大别隆起和下扬子拗陷岩石系列演化探讨
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发布时间：2022-04-23 18:00
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时间：2023-11-01 09:16
大别地区的燕山期火成岩长期以来一直笼统的称作钙碱性系列，只是在最近，马昌前等识别出钾玄质岩石。但其认为高钾钙碱性-钾玄质岩石在整个中生代均在活动并分出3期，时代从晚三叠世到早白垩世（210～95 Ma），岩浆活动期次的划分则是根据不同时代测定的同位素年龄。根据我们的岩浆活动期次划分方案，只是在燕山早期，大别地区属于高钾钙碱性-钾玄岩组合（末期在个别地区出现碱性岩系列），晚期为双峰式组合。
Morrison对钾玄岩提出9条判别标志作为钾玄岩的判别标准：
1）玄武岩中硅接近饱和，标准矿物石英或霞石很少出现；
2）铁的富集程度较低，在AFM图解上趋势线平滑；
3）全碱含量较高，K2O＋Na2O＞5％；
4）高的K2O/Na2O比值（SiO2＝50％时＞0.6，SiO2＝55％时＞1.0）；
5）K2O-SiO2图上，SiO2＜57％时为陡的正斜率（K和Si同步增加）；
6）富集P、Rb、Sr、Ba、Pb、LREE（主要是大离子亲石元素）；
7）高的Fe2O3/FeO（＞0.5）。
大别地区燕山早期的火山岩和侵入岩在Alk-SiO2图解都位于碱性和亚碱性界线的两侧，在SiO2-K2O图解上分布在高钾钙碱性-钾玄岩系列范围，并且都表现出K与Si的同步增长。在AFM图解上的富铁趋势不明显（参见图2-29、2-30、2-31、2-33、2-34、2-35），主要表现为富碱趋势，有较高Fe2O3/FeO比值。大离子亲石元素富集。因此，本区燕山早期岩浆岩为高钾钙碱性-钾玄岩系列的组合。由此看来，高钾钙碱性-钾玄岩系列在大别地区为一套较为连续的岩石，具有碱性和亚碱性过渡的特征，这也是造山带钾玄岩系列的一个特点。
大别地区的燕山早期岩浆岩K2O的含量高，（Na2O）/K2O比值绝大多数＞1（191个样品中有4个＞1），因此，大别地区燕山早期岩浆岩属钾质系列无疑。但K2O和Na2O之间的相对含量却有变化。在火山岩107个样品中，K2O/Na2O有40个样品比值＜1，并且主要在早期的毛坦厂旋回中。在侵入岩89个样品中，有24个样品比值＜1，多数也是演化早期的闪长岩-石英闪长岩类。因此，本区燕山早期岩浆演化过程中，有一个在高钾背景下从相对富钠到富钾的演变趋势。虽然本期岩浆岩LREE富集，HREE和Y亏损，但由于有较高的钾/钠比值，从总体上看还不能归为所谓的埃达克岩。但是，本区有异常高的大离子亲石元素丰度，特别是Ba和Sr，在Rb-Sr-Ba图解上，主要分布在高Ba-Sr花岗岩区（图2-86）。
图2-86 大别地区燕山早期岩浆岩的Rb-Sr-Ba图解（据Tarney and Jones，转引自王强2001）
综合岩石化学和微量元素特点，大别地区燕山早期岩浆岩为高钾钙碱性-钾玄岩系列，主要为富钾的高Ba-Sr岩石。
大别山北部的基性超镁铁岩，形成时代长期以来被认为是燕山期以前。我们的工作和Jahn et al.、Li et al.、Hackerand Wang证明其为早白垩世。它们与早白垩世同时广泛发育的酸性岩构成双峰式岩石组合。
在岩石化学成分上，双峰式组合的特征清楚，与大致同时的天堂寨、九资河岩体微量元素图谱基本相同，但酸性岩的大离子亲石元素更为富集；稀土总量和LREE也更高，并出现了负铕异常，这都说明两者具有同源演化的特征，双峰式组合可以进一步确定。
大别地区的岩浆岩从燕山早期到燕山晚期，岩石从（富Ba-Sr）高钾钙碱性-钾玄岩系列演变到双峰式火山岩组合。
20世纪90年代以前，安徽沿江的下扬子地区多认为岩浆岩为钙碱性系列或者碱性系列组成。90年代以来，本区钾玄岩（shoshonite，或称橄榄安粗岩）系列得到很多研究者的重视。最近，关于本区埃达克岩（adaknite）的报道也有很多。这些认识对于本区岩浆系列研究都是极有启发的。但必须指出的是，一个岩石系列并不能代表区内中生代岩浆岩的全部，把钙碱性系列、碱性系列、钾玄岩系列、埃达克质岩等作为沿江地区唯一岩石系列的做法没有反映本区岩浆演化规律。
各期次岩浆岩的K2O含量仍然较高，从3.02％～6.78％，平均4.95％。（Na2O-2）＜K2O，属于钾质系列。通过对岩石化学分析资料进一步分析发现，依据K2O/Na2O比值，在高钾背景下沿江地区仍可以划分为相对富钾和富钠两种类型，两类岩浆岩与我们的两期岩浆活动划分正好吻合，即早期（火山岩0.92和侵入岩0.69）为相对富钠亚类，晚期（火山岩2.33和侵入岩1.28）为相对富钾亚类（图2-87）。
图2-87 沿江地区中生代岩浆岩K2O-Na2O图解
安徽沿江地区燕山早期岩浆岩在Alk-SiO2图解位于碱性和亚碱性界线的两侧，但火山岩主要分布在碱性岩区。AFM图解上，仍然表现出富碱趋势（图2-88），不出现富铁趋势。在SiO2-K2O图解上分布在高钾钙碱性-钾玄岩系列范围（图2-89）。因此，沿江地区燕山早期岩浆岩为高钾钙碱性-钾玄岩系列，和大别地区同类型岩石一样具有碱性和亚碱性过渡的特征。
埃达克岩是具有特定地球化学特征的一套中酸性富钠火山岩和侵入岩组合。依据其地球化学标志（Defant and Drummond，1993；Martin，1999）：SiO2≥56％，Al2O3≥15％，MgO＜3％（很少＞6％），亏损重稀土HREE和Y（Y≤18×10-6、Yb≤1.9×10-6），高Sr（≥400×10 -6），LREE富集，无Eu异常或有轻微的负Eu异常，εN d≥0。从区内火成岩一些地球化学分析结果看，沿江地区燕山早期岩浆岩具有埃达克岩的某些特征。Na2O含量较高，火山岩平均4.63，侵入岩平均4.5；K2O/Na2O分别为0.92和0.69，为区内最低；Al2O3含量大多数＞15％，平均分别为16.95％和16.21％，Y含量低，分别为19.21×10-6和12.21×10-6；Sr含量高，为441.56×10-6和521.45×10-6。但在Sr/Y-Y图解（图2-90）上，只有侵入岩多落在埃达克岩区，火山岩落在正常安山岩（英安岩、流纹岩）和埃达克岩交界区的安山岩一侧。在SiO2-MgO图解（图2-91）上，火山岩的大量样品落在埃达克岩范围之外。从图2-87也可以看出，本期岩浆岩的Na2O/K2O有不少样品＜1。
图2-88 沿江地区燕山早期岩浆岩A-F-M图解
图2-89 沿江地区燕山早期岩浆岩K2O-SiO2图解
图2-90 沿江地区燕山早期岩浆岩Sr/Y-Y图解（据 Defant and Drummond，1993 ）
图2-91 沿江地区燕山早期火山岩SiO2-MgO图解（据Martin，1999）
在K-Na-Ca图解（图2-92）上，本区岩浆岩基本介于岛弧区和埃达克岩之间，反映本区的特殊性。
本期的岩浆岩也具有强烈富集Ba、Sr特征，侵入岩分别达到1163×10-6和1189×10-6，火山岩达到947×10-6和442×10-6。具有较低的Sr初始比值，0.706～0.707。侵入岩εNd值从-16.6～＋1.4，平均-8.69，为本区较高的εNd值。火山岩εNd值更高，平均为-4.3，为本区最高的εNd值。
据现有资料，埃达克岩主要出露在太平洋及其周边地区，通常解释为年青的（＜25 Ma，因此是热的）俯冲的MORB在75～85km深处部分熔融形成的，少数是底侵的玄武岩部分熔融的产物。
图2-92 大别隆起和下扬子拗陷K-Na-Ca图解
综合上述特点，我们认为下扬子拗陷燕山早期岩浆岩作为一个完整的岩石组合，总体上应该为高钾钙碱性-钾玄岩系列。在某些地球化学特征上与埃达克质岩石相似，可能说明在成岩环境上与埃达克质岩有相同之处。
下扬子拗陷燕山晚期的岩浆岩和燕山早期不同，火成岩岩石普遍富钾，K2O/Na2O比值火山岩和侵入岩平均值分别为2.33和1.28，比早期的同类岩石升高了1倍。研究表明：区内火山岩为钾玄岩系列岩石（宁芜盆地娘娘山组出现的假白榴石响岩，归为碱性岩系列），晚阶段出现少量的双峰式，A型花岗岩最后侵入。
下扬子拗陷燕山晚期火山岩落在碱性岩区，富钾、高铝、低钛为主要岩石化学特征（Morrison，1980），微量元素富集大离子亲石元素和LREE。和早期火山岩相比，本期岩石更加富钾（6.78％）、富铝（18.27％）、低钛（0.68％），大离子亲石元素Sr、Rb、Cs等均有不同程度的增加，但Ba有减少，LREE的总量也有很大的增加（平均值从128.36×10-6增加到261.85×10-6）。在SiO2-K2O图上，样品的位置最高。这些特征符合Mor-rison的钾玄岩系列划分标志，因此沿江地区燕山晚期火山岩为钾玄岩系列，但我们将出现白榴石响岩的娘娘山组仍然归为碱性岩系列。
在安徽沿江地区，除了庐枞和宁芜两个较大的火山盆地，还有怀宁、繁昌、贵池等几个很小的火山盆地，前人均将其内部的火山产物与庐枞和宁芜盆地对比。本次工作经过野外调查和对比研究后认为，这些较小的火山盆地的火山岩系，下部可以和庐枞、宁芜地区对比，其上部的一套含橄榄石、辉石粗面玄武岩、钾长流纹岩特别是后者，并不能和上述两个盆地任何层位对比。考虑到同位素年龄，江镇组为102.5～89.8 Ma，蝌蚪山组为115.4 Ma（常印佛，1991），结合岩浆岩的一般演化规律，我们认为这些小的火山盆地的上部（江镇组、蝌蚪山组）层位应该位于庐枞和宁芜地区火山岩之上。这是一套比较典型的双峰式组合。
下扬子地区除安徽怀宁、贵池、繁昌盆地外，溧水、金宝等火山盆地的顶部都有一套流纹质岩石，其下有时可见到基性岩。实际上，应该都为这一套双峰式火山岩的产物，只是各地表现的不完全相同，而以怀宁最为典型。双峰式组合的现象早有很多研究者认识到（常印佛，1991 ；邢凤鸣，1999），但都将它们和庐枞、宁芜盆地的火山岩作平行对比，从而忽略了这套双峰式火山岩在本区岩浆演化和大地构造环境变迁方面的意义。
区内燕山晚期的正长岩类，从岩石系列而言，属于高钾钙碱性系列。王德滋（1985）、章邦桐（1988）最早认为可与A型花岗岩类比，吴才来、邢凤鸣等（1999）也做了一些工作。A型花岗岩以贫水、富碱、非造山为基本特点（Pitcher，1993；Whalen etal.，1987），在地球化学方面，以高的SiO2、Na2O ＋K2O、Zr、Nb、Ga、Sn、Y和REE（Eu除外），低的CaO、Ba、Sr为特征。本期侵入岩的高SiO2（65％）、高碱（10.7％）及高场强元素（Th、Zr、Hf、Nb）偏高，而大离子亲石元素Sr、Ba较低（27.3×10-6和182.9×10-6，为研究区内最低）。Collins（1982）、Whalen（1987）、Eby（1990）均认为Ga/Al值作为A型花岗岩的一个重要判别基础，本期岩石的Ga/Al值在2.11～5.13之间（邢凤鸣，1999），与国外的A型花岗岩相似。因此，本期侵入岩属A型花岗岩无疑。
从上述论述可知，沿江地区燕山期的岩浆活动从早期的高钾钙碱性-钾玄岩系列，演化到燕山晚期的钾玄岩系列（晚阶段部分地区出现少量碱性岩系列），最后出现双峰式以及A型花岗岩。
大别隆起和下扬子拗陷岩石系列的演化对比：空间上紧邻的大别地区和沿江地区燕山期岩浆岩，前人一直将其视为不同的岩浆岩带或区进行描述（安徽省地矿局，1987；毛建仁等，1996；邢凤鸣等，1999）。这其中有早期原有大地构造分区的影响，前者属于秦岭-大别造山带，后者属于扬子板块。也有火成岩出露的差别，大别地区岩基和大型岩株很多，火山盆地小；而沿江地区主要为小型岩株，火山盆地较大。但这只是表象上的差别，在岩浆演化上，两个地区在燕山期有很多共同之处。
两个地区的火山岩都是从高钾钙碱性向钾玄岩系列演化，这在SiO2-K2O图表现得很清楚。火山岩的末期，都出现少量碱性岩（在两个地区个别地点均出现似长石类矿物白榴石）。随后出现的双峰式组合，大别地区目前以侵入岩的形式表现，沿江地区以火山岩的形式表现。但不能排除大别地区也出现过双峰式火山岩，只是由于后来的抬升而被剥蚀殆尽的可能性。对于亚碱性的岩石系列，AFM图解上的分布可以反映系列的演化趋势，对于不同地区而言，趋势线在图中的位置是不同的，但其分布趋势及其所代表的岩石学意义和地质意义相同或者相似。从图2-93可以看出，大别地区和沿江地区岩浆岩在AFM图解上具有一样的位置和分布趋势：从早期到晚期，向富碱的A端靠近。和阿留申-小安得列斯火山弧的钙碱性系列火山岩演化趋势相似（Bowen，1982），具有典型造山带火成岩的分异特点。
稀土元素，大别地区和沿江地区均从早期的负铕异常不明显到晚期的具有明显富铀异常，也反映了岩石系列演化的相似性。
由上述情况可以看出，燕山期大别地区和沿江地区在时间序次方面，有着相同的岩石系列演化路径：高钾钙碱性系列-钾玄岩系列-碱性岩系列-双峰式组合，不同的是在沿江地区，最后是以A型花岗岩的侵位结束燕山期的岩浆活动。大别地区的北部，金寨一带，出现数个正长花岗岩体，同位素年龄为87～104 Ma（1：5万金寨幅、油店幅），具有很强的负Eu异常，是否代表与沿江地区相同的A型花岗岩还有待研究。总之，大别地区和沿江地区有基本相同的岩浆演化序列，反映一个较为完整的造山沿江旋回，对应岩石圈的不断减薄。
图2-93 安徽中部岩浆岩的AFM图解
安徽中部钾玄岩发育的原因：钾玄岩（shoshonite），有人译作橄榄安粗岩或者橄榄玄粗岩（邓晋福等，2004）。它是一套富钾的火山岩石，主要是由粗面玄武岩、安粗岩、粗安岩和粗面岩构成的岩石组合。虽然钾玄岩来自于火山岩的研究，但我国一些研究者（邢凤鸣等，1999；马昌前等，1992）也将其运用到侵入岩研究中。
Shoshonite 的名称最初是 Iddings（1895）对美国黄石公园一种含钾长石的玄武岩的命名。Joplin（1968）把它作为一个岩石系列的名称（Shoshonitic magmatic series）用于一套由玄武质到粗面质的岩石，并把它看作与碱性玄武岩系列对应的富钾岩石系列。Jakes 和Gill（1972）把年轻岛弧岩石按化学成分特征划分为橄榄安粗质、拉斑玄武质和钙碱质三种组合。Peccerillo 和 Taylor（1976）在研究土耳其始新世火山岩时，用K2O-SiO2图解把钾玄岩系与岛弧拉斑玄武岩系、钙碱性岩系和高钾钙碱性岩系分开，这使得从化学成分上划分钾玄岩系有了量的标准，但他们没有把SiO2＞63％的酸性岩包括进来。Morrison（1980）总结了钾玄岩系的特点，提出了钾玄岩系列区别于碱性玄武岩系列、钙碱性系列、拉斑玄武质系列的判别标准。钾玄岩系列以高碱质不同于亚碱性系列的岩石，而与碱性玄武岩系列相似，但又以富钾、低钛和弱的富铁趋势和碱性玄武岩相区别。Meen（1987，1990）通过实验和地球化学对比，提出某些钙碱性玄武岩浆能形成钾玄岩，并认为火山岩的K2O/SiO2比值主要是与岩浆生成时所受的压力有关。
钾玄岩的成因虽然有争论，但目前占主流的观点认为钾玄岩来源于富集地幔，有来自消减带的水和LILE加入或者经历陆壳的混染。Meen 认为是玄武岩在高压下分离结晶形成。
根据走廊带大地构造环境，我们对北部燕山期钾玄岩非常发育的原因作进一步探讨。岩石化学和地球化学特征表明，大别隆起和下扬子拗陷钾玄岩系列岩石在成因上与富集地幔关系密切，但都有地壳物质的加入混染。这种混染很可能不是发生在岩浆上升过程中，因为本区特别高的Ba、Sr、K仅用地壳物质的混染也不能说明它们的高度富集。所以，混染应该发生在源区。这样，我们首先可以得出一个有用的结论，这些钾玄岩最有可能的源区即为壳幔接合部位或者下地壳的底部。尽管地球化学特点显示出钾玄岩和富集地幔的紧密联系，但同位素资料指出，大别地区和沿江地区有着不尽相同的源岩。在εNd-ISr图解上，大别地区紧邻下地壳，源岩以地壳物质为主；而沿江地区位于地幔阵列或者地幔原点附近，源岩以地幔物质为主。所以，源岩的差别并没有完全制约钾玄岩的形成。那么，什么因素占主导地位？ 在上节中，我们提到了Meen（1987，1990）、Peacock（1994）的两个实验岩石结果。我们并不赞成把本区一些岩石归为埃达克（质）岩，但并不能否认岩石地球化学特征和实验岩石学的结果。虽然Meen的实验主要针对岩石化学（K2O和SiO2）的变化，Peacock的实验主要针对地球化学（稀土元素）的变化，但我们注意到，这些实验结果一个共同的认识是，要想取得这些岩石特定的岩石化学或者地球化学特征，压力的范围是受到*的，Meen的范围是1.0～1.5GPa，Peacock 的范围是1.8～2.2GPa，结合本文其他方法推算的岩浆起源厚度，我们认为1.5～2.0 GPa压力作为钾玄岩形成时的压力是合理的。从上面的论述中，我们可以认为本区钾玄岩形成于深度约50～65km的壳幔边界，这也同时表明，地壳的厚度也大致相当，是一个加厚的地壳。
加厚的地壳从何而来，形成它的动力学原因是什么？
该区燕山期地球化学的突出特点是负Nb、Ti异常，大离子亲石元素K、Sr、Ba和LILE富集。负Nb异常是与俯冲有关的岩浆的共同特点（Briqueu et al.）。但部分研究者（王强等，2001；王元龙等，2001；许继峰等，2001）认为本区这些特点并不和板块俯冲有联系。我们注意到以下一些地质事实，本区钾玄岩形成时间上有迁移，即西早东晚；邓晋福（1996）的资料指出，K60从西部的庐枞盆地到东部宁芜盆地、溧水、溧阳盆地，K60逐渐降低，由于K60和地壳厚度有很好的相关性，因此，本区燕山期表现出很好的极性，而这正是俯冲带火山岩的特征之一。在更大范围，从本区向东南，经皖南到浙闽沿海，晚中生代火山岩从钾玄岩系列一高钾钙碱性系列—钙碱性系列上看，大区域的火山岩极性表现的更为清楚。所以，燕山期太平洋板块的俯冲是本区最大的动力学条件，就是在俯冲的挤压背景下，本区的地壳得到加厚。从中国东部燕山期钾玄岩-高钾钙碱性-钙碱性系列分布，我们还可以得出一个推论，即当时的俯冲方向是北西一北北西，而不是现在的正西。这与 Engebretson（1985）根据古地磁数据得出的结论非常相似。
俯冲机制还很好地解决了富集地幔的来源问题。由于太平洋板块的俯冲，大量的泥质沉积物或近海沉积物被卷入下地壳或上地幔，这一过程中发生去碱、去硅、去气作用，形成超钾上升流体，进入上覆的地幔中发生交代作用，形成富集地幔。
综合上述分析，形成模式可以用图2-94概括。
图2-94 钾玄岩形成示意图
从上述讨论和图2-95中，我们可以认为，俯冲带壳幔交换作用形成富集地幔提供了钾玄岩的地球化学背景，而它的挤压应力场造成的地壳加厚，则为钾玄岩的形成提供了所需的压力条件。两个条件缺一不可。
那么，在燕山期，哪些地区符合这些条件从而容易产生钾玄岩？或者我们要问：本区燕山期钾玄岩广泛发育原因是什么？
要回答这个问题，让我们把观察的角度从垂向转到平面。图2-95表示中国东部的构造框架，在燕山期，当 Izanagi 板块向北西方向俯冲时，必定对中国东部*产生挤压，俯冲带前端的华夏地块和扬子板块向北西传递应力。由于华北板块具有相对刚性的克拉通性质，挤压在华北板块边界处受阻，导致地壳加厚。它类似于逆冲断层前缘受阻出现背驮式构造使地层加厚的情形。从图2-95可以看出，受阻加厚最可能、最有利的地区为扬子板块和华北板块相邻的三角地带，即东至-青阳-常州断裂以北、郯庐断裂两侧的区域，这就是这一区域为什么有这么多的钾玄岩的重要原因。它与王德滋划分的橄榄安粗岩省正好吻合，许多与钾玄岩类似的钾质岩系也在这一地区不断发现。
我们可以概括钾玄岩的岩石大地构造背景：有一个富集地幔，在加厚的地壳达到45km左右的深度时，壳幔边界的物质在此压力下熔出钾玄岩质的岩浆。最有利的构造背景是汇聚板块的边缘，可以形成富集地幔和挤压环境。但不同地质背景下产生的钾玄岩系可能有所差异（表2-9）。本区TiO2最低，Zr、Nb低于青藏陆内造山钾玄岩而高于大洋俯冲弧的钾玄岩和安山岩。这可能暗示本区燕山期的大地构造性质介于两者之间，本区有自己的特殊性。
图2-95 中国东部构造单元和苏鲁皖地区钾玄岩分布示意图（图中S为钾玄岩分布地区）
表2-9 不同构造背景下钾玄岩的Ti、Zr、Nb值的比较
注：青藏地区和大洋俯冲弧的资料据邓晋福等，1996。
王德滋、王元龙认为钾玄岩形成于拉张为主的区域地质背景，这与我们的分析有所不同。根据安徽中部的岩浆作用特点，拉张背景的出现是在钾玄岩形成之后，以双峰式组合为标志。
我们从以上讨论还可以得出3个推论：
1）钾玄岩的出现标志一个加厚的地壳出现（配合负Eu异常的使用将会更加有效）；
2）由于熔出钾玄岩之后，壳幔交界处的岩石比重和密度增大，随之将发生拆沉，出现代表拉张环境的双峰式或者A型花岗岩组合。
3）从钾玄岩（以及高钾钙碱性）系列到双峰式（A型花岗岩）组合，代表一个陆内造山岩浆旋回。钾玄岩的出现标志早期的挤压阶段，双峰式标志晚期的伸展阶段，A型花岗岩的出现标志造山带的最后崩塌。
