潘龍克, 羅 華, 劉 力, 張 旭, 金 朝

((湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

鄂西宣恩婁山關(guān)組頂部燧石結(jié)核成因及沉積環(huán)境

潘龍克, 羅 華, 劉 力, 張 旭, 金 朝

((湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

通過對鄂西宣恩婁山關(guān)組頂部發(fā)育的燧石結(jié)核進(jìn)行采樣分析,利用巖石學(xué)和地球化學(xué)分析方法,探討婁山關(guān)組頂部燧石結(jié)核的成因和沉積環(huán)境。主量元素特征表明:燧石結(jié)核屬于非熱水成因。微量元素U/Th、V/(V+Ni)、Ceanom值等顯示了沉積時(shí)弱氧化的貧氧環(huán)境,主量、微量、稀土元素特征很好地指示了該區(qū)硅質(zhì)結(jié)核沉積于大陸邊緣。

婁山關(guān)組;燧石結(jié)核;地球化學(xué)

燧石在世界各處的碳酸鹽巖中分布非常廣泛,其抗改造能力較強(qiáng),可將沉積成巖過程中的信息很好地保存下來,尤其是地化特征可以反映沉積過程中各種作用的參與程度(如熱液沉積、火山碎屑、陸源碎屑等),并且可作為沉積環(huán)境判斷的依據(jù)之一。目前對于燧石的研究主要集中在燧石的成巖方式和硅質(zhì)來源的討論。燧石的成巖方式主要有兩種觀點(diǎn):①沉積成因[1],即硅質(zhì)凝膠體或硅質(zhì)生物殼體直接沉積形成燧石;②交代成因[2],即石英交代碳酸鈣形成燧石。而硅質(zhì)來源則主要有以下三種主要來源:①生物來源[3],由硅質(zhì)生物殼體堆積或溶解之后再沉淀形成燧石。②陸源物質(zhì)[4],陸源物質(zhì)如石英、長石、巖屑等礦物在淋濾、蝕變、溶解或轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的二氧化硅可被河流輸入大洋或湖泊中形成燧石。③火山或深部熱液來源[5]。

鄂西古生代地層中發(fā)育了豐富的硅質(zhì)巖及硅質(zhì)結(jié)核,前人[6]對鄂西地區(qū)奧陶系—二疊系硅質(zhì)巖及硅質(zhì)結(jié)核成因進(jìn)行過詳細(xì)的研究,但對于晚寒武—早奧陶世婁山關(guān)組頂部硅質(zhì)結(jié)核的研究還只停留在巖石學(xué)階段,其地球化學(xué)特征涉及較少。筆者在鄂西宣恩進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中,分別對宣恩縣張家沱和西坪兩地出露的婁山關(guān)組頂部硅質(zhì)結(jié)核進(jìn)行取樣分析,以求通過分析其地球化學(xué)特征來探討硅質(zhì)結(jié)核成因及沉積環(huán)境。

1 采樣位置

調(diào)查區(qū)婁山關(guān)組可分為兩段:一段為淺灰色中厚層狀粉晶白云巖夾薄層狀粉晶白云巖、灰?guī)r,發(fā)育藻紋層、板狀斜層理等沉積構(gòu)造;二段為一套灰色中厚層狀—厚層塊狀粉細(xì)晶白云巖夾藻礫屑藻砂屑白云巖,頂部發(fā)育燧石結(jié)核白云巖,以淺灰色厚層狀白云巖的消失、深灰色中厚層生物屑灰?guī)r的出露與上覆南津關(guān)組呈整合接觸。本次研究的婁山關(guān)組燧石結(jié)核采自于宣恩縣南部的西坪和張家沱地區(qū)出露的頂部灰白色厚層狀白云巖中,燧石結(jié)核(圖2)呈灰黑色,少數(shù)風(fēng)化呈灰白色,多為結(jié)核狀、透鏡狀,偶見呈條帶狀延伸數(shù)十厘米,燧石結(jié)核厚約3～10 cm,與白云巖界線清楚,層內(nèi)基本不見化石發(fā)育。本次采集的多為夾于白云巖層間的條帶狀燧石或粒徑較大的結(jié)核狀燧石。

圖1 采樣位置地質(zhì)簡圖和調(diào)查區(qū)構(gòu)造位置簡圖(據(jù)毛新武等,2014年修改)Fig.1 Geological sketch map of sampling points and tectonic setting of survey area

2 地球化學(xué)特征

測試分析方法:對硅質(zhì)結(jié)核樣品測試前先對樣品進(jìn)行破碎處理,選取新鮮無次生脈巖塊,之后低溫烘干,用無污染缽震動研磨約至200目用于地球化學(xué)分析。主要元素由國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心采用儀器XRF-1800波長掃描X射線熒光光譜儀測定。樣品微量元素由電感耦合等離子體質(zhì)譜儀分析完成。

張家沱和西坪硅質(zhì)結(jié)核主量元素分析結(jié)果見表1。張家沱硅質(zhì)結(jié)核(ZJ01、ZJ02、ZJ03)具有非常高的SiO2含量,為92.33%～95.96%;西坪硅質(zhì)結(jié)核(XP01、XP02)樣品SiO2含量分別為62.12%、83.34%,較張家沱硅質(zhì)含量低。張家沱樣品w%(Al2O3)0.31%～1.37%,西坪樣品w%(Al2O3)0.78%～1.77%。Si/Al多在80以下,僅張家沱樣品ZJ02為261.68,與Murry(1992)定義的純硅質(zhì)巖(純硅質(zhì)巖SiO2為91%～99%,Si/Al為80～1 000)[8]相當(dāng)。Yamamoto(1987)[9]提出:純熱水沉積的Al/(Al+Fe+Mn)比值接近于0.01;純生物成因的該比值為0.6,并擬定了Al-Fe-Mn三角圖來判別熱水成因與非熱水成因,從Al-Fe-Mn三角圖(圖3)中可以看出,張家沱和西坪樣品基本都落入了非熱水成因硅質(zhì)巖中。Al/(Al+Fe+Mn)比值介于0.456～0.736之間,與純生物成因硅質(zhì)巖的比值比較接近。王東安(1981)[10]曾對雅魯藏布江斷裂帶所產(chǎn)硅質(zhì)巖作過分析統(tǒng)計(jì),認(rèn)為生物沉積硅質(zhì)巖和火山成因硅質(zhì)巖在SiO2—(K2O+Na2O)圖解上可以明顯地分為兩個(gè)區(qū);韓發(fā)等(1989)[11]認(rèn)為(K2O+Na2O)—Al2O3圖解同樣能夠區(qū)分生物成因與火山成因的硅質(zhì)巖。對張家沱和西坪燧石結(jié)核分別作SiO2—(K2O+Na2O)圖解(圖4)和(K2O+Na2O)—Al2O3圖解(圖5),可以看出樣品基本落入生物成因的硅質(zhì)巖范圍。Sugisaki & Kinoshita(1982)[12]認(rèn)為與海底火山作用有密切相關(guān)的硅質(zhì)巖,其K2O/Na2O值<1,而以正常生物化學(xué)作用為主的硅質(zhì)巖該比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)>1。張家沱和西坪燧石結(jié)核的K2O/Na2O值均介于5.6～36.2,可以確定燧石結(jié)核的成因以正常生物化學(xué)為主。

表1 硅質(zhì)結(jié)核主量元素含量及特征值表(%)

圖3 燧石結(jié)核Al-Fe-Mn判別圖解Fig.3 Al-Fe-Mn discrimination of chert nodules

張家沱和西坪硅質(zhì)結(jié)核微量元素分析結(jié)果見表2。前人對硅質(zhì)巖微量元素特征研究較少,對比張家沱和西坪硅質(zhì)結(jié)核沉積巖豐度[13]發(fā)現(xiàn),僅有Cu、As高于沉積巖豐度,其余微量元素基本都低于沉積巖豐度。周永章等(2004)[14]總結(jié)了華南熱水沉積硅質(zhì)巖地化特征,指出Ba、As、Sb、Sc元素富集是典型熱水成因標(biāo)志。樣品中Ba、Sb、Sc含量相對于沉積巖豐度虧損明顯,而As富集,因此不具備典型熱水沉積特征。

圖4 燧石結(jié)核的SiO2—(K2O+Na2O)圖解Fig.4 SiO2-(K2O+Na2O)diagram of chert nodules

圖5 燧石結(jié)核的(K2O+Na2O)—Al2O3圖解Fig.5 (K2O+Na2O)-Al2O3diagram of chert nodules

Jones等(1994)[15]對西北歐晚侏羅世沉積古氧相地球化學(xué)特征研究后認(rèn)為:U/Th>1.25反映厭氧環(huán)境,U/Th<0.75指示富氧環(huán)境,而比值介于兩者之間為貧氧環(huán)境。Wignall(1994)[16]則認(rèn)為V/(V+Ni)比值>0.83即為缺氧環(huán)境。張家沱和西坪樣品的U/Th介于0.56～1.26,總體屬于貧氧環(huán)境。樣品的V/(V+Ni)介于0.55～0.66,均<0.83,也不屬于缺氧環(huán)境。

李獻(xiàn)華(2000)[17]研究表明洋中脊硅質(zhì)巖V≈42×10-6,Ti/V≈7,大洋盆地硅質(zhì)巖V≈38×10-6,Ti/V≈25,大陸邊緣硅質(zhì)巖V≈20×10-6,Ti/V≈40。在Ti-V相關(guān)圖(圖6)上,張家沱和西坪樣品V值介于2.2×10-6～13.0×10-6,Ti與V呈正相關(guān),Ti/V介于44.1～64.7,與大陸邊緣硅質(zhì)巖相關(guān)值最為接近。

張家沱和西坪硅質(zhì)結(jié)核的稀土元素含量測試結(jié)果見表3,從表中可以看出:稀土總量較少(5.75×10-6～19.00×10-6),輕稀土富集,LREE/HREE平均值為8.61,δCe弱負(fù)異常(0.67～1.18)。前人的研究表明,稀土元素特征是研究硅質(zhì)巖構(gòu)造背景的有效指標(biāo)。

表2 硅質(zhì)結(jié)核微量元素含量及與沉積巖豐度對比表

圖6 燧石結(jié)核的Ti-V相關(guān)圖Fig.6 The relationship between Ti and V of chert nodules

Murray et al.(1990)[18]對細(xì)粒度海洋沉積中稀土元素?cái)?shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn):洋中脊及其兩翼硅質(zhì)巖的δCe值最低,為0.18～0.38(平均為0.30);開闊洋盆硅質(zhì)巖的δCe值中等,為0.50～0.76(平均0.60);大陸邊緣硅質(zhì)巖的δCe值最高,為0.67～1.52(平均1.09)。張家沱燧石結(jié)核的δCe均值為0.91;西坪燧石結(jié)核的δCe均值為0.695,總體均值為0.82,與大陸邊緣環(huán)境最為接近。Murray(1994)[19]認(rèn)為不同構(gòu)造背景下的硅質(zhì)巖LaN/CeN值變化明顯,大陸邊緣的LaN/CeN≈1,大洋盆地LaN/CeN≈2～3,洋中脊約為3.15。調(diào)查區(qū)婁山關(guān)組燧石結(jié)核介于1.08～2.08,與大陸邊緣環(huán)境較為接近,在Murray(1994)提出的LaN/CeN—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解(圖7)中,婁山關(guān)組燧石結(jié)核基本落入大陸邊緣環(huán)境區(qū)及其附近,說明其形成于大陸邊緣環(huán)境。

表3 硅質(zhì)結(jié)核稀土元素含量及特征值表

注:δEu=2(Eu樣品/Eu北美頁巖)/(Sm樣品/Sm+Tb樣品/Tb北美頁巖);δCe=2(Ce樣品/Ce北美頁巖)/(La樣品/La北美頁巖+Nd樣品/Nd北美頁巖)。

楊水源等(2008)[20]研究認(rèn)為大陸邊緣的(La)N/(Yb)N平均值為1.1～1.4,洋脊附近(La)N/(Yb)N平均值只有0.3左右,深海平原硅質(zhì)巖的(La)N/(Yb)N介于兩者之間。張家沱和西坪硅質(zhì)結(jié)核的(La)N/(Yb)N平均值為1.44,很好地指示了該區(qū)硅質(zhì)結(jié)核沉積于大陸邊緣。

圖7 燧石結(jié)核的LaN/CeN—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解Fig.7 LaN/CeN-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3) diagram of chert nodules

Wright把稀土元素中的Ce與相鄰的La和Nd元素相關(guān)的變化成為鈰異常:Ceanom。其公式為:Ceanom=log[3(Ce)N/(2(La)N+(Nd)N)]。Ceanom值已被作為判斷古海水氧化—還原條件的標(biāo)志,其值>-0.1時(shí),反映水體呈缺氧環(huán)境,而<-0.1時(shí)反映水體呈氧化環(huán)境[21]。除了樣品ZJ03中的Ceanom值>-0.1外,其余樣品均<-0.1,指示了氧化環(huán)境。

Fleet(1983)[22]研究表明,在北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化的稀土配分模式圖上,熱水沉積巖的稀土配分曲線均表現(xiàn)出不同程度的向左傾斜,傾斜程度越高,熱水沉積巖中熱水的沉積物的比例就越大。張家沱和西坪燧石結(jié)核的北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(圖8)顯示,調(diào)查區(qū)婁山關(guān)組燧石結(jié)核的稀土配分曲線基本為平坦型,或表現(xiàn)稍微的右傾,表明其熱水沉積特征不明顯。

圖8 燧石結(jié)核REE北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖Fig.8 NASC-normalized REE patterns for chert nodules

3 沉積環(huán)境分析

調(diào)查區(qū)婁山關(guān)組頂部硅質(zhì)結(jié)核與前人對純硅質(zhì)巖的定義相當(dāng),燧石結(jié)核的地球化學(xué)特征對其成因及構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行了一些判定。主量元素Al、Fe、Mn反映了婁山關(guān)組燧石結(jié)核的非熱水成因,SiO2—(K2O+Na2O)圖解和(K2O+Na2O)—Al2O3圖解反映了其屬于生物成因的硅質(zhì)巖,K2O/Na2O確定了燧石結(jié)核以正常生物化學(xué)成因?yàn)橹?。在Fe2O3/TiO2—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解(圖9)中,調(diào)查區(qū)婁山關(guān)組燧石結(jié)核大部分落入大陸邊緣及靠近大陸邊緣的區(qū)域,顯示鄂西宣恩婁山關(guān)組燧石結(jié)核主要形成于大陸邊緣環(huán)境。微量元素V/(V+Ni)、U/Th反映了其沉積時(shí)的貧氧環(huán)境。δCe、Fe2O3/TiO2—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)、Ti-V相關(guān)圖、LaN/CeN—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解等均指示了燧石結(jié)核的大陸邊緣構(gòu)造背景。

圖9 燧石結(jié)核的Fe2O3/TiO2—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解Fig.9 Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3) diagram of chert nodules

對比雷卞軍等(2002)對鄂西古生代(奧陶系—二疊系)硅質(zhì)巖和燧石結(jié)核的地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn),龍馬溪組層狀硅質(zhì)巖屬于正常海水中生物化學(xué)和化學(xué)沉積,孤峰組和大隆組層狀硅質(zhì)巖、茅口組燧石結(jié)核不屬于典型的熱水沉積相,但受熱水作用影響,而孤峰組硅質(zhì)巖受熱水作用明顯。本次研究的婁山關(guān)組硅質(zhì)結(jié)核的形成環(huán)境與雷卞軍等(2002)的研究存在差異。中—晚寒武世是寒武紀(jì)生命大爆發(fā)和奧陶紀(jì)生物大輻射兩次重要生物演化事件間的過渡時(shí)期,該時(shí)期全球淺海沉積物具有其獨(dú)特性,包括碳酸鹽巖臺地廣泛發(fā)育,白云巖化作用強(qiáng)烈,后生動物貧乏而微生物礁在多個(gè)板塊廣泛分布;較深水區(qū)缺氧沉積發(fā)育等。該時(shí)期揚(yáng)子地臺位于南半球中—低緯度干旱區(qū),屬岡瓦納大陸的周緣塊體(陳旭等,2001)[23],以大套的白云巖沉積為主,化石稀少,陸源碎屑沉積物較少。中—晚寒武世揚(yáng)子地臺主體經(jīng)歷了從頁巖盆地到淺潮下帶環(huán)境的演變,沉積類型從較深水的陸源碎屑與碳酸鹽的混合沉積變化為較淺水碳酸鹽沉積(梅冥相等,2006)[24],顯然,碳酸鹽沉積的增加主要受到海平面與氣候變化的影響。白云巖廣泛分布、后生動物的稀少,能夠反映半局限臺地內(nèi)部較高鹽度的環(huán)境(梅冥相等,2007)[25]。房亮等(2012)[26]研究發(fā)現(xiàn)中、晚寒武世是管狀巖發(fā)育的低谷期,并認(rèn)為該時(shí)期為高溫氣候、高海平面以及貧氧和貧營養(yǎng)的特殊環(huán)境。中、晚寒武世淺水碳酸鹽巖臺地廣泛發(fā)育于許多古大陸,高的溫度、高頻海平面變化以及廣布的高鹽度水體有利于白云巖的形成,同時(shí)抑制了后生動物的繁盛,較高的水溫也導(dǎo)致氧氣在海水中的溶解度下降。

綜上所述,鄂西宣恩婁山關(guān)組頂部燧石結(jié)核形成于中晚寒武世中上揚(yáng)子淺水碳酸鹽巖臺地中,當(dāng)時(shí)高溫、貧氧、高頻海平面變化以及高鹽度水體不僅有利于婁山關(guān)組大套白云巖的形成,同時(shí)在其頂部也沉積了燧石結(jié)核。

4 結(jié)論

綜合野外觀察和地球化學(xué)分析結(jié)果,鄂西宣恩婁山關(guān)組頂部燧石結(jié)核具有如下特征:

(1) 燧石結(jié)核發(fā)育于婁山關(guān)組頂部,以結(jié)核狀、條帶狀、透鏡狀為主,與白云巖界線清楚。

(2) 主量元素Al、Fe、Mn反映了燧石結(jié)核的非熱水成因,K2O、Na2O、Al2O3等表明其以生物或生物化學(xué)成因?yàn)橹?微量元素V/(V+Ni)、U/Th反映了其沉積時(shí)的貧氧環(huán)境。

(3) 鄂西宣恩婁山關(guān)組頂部燧石結(jié)核主量、微量、稀土元素特征一致表明,其形成于大陸邊緣環(huán)境。

致謝:野外工作中得到了湖北省地質(zhì)調(diào)查院吳傳榮教授級高級工程師、何仁亮高級工程師等多次現(xiàn)場指導(dǎo),毛新武教授級高級工程師在成文中給予了建設(shè)性意見和悉心指導(dǎo),在此一并表示感謝。

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

The Petrogenesis and Sedimentary Environment of Upper Loushanguan FormationChert Nodules in Xuan’en County, Western Hubei

PAN Longke, LUO Hua, LIU Li, ZHANG Xu, JIN Zhao

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Through the samples of the chert nodules developed in upper Loushanguan Formation in Xuan’en County,Western Hubei,the authors manly use the petrology and geochemistry methods to discuss the petrogenesis and sedimentary environment of the chert nodules.The major element characteristics show that the chert nodules belong to non-hydrothermal origin.Trace elements,U/Th,V/(V+Ni) and Ceanometc.,index that the weak oxidation and poor oxygen sedimentary environment;the major elements,trace elements and rare earth element(REE)comprehensively make sure that the chert nodules in this area deposited in continental shelf.

Loushanguan Formation; chert nodules; geochemistry

2016-04-28;改回日期:2016-05-19

本文受中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(編號:12120113062000)資助。

潘龍克(1962-),男,工程師,地質(zhì)礦產(chǎn)勘查專業(yè),從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作。E-mail:panlongke@qq.com

P588.24+5

A

1671-1211(2016)05-0671-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.001

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1513.022.html 數(shù)字出版日期:2016-08-10 15:13