湖北省麻阳寨地区晚奥陶—早志留世龙马溪组斑脱岩地球化学特征及其地质意义

罗 华, 潘龙克, 何仁亮

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

湖北省麻阳寨地区晚奥陶—早志留世龙马溪组斑脱岩地球化学特征及其地质意义

罗 华, 潘龙克, 何仁亮

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

扬子地台及周缘晚奥陶—早志留世龙马溪组中下部发育多个钾质斑脱岩粘土层。利用在风化、低级变质过程中不活泼的元素对该斑脱岩源岩进行恢复,结果表明其为中酸性火山岩,类似流纹英安岩类;通过Nb-Y、Rb-(Y+Nb)等判别图解分析,其源岩形成于岛弧区域附近,且具有典型的岛弧火山岩特征,判断可能与南面早古生代“华夏”地块与“扬子”地块的碰撞挤压有关。

斑脱岩;地球化学;火山活动;宣恩县

在加里东期,华夏板块和扬子板块之间发生了一次剧烈的地壳运动,在湖南、广东一带随之生成了大量的加里东期花岗岩类[1-2],但湖北地区鲜有该时期火成岩的记录。近年来,随着国内外学者对奥陶纪—志留纪之交的火山活动与晚奥陶世生物灭绝之间关系的讨论[3-4],对这些广泛分布于扬子地台周缘的粘土岩的研究尤为关切,其是火山凝灰物质在海相环境经沉积成岩及蚀变作用形成的粘土岩,它保存有源岩即当初喷发物质的一些信息[5-6]。前人研究表明该类粘土岩为钾质斑脱岩,现阶段,通过该类斑脱岩地球化学特征恢复其源岩特征及推断其所产生的构造环境是研究钾质斑脱岩的一个重要内容。

本文对采自湖北宣恩县麻阳寨地区晚奥陶—早志留纪龙马溪组中斑脱岩样品进行了锆石U-Pb定年(另文发表)和元素地球化学分析,利用在风化、低级变质过程中不活泼的元素对该套斑脱岩进行了源岩恢复以及构造环境的判别；同时,通过获取残存岩浆锆石年龄,并对其微量、稀土元素进行判别对比推断其火山物质来源方向,以丰富扬子地台区奥陶纪—志留纪钾质斑脱岩的研究。

1 区域地质概况

龙马溪组系由李四光、赵亚曾(1924)创建、演变而来,是指整合于奥陶纪宝塔组泥质瘤状灰岩之上,志留纪新滩组黄绿色页岩之下的一套富含笔石的黑色页岩、炭质页岩、硅质岩[7],文中定义的龙马溪组包括了湖北省20世纪50—90年代初俗称的“五峰组”及“龙马溪组”。研究区位于扬子地台中部,受奥陶纪晚期华夏板块向北俯冲运动影响,该时期处于构造隆升阶段,处于深水陆棚的构造—沉积环境[8]。

笔者采集了位于湖北省宣恩县麻阳寨地区的两组斑脱岩样品,其中B002样品GPS坐标为N29°47′50″,E109°26′11″(图1),B001采集于B002南东部约3 km处,采集层位相同。

以下为B002样品采集剖面龙马溪组分层简述(室内有合并)。

上覆地层:志留纪新滩组

------------整合------------

7. 灰黑色炭硅质页岩,页理发育,向上炭质成分减少。

6.7 m

6. 灰色粉砂质页岩夹薄层状含碳粉砂岩,页岩∶粉砂岩≈5∶1。

2.8 m

5. 灰—灰黑色薄层状炭硅质泥岩,层理不发育,偶见发育笔石化石。本层见发育灰白色—乳黄色含钙质含粉砂质粘土层,共计发育5层,单层厚度1～5 cm,实为钾质斑脱岩(采集样品B002)。

3.9 m

4. 灰色—灰黑色泥质粉砂岩夹炭硅质泥岩,见水平层理,以粉砂岩—炭硅质泥岩组成退积型基本层序特征。

2.2 m

3. 灰黑色薄层状含碳泥质硅质岩,水平层理较为发育,偶见黄铁矿集合体顺层发育,发育大量笔石化石。

2.4 m

2. 灰黑色薄层状硅质岩夹炭质页岩,向上硅质岩层具有减薄的趋势,炭质页岩增多,呈退积型基本层序特征；见笔石化

石。

4.2 m

1. 灰黑色薄层状硅质岩,层理不发育,偶见厚约1～2 cm泥岩夹层。

3.3 m

------------整合------------

下伏地层:奥陶纪宝塔组

该剖面龙马溪组整体上可分为两个岩性段:下段相当于第1～5层,以黑色含碳硅质岩为主体,富含笔石化石；上段相当于第6和第7层,以深灰色—灰黑色含粉砂质页岩、含碳硅粉砂质页岩为主体。

图1 华南构造简图(a)和研究区地质简图(b)

Fig.1 Tectonic map of South China (a) and geological sketch map of study area (b)

1.寒武纪地层;2.志留纪地层;3.地名;4.地质代号;5.奥陶纪地层;6.泥盆—三叠纪地层;7.采样点;8.断层。

图2 采样点位置及岩性柱状图

2 样品采集与分析方法

本文样品采自龙马溪组下段上部,为灰黄色凝灰岩,近观似黄泥,手感较为细腻,厚约5 cm(图2)。

在对斑脱岩进行野外识别基础上,将已风化的部分和明显不属于斑脱岩的杂质剥除,以保证样品的新鲜、纯净。后将采集的样品放在室内风干,挑除明显不属于斑脱岩的杂质后装袋送样以进行主微量元素、稀土元素测试。B001和B002样品的测试均在国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(武汉综合岩矿测试中心)完成,主量元素分析仪器是日本理学公司生产的X荧光光谱仪(XRF-1800),微量元素的分析仪器为美国热电公司生产的电感耦合等离子质谱仪(X7)、等离子发射光谱仪(ICAP6300),检测温度为25 ℃,湿度为50%RH,检测依据参照DZG 20.01-91。主量元素分析精度优于5%,微量元素的分析精度优于10%。

3 斑脱岩主微量元素特征

样品的主微量元素分析结果见表1。

由表可见,测区B001和B002斑脱岩样品均表现出K2O>Na2O,显示出富钾质特征；样品中SiO2含量分别为70.63%和48.91%；铝铁质含量较高,平均含量为19.59%,Fe2O3平均含量为6.73%。但Al2O3含量较宜昌黄花场一带斑脱岩样品要低,Fe2O3含量则高,微量元素变化亦较为明显,除了与元素自身活动性有关外,还可能与斑脱岩的源岩不同有关。

调查区斑脱岩(B002)∑REE为103.40×10-6,LREE为82.09×10-6；(La/Yb)N值为2.21,显示出轻稀土明显富集的特征。

在稀土元素球粒陨石标准化模式图上(图3),两组样品均表现为轻稀土相对富集的右倾式,轻重稀土分异明显,Eu呈明显的负异常特征,δEu为0.35。

该Eu异常形成的原因可能具有多解性,一种是由母岩岩浆继承而来,另一种为后期成岩过程中形成。同时,通过图3可以看出:调查区斑脱岩稀土元素特征与北部宜昌黄花场一带斑脱岩差异明显,而与南东部韶关上洞地区英安岩类岩石稀土元素分布型式一致。

表1 钾质斑脱岩主量元素(wt%)、微量元素(×10-6)分析结果

注:“—”表示未测数据；黄花场数据来自胡艳华等,2009；上洞数据来自易立文等,2014。

在微量元素蛛网图上(图4),样品富集Th、Ce、Nd、Zr、Hf等高场强元素,相对亏损U、Nb、La、Sr、P、Ti等元素,尤以大离子亲石元素Sr亏损最为严重,Zr和Hf异常不显著,具有弧岩浆的地球化学特征[9],且与易立文等发现于韶关上洞一带的晚奥陶世次火山岩稀土、微量元素地球化学特征相似[10]。这些事实说明调查区奥陶系—志留系边界附近的灰白色—乳黄色斑脱岩极有可能为岛弧火山灰海相沉积蚀变的产物。

图3 稀土元素球粒陨石标准化分布型式图

Fig.3 Chondrite-normalized distribution patterns of rare earth

图4 微量元素原始地幔标准化蛛网图

Fig.4 Primitive mantle normalized trace element spider diagram

4 斑脱岩源岩恢复及形成构造环境分析

对钾质斑脱岩的研究,利用在成岩作用和低级变质过程中不活泼的元素来讨论、指示其源岩形成的构造环境背景[11]是较为普遍的,另外,大量学者将不活泼微量元素和稀土元素用于钾质斑脱岩母岩火山灰的物质组成和火山活动形成的构造背景[12-15]。

本文运用Winchester and Floyd(1977)Zr/TiO2-Nb/Y图解对斑脱岩及参照样品进行源岩恢复,结果表明调查区斑脱岩样品源岩为流纹英安岩、粗面安山岩类(图5),与韶关上洞一带次火山岩源岩类别较为一致,与北部宜昌黄花场龙马溪组斑脱岩源岩区别明显。结合微量、稀土元素特征也可以知道,调查区内斑脱岩源岩为中性—弱酸性火山岩。

▲B001、B002 ■YC0710、YC0711 ●09GD47、09GD18、09GD19、09GD20

图5 钾质斑脱岩Zr/TiO2-Nb/Y源岩判别图解

Fig.5 The Zr/TiO2 vs Nb/Y diagram of K-bentonite

Huffet al.(1997)借助Pearce关于花岗岩的构造环境判别图解运用于斑脱岩形成的构造环境判别上,并认为其原始岩浆喷发环境多与板块俯冲相关的火山弧环境相关。本文利用该图进行样品投图,结果见图6。从Nb-Y图解上看,调查区样品均落在岛弧花岗岩、同碰撞型花岗岩附近,B001样品略偏向板类型花岗岩区,整体上与苏文博等(2006)结果较为相似,其样品均落在岛弧及碰撞环境中；从对比角度看,区内斑脱岩源岩构造环境与南东部韶关一带次火山岩构造环境一致,与北部宜昌黄花场地区斑脱岩原因构造环境区别较为明显。在Y-(Nb+Rb)图解中,调查区样品与韶关地区次火山岩样品落点较为一致,均落入岛弧型花岗岩和同碰撞型花岗岩范围,以岛弧型为主,区别于落入板类型花岗岩的宜昌黄花场的两个样品。对于出现此类情况,本文认为最大的可能性为三组样品本身即产生于不同的构造背景中。

5 结论

通过对调查区内龙马溪组斑脱岩源岩恢复及Nb-Y、Y-(Nb+Rb)图解,发现这些海相沉积的火山灰源岩所处构造背景为碰撞岛弧环境。同时,文中B002样品LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(450.0±3.6)Ma(另文发表),与易立文等(2014)总结的华南早古生代岩浆岩年龄进行对比,发现其更靠近华夏地块附近区域岩浆岩活动年龄(450 Ma±),与韶关地区次火山岩年龄吻合,且调查区斑脱岩和韶关地区次火山岩的稀土、微量元素地球化学特征亦具有极大的相似性,说明两者可能具有同源性,与扬子地块和华夏地块的碰撞作用有关。因此判断调查区内龙马溪组中上部斑脱岩源岩火山灰可能来源于南东面,与晚奥陶世火山喷发活动有关。

△B001、B002 □YC0710、YC0711 ○09GD47、09GD18、09GD19、09GD20

图6 钾质斑脱岩Nb-Y(上图)和Rb-(Y+Nb)(下图)构造背景判别图解

Fig.6 Nb-Y and Rb-(Y+Nb)tectonic setting diagram of K-bentonite

[1] 柏道远,黄建中,马铁球,等.湘东南志留纪彭公庙花岗岩体的地质地球化学特征及其构造环境[J].现代地质,2006,20(1):130-140.

[2] 彭松柏,金振民,刘云华,等.云开造山带强过铝深熔花岗岩地球化学、年代学及构造背景[J].地球化学——中国地质大学学报,2006,31(1):110-120.

[3] 胡艳华,孙卫东,丁兴,等.奥陶纪—志留纪边界附近火山活动记录:来自华南周缘钾质斑脱岩的信息[J].岩石学报,2009,25(12):3298-3308.

[4] Werner Buggisch,Michael M.Joachimski,Oliver Lehnert et al.Did intense volcanism trigger the first Late Ordovician icehouse[J].Geological Society of America,2010,38(4):327-330.

[5] Su WB,He LQ,Wang YB et al.K-bentonite beds and high-resolution integrated stratigraphy of the uppermost Ordovician Wufeng and lowest Silurrian Longmaxi Formation in South China[J].Science in China(Series D),2003,46(11):1121-1133.

[6] 胡艳华,刘健,周明忠,等.奥陶纪与志留纪钾质斑脱岩研究评述[J].地球化学,2009,38(4):393-404.

[7] 陈公信,金经炜,吴细松,等.湖北省岩石地层[M].武汉:中国地质大学出版社,1996:100-115.

[8] 许效松,徐强,潘桂堂,等.中国南大陆演化与全球古地理对比[M].北京:地质出版社,1996:1-64.

[9] 孟元库,许志琴,陈希节,等.藏南冈底斯中段谢通门始新世复式岩体锆石U-Pb年代学、Hf同位素特征及其地质意义[J].大地构造与成矿学,2015,39(5):933-949.

[10] 易立文,马昌前,王连训,等.华南晚奥陶世次火山岩的发现:早古生代与俯冲有关的英安岩？[J].地球科学——中国地质大学学报,2014,39(6):637-652.

[11] Huff WD,Davis D,Bergstrom SM.A biostratigraphically wellconstrained K-bentontie U-Pb zircon age of the Lowermost Darriwlian Stage (Middle Ordovician) from the Argentine Precordillera[J].Episodes,1997,20(1):29-33.

[12] Teale CT,Spears DA.The mineralogy and origin of some Silurian bentonites,Welsh Borderland.U.K.[J].Sedimentology,1986,33:757-765.

[13] Merriman RJ,Roberts B.Metabentonites in the Moffat Shale Group,Southern Uplands of Scotland:Geochemical evidence of ensialic marginal basin volcanism[J].Geological Magazine,1990,127:259-271.

[14] 苏文博,李志明,史晓颖,等.华南五峰组—龙马溪组与华北下马岭组的钾质斑脱岩及黑色岩系沉积响应[J].地学前缘,2006,13(6):82-95.

[15] J.A.Winchester,P.A.Floyd.Geochemical discrimination of different magma series and theirdifferentiation products using immobile elements[J]. Chemical Geology,1977,20:325-343.

(责任编辑：于继红)

Geochemical Characteristics and Geological Significance of Longmaxi Formation ofLate Ordovician-Early Silurian in Mayangzhai Area,Hubei Province

LUO Hua, PAN Longke, HE Renliang

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

There are several clay beds recognized from in the lower part of the Longmaxi Formation,the Late Ordovician-Early Silurianin,locate in Yangtze platform and the peripheral edge.The authors use the chemical elements which not easy to decay and loss in the weathering,low-grade metamorphism to recovery the source rock of bentonite,the results show that it is acidic volcanic rocks,similar to rhyolite dacite.By Nb-Y,Rb-(Y+Nb)and other discrimination diagram analysis,its original rock formed near the island arc area,and has a typical island arc volcanic rocks,analyzing that it is possible collision with the south early Paleozoic “Chinese” block and “Yangtze” land squeeze related.

bentonite; geochemistry; volcanic activity; Xuan’en county

2016-04-20;改回日期:2016-08-30

中国地质调查局大调查项目(No.12120113062000);中国地质调查局扬子工程湘西—鄂西成矿带神农架—花垣地区地质矿产调查二级项目(No.DD20160029)。

罗华(1987-),男,工程师,成矿规律与成矿预测专业,从事区域地质调查和矿产地质调查工作。E-mail:luohua_p@163.com

P59

A

1671-1211(2017)01-0001-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.001

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161228.1522.002.html 数字出版日期:2016-12-28 15:22