內蒙古阿拉善右旗雅干地區二疊系埋汗哈達組硅質巖成因及其沉積環境

史冀忠，盧進才，魏建設，牛亞卓，韓小鋒，張宇軒

中國地質調查局西安地質調查中心，西安 710054

0 引言

硅質巖的研究一直是國內外研究的熱點[1-5]。目前關于硅質巖的成因有生物成因、化學及生物化學成因、純化學成因、交代成因及機械成因等認識。因其具有重要的沉積環境、物源及成巖成礦等指示意義而受到學者的廣泛關注[6-12]。由于不同成因的硅質巖在成巖物質來源、成巖環境及成巖物理化學條件等方面的顯著差異，其巖石化學成分必然有所不同；另外，硅質巖硬度高、抗風化能力強，使其在形成之后受內外動力地質作用改造程度低，有利于保留形成時的古地理、古氣候和古環境信息。這些是利用巖石化學方法研究硅質巖成因及其沉積環境的物質及理論基礎[13-17]。

筆者在野外地質調查過程中發現二疊系的許多剖面中不同程度地發育有硅質巖，因此對雅干地區好比如、杭烏拉剖面進行了實測并采集了相關樣品。本文在硅質巖巖石學特征研究的基礎上，進行了主量元素和稀土元素分析，根據前人建立的硅質巖成因和沉積環境分析指標及圖解對其進行分析探討，這將有助于確定雅干地區早二疊世的古地理、古環境。

1 剖面描述及采樣位置

雅干地區位于內蒙古自治區西部，好比如剖面位于阿拉善右旗(圖1)，1∶20萬區域地質調查報告將該套地層劃歸為下石炭統，命名為“好比如組”，張宇軒等[18]根據火山巖鋯石U-Pb年齡及區域地層對比，將該套地層解體為震旦系、二疊系埋汗哈達組和阿其德組。埋汗哈達組為剖面的17—35層，下段為灰色、雜色礫巖，深灰色、棕黃色巖屑細砂巖；上段為深灰色硅質巖、硅化灰巖夾土黃色粉砂巖。針對硅質巖采集了5件薄片和5件地球化學樣品(圖2a)。

杭烏拉剖面位于阿拉善右旗(圖1)，為下二疊統埋汗哈達組，從巖性、巖相特征上可以分為3個巖性段[19-20]：下段為以泥巖為主的碎屑巖(56—79層)，主要為黑色--灰黑色泥巖、深灰色泥質粉砂巖、灰綠色細粒長石砂巖，及少量灰色礫巖等；中段碳酸鹽巖段(29—55層)，主要為灰色結晶灰巖、生屑灰巖夾硅質巖，內含豐富腕足、珊瑚化石[21]；上段碎屑巖段(1—28層)，主要為灰綠色泥質粉砂巖、中—細粒長石砂巖。針對硅質巖采集了5件薄片和7件地球化學樣品(圖2b)。

Q.第四系；K.白堊系；J.侏羅系；T.三疊系；P3h.上二疊統哈爾蘇海組；P2a.中二疊統阿其德組；P1-2m.下、中二疊統埋汗哈達組；C2—P1a.石炭系—二疊系阿木山組；D.泥盆系；S.志留系；O.奧陶系；∈.寒武系；ChG.古硐井群；JX.圓藻山群；γ.巖體。圖1 內蒙古阿拉善右旗雅干地區地質簡圖Fig.1 Sketch geological map of Yagan region in Alxa Right Banner, Inner Mongolia

2 硅質巖巖石學特征

硅質巖的巖石學特征是進行硅質巖地球化學研究的基礎。

2.1 好比如埋汗哈達組硅質巖巖石學特征

好比如二疊系埋汗哈達組硅質巖發生了輕度變質形成絹云母硅質板巖(圖3a)和絹云母石英千枚巖。

絹云母硅質板巖：為鱗片-細粒變晶結構，網脈狀、塊狀構造，主要由變晶石英、絹云母、變質石英細脈、硅化石英、蝕變方解石細脈、褐鐵礦、氧化鐵、炭質等組成(圖3b)。變晶石英(68%～84%)，他形壓扁拉長微細粒狀，長軸半平行排列，粒徑0.02 mm×0.05 mm～0.15 mm×0.30 mm； 絹云母(7%～17%)，顯微鱗片狀半平行分布； 變質石英細脈(5%～13%)，他形細粒組成細脈，平行千枚理分布，原生硅質經變質活化，順千枚理充填分布，進一步構造剪切作用形成石香腸(圖3c)； 硅化石英(2%～8%)，后期熱液成因，交切千枚理； 蝕變方解石細脈(1%～3%)，細脈狀交切千枚理； 褐鐵礦(1%)，他形—半自形細粒，呈黃鐵礦四方細粒假象分布于方解石石英細脈之中，粒徑0.05～0.30 mm；氧化鐵(0.5%～1.0%)，泥狀沿千枚理分布或沿裂隙充填；炭質(0.5%～2.0%)，粉塵狀沿千枚理分布。

絹云母石英千枚巖：為中細粒變晶結構，千枚狀、塊狀構造，主要由變晶石英、硅質板巖殘留、絹云母、炭質、鐵方解石、褐鐵礦等組成(圖3d)。變晶石英(85%)，微壓扁拉長中細粒變晶，粒徑0.05 mm×0.10 mm～0.20 mm×0.30 mm；硅質板巖殘留(9%)，他形壓扁拉長半定向排列，在變晶石英集合體中殘留，粒徑0.01 mm×0.02 mm～0.02 mm×0.05 mm；絹云母(4%)，細鱗片狀半平行分布，變形形成千枚理構造；炭質(0.5%)，粉塵狀沿千枚理分布；鐵方解石(1%)，他形—半自形粒狀裂隙分布；褐鐵礦(少)，他形粒狀散布。

2.2 杭烏拉埋汗哈達組硅質巖巖石學特征

杭烏拉埋汗哈達組硅質巖主要為含鈣質生屑硅質巖、粉砂生屑硅質巖和海綿骨針硅質巖，生屑-隱晶結構，塊狀構造，物質成分主要為生屑(40%～80%)、硅質物(20%～60%)，少量的石英和泥質物(圖3e、3f)。生屑以海綿骨針為主，橫切面為圓形或橢圓形，粒徑為0.02～0.40 mm，縱切面為針形，即海綿骨針，其大小為0.10～1.20 mm。膠結物主要為硅質，多為隱晶狀玉髓，其次為細小鱗片狀玉髓和細小粒狀石英。泥質已蝕變成細小的簾石類礦物。

1.礫巖；2.細礫巖；3.長石砂巖；4.石英砂巖；5.巖屑砂巖；6.鈣質長石砂巖；7.細砂巖；8.粉砂巖；9.泥質粉砂巖；10.粉砂質泥巖；11.泥巖；12.灰巖；13.砂質灰巖；14.泥質灰巖；15.結晶灰巖；16.生物灰巖；17.生屑灰巖；18.硅化灰巖；19.硅質巖。B.薄片樣；CH.化學樣。圖2 好比如(a)和杭烏拉(b)二疊系埋汗哈達組實測剖面綜合柱狀圖Fig.2 Composite column of Permian Maihanhada Formation in Haobiru(a) and Hangwula (b)

a.好比如埋汗哈達組絹云母硅質板巖野外照片；b.好比如埋汗哈達組絹云母硅質板巖，鱗片-細粒變晶結構，網脈狀、塊狀構造，主要由變晶石英和絹云母組成；c.好比如埋汗哈達組炭質絹云母板巖和絹云母硅質板巖互層，絹云母硅質板巖中石英細脈形成石香腸構造；d.好比如埋汗哈達組絹云母石英千枚巖，中細粒變晶結構，千枚狀、塊狀構造，主要由變晶石英和硅質板巖殘留組成；e.杭烏拉埋汗哈達組硅質巖中海綿骨針；f.杭烏拉埋汗哈達組粉砂生屑硅質巖中放射蟲。Q.石英；Se.絹云母；Ss.海綿骨針；Ra.放射蟲。圖3 雅干地區二疊系埋汗哈達組硅質巖野外及鏡下照片Fig.3 Field and microscope images of Permian Maihanhada Formation chert in Yagan region

3 硅質巖地球化學特征

硅質巖的地球化學特征可以幫助恢復其形成環境及各種背景，已成為古海洋分析的重要手段[2-5,22-26]。Murray[5]收集了世界各地早古生代至晚第三紀有代表性的硅質巖地球化學資料，總結了廣泛適用各種沉積環境的地球化學判別標志。為了探討研究區二疊系埋汗哈達組硅質巖的成因及沉積環境，進行了硅質巖主量元素和稀土元素分析，樣品由中國地質調查局西安地質調查中心實驗室分析測試。

3.1 主量元素

一般生物成因的硅質巖表現為高SiO2、P2O5、Fe2O3質量分數，而低A12O3、TiO2、FeO、MgO、K2O和Na2O質量分數；典型的海相火山沉積硅鐵建造以低K2O、P2O5質量分數，高TiO2質量分數為特征；海相熱水沉積硅質巖也以低P、高Ti為特征，而區別于高P、低Ti的生物成因硅質巖，熱水沉積的硅質巖還具有高Si、低A1的特點[11,27]。

硅質巖的主量元素分析結果見表1。好比如埋汗哈達組硅質巖的SiO2質量分數為89.83%～94.16%，平均值為92.01%，達到純硅質巖的標準(91.0%～99.8%)；杭烏拉埋汗哈達組硅質巖的SiO2質量分數為75.93%～90.14%，平均值為86.70%，低于純硅質巖的的標準(91.0%～99.8%)。好比如埋汗哈達組硅質巖的Al2O3質量分數為1.22%～2.58%，Si/Al為31.08～68.03；杭烏拉埋汗哈達組Al2O3質量分數為3.70%～9.58%，Si/Al為6.99～20.96；二者均低于純硅質巖Si/Al值(80～1 400)，表明其含有較高比例的陸源泥質沉積物。

3.2 稀土元素

稀土元素是恢復古海洋環境，判別氧化還原條件、熱水沉積或非熱水沉積的一種重要化學示蹤劑。一般來說，熱水沉積硅質巖具有ΣREE質量分數低，Ce虧損較明顯，而Eu虧損不明顯甚至出現Eu正異常，經北美頁巖標準化后的配分曲線呈平緩的左傾斜；而非熱水沉積硅質巖的稀土元素與頁巖相似，相對富集輕稀土，配分曲線呈平緩右傾斜[11,16,28]。硅質巖的稀土元素分析結果見表1。

4 硅質巖成因及沉積環境分析

4.1 硅質巖成因分析

4.1.1 Al、Fe、Mn的元素特征

A1、Fe、Mn作為沉積物源指示劑廣泛用于沉積環境研究中。Fe、Mn元素的富集主要與熱水的參與有關，而A1的富集則與陸源物質的介入有關。Adachi等[1]指出純生物成因的硅質巖Al/(A1+Fe+Mn)的值接近0.60，而純熱水成因的硅質巖Al/(A1+Fe+Mn)的值接近0.01，受熱水作用的影響其比值小于0.35。

從表1可以看出，好比如埋汗哈達組硅質巖Al/(Al+Fe+Mn)值為0.49～0.65，平均值為0.56，杭烏拉埋汗哈達組硅質巖Al/(Al+Fe+Mn)值為0.68～0.78，平均值為0.73，與純生物成因硅質巖的Al/(Al+Fe+Mn)值非常接近。此外，在Al-Fe-Mn三角圖(圖4)上，樣品落入生物成因硅質巖區，說明研究區的硅質巖為典型的生物成因硅質巖。

圖4 硅質巖Al、Fe、Mn三角圖Fig.4 Al-Fe-Mn diagram for the chert

4.1.2 稀土元素成因類型指示意義

硅質巖的Ce異常也可以用來指示硅質巖的成因。Murray等[3]指出：熱水成因硅質巖Ce呈負異常，δCe平均值為0.29；正常海水生物沉積硅質巖Ce呈正異常，δCe平均值為1.2。

從表1可以看出，好比如埋汗哈達組硅質巖的δCe值為0.87～0.92，平均值為0.89，杭烏拉埋汗哈達組硅質巖的δCe值為0.89～0.94，平均值為0.90。硅質巖的稀土元素用北美頁巖(NASC)標準化后的配分模式見圖5，其表現出Ce具有輕微的負異常，指示研究區硅質巖為海水生物沉積的硅質巖。

4.2 硅質巖沉積環境分析與討論

4.2.1 主量元素比值及圖解

Sugisaki等[29]指出，硅質巖的錳含量可作為衡量來自大洋深部的標志元素。MnO/TiO2值可用來判斷硅質沉積物離大洋盆地的遠近，離大陸較近的大陸坡和邊緣海沉積物的MnO/TiO2值小于0.5，開闊大洋底硅質巖沉積物的值較高，可達0.5～3.5。從表1可以看出，好比如埋汗哈達組硅質巖的MnO/TiO2值為0.17～0.88，平均值為0.41，杭烏拉埋汗哈達組硅質巖的MnO/TiO2值為0.04～0.40，平均值為0.16，反映研究區的硅質巖形成于離大陸較近的大陸坡和邊緣海。

圖5 好比如(a)和杭烏拉(b)二疊系埋汗哈達組硅質巖稀土元素北美頁巖標準化配分模式圖Fig.5 NASC-normalized REE patterns of Permian Maihanhada Formation chert in Haobiru(a) and Hangwula (b)

Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)是判別硅質巖形成環境，特別是區分洋中脊和大陸邊緣成因的良好指標[3,30]，一般認為洋中脊硅質巖<0.4，大洋盆地硅質巖為0.4～0.7，大陸邊緣硅質巖為0.5～0.9。從表1可以看出，好比如埋汗哈達組硅質巖Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值為0.59～0.78，平均值為0.71，杭烏拉埋汗哈達組硅質巖Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值為0.78～0.86，平均值為0.83，與大陸邊緣硅質巖相當。

Murray[4]利用已知沉積環境的硅質巖化學成分比值作圖，圈定了大陸邊緣、大洋盆地和洋中脊硅質巖投影區。在100(Fe2O3/SiO2)-100(Al2O3/SiO2)(圖6a)、Fe2O3/(100-SiO2)-Al2O3/(100- SiO2)(圖6b)、Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+ Fe2O3)(圖6c)圖解中，樣品落在大陸邊緣型硅質巖區域內。

圖6 硅質巖主量元素圖解Fig.6 Major element discrimination diagram of chert

4.2.2 稀土元素沉積環境指示意義

研究表明，洋中脊、大洋盆地至大陸邊緣等不同構造環境中的硅質巖，其δCe*值從負異常至負異常不明顯甚至為正異常[3,30]。洋中脊附近硅質巖的δCe*值為0.30±0.13，大洋盆地硅質巖的δCe*值為0.60±0.13，大陸邊緣硅質巖的δCe*值為1.09±0.25。從表1中可以看出，好比如埋汗哈達組硅質巖的δCe*值為0.87～0.92，平均值為0.89，杭烏拉埋汗哈達組硅質巖的δCe*值為0.89～0.94，平均值為0.90，都屬于大陸邊緣型硅質巖的范疇。

(La/Ce)N同樣可以用來反映沉積環境，大陸邊緣硅質巖(La/Ce)N值為0.5～1.5，洋脊硅質巖(La/Ce)N值為3.5，大洋硅質巖(La/Ce)N值為1.0～2.5[3,30]。從表1中可以看出，好比如埋汗哈達組硅質巖(La/Ce)N值為1.07～1.25，平均值為1.16，杭烏拉埋汗哈達組硅質巖(La/Ce)N值為1.02～1.15，平均值為1.10，另外在(La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+ Fe2O3)圖解上，樣品落在大陸邊緣型硅質巖區域內(圖7)，指示研究區硅質巖沉積于大陸邊緣。

圖7 (La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)相關圖Fig.7 Diagram of (La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)

4.2.3 稀土元素古海水氧化-還原條件

Wright等[31]把稀土元素中的Ce與鄰近的La和Nd元素相關的變化稱為鈰異常(Ceanom)。其公式為：Ceanom=log[3CeN/(2LaN+NdN)]。式中下角N為一個給出樣品經北美頁巖或球粒隕石標準化的值。Ceanom值已被作為判斷古海水氧化-還原條件的標志，其值大于-0.1時為Ce的富集，反映水體呈缺氧環境；而小于-0.1時為Ce的負異常，反映水體呈氧化環境。

從表1可以看出，好比如埋汗哈達組硅質巖Ceanom值為-0.059～-0.026，平均值為-0.043，杭烏拉埋汗哈達組硅質巖Ceanom值為-0.041～-0.001，平均值為-0.029，說明研究區硅質巖形成于缺氧的水體環境中。

4.3 沉積環境討論

比較雅干地區二疊系埋汗哈達組硅質巖與典型硅質巖的稀土元素參數[4,32-35](表2)可以看出，研究區硅質巖的稀土元素參數與大陸邊緣盆地內產出的硅質巖類似，如現代南極大陸周緣硅質巖、古生代大陸邊緣裂谷盆地硅質巖。

研究區二疊系埋汗哈達組出露于埋汗哈達、好比如、杭烏拉和恩格爾烏蘇北等地區(圖1)。埋汗哈達該組厚610.1 m，底部為灰綠色礫巖、粉細砂巖，向上為深灰色粉砂質泥巖、泥巖、粉砂巖夾薄層灰巖、長石砂巖、長石雜砂巖。好比如該組厚639.7 m，未見底，下部為灰色、雜色礫巖，深灰色、棕黃色巖屑細砂巖，上部為深灰色硅質巖、硅化灰巖夾土黃色粉砂巖。杭烏拉該組厚760.4 m，未見底，下部灰色、灰黑色泥巖和泥質粉砂巖夾灰綠色礫巖、長石砂巖，中部灰色、深灰色中薄層生屑灰巖、結晶灰巖、砂質灰巖夾硅質巖，上部灰綠色、灰色長石砂巖和泥巖及泥質粉砂巖。恩格爾烏蘇北該組厚1 085.1 m，未見頂底，底部為灰黃色、淺灰色中厚層礫巖、細礫巖、含礫砂巖和長石砂巖，下部為黃灰色、淺灰色長石砂巖、巖屑砂巖、長石雜砂巖、凝灰質粉砂巖夾礫巖，上部為灰黃色、灰綠色粉砂巖、凝灰質粉砂巖、長石巖屑雜砂巖、石英砂巖夾凝灰巖(圖8)。

前人對研究區二疊系埋汗哈達組沉積環境進行研究表明，埋汗哈達和杭烏拉埋汗哈達組形成于半咸水的濱海—淺海的還原環境[19-20]，恩格爾烏蘇北埋汗哈達組發育有碗足類動物群，屬冷水和暖水混生的“哲斯動物群”，以三角洲—濱海相沉積為主[36]。結合本文對好比如和杭烏拉硅質巖成因及沉積環境的研究，認為研究區早二疊世為大陸邊緣濱海—淺海相沉積環境。

圖8 雅干地區二疊系埋汗哈達組地層對比圖Fig.8 Stratigraphic comparison of Permian Maihanhada Formation in Yagan region

表2 雅干地區二疊系埋汗哈達組硅質巖的稀土元素參數與典型案例比較

5 結論

1)好比如二疊系埋汗哈達組硅質巖發生了輕度變質形成絹云母硅質板巖、絹云母石英千枚巖，硅質巖的SiO2質量分數為89.83%～94.16%，平均值為92.01%，達到純硅質巖的標準；杭烏拉二疊系埋汗哈達組硅質巖主要為含鈣質生屑硅質巖、粉砂生屑硅質巖和海綿骨針硅質巖，硅質巖的SiO2質量分數為75.93%～90.14%，平均值為86.70%，低于純硅質巖的標準。好比如埋汗哈達組Si/Al為31.08～68.03，杭烏拉埋汗哈達組Si/Al為6.99～20.96，均低于純硅質巖的標準，表明其含有較高比例的陸源泥質沉積物。

2)研究區硅質巖為海水生物沉積成因，沉積于大陸邊緣缺氧的水體環境中。綜合分析認為研究區早二疊世為大陸邊緣濱海—淺海相沉積環境。

致謝：成文過程中，得到中國地質調查局西安地質調查中心陳高潮教授級高級工程師，韓偉、宋博、許偉工程師等的支持和幫助，審稿專家對文章提出了寶貴的意見，在此一并表示衷心感謝！