地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (5): 453 -469. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.018

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硅质岩的成因与沉积环境及其在重建洋板块地层中的应用
张立杨 1 , 2( )   
  1. 1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871
    2.河北省战略性关键矿产资源重点实验室，河北地质大学，河北 石家庄 050031
  • 收稿日期:2022-11-24 修回日期:2023-04-04 出版日期:2023-05-10
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目“北方东部复合造山成矿系统深部结构与成矿过程”(2017YFC0601302);河北省战略性关键矿产资源重点实验室基金项目(HGU-SCMR2132)

Origin and Depositional Environment of Cherts and Their Application in Reconstructing Ocean Plate Stratigraphy

Liyang ZHANG 1 , 2( )   

  1. 1.School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
    2.Hebei Key Laboratory of Strategic Critical Mineral Resources, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China
  • Received:2022-11-24 Revised:2023-04-04 Online:2023-05-10 Published:2023-05-10
  • About author:ZHANG Liyang (1991-), male, Shijiazhuang City, Hebei Province, Ph.D student. Research areas include sedimentary geochemistry and regional tectonics of the Central Asian Orogenic Belt. E-mail: zhanglyang@hgu.edu.cn
  • Supported by:
    the National Key Research and Development Program of China “Metallogenic systems, deep structure and paragenesis of the Northeastern China compound orogenic belt”(2017YFC0601302);The Opening Foundation of Hebei Key Laboratory of Strategic Critical Mineral Resources(HGU-SCMR2132)
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硅质岩广泛分布于前寒武纪到新生代的造山带和沉积盆地中，对其成因和沉积环境进行研究对于了解区域的古地理、古构造、古海洋和古气候演化等信息具有重要作用。通过归纳总结已有的判别硅质岩成因和沉积环境的地球化学指标，认为硅质岩成因的判别应重点关注自生硅质矿物，并以外来混入物质作为参考，其有效的判别指标包括Al、Ti、Fe、Th、Ge/Si值、Si同位素和稀土元素等；硅质岩沉积环境的判别关键在于区分陆源物质和海底热液物质对硅质沉积的相对贡献比例，以往的沉积环境判别图解虽然有一定的实用性，但误差较大，需要谨慎使用。对于造山带中出露的硅质岩，考虑到其与洋板块地层关系密切，尝试建立了二者之间的关联模型。依据此关联模型，造山带中的硅质岩可分为洋脊—海岭亚型、远洋深海平原亚型Ⅰ、远洋深海平原亚型Ⅱ、洋岛—海山亚型、洋内弧亚型以及弧前海沟亚型。硅质岩—洋板块地层关联模型不仅为利用硅质岩恢复造山带增生杂岩原始序列提供了依据，同时将硅质岩作为区分大洋主洋盆和弧后、弧间洋盆的重要证据。以大洋钻探在太平洋获得的部分始新世硅质沉积为例，认为大洋主洋盆以发育几乎不受陆源和热液物质影响的深海平原硅质岩为特征，这类硅质岩具有Fe/Ti值接近20、Eu/Eu*值接近1.1以及负的Ce/Ce*值等地球化学特征。上述认识将为后续造山带中的硅质岩研究提供新的思路和参考依据。

关键词: 硅质岩, 沉积环境, 地球化学指标, 洋板块地层

Cherts are widely distributed in Precambrian to Cenozoic orogenic belts and sedimentary basins.The origin and depositional environment of cherts are of great importance in understanding the regional paleogeographic, paleotectonic, paleo-ocean, and paleoclimate evolutions. After summarizing the existing geochemical methods for identifying the origin and depositional environment of cherts, it is concluded that the identification of the origin of cherts should focus on authigenic siliceous minerals and use exotic interfusion materials as references. Effective proxies include Al, Ti, Fe, Th, Ge/Si, Si isotopes, Rare Earth Elements (REE), etc. The essence of the discrimination of the depositional environment of cherts is to distinguish the relative contribution of terrigenous and hydrothermal materials; although previous discrimination diagrams provide practicability, they still involve errors and need to be used carefully. As an important type, cherts outcropped in orogenic belts are closely related to the Ocean Plate Stratigraphy (OPS). Here, a correlation scheme between them has been established. According to this correlation scheme, cherts outcropped in orogenic belts can be divided into the ridge subtype, pelagic abyssal plain subtype Ⅰ, pelagic abyssal plain subtype Ⅱ, ocean island-seamount subtype, intra-oceanic arc subtype, and forearc trench subtype. The cherts-OPS correlation scheme not only provides a basis for reconstructing the original sequence of the accretionary complex in an orogenic belt using cherts, but also considers cherts as important evidence for distinguishing the main oceanic basins from the back-arc and inter-arc oceanic basins. Taking the Eocene cherty ooze obtained by oceanic drilling in the Pacific as an example, it is suggested that the main oceanic basin is characterized by deep-sea plain cherty rocks that are almost unaffected by terrigenous and hydrothermal materials. These cherty rocks have geochemical characteristics such as Fe/Ti values close to 20, Eu/Eu* values close to 1.1 and negative Ce/Ce* values. These results provide new perspectives and references for subsequent research on cherts in orogenic belts.

Key words: Cherts, Depositional environment, Geochemical proxies, Ocean Plate Stratigraphy (OPS).

中图分类号: 

图1 硅质岩成因的主要判别图解
（a）Al-Fe-Mn三角图，引自参考文献［ 29 ］；（b）Eu/Eu*-Y/Ho图，据参考文献［ 10 ］修改；（c）样品的PAAS标准化稀土配分模式图，样品数据来源如图所示；（d）ω（Al 2O 3）-δ 30Si图解，引自参考文献［ 22 ］
Fig. 1 Cross plots of the main discrimination diagrams for the origin of chert
（a） Al-Fe-Mn ternary diagram， cited from reference ［ 29 ］； （b） Eu/Eu* vs. Y/Ho cross plot， modified after reference ［ 10 ］； （c） PASS-normalized REE patterns， sample data sources as shown in the figure； （d） Plot of （Al 2O 3） content vs. δ 30Si， cited from reference ［ 22 ］
图2 硅质岩沉积环境的主要判别图解
（a） Fe 2O 3/TiO 2-Al 2O 3/（Al 2O 3+Fe 2O 3）图解，据参考文献［ 8 ］修改；（b） A1 2O 3/（Al 2O 3+Fe 2O 3）-（La/Ce） N图解，据参考文献［ 8 ］修改；（c） Al 2O 3/（100-SiO 2）-Fe 2O 3/（100-SiO 2）图解，据参考文献［ 7 ］修改；（d） 100×（Fe 2O 3/SiO 2）-100×（Al 2O 3/SiO 2）图解，据参考文献［ 7 ］修改
Fig. 2 Cross plots of the main discrimination diagrams for the depositional environment of chert
（a） Plot of Fe 2O 3/TiO 2-Al 2O 3 vs.（Al 2O 3+Fe 2O 3）， modified after reference ［ 8 ］； （b） Plot of A1 2O 3/（Al 2O 3+Fe 2O 3） vs. （La/Ce） N， modified after reference ［ 8 ］； （c） Plot of Al 2O 3/（100-SiO 2） vs. Fe 2O 3/（100-SiO 2）， modified from reference ［ 7 ］； （d） Plot of 100×（Fe 2O 3/SiO 2） vs. 100×（Al 2O 3/SiO 2）， modified after reference ［ 7 ］
图3 洋板块地层形成的构造环境、主要类型与序列重建模型（据参考文献［ 14 ］修改）
Fig. 3 Tectonic setting， main types and sequence reconstruction model of the Ocean Plate Stratigraphy （OPS） （modified after reference ［ 14 ］）
图4 东太平洋部分大洋钻探的站位位置图
黄色圆圈为本文选取的站位点（65站位位于177°E而未在图中展示），红线表示古赤道和古纬度线，黄线表示磁异常等时线
Fig. 4 Location map of drill sites in the Eastern Pacific Ocean
The yellow circles represent the station position in this study （station 65 is located at 177° E and is not shown in this figure）， red lines are the palaeoequator and paleolatitude， and yellow lines are magnetic anomaly isochrons
表1 大洋钻探部分站位硅质沉积地球化学组成
Table 1 Geochemical composition of the silicious deposits from Ocean Drilling Program
站位 时代 （Fe+Mn）/Al Al/（Al+Fe+Mn） Fe/Ti （Fe+Mn）/Ti Y/Ho Ce/Ce* Eu/Eu*
1216 早古新世 3.09 0.27 57.08 70.12 25.19 0.54 1.19
1217 中古新世 2.04 0.33 42.35 50.22 28.33 0.38 1.14
早古新世 2.14 0.32 41.80 49.09 27.88 0.27 1.13
1221 晚古新世 0.99 0.50 21.08 24.20 28.25 0.23 1.10
中古新世 1.31 0.44 28.32 32.92 28.40 0.23 1.10
163 晚古新世 0.91 0.52 19.69 23.26 30.53 0.27 1.05
中古新世 1.28 0.44 26.30 32.01 27.74 0.23 1.05
65 晚古新世 0.81 0.55 14.56 16.24 29.80 0.34 1.10
中古新世 0.86 0.55 17.85 19.57 30.36 0.32 1.09
18°S太平洋洋隆 74.20 0.01 162.10 163.00 41.25 0.91 3.76
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