閩東北晚侏羅世南園組火山巖地球化學(xué)特征及構(gòu)造意義①

胡慶偉

(福建省閩東南地質(zhì)大隊(duì)，泉州，362011)

1966年，福建區(qū)調(diào)地質(zhì)測(cè)量隊(duì)在開(kāi)展1∶20萬(wàn)南平幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查時(shí)建立南園組，原含義指南平幅東部一套厚度巨大的中酸性-酸性噴出巖類(lèi)，呈大面積熔巖流出露，其下與長(zhǎng)林組及其更老地層呈噴發(fā)不整合或角度不整合接觸，其上被石帽山群不整合覆蓋，時(shí)代歸屬晚侏羅世, 一般劃分為3～5個(gè)巖性段[1]。1985年，“福建省區(qū)域地質(zhì)志”將南園組劃分為4個(gè)巖性段[2]。福建省地質(zhì)調(diào)查研究院(1)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院.1∶25萬(wàn)周寧縣幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，2007。將南園組自下而上分為4個(gè)段，獲得鋯石SHRIMP年齡為130.1～162.3 Ma，證實(shí)了南園組主體時(shí)代為晚侏羅世，局部地段延續(xù)至早白堊世。近年對(duì)福建1∶5萬(wàn)漳灣鎮(zhèn)、溪南鎮(zhèn)幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中，系統(tǒng)研究了閩東北福安和霞浦晚侏羅世南園組火山巖巖石組合及地球化學(xué)特征，并對(duì)其巖漿起源及大地構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行初步探討。

1 地質(zhì)概況

在研究區(qū)內(nèi)南園組出露較廣泛，主要分布于溪南、下白石一帶，為一套陸相中性-酸性火山巖系(圖1)，根據(jù)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院區(qū)調(diào)成果資料(2)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院， 1∶5萬(wàn)純池, 上白石、周寧縣、福安市幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，2002。收稿日期：2021-07-05作者簡(jiǎn)介：胡慶偉 (1985-)，男，工程師，主要從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查等工作。，在福安地區(qū)南園組第二段中獲得Lygodiumsporitessp.，Pseudopiceavariabiliformis，Pinuspollenitesdivulgatus等孢粉組合，其時(shí)代為晚侏羅世，且前者成果中測(cè)得南園組的四組Rb-Sr等時(shí)線同位素年齡為(157.9±1.1) Ma、(156±2)Ma、140.8 Ma及(144±2)Ma，后者在南園組火山巖中測(cè)得LA-ICP-MS U-Pb鋯石同位素年齡為(137±1.2)Ma和(139.7±1.0)Ma，南園組時(shí)代為晚侏羅世-早白堊世。研究區(qū)火山巖地層受北東向斷裂控制明顯，總體呈北東向帶狀展布，據(jù)巖石組合、層序及巖性變化特征，結(jié)合區(qū)域地層劃分對(duì)比，自下而上進(jìn)一步劃分為中性-中酸性、酸性及中性-中酸性3個(gè)巖性段，分別歸屬南園組第一、二、三段。

圖1 研究區(qū)火山巖分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Brief diagram of volcanic rock distribution in the study area1—第四系；2—早白堊世寨下組；3—早白堊世小溪組；4—晚侏羅世南園組第三段；5—晚侏羅世南園組第二段；6—晚侏羅世南園組第一段；7—晚侏羅世長(zhǎng)林組；8—晚白堊世侵入巖；9—早白堊世侵入巖；10— 晚侏羅世侵入巖；11—地質(zhì)界線；12—平行不整合界線；13—樣點(diǎn)位置及編號(hào)

南園組第一段：分布較局限，主要出露于南部下硯、西安村一帶，巖石組合為一套中性-中酸性火山碎屑巖、熔巖組合，其上為南園組第二段噴發(fā)不整合覆蓋，或被小溪組下段平行不整合覆蓋。巖性主要為淺灰、灰綠色安山巖、英安巖、英安質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)(含)晶屑凝灰?guī)r、英安質(zhì)含角礫晶屑凝灰?guī)r、英安質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、英安質(zhì)含角礫(巖屑)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r等。

南園組第二段：分布最為廣泛，主要出露于溪南、北山一帶，為一套酸性的陸源火山熔巖、碎屑巖夾少量沉積夾層，下部噴發(fā)不整合于南園組第一段之上，北山一帶局部接觸界面見(jiàn)寬約2 m的沉凝灰?guī)r，并見(jiàn)厚約1 cm的鐵質(zhì)殘積物，上、下巖層產(chǎn)狀基本一致，其上為南園組第三段噴發(fā)不整合覆蓋或被小溪組下段平行不整合覆蓋。

該段巖石以出露酸性火山巖為主，繞火山噴發(fā)中心外圍呈環(huán)狀或出露于火口附近，巖石組合、厚度在各地變化較大。在霞浦溪南一帶成片出露，巖性組合主要為流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)(含)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)含角礫(巖屑)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)(含集塊)火山角礫巖夾沉凝灰?guī)r等；在福安寶林一帶小面積出露于火山噴發(fā)中心附近，巖性組合為流紋巖、流紋質(zhì)(含)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)(含)角礫晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)含集塊火山角礫巖等；在寧德漈頭呈帶狀分布于火山噴發(fā)中心外圍，巖性組合為流紋質(zhì)(含)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)(含角礫)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r等。

南園組第三段：分布較廣泛，在福安下白石、霞浦縣柴稱(chēng)坪、寧德市枇杷頂均有出露，主要分布于山頂及火山噴發(fā)中心附近，為一套中性-中酸性的陸源火山碎屑巖、熔巖，在下白石-青山可見(jiàn)火山碎屑巖、熔巖內(nèi)夾少量沉積夾層，下部噴發(fā)不整合于南園組第二段之上，其上為小溪組下段平行不整合覆蓋。巖性組合主要為安山巖、英安巖、英安質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)(含)晶屑凝灰?guī)r、英安質(zhì)含角礫(巖屑)晶屑凝灰?guī)r、英安質(zhì)含晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、英安質(zhì)含角礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r夾沉凝灰?guī)r等沉積夾層。

南園組火山活動(dòng)作用方式是爆發(fā)與噴溢相間，具有層狀火山的特點(diǎn)，但是在火山作用過(guò)程中，爆發(fā)作用始終占據(jù)主導(dǎo)作用，形成的火山產(chǎn)物分布范圍廣，火山巖相發(fā)育，而噴溢作用產(chǎn)生的熔巖流相，一般呈透鏡狀、舌狀或環(huán)狀分布?；鹕阶饔迷缙谛纬僧a(chǎn)物在空間上表現(xiàn)為爆發(fā)-噴溢作用層層疊加堆積的組合形式?；鹕交顒?dòng)由強(qiáng)減弱，晚期在火山通道附近堆積崩落，之后粗粒級(jí)火山碎屑巖充填于火山通道中，最后安山巖、英安巖及流紋巖侵出發(fā)展為層狀火山。

2 樣品分析測(cè)試

該次研究工作共采集巖石地球化學(xué)樣品15件，其中，南園組第一段1件，南園組第二段8件，南園組第三段6件。樣品主量元素、微量元素和稀土元素分析在福建省地質(zhì)測(cè)試研究中心測(cè)試完成。

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 主量元素特征

研究區(qū)南園組火山巖主量元素分析結(jié)果(表1)。研究區(qū)南園組中性火山巖SiO2含量平均為62.74%，全堿(K2O+Na2O)含量平均為5.97%，MgO含量平均為2.33%，TFeO含量平均為5.21%，分異指數(shù)為53～71；酸性火山巖SiO2含量平均為74.43%，全堿(K2O+Na2O)含量平均為6.30%，MgO含量平均為0.44%，TFeO含量平均為1.57%，分異指數(shù)為74～95。南園組火山巖K2O/Na2O比值為1.11～1.86，總體上顯示略富鉀貧鈉的性質(zhì)?；鹕綆r自中性巖-酸性巖，SiO2含量具有升高的趨勢(shì)，且分異指數(shù)逐漸升高，而MgO含量和TFeO含量具有降低的趨勢(shì)，顯示了正常的巖漿演化和分異過(guò)程。

在火山巖TAS圖解中(圖2)，南園組第一段樣品落入粗面安山巖區(qū)，第二段樣品均落入流紋巖區(qū)，第三段樣品絕大多數(shù)落入英安巖區(qū)，2件樣品落入玄武質(zhì)粗面安山巖區(qū)，1件樣品落入粗面安山巖區(qū)。巖石里特曼指數(shù)為0.34～2.65，屬鈣堿性系列；在SiO2-K2O圖解中(圖3)，絕大多數(shù)樣品落入高鉀鈣堿性系列區(qū)，個(gè)別落入鈣堿性系列和鉀玄巖系列。

表1 研究區(qū)南園組火山巖主量元素化學(xué)成分(%)

圖2 研究區(qū)南園組火山巖TAS分類(lèi)圖解Fig.2 TAS classification of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study areaPc—苦橄玄武巖；B—玄武巖；O1—玄武安山巖；O2—安山巖；O3—英安巖；R—流紋巖；S1—粗面玄武巖；S2—玄武質(zhì)粗面安山巖；S3—粗面安山巖；T—粗面巖；U1—堿玄巖、碧玄巖；U2—響巖質(zhì)堿玄巖；U3—堿玄質(zhì)響巖；Ph—響巖

圖3 研究區(qū)南園組火山巖SiO2-K2O圖解Fig.3 SiO2-K2O classification of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

根據(jù)研究區(qū)南園組火山巖主要氧化物哈克圖解(圖4)，隨著SiO2含量的增加，Al2O3、CaO、Fe2O3、FeO、MgO、TiO2、P2O5、MnO等含量發(fā)生較為明顯的降低現(xiàn)象，可能與巖漿演化過(guò)程中斜長(zhǎng)石、輝石、金紅石、磷灰石等的分離結(jié)晶作用有關(guān)。K2O含量隨著SiO2含量的增加整體呈升高的趨勢(shì)，顯示了隨著巖漿的演化，殼源成分越來(lái)越占主導(dǎo)作用[3]。

圖4 研究區(qū)南園組火山巖主要氧化物哈克圖解Fig..4 Main oxide HHker diagram of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

3.2 微量元素特征

研究區(qū)南園組火山巖微量元素分析結(jié)果(表2)。南園組中性火山巖Rb含量為118.10×10-6～180.70×10-6，略高于上地殼平均值(110×10-6)，而遠(yuǎn)高于上地幔平均值(2.6×10-6)[4]；Rb/Sr比值為0.21～0.66，與上地殼平均值(0.31)較為接近，而遠(yuǎn)大于上地幔Rb/Sr平均值(0.025)；火山巖Th/U比值為2.56～4.87，平均值4.01，接近于上地殼平均值(4.2)，而與上地幔Th/U比值(1～2)相差較大；Zr含量平均為208.00×10-6，Zr/Hf比值為32.98～56.27，平均值40.93，均與上地殼平均值(Zr值為130，Zr/Hf值為87)較為接近，而與上地幔平均值(Zr值為50，Zr/Hf值為167)相差較大[5]。

表2 研究區(qū)南園組火山巖微量元素化學(xué)成分(10-6)

南園組酸性火山巖Rb含量為119.20×10-6～300.60×10-6，略高于上地殼平均值(110×10-6)，而遠(yuǎn)高于上地幔平均值(2.6×10-6)；Rb/Sr比值為0.40～7.74，與上地殼平均值(0.31)較為接近，而遠(yuǎn)大于上地幔Rb/Sr平均值(0.025)；火山巖Th/U比值為4.24～8.68，平均值6.07，接近于上地殼平均值(4.2)，而與上地幔Th/U比值(1～2)相差較大；Zr含量為139.00×10-6～313.60×10-6，平均為224.31×10-6，Zr/Hf比值為24.65～39.10，平均值32.89，均與上地殼平均值(Zr值為130，Zr/Hf值為87)較為接近，而與上地幔平均值(Zr值為50，Zr/Hf值為167)相差較大。

因此，微量元素特征顯示，南園組火山巖微量元素特征值與上地殼較為接近，而與原始地幔相差較大。在微量元素原始地幔蛛網(wǎng)圖解中(圖5-a)，南園組第一段、第二段、第三段火山巖總體顯示相似的地球化學(xué)特征，但略有差異。相比來(lái)說(shuō)，南園組酸性火山巖顯示出更為強(qiáng)烈的不相容元素Ba、Sr、P、Ti等的虧損以及較弱的Nb、Ta虧損，顯示巖漿具有分離結(jié)晶后殘漿的特征或殼源特征[6]；而南園組中性火山巖Ba、Sr、P、Ti等的虧損程度明顯低于酸性巖，說(shuō)明酸性火山巖比中性火山巖具有更高的分異程度。Sr、Ba虧損顯示巖漿具有斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶后殘余巖漿的地球化學(xué)性質(zhì)，而P和Ti的虧損可能指示了磷灰石和金紅石的分離結(jié)晶作用。

3.3 稀土元素特征

南園組中性火山巖稀土元素總含量(ΣREE)160.35×10-6～257.24×10-6(表3)，平均為201.96×10-6，其中，輕稀土元素總含量為123.22×10-6～205.58×10-6，平均為162.77×10-6，重稀土元素總含量為29.53×10-6～51.66×10-6，平均為39.19×10-6。ΣLREE/ΣHREE比值為3.32～5.14，平均為4.20，(La/Yb)N值為6.59～15.66，平均11.71,(La/Sm)N比值為4.03～5.09，平均為4.55，(Gd/Lu)N比值為1.02～2.49，平均為1.69。δEu值為0.75～1.14，平均為0.92，大部分樣品具有弱的負(fù)Eu異?，F(xiàn)象，個(gè)別具有弱的正Eu異?，F(xiàn)象。

南園組酸性火山巖稀土元素總含量為161.57×10-6～281.09×10-6(表3)，平均為208.71×10-6，其中，輕稀土元素總含量為123.27×10-6～234.34×10-6，平均為167.76×10-6，重稀土元素總含量為26.99×10-6～55.43×10-6，平均為40.95×10-6。比值為2.82～5.74，平均4.26，(La/Yb)N值為8.13～19.34，平均為13.57，(La/Sm)N值為2.79～13.63，平均為5.97，(Gd/Lu)N值為0.61～1.93，平均為1.57。δEu值為0.23～1.07，平均為0.63，大部分樣品具有中等偏強(qiáng)的負(fù)Eu異常現(xiàn)象，少數(shù)樣品Eu異?，F(xiàn)象不明顯。

表3 研究區(qū)南園組火山巖稀土元素化學(xué)成分(10-6)

以上稀土元素特征顯示，南園組中性火山巖與酸性火山巖具有相似的地球化學(xué)特征，總體顯示較為明顯的輕重稀土分餾特征(圖5-b)，并且輕、重稀土間分餾程度相對(duì)較小，輕稀土分餾強(qiáng)度略大于重稀土，分配曲線為右傾平坦型。中性火山巖具有弱的負(fù)Eu異常或正Eu異?，F(xiàn)象，而酸性火山巖總體具有中等至強(qiáng)的負(fù)異?，F(xiàn)象，反映酸性火山巖的殘余巖漿中斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶程度更高。

圖5 研究區(qū)南園組火山巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(a)及稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖 [7](b)Fig.5 Standardized spider web map of trace mantle (a) and standardized partition pattern of rare earth globules (b) of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

4 巖漿起源

研究區(qū)南園組中性火山巖具有較低的MgO含量平均為2.33%，遠(yuǎn)低于地幔橄欖巖部分熔融形成的高鎂安山巖(含量大于8%)。中性火山巖Nd/Th比值為1.44～2.41，明顯低于幔源巖石Nd/Th比值(>15)。研究區(qū)南園組中性火山巖Eu異?，F(xiàn)象不明顯(δEu值為0.75～1.14)，與基性巖漿結(jié)晶分異所形成的具有明顯負(fù)Eu異?，F(xiàn)象的安山巖差別較大[8]。同時(shí)，中性火山巖微量元素地球化學(xué)特征與基性火山巖亦具有較大的差異。因此，研究區(qū)南園組中性火山巖不可能直接來(lái)自于基性巖漿直接分異，而很可能是來(lái)自地幔熔融形成的熱使冷的地殼巖石發(fā)生部分熔融的作用。

研究區(qū)南園組酸性火山巖整體具有高硅、富堿富鉀、貧鎂鐵的特征，大體積的高硅火成巖多為大陸地殼深熔作用的典型產(chǎn)物[9]，而富鉀火山巖是兼具殼幔相互作用的特殊巖性組合，且表明巖漿形成過(guò)程中有較多的殼源物質(zhì)的參與。微量元素特征顯示，南園組火山巖微量元素特征值(Rb、Zr、Rb/Sr、Th/U、Zr/Hf)與上地殼較為接近，且微量元素蛛網(wǎng)圖顯示出較強(qiáng)烈的不相容元素Ba、Sr、P、Ti等的虧損，以及較弱的Nb、Ta的虧損。同時(shí)，酸性火山巖總體具有較中等至較強(qiáng)的負(fù)Eu異常現(xiàn)象，與地殼重熔形成的火山巖相似。因此，研究區(qū)南園組酸性火山巖的巖漿可能源自于地殼物質(zhì)的部分熔融[9]。

在La-La/Sm巖漿成因過(guò)程圖解中(圖6)，南園組火山巖樣品La與La/Sm呈較好的正相關(guān)曲線，可能顯示火山巖原始巖漿主要由地殼部分熔融所形成。結(jié)合火山巖微量元素和稀土元素特征，巖漿可能起源于以殼源物質(zhì)為主的殼?；煸葱蛶r漿。

圖6 研究區(qū)南園組火山巖巖漿演化過(guò)程圖解[10]Fig.6 Diagram of magma evolution in Nanyuan Formation in the study area

5 構(gòu)造環(huán)境分析

研究區(qū)南園組中性火山巖屬于中硅(平均62.74%)、高鋁(平均15.70%)、低鎂(平均2.33%)、低鐵(全鐵平均5.21)、低鈦(平均0.71)的高鉀鈣堿性-堿玄巖系列，微量元素與稀土元素含量、比值及曲線特征顯示與上地殼較為接近，而與上地幔特征相差較大。在微量元素Rb/10-Hf-Ta×3構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖7)，樣品均落入火山弧區(qū)；在Ta/Yb-Th/Yb構(gòu)造判別圖解中(圖8)樣品則主要落入活動(dòng)大陸邊緣(陸緣弧)區(qū)域，顯示研究區(qū)南園組中性火山巖可能屬于正?；蜉^薄地殼背景下的島弧安山巖。

圖7 研究區(qū)南園組火山巖Rb/10-Hf-Ta×3圖解[11]Fig.7 Rb/10-Hf-Ta×3 diagram of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

圖8 研究區(qū)南園組火山巖Ta/Yb-Th/Yb圖解[12]Fig.8 Ta/Yb-Th/Yb diagram of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

研究區(qū)南園組酸性火山巖總體顯示比中性火山巖更高的分異和演化程度，具有高硅(平均74.43%)、高鋁(平均13.76%)、低鎂(平均0.44%)、低鐵(全鐵平均1.57)、低鈦(平均0.29)的特征，屬于高鉀鈣堿性-堿玄巖系列，微量元素與稀土元素含量、比值及曲線特征均顯示與上地殼特征較為接近，而與上地幔相差較大。在微量元素Rb/10-Hf-Ta×3構(gòu)造環(huán)境判別圖解中，樣品均落入火山弧區(qū)；在Ta/Yb-Th/Yb構(gòu)造判別圖解中樣品則主要落入活動(dòng)大陸邊緣(陸緣弧)區(qū)域，顯示了地殼重熔背景下形成的酸性火山巖特征。

中侏羅世時(shí)期(約180 Ma)，研究區(qū)處于瀕太平洋大陸邊緣活動(dòng)帶，研究區(qū)內(nèi)火山噴發(fā)和巖漿侵入活動(dòng)相對(duì)較弱，該時(shí)期的火山巖和侵入巖出露較少，處于板塊穩(wěn)定向活動(dòng)的構(gòu)造轉(zhuǎn)換階段。隨期伊佐奈岐-太平洋板塊向中國(guó)大陸板塊俯沖加劇，地殼活動(dòng)加劇，導(dǎo)致強(qiáng)烈火山噴發(fā)和巖漿侵入活動(dòng)[13]。晚侏羅世時(shí)期(約145 Ma)隨著太平洋板塊向歐亞大陸板塊俯沖的加劇[14]，遭受強(qiáng)烈的擠壓，形成擠壓破碎帶，俯沖活動(dòng)將部分洋殼和陸殼物質(zhì)帶到地殼深處，發(fā)生重熔，形成再生巖漿，進(jìn)而沿?cái)嗔褞姵龅乇韀15]。

隨著時(shí)間的推移板塊俯沖形成的再生巖漿大量累積，再加上斷裂帶的活動(dòng)加劇，促使溪南-沙江等斷裂帶張裂活動(dòng)不斷加劇深切，從而導(dǎo)致地殼深部巖漿沿?cái)嗔褞Р粩嗌嫌窟\(yùn)移，進(jìn)而沿通往巖漿房的斷裂強(qiáng)烈、頻繁地噴出地表，形成了分布廣泛、厚度巨大的晚侏羅世-早白堊世鈣堿性系列的中酸-酸性火山巖以及其中的一系列火山機(jī)構(gòu)和火山群體[16-18]。

綜上所述，研究區(qū)南園組火山巖具有火山弧的構(gòu)造特征，它與日本島弧火山巖及安第斯活動(dòng)大陸邊緣火山巖具有較大的相似性，顯示出其可能形成于大陸邊緣島弧帶的構(gòu)造環(huán)境。

6 結(jié)論

(1) 研究區(qū)南園組共分為3段，分別為中-中酸性、酸性及中-中酸性巖性段，火山巖總體屬于高鉀鈣堿性-堿玄巖系列。

(2) 南園組中性火山巖具有高鋁、低鎂、低鐵、低鈦特征，酸性火山巖具有高硅、高鋁、低鎂、低鐵、低鈦特征，南園組酸性火山巖表現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的不相容元素Ba、Sr、P、Ti等的虧損和負(fù)Eu異常特征，顯示了更高的分異程度。南園組火山巖總體地球化學(xué)特征與大陸邊緣島弧火山巖相似。

(3) 南園組火山巖形成于晚侏羅世-早白堊世太平洋板塊向歐亞大陸板塊俯沖下的陸緣弧環(huán)境。