華南二疊系孤峰組硅質巖主元素多元統計分析

鄭秀才，凃智杰 （長江大學工程技術學院，湖北 荊州434020）

我國華南地區二疊系廣泛發育硅質巖。近年來，許多學者對硅質巖的成因進行了深入研究，如沙慶安等［1］的生物成因說、王汝建［2］的上升流成因說和夏邦棟等［3］的熱液成因說。下面，筆者收集整理了前人相關研究資料，對硅質巖的地球化學數據進行多元統計分析，研究變量之間或樣品之間的共生組合規律及相互關系，由此探討華南二疊系孤峰組硅質巖的形成的主控因素。

1 數據的收集與整理

有關華南二疊系孤峰組 （或相當層位）硅質巖的地球化學主元素數據來源于文獻 ［3－11］（見表1）。

表1 華南二疊系孤峰組硅質巖地球化學主元素數據表

（續表1）

2 相關性分析

相關性分析是通過樣本數據研究兩變量間線性相關程度的強弱。硅質巖主元素相關系數如表2所示。

表2 硅質巖主元素相關系數表

2.1 SiO2、CaO和燒失量 （LOI）之間的相關性

CaO和LOI之間呈顯著的正相關，兩者同步增減，表明燒失的主要成分為CO2，它們是海洋中形成碳酸鹽巖的主要成分；SiO2與CaO和LOI之間呈顯著的負相關，相關系數大于8。一些研究者把這種負相關解釋為沉積環境中陸源物質對碳酸鹽巖礦物沉淀抑制的結果，這一解釋的依據是硅質來源于陸源的風化產物［12－13］。如果硅質來源于陸源風化產物，那么SiO2應該與Al2O3、K2O和TiO2等這些來源于陸源物質的元素之間具有相關性。但表2顯示，SiO2與Al2O3、K2O和TiO2等沒有明顯的相關性。可見，SiO2與CaO和LOI的顯著負相關與陸源物質對碳酸鹽礦物沉淀的抑制作用無關，而是海洋多元體系中酸堿性的變化控制硅質巖和碳酸鹽巖沉積的結果［14］。

2.2 TiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3和MgO之間的相關性

TiO2和Al2O3的相關系數為9.12，兩者在硅質巖中相對穩定，很少受成巖作用和后期變質作用的影響，且含量主要由陸源物質輸入量決定［15］，表明它們來源于陸源物質；源于陸源物質的TiO2和K2O、Na2O、Fe2O3、MgO呈現正相關，但各相關系數明顯小于TiO2和Al2O3的相關系數，表明這些元素雖然與陸源物質有關，但是不完全依賴于陸源碎屑［10］。

2.3 MnO與P2O5之間的相關性

圖1 Q型聚類分析結果圖

MnO與P2O5之間呈正相關。MnO一般與深海熱液活動有關，其含量反映了沉積環境中的生物生產率。Marchig［16］認 為， 現 代 深 海沉積物中大部分P由生物骨骸殘余物產生，雖然P在堿性溶液中溶解度很低，但是在熱水沉積物中，P因熱水活動活化遷移而得到了富集。MnO與P2O5之間呈正相關正好印證上述特點。

3 聚類分析

聚類分析是把地球化學特征相近的元素進行歸類，從而揭示沉積環境和物質來源［8］。聚類分析包括Q型聚類分析和R型聚類分析2種方式。

3.1 Q型聚類分析

Q型聚類分析結果圖如圖1所示。由圖1可知，除樣品jc－12、pl－21和 L3－1外，其他所有不同地區的樣品大致聚成3大類：第1類樣品數量最多（36個），幾乎包含所有不同的研究地區；第2類樣品數量較少（15個），該類樣品主要來自湘桂盆地的來賓和隆回、黔桂盆地的南丹和巴馬、以及上揚子地區的石柱和宣漢；第3類樣品數量少 （10個），全部來自來賓地區。從樣品聚類的特點看，第2類樣品缺少下揚子地區樣品，第3類均來自同一地區，表明不同地區的硅質巖化學成分組成上存在有一定差異，但是第一類包含有所不同地區的樣品，說明不同地區硅質巖其化學成分也具有部分相同特征，這表明了華南二疊系孤峰組硅質巖形成的總體環境相似，但不同地區的具體條件有所差異。

3.2 R型聚類分析

不同的元素組合反映了不同的沉積地球化學特征以及影響它們形成的各種古構造、古氣候、古水文條件，而相似環境條件下沉積物的共生組合也相近［14］。對元素變量進行R型聚類分析，可將所有聚類元素變量分為3類 （見圖2），具體內容如下。

第1類為SiO2、CaO和LOI。CaO和LOI之間 “親緣”關系密切而先聚在一起 （距離系數僅為1），再和SiO2聚為一類，表明三者具有 “同源”性。

第2 類 為 TiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3和 MgO。該類組分中，TiO2和Al2O3關系最為接近，他們先聚為一類后 （距離系數為2），再和K2O聚為一類 （距離系數為6），最后三者和Na2O聚為一類 （距離為系數為12），這表明上述成分來源于陸源物質。現代大洋中脊熱水體系中，MgO是嚴重虧損的組分，東太平洋中脊350℃熱水中的MgO含量為零，可以把熱水體系中MgO含量的增高作為海水對體系污染或混合的指標［16］。熱水沉積硅質巖的MgO含量均較低，且有隨SiO2的升高而降低的趨勢。該研究區硅質巖中，MgO含量介于0%～3.27%，平均0.5%，其含量相對典型熱水成因硅質巖明顯較高，推斷區內硅質巖形成時，有正常海水的混入和參與。此外，Fe2O3含量反映了硅質巖受熱液活動影響程度的大小，其富集程度與現代大洋中脊熱水組分活動的強度相關［9］。Fe2O3和MgO聚為一類 （距離系數大于5）后與陸源物質 （TiO2、Al2O3、K2O、Na2O）聚為一大類 （距離系數為15），可見Fe2O3和MgO的分布受陸源物質搬運分異的制約。

第3類為P2O5和MnO。P2O5和MnO的距離系數在10左右，由于P2O5含量和生物產率有關，而MnO和海底熱水活動有關，兩者聚為一類，表明區內硅質巖的形成與深海生物活動和深海熱液活動相關。

圖2 R型聚類分析結果圖

4 R型因子分析

R型因子分析可以把復雜的原始變量轉化為少數幾個綜合因子，以便有效獲取硅質巖成因的地球化學信息。在R型因子分析時設置最小特征值為1，經方差極大正交旋轉提取公因子［8］，分析結果如表3所示。

（1）第一主因子（F1）特征變量包含Al2O3、TiO2、K2O、Na2O、MgO和Fe2O3，這些元素之間彼此呈正相關，表現為這些變量的公因子載荷均為正值。從元素地球化學屬性來看，這些元素一般在地表風化產物中富集，具有陸源產物的指示意義，因而屬于陸源因子。

（2）第二主因子 （F2）特征變量包含SiO2、CaO和LOI等，這些變量的公因子載荷絕對值大于0.9，其中CaO和LOI為正值，SiO2為負值。由于SiO2、CaO和LOI都來源于海洋沉積，因而屬于海洋因子。

（3）第三主因子（F3）特征變量為P2O5和MnO，上述變量的公因子載荷均為正值。在深海沉積物中，MnO一般歸因于海底熱水活動沉積物來源，P2O5一般歸因于生物沉積物來源，但海底熱水活動有利于P2O5的富集，因此該項因子具有指示熱水沉積來源的代表意義，屬于熱水因子。此外，從因子方差貢獻率看，區內硅質巖陸源因子（F1）方差貢獻率最大 （36.73%），熱水因子（F3）方差貢獻率最小（17.62%），但方差貢獻率的大小有差別并不十分懸殊，F1、F2、F3的比例大約為2∶1.5∶1。因此，通過R型因子分析可以揭示出該研究區內硅質巖屬于熱水參與的正常海洋沉積產物。

表3 R型因子分析結果表

5 結 論

（1）Q型聚類分析表明，研究區內硅質巖形成的總體背景環境相似，但不同地區之間有一定差異。

（2）R型聚類分析表明，相似環境條件下沉積物的共生組合是相近的，其中TiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3和MgO屬于一類，CaO、LOI和SiO2屬于一類，而P2O5和MnO屬于一類。

（3）R型因子分析表明，陸源因子和海洋因子與正常沉積作用相關，而熱水因子與熱水沉積作用相關。因此，以及區內硅質巖的形成是熱水參與下的海洋正常沉積的結果。

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