北淮阳构造带东段中生代火山岩区域成岩规律

邬宗玲, 夏飞强, 盛 勇, 黄 博

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院,安徽 合肥 230022)

北淮阳构造带东段中生代火山岩区域成岩规律

邬宗玲, 夏飞强, 盛 勇, 黄 博

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院,安徽 合肥 230022)

文章在北淮阳构造带东段中生代火山岩地质地球化学特征已有的研究成果基础上,对带内火山岩成因、演化及其动力学背景进行了概述。研究认为北淮阳构造带东段中生代各火山构造单元岩石的组合、火山活动时间等具有明显的差异性,火山活动有由西向东演化趋势。微量元素、稀土元素等地球化学特征显示,由早期到晚期火山岩碱度不断升高,同化混染作用和结晶分异程度逐步加强。火山岩地球化学特征与中国东部地球动力学背景发生转变相耦合,也是由其东邻郯庐断裂、西近大别罗田片麻岩穹隆的构造特殊性所决定的。

北淮阳构造带;火山岩;地球动力学;成岩规律;中生代

0 引 言

北淮阳构造带地跨皖豫两省,呈北西—南东向绵延500 km,宽约50 km。北淮阳地区岩石地层单位自下而上划分为新元古界佛子岭群、下古生界梅山群、中生界陆相山间盆地和火山岩盆地堆积。区域性北西向的2条断裂即桐柏—桐城断裂和龟山—梅山断裂不仅作为北淮阳构造带的南北界限,而且控制着火山岩盆地的分布。近年来随着在北淮阳构造带东段发现超大型沙坪沟钼矿床,北淮阳金寨—舒城一带分布的中生代中性—钙碱性系列的火山岩,成为该区研究的重点。北淮阳构造带东段中生代火山岩分布于中国东部燕山期东西向大别山北缘火山岩带中[1],文献[2-6]从不同的角度论述了这类岩石的产出状态、岩石化学特征及大地构造意义。随着1∶50 000和1∶250 000区域地质调查工作的全面完成[7-13],对北淮阳地区火山岩的认识进一步深化,北淮阳构造带东段中生代火山岩的演化格架逐渐清晰。本文基于上述研究成果,着重探讨该区各火山岩构造单元的差异性,包括中生代火山岩的活动时限、岩石组合和岩石系列、各火山构造单元的成岩地球化学条件的规律及其意义。

1 火山构造单元划分

火山构造是以火山机构为基本单元,包括火山群、火山盆地 、火山台地及火山带等火山构造

单元。北淮阳火山喷发带中火山岩的分布呈连续或不连续的北西向带状分布,长达数百公里,从东往西分别分为3个火山构造单元:东部单元为晓天—磨子潭火山喷发盆地(Ⅳ1)(包含北大别东部火山岩[6])和九井—舒茶火山喷发盆地(Ⅳ2),中部单元为霍山—毛坦厂火山喷发盆地(Ⅳ3),西部单元为金寨火山隆起(Ⅳ4)。在NE向商城—麻城断裂和郯庐断裂与区域NW向断裂交汇部位的金寨和舒城地区形成2个火山-侵入活动中心,各火山构造单元具有不同的火山演化过程。

北淮阳构造带东段地质构造图如图1所示(据文献[3]修改)。3个火山构造单元地层组成见表1所列。

① 合肥断裂 ② 六安断裂 ③ 金寨—舒城断裂 ④ 龟山—梅山断裂 ⑤ 桐柏—桐城断裂 ⑥ 商城—麻城断裂 ⑦ 郯庐断裂

火山构造单元火山喷发盆地和隆起地层 构造旋回 东部单元望母山组晓天旋回晓天—磨子潭火山喷发盆地(Ⅳ1)晓天组毛坦厂组毛坦厂旋回九井—舒茶火山喷发盆地(Ⅳ2)毛坦厂组毛坦厂旋回中部单元响洪甸组响洪甸旋回霍山—毛坦厂火山喷发盆地(Ⅳ3)白大畈组毛坦厂组毛坦厂旋回火山岩砾石西部单元金寨火山隆起(Ⅳ4)陈棚组金刚台组陈棚旋回金刚台旋回

2 火山构造单元的时代格架

北淮阳构造带东段不同火山构造单元地层形成时代见表2所列。

北淮阳火山喷发带中生代火山岩已有不少同位素年代学资料[14-21],同位素定年资料表明[7,9-10,12,14-21],各火山构造单元在东、中、西部具有不同的火山活动起始时间。

西部火山构造单元火山喷发(Ⅳ4)应为区内最早的火山活动事件,早期金刚台旋回的同位素年龄在149～127 Ma之间,晚期陈棚旋回的同位素年龄为111 Ma,为晚侏罗纪—早白垩纪早期的火山岩盆地,且演化活动时间较长。

中部火山构造单元(Ⅳ3)早期毛坦厂旋回的同位素年龄为139～120 Ma,集中在130 Ma;晚期的响洪甸旋回同位素年龄为136～123 Ma,可能为早白垩纪早期的火山岩盆地。

东部火山构造单元(Ⅳ1、Ⅳ2)为早白垩纪晚期—晚白垩纪火山岩盆地,火山活动时间为133～88 Ma,是北淮阳构造带东段相对较晚活动的火山岩盆地。该盆地沉积夹层中丰富的淡水体化石瓣鳃类、腹足类、介形类如热河球蚬(sphaerium.eholenes)、浑园球蚬(s.ander)等是侏罗纪标准化石分子,似与同位素年代学的数据相矛盾,但上述标准化石分子可以延续到白垩纪,因此东部晓天盆地时代为早白垩纪。

表2 北淮阳中生代火山岩地层同位素年代

综上所述，北淮阳构造带东段不同火山构造单元形成时间总体处于中国东部中生代火山活动的高峰期140～120 Ma,但火山构造单元从西往东火山活动的开始时间不同,西部相对较早,活动时间较长,为晚侏罗纪—早白垩纪火山岩盆地。东部火山活动的开始时间则相对较晚,为早白垩纪晚期—晚白垩纪火山岩盆地。

3 构造单元岩石组合和岩石系列差异

区内火山岩岩石类型发育齐全,包括熔岩类、火山碎屑岩类、火山碎屑沉积岩类及潜火山岩类,但在不同时代火山构造单元具有不同的岩石组合和岩石系列。

文献[2-5,22]根据地质、岩石组合、同位素年代学等特征将北淮阳中生代火山活动笼统地划分为早期毛坦厂旋回或金刚台旋回(对应早期高钾钙碱性系列)、晚期晓天旋回或响洪甸旋回(对应晚期钾玄岩、碱性岩系列)。本文按不同火山构造单元对北淮阳中生代火山活动岩石组合和岩石系列进行研究。

3.1 东部早白垩纪火山岩盆地

东部早白垩纪火山岩盆地主要包括晓天—磨子潭火山盆地(Ⅳ1)和九井—舒茶火山喷发盆地(Ⅳ2)。

晓天—磨子潭火山岩盆地位于北淮阳火山喷发带的东部。依岩浆演化序列可分为毛坦厂、晓天2个旋回,相应的地层自下而上划分为毛坦厂组、晓天组、望母山组。

毛坦厂组是指毛坦厂旋回产生的一套中性至偏酸性的火山沉积岩组合,发育钙碱性系列岩石。下段主要岩性为安山质火山熔岩、火山碎屑岩和少量的火山碎屑熔岩,局部地段出现透镜状煤层;上段主要岩性为粗安质火山熔岩、火山碎屑岩,夹较多的凝灰质砾岩和凝灰质砂岩;顶部为含大量片麻岩、片岩、安山岩、粗安岩砾石的砾岩、砂岩和页岩,标志着第1火山活动旋回的结束。对于该组岩石组成,文献[23]又明确定义为金寨、霍山地区的灰色、灰绿、紫灰色的安山质、粗安质火山岩。

晓天组是指晓天旋回火山-沉积岩中以湖泊相沉积物为主体夹偏碱性火山岩部分,发育碱性系列岩石,岩石组合为碱性橄榄玄武岩-碱性辉石安山岩,以偏碱质火山岩及页岩、砂砾岩为主体岩石组合,与毛坦厂组有明显的不同,且与文献[23]定义专指一套灰绿色页岩差别较大。

望母山组主要岩石类型为粗面质熔岩、碎屑岩、强熔结凝灰岩、次火山岩,为晓天旋回晚阶段的产物。

文献[14,22]把这样一套页岩、砂岩、砾岩组合的岩石类型作为标志层,把该盆地的火山地层层序自上而下划分为上侏罗统毛坦厂组、黑石渡组和下白垩统晓天组;但从火山碎屑岩—火山沉积岩为一完整韵律角度,本文仍以毛坦厂组、晓天组和望母山组3个单元划分。

九井—舒茶火山喷发盆地火山岩可划分为2个亚旋回,归并为毛坦厂旋回。第1亚旋回分布在盆地的西侧,岩石以安山岩、安山质火山碎屑岩为主,含少量粗安质火山岩,火山活动方式以层状火山和穹状火山为主,晚期岩浆活动弱,次火山岩沿早期火山口旁侧的裂隙挤出地表。第2亚旋回的火山岩为粗面质火山碎屑岩,粗面岩多叠加在第1亚旋回上,火山活动以强烈爆发为主,该亚旋回火山机构保存较好,多以层状火山和穹状火山为主。区内第1亚旋回火山岩在该盆地西部较多,向东渐少,而第2亚旋回在西部较少,向东逐渐增多,表明火山-岩浆活动随着岩浆演化有向东迁移的趋势。

3.2 中部早白垩纪火山岩盆地

中部早白垩纪火山岩盆地主要指霍山—毛坦厂火山喷发盆地(Ⅳ3),该火山盆地中生代火山岩较发育,依岩浆演化序列可分为毛坦厂、响洪甸2个旋回,相应的地层为毛坦厂组、白大畈组和响洪甸组。毛坦厂旋回属安山岩-粗安岩-粗面岩组合;响洪甸旋回的强碱性系列火山岩在北淮阳地区具有独特性,岩石组合为碧玄岩-碱玄岩-响岩。

毛坦厂旋回为钙碱性系列,并向富碱方向演化;响洪甸旋回为碱钙性系列，文献[22]认为其属于钾玄岩系列。区内火山岩显示出富钾类型。火山活动总体受龟山—梅山断裂的控制,表现为裂隙式多中心喷发,火山机构多为锥状火山-破火山穹状火山等。对于金寨白云庵—响洪甸一带的火山岩,文献[10]将其地层层序划分为上侏罗统黄石滩组、白云庵组和早白垩世响洪甸组,并划分了白云庵、响洪甸、独山、黑石渡4个次级火山喷发盆地。本文认为文献[10]所指的白云庵组和北淮阳地区一直沿用的白大畈组相当[23]。

3.3 西部晚侏罗纪—早白垩纪火山隆起区

西部晚侏罗纪—早白垩纪火山隆起区主要指金寨火山隆起区(Ⅳ4),由数个火山锥组成金刚台火山锥群。金刚台火山锥主要集中分布在金寨县南溪以及与固始县交界的开顺—仙花店、仰天—曹家寨和商城县金刚台地区,为一套中酸性火山岩系,由金刚台旋回火山岩和陈棚旋回的火山岩组成,对应的火山岩地层分别为金刚台组、陈棚组,在安徽境内与白云庵组相当,2个旋回火山岩均属钙碱性系列[12]。金刚台旋回的火山岩以青灰色为主,岩性为安山质-粗安质和粗面质-英安质-流纹质火山岩,韵律清楚,岩石受构造改造强烈;而陈棚旋回以紫色、紫灰色为主,岩性为粗安质-英安质-流纹质火山岩,韵律不清楚,未见熔岩分布,火山碎屑岩熔结不强，受后期改造不明显。文献[12]把区内的火山岩笼统地归为毛坦厂组或认为与毛坦厂组相似,但本文认为金刚台旋回与毛坦厂旋回虽然同为早期的火山岩地层单位,但从上述盆地的对比看岩石组合、喷发韵律和岩性特征存在明显差异,而且文献[9]还将北淮阳构造带东段最西端下部金刚台旋回又进一步划分为上、下2段,下段为安山岩-粗安岩组合,厚度大于1 771.7 m;上段下部为安山岩-英安岩-流纹岩组合,厚度大于637.6 m。

4 岩石地球化学特征

4.1 岩石化学特征参数

岩石化学特征参数见表3所列。表3中,Ⅰ1、Ⅰ2代表早期旋回中的亚旋回;Ⅱ1、Ⅱ2代表晚期旋回中的亚旋回;δ为组合指数;A.R为碱度率;DI为分异指数;OX为氧化度;SI为固结指数;FL为长英指数;MF为铁镁指数;NK为碱值指数。

区内火山岩总体具有富钾的特征,文献[3-4,22]利用SiO2-K2O(Peeccerillo)图解将钙碱性岩石又划分为高钾钙碱性系列和钾玄岩系列,这是北淮阳火山岩的物质成分的共性。由表3可知,不同的火山构造单元内火山岩的岩石地球化学特征,从西往东具有不同的规律性。

(1) 由钙碱性向碱性演化的特征在东部更明显,岩石的碱度率从早到晚、空间上从西往东有增大的趋势。西部单元的火山岩图解反映以钙碱性为主;东部单元的火山岩图解则反映早期毛坦厂旋回的火山岩从钙碱性向弱碱性演化,晚期晓天旋回的火山岩进一步向弱碱性演化。

(2) 西部单元早期金刚台旋回在氧化物-分异指数图上投影点分布与极密脊线基本一致,晚期陈棚旋回略有偏离,表明未受到同化混染;东部单元早期毛坦厂旋回火山岩在氧化物-分异指数图上,投影点有规律地偏离和斜交极密脊线,晚期晓天旋回偏离程度加大,说明受一定程度的同化混染;中部单元早期毛坦厂旋回的分布明显偏离岩浆结晶的正常趋势,同化混染作用较强。中东部同化混染作用较强可能有2个原因:① 岩浆有较长时间与围岩相互作用,有较多的物质被同化混染;② 陆壳基底岩石对火山岩浆的演化有十分重要的意义。

(3) 组合指数反映了岩石的碱性程度,从组合指数分析中东部火山岩碱性高于西部。西部单元组合指数在1.54～4.00之间,变化范围不大,均小于4;中部早期毛坦厂旋回组合指数在1.01～7.01之间,晚期响洪甸旋回组合指数在0.48～37.06之间,变化较为复杂;东部单元组合指数在1.39～7.02之间,变化范围较大。

表3 北淮阳中生代火山岩岩石化学特征参数

注：※数据引自文献[2,24]，其他数据根据区内1∶500 00区域地质调查报告[7-12]统计求得。

(4) DI反映了岩浆演化程度,西部单元DI为48～95;中部单元早期毛坦厂旋回DI为47.35～91.96,晚期响洪甸旋回DI为26.76～91.13,基性程度加大;东部单元DI为40.42～93.95,表明岩浆结晶分异较彻底。

(5) 酸度从东往西有增高的趋势,相应的氧化度亦增高。

岩石化学特征表明,不同时代盆地具有差异性,空间上从西往东随时间演化碱性增强,同化混染作用加剧,岩浆结晶分异程度增加。

4.2 微量元素地球化学特征

基于文献[3-4]对各个盆地的岩石地球化学资料,本文对火山岩的地球化学特征在空间上进行对比。区内火山岩在以原始地幔标准化后的微量元素蛛网图上,整个火山岩带富集不相容元素Rb、Na、K、Tb和过渡族元素 Pb及高场强元素Zr,亏损Nb,其化学特征类似岛弧-大陆边缘火山岩的特征。

稀土元素配分曲线皆为右倾平滑型,δEu表明西部无明显亏损;中部负异常明显,δEu值在0.58～0.70之间;东部随岩浆的演化,δEu逐渐降低,稀土元素分镏加强,岩浆晚期Eu亏损加强。wHREE很接近拉斑玄武岩,基本保持了原来的稀土元素的浓度,但东部早白垩纪火山岩比西部晚,火山岩更富集LREE,这可能主要是由于壳源物质的同化混染所致。

5 火山岩构造背景

区内火山岩与侵入岩在时空上紧密伴生,成分上密切相关[25],相应的火山岩活动略早于岩浆侵入活动,构成了完整的中酸性岩浆演化序列和碱性岩浆演化序列,各火山岩构造单元内部以及相互之间时空上演化实质上是控制火山-侵入活动构造性质变化的响应。

北淮阳构造带东段中生代火山活动是中国东部岩浆活动的一部分。对于火山岩浆形成的构造背景主要有2种观点:① 认为本区火山岩属中国东部火山岩的一部分[26-31],属大陆边缘弧火山岩;② 根据对与中生代火山岩同源形成并相伴出现的花岗岩-正长岩类的研究,认为其形成于大别造山带陆-陆碰撞后的板内拉张环境[22,32-33]。

第1种观点认为太平洋板块向中国东部的俯冲作用使处于受压背景下的中国东部大陆下软流圈逐渐上挤,导致岩石圈上隆,在地幔底侵、壳幔相互作用下,出现了大规模的岩浆活动,从而呈现为活动大陆边缘火山弧环境,在火山喷发前,郯庐断裂带主体已经形成,因而控制了火山喷发(郯庐断裂带的山东段和安徽段)。

第2种观点根据板片拆沉作用模型认为以高钾钙碱性系列为主的火山-侵入杂岩是陆壳挤压加厚过程中壳幔相互作用的记录,典型的钾玄岩、碱性岩形成于岩石圈强烈减薄、地幔上隆的构造环境,其出现是大别造山带在早白垩纪发生山根拆沉、山脉隆升作用的岩石记录。

另外,也有观点认为在200 Ma以后秦岭—大别造山带有地幔柱的上升,从而用岩石圈拆沉-地幔柱上升的模式解释中国东部火山岩形成的动力学背景。

区内大地构造环境的不确定性直接影响了火山岩成因的认定。火山岩带不同地区定年资料由于采样手段、测定单位、所用方法不同等原因,也存在不一致性和不可比性等问题。

但本区火山岩的区域成岩特征和活动演化规律有3点可以肯定:① 晚侏罗纪开始,太平洋板块向中国东部的俯冲作用加强,使区域性应力场发生变化,郯庐断裂的左旋剪切作用必然使本区北西向先存构造拉张;② 微量元素构造环境图解[Rb-(Yb+Ta)图,Ta-Yb图]判别本区火山岩属火山弧环境,这不一定说明其处于火山弧的位置,但是可以表明本区环境的高度活动性;③ 区内各火山岩构造单元具有差异,岩浆活动向东迁移趋势明显。

本文认为侏罗纪晚期—早白垩纪早期太平洋板块开始影响该区,北淮阳构造带发生挤压向伸展体制的转变,大别山中部的罗田片麻岩穹隆隆升后,引发四周下滑,北大别隆滑-逆冲构造首先触发与此邻近的西部火山构造单元钙碱性火山-侵入岩的形成。在早白垩纪(135～100 Ma)由于隆升剥蚀、应力松驰,伸展作用加强,出现受控于西太平洋板块俯冲的强烈构造-岩浆活动[34]。在北淮阳构造带,碱性火山岩喷发,次火山岩相的斑岩、爆破角砾岩发育,岩浆活动向东迁移,使东部火山岩的演化可延续到喜山期。

6 结 论

(1) 在北淮阳构造带东段西部火山构造单元火山活动相对较早,活动时间较长,为晚侏罗纪—早白垩纪火山盆地;而东部火山活动相对较晚,具有高度的活动性,为早白垩纪火山盆地。

(2) 北淮阳构造带东段火山构造单元岩石组合存在差异,东部碱钙性系列、碱性系列岩石较发育。

(3) 岩石化学特征表明,不同时代盆地具有差异性,空间上火山构造单元从西部往东部,时间上从晚侏罗纪到早白垩纪,岩浆演化碱性增强,同化混染作用加剧,岩浆结晶分异程度增加。东部单元更富集LREE,Eu亏损加强。

(4) 北淮阳构造带东段构造背景从以南北向陆内俯冲作用为主,向以受太平洋板块俯冲作用影响为主的体制转换,从而造成岩浆活动向东迁移。

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(责任编辑 张淑艳)

Regional diagenesis study for Mesozoic volcanic rocks in eastern section of Beihuaiyang tectonic belt, China

WU Zongling, XIA Feiqiang, SHENG Yong, HUANG Bo

(Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province, Hefei 230022, China)

Base on the systematic summarization of previous researches, this paper studies the diagenesis, evolution and dynamic settings of Mesozoic volcanic rocks in eastern section of Beihuaiyang tectonic belt. The paper argues that there exists obvious difference between each of the Mesozoic volcanic tectonic units in eastern section of Beihuaiyang tectonic belt. Chronology of the magmatic rocks displays a migration tendency from west to east. The characteristics of geochemistry, trace and rare earth elements indicate the difference between the basins formed in different periods. Over time from west to east, the volcanics tend to be more alkaline, more intensified in crystallization differentiation and assimilation contamination, more rich in LREE and poor in Eu, corresponding to the transformation of geodynamic settings in eastern China. It is also determined by tectonic distinctiveness of Beihuaiyang tectonic belt, which lies on the west of Tan-Lu fault and east of Dabie Luotian gneiss dome.

Beihuaiyang tectonic belt; volcanic rock; geodynamics; diagenesis; Mesozoic

2016-09-01

安徽省公益性地质工作资助项目(2012-g-13)

邬宗玲(1965-),女,安徽六安人,安徽省地球物理地球化学勘查技术院高级工程师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.023

P542.36

A

1003-5060(2017)05-0690-07