嵩山地区熊耳群火山岩岩石学、地球化学及成因探讨

谢良鲜，司荣军，王世炎，马瑞申

（1.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000；2.河南省地质调查院，郑州 450000）

0 引言

豫西、豫北地区均发育有中元古界熊耳群火山岩系，但地层发育齐全、火山活动活跃的河南省嵩山地区却一直未划分出熊耳群地层。2012年，随着中国地质调查局“河南省1∶50 000大口集等4幅数字区调项目”的开展，在嵩山地区伊川县九洼村新厘定出熊耳群火山岩。本文将对该区熊耳群火山岩的分布特征、岩石学特征以及常量、稀土、微量元素等地球化学特征进行分析，探讨其成因背景，剖析其形成的构造环境，为揭示华北地台南缘熊耳期的构造环境提供新的证据。

1 区域地质概况

嵩山地区位于河南省中部，处于华北陆块南缘，地质演化历史悠久。区域太古宇、元古宇、古生界、中生界、新生界发育齐全，剖面完整。基底由太古宇中深变质岩系和古元古界变质碎屑岩－碳酸盐岩组成，盖层由中元古界碎屑岩、寒武系—奥陶系碳酸盐岩、石炭系—三叠系碎屑岩－碳酸盐岩以及新生界等地层组成，是研究华北陆块南缘前寒武纪地壳组成及其演化的重要窗口。张伯声（1951）、张尔道（1954）、王曰伦（1960）、马杏垣（1958，1982）、张国伟（1981）、Kroner（1988）曾对嵩山地质尤其是前寒武系地质进行过考察和研究。

嵩山地区岩浆活动主要有2期，即太古宙的侵入活动和古元古代的侵入活动，分别受嵩阳运动和中岳运动的控制，该区岩浆岩属嵩阳期和王屋山期。嵩阳期岩浆活动一般规模较小，岩体零星分布，多呈岩脉产出；王屋山期岩浆活动规模较大，主要呈岩脉产出。王泽九（1987）、游振东（1986）、张国伟（1987）等对太古代岩浆活动进行过不少研究，而对于太古代以后的岩浆活动研究较少。

2 熊耳群概况

图1 熊耳群区域分布示意图［6］Fig.1 The regional distribution sketch of Xiong′er Group

熊耳期的古火山喷发，构成了华北克拉通南缘（豫西地区）盖层的第一层序——熊耳群。熊耳群横跨豫、晋、陕3省，出露面积约6 897km2，厚度1 000～6 000m，最厚可达8 000m。南以黑沟—栾川断裂为界与秦岭造山带毗邻，北至山西太原吕梁地区，西至陕西宝鸡千阳（图1）。

熊耳群的形成时代为中元古代长城纪（（1 840±14）Ma［1］），以火山熔岩为主，沉积夹层和火山碎屑岩的平均厚度占地层总厚度的5%。熔岩以玄武安山质、安山质岩石为主，其次为英安－流纹质岩石。喷发环境主体为陆相，晚期部分地区为海相。喷发形式早期以裂隙式喷发为主；中期以中心式喷发为主，伴有裂隙式喷发；后期主要为中心式喷发。

熊耳群自下而上可分为大古石组、许山组、鸡蛋坪组、马家河组。大古石组为河湖相含砾砂岩、泥岩；许山组以玄武安山质、安山质熔岩为主，其次为安山质、英安－流纹质及少量玄武质熔岩；鸡蛋坪组以英安－流纹质熔岩为主，夹有玄武安山质、安山质熔岩，横向厚度变化大；马家河组为玄武安山质、安山质熔岩，有较多正常沉积岩和火山碎屑岩的夹层［2］。

熊耳群火山岩形成后的地质作用呈现出不均一性和过渡性。据岩石组构和矿物组合，大致可分为3类：①完好保留火山岩组构但具有不同程度蚀变的火山岩；②火山岩的组构和变质组构都不甚明显的变火山岩；③火山岩组构完全被变质组构取代的区域变质岩。

研究表明，熊耳群火山岩以钾玄岩系列为主，次为高钾钙岩系列，熊耳群火山岩的主体为钾质、硅质饱和、弱碱质的橄榄玄粗岩系。

3 嵩山地区熊耳群的地质特征

3.1 熊耳群的分布特征

嵩山地区熊耳群火山岩呈带状分布，近EW走向，出露面积不大（图2）。在九洼村北，熊耳群岩层之上为蓟县系五佛山群马鞍山组（Jxm）砂岩和砾岩，下伏登封群金家门组（Ar3j）和新太古代海神庙岩体（Ar3ηγ）。熊耳群火山岩的横向厚度变化不大，西端尖灭于蓟县系马鞍山组砂岩和登封群金家门组变粒岩之间；东端被一断层切断，而断层以东未见熊耳群出露，直接被马鞍山组和兵马沟组的砂岩覆盖。马鞍山组下部有底砾岩，表明马鞍山组是在熊耳期火山作用之后的沉积地层。

3.2 熊耳群岩石学特征

图2 嵩山地区熊耳群分布图Fig.2 The distribution map of Xiong′er Group in Songshan area

图3 嵩山地区熊耳群火山岩的野外照片及显微照片Fig.3 Field photo and microscopic photo of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

从图3可见，熊耳群火山岩主要呈暗红色－深红色，裂隙面附近为紫红色，呈斑杂状、斑状结构，块状、杏仁状构造，主要矿物为石英、长石，少量暗色矿物。斑晶含量15%～20%，主要为斜长石、石英、暗色矿物，以及少量正长石，粒径一般为0.35～3.50 mm，不等粒，分布杂乱；斜长石多呈他形－半自形板状或不具晶形的碎块状，大小不一，具强烈绢云母化、黏土化、轻微铁染等蚀变；正长石呈他形－半自形板状，具强烈黏土化、轻微铁染等蚀变；石英多被熔蚀成浑圆粒状、不规则状，散乱分布，呈聚斑结构。基质呈红色，细晶、微晶结构，矿物成分主要有显微文象结构的长英质及显微球粒状的长英质，极少量的微粒状石英、长石、金属矿物等。长石、石英大多连生形成显微文象结构，聚集为放射状球粒，分布较为广泛；部分长石、石英围绕斑晶交生形成显微球粒结构。见有少许长石、石英、金属矿物呈微粒状分布于显微球粒间隙。长石具较强的黏土化、绢云母化、铁染。

4 嵩山地区熊耳群火山岩地球化学特征

4.1 主量元素地球化学特征

嵩山地区熊耳群火山岩的主量元素分析结果（表1）表明，岩石w（SiO2）＝71.38%～74.56%，平均73.16%，属于酸性火山岩类。在图4中，样品数据均落于流纹岩范围内，说明该区熊耳群火山岩为流纹岩。其他地区熊耳群的分组情况，鸡蛋坪组以英安－流纹质熔岩为主，夹有玄武安山质、安山质熔岩［2］，因而本区熊耳群火山岩应划分为熊耳群鸡蛋坪组。岩石样品均投点于Irvine分界线的下方，说明本区熊耳群火山岩均属于亚碱性系列。

图4 嵩山地区熊耳群火山岩SiO2—（Na2O＋K2O）图解Fig.4 SiO2－（Na2O＋K2O）diagram of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

表1 嵩山地区熊耳群火山岩主量元素分析结果Table 1 Analysis of the major elements of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

岩石Al2O3含量较高。w（Al2O3）＝11.22%～13.03%，平均11.94%；过铝指数 A／CNK＝1.62～2.56，平均1.89，＞1；A／NK＝1.72～2.75，平均2.02。A／CNK—A／NK图解（图5）显示，岩石样品均投点于过铝质区域，可知本区熊耳群火山岩属于弱过铝质岩石。

图5 嵩山地区熊耳群火山岩A／CNK－A／NK图解Fig.5 A／CNK－A／NK diagram of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

岩石高K2O而低Na2O。w（K2O）＝4.53%～6.27%，平均5.67%；w（Na2O）＝0.19%～0.92%，平均0.39%；里特曼指数σ＝0.71～1.59，＜3.3，属钙碱性岩；碱度率AR＝2.10～3.58，过碱指数PI＝0.36～0.58，全碱 ALK＝4.74%～6.72%，平均5.86%，表明岩石碱质较高；K2O／Na2O＞1（6.33～33.21），平均20.20。说明在地壳部分熔融的过程中受控于源区较高的钾含量（Gunnarsson等，1998；Thy等，1990），或是较低的分熔程度；w（SiO2）—w（K2O）图解（图6）显示，岩样大部分均投点于钾玄岩系列范围内，只有1个岩样投于高钾钙碱性系列范围内，说明本区熊耳群火山岩为高钾钙碱性系列－钾玄岩系列，指示熊耳群火山岩的橄榄玄粗岩系与高钾钙碱性系列在成因上具有密切的联系。岩石中铁、镁、钙的含量均低，但氧化指数W（W＝Fe2O3／（Fe2O3＋FeO））较高，为0.70～0.89，这与岩石产于喷出环境并具有较高氧逸度的地质事实相符。岩石中TiO2含量低（w（TiO2）＝0.61%～0.64%，平均0.63%）；Ti在岩浆岩中容易形成独立的矿物相，主要为钛铁氧化物类，测区内熊耳群火山岩中Ti的强烈亏损，反映其源岩岩浆曾经经历过较强的结晶分异过程，从而导致钛铁氧化物的分离结晶。

图6 嵩山地区熊耳群火山岩SiO2－K2O图解Fig.6 SiO2－K2O diagram of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

表2 嵩山地区熊耳群火山岩稀土元素分析结果Table 2 Analysis of REE in volcanics of Xiong′er Group in Songshan area

4.2 稀土元素地球化学特征

如表2所列，岩石中稀土元素总含量较高，差别不大，w（REE）＝309.26×10－6～406.28×10－6，平均为355.77×10－6。岩石的LREE较高（277.15×10－6～372.37×10－6，平 均322.96×10－6）；而HREE较低（30.73×10－6～35.00×10－6，平均为32.8×10－6）。 岩 石 中 LREE／HREE＝8.22～11.86，平均为9.88；δ（Eu）＝0.48～0.55（＜1），平均值为0.50，为Eu强烈亏损；δ（Ce）＝0.75～1.04，平均0.95，为Ce微弱负异常。（La／Yb）N＝9.08～20.45，平均12.62，（Sm／Nd）N＝0.51～0.53，平均0.52；（La／Sm）N＝4.04～9.48，平 均5.27；（Gd／Yb）N＝1.43～1.98，平均1.70。

图7 九洼村熊耳群火山岩稀土元素球粒陨石标准化图解（球粒陨石标准值据Sun和McDonough，1989）Fig.7 Chondrite－normalized REE patterns of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

由稀土元素球粒陨石标准化图解（图7）可知，其呈现较为经典的“海鸥”式图样，总体呈负斜率向右倾，岩石轻稀土富集，重稀土亏损，且轻重稀土分馏较为明显（（La／Yb）N＝9.08～20.45），其中轻稀土分异较为明显（（La／Sm）N＝4.04～9.48），重稀土趋于平坦（（Gd／Yb）N＝1.43～1.98）），图中5个样品均在 Eu处形成波谷，Eu异常值均＜1，为Eu负异常。

综上所述，测区内熊耳群火山岩稀土元素总含量较高，轻重稀土分馏较为明显，LREE富集，HREE亏损，这一特点可能与源区石榴石的残留有关；同时，测区内岩石样品具明显的Eu负异常（δ（Ce）＝0.75～1.04，平均值为0.95）和微弱的Ce负异常（δ（Ce）＝0.75～1.04，平均值为0.95），以及P，Ti的强烈亏损，反映岩石很可能经历了斜长石、磷灰石、钛铁矿的结晶分离作用。

4.3 微量元素地球化学特征

岩石中大离子亲石元素（LILE）Ba，Sr，Rb，U的迁移性能可以反映岩浆作用的特点，其高场强元素（HFSE）Zr，Nb，Th，Hf，Ta的含量特点可以反映岩浆的来源。

由表3可知，岩石的大离子亲石元素Ba，Sr，Rb，U 的丰度分别为66.49×10－6～1 264.00×10－6，15.40×10－6～26.67×10－6，60.71×10－6～211.30×10－6，2.24×10－6～3.02×10－6；其平均丰度分别为772.90×10－6，22.25×10－6，171.32×10－6，2.66×10－6。而高场强元素Zr，Nb，Th，Hf，Ta的丰度分别为441.10×10－6～663.30×10－6，19.43×10－6～21.33×10－6，10.71×10－6～13.76×10－6，12.04×10－6～16.53×10－6，1.38×10－6～1.49×10－6，其平均丰度分别为525.12×10－6，20.40×10－6，12.24×10－6，13.91×10－6，1.42×10－6。本区熊耳群火山岩以富大离子亲石元素Ba而贫Sr，Rb，U，富高场强元素Zr而贫 Nb，Th，Hf，Ta为特征。且Rb的质量分数变化较大，说明岩石受大陆物质污染较严重。Rb／Sr＝2.61～12.53，平均8.06，说明测区内岩石的分异演化程度中等。

表3 九洼村熊耳群火山岩微量元素分析结果Table 3 Analysis of the trace elements in volcanics of Xiong′er Group in Songshan area

图8 九洼村熊耳群火山岩微量元素原始地幔标准化图解（原始地幔标准值据Sun和McDonough，1989）Fig.8 Primitive mantle－normalized distribution patterns of trace elements of volcanics in Xiong′er Group in Songshan area

由图8可见，嵩山地区熊耳群火山岩表现出Pb正异常和强烈的Sr负异常；Ba有2个样品表现出明显的负异常，另3个样品异常不明显；Ta，Nb表现出负异常；Th，U，Zr，Hf基本上无异常。一般认为，Ta，Nb表现出明显亏损，是发育在俯冲带及碰撞带岩浆房的普遍特征。其中，俯冲带Ta，Nb的亏损被认为是俯冲洋壳脱水时金红石稳定在残留洋壳所致。Ta，Nb对角闪石的亲和性很好，因此，碰撞带酸性岩中Ta，Nb的亏损很可能反映岩浆熔融源区有角闪石的残留［3］。同时，岩石中Ta，Nb亏损表明它们受到地壳物质的混染［4］。

4.4 岩石成因及构造环境分析

根据主量元素、微量、稀土元素特征可知，嵩山地区熊耳群火山岩以高硅（w（SiO2）＝71.38%～74.56%）、富 碱 （w （Na2O＋ K2O）＝4.74% ～6.72%）、贫钙镁、具负铕异常（δ（Eu）＝0.48～0.55），低Sr和高 Rb／Sr比值、高 Ga，Zr，Nb，Ce，Y等元素为特征，表现出A型岩石的地球化学特征。从图9可见，嵩山地区的岩石样品均投点于A型花岗岩的区域内，表明本区熊耳群火山岩属于A型岩浆作用的产物。

一般情况下，A型花岗岩主要以碱性、贫水和非造山为特征。但也有研究表明，A型花岗岩并不一定指示非造山带或裂谷环境，也可以在各个地质时期、不同构造背景中产出；它的形成总是与张性环境相联系［5－6］；在成分上不仅包括碱性花岗岩，也包括准铝质甚至过铝质花岗岩［6］；在岩石学上包括石英正长岩、亚碱性－碱性花岗岩、流纹岩和钠闪碱流岩等［6］。A型花岗岩一般产于伸展减薄塌陷的构造环境［7］。

华北地台南缘究竟是裂谷体系还是活动大陆边缘？这个问题众说纷纭。其原因在于熊耳群火山岩系形成的大地构造环境还未有定论；目前对于熊耳群火山岩系形成的地质构造环境的认识主要有：一种观点认为其形成于裂谷环境［8］，甚至代表大陆裂解过程；另一种观点认为其形成于安第斯型大陆边缘［9－10］。结合前人对熊耳群的测年资料（表5）可知，熊耳群火山岩的作用时限很短，不支持其形成于作用时限相对较长的大陆边缘岩浆弧，而可能形成于快速拉张的裂谷环境［11］。且熊耳群主要分布于华北地台南缘，其基底为太古宙变质岩系，熊耳群火山岩的化学成分以富钾为特征，水平方向厚度变化不大，产状平缓，变质程度轻微，说明其形成于拉张环境之下，无强烈构造挤压的特征。从图10可知，测区内熊耳群火山岩样品均落入WPG区域内，属于板内构造环境。根据岩石具有A型花岗岩的特征及本区熊耳群火山岩出露特征（水平厚度变化不大，产状较为平稳，基本上未变质等），说明其形成于拉张环境。

表4 火山岩几种微量元素比值Table 4 Ratios of some trace elements in volcanics

图9 区分不同类型花岗岩的岩石地球化学图解（底图据Whalen等，1987）Fig.9 Discriminant plot of various granite rocks

表5 熊耳群火山岩同位素地质研究成果Table 5 Study results of isotope geology of volcanics in Xiong′er Group

图10 嵩山地区熊耳群火山岩构造环境Ta—Yb，Nb—Y图解（据Pearce等，1984）Fig.10 Ta－Yb，Nb－Y disgrams of geotectonic environment of volcanic rock in Xiong′er Group in Songshan area

综上，本区熊耳群火山岩形成于板内拉张环境，说明嵩山地区在熊耳期应处于岩石圈伸展减薄的时期，并且为中元古代华北地台南缘是裂谷环境提供新的证据。证明中元古代早期华北地台南缘曾处于拉张下陷——大陆裂谷构造发展阶段，并不具备大陆和大洋板块过渡带的安第斯型活动大陆边缘构造特征。

5 结论

（1）嵩山地区熊耳群火山岩系应属中元古代，其上覆地层为中元古界五佛山群马鞍山组，下伏新太古代海神庙岩体。

（2）嵩山地区熊耳群火山岩属于弱过铝质流纹岩，地层层序与熊耳群鸡蛋坪组相当；火山岩为亚碱性系列之高钾钙碱性系列－钾玄岩系列；其以高硅、高钾、过铝、贫钠、贫钙镁、贫钛为特征。

（3）嵩山地区熊耳群火山岩稀土含量较高，轻稀土富集，重稀土亏损，轻重稀土分馏较为明显，Eu呈明显亏损，Ce为微弱负异常；岩石富大离子亲石元素Ba而贫Sr，Rb，U等，富高场强元素Zr而贫Nb，Th，Hf，Ta等；具A型岩石特征，属于A型岩浆作用产物。

（4）嵩山地区熊耳群火山岩具有相似的主量、微量元素地球化学特征，反映其可能来自同一源区。微量元素组成、不相容元素比值均显示火山岩源区含有一定比例的大陆地壳物质成分。但由于他们具有相对一致的元素地球化学性质和变化较小的La／Sm比值，表明地壳混染作用在岩浆演化过程中的影响较弱。

（5）嵩山地区熊耳群火山岩形成于板内拉张环境，说明嵩山地区在熊耳期间处于岩石圈伸展减薄的阶段，并且为中元古代华北地台南缘为裂谷体系提供新的证据。

（6）通过嵩山地区熊耳群火山岩的区域对比，并梳理熊耳群的地质年代学特征，可为熊耳群的组段划分提供新的证据，对完善嵩山地区地层演化序列和研究豫西地质构造发展史具有重要意义。

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