周北昱,李 盼，曾 雯*，曾 薇，汪 蕾，劉 越，劉 影

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074；2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

硅質(zhì)巖(Silicieous Rock)是指自生硅質(zhì)礦物的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)大于50%，且SiO2含量一般大于70%的一類特殊自生沉積巖。硅質(zhì)巖主要由生物作用、化學(xué)作用、生物化學(xué)作用以及某些熱液作用和火山作用所形成，也包括一些在盆地內(nèi)部經(jīng)過(guò)物理破碎后沉積形成的巖石[1-3]。國(guó)際上很多學(xué)者把硅質(zhì)巖統(tǒng)稱為燧石(Chert)，并強(qiáng)調(diào)其石英含量達(dá)95%或更高[4-7]。前寒武紀(jì)是硅質(zhì)巖產(chǎn)出的高峰期，在北美洲、歐洲、非洲等古老地盾上至今保存著由燧石和鐵質(zhì)巖共同構(gòu)成的巨厚燧石鐵建造，相應(yīng)的巖石在中國(guó)變質(zhì)為磁鐵石英巖。大致從中元古代早期開始，硅質(zhì)巖的數(shù)量明顯減少[1]。伴隨顯生宙生物的演化，大量的硅質(zhì)巖形成被認(rèn)為與生物有關(guān)，而且硅循環(huán)被認(rèn)為是氣候變化的記錄[8-17]。二疊紀(jì)硅質(zhì)沉積事件(Permian Chert Event)和始新世硅質(zhì)沉積區(qū)間(Eocence Silica Burb)兩個(gè)富硅時(shí)代的硅質(zhì)巖研究成為熱點(diǎn)[18-23]。

硅質(zhì)巖礦物組成簡(jiǎn)單，常見(jiàn)的是蛋白石、玉髓和石英等硅質(zhì)礦物，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，保留了豐富的原生地球化學(xué)“指紋”信息，特別是原生硅質(zhì)巖的特殊成因使其具有重要的理論研究?jī)r(jià)值[1]，對(duì)揭示古地理、古環(huán)境和古氣候具有十分重要的指示意義[17,24-28]。產(chǎn)于灰?guī)r中的硅質(zhì)巖結(jié)核因?yàn)榕c灰?guī)r的抗應(yīng)變強(qiáng)度差異巨大，常被作為古應(yīng)變指標(biāo)用于地質(zhì)應(yīng)力的三維分析[29-32]。

硅質(zhì)巖的成因復(fù)雜多樣，目前主要有4種認(rèn)識(shí):①生物及生物化學(xué)作用成因，分泌硅質(zhì)殼體的生物死亡后沉淀下來(lái)的硅質(zhì)經(jīng)歷各種成巖轉(zhuǎn)化作用，最終以隱晶或微晶石英集合體的形式組成硅質(zhì)巖結(jié)核[28,33-35]；②熱液成因，硅質(zhì)巖發(fā)育地區(qū)巖漿作用強(qiáng)烈，富含硅質(zhì)的巖漿熱液進(jìn)入到碳酸鹽巖沉積物中并發(fā)生水-巖反應(yīng)，碳酸鹽巖部分被溶解，同時(shí)硅質(zhì)交代碳酸鹽礦物形成硅質(zhì)巖[2,36-45]；③富鈣巖石被硅質(zhì)交代，碳酸鹽巖中方解石、白云石被硅質(zhì)礦物交代，保留碳酸鹽礦物假象[1,35,46]；④海水的正常沉積成因，對(duì)于沒(méi)有生物標(biāo)記的硅質(zhì)巖，可能因?yàn)楹Ｋ钟蚬柽^(guò)飽和，通過(guò)化學(xué)沉淀而形成[1,47]。盡管硅質(zhì)巖具有相對(duì)簡(jiǎn)單的礦物組成和單一的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，但是硅質(zhì)巖的成因卻十分復(fù)雜，其中最關(guān)鍵的問(wèn)題是硅質(zhì)來(lái)源和SiO2形成的機(jī)理以及硅質(zhì)巖形成的沉積環(huán)境[3]。實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，同一套地層的硅質(zhì)巖可能也是多成因的。例如，滇東北會(huì)澤燈影組硅質(zhì)巖既有正常沉積成因，也有熱液成因[48]；揚(yáng)子地塊下志留統(tǒng)龍馬溪組硅質(zhì)巖也是多成因的[49]。巖石磁學(xué)研究揭示了層狀硅質(zhì)巖是沉積物中大量的生物硅質(zhì)在成巖過(guò)程的強(qiáng)烈分異作用下形成的[50-53]。

硅質(zhì)巖成因復(fù)雜，備受關(guān)注。Lei等通過(guò)中上揚(yáng)子地塊下志留統(tǒng)龍馬溪組硅質(zhì)巖的巖石和地球化學(xué)特征研究重建古環(huán)境演化過(guò)程[49]。Kidder等認(rèn)為氣候引起的環(huán)境變化是制約生物成因硅質(zhì)巖發(fā)育和奧陶紀(jì)硅循環(huán)的主要因素[12]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)不同時(shí)代分布的硅質(zhì)巖廣泛開展深入研究，取得一系列研究成果[48,54-66]。廣泛應(yīng)用硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征判別其形成環(huán)境，則要?dú)w因于Murray等的研究成果[67-69]。

湖北峽東地區(qū)出露的很多地層均發(fā)育有硅質(zhì)巖，不同地層中硅質(zhì)巖的產(chǎn)狀特征和研究側(cè)重點(diǎn)有差別，但主要是關(guān)注層狀和厚層狀硅質(zhì)巖成因和古環(huán)境意義[3,25,44,48]。峽東地區(qū)奧陶系地層出露完整，兩個(gè)“金釘子”(宜昌王家灣上奧陶統(tǒng)赫南特階和黃花場(chǎng)中奧陶統(tǒng)大坪階底界界線層型剖面及點(diǎn)位)均分布于該地區(qū)，足見(jiàn)其典型標(biāo)準(zhǔn)，是研究揚(yáng)子地塊奧陶紀(jì)生物演化和沉積環(huán)境最有利的地區(qū)。其中，灰?guī)r普遍含有條帶狀或者結(jié)核狀硅質(zhì)巖，但對(duì)其成因及意義研究不多。在對(duì)湖北宜昌黃花場(chǎng)地區(qū)和秭歸南部桂婭地區(qū)奧陶系剖面的詳細(xì)野外研究基礎(chǔ)上，本文對(duì)下奧陶統(tǒng)南津關(guān)組灰?guī)r中硅質(zhì)巖巖石學(xué)和地球化學(xué)特征開展系統(tǒng)研究，并探討其成因和沉積環(huán)境意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

湖北峽東地區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華南板塊上揚(yáng)子地塊分區(qū)，奧陶系主要出露于黃陵穹隆的外圍(圖1)，自下而上分別為下奧陶統(tǒng)南津關(guān)組(O1n)、分鄉(xiāng)組(O1f)、紅花園組(O1h)，中奧陶統(tǒng)大灣組(O2d)、牯牛潭組(O2g)，中—下奧陶統(tǒng)廟坡組(O2-3m)，上奧陶統(tǒng)寶塔組(O3b)、臨湘組(O3l)及五峰組(O3w)。奧陶系地層主要由碳酸鹽巖組成，另有少量的砂巖、硅質(zhì)巖及頁(yè)巖。碳酸鹽巖在該地區(qū)以灰白色中厚層狀灰?guī)r和白云巖居多，部分為生物碎屑灰?guī)r；硅質(zhì)巖則多呈結(jié)核狀和條帶狀賦存于灰?guī)r中。

南津關(guān)組地層根據(jù)巖性自下而上劃分為4段：一段以中層泥晶灰?guī)r為主，可見(jiàn)薄層硅質(zhì)巖條帶；二段以厚層細(xì)晶灰?guī)r夾中厚層含礫砂屑白云巖為主；三段以含生物碎屑灰?guī)r和含礫砂屑灰?guī)r為主，可見(jiàn)條帶狀和結(jié)核狀硅質(zhì)巖；四段以含生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，另有鮞?；?guī)r。樣品主要采集于宜昌黃花場(chǎng)地區(qū)和秭歸南部桂埡地區(qū)的南津關(guān)組，其上覆地層為下奧陶統(tǒng)分鄉(xiāng)組，下伏地層為上寒武統(tǒng)三游洞組，具體的采樣位置和層位如圖1、2所示。

圖1 湖北峽東地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological Sketch Map of the Eastern Yangtze Gorges Area in Hubei

2 巖石學(xué)特征

2.1 產(chǎn)狀特征

宜昌黃花場(chǎng)地區(qū)南津關(guān)組灰?guī)r產(chǎn)出的硅質(zhì)巖可見(jiàn)條帶狀、透鏡狀和結(jié)核狀3種(圖3)。其中，以灰黑色條帶狀為主要特征，偶見(jiàn)有灰黑色及紅褐色硅質(zhì)巖結(jié)核，長(zhǎng)軸與灰?guī)r層面平行，表現(xiàn)出壓實(shí)作用的特征，硅質(zhì)巖結(jié)核與灰?guī)r接觸邊界較清楚。條帶狀硅質(zhì)巖厚度約為10 cm[圖3(a)]。透鏡狀硅質(zhì)巖最厚處約為7 cm。灰黑色硅質(zhì)巖結(jié)核中可見(jiàn)有灰白色灰?guī)r包裹體，質(zhì)地較純，粒度約為2 mm[圖3(b)]；紅褐色硅質(zhì)巖結(jié)核巖性較為均一[圖3(c)]。

秭歸南部桂埡地區(qū)南津關(guān)組的硅質(zhì)巖以灰黑色條帶狀為主(圖4)。條帶狀硅質(zhì)巖與寄主灰?guī)r的接觸界線清晰，條帶寬度約為8 cm。硅質(zhì)巖多呈致密團(tuán)塊，較為堅(jiān)硬，可見(jiàn)有碳酸鹽巖細(xì)脈穿插硅質(zhì)巖的現(xiàn)象，巖性均一，如毫米級(jí)別的方解石細(xì)脈。

圖4 桂埡地區(qū)硅質(zhì)巖野外照片F(xiàn)ig.4 Field Photographs of Cherts in Guiya Area

2.2 巖相學(xué)特征

硅質(zhì)巖礦物組成主要為石英、玉髓(圖5)。塊狀的微晶石英呈等粒狀集合體，不辨邊界，單偏光下無(wú)色，正交偏光下呈Ⅰ級(jí)灰干涉色[圖5(a)]。玉髓形態(tài)多樣，多呈橢圓形放射狀集合體，單偏光下無(wú)色，正交偏光下呈Ⅰ級(jí)灰白干涉色[圖5(b)]。粗晶石英單偏光下無(wú)色，正交偏光下呈Ⅰ級(jí)灰白干涉色，其外為放射狀、針狀玉髓，由外圍向中心粒度由細(xì)變粗[圖5(c)]。

圖5 硅質(zhì)巖顯微照片F(xiàn)ig.5 Micrographs of Cherts

3 地球化學(xué)特征

將所有采集的硅質(zhì)巖樣品破碎至粒徑1 cm，嚴(yán)格剔除四周的碳酸鹽巖部分，只選擇其中質(zhì)地純凈的硅質(zhì)巖條帶、結(jié)核和團(tuán)塊，用清水洗凈后晾干，在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用德國(guó)萊馳RS200振動(dòng)盤式研磨儀將樣品粉碎至200目。樣品主量、微量元素分析在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成。主量元素分析采用玻璃熔片法在Rigaku100e型X熒光光譜儀上進(jìn)行；微量元素分析使用酸溶解法在PEELan6000型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上進(jìn)行。X射線熒光光譜分析精度為2%，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀精度優(yōu)于3%。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[70]，硅質(zhì)巖主量、微量元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 硅質(zhì)巖主量、微量元素分析結(jié)果Tab.1 Analysis Results of Major and Trace Elements of Cherts

3.1 主量元素

湖北峽東地區(qū)奧陶系南津關(guān)組硅質(zhì)巖樣品中SiO2含量為68.35%～96.94%，平均值為87.34%。其中，樣品17HH1-2、17HH1-3、17HH2-2、17GY2-1質(zhì)地純凈，SiO2含量為93.86%～96.94%；樣品17HH2-1及17GY3-2中SiO2含量較低，分別為68.35%及79.48%，這主要是由于其中含有較多的灰?guī)r雜質(zhì)，其CaO含量分別高達(dá)16.40%及8.34%。其他樣品中SiO2含量均略低于90%，但高于84%。

主量元素含量是判斷硅質(zhì)巖成因的重要指標(biāo)。一般硅質(zhì)巖中的Mn能夠作為來(lái)自海洋深部的標(biāo)識(shí)元素，典型熱液成因的硅質(zhì)巖Fe、Mn相對(duì)富集[67-69,71]。與典型熱液成因硅質(zhì)巖特征相比較，研究區(qū)硅質(zhì)巖的Fe、Mn含量極低，其TFe2O3和MnO含量平均值分別為0.15%和0%，因此,不太可能是熱液成因。Si/(Si+Al+Fe)值能夠作為判別硅質(zhì)巖是否為熱液成因的指標(biāo)之一[71]。研究區(qū)硅質(zhì)巖的Si/(Si+Al+Fe)值為0.97～0.99，平均值為0.99，進(jìn)一步證明硅質(zhì)巖為非熱液成因。Al/(Al+Fe+Mn)值亦常被用作判別硅質(zhì)巖成因的指標(biāo)[71-72]。如來(lái)源于東太平洋洋中脊熱液沉積的硅質(zhì)巖Al/(Al+Fe+Mn)值低于0.01；而硅質(zhì)巖也有比較典型的生物成因，如日本放射蟲硅質(zhì)巖Al/(Al+Fe+Mn)值則高達(dá)0.60。研究區(qū)硅質(zhì)巖Al/(Al+Fe+Mn)值為0.27～0.84，平均值為0.64(表2)，顯示硅質(zhì)巖為生物成因。結(jié)合Al-Fe-Mn判別圖解(圖6)，進(jìn)一步說(shuō)明硅質(zhì)巖為非熱液成因。另外，富Na也是熱液成因的重要標(biāo)識(shí)。一般認(rèn)為：硅質(zhì)巖K2O/Na2O值小于1，指示硅質(zhì)巖為熱液成因；若K2O/Na2O值大于1，則為生物成因[71-72]。研究區(qū)硅質(zhì)巖的Na2O含量普遍較低，其K2O/Na2O值均遠(yuǎn)大于1，為1.67～10.38(表2)，顯示硅質(zhì)巖與生物作用有關(guān)。

表2 主量元素相關(guān)參數(shù)Tab.2 Related Parameters of Major Elements

由于Ti主要與陸源物質(zhì)有關(guān)，而Mn主要來(lái)源于海洋深部，所以MnO/TiO2值能夠作為判別硅質(zhì)巖沉積環(huán)境的一個(gè)重要指標(biāo)。已有研究成果表明：在離陸較遠(yuǎn)的海洋環(huán)境中，硅質(zhì)巖的MnO/TiO2值比較高，一般為0.5～3.5；而在邊緣淺?；蛘呤谴箨懫逻@種離陸較近的沉積環(huán)境中，硅質(zhì)巖的MnO/TiO2值較低，一般低于0.5[73]。峽東地區(qū)南津關(guān)組硅質(zhì)巖的MnO含量較低，其MnO/TiO2值均小于0.5，顯示近陸環(huán)境。Al2O3和TiO2含量之間顯示較好的正相關(guān)關(guān)系，也顯示近陸環(huán)境[74]。Fe2O3含量是洋中脊熱液成分參與的指標(biāo)。由于Fe2O3含量在成巖過(guò)程中相對(duì)比較穩(wěn)定，所以TFe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+TFe2O3)圖解(圖7)和0.01TFe2O3/SiO2-0.01Al2O3/SiO2圖解(圖8)常作為判別硅質(zhì)巖沉積環(huán)境的依據(jù)[67]。從圖7、8可以看出，研究區(qū)所有硅質(zhì)巖樣品均落于大陸邊緣環(huán)境區(qū)域，或者落于大陸邊緣及其周圍環(huán)境區(qū)域。

圖件引自文獻(xiàn)[71]圖6 Al-Fe-Mn判別圖解Fig.6 Discrimination Diagram of Al-Fe-Mn

圖件引自文獻(xiàn)[67]圖7 TFe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+TFe2O3)圖解Fig.7 Diagram of TFe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+TFe2O3)

圖件引自文獻(xiàn)[67]圖8 0.01TFe2O3/SiO2-0.01Al2O3/SiO2圖解Fig.8 Diagram of 0.01TFe2O3/SiO2-0.01Al2O3/SiO2

3.2 微量元素

峽東地區(qū)南津關(guān)組硅質(zhì)巖樣品除Ba、Sr、W含量較高以外，其余微量元素含量均較低(表1)，硅質(zhì)巖微量元素相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。輕、重稀土元素分異并不明顯，有輕微的Ce正異常和Eu負(fù)異常。王忠誠(chéng)等認(rèn)為Ba在有熱液參與的海水中與SiO2含量成較好的正相關(guān)關(guān)系，并且Ba可富存于生物大量繁殖的海域環(huán)境，若為單純生物成因的硅質(zhì)巖，則其Ba含量一般較高[75]。研究區(qū)硅質(zhì)巖Ba含量較高，但Ba和SiO2含量之間分布較為離散，沒(méi)有顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖9)，顯示硅質(zhì)巖與熱液成因無(wú)關(guān)，而與生物成因相關(guān)。

圖9 Ba和SiO2含量相關(guān)關(guān)系Fig.9 Relationship Between Contents of Ba and SiO2

表3 微量元素相關(guān)參數(shù)Tab.3 Related Parameters of Trace Element

硅質(zhì)巖中的Eu異常同樣受到沉積環(huán)境中熱液作用的影響。研究結(jié)果表明：硅質(zhì)巖與熱液作用之間的關(guān)聯(lián)越密切，則Eu異常越高，離岸距離越近；反之，則Eu異常越低，離岸距離越遠(yuǎn)。根據(jù)史冀忠等的研究可知，從洋中脊到離大陸約75 km，Eu異常從1.35逐漸降低到1.02左右[76]。研究區(qū)硅質(zhì)巖的Eu異常平均值為0.80，顯示硅質(zhì)巖與洋中脊熱液成因無(wú)關(guān)。

硅質(zhì)巖中的稀土元素極少受到沉積之后內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用的影響。通常情況下，熱液成因的硅質(zhì)巖稀土元素總含量比較低，Ce虧損比較明顯，且北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式通常呈現(xiàn)出平緩左傾的特點(diǎn)；非熱液成因的硅質(zhì)巖相對(duì)富集輕稀土元素，特征與北美頁(yè)巖相似，北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式呈現(xiàn)出平緩右傾的特征[76]。研究區(qū)硅質(zhì)巖北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式呈平緩右傾的特點(diǎn)，且無(wú)明顯的Ce虧損(圖10)，顯示硅質(zhì)巖為非熱液成因。

Murray等研究表明V等微量元素含量可以作為判別硅質(zhì)巖沉積環(huán)境的有效參數(shù)[67]。通常大陸邊緣硅質(zhì)巖的V含量約為20×10-6[67]；馮勝斌等研究認(rèn)為遠(yuǎn)洋盆地或洋中脊環(huán)境形成的硅質(zhì)巖V含量約為38.3×10-6[2]。研究區(qū)硅質(zhì)巖的V含量為(5～21)×10-6，指示其沉積環(huán)境為大陸邊緣環(huán)境。

硅質(zhì)巖受熱液作用的影響大小及其與熱液活動(dòng)中心的間距遠(yuǎn)近，可以通過(guò)Ce異常進(jìn)行判斷[67]。Murray等的研究結(jié)果表明：Ce異常隨著離岸距離減小而不斷增加，洋中脊及兩翼(0～85 km)硅質(zhì)巖的Ce異常為0.22～0.38，平均值約為0.30；深海平原硅質(zhì)巖的Ce異常為0.50～0.76，平均值約為0.60；大陸邊緣硅質(zhì)巖的Ce虧損并不十分顯著，其Ce異常為0.67～1.35，平均值約為1.09[67-69]。峽東地區(qū)南津關(guān)組灰?guī)r中的硅質(zhì)巖具有輕微的Ce異常，為0.97～1.19，平均值約為1.11，顯示硅質(zhì)巖沉積環(huán)境為近大陸邊緣環(huán)境。

另外，(La/Yb)N值也可用于硅質(zhì)巖形成環(huán)境的判別。若硅質(zhì)巖形成于洋中脊環(huán)境區(qū)域附近，則(La/Yb)N平均值約為0.3；若其形成于近大陸邊緣環(huán)境區(qū)域，則(La/Yb)N值為1.1～1.4；若其形成于深海平原環(huán)境區(qū)域，則(La/Yb)N值介于上述兩者之間[66]。研究區(qū)硅質(zhì)巖(La/Yb)N平均值為1.31，顯示硅質(zhì)巖形成于近大陸邊緣環(huán)境區(qū)域。

近大陸邊緣環(huán)境區(qū)域的硅質(zhì)巖(La/Ce)N值為0.5～1.5[47]。研究區(qū)硅質(zhì)巖的(La/Ce)N值為0.75～1.99(表3)，平均值為1.06，將其投于Murray提出的(La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+TFe2O3)圖解[67](圖11)中，發(fā)現(xiàn)除樣品17GY1-1未落在大陸邊緣環(huán)境區(qū)域，以及樣品17GY2-1落在近大陸邊緣環(huán)境區(qū)域外，其他樣品都落在大陸邊緣環(huán)境區(qū)域。

圖件引自文獻(xiàn)[67]圖11 (La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+TFe2O3)圖解Fig.11 Diagram of (La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+TFe2O3)

硅質(zhì)巖沉積時(shí)水體的氧化-還原條件可以用U和Th含量指示。在強(qiáng)還原環(huán)境下，U常以不溶的U4+形式留存于水體中，造成U富集；而在氧化環(huán)境下，U則常以可溶的U6+形式留存于水體中，造成沉積物中U虧損。而Th基本不受水體的氧化-還原電位影響，常以不溶的Th4+形式存在于水體中[66]。研究結(jié)果表明：在缺氧環(huán)境條件下形成的沉積物Th/U值一般為0～2；在氧化環(huán)境條件下形成的沉積物Th/U值則趨近于8。研究區(qū)硅質(zhì)巖的Th/U值為0.01～0.86，平均值為0.24，顯示為缺氧環(huán)境。

史冀忠等研究表明，Ceanom值也能夠作為判斷古海水氧化-還原條件的標(biāo)志。Ce富集時(shí)，Ceanom值大于-0.1，指示水體為缺氧環(huán)境；Ce虧損時(shí)，Ceanom值小于-0.1，指示為氧化環(huán)境[76]。研究區(qū)硅質(zhì)巖的Ceanom值趨近于0，大于-0.1，顯示為缺氧環(huán)境。

4 寄主灰?guī)r碳氧同位素特征

同位素地球化學(xué)特征能揭示古環(huán)境信息，是因?yàn)楣怒h(huán)境溫度是沉積物與海水之間同位素平衡的控制因素。硅質(zhì)巖這類穩(wěn)定、抗風(fēng)化的自生沉積巖被認(rèn)為能記錄比較多的古環(huán)境溫度信息。但是，根據(jù)沉積巖成巖過(guò)程的復(fù)雜性，以及隨著硅質(zhì)巖精細(xì)顯微結(jié)構(gòu)研究的深入和微區(qū)分析技術(shù)的發(fā)展，可以看出硅質(zhì)巖氧同位素組成的成因也是非常復(fù)雜的[77-81]。因此，寄主灰?guī)r的碳氧同位素組成在古環(huán)境研究中得到非常廣泛應(yīng)用[82-83]。

沉積物和海水之間的C、O等穩(wěn)定同位素地球化學(xué)在古環(huán)境中應(yīng)用主要是利用平衡與溫度的關(guān)系。峽東地區(qū)南津關(guān)組硅質(zhì)巖的寄主灰?guī)r碳氧同位素分析在臺(tái)灣大學(xué)海洋研究所MAT-253型同位素質(zhì)譜儀上用正磷酸法完成，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 寄主灰?guī)r碳氧同位素分析結(jié)果Tab.4 Analysis Results of Carbon and Oxygen Isotopes of Host Limestone

海相石灰?guī)r的δ13C值接近于0‰，多在-4‰～4‰。南津關(guān)組寄主灰?guī)r的δ13C值為-2.37‰～2.30‰(平均值為-0.006 4‰)，δ18O值為-9.04‰～-6.49‰(平均值為-7.61‰)，指示其為海相沉積地層。

前人以δ13C和δ18O之間是否具有正相關(guān)關(guān)系為依據(jù)判別巖石是否受到成巖作用的影響[84-86]。圖12顯示南津關(guān)組寄主灰?guī)r碳氧同位素相關(guān)關(guān)系。由圖12可知，兩者的分布較為離散，不存在明顯的線性關(guān)系。這說(shuō)明研究區(qū)巖石很少受到成巖作用的影響，基本保留了巖石原始形成時(shí)的信息，由同位素?cái)?shù)據(jù)所得出的地層信息是有效的。

圖12 寄主灰?guī)r碳氧同位素相關(guān)關(guān)系Fig.12 Relationship Between Carbon and Oxygen Isotopes of Host Limestone

灰?guī)r的鹽度(Z值)用于判別其沉積環(huán)境。若Z值大于120，則灰?guī)r為海相沉積；若Z值小于120，則指示其為淡水沉積[87]。研究區(qū)灰?guī)r樣品中除樣品16KL7-2、15HL24-01的Z值分別為118.27和119.00,略小于120.00外，其他樣品Z值均大于120.00，為120.80～127.77，平均值為123.50，說(shuō)明該地區(qū)灰?guī)r為海相沉積。

海相沉積的古溫度可依據(jù)灰?guī)r中的碳氧同位素含量進(jìn)行計(jì)算[88]。結(jié)果顯示,峽東地區(qū)奧陶系南津關(guān)組寄主灰?guī)r地層在沉積時(shí)的古環(huán)境溫度為4 ℃～21 ℃(圖13)，總體溫度處于較溫暖的環(huán)境，與其出現(xiàn)的大量生物所指示的溫暖環(huán)境相對(duì)應(yīng)。

樣品序號(hào)對(duì)應(yīng)表4中序號(hào)圖13 寄主灰?guī)r古環(huán)境溫度分布Fig.13 Paleoenvironmental Temperature Distribution of Host Limestone

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)湖北峽東地區(qū)奧陶系南津關(guān)組灰?guī)r中硅質(zhì)巖以結(jié)核或者條帶狀產(chǎn)出，主要由微粒石英或者玉髓組成。

(2)峽東地區(qū)奧陶系南津關(guān)組灰?guī)r中的硅質(zhì)巖主要為生物成因，元素地球化學(xué)特征指示其形成于溫暖的大陸邊緣環(huán)境。

(3)硅質(zhì)巖寄主灰?guī)r的δ13C值為-2.37‰～2.30‰，δ18O值為-9.04‰～-6.49‰，平均值為-7.61‰，估算的古環(huán)境溫度為4 °C～21 °C。

中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所韋剛健研究員及其團(tuán)隊(duì)參與了黃花場(chǎng)野外地質(zhì)工作，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所劉穎和涂湘林高級(jí)工程師在元素分析中給予了幫助，臺(tái)灣大學(xué)海洋研究所王佩玲教授在碳氧同位素分析中給予了大力協(xié)助，在此一并表示衷心感謝。