第30卷第2期2003年3月
浙 江 大 学 学 报(理学版)
Journal of Zhej iang University (Science Edition )
V ol.30No.2Mar.2003
浙江新昌早白垩世盆地中硅质岩石
的地球化学特征与成因
董传万，竺国强，银 薇
(浙江大学地球科学系，浙江杭州310027)
收稿日期:2002-03-28.
基金项目：浙江省教育厅基金资助项目(20020258).
作者简介：董传万(1951—)，副教授，博士，主要从事岩石学、岩石矿物材料的教学与研究.
摘 要：在浙江新昌早白垩世盆地西侧的馆头组中，存在一些硅质岩石——块状硅质岩、含叠层石硅质岩和木化石硅质岩等.它们以高SiO 2、富F e 2O 3、低A l 2O 3和T iO 2为特征,REE 含量低，而且有弱的Ce 亏损,D 30Si 值为-0.4‰～-1.5‰,D 18O 值为18.1‰～23.1‰.硅质岩的地球化学研究表明它们具有热水硅质岩的特点.结合其它地质资料，作者讨论了这些硅质岩的硅质来源和成因，认为它们系地表水和海水向下渗透，并在一定深度内发生循环然后上涌，火山活动为热水提供热源,SiO 2来源于热水流经的地层和岩石.富含SiO 2的热水溶液在适当的地方沉淀形成块状或透镜状硅质岩，也可解释古树木和含叠层石灰岩形成木化石硅质岩和含叠层石硅质岩.根据氧同位素地质温度计计算出硅质岩形成时的热水温度为70.8～108.4℃.关 键 词：硅质岩；地球化学；早白垩世；新昌盆地
中图分类号:P 595;P581 文献标识码:A 文章编号:1008-9497(2003)02-230-06
DO NG Chuan -w an ,ZHU G uo -qiang ,YI N W ei (Dep ar tment of E ar th S ciences ,Zhej iang U niver sity ,H angz hou 310027,China )
Geochemical characteristics and origin of silicolites in the Early Cretaceous Basin in Xinchang ,Zhej iang Province .Journal of Z hejiang U niver sity (Science Edit ion),2003,30(2):230～235
Abstract :T her e ar e silicolites in t he Guantou fo rma tio n of the Early Cr etaceous basin in Xinchang Co unty ,Zhe-jia ng Pr ov ince .T he r ock types include ma ssiv e or lenticular silico lite ,str
om atolite -bearing silicolite and fossil -w ood silicolit e.T hey a re character ized by a hig her content o f SiO 2and Fe 2O 3,low co ntent o f A l 2O 3and T iO 2,and small amo unt of R EE with slight Ce deplet ion .T he D 30Si v alues o f the silico lites var y fr o m -0.4‰to -1.5‰,the D 18O v alues ar e in 18.1‰to 23.1‰.T he silicolites can be ident ified a s hydr other mal diments bad o n their geo chem ical fea tur es.T he source o f silicon and or ig in o f the silicolit es wer e discusd:T he w ater come fro m the sur face and a penetr ates do wnw ard and is heated by v olcanic activity in a cer tain depth a nd ex tr acts SiO 2and o th-er elements o ut fr om the surr ounding r o cks t hr oug h w hich it pass .T he SiO 2-r ich hydr other mal fluid up -flo ws and deposits,fo rm ing massiv e and lenticular silicolit es.T he fluid also ex pounds the pa laeo -tr ees and st ro matolit e-bearing limestone to fo rm fossil-w oo d silicolite (petr ified wo od)and stro mato lite-bear ing silicolite.A ccor ding t o the D 18O v alues of the silico lit es calculated fro m the ox yg en isoto pic geo lo gic ther momet er ,their fo r ming temper a-tures r ang es fro m 70.8℃to 108.4℃.
Key words :silicolite;geo chemist ry ;the Ear ly Creta ceo us;Xinchang basin
硅质岩通常指由化学作用、生物化学作用、生物作用和某些火山作用形成的富含二氧化硅(>70%)的岩石[1].80年代以来，还发现海底和大陆的许多硅质岩为热泉成因，称为热水沉积硅质岩[2～4].由于
硅质岩成因多样性，在不同的构造-沉积条件下有不同的硅质来源和不同的地球化学特征，可用来指示沉积环境和构造背景，同时由于硅质岩又常是地层的一部分，因此对硅质岩的研究具有重要的地质意
义.
游戏英文名最近在对浙江新昌硅化木的调查研究中，发现了一些硅质岩，它们与硅化木在成因上有密切联系.作者对这些硅质岩的岩石地球化学和硅、氧同位素特征进行研究，追踪其硅质来源，探讨硅质岩及硅化木的成因.
1 新昌硅质岩的岩石学特征
新昌硅质岩出露在晚中生代断陷盆地西侧的早白垩世馆头组中.新昌馆头组为火山-沉积岩系，主要由砂砾岩、杂色砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩、页岩组成，同时还有玄武岩、流纹质凝灰岩等火山岩夹层，局部含透镜状礁状泥灰岩和灰岩，是硅化木的主要赋存层位.新昌硅质岩的岩石类型有块状硅质岩、含叠层石硅质岩、木化石硅质岩和硅质页岩等.
块状硅质岩 灰色，深灰色，隐晶质结构，块状构造，由隐晶质石英和玉髓组成.石英小颗粒在正交偏光下显示“点状”消光，玉髓在正交偏光下呈纤维状，常呈束状或球粒状集合体.块状硅质岩成团块状、透镜状产在馆头组砂岩、粉砂岩中，部分呈同生角砾状与木化石硅质岩伴生.
含叠层石硅质岩 黑色，含浅色叠层石，石质坚硬.岩石主体由隐晶质石英组成，变余泥晶或微晶结构.根据岩石的叠层构造和变余泥晶结构，可推知它是由沉积成因的含叠层石灰岩经硅化形成.
木化石硅质岩 包括硅化木和硅化木角砾岩，二者均呈灰黑色或浅黄灰色，坚硬致密，比重较大.前者在手标本上，植物结构(如年轮、树木疤结等)均清晰可见[5]
；后者之角砾为硅化木，粒径30～50cm，被硅质胶结.在正交偏光下，二者主要矿物成分均为微粒状石英，呈等粒或不等粒变晶结构，石英粒径0.01～0.02mm，局部可见纤维状和球粒状玉髓.严格地讲，木化石硅质岩和上述含叠层石硅质岩都是交代硅化岩.
硅质页岩 黑色和浅灰色，水平层理发育，坚硬致密，由微粒石英和部分粘土矿物组成，是馆头组的正常夹层.
2 硅质岩的地球化学特征
2.1 主要化学成分
新昌硅质岩的化学成分列于表1.块状硅质岩、
含叠层石硅质岩和木化石硅质岩的主要元素含量相近，都具高硅、富铁、贫铝和低钛等特点(样品序号1
～4).它们的SiO 2含量大于95%(平均96.95%,n =4，下同)、Fe 2O 3含量(全铁，其中包括二价铁换算成三价铁)0.86%，而Al 2O 3含量平均为0.27%,T iO 2含量平均仅为0.03%，表明三者物源相同.硅质页岩(序号5,6)的SiO 2含量78%左右,T iO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、Mg O 、CaO 、Na 2O 、K 2O 等含量均高于上述硅质岩.
Fe 、M n 、Al 、Ti 等主要元素具不同的地球化学行为，可用来判断硅质岩的物源和成因.通常认为硅质岩中Fe 、M n 的富集主要与热水的参与有关；而Al 、T i 是难风化产物，并残留在风化壳内，因此Al 、T i 的富集与陆源物质的介入相关.文献[2,3]用Al -Fe-Mn 三角形图解判别热水与非热水成因的硅质岩，发现所有的热水成因的数据均落在图中的富铁端，非热水沉积的均落在图中的富铝端.新昌硅质岩在Al -Fe -Mn 三角形图解上同样显示相对富铁和锰(见图1)，说明硅质岩为热水沉积或受热水影响，而硅质页岩相对低锰富铝，落在非热水沉积区.
图1 新昌盆地中硅质岩的A l-F e-M n 图解F ig .1 Diag ram of A l -Fe -M n for silicolites
in Xinchang basin
Ⅰ为生物沉积和其他非热水沉积硅质岩区;Ⅱ为热水沉积硅质岩区[6];・为硅质页岩;.为其他硅质岩vehicle什么意思
Al /(Al +Fe +M n )值是衡量沉积物中热水沉积物含量多少的标志.文献[7]提出，海相沉积中Al/(Al+Fe+
M n)比值随着沉积物中热水沉积物的减少而增加.如现代深海远洋粘土的Al/(Al+Fe +M n )比值为0.59，陆棚远滨粘土的比值为0.613，页岩中相应的平均比值为0.63，典型的生物成因硅质岩的这一比值为0.60，而热水沉积物中上述比值则低得多，如北太平洋海底喷流形成的燧石,Al /(Al +Fe +Mn )比值为0.03～0.04，东太平洋隆起的金属软泥的比值低于0.01，中国下扬子区早二叠世孤峰组层状硅质岩的比值为0.02～0.34，上述硅质岩均属热水沉积[4].新昌硅质岩样品的Al /(Al +
231
第2期董传万，等：浙江新昌早白垩世盆地中硅质岩石的地球化学特征与成因
Fe+Mn)值分别为0.04、0.34、0.09和0.12(见表1)，符合或接近热水沉积的数据，反映出它们具有热水沉积的特点.新昌硅质页岩的Al/(Al+Fe+Mn)值为0.69～0.74，略高于陆相粘土和页岩该值，说明硅质页岩中热水沉积物质较少，而陆源物质较多.
表1 新昌盆地中硅质岩石的化学成分
T able1 T he chemical analys of silico lites in Xinchang basin%序号123456
样号王1-2王1-3大1-2苏2-1王2-1王8-2
SiO295.0597.9897.8396.9278.1078.42
T iO20.010.030.010.050.370.33
A l2O30.080.290.240.4810.179.48
F e2O30.150.300.050.230.96 1.30
F eO0.590.050.75 1.04 1.090.55
M nO0.020.010.020.060.030.01
M g O0.210.010.010.01 1.020.61
CaO0.390.390.390.390.780.64
N a2O0.070.070.070.090.560.42
K2O0.060.060.060.13 3.81 3.60
P2O50.070.070.070.070.160.20
烧失量 3.390.620.490.56 2.69 3.86
总和100.0999.8999.99100.0399.7499.42
A l/(A l+Fe+M n)0.040.340.090.120.690.74
注 化学成分分析由南京大学地球科学系分析中心徐建平分析.序号1和2为木化石硅质岩;3为块状硅质岩;4为含叠层石硅质岩;
5,6为硅质页岩
2.2 稀土元素
新昌硅质岩的稀土元素分析结果见表2.块状硅质岩、含叠层石硅质岩和木化石硅质岩的稀土元素总量较低，最低值仅为8.67×10-6;LREE7.92～21.10,HREE1.603～11.23,D Ce分别为0.49、0.62、0.71，具Ce负异常.在北美页岩标准化稀土配分图上(见图2)，新昌硅质岩出现Ce的“V”型谷，显示Ce亏损.新昌硅质页岩的稀土元素含量较高，达133.78×10-6～149.13×10-6，在稀土配分图解上，它们的配分曲线位置高于其他硅质岩石，其中一个硅质页岩样品(王2-1)显示明显的Ce负异常(D Ce=0.53).
五年级英语试卷分析表2 新昌盆地中硅质岩的稀土元素分析结果
T able2 T he r esult o f REE analy s o f silicolites in Xinchang basin×10-6序号样号L a Ce P r N d Sm Eu Gd T b
1王1-3 4.723 6.026 1.899 6.251 1.7360.4655 1.8580.2118
2王1-2 2.121 3.2270.6966 1.5180.29510.05980.21910.0360
3苏2-1 2.891 4.9670.9129 2.7040.39280.08820.35110.0616
4王2-142.1943.288.46032.09 6.211 1.097 5.0090.5411
5王8-130.9655.37 6.75523.43 4.6880.9505 4.2040.4964
序号样号Dy Ho Er T m Yb Lu2REE Ce*
1王1-3 1.6130.25000.53640.05750.42890.056426.1130.49
2大1-20.21380.04280.09750.01440.10690.01828.6660.62
3苏2-10.34850.07570.21880.03210.28390.049913.3780.71
4王2-1 3.9910.8638 2.0920.3503 2.5920.3575149.1250.53
5王8-1 3.03010.6604 1.4870.2082 1.3560.1807133.7760.89
注稀土元素分析由南京大学地球科学系国家重点试验室裘丽雯分析，分析方法为ICP-M S.序号1为木化石硅质岩;2为块状硅质岩;3为含叠层石硅质岩;4,5为硅质页岩
岩石的稀土元素特征是区分热水沉积和非热水沉积硅质岩的重要标志之一.A.Fleet系统地研究了世界上属于热水成因的金属沉积物与属于非热水沉积的水成金属沉积物中的REE，发现前者的REE 总量低,Ce为负异常,HREE有富集的趋势；而后者REE含量高,Ce为正异常,HREE不富集，但上述特点在这两类沉积之间有连续性变化[4].热水成因硅质岩的D Ce为负异常，而非热水成因的硅质岩的
232浙江大学学报(理学版)第30卷
D Ce 常为正异常[8,9]
.对比上述热水沉积硅质岩的稀土元素地球化学特征，表明新昌硅质岩具有热水沉积的特点.
Ce 异常的出现与Ce 3+
氧化成Ce 4+
有关.在氧化条件下,Ce 元素常呈Ce 4+的形式与其他稀土元素分离[8,
9]
.由新昌硅质岩的Ce 负异常行为，反映
出它们及硅化木均是在氧化条件下形成.Ce 的亏损现象还说明硅质岩形成时可能受到海水的影响，海水经常有较大的负异常[10].新昌晚中生代盆地受到海水影响，得到以下地质事实的支持：在新昌馆头组剖面中，局部夹有透镜状、礁状泥灰岩、泥灰岩；在礁状泥灰岩中产有虫管化石、藻灰结核、叠层石等.虫管化石、叠层石等的出现，是近海沿岸的潮间带、泻湖及与海水相通的江、河口和江湾的环境或接受海侵、受海水影响的标志[5].
新昌硅质页岩是早白垩世馆头组中正常夹层，其岩石学、主要元素特征及高稀土含量，表明它们属正常沉积，但出现不同程度的Ce 负异常，可能反映了不同的地层层位受热水影响程度不同
.
图2 新昌硅质岩的稀土元素配分型式(北美页岩标准化值据文献[11]；样号岩性见表2)Fig.2 REE patter ns of silicolit es in X inchang basin
Ce 的亏损程度能判断沉积岩中热水沉积与非热水的水成沉积的比例.在经北美页岩标准化的稀土配分模式图上，通常Ce 的“V ”型谷越深，混入的热水物质越多[4,9]
.由表2和图2可见，新昌硅质岩的Ce 负异常并未达到纯热水沉积的程度.此外，新昌硅质岩也无HREE 富集的趋势，说明本区硅质岩成分以热水沉积为主，但有部分非热水成因的物质混入.
3 新昌硅质岩的硅、氧同位素组成
与平衡温度
新昌硅质岩的硅、氧同位素组成列于表3.它们的D 30
Si 值较低，且均为负值(-0.4‰～-1.5‰)，其中木化石硅质角砾岩和块状硅质岩为-1.3‰～-1.5‰，含叠层石硅质岩为-1.0‰，木化石硅质岩为-0.4‰～-0.8‰.
矿物和岩石的D 30
Si 值可用来判断其物质来源或成因.如从低温地下水中自生沉淀的石英的D 30Si 值最大，为1.4‰，热水来源的石英的D 30Si 值较小，为- 1.5‰～0.8‰，成岩过程中次生加大的石英的D 30
Si 值为-0.2‰～0.3‰
[12]
.另据丁悌平等研究,
在地球样品中，有几类岩石的D 30
Si 值可能出现较大的负值，即粘土岩类、某些生物硅质岩类(如硅藻土、海绵骨针和深海放射虫硅质岩)和热水化学沉积硅质岩(硅华、黑烟囱硅质沉积等)，后者如我国腾冲温泉石英脉、温泉口泉华的硅同位素组成分别为-0.6‰和-0.1‰，美国怀俄明州黄石公园的硅华的D 30
Si 值为-0.7‰～-1.9‰，马里亚纳海槽黑烟囱硅质沉积物的D 30
Si 值为-0.4‰～- 3.1‰
等[13].新昌硅质岩的D 30
thm
Si 值变化于-0.4‰～-1.5‰之间，分布在热液来源石英和热水化学沉积硅质岩的范围内，指示其硅质来源与热水有关.
表3 新昌盆地中硅质岩的硅、氧同位素组成与平衡温度
T able 3 T he silicon and o x yg en iso to pe com po sitio n of silicolites in X inchang basin
序号
1
234567样号王1-1王1-2王1-3大1-1大1-2苏1-1苏2-1D 30Si NBS-28/‰-0.8-0.4-0.8-0.4-1.5-1.3-1.0D 18O SM OW /‰19.721.118.118.418.323.119.2平衡温度/℃
95.0
84.4
108.4
105.8
106.6
70.8
99.0
注 硅、氧同位素由中国地质科学院矿产资源研究所七室万德芳测定.氧同位素分析用BrF3法，分析精密度±0.2‰，硅同位素分析用
美国大选预测
SiF4法，分析精密度±0.1‰.1～4为木化石硅质岩;5为块状硅质岩;6为含木化石角砾岩;7为含叠层石硅质岩
新昌硅质岩的D 18O 值变化范围18.1‰～
23.1‰.据有关资料，不同成因的石英有不同的D 18
O
值，如火成石英的D 18
O 值为8.3‰～11.2‰，变质石
英为11.2‰～16.4‰(平均为13‰～14‰)，热泉华
233
第2期
董传万，等：浙江新昌早白垩世盆地中硅质岩石的地球化学特征与成因
石英为12.2‰～23.6‰，现代海滩石英砂为10.3‰～12.5‰；在成岩作用过程中，由于石英的重结晶作用变成嵌晶状石英,D18O值为19.3‰～21.8‰(平均20.45‰)[12～14].通过对比，可以看出新昌硅质岩石的D18O值与热泉华石英的比较一致，也与嵌晶状石英该值相似，同样反映出其硅质来源与热水活动有关，而且在硅质沉淀后，又发生了强烈的重结晶作用，这与岩石学的研究相一致.
硅质岩石致密坚硬，抗交换能力强，其同位素组成自形成后变化不大，因此可利用硅质岩的氧同位素组成来测定岩石形成温度.目前测定硅质岩形成时水温一般采用岩石的氧同位素地质温度计.根据文献[15]给出的硅质岩-水氧同位素平衡分馏方程1000ln A硅质岩-海水= 3.09×106T-2-3.29,
计算出新昌硅质岩的同位素平衡温度为70.8℃～108.4℃，平均值为95.7℃(n=7，见表3).与红海的Atlantic DeepⅡ槽谷热水喷口的水温(100℃，其邻近处水温为56℃)接近[16]，表明本区硅质岩确实是热水作用的产物，而且是在较高的热水温度下形成.
4 新昌硅质岩石的成因
新昌硅质岩以团块状、结核状而非层状产出，沉积的范围不大，排除了其形成于开阔海洋盆地的可能性.以上岩石地球化学和硅、氧同位素等研究表明:¹新昌硅质岩为热水成因;º有非热水成因的物质混入;»其形成时受海水影响.
事实上，通常常温下水中硅含量都很低，如海水的硅含量仅为0.05×10-6～5×10-6，河水的硅含量为2×10-6～11×10-6，湖水中二氧化硅的含量也仅为2×10-6～10×10-6[13,17].硅含量如此低的河湖水或海水自然不会直接沉淀成硅质岩，也难使树木等硅化.然而，随着水温的增高，硅的溶解度将迅速增加，如Kauskopf的实验证明,0℃时非晶质SiO2在水中的溶解度仅40×10-6,25℃时SiO2的溶解度为135×10-6,94℃时则达400×10-6[18]，在150℃时可高达600×10-6[4].
要使海水或河湖水升温，需要有相应的热源，这热源可能与火山活动有关.在新昌(乃至浙东南沿海地区)早白垩世馆头组中，夹有数层基性和/或酸性火山岩、火山碎屑岩，它们是燕山晚期火山活动的产物.正是频繁而强烈的火山活动，为湖海水的升温加热提供了有效的热源.
热水使硅的溶解度增加，大量的SiO2的来源仍需进一步探讨.一般认为地质历史中硅质来源有:¹硅质生物从海水中吸取;º火山作用提供;»热水从围岩中淋滤、萃取.新昌硅质岩显然不是海水生物堆积或化学沉积成因；它赋存在早白垩世馆头组中，馆头组虽有数层火山岩，但它们并不与硅质岩直接接触，硅
质岩周围岩石也没有被硅化等现象，表明硅质岩的形成与火山作用没有直接的联系.其硅质很可能来自硅质岩周围及基底岩石或地层.
新昌盆地的基底为上侏罗统磨石山群火山-沉积岩系，火山岩占地层厚度的84.22%.火山岩中主要为流纹岩和流纹质、英安质凝灰岩、熔结凝灰岩等，含有大量的SiO2[19].但分析新昌馆头组砂岩(馆头组中主要岩石单元)的矿物组分，发现其碎屑物中石英含量很低，绝大部分是长石碎屑和/或岩屑，属长石岩屑杂砂岩或岩屑长石杂砂岩[5]；它们的化学成分中SiO2含量很低，仅59.16%.上述杂砂岩和基底火山岩的成分差异，表明馆头组中至少有部分SiO2由于热水的作用而进入热水溶液，使其成为高硅的流体.
综上所述，作者提出新昌硅质岩，包括硅化木的成因解释：新昌早白垩世盆地为河湖相和浅湖相沉积，曾发生过小规模的海侵事件.灌入的海水和河湖水向下渗透并在一定深度内循环，并被频繁的火山活动加热.热水从其流经的岩石和地层中淋滤并萃取出含有大量SiO2及其他元素的矿物质.这些高浓度的含SiO2的矿物质溶液，在适当的部位，直接沉积成块状硅质岩，也可逐渐交代树木和含叠层石灰岩，使之成为硅化木及含叠层石硅质岩.
野外工作得到新昌县风景旅游局的大力支持，谨表谢意.
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第2期董传万，等：浙江新昌早白垩世盆地中硅质岩石的地球化学特征与成因
