北京西山地区下苇甸剖面是研究华北寒武系沉积的典型剖面之一(张旭等, 2009), 自下而上寒武系发育齐全且特征明显, 尤其是张夏组, 以发育大套鲕粒灰岩为特征(梅冥相和梅仕龙, 1997), 代表了一种高能的浅滩环境(图 1)。张夏组分别与上下地层崮山组和徐庄组整合接触, 下部发育灰绿色泥岩与薄层的鲕粒灰岩互层, 上部发育巨厚层状的鲕粒灰岩, 且鲕粒灰岩分布稳定, 在区域内可横向对比。前人对本区的研究主要集中在沉积环境、层序地层等方面(梅冥相, 2011; 康世龙等, 2016), 对其成岩作用的研究相对较少。笔者在研究该剖面鲕粒成岩作用过程中, 发现部分鲕粒具有较为丰富和特殊的硅化现象, 因而对鲕粒的硅化特征、硅质来源以及硅化机制等方面进行了详细、深入地探讨。

图 1

Fig.1

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	图 1 北京西山地区下苇甸剖面地质概况(据景玉轩等, 2015, 有修改)Fig.1 Geological survey at Xiaweidian section in Western Hills of Beijing(modified from Jing et al., 2015)

Davies等(1978)通过对鲕粒的研究和模拟, 认为鲕粒形成需要3个必要的条件: (1)饱和文石或高镁方解石的水体; (2)核心的来源; (3)动荡的水体。以前对海相鲕粒的研究认为饱和碳酸钙的水体是形成鲕粒的首要条件, 但不是所有饱和碳酸钙的动荡浅水中均发育鲕粒。随着淡水环境中鲕粒的发现, 越来越多的证据表明微生物诱导鲕粒原始圈层的形成, 尤其是光合微生物, 其围绕鲕粒核心形成生物膜, 通过微生物有机矿化作用形成早期鲕粒圈层(Folk and Lynch, 2001; Pacton et al., 2012; Batchelor et al., 2018)。由此可见, 鲕粒圈层中的暗色纹层主要为富含有机质的微生物膜, 亮色纹层主要是由微生物矿化造成的方解石或文石沉淀。在后期鲕粒溶蚀再充填形成单晶鲕/多晶鲕或者鲕粒在新生变形的过程中, 造成鲕粒中暗色纹层残余有机质的富集, 围绕原始鲕粒形成有机质膜(图 2-f)。硅质在碱性条件下不稳定, 在酸性条件下容易沉淀, 而有机质在演化早期分解出的有机酸如腐殖酸、酚类等均能提供一个比较稳定的酸性环境, 从而导致孔隙水中的硅质发生沉淀。

Folk和Lynch(2001)研究表明大部分的有机质以离散的同心环状出现在鲕粒的圈层中, 而鲕粒的胶结物基本不含有机质。鲕粒的新生变形从内部向外部进行, 从而使原始鲕粒中有机质向外部迁移, 形成了富有机质暗色环边(邢延路和冯李强, 2015)。国外也有学者通过对碳酸盐岩中硅化物的研究表明有机质的存在有助于二氧化硅的沉淀(Mcbride, 1988), 硅化选择性地影响了大量有机质参与形成的鲕粒, 表明了有机质是硅化反应的关键参与者(Hesse, 1987)。通过对鲕粒灰岩做总有机碳分析, 其平均值在0.02%左右(表1), 本区硅化鲕粒基本为亮晶方解石胶结, 胶结物中基本不含有机质(图 2-a, 2-b), 有机成分主要出现在鲕粒内部, 因此所测有机碳主要为鲕粒圈层中含有的有机碳。热解T_max平均值为465i℃代表本区鲕粒灰岩中有机质普遍处于高熟过熟阶段(表 1), 但在其未熟或低熟阶段, 鲕粒外部富有机质圈层分解出有机酸形成围绕鲕粒环边的酸性环境, 造成有机质膜附近方解石的溶解, 孔隙中离散的硅质在鲕粒边缘集中, 在酸性条件下离散的硅质沉淀形成微晶石英, 围绕鲕粒边缘发育, 由于有机质含量较少, 不能持续分解出有机酸, 只造成鲕粒边缘附近方解石的溶解(图 2-a, 2-d, 2-e)。

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表 1(Table1)

表 1 北京西山地区下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒灰岩总有机碳及热解数据 Table1 Total organic carbon and pyrolysis data of oolitic limestone of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian section in Western Hills of Beijing 样品编号 TOC/% 硫/% S1/mg· g-1 S2/mg· g-1 Tmax/℃ 1 0.038 0.018 0.01 0.01 462 2 0.023 0.023 0.02 0.03 468 3 0.017 0.167 0.01 0.01 472 4 0.034 0.024 0.01 0.01 465 5 0.027 0.012 0.01 0.01 473 平均值 0.028 0.049 0.012 0.014 468

表 1 北京西山地区下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒灰岩总有机碳及热解数据 Table1 Total organic carbon and pyrolysis data of oolitic limestone of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian section in Western Hills of Beijing

因此鲕粒中的有机质演化释放的有机酸是导致二氧化硅沉淀的主要原因, 但由于构成鲕粒的有机质含量较少, 这种影响只限于鲕粒边缘微环境, 不会延伸到鲕粒粒间的灰泥充填物或方解石胶结物中, 从而造成了本区鲕粒外部硅质包壳现象(图 2)。

综上所述, 鲕粒溶蚀再充填及新生变形作用有利于鲕粒圈层内部有机质在鲕粒外部圈层聚集, 有机质演化为硅质的沉淀提供了适当酸性微环境, 在硅质沉淀的同时也造成鲕粒附近方解石填隙物的溶解, 这是本区鲕粒硅化的主要机理。

碳酸盐岩地层中硅质的来源主要有3种: 生物来源、陆源输入、火山物质来源(Chanda et al., 1976; Hesse et al., 1989; 伊海生等, 1989; 唐朝晖和曾允孚, 1990; 柴华等, 2012), 本区未见到原生的硅质生物和矿物, 说明本区的硅质主要为外源输入的。也有证据表明世界大洋水体中的硅质主要由火山作用造成, 很少从陆地搬运过去(伊海生和曾允孕, 1994; 莫静等, 2013), 但本区未见到明显火山活动痕迹。Laschet(1984)等认为陆源输入的二氧化硅是碳酸盐岩地层中重要的硅质来源, 而下苇甸张夏组剖面下部主要为灰绿色泥岩与碳酸盐岩的互层(图 3), 发育少量的陆源石英砂岩, XRD测试结果表示, 二氧化硅的含量与高岭石的含量也有一定的正相关性(图 4), 与鲕粒灰岩互层的灰绿色泥岩中含有较多的硅质(图 5-a), 还有少量石灰岩中发育富硅质层(图 5-b, 5-c), 这种硅质主要为陆源输入的磨圆较差的粉砂岩类, 并且大部分鲕粒灰岩中均含有少量的高岭石, 说明鲕粒灰岩中的硅质主要来源有2种: 一是偏碱性的孔隙水对陆源石英颗粒的溶蚀作用造成孔隙水中硅质的富集和迁移; 二是黏土矿物的转化, 主要为高岭石在湿热条件下分解出部分二氧化硅(李文恒, 1980)。垂向上岩性的组合导致了下苇甸剖面张夏组下部地层由于有陆源硅质和黏土矿物转化提供少量的硅质导致鲕粒的硅化主要发生在剖面下部, 而上部地层为大套厚层的碳酸盐岩, 缺乏陆源供源硅质, 从而导致张夏组上部部分鲕粒虽然形成富有机质膜, 却未发生硅化。下苇甸剖面张夏组下部鲕粒灰岩中缝合线内也发育大量的硅化现象, 缝合线由于压溶作用也造成了有机质的富集, 后期又可以作为富集硅质的运移通道, 从而造成缝合线附近普遍发育的硅化现象(图 5-d), 大量硅质成分主要沿渗透性较好的缝合线运移, 充足的硅质来源决定了缝合线中硅化形成的石英颗粒普遍大于鲕粒边缘。

图 4

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	图 4 北京西山地区下苇甸剖面寒武系张夏组样品中石英与高岭石含量关系 从下苇甸剖面张夏组底部到上部采集50个样品, 石英的含量和高岭石具有一定的相关性(XRD测试的石英含量包括陆源石英颗粒及黏土矿物转化形成的二氧化硅), 指示了本区硅质的主要来源Fig.4 Relationship between quartz and kaolinite content of samples from the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian section in Western Hills of Beijing

图 5

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	图 5 北京西山地区下苇甸剖面寒武系张夏组显微照片特征 a— 灰绿色泥岩, 单偏光, 含有较多石英颗粒; b— 富硅质层, 正交偏光, 与鲕粒灰岩互层; c— 灰泥石灰岩, 正交偏光, 可见平行分布的3条富硅质条带(红色箭头所指); d— 缝合线, 单偏光, 缝合线内富集有机质, 有机质附近硅化现象明显(红色箭头所指)Fig.5 Microphotographic characteristics of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian section in Western Hills of Beijing

根据以上内容, 提出了符合本区鲕粒的硅化模式图(图6), 原始鲕粒在充填胶结后由于鲕粒溶蚀或新生变形造成鲕粒边缘有机质富集, 形成有机膜, 在有机质演化初期, 有机酸与孔隙水中硅质反应造成硅质沉淀, 沿鲕粒边缘形成硅化套(图 6)。

图 6

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	图 6 北京西山地区下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒硅化模式图 a— 原始正常沉积鲕粒; b— 鲕粒被充填或胶结; c— 鲕粒重结晶形成有机质膜; d— 鲕粒硅化套形成Fig.6 Silicification model of ooids of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiadaidian section in Western Hills of Beijing

1)北京西山地区下苇甸剖面张夏组鲕粒硅化主要发生在单晶鲕/多晶鲕及部分遭受新生变形作用的鲕粒中, 呈环边状围绕鲕粒边缘发育, 构成硅化套; 鲕粒压溶形成的压力影被后期硅质切穿, 表明鲕粒压溶发生在硅化之前, 对划分本区鲕粒成岩阶段具有重要指导意义。

2)鲕粒外部圈层有机质富集, 形成有机膜, 有机质演化释放的有机酸是造成硅质沉淀的主要原因。鲕粒灰岩中硅质主要来源于碱性孔隙水对陆源输入石英颗粒的溶解和黏土矿物(主要为高岭石)的转化释放的二氧化硅。