大兴安岭北段泥盆纪大民山组硅质岩地球化学特征及沉积环境

张渝金，吴新伟，杨雅军，江斌，郭威，张超

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034；2.吉林大学地球科学学院，吉林长春130061

大兴安岭北段泥盆纪大民山组硅质岩地球化学特征及沉积环境

张渝金1，2，吴新伟1，2，杨雅军1，江斌1，2，郭威1，2，张超1

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034；2.吉林大学地球科学学院，吉林长春130061

大兴安岭北段泥盆纪大民山组硅质岩与硅质泥岩共生出现，硅质泥岩中产丰富海相化石.硅质岩Al/（Al+Fe+Mn）值在0.60～0.71之间，平均值0.65.在Al-Fe-Mn三角图上，样品均落入非热水成因区.MnO/TiO2比值在0.07～0.34，平均值为0.18.m值在13.87～47.15之间，平均值为23.90.CaO/（Fe+CaO）值在0.65～0.98之间，平均值为0.78.ΣREE较低，平均62.77×10-6，LREE/HREE平均值为6.67，相对富集轻稀土，具有轻度的Ce正异常（δCe 1.08～1.30，平均值1.16）.结合硅质岩沉积环境判别图解，一致表明大民山组硅质岩形成于离大陆较近的大陆坡或边缘海的高盐度海水环境.

硅质岩；大民山组；地球化学特征；沉积环境；大兴安岭北段

0 前言

大兴安岭地区属于中亚造山带的东段，古亚洲洋在该地区的闭合经历了多地块的拼贴过程.大量由俯冲作用形成的增生杂岩、岩浆弧及夹杂其中的微陆块、海底高原和洋岛等构造单元构成了现今中亚造山带复杂的构造格局［1］.不同的构造演化模型对晚古生代海相沉积地层形成的构造背景存在不同解释，一种观点认为它们属于活动陆缘沉积［2-3］，另一种观点认为它们属于陆内裂陷槽或佳蒙地块大陆边缘沉积［4-9］.大兴安岭北段晚古生代海相地层中硅质岩比较发育，基于硅质岩本身具有相对单一结构构造、硬度高、抗风化能力强等特点，保存了大量的地球化学“指纹”信息.因此其不仅可作为找矿的重要标志［10］，还能提供关于沉积盆地的古环境、古气候及构造环境等重要信息.大兴安岭中段扎兰屯地区泥盆系大民山组上部硅质岩及硅质泥岩比较发育，本文将全面分析大民山组硅质岩及硅质泥岩的地球化学特征，旨在对大兴安岭北段晚古生代早期硅质岩成因及沉积环境进行探讨，并为兴蒙造山带东段的构造格局与演化研究提供基础资料.

1 地质概况及岩石学特征

研究区位于大兴安岭北部扎兰屯地区，兴安地块和松嫩地块的结合部位附近（图1）.区内晚古生代地层发育，包括大民山组（D2-3d）、红水泉组（C1h）和格根敖包组（C2-P1g）.泥盆系大民山组主要为一套海相火山-沉积建造，石炭系红水泉组为一套浅海相陆源碎屑岩沉积建造，晚石炭世—早二叠世格根敖包组为一套海陆交互相火山-沉积建造.

图1 大兴安岭北部构造单元划分及扎兰屯地区地质简图Fig.1 Tectonic unit division of northern Daxinganling geological sketch map of Zalantun area

本次研究对象为扎兰屯地区的大民山组，其剖面位于扎兰屯市根多河林场西北约7 km处.其岩石组合为：下部以砾岩、凝灰质含砾粗砂岩、细碎屑岩为主，中部以玄武岩、安山岩、流纹岩等变中酸性火山岩为主，顶部以泥质岩、硅质岩、硅质泥岩及灰岩透镜体为主.其中硅质泥岩中产腕足Tridensilis grandis Su、T. multicosta Su、Cupularostrum ? sp.、Helaspis kenlihoensis Su、Leptagonia sp.、Protochinetes cf.sinicus Su、Schuchertella?sp.、Mediospirifer khinganensis（Hou）、M.cf.kijilschinus（Gracianova）、M.audacula（Conrad）、Mucrospirifer mucronatus（Conrad）、Sculptispirifer acutiplicatus Su、Undispirifer undiferus Roemen、Cyrtina sp.、Athyris spiriferoides（Eaton）、Ambocoelia umbonata（Conrad）、Charionella? Orbicularis Su.Cryptonella planirostra（hall）、Leptocoelia?sp.；苔藓虫Fenestella sp.；海扇类Chonetes sp.还有少量珊瑚、海百合茎等化石.与上覆地层红水泉组呈断层接触，下部未见底.1∶5万济沁河林场等4幅区域地质调查报告❶❶沈阳地质调查中心.内蒙古1∶5万济沁河林场等4幅区域地质调查报告.2012.认为大民山组总体特征是由下而上粒度变细，组成一海侵序列：早期沉积物粒度变化较大，火山活动较弱，偶有酸性熔岩；中期火山活动强烈，堆积了厚度较大的火山岩系；晚期逐渐趋于相对平稳的沉积环境.

大民山组硅质岩采自剖面上部位置.镜下观察表明研究区硅质岩主要由绢云母、黏土矿物、微粒石英、尘状铁质、海绵骨针等组成，其中绢云母雏晶集合体弱定向排列.硅质泥岩主要由隐晶质的硅质、绢云母和其他黏土矿物组成，少量显微粒状石英、长石碎屑及尘状铁质质点，此外见少量碳质呈树枝状.

2 样品及分析方法

对所采集的硅质岩样品，除去风化表面，用蒸馏水去污后粉碎至200目，干燥后备用.样品的测试在国土资源部东北矿产资源监督检测中心完成，整个过程均在无污染设备中进行.主量元素采用X射线荧光光谱法（XRF），稀土元素元素的分析则采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）完成.主量元素分析精度和准确度优于5%，稀土元素的分析精度和准确度一般优于10%.

3 硅质岩的地球化学特征及沉积环境

3.1 主量元素特征及沉积环境

大兴安岭中段大民山组硅质岩化学成分以SiO2为主，含量78.02%～86.27%，平均值83.00%；其次为Al2O3、FeO、MgO、K2O，平均含量分别为7.41%、2.02%、1.71%、1.46%.Bostrm和Peterson［11］提出用海相沉积物中Al/（Al+Fe+Mn）来判别热液对沉积物的贡献.现代硅质热水沉积物和古代类似物的研究表明，纯热水沉积的Al/（Al+Fe+Mn）值多在0.01～0.2之间，而纯生物成因的硅质岩的Al/（Al+Fe+Mn）比值为0.60［12］.研究区硅质岩Al/（Al+Fe+Mn）值在0.60～0.71之间，平均值0.65（表1），与纯生物成因硅质岩的值较接近.在Al-Fe-Mn三角图（图2）上，6个样品均落入非热水成因区（生物成因硅质岩区），指示本区硅质岩应为非热水成因硅质岩.

Sugisaki［14］等指出，硅质岩中Mn常被认为是来自大洋深部的标志元素，MnO/TiO2比值可作为判断硅质来源及沉积盆地古地理位置的重要标志.离大陆较近的大陆坡和边缘海沉积的硅质岩该比值应小于0.5，开阔大洋底硅质沉积物可达0.5～3.5.研究区硅质岩MnO/TiO2比值在0.07～0.34，平均值为0.18（表1），表明研究区硅质岩形成于离大陆较近的大陆坡和边缘海沉积环境.

表1 大民山组硅质岩常量元素含量Table 1 M ajor element contents of siliceous rocks from Dam inshan Formation

江纳言等［15］指出Al2O3可作为陆源组分的代表，MgO可以作为海洋自生组分的代表［16］.m=（MgO/Al2O3）×100比值可作为沉积物形成环境中水体盐度的指标，淡水沉积环境该值小于1，海陆过渡沉积环境该值1≤m＜10，海水沉积环境该值10≤m＜100［16］.此外，CaO/（Fe+ CaO）是一个反映海水盐度的指标［13］，其值小于0.2为低盐度，0.2～0.5为中等盐度，大于0.5为高盐度.研究区硅质岩的m值在13.87～47.15之间，平均值为23.90，CaO/（Fe+CaO）值在0.65～0.98之间，平均值为0.78，表明大民山组硅质岩高盐度的海水环境.

图2 大民山组硅质岩Al-Fe-Mn图解（据文献［2］）Fig.2 The Al-Fe-Mn diagram for siliceous rocks of Daminshan Formation（After Reference［2］）

Murray认为［17］，Al和Ti与陆源Si关系密切，可作为陆源物质注入的良好标志，Fe在洋脊附近的富金属沉积物中富集，可作为洋盆扩张中心热液注入的标志，根据Al、Ti、Fe和Si氧化物比值的相互关系，提出了区分洋脊硅质岩和大陆边缘硅质岩的判别图（图3）.从图3中可以发现研究区大多数样品点落在大陆边缘区内.

综上所述，主量元素显示大民山组硅质岩为非热水成因硅质岩，主要形成于大陆边缘高盐度的海水沉积环境.

3.2 稀土元素特征及沉积环境

稀土元素是硅质岩沉积环境研究最有效的手段之一，近年来在国内外都被广泛应用，这是由稀土元素的自身特征及其在海水中的变化规律所决定的.Fleet［18］在系统研究世界上热水成因和非热水成因的硅质岩后，认为热水成因硅质岩具有ΣREE低、Ce负异常、HREE富集、配分曲线呈平缓左倾的特点，而非热水成因硅质岩具有ΣREE高、Ce正异常、HREE不富集、配分曲线呈平缓右倾的特点.大兴安岭大民山组硅质岩稀土元素值如表2所示，ΣREE略低，平均为62.77×10-6，LREE/ HREE平均值为6.67，相对富集轻稀土，具有轻度的Ce正异常（δCe 1.08～1.30，平均值1.16），经北美页岩标准化后稀土元素配分曲线表现为平坦型，略向右倾（图4），表明为非热水成因硅质岩.

Wright［19］把稀土元素中的Ce与邻近的La和Nd元素相关的变化称为铈异常（Ceanom），其公式为：Ceanom= log［3（Ce）N/（2（La）N+（Nd）N）］.Ceanom值已经被作为判断古海水氧化-还原条件的标志，其值大于-0.1时，反映水体呈缺氧环境，而小于-0.1时反映水体呈氧化环境.大民山组硅质岩样品的Ceanom值大于-0.1，平均值为0.04（表2），指示了还原沉积环境.

图3 常量元素比值散点图解（据文献［6］）Fig.3 Scatter diagram for major element ratios（After Reference［6］）

图4 大民山组硅质岩北美页岩（NASC）标准化的REE分布模式（引自Gromet L P，1984）Fig.4 NASC-normalized REE distribution patterns of siliceous rocks from Daminshan Formation（After Gromet L P,1984）

Murray等［20］研究指出扩张洋中脊区（400 km以内）沉积的燧石、页岩以极小的δCe值（约0.29）为特征，洋盆区的δCe以中等值（约0.55）为特征，而大陆边缘区的δCe值很大（0.9～1.3）.研究区硅质岩δCe值为1.08～1.30（表2，图4），平均值1.16，为大陆边缘型硅质岩.

Murray等［20］将稀土元素与常量元素结合，提出燧石和页岩的沉积背景研究的经验图解，把它们的沉积背景划分为大陆边缘、远洋和洋中脊3种类型（图5）.从图5中可以发现研究区样品大多数点落在大陆边缘地区，表明本区硅质岩沉积背景为大陆边缘环境.

4 结论

对扎兰屯大民山组硅质岩及硅质泥岩的岩石学特征与地球化学特征的系统研究表明：

（1）扎兰屯大民山组硅质岩及硅质泥岩中含有丰富的海相生物化石，结合主量及稀土元素特征，表明其形成不受热水影响，为生物成因硅质岩.

表2 大民山组硅质岩的稀土元素分析结果Table 2 Analytic result of REE in siliceous rocks from Dam inshan Formation

图5 LaN/CeN-Al2O3（/Al2O3+Fe2O）3图解（据文献［9］）Fig.5 LaN/CeN-Al2O3（/Al2O3+Fe2O3）diagram（After Reference［9］）

（2）扎兰屯大民山组硅质岩及硅质泥岩主量及稀土元素特征一致表明其形成于离大陆较近的大陆坡或边缘海的高盐度海水环境.

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GEOCHEMISTRY AND SEDIMENTARY ENVIRONMENT OF THE SILICEOUS ROCKS FROM DEVONIAN DAMINSHAN FORMATION IN NORTHERN DAXINGANLING

ZHANG Yu-jin1,2,WU Xin-wei1,2,YANG Ya-jun1,JIANG Bin1,2,GUO Wei1,2,ZHANG Chao1

1.Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China; 2.College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,China

The silicalite and siliceous mudstone of Devonian Daminshan Formation are developed in northern Daxinganling,where the siliceous mudstone is rich in marine fossils.The Al/（Al+Fe+Mn）values of the siliceous rocks range from 0.60 to 0.71,with an average of 0.65.In the Al-Fe-Mn ternary diagram,all samples fall into non-hydrothermal siliceous rock area.The MnO/TiO2ratio is 0.07-0.34,and 0.18 in average.The m value is 13.87 to 47.15,averagely 23.90.The CaO/（Fe+CaO）value is between 0.65 and 0.98,with an average of 0.78.The ΣREE is low（averagely 62.77×10-6）and the average LREE/HREE is 6.67.The siliceous rocks are relatively enriched in LREEs,with slightly positive Ce anomalies（δCe 1.08-1.30,averagely 1.16）.Combined with the sedimentary environment discrimination diagram for siliceous rocks, it is indicated that the siliceous rocks of Daminshan Formation are formed in the continental slope close to continent or the high-salinity seawater of marginal sea.

siliceous rock;Daminshan Formation;geochemical characteristics;sedimentary environment;northern Daxinganling

1671-1947（2015）03-0173-06

P595

A

2015-03-06；

2015-03-30.编辑：张哲.

中国地质调查局项目“内蒙古1∶5万济沁河林场等四幅区调”（1212011120664）；“内蒙古1∶5万大旗等四幅区调”（1212011120665）；“内蒙古1∶5万大呼勒气沟等四幅区调”（1212011120666）；“内蒙古1∶5万南燕窝沟等四幅区调”（12120113053900）.

张渝金（1984—），男，博士研究生，吉林大学地球科学学院，地层与古生物专业，通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号，E-mail// syzahngyujin@163.com