福建浦城仙阳地区中生代火山岩锆石U-Pb年龄和地球化学特征

2022-08-23李常萌

福建地质 2022年1期

李常萌

(福建省闽北地质大队，邵武，354000)

闽浙交界处晚中生代火山活动强烈，属中国东南沿海火山岩带的重要组成部分，仙阳地区位于闽浙边界，是东南沿海中生代火山岩带研究较薄弱的地区。以1∶5万仙阳、浦城县幅区域地质调查项目为依托，研究区内火山岩岩石特征、U-Pb年代学及岩石地球化学特征，探讨其岩浆来源及其火山活动所处的大地构造环境。

1 区域地质背景

研究区位于华南新元古代-古元古代造山带内，出露古元古代变质杂岩[1]，奥陶、志留、三叠纪侵入岩和中生代火山岩，全区断裂以北东向为主，北北东向次之。区内火山岩属于闽浙赣交界的仙霞岭火山岩带[2]，受区域构造的影响，整体呈北东-北东东向展布，形成一系列断续分布的火山洼地，在空间上呈串珠式排列(图1)。

图1 浦城仙阳地区地质略图Fig.1 Geological map of Xianyang area in Pucheng

区内出露的火山岩为一套浅灰、灰白色流纹质(含角砾)晶屑熔结凝灰岩、(球粒)流纹岩、(集块)火山角砾岩、流纹质晶屑凝灰岩夹沉凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质(含砾)砂岩等，火山活动具中心式喷发特点，以爆发的碎屑流堆积相、空落堆积相、喷溢相为主，次为喷发-沉积相、潜火山相；根据岩性组合特征，属南园组第二段，不整合覆于古元古代变质岩及奥陶、志留、三叠纪花岗岩之上；在毛羊头复合式火山喷发盆地，其上被早白垩世下渡组火山岩不整合覆盖。

2 岩石学特征

区内火山岩岩石类型主要分为熔岩、火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩、潜火山岩等。

2.1 熔岩

主要为流纹岩类，分布于忠信、毛洋头火山喷发中心，岩石呈浅灰白色，紫灰色，岩石具斑状结构，发育流纹构造(照片1-a)。岩石斑晶成分为石英、碱性长石、斜长石，粒径为0.25～1.5 mm，斑晶含量约占9%；基质为长英质，多数为显晶质，少数为隐晶质。按基质结构可分为流纹岩、球粒流纹岩、杏仁状流纹岩等。

2.2 火山碎屑岩类

主要岩石有流纹质熔结凝灰岩、(含角砾)晶屑(岩屑、玻屑)凝灰岩、集块火山角砾岩及火山集块岩等。

流纹质熔结凝灰岩：岩石呈浅灰色、灰紫色，具熔结凝灰结构，弱假流纹构造，岩石由火山碎屑物浆屑(1%～10%)、晶屑(10%～50%)、塑性玻屑及火山灰组成。其中，晶屑成分有石英、钾长石和斜长石，均为碎屑状 (照片1-b)，玻屑呈蚯蚓状、细纹状、长条状等，浆屑呈撕裂状、火焰状、透镜状等，其定向方向与塑性玻屑一致，塑性玻屑和浆屑多已脱玻化，部分可见岩屑。其中碎屑流堆积相形成的熔结凝灰岩，晶屑呈碎屑状，塑性玻屑、浆屑塑性变形明显，常见似流动构造绕晶屑、角砾流动，是区内最主要的岩石类型。

(含角砾)晶屑(岩屑、玻屑)凝灰岩：广泛出露于区内南园组第二段中。具(含)晶屑(角砾、岩屑、玻屑)凝灰结构，块状构造。由晶屑(10%～40%)、(塑性)岩屑、玻屑、火山灰等组成。玻屑形态奇特，呈鸡骨状、鸡爪状、蚯蚓状等，多已脱玻化；岩屑含量为(1%～46%)，呈撕裂状、火焰状，成分较复杂，多为早期喷发的火山岩，部分岩屑粒度可达角砾级别。按照晶屑的成分可进一步划分为流纹质(含角砾)晶屑(岩屑、玻屑)凝灰岩、英安质(含角砾)晶屑(岩屑、玻屑)凝灰岩和集块火山角砾岩及火山集块岩(照片1-c)。

照片1 流纹岩(a)、流纹质晶屑熔结凝灰岩(b)和火山角砾岩(c)显微镜下特征Photo.1 Microscopic features of Torolite (a), rhymed crystalline debris fused tuff (b) and volcanic breccia (c)

2.3 火山碎屑沉积岩类

仅零星出露凝灰质粉砂岩、凝灰质(含砾)砂岩和沉凝灰岩，分布于区内各喷发中心和盆地边缘。岩石主要为火山碎屑物，含少量的正常沉积物，常发育(微)层理构造。

3 年代学研究

3.1 测试方法

此次研究在工作区内3个火山喷发中心各采集了1件样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年。样品编号为(XY-01-zr1，D3528-Zr1，PM022-2-Zr1)，由湖北省地质实验室测试中心测定，通过采用人工重砂方法分选锆石、制靶、制作CL图像，选择环带清晰无包裹体区域，仪器激光束版直径32 μm选择测年点。锆石U-Pb定年分析采用锆石标准年龄物质GJ-1作为监控标样，以验证仪器状态稳定，采用国际标准锆石91500作外表进行同位素分馏校正，每分析6-8个样品分析2次91500。样品同位素比值和元素含量采用ICPMSDataCal 9.0进行处理分析，加权平均年龄计算和锆石年龄谐和图绘制采用Isoplot3.0 完成。

3.2 锆石U-Pb同位素测年结果

样品(XY-01-Zr1)采自忠信火山喷发中心船山地区南园组第二段上部流纹质晶屑凝灰岩，锆石呈短柱-长柱状，个别粒状，长宽比主要为1.2～2，其次为2.1～4，粒径为6～350 μm；共测27颗锆石，CL图像见清晰窄细的振荡环带(图2-a)，Th为82.66×10-6～725.01×10-6，U含量为71.71×10-6～1 262.43×10-6，Th/U比值为0.45～1.52，显示属于岩浆锆石。各测点年龄较集中，谐和度较好，206Pb/238U加权平均年龄为(160.4±1.9)Ma(N=27，MSWD=0.96)(图3-a)，可以代表该处流纹质晶屑凝灰岩的形成年龄。

样品(D3528-Zr1)采自仙阳火山喷发中心仙阳地区南园组二段下部流纹质含角砾岩屑晶屑凝灰岩，锆石呈次棱角柱状、个别长柱状，长宽比主要为1.2～2.5，其次为2.6～4,个别为4.1～6。粒径为5～400 μm；共测16颗锆石，CL图像见明显振荡环带(图2-b)，Th含量为86.20×10-6～300.79×10-6，U含量为106.29×10-6～325.22×10-6，Th/U比值为0.48～1.27，显示属于岩浆锆石。各测点年龄全部位于谐和线上或附近，206Pb/238U加权平均年龄为(164.1±2.7) Ma(N=16,MSWD=1.30)(图3-b)，代表该处流纹质含角砾岩屑晶屑凝灰岩的形成年龄。

样品(PM022-2-Zr1)采自毛羊头复式火山马迹地区南园组二段中部流纹质晶屑岩屑熔结凝灰岩，锆石呈短柱状、次棱角柱状，长宽比主要为1.5～2.5，粒径为5～200 μm；共测19颗锆石，CL图像见振荡环带(图2-c)，Th为44.46×10-6～1 449.14×10-6，U含量为30.52×10-6～1122.77×10-6，Th/U比值为0.67～2.96，显示属于岩浆锆石。各测点年龄均位于谐和线上或附近，206Pb/238U加权平均年龄为(153.6±2.4)Ma(N=19,MSWD=1.60)(图3-c)，代表该处流纹质晶屑岩屑熔结凝灰岩的形成年龄。

图2 仙阳地区中生代火山岩锆石样品XY-01-zr1(a)、D3528-zr1(b)、PM022-2-zr1(c)阴极发光影像图Fig.2 Image diagrams of the cathode illumination of XY-01-zrl (a), D3528-zrl (b), PM022-2-zrl (c) of Mesozoic volcanic zircon samples in Xianyang area

图3 仙阳区中生代火山岩XY-01-zr1(a)、D3528-zr1(b)、PM022-2-zr1(c)锆石U-Pb同位素加权平均年龄值及谐和图Fig.3 Weighted mean age and harmonic fig of zircon U-Pb isotope samples of XY-01-zr1(a)、D3528-zr1(b) and PM022-2-zr1(c)of the Mesozoic volcanic rock in Xianyang area

区内3个样品测试年龄同位素结果显示，南园组火山碎屑岩的加权平均年龄为(153.6±2.4)～(164.1±2.7)Ma(表1)，前人研究的结果相一致[3-5]。

4 岩石地球化学

其采集区内南园组有代表性的岩石化学样品6件，以熔岩、火山碎屑岩类为主。样品具有一定的代表性，样品委托湖北省地质实验测试中心测试，其岩石化学成分、CIPW标准矿物、各种参数、特征值(表2)。

表2 研究区南园组火山岩岩石主量(%)、微量、稀土元素参数(×10-6)及CIPW标准矿物成分

4.1 主量元素特征

区内南园组火山岩岩石化学成分具单峰式特征，主量元素SiO2含量为71.96%～76.45%，含量比较平稳，K2O+Na2O含量为5.65%～8.33%，K2O>Na2O，Al2O3含量为13.77%～16.36%，K2O含量随SiO2含量增加而增加，总体上以高硅富铝富钾、低钠贫铁镁为特征。在岩石分类TAS图上(图 4-a)，样品投影点全部落入流纹岩类区。在火山岩硅-碱图解上(图 4-b)，样品投影点全部落入钙碱性系列内及流纹岩类区。在O1′-Ne′-Q′图解上样品投影点全部落入亚碱性区；在FAM图解上样品投影点全部落在钙-碱性系列，F、M 值相对较低，A值较高，反映出南园组火山岩贫铁、镁而富钾(钠)的特点。在An-Ab＇-Or图解上，样品投影点全部落在钾质流纹岩区；在火山岩K2O-SiO2变异图上，样品均属于高钾岩系，与岩石具富钾特征相吻合。经 CIPW标准矿物计算，岩石均属于SiO2过饱和，出现 CIPW 标准矿物分子Q；岩石类型主要为铝过饱和类型。岩石δ值为1.05～2.40，属钙碱性岩石类型。分异指数(DI)为84.83～90.71，说明岩浆分异程度与分离结晶程度较高。研究表明南园组火山岩整体上属流纹质高钾钙碱性系列岩石。

图4 仙阳地区中生代火山岩TAS图解(a)和硅-碱图解(b)Fig.4 TAS diagram (a) and Silica-alkali diagram (b) of Mesozoic volcanic rocks in Xianyang area

续表2

4.2 微量元素特征

区内南园组火山岩微量元素具有富铋、铪、铅，而贫金、铜、锶及铁族元素、稀有元素的特征。其余多数元素接近于维氏值。其中铋高于维氏值 1.8～116.5倍，铪高于维氏值2.7～7.7倍，Pb高于维氏值 1.0～5.8倍。而金、铜、锶及铁族元素、稀有元素普遍低于维氏值 1～13 倍，Au 低于维氏值2.0～28.1倍，Cu 低于维氏值5.1～13.2倍，Sr低于维氏值2.0～28.1倍，其他元素与维氏值较为接近。

南园组火山岩中Ni/Co比值多数为0.82～7.48，介于上地壳3.5与上地幔9.3之间；Th/U比值为4.39～15.39，大于地幔Th/U比值1～2 ，处于地壳Th/U比值范围内。Rb/Ba比值为0.03～1.30，2件样品接近原始地幔(0.09)，其他样品更接近于上地壳(0.16)；Sr/Ba比值为0.03～8.19，5件样品接近上地壳(0.50)； Rb/Nb比值为0.40～21.89，除D7640-HQ1外，均大于上地壳的平均值(4.5)；Rb/Y比值为 0.72～23.28，多数大于上地壳的值(3.25)；Nb/Y 比值为 0.70～1.83，亦大于上地壳的均值(0.79)。因此表明，测区南园组火山岩形成原始岩浆的熔融体可能来自下地壳及上地幔的部分熔融。在图 7-a上能看出 Sr、P、Ti亏损，指示火山岩岩浆具有壳源或亏损幔源特征[6]。与卢清地[7]在87Sr/86Sr初始值与年龄关系图中投影于下部壳源和壳幔混源2区，以壳源为主的结论吻合。

4.3 稀土元素特征

从稀土元素分析成果及特征值可以看出：∑REE平均值250.02×10-6；LREE平均值为236.47×10-6；HREE平均值13.55×10-6；轻、重稀土比值为7.76～24.70，LaN/YbN比值为10.49～44.45，CeN/YbN比值为1.11～3.29，多数比值大于5，反映出轻稀土相对重稀土强烈富集。Smn/Eun比值为 7.08～37.64，表明轻稀土分馏程度较强，标准化稀土元素配分图为左高右低的平缓倾斜的“V”型曲线(图5-b)，曲线形态基本相似。δEu值为0.24～0.81，平均值0.56，Eu具弱-中等亏损，说明区内火山岩岩浆可能主要来源于地壳，仅有少量幔源物质的加入。

图5 仙阳地区中生代火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)及球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(b)Fig.5 Standardized web map of primitive mantle(a )and standardized rare earth elements(b) of chondritesof Mesozoic volcanic rocks in Xianyang area(b)

5 讨论

5.1 岩浆来源及成因探讨

在地壳厚度与Rb-Sr浓度关系图中(图6-a)，区内南园组火山岩成分点均分布在30 km左右，稀土元素含量更接近于地壳型。稀土配分模式图的Eu负异常及轻稀土富集的特点显示区内火山岩岩浆具有壳源特征，区内火山岩的A/CNK>1.1(上地壳部分熔融形成的岩浆A/CNK>1.1)显示过铝质特征，说明其成岩物质主要来源于地壳，不排除有地幔物质的加入。通过区内火山岩Ni/Co、Th/U、Rb/Ba、Sr/Ba、Rb/Y等微量元素比值与原始地幔及地壳对比，上述微量元素比值介于上地壳和地幔值之间。因此表明，测区南园组火山岩形成原始岩浆的熔融体可能是来自下地壳及上地幔的部分熔融的结果，其与张万林等[8]研究结果吻合。

5.2 火山作用与构造环境关系

5.2.1 火山岩形成的地质背景分析

据测区地质构造及火山构造资料分析，区内火山喷发中心在空间上呈北东东向串珠状展布，显示出火山活动是受北东向基底断裂控制，这可能与江山—绍兴古陆对接带复活活动有关。同时，进入中-晚侏罗世，由于古太平洋板块相对欧亚大陆板块迅速向北移动，区内逐渐进入挤压的大陆边缘弧环境，经历挤压造山-剪切拉张过程，使得东南沿海大陆形成北东向巨型剪切断陷，由于太平洋板块俯冲作用，导致俯冲带地幔楔和地壳部分熔融，并沿北东向左行剪切的基底断裂迅速上升,以中心式喷发为主强烈喷出地表,形成一套高钾钙碱性系列的流纹质岩石组合。

5.2.2 火山岩形成的构造环境判别

(1)在戈蒂尼-里特曼指数图解中(图6-b)，测区火山岩投影点均落入造山带火山岩内，且位于日本火山岩成分平均线两侧附近，表明与板块俯冲有关。

图6 仙阳地区中生代火山岩Rb、Sr与大陆地壳厚度关系图(a)及戈蒂尼-里特曼指数图(b)Fig.6 Diagram of relationship of Rb and Sr and continental crust thickness (a) and Gotti-Ritman index (b)of Mesozoic volcanic rocks in Xianyang area

(2)在 Yb-Ta构造环境判别解中，火山岩其化学成分点投在火山弧区域内，显示出接近于火山弧花岗岩特征，反映区内火山岩形成于活动陆缘弧的构造环境。

(3)在Nb-Yb构造环境判别解中，火山岩化学成分点投在同碰撞火山弧区域内，为陆-陆碰撞造山活动的产物。