粤桂地区白垩纪中期安山岩年代学、地球化学特征及其构造意义

刘 洋，方念乔，强萌麟，贾 磊，宋超杰

(1.中国地质大学(北京) 海洋学院，北京 100083；2. 山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264000；3. 广州海洋地质调查局，广东 广州 510760；4. 五矿矿业控股有限公司, 安徽 合肥 230091)

0 引 言

中国东南沿海地区位于太平洋板块、欧亚板块以及印度—澳大利亚板块的交汇地带，构造环境复杂。晚燕山期以来，该区岩浆活动频繁激烈，引起研究者的极大关注,并普遍被解释为西太平洋向欧亚大陆俯冲的结果。浙闽地区直接面对古太平洋西向俯冲，其白垩纪火山记录以大规模流纹岩喷发为主,兼有少量的玄武岩，安山岩数量极少[1-5]。粤琼桂地区情形更为复杂，有学者[6-11]认为，是浙闽地区的自然延伸，且为晚中生代太平洋域活动陆缘的组成部分，在太平洋俯冲体系中属于浙闽西侧广阔的弧后地区。近年来有些研究者[12-14]提出新的看法，认为晚中生代中国东南地区处于太平洋域与特提斯域的交汇地带；就太平洋域而言，粤琼地区相对浙闽地区是“后方”或“二线”；但对于南部尚未完全封闭的特提斯域而言，则直接处于“前方”或“一线”的部位，从而与现代南海的前身(一般称为古南海)联系更为密切。无论以上何种推论能在将来被证实，对粤桂地区白垩纪火山岩进行深入研究并查明它们与浙闽地区同期火山岩的异同点都具有重要的地质意义。近年来通过实地勘测和资料整理，根据对海南及其周缘的茂名、三水、珠江口等地的白垩纪安山岩、粗面岩、流纹岩、花岗岩和沉积记录的研究，初步建立起E—W向或NEE向延伸、有别于浙闽地区的安第斯型活动陆缘体系[12, 15-22]。本文选择广西玉林、广东连平和仁化等地的安山质岩类进行专题研究。它们的分布具有以下特点：(1)地处上述的活动大陆边缘体系之内；(2)分布于远离陆缘弧一线部位的内陆腹地；(3)呈NEE向展布，与海南陆缘弧的走向总体一致。从南至珠江口盆地、琼东南盆地,到北部的粤北、赣南等地，目前根据地质记录在粤琼地区所建立的陆缘弧体系，较之典型的安第斯型陆缘具有更加宽阔的构造-岩浆带，且很多深层次的科学问题尚未得到厘清与研讨(比如研究区岩浆来源、俯冲特征等)，而玉林、连平等地的安山岩记录完全可以在陆缘弧体系的确认和完善的过程中发挥作用。另外,在研究过程中发现玉林、连平两地样品与蒋英等[6]研究的仁化地区安山岩样品有相近的地球化学特征，综合本文与前人[6]的分析结果，对粤桂地区白垩纪安山岩一并讨论，以期为南海北部陆缘在晚中生代的构造性质提供地质依据。

1 区域地质背景与岩石学特征

中国东南部地区在海西—印支运动之后基本结为一体，主要为由前寒武纪的结晶基底以及古生代和早中生代的沉积盖层组成的华南陆块[13-27]。该区大规模的陆壳演化至今，进一步叠加上晚中生代—新生代的构造、岩浆和沉积记录，为燕山运动之后的区域地质演化提供了丰富的证据。华南陆块的南部面向现代南海，在晚中生代可能处在特提斯域与太平洋域的交汇地带，并展示出一条宽阔的安第斯型活动陆缘弧。广西玉林和广东连平、仁化等地出露的安山岩，在时空上与陆缘弧相关，是本文研究的重点对象(图1(a))。从云南东部到广东珠江口一带，白垩纪岩浆岩记录颇丰，大致呈E—W向展布，而安山岩主要出露于这条岩浆岩带中部的海南和粤桂地区。

图1 区域地质简图(a)和玉林(b)、连平(c)安山岩采样地质简图(底图据文献[28-29])

1.1 广西玉林安山岩

桂东南地区晚白垩世火山活动主要分布在水汶、周公顶、自良、玉林、博白、三滩等地的晚白垩世内陆断陷盆地内，沿博白—岑溪深断裂带呈北东向展布，形成一条长360 km、宽10～60 km的中-酸性火山岩带[28]。火山岩以酸性为主，间夹中-酸性及中性火山岩，产于上白垩统西垌组，厚102～738 m。安山岩主要分布在玉林—博白盆地、三滩、旺茂等地。玉林—博白盆地火山岩分布于博白—岑溪断裂带的两侧，主要在马坡、陆林、白毛塘、水军塘、木枯岭、金山等地(图1(b))。火山岩呈喷发不整合于泥盆系、志留系之上，被上白垩统罗文组、古近系沉积覆盖；出露面积约38 km2，厚度大于481 m。火山喷发特征表现为以安山质为主，英安岩少量，夹流纹岩、酸性凝灰角砾岩。盆地南侧火山活动强度比北侧大，整个喷发旋回中有多次间歇，并形成数个韵律。

广西玉林安山岩野外可见柱状节理，新鲜面呈灰色，为斑状结构(图2(a)和(b))。斑晶(11%～15%)主要为角闪石(51%～66%)和辉石(18%～35%)，可见斜长石和黑云母斑晶。角闪石和辉石呈短柱状或不规则粒状，自形-半自形，大小0.3～3.0 mm，已经蛇纹石化、绿泥石化和绿帘石化。基质为典型的安山结构，主要由板条状斜长石微晶构成、呈定向-半定向排列，其间充填暗色矿物微晶、玻璃质成分等。

1.2 广东连平安山岩

连平盆地位于广东省东北部，属山间盆地，发育白垩系红层(图1(c))。《广东省区域地质志》将连平盆地火山岩归为上白垩统叶塘组[29]，而巫建华等将连平盆地白垩系分为合水组和优胜组，时代为早白垩世晚期—晚白垩世早期[30]。而根据张显球的研究，连平、河源一带地层划分普遍较新，红层年代为晚白垩世，并推测安山岩的年代也为晚白垩世(个人交流，2014)。

连平盆地安山岩呈浅灰色，块状构造，斑状结构(图2(c)和(d))。斑晶含量为28%～48%，大部分为斜长石(55%～74%)和角闪石(22%～37%)，辉石斑晶含量差异较大(2%～20%)。斜长石呈板状或柱状，自形-半自形，粒径介于0.2～1.6 mm之间，可见聚片双晶、环带构造；角闪石呈板状或柱状，自形-半自形，粒径介于0.2～0.8 mm之间，大部分已经绿泥石化和绿帘石化。辉石呈粒状，它形，粒径0.2～1.0 mm。基质中可见细小的长条状、粒状斜长石微晶及暗色矿物。

1.3 广东仁化安山玢岩

仁化地区白垩纪火山岩出露在丹霞山、马梓坪和石背等环形构造或火山-沉积盆地内，因风化剥蚀或被古近纪—新近纪沉积物覆盖，很难被发现。妙禅寺火山岩位于丹霞山环形构造的东北部，含有大量火山碎屑岩和沉积碎屑[6]。样品具斑状结构，块状构造。斑晶矿物占 25%～40%，主要为角闪石和斜长石。角闪石呈自形-半自形，具有暗化边结构，部分绿泥石化或绿帘石化。斜长石呈半自形-它形、部分高岭石化。基质为交织结构，组成与斑晶类似。次要矿物有石英、黄铁矿和方解石，充填于气孔中。石背样品采自石背环形构造南侧，呈紫红色，斑状结构，块状、气孔状构造[6]。斑晶占20%～30%，主要为斜长石、石英及暗色矿物(黑云母、辉石和角闪石)。基质主要由微晶斜长石和玻璃质组成，副矿物有磷灰石、磁铁矿和黄铁矿等。

2 样品采集与分析测试

本文采集广西玉林安山岩4件样品(LC1-1、LC2-1、LC2-2、LC4-1)，采样坐标为N22°31′14.91″、E110°12′14.76″；广东连平安山岩3件样品(LP4-1、LP4-1b、LP4-2)，采样坐标为24°30′24″N、114°35′48″E。将代表性岩石样品进行元素地球化学分析，并对玉林安山岩LC1-1样品进行锆石U-Pb定年分析。本次研究未在广东仁化地区的石背和妙禅寺采样，其相关分析数据采用蒋英等[6]2015年的测量结果，但对其Mg#值重新进行了计算。

2.1 年代学分析方法

样品定年所用锆石的分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。待分选样品约10 kg，经破碎、淘洗、磁选和重液分选之后，分离出锆石。在实体显微镜下挑选透明、无裂纹、晶型好、颗粒较大的锆石置于双面胶上，灌上环氧树脂制靶，固化后磨至一半并抛光，使锆石内部暴露，之后进行阴极发光、透射光和反射光照相，对比三组照片，挑选合适点位进行锆石U-Pb年龄原位分析。

安山岩锆石定年分析在中国地质科学院矿产资源研究所MC-ICP-MS实验室完成。所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为40 μm，频率为10 Hz，能量密度约为2.5 J/cm2，以He为载气。信号较小的207Pb、206Pb、204Pb(+204Hg)和202Hg用离子计数器(multi-ion-counters)接收，208Pb、232Th和238U信号用法拉第杯接收，实现了所有目标同位素信号的同时接收，并且不同质量数的峰基本上是平坦的，进而可以获得高精度的数据。LA-MC-ICP-MS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析前用锆石GJ-1进行仪器调试，使之达到最优状态，定年以锆石GJ-1为外标，U、Th含量以锆石M127为外标进行校正。测试过程中在每测定10个样品前后重复测定两个锆石GJ-1对样品进行校正，并测量一个锆石Plešovice，观察仪器的状态以保证测试的精确度。数据处理采用ICPMSDataCal程序[31]。204Pb由离子计数器检测，204Pb含量异常高的分析点可能受包裹体等普通Pb的影响，对204Pb含量异常高的分析点在计算时剔除，锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序获得。详细实验测试过程可参见文献[32]。

2.2 主量和微量元素分析方法

主量和微量元素分析在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。选取新鲜样品并将其粉碎至200目。主量元素分析采用X射线荧光光谱仪法，仪器型号为Rikagu RIX2100，标样选用USGS、GBW07105和BCR-2，分析精度优于5%。FeO含量测定按照国标GB/T14506.14—2010执行实验操作过程，将备用样品用氢氟酸、硫酸分解，再加入硼酸络合溶液中的F，然后将二苯胺磺酸钠作为指示剂、用基准重铬酸钾溶液滴定，计算FeO含量。微量元素采用X Series 2电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析方法，标样选用BHVO-2、AGV-2、BCR-2和GSR-14，实验过程按照GB/T 14506.30—2010，精度和准确度一般优于5%。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄

广西玉林安山岩共获得7个谐和年龄。锆石多呈短柱状或不规则粒状，半自形-它形，晶面较光滑整洁，长宽比1.5:1左右。阴极发光图像(图3(a))上可见清晰的环带结构。Th/U比值在0.09～1.17之间，大部分大于0.1(仅1颗锆石为0.09)，属于典型的岩浆锆石[33]。在样品的U-Pb年龄谐和图(图3(b))上，所有的分析点都位于谐和线上及其附近，谐和年龄为(93.38±0.83)Ma(表1)，属于晚白垩世早期。此外，有8颗继承锆石206Pb/238U年龄为927.25～622.55 Ma，另3颗继承锆石207Pb/206Pb年龄介于1 409.26～2 364.51 Ma之间，可见安山岩岩浆有元古宙古老地壳物质的加入。

图3 玉林安山岩(LC1-1)锆石CL图像和测年点位(a)及年龄谐和图(b)

表1 玉林安山岩(LC1-1)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果

连平盆地所在的粤东北—赣南地区白垩纪火山记录丰富，其紧邻的长塘、仁居、寻乌盆地火山岩锆石U-Pb年龄为95.5～96.8 Ma[34-35]。可见连平安山玢岩与玉林安山岩应近乎同时形成于晚白垩世早期。仁化妙禅寺和石背两地的安山玢岩锆石 U-Pb 测年结果为 104.3～105.0 Ma[6]，属早白垩世晚期。而在粤西地区，同样有约100 Ma的火山岩记录[7]。可见在白垩纪中期，粤桂地区火山活动强烈，留下了众多安山岩等火山岩记录。

3.2 岩石地球化学分析结果

玉林样品SiO2含量较低(54.07%～54.39%)，为玄武安山岩；连平样品SiO2含量中等(60.28%～60.55%)，为安山岩；石背和妙禅寺样品的SiO2含量较高(62.02%～63.36%)，大多数为安山岩，少量为英安岩(表2，图4(a))。所有样品均为亚碱性系列(图4(b))，其中玉林、石背、妙禅寺样品的K2O含量较高，属高钾钙碱性系列，而连平样品属钙碱性系列。相较于妙禅寺样品，玉林、连平、石背三地样品的FeOT/MgO值较低，属低铁钙碱性(图4(c))。玉林、连平、石背三地样品的MgO含量、Mg#值均较高，尤其是玉林安山岩具有极高的MgO含量和Mg#值(7.61%～8.28%和66.67～68.04)，为典型的高镁安山岩(HMAs)；连平、石背样品次之(3.05%～3.14%和51.68～53.37，3.89%～4.20%和52.67～54.54)；妙禅寺样品MgO含量和Mg#值最低，分别为1.91%～2.68%和42.65～46.29(图4(d))。

图4 白垩纪安山岩样品主量元素特征图解

表2 玉林和连平安山岩主量元素(%)、稀土元素(10-6)和微量元素(10-6)分析结果

所有样品均富集轻稀土元素而亏损重稀土元素，(La/Yb)N介于9.48～14.51之间，无明显Eu异常。在稀土元素球粒陨石标准化图解上，样品曲线呈右倾型，与OIB曲线相近(图5(a))。所有样品均富集大离子亲石元素(如Ba、Rb、Th、U和Pb)而亏损高场强元素(如Nb、Ta和Ti)，此外妙禅寺部分样品出现Sr负异常(图5(b))。

图5 安山岩样品稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)

4 讨 论

4.1 安山岩类型及岩浆来源

HMAs通常可分为玻安岩、巴哈岩、埃达克型HMAs和赞岐岩[36]。玻安岩含有极高的MgO(>8%)和极低的TiO2(<0.5%)[37]。巴哈岩含有极高的Sr、Ba和K/Rb值(>1 000×10-6，>1 000×10-6和>1 000)[38]。埃达克型HMAs富有极高的Sr和Sr/Y值、较低的HREE含量[45]。研究区样品含有较高的TiO2(0.55%～0.82%)和HREE，而Sr含量、K/Rb、Sr/Y值较低(132×10-6～818×10-6、183～284、7.59～45.51)，整体上与赞岐岩的地球化学特征更为接近(图6(a)和(b))。赞岐岩是由俯冲沉积物部分熔融形成的硅质熔体与地幔橄榄岩平衡反应所形成的[46]。粤桂安山岩样品(La/Sm)N值为3.89～4.58，轻稀土分异明显，指示其源区为富集型地幔；其具有高Nb/Yb值(3.26～9.94)和低TiO2/Yb值(0.29～0.53)，也支持富集型地幔源的观点。相较于MORB，火山弧岩浆岩有更高的Th/Yb和Nb/Yb值，并且火山弧成分含量越高，比值也越高[47]。正因为俯冲作用的影响，使得研究区样品Th/Yb比值升高(3.62～6.40)、呈现安第斯型山弧安山岩的岩石地球化学特征(图6(c)和(d))。

图6 高镁安山岩类型判别图和构造背景判别图

俯冲板片的成分差异(蚀变洋壳、沉积物或两者兼有)和传输机制的不同(含水流体或熔体，又或者两者兼有)，导致赞岐岩地幔源区的不均一性[36, 46, 48]。交代作用介质的不同，会使得被交代的地幔物质中微量元素和同位素成分有所变化；而相较于HFSE，LILE更易进入含水流体中。微量元素比值可用于识别进入地幔源区潜在的流体或沉积物组分，如Ba/La和Th/La、Ta/La和Hf/Sm、Sr/Th和Th/Ce、Th/Nb和U/Th[49-52]。研究区样品具有低(Ta/La)M比值和高(Hf/Sm)M比值，分别为0.32～0.57和0.94～1.47(原始地幔标准化比值)，反映其为沉积物衍变出的熔体(图7(a))；而低U/Th比值(0.20～0.27)和变化较大的Th/Nb比值(0.37～1.48)更为明显地指向沉积物熔体对地幔源的贡献[52](图7(b))。样品高Zr/Yb比值及其与Nb/Yb的正相关性、极低的Lu/Hf比值(0.06～0.12)(图7(c)和(d))，指示了熔体的陆源沉积物亲缘性[53-54]。

图7 安山岩样品源区性质判别图

4.2 白垩纪南海北部陆缘的构造背景

根据现有的研究资料[7-11, 30]，南海北部陆缘地区早白垩世晚期—晚白垩世早期的火山活动与浙闽沿海地区相近，与古太平洋板块俯冲作用相关。但是，有研究表明古太平洋俯冲引起的岩浆活动自侏罗纪开始不断向东迁移，白垩纪已主要集中在浙闽地区[58-62]，也就意味着浙闽以西的南海北部陆缘岩浆活动可能不受古太平洋俯冲活动的影响。

另外，浙闽地区的白垩纪中晚期火山岩活动以流纹岩为主，兼有少量的玄武岩，安山岩记录极少[1-5]；白垩纪中期的华南地块南缘、浙闽以西的地区，在桂东南、粤北、粤西、海南等地均发现安山质火山活动记录[15-17, 61-62]，而且火山岩以酸-中性为主，兼有少量的玄武岩，也与浙闽地区有明显的不同。陈卫锋等认为，晚中生代曾存在古太平洋板块向亚欧大陆的俯冲作用，但是俯冲作用在华南的影响范围可能只限于武夷山以东(或附近)地区[62]。上述研究表明，粤桂地区的安山岩与整个华南南部大陆边缘弧体系所展现的特征是一致的，但在浙闽地区这些特征则完全观察不到，因此白垩纪南海北部陆缘的构造背景与浙闽地区存在差异。

鉴于华南板块和南海地区西邻特提斯构造域，特提斯对南海北部陆缘构造的影响应当引起重视。夏戡原和黄慈流认为南海在中生代时存在较大范围的特提斯海，南海特提斯是主特提斯向东的延伸，晚侏罗世—早白垩世的特提斯海可能和太平洋沟通[68]。南海北部在白垩纪存在E—W向展布的俯冲带，可能是中特提斯洋在南海北部陆缘区俯冲关闭造成的[14, 69-72]。方念乔于2016年构建了以海南岛中南部的岩浆-沉积组合为典型标志、以东西向延伸为基本特征、演化过程与浙闽活动陆缘带明显有别的海南陆缘弧体系，在构造地理格局上从属于特提斯域，该弧最初似发育于晚侏罗世，早白垩世晚期和晚白垩世初期岩浆弧与俯冲造山活动达到高峰，晚白垩世发生弧后拉张，但近弧地带挤压条件下的岩浆-沉积作用一直延续至晚白垩世后期(约70 Ma)[14]。不同于太平洋板块NW向俯冲下的东南沿海NE向岩浆岩带，110～80 Ma南海北部岩浆岩带呈E—W向，为新特提斯洋俯冲作用的产物[14, 73-74]。

前人研究表明，当俯冲洋壳较为年轻、温度较高、俯冲板片发生撕裂或断离时，俯冲洋壳和沉积物将发生熔融，产生的熔体交代地幔楔，可使活动大陆边缘岩浆弧上的安山岩呈现高镁安山岩的特征[46, 75-77]。一些学者更是认为，高镁安山岩的形成与洋脊俯冲直接相关[78-80]。考虑到粤桂地区在105～93 Ma前后的一段时间内再无其他高镁安山岩产出，笔者认为洋脊俯冲是研究区高镁安山岩形成的最大可能因素。另外，位于南海北部陆缘的海南岛和广东石菉还有同时期的埃达克质岩石出露[14, 19, 73-74, 81]，其中千家岩体中的中性侵入岩Mg#超过52、保亭中性岩Mg#介于49～55之间[74]。埃达克质岩石的形成与新特提斯洋脊向南海北部陆缘之下俯冲有直接关系[14, 73-74]，埃达克岩与高镁安山岩的同时出现，也印证了洋脊俯冲对白垩世中期南海北部陆缘岩浆作用的影响。此外，根据对冈底斯岩浆弧的研究成果，约100 Ma时新特提斯洋脊开始向北俯冲，软流圈沿板片窗上涌，使软流圈、 地幔楔和俯冲洋壳发生部分熔融，导致了强烈的幔源岩浆作用和显著的新生地壳生长与加厚，并以不同类型和不同成分岩浆岩的发育为特征，其中包括正常的弧型岩浆岩和埃达克质岩石[82]，部分闪长岩样品的Mg#可达46.4～63.3[83-84]，同时也有高镁安山岩产出[85]。可见，在冈底斯带和南海北部陆缘留下了近乎同时期、同类型的岩浆岩记录，可能不是巧合，而是新特提斯洋脊俯冲的共同结果。

综上所述，特提斯构造域对白垩纪时期南海北部陆缘构造演化起着举足轻重的作用。

5 结 论

本文通过对粤桂地区白垩纪安山岩的锆石U-Pb年龄及岩石地球化学分析，得到以下主要认识：

(1)白垩纪中期粤桂地区有众多安山岩形成，其中玉林安山岩锆石U-Pb谐和年龄为(93.38±0.83) Ma，略晚于仁化样品的105 Ma。

(2)玉林、连平和仁化部分安山岩样品高MgO含量和Mg#值，属低铁钙碱性高镁安山岩。

(3)白垩纪中期，新特提斯洋脊极有可能向南海北部陆缘之下俯冲；俯冲沉积物部分熔融形成的硅质流体与地幔橄榄岩平衡反应，使得南海北部陆缘地区有高镁安山岩的形成。