大洪山花山群中白垩纪基性火山岩的识别及其地质意义

邱艳生, 杨青雄, 邓 奇, 汪正江, 杜秋定, 胡正祥, 周世卿

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.中国地质调查局 成都地质调查中心,四川 成都 610081)

大洪山花山群中白垩纪基性火山岩的识别及其地质意义

邱艳生1, 杨青雄1, 邓 奇2, 汪正江2, 杜秋定2, 胡正祥1, 周世卿1

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.中国地质调查局 成都地质调查中心,四川 成都 610081)

介绍湖北大洪山地区花山群中的白垩纪基性火山岩(玄武岩)。LA-ICP-MS U-Pb锆石测年表明,该基性火山岩形成于(128.3±1.4)Ma。根据主量元素、稀土元素和微量元素的测试结果,该地区在早白垩世存在板内火山喷发。该火山岩具有低Nb、Ta 和Sr、高Ti/Y的特征,略微富集轻稀土元素,类似于大陆板内玄武岩型或者洋岛玄武岩型。与前人在秦岭大别造山带(QDOB)中发现的中生代晚期(130 Ma左右)的花岗岩证据相互印证。该初步研究可能揭示,扬子地块在三叠纪—中侏罗世向华北地块俯冲碰撞造山后,于早白垩世(128 Ma左右)处于伸展环境。

花山群； U-Pb定年；基性火山岩；白垩纪；秦岭大别造山带

图1 湖北花山地区简化地质图((a)大地构造位置据 Wang and Li,2003[15],修改；(b)简化地质图修改自未发表1∶50 000地质图。震旦系(Z)相当于成冰系与埃迪卡拉系。)Fig.1 Simplified geological map of the Huashan area in Hubei1.第四系;2.公安寨组;3.大冶组;4.茅口组;5.寒武系;6.震旦系;7.花山群;8.打鼓石群;9.辉绿岩;10.二长花岗岩;11.断层;12.地名;13.本次采样点;14.石玉若等人采样点。

许多研究者一直把眼光放在华北地块与扬子地块之间的秦岭大别造山带(QDOB)[1-4](图1),比较少关注扬子北缘湖北大洪山地区的基性火山岩。由于鲜见对该地区中生代基性火山岩的识别,秦岭大别造山带南边界的大多数地层被认为是前寒武纪地层,即中元古代打鼓石群、新元古代花山群以及新元古代晚期的震旦纪地层[5-14]。本文报道该地区花山群中发现的早白垩世基性火山岩的年代学和地球化学特征,并由此探讨其大地构造意义。

1 地质背景

花山地区分布有不同时期的地层,从中元古代的打鼓石群—第四系未固结的沉积物都有,侵入不少岩浆岩(图1)。采样点西侧地层被普遍认为是新元古代花山群的基性火山岩。这些地层出露于三里岗—三阳断层西南侧,该断层为襄樊(现在改称襄阳)—广济断裂带的一部分,为秦岭大别造山带的南边界地层(图1)。一般认为该断裂是扬子地块中晚三叠世—中侏罗世向华北地块俯冲碰撞造山过程中形成的。

花山群于1959年由北京大学地质地理系湖北大队在1∶20万宜城幅区域地质矿产调查报告中首次命名(未出版)。该群包含下部洪山寺组和上部六房咀组,由一套轻微变质的岩石组成。其下为不整合下伏的中元古代打鼓石群(Pt2D),其上为不整合上覆的原“震旦系(Z)”莲沱组、南沱组、陡山沱组和灯影组[5]。现在莲沱组和南沱组属于南华系(成冰系),陡山沱组和灯影组属于震旦系(埃迪卡拉系)。洪山寺组由陆源碎屑岩组成,包括砾岩、砾质砂岩和砂岩；六房咀组主要由大量基性火山岩(玄武岩为主)组成,夹泥质板岩、粉砂质板岩和凝灰岩。基性火山岩出露于三里岗—三阳背斜两翼,特别是东北翼,有轻微变质。

2 样品描述

样品FS27a,FS27b,FS27c 采集于湖北花山地区三里岗—三阳背斜东北翼,地理坐标为北纬31°28′,东经113°04.4′(图1)。这些样品采自原新元古代花山群(Pt3H)六房咀组中部。玄武岩露头呈灰绿色或者灰黄色(图2)。经过薄片鉴定为变玄武岩。

镜下鉴定,样品FS27a具有典型的变余斑状结构,但是基质具有变余间粒结构(图2)。 其组成成分如下:变余斑晶,17%(包括辉石,16%,部分阳起石化、绿泥石化、碳酸盐化；基性斜长石,1%,钠黝帘石化)；变余基质,83%(包括基性斜长石,40%,部分碳酸盐化；辉石,33%,部分碳酸盐化和绿泥石化；含钛矿物,10%)。

图2 FS27a玄武岩野外与显微照片Fig.2 The field and micrograph photo of the basalt sample FS27a斜长石(Pl)和辉石(Px)以斑晶形式出现(正交偏光)。

3 年代学和地球化学特征

3.1 年代学特征

火山岩样品粉碎后,其中的锆石通过标准重力和磁力分选技术选出。选出的锆石颗粒被固定在环氧树脂上,用透射光、反射光和阴极发光(CL)显微照相记录下来(图3),以指导同位素分析的测点选择。大多数锆石颗粒呈半自形—自形,具有清晰—模糊的震荡环带构造,长度为30～90 μm,长宽比大致为1.5～2.5,呈现出典型的岩浆锆石成因。

图3 样品典型锆石阴极发光(CL)图像(分析点均编号,激光束直径32 μm)Fig.3 The cathode luminescence(CL)images of typical zircon grains from the sample

LA-ICP-MS(激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪)锆石U-Pb 同位素组成的分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法同Liu等[16-18]。激光剥蚀系统为GeoLas 2005(193 nm,Coherent Lambda Physik GmbH,Gottingen,Germany),ICP-MS为Agilent 7500 a(Agilent Technologies,Inc.,Santa Clara,CA,USA)。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度,二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合。在等离子体中心气流(Ar+He)中加入了少量氮气,以提高仪器灵敏度、降低检出限和改善分析精密度[19]。由Agilent 7500 a采集的每个时间分辨分析数据包括大约20～30 s的空白信号和50 s的样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算),采用软件ICPMSDataCal 完成[16,18]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和/或年龄加权平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3 完成[20]。单个测点数据误差采用1σ,年龄结果采用206Pb/238U加权平均值(95%置信度)。锆石U-Pb 测年数据见表1。

对新元古代及更年轻的岩石,锆石颗粒的206Pb/238U年龄比207Pb/206Pb具有更高的精确度[21],因此本次研究采用206Pb/238U加权平均值。

作者对这批样品进行锆石挑选并测试了24颗锆石共24个测点的U-Pb 同位素年龄。该样品的Th和U含量相对低但呈现正相关(Th=79.6×10-6～2 027×10-6,平均341.4×10-6；U=173×10-6～1 453×10-6,平均399.4×10-6),同时具有高且稍微分散的Th/U 比值(Th/U=0.49～1.40),显示出典型的岩浆成因。

表1 大洪山地区玄武岩LA-ICP-MS U-Pb锆石测年数据Table 1 LA-ICP-MS U-Pb zircon dating data of the basalt samples in the Dahongshan area

所有24颗锆石均在一致曲线或附近,1个分析点偏离了其他点,可能为继承性的或在岩浆侵位过程中捕获的锆石,其余23个分析点虽然有少量稍微偏离一致曲线,但总体较为集中,给出的206Pb/238U加权平均值为(128.3±1.4)Ma(MSWD=2.1,n=23,一个点未计算),解释为早白垩世岩浆活动的时间(图4)。

图4 花山地区玄武岩样品FS27锆石U-Pb谐和图Fig.4 U-Pb concordia diagram for the basalt sample FS27 in the Huashan area

3.2 地球化学特征

作者还对火山岩样品FS27a,FS27b和FS27c进行了主量、稀土、微量元素分析。FS27abc为前三者的平均值。火山岩样品的主量元素(氧化物wt%)、稀土元素和微量元素(10-6)在国土资源部武汉综合岩矿测试中心通过X荧光光谱仪XRF和等离子体质谱仪进行。测试结果见于表2。分析数据的相关性投点利用GeoKit软件完成[22]。

玄武岩样品以低SiO2(45.16%～53.62%)与 低Al2O3(13.25%～15.3%)、较高Ti2O(1.61%～1.98%,平均1.85%)与高总铁TFeO(11.364%～12.175%)为特征。它们具有非常高的Ti/Y比值(分别为306,349和136,平均232),但相对低Zr/Y比值(分别为4.10,3.71和4.03,平均3.95)与低Nb/La比值(分别为0.60,0.46和0.23,平均0.43),表现出与美国盆岭区新生代扩张相关的玄武岩在地球化学上的相似性[23]。

样品FS27a,FS27b和FS27c的稀土元素总量(ΣREE)分别为86.23×10-6、79.59×10-6和220.31×10-6,平均128.71×10-6。它们轻微富集轻稀土元素(LREE)(LREE/HREE平均值为3.00),其平均LaN/YbN比值为2.51(即低稀土分异)。所有样品具有轻微负Eu异常(平均Eu/Eu*=0.87)。

表2 大洪山地区玄武岩主量(wt%)、稀土、微量元素含量(10-6)Table 2 Contents of major(wt%),REE and trace elements(10-6) of the basalts from the Dahongshan area

在SiO2-Nb/Y 判别图(底图据Winchester and Floyd[24])投点,样品(FS27a,FS27b,FS27c)为亚碱性玄武岩(图 5)。

在SiO2-TFeO/MgO判别图(底图据Miyashiro[25])投点,全部投点在拉斑玄武岩区域(图6)。

在Zr-Zr/Y判别图(底图据Pearce and Norry[26])投点,全部样品落在板内玄武岩区域及附近(图7)。

在V-Ti/1 000判别图(底图据Shervais[27])投点,样品FS27a与FS27b落在大陆溢流玄武岩(CFB),而样品FS27c(可能因为分析误差的缘故)落在大陆溢流玄武岩区域外。不过,全部样品平均值落在洋岛玄武岩(OIB)区域(图8)。

所有分析样品球粒陨石标准化后的稀土元素配分图表现出右倾的特征,其轻稀土元素略微富集(图9)[28]。样品FS27a,FS27b和FS27c有向洋岛玄武岩型发展的趋势。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上(图10)[29],所有样品显示出下凹形态；与相邻元素相比,明显相对亏损Ta、Nb和Sr而相对富集Hf。它们与美国盆岭区新生代扩张相关的玄武岩和华南浙江北部新元古代(拉张背景的)同裂谷作用玄武岩[30]的地化相似。

图5 花山地区火山岩样品分类(底图据 Winchester and Floyd[24])Fig.5 The classification of volcanic rocks in the Huashan Area黑色实心圆.FS27a；黑色空心圆.FS27b；黑色空心方块.FS27c；黑色实心方块.FS27abc。样品符号含义下同。

图6 SiO2-TFeO/MgO判别图(底图据Miyashiro[25])Fig.6 SiO2-TFeO/MgO discrimination diagramFS27c因为其TFeO/MgO>5而溢出图框上方(仍然位于拉斑玄武岩Tholeiitic范围)

图7 Zr/Y-Zr判别图(底图据Pearce and Norry[26])Fig.7 Zr/Y-Zr discrimination diagramWPB.板内玄武岩；MORB.洋中脊玄武岩；IAB.岛弧玄武岩。

图8 V-Ti/1 000判别图(底图据Shervais[27])Fig.8 V-Ti/1 000 discrimination diagramIAT.岛弧拉斑玄武岩；MORB.洋中脊玄武岩； CFB.大陆溢流玄武岩；OIB.洋岛玄武岩；AB.碱性玄武岩。

图9 球粒陨石标准化的稀土配分图(中国地壳和世界洋壳元素丰度据黎彤和倪守斌[28])Fig.9 Chondrite normalized REE distribution diagram

图10 微量元素原始地幔标准化蛛网图(标准化值据Sun and McDonough[29])Fig.10 Primitive mantle normalized spider diagram of trace elements

4 讨论

前人在原花山群的不同地点取样,进行火山岩锆石U-Pb定年,取得了不同的结果。石玉若等采自花山地区杨家棚花山群的玄武岩(图1)Sm-Nd 年龄为(1 736±37)Ma,采自花山地区小阜花山群的玄武岩(图1)Sm-Nd 年龄为(1 197±170)Ma。Deng等在三里岗—三阳背斜南西翼花山群中采集的玄武岩样品,经过SHRIMP锆石U-Pb定年,得到(824±9)Ma的年龄[31]。本文对采自三里岗—三阳背斜北东翼的玄武岩做的LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年,得到更为年轻的早白垩世年龄(128.3±1.4)Ma。因此,传统的新元古代花山群可能在三里岗—三阳背斜北东翼划分有误。由此可见,原花山群露头区有多期火山活动,该群应该得到更多研究者的重视与进一步的研究。

同期火山作用也发现于湖北东南部。位于扬子江中下游最西部、湖北东南部的金牛盆地,是华南主要的火山作用地区之一。其双峰式火山岩中存在大量的岩浆成因锆石,以高U、Th含量为特征。13颗锆石的SHRIMP206Pb/238U谐和年龄的加权平均值为(128±1)Ma(MSWD=3.0),能精确地代表大寺组英安岩的喷发年龄[32]。该年龄被认为代表了火山岩的结晶年龄。结合区域资料分析表明:鄂东南火山作用主要形成于早白垩世,与长江中下游地区其他火山作用形成时代类似,早白垩世长江中下游地区处于伸展构造背景。它们和本次研究发现的花山地区花山群中的早白垩世玄武岩同时喷发。

一般认为,亏损Nb和Ta为岛弧玄武岩的“诊断性特征”；但是,本次研究的玄武岩样品的地球化学特征明显与岛弧玄武岩不同。对于那些具有消减带信号的基性熔岩,可以根据Zr含量和Zr/Y比值,或利用Zr/Y-Zr图解,判断它们是否真正是岛弧或活动大陆边缘玄武岩[33]。

相对于相邻元素Th、K和La,板内玄武岩亏损Nb和Ta,可能归结于如下三种过程:①含钛矿物的分离结晶,如钛磁铁矿；②上升岩浆受到地壳物质的混染；③继承自幔源物质,先前被消减相关的流体/熔体交代过。

本次大洪山地区花山群中采集的玄武岩以高TiO2(约2.0%)为特征,排除了明显的钛磁铁矿分离结晶。分析样品的Nb/Ta比值分别为13.22,7.78和15.38(平均12.13)。Rudnick和Fountain研究表明,下地壳—上地壳的Nb/Ta比值平均在8.3～11.3[34]。故判断地壳物质可能混染不严重。

研究还显示,这些被研究的玄武岩的Nb/La比值(分别为0.60、0.46和0.23,平均0.43),较地壳来源的Nb/La比值(0.47～0.83,平均0.66)为低,也许未受到地壳较大混染。因此,相对于相邻元素亏损Nb和Ta,最可能源自于被先前与消减相关的流体/熔体交代过的幔源物质。

玄武质岩浆主要来源于岩石圈地幔和软流圈地幔。Turner and Hawkesworth对全球大陆溢流玄武岩的研究表明,源自于大陆岩石圈地幔玄武岩的CaO/Al2O3<0.7,而源自于软流圈地幔>0.7[35]。由于样品FS27a、FS27b和FS27c的CaO/Al2O3比值分别为0.51、0.63和0.38,作者可以推断,本次研究的玄武岩源自于大陆岩石圈地幔。前人研究显示,源自于未受混染的软流圈地幔的基性岩浆岩具有的典型特征是,其La/Nb比值<1.5,而源自于岩石圈地幔的基性岩浆岩的La/Nb比值>1.5[36]。鉴于本次研究的玄武岩FS27a、FS27b和FS27c样品La/Nb比值分别为1.68、2.19和4.36,故本次研究的玄武岩很可能源自于岩石圈地幔。

Ma等指出,在三叠纪—中侏罗世,扬子地块向华北地块俯冲碰撞的结束时间大约在160 Ma,而QDOB从挤压到伸展的时间约为135 Ma,由拆沉岩石圈地幔导致的减压熔融引起。

Xu等研究显示,QDOB内湖北东部大别山强烈的地壳伸展与深埋岩石剥露时限约在135—105 Ma,引起的火山活动在早白垩世[4]。

因此,花山地区花山群发现的玄武岩可能出现于拆沉后的岩石圈地幔减压熔融引起的板内扩张带中[1-4,37-38]。

同期拉张背景下的玄武岩喷发也发现于世界各地。例如,巴西南部的大陆溢流玄武岩大约130—105 Ma出现在Parana[39]。

5 结论

通过综合研究,作者可以得知:

(1) 大洪山地区早白垩世(128 Ma左右)的玄武岩喷发,出现于拆沉后的岩石圈地幔减压熔融引起的板内扩张带中。

(2) 由于一些年轻的地层被错误地划分到年老的地层中,传统的花山群应该被解体。

(3) 扬子地块在中晚三叠世—中侏罗世向华北地块俯冲碰撞造山后,自早白垩世开始,加厚地壳开始减薄,处于伸展构造背景。

(4) 秦岭大别造山带南边界新元古代花山群出露区早白垩世基性火山岩(玄武岩)的发现,将引发同行对该造山带和扬子北缘地层序列与构造背景更大的研究兴趣。

致谢:邱玲高级工程师、毛新武与刘早学教授级高级工程师或在野外地质调查给予协助,或进行有益的讨论。中国地质大学(武汉)胡兆初教授在LA-ICP-MS测试上给予大力帮助。中国地质大学(武汉)凌文黎教授对初稿进行了认真审阅。吴传荣、李金平教授级高级工程师的审阅和建设性的意见,对文章写作提高很有益。匿名审稿人的评审意见对本文提高有很大帮助。特此一并致谢！

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(责任编辑：于继红)

Recognition and Geological Significance of Basic Volcanic Rocks inCretaceous Huashan Group,Dahongshan area

QIU Yansheng1, YANG Qingxiong1, DENG Qi2, WANG Zhengjiang2, DU Qiuding2, HU Zhengxiang1, ZHOU Shiqing1
(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081)

The authors introduce the recognized Cretaceous basic volcanic rocks(basalts)in the originally called Huashan Group in Dahongshan area,Hubei.The LA-ICP-MS U-Pb zircon dating data shows that the basic volcanic rocks formed at 128.3±1.4 Ma.There has been an intraplate volcanic eruption during Early Cretaceous according to the testing results of major,rare earth element(REE)and trace elements of the basalts.This kind of volcanic rock has low content of Nb,Ta and Sr,and high content of Ti/Y,slightly enriched in light rare earth element(LREE),and which is similar to within-plate basalt(WPB)or oceanic-island basalt(OIB).It is corroborative for some previous researchers’ view,whose evidences were from the Late Mesozoic(130 Ma)granites in Qinling-Dabie Orogenic Belt(QDOB).This preliminary study may infer that there is an extensional period at the Early Cretaceous in the southern boundary of QDOB after the Triassic-Middle Jurassic subduction and collision of Yangtze Block to North China Block.

Huashan Group; U-Pb zircon dating; basic volcanic rocks; Cretaceous; Qinling-Dabie Orogenic Belt

2016-01-06;改回日期:2016-02-06

本研究得到中国地质调查局计划项目(批准号:1212011121109,1212011220900)和国家自然科学基金重点项目(批准号:41030315)的资助。

邱艳生(1964-),男,教授级高级工程师,硕士研究生,岩石学专业,从事沉积学、页岩气地质学、前寒武纪地质学研究。E-mail:aq246@163.com

P588.14; P534.53

A

1671-1211(2017)02-0123-08

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.002

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170317.1051.006.html 数字出版日期:2017-03-17 10:51