广东三水盆地华涌组火山岩分布特征及地球动力学意义

2013-10-10胡俊杰翟羽佳张云飞白小云

东华理工大学学报(自然科学版) 2013年2期

胡俊杰，李琦，翟羽佳，张维，张云飞，白小云

(中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083)

我国东南部分布有三水盆地、茂名盆地、河源盆地等拉张背景下形成的一系列中新生代沉积盆地，这些盆地的演化过程中大多经历过强烈的火山活动。朱炳泉等(2001)、肖龙等(2006)认为三水盆地岩浆岩的年龄多集中于60～45 Ma之间，恰好处在南海与华南陆缘开裂过程关键时段内。因此三水盆地岩浆岩的研究可为厘清南海演化的动力学背景等提供直接或间接的依据。

笔者在相关认识基础上，通过研究三水盆地关键钻井资料，结合野外踏勘和岩样测试分析，综合分析三水盆地华涌组火山岩的分布及演化特征，讨论其与南海演化过程中陆缘拉张背景的对应关系。

1 区域火山岩喷发背景

三水盆地属中新生代拉张型断陷盆地，受南海与华南陆缘开裂作用的拉张应力影响，自中晚白垩世开始，火山活动强烈。发生了以西樵山为例的中心式火山频繁喷发和受断层活动影响沿裂隙的溢流式火山活动，盆地内形成多期叠加的巨厚火山岩层。据前人研究统计，自早白垩世末期至古近纪，火山岩共有13期喷发(董月霞等，2006)，形成火山岩总厚度1 000 m以上，分布面积约320 km2。其中白垩系火山岩仅零星分布于盆地东部，现存地质记录主要以盆地中心分布的古近系火山岩为主。整体上，按岩石地层单位可将古近系火山岩划分为古新世莘庄村组、始新世怖心组、宝月组、华涌组四个主要的喷发时段。

56 Ma左右时我国华南陆缘火山作用发生急剧转化，岩石圈大规模伸展减薄与地幔上涌(朱炳泉等，2002)。三水盆地处于始新世的华涌组火山岩为该关键时期的重要地质记录，通过识别其喷发旋回期次、岩石学特征及时空展布，对进一步分析南海被动陆缘初期地质演化有重要意义(邱学林等，2003)。

2 华涌组火山岩岩石学特征

本次野外工作开展了西樵山、走马营、王借岗等关键地质剖面的踏勘工作，采集玄武岩、流纹岩、粗面岩、凝灰岩等典型火山岩样品。

火山岩标本镜下照片如图1所示，粗面岩类为斑状结构，斑晶为透长石(含量约10%)和霓辉石(1% ～2%)。基质具粗面结构，由透长石(65% ～75%)、石英(0～10%)、斜长石(0～50%)、钠铁闪石质普通角闪石(2% ～3%)、霓辉石(0～15%)、褐铁矿(l% ～3%)、火山玻璃(5% ～30%)和星点磁铁矿(1% ～5%)组成;玄武岩呈黑色-深灰色，斑状结构或无斑隐晶质结构。斑晶主要由斜长石(5% ～10%)和辉石(1%)组成，基质主要由斜长石(35% ～5%)和辉石(55% ～60%)组成。

通过对野外采集的典型火山岩标本进行地化测试分析(表1)，结果表明玄武岩类明显富集TiO2，MgO，CaO，FeO，P2O5，粗面岩类则较为富集Na2O，K2O，火山岩整体呈较高的碱性。图2显示，三水盆地火山岩呈粗面岩/流纹岩和玄武岩组成的两端元结构，构成双峰式火山岩组合特征，这一特征反映了火山岩形成时的大陆裂谷构造背景。

上述岩性差异导致在火山岩中代表性微量元素与SiO2的相关性也呈明显两端元(图3)，其具体主要表现为玄武岩对地幔元素Ni富集以及对高场强元素 Nb，Zr的相对亏损。除 Ba，Sr，P，Eu，Ti以外，玄武岩的其他微量元素丰度低于粗面岩类。因此可以确定华涌组玄武岩源区富集地幔。

图1 火山岩镜下结构及特征(单偏光)Fig.1 Microphotos showing characteristics of volcanics(plane-polarized light)

表1 三水盆地火山岩化学成分Table 1 Chemical position of volcanic rocks from Sanshui basin /%

图2 三水盆火山岩SiO2与主量元素的相关图解Fig.2 SiO2versus MgO，TiO2，Al2O3，CaO+Al2O3，K2O and K2O+Na2O plots for Sanshui volcanics

3 华涌组火山岩喷发的时空分布特征

本次研究在张显球(1984)、唐忠驭(1986)、肖龙等(2005)、侯明才(2010)基础上，通过野外踏勘和钻井资料分析，在三水盆地始新统华涌组岩性剖面(图4)内识别出了4个喷发亚旋回，并在平面图上划分出各旋回喷发分布范围。

盆地始新统华涌组地层由下至上分为西樵山段和金星岗段，区内钻遇火山岩厚880余米(侯明才等，2007)。火山岩性以流纹岩、流纹斑岩、凝灰岩、粗面岩及玄武岩等为主。通过对比主要井位岩性变化特征，分布在华涌组内火山岩可分为四个亚旋回，每个旋回均由酸性流纹岩或粗面岩喷发开始，以基性玄武岩喷发结束。

第一亚旋回在盆地内分布面积(图5)和层厚最大，北起宝月、南至西樵山纵贯盆地中部。在三水农场、黎边山、大同墟等地表有分布。该亚旋回以酸性流纹岩的喷发为开始，中间夹杂流纹斑岩和凝灰岩的多期次岩性变化，最后以基性的玄武岩喷发为结束。该期酸性岩喷发最为强烈，水30井共钻遇4层、49 m厚流纹岩，10层、128 m厚流纹斑岩及火山碎屑岩。

第二亚旋回大致位于盆地中部偏西位置，形成南北两大喷发中心。北部区域以黎边山-走马营至小塘为界;南部区域以王借岗-紫洞-西樵山一线为中心。

除了钻井资料揭示的地层信息外，通过野外踏勘在北部狮岭、黎边山、紫竹岗、走马营等地区发现大规模粗面岩、流纹斑岩、英安岩及其它凝灰岩类，在黎边山有大型采石场;在南部西樵山火山堆周边可见大面积粗面岩和集块岩出露。该期火山岩喷发以酸性粗面岩开始，基性玄武岩结束，岩性以粗面岩为主。水深8井钻遇该亚旋回共4层、52 m厚粗面岩。与第一亚旋回相比，该期火山岩分布范围缩小，岩层厚度减小、喷发中心更为集中。

图3 三水盆地SiO2与主要微量元素Nb，Zr，Sr，Ni的相关性图解Fig.3 SiO2versus Nb，Zr，Sr and Ni plots for volcanic rocks in Sanshui basin

图4 三水盆地华涌组火山岩旋回划分Fig.4 Eruptive cycle of volcanic rock of Huayong group，Sanshui basin

第三亚旋回主要分布在盆地北部狮岭-走马营-大涡塘一带，分布范围明显缩小。该期火山岩以较酸性的粗面岩喷发开始，以基性的玄武岩喷发为结束，亚旋回内主要岩性有粗面岩、粗面质凝灰岩、火山角砾岩、玄武岩。水深2井钻遇该期火山岩层，可见3期、64 m粗面岩层。该期火山岩喷发无论从范围广度还是喷发产出物分析，相比第二亚旋回都有明显的衰减，酸性岩类以粗面岩为主，基本未见流纹岩类。

第四亚旋回主要分布在盆地中部偏南的金星岗-紫洞-王借岗一带，为孤立小面积出露的基性玄武岩，厚度约为12.5 m。本次野外踏勘在紫洞、王借岗发现该期玄武岩剖面，剖面多发育玄武岩柱状节理，表明后期岩浆相对安静溢流式喷发的特征。

4 华涌期火山活动规律

通过野外踏勘发现，华涌期火山岩的喷发方式主要有中心式、裂隙式两种。

三水盆地内共识别出早古近纪以来古火山口10个以上(唐忠驭，1984)，现今西樵山景区为华涌期中心式火山喷发形成的古火山口，主要由第一、二旋回产出的火山岩构成，主峰高300 m，是华涌组早期频繁、激烈火山活动的物质记录。

图5 三水盆地华涌组火山岩各期次喷发范围分布图(据董月霞等，2006修改)Fig.5 Eruptive cycles distributions of volcanic rock of Huayong group，Sanshui basin

紫洞(位置见图5)-王借岗一带地表出露第四旋回期形成的玄武岩柱状节理剖面。剖面明显呈多期次玄武岩脉叠加，向多方向弯曲倾斜，节理柱形状规则未显示后期构造运动的变形遗迹，推测为裂隙式溢流火山岩在缓慢冷却过程中受地形、速度等因素影响形成的自组织形式(图6)。

与喷发方式相对应，本区火山岩喷发相以爆发相、溢流相和侵出相为主(董月霞等，2006)。爆发相为各种熔岩，如凝灰岩、晶屑凝灰岩、火山凝灰角砾岩等火山碎屑岩，西樵山火山锥周边可见火山集块岩。溢流相主要为流纹岩、粗面岩、玄武岩等。侵出相主要以狮岭露出的流纹斑岩为主。

综上所述，三水盆地始新世华涌组山岩岩性、厚度、喷发方式和喷发范围均发生变化。从各亚旋回整体特征和变化趋势可以看出，华涌组火山活动是在南海开裂拉张力背景下岩石圈减薄、大陆裂谷导致的地幔物质上涌。其火山喷发在华涌期经历了喷发峰值——早期第一、二亚旋回频繁广泛的中心式强烈喷发，之后南海开裂作用逐渐变缓，火山活动逐渐由强减弱后期以安静的裂隙式溢流喷发为主。

5 华涌期火山岩地球动力学背景

三水盆地不同时期火山岩空间展布范围与盆地沉积中心的迁移，在时空方面存在一致性(董月霞等，2006)。通过对过盆地南北、东西两条联井剖面分析，可以探讨火山活动的主要动力学背景。

5.1 岩石圈伸展背景下的地幔上涌

在华涌组内，各亚旋回火山岩的分布范围始终呈近南北向延伸，与南海相对华南陆缘的开裂演化应力方向一致，指示了盆地受东西向拉张力作用的构造背景。

通过南北剖面(图7a)可以看出盆地喷发中心井段下部岩性以流纹岩和粗面岩为主，上部以幔源玄武岩为主。这是由于在岩石圈伸展过程中，浅部的粗面岩-流纹岩在裂谷初期首先喷发。随着深大断裂的发展，深部玄武岩和少量粗面岩后期喷发，指示了拉张背景下裂谷发育的过程。

图6 紫洞玄武岩柱状节理剖面(箭头指示各期溢流方向)Fig.6 Basalt columnar jointing in Zidong，Sanshui basin

图7 三水盆地华涌组联井剖面图Fig.7 The league well profile of Huayong group in Sanshui basin

5.2 区域性NW向断裂的影响

从南海北部陆缘一直延伸直南海海盆中部，展布着一系列沿NW方向张性断裂带以及地堑地貌(阎贫等，2005，2007)。这些NW向断裂，是由中生代末至新生代早期发生的岩石圈拆沉和分层变形作用形成的(方念乔等，2007)。华南陆缘的新生代沉积盆地，大都在该NW向断裂系统的控制和影响下形成。

在盆地南北联井剖面上(图7a)可以看出，相比处于盆地中心位置的水8井而言，水深2—水深30两口近NW向展布深井明显具有更多期次火山活动形成的巨厚的火山产物;同时，在盆地东西联井剖面(图7b)上，位于盆地偏西部的水66井、水深8井火山活动频繁，具有多期次火山岩产出，各期火山岩厚度较大。而位于偏东部的南深2井、水深11井火山岩产出物明显减少，火山岩在井段中比例大幅减少。比较偏西部井位，南深2井、水深11井同期火山岩之间沉积物增多。结合前人资料(董月霞等，2006)认为这是盆地NW向三州-西樵山断裂带持续活动影响下，盆地东西两侧地层扩张速率不同，导致盆地东侧地层快速向海扩张引起的火山岩分散堆积。