硅质岩成因研究进展

中国西部科技

２０１１年０９月（下旬）第１０卷第２７期 总 第２６０期

硅质岩成因研究进展

朱炳光

（成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 ６１００５９） 摘 要：硅质岩是一类特殊的沉积岩，对恢复古地理、古环境和古气候以及指导找矿有重要的理论意义和实用价值。从 硅质岩这一名称提出以来，就对其成因有不同看法，如生物成因、化学成因、交代成因等。本文在收集大量前人资料的 基础上，根据地球化学特征分析了硅质岩不同成因。 关键词：硅质岩；成因；地球化学 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．２７．００５ Research Advance in the Genesis of Siliceous Rock ZHU Bing-guang (Chengdu university of technology Institute of Sedimentary Geology,Chengdu,Sichuan 610059) Abstract:Siliceous rock is a special kind of sedimentary rock,which has important theoretical significance and practical value in restoring palaeogeography and ancient environment and climate.There have been different ideas about its genesis,such as biological causes,chemical causes,metasomatism causes,etc..Based on the collection of exist researches,this paper analyzed the different genesis of siliceous rocks according to the data of the geochemical characteristics. Key words:Siliceous rock;Genesis;Geochemistry

硅质岩是一类特殊的岩石，富含ＳｉＯ２ （一般＞７０％），分布 广泛，在沉积岩中仅次于粘土岩、碎屑岩和碳酸盐岩。由于 其特殊物理化学性质，能够很好的保留成岩前古地理、古环 境和古气候信息，且是很多重要矿种的赋存层位，因此硅质 岩的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。 １ 研究方法 ２０世纪中期，对于硅质岩的研究方法手段比较简单， 主要以野外地质观察和室内偏光显微镜为主。后来，人们 发现硅质岩的重要性，对硅质岩的研究方法和手段也逐渐 变得多样化，主要体现在岩石矿物成分、岩石建造、结构 构造、古生物特征、地球化学特征以及阴极发光等方面的 研究。其中对于硅质岩物源问题即成因问题的研究，前人 主要从硅质岩的建造、组构、古生物特征以及地球化学特 征等方面入手，这些方法在研究过程中不断完善成熟，其 研究成果也作为后人研究的参照标准。硅质岩建造受控于 沉积地质背景条件，涉及物质来源、沉积动力学、沉积环 境物化条件等 ，主要以岩石类型、组构特征以及岩石共生 组合等物质形式来表现，是硅质岩成因研究最为基本的内 容，能够为进一步的研究提供帮助。古生物特征主要从古 生物化石特征来研究硅质岩成因，如硅藻、放射虫等这些 硅质生物化石可以反映出硅质岩物源。由于不同成因的硅 质岩在成岩物质来源、沉积环境和成岩物理化学条件等存 在显著差异，其岩石地球化学特征也会不同，因此用于硅 质岩成因问题研究是可行的，也是迄今为止用于研究硅质 岩成因问题的最为常用、最为完善的方法之一。对于地球 化学特征的研究，前人主要从硅质岩的主量及微量元素、 稀土元素以及硅氧同位素等方面进行研究。虽然硅质岩地

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球化学特征能反映出硅质岩成岩物质来源即成因，但有学 者认为很多研究存在不加区分地利用全岩化学分析和微量 元素分析结果判断硅质岩的成因问题，故明显存在成因判 别上的多解性和人为性因素，他们认为有必要从微观的角 度去研究硅质岩组构信息，从而反映出硅质岩成因问题 。 虽然，人们在利用地球化学特征来分析硅质岩成因问题 时，存在多解性和人为性，但是笔者认为多数硅质岩是多 源性，在成岩过程中受很多因素影响，因此我们在分析硅 质岩地球化学特征时，就会出现不同元素反映出了不同成 因的问题，不过我们可以对不同结果加以对比，并结合其 他研究方法来确定硅质岩物质来源，所以硅质岩地球化学 特征能够在一定程度上反映出其成因问题。 ２ 硅质岩成因探讨 自从Ｗａｄｓｗｏｒｔｈ提出了硅质岩（ｃｈｅｒｔ） 的概念以来，对 硅质岩成因问题就有不同的看法，从前人研究资料来看， 硅质岩大致可归纳为３类：（１）生物成因；（２）化学成 因，包括火山成因和热水沉积成因；（３）交代（硅化）成 因，当然还有许多地区硅质岩属于过渡型成因类型，如湘 黔桂地区晚前寒武纪层状硅质岩就属于生物沉积与热水沉 积共同作用的结果［３］；安徽巢湖平顶山中二叠统孤峰组硅质 岩以生物作用为主，还受火山作用的影响 。不同成因的硅 质岩由于成岩物质来源、沉积环境的不同，造成了其地球 化学特征也显著不同，这是利用地球化学分析硅质岩成因 问题的基础。我们根据硅质岩地球化学分析来探讨其成因 问题时，主要是从其主量元素、微量元素、稀土元素以及 硅氧同位素等方面来进行分析，从而正确解释其成因。 ２．１ 主量元素

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收稿日期：２０１１－０７－１８ 修回日期：２０１１－０８－０５ 作者简介：朱炳光（１９８５－），男，硕士研究生，从事沉积地球化学与沉积矿床学研究工作。

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论

硅质岩中Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ等元素是判别硅质岩成因的 重要标志，前人研究结果表明，Ｆｅ、Ｍｎ元素的富集是与热水 沉积作用相关，而Ａｌ、Ｔｉ的相对集中则与陆源物质的介入有 关 。对于Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ元素，主要采用Ａｌ／（Ａｌ＋Ｆｅ＋Ｍｎ）的比 值来判别硅质岩成因，Ｙａｍａｍｏｔｏ经过研究，认为热水沉积 的硅质岩Ａｌ／（Ａｌ＋Ｆｅ＋Ｍｎ）值小于０．４，受陆源影响的硅质 岩 Ａｌ／（ Ａｌ＋Ｆｅ＋Ｍｎ） 值 大 于 ０．４， 海 相 沉 积 岩 石 的 Ａｌ／ （Ａｌ＋Ｆｅ＋Ｍｎ）值随着热水沉积物参与的程度而减小，该比 值 由 远 海 典 型 生 物 成 因 （ ０．６０） 至 纯 热 水 沉 积 成 因 （０．０１）逐渐减小，并以Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ做三角图（图１）来判 别硅质岩成因 ［５］ 。国内很多学者都利用此图来判别硅质岩成 因

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著

元素可以用来判别硅质岩成因。根据Ｓｈｉｍｉｚａ（１９７７）的研 究，热水成因硅质岩具Ｃｅ负异常，而非热水成因硅质岩具 Ｃｅ正异常。Ｆｌｅｅｔ（１９８３）系统地研究了热水成因金属沉积 和非热水成因的金属沉积中的稀土元素含量，指出热水沉 积物ＲＥＥ总含量较低，Ｃｅ负异常；非热水沉积物ＲＥＥ总含量 较高，Ｃｅ正异常。温汉捷等研究了中国早古生代若干高硒 黑色岩系中热水沉积的层状硅质岩稀土元素特征，得出稀 土总量低，Ｃｅ呈负异常，稀土元素在北美页岩标准化的组 成模式图上呈左倾趋势 。

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，其结果都得到了认可。

图１

硅质岩Ａｌ－Ｆｅ－Ｍｎ三角图（据Ｙａｍａｍｏｔｏ，１９８７）

（Ⅰ．非热水沉积硅质岩；Ⅱ．热水沉积硅质岩。） Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｐ ２Ｏ ５、Ａｌ２ Ｏ３ 、Ｆｅ ２Ｏ ３也经常被用来判别硅质岩 成因，张汗文关于秦岭泥盆系热水沉积型硅质岩的研究表 明［９］，富钠是热水参与的重要标志，受海底火山作用的硅质 岩Ｋ ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ值小于１，而与正常的生物化学沉积作用相关的 硅质岩Ｋ ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ值远大于１。生物成因硅质岩含高Ｐ２ Ｏ５ ，低 ＴｉＯ ２、ＭｇＯ及碱，而典型的海相火山沉积硅铁建造低Ｋ２Ｏ和 Ｐ２ Ｏ５，高ＴｉＯ２为特征 。 ２．２ 微量元素 Ａｓ、Ｂａ、Ｂ、Ｓｂ等微量元素是作为区分硅质岩热水沉积 和非热水沉积的重要标志。与正常水相比，热水中Ａｓ、 Ｂａ、Ｂ、Ｓｂ元素含量较高，这是作为识别热水沉积作用的重 要标志 ，特别是Ｂａ元素在硅质岩中的含量，经常被用来 判别硅质岩成因，热水成因的硅质岩Ｂａ与ＳｉＯ２成 正相关关 系。Ｕ／Ｔｈ值也可以用来指示硅质岩的沉积物源与热水成因 的关系，热水沉积硅质岩Ｕ／Ｔｈ值大于１，而非热水沉积硅质 岩Ｕ／Ｔｈ值小于１ 。 微量元素与某些常量元素含量特征进行综合比较能够 判别硅质岩是否为热水成因（Ｃｒｅｒａｒ Ｄ Ａ，１９８２），如 Ｆｅ、 Ｍｎ、 Ｃｕ、 Ｎｉ、Ｃｏ元素含量特征的比较。Ｃｒｅｒａｒ Ｄ Ａ （１９８２）提出海底热水沉积物与水成沉积物的元素组成在 Ｆｅ－Ｍｎ－（Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ）Ｘ１０三角图（图２）有明显的集中区， 热水沉积物多集中在Ｆｅ－Ｍｎ底线附近，由此可知热水沉积物 富Ｆｅ、Ｍｎ，而贫Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ。后来很多学者依据此图来判 别硅质岩成因，如彭军等对扬子板块东南大陆边缘上震旦 统热水成因硅质岩地球化学标志的研究［１３］。 ２．３ 稀土元素 不同成因硅质岩含不等量的稀土元素（ＲＥＥ），其稀土 元素主要有３个来源：从海水中吸收、陆源物质和海底热液 物质，而稀土元素在硅质岩成岩前后变化不大，因此稀土

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图２

硅质岩Ｆｅ－Ｍｎ－（Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ）Ｘ１０三角图（据Ｃｒｅｒａｒ，１９８２）

（ＥＤ－东太平洋中脊热水沉积物区；ＲＨ－红海热卤水沉 积物区；ＨＮ－水成沉积物区；ＨＤ－热水沉积物区。） ２．４ 硅氧同位素 硅同位素的自然变化比较小，分析精度相对较低，测 试难度大，因此在国内几乎没有应用硅同位素来进行硅质 岩研究。自丁悌平（１９８９）用ＳｉＦ４测定硅同位素，并提供了 分析精度，使得我国硅同位素研究发展很快。不同成因硅 质 岩 有 不 同 的 δ ３０Ｓｉ值 ， 热 水 成 因 的 δ ３０Ｓｉ值 变 化 范 围 － １．５‰～０．８‰，生物成因的δ３０ Ｓｉ值变化范围为－１．１‰ ～ １．７‰，交代成因的δ Ｓｉ值为２．４‰～３．４‰

３０ ３０ ［８］ ３０ ［１５］［１６］

，因此可

以用δ Ｓｉ值来判断硅质岩成因，如川东茅口组热水成因硅 质岩δ Ｓｉ值为０．２‰～１．２‰ ；塔里木盆地寒武系硅化岩 δ３０Ｓｉ值为１．０‰～３．８‰，体现了交代成因特点 ［１７］。 硅质岩抗同位素交换的能力很强，在各种地质作用条 件下的氧同位素交换非常微弱，因此可以利用氧同位组成 来判断硅质岩成因。前人认为不同成因的石英具有不同Ｏ同 位素组成 ［１４］：火成岩中石英δ１８Ｏ值变化范围一般在８．３‰～ １１．２‰之间；变质石英δ １８ Ｏ值变化范围一般在１１．２‰ ～ １６．４‰之间；热泉华石英的δ Ｏ值变化范围一般在１２．２ ‰～２３．６‰之间；成岩石英的δ Ｏ值变化范围一般在１３ ‰～３６‰之间。但我们可以看出，不同成因石英δ Ｏ值有 重叠，这就无法正确判断出硅质岩成因。因此我们在利用 Ｏ同位素来判断硅质岩成因时，还要结合其他元素特征来进 行综合分析，这样才能正确判断其成因。 （下转第３６页）

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ｆ与ｇ在Ｃ上没有零点，如果存在 ，则ｆ与ｇ在Ｄ内零点个数相等。 证明：由题设条件知，必有 不分割０与 ∞点，故由例５知ｆ与ｇ在Ｄ内零点个数相等，证毕。 例８：设Ｄ是复平面上包含∞点的无界域且 ，Ｃ是一 闭曲线，Ｃ的外部属于Ｄ，函数ｆ（ｚ），ｇ（ｚ）在Ｄ内亚纯， 在Ｃ上满足 个数相等。 ，则ｆ与ｆ＋ｇ在Ｃ的外部零点个数与极点

－１

所以： 证毕。 例５：设Ｄ是复平面上的一个有界区域，其边界是Ｃ。函 数ｆ（ｚ），ｇ（ｚ）在Ｄ内是亚纯且连续到边界Ｃ，沿Ｃ， ，则ｆ与ｆ＋ｇ在Ｄ内的零点的个数与极点的个数相等， 即： 。 证明：由题设条件， ｆ（ｚ）与 ｆ（ｚ）＋ｇ（ｚ） 都在 Ｄ内 ，

亚纯且连续到边界 Ｃ，且沿 Ｃ有： 。

即：ｆ（ｚ）与ｆ（ｚ）＋ｇ（ｚ）在边界Ｃ 上没有零点。 根据条件 ，当ｚ沿Ｃ变动时 ，曲线 全在圆周 的内部，而原点 又不在

证明：将积分路径Ｃ的方向取为顺时针方向Ｃ （这个方 向可以看作是绕无穷远点的正向），则定理的结论可以表示 为： 做变换 ，记 。 为Ｃ在该变换下的像曲线， 为

此圆周的内部 不分割０与 点，因 而由例４可知，ｆ与ｆ＋ｇ在Ｄ内的零点个数与极点个数之差相 等。 例６：设Ｄ是复平面上的一个有界区域，其边界是Ｃ。函 数 ｆ（ｚ），ｇ（ｚ） 在Ｄ内解析且连续到边界Ｃ，ｆ在Ｃ上没有零 点记： 。 如果Ｌ不分割０与 点，则ｆ与ｇ在Ｄ内零点个数相等。 证明：因为解析函数是亚纯函数的特例，所以由例４易 知例６成立。 例７：设Ｄ是复平面上的一个有界区域，其边界是Ｃ，

Ｄ在该变换下的像区域，则 ， 在 上， 。 这里，我们根据 ，

有界， 内，而且函数 在区域， 内亚纯，且 在 内部的性质来规定函数

ｆ（ｚ），ｇ（ｚ）在Ｃ外部的性质。由例７得： 。 从而有：

参考文献： ［１］ 钟玉泉．复变函数论［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８８． ［２］ 余家荣．数学物理方法讲义［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９２． ［３］ 邵惠民．数学物理方法［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３．

。

小结 （上接第１１页） ３ 硅质岩是一类重要的沉积岩，对恢复古地理、古环境 和古气候以及指导找矿有重要的理论意义和实用价值。硅 质岩成岩时的物质来源和沉积环境不同，造成不同成因硅 质岩有不同的地球化学特征。根据硅质岩地球化学分析， 得出了硅质岩主要有生物成因、化学成因、交代成因。虽 然从地球化学分析来判别硅质岩成因，存在一定的多解性 和人为性，但是对硅质岩进行地化分析具有稳定性，能大 体反映出硅质岩成因，所以这对硅质岩成因研究具有重要 意义。

参考文献： ［１］ 崔 春 龙 ．硅 质 岩 研 究 中 的 若 干 问 题 ［Ｊ］．矿 物 岩 石，２００１，２１（３）：１００～１０４． ［２］ 杨志军等．硅质岩组构信息研究及其意义［Ｊ］．矿物岩石地球化 学通报，２００３，２２（３）：２５５～２５８． ［３］ 彭 军等．湘黔桂地区晚前寒武纪层状硅质岩地球化学特征及 成因［Ｊ］．地质地球化学，１９９９，２７（４）：３３～３９． ［４］ 杨水源，姚 静．安徽巢湖平顶山中二叠统孤峰组硅质岩的地球 化学特征及成因［Ｊ］．高校地质学报，２００８，１４（１）：３９～４８． ［５］ Ｙａｍａｍｏｔｏ Ｋ．Ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｈｅｒｔｓ ａｎｄ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｒａｎｃｉｓｃａｎ ａｎｄ Ｓｈｉｍａｎｔｏ ｔｅｒｒａｎｅｓ［Ｊ］．Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ Ｇｅｏｌｏｇｙ，１９８７，５２：６５～１０８． ［６］ 高长林，何将启．北大巴山硅质岩的地球化学特征及其成因 ［Ｊ］．地球科学，１９９９，２４（３）：２４６～２５０．

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