巢湖地區(qū)棲霞組硅質巖成因分析

摘 要：為了解巢湖地區(qū)棲霞組硅質巖形成環(huán)境，采集了該區(qū)硅質巖進行巖石學及地球化學分析，結果表明：巢湖地區(qū)棲霞組硅質巖形態(tài)多為橢球狀和串珠狀，其長軸多順層產出，硅質巖中SiO2、Fe2O3和MnO含量較高，Al2O3和TiO2含量較低，Al/（Al+Fe+Mn）、Fe/Ti比值、Al-Fe-Mn判別圖表明硅質結核為熱水沉積的產物；結合前人成果，棲霞組燧石結核中二氧化硅應源自大洋盆地的熱水溶液，在與正常海水發(fā)生對流混合作用后得到了生物作用的吸收，進而被上升流搬運至淺海區(qū)發(fā)生沉積成巖過程。

關鍵詞：巢湖地區(qū)；棲霞組硅質巖；成因分析

現如今，隨著硅質燧石結核受到國內外的關注，其來源問題逐漸成為一個令人熱議的話題（Adachi et al.， 1986； Murchey et al， 1992）。寒武紀硅質巖被認為是由于海底熱液成因，而顯生宙硅質巖則被普遍認為是固態(tài)可溶生物硅的積累和可溶性生物硅的沉淀。這些研究為沉積盆地演化提供了新的資料來源，為沉積盆地的建立提供了新的可能。二疊世硅質巖廣泛發(fā)育于中國南方，其沉積環(huán)境與物質來源也存在著一些異議。文章以巢湖地區(qū)平頂山向斜西翼采石場實測剖面的下二疊統(tǒng)棲霞組為例探究該區(qū)域硅質巖的物質來源、成因機制及沉積環(huán)境。對于該區(qū)硅質巖的相關研究甚少。主要有以下幾種陸源碎屑的補給（楊瑞等，2014）、上升流攜帶（呂炳權等，2004）或與火山作用有關（楊水源等，2008）。但是考慮到以上模式的過于單一，文章通過主微量元素不同模式分析并結合沉積學地質學原理力求從多角度多方面探求其物質來源和成因模式，從而更客觀地還原該區(qū)的沉積演化歷史。

1 區(qū)域及剖面概況

安徽巢北地區(qū)位于晚中生代華北高原的東部、郯廬斷裂東側、蘇魯高壓-超高壓造山帶南側的揚子地塊下揚子前陸褶斷帶北緣，其演化受這個大地構造背景制約，形成了“兩向一背”疊加棋盤格式斷裂的特征構造樣式。

根據巢北地區(qū)平頂山實測剖面。棲霞組自下而上可分為兩段，厚約171.3m。下段厚約61.60m?？煞譃閮刹糠?。

下部為碎屑巖夾劣質煤，平頂山剖面碎屑巖風化為土黃色，該部分巖性變化較大，在 嶂一帶為深灰色、灰黃色鈣質透鏡體泥巖，厚0.25m，向西到東風石礦為灰黑色頁巖及黑色劣質煤層，厚0.75m，與下伏船山組呈凹凸不平之假整合面。上部為深灰、灰黑色薄至中層含瀝青質臭灰?guī)r及含生物碎屑泥灰?guī)r，厚60.6m。上段按巖性特征可分為四部分，總厚109.7m。下部含燧石結核或團塊灰?guī)r，黑、灰黑色灰?guī)r，夾黑色薄燧石層及生物碎屑粉砂質泥巖，厚8.7m。中部：深灰、灰黑中薄到中層含燧結核灰?guī)r，夾黑色薄層含瀝青質泥類巖，厚78.1m。上部為黑色中-薄層硅質巖、深灰色含燧結核白云質灰?guī)r及薄板狀硅質灰?guī)r互層，厚7.7m。頂部為灰、深灰色含燧石結核灰?guī)r、白云巖質灰?guī)r，厚14.9m。反映了沉積環(huán)境由早期的濱海沼澤逐漸演變?yōu)榉€(wěn)定的淺海碳酸鹽臺地，局部間夾缺氧的滯留環(huán)境。

2 樣品及分析方法

文章的研究樣品采自安徽巢北地區(qū)平頂山向斜西翼采石場實測剖面棲霞組中段含燧石結核及燧石條帶灰?guī)r。包括3個圍巖（WY-1、WY-2、WY-3），4個燧石結核（JH-1、JH-2、JH-3、JH-4），全巖樣品首先采用切割機除去表面附著物，手工挑純（避免巖脈發(fā)育部分），隨后將其粉碎至1cm2左右的小塊，并用超純水進行3次振蕩清洗。然后用無污染鄂式破碎機及瑪瑙研缽破碎至200目以下，送至實驗室進行主量元素分析。全巖主量元素在武漢上譜分析科技有限責任公司測試完成，測試利用X熒光光譜儀測試完成，具體流程見GB/T14506.30-2010。

3 結果及討論

3.1 巖石學特征

棲霞組灰?guī)r中的燧石以結核狀和條帶狀為主，分布廣泛，是華南地區(qū)二疊系主要的識別標志之一（劉新宇等，2007），野外觀察研究區(qū)燧石結核外側往往發(fā)育肉紅色或灰黃色過渡帶（圖2C），也有部分燧石結核的過渡帶不明顯或與灰?guī)r直接接觸。含燧石結核圍巖呈淺灰色或灰色，中層-厚層狀，常發(fā)育平行層面微細沉積紋層，紋層多圍繞燧石發(fā)育，延伸方向與燧石結核長軸方向基本一致（圖2A），顯示出壓實作用的特征。棲霞組灰?guī)r與燧石結核的接觸部位發(fā)育一個過渡帶，其厚度并不均一，為0-0.4cm，部分燧石結核甚至不發(fā)育過渡帶與灰?guī)r直接接觸。剖面上燧石結核主要集中在棲霞組中段的局部層位，多呈棕色、深棕色、黑色分布于灰色、灰白色中厚層灰?guī)r中，具有圓球狀、橢球狀、豆芽狀、串珠狀、條帶狀等不規(guī)則形態(tài)（圖2B）。橢球狀燧石長軸10-15cm，短軸5-10cm，條帶狀燧石寬10-20cm，其長軸多與層面平行，并可沿層面延伸數米（圖2D，E）。

3.2 地球化學特征

硅質巖是一類特殊的巖石，由化學作用、生物和生物化學作用及某些火山作用、熱水作用所形成的富含SiO2（>70%）的巖石，也包括在盆地內經機械破碎再沉積者，都可以稱為硅質巖 （曾允孚，1986）。由于形成于特定的地球化學條件下，其成巖過程和沉積環(huán)境十分復雜，而且其化學成分容易受到多方面物源供給的影響，這給硅質巖的地球化學判斷帶來了許多問題和誤區(qū)。

研究區(qū)樣品的常量元素分析結果見表1，由表1可知，本區(qū)燧石的化學成分以SiO2為主，含量在85.27%～96.96%，平均在91.76%，其他化學成分較低。其中，FeO、Fe2O3、MnO、CaO的含量相對較高，Al2O3和TiO2等的含量相對較低，具有富Fe和Mn，貧Al和Ti的特征。關于常量元素對于沉積環(huán)境和物源信息的指示作用，比較有代表性的如：Fe、Mn的富集指示與熱水的參與有關，Al、Ti的相對富集則與陸源物質的混入有關，在細粒陸源沉積物中兩者正相關，作為正常沉積作用的標志（Murray， 1994）。燧石主量元素MnO/TiO2值、Fe/Ti值和（Fe+Mn）/Ti值相對較高，分別為1.88、22.2和24.62； Na2O/K2O值和Al/（Al+Fe+Mn）值相對較低，且變化范圍較大，分別在0.45～0.94和0.21～0.35之間，平均值分別為0.63和0.27；P2O5、Na2O、K2O的質量分數均小于0.1%。燧石中的SiO2含量明顯高于圍巖（石灰?guī)r）中的含量，是其平均含量的6.24倍。

3.3 硅質巖來源分析

硅質巖中MnO/TiO2比值可以作為環(huán)境分析的定性標志。一些研究結果表明，離大陸較近的邊緣海等沉積環(huán)境中沉積的硅質巖，其MnO/TiO2比值偏低，一般小于0.5，而遠離大陸的大洋環(huán)境中的硅質沉積物的MnO/TiO2比值卻較高，可達0.5～3.5（Adachi et al.，1986）。分析結果顯示研究區(qū)燧石結核的MnO/TiO2在1.37 ～ 2.47之間，平均值為1.88。這一地球化學標志指示該燧石結核應沉積在離洋中脊不遠的、具有深淵物質/熱水注入的遠洋盆地背景中。但這一認識與系統(tǒng)的稀土元素所指示的其沉積在大陸邊緣的淺海環(huán)境中的結論相去甚遠。結合區(qū)域地質和前人研究的綜合分析認為，該套燧石結核的形成可能與上升流的影響有關。上升流將形成于大洋盆地背景中的物質帶到靠近大陸邊緣的淺海環(huán)境中發(fā)生沉積，造成了沉積在陸棚淺海環(huán)境中的燧石結核，在地球化學組成上保留了其大洋盆地背景的特征。

硅質巖Fe，Mn，Al等常量元素的含量對于區(qū)分熱水沉積與非熱水沉積硅質巖具有重要意義。其中Fe，Mn的富集主要與熱水的參與有關，而Al的相對集中多與陸源物質的介入相關，且Al/（Al+Fe+Mn）值不隨埋藏和成巖作用的變化。海相硅質巖中Al/（Al+Fe+Mn）值< 0.35，是衡量硅質巖中熱水沉積含量多少的標志，Al/（Al+Fe+Mn）值隨著硅質巖中熱水沉積含量的增加而變?。∕urray et al.，1990）。研究表明，熱水沉積和生物沉積巖的硅質巖中Al/（Al+Fe+Mn）比值有明顯差異，具體大小由純熱水沉積的0.01到純遠海生物沉積的0.60（Adachi et al.， 1986），并確定了硅質巖Al/（Al+Fe+Mn）三角成因判別圖解。棲霞組燧石結核中Al/（Al+Fe+Mn）值為0.21 ～ 0.35之間，平均為0.27，都小于0.35，在Al/（Al+Fe+Mn）三角圖中燧石結核全都落入熱液成因區(qū)，石灰?guī)r則為正常的海水沉積（圖3）。海相沉積物中Fe/Ti值和（Fe+Mn）/Ti值可判斷熱水沉積和正常海水沉積，當上述比值分別大于20和20+5時，一般認為屬于熱水來源的沉積物。通過分析發(fā)現，研究區(qū)燧石結核的Fe/Ti值和（Fe+Mn）/Ti值分別為22.2和24.62，都大于其標準值，反映了熱水沉積的特征。另外，（Cu+Co+Ni）-Fe-Mn三角圖（圖6）也用于區(qū)分熱水沉積和非熱水沉積（Rona， 1988），因為熱水來源的硅巖富Fe，Mn，貧Cu，Co和Ni，這與熱水條件下沉積物沉積速率加快有關。在Wonder等的SiO2-Al2O3圖解上（Wonder et al.，1988）（圖4），本區(qū)燧石結核投點均落入熱水沉積物區(qū)。并且，在研究了現代深海沉積物、成巖含金屬沉積物和熱液含金屬沉積物的Cr和Zr的含量后繪出了Cr和Zr的關系圖（Marching et al.， 1982），由圖5可知，本區(qū)燧石結核的投點均落于現代熱水沉積物的趨勢線范圍內。

4 結束語

巢湖地區(qū)二疊系棲霞組燧石結核形成于靠近大陸邊緣的淺海碳酸鹽巖臺地環(huán)境，沉積過程中水體經歷了富氧-缺氧過程，而灰?guī)r則是正常海相沉積環(huán)境，未遭受后生成巖作用的改造。本研究區(qū)燧石結核的眾多地球化學指標均吻合與熱水成因硅質巖的地球化學特征，反映出本區(qū)燧石結核為熱水成因。值得說明的是，部分地球化學指標與典型熱水沉積硅質巖存在的偏差可能反映了熱水沉積體系遭受了混染。

參考文獻

[1]劉新宇，顏佳新.華南地區(qū)二疊紀棲霞組燧石結核成因研究及其地質意義[J].沉積學報，2007，25 （5）：730-734.

[2]呂炳權，王紅罡，胡望水，等.揚子地塊東南古生代上升流沉積相及其與烴源巖的關系[J].海洋地質與第四紀地質，2004，24（4）：29-35.

[3]楊瑞，李紅，柳益群，等.安徽巢湖地區(qū)中三疊統(tǒng)棲霞組灰?guī)r中燧石成因[J].現代地質，2014，28（3）：171-511.

[4]楊水源，姚靜.安徽巢湖平頂山中二疊統(tǒng)孤峰組硅質巖的地球化學特征及成因[J].高校地質學報，2008，14（1）：39-48.

[5]曾允孚，夏文杰.巖石沉積學[M].北京：地質出版社，1986：190.

[6]ADCHI M， YAMAMOTO K， SUGISAKI R. 1986. Hydrothermal chert and associated siliceous rocks from the northern Pacific： Their geological significance as indication of ocean ridge activity. Sediment Geol， 47： 125-148.

[7]MURRAY R W. Chemical criteria to identify the depositional environment of chert：general principles and applications[J]. Sedimentary Geology， 1994，90（3-4）：213-232.

[8]MURRAY R W， BRINK M R B， GERLACH D C， et al. Rare earth elements as indicators of different marine depositional environments in chert and shale [J]. Geology， 1990，18（3） ： 268-271.

[9]MURCHEY B L， JONES D L. A mid-Permian chert event： Widespread deposition of biogenic siliceous sediments in coastal， island arc and oceanic basins. Paleogeogr Paleoclimatol Paleoecol， 1992，96：161-174.

[10]RONA P A. Hydrothermal mineralization of ocean ridges [J].Canadian Mineralogy， 1988，26（3）：447-465.

[11]WONDER T M， SPRY P G， WENDOM K E. Geochemistry and origin of manganese rich rocks related to iron-formation and sulfide deposits. Western Georgis. Eco.Geol[J]. 1988，83：1070-1081.

作者簡介：馬秀杰（1991-），男，地質工程專業(yè)在讀本科生。

*通訊作者：陳松（1983-），男，副教授，博士（后），主要從事地球化學方面的教學和科研。