黑龍江省東部晚三疊世—中侏羅世硅質巖地球化學特征及形成環境

孫 雷，曾 振，崔維龍，王曉杰，趙青年，郝振群，李 寒，張宏澤，周 江

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽110034；2.航天建筑設計研究院有限公司，北京100162；3.吉林大學 地球科學學院，吉林 長春130061；4.中國科學院 地質與地球物理研究所，北京100029

0引言

中國東北地區及其鄰區大地構造位置上屬于中亞造山帶的東段，由多個微陸塊拼貼而成［1-4］，自西向東依次為額爾古納－興安地塊、松遼地塊、佳木斯－興凱地塊及那丹哈達地體（或增生雜巖帶）（圖1）.古生代期間，該區域經歷了古亞洲洋構造體系的演化［5-6］，并在晚二疊世—早三疊世古亞洲洋最終閉合，多個微陸塊完成碰撞拼合.中國學者對這一更大的拼合板塊有“黑龍江板塊”［7-8］及“佳蒙地塊”［9］等稱謂，俄羅斯學者多稱之為“阿穆爾微大陸或超地體”［10］，表現以側向增生為特征的陸殼增生方式［6，11-13］.因此，該區域構造形式十分復雜，表現為一個復合式構造區域，并在東北地區最東側大陸邊緣形成了一條近南北向展布的俯沖雜巖增生帶［14-17］.研究區位于東北地區東緣那丹哈達增生雜巖帶上，南以密山－伊曼斷裂為界與主體位于俄羅斯境內的興凱地塊相鄰，西以躍進山斷裂［18］或同江－密山斷裂［19］為界與佳木斯地塊毗鄰，東隔烏蘇里江與俄羅斯境內巨大的錫霍特－阿林增生雜巖帶相連，為典型古太平洋板塊俯沖－增生的產物［20-21］，是研究古太平洋板塊向歐亞大陸之下俯沖演化過程的天然實驗室.

黑龍江東部那丹哈達增生雜巖中發育大量硅質巖，張慶龍等最早對其進行了報道，并對那丹哈達增生雜巖中放射蟲化石與日本美津濃地體中放射蟲化石進行詳細對比［18，22］；俄羅斯學者G.I.Buryi以該地區硅質巖中的牙形刺為研究對象，確定硅質巖的地質時代［23］；李朋武等對那丹哈達與日本美津濃地區的同時代硅質巖進行詳細的古地磁對比［24］；馬金萍等曾對黑龍江東部晚三疊世—早侏羅世放射蟲硅質巖的特征及油氣遠景進行論述，但相對缺少對黑龍江省東部硅質巖的地球化學研究［25］.基于此，作者在前人研究基礎上，對黑龍江省東部石場、勤得利和勝利農場地區進行系統采樣（圖1b），野外地質調查與室內綜合研究相結合，通過系統對比和總結研究區硅質巖的主量、稀土元素特征，對其成因和形成環境進行探討，以期為該地區中生代時期的構造動力學背景研究提供依據.

圖1 研究區大地構造位置及區域地質簡圖（據文獻［3，8］）Fig.1 Geotectonic location and regional geological sketch map of the study area（From References［3，8］）

1 地質背景與巖石特征

那丹哈達增生雜巖位于黑龍江省東部，主要由一套具有洋殼組合特點的晚三疊世—中侏羅世超鎂鐵質巖、鎂鐵質堆晶巖、枕狀玄武巖、硅質巖及泥質硅質巖組成，其中含有晚古生代灰巖巖塊.這套雜巖作為俄羅斯境內巨大的錫霍特－阿林中生代增生雜巖帶的一部分，總體上呈近南北走向，向西突出的弧狀展布.生物地層學及古地磁學研究普遍認為，該雜巖是一個在中—晚侏羅世初由低緯度快速遷移到佳木斯地塊東緣的外來地體［18，20，22，26-29］.本區出露地層以中生界和新生界為主：主要發育中—上三疊統十八坰地組（T2－3s），上三疊統大壩北山組（T3d）、大佳河組（T3dj），上三疊統—下侏羅統大嶺橋組（T3－J1d）和下侏羅統永福橋組（J1y）.它們之間均為整合接觸，其中大佳河組地層主要為大面積硅質巖，局部夾泥巖或粉砂巖、透鏡狀灰巖，含豐富的牙形刺及放射蟲化石，厚度大于1 060 m.區內構造活動、巖漿活動及變質變形樣式都十分復雜，具有復雜的發展演化歷史.

石場地區硅質巖（46°51′20″N，133°20′13″E）呈黃白色，中薄層—層狀構造，層厚6～15 cm，夾薄層泥巖，部分硅質巖中含有少量放射蟲，發育典型尖棱褶皺，褶皺軸面近直立，部分地區褶皺軸面近水平，樞紐呈近南北向（圖2a、b、c）.勤得利地區硅質巖（47°59′54″N，133°11′2″E）呈灰黑色，中薄層—層狀構造，層厚5～12 cm，水平層理明顯發育，夾薄層泥巖（圖2d）.勝利農場地區存在兩種顏色的硅質巖（47°29′54″N，133°53′39″E），其一為灰白色，其二為紫紅色，硅質巖中未發現放射蟲，兩種硅質巖均為中薄層—層狀構造，層厚6～12 cm，水平層理明顯發育，夾薄層泥巖（圖2e、f）.

圖2 黑龍江省東部硅質巖野外及顯微照片Fig.2 Field and microscopic photographs of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province

2 樣品采集與分析方法

在黑龍江省東部地區采集了16件樣品，樣品的主量、微量和稀土元素測試均由澳實分析檢測（廣州）有限公司完成.主量元素由荷蘭PANalytical生產的Axios儀器利用熔片X射線熒光光譜法（XRF）測定，并采用等離子光譜和化學法測定進行互相檢測.微量元素和稀土元素采用美國Perkin Elmer公司生產的Elan 9000型電感耦合等離子質譜儀（ICP－MS）測定.主量元素分析精度優于5%，微量和稀土元素分析精度優于10%.

3 分析結果

黑龍江省東部三個地區的16件硅質巖樣品的主量、微量和稀土元素測試結果見表1.

表1 黑龍江省東部硅質巖樣品地球化學分析結果Table 1 Contents of major，trace and rare earth elements in the siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province

3.1 主量元素

硅質巖是指由化學作用、生物和生物化學作用以及某些火山作用所形成的富含SiO2（一般超過70%）的巖石［30］.石場地區黃白色硅質巖、勤得利地區灰黑色硅質巖、勝利農場灰白色硅質巖和紫紅色硅質巖的主量元素特征為SiO2含量最高，分別為94.39%～95.95%、95.42%～96.76%和94.76%～96.48%、94.82%～95.77%，平均為95.11%、95.53%、95.62%和95.16%；Al2O3含 量 平 均 為1.71%、1.74%、1.98%和1.83%；TFe2O3平均為1.13%、0.78%、0.62%和0.94%；Na2O平均 為0.04%、0.14%、0.02%和0.01%；TiO2平 均 為0.06%、0.07%、0.09%和0.08%.石場地區、勤得利地區以及勝利農場地區的硅質巖普遍具有較高的SiO2含量，屬于純硅質巖范圍（SiO2為91.00%～99.80%）［31］.

3.2 稀土元素

由黑龍江省東部那丹哈達增生雜巖中硅質巖的北美頁巖標準化稀土元素配分曲線（圖3）所示，勤得利、石場以及勝利農場的硅質巖呈近于平坦型的分配曲線.

圖3 黑龍江省東部硅質巖北美頁巖標準化稀土元素配分模式圖（北美頁巖標準化值據文獻［32］）Fig.3 NASC-normalized partition REE patterns of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province（NASC－normalized value from Reference［32］）

石場地區黃白色硅質巖、勤得利地區灰黑色硅質巖、勝利農場灰白色硅質巖和紫紅色硅質巖的∑REE含 量 平 均 為24.06×10－6、35.55×10－6、43.34×10－6和40.94×10－6；∑LREE含量平均為21.47×10－6、32.00×10－6、35.58×10－6和34.06×10－6；∑HREE含量平均為2.59×10－6、3.56×10－6、7.76×10－6和6.88×10－6；∑LREE/∑HREE的比 值 分 別 介 于7.22～9.36、6.99～12.75、4.24～5.34和4.11～5.61，均富集輕稀土.

石場和勤得利地區具有Ce正異常，石場地區、勤得利地區硅質巖的δCe分別為0.96～1.08、1.03～1.71，平均為1.04、1.45，勤得利地區硅質巖的δCe值明顯高于石場地區；而勝利農場灰白色、紫紅色兩種硅質巖具有明顯的Ce負異常，δCe為0.60～0.65，平均為0.63.石場、勤得利和勝利農場三個地區硅質巖的δEu值沒有明顯的差別，δEu平均為0.95、0.97和0.94.

4 硅質巖地球化學特征及形成環境

硅質巖的Fe2O3與洋脊擴張中心的熱液有關，主要賦存于洋中脊附近的富含金屬礦物的沉積物中，Al2O3和TiO2與大陸和島弧物質輸入相關，MnO可以作為來自大洋深部的標志［33-35］，硅質巖中的Al、Fe、Ti等元素在其成巖過程中能夠保持穩定.因此，以上元素可以有效地示蹤硅質巖的沉積環境和硅的來源［31，35-36］.

石場地區黃白色硅質巖的TFe2O3/TiO2比值較高，為11.29～27.00，平均為20.02；勝利農場灰白色硅質巖的TFe2O3/TiO2比值較低，為4.40～9.33，平均為6.98；勤得利地區灰黑色硅質巖和勝利農場紫紅色硅質巖的TFe2O3/TiO2比值介于二者之間，分別為9.00～13.38和11.63～13.43，平均為11.59和12.58.三個地區四組硅質巖的Al2O3/（Al2O3＋TFe2O3）比值差異不大，介于0.52～0.83之間，平均為0.68.勝利農場灰白色硅質巖的（La/Ce）N值為1.61～2.03，平均為1.76；紫紅色硅質巖的（La/Ce）N值為1.70～1.79，平均為1.74.二者的（La/Ce）N值均明顯高于石場（1.11～1.18，平均1.13）和勤得利地區硅質巖（0.68～1.05，平均0.84）.

利用Al－Fe－Mn三角圖解進行判別［37-38］，通常所有熱液成因硅質巖比值均落于富Fe端，非熱液成因硅質巖比值均落于富Al端.本文硅質巖樣品均落入生物成因區域之上靠近Al端元一側（圖4）.K2O/Na2O值的大小是判斷硅質巖是否受海底熱液作用影響的指示標志，四組硅質巖僅有一個樣品的K2O/Na2O值為0.96，其余樣品K2O/Na2O值為4.67～64，明顯不同于海底熱液作用所形成的硅質巖（K2O/Na2O＜1）［39］.因此，該地區硅質巖未遭受海底熱液作用，而是直接受生物作用和陸源影響成因的硅質巖，這與樣品中含有一定數量的放射蟲化石的現象一致.

圖4 黑龍江省東部地區硅質巖Al－Fe－Mn判別圖解（據文獻［37－38］）Fig.4 The Al-Fe-Mn discrimination diagram of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province（After References［37－38］）

元素Th和U在沉積物中的含量取決于沉積環境的氧化環境，其中Th不受水體氧化還原條件影響，常以不溶的Th4＋形式存在，而U在強還原條件下以不溶的U4＋形式存在，導致沉積物中U富集.石場地區硅質巖U/Th值為0.43～0.58，平均為0.52；勝利農場地區灰白色硅質巖U/Th值為0.44～0.64，平均為0.50；勝利農場地區紫紅色硅質巖U/Th值為0.16～0.19，平均為0.17.三者的U/Th值小于0.75，反映石場和勝利農場硅質巖形成于富氧環境.而勤得利地區硅質巖的U/Th值大于1.25，為1.42～2.63，平均為2.10，反映勤得利硅質巖形成于厭氧環境［40］.

硅質巖中Mn元素常常被認為是來自大洋深部的標志元素，Sugisaki等［41］曾指出，MnO/TiO2比值可以作為判斷硅質巖沉積物距離大洋盆地遠近的指示標志，開闊大洋環境形成的硅質巖的MnO/TiO2介于0.5～3.5之間，距大陸較近的大陸坡及邊緣海沉積的硅質巖的MnO/TiO2小于0.5.石場、勤得利和勝利農場地區的硅質巖MnO/TiO2分別為0.14～0.40、0.13～0.25和0.11～0.13，表明研究區硅質巖形成于距大陸較近的大陸坡和邊緣海沉積環境.

研究認為，大陸邊緣（La/Yb）N平均值為1.1～1.4，洋中脊附近（La/Yb）N平均值為0.3左右，深海平原硅質巖（La/Yb）N介于二者之間［42］.石場、勤得利和勝利農場地區硅質巖的（La/Yb）N分別為1.23～1.59、0.85～1.40和0.89～1.15（表1），說明黑龍江省東部三個地區的硅質巖形成于大陸邊緣環境.

在環境判別圖（圖5）中，大部分硅質樣品落入“大陸邊緣”和“遠洋盆地”或附近區域內.綜上所述，黑龍江東部那丹哈達增生雜巖中四組硅質巖可能形成于大陸坡及邊緣海環境.

圖5 黑龍江省東部硅質巖形成境判別圖（據文獻［35，43］）Fig.5 The discrimination diagram for formation environment of siliceous rocks in eastern Heilongjiang Province（After References［35，43］）

5 結論

（1）黑龍江省東部石場地區黃白色硅質巖、勤得利地區灰黑色硅質巖、勝利農場灰白色硅質巖和紫紅色硅質巖的主量元素中SiO2含量最高，分別為94.39%～95.95%、95.42%～96.76%、94.76%～96.48%和94.82%～95.77%，其次為Al2O3、Fe2O3、K2O，均普遍具有較高的SiO2，屬于純硅質巖；稀土元素分配曲線基本一致，呈近于平坦型的分配曲線，富集輕稀土.

（2）通過主量與微量元素地球化學特征分析，黑龍江省東部石場、勤得利和勝利農場地區的硅質巖形成于大陸坡及邊緣海環境.