福建華安地區(qū)晚侏羅世南園組火山巖成因及其構造環(huán)境探討

劉 凱

(福建省地質調查研究院，福州，350013)

晚侏羅世是福建中生代火山活動的鼎盛時期，火山噴發(fā)強烈而頻繁，規(guī)模宏大，而晚侏羅世火山巖的成因和構造環(huán)境是火山巖研究的熱點之一。前人大多認為晚侏羅世火山巖源于地幔上涌形成的地殼部分熔融，與古太平洋板塊的俯沖作用有關[1-4]，所處構造環(huán)境則有大陸裂谷、活動陸緣靠近板內位置等觀點。筆者研究的華安地區(qū)晚侏羅世火山巖位于1∶5萬永福、華安縣、高安圩、新圩、利水幅區(qū)域地質調查項目測區(qū)內，屬閩東火山斷坳帶，與南武夷晚古生代坳陷區(qū)相鄰，火山活動受區(qū)域構造控制明顯，通過對研究區(qū)內(華安地區(qū))晚侏羅世火山巖巖石地球化學特征，探討其巖漿來源及火山活動時期所處的大地構造環(huán)境。

1 地質概況

華安地區(qū)的晚侏羅世南園組火山巖大面積出露于永福—華安—沙建一帶，受政和—大埔斷裂帶和福安—南靖斷裂帶控制，大致呈北東向帶狀分布，可分為多坑—斗米北東向火山噴發(fā)亞帶和觀音山—石高尖北東向火山噴發(fā)亞帶(圖1)，各火山噴發(fā)亞帶又由多個火山群體組成。在1∶5萬永福、華安縣、高安圩、新圩、利水幅區(qū)域地質調查項目的區(qū)域內獲得3組鋯石U-Pb年齡，加權平均年齡分別為華安大渡坑流紋巖(146.5±1.0)Ma(N=11，MSWD=0.6)、安溪園仔鋪流紋英安質晶屑熔結凝灰?guī)r(148.7±1.6)Ma(N=18，MSWD=4.9)、華安西坑英安質晶屑熔結凝灰?guī)r(148.2±1.2)Ma(N=16，MSWD=4.3)，證明該地火山巖確屬晚侏羅世南園組。

研究區(qū)南園組總體為一套深灰色-淺灰色中酸性-酸性火山巖組合，根據巖性組合及接觸關系可分四個巖性段：第一段為深灰色英安質晶屑熔結凝灰?guī)r、英安巖、流紋英安質含角礫晶屑熔結凝灰?guī)r等；第二段為灰色流紋巖、流紋質晶屑熔結凝灰?guī)r、流紋質晶屑凝灰?guī)r、流紋質含角礫晶屑熔結凝灰?guī)r，夾灰白色凝灰質砂巖、粉砂巖、硅質巖；第三段為灰-深灰色英安質(含角礫)晶屑熔結凝灰?guī)r、(含角礫)晶屑凝灰?guī)r、英安巖等；第四段為紫灰色流紋質(含集塊)(角礫)晶屑熔結凝灰?guī)r、流紋巖，夾火山角礫巖、流紋質凝灰?guī)r及沉凝灰?guī)r等。

圖1 華安地區(qū)南園組火山巖分布圖Fig.1 The distribution map of volcanicrocks of Nanyuan formation of Huaan area

研究區(qū)火山活動具有以下特點：①火山活動具中心式兼具裂隙-中心式噴發(fā)特點，其巖相以爆發(fā)的碎屑流堆積相、空落堆積相及瀑溢相為主，次為噴發(fā)-沉積相、侵出相及潛火山相，形成的火山構造以破火山為主，次為層狀火山等；②火山活動隨著時間推移具有從西向東遷移變強的規(guī)律；③火山活動具有明顯旋回性、階段性、繼承性特點，如完整的沉積-噴發(fā)旋回，火山構造洼地(盆地)的發(fā)育可分為斷陷(沉陷)形成的強烈爆發(fā)、減弱及殘余巖漿活動三個階段，晚期火山活動在早期原火山構造基礎上繼續(xù)噴發(fā)；④火山構造空間排列組合具有明顯的規(guī)律性，往往成群、成帶呈串珠狀排列，其噴發(fā)物互相交織、疊置是測區(qū)火山地質一個重要特色，其基本組合排列方式有串珠式、衛(wèi)星式、鑲嵌式、繼承套疊式等；⑤火山活動與侵入活動關系密切，在空間上密切共生、相伴出現，在破火山機構中心往往有同期侵入巖出露，此外，同期火山巖與侵入巖其巖石類型、巖石化學、地球化學特征等均相似，應為同一構造巖漿旋回不同演化階段、不同定位方式的產物。

2 樣品分析測試

樣品數據均來源于研究區(qū)內1∶5萬區(qū)調和以往1∶20萬、1∶25萬龍巖(市)幅區(qū)調報告，巖石化學樣品22件，其中南園組第四段4件，第三段4件，第二段12件，第一段2件(表1)，其中有分析微量元素和稀土元素的地球化學樣品10件。主量元素、微量元素和稀土元素分析在福建省地質測試研究中心完成。主量元素和Ba、Cr、Cu、Nb、Ni、Pb、Rb、Sr、V、Zn、Zr元素采用菲利普PW2440 XRF進行測定，其余微量元素和稀土元素采用XSeriesⅡ等離子質譜儀測定。

表1 火山巖樣品巖石名稱

注：*為引用福建省地質調查研究院，1∶25萬龍巖市幅區(qū)調報告，2005；#為福建省地礦局，1∶20萬龍巖幅區(qū)調報告，1977。其余樣品為該次所采樣品。

3 巖石地球化學特征

3.1 主量元素特征

華安地區(qū)南園組火山巖的SiO2含量為65.27%～80.79%，(Na2O+K2O)含量為3.56%～9.54%，一般為7.5%～8.5%，普遍K2O>Na2O，具高硅富鉀鈉、貧鎂鐵的特征(表2)。其在各相關圖解中又表現以下特征。

(1)在TAS圖解中，南園組第二段和第四段落入流紋巖區(qū)，南園組第一段和第三段落入英安巖區(qū)(圖2)。

圖2 研究區(qū)南園組火山巖TAS圖解分類和命名(據Le Bas et al.,1986)[5]Fig.2 TAS diagram classification and named for volcanic rocks of Nanyuan formation of research areaPk—副長石巖；Ph—響巖；U3—堿玄質響巖；U2—響巖質堿玄巖；U1—堿玄巖、碧玄巖；Pc—苦橄玄武巖；T—粗面巖、粗面英安巖；S3—粗安巖；S2—玄武粗安巖；S1—粗面玄武巖；B—玄武巖；O3—英安巖；O2—安山巖；O1—玄武安山巖；R—流紋巖

(2)在Ol'—Ne'—Q'圖解中，所有樣品的投影點都落在亞堿性區(qū)(圖3)。

(3)在FAM圖解中，樣品均落入鈣堿性系列區(qū)內(圖4)。

(4)在An—Ab'—Or圖解中，南園組第一段至第三段樣品幾乎全落入鉀質火山巖區(qū)，而第四段和部分第二段的樣品落入普通火山巖巖石區(qū)(圖5)；在火山巖K2O—SiO2變異圖解中，除個別南園組第二段樣品落入中鉀巖系外，其余全落入高鉀巖系(圖6)。

(5)在哈克圖解中，SiO2含量的變化是連續(xù)的，隨著SiO2含量升高，TiO2、Al2O3、CaO、MgO、TFeO、P2O5含量降低，指示發(fā)生了長石、單斜輝石、磷灰石及鈦鐵礦的分離結晶作用。在SiO2含量大于72%之后，K2O含量隨SiO2含量的增加而出現了增加或不變兩種趨勢(圖7)，結合An—Ab'—Or圖解來看，應為南園組第二段的K2O含量比第四段的高。根據火山巖K2O、SiO2與噴發(fā)深度關系圖解，在SiO2含量一定的情況下，K2O含量與巖漿噴發(fā)深度呈正相關，據此可推斷南園組第四段巖漿房的深度相比第二段時有一定的上移。

(6)分異指數(DI)大多在71.15～94.28，長英指數(FL)多數在71.14～100，說明巖漿分異程度與結晶程度較高。

綜上所述，該研究區(qū)晚侏羅世南園組屬亞堿性系列巖石中的高鉀鈣堿性系列，整體上屬英安質巖石-流紋質巖石組合。

圖3 研究區(qū)南園組火山巖Ol'—Ne'—Q'圖解(after Irvine,1971) [6]Fig.3 Ol'-Ne'-Q' diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research areaA─堿性區(qū)；S─亞堿性區(qū)

圖4 研究區(qū)南園組火山巖AFM圖解(after Irvine,1971)Fig.4 AFM diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research areaTH—拉斑玄武巖系列；CA—鈣堿性系列

圖5 研究區(qū)南園組火山巖亞堿性巖An—Ab'—Or圖解(after Irvine,1971) Fig.5 An-Ab'-Or diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research area鉀質系列：A—富鉀玄武巖;B—富鉀安山巖;C—流紋英安巖;D—鉀流紋巖;普通巖石:E—“普通”火山巖巖區(qū)；鈉質系列：F—貧鉀玄武巖；G—貧鉀安山巖；H—鈉質英安巖、鈉質流紋巖

圖6 研究區(qū)南園組火山巖K2O—SiO2變異圖(after Le Maitre,1989)[7]Fig.6 K2O—SiO2 diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research areaHK—高鉀巖系；MK—中鉀巖系；LK—低鉀巖系

圖7 研究區(qū)南園組火山巖主要氧化物哈克圖解Fig.7 Hark diagrams of main oxides for volcanicrocks of Nanyuan formation of research area

3.2 微量元素地球化學特征

微量元素顯示(表3)，南園組火山巖中Rb/Ba比值為0.14～1.57，平均為0.42和Sr/Ba比值為0.06～0.46，平均為0.20，明顯不同于原始地幔(Rb/Ba、Sr/Ba平均值分別為0.09，3.01)[8]，接近于上地殼(Rb/Ba、Sr/Ba平均值分別為0.16，0.5)[9]；Ni/Co比值為0.42～4.65(剔除異常值76.67)，平均2.03，接近于上地殼Ni/Co(平均值為2)，Rb含量變化于135.7～270.2，平均180.32，接近于上地殼(平均值為110)；Rb/Sr比值為0.34～7.91(剔除異常值19.79)，平均為1.98，遠大于上地幔Rb/Sr比值(平均值為0.025)[10]，而接近于上地殼(平均值為0.31)，Th/U比值為4.11～5.40，平均4.95，大于上地幔Th/U(比值1～2)，接近于上地殼Th/U(比值4.2)。

表3 研究區(qū)南園組火山巖微量元素含量(單位：×10-6，其中Au：×10-9)

注：*為引用福建省地質調查研究院，1∶25萬龍巖市幅區(qū)調報告，2005；#為福建省地礦局，1∶20萬龍巖幅區(qū)調報告，1977。

上述數據表明南園組巖漿的微量元素特征不同于原始地幔，更接近于地殼微量元素特征。微量元素蛛網圖(圖8a)顯示，南園組火山巖具有不相容元素Sr、Ba、Ti、P強烈虧損，Nb、Ta弱虧損的特征。一般說來，Nb、Ta、Ti、P等親石元素虧損，說明巖漿具有分離結晶后殘漿的特征或殼源特征；Sr虧損指示巖漿具有斜長石分離結晶后殘余巖漿的地球化學性質[11]；Ba具有易占據早期的K礦物中K位的特性，故Ba的虧損也指示巖漿具分離結晶和分異作用后的殘漿特征；同時，P、Ti、Sr的虧損具有南園組酸性火山巖(第二段和第四段)比中酸性火山巖(第一段和第三段)明顯的特征，說明酸性火山巖巖漿分異程度比中酸性火山巖要高。

3.3 稀土元素地球化學特征

從稀土元素含量及特征來看，晚侏羅世南園組火山巖稀土總量較高，一般變化于166.32×10-6～359.52×10-6，平均值236.78×10-6；LREE變化于131.16×10-6～300.99×10-6，平均191.53×10-6；HREE變化于10.01×10-6～24.37×10-6，平均18.03×10-6。LREE/HREE比值較大，變化于5.69～14.94，輕、重稀土分餾程度中等偏高。(La/Yb)N=4.23～15.25，(Ce/Yb)N=3.62～15.15，反映出輕稀土相對重稀土強烈富集。(Sm/Eu)N=1.51～11.9，表明輕稀土分餾程度中等。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖中(圖8b)為左高右低中等傾斜曲線，輕稀土陡傾，重稀土平緩。δEu平均值為0.59，Eu具弱-中等虧損，除個別酸性樣品Eu虧損明顯以外，大部分為弱虧損，與上地殼的趨勢曲線基本一致，說明南園組巖漿很大可能主要源于上地殼，不排除有少量幔源或下地殼的物質加入。

圖8 研究區(qū)南園組原始地幔標準化微量元素蛛網圖(a)和球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(b)Fig.8 The original mantle standardizes trace element spider diagram and chondrite normalized REE patterns of Nanyuan formation in the research area

4 巖石成因

研究區(qū)南園組火山巖的巖石為中酸性(流紋英安質或英安質)-酸性(流紋質)巖石組合，其中流紋質巖石分布較廣，約占70%，流紋英安質或英安質巖石約占30%。而區(qū)域上為中性(極少基性)-中酸性-酸性巖石組合，區(qū)別在于區(qū)域上南園組第一段巖石更偏向中性，個別地方還出現了基性巖(玄武巖)。

圖9 判別巖漿混合的TFeO—MgO相關圖(據Zorpi et al.，1989)[12]Fig.9 TFeO-MgO correlation diagram for discrimination of the magma mixing

那么，流紋巖巖漿和英安巖巖漿是否為同源巖漿？通過SiO2對主要氧化物圖解可以發(fā)現，流紋巖巖漿與英安巖巖漿具有相同的線性關系，二者的微量元素蛛網圖與稀土元素配分模式圖也非常相似，說明二者可能具有相同的巖漿來源。

流紋巖巖漿和英安巖巖漿是單一的巖漿房分離結晶而來，還是混源巖漿？利用對巖漿混合作用能較好判別的TFeO—MgO圖解對樣品投圖，結果表明該研究區(qū)南巖組火山巖具有巖漿混合趨勢(圖9)。通過南園組火山巖Rb/Ba、Sr/Ba、Ni/Co、Rb/Sr、Th/U等微量元素比值與原始地幔及地殼對比，發(fā)現其更接近于上地殼；而微量元素蛛網圖中Sr、Ba、Ti、P的虧損指示南園組巖漿具有殼源或虧損地幔特征，稀土配分模式圖的Eu負異常及輕稀土富集的特點指示南園組巖漿具有殼源；同時，該研究區(qū)南園組火山巖具有高硅富鉀 的特征，而富鉀火山巖是一類兼具殼幔雙重地球化學特征的特殊巖石組合，成巖過程中必須有地殼物質的參與[13]，并且大陸地殼深熔作用的典型產物是大體積的高硅火成巖[14，15]，再加上該區(qū)南園組火山巖的ACNK>1.1(上地殼部分熔融形成的巖漿ACNK>1.1)，顯示其過鋁質的特征，說明其成巖物質主要來源于地殼。從以上分析來看，南園組火山巖巖漿很大可能主要源于上地殼。同時，筆者對區(qū)內樣品進行了巖漿成因過程相關圖解(圖10)的投圖，發(fā)現在La—La/Sm圖解中，該研究區(qū)樣品的La與La/Sm呈良好的正相關關系，說明巖漿主要由地殼部分熔融形成；在La/Ce和Rb/Ti圖解中，樣品La/Ce和Rb/Ti變化較大，單一源區(qū)生成的巖漿其La/Ce和Rb/Ti變化范圍應較小，因此研究區(qū)樣品可能來自不同的陸殼源區(qū)[17]。再根據福建省內部分地區(qū)南園組有基性端元(玄武巖)的情況來分析，南園組火山巖巖漿應該有幔源物質加入，為以殼源為主的殼?；煸葱蛶r漿。

因此，筆者認為，南園組火山巖源于上地幔玄武巖巖漿，通過底侵作用形成的地殼局部熔融,這與盧清地及周建等的觀點一致。至于南園組流紋巖巖漿和英安巖巖漿的區(qū)別，通過二者的Rb/Ba、Sr/Ba、Ni/Co、Rb/Sr、Th/U等微量元素比值對比，發(fā)現流紋巖巖漿比英安巖巖漿更接近地殼比值。在微量元素蛛網圖和稀土配分模式圖上，流紋巖巖漿的P、Ti、Sr的虧損比英安巖巖漿表現強，這些均說明流紋巖巖漿分異程度比英安巖巖漿要高，殼源物質占比更大。

圖10 巖漿演化成因過程判別圖解(據Othman et al.，1989) [16]Fig.10 Discrimination diagrams of genetic process of magmatic evolution

5 構造環(huán)境討論

關于晚侏羅世南園組火山巖或中國東南沿海中生代火山巖的構造環(huán)境，前人已有大量研究，較為主流的觀點為與古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖、消減有關。陳潤生[18]、盧清地認為，晚侏羅世古太平洋板塊向大陸板塊北西向俯沖形成了規(guī)模宏大的東南沿海北東向構造巖漿帶；Zhou&Li進一步認為，古太平洋板塊向中國東南部的俯沖由中侏羅世時很小的俯沖角變成白堊世時中等大小的俯沖角，是形成異常寬廣的大陸弧巖漿巖帶以及中生代巖漿活動向洋遷移的原因；肖慶輝等[19]認為，侏羅紀末期伊佐奈岐板塊(泛古太平洋板塊一部分)向中國東部復合大陸西北方向俯沖消減，引發(fā)了陸內的軟流層上涌，致使中國東部發(fā)生造山運動及巖漿活動，具體到東南大陸，巖漿沿北東向斷裂上涌形成巖漿-火山活動。而據Engebretson等[20]認為，伊佐奈岐板塊相對于歐亞大陸在中侏羅世(180 Ma)至晚侏羅世(約145 Ma)確為北西向俯沖。

結合前人觀點并根據福建省中生代火山活動的特征，筆者認為晚侏羅世南園組火山巖的形成與伊佐奈岐板塊向歐亞大陸北西向俯沖有關，俯沖引起軟流層上涌底侵，沿北東向的斷裂上升，在不同的位置(以上地殼為主)熔融形成巖漿房直至噴發(fā)。與此同時，俯沖角由于重力及阻力原因逐漸增大，巖漿活動逐漸向東側大洋方向遷移，這與東南沿海晚侏羅世乃至整個中生代火山巖沿北東向斷裂分布，又由西向東遷移的事實較為符合。同時，筆者對華安地區(qū)晚侏羅世火山巖進行了構造環(huán)境方面的圖解判別，在戈蒂里—里特曼指數圖解(圖11)上，投影點位于造山帶區(qū)內；在適用于鉀質火成巖的微量元素構造環(huán)境判別圖解(圖12)中，投影點位于大陸弧(陸緣弧)范圍。因此，南園組火山巖與古太平洋板塊俯沖作用有關，并且很大可能為陸緣弧構造環(huán)境。

圖11 研究區(qū)南園組火山巖戈蒂里—里特曼指數圖解(after A.Rittmann,1973) [21]Fig.11 Logτ-Logσdiagram for volcanicrocks of Nanyuan formation in the research area

圖12 研究區(qū)南園組火山巖構造環(huán)境判別圖解(after Muller et al.，1997) [22]Fig.12 Discrimination diagrams for volcanicrocks from different tectonic settings of Nanyuan formation in the research area

6 結論

(1)華安地區(qū)南園組火山巖為高鉀鈣堿性系列巖石，總體上屬英安質巖石-流紋質巖石組合。

(2)華安地區(qū)南園組火山巖大離子親石元素Rb、Th、Ce等元素富集，不相容元素Sr、Ba、Ti、P強烈虧損，Nb、Ta弱虧損。稀土配分模式圖中二者皆為右斜曲線，輕稀土陡傾，重稀土平緩，負Eu異常。

(3)晚侏羅世南園組火山巖中酸性-酸性巖漿為以殼源為主的殼?；煸葱蛶r漿，其形成與古太平洋板塊(伊佐奈岐板塊)相對歐亞大陸的俯沖作用有關，很大可能處于陸緣弧構造環(huán)境。

本文承蒙福建省地質調查研究院陳潤生教授級高級工程師、盧清地高級工程師審閱并提出寶貴修改意見，在此表示衷心感謝！

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