且干布拉克早寒武世硅質巖巖石學、地球化學特征及地質意義

劉文，吳春明，呂新彪，楊恩林，曹曉峰，王祥東，汪一凡，吳建亮

（1.中國地質大學（武漢）地質調查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074；3.四川省地質調查院，四川 成都 610081）

且干布拉克早寒武世硅質巖巖石學、地球化學特征及地質意義

劉文1，3，吳春明1，呂新彪2，楊恩林2，曹曉峰2，王祥東2，汪一凡1，吳建亮2

（1.中國地質大學（武漢）地質調查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074；3.四川省地質調查院，四川 成都 610081）

通過對西山布拉克組第一巖性段硅質巖巖石學、地球化學特征研究，探討其沉積環境和成因，推測其與庫魯克塔格早古生代地殼演化關系。研究區硅質巖夾泥質硅巖、流紋質晶屑凝灰巖的巖石組合，硅質巖的Al/（Al+Fe）值（～0.6）、Ce/Ce*值（～0.57）、（La/Yb）n值（～0.66）等特征指示為欠補償、缺氧的深水盆地沉積環境。其Fe/Ti值（～29.2），Al/（Al+Fe+Mn）值（～0.54），（Fe+Mn）/Ti值（～31.3），富集Ag，As，Sb，Ba元素等特征，表明該區硅質巖為熱水和海水混合成因，形成過程中海水有較高的生產力。硅質巖∑REE在剖面底部為14.9×10-6，向上減小為8.6×10-6，至頂部增加到105.6×10-6，表明剖面底部到頂部熱水活動強度呈減弱趨勢。早寒武世硅質巖巖石學、地球化學特征表明，硅質巖形成于裂陷槽盆地中，是上升洋流將海底熱水物質帶至沉積地點與海水發生不同程度混合的產物，為庫魯克塔格早寒武世早期處于拉張裂解環境提供了巖石學和地球化學證據。

庫魯克塔格；硅質巖；巖石學；地球化學；地質意義

揚子地臺和塔里地臺，下寒武統底部廣泛發育黑色頁巖夾薄層硅質巖巖石組合。該套黑色頁巖和硅質巖在揭示地球早期演化歷史方面的重要意義得到世界廣大地質學家的高度重視［1］。對塔里地臺下寒武統底部黑色巖系中硅質巖的研究主要集中在臺地內部，成果較豐富，涉及巖石學、地球化學等研究領域［1-5］。但對臺地東北緣庫魯克塔格地區早寒武世硅質巖，有關巖石學、地球化學及與地殼演化和成礦作用的關系等方面研究較少［6，7］，在且干布拉克地區尤為突出。興地斷裂以北且干布拉克地區，下寒武統西山布拉克組硅質巖發育，為一套硅質巖夾泥質硅巖、流紋質晶屑凝灰巖的巖石組合，是研究興地斷裂在早寒武世早期對盆地演化控制機制的理想地區。本次通過對庫魯克塔格且干布拉克地區下寒武統西山布拉克組硅質巖巖石學、地球化學的研究，探討其成因和沉積環境，推測與庫魯克塔格早古生代地殼演化及與興地斷裂構造演化關系。

1 地質背景

庫魯克塔格地塊位于塔里木盆地東北緣，西北鄰接南天山褶皺系，東鄰中天山地塊及北山褶皺系，南部為塔里木盆地坳陷帶，其北界為辛格爾斷裂，南界為孔雀河斷裂。研究剖面位于庫魯克塔格地區中部且干布拉克一帶（圖1）。研究區硅質巖主要分布于下寒武統和下、中奧陶統等，下寒武統西山布拉克組第一巖性段最發育，下部與震旦系漢格爾喬克組呈平行不整合接觸，上部與西山布拉克組第二巖性段呈整合接觸。據巖性組合特征，西山布拉克組由老到新可分為3個巖性段：第一巖性段主要為硅質巖夾流紋質晶屑凝灰巖，及少量泥質硅巖；第二巖性段主要為硅質巖與黑色頁巖、泥巖、碳質粉砂巖互層；第三巖性段巖性主要為黑色頁巖、含碳粉砂頁巖和泥質硅巖。

2 巖石學特征

本次研究對象為且干布拉克地區西山布拉克組第一巖性段硅質巖，按從剖面底部到頂部逐層采樣原則進行樣品采集。巖石組合為硅質巖夾流紋質晶屑凝灰巖、泥質硅巖（圖2）。硅質巖為黑色，隱晶質結構，薄層狀（單層厚1～3 cm）、致密塊狀構造，貝殼狀斷口（圖2-a）。主要礦物成分為石英，含量在90%以上，次為粘土礦物（水云母）、有機質等（圖2-b）。石英顆粒細小，粒徑0.005～0.030 mm，呈不規則狀或微壓扁拉長它形粒狀；粘土礦物為隱晶質或顯微鱗片狀集合體，散亂分布于硅質巖中；有機質呈尖點狀分布于硅質巖中或與粘土礦物結合在一起。局部可見紋層狀層理，由有機質組分和硅質組分含量比例發生變化造成。巖石中石英細脈發育，細脈中石英顆粒粒度較大，粒徑為0.05 mm，波狀消光。石英脈與硅質巖接觸部位可見石英重結晶，形成粒徑約0.4 mm的石英大顆粒。泥質硅巖，灰黑色，中層狀、致密塊狀構造（圖2-c）。礦物成分主要由石英（70%）、粘土礦物（25%）、有機質（5%）組成（圖2-d）。各組分鏡下特征與硅質巖中各組分特征相似。與硅質巖相比，泥質硅巖粘土礦物含量、有機質含量有所增加。泥質硅巖中細脈發育，據各脈間穿插關系，將細脈分為兩期，第一期為石英細脈，第二期為石英-電氣石細脈。

圖1 研究區地質圖及剖面位置圖Fig.1 Geological map of study area and location of section

圖2 巖性柱狀圖、野外露頭及鏡下特征Fig.2 The column，outcrops and characters under Microscope

3 測試方法

所有樣品經手工粉碎至200目后，在廣州澳實礦物實驗室進行主量元素、微量元素及稀土元素分析。主量元素利用X熒光光譜儀測定，微量元素采用等離子體發射光譜儀測定，稀土元素采用等離子質譜儀測定。

4 測試結果

西山布拉克組硅質巖、泥質硅巖的主量元素數據見表1。硅質巖SiO2含量85.1%～97.5%，平均為94.17%，其它化學組分含量相對較低，尤其是TiO2、K2O；泥質硅巖SiO2含量70.1%～88.4%，平均78.38%，其它組分僅部分Al2O3、K2O的含量大于1%，顯示富含粘土礦物或粉砂（SiO2+Al2O3+K2O+Na2O）的化學特征。

西山布拉克組硅質巖和泥質硅巖的微量元素數據見表2。硅質巖和泥質硅巖中Ag含量0.5×10-6～18.8×10-6，As為5×10-6～463×10-6，Sb為5×10-6～48×10-6，Ba為140×10-6～2 360×10-6，U為10×10-6～40×10-6，明顯高于地殼平均值。

表1 硅質巖和泥質硅巖的主量元素含量Table 1 Major element content of cherts and argillous cherts單位：%

表2 硅質巖和泥質硅巖的微量元素含量Table 2 Trace element content of cherts and argillous cherts單位：×10-6

西山布拉克組硅質巖和泥質硅巖稀土元素數據見表3。經北美頁巖標準化后硅質巖和泥質硅巖分布曲線近于水平，具較強的Ce負異常（圖3）。硅質巖Ce/Ce*值為0.36～0.72，均值0.53；泥質硅巖Ce/Ce*值為0.42～0.84，均值0.64。硅質巖Eu/Eu*值為0.64～1.03，均值0.8；泥質硅巖Eu/Eu*值0.84～0.96，均值0.92。硅質巖（La/Ce）n值1.32～2.87，均值2.02；泥質硅巖（La/Ce）n值1.28～2.42，均值1.79。硅質巖（La/Yb）n值0.18～0.42，均值0.3；泥質硅巖（La/Yb）n值0.74～1.88，均值1.18。硅質巖ΣREE（8.6×10-6～105.6×10-6）變化較大，均值30.3×10-6，ΣREE在剖面底部為14.9×10-6，向上減小至8.6×10-6，至頂部增加到105.6×10-6。

5 討論

5.1 硅質巖沉積環境

西山布拉克組第一巖性段硅質巖夾流紋質晶屑凝灰巖、泥質硅巖巖石組合代表一種欠補償的深水沉積環境。在巖石沉積過程中沉積物處于氧化-還原界面以下，具較強的巖漿活動。不同沉積環境下的Al/（Al+Fe）比值出現規律性變化：洋中脊附近為0.05～0.40，深海盆地為0.4～0.7，大陸邊緣為0.55～0.90［10］。研究區硅質巖和泥質硅巖具較低的Al/（Al+Fe）比值（～0.6），指示了深海盆地沉積環境。在Fe2O3/TiO2-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）圖解和Lan/Cen-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）圖解中，硅質巖和泥質硅巖均落入深海沉積物區域或附近，泥質硅巖更靠近大陸邊緣區域（圖4）。

表3 硅質巖、泥質硅巖和流紋質晶屑凝灰巖的稀土元素含量Table 3 Rare earth element content of cherts，argillous cherts and crystal tuff單位：×10-6

圖3 硅質巖、泥質硅巖北美頁巖標準化稀土元素分布模式Fig.3 NASC-normalized REE patterns of cherts and argillous cherts

相對多數主量元素和微量元素，稀土元素受成巖改造作用影響較小［10，11］，可用于判別硅質巖和泥質硅巖的形成環境。據報道，洋中脊、大洋盆地、大陸邊緣不同沉積環境下硅質巖的Ce/Ce*均值（經北美頁巖標準化）分別為0.30±0.12、0.55±0.04、1.08±0.25［10，12］；（La/Ce）n值分別為≥3.5、～2-3、～1［12，13］；（La/Yb）n均值分別為0.3、0.7、1.1～1.4［13］。本區硅質巖及泥質硅巖經北美頁巖標準化后的Ce/Ce*值0.36～0.83，均值0.57；（La/Ce）n值1.32～2.87，均值2.0；（La/Yb）n值0.18～1.88，均值0.66，與上述大洋盆地硅質巖的特征接近。

圖4 Fe2O3/TiO2-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）和Lan/Cen-Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）判別圖解Fig.4 Plots of Fe2O3/TiO2vs.Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）and Lan/Cenvs.Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）

Wright提出沉積物經澳大利亞太古宙后頁巖（PAAS）標準化后的Ceanom值為-0.1時，代表氧化還原的界線，小于此值為還原環境，大于此值為氧化環境［14］。硅質巖中Ceanom值變化于-0.47～-0.17，平均-0.31；泥質硅巖中Ceanom值為-0.05～-0.21，平均-0.13，說明硅質巖和泥質硅巖形成于氧化還原界面附近。此外，經北美頁巖標準化的Ce/Ce*值可用于指示海平面升降：海平面上升時，沉積物的Ce/Ce*值變小；海平面下降，沉積物中的Ce/Ce*值變大［15］。剖面從底部到頂部，Ce/Ce*值呈先變大后變小的變化趨勢，指示沉積過程中海平面發生了升降。鑒于本區處于深水盆地的沉積環境，Ce異常曲線反應的海平面變化可能是全球海平面變換和局部地殼升降（斷層活動）共同作用的結果。

上述巖石學、地球化學特征表明，硅質巖和泥質硅巖形成于氧化還原界面附近，為深水盆地的沉積環境，在沉積過程中海平面發生了變化，硅質巖沉積時海水較深，泥質硅巖沉積時海水變淺。

5.2 硅質巖的成因

地層層序上，流紋質晶屑凝灰巖夾層的出現，與下伏硅質巖、上覆泥質硅巖呈整合接觸，說明早寒武世早期本區存在兩次較強的火山活動。在火山活動的高溫熱水中，SiO2的溶解度很大，并可提供豐富的可溶SiO2［16］，硅質、泥質組分的形成少不了火山熱水的參與。此外，從剖面下部到上部火山活動強度呈減弱趨勢，下部流紋質晶屑凝灰巖厚2.1 m，火山活動間歇期較短；上部流紋質晶屑凝灰巖厚1.1 m，其上沉積了較厚的硅質巖，火山活動逐漸消失。由此推斷西山布拉克組第一巖性段硅質巖和泥質硅巖的形成可能有熱水的參與。

圖5 硅質巖成因SiO2-Al2O3判別圖解Fig.5 SiO2-Al2O3origin diagram of cherts

TiO2的含量可用來描繪硅質巖化學組分和成因，低含量的TiO2、Al2O3是熱水成因硅質巖的重要指標［17，18］。研究區硅質巖TiO2（～0.03%）和Al2O3（～0.91%）的含量較低，與SiO2相關性較差；Fe2O3的含量與SiO2的含量具明顯的相關性，表明硅質巖具熱水成因特征，暗示SiO2可能來自于海底熱水。在SiO2-Al2O3判別圖解中，硅質巖投點全落入熱水沉積物區，泥質硅巖的投點有傾向正常海水沉積區域的趨勢（圖5）。此外，Fe/Ti、Al/（Al+Fe+Mn）、（Fe+Mn）/Ti比值也可用于判別硅質巖的成因。一般來說，當Fe/Ti值＞20、Al/（Al+Fe+Mn）值＜0.35、（Fe+Mn）/Ti值＞25（±5）時代表熱水沉積成因［19］。研究區硅質巖和泥質硅巖Fe/Ti均值29.2，Al/（Al+Fe+Mn）均值0.54，（Fe+Mn）/Ti均值為31.3，具熱水沉積特征。整體上，海洋沉積物中的Al/（Al+Fe+Mn）值隨熱水組分的增加而減小［17，19-21］，但在熱液成因的硅質巖中，Fe2O3和MnO含量的升高是熱液活動間歇期的表現，表現出較小的沉積速率［22］。剖面底部發育兩層凝灰巖，說明海底熱水活動較強，硅質巖中Fe2O3（0.08%～1.07%）和MnO（～0.01%）含量低，指示了較快的沉積速率；剖面上部硅質巖中Fe2O3（～3.15%）和MnO（～0.51%）含量增加，暗示了較慢的沉積速率，仍為熱水沉積環境。正是由于剖面底部較快的沉積速率，導致剖面中Al/（Al+Fe+Mn）均值為0.54，大于0.35。

現代洋中脊熱液系統中MgO為顯著貧化組分，在東太平洋洋中脊350℃的熱液系統中，MgO的含量趨于零，熱水中MgO含量的增加是熱水和海水混合作用的結果［23］。熱水沉積的硅質巖中MgO含量相對較低，與SiO2的含量呈負相關［24］。研究區硅質巖MgO含量為0.03%～0.2%，平均0.09%，顯示極低的MgO含量，與SiO2含量呈負相關關系，具熱水成因硅質巖變化趨勢，說明硅質巖中硅酸鹽礦物來自于熱水。據MgO含量（0.03%～0.2%）的變化規律，我們推測在硅質巖形成過程中有海水的參與。

硅質巖微量元素可指示硅質巖成因。高含量的Ag，As，Sb，Ba是區分熱水沉積物和正常海水沉積物的重要指標［17，26］。由于Ba和其它元素有相似的化學行為，因此，Ba在水中和沉積物中的相對富集可指示高的生產力［27，28］。研究區硅質巖和泥質硅巖中Ag，As，Sb，Ba高度富集，這些特征和熱水沉積物相似，表明硅質巖和泥質硅巖形成有熱水的參與，在形成過程中海水有較高的生產力。

此外，研究區硅質巖和泥質硅巖的稀土元素經北美頁巖標準化后的分布曲線近于水平，具較強的Ce負異常，顯示熱水沉積物稀土分布模式［29-32］。據報道，Eu異常是鑒別熱水成因硅質巖的另一重要指標［33-35］。利用Eu/Eu*值的變化可估算沉積物形成過程中熱水作用和正常海水作用所占比重，Eu正異常的減小是熱水作用減弱，海水作用增強的結果［35］。研究區流紋質晶屑凝灰巖夾層的出現，暗示硅質巖和泥質硅巖在沉積的同時存在火山活動，因此可用凝灰巖中Eu異常值來衡量熱液噴口中的Eu異常。經北美頁巖標準化后研究區硅質巖Eu/Eu*均值為0.8，泥質硅巖Eu/Eu*均值為0.92，凝灰巖Eu/Eu*均值為2.1。凝灰巖Eu異常值大于硅質巖和泥質硅巖的Eu異常值，代表硅質巖和泥質硅巖的形成可能是熱水和海水共同作用的結果。硅質巖的ΣREE在剖面底部為14.9×10-6，向上減小為8.6×10-6，至頂部增加到105.6×10-6。剖面上，ΣREE低值位于凝灰巖附近。低的ΣREE含量歸因于高的沉積速率，限制了從海水中吸收稀土的總量［12］。因此，剖面上ΣREE含量的變化趨勢指示從剖面底部到剖面頂部沉積物的沉積速率呈減小趨勢。從剖面底部到頂部ΣREE值增加的規律性在揚子地臺、塔里木地臺中部和西北緣及研究區以北的木窮庫杜克地區也常見［1，736-38］。

以上巖石學、地球化學特征表明，硅質巖和泥質硅巖的形成是熱水和海水共同作用的結果，從剖面底部到頂部熱水活動強度、沉積物沉積速率呈減弱趨勢，在沉積過程中海水有較高的生產力。

5.3 沉積背景

且干布拉克地區硅質巖的巖石學、地球化學特征表明，硅質巖形成于深水盆地的沉積環境，沉積過程中有深部物質和熱水的參與，是熱水和海水共同作用的結果，熱水活動由剖面底部至頂部呈現減弱趨勢。受震旦紀—早寒武世區域板塊構造張裂活動影響［39］，庫魯克塔格地區在早寒武世處于拉張環境，伴隨火山活動基底的持續下降，該區寒武紀沉積作用繼承了震旦紀特點，始終處于較深的海洋環境［40］，盆地原型為大陸裂谷盆地［41］。早寒武世庫魯克塔格裂陷槽向東開口，走向NWW向，為補償不足的深水海槽盆地［42］，是庫魯克塔格-滿加爾坳陷的一部分。興地斷裂以南、孔雀河斷裂以北的孔雀河小區寒武系厚度最薄，深水沉積物多，是裂陷中心帶。興地斷裂以北的庫魯克塔格小區寒武系碳酸鹽巖溶解相增多，厚度加大，為裂陷槽的北翼［43］。以興地斷裂為界，庫魯克塔格早寒武世早期地層可分為北帶和南帶，北帶（研究區）以深水硅質巖亞相、欠補償槽盆黑色泥質硅巖亞相、凝灰巖亞相為主，凝灰巖巖性沿走向較穩定，向南東靠近興地斷裂，厚度較大，向NW向厚度減小，直至剖面中消失，地層總厚度較小；南帶為深水硅質巖亞相、泥晶灰巖亞相、欠補償槽盆黑色泥巖亞相，地層總厚度較大。興地斷裂南北兩側在早寒武世早期都處于深水的沉積環境。

早寒武世早期庫魯克塔格裂陷槽自裂陷中心經且干布拉克向北至莫合爾山地區，沉積環境由深水槽盆相逐漸變化為臺地邊緣-臺前斜坡相。研究區早寒武世早期地層在沉積過程中，興地斷裂活動時強時弱，強烈期以巖漿噴發為主，存在兩次火山噴發，形成流紋質晶屑凝灰巖；間歇期以熱水活動為主，地殼深部物質隨興地斷裂上升至地表，由上升洋流帶至沉積地點并與海水發生不同程度的混合，在且干布拉克（研究區）深水環境下形成熱水和海水混合成因的硅質巖夾流紋質晶屑凝灰巖、泥質硅巖的巖石組合（圖6）。庫魯克塔格地區在早寒武世早期處于拉張裂解環境，及興地斷裂在早寒武世早期作為同生沉積斷裂控制著庫魯克塔格裂陷槽早寒武世早期的巖相、構造古地理、盆地的演化提供了巖石學和地球化學的證據。

圖6 庫魯克塔格早寒武世硅質巖沉積環境示意圖Fig.6 Schematic diagram show deposition environment of early Cambrian cherts in Kuruktag

6 結論

（1）庫魯克塔格且干布拉克地區西山布拉克組第一巖性段黑色巖系中硅質巖夾流紋質晶屑凝灰巖、泥質硅巖的巖石組合形成于欠補償的深水沉積環境，流紋質晶屑凝灰巖的存在反映沉積物的沉積過程中可能有熱水活動。

（2）硅質巖的Al/（Al+Fe）值（～0.6）、Ce/Ce*值（～0.57）、（La/Ce）n值（～2.0）、（La/Yb）n值（～0.66）等特征表明，硅質巖和泥質硅巖形成于氧化還原界面附近，為深水盆地沉積環境，沉積過程中海平面發生了變化，硅質巖沉積時海水較深，泥質硅巖沉積時海水變淺。

（3）硅質巖的Fe/Ti值（～29.2），Al/（Al+Fe+Mn）值（～0.54），（Fe+Mn）/Ti值（～31.3），富集Ag、As、Sb、Ba元素等特征，反映硅質巖的形成是熱水和海水共同作用的結果，且在形成過程中海水有較高的生產力。硅質巖∑REE含量在剖面底部為14.9×10-6，向上減小為8.6×10-6，至頂部增加到105.6×10-6，表明從剖面底部到頂部熱水活動強度呈減弱的趨勢。

（4）早寒武世庫魯克塔格地區處于拉張環境，興地斷裂作為重要的大型控盆斷裂，控制著海底火山活動，將地殼深部物質帶至地表，并由上升洋流帶至沉積地點與海水發生不同程度的混合，在且干布拉克深水環境下形成熱水和海水混合成因的硅質巖夾流紋質晶屑凝灰巖、泥質硅巖的巖石組合。

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Petrologic and Geochemical Characteristics and Geological Significance of Early Cambrian Cherts in Tseganbrark，Xinjiang，West China

Liu Wen1，3，Wu Chunming1，lv Xinbiao2，Yang Enlin2，Cao Xiaofeng2，Wang Xiangdong2，Wang Yifan1，Wu Jianliang2
（1.The institute of Geological Survey，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei，430074，China；2.Faculty of Resource Department，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei，430074，China；3.Sichuan geological survey institute，Chengdu，Sichuan，610081，China）

The systematic analyses of petrology and geochemistry of Xishanbulake Formation cherts in Lower Cambrian of Kuruktag，Xinjiang have been made in this work.The purpose of this paper is to dissuss depositional environment and orign of cherts and infer the relationship with crustal evolution of Kuruktag in the Early Paleozoic.The characteristics of rock association composed of black cherts interbedded with argillous cherts，crystal tuff，ratios of Al/（Al+Fe）（～0.6），Ce-anomalies（～0.57）and ratios of（La/Yb）n（～0.66）represent for abyssal，anoxic and insufficient compensation environment.The characteristics of ratios of Fe/Ti（～29.2），ratios of Al/（Al+Fe+Mn）（～0.54），ratios of（Fe+Mn）/Ti（～31.3）and rich Ag，As，Sb，Ba elements indicate that cherts are hybrid origin from hydrothermal sediments and hydrogenous sediments，and there are high yields in the seawater.∑REEs in the cherts decrease from 14.9ppm at the bottom to 8.6ppm in the middle，then increase to 105.6ppm at the top.These REE parrerns suggest that activities of hot water would be weakened from the bottom to the top.Combining with regional geological background，the cherts deposit in rift trough basin which result from mixturing by hot water and seawater through ascending current.These provide petrologic and geochemical evidence for extensional background of Kuruktag in the Early Cambrian.

Kuruktag；Chert；Petrology；Geochemistry；Geological significance

1000-8845（2015）02-159-08

P58；P59

A

項目資助：“十二五”國家科技支撐計劃新疆305項目（2011BAB06B04-05）資助

2014-03-14；

2014-05-28；作者E-mail：liuwen2009.hi@163.com

劉文（1990-），男，2015屆中國地質大學礦物學、巖石學、礦床學專業碩士

呂新彪（1962-），男，教授，博士生導師，從事礦床學、礦產普查與勘探研究；E-mail：lvxb_01@126.com