余 瑜，林良彪，黃棋棽 ，郝 強(qiáng)

（成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059）

硅質(zhì)巖是指由化學(xué)作用、生物和生物化學(xué)作用以及某些火山作用所形成的富含二氧化硅（一般超過70%）的巖石，其中也包括在盆地內(nèi)經(jīng)機(jī)械破碎再沉積的硅質(zhì)巖[1]。在全球硅質(zhì)巖從數(shù)量看只是一小部分，但它卻分布廣泛，在化學(xué)沉積和生物沉積的巖類中，其數(shù)量?jī)H次于碳酸鹽巖[2]。硅質(zhì)巖層不僅是許多重要礦種（如金、鈾、釩、磷、錳、鉑族元素、重晶石、黃鐵礦等）的賦存層位，也是重要的含礦巖系，大部分硅質(zhì)巖富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦，有機(jī)碳的含量可高達(dá) 10%以上，且富含 Ba、V、P、Mo、U、Th、Au、Se等20多種元素[3]。在許多地方硅質(zhì)巖常常與銅、鉛、鋅等多金屬礦床聯(lián)系非常緊密，或與礦體互層狀產(chǎn)出、或本身礦化為礦體、或分布在礦體邊緣、或單獨(dú)成層產(chǎn)出，故硅質(zhì)巖在很多時(shí)候已經(jīng)成為許多礦床的找礦標(biāo)志[4]。同時(shí)，硅質(zhì)巖由于形成于特定的地質(zhì)與地球化學(xué)條件，常常能夠提供關(guān)于沉積盆地和構(gòu)造活動(dòng)的重要信息（Richard W Murray. 1994），反映出某些沉積相帶特殊的地質(zhì)背景，因此其研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。在 20世紀(jì)初期就有地質(zhì)學(xué)家專門從事硅巖的研究。早期的研究工作所使用的方法、手段比較簡(jiǎn)單，研究?jī)?nèi)容也很局限。隨著時(shí)間的推移和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使研究硅質(zhì)巖的方法和手段愈來愈多樣化，研究的鄰域也不斷拓寬[5]。有關(guān)硅質(zhì)巖成因眾說紛紜，諸如海洋模式、湖泊模式、火山物分解沉積模式、生物直接堆積模式、生物化學(xué)沉積模式以及交代成因模式等，這些都不能圓滿解釋其質(zhì)地純、沉積厚度大等地質(zhì)現(xiàn)象[6]。這不僅是因?yàn)楣栀|(zhì)巖的成因模式多種多樣，還因?yàn)楣栀|(zhì)巖硅質(zhì)來源更是復(fù)雜多樣（圖1）。

圖1 海水中硅質(zhì)的來源（據(jù)Sam Boggs, Jr. 2012[8]修改）

20世紀(jì)70年代至20世紀(jì)末這段時(shí)間內(nèi)，國(guó)際上和國(guó)內(nèi)對(duì)硅質(zhì)巖的研究有很大的進(jìn)步。70年代海底熱泉的發(fā)現(xiàn)為硅質(zhì)的來源提供了新的思路——熱液成因的硅質(zhì)巖。同時(shí)，研究硅質(zhì)巖成因以及來源的方法手段也日趨成熟，大都從硅質(zhì)巖的野外成因標(biāo)志、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、常量及微量元素、稀土元素、放射性同位素、穩(wěn)定同位素（Si，O，Sm-Nd、La-Ce同位素）、稀有氣體同位素(Ar)、古地磁及有機(jī)地球化學(xué)等方面進(jìn)行研究。如:利用地球化學(xué)數(shù)據(jù)確定硅質(zhì)巖的物質(zhì)來源和成因，區(qū)分不同構(gòu)造沉積背景(太平洋型、大西洋型、大陸邊緣型、近中脊型)沉積的硅質(zhì)巖（Sam Boggs, 2012；Richard W Murray, et al.1990-1994；Gary H Girty, Dale L Ridge et al. 1996）。之前對(duì)硅質(zhì)巖的研究著重于地球化學(xué)特征的研究，以此判斷硅質(zhì)巖的來源。地球化學(xué)特征研究固然準(zhǔn)確，但是過于單一，無視硅質(zhì)巖形成的構(gòu)造地質(zhì)背景和巖石學(xué)特征，必將影響對(duì)硅質(zhì)巖的研究結(jié)果。近年來，越來越多的學(xué)者將對(duì)硅質(zhì)巖的研究與沉積環(huán)境、構(gòu)造地質(zhì)背景結(jié)合聯(lián)系起來（馮彩霞，林良彪，陳洪德，李鳳杰，邱振，周新平，等.2009～2012），取得了不小的進(jìn)展，特別是對(duì)揚(yáng)子地臺(tái)二疊紀(jì)硅質(zhì)巖的研究成為了熱點(diǎn)。

目前，對(duì)硅質(zhì)巖的研究主要從區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景、巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征（主量元素特征、微量元素特征、稀土元素特征、放射性同位素、穩(wěn)定同位素等）、沉積環(huán)境、巖相古地理、有機(jī)地球化學(xué)（TOC）、稀有氣體等方面入手，取得了較豐富的研究成果。

1 地球化學(xué)特征

1.1 硅質(zhì)巖化學(xué)特征

圖2 Al-Fe-Mn三角成因判別圖解（據(jù)Yamamoto,1987）

圖3 （Cu+Co+Ni）-Fe-Mn三角圖(據(jù) Rona PA，1988改)

硅質(zhì)巖的化學(xué)成分主要為 SiO2、Al2O3、TiO2、CaO、Fe2O3、MnO、Na2O、P2O5、MgO 等。Al/（Al+Fe+Mn)比值在海相沉積物中是衡量沉積物中熱水沉積含量的標(biāo)志，該比值隨著熱水沉積含量的升高而降低（Bostrom K, Rydell H, Joensuu O, et al.1979）。純熱水成因的硅質(zhì)巖的Al/（Al+Fe+Mn)比值為0.01，純遠(yuǎn)海生物沉積的Al/（Al+Fe+Mn)比值為0.60，所有熱水沉積的數(shù)據(jù)均落入 Al-Fe-Mn三角成因判別圖解的富鐵端，非熱水沉積的數(shù)據(jù)落入圖中的富鋁端（Adachi M，Yamamoto K，Suigiski R,1986；Yamamoto K.Geochemical,1987）。

MgO在現(xiàn)代大洋中脊熱水體系中是嚴(yán)重虧損的，在部分熱水體系中MgO的含量為零，硅質(zhì)巖中MgO含量的較低，可反應(yīng)出熱水作用的參與（Edmond J M，Damm K V. 1983）。富鈉也是一個(gè)熱液作用的重要標(biāo)志，受熱液作用的硅質(zhì)巖的的K2O/Na2O比值小于1，生物化學(xué)沉積成因的硅質(zhì)巖的K2O/Na2O比值大于1（Rona PA. 1988）。同時(shí)，海相火山作用的硅質(zhì)巖具有較低的P2O5、較高的TiO2等特點(diǎn)（張漢文.1991）。

1.2 硅質(zhì)巖的微量元素特征

熱液來源的硅質(zhì)巖中富含F(xiàn)e和Mn，缺少Cu、Co、Ni等，(Cu+Co+Ni)-Fe-Mn三角圖（圖3）也廣泛用于區(qū)分非熱液沉積硅質(zhì)巖和熱液沉積硅質(zhì)巖。用于U/Th比值可以用來區(qū)分硅質(zhì)巖的來源是否為熱液成因，非熱液成因的硅質(zhì)巖的U/Th小于1，而熱液成因的硅質(zhì)巖U/Th大于1[7]。

Fleet(1983)研究了熱液成因和非熱液成因的金屬沉積后，得出結(jié)論，前者REE總量低，后者REE總量高；前者Ce為負(fù)異常，后者Ce為正異常。同時(shí)，海洋中不同區(qū)域的δCe值也有所不同，大洋中脊附近硅質(zhì)巖平均δCe為0.29，廣海平原的硅質(zhì)巖δCe為0.60，大陸邊緣的硅質(zhì)巖的δCe最高，平均可達(dá)1.03（Richard W Murray. et al ，1991～1994；Zhang J, Amakawa H, Nozaki Y. 1994）。據(jù) Murray（1994）]的研究發(fā)現(xiàn)，熱液成因的硅質(zhì)巖的Eu/Eu*比值大于1，且與熱液沉積關(guān)系越密切，其值越大。同時(shí)Murray發(fā)現(xiàn)[La/Ce]N是判別硅質(zhì)巖沉積環(huán)境的一個(gè)有效參數(shù)：大洋中脊附近的硅質(zhì)巖的[La/Ce]N值大于3.5；大洋盆地的硅質(zhì)巖的[La/Ce]N值介于2～3之間；大陸邊緣的硅質(zhì)巖的[La/Ce]N值在1左右。

近年來，通過不少學(xué)者的研究指出除了高度演化的花崗巖之外的巖石，其 Y/Ho比值均與球粒隕石相似。Y/Ho可以反映巖石形成環(huán)境：海水中Y/Ho值比河水的Y/Ho值更高，而河水中的Y/Ho值相近于PAAS（后太古代澳大利亞頁巖）（Bau M, Koschinsky A, Dulski P, et al. 1996；Nozaki Y, Zhang J, Amakawa H.1997；Nozaki Y, Lerche D, Alibo D S, et al. 2000；Lawrence M G, Greig A, Collerson K D, et al. 200；Tanaka K,Takahashi Y, Shimizu H. 2008；Haruna S, 2010）。雖然關(guān)于Y和Ho分異的研究主要集中在海相碳酸鹽巖中，少見應(yīng)用于硅質(zhì)巖研究中，但是Haruna S（2010）對(duì)澳大利亞西北30億年前太古代的硅質(zhì)巖的REE+Y進(jìn)行系統(tǒng)的分析，對(duì) Y/Ho值、δLa、δCe、δEu、TiO2進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出澳大利亞太古代硅質(zhì)巖的來源和沉積環(huán)境。

1.3 硅質(zhì)巖的同位素特征

因?yàn)楣栀|(zhì)巖主要由石英組成，所以可通過將石英δ30Si的值作為硅質(zhì)巖δ30Si值來分析硅同位素的地球化學(xué)成因（Richard W Murray, et al. 1991）。不同來石英的硅其硅同位素δ30Si的值不同，熱液來源的石英δ30Si值介于-1.5‰～0.8‰之間；低溫水中自生石英δ30Si值為 1.1‰～1.4‰；海洋中溶解 Si的δ30Si值為10.4‰～0.2‰；而交代成因的硅質(zhì)巖的δ30Si值為2.4‰～3.4‰（Douthitt C B. 1982；徐躍通. 1996；宋天銳，等1989）。根據(jù)宋天銳、丁悌平（1989）對(duì)20件典型硅質(zhì)巖樣品的δ30Si的分析，得出結(jié)論深海環(huán)境硅質(zhì)巖的δ30Si平均值為0.16‰，半深海硅質(zhì)巖的δ30Si平均值為0.4‰，濱淺海硅質(zhì)巖的δ30Si平均值為1.3‰。

硅質(zhì)巖在各種地質(zhì)作用條件下其氧同位素交換是非常微弱的，故可用硅質(zhì)巖中的氧同位素組成判別硅質(zhì)巖成因。根據(jù)Knauth（1976）提出的硅質(zhì)巖的氧同位素分餾方程：

1000lnα燧石-水=3.09×106T-2-3.29（其中 T 為絕對(duì)溫度；1000lnα燧石-水=δ18O燧石）

估計(jì)硅質(zhì)巖形成時(shí)的溫度，故此可根據(jù)水溫判斷硅質(zhì)巖是否形成于熱液環(huán)境。

2 硅質(zhì)巖研究現(xiàn)狀

隨著科技的進(jìn)步，在對(duì)硅質(zhì)巖特征、成因和來源的研究中，使用的儀器也愈發(fā)先進(jìn)，分析方法也開始融合其他學(xué)科。Alison O M等（2014）用高分辨率電子透射顯微鏡在Apex硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)，顯示是由多個(gè)進(jìn)程組成的，比如非生物催化合成和/或生物合成，利用這些數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)歷史表明該區(qū)的巖石經(jīng)過了高程度的沉積期后熱液蝕變。但是由于形成時(shí)間很久遠(yuǎn)（數(shù)十億年）、大量化學(xué)作用甚至微米級(jí)別的化學(xué)作用發(fā)生過，使得無法從這些古老的巖石中明確生命存在過的痕。Shuaihai X等（2014）用SIMS(次級(jí)離子能譜)對(duì)揚(yáng)子地臺(tái)陡山沱組的硅質(zhì)結(jié)核中黃鐵礦邊的δ34S進(jìn)行分析，認(rèn)為在低濃度的硫酸鹽、較高濃度的Fe2+、高含量的硅、缺氧的環(huán)境下、高代謝的有機(jī)物在核心處進(jìn)行的快速BSR（微生物硫酸鹽還原作用）以及下陡山沱組較低的沉積速率，所有這些因素致使陡山沱硅質(zhì)結(jié)核的微體生物化石很好的保存了下來。何俊國(guó)等[8]在對(duì)藏南硅質(zhì)巖成因進(jìn)行研究中，應(yīng)用因子分析方法對(duì)硅質(zhì)巖的主量、微量元素進(jìn)行分析，提取了第一、第二、第三主因子，依次反映了陸源組分、自主組分和熱水來源組分的特征。通過分析結(jié)果，顯示彭錯(cuò)林、夏魯和宗卓組三個(gè)剖面，第一因子和第二因子所占方差貢獻(xiàn)率逐漸升高，而熱水來源因子的方差貢獻(xiàn)率大幅下降，表明彭錯(cuò)林剖面硅質(zhì)巖為熱水沉積硅質(zhì)巖，夏魯硅質(zhì)巖為正常沉積結(jié)合熱水沉積，宗卓組硅質(zhì)巖為正常沉積的硅質(zhì)巖。

硅質(zhì)巖是微晶質(zhì)或隱晶質(zhì)石英組成的，基本是SiO2球形微晶組成，而在這些微晶顆粒間，充填有硅質(zhì)巖形成時(shí)的介質(zhì)流體（氣體和水），這些介質(zhì)流體可以在地質(zhì)時(shí)期中保存相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間（Cadogan P H.1977；Matsubara K, Matsuda J, Sugisaki R.1991；Mitchell J G, Ineson P R, Davison M, et al. 1992）。根據(jù)Tolstikhin等（1975），當(dāng)?shù)V物巖石的流體或包裹體中的3He/4He值大于地殼的3He/4He值時(shí)，說明巖石中有地幔來源的物質(zhì)加入，通過此方法有助于判別礦物巖石來源是否為地幔物質(zhì)。孫省利等[48]就根據(jù)上述研究對(duì)塔里木盆地寒武系底部的硅質(zhì)巖的稀有氣體同位素組成特征研究，該區(qū)硅質(zhì)巖為遠(yuǎn)離陸源物質(zhì)供應(yīng)區(qū)的海底熱水成因。通過分析R/Ra和40Ar/36Ar的比值，對(duì)比現(xiàn)代海底熱水活動(dòng)中心水體的相應(yīng)稀有氣體元素比值，推測(cè)海底熱水活動(dòng)中心，推測(cè)寒武系底部黑色巖系形成的海洋缺氧事件可能與海底大規(guī)模的火山作用及其伴生的海底熱水流體活動(dòng)有直接的關(guān)系。

硅質(zhì)巖的硅氧同位素在古溫度的重現(xiàn)中有重大意義，但是對(duì)于哪些硅質(zhì)巖的硅氧同位素能夠用于古溫度的重現(xiàn)卻沒有標(biāo)準(zhǔn)，雖然硅質(zhì)巖的氧同位素在地質(zhì)時(shí)期其交換式非常微弱的，但也不排除沉積期后各種成巖作用的影響氧同位素的組成。Johanna M C等（2013）提出在將硅氧同位素用于古溫度的重現(xiàn)中，由于硅質(zhì)巖的來源多種多樣，同位素組成可能由于流體作用而改變，能夠用于重現(xiàn)古溫度的硅質(zhì)巖樣品須滿足5個(gè)條件：①硅質(zhì)巖主要由微石英組成；②δ18O值足夠大接近同時(shí)代其他硅質(zhì)巖測(cè)試過的最大的δ18O；③δ18O在微米級(jí)別大范圍的存在；④利用微量元素的富集，結(jié)合δ30Si在3個(gè)可能的端元（成巖、熱液和硅化）中探究硅質(zhì)巖的來源；⑤在純成巖微石英中δ30Si大范圍的存在。這 5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有助于識(shí)別原始形成的硅質(zhì)巖，排除后期成巖作用的各種影響以更好的重現(xiàn)海水的古溫度。

Nicolas Tribovillard（2013）通過研究對(duì)比海綿化石的Ge/Si值和法國(guó)北部白堊紀(jì)燧石結(jié)核中的Ge/Si值，經(jīng)過討論，認(rèn)為該區(qū)的硅質(zhì)來源于海綿，同時(shí)海綿化石和燧石結(jié)核之間并未發(fā)現(xiàn)分餾現(xiàn)象，作者提出Ge/Si值可能可以用來識(shí)別硅質(zhì)巖中生物來源硅質(zhì)。

硅質(zhì)巖中往往含有其他物質(zhì)，比如有機(jī)質(zhì)、碳質(zhì)等，不少科學(xué)研究都顯示硅質(zhì)巖中的有機(jī)物質(zhì)可能對(duì)識(shí)別硅質(zhì)巖的來源有幫助，而在研究過程中，實(shí)驗(yàn)樣品中的有機(jī)餾分基本都被無視了。為了研究評(píng)估硅質(zhì)巖中的有機(jī)物質(zhì)能夠提供的地質(zhì)信息，M.Olivares等（2013）采集了來自比利牛斯山脈新生代至白堊紀(jì)不同構(gòu)造的硅質(zhì)巖。將有機(jī)物質(zhì)（瀝青、干酪根）分離出來，對(duì)正烷烴、藿烷、甾烷等進(jìn)行分析研究。

1）正烷烴：正烷烴的分析從兩方面進(jìn)行，

輕烷烴和重烷烴比值，是指C22以前各正烷烴含量之和與C22之后各正烷烴之和的比值：

較高的比值反映形成于富藻類的弱氧化環(huán)境，并與海水環(huán)境或咸水環(huán)境有關(guān)；較低的值反映來源于陸生高等植物。

CPI，即碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)，可反映有機(jī)物質(zhì)的成熟度：

2）甾烷：借助計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得到甾烷的質(zhì)量色譜圖，可以提供有機(jī)質(zhì)的類型的信息。從質(zhì)譜圖中取得C27、C28、C29的峰值，利用甾烷三端元圖可以綜合反映有機(jī)物質(zhì)的來源的不同。

圖4 ∑1/∑2 VS CPI綜合圖解反映硅質(zhì)巖不同正烷烴來源

圖5 甾烷中C27、C28、C29三端元圖

上述研究無論從廣度或深度，都使硅質(zhì)巖的研究程度大大向前推進(jìn)了一步，硅質(zhì)巖研究已在野外成因標(biāo)志、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、常量元素組成、微量元素組成、稀土、放射性同位素（Rb-Sr、K-Ar、Pb等）、穩(wěn)定同位素（H、C、O、87Sr/86Sr、Sm-Nd、Si等）、稀有氣體元素(He、Ar)、古地磁和有機(jī)地球化學(xué)等方面取得了豐富的研究成果。然而，相對(duì)于化學(xué)沉積和生物化學(xué)沉積的碳酸鹽巖而言，硅質(zhì)巖的研究程度還相當(dāng)薄弱，仍有許多問題亟待解決。

3 中國(guó)南方二疊紀(jì)的硅質(zhì)巖研究進(jìn)展

二疊紀(jì)地層是中國(guó)南方重要的含油氣層段[9]。揚(yáng)子地臺(tái)二疊統(tǒng)深水盆地沉積體系廣泛發(fā)育，在右江盆地、黔東、川東北、川西北地區(qū)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r普遍發(fā)育[10]。近年來，越來越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)揚(yáng)子地區(qū)硅質(zhì)巖的成因和形成環(huán)境表示出興趣。

Masao K（2005）詳細(xì)研究了中國(guó)揚(yáng)子地臺(tái)東北部二疊系孤峰組硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征及其發(fā)育模式，認(rèn)為該套硅質(zhì)巖具有高Si、Mo、Ni、Cu和Zn含量，極低的Mn含量；同時(shí)具有高的類似石油標(biāo)志層的正常石蠟濃聚物。這些地球化學(xué)特征表明孤峰組硅質(zhì)巖發(fā)育于硫酸鹽還原條件下，在成因上它不是熱液成因的，而是生物成因的，與臺(tái)盆環(huán)境下的硅質(zhì)巖具有相似性。Masamichi T（2007）通過對(duì)揚(yáng)子地臺(tái)東北部二疊系孤峰組硅質(zhì)巖中的有機(jī)碳（Corg）、N、S以及干酪根中的H/C和O/C的分析，揭示有機(jī)物的成因，表明有機(jī)物來源于陸生植物或重新加工的材料來源于陸地。由于沉積背景位于連陸臺(tái)地中，有機(jī)質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)來源于陸地，在豐富的生物生產(chǎn)力方面，陸地可能扮演一個(gè)重要的角色，在連陸的臺(tái)地中沉積硅質(zhì)巖。Hui C（2012）對(duì)四川盆地廣元上寺剖面晚二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征及其沉積模式作了詳細(xì)研究，從有機(jī)物的碳同位素、稀土元素的分配模式和高TOC的含量等地球化學(xué)特征，推斷其受海底熱液活動(dòng)影響，因此一種因熱液活動(dòng)而富含有機(jī)物的模式可用來解釋熱液活動(dòng)和上寺剖面大隆組硅質(zhì)巖中有機(jī)物堆積的關(guān)系。同時(shí)作者將該區(qū)硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征和安徽銅陵地區(qū)大隆組硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征作比較，認(rèn)為二者形成環(huán)境、硅質(zhì)來源一致。

對(duì)揚(yáng)子地區(qū)硅質(zhì)巖的研究，不僅是為了探究該區(qū)的硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境和成因，還是為我國(guó)南方二疊系烴源巖形成的條件的研究提供地質(zhì)信息。

4 結(jié)論

1）對(duì)硅質(zhì)巖的研究有助于重塑沉積環(huán)境，并且能夠?yàn)閷ふ倚碌臍馓?、油田提供地質(zhì)信息。

2）雖然硅質(zhì)巖的研究進(jìn)展很快，但是相對(duì)于化學(xué)沉積和生物化學(xué)沉積的碳酸鹽巖而言，硅質(zhì)巖的研究程度還相當(dāng)薄弱，仍有許多問題亟待解決。

3）在硅質(zhì)巖的研究中，分析研究硅質(zhì)巖的巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征、沉積環(huán)境和巖相古地理等仍是揭示硅質(zhì)巖來源和成因的有效方法。

4）對(duì)中國(guó)南方硅質(zhì)巖的研究，大部分集中在中下?lián)P子地區(qū)，上揚(yáng)子地區(qū)研究較薄弱，還存在較大分歧。

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