粤东地区侏罗纪代表性剖面火山岩成因：对古太平洋板块俯冲早阶段的地质响应

2022-05-02岳晓涵张治国赵增霞

高校地质学报 2022年2期

岳晓涵，刘磊 *，张治国，赵增霞，孙杰，赵阳

1. 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室桂林理工大学，桂林 541004；

2. 有色金属矿产勘查与资源高效利用协同创新中心，桂林 541004

1 引言

板块构造启动的时间和机制是地球科学领域悬而未决的重大问题之一（如, Niu et al., 2003; Stern,2004; van Hunen and Moyen, 2012; Korenaga, 2013）。俯冲作用是板块构造的最核心表现形式（Witze,2006），明确俯冲作用早阶段的地质响应形式有助于解决上述问题，而这需要通过对保存较好的显生宙俯冲带和俯冲作用产物等开展研究。

中国东南部发育大规模的晚中生代火成岩，主要包括不同类型的花岗岩及相应的火山岩（Chen and Jahn, 1998; Zhou et al., 2006; Zheng et al., 2013）。通常认为，相关火成岩的形成与古太平洋板块对欧亚板块的俯冲消减密切相关（Jahn, 1974; Charvet et al., 1994; Zhou et al., 2006; Li and Li, 2007; Liu et al.,2012; Xu et al., 2020）。其中，白垩纪火成岩的形成受控于古太平洋板块晚阶段的俯冲作用，在此阶段板块俯冲角度逐渐增大同时弧后伸展程度逐渐增强（Zhou et al., 2006; He and Xu, 2012; Liu et al., 2014,2016; Xu et al., 2020）。然而，关于古太平洋板块俯冲作用开始的时限仍有不同认识，如早三叠世甚至晚二叠世（Li and Li, 2007）、早中侏罗世（Zhou et al., 2006）或早白垩世（Chen et al., 2008），根源在于对俯冲作用早阶段的地质响应形式仍未完全明确，尤其是体现在火成岩的时空分布规律和岩石成因特征。

已有研究表明，中国东南部晚中生代火山岩的系统年代学及岩石成因研究有利于反映俯冲板块的运动形式（如，Liu et al., 2012, 2014, 2016），这是由于火山岩系统研究具有比较明显的优势：（1）火山岩形成时代跨度长，在中国东南部由～200 Ma一直到晚白垩世88 Ma均有产出；（2）形成时代连续，结合地层分布范围和发育程度等便于分析火山活动规模及变化，并且可以更好的反映岩石成因随时间的变化，避免单个侵入岩体研究结果的偶然性；（3）火山岩地层的代表性剖面可以作为一定区域内的标准，便于横向对比和上下衔接；（4）特定的岩石组合序列可以反映形成时的构造背景。本文针对中国东南部侏罗纪火山岩产出规模最大的粤东地区开展系统的火山岩年代学和岩石成因研究，以期对古太平洋板块俯冲作用早阶段的地质响应形式进行限定，为中国东南部晚中生代地球动力学背景研究提供制约。

2 地质背景和样品特征

中国东南部以浙江省境内的江山-绍兴断裂为界，分属具有不同地壳基底演化历史的扬子板块和华夏地块（图1；Chen and Jahn, 1998）。出露于浙东南地区的古元古代八都群变质岩，以及同时代的花岗岩和闽西北的少量斜长角闪岩是华夏地块现已确定的最古老的前寒武纪岩石（胡雄健，1994; Li,1997; Xia et al., 2012），河流砂碎屑锆石等的研究同样表明华夏地块东部的地壳主要形成于古元古代（Xu et al., 2007）。

中国东南部晚中生代火山活动频繁、喷发强烈，形成一套广泛分布的陆相火山—沉积岩地层，在浙东南、闽东和粤东成连续带状分布，而在江西、浙西北、闽西、桂东南主要以盆地形式散布（图1）。这些火山岩与同时期的花岗岩伴生并构成了一条北东向的火山—侵入岩带，其中火山岩的分布面积几乎是侵入岩的两倍，其形成时代以白垩纪为主（Liu et al., 2012, 2014, 2016）。相比之下，侏罗纪火山岩分布较为局限，主要包括南岭造山带东西向展布的双峰式火山岩（180～170 Ma；Xie et al.,2006），以及少量分布于广东东北部与福建中南部的英安岩、流纹岩（Guo et al., 2012; Li et al., 2020）和浙江东南部的英安质火山岩（陈荣等，2007; Liu et al., 2012）。

图1 中国东南部晚中生代花岗岩—火山岩分布简图及采样位置（据Zhou et al., 2006修改）Fig. 1 Simplified geological map of SE China showing the distribution of Late Mesozoic granitic-volcanic rocks (modified from Zhou et al., 2006) and locations of the studied volcanic stratigraphic sections

粤东地区侏罗纪火山岩主要划分为早侏罗世嵩灵组、中侏罗世吉岭湾组和晚侏罗世高基坪群（广东省地质矿产局，1988）。嵩灵组由较多沉积岩、沉凝灰岩、火山角砾岩和安山质—英安质—流纹质凝灰岩等组成，岩性变化较大特别是火山岩夹层不稳定；吉岭湾组岩性以安山岩为主，夹玄武岩、英安质—安山质凝灰熔岩等，分布范围较嵩灵组变大；高基坪群是粤东地区侏罗纪乃至晚中生代规模最大的火山岩层系，主要由流纹质—英安质火山碎屑岩夹少量火山碎屑沉积岩和熔岩组成（广东省地质矿产局，1988）。本文分别由粤东地区侏罗纪火山岩地层的代表性剖面梅州市嵩灵剖面和揭西县中心村剖面采集了10件样品（表1），岩性为晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩、流纹岩等，均经历了一定程度的蚀变。

3 分析方法

锆石分选采用传统的重砂方法完成，CL图像分析在重庆宇劲科技有限公司完成，以分析锆石的内部结构特征以及为锆石U-Pb定年和Lu-Hf同位素分析选取合适的点位。

锆石U-Pb年龄测定在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室搭载193 nm ArF准分子激光器GeoLas HD激光剥蚀系统的Agilent 7500型ICP-MS上完成，仪器设置及分析流程参照Liu 等（2010）。具体的工作参数为：激光脉冲重复频率6 Hz，脉冲能量为10 J/cm2，熔蚀孔径为32 μm。ICP-MS的分析数据通过ICPMSDataCal软件（Liu et al., 2010）计算获得同位素比值、年龄和误差。研究样品测定过程中，标样Plešovice锆石的206Pb/238U年龄结果为337±2 Ma（2σ; MSWD=0.00084; n=20），与其推荐年龄在误差范围内一致（337.13±0.37 Ma；Sláma et al., 2008）。

锆石Hf同位素分析在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室进行，所用仪器为193 nm ArF准分子激光器GeoLas HD激光剥蚀系统和Neptune Plus MC-ICP-MS。具体的工作参数为：激光脉冲重复频率6 Hz，脉冲能量为10 J/cm2，熔蚀孔径为24 μm。用锆石GJ-1作外标，本次研究样品测定过程中，GJ-1的176Hf/177Hf平均测定结果是0.282004 ± 4（2 S.D., n=77）。在计算(176Hf/177Hf)i和εHf值时，176Lu的衰变常数采用1.867×10-11a-1（Söderlund et al.,2004），εHf的计算采用Bouvier等（2008）推荐的球粒陨石Hf同位素值，即176Lu/177Hf=0.0336，176Hf/177Hf=0.282785。Hf模式年龄计算中，亏损地幔176Hf/177Hf现在值采用0.28325，176Lu/177Hf为0.0384（Griffin et al., 2000），两阶段模式年龄采用平均地壳(176Lu/177Hf)C=0.015（Griffin et al., 2002）进行计算。

4 分析结果

代表性锆石的CL图像见图2，锆石U-Pb定年结果见图3（代表性样品的分析结果列于表2），Hf同位素分析结果见图4（代表性样品的分析结果列于表3）。所分析锆石均呈自形—半自形，长度为100 μm左右或更大，长宽比为1:1～2:1，具有清晰的震荡环带，并且具有高的Th/U比值，表现出典型的岩浆结晶特征（Wu and Zheng, 2004）。部分锆石颗粒具有较明显的继承核。

表3 粤东地区侏罗纪火山岩代表性样品锆石Hf同位素分析结果Table 3 Zircon Lu-Hf isotopic compositions of the representative Jurassic volcanic samples from eastern Guangdong

图2 粤东地区侏罗纪火山岩代表性锆石CL图像及原位分析点位（各标尺均代表100 μm）Fig. 2 CL images and analyses spots of representative zircons from Jurassic volcanic rocks in eastern Guangdong(All scales bars represent 100 μm)

所有分析锆石定年结果都投影在谐和线上或附近（图3）。对采自嵩灵剖面的嵩灵组相邻较近的2件火山岩样品的定年结果分别为192±1 Ma和183±1 Ma（2σ），表明嵩灵组火山岩断续形成于早侏罗世较长的时间跨度内。对采自中心村剖面的吉岭湾组3件火山岩样品的定年结果分别为177.2±0.9 Ma、167±1 Ma和165±1 Ma（2σ），确认其归属于中侏罗世，该套地层形成上限约为165 Ma，该组样品中包含1颗捕获锆石的定年结果为856±8 Ma。对采自中心村剖面的高基坪群5件火山岩样品的定年结果分别为163±1 Ma、162±1 Ma、159±1 Ma、159±1 Ma和156±1 Ma（2σ），表明其形成于中晚侏罗世，且与吉岭湾组火山岩近于连续喷发形成，构成粤东地区晚中生代火山作用峰期的产物，该组样品中包含1颗捕获锆石的定年结果为1863±19 Ma。

图3 粤东地区侏罗纪火山岩代表性样品锆石定年结果Fig. 3 Zircon dating results of representative Jurassic volcanic samples in eastern Guangdong

每件火山岩样品的锆石Hf同位素组成基本均一（图4）。嵩灵组火山岩具有最为亏损的锆石Hf同位素组成，2件样品的εHf(t)值分别变化于+7.5～+1.5（主要集中于+7.5～+6.1）和+8.6～+5.3，加权平均结果分别为+5.45±0.99和+6.38±0.26（2SD），对应的两阶段Hf模式年龄为0.73～1.11 Ga。吉岭湾组底部火山岩的εHf(t)值为-3.5～-1.6 （另有一颗锆石为-5.3），加权平均结果为-2.59±0.20 （2 SD），对应的两阶段Hf模式年龄为1.30～1.41 Ga。吉岭湾组顶部火山岩2件样品的εHf(t)值分别变化于-7.7～-4.8和-7.3～-4.6 （另有一颗锆石为-14.0），对应的两阶段Hf模式年龄为1.67～1.48 Ga，最为富集的锆石颗粒的两阶段Hf模式年龄为2.07 Ga，年龄为855 Ma的捕获锆石的εHf(t)值为+7.3，单阶段Hf模式年龄为1.11 Ga。高基坪群火山岩的锆石εHf(t)值主要介于-8.5～-1.6之间，另有2颗锆石分别为-10.4和+2.1，峰值集中于-8.0～-4.0之间，对应的两阶段Hf模式年龄总体介于1.05～1.83 Ga。总体上，粤东地区火山岩表现出从早侏罗世向晚侏罗世其锆石Hf同位素组成逐渐由亏损向富集的变化趋势。

图4 粤东地区侏罗纪火山岩锆石Hf同位素分析结果Fig. 4 Zircon Hf isotopic compositions of Jurassic volcanic rocks in eastern Guangdong

5 讨论

5.1 火山岩时空分布格局

中国东南部晚中生代火成岩尽管分布广泛，但在形成时代上表现出比较明显的阶段性特点。比如，正长岩和辉长岩主要形成于141～118 Ma和98～86 Ma两个阶段（He and Xu, 2012）；皖南地区花岗质岩浆作用形成于150～136 Ma和136～120 Ma两个阶段（Wu et al., 2012）；4条A型花岗岩带分别形成于约186 Ma、163～153 Ma、136～124 Ma和101～91 Ma（Jiang et al., 2015）。分布面积更为广泛的火山岩则呈现出更为规律的时序性特点（如，Guo et al.,2012; Liu et al., 2016）。

中国东南部晚中生代火山岩划分为上、下两个火山岩系，之间普遍存在区域性不整合面（陶奎元等，2000；陈荣等，2007），在火山岩最为发育的浙江、福建两省最为明显。江山—绍兴断裂以西的浙西北地区下岩系火山岩形成于140～130 Ma、130～127 Ma和123～118 Ma三个阶段，其中第二阶段为火山作用规模的峰期，但不发育上火山岩系（Liu et al., 2014）。浙东南地区除早侏罗世毛弄组外，下岩系火山岩形成于140～130 Ma、130～128 Ma和122～120 Ma三个阶段，火山作用规模峰期同样为其中第二阶段，上火山岩系断续形成于110～88 Ma（Liu et al., 2012）。晚中生代火山岩由浙西北向浙东南地区呈现出向洋年轻化的趋势（Liu et al.,2014），与中国东南部晚中生代火成岩的总体向洋年轻化趋势一致（Zhou et al., 2006）。

政和—大埔断裂以东的闽东地区下岩系火山岩形成于160～148 Ma、145～130 Ma和130～127 Ma三个阶段，火山作用的起始时间早于浙东南地区，火山作用规模的峰期同样是第二阶段但也早于浙东南地区（Liu et al., 2016）。因此，由闽东地区和浙东南地区对比分析，区域内下岩系火山岩还表现出比较明显的北东向年轻化趋势（Liu et al., 2016）。本文分析结果显示，粤东地区下岩系火山岩形成于192～183 Ma（嵩灵组）、177～163 Ma（吉岭湾组）和162～156 Ma（高基坪群），而高基坪群火山岩的上限可至约145 Ma甚至139 Ma（Guo et al.,2012），大致对应福建地区最早期的晚中生代火山作用阶段。因此，粤东地区下岩系的起始时间早于闽东地区。粤东地区晚中生代火山作用规模的峰期在162～145 Ma左右（本文；Guo et al., 2012），可见也明显早于闽东地区的峰期时代（145～130 Ma）。综上所述，中国东南部晚中生代火成岩呈现的北东向年轻化趋势可由浙东南地区、闽东地区扩展至粤东地区，并且火山作用规模的峰期同样呈现北东向年轻化的趋势。

5.2 岩石成因

中国东南部晚中生代火成岩以中酸性的花岗岩和相应火山岩为主要组分，同时代玄武岩和辉长岩比例则很低（Zhou et al., 2006），比如以双峰式火山岩为主的上火山岩系中玄武质岩石的比例仍低于30%。考虑到该地区晚中生代中酸性岩浆岩的巨量产出（图1），它们不可能由如此小规模的基性岩浆演化而形成，本研究中多数样品富集的锆石Hf同位素组成特征也表明地壳物质在这些火山岩的形成过程中具有重要作用（图4，图5）。

地壳物质的重熔不可避免的受控于地壳基底的成分，研究区所属的华夏地块的古老基底主要形成于古元古代（图5 ; Xu et al., 2007; Xia et al., 2012），高基坪群火山岩中包含定年结果为1863±19 Ma的捕获锆石，暗示古元古代地壳基底物质是研究区晚中生代火山岩的重要物源。然而，除个别单颗粒锆石的Hf同位素组成完全类似于地壳基底组成，如两阶段模式年龄为2.07 Ga和1.83 Ga，其它锆石颗粒的Hf同位素组成均较地壳基底明显亏损（图5），表明除古元古代地壳基底物质外，所研究火山岩岩石成因中有明显的新生物质贡献，这也与相邻的闽东等地区晚中生代火山岩的岩石成因一致（Liu et al., 2016）。

图5 粤东地区侏罗纪火山岩锆石Hf同位素与基底成分对比（据Xu et al., 2007）Fig. 5 Zircon Hf isotopic compositions of Jurassic volcanic rocks and basement materials (after Xu et al., 2007) in eastern Guangdong

实际上，壳幔相互作用在中国东南部晚中生代火成岩成因过程中的重要作用已基本成为共识，幔源岩浆不仅作为热源诱发了上覆地壳物质的部分熔融，还直接作为端元物质参与导致了岩浆混合（Chen and Jahn, 1998; Xu et al., 1999; Guo et al.,2012; Li et al., 2013）。浙江地区和福建地区晚中生代火山岩岩石成因研究表明，这些火山岩随时间由早到晚（160～88 Ma）表现出锆石Hf同位素组成由富集向亏损的变化趋势，反映早期火山岩主要源于古元古代地壳基底物质的部分熔融，而在中晚期逐渐出现亏损幔源物质贡献（Guo et al., 2012; Liu et al., 2012, 2014, 2016）。依此类推，粤东地区侏罗纪火山岩锆石Hf同位素随时间由早到晚（192～156 Ma）由亏损向富集的变化趋势则表明，早侏罗世嵩灵组火山岩岩石成因中有较高比例的亏损幔源物质贡献，到中晚侏罗世吉岭湾组和高基坪群火山岩岩石成因中亏损幔源物质贡献比例逐渐降低。该特征与临近研究区的闽东地区中侏罗世长林组火山岩（160～148 Ma）的特征相似。因此，总体而言，中国东南部晚中生代火山岩锆石Hf同位素组成由早侏罗世向晚白垩世表现出由亏损向富集再转为亏损的趋势，相应的岩石成因中则应为在古元古代地壳基底重熔的基础上，亏损幔源物质贡献比例由多到少（趋于无）再增多的特征。

5.3 对古太平洋板块俯冲机制的制约

中国东南部晚中生代岩浆作用已被广泛认可形成于安第斯型活动大陆边缘构造背景（如，Klimetz, 1983; Jahn et al., 1990; Lapierre et al., 1997;Zhou and Li, 2000）。板片中角闪石、绿泥石、金云母等矿物脱水形成的流体会导致地幔楔的熔融，由此生成的玄武质岩浆绝大部分底侵于下地壳（Cull et al., 1991; Tatsumi and Eggins, 1995），并带去高热（与下地壳温差约500℃以上），使中下地壳物质部分熔融产生巨量花岗质岩浆（Beard and Lofgren,1991; Huppert and Sparks, 1991; Roberts and Clemens,1993）。但是，角闪石等矿物的脱水反应一般只发生在约110～200 km深处（Tatsumi and Eggins,1995），因此活动大陆边缘岩浆作用的规律性变化通常可以反映板片的俯冲角度变化和俯冲带的迁移。据此，普遍认可的晚中生代火成岩的向洋年轻化趋势反映了古太平洋板块的北西向俯冲以及逐渐发生的板片后撤（Zhou and Li, 2000; He and Xu,2012; Liu et al., 2014）。

如前文所述，中国东南部晚中生代火山岩除表现出向洋年轻化趋势外，还表现出由粤东—闽东—浙东南方向（北东向）的年轻化趋势，该年轻化趋势同理应该反映在同一时刻不同区域的板片俯冲角度存在差异，即闽东地区的板片俯冲角度大于浙东南地区的板片俯冲角度，Liu等（2016）据此提出了非同步俯冲板片后撤模型。本文研究结果则表明，俯冲板片的非同步后撤不止局限于浙闽地区，还可扩展到粤东地区，即在古太平洋俯冲过程中，俯冲板片的后撤呈现非同步的特点，在同一时刻粤东地区的板片俯冲角度大于闽东地区更大于浙东南地区的板片俯冲角度，板片呈现面状倾斜的形态。

支持俯冲板片后撤以及板片后撤呈现非同步特点的另一项证据在于岩石成因中亏损幔源物质贡献比例（Liu et al., 2016）。这是因为俯冲板片后撤会同时导致上覆地壳伸展程度逐渐增强（Forsyth and Uyeda, 1975; Niu, 2014），进一步诱发底侵幔源岩浆上涌，从而使得岩浆作用中幔源物质贡献比例增大。中国东南部白垩纪火山岩岩石成因中亏损幔源物质贡献从无到有、从少到多的规律支持俯冲板片后撤的模型（Liu et al., 2014）。推而论之，中国东南部白垩纪火山岩岩石成因中亏损幔源物质贡献的现象同样呈现向洋+北东向逐渐出现的规律，同样支持俯冲板片非同步后撤的理论模型（Liu et al.,2016）。因此，中国东南部白垩纪火山岩代表了古太平洋板块俯冲晚阶段的地质响应产物。

既然岩石成因中亏损幔源物质贡献比例逐渐增多的规律反映了上覆地壳伸展程度逐渐增强的特点，那么相对应，本研究中粤东地区侏罗纪火山岩岩石成因中亏损幔源物质贡献比例逐渐减少的规律则应反映上覆地壳伸展程度逐渐减弱的趋势，或者说上覆地壳挤压程度逐渐增强。在俯冲作用过程中，俯冲大洋板片的反向浮力被广泛认为是板块运动的主要驱动力，其强度可比洋脊推力高一个数量级以上，同时还会造成俯冲板片的后撤并导致上覆岩石圈伸展（Forsyth and Uyeda, 1975; Niu, 2014）。然而这种反向浮力是由无到有并逐渐增大的，在俯冲作用开始的最初阶段洋脊推力将起主导作用，理论上会使上覆岩石圈处于挤压的应力环境，并且这种挤压应力可能是逐渐增强然后才又趋于减弱的（Stern,2007; Niu, 2014）。这正与本研究中粤东地区侏罗纪火山岩的岩石成因特征相吻合，表明该套岩石记录了古太平洋板块俯冲早阶段的地质响应形式，进一步暗示了古太平洋板块俯冲作用开始于早侏罗世左右。

值得说明的是，本文所报道的这种俯冲作用早阶段地质响应形式具有一定的特殊性，在于粤东地区早中侏罗世火山岩岩石成因中存在较高比例的亏损幔源物质贡献。这可能是由于粤东地区大致处于南岭造山带的向东延伸，而南岭在燕山早期受古太平洋板块俯冲作用远程效应控制处于板内伸展环境，发育板内裂谷型岩浆作用（Xie et al., 2006;Zhou et al., 2006; He et al., 2010）。因此，粤东地区早中侏罗世火山作用所反映的伸展环境很可能与该板内伸展体制关系密切，为古太平洋板块俯冲作用开始阶段效应导致。这也反映了粤东地区与浙东南地区早侏罗世火山作用的区别，后者所形成的的毛弄组火山岩主要源于古元古代基底物质的重熔，而无明显的新生物质贡献（Liu et al., 2012）。