毛堂群變質(zhì)火山巖形成環(huán)境探討

劉征華, 張傳恒

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì),河南鄭州 450003;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京 100083)

毛堂群變質(zhì)火山巖形成環(huán)境探討

劉征華1, 張傳恒2

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì),河南鄭州 450003;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京 100083)

揚(yáng)子陸塊北緣毛堂群記錄了 Rodinia裂解事件的重要地質(zhì)信息。從四個(gè)方面分析論證了毛堂群火山巖形成于新元古代中晚期大陸板內(nèi)裂谷環(huán)境:(1)火山巖的地球化學(xué)特征,主要通過(guò)稀土及多元素配分模式體現(xiàn);(2)火山巖的成巖年齡;(3)火山碎屑巖的特點(diǎn);(4)基性火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解。毛堂群裂谷火山活動(dòng)是一次全球性的由地幔柱活動(dòng)引發(fā)的裂谷火山事件群的組成部分,是南秦嶺前寒武紀(jì)大陸裂解的先兆。

揚(yáng)子陸塊;毛堂群;Rodinia超大陸;裂谷環(huán)境

20世紀(jì) 90年代以來(lái),國(guó)外掀起了重建和研究Rodinia超大陸的熱潮,近年來(lái),這股熱潮已波及中國(guó),并已經(jīng)成為我國(guó)前寒武紀(jì)地質(zhì)研究的新起點(diǎn)。

綜合前人的研究成果,基本可以確定揚(yáng)子陸塊是 Rodinia超大陸的組成部分 (Torsvik et al,1996;Li et al.,2003)。Rodinia超大陸形成后,華南地塊沿其北緣很快裂開形成裂谷,沉積了新元古代早期火山-碎屑沉積。大約在 825～700 Ma之間,Rodinia超大陸全面裂解,位于揚(yáng)子陸塊北緣的毛堂群所發(fā)生的構(gòu)造巖漿活動(dòng)可能就是這次 Rodinia超大陸裂解過(guò)程的地表響應(yīng)。

對(duì)揚(yáng)子陸塊北緣毛堂群的研究由來(lái)以久,前人做了大量的工作,涉及了許多方面,問(wèn)題多,分歧也不少。其中毛堂群形成環(huán)境存在著一定的爭(zhēng)議。

關(guān)于毛堂群的形成環(huán)境,郝杰等 (1996)認(rèn)為其形成于島弧環(huán)境;劉鴻允等 (1999)論述了毛堂群基性熔巖一種可能是由上地幔部分熔融產(chǎn)生,與現(xiàn)代MORB比較其部分熔融程度應(yīng)小于 20%;另一種可能是由MORB在俯沖帶消亡時(shí)再次重熔受陸殼物質(zhì)混染的二次衍生巖石;張宗清等(2002)論述了毛堂群變質(zhì)酸性火山巖可能是老地殼物質(zhì)再熔產(chǎn)物,其母巖類似于陡嶺群大溝組斜長(zhǎng)片麻巖;變質(zhì)基性火山巖原巖可能是直接來(lái)自MORB虧損地幔源區(qū)部分熔融巖漿形成;李懷坤等 (2003)認(rèn)為其形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境。根據(jù)毛堂群復(fù)雜地質(zhì)背景和前人對(duì)其的認(rèn)識(shí),本次研究在加強(qiáng)野外地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上,采用野外地質(zhì)研究與實(shí)驗(yàn)室研究密切結(jié)合,采集有代表性的樣品,通過(guò)地質(zhì)、年代學(xué)和地球化學(xué)資料綜合分析研究,對(duì)其形成環(huán)境進(jìn)行了再探討。

1 地質(zhì)概況

秦嶺橫亙我國(guó)中部,是亞洲東部?jī)蓚€(gè)最大構(gòu)造單元——華北陸塊和揚(yáng)子陸塊的構(gòu)造拼合帶。以陜西商 (南)-丹 (鳳)斷裂帶為界,秦嶺造山帶被劃分為南、北兩部分:北部稱為北秦嶺造山帶;南部稱為南秦嶺造山帶 (張國(guó)偉等,2001)。

研究區(qū)在自然地理上屬于秦嶺山系之東南隅及大巴山東段的余脈,研究對(duì)象毛堂群是揚(yáng)子古陸出露最北的前寒武紀(jì)地層,隸屬于中國(guó)中部陸間大區(qū)中昆侖秦嶺區(qū)的南秦嶺分區(qū)和武當(dāng)淮陽(yáng)分區(qū)的范疇 (王鴻禎,1978)。毛堂群位于揚(yáng)子陸塊的北緣,區(qū)域上南部有西起四川省城口,經(jīng)湖北房縣青峰鎮(zhèn),向東過(guò)南陽(yáng)盆地與襄廣斷裂相連的青峰斷裂;北側(cè)有西峽-內(nèi)鄉(xiāng)斷裂,其為商南-丹鳳斷裂的東延部分,由一系列大致平行的斷裂束組成 (圖1)。

區(qū)域內(nèi)出露的前寒武紀(jì)地層,主要有陡嶺群、武當(dāng)群、耀嶺河群、隕西群、毛堂群和震旦系。

毛堂群是一套變質(zhì)火山-碎屑沉積巖系,呈帶狀出露于河南省西部淅川、西峽、內(nèi)鄉(xiāng)三縣交界地區(qū),分布于荊紫關(guān)-師崗復(fù)背斜的北翼。呈北西西—南東東向展布,東西長(zhǎng)約 80 km,南北寬約 0.5～0.6 km。向西延入陜西境內(nèi),向東在內(nèi)鄉(xiāng)封營(yíng)一帶插入南陽(yáng)盆地之下。北部與陡嶺群接觸,南部與震旦系陡山沱組和燈影組以及古生界地層接觸。

圖 1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch m ap of the Research Area

毛堂群劃分為兩個(gè)巖組,下部巖組:姚營(yíng)寨組為一套淺變質(zhì)巖系,主要由變質(zhì)酸性火山巖 (包括熔巖及其火山碎屑巖)和陸源碎屑沉積巖組成,巖性變化可劃分為三段:下段為礫巖、含礫長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石砂巖、粉砂巖、絹云片巖,以及酸性熔巖、酸性凝灰?guī)r,夾有集塊巖、熔結(jié)角礫巖;中段下部為基性熔巖、基性凝灰?guī)r,上部為中性熔巖、酸性熔巖、酸性凝灰?guī)r;上段為酸性凝灰?guī)r、酸性熔巖,夾基性熔巖,以及變質(zhì)砂礫巖、長(zhǎng)石石英粗砂巖、長(zhǎng)石細(xì)砂巖、粉砂巖互層等。

上部巖組:馬頭山組為一套淺變質(zhì)的基性火山巖-火山碎屑巖系,主要由變質(zhì)基性火山巖 (包括熔巖及其火山碎屑巖)和少量的陸源碎屑沉積巖組成。巖性變化也可分為三段:下段為含礫枕狀基性熔巖、枕狀基性熔巖,并夾有中性熔巖;中段為基性熔巖、杏仁狀基性熔巖,夾絹云片巖、薄層基性凝灰?guī)r;上段為塊狀基性熔巖,夾赤鐵絹云片巖、絹云片巖。

毛堂群與下伏地層陡嶺群為角度不整合接觸,與上伏地層陡山沱組為整合接觸,但因后期沿界面發(fā)生地層滑脫推覆,二者呈斷層接觸,毛堂群地層內(nèi)部馬頭山組與姚營(yíng)寨組為整合接觸。

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,主要受北西西—南東東幾條近平行的斷裂控制,地層中變形構(gòu)造發(fā)育,表現(xiàn)為發(fā)育強(qiáng)烈密集片理化帶,平均產(chǎn)狀為 20～35°∠35～60°,不對(duì)稱褶皺、無(wú)根褶皺,S-C組構(gòu)及撓曲等,一致指示主導(dǎo)自 NNW向 SSE到 NNE向 SS W的推覆運(yùn)動(dòng)。與區(qū)域上南秦嶺北部逆沖推覆構(gòu)造帶中出現(xiàn)的各種變形構(gòu)造所體現(xiàn)的推覆運(yùn)動(dòng)方向一致 (張國(guó)偉等,2001)。

2 形成環(huán)境探討

2.1 樣品和分析方法

本次研究,元素地球化學(xué)分析采用了兩種方法,主量元素用壓片法 X-射線熒光光譜 (XRF),微量元素用等離子體質(zhì)譜法 (ICP-MS)。主量元素和微量元素分別在中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)地學(xué)實(shí)驗(yàn)中心和河北省地勘局廊坊實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測(cè)定。主量元素的分析精度優(yōu)于 1%,微量元素的分析精度為5%～15%,共選取了 18個(gè)火山巖研究樣品,其中 16個(gè)樣品為本次研究中采取的 (圖 1),另外有 2個(gè)樣品 Q92436和 Q92442是引用張宗清等人(2002)的。樣品中,有 13個(gè)為基性熔巖 (SiO2≤56%)樣品,5個(gè)為酸性熔巖 (SiO2≥68%)樣品,本次采取的 16個(gè)樣品的主量、微量元素分析結(jié)果均為本文首次發(fā)表。本文研究的主量元素和微量元素?cái)?shù)據(jù)列于表 1。

表 1 毛堂群火山巖主量元素 (%)和微量元素 (10-6)數(shù)據(jù)Tab.1 Major(%)and trace(10-6)element data for the MaoTong Group volcanic rocks

續(xù)表

2.2 典型火山巖序列的地球化學(xué)特征

本次研究中共采取了 16件樣品,另加張宗清等人 (2002)采取的兩件樣品,共有樣品 18件?；詭r有 13件樣品,w(SiO2)主要在 44.09%～52.40%之間,中酸性巖有 5件,w(SiO2)主要在68.54%～76.12%之間。整體上毛堂群變質(zhì)火山巖系表現(xiàn)出主要有玄武質(zhì)巖石和流紋質(zhì)巖石組成,顯示明顯的雙峰式特征。

毛堂群變質(zhì)火山巖稀土主要具有 2種不同的配分樣式,變質(zhì)基性火山巖的稀土配分樣式,顯示出相對(duì)平坦的稀土配分樣式,具有輕稀土相對(duì)重稀土中等富集的特點(diǎn)。w(La)n/w(Yb)n=2.87～4.37,平均 3.54。w(Eu)n/w(Eu＊)n=0.84～0.99,具有很弱的負(fù) Eu異常。變質(zhì)酸性火山巖顯示明顯 LREE富集 (w(La)n/w(Yb)n=7.79～40.56,平均 16.81)、Eu負(fù)異常 (w(Eu)n/w(Eu＊)n=0.25～0.68)(圖 2)。

同樣,毛堂群變質(zhì)火山巖樣品的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素模式具有一定的特點(diǎn) (圖 3,4,5,6)。毛堂群變質(zhì)酸性火山巖具有明顯的 Nb,Ta,Ti的負(fù)異常,總體上與上部陸殼的配分模式類似 (圖 3)。

毛堂群變質(zhì)基性火山巖 Q92436,Q92442及Y0883-6的配分模式總體上與下部陸殼類似 (圖4)。變質(zhì)基性火山巖 Y0225-1,Y0226-1,Y0227-1,Y0866-1,Y0866-2,Y0883-1,Y0883-7,Y0883-9,Y0883-11及 Y0883-15的配分模式整體上具有隆起狀特點(diǎn) (圖 5,6),與圖中陰影區(qū)代表的地幔柱源的大陸溢流玄武巖的微量元素標(biāo)準(zhǔn)化分配型式極為相似。

圖 2 毛堂群變質(zhì)火山巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線Fig.2 Chrondrite normalized REE patterns of the MaoTong Group Metamorphic vo lcanics A.變質(zhì)酸性火山巖稀土分布模式;B.變質(zhì)基性火山巖稀土分布模式;C.變質(zhì)基性火山巖稀土分布模式

2.3 構(gòu)造環(huán)境分析

(1)毛堂群變質(zhì)基性火山巖的稀土元素配分曲線 (圖 2 B,C)和多元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化分配型式(圖 4,5,6)顯示出,具有平坦的 REE分配型式或LREE富集的分配型式,并以缺乏 Nb,Ta和 Ti的負(fù)異常為特征,與國(guó)際巖石學(xué)界 (Ernst et al,2005;Pearce,1982;Hugh,2000;Campbell,1998)對(duì)大陸玄武質(zhì)巖石成因研究所得出的結(jié)果相一致。

(2)毛堂群變質(zhì)基性火山巖的多元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化分配型式 (圖 5,6)顯示出與地幔柱源的大陸溢流玄武巖相似的特點(diǎn)。

軟流圈或地幔柱源的大陸玄武巖在受到地殼混染之后,會(huì)出現(xiàn) T iO2含量降低和高 La/Nb,高Th/Nb,低 Ti/Yb的特點(diǎn) (Saunders et al.,1992;Kieffer et al,2004;Thompson et al.,1984);而島弧玄武巖同樣也具有低 TiO2含量和高 La/Nb(Pearce,1982;Keppler,1996;You et al.,1996)的特點(diǎn)。這樣,會(huì)將受到地殼混染的大陸玄武巖誤判成島弧玄武巖 (Ernst et al.,2005)。

非常高的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化 Th/Nb比值 (?1)(Saunders et al.,1992)和低 Nb/La比值 (<1)(Kieffer et al.,2004)是地殼混染作用的兩個(gè)可靠的微量元素指標(biāo)。毛堂群基性熔巖樣品中,一部分確實(shí)受到了地殼較為強(qiáng)烈的混染,卻不顯示島弧玄武巖的特點(diǎn),首先表現(xiàn)在,雖然具有高 La/Nb、高Th/Nb的比值,但是 TiO2含量的降低不明顯或者Ti的負(fù)異常不明顯。其次,島弧玄武巖系中,鈣堿性的安山巖類占有明顯優(yōu)勢(shì),而毛堂群變質(zhì)火山巖以拉斑為主,鈣堿性次之,堿性更少。而且,毛堂群所取樣品中鈣堿性樣品均為變酸性火山巖。另外李懷坤等 (2003)在相當(dāng)于過(guò)去所謂武當(dāng)山群的毛堂群姚營(yíng)寨組層位中取樣,用 T IMS法鋯石 U-Pb測(cè)年得到 (746±2)Ma的成巖年齡,相當(dāng)于新元古代中晚期,本次研究以此成巖年齡作為毛堂群地層的形成時(shí)代。從大的區(qū)域背景上看,這個(gè)時(shí)期應(yīng)是Rodinia超級(jí)聯(lián)合大陸發(fā)生初始裂谷化的時(shí)期;此時(shí),該超級(jí)大陸還沒有最終裂解,新的大洋體系 (指古亞洲洋域體系或古勞亞大洋體系)還未形成。因此,不存在形成大規(guī)模島弧火山巖系的背景條件。

(3)毛堂群變質(zhì)酸性火山巖樣品的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素模式具有明顯的 Nb,Ta,Ti的負(fù)異常,總體上顯示出與上部陸殼的配分模式類似 (圖3)。

(4)通過(guò)基性火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解 (圖 7)看出,毛堂群基性熔巖樣品的成分點(diǎn)均落在板內(nèi)玄武巖區(qū)內(nèi) (圖 7a,b)或大陸玄武巖區(qū)內(nèi) (圖 7c)。

(5)在毛堂群姚營(yíng)寨組底部層位中,見到陸相爆發(fā)相物質(zhì) (圖 8)。

以上這些事實(shí)均證明了毛堂群火山巖應(yīng)當(dāng)形成于大陸板內(nèi)裂谷環(huán)境。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)前述的分析和論證,表明毛堂群變質(zhì)火山巖系形成于大陸板內(nèi)裂谷環(huán)境。揚(yáng)子地塊北緣及南秦嶺中—新元古代隕西群、耀嶺河群、西鄉(xiāng)群及碧口群火山巖系具大陸溢流玄武巖—大陸裂谷火山巖屬性,形成于大陸拉張構(gòu)造環(huán)境 (張國(guó)偉等,2001)。毛堂群形成于大陸板內(nèi)裂谷環(huán)境,表明毛堂群構(gòu)造巖漿活動(dòng)是南秦嶺中—新元古代火山作用的組成部分,是南秦嶺前寒武紀(jì)大陸裂解的先兆。

應(yīng)當(dāng)指出,發(fā)育于新元古代中—晚期的毛堂群裂谷火山活動(dòng)并非只是一次孤立的火山事件,而是波及中亞—東亞 (包括中國(guó)中西部和華南)、澳大利亞、北美、非洲南部和南極的一次全球性的由地幔柱活動(dòng)引發(fā)的裂谷火山事件群 (Xia et al.,1996a,1996b;Li et al.,1995,1996,1999;Wang,2000;Wang et al.,2001)的組成部分。這次具有全球規(guī)模的裂谷火山事件群應(yīng)當(dāng)就是 Rodinia超級(jí)古大陸裂解作用的深部地球動(dòng)力學(xué)的地表響應(yīng),而包括古亞洲洋域體系在內(nèi)的古勞亞大洋體系正是這次具有全球意義的裂解事件的產(chǎn)物。因此,可以說(shuō),新元古代中-晚期 (直至早寒武世初期)的裂谷火山活動(dòng)乃是古勞亞大洋體系開啟的前兆。

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Research on Formation Environment ofMetamorphic Volcanic ofMaotang Group

L IU Zheng-hua1, ZHANG Chuan-heng2
(1.The 6th GeologicalBrigade,Non-ferrous Geology andMineral Re-SourcesBureau of Henan Province,Zhengzhou,HN 450003,China;2.China University of Geosciences(Beijing),Beijing,100083,China)

TheMaotang Group in the northern margin of the Yangtze Block recorded important information of Rodinia breakup.From the following four aspects:(1)Geochemical characteristicsof volcanic rocks reflectedMainly through the rare-earth and multi-element distribution patterns;(2)Diagenetic age of volcanic rocks;(3)The characteristics of pyroclastic rocks;(4)Tectonic setting discr imination diagrams of mafic volcanic;It is analyzed and proved thatMaotang Group was for med in rifting environment of the inner continent during middle-late Neoproterozoic.The volcanic event indicated by theMaotang formation is a part of the globle rifting and volcanic activity eventwhich is thought to be triggered by mantle plume,and the harbinger of the Precambrian continental splitting of South Qinling.

Yangtze Block;Maotang Group;Rodinia;rifting environment

P585.14

:A

:1674-3504(2010)04-301-09

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.04.001

2010-10-14

劉征華 (1968—),碩士,地質(zhì)工程師,從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)普查。E-mail:lianpeng530@163.com