福建华安地区晚侏罗世南园组火山岩成因及其构造环境探讨

刘 凯

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

晚侏罗世是福建中生代火山活动的鼎盛时期，火山喷发强烈而频繁，规模宏大，而晚侏罗世火山岩的成因和构造环境是火山岩研究的热点之一。前人大多认为晚侏罗世火山岩源于地幔上涌形成的地壳部分熔融，与古太平洋板块的俯冲作用有关[1-4]，所处构造环境则有大陆裂谷、活动陆缘靠近板内位置等观点。笔者研究的华安地区晚侏罗世火山岩位于1∶5万永福、华安县、高安圩、新圩、利水幅区域地质调查项目测区内，属闽东火山断坳带，与南武夷晚古生代坳陷区相邻，火山活动受区域构造控制明显，通过对研究区内(华安地区)晚侏罗世火山岩岩石地球化学特征，探讨其岩浆来源及火山活动时期所处的大地构造环境。

1 地质概况

华安地区的晚侏罗世南园组火山岩大面积出露于永福—华安—沙建一带，受政和—大埔断裂带和福安—南靖断裂带控制，大致呈北东向带状分布，可分为多坑—斗米北东向火山喷发亚带和观音山—石高尖北东向火山喷发亚带(图1)，各火山喷发亚带又由多个火山群体组成。在1∶5万永福、华安县、高安圩、新圩、利水幅区域地质调查项目的区域内获得3组锆石U-Pb年龄，加权平均年龄分别为华安大渡坑流纹岩(146.5±1.0)Ma(N=11，MSWD=0.6)、安溪园仔铺流纹英安质晶屑熔结凝灰岩(148.7±1.6)Ma(N=18，MSWD=4.9)、华安西坑英安质晶屑熔结凝灰岩(148.2±1.2)Ma(N=16，MSWD=4.3)，证明该地火山岩确属晚侏罗世南园组。

研究区南园组总体为一套深灰色-浅灰色中酸性-酸性火山岩组合，根据岩性组合及接触关系可分四个岩性段：第一段为深灰色英安质晶屑熔结凝灰岩、英安岩、流纹英安质含角砾晶屑熔结凝灰岩等；第二段为灰色流纹岩、流纹质晶屑熔结凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩、流纹质含角砾晶屑熔结凝灰岩，夹灰白色凝灰质砂岩、粉砂岩、硅质岩；第三段为灰-深灰色英安质(含角砾)晶屑熔结凝灰岩、(含角砾)晶屑凝灰岩、英安岩等；第四段为紫灰色流纹质(含集块)(角砾)晶屑熔结凝灰岩、流纹岩，夹火山角砾岩、流纹质凝灰岩及沉凝灰岩等。

图1 华安地区南园组火山岩分布图Fig.1 The distribution map of volcanicrocks of Nanyuan formation of Huaan area

研究区火山活动具有以下特点：①火山活动具中心式兼具裂隙-中心式喷发特点，其岩相以爆发的碎屑流堆积相、空落堆积相及瀑溢相为主，次为喷发-沉积相、侵出相及潜火山相，形成的火山构造以破火山为主，次为层状火山等；②火山活动随着时间推移具有从西向东迁移变强的规律；③火山活动具有明显旋回性、阶段性、继承性特点，如完整的沉积-喷发旋回，火山构造洼地(盆地)的发育可分为断陷(沉陷)形成的强烈爆发、减弱及残余岩浆活动三个阶段，晚期火山活动在早期原火山构造基础上继续喷发；④火山构造空间排列组合具有明显的规律性，往往成群、成带呈串珠状排列，其喷发物互相交织、叠置是测区火山地质一个重要特色，其基本组合排列方式有串珠式、卫星式、镶嵌式、继承套叠式等；⑤火山活动与侵入活动关系密切，在空间上密切共生、相伴出现，在破火山机构中心往往有同期侵入岩出露，此外，同期火山岩与侵入岩其岩石类型、岩石化学、地球化学特征等均相似，应为同一构造岩浆旋回不同演化阶段、不同定位方式的产物。

2 样品分析测试

样品数据均来源于研究区内1∶5万区调和以往1∶20万、1∶25万龙岩(市)幅区调报告，岩石化学样品22件，其中南园组第四段4件，第三段4件，第二段12件，第一段2件(表1)，其中有分析微量元素和稀土元素的地球化学样品10件。主量元素、微量元素和稀土元素分析在福建省地质测试研究中心完成。主量元素和Ba、Cr、Cu、Nb、Ni、Pb、Rb、Sr、V、Zn、Zr元素采用菲利普PW2440 XRF进行测定，其余微量元素和稀土元素采用XSeriesⅡ等离子质谱仪测定。

表1 火山岩样品岩石名称

注：*为引用福建省地质调查研究院，1∶25万龙岩市幅区调报告，2005；#为福建省地矿局，1∶20万龙岩幅区调报告，1977。其余样品为该次所采样品。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素特征

华安地区南园组火山岩的SiO2含量为65.27%～80.79%，(Na2O+K2O)含量为3.56%～9.54%，一般为7.5%～8.5%，普遍K2O>Na2O，具高硅富钾钠、贫镁铁的特征(表2)。其在各相关图解中又表现以下特征。

(1)在TAS图解中，南园组第二段和第四段落入流纹岩区，南园组第一段和第三段落入英安岩区(图2)。

图2 研究区南园组火山岩TAS图解分类和命名(据Le Bas et al.,1986)[5]Fig.2 TAS diagram classification and named for volcanic rocks of Nanyuan formation of research areaPk—副长石岩；Ph—响岩；U3—碱玄质响岩；U2—响岩质碱玄岩；U1—碱玄岩、碧玄岩；Pc—苦橄玄武岩；T—粗面岩、粗面英安岩；S3—粗安岩；S2—玄武粗安岩；S1—粗面玄武岩；B—玄武岩；O3—英安岩；O2—安山岩；O1—玄武安山岩；R—流纹岩

(2)在Ol'—Ne'—Q'图解中，所有样品的投影点都落在亚碱性区(图3)。

(3)在FAM图解中，样品均落入钙碱性系列区内(图4)。

(4)在An—Ab'—Or图解中，南园组第一段至第三段样品几乎全落入钾质火山岩区，而第四段和部分第二段的样品落入普通火山岩岩石区(图5)；在火山岩K2O—SiO2变异图解中，除个别南园组第二段样品落入中钾岩系外，其余全落入高钾岩系(图6)。

(5)在哈克图解中，SiO2含量的变化是连续的，随着SiO2含量升高，TiO2、Al2O3、CaO、MgO、TFeO、P2O5含量降低，指示发生了长石、单斜辉石、磷灰石及钛铁矿的分离结晶作用。在SiO2含量大于72%之后，K2O含量随SiO2含量的增加而出现了增加或不变两种趋势(图7)，结合An—Ab'—Or图解来看，应为南园组第二段的K2O含量比第四段的高。根据火山岩K2O、SiO2与喷发深度关系图解，在SiO2含量一定的情况下，K2O含量与岩浆喷发深度呈正相关，据此可推断南园组第四段岩浆房的深度相比第二段时有一定的上移。

(6)分异指数(DI)大多在71.15～94.28，长英指数(FL)多数在71.14～100，说明岩浆分异程度与结晶程度较高。

综上所述，该研究区晚侏罗世南园组属亚碱性系列岩石中的高钾钙碱性系列，整体上属英安质岩石-流纹质岩石组合。

图3 研究区南园组火山岩Ol'—Ne'—Q'图解(after Irvine,1971) [6]Fig.3 Ol'-Ne'-Q' diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research areaA─碱性区；S─亚碱性区

图4 研究区南园组火山岩AFM图解(after Irvine,1971)Fig.4 AFM diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research areaTH—拉斑玄武岩系列；CA—钙碱性系列

图5 研究区南园组火山岩亚碱性岩An—Ab'—Or图解(after Irvine,1971) Fig.5 An-Ab'-Or diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research area钾质系列：A—富钾玄武岩;B—富钾安山岩;C—流纹英安岩;D—钾流纹岩;普通岩石:E—“普通”火山岩岩区；钠质系列：F—贫钾玄武岩；G—贫钾安山岩；H—钠质英安岩、钠质流纹岩

图6 研究区南园组火山岩K2O—SiO2变异图(after Le Maitre,1989)[7]Fig.6 K2O—SiO2 diagram for volcanicrocks of Nanyuan formation of research areaHK—高钾岩系；MK—中钾岩系；LK—低钾岩系

图7 研究区南园组火山岩主要氧化物哈克图解Fig.7 Hark diagrams of main oxides for volcanicrocks of Nanyuan formation of research area

3.2 微量元素地球化学特征

微量元素显示(表3)，南园组火山岩中Rb/Ba比值为0.14～1.57，平均为0.42和Sr/Ba比值为0.06～0.46，平均为0.20，明显不同于原始地幔(Rb/Ba、Sr/Ba平均值分别为0.09，3.01)[8]，接近于上地壳(Rb/Ba、Sr/Ba平均值分别为0.16，0.5)[9]；Ni/Co比值为0.42～4.65(剔除异常值76.67)，平均2.03，接近于上地壳Ni/Co(平均值为2)，Rb含量变化于135.7～270.2，平均180.32，接近于上地壳(平均值为110)；Rb/Sr比值为0.34～7.91(剔除异常值19.79)，平均为1.98，远大于上地幔Rb/Sr比值(平均值为0.025)[10]，而接近于上地壳(平均值为0.31)，Th/U比值为4.11～5.40，平均4.95，大于上地幔Th/U(比值1～2)，接近于上地壳Th/U(比值4.2)。

表3 研究区南园组火山岩微量元素含量(单位：×10-6，其中Au：×10-9)

注：*为引用福建省地质调查研究院，1∶25万龙岩市幅区调报告，2005；#为福建省地矿局，1∶20万龙岩幅区调报告，1977。

上述数据表明南园组岩浆的微量元素特征不同于原始地幔，更接近于地壳微量元素特征。微量元素蛛网图(图8a)显示，南园组火山岩具有不相容元素Sr、Ba、Ti、P强烈亏损，Nb、Ta弱亏损的特征。一般说来，Nb、Ta、Ti、P等亲石元素亏损，说明岩浆具有分离结晶后残浆的特征或壳源特征；Sr亏损指示岩浆具有斜长石分离结晶后残余岩浆的地球化学性质[11]；Ba具有易占据早期的K矿物中K位的特性，故Ba的亏损也指示岩浆具分离结晶和分异作用后的残浆特征；同时，P、Ti、Sr的亏损具有南园组酸性火山岩(第二段和第四段)比中酸性火山岩(第一段和第三段)明显的特征，说明酸性火山岩岩浆分异程度比中酸性火山岩要高。

3.3 稀土元素地球化学特征

从稀土元素含量及特征来看，晚侏罗世南园组火山岩稀土总量较高，一般变化于166.32×10-6～359.52×10-6，平均值236.78×10-6；LREE变化于131.16×10-6～300.99×10-6，平均191.53×10-6；HREE变化于10.01×10-6～24.37×10-6，平均18.03×10-6。LREE/HREE比值较大，变化于5.69～14.94，轻、重稀土分馏程度中等偏高。(La/Yb)N=4.23～15.25，(Ce/Yb)N=3.62～15.15，反映出轻稀土相对重稀土强烈富集。(Sm/Eu)N=1.51～11.9，表明轻稀土分馏程度中等。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图中(图8b)为左高右低中等倾斜曲线，轻稀土陡倾，重稀土平缓。δEu平均值为0.59，Eu具弱-中等亏损，除个别酸性样品Eu亏损明显以外，大部分为弱亏损，与上地壳的趋势曲线基本一致，说明南园组岩浆很大可能主要源于上地壳，不排除有少量幔源或下地壳的物质加入。

图8 研究区南园组原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(b)Fig.8 The original mantle standardizes trace element spider diagram and chondrite normalized REE patterns of Nanyuan formation in the research area

4 岩石成因

研究区南园组火山岩的岩石为中酸性(流纹英安质或英安质)-酸性(流纹质)岩石组合，其中流纹质岩石分布较广，约占70%，流纹英安质或英安质岩石约占30%。而区域上为中性(极少基性)-中酸性-酸性岩石组合，区别在于区域上南园组第一段岩石更偏向中性，个别地方还出现了基性岩(玄武岩)。

图9 判别岩浆混合的TFeO—MgO相关图(据Zorpi et al.，1989)[12]Fig.9 TFeO-MgO correlation diagram for discrimination of the magma mixing

那么，流纹岩岩浆和英安岩岩浆是否为同源岩浆？通过SiO2对主要氧化物图解可以发现，流纹岩岩浆与英安岩岩浆具有相同的线性关系，二者的微量元素蛛网图与稀土元素配分模式图也非常相似，说明二者可能具有相同的岩浆来源。

流纹岩岩浆和英安岩岩浆是单一的岩浆房分离结晶而来，还是混源岩浆？利用对岩浆混合作用能较好判别的TFeO—MgO图解对样品投图，结果表明该研究区南岩组火山岩具有岩浆混合趋势(图9)。通过南园组火山岩Rb/Ba、Sr/Ba、Ni/Co、Rb/Sr、Th/U等微量元素比值与原始地幔及地壳对比，发现其更接近于上地壳；而微量元素蛛网图中Sr、Ba、Ti、P的亏损指示南园组岩浆具有壳源或亏损地幔特征，稀土配分模式图的Eu负异常及轻稀土富集的特点指示南园组岩浆具有壳源；同时，该研究区南园组火山岩具有高硅富钾 的特征，而富钾火山岩是一类兼具壳幔双重地球化学特征的特殊岩石组合，成岩过程中必须有地壳物质的参与[13]，并且大陆地壳深熔作用的典型产物是大体积的高硅火成岩[14，15]，再加上该区南园组火山岩的ACNK>1.1(上地壳部分熔融形成的岩浆ACNK>1.1)，显示其过铝质的特征，说明其成岩物质主要来源于地壳。从以上分析来看，南园组火山岩岩浆很大可能主要源于上地壳。同时，笔者对区内样品进行了岩浆成因过程相关图解(图10)的投图，发现在La—La/Sm图解中，该研究区样品的La与La/Sm呈良好的正相关关系，说明岩浆主要由地壳部分熔融形成；在La/Ce和Rb/Ti图解中，样品La/Ce和Rb/Ti变化较大，单一源区生成的岩浆其La/Ce和Rb/Ti变化范围应较小，因此研究区样品可能来自不同的陆壳源区[17]。再根据福建省内部分地区南园组有基性端元(玄武岩)的情况来分析，南园组火山岩岩浆应该有幔源物质加入，为以壳源为主的壳幔混源型岩浆。

因此，笔者认为，南园组火山岩源于上地幔玄武岩岩浆，通过底侵作用形成的地壳局部熔融,这与卢清地及周建等的观点一致。至于南园组流纹岩岩浆和英安岩岩浆的区别，通过二者的Rb/Ba、Sr/Ba、Ni/Co、Rb/Sr、Th/U等微量元素比值对比，发现流纹岩岩浆比英安岩岩浆更接近地壳比值。在微量元素蛛网图和稀土配分模式图上，流纹岩岩浆的P、Ti、Sr的亏损比英安岩岩浆表现强，这些均说明流纹岩岩浆分异程度比英安岩岩浆要高，壳源物质占比更大。

图10 岩浆演化成因过程判别图解(据Othman et al.，1989) [16]Fig.10 Discrimination diagrams of genetic process of magmatic evolution

5 构造环境讨论

关于晚侏罗世南园组火山岩或中国东南沿海中生代火山岩的构造环境，前人已有大量研究，较为主流的观点为与古太平洋板块向欧亚大陆俯冲、消减有关。陈润生[18]、卢清地认为，晚侏罗世古太平洋板块向大陆板块北西向俯冲形成了规模宏大的东南沿海北东向构造岩浆带；Zhou&Li进一步认为，古太平洋板块向中国东南部的俯冲由中侏罗世时很小的俯冲角变成白垩世时中等大小的俯冲角，是形成异常宽广的大陆弧岩浆岩带以及中生代岩浆活动向洋迁移的原因；肖庆辉等[19]认为，侏罗纪末期伊佐奈岐板块(泛古太平洋板块一部分)向中国东部复合大陆西北方向俯冲消减，引发了陆内的软流层上涌，致使中国东部发生造山运动及岩浆活动，具体到东南大陆，岩浆沿北东向断裂上涌形成岩浆-火山活动。而据Engebretson等[20]认为，伊佐奈岐板块相对于欧亚大陆在中侏罗世(180 Ma)至晚侏罗世(约145 Ma)确为北西向俯冲。

结合前人观点并根据福建省中生代火山活动的特征，笔者认为晚侏罗世南园组火山岩的形成与伊佐奈岐板块向欧亚大陆北西向俯冲有关，俯冲引起软流层上涌底侵，沿北东向的断裂上升，在不同的位置(以上地壳为主)熔融形成岩浆房直至喷发。与此同时，俯冲角由于重力及阻力原因逐渐增大，岩浆活动逐渐向东侧大洋方向迁移，这与东南沿海晚侏罗世乃至整个中生代火山岩沿北东向断裂分布，又由西向东迁移的事实较为符合。同时，笔者对华安地区晚侏罗世火山岩进行了构造环境方面的图解判别，在戈蒂里—里特曼指数图解(图11)上，投影点位于造山带区内；在适用于钾质火成岩的微量元素构造环境判别图解(图12)中，投影点位于大陆弧(陆缘弧)范围。因此，南园组火山岩与古太平洋板块俯冲作用有关，并且很大可能为陆缘弧构造环境。

图11 研究区南园组火山岩戈蒂里—里特曼指数图解(after A.Rittmann,1973) [21]Fig.11 Logτ-Logσdiagram for volcanicrocks of Nanyuan formation in the research area

图12 研究区南园组火山岩构造环境判别图解(after Muller et al.，1997) [22]Fig.12 Discrimination diagrams for volcanicrocks from different tectonic settings of Nanyuan formation in the research area

6 结论

(1)华安地区南园组火山岩为高钾钙碱性系列岩石，总体上属英安质岩石-流纹质岩石组合。

(2)华安地区南园组火山岩大离子亲石元素Rb、Th、Ce等元素富集，不相容元素Sr、Ba、Ti、P强烈亏损，Nb、Ta弱亏损。稀土配分模式图中二者皆为右斜曲线，轻稀土陡倾，重稀土平缓，负Eu异常。

(3)晚侏罗世南园组火山岩中酸性-酸性岩浆为以壳源为主的壳幔混源型岩浆，其形成与古太平洋板块(伊佐奈岐板块)相对欧亚大陆的俯冲作用有关，很大可能处于陆缘弧构造环境。

本文承蒙福建省地质调查研究院陈润生教授级高级工程师、卢清地高级工程师审阅并提出宝贵修改意见，在此表示衷心感谢！

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