhì)結(jié)核的泥、頁巖為主;中上部主要為中薄層放射蟲硅質(zhì)巖,夾薄層泥頁巖,構(gòu)成韻律層;自下而上呈放射蟲硅質(zhì)巖含量減少,泥頁巖增多的趨勢。
偏光顯微鏡下硅質(zhì)巖呈硅質(zhì)膠結(jié)的微晶質(zhì)石英、放射蟲及其碎屑為主。微晶質(zhì)石英為原始沉積形成,反映了硅質(zhì)巖成巖后的變化不大。在孤峰組中上部硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)了一些不同屬種的放射蟲,其含量可達30%以上,且沿著硅質(zhì)巖的微層理略呈定向排列。放射蟲內(nèi)部多發(fā)生重結(jié)晶作用,被玉髓、蛋白石、鐵質(zhì)等礦物充填,只有少數(shù)仍保留了部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或同心環(huán)狀結(jié)構(gòu);此外,鏡下薄片中也發(fā)現(xiàn)了少量的海綿骨針(見圖3)。
硅質(zhì)巖中還發(fā)現(xiàn)有較多鐵質(zhì)、有機質(zhì)和菌藻,有的鐵質(zhì)具有黃鐵礦的立方體晶形,顯示了當(dāng)時沉積環(huán)境為還原條件,有的鐵質(zhì)顆粒呈浸染狀沿放射蟲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)散布。
二十世紀(jì)中后期以來,硅質(zhì)巖的研究開始逐步引起人們的重視,硅質(zhì)巖的研究手段和方法也逐步變得豐富起來,包括巖石學(xué)方法、地球化學(xué)方法、同位素方法、有機地球化學(xué)方法等,分別從硅質(zhì)巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、古生物學(xué)特征、地球化學(xué)特征以及成巖后生變化等方面展開了大量的研究。相對而言,地球化學(xué)方法是開展硅質(zhì)巖研究的主要技術(shù)手段之一,已經(jīng)成為區(qū)別不同成因硅質(zhì)巖的重要依據(jù),一直以來學(xué)術(shù)界都不斷在嘗試著建立一套判別硅質(zhì)巖的成因與演化方面的地球化學(xué)指標(biāo)體系。盡管硅質(zhì)巖中SiO2的含量占化學(xué)組分的70%以上,但對成因指示意義不大。故諸多指標(biāo)主要圍繞一些被認為是“雜質(zhì)”的微量元素和稀土元素所進行。
圖3 (a)硅質(zhì)巖,出現(xiàn)層位P1g①③⑥;(b)海綿骨針,單軸雙射型,P1g⑥;(c)放射蟲,P1g③;(d)泡沫蟲目,P1g③Fig.3 (a)Siliceous rocks,found in P1g①③⑥;(b)Sponge spicule,the types of single-axial spicule,P1g⑥;(c)Radiolaria,P1g③;(d)Spumellaria,P1g③
從研究區(qū)孤峰組的剖面中選取12件代表性巖石樣品,粉碎至200目稱取樣品5g并進行壓片,在海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室進行了XRF分析(分析結(jié)果列入表1),測試精度優(yōu)于0.5%;同時在海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室地球化學(xué)實驗室對12件巖石樣品進行ICP-MS和ICP-AES微量元素測定,測試精度優(yōu)于5%。從表1中可以看出,孤峰組硅質(zhì)巖常量元素含量組成特點如下:
(1)SiO2含量最高且變化不大,最低為87.52%,最高可達95.01%,平均含量為91.82%,由于硅質(zhì)巖中主要礦物成分為蛋白石、玉髓等硅質(zhì)礦物,故結(jié)果吻合。
(2)MgO 含量很低,最低0.02%,位于 GF12;最高0.15%,位于 GF24;平均含量0.05%。
(3)Fe2O3含量較高,GF20處最低,數(shù)值為1.37%;GF04最高,數(shù)值為3.03%;平均含量2.14%。
(4)Al2O3含量較高且變化不大,最低含量2.18%,位于GF32處;最高含量3.48%,位于GF24處;平均含量2.67%。
(5)MnO普遍的含量很低不高于0.03%,最低含量為0.01%;最高含量為0.03%;均值為0.013%。
(6)Na2O含量較低且比較均勻,最大值為0.60%;最小值為0.90%;均值為0.78%。
(7)TiO2的普遍含量小于0.10%,GF24和 GF44為最高,數(shù)值為0.10%;GF36為最低,數(shù)值為0.03%;平均含量:0.06%。
(8)P2O5的含量較低,變化較大。最大值為0.89%,位于GF08;最小值為0.07%,位于GF28和GF40;平均值為0.23%。
(9)CaO的含量也較低。最大值為0.97%,位于GF08;最小值為0.01%,位于GF40;平均值為0.32%。
(10)K2O的含量較低,數(shù)值變化不大。最大值為0.36%,位于 GF24;最小值為0.14%,位于 GF32和GF36;平均值為0.21%。
3.1.1 Al,F(xiàn)e,Mn的元素特征 由于不同成因的硅質(zhì)巖的物質(zhì)來源、沉積環(huán)境及物理化學(xué)條件等方面的顯著差異,其巖石化學(xué)成分也有所不同。一般生物成因的硅質(zhì)巖表現(xiàn)為高SiO2,P2O5和Fe2O3,而低Al2O3、TiO2、FeO、MgO、K2O和 Na2O;典型的海相火山沉積硅鐵建造以低K2O和P2O5,高TiO2為特征;海相熱水沉積硅質(zhì)巖也以低P高Ti而區(qū)別于高P低Ti的生物成因硅質(zhì)巖,熱水沉積的硅質(zhì)巖還具有高Si低Al的特點[2]。Al2O3,K2O和Na2O的含量高低能反映含泥質(zhì)的多少等指標(biāo),這是利用巖石地球化學(xué)方法研究硅質(zhì)巖成因的物質(zhì)及理論基礎(chǔ)。
Fe、Mn元素的富集主要與熱水的參與有關(guān),而Al的富集則 與陸源物質(zhì)的介入 有 關(guān)[3-4]。Adachi et al[3]研究了熱水沉積與非熱水沉積硅質(zhì)巖樣品后,指出純生物成因的硅質(zhì)巖Al/(Al+Fe+Mn)的比值接近0.6;而純熱水成因的硅質(zhì)巖Al/(Al+Fe+Mn)的比值接近0.01;受熱水作用的影響其比值小于0.35。Al,F(xiàn)e,Mn的關(guān)系可以用Al,F(xiàn)e,Mn三角圖(見圖4)來表示。
圖4 層狀硅質(zhì)巖Al-Fe-Mn三角圖Fig.4 Al-Fe-Mn diagram for the bedded siliceous rocks
從表1中可以看出,Al/(Al+Fe+Mn)的比值分布在0.37~0.65之間,全部大于0.35,平均值為0.49,接近0.6,與純生物成因的硅質(zhì)巖的 Al/(Al+Fe+Mn)的比值比較接近,此外,在 Al-Fe-Mn三角圖上,12件硅質(zhì)巖樣品全部落入了生物成因硅質(zhì)巖區(qū)及其附近,故研究區(qū)的硅質(zhì)巖可以判別為生物成因。
3.1.2 雙變量圖解 前人經(jīng)過大量的統(tǒng)計分析之后,總結(jié)出了一些雙變量圖解,這些圖解對硅質(zhì)巖的成因具有很好的指示作用。前蘇聯(lián)麥維姆河上游的生物沉積硅質(zhì)巖與蘇聯(lián)別洛耶湖凝灰質(zhì)硅質(zhì)巖在SiO2-Al2O3、SiO2-MgO的雙變量圖解上可明顯的分為2個區(qū)[5],由此在SiO2-Al2O3、SiO2-MgO的雙變量圖解(見圖5,6)中,將研究區(qū)硅質(zhì)巖相關(guān)元素含量值在這些圖表中分別進行投點,可以發(fā)現(xiàn)本區(qū)硅質(zhì)巖樣品大多落入到生物成因區(qū),指示了研究區(qū)的孤峰組的層狀硅質(zhì)巖屬于典型的生物成因硅質(zhì)巖。
形成環(huán)境不同的硅質(zhì)巖,其ΣREE值往往有較大的差異,這種差異性歸結(jié)于REE的來源不同:從海水中直接吸收、陸源物質(zhì)的輸入和海底火山熱液噴發(fā)物質(zhì)的加入[6]。因此,稀土元素的含量特征可以判別孤峰組硅質(zhì)巖的成因和沉積環(huán)境。
3.2.1 REE成因類型指示意義 稀土元素是恢復(fù)古海洋環(huán)境,判別氧化還原條件,判別熱水沉積或非熱水沉積的一種重要化學(xué)示蹤劑。一般來說,熱水沉積硅質(zhì)巖具有ΣREE低,Ce的虧損較明顯,而Eu的虧損不明顯甚至出現(xiàn)Eu正異常,經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化后的配分曲線呈平緩的左傾斜。而非熱水沉積硅質(zhì)巖的稀土元素與頁巖相似,相對富集輕稀土,配分曲線呈平緩右傾斜[7-8]。研究區(qū)硅質(zhì)巖的稀土元素經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化后的配分模式圖見圖7。
圖5 層狀硅質(zhì)巖SiO2-Al2O3雙變量圖解Fig.5 SiO2vs.Al2O3discrimination diagram for bedded siliceous rocks
圖6 層狀硅質(zhì)巖SiO2-MgO雙變量圖解Fig.6 SiO2vs.MgO discrimination diagram for bedded siliceous rocks
Murray et al[6]研究指出,熱水成因硅質(zhì)巖 Ce呈負異常,δCe平均值為0.29;正常海水生物沉積硅質(zhì)巖正Ce異常,δCe平均值為1.2,所以稀土元素的特征可以用來示蹤硅質(zhì)巖的成因。硅質(zhì)巖的稀土元素的分析結(jié)果見表2,從中可以得知,研究區(qū)12塊硅質(zhì)巖樣品的LREE含量相對富集,δCe的范圍在1.24~16.24,平均值為7.02,大于正常海水生物沉積硅質(zhì)巖δCe的平均值1.2,表現(xiàn)為正異常,這些指標(biāo)都符合了非熱水沉積的特征,可以指示研究區(qū)硅質(zhì)巖為海水生物沉積成因的硅質(zhì)巖。
圖7 巢湖北郊平頂山層狀硅質(zhì)巖REE北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖Fig.7 NASC-normalized REE patterns for bedded siliceous rocks in the Pingdingshan area,Chaohu region
3.2.2 REE成因環(huán)境指示意義 Murray等[9]研究認為,從大陸邊緣→深海平原→大洋中脊,硅質(zhì)巖的ΣREE具有正態(tài)分布的特點。大洋中脊附近平均為19.05μg/g,深海平原平均值為54.25μg/g,大陸邊緣平均為39.70μg/g。而世界上所有硅質(zhì)巖的稀土總量都很低,約一半樣品的ΣREE小于50μg/g[9]。表2顯示,本區(qū)硅質(zhì)巖樣品的ΣREE值范圍在22.62~209.03 μg/g之間,平均含量為88.58μg/g,與深海平原的平均值為54.25μg/g最為接近,指示了研究區(qū)硅質(zhì)巖來源于深海物質(zhì)。
研究表明,由大陸邊緣至大洋中脊,硅質(zhì)巖的輕稀土元素由弱富集逐漸變?yōu)槊黠@虧損。在大陸邊緣,(La/Yb)N平均值為1.1~1.4;在洋脊附近,(La/Yb)N平均值只有0.3左右;深海平原硅質(zhì)巖的(La/Yb)N介于上述兩者之間[9,10]。表2顯示,研究區(qū)的12件硅質(zhì)巖樣品(La/Yb)N的范圍在0.39~2.80之間,平均值為1.01,可以指示該區(qū)硅質(zhì)巖沉積于深水環(huán)境。
Wright和Holler[11]把稀土元素中的Ce與鄰近的La和Nd元素相關(guān)的變化稱為鈰異常(Ceanom)。其公式為:Ceanom=log[3(Ce)N/(2(La)N+(Nd)N)]。式中N為一個給出樣品經(jīng)北美頁巖或球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的值。Ceanom值已被作為判斷古海水氧化-還原條件的標(biāo)志,其值大于-0.1時為Ce的富集,反映水體呈缺氧環(huán)境,而小于-0.1時為Ce的負異常,反映水體呈氧化環(huán)境。從表2可以看出,12件硅質(zhì)巖樣品的Ceanom值范圍在0.2~2.78,平均值為1.70,大于-0.1,顯示了研究區(qū)硅質(zhì)巖形成于缺氧的水體環(huán)境。
孔慶玉和龔與覷對下?lián)P子區(qū)皖北巢縣平頂山、龜山下二疊統(tǒng)硅質(zhì)巖的研究認為,孤峰組中與泥巖、頁巖共生的硅質(zhì)巖是生物成因的[14]。從SiO2的地球化學(xué)特征來看,無機成因的SiO2沉積,需要海水中有極高濃度的SiO2,大約在(3~120)×10-6以上,而據(jù)Kranskopf[15]的意見,海水中迄今未見到過石英的直接沉淀,也從未發(fā)現(xiàn)過任何SiO2的凝膠存在。因此,許多地質(zhì)學(xué)家認為生物的固硅作用在硅質(zhì)巖的形成上具有重要意義。生物為硅質(zhì)提供了物質(zhì)來源,其含量的多少及海水性質(zhì)是硅質(zhì)巖形成的決定因素。與硅質(zhì)巖互層的泥質(zhì)巖中粘土礦物呈定向排列,水平層理與紋層構(gòu)造發(fā)育,反映物質(zhì)沉積速度緩慢,為靜水環(huán)境下的沉積。硅質(zhì)巖和泥質(zhì)巖中都不含粒徑大的陸源碎屑,說明沉積區(qū)遠離陸源區(qū),與此同時硅質(zhì)巖化學(xué)成分主要是SiO2,CaO與MgO含量均較小,碳酸鹽沉積極少,指示了當(dāng)時沉積深度較大。同時在稀土元素的地球化學(xué)特征上,也表明了研究區(qū)為深水缺氧的沉積環(huán)境。
通過以上對研究區(qū)的巖石學(xué)特征、常量元素和稀土元素等地球化學(xué)特征進行綜合分析的基礎(chǔ)之上,可以得到以下結(jié)論:
(1)在巖石學(xué)特征上,研究區(qū)是一套層狀硅質(zhì)巖與泥質(zhì)巖交互沉積巖系,主要由黑色層狀含放射蟲硅質(zhì)巖與泥、頁巖構(gòu)成。
(2)從研究區(qū)常量元素地球化學(xué)特征上分析,12件樣品中SiO2的含量較高,平均值達到91.82%,而其它元素含量相對較低;Al/(Al+Fe+Mn)平均值為0.49,接近
0.6,與純生物成因硅質(zhì)巖的Al/(Al+Fe+Mn)的比值接近;在 Al-Fe-Mn三角圖和 SiO2-Al2O3、SiO2-MgO雙變量圖中,可以看出本區(qū)硅質(zhì)巖樣品大多落入到生物成因硅質(zhì)巖區(qū)。這些都指示了研究區(qū)孤峰組層狀硅質(zhì)巖屬于典型的生物成因硅質(zhì)巖。
(3)在稀土元素地球化學(xué)特征上,本區(qū)硅質(zhì)巖樣品的LREE相對較富集,12塊硅質(zhì)巖樣品的δCe平均值為7.02,表現(xiàn)出鈰具有正異常,這些指標(biāo)都符合了非熱水沉積的特征;樣品的ΣREE值范圍在22.62~209.03 μg/g,平均含量為88.58μg/g,與深海平原的平均值54.25μg/g最為接近,指示了本區(qū)硅質(zhì)巖來源于深海物質(zhì);12件硅質(zhì)巖樣品Ceanom值均大于-0.1,平均值1.70,(La/Yb)N的平均值1.01,都指示了本區(qū)硅質(zhì)巖形成于缺氧的深水環(huán)境。
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