硅質結核的巖石學、地球化學特征及成因綜述

吳西峰，郗愛華(西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500)

0 引言

硅質結核作為非層狀硅質巖，主要以結核狀或者條帶狀賦存在碳酸鹽巖、蒸發巖或者火山巖中[1]。硅質結核因較強的抵抗后期改造的能力，而保存較多關于古地理、古環境、古構造以及古氣候、物源以及成巖成礦的信息。多數硅質結核本身保存有豐富且相對完整的生物化石，為揭示生物在地質歷史演化提供寶貴的線索[2]。作為燧石結核硅質來源的硅質殼生物可以用來恢復沉積環境。大部分含硅質結核的巖石的有機碳含量較高，有些可達10%以上，形成硅質結核的重要生物(硅藻)往往也是重要的生烴母質，導致這類巖石是重要的潛在烴源巖。因此對硅質結核的深入研究具有十分重要的理論意義和實用價值。

總體來講，硅質結核形成需要有豐富的物質來源和局部范圍內形成有利于硅沉淀的地球化學域。自19世紀硅質巖被學者關注研究以來，針對硅質結核研究的文獻相當豐富，研究重點主要集中在含硅質結核的巖石的沉積環境、硅質組分的成巖轉化以及硅質結核的形成機理等方面。但是硅質結核這些方面的研究文獻分散在不同的地學領域期刊中，為方便研究，筆者從含硅質結核的巖石的沉積環境、硅質結核的巖石學和地球化學特征以及硅質結核的成因進行綜述。

1 硅質結核的發育特征

1.1 硅質結核的產狀

常見的硅質結核的產狀有結核狀(團塊狀和/或透鏡狀)、條帶狀和薄層狀產出。他們與圍巖(宿主巖石)之間界線或清晰或呈過渡狀態。當硅質結核與圍巖邊界呈現過渡狀態產出時，會出現與供應速率有關的0～0.5 cm過渡帶帶內物質一般為混雜沉積。結核狀的硅質結核產出形態有團塊狀和/或透鏡狀。該產狀硅質結核一般呈分散孤立產出，但也可沿某一層面斷續產出。團塊狀和/或透鏡狀產出的硅質結核的長軸方向一般與圍巖紋層發育方向一致。條帶狀硅質結核多順層、橫向斷續發育，延伸長度規模較大差別。條帶狀產出的硅質結核一般呈現出均一的厚度和不同程度的起伏，有些保存著原巖的層理和同沉積變形構造。薄層狀硅質一般為極薄層和薄層，順裂縫或者順層發育。順裂縫發育多穿層或截斷巖層，多發生在同沉積-早成巖階段。而順層發育硅質結核多為夾層分布在宿主巖石中。

1.2 硅質結核宿主巖石的沉積環境以及生物類型

前人研究顯示，硅質結核的發育有兩個轉折期和三個階段。轉折期為寒武紀-奧陶紀過渡期和晚白堊世-古近紀過渡期；三個階段為：(1)新元古代；(2)志留紀-早白堊世；(3)始新世至今。

在第一階段新元古代時期，硅質結核中缺乏生物成因直接證據，推測化學作用形成硅質結核，其中細菌可能參與沉淀過程。第二階段寒武紀-奧陶紀時期，硅質海綿是淺水-深水環境沉積巖中硅質結核硅的主要來源。但是這個階段由于硅質生物并不繁盛，因此化學沉淀的硅質仍然存在；直到奧陶紀中后期放射蟲爆發使得海水中硅質明顯降低，才導致非生物成因的硅質沉淀減少。第三階段中，藻類在第二個轉折期爆發，取代放射蟲和海綿的硅質生物沉淀的地位，并且繁盛的硅藻攝取表層海水硅質，而深海仍存在海綿，因此導致淺水陸棚環境中硅質結核減少。

在新元古代和中元古代，深海富營養鹽使得海洋生物和藻類的繁盛，而生物的死亡導致海水局部的偏酸性，有助于硅質沉淀。富硅熱水運移到該酸性環境中時，無定形二氧化硅過飽和而聚合膠凝，形成二氧化硅膠體，覆蓋在藻席和浮游菌藻殘體之上，經脫水和重結晶形成紋層狀硅質結核。

2 硅質結核巖石學特征和地球化學特征

2.1 硅質結核的巖石學特征

硅質結核在手標本和野外常表現為一種致密堅硬、常具貝殼狀斷口的隱晶質或微晶質巖石，一般呈灰色-黑色，偶見黃棕色、乳白色、灰(白)色。存在有蛋白石組成的年代較新的硅質結核，主要由玉髓和自生石英組成，含有少量黏土和有機質雜質。

在顯微鏡下，硅質結核的石英一般呈非晶質硅、玉髓、微-中晶石英顆粒以及巨晶石英顆粒等形式。常見結構有紋層狀結構、層狀結構、殘余結構、隱晶結構。與石英伴生往往有黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦等礦物，此外還有菌藻絲狀體、藻粒、放射蟲顆粒和球菌狀磷質核形石等生物顆粒。

2.2 硅質結核的地球化學特征

(1)硅質結核的元素地球化學。Fe、Mn是地幔中的物質，而硅質結核中二者的富集可能與熱水沉積作用有關；而Al、Ti的富集則與陸源碎屑物質的參與有關。熱水成因硅質結核的Al/(Al+Fe+Mn)比值為0.01，遠洋生物沉積硅質結核的Al/(Al+Fe+Mn)比值為0.60。在Al-Fe-Mn三角判識圖中，所有熱水沉積的數據均落入Al-Fe-Mn三角圖的富鐵端，非熱水沉積的數據落入圖中的富鋁端。

Fleet、Michard、陳多福以及周永章的研究表明：熱水成因硅質結核具有REE總量低、Ce呈負異常、Eu有弱的正異常、HREE(包括Y)相對富集的特征[4]。同時海相熱水沉積物稀土經北美頁巖標準化后，模式曲線近于水平或左傾。另外Eu的異常值也可以判斷硅質巖是否熱液成因(熱液成因硅質結核Eu正異常，非熱液成因硅質結核Eu負異常)。

研究表明：大陸邊緣硅質結核V≈20 μg/g，Ti/V≈40；大洋盆地硅質結核V≈38 μg/g，Ti/V≈25；洋中脊硅質結核則為V≈42 μg/g，Ti/V≈7。因此可以用來研究硅質結核形成的環境是否為洋中脊/大陸邊緣環境。同時洋中脊附近(La/Ce)N大于3.5，大洋盆地在2～3之間，而大陸邊緣約為1。還可用δCe和Lan/Cen的值來進行表征：大洋中脊附近的δCe平均值為0.29,Lan/Cen值3.5，大洋盆地的δCe平均值0.5, Lan/Cen值為1.0～2.5；大陸邊緣環境的δCe值為0.79～1.54, Lan/Cen值為0.5～1.5。

(2)硅質結核的同位素地球化學。硅質結核的主要成分是石英，因此硅質結核的硅氧同位素可以用來分析其地球化學成因。如熱水來源SiO2的δ30Si在-1.5‰～0.8‰之間、生物成因SiO2的δ30Si在-1.1‰～1.7‰之間、熱水交代成因的SiO2的δ30Si在2.4‰～3.4‰之間；火成石英的δ18O值在8.3‰～11.2‰之間、變質石英的δ18O值在11.2‰～16.4‰之間、熱泉華石英的δ18O值在12.2‰～23.6‰之間、成巖石英的δ18O值在13‰～36‰之間、現代海灘石英的δ18O值在10.3‰～12.5‰之間。宋天銳研究推斷：硅質結核沉積在離火山噴發區近的地方其δ30Si值負值；而遠離火山噴發區沉積的巖石為數值小于1的正值[5]。

圖1 不同來源SiO2的δ30Si值和不同石英的δ18O值示意圖

目前利用氧同位素地質溫度計來測定硅質結核形成時的水溫，Knauth等提出的硅質結核氧同位素地質溫度計方程式為(Knauth and Epstein，1975)：

根據上述方程式估計硅質結核形成時的溫度，由水溫判斷硅質結核是否形成于熱液環境。

3 結語

(1)硅質結核二氧化硅含量較高(一般含SiO2在90%以上，甚至可高達99%)，礦物組成一般為非晶質硅、玉髓、微-中晶石英顆粒以及巨晶石英顆粒等形式組成的石英，一般呈灰白色-淺灰色、偶見黃棕色、乳白色、灰(白)色和灰色。

(2)硅質結核在深水環境-淺水環境均有發育，所含硅質生物化石主要為放射蟲、硅質海綿和海綿骨針。

(3)熱液硅質巖中的主微量元素以及稀土特征表現出一定的規律性和一定的異常值。熱水沉積硅質結核Fe、Mn富集、Ba/Sr大于1、Th/U值大于1；與陸源有關的硅質結核則Al、Ti富集。Ti/V的值可以判斷硅質巖形成的構造環境。另外Eu和Ce的異常值，可以表征硅質結核是否為熱液成因。