裂谷中晚期火成岩岩石学及地球化学特征

松辽盆地在晚侏罗世营城期-晚白垩世泉头期为裂谷伸展断陷期;辽河盆地和济阳盆地在古新世房身泡期(孔店组期)-渐新世晚期东营组期，为裂谷发展中晚期阶段;苏北盆地自晚白垩世泰州期-中始新世三垛期为裂谷阶段;南部的珠江口盆地晚渐新世至早中新世为裂谷阶段。该演化阶段对应主张裂成盆期，构造活动最为强烈，同时也是火山岩和烃源岩发育的有利时期。与前阶段火山活动相比，活动期次和规模及岩石性质都发生了明显变化［47］。
对徐家围子断陷火成岩的研究发现，营城组火山岩与初始裂陷期火石岭组火山岩在岩石类型、化学成分及微量元素等方面均存在差异，表明二者形成的构造环境、演化过程的不同。火石岭组火山岩以中性岩为主，营城组火山岩则以酸性岩为主，仅含少量的中基性岩，为一套玄武岩、英安岩和流纹岩组合，流纹岩占绝大多数(图1-24)。
渤海湾盆地与松辽盆地火成岩不同，主要为玄武岩，其次是辉绿岩，局部分布有少量安山岩、玄武安山岩、粗面岩、火山碎屑岩。由硅-碱图可以看出(图1-25)，玄武岩基本上为碱性玄武岩，大多为隐晶质结构，有的为斑状结构，呈块状构造、气孔-杏仁构造。辽河坳陷玄武岩以熔岩溢流相为主，爆发系数低，火山碎屑岩极少，并且在每一期喷发晚期，有少量的拉斑玄武岩与之共生，另外，K2O/Na2O比值较高，一般在0.4～0.7之间，且随着时间推移钾含量逐渐升高。东营凹陷火山岩以溢流相为主，既有碱性玄武岩，又有拉斑玄武岩，为钾质略高的普通型和钾质不高的钾质型。

图1-24 松辽盆地徐家围子断陷火山岩全碱-二氧化硅(TAS)图［47］


图1-25 渤海湾盆地火山岩硅-碱关系图解［48］

1)辉绿岩:渤海湾盆地的辉绿岩主要分布于黄骅、冀中和济阳坳陷。冀中坳陷以霸县凹陷曹家务地区最为发育，最大单层厚度可达100m以上，单井钻遇最多可达12层。岩石主要为碱性辉绿岩，主要矿物有斜长石和辉石;次要矿物有黑云母、磷灰石等。黄骅坳陷北堡凹陷辉绿岩主要由斜长石和辉石组成，两者含量约各占一半，岩石具典型的嵌晶含长结构、辉绿结构，斜长石较为自形，辉石多呈他形。
2)安山岩:黄骅坳陷南堡凹陷北5井3965～4008m段钻遇安山岩。岩石具斑状结构，基质为玻基交织结构，具杏仁构造，斜长石斑晶具不同程度的碳酸盐化。
3)火山碎屑岩:火山碎屑岩包括火山角砾岩和凝灰岩，在辽河坳陷、黄骅坳陷和济阳坳陷均有分布，为岩浆活动强烈期的产物。在火山角砾岩中，气孔、杏仁构造发育，可作为储层。
辽河盆地新生代火山岩以玄武岩为主，其次为辉石玄武岩、橄榄玄武岩，另有玄武质熔结凝灰岩、玄武质角砾岩，以熔岩溢流相为主，爆发系数低。SiO2含量在45%～53%之间，基本上为基性火山岩。在火山岩系划分中，大部分属碱性玄武岩系列(58.3%)，部分属拉斑玄武岩系列(24.4%)，个别为高铝(钙碱性)玄武岩系列(3.6%)。碱性玄武岩系列的岩石可进一步划分为钠质型和钾质型。西部凹陷碱性玄武岩为钠质型(图1-26);东部凹陷碱性玄武岩绝大多数亦属于钠质型(图1-26)，少数(3期均有)属钾质型。

图1-26 东、西部凹陷碱性火山岩钾质-钠质系列划分图解［11］

火山岩钾质-钠质系列划分图显示，碱性玄武岩以钠质系列为主。依据火山岩全碱-二氧化硅(TAS)图解可以看出(图1-27)，西部凹陷火山岩(主要是第一期)以玄武岩为主，其次为粗面玄武岩、玄武粗安岩、碧玄岩及苦橄玄武岩;东部凹陷以玄武岩、碧玄岩为主，其次为粗面玄武岩、玄武粗安岩和苦橄玄武岩。

图1-27 辽河坳陷东、西部凹陷全碱-二氧化硅(TAS)图解［11］

随着SiO2含量的增加，Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、P2O5、TiO2含量降低，Al2O3、K2O、Na2O增加。在邱家骧的硅-碱图上，辽河断陷盆地火山岩样品点主要落在玄武岩-玄武安山岩-安山岩-石英安山岩区和碱性玄武岩-玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩-石英粗面岩区，组合指数(σ)在1.8～9.0之间，属钙碱性到碱性系列;个别投点略偏向响岩区(图1-28)。

图1-28 辽河坳陷中新生界火山岩化学成分特征［49］


图1-29 东部凹陷火山岩La/Sm-La图解［11］


图1-30 黄骅坳陷火山岩全碱-二氧化硅分类图解［41］

火成岩稀土元素总量在37.5×10-6～236.7×10-6之间，轻稀土(LREE)强烈分离，而重稀土(HREE)部分则相对平缓，具有正铕异常。Nb含量为3×10-6～13×10-6，平均为7×10-6;Ta的含量为0.16×10-6～1.88×10-6，平均为0.63×10-6，接近或略低于地壳的丰度，而Nb的含量比地壳的丰度更低些。Ti含量为3201×10-6～5456×10-6，平均为4176×10-6;Co含量为6×10-6～35×10-6，平均为20×10-6，与地壳丰度相当。La/Ya值为4.7～19.3，La/Sm值为1.2～4.5，Ga/Yb值为0.9～2.8。(La/Sm)N与La关系图(图1-29)反映岩浆在深部经过了一定的结晶分异。另外稀土元素中La-Ce和Sm-Nd具有很好的线性关系，说明火山岩岩浆来自同一源区。
由黄骅坳陷火山岩岩石化学TAS分类图可以看出(图1-30)，样品点的分布同辽河坳陷基本一致，绝大多数分布于B区和S1区，少量分布于u1，S2区等，主要为玄武岩、粗面玄武岩，少量为碱玄岩，并且随着时代的推移，岩石碱度有减少的趋势。根据钾的含量进一步划分出坳陷内B区玄武岩既有高钾玄武岩，也有中钾玄武岩;对S1区火山岩进一步划分，既有钾质粗面玄武岩，又有夏威夷岩，总体上Na2O与K2O含量相差不大。
济阳坳陷火成岩主要岩性为安山岩、玄武岩以及闪长玢岩、辉绿岩、煌斑岩等，也有少量流纹岩和花岗岩。按照CIPW标准矿物分类标准，盆地内火山岩分为石英拉斑玄武岩、橄榄拉斑玄武岩和碱性橄榄玄武岩3类(它们的标准矿物分子分别以存在石英、橄榄石或霞石为特征)。对同一凹陷而言，一般早期是石英拉斑玄武岩和橄榄拉斑玄武岩，晚期才出现碱性橄榄玄武岩(如临盘地区);同一时期(如Es2)，在盆地内部的凹陷(如临盘地区)可以是橄榄拉斑玄武岩，而在盆地边部的凹陷(如阳信地区)却是碱性橄榄玄武岩，即时间上由早到晚，空间上由盆地内部至盆地边部，岩浆演化有碱性增强的趋势。
古新世-渐新世和中新世火山岩的稀土元素配分模式如图1-31，图1-32所示，曲线右倾，无Eu异常，∑REE介于(70.89～154.47)×10-6之间，LREE/HREE为4.6～10.2，(La/Yb)N为4.96～15.98，均显示出轻稀土元素富集的特征，但轻稀土元素富集程度较中生代火山岩弱。

图1-31 古新世—渐新世火山岩球粒陨石标准化模式［46］


图1-32 中新世火山岩球粒陨石标准化模式［46］


图1-33 古新世—渐新世火山岩多元素地球化学模式［46］


图1-34 中新世火山岩多元素地球化学形式图［46］

古新世—渐新世和中新世火山岩多元素地球化学模式相似(图1-33，图1-34)，与中生代岩浆岩的模式明显不同，呈“大隆起”型式，除Y、Yb、Sc和Cr外都明显富集，而且富集程度从Sr到Ba逐渐增强，由Th到Ti逐渐减弱，具有板内玄武岩的地球化学模式，与格雷戈里板内裂谷相似，表明其形成于板内拉伸的构造背景，可以从它们在Hf/3-Th-Ta图解中的投点(落入板内玄武岩区)得到进一步验证。
济阳坳陷惠民凹陷第三系玄武岩的稀土元素含量较高，一般为(67～217)×10-6，为球粒陨石的20～60倍;轻稀土元素相对于重稀土元素富集得多，轻、重稀土元素分馏性强。所有喷出相的火山岩，包括玄武岩和火山碎屑岩，铕异常均不明显，δEu近于1，说明岩石形成过程中未发生铕的亏损或富集事件，表明原始玄武岩浆生成后，在整个上升和结晶过程中未受到地壳物质的强烈混染，各期玄武岩均是幔源原生岩浆固结的产物。
苏北盆地火山岩特征与济阳盆地相似，以玄武质熔岩为主，绝大多数属于拉斑玄武岩系列的橄榄拉斑玄武岩，只有极少数属过渡玄武岩系列的橄榄玄武岩。从火山岩地化特征来看，第三纪玄武岩全碱(K2O+Na2O)含量平均为5.99%，Na2O＞K2O，其中泰州组和戴南组的玄武岩碱度最大，SiO2范围窄，平均48.61%，Al2O3含量平均为16.49%。由老至新全碱含量逐渐减少，K2O含量在戴南组最高，盐城组又有上升趋势，Al2O3含量逐渐减少，其他氧化物含量无明显演化趋势(表1-11)。
表1-11 苏北盆地第三系玄武岩氧化物成分［34］


注:括号中数字为样品数目。
珠江口盆地早第三纪(古近纪)，既有基性岩浆喷发，也有较多的中酸性岩浆形成。断隆带上(如中部东沙-神狐暗沙隆起和北部隆起)多为流纹质，部分为英安质、安山质火山岩，属于钙碱性岩系。断陷带中主要形成拉斑玄武岩。晚第三纪(新近纪)，全为基性岩浆喷发，由碱性玄武岩和拉斑玄武岩组成，与华南乃至中国东部晚新生代火山岩组合的普遍特征一致。在同一时期的玄武岩中，碱性玄武岩比拉斑玄武岩具有更高的Mg值和TiO2、P2O5、K2O含量，说明结晶分离作用并非不同类型玄武岩形成的主要因素。新生代岩浆活动总的发展趋势是由含较多中酸性岩石的钙碱性系列发展到碱性玄武岩和拉斑玄武岩系列(图1-35)，岩浆成分中深源物质逐渐增多，代表了岩石圈拉裂伸展的构造环境，与日本海等东亚陆缘海及北美西部里奥格兰德裂谷岩浆作用的发展序列相似，而与东非型裂谷火山活动随时间发展碱性、基性程度降低，源区深度变小的趋势不同。

图1-35 珠江口盆地新生代火山岩全碱-二氧化硅图解［38］

珠江口盆地新生代玄武岩微量元素的原始地幔标准化分布曲线显示(图1-36)，本区玄武岩的大离子亲石元素(LILE)和轻稀土元素(LREE)呈富集型式。早第三纪拉斑玄武岩的Nb相对于La(或Ce)略呈负异常，与北美西南部的科罗拉多河谷槽地(CRT)在早中新世拉伸作用之前和拉伸作用之初的第一组玄武岩相似;而新近纪的碱性玄武岩和拉斑玄武岩的Nb增高而呈正异常，与南海海盆新近纪海底火山玄武岩及科罗拉多河谷槽地第二组玄武岩相似。本区古近纪玄武岩及安山岩的Ti/Yb，Nb/La和Nb/Y值较低，但K/P值较高，而Ba/Nb，K/Ba值变化范围较大;新近纪玄武岩的Ti/Yb，Nb/La和Nb/Y值则较高，但K/P值较低，而Ba/Nb，K/Ba值变化较小(表1-12)。这可能反映岩浆源区特征或地壳混染程度的差异。

火山岩系列和类型的划分是火成岩岩石学研究中的一个重要方面，在岩石的成因与演化的研究中，以及对火成岩形成的构造环境都具有十分重要的意义。
（一）火山岩岩石学特征
长岭断陷钻遇的深层火山岩主要有溢流相的火山熔岩及爆发相的火山碎屑岩。根据火山岩的化学成分，采用国际地科联推荐的火山岩硅—全碱（TAS）分类方案（LeBas等，1986），对区内火山岩进行了分类命名（图2-48）。由图可看出，火石岭组的岩石类型较多，包括玄武安山岩、安山岩、英安岩、流纹岩及相对偏碱性的玄武粗安岩、粗安岩和粗面岩，且中性成分的岩石占有较大的比例。营城组则出现典型的玄武岩，并有较多的流纹岩，而中性成分的岩石相对较少，具有双峰式的火山岩组合特征。
（二）火山岩地球化学特征
以下分别分析玄武质火山岩、流纹质火山岩和安山质火山岩的地球化学特征。
1.玄武质火山岩
营城组玄武岩在主量元素组成上具有相对贫硅（SiO2含量44.70%～45.43%）、富碱（K2O+Na2O含量4.73%～5.03%）、富钛（TiO2含量2.69%～2.74%）的特征，其Al2O3含量（15.03%～15.56%）较中国东部玄武岩的平均值（14.44%，王德滋，1982）略高，而MgO含量（4.50%～5.18%）则较低，这一成分特征也指示其为经历一定程度演化岩浆结晶的产物。在硅碱岩系划分图上，营城组玄武岩落在碱性玄武岩区（图2-49），与辉石矿物化学所指示的岩系归属一致。
与营城组中的玄武岩相比，火石岭组中玄武岩的SiO2、Na2O及K2O+Na2O含量明显偏高，而TiO2、FeO及CaO含量则偏低（图2-49，图2-50）。除个别样品外，火石岭组玄武岩多数样品K2O含量较高，在SiO2-K2O关系图上，样品点投影于富钾的钾玄岩系区（图2-49）。已有的研究资料表明，钾玄岩系火山岩多出现于远离海沟的环境（Morrison,1980），结合火石岭组玄武岩相对富碱的特征，指示这套岩石应是远离海沟的陆内伸展引张构造背景下岩浆活动的产物。

图2-48 松南长岭凹陷及邻区火山岩TAS分类图


图2-49 长岭断陷及邻区深层玄武岩SiO2K2O+Na2O岩系划分图

碱性与碱亚性分线界据Irvine＆Baeagar（1971）
2.流纹质火山岩
区内营城组流纹质火山岩的主量元素组成变化范围较大，总体具有低钛特征（TiO2含量0.19%～0.39%），多数样品K2O含量＞Na2O含量，少量相对富钠样品（如DB-14-1,DB-14-7）其过碱指数（AKI值）均在0.85以上，类似于A型花岗岩（Whalen等，1987），部分富钾流纹岩的过碱指数也较高，如DBl1-1为0.92。由于本区流纹质火山岩主要是火山碎屑岩，加之K2O、Na2O等组分在后期地质作用过程中活动性较强，因此，这套岩石的类型归属，将在后文通过较稳定微量元素的组成特征来进一步论述。火石岭组流纹质火山岩的主量元素组成变化范围也较大，加之收集的资料来自松辽盆地的不同地区，因此，未能确定其与营城组流纹质岩石的系统差别。
3.安山质火山岩
营城组中性成分的岩石总体偏少，表现出裂谷环境的双峰式火山岩组合征，少数SiO2属中性岩的样品，其全碱（K2O+Na2O）含量总体偏高，属于玄武粗安质—粗安质/安粗质—粗面质火山岩（图2-48），而火石岭组中性成分岩石所占比例较大，其全碱（K2O+Na2O）含量较之营城组中性成分岩石总体偏低，但也有部分样品落在偏碱性的粗面质火山岩范围内，指示其应形成于大陆内侧伸展引张背景，这与玄武质岩石属钾玄岩系所揭示的成岩环境一致。

图2-50 长岭断陷及邻区营城组与火石岭组玄武岩主量元素组成对比图

1—营城组（本文资料）；2—营城组（闫全人等，2002）；3—火石岭组

我国东部中-新生代裂谷盆地的初始张裂，从北到南盆地发育时期具有依次变新的趋势。松辽盆地晚侏罗世火石岭期开始初始裂陷，辽河盆地晚侏罗-古新世为裂谷初期，济阳坳陷和苏北盆地晚侏罗-早白垩世为裂谷初期，珠江口盆地晚白垩-渐新世初期才进入初始裂谷阶段。该阶段火山活动相对强烈，分布范围有限。

松辽盆地晚侏罗世-早白垩世早期火山活动最活跃，具有中基性-中酸性-中基性火山喷发旋回，火山溢流-爆发交替出现。火石岭组火山岩下部是中基性的安山岩、安山英安岩、玄武粗安岩，属于碱性系列，上部是酸性的流纹岩属于亚碱性系列中的钙碱性系列(表1-10)。

中国东部中生代火山岩的稀土元素含量相对较高，分异程度较大;铕(Eu)负异常不很强烈，但酸性岩和少部分中性岩表现出一定的铕负异常。松辽盆地中生代火山岩的稀土元素表现为强烈Eu亏损，曲线出现V字形(图1-19)。与松辽盆地中生代火山岩相比(图1-20)，渤海湾盆地和南华北盆地火山岩稀土元素的分异度都较低，铕负异常不明显。

渤海湾盆地中生代火山岩岩石类型有玄武安山岩、玄武粗面安山岩、粗面安山岩、安山岩、英安岩和流纹岩，以钙碱性系列为主。SiO₂-K₂O图投影主要分布于高钾区。稀土元素总量80×10^-6～170×10^-6，呈强分异型曲线特征(LREE/HREE=10±;(La/Lu)_N=15±)，除部分流纹岩(δEu=0.70±)外，铕负异常不明显(δEu=0.90～1.00)，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.70600～0.70916。渤海湾盆地中生代火山岩稀土元素的分异特征与义县盆地相当，重稀土元素的分异度高于松辽盆地火山岩。

表1-10 火石岭旋回岩石化学成分^［45］

图1-19 松辽盆地中生代中酸性火山岩稀土元素配分模式图^［12］

图1-20 渤海湾盆地新生代火山岩稀土元素配分模式^［12］

济阳坳陷中生代火山岩碱度指数反映出，从碱性向钙碱性、钙性演变，岩石类型从辉绿岩向闪长玢岩演变。火山岩球粒陨石标准化模式(图1-21)曲线明显右倾，Eu无异常，为轻稀土元素富集型分布模式。LREE/HREE为11.49～32.99，(La/Yb)_N为17.7～54.2，也显示出强烈的轻稀土元素富集特征。LREE的富集表明这些岩石产于岛弧和弧后盆地区。火山岩的多元素地球化学模式(图1-22)显示，Sr、Rb、Ba、Th强烈富集，Ti、Y、Yb、Sc、Cr亏损，并伴有Co的富集，缺少明显的Sm富集特征，而与同期侵位的岩脉略有不同，但其地球化学模式总的还是与智利钙碱性大陆岛弧玄武岩相似。在Hf/3-Th-Ta图解中，它们也落入岛弧区(图1-23)。结合稀土元素配分特征表明，这些火山岩形成于挤压构造背景条件下的弧后盆地区。

苏北盆地中生代火山活动集中在晚侏罗世，火山岩主要为粗面岩、安粗岩、安山岩及凝灰岩，属安粗岩系，是一种碱性系列岩石，由特殊的原生岩浆———安粗岩浆固结而成，起源于上地幔的独立岩浆体系。安粗岩系的特征为:化学成分上富钾和铝，贫硅和钛;钾长石与普通辉石及中基性斜长石共生;产于大陆边缘地区;与深大断裂带密切相关。

图1-21 济阳坳陷中生代火山岩球粒陨石标准化模式^［46］

图1-22 济阳坳陷中生代火山岩地球化学形式图^［46］

图1-23 济阳坳陷Hf/3-Th-Ta构造环境判别图^［46］

珠江口盆地裂谷发育相对较晚，早白垩世由于太平洋板块向欧亚板块东南缘俯冲消减，南海北部陆缘才开始发生隆起-张裂，伴生有中酸性、基性火山岩。

整体上来说，该阶段以中酸性、中基性火山岩为特征，以中心式喷发火山活动为主。

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