黑龙江省东部晚三叠世—中侏罗世硅质岩地球化学特征及形成环境

孙 雷，曾 振，崔维龙，王晓杰，赵青年，郝振群，李 寒，张宏泽，周 江

1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳110034；2.航天建筑设计研究院有限公司，北京100162；3.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春130061；4.中国科学院 地质与地球物理研究所，北京100029

0引言

中国东北地区及其邻区大地构造位置上属于中亚造山带的东段，由多个微陆块拼贴而成［1-4］，自西向东依次为额尔古纳－兴安地块、松辽地块、佳木斯－兴凯地块及那丹哈达地体（或增生杂岩带）（图1）.古生代期间，该区域经历了古亚洲洋构造体系的演化［5-6］，并在晚二叠世—早三叠世古亚洲洋最终闭合，多个微陆块完成碰撞拼合.中国学者对这一更大的拼合板块有“黑龙江板块”［7-8］及“佳蒙地块”［9］等称谓，俄罗斯学者多称之为“阿穆尔微大陆或超地体”［10］，表现以侧向增生为特征的陆壳增生方式［6，11-13］.因此，该区域构造形式十分复杂，表现为一个复合式构造区域，并在东北地区最东侧大陆边缘形成了一条近南北向展布的俯冲杂岩增生带［14-17］.研究区位于东北地区东缘那丹哈达增生杂岩带上，南以密山－伊曼断裂为界与主体位于俄罗斯境内的兴凯地块相邻，西以跃进山断裂［18］或同江－密山断裂［19］为界与佳木斯地块毗邻，东隔乌苏里江与俄罗斯境内巨大的锡霍特－阿林增生杂岩带相连，为典型古太平洋板块俯冲－增生的产物［20-21］，是研究古太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲演化过程的天然实验室.

黑龙江东部那丹哈达增生杂岩中发育大量硅质岩，张庆龙等最早对其进行了报道，并对那丹哈达增生杂岩中放射虫化石与日本美津浓地体中放射虫化石进行详细对比［18，22］；俄罗斯学者G.I.Buryi以该地区硅质岩中的牙形刺为研究对象，确定硅质岩的地质时代［23］；李朋武等对那丹哈达与日本美津浓地区的同时代硅质岩进行详细的古地磁对比［24］；马金萍等曾对黑龙江东部晚三叠世—早侏罗世放射虫硅质岩的特征及油气远景进行论述，但相对缺少对黑龙江省东部硅质岩的地球化学研究［25］.基于此，作者在前人研究基础上，对黑龙江省东部石场、勤得利和胜利农场地区进行系统采样（图1b），野外地质调查与室内综合研究相结合，通过系统对比和总结研究区硅质岩的主量、稀土元素特征，对其成因和形成环境进行探讨，以期为该地区中生代时期的构造动力学背景研究提供依据.

图1 研究区大地构造位置及区域地质简图（据文献［3，8］）Fig.1 Geotectonic location and regional geological sketch map of the study area（From References［3，8］）

1 地质背景与岩石特征

那丹哈达增生杂岩位于黑龙江省东部，主要由一套具有洋壳组合特点的晚三叠世—中侏罗世超镁铁质岩、镁铁质堆晶岩、枕状玄武岩、硅质岩及泥质硅质岩组成，其中含有晚古生代灰岩岩块.这套杂岩作为俄罗斯境内巨大的锡霍特－阿林中生代增生杂岩带的一部分，总体上呈近南北走向，向西突出的弧状展布.生物地层学及古地磁学研究普遍认为，该杂岩是一个在中—晚侏罗世初由低纬度快速迁移到佳木斯地块东缘的外来地体［18，20，22，26-29］.本区出露地层以中生界和新生界为主：主要发育中—上三叠统十八垧地组（T2－3s），上三叠统大坝北山组（T3d）、大佳河组（T3dj），上三叠统—下侏罗统大岭桥组（T3－J1d）和下侏罗统永福桥组（J1y）.它们之间均为整合接触，其中大佳河组地层主要为大面积硅质岩，局部夹泥岩或粉砂岩、透镜状灰岩，含丰富的牙形刺及放射虫化石，厚度大于1 060 m.区内构造活动、岩浆活动及变质变形样式都十分复杂，具有复杂的发展演化历史.

石场地区硅质岩（46°51′20″N，133°20′13″E）呈黄白色，中薄层—层状构造，层厚6～15 cm，夹薄层泥岩，部分硅质岩中含有少量放射虫，发育典型尖棱褶皱，褶皱轴面近直立，部分地区褶皱轴面近水平，枢纽呈近南北向（图2a、b、c）.勤得利地区硅质岩（47°59′54″N，133°11′2″E）呈灰黑色，中薄层—层状构造，层厚5～12 cm，水平层理明显发育，夹薄层泥岩（图2d）.胜利农场地区存在两种颜色的硅质岩（47°29′54″N，133°53′39″E），其一为灰白色，其二为紫红色，硅质岩中未发现放射虫，两种硅质岩均为中薄层—层状构造，层厚6～12 cm，水平层理明显发育，夹薄层泥岩（图2e、f）.

图2 黑龙江省东部硅质岩野外及显微照片Fig.2 Field and microscopic photographs of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province

2 样品采集与分析方法

在黑龙江省东部地区采集了16件样品，样品的主量、微量和稀土元素测试均由澳实分析检测（广州）有限公司完成.主量元素由荷兰PANalytical生产的Axios仪器利用熔片X射线荧光光谱法（XRF）测定，并采用等离子光谱和化学法测定进行互相检测.微量元素和稀土元素采用美国Perkin Elmer公司生产的Elan 9000型电感耦合等离子质谱仪（ICP－MS）测定.主量元素分析精度优于5%，微量和稀土元素分析精度优于10%.

3 分析结果

黑龙江省东部三个地区的16件硅质岩样品的主量、微量和稀土元素测试结果见表1.

表1 黑龙江省东部硅质岩样品地球化学分析结果Table 1 Contents of major，trace and rare earth elements in the siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province

3.1 主量元素

硅质岩是指由化学作用、生物和生物化学作用以及某些火山作用所形成的富含SiO2（一般超过70%）的岩石［30］.石场地区黄白色硅质岩、勤得利地区灰黑色硅质岩、胜利农场灰白色硅质岩和紫红色硅质岩的主量元素特征为SiO2含量最高，分别为94.39%～95.95%、95.42%～96.76%和94.76%～96.48%、94.82%～95.77%，平均为95.11%、95.53%、95.62%和95.16%；Al2O3含 量 平 均 为1.71%、1.74%、1.98%和1.83%；TFe2O3平均为1.13%、0.78%、0.62%和0.94%；Na2O平均 为0.04%、0.14%、0.02%和0.01%；TiO2平 均 为0.06%、0.07%、0.09%和0.08%.石场地区、勤得利地区以及胜利农场地区的硅质岩普遍具有较高的SiO2含量，属于纯硅质岩范围（SiO2为91.00%～99.80%）［31］.

3.2 稀土元素

由黑龙江省东部那丹哈达增生杂岩中硅质岩的北美页岩标准化稀土元素配分曲线（图3）所示，勤得利、石场以及胜利农场的硅质岩呈近于平坦型的分配曲线.

图3 黑龙江省东部硅质岩北美页岩标准化稀土元素配分模式图（北美页岩标准化值据文献［32］）Fig.3 NASC-normalized partition REE patterns of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province（NASC－normalized value from Reference［32］）

石场地区黄白色硅质岩、勤得利地区灰黑色硅质岩、胜利农场灰白色硅质岩和紫红色硅质岩的∑REE含 量 平 均 为24.06×10－6、35.55×10－6、43.34×10－6和40.94×10－6；∑LREE含量平均为21.47×10－6、32.00×10－6、35.58×10－6和34.06×10－6；∑HREE含量平均为2.59×10－6、3.56×10－6、7.76×10－6和6.88×10－6；∑LREE/∑HREE的比 值 分 别 介 于7.22～9.36、6.99～12.75、4.24～5.34和4.11～5.61，均富集轻稀土.

石场和勤得利地区具有Ce正异常，石场地区、勤得利地区硅质岩的δCe分别为0.96～1.08、1.03～1.71，平均为1.04、1.45，勤得利地区硅质岩的δCe值明显高于石场地区；而胜利农场灰白色、紫红色两种硅质岩具有明显的Ce负异常，δCe为0.60～0.65，平均为0.63.石场、勤得利和胜利农场三个地区硅质岩的δEu值没有明显的差别，δEu平均为0.95、0.97和0.94.

4 硅质岩地球化学特征及形成环境

硅质岩的Fe2O3与洋脊扩张中心的热液有关，主要赋存于洋中脊附近的富含金属矿物的沉积物中，Al2O3和TiO2与大陆和岛弧物质输入相关，MnO可以作为来自大洋深部的标志［33-35］，硅质岩中的Al、Fe、Ti等元素在其成岩过程中能够保持稳定.因此，以上元素可以有效地示踪硅质岩的沉积环境和硅的来源［31，35-36］.

石场地区黄白色硅质岩的TFe2O3/TiO2比值较高，为11.29～27.00，平均为20.02；胜利农场灰白色硅质岩的TFe2O3/TiO2比值较低，为4.40～9.33，平均为6.98；勤得利地区灰黑色硅质岩和胜利农场紫红色硅质岩的TFe2O3/TiO2比值介于二者之间，分别为9.00～13.38和11.63～13.43，平均为11.59和12.58.三个地区四组硅质岩的Al2O3/（Al2O3＋TFe2O3）比值差异不大，介于0.52～0.83之间，平均为0.68.胜利农场灰白色硅质岩的（La/Ce）N值为1.61～2.03，平均为1.76；紫红色硅质岩的（La/Ce）N值为1.70～1.79，平均为1.74.二者的（La/Ce）N值均明显高于石场（1.11～1.18，平均1.13）和勤得利地区硅质岩（0.68～1.05，平均0.84）.

利用Al－Fe－Mn三角图解进行判别［37-38］，通常所有热液成因硅质岩比值均落于富Fe端，非热液成因硅质岩比值均落于富Al端.本文硅质岩样品均落入生物成因区域之上靠近Al端元一侧（图4）.K2O/Na2O值的大小是判断硅质岩是否受海底热液作用影响的指示标志，四组硅质岩仅有一个样品的K2O/Na2O值为0.96，其余样品K2O/Na2O值为4.67～64，明显不同于海底热液作用所形成的硅质岩（K2O/Na2O＜1）［39］.因此，该地区硅质岩未遭受海底热液作用，而是直接受生物作用和陆源影响成因的硅质岩，这与样品中含有一定数量的放射虫化石的现象一致.

图4 黑龙江省东部地区硅质岩Al－Fe－Mn判别图解（据文献［37－38］）Fig.4 The Al-Fe-Mn discrimination diagram of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province（After References［37－38］）

元素Th和U在沉积物中的含量取决于沉积环境的氧化环境，其中Th不受水体氧化还原条件影响，常以不溶的Th4＋形式存在，而U在强还原条件下以不溶的U4＋形式存在，导致沉积物中U富集.石场地区硅质岩U/Th值为0.43～0.58，平均为0.52；胜利农场地区灰白色硅质岩U/Th值为0.44～0.64，平均为0.50；胜利农场地区紫红色硅质岩U/Th值为0.16～0.19，平均为0.17.三者的U/Th值小于0.75，反映石场和胜利农场硅质岩形成于富氧环境.而勤得利地区硅质岩的U/Th值大于1.25，为1.42～2.63，平均为2.10，反映勤得利硅质岩形成于厌氧环境［40］.

硅质岩中Mn元素常常被认为是来自大洋深部的标志元素，Sugisaki等［41］曾指出，MnO/TiO2比值可以作为判断硅质岩沉积物距离大洋盆地远近的指示标志，开阔大洋环境形成的硅质岩的MnO/TiO2介于0.5～3.5之间，距大陆较近的大陆坡及边缘海沉积的硅质岩的MnO/TiO2小于0.5.石场、勤得利和胜利农场地区的硅质岩MnO/TiO2分别为0.14～0.40、0.13～0.25和0.11～0.13，表明研究区硅质岩形成于距大陆较近的大陆坡和边缘海沉积环境.

研究认为，大陆边缘（La/Yb）N平均值为1.1～1.4，洋中脊附近（La/Yb）N平均值为0.3左右，深海平原硅质岩（La/Yb）N介于二者之间［42］.石场、勤得利和胜利农场地区硅质岩的（La/Yb）N分别为1.23～1.59、0.85～1.40和0.89～1.15（表1），说明黑龙江省东部三个地区的硅质岩形成于大陆边缘环境.

在环境判别图（图5）中，大部分硅质样品落入“大陆边缘”和“远洋盆地”或附近区域内.综上所述，黑龙江东部那丹哈达增生杂岩中四组硅质岩可能形成于大陆坡及边缘海环境.

图5 黑龙江省东部硅质岩形成境判别图（据文献［35，43］）Fig.5 The discrimination diagram for formation environment of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province（After References［35，43］）

5 结论

（1）黑龙江省东部石场地区黄白色硅质岩、勤得利地区灰黑色硅质岩、胜利农场灰白色硅质岩和紫红色硅质岩的主量元素中SiO2含量最高，分别为94.39%～95.95%、95.42%～96.76%、94.76%～96.48%和94.82%～95.77%，其次为Al2O3、Fe2O3、K2O，均普遍具有较高的SiO2，属于纯硅质岩；稀土元素分配曲线基本一致，呈近于平坦型的分配曲线，富集轻稀土.

（2）通过主量与微量元素地球化学特征分析，黑龙江省东部石场、勤得利和胜利农场地区的硅质岩形成于大陆坡及边缘海环境.