林海鋒

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

福建位于歐亞大陸板塊東南緣與菲律賓海板塊的交接部位，屬東南沿海環(huán)太平洋巖漿帶的重要組成部分，燕山期陸相火山噴發(fā)異常強(qiáng)烈，經(jīng)歷了燕山早期的初始、燕山中期的強(qiáng)盛(140～115 Ma)、燕山晚期的減弱-衰亡3個階段；之后大規(guī)模火山活動基本結(jié)束，接下來是一定規(guī)模的后造山的A型花崗質(zhì)巖漿活動(100～93 Ma)，之后區(qū)域上又發(fā)生了較為微弱的晚白堊世火山巖漿活動[1]。晚白堊世的火山活動記錄了燕山期火山活動減弱-衰亡的過程。而福建和浙江是東南沿海晚白堊世火山巖漿活動相對活躍的地區(qū)，該火山地層在福建稱石牛山組，在浙江稱小雄組[1-2]。

石牛山組是馮宗幟等[3-4]據(jù)永泰、德化地區(qū)研究[5]，在石帽山群之上劃分出來的，為一套紫紅色陸相沉積-火山巖系，主要分布于福建東部的德化石牛山、永泰坵演、閩侯尚干等地。1997年確定仙游象溪菜溪剖面為正層型剖面[6]。該層型剖面于1∶25萬莆田市幅區(qū)調(diào)中進(jìn)行了修測，但缺少巖石化學(xué)和高精度的同位素測年等重要的樣品控制。福建仙游菜溪石牛山組剖面進(jìn)行火山巖的年代學(xué)、巖石化學(xué)的研究，探討其成因機(jī)制及其大地構(gòu)造背景。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)位于東南沿海中生代巖漿巖帶閩東火山斷坳帶，處于政和—大埔斷裂帶東側(cè)，同時，閩東沿海地幔陡坡帶斜貫全區(qū)。復(fù)雜的構(gòu)造背景為該區(qū)火山活動提供良好的條件，從而形成中生代強(qiáng)烈、頻繁的火山噴發(fā)，且火山活動具有多期、多階段的特點。研究區(qū)構(gòu)造發(fā)展演化主要表現(xiàn)為燕山期瀕太平洋活動大陸邊緣發(fā)展階段，構(gòu)造運(yùn)動方式由以褶皺為主轉(zhuǎn)變?yōu)橛商窖蟀鍓K向歐亞大陸板塊俯沖造成的斷塊構(gòu)造運(yùn)動為主。在早期地質(zhì)發(fā)展演化的基礎(chǔ)上，伴隨著大規(guī)模的火山噴發(fā)和巖漿侵入活動，脆性斷裂活動也較為廣泛，從而奠定了研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的基本骨架。

2 石牛山組剖面地層層序

仙游菜溪晚白堊世石牛山組依據(jù)巖性組合特征、地層層序、火山活動旋回等，劃分為上、下2個巖性段。石牛山組下段為一套紫色的火山碎屑沉積巖，巖性組合為紫灰、紫紅、黃灰色凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、沉凝灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖、泥巖、泥頁巖等，厚為595.3 m。發(fā)育平行層理、交錯層理。巖層中所夾的泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥頁巖等可見保存較好的動植物化石，貯存豐富、保存良好，所見化石種類主要為葉肢介、尖葉杉、擬節(jié)柏等。其平行不整合于早白堊世寨下組之上，其上為石牛山組上段的流紋英安質(zhì)角礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r噴發(fā)不整合覆蓋。上段主要為一套呈灰紫、紫紅色的酸性火山碎屑巖夾酸性火山熔巖組合，巖性組合為灰紫、淺紫紅色流紋質(zhì)(含)角礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)(集塊)角礫晶屑凝灰?guī)r、英安流紋質(zhì)角礫晶屑(巖屑)熔結(jié)凝灰?guī)r夾(含角礫)流紋巖、流紋質(zhì)火山角礫巖、集塊角礫巖、沉凝灰?guī)r等。厚為801.6 m。石牛山組上段噴發(fā)不整合于石牛山組下段的粉砂巖之上，頂部為晚白堊世酸性霏細(xì)狀碎斑熔巖(圖1)。

圖1 仙游菜溪區(qū)域地質(zhì)圖與石牛山組剖面圖Fig.1 Geological map in Laixi Area of Xianyou County and Shiniushan Formation section

該次研究工作在石牛山組下段第8層和第15層獲得了17件動植物化石。經(jīng)鑒定結(jié)果為直線葉肢介Orthestheriasp. ，植物化石為Brachyphyllum短葉杉，Pagiophyllumsp. 堅葉杉，Pseudofrenelopsisparceramosa稀枝假擬節(jié)柏，Cupressinocladussp. 柏型枝，Brachyphyllum短葉杉，松柏類植物莖稈，其產(chǎn)出時代為晚白堊世。

3 樣品采集及分析方法

此次研究對石牛山組上段采集3件酸性火山巖進(jìn)行了巖石化學(xué)研究，選取石牛山組上段的流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年。在下段泥巖、粉砂巖中采取動植物化石進(jìn)行化石年代學(xué)鑒定。樣品的主微量元素由福建省地質(zhì)測試中心，主量元素測試采用XRF熒光測試法完成，測試誤差小于2%；稀土和微量元素測試采用等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法，測定精度優(yōu)于5%。鋯石挑選由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)研究所完成，用常規(guī)方法將樣品粉碎至80 ～100 mm，經(jīng)過淘洗和電磁方法進(jìn)行分離后，在雙目鏡下將具有較好晶形的并且無明顯裂痕和包裹體的鋯石挑選出來。鋯石的制靶和陰極發(fā)光照相在北京鋯年齡航科技有限公司完成。測年工作在天津地質(zhì)調(diào)查中心完成，采用LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年測試，ICP-MS為Agilent 7500 a，采用的激光束斑直徑為35 μm，以氦氣作為剝蝕物質(zhì)的載氣，測試數(shù)據(jù)的計算處理采用Isoplot 3.0程序[7]。

4 鋯石U-Pb測試結(jié)果

在仙游菜溪流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r采集1件樣品用同位素年齡測定，鋯石呈淺玫瑰色, 粒徑以0.06～0.15 mm為主，長寬比為2∶1～1.5∶1，陰極發(fā)光圖像顯示(圖2)，所測樣品鋯石具有明顯巖漿成因的震蕩生長環(huán)帶， Th/U比值為0.062 8～0.776 7，為典型的巖漿成因鋯石。所有測點均位于U-Pb諧和線附近，該樣共測試26個點，剔除諧和度較低后采用了21個點的數(shù)據(jù)，其加權(quán)平均值為(94.02±0.49)Ma(MSWD=0.26，n=26)(圖3)；代表了流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r的結(jié)晶年齡。

圖2 石牛山組流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r鋯石CL圖像及測點位置Fig.2 CL image and location of measuring points in rhyoliti crystal tuff

圖3 石牛山組流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)rU-Pb同位素諧和圖(a)及加權(quán)平均圖(b)Fig.3 The U-Pb isotopes harmonic plots and the weighted average plots of Shiniushan formation Thiny crystalline chip tuff

5 巖石地球化學(xué)特征

石牛山組火山巖巖石組合及特征基本相似，此次研究在剖面上共采集硅酸鹽及其配套樣品3件，巖石組合為流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋巖，其巖石化學(xué)成分、CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物、各種參數(shù)、特征值、微量元素、稀土元素及各類比值(表1)。

5.1 主量元素特征

石牛山組火山巖化學(xué)成分變化SiO2含量主要為76.19%～76.47%(高硅)，Na2O+K2O含量為8.09%～8.65%(富堿)，Al2O3含量為11.87%～12.17%(中等)，CaO含量為0.05%～0.12%(貧鈣)，MgO為0.06%～0.11%(貧鎂)，F(xiàn)eO含量為0.44%～0.62%(貧鐵)。K2O含量隨SiO2含量的增加而降低，且變化基本是連續(xù)的，表現(xiàn)出單峰式特征。石牛山組火山巖在巖石分類TAS圖中，落入流紋巖區(qū)(圖4)。AFM圖上[8]，投影點全部落入鈣堿性系列區(qū)內(nèi)(圖5)。σ值于為1.97～2.25，屬鈣堿性巖石類型。經(jīng)巖石化學(xué)參數(shù)A/CNK計算，為1.04～1.13，為準(zhǔn)鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)巖石；A/NK-A/CNK判別落入過鋁質(zhì)范圍內(nèi)。K2O-SiO2圖解屬于高鉀鈣堿性系列巖石。

圖4 石牛山組火山巖TAS圖解Fig.4 TAS diagram of Volcanic rocks in the Shiniushan Formation

圖5 石牛山組火山巖AFM圖解Fig.5 AFM diagram of Volcanic rocks in the Shiniushan Formation

5.2 微量、稀土元素特征

石牛山組微量元素特征分析(圖6a)結(jié)果顯示：整體形態(tài)顯示了大離子親石元素Rb、Th、U、Pb的富集，并具有明顯的高場強(qiáng)元素Nb、Ta、Ti、P 和Sr、Ba的虧損，基性相容組分Cr、Co、Ni含量較低，Mg#較低，是殼源巖漿或巖漿被地殼物質(zhì)混染的典型特征。石牛山組火山巖的Sr、Ba值較低，負(fù)異常非常顯著，巖漿地殼成因更加明顯。Rb/Sr比值為12.98～117.37，也明顯大于殼源巖漿的比值(Rb/Sr大于0.5)[9]；Th/U比值為4.40～6.89，與上地殼的Th/U比值(3.89)相近[10]；Ti/Y比值為7.40～12.08；Ti/Zr比值為1.24～1.92，具有殼源特征[11]。Rb/Nb比值為5.24～6.74，遠(yuǎn)大于上地殼的平均值。Rb/Y比值為6.99～9.09(上地殼4.0，下地殼3.25)； Nb/Y比值較低為1.19～1.54，也遠(yuǎn)大于上地殼的比值(上地殼0.57，下地殼0.5)。這也為石牛山組火山巖的上地殼成因提供了一定的佐證?；韵嗳菰谻r、Co、Ni均較低，Cr值為5.2×10-6～8×10-6；Co值為0.09×10-6～0.21×10-6；Ni值為4.68×10-6～4.87×10-6；均也不具有地幔成因的特征。因此，微量元素特征顯示石牛山組火山巖巖漿應(yīng)來源于地殼，并非地幔。

石牛山組稀土含量總量變化不大，平均為246.59×10-6。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分曲線(圖6b)， LREE/HREE的比值平均為1.50，輕重稀土分異不明顯。具有強(qiáng)烈的Eu負(fù)異常(Eu負(fù)異常平均值為0.05)，反映巖漿源區(qū)有斜長石殘留或巖漿經(jīng)歷了斜長石的分離結(jié)晶作用。微量元素和稀土元素特征顯示，石牛山組火山巖可能為上地殼物質(zhì)部分熔融成因。

圖6 石牛山組微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素配分模式圖(b)Fig.6 Distribution diagram of trace elements (a) and partition pattern of rare earth elements (b) of the upper section of Volcanic rocks in the Shiniushan Formation

6 成因探討

6.1 時代討論

馮宗幟等首次發(fā)現(xiàn)福建云山火山機(jī)構(gòu)中的堿性流紋巖的Rb-Sr等時線年齡為104.1 Ma，潛石英二長斑巖為100.3 Ma，石牛山火山巖為99～81 Ma，潛鉀長花崗斑巖為88 Ma；并通過對比石牛山的潛鉀長花崗巖地球化學(xué)和同位素特征，認(rèn)為是同源巖漿不同的方式。邢光福在石牛山破火山口中央侵入相正長斑巖、正長花崗斑巖測得鋯石U-Pb年齡為(93.8±1.3)Ma。在仙游菜溪石牛山組層型剖面采集到的流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r鋯石U-Pb同位素年齡為(94.02±0.49)Ma，與動植物化石鑒定結(jié)果相符，石牛山火山噴發(fā)的時代為晚白堊世，晚于東南沿海A型花崗巖帶主體侵位時代[12]。

6.2 巖石類型與成因

石牛山火山巖具有高硅、富堿、貧鈣、鎂、鐵的特點，屬高鉀鈣堿性流紋巖；TFeO/MgO比值平均為24.69，同時Ga/Al比值平均為4.10(10 000×Ga/Al=3.68～4.42)，大于2.60；Zr+Nb+Ce+Y含量為562.59～628.24；在主量圖解K2O-Na2O圖解[13]上，在10 000×Ga/Al-(K2O+Na2O)/CaO圖解中(圖7a,b)全落入A型花崗巖區(qū)域[14-17]。同時，石牛山組火山巖均具有較低的Sr和Ba含量及較高的Rb/Sr比值，其中Sr平均含量為13.69×10-6，Ba的平均含量為19.53×10-6，Rb/Sr比值為12.98～117.37，δEu均值為0.05，也與典型的A型花崗巖相類似。表明石牛山流紋巖屬于典型的A型堿性流紋巖。

圖7 石牛山組 Na2O-K2O圖解(a)和10 000×Ga/Al-Ce判別圖(b)Fig.7 Na2O-K2O diagram and 10000 Ga / Al-Ce discriminant diagram in the Shiniushan Formation

根據(jù)Q-Ab-An等溫等壓力線圖(圖8)，研究區(qū)火山巖均落在大于800C°的等溫線外，且分布于3 000 bar壓力線外。在大陸地殼厚度與濃度Rb-Sr關(guān)系圖中(圖9)，大多數(shù)投影到30 km深度以下。Ni/Co比值地殼為3.5、上地幔為9.3、下地幔為10，多寶山組4件樣品Ni/Co比值一般變化于0.68～3.32，均低于地殼的Ni/Co比值范圍；Th/U比值地幔為1～2，變化于3.55～5.03，均大于地幔Th/U比值；Rb/Sr比值平均為0.05，而與原始地幔(0.03)、E-MORB(0.033)和OIB(0.047)的Rb/Sr值進(jìn)行對比，與OIB的范圍(Rb/Sr大于0.047)大致一致；Nb/Y比值平均值為0.40，小于下地殼值(0.5)。因此，結(jié)合微量元素及稀土元素分析結(jié)果表明火山巖巖漿應(yīng)來源于上地殼。

圖8 石牛山組火山巖Q-Ab-An等溫等壓力線圖Fig.8 Q-Ab-An isothermal isostress line diagram of Volcanic rocks in the Shiniushan Formation

圖9 石牛山組火山巖Rb、Sr濃度與大陸地殼厚度關(guān)系圖Fig.9 Diagram of the relationship between volcanic rock Rb and Sr concentration and continental crust thickness of Volcanic rocks

6.3 構(gòu)造意義

石牛山組火山巖微量元素在Nb-Y-Ce判別圖中和Nb-Y-3Ga判別圖(圖10)落入A1型巖石區(qū)域，形成于非造山期的張性構(gòu)造環(huán)境。大量的研究表明[18-26]，A型花崗巖物質(zhì)成分起源較深，成因多與深斷裂的張性活動有關(guān)，是在造山后或非造山作用下形成的，A型堿性流紋巖是A型花崗巖的噴出相，也反映巖石圈厚度與地殼厚度明顯減薄，軟流圈上拱，A型花崗巖形成于拉張環(huán)境。石牛山組火山巖及其共生的中央侵入相均屬后造山鋁質(zhì)A型花崗質(zhì)巖類，形成于A型花崗巖帶主體形成之后，是A型花崗質(zhì)巖漿噴發(fā)與侵入的產(chǎn)物，是A型花崗質(zhì)火山侵入雜巖，代表了區(qū)域最晚一期酸性火山巖漿活動。綜合微量元素和稀土元素特征顯示，石牛山組火山巖巖漿應(yīng)來源于上地殼，可能為地殼物質(zhì)部分熔融成因，其形成于非造山期的張性構(gòu)造環(huán)境。

圖10 Nb-Y-Ce判別圖(a)和 Nb-Y-3Ga判別圖(b)Fig.10 Discriminant diagram of Nb-Y-Ce (a) and Nb-Y-3Ga (b)A1—非造山；A2—造山后

7 結(jié)論

(1)石牛山組代表福建東部地區(qū)一套晚白堊世早期陸相沉積-火山噴發(fā)巖系，其平行不整合于寨下組之上。根據(jù)地層層序、接觸關(guān)系、巖石組合特征、火山活動旋回及巖漿演化規(guī)律等，將石牛山組進(jìn)一步劃分為2個巖性段，下段為火山碎屑沉積巖，上段為酸性火山碎屑巖夾酸性火山熔巖組合，其構(gòu)成一個完整的沉積-噴發(fā)旋回。

(2)對石牛山組上段流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年，結(jié)果為(94.02±0.49)Ma，與石牛山組下段所產(chǎn)的動植物化石鑒定結(jié)果相一致，表明為晚白堊世巖漿作用的產(chǎn)物。

(3)石牛山組火山巖是高鉀鈣堿性火山巖，同時其具A型火山巖特征，具高硅、富堿、低鋁，極低鎂鈣的特點，較高的Zr、Nb、Ce、Y含量和TFeO/(TFeO+MgO)比值、Rb/Sr值，較低的Sr和Ba含量。綜合認(rèn)為，石牛山組火山巖巖漿應(yīng)來源于上地殼，可能為地殼物質(zhì)部分熔融成因，其形成于非造山期的張性構(gòu)造環(huán)境。