嵩山地區(qū)熊耳群火山巖巖石學(xué)、地球化學(xué)及成因探討

謝良鮮，司榮軍，王世炎，馬瑞申

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450000）

0 引言

豫西、豫北地區(qū)均發(fā)育有中元古界熊耳群火山巖系，但地層發(fā)育齊全、火山活動活躍的河南省嵩山地區(qū)卻一直未劃分出熊耳群地層。2012年，隨著中國地質(zhì)調(diào)查局“河南省1∶50 000大口集等4幅數(shù)字區(qū)調(diào)項目”的開展，在嵩山地區(qū)伊川縣九洼村新厘定出熊耳群火山巖。本文將對該區(qū)熊耳群火山巖的分布特征、巖石學(xué)特征以及常量、稀土、微量元素等地球化學(xué)特征進行分析，探討其成因背景，剖析其形成的構(gòu)造環(huán)境，為揭示華北地臺南緣熊耳期的構(gòu)造環(huán)境提供新的證據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

嵩山地區(qū)位于河南省中部，處于華北陸塊南緣，地質(zhì)演化歷史悠久。區(qū)域太古宇、元古宇、古生界、中生界、新生界發(fā)育齊全，剖面完整?；子商庞钪猩钭冑|(zhì)巖系和古元古界變質(zhì)碎屑巖－碳酸鹽巖組成，蓋層由中元古界碎屑巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、石炭系—三疊系碎屑巖－碳酸鹽巖以及新生界等地層組成，是研究華北陸塊南緣前寒武紀地殼組成及其演化的重要窗口。張伯聲（1951）、張爾道（1954）、王曰倫（1960）、馬杏垣（1958，1982）、張國偉（1981）、Kroner（1988）曾對嵩山地質(zhì)尤其是前寒武系地質(zhì)進行過考察和研究。

嵩山地區(qū)巖漿活動主要有2期，即太古宙的侵入活動和古元古代的侵入活動，分別受嵩陽運動和中岳運動的控制，該區(qū)巖漿巖屬嵩陽期和王屋山期。嵩陽期巖漿活動一般規(guī)模較小，巖體零星分布，多呈巖脈產(chǎn)出；王屋山期巖漿活動規(guī)模較大，主要呈巖脈產(chǎn)出。王澤九（1987）、游振東（1986）、張國偉（1987）等對太古代巖漿活動進行過不少研究，而對于太古代以后的巖漿活動研究較少。

2 熊耳群概況

圖1 熊耳群區(qū)域分布示意圖［6］Fig.1 The regional distribution sketch of Xiong′er Group

熊耳期的古火山噴發(fā)，構(gòu)成了華北克拉通南緣（豫西地區(qū)）蓋層的第一層序——熊耳群。熊耳群橫跨豫、晉、陜3省，出露面積約6 897km2，厚度1 000～6 000m，最厚可達8 000m。南以黑溝—欒川斷裂為界與秦嶺造山帶毗鄰，北至山西太原呂梁地區(qū)，西至陜西寶雞千陽（圖1）。

熊耳群的形成時代為中元古代長城紀（（1 840±14）Ma［1］），以火山熔巖為主，沉積夾層和火山碎屑巖的平均厚度占地層總厚度的5%。熔巖以玄武安山質(zhì)、安山質(zhì)巖石為主，其次為英安－流紋質(zhì)巖石。噴發(fā)環(huán)境主體為陸相，晚期部分地區(qū)為海相。噴發(fā)形式早期以裂隙式噴發(fā)為主；中期以中心式噴發(fā)為主，伴有裂隙式噴發(fā)；后期主要為中心式噴發(fā)。

熊耳群自下而上可分為大古石組、許山組、雞蛋坪組、馬家河組。大古石組為河湖相含礫砂巖、泥巖；許山組以玄武安山質(zhì)、安山質(zhì)熔巖為主，其次為安山質(zhì)、英安－流紋質(zhì)及少量玄武質(zhì)熔巖；雞蛋坪組以英安－流紋質(zhì)熔巖為主，夾有玄武安山質(zhì)、安山質(zhì)熔巖，橫向厚度變化大；馬家河組為玄武安山質(zhì)、安山質(zhì)熔巖，有較多正常沉積巖和火山碎屑巖的夾層［2］。

熊耳群火山巖形成后的地質(zhì)作用呈現(xiàn)出不均一性和過渡性。據(jù)巖石組構(gòu)和礦物組合，大致可分為3類：①完好保留火山巖組構(gòu)但具有不同程度蝕變的火山巖；②火山巖的組構(gòu)和變質(zhì)組構(gòu)都不甚明顯的變火山巖；③火山巖組構(gòu)完全被變質(zhì)組構(gòu)取代的區(qū)域變質(zhì)巖。

研究表明，熊耳群火山巖以鉀玄巖系列為主，次為高鉀鈣巖系列，熊耳群火山巖的主體為鉀質(zhì)、硅質(zhì)飽和、弱堿質(zhì)的橄欖玄粗巖系。

3 嵩山地區(qū)熊耳群的地質(zhì)特征

3.1 熊耳群的分布特征

嵩山地區(qū)熊耳群火山巖呈帶狀分布，近EW走向，出露面積不大（圖2）。在九洼村北，熊耳群巖層之上為薊縣系五佛山群馬鞍山組（Jxm）砂巖和礫巖，下伏登封群金家門組（Ar3j）和新太古代海神廟巖體（Ar3ηγ）。熊耳群火山巖的橫向厚度變化不大，西端尖滅于薊縣系馬鞍山組砂巖和登封群金家門組變粒巖之間；東端被一斷層切斷，而斷層以東未見熊耳群出露，直接被馬鞍山組和兵馬溝組的砂巖覆蓋。馬鞍山組下部有底礫巖，表明馬鞍山組是在熊耳期火山作用之后的沉積地層。

3.2 熊耳群巖石學(xué)特征

圖2 嵩山地區(qū)熊耳群分布圖Fig.2 The distribution map of Xiong′er Group in Songshan area

圖3 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖的野外照片及顯微照片F(xiàn)ig.3 Field photo and microscopic photo of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

從圖3可見，熊耳群火山巖主要呈暗紅色－深紅色，裂隙面附近為紫紅色，呈斑雜狀、斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀、杏仁狀構(gòu)造，主要礦物為石英、長石，少量暗色礦物。斑晶含量15%～20%，主要為斜長石、石英、暗色礦物，以及少量正長石，粒徑一般為0.35～3.50 mm，不等粒，分布雜亂；斜長石多呈他形－半自形板狀或不具晶形的碎塊狀，大小不一，具強烈絹云母化、黏土化、輕微鐵染等蝕變；正長石呈他形－半自形板狀，具強烈黏土化、輕微鐵染等蝕變；石英多被熔蝕成渾圓粒狀、不規(guī)則狀，散亂分布，呈聚斑結(jié)構(gòu)?；|(zhì)呈紅色，細晶、微晶結(jié)構(gòu)，礦物成分主要有顯微文象結(jié)構(gòu)的長英質(zhì)及顯微球粒狀的長英質(zhì)，極少量的微粒狀石英、長石、金屬礦物等。長石、石英大多連生形成顯微文象結(jié)構(gòu)，聚集為放射狀球粒，分布較為廣泛；部分長石、石英圍繞斑晶交生形成顯微球粒結(jié)構(gòu)。見有少許長石、石英、金屬礦物呈微粒狀分布于顯微球粒間隙。長石具較強的黏土化、絹云母化、鐵染。

4 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖地球化學(xué)特征

4.1 主量元素地球化學(xué)特征

嵩山地區(qū)熊耳群火山巖的主量元素分析結(jié)果（表1）表明，巖石w（SiO2）＝71.38%～74.56%，平均73.16%，屬于酸性火山巖類。在圖4中，樣品數(shù)據(jù)均落于流紋巖范圍內(nèi)，說明該區(qū)熊耳群火山巖為流紋巖。其他地區(qū)熊耳群的分組情況，雞蛋坪組以英安－流紋質(zhì)熔巖為主，夾有玄武安山質(zhì)、安山質(zhì)熔巖［2］，因而本區(qū)熊耳群火山巖應(yīng)劃分為熊耳群雞蛋坪組。巖石樣品均投點于Irvine分界線的下方，說明本區(qū)熊耳群火山巖均屬于亞堿性系列。

圖4 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖SiO2—（Na2O＋K2O）圖解Fig.4 SiO2－（Na2O＋K2O）diagram of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

表1 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖主量元素分析結(jié)果Table 1 Analysis of the major elements of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

巖石Al2O3含量較高。w（Al2O3）＝11.22%～13.03%，平均11.94%；過鋁指數(shù) A／CNK＝1.62～2.56，平均1.89，＞1；A／NK＝1.72～2.75，平均2.02。A／CNK—A／NK圖解（圖5）顯示，巖石樣品均投點于過鋁質(zhì)區(qū)域，可知本區(qū)熊耳群火山巖屬于弱過鋁質(zhì)巖石。

圖5 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖A／CNK－A／NK圖解Fig.5 A／CNK－A／NK diagram of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

巖石高K2O而低Na2O。w（K2O）＝4.53%～6.27%，平均5.67%；w（Na2O）＝0.19%～0.92%，平均0.39%；里特曼指數(shù)σ＝0.71～1.59，＜3.3，屬鈣堿性巖；堿度率AR＝2.10～3.58，過堿指數(shù)PI＝0.36～0.58，全堿 ALK＝4.74%～6.72%，平均5.86%，表明巖石堿質(zhì)較高；K2O／Na2O＞1（6.33～33.21），平均20.20。說明在地殼部分熔融的過程中受控于源區(qū)較高的鉀含量（Gunnarsson等，1998；Thy等，1990），或是較低的分熔程度；w（SiO2）—w（K2O）圖解（圖6）顯示，巖樣大部分均投點于鉀玄巖系列范圍內(nèi)，只有1個巖樣投于高鉀鈣堿性系列范圍內(nèi)，說明本區(qū)熊耳群火山巖為高鉀鈣堿性系列－鉀玄巖系列，指示熊耳群火山巖的橄欖玄粗巖系與高鉀鈣堿性系列在成因上具有密切的聯(lián)系。巖石中鐵、鎂、鈣的含量均低，但氧化指數(shù)W（W＝Fe2O3／（Fe2O3＋FeO））較高，為0.70～0.89，這與巖石產(chǎn)于噴出環(huán)境并具有較高氧逸度的地質(zhì)事實相符。巖石中TiO2含量低（w（TiO2）＝0.61%～0.64%，平均0.63%）；Ti在巖漿巖中容易形成獨立的礦物相，主要為鈦鐵氧化物類，測區(qū)內(nèi)熊耳群火山巖中Ti的強烈虧損，反映其源巖巖漿曾經(jīng)經(jīng)歷過較強的結(jié)晶分異過程，從而導(dǎo)致鈦鐵氧化物的分離結(jié)晶。

圖6 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖SiO2－K2O圖解Fig.6 SiO2－K2O diagram of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

表2 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖稀土元素分析結(jié)果Table 2 Analysis of REE in volcanics of Xiong′er Group in Songshan area

4.2 稀土元素地球化學(xué)特征

如表2所列，巖石中稀土元素總含量較高，差別不大，w（REE）＝309.26×10－6～406.28×10－6，平均為355.77×10－6。巖石的LREE較高（277.15×10－6～372.37×10－6，平 均322.96×10－6）；而HREE較低（30.73×10－6～35.00×10－6，平均為32.8×10－6）。 巖 石 中 LREE／HREE＝8.22～11.86，平均為9.88；δ（Eu）＝0.48～0.55（＜1），平均值為0.50，為Eu強烈虧損；δ（Ce）＝0.75～1.04，平均0.95，為Ce微弱負異常。（La／Yb）N＝9.08～20.45，平均12.62，（Sm／Nd）N＝0.51～0.53，平均0.52；（La／Sm）N＝4.04～9.48，平 均5.27；（Gd／Yb）N＝1.43～1.98，平均1.70。

圖7 九洼村熊耳群火山巖稀土元素球粒隕石標準化圖解（球粒隕石標準值據(jù)Sun和McDonough，1989）Fig.7 Chondrite－normalized REE patterns of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

由稀土元素球粒隕石標準化圖解（圖7）可知，其呈現(xiàn)較為經(jīng)典的“海鷗”式圖樣，總體呈負斜率向右傾，巖石輕稀土富集，重稀土虧損，且輕重稀土分餾較為明顯（（La／Yb）N＝9.08～20.45），其中輕稀土分異較為明顯（（La／Sm）N＝4.04～9.48），重稀土趨于平坦（（Gd／Yb）N＝1.43～1.98）），圖中5個樣品均在 Eu處形成波谷，Eu異常值均＜1，為Eu負異常。

綜上所述，測區(qū)內(nèi)熊耳群火山巖稀土元素總含量較高，輕重稀土分餾較為明顯，LREE富集，HREE虧損，這一特點可能與源區(qū)石榴石的殘留有關(guān)；同時，測區(qū)內(nèi)巖石樣品具明顯的Eu負異常（δ（Ce）＝0.75～1.04，平均值為0.95）和微弱的Ce負異常（δ（Ce）＝0.75～1.04，平均值為0.95），以及P，Ti的強烈虧損，反映巖石很可能經(jīng)歷了斜長石、磷灰石、鈦鐵礦的結(jié)晶分離作用。

4.3 微量元素地球化學(xué)特征

巖石中大離子親石元素（LILE）Ba，Sr，Rb，U的遷移性能可以反映巖漿作用的特點，其高場強元素（HFSE）Zr，Nb，Th，Hf，Ta的含量特點可以反映巖漿的來源。

由表3可知，巖石的大離子親石元素Ba，Sr，Rb，U 的豐度分別為66.49×10－6～1 264.00×10－6，15.40×10－6～26.67×10－6，60.71×10－6～211.30×10－6，2.24×10－6～3.02×10－6；其平均豐度分別為772.90×10－6，22.25×10－6，171.32×10－6，2.66×10－6。而高場強元素Zr，Nb，Th，Hf，Ta的豐度分別為441.10×10－6～663.30×10－6，19.43×10－6～21.33×10－6，10.71×10－6～13.76×10－6，12.04×10－6～16.53×10－6，1.38×10－6～1.49×10－6，其平均豐度分別為525.12×10－6，20.40×10－6，12.24×10－6，13.91×10－6，1.42×10－6。本區(qū)熊耳群火山巖以富大離子親石元素Ba而貧Sr，Rb，U，富高場強元素Zr而貧 Nb，Th，Hf，Ta為特征。且Rb的質(zhì)量分數(shù)變化較大，說明巖石受大陸物質(zhì)污染較嚴重。Rb／Sr＝2.61～12.53，平均8.06，說明測區(qū)內(nèi)巖石的分異演化程度中等。

表3 九洼村熊耳群火山巖微量元素分析結(jié)果Table 3 Analysis of the trace elements in volcanics of Xiong′er Group in Songshan area

圖8 九洼村熊耳群火山巖微量元素原始地幔標準化圖解（原始地幔標準值據(jù)Sun和McDonough，1989）Fig.8 Primitive mantle－normalized distribution patterns of trace elements of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

由圖8可見，嵩山地區(qū)熊耳群火山巖表現(xiàn)出Pb正異常和強烈的Sr負異常；Ba有2個樣品表現(xiàn)出明顯的負異常，另3個樣品異常不明顯；Ta，Nb表現(xiàn)出負異常；Th，U，Zr，Hf基本上無異常。一般認為，Ta，Nb表現(xiàn)出明顯虧損，是發(fā)育在俯沖帶及碰撞帶巖漿房的普遍特征。其中，俯沖帶Ta，Nb的虧損被認為是俯沖洋殼脫水時金紅石穩(wěn)定在殘留洋殼所致。Ta，Nb對角閃石的親和性很好，因此，碰撞帶酸性巖中Ta，Nb的虧損很可能反映巖漿熔融源區(qū)有角閃石的殘留［3］。同時，巖石中Ta，Nb虧損表明它們受到地殼物質(zhì)的混染［4］。

4.4 巖石成因及構(gòu)造環(huán)境分析

根據(jù)主量元素、微量、稀土元素特征可知，嵩山地區(qū)熊耳群火山巖以高硅（w（SiO2）＝71.38%～74.56%）、富 堿 （w （Na2O＋ K2O）＝4.74% ～6.72%）、貧鈣鎂、具負銪異常（δ（Eu）＝0.48～0.55），低Sr和高 Rb／Sr比值、高 Ga，Zr，Nb，Ce，Y等元素為特征，表現(xiàn)出A型巖石的地球化學(xué)特征。從圖9可見，嵩山地區(qū)的巖石樣品均投點于A型花崗巖的區(qū)域內(nèi)，表明本區(qū)熊耳群火山巖屬于A型巖漿作用的產(chǎn)物。

一般情況下，A型花崗巖主要以堿性、貧水和非造山為特征。但也有研究表明，A型花崗巖并不一定指示非造山帶或裂谷環(huán)境，也可以在各個地質(zhì)時期、不同構(gòu)造背景中產(chǎn)出；它的形成總是與張性環(huán)境相聯(lián)系［5－6］；在成分上不僅包括堿性花崗巖，也包括準鋁質(zhì)甚至過鋁質(zhì)花崗巖［6］；在巖石學(xué)上包括石英正長巖、亞堿性－堿性花崗巖、流紋巖和鈉閃堿流巖等［6］。A型花崗巖一般產(chǎn)于伸展減薄塌陷的構(gòu)造環(huán)境［7］。

華北地臺南緣究竟是裂谷體系還是活動大陸邊緣？這個問題眾說紛紜。其原因在于熊耳群火山巖系形成的大地構(gòu)造環(huán)境還未有定論；目前對于熊耳群火山巖系形成的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的認識主要有：一種觀點認為其形成于裂谷環(huán)境［8］，甚至代表大陸裂解過程；另一種觀點認為其形成于安第斯型大陸邊緣［9－10］。結(jié)合前人對熊耳群的測年資料（表5）可知，熊耳群火山巖的作用時限很短，不支持其形成于作用時限相對較長的大陸邊緣巖漿弧，而可能形成于快速拉張的裂谷環(huán)境［11］。且熊耳群主要分布于華北地臺南緣，其基底為太古宙變質(zhì)巖系，熊耳群火山巖的化學(xué)成分以富鉀為特征，水平方向厚度變化不大，產(chǎn)狀平緩，變質(zhì)程度輕微，說明其形成于拉張環(huán)境之下，無強烈構(gòu)造擠壓的特征。從圖10可知，測區(qū)內(nèi)熊耳群火山巖樣品均落入WPG區(qū)域內(nèi)，屬于板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境。根據(jù)巖石具有A型花崗巖的特征及本區(qū)熊耳群火山巖出露特征（水平厚度變化不大，產(chǎn)狀較為平穩(wěn)，基本上未變質(zhì)等），說明其形成于拉張環(huán)境。

表4 火山巖幾種微量元素比值Table 4 Ratios of some trace elements in volcanics

圖9 區(qū)分不同類型花崗巖的巖石地球化學(xué)圖解（底圖據(jù)Whalen等，1987）Fig.9 Discriminant plot of various granite rocks

表5 熊耳群火山巖同位素地質(zhì)研究成果Table 5 Study results of isotope geology of volcanics in Xiong′er Group

圖10 嵩山地區(qū)熊耳群火山巖構(gòu)造環(huán)境Ta—Yb，Nb—Y圖解（據(jù)Pearce等，1984）Fig.10 Ta－Yb，Nb－Y disgrams of geotectonic environment of volcanic rock in Xiong′er Group in Songshan area

綜上，本區(qū)熊耳群火山巖形成于板內(nèi)拉張環(huán)境，說明嵩山地區(qū)在熊耳期應(yīng)處于巖石圈伸展減薄的時期，并且為中元古代華北地臺南緣是裂谷環(huán)境提供新的證據(jù)。證明中元古代早期華北地臺南緣曾處于拉張下陷——大陸裂谷構(gòu)造發(fā)展階段，并不具備大陸和大洋板塊過渡帶的安第斯型活動大陸邊緣構(gòu)造特征。

5 結(jié)論

（1）嵩山地區(qū)熊耳群火山巖系應(yīng)屬中元古代，其上覆地層為中元古界五佛山群馬鞍山組，下伏新太古代海神廟巖體。

（2）嵩山地區(qū)熊耳群火山巖屬于弱過鋁質(zhì)流紋巖，地層層序與熊耳群雞蛋坪組相當；火山巖為亞堿性系列之高鉀鈣堿性系列－鉀玄巖系列；其以高硅、高鉀、過鋁、貧鈉、貧鈣鎂、貧鈦為特征。

（3）嵩山地區(qū)熊耳群火山巖稀土含量較高，輕稀土富集，重稀土虧損，輕重稀土分餾較為明顯，Eu呈明顯虧損，Ce為微弱負異常；巖石富大離子親石元素Ba而貧Sr，Rb，U等，富高場強元素Zr而貧Nb，Th，Hf，Ta等；具A型巖石特征，屬于A型巖漿作用產(chǎn)物。

（4）嵩山地區(qū)熊耳群火山巖具有相似的主量、微量元素地球化學(xué)特征，反映其可能來自同一源區(qū)。微量元素組成、不相容元素比值均顯示火山巖源區(qū)含有一定比例的大陸地殼物質(zhì)成分。但由于他們具有相對一致的元素地球化學(xué)性質(zhì)和變化較小的La／Sm比值，表明地殼混染作用在巖漿演化過程中的影響較弱。

（5）嵩山地區(qū)熊耳群火山巖形成于板內(nèi)拉張環(huán)境，說明嵩山地區(qū)在熊耳期間處于巖石圈伸展減薄的階段，并且為中元古代華北地臺南緣為裂谷體系提供新的證據(jù)。

（6）通過嵩山地區(qū)熊耳群火山巖的區(qū)域?qū)Ρ?，并梳理熊耳群的地質(zhì)年代學(xué)特征，可為熊耳群的組段劃分提供新的證據(jù)，對完善嵩山地區(qū)地層演化序列和研究豫西地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展史具有重要意義。

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