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硅质岩中隐藏着十分丰富的古地理、古环境、古构造及古气候、物源及成岩成矿等信息,而且硅质岩矿物组成简单,抗风化能力强。形成之后受内外力地质作用改造程度小,保留了丰富的地球化学“指纹”信息。硅质岩的形成要有丰富的硅质来源,硅质来源一共有三种:(1)陆源硅质的输入;(2)火山热液提供的硅质;(3)生物提供的硅质。不同的成因的硅质岩在野外结构构造,镜下特征以及地球化学特征方面中具有明显不同的特征。因此,通过研究硅质岩岩石学及地球化学特征,可以很好的判断硅质来源,对揭示古地理、古环境和古气候具有十分重要的指示意义。
河南省南阳市淅川县位于河南省西南部,大地构造位置属于扬子地台北缘秦岭造山带东段,该区早奥陶世发育陆表海碳酸盐沉积,本文研究的硅质岩样品采自奥陶系白龙庙组,白龙庙组主要由灰色厚层细晶白云岩、灰色厚层白云石化泥晶灰岩、细晶白云岩、含生物屑白云石化亮晶砂屑灰岩组成,其中,灰岩中普遍含有硅质岩团块和条带。
在野外特征方面,硅质岩围岩主要有三种:泥质条带灰岩,黑灰色灰岩及浅灰色灰岩。硅质岩在野外露头上不连续,不均一,只有局部有,有的硅质岩由于溶洞崩塌呈破碎状、角砾状。野外露头上硅质条带多于硅质结核,灰岩中围绕硅质结核生长了一层土黄色的被膜,这圈被膜与硅质岩边界截然。硅质条带和结核在颜色上分为两种:一种硅质岩呈不透明深黑色,另一种则为半透明黄褐色。在薄片镜下特征方面,硅质岩中主要为隐晶质-微晶质硅,玉髓,含少量方解石、白云石和粘土矿物。硅质岩与围岩的界限清晰、截然,硅质岩中未见交代现象,在与围岩碳酸盐岩接触边缘可见一圈方解石颗粒胶结边。
在地球化学特征方面,本区硅质岩SiO2在84.07%~96.22%之间,平均为91.12%,部分CaO含量在1.2%~8.51%之间,平均为3.86%,TFe2O3、Na2O、MnO、TiO2等均小于1%。Si/(Si+Al+Fe)比值均大于0.9,Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)比值平均为0.83,Si/Al和Al2O3呈很好的负相关关系,Al2O3和TiO2具有好的正相关关系,在Al、Fe、Mn三角图中部分落于生物成因区,部分落于Al、Fe线上,靠近富Al端元。MnO/TiO2比值平均为0.06,Al/(Al+Fe)平均值为0.793。微量元素方面,硅质岩中大多数微量元素含量较低,低于10ppm,Ni、Sr和Ba含量较高,平均值分别为127.16ppm、37.71ppm、94.9ppm。U/Th平均值为3.46,Ba/Sr平均值为2.3,Ti/V的平均值为58,Th/U比值在0.1-5.88之间,平均值为1.44,Cr/Th比值变化范围为4.52-42.2之间,比值变化较大。硅质岩稀土元素总量总体较低,在0.35ppm~4.12ppm之间,平均值为1.61ppm。硅质岩经北美页岩标准化的REE分配模式曲线呈现为轻稀土略微富集的右倾曲线,倾斜程度低,轻重稀土分异不明显。Ce异常不明显(Ce/Ce*比值在0.82~1.16之间,平均值为0.98),Eu正异常明显,个别样品表现为轻微的负异常(Eu/Eu*比值在0.52~6.00之间,平均值为2.25),(La/Ce)N比值在0.83~1.23之间,平均值为0.99,Ce/Ce*比值在0.82~1.16之间,平均值为0.98;(La/Yb)N平均值分别为0.96,Ceanom值均大于-0.1。
以上特征表明:本区硅质岩形成于大陆边缘的浅海缺氧还原环境中,形成过程中受到陆源硅、生物硅以及热水作用提供的硅质共同影响,其中热水来源硅质所占比例较小,陆源硅及生物硅占主要地位。
奥陶纪河南省内华北板块一带地壳运动频繁,而境内扬子板块一带则是一直保持着稳定下沉的状态,扬子板块北缘淅川-内乡-丹江一带的南秦岭地区总的面貌表现为从寒冷到温暖、从温暖到炎热,不断的由冷到热变化的特征。早奥陶世温暖潮湿的气候有利于大陆岩石的崩裂以及风化,并且使风化作用进行的更加彻底,有利于陆源SiO2胶体的形成,为陆源硅胶大量输入到海洋中提供物质基础,来自陆源的颗粒较小的硅胶可以以粘土矿物为载体,吸附在粘土矿物表面被带进海洋中并发生溶解。奥陶纪扬子板块长期被扬子海占据,早奥陶世温暖的气候有利于海洋中生物的生长繁殖,淅川地区发育的生物种属、数量均较多,底栖类型生物广泛发育,硅质生物死亡后在适当的pH、Eh、温度以及具有能破坏生物壳细胞保护膜等化学条件下,生物硅溶解,并且聚集保存在间隙水中间,处于封闭到半封闭环境中。由于缺乏大气来源的CO2及碳酸盐沉积物缓冲作用,导致间隙水pH值增高,伴随地内温度增加所形成的热水溶液-硅胶溶液,沉积物间隙水中溶解的氧化硅浓度和活动性增加,埋藏过程压实作用进行过程中,间隙水呈垂直或水平运动-沿碳酸盐岩层侧向迁移至过饱和地带或沉积中心集中,随着pH值和温度的降低,过饱和沉淀从蛋白石-α方石英-玉髓-微晶石英的序列,最后沿层面形成结核状及条带状硅质岩。