鄂西神农架群石槽河组火山岩地球化学特征及地质意义

刘 力, 潘龙克, 杜翌超, 龚志愚, 罗 凡

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

鄂西神农架群石槽河组火山岩地球化学特征及地质意义

刘 力, 潘龙克, 杜翌超, 龚志愚, 罗 凡

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

在神农架群石槽河组中,发育有一套变玄武岩夹凝灰岩的火山岩组合,夹于上下两套碳酸盐岩之间。石槽河组火山岩SiO2在45.25%～53.70%之间,其中变玄武岩属于碱性系列,凝灰岩属于拉斑玄武系列。地球化学特征显示石槽河组火山岩具有板内碱性玄武岩特征,岩浆来源于软流圈,为格林威尔造山运动中俯冲碰撞后缘在大陆基础上拉张形成裂谷盆地的产物。

神农架群；火山岩；构造环境

“神农架群”由江涛、华媚春创名(1962年)[1],主要出露于扬子陆块北缘的神农架地区,其长期以来被视为扬子克拉通中元古代地层的典型代表。神农架群主要为一套碳酸盐岩夹碎屑岩的沉积地层,目前在神农架群地区尚未发现结晶基底岩系的出露,其上被南华系地层覆盖,且变质程度较弱[2]。本次区调工作范围包括了神农架隆起南缘的部分区域,主要出露神农架群石槽河组(未见底)。调查发现神农架群石槽河组发育厚约300 m火山岩。本文根据火山岩的岩石学、地球化学特征,判断其成因类型和构造环境,并结合调查区区域地质特征,为研究神农架群提供新的依据。

1 石槽河组火山岩岩石类型

研究区位于神农架隆起南缘(图1),基于刘成新等(2004)1∶25万神农架幅区域地质调查报告对神农架群的分类方案,区内出露的神农架群地层自下而上可分为石槽河组(未见底)、大窝坑组和矿石山组。火山碎屑岩及熔岩发育在石槽河组二段中,主要有以下几种岩石类别:紫红色玄武质含火山角砾岩屑凝灰岩(PM202/53-b1、58-b1)、灰绿色变质玄武岩(PM202/63-b1、75-b1、95-b1)和基性火山凝灰岩(PM202/62-b1、100-b1)。

图1 研究区地质简图Fig.1 Generalized geological map of survey area1.寒武系；2.震旦系；3.南华系；4.矿石山组；5.大窝坑组；6.石槽河组四段；7.石槽河组三段；8.石槽河组二段；9.石槽河组一段；10.采样点。

紫红色玄武质含火山角砾岩屑凝灰岩(PM202/53-b1) 含火山角砾岩屑凝灰结构(图2-Ⅰ),块状构造。主要由岩屑(玄武岩)、火山角砾(玄武岩)和火山灰(基性火山玻璃)组成。岩屑大小约0.36～1.98 mm,次棱角或次圆状,含量约55%。火山角砾大小约2.1～5.6 mm,次棱角或次圆状,含量约20%。火山灰多<0.05 mm,隐晶—微粒状集合体,含量约25%。少数岩屑和火山角砾具不同程度的压扁拉长定向排列,这是后期构造应力所致的。火山灰沿火山角砾、岩屑之间分布并起胶结作用,其成分为基性火山玻璃,经脱玻化形成隐晶—微粒状集合体的斜长石、绿泥石及含钛矿物。

图2 石槽河组火山岩显微照片Fig.2 Photomicrographs of volcanic rocks in Shicaohe formation

灰绿色变质玄武岩(PM202/63-b1) 变余斑状结构(图2-Ⅱ)；基质具变余间粒结构,变余块状构造。斑晶主要有基性斜长石(15%)和辉石(10%),基质主要有基性斜长石(53%)、辉石(22%)和含钛矿物(5%)。变余斑晶成分以基性斜长石为主,次为辉石,基性斜长石几乎被钠长石、黝帘石矿物集合体(即具钠黝帘化)取代残余自形柱状,但仍可见发育聚片双晶,而辉石多数纵切面解理发育,横切面具辉石式解理,少数被绿泥石取代残余短柱状。变余基质由自形小板条状的基性斜长石杂乱分布,所构成三角形空隙格架内充填微粒状的辉石、含钛矿物组成变余间粒结构。基性斜长石具钠黝帘化,而辉石有的具绿泥石化。

灰绿色沉基性火山凝灰岩(PM202/100-b1) 岩石具沉火山凝灰结构,块状构造。成分以火山碎屑物(65%)为主,次为正常沉积物(35%)。火山碎屑物成分几乎为火山灰,含1%的晶屑,火山灰成分为基性火山玻璃,经脱玻化形成隐晶—微粒状集合体的斜长石、绿泥石及含钛矿物。晶屑成分仅见斜长石,粒度细小且零星分布,具碳酸盐残余其假象。正常沉积物成分仅见碳酸盐矿物,粒度从微晶—细晶都有,外形呈他形—半自形粒状。岩石中可见发育呈枝叉状分布的次生细脉,脉内充填着绿泥石、碳酸盐矿物、石英,有的脉呈肠状分布。

2 地球化学特征

2.1 测试方法

主量元素、稀土元素和微量元素的测试委托国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成。主量元素测试采用四硼酸锂溶片-X射线荧光光谱分析法在帕那科Magix_pro2440型X-射线荧光光谱仪上完成,分析精度优于1%；稀土元素和微量元素测试采用四酸溶矿-ICP-MS分析方法在X7电感耦合等离子质谱仪上完成,分析精度优于5%。

表1 石槽河组火山岩主量元素特征及特征值表

单位: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

石槽河组火山岩主量元素分析结果及特征值见表1,样品的SiO2在45.25%～53.70%之间,属于基性的火山岩,根据测试所得数据进行TAS图解(图3)投图发现,岩石多落入玄武岩中,少数落入粗面玄武岩和玄武质安山岩中。里特曼指数(σ)变玄武岩在3.97～5.90之间,均>3.3,属于碱性系列；而凝灰岩的里特曼指数介于0.79～3.20之间,属于亚碱性系列。

在TAS图解中变玄武岩基本落入Ir线上方,而凝灰岩落入Ir线下方。岩石中变玄武岩Na2O/K2O均>1；凝灰岩Na2O/K2O变化较大。变玄武岩CaO、TiO2、MgO、FeOT含量较高,分别在6.19%～9.14%、1.39%～2.75%、4.76%～7.01%、13.32%～17.80%之间,Al2O3含量较低,在12.63%～13.78%之间。凝灰岩Al2O3含量较变玄武岩要高,而CaO、MgO、FeOT等含量均比变玄武岩要低。变玄武岩的Mg#介于32.28～47.89；凝灰岩的Mg#在37.97～43.65之间。在FAM图解(图4)中,凝灰岩样品均落入TH(拉斑玄武岩系列)。

图3 石槽河组火山岩TAS分类图(据Rickwood,1989[3])Fig.3 TAS diagram of Shicaohe volcanic rocks

图4 石槽河组火山岩FAM图解(据Irvine,1971[4])Fig.4 FAM diagram of Shicaohe volcanic rocks

2.3 稀土元素特征

石槽河组火山岩稀土元素分析结果及特征值见表2,可以看出样品稀土元素总量(∑REE)不均一,稀土总量变玄武岩总体比凝灰岩低,其中变玄武岩在48.59～116.77之间,而凝灰岩在114.29～142.01之间。变玄武岩的LREE/HREE在2.36～4.14之间,轻、重稀土分馏不明显；LaN/YbN在1.50～3.39之间,CeN/YbN比值均>1,表现为轻稀土富集型,δEu在0.85～1.02之间,铕异常不明显。凝灰岩的LREE/HREE比值在5.31～8.88之间,轻、重稀土分馏较变玄武岩要明显,LaN/YbN在5.93～11.36之间,CeN/YbN比值也>1,同样表现为轻稀土富集型,δEu在0.92～1.00之间,表现为无铕异常或弱的负铕异常。在稀土元素球粒陨石标准化分布型式图[5](图5)上,均表现为右倾的曲线,总体表现为变玄武岩的轻、重稀土分馏不明显,而凝灰岩的轻、重稀土分馏较为明显。大致显示了碱性玄武岩的稀土元素特点,且其与大陆裂谷型玄武岩稀土元素特征类似[6]。

2.4 微量元素特征

石槽河组火山岩微量元素特征及特征值见表3,从微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6)中可以看出,凝灰岩的微量元素表现较为一致,Rb、Ba、K、Pb等大离子亲石元素较富集,亏损U、Ta、Nb、Ce、Zr等高场强元素。Th/Nb值在0.15～0.32之间。变玄武岩的微量元素表现差异很大,但大致表现为Ba、Hf、P、Ce等富集,Ta、Nb、Zr、Yb等元素的亏损,而Rb、K、Th、Ce等元素变化较大。Th/Nb值在0.08～0.13之间。一般来说,大陆板内玄武岩的主要岩石类型为高Ti和低Ti拉斑玄武岩、高K钙碱性玄武岩、碱性玄武岩等。高场强元素含量低,但Nb(Ta)相对于Zr(Hf)富集,Nb/Zr(Ta/Hf)比值比N-MORB和岛弧构造环境形成的玄武岩高；以La(Th)为代表的大离子亲石元素含量高,被认为是典型大陆板内环境的标志。同时大陆板内环境玄武岩的微量元素具有Th/Nb值>0.11,Nb/Zr值>0.04的特征。石槽河组火山岩微量元素特征基本符合大陆板内环境玄武岩的特点[7-8]。

表2 石槽河组火山岩稀土元素特征及特征值表

单位:wt/10-6。

表3 石槽河组火山岩微量元素特征及特征值表

单位:wt/10-6。

图5 石槽河组火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分型式图 (球粒陨石标准化值据Taylor and McLennan,1985[5])Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Shicaohe volcanic rocks

图6 石槽河组火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔标准化值据Sun and McDonough,1989[9])Fig.6 Primitive-mantle normalized trace elements spider diagram of Shicaohe volcanic rocks

3 讨论

3.1 岩浆成因

玄武质岩浆大都形成于地幔源区。玄武质岩石稀土和高场强元素组成或模式发生大的变化,除与岩浆作用过程和条件变化(如温压条件、熔融程度、结晶分异等)有关外,主要反映了其源区组成的不同。郭华等(2005)[10]认为大陆背景下形成的玄武岩岩浆,可能来自如软流圈、岩石圈地幔和地壳混染等多个端员组分的贡献。石槽河组火山岩具有平坦的REE分配型式或LREE富集的分配型式,Ta、Nb、Zr等元素的亏损,以及<1的原始地幔标准化Th/Nb比值等特征均显示其岩浆来自于软流圈(或地幔柱)信号[8]。而Sounders et al.(1992)[11]认为具有略>1的原始地幔标准化Th/Nb比值,是受到岩石圈地幔组分混染的大陆玄武岩最醒目的标志。Fitton J et al.(1988)[12]认为来源于未受混染的软流圈的基性岩通常具有<1.5的La/Nb的比值,而来自于岩石圈地幔的岩浆通常具有>1.5的La/Nb比值。石槽河组变玄武岩的La/Nb比值变化范围在0.95～1.14之间,因此石槽河组变玄武岩应来自软流圈地幔源区。高场强元素(Ta、Nb、Zr)负异常和Pb正异常,表明碱性玄武质岩浆在上升过程中可能受到地壳混染作用的影响。所以,石槽河组火山岩岩浆主要来源于软流圈(或地幔柱),上升过程中可能受到地壳混染的影响。

3.2 地质意义

在识别一套玄武岩形成的构造环境和玄武岩浆系列过程中,微量元素判别图解最常用[13]。Pearce和Norry(1979)[14]发现Zr/Y比值对分离结晶作用指数Zr作图是区分大洋岛弧、MORB和板内玄武岩的有效方法。在Zr-Zr/Y图解(图7)中,石槽河组火山岩均落入板内玄武岩(WPB)区域中。Pearce和Cann(1973)[15]提出Ti/100-Zr-3Y图解,能够最为有效地区分板内玄武岩,如洋岛或大陆泛流玄武岩(D区)和其它类型的玄武岩:岛弧拉斑玄武岩位于A区,钙碱性玄武岩落在C区。MORB、岛弧拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩都落在B区。在Ti/100-Zr-3Y图解(图8)中,石槽河组火山岩均落入D区板内玄武岩区域中。Meschede(1986)[16]提出不活泼元素Nb可被用来区分不同类型的玄武岩。在2Nb-Zr/4-Y图解(图9)中,变玄武岩基本落入A2+C区板内玄武岩中。

图7 石槽河组火山岩Zr-Zr/Y图解(据Pearce&Norry,1979[14])Fig.7 Zr-Zr/Y diagram for Shicaohe volcanic rocksIAB.火山弧玄武岩；MORB.洋中脊玄武岩；WPB.板内玄武岩。

图8 石槽河组火山岩Ti/100-Zr-3Y图解(据Pearce&Cann,1973[15])Fig.8 Ti/100-Zr-3Y diagram for Shicaohe volcanic rocksCAB.钙碱性玄武岩；MORB.洋中脊玄武岩；IAT.岛弧拉斑玄武岩；WPB.板内玄武岩。

图9 石槽河组火山岩2Nb-Zr/4-Y图解 (据Meschede,1986[16])Fig.9 2Nb-Zr/4-Y diagram for Shicaohe volcanic rocksA1.板内碱性玄武岩；A2.板内碱性+板内拉斑玄武岩；B.E-型MORB；C.板内拉斑+火山弧玄武岩；D.N-型MORB+火山弧玄武岩。

近几年关于神农架群的研究,获得了一些可靠的年龄数据,并相应对神农架群沉积时代给予了限定。李怀坤等(2013)[17]通过对神农架群中锆石和斜锆石U-Pb定年将神农架群的沉积时代严格限定在1.4～1.1 Ga。由于神农架群与位于其南东约70 km的崆岭地区在前寒武系上存在显著的差异,已有学者认为神农架地区与扬子陆核区(崆岭地区)之间在新元古代以前属于两个独立的次一级陆块[18]。在格林威尔期造山运动中,神农架微陆块和扬子陆核之间发生碰撞拼合。在俯冲碰撞的后缘大陆基础上拉张形成裂谷盆地,形成一套具典型板内裂谷特征的火山岩岩石组合[19]。这一构造—岩浆事件与全球Rodinia大陆聚合过程相一致。综上所述,石槽河组火山岩是来自于软流圈地幔板内裂谷环境形成的产物。

4 结论

(1) 石槽河组火山岩发育于神农架隆起南缘的石龙坡一带,主要岩石类型以灰绿色变玄武岩为主,夹有紫红色玄武质含火山角砾岩屑凝灰岩和灰绿色基性火山凝灰岩。在石槽河组火山岩上下出露有碳酸盐岩的沉积。

(2) 石槽河组火山岩SiO2在45.25%～53.70%之间,其中变玄武岩属于碱性系列,凝灰岩属于拉斑玄武系列。稀土元素变玄武岩为近似平坦型,轻重稀土分馏不明显；凝灰岩较变玄武岩轻稀土富集,分馏较明显。富集Rb、Ba等大离子亲石元素,亏损Ta、Nb、Zr等高场强元素。地球化学特征符合板内碱性玄武岩的特征。

(3) 微量元素构造环境判别图解显示石槽河组火山岩来源于软流圈,可能存在地壳混染；具有板内玄武岩的特征,可能为格林威尔造山运动中俯冲碰撞后缘在大陆基础上拉张形成裂谷盆地中的产物。

致谢:岩矿鉴定得到邱玲高级工程师的帮助；论文编写过程中得到毛新武教授级高级工程师的指导；参加野外工作的还有张汉金、罗红、曹明、李忠林、孙浩等;张汉金教授级高级工程师在论文审稿中提出宝贵意见！在此对他们的帮助表示衷心的感谢！

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(责任编辑：于继红)

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

本文为中国地质调查局基础地质调查项目(编号:1212011220509)资助。

刘力(1986-),男,助理工程师,地质学专业,从事岩浆岩岩石学及区域地质调查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P588.14; P59

A

1671-1211(2015)04-0370-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504002

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.013.html 数字出版日期:2015-06-19 13:33