内蒙古阿拉善右旗雅干地区二叠系埋汗哈达组硅质岩成因及其沉积环境

史冀忠，卢进才，魏建设，牛亚卓，韩小锋，张宇轩

中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054

0 引言

硅质岩的研究一直是国内外研究的热点[1-5]。目前关于硅质岩的成因有生物成因、化学及生物化学成因、纯化学成因、交代成因及机械成因等认识。因其具有重要的沉积环境、物源及成岩成矿等指示意义而受到学者的广泛关注[6-12]。由于不同成因的硅质岩在成岩物质来源、成岩环境及成岩物理化学条件等方面的显著差异，其岩石化学成分必然有所不同；另外，硅质岩硬度高、抗风化能力强，使其在形成之后受内外动力地质作用改造程度低，有利于保留形成时的古地理、古气候和古环境信息。这些是利用岩石化学方法研究硅质岩成因及其沉积环境的物质及理论基础[13-17]。

笔者在野外地质调查过程中发现二叠系的许多剖面中不同程度地发育有硅质岩，因此对雅干地区好比如、杭乌拉剖面进行了实测并采集了相关样品。本文在硅质岩岩石学特征研究的基础上，进行了主量元素和稀土元素分析，根据前人建立的硅质岩成因和沉积环境分析指标及图解对其进行分析探讨，这将有助于确定雅干地区早二叠世的古地理、古环境。

1 剖面描述及采样位置

雅干地区位于内蒙古自治区西部，好比如剖面位于阿拉善右旗(图1)，1∶20万区域地质调查报告将该套地层划归为下石炭统，命名为“好比如组”，张宇轩等[18]根据火山岩锆石U-Pb年龄及区域地层对比，将该套地层解体为震旦系、二叠系埋汗哈达组和阿其德组。埋汗哈达组为剖面的17—35层，下段为灰色、杂色砾岩，深灰色、棕黄色岩屑细砂岩；上段为深灰色硅质岩、硅化灰岩夹土黄色粉砂岩。针对硅质岩采集了5件薄片和5件地球化学样品(图2a)。

杭乌拉剖面位于阿拉善右旗(图1)，为下二叠统埋汗哈达组，从岩性、岩相特征上可以分为3个岩性段[19-20]：下段为以泥岩为主的碎屑岩(56—79层)，主要为黑色--灰黑色泥岩、深灰色泥质粉砂岩、灰绿色细粒长石砂岩，及少量灰色砾岩等；中段碳酸盐岩段(29—55层)，主要为灰色结晶灰岩、生屑灰岩夹硅质岩，内含丰富腕足、珊瑚化石[21]；上段碎屑岩段(1—28层)，主要为灰绿色泥质粉砂岩、中—细粒长石砂岩。针对硅质岩采集了5件薄片和7件地球化学样品(图2b)。

Q.第四系；K.白垩系；J.侏罗系；T.三叠系；P3h.上二叠统哈尔苏海组；P2a.中二叠统阿其德组；P1-2m.下、中二叠统埋汗哈达组；C2—P1a.石炭系—二叠系阿木山组；D.泥盆系；S.志留系；O.奥陶系；∈.寒武系；ChG.古硐井群；JX.圆藻山群；γ.岩体。图1 内蒙古阿拉善右旗雅干地区地质简图Fig.1 Sketch geological map of Yagan region in Alxa Right Banner, Inner Mongolia

2 硅质岩岩石学特征

硅质岩的岩石学特征是进行硅质岩地球化学研究的基础。

2.1 好比如埋汗哈达组硅质岩岩石学特征

好比如二叠系埋汗哈达组硅质岩发生了轻度变质形成绢云母硅质板岩(图3a)和绢云母石英千枚岩。

绢云母硅质板岩：为鳞片-细粒变晶结构，网脉状、块状构造，主要由变晶石英、绢云母、变质石英细脉、硅化石英、蚀变方解石细脉、褐铁矿、氧化铁、炭质等组成(图3b)。变晶石英(68%～84%)，他形压扁拉长微细粒状，长轴半平行排列，粒径0.02 mm×0.05 mm～0.15 mm×0.30 mm； 绢云母(7%～17%)，显微鳞片状半平行分布； 变质石英细脉(5%～13%)，他形细粒组成细脉，平行千枚理分布，原生硅质经变质活化，顺千枚理充填分布，进一步构造剪切作用形成石香肠(图3c)； 硅化石英(2%～8%)，后期热液成因，交切千枚理； 蚀变方解石细脉(1%～3%)，细脉状交切千枚理； 褐铁矿(1%)，他形—半自形细粒，呈黄铁矿四方细粒假象分布于方解石石英细脉之中，粒径0.05～0.30 mm；氧化铁(0.5%～1.0%)，泥状沿千枚理分布或沿裂隙充填；炭质(0.5%～2.0%)，粉尘状沿千枚理分布。

绢云母石英千枚岩：为中细粒变晶结构，千枚状、块状构造，主要由变晶石英、硅质板岩残留、绢云母、炭质、铁方解石、褐铁矿等组成(图3d)。变晶石英(85%)，微压扁拉长中细粒变晶，粒径0.05 mm×0.10 mm～0.20 mm×0.30 mm；硅质板岩残留(9%)，他形压扁拉长半定向排列，在变晶石英集合体中残留，粒径0.01 mm×0.02 mm～0.02 mm×0.05 mm；绢云母(4%)，细鳞片状半平行分布，变形形成千枚理构造；炭质(0.5%)，粉尘状沿千枚理分布；铁方解石(1%)，他形—半自形粒状裂隙分布；褐铁矿(少)，他形粒状散布。

2.2 杭乌拉埋汗哈达组硅质岩岩石学特征

杭乌拉埋汗哈达组硅质岩主要为含钙质生屑硅质岩、粉砂生屑硅质岩和海绵骨针硅质岩，生屑-隐晶结构，块状构造，物质成分主要为生屑(40%～80%)、硅质物(20%～60%)，少量的石英和泥质物(图3e、3f)。生屑以海绵骨针为主，横切面为圆形或椭圆形，粒径为0.02～0.40 mm，纵切面为针形，即海绵骨针，其大小为0.10～1.20 mm。胶结物主要为硅质，多为隐晶状玉髓，其次为细小鳞片状玉髓和细小粒状石英。泥质已蚀变成细小的帘石类矿物。

1.砾岩；2.细砾岩；3.长石砂岩；4.石英砂岩；5.岩屑砂岩；6.钙质长石砂岩；7.细砂岩；8.粉砂岩；9.泥质粉砂岩；10.粉砂质泥岩；11.泥岩；12.灰岩；13.砂质灰岩；14.泥质灰岩；15.结晶灰岩；16.生物灰岩；17.生屑灰岩；18.硅化灰岩；19.硅质岩。B.薄片样；CH.化学样。图2 好比如(a)和杭乌拉(b)二叠系埋汗哈达组实测剖面综合柱状图Fig.2 Composite column of Permian Maihanhada Formation in Haobiru(a) and Hangwula (b)

a.好比如埋汗哈达组绢云母硅质板岩野外照片；b.好比如埋汗哈达组绢云母硅质板岩，鳞片-细粒变晶结构，网脉状、块状构造，主要由变晶石英和绢云母组成；c.好比如埋汗哈达组炭质绢云母板岩和绢云母硅质板岩互层，绢云母硅质板岩中石英细脉形成石香肠构造；d.好比如埋汗哈达组绢云母石英千枚岩，中细粒变晶结构，千枚状、块状构造，主要由变晶石英和硅质板岩残留组成；e.杭乌拉埋汗哈达组硅质岩中海绵骨针；f.杭乌拉埋汗哈达组粉砂生屑硅质岩中放射虫。Q.石英；Se.绢云母；Ss.海绵骨针；Ra.放射虫。图3 雅干地区二叠系埋汗哈达组硅质岩野外及镜下照片Fig.3 Field and microscope images of Permian Maihanhada Formation chert in Yagan region

3 硅质岩地球化学特征

硅质岩的地球化学特征可以帮助恢复其形成环境及各种背景，已成为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纪有代表性的硅质岩地球化学资料，总结了广泛适用各种沉积环境的地球化学判别标志。为了探讨研究区二叠系埋汗哈达组硅质岩的成因及沉积环境，进行了硅质岩主量元素和稀土元素分析，样品由中国地质调查局西安地质调查中心实验室分析测试。

3.1 主量元素

一般生物成因的硅质岩表现为高SiO2、P2O5、Fe2O3质量分数，而低A12O3、TiO2、FeO、MgO、K2O和Na2O质量分数；典型的海相火山沉积硅铁建造以低K2O、P2O5质量分数，高TiO2质量分数为特征；海相热水沉积硅质岩也以低P、高Ti为特征，而区别于高P、低Ti的生物成因硅质岩，热水沉积的硅质岩还具有高Si、低A1的特点[11,27]。

硅质岩的主量元素分析结果见表1。好比如埋汗哈达组硅质岩的SiO2质量分数为89.83%～94.16%，平均值为92.01%，达到纯硅质岩的标准(91.0%～99.8%)；杭乌拉埋汗哈达组硅质岩的SiO2质量分数为75.93%～90.14%，平均值为86.70%，低于纯硅质岩的的标准(91.0%～99.8%)。好比如埋汗哈达组硅质岩的Al2O3质量分数为1.22%～2.58%，Si/Al为31.08～68.03；杭乌拉埋汗哈达组Al2O3质量分数为3.70%～9.58%，Si/Al为6.99～20.96；二者均低于纯硅质岩Si/Al值(80～1 400)，表明其含有较高比例的陆源泥质沉积物。

3.2 稀土元素

稀土元素是恢复古海洋环境，判别氧化还原条件、热水沉积或非热水沉积的一种重要化学示踪剂。一般来说，热水沉积硅质岩具有ΣREE质量分数低，Ce亏损较明显，而Eu亏损不明显甚至出现Eu正异常，经北美页岩标准化后的配分曲线呈平缓的左倾斜；而非热水沉积硅质岩的稀土元素与页岩相似，相对富集轻稀土，配分曲线呈平缓右倾斜[11,16,28]。硅质岩的稀土元素分析结果见表1。

4 硅质岩成因及沉积环境分析

4.1 硅质岩成因分析

4.1.1 Al、Fe、Mn的元素特征

A1、Fe、Mn作为沉积物源指示剂广泛用于沉积环境研究中。Fe、Mn元素的富集主要与热水的参与有关，而A1的富集则与陆源物质的介入有关。Adachi等[1]指出纯生物成因的硅质岩Al/(A1+Fe+Mn)的值接近0.60，而纯热水成因的硅质岩Al/(A1+Fe+Mn)的值接近0.01，受热水作用的影响其比值小于0.35。

从表1可以看出，好比如埋汗哈达组硅质岩Al/(Al+Fe+Mn)值为0.49～0.65，平均值为0.56，杭乌拉埋汗哈达组硅质岩Al/(Al+Fe+Mn)值为0.68～0.78，平均值为0.73，与纯生物成因硅质岩的Al/(Al+Fe+Mn)值非常接近。此外，在Al-Fe-Mn三角图(图4)上，样品落入生物成因硅质岩区，说明研究区的硅质岩为典型的生物成因硅质岩。

图4 硅质岩Al、Fe、Mn三角图Fig.4 Al-Fe-Mn diagram for the chert

4.1.2 稀土元素成因类型指示意义

硅质岩的Ce异常也可以用来指示硅质岩的成因。Murray等[3]指出：热水成因硅质岩Ce呈负异常，δCe平均值为0.29；正常海水生物沉积硅质岩Ce呈正异常，δCe平均值为1.2。

从表1可以看出，好比如埋汗哈达组硅质岩的δCe值为0.87～0.92，平均值为0.89，杭乌拉埋汗哈达组硅质岩的δCe值为0.89～0.94，平均值为0.90。硅质岩的稀土元素用北美页岩(NASC)标准化后的配分模式见图5，其表现出Ce具有轻微的负异常，指示研究区硅质岩为海水生物沉积的硅质岩。

4.2 硅质岩沉积环境分析与讨论

4.2.1 主量元素比值及图解

Sugisaki等[29]指出，硅质岩的锰含量可作为衡量来自大洋深部的标志元素。MnO/TiO2值可用来判断硅质沉积物离大洋盆地的远近，离大陆较近的大陆坡和边缘海沉积物的MnO/TiO2值小于0.5，开阔大洋底硅质岩沉积物的值较高，可达0.5～3.5。从表1可以看出，好比如埋汗哈达组硅质岩的MnO/TiO2值为0.17～0.88，平均值为0.41，杭乌拉埋汗哈达组硅质岩的MnO/TiO2值为0.04～0.40，平均值为0.16，反映研究区的硅质岩形成于离大陆较近的大陆坡和边缘海。

图5 好比如(a)和杭乌拉(b)二叠系埋汗哈达组硅质岩稀土元素北美页岩标准化配分模式图Fig.5 NASC-normalized REE patterns of Permian Maihanhada Formation chert in Haobiru(a) and Hangwula (b)

Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)是判别硅质岩形成环境，特别是区分洋中脊和大陆边缘成因的良好指标[3,30]，一般认为洋中脊硅质岩<0.4，大洋盆地硅质岩为0.4～0.7，大陆边缘硅质岩为0.5～0.9。从表1可以看出，好比如埋汗哈达组硅质岩Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值为0.59～0.78，平均值为0.71，杭乌拉埋汗哈达组硅质岩Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值为0.78～0.86，平均值为0.83，与大陆边缘硅质岩相当。

Murray[4]利用已知沉积环境的硅质岩化学成分比值作图，圈定了大陆边缘、大洋盆地和洋中脊硅质岩投影区。在100(Fe2O3/SiO2)-100(Al2O3/SiO2)(图6a)、Fe2O3/(100-SiO2)-Al2O3/(100- SiO2)(图6b)、Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+ Fe2O3)(图6c)图解中，样品落在大陆边缘型硅质岩区域内。

图6 硅质岩主量元素图解Fig.6 Major element discrimination diagram of chert

4.2.2 稀土元素沉积环境指示意义

研究表明，洋中脊、大洋盆地至大陆边缘等不同构造环境中的硅质岩，其δCe*值从负异常至负异常不明显甚至为正异常[3,30]。洋中脊附近硅质岩的δCe*值为0.30±0.13，大洋盆地硅质岩的δCe*值为0.60±0.13，大陆边缘硅质岩的δCe*值为1.09±0.25。从表1中可以看出，好比如埋汗哈达组硅质岩的δCe*值为0.87～0.92，平均值为0.89，杭乌拉埋汗哈达组硅质岩的δCe*值为0.89～0.94，平均值为0.90，都属于大陆边缘型硅质岩的范畴。

(La/Ce)N同样可以用来反映沉积环境，大陆边缘硅质岩(La/Ce)N值为0.5～1.5，洋脊硅质岩(La/Ce)N值为3.5，大洋硅质岩(La/Ce)N值为1.0～2.5[3,30]。从表1中可以看出，好比如埋汗哈达组硅质岩(La/Ce)N值为1.07～1.25，平均值为1.16，杭乌拉埋汗哈达组硅质岩(La/Ce)N值为1.02～1.15，平均值为1.10，另外在(La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+ Fe2O3)图解上，样品落在大陆边缘型硅质岩区域内(图7)，指示研究区硅质岩沉积于大陆边缘。

图7 (La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)相关图Fig.7 Diagram of (La/Ce)N-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)

4.2.3 稀土元素古海水氧化-还原条件

Wright等[31]把稀土元素中的Ce与邻近的La和Nd元素相关的变化称为铈异常(Ceanom)。其公式为：Ceanom=log[3CeN/(2LaN+NdN)]。式中下角N为一个给出样品经北美页岩或球粒陨石标准化的值。Ceanom值已被作为判断古海水氧化-还原条件的标志，其值大于-0.1时为Ce的富集，反映水体呈缺氧环境；而小于-0.1时为Ce的负异常，反映水体呈氧化环境。

从表1可以看出，好比如埋汗哈达组硅质岩Ceanom值为-0.059～-0.026，平均值为-0.043，杭乌拉埋汗哈达组硅质岩Ceanom值为-0.041～-0.001，平均值为-0.029，说明研究区硅质岩形成于缺氧的水体环境中。

4.3 沉积环境讨论

比较雅干地区二叠系埋汗哈达组硅质岩与典型硅质岩的稀土元素参数[4,32-35](表2)可以看出，研究区硅质岩的稀土元素参数与大陆边缘盆地内产出的硅质岩类似，如现代南极大陆周缘硅质岩、古生代大陆边缘裂谷盆地硅质岩。

研究区二叠系埋汗哈达组出露于埋汗哈达、好比如、杭乌拉和恩格尔乌苏北等地区(图1)。埋汗哈达该组厚610.1 m，底部为灰绿色砾岩、粉细砂岩，向上为深灰色粉砂质泥岩、泥岩、粉砂岩夹薄层灰岩、长石砂岩、长石杂砂岩。好比如该组厚639.7 m，未见底，下部为灰色、杂色砾岩，深灰色、棕黄色岩屑细砂岩，上部为深灰色硅质岩、硅化灰岩夹土黄色粉砂岩。杭乌拉该组厚760.4 m，未见底，下部灰色、灰黑色泥岩和泥质粉砂岩夹灰绿色砾岩、长石砂岩，中部灰色、深灰色中薄层生屑灰岩、结晶灰岩、砂质灰岩夹硅质岩，上部灰绿色、灰色长石砂岩和泥岩及泥质粉砂岩。恩格尔乌苏北该组厚1 085.1 m，未见顶底，底部为灰黄色、浅灰色中厚层砾岩、细砾岩、含砾砂岩和长石砂岩，下部为黄灰色、浅灰色长石砂岩、岩屑砂岩、长石杂砂岩、凝灰质粉砂岩夹砾岩，上部为灰黄色、灰绿色粉砂岩、凝灰质粉砂岩、长石岩屑杂砂岩、石英砂岩夹凝灰岩(图8)。

前人对研究区二叠系埋汗哈达组沉积环境进行研究表明，埋汗哈达和杭乌拉埋汗哈达组形成于半咸水的滨海—浅海的还原环境[19-20]，恩格尔乌苏北埋汗哈达组发育有碗足类动物群，属冷水和暖水混生的“哲斯动物群”，以三角洲—滨海相沉积为主[36]。结合本文对好比如和杭乌拉硅质岩成因及沉积环境的研究，认为研究区早二叠世为大陆边缘滨海—浅海相沉积环境。

图8 雅干地区二叠系埋汗哈达组地层对比图Fig.8 Stratigraphic comparison of Permian Maihanhada Formation in Yagan region

表2 雅干地区二叠系埋汗哈达组硅质岩的稀土元素参数与典型案例比较

5 结论

1)好比如二叠系埋汗哈达组硅质岩发生了轻度变质形成绢云母硅质板岩、绢云母石英千枚岩，硅质岩的SiO2质量分数为89.83%～94.16%，平均值为92.01%，达到纯硅质岩的标准；杭乌拉二叠系埋汗哈达组硅质岩主要为含钙质生屑硅质岩、粉砂生屑硅质岩和海绵骨针硅质岩，硅质岩的SiO2质量分数为75.93%～90.14%，平均值为86.70%，低于纯硅质岩的标准。好比如埋汗哈达组Si/Al为31.08～68.03，杭乌拉埋汗哈达组Si/Al为6.99～20.96，均低于纯硅质岩的标准，表明其含有较高比例的陆源泥质沉积物。

2)研究区硅质岩为海水生物沉积成因，沉积于大陆边缘缺氧的水体环境中。综合分析认为研究区早二叠世为大陆边缘滨海—浅海相沉积环境。

致谢：成文过程中，得到中国地质调查局西安地质调查中心陈高潮教授级高级工程师，韩伟、宋博、许伟工程师等的支持和帮助，审稿专家对文章提出了宝贵的意见，在此一并表示衷心感谢！