鄭秀才，凃智杰 （長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

燕山地區(qū)宣龍坳陷中元古界硅質(zhì)巖主元素多元統(tǒng)計分析

鄭秀才，凃智杰 （長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

運用因子分析、聚類分析及相關(guān)分析等多元統(tǒng)計分析方法對燕山地區(qū)宣龍坳陷中元古界硅質(zhì)巖主元素進行分析。主元素聚類為陸源物質(zhì) （Al2O3、TiO2、K2O和P2O5）、海洋物質(zhì) （SiO2、CaO、MgO和燒失量）和熱液物質(zhì) （Fe2O3、MnO、Na2O和FeO）3類。每一類中各種元素之間的相關(guān)特征存在差異。提取的第1主因子、第2主因子、第3主因子分別反映了海洋因子、陸源因子和熱液因子的特征，而第4主因子 （Na2O和FeO）可能指示了強酸性沉積環(huán)境。研究結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖是在有一定熱水參與的強酸性海洋環(huán)境中正常化學(xué)沉積的產(chǎn)物。

硅質(zhì)巖；多元統(tǒng)計；地球化學(xué)；中元古界；燕山地區(qū)

主元素分析廣泛應(yīng)用于硅質(zhì)巖的研究，它對分析硅質(zhì)巖的成因、形成時期的古構(gòu)造、古地理、古氣候條件、古成礦環(huán)境信息等具有十分重要的意義［1～5］。燕山地區(qū)中元古界地層主要為一套碳酸鹽巖，其間以夾層或互層狀產(chǎn)出大量硅質(zhì)巖，野外露頭非常醒目，備受關(guān)注。前人在巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征、成因及其形成環(huán)境等方面作過大量的工作，并取得一系列研究成果［6～11］。但是，缺少多元統(tǒng)計分析研究的文獻，該次研究填補了該項空白，對深入研究燕山地區(qū)中元古界硅質(zhì)巖的成因、形成時期的古構(gòu)造、古沉積環(huán)境具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

中、晚元古代燕遼裂陷槽的巖相古地理及其演化經(jīng)歷了長城系沉積時期的斷陷海槽、薊縣系沉積時期的強烈凹陷和青白口系沉積時期的穩(wěn)定陸表海3個發(fā)展階段［12～14］。表現(xiàn)出3種沉積類型：裂谷早期拉張和火山活動階段的常州溝組、串嶺溝組、團山子組、大紅峪組的碎屑巖－火山巖沉積；裂谷強烈下陷和廣泛海侵階段的高于莊組、楊莊組、霧迷山組的碳酸鹽巖沉積；裂谷活動期后穩(wěn)定殘余凹陷的洪水莊組、鐵嶺組、下馬嶺組、龍山組和景兒峪組的碎屑巖－碳酸鹽巖穩(wěn)定沉積［12～14］。該裂陷槽裂解始于1800～1400Ma，從中、西段逐步向東發(fā)展至東段的遼北地區(qū)，1200Ma的裂解導(dǎo)致燕遼裂陷槽的最終形成［15］，期間裂陷槽斷裂火山活動劇烈，深部物質(zhì)活躍，是一個受軸部斷裂控制的、與外海古洋相連通的古陸棚海盆［15］。

研究區(qū)位于燕遼裂陷槽西段，構(gòu)造分區(qū)屬宣龍坳陷 （圖1）。區(qū)域上中、晚元古代在太古界變質(zhì)巖基底之上，沉積了一套橫向上穩(wěn)定且厚度巨大的中、新元古界海相碳酸鹽巖夾碎屑巖地層，總厚度約8000m。自下而上劃分為中元古界的長城系、薊縣系和新元古界的青白口系。該次研究的目的層段為高于莊組和霧迷山組。實測剖面位于河北赤城縣古子房。剖面地層出露良好，分布廣泛，具有代表性，可作為中元古界地層研究的理想剖面。主要發(fā)育深灰色中厚層狀泥晶白云巖、疊層石白云巖，其間發(fā)育大量硅質(zhì)巖。

硅質(zhì)巖的野外產(chǎn)狀主要呈薄層狀、條帶狀、結(jié)核狀、團塊狀等，夾于碳酸鹽巖層內(nèi)，也可與之互層。多為黑色、深灰色和灰白色。巖石類型主要包括疊層石硅質(zhì)、含凝灰質(zhì)硅質(zhì)巖 （圖2（a））、礫屑硅質(zhì)巖 （圖2 （b））、球粒硅質(zhì)巖 （圖2（c））和結(jié)晶硅質(zhì)巖 （圖2 （d））。礦物成分主要為石英和玉髓。石英一般為微晶質(zhì)，局部可達粉晶或細晶級，玉髓多為纖狀集合體。球粒硅質(zhì)巖中的硅質(zhì)球粒外表形態(tài)與鮞粒相仿，所不同的是它們不具內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也沒有明顯的核心，空間上與鮞粒云巖無關(guān)。球粒大小0.5～2mm之間，放大鏡下可觀察到似 “瑪瑙紋”，顯微鏡下球粒由放射狀、纖維狀微晶玉髓、微晶石英組成。球粒極圓滑，粒度均一，具 “顆粒支撐”結(jié)構(gòu)特征 （圖2（c））。可見有石英膠結(jié)物和白云石膠結(jié)物共存的現(xiàn)象 （圖2（c））。上述特征表明，硅質(zhì)球粒既不是鮞粒也不是后期硅化形成的，是屬于化學(xué)成因的。結(jié)晶硅質(zhì)巖中鏡下可觀察到由不同顏色條紋或結(jié)構(gòu)組分所表現(xiàn)的定向排列的流動跡象 （圖2（d）），野外露頭上硅質(zhì)礫屑發(fā)育 （圖2（b）），都表明硅質(zhì)巖是原始化學(xué)沉積成因的。

圖1 宣龍坳陷構(gòu)造背景及采樣位置圖

圖2 宣龍坳陷野外露頭及顯微鏡下照片

該次研究采集了28件樣品 （圖1）。樣品由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室分析測試，結(jié)果見表1。

表1 樣品分析結(jié)果 %

2 多元統(tǒng)計分析

2.1 相關(guān)分析

不同化學(xué)成分之間相關(guān)性描述了化學(xué)成分間的伴生關(guān)系，在一定程度上可以用來判別各種化學(xué)成分的可能來源。區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖主要化學(xué)成分相關(guān)分析結(jié)果見表2。

表2 主要化學(xué)成分相關(guān)特征

1）SiO2與CaO、MgO和LOI呈顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù) （R）絕對值大于0.9，表明它們之間互為消減。CaO、MgO和燒失量 （LOI）之間呈顯著的正相關(guān)，表明3種元素同步增減，是海洋形成碳酸鹽巖的主要組分 （表2）。一些研究者把它解釋為沉積環(huán)境中陸源物質(zhì)對碳酸鹽巖礦物沉淀的抑制［7，8］，這一解釋的依據(jù)是認(rèn)為硅質(zhì)來源于陸源的風(fēng)化產(chǎn)物。來源于陸源風(fēng)化產(chǎn)物的SiO2應(yīng)該與Al2O3、K2O和TiO2等這些來源于陸源物質(zhì)的元素之間具有相關(guān)性。表2顯示，SiO2與Al2O3、K2O和TiO2等相關(guān)系數(shù)僅為－0.2左右，這種負相關(guān)不是沉積環(huán)境中陸源物質(zhì)對碳酸鹽巖礦物沉淀的抑制。

在海洋多元體系中H4SiO4硅酸是弱酸，當(dāng)pH＜5.5時硅酸不與陽離子化合，硅酸含量達過飽和時則以非晶質(zhì)二氧化硅膠體形式聚合沉淀；pH＞5.5時，硅酸活度增大并與陽離于化合，生成硅酸鹽，而且pH值越高，生成的硅酸鹽黏土礦物越多，種類越復(fù)雜［16～20］。沉淀碳酸鹽的海水pH值是大氣二氧化碳濃度值的函數(shù)［19］，CO2含量越高，沉淀碳酸鹽的pH值越低。當(dāng)CO2含量足夠高時沉淀碳酸鹽的pH值可降至硅酸鹽黏土礦物沉淀的pH值下限以下。在這種條件下，硅酸達過飽和時形成非晶SiO2膠體沉淀，Mg2＋、Ca2＋等則以白云巖形式沉淀［19］。其過程表示為：

顯然，pH值的變化制約硅質(zhì)巖和白云巖的沉淀。在一定pH值條件下，當(dāng)海水中的SiO2達到過飽和時開始析出硅質(zhì)，視水體中硅質(zhì)的豐富程度不同，形成硅質(zhì)薄層、條帶或團塊等。礫屑硅質(zhì)巖（圖2（b））、球粒硅質(zhì)巖 （圖2（c））和結(jié)晶硅質(zhì)巖中結(jié)構(gòu)組分所表現(xiàn)的定向排列的流動跡象 （圖2（d））是硅質(zhì)巖由SiO2膠體沉淀的直接巖石學(xué)證據(jù)。隨著硅質(zhì)的析出，海水中的SiO2濃度逐漸降低，而碳酸鹽組分的濃度隨之相對增加，在pH值適合時，反應(yīng)向左進行，碳酸鹽物質(zhì) （主要是白云質(zhì)）沉淀，最后形成野外廣泛發(fā)育的硅質(zhì)巖與碳酸鹽巖的 “交替層”構(gòu)造?？梢姡Ｑ蠖嘣w系中pH值變化對硅質(zhì)巖和白云巖沉積控制作用導(dǎo)致SiO2與CaO、MgO和LOI呈負相關(guān)。

2）Al2O3、K2O和TiO2之間呈顯著的正相關(guān) （R＞0.9）。硅質(zhì)巖的Al2O3和TiO2相對穩(wěn)定，很少受成巖作用和后期變質(zhì)作用的影響，其含量主要由陸源物質(zhì)輸入量決定［21，22］，K （鉀）主要賦存在陸源泥質(zhì)中，其含量隨陸源泥質(zhì)增多而增加。三者之間的顯著正相關(guān)表明它們都來自于陸源。

P2O5與Al2O3、K2O和TiO2之間也表現(xiàn)出一定的正相關(guān) （表2）。一般認(rèn)為海水中的P（磷）是不飽和的，因此P不能從海水中以無機方式直接大規(guī)模地沉淀出來。P2O5可以來源于陸源含磷碎屑，也可以來源于富含磷質(zhì)的海洋生物［23］。區(qū)內(nèi)P2O5與陸源組分具有一定相關(guān)性，表明P2O5主要來源于陸源，但是其相關(guān)系數(shù)明顯降低，表明P2O5除了與陸源有關(guān)之外，還與生物來源有關(guān)。

3）MnO和Fe2O3呈弱相關(guān)，硅質(zhì)巖的Fe2O3受成巖作用和后期變質(zhì)作用的影響很少，相對穩(wěn)定，其富集與洋中脊熱水組分活動的強度相關(guān)，MnO可以看作是深海物質(zhì)來源的標(biāo)志，因此它們表現(xiàn)出一定的正相關(guān) （R＝0.422）；MnO與FeO呈一定的負相關(guān) （R＝－0.44），這可能與 Mn（錳）和Fe（鐵）的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。Fe2＋極易氧化成Fe3＋。而Mn能在海水中以Mn2＋比較穩(wěn)定地存在，Mn能在水體較深的地方出現(xiàn)，甚至聚集在大洋的洋底［24］，可見它們均與熱液活動有關(guān)。

2.2 聚類分析

不同的元素組合反映了不同的沉積地球化學(xué)特征以及影響它們形成的各種古構(gòu)造、古氣候、古水文條件［25］，相似環(huán)境條件下沉積物的共生組合也相近。聚類分析就是把地球化學(xué)特征相近、行為密切的元素歸類，從而揭示沉積環(huán)境和物質(zhì)來源。

通過聚類分析這些元素大體上聚為3類 （圖3）：①第1類為Al2O3、K2O、TiO2和P2O5，代表陸源來源物質(zhì)組分。Al2O3、K2O、TiO2先聚為一類，聚類距離在1左右， “親緣”關(guān)系密切；之后和P2O5聚合，聚類距離在4左右，表明P2O5和陸源物質(zhì)有一定的親緣關(guān)系，但和前三者有差別，這和相關(guān)分析的結(jié)果一致。②第2類為MnO、FeO、Fe2O3和Na2O，這些元素主要和熱液活動有關(guān)，代表熱液來源的組分。這些元素聚為一類，表明它們具有相似的來源，但它們之間的聚類距離大于5，這可能是這些熱液多源或者多期的結(jié)果。③第3類為CaO、LOI、MgO和SiO2，代表了海洋沉積組分。這些元素之間 “親緣”關(guān)系密切，聚類距離僅為1，表明它們具有 “同源”性。有趣的是這些具有明顯 “親緣”關(guān)系的元素，相關(guān)分析顯示顯著負相關(guān)，這恰好印證了SiO2與MgO、CaO和LOI的相互消減與陸源物質(zhì)對碳酸鹽礦物沉淀的抑制作用無關(guān)，而是海洋多元體系中pH值的變化控制著硅質(zhì)巖和碳酸鹽巖的沉積。

圖3 “R型”聚類分析結(jié)果

2.3 因子分析

研究采用 “R型”因子分析，設(shè)置最小特征值為1，經(jīng)方差極大正交旋轉(zhuǎn)提取公因子，提取出4個主因子，結(jié)果見表3。

第1主因子 （F1）特征變量包含CaO、LOI、MgO和SiO2，這些變量的公因子載荷絕對值大于0.95。LOI和 MgO、CaO呈明顯的正相關(guān)，表明燒失的主要成分為CO2。MgO、CaO和LOI是碳酸鹽巖沉積所必需的物質(zhì)。SiO2、MgO、CaO和LOI都來源于海洋，因此該因子為海洋因子。第1因子貢獻值為32.6%，表明海洋成分在硅質(zhì)巖形成中所占比例。

第2主因子 （F2）特征變量包含 Al2O3、K2O、TiO2和P2O5，Al2O3、K2O、TiO2的公因子載荷值大于0.9，而P2O5為8。F2貢獻率為30.8%。從元素地球化學(xué)屬性來看，這些元素一般在地表風(fēng)化產(chǎn)物中富集，均是表生環(huán)境下地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的惰性組分，具有陸源產(chǎn)物的指示意義。F2方差貢獻率越大則陸源成分參與沉積越多。

表3 旋轉(zhuǎn)成分矩陣

第3主因子 （F3）特征變量為 MnO和Fe2O3，公因子載荷絕對值在0.8左右。方差貢獻率為13%。在深海沉積物中鐵、錳氧化物一般歸因于鐵、錳結(jié)核沉積物或海底熱水活動沉積物來源，因此該項因子具有指示熱水沉積來源的代表意義。

第4主因子 （F4）特征變量為FeO和Na2O，公因子載荷絕對值在0.8左右，方差貢獻率為12%。Fe離子還原條件下，呈Fe2＋溶解并遷移；在氧化環(huán)境中，F(xiàn)e2＋易被氧化為Fe3＋發(fā)生淀積。海底噴氣活動在帶來大量Fe、Si等成礦物質(zhì)同時，也會帶來大量的酸性、還原性氣體。這些物質(zhì)噴發(fā)到海底與海水混合，溫度會快速降低，導(dǎo)致海水中Si的濃度過飽和，從而使硅以Si膠形式從海水中沉淀下來［26］。溫度降低，會使Fe的氧化速度迅速降低，特別是在酸性條件下Fe2＋的氧化會更慢。一般認(rèn)為Na主要和蒸發(fā)環(huán)境有關(guān)，但文獻報道澳大利亞哈默斯利鐵硅建造中也含有食鹽晶體，屬正常的酸性高鹽度的海水成礦環(huán)境的產(chǎn)物［27］。區(qū)內(nèi)發(fā)育的硅質(zhì)球粒表明當(dāng)時沉積水體確實存在強酸性環(huán)境［28］。因此，第4主因子可能具有海洋強酸環(huán)境的指相意義。

3 結(jié) 論

1）SiO2與CaO、MgO和LOI具有顯著的負相關(guān)，聚類分析中聚為同一類，因子分析中主因子F1對SiO2、CaO、MgO和LOI的公因子載荷絕對值大于0.95，方差貢獻率32.6%，反映了這些元素在沉積物形成過程中具有相似的特點和相同的來源，硅質(zhì)巖的沉積主要受海洋因子的影響，是海洋環(huán)境中正常沉積的產(chǎn)物，pH值變化控制了硅質(zhì)巖的沉積。

2）Al2O3、TiO2和K2O的相關(guān)系數(shù)大于0.9，它們與P2O5之間有一定的相關(guān)性但相關(guān)系數(shù)較小。聚類分析中Al2O3、TiO2和K2O先聚為一類，再和P2O5聚為一大類，因子分析中F2對Al2O3、TiO2、K2O公因子載荷絕對值大于0.9，而P2O5為8。F2的方差貢獻率30.8%。這些化合物除P2O5受海洋生物影響之外，主要為陸源組分，也是硅質(zhì)巖形成中正常沉積的主要物質(zhì)。

3）Fe2O3、MnO、Na2O和FeO之間的相關(guān)系數(shù)絕對值小于0.5，這些元素聚為一類但聚類距離較大，因子分析中F3（Fe2O3和MnO）和F4（Na2O和FeO）公因子載荷絕對值在0.8左右，F(xiàn)3和F4的方差貢獻率分別為13%和12%。它們都來源于熱液物質(zhì)，但這些熱液并不是同源同期的，而是多源多期作用的結(jié)果。此外，F(xiàn)4具有指示沉積環(huán)境具有強酸性的意義。

總之，主元素多元統(tǒng)計分析揭示出區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖為有熱水參與的正常海洋沉積的產(chǎn)物，沉積時期海洋的水體呈酸性，這一結(jié)論與硅質(zhì)巖巖石學(xué)特征相符合。

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Multiple Statistics of Geochemical Characteristics of the Siliceous Rocks in Middle Proterozoic of Xuanlong Depression of Yanshan Area

ZHENG Xiu-cai，TU Zhi-jie（First Author’s Address：College of Technology and Engineering，Yangtze University，Jingzhou434020，Hubei，China）

Factor analysis，cluster and correlation analyses were applied to study the major element of the siliceous rocks in Middle Proterozoic of Xuanlong Depression.These major elements were divided into three types by cluster analysis，including terrigenous material（Al2O3，TiO2，K2O and P2O5），marine material（SiO2，CaO，MgO and LOI），and hydrothermal material（Fe2O3，MnO，Na2O and FeO）.There existed differences in the correlation between the various major elements in each category.The first，second，third factors reflected the marine factor，continental factor and thermal liquid factor respectively，while the fourth factor（Na2O and FeO ）would indicate the sedimentary environment of strong acid.The results show that the genesis of Xuanlong siliceous rocks is caused by integrated action of the hydrothermal de-posit and normal deposit during the deposition of acidic marine material.

siliceous rocks；multiple statistic；geochemical characteristics；Middle Proterozoic；Yanshan Area

P595

A

1000-9752（2012）10-0017-06

2012-03-28

中國石油化工股份有限公司海相前瞻性研究項目 （YPH08026）。

鄭秀才 （1963-），男，1987年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，研究員，現(xiàn)主要從事沉積與儲層方面的研究工作。

［編輯］ 龍 舟