巢湖地区栖霞组硅质岩成因分析
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摘 要：为了解巢湖地区栖霞组硅质岩形成环境，采集了该区硅质岩进行岩石学及地球化学分析，结果表明：巢湖地区栖霞组硅质岩形态多为椭球状和串珠状，其长轴多顺层产出，硅质岩中SiO2、Fe2O3和MnO含量较高，Al2O3和TiO2含量较低，Al/（Al+Fe+Mn）、Fe/Ti比值、Al-Fe-Mn判别图表明硅质结核为热水沉积的产物；结合前人成果，栖霞组燧石结核中二氧化硅应源自大洋盆地的热水溶液，在与正常海水发生对流混合作用后得到了生物作用的吸收，进而被上升流搬运至浅海区发生沉积成岩过程。
现如今，随着硅质燧石结核受到国内外的关注，其来源问题逐渐成为一个令人热议的话题（Adachi et al.， 1986； Murchey et al， 1992）。寒武纪硅质岩被认为是由于海底热液成因，而显生宙硅质岩则被普遍认为是固态可溶生物硅的积累和可溶性生物硅的沉淀。这些研究为沉积盆地演化提供了新的资料来源，为沉积盆地的建立提供了新的可能。二叠世硅质岩广泛发育于中国南方，其沉积环境与物质来源也存在着一些异议。文章以巢湖地区平顶山向斜西翼采石场实测剖面的下二叠统栖霞组为例探究该区域硅质岩的物质来源、成因机制及沉积环境。对于该区硅质岩的相关研究甚少。主要有以下几种陆源碎屑的补给（杨瑞等，2014）、上升流携带（吕炳权等，2004）或与火山作用有关（杨水源等，2008）。但是考虑到以上模式的过于单一，文章通过主微量元素不同模式分析并结合沉积学地质学原理力求从多角度多方面探求其物质来源和成因模式，从而更客观地还原该区的沉积演化历史。
1 区域及剖面概况
安徽巢北地区位于晚中生代华北高原的东部、郯庐断裂东侧、苏鲁高压-超高压造山带南侧的扬子地块下扬子前陆褶断带北缘，其演化受这个大地构造背景制约，形成了“两向一背”叠加棋盘格式断裂的特征构造样式。
根据巢北地区平顶山实测剖面。栖霞组自下而上可分为两段，厚约171.3m。下段厚约61.60m。可分为两部分。
下部为碎屑岩夹劣质煤，平顶山剖面碎屑岩风化为土黄色，该部分岩性变化较大，在 嶂一带为深灰色、灰黄色钙质透镜体泥岩，厚0.25m，向西到东风石矿为灰黑色页岩及黑色劣质煤层，厚0.75m，与下伏船山组呈凹凸不平之假整合面。上部为深灰、灰黑色薄至中层含沥青质臭灰岩及含生物碎屑泥灰岩，厚60.6m。上段按岩性特征可分为四部分，总厚109.7m。下部含燧石结核或团块灰岩，黑、灰黑色灰岩，夹黑色薄燧石层及生物碎屑粉砂质泥岩，厚8.7m。中部：深灰、灰黑中薄到中层含燧结核灰岩，夹黑色薄层含沥青质泥类岩，厚78.1m。上部为黑色中-薄层硅质岩、深灰色含燧结核白云质灰岩及薄板状硅质灰岩互层，厚7.7m。顶部为灰、深灰色含燧石结核灰岩、白云岩质灰岩，厚14.9m。反映了沉积环境由早期的滨海沼泽逐渐演变为稳定的浅海碳酸盐台地，局部间夹缺氧的滞留环境。
2 样品及分析方法
文章的研究样品采自安徽巢北地区平顶山向斜西翼采石场实测剖面栖霞组中段含燧石结核及燧石条带灰岩。包括3个围岩（WY-1、WY-2、WY-3），4个燧石结核（JH-1、JH-2、JH-3、JH-4），全岩样品首先采用切割机除去表面附着物，手工挑纯（避免岩脉发育部分），随后将其粉碎至1cm2左右的小块，并用超纯水进行3次振荡清洗。然后用无污染鄂式破碎机及玛瑙研钵破碎至200目以下，送至实验室进行主量元素分析。全岩主量元素在武汉上谱分析科技有限责任公司测试完成，测试利用X荧光光谱仪测试完成，具体流程见GB/T14506.30-2010。
3 结果及讨论
3.1 岩石学特征
栖霞组灰岩中的燧石以结核状和条带状为主，分布广泛，是华南地区二叠系主要的识别标志之一（刘新宇等，2007），野外观察研究区燧石结核外侧往往发育肉红色或灰黄色过渡带（图2C），也有部分燧石结核的过渡带不明显或与灰岩直接接触。含燧石结核围岩呈浅灰色或灰色，中层-厚层状，常发育平行层面微细沉积纹层，纹层多围绕燧石发育，延伸方向与燧石结核长轴方向基本一致（图2A），显示出压实作用的特征。栖霞组灰岩与燧石结核的接触部位发育一个过渡带，其厚度并不均一，为0-0.4cm，部分燧石结核甚至不发育过渡带与灰岩直接接触。剖面上燧石结核主要集中在栖霞组中段的局部层位，多呈棕色、深棕色、黑色分布于灰色、灰白色中厚层灰岩中，具有圆球状、椭球状、豆芽状、串珠状、条带状等不规则形态（图2B）。椭球状燧石长轴10-15cm，短轴5-10cm，条带状燧石宽10-20cm，其长轴多与层面平行，并可沿层面延伸数米（图2D，E）。
3.2 地球化学特征
硅质岩是一类特殊的岩石，由化学作用、生物和生物化学作用及某些火山作用、热水作用所形成的富含SiO2（>70%）的岩石，也包括在盆地内经机械破碎再沉积者，都可以称为硅质岩 （曾允孚，1986）。由于形成于特定的地球化学条件下，其成岩过程和沉积环境十分复杂，而且其化学成分容易受到多方面物源供给的影响，这给硅质岩的地球化学判断带来了许多问题和误区。
研究区样品的常量元素分析结果见表1，由表1可知，本区燧石的化学成分以SiO2为主，含量在85.27%～96.96%，平均在91.76%，其他化学成分较低。其中，FeO、Fe2O3、MnO、CaO的含量相对较高，Al2O3和TiO2等的含量相对较低，具有富Fe和Mn，贫Al和Ti的特征。关于常量元素对于沉积环境和物源信息的指示作用，比较有代表性的如：Fe、Mn的富集指示与热水的参与有关，Al、Ti的相对富集则与陆源物质的混入有关，在细粒陆源沉积物中两者正相关，作为正常沉积作用的标志（Murray， 1994）。燧石主量元素MnO/TiO2值、Fe/Ti值和（Fe+Mn）/Ti值相对较高，分别为1.88、22.2和24.62； Na2O/K2O值和Al/（Al+Fe+Mn）值相对较低，且变化范围较大，分别在0.45～0.94和0.21～0.35之间，平均值分别为0.63和0.27；P2O5、Na2O、K2O的质量分数均小于0.1%。燧石中的SiO2含量明显高于围岩（石灰岩）中的含量，是其平均含量的6.24倍。
3.3 硅质岩来源分析
硅质岩中MnO/TiO2比值可以作为环境分析的定性标志。一些研究结果表明，离大陆较近的边缘海等沉积环境中沉积的硅质岩，其MnO/TiO2比值偏低，一般小于0.5，而远离大陆的大洋环境中的硅质沉积物的MnO/TiO2比值却较高，可达0.5～3.5（Adachi et al.，1986）。分析结果显示研究区燧石结核的MnO/TiO2在1.37 ～ 2.47之间，平均值为1.88。这一地球化学标志指示该燧石结核应沉积在离洋中脊不远的、具有深渊物质/热水注入的远洋盆地背景中。但这一认识与系统的稀土元素所指示的其沉积在大陆边缘的浅海环境中的结论相去甚远。结合区域地质和前人研究的综合分析认为，该套燧石结核的形成可能与上升流的影响有关。上升流将形成于大洋盆地背景中的物质带到靠近大陆边缘的浅海环境中发生沉积，造成了沉积在陆棚浅海环境中的燧石结核，在地球化学组成上保留了其大洋盆地背景的特征。
硅质岩Fe，Mn，Al等常量元素的含量对于区分热水沉积与非热水沉积硅质岩具有重要意义。其中Fe，Mn的富集主要与热水的参与有关，而Al的相对集中多与陆源物质的介入相关，且Al/（Al+Fe+Mn）值不随埋藏和成岩作用的变化。海相硅质岩中Al/（Al+Fe+Mn）值< 0.35，是衡量硅质岩中热水沉积含量多少的标志，Al/（Al+Fe+Mn）值随着硅质岩中热水沉积含量的增加而变小（Murray et al.，1990）。研究表明，热水沉积和生物沉积岩的硅质岩中Al/（Al+Fe+Mn）比值有明显差异，具体大小由纯热水沉积的0.01到纯远海生物沉积的0.60（Adachi et al.， 1986），并确定了硅质岩Al/（Al+Fe+Mn）三角成因判别图解。栖霞组燧石结核中Al/（Al+Fe+Mn）值为0.21 ～ 0.35之间，平均为0.27，都小于0.35，在Al/（Al+Fe+Mn）三角图中燧石结核全都落入热液成因区，石灰岩则为正常的海水沉积（图3）。海相沉积物中Fe/Ti值和（Fe+Mn）/Ti值可判断热水沉积和正常海水沉积，当上述比值分别大于20和20+5时，一般认为属于热水来源的沉积物。通过分析发现，研究区燧石结核的Fe/Ti值和（Fe+Mn）/Ti值分别为22.2和24.62，都大于其标准值，反映了热水沉积的特征。另外，（Cu+Co+Ni）-Fe-Mn三角图（图6）也用于区分热水沉积和非热水沉积（Rona， 1988），因为热水来源的硅岩富Fe，Mn，贫Cu，Co和Ni，这与热水条件下沉积物沉积速率加快有关。在Wonder等的SiO2-Al2O3图解上（Wonder et al.，1988）（图4），本区燧石结核投点均落入热水沉积物区。并且，在研究了现代深海沉积物、成岩含金属沉积物和热液含金属沉积物的Cr和Zr的含量后绘出了Cr和Zr的关系图（Marching et al.， 1982），由图5可知，本区燧石结核的投点均落于现代热水沉积物的趋势线范围内。
4 结束语
巢湖地区二叠系栖霞组燧石结核形成于靠近大陆边缘的浅海碳酸盐岩台地环境，沉积过程中水体经历了富氧-缺氧过程，而灰岩则是正常海相沉积环境，未遭受后生成岩作用的改造。本研究区燧石结核的众多地球化学指标均吻合与热水成因硅质岩的地球化学特征，反映出本区燧石结核为热水成因。值得说明的是，部分地球化学指标与典型热水沉积硅质岩存在的偏差可能反映了热水沉积体系遭受了混染。
参考文献
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作者简介：马秀杰（1991-），男，地质工程专业在读本科生。
*通讯作者：陈松（1983-），男，副教授，博士（后），主要从事地球化学方面的教学和科研。