鄂西宣恩婁山關組頂部燧石結核成因及沉積環境

潘龍克, 羅 華, 劉 力, 張 旭, 金 朝

((湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

鄂西宣恩婁山關組頂部燧石結核成因及沉積環境

潘龍克, 羅 華, 劉 力, 張 旭, 金 朝

((湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

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

婁山關組;燧石結核;地球化學

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,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),并且可作為沉積環境判斷的依據之一。目前對于燧石的研究主要集中在燧石的成巖方式和硅質來源的討論。燧石的成巖方式主要有兩種觀點:①沉積成因[1],即硅質凝膠體或硅質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。而硅質來源則主要有以下三種主要來源:①生物來源[3],由硅質生物殼體堆積或溶解之后再沉淀形成燧石。②陸源物質[4],陸源物質如石英、長石、巖屑等礦物在淋濾、蝕變、溶解或轉化過程中產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育了豐富的硅質巖及硅質結核,前人[6]對鄂西地區奧陶系—二疊系硅質巖及硅質結核成因進行過詳細的研究,但對于晚寒武—早奧陶世婁山關組頂部硅質結核的研究還只停留在巖石學階段,其地球化學特征涉及較少。筆者在鄂西宣恩進行區域地質調查中,分別對宣恩縣張家沱和西坪兩地出露的婁山關組頂部硅質結核進行取樣分析,以求通過分析其地球化學特征來探討硅質結核成因及沉積環境。

1 采樣位置

調查區婁山關組可分為兩段:一段為淺灰色中厚層狀粉晶白云巖夾薄層狀粉晶白云巖、灰巖,發育藻紋層、板狀斜層理等沉積構造;二段為一套灰色中厚層狀—厚層塊狀粉細晶白云巖夾藻礫屑藻砂屑白云巖,頂部發育燧石結核白云巖,以淺灰色厚層狀白云巖的消失、深灰色中厚層生物屑灰巖的出露與上覆南津關組呈整合接觸。本次研究的婁山關組燧石結核采自于宣恩縣南部的西坪和張家沱地區出露的頂部灰白色厚層狀白云巖中,燧石結核(圖2)呈灰黑色,少數風化呈灰白色,多為結核狀、透鏡狀,偶見呈條帶狀延伸數十厘米,燧石結核厚約3～10 cm,與白云巖界線清楚,層內基本不見化石發育。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核狀燧石。

圖1 采樣位置地質簡圖和調查區構造位置簡圖(據毛新武等,2014年修改)Fig.1 Geological sketch map of sampling points and tectonic setting of survey area

2 地球化學特征

測試分析方法:對硅質結核樣品測試前先對樣品進行破碎處理,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目用于地球化學分析。主要元素由國土資源部武漢礦產資源監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譜儀分析完成。

張家沱和西坪硅質結核主量元素分析結果見表1。張家沱硅質結核(ZJ01、ZJ02、ZJ03)具有非常高的SiO2含量,為92.33%～95.96%;西坪硅質結核(XP01、XP02)樣品SiO2含量分別為62.12%、83.34%,較張家沱硅質含量低。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)定義的純硅質巖(純硅質巖SiO2為91%～99%,Si/Al為80～1 000)[8]相當。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巖中。Al/(Al+Fe+Mn)比值介于0.456～0.736之間,與純生物成因硅質巖的比值比較接近。王東安(1981)[10]曾對雅魯藏布江斷裂帶所產硅質巖作過分析統計,認為生物沉積硅質巖和火山成因硅質巖在SiO2—(K2O+Na2O)圖解上可以明顯地分為兩個區;韓發等(1989)[11]認為(K2O+Na2O)—Al2O3圖解同樣能夠區分生物成因與火山成因的硅質巖。對張家沱和西坪燧石結核分別作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巖范圍。Sugisaki & Kinoshita(1982)[12]認為與海底火山作用有密切相關的硅質巖,其K2O/Na2O值<1,而以正常生物化學作用為主的硅質巖該比值遠遠>1。張家沱和西坪燧石結核的K2O/Na2O值均介于5.6～36.2,可以確定燧石結核的成因以正常生物化學為主。

表1 硅質結核主量元素含量及特征值表(%)

圖3 燧石結核Al-Fe-Mn判別圖解Fig.3 Al-Fe-Mn discrimination of chert nodules

張家沱和西坪硅質結核微量元素分析結果見表2。前人對硅質巖微量元素特征研究較少,對比張家沱和西坪硅質結核沉積巖豐度[13]發現,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]總結了華南熱水沉積硅質巖地化特征,指出Ba、As、Sb、Sc元素富集是典型熱水成因標志。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 燧石結核的SiO2—(K2O+Na2O)圖解Fig.4 SiO2-(K2O+Na2O)diagram of chert nodules

圖5 燧石結核的(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特征研究后認為:U/Th>1.25反映厭氧環境,U/Th<0.75指示富氧環境,而比值介于兩者之間為貧氧環境。Wignall(1994)[16]則認為V/(V+Ni)比值>0.83即為缺氧環境。張家沱和西坪樣品的U/Th介于0.56～1.26,總體屬于貧氧環境。樣品的V/(V+Ni)介于0.55～0.66,均<0.83,也不屬于缺氧環境。

李獻華(2000)[17]研究表明洋中脊硅質巖V≈42×10-6,Ti/V≈7,大洋盆地硅質巖V≈38×10-6,Ti/V≈25,大陸邊緣硅質巖V≈20×10-6,Ti/V≈40。在Ti-V相關圖(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,Ti/V介于44.1～64.7,與大陸邊緣硅質巖相關值最為接近。

張家沱和西坪硅質結核的稀土元素含量測試結果見表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弱負異常(0.67～1.18)。前人的研究表明,稀土元素特征是研究硅質巖構造背景的有效指標。

表2 硅質結核微量元素含量及與沉積巖豐度對比表

圖6 燧石結核的Ti-V相關圖Fig.6 The relationship between Ti and V of chert nodules

Murray et al.(1990)[18]對細粒度海洋沉積中稀土元素數據研究發現:洋中脊及其兩翼硅質巖的δCe值最低,為0.18～0.38(平均為0.30);開闊洋盆硅質巖的δCe值中等,為0.50～0.76(平均0.60);大陸邊緣硅質巖的δCe值最高,為0.67～1.52(平均1.09)。張家沱燧石結核的δCe均值為0.91;西坪燧石結核的δCe均值為0.695,總體均值為0.82,與大陸邊緣環境最為接近。Murray(1994)[19]認為不同構造背景下的硅質巖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。調查區婁山關組燧石結核介于1.08～2.08,與大陸邊緣環境較為接近,在Murray(1994)提出的LaN/CeN—Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)圖解(圖7)中,婁山關組燧石結核基本落入大陸邊緣環境區及其附近,說明其形成于大陸邊緣環境。

表3 硅質結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,深海平原硅質巖的(La)N/(Yb)N介于兩者之間。張家沱和西坪硅質結核的(La)N/(Yb)N平均值為1.44,很好地指示了該區硅質結核沉積于大陸邊緣。

圖7 燧石結核的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—還原條件的標志,其值>-0.1時,反映水體呈缺氧環境,而<-0.1時反映水體呈氧化環境[21]。除了樣品ZJ03中的Ceanom值>-0.1外,其余樣品均<-0.1,指示了氧化環境。

Fleet(1983)[22]研究表明,在北美頁巖標準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核的北美頁巖標準化配分模式圖(圖8)顯示,調查區婁山關組燧石結核的稀土配分曲線基本為平坦型,或表現稍微的右傾,表明其熱水沉積特征不明顯。

圖8 燧石結核REE北美頁巖標準化配分模式圖Fig.8 NASC-normalized REE patterns for chert nodules

3 沉積環境分析

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

圖9 燧石結核的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)硅質巖和燧石結核的地球化學研究發現,龍馬溪組層狀硅質巖屬于正常海水中生物化學和化學沉積,孤峰組和大隆組層狀硅質巖、茅口組燧石結核不屬于典型的熱水沉積相,但受熱水作用影響,而孤峰組硅質巖受熱水作用明顯。本次研究的婁山關組硅質結核的形成環境與雷卞軍等(2002)的研究存在差異。中—晚寒武世是寒武紀生命大爆發和奧陶紀生物大輻射兩次重要生物演化事件間的過渡時期,該時期全球淺海沉積物具有其獨特性,包括碳酸鹽巖臺地廣泛發育,白云巖化作用強烈,后生動物貧乏而微生物礁在多個板塊廣泛分布;較深水區缺氧沉積發育等。該時期揚子地臺位于南半球中—低緯度干旱區,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—晚寒武世揚子地臺主體經歷了從頁巖盆地到淺潮下帶環境的演變,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部較高鹽度的環境(梅冥相等,2007)[25]。房亮等(2012)[26]研究發現中、晚寒武世是管狀巖發育的低谷期,并認為該時期為高溫氣候、高海平面以及貧氧和貧營養的特殊環境。中、晚寒武世淺水碳酸鹽巖臺地廣泛發育于許多古大陸,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,同時抑制了后生動物的繁盛,較高的水溫也導致氧氣在海水中的溶解度下降。

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

4 結論

綜合野外觀察和地球化學分析結果,鄂西宣恩婁山關組頂部燧石結核具有如下特征:

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

(2) 主量元素Al、Fe、Mn反映了燧石結核的非熱水成因,K2O、Na2O、Al2O3等表明其以生物或生物化學成因為主,微量元素V/(V+Ni)、U/Th反映了其沉積時的貧氧環境。

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

致謝:野外工作中得到了湖北省地質調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場指導,毛新武教授級高級工程師在成文中給予了建設性意見和悉心指導,在此一并表示感謝。

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(責任編輯：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

本文受中國地質調查局項目(編號:12120113062000)資助。

潘龍克(1962-),男,工程師,地質礦產勘查專業,從事區域地質調查工作。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

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1513.022.html 數字出版日期:2016-08-10 15:13