胶莱盆地西南缘青山群火山岩锆石U-Pb年龄、岩石地球化学特征及意义

2022-03-31孔祥超程蓉蓉孙景耀卢文姬鲁浩

地质找矿论丛 2022年1期

孔祥超，程蓉蓉，孙景耀，卢文姬，鲁浩

(1.山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264011；2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，济南 250013)

0 引言

胶东地区中生代火山岩与许多重大地质事件存在密切关联[1-4]，其中扬子板块与华北板块俯冲碰撞、华北岩石圈减薄、太平洋板块俯冲引发的构造体制转换等都与其有不可分割的联系[5-6]。胶莱盆地西南缘青山群火山岩是山东最具代表性的中生代火山岩，研究其形成时代及成因对了解华北克拉通东部的地质演化具有重要意义[7]。

前人对胶莱盆地白垩系火山岩的研究相对较多，主要集中于中酸性火山岩岩石学[8]、地球化学[9-14]、年代地质学[15-18]等，并取得了较为丰富的研究成果。本文基于“山东省1∶5万景芝、康庄幅区域地质调查”工作，通过系统采集样品、分析测试、数据处理等，对高密市以西高阳村至双羊社区一带出露的青山群火山岩进行研究，总结该区火山岩地球化学特征，分析其构造环境及地质意义，并对岩浆来源及其演化过程进行探讨。

1 区域地质背景

胶莱盆地位于胶北隆起和胶南造山带之间，呈NEE向不规则带状展布，西部宽，东部窄。西部以沂沭断裂带为界，与沂沭断裂带内的盆地相邻。盆地以牟平—即墨断裂带为界，划分为胶莱盆地东部和西部。盆地西部可进一步划分为诸城凹陷、柴沟地垒、高密凹陷、大野头凸起、莱阳凹陷等5个三级构造单元；盆地东部为海阳凹陷。依据《山东省地层侵入岩构造单元划分方案》，研究区的大地构造单元整体属高密—景芝凹陷(图1)。

图1 研究区大地构造位置图Fig.1 Map showing geotectonic position of the study area1.鲁中隆起区；2.高密—景芝凹陷；3.胶州—兰底凹陷；4.胶南—威海隆起区；5.沂沭断裂带；6.郝官庄断裂；7.牟平—即墨断裂；8.昌邑—大店断裂；9.安丘—莒县断裂；10.齐河—广饶断裂

2 岩石学特征

研究区早白垩世青山群火山岩分为后夼组、八亩地组、石前庄组、方戈庄组，依据其喷发先后顺序，可分为后夼组旋回、八亩地组旋回、石前庄组旋回、方戈庄组旋回。各组火山岩在区域上分布由图2所示，镜下特征见图3。

图2 研究区地质简图Fig.2 Geological map of the study area1.第四系；2.白垩系方戈庄组；3.白垩系石前庄组；4.白垩系八亩地组；5.白垩系后夼组；6.白垩系水南组；7.白垩系止凤庄组；8.实测断层；9.推断断层

后夼组(K1h)。主要分布在康庄幅中西部阚家镇—麻姑庄村一带，呈NNE向展布。主要岩性为流纹质弱熔结角砾凝灰岩、流纹岩、流纹质凝灰岩，局部见少量流纹质沉凝灰岩。岩石呈灰紫色，弱熔结凝灰结构，块状构造(图3a，图3f)。岩石主要由火山角砾、凝灰物组成，偶见海绿石。火山角砾为弱塑性角砾(流纹岩、蚀变流纹岩)，呈似火焰状，略显定向分布，含量30%～35%。凝灰物为晶屑、玻屑、岩屑。岩石蚀变明显，蚀变矿物为方解石、少量绢云母、白云母、绿泥石。

图3 研究区火山岩岩石结构特征Fig.3 Textural characteristics of volcanic rocks in the study areaa.熔结角砾凝灰岩；b.杏仁状安山岩；c.英安斑岩；d.流纹岩；e.流纹质含角砾凝灰岩；f.沉凝灰岩Act.阳起石；Bit.黑云母；Chl.绿泥石；Hb.角闪石；Pl.斜长石；Q.石英

八亩地组(K1b)。为早白垩世火山活动鼎盛时期的产物，研究区以中酸性火山岩为主，主要分布在研究区康庄幅南部，岩性为浅灰-灰色安山岩、杏仁状安山岩(图3b)等，整合于青山群后夼组之上。岩石呈灰色、灰黄色，局部呈浅灰褐色，少斑状-基质交结结构，块状构造。岩石主要由斑晶(5%)、基质(95%)组成，可见少量凝灰物。斑晶为斜长石、石英、黑云母，星散状分布。

石前庄组(K1sq)。在区域上为一套酸性流纹岩，在胶莱盆地中八亩地组上部层位与石前庄组呈穿插叠覆关系，主要出露于康庄幅西北部，根据野外分布及室内鉴定特征，将区内石前庄火山岩分为上、下两部分。其中，上部以火山熔岩为主，岩性多为灰-深灰色流纹岩，夹少量蚀变流纹岩；下部以次火山岩为主，局部夹少量火山碎屑岩和沉积岩，岩性主要为浅黄褐色英安斑岩、紫红色-灰紫色流纹岩，夹少量的紫红色灰红色细砂岩、岩屑砂岩、含砾粗砂岩，韵律层不明显。岩石呈灰色、局部深灰色，斑状-基质微晶结构，块状构造、流纹状构造(图3c，图3d)。岩石主要由斑晶(20%～30%)和基质(70%～80%)组成，局部可见少量凝灰物质。斑晶为斜长石、石英、黑云母、角闪石。岩石蚀变弱，蚀变矿物为绢云母、高岭土及绿泥石、方解石。

方戈庄组(K1fg)。调查区内方戈庄组仅在康庄幅北部有少量露头，岩性以灰-灰绿色杏仁状安山岩为主，夹少量的蚀变安山岩、蚀变少杏仁状安山岩等，无明显韵律变化。杏仁状安山岩呈灰色、灰绿色，斑状-基质似交织结构，杏仁状构造，主要由斑晶(5%～10%)、基质(90%～95%)组成。斑晶为角闪石、黑云母。角闪石呈半自形柱状，星散状分布，略显暗化，被阳起石、绿泥石、方解石、石英交代，多为假象。黑云母片状，片直径0.3～1 mm，星散状分布，可见暗化边。基质为斜长石、辉石岩石蚀变明显，蚀变矿物为绿泥石、方解石、阳起石、石英、绢云母。

3 岩石地球化学特征

3.1 样品采集与测试分析方法

本次研究样品采集自后夼组流纹质凝灰岩、矿化碎裂状流纹岩，八亩地组杏仁状安山岩、安山岩，石前庄组英安斑岩、流纹岩、安山岩，方戈庄组杏仁状安山岩、杏仁状蚀变安山岩。

本次研究样品的测试分析工作由山东省第三地质矿产勘查院实验测试中心完成。主量元素检测依据GB/T14506-2010、DZG1993-09.2.7，检测环境温度为20～25 ℃，相对湿度55%，主要检测仪器设备为AA-7000原子吸收分光光度计、PW4400 X射线荧光光谱仪和XGY-1011A原子荧光光度计；微量元素检测依据DZG20-10-1990，检测环境温度为20～25 ℃，相对湿度55%～60%，主要检测仪器设备为PW4400 X射线荧光光谱仪、ICAPQ电感耦合等离子体质谱仪和TAS-990F原子吸收分光光度计；稀土元素检测依据为DZG20-10-1990，检测环境温度为18～22 ℃，湿度55%，采用的仪器是XGY-1011A原子荧光光度计和石墨炉原子吸收分光光度计。

样品的测试分析结果如表1—表3所述。

表1 研究区主量元素分析结果及特征值Table 1 Analysis of major elements in the study area

表2 研究区微量元素分析结果Table 2 Analysis of trace elements in the study area

表3 研究区火山岩稀土元素分析结果及特征值Table 3 REE data characteristics in the study area

3.2 主量元素特征

(1)岩石化学特征

后夼组火山岩w(SiO2)=71.92%～75.47%，为酸性岩类的化学成分范围；w(Al2O3)=11.86%～14.90%；全碱w(Na2O+K2O)=0.99%～2.42%；A/CNK值为1.15～1.97。

八亩地组火山岩w(SiO2)=65.06%～67.09%，平均65.85%，为中酸性岩类的化学成分范围；w(Al2O3)=14.52%～15.58%；全碱w(Na2O+K2O)=7.39%～8.49%；A/CNK值为0.93～1.08。

石前庄组火山岩w(SiO2)=66.16%～73.46%，平均69.30%，为酸性岩类的化学成分范围；w(Al2O3)=14.68%～16.71%；全碱w(Na2O+K2O)=6.38%～8.18%；A/CNK值为0.91～1.65，总体属于强过铝质岩石。

方戈庄组火山岩w(SiO2)=60.44%～63.71%，为中性岩类的化学成分范围；w(Al2O3)=14.31%～15.58%；全碱w(Na2O+K2O)=8.10%～8.95%；A/CNK值为0.62～0.97。

(2)岩石分类判别

图4 研究区青山群火山岩TAS图解(a)及w(SiO2)—w(Zr)/w(TiO2)岩性判别图(b)Fig.4 TAS diagram and w(Zr)/w(TiO2)—w(SiO2) lithological discrimination diagram

从TAS分类图解(图4a)不难看出，火山岩样品中的方戈庄组和八亩地组样品更接近于Ir分界线，方戈庄组中个别样品位于Ir分界线上方，说明了这两个组的含碱度相对较高，而且方戈庄组高于八亩地组，后夼组和石前庄组则相对远离Ir分界线，后夼组偏离Ir分界线更远，说明两组的含碱度较低。

w(SiO2)—w(Zr)/w(TiO2)岩性判别图(图4b)显示，研究区青山群火山岩早期喷发产物含碱度相对较低，后期喷发产物含碱度相对偏高，随着喷发期次的变化，火山岩含碱度呈现由低到高增加的趋势。

从研究区青山群火山岩Hark图解(图5)中可以看出，研究区火山岩的w(MgO)、w(Fe2O3)、w(P2O5)、w(Al2O3)、w(TiO2)值与w(SiO2)值呈明显的负相关关系，而w(Na2O)、w(K2O)、w(CaO)值与w(SiO2)值无明显的规律，说明样品来自单一岩浆，但在岩浆分异结晶过程中，分离相矿物组合发生了变化。

3.3 微量元素特征

研究区青山群火山岩微量元素分析结果见表2。微量元素蛛网图如图6所示。

后夼组样品的大离子亲石元素Rb、La、Nd和高场强元素Th、Hf、Zr表现为正异常，相对富集，而Nb、Ta、Ti、P则表现为负异常，相对亏损；八亩地组样品Ba、La、Nd等大离子亲石元素和高场强元素Hf为正异常，表现为富集，高场强元素Nb、Ta、P、Ti等为负异常，表现为亏损，Zr元素亦略显负异常特征；石前庄组样品的大离子亲石元素La、Nd和高场强元素Th、Hf为正异常，相对富集，大离子亲石元素Ba和高场强元素Nb、P、Ti为负异常，相对亏损；方戈庄组样品富集大离子亲石元素Ba、La、Nd，亏损高场强元素Nb、P、Ti。上述4组火山岩样品的微量元素蛛网图曲线趋势基本一致，大离子亲石元素La、Nd均表现出较明显的正异常，高场强元素Nb、P、Ti则表现出较明显的负异常。后夼组和石前庄组相对于另外两组表现出富Hf、亏Ba的性质，石前庄组P和Sr的亏损程度要明显高于其它3组。

有研究表明，Nb元素负异常是大陆地壳的特征，通常指示地壳物质参与了岩浆过程，Nb、Ti表现为负异常往往是与俯冲作用有关。研究区内火山岩均表现出亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti特征，可以推断区内青山群火山岩岩浆来自于下地壳。

综上，在微量元素特征方面，后夼组和石前庄组具有较高的相似性，八亩地组和方戈庄组则具有一定的相似性，但4组样品元素差异性较小，大部分样品w(Zr)/w(Hf)值为10～35，个别样品w(Zr)/w(Hf)值较高，说明这4组火山岩应该属于同源岩浆喷发；微量元素蛛网图曲线均表现出右倾趋势，可以判断出这些火山岩岩浆来源于地壳，某些元素的差异性反映出岩浆在喷发过程中经历了高度的演化。

图5 研究区青山群火山岩Hark图解Fig.5 Hark diagram in the study area

3.4 稀土元素特征

研究区青山群火山岩的稀土元素分析结果及特征值，见表3。稀土元素球粒陨石标准化配分模式曲线，如图7所示。

从表3中数据可以看出，大部分火山岩稀土总量w(ΣREE)值介于106.55×10-6～182.99×10-6之间，石前庄组火山岩w(ΣREE)值较其它3组偏低。火山岩轻稀土含量w(LREE)值为97.71×10-6～176.44×10-6，重稀土含量w(HREE)值为6.19×10-6～34.01×10-6；w(LREE)/w(HREE)=4.10～26.94，平均17.36，说明轻重稀土分馏较明显。

从稀土元素球粒陨石标准化配分模式曲线图(图7)中不难看出，各组样品配分曲线均呈明显的右倾趋势；w(La)N/w(Yb)N=8.94～34.19，平均17.54，说明轻重稀土分馏明显，轻稀土相对富集，重稀土相对亏损；w(La)N/w(Sm)N=2.20～7.57，平均5.74，w(Gd)N/w(Yb)N=0.85～2.13，平均1.31，说明轻稀土元素内部分馏程度高于重稀土元素。以上可以推断出研究区青山群火山岩岩浆有可能来源于下地壳。

从图7可见，样品铕异常不明显，结合分析数据及相关计算参数，大部分样品δEu值介于1.05～1.27，表现出弱的正铕异常，其余样品则表现为弱负铕异常。岩浆岩δEu能够很好地反映岩浆的分异程度，斜长石对Eu的分配系数明显大于其它稀土元素，各类岩浆岩中Eu异常的发生常与斜长石的结晶有重要关系。青山群火山岩中δEu表明，样品中斜长石含量较高，与主量元素分析结果中火山岩系列为中酸性的结论相符。相比而言，后夼组样品铕异常较其它三组明显，说明岩浆在早期已经发生了分离结晶作用，后期岩浆分异结晶作用不明显。

w(La)/w(Sm)—w(La)图解(图8)显示，样品点总体呈现出斜线的趋势，说明其岩浆演化以部分熔融为主。

图7 岩石稀土元素球粒陨石标准化配分模式曲线(标准化数据来自Boynton,1984)Fig.7 Chodrite-normalized partition pattern curve

图8 w(La)/w(Sm)—w(La)判别图解(底图据Allegre和Minster, 1978)Fig.8 w(La)/w(Sm)-w(La) discrimination diagram

4 同位素年代学特征

本次为查明研究区火山岩年龄特征，选取代表性样品2件(18U-Pb01, 2019U-Pb01)，对其成岩年龄进行测试分析。样品锆石U-Pb测年数据及结果如表4所述；样品锆石U-Pb谐和曲线及加权平均年龄直方图，如图9、图10所示。

样品18U-Pb01。岩性为流纹岩，采样层位为青山群石前庄组。锆石多呈浅黄色、浅粉色，自形-半自形四方双锥柱状、长柱状，晶棱晶面干净明亮，少部分晶棱晶面熔蚀，玻璃光泽，高硬度，粒径一般50～100 μm。锆石相对较破碎，阴极发光图中仅个别锆石环带清楚，大部分锆石震荡环带不明显，U、Pb含量较高，w(Th)/w(U)=0.44～1.07，总体具有岩浆锆石的特征。该样品共测试25个分析点，从测试结果(表4)可以看出，岩体206Pb/238U年龄变化主要介于110 Ma—119 Ma之间，年龄比较集中，个别测试点年龄偏大，可能代表了捕获或继承锆石的年龄，总体数据质量较好，最终分析所得谐和年龄为113.7 Ma±0.51 Ma(图9a)，206Pb/238U加权平均值为113.7 Ma±1.3 Ma(图9b)，二者年龄一致，确定其喷发为早白垩世晚期。

样品2019U-Pb01。岩性为流纹质熔结凝灰岩，采样层位为青山群后夼组，锆石颗粒多呈短柱状，长径多为80～200 μm，CL图像显示锆石震荡环带清晰，具有岩浆锆石的典型特征。一般情况下，岩浆锆石具有较高的U、Pb含量，w(Th)/w(U)比值(0.50～0.82)大于0.4，说明参与加权平均年龄计算的锆石应为岩浆锆石，其年龄可以代表成岩年龄。样品共测试25个分析点，测试结果见表4和图10。岩体锆石206Pb/238U年龄变化主要介于109 Ma～130 Ma之间，年龄比较集中，总体数据质量较好；最终分析所得谐和年龄为119.57 Ma±0.44 Ma(图10a)，206Pb/238U加权平均值为119.6 Ma±1.3 Ma(图10b)，二者年龄一致，为早白垩世晚期。

表4 样品锆石U-Pb测年数据及结果Table 4 Zircon U-Pb dating data in the study area

续表4：

图9 样品18U-Pb01锆石U-Pb谐和曲线(a)及加权平均年龄(b)Fig.9 Zircon U-Pb concordia and weighted average age of sample 18U-Pb01

图10 样品2019U-Pb01锆石U-Pb谐和曲线(a)及加权平均年龄(b)Fig.10 Zircon U-Pb concordia and weighted average age of sample 2019U-Pb01

5 讨论

胶莱盆地白垩纪火山岩具有喷发期次多、岩性变化大的特点，理清胶莱盆地白垩纪时期火山岩的喷发期次、主要成分、年代学及其主要的地球化学特征具有重要的理论意义[2]。调查区白垩纪时期，大致经历了白垩纪早期伸展作用导致的盆地裂陷形成了莱阳群的碎屑沉积，紧接着由于地幔底劈和岩石圈减薄形成了青山群的火山岩系。随着剪切力加大，地表断裂加深；部分熔融作用加剧，形成中酸性岩浆；随着岩浆房中压力增大，沿构造有利部位喷出，形成青山期最早的火山喷发后夼旋回，经过第一次喷发后，岩浆房内部压力降低，开始下移，地下岩浆重融作用加剧，岩浆由酸性逐渐向中基性过渡，随着构造作用进一步演化，地下岩浆在压力的作用下沿构造大规模喷发，形成八亩地旋回；石前庄旋回岩浆房不断上移，不断融合拆沉地壳，岩浆由中基性逐渐变为酸性，最终沿地表构造部位喷出，主要为喷出-溢流相，岩性以流纹岩为主，局部见少量潜火山岩-次火山岩。方戈庄旋回火山作用整体较弱，以中基性火山喷发为主，以溢流和爆发交替出现为主要火山活动方式。大陆边缘火山岩以高钾安山岩为主，多发育于陆壳较厚的冒地槽断块区，以山脉盆地出现，呈层火山与小火山锥产出，安山岩等距离不连续产出，与大量英安岩、流纹岩、熔结凝灰岩共生，火山碎屑岩多，玄武岩少。调查区内青山群火山岩岩石组合为安山岩、流纹岩、凝灰岩及少量熔结角砾凝灰岩等，岩石地球化学呈现出高硅、高钾、富铝、贫铁钛的特征，这些特征都与大陆边缘区火山岩相似。青山群火山岩在里特曼-戈蒂里图解(图11)中，投点于消减带火山岩区，个别样品落在与消减带有关的碱性火山岩区，表明区内青山群火山活动的构造环境是大陆边缘区；从区内火山岩的碱度指数(AR)来看，AR值<4.0，且主要集中在1.22～3.43之间，与一般岛弧和活动大陆边缘火山岩的碱度指数偏低、指数值的变化范围较小的特点相吻合。