韓宗珠，肖 楠，李安龍，高 芳，徐翠玲，何雨旸

（中國海洋大學海洋地球科學學院；海底科學與探測技術教育部重點實驗室，山東 青島26100）

硅質巖是由化學作用、生物和生物化學作用及某些火山作用、熱水作用所形成的富含SiO2（一般＞70%）的巖石，也包括在盆地內經機械破碎再沉積者，都可以稱為硅質巖[1]。自 Wadsworth[1]最初提出硅質巖這一名稱以來，對其概念和成因一直有不同看法，歸納起來大致可分為3種成因類型：（1）生物或生物化學沉積成因[2]；（2）化學沉積，包括火山噴發(fā)成因、超堿性條件下沉積及熱水沉積成因[3－5]；（3）交代（硅化）成因[6]。下?lián)P子區(qū)下二疊統(tǒng)孤峰組中發(fā)育了數(shù)十米厚的層狀硅質巖，關于該區(qū)硅質巖的成因和形成環(huán)境一直存在不同的認識。有人認為是生物成因[7－9]，也有人認為是上升流沉積成因[10]，夏邦棟等[11]則提出了熱水沉積成因的觀點。

本文旨在通過對安徽巢湖地區(qū)下二疊統(tǒng)硅質巖的巖石學特征、常量元素和稀土元素等地球化學特征進行綜合分析的基礎上，探討該區(qū)硅質巖的成巖環(huán)境。

1 地質背景

巢湖市位于安徽省中部，巢湖之濱，屬于江淮丘陵區(qū)的南部。巢湖市郊北部山區(qū)的地層區(qū)劃上屬于揚子地層區(qū)下?lián)P子地分區(qū)之六合——巢湖地層小區(qū)的巢北沉積區(qū)，構造上屬于華南板塊的東北緣或下?lián)P子斷塊的北緣。山脈走向為35°～40°，平面圖上呈“M”形延伸，主要由龜山、馬家山、平頂山、朝陽山、碾盤山、鳳凰山、大尖山、炬嶂山等組成（見圖1）。最高峰大尖山海拔高程350m，一般山區(qū)海拔高程100～300m，最低獅子口海拔高程僅20m。區(qū)內地層除第三系缺失外，自上震旦統(tǒng)燈影組至第四系均有不同程度的發(fā)育，以古生界發(fā)育為特點，尤其是上古生界至下三疊統(tǒng)發(fā)育齊全，剖面完整，露頭連續(xù)，化石豐富，是進行科研、教學、地質旅游的良好地區(qū)。

巖性和地質構造對巢北山系的地貌發(fā)育起著主控作用。印支運動形成的褶皺構造影響了三疊紀早、中期以前形成的全部地層，受郯廬深大斷裂帶的影響，斷層極為發(fā)育，性質復雜。

本區(qū)地層總厚度達3 485～4 397m。其中二疊系分布在平頂山、馬家山、龜山及俞府大村等地，由下統(tǒng)棲霞組、孤峰組、銀屏組，上統(tǒng)龍?zhí)督M、大隆組組成。總厚288～488m。孤峰組由薄層黑色硅質巖及薄層棕、褐、紫等色泥巖組成，巢北地區(qū)該組厚度一般在28m左右。

本組底部與棲霞組界面凹凸不平，其上含有10～20cm的含礫黏土，故兩者之間為假整合接觸。

2 巖相學基本特征

2.1 孤峰組硅質巖的野外特征

在巢湖北郊平頂山采石坑出露一套較完整的孤峰組硅質巖剖面（見圖2），在此逐層采樣，其剖面描述如下：

（1）底部黃褐色薄層粉沙質泥巖和頁巖，層內變形強烈，與中部放射蟲硅質巖接觸面起伏不平，且層內見大量磷結核，在此處采集標本GF01～GF14。

（2）黑色薄層放射蟲硅質巖夾極薄層泥巖，硅質巖單層厚6～8cm，層厚2m，在此采集標本GF15～GF21。

（3）寬緩的“Z”型褶皺變形帶，屬層間褶皺，此層放射蟲硅質巖減薄，單層厚4cm，采集標本GF21～GF32。

（4）黑色薄層放射蟲硅質巖夾極薄層泥巖，層內受層間褶皺的影響，巖層發(fā)生輕微彎曲。

（5）褐色中層強風化硅質泥巖，質輕。

（6）黑色薄層放射蟲硅質巖夾極薄層泥巖互層，風化面帶綠色，采集標本GF33～GF50。

（7）黑色薄層放射蟲硅質巖、炭質泥巖夾極薄層泥巖互層，風化面帶紅褐色，采集標本GF51～GF62。

從以上孤峰組出露巖層的剖面描述中可以看出，該組是一套層狀硅質巖與泥質巖交互沉積巖系，其主要由黑色層狀含放射蟲硅質巖與泥、頁巖構成。其下部以含磷質結核的泥、頁巖為主；中上部主要為中薄層放射蟲硅質巖，夾薄層泥頁巖，構成韻律層；自下而上呈放射蟲硅質巖含量減少，泥頁巖增多的趨勢。

2.2 孤峰組硅質巖巖相學特征

偏光顯微鏡下硅質巖呈硅質膠結的微晶質石英、放射蟲及其碎屑為主。微晶質石英為原始沉積形成，反映了硅質巖成巖后的變化不大。在孤峰組中上部硅質巖中發(fā)現(xiàn)了一些不同屬種的放射蟲，其含量可達30%以上，且沿著硅質巖的微層理略呈定向排列。放射蟲內部多發(fā)生重結晶作用，被玉髓、蛋白石、鐵質等礦物充填，只有少數(shù)仍保留了部分網狀結構或同心環(huán)狀結構；此外，鏡下薄片中也發(fā)現(xiàn)了少量的海綿骨針（見圖3）。

硅質巖中還發(fā)現(xiàn)有較多鐵質、有機質和菌藻，有的鐵質具有黃鐵礦的立方體晶形，顯示了當時沉積環(huán)境為還原條件，有的鐵質顆粒呈浸染狀沿放射蟲的內部結構散布。

3 地球化學特征

二十世紀中后期以來，硅質巖的研究開始逐步引起人們的重視，硅質巖的研究手段和方法也逐步變得豐富起來，包括巖石學方法、地球化學方法、同位素方法、有機地球化學方法等，分別從硅質巖的礦物成分、結構構造、古生物學特征、地球化學特征以及成巖后生變化等方面展開了大量的研究。相對而言，地球化學方法是開展硅質巖研究的主要技術手段之一，已經成為區(qū)別不同成因硅質巖的重要依據，一直以來學術界都不斷在嘗試著建立一套判別硅質巖的成因與演化方面的地球化學指標體系。盡管硅質巖中SiO2的含量占化學組分的70%以上，但對成因指示意義不大。故諸多指標主要圍繞一些被認為是“雜質”的微量元素和稀土元素所進行。

圖3 （a）硅質巖，出現(xiàn)層位P1g①③⑥；（b）海綿骨針，單軸雙射型，P1g⑥；（c）放射蟲，P1g③；（d）泡沫蟲目，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 常量元素地球化學特征

從研究區(qū)孤峰組的剖面中選取12件代表性巖石樣品，粉碎至200目稱取樣品5g并進行壓片，在海底科學與探測技術教育部重點實驗室進行了XRF分析（分析結果列入表1），測試精度優(yōu)于0.5%；同時在海底科學與探測技術教育部重點實驗室地球化學實驗室對12件巖石樣品進行ICP－MS和ICP－AES微量元素測定，測試精度優(yōu)于5%。從表1中可以看出，孤峰組硅質巖常量元素含量組成特點如下：

（1）SiO2含量最高且變化不大，最低為87.52%，最高可達95.01%，平均含量為91.82%，由于硅質巖中主要礦物成分為蛋白石、玉髓等硅質礦物，故結果吻合。

（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含量較高，GF20處最低，數(shù)值為1.37%；GF04最高，數(shù)值為3.03%；平均含量2.14%。

（4）Al2O3含量較高且變化不大，最低含量2.18%，位于GF32處；最高含量3.48%，位于GF24處；平均含量2.67%。

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

（6）Na2O含量較低且比較均勻，最大值為0.60%；最小值為0.90%；均值為0.78%。

（7）TiO2的普遍含量小于0.10%，GF24和 GF44為最高，數(shù)值為0.10%；GF36為最低，數(shù)值為0.03%；平均含量：0.06%。

（8）P2O5的含量較低，變化較大。最大值為0.89%，位于GF08；最小值為0.07%，位于GF28和GF40；平均值為0.23%。

（9）CaO的含量也較低。最大值為0.97%，位于GF08；最小值為0.01%，位于GF40；平均值為0.32%。

（10）K2O的含量較低，數(shù)值變化不大。最大值為0.36%，位于 GF24；最小值為0.14%，位于 GF32和GF36；平均值為0.21%。

3.1.1 Al，F(xiàn)e，Mn的元素特征 由于不同成因的硅質巖的物質來源、沉積環(huán)境及物理化學條件等方面的顯著差異，其巖石化學成分也有所不同。一般生物成因的硅質巖表現(xiàn)為高SiO2，P2O5和Fe2O3，而低Al2O3、TiO2、FeO、MgO、K2O和 Na2O；典型的海相火山沉積硅鐵建造以低K2O和P2O5，高TiO2為特征；海相熱水沉積硅質巖也以低P高Ti而區(qū)別于高P低Ti的生物成因硅質巖，熱水沉積的硅質巖還具有高Si低Al的特點[2]。Al2O3，K2O和Na2O的含量高低能反映含泥質的多少等指標，這是利用巖石地球化學方法研究硅質巖成因的物質及理論基礎。

Fe、Mn元素的富集主要與熱水的參與有關，而Al的富集則 與陸源物質的介入 有 關[3－4]。Adachi et al[3]研究了熱水沉積與非熱水沉積硅質巖樣品后，指出純生物成因的硅質巖Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值接近0.6；而純熱水成因的硅質巖Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值接近0.01；受熱水作用的影響其比值小于0.35。Al，F(xiàn)e，Mn的關系可以用Al，F(xiàn)e，Mn三角圖（見圖4）來表示。

圖4 層狀硅質巖Al－Fe－Mn三角圖Fig.4 Al－Fe－Mn diagram for the bedded siliceous rocks

從表1中可以看出，Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值分布在0.37～0.65之間，全部大于0.35，平均值為0.49，接近0.6，與純生物成因的硅質巖的 Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值比較接近，此外，在 Al－Fe－Mn三角圖上，12件硅質巖樣品全部落入了生物成因硅質巖區(qū)及其附近，故研究區(qū)的硅質巖可以判別為生物成因。

3.1.2 雙變量圖解 前人經過大量的統(tǒng)計分析之后，總結出了一些雙變量圖解，這些圖解對硅質巖的成因具有很好的指示作用。前蘇聯(lián)麥維姆河上游的生物沉積硅質巖與蘇聯(lián)別洛耶湖凝灰質硅質巖在SiO2－Al2O3、SiO2－MgO的雙變量圖解上可明顯的分為2個區(qū)[5]，由此在SiO2－Al2O3、SiO2－MgO的雙變量圖解（見圖5，6）中，將研究區(qū)硅質巖相關元素含量值在這些圖表中分別進行投點，可以發(fā)現(xiàn)本區(qū)硅質巖樣品大多落入到生物成因區(qū)，指示了研究區(qū)的孤峰組的層狀硅質巖屬于典型的生物成因硅質巖。

3.2 REE元素地球化學特征

形成環(huán)境不同的硅質巖，其ΣREE值往往有較大的差異，這種差異性歸結于REE的來源不同：從海水中直接吸收、陸源物質的輸入和海底火山熱液噴發(fā)物質的加入[6]。因此，稀土元素的含量特征可以判別孤峰組硅質巖的成因和沉積環(huán)境。

3.2.1 REE成因類型指示意義 稀土元素是恢復古海洋環(huán)境，判別氧化還原條件，判別熱水沉積或非熱水沉積的一種重要化學示蹤劑。一般來說，熱水沉積硅質巖具有ΣREE低，Ce的虧損較明顯，而Eu的虧損不明顯甚至出現(xiàn)Eu正異常，經北美頁巖標準化后的配分曲線呈平緩的左傾斜。而非熱水沉積硅質巖的稀土元素與頁巖相似，相對富集輕稀土，配分曲線呈平緩右傾斜[7－8]。研究區(qū)硅質巖的稀土元素經北美頁巖標準化后的配分模式圖見圖7。

圖5 層狀硅質巖SiO2－Al2O3雙變量圖解Fig.5 SiO2vs.Al2O3discrimination diagram for bedded siliceous rocks

圖6 層狀硅質巖SiO2－MgO雙變量圖解Fig.6 SiO2vs.MgO discrimination diagram for bedded siliceous rocks

Murray et al[6]研究指出，熱水成因硅質巖 Ce呈負異常，δCe平均值為0.29；正常海水生物沉積硅質巖正Ce異常，δCe平均值為1.2，所以稀土元素的特征可以用來示蹤硅質巖的成因。硅質巖的稀土元素的分析結果見表2，從中可以得知，研究區(qū)12塊硅質巖樣品的LREE含量相對富集，δCe的范圍在1.24～16.24，平均值為7.02，大于正常海水生物沉積硅質巖δCe的平均值1.2，表現(xiàn)為正異常，這些指標都符合了非熱水沉積的特征，可以指示研究區(qū)硅質巖為海水生物沉積成因的硅質巖。

圖7 巢湖北郊平頂山層狀硅質巖REE北美頁巖標準化配分模式圖Fig.7 NASC－normalized REE patterns for bedded siliceous rocks in the Pingdingshan area，Chaohu region

3.2.2 REE成因環(huán)境指示意義 Murray等[9]研究認為，從大陸邊緣→深海平原→大洋中脊，硅質巖的ΣREE具有正態(tài)分布的特點。大洋中脊附近平均為19.05μg/g，深海平原平均值為54.25μg/g，大陸邊緣平均為39.70μg/g。而世界上所有硅質巖的稀土總量都很低，約一半樣品的ΣREE小于50μg/g[9]。表2顯示，本區(qū)硅質巖樣品的ΣREE值范圍在22.62～209.03 μg/g之間，平均含量為88.58μg/g，與深海平原的平均值為54.25μg/g最為接近，指示了研究區(qū)硅質巖來源于深海物質。

研究表明，由大陸邊緣至大洋中脊，硅質巖的輕稀土元素由弱富集逐漸變?yōu)槊黠@虧損。在大陸邊緣，（La/Yb）N平均值為1.1～1.4；在洋脊附近，（La/Yb）N平均值只有0.3左右；深海平原硅質巖的（La/Yb）N介于上述兩者之間[9，10]。表2顯示，研究區(qū)的12件硅質巖樣品（La/Yb）N的范圍在0.39～2.80之間，平均值為1.01，可以指示該區(qū)硅質巖沉積于深水環(huán)境。

Wright和Holler[11]把稀土元素中的Ce與鄰近的La和Nd元素相關的變化稱為鈰異常（Ceanom）。其公式為：Ceanom＝log[3（Ce）N/（2（La）N＋（Nd）N）]。式中N為一個給出樣品經北美頁巖或球粒隕石標準化的值。Ceanom值已被作為判斷古海水氧化－還原條件的標志，其值大于－0.1時為Ce的富集，反映水體呈缺氧環(huán)境，而小于－0.1時為Ce的負異常，反映水體呈氧化環(huán)境。從表2可以看出，12件硅質巖樣品的Ceanom值范圍在0.2～2.78，平均值為1.70，大于－0.1，顯示了研究區(qū)硅質巖形成于缺氧的水體環(huán)境。

孔慶玉和龔與覷對下?lián)P子區(qū)皖北巢縣平頂山、龜山下二疊統(tǒng)硅質巖的研究認為，孤峰組中與泥巖、頁巖共生的硅質巖是生物成因的[14]。從SiO2的地球化學特征來看，無機成因的SiO2沉積，需要海水中有極高濃度的SiO2，大約在（3～120）×10－6以上，而據Kranskopf[15]的意見，海水中迄今未見到過石英的直接沉淀，也從未發(fā)現(xiàn)過任何SiO2的凝膠存在。因此，許多地質學家認為生物的固硅作用在硅質巖的形成上具有重要意義。生物為硅質提供了物質來源，其含量的多少及海水性質是硅質巖形成的決定因素。與硅質巖互層的泥質巖中粘土礦物呈定向排列，水平層理與紋層構造發(fā)育，反映物質沉積速度緩慢，為靜水環(huán)境下的沉積。硅質巖和泥質巖中都不含粒徑大的陸源碎屑，說明沉積區(qū)遠離陸源區(qū)，與此同時硅質巖化學成分主要是SiO2，CaO與MgO含量均較小，碳酸鹽沉積極少，指示了當時沉積深度較大。同時在稀土元素的地球化學特征上，也表明了研究區(qū)為深水缺氧的沉積環(huán)境。

4 結論

通過以上對研究區(qū)的巖石學特征、常量元素和稀土元素等地球化學特征進行綜合分析的基礎之上，可以得到以下結論：

（1）在巖石學特征上，研究區(qū)是一套層狀硅質巖與泥質巖交互沉積巖系，主要由黑色層狀含放射蟲硅質巖與泥、頁巖構成。

（2）從研究區(qū)常量元素地球化學特征上分析，12件樣品中SiO2的含量較高，平均值達到91.82%，而其它元素含量相對較低；Al/（Al＋Fe＋Mn）平均值為0.49，接近

0.6，與純生物成因硅質巖的Al/（Al＋Fe＋Mn）的比值接近；在 Al－Fe－Mn三角圖和 SiO2－Al2O3、SiO2－MgO雙變量圖中，可以看出本區(qū)硅質巖樣品大多落入到生物成因硅質巖區(qū)。這些都指示了研究區(qū)孤峰組層狀硅質巖屬于典型的生物成因硅質巖。

（3）在稀土元素地球化學特征上，本區(qū)硅質巖樣品的LREE相對較富集，12塊硅質巖樣品的δCe平均值為7.02，表現(xiàn)出鈰具有正異常，這些指標都符合了非熱水沉積的特征；樣品的ΣREE值范圍在22.62～209.03 μg/g，平均含量為88.58μg/g，與深海平原的平均值54.25μg/g最為接近，指示了本區(qū)硅質巖來源于深海物質；12件硅質巖樣品Ceanom值均大于－0.1，平均值1.70，（La/Yb）N的平均值1.01，都指示了本區(qū)硅質巖形成于缺氧的深水環(huán)境。

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