臨沂方城盆地中生代青山群火山巖地球化學特征及地質意義

孫天柱，武斌

(山東省第四地質礦產勘查院，山東 濰坊 261021)

0 引言

臨沂方城盆地出露的火山巖位于魯西地塊泰山巖漿弧帶內[1],是魯西地區中生代火山巖主要分布區(圖1)。出露于該帶的火山巖以早白堊世八畝地組和方戈莊組為主，在盆地的南西緣以早白堊世水南組及城山后組為主[2]，形成由南西向北東沉積中心逐漸轉移的沉積格架。八畝地組為雜色安山質火山碎屑巖、火山熔巖、沉積火山碎屑巖及少量陸源沉積巖建造，方戈莊組則以紫紅色粗面巖、粗安巖及粗面質火山碎屑巖建造為主，前人將該套粗面質火山巖、火山碎屑巖歸為潛火山巖[3]。

在開展1∶5萬方城幅地質調查基礎上[4]，通過對出露于臨沂方城盆地內的早白堊世八畝地組及方戈莊組火山巖主要物質組成、地球化學特征，沉積建造分析，對該火山巖形成地質背景進行了探討。

1 區域地質概況

臨沂方城盆地內主要沉積了早白堊世萊陽群、青山群及晚白堊世—古近紀官莊群，萊陽群發育水南組、城山后組，分布于方城盆地南西緣(圖1)。青山群發育八畝地組、方戈莊組2個火山旋回，分布于盆地的中部，呈NW向帶狀展布兩端均延伸出調查區，官莊群分布于盆地的NE緣，盆地NE緣以蒙山斷裂(F1)為界，斷裂NE為新太古代花崗巖分布區；盆地SW為山區出露寒武紀、奧陶紀及少量石炭—二疊紀地層。由SW向NE地層由老至新變化，顯示沉積盆地中心由SW向NE逐漸轉移的沉積特征。

1—第四系;2—晚白堊世—古近紀官莊群;3—早白堊世方戈莊組;4—早白堊世八畝地組;5—早白堊世城山后組;6—早白堊世水南組;7—晚侏羅世—早白堊世淄博群;8—晚石炭世—中二疊世月門溝群;9—中奧陶世—晚奧陶世馬家溝群;10—晚寒武世—早奧陶世九龍群;11—新近紀橄欖玄武玢巖;12—新太古代花崗巖;13—輝綠玢巖;14—花崗斑巖;15—安山質沉凝灰巖;16—安山質沉凝灰角礫巖;17—安山質凝灰集塊角礫巖;18—安山質集塊角礫巖;19—粗面巖;20—礫質砂巖、粉砂巖、泥巖;21—正斷層、逆斷層及產狀;22—調查區范圍;23—背斜;24—向斜;25—角度不整合/平行不整合;26—巖相界線;27—青山群剖面位置;28—火山機構圖1 臨沂方城盆地地質簡圖

2 青山群火山噴發旋回劃分

2.1 火山巖巖相劃分

根椐青山群火山巖組合特征、產狀、組構及火山構造[5]，將方城盆地的青山群巖相劃分為噴溢相、爆發相、爆發沉積相、沉積相。

2.2 火山巖噴發旋回劃分

在方城鎮西北部吉山青山群剖面控制了早白堊世八畝地組和方戈莊組2個火山旋回[6-7]。

八畝地組實測剖面的旋回層序見表1，主要為一套安山質火山巖—火山碎屑巖—沉火山碎屑巖夾正常沉積巖的組合[8]，以火山碎屑巖主體，共發育6個火山韻律，出露地層總厚度大于1838.9m，總體爆發指數為86.52%，噴溢指數為10.19%，其中第一、第二韻律以爆發沉積相為主，第四、五、六以爆發相為主。第四韻律發育有沉積層，說明在火山噴發過程中存在短暫間歇期。該旋回總體表現為爆發—噴溢—爆發沉積—爆發的特點。八畝地組巖石色調雜，灰綠、灰紫及淺灰等均較為發育，巖石中的集塊或角礫以同源為主，亦發育較多的異源集塊或角礫，致使巖石呈雜色色調，方城盆地八畝地組以爆發為主，噴溢相不甚發育。

表1 青山群八畝地組火山噴發韻律(P1)

方戈莊組[8]實測剖面的旋回層序見表2，主要為一套粗面巖、粗面質集塊角礫巖的巖石組合，以粗面質、粗安質熔巖為主體，巖石多呈灰紅色調，角度不整合于八畝地組沉凝灰巖之上，發育有2個火山韻律，出露總厚度為415.94m，總體爆發指數為8.6%，噴溢指數為91.4%，以噴溢相為主。第一韻律以噴溢為主，第二韻律以爆發為主，第一韻律中含有較多的火山角礫，角礫含量一般少于10%，形成角礫熔巖，說明在噴溢過程同時伴有爆發產生，沉積作用位于火山機構附近或破火山口內。該組巖石集塊角礫以同源為主，異源巖屑少見。與下伏八畝地組的灰綠色沉凝灰巖界面處見有1～2cm的土黃色風化層，方戈莊組角礫熔巖整體呈微波浪起伏狀平行下伏巖層覆于八畝地組沉凝灰巖之上(圖2)，兩者應為噴發不整合接觸。

表2 青山群方戈莊組火山噴發韻律(P1)

圖2 方戈莊組角礫熔巖噴發不整合于八畝地組沉凝灰巖之上

3 青山群巖石學特征

3.1 八畝地組巖石學特征

八畝地組主要發育有玄武安山巖、安山巖等熔巖，呈夾層出現，規模較小。此外，發育有大量火山碎屑巖，除正常火山碎屑巖外，尚發育有向熔巖過渡、向沉積巖過渡的火山碎屑巖。

3.1.1 熔巖

玄武安山巖：巖石呈灰綠色，斑狀結構，塊狀構造，基質間隱結構。斑晶35%，由單斜輝石(15%)、拉長石(20%)組成，斑晶單斜輝石為短柱狀自形晶，均勻分布，大小0.1～0.8mm，基質中輝石為短柱狀，大小0.05mm左右。斑晶斜長石0.3～2.0mm之間，斜長石牌號An=60，為拉長石。基質含量65%，由斜長石(23%)、基性玻璃(20%)、單斜輝石(20%)、磁鐵礦(2%)組成。

輝石安山巖：巖石灰綠色、灰褐色，斑狀結構，塊狀構造，偶見有杏仁構造、氣孔構造，基質其玻基交織結構。斑晶含量20%～35%，由單斜輝石(5%～15%)和斜長石(10%～25%)組成，單斜輝石多呈短柱狀自形晶，粒度0.2～1.0mm之間。斜長石板狀自形晶，聚片雙晶發育，均勻分布，粒度0.3～l.5mm之間。基質主要由斜長石組成，另有少量單斜輝石、磁鐵礦等。杏仁構造者，杏仁體多為綠脫石、纖狀沸石等。

黑云母安山巖：巖石呈灰褐色，斑狀結構，塊狀構造，基質交織結構。斑晶含量30%，由普通角閃石(5%)、黑云母(10%)、中長石(15%)組成。黑云母為片狀自形晶，僅見于斑晶礦物中，粒度0.1～1.0mm之間，棕紅—淺黃色多色性，平行消光，少量已暗化。基質礦物中斜長石含量67%，定向排布，其間充填有渾圓狀磁鐵礦小晶體，形成交織結構。

3.1.2 火山碎屑巖

輝石安山質集塊角礫熔巖：巖石灰綠—灰黃色，集塊角礫結構，熔巖膠結，塊狀構造。由集塊(20%)、火山角礫(40%)、熔巖物質(40%)組成，集塊、角礫呈棱角—次棱角狀，角礫均勻分布。熔漿與火山角礫同成分，二者區別在于角礫的色調略深。熔漿呈斑狀結構，斑晶為單斜輝石、中長石，粒度0.2～0.5mm之間，基質為安山結構，由板條狀斜長石定向排列，塵點狀磁鐵礦及火山玻璃充填于其間。

安山質角礫凝灰熔巖：巖石灰紫色、灰綠色，角礫凝灰結構，熔巖膠結，塊狀構造。由火山角礫(10%)、火山灰(25%)、熔巖膠結物(65%)組成，三者成分完全一致，為輝石安山巖。角礫大小一般2～8mm，呈次棱角狀，均勻分布。巖屑大小不一，一般0.1～1.5mm，均勻分布，次棱角狀。

輝石安山質集塊角礫巖：巖石灰紅色、灰綠色，集塊角礫結構，塊狀構造。集塊含量30%左右，呈次棱角狀棱角狀，大者可達30～50cm，火山角礫含量55%左右，角礫、集塊間為火山灰充填，集塊、角礫成分有2種，灰綠色安山巖及灰紅色安山巖。鏡下特征：巖石由火山角礫(60%)、火山灰(40%)組成，火山角礫呈棱角狀，成分單一，為輝石安山巖。火山灰由巖屑和火山塵組成，充填于集塊、角礫間。

安山質角礫巖屑凝灰巖：巖石呈灰綠色，角礫凝灰結構，塊狀構造，由火山角礫(25%)、火山灰(75%)組成。火山角礫呈棱角狀，大小2～5mm之間，成分不一，由角閃安山巖和輝石安山巖組成。火山灰由巖屑(60%)、晶屑(5%)和火山塵(10%)組成。巖屑呈次棱角狀—棱角狀，均勻分布，成分同火山角礫；晶屑呈次棱角狀或柱狀，板狀自形晶，由中長石、普通角閃石、單斜輝石組成；火山塵呈微粒塵狀玻屑，均勻分布于火山碎屑間隙。

沉安山質凝灰巖：巖石灰綠色，沉晶巖屑凝灰結構，顆粒支撐、孔隙式膠結。由砂屑85%和膠結物15%組成。砂屑由安山質巖屑(54%)、長石(15%)、石英(l%)及微晶灰巖巖屑(15%)組成，大小不一，0.5～l.5mm之間，次棱角狀，分選及磨圓度較差，膠結物為方解石。

凝灰質粉砂巖：巖石灰綠色，凝灰質粉砂結構，由火山灰(20%)、陸源碎屑(50%)及填隙物(30%)組成。火山灰由巖屑(15%)及玻屑(5%)組成，0.01～0.05mm之間，次圓狀—次棱角狀，均勻分布。陸源碎屑由斜長石碎屑(34%)、石英(15%)、重礦物(1%)組成，大小0.01～0.06mm之間，次棱角狀，均勻分布，填隙物為黏土礦物及火山塵。

3.2 方戈莊組巖石學特征

方戈莊組熔巖以粗安巖、粗面巖為主，火山碎屑巖主要為粗面質集塊角礫巖。

3.2.1 熔巖

黑云母粗安巖：巖石紫紅色，斑狀結構，平行構造。斑晶含量30%，由黑云母(3%)、斜長石(20%)及普通角閃石(7%)組成。黑云母：鱗片狀晶體，零星分布于斑晶礦物之中，大小0.1～0.3mm，多具暗化邊。斜長石呈板狀自形晶，有時呈聚斑出現，大小0.5～4.5mm，An=31，為中長石。普通角閃石：長柱狀自形晶，僅見于斑晶礦物之中，多數晶體已暗化，大小0.1～1.0mm。基質斜長石為板條狀微晶平行排列，其間充填有塵狀磁鐵礦形成交織結構。部分巖石中含有較多輝石斑晶，構成了輝石粗安巖。

角閃粗面巖：巖石灰色，斑狀結構，基質具玻基交織結構。斑晶含量25%，由斜長石(10%)、透長石(9%)和角閃石(6%)組成。斜長石：半自形—自形板狀，大小0.5×l.0mm左右，具絹云母化。透長石：他形—半自形板狀，粒度一般0.4～0.7mm，表面具較多的褐鐵質，熔蝕現象明顯。角閃石：自形—半自形柱狀，粒度不一，0.1～1.0mm，均發生暗化。基質含量75%，由條狀長石微晶定向排布，其間充填較多的玻璃—隱晶物質。構成玻基交織結構。長石微晶多呈負突起，以堿性長石為主，含量40%，為粗面巖。

角閃英安巖：巖石呈灰綠色，斑狀結構，塊狀構造，基質安山結構。斑晶含量50%左右，由斜長石(40%)和普通角閃石(10%)組成。普通角閃石呈長柱狀自形品，部分具有暗化邊，僅見于斑晶礦物之中，均勻分布。大小0.1～1.0mm。斜長石為板狀自形晶，聚片雙晶及卡鈉聯合雙晶發育，An=32，為中長石。基質含量50%，由斜長石(32%)、中性玻璃(15%)及磁鐵礦(3%)組成。

3.2.2 火山碎屑巖

粗面質集塊角礫巖：巖石灰紫色、凝灰角礫結構，塊狀構造。由火山角礫(30%～40%)、火山集塊(10%～20%)及膠結物(50%)組成。火山角礫：梭角狀—次圓狀，大小2.0～64mm,均勻分布，為玻基安山巖，集塊成分同角礫，僅礫徑大于64mm，部分達0.5～0.7m。膠結物由巖屑(35%)、晶屑(10%)及火山塵(5%)組成。巖屑呈次梭角—次圓狀，大小0.01～2.0mm，充填火山角礫間隙，成分同火山角礫。晶屑由中長石及單斜輝石組成。大小0.1～0.5mm，均勻分布于火山灰之中。火山塵呈塵狀玻璃質，均勻分布于火山碎屑間隙。

4 巖石化學特征

4.1 主量元素特征

八畝地組火山巖化學成分見表3，火山巖中SiO2含量58.48%～60.24%，變化范圍較少，位于中性巖的化學成分范圍內。全堿Na2O+K2O含量5.0%～9.19%，總體含量較高。Al2O3為12.46%～16.08%，Fe2O3+FeO的含量為5.52%～7.63%，MgO，CaO含量偏低。青山群八畝地組火山巖的σ值變化較大，分布在1.51～4.90之間，為鈣堿性、堿性巖。由全堿—二氧化硅(TAS)圖解(圖3)可以看出，八畝地組火山巖投點于粗安巖、安山巖區。

方戈莊組火山巖中SiO2含量64.72%～66. 4%，變化范圍較少，位于中性巖的化學成分范圍內。全堿Na2O+K2O含量7.37%～10.04%，總體含量較高。Al2O3為14.88%～17.33%，Fe2O3+FeO的含量為3.3%～3.85%，MgO、CaO含量少，明顯低于八畝地組巖石。青山群方戈莊組的σ值變化較大，分布在2.32～4.59之間，為鈣堿性、堿性巖。由全堿—二氧化硅(TAS)圖解(圖3)可以看出，方戈莊組火山巖投點于粗面巖、粗面英安巖及英安巖區，總體以高鉀、高鈉為特征。

+八畝地組 ⊙方戈莊組圖3 青山群火山巖TAS圖解

4.2 微量元素特征

微量元素含量見表3，與維氏值比較具有以下特點：親石元素Sr，Zr，Rb，Nb含量明顯偏低；Ba含量明顯偏高；過渡性元素Cr含量明顯偏高；Ti，Ni，Nb含量偏低；其他元素含量變化相對較小與維氏值相當。其中八畝地組巖石中的Co，Ni，Cr等鐵族元素含量明顯高于方戈莊組。

表3 青山群火山巖常量元素、微量元素、稀土元素含量

注：1—角閃安山巖;2—輝石安山巖;3—安山質集塊角礫凝灰巖;4—灰綠色英安巖;5—粗面質含角礫熔巖;6—角閃粗面巖

主量元素采用溶劑法測定，含量%；稀土元素、微量元素采用ICP-MS，XGY法測定(山東省第四地質礦產勘查院實驗測試中心)含量10-6。

4.3 稀土元素特征

八畝地組火山巖稀土總量稍有差別(表1)，多數在(83.94～106.82)×10-6， 最高可達308.24×10-6。∑Ce/∑Y比值在3.05～7.79之間，輕重稀土分餾明顯，(La/Yb)N為1.45～1.72，個別達3.59。δEu值為0.84～0.93間，接近于1，具弱負銪異常，火山巖原始巖漿受地殼混染較輕。

圖4 青山群火山巖稀土配分模式

方戈莊組稀土總量較為接近，多在(189～324.11)×10-6之間，∑Ce/∑Y比值為9.09～13.75，顯示了該組火山巖輕重稀土分餾明顯，輕稀土相對富集的特征，(La/Yb)N值為4.14～8.20，也顯示重稀土虧損輕稀土相對較富集的特點，屬輕稀土富集型，輕稀土分餾程度高于重稀土。δEu值為0.82～0.93，δEu值都略小于1，具弱負銪異常，說明其火山巖原始巖漿受地殼混染較輕。

從稀土元素球粒隕石標準化圖解[9-10](圖4)可以看出，八畝地組及方戈莊組火山巖配分曲線均向右傾斜，為左高右低的較平滑曲線，REE曲線屬右傾型。不同巖性其稀土配分曲線基本一致，反映了同源巖漿同等混染的演化規律。在輕稀土部分曲線斜率一致，分餾較好；重稀土部分曲線多波折，在Ho，Gd等處出現谷峰，尾部元素向上翹起，反映元素分餾不好。安山質集塊角礫凝灰巖中的Ho存在較高的正異常。

圖5 里特曼-戈蒂里圖解(Rittmann，1973年)

5 構造環境分析及形成時代

在里特曼-戈蒂里圖解中[11-13](圖5)，八畝地組多數投點于造山帶火山巖區，只有部分投點于造山帶與非造山帶派生的堿性、偏堿性火山巖區，表明八畝地沉積期火山活動的構造環境是造山帶或活動大陸邊緣區，方戈莊組火山巖多數投點于造山帶與非造山帶派生的堿性、偏堿性火山巖區，為活動大陸邊緣巖漿活動后期派生的產物。從巖石堿度A·R來看，八畝地組堿度在1.70～2.69間，平均為2.06，方戈莊組堿度在2.49～3.37間，平均為2.95。在SiO2-AR圖解(圖6)中，八畝地組多數投入鈣堿性火山巖區，方戈莊組多投點于堿性火山巖區，在K2O-Na2O圖解(圖7)中，青山群火山巖均投點于鉀質火山巖區，由圖解可知，八畝地組以鈣堿性鉀質巖石為主，方戈莊組以堿性鉀質巖石為主。八畝地組的堿度率值偏低、變化范圍小，與島弧和活動大陸邊緣特點相吻合；方戈莊組堿度率明顯偏高，為堿性鉀質火山巖。青山群火山巖總體顯示由基性向酸性演化特征，說明火山噴發時構造作用漸強，巖漿房逐漸向上移動；同時由鈣堿性向堿性方向演化，說明火山噴發時處于相對凹陷環境，構造作用漸弱，巖漿房穩定下降，反映該期火山作用是在可能存在山根的條件下，在地幔巖石圈減薄、拉伸下形成的[14]。

圖6 巖石系列SiO2-AR(堿度率)圖解(據Wright，1969)

圖7 火山巖K2O-Na2O圖解(據 E A K Middlemost ，1972 )

在方城盆地吉山一帶，取得粗面巖的K-Ar同位素年齡值為120Ma，其時代應為早白堊世，與區域上青山群的形成時代一致[15-17]。

6 火山機構

區內發育有3處火山機構，分別為吉山、忠義山子及和樂莊火山機構。吉山及忠義山屬方戈莊期火山機構，地貌上形成高地，山勢較陡，在火山口處發育有粗面質集塊角礫熔巖，呈裂隙式SE向分布，走向120°左右，與重磁及遙感資料相吻合。和樂莊火山機構屬八畝地期形成的火山機構，火山機構發育安山質集塊角礫熔巖、角礫安山巖，該火山機構圍巖產狀內傾，為火山口塌陷所致。

7 結論

(1)八畝地組為一套以爆發相為主的雜色安山質為主的火山碎屑巖夾沉火山碎屑巖及少量安山質熔巖、陸源碎屑巖的巖石組合，下部夾有較多的沉火山碎屑巖。方戈莊組以灰紅色調粗面巖為主，夾少量英安巖及粗面質火山碎屑巖。

(2)臨沂方城盆地內原劃潛火山巖，實為粗面質熔巖、角礫熔巖，噴發不整合于八畝地組沉凝灰巖及火山碎屑巖之上，根據其巖石組合特征、地球化學特征厘定為早白堊世方戈莊組，對應于該期火山機構影響范圍內，遠離火山機構則無該組巖石分布。潛火山巖的劃分以火山巖產狀為依據，在產狀不易觀測到的情況下，按熔巖劃分。

(3)八畝地組以鈣堿性鉀質巖石為主，方戈莊組以堿性鉀質巖石為主。八畝地組的堿度率值偏低、變化范圍小，與島弧和活動大陸邊緣特點相吻合；方戈莊組堿度率明顯偏高，為堿性鉀質火山巖，說明方戈莊組噴發時處于相對凹陷環境，構造作用漸弱，巖漿房相對穩定，反映該期火山作用可能存在山根的條件下，在地幔巖石圈減薄、拉伸下形成的。

(4)在方城盆地吉山一帶，取得方戈莊組粗面巖的K-Ar同位素年齡值為120Ma，其時代應為早白堊世。