新疆精河县中泥盆世汗吉尕组硅质岩成因及环境分析

，，

(1.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071051;2.河北省区域地质矿产调查研究所，河北 廊坊 065000)

研究区位于新疆精河县南约20km，区内中泥盆世汗吉尕组硅质岩较发育(新疆维吾尔自治区区域地质矿产局，1999)(图1)，前人在1∶20万区调工作中未对其开展调查和填绘，其成因尚属空白。众所周知，研究硅质岩成因类型对搞清其形成时的地质环境、沉积特征及区域地质构造发展演化等具有重要的指示意义。笔者于2005年在研究区开展1∶5万区域地质调查工作，从地层层序划分、岩石学、岩石地球化学等多方面对汗吉尕组硅质岩进行了专门的调查研究，填补了以往地质调查工作的空白。认为中泥盆世时期新疆精河县一带总体处于较稳定的陆缘盆地环境，但中泥盆世中晚期，受华力西第Ⅰ幕构造运动影响，盆地水体发生由浅—深—浅的频繁交互，同时伴有海底火山喷发和浊流沉积，中泥盆世汗吉尕组中的硅质岩形成于水动力条件相对较弱的半深海沉积环境(梅冥相，1993)，硅质主要来源于海底火山喷发，并有一定通过浊流混入的大陆地壳物质(陆缘碎屑物)，属于火山与浊积混合成因的硅质岩。

1.第四系;2.独山子组; 3.早石炭世阿克沙克组;4.中泥盆世汗吉尕组二段;5.中泥盆世汗吉尕组一段;6.晚志留世博罗霍洛山组; 7.花岗斑岩脉;8.逆断层及产状; 9.正断层及产状;10.性质不明断层; 11.地质界线;12.角度不整合界线; 13.地质产状及位置;14.取样位置及编号图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch map of study area

1 硅质岩分布及特征

研究区硅质岩主要分布于中泥盆世汗吉尕组中，呈层状、夹层状产出，走向呈北西西向带状展布，主要岩性为浅灰色凝灰质硅质岩及灰黑色黏土质硅质岩等，与之共生的为发育包卷层理的灰黑色中层状变质粉砂岩和青灰色薄层状变质硅质粉砂岩及少量灰岩，其形成于水动力条件相对较弱的半深海沉积环境(梅冥相，1993)。

1.1 岩石学特征

研究区汗吉尕组硅质岩主要呈灰黑色、灰绿色，隐晶-微晶结构，具有纹层状、层状及块状构造。岩石致密坚硬、性脆，抗风化能力较强，具油脂光泽，贝壳状断口。硅质成分主要为隐晶-微晶石英和玉髓，粒径一般为0.01～0.05mm，晶粒呈近等轴状，含量为60%±。含有一定量的陆源碎屑物，主要为长石和石英，二者含量为5%～20%，粒径为0.01～0.2mm，颗粒多呈次棱角状、次圆状，具一定磨圆度和分选性。所含火山凝灰质主要为玻屑，呈弧面棱角状，脱玻化明显，多以假象产出，含量最高可达25%(图2)。水平层理厚度变化为0.15～0.5m。宏观上因岩石色调深浅不一而显示出毫米至厘米级纹层构造。厘米级纹层构造多呈条带状分布，宽度较均一；毫米级纹层构造则由于局部含凝灰质条纹而呈细小纹层状。部分厚层硅质岩(厚度0.50～1.00m)主要由隐晶-微晶石英组成(图3)，并且也含较多的陆源碎屑物质，说明硅质岩中含有充足的大陆地壳物质成分，物质来源具多元化特征。

图2 YQ8样品镜下特征图Fig.2 Microphotographs of YQ8 sample

1.2 岩石地球化学特征

1.2.1样品分析方法

样品分析由河北省区域地质矿产调查研究所实验室(甲级资质)完成。

主量元素采用碱熔法制备样品，测试仪器为 X 射线荧光光谱仪(Axios max X)；烧失量、H2O-、H2O+使用高精度电子分析天平(P1245)完成。稀土元素和微量元素采用等离子体质谱仪(ICP-MS)(X Serise2)；同时插入10个国家标准样(GSR3、GSR5、GSS5、GSS3)、10个密码抽查样以检验、控制分析质量，分析结果精度高于5%。

图3 YQ11样品镜下特征图Fig.3 Microphotographs of YQ11 sample

1.2.2岩石化学特征

氧化物含量及特征参数是确定硅质岩成因类型的重要标志。汗吉尕组硅质岩8件样品岩石化学全分析结果及特征参数见表1。

表1 研究区硅质岩氧化物含量及特征参数统计表Tab.1 Contents and characteristic parameters of silicon in the study area

注：主量元素含量为(%)。

(1)据杨建民等(1999)研究成果，认为一般生物成因的硅质岩具有高SiO2、P2O5、Fe2O3和低Al2O3、TiO2、FeO、MgO的特征；海相火山沉积成因的则以低K2O、P2O5和高TiO2为特征。

研究区汗吉尕组硅质岩SiO2含量为67.07%～78.19%，K2O为0.59%～2.91%，P2O5为0.04%～0.14%，三者相对较低；而Al2O3含量为9.54%～15.54%，FeO为1.10%～3.76%，MgO为0.55%～2.21%，TiO2为0.20%～0.74%，均相对较高，与火山成因硅质岩具低K、P，高Ti的岩石化学特征相吻合，应与硅质岩中含大量火山凝灰质有关。

(2)据ADACHI M等(1986)，BOSTROM K等(1973)研究成果，Al2O3和TiO2成分的变化特征对反映是否具有陆源物质的加入具有很大的指示意义，二者间通常还表现为正相关特征，在邻近大陆区域、或岛弧型沉积物中都显示为相对富集；研究还发现Fe2O3的富集则表明有热水的注入。

汗吉尕组硅质岩Al2O3和TiO2含量较高，表明其形成过程中陆源物质注入较多，与岩石学特征相吻合；Fe2O3含量较低，表明其沉积时没有热水参与。

(3)氧化物比值:①许多学者对世界各地不同成因类型硅质岩的化学成分进行了分析(表2)(王东安，1981；MURRAY RW，1994；陈洪德等，1989；YAMAMOTO K，1987)，研究结果为：生物化学成因硅质岩SiO2含量较高，其SiO2/Al2O3值为232，SiO2/(Na2O+K2O)值为315，显示较高高，K2O/Na2O值一般小于1；热水成因的硅质岩其SiO2/Al2O3值较低，SiO2/(Na2O+K2O)值为111～159，略低于前者，K2O/Na2O大于1，但K2O和Na2O含量低于前者，Fe2O3/FeO值为2～10；与前两者相比，火山成因的硅质岩SiO2含量明显偏低，SiO2/Al2O3值为11～25，SiO2/(Na2O+K2O)值为37～74。汗吉尕组硅质岩SiO2含量为67.07%～78.19%，相对较低；SiO2/Al2O3值为4.32～8.28，SiO2/(Na2O+K2O)值为9.0～18.59，K2O/Na2O值为0.31～1.0，Fe2O3/FeO值为0.14～0.47，与火山成因硅质岩基本一致。②据MURRAY( 1994)研究成果，洋中脊硅质岩Al2O3/( Al2O3+ Fe2O3) 值小于0.4，大洋盆地硅质岩Al2O3/( Al2O3+ Fe2O3)值为0.4～0.7，大陆边缘硅质岩Al2O3/( Al2O3+ Fe2O3)值为0. 5～0. 9。汗吉尕组硅质岩Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值为0.92～0.98，说明其形成于大陆边缘或附近环境。③ MnO/TiO2值也是表征硅质岩成因类型的重要指标，据BOSTROM K(1973)、SUGISAKI R(1982)等研究认为：MnO是来自大洋深部的标志，而TiO2则是陆源标志。离陆地较近的边缘海形成的硅质岩MnO/TiO2值较低，一般小于0.5；而远离陆地在大洋深部硅质岩中MnO/TiO2值则较高，为0.5～3.5。研究区汗吉尕组硅质岩中MnO/TiO2值为0.12～0.36，对比说明其主要形成于大陆边缘环境。

表2 不同成因类型硅质岩化学成分对比表Tab.2 The comparison of chemical compositions of different genetic types of siliceous rocks

(4)常量元素比值：①据BOSTROM K(1973)、熊先孝(1997)等研究成果：热水沉积物Fe/Ti大于20，(Fe+Mn)/ Ti大于20±5，本区汗吉尕组硅质岩Fe / Ti和(Fe+Mn)/ Ti值分别为3.59～8.95和3.69～9.28，说明其为正常海水沉积物，无热水参与。②据AITCHISON J等(1990)生物成因的硅质岩Si /(Si+Al+Fe)一般大于0.9。本区汗吉尕组硅质岩Si/(Si+Al+Fe)为0.73～0.86，显示非生物成因特征。③据BALTUCK(1982)对希腊硅质岩的研究，Al/(Al+Fe+Mn)值的变化规律与离大陆远近关系密切，离大陆远比值小，离大陆近比值大。大洋中脊硅质岩很低，Al/(Al+Fe+Mn)值为0.008 19；典型深海和半深海生物沉积硅质岩Al /(Al+Fe+Mn)值为0.319，典型大陆型硅质岩Al/(Al+Fe+Mn)值高达0.619，本区汗吉尕组硅质岩Al/(Al+Fe+Mn)值为0.67～0.82，显示其形成于离大陆较近环境，大陆物质参与较多。

综上所述，研究区汗吉尕组硅质岩不具热水及生物成因特点，主要显示火山成因特征，且形成于大陆边缘。

(5)判别图解：①利用ADACHI(1986)SiO2-Al2O3、SiO2-TFe图解可将热水沉积型硅质岩与Mino地体中非热水沉积硅质岩、页岩和其他海相沉积物很清晰地区别开来。

在SiO2-Al2O3图解中(图4a)，汗吉尕组硅质岩表现出良好的负相关性，样品投影于虚线之外；在SiO2-TFe图解中(图4b)，所有硅质岩样品均显示一定的负相关性，投影点位于回归线下方。二者均显示非热水成因硅质岩的特征，且陆源物质加入较多，与岩石学特征一致。②根据何俊国等(2004)研究应用TiO2-Al2O3图解(图5)能较好地区分生物成因与火山成因硅质岩。区内汗吉尕组硅质岩样品TiO2-Al2O3投点基本落入火山成因硅质岩区，属较典型的火山成因类型，同时有一定的陆源物质参与。

回归线由Mino地体硅质岩样品数据按最小二乘法计算得出；虚线内为的热水沉积物；●为测区样品点，编号见表1图4 泥盆系汗吉尕组硅质岩SiO2-Al2O3和SiO2-TFe图解 (据ADACHI，1986)Fig.4 Diagram of SiO2-Al2O3 and SiO2 -TFe of the Devonian siliceous rocks of Hanjiga group(ADACHI，1986)

A.生物成因硅质岩区；B.火山成因硅质岩区；(1～7样品编号同表1)图5 泥盆系汗吉尕组硅质岩TiO2-Al2O3关系图(据ADACHI，1986；何俊国等2004)Fig.5 The relation diagram of TiO2-Al2O3 of the Devonian siliceous rocks of Hanjiga group(ADACHI，1986； HE junguo,2004)

1.2.3 稀土元素特征

本区汗吉尕组二段硅质岩稀土元素分析结果见表3。

(1)稀土元素参数：①基本特征：研究区汗吉尕组二段硅质岩中轻重稀土(LREE/HREE)值为4.77～6.57，说明轻稀土元素富集程度相对较高；(La/Yb)N为3.98～6.79，说明轻重稀土元素分馏程度中等。②成因分析：FLEET(1983)曾系统研究了全球热水成因与非热水成因沉积物中稀土元素分布特征，其认为热水成因沉积物稀土总量(∑REE)较低，Ce通常为负异常，重稀土(HREE)相对富集；非热水成因沉积物的稀土总量(∑REE)较高，Ce为正异常，重稀土(HREE)不富集。研究区汗吉尕组硅质岩稀土总量(∑REE)为89.42×10-6～166.46×10-6，δCe为0.85～0.90)，表现为弱负异常，重稀土(HREE)含量较低，为12.38×10-6～24.89×10-6。

表3 稀土元素含量及特征参数一览表Tab.3 Table of the contents and characteristic parameters of rare earth elements

注：稀土元素含量为(×10-6)。

主要表现出非热水沉积的特点。③环境分析：据DSDP大洋深部钻探成果，深海硅质岩具有明显的Ce负异常，边缘海或陆内海Ce异常不明显。利用(La/Ce)N和δCe参数可判别硅质岩、页岩的形成环境。洋中脊环境(La/Ce)N≥3.5，δCe为0.3；大洋环境(La/Ce)N为2～3，δCe为0.55；大陆边缘环境(La/Ce)N≈1，δCe为0.79～1.54(MURRAY R W，1990；MURRAY R W，1993)。

区内汗吉尕组硅质岩(La/Ce)N为1.38～1.48，δCe为0.85～0.90，显示其形成于近大陆边缘环境。

(2)稀土配分曲线：球粒陨石标准化稀土配分曲线不仅能够直观体现稀土元素分配特征，还可以通过配分模式曲线特征对比来获取相关信息。在图6中，研究区汗吉尕组硅质岩的稀土配分模式曲线与流纹岩的稀土配分模式曲线形态基本一致，显示火山成因的特点。

1.2.4 微量元素特征

研究区汗吉尕组硅质岩微量元素分析结果见表4。参照维氏地壳微量元素丰度值，汗吉尕组硅质岩微量元素平均值多数偏低，浓集系数多小于1，部分仅0.03±，仅Hf、Sr、Zr浓集系数明显大于1；V浓集系数远远大于1。Th/U为2.18～5.20，均<6，物源区主要为老的上地壳(GIRTY G H，1996；邓希光等，2003)，显示其主要形成于大陆边缘环境。

图6 测区汗吉尕组硅质岩稀土配分曲线图Fig.6 Rare earth distribution graph of siliceous rocks of Hanjiga group in research area

表4 微量元素含量及特征参数一览表Tab.4 Table of contents and characteristic parameters of trace elements

注：微量元素含量单位为(×10-6)。

2 硅质来源、形成环境及成因讨论

2.1 硅质来源

研究区汗吉尕组硅质岩中大部分含火山凝灰物质， SiO2含量相对较低，说明SiO2的来源主要与火山活动有关。火山热液溶解的SiO2可进入水体，同时火山沉积物与海水间由于发生海解作用形成蒙脱石化会释放部分SiO2进入到水体中，此外陆源硅酸盐物质被化学分解后也可形成部分SiO2，多元化成因的SiO2共同聚集在一起，最终沉积形成本区汗吉尕组硅质岩。

其次，汗吉尕组的岩石组合、基本层序、沉积构造及岩石学、岩石地球化学特征显示，该组沉积过程中不但伴有海底火山喷发，还同时伴有浊流沉积，老的上地壳碎屑物质通过重力滑塌(浊流)带入海底，与火山成因的SiO2相伴沉积。

2.2 形成环境

中泥盆世早期新疆精河县一带总体处于较稳定的陆缘盆地环境；但在中晚期，受华力西第一幕构造运动影响，盆地水体发生由浅—深—浅的频繁交互。综合汗吉尕组岩石组合、基本层序及沉积构造特征，认为该组形成过程中同时伴有海底火山喷发和浊流沉积。因此，汗吉尕组硅质岩形成于水动力条件相对较弱的半深海沉积环境(梅冥相，1993)。

2.3 成因讨论

硅质岩的成因与SiO2的来源、沉淀机理、形成阶段以及水体环境体等多种因素有关。笔者研究对象汗吉尕组硅质岩具海相沉积特征，据曾允孚等(1986)、付伟等(2007)将海相硅质岩大致可分为如下4种：①生物或生物化学沉积成因硅质岩。②化学沉积成因硅质岩(包括火山喷发及热水沉积成因)。③浊积型再沉积形成的硅质岩。④热水交代砂岩、页岩、灰岩(硅化)形成的硅质岩。

实际在自然界中硅质岩的成因是非常复杂的、具有多元化成因的。综合研究区汗吉尕组硅质岩分布及岩石学、岩石地球化学特征以及图解判别结果，笔者认为其具有火山活动与浊积混合成因的特征，主要依据为：①研究区汗吉尕组二段中的硅质岩均呈层状、似层状产出，未出现沿某些易被交代的岩层分布；岩石中未见有残留的原岩斑块现象，也未见有残余的原岩结构和构造；硅质分布均匀，未见沿围岩裂隙呈脉状分布。②岩石呈隐晶-微晶结构，晶粒呈近于等轴状，多为不规则颗粒相互堆积镶嵌在一起，这种结构是骤然结晶沉淀而成，而非热液交代缓慢发生硅化的结果，不具有交代成因硅质岩的特征。③岩石中普遍含有5%～15%弧面棱角状火山喷发而成的玻屑，最高含量可达25%，宏观上硅质与火山碎屑物相间分布，构成毫米级纹层构造，显示其与火山喷发成因密切相关。④SiO2含量相对较低，而Al2O3、FeO、MgO、TiO2含量均相对较高，基本具有火山成因硅质岩低钾、磷，高钛的岩石化学成分特点；稀土配分模式曲线与流纹岩的稀土配分模式曲线形态基本一致；图解判别显示具有较典型的火山成因类型，同时有一定的陆源物质参与。⑤研究区汗吉尕组硅质岩与重力滑塌形成的浊积岩共生，具有形成浊积型再沉积硅质岩的沉积环境。

3 结论

通过综合分析研究中泥盆世汗吉尕组硅质岩的岩石学、岩石地球化学特征，结合岩石组合、分布及沉积构造等特征，得出如下结论。

(1)硅质主要来源于海底火山喷发，并有一定浊流混入的大陆地壳物质。

(2)研究区硅质岩形成于水动力条件相对较弱的半深海沉积环境。

(3)研究区硅质岩主要属于火山与浊积混合成因。

致谢：新疆1∶5万玛热勒托盖库松木切克(L44E022017)、沃依曼吐别克(L44E022018)、乌兰丹达盖(L44E022019)、精河水文站(L44E022020)幅区调项目组为本文提供了丰富翔实的第一手野外资料，在此一并致谢！

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