闽东北晚侏罗世南园组火山岩地球化学特征及构造意义①

2021-11-02胡庆伟

福建地质 2021年3期

胡庆伟

(福建省闽东南地质大队，泉州，362011)

1966年，福建区调地质测量队在开展1∶20万南平幅区域地质调查时建立南园组，原含义指南平幅东部一套厚度巨大的中酸性-酸性喷出岩类，呈大面积熔岩流出露，其下与长林组及其更老地层呈喷发不整合或角度不整合接触，其上被石帽山群不整合覆盖，时代归属晚侏罗世, 一般划分为3～5个岩性段[1]。1985年，“福建省区域地质志”将南园组划分为4个岩性段[2]。福建省地质调查研究院(1)福建省地质调查研究院.1∶25万周宁县幅区域地质调查报告，2007。将南园组自下而上分为4个段，获得锆石SHRIMP年龄为130.1～162.3 Ma，证实了南园组主体时代为晚侏罗世，局部地段延续至早白垩世。近年对福建1∶5万漳湾镇、溪南镇幅区域地质调查工作中，系统研究了闽东北福安和霞浦晚侏罗世南园组火山岩岩石组合及地球化学特征，并对其岩浆起源及大地构造环境进行初步探讨。

1 地质概况

在研究区内南园组出露较广泛，主要分布于溪南、下白石一带，为一套陆相中性-酸性火山岩系(图1)，根据福建省地质调查研究院区调成果资料(2)福建省地质调查研究院， 1∶5万纯池, 上白石、周宁县、福安市幅区域地质调查报告，2002。收稿日期：2021-07-05作者简介：胡庆伟 (1985-)，男，工程师，主要从事区域地质调查，农业地质调查等工作。，在福安地区南园组第二段中获得Lygodiumsporitessp.，Pseudopiceavariabiliformis，Pinuspollenitesdivulgatus等孢粉组合，其时代为晚侏罗世，且前者成果中测得南园组的四组Rb-Sr等时线同位素年龄为(157.9±1.1) Ma、(156±2)Ma、140.8 Ma及(144±2)Ma，后者在南园组火山岩中测得LA-ICP-MS U-Pb锆石同位素年龄为(137±1.2)Ma和(139.7±1.0)Ma，南园组时代为晚侏罗世-早白垩世。研究区火山岩地层受北东向断裂控制明显，总体呈北东向带状展布，据岩石组合、层序及岩性变化特征，结合区域地层划分对比，自下而上进一步划分为中性-中酸性、酸性及中性-中酸性3个岩性段，分别归属南园组第一、二、三段。

图1 研究区火山岩分布简图Fig.1 Brief diagram of volcanic rock distribution in the study area1—第四系；2—早白垩世寨下组；3—早白垩世小溪组；4—晚侏罗世南园组第三段；5—晚侏罗世南园组第二段；6—晚侏罗世南园组第一段；7—晚侏罗世长林组；8—晚白垩世侵入岩；9—早白垩世侵入岩；10— 晚侏罗世侵入岩；11—地质界线；12—平行不整合界线；13—样点位置及编号

南园组第一段：分布较局限，主要出露于南部下砚、西安村一带，岩石组合为一套中性-中酸性火山碎屑岩、熔岩组合，其上为南园组第二段喷发不整合覆盖，或被小溪组下段平行不整合覆盖。岩性主要为浅灰、灰绿色安山岩、英安岩、英安质凝灰岩、英安质(含)晶屑凝灰岩、英安质含角砾晶屑凝灰岩、英安质晶屑熔结凝灰岩、英安质含角砾(岩屑)晶屑熔结凝灰岩等。

南园组第二段：分布最为广泛，主要出露于溪南、北山一带，为一套酸性的陆源火山熔岩、碎屑岩夹少量沉积夹层，下部喷发不整合于南园组第一段之上，北山一带局部接触界面见宽约2 m的沉凝灰岩，并见厚约1 cm的铁质残积物，上、下岩层产状基本一致，其上为南园组第三段喷发不整合覆盖或被小溪组下段平行不整合覆盖。

该段岩石以出露酸性火山岩为主，绕火山喷发中心外围呈环状或出露于火口附近，岩石组合、厚度在各地变化较大。在霞浦溪南一带成片出露，岩性组合主要为流纹岩、流纹质凝灰岩、流纹质(含)晶屑凝灰岩、流纹质含角砾(岩屑)晶屑凝灰岩、流纹质晶屑熔结凝灰岩、流纹质(含集块)火山角砾岩夹沉凝灰岩等；在福安宝林一带小面积出露于火山喷发中心附近，岩性组合为流纹岩、流纹质(含)晶屑凝灰岩、流纹质(含)角砾晶屑凝灰岩、流纹质含集块火山角砾岩等；在宁德漈头呈带状分布于火山喷发中心外围，岩性组合为流纹质(含)晶屑凝灰岩、流纹质(含角砾)晶屑熔结凝灰岩等。

南园组第三段：分布较广泛，在福安下白石、霞浦县柴称坪、宁德市枇杷顶均有出露，主要分布于山顶及火山喷发中心附近，为一套中性-中酸性的陆源火山碎屑岩、熔岩，在下白石-青山可见火山碎屑岩、熔岩内夹少量沉积夹层，下部喷发不整合于南园组第二段之上，其上为小溪组下段平行不整合覆盖。岩性组合主要为安山岩、英安岩、英安质凝灰岩、英安质(含)晶屑凝灰岩、英安质含角砾(岩屑)晶屑凝灰岩、英安质含晶屑熔结凝灰岩、英安质含角砾晶屑熔结凝灰岩夹沉凝灰岩等沉积夹层。

南园组火山活动作用方式是爆发与喷溢相间，具有层状火山的特点，但是在火山作用过程中，爆发作用始终占据主导作用，形成的火山产物分布范围广，火山岩相发育，而喷溢作用产生的熔岩流相，一般呈透镜状、舌状或环状分布。火山作用早期形成产物在空间上表现为爆发-喷溢作用层层叠加堆积的组合形式。火山活动由强减弱，晚期在火山通道附近堆积崩落，之后粗粒级火山碎屑岩充填于火山通道中，最后安山岩、英安岩及流纹岩侵出发展为层状火山。

2 样品分析测试

该次研究工作共采集岩石地球化学样品15件，其中，南园组第一段1件，南园组第二段8件，南园组第三段6件。样品主量元素、微量元素和稀土元素分析在福建省地质测试研究中心测试完成。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素特征

研究区南园组火山岩主量元素分析结果(表1)。研究区南园组中性火山岩SiO2含量平均为62.74%，全碱(K2O+Na2O)含量平均为5.97%，MgO含量平均为2.33%，TFeO含量平均为5.21%，分异指数为53～71；酸性火山岩SiO2含量平均为74.43%，全碱(K2O+Na2O)含量平均为6.30%，MgO含量平均为0.44%，TFeO含量平均为1.57%，分异指数为74～95。南园组火山岩K2O/Na2O比值为1.11～1.86，总体上显示略富钾贫钠的性质。火山岩自中性岩-酸性岩，SiO2含量具有升高的趋势，且分异指数逐渐升高，而MgO含量和TFeO含量具有降低的趋势，显示了正常的岩浆演化和分异过程。

在火山岩TAS图解中(图2)，南园组第一段样品落入粗面安山岩区，第二段样品均落入流纹岩区，第三段样品绝大多数落入英安岩区，2件样品落入玄武质粗面安山岩区，1件样品落入粗面安山岩区。岩石里特曼指数为0.34～2.65，属钙碱性系列；在SiO2-K2O图解中(图3)，绝大多数样品落入高钾钙碱性系列区，个别落入钙碱性系列和钾玄岩系列。

表1 研究区南园组火山岩主量元素化学成分(%)

图2 研究区南园组火山岩TAS分类图解Fig.2 TAS classification of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study areaPc—苦橄玄武岩；B—玄武岩；O1—玄武安山岩；O2—安山岩；O3—英安岩；R—流纹岩；S1—粗面玄武岩；S2—玄武质粗面安山岩；S3—粗面安山岩；T—粗面岩；U1—碱玄岩、碧玄岩；U2—响岩质碱玄岩；U3—碱玄质响岩；Ph—响岩

图3 研究区南园组火山岩SiO2-K2O图解Fig.3 SiO2-K2O classification of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

根据研究区南园组火山岩主要氧化物哈克图解(图4)，随着SiO2含量的增加，Al2O3、CaO、Fe2O3、FeO、MgO、TiO2、P2O5、MnO等含量发生较为明显的降低现象，可能与岩浆演化过程中斜长石、辉石、金红石、磷灰石等的分离结晶作用有关。K2O含量随着SiO2含量的增加整体呈升高的趋势，显示了随着岩浆的演化，壳源成分越来越占主导作用[3]。

图4 研究区南园组火山岩主要氧化物哈克图解Fig..4 Main oxide HHker diagram of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

3.2 微量元素特征

研究区南园组火山岩微量元素分析结果(表2)。南园组中性火山岩Rb含量为118.10×10-6～180.70×10-6，略高于上地壳平均值(110×10-6)，而远高于上地幔平均值(2.6×10-6)[4]；Rb/Sr比值为0.21～0.66，与上地壳平均值(0.31)较为接近，而远大于上地幔Rb/Sr平均值(0.025)；火山岩Th/U比值为2.56～4.87，平均值4.01，接近于上地壳平均值(4.2)，而与上地幔Th/U比值(1～2)相差较大；Zr含量平均为208.00×10-6，Zr/Hf比值为32.98～56.27，平均值40.93，均与上地壳平均值(Zr值为130，Zr/Hf值为87)较为接近，而与上地幔平均值(Zr值为50，Zr/Hf值为167)相差较大[5]。

表2 研究区南园组火山岩微量元素化学成分(10-6)

南园组酸性火山岩Rb含量为119.20×10-6～300.60×10-6，略高于上地壳平均值(110×10-6)，而远高于上地幔平均值(2.6×10-6)；Rb/Sr比值为0.40～7.74，与上地壳平均值(0.31)较为接近，而远大于上地幔Rb/Sr平均值(0.025)；火山岩Th/U比值为4.24～8.68，平均值6.07，接近于上地壳平均值(4.2)，而与上地幔Th/U比值(1～2)相差较大；Zr含量为139.00×10-6～313.60×10-6，平均为224.31×10-6，Zr/Hf比值为24.65～39.10，平均值32.89，均与上地壳平均值(Zr值为130，Zr/Hf值为87)较为接近，而与上地幔平均值(Zr值为50，Zr/Hf值为167)相差较大。

因此，微量元素特征显示，南园组火山岩微量元素特征值与上地壳较为接近，而与原始地幔相差较大。在微量元素原始地幔蛛网图解中(图5-a)，南园组第一段、第二段、第三段火山岩总体显示相似的地球化学特征，但略有差异。相比来说，南园组酸性火山岩显示出更为强烈的不相容元素Ba、Sr、P、Ti等的亏损以及较弱的Nb、Ta亏损，显示岩浆具有分离结晶后残浆的特征或壳源特征[6]；而南园组中性火山岩Ba、Sr、P、Ti等的亏损程度明显低于酸性岩，说明酸性火山岩比中性火山岩具有更高的分异程度。Sr、Ba亏损显示岩浆具有斜长石分离结晶后残余岩浆的地球化学性质，而P和Ti的亏损可能指示了磷灰石和金红石的分离结晶作用。

3.3 稀土元素特征

南园组中性火山岩稀土元素总含量(ΣREE)160.35×10-6～257.24×10-6(表3)，平均为201.96×10-6，其中，轻稀土元素总含量为123.22×10-6～205.58×10-6，平均为162.77×10-6，重稀土元素总含量为29.53×10-6～51.66×10-6，平均为39.19×10-6。ΣLREE/ΣHREE比值为3.32～5.14，平均为4.20，(La/Yb)N值为6.59～15.66，平均11.71,(La/Sm)N比值为4.03～5.09，平均为4.55，(Gd/Lu)N比值为1.02～2.49，平均为1.69。δEu值为0.75～1.14，平均为0.92，大部分样品具有弱的负Eu异常现象，个别具有弱的正Eu异常现象。

南园组酸性火山岩稀土元素总含量为161.57×10-6～281.09×10-6(表3)，平均为208.71×10-6，其中，轻稀土元素总含量为123.27×10-6～234.34×10-6，平均为167.76×10-6，重稀土元素总含量为26.99×10-6～55.43×10-6，平均为40.95×10-6。比值为2.82～5.74，平均4.26，(La/Yb)N值为8.13～19.34，平均为13.57，(La/Sm)N值为2.79～13.63，平均为5.97，(Gd/Lu)N值为0.61～1.93，平均为1.57。δEu值为0.23～1.07，平均为0.63，大部分样品具有中等偏强的负Eu异常现象，少数样品Eu异常现象不明显。

表3 研究区南园组火山岩稀土元素化学成分(10-6)

以上稀土元素特征显示，南园组中性火山岩与酸性火山岩具有相似的地球化学特征，总体显示较为明显的轻重稀土分馏特征(图5-b)，并且轻、重稀土间分馏程度相对较小，轻稀土分馏强度略大于重稀土，分配曲线为右倾平坦型。中性火山岩具有弱的负Eu异常或正Eu异常现象，而酸性火山岩总体具有中等至强的负异常现象，反映酸性火山岩的残余岩浆中斜长石的分离结晶程度更高。

图5 研究区南园组火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)及稀土元素球粒陨石标准化配分模式图 [7](b)Fig.5 Standardized spider web map of trace mantle (a) and standardized partition pattern of rare earth globules (b) of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

4 岩浆起源

研究区南园组中性火山岩具有较低的MgO含量平均为2.33%，远低于地幔橄榄岩部分熔融形成的高镁安山岩(含量大于8%)。中性火山岩Nd/Th比值为1.44～2.41，明显低于幔源岩石Nd/Th比值(>15)。研究区南园组中性火山岩Eu异常现象不明显(δEu值为0.75～1.14)，与基性岩浆结晶分异所形成的具有明显负Eu异常现象的安山岩差别较大[8]。同时，中性火山岩微量元素地球化学特征与基性火山岩亦具有较大的差异。因此，研究区南园组中性火山岩不可能直接来自于基性岩浆直接分异，而很可能是来自地幔熔融形成的热使冷的地壳岩石发生部分熔融的作用。

研究区南园组酸性火山岩整体具有高硅、富碱富钾、贫镁铁的特征，大体积的高硅火成岩多为大陆地壳深熔作用的典型产物[9]，而富钾火山岩是兼具壳幔相互作用的特殊岩性组合，且表明岩浆形成过程中有较多的壳源物质的参与。微量元素特征显示，南园组火山岩微量元素特征值(Rb、Zr、Rb/Sr、Th/U、Zr/Hf)与上地壳较为接近，且微量元素蛛网图显示出较强烈的不相容元素Ba、Sr、P、Ti等的亏损，以及较弱的Nb、Ta的亏损。同时，酸性火山岩总体具有较中等至较强的负Eu异常现象，与地壳重熔形成的火山岩相似。因此，研究区南园组酸性火山岩的岩浆可能源自于地壳物质的部分熔融[9]。

在La-La/Sm岩浆成因过程图解中(图6)，南园组火山岩样品La与La/Sm呈较好的正相关曲线，可能显示火山岩原始岩浆主要由地壳部分熔融所形成。结合火山岩微量元素和稀土元素特征，岩浆可能起源于以壳源物质为主的壳幔混源型岩浆。

图6 研究区南园组火山岩岩浆演化过程图解[10]Fig.6 Diagram of magma evolution in Nanyuan Formation in the study area

5 构造环境分析

研究区南园组中性火山岩属于中硅(平均62.74%)、高铝(平均15.70%)、低镁(平均2.33%)、低铁(全铁平均5.21)、低钛(平均0.71)的高钾钙碱性-碱玄岩系列，微量元素与稀土元素含量、比值及曲线特征显示与上地壳较为接近，而与上地幔特征相差较大。在微量元素Rb/10-Hf-Ta×3构造环境判别图解中(图7)，样品均落入火山弧区；在Ta/Yb-Th/Yb构造判别图解中(图8)样品则主要落入活动大陆边缘(陆缘弧)区域，显示研究区南园组中性火山岩可能属于正常或较薄地壳背景下的岛弧安山岩。

图7 研究区南园组火山岩Rb/10-Hf-Ta×3图解[11]Fig.7 Rb/10-Hf-Ta×3 diagram of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

图8 研究区南园组火山岩Ta/Yb-Th/Yb图解[12]Fig.8 Ta/Yb-Th/Yb diagram of volcanic rocks in Nanyuan Formation in the study area

研究区南园组酸性火山岩总体显示比中性火山岩更高的分异和演化程度，具有高硅(平均74.43%)、高铝(平均13.76%)、低镁(平均0.44%)、低铁(全铁平均1.57)、低钛(平均0.29)的特征，属于高钾钙碱性-碱玄岩系列，微量元素与稀土元素含量、比值及曲线特征均显示与上地壳特征较为接近，而与上地幔相差较大。在微量元素Rb/10-Hf-Ta×3构造环境判别图解中，样品均落入火山弧区；在Ta/Yb-Th/Yb构造判别图解中样品则主要落入活动大陆边缘(陆缘弧)区域，显示了地壳重熔背景下形成的酸性火山岩特征。

中侏罗世时期(约180 Ma)，研究区处于濒太平洋大陆边缘活动带，研究区内火山喷发和岩浆侵入活动相对较弱，该时期的火山岩和侵入岩出露较少，处于板块稳定向活动的构造转换阶段。随期伊佐奈岐-太平洋板块向中国大陆板块俯冲加剧，地壳活动加剧，导致强烈火山喷发和岩浆侵入活动[13]。晚侏罗世时期(约145 Ma)随着太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲的加剧[14]，遭受强烈的挤压，形成挤压破碎带，俯冲活动将部分洋壳和陆壳物质带到地壳深处，发生重熔，形成再生岩浆，进而沿断裂带喷出地表[15]。

随着时间的推移板块俯冲形成的再生岩浆大量累积，再加上断裂带的活动加剧，促使溪南-沙江等断裂带张裂活动不断加剧深切，从而导致地壳深部岩浆沿断裂带不断上涌运移，进而沿通往岩浆房的断裂强烈、频繁地喷出地表，形成了分布广泛、厚度巨大的晚侏罗世-早白垩世钙碱性系列的中酸-酸性火山岩以及其中的一系列火山机构和火山群体[16-18]。

综上所述，研究区南园组火山岩具有火山弧的构造特征，它与日本岛弧火山岩及安第斯活动大陆边缘火山岩具有较大的相似性，显示出其可能形成于大陆边缘岛弧带的构造环境。