硅质岩研究进展与思考

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

Siθz（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n SiIiceousSediments w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、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200°C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10~20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55~85o C o硅质岩化石研究也对地球早期生命的演化有着重要作用，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