山東省棲霞牙山花崗閃長巖巖石地球化學特征及成因探討

韓宗珠,張 賀,田 元,鄧聲貴,張凱棣,王淑杰,高 芳

(中國海洋大學海洋地球科學學院,海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室,山東青島266100)

山東省棲霞牙山花崗閃長巖巖石地球化學特征及成因探討

韓宗珠,張 賀,田 元,鄧聲貴,張凱棣,王淑杰,高 芳

(中國海洋大學海洋地球科學學院,海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室,山東青島266100)

棲霞牙山地區(qū)地處華北地臺東部,對該區(qū)的似斑狀花崗閃長巖體所作的巖石地球化學研究表明,該區(qū)巖石為鈣堿性偏鋁質(zhì)巖石;微量元素MORB標準化蛛網(wǎng)圖顯示富集大離子親石元素Ba、Sr,虧損高場強元素Nb、Ta、Hf、Y;K/Rb比值為295.34～388.88,Rb/Sr比值為0.21～0.29;稀土元素蛛網(wǎng)圖表現(xiàn)為較平滑的具微弱負Eu異常向右陡傾的稀土元素配分模式曲線,∑LREE/∑HREE為9.14～12.22,顯示輕重稀土元素分異較好。結(jié)合構(gòu)造背景分析,認為牙山花崗閃長巖體為早白堊世太平洋板塊向歐亞板塊俯沖誘發(fā)的地幔柱活動,造成地幔底辟,引起地殼部分熔融,形成殼幔混合巖漿并進一步侵入形成。

棲霞;花崗閃長巖;巖石地球化學;成因

白堊紀是環(huán)太平洋構(gòu)造域形成演化的重要階段,同時也是中國東部地區(qū)構(gòu)造演變的重要時期,在山東地區(qū)主要以巖石圈減薄,裂陷盆地的形成,大規(guī)模的火山活動為特征[1-5]。前人對包括膠萊盆地和郭家?guī)X巖體等在內(nèi)的棲霞附近區(qū)域的構(gòu)造演化機制,成礦成油氣機制,巖漿活動,巖體成因做了大量研究[6-10],并得出一系列重要的結(jié)論。本文通過對牙山花崗閃長巖主微量元素進行測定,從巖石地球化學的角度,對該區(qū)花崗閃長巖體的成因進行探討。其對研究區(qū)的花崗巖起源,以及中國東部中生代巖石圈減薄和構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換有重要意義。

1 地質(zhì)背景

山東省棲霞地區(qū)位于華北克拉通東部,區(qū)域內(nèi)出露地層不全,從老至新依次包括上太古界膠東群,下元古界荊山群和粉山子群和上元古界的蓬萊群,古生界地層缺失,中生界有萊陽群、青山群、王氏群,新生界有第三系和第四系[6]。

燕山運動時期在山東棲霞地區(qū)形成的火成巖分布廣泛,分早期和晚期兩個階段。早期侵入巖以酸性花崗巖類為主,其時代為180～140 Ma,以玲瓏花崗巖體的侵入年齡(160 Ma)為界,分兩次侵入。第一次侵入形成的巖體主要有磁山巖體、鵲山巖體、昆侖山巖體、文登巖體和玲瓏花崗巖體,第二次侵入形成的巖體主要有郭家?guī)X巖體和孟家?guī)r體。晚期分為兩個階段,即早期艾山階段和晚期嶗山階段。晚期有多次侵入活動,形成了多階段多次侵入巖,類型復雜。其中在魯西出露面積約1 000 km2,多為中基性—中酸性—堿性雜巖體或巖體,呈巖盆、巖床或巖株產(chǎn)出,其同位素年齡多為140～100 Ma,屬艾山階段侵入巖,本期巖體包括濟南雜巖體、鄒平雜巖體、萊蕪雜巖體和郗山堿性雜巖體等;在魯東出露面積約為4 780 km2,多為酸性巖體,呈巖基產(chǎn)出,主要屬艾山階段和嶗山階段侵入巖,多分布于膠北和膠南。

燕山晚期的巖漿活動在研究區(qū)內(nèi)亦很強烈,形成了一系列花崗閃長巖和花崗巖類。主要包括艾山階段鋸齒牙似斑狀花崗閃長巖體、營盤中細粒黑云母花崗閃長巖體和嶗山階段嵐店中細?；◢弾r巖體,出露總面積約92 km2。前人對牙山巖體進行SHRIMP鋯石U-Pb年齡測定,該巖體年齡為(117.7±9)Ma[11]。

本區(qū)斷裂構(gòu)造以桃村斷裂為特征,該斷裂屬牟平—即墨斷裂帶,總體呈NE40(°)～50(°),斷裂帶由一系列壓性壓扭性斷裂組成,壓性特征顯著,具平移性質(zhì)和多期活動特征。

2 巖石學特征

牙山花崗閃長巖一般呈灰色、灰白色,不等粒半自行粒狀結(jié)構(gòu),似斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,基質(zhì)為花崗結(jié)構(gòu),斑晶主要為斜長石(An=38)、鉀長石和石英,斑晶含量一般為2%～5%,大小一般為1～2 cm左右,個別較大者可達10 cm以上。基質(zhì)主要礦物成分為石英、斜長石(An=26)、鉀長石,以中細粒為主。副礦物成分主要為榍石、磷灰石、鋯石、磁鐵礦等。暗色礦物為黑云母和角閃石,含量約為15%。鏡下觀察角閃石發(fā)生中等強度綠簾石化,斜長石發(fā)生輕微絹云母化。樣品的礦物組合具有I型花崗巖的標準的礦物組合,即:角閃石+榍石+磁鐵礦[12]。

圖1 棲霞牙山附近巖漿巖體分布圖Fig.1 Distribution of magmatic rocks in Qixia Yashan

野外觀察研究區(qū)內(nèi)花崗閃長巖普遍含有暗色包體,其形狀大小不一,初步判定其成分為閃長巖包體。

牙山山峰的花崗閃長巖巖體,其圍巖為太古宙膠東群,為明顯的侵入接觸關(guān)系,邊部有圍巖的捕擄體,流動構(gòu)造明顯,流面傾向北東,傾角65(°)。

3 樣品采集和分析方法

樣品的采樣位置主要在棲霞304省道桃村至唐家泊段公路兩側(cè),由于T037位于本區(qū)花崗閃長巖與膠東古老變質(zhì)巖的交界處,其數(shù)值與其他樣品有較大,故特此標出。

對采自棲霞牙山的具代表性的10件巖石樣品,粉碎至200目做主量、微量和稀土元素分析。其中主量元素在中國海洋大學海洋地球科學學院XRF分析實驗室作了基質(zhì)XRF分析,分析精度優(yōu)于0.5%;微量元素和稀土元素在中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所實驗中心完成,應用ICP-AES和ICP-MS微量元素和稀土元素分析5件,分析精度優(yōu)于5%。

4 巖石地球化學特征

4.1 主量元素地球化學特征

主量元素分析結(jié)果如下(見表1),分析結(jié)果表明,研究樣品SiO2含量介于58.12%～69.28%之間,除T037含量為58.12%之外,其余標本含量均在65%以上;巖石中Al2O3、CaCO3含量較高,Al2O3含量為14.46%～15.78%,CaCO3含量為1.93%～5.00%;K2O+Na2O含量為5.78%～7.43%,Na2O/K2O(分子數(shù)比)>1;里特曼指數(shù)(σ)為1.66～2.35,屬于鈣堿性系列。鋁飽和度判別指數(shù)(分子數(shù)比)(Na2O+K2O)

牙山花崗巖的TAS圖解(Wilson1989)見圖2,結(jié)果顯示除T037樣品投在閃長巖范圍內(nèi),以及T012樣品投在花崗巖范圍內(nèi),其他樣品均投影在花崗閃長巖范圍內(nèi)。

圖2 棲霞牙山花崗閃長巖的全堿-硅圖解(TAS)Fig.2 Granodiorite TAS diagram in Yashan Qixia

表1 山東省棲霞牙山花崗閃長巖主量元素分析結(jié)果Table 1 Granodiorite analysis of major elements in Yashan Qixia

4.2 微量元素地球化學特征

樣品的微量元素含量見表2,K/Rb比值為295.34～388.88,Rb/Sr比值為0.21～0.29,Nb/Ta比值為13.58～19.03,Zr/Hf比值為32.92～74.06。其中T037Rb/Sr比值與其他樣品差別較大。這些比值均顯示牙山花崗巖經(jīng)歷了高度的演化,分異程度好[13-15]。

在微量元素MORB標準化配分圖上,花崗閃長巖主要富集大離子親石元素Ba、Rb以及Ce,虧損高場強元素Nb、Ta、Hf、Y(見圖3),還有Ti元素的虧損。此外,在微量元素標準化圖中出現(xiàn)Nb-Ta槽。

圖3 棲霞牙山花崗閃長巖微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.3 The spider diagram of trace elements of Yashan Qixia granodiorite

由稀土元素的數(shù)據(jù)見表3,∑REE在(90.2～186.85)×10-6;δEu=0.79～0.91,顯示微弱的Eu負異常,稀土元素球粒隕石標準化蛛網(wǎng)圖(見圖4)呈現(xiàn)較為平滑的向右陡傾的LREE富集模式;∑LREE/∑HREE為9.13～12.23,(La/Yb)N=12.39～49.82, (La/Sm)N=3.69～9.87,(Ce/Yb)N=8.82～29.2,顯示輕稀土元素富集,輕、重稀土元素較強的分異作用。

圖4 棲霞牙山花崗閃長巖稀土元素球粒隕石標準化配分圖Fig.4 Chondrite-mormalized REE patterns of Yasahn Qixia granodiorite

表2 花崗閃長巖微量元素含量Table 2 Trace Elements in granodiorite

表3 花崗閃長巖稀土元素含量Table 3 Rare Earth Elements in granodiorite

5 構(gòu)造環(huán)境分析

微量元素具有很好的指示作用,對于不同構(gòu)造環(huán)境形成的酸性侵入巖,具有不同的巖石地球化學特征。

圖5 棲霞牙山花崗閃長巖Y-Nb判別圖Fig.5 Tectonic discrimination digrams of Y-Nb for granodiorite in Yashan Qixia

在Y-Nb構(gòu)造環(huán)境判別圖上(見圖5)所有樣品均落在VAG+Syn-COL G區(qū)域,即火山弧花崗巖+同碰撞花崗巖區(qū)域;在Rb-(Y+Nb)判別圖中,所有樣品的投點都落入火山弧型花崗巖區(qū)(見圖6)。由此指示牙山花崗閃長巖起源于火山弧環(huán)境。

圖6 棲霞牙山花崗閃長巖體Rb-(Y+Nb)判別圖Fig.6 Tectonic discrimination digrams of Rb-(Y+Nb)for granodiorite in Yashan Qixia

6 成因討論

從巖石學特征及主量元素特征來看,牙山花崗閃長巖具有角閃石磁鐵礦榍石的礦物組合,Na2O/K2O (分子數(shù)比)>1,里特曼指數(shù)(σ)測定為鈣堿性系列,這些均具有I型花崗巖的特征[16];巖石閃長質(zhì)暗色包體,說明可能幔源巖漿和殼源巖漿相互混合而成[17]。稀土元素中Ba、Sr、Rb等大離子親石元素,在微量元素標準化圖解上出現(xiàn)Nb-Ta虧損谷,說明其起源于地殼,符合I型花崗巖特征;在稀土元素標準化圖解上,曲線呈向右陡傾的形式,亦顯示I型花崗巖特征[14]。

Whalen等在研究研究加拿大花崗巖成因類型時認為,Ga/Al與一些主量元素K2O、Na2O、MgO及微量元素Y、Ce、Nb、Zr之間相互關(guān)系可以區(qū)分I型、A型、M型以及A型花崗巖。如圖所示,牙山花崗巖樣品全部落在I、M、S型花崗巖區(qū)域(見圖7)。在K2ONa2O圖解中待測樣品中,除T018好樣品落在S型花崗巖區(qū)外,其他樣品均落在I型花崗巖的區(qū)域(見圖8)。說明本區(qū)花崗巖可能起源于地殼。

圖7 牙山花崗閃長巖K2O+Na2O、K2O/MgO、Y、Zr與Ga/Al的關(guān)系圖[17]Fig.7 Diagram of K2O+Na2O,K2O/MgO,Y and Zr vs.Ga/Al for granodiorite in Yashan

圖8 牙山花崗閃長巖K2O-Na2O判別圖[18]Fig.8 Diagram of K2O-Na2O for Yashan granodiorite

圖9 地殼花崗巖與殼?；◢弾r圖解Fig.9 Granite originite from crust and crust vsmantle

我國學者涂光熾[13]認為,依據(jù)花崗巖的稀土元素特征可以區(qū)分不同源區(qū)的花崗巖。∑REE總量<200 10-6,(La/Yb)>10,Eu虧損不明顯,δEu平均值為0.84,為殼幔源花崗巖[13]。對該研究區(qū)花崗巖進行投圖研究(見圖9),其全部落入殼幔源花崗巖的范圍內(nèi)。說明其在演化的過程中可能受到地幔物質(zhì)的混染[13]。

膠東地區(qū)中生代巖漿活動強烈,前人對膠東地區(qū)花崗巖體進行研究,根據(jù)研究成果,本區(qū)花崗巖巖體大致可以分為侏羅紀和早白堊世2期。前者以玲瓏巖體為代表,后者主要以郭家?guī)X、艾山等巖體為代表。而在在巖石成因方面,前者主要以地殼熔融為主,后者主要表現(xiàn)為巖漿混合特征[10-11,17,20-21]。

牙山花崗巖的同位素年齡指示其形成于早白堊世中晚期(125～100 Ma),是中國東部巖石圈大規(guī)模減薄時期。在這一時期中國東部發(fā)生了大規(guī)模中酸性巖漿侵入和火山巖的噴發(fā)[2],同時也是大陸裂谷作用的高峰期,而這種大規(guī)模的巖漿構(gòu)造活動與太平洋板塊向歐亞板塊俯沖有關(guān)[22]。當太平洋板塊俯沖達到一定的深度時,誘發(fā)地幔熔融,形成局部地幔柱的升降活動。當?shù)蒯Ｖ仙恋貧さ撞繒r,使膠東群變質(zhì)基底發(fā)生熔融,地幔成分與地殼成分發(fā)生了混染,形成殼幔混合巖漿,并沿著地殼拉張的薄弱地帶向上侵入從而形成一系列火成巖體。

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Abstract: Qixia Yashan area is located at the east of the North China platform.The geochemical studies about the porphyritic granodiorites in this area shows that the rocks belong to calc-akaline and metalumious series.The MORB-normalized spider diagram of trace elements reveals enriching LILE of Ba and Sr, and lacking of HFSE of Nb,Ta,Hf and Y.The ratio of K/Rb is 295.34～388.88 and Rb/Sr is 0.21～0.29.The spider diagram of rare earth element,show relative smooth,weak negative abnormal of Eu and right steep patterns.∑LREE/∑HREE is 9.14～12.22.They all indical well differentiation between LREE and HREE.Through the analysis of strural factors the genesis of Yashan granodiorite is that sabduction of Pacific plate to Eurasian plate causes mantle plume activlty,which produces mantdiapir and crust partial melting,then form crust-mantle magma,and the furture invasion form the granodiorite.

Key words: Qixia;granodiorite;petrogeochemistry;genesis

責任編輯 徐 環(huán)

The Petrogeochemistry and Genesis of Granodiorite in Yashan Qixia, Shandong Province

HAN Zong-Zhu,ZHANG He,TIAN Yuan,DEN G Sheng-Gui, ZHANG Kai-Li,WAN G Shu-Jie,GAO Fang
(College of Marine Geoscience,The Key Laboratory of Science and Exploration,Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

P588.12;P595

A

1672-5174(2011)06-097-07

國家自然科學基金項目(41072152);中國海洋大學OUC_SRTP項目(0912010510)資助

2010-10-20;

2011-04-08

韓宗珠(1964-),男,教授。E-mail:hanzongzhu@ouc.edu.cn