硅质岩研究进展

张 桥



硅质岩研究进展

张 桥

（大陆动力学国家重点实验室（西北大学），西北大学地质学系，陕西 西安 710069）

硅质岩是一类特殊的沉积岩，与一般的碎屑岩不同，其形成和生物活动，火山活动等密不可分。本文在大量阅读国内外文献和资料的基础上，详细论述了硅质岩研究的发展和现状。就文献、资料内容，对硅质岩进行了成因分类，详细论述了各类硅质岩的特征。同时介绍了判别硅质岩成因的地球化学特征以及方法，以达到对硅质岩成因跟进一步的认识。

硅质岩；类型和成因；地化特征

硅质岩是指化学作用、生物和生物化学作用以及某些火山作用形成的富含二氧化硅的岩石，其硅质含量一般大于70％（F.J.Pettijohn，1977; 唐世荣，1994）。早期建立的硅质岩成因模式主要有：生物堆积模式、交代成因模式等。自20世纪70年代中期被发现以来，海底热泉为认识热水沉积硅质岩以及SiO2的来源提供了新的思路。80年代以来，国内外许多专家、学者对不同地区硅质岩从不同角度进行了大量的工作（Adachi M,YAMAMOTO K, SUIGISKI R.1986；John.H. OEHLER，1986；AMAMOTO K.1987；Richard Hesse，1989；伊海生，曾允孚，夏文杰.1989；陈洪德，曾允孚.1989；周永章.1990；吴世迎，1995；冯彩霞，2001；冯胜斌,周洪瑞等2007;姚旭，周瑶琪等，2013）。John. Oehler（1976）详细论述了热水硅质胶体的结晶顺序；Adachi等(1986)从统计学的角度分析了热水成因硅质岩的地球化学特征，并建立了主量元素的判别体系；REINHARD HESSE（1989）研究了硅质流体的成岩作用和硅化作用。国内热水沉积硅质岩的研究最早主要体现在华南地区，例如陈洪德，伊海生等（1989）对广西丹池盆地上泥盆统留江组硅质岩沉积特征及成因进行了讨论，认为晚泥盆世榴江期,同沉积期丹池深大断裂的裂陷作用导致丹池半地堑式盆地内海底火山活动发生,提供了丰富的SiO2、造成盆内热水条件，经热水沉积和部分生物化学沉积形成了该区榴江组硅质岩。另外曾允孚等（1989）也相继报道了湘黔桂地区上震旦统硅质岩并得出扬子古板块东南缘的同沉积深大断裂是富硅热水上升的通道，来自地下水深部循环的富硅热水,在热液喷口附近沉淀形成较纯的白色硅质岩。21 世纪初，Ｒogers等（2001）介绍了北美硅质岩储层的成因、类型及勘探开发特点，强调硅质岩的油气意义具有全球性。国内的冯彩霞、崔春龙等（2001）论述了硅质岩研究的理论意义和实用价值以及硅质岩研究中存在的若干问题及发展方向。

国内对硅质岩各方面的研究主要集中的扬子地区（雷卞军，2002；冯彩霞，2009；周新平，2009,2012；林良彪，2010）。研究内容包括讨论扬子地区以及局部同一层位尤其是二叠纪时期硅质岩的产状和地球化学等特征，通过结合硅质岩的产状，结构构造特征和地化特征，分析硅质岩形成的环境和成因，并建立成因模式（周永章等，2004；冯胜斌等，2007；姚旭等，2013）。

1 硅质岩的基本特征

硅质岩的主要成分为SiO2（>70% ）和 H2O，其次含有不定量的氧化物例如Fe2O3，Al2O3、MgO等。矿物成本则主要是蛋白石、玉髓以及显晶质的石英。蛋白石和玉髓在成分上的区别体现在含水量的不同，因此从蛋白石-玉髓-石英是一个脱水的过程。根据成因不同，可以将硅质岩分为生物成因的和非生物成因两大类。

1.1 生物成因硅质岩

生物成因的硅质岩主要有硅藻土、海绵岩、放射虫硅质岩等几种类型。硅藻土主要由古代的硅藻遗体组成，主要化学成分为SiO2和H2O，矿物成分主要为蛋白石—A，硅藻土质纯者呈白色，但常被铁质或有机质染成黄色或暗灰色甚至黑色。岩石外貌呈土状，结构疏松，质软而轻，比重只有0.4～0.9，高孔隙，吸水性强。具典型的生物结构，层理不明显。大部分硅藻土产于第三纪以来的海相或湖泊相的地层中，少数分布于白垩纪的地层中。随着脱水作用，年代较老地层中硅藻土一般均转变为板状硅藻土或蛋白土，最终渐变至燧石岩。现代硅藻主要分布在两极及中纬度的海洋中，并与洋流分布有关。海绵岩外貌为细粒状，呈灰绿色或黑色，疏松的海绵岩胶结程度较差，其中夹有粘土和砂。坚硬的海绵岩其内的骨针被蛋白石、玉髓等硅质矿物所胶结，以海相成因为主。放射虫岩主要由硅质放射虫介壳组成，可分为疏松的和坚硬的两种: 疏松的变种外貌很象硅藻土，质软，灰或黄灰色;坚硬的放射虫岩中的放射虫介壳完全被氧化硅胶结。除放射虫外，还可有硅藻、海绵骨针、海藻、有孔虫等生物遗体，并常有粘土矿物，以及方解石、海绿石、碎屑石英等混入物。

1.2 非生物成因硅质岩

非生物成因的硅质岩主要有碧玉岩、燧石岩以及现代泉水形成的硅华。燧石岩成分主要为玉髓和自生石英，年代较新者可为蛋白石，还常有粘土、碳酸盐及有机质等混入物，并可有少量硅质生物遗体。燧石是一种致密坚硬、常具贝壳状断口的隐晶质或微晶质岩石，颜色以灰色、黑色等暗色为常见，也有呈黄色、红色、白色。显微镜下纯净燧石是一种无色的微晶石英集合体。按照燧石岩的形态可分为层状燧石，结核状燧石。层状燧石的层厚自几厘米到几十厘米，有时则呈规则条带或大透镜体，多与含磷和含锰的黏土层共生，分层存在，单层厚度不大，但与共生岩石一起总厚度可相当大，达几十到几百米，有块状和鲕状的区别。结核状燧石更为常见，能形成规则的结核状或不规则的条带状，通常称为燧石结核。多产于石灰岩中，有球状、卵状、棒状、盘状、葫芦状、不规则状等结核体，一般只有5~15 cm，大的可达1~2 m。碧玉岩主要矿物成分是自生石英，可含有少量生物遗体，如放射虫、海绵骨针等。 含氧化铁杂质的,称铁质碧玉岩,常呈红色、绿色或黄色；含有机炭的，称炭质碧玉岩，常呈黑色；燧石岩和碧玉岩在元古宙的地层中经常出现。硅华是一种典型的化学成因硅质岩，常形成于火山作用后期温泉喷出地表处，在现今的新西兰、美国黄石公园、我国的西藏等地常见，呈多孔状、色浅，其二氧化硅含量不定，常有各种混入物，除较多的氧化铝外，还可有各种其它元素。

2 硅质岩形成环境的判别方法

目前主要用到的方法是根据Bostrom（1973）、Adachi（1986）、Murray（1994）等经过统计学建立的投图模型。沉积物中Fe和Mn的富集主要与热水的参与有关,而Al的富集主要与陆源物质的介入有关。并认为硅质岩的N（Al）/N（Al+Fe+Mn）比值由纯热水沉积的0.01到纯远海生物沉积的0.60之间变化。

图1 硅质岩W%（Al-Fe-Mn）成因投图

I：生物沉积II：热水沉积硅质岩(据Bostrom、Adachi等)

图2 硅质岩成因判别图解（据Murray）

Murray（1994）对40多个形成于不同时代的深海硅质岩样品进行了研究，总结出Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）比值可以作为指标用于判别硅质岩的形成环境，洋中脊硅质岩的比值<0.4，大洋盆地硅质岩为0.4~0.7，大陆边缘硅质岩为0.5~0.9。除此之外，硅同位素、氧同位素等也被应用于分析硅质岩的成因中，以提高判别的准确性。

3 结束语

硅质岩的研究已经取得了相当的成果，国内外研究程度都相当成熟。然而这其中也有一些值得讨论的问题：比如，邱晨等（2010,2011）提出，扬子地区报道的硅质岩都在不同程度上和火山活动和深大断裂有关，因此如何区分不同硅源（生物、火山、热水）之间的贡献程度以及转化关系显得非常重要。另外我国目前报道的硅质岩是以扬子地区为代表，其形成背景是以海相环境为主。而近年郑荣才（2006）、柳益群（2010）等相继报道了陆相的热水沉积活动，那么化学成因的热水沉积硅质岩是否在陆相热水背景下也能形成，这其中的形成机理等也值得探讨。

[1]唐世荣,王东安.硅岩研究的进展[J]. 地球科学进展,1994, 9 (6): 71-74.

[2]吴世迎. 马里亚纳海槽海底热液烟囱物研究[M]. 北京: 海洋出版社, 1995：1-110

[3]冯彩霞. 硅质岩的研究现状及其成矿意义[J]. 世界地质，2001, 20 (2).

[4]姚旭，周瑶琪，李素，等． 硅质岩与二叠纪硅质沉积事件研究现状及进展［J］． 地球科学进展，2013，28 ( 11) : 1 189-1 200.

[5]JOHN.H. OEHLER，Hydrothermal crystallization of silica gel[J]. Geological Society of America Bulletin, 1976, 87（9）：1143-1152.

[6]ADACHI M,YAMAMOTO K, SUIGISKI R. Hydrothermal chert and associated siliceous rocks from the Northern Pacific: Their geological significance as indication of ocean ridge activity[J] . Sediment Geol,1986, 47: 125-148.

[7]YAMAMOTO K. Geochemical characteristics and depositional environment of cherts and associated rocks in the Franciscan and Shiment terranes[J] . Sediment Geol, 1987, 52: 65-108.

[8]Reinhard Hesse，Silica Diagenesis: Origin of Inorganic and Replacement Cherts，Earth-Science Reviews, 1989，26：253-284.

[9]陈洪德，曾允孚.广西丹池盆地上泥盆统留江组硅质岩沉积特征及成因讨论[J]. 矿物岩石，1989, 9(4): 22-28.

[10]周永章.丹池盆地热水成因硅质岩地球化学特征[J]. 沉积学报，1990, 8 (3 ): 75-83.

[11]伊海生，曾允孚，夏文杰.湘黔桂地区上震旦统沉积相及硅质岩成因研究[J].矿物岩石，1989, 9 (4 ): 54-58.

[12]冯胜斌,周洪瑞,燕长海,彭翼,袁效奇,贺静. 东秦岭二郎坪群硅质岩热水沉积地球化学特征及其地质意义[J]. 沉积学报, 2007 (04): 564-573.

[13]MURRAY R W.Rare earth element as indicators of different marine depositional environments in chert and shale[J].Geology,1990,18:268-271.

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

[15]Bostrom K, Kraaemer T, Gartner S. Provoenance and accumulation rates of opaline silica, Ti, Fe, Mn, Cu, Ni, and Co in Pacificpelagic sediments[J]. Chemical Geology. 1973, 11：132-148.

[16]李映涛,叶宁,袁晓宇,黄擎宇,苏炳睿,周瑞琦. 塔里木盆地顺南4井中硅化热液的地质与地球化学特征[J]. 石油与天然气地质, 2015 (06): 934-944.

[17]雷卞军，阀洪培，胡宁，等. 鄂西古生代硅质岩的地球化学特征及沉积环境[J]. (2) :70-79

[18]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田[J]. 地质学报，2010，84 (4) : 500- 507.

[19]周新平，何幼斌，罗进雄，等. 川东地区一叠系结核状、条带状及团块状硅岩成因[J]. 古地理学报，2012，14 (2)：143-54.1

[20]吕炳全，王红罡，胡望水，等. 扬子地块东南古生代上升流沉积相及其与烃源岩的关系[J]，海洋地质与第四纪地质，2004, 24 (4) :29 -35.

[21]柴华，胡望水，唐友军，等.安徽宿松地区中一叠统栖霞组上升流相烃源岩地球化学特征田[J].石油天然气学报，2012,34(3)

[22]邱振，王清晨.湘黔桂地区中上一叠统硅质岩的地球化学特征及沉积背景川[J]. 岩石学报，2010, 26 (12):3612-3628.1

[23]姚旭，周瑶琪，李素，等．硅质岩与二叠纪硅质沉积事件研究现状及进展［J］．地球科学进展，2013，28( 11) : 1 189-1 200

[24]Maliva R G.Siever R. Nodular chert formation in carbonate rocks[J].The Journal of Geology,1989,97 (4) :421433

[25]赵澄林.试论前寒武系层状隧石岩的有机成因及其与油气生成的关系[J].华东石油学院学报，1980 (3) :1-9

[26]吴庆余，刘志礼，朱浩然.前寒武纪藻类对某此层纹状隧石形成作用的生物地球化学模式和模拟实验研究[J].地质学报，1986. (4) :375-389.

[27]Siever R．Silica solubility，0~200 ℃ and the diagenesis of siliceous sediments［J］．The Journal of Geology，1962，70( 2) : 127-150．

Research Progress of Siliceous Rocks

（State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Shaanxi Xi’an 710069, China）

Siliceous rocks are a kind of special sedimentary rocks, which are different from the general clastic ones. The formation of which is inseparable with biological and volcanic activities. In this paper, based on the extensive reading of domestic and foreign literature and materials, development and current situation of siliceous rock research were discussed in detail. The characteristics of the siliceous rocks were discussed, too. At the same time, the geochemical characteristics and methods of determining the genesis of siliceous rocks were introduced to further understand the genesis of siliceous rocks.

siliceous rocks; causes and types; geochemical characteristics

TE 122

A

1004-0935（2017）10-0997-03

2017-08-13

张桥（1993-），男，硕士研究生，陕西省西安市人，研究方向：主要从事矿物学岩石学研究。