北黄海盆地中—上侏罗统火山岩岩石地球化学特征及构造背景
王嘹亮1，沈艳杰2，程日辉2，许中杰2
(1. 广州海洋地质调查局，广东 广州，510075；
2. 吉林大学 地球科学学院，吉林 长春，130061)
摘要：对北黄海盆地X井钻遇中—上侏罗统暗色岩组进行研究。研究结果表明：北黄海盆地X井钻遇中—上侏罗统暗色岩组中有2层火山岩，以夹层产出；火山岩为钙碱性系列，且两层火山岩Na2O含量差别较大，下层是钠质流纹岩，上层是钾质流纹岩-英安岩；2层火山岩的微量元素、稀土元素地球化学特征相似；稀土元素配分型式为轻稀土富集的右倾型，轻、重稀土分馏不明显，具微弱铕异常；Rb，Sr，Ba和K等不相容的大离子亲石元素以及和Hf和Zr等不相容的高场强元素富集，Ti，Nb和Yb等难溶元素呈现较强亏损，且(w(Rb)/w(Yb))N＞1，岩浆具有地壳物质属性；Nb和Ta相对亏损，Ba相对富集，岩石具有火山弧火山岩地球化学特征；结合w(Ti)/w(Zr)-w(Ti)/w(Y)岩石成因以及w(Nb)-w(Y)和w(Rb)-w(Y+Nb)构造环境判别图，认为研究区火山岩形成于与俯冲有关的火山弧或弧后伸展环境。下层火山岩岩浆是盆地裂陷较深时深部地壳部分熔融的产物，源区受幔源物质混染，Na2O质量分数高；上层火山岩岩浆是盆地裂陷较浅时浅部地壳部分熔融的产物，Na2O质量分数低。
关键词：北黄海盆地；中—上侏罗统；火山岩；地球化学；岩石成因；构造背景
中图分类号：P595 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)01-0223-10
Geochemistry and tectonic background of Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea basin
WANG Liaoliang1, SHEN Yanjie2, CHENG Rihui2, XU Zhongjie2
(1. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China;
2. College of Earth Science, Jilin university, Changchun 130061, China)
Abstract: Middle-Upper Jurassic Dark sandstone and mudstone rocks was studied. The results show that there are two layers of volcanic rocks interbeded in Middle-Upper Jurassic Dark sandstone and mudstone rocks revealed by Well X in the North Yellow Sea basin. The volcanic rocks are Calc-alkaline series and acidic rocks.The lower layer is the sodic rhyolite while the upper layer is potassium rhyolite-dacite based on the contents of Na2O and K2O. Geochemistry characteristics of trace and rare earth elements of these volcanic rocks are similar: Light REE elements are rich，and light and heavy REE elements are not singificantly fractionated. Chondrite normalized REE distribution patterns are the Right Type with weak Eu abnormality. Incompatible large ion lithophile elements such as Rb, Sr, Ba and K and incompatible high field strength elements such as Hf, Zr are enriched, but the hardly contain elements such as Ti, Nb and Yb have large loss with (w(Rb)/w(Yb))N＞1, which suggests the source magma comes from crustal materials. Clear relative losses of Nb and Ta, and relatively rich of Ba indicate that these volcanic rocks have a typical characteristics of the volcanic arc. Petrogenesis analysis of w(Ti)/w(Zr)-w(Ti)/w(Y) and tectonic discrimination diagram analysis of w(Ti)/w(Zr)-w(Ti)/w(Y),w(Nb)-w(Y), w(Rb)-w(Y+Nb) suggest that these volcanic rocks in study area are formed in volcanic arc or back-arc extension environment relates to subduction. The source magma of the volcanic rocks of the lower layer is the partial melting of the deep crust while the basin is at strong rifting with contamination of mantle source (high Na2O content). The source magma of those volcanic rocks of the upper layer is the partial melting of the upper crust and comes while the basin is light rifting with low Na2O content.
Key words: North Yellow Sea basin; Middle-Upper Jurassic; volcanic rocks; geochemistry; petrogenesis; tectonic setting
中—新生界是我国海域油气勘探的重要层位。北黄海盆地是中朝板块东南部的中、新生代主要含油气盆地[1-2](见图1)，多年来倍受关注。我国学者对北黄海盆地的地层沉积、构造特征、油气地质、盆地类型及形成演化等进行了研究与讨论[3-5]，但一直缺少直接钻井资料。自2007年以来，我国在北黄海盆地相关区域实施钻探，取得了一批岩心资料。其中的X井钻遇了中—上侏罗统的暗色岩组和下白垩统的杂色岩组2套地层。通过对地球物理、区域地质以及朝鲜的钻井资料的分析研究，有关北黄海盆地的地质认识主要体现在生、储、盖层及成藏、沉积充填和沉积环境演变、盆地构造与盆地类型3个方面。北黄海盆地上侏罗统黑色泥岩、下白垩统和下第三系泥岩为有效和潜在烃源岩[6]；储层和油气层位主要为下白垩统砂岩、砂砾岩，上侏罗统粉-细砂岩和古近系砂砾岩；区域性盖层是白垩系—第三系，其对油气进行了有效封闭[7]。油气藏类型以背斜型油气藏为主，不整合型油气藏也占重要地位[8]。中生代北黄海盆地属地堑—半地堑型盆地，历经多期构造运动，形成了多旋回含油气构造—沉积组合[9]。在北黄海盆地研究中，与火山岩有关的问题是：(1) 中—上侏罗统暗色泥岩为有利的烃源岩，火山岩以夹层产出，如何评价火山作用对有机质成烃的影响；(2) 火山作用与盆地构造背景的相关性和火山岩在盆地沉积充填过程中起的作用。本次研究的对象是X钻井取自暗色岩组的2层火山岩的岩石样品，其数量较少。通过对X井岩心取样分析，研究火山岩岩石学和地球化学特征，探讨盆地形成与演化的构造背景。
1 火山岩特征
1.1 地层序列
北黄海盆地是中朝板块东南部的中、新生代主要含油气盆地，见图1。X井钻遇的中—上侏罗统暗色岩组分为下部泥岩、下部砂泥岩互层(含煤)、中部泥岩、上部砂泥岩互层、顶部泥岩共5个岩性组合(见图2)，是湖泊水体深浅变化的响应。下部泥岩组合(深度3 232.0~3 832.0 m，厚600.0 m)为褐黑色泥岩夹深灰色薄层粉砂岩；粉砂岩厚度为1.0~6.0 m，为浅湖—半深湖沉积；下部砂泥岩互层(含煤)组合(深度3 126.0~3 232.0 m，厚106.0 m)为薄、厚不一的粉砂岩与薄层泥岩互层，夹有多层煤层，煤层厚度为1.0~6.0 m，为滨浅湖—沼泽沉积；中部泥岩组合(深度2 980.0~3 126.0 m，厚146.0 m)为深灰色泥岩夹薄层粉砂质泥岩，粉砂质泥岩层厚为1.0~4.0 m，为浅湖—半深湖沉积；上部砂泥岩互层组合(深度2 446.0~2 980.0 m，厚534.0 m)为粉—细砂岩和泥岩互层，为三角洲沉积；顶部泥岩组合(深度2 348.0~2 446.0 m，厚98.0 m)为褐黑色泥岩夹薄层粉砂岩，为浅湖—半深湖相。
下部泥岩组合和上部砂泥岩组合中分别发育2层火山岩。下层火山岩较薄，层位为3 760.0~3 789.0 m，厚为29.0 m；上层火山岩较厚，层位为2 594.0~2 675.0 m，厚为81.0 m。钻遇的2层火山岩均为浅灰色酸性喷出岩。
1.2 火山岩岩石特征
下层火山岩取样编号X-1(深度3 787.40 m)和X-2(深度3 786.50 m)(见图2)，手标本和镜下鉴定为流纹岩。X-1为浅灰色略带淡褐色，斑状结构(图3(a)和(b))；斑晶主要是钾长石(17%，体积分数，下同)和石英(5%)；钾长石斑晶边缘有溶蚀现象，与少量斜长石定向分布于隐晶质和玻璃质中，呈粗面结构(图3(e))。样品X-2特征与X-1的特征相似，其钾长石(20%)和石英(7%)斑晶质量分数稍高(图3(f))。上层火山岩取样X-11(深度2 602.40 m)和 X-12(深度2 596.50 m)，手标本和镜下定名为流纹岩和英安岩(图3(c)和(d))。X-11为浅灰色，石英以微晶(0.5~1.0 mm)分布于隐晶质—玻璃质基质中，含有一定量的棱角状隐晶质碎屑(图3(g)和(i))；X-12与X-11的岩性特征相似，基质中石英微晶略小(0.3~0.8 mm，图3(h)和(j))。
图1 北黄海盆地大地构造位置图
Fig.1 Tectonic position map of the Northern Yellow Sea Basin
图2 北黄海盆地X井岩性综合柱状图及取样位置
Fig.2 Columnar section and sampling locations of the well-X in the Northern Yellow Sea Basin
图3 几种典型岩石
Fig.3 Several kind of typical rocks
2 火山岩岩石地球化学
在对元素进行地球化学实验之前，首先将岩石样品洗净、烘干，用小型颚式破碎机破碎至粒度为5.0 mm左右，再将破碎的样品用玛瑙球磨机细磨至粒度约0.074 mm。对细磨后的粉末样品进行缩分，取其中约15 g样品采用化学滴定法进行全岩分析测试，另取10 g左右样品用于等离子质谱仪(ICP-MS)微量与稀土元素分析测试。测试均在吉林大学测试中心完成，实验测试结果见表1~3。
2.1 主量元素地球化学
主量元素化学成分分析结果如表1所示。从表1可见：2层火山岩样品的SiO2质量分数在66.94%~ 70.60%之间变化。除去烧失量后重新计算各样品的SiO2，Na2O和K2O质量分数，再进行TAS，K2O-Na2O和SiO2-K2O质量分数投点分析。火山岩TAS图解见图4。从图4可见：4个样品均落入酸性岩区域，下层火山岩样品X-1和X-2均落在流纹岩区域，靠近粗面岩分区；上层火山岩样品X-11和X-12落在英安岩和流纹岩区域，远离粗面岩分区。w(K2O)-w(Na2O)关系见图5。从图4可见：下层火山岩由于Na2O质量分数较高，落入钠质岩石区；而上层火山岩由于K2O质量分数较高，落入高钾质岩石区。这2层火山岩的差别主要体现在碱质上。该差别主要是2类样品钠质质量分数不同所致。据此，将研究区火山岩分为钠质流纹岩(样品X-1和X-2)和高钾质流纹岩—英安岩(样品X-11和X-12)。研究表明：来源于地壳浅部物质部分熔融的火山岩钠质质量分数较低，而来源于地壳深部物质部分熔融或有部分幔源物质混入的火山岩钠质质量分数较高，推测火山岩岩浆来源深度不同是造成研究区岩石钠质质量分数差别的原因。北黄海盆地中—上侏罗统火山岩w(K2O)-w(SiO2)见图6。从图6可见：4个样品均落入钙碱性岩石系列分区，靠近低钾拉斑玄武岩系列。这种钙碱性岩浆通常被认为与火山弧和大陆边缘造山带等板块会聚构造背景有关[10]。
2.2 稀土元素地球化学
样品稀土元素分析结果如表2所示，根据表2所作出的稀土配分模式如图7所示。从表2和图7可见：2类火山岩样品的稀土总质量分数整体偏低(∑w(REE)＜100)，钠质流纹岩(样品X-1和X-2)的稀土总质量分数∑w(REE)分别为34.14×10-6和50.15×10-6，差别不大；高钾流纹岩X-11和高钾英安岩X-12的稀土质量分数一致，分别为39.79×10-6和39.67×10-6。样品X-1与X-2的(w(La)/w(Yb))N分别为10.17和13.45，(w(Ce)/w(Yb))N分别为7.79和9.18，配分曲线属于轻稀土富集型；样品X-11和X-12的(w(La)/w(Yb))N和(w(Ce)/w(Yb))N都略比钠质流纹岩(X-1和X-2)的高，配分曲线也属于右倾的轻稀土富集型；4个样品的(w(La)/w(Sm))N介于2.72~4.54之间，(w(Gd)/w(Yb))N介于1.35~2.60之间，反映出火山岩形成过程中轻、重稀土发生了一定程度的分馏作用。这种轻稀土富集、轻重稀土分异不显著的特征显示出火山弧构造背景[11]，与安第斯山型活动大陆边缘火山岩很相似；4个样品的dw(Eu)介于0.78~1.09之间，仅有微弱的铕异常，属于铕平坦型，表明样品岩浆在形成演化过程中，斜长石发生了较弱的分离结晶作用[12]。
表1 火山岩岩石化学成分(质量分数)
Table 1 Petrochemical composition of volcanic rocks %
图4 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩TAS图
Fig.4 TAS diagram of Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea Basin
图5 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩钠钾图
Fig.5 Natrium-Kalium diagram of Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea Basin
图6 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩硅钾图
Fig.6 Silicium-Kalium diagram of Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea Basin
表2 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩稀土稀土元素含量 (质量分数)
Table 2 Rare-earth element contents of Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea Basin
图7 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分形式
Fig.7 Chondrite normalized REE distribution patterns for Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea Basin
2.3 微量元素地球化学
样品微量元素分析结果如表3所示，样品数据的原始地幔标准化蛛网图如图8所示。从图8可见：蛛网图总体显示为斜率不大的右倾模式，随元素不相容性降低，富集度逐渐减弱；Rb，Ba，U和K有较明显的富集，在蛛网图中形成较高的隆起；La，Ce，Sr，Nd和Zr低度富集，Rb和Sr等大离子亲石元素富集，符合钙碱系列岩浆演化晚期的普遍规律[13]。这4个样品Hf和Zr等不相容的高场强元素也有一定程度富集。Th，Nb，Ta和Yb等难容元素呈现较强的相对亏损，有明显的Nb和Ta谷。这种高场强元素富集、大离子难容元素亏损的特征是火山弧火山岩的典型地球化学特征[14-15]，显著的Nb和Ta相对亏损也反映该岩浆体系的陆壳物质特征[16]。火山岩样品的Ti元素出现较大程度的亏损，这种钙碱性系列岩石出现Ti亏损，一般认为与岩浆分异过程有关，可归因于钛铁氧化物的分离结晶[17]，指示岩浆来自地壳或贫钛性质的地幔源区[18]。
表3 北黄海盆地中-上侏罗统火山岩微量元素含量(质量分数)
Table 3 Rare element contents of Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea basin ×10-6
研究区钠质流纹岩与高钾质流纹岩-英安岩w(Th)/w(Ta)为2.16~5.82，w(Th)/w(Yb)为2.45~3.86，w(Ta)/w(Yb)为0.46~1.79，这些地化性质都表明研究区的火山岩具有火山弧火山岩的地球化学特征。4个样品(w(Rb)/w(Sr))N，(w(La)/w(Nb))N和(w(Ba)/w(Nb))N明显比原始地幔相应元素的比值高，(w(Rb)/w(Yb))N＞1，表明岩浆可能来自地壳物质的重熔，而样品中高碱质含量的岩浆可能受幔源物质的混染。
图8 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩微量元素相对于原始地幔标准化蛛网图(图例同图7)
Fig.8 Primitive mantle normalized cobweb diagrams of trace elements for Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea basin
3 讨论
3.1 岩石成因及源区性质
样品轻稀土富集、轻重稀土质量分数比值偏低(介于8.47~12.85)。Ba和Th略有富集，Ta，Nb，Ce，Sm和Zr质量分数较低，与火山弧火山岩的稀土配分特征相似。不同的是：这4个样品仅有微弱的Eu异常，并且随SiO2质量分数升高，δw(Eu)无明显方向性变化，说明岩浆源区和岩浆演化过程中与斜长石仅有微弱的平衡作用。样品富集轻稀土，与陆壳岩石稀土配分特征相似，反映了岩石的壳源属性，显示岩浆成分部分或全部来源于地壳。Zr和Y是受蚀变与变质作用影响较小的不活动痕量元素，而火山岩中Ti丰度与火山岩源区物质组成及火山岩的形成环境密切相关[19]。研究表明：由这3种元素构成的w(Ti)/w(Zr)-w(Ti)/w(Y)图解较好地反映了火山岩的物质来源。研究区英安岩和流纹岩在w(Ti)/w(Zr)-w(Ti)/w(Y)图解中(见图9)，落在页岩和花岗岩附近，而远离洋中脊型地幔，说明研究区岩浆有明显的陆壳物质参与，即岩浆主要来自于壳源岩石的部分熔融。
图9 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩w(Ti)/w(Zr)-w(Ti)/w(Y)图解(图例同图7)
Fig.9 w(Ti)/w(Zr)-w(Ti)/w(Y) diagram of the volcanic rocks for Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea basin
轻稀土元素在地幔体系中具有强不相容性，研究区火山岩轻稀土富集暗示其物质来源于地壳。而轻稀土在熔体中的丰度取决于源区富集程度和熔融程度，研究区的火山岩从流纹岩到英安岩的序列中轻稀土并没有依次升高，表明这 2个层位火山岩岩浆源区不具有连续演化的特征。火山岩δEu是反映岩浆形成演化过程中斜长石行为的重要参数。研究区岩石样品具有微弱的Eu异常，与安山质岩的相似。一般认为，无Eu负异常的中酸性火成岩指示加厚的相当于榴辉岩质(无斜长石相)陆壳的存在，榴辉岩能熔融出钙碱性岩套的英安岩和安山岩[20]。通过结合w(Ti)/w(Zr)- w(Ti)/w(Y)图与稀土元素特征与Na2O质量分数的差别分析，下层钠质流纹岩来自于加厚陆壳底部岩石的部分熔融、上层火山岩钾质流纹岩-英安岩岩浆也具有壳源属性，不同的是其岩浆来自于地壳浅部岩石的部分熔融，即2层火山岩都来自于地壳物质的不同深度和不同程度的部分熔融。
3.2 火山岩的构造环境与盆地性质
Rb，Y和Nb等元素是判别花岗岩构造环境最有效的元素[21]，研究区火山岩在Nb-Y判别图(图10(a))中全部落入火山弧和同碰撞花岗岩区。Rb-(Y+Nb)图解可以有效地将火山弧花岗岩和同碰撞花岗岩区分开。在该图解中，4个火山岩样品均落入火山弧花岗岩分区(图10(b))。火山岩Ba质量分数高，显著的Nb和Ta亏损和Ti负异常的地球化学特征也表明它们应为一套火山弧型岩浆活动的产物。岩浆弧地壳深处高热流引起火山弧地壳局部熔融产生的酸性岩浆，具有显著的弧岩浆系列地球化学特征(如Nb和Ta的强烈亏损等)，而流纹岩和英安岩则是低成熟度的岛弧地壳不同深度位置上局部熔融的产物[22]。
自中—晚侏罗世以来，库拉—太平洋板块不断向中国大陆俯冲，扬子板块与华北板块在大别—苏鲁造山带可能仍为陆内俯冲，只是强度有所减弱[23]。板块持续俯冲引起岩石圈加厚[24]，伴随俯冲减弱，加厚的岩石圈应力释放，导致地层伸展、塌陷，在苏鲁造山带北侧形成北黄海盆地、胶莱盆地等裂谷盆地[25-26]，同时导致裂谷盆地内的火山岩事件。结合w(Nb-Y)和w(Rb-(Y+Nb))构造环境判别图分析认为：研究区火山岩形成于与俯冲带相关的火山弧或弧后伸展环境，即岩浆为板块俯冲和弧后拉张的岩浆活动产物。
X井钻遇的两层火山岩的岩石成因与源区性质表征了裂陷盆地由深部到浅部的断层切割作用，也说明研究区火山岩岩浆形成与演化的特殊性。板块俯冲作用导致的地壳深部物质部分熔融，碰撞造山期后的加厚岩石圈的垮塌使盆地不断裂陷的同时，也为深部岩浆提供了上升通道，形成下层火山岩。同时，由于深部岩浆产生的热流作用，导致地壳浅部物质部分熔融，形成浅部岩浆，在盆地裂陷过程中发育的一系列断层为其提供了通道。
图10 北黄海盆地中—上侏罗统火山岩w(Rb)-(Y+Nb)和w(Nb-Y)判别图(图例同图7)
Fig.10 w(Rb)-w (Yb+Ta) diagram and w(Ta)- w(Yb) diagram of Middle—Upper Jurassic volcanic rocks in the North Yellow Sea basin
4 结论
(1) 北黄海盆地的2层火山岩为钙碱系列，下层为钠质流纹岩(样品X-1和X-2)；上层为钾质流纹岩—英安岩(样品X-11和X-12)。
(2) 岩石为火山弧型岩浆活动的产物；Rb-(Y+Nb)和Nb-Y构造判别分析指示岩浆来源于火山弧构造背景。
(3) 2层火山岩Na2O质量分数差别较大，指示岩浆来源于地壳物质不同程度的部分熔融，也反映盆地裂陷的深度：下层火山岩(样品X-1和X-2)岩浆来源于深部地壳部分熔融，受幔源物质混染，Na2O质量分数高；上层火山岩(样品X-11和X-12)岩浆来源于浅部地壳的部分熔融，无幔源物质混入，Na2O质量分数低。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-01-13；修回日期：2012-03-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40972074，41030853)；国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2009CB219306)
通信作者：沈艳杰(1981-)，女，黑龙江望奎人，博士，讲师，从事矿产普查与勘探研究；电话：0431-88502620；E-mail: shenyj@jlu.edu.cn
