华南二叠系孤峰组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）

我国华南地区二叠系广泛发育硅质岩。近年来，许多学者对硅质岩的成因进行了深入研究，如沙庆安等［1］的生物成因说、王汝建［2］的上升流成因说和夏邦栋等［3］的热液成因说。下面，笔者收集整理了前人相关研究资料，对硅质岩的地球化学数据进行多元统计分析，研究变量之间或样品之间的共生组合规律及相互关系，由此探讨华南二叠系孤峰组硅质岩的形成的主控因素。

1 数据的收集与整理

有关华南二叠系孤峰组 （或相当层位）硅质岩的地球化学主元素数据来源于文献 ［3－11］（见表1）。

表1 华南二叠系孤峰组硅质岩地球化学主元素数据表

（续表1）

2 相关性分析

相关性分析是通过样本数据研究两变量间线性相关程度的强弱。硅质岩主元素相关系数如表2所示。

表2 硅质岩主元素相关系数表

2.1 SiO2、CaO和烧失量 （LOI）之间的相关性

CaO和LOI之间呈显著的正相关，两者同步增减，表明烧失的主要成分为CO2，它们是海洋中形成碳酸盐岩的主要成分；SiO2与CaO和LOI之间呈显著的负相关，相关系数大于8。一些研究者把这种负相关解释为沉积环境中陆源物质对碳酸盐岩矿物沉淀抑制的结果，这一解释的依据是硅质来源于陆源的风化产物［12－13］。如果硅质来源于陆源风化产物，那么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。但表2显示，SiO2与Al2O3、K2O和TiO2等没有明显的相关性。可见，SiO2与CaO和LOI的显著负相关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酸碱性的变化控制硅质岩和碳酸盐岩沉积的结果［14］。

2.2 TiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3和MgO之间的相关性

TiO2和Al2O3的相关系数为9.12，两者在硅质岩中相对稳定，很少受成岩作用和后期变质作用的影响，且含量主要由陆源物质输入量决定［15］，表明它们来源于陆源物质；源于陆源物质的TiO2和K2O、Na2O、Fe2O3、MgO呈现正相关，但各相关系数明显小于TiO2和Al2O3的相关系数，表明这些元素虽然与陆源物质有关，但是不完全依赖于陆源碎屑［10］。

2.3 MnO与P2O5之间的相关性

图1 Q型聚类分析结果图

MnO与P2O5之间呈正相关。MnO一般与深海热液活动有关，其含量反映了沉积环境中的生物生产率。Marchig［16］认 为， 现 代 深 海沉积物中大部分P由生物骨骸残余物产生，虽然P在碱性溶液中溶解度很低，但是在热水沉积物中，P因热水活动活化迁移而得到了富集。MnO与P2O5之间呈正相关正好印证上述特点。

3 聚类分析

聚类分析是把地球化学特征相近的元素进行归类，从而揭示沉积环境和物质来源［8］。聚类分析包括Q型聚类分析和R型聚类分析2种方式。

3.1 Q型聚类分析

Q型聚类分析结果图如图1所示。由图1可知，除样品jc－12、pl－21和 L3－1外，其他所有不同地区的样品大致聚成3大类：第1类样品数量最多（36个），几乎包含所有不同的研究地区；第2类样品数量较少（15个），该类样品主要来自湘桂盆地的来宾和隆回、黔桂盆地的南丹和巴马、以及上扬子地区的石柱和宣汉；第3类样品数量少 （10个），全部来自来宾地区。从样品聚类的特点看，第2类样品缺少下扬子地区样品，第3类均来自同一地区，表明不同地区的硅质岩化学成分组成上存在有一定差异，但是第一类包含有所不同地区的样品，说明不同地区硅质岩其化学成分也具有部分相同特征，这表明了华南二叠系孤峰组硅质岩形成的总体环境相似，但不同地区的具体条件有所差异。

3.2 R型聚类分析

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，而相似环境条件下沉积物的共生组合也相近［14］。对元素变量进行R型聚类分析，可将所有聚类元素变量分为3类 （见图2），具体内容如下。

第1类为SiO2、CaO和LOI。CaO和LOI之间 “亲缘”关系密切而先聚在一起 （距离系数仅为1），再和SiO2聚为一类，表明三者具有 “同源”性。

第2 类 为 TiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3和 MgO。该类组分中，TiO2和Al2O3关系最为接近，他们先聚为一类后 （距离系数为2），再和K2O聚为一类 （距离系数为6），最后三者和Na2O聚为一类 （距离为系数为12），这表明上述成分来源于陆源物质。现代大洋中脊热水体系中，MgO是严重亏损的组分，东太平洋中脊350℃热水中的MgO含量为零，可以把热水体系中MgO含量的增高作为海水对体系污染或混合的指标［16］。热水沉积硅质岩的MgO含量均较低，且有随SiO2的升高而降低的趋势。该研究区硅质岩中，MgO含量介于0%～3.27%，平均0.5%，其含量相对典型热水成因硅质岩明显较高，推断区内硅质岩形成时，有正常海水的混入和参与。此外，Fe2O3含量反映了硅质岩受热液活动影响程度的大小，其富集程度与现代大洋中脊热水组分活动的强度相关［9］。Fe2O3和MgO聚为一类 （距离系数大于5）后与陆源物质 （TiO2、Al2O3、K2O、Na2O）聚为一大类 （距离系数为15），可见Fe2O3和MgO的分布受陆源物质搬运分异的制约。

第3类为P2O5和MnO。P2O5和MnO的距离系数在10左右，由于P2O5含量和生物产率有关，而MnO和海底热水活动有关，两者聚为一类，表明区内硅质岩的形成与深海生物活动和深海热液活动相关。

图2 R型聚类分析结果图

4 R型因子分析

R型因子分析可以把复杂的原始变量转化为少数几个综合因子，以便有效获取硅质岩成因的地球化学信息。在R型因子分析时设置最小特征值为1，经方差极大正交旋转提取公因子［8］，分析结果如表3所示。

（1）第一主因子（F1）特征变量包含Al2O3、TiO2、K2O、Na2O、MgO和Fe2O3，这些元素之间彼此呈正相关，表现为这些变量的公因子载荷均为正值。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，具有陆源产物的指示意义，因而属于陆源因子。

（2）第二主因子 （F2）特征变量包含SiO2、CaO和LOI等，这些变量的公因子载荷绝对值大于0.9，其中CaO和LOI为正值，SiO2为负值。由于SiO2、CaO和LOI都来源于海洋沉积，因而属于海洋因子。

（3）第三主因子（F3）特征变量为P2O5和MnO，上述变量的公因子载荷均为正值。在深海沉积物中，MnO一般归因于海底热水活动沉积物来源，P2O5一般归因于生物沉积物来源，但海底热水活动有利于P2O5的富集，因此该项因子具有指示热水沉积来源的代表意义，属于热水因子。此外，从因子方差贡献率看，区内硅质岩陆源因子（F1）方差贡献率最大 （36.73%），热水因子（F3）方差贡献率最小（17.62%），但方差贡献率的大小有差别并不十分悬殊，F1、F2、F3的比例大约为2∶1.5∶1。因此，通过R型因子分析可以揭示出该研究区内硅质岩属于热水参与的正常海洋沉积产物。

表3 R型因子分析结果表

5 结 论

（1）Q型聚类分析表明，研究区内硅质岩形成的总体背景环境相似，但不同地区之间有一定差异。

（2）R型聚类分析表明，相似环境条件下沉积物的共生组合是相近的，其中TiO2、Al2O3、K2O、Na2O、Fe2O3和MgO属于一类，CaO、LOI和SiO2属于一类，而P2O5和MnO属于一类。

（3）R型因子分析表明，陆源因子和海洋因子与正常沉积作用相关，而热水因子与热水沉积作用相关。因此，以及区内硅质岩的形成是热水参与下的海洋正常沉积的结果。

［1］沙庆安，吴望始，傅家谟 .黔桂地区二叠系综合研究－兼论含油气性 ［M］.北京：科学出版社，1990.

［2］王汝建 .苏皖地区二叠纪放射虫硅质岩中有孔虫的发现及沉积环境初探 ［J］.同济大学学报，1993，21（4）：519－524.

［3］夏邦栋，钟立荣，方中，等 .下扬子区早二叠世孤峰组层状硅质岩成因 ［J］.地质学报，1995，69（2）：125－138.

［4］付伟，周永章，杨志军，等.湘中南二叠系孤峰组硅质岩的成因属性及其地球动力学指示意义 ［J］.矿物岩石地球化学通报，2004，23 （4）：292－300.

［5］周新平，何幼斌，杜红权，等 .四川宣汉地区二叠系硅岩地球化学特征及成因研究 ［J］.古地理学报，2009，11（6）：671－680.

［6］林良彪，陈洪德，朱利东 .川东茅口组硅质岩地球化学特征及成因 ［J］.地质学报，2010，84（4）：500－507.

［7］杨水源，姚静 .安徽巢湖平顶山中二叠统孤峰组硅质岩的地球化学特征及成因 ［J］.高校地质学报，2008，14（1）：39－48.

［8］杨玉卿，冯增昭 .华南下二叠统层状硅岩的形成及意义 ［J］.岩石学报，1997，13（1）：111－120.

［9］邱振，王清晨 .湘黔桂地区中上二叠统硅质岩的地球化学特征及沉积背景 ［J］.岩石学报，2010，26（12）：3612－3628.

［10］邱振，王清晨，严德天 .广西来宾蓬莱滩剖面中上二叠统硅质岩的地球化学特征及沉积背景 ［J］.岩石学报，2011，27（10）：3141－3155.

［11］邱振，王清晨 .广西来宾中上二叠统硅质岩海底热液成因的地球化学证据 ［J］.中国科学：地球科学，2011，41（5）：725－737.

［12］汪凯明，罗顺社.燕山地区中元古界高于庄组和杨庄组地球化学特征及环境意义 ［J］.矿物岩石地球化学通报，2009，28（4）：356－364.

［13］罗顺社，尚飞，吕奇奇，等 .燕山地区宣龙坳陷高于庄组－雾迷山组沉积相与地球化学特征 ［J］.海相油气地质，2011，16（4）：57－61.

［14］郑秀才，凃智杰 .燕山地区宣龙坳陷中元古界硅质岩主元素多元统计分析 ［J］.石油天然气学报 （江汉石油学院学报），2012，34（10）：17－22.

［15］Murray R W.Chemical criteria to identify the depositional environment of chert：general principles and applications ［J］.Sedimentary Geology，1994，90：213－232.

［16］Marchig V.Some geochemical indication for discrimination between diagenetic and hydrothermal metalliferous sedi－ments ［J］.Marine Geology，1982，50 （3）：241－256.