燕山赤城地区中元古界硅质岩地球化学特征

The Geochemical Characteristics of Siliceous Rocks in Mesoproterozoic Erathem in Chicheng Area of Yanshan Belt

摘要: 燕山赤城地区中元古界(高于庄组和雾迷山组)硅质岩具低Al₂O₃和TiO₂ (质量分数平均为0.06%和0.01%)，高TFe₂O₃ (质量分数平均为0.68%)，高Fe与Ti质量分数比和(Fe + Mn)与Ti质量分数比(分别平均为131和140)的特征。区内硅质岩中MnO与TiO₂质量分数比大于远洋环境硅质岩，且Fe₂O₃与TiO₂质量分数比较高，而Al₂O₃与(Al₂O₃ + Fe₂O₃)质量分数比较低，表明其形成于远离陆源碎屑干扰而受热液作用影响的远岸环境，硅质主要来源于海底热液。

Abstract: The content of Al₂O₃ and TiO₂ (the mass fraction was 0.06% and 0.01%, respectively) of silicalite was low and the content of TFe₂O₃ was high (the average mass fraction was 0.68%) in Mesoprote-rozoic Erathem (Gaoyuzhuang and Wumishan Formations) in Chicheng Area of Yanshan Belt, and it had characteristics of high ratio of Fe/Ti, Fe + Mn/Ti (the average value was 131 and 140, re-spectively). The mass fraction ratio of MnO/TiO₂ of silicalite in the area was higher than that of sil-icalite in the ocean environment, and it was characterized by high ratio of Fe₂O₃/TiO₂, low ratio of Al₂O₃/(Al₂O₃+Fe₂O₃). All these characters indicate that silicalite is formed in the far shore envi-ronment of which keeps away from the disturbance of terrigenous detrital and is influenced by hydrothermal process. The siliceous matter mainly comes from the seafloor hydrothermal fluid.

1. 引言

硅质岩广泛存在于沉积岩层系中，野外产状主要呈结核状、透镜状、条带状和层状，其成因多与生物、热水沉积和火山活动有关 [1] [2] [3] 。不同成因的硅质岩物质来源和成岩环境不同,以致化学成分不同，故可以通过研究其地球化学特征来揭示成因和形成环境 [1] [4] [5] [6] 。

燕山地区中元古代碳酸盐岩层中发育大量硅质岩，前人对其成因和沉积环境的认识有所不同。在成因的认识上主要有海底热水成因 [7] [8] [9] 、陆源碎屑的风化成因、火山物质和硅质生物成因 [10] 等，而对沉积环境的认识主要有“与风暴作用有关的碳酸盐台地前缘斜坡沉积” [7] 和“米级旋回层序中潮上带的暴露标志” [11] 。

2. 地质背景

研究区位于燕辽裂陷槽西段(图1)，该裂陷槽裂解始于1800~1400 Ma，由中、西段逐步向东发展，至1200 Ma最终形成 [12] ，经历了长城纪断陷海槽、蓟县纪强烈凹陷和青白口纪稳定陆表海发展阶段 [13] [14] [15] 。裂陷槽内发育不同规模的同生断裂，期间火山活动频繁，以拉张力为主并伴随深部物质活动。高于庄组–雾迷山组沉积时期，燕辽裂陷槽表现为强烈下陷和广泛海侵，受控于“轴部断裂”且与“外海古洋相连通的古陆棚海盆” [12] ，沉积了一套巨厚且稳定的海相碳酸盐岩夹碎屑岩地层。

该研究实测的古子房剖面位于河北赤城县，是中元古界研究的理想剖面，地层分布广泛，出露良好，具有代表性，实测高于庄组厚801.19 m。下部以中–厚层块状深灰色含锰硅质的白云岩夹薄层泥质白云岩，厚层块状深灰色硅质白云岩为主，发育条带状硅质岩；中部为浅–灰色瘤状白云质灰岩、瘤状灰岩与泥晶白云岩的互层，夹灰黑色条带状、层状硅质岩；上部为灰质白云岩夹条带状白云质灰岩、含白云

Figure 1. The structure and ancient geography pattern of Yanliao Rift Trough

图1. 燕辽裂陷槽的构造与古地理格局

质灰岩、泥晶白云岩夹条带或团块状硅质岩。雾迷山组厚1874.92 m，以中–厚层状白云岩为主，少量石灰岩，夹结核状、条带状、薄层状硅质岩，局部可以与之互层。

古子房剖面中元古界的硅质岩，具有如下特征：① 具明显的成层性，产状主要呈薄层状、条带状、结核状、团块状等，通常夹于碳酸盐岩(绝大多数为白云岩)层内，数量大时也可与之互层，与上下岩层呈截然接触关系(图2(a))；② 具明显的韵律性，自下而上表现为结核状或团块状→条带状→层状，且出现的数量和频度也递增，自下而上表现为零星分布→夹层状→互层状；③ 硅质岩类型多样，主要为叠层石硅质(图2(b))、颗粒硅质岩(图2(c)、图2(d))和结晶硅质岩(图2(e))。显微镜下一般具隐–微晶结构，其矿物成分主要为玉髓和石英，少量自形白云石，其中石英多以微晶石英为主，硅质砾屑(图2(c))和似流动构造(图2(f))显示了硅质岩具有原生沉积的特点。

3. 样品分析

研究采集的26件样品由中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室分析测试。研究区硅质岩主化学成分中，SiO₂质量分数(w(SiO₂))为53.68%~98.23% (平均79.81%)；Al₂O₃和TiO₂含量相对较低，Al₂O₃质量分数(w(Al₂O₃))为0.01%~0.52% (平均0.06%)，TiO₂质量分数(w(TiO₂))为0.0041%~ 0.0305% (平均0.01%)；Fe₂O₃质量分数(w(Fe₂O₃))较高，为0.48%~1.14% (平均0.68%)；MnO质量分数(w(MnO))为0.0402%~0.2324% (平均0.0842%)。

4. 讨论

4.1. 硅质岩的沉积环境

w(MnO)/w(TiO₂)可以有效地判断硅质岩形成的古沉积地理环境 [16] [17] [18] [19] 。岩石中的Mn可以

Figure 2. The photo of silicalite

图2. 硅质岩照片

形成易溶且稳定的化合物并进入溶液，随海流迁移到海水中富集起来，如果没有受到热液流体的影响，在大洋盆地内Mn²⁺几乎是均一沉积 [19] ；Ti是惰性较强的元素，一般不形成可溶化合物，所以溶液中Ti的含量相对较低，TiO₂更多地来自陆源沉积物 [19] 。w(MnO)/w(TiO₂)反映了沉积物的离岸距离，较低的w(MnO)/w(TiO₂) (小于0.15)代表大陆斜坡上近陆的边缘海沉积环境；较高的w(MnO)/w(TiO₂) (0.15~3.15)则反映远离大陆的远洋沉积环境 [20] [21] 。

Al₂O₃、TiO₂和Fe₂O₃在硅质岩成岩过程中保持稳定 [1] [6] ，w(Fe₂O₃)/w(TiO₂)和w(Al₂O₃)/w(Al₂O₃ + Fe₂O₃)可用于指示硅质岩的沉积背景 [1] 。w(Fe₂O₃)/w(TiO₂)-w(Al₂O₃)/w(Al₂O₃ + Fe₂O₃)图解法是常用且有效的判别硅质岩形成沉积环境的方法之一。从图3中可以看出，研究区硅质岩样品均落在洋脊及其附近。

综上所述，区内中元古界硅质岩的地球化学特征表明其为远岸环境沉积形成的产物，而非暴露条件下的“硅质结壳”。

4.2. 硅质的来源

关于硅质来源，一般认为主要来源于硅质生物 [20] 、热液活动 [21] 和陆源碎屑风化 [17] [18] 。燕山地区硅质岩中的硅质普遍认为来源于海底热液活动 [7] [8] [9] ，但也有学者研究认为硅质生物也是重要来源 [10] 。

Figure 3. The chart board of w(Fe₂O₃)/w(TiO₂)-w(Al₂O₃)/w(Al₂O₃ + Fe₂O₃)

图3. w(Fe₂O₃)/w(TiO₂)-w(Al₂O₃)/w(Al₂O₃ + Fe₂O₃)图版

Figure 4. The triangle diagram of genetic discrimination of w(Al)-w(Fe)-w(Mn) for the silicalite

图4. 硅质岩成因判别w(Al)-w(Fe)-w(Mn)三角图

硅质岩的主量元素如Al、Ti、Fe等能在成岩过程中保持稳定，可以用来示踪硅质岩中硅的来源及沉积环境 [1] 。Al、Ti的富集与陆源物质的介入有关，可以指示陆源碎屑输入；Fe富集主要与热液的参与有关，可以用来作为热液参与的指标 [1] [21] [22] [23] 。

地球化学分析结果表明，区内硅质岩中指示陆源碎屑成分的w(Al₂O₃)和w(TiO₂)明显偏低，分别为0.1%~0.52%和0.0041%~0.0305%，二者之间具有一定的正相关性。而w(SiO₂)与w(Al₂O₃)和w(TiO₂)不存在明显的相关性，表明SiO₂的来源与陆源碎屑无关，不是暴露条件下的“硅质结壳”。

指示热液来源的w(Fe₂O₃)相对较高，平均为0.68%，w(TFe₂O₃)/w(TiO₂)平均为66，具有热液成因的特征。Bostrem等 [23] 提出利用w(Fe)/w(Ti)、w(Fe + Mn)/w(Ti)来判别热水和正常海水沉积物，当其值分别大于20、25时属于热液来源的沉积物。研究区w(Fe)/w(Ti)为61~294 (平均131)，w(Fe+Mn)/w(Ti)为66~317 (平均140)，表明与热液活动关系密切。Adachi等 [21] 和Yamamoto [22] 提出了w(Al)-w(Fe)-w(Mn)三角图成因辨别图解，该次研究的全部样品均落在热水沉积区内(图4)，反映出硅质岩主要为热液沉积的产物。

5. 结论

1) 研究区硅质岩呈条带状、团块状、结核状和薄层状夹于碳酸盐岩中，具有明显的成层性和韵律性。层状硅质岩具有硅质砾屑结构，条带状和结核状硅质岩具有液化和流动现象，表明其为原生沉积形成。

2) 区内硅质岩w(MnO)/w(TiO₂)平均为8.08，具高w(Fe₂O₃)/w(TiO₂)，低w(Al₂O₃)/w(Al₂O₃ + Fe₂O₃)的特点，表明硅质岩形成于远离陆源碎屑干扰的远岸环境，而非暴露条件下的产物。

3) 区内硅质岩具低w(Al₂O₃)和w(TiO₂)，高w(TFe₂O₃)，w(Fe)/w(Ti)平均为131，w(Fe + Mn)/w(Ti)平均为140，样品在w(Al)-w(Fe)-w(Mn)三角图上均落在热水沉积区内，反映出硅质岩为热液成因。