地质通报  2019, Vol. 38 Issue (4): 689-695  
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袁晓博, 方念乔. 三水盆地中渐新世火山记录的新建与南海扩张[J]. 地质通报, 2019, 38(4): 689-695.
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Yuan X B, Fang N Q. The new volcanics record in Sanshui Basin and its relationship with the spreading of the South China Sea[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(4): 689-695.
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基金项目

国家自然科学基金项目《三水盆地及周边地区古近纪火山-沉积组合与南海早期演化》(批准号:41572207)

作者简介

袁晓博(1987-), 男, 在读博士生, 从事海洋地质、大地构造方面的研究。E-mail:xiaoboyuan@cugb.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2018-06-18
修订日期: 2018-12-05
三水盆地中渐新世火山记录的新建与南海扩张
袁晓博 , 方念乔     
中国地质大学(北京)海洋学院, 北京 100083
摘要: 三水盆地是南海北部邻区陆域唯一具有新生代火山活动记录的盆地,最晚一期火山喷发时间是38Ma,也是南海北部陆域已知的在南海扩张之前最晚的火山喷发年代。应用K-Ar同位素年代测定方法,首次发现三水盆地存在29.27±1.52Ma的玄武岩和28.25±1.14Ma的流纹岩,构造判别图解指示其产出环境是板内拉张,与盆地之前火山类型一致,为双峰式火山岩,玄武岩具有与洋岛玄武岩相似的地球化学特征,流纹岩具有与A型花岗岩相似的地球化学特征,且玄武岩与流纹岩均与其他地区地幔柱成因火山岩具有相似的地球化学特征。这一代表板内破裂的双峰式火山记录将南海北部陆缘的火山喷发活动从早先已知的古新世-中始新世延续至渐新世中期,众所周知,南海的开裂起始时间约在32Ma,对于南海扩张期间周边陆域是否存在相关联的火山活动及建立南海早期开裂模式具有重要意义。
关键词: 三水盆地    渐新世火山岩    K-Ar同位素    双峰式    南海开裂    
The new volcanics record in Sanshui Basin and its relationship with the spreading of the South China Sea
YUAN Xiaobo, FANG Nianqiao     
School of Ocean Sciences, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: Sanshui Basin is the only basin that has Cenozoic volcanic records in the northern adjacent land area of the South China Sea, and the age of the last volcanic eruption in this basin is 38Ma. This age is also the last eruption age before the South China Sea spreading in its northern land. Based on the K-Ar isotope dating method, the basalts (29.27±1.52Ma) and rhyolite (28.25±1.14Ma) were first found in Sanshui Basin. This bimodal volcanic rock that represents intraplate rifting tectonic setting postponed the volcanic records from Palaeocene-Middle Eocene to Mid-Oligocene. As we all know, the initial age of the South China Sea spreading is about 32Ma. So, it has great significance to answer if there is the relationship between the South China Sea spreading and its surrounding land volcanic activity. Meanwhile, the findings have important significance for establishing early spreading evolution model of the South China Sea.
Key words: Sanshui Basin    Oligocene volcanic rock    K-Ar isotope    bimodal    the South China Sea spreading    

三水盆地是南海北部陆缘唯一具有大规模新生代火山喷发记录的沉积盆地。盆地新生代火山喷发组合以粗面岩、玄武岩和流纹岩为代表,总体体现板内的大陆裂谷环境[1-10]。根据前人研究,三水盆地存在13期火山喷发[1-2, 5-6, 8, 11],其中大多数集中于古新世和始新世。时代最新的玄武岩年龄为38Ma[12],这也是南海北部大陆边缘地区迄今获得的南海扩张之前最晚的火山喷发年龄。本文报道的西樵山独岗流纹岩和石头村玄武岩样品是新近采得,应用K-Ar法经过严格的测试和检验,分别测得28.25Ma和29.27Ma的同位素地质年龄。这一新的结果将三水盆地的火山喷发序列推迟至渐新世中期,也改变了长期以来关于南海扩张期间(32~ 16Ma)无陆上火山喷发活动的传统认识,对于区域构造环境的解读和南海扩张过程的研究具有重要意义。

1 地质背景

三水盆地位于广东省南部,是中国华南大陆最贴近南海的内陆盆地。盆地主要断裂带是吴川-四会断裂带、西江断裂带和三水-西樵山断裂带,新生代地层自下而上有莘庄村组、㘵心组、宝月组和华涌组。

三水盆地是南海北部唯一存在早新生代大规模火山喷发的陆缘盆地,前人总结的13期火山喷发活动中绝大部分(10~11期)发生在古新世—中始新世(60.5~38Ma),喷发岩的主要种类为玄武岩、粗面岩和流纹岩,地表出露地点主要有紫洞、王借岗、走马营、西樵山、狮岭、黎边山等地,基性岩与中酸性岩呈近南北向双列线性展布。本文分析样品是采自石头村的玄武岩和独岗的流纹岩(图 1)。

图 1 三水盆地火山岩样品位置分布(底图据参考文献[13-14];资料据参考文献[11-12, 15-16]) Fig.1 The simplified geological map and the distribution of samples in Sanshui Basin

西樵山是三水盆地出露面积最大的火山喷发点,各类熔岩、集块岩、熔结凝灰岩、凝灰岩发育齐全。根据以往报道,该地粗面岩数量巨大,年龄一般为45Ma,是盆地火山活动最强烈的第10期喷发的主要代表。独岗贴近西樵山,可能是西樵山火山体系的一部分,也可能属于后期的独立喷发。独岗岩体呈灰黄色,柱状节理非常发育,化学分析结果表明其为典型的流纹岩。石头村位于三水盆地东北部,是盆地内玄武岩出露的主要地区之一,但随着当地经济建设的发展,露头已被挖掘殆尽,本文的分析样品来自某工程施工现场。

2 K-Ar年代测试

测试玄武岩选用剔除斑晶的基质,流纹岩选用透长石单矿物,测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成,K含量测量采用锂内标钠缓冲火焰光度计法,火焰光度计型号为6400,所用标样为房山花岗闪长岩体黑云母(编号ZBH-25)和腾冲芒棒玄武岩(编号TC-18)。Ar含量测量采用VSS-RGA-10质谱计,稀释法静态测量,标样为房山花岗闪长岩体黑云母(编号ZBH-25)。计算过程中的标准值据桑海清等[17]。计算所用衰变常数λ= 5.543×10-10/a,40K/∑K=1.167×10-4

玄武岩测试年龄为29.27±1.52Ma,流纹岩测试结果为28.25±1.14Ma,均属渐新世,具体测试结果见表 1。测试过程中所选标样房山花岗闪长岩体黑云母(编号ZBH-25)K含量标准值为7.60%,实测值7.04%,腾冲芒棒玄武岩(编号TC-18)K含量标准值1.04%,实测值1.01%。Ar含量测量标样ZBH-25标准值为132.9±1.3Ma,实测值为132.47Ma。测试方法合理,数据可靠,笔者认为测试年龄可为后续科学研究提供可靠的年代学依据。

表 1 三水盆地火山岩K-Ar测年数据结果 Table 1 The K-Ar isotopic dating results of the volcanic rocks in Sanshui Basin
3 岩石矿物和地球化学特征 3.1 岩石矿物学特征

石头村玄武岩呈黑色,少见气孔,具斑状结构(图 2-a),斑晶为斜长石(15%)、橄榄石(10%)和辉石(5%)。基质为拉斑玄武结构,包含斜长石微晶(20%)和火山玻璃(30%),橄榄石形状不规则,晶体较大,有不规则裂纹且个别橄榄石有蛇纹石化现象(图 2-b)。辉石形状较规则,呈八边形,有裂纹,发育较弱的环带,且裂纹穿过环带(图 2-c)。斜长石形状规则,发育大量环带,且环带清晰、完整,无裂纹、无蚀变现象。

图 2 三水盆地石头村玄武岩手标本(a)及显微照片(b、c)(b、c左为单偏光,右为正交光) Fig.2 Hand specimen(a) and photomicrographs(b, c) of Shitoucun basalt in Sanshui Basin b—橄榄石及蛇纹石化;c—辉石环带;Ol—橄榄石;Aug—辉石;Cl—斜长石;Srp—蛇纹石

流纹岩呈灰色,少见气孔,斑状结构,块状构造(图 3-a),矿物组成为长石、石英、黑云母。斑晶主要为碱性长石(10%),偶见长石斑晶中包裹小颗粒长石(图 3-b),碱性长石斑晶呈自形-半自形,有不规则裂纹,大小为1~1.5mm,基质为微晶结构,碱性长石微晶半定向排列,其间充填有玻璃质成分。副矿物为菱铁矿(1%~2%)(图 3-c)。以上岩石矿物特征与前人研究的时代较老的同类岩石一致[5, 11, 18]

图 3 三水盆地独岗流纹岩手标本(a)及显微照片(b、c左为单偏光,右为正交光) Fig.3 Hand specimen(a) and photomicrographs(b, c) of Dugang rhyolite in Sanshui Basin b—长石;c—菱铁矿及辉石;Aug—辉石;Afs—碱性长石;Mgs—菱铁矿
3.2 地球化学特征

石头村玄武岩和独岗流纹岩元素地球化学分析数据见表 2。石头村玄武岩(图 4)SiO2含量为47.57%,TiO2含量为2.78%(大于2%),K2O+Na2O含量为4.54%,且Na2O>K2O。该类岩石富集Nb、Ta、Zr、Hf等不相容元素,稀土元素总量为133.74×10-6,轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,La/Yb值为12.12,Ce/Yb值为25.1。在微量元素蛛网图上具有与OIB(洋岛玄武岩)相似的地球化学特征(图 5- a)。La/Nb值为0.45,Nb/Zr值为0.28,Th/Nb值为0.05,与地幔热柱玄武岩特征相似[19-20]。构造环境投图判别为板内玄武岩(图 6-a)。以上特征均与盆地时代较老的玄武岩一致(图 5-a),指示伸展拉张的陆内裂谷环境。

表 2 三水盆地火山岩地球化学数据分析结果 Table 2 The major, trace and rare earth elements analysis data of the volcanic rocks in Sanshui Basin
图 4 火山岩岩性判别图 Fig.4 SiO2 versus K2O+Na2O diagram for volcanic rocks (底图据参考文献[21];盆地火山岩据参考文献[6-7, 12, 15-16])
图 5 三水盆地玄武岩(a)和流纹岩(b)微量元素蛛网图[22] Fig.5 Trace elements spidergram for basalts (a) and rhyolites (b) in Sanshui Basin (a对比数据据参考文献[6, 12, 15-16, 22];b对比数据据参考文献[5-7, 12, 15-16, 23-24])
图 6 玄武岩(a)和流纹岩(b)构造环境判别图 Fig.6 The discrimination of tectonic setting of basalts (a) and rhyolites (b) (a底图据参考文献[25];数据据参考文献[6-7, 12, 15-16])和流纹岩构造环境判别图;b底图据参考文献[26];A型花岗岩数据据参考文献[27-28];其他对比数据据参考文献[5-7, 12, 15-16, 18])
A—岛弧拉斑玄武岩;B—MORB、岛弧拉斑玄武岩、钙碱玄武岩;C—钙碱性玄武岩;D—板内玄武岩;ORG—洋脊花岗岩;WPG—板内花岗岩;VAG—火山弧花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩

独岗流纹岩(图 4)SiO2含量为70.43%,Na2O为5.47%,K2O为4.99%,Al2O3为14.24%,属高钾钙碱性;富集Nb、Ta、Zr、Hf、Th等不相容元素,亏损Ba、Sr、P、Ti、Eu等;稀土元素总量为781.75×10-6,轻稀土元素总量为708.41×10-6,La/Yb值为10.67,Ce/ Yb值为19.76,具有负Eu异常,构造环境判别图显示其产出于板内环境(图 6-b)。与A型花岗岩特征相似,在微量元素蛛网图上与红海Afar地幔柱流纹岩具有一致的分布曲线(图 5-b)。以上特征与盆地时代较老的流纹岩一致,属于板内拉张的陆内裂谷环境。

综上所述,石头村玄武岩和独岗流纹岩与三水盆地新生代基性岩和酸性岩的基本特征一致,均产自板内构造环境,表明它们与前人总结的研究区古、始新世双峰式火山喷发模式一脉相承[5-7, 15],仍属于陆内裂谷体系[1-6]

4 讨论

三水盆地古新世—始新世发生大规模的火山喷发活动,有“三水热点”之称[5-8]。这种多期次、多旋回的激烈火山活动在华南地区同时期构造盆地中“一枝独秀”,没有类似的地域可供比拟。盆地基性和中酸性喷出岩分别与OIB和Afar地区同类型火山岩具有相似的地球化学特征,可能受控于地幔柱上涌[5-6],代表大陆裂谷[1-6],是大陆边缘发生破裂的产物。结合南海演化过程及北部陆域的区域地质特征,推测盆地火山活动的性质和时间(38~ 60Ma),大体相当于Afar于红海开裂,属于威尔逊旋回中洋盆扩张前的陆内裂谷阶段。

大西洋、红海的演化路径是体现威尔逊旋回的典型范例,即它们在发生扩张的同时,邻近陆域伴有长期的裂谷型火山喷发活动。北大西洋扩张始于早侏罗世末期,北美大陆边缘保存有至新生代早期的火山记录,红海扩张发生在渐新世初,其阿拉伯一侧的火山喷发活动至今未绝。南海被认为是大西洋式张裂形成的海盆[29-32],但是根据以往资料,在南海扩张期间其周缘陆地鲜有岩浆活动记录,即使如三水盆地这类新生代早期具有陆内裂谷火山活动特征的火山喷发中心,也在南海扩张之前的始新世中晚期(38Ma)完全停止了岩浆活动。这一现象受到研究者的广泛关注[8-9, 33-38],但迄今尚没有合理的解释。

在南海海域自始新世中晚期至南海开裂期间基本没有火山记录,洋岛火山岩年龄多集中在3.69~ 18.61Ma[39-43],基本属于南海扩张停止以后的岩浆活动的产物,对理解南海早期开裂-扩张机制可能不具有太大意义。而本文火山岩喷发正值南海早期扩张阶段,玄武岩和流纹岩构成常见的双峰裂谷模式,与盆地之前的火山活动较一致,将伴随南海扩张的陆域火山活动记录拉长至渐新世中期,改变了南海扩张期间周边陆域无重要火山活动的传统认识。虽然仅从它们的发现还不足以构建南海早期的开裂-扩张模式,但是对传统认识已经形成突破,为正确理解南海早期演化提供了新的材料和视角。

5 结论

三水盆地渐新世火山岩的发现修正了关于南海早期扩张过程中在其北部陆域缺乏火山喷发记录的传统认识,将双峰式陆内裂谷岩浆活动延续至渐新世中期,即南海早期扩张阶段。这一新的认识对于通过海陆对比进一步分析和总结南海的早期演化模式具有重要意义。

致谢: 野外地质工作得到中国石化集团新星石油广州公司张显球老先生的悉心指导,专业地质路线向导赵灿辉同志提供帮助,北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室季建清教授和李晶老师给予帮助,在此一并表示感谢。

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