周思宇 鐘大康 孫海濤 張本健 蘇 琛 尹 宏

1中國石油大學 （北京）地球科學學院，北京 102249

2中國石油大學 （北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

3中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041

4中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621700

1 概述

硅巖作為富硅化學沉積巖，廣泛分布于太古宙到新生代的沉積地層中，沉積類型包括從數(shù)十億年前的硅鐵建造帶 （BIF）到現(xiàn)代海洋硅藻沉積等。由于硅巖結構致密、抗風化性較強，因此不同類型硅巖可以解讀和探討不同地質時代和沉積背景下古地理、古構造、古海洋、古氣候等的演化歷史（Beauchamp and Boud，2002；Wanget al.，2009；李延 河 等，2010；姚 旭 等，2013；Marin-Carbonneet al.，2014；楊秀清等，2020；趙振洋等，2020；Jurkowska and Wierczewska-Gadysz，2020）。在 過 去100多年間，前人對硅巖開展了大量研究。根據(jù)硅巖的產(chǎn)狀及保存形式主要將硅巖分為層狀硅巖和非層狀硅巖2類，其中層狀硅巖可獨自產(chǎn)出或與泥巖互層 （Murrayet al.，1992；Ikeda and Tada，2014；姚旭，2016；Alexandra，2020），非層狀硅巖則是以結核狀、團塊狀或條帶狀出現(xiàn)在碳酸鹽巖或膏鹽巖中（Maliva and Siever，1989）。關于硅巖中硅的來源，目前主要存在3種觀點，即陸源碎屑風化（Murray，1994）、構造活動產(chǎn)生的熱液 （Adachiet al.，1986；Shenet al.，2018）和硅質生物死亡后的堆積（Beauchamp and Baud，2002）。在地史中硅巖及硅質沉積物均有沉積，但在某些時代則更為富集（Hein and Parrish，1987），其中諸如“始新世硅質沉積期”（McGowran，1989；Muttoni and Kent，2007；Moore，2008）和“聯(lián)合古陸二疊紀硅質沉積事件”（Murchey and Jones，1992；Beauchamp and Boud，2002）是典型硅巖富集時代的典型事件。對于硅巖的成因，20世紀中后期前人總結出了多種形成模型，其中層狀硅巖的形成模型主要包括生物堆積模型（趙澄林，1980）、生物地球化學模型 （吳慶余等，1986）、上升流模型 （Hein and Parrish，1987）等，非層狀硅巖的形成模型包括有機質氧化模型 （Siever，1962）、混合水硅化模型 （Knauth，1979）和硫化氫還原模型（Clayton，1986）。但這些模型的使用往往存在一定限制即硅巖的形成往往與硅質生物的富集相關 （Malivaet al.，1989）；20世紀80年代之后，隨著深海鉆探計劃（DSDP）和大洋鉆探計劃（ODP）的開展，研究人員在大洋深處發(fā)現(xiàn)了熱水活動的證據(jù)，并且在熱水活動中發(fā)現(xiàn)有熱水成因的不定型硅。據(jù)此研究人員提出了熱水成因模式，該模式較好地解釋了地層中厚度較大且未含硅質生物的較 純 硅 巖 的 成 因 （Adachiet al.，1986；Murray，1994）。此外，多種同位素的應用、陰極發(fā)光分析、包裹體分析、常規(guī)的巖石學及元素地球化學分析方法進一步提高了硅巖研究的準確性 （楊志軍等，2003；楊杰東等，2004；曹秋香等，2008；董存杰等，2010）。因此，作者在前人研究的基礎上，結合最新的研究成果，對硅巖的基本特征、成因和沉積環(huán)境進行梳理和總結。

2 硅巖定義及基本特征

2.1 硅巖定義

硅巖的概念自提出到現(xiàn)今已經(jīng)超過100年，這一名稱首先于19世紀末提出，當時研究認為硅巖是由石英組成的巖石和由自生成因的二氧化硅組成的巖石的統(tǒng)稱 （魯欣，1964）；進入20世紀，隨著研究手段和方法的進步，對于硅巖的定義也隨之發(fā)生變化。對于硅巖定義的討論主要是集中在其礦物組成上，前人的觀點認為硅巖組成礦物主要為微晶／隱晶質石英、陸源碎屑石英、自生二氧化硅，并包括少量其他成分 （Tarr，1917；魯欣，1964；布拉特等，1978），最近學者們則將硅巖定義為：硅巖主要由隱晶或微晶質自生SiO2礦物 （如蛋白石 （SiO2·nH2O）、玉髓 （SiO2）或石英 （結晶的自生石英，SiO2等））所組成的一類化學沉積巖，其自生二氧化硅含量可達70%～90%，不包括由碎屑石英組成的石英砂巖和石英巖 （馮增昭，1993，2013；姜在興，2003）。同時在硅巖術語上關于“Chert”和 “Flint”的差異，早先研究認為二者沒有本質上的區(qū)別 （葉連俊，1945），而隨著對硅巖研究方法的深入，Haldar和Ti?ljar（2014）的劃分方案認為 “Chert”是所有強成巖作用硅巖的總稱，其中包括了 “Flint” “Novaculite” “Jasper” “Porcelanite”等 （Haldar and Ti?ljar，2014）；最 近 的研究則認為根據(jù)礦物組成的不同， “Chert”和“Flint”可進一步劃分為廣義的 “Chert”、狹義的“Chert（ss）” “Flint” 和 “Porcellanites”。其 中“Chert”和 “Porcellanites”同義，指由50%～90%蛋白石－CT組成的結核，“Flint”和 “Chert（ss）”同義，二者主要是由微晶石英和納米－α石英組成（Behl，2011；Jurkowska and Wierczewska-Gadysz，2020）。國內的命名基本遵循了Haldar和Ti?ljar（2014）的劃分方案，即 “Chert”為強成巖作用硅質沉積的總稱，定為 “燧石”，而 “Flint”則更多被稱為 “火石” （馬文辛，2011）。在中文定義上也存在 “硅質巖”和 “硅巖”的命名差異，部分學者稱為 “硅質巖”，但由于該名稱中的 “質”的含義易與三級分類名稱中的 “質”相混淆，因此常以 “硅巖”來稱這一類巖石 （馮增昭，2013）。

因此，作者將自生二氧化硅含量超過70%的化學沉積巖稱為 “硅巖”，而不叫 “硅質巖”；把“硅巖”定義為 “由自生非晶質SiO2的蛋白石、隱晶質SiO2的玉髓、微晶質SiO2的燧石和顯晶質SiO2石英組成的巖石”。

2.2 硅巖成分特征

2.2.1 硅巖的化學成分及其顏色

硅巖的化學成分主要由SiO2組成，大部分硅巖中SiO2含量可達到99% （表1）。但其內可能包含一定量的H2O，或混入少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、微量元素及有機質。正是由于其內含有一些少量其他成分，因此硅巖會呈現(xiàn)不同的顏色。其中二氧化硅較高、成分較純的硅巖顏色都較淺，SiO2含量到99%時多為白色；含有較多的有機質時硅巖顏色隨有機質含量增加變化為深灰—灰黑—黑色；紅色的硅巖Fe3+含量較高；綠色硅巖Fe2+和Cr2+含量較高。在不同沉積環(huán)境下形成的硅巖的顏色及主微量元素含量有較明顯差異。碳酸鹽巖燧石結核的成分中 Ca2+的含量較高 （Cressman，1962）。

表1 不同地區(qū)不同類型燧石的地球化學元素含量（%）特征（據(jù)Cressman，1962）Table 1 Geochemical element content（%）of different types of cherts in different regions（after Cressman，1962）

在同位素組成上硅元素在自然界有3種主要的穩(wěn)定同位素，即28Si（92.27%）、29Si（4.68%）和30Si（3.06%）（Reynolds and Verhoogen，1953），主要以28Si為主。同時在自然環(huán)境下不同巖石中的硅同位素存在較大的差異 （Ding et al.，2017）（圖1）。

圖1 不同巖石中的30 Si硅同位素分布范圍 （據(jù)Ding et al.，2017，有修改）Fig.1 Distribution range of 30 Si silicon isotopes in different rocks（modified from Ding et al.，2017）

2.2.2 硅巖礦物成分

1）蛋白石。蛋白石的化學式為SiO2·nH2O，是一類含水的非晶態(tài)礦物，熱穩(wěn)定性極低，隨著地層溫壓條件的變化將向穩(wěn)定的礦物相石英轉化。根據(jù)XRD實驗根據(jù)原子結構將蛋白石劃分為蛋白石－A、蛋白石－CT和蛋白石－C （Levin and Ott，1933；Fl?rke，1955；Jones et al.，1964），其 中 蛋白石－A為高度無序、近乎無定形結構的含水非晶質硅質礦物 （Jones and Segnit，1971）。由于含水量高 （10%～12%）呈現(xiàn)光滑球狀 （Fl?rke et al.，1991）；蛋白石－CT是由低溫方英石與低溫鱗石英2種結構組成的無序形態(tài)準晶態(tài)硅質礦物 （Jones and Segnit，1971），含水量 （3%～10%）較蛋白石－A偏低，呈鱗球狀 （Fl?rke et al.，1991）；蛋白石－C由超顯微晶質的完全有序低溫方英石組成，含水量最低 （1%～3%）（Fl?rke et al.，1991）（圖2）。

圖2 蛋白石分類 （據(jù)Jones and Segnit，1971，有修改）Fig.2 Classification of opal（modified from Jones and Segnit，1971）

2）玉髓。玉髓的化學式為SiO2，其為含水（0.5%～2.5%）的隱晶質石英聚合體，聚合體呈纖維狀—放射狀，呈球形或半球形扇狀分布，直徑10～20μm。根據(jù)消光特征和延長方向分為負延性玉髓和正延性玉髓，其中負延性玉髓顆粒粒度通常為50～350 nm，偏光顯微鏡下呈現(xiàn)負光性，集合體呈平行纖維狀或拋物線狀，纖維束延長方向垂直環(huán)帶壁，負延性玉髓一般形成于高二氧化硅濃度、低pH值的條件下，主要以孔隙充填物的形式存在；正延性玉髓顆粒粒度100～200 nm，偏光顯微鏡下呈正光性，集合體為拋物線狀纖維束，其一般形成于高二氧化硅濃度、高pH值環(huán)境中，主要以交代產(chǎn)物出現(xiàn)。

3）石英。硅巖中的石英多為微晶—細晶石英，部分微晶石英經(jīng)受重結晶作用后形成中—粗晶石英，該類重結晶石英多出現(xiàn)在溶蝕孔隙和被溶蝕的生物體腔內。

4）其他礦物成分。主要包括黏土礦物、碳酸鹽礦物、氧化鐵、海綠石、沸石和黃鐵礦等，部分硅巖中可見有機質。

2.2.3 硅巖生物成分

在硅巖中可見不同的生物組分，其中常見的有硅藻、海綿和放射蟲等。其中硅藻主要出現(xiàn)在早侏羅世及之后的地層中，一般為個體極小 （40～200μm）且生活在透光帶的單細胞浮游或者附著生物，形態(tài)變化大。海洋類硅藻主要出現(xiàn)在微咸至超咸的高緯度開放海洋環(huán)境和富營養(yǎng)的赤道區(qū)域；而非海洋硅藻主要出現(xiàn)在湖泊環(huán)境 （Varkouhiet al.，2020）。形成硅巖的海綿主要為六射海綿 （Hexactinellids）和普通海綿 （Demospongea），海綿作為底棲生物生活在微透光帶以下正常海洋環(huán)境中。硅巖中可見大量的海綿骨針，這些骨針呈獨立或網(wǎng)格狀分布 （韓宗珠等，2014；Leiet al.，2019；Nieet al.，2019；Xuet al.，2021）。放射蟲 （Radiolaria）作為生物硅巖的主要成分之一，主要出現(xiàn)于淺水區(qū)。其作為海洋浮游生物，通常呈球形、鐘形等，表面多孔且多數(shù)有刺，蟲腔往往被硅質或者其他物質充填 （Kametakaet al.，2005； 邱 振 和 王 清 晨，2010； 姚 旭，2016）。此外在前寒武紀的霧迷山組中可見由藻疊層石組成的硅巖，該類硅巖在宏觀上呈層狀、柱狀等多種樣式，微觀上主要是由硅化真核生物組 成 （Joneset al.，2005；梅 冥 相 和 孟 慶 芬，2016；陸晨明等，2017）。此外在硅巖中還可以見到其他的生物碎屑，這些生物碎屑主要作為被交代產(chǎn)物出現(xiàn)在硅巖中 （方雪，2017；羅文軍等，2019；Yuet al.，2019；Gaoet al.，2020；Yaoet al.，2021）。

2.3 硅巖結構及構造特征

2.3.1 硅巖的結構特征

硅巖的結構特征與碳酸鹽巖較為相似，存在非晶質結構、隱—微晶結構、生物結構、纖維狀結構、顆粒結構、鮞粒結構、隱藻結構及交代結構。同時發(fā)育疊層構造的硅巖也具有粘結結構（Bustilloet al.，2017；加娜提古麗·吾斯曼等，2017；磨鴻燕，2017；張巖等，2017；史冀忠等，2018；楊宗玉等，2019；游雅賢等，2019）。Folk和Weaver（1952）通過掃描電鏡觀察硅巖，將微晶石英劃分出3種微結構：均一結構、海綿結構和過渡結構。其中均一結構主要出現(xiàn)在微晶石英中，可見輪廓分明、大小類似的石英顆粒，該結構通常反映硅巖為交代成因；海綿結構僅見于玉髓中，石英顆粒表面可見大量的孔，通過分析折射率和密度認為孔中含水，該結構反映硅巖為直接沉積。過渡結構則反映介于兩者之間的狀態(tài)。

2.3.2 硅巖的構造特征

硅巖的形態(tài)多樣，常見的有層狀、條帶狀（長寬比5～20）、結核狀 （長寬比小于5）和團塊狀，其形態(tài)受制于圍巖結構和構造特征 （趙澄林等，1977，1979；Gül，2015）（圖3）。

圖3 不同產(chǎn)狀硅巖的野外特征Fig.3 Field characteristics of siliceous rocks of different occurrences

層狀硅巖可作為獨立的地層單元或與泥巖等其他巖石呈互層形式出現(xiàn)在地層中，分布較為穩(wěn)定。其中獨立出現(xiàn)的層狀硅巖較厚，而與其他巖層互層的層狀硅巖較??；條帶狀、結核狀及團塊狀硅巖多存在于碳酸鹽巖中或夾于黏土層中。結核狀硅巖一般順層分布，部分結核狀硅巖呈串珠狀或結核層。結核和層理的關系可以是層理環(huán)繞結核或者結核切穿層理。其中層理環(huán)繞結核是在硅質結核形成壓實作用之前，富硅流體在地層中向高孔隙方向進行富集并成巖；結核切穿層理是在硅質結核形成壓實作用之后，地層中的富硅流體在壓實作用影響下排出并在特定區(qū)域發(fā)生富集成巖。其余在硅巖沉積中常見的沉積構造包括收縮縫構造、滑塌構造、水平層理構造、紋層構造和角礫狀構造等 （Krainer and Sp?tl，1998；馬文辛，2011；門欣，2016；劉思聰?shù)龋?021）。此外在部分硅質結核中可見 “木紋狀”構造 （Decelles and Gutschick，1983）：認為是由于硅質化石溶解提供了硅源，并發(fā)生硫酸鹽還原作用釋放Mg2+，在鈣質泥巖中形成白云石，最后通過周期性過飽和—沉淀成核—消耗過程形成環(huán)帶構造；Behl（2011）發(fā)現(xiàn)具有同心層構造的硅質結核，認為該種構造的形成是由于壓實成巖過程中硅藻和蛋白石－CT的物理性質差異導致的差異壓實作用引起的。

3 硅巖形成過程及控制因素

3.1 硅巖形成過程

硅巖的形成主要經(jīng)歷了從蛋白石－A—蛋白石－CT—微晶石英的一個過程，Williams和 Parks（1985）通過研究認為，首先原有的生物硅質成分發(fā)生溶解并導致環(huán)境中溶解硅發(fā)生過飽和沉淀。在蛋白石－A→蛋白石－CT和蛋白石－CT→石英轉變中溶解—再沉淀的一個重要論據(jù)是Si-O鍵本身的強度。在固體狀態(tài)下，Si-O鍵活化能至少為89 kcal／mol。在KOH 溶液中，蛋白石－CT→石英的活化能為14.3 kcal／mol（Mizutani，1970，1977），而 在 純 水中，蛋白石－CT→石英的活化能為23.2 kcal／mol（Ernst and Calvert，1969）。這就要求OH－和水本身通過整體溶解再沉淀機制催化轉變。前人在實驗研究中發(fā)現(xiàn)之前提出的零階固—固相變不符合此類轉變（Stein and Kirkpatrick，1976）。由此可以得出：蛋白石－A→蛋白石－CT→石英的轉變是通過溶解—再沉淀反應完成的 （Williams and Parks，1985；盧龍飛等，2020）（圖4－A）。

根據(jù)多晶型和粒徑／表面積影響的二氧化硅溶解度的示意圖（圖4－B），假設系統(tǒng)是一個溫度、壓力和pH值恒定的封閉SiO2－H2O體系。在點1處的溶液相較于蛋白石－A、蛋白石－CT和石英均處于過飽和狀態(tài)。如果蛋白石－CT蛋白石－A的成核和生長速率高于蛋白石－CT和石英，則蛋白石－A會析出。此時蛋白石－A將沿箭頭1→2向更低的面積和溶解度演化直到比表面積對溶解度的影響為零 （Iler，1979；Williams and Crerar，1985）。與此同時溶液相對于蛋白石－CT和石英仍處于過飽和狀態(tài)且演化方向分為2類：一方面如果蛋白石－CT生長速率小于成核速率，則成巖路徑沿箭頭2－a－4方向發(fā)生演化；另一方面，如果蛋白石－CT生長速率大于成核速率，蛋白石－CT的演化將沿著箭頭2－b－4繼續(xù)進行。當體系演化到點4時，蛋白石－CT在固體中占主導地位，溶液相對于石英仍處于過飽和狀態(tài)。此時石英從點5方向開始生長。根據(jù)與蛋白石－CT形成相同的思路也可以出現(xiàn)2個方向的演化，一個是平均面積顯著增加，另一個是面積變化不大。這些方案用箭頭4－a－6和4－b－6表示。隨著沉積不斷進行，溶液中二氧化硅的濃度持續(xù)降低。當所有生物蛋白石從沉積物中溶解后，溶液中的二氧化硅濃度降低，一直持續(xù)到所有二氧化硅都轉化為邊界清晰、致密的結核中穩(wěn)定的大晶體石英。

圖4 成巖過程生物蛋白石物相轉化序列 （A）（盧龍飛等，2020）和蛋白石轉化成石英的溶解度和比表面積示意圖 （B）（據(jù)Williams and Parks，1985，有修改）Fig.4 Phase transformation sequence of biological opal during diagenesis（A）（Lu et al.，2020），and schematic diagram of solubility and specific surface area of opal transformed into quartz（B）（modified from Williams and Parks，1985）

3.2 硅巖形成的控制因素

研究認為沉積物孔隙水中二氧化硅的濃度不僅取決于固體的形態(tài)和晶體結構，而且還取決于水的pH值、溫度以及壓力等因素 （Laschet，1984）。其中：（1）pH值：單體硅酸H4SiO4在pH＞9和25℃時發(fā)生電離。因此，隨著溶液變得更堿性，二氧化硅溶解度增加。（2）溫度：溫度的主要作用是在增加濃度的同時降低溶液的相對過飽和度，并增加成巖反應的速率。二氧化硅的溶解度隨溫度增加而增加。（3）壓力：壓力的增加將增加二氧化硅的溶解度 （Volosovet al.， 1972； Willey， 1974； Iler，1979）。然而，相對于與溫度相關的變化率而言，壓力變化率很?。╓illiams and Crerar，1985）（圖5）。

圖5 pH值 （A）、溫度 （B）和壓力 （C）對孔隙水中二氧化硅濃度的影響 （據(jù)Williams and Crerar，1985，有修改）Fig.5 Effects of pH value（A），temperature（B）and pressure（C）on silica concentration in pore water（modified from Williams and Crerar，1985）

隨著反應過程的繼續(xù)，產(chǎn)生了以懸浮液 （在堿性和低鹽度條件下）或者以凝聚和凝膠 （在酸性或更高鹽度條件下）的形式存在的膠體尺寸（＞5 nm）的顆粒 （Iler，1979）（圖6）。同時多價金屬陽離子通過形成硅酸鹽的形式改變硅酸的溶解度。其中Al3+存在的情況下，二氧化硅的溶解度在p H值在5～10.5之間時急劇下降。在Mg2+存在的情況下，二氧化硅的溶解度在9～12之間的窄p H值范圍內迅速降低 （Okamotoet al.，1957；Yariv and Cross，1979）（圖7）。

圖6 pH值和鹽度對硅溶液和二氧化硅聚合方式的影響（據(jù)Williams and Crerar，1985，有修改）Fig.6 Effects of pH value and salinity on polymerization mode of silicon solution and silicon dioxide（modified from Williams and Crerar，1985）

圖7 Al3+和Mg2+對硅質結核溶解度的影響（據(jù)Yariv and Cross，1979，有修改）Fig.7 Effect of Al3+and Mg2+on solubility of siliceous nodules（modified from Yariv and Cross，1979）

在不同地質歷史時期，硅巖的形成受到溶解硅濃度以及硅質生物的種類的影響。其中寒武紀及之前的海水中溶解硅濃度大于80 mg／L，此時硅巖沉積主要受到成巖作用控制并可直接沉積；奧陶紀至二疊紀，海水中溶解硅濃度為60 mg／L，硅巖的形成受到硅質生物（放射蟲、海綿等）及成巖作用的共同控制；二疊紀至今，海洋中硅藻大量繁殖并吸收溶解硅，海水中溶解硅濃度迅速下降，至白堊紀之后溶解硅濃度小于20 mg／L，此時硅巖主要沉積在深海（Racki，2000；Conleyet al.，2017）（圖8）。

圖8 不同地質時期溶解硅濃度與生物種類關聯(lián)Fig.8 Correlation between dissolved silicon concentration andbiological species in different geological periods

4 硅巖的成因類型及地球化學特征

根據(jù)硅質來源和形成方式將硅巖分為化學成因硅巖、生物成因硅巖和交代成因硅巖；其中化學成因硅巖又可細分為熱水成因硅巖和火山成因硅巖（Adachiet al.，1986；Murrayet al.，1990；劉 家 軍和鄭明華，1991；馬文辛等，2014；姚旭，2016）（圖9）。其中化學成因硅巖通過深源噴發(fā)或母巖風化溶解形成的溶解硅在沉積環(huán)境變化 （溫度、pH值等）的條件下直接沉積形成硅巖；生物成因硅巖是由于硅質生物死亡后，其內部有機質發(fā)生氧化并降低周圍環(huán)境的pH值形成硅巖；而交代成因硅巖則是富硅流體與原巖發(fā)生交代作用形成。

圖9 硅巖中不同硅質來源及成因類型（據(jù)姚旭，2016，有修改）Fig.9 Different siliceous sources and genetic types in siliceous rocks（modified from Yao，2016）

4.1 熱水成因硅巖

熱水成因硅巖分為2種，一種為現(xiàn)代的熱泉硅華，另一種為熱液混合海水沉積。其中熱泉硅華通常被定義為地熱區(qū)高溫、近中性、氯堿性水流出地表后，于熱泉池周緣經(jīng)冷卻、物理、化學和生物作用而形成的二氧化硅沉積物 （Jones and Renaut，1997）。其主要礦物成分為蛋白石、石英、玉髓以及斜硅石等。硅華往往呈針狀、層狀和柱狀等結構（圖10－A至10－C）。根據(jù)流體成分不同，可將硅華沉積環(huán)境分為：（1）近中性氯堿性泉，這類泉由于富氯堿性水在涌出地表后經(jīng)物理化學 （和生物）作用形成硅華 （Sanchez-Yanezet al.，2017）。（2）硫酸鹽泉，這種泉水中的硫酸鹽礦物與富SiO2氯堿性水的混合作用形成硅華（Drakeet al.，2014）。

圖10 熱水成因及火山成因硅巖樣品及結構特征Fig.10 Samples and structural characteristics of hydrothermal and volcanic siliceous rocks

根據(jù)熱泉噴口到遠端裙距離和溫度差異，可將熱泉硅華沉積環(huán)境劃分為4類：（1）熱泉噴口，一般溫度大于75℃，為富含顆粒硅質沉積物的水下環(huán)境；（2）近端斜坡，熱泉高溫相—中溫相，溫度為65～75℃，是熱泉涌浪和熱水噴濺區(qū)域，通常沉積堅硬的針狀乳白色硅華；（3）中部裙池，屬熱泉中溫相，溫度介于45～65℃之間，微生物常在此聚集，富含微生物席及疊層結構；（4）遠端裙到沼澤，屬于低溫相，熱水溫度小于45℃，一般為冷卻地面和沼澤，形成柵欄狀和富植物的熱泉硅華（Campbellet al.，2015；游雅賢等，2019）（圖11）。

圖11 噴口到遠端裙不同溫度梯度富Si熱泉及硅華結構特征圖 （據(jù)游雅賢等，2019）Fig.11 Structural characteristics of Si rich hot spring and silicon bloom with different temperature gradients from nozzle to distal skirt（after You et al.，2019）

混合熱水成因硅巖主要指在伸展構造背景下，地球內部的熱液噴溢到海底或湖底與正常海／湖水混合后所產(chǎn)生的一種沉積／沉淀作用。前人將熱水沉積分為高溫型 （320～400℃）“黑煙囪”沉積和低溫型 （100～320℃）“白煙囪”沉積。其中在“黑煙囪”沉積中可見燧石層，與之伴生的礦物有方鉛礦、閃鋅礦等硫化物礦物和鐵錳質礦物等（何俊國等，2007）。鐘大康等 （2015）通過總結前人研究成果，將各類熱水沉積主要分為2類：一類是熱源上部的海水或沉積物中的孔隙水向下運動被加熱后向上流動，沿途萃取各種巖石物質成分在海／湖底產(chǎn)生沉積，具體形成模式包括海底熱液對流模式、壓實鹵水沉積模式和洋中脊巖漿熱液—海水混合模式 （鐘大康等，2015）。其中翟立國（2020）對新疆三塘湖盆地蘆草溝組硅巖成因研究認為，在二疊紀湖水滲流到地下被加熱后并積累至一定程度時沿裂縫、噴口上涌并產(chǎn)生爆噴現(xiàn)象，之后冷卻并形成呈結核狀、透鏡狀或層狀硅巖，分布在紋層狀泥巖中（圖10－D，10－E）；另一類是地下深部巖漿熱液向上進入海底／湖底與海水／湖水混合發(fā)生沉積，這一類硅巖形成模式包括分帶性熱水沉積模式以及溢流—噴流—溢流熱水沉積模式。Wang等 （2012）對湘西揚子地臺邊緣帶埃迪卡拉紀—寒武紀過渡期硅巖成因進行分析表明，硅巖呈結核狀、團塊狀、角礫狀（圖10－F），鏡下觀察顯示硅巖中含有重晶石、黃鐵礦等礦物（圖10－G，10－H）。結合地球化學特征和構造活動研究發(fā)現(xiàn)深部斷裂帶可能重新激活并充當通道，與深度熱異常相關的熱液噴發(fā)活動發(fā)生在碳酸鹽巖臺地邊緣產(chǎn)生沉淀 （Wanget al.，2012）。

火山作用往往伴隨深源的熱液進入海水形成熱水，前人對現(xiàn)在海底噴口的觀測結果表明：當熱液噴口中的熱液流體與冷海水混合時，由于溫度、pH等條件的變化，二氧化硅和鐵的氫氧化物以膠體的形式發(fā)生沉淀，這一沉淀產(chǎn)物被稱為碧玉（Jasper）（孫劍等，2014）。碧玉的化學成分以SiO2、Fe2O3為主，碧玉不僅出現(xiàn)在現(xiàn)代海洋中，在前寒武紀的條帶狀鐵建造 （BIF）中也常伴生有碧玉 （楊秀清等，2020）。碧玉由于含有赤鐵礦一般為紅色（圖10－I），有時也呈黃色、褐色和黑色，碧玉的顏色深淺與鐵含量有關，鐵的含量越高顏色越深。

4.2 火山成因硅巖

由火山噴發(fā)帶來的大量硅質礦物以及隨其噴發(fā)形成的凝灰質分解帶來的硅質沉積使得周圍水體中溶解的硅質大量增加，而當溫度降低、SiO2溶解度下降時，水體中過飽和的硅質就會達到硅巖沉積標準而沉積下來形成火山成因硅巖。硅巖主要為結核狀、層狀，成分上以微晶石英為主，通過鏡下觀察其中有火山物質 （劉云，1998）。根據(jù)火山的位置將火山成因硅巖分為2種。第1種是陸上火山噴發(fā)物溶解于水中導致溶解硅濃度增加并沉積形成硅巖；這種類型往往伴隨堿性水體，其較高的p H值使得火山灰和外源陸源碎屑物質在水體中發(fā)生溶解并提高二氧化硅濃度，為后續(xù)的硅質沉積提供良好的沉積背景。該類硅巖的形成伴隨著堿性礦物的生成。魏研等 （2021）通過巖石學和元素地球化學綜合研究準噶爾盆地下二疊統(tǒng)風城組燧石成因，建立了火山—堿湖沉積模式，認為晚古生代活躍的火山活動背景為湖盆提供物質基礎，湖盆堿化和干旱過程為硅質提供了良好的沉積條件，凝灰質融入堿湖之后水體蒸發(fā)導致溶解硅被析出，形成層狀、結核狀硅巖，成分以微晶石英為主，在硅巖中發(fā)現(xiàn)有水硅硼鈉石、硅硼鈉石和碳納鈣石等堿性礦物沉淀，同時伴隨有干裂縫和帳篷狀構造（圖10－J至10－L）。第2種是海底火山噴發(fā)導致硅巖形成，如陳洪德和曾允孚 （1989）研究廣西丹池盆地上泥盆統(tǒng)榴江組硅巖成因時，發(fā)現(xiàn)伴生礦物有錫石、黃鐵礦、閃鋅礦等金屬礦物，并且在條帶灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)有凝灰質，結合構造活動認為同沉積期丹池深大斷裂的裂陷作用導致丹池半地塹式盆地內海底火山活動。

4.3 生物成因硅巖

生物成因硅巖是由于硅質生物繁盛的區(qū)域在硅質生物死亡之后，生物體有機質在微生物的作用下發(fā)生氧化，產(chǎn)生二氧化碳并降低周圍環(huán)境的pH值，這導致了周圍環(huán)境中碳酸鹽的溶解；同時有機吸附作用使得在有機質周圍的溶解硅溶解度降低并發(fā)生沉積。該過程將持續(xù)進行，直到有機物被完全氧化或與溶解硅絡合完全，停止產(chǎn)生CO2，該過程才停止 （Siever，1962）。生物成因硅巖產(chǎn)狀上多為層狀，部分為結核狀，鏡下觀察顯示以微晶石英為主，并可見大量放射蟲、海綿骨針和硅藻類（圖12－A至12－E）。這些生物成因硅巖的形成模式有2種：第1種是附近的構造裂縫的熱流體促進了生物繁衍形成硅巖，其中余瑜等 （2016）通過巖石學和地球化學元素分析對重慶武隆縣江口、石柱縣打風坳2個剖面茅口組的條帶狀及層狀硅巖成因進行分析認為，川東南地區(qū)茅口組硅巖受到熱液和生物的雙重影響，上涌巖漿沿著構造運動形成的斷裂上涌并與海水混合，使海洋中硅質生物繁盛，形成了生物成因硅巖，生物成因特征隨著離岸距離增加愈發(fā)明顯 （余瑜等，2016）；第2種則是遠洋上升流帶來的營養(yǎng)物質促進了生物的繁衍形成硅巖（邱振和王清晨，2010，2011；方雪，2017；加娜提古麗·吾斯曼等，2017）。姚旭 （2016）通過巖石學、地球化學方法對下?lián)P子巢湖地區(qū)層狀硅巖成因進行研究，認為來源于深海的營養(yǎng)物質通過上升流運移至大陸邊緣，從而促發(fā)沉積區(qū)硅質生物繁盛從而形成層狀硅巖。

4.4 交代成因硅巖

交代成因硅巖由硅質交代原巖而成，原巖多為白云巖等碳酸鹽巖，可發(fā)生在成巖作用的各個階段，交代成因類型硅巖在形態(tài)上以非層狀為主，在顏色和結構上一般會繼承原巖的有關特征，同時成巖時受p H值、壓力和溫度等的影響較大，一般也與是否有外界流體的注入或沉積環(huán)境的改變等有關（吳建鑫，2019）。交代成因硅巖成分上以微晶石英為主，在部分被交代的生物孔腔中可見重結晶的中粗晶石英；此外還包含有被交代的生物碎屑和礦物。其中Dong等 （2020）和Gao等 （2020）分別從構造和流體來源對川西北茅口組硅巖的成因進行了討論：川西北茅口組硅巖為黑色結核狀、團塊狀，部分硅巖截斷泥晶灰?guī)r紋層（圖12－F，12－G），鏡下觀察則顯示硅巖成分主要為微晶石英，此外還有黃鐵礦和螢石，且硅巖中含有被交代的生物碎屑（圖12－H，12－I），通過分析可知在沉積過程中形成了富氧—缺氧邊界，在邊界以下厭氧細菌通過硫酸鹽還原產(chǎn)生硫化氫。而在氧化區(qū)，H2S被細菌氧化為硫酸鹽，在地層中好氧—缺氧邊界的pH值降低釋放的氫離子導致方解石的溶解，有利于蛋白石和石英的沉積 （Clayton，1986）。結合構造歷史可知這一時期茅口組的硅巖受到峨眉山大火成巖省 （ELIP）的影響，一方面通過地層隆升造成西南側抬升出海面并產(chǎn)生陸源風化碎屑進入海中，另一方面通過構造活動形成深斷裂和可容納空間，導致熱液通過斷裂上涌和上升流作用將含硅流體帶入發(fā)生交代作用形成硅巖 （Donget al.，2020；Gaoet al.，2020）。

圖12 生物成因及交代成因硅巖野外剖面及鏡下特征Fig.12 Field profile and microscopic characteristics of biogenic and metasomatic siliceous rocks

4.5 不同成因硅巖地球化學特征

硅巖從太古代到新生代均有其沉積記錄。由于硅巖很少受后期風化作用及成巖作用的影響，其地球化學特征記錄了熱液沉積、火山及陸源碎屑等的影響，對恢復古環(huán)境具有重要的意義。因此，往往通過硅巖的地球化學特征來討論其成因和形成構造背景。

Adachi等 （1986）通過對大洋鉆探工程 （DSDP）巖石樣品進行地化分析表明，不同成因硅巖其Al、Fe、Mn、Ti的含量有所不同，并據(jù)此提出了Al-Fe-Mn三角圖（圖13－A）和Fe／Ti-Al／（Al+Fe+Mn）判別圖（圖13－B），當Al／（Al+Fe）＞0.5，F(xiàn)e／Ti＜30，Al／（Al+Fe+Mn）＞0.35時，硅巖為非熱水成因硅巖，而當Al／（Al+Fe）＜0.5，F(xiàn)e／Ti＞30，Al／（Al+Fe+Mn）＜0.35時，則為熱水沉積硅巖（Adachiet al.，1986；張聰?shù)龋?017）。同時通過對比硅巖與現(xiàn)代海水、水成沉積物和現(xiàn)代熱水沉積物的稀土配分模式，發(fā)現(xiàn)熱水沉積硅巖稀土總量低，鈰較明顯虧損，銪虧損不明顯，甚至出現(xiàn)正異常，且重稀土 （HREE）含量大于輕稀土（LREE）（圖14－A）（劉家軍和鄭明華，1993）。同時微量元素分析表明熱水沉積巖中U／Th＞1，而非熱水成沉積巖中U／Th＜1（圖14－B）。此外在最近的研究中，Ge／Si同樣被用來判斷硅巖的物質來源與熱液活動強度 （Shenet al.，2018；魏帥超等，2018）。而關于硅同位素，前人通過調研已證明不同成因的硅巖的硅同位素含量存在明顯差 異 （Van den Boornet al.，2007，2010）（圖15）。其中楊宗玉等 （2019）在研究塔里木盆地西北緣玉爾吐斯組底部硅巖時，通過將樣品的硅同位素值與不同類型的硅巖的硅同位素值進行對比研究，得出該硅巖的成因與早寒武世早期熱液流體和海水相關。

圖13 主量元素判斷硅巖成因Fig.13 Origin of siliceous rocks judged by major elements

圖14 微量及稀土元素元素判斷硅巖成因 （據(jù)劉家軍和鄭明華，1993，有修改）Fig.14 Origin of siliceous rocks judged by trace and rare earth elements（modified from Liu and Zheng，1993）

圖15 地球主要儲集層和大于3.0 Ga巖石的硅同位素組成（據(jù)Wagoner den Boorn et al.，2010，有修改；箭頭表示平均值）Fig.15 Silicon isotopic composition of the Earth's main reservoirs and rocks earlier than 3.0 Ga.（modified from Wagoner den Boorn et al.，2010；The arrows indicate the average value）

5 硅巖沉積研究展望

通過總結國內外不同地區(qū)、不同時期的眾多學者對地層中硅巖的研究成果，認為在這方面研究取得的進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）基本統(tǒng)一了硅巖的相關概念；（2）總結了硅巖形成過程及控制因素；（3）概括總結了不同成因類型硅巖的巖石學及地球化學特征及差異。盡管對硅巖的研究取得了較大的進展，但仍存在一些問題。同時新技術和理論的應用也成為未來硅巖的研究方向。

5.1 研究中存在的問題

綜觀目前人們對于硅巖沉積的研究結果認為，自首次定義硅巖至今的100多年里，人們對于硅巖的形態(tài)、成分、結構、構造、來源、沉積環(huán)境、形成過程及成因類型做了較詳細的研究，并取得了一系列的成果，但是由于技術手段限制及之前關于硅巖的成因模式無法較好地解釋地層中各種硅巖的形成。未來硅巖的研究還有很多問題亟需解決。

首先，硅巖的多組分來源貢獻程度問題。在硅巖的形成過程中，前人通過地球化學特征及巖石礦物學研究認為在特定地區(qū)內硅巖的形成往往具有多種來源，其中生物來源、熱液來源和陸源都對硅巖的形成有不同程度的貢獻，此外在硅巖的多種來源之中，熱源和陸源的輸入同時會影響生物的生存，因而無法明確生物來源在硅巖形成中的貢獻，因此如何量化各種來源的貢獻程度及不同來源之間的轉化程度？

其次，地層中硅巖的沉積模式不明確。以往關于硅巖的成因模式 （有機質氧化、混合水沉積和硫化氫氧化）往往只針對單一硅巖個體，但在實際觀測中，垂向上某些剖面內硅巖多次出現(xiàn)且同一地層中不同剖面硅巖的形態(tài)與數(shù)量存在差異，現(xiàn)有成因模式無法完美解釋該現(xiàn)象。此外，硅質生物（放射蟲、硅藻和海綿）生存環(huán)境的變化是否影響硅巖的沉積規(guī)模？

最后則是硅巖沉積與地質事件在時間和空間上的耦合關系，由于硅質沉積可以解讀和探討沉積盆地在古地理、古構造、古海洋、古氣候等方面的演化歷史。在地質歷史上 “始新世硅質沉積區(qū)間”“聯(lián)合古陸二疊紀硅質沉積事件” “二疊紀末溫鹽循環(huán)”均對硅巖的形成存在影響，而在國內前人對于 “峨眉山大火成巖省”（ELIP）的形成與上揚子地區(qū)二疊系硅巖的關聯(lián)也開展了相關研究，但這些研究多集中在對硅巖成因的討論，缺少對地層中硅巖形成過程的研究 （林良彪等，2010；周新平等，2012；余瑜等，2016；方雪，2017；龐春雨，2019；Donget al.，2020；Gaoet al.，2020）。因此這些地質事件如何從硅源供給、影響程度及范圍對硅巖的形成造成影響？這些問題均需要進一步研究。

5.2 未來的研究方向

針對上述問題，建議在將來的研究中進一步開展以下幾個方面的工作：

一方面是新測試方法的運用。隨著對硅巖的進一步研究，現(xiàn)有常規(guī)測試手段對不同來源硅源在硅巖形成規(guī)程中的的貢獻程度無法進行準確判斷。以熱水成因硅巖為例，在某些地層中硅巖多次出現(xiàn)，雖然通過常規(guī)地球化學手段識別出硅巖為熱水成因，但是隨著熱液溫度的變化，其對圍巖的交代作用變化的研究較少。未來可以通過運用新的地球化學元素諸如Ge／Si建立對應的質量平衡方程開展討論。

另一方面是對硅巖的形成環(huán)境分析，其中：（1）通過新同位素諸如Sr-Nd同位素的運用對硅巖的沉積環(huán)境進行識別；（2）通過對硅質生物如放射蟲、海綿和硅藻的古環(huán)境以及古生產(chǎn)力的研究，討論不同沉積環(huán)境對提供硅源的生物種類及分布的影響，進而分析硅巖在地層中分布特性所反映的形成環(huán)境；（3）結合天文旋回地層學，通過對斜率、長歲差、二次斜率、全歲差等天文調諧手段對硅巖和圍巖重復出現(xiàn)的內在沉積規(guī)律進行研究，進而分析硅巖的沉積旋回序列與古氣候的關聯(lián)。

6 結論

1）硅巖指主要由隱晶或微晶質自生SiO2礦物所組成的一類化學沉積巖，其物質主要來源于陸源風化、硅質生物死亡堆積和構造裂縫噴涌的熱液；巖石產(chǎn)狀有層狀、條帶狀、結核狀和團塊狀；硅巖的形成經(jīng)歷從蛋白石－A、蛋白石－CT至石英的一個過程，且在轉化期間存在多相態(tài)共存現(xiàn)象；硅巖的形成主要受到溫度、壓力和pH值的影響，且在不同pH值、鹽度和多價金屬離子影響下呈現(xiàn)多種聚合形態(tài)；此外，不同時期海洋中溶解硅 （Dsi）濃度和生物種類的差異同樣影響了硅巖的形成頻率及類型。

2）關于硅巖的成因模式，前人按照硅質來源和形成方式總結出生物成因、熱水成因、火山成因和交代成因等成因模式。這些模式較完美地解釋了地層中硅巖形成，并通過元素地球化學特征建立了硅巖成因類型的判別方式。但是由于硅巖形成環(huán)境的復雜性，現(xiàn)有的模式并不能完美解釋地層中所有環(huán)境下硅巖的形成。

3）關于硅巖的研究取得了許多進展，但在某些問題上諸如硅巖多組分來源貢獻程度問題、地層中硅巖的形成機理問題和硅巖沉積與地質事件耦合關系等問題仍沒有得到較好解決，這也是未來研究中需要關注的重點。在未來的研究中除了可以通過地球化學元素對上述問題進行分析以外，還可以通過結合地質歷史時期中地質運動及對初始生產(chǎn)力等環(huán)境因素的研究綜合分析地層中硅巖的形成。