临沂方城盆地中生代青山群火山岩地球化学特征及地质意义

孙天柱，武斌

(山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021)

0 引言

临沂方城盆地出露的火山岩位于鲁西地块泰山岩浆弧带内[1],是鲁西地区中生代火山岩主要分布区(图1)。出露于该带的火山岩以早白垩世八亩地组和方戈庄组为主，在盆地的南西缘以早白垩世水南组及城山后组为主[2]，形成由南西向北东沉积中心逐渐转移的沉积格架。八亩地组为杂色安山质火山碎屑岩、火山熔岩、沉积火山碎屑岩及少量陆源沉积岩建造，方戈庄组则以紫红色粗面岩、粗安岩及粗面质火山碎屑岩建造为主，前人将该套粗面质火山岩、火山碎屑岩归为潜火山岩[3]。

在开展1∶5万方城幅地质调查基础上[4]，通过对出露于临沂方城盆地内的早白垩世八亩地组及方戈庄组火山岩主要物质组成、地球化学特征，沉积建造分析，对该火山岩形成地质背景进行了探讨。

1 区域地质概况

临沂方城盆地内主要沉积了早白垩世莱阳群、青山群及晚白垩世—古近纪官庄群，莱阳群发育水南组、城山后组，分布于方城盆地南西缘(图1)。青山群发育八亩地组、方戈庄组2个火山旋回，分布于盆地的中部，呈NW向带状展布两端均延伸出调查区，官庄群分布于盆地的NE缘，盆地NE缘以蒙山断裂(F1)为界，断裂NE为新太古代花岗岩分布区；盆地SW为山区出露寒武纪、奥陶纪及少量石炭—二叠纪地层。由SW向NE地层由老至新变化，显示沉积盆地中心由SW向NE逐渐转移的沉积特征。

1—第四系;2—晚白垩世—古近纪官庄群;3—早白垩世方戈庄组;4—早白垩世八亩地组;5—早白垩世城山后组;6—早白垩世水南组;7—晚侏罗世—早白垩世淄博群;8—晚石炭世—中二叠世月门沟群;9—中奥陶世—晚奥陶世马家沟群;10—晚寒武世—早奥陶世九龙群;11—新近纪橄榄玄武玢岩;12—新太古代花岗岩;13—辉绿玢岩;14—花岗斑岩;15—安山质沉凝灰岩;16—安山质沉凝灰角砾岩;17—安山质凝灰集块角砾岩;18—安山质集块角砾岩;19—粗面岩;20—砾质砂岩、粉砂岩、泥岩;21—正断层、逆断层及产状;22—调查区范围;23—背斜;24—向斜;25—角度不整合/平行不整合;26—岩相界线;27—青山群剖面位置;28—火山机构图1 临沂方城盆地地质简图

2 青山群火山喷发旋回划分

2.1 火山岩岩相划分

根椐青山群火山岩组合特征、产状、组构及火山构造[5]，将方城盆地的青山群岩相划分为喷溢相、爆发相、爆发沉积相、沉积相。

2.2 火山岩喷发旋回划分

在方城镇西北部吉山青山群剖面控制了早白垩世八亩地组和方戈庄组2个火山旋回[6-7]。

八亩地组实测剖面的旋回层序见表1，主要为一套安山质火山岩—火山碎屑岩—沉火山碎屑岩夹正常沉积岩的组合[8]，以火山碎屑岩主体，共发育6个火山韵律，出露地层总厚度大于1838.9m，总体爆发指数为86.52%，喷溢指数为10.19%，其中第一、第二韵律以爆发沉积相为主，第四、五、六以爆发相为主。第四韵律发育有沉积层，说明在火山喷发过程中存在短暂间歇期。该旋回总体表现为爆发—喷溢—爆发沉积—爆发的特点。八亩地组岩石色调杂，灰绿、灰紫及浅灰等均较为发育，岩石中的集块或角砾以同源为主，亦发育较多的异源集块或角砾，致使岩石呈杂色色调，方城盆地八亩地组以爆发为主，喷溢相不甚发育。

表1 青山群八亩地组火山喷发韵律(P1)

方戈庄组[8]实测剖面的旋回层序见表2，主要为一套粗面岩、粗面质集块角砾岩的岩石组合，以粗面质、粗安质熔岩为主体，岩石多呈灰红色调，角度不整合于八亩地组沉凝灰岩之上，发育有2个火山韵律，出露总厚度为415.94m，总体爆发指数为8.6%，喷溢指数为91.4%，以喷溢相为主。第一韵律以喷溢为主，第二韵律以爆发为主，第一韵律中含有较多的火山角砾，角砾含量一般少于10%，形成角砾熔岩，说明在喷溢过程同时伴有爆发产生，沉积作用位于火山机构附近或破火山口内。该组岩石集块角砾以同源为主，异源岩屑少见。与下伏八亩地组的灰绿色沉凝灰岩界面处见有1～2cm的土黄色风化层，方戈庄组角砾熔岩整体呈微波浪起伏状平行下伏岩层覆于八亩地组沉凝灰岩之上(图2)，两者应为喷发不整合接触。

表2 青山群方戈庄组火山喷发韵律(P1)

图2 方戈庄组角砾熔岩喷发不整合于八亩地组沉凝灰岩之上

3 青山群岩石学特征

3.1 八亩地组岩石学特征

八亩地组主要发育有玄武安山岩、安山岩等熔岩，呈夹层出现，规模较小。此外，发育有大量火山碎屑岩，除正常火山碎屑岩外，尚发育有向熔岩过渡、向沉积岩过渡的火山碎屑岩。

3.1.1 熔岩

玄武安山岩：岩石呈灰绿色，斑状结构，块状构造，基质间隐结构。斑晶35%，由单斜辉石(15%)、拉长石(20%)组成，斑晶单斜辉石为短柱状自形晶，均匀分布，大小0.1～0.8mm，基质中辉石为短柱状，大小0.05mm左右。斑晶斜长石0.3～2.0mm之间，斜长石牌号An=60，为拉长石。基质含量65%，由斜长石(23%)、基性玻璃(20%)、单斜辉石(20%)、磁铁矿(2%)组成。

辉石安山岩：岩石灰绿色、灰褐色，斑状结构，块状构造，偶见有杏仁构造、气孔构造，基质其玻基交织结构。斑晶含量20%～35%，由单斜辉石(5%～15%)和斜长石(10%～25%)组成，单斜辉石多呈短柱状自形晶，粒度0.2～1.0mm之间。斜长石板状自形晶，聚片双晶发育，均匀分布，粒度0.3～l.5mm之间。基质主要由斜长石组成，另有少量单斜辉石、磁铁矿等。杏仁构造者，杏仁体多为绿脱石、纤状沸石等。

黑云母安山岩：岩石呈灰褐色，斑状结构，块状构造，基质交织结构。斑晶含量30%，由普通角闪石(5%)、黑云母(10%)、中长石(15%)组成。黑云母为片状自形晶，仅见于斑晶矿物中，粒度0.1～1.0mm之间，棕红—浅黄色多色性，平行消光，少量已暗化。基质矿物中斜长石含量67%，定向排布，其间充填有浑圆状磁铁矿小晶体，形成交织结构。

3.1.2 火山碎屑岩

辉石安山质集块角砾熔岩：岩石灰绿—灰黄色，集块角砾结构，熔岩胶结，块状构造。由集块(20%)、火山角砾(40%)、熔岩物质(40%)组成，集块、角砾呈棱角—次棱角状，角砾均匀分布。熔浆与火山角砾同成分，二者区别在于角砾的色调略深。熔浆呈斑状结构，斑晶为单斜辉石、中长石，粒度0.2～0.5mm之间，基质为安山结构，由板条状斜长石定向排列，尘点状磁铁矿及火山玻璃充填于其间。

安山质角砾凝灰熔岩：岩石灰紫色、灰绿色，角砾凝灰结构，熔岩胶结，块状构造。由火山角砾(10%)、火山灰(25%)、熔岩胶结物(65%)组成，三者成分完全一致，为辉石安山岩。角砾大小一般2～8mm，呈次棱角状，均匀分布。岩屑大小不一，一般0.1～1.5mm，均匀分布，次棱角状。

辉石安山质集块角砾岩：岩石灰红色、灰绿色，集块角砾结构，块状构造。集块含量30%左右，呈次棱角状棱角状，大者可达30～50cm，火山角砾含量55%左右，角砾、集块间为火山灰充填，集块、角砾成分有2种，灰绿色安山岩及灰红色安山岩。镜下特征：岩石由火山角砾(60%)、火山灰(40%)组成，火山角砾呈棱角状，成分单一，为辉石安山岩。火山灰由岩屑和火山尘组成，充填于集块、角砾间。

安山质角砾岩屑凝灰岩：岩石呈灰绿色，角砾凝灰结构，块状构造，由火山角砾(25%)、火山灰(75%)组成。火山角砾呈棱角状，大小2～5mm之间，成分不一，由角闪安山岩和辉石安山岩组成。火山灰由岩屑(60%)、晶屑(5%)和火山尘(10%)组成。岩屑呈次棱角状—棱角状，均匀分布，成分同火山角砾；晶屑呈次棱角状或柱状，板状自形晶，由中长石、普通角闪石、单斜辉石组成；火山尘呈微粒尘状玻屑，均匀分布于火山碎屑间隙。

沉安山质凝灰岩：岩石灰绿色，沉晶岩屑凝灰结构，颗粒支撑、孔隙式胶结。由砂屑85%和胶结物15%组成。砂屑由安山质岩屑(54%)、长石(15%)、石英(l%)及微晶灰岩岩屑(15%)组成，大小不一，0.5～l.5mm之间，次棱角状，分选及磨圆度较差，胶结物为方解石。

凝灰质粉砂岩：岩石灰绿色，凝灰质粉砂结构，由火山灰(20%)、陆源碎屑(50%)及填隙物(30%)组成。火山灰由岩屑(15%)及玻屑(5%)组成，0.01～0.05mm之间，次圆状—次棱角状，均匀分布。陆源碎屑由斜长石碎屑(34%)、石英(15%)、重矿物(1%)组成，大小0.01～0.06mm之间，次棱角状，均匀分布，填隙物为黏土矿物及火山尘。

3.2 方戈庄组岩石学特征

方戈庄组熔岩以粗安岩、粗面岩为主，火山碎屑岩主要为粗面质集块角砾岩。

3.2.1 熔岩

黑云母粗安岩：岩石紫红色，斑状结构，平行构造。斑晶含量30%，由黑云母(3%)、斜长石(20%)及普通角闪石(7%)组成。黑云母：鳞片状晶体，零星分布于斑晶矿物之中，大小0.1～0.3mm，多具暗化边。斜长石呈板状自形晶，有时呈聚斑出现，大小0.5～4.5mm，An=31，为中长石。普通角闪石：长柱状自形晶，仅见于斑晶矿物之中，多数晶体已暗化，大小0.1～1.0mm。基质斜长石为板条状微晶平行排列，其间充填有尘状磁铁矿形成交织结构。部分岩石中含有较多辉石斑晶，构成了辉石粗安岩。

角闪粗面岩：岩石灰色，斑状结构，基质具玻基交织结构。斑晶含量25%，由斜长石(10%)、透长石(9%)和角闪石(6%)组成。斜长石：半自形—自形板状，大小0.5×l.0mm左右，具绢云母化。透长石：他形—半自形板状，粒度一般0.4～0.7mm，表面具较多的褐铁质，熔蚀现象明显。角闪石：自形—半自形柱状，粒度不一，0.1～1.0mm，均发生暗化。基质含量75%，由条状长石微晶定向排布，其间充填较多的玻璃—隐晶物质。构成玻基交织结构。长石微晶多呈负突起，以碱性长石为主，含量40%，为粗面岩。

角闪英安岩：岩石呈灰绿色，斑状结构，块状构造，基质安山结构。斑晶含量50%左右，由斜长石(40%)和普通角闪石(10%)组成。普通角闪石呈长柱状自形品，部分具有暗化边，仅见于斑晶矿物之中，均匀分布。大小0.1～1.0mm。斜长石为板状自形晶，聚片双晶及卡钠联合双晶发育，An=32，为中长石。基质含量50%，由斜长石(32%)、中性玻璃(15%)及磁铁矿(3%)组成。

3.2.2 火山碎屑岩

粗面质集块角砾岩：岩石灰紫色、凝灰角砾结构，块状构造。由火山角砾(30%～40%)、火山集块(10%～20%)及胶结物(50%)组成。火山角砾：梭角状—次圆状，大小2.0～64mm,均匀分布，为玻基安山岩，集块成分同角砾，仅砾径大于64mm，部分达0.5～0.7m。胶结物由岩屑(35%)、晶屑(10%)及火山尘(5%)组成。岩屑呈次梭角—次圆状，大小0.01～2.0mm，充填火山角砾间隙，成分同火山角砾。晶屑由中长石及单斜辉石组成。大小0.1～0.5mm，均匀分布于火山灰之中。火山尘呈尘状玻璃质，均匀分布于火山碎屑间隙。

4 岩石化学特征

4.1 主量元素特征

八亩地组火山岩化学成分见表3，火山岩中SiO2含量58.48%～60.24%，变化范围较少，位于中性岩的化学成分范围内。全碱Na2O+K2O含量5.0%～9.19%，总体含量较高。Al2O3为12.46%～16.08%，Fe2O3+FeO的含量为5.52%～7.63%，MgO，CaO含量偏低。青山群八亩地组火山岩的σ值变化较大，分布在1.51～4.90之间，为钙碱性、碱性岩。由全碱—二氧化硅(TAS)图解(图3)可以看出，八亩地组火山岩投点于粗安岩、安山岩区。

方戈庄组火山岩中SiO2含量64.72%～66. 4%，变化范围较少，位于中性岩的化学成分范围内。全碱Na2O+K2O含量7.37%～10.04%，总体含量较高。Al2O3为14.88%～17.33%，Fe2O3+FeO的含量为3.3%～3.85%，MgO、CaO含量少，明显低于八亩地组岩石。青山群方戈庄组的σ值变化较大，分布在2.32～4.59之间，为钙碱性、碱性岩。由全碱—二氧化硅(TAS)图解(图3)可以看出，方戈庄组火山岩投点于粗面岩、粗面英安岩及英安岩区，总体以高钾、高钠为特征。

+八亩地组 ⊙方戈庄组图3 青山群火山岩TAS图解

4.2 微量元素特征

微量元素含量见表3，与维氏值比较具有以下特点：亲石元素Sr，Zr，Rb，Nb含量明显偏低；Ba含量明显偏高；过渡性元素Cr含量明显偏高；Ti，Ni，Nb含量偏低；其他元素含量变化相对较小与维氏值相当。其中八亩地组岩石中的Co，Ni，Cr等铁族元素含量明显高于方戈庄组。

表3 青山群火山岩常量元素、微量元素、稀土元素含量

注：1—角闪安山岩;2—辉石安山岩;3—安山质集块角砾凝灰岩;4—灰绿色英安岩;5—粗面质含角砾熔岩;6—角闪粗面岩

主量元素采用溶剂法测定，含量%；稀土元素、微量元素采用ICP-MS，XGY法测定(山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心)含量10-6。

4.3 稀土元素特征

八亩地组火山岩稀土总量稍有差别(表1)，多数在(83.94～106.82)×10-6， 最高可达308.24×10-6。∑Ce/∑Y比值在3.05～7.79之间，轻重稀土分馏明显，(La/Yb)N为1.45～1.72，个别达3.59。δEu值为0.84～0.93间，接近于1，具弱负铕异常，火山岩原始岩浆受地壳混染较轻。

图4 青山群火山岩稀土配分模式

方戈庄组稀土总量较为接近，多在(189～324.11)×10-6之间，∑Ce/∑Y比值为9.09～13.75，显示了该组火山岩轻重稀土分馏明显，轻稀土相对富集的特征，(La/Yb)N值为4.14～8.20，也显示重稀土亏损轻稀土相对较富集的特点，属轻稀土富集型，轻稀土分馏程度高于重稀土。δEu值为0.82～0.93，δEu值都略小于1，具弱负铕异常，说明其火山岩原始岩浆受地壳混染较轻。

从稀土元素球粒陨石标准化图解[9-10](图4)可以看出，八亩地组及方戈庄组火山岩配分曲线均向右倾斜，为左高右低的较平滑曲线，REE曲线属右倾型。不同岩性其稀土配分曲线基本一致，反映了同源岩浆同等混染的演化规律。在轻稀土部分曲线斜率一致，分馏较好；重稀土部分曲线多波折，在Ho，Gd等处出现谷峰，尾部元素向上翘起，反映元素分馏不好。安山质集块角砾凝灰岩中的Ho存在较高的正异常。

图5 里特曼-戈蒂里图解(Rittmann，1973年)

5 构造环境分析及形成时代

在里特曼-戈蒂里图解中[11-13](图5)，八亩地组多数投点于造山带火山岩区，只有部分投点于造山带与非造山带派生的碱性、偏碱性火山岩区，表明八亩地沉积期火山活动的构造环境是造山带或活动大陆边缘区，方戈庄组火山岩多数投点于造山带与非造山带派生的碱性、偏碱性火山岩区，为活动大陆边缘岩浆活动后期派生的产物。从岩石碱度A·R来看，八亩地组碱度在1.70～2.69间，平均为2.06，方戈庄组碱度在2.49～3.37间，平均为2.95。在SiO2-AR图解(图6)中，八亩地组多数投入钙碱性火山岩区，方戈庄组多投点于碱性火山岩区，在K2O-Na2O图解(图7)中，青山群火山岩均投点于钾质火山岩区，由图解可知，八亩地组以钙碱性钾质岩石为主，方戈庄组以碱性钾质岩石为主。八亩地组的碱度率值偏低、变化范围小，与岛弧和活动大陆边缘特点相吻合；方戈庄组碱度率明显偏高，为碱性钾质火山岩。青山群火山岩总体显示由基性向酸性演化特征，说明火山喷发时构造作用渐强，岩浆房逐渐向上移动；同时由钙碱性向碱性方向演化，说明火山喷发时处于相对凹陷环境，构造作用渐弱，岩浆房稳定下降，反映该期火山作用是在可能存在山根的条件下，在地幔岩石圈减薄、拉伸下形成的[14]。

图6 岩石系列SiO2-AR(碱度率)图解(据Wright，1969)

图7 火山岩K2O-Na2O图解(据 E A K Middlemost ，1972 )

在方城盆地吉山一带，取得粗面岩的K-Ar同位素年龄值为120Ma，其时代应为早白垩世，与区域上青山群的形成时代一致[15-17]。

6 火山机构

区内发育有3处火山机构，分别为吉山、忠义山子及和乐庄火山机构。吉山及忠义山属方戈庄期火山机构，地貌上形成高地，山势较陡，在火山口处发育有粗面质集块角砾熔岩，呈裂隙式SE向分布，走向120°左右，与重磁及遥感资料相吻合。和乐庄火山机构属八亩地期形成的火山机构，火山机构发育安山质集块角砾熔岩、角砾安山岩，该火山机构围岩产状内倾，为火山口塌陷所致。

7 结论

(1)八亩地组为一套以爆发相为主的杂色安山质为主的火山碎屑岩夹沉火山碎屑岩及少量安山质熔岩、陆源碎屑岩的岩石组合，下部夹有较多的沉火山碎屑岩。方戈庄组以灰红色调粗面岩为主，夹少量英安岩及粗面质火山碎屑岩。

(2)临沂方城盆地内原划潜火山岩，实为粗面质熔岩、角砾熔岩，喷发不整合于八亩地组沉凝灰岩及火山碎屑岩之上，根据其岩石组合特征、地球化学特征厘定为早白垩世方戈庄组，对应于该期火山机构影响范围内，远离火山机构则无该组岩石分布。潜火山岩的划分以火山岩产状为依据，在产状不易观测到的情况下，按熔岩划分。

(3)八亩地组以钙碱性钾质岩石为主，方戈庄组以碱性钾质岩石为主。八亩地组的碱度率值偏低、变化范围小，与岛弧和活动大陆边缘特点相吻合；方戈庄组碱度率明显偏高，为碱性钾质火山岩，说明方戈庄组喷发时处于相对凹陷环境，构造作用渐弱，岩浆房相对稳定，反映该期火山作用可能存在山根的条件下，在地幔岩石圈减薄、拉伸下形成的。

(4)在方城盆地吉山一带，取得方戈庄组粗面岩的K-Ar同位素年龄值为120Ma，其时代应为早白垩世。