硅质岩研究进展与思考.docx

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1、硅质岩是由化学、生物和生物化学作用及某些火山、热水作用所形成的含Siz（质量分数270%）的沉积岩。硅质岩分布广泛,其形成沉积环境需要特定的地球化学条件，经常位列非常关键的层位上，能为构造活动和沉积盆地的演化提供重要信息，在生物和化学沉积岩类中的占比位列碳酸盐岩之后，也是造山带中广泛分布的岩石类型。硅质岩按成因可分为生物硅质岩、化学（交代或沉积）硅质岩和凝灰硅质岩；按矿物成分可分为蛋白质硅质岩、玉髓质硅质岩和石英硅质岩；根据岩性特征、产出状态、赋存形式，可划分为层状、非层状硅质岩两种类型，其中层状硅质岩多与砂岩、页岩或碳酸盐岩交互产出，非层状硅质岩多赋存于碳酸盐岩中（含燧石条带和结核），也可产

2、出于层状硅质岩及膏岩中。不同类型的硅质岩其硅质来源、成因及沉积环境会有很大差异,针对具体岩石可根据研究需要进行综合命名,如蛋白石硅藻岩、层状藻迹圭质岩、含放射虫石英硅质岩等。除了对硅质岩的沉积组合、地层层序、结构构造岩相古地理及大地构造背景等进行研究外，还有学者通过硅质岩的主量元素、微量元素、稀土元素及硅氧同位素等建立了一系列定量化的成因模式和沉积环境判定指标。硅质岩具有特殊的物理性质结构致密、相对坚硬、不易风化，使其自成岩后较少受后期内外地质作用的改造，很好地保留了当时的古地理、古气候、沉积相带、古环境等地质信息。硅质岩是众多矿源含矿岩系的赋存层位，还与矿床形成条件、地球早期生物演化、碳酸盐

3、岩油气成藏关系密切，因此研究硅质岩具有非常重要的理论意义和实用价值，一直是沉积学界研究的热点课题之一。本文全面梳理了硅质岩研究历史及现状,介绍了硅质岩在岩石学特征、沉积与成岩作用、地球化学特征等方面的研究进展，并思考了当前研究存在的不足及未来的研究方向。1硅质岩研究历史及现状硅质岩的概念于1893年由Wadsworth首次提出，硅质岩研究历史随着地质学新方法、新技术的更迭不断向前发展。20世纪50年代以前，由于研究方法比较简单，仪器落后,研究内容也仅局限于通过野外地质观察和室内偏光显微镜对硅质岩进行识别,对硅质岩的认识较浅，研究水平不高、成果不多，鲜有专著和文章出版，几乎没有世界性、区域性的学

4、术交流活动,导致硅质岩在当时的关注度不高。20世纪50年代至70年代末期，地质学家对硅质岩的重视程度逐渐提升,最明显的标志是世界范围的学术会议和讨论会陆续召开,硅质岩研究文章和专著也越来越多,当时主要的世界级会议是在美国洛杉矶举办（1959年3月）的nSiIiceousSedimentsw学术研讨会和在荷兰马斯特里赫举办的第二届（1957年）、第三届（1969年）国际硅质岩专题学术研讨会，研讨会结束后均出版了论文集；在该时期相继提出了多种硅质岩形成模型，如硫化氢氧化模型、层状硅岩的生物硅质软泥结晶模型、结晶-交代模型、混合带模型和燧石结核的有机质氧化模型等；该时期硅质岩岩相学观察（包括矿物成分

5、、矿物含量、岩石结构构造等）、古生物学描述、地球化学分析以及成岩后生变化认识等方面的研究前进了一大步。20世纪70年代中期，在海底发现了海底热泉，这为认识硅质来源提供了新的思路。海水在常温下含硅量很低，未达到颜口状态，仅依靠硅质生物形成厚层状硅质岩是很困难的。硅的溶解度随水温的升高而迅速增大，在200C海水中含硅量为50OC的10倍以上；富硅的热水遇到冷水后，含硅量或将超出常温水溶解度的1020倍，此时硅因呈过饱和状态而沉淀下来,因此可以看到在海底热泉附近的硅质生物非常丰富。20世纪70年代末期至80年代末期，一些新的方法和技术逐渐被应用于硅质岩研究中，如顺磁共振分析、同位素分析、透射电镜分析

6、等，研究方向不再局限于对硅质岩的古生物观察、岩相学描述和地球化学特征分析,而转为根据不同时代的硅质岩分布和特征开展全球硅质岩对比,如国际地球科学计划(IGCP)115项、187项,此外1981年还在日本召开了第二届太平洋地区硅质沉积物国际学术研讨会。随着世界性的学术研讨会逐渐增多，硅质岩成因和沉积环境的相关研究成果不断涌现，前人对硅质岩沉积来源于深水沉积的认识基本被否定，该时期被广泛接受的学说有生物、交代、碱性湖泊、浅海相沉积成因模式；有学者提出了热水沉积成因理论,这种全新的成因沉积模式在理论上对传统观念产生了巨大冲击，从此热水沉积成因模式成为了硅质岩重要成因模式之一，使纯硅质岩、无硅质生物硅

7、质岩、厚硅质岩层得到了较好的解释。另外，美国-加拿大海山科考队在东太平洋等地区发现了大量SiO2,其存在于海底”黑烟囱和“白烟囱之中，在JUandeFuca洋中脊发现了热水成因的胶状硅质岩类，此次发现为热水沉积模式是深海硅质岩的主要成因类型的学说提供了有力证据。从20世纪90年代起，硅质岩研究内容和研究方法更加丰富，更加注重岩相学描述、古生物学观察、地球化学特征分析等方面的交叉融合。MURRAY等建立了一系列硅质岩主量、微量、稀土等元素的判别指标，较好地解决了硅质岩的硅质来源、成因模式、硅质岩沉积环境等问题，使得不同地域和时代的硅质岩地质对比成为可能。杨海生等通过对硅质岩的主量、微量元素特征的

8、研究，解释了硅质岩的热水成因，但这些判别标志无法在一个时空序列上动态反映硅质岩当时形成的地斯口物理化学环境。另外，这种不同类型的硅质岩判别指标，多数建立在未受后期改造作用影响或现代沉积物硅质岩基础之上,而那些地层时代较老、明显受后期变质改造作用的硅质岩，由于其成岩物质普遍发生了溶解和再沉淀,硅质岩的原始化学成分已发生了变化,因此在应用这些判别指标进行硅质岩成因模式判别时须考虑各种地球化学标志的实用性。随着微区测试技术的快速发展，运用该技术开展加拿大、非洲等地的硅质岩研究成为了当时的前沿课题，这些研究成果被认为是解开“生命起源的关键。现代大洋底部的含矿硅质岩、深海沉积、造山带硅质岩等都是当时重点

9、关注的研究对象。21世纪以来，除了硅质岩地球化学特征以及构造环境的指示意义、硅质来源及沉积环境、流体包裹体分析、微区和组构研究、阴极发光测试、氧同位素温度计等研究外,对造山带问题的研究也成为了热点课题。KATO等为西澳大利亚的皮尔巴拉地块马布尔巴蛇绿岩套提供了硅质岩构造信息,同时给出了在太古代存在板块构造的结论。另外，硅质岩对还原当时古环境也有指示意义,PINT1等对太古代中瓦拉沃纳群中硅质岩捕虏体进行了同位素测试,发现太古代的大气中有存在氨气的可能；KNAUTH对太古宙的浅海相硅质岩进行了氧同位素测试,通过反演得出太古宙的洋面温度为5585oCo硅质岩化石研究也对地球早期生命的演化有着重要作

10、用，BRASIER等在西澳大利亚太古代中拉沃纳群34.65Ga古老硅质岩中发现了细菌、蓝藻等微化石，这为地球早期生命演化阶段的古形态提供了证据。JONES等通过现代热泉微古生物探讨了地球生命的演化进程。深海钻探计划和大洋钻探计划的成果表明，新生代硅质岩广泛分布，始新世硅质岩沉积区间的“额外硅源是硅质岩沉积过程的主要来源，”额外硅源在硅源补给充足、气候温暖、生物生产率低的环境中形成。MOc)RE研究指出，始新世硅质岩形成的主要贡献是洋壳热流的循环,而与洋壳相邻的地层硅质贫乏，并一直伴随着硅质生物的溶解，硅质岩出现的地层层位与海底有一定距离。近年来,在现代大洋硅质岩分布、同位素温度计、硅质岩形成过

11、程、古气候指示意义、硅质岩磁化等方面均取得了一定成果。近几十年来，我国硅质岩研究也取得了一些突破。20世纪80年代中期以前，国内少有学者对硅质岩进行专题研究，研究内容与研究区域也很局限，研究方法相对落后。20世纪80年代中期以后，在涂光炽等老一辈科学家的带领下,国内掀起了层控矿床地球化学研究的热潮,一批学者开始致力于古海洋热水沉积硅质岩的研究，周永章是国内早期研究硅质岩的少数学者之一，其全面阐述了广西丹池盆地上泥盆统榴江组硅质岩建造的热水沉积成因属性及其岩石学、地球化学特征。另外，很多学者在华南、秦岭等地区陆续发现了众多特殊类型的硅质岩建造，并提出了相应的热水成因沉积模式，这些研究成果大大提升

12、了中国硅质岩整体研究水平。近年来，越来越多的学者开始关注硅质岩研究，研究方法与研究思路不断创新，古生物学、岩相学、矿床学、数学地质及地球化学等被引入硅质岩研究中。硅质岩微区和组构研究是一种新的思路，通过扫描电镜、显微镜观察以及利用X射线衍射仪和能谱分析技术对硅质岩进行微组构鉴定，发现了海绵骨针和放射虫化石，证明了微生物作用在硅质岩成岩过程中的重要性。董存杰等通过对硅质岩的矿物流体包裹体进行观测,发现硅质岩中的原生包裹具有岩浆热液流体包裹体的特点，从而判断其为热液成因；崔春龙等研究了硅质岩的高能阴极发光情况，发现自生或重结晶硅质岩发光明显，其发光强弱及特征与其中的Fe.N1C。和Cr、MnxRE

13、E质量分数有直接关系，但是因为硅质岩自身发光能力弱,致使其阴极发光特点未能得到进一步解释；曹秋香等对浙江江山二叠纪硅质岩进行了阴极发光特征研究，发现该硅质岩属于交代成因，其原岩可能是生物碎屑灰岩。总的来看，采用多学科交叉开展硅质岩研究已成为新的趋势,跳出了传统岩相学的框架，通过对保存在硅质岩内多元信息的提取，拓展了研究领域。我国硅质岩研究目前主要包括2个方面：结合造山带、古生物学、沉积学、地球化学等探讨硅质岩的沉积环境、成因沉积模式在构造中的指示意义。因硅质岩能够较好地反映地质演化过程，同时响应整个构造带的演化，在我国的滇西三江地区、秦岭、雅鲁藏布江缝合带、钦杭结合带（位于华夏陆块和扬子克拉通

14、之间并经历了复杂的开合演化过程），通过硅质建造来探寻古、中特提斯洋的形成环境、演化历程；结合矿床研究探讨硅质岩含矿建造的成因模式ZHOU等对粤西河台金矿田矿源岩中震旦系顶部硅质岩古水剖面进行了岩石学分析,认为其地球化学特征显示的古水层状硅质岩建造系热水沉积产物。此外，大陆边缘盆地硅质岩的古构造、古地理、古气候也得到了深入研究，以华南巢湖地区孤峰组硅质岩为例，其岩石学、古生物学和地球化学特征对硅质岩成因进行了较好的限定丁在此基础上,YAO等利用天文旋回地层学理论建立了孤峰组硅质岩-泥岩厘米级韵律层的古气候驱动模型，发现硅质岩-泥岩韵律层中赋存斜率旋回和岁差旋回，建立了长达4.7Ma的中二叠统硅质

15、岩天文年代标尺。2硅质岩岩石学特征硅质岩颜色多样，随杂质而异，常呈灰色、黑色、灰黑色，也有灰绿色、灰白色等，岩性硬而脆，物理化学性质稳定，不易风化，具有非晶质结构、隐-微晶质结构、生物结构、新粒结构、交代结构、碎屑结构等，条带状、团块状、结核状、层状、透镜状构造。其矿物组成相对简单，多以非晶质的蛋白石、隐晶-微晶质的玉髓、细粒CX-石英为主，蛋白石极其不稳定，在中-新生代硅质岩中易脱水、重结晶形成隐晶石英。玉髓为纤维状的SiOz矿物，脱水重结晶后转化为微晶石英。硅质岩中的石英均为自生石英，绝大部分由玉髓、蛋白石重结晶而成。硅质岩绝大部分由硅质矿物组成,在与其他岩石呈互层的硅质岩中，其他矿物含量

16、会稍高一些，如：与碳酸盐互层的硅质岩中，含有一定量的碳酸盐；硅质岩铁建造中的硅质岩常含磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿等；与页岩互层的硅质岩中含有一些黏土矿物和其他杂物。刘新宇等将扬子地区二叠系栖霞组结核状硅质岩的矿物分为两类：硅质和非硅质矿物；硅质矿物又分为等粒状石英（微石英和粗晶石英）、纤维状石英（负延性玉髓和正延性玉髓）,而非硅质矿物包括白云石和方解石,其他组分包括不同程度硅化的生物碎屑等。硅质岩中方解石、自生石英中的流体包裹体隐藏着重要的地质信息。侯满堂等分别测出了石英包裹体的气相和液相化学成分、均一温度，对方解石包裹体激光拉曼光谱特征进行了成分分析，结果表明，硅质岩中包裹体信息可恢复当时沉积阶段的古海洋环境。阴极发光是进行硅质岩晶格缺陷、矿物成分、结晶度等研究的有效方法，根据硅质岩阴极发光特征、发光机理条件、发光规律等可探索硅质岩的地层归属、原生与次生、沉积环境、成因模式等关键科学问题。硅质岩矿物组成相对不复杂，激光拉曼光谱、流体包裹体、扫描电镜、阴极发光等新技术的综合应用有利于对硅质岩中重