屈红军, 李文厚, 姚天星, 武龙发, 王妍心, 胡佳森, 成倚山. (2021). 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩特征、成因及意义* [J]. 古地理学报, 23(4): 651-667.
Qu Hong-Jun, Li Wen-Hou, Yao Tian-Xing, Wu Long-Fa, Wang Yan-Xin, Hu Jia-Sen, Cheng Yi-Shan. (2021). Characteristics,origin and significance of strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country,Shaanxi Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 23(4): 651-667.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2021.04.041
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陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩特征、成因及意义*
屈红军1,2, 李文厚1,2, 姚天星1,2, 武龙发1,2, 王妍心1,2, 胡佳森2, 成倚山2
1 西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安 710069
2 西北大学地质学系,陕西西安 710069

第一作者简介 屈红军,男,1967年生,教授,博士生导师,主要研究方向为沉积学。E-mail: hongjun@nwu.edu.cn。

收稿日期:2021-06-01 改回日期:2021-06-28
基金资助:* 国家重点研发计划项目(编号: 2016YFC0601003)、国家自然科学基金面上项目(编号: 41172101)、国家科技重大专项(编号: 2016ZX05026-007)共同资助
摘要

华北板块南缘陕西洛南县北部中元古界蓟县系洛南群巡检司组顶部层控玉化硅质岩中,发育似层状硅质玉髓及透镜状燧石,这些燧石及硅质玉髓已经玉化,质细色艳,达到高品级石英岩质玉石级别,已申报为国家宝玉石矿种,并在宝玉石市场崭露头角,显示出巨大的经济开发潜力。作者以岩石学及地球化学分析为手段,研究该层控玉化硅质岩特征、成因及意义。研究表明: (1)层控玉化硅质岩赋存于中元古界蓟县系洛南群巡检司组顶部的紫红色、灰绿色薄层状砂泥质板岩层中,层厚一般0.5~4 m;似层状玉髓多呈紫红色、灰绿色、烟灰色和无色等,透镜状燧石多呈紫红色及灰绿色似玛瑙纹圈层状。(2)硅质玉髓主要成分为石英,隐晶、微晶结构,块状构造,质地细腻、坚硬,玻璃光泽,半透明—微透明;其Al/(Al+Fe+Mn)均值为0.62,Zr/Hf均值为34.83,Sr/Ba均值除1个异常点外为0.50,V/Ni均值为0.37,ΣREE均值为5.11,δCe均值为1.02,δEu均值为0.86,LaN/CeN均值为0.85,总体显示淡水沉积环境,硅质来源主要为陆源来源,也有后期热液作用来源的部分加入。(3)似层状硅质玉髓层是由于快速海退引起的淡水淋滤硅化作用形成的海底硬底构造或硅质壳;似玛瑙纹透镜状燧石及彩色似层状硅质玉髓层是由于沉积期及沉积期后成岩作用氧化还原条件变化,及后期热液侵入烘烤引起的紫色与绿色致色矿物或致色元素转变形成;角砾状燧石是由于后期秦岭强烈构造作用,引起似层状硅质玉髓上下岩层因软硬差异而产生的变形破裂作用形成的构造角砾岩。

关键词: 华北板块南缘; 蓟县系; 洛南群; 硅质岩; 硅质玉髓; 硅化作用; 海底硬底构造
中图分类号:P59 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)04-0651-17
Characteristics,origin and significance of strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country,Shaanxi Province
Qu Hong-Jun1,2, Li Wen-Hou1,2, Yao Tian-Xing1,2, Wu Long-Fa1,2, Wang Yan-Xin1,2, Hu Jia-Sen2, Cheng Yi-Shan2
1 State Key Laboratory of Continental Dynamics,Northwest University,Xi’an 710069,China
2 Department of Geology,Northwest University,Xi’an 710069,China

About the first author Qu Hong-Jun,born in 1967,is a professor and doctoral supervisor in Northwest University. He is engaged in sedimentology. E-mail: hongjun@nwu.edu.cn.

Fund:Co-funded by the National Key Research Project of China(No.2016YFC0601003),the National Natural Science Foundation of China(No.41172101),and the National Science and Technology Major Project(No.2016ZX05026-007)
Abstract

Quasi-lamellar siliceous chalcedonies and lenticular flints developed at the top of the Xunjiansi Formation of Mesoproterozoic Luonan Group of the Jixian System,in northern Luonan of Shaanxi Province,southern margin of the North China Plate. The siliceous chalcedonies and flints have become jade of gay colors and fine texture,with high-grade quartzite jade level,which are claimed as the national gemstone minerals,budding in the gemstone market,with great economic development potential. At present,no research has been conducted on the characteristics,origins and diversity of jade in this siliceous layer. This paper used petrological and geochemical analyses to study the siliceous layer and grained the following findings. (1)The quasi-lamellar siliceous chalcedonies and lenticular flints were found in the fuchsia and sage green lamellar arenaceous pelitic slate at the bottom of the Xunjiansi Formation,with a thickness of 0.5~4 m;the quasi-lamellar chalcedonies are mostly fuchsia,sage green,smoke gray and colorless;most of the lenticular flints are ring-shaped with agate lines in fuchsia and sage green,and part of lenticular flints are brecciated and in sage green. (2)The main components of the silica chalcedonies are quartz;they have crypto-to microcrystalline or blocky structures,fine and hard texture,glassy luster,translucent-slightly transparent. Based on the geochemical analysis of Al/(Al+Fe+Mn)(0.62 on average),Zr/Hf(34.83 on average),Sr/Ba(0.50 on average,except an abnormal sample),V/Ni(0.37 on average),ΣREE(5.11 on average),δCe(1.02 on average),δEu(0.86 on average),and LaN/CeN(0.85 on average),the results suggest that the depositional environment is freshwater settings,and the silicon is mainly terrigenous origin. (3)The quasi-lamellar siliceous chalcedony layer in the Luoguan Group of the Jixian System is a hardgroud surface of seabeds or a siliceous crust formed by fresh-water leaching and siliceous metasomatism caused by rapid regression. Lenticular flints with agate lines and colorful quasi-lamellar siliceous chalcedonies formed during diagenesis under changes of redox conditions during deposition and post-deposition. Transformation of purple and green coloring trace element was caused by late hydrothermal invasion and baking. Brecciated flints resulted from tectonic brecciation of structural breakup zone formed by the soft and hard difference and crack deformation between the upper and lower strata of the quasi-lamellar siliceous chalcedony layer due to the strong tectonic movements of the Qinling Mountains.

Key words: southern margin of the North China Plate; Jixianian; Luonan Group; siliceous rocks; siliceous chalcedony; silicification; harden bottom structure of seabeds

开放科学(资源服务)标识码(OSID)

近年来, 在华北板块南缘的陕西省洛南县北部石门镇周边发现了1层发育于中元古界蓟县系洛南群巡检司组顶部的似层状硅质玉髓及透镜状燧石, 似层状玉髓多呈紫红色、灰绿色、烟灰色和无色等, 透镜状燧石多呈紫色及灰绿色似玛瑙纹圈层状, 部分灰绿色燧石呈角砾状。这些燧石及硅质玉髓已经玉化, 质细色艳, 瑰丽异常, 达到高品级石英岩质玉石级别, 已申报为国家宝玉石矿种, 并且在宝玉石市场崭露头角, 显示出巨大的经济开发潜力。该套硅质玉髓的命名目前还处于讨论阶段, 宝石界将其称为紫绿玛瑙, 因产于华山南麓, 亦称华阳玉, 陕西省地矿厅已将其以秦紫玉为名申报国家宝玉石矿种, 目前陕西省洛南县为中国该色玉髓的唯一产地(张锋军等, 2017)。该层硅质玉髓为近几年的发现, 还没有人做过系统研究。该层硅质玉髓的硅质来源是陆源、热液、还是生物来源呢?硅质玉髓层是由于海平面快速上升导致化学沉淀形成的凝缩层?还是由于海平面快速下降引起的淡水淋滤硅化作用形成的海底硬底构造或者硅质壳?彩色透镜状与似层状硅质玉髓的成因有何差异?似玛瑙纹透镜状燧石与角砾状燧石成因机理有何不同?彩色与无色硅质玉髓的颜色差别由什么引起?关于这些中元古界蓟县系洛南群硅质玉髓层形成机理及玉化多样性的原因, 前人尚未做过相关研究。同样的硅质玉髓及透镜状燧石, 在华北板块南缘的甘肃华亭县、陕西岐山县北部的中元古界蓟县系也发现层控分布。

硅质岩因对沉积环境等具有判别意义而受到了国内外学者的广泛关注(Boströ m and Peterson, 1969; Boströ m et al., 1973; Adachi et al., 1986; Yamamoto, 1987; Murray et al., 1991, 1992, 1994; 丁林和钟大赉, 1995; Robert and Marc, 2006; 杜远生等, 2006a, 2006b, 2007; 杜远生, 2009; Marin-Carbonne et al., 2011, 2012)。硅质岩一般粒度较细, 结构和构造较为简单, 受后期成岩作用和风化作用影响不大, 因此其地球化学特征能够在一定程度上反映硅质岩成因等信息(Boströ m and Peterson, 1969; Murray et al., 1991, 1992; Maliva et al., 2005)。硅质岩的成因及硅质来源与其岩石化学成分关系非常密切(Adachi et al., 1986; Yamamoto, 1987; Murray, 1994; Beauchamp and Boud., 2002; Maliva et al., 2005; 杜远生等, 2006a, 2006b, 2007; 常华进等, 2008; 杜远生, 2009), 其形成环境可以通过现代大洋中沉积物的化学变化来判断(Boströ m and Peterson, 1969; Boströ m et al., 1973)。

本研究以区域地层学、硅质玉髓层矿相学及X衍射分析、主微量、稀土元素分析测试为手段, 通过剖面地球化学分析, 结合区域岩浆作用、构造演化, 研究了该硅质玉髓层的特征、成因及玉化多样性机理。

1 区域地质概况

研究区地处陕西省洛南县北部, 位于华北板块南缘(图 1), 北邻华山山脉, 南部地区以铁炉子— 黑沟— 栾川断裂为界与北秦岭造山带相邻(张正伟等, 2003; 朱赖民等, 2009)。

图 1 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩的构造位置(据Wang et al., 2013; Dong et al., 2014, 2016, 2017; Nie et al., 2016; 修改)Fig.1 Tectonic location of strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province(after Wang et al., 2013; Dong et al., 2014, 2016, 2017; Nie et al., 2016)

华北地块南缘主要出露有古元古代末— 新元古代的沉积地层(赵太平等, 2002, 2004; Zhao et al., 2009; Deng et al., 2013; Hu et al., 2014; Zhang et al., 2016; Meng et al., 2018)。研究区区域地层归属华北大区之陕豫皖区的熊耳— 太华— 鲁山分区(张克信等, 2017), 结晶基底为太华群中— 高级变质岩, 盖层自下而上分别为熊耳群、白玉沟群、香子坪群、高山河群、龙家园组、巡检司组、杜关组、冯家湾组、陶湾群、寒武系、古近系和新近系。中元古代华北地块南缘处于滨浅海相的沉积环境, 从北到南, 水深逐渐增大(关保德等, 1988; 胡国辉等, 2013)。

中元古界洛南群是华北地块南缘的重要组成部分, 主要分布于陕西洛南及豫西卢灵地区, 以巨厚碳酸盐岩为突出特征(周鼎武等, 2002), 洛南群不整合过渡沉积于高山河群之上。高山河群为一套以砂岩为主的滨浅海相碎屑岩; “ 洛南群” 是由邱树玉和刘洪福(1982)提出的, 时代与蓟县系相当(关保德等, 1988; 翦万筹等, 1993; 胡国辉等, 2013)。洛南群从下而上包括石庄组、龙家园组、巡检司组、杜关组和冯家湾组(邱树玉和刘洪福, 1982; 苏文博, 2016)(图 2)。陕西境内的洛南群、高山河群以及相邻的山西、河南地区的汝阳群和官道口群等同属于中元古代的统一海盆沉积(李钦仲, 1985; 李文厚, 1991; 朱士兴等, 1994; 周鼎武等, 2002)。

图 2 陕西洛南县北部前寒武系地层沉积柱状图(据李文厚, 1986; 李钦仲, 1995; 修改)Fig.2 Stratigraphic and sedimentary column of the Precambrian in northern Luonan County, Shaanxi Province(modified from Li, 1986; Li, 1995)

2 硅质玉髓层矿相学及赋矿层特征
2.1 硅质玉髓矿相学特征

陕西省洛南县中元古界洛南群巡检司组顶部发育的硅质玉髓主要有以下3种类型:

1)似玛瑙纹透镜状燧石: 多呈紫红色及灰绿色似玛瑙纹圈层状(图 3-A至3-D; 图 4-A, 4-B), 磨圆较好, 常见大小1.0 cm× 2.0 cm~10.0 cm× 15.0 cm不等, 最小可见长轴直径小于1 cm, 最大可见30.0 cm× 70.0 cm。外表常发育伊利石化, 呈灰至灰绿色, 厚1~3 mm, 内部色彩艳丽, 呈无色、浅灰白色、翠绿色、绿色、墨绿色、粉红色、玫瑰红色及紫红色等, 颜色具有分带性, 环带较清晰, 常见绿边红心者。似玛瑙纹透镜状燧石往往可以制作出比较漂亮的玉髓饰品(图 3-E, 3-F)。

图 3 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩似玛瑙纹透镜状燧石及其制作的硅质玉髓饰品
A— C: 似玛瑙纹透镜状燧石; D— F: 透镜状燧石制作的硅质玉髓饰品Fig.3 Lenticular flints with colorful quasi-lamellar siliceous agate lines and its siliceous chalcedony ornaments from strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

2)角砾状燧石: 多呈灰绿色(图 4-C), 大多棱角尖锐、形状不规则、无磨圆痕迹, 燧石大小不一, 常见大小为1.0 cm× 2.0 cm~10.0 cm× 15.0 cm不等。

图 4 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓类型及产出状态
A, B— 紫红色、灰绿色似玛瑙纹圈层状燧石(A: 洛南县三神庙; B: 张华沟); C— 灰绿色角砾状燧石(乔家); D— 无色— 烟灰色燧石条带(东安沟); E— 紫红色、灰绿色似层状硅质玉髓(东安沟); F— 洛南群硅质玉髓隐晶、微晶结构及溶蚀孔隙(见红 圈内); G— 洛南群硅质玉髓隐晶、微晶结构, 正交光Fig.4 Types and output states of siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

3)似层状硅质玉髓: 常见无色、烟灰色、灰绿色、紫红色等, 主要产出于似层状硅质玉髓层、燧石条带层以及灰绿色砂泥质板岩层中(图 4-D, 4-E)。

该层硅质玉髓主要成分为石英(90%以上), 隐晶、微晶结构(图 4-F, 4-G), 块状构造, 质地细腻较坚硬, 玻璃光泽, 半透明— 微透明, 断口贝壳状或参差状, 硬度(莫氏)6.6~6.9, 密度2.60~2.75 g/cm3, 杂质极微。岩石受后期各期次构造应力作用, 裂隙发育, 玉髓破碎较强, 完整性较差。此外, 洛南群硅质玉髓的宝玉石学特征与南红玛瑙和黄龙玉十分相近。

2.2 硅质玉髓赋矿层特征

该套硅质玉髓层赋存于中元古界洛南群巡检司组顶部(Pt2x)的紫红色— 灰绿色薄层状砂泥质板岩中(图 2), 为一套层控矿床(图 5-A)。赋矿层自下而上特征描述如下:

图 5 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓赋矿层
A— 硅质玉髓赋矿层(红色线条之间)宏观展布(张华沟); B— 底板层的米黄色白云岩(张华沟); C— 主要赋矿层宏观特征(东安沟); D— 灰绿色砂泥质板岩层中的角砾状燧石(乔家); E— 紫红色与灰绿色砂泥质岩整合接触(张华沟)Fig.5 Ore beds of siliceous chalcedony in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

底板层: 为一套米黄色、土黄色、浅灰白色中薄层状重结晶白云岩(图 5-B), 厚度1.0~8.0 m不等。主要矿物组成为重结晶白云石(含量大于95%), 含少量硅质、方解石等, 质地细腻, 可制成玉石品雕刻件。细晶粒状变晶结构, 中薄层状构造, 层理清晰、产状稳定, 可作为硅质玉髓矿体底板围岩找矿标志。岩石受后期各期次构造应力作用, 裂隙发育, 沿裂隙面多见铁染, 呈铁锈红色。

第1层: 为紫红色砂泥质板岩层(图 5-C), 层厚1.0~4.0 m, 最厚8.0 m, 主要由黏土质矿物组成, 质软, 塑性强。主要为似玛瑙纹透镜状燧石, 本层为主矿(化)层, 含矿率不稳定, 与下伏米黄色重结晶白云岩呈整合接触。

第2层: 为灰绿色砂泥质板岩层(图 5-C), 发育灰绿色角砾状燧石(图 5-D)及似层状硅质玉髓(图 5-E), 似层状硅质玉髓呈灰绿色、紫红色等。本层厚度相对较薄, 厚度0.2~2.0 m, 最厚4.0 m。本层展布不连续, 局部地区缺失本层, 厚度稳定性差、含矿率变化较大。本层为硅质玉髓矿(化)层, 与下伏紫红色砂泥质板岩呈整合接触(图 5-E)。

顶板层: 无色— 烟灰色燧石条带(图 5-D), 厚度0.1~0.5 m, 最厚2.0 m, 主要成分为隐晶质玉髓, 透明至半透明, 主要呈似层状产出, 本层分布较稳定, 局部地区缺失本层, 位于矿化带顶部层位, 层理清晰, 岩石破碎程度较高, 不规则裂隙极其发育, 与下伏砂泥质板岩呈整合接触, 与上覆白云岩呈平行不整合接触, 局部沿不整合面呈断层接触。

3 测试分析
3.1 硅质玉髓X衍射矿物成分分析

本次X衍射测试共计6块硅质玉髓岩石样品, 野外采集较为新鲜的岩石样品。为了研究不同颜色硅质玉髓矿物组成的差异性, 分别采集2块灰白色(LN-1, LN-2)、2块灰绿色(LN-3, LN-4)、2块紫红色(LN-5, LN-6)样品, X衍射测试分析在西安地质矿产研究所实验室完成, X衍射测试结果见表 1。

表 1 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓X衍射矿物含量 Table1 X-diffraction mineral content of siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

6块硅质玉髓岩石样品, 矿物组成99%以上为石英, 4个灰白色、紫红色硅质玉髓样品没有测得其他矿物成分, 说明其他矿物含量已经低于仪器测试下限; 2个灰绿色硅质玉髓样品测得有非常少量的伊利石、绿泥石及斜长石。

3.2 硅质玉髓主量、微量和稀土元素特征

本次研究共采集10块硅质玉髓样品(LN-01— LN-10), 野外采样时尽量避开了风化松散及氧化严重的部分岩石, 采集较为新鲜的岩石样品。所有样品首先在铸铁材料的压机上压碎至20~40目并精选出纯净细小的硅质玉髓颗粒, 再用玛瑙研钵磨至200目以下。全岩地球化学分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成, 主量元素采用XRF(X射线荧光光谱分析)在RIX-2100X荧光光谱仪分析获得, 全岩微量元素测试在ELAN6100DRC等离子体质谱仪(ICP-MS)上测定。测试中用AGV-2、BHVO-2、BCR-2及GSP-1为标样进行监控, 元素的分析误差小于5%~10%。本研究样品均采用澳大利亚后太古代平均页岩(PAAS)进行标准化(McLennan, 1989), 表达式为: Ce/Ce* =2× CeN/(LaN+PrN); Eu/Eu* =EuN/(SmN× GdN)1/2。

3.2.1 主量元素

主量元素测试结果见表 2, 研究区10块硅质玉髓样品具有较高的SiO2值(均值95.37%), 样品Al2O3含量在0.03%~2.53%之间, Fe2O3含量介于0.03%~1.05%之间, MnO和TiO2含量几乎都小于0.01%, 含量极低。

表 2 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓主量元素含量(%) Table2 Major elements content(%)of siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

3.2.2 微量元素

研究区10块硅质玉髓样品微量元素(表 3)Zr/Hf值介于17.20~53.70之间, Th/U值在0.08~5.16之间; Sr/Ba值除LN-04号样品(4.62)大于1外, 其余样品介于0.16~0.93之间; 样品V/Ni值均小于1, 介于0.21~0.63之间。

表 3 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓样品部分微量元素含量(10-6) Table3 Partial trace elements content(10-6)of siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

3.2.3 稀土元素

稀土元素测试结果及稀土元素PAAS标准化分布曲线见表 4和图 6。样品稀土元素标准化配分曲线呈平坦状— 左倾趋势分布, 稀土元素总量(Σ REE)介于0.68~24.90之间, 整体含量偏低; 样品δ Eu呈负异常— 无异常显示(0.78~0.96); 除LN-07号样品(0.49)外, δ Ce主体呈弱负异常— 正异常显示(0.86~1.41)。

表 4 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓样品稀土元素含量(10-6) Table4 Rare earth elements content(10-6)of siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

图 6 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓样品标准化稀土模式曲线(标准化数据据McLennan, 1989)Fig.6 REE pattern of analyzed samples normalized to PAAS of siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province(normalization data is from McLennan, 1989)

3.3 赋矿层剖面界线上下主微量元素变化特征

为了进一步研究洛南群巡检司组与杜关组界线处赋矿层上下地质背景特征, 笔者选择洛南县陶家湾剖面, 对巡检司组与杜关组界线上下从下而上连续采样分析主微量元素纵向的变化, 采样剖面位于陶家湾村南侧100 m处, 具体点位: N34° 14'55.2″, E110° 08'14.5″。共采集10个样品(LN-11— LN-20): 下面4个样品岩性为巡检司组米黄色白云岩, 中间4个样品岩性依次为巡检司组灰绿色板岩、紫红色硅质岩、绿色硅质岩和灰色硅质岩, 上面2个样品岩性为灰色白云岩(图 7)。

图 7 陕西洛南县蓟县系洛南群巡检司组与杜关组 界线上下采样位置及Sr/Ba值变化Fig.7 Variation of Sr/Ba ratio and sampling positions at upper and lower boundary between the Xunjiansi Formation and Duguan Formation of Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

从洛南群巡检司组与杜关组界线处赋矿层上下主量元素含量表(表 5)看出, 紫红色硅质岩、绿色硅质岩具有比灰色硅质岩高的SiO2含量。

表 5 陕西洛南县蓟县系洛南群巡检司组与杜关组界线上下样品主量元素含量(%) Table5 Major elements content(%)of samples above and below section boundary of the Xunjiansi Formation and Duguan Formation of Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

从洛南群巡检司组与杜关组界线处赋矿层上下微量元素Sr/Ba值变化(表 6; 图 7)可以看出, Sr/Ba值在赋矿层及上下发生了比较大的变化, 赋矿层下面4个样品Sr/Ba值远大于1, 赋矿层上面2个样品Sr/Ba值也大于1, 赋矿层内4个样品Sr/Ba值远小于1。

表 6 陕西洛南县蓟县系洛南群巡检司组与杜关组剖面界线上下样品部分微量元素含量(10-6) Table6 Partial trace elements content(10-6) of samples above and below section boundary of Xunjiansi Formation and Duguan Formation of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province
3.4 显微镜下特征

镜下观察洛南群不同颜色硅质玉髓, 其中, 绿色硅质玉髓镜下发现有针状伊利石、片状绿泥石(图 8-A); 紫红色硅质玉髓镜下发现有少量不透明的铁磁性矿物, 推测为赤铁矿或针铁矿(图 8-B), 具体有待继续深化研究。

图 8 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩灰绿色及紫红色硅质玉髓镜下特征
A— 灰绿色硅质玉髓镜下特征; B— 紫红色硅质玉髓镜下反射光特征Fig.8 Microscopic features of greyish-green and fuchsia siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

4 讨论: 层控玉化硅质岩的硅质来源、构造环境及硅质玉髓成因机理
4.1 硅质来源

硅质岩常量元素Al、Fe、Mn的含量对于区分非热液与热液硅质岩具有重要意义, Fe、Mn的富集主要与热液的参与有关, Al的富集则与陆源物质的注入有关(杜远生等, 2006a, 2006b, 2007; 杜远生, 2009)。海相沉积物中Al/(Al+Fe+Mn)值是衡量沉积物中热液沉积物含量的标志, 该比值随着远离洋脊扩张中心距离的增加而增大(Boströ m and Peterson, 1969), 典型陆源物质均值为0.619, 海洋生物成因均值为0.4, 洋隆玄武岩类仅为0.01(杜远生, 2009)。

对现代热水沉积物和古代类似沉积物研究表明, 热水沉积物Al/(Al+Fe+Mn)值一般小于0.35(Boströ m et al., 1973)。本区10个硅质玉髓样品Al/(Al+Fe+Mn)值除LN-04号和LN-07号(0.16和0.18)外, 其余样品均介于0.56~0.85之间(表 2), 该套硅质玉髓总体含有较高的陆源来源, 可能受到了一定程度的热液作用影响。

一般认为受热液作用影响硅质岩的Zr/Hf值在45~82之间, 非热液硅质岩在35~42之间(Taylor and McLennan, 1985)。研究区硅质岩除LN-07号外(Zr/Hf值为53.70), 其余样品Zr/Hf值介于17.20~40.90之间(表 3), 表明样品受陆源物质影响较大。

Al-Fe-Mn三角判别图解可用于判别热液与非热液硅质岩(Adachi et al., 1986; Yamamoto, 1987), 将硅质玉髓样品数据投入Al-Fe-Mn图解(图 9-a), 2个样品落入热液成因区, 其余样品均落入非热液成因区及其附近范围内。在微量元素组合Th-U图解(图 9-b)中, 本区10个样品也有2个样品落入热水沉积区, 说明研究区硅质玉髓主体受陆源物质影响较大, 热液作用也起到了一定的影响, 考虑到燕山期华山花岗岩岩体距离研究区仅10余千米, 燕山期富SiO2的花岗质岩浆侵入也可以部分成为硅质来源。

图 9 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓硅质来源判别图解
A— Al-Fe-Mn三角图(底图据Adachi et al., 1986)。B— 不同类型沉积物Th-U图解(底图据Boströ m et al., 1979): Ⅰ — TAG热水沉积物区, Ⅱ — Galapagos热水沉积物区, Ⅲ — Amphitrite热水沉积物区, Ⅳ — 红海热水沉积物区, Ⅴ — 中太平洋中脊热水沉积区, Ⅵ — Langban热水沉积物区, Ⅶ — 锰结核区, Ⅷ — 普通深海沉积物区, Ⅸ — 铝土矿区, Ⅹ — 古老石化的热水沉积物区Fig.9 Discrimination diagram of origin of silicons in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province

4.2 构造环境

硅质岩的稀土元素对沉积盆地构造背景具有明显指示意义, 稀土元素总量(Σ REE)和物源性质、沉积速率及火山、热液影响有关, 可用于判断沉积物和形成环境, 稀土元素总量取决于沉积时各来源的相对影响程度(杜远生, 2009)。硅质岩中的LaN/CeN值主要与硅质岩的形成环境等因素有关, 大陆边缘的LaN/CeN值为0.5~1.5, 大洋盆地为1.0~2.5, 洋中脊为3.5左右(杜远生等, 2007)。典型开放洋盆中海水的Ce极度亏损(Hara et al., 2010), 但受陆源物质影响, 大陆边缘、局限海盆或洋盆无明显的Ce负异常显示(Shimizu and Masuda, 1977; German et al., 1990; Murray, 1994), 其中大陆边缘硅质岩的δ Ce平均值为0.67~1.35(Murray, 1994)。形成于被动大陆边缘环境中的硅质岩, 受大量陆源物质输入影响呈负Eu异常显示(Girty et al., 1996; He et al., 2010)。研究区硅质玉髓样品Σ REE介于0.68~24.90之间, 总体含量偏低(表 4)。样品LaN/CeN值介于0.34~1.47之间, 与大陆边缘硅质岩特征相似。δ Ce值介于0.86~1.41之间(除LN-07号样品外; 表 4), δ Eu值在0.78~0.96之间变化(表 3), 说明研究区硅质玉髓样品形成于大陆边缘的构造环境。

Murray(1994)提出Al与陆源Si的关系十分密切, 可以作为陆源物质注入的良好标志, Fe在洋中脊附近的沉积物中富集, 可以作为洋盆扩张中心热液注入的标志。利用已知不同沉积环境的硅质岩化学成分比值变化规律, 拟定Fe2O3/(100-SiO2)vs. Al2O3/(100-SiO2)图解(图 10-A)及100× (Fe2O3/SiO2) vs. 100× (Al2O3/SiO2)图解(图 10-B), 圈定了大陆边缘和洋中脊硅质岩投影区(Murray, 1994; 杜远生等, 2007)。研究区硅质玉髓样品数据点整体落入大陆边缘环境及其附近范围内(图10), 这也为该区硅质玉髓形成于大陆边缘的构造背景提供了证据。

图 10 陕西洛南县蓟县系洛南群层控玉化硅质岩硅质玉髓 构造环境判别图解(底图据Murray, 1994)
A— Fe2O3/(100-SiO2) vs. Al2O3/(100-SiO2)图解; B— 100× (Fe2O3/SiO2) vs. 100× (Al2O3/SiO2)图解Fig.10 Discrimination diagram of tectonic setting of siliceous chalcedonies in strata-bound chalcedonization siliceous rocks of the Jixianian Luonan Group in Luonan Country, Shaanxi Province(base maps from Murray, 1994)

4.3 硅质玉髓成因机理

4.3.1 似层状硅质玉髓成因

似层状硅质玉髓层是由于快速海退引起的淡水淋滤硅化作用形成的海底硬底构造或硅质壳。

硅质玉髓层发育于杜关组和巡检司组界线处, 由于杜关组和巡检司组之间为平行不整合关系(图 2)(李钦仲, 1995), 说明二者之间发生了快速海退; 硅质玉髓样品表面发育有溶蚀孔隙(图 4-F), 反映其经历了淡水淋滤溶解作用。

微量元素地球化学分析指示该硅质玉髓层沉积于淡水环境。Sr和Ba的化学性质较为相似, 但它们在不同沉积环境中由于地球化学行为的差异而发生分离, 因此Sr/Ba值可作为古盐度的标志(Rais and Buckley, 1988; 邓宏文和钱凯, 1993; 孙镇城等, 1997; 史忠生等, 2003)。一般情况下Sr/Ba> 1表示咸水, Sr/Ba< 1表示淡水环境(Emilio, 2002; 李进龙和陈东敬, 2003; 刘刚和周东升, 2007)。V/Ni值也可用于判断沉积介质盐度, V和Ni同为铁族元素, 在海水中V和Ni主要被胶体质点或黏土矿物等矿物吸附沉淀, 但V易于在氧化环境及酸度较大的条件下被吸附富集, 而Ni则在还原环境及碱度较大的条件下被吸附富集。因此, V/Ni值总是海相大于淡水相, 咸水环境中V/Ni值大于1, 该比值越大, 盐度越高(杜贵超等, 2017)。研究区样品除LN-04样品(Sr/Ba=4.62)异常外, 其余样品Sr/Ba值介于0.16~0.93之间, 均值为0.50, 远小于1; 此外, 样品V/Ni值在0.21~0.63之间变化, 均值0.37, 也远小于1(表 2), 以上证据均表明研究区硅质玉髓样品沉积于淡水环境。

洛南群巡检司组与杜关组界线处赋矿层下面4个样品Sr/Ba值远大于1, 赋矿层上面2个样品Sr/Ba值也大于1, 赋矿层内4个样品Sr/Ba值远小于1(图7), 反映赋矿层沉积于淡水环境, 硅质玉髓层是由于快速海退引起的淡水淋滤硅化作用形成的海底硬底构造。

洛南群硅质玉髓发育于具有一定量SiO2的淡水沉积环境, 当碳酸盐通过有机或无机化学作用沉淀之后, 海水中SiO2浓度相对增大, 这便有利于SiO2沉淀并交代碳酸盐沉积物, 形成海底硬底构造或硅质壳。前人提出水盆地中的pH值大小以及CaCO3或SiO2溶解量决定了碳酸盐和二氧化硅的溶解与沉淀, 并绘制了CaCO3与SiO2在不同pH值时的溶解量曲线(Friedman, 1962), 可将它们的溶解与沉淀划分为4个区(图 11)。毫无疑问, 当有利于SiO2的沉淀时, CaCO3溶解; 当有利于SiO2溶解时, CaCO3则沉淀; 当pH值在8附近时, 则溶液中过量的CaCO3和SiO2可同时沉淀。需要指出的是, 与白云岩形成机理相似, SiO2几乎从不自行沉淀构成单纯的硅质岩, 而总是去交代碳酸盐沉积物。

图 11 在25 ℃时pH值对CaCO3和SiO2的影响(据Friedman, 1962)Fig.11 The effect of pH on CaCO3 and SiO2 at 25 ℃(after Friedman, 1962)

4.3.2 似玛瑙纹透镜状燧石及彩色似层状硅质玉髓成因

似玛瑙纹透镜状燧石及彩色似层状硅质玉髓是由于沉积期及沉积期后成岩作用氧化还原条件变化致色形成, 后期热液侵入烘烤引起的紫红色与绿色致色微量元素矿物转变也是致色成因之一。

硅质岩的玉化与沉积期及沉积期后成岩作用密切相关。似玛瑙纹透镜状燧石及彩色似层状硅质玉髓多呈紫红色、灰绿色, 似玛瑙纹透镜状燧石颜色具有环带性, 常见为绿边红心环带。洛南群硅质玉髓, 还含有少量的Al、K、Mg、Fe等元素, 着色可能为不同价态的铁元素(Fe2+、Fe3+)所致。一般来说, Fe2+代表还原条件, 可致灰绿色; Fe3+代表氧化条件, 可致紫红色。分析认为, 沉积期及沉积期后成岩作用氧化还原条件变化, 可以作为似玛瑙纹透镜状燧石及彩色似层状硅质玉髓致色原因。考虑到燕山期华山花岗岩岩体距离研究区仅10余千米, 燕山期富SiO2的花岗质岩浆侵入烘烤加温, 后期热液侵入烘烤引起的紫色与绿色致色微量元素矿物转变也是致色成因之一。

镜下绿色硅质玉髓镜下发现有针状伊利石、片状绿泥石(图8-A), 紫红色硅质玉髓镜下发现有少量不透明的铁磁性矿物(图8-B), 说明了致色矿物或者元素的转变, 具体成因有待进一步深入研究。

4.4 硅质玉髓分布规律

该套硅质玉髓纵向上赋存于中元古界蓟县系洛南群巡检司组顶部(Pt2x)的紫红色、灰绿色薄层状砂泥质板岩层中(图 2), 主矿化层厚1~4 m, 为一套层控矿床(图 5-A)。平面上沿白花岭— 水岔— 路家街复式向斜呈环带状分布, 主体分布于向斜的南北两翼。目前玉髓矿区主要在洛南县石坡镇黑山红庙和洛南县石门镇张华沟脑2个区域, 面积合计约5.67 km2, 预测矿区面积约100 km2。

5 结论

1)陕西洛南县蓟县系硅质玉髓主要发育于洛南群巡检司组顶部与杜关组界线附近的紫红色、灰绿色薄层状砂泥质板岩中, 具有层控特征, 主要有紫红色及灰绿色似玛瑙纹圈层状透镜体及似层状硅质玉髓2种产出特征。

2)蓟县系洛南群硅质玉髓层的硅质来源主要为陆源来源, 也有后期热液作用来源的部分加入, 硅质玉髓层是由于快速海退引起的淡水淋滤硅化作用形成的海底硬底构造。

3)似玛瑙纹透镜状燧石及彩色似层状硅质玉髓层是由于沉积期及沉积期后成岩作用氧化还原条件变化致色形成, 后期热液侵入烘烤引起的紫色与绿色致色微量元素矿物转变也是成因之一。

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