毛堂群變質火山巖形成環境探討

劉征華, 張傳恒

(1.河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊,河南鄭州 450003;2.中國地質大學,北京 100083)

毛堂群變質火山巖形成環境探討

劉征華1, 張傳恒2

(1.河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊,河南鄭州 450003;2.中國地質大學,北京 100083)

揚子陸塊北緣毛堂群記錄了 Rodinia裂解事件的重要地質信息。從四個方面分析論證了毛堂群火山巖形成于新元古代中晚期大陸板內裂谷環境:(1)火山巖的地球化學特征,主要通過稀土及多元素配分模式體現;(2)火山巖的成巖年齡;(3)火山碎屑巖的特點;(4)基性火山巖構造環境判別圖解。毛堂群裂谷火山活動是一次全球性的由地幔柱活動引發的裂谷火山事件群的組成部分,是南秦嶺前寒武紀大陸裂解的先兆。

揚子陸塊;毛堂群;Rodinia超大陸;裂谷環境

20世紀 90年代以來,國外掀起了重建和研究Rodinia超大陸的熱潮,近年來,這股熱潮已波及中國,并已經成為我國前寒武紀地質研究的新起點。

綜合前人的研究成果,基本可以確定揚子陸塊是 Rodinia超大陸的組成部分 (Torsvik et al,1996;Li et al.,2003)。Rodinia超大陸形成后,華南地塊沿其北緣很快裂開形成裂谷,沉積了新元古代早期火山-碎屑沉積。大約在 825～700 Ma之間,Rodinia超大陸全面裂解,位于揚子陸塊北緣的毛堂群所發生的構造巖漿活動可能就是這次 Rodinia超大陸裂解過程的地表響應。

對揚子陸塊北緣毛堂群的研究由來以久,前人做了大量的工作,涉及了許多方面,問題多,分歧也不少。其中毛堂群形成環境存在著一定的爭議。

關于毛堂群的形成環境,郝杰等 (1996)認為其形成于島弧環境;劉鴻允等 (1999)論述了毛堂群基性熔巖一種可能是由上地幔部分熔融產生,與現代MORB比較其部分熔融程度應小于 20%;另一種可能是由MORB在俯沖帶消亡時再次重熔受陸殼物質混染的二次衍生巖石;張宗清等(2002)論述了毛堂群變質酸性火山巖可能是老地殼物質再熔產物,其母巖類似于陡嶺群大溝組斜長片麻巖;變質基性火山巖原巖可能是直接來自MORB虧損地幔源區部分熔融巖漿形成;李懷坤等 (2003)認為其形成于陸內裂谷環境。根據毛堂群復雜地質背景和前人對其的認識,本次研究在加強野外地質工作的基礎上,采用野外地質研究與實驗室研究密切結合,采集有代表性的樣品,通過地質、年代學和地球化學資料綜合分析研究,對其形成環境進行了再探討。

1 地質概況

秦嶺橫亙我國中部,是亞洲東部兩個最大構造單元——華北陸塊和揚子陸塊的構造拼合帶。以陜西商 (南)-丹 (鳳)斷裂帶為界,秦嶺造山帶被劃分為南、北兩部分:北部稱為北秦嶺造山帶;南部稱為南秦嶺造山帶 (張國偉等,2001)。

研究區在自然地理上屬于秦嶺山系之東南隅及大巴山東段的余脈,研究對象毛堂群是揚子古陸出露最北的前寒武紀地層,隸屬于中國中部陸間大區中昆侖秦嶺區的南秦嶺分區和武當淮陽分區的范疇 (王鴻禎,1978)。毛堂群位于揚子陸塊的北緣,區域上南部有西起四川省城口,經湖北房縣青峰鎮,向東過南陽盆地與襄廣斷裂相連的青峰斷裂;北側有西峽-內鄉斷裂,其為商南-丹鳳斷裂的東延部分,由一系列大致平行的斷裂束組成 (圖1)。

區域內出露的前寒武紀地層,主要有陡嶺群、武當群、耀嶺河群、隕西群、毛堂群和震旦系。

毛堂群是一套變質火山-碎屑沉積巖系,呈帶狀出露于河南省西部淅川、西峽、內鄉三縣交界地區,分布于荊紫關-師崗復背斜的北翼。呈北西西—南東東向展布,東西長約 80 km,南北寬約 0.5～0.6 km。向西延入陜西境內,向東在內鄉封營一帶插入南陽盆地之下。北部與陡嶺群接觸,南部與震旦系陡山沱組和燈影組以及古生界地層接觸。

圖 1 研究區地質略圖Fig.1 Geological sketch m ap of the Research Area

毛堂群劃分為兩個巖組,下部巖組:姚營寨組為一套淺變質巖系,主要由變質酸性火山巖 (包括熔巖及其火山碎屑巖)和陸源碎屑沉積巖組成,巖性變化可劃分為三段:下段為礫巖、含礫長石砂巖、長石砂巖、粉砂巖、絹云片巖,以及酸性熔巖、酸性凝灰巖,夾有集塊巖、熔結角礫巖;中段下部為基性熔巖、基性凝灰巖,上部為中性熔巖、酸性熔巖、酸性凝灰巖;上段為酸性凝灰巖、酸性熔巖,夾基性熔巖,以及變質砂礫巖、長石石英粗砂巖、長石細砂巖、粉砂巖互層等。

上部巖組:馬頭山組為一套淺變質的基性火山巖-火山碎屑巖系,主要由變質基性火山巖 (包括熔巖及其火山碎屑巖)和少量的陸源碎屑沉積巖組成。巖性變化也可分為三段:下段為含礫枕狀基性熔巖、枕狀基性熔巖,并夾有中性熔巖;中段為基性熔巖、杏仁狀基性熔巖,夾絹云片巖、薄層基性凝灰巖;上段為塊狀基性熔巖,夾赤鐵絹云片巖、絹云片巖。

毛堂群與下伏地層陡嶺群為角度不整合接觸,與上伏地層陡山沱組為整合接觸,但因后期沿界面發生地層滑脫推覆,二者呈斷層接觸,毛堂群地層內部馬頭山組與姚營寨組為整合接觸。

研究區內構造簡單,主要受北西西—南東東幾條近平行的斷裂控制,地層中變形構造發育,表現為發育強烈密集片理化帶,平均產狀為 20～35°∠35～60°,不對稱褶皺、無根褶皺,S-C組構及撓曲等,一致指示主導自 NNW向 SSE到 NNE向 SS W的推覆運動。與區域上南秦嶺北部逆沖推覆構造帶中出現的各種變形構造所體現的推覆運動方向一致 (張國偉等,2001)。

2 形成環境探討

2.1 樣品和分析方法

本次研究,元素地球化學分析采用了兩種方法,主量元素用壓片法 X-射線熒光光譜 (XRF),微量元素用等離子體質譜法 (ICP-MS)。主量元素和微量元素分別在中國地質大學 (北京)地學實驗中心和河北省地勘局廊坊實驗室進行分析測定。主量元素的分析精度優于 1%,微量元素的分析精度為5%～15%,共選取了 18個火山巖研究樣品,其中 16個樣品為本次研究中采取的 (圖 1),另外有 2個樣品 Q92436和 Q92442是引用張宗清等人(2002)的。樣品中,有 13個為基性熔巖 (SiO2≤56%)樣品,5個為酸性熔巖 (SiO2≥68%)樣品,本次采取的 16個樣品的主量、微量元素分析結果均為本文首次發表。本文研究的主量元素和微量元素數據列于表 1。

表 1 毛堂群火山巖主量元素 (%)和微量元素 (10-6)數據Tab.1 Major(%)and trace(10-6)element data for the MaoTong Group volcanic rocks

續表

2.2 典型火山巖序列的地球化學特征

本次研究中共采取了 16件樣品,另加張宗清等人 (2002)采取的兩件樣品,共有樣品 18件?；詭r有 13件樣品,w(SiO2)主要在 44.09%～52.40%之間,中酸性巖有 5件,w(SiO2)主要在68.54%～76.12%之間。整體上毛堂群變質火山巖系表現出主要有玄武質巖石和流紋質巖石組成,顯示明顯的雙峰式特征。

毛堂群變質火山巖稀土主要具有 2種不同的配分樣式,變質基性火山巖的稀土配分樣式,顯示出相對平坦的稀土配分樣式,具有輕稀土相對重稀土中等富集的特點。w(La)n/w(Yb)n=2.87～4.37,平均 3.54。w(Eu)n/w(Eu＊)n=0.84～0.99,具有很弱的負 Eu異常。變質酸性火山巖顯示明顯 LREE富集 (w(La)n/w(Yb)n=7.79～40.56,平均 16.81)、Eu負異常 (w(Eu)n/w(Eu＊)n=0.25～0.68)(圖 2)。

同樣,毛堂群變質火山巖樣品的原始地幔標準化微量元素模式具有一定的特點 (圖 3,4,5,6)。毛堂群變質酸性火山巖具有明顯的 Nb,Ta,Ti的負異常,總體上與上部陸殼的配分模式類似 (圖 3)。

毛堂群變質基性火山巖 Q92436,Q92442及Y0883-6的配分模式總體上與下部陸殼類似 (圖4)。變質基性火山巖 Y0225-1,Y0226-1,Y0227-1,Y0866-1,Y0866-2,Y0883-1,Y0883-7,Y0883-9,Y0883-11及 Y0883-15的配分模式整體上具有隆起狀特點 (圖 5,6),與圖中陰影區代表的地幔柱源的大陸溢流玄武巖的微量元素標準化分配型式極為相似。

圖 2 毛堂群變質火山巖的球粒隕石標準化稀土元素配分曲線Fig.2 Chrondrite normalized REE patterns of the MaoTong Group Metamorphic vo lcanics A.變質酸性火山巖稀土分布模式;B.變質基性火山巖稀土分布模式;C.變質基性火山巖稀土分布模式

2.3 構造環境分析

(1)毛堂群變質基性火山巖的稀土元素配分曲線 (圖 2 B,C)和多元素原始地幔標準化分配型式(圖 4,5,6)顯示出,具有平坦的 REE分配型式或LREE富集的分配型式,并以缺乏 Nb,Ta和 Ti的負異常為特征,與國際巖石學界 (Ernst et al,2005;Pearce,1982;Hugh,2000;Campbell,1998)對大陸玄武質巖石成因研究所得出的結果相一致。

(2)毛堂群變質基性火山巖的多元素原始地幔標準化分配型式 (圖 5,6)顯示出與地幔柱源的大陸溢流玄武巖相似的特點。

軟流圈或地幔柱源的大陸玄武巖在受到地殼混染之后,會出現 T iO2含量降低和高 La/Nb,高Th/Nb,低 Ti/Yb的特點 (Saunders et al.,1992;Kieffer et al,2004;Thompson et al.,1984);而島弧玄武巖同樣也具有低 TiO2含量和高 La/Nb(Pearce,1982;Keppler,1996;You et al.,1996)的特點。這樣,會將受到地殼混染的大陸玄武巖誤判成島弧玄武巖 (Ernst et al.,2005)。

非常高的原始地幔標準化 Th/Nb比值 (?1)(Saunders et al.,1992)和低 Nb/La比值 (<1)(Kieffer et al.,2004)是地殼混染作用的兩個可靠的微量元素指標。毛堂群基性熔巖樣品中,一部分確實受到了地殼較為強烈的混染,卻不顯示島弧玄武巖的特點,首先表現在,雖然具有高 La/Nb、高Th/Nb的比值,但是 TiO2含量的降低不明顯或者Ti的負異常不明顯。其次,島弧玄武巖系中,鈣堿性的安山巖類占有明顯優勢,而毛堂群變質火山巖以拉斑為主,鈣堿性次之,堿性更少。而且,毛堂群所取樣品中鈣堿性樣品均為變酸性火山巖。另外李懷坤等 (2003)在相當于過去所謂武當山群的毛堂群姚營寨組層位中取樣,用 T IMS法鋯石 U-Pb測年得到 (746±2)Ma的成巖年齡,相當于新元古代中晚期,本次研究以此成巖年齡作為毛堂群地層的形成時代。從大的區域背景上看,這個時期應是Rodinia超級聯合大陸發生初始裂谷化的時期;此時,該超級大陸還沒有最終裂解,新的大洋體系 (指古亞洲洋域體系或古勞亞大洋體系)還未形成。因此,不存在形成大規模島弧火山巖系的背景條件。

(3)毛堂群變質酸性火山巖樣品的原始地幔標準化微量元素模式具有明顯的 Nb,Ta,Ti的負異常,總體上顯示出與上部陸殼的配分模式類似 (圖3)。

(4)通過基性火山巖構造環境判別圖解 (圖 7)看出,毛堂群基性熔巖樣品的成分點均落在板內玄武巖區內 (圖 7a,b)或大陸玄武巖區內 (圖 7c)。

(5)在毛堂群姚營寨組底部層位中,見到陸相爆發相物質 (圖 8)。

以上這些事實均證明了毛堂群火山巖應當形成于大陸板內裂谷環境。

3 結論與討論

通過前述的分析和論證,表明毛堂群變質火山巖系形成于大陸板內裂谷環境。揚子地塊北緣及南秦嶺中—新元古代隕西群、耀嶺河群、西鄉群及碧口群火山巖系具大陸溢流玄武巖—大陸裂谷火山巖屬性,形成于大陸拉張構造環境 (張國偉等,2001)。毛堂群形成于大陸板內裂谷環境,表明毛堂群構造巖漿活動是南秦嶺中—新元古代火山作用的組成部分,是南秦嶺前寒武紀大陸裂解的先兆。

應當指出,發育于新元古代中—晚期的毛堂群裂谷火山活動并非只是一次孤立的火山事件,而是波及中亞—東亞 (包括中國中西部和華南)、澳大利亞、北美、非洲南部和南極的一次全球性的由地幔柱活動引發的裂谷火山事件群 (Xia et al.,1996a,1996b;Li et al.,1995,1996,1999;Wang,2000;Wang et al.,2001)的組成部分。這次具有全球規模的裂谷火山事件群應當就是 Rodinia超級古大陸裂解作用的深部地球動力學的地表響應,而包括古亞洲洋域體系在內的古勞亞大洋體系正是這次具有全球意義的裂解事件的產物。因此,可以說,新元古代中-晚期 (直至早寒武世初期)的裂谷火山活動乃是古勞亞大洋體系開啟的前兆。

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Research on Formation Environment ofMetamorphic Volcanic ofMaotang Group

L IU Zheng-hua1, ZHANG Chuan-heng2
(1.The 6th GeologicalBrigade,Non-ferrous Geology andMineral Re-SourcesBureau of Henan Province,Zhengzhou,HN 450003,China;2.China University of Geosciences(Beijing),Beijing,100083,China)

TheMaotang Group in the northern margin of the Yangtze Block recorded important information of Rodinia breakup.From the following four aspects:(1)Geochemical characteristicsof volcanic rocks reflectedMainly through the rare-earth and multi-element distribution patterns;(2)Diagenetic age of volcanic rocks;(3)The characteristics of pyroclastic rocks;(4)Tectonic setting discr imination diagrams of mafic volcanic;It is analyzed and proved thatMaotang Group was for med in rifting environment of the inner continent during middle-late Neoproterozoic.The volcanic event indicated by theMaotang formation is a part of the globle rifting and volcanic activity eventwhich is thought to be triggered by mantle plume,and the harbinger of the Precambrian continental splitting of South Qinling.

Yangtze Block;Maotang Group;Rodinia;rifting environment

P585.14

:A

:1674-3504(2010)04-301-09

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.04.001

2010-10-14

劉征華 (1968—),碩士,地質工程師,從事區域地質調查和礦產普查。E-mail:lianpeng530@163.com