燕山赤城地區(qū)中元古界硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征

鄭秀才

長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州

燕山赤城地區(qū)中元古界硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征

鄭秀才

長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州

燕山赤城地區(qū)中元古界(高于莊組和霧迷山組)硅質(zhì)巖具低Al2O3和TiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.06%和0.01%)，高TFe2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.68%)，高Fe與Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)比和(Fe + Mn)與Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(分別平均為131和140)的特征。區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖中MnO與TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比大于遠(yuǎn)洋環(huán)境硅質(zhì)巖，且Fe2O3與TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高，而Al2O3與(Al2O3+ Fe2O3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低，表明其形成于遠(yuǎn)離陸源碎屑干擾而受熱液作用影響的遠(yuǎn)岸環(huán)境，硅質(zhì)主要來源于海底熱液。

硅質(zhì)巖，熱液活動(dòng)，沉積環(huán)境，地球化學(xué)，中元古界，赤城

1.引言

硅質(zhì)巖廣泛存在于沉積巖層系中，野外產(chǎn)狀主要呈結(jié)核狀、透鏡狀、條帶狀和層狀，其成因多與生物、熱水沉積和火山活動(dòng)有關(guān)[1] [2] [3]。不同成因的硅質(zhì)巖物質(zhì)來源和成巖環(huán)境不同,以致化學(xué)成分不同，故可以通過研究其地球化學(xué)特征來揭示成因和形成環(huán)境[1] [4] [5] [6]。

燕山地區(qū)中元古代碳酸鹽巖層中發(fā)育大量硅質(zhì)巖，前人對其成因和沉積環(huán)境的認(rèn)識(shí)有所不同。在成因的認(rèn)識(shí)上主要有海底熱水成因[7] [8] [9]、陸源碎屑的風(fēng)化成因、火山物質(zhì)和硅質(zhì)生物成因[10]等，而對沉積環(huán)境的認(rèn)識(shí)主要有“與風(fēng)暴作用有關(guān)的碳酸鹽臺(tái)地前緣斜坡沉積”[7]和“米級(jí)旋回層序中潮上帶的暴露標(biāo)志”[11]。

2.地質(zhì)背景

研究區(qū)位于燕遼裂陷槽西段(圖1)，該裂陷槽裂解始于1800～1400 Ma，由中、西段逐步向東發(fā)展，至1200 Ma最終形成[12]，經(jīng)歷了長城紀(jì)斷陷海槽、薊縣紀(jì)強(qiáng)烈凹陷和青白口紀(jì)穩(wěn)定陸表海發(fā)展階段[13] [14] [15]。裂陷槽內(nèi)發(fā)育不同規(guī)模的同生斷裂，期間火山活動(dòng)頻繁，以拉張力為主并伴隨深部物質(zhì)活動(dòng)。高于莊組-霧迷山組沉積時(shí)期，燕遼裂陷槽表現(xiàn)為強(qiáng)烈下陷和廣泛海侵，受控于“軸部斷裂”且與“外海古洋相連通的古陸棚海盆”[12]，沉積了一套巨厚且穩(wěn)定的海相碳酸鹽巖夾碎屑巖地層。

該研究實(shí)測的古子房剖面位于河北赤城縣，是中元古界研究的理想剖面，地層分布廣泛，出露良好，具有代表性，實(shí)測高于莊組厚801.19 m。下部以中-厚層塊狀深灰色含錳硅質(zhì)的白云巖夾薄層泥質(zhì)白云巖，厚層塊狀深灰色硅質(zhì)白云巖為主，發(fā)育條帶狀硅質(zhì)巖；中部為淺-灰色瘤狀白云質(zhì)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r與泥晶白云巖的互層，夾灰黑色條帶狀、層狀硅質(zhì)巖；上部為灰質(zhì)白云巖夾條帶狀白云質(zhì)灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r、泥晶白云巖夾條帶或團(tuán)塊狀硅質(zhì)巖。霧迷山組厚1874.92 m，以中-厚層狀白云巖為主，少量石灰?guī)r，夾結(jié)核狀、條帶狀、薄層狀硅質(zhì)巖，局部可以與之互層。

古子房剖面中元古界的硅質(zhì)巖，具有如下特征：① 具明顯的成層性，產(chǎn)狀主要呈薄層狀、條帶狀、結(jié)核狀、團(tuán)塊狀等，通常夾于碳酸鹽巖(絕大多數(shù)為白云巖)層內(nèi)，數(shù)量大時(shí)也可與之互層，與上下巖層呈截然接觸關(guān)系(圖2(a))；② 具明顯的韻律性，自下而上表現(xiàn)為結(jié)核狀或團(tuán)塊狀→條帶狀→層狀，且出現(xiàn)的數(shù)量和頻度也遞增，自下而上表現(xiàn)為零星分布→夾層狀→互層狀；③ 硅質(zhì)巖類型多樣，主要為疊層石硅質(zhì)(圖2(b))、顆粒硅質(zhì)巖(圖2(c)、圖2(d))和結(jié)晶硅質(zhì)巖(圖2(e))。顯微鏡下一般具隱-微晶結(jié)構(gòu)，其礦物成分主要為玉髓和石英，少量自形白云石，其中石英多以微晶石英為主，硅質(zhì)礫屑(圖2(c))和似流動(dòng)構(gòu)造(圖2(f))顯示了硅質(zhì)巖具有原生沉積的特點(diǎn)。

3.樣品分析

研究采集的26件樣品由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分析測試。研究區(qū)硅質(zhì)巖主化學(xué)成分中，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(SiO2))為53.68%～98.23% (平均79.81%)；A l2O3和TiO2含量相對較低，A l2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(A l2O3))為0.01%～0.52% (平均0.06%)，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TiO2))為0.0041%～0.0305% (平均0.01%)；Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(Fe2O3))較高，為0.48%～1.14% (平均0.68%)；MnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(MnO))為0.0402%～0.2324% (平均0.0842%)。

4.討論

4.1.硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境

Figure 1.The structure and ancient geography pattern of Yanliao Rift Trough圖1.燕遼裂陷槽的構(gòu)造與古地理格局

w(MnO)/w(TiO2)可以有效地判斷硅質(zhì)巖形成的古沉積地理環(huán)境[16] [17] [18] [19]。巖石中的M n可以形成易溶且穩(wěn)定的化合物并進(jìn)入溶液，隨海流遷移到海水中富集起來，如果沒有受到熱液流體的影響，在大洋盆地內(nèi)M n2+幾乎是均一沉積[19]；Ti是惰性較強(qiáng)的元素，一般不形成可溶化合物，所以溶液中Ti的含量相對較低，TiO2更多地來自陸源沉積物[19]。w(MnO)/w(TiO2)反映了沉積物的離岸距離，較低的w(MnO)/w(TiO2) (小于0.15)代表大陸斜坡上近陸的邊緣海沉積環(huán)境；較高的w(M nO)/w(TiO2) (0.15～3.15)則反映遠(yuǎn)離大陸的遠(yuǎn)洋沉積環(huán)境[20] [21]。

Al2O3、TiO2和Fe2O3在硅質(zhì)巖成巖過程中保持穩(wěn)定[1] [6]，w(Fe2O3)/w(TiO2)和w(Al2O3)/w(Al2O3+ Fe2O3)可用于指示硅質(zhì)巖的沉積背景[1]。w(Fe2O3)/w(TiO2)-w(A l2O3)/w(A l2O3+ Fe2O3)圖解法是常用且有效的判別硅質(zhì)巖形成沉積環(huán)境的方法之一。從圖3中可以看出，研究區(qū)硅質(zhì)巖樣品均落在洋脊及其附近。

綜上所述，區(qū)內(nèi)中元古界硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征表明其為遠(yuǎn)岸環(huán)境沉積形成的產(chǎn)物，而非暴露條件下的“硅質(zhì)結(jié)殼”。

4.2.硅質(zhì)的來源

關(guān)于硅質(zhì)來源，一般認(rèn)為主要來源于硅質(zhì)生物[20]、熱液活動(dòng)[21]和陸源碎屑風(fēng)化[17] [18]。燕山地區(qū)硅質(zhì)巖中的硅質(zhì)普遍認(rèn)為來源于海底熱液活動(dòng)[7] [8] [9]，但也有學(xué)者研究認(rèn)為硅質(zhì)生物也是重要來源[10]。

Figure 2.The photo of silicalite圖2.硅質(zhì)巖照片

硅質(zhì)巖的主量元素如Al、Ti、Fe等能在成巖過程中保持穩(wěn)定，可以用來示蹤硅質(zhì)巖中硅的來源及沉積環(huán)境[1]。Al、Ti的富集與陸源物質(zhì)的介入有關(guān)，可以指示陸源碎屑輸入；Fe富集主要與熱液的參與有關(guān)，可以用來作為熱液參與的指標(biāo)[1] [21] [22] [23]。

Figure 3.The chart board of w(Fe2O3)/w(TiO2)-w(Al2O3)/w(Al2O3+ Fe2O3)圖3.w(Fe2O3)/w(TiO2)-w(A l2O3)/w(Al2O3+ Fe2O3)圖版

Figure 4.The triangle diagram of genetic discrim ination of w(A l)-w(Fe)-w(Mn) for the silicalite圖4.硅質(zhì)巖成因判別w(A l)-w(Fe)-w(Mn)三角圖

地球化學(xué)分析結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖中指示陸源碎屑成分的w(Al2O3)和w(TiO2)明顯偏低，分別為0.1%～0.52%和0.0041%～0.0305%，二者之間具有一定的正相關(guān)性。而w(SiO2)與w(Al2O3)和w(TiO2)不存在明顯的相關(guān)性，表明SiO2的來源與陸源碎屑無關(guān)，不是暴露條件下的“硅質(zhì)結(jié)殼”。

指示熱液來源的w(Fe2O3)相對較高，平均為0.68%，w(TFe2O3)/w(TiO2)平均為66，具有熱液成因的特征。Bostrem等[23]提出利用w(Fe)/w(Ti)、w(Fe + Mn)/w(Ti)來判別熱水和正常海水沉積物，當(dāng)其值分別大于20、25時(shí)屬于熱液來源的沉積物。研究區(qū)w(Fe)/w(Ti)為61～294 (平均131)，w(Fe+Mn)/w(Ti)為66～317 (平均140)，表明與熱液活動(dòng)關(guān)系密切。Adachi等[21]和Yamamoto [22]提出了w(Al)-w(Fe)-w(Mn)三角圖成因辨別圖解，該次研究的全部樣品均落在熱水沉積區(qū)內(nèi)(圖4)，反映出硅質(zhì)巖主要為熱液沉積的產(chǎn)物。

5.結(jié)論

1) 研究區(qū)硅質(zhì)巖呈條帶狀、團(tuán)塊狀、結(jié)核狀和薄層狀?yuàn)A于碳酸鹽巖中，具有明顯的成層性和韻律性。層狀硅質(zhì)巖具有硅質(zhì)礫屑結(jié)構(gòu)，條帶狀和結(jié)核狀硅質(zhì)巖具有液化和流動(dòng)現(xiàn)象，表明其為原生沉積形成。

2) 區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖w(M nO)/w(TiO2)平均為8.08，具高w(Fe2O3)/w(TiO2)，低w(Al2O3)/w(Al2O3+ Fe2O3)的特點(diǎn)，表明硅質(zhì)巖形成于遠(yuǎn)離陸源碎屑干擾的遠(yuǎn)岸環(huán)境，而非暴露條件下的產(chǎn)物。

3) 區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖具低w(Al2O3)和w(TiO2)，高w(TFe2O3)，w(Fe)/w(Ti)平均為131，w(Fe + Mn)/w(Ti)平均為140，樣品在w(Al)-w(Fe)-w(Mn)三角圖上均落在熱水沉積區(qū)內(nèi)，反映出硅質(zhì)巖為熱液成因。

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The Geochem ical Characteristics of Siliceous Rocks in Mesop roterozoic Erathem in Chicheng Area of Yanshan Belt

Xiucai Zheng
College of Technology and Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei

The con tent of Al2O3and TiO2(the m ass fraction w as 0.06% and 0.01%, respectively) of silicalite w as low and the con tent of TFe2O3w as high (the average m ass fraction w as 0.68%) in Mesop roterozoic Erathem (Gaoyuzhuang and Wum ishan Form ations) in Chicheng Area of Yanshan Belt, and it had characteristics o f high ratio o f Fe/Ti, Fe + Mn/Ti (the average value w as 131 and 140, respectively).The m ass fraction ratio of MnO/TiO2of silicalite in the area w as higher than that of silicalite in the ocean environm en t, and it w as characterized by high ratio o f Fe2O3/TiO2, low ratio o f Al2O3/(Al2O3+Fe2O3).All these characters ind icate that silicalite is form ed in the far shore environm ent of w hich keeps aw ay from the disturbance of terrigenous detrital and is in fluenced by hyd rotherm al p rocess.The siliceous m atter m ain ly com es from the seafloor hyd rotherm al fluid.

Silicalite, Hyd rotherm al Activity, Sed im en tary Environm en t, Geochem istry, Meso-Proterozoic Erathem, Chicheng Area

Received: Jun.24th, 2016; accepted: Sep.22nd, 2016; published: Dec.15th, 2016

Copyright ? 2016 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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鄭秀才(1963-)，男，研究員，現(xiàn)主要從事沉積與儲(chǔ)層方面的研究工作。

2016年6月24日；錄用日期：2016年9月22日；發(fā)布日期：2016年12月15日

文章引用： 鄭秀才.燕山赤城地區(qū)中元古界硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征[J].石油天然氣學(xué)報(bào), 2016, 38(4): 16-22.http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.384032