硅質(zhì)巖研究進(jìn)展與思考

硅質(zhì)巖是由化學(xué)、生物和生物化學(xué)作用及某些火山、熱水作用所形成的含SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥70%)的沉積巖。硅質(zhì)巖分布廣泛，其形成沉積環(huán)境需要特定的地球化學(xué)條件，經(jīng)常位列非常關(guān)鍵的層位上，能為構(gòu)造活動和沉積盆地的演化提供重要信息，在生物和化學(xué)沉積巖類中的占比位列碳酸鹽巖之后，也是造山帶中廣泛分布的巖石類型。硅質(zhì)巖按成因可分為生物硅質(zhì)巖、化學(xué)(交代或沉積)硅質(zhì)巖和凝灰硅質(zhì)巖；按礦物成分可分為蛋白質(zhì)硅質(zhì)巖、玉髓質(zhì)硅質(zhì)巖和石英硅質(zhì)巖；根據(jù)巖性特征、產(chǎn)出狀態(tài)、賦存形式，可劃分為層狀、非層狀硅質(zhì)巖兩種類型，其中層狀硅質(zhì)巖多與砂巖、頁巖或碳酸鹽巖交互產(chǎn)出，非層狀硅質(zhì)巖多賦存于碳酸鹽巖中(含燧石條帶和結(jié)核)，也可產(chǎn)出于層狀硅質(zhì)巖及膏巖中。不同類型的硅質(zhì)巖其硅質(zhì)來源、成因及沉積環(huán)境會有很大差異，針對具體巖石可根據(jù)研究需要進(jìn)行綜合命名，如蛋白石硅藻巖、層狀藻跡硅質(zhì)巖、含放射蟲石英硅質(zhì)巖等。除了對硅質(zhì)巖的沉積組合、地層層序、結(jié)構(gòu)構(gòu)造巖相古地理及大地構(gòu)造背景等進(jìn)行研究外，還有學(xué)者通過硅質(zhì)巖的主量元素、微量元素、稀土元素及硅氧同位素等建立了一系列定量化的成因模式和沉積環(huán)境判定指標(biāo)。硅質(zhì)巖具有特殊的物理性質(zhì)——結(jié)構(gòu)致密、相對堅(jiān)硬、不易風(fēng)化，使其自成巖后較少受后期內(nèi)外地質(zhì)作用的改造，很好地保留了當(dāng)時的古地理、古氣候、沉積相帶、古環(huán)境等地質(zhì)信息。硅質(zhì)巖是眾多礦源含礦巖系的賦存層位，還與礦床形成條件、地球早期生物演化、碳酸鹽巖油氣成藏關(guān)系密切，因此研究硅質(zhì)巖具有非常重要的理論意義和實(shí)用價值，一直是沉積學(xué)界研究的熱點(diǎn)課題之一。本文全面梳理了硅質(zhì)巖研究歷史及現(xiàn)狀，介紹了硅質(zhì)巖在巖石學(xué)特征、沉積與成巖作用、地球化學(xué)特征等方面的研究進(jìn)展，并思考了當(dāng)前研究存在的不足及未來的研究方向。1

硅質(zhì)巖研究歷史及現(xiàn)狀硅質(zhì)巖的概念于1893年由Wadsworth首次提出，硅質(zhì)巖研究歷史隨著地質(zhì)學(xué)新方法、新技術(shù)的更迭不斷向前發(fā)展。20世紀(jì)50年代以前，由于研究方法比較簡單，儀器落后，研究內(nèi)容也僅局限于通過野外地質(zhì)觀察和室內(nèi)偏光顯微鏡對硅質(zhì)巖進(jìn)行識別，對硅質(zhì)巖的認(rèn)識較淺，研究水平不高、成果不多，鮮有專著和文章出版，幾乎沒有世界性、區(qū)域性的學(xué)術(shù)交流活動，導(dǎo)致硅質(zhì)巖在當(dāng)時的關(guān)注度不高。20世紀(jì)50年代至70年代末期，地質(zhì)學(xué)家對硅質(zhì)巖的重視程度逐漸提升，最明顯的標(biāo)志是世界范圍的學(xué)術(shù)會議和討論會陸續(xù)召開，硅質(zhì)巖研究文章和專著也越來越多，當(dāng)時主要的世界級會議是在美國洛杉磯舉辦(1959年3月)的“SiliceousSediments”學(xué)術(shù)研討會和在荷蘭馬斯特里赫舉辦的第二屆(1957年)、第三屆(1969年)國際硅質(zhì)巖專題學(xué)術(shù)研討會，研討會結(jié)束后均出版了論文集；在該時期相繼提出了多種硅質(zhì)巖形成模型，如硫化氫氧化模型、層狀硅巖的生物硅質(zhì)軟泥結(jié)晶模型、結(jié)晶-交代模型、混合帶模型和燧石結(jié)核的有機(jī)質(zhì)氧化模型等；該時期硅質(zhì)巖巖相學(xué)觀察(包括礦物成分、礦物含量、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造等)、古生物學(xué)描述、地球化學(xué)分析以及成巖后生變化認(rèn)識等方面的研究前進(jìn)了一大步。20世紀(jì)70年代中期，在海底發(fā)現(xiàn)了海底熱泉，這為認(rèn)識硅質(zhì)來源提供了新的思路。海水在常溫下含硅量很低，未達(dá)到飽和狀態(tài)，僅依靠硅質(zhì)生物形成厚層狀硅質(zhì)巖是很困難的。硅的溶解度隨水溫的升高而迅速增大，在200℃海水中含硅量為50℃的10倍以上；富硅的熱水遇到冷水后，含硅量或?qū)⒊龀厮芙舛鹊?0～20倍，此時硅因呈過飽和狀態(tài)而沉淀下來，因此可以看到在海底熱泉附近的硅質(zhì)生物非常豐富。20世紀(jì)70年代末期至80年代末期，一些新的方法和技術(shù)逐漸被應(yīng)用于硅質(zhì)巖研究中，如順磁共振分析、同位素分析、透射電鏡分析等，研究方向不再局限于對硅質(zhì)巖的古生物觀察、巖相學(xué)描述和地球化學(xué)特征分析，而轉(zhuǎn)為根據(jù)不同時代的硅質(zhì)巖分布和特征開展全球硅質(zhì)巖對比，如國際地球科學(xué)計(jì)劃(IGCP)115項(xiàng)、187項(xiàng)，此外1981年還在日本召開了第二屆太平洋地區(qū)硅質(zhì)沉積物國際學(xué)術(shù)研討會。隨著世界性的學(xué)術(shù)研討會逐漸增多，硅質(zhì)巖成因和沉積環(huán)境的相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn)，前人對硅質(zhì)巖沉積來源于深水沉積的認(rèn)識基本被否定，該時期被廣泛接受的學(xué)說有生物、交代、堿性湖泊、淺海相沉積成因模式；有學(xué)者提出了熱水沉積成因理論，這種全新的成因沉積模式在理論上對傳統(tǒng)觀念產(chǎn)生了巨大沖擊，從此熱水沉積成因模式成為了硅質(zhì)巖重要成因模式之一，使純硅質(zhì)巖、無硅質(zhì)生物硅質(zhì)巖、厚硅質(zhì)巖層得到了較好的解釋。另外，美國-加拿大海山科考隊(duì)在東太平洋等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量SiO2，其存在于海底“黑煙囪”和“白煙囪”之中，在JuandeFuca洋中脊發(fā)現(xiàn)了熱水成因的膠狀硅質(zhì)巖類，此次發(fā)現(xiàn)為熱水沉積模式是深海硅質(zhì)巖的主要成因類型的學(xué)說提供了有力證據(jù)。從20世紀(jì)90年代起，硅質(zhì)巖研究內(nèi)容和研究方法更加豐富，更加注重巖相學(xué)描述、古生物學(xué)觀察、地球化學(xué)特征分析等方面的交叉融合。MURRAY等建立了一系列硅質(zhì)巖主量、微量、稀土等元素的判別指標(biāo)，較好地解決了硅質(zhì)巖的硅質(zhì)來源、成因模式、硅質(zhì)巖沉積環(huán)境等問題，使得不同地域和時代的硅質(zhì)巖地質(zhì)對比成為可能。楊海生等通過對硅質(zhì)巖的主量、微量元素特征的研究，解釋了硅質(zhì)巖的熱水成因，但這些判別標(biāo)志無法在一個時空序列上動態(tài)反映硅質(zhì)巖當(dāng)時形成的地域和物理化學(xué)環(huán)境。另外，這種不同類型的硅質(zhì)巖判別指標(biāo)，多數(shù)建立在未受后期改造作用影響或現(xiàn)代沉積物硅質(zhì)巖基礎(chǔ)之上，而那些地層時代較老、明顯受后期變質(zhì)改造作用的硅質(zhì)巖，由于其成巖物質(zhì)普遍發(fā)生了溶解和再沉淀，硅質(zhì)巖的原始化學(xué)成分已發(fā)生了變化，因此在應(yīng)用這些判別指標(biāo)進(jìn)行硅質(zhì)巖成因模式判別時須考慮各種地球化學(xué)標(biāo)志的實(shí)用性。隨著微區(qū)測試技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)用該技術(shù)開展加拿大、非洲等地的硅質(zhì)巖研究成為了當(dāng)時的前沿課題，這些研究成果被認(rèn)為是解開“生命起源”的關(guān)鍵?，F(xiàn)代大洋底部的含礦硅質(zhì)巖、深海沉積、造山帶硅質(zhì)巖等都是當(dāng)時重點(diǎn)關(guān)注的研究對象。21世紀(jì)以來，除了硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征以及構(gòu)造環(huán)境的指示意義、硅質(zhì)來源及沉積環(huán)境、流體包裹體分析、微區(qū)和組構(gòu)研究、陰極發(fā)光測試、氧同位素溫度計(jì)等研究外，對造山帶問題的研究也成為了熱點(diǎn)課題。KATO等為西澳大利亞的皮爾巴拉地塊馬布爾巴蛇綠巖套提供了硅質(zhì)巖構(gòu)造信息，同時給出了在太古代存在板塊構(gòu)造的結(jié)論。另外，硅質(zhì)巖對還原當(dāng)時古環(huán)境也有指示意義，PINTI等對太古代中瓦拉沃納群中硅質(zhì)巖捕虜體進(jìn)行了同位素測試，發(fā)現(xiàn)太古代的大氣中有存在氨氣的可能；KNAUTH對太古宙的淺海相硅質(zhì)巖進(jìn)行了氧同位素測試，通過反演得出太古宙的洋面溫度為55～85℃。硅質(zhì)巖化石研究也對地球早期生命的演化有著重要作用，BRASIER等在西澳大利亞太古代中拉沃納群34.65Ga古老硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌、藍(lán)藻等微化石，這為地球早期生命演化階段的古形態(tài)提供了證據(jù)。JONES等通過現(xiàn)代熱泉微古生物探討了地球生命的演化進(jìn)程。深海鉆探計(jì)劃和大洋鉆探計(jì)劃的成果表明，新生代硅質(zhì)巖廣泛分布，始新世硅質(zhì)巖沉積區(qū)間的“額外硅源”是硅質(zhì)巖沉積過程的主要來源，“額外硅源”在硅源補(bǔ)給充足、氣候溫暖、生物生產(chǎn)率低的環(huán)境中形成。MOORE研究指出，始新世硅質(zhì)巖形成的主要貢獻(xiàn)是洋殼熱流的循環(huán)，而與洋殼相鄰的地層硅質(zhì)貧乏，并一直伴隨著硅質(zhì)生物的溶解，硅質(zhì)巖出現(xiàn)的地層層位與海底有一定距離。近年來，在現(xiàn)代大洋硅質(zhì)巖分布、同位素溫度計(jì)、硅質(zhì)巖形成過程、古氣候指示意義、硅質(zhì)巖磁化等方面均取得了一定成果。近幾十年來，我國硅質(zhì)巖研究也取得了一些突破。20世紀(jì)80年代中期以前，國內(nèi)少有學(xué)者對硅質(zhì)巖進(jìn)行專題研究，研究內(nèi)容與研究區(qū)域也很局限，研究方法相對落后。20世紀(jì)80年代中期以后，在涂光熾等老一輩科學(xué)家的帶領(lǐng)下，國內(nèi)掀起了層控礦床地球化學(xué)研究的熱潮，一批學(xué)者開始致力于古海洋熱水沉積硅質(zhì)巖的研究，周永章[3]是國內(nèi)早期研究硅質(zhì)巖的少數(shù)學(xué)者之一，其全面闡述了廣西丹池盆地上泥盆統(tǒng)榴江組硅質(zhì)巖建造的熱水沉積成因?qū)傩约捌鋷r石學(xué)、地球化學(xué)特征。另外，很多學(xué)者在華南、秦嶺等地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了眾多特殊類型的硅質(zhì)巖建造，并提出了相應(yīng)的熱水成因沉積模式，這些研究成果大大提升了中國硅質(zhì)巖整體研究水平。近年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注硅質(zhì)巖研究，研究方法與研究思路不斷創(chuàng)新，古生物學(xué)、巖相學(xué)、礦床學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)及地球化學(xué)等被引入硅質(zhì)巖研究中。硅質(zhì)巖微區(qū)和組構(gòu)研究是一種新的思路，通過掃描電鏡、顯微鏡觀察以及利用X射線衍射儀和能譜分析技術(shù)對硅質(zhì)巖進(jìn)行微組構(gòu)鑒定，發(fā)現(xiàn)了海綿骨針和放射蟲化石，證明了微生物作用在硅質(zhì)巖成巖過程中的重要性。董存杰等通過對硅質(zhì)巖的礦物流體包裹體進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖中的原生包裹具有巖漿熱液流體包裹體的特點(diǎn)，從而判斷其為熱液成因；崔春龍等研究了硅質(zhì)巖的高能陰極發(fā)光情況，發(fā)現(xiàn)自生或重結(jié)晶硅質(zhì)巖發(fā)光明顯，其發(fā)光強(qiáng)弱及特征與其中的Fe、Ni、Co和Cr、Mn、REE質(zhì)量分?jǐn)?shù)有直接關(guān)系，但是因?yàn)楣栀|(zhì)巖自身發(fā)光能力弱，致使其陰極發(fā)光特點(diǎn)未能得到進(jìn)一步解釋；曹秋香等對浙江江山二疊紀(jì)硅質(zhì)巖進(jìn)行了陰極發(fā)光特征研究，發(fā)現(xiàn)該硅質(zhì)巖屬于交代成因，其原巖可能是生物碎屑灰?guī)r。總的來看，采用多學(xué)科交叉開展硅質(zhì)巖研究已成為新的趨勢，跳出了傳統(tǒng)巖相學(xué)的框架，通過對保存在硅質(zhì)巖內(nèi)多元信息的提取，拓展了研究領(lǐng)域。我國硅質(zhì)巖研究目前主要包括2個方面：①結(jié)合造山帶、古生物學(xué)、沉積學(xué)、地球化學(xué)等探討硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境、成因沉積模式在構(gòu)造中的指示意義。因硅質(zhì)巖能夠較好地反映地質(zhì)演化過程，同時響應(yīng)整個構(gòu)造帶的演化，在我國的滇西三江地區(qū)、秦嶺、雅魯藏布江縫合帶、欽杭結(jié)合帶(位于華夏陸塊和揚(yáng)子克拉通之間并經(jīng)歷了復(fù)雜的開合演化過程)，通過硅質(zhì)建造來探尋古、中特提斯洋的形成環(huán)境、演化歷程；②結(jié)合礦床研究探討硅質(zhì)巖含礦建造的成因模式，ZHOU等對粵西河臺金礦田礦源巖中震旦系頂部硅質(zhì)巖古水剖面進(jìn)行了巖石學(xué)分析，認(rèn)為其地球化學(xué)特征顯示的古水層狀硅質(zhì)巖建造系熱水沉積產(chǎn)物。此外，大陸邊緣盆地硅質(zhì)巖的古構(gòu)造、古地理、古氣候也得到了深入研究，以華南巢湖地區(qū)孤峰組硅質(zhì)巖為例，其巖石學(xué)、古生物學(xué)和地球化學(xué)特征對硅質(zhì)巖成因進(jìn)行了較好的限定[65]。在此基礎(chǔ)上，YAO等利用天文旋回地層學(xué)理論建立了孤峰組硅質(zhì)巖-泥巖厘米級韻律層的古氣候驅(qū)動模型，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖-泥巖韻律層中賦存斜率旋回和歲差旋回，建立了長達(dá)4.7Ma的中二疊統(tǒng)硅質(zhì)巖天文年代標(biāo)尺。2

硅質(zhì)巖巖石學(xué)特征硅質(zhì)巖顏色多樣，隨雜質(zhì)而異，常呈灰色、黑色、灰黑色，也有灰綠色、灰白色等，巖性硬而脆，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易風(fēng)化，具有非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、隱-微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物結(jié)構(gòu)、鮞粒結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)、碎屑結(jié)構(gòu)等，條帶狀、團(tuán)塊狀、結(jié)核狀、層狀、透鏡狀構(gòu)造。其礦物組成相對簡單，多以非晶質(zhì)的蛋白石、隱晶-微晶質(zhì)的玉髓、細(xì)粒α-石英為主，蛋白石極其不穩(wěn)定，在中-新生代硅質(zhì)巖中易脫水、重結(jié)晶形成隱晶石英。玉髓為纖維狀的SiO2礦物，脫水重結(jié)晶后轉(zhuǎn)化為微晶石英。硅質(zhì)巖中的石英均為自生石英，絕大部分由玉髓、蛋白石重結(jié)晶而成。硅質(zhì)巖絕大部分由硅質(zhì)礦物組成，在與其他巖石呈互層的硅質(zhì)巖中，其他礦物含量會稍高一些，如：與碳酸鹽互層的硅質(zhì)巖中，含有一定量的碳酸鹽；硅質(zhì)巖鐵建造中的硅質(zhì)巖常含磁鐵礦、赤鐵礦、黃鐵礦等；與頁巖互層的硅質(zhì)巖中含有一些黏土礦物和其他雜物。劉新宇等將揚(yáng)子地區(qū)二疊系棲霞組結(jié)核狀硅質(zhì)巖的礦物分為兩類：硅質(zhì)和非硅質(zhì)礦物；硅質(zhì)礦物又分為等粒狀石英(微石英和粗晶石英)、纖維狀石英(負(fù)延性玉髓和正延性玉髓)，而非硅質(zhì)礦物包括白云石和方解石，其他組分包括不同程度硅化的生物碎屑等。硅質(zhì)巖中方解石、自生石英中的流體包裹體隱藏著重要的地質(zhì)信息。侯滿堂等分別測出了石英包裹體的氣相和液相化學(xué)成分、均一溫度，對方解石包裹體激光拉曼光譜特征進(jìn)行了成分分析，結(jié)果表明，硅質(zhì)巖中包裹體信息可恢復(fù)當(dāng)時沉積階段的古海洋環(huán)境。陰極發(fā)光是進(jìn)行硅質(zhì)巖晶格缺陷、礦物成分、結(jié)晶度等研究的有效方法，根據(jù)硅質(zhì)巖陰極發(fā)光特征、發(fā)光機(jī)理?xiàng)l件、發(fā)光規(guī)律等可探索硅質(zhì)巖的地層歸屬、原生與次生、沉積環(huán)境、成因模式等關(guān)鍵科學(xué)問題。硅質(zhì)巖礦物組成相對不復(fù)雜，激光拉曼光譜、流體包裹體、掃描電鏡、陰極發(fā)光等新技術(shù)的綜合應(yīng)用有利于對硅質(zhì)巖中重要的古地理、古環(huán)境等信息的提取。3

硅質(zhì)巖沉積與成巖作用不同學(xué)者對硅質(zhì)巖的成因及沉積環(huán)境有著不同的解釋。KNAUTH探究了淡水-海水混合對碳酸鹽巖中結(jié)核狀燧石的影響程度；MALIVA等研究發(fā)現(xiàn)層狀硅質(zhì)巖的硅質(zhì)呈均勻分散，受地層非均質(zhì)性影響，結(jié)核狀硅質(zhì)巖硅質(zhì)呈不均勻分散；楊瑞東研究發(fā)現(xiàn)不同類型硅質(zhì)巖的成因模式、沉積環(huán)境的pH、hE(氧化還原電位)、鹽度特征值各異，不同類型的硅質(zhì)巖在形成機(jī)理上存在差異；周新平等研究發(fā)現(xiàn)結(jié)核狀燧石的硅質(zhì)分異發(fā)生于成巖早期或晚期，沉積時期在碳酸鹽巖沉積物中的硅質(zhì)呈均勻分散。硅質(zhì)巖的成巖作用為由無序到有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，正延性玉髓、微石英、白云石、負(fù)延性玉髓在早期成巖作用下形成，方解石在晚期成巖作用下形成，粗晶石英的形成過程則具有多期性。MURRAY等研究發(fā)現(xiàn)僅有特定的少量常量、微量、稀土元素可揭示硅質(zhì)巖的成因沉積模式，大部分元素均被硅質(zhì)巖成巖作用改造。因在SiO2的晶格結(jié)構(gòu)形成過程中，與硅質(zhì)巖同時沉積的有機(jī)質(zhì)、常量、微量、稀土元素等會被除去，這對推斷硅質(zhì)巖形成過程中的地球化學(xué)背景不利[71]。成巖過程對稀土元素產(chǎn)生的影響表現(xiàn)為REE增加、Eu異常有變化、中稀土元素增加、Ce負(fù)異常程度減小，使得硅質(zhì)巖稀土元素呈現(xiàn)Ce與Eu異常有一定相關(guān)性，與(Dy/Sm)N呈負(fù)相關(guān)、∑REE呈正相關(guān)的規(guī)律。硅質(zhì)巖Ce異常與Eu異常無相關(guān)性、與∑REE相關(guān)性不顯著，稀土元素才能更好地反映硅質(zhì)巖成因、沉積環(huán)境、巖相古地理特征等地質(zhì)信息。明確成巖過程對硅質(zhì)巖礦物組構(gòu)的改造，是運(yùn)用元素地球化學(xué)手段揭示硅質(zhì)巖成因沉積模式、還原當(dāng)時沉積環(huán)境的前提，能夠較好地避免地球化學(xué)元素研究的失真、多解。4

硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征硅質(zhì)主要來源于硅質(zhì)生物、熱液活動、富硅的巖石碎屑和上升流帶來的硅質(zhì)等，而現(xiàn)代海水中80%的溶解態(tài)硅來源于河流輸入，其他來源于大氣、海底熱煙囪、海底玄武巖風(fēng)化等。硅質(zhì)巖成因研究實(shí)際上就是要確定其硅質(zhì)來源，而關(guān)于硅質(zhì)巖的成因在地學(xué)界一直存在爭議，有多種觀點(diǎn)，大致可歸納為3類：①正常生物沉積的硅質(zhì)巖；②交代頁巖、砂巖、灰?guī)r后形成的硅質(zhì)巖；③海底火山作用和熱水沉積的硅質(zhì)巖。還有很多區(qū)域的硅質(zhì)巖屬于混合成因或過渡型成因類型，如：皖區(qū)巢湖平頂山的二疊系孤峰組硅質(zhì)巖主要以生物沉積為主，但也受到火山活動的影響；北大巴山鎮(zhèn)坪地區(qū)的早寒武世硅質(zhì)巖是生物沉積及熱水沉積共同作用的結(jié)果，屬混合沉積成因。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為前寒武紀(jì)硅質(zhì)巖的成因與熱水活動有關(guān)，而古生代以來的硅質(zhì)巖是由硅質(zhì)生物沉積的。早期不少學(xué)者也研究了古生代以來的海底熱水成因的硅質(zhì)巖，如加利福尼亞侏羅-白堊紀(jì)硅質(zhì)巖、DSDP(深海鉆樣項(xiàng)目)在北太平洋采集了白堊紀(jì)硅質(zhì)巖及中國華南泥盆紀(jì)硅質(zhì)巖等，這些與熱水活動有關(guān)的硅質(zhì)巖研究對于研究其所在沉積盆地的構(gòu)造演化具有重要的指示意義。不同成因類型的硅質(zhì)巖由于物質(zhì)來源、構(gòu)造背景及沉積環(huán)境的差異，其地球化學(xué)特征也顯著不同，這是通過化學(xué)元素分析判斷硅質(zhì)巖成因模式、沉積環(huán)境的前提，目前分析硅質(zhì)巖地球化學(xué)元素的方法主要用于分析常量元素、微量元素、稀土元素、硅氧同位素等。成因或沉積環(huán)境不同的硅質(zhì)巖其地球化學(xué)特征也有很大差異，這給研究者提供了判別硅質(zhì)巖成因及沉積環(huán)境的途徑。4.1常量元素特征硅質(zhì)巖的成巖作用過程可能會造成SiO2含量的變化，但Al、Fe、Ti很少受后期成巖作用的影響，因此可用其示蹤硅質(zhì)來源和硅質(zhì)巖成因。Ti、Al的相對富集與陸源物質(zhì)的介入不無關(guān)系，而Mn、Fe的富集與熱水沉積作用有關(guān)。BOSTR?M等通過對現(xiàn)代海洋沉積物的分析表明：Al/(Al+Fe+Mn)值是衡量硅質(zhì)巖熱液組分輸入占比的判別標(biāo)準(zhǔn)，一般純生物沉積其值為0.6，而純熱水沉積為0.01、熱水沉積小于0.4、純生物沉積大于0.4。Al/(Al+Fe+Mn)值伴隨熱水沉積物參與程度的增大而變小，其由純生物成因向純熱水成因緩慢過渡。Al-Fe-Mn圖解(見圖1)

可用于判別硅質(zhì)巖成因模式。圖1

硅質(zhì)巖Al-Fe-Mn圖解

Fig.1Al-Fe-Mn

diagram

of

siliceous

rockAl/(Al+Fe+Mn)值不僅能判別硅質(zhì)巖成因，還能反映其沉積環(huán)境：當(dāng)其為0.00815時，代表洋中脊；當(dāng)其為0.619時，代表大陸邊緣；當(dāng)其為0.319時，代表深海盆地。MURRAY認(rèn)為Ti、Al可作為陸源碎屑的輸入程度因子，而Fe在洋中脊的金屬熱液沉積富集可用于反映熱液的參與程度，大洋中脊附近的硅質(zhì)巖中Al2O3/TiO2值一般大于50。對全球不同沉積背景、不同時代地區(qū)的49個硅質(zhì)巖地球化學(xué)元素特征的研究表明：Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值可用于判別硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境，對于深海盆地與洋中脊的硅質(zhì)巖，該值分別為0.4～0.9和小于0.4；而對于大陸邊緣硅質(zhì)巖，該值為0.5～0.9。Al2O3/(100-SiO2)-Fe2O3/(100-SiO2)、100×(Al2O3/SiO2)-100×(Fe2O3/SiO2)、Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)-Fe2O3/TiO2等主量元素圖解對判別硅質(zhì)巖沉積環(huán)境具有一定的指示意義。Si/(Si+Al+Fe)值也能判別硅質(zhì)巖成因模式，對于正常生物沉積的硅質(zhì)巖，該值大于0.9。BOSTR?M等研究得出(Fe+Mn)/Ti、Fe/Ti、Al/(Al+Fe+Mn)值分別為>20±5、>20、<0.35，可判別此硅質(zhì)巖是熱水成因沉積模式。Na2O、K2O、P2O5、Al2O3、Fe2O3一般也可用于判別硅質(zhì)巖的成因模式，富含Na為熱水參與的典型標(biāo)志，正常生物沉積硅質(zhì)巖的K2O/Na2O值遠(yuǎn)大于1，受海底火山活動影響的硅質(zhì)巖K2O/Na2O值小于1。正常生物沉積的硅質(zhì)巖P2O5含量較高，MgO、TiO2含量較低，而與火山噴發(fā)相關(guān)的熱水成因模式的硅質(zhì)巖中P2O5、K2O含量低，TiO2含量較高。此外，由于TiO2多與陸源物質(zhì)的輸入有關(guān)，而MnO一般來源于大洋深部，所以MnO/TiO2也是用于反映硅質(zhì)巖沉積環(huán)境的重要指標(biāo)之一，SUGISAKI等認(rèn)為MnO的含量可指示硅質(zhì)巖所受熱液活動的影響程度，TiO2含量可指示陸源碎屑物質(zhì)的輸入程度，因此可用MnO/TiO2來反映硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境，大洋深部硅質(zhì)巖MnO/TiO2一般大于0.5，大陸邊緣沉積的硅質(zhì)巖MnO/TiO2一般小于0.5。4.2微量元素特征Ga、Ba、As、B、U、Sb等元素特征是劃分硅質(zhì)巖熱水或正常水沉積的指標(biāo)之一。與正常水相比，熱水沉積硅質(zhì)巖中Ga、Ba、As、B、U、Sb微量元素含量較高，這是判別熱水成因模式的方法之一，尤其是Ba在硅質(zhì)巖中的含量常用于判別硅質(zhì)巖的成因，熱水沉積成因的硅質(zhì)巖中的Ba含量與SiO2含量成正比。正常海水富集Th，而海底熱水中富集U；因正常海水的沉積速率較慢，沉積物能從海水中吸收Th，造成Th相對富集、U相對不富集，且在氧化環(huán)境中Th含量高于U含量；但在海底熱水中，由于噴流的熱水具有強(qiáng)還原性，致使Th含量低于U含量，故U/Th可用來指示熱水沉積成因和硅質(zhì)巖沉積物源的關(guān)系，即非熱水沉積硅質(zhì)巖U/Th小于1；而海底熱水沉積速率相對較快，沉積物較少從海水中吸收Th，致使熱水沉積物中缺乏Th、U的相對富集，即熱水沉積硅質(zhì)巖U/Th>1。李獻(xiàn)華研究發(fā)現(xiàn)：深海盆地硅質(zhì)巖的V質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為38μg/g，Ti/V約為25；洋中脊硅質(zhì)巖的V質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為42μg/g，Ti/V約為7；大陸邊緣硅質(zhì)巖的V質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20μg/g，Ti/V約為40。正常生物沉積硅質(zhì)巖的Cr含量與K、Rb、Zr、Ti、Mg含量呈正相關(guān)，而熱水沉積硅質(zhì)巖的Cr含量與K、Rb、Zr、Ti、Mg含量不相關(guān)或無明顯的相關(guān)性。正常生物沉積硅質(zhì)巖的Ba/Sr一般小于1，而現(xiàn)代熱水沉積硅質(zhì)巖的Ba/Sr大于1，且Ba/Sr與受熱水影響程度呈正相關(guān)。也可結(jié)合主量、微量元素特征判別硅質(zhì)巖是否為熱水成因，如Ni、Mn、Cu、Co、Fe含量組合特征。CRERAR等研究發(fā)現(xiàn)正常水、熱水沉積物的元素組合在Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)×10三角圖(見圖2)中存在較顯著的集中區(qū)，在Fe-Mn底線附近集中的大多是熱水沉積物，故熱水沉積物富Fe、Mn，貧Cu、Ni、Co。彭軍等對揚(yáng)子板塊震旦統(tǒng)熱水沉積成因硅質(zhì)巖的分析就是采用此圖判別的。圖2

硅質(zhì)巖Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)×10的三角圖

Fig.2Triangular

diagram

of

Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)×10

of

siliceous

rock4.3稀土元素特征不同成因類型硅質(zhì)巖含有不等量的REE，其來源主要有3種：從海水中吸收、陸源物質(zhì)、海底熱液物質(zhì)。REE在硅質(zhì)巖成巖前后幾乎無變化，故硅質(zhì)巖的REE特征也是判別其成因模式的指標(biāo)之一，可用其區(qū)分正常生物、熱水沉積。FLEET研究發(fā)現(xiàn)：正常生物沉積硅質(zhì)巖Ce正異常，∑REE偏高，HREE(重稀土)相對不富集；而熱液活動沉積區(qū)硅質(zhì)巖的Ce負(fù)異常，∑REE偏低，相對富集HREE。北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化也可用于判別硅質(zhì)巖成因模式，正常生物沉積硅質(zhì)巖REE配分曲線呈平緩右傾趨勢，而熱水沉積硅質(zhì)巖REE配分曲線呈平緩左傾趨勢。Eu異常也可作為判別硅質(zhì)巖熱水活動的證據(jù)，MICHARD研究發(fā)現(xiàn)，熱液活動可以使大洋中脊附近沉積物REE出現(xiàn)明顯的Eu異常，最大值可以超過10。熱液成因模式硅質(zhì)巖的∑REE/Fe值可隨與熱液活動中心距離的加大而變大，假定距熱源活動中心距離保持不變，∑REE/Fe值的高低可以反映熱液活動的程度大小。硅質(zhì)巖北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化和粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的REE配分模式不僅是判別其成因的重要標(biāo)志，還可以判別其沉積環(huán)境。OWEN等研究發(fā)現(xiàn)，Eu輕微負(fù)異?；驘o明顯異常的平坦譜型指示大陸邊緣沉積，形成于大陸邊緣的硅質(zhì)巖的REE配分模式具有Eu負(fù)異常的強(qiáng)烈右傾趨勢。硅質(zhì)巖的REE反映了所吸附海水的REE，包括海水、陸源物質(zhì)的REE，利用Ce/Ce*在判別其成因模式的同時，還能判別其沉積環(huán)境。大陸邊緣的REE是所吸附海水中的或陸源物質(zhì)中的REE，而在洋盆中的REE為海水中的REE，從大陸來的陸源物質(zhì)和水不存在LREE(輕稀土)和HREE分異，呈顯著的Ce正異常。而在洋盆中出現(xiàn)了Ce負(fù)異常，因在海水中三價Ce離子很快被氧化成溶解度小的四價Ce離子，而四價Ce離子很容易被有機(jī)物微粒、鐵氫氧化物、結(jié)核吸附，致使海水中剩余溶解態(tài)的四價Ce離子相對于其他元素出現(xiàn)虧損，呈Ce負(fù)異常，沉積環(huán)境、沉積速率、氧化還原環(huán)境、海水中Ce含量都會影響海盆沉積物的Ce異常。MURRAY等對加利福尼亞的硅質(zhì)巖La、Ce異常的分析結(jié)果表明，可結(jié)合LaN/CeN、Ce/Ce*判別硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境，深海盆地的硅質(zhì)巖Ce/Ce*約為0.50～0.76，均值0.60，LaN/CeN約為2～3；洋中脊附近的硅質(zhì)巖Ce/Ce*約為0.22～0.38，均值0.30，LaN/CeN約為3.5；大陸邊緣的硅質(zhì)巖Ce/Ce*約為0.67～1.35，均值1.09，LaN/CeN約為1。大陸邊緣硅質(zhì)巖由于陸源碎屑物質(zhì)的加入而富集LREE，而洋中脊附近的硅質(zhì)巖因?yàn)槭艿綗嵋夯顒拥挠绊懚鴮?dǎo)致明顯虧損LREE，洋盆硅質(zhì)巖因?yàn)槔^承了海水的元素特征而富集HREE，故硅質(zhì)巖的LREE也可用于判別其沉積環(huán)境；在洋中脊和洋盆附近一般表現(xiàn)為明顯虧損，而在大陸邊緣一般表現(xiàn)出弱富集現(xiàn)象。通常用LaN/YbN反映硅質(zhì)巖HREE和LREE的關(guān)系，洋中脊附近的硅質(zhì)巖LaN/YbN均值一般僅為0.3左右，大陸邊緣硅質(zhì)巖的LaN/YbN均值一般為1.1～1.4，洋盆硅質(zhì)巖的LaN/YbN均值在二者之間[2]。4.4硅氧同位素特征因硅同位素自然變化小、分析精度低、測定難度大等特點(diǎn)，國內(nèi)利用硅同位素分析硅質(zhì)巖的研究較少。自宋天銳等通過SiF4測試分析了硅同位素分析精度后，我國的硅同位素分析技術(shù)才開始緩慢發(fā)展。硅質(zhì)巖δ30Si值研究成果表明，在不同的沉積環(huán)境中δ30Si值變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，淺?！肷詈！詈３练e的δ30Si值呈1.3→0.4→0.16的減小趨勢，同時宋天銳等還提出了典型淺海、半深海、濱海的陸殼型和代表深海的洋殼型兩種硅同位素類型，故硅質(zhì)巖硅同位素值也可用于判識其沉積成因模式與沉積環(huán)境。DOUTHITT研究發(fā)現(xiàn)，不同沉積成因類型的硅質(zhì)巖具有不同的δ30Si值，熱水成因的硅質(zhì)巖δ30Si值在-0.15%～0.08%，生物成因的硅質(zhì)巖δ30Si值在-0.11%～0.17%，而交代成因的硅質(zhì)巖δ30Si值在0.24%～0.34%；如寒武系塔里木盆地硅質(zhì)巖δ30Si值在0.10%～0.38%，說明其為交代成。硅質(zhì)巖具有較強(qiáng)的抗同位素交換能力，在不同地質(zhì)背景下的O同位素的交換能力較弱，故除Si同位素外，O同位素對硅質(zhì)巖的成因沉積模式也有重要的指示作用。不同成因沉積模式的石英，其δ18O組成不同：變質(zhì)成因的石英δ18O值在1.12%～1.64%；火成巖成因的石英δ18O值在0.83%～1.12%；熱泉華石英的δ18O值在1.22%～2.36%；現(xiàn)代海灘石英砂δ18O值在1.03%～1.25%；沉積成巖的石英δ18O值在1.3%～3.6%；在沉積成巖中因?yàn)槭⒅亟Y(jié)晶轉(zhuǎn)換為嵌晶石英，其δ18O值在1.93%～2.18%。利用硅質(zhì)巖抗同位素交換能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，可依據(jù)KNAUTH等研究得到的硅質(zhì)巖O同位素地質(zhì)溫度計(jì)算公式1000lnα硅質(zhì)巖-海水=3.09×106T-2-3.29來測算硅質(zhì)巖形成的古溫度，并與同