广西南宁地区泥盆系硅质岩地球化学特征及沉积环境_图文

1、第25卷 第2期2007年4月沉积学报ACTA SED I M ENTO LOG ICA SI N I CA V o.l 25 N o 12A pr .2007文章编号:1000-0550(200702-0239-07国家自然科学基金(批准号:40372062资助收稿日期:2006-04-30;收修改稿日期:2006-08-17广西南宁地区泥盆系硅质岩地球化学特征及沉积环境王卓卓 陈代钊 汪建国(中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029摘 要 泥盆纪时,广西南宁附近发育了一套从早泥盆世埃姆斯期到晚泥盆世弗拉斯期末的硅质岩建造,硅质岩多为薄层,灰黑到黑色,至弗拉斯阶上部变为灰黄色,水平

2、纹理发育,常夹火山凝灰岩或与之互层。这套硅质岩S i O 2含量高(一般>90%,其他主量化学成分均很低(一般<5%。T Fe 2O 3和含量相对比较富集(平均含量3.32%,A l 2O 3、T i O 2、M gO 和M n O 相对贫乏(平均含量分别为0.71%、0.04%、0.10%和0.02%。常量元素Fe /T i 、(F e+M n/T i 和A l/(A l+F e+M n比值的平均值分别为91.65,92.12和0.25,微量元素T i/V 和U /T h 比值的平均值分别为4.57和4.09,其中U /T h 比值在弗拉斯期早期达到最大。这些数据说明,硅质岩在形

3、成时受到了明显的海底热液活动影响,而这种热液活动在弗拉斯期早期达到最强,后逐渐减弱,而热液活动的强度可能主要受盆地裂解(或张裂作用的影响;因此,盆地拉张作用在弗拉斯期早期达到最强,这与硅质岩的空间分布是吻合的。关键词 广西泥盆纪 层状硅质岩 热液活动 盆地演化第一作者简介 王卓卓 女 1978年出生 在读博士研究生 矿物学、岩石学、矿床学专业 E -m ai:l m ooncry m a i .l i ggcas .ac .cn中图分类号 P588.2 文献标识码 A泥盆纪时,层状硅质岩系广泛发育于华南地区碳酸盐台间盆地的沉积序列,至晚泥盆世早期分布范围最广13(图1。其中局部还含有重要的锰和

4、金属硫化物矿产,因此,很早就受到人们的关注4,5。大部分研究主要集中在含矿硅质岩上4,613,而且认为硅质岩的形成主要与海底热液有关,但这些研究往往局限于某一时段(如晚泥盆世,对热液活动和构造活动的联系很少有人作深入的研究3,5,15。广西南宁附近发育了从早泥盆世到晚泥盆世早期的层状硅质岩(图2,这为我们研究华南的硅质岩沉积、热液分布与盆地构造演化的相互关系提供了可能。本项研究希望通过对这套硅质岩的地球化学研究,阐述华南泥盆纪硅质岩沉积史、热液活动特点、演化规律及其与盆地构造活动(裂谷活动、演化的相互关系。1 地质背景志留纪末,由于受广西造山运动的影响,除钦州地区继承早古生代海槽沉积外,广西全

5、部褶皱成山,升起成陆1,12。泥盆纪开始,海水由南向北入侵。早泥盆世早期以滨岸陆源碎屑沉积为主,晚期碎屑岩、碳酸盐岩交替发育,中、晚泥盆世则以碳酸盐岩沉积为主,体现了一个完整的海侵旋回。其中,中泥盆世图1 华南泥盆纪岩相古地理图(据Chen 等,2001修改F i g .1 Pa laeogeographic m ap o f t he D evon i an i n Sout h Ch i na晚期和晚泥盆世早期海侵范围最大,晚泥盆世晚期开始海退。图2研究区泥盆系地层系统及硅质岩分布图F i g.2Stratigraphic syste m and che rtdistributi on i

6、 n the D evon i an o f N anning a rea硅质岩开始出现于早泥盆世晚期,主要分布于钦州和南宁一带。中泥盆世早期主要出现在龙州南宁北海一线两侧的狭窄地区。晚泥盆世早期,范围迅速扩大至黔南、滇东及湘中地区,分布在狭长的台间盆地(或沟槽区。晚泥盆世晚期,硅质岩分布范围大大缩小,主要分布于西南部玉林钦州凭祥一线以南的台间盆地区1,17。本区硅质岩主要为黑色层状硅质岩,少量浅黄色层状硅质岩(弗拉斯期晚期,常夹凝灰岩(或凝灰质硅质岩或与之互层(图2。2样品选择、分析方法本次研究的样品采自南宁五象岭附近(图1莫丁组、坛新组、罗富组和榴江组。时限埃姆斯期到弗拉斯期末(图2。所分

7、析测试的样品主要为层状硅质岩(燧石、少量结核状硅质岩和凝灰质硅质岩。黑色层状硅质岩大部分为块状硅质岩,一部分为纹层状硅质岩,夹浅灰色凝灰质条带。浅黄色硅质岩均为纹层状硅质岩,有波状纹层,夹浅灰色凝灰质条带。所有样品在测试前先用铁碾钵碾碎,然后用玛瑙碾钵碾磨成粉末状(200目。主量和微量元素分析在中国科学院地质与地球物理研究所进行。主量元素分析的步骤是,先将样品在100e烘干12个小时,然后准确称取0.6g粉末样品,作烧失量后在高温炉内将样品和L i2B4O7按照1B10的比例融化成玻璃片,然后用X射线荧光光谱(XRF-1500定量测试,分析误差小于2%。微量元素的分析步骤是准确称取100m g

8、粉末样品,置于Teflon 密闭熔样器内,在105e下将样品烘烤12个小时,冷却至室温,然后在密闭的熔样器中加入0.5m l HNO3+2.5m lH F+0.5m lH C l O4,将样品熔融,静置一周后烘干。烘干的样品再用1m lHNO3+3m lH2O 溶解成清澈的液体。将溶液用超纯水稀释成11000的液体,然后在I CP-MS仪器上进行测试。分析误差优于3%。本文将运用Fe/T i、(Fe+M n/T i、A l/(A l+Fe +M n比值,Cr、Zr含量及相互关系来判别热液和正常海水沉积物13,14,用A lFeM n三角图成因辨别图解辨别硅质岩的热水沉积和生物沉积20,21,用

9、V 的含量和T i/V比值判断硅质岩的沉积环境22,用U/Th比值来判定氧化还原条件,由此进一步判断热液活动强度23。3分析结果本区硅质岩常量元素分析结果见表1。S i O2的含量很高平均为93.81%;T Fe2O3含量较高(平均3.32%,T i O2、A l2O3、Ca O和M nO的含量均较低(平均值为0.03%、0.39%、0.11%、0.02%,M gO亏损平均含量为0.19%。本区硅质岩Fe/T i、A l/(A l+Fe +M n比值很高平均值分别为91.65、92.12,(Fe+ M n/T i比值很低平均为0.25。本区硅质岩微量元素分析结果见表2。由表2可以看出,C r的

10、含量平均为24.84pp m。U和Th的含量平均含量分别为2.77ppm和1.42ppm,U/Th比值的平均值为2.69。该区V的含量较高,平均为89.4ppm,T i/V比值平均为4.57(表3。240沉积学报第25卷 表1 硅质岩化学成分(w t %Table 1 M ajor ele m ent co mposition of ch ert(w t %样号岩性S i O 2T i O 2A l 2O 3T Fe 2O 3M nOM gO C a O Na 2O K 2O P 2O 5总量A l 2O 3/(A l 2O 3+T Fe 2O 3Fe/T i(Fe+M n /T i A l/

11、(A l +Fe+M nW XC -12浅黄色层状硅质岩91.280.030.633.860.021.07 1.410.070.120.0499.890.14180.13181.110.11W XC -11浅黄色层状硅质岩93.060.081.794.510.020.160.030.050.370.05100.120.2870.1670.480.23W XC -10浅黄色层状硅质岩89.480.194.664.320.020.340.050.080.920.13100.180.5227.2427.370.45W XC -09浅黄色层状硅质岩93.660.030.824.210.020.050.

12、020.070.170.0499.520.16153.49154.220.13W XC -08黑色层状硅质岩91.840.193.521.820.010.270.030.050.720.19100.030.6611.4811.530.59W XC -07黑色层状硅质岩88.500.102.563.320.010.140.040.030.330.6299.730.4438.7338.900.37W XC -06黑色层状硅质岩93.620.051.154.620.020.100.030.090.200.04100.200.2099.81100.320.16W XC -05黑色层状硅质岩94.700

13、.040.832.800.010.040.020.090.140.0399.450.2383.7684.220.18W XC -04黑色层状硅质岩95.170.030.772.770.010.060.020.050.140.0299.670.2297.9398.480.17W XC -03黑色层状硅质岩94.360.061.522.960.020.140.030.060.260.0399.790.3457.5657.880.28W XC -02黑色层状硅质岩93.450.071.893.160.010.140.030.070.360.0499.510.3752.6752.920.31W XC

14、-01黑色层状硅质岩93.350.061.663.420.020.170.020.150.380.0299.570.337070.360.27W XB11黑色层状硅质岩94.560.040.714.610.020.100.020.050.160.01100.280.13131.18131.840.10W XB10黑色层状硅质岩93.550.050.964.560.030.050.020.060.190.0599.510.17113.19113.990.14WXB9黑色层状硅质岩95.610.050.833.140.010.130.020.070.220.01100.090.2179.6480.

15、000.17WXB8黑色层状硅质岩95.340.030.394.170.020.110.020.060.090.02100.240.09173.75174.630.07WXB7黑色层状硅质岩95.820.061.370.700.010.160.040.040.150.0199.230.6614.5814.700.59WXB6黑色层状硅质岩96.580.061.120.670.000.120.020.050.190.0199.500.6314.2114.260.56W XB5-2随时与硅质岩互层95.760.030.483.630.020.120.020.060.130.01100.260.12

16、279.47280.760.06W XB5-1燧石与硅质岩互层96.850.040.671.270.010.070.0299.460.35136.61137.280.09WXB2燧石结核93.400.020.425.270.020.370.470.060.090.04100.160.0738.9939.230.28平均值93.810.061.383.300.070.260.0799.830.3091.6592.120.25注:T Fe 2O 3为全铁,Fe 按照T Fe 2O 3全部为Fe 2O 3换算表2 微量元素含量表(ppmT ab l e

17、 2 T race elemen t co mposition of chert (ppm 样号岩性ScCrCoN iCuZnG aRbS rYZr N b M o Sn CsBaH fTa Pb Bi Th U U /Th WXC12浅黄色层状硅质岩0.4717.742.0113.8624.3914.551.233.9325.973.349.100.856.240.521.011053.470.220.065.700.030.672.730.16WXC11浅黄色层状硅质岩2.5623.302.335.0111.697.183.0516.7636.3810.6816.902.251.050.9

18、21.18138.170.470.154.010.131.931.770.49WXC10浅黄色层状硅质岩6.1439.732.9212.8814.5638.957.3443.7356.9118.0138.254.800.941.483.07257.591.050.4016.990.285.751.121.73WXC9浅黄色层状硅质岩0.7921.451.924.7321.052.672.128.4012.314.0010.291.074.060.791.2284.040.070.851.211.73WXC8黑色层状硅质岩3.2043.320.912.7816.764.

19、096.3432.2324.099.5737.714.400.681.422.57269.901.110.3411.790.292.612.842.76WXC7黑色层状硅质岩2.1364.821.3817.1754.875.093.7815.097.368.9025.522.756.321.921.41236.030.602.357.741.27WXC6黑色层状硅质岩1.3432.852.2211.6229.3716.952.768.916.929.9810.711.605.150.700.90180.560.291.326.224.70WXC5

20、黑色层状硅质岩0.6015.851.276.2922.629.391.616.274.669.919.781.135.000.630.85150.960.240.071.660.040.796.921.61WXC4黑色层状硅质岩0.7916.391.4710.3324.819.941.696.754.0811.058.801.064.760.730.89133.840.250.081.920.050.805.241.36WXC3黑色层状硅质岩1.0423.841.4811.0114.914.282.119.1113.9010.9012.031.681.920.991.08160.300.330

21、.112.640.061.394.082.76WXC2黑色层状硅质岩1.6319.491.788.3617.3510.182.9815.1941.756.2115.601.880.680.811.17241.200.480.146.920.122.800.462.07WXC1黑色层状硅质岩1.6718.772.9815.4113.7121.672.7916.649.101.3912.811.610.570.751.32103.500.360.102.460.150.800.394.61WXb11黑色层状硅质岩1.7721.892.165.7311.652.351.805.783.771.418

22、.171.111.410.700.64141.580.190.072.230.040.761.320.92WXb10黑色层状硅质岩2.2926.382.025.3110.135.712.006.957.195.5510.111.461.220.660.73310.150.270.1117.540.051.313.620.19WXb9黑色层状硅质岩3.0333.721.628.5433.9911.592.277.935.234.087.581.032.250.780.78247.650.220.095.500.061.001.271.42WXb8黑色层状硅质岩4.1621.152.0819.07

23、32.7824.081.112.845.262.255.330.702.300.590.5745.170.010.482.251.09WXb7黑色层状硅质岩2.8915.482.4231.1414.1057.861.946.104.353.1010.931.095.800.361.53124.000.310.083.310.051.372.213.30WXb6黑色层状硅质岩3.2314.920.4126.7214.3537.601.636.764.631.8010.541.30124.150.280.082.820.041.161.584.71

24、WX b 5-2随时与硅质岩互层1.9120.361.8915.9615.1521.791.434.523.686.105.460.6814.730.610.59323.890.140.051.770.020.501.378.80WX b 5-1燧石与硅质岩互层2.3915.580.6427.0817.4422.831.265.904.266.707.490.8014.650.320.77277.090.200.063.890.030.841.756.51WXb2燧石结核0.2619.092.8412.3129.7010.531.342.8421.052.048.410.794.150.710

25、.85963.410.170.054.450.030.452.082.94平均2.1125.051.8412.9221.2116.152.5011.0814.426.5213.411.614.140.801.16278.940.360.125.290.081.422.774.09分析误差小于3%。241第2期 王卓卓等:广西南宁地区泥盆系硅质岩地球化学特征及沉积环境表3硅质岩V含量和T i/V比值表Tab l e3Abundance and T i/V of ch ert时期样号V/pp m T i/V埃姆斯期W XB5-179.8 2.86 W XB5-255.0 3.38 W XB258.

26、2 2.27 W XB6101.2 3.26 W XB781.9 4.10 W XB853.3 3.15平均71.6 3.17艾菲尔期W XB9160.9 1.72 W XB1074.0 3.81 W XB1143.5 5.66平均92.8 3.73吉维特期W XC-0129.411.63 W XC-0240.010.50平均34.711.07弗拉斯期W XC-0371.8 5.01 W XC-0487.2 2.27 W XC-0565 3.60 W XC-06177.5 1.83 W XC-07209.4 2.87 W XC-08135.88.17 W XC-0971.2 2.70 W XC

27、-10123.29.01 W XC-1169.0 6.52 W XC-1290.5 1.66平均110.1 4.36总平均89.4 4.574讨论现代温泉和海底热泉的研究资料表明,热水能提供大量的、高纯度的S i O2,而热液流体的T i O2和A l2O3含量低5,20,21,24,25现代大洋中脊热液体系,M gO是严重亏损的组分,如东太平洋中脊热泉350e热水中的M g O含量为零,因此Rona26提出把热水体系中M g O 含量的高低作为海水对体系混染的指标之一, Bostro m19提出的热水沉积物富S,i Fe,M n,贫A l、T i、K、Na。本区Si O2含量高且较纯,富铁,

28、同时T i O2、A l2O3含量均较低,M gO数值很低,且随Si O2的升高而降低(见表1。以上特征反映了研究区硅质岩可能主要来源于海底热液,并在形成时受正常海水的影响。研究区硅质岩和典型热液成因硅质岩进行对比(表4。对比的结果反映出本区硅质岩的化学成分特征与美国加州Francisan地体21、日本Shi m anto地体21、深海钻探计划Leg3231、丹池盆地热水成因的类碧玉岩和纹理状硅质岩5以及扬子板块东南缘上震旦统硅质岩27极为相似,进一步表明了本区硅质岩的形成与海底热液活动密切相关。Bostro m等19同时还提出利用Fe/T i、(Fe+ M n/T i、A l/(A l+Fe

29、+M n来判别热水和正常海水沉积物。当上述指标分别大于20、25,小于0.35时,一般认为属于热水来源的沉积物。由表5可以看出,本区Fe/T i和(Fe+M n/T i分别为91.65和92.12,落在热水成因硅质岩标准范围内,且远远高于标准值。A l/(A l+Fe+M n比值为0.25,落在热水成因硅岩标准内,因此本区硅质岩显示了与热液活动流体的密切关系。Adachi等20和Y a m a m o to21在系统研究了热水沉积与正常生物沉积硅质岩后,提出了A lFeM n 三角图成因辨别图解。把本区样品在图上投点(图3,可以看出除WXC8、W XC10和W XB6、W XB7落在正常生物成

30、因硅质岩外,其余样品投点均落在热水沉积硅质岩区内,反映出硅质岩主要为热水沉积作用的产物,其中部分受生物作用的影响。表4研究区硅质岩化学成分与典型热水成因硅质岩的对比(w t%T ab le4Average che m ica l co m positi on s of ch ert co m pared w ith represen tative hydrothermal chert(w t%S i O2T i O2A l2O3T Fe2O3M nO M g O CaO Na2O K2O P2O5F ranciscan地体1792.630.091.412.930.800.330.110.160

31、.420.03Sh i m an t o地体1792.800.081.992.850.780.951.030.410.420.11 DSDPLeg321692.800.101.442.860.460.610.370.550.510.17丹池盆地501.3000.100.500.05扬子板块东南2395.580.030.161.880.030.100.09研究区埃姆斯期硅质岩93.400.061.783.290.020.160.030.110.370.03研究区艾菲尔期硅质岩95.270.081.833.520.020.240

32、.170.060.340.12研究区吉维特期硅质岩95.630.040.742.620.060.140.02研究区弗拉斯期硅质岩94.570.040.834.100.020.090.020.060.190.02研究区硅质岩总平均93.810.061.373.320.070.260.07注:T Fe2O3为全铁242沉积学报第25卷表5 A l T i Fe M n 元素比值表T ab le 5 E le m en t ratios of T i/Fe ,A l/(A l+Fe+M n and (Fe+M n/T i in the stud ied

33、 chertFe/T i(Fe+M n/T i A l/(A l +Fe+M n热水沉积硅质岩>20>20(+5<0.35埃姆斯期硅质岩61.3361.640.29艾菲尔期硅质岩82.0382.450.27吉维特期硅质岩109.60110.140.27弗拉斯期硅质岩108.00108.210.14硅质岩总平均91.6592.120.25注:Fe 按照T Fe 2O 3全部为Fe 2O 3 换算图3 硅质岩A l F e M n 三元素分区图F ig .3 T riang le d i agra m o f A l Fe M n of cherts (a fter M arch

34、 i g 198613;Y a m a m oto ,198721I 正常沉积生物硅质岩;热水沉积硅质岩;u 研究区硅质岩前人研究表明V 的含量和T i/V 比值可以用来判断硅质岩的沉积环境22。大陆边缘硅质岩:V U 20pp m,T i/V U 40;大洋盆地硅质岩:V U 38pp m,T i/V U 25;大洋中脊硅质岩:V U 42ppm,T i/V U 722。这表明从大陆边缘盆地向大洋盆地,硅质岩中的V 是增加的,而T i/V 则是降低的。通过表3可以看出,研究区所取样品中,V 值相对较高,普遍比大洋中脊的还要高,T i/V 低,落在大洋中脊硅质岩附近。沉积学的证据虽然不支持大洋

35、盆地的观点1,2,但从另一方面来看,这些硅质岩在沉积时可能受到了明显的热液影响,因为在大洋中脊附近,热液活动强烈22。C r 和Zr :前人研究成果显示,热液含金属沉积物的Zr 含量一般小于50ppm,并不随C r 的升高而升高,深海含金属沉积物中Zr 含量通常大于100pp m23。本区Zr 的含量介于5.834.8ppm 之间,平均24.84pp m,与热液含矿沉积物中的Zr 含量相似。由图4可以看出本区投点都位于现代热液含金属趋势线附近,但有 Zr 随C r 升高的趋势,说明本区硅质岩除了受热液影响外,可能还受正常海水的影响。图4 不同成因沉积物的Z r Cr 关系图F i g.4 P

36、lot o f C r aga i nst Z r contents i n sedi m ent of d ifferentorig i ns(after M arch i g ,198218热液含金属沉积物趋势线;深海及成岩含金属沉积物趋势 线集中区,研究区硅质岩U 与Th 的关系:在一般氧化环境的沉积岩中,Th 的含量高于U,但喷流热水由于具有强的还原性,U 含量高于Th 。故可用硅质岩中U /Th 来判定沉积环境(热水还是非热水18。一般情况下热水环境中U /Th 比值>1,而非热水环境中U /Th 比值<123。本区硅质岩U /Th 比值均大于1,平均为2.69,总体表现

37、出热水沉积硅质岩的地球化学特征。作者绘制了U /Th 比值随时间演化图(图5,由图5可以看出,埃姆斯期U /Th 比值先降低,后升高,吉维特期最小,降到小于1为氧化环境,弗拉斯初期开始增大,至早期达到最大,然后降低,说明弗拉斯阶早期热液活动最强。另外,值得一提的是,弗拉斯阶硅质岩颜色有一个由黑逐渐变为浅黄的过程,与U /Th 比值的变化趋势一致,进一步佐证了在弗拉斯阶硅质岩受热液影响的程度经历了先强后弱的变化过程。在裂谷盆地中,热液活动的强度与深大基底断裂活动强度有关3,而深部断裂又控制了盆地的拉张(或裂解。盆地基底的拉张作用越强,从地壳深部经断裂输导到浅部的热液流体将进一步增加,因此热液活动

38、就越强。华南泥盆纪台间盆地的形成主要受到深大基底断裂的控制13,以上硅质受热液影响的程度反映了盆地基底断裂活动的强度。U /Th 比值随时间的变化趋势表明,华南泥盆纪盆地基底从埃姆斯中晚期发生明显的拉张(裂解,在埃姆斯晚期艾菲尔期盆地扩展明显加大,陆源243第2期 王卓卓等:广西南宁地区泥盆系硅质岩地球化学特征及沉积环境244 沉 积 学 报 第 25卷 参考文献 ( R eferences 1 吴诒, 周怀玲, 蒋 延操, 等. 广 西泥盆 纪沉积 相古 地理 及矿产. 南 宁: 广西人民出版社, 1987 W u Y ,i Zhou H ua iling, Jiang Y ancao ,

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43、Sed i en tologica S in ica m , 图 5 研究区硅质岩 U /T h比值变化 F ig 5 T e po ra l changes of U /Th ratios in the . m chert o f N anning a rea lei m anganese ore m in ing area and their orig in . ( O verseas Ed ition , 1994 3: 59 , -71 S ic. G eology S in ica 7 陶文. 广西硅质岩建造与 成矿作 用. 广 西地质, 2002 15 ( 2 : 35 , -38

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49、宁五象岭附近硅质岩沉积地球化 学特征和演化的研究, 得出如下结果: ( 1 研究区硅质岩化学成分比较纯净, 基本上为 S i 2, 其他化学成分较低。 T i 2、 l2 O3和 M gO 含量及 O O A F e /T i ( F e+ M n /T i A l/ ( A l+ F e+ M n 比值表明硅 、 、 质岩的形成受到明显的热液活动影响。 ( 2 硅质岩中 T i的 含量和 T i/V 比值, U /Th 的 比值以及 C r Z r的关系表明硅质岩为热水成因的硅 质岩。 ( 3 硅质岩中 U /T h比值的变 化表明硅质岩受 热液影响的总 趋势是逐渐增强的, 到弗拉斯 早期最

50、 强, 弗拉斯期末又有所减弱, 热液活动的强弱反映了 盆地基底断裂活动的强弱。 第 2期 王 卓卓等: 广西南宁地区泥盆系硅质岩地球化学特征及 沉积环境 245 沉积环境分析. 沉积学报, 2004 22( 1 : 54-58 Ch en C u ihu a H e , , B inb in, G u X uex iang, et al. A nalys is of genes is and d epos itional en vironm ent of the i m ed iate host siliceous rocks from G aolong G old D e m pos it

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