秦皇岛地区奥陶纪硅质岩地球化学特征及沉积环境意义①

肖 依 周汉文,2 刘爱民 吴 琪

(1.中国地质大学地球科学学院 武汉 430074;2.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室 武汉 430074)

秦皇岛地区奥陶纪硅质岩地球化学特征及沉积环境意义①

肖 依1周汉文1,2刘爱民1吴 琪1

(1.中国地质大学地球科学学院 武汉 430074;2.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室 武汉 430074)

秦皇岛地区位于华北地台东北缘,该区奥陶系亮甲山组和马家沟组主要由细晶白云质灰岩、细晶白云岩、豹皮状灰岩、砾屑灰岩组成,灰岩中普遍含有结核状、条带状和团块状硅质岩。XRD分析显示硅质岩主要矿物成分为石英、方解石和少量白云石,硅质岩显微镜下为蠕虫状、球状、针状玉髓集合体,个别样品可见交代结构。硅质岩贫Mn、Fe,Mn/TiO2小于0.5,Si/(Si+Al+Fe)比值在0.98～0.99之间,U/Th(0.422～1.225),REE总量低;硅质岩经北美页岩标准化的REE配分模式图上无明显Ce负异常,呈现平坦配分曲线;同时(La/Ce)N=(0.98～1.23),(La/Yb)N= (0.8～1.78),Ce/Ce*=0.92～1.02,反映奥陶纪亮甲山组和马家沟组中硅质岩团块和条带为生物化学成因,形成于离陆较近的浅海环境。

硅质岩 地球化学特征 沉积环境 奥陶纪亮甲山组和马家沟组 华北地台

0 引言

硅质岩是指自生硅质矿物体积分数超过50%且以层状产出的沉积岩[1],层厚一般为几十米到几百米[2]。硅质岩矿物组成简单,抗风化能力强,形成之后受内外力地质作用改造程度小,保留了丰富的地球化学“指纹”信息,因此,通过对硅质岩的研究对揭示古地理、古环境和古气候具有十分重要的指示意义[3]。

硅质岩的成因一直是地质学中有争论的问题,其中最关键的问题是硅质来源,其次是二氧化硅形成的机理以及硅质岩形成的沉积环境[4]。关于硅质岩的成因目前主要有4种认识:(1)生物化学作用成因[5,6];(2)热液成因[7～16];(3)富钙岩石被硅质交代成因[17,18];(4)海水的正常沉积[19]。

秦皇岛地区位于华北板块的东北缘,连续出露奥陶系亮甲山组和马家沟组,其中灰岩中普遍含有硅质岩。本文研究该区硅质岩岩石学和地球化学特征,并探讨本区硅质岩成因和古环境意义。

1 地质概况

华北地台是我国最大的地台,总体轮廓呈倒三角形,其范围东邻渤海,南抵秦岭、大别山,西缘贺兰山、六盘山与秦祁海槽相连,北与黑吉海槽和蒙古地槽为邻[20]。研究区秦皇岛地区位于华北板块东北缘,其地层属于华北型[21]。区内奥陶系亮甲山组依岩性自下而上可划分为三段[21]:灰色细晶豹皮状灰岩夹砾屑灰岩及少量黄绿色钙质页岩;灰色豹皮状灰岩含燧石结核及条带微晶灰岩,夹少量砾屑;灰色中厚层豹皮状灰岩。奥陶系马家沟组依岩性自下而上可划分为四段[21]:黄灰色白云质灰岩夹浅灰白色细晶白云质灰岩,具明显层理,部分含燧石结核和砾屑;黄灰色厚层细晶白云岩夹黄灰色细晶豹皮状白云质灰岩;灰色中厚层含燧石结核细晶白云质灰岩;黄灰色中薄层细晶白云岩(图1)。

本区硅质岩主要呈团块和条带状分布于奥陶系亮甲山组灰岩和马家沟组白云质灰岩中。从石门寨、亮甲山和沙锅店地区分别采得奥陶系亮甲山组中部,奥陶系马家沟组下部及中部硅质岩样品,采样层位如图2。

2 硅质岩的岩石学特征

2.1 硅质岩样品野外产状

本文研究的硅质岩样品共9件,分别采于亮甲山组和马家沟组,详见图2.3件硅质岩样品(编号SM1-1、SM1-2、SM1-3)采自石门寨地区亮甲山组中部,硅质岩样品在野外露头上表现为灰黑-黑色,呈现不规则团块状,夹持于灰岩层间,且与硅质岩接触部位的灰岩层发生轻微弯曲(图2A);马家沟组中的硅质岩分析样品共计6件,其中3件样品(编号LJ1-8、LJ1-9、LJ1-8-3)采于亮甲山地区,层位为马家沟组下部,硅质岩呈灰黑色,珍珠光泽,团块(6～10 cm)和条带状断续分布于灰岩层间,灰岩岩层可见水平层理(图2B);样品SG1-1、SG1-2、SG1-3采于沙锅店地区,属于马家沟组中上部,硅质岩呈浅黑褐色,为椭球状,具有很好的定向性,长轴与层面平行,结核与围岩接触界限清楚,岩层层理边缘圆滑的绕过结核,结核直径1～5 cm不等,具有同心层结构(图2C,2D)。

图1 秦皇岛大地构造位置图及采样区地质概况图(大地构造位置图原图据[22])1。潜粗面安山岩;2。山西组;3。山海关花岗岩;4。寒武系(未分);5。奥陶系(未分);6。牛心山片麻岩;7。第四系;8。。北漂组;9。张家口组;10。青白口系;11。中上石炭统;12。髫髻山组;13。正长花岗岩;14。闪长玢岩;15。正长斑岩;16。流纹正长斑岩脉;17。三叠系(未分);18。采样点; 19。行政区界线;20。断层;21。角度不整合界线;22。。整合岩层界线Fig.1 Geotectonicmap and geologic general situation of Qinhuangdao area

图2 秦皇岛地区硅质岩采样层位图1。白云岩;2。含燧石结核白云质灰岩;3。豹皮状白云质灰岩;4。豹皮状灰岩;5。豹皮状灰岩夹砾屑灰岩夹燧石结核;6。豹皮状灰岩夹砾屑灰岩Fig.2 Sampling position of cherts in Qinhuangdao area

图3 秦皇岛奥陶纪硅质岩显微镜下照片Fig.3 Micrograph of Ordovician cherts in Qinhuangdao area

2.2 硅质岩岩相学特征

奥陶纪亮甲山组(O1l)样品SM1-1、SM1-2、SM1-3镜下为基质支撑,基质中可见不规则排列的砾屑,粒径大于2 mm,砾屑分选差,磨圆好,可能受海岸带海浪多次冲刷。样品中泥质成分较高,软变形发育(图3a),并且可见介形虫(图3b)、双壳类(图3c)、三叶虫、腕足、钙球等古生物碎屑,基质中碳酸盐泥晶排列具有定向性,有流动的特征(图3d),可见方解石胶结物。硅质团块中矿物为微晶石英,内部穿插方解石脉,脉体呈波状消光,玉髓呈蠕虫状(图3e)、条状分布,团块内有轻微白云石化。砾屑的形成需要侵蚀和搬运作用,风暴作用可以产生侵蚀作用[23],样品中岩石和古生物组合显示该样品可能形成于正常浅海,并且受到海岸带海浪冲刷的高能量动荡环境。

奥陶纪马家沟组(O1m)下部样品LJ1-8、LJ1-9、LJ1-8-3中硅质团块中玉髓含量极高并且形态多样,可见椭圆状玉髓集合体、沿方解石边生长的玉髓集合体(图3f)、放射状玉髓集合体、沿被溶蚀的方解石边生长的栉壳状玉髓集合体、长条状玉髓集合体、针状、蠕虫状玉髓集合体等。可见方解石被溶蚀后留下的残余结构(图3g),这些残余结构在正交偏光镜下光性方位一致,有机质含量高,可见介形虫(图3h)、双壳类、腕足类等浅海古生物碎屑,显示正常浅海,低能量的浅水潮下环境[23]。

O1m中上部样品SG1-1、SG1-2、SG1-3中泥质含量低,且鲜见古生物碎屑,硅质结核中为微晶石英,玉髓集合体较小,结核中可见明显的方解石被溶蚀现象。硅质岩中主要为隐晶质硅、微晶石英、粗晶石英、玉髓、方解石、白云石。微晶石英呈等粒状集合体,粗晶石英单其外为放射状针状,由外围向中心粒度由细变粗(图3i)。结核中方解石分为两种形态,一种呈细脉状穿插于燧石结核中,另一种为港湾状、残余状,可见明显的溶蚀边(图3j),这种方解石在正交偏光下光性方位一致,因此判断原为一个整体,可能是由于钙质未被硅质交代完全而留下的残余。白云石多沿结核裂隙发育,为成岩期后产物。上马家沟灰岩和白云质灰岩夹硅质条带和团块形成于浅海-潮上蒸发环境,构成海侵体系域-高水位体系域[24]。

2.3 硅质岩的矿物组合

硅质岩的X射线粉晶衍射实验在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的荷兰X'Pert PRO Dy 2198型粉晶衍射仪上完成。该仪器的工作条件:管压40 kV,管流30 mA,Cu靶Kα线,Ni滤波,扫描速度10°/min。

X射线粉晶物相分析结果(图4,5)表明,亮甲山组硅质岩(SM1-1、SM1-2、SM1-3)主要矿物组成为石英和方解石,SM1-1和SM1-3中含少量白云石,SM1-1中含少量含铁矿物。马家沟组下部硅质岩(LJ1-9、LJ1-8、LJ1-8-3)的主要矿物组成为石英和方解石,其中LJ1-8-3中方解石含量较高。马家沟组上部硅质岩中普遍轻微白云石化,主要矿物组成为石英、方解石,其中SG1-1和SG1-3中含少量含铁矿物。

图4 秦皇岛奥陶系亮甲山组硅质岩样品X射线衍射图Fig.4 XRD frofile of chert's samples from the Liangjiashan group in Ordovician

图5 秦皇岛奥陶纪马家沟组硅质岩样品X射线衍射图Fig.5 XRD frofile of chert's samples from the Majiagou group in Ordovician

3 元素地球化学特征

对所有采集的样品严格剔除周围的灰岩或白云质灰岩部分,只选取硅质结核、团块和条带部分制备元素地球化学分析样品。

样品主、微量元素分析在中国科学院广州地球化学研究所进行。主量元素X射线荧光光谱法(XRF)测试在Rigaku100e型波长色散型光谱仪上进行,灵敏度为>30 Mcps/mg/L(Rh);微量元素ICP-MS测试在PEElan6000电耦合等离子质谱仪上进行,XRF分析精度为2%,ICP-MS精度优于1%～3%。详细的实验方法见文献[25],分析结果列于表1。

3.1 主量元素特征

研究的硅质岩样品中SiO2含量的变化范围为65.10%～94.55%,其中LJ1-8、LJ1-9、SG1-2接近纯硅质岩SiO2含量(91.0%～99.8%),其他样品略低于该含量,样品LJ1-8-3 SiO2含量为65.1%,远低于纯硅质岩SiO2含量。LJ1-8-3和SM1-1的CaO分别达到19.33%和15.31%,是由于LJ1-8-3和SM1-1样品中含较高的灰质残余的缘故。将本区硅质岩与典型的热液成因硅质岩[26]相比,SiO2、Fe2O、MnO偏低(平均为85.64%、0.014%和0%),CaO、MgO偏高(平均为6.48%和0.64%);与典型高硅型生物成因硅质岩[27]相比,SiO2含量偏低,CaO、MgO和K2O含量偏高(K2O平均为0.31%);本区硅质岩SiO2、Al2O3、CaO与典型低硅型生物成因硅质岩[27]相比相差不大(Al2O3平均为0.78%),Fe2O、MnO、Na2O、P2O5含量偏低(Na2O平均为0.06%,P2O5平均为0.007%),Fe、Mn含量极低是本区硅质岩的特点。

硅质岩中Fe、Mn富集主要与热液的参与有关,而Al的富集则与陆源物质的介入有关[28]。样品中Fe、Mn含量很低,明显不同于热水沉积硅质岩。

大量统计数字表明,与海底火山作用有密切相关的硅质岩,其K2O/Na2O值小于1,而以正常生物化学作用为主的硅质岩该比值远远大于1[29]。样品中K2O/Na2O比值在1～11之间,表明该硅质岩与海底火山作用没有非常密切的关系,为正常生物化学沉积硅质岩。Si/(Si+Al+Fe)比值也是判断硅质岩成因的重要参数,生物成因的硅质岩具有高的Si/(Si+Al +Fe)比值[30],一般>0.9,本文硅质岩样品中Si/(Si +Al+Fe)比值均大于0.9,表明本区硅质岩为典型的生物成因硅质岩。

MnO/TiO2比值是判断硅质岩硅质来源及其在海洋中沉古地理位置的重要指标,MnO作为来自海洋深部的标志,而TiO2则认为多与陆源物质的介入相关[31]。已有的研究认为离陆较近的大陆坡和边缘浅海沉积硅质MnO/TiO2比值一般小于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[32]。本区硅质岩MnO/TiO2比值均远小于0.5,显示本区硅质岩形成于离陆较近的边缘浅海环境的特征。

表1 秦皇岛奥陶纪质硅质岩分析结果(主量wB/%,微量/(μg/g))Tab le 1 W hole rock analyses of O rdovician cherts from Qinhuangdao(main elements%,trace elemensμg/g)

表2 秦皇岛奥陶纪硅质岩部分主量、微量元素比值及不同构造环境硅质岩特征比值Table2 Ratios of somemajor and trace elements from Ordovician cherts in Qinhuangdao and different tectonic settings

3.2 微量元素特征

本区硅质岩微量元素含量总体较低,仅Co、Sr、Ba含量稍高。将本区硅质岩与北太平洋和DSDPLeg62生物成因硅质岩[33]和DSDPLeg32[34]热水沉积硅质岩对比,本区硅质岩Ba、Ni、Cu、Zn的含量明显偏低,而Co含量则偏高,不同于热水沉积物相对富含Cu和Ni,而贫Co[35]的特征。

一般情况下,大多数沉积岩中Th的含量都高于U,热水沉积岩中两者正好相反,由于热水沉积有较高的沉积速率,常常相对富集U,因此热水沉积中U/ Th>1,而非热水沉积岩中U/Th<1[36],本区硅质岩除LJ1-8-3的U/Th比值略大于1,其余样品该比值均小于1,显示本区硅质岩为非热水作用硅质岩的特征。

3.3 稀土元素特征

硅质岩经北美页岩和标准化REE配分模式图见图6,文中经北美页岩标准化数据均用下标N表示。

硅质岩中稀土元素配分模式、Ce异常以及(La/ Yb)N、(La/Ce)N、Ce/Ce*比值可以用来有效的判别硅质岩的成因及形成环境[37～39]。通常情况下,深海沉积环境形成的硅质岩有明显的Ce负异常,远洋环境中形成的硅质岩具中等Ce负异常,大陆边缘环境的硅质岩基本没有Ce负异常,与大陆边缘有关的硅质岩经北美页岩标准化的稀土模式一般都表现为无Ce异常的平坦型[39]。Murray等[37～39]的研究表明,在大陆边缘,(La/Yb)N值为1.1～1.4;在洋脊附近, (La/Yb)N平均值为0.3;深海平原硅质岩的(La/ Yb)N值介于上述两者之间。大陆边缘硅质岩(La/ Ce)N为0.5～1.5,Ce/Ce*=1.09±0.25,洋中脊附近硅质岩(La/Ce)N约为3.5,Ce/Ce*=0.3±0.13,大洋盆地硅质岩(La/Ce)N=1.0～2.5,Ce/Ce*为= 0.6±0.13。

本区稀土元素总量(2.212 X 10-6～5.433 X 10-6)远低于北美页岩REE含量,说明沉积速率较高,硅质岩暴露于海水的时间较短,吸收的稀土元素较少。硅质岩样品经北美页岩标准化的REE配分模式均呈现无明显Ce负异常的平坦配分曲线(SM1-3样品出现轻微Eu正异常,可能受轻微陆源物质混入影响),轻重稀土分异不明显。硅质岩(La/Yb)N的值为0.80～1.78,平均值为1.2,Ce/Ce*值在0.90～ 1.02之间变化,平均值为0.97,(La/Ce)N值在0.98 ～1.23之间变化,平均值为1.1,明显不同于洋中脊和远洋盆地硅质岩而与大陆边缘硅质岩特征相近,表明研究区硅质岩形成大陆边缘环境。

本文将本区硅质岩样品稀土元素特征与北祁连造山带老虎山奥陶纪硅质岩生物化学成因硅质岩[5]、浙江西裘热水成因硅质岩[15]、四川宣汉陆源成因硅质岩[40]及浙江江山丁家山组正常地下水交代成因硅质岩[17]进行对比,本区硅质岩样品经北美页岩标准化后的REE分布曲线与北祁连造山带老虎山奥陶系下部形成于大陆边缘的生物化学成因硅质岩CJ9(9)具有相似的REE分布曲线,而明显不同于四川宣汉陆源成因硅质岩[40]、浙江西裘热水沉积硅质岩[15]及浙江江山丁家山组正常地下水交代成因硅质岩[17],可能表明本区硅质岩硅质来源于生物化学作用,而非来源于陆源及热水。

图6 硅质岩稀土元素经北美页岩标准化配分模式图(NASC数据引自文献[36],CJ9(9),ZJ,XQ-2,SC,原始数据引自文献[5],[15],[17],[40])Fig.6 NASC-normalized REE patterns for cherts

在大洋中,随水体的加深Eu负异常明显增加[39],O1m下部硅质岩样品Eu/Eu*平均值为0.754; O1m中上部硅质岩样品Eu/Eu*平均值为0.817,O1l下部硅质岩样品Eu/Eu*平均值为0.907,说明从亮甲山组到马家沟组,硅质岩样品的沉积环境海水深浅发生变化,O1l硅质岩样品沉积环境海水较深,O1m硅质岩样品沉积环境海水较浅。镜下观察到的O1l硅质岩围岩砾屑灰岩中发育大量的磨圆好的砾屑显示高能的浅海环境以及O1m硅质岩围岩白云质灰岩中出现白云石化现象显示浅海-潮上环境的结论与样品元素地球化学特征基本吻合。

4 讨论

产于碳酸盐岩中的团块状、结核状和条带状硅质岩的成因及其硅质来源一直是学术界的争论点。一些学者认为这种硅质岩是交代成因,他们认为形成这种团块状和条带状硅质岩的硅质来源于生物壳,并指出生物化学作用形成的氧化硅与碳酸盐沉积在一起,在成岩分异的过程中发生溶解富集并交代碳酸盐沉积物,也有学者认为这种硅质岩是直接由海水中的硅胶沉淀而来,硅质可能来源于陆源[18],也可能来源于热水[15]。

不同成因的硅质岩在野外特征,岩相学特征以及元素地球化学特征上存在明显的差异。在本次硅质岩样品中发现大量的介形虫,双壳类等,这些原本是钙质壳体的介形虫均已经硅化,同时硅质岩中明显的交代结构均可以作为本区硅质岩为交代成因的一个有力证据。在元素地球化学方面,本区硅质岩具有较低的Fe、Mn含量,贫与热水成因有关的元素,说明本区硅质岩并没有受到明显的热水作用的影响;同时硅质岩的Al与Si没有明显的相关性,在北美页岩标准化的配分模式图上,配分曲线轻重稀土没有明显的分异,并且REE总量低于北美页岩几个数量级,薄片镜下观察缺乏陆源碎屑颗粒均说明本区硅质岩非陆源成因;Ca与Si负相关,同时交代结构清晰可见,可以证明本区硅质岩是交代成因,是硅质交代碳酸盐岩的产物。

奥陶纪时期华北板块东南缘的秦皇岛地区沉积环境相对稳定,沉积物以碳酸盐岩、砂岩、页岩为主,厚度较小,岩相稳定,生物化石丰富,底栖、底栖游泳和浮游生物群交替出现[24],这些海洋中的生物对凝聚、保护和沉积SiO2起到了重要作用,它们在适当的PH值、Eh值以及适当的温度下,聚集保存于间隙水中,饱和后再沉积为蛋白石-α-方石英-玉髓-微晶α-石英,或者交代其他成分[41]。与硅质岩伴生的碳酸盐岩的孔隙度大,有利于由生物硅来源在其孔隙中聚集并且交代碳酸盐岩,从而有利于本区硅质岩的形成。

本区奥陶系硅质岩从亮甲山组到马家沟组,硅质岩在岩相学、矿物组成和元素地球化学方面存在明显的差异。亮甲山组豹皮状灰岩夹砾屑灰岩中生物碎屑发育,泥质成分高,可见分选较差磨圆好的砾屑,形成于潮间带受海岸带海浪冲刷的动荡环境;马家沟组下部为含燧石结核白云质灰岩夹砾屑灰岩,仍然反映了硅质岩形成环境高能动荡的特点,而到马家沟组上部则反映了一种浅海-潮上带环境。

研究区下、中奥陶统硅质岩均显示生物化学成因,形成于离陆较近的浅海环境,将本区硅质岩与北祁连造山带老虎山奥陶系下部生物化学成因硅质岩对比,两者REE配分模式曲线具有相似的趋势,均显示本区硅质岩硅质来源主要为生物来源,为生物化学沉积硅质岩。

5 结论

(1)秦皇岛地区奥陶纪硅质岩岩相学特征表明本区硅质岩属交代成因,为成岩作用过程中硅质交代钙质形成的结果;

(2)本区奥陶纪硅质岩贫Fe、Mn,Mn/TiO2为0, Si/(Si+Al+Fe)比值在0.98～0.99之间,硅质岩样品REE总量低,经北美页岩标准化的REE配分模式均呈现无明显Ce负异常的平坦配分曲线,(La/Ce)N(0.98～1.23),(La/Yb)N(0.8～1.78),Ce/Ce*(0.92～1.02),显示本区硅质岩为生物成因硅质岩,形成于离陆较近的边缘浅海环境。

致谢 感谢中国科学院广州地球化学研究所刘颖老师、韦刚健老师实验过程中给予的帮助,另外,在本文编写过程中得到了佘振兵老师、以及王锦荣和李飞等同学的帮助,在此表示感谢!

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Geochem istry Characteristic and the Environmental Imp lications of Chert from Ordovician in Qinhuangdao Area

XIAO Yi1,2ZHOU Han-wen1,2LIU Ai-ming1WU Qi1
(1.China University of Geosciences,W uhan 430074; 2.State Key Laboratory of Geological Processes and M ineral Resources,China University of Geosciences,W uhan 430074)

The Qinhuangdao area is located in the northeastern margin of the North China Block.The Liangjiashan and Majiagou Formation in this area aremainly composed of fine-grained dolomitic limestone,fine-grained dolomite, leopard-like limestone and calcirudite,which generally contain nodular,striped and lump cherts.XRD analyses show that themajorminerals of the silicalite are quartz,calcite and some dolomite.The silicalite samples are worm-like, spherical and needle-like chalcedony aggregates with metasomatic structure in some of them under the microscope.The silicalites are poor in Mn and Fe,with Si/(Si+Al+Fe)ratios of0.98-0.99,low∑REE,and very weak negative Ce anomalies in the NASC-normalized flat REE patterns.The characteristics of Mn/TiO2(<0.5),U/Th (0.422-1.225),Ce/Ce*(0.92-1.02),(La/Ce)N(0.98-1.23),and(La/Yb)N(0.8-1.78)reflects a bio-chemical origin rather than hydrothermal origin formed in a setting of continentalmargin.

chert;geochemistry;sedimentary environment;the Liangjiashan and Majiagou Formation;the North China Block

肖依 女 1987年出生 硕士研究生 岩矿学

周汉文 E-mail:hwzhou@cug.edu.cn

P594

A

1000-0550(2011)06-1145-11

①国家重点基础研究发展计划“973”项目(编号:2007CB411307)和中国地质大学(武汉)教学研究项目资助。

2010-05-20;收修改稿日期:2011-03-10