冀北赤城雾迷山组硅质岩地球化学特征及沉积环境

郑秀才 （长江大学工程技术学院，湖北 荆州434020）

冀北赤城雾迷山组硅质岩地球化学特征及沉积环境

郑秀才 （长江大学工程技术学院，湖北 荆州434020）

冀北赤城雾迷山组发育的硅质岩属于低硅质含量硅质岩，其SiO2平均含量为83.76%。岩石Al2O3含量 （平均0.03%）和TiO2含量 （平均0.01%）相对较低，MgO含量 （平均3.65%）相对于Al2O3和TiO2含量较高，但明显与SiO2呈负相关。Fe/Ti、（Fe＋ Mn）/Ti、Al/（Al＋Fe＋Mn）比值，Al－Fe－Mn、Fe/Ti和Al/（A1＋Fe＋Mn）的图解都显示区内硅质岩具有明显的热水沉积的特征；MnO/TiO2比值，Fe2O3/TiO2和Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）双变量图解判别显示硅质来源于大洋中脊；CaO/（Fe＋CaO）、（MgO/Al2O3）×100比值指示出其形成于高盐度环境。

硅质岩；热水沉积；地球化学；沉积环境；雾迷山组；冀北

燕山地区中元古代雾迷山组发育一套白云岩，其中以夹层或者互层状产出大量的硅质岩，野外露头上非常醒目，引起许多研究者的关注［1～3］。这些研究主要集中在燕山地区的东段，涉及西段的文献甚少。

中晚元古代华北地台处于燕辽拗拉谷拉张发展阶段，其位于内蒙古古陆南侧，是华北地区强烈拗陷地带，高于庄组－雾迷山组期燕辽拗拉谷构造古地理格局表现为一个岩相受轴部断裂控制的古陆棚海盆 （图1）［4，5］。

研究区位于燕辽拗拉谷盆地西北部 （图1）。实测剖面位于河北省赤城县东卯镇的古子房一带，区内地层出露良好，雾迷山组地层出露齐全，实测厚度1860.04m，明显较东段薄 （蓟县剖面约3300m，凌源剖面约2947m）。主要岩性为白云岩，包括泥晶云岩、藻叠层云岩、鲕粒云岩、内碎屑云岩和硅质岩等。硅质岩呈薄层状、条带状、结核状和团块状呈夹层或者互层产出于白云岩中。

笔者对该套硅质岩地球化学特征进行了较为系统的研究，为燕山西段雾迷山组硅质岩地球化学研究提供了实例，填补了燕山西段雾迷山组硅质岩地球化学研究的空白。

1 岩石学特征

1.1 结晶硅质岩

该类岩石普遍发育，是硅质岩中的最主要岩石类型。岩石以浅色调为主，少量深色调结晶硅质岩。其产状多样，主要以薄层状 （图2（a））、条带状、透镜状和团块状为主。镜下薄片观察，岩石主要由玉髓和石英组成 （图2（b）），具隐晶－微晶结构，内部结构较均一。石英一般为微晶质，局部可重结晶达粉晶或细晶级；玉髓多为小球状、纤维状。镜下颗粒极细，一般0.01～0.05mm，甚至更细。

1.2 颗粒硅质岩

颗粒硅质岩在野外呈褐色、浅褐色、浅灰色者为主，呈条带状、团块状，顺层状产夹于纹层泥晶云岩、颗粒云岩等岩石之中。颗粒的主要类型包括鲕粒、藻鲕、似鲕粒和硅质球粒等。

鲕粒硅质岩与周围的白云岩呈不规则接触，接触关系清楚，横向上可以过渡为鲕粒白云岩。薄片显微镜下，鲕粒呈圆形，大小在0.5～1mm之间，具有明显的同心层状构造，大小均匀，分选好。鲕粒含量在80%～85%左右。岩石为接触－孔隙式胶结，硅质胶结，保留了原生结构的残余暗影，具有明显交代成因的特征。

图2 野外照片及岩石薄片

似鲕粒、藻鲕、硅质球粒等颗粒硅质岩露头上呈层状，或者断续呈层的条带状。似鲕粒的外表形态与鲕粒相仿，颗粒大小与鲕粒相近或者稍小，所不同的是它们一般不具内部结构 （图2（c）），也没有明显的核心，空间上与鲕粒云岩无关。藻鲕其外形与一般鲕粒相同，呈球形、椭球形，粒径为0.05～0.4mm，少数可大于0.5mm。但藻鲕内部具有与有机质残余有关的辐射状、麻点状、花瓣状等内部结构。硅质球粒大小在0.5～1mm之间，放大镜下即可观察到似 “玛瑙”的同心层构造，显微镜下球粒由放射纤维状或微晶玉髓组成，具同心层构造，没有明显的交代现象，可能为原生沉淀或成岩期的新生变形的产物。

1.3 叠层石硅质岩

其产状主要呈条带状、薄层状和少量的团块状。野外露头上，叠层石硅质岩也具有明显的由 “亮暗”相间的 “纹层对”叠加而成 （图2（d））。叠层石硅质岩中，一类横向上可 “过渡”为叠层石白云岩，这类硅质岩应为叠层石白云岩的交代产物。但是还有大量硅质叠层石主要分布在层状、层纹状硅质岩中或者呈层状、层纹状成层分布，露头上宏观观察均无明显交代现象，其基本层由暗色和亮色两种硅质层纹织成，镜下暗层富含有机质，常被沥青质浸染为黄色，具藻纤结构，纤维状玉髓放射状，不显交代现象。亮层由颗粒较大的石英和纤维状玉髓组成，有时见有以褐色团块为中心，周围具放射性或者同心圆状纤维状玉髓组成球状构造。显然该类硅质岩不是后期交代成因。

2 样品分析结果

该次研究对不同产状的硅质岩进行样品采样。样品主要由中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室测试。分析结果如表1。

表1 区内雾迷山组硅质岩化学分析结果

从表1看，该区硅质岩主要化学成分中SiO2的含量变化范围为61.82%～98.23%，其中7件样品属于纯硅质岩 （SiO2含量为91.18%～98.23%）［6］；总体平均值为83.76%，属于低硅质含量的硅质岩。Al2O3和TiO2含量相对较低，Al2O3含量为0.01%～0.37% （平均0.03%），TiO2平均含量为0.01% ，表明区内硅质岩其来源远离大陆边缘。区内硅质岩 MgO含量在0.28%～8.83%，平均3.65%，相对于Al2O3和TiO2其含量较高，但明显与SiO2呈负相关。

3 讨 论

3.1 硅质岩的成因

硅质岩中Fe、Mn富集主要与热液的参与有关，而Al富集则与陆源物质的介入有关［7，8］。Bostrom等［8，9］提出利用 Fe/Ti、 （Fe＋Mn）/Ti、Al/（Al＋Fe＋Mn）来判别热水和正常海水沉积物。当上述指标分别大于20、25，小于0.35时一般认为属于热水来源的沉积物。Adachi等［7］研究表明，纯生物成因的硅质岩Al/（Al＋Fe＋Mn）的值接近0.6，而纯热水成因的硅质岩该值接近0.01，受热水作用影响的硅质岩该值小于0.35。由表2可以看出，该区Fe/Ti在61.62～294.82，平均131； （Fe＋Mn）/Ti在 66.13～317.36，平 均 为 140；Al/ （Al＋Fe＋Mn）在0.01～0.20，平均0.02。显然，这些判别指标均与国内外典型的热水成因硅质岩相似，而与生物成因硅质岩和非热水成因硅质岩具有明显差别，显示了区内硅质岩与热液活动有关。

表2 硅质岩成因判别指标特征

Bostrom［9］和 Spry［10］利用 Fe/Ti和 Al/（A1＋Fe＋Mn）图解判别热水源与陆源物质混合比例，取得了很好的效果。在Fe/Ti和A1/（Al＋Fe＋Mn）关系图 （图3）上，区内的样品主要集中在曲线上半部，热水源比例在60%～80%，大部分样品的热水源比例为80%左右，且显示集中分布的特征，只有一个样品的热水源比例占60%，表明区内硅质岩主要为热水作用产物，陆源物质有参与。

Adachi等［7］和Yamamoto［11］在系统研究了热水成因沉积与正常生物成因沉积硅质岩后 ，提出Al－Fe－Mn三角图。把该区样品在图上投点 （图4），可以看出全部样品投点均落在热水成因沉积硅质岩区内，反映出硅质岩主要为热水成因沉积作用的产物。

图3 硅质岩Fe/Ti和A1/ （A1＋Fe＋Mn）图解 （据文献 ［10］）

图4 硅质岩成因判别Al－Fe－Mn三角图

3.2 硅质来源的构造环境

硅质岩的地球化学特征能很好地反映沉积环境，许多研究者提出了用硅质岩的地球化学特征来判断其形成时的构造环境［6，7，11～13］。

Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）是判别硅质岩形成环境的一个重要标志［6］。洋中脊硅质岩Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）的比值＜0.4，大洋盆地在0.4～0.7之间，大陆边缘则在0.5～0.9。区内硅质岩样品的Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）都介于0.1～0.34之间，表现出类似于洋中脊硅质岩的特征。

MnO/TiO2也可以作为判断硅质岩来源及沉积盆地古地理位置的重要标志［6，7，12，13］。研究表明，离陆较近的大陆斜坡和边缘海沉积的硅质岩的MnO/TiO2值一般小于0.5；而开阔大洋中的硅质沉积物的比值则比较高，可达0.5～3.5。区内硅质岩MnO/TiO2的比值在3.49～17.45之间，远远大于开阔大洋硅质岩，类似于藏南彭错林［14］，反映硅质岩形成于洋中脊附近和深海盆地环境。

Al2O3和TiO2的含量具有指示陆缘物质来源的意义，而Fe2O3被用作洋中脊热水活动组分的指标，并且它们在成岩过程中相对稳定不易变化，因此，常利用Fe2O3/TiO2和Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）图解来判别硅质岩的沉积环境［6］。在图5中，区内硅质岩样品均分布在洋中脊附近硅质岩区，与比值法判别的结果一致。

图5 Fe2O3/TiO2 和Al2O3/ （Al2O3＋Fe2O3）图解

热水沉积作用受热源形成和活动机制、热源稳定性及维持时间长短、深部壳－幔相互作用等因素的制约。它可以发育于地壳演化的不同阶段和各种大地构造位置。大洋中脊、弧后和弧间盆地、裂谷或断陷盆地等都是理想的热水活动沉积的场所。区内雾迷山组沉积时期处于拗拉谷发育阶段［4，5］，是一个受轴部断裂控制的古陆棚海盆，表现出强烈的拉张作用，因此从地壳深部经断裂到浅部的热液流体活动强烈，这为区内热水成因硅质岩的形成提供了理想的构造环境。这种强烈的拉张作用的构造背景，导致了区内硅质岩化学特征的判别上类似于大洋中脊的特点。

3.3 硅质岩形成的水体环境

许多研究者应用CaO/（Fe＋CaO）和 MgO/Al2O3比值作为水体盐度的指标［15～17］。一般认为，CaO/ （Fe＋CaO）其值小于0.2为低盐度，0.2～0.5为中等盐度，大于0.5为高盐度；区内雾迷山组硅质岩CaO/（Fe＋CaO）的比值在0.33～0.97范围，平均为0.87，远远大于0.5，表明其形成于高盐度环境。

（MgO/Al2O3）×100比值作为水体环境指标时，淡水沉积环境该值小于1，海陆过渡沉积环境在1～10之间，海水沉积环境在10～100［17］。区内雾迷山组硅质岩 MgO/Al2O3的比值在84～3550范围，其值远远大于100，表明其形成于海水环境。这与CaO/（Fe＋CaO）参数判别结果一致。

3.4 因子分析

对区内的硅质岩主元素进行R型因子分析得到的结果见表3。

第1主因子中的元素包括CaO、MgO、SiO2，其中CaO、MgO存在强烈的正相关性，而与SiO2呈负相关。这种负相关可能表明：①硅质对碳酸盐岩的交代；②硅质岩和碳酸盐岩的交替沉积。考虑到取样时排除了交代成因硅质岩，笔者认为其反映了硅质岩和碳酸盐岩的交替沉淀过程。这与王正允等［1］成岩研究得出区内硅质岩脉动成因机理的结论一致。

第2主因子为Al2O3、TiO2、K2O和 Na2O，反映陆源物质的部分。Al2O3和TiO2含量很少受成岩作用和后期变质作用的影响，其含量主要取决于陆源物质的输入量［12］，表明在热水沉积作用发生的同时，正常沉积作用仍然存在［18］，这与Fe/Ti和A1/（A1＋Fe＋Mn）图解判别结果一致 （图3）。

表3 区内硅质岩主元素R型因子分析结果

第3主因子为Fe2O3和MnO。Maynard［19］认为FeO和MnO具有相似的沉积地球化学特性，在还原环境中FeO和MnO通常表现为正相关性。区内硅质岩并不支持FeO和MnO组合，而是与Fe2O3具有良好的正相关。这一特征与华南地区二叠系硅质岩相似［19］，表明区内硅质岩形成于氧化环境，反映了区内硅质岩热水沉积成因的特征。

第4主因子为P2O5。杨海生等［20］认为，它是硅质岩热水成因的结果。

4 结 语

区内硅质岩地球化学特征的研究表明，其明显具有热水成因的特征，硅质来源于类似于洋中脊的拗拉谷构造背景条件，形成于高盐度水体环境中，常量元素R型因子分析结果第1主因子CaO、MgO与SiO2呈负相关，表明碳酸盐岩和硅质岩的沉积互为消长，体现了沉积作用脉动过程，这与野外观察到的硅质岩与碳酸盐岩的 “交替互层”构造相一致。

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Geochemical Characteristics of Siliceous Rocks in Wumishan Formation of Northern Hebei

ZHENG Xiu－cai（Author's Address：College of Technology and Engineering，Yangtze University，Jingzhou434020，Hubei，China）

The siliceous rocks in Wumishan Formation of Northern Hebei are characterized by low content of the siliceous rocks with average content of 83.76%，the major elements such as Al2O3（the average content of 0.03%）and TiO2（the average content of 0.01%），were low and MnO（the average content of 3.65%）was higher，and was negatively correlated with SiO2.The ratios of Fe/Ti，（Fe＋ Mn）/Ti，Al/（Al＋Fe＋Mn）and Al－Fe－Mn diagrams show that the siliceous rocks are the sedimentary rocks of hydrothermal origin.From the MnO/TiO2ratios，and Fe2O3/TiO2－Al2O3/（Al2O3＋Fe2O3）diagrams，the hydrothermal system are mainly distributed in the tensile environment such as MOR，Arc－rear basin，Aulacogen and so on.The ratios of CaO/（Fe＋CaO）and MgO/Al2O3×100show that the seawater during the deposition of the siliceous rocks in the Wumishan Formation in northern Hebei might be freshened.

siliceous rock；hydrothermal sediment；geochemistry；depositional environment；Wumishan Formation；northern Hebei

P59

A

1000－9752（2011）06－0053－06

2011－03－16

中国石油化工股份有限公司海相前瞻性研究项目 （YPH08026）。

郑秀才 （1963－），男，1987年江汉石油学院毕业，研究员，现主要从事沉积与储层方面的研究工作。

［编辑］ 龙 舟