南秦岭竹山地区硅质岩的地球化学特征及其形成环境

2020-09-24刘成新艾智龙郝仁红刘万亮段先锋

资源环境与工程 2020年3期

张众，刘成新，艾智龙，郝仁红，杨成，刘万亮，万俊，段先锋

(湖北省地质调查院,湖北武汉 430034)

上世纪90年代以来,秦岭造山带地壳演化被归结为多个阶段的裂解、汇聚、拼合等交替过程[1-2]；商丹和勉略缝合带的确定[1-4],将秦岭造山带分为：两缝(勉略缝合带和商丹缝合带)三块(秦岭微板块、华北板块及扬子板块),并认为勉略洋是在晚古生代形成的再生洋盆,这一系列的成果是基于南北秦岭构造带中古生代蛇绿岩带的确定及蛇绿岩带中硅质岩的研究[3,5]。

本文拟通过对竹山断裂南缘所采集的硅质岩进行元素地球化学研究,结合前人的研究成果,探讨该区硅质岩的形成环境和构造背景。

1 地质背景

石泉—安康—竹山断裂带北西端延至陕西安康、石泉,往东经竹山县,至房县与青峰断裂会聚。该构造带为南北两条断裂所围限,带内物质组合为前人划分的武当岩群、耀岭河组及窄条状震旦系、寒武系地层,与“构造混杂岩”特征相近。

研究所采集的硅质岩位于竹山断裂带南缘,竹山县城南西6.8 km的保安村附近的保安寨剖面,共采集到5件样品(图1、图2)。硅质岩为杨家堡组硅质岩,产出于基性火山岩(耀岭河组)之上,与中性火山岩呈互层产出,硅质岩中可见薄层片理化火山岩(图3-a),与基性火山岩接触部位可见滑塌的灰岩团块(图3-a,b),硅质岩内部可见灰岩薄层(图3-c)。

硅质岩经鉴定为纹层状含碳质(钙质)硅质岩,主要矿物以自生石英—硅质为主(含量可>95%)。含有一定量的炭质、钙质、粘土矿物,因炭质及粘土矿物的层状富集构成了显微镜下岩石的纹层状构造(图3-d,e)。

图1 秦岭构造简图(据张国伟等[4])Fig.1 Structural sketch of Qinling Mountains

图2 竹山地区剖面简图及硅质岩采样位置图Fig.2 Profile map and sampling location map of siliceous rocks in Zhushan area 1.基性火山岩；2.中性火山岩；3.硅质岩；4.灰岩；5.炭质千枚岩。

图3 硅质岩产出特征及镜下特征Fig.3 Occurrence characteristics and microscopiccharacteristics of siliceous rocks

2 样品采集及分析

样品由湖北省地质实验测试中心(国土资源部武汉矿产资源监督检测中心)完成。主量元素分析采用X射线荧光光谱分析熔铸玻璃片法,分析仪器为XRF-1599(X-ray fluorescence),分析精度为1%。微量元素、稀土元素由FinningMAT公司生产的激光剥蚀—电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定,分析精度高于5%,部分过渡元素(如Ⅴ)分析精度介于5%～10%,用于ICP-MS分析样品，其流程如下：①取粉碎至200目以下的样品粉末放入90 ℃烘箱中4 h,取粉末50 mg放入特氟龙(Teflon)溶样器中；②采用特氟龙(Teflon)溶样器中加入HF+HNO3混合酸,在195 ℃条件下消解48 h；③溶解好的样液在120 ℃条件下蒸干除Si后,样品用2%的HNO3稀释2 000倍,定容于干净的聚酯瓶。

3 硅质岩地球化学特征及沉积环境

3.1 主量元素

测试样品的SiO2含量在96%以上,均在纯硅质岩含量范围(91%～99.8%)变化[6]。

硅质岩的主要元素Fe、Mn、Al含量可用于区分其成因类型,Fe、Mn的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。Al/(Al+Fe+Mn)常用来衡量沉积物中热液沉积物的含量[7],且该比值多变化于0.01(纯热液成因)～0.06(纯生物成因),热液成因的硅质岩Al/(Al+Fe+Mn)<0.4,而受陆源碎屑影响的硅质岩则相反,Al/(Al+Fe+Mn)>0.4[8-9]。从表1的主量元素分析结果可以得出,研究区的硅质岩Al/(Al+Fe+Mn)值为0.19～0.30,属于热液成因。

表1 硅质岩主量元素组成(%)Table 1 Major element composition of siliceous rocks

Bostrom等和Yamamotom利用已知成因硅质岩建立了判别硅质岩成因的Al-Fe-Mn图解[7,9],将研究区硅质岩的Al、Fe、Mn投入图4,可见样品落于Ⅱ类型区域,说明研究区样品属热液成因,不受陆源碎屑影响。

Murray等指出Al2O3和TiO2与铝硅酸盐矿物有很好的亲缘性,其含量可用于指示陆源物质的加入多少,Fe2O3在洋中脊附近沉积物中相对富集,被用于洋中脊热液组分活动的指标,且它们在成岩过程中相对稳定,故将Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)作为判断硅质岩沉积环境的指标。研究区硅质岩Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)范围大致在0.26～0.39,与洋中脊硅质岩(<0.4)一致,不同于大陆边缘硅质岩(0.4～0.7)。在Fe2O3/(100-SiO2)-Al2O3/(100-SiO2)图解中它们大致分布于洋中脊范围内(图5-a),在Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)图解中则处于洋中脊附近(图5-b),远离大陆边缘所在区域。但它们的Fe2O3含量很低(0.13～0.51),不同于洋中脊硅质岩特征。这些特征说明研究区硅质岩形成于远离大陆靠近洋中脊的深海盆地。

图4 硅质岩的Al-Fe-Mn(底图据Yamamoto[9])Fig.4 Al-Fe-Mn in siliceous rocksⅠ.正常沉积硅质岩；Ⅱ.热水沉积硅质岩。

图5 硅质岩形成环境判别图(底图据 Murray[17])Fig.5 Discrimination diagram of siliceous rock forming environment

3.2 微量元素

微量元素含量分析测试结果及有关化学参数如表2。硅质岩大部分微量元素是小于地壳元素丰度的,但是V、Ba、As、Sb、U明显较高。

Herzig等人通过对现代地热田及海底热水沉积物的分析,指出Ba、As、Sb、U主要来源于海底热水系统淋滤盆地基底岩石的活泼性元素或深部岩浆房挥发分的直接释放,故热水或热泉沉积成因的硅质岩中通常以含量高为特征[10]。

Marchig等研究得出,Zr的含量在正常深海、成岩含金属沉积物中通常>100×10-6；而热水沉积物中一般<50×10-6,且不随Cr的升高而升高,是区分热水沉积和正常深海的重要标志[11]。由表2中数据,本次样品Zr含量32.9×10-6～65.1×10-6,平均值在48.70×10-6,符合热水沉积特征。

Kato等指出Nb、Rb、Th等元素主要来源于陆源,不溶于海水,它们在硅质岩中含量可用于指示成岩过程受陆源物质的影响程度[12]。本文测试样品的Nb=0.20×10-6～2.05×10-6(平均值0.98×10-6),Rb=2.74×10-6～6.17×10-6(平均值4.14×10-6),Th=0.23×10-6～1.13×10-6(平均值0.58×10-6),均远小于地壳丰度值；McLennan等通过研究得出U和Th在热水沉积环境和正常沉积环境中会出现分异的结论,认为相对Th,热水沉积中更富集U,样品中U明显高于Th,其比值>1,反映其受热水沉积作用[13]；Wignall利用U和Th的相互关系(δU=6U/(3U+Th))来判断沉积环境,指出δU>1表示缺氧环境,δU<1表示正常海水环境[14]。如表2所示,样品的δU极其一致,均>1。据此判断,研究区的硅质岩沉积环境符合热水体系的缺氧环境特征。

表2 硅质岩微量元素分析结果(×10-6)Table 2 Analysis results of trace elements in siliceous rocks

3.3 稀土元素

稀土分析结果及相关化学参数如表3。其中,稀土元素数据分析采用北美页岩组合样进行标准化处理,Ce/Ce*和Eu/Eu*值采用Ce/Ce*=CeN/(LaN×PrN)1/2和Eu/Eu*=EuN/(SmN×GdN)1/2[15]。

前人研究表明热水成因的硅质岩ΣREE往往偏低,测试样品ΣREE为9.14×10-6～16.29×10-6,平均为12.57×10-6,符合热水沉积硅质岩总量特征(ΣREE<200×10-6)[16]。稀土元素配分模式图(图6)中硅质岩表现出富集重稀土的左倾,Eu正异常、Ce负异常的特征,具有明显热水沉积的成因特征[17],并符合洋脊盆地发育与海底热液活动有关的硅质岩特征[18]。

表3 硅质岩的稀土元素分析结果(×10-6)Table 3 REE analysis results of siliceous rocks

图6 硅质岩稀土元素配分模式图(Pm据内插法求得)Fig.6 REE distribution pattern of siliceous rocks

通过对(La/Lu)N、(La/Yb)N及(La/Ce)N研究发现，从洋中脊—离开洋中脊—大陆边缘过程中,三个指标均有规律的变化,一定程度上通过该项指标的比对可判断硅质岩的形成环境[15-16]。

(La/Lu)N从洋中脊(0.65)—大洋盆地(2.7)—大陆边缘(0.79),经历逐渐升高再降低的过程,大陆边缘的LREE和HREE分异不明显,而大洋中脊明显亏损LREE而富集HREE,本次测试样品(La/Lu)N为0.10～0.15,表现出强烈HREE富集,符合洋中脊硅质岩特征。

(La/Yb)N从洋中脊(0.3)—远洋盆地(0.7)—大陆边缘(1.1～1.4)表现出逐渐升高的特征,测试样品的(La/Yb)N为0.11～0.14,代表硅质岩形成环境为与洋中脊环境相似的洋盆喷口或断裂附近,并且<1,符合典型热水成因的富集重稀土的特征。

(La/Ce)N从洋中脊(≥3.5)—大洋盆地(1.0～2.5)—大陆边缘(≈1,变化于0.5～1.5)呈现逐渐降低的趋势。测试样品(La/Ce)N值介于1.23～1.66,平均值为1.5,主要反映为大洋盆地环境。

3.4 硅质岩形成环境的讨论

如图3所示,测试样品采集于竹山断裂南缘，硅质岩产出于基性火山岩之上,与中性火山岩互层产出。

上述通过对硅质岩地球化学特征的讨论,得出该硅质岩形成于靠近洋中脊的深海盆地中,为热水沉积成因的结论。

近期许志琴等基于对秦岭、桐柏地区的野外地质调查和前人的研究成果,提出勉略缝合带向东经洋县—宁陕—湘河左行走滑剪切带、南秦岭北部的耀岭河高压变质带延至桐柏高压变质带、红安—大别高压/超高压变质带,最终抵达苏鲁高压/超高压变质带的新连接方式[19]。李源等通过对宁陕左行走滑断裂内同构造花岗岩脉的研究,认为宁陕走滑断裂带至少从晚三叠世中期之前就已经开始活动,与勉略缝合带内中—晚三叠世左行走滑韧性剪切带一起构成了一条区域性走滑断层,将勉略古特提斯洋缝合带与秦岭—大别—苏鲁陆陆碰撞造山带连接在一起[20]。

刘成新等通过采集和收集整理大量近期在两竹—随州地区获得的高精度测年数据及岩石地球化学资料,研究区内不同时代的基性岩类发现绝大多数表现为板内构造背景,与伸展构造有关,只有大阜山基性—超基性杂岩例外；区内中酸性岩浆岩类(七尖峰除外),也与伸展构造活动有关,没有发现与俯冲碰撞有关的火成岩组合，认为在两竹—随州构造带不大可能出现具有板块边界性质的构造带[21]。

从Fe2O3/(100-SiO2)-Al2O3/(100-SiO2)和Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)图解及(La/Lu)N、(La/Yb)N、(La/Ce)N值可以看出,测试样品与标准的三类环境硅质岩并不完全吻合,但总体上更趋近于洋中脊环境,故结合上述研究成果,推测本次分析的硅质岩采集对象应为裂谷盆地的沉积混杂岩,硅质岩形成环境可能为深水盆地。