大洪山花山群中白堊紀基性火山巖的識別及其地質意義

邱艷生, 楊青雄, 鄧 奇, 汪正江, 杜秋定, 胡正祥, 周世卿

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.中國地質調查局 成都地質調查中心,四川 成都 610081)

大洪山花山群中白堊紀基性火山巖的識別及其地質意義

邱艷生1, 楊青雄1, 鄧 奇2, 汪正江2, 杜秋定2, 胡正祥1, 周世卿1

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.中國地質調查局 成都地質調查中心,四川 成都 610081)

介紹湖北大洪山地區花山群中的白堊紀基性火山巖(玄武巖)。LA-ICP-MS U-Pb鋯石測年表明,該基性火山巖形成于(128.3±1.4)Ma。根據主量元素、稀土元素和微量元素的測試結果,該地區在早白堊世存在板內火山噴發。該火山巖具有低Nb、Ta 和Sr、高Ti/Y的特征,略微富集輕稀土元素,類似于大陸板內玄武巖型或者洋島玄武巖型。與前人在秦嶺大別造山帶(QDOB)中發現的中生代晚期(130 Ma左右)的花崗巖證據相互印證。該初步研究可能揭示,揚子地塊在三疊紀—中侏羅世向華北地塊俯沖碰撞造山后,于早白堊世(128 Ma左右)處于伸展環境。

花山群； U-Pb定年；基性火山巖；白堊紀；秦嶺大別造山帶

圖1 湖北花山地區簡化地質圖((a)大地構造位置據 Wang and Li,2003[15],修改；(b)簡化地質圖修改自未發表1∶50 000地質圖。震旦系(Z)相當于成冰系與埃迪卡拉系。)Fig.1 Simplified geological map of the Huashan area in Hubei1.第四系;2.公安寨組;3.大冶組;4.茅口組;5.寒武系;6.震旦系;7.花山群;8.打鼓石群;9.輝綠巖;10.二長花崗巖;11.斷層;12.地名;13.本次采樣點;14.石玉若等人采樣點。

許多研究者一直把眼光放在華北地塊與揚子地塊之間的秦嶺大別造山帶(QDOB)[1-4](圖1),比較少關注揚子北緣湖北大洪山地區的基性火山巖。由于鮮見對該地區中生代基性火山巖的識別,秦嶺大別造山帶南邊界的大多數地層被認為是前寒武紀地層,即中元古代打鼓石群、新元古代花山群以及新元古代晚期的震旦紀地層[5-14]。本文報道該地區花山群中發現的早白堊世基性火山巖的年代學和地球化學特征,并由此探討其大地構造意義。

1 地質背景

花山地區分布有不同時期的地層,從中元古代的打鼓石群—第四系未固結的沉積物都有,侵入不少巖漿巖(圖1)。采樣點西側地層被普遍認為是新元古代花山群的基性火山巖。這些地層出露于三里崗—三陽斷層西南側,該斷層為襄樊(現在改稱襄陽)—廣濟斷裂帶的一部分,為秦嶺大別造山帶的南邊界地層(圖1)。一般認為該斷裂是揚子地塊中晚三疊世—中侏羅世向華北地塊俯沖碰撞造山過程中形成的。

花山群于1959年由北京大學地質地理系湖北大隊在1∶20萬宜城幅區域地質礦產調查報告中首次命名(未出版)。該群包含下部洪山寺組和上部六房咀組,由一套輕微變質的巖石組成。其下為不整合下伏的中元古代打鼓石群(Pt2D),其上為不整合上覆的原“震旦系(Z)”蓮沱組、南沱組、陡山沱組和燈影組[5]。現在蓮沱組和南沱組屬于南華系(成冰系),陡山沱組和燈影組屬于震旦系(埃迪卡拉系)。洪山寺組由陸源碎屑巖組成,包括礫巖、礫質砂巖和砂巖；六房咀組主要由大量基性火山巖(玄武巖為主)組成,夾泥質板巖、粉砂質板巖和凝灰巖。基性火山巖出露于三里崗—三陽背斜兩翼,特別是東北翼,有輕微變質。

2 樣品描述

樣品FS27a,FS27b,FS27c 采集于湖北花山地區三里崗—三陽背斜東北翼,地理坐標為北緯31°28′,東經113°04.4′(圖1)。這些樣品采自原新元古代花山群(Pt3H)六房咀組中部。玄武巖露頭呈灰綠色或者灰黃色(圖2)。經過薄片鑒定為變玄武巖。

鏡下鑒定,樣品FS27a具有典型的變余斑狀結構,但是基質具有變余間粒結構(圖2)。 其組成成分如下:變余斑晶,17%(包括輝石,16%,部分陽起石化、綠泥石化、碳酸鹽化；基性斜長石,1%,鈉黝簾石化)；變余基質,83%(包括基性斜長石,40%,部分碳酸鹽化；輝石,33%,部分碳酸鹽化和綠泥石化；含鈦礦物,10%)。

圖2 FS27a玄武巖野外與顯微照片Fig.2 The field and micrograph photo of the basalt sample FS27a斜長石(Pl)和輝石(Px)以斑晶形式出現(正交偏光)。

3 年代學和地球化學特征

3.1 年代學特征

火山巖樣品粉碎后,其中的鋯石通過標準重力和磁力分選技術選出。選出的鋯石顆粒被固定在環氧樹脂上,用透射光、反射光和陰極發光(CL)顯微照相記錄下來(圖3),以指導同位素分析的測點選擇。大多數鋯石顆粒呈半自形—自形,具有清晰—模糊的震蕩環帶構造,長度為30～90 μm,長寬比大致為1.5～2.5,呈現出典型的巖漿鋯石成因。

圖3 樣品典型鋯石陰極發光(CL)圖像(分析點均編號,激光束直徑32 μm)Fig.3 The cathode luminescence(CL)images of typical zircon grains from the sample

LA-ICP-MS(激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀)鋯石U-Pb 同位素組成的分析在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成。詳細的儀器操作條件和數據處理方法同Liu等[16-18]。激光剝蝕系統為GeoLas 2005(193 nm,Coherent Lambda Physik GmbH,Gottingen,Germany),ICP-MS為Agilent 7500 a(Agilent Technologies,Inc.,Santa Clara,CA,USA)。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節靈敏度,二者在進入ICP之前通過一個T型接頭混合。在等離子體中心氣流(Ar+He)中加入了少量氮氣,以提高儀器靈敏度、降低檢出限和改善分析精密度[19]。由Agilent 7500 a采集的每個時間分辨分析數據包括大約20～30 s的空白信號和50 s的樣品信號。對分析數據的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算),采用軟件ICPMSDataCal 完成[16,18]。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和/或年齡加權平均計算均采用Isoplot/Ex_ver3 完成[20]。單個測點數據誤差采用1σ,年齡結果采用206Pb/238U加權平均值(95%置信度)。鋯石U-Pb 測年數據見表1。

對新元古代及更年輕的巖石,鋯石顆粒的206Pb/238U年齡比207Pb/206Pb具有更高的精確度[21],因此本次研究采用206Pb/238U加權平均值。

作者對這批樣品進行鋯石挑選并測試了24顆鋯石共24個測點的U-Pb 同位素年齡。該樣品的Th和U含量相對低但呈現正相關(Th=79.6×10-6～2 027×10-6,平均341.4×10-6；U=173×10-6～1 453×10-6,平均399.4×10-6),同時具有高且稍微分散的Th/U 比值(Th/U=0.49～1.40),顯示出典型的巖漿成因。

表1 大洪山地區玄武巖LA-ICP-MS U-Pb鋯石測年數據Table 1 LA-ICP-MS U-Pb zircon dating data of the basalt samples in the Dahongshan area

所有24顆鋯石均在一致曲線或附近,1個分析點偏離了其他點,可能為繼承性的或在巖漿侵位過程中捕獲的鋯石,其余23個分析點雖然有少量稍微偏離一致曲線,但總體較為集中,給出的206Pb/238U加權平均值為(128.3±1.4)Ma(MSWD=2.1,n=23,一個點未計算),解釋為早白堊世巖漿活動的時間(圖4)。

圖4 花山地區玄武巖樣品FS27鋯石U-Pb諧和圖Fig.4 U-Pb concordia diagram for the basalt sample FS27 in the Huashan area

3.2 地球化學特征

作者還對火山巖樣品FS27a,FS27b和FS27c進行了主量、稀土、微量元素分析。FS27abc為前三者的平均值。火山巖樣品的主量元素(氧化物wt%)、稀土元素和微量元素(10-6)在國土資源部武漢綜合巖礦測試中心通過X熒光光譜儀XRF和等離子體質譜儀進行。測試結果見于表2。分析數據的相關性投點利用GeoKit軟件完成[22]。

玄武巖樣品以低SiO2(45.16%～53.62%)與 低Al2O3(13.25%～15.3%)、較高Ti2O(1.61%～1.98%,平均1.85%)與高總鐵TFeO(11.364%～12.175%)為特征。它們具有非常高的Ti/Y比值(分別為306,349和136,平均232),但相對低Zr/Y比值(分別為4.10,3.71和4.03,平均3.95)與低Nb/La比值(分別為0.60,0.46和0.23,平均0.43),表現出與美國盆嶺區新生代擴張相關的玄武巖在地球化學上的相似性[23]。

樣品FS27a,FS27b和FS27c的稀土元素總量(ΣREE)分別為86.23×10-6、79.59×10-6和220.31×10-6,平均128.71×10-6。它們輕微富集輕稀土元素(LREE)(LREE/HREE平均值為3.00),其平均LaN/YbN比值為2.51(即低稀土分異)。所有樣品具有輕微負Eu異常(平均Eu/Eu*=0.87)。

表2 大洪山地區玄武巖主量(wt%)、稀土、微量元素含量(10-6)Table 2 Contents of major(wt%),REE and trace elements(10-6) of the basalts from the Dahongshan area

在SiO2-Nb/Y 判別圖(底圖據Winchester and Floyd[24])投點,樣品(FS27a,FS27b,FS27c)為亞堿性玄武巖(圖 5)。

在SiO2-TFeO/MgO判別圖(底圖據Miyashiro[25])投點,全部投點在拉斑玄武巖區域(圖6)。

在Zr-Zr/Y判別圖(底圖據Pearce and Norry[26])投點,全部樣品落在板內玄武巖區域及附近(圖7)。

在V-Ti/1 000判別圖(底圖據Shervais[27])投點,樣品FS27a與FS27b落在大陸溢流玄武巖(CFB),而樣品FS27c(可能因為分析誤差的緣故)落在大陸溢流玄武巖區域外。不過,全部樣品平均值落在洋島玄武巖(OIB)區域(圖8)。

所有分析樣品球粒隕石標準化后的稀土元素配分圖表現出右傾的特征,其輕稀土元素略微富集(圖9)[28]。樣品FS27a,FS27b和FS27c有向洋島玄武巖型發展的趨勢。在微量元素原始地幔標準化蛛網圖上(圖10)[29],所有樣品顯示出下凹形態；與相鄰元素相比,明顯相對虧損Ta、Nb和Sr而相對富集Hf。它們與美國盆嶺區新生代擴張相關的玄武巖和華南浙江北部新元古代(拉張背景的)同裂谷作用玄武巖[30]的地化相似。

圖5 花山地區火山巖樣品分類(底圖據 Winchester and Floyd[24])Fig.5 The classification of volcanic rocks in the Huashan Area黑色實心圓.FS27a；黑色空心圓.FS27b；黑色空心方塊.FS27c；黑色實心方塊.FS27abc。樣品符號含義下同。

圖6 SiO2-TFeO/MgO判別圖(底圖據Miyashiro[25])Fig.6 SiO2-TFeO/MgO discrimination diagramFS27c因為其TFeO/MgO>5而溢出圖框上方(仍然位于拉斑玄武巖Tholeiitic范圍)

圖7 Zr/Y-Zr判別圖(底圖據Pearce and Norry[26])Fig.7 Zr/Y-Zr discrimination diagramWPB.板內玄武巖；MORB.洋中脊玄武巖；IAB.島弧玄武巖。

圖8 V-Ti/1 000判別圖(底圖據Shervais[27])Fig.8 V-Ti/1 000 discrimination diagramIAT.島弧拉斑玄武巖；MORB.洋中脊玄武巖； CFB.大陸溢流玄武巖；OIB.洋島玄武巖；AB.堿性玄武巖。

圖9 球粒隕石標準化的稀土配分圖(中國地殼和世界洋殼元素豐度據黎彤和倪守斌[28])Fig.9 Chondrite normalized REE distribution diagram

圖10 微量元素原始地幔標準化蛛網圖(標準化值據Sun and McDonough[29])Fig.10 Primitive mantle normalized spider diagram of trace elements

4 討論

前人在原花山群的不同地點取樣,進行火山巖鋯石U-Pb定年,取得了不同的結果。石玉若等采自花山地區楊家棚花山群的玄武巖(圖1)Sm-Nd 年齡為(1 736±37)Ma,采自花山地區小阜花山群的玄武巖(圖1)Sm-Nd 年齡為(1 197±170)Ma。Deng等在三里崗—三陽背斜南西翼花山群中采集的玄武巖樣品,經過SHRIMP鋯石U-Pb定年,得到(824±9)Ma的年齡[31]。本文對采自三里崗—三陽背斜北東翼的玄武巖做的LA-ICP-MS 鋯石U-Pb定年,得到更為年輕的早白堊世年齡(128.3±1.4)Ma。因此,傳統的新元古代花山群可能在三里崗—三陽背斜北東翼劃分有誤。由此可見,原花山群露頭區有多期火山活動,該群應該得到更多研究者的重視與進一步的研究。

同期火山作用也發現于湖北東南部。位于揚子江中下游最西部、湖北東南部的金牛盆地,是華南主要的火山作用地區之一。其雙峰式火山巖中存在大量的巖漿成因鋯石,以高U、Th含量為特征。13顆鋯石的SHRIMP206Pb/238U諧和年齡的加權平均值為(128±1)Ma(MSWD=3.0),能精確地代表大寺組英安巖的噴發年齡[32]。該年齡被認為代表了火山巖的結晶年齡。結合區域資料分析表明:鄂東南火山作用主要形成于早白堊世,與長江中下游地區其他火山作用形成時代類似,早白堊世長江中下游地區處于伸展構造背景。它們和本次研究發現的花山地區花山群中的早白堊世玄武巖同時噴發。

一般認為,虧損Nb和Ta為島弧玄武巖的“診斷性特征”；但是,本次研究的玄武巖樣品的地球化學特征明顯與島弧玄武巖不同。對于那些具有消減帶信號的基性熔巖,可以根據Zr含量和Zr/Y比值,或利用Zr/Y-Zr圖解,判斷它們是否真正是島弧或活動大陸邊緣玄武巖[33]。

相對于相鄰元素Th、K和La,板內玄武巖虧損Nb和Ta,可能歸結于如下三種過程:①含鈦礦物的分離結晶,如鈦磁鐵礦；②上升巖漿受到地殼物質的混染；③繼承自幔源物質,先前被消減相關的流體/熔體交代過。

本次大洪山地區花山群中采集的玄武巖以高TiO2(約2.0%)為特征,排除了明顯的鈦磁鐵礦分離結晶。分析樣品的Nb/Ta比值分別為13.22,7.78和15.38(平均12.13)。Rudnick和Fountain研究表明,下地殼—上地殼的Nb/Ta比值平均在8.3～11.3[34]。故判斷地殼物質可能混染不嚴重。

研究還顯示,這些被研究的玄武巖的Nb/La比值(分別為0.60、0.46和0.23,平均0.43),較地殼來源的Nb/La比值(0.47～0.83,平均0.66)為低,也許未受到地殼較大混染。因此,相對于相鄰元素虧損Nb和Ta,最可能源自于被先前與消減相關的流體/熔體交代過的幔源物質。

玄武質巖漿主要來源于巖石圈地幔和軟流圈地幔。Turner and Hawkesworth對全球大陸溢流玄武巖的研究表明,源自于大陸巖石圈地幔玄武巖的CaO/Al2O3<0.7,而源自于軟流圈地幔>0.7[35]。由于樣品FS27a、FS27b和FS27c的CaO/Al2O3比值分別為0.51、0.63和0.38,作者可以推斷,本次研究的玄武巖源自于大陸巖石圈地幔。前人研究顯示,源自于未受混染的軟流圈地幔的基性巖漿巖具有的典型特征是,其La/Nb比值<1.5,而源自于巖石圈地幔的基性巖漿巖的La/Nb比值>1.5[36]。鑒于本次研究的玄武巖FS27a、FS27b和FS27c樣品La/Nb比值分別為1.68、2.19和4.36,故本次研究的玄武巖很可能源自于巖石圈地幔。

Ma等指出,在三疊紀—中侏羅世,揚子地塊向華北地塊俯沖碰撞的結束時間大約在160 Ma,而QDOB從擠壓到伸展的時間約為135 Ma,由拆沉巖石圈地幔導致的減壓熔融引起。

Xu等研究顯示,QDOB內湖北東部大別山強烈的地殼伸展與深埋巖石剝露時限約在135—105 Ma,引起的火山活動在早白堊世[4]。

因此,花山地區花山群發現的玄武巖可能出現于拆沉后的巖石圈地幔減壓熔融引起的板內擴張帶中[1-4,37-38]。

同期拉張背景下的玄武巖噴發也發現于世界各地。例如,巴西南部的大陸溢流玄武巖大約130—105 Ma出現在Parana[39]。

5 結論

通過綜合研究,作者可以得知:

(1) 大洪山地區早白堊世(128 Ma左右)的玄武巖噴發,出現于拆沉后的巖石圈地幔減壓熔融引起的板內擴張帶中。

(2) 由于一些年輕的地層被錯誤地劃分到年老的地層中,傳統的花山群應該被解體。

(3) 揚子地塊在中晚三疊世—中侏羅世向華北地塊俯沖碰撞造山后,自早白堊世開始,加厚地殼開始減薄,處于伸展構造背景。

(4) 秦嶺大別造山帶南邊界新元古代花山群出露區早白堊世基性火山巖(玄武巖)的發現,將引發同行對該造山帶和揚子北緣地層序列與構造背景更大的研究興趣。

致謝:邱玲高級工程師、毛新武與劉早學教授級高級工程師或在野外地質調查給予協助,或進行有益的討論。中國地質大學(武漢)胡兆初教授在LA-ICP-MS測試上給予大力幫助。中國地質大學(武漢)凌文黎教授對初稿進行了認真審閱。吳傳榮、李金平教授級高級工程師的審閱和建設性的意見,對文章寫作提高很有益。匿名審稿人的評審意見對本文提高有很大幫助。特此一并致謝！

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(責任編輯：于繼紅)

Recognition and Geological Significance of Basic Volcanic Rocks inCretaceous Huashan Group,Dahongshan area

QIU Yansheng1, YANG Qingxiong1, DENG Qi2, WANG Zhengjiang2, DU Qiuding2, HU Zhengxiang1, ZHOU Shiqing1
(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081)

The authors introduce the recognized Cretaceous basic volcanic rocks(basalts)in the originally called Huashan Group in Dahongshan area,Hubei.The LA-ICP-MS U-Pb zircon dating data shows that the basic volcanic rocks formed at 128.3±1.4 Ma.There has been an intraplate volcanic eruption during Early Cretaceous according to the testing results of major,rare earth element(REE)and trace elements of the basalts.This kind of volcanic rock has low content of Nb,Ta and Sr,and high content of Ti/Y,slightly enriched in light rare earth element(LREE),and which is similar to within-plate basalt(WPB)or oceanic-island basalt(OIB).It is corroborative for some previous researchers’ view,whose evidences were from the Late Mesozoic(130 Ma)granites in Qinling-Dabie Orogenic Belt(QDOB).This preliminary study may infer that there is an extensional period at the Early Cretaceous in the southern boundary of QDOB after the Triassic-Middle Jurassic subduction and collision of Yangtze Block to North China Block.

Huashan Group; U-Pb zircon dating; basic volcanic rocks; Cretaceous; Qinling-Dabie Orogenic Belt

2016-01-06;改回日期:2016-02-06

本研究得到中國地質調查局計劃項目(批準號:1212011121109,1212011220900)和國家自然科學基金重點項目(批準號:41030315)的資助。

邱艷生(1964-),男,教授級高級工程師,碩士研究生,巖石學專業,從事沉積學、頁巖氣地質學、前寒武紀地質學研究。E-mail:aq246@163.com

P588.14; P534.53

A

1671-1211(2017)02-0123-08

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.002

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170317.1051.006.html 數字出版日期:2017-03-17 10:51