劉 力, 潘龍克, 杜翌超, 龔志愚, 羅 凡

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

鄂西神農(nóng)架群石槽河組火山巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

劉 力, 潘龍克, 杜翌超, 龔志愚, 羅 凡

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

在神農(nóng)架群石槽河組中,發(fā)育有一套變玄武巖夾凝灰?guī)r的火山巖組合,夾于上下兩套碳酸鹽巖之間。石槽河組火山巖SiO2在45.25%～53.70%之間,其中變玄武巖屬于堿性系列,凝灰?guī)r屬于拉斑玄武系列。地球化學(xué)特征顯示石槽河組火山巖具有板內(nèi)堿性玄武巖特征,巖漿來源于軟流圈,為格林威爾造山運動中俯沖碰撞后緣在大陸基礎(chǔ)上拉張形成裂谷盆地的產(chǎn)物。

神農(nóng)架群；火山巖；構(gòu)造環(huán)境

“神農(nóng)架群”由江濤、華媚春創(chuàng)名(1962年)[1],主要出露于揚子陸塊北緣的神農(nóng)架地區(qū),其長期以來被視為揚子克拉通中元古代地層的典型代表。神農(nóng)架群主要為一套碳酸鹽巖夾碎屑巖的沉積地層,目前在神農(nóng)架群地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)結(jié)晶基底巖系的出露,其上被南華系地層覆蓋,且變質(zhì)程度較弱[2]。本次區(qū)調(diào)工作范圍包括了神農(nóng)架隆起南緣的部分區(qū)域,主要出露神農(nóng)架群石槽河組(未見底)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)神農(nóng)架群石槽河組發(fā)育厚約300 m火山巖。本文根據(jù)火山巖的巖石學(xué)、地球化學(xué)特征,判斷其成因類型和構(gòu)造環(huán)境,并結(jié)合調(diào)查區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征,為研究神農(nóng)架群提供新的依據(jù)。

1 石槽河組火山巖巖石類型

研究區(qū)位于神農(nóng)架隆起南緣(圖1),基于劉成新等(2004)1∶25萬神農(nóng)架幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告對神農(nóng)架群的分類方案,區(qū)內(nèi)出露的神農(nóng)架群地層自下而上可分為石槽河組(未見底)、大窩坑組和礦石山組?；鹕剿樾紟r及熔巖發(fā)育在石槽河組二段中,主要有以下幾種巖石類別:紫紅色玄武質(zhì)含火山角礫巖屑凝灰?guī)r(PM202/53-b1、58-b1)、灰綠色變質(zhì)玄武巖(PM202/63-b1、75-b1、95-b1)和基性火山凝灰?guī)r(PM202/62-b1、100-b1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Generalized geological map of survey area1.寒武系；2.震旦系；3.南華系；4.礦石山組；5.大窩坑組；6.石槽河組四段；7.石槽河組三段；8.石槽河組二段；9.石槽河組一段；10.采樣點。

紫紅色玄武質(zhì)含火山角礫巖屑凝灰?guī)r(PM202/53-b1) 含火山角礫巖屑凝灰結(jié)構(gòu)(圖2-Ⅰ),塊狀構(gòu)造。主要由巖屑(玄武巖)、火山角礫(玄武巖)和火山灰(基性火山玻璃)組成。巖屑大小約0.36～1.98 mm,次棱角或次圓狀,含量約55%?；鹕浇堑[大小約2.1～5.6 mm,次棱角或次圓狀,含量約20%?；鹕交叶?0.05 mm,隱晶—微粒狀集合體,含量約25%。少數(shù)巖屑和火山角礫具不同程度的壓扁拉長定向排列,這是后期構(gòu)造應(yīng)力所致的?；鹕交已鼗鹕浇堑[、巖屑之間分布并起膠結(jié)作用,其成分為基性火山玻璃,經(jīng)脫?；纬呻[晶—微粒狀集合體的斜長石、綠泥石及含鈦礦物。

圖2 石槽河組火山巖顯微照片F(xiàn)ig.2 Photomicrographs of volcanic rocks in Shicaohe formation

灰綠色變質(zhì)玄武巖(PM202/63-b1) 變余斑狀結(jié)構(gòu)(圖2-Ⅱ)；基質(zhì)具變余間粒結(jié)構(gòu),變余塊狀構(gòu)造。斑晶主要有基性斜長石(15%)和輝石(10%),基質(zhì)主要有基性斜長石(53%)、輝石(22%)和含鈦礦物(5%)。變余斑晶成分以基性斜長石為主,次為輝石,基性斜長石幾乎被鈉長石、黝簾石礦物集合體(即具鈉黝簾化)取代殘余自形柱狀,但仍可見發(fā)育聚片雙晶,而輝石多數(shù)縱切面解理發(fā)育,橫切面具輝石式解理,少數(shù)被綠泥石取代殘余短柱狀。變余基質(zhì)由自形小板條狀的基性斜長石雜亂分布,所構(gòu)成三角形空隙格架內(nèi)充填微粒狀的輝石、含鈦礦物組成變余間粒結(jié)構(gòu)?；孕遍L石具鈉黝簾化,而輝石有的具綠泥石化。

灰綠色沉基性火山凝灰?guī)r(PM202/100-b1) 巖石具沉火山凝灰結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。成分以火山碎屑物(65%)為主,次為正常沉積物(35%)?；鹕剿樾嘉锍煞謳缀鯙榛鹕交?含1%的晶屑,火山灰成分為基性火山玻璃,經(jīng)脫玻化形成隱晶—微粒狀集合體的斜長石、綠泥石及含鈦礦物。晶屑成分僅見斜長石,粒度細小且零星分布,具碳酸鹽殘余其假象。正常沉積物成分僅見碳酸鹽礦物,粒度從微晶—細晶都有,外形呈他形—半自形粒狀。巖石中可見發(fā)育呈枝叉狀分布的次生細脈,脈內(nèi)充填著綠泥石、碳酸鹽礦物、石英,有的脈呈腸狀分布。

2 地球化學(xué)特征

2.1 測試方法

主量元素、稀土元素和微量元素的測試委托國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。主量元素測試采用四硼酸鋰溶片-X射線熒光光譜分析法在帕那科Magix_pro2440型X-射線熒光光譜儀上完成,分析精度優(yōu)于1%；稀土元素和微量元素測試采用四酸溶礦-ICP-MS分析方法在X7電感耦合等離子質(zhì)譜儀上完成,分析精度優(yōu)于5%。

表1 石槽河組火山巖主量元素特征及特征值表

單位:wt/%；ALK=(Na2O+K2O)wt%；σ=(Na2O+K2O)2/(SiO2-43)wt%；Mg#= molar[100MgO/(MgO+FeO*)]。

2.2 主量元素特征

石槽河組火山巖主量元素分析結(jié)果及特征值見表1,樣品的SiO2在45.25%～53.70%之間,屬于基性的火山巖,根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)進行TAS圖解(圖3)投圖發(fā)現(xiàn),巖石多落入玄武巖中,少數(shù)落入粗面玄武巖和玄武質(zhì)安山巖中。里特曼指數(shù)(σ)變玄武巖在3.97～5.90之間,均>3.3,屬于堿性系列；而凝灰?guī)r的里特曼指數(shù)介于0.79～3.20之間,屬于亞堿性系列。

在TAS圖解中變玄武巖基本落入Ir線上方,而凝灰?guī)r落入Ir線下方。巖石中變玄武巖Na2O/K2O均>1；凝灰?guī)rNa2O/K2O變化較大。變玄武巖CaO、TiO2、MgO、FeOT含量較高,分別在6.19%～9.14%、1.39%～2.75%、4.76%～7.01%、13.32%～17.80%之間,Al2O3含量較低,在12.63%～13.78%之間。凝灰?guī)rAl2O3含量較變玄武巖要高,而CaO、MgO、FeOT等含量均比變玄武巖要低。變玄武巖的Mg#介于32.28～47.89；凝灰?guī)r的Mg#在37.97～43.65之間。在FAM圖解(圖4)中,凝灰?guī)r樣品均落入TH(拉斑玄武巖系列)。

圖3 石槽河組火山巖TAS分類圖(據(jù)Rickwood,1989[3])Fig.3 TAS diagram of Shicaohe volcanic rocks

圖4 石槽河組火山巖FAM圖解(據(jù)Irvine,1971[4])Fig.4 FAM diagram of Shicaohe volcanic rocks

2.3 稀土元素特征

石槽河組火山巖稀土元素分析結(jié)果及特征值見表2,可以看出樣品稀土元素總量(∑REE)不均一,稀土總量變玄武巖總體比凝灰?guī)r低,其中變玄武巖在48.59～116.77之間,而凝灰?guī)r在114.29～142.01之間。變玄武巖的LREE/HREE在2.36～4.14之間,輕、重稀土分餾不明顯；LaN/YbN在1.50～3.39之間,CeN/YbN比值均>1,表現(xiàn)為輕稀土富集型,δEu在0.85～1.02之間,銪異常不明顯。凝灰?guī)r的LREE/HREE比值在5.31～8.88之間,輕、重稀土分餾較變玄武巖要明顯,LaN/YbN在5.93～11.36之間,CeN/YbN比值也>1,同樣表現(xiàn)為輕稀土富集型,δEu在0.92～1.00之間,表現(xiàn)為無銪異?；蛉醯呢撲B異常。在稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖[5](圖5)上,均表現(xiàn)為右傾的曲線,總體表現(xiàn)為變玄武巖的輕、重稀土分餾不明顯,而凝灰?guī)r的輕、重稀土分餾較為明顯。大致顯示了堿性玄武巖的稀土元素特點,且其與大陸裂谷型玄武巖稀土元素特征類似[6]。

2.4 微量元素特征

石槽河組火山巖微量元素特征及特征值見表3,從微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(圖6)中可以看出,凝灰?guī)r的微量元素表現(xiàn)較為一致,Rb、Ba、K、Pb等大離子親石元素較富集,虧損U、Ta、Nb、Ce、Zr等高場強元素。Th/Nb值在0.15～0.32之間。變玄武巖的微量元素表現(xiàn)差異很大,但大致表現(xiàn)為Ba、Hf、P、Ce等富集,Ta、Nb、Zr、Yb等元素的虧損,而Rb、K、Th、Ce等元素變化較大。Th/Nb值在0.08～0.13之間。一般來說,大陸板內(nèi)玄武巖的主要巖石類型為高Ti和低Ti拉斑玄武巖、高K鈣堿性玄武巖、堿性玄武巖等。高場強元素含量低,但Nb(Ta)相對于Zr(Hf)富集,Nb/Zr(Ta/Hf)比值比N-MORB和島弧構(gòu)造環(huán)境形成的玄武巖高；以La(Th)為代表的大離子親石元素含量高,被認為是典型大陸板內(nèi)環(huán)境的標志。同時大陸板內(nèi)環(huán)境玄武巖的微量元素具有Th/Nb值>0.11,Nb/Zr值>0.04的特征。石槽河組火山巖微量元素特征基本符合大陸板內(nèi)環(huán)境玄武巖的特點[7-8]。

表2 石槽河組火山巖稀土元素特征及特征值表

單位:wt/10-6。

表3 石槽河組火山巖微量元素特征及特征值表

單位:wt/10-6。

圖5 石槽河組火山巖稀土元素球粒隕石標準化配分型式圖 (球粒隕石標準化值據(jù)Taylor and McLennan,1985[5])Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Shicaohe volcanic rocks

圖6 石槽河組火山巖微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(原始地幔標準化值據(jù)Sun and McDonough,1989[9])Fig.6 Primitive-mantle normalized trace elements spider diagram of Shicaohe volcanic rocks

3 討論

3.1 巖漿成因

玄武質(zhì)巖漿大都形成于地幔源區(qū)。玄武質(zhì)巖石稀土和高場強元素組成或模式發(fā)生大的變化,除與巖漿作用過程和條件變化(如溫壓條件、熔融程度、結(jié)晶分異等)有關(guān)外,主要反映了其源區(qū)組成的不同。郭華等(2005)[10]認為大陸背景下形成的玄武巖巖漿,可能來自如軟流圈、巖石圈地幔和地殼混染等多個端員組分的貢獻。石槽河組火山巖具有平坦的REE分配型式或LREE富集的分配型式,Ta、Nb、Zr等元素的虧損,以及<1的原始地幔標準化Th/Nb比值等特征均顯示其巖漿來自于軟流圈(或地幔柱)信號[8]。而Sounders et al.(1992)[11]認為具有略>1的原始地幔標準化Th/Nb比值,是受到巖石圈地幔組分混染的大陸玄武巖最醒目的標志。Fitton J et al.(1988)[12]認為來源于未受混染的軟流圈的基性巖通常具有<1.5的La/Nb的比值,而來自于巖石圈地幔的巖漿通常具有>1.5的La/Nb比值。石槽河組變玄武巖的La/Nb比值變化范圍在0.95～1.14之間,因此石槽河組變玄武巖應(yīng)來自軟流圈地幔源區(qū)。高場強元素(Ta、Nb、Zr)負異常和Pb正異常,表明堿性玄武質(zhì)巖漿在上升過程中可能受到地殼混染作用的影響。所以,石槽河組火山巖巖漿主要來源于軟流圈(或地幔柱),上升過程中可能受到地殼混染的影響。

3.2 地質(zhì)意義

在識別一套玄武巖形成的構(gòu)造環(huán)境和玄武巖漿系列過程中,微量元素判別圖解最常用[13]。Pearce和Norry(1979)[14]發(fā)現(xiàn)Zr/Y比值對分離結(jié)晶作用指數(shù)Zr作圖是區(qū)分大洋島弧、MORB和板內(nèi)玄武巖的有效方法。在Zr-Zr/Y圖解(圖7)中,石槽河組火山巖均落入板內(nèi)玄武巖(WPB)區(qū)域中。Pearce和Cann(1973)[15]提出Ti/100-Zr-3Y圖解,能夠最為有效地區(qū)分板內(nèi)玄武巖,如洋島或大陸泛流玄武巖(D區(qū))和其它類型的玄武巖:島弧拉斑玄武巖位于A區(qū),鈣堿性玄武巖落在C區(qū)。MORB、島弧拉斑玄武巖和鈣堿性玄武巖都落在B區(qū)。在Ti/100-Zr-3Y圖解(圖8)中,石槽河組火山巖均落入D區(qū)板內(nèi)玄武巖區(qū)域中。Meschede(1986)[16]提出不活潑元素Nb可被用來區(qū)分不同類型的玄武巖。在2Nb-Zr/4-Y圖解(圖9)中,變玄武巖基本落入A2+C區(qū)板內(nèi)玄武巖中。

圖7 石槽河組火山巖Zr-Zr/Y圖解(據(jù)Pearce&Norry,1979[14])Fig.7 Zr-Zr/Y diagram for Shicaohe volcanic rocksIAB.火山弧玄武巖；MORB.洋中脊玄武巖；WPB.板內(nèi)玄武巖。

圖8 石槽河組火山巖Ti/100-Zr-3Y圖解(據(jù)Pearce&Cann,1973[15])Fig.8 Ti/100-Zr-3Y diagram for Shicaohe volcanic rocksCAB.鈣堿性玄武巖；MORB.洋中脊玄武巖；IAT.島弧拉斑玄武巖；WPB.板內(nèi)玄武巖。

圖9 石槽河組火山巖2Nb-Zr/4-Y圖解 (據(jù)Meschede,1986[16])Fig.9 2Nb-Zr/4-Y diagram for Shicaohe volcanic rocksA1.板內(nèi)堿性玄武巖；A2.板內(nèi)堿性+板內(nèi)拉斑玄武巖；B.E-型MORB；C.板內(nèi)拉斑+火山弧玄武巖；D.N-型MORB+火山弧玄武巖。

近幾年關(guān)于神農(nóng)架群的研究,獲得了一些可靠的年齡數(shù)據(jù),并相應(yīng)對神農(nóng)架群沉積時代給予了限定。李懷坤等(2013)[17]通過對神農(nóng)架群中鋯石和斜鋯石U-Pb定年將神農(nóng)架群的沉積時代嚴格限定在1.4～1.1 Ga。由于神農(nóng)架群與位于其南東約70 km的崆嶺地區(qū)在前寒武系上存在顯著的差異,已有學(xué)者認為神農(nóng)架地區(qū)與揚子陸核區(qū)(崆嶺地區(qū))之間在新元古代以前屬于兩個獨立的次一級陸塊[18]。在格林威爾期造山運動中,神農(nóng)架微陸塊和揚子陸核之間發(fā)生碰撞拼合。在俯沖碰撞的后緣大陸基礎(chǔ)上拉張形成裂谷盆地,形成一套具典型板內(nèi)裂谷特征的火山巖巖石組合[19]。這一構(gòu)造—巖漿事件與全球Rodinia大陸聚合過程相一致。綜上所述,石槽河組火山巖是來自于軟流圈地幔板內(nèi)裂谷環(huán)境形成的產(chǎn)物。

4 結(jié)論

(1) 石槽河組火山巖發(fā)育于神農(nóng)架隆起南緣的石龍坡一帶,主要巖石類型以灰綠色變玄武巖為主,夾有紫紅色玄武質(zhì)含火山角礫巖屑凝灰?guī)r和灰綠色基性火山凝灰?guī)r。在石槽河組火山巖上下出露有碳酸鹽巖的沉積。

(2) 石槽河組火山巖SiO2在45.25%～53.70%之間,其中變玄武巖屬于堿性系列,凝灰?guī)r屬于拉斑玄武系列。稀土元素變玄武巖為近似平坦型,輕重稀土分餾不明顯；凝灰?guī)r較變玄武巖輕稀土富集,分餾較明顯。富集Rb、Ba等大離子親石元素,虧損Ta、Nb、Zr等高場強元素。地球化學(xué)特征符合板內(nèi)堿性玄武巖的特征。

(3) 微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解顯示石槽河組火山巖來源于軟流圈,可能存在地殼混染；具有板內(nèi)玄武巖的特征,可能為格林威爾造山運動中俯沖碰撞后緣在大陸基礎(chǔ)上拉張形成裂谷盆地中的產(chǎn)物。

致謝:巖礦鑒定得到邱玲高級工程師的幫助；論文編寫過程中得到毛新武教授級高級工程師的指導(dǎo)；參加野外工作的還有張漢金、羅紅、曹明、李忠林、孫浩等;張漢金教授級高級工程師在論文審稿中提出寶貴意見！在此對他們的幫助表示衷心的感謝！

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

Geochemical Characteristics and Geological Significance of ShicaoheVolcanic Rocks of Shennongjia Group in Western Hubei Province

LIU Li, PAN Longke, DU Yichao, GONG Zhiyu, LUO Fan

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Meta-basalt and tuff,intercalated in the two carbonate rocks,are found in the Shicaohe volcanic rocks of Shennongjia group.The contents of SiO2are 45.25%～53.70%.The meta-basalt belongs to alkaline series,while the tuff belongs to tholeiitic basaltic series.The geological characteristics reveal the Shicaohe volcanic rocks are plate alkaline basalts.Their magma could be derived from the asthenosphere.They may form in the rift basin of continental tension,which is a product at the subduction collision trailing edge in Greenville orogenic event.

Shennongjia Group; volcanic rocks; tectonic setting

2015-04-16;改回日期:2015-05-26

本文為中國地質(zhì)調(diào)查局基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項目(編號:1212011220509)資助。

劉力(1986-),男,助理工程師,地質(zhì)學(xué)專業(yè),從事巖漿巖巖石學(xué)及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P588.14; P59

A

1671-1211(2015)04-0370-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504002

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.013.html 數(shù)字出版日期:2015-06-19 13:33