福建浦城仙陽(yáng)地區(qū)中生代火山巖鋯石U-Pb年齡和地球化學(xué)特征

李常萌

(福建省閩北地質(zhì)大隊(duì)，邵武，354000)

閩浙交界處晚中生代火山活動(dòng)強(qiáng)烈，屬中國(guó)東南沿海火山巖帶的重要組成部分，仙陽(yáng)地區(qū)位于閩浙邊界，是東南沿海中生代火山巖帶研究較薄弱的地區(qū)。以1∶5萬(wàn)仙陽(yáng)、浦城縣幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目為依托，研究區(qū)內(nèi)火山巖巖石特征、U-Pb年代學(xué)及巖石地球化學(xué)特征，探討其巖漿來(lái)源及其火山活動(dòng)所處的大地構(gòu)造環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華南新元古代-古元古代造山帶內(nèi)，出露古元古代變質(zhì)雜巖[1]，奧陶、志留、三疊紀(jì)侵入巖和中生代火山巖，全區(qū)斷裂以北東向?yàn)橹?，北北東向次之。區(qū)內(nèi)火山巖屬于閩浙贛交界的仙霞嶺火山巖帶[2]，受區(qū)域構(gòu)造的影響，整體呈北東-北東東向展布，形成一系列斷續(xù)分布的火山洼地，在空間上呈串珠式排列(圖1)。

圖1 浦城仙陽(yáng)地區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological map of Xianyang area in Pucheng

區(qū)內(nèi)出露的火山巖為一套淺灰、灰白色流紋質(zhì)(含角礫)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、(球粒)流紋巖、(集塊)火山角礫巖、流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r夾沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)(含礫)砂巖等，火山活動(dòng)具中心式噴發(fā)特點(diǎn)，以爆發(fā)的碎屑流堆積相、空落堆積相、噴溢相為主，次為噴發(fā)-沉積相、潛火山相；根據(jù)巖性組合特征，屬南園組第二段，不整合覆于古元古代變質(zhì)巖及奧陶、志留、三疊紀(jì)花崗巖之上；在毛羊頭復(fù)合式火山噴發(fā)盆地，其上被早白堊世下渡組火山巖不整合覆蓋。

2 巖石學(xué)特征

區(qū)內(nèi)火山巖巖石類型主要分為熔巖、火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖、潛火山巖等。

2.1 熔巖

主要為流紋巖類，分布于忠信、毛洋頭火山噴發(fā)中心，巖石呈淺灰白色，紫灰色，巖石具斑狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育流紋構(gòu)造(照片1-a)。巖石斑晶成分為石英、堿性長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石，粒徑為0.25～1.5 mm，斑晶含量約占9%；基質(zhì)為長(zhǎng)英質(zhì)，多數(shù)為顯晶質(zhì)，少數(shù)為隱晶質(zhì)。按基質(zhì)結(jié)構(gòu)可分為流紋巖、球粒流紋巖、杏仁狀流紋巖等。

2.2 火山碎屑巖類

主要巖石有流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、(含角礫)晶屑(巖屑、玻屑)凝灰?guī)r、集塊火山角礫巖及火山集塊巖等。

流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r：巖石呈淺灰色、灰紫色，具熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，弱假流紋構(gòu)造，巖石由火山碎屑物漿屑(1%～10%)、晶屑(10%～50%)、塑性玻屑及火山灰組成。其中，晶屑成分有石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石，均為碎屑狀 (照片1-b)，玻屑呈蚯蚓狀、細(xì)紋狀、長(zhǎng)條狀等，漿屑呈撕裂狀、火焰狀、透鏡狀等，其定向方向與塑性玻屑一致，塑性玻屑和漿屑多已脫玻化，部分可見(jiàn)巖屑。其中碎屑流堆積相形成的熔結(jié)凝灰?guī)r，晶屑呈碎屑狀，塑性玻屑、漿屑塑性變形明顯，常見(jiàn)似流動(dòng)構(gòu)造繞晶屑、角礫流動(dòng)，是區(qū)內(nèi)最主要的巖石類型。

(含角礫)晶屑(巖屑、玻屑)凝灰?guī)r：廣泛出露于區(qū)內(nèi)南園組第二段中。具(含)晶屑(角礫、巖屑、玻屑)凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。由晶屑(10%～40%)、(塑性)巖屑、玻屑、火山灰等組成。玻屑形態(tài)奇特，呈雞骨狀、雞爪狀、蚯蚓狀等，多已脫?；?；巖屑含量為(1%～46%)，呈撕裂狀、火焰狀，成分較復(fù)雜，多為早期噴發(fā)的火山巖，部分巖屑粒度可達(dá)角礫級(jí)別。按照晶屑的成分可進(jìn)一步劃分為流紋質(zhì)(含角礫)晶屑(巖屑、玻屑)凝灰?guī)r、英安質(zhì)(含角礫)晶屑(巖屑、玻屑)凝灰?guī)r和集塊火山角礫巖及火山集塊巖(照片1-c)。

照片1 流紋巖(a)、流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r(b)和火山角礫巖(c)顯微鏡下特征Photo.1 Microscopic features of Torolite (a), rhymed crystalline debris fused tuff (b) and volcanic breccia (c)

2.3 火山碎屑沉積巖類

僅零星出露凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)(含礫)砂巖和沉凝灰?guī)r，分布于區(qū)內(nèi)各噴發(fā)中心和盆地邊緣。巖石主要為火山碎屑物，含少量的正常沉積物，常發(fā)育(微)層理構(gòu)造。

3 年代學(xué)研究

3.1 測(cè)試方法

此次研究在工作區(qū)內(nèi)3個(gè)火山噴發(fā)中心各采集了1件樣品進(jìn)行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測(cè)年。樣品編號(hào)為(XY-01-zr1，D3528-Zr1，PM022-2-Zr1)，由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中心測(cè)定，通過(guò)采用人工重砂方法分選鋯石、制靶、制作CL圖像，選擇環(huán)帶清晰無(wú)包裹體區(qū)域，儀器激光束版直徑32 μm選擇測(cè)年點(diǎn)。鋯石U-Pb定年分析采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)年齡物質(zhì)GJ-1作為監(jiān)控標(biāo)樣，以驗(yàn)證儀器狀態(tài)穩(wěn)定，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作外表進(jìn)行同位素分餾校正，每分析6-8個(gè)樣品分析2次91500。樣品同位素比值和元素含量采用ICPMSDataCal 9.0進(jìn)行處理分析，加權(quán)平均年齡計(jì)算和鋯石年齡諧和圖繪制采用Isoplot3.0 完成。

3.2 鋯石U-Pb同位素測(cè)年結(jié)果

樣品(XY-01-Zr1)采自忠信火山噴發(fā)中心船山地區(qū)南園組第二段上部流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r，鋯石呈短柱-長(zhǎng)柱狀，個(gè)別粒狀，長(zhǎng)寬比主要為1.2～2，其次為2.1～4，粒徑為6～350 μm；共測(cè)27顆鋯石，CL圖像見(jiàn)清晰窄細(xì)的振蕩環(huán)帶(圖2-a)，Th為82.66×10-6～725.01×10-6，U含量為71.71×10-6～1 262.43×10-6，Th/U比值為0.45～1.52，顯示屬于巖漿鋯石。各測(cè)點(diǎn)年齡較集中，諧和度較好，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(160.4±1.9)Ma(N=27，MSWD=0.96)(圖3-a)，可以代表該處流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r的形成年齡。

樣品(D3528-Zr1)采自仙陽(yáng)火山噴發(fā)中心仙陽(yáng)地區(qū)南園組二段下部流紋質(zhì)含角礫巖屑晶屑凝灰?guī)r，鋯石呈次棱角柱狀、個(gè)別長(zhǎng)柱狀，長(zhǎng)寬比主要為1.2～2.5，其次為2.6～4,個(gè)別為4.1～6。粒徑為5～400 μm；共測(cè)16顆鋯石，CL圖像見(jiàn)明顯振蕩環(huán)帶(圖2-b)，Th含量為86.20×10-6～300.79×10-6，U含量為106.29×10-6～325.22×10-6，Th/U比值為0.48～1.27，顯示屬于巖漿鋯石。各測(cè)點(diǎn)年齡全部位于諧和線上或附近，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(164.1±2.7) Ma(N=16,MSWD=1.30)(圖3-b)，代表該處流紋質(zhì)含角礫巖屑晶屑凝灰?guī)r的形成年齡。

樣品(PM022-2-Zr1)采自毛羊頭復(fù)式火山馬跡地區(qū)南園組二段中部流紋質(zhì)晶屑巖屑熔結(jié)凝灰?guī)r，鋯石呈短柱狀、次棱角柱狀，長(zhǎng)寬比主要為1.5～2.5，粒徑為5～200 μm；共測(cè)19顆鋯石，CL圖像見(jiàn)振蕩環(huán)帶(圖2-c)，Th為44.46×10-6～1 449.14×10-6，U含量為30.52×10-6～1122.77×10-6，Th/U比值為0.67～2.96，顯示屬于巖漿鋯石。各測(cè)點(diǎn)年齡均位于諧和線上或附近，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(153.6±2.4)Ma(N=19,MSWD=1.60)(圖3-c)，代表該處流紋質(zhì)晶屑巖屑熔結(jié)凝灰?guī)r的形成年齡。

圖2 仙陽(yáng)地區(qū)中生代火山巖鋯石樣品XY-01-zr1(a)、D3528-zr1(b)、PM022-2-zr1(c)陰極發(fā)光影像圖Fig.2 Image diagrams of the cathode illumination of XY-01-zrl (a), D3528-zrl (b), PM022-2-zrl (c) of Mesozoic volcanic zircon samples in Xianyang area

圖3 仙陽(yáng)區(qū)中生代火山巖XY-01-zr1(a)、D3528-zr1(b)、PM022-2-zr1(c)鋯石U-Pb同位素加權(quán)平均年齡值及諧和圖Fig.3 Weighted mean age and harmonic fig of zircon U-Pb isotope samples of XY-01-zr1(a)、D3528-zr1(b) and PM022-2-zr1(c)of the Mesozoic volcanic rock in Xianyang area

區(qū)內(nèi)3個(gè)樣品測(cè)試年齡同位素結(jié)果顯示，南園組火山碎屑巖的加權(quán)平均年齡為(153.6±2.4)～(164.1±2.7)Ma(表1)，前人研究的結(jié)果相一致[3-5]。

4 巖石地球化學(xué)

其采集區(qū)內(nèi)南園組有代表性的巖石化學(xué)樣品6件，以熔巖、火山碎屑巖類為主。樣品具有一定的代表性，樣品委托湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心測(cè)試，其巖石化學(xué)成分、CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物、各種參數(shù)、特征值(表2)。

表2 研究區(qū)南園組火山巖巖石主量(%)、微量、稀土元素參數(shù)(×10-6)及CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物成分

4.1 主量元素特征

區(qū)內(nèi)南園組火山巖巖石化學(xué)成分具單峰式特征，主量元素SiO2含量為71.96%～76.45%，含量比較平穩(wěn)，K2O+Na2O含量為5.65%～8.33%，K2O>Na2O，Al2O3含量為13.77%～16.36%，K2O含量隨SiO2含量增加而增加，總體上以高硅富鋁富鉀、低鈉貧鐵鎂為特征。在巖石分類TAS圖上(圖 4-a)，樣品投影點(diǎn)全部落入流紋巖類區(qū)。在火山巖硅-堿圖解上(圖 4-b)，樣品投影點(diǎn)全部落入鈣堿性系列內(nèi)及流紋巖類區(qū)。在O1′-Ne′-Q′圖解上樣品投影點(diǎn)全部落入亞堿性區(qū)；在FAM圖解上樣品投影點(diǎn)全部落在鈣-堿性系列，F(xiàn)、M 值相對(duì)較低，A值較高，反映出南園組火山巖貧鐵、鎂而富鉀(鈉)的特點(diǎn)。在An-Ab＇-Or圖解上，樣品投影點(diǎn)全部落在鉀質(zhì)流紋巖區(qū)；在火山巖K2O-SiO2變異圖上，樣品均屬于高鉀巖系，與巖石具富鉀特征相吻合。經(jīng) CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算，巖石均屬于SiO2過(guò)飽和，出現(xiàn) CIPW 標(biāo)準(zhǔn)礦物分子Q；巖石類型主要為鋁過(guò)飽和類型。巖石δ值為1.05～2.40，屬鈣堿性巖石類型。分異指數(shù)(DI)為84.83～90.71，說(shuō)明巖漿分異程度與分離結(jié)晶程度較高。研究表明南園組火山巖整體上屬流紋質(zhì)高鉀鈣堿性系列巖石。

圖4 仙陽(yáng)地區(qū)中生代火山巖TAS圖解(a)和硅-堿圖解(b)Fig.4 TAS diagram (a) and Silica-alkali diagram (b) of Mesozoic volcanic rocks in Xianyang area

續(xù)表2

4.2 微量元素特征

區(qū)內(nèi)南園組火山巖微量元素具有富鉍、鉿、鉛，而貧金、銅、鍶及鐵族元素、稀有元素的特征。其余多數(shù)元素接近于維氏值。其中鉍高于維氏值 1.8～116.5倍，鉿高于維氏值2.7～7.7倍，Pb高于維氏值 1.0～5.8倍。而金、銅、鍶及鐵族元素、稀有元素普遍低于維氏值 1～13 倍，Au 低于維氏值2.0～28.1倍，Cu 低于維氏值5.1～13.2倍，Sr低于維氏值2.0～28.1倍，其他元素與維氏值較為接近。

南園組火山巖中Ni/Co比值多數(shù)為0.82～7.48，介于上地殼3.5與上地幔9.3之間；Th/U比值為4.39～15.39，大于地幔Th/U比值1～2 ，處于地殼Th/U比值范圍內(nèi)。Rb/Ba比值為0.03～1.30，2件樣品接近原始地幔(0.09)，其他樣品更接近于上地殼(0.16)；Sr/Ba比值為0.03～8.19，5件樣品接近上地殼(0.50)； Rb/Nb比值為0.40～21.89，除D7640-HQ1外，均大于上地殼的平均值(4.5)；Rb/Y比值為 0.72～23.28，多數(shù)大于上地殼的值(3.25)；Nb/Y 比值為 0.70～1.83，亦大于上地殼的均值(0.79)。因此表明，測(cè)區(qū)南園組火山巖形成原始巖漿的熔融體可能來(lái)自下地殼及上地幔的部分熔融。在圖 7-a上能看出 Sr、P、Ti虧損，指示火山巖巖漿具有殼源或虧損幔源特征[6]。與盧清地[7]在87Sr/86Sr初始值與年齡關(guān)系圖中投影于下部殼源和殼?；煸?區(qū)，以殼源為主的結(jié)論吻合。

4.3 稀土元素特征

從稀土元素分析成果及特征值可以看出：∑REE平均值250.02×10-6；LREE平均值為236.47×10-6；HREE平均值13.55×10-6；輕、重稀土比值為7.76～24.70，LaN/YbN比值為10.49～44.45，CeN/YbN比值為1.11～3.29，多數(shù)比值大于5，反映出輕稀土相對(duì)重稀土強(qiáng)烈富集。Smn/Eun比值為 7.08～37.64，表明輕稀土分餾程度較強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖為左高右低的平緩傾斜的“V”型曲線(圖5-b)，曲線形態(tài)基本相似。δEu值為0.24～0.81，平均值0.56，Eu具弱-中等虧損，說(shuō)明區(qū)內(nèi)火山巖巖漿可能主要來(lái)源于地殼，僅有少量幔源物質(zhì)的加入。

圖5 仙陽(yáng)地區(qū)中生代火山巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(a)及球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(b)Fig.5 Standardized web map of primitive mantle(a )and standardized rare earth elements(b) of chondritesof Mesozoic volcanic rocks in Xianyang area(b)

5 討論

5.1 巖漿來(lái)源及成因探討

在地殼厚度與Rb-Sr濃度關(guān)系圖中(圖6-a)，區(qū)內(nèi)南園組火山巖成分點(diǎn)均分布在30 km左右，稀土元素含量更接近于地殼型。稀土配分模式圖的Eu負(fù)異常及輕稀土富集的特點(diǎn)顯示區(qū)內(nèi)火山巖巖漿具有殼源特征，區(qū)內(nèi)火山巖的A/CNK>1.1(上地殼部分熔融形成的巖漿A/CNK>1.1)顯示過(guò)鋁質(zhì)特征，說(shuō)明其成巖物質(zhì)主要來(lái)源于地殼，不排除有地幔物質(zhì)的加入。通過(guò)區(qū)內(nèi)火山巖Ni/Co、Th/U、Rb/Ba、Sr/Ba、Rb/Y等微量元素比值與原始地幔及地殼對(duì)比，上述微量元素比值介于上地殼和地幔值之間。因此表明，測(cè)區(qū)南園組火山巖形成原始巖漿的熔融體可能是來(lái)自下地殼及上地幔的部分熔融的結(jié)果，其與張萬(wàn)林等[8]研究結(jié)果吻合。

5.2 火山作用與構(gòu)造環(huán)境關(guān)系

5.2.1 火山巖形成的地質(zhì)背景分析

據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及火山構(gòu)造資料分析，區(qū)內(nèi)火山噴發(fā)中心在空間上呈北東東向串珠狀展布，顯示出火山活動(dòng)是受北東向基底斷裂控制，這可能與江山—紹興古陸對(duì)接帶復(fù)活活動(dòng)有關(guān)。同時(shí)，進(jìn)入中-晚侏羅世，由于古太平洋板塊相對(duì)歐亞大陸板塊迅速向北移動(dòng)，區(qū)內(nèi)逐漸進(jìn)入擠壓的大陸邊緣弧環(huán)境，經(jīng)歷擠壓造山-剪切拉張過(guò)程，使得東南沿海大陸形成北東向巨型剪切斷陷，由于太平洋板塊俯沖作用，導(dǎo)致俯沖帶地幔楔和地殼部分熔融，并沿北東向左行剪切的基底斷裂迅速上升,以中心式噴發(fā)為主強(qiáng)烈噴出地表,形成一套高鉀鈣堿性系列的流紋質(zhì)巖石組合。

5.2.2 火山巖形成的構(gòu)造環(huán)境判別

(1)在戈蒂尼-里特曼指數(shù)圖解中(圖6-b)，測(cè)區(qū)火山巖投影點(diǎn)均落入造山帶火山巖內(nèi)，且位于日本火山巖成分平均線兩側(cè)附近，表明與板塊俯沖有關(guān)。

圖6 仙陽(yáng)地區(qū)中生代火山巖Rb、Sr與大陸地殼厚度關(guān)系圖(a)及戈蒂尼-里特曼指數(shù)圖(b)Fig.6 Diagram of relationship of Rb and Sr and continental crust thickness (a) and Gotti-Ritman index (b)of Mesozoic volcanic rocks in Xianyang area

(2)在 Yb-Ta構(gòu)造環(huán)境判別解中，火山巖其化學(xué)成分點(diǎn)投在火山弧區(qū)域內(nèi)，顯示出接近于火山弧花崗巖特征，反映區(qū)內(nèi)火山巖形成于活動(dòng)陸緣弧的構(gòu)造環(huán)境。

(3)在Nb-Yb構(gòu)造環(huán)境判別解中，火山巖化學(xué)成分點(diǎn)投在同碰撞火山弧區(qū)域內(nèi)，為陸-陸碰撞造山活動(dòng)的產(chǎn)物。

6 結(jié)論

浦城仙陽(yáng)地區(qū)的南園組火山巖形成時(shí)代為(164.1±2.7)～(153.6±2.4)Ma，為晚侏羅世；原始巖漿的熔融體可能來(lái)自下部地殼，并混有少量來(lái)自地幔物質(zhì)，屬于殼-?；煸葱蛶r漿，其形成環(huán)境為活動(dòng)的大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。

本文資料主要引用1∶5萬(wàn)仙陽(yáng)、浦城縣幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的報(bào)告成果，系集體勞動(dòng)成果。同時(shí)在編寫過(guò)程中，得到中國(guó)地調(diào)局南京地調(diào)中心趙希林研究員的幫助和指導(dǎo)，在此深表謝意！