膠萊盆地西南緣青山群火山巖鋯石U-Pb年齡、巖石地球化學(xué)特征及意義

孔祥超，程蓉蓉，孫景耀，盧文姬，魯浩

(1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264011；2.中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，濟(jì)南 250013)

0 引言

膠東地區(qū)中生代火山巖與許多重大地質(zhì)事件存在密切關(guān)聯(lián)[1-4]，其中揚(yáng)子板塊與華北板塊俯沖碰撞、華北巖石圈減薄、太平洋板塊俯沖引發(fā)的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換等都與其有不可分割的聯(lián)系[5-6]。膠萊盆地西南緣青山群火山巖是山東最具代表性的中生代火山巖，研究其形成時代及成因?qū)α私馊A北克拉通東部的地質(zhì)演化具有重要意義[7]。

前人對膠萊盆地白堊系火山巖的研究相對較多，主要集中于中酸性火山巖巖石學(xué)[8]、地球化學(xué)[9-14]、年代地質(zhì)學(xué)[15-18]等，并取得了較為豐富的研究成果。本文基于“山東省1∶5萬景芝、康莊幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查”工作，通過系統(tǒng)采集樣品、分析測試、數(shù)據(jù)處理等，對高密市以西高陽村至雙羊社區(qū)一帶出露的青山群火山巖進(jìn)行研究，總結(jié)該區(qū)火山巖地球化學(xué)特征，分析其構(gòu)造環(huán)境及地質(zhì)意義，并對巖漿來源及其演化過程進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

膠萊盆地位于膠北隆起和膠南造山帶之間，呈NEE向不規(guī)則帶狀展布，西部寬，東部窄。西部以沂沭斷裂帶為界，與沂沭斷裂帶內(nèi)的盆地相鄰。盆地以牟平—即墨斷裂帶為界，劃分為膠萊盆地東部和西部。盆地西部可進(jìn)一步劃分為諸城凹陷、柴溝地壘、高密凹陷、大野頭凸起、萊陽凹陷等5個三級構(gòu)造單元；盆地東部為海陽凹陷。依據(jù)《山東省地層侵入巖構(gòu)造單元劃分方案》，研究區(qū)的大地構(gòu)造單元整體屬高密—景芝凹陷(圖1)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Map showing geotectonic position of the study area1.魯中隆起區(qū)；2.高密—景芝凹陷；3.膠州—蘭底凹陷；4.膠南—威海隆起區(qū)；5.沂沭斷裂帶；6.郝官莊斷裂；7.牟平—即墨斷裂；8.昌邑—大店斷裂；9.安丘—莒縣斷裂；10.齊河—廣饒斷裂

2 巖石學(xué)特征

研究區(qū)早白堊世青山群火山巖分為后夼組、八畝地組、石前莊組、方戈莊組，依據(jù)其噴發(fā)先后順序，可分為后夼組旋回、八畝地組旋回、石前莊組旋回、方戈莊組旋回。各組火山巖在區(qū)域上分布由圖2所示，鏡下特征見圖3。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological map of the study area1.第四系；2.白堊系方戈莊組；3.白堊系石前莊組；4.白堊系八畝地組；5.白堊系后夼組；6.白堊系水南組；7.白堊系止鳳莊組；8.實(shí)測斷層；9.推斷斷層

后夼組(K1h)。主要分布在康莊幅中西部闞家鎮(zhèn)—麻姑莊村一帶，呈NNE向展布。主要巖性為流紋質(zhì)弱熔結(jié)角礫凝灰?guī)r、流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r，局部見少量流紋質(zhì)沉凝灰?guī)r。巖石呈灰紫色，弱熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造(圖3a，圖3f)。巖石主要由火山角礫、凝灰物組成，偶見海綠石?；鹕浇堑[為弱塑性角礫(流紋巖、蝕變流紋巖)，呈似火焰狀，略顯定向分布，含量30%～35%。凝灰物為晶屑、玻屑、巖屑。巖石蝕變明顯，蝕變礦物為方解石、少量絹云母、白云母、綠泥石。

圖3 研究區(qū)火山巖巖石結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Textural characteristics of volcanic rocks in the study areaa.熔結(jié)角礫凝灰?guī)r；b.杏仁狀安山巖；c.英安斑巖；d.流紋巖；e.流紋質(zhì)含角礫凝灰?guī)r；f.沉凝灰?guī)rAct.陽起石；Bit.黑云母；Chl.綠泥石；Hb.角閃石；Pl.斜長石；Q.石英

八畝地組(K1b)。為早白堊世火山活動鼎盛時期的產(chǎn)物，研究區(qū)以中酸性火山巖為主，主要分布在研究區(qū)康莊幅南部，巖性為淺灰-灰色安山巖、杏仁狀安山巖(圖3b)等，整合于青山群后夼組之上。巖石呈灰色、灰黃色，局部呈淺灰褐色，少斑狀-基質(zhì)交結(jié)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要由斑晶(5%)、基質(zhì)(95%)組成，可見少量凝灰物。斑晶為斜長石、石英、黑云母，星散狀分布。

石前莊組(K1sq)。在區(qū)域上為一套酸性流紋巖，在膠萊盆地中八畝地組上部層位與石前莊組呈穿插疊覆關(guān)系，主要出露于康莊幅西北部，根據(jù)野外分布及室內(nèi)鑒定特征，將區(qū)內(nèi)石前莊火山巖分為上、下兩部分。其中，上部以火山熔巖為主，巖性多為灰-深灰色流紋巖，夾少量蝕變流紋巖；下部以次火山巖為主，局部夾少量火山碎屑巖和沉積巖，巖性主要為淺黃褐色英安斑巖、紫紅色-灰紫色流紋巖，夾少量的紫紅色灰紅色細(xì)砂巖、巖屑砂巖、含礫粗砂巖，韻律層不明顯。巖石呈灰色、局部深灰色，斑狀-基質(zhì)微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造、流紋狀構(gòu)造(圖3c，圖3d)。巖石主要由斑晶(20%～30%)和基質(zhì)(70%～80%)組成，局部可見少量凝灰物質(zhì)。斑晶為斜長石、石英、黑云母、角閃石。巖石蝕變?nèi)酰g變礦物為絹云母、高嶺土及綠泥石、方解石。

方戈莊組(K1fg)。調(diào)查區(qū)內(nèi)方戈莊組僅在康莊幅北部有少量露頭，巖性以灰-灰綠色杏仁狀安山巖為主，夾少量的蝕變安山巖、蝕變少杏仁狀安山巖等，無明顯韻律變化。杏仁狀安山巖呈灰色、灰綠色，斑狀-基質(zhì)似交織結(jié)構(gòu)，杏仁狀構(gòu)造，主要由斑晶(5%～10%)、基質(zhì)(90%～95%)組成。斑晶為角閃石、黑云母。角閃石呈半自形柱狀，星散狀分布，略顯暗化，被陽起石、綠泥石、方解石、石英交代，多為假象。黑云母片狀，片直徑0.3～1 mm，星散狀分布，可見暗化邊?；|(zhì)為斜長石、輝石巖石蝕變明顯，蝕變礦物為綠泥石、方解石、陽起石、石英、絹云母。

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 樣品采集與測試分析方法

本次研究樣品采集自后夼組流紋質(zhì)凝灰?guī)r、礦化碎裂狀流紋巖，八畝地組杏仁狀安山巖、安山巖，石前莊組英安斑巖、流紋巖、安山巖，方戈莊組杏仁狀安山巖、杏仁狀蝕變安山巖。

本次研究樣品的測試分析工作由山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實(shí)驗(yàn)測試中心完成。主量元素檢測依據(jù)GB/T14506-2010、DZG1993-09.2.7，檢測環(huán)境溫度為20～25 ℃，相對濕度55%，主要檢測儀器設(shè)備為AA-7000原子吸收分光光度計、PW4400 X射線熒光光譜儀和XGY-1011A原子熒光光度計；微量元素檢測依據(jù)DZG20-10-1990，檢測環(huán)境溫度為20～25 ℃，相對濕度55%～60%，主要檢測儀器設(shè)備為PW4400 X射線熒光光譜儀、ICAPQ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和TAS-990F原子吸收分光光度計；稀土元素檢測依據(jù)為DZG20-10-1990，檢測環(huán)境溫度為18～22 ℃，濕度55%，采用的儀器是XGY-1011A原子熒光光度計和石墨爐原子吸收分光光度計。

樣品的測試分析結(jié)果如表1—表3所述。

表1 研究區(qū)主量元素分析結(jié)果及特征值Table 1 Analysis of major elements in the study area

表2 研究區(qū)微量元素分析結(jié)果Table 2 Analysis of trace elements in the study area

表3 研究區(qū)火山巖稀土元素分析結(jié)果及特征值Table 3 REE data characteristics in the study area

3.2 主量元素特征

(1)巖石化學(xué)特征

后夼組火山巖w(SiO2)=71.92%～75.47%，為酸性巖類的化學(xué)成分范圍；w(Al2O3)=11.86%～14.90%；全堿w(Na2O+K2O)=0.99%～2.42%；A/CNK值為1.15～1.97。

八畝地組火山巖w(SiO2)=65.06%～67.09%，平均65.85%，為中酸性巖類的化學(xué)成分范圍；w(Al2O3)=14.52%～15.58%；全堿w(Na2O+K2O)=7.39%～8.49%；A/CNK值為0.93～1.08。

石前莊組火山巖w(SiO2)=66.16%～73.46%，平均69.30%，為酸性巖類的化學(xué)成分范圍；w(Al2O3)=14.68%～16.71%；全堿w(Na2O+K2O)=6.38%～8.18%；A/CNK值為0.91～1.65，總體屬于強(qiáng)過鋁質(zhì)巖石。

方戈莊組火山巖w(SiO2)=60.44%～63.71%，為中性巖類的化學(xué)成分范圍；w(Al2O3)=14.31%～15.58%；全堿w(Na2O+K2O)=8.10%～8.95%；A/CNK值為0.62～0.97。

(2)巖石分類判別

圖4 研究區(qū)青山群火山巖TAS圖解(a)及w(SiO2)—w(Zr)/w(TiO2)巖性判別圖(b)Fig.4 TAS diagram and w(Zr)/w(TiO2)—w(SiO2) lithological discrimination diagram

從TAS分類圖解(圖4a)不難看出，火山巖樣品中的方戈莊組和八畝地組樣品更接近于Ir分界線，方戈莊組中個別樣品位于Ir分界線上方，說明了這兩個組的含堿度相對較高，而且方戈莊組高于八畝地組，后夼組和石前莊組則相對遠(yuǎn)離Ir分界線，后夼組偏離Ir分界線更遠(yuǎn)，說明兩組的含堿度較低。

w(SiO2)—w(Zr)/w(TiO2)巖性判別圖(圖4b)顯示，研究區(qū)青山群火山巖早期噴發(fā)產(chǎn)物含堿度相對較低，后期噴發(fā)產(chǎn)物含堿度相對偏高，隨著噴發(fā)期次的變化，火山巖含堿度呈現(xiàn)由低到高增加的趨勢。

從研究區(qū)青山群火山巖Hark圖解(圖5)中可以看出，研究區(qū)火山巖的w(MgO)、w(Fe2O3)、w(P2O5)、w(Al2O3)、w(TiO2)值與w(SiO2)值呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而w(Na2O)、w(K2O)、w(CaO)值與w(SiO2)值無明顯的規(guī)律，說明樣品來自單一巖漿，但在巖漿分異結(jié)晶過程中，分離相礦物組合發(fā)生了變化。

3.3 微量元素特征

研究區(qū)青山群火山巖微量元素分析結(jié)果見表2。微量元素蛛網(wǎng)圖如圖6所示。

后夼組樣品的大離子親石元素Rb、La、Nd和高場強(qiáng)元素Th、Hf、Zr表現(xiàn)為正異常，相對富集，而Nb、Ta、Ti、P則表現(xiàn)為負(fù)異常，相對虧損；八畝地組樣品Ba、La、Nd等大離子親石元素和高場強(qiáng)元素Hf為正異常，表現(xiàn)為富集，高場強(qiáng)元素Nb、Ta、P、Ti等為負(fù)異常，表現(xiàn)為虧損，Zr元素亦略顯負(fù)異常特征；石前莊組樣品的大離子親石元素La、Nd和高場強(qiáng)元素Th、Hf為正異常，相對富集，大離子親石元素Ba和高場強(qiáng)元素Nb、P、Ti為負(fù)異常，相對虧損；方戈莊組樣品富集大離子親石元素Ba、La、Nd，虧損高場強(qiáng)元素Nb、P、Ti。上述4組火山巖樣品的微量元素蛛網(wǎng)圖曲線趨勢基本一致，大離子親石元素La、Nd均表現(xiàn)出較明顯的正異常，高場強(qiáng)元素Nb、P、Ti則表現(xiàn)出較明顯的負(fù)異常。后夼組和石前莊組相對于另外兩組表現(xiàn)出富Hf、虧Ba的性質(zhì)，石前莊組P和Sr的虧損程度要明顯高于其它3組。

有研究表明，Nb元素負(fù)異常是大陸地殼的特征，通常指示地殼物質(zhì)參與了巖漿過程，Nb、Ti表現(xiàn)為負(fù)異常往往是與俯沖作用有關(guān)。研究區(qū)內(nèi)火山巖均表現(xiàn)出虧損高場強(qiáng)元素Nb、Ta、P、Ti特征，可以推斷區(qū)內(nèi)青山群火山巖巖漿來自于下地殼。

綜上，在微量元素特征方面，后夼組和石前莊組具有較高的相似性，八畝地組和方戈莊組則具有一定的相似性，但4組樣品元素差異性較小，大部分樣品w(Zr)/w(Hf)值為10～35，個別樣品w(Zr)/w(Hf)值較高，說明這4組火山巖應(yīng)該屬于同源巖漿噴發(fā)；微量元素蛛網(wǎng)圖曲線均表現(xiàn)出右傾趨勢，可以判斷出這些火山巖巖漿來源于地殼，某些元素的差異性反映出巖漿在噴發(fā)過程中經(jīng)歷了高度的演化。

圖5 研究區(qū)青山群火山巖Hark圖解Fig.5 Hark diagram in the study area

3.4 稀土元素特征

研究區(qū)青山群火山巖的稀土元素分析結(jié)果及特征值，見表3。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式曲線，如圖7所示。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，大部分火山巖稀土總量w(ΣREE)值介于106.55×10-6～182.99×10-6之間，石前莊組火山巖w(ΣREE)值較其它3組偏低?；鹕綆r輕稀土含量w(LREE)值為97.71×10-6～176.44×10-6，重稀土含量w(HREE)值為6.19×10-6～34.01×10-6；w(LREE)/w(HREE)=4.10～26.94，平均17.36，說明輕重稀土分餾較明顯。

從稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式曲線圖(圖7)中不難看出，各組樣品配分曲線均呈明顯的右傾趨勢；w(La)N/w(Yb)N=8.94～34.19，平均17.54，說明輕重稀土分餾明顯，輕稀土相對富集，重稀土相對虧損；w(La)N/w(Sm)N=2.20～7.57，平均5.74，w(Gd)N/w(Yb)N=0.85～2.13，平均1.31，說明輕稀土元素內(nèi)部分餾程度高于重稀土元素。以上可以推斷出研究區(qū)青山群火山巖巖漿有可能來源于下地殼。

從圖7可見，樣品銪異常不明顯，結(jié)合分析數(shù)據(jù)及相關(guān)計算參數(shù)，大部分樣品δEu值介于1.05～1.27，表現(xiàn)出弱的正銪異常，其余樣品則表現(xiàn)為弱負(fù)銪異常。巖漿巖δEu能夠很好地反映巖漿的分異程度，斜長石對Eu的分配系數(shù)明顯大于其它稀土元素，各類巖漿巖中Eu異常的發(fā)生常與斜長石的結(jié)晶有重要關(guān)系。青山群火山巖中δEu表明，樣品中斜長石含量較高，與主量元素分析結(jié)果中火山巖系列為中酸性的結(jié)論相符。相比而言，后夼組樣品銪異常較其它三組明顯，說明巖漿在早期已經(jīng)發(fā)生了分離結(jié)晶作用，后期巖漿分異結(jié)晶作用不明顯。

w(La)/w(Sm)—w(La)圖解(圖8)顯示，樣品點(diǎn)總體呈現(xiàn)出斜線的趨勢，說明其巖漿演化以部分熔融為主。

圖7 巖石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式曲線(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)來自Boynton,1984)Fig.7 Chodrite-normalized partition pattern curve

圖8 w(La)/w(Sm)—w(La)判別圖解(底圖據(jù)Allegre和Minster, 1978)Fig.8 w(La)/w(Sm)-w(La) discrimination diagram

4 同位素年代學(xué)特征

本次為查明研究區(qū)火山巖年齡特征，選取代表性樣品2件(18U-Pb01, 2019U-Pb01)，對其成巖年齡進(jìn)行測試分析。樣品鋯石U-Pb測年數(shù)據(jù)及結(jié)果如表4所述；樣品鋯石U-Pb諧和曲線及加權(quán)平均年齡直方圖，如圖9、圖10所示。

樣品18U-Pb01。巖性為流紋巖，采樣層位為青山群石前莊組。鋯石多呈淺黃色、淺粉色，自形-半自形四方雙錐柱狀、長柱狀，晶棱晶面干凈明亮，少部分晶棱晶面熔蝕，玻璃光澤，高硬度，粒徑一般50～100 μm。鋯石相對較破碎，陰極發(fā)光圖中僅個別鋯石環(huán)帶清楚，大部分鋯石震蕩環(huán)帶不明顯，U、Pb含量較高，w(Th)/w(U)=0.44～1.07，總體具有巖漿鋯石的特征。該樣品共測試25個分析點(diǎn)，從測試結(jié)果(表4)可以看出，巖體206Pb/238U年齡變化主要介于110 Ma—119 Ma之間，年齡比較集中，個別測試點(diǎn)年齡偏大，可能代表了捕獲或繼承鋯石的年齡，總體數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，最終分析所得諧和年齡為113.7 Ma±0.51 Ma(圖9a)，206Pb/238U加權(quán)平均值為113.7 Ma±1.3 Ma(圖9b)，二者年齡一致，確定其噴發(fā)為早白堊世晚期。

樣品2019U-Pb01。巖性為流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r，采樣層位為青山群后夼組，鋯石顆粒多呈短柱狀，長徑多為80～200 μm，CL圖像顯示鋯石震蕩環(huán)帶清晰，具有巖漿鋯石的典型特征。一般情況下，巖漿鋯石具有較高的U、Pb含量，w(Th)/w(U)比值(0.50～0.82)大于0.4，說明參與加權(quán)平均年齡計算的鋯石應(yīng)為巖漿鋯石，其年齡可以代表成巖年齡。樣品共測試25個分析點(diǎn)，測試結(jié)果見表4和圖10。巖體鋯石206Pb/238U年齡變化主要介于109 Ma～130 Ma之間，年齡比較集中，總體數(shù)據(jù)質(zhì)量較好；最終分析所得諧和年齡為119.57 Ma±0.44 Ma(圖10a)，206Pb/238U加權(quán)平均值為119.6 Ma±1.3 Ma(圖10b)，二者年齡一致，為早白堊世晚期。

表4 樣品鋯石U-Pb測年數(shù)據(jù)及結(jié)果Table 4 Zircon U-Pb dating data in the study area

續(xù)表4：

圖9 樣品18U-Pb01鋯石U-Pb諧和曲線(a)及加權(quán)平均年齡(b)Fig.9 Zircon U-Pb concordia and weighted average age of sample 18U-Pb01

圖10 樣品2019U-Pb01鋯石U-Pb諧和曲線(a)及加權(quán)平均年齡(b)Fig.10 Zircon U-Pb concordia and weighted average age of sample 2019U-Pb01

5 討論

膠萊盆地白堊紀(jì)火山巖具有噴發(fā)期次多、巖性變化大的特點(diǎn)，理清膠萊盆地白堊紀(jì)時期火山巖的噴發(fā)期次、主要成分、年代學(xué)及其主要的地球化學(xué)特征具有重要的理論意義[2]。調(diào)查區(qū)白堊紀(jì)時期，大致經(jīng)歷了白堊紀(jì)早期伸展作用導(dǎo)致的盆地裂陷形成了萊陽群的碎屑沉積，緊接著由于地幔底劈和巖石圈減薄形成了青山群的火山巖系。隨著剪切力加大，地表斷裂加深；部分熔融作用加劇，形成中酸性巖漿；隨著巖漿房中壓力增大，沿構(gòu)造有利部位噴出，形成青山期最早的火山噴發(fā)后夼旋回，經(jīng)過第一次噴發(fā)后，巖漿房內(nèi)部壓力降低，開始下移，地下巖漿重融作用加劇，巖漿由酸性逐漸向中基性過渡，隨著構(gòu)造作用進(jìn)一步演化，地下巖漿在壓力的作用下沿構(gòu)造大規(guī)模噴發(fā)，形成八畝地旋回；石前莊旋回巖漿房不斷上移，不斷融合拆沉地殼，巖漿由中基性逐漸變?yōu)樗嵝裕罱K沿地表構(gòu)造部位噴出，主要為噴出-溢流相，巖性以流紋巖為主，局部見少量潛火山巖-次火山巖。方戈莊旋回火山作用整體較弱，以中基性火山噴發(fā)為主，以溢流和爆發(fā)交替出現(xiàn)為主要火山活動方式。大陸邊緣火山巖以高鉀安山巖為主，多發(fā)育于陸殼較厚的冒地槽斷塊區(qū)，以山脈盆地出現(xiàn)，呈層火山與小火山錐產(chǎn)出，安山巖等距離不連續(xù)產(chǎn)出，與大量英安巖、流紋巖、熔結(jié)凝灰?guī)r共生，火山碎屑巖多，玄武巖少。調(diào)查區(qū)內(nèi)青山群火山巖巖石組合為安山巖、流紋巖、凝灰?guī)r及少量熔結(jié)角礫凝灰?guī)r等，巖石地球化學(xué)呈現(xiàn)出高硅、高鉀、富鋁、貧鐵鈦的特征，這些特征都與大陸邊緣區(qū)火山巖相似。青山群火山巖在里特曼-戈蒂里圖解(圖11)中，投點(diǎn)于消減帶火山巖區(qū)，個別樣品落在與消減帶有關(guān)的堿性火山巖區(qū)，表明區(qū)內(nèi)青山群火山活動的構(gòu)造環(huán)境是大陸邊緣區(qū)；從區(qū)內(nèi)火山巖的堿度指數(shù)(AR)來看，AR值<4.0，且主要集中在1.22～3.43之間，與一般島弧和活動大陸邊緣火山巖的堿度指數(shù)偏低、指數(shù)值的變化范圍較小的特點(diǎn)相吻合。

圖11 研究區(qū)里特曼-戈蒂里圖解(據(jù)A.Rittmann，1976)Fig.11 Ritterman-Goettieri diagram in the study area

6 結(jié)語

(1)膠萊盆地西南緣青山群火山巖是一套中酸性為主的火山巖，總體表現(xiàn)出高硅、高堿、富鋁、貧鐵鈦的特征。

(2)通過鋯石年齡樣品分析，確定了青山群火山巖成巖年齡為113 Ma—119 Ma。

(3)青山群火山巖屬同源巖漿噴發(fā)，其巖漿來源于下地殼，巖漿演化以部分熔融為主，分異結(jié)晶作用不明顯。

(4)青山群火山巖屬大陸邊緣區(qū)火山巖，其噴發(fā)活動與揚(yáng)子板塊俯沖密切相關(guān)。