大别山地质公园火山岩构造

1 大别山金刚台国家地质公园的火山岩相构造∗ 杨泽强，彭翼，万守全，王云 （河南省地质调查院，郑州 450007） 摘要：火成岩斑状结构的含碎屑—碎屑状岩石可以有深成、浅成、侵出、喷溢或爆发等不同产状。以 大斑、多斑、富碎斑和熔蚀斑为特征，发育涌动流纹、塑性集块和假堆积等构造，并与时差很小的大 斑花岗岩基、大斑花岗斑岩脉呈侵入接触关系的非层状火山岩，预示其成因为深成端元属性。各种碎 屑粒度越小和含量愈高，则指示更强的隐爆强度。本文通过对大别山金刚台国家地质公园火山岩的岩 性特征、火山岩相、相模式和火山机构的研究，提出景区内出露的火山岩均为潜火山岩，早期火山机 构为偏心式脉动膨胀－隐爆潜火山岩体，晚期为爆破角砾岩筒。代爆发相的火山碎屑岩埋藏在北部 中-新生界盆地之中，在深剥蚀的大别山腹地不可能保存。 关键词：大别山；金刚台组；潜火山岩；火山岩相构造 中图分类号： P588.13；P588.14 文献标识码： 文章编号： 1 引言 金刚台为豫皖两省交界的大别山主峰，金刚台国家地质公园位于主峰北侧的河南省商城县， 相对高差 1384 m，景区地质遗迹主要由金刚台组火山岩组成。该火山岩与前侏罗纪地层、花岗岩 体呈侵入或截切接触，并为早白垩世花岗岩侵入（图 1）。该区地球化学异常不发育，地质工作 研究程度不高。1∶20 万商城幅区域地质调查（1980）根据火山岩的岩浆组构，认为金刚台组主 要由中酸性熔岩组成，夹少量火山碎屑岩。1∶5万苏仙石幅、金寨县幅区域地质调查（1995）基 于大量火山碎屑的存在，确定金刚台组为一套爆发相岩石组合[1]，认为火山碎屑岩类的分布面积 占 80%左右。最近，河南省地质调查院（2005）通过火山岩相构造研究，提出了不同观点，认为 景区内出露的火山岩均为潜火山岩，本文拟从火山岩岩石学入手阐述这个问。 2 火山岩岩性特征 研究认为金刚台组为一套中酸性潜火山岩，分安山岩、粗安岩、流纹岩和含碎屑—碎屑状潜 火山岩 4个亚类。 2.1安山岩亚类 岩石暗灰色、灰绿色，斑状结构。斑晶主要为中长石，少量黑云母、角闪石，偶见辉石或石 英。斑晶粒径一般为 0.2 ～ 5 mm，少数大于 10 mm。基质为交织结构，以斜长石为主。岩石非 层状构造，斑晶多平行定向排列，或发育紊乱的流面与流纹构造，根据塑变流纹的褶曲降向可判 断岩浆的运动方向。为与喷出相和侵出相安山岩区别，我国习惯称潜火山相的安山岩为安山玢岩。 玢岩一词在美英等国曾用于斑晶为斜长石的斑岩的同义词，现已废弃不用。尽管有岩石学家提出 ∗收稿日期：2005－12－20 基金项目：国家财政补贴、河南省两权价款地质遗迹保护项目（2005） 作者简介：扬泽强（1968－），男，工程师，从事地质调查与研究工作。联系电话：0371-67970100，13803713703， E-mail: hnddypy@21cn.com 2 与国际接轨，废除玢岩的称谓，但按惯例和区域地质矿产地质司（1987）拟订的《火山岩地区区 域地质调查方法指南》的命名原则，目前玢岩一词在我国仍普遍使用，指具有火山岩的外貌和侵 入产状的中基性、基性潜火山岩。本区岩石多发生绿泥石、绿帘石化等蚀变，根据矿物成份和蚀 变程度的不同细分以下岩石种属。 角闪安山玢岩：斑晶以斜长石、角闪石为主，含量可达 25％左右，其中角闪石占一定比例。 基质为交织结构。岩石具绿泥石化、绢云母化和硅化等蚀变。 辉石安山玢岩：斑晶中见有单斜辉石，含量约 5％，常绿泥石化，仅保留辉石假象。基质主 要为细粒的斜长石微晶。岩石中见有少量气孔，普遍蚀变。 蚀变安山玢岩：岩石蚀变强烈，主要特征是暗色矿物变为绿泥石、纤闪石、绿帘石，斜长石 变为绢云母，但其板柱状晶形和聚片双晶仍可见。其中斜长石斑晶含量约 20％，长石牌号 An＝45。 图 1 金刚台地质公园火山岩相构造图 Fig. 1 Facies and structural map of the volcanic rocks of Jingangtai geo-park K1j.白垩系下统金刚台组；Cy.石炭系杨小庄组；Dn .泥盆系南湾组；∈l.寒武系刘山岩组；K1S.白垩纪早世商城超 单元花岗岩；J3P.侏罗纪晚世朴店角闪二长花岗岩；c1-c4.金刚台潜火山岩体；b1-b4.苏仙石潜火山岩体；1.潜火山相； 2.火山通道相；3.安山玢岩；4.粗安岩；5.含集块粗安岩；6.含角砾粗安岩；7.晶屑岩屑粗安岩；8.角砾集块状粗安 岩；9.流纹斑岩；10.角砾集块状流纹斑岩；11.潜火山岩体界线；12.岩性界线；13.侵入接触界线；14.正断层； 15.逆断层；16.流面产状 2.2粗安岩亚类 以含肉红色长石和斑状结构为特征，颜色变化大，常为青灰色、紫红色等。根据斑晶矿物成 3 份的差异细分为黑云母粗安岩、辉石粗安岩和黑云母石英粗安岩。 黑云母粗安岩：斑状结构，斑晶主要为斜长石、钾长石和黑云母，含量约 15％，其中黑云母 约 5％，粒径一般 1 mm，较自形。基质霏细—显晶质结构。岩石蚀变强，主要是粘土化。 辉石粗安岩：斑状结构，斑晶主要由斜长石、黑云母、辉石等组成，含量 15％ ～ 20％，其 中辉石仅 2％ ～ 3％。基质为微晶镶嵌结构。岩石蚀变较强，可见次生绿泥石等交代辉石成假像， 偶见新鲜的单斜辉石。 黑云母石英粗安岩：斑状结构，斑晶主要为斜长石、钾长石和黑云母，含量约 20％ ～ 30％。 基质为微粒结构、霏细—微晶结构，其中石英高达 10％ ～ 15％。岩石总体蚀变较强。黑云母斑 晶较少时称为石英粗安岩。 2.3流纹岩亚类 仅见于金刚台西仙人桥—小月亮口一带。岩石呈灰白色、灰紫色，斑状结构，斑晶为少量长 石及石英。镜下可见较多石英微晶，含量可达 15％以上。发育细密的流纹构造。我国惯称酸性潜 火山岩为斑岩，对应玢岩称之为流纹斑岩。 2.4含碎屑—碎屑状潜火山岩亚类 景区分布两种少见的特殊类型的潜火山岩，其一为含碎屑潜火山岩，根据碎屑性质与含量直 观命名为含某种碎屑的潜火山岩。当碎屑含量超过 50％并具有潜火山岩的面貌时，命名为某某碎 屑潜火山岩，属于潜火山岩与爆破角砾之间的过渡岩石。含碎屑潜火山岩与碎屑熔岩面貌相似， 不同之处在于前者具有潜火山岩的产状和相的特征，后者溢出地表而不具隐爆特征。其二为角砾 状地质体，不同文献有“破碎-蚀变角砾岩”、“爆发角砾岩”、“侵入角砾岩”、“爆破角砾岩”、 “火成角砾岩”和“隐爆角砾岩”等称谓，依据《火山岩地区区域地质调查方法指南》命名为某 种碎屑状某某岩。该类岩石较少见，在我国上世纪 70年代发现于大别山北麓等地。 区内含碎屑—碎屑状潜火山岩亚类主要有如下种属。 含集块粗安岩：岩石颜色因含集块的颜色而异，基质一般为灰色、灰白色和紫红色。碎屑成 份以早期安山玢岩、粗安岩为主，少见花岗斑岩或似斑状花岗岩；大小多大于 50 mm，大则达数 米，少为 2 ～ 50 mm的角砾；形态棱角状、次棱角状，少呈藕断丝连的塑性不规则形态。集块、 角砾含量 10％ ～ 30％，主要分布在晚期粗安岩的内接触带，排列一般无定向性。胶结物为晚期 粗安岩。 含角砾粗安岩：灰色、灰白色或紫红色。角砾成份为棱角状、次棱角状安山玢岩、粗安岩， 极少见蚀变变质岩角砾。角砾大小多在 5 ～ 15 mm，少见集块，部分见粒度 1 ～ 10 mm的角砾 级正长石或斜长石晶屑。碎屑含量 10％ ～ 30％，随机或偏多于内接触带分布。交结物为晚期粗 安岩。 晶屑岩屑粗安岩：灰色、青灰色，貌视晶屑岩屑凝灰岩，又像粗安岩。晶屑成份主要为棱角 状斜长石，少量正长石。岩屑成份与“胶结物”或“基质”之同期粗安岩一致，与粗安岩的界线 模糊不清。碎屑含量在 20％ ～ 80％之间。 凝灰粗安岩：灰色、青灰色和灰绿色，碎屑物为小于 2 mm的同期粗安岩晶屑与岩屑，含量 可达 60％。“胶结物”或“基质”系小斑、富玻粗安岩。该种岩石主要分布在复式潜火山岩体的 边部。 角砾集块状粗安岩：产于爆破角砾岩筒。岩石灰紫色，主要为次棱角状、粒度 10 ～ 20 cm 的粗安岩集块组成，少量粗安岩角砾，同质粗安岩胶结，胶结物占 10％ ～ 20％。 角砾集块状流纹斑岩：产于爆破角砾岩筒。岩石浅灰色、暗红色，碎屑物为大小 5 ～ 10 cm 的集块、小于 5 cm的角砾及部分长石、石英晶屑组成，含量约 80％。胶结物为同质流纹斑岩， 斜长石、正长石及石英斑晶，粒径 2 ～ 4 mm，含量约 30％；基质同为斜长石、正长石和石英组 4 成，粒径 0.2 ～ 0.4 mm，镶嵌结构，流纹构造。基质与碎屑间的界线模糊不清。 3 火山岩成因特征 安山玢岩是与安山岩-闪长岩有着密切成因联系的潜火山岩。从闪长岩的全晶质结构，到安山 岩基质的交织结构—玻晶交织结构—玻基斑状结构，随之晶体变小、变少和玻璃质含量的增加， 反映岩浆活动深部侵入—浅部侵入—侵出—溢流的变化。其中之玻晶交织结构特称安山结构。金 刚台的安山玢岩多斑、斑大、富碎斑和熔蚀斑，具有安山岩向闪长岩过渡的特征，指示典型的深 部就位的潜火山岩特征，说明保留玢岩种属的科学意义。 粗安岩是矿物和化学成份介于粗面岩与安山岩之间的喷出岩，又称“粗面安山岩”。喷出的 粗安岩的长石斑晶主要是斜长石，碱性长石（正长石及透长石）多呈微晶充填于斜长石微晶的间 隙中。景区的粗安岩常以富含正长石大斑为特征，并富含减压增温作用下形成的碎斑与熔蚀斑晶， 兼有深成侵入岩和火山碎屑岩的外貌，具有深成潜火山岩的属性及重要的科学研究价值。 侵位于安山玢岩、粗安岩中的花岗斑岩同具大斑、多斑特点，其斑晶以正长石为主，少见石 英，斑晶含量占 80% ～ 90%，斑晶大小 2 ～ 30 mm。它更象深成花岗岩，但仍具有斑状结构， 呈岩脉产状侵入于潜火山岩体中。这种深部就位的脉岩只能出露在地壳的深剥蚀区，因而非常少 见。 含角砾粗安岩是景区的主要岩石类型之一，粗安岩中含有不等量 2 ～ 50 mm的早期粗安岩 角砾。早期粗安岩被后期粗安岩熔蚀呈不规则状、次园状、园状和塑性流变的形态。角砾成分单 种或两种以上，根据包含关系可确定岩浆活动的期次。以上含角砾粗安岩不同于角砾熔岩，因为 相对基质的粗安岩已限定了它的潜火山属性。更不同于火山角砾岩，因为角砾的胶结物非空落的 凝灰物。含角砾粗安岩可出现在火山管道中，但以大规模岩体产状出现则代表了火山强烈爆发的 岩浆库。 粗安岩常含有早期粗安岩之大于 5 cm的集块，局部熔蚀形态各异的早期粗安岩角砾和集块含 量较高，但仍为后期粗安岩胶结，形成貌视地表的假堆积构造。此种岩石一般分布在两期粗安岩 接触带的晚期粗安岩内侧，相对含角砾粗安岩而言，早期粗安岩的破坏程度较低，岩浆的隐爆作 用亦相对低。 晶屑岩屑粗安岩由同质自碎的晶屑、岩屑和粗安岩组成，发育由基质组构变化呈现出的褶叠 状流纹，并指示杂乱的流向，指示最为强烈的岩浆隐爆作用。见有流纹并碎屑与岩浆组分界线模 糊的晶屑岩屑粗安岩，尚可理解为气球膨胀式的涌动，而以碎屑成分为主的晶屑岩屑粗安岩则指 示不可思议的气爆作用。 角砾集块状粗安岩为粗安岩胶结同质岩石角砾、集块的岩石，往往主要由集块组成，与含集 块粗安岩的区别在于胶结物很少，集块含量大于 50%，一般为 80% ～ 90%。此种岩石多充填在 火山通道构成爆破角砾岩筒。 角砾集块流纹斑岩系流纹斑岩胶结同质岩石角砾、集块的岩石，角砾和集块含量相近，含量 在 50%以上，胶结物与碎屑物之间互为过渡，多无明显的界线。该岩石亦充填在火山通道构成爆 破角砾岩筒。 4 火山岩相 景区火山岩中角砾集块状粗安岩、角砾集块状流纹斑岩分别呈岩筒产状（图 1），明显属火 山通道相。研究确定，其它火山岩均系深成的潜火山相，主要依据是：①碎屑成份单一，主要为 同源潜火山岩，不像浅成相、侵出相火山岩含有一定围岩或顶盖地质体的成份。②潜火山岩体规 模大，斑晶大，斑晶与四周深成的商城超单元花岗岩等相似，呈大斑或聚斑状；基质结晶程度高， 5 出现粒状结构，富玻的凝灰粗安岩仅出现在岩体上部和边部，有别于浅成潜火山相、侵出相和喷 溢相火山岩。③岩石中的流动构造为涌动的紊流，其中有细颈弯曲相连的不规则塑性集块，极少 见气孔和杏仁，不如喷溢相的流纹舒展、塑性集块伸展并发育气孔和杏仁。④角闪石、黑云母之 含水暗色矿物未见暗化边，不同于浅成的潜火山岩。⑤晶屑岩屑粗安岩具隐爆特征，保留的斑状 结构和块状构造非碎屑熔岩所致。⑥岩石氧化程度低，致密而抗风化能力强，有别于喷出火山岩。 ⑦不同期次的潜火山岩及其与围岩之间为侵入或截切接触关系。⑧金刚台组火山岩中黑云母 K-Ar 同位素年龄为 131～140 Ma[2，3]，侵入之中的花岗岩全岩 K-Ar同位素年龄为 128～133 Ma[4]；如 果金刚台组火山岩为地表或浅部形成，花岗岩侵入时期上覆火山碎屑岩的厚度只有 200 余米（以 往按沉积岩的工作方法，将同次不同岩相的火山岩厚度累加起来，误以为火山岩的厚度超过千米）； 那么在相近的时差，无法解释金刚台组曾沉降了几千千米，以迎合深成花岗岩的定位深度。⑨该 区为国内外著名的燕山期深剥蚀区，不可能有同期浅成火山岩的存在。 根据不同相位火山岩的相互关系，金刚台组潜火山岩（不包括晚期火山通道相）的相模式如 图 2 所示，即岩浆以偏心式脉动就位，然后以气球膨胀的形式产生隐爆作用，为火山喷发的岩浆 库。 5 火山机构 以上讨论表明，景区主要分布较深部位或火 山基底中的潜火山岩体，为火山喷发的岩浆库。 依据相互切割关系，先后有太阳尖、苏仙石和金 刚台 3 个复式潜火山岩体。在金刚台潜火山岩体 中，与山峰地貌吻合，沿北东和北西方向串珠状 交插展布爆破角砾岩筒群，自北西向南东依次有 老鹰崖（猴抱山）、猫耳石、大月亮口（皇殿、 插旗尖）、金刚绝顶和半壁山爆破角砾岩筒。 太阳尖潜火山岩体：位于景区东部太阳尖一 带，被以后的潜火山岩体和花岗岩体侵蚀，景区内 面积约 12 km2。岩体流面产状围斜内倾，倾角 30 °～ 50°。不同单元潜火山岩半环状展布，自外 （北）向内（南）含角砾粗安岩与含集块粗安岩交 替出现，中心位于太阳尖南侧 800 m，漏斗形充填 粗安岩。 苏仙石潜火山岩体：椭圆形展布于苏仙石南侧，中心位于苏仙石南 2 km 的河谷中，面积约 18 km2。共有 4个单元的潜火山岩半环状离心式分布，自外向内依次为粗安岩、含角砾粗安岩、 含集块粗安岩和安山玢岩。各单元潜火山岩总体围斜内倾，流面倾角 20°～ 30°。中心部位最 后充填的安山玢岩单元外侧，局部流面产状外倾，倾角 48°～ 65°。 金刚台潜火山岩体：侵位于金刚台主峰北侧，中心处在黑冲瀑布—天鹅蛋景点一带。岩体椭 圆形，东西长 10 km，南北宽 7 km，面积约 46 km2。潜火山岩体总体向北倾斜，倾角约 50°。计 有 4 个单元，侵出时间由早到晚自南而北偏心位移，分别为粗安岩、流纹斑岩、晶屑岩屑粗安岩 及含角砾粗安岩，中心部位含有较多早期不同单元的集块。 老鹰崖爆破角砾岩筒：长 2.5 km，宽 0.5 km，呈北西走向、直立之长筒状或裂隙状展布于老 鹰崖一带。岩筒由集块状粗安岩组成，集块成份主要是早期含角砾粗安岩。中部猴抱山旁侧套合 直径 500 m的岩筒，充填物为晚期粗安岩及其同质集块。 图 2 金刚台深成潜火山岩的相模式 Fig 2. Facies model of the plutonic subvolcano in Jingangtai 1.粗安岩；2.流纹斑岩；3.晶屑岩屑粗安岩；4.含角砾、 集块粗安岩；5.安山玢岩 6 猫耳石爆破角砾岩筒：为直径 500 m的直筒状，由角砾集块状流纹斑岩组成，并切割老鹰崖 爆破角砾岩筒。 大月亮口爆破角砾岩筒：呈长 2 km、宽 1 km之向北东陡倾的筒状。充填物以角砾集块状流 纹斑岩为主体，外围角砾或集块成份复杂。其中有长轴状小型花岗斑岩枝侵入，并包含 2 个直径 约 500 m的直立岩筒，其中之流纹斑岩与同质角砾集块过渡。主次岩筒共同组成复式爆破角砾岩 筒。 金刚绝顶爆破角砾岩筒、半壁山爆破角砾岩筒分别与上述流纹质、粗安质爆破角砾岩筒特征 雷同。 6 火山活动 从潜火山岩相的地质特征可以推断地表火山活动的状况，景区潜火山岩明显对应两期火山活 动。早期以粗安质火山活动为主体，间有一次流纹质火山活动。强烈自碎膨胀并规模巨大的岩浆 库，预示经火山管道可产生高达数十千米的喷发柱。地表火山喷发形如火箭发射的布里尼式，喷 发柱塌落产生的火山碎屑流和火山灰空落堆积可远达数十千米及上百千米。钻探证实在景区北部 的中、新生代盆地中保存有潜火山岩所对应的火山碎屑岩。粗安质与流纹质爆破角砾岩筒指示晚 期两次火山活动，前者为较为宁静熔岩侵出，区域上对应有同期熔岩穹丘的保存；后者指示强度 中等的火山爆发，火山碎屑曾弹射式空落在火山口四周。 有关地球化学研究表明[5]，景区火山岩起源于下地壳（约 30 km），并经历了正常的分离结晶 作用，有轻微的混染，岩浆开始结晶温度为 936 ～ 1 122 ℃，压力约为 0.24 GPa，相当深度近 13 km。据岩石地球化学方法判别，其构造环境具有类似于火山弧的特点，而火山活动的诱发可能 源于太平洋板块的向东俯冲。 参考文献： [1] 刘文灿，孙善平，李家振. 大别山北麓晚侏罗世金刚台组火山岩地质及岩相构造特征. 现代地质，1997，11（2）： 237－243. [2] 杜建国，张鹏. 大别造山带北部的中生代火山岩. 现代地质，1999，13（1）：57－65. [3] 王岳军，范蔚茗，郭峰. 北淮阳晚中生代火山岩定年及火山砾石地球化学: 对大别灰色片麻岩隆升和中生代地 层格架的约束. 科学通报，2002，47（20）：1528－1534. [4] 刘振宏，彭松民，白朝军. 商城岩体岩石学特征及其成因探讨. 河南地质，1994，12（2）：110－118. [5] 张鹏，张爱民，刘文灿. 北淮阳晚侏罗世金刚台组火山岩岩石化学和地球化学特征及构造环境. 现代地质， 1997，11（2）：244－252. Structure and Facies of the Volcanic Rocks in Jingangtai National Geo-Park, Dabie Mountain YANG Ze-qiang, PENG Yi, WANG Shou-quan, WANG Yun (Henan Institute of Geological Survey, Zhengzhou 450007, China ) Abstract: Jingangtai National Geo-Park is located in Dabie Mountain between Anhui and Henan Provinces, China. The scene of the geo-park is rich in volcanic rocks, which predominately consists of pyroclast-bearing and volcanoclastic rocks with porphyritic texture and can be classed into plutonic, epizonal, intrusive, extrusive and eruptive environments. Volcanic rocks, characterized by huge 7 phenocryst, multi-phenocryst, clastic phenocryst and corrosive phenocryst, developed with surging rhyolitic, plastic agglomerate and pseudo accumulation structure, showing intrusive contact with big phenocryst granite batholith and granite porphyry vein, demonstrates its plutonic attribution. Smaller clastics size and higher clastics content indicates stronger subexplosive intensity. Based on the study of the structure and facies of volcanic rocks in Jingangtai national geo-park of Dabie Mountain, this paper discusses the lithologic features, volcanic facies, facies model and structure of volcanic rocks. It is proposed that volcanic rocks occurred in view area is sub-volcanic rocks. Volcanic mechanism in early period is eccentric pulsant–subexplosive subvolcanic bodies and in late period diatreme breccia pipe. Volcanoclastic rock which reveals eruptive facies cannot be preserved in deep denuded hinterland of Dabie Mountain, is buried in the Mesozoic and Cenozoic basins of Dabie Mountain. Keywords: Dabie Mt.; Jingangtai Fr.; Subvolcano; Faices and structure of volcanic rock