東秦嶺二坪群硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及成因分析

東秦嶺二坪群硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及成因分析

0最佳構(gòu)造環(huán)境的確定依據(jù)硅巖是一種特殊的沉積巖石。由化學(xué)作用、生物和生物化學(xué)作用以及某些火山作用、熱水作用形成的富含SiO2(一般>70%)的巖石,以及在盆地內(nèi)經(jīng)機(jī)械破碎再沉積而形成的巖石,都可稱為硅質(zhì)巖。它不但具有重要的沉積環(huán)境、成因、物源和成巖成礦等指示意義,而且本身抵抗后期改造的能力強(qiáng),使各種信息較好地保存下來。長(zhǎng)期以來,人們探討用不同的方法研究硅質(zhì)巖,以解決其成因及沉積環(huán)境等相關(guān)地質(zhì)問題。現(xiàn)今,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都從硅質(zhì)巖的野外成因標(biāo)志、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、陰極發(fā)光、常量及微量元素、稀土元素、放射性同位素、穩(wěn)定同位素、稀有氣體同位素、古地磁及有機(jī)地球化學(xué)等方面進(jìn)行研究。二郎坪群位于北秦嶺造山帶東部,即東秦嶺,其中普遍發(fā)育硅質(zhì)巖,是古弧后盆地物質(zhì)殘存。二郎坪弧后盆地是在早古生代末古商丹洋向華北板塊之下俯沖消減過程中,于華北板塊南緣裂解形成的弧后小洋盆,它是秦嶺造山帶重要的構(gòu)造-地層單元(圖1)。前人確定二郎坪弧后盆地構(gòu)造環(huán)境的主要依據(jù)是對(duì)二郎坪群火山巖巖石地球化學(xué)特征和構(gòu)造背景的研究。然而,由于火山巖巖石化學(xué)特征具有多解性,故有關(guān)二郎坪群形成環(huán)境的爭(zhēng)議較大。本文主要運(yùn)用巖石地球化學(xué)方法對(duì)二郎坪群中廣泛分布的硅質(zhì)巖進(jìn)行研究,探討其沉積環(huán)境,進(jìn)而對(duì)二郎坪群的構(gòu)造背景提供重要證據(jù)。1硅質(zhì)巖二郎坪群中的硅質(zhì)巖,據(jù)其產(chǎn)狀可劃分為3種類型:(1)薄層狀硅質(zhì)巖,分布在塊狀熔巖和枕狀熔巖的頂部(圖2(a));(2)硅質(zhì)板巖和碳硅質(zhì)板巖夾層,發(fā)育在火山碎屑巖中(圖2(b));(3)硅質(zhì)巖與礦體聯(lián)系非常緊密,常呈條帶狀或紋層狀出現(xiàn),硅質(zhì)巖常被礦化成礦體,有些地段可見到重晶石巖與硅質(zhì)巖互層出現(xiàn)(圖3)。在前兩類硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)時(shí)代為早寒武世—中奧陶世的多種海綿古針、牙形石和放射蟲化石。張成立等在2003年曾對(duì)分布于南陽盆地以西的(1)、(2)類硅質(zhì)巖的形成環(huán)境進(jìn)行研究,認(rèn)為其產(chǎn)于大陸邊緣環(huán)境;韋昌山等在2003年對(duì)南陽盆地以東劉山巖礦床中硅質(zhì)巖進(jìn)行了地球化學(xué)分析,認(rèn)為其具有熱水成因特征。本文對(duì)分布于南陽盆地東、西二郎坪群中此3類產(chǎn)狀的硅質(zhì)巖進(jìn)行了野外研究,并采集樣品對(duì)比分析其地球化學(xué)特征(表1),綜合探討其沉積環(huán)境。2巖石化學(xué)特性不同成因的硅質(zhì)巖在物質(zhì)來源、沉積環(huán)境及物理化學(xué)條件等方面存在差異,故不同環(huán)境的硅質(zhì)巖巖石化學(xué)成分必然有所不同,這是利用巖石化學(xué)方法研究硅質(zhì)巖的物質(zhì)與理論基礎(chǔ)。近洋中脊環(huán)境、大陸邊緣環(huán)境及二者之間的過渡環(huán)境類型一般是硅質(zhì)巖的典型沉積環(huán)境。2.1硅質(zhì)巖沉積環(huán)境硅質(zhì)巖巖石化學(xué)特征值比值法常是進(jìn)行硅質(zhì)巖成因及沉積相指示意義的研究方法和手段。二郎坪群中硅質(zhì)巖巖石化學(xué)成分見表2,巖石化學(xué)特征值見表3。由表2可知,研究區(qū)硅質(zhì)巖樣品SiO2含量變化范圍較大(61.35%~96.01%),其中樣品DH-8、ELP-7、ELP-5及ELP-3在純硅質(zhì)巖含量范圍內(nèi)(w(SiO2)=91%~99.8%)變化,其余樣品的SiO2含量均低于純硅質(zhì)巖;SiO2與Al2O3含量呈明顯的負(fù)相關(guān)性,且硅質(zhì)巖的N(Si)/N(Al)(2.77~51.53)低于純硅質(zhì)巖(N(Si)/N(Al)=80~1400),因而二郎坪群硅質(zhì)巖為非純硅質(zhì)巖。w(MnO)/w(TiO2)及N(Al)/N(Al+Fe)是判別硅質(zhì)巖沉積環(huán)境的常用參數(shù)。據(jù)SugisakiR等研究,距大陸較近的大陸斜坡和邊緣海沉積硅質(zhì)巖的w(MnO)/w(TiO2)<0.5,距大陸較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)洋盆地硅質(zhì)巖的w(MnO)/w(TiO2)>0.5。表3表明二郎坪群硅質(zhì)巖的w(MnO)/w(TiO2)在南陽盆地東、西部具有差異性:東部硅質(zhì)巖除樣品DH-2較低外,其他樣品的w(MnO)/w(TiO2)值均大于0.5;西部硅質(zhì)巖的w(MnO)/w(TiO2)變化范圍為0.13~0.60,均值為0.35。據(jù)此可判斷南陽盆地東部硅質(zhì)巖沉積于距大陸較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)洋盆地環(huán)境,而南陽盆地西部硅質(zhì)巖沉積于大陸邊緣海。另據(jù)AdachiM等在1986年研究,硅質(zhì)巖的N(Al)/N(Al+Fe)值通常與沉積構(gòu)造環(huán)境有關(guān),洋中脊附近硅質(zhì)巖的N(Al)/N(Al+Fe)平均值為0.12、北太平洋的平均值為0.32、日本中部大陸邊緣三疊紀(jì)紋層狀硅質(zhì)巖的平均值為0.6。在研究區(qū),南陽盆地以東硅質(zhì)巖的N(Al)/N(Al+Fe)值(0.31~0.45)與北太平洋接近,而盆地以西N(Al)/N(Al+Fe)均值為0.60,與日本中部大陸邊緣三疊紀(jì)紋層狀硅質(zhì)巖非常接近,此亦說明南陽盆地東、西部的二郎坪群硅質(zhì)巖沉積環(huán)境存在差異性。Al2O3和TiO2含量具有指示陸緣物質(zhì)來源的意義,而Fe2O3含量是反映洋中脊熱水活動(dòng)組分的指標(biāo),且其在成巖過程中相對(duì)穩(wěn)定,故w(Fe2O3)/w(TiO2)-w(Al2O3)/w(Al2O3+Fe2O3)圖解常用來判別硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境。研究區(qū)東部硅質(zhì)巖的Al2O3含量(平均值為2.91%)比西部硅質(zhì)巖(平均值為7.51%)低得多,TiO2亦顯示同樣的變化趨勢(shì),此結(jié)果揭示陸緣物源對(duì)西部硅質(zhì)巖影響相對(duì)較大。圖4中南陽盆地東部硅質(zhì)巖樣品投點(diǎn)落在遠(yuǎn)洋區(qū),而西部硅質(zhì)巖樣品投點(diǎn)落在大陸邊緣區(qū)。二郎坪群硅質(zhì)巖常量元素化學(xué)特征表明,二郎坪群硅質(zhì)巖沉積環(huán)境具有2種類型:南陽盆地以西硅質(zhì)巖為大陸邊緣海型,而以東為類似遠(yuǎn)洋盆地型。這種沉積環(huán)境說明二郎坪群構(gòu)造環(huán)境具有弧后小洋盆特征。2.2研究區(qū)硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征稀土元素常作為一種地球化學(xué)示蹤標(biāo)志,在恢復(fù)古海洋環(huán)境、判別氧化還原環(huán)境及判別硅質(zhì)巖沉積構(gòu)造環(huán)境等方面具有重要意義。由表4可知,二郎坪群硅質(zhì)巖的稀土元素含量在東部和西部差異較大:東部硅質(zhì)巖的w(∑REE)值較低,平均值為27.75×10-6;西部硅質(zhì)巖的w(∑REE)值較高,平均值為109.32×10-6,如此高的稀土含量(SDL-1樣品含量達(dá)200×10-6)可能與硅質(zhì)巖沉積于大陸邊緣型環(huán)境有關(guān)。對(duì)紅海、大西洋TAG地區(qū)、太平洋SER地區(qū)、Aeolianarc地區(qū)、沖繩海槽、勞海盆地(LauBasin)和馬里亞拉海槽(MarianaTrough)等典型熱液活動(dòng)區(qū)的熱液沉積物特征對(duì)比分析得出,代表高溫?zé)嵋毫黧w的洋中脊型熱液沉積物一般具有低w(∑REE)、較富集LREE、虧損HREE和Eu正異常特征,且因熱液流體和海水混合比例的不同,可形成右陡傾斜型、一般右傾斜型和微右傾斜型的稀土配分模式(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化);弧后盆地型、被動(dòng)大陸邊緣及活動(dòng)大陸邊緣型熱液區(qū)的熱液沉積物一般表現(xiàn)為較高w(∑REE)、富集LREE、虧損HREE、Ce負(fù)異常和Eu負(fù)異常及稀土配分模式一般右傾斜型特征。研究區(qū)硅質(zhì)巖具有較高w(∑REE)、弱富集LREE、弱虧損HREE、弱Ce負(fù)異常和Eu負(fù)異常及稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線為右傾斜型的配分模式(表4,圖5)特征,與弧后盆地型熱液區(qū)的沉積物稀土元素特征極為相似,從而揭示其具有典型的熱水沉積巖特征,亦印證了研究區(qū)硅質(zhì)巖形成于弧后盆地構(gòu)造背景的認(rèn)識(shí)。研究區(qū)硅質(zhì)巖既顯示Eu負(fù)異常,又有Ce負(fù)異常,結(jié)合常量元素地球化學(xué)特征分析,認(rèn)為該區(qū)硅質(zhì)巖應(yīng)是低溫?zé)嵋毫黧w和少量的海水參與混合而形成,并受陸源物質(zhì)影響。Murray等的研究也表明,大洋環(huán)境硅質(zhì)巖的w(∑REE)值受所含陸源物質(zhì)、熱液物質(zhì)以及海水的影響,而研究區(qū)硅質(zhì)巖典型的熱水沉積成因特征表明其物質(zhì)來源主要為熱水組分,但西部硅質(zhì)巖較高的稀土含量與指示陸緣物源組分(Al2O3、TiO2)間具有良好的正相關(guān)性,說明在大陸邊緣海沉積環(huán)境中陸源物質(zhì)對(duì)西部硅質(zhì)巖影響較大。Murray等在研究大洋中脊、大洋盆地和大陸邊緣等不同大地構(gòu)造環(huán)境中熱水沉積硅質(zhì)巖時(shí)發(fā)現(xiàn),自濱淺海至大洋盆地:(1)w(∑REE)降低;(2)w(HREE)相對(duì)富集;(3)Ce虧損明顯。洋中脊附近硅質(zhì)巖(w(La)/w(Ce))N≈3.5,δCe平均值為0.30;大洋盆地硅質(zhì)巖中(w(La)/w(Ce))N=1.0~2.5,δCe平均值為0.60;大陸邊緣硅質(zhì)巖中(w(La)/w(Ce))N=0.5~1.5,δCe范圍為0.79~1.54,負(fù)異常不明顯,甚至為正異常。由表4可見,研究區(qū)硅質(zhì)巖的(w(La)/w(Ce))N=1.06~1.47,δCe平均值為0.91,且自南陽盆地西部(w(∑REE)=109.32×10-6)向東部(w(∑REE)=27.75×10-6)稀土總量有明顯降低的趨勢(shì),可見區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖具大洋盆地和大陸邊緣硅質(zhì)巖的邊緣特征。稀土元素綜合特征說明,二郎坪群硅質(zhì)巖形成于弧后盆地構(gòu)造環(huán)境,具有大陸邊緣—遠(yuǎn)洋盆地的過渡環(huán)境特征。2.3硅質(zhì)巖形成環(huán)境Murray等研究表明,硅質(zhì)巖中V、Ni、Cu等微量元素含量對(duì)沉積環(huán)境具有指示意義。通常大陸邊緣硅質(zhì)巖w(V)≈20×10-6、w(Ni)=20×10-6~25×10-6、w(Cu)≈26×10-6;而洋中脊或遠(yuǎn)洋盆地硅質(zhì)巖w(V)≈38.3×10-6、w(Ni)=20×10-6~25×10-6、w(Cu)≈53.5×10-6。由表5可知,二郎坪群硅質(zhì)巖w(V)=1.41×10-6~160×10-6,平均值為55.76×10-6;w(Ni)=0.05×10-6~15×10-6,平均值為6.46×10-6;w(Cu)=22×10-6~9910×10-6,可見具有洋中脊(或遠(yuǎn)洋盆地)和大陸邊緣硅質(zhì)巖的雙重特征。在海相環(huán)境中,僅深海與滯流淺海相環(huán)境硅質(zhì)巖的N(Sr)/N(Ba)值小于1,且深海相的單個(gè)元素Sr、Ba的含量因相對(duì)滯流淺海而富集。研究區(qū)硅質(zhì)巖N(Sr)/N(Ba)值(0.007~0.678)均小于1,且Sr、Ba含量較高,說明研究區(qū)硅質(zhì)巖形成于深海環(huán)境。Kato等2002年研究認(rèn)為,Nb、Rb和Th等元素主要來自陸源,且不溶于海水,其在硅質(zhì)巖中的含量亦指示了陸源物質(zhì)的影響程度和沉積環(huán)境。南陽盆地以東硅質(zhì)巖的w(Nb)、w(Rb)和w(Th)值(均值分別為2.26×10-6、15.36×10-6、0.29×10-6)比盆地以西(均值分別為4.32×10-6、28.26×10-6、5.2×10-6)的值低得多,說明南陽盆地以西硅質(zhì)巖受陸源物質(zhì)影響大,且南陽盆地東、西部硅質(zhì)巖沉積環(huán)境存在差異,這與根據(jù)常量元素和稀土元素特征得到的結(jié)論相一致。3物源及構(gòu)造環(huán)境通過對(duì)東秦嶺二郎坪群硅質(zhì)巖的常量元素、稀土元素、微量元素特征分析及硅質(zhì)巖的地質(zhì)特征研究,對(duì)二郎坪群硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境得出如下結(jié)論:(1)硅質(zhì)巖常量元素(w(SiO2)=91%~99.8%、N(Si)/N(Al)=2.77~51.53)化學(xué)特征說明研究區(qū)硅質(zhì)巖是非純硅質(zhì)巖;對(duì)沉積環(huán)境有指示意義的微量元素w(V)(均值為55.76×10-6)、w(Ni)(均值為6.46×10-6)、w(Cu)(22×10-6~9910×10-6)、N(Sr)/N(Ba)(0.007~0.678)特征表明,研究區(qū)硅質(zhì)巖形成于大陸邊緣—遠(yuǎn)洋盆地的深海環(huán)境。(2)稀土元素(La/Ce)N、δCe值表明本區(qū)硅質(zhì)巖形成于大陸邊緣—遠(yuǎn)洋盆地過渡環(huán)境類型;稀土元素配分模式、特征值(w(LREE)/w(HREE)=4.37~9.10、δEu=0.84~1.38、δCe=0.77~1.06),常量元素及微量元素含量說明研究區(qū)硅質(zhì)巖是熱水成因,沉積物源主要受海底噴流作用控制,又受大陸物源影響。(3)硅質(zhì)巖常量元素地球化學(xué)w(MnO)/w(