福建李坊重晶石矿床硅质岩地球化学特征及其构造背景

罗坤 黎敦朋 肖爱芳

摘要： 为研究福建李坊重晶石矿床硅质岩的成因和构造背景，对该矿床9件硅质岩样品进行了主量元素、稀土元素和微量元素地球化学分析。结果显示：重晶石化硅质岩富Al、Ti、Fe、Mn和Mg，顶板硅质岩富Al、Fe，贫Mn、Ti、Mg;重晶石化硅质岩和顶板硅质岩稀土元素含量均较低，且富集轻稀土元素，Eu呈弱负异常-正异常，Ce呈负异常-弱正异常; Ba、Sr、Rb和Th相对富集，Ta、Hf和Y相对亏损。李坊重晶石矿床中硅质岩为热水沉积成因，硅质岩在沉积过程中受陆源物质输入影响，形成于酸性氧化的大陆边缘构造环境。

关键词： 硅质岩;地球化学特征;重晶石矿床;热水沉积;构造背景;福建李坊

中图分类号：P578.7+1

文献标识码：A

文章编号：2096-1871（2019）03-216-10

硅质岩是指由化学作用、生物和生物化学作用以及火山作用形成的富含二氧化硅（一般>70%）的沉积岩，包括盆地内经机械破碎再沉积的硅质岩[1]，其在化学和生物化学沉积岩中所占比例仅次于碳酸盐岩，且分布较广泛。硅质岩受后期成岩作用和风化作用影响较小，地球化学特征常被用来讨论硅质岩成因和构造背景，是研究古环境和古气候的重要载体[2]。目前，硅质岩的成因类型[3-8]、沉积构造背景[9-13]、古生物特征[14-15]和同位素特征[16-17]等方面研究成果较多，提升了硅质岩的研究程度。

李坊重晶石矿床位于福建省永安市大湖镇李坊村，是迄今為止在闽浙地区发现的唯一的大型独立重晶石矿床[18-19]。前人研究认为，该矿床有海相沉积型成因[20]、沉积变质成因[18，21]和热水或热泉沉积成因[19，22]等成因之争，分歧主要集中于矿床成因是正常海相沉积还是热水沉积。李坊重晶石矿床顶、底板和夹石中均发育硅质岩[18-19， 22]，硅质岩是重晶石矿床重要的赋矿层位，作为容矿岩石，硅质岩在该矿床的成矿作用中具有重要作用。本文对李坊重晶石矿床硅质岩进行研究，进一步明确该矿床的成因，为下一步找矿预测工作提供指导。

1 区域地质背景

南平—宁化断裂带和政和—大埔断裂带将福建省分为闽东火山断陷带、闽西南坳陷带和闽西北隆起带3个构造单元（图1（a）），李坊重晶石矿床位于闽西南坳陷带中部。矿区出露的地层为下古生界—中生界，发育志留纪、三叠纪侵入岩和晚侏罗世—早白垩世火山岩[23]。下古生界主要为浅变质板岩、变质砂岩和石英千枚岩;上古生界以砾岩、砂岩、泥岩等碎屑岩和石灰岩、白云质灰岩等碳酸盐岩沉积为主;中生界以陆相沉积砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、泥灰岩、火山碎屑岩和页岩为主[24]。

李坊重晶石矿床出露寒武纪林田组变质砂岩、石英千枚岩、板岩、硅质岩和少量大理岩，东北部被晚侏罗世南园组凝灰岩不整合覆盖[18-19，22] （图1（b）），西部和北部被三叠纪花岗岩侵入[25]。含矿岩系以浅变质砂岩和砂质泥岩复理石为主，夹硅质岩、重晶石和少量大理岩，局部发育鲍马序列，为典型大陆边缘半深水-深水复理石沉积环境[22]。

矿床含矿岩系延伸长约6 km，宽1～3 km，分为4个矿区7个矿段（图2），其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿段为北矿区，Ⅳ、Ⅴ矿段为中矿区，Ⅵ矿段为南矿区，Ⅶ矿段为东矿区。重晶石矿床有3个含矿层位，各个含矿层厚50～150 m，沿走向长300～1 700 m，沿倾向宽150～400 m;矿体约200个，呈似层状、透镜体或长条状，矿层厚度不等，薄者0.2～0.5 m，厚者10～30 m。矿体与地层呈整合接触或同步褶曲，接触界线清晰。不同矿段矿体产状差异显著，北矿区矿层倾向约300°，倾角30°～50°;中矿区矿层倾向约240°，倾角20°～40°;南矿区矿层倾向约270°，倾角65°～85°;东矿区矿层倾向约250°，倾角30°～40°。矿体顶、底板为硅质岩[18]、千枚岩、石英千枚岩、板岩或大理岩;矿石主要呈半自形-自形粒状结构，致密块状、条纹状、条带状、蜂窝状及角砾状构造。矿区硅质岩一般呈薄-中层状或透镜状产出，

1. 侏罗纪南园组; 2. 晚寒武世东坑口组;3. 早—中寒武世林田组第三岩性段;4. 早—中寒武世林田组第二岩性段;5. 早—中寒武世林田组第一岩性段; 6. 重晶石矿体;7. 三叠纪花岗岩;8. 地质界线;9. 不整合界线;10. 断层;11. 重晶石矿段编号

常为重晶石矿的顶、底板或夹石，厚数cm～数m。硅质岩以碧玉为主（岩石学特征另文发表），以灰色、灰白色、灰绿色为主，主要成分为石英，次要成分为重晶石及少量绿泥石、白云母;石英呈微粒结构，粒度一般为0.01～0.05 mm，多呈纹层状构造。

3 样品与测试方法

在李坊重晶石矿床北矿区Ⅱ矿段475～495露采场中共采集9件样品，其中样品编号701～704为重晶石化硅质岩，样品编号801～805为顶板硅质岩。重晶石化硅质岩产于夹石中，顶板硅质岩是重晶石矿床的顶板围岩。样品送至澳实分析检测（广州）有限公司进行主量元素、稀土元素和微量元素测试。主量元素用X荧光光谱仪测试，检出限为0.01%，样品在煅

4 地球化学特征

4.1 主量元素特征

硅质岩主量元素含量及特征参数见表1。重晶石化硅质岩（编号：701～704）SiO2含量为60.62%～65.45%，平均值为63.02%;Al2O3含量为10.44%～12.15%;TiO2含量为0.46%～0.54%;TFe2O3含量为4.42%～6.41%;MnO含量为0.04%～0.06%;MgO含量为1.28%～2.84%，总体富Al、Ti、Fe、Mn和Mg。

顶板硅质岩（编号：801～805）SiO2含量为74.83%～87.64%，平均值为82.46%，低于纯硅质岩的SiO2含量（91.0%～99.8%）[28]，可能受陆源物质输入的影响;Al2O3含量为0.19%～5.08%，3件样品（编号：801，802，805）的Al2O3含量均>4%;TiO2含量均<0.09%;TFe2O3含量为0.57%～2.43%，MnO含量为0.01%～0.02%;MgO含量为0.02%～0.55%，总体富Al、Fe，贫Mn、Ti、Mg。

4.2 稀土元素特征

硅质岩稀土元素含量及特征参数见表2。重晶石化硅质岩（编号：701～704）的稀土元素总量ΣREE为（136.71～163.96）×10-6，平均值为146.98×10-6，稀土元素总量较低，轻稀土元素相对富集。其中3件样品（编号：702，703，704）Ce呈正异常， 1件硅质岩样品（编号：701）Ce呈弱负异常（δCe=0.99）。在北美页岩标准化稀土元素配分曲线图（图3（a））中，Eu呈正异常， Ce的正负异常不明显，曲线呈平坦状，这是由于重晶石化硅质岩形成时热水供应较稳定，所以4件样品的稀土元素总量比较集中，且曲线变化较一致。

顶板硅质岩（编号：801～805）稀土元素总量ΣREE为（5.23～110.43）×10-6，平均值为44.83×10-6，且分布不均匀，轻稀土元素含量较高且相对富集。3件样品（编号：801，802，803）Eu呈正异常（δEu>1），2件样品（编号：804，805）Eu呈微弱负异常;3件样品（编号：803，804，805）Ce呈负异常（δCe<1），2件样品（编号：801，802）Ce呈弱正异常。在北美页岩标准化稀土元素配分曲线图（图3（a））中，样品801、802和805的稀土元素配分曲线演化趋势大体相同，但稀土元素总量变化大，推断由于成矿末期热水供应不稳定引起的;样品803和804的稀土元素配分曲线演化趋势与801、802和805存在较大差异，且它们的Al2O3和TiO2含量较其他样品低5～9倍，表明其形成于成矿末期，且陆源物质输入较少，是由较纯的热水喷发而成的。

4.3 微量元素特征

硅质岩微量元素含量及特征参数见表3。硅质岩Ba含量均>10 000×10-6，Sr含量为（76.7～379.0）×10-6，平均值为229.2×10-6（表3），表明硅质岩形成于富Ba、Sr的环境。在北美页岩标准化微量元素蛛网图（图3（b））中，重晶石化硅质岩（编号：701～704）微量元素含量相对较高，且变化趋势一致，说明其形成于稳定的热水环境;而顶板硅质岩（编号801，802，805）微量元素含量较低，且分布不均匀，特别是803和804顶板硅质岩在北美页岩标准化微量元素蛛网图中的曲线演化趋势与其余硅质岩样品差别较大，反映了顶板硅质岩是在成矿末期形成，热水供应不稳定，而803和804顶板硅质岩是由较纯的热水喷发而成。

此外，所有硅质岩均相对富集Rb、Th、Ce，相对亏损Ta、Hf、Y（图3（b））。富集Ba、Rb等大离子亲石元素和Nb、Th、Zr、P、Ce等高场强元素，相对亏损Hf、Ta、Y，部分高场强元素的富集可能反映了硅质岩受到了陆源物质的混染。

5 讨 论

5.1 硅质岩成因

研究表明，硅质岩的形成与热水作用有关[30]。在TFe2O3/TiO2-MnO/TiO2图解（图4（a））中，硅质岩样品均落入热水沉积物区。在SiO2-Al2O3图解（图4（b））中， 样品801～805落入热水区，样品701～704落入水成区。研究表明，洋中脊热水沉积物Al/（Al+Fe+Mn）平均值为0.01，深海热水硅质岩Al/（Al+Fe+Mn）平均值为0.12，生物成因硅质岩Al/（Al+Fe+Mn）平均值为0.60[32]。本文9件硅质岩样品Al/（Al+Fe+Mn）值为0.18～0.65，平均值为0.51，具有生物硅质岩的特征。在SiO2/（K2O+Na2O）-MnO/TiO2图解（图5（a））中，9件硅质岩样品均落入热水成因区。在Al-Fe-Mn图解（图5（b））中，7件样品落入非热水沉积成因区，2件样品（803，804）落在热水沉积物区。（Fe+Mn）/Ti和Fe/Ti可判别热水和正常沉积物[33]， 样品701～704和样品805（Fe+Mn）/Ti<25，Fe/Ti<20，表现出非典型热水沉积的特征，而样品801～804显示出典型热水沉积物特征（表1）。在Al/（Al+Fe+Mn）-Fe/Ti图解中（图6（a）），7件硅质岩样品热水物质所占比例约20%，2件样品热水物质所占比例约40%，陆源物质所占比例约60%～80%，表明硅质岩沉积时受陆源物质输入影响较大。样品富Al2O3，富Nb、Th、Zr、P、Ce等高场强元素，也反映成岩时受陆源物质输入影响，导致Al-Fe-Mn图、SiO2-Al2O3图解中投点、Al/（Al+Fe+Mn）值、（Fe+Mn）/Ti值和Fe/Ti值漂移。

Sa. 正长石;OIg. 中长石

图4 硅质岩TFe2O3/TiO2-MnO/TiO2图解（a）和SiO2-Al2O3图解（b）[28，31]

Fig. 4 Diagrams of TFe2O3/TiO2-MnO/TiO2 （a） and SiO2-Al2O3 （b） for the siliceous rocks[28，31]

Sa. 正长石;OIg. 中长石

图5 硅质岩SiO2/（K2O+Na2O）-MnO/TiO2图解（a）和Al-Fe-Mn图解（b）[28，32]

Fig. 5 Diagrams of SiO2/（K2O+Na2O）-MnO/TiO2（a） and Al-Fe-Mn（b） for the siliceous rocks[28，32]

（a）： 曲線代表东太平洋隆起（EPR）、红海（RS）热水沉积物与陆源矿井屑（TS）、深海黏土（PS）热水沉积物的混合曲线，数据代表热水沉积物所占比例，%;（b）：Ⅰ. 正常沉积区;Ⅱ. 热水沉积区;Ⅲ. 红海沉积区

图6 硅质岩Al/（Al+Fe+Mn）-Fe/Ti图解（a）和（Ni+Co+Cu）×10-Fe-Mn图解（b）[31，36]

Fig. 6 Diagrams of Al/（Al+Fe+Mn）-Fe/Ti （a） and （Ni+Co+Cu）×10-Fe-Mn （b） for the siliceous rocks[31，36]

研究区硅质岩稀土元素总量相对较低（表2，图3（a）），轻稀土元素较富集，Eu正异常，Ce负异常，具有热水沉积硅质岩的特征[34];它们的Ba、Sr富集程度较高，具有热水注入特征[2]。热水沉积U/Th值>1，非热水沉积U/Th值<1[35]。研究区9件硅质岩U/Th值均<1，推断它们均形成于氧化环境，导致U淋失而具有非热水沉积的特点。此外，Ni/Co值<3.6是现代热水沉积物的典型特征[13]，研究区样品701，702，703和704的Ni/Co值分别为3.15、2.80、3.60和3.20，均≤3.60（样品801～805未测Ni、Co），具有现代热水沉积物的特征。在（Ni+Co+Cu）×10-Fe-Mn图解（图6（b））中，样品701～704全部落入了热水成因区。

综上所述，李坊重晶石矿床硅质岩为热水沉积成因，形成过程中有较多的陆源物质输入。

5.2 硅质岩沉积环境

研究表明，当Fe2O3/FeO>1时为氧化环境，当Fe2O3/FeO<1时为还原环境[37]。研究区重晶石化硅质岩（编号：701～704）Fe2O3/FeO为1.15～2.39，说明其形成于氧化环境。当SiO2/Al2O3>3.6时为氧化环境，当SiO2/Al2O3<3.6时为还原环境[38]。研究区重晶石化硅质岩（编号：701～704）SiO2/Al2O3为 4.99～6.27（表1），表明其形成于氧化环境;801、802和805顶板硅质岩的SiO2/Al2O3分别为20.97、15.97和21.15，表明形成于较强的氧化环境中;样品803和804的SiO2/Al2O3为391.47和431.89，反映其形成于强氧化环境。

研究表明，当U/Th>1.25时为还原环境，当U/Th<0.75时为氧化环境[17]; V/Cr>4.25为还原条件，V/Cr为2～4.25为亚还原条件，V/Cr<2时为氧化环境[39]。此外，氧逸度不同时Cu和Zn发生分离，因此Cu和Zn也可指示氧化还原条件[40]。由表3可知，研究区9件硅质岩样品的U/Th为0.18～0.79，平均值为0.45;V/Cr为0.2～2.2，平均值为1.0;样品701～704的Cu/Zn为0.82～2.40（样品801～805的Cu、Zn未测）（表3），表明研究区硅质岩形成于氧化环境。

主量元素受pH影响较大，在沉积过程中易受pH影响产生分离。因此，MnO/TFe值可指示介质的pH值。研究区9件硅质岩样品的MnO/TFe为0.002～0.050，平均值为0.013，且有7件样品的MnO/TFe均<0.013，2件样品（编号：803，804）的MnO/TFe>0.013（表1），表明研究区硅质岩形成于酸性环境[32]。

5.3 硅质岩构造背景

利用地球化学特征可恢复岩石形成的构造背景[41-45]，判别硅质岩产出环境[41-43]。研究区硅质岩样品701～704的Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）分别为0.73、0.71、0.83和0.81，平均值为0.77（801～805未测试Fe2O3），δCe平均值为0.95，（La/Ce）N平均值为1.26;MnO/TiO2平均值为0.36;（La/Lu）N平均值为1.23; Al/（Al+Fe）为0.18～0.65（平均值为0.52）;（La/Yb）N平均值为1.57，δEu平均值为1.52（表1，表2），这些比值与大陆边缘硅质岩特征值相近[39-41]，表明李坊重晶石矿床的硅质岩形成于大陆边缘环境。此外，样品701～704在Al2O3/（100-SiO2）-Fe2O3/（100-SiO2）图解（图7（a））、Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）-（La/Ce）N图解（图7（b））和Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）-Fe2O3/TiO2图解（图7（c））中，均落入大陆边缘区域。

值得注意的是，研究区硅质岩V/Y平均值为5.89，Ti/V平均值为17.63，与大陆边缘环境硅质岩的标准值[43]具有较大差距。由V/Y和Ti/V值可知，V含量较多，而V是黏土矿物的主要元素，说明研究区受陆源物质影响较大。由图5（a）可知，硅质岩热水成分所占比例仅为20%～40%，陆源物质输入较多，从而导致V富集。陈先沛等[22]对李坊重晶石矿床进行研究，发现矿床下部发育良好的鲍玛浊积岩序列，表明李坊重晶石矿床形成于半深海—深海相的复理石盆地，进一步证实李坊重晶石矿床形成于大陆边缘构造环境。

综上所述，根据硅质岩地球化学特征和构造环境判别图解，结合含矿岩系的沉积建造特征，认为李坊重晶石矿床硅质岩形成于大陆边缘热水沉积构造环境。

5.4 指示意义

运用地球化学方法研究李坊重晶石矿床硅质岩的成因、沉积环境和构造背景，对了解永安地區构造和古环境演化具有指示作用，丰富了李坊重晶石矿床的理论研究，完善了“李坊式”重晶石矿床学和地质学方面的内容。此外，李坊重晶石矿床中重晶石与硅质岩为共生组合[18-22]，指示李坊重晶石矿床可能是热水沉积形成的，形成于大陆边缘构造环境，为李坊重晶石矿床是热水沉积成因提供了有力证据。

6 结 论

（1）李坊重晶石矿床硅质岩SiO2、BaO、Al2O3、TFe2O3、MgO和LREE相对富集，Eu弱负异常-正异常，Ce负异常-弱正异常。李坊重晶石矿床硅质岩为热水沉积成因，且硅质岩在沉积过程中受陆源物质输入的影响。

（2）李坊重晶石矿床硅质岩形成于大陆边缘酸性氧化环境。

（3）李坊重晶石矿床硅质岩地球化学研究，对了解永安地区构造和古环境演化具有指示作用。

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