燕山地区宣龙坳陷中元古界硅质岩主元素多元统计分析

郑秀才，凃智杰 （长江大学工程技术学院，湖北 荆州434020）

燕山地区宣龙坳陷中元古界硅质岩主元素多元统计分析

郑秀才，凃智杰 （长江大学工程技术学院，湖北 荆州434020）

运用因子分析、聚类分析及相关分析等多元统计分析方法对燕山地区宣龙坳陷中元古界硅质岩主元素进行分析。主元素聚类为陆源物质 （Al2O3、TiO2、K2O和P2O5）、海洋物质 （SiO2、CaO、MgO和烧失量）和热液物质 （Fe2O3、MnO、Na2O和FeO）3类。每一类中各种元素之间的相关特征存在差异。提取的第1主因子、第2主因子、第3主因子分别反映了海洋因子、陆源因子和热液因子的特征，而第4主因子 （Na2O和FeO）可能指示了强酸性沉积环境。研究结果表明，区内硅质岩是在有一定热水参与的强酸性海洋环境中正常化学沉积的产物。

硅质岩；多元统计；地球化学；中元古界；燕山地区

主元素分析广泛应用于硅质岩的研究，它对分析硅质岩的成因、形成时期的古构造、古地理、古气候条件、古成矿环境信息等具有十分重要的意义［1～5］。燕山地区中元古界地层主要为一套碳酸盐岩，其间以夹层或互层状产出大量硅质岩，野外露头非常醒目，备受关注。前人在岩石学特征、地球化学特征、成因及其形成环境等方面作过大量的工作，并取得一系列研究成果［6～11］。但是，缺少多元统计分析研究的文献，该次研究填补了该项空白，对深入研究燕山地区中元古界硅质岩的成因、形成时期的古构造、古沉积环境具有重要意义。

1 区域地质概况

中、晚元古代燕辽裂陷槽的岩相古地理及其演化经历了长城系沉积时期的断陷海槽、蓟县系沉积时期的强烈凹陷和青白口系沉积时期的稳定陆表海3个发展阶段［12～14］。表现出3种沉积类型：裂谷早期拉张和火山活动阶段的常州沟组、串岭沟组、团山子组、大红峪组的碎屑岩－火山岩沉积；裂谷强烈下陷和广泛海侵阶段的高于庄组、杨庄组、雾迷山组的碳酸盐岩沉积；裂谷活动期后稳定残余凹陷的洪水庄组、铁岭组、下马岭组、龙山组和景儿峪组的碎屑岩－碳酸盐岩稳定沉积［12～14］。该裂陷槽裂解始于1800～1400Ma，从中、西段逐步向东发展至东段的辽北地区，1200Ma的裂解导致燕辽裂陷槽的最终形成［15］，期间裂陷槽断裂火山活动剧烈，深部物质活跃，是一个受轴部断裂控制的、与外海古洋相连通的古陆棚海盆［15］。

研究区位于燕辽裂陷槽西段，构造分区属宣龙坳陷 （图1）。区域上中、晚元古代在太古界变质岩基底之上，沉积了一套横向上稳定且厚度巨大的中、新元古界海相碳酸盐岩夹碎屑岩地层，总厚度约8000m。自下而上划分为中元古界的长城系、蓟县系和新元古界的青白口系。该次研究的目的层段为高于庄组和雾迷山组。实测剖面位于河北赤城县古子房。剖面地层出露良好，分布广泛，具有代表性，可作为中元古界地层研究的理想剖面。主要发育深灰色中厚层状泥晶白云岩、叠层石白云岩，其间发育大量硅质岩。

硅质岩的野外产状主要呈薄层状、条带状、结核状、团块状等，夹于碳酸盐岩层内，也可与之互层。多为黑色、深灰色和灰白色。岩石类型主要包括叠层石硅质、含凝灰质硅质岩 （图2（a））、砾屑硅质岩 （图2 （b））、球粒硅质岩 （图2（c））和结晶硅质岩 （图2 （d））。矿物成分主要为石英和玉髓。石英一般为微晶质，局部可达粉晶或细晶级，玉髓多为纤状集合体。球粒硅质岩中的硅质球粒外表形态与鲕粒相仿，所不同的是它们不具内部结构，也没有明显的核心，空间上与鲕粒云岩无关。球粒大小0.5～2mm之间，放大镜下可观察到似 “玛瑙纹”，显微镜下球粒由放射状、纤维状微晶玉髓、微晶石英组成。球粒极圆滑，粒度均一，具 “颗粒支撑”结构特征 （图2（c））。可见有石英胶结物和白云石胶结物共存的现象 （图2（c））。上述特征表明，硅质球粒既不是鲕粒也不是后期硅化形成的，是属于化学成因的。结晶硅质岩中镜下可观察到由不同颜色条纹或结构组分所表现的定向排列的流动迹象 （图2（d）），野外露头上硅质砾屑发育 （图2（b）），都表明硅质岩是原始化学沉积成因的。

图1 宣龙坳陷构造背景及采样位置图

图2 宣龙坳陷野外露头及显微镜下照片

该次研究采集了28件样品 （图1）。样品由中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室分析测试，结果见表1。

表1 样品分析结果 %

2 多元统计分析

2.1 相关分析

不同化学成分之间相关性描述了化学成分间的伴生关系，在一定程度上可以用来判别各种化学成分的可能来源。区内硅质岩主要化学成分相关分析结果见表2。

表2 主要化学成分相关特征

1）SiO2与CaO、MgO和LOI呈显著的负相关，相关系数 （R）绝对值大于0.9，表明它们之间互为消减。CaO、MgO和烧失量 （LOI）之间呈显著的正相关，表明3种元素同步增减，是海洋形成碳酸盐岩的主要组分 （表2）。一些研究者把它解释为沉积环境中陆源物质对碳酸盐岩矿物沉淀的抑制［7，8］，这一解释的依据是认为硅质来源于陆源的风化产物。来源于陆源风化产物的SiO2应该与Al2O3、K2O和TiO2等这些来源于陆源物质的元素之间具有相关性。表2显示，SiO2与Al2O3、K2O和TiO2等相关系数仅为－0.2左右，这种负相关不是沉积环境中陆源物质对碳酸盐岩矿物沉淀的抑制。

在海洋多元体系中H4SiO4硅酸是弱酸，当pH＜5.5时硅酸不与阳离子化合，硅酸含量达过饱和时则以非晶质二氧化硅胶体形式聚合沉淀；pH＞5.5时，硅酸活度增大并与阳离于化合，生成硅酸盐，而且pH值越高，生成的硅酸盐黏土矿物越多，种类越复杂［16～20］。沉淀碳酸盐的海水pH值是大气二氧化碳浓度值的函数［19］，CO2含量越高，沉淀碳酸盐的pH值越低。当CO2含量足够高时沉淀碳酸盐的pH值可降至硅酸盐黏土矿物沉淀的pH值下限以下。在这种条件下，硅酸达过饱和时形成非晶SiO2胶体沉淀，Mg2＋、Ca2＋等则以白云岩形式沉淀［19］。其过程表示为：

显然，pH值的变化制约硅质岩和白云岩的沉淀。在一定pH值条件下，当海水中的SiO2达到过饱和时开始析出硅质，视水体中硅质的丰富程度不同，形成硅质薄层、条带或团块等。砾屑硅质岩（图2（b））、球粒硅质岩 （图2（c））和结晶硅质岩中结构组分所表现的定向排列的流动迹象 （图2（d））是硅质岩由SiO2胶体沉淀的直接岩石学证据。随着硅质的析出，海水中的SiO2浓度逐渐降低，而碳酸盐组分的浓度随之相对增加，在pH值适合时，反应向左进行，碳酸盐物质 （主要是白云质）沉淀，最后形成野外广泛发育的硅质岩与碳酸盐岩的 “交替层”构造。可见，海洋多元体系中pH值变化对硅质岩和白云岩沉积控制作用导致SiO2与CaO、MgO和LOI呈负相关。

2）Al2O3、K2O和TiO2之间呈显著的正相关 （R＞0.9）。硅质岩的Al2O3和TiO2相对稳定，很少受成岩作用和后期变质作用的影响，其含量主要由陆源物质输入量决定［21，22］，K （钾）主要赋存在陆源泥质中，其含量随陆源泥质增多而增加。三者之间的显著正相关表明它们都来自于陆源。

P2O5与Al2O3、K2O和TiO2之间也表现出一定的正相关 （表2）。一般认为海水中的P（磷）是不饱和的，因此P不能从海水中以无机方式直接大规模地沉淀出来。P2O5可以来源于陆源含磷碎屑，也可以来源于富含磷质的海洋生物［23］。区内P2O5与陆源组分具有一定相关性，表明P2O5主要来源于陆源，但是其相关系数明显降低，表明P2O5除了与陆源有关之外，还与生物来源有关。

3）MnO和Fe2O3呈弱相关，硅质岩的Fe2O3受成岩作用和后期变质作用的影响很少，相对稳定，其富集与洋中脊热水组分活动的强度相关，MnO可以看作是深海物质来源的标志，因此它们表现出一定的正相关 （R＝0.422）；MnO与FeO呈一定的负相关 （R＝－0.44），这可能与 Mn（锰）和Fe（铁）的化学性质有关。Fe2＋极易氧化成Fe3＋。而Mn能在海水中以Mn2＋比较稳定地存在，Mn能在水体较深的地方出现，甚至聚集在大洋的洋底［24］，可见它们均与热液活动有关。

2.2 聚类分析

不同的元素组合反映了不同的沉积地球化学特征以及影响它们形成的各种古构造、古气候、古水文条件［25］，相似环境条件下沉积物的共生组合也相近。聚类分析就是把地球化学特征相近、行为密切的元素归类，从而揭示沉积环境和物质来源。

通过聚类分析这些元素大体上聚为3类 （图3）：①第1类为Al2O3、K2O、TiO2和P2O5，代表陆源来源物质组分。Al2O3、K2O、TiO2先聚为一类，聚类距离在1左右， “亲缘”关系密切；之后和P2O5聚合，聚类距离在4左右，表明P2O5和陆源物质有一定的亲缘关系，但和前三者有差别，这和相关分析的结果一致。②第2类为MnO、FeO、Fe2O3和Na2O，这些元素主要和热液活动有关，代表热液来源的组分。这些元素聚为一类，表明它们具有相似的来源，但它们之间的聚类距离大于5，这可能是这些热液多源或者多期的结果。③第3类为CaO、LOI、MgO和SiO2，代表了海洋沉积组分。这些元素之间 “亲缘”关系密切，聚类距离仅为1，表明它们具有 “同源”性。有趣的是这些具有明显 “亲缘”关系的元素，相关分析显示显著负相关，这恰好印证了SiO2与MgO、CaO和LOI的相互消减与陆源物质对碳酸盐矿物沉淀的抑制作用无关，而是海洋多元体系中pH值的变化控制着硅质岩和碳酸盐岩的沉积。

图3 “R型”聚类分析结果

2.3 因子分析

研究采用 “R型”因子分析，设置最小特征值为1，经方差极大正交旋转提取公因子，提取出4个主因子，结果见表3。

第1主因子 （F1）特征变量包含CaO、LOI、MgO和SiO2，这些变量的公因子载荷绝对值大于0.95。LOI和 MgO、CaO呈明显的正相关，表明烧失的主要成分为CO2。MgO、CaO和LOI是碳酸盐岩沉积所必需的物质。SiO2、MgO、CaO和LOI都来源于海洋，因此该因子为海洋因子。第1因子贡献值为32.6%，表明海洋成分在硅质岩形成中所占比例。

第2主因子 （F2）特征变量包含 Al2O3、K2O、TiO2和P2O5，Al2O3、K2O、TiO2的公因子载荷值大于0.9，而P2O5为8。F2贡献率为30.8%。从元素地球化学属性来看，这些元素一般在地表风化产物中富集，均是表生环境下地球化学性质稳定的惰性组分，具有陆源产物的指示意义。F2方差贡献率越大则陆源成分参与沉积越多。

表3 旋转成分矩阵

第3主因子 （F3）特征变量为 MnO和Fe2O3，公因子载荷绝对值在0.8左右。方差贡献率为13%。在深海沉积物中铁、锰氧化物一般归因于铁、锰结核沉积物或海底热水活动沉积物来源，因此该项因子具有指示热水沉积来源的代表意义。

第4主因子 （F4）特征变量为FeO和Na2O，公因子载荷绝对值在0.8左右，方差贡献率为12%。Fe离子还原条件下，呈Fe2＋溶解并迁移；在氧化环境中，Fe2＋易被氧化为Fe3＋发生淀积。海底喷气活动在带来大量Fe、Si等成矿物质同时，也会带来大量的酸性、还原性气体。这些物质喷发到海底与海水混合，温度会快速降低，导致海水中Si的浓度过饱和，从而使硅以Si胶形式从海水中沉淀下来［26］。温度降低，会使Fe的氧化速度迅速降低，特别是在酸性条件下Fe2＋的氧化会更慢。一般认为Na主要和蒸发环境有关，但文献报道澳大利亚哈默斯利铁硅建造中也含有食盐晶体，属正常的酸性高盐度的海水成矿环境的产物［27］。区内发育的硅质球粒表明当时沉积水体确实存在强酸性环境［28］。因此，第4主因子可能具有海洋强酸环境的指相意义。

3 结 论

1）SiO2与CaO、MgO和LOI具有显著的负相关，聚类分析中聚为同一类，因子分析中主因子F1对SiO2、CaO、MgO和LOI的公因子载荷绝对值大于0.95，方差贡献率32.6%，反映了这些元素在沉积物形成过程中具有相似的特点和相同的来源，硅质岩的沉积主要受海洋因子的影响，是海洋环境中正常沉积的产物，pH值变化控制了硅质岩的沉积。

2）Al2O3、TiO2和K2O的相关系数大于0.9，它们与P2O5之间有一定的相关性但相关系数较小。聚类分析中Al2O3、TiO2和K2O先聚为一类，再和P2O5聚为一大类，因子分析中F2对Al2O3、TiO2、K2O公因子载荷绝对值大于0.9，而P2O5为8。F2的方差贡献率30.8%。这些化合物除P2O5受海洋生物影响之外，主要为陆源组分，也是硅质岩形成中正常沉积的主要物质。

3）Fe2O3、MnO、Na2O和FeO之间的相关系数绝对值小于0.5，这些元素聚为一类但聚类距离较大，因子分析中F3（Fe2O3和MnO）和F4（Na2O和FeO）公因子载荷绝对值在0.8左右，F3和F4的方差贡献率分别为13%和12%。它们都来源于热液物质，但这些热液并不是同源同期的，而是多源多期作用的结果。此外，F4具有指示沉积环境具有强酸性的意义。

总之，主元素多元统计分析揭示出区内硅质岩为有热水参与的正常海洋沉积的产物，沉积时期海洋的水体呈酸性，这一结论与硅质岩岩石学特征相符合。

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Multiple Statistics of Geochemical Characteristics of the Siliceous Rocks in Middle Proterozoic of Xuanlong Depression of Yanshan Area

ZHENG Xiu-cai，TU Zhi-jie（First Author’s Address：College of Technology and Engineering，Yangtze University，Jingzhou434020，Hubei，China）

Factor analysis，cluster and correlation analyses were applied to study the major element of the siliceous rocks in Middle Proterozoic of Xuanlong Depression.These major elements were divided into three types by cluster analysis，including terrigenous material（Al2O3，TiO2，K2O and P2O5），marine material（SiO2，CaO，MgO and LOI），and hydrothermal material（Fe2O3，MnO，Na2O and FeO）.There existed differences in the correlation between the various major elements in each category.The first，second，third factors reflected the marine factor，continental factor and thermal liquid factor respectively，while the fourth factor（Na2O and FeO ）would indicate the sedimentary environment of strong acid.The results show that the genesis of Xuanlong siliceous rocks is caused by integrated action of the hydrothermal de-posit and normal deposit during the deposition of acidic marine material.

siliceous rocks；multiple statistic；geochemical characteristics；Middle Proterozoic；Yanshan Area

P595

A

1000-9752（2012）10-0017-06

2012-03-28

中国石油化工股份有限公司海相前瞻性研究项目 （YPH08026）。

郑秀才 （1963-），男，1987年江汉石油学院毕业，研究员，现主要从事沉积与储层方面的研究工作。

［编辑］ 龙 舟