安徽巢湖下二叠统孤峰组硅质岩沉积地球化学特征与沉积环境分析＊

韩宗珠，肖 楠，李安龙，高 芳，徐翠玲，何雨旸

（中国海洋大学海洋地球科学学院；海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛26100）

硅质岩是由化学作用、生物和生物化学作用及某些火山作用、热水作用所形成的富含SiO2（一般＞70%）的岩石，也包括在盆地内经机械破碎再沉积者，都可以称为硅质岩[1]。自 Wadsworth[1]最初提出硅质岩这一名称以来，对其概念和成因一直有不同看法，归纳起来大致可分为3种成因类型：（1）生物或生物化学沉积成因[2]；（2）化学沉积，包括火山喷发成因、超碱性条件下沉积及热水沉积成因[3－5]；（3）交代（硅化）成因[6]。下扬子区下二叠统孤峰组中发育了数十米厚的层状硅质岩，关于该区硅质岩的成因和形成环境一直存在不同的认识。有人认为是生物成因[7－9]，也有人认为是上升流沉积成因[10]，夏邦栋等[11]则提出了热水沉积成因的观点。

本文旨在通过对安徽巢湖地区下二叠统硅质岩的岩石学特征、常量元素和稀土元素等地球化学特征进行综合分析的基础上，探讨该区硅质岩的成岩环境。

1 地质背景

巢湖市位于安徽省中部，巢湖之滨，属于江淮丘陵区的南部。巢湖市郊北部山区的地层区划上属于扬子地层区下扬子地分区之六合——巢湖地层小区的巢北沉积区，构造上属于华南板块的东北缘或下扬子断块的北缘。山脉走向为35°～40°，平面图上呈“M”形延伸，主要由龟山、马家山、平顶山、朝阳山、碾盘山、凤凰山、大尖山、炬嶂山等组成（见图1）。最高峰大尖山海拔高程350m，一般山区海拔高程100～300m，最低狮子口海拔高程仅20m。区内地层除第三系缺失外，自上震旦统灯影组至第四系均有不同程度的发育，以古生界发育为特点，尤其是上古生界至下三叠统发育齐全，剖面完整，露头连续，化石丰富，是进行科研、教学、地质旅游的良好地区。

岩性和地质构造对巢北山系的地貌发育起着主控作用。印支运动形成的褶皱构造影响了三叠纪早、中期以前形成的全部地层，受郯庐深大断裂带的影响，断层极为发育，性质复杂。

本区地层总厚度达3 485～4 397m。其中二叠系分布在平顶山、马家山、龟山及俞府大村等地，由下统栖霞组、孤峰组、银屏组，上统龙潭组、大隆组组成。总厚288～488m。孤峰组由薄层黑色硅质岩及薄层棕、褐、紫等色泥岩组成，巢北地区该组厚度一般在28m左右。

本组底部与栖霞组界面凹凸不平，其上含有10～20cm的含砾黏土，故两者之间为假整合接触。

2 岩相学基本特征

2.1 孤峰组硅质岩的野外特征

在巢湖北郊平顶山采石坑出露一套较完整的孤峰组硅质岩剖面（见图2），在此逐层采样，其剖面描述如下：

（1）底部黄褐色薄层粉沙质泥岩和页岩，层内变形强烈，与中部放射虫硅质岩接触面起伏不平，且层内见大量磷结核，在此处采集标本GF01～GF14。

（2）黑色薄层放射虫硅质岩夹极薄层泥岩，硅质岩单层厚6～8cm，层厚2m，在此采集标本GF15～GF21。

（3）宽缓的“Z”型褶皱变形带，属层间褶皱，此层放射虫硅质岩减薄，单层厚4cm，采集标本GF21～GF32。

（4）黑色薄层放射虫硅质岩夹极薄层泥岩，层内受层间褶皱的影响，岩层发生轻微弯曲。

（5）褐色中层强风化硅质泥岩，质轻。

（6）黑色薄层放射虫硅质岩夹极薄层泥岩互层，风化面带绿色，采集标本GF33～GF50。

（7）黑色薄层放射虫硅质岩、炭质泥岩夹极薄层泥岩互层，风化面带红褐色，采集标本GF51～GF62。

从以上孤峰组出露岩层的剖面描述中可以看出，该组是一套层状硅质岩与泥质岩交互沉积岩系，其主要由黑色层状含放射虫硅质岩与泥、页岩构成。其下部以含磷质结核的泥、页岩为主；中上部主要为中薄层放射虫硅质岩，夹薄层泥页岩，构成韵律层；自下而上呈放射虫硅质岩含量减少，泥页岩增多的趋势。

2.2 孤峰组硅质岩岩相学特征

偏光显微镜下硅质岩呈硅质胶结的微晶质石英、放射虫及其碎屑为主。微晶质石英为原始沉积形成，反映了硅质岩成岩后的变化不大。在孤峰组中上部硅质岩中发现了一些不同属种的放射虫，其含量可达30%以上，且沿着硅质岩的微层理略呈定向排列。放射虫内部多发生重结晶作用，被玉髓、蛋白石、铁质等矿物充填，只有少数仍保留了部分网状结构或同心环状结构；此外，镜下薄片中也发现了少量的海绵骨针（见图3）。

硅质岩中还发现有较多铁质、有机质和菌藻，有的铁质具有黄铁矿的立方体晶形，显示了当时沉积环境为还原条件，有的铁质颗粒呈浸染状沿放射虫的内部结构散布。

3 地球化学特征

二十世纪中后期以来，硅质岩的研究开始逐步引起人们的重视，硅质岩的研究手段和方法也逐步变得丰富起来，包括岩石学方法、地球化学方法、同位素方法、有机地球化学方法等，分别从硅质岩的矿物成分、结构构造、古生物学特征、地球化学特征以及成岩后生变化等方面展开了大量的研究。相对而言，地球化学方法是开展硅质岩研究的主要技术手段之一，已经成为区别不同成因硅质岩的重要依据，一直以来学术界都不断在尝试着建立一套判别硅质岩的成因与演化方面的地球化学指标体系。尽管硅质岩中SiO2的含量占化学组分的70%以上，但对成因指示意义不大。故诸多指标主要围绕一些被认为是“杂质”的微量元素和稀土元素所进行。

图3 （a）硅质岩，出现层位P1g①③⑥；（b）海绵骨针，单轴双射型，P1g⑥；（c）放射虫，P1g③；（d）泡沫虫目，P1g③Fig.3 （a）Siliceous rocks，found in P1g①③⑥；（b）Sponge spicule，the types of single－axial spicule，P1g⑥；（c）Radiolaria，P1g③；（d）Spumellaria，P1g③

3.1 常量元素地球化学特征

从研究区孤峰组的剖面中选取12件代表性岩石样品，粉碎至200目称取样品5g并进行压片，在海底科学与探测技术教育部重点实验室进行了XRF分析（分析结果列入表1），测试精度优于0.5%；同时在海底科学与探测技术教育部重点实验室地球化学实验室对12件岩石样品进行ICP－MS和ICP－AES微量元素测定，测试精度优于5%。从表1中可以看出，孤峰组硅质岩常量元素含量组成特点如下：

（1）SiO2含量最高且变化不大，最低为87.52%，最高可达95.01%，平均含量为91.82%，由于硅质岩中主要矿物成分为蛋白石、玉髓等硅质矿物，故结果吻合。

（2）MgO 含量很低，最低0.02%，位于 GF12；最高0.15%，位于 GF24；平均含量0.05%。

（3）Fe2O3含量较高，GF20处最低，数值为1.37%；GF04最高，数值为3.03%；平均含量2.14%。

（4）Al2O3含量较高且变化不大，最低含量2.18%，位于GF32处；最高含量3.48%，位于GF24处；平均含量2.67%。

（5）MnO普遍的含量很低不高于0.03%，最低含量为0.01%；最高含量为0.03%；均值为0.013%。

（6）Na2O含量较低且比较均匀，最大值为0.60%；最小值为0.90%；均值为0.78%。

（7）TiO2的普遍含量小于0.10%，GF24和 GF44为最高，数值为0.10%；GF36为最低，数值为0.03%；平均含量：0.06%。

（8）P2O5的含量较低，变化较大。最大值为0.89%，位于GF08；最小值为0.07%，位于GF28和GF40；平均值为0.23%。

（9）CaO的含量也较低。最大值为0.97%，位于GF08；最小值为0.01%，位于GF40；平均值为0.32%。

（10）K2O的含量较低，数值变化不大。最大值为0.36%，位于 GF24；最小值为0.14%，位于 GF32和GF36；平均值为0.21%。

3.1.1 Al，Fe，Mn的元素特征 由于不同成因的硅质岩的物质来源、沉积环境及物理化学条件等方面的显著差异，其岩石化学成分也有所不同。一般生物成因的硅质岩表现为高SiO2，P2O5和Fe2O3，而低Al2O3、TiO2、FeO、MgO、K2O和 Na2O；典型的海相火山沉积硅铁建造以低K2O和P2O5，高TiO2为特征；海相热水沉积硅质岩也以低P高Ti而区别于高P低Ti的生物成因硅质岩，热水沉积的硅质岩还具有高Si低Al的特点[2]。Al2O3，K2O和Na2O的含量高低能反映含泥质的多少等指标，这是利用岩石地球化学方法研究硅质岩成因的物质及理论基础。

Fe、Mn元素的富集主要与热水的参与有关，而Al的富集则 与陆源物质的介入 有 关[3－4]。Adachi et al[3]研究了热水沉积与非热水沉积硅质岩样品后，指出纯生物成因的硅质岩Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值接近0.6；而纯热水成因的硅质岩Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值接近0.01；受热水作用的影响其比值小于0.35。Al，Fe，Mn的关系可以用Al，Fe，Mn三角图（见图4）来表示。

图4 层状硅质岩Al－Fe－Mn三角图Fig.4 Al－Fe－Mn diagram for the bedded siliceous rocks

从表1中可以看出，Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值分布在0.37～0.65之间，全部大于0.35，平均值为0.49，接近0.6，与纯生物成因的硅质岩的 Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值比较接近，此外，在 Al－Fe－Mn三角图上，12件硅质岩样品全部落入了生物成因硅质岩区及其附近，故研究区的硅质岩可以判别为生物成因。

3.1.2 双变量图解 前人经过大量的统计分析之后，总结出了一些双变量图解，这些图解对硅质岩的成因具有很好的指示作用。前苏联麦维姆河上游的生物沉积硅质岩与苏联别洛耶湖凝灰质硅质岩在SiO2－Al2O3、SiO2－MgO的双变量图解上可明显的分为2个区[5]，由此在SiO2－Al2O3、SiO2－MgO的双变量图解（见图5，6）中，将研究区硅质岩相关元素含量值在这些图表中分别进行投点，可以发现本区硅质岩样品大多落入到生物成因区，指示了研究区的孤峰组的层状硅质岩属于典型的生物成因硅质岩。

3.2 REE元素地球化学特征

形成环境不同的硅质岩，其ΣREE值往往有较大的差异，这种差异性归结于REE的来源不同：从海水中直接吸收、陆源物质的输入和海底火山热液喷发物质的加入[6]。因此，稀土元素的含量特征可以判别孤峰组硅质岩的成因和沉积环境。

3.2.1 REE成因类型指示意义 稀土元素是恢复古海洋环境，判别氧化还原条件，判别热水沉积或非热水沉积的一种重要化学示踪剂。一般来说，热水沉积硅质岩具有ΣREE低，Ce的亏损较明显，而Eu的亏损不明显甚至出现Eu正异常，经北美页岩标准化后的配分曲线呈平缓的左倾斜。而非热水沉积硅质岩的稀土元素与页岩相似，相对富集轻稀土，配分曲线呈平缓右倾斜[7－8]。研究区硅质岩的稀土元素经北美页岩标准化后的配分模式图见图7。

图5 层状硅质岩SiO2－Al2O3双变量图解Fig.5 SiO2vs.Al2O3discrimination diagram for bedded siliceous rocks

图6 层状硅质岩SiO2－MgO双变量图解Fig.6 SiO2vs.MgO discrimination diagram for bedded siliceous rocks

Murray et al[6]研究指出，热水成因硅质岩 Ce呈负异常，δCe平均值为0.29；正常海水生物沉积硅质岩正Ce异常，δCe平均值为1.2，所以稀土元素的特征可以用来示踪硅质岩的成因。硅质岩的稀土元素的分析结果见表2，从中可以得知，研究区12块硅质岩样品的LREE含量相对富集，δCe的范围在1.24～16.24，平均值为7.02，大于正常海水生物沉积硅质岩δCe的平均值1.2，表现为正异常，这些指标都符合了非热水沉积的特征，可以指示研究区硅质岩为海水生物沉积成因的硅质岩。

图7 巢湖北郊平顶山层状硅质岩REE北美页岩标准化配分模式图Fig.7 NASC－normalized REE patterns for bedded siliceous rocks in the Pingdingshan area，Chaohu region

3.2.2 REE成因环境指示意义 Murray等[9]研究认为，从大陆边缘→深海平原→大洋中脊，硅质岩的ΣREE具有正态分布的特点。大洋中脊附近平均为19.05μg/g，深海平原平均值为54.25μg/g，大陆边缘平均为39.70μg/g。而世界上所有硅质岩的稀土总量都很低，约一半样品的ΣREE小于50μg/g[9]。表2显示，本区硅质岩样品的ΣREE值范围在22.62～209.03 μg/g之间，平均含量为88.58μg/g，与深海平原的平均值为54.25μg/g最为接近，指示了研究区硅质岩来源于深海物质。

研究表明，由大陆边缘至大洋中脊，硅质岩的轻稀土元素由弱富集逐渐变为明显亏损。在大陆边缘，（La/Yb）N平均值为1.1～1.4；在洋脊附近，（La/Yb）N平均值只有0.3左右；深海平原硅质岩的（La/Yb）N介于上述两者之间[9，10]。表2显示，研究区的12件硅质岩样品（La/Yb）N的范围在0.39～2.80之间，平均值为1.01，可以指示该区硅质岩沉积于深水环境。

Wright和Holler[11]把稀土元素中的Ce与邻近的La和Nd元素相关的变化称为铈异常（Ceanom）。其公式为：Ceanom＝log[3（Ce）N/（2（La）N＋（Nd）N）]。式中N为一个给出样品经北美页岩或球粒陨石标准化的值。Ceanom值已被作为判断古海水氧化－还原条件的标志，其值大于－0.1时为Ce的富集，反映水体呈缺氧环境，而小于－0.1时为Ce的负异常，反映水体呈氧化环境。从表2可以看出，12件硅质岩样品的Ceanom值范围在0.2～2.78，平均值为1.70，大于－0.1，显示了研究区硅质岩形成于缺氧的水体环境。

孔庆玉和龚与觑对下扬子区皖北巢县平顶山、龟山下二叠统硅质岩的研究认为，孤峰组中与泥岩、页岩共生的硅质岩是生物成因的[14]。从SiO2的地球化学特征来看，无机成因的SiO2沉积，需要海水中有极高浓度的SiO2，大约在（3～120）×10－6以上，而据Kranskopf[15]的意见，海水中迄今未见到过石英的直接沉淀，也从未发现过任何SiO2的凝胶存在。因此，许多地质学家认为生物的固硅作用在硅质岩的形成上具有重要意义。生物为硅质提供了物质来源，其含量的多少及海水性质是硅质岩形成的决定因素。与硅质岩互层的泥质岩中粘土矿物呈定向排列，水平层理与纹层构造发育，反映物质沉积速度缓慢，为静水环境下的沉积。硅质岩和泥质岩中都不含粒径大的陆源碎屑，说明沉积区远离陆源区，与此同时硅质岩化学成分主要是SiO2，CaO与MgO含量均较小，碳酸盐沉积极少，指示了当时沉积深度较大。同时在稀土元素的地球化学特征上，也表明了研究区为深水缺氧的沉积环境。

4 结论

通过以上对研究区的岩石学特征、常量元素和稀土元素等地球化学特征进行综合分析的基础之上，可以得到以下结论：

（1）在岩石学特征上，研究区是一套层状硅质岩与泥质岩交互沉积岩系，主要由黑色层状含放射虫硅质岩与泥、页岩构成。

（2）从研究区常量元素地球化学特征上分析，12件样品中SiO2的含量较高，平均值达到91.82%，而其它元素含量相对较低；Al/（Al＋Fe＋Mn）平均值为0.49，接近

0.6，与纯生物成因硅质岩的Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值接近；在 Al－Fe－Mn三角图和 SiO2－Al2O3、SiO2－MgO双变量图中，可以看出本区硅质岩样品大多落入到生物成因硅质岩区。这些都指示了研究区孤峰组层状硅质岩属于典型的生物成因硅质岩。

（3）在稀土元素地球化学特征上，本区硅质岩样品的LREE相对较富集，12块硅质岩样品的δCe平均值为7.02，表现出铈具有正异常，这些指标都符合了非热水沉积的特征；样品的ΣREE值范围在22.62～209.03 μg/g，平均含量为88.58μg/g，与深海平原的平均值54.25μg/g最为接近，指示了本区硅质岩来源于深海物质；12件硅质岩样品Ceanom值均大于－0.1，平均值1.70，（La/Yb）N的平均值1.01，都指示了本区硅质岩形成于缺氧的深水环境。

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