魯西地區(qū)魯山片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖的成因

馬晨晨

(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049)

0 前 言

太古宙花崗質(zhì)巖石是組成大陸地殼的主要物質(zhì)，其中太古宙晚期出現(xiàn)的大量富鉀花崗巖類被認(rèn)為是太古宙克拉通化的標(biāo)志。花崗巖由于源區(qū)性質(zhì)、形成過(guò)程和條件不同，表現(xiàn)出明顯的多樣性，可能和地球動(dòng)力背景息息相關(guān)，對(duì)于更好的研究早期大陸地殼的形成和演化至關(guān)重要。70%的大陸地殼在前寒武紀(jì)早期就已經(jīng)形成[1-2]，其中絕大部分是由富鈉的英云閃長(zhǎng)巖—奧長(zhǎng)花崗巖—花崗閃長(zhǎng)巖(TTG)組成，只有3.0 Ga以后富鉀的花崗巖類才明顯增加。

然而，富鉀花崗巖類的成因一直存在爭(zhēng)議，Gültekin Topuz 等[3]認(rèn)為是上地幔玄武質(zhì)巖漿誘發(fā)的下地殼巖石部分熔融形成，Zhou 等[4]認(rèn)為是在板內(nèi)裂谷環(huán)境下，來(lái)自地幔巖漿的熱量導(dǎo)致上覆的英云閃長(zhǎng)質(zhì)—花崗閃長(zhǎng)質(zhì)地殼部分熔融，也有學(xué)者認(rèn)為是俯沖板塊流體或者熔體交代后形成的富集地幔部分熔融形成。因此富鉀花崗巖類的成因成為亟待解決的科學(xué)問(wèn)題之一。

1 地質(zhì)背景和巖石學(xué)特征

1.1 地質(zhì)背景

華北克拉通因構(gòu)造演化復(fù)雜、巖石組合多樣，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)其形成方式和時(shí)間一直存在不同的認(rèn)識(shí)。趙國(guó)春等[5-6]提出華北克拉通是由西部陸塊、東部陸塊和兩者之間的華北造山帶組成。東部陸塊在1.9 Ga處于板內(nèi)裂谷階段，隨著龍崗地塊和郎林地塊的碰撞形成了膠遼吉帶(圖1A)。東部陸塊像其他克拉通一樣在2.7 Ga經(jīng)歷了快速的地殼增長(zhǎng)，同時(shí)2.5 Ga的構(gòu)造熱事件也遍及整個(gè)華北克拉通。東部陸塊中2.7 Ga的綠巖帶相對(duì)出露較少，主要出露的是2.5 Ga TTG片麻巖、少量富鉀質(zhì)花崗巖類和少量變質(zhì)火山巖[7]。

魯西處在華北克拉通東部陸塊東緣，呈北西—南東的走向，在東部被郯廬斷裂帶切割(圖1B)[8]。萬(wàn)渝生將魯西新太古代基底分為東北部晚新太古代(2 490～2 525 Ma)地殼來(lái)源的花崗巖帶(帶A)、中部早新太古代(2.6～2.75 Ga)TTG和表殼巖帶(帶B)以及西南部晚新太古代(2 500～2 550 Ma)的初生地殼(帶C)三個(gè)帶[9]。最近有研究者在魯西(帶B)識(shí)別出來(lái)自于富集地幔的贊岐巖、硅質(zhì)高鎂玄武巖和來(lái)自于俯沖板片熔體的埃達(dá)克巖，同時(shí)期的閃長(zhǎng)質(zhì)巖石在帶B中也被發(fā)現(xiàn)[8]。

1.2 片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖的野外巖石學(xué)特征

本次研究的片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖主要采自魯山、上五泉、蔡店—辛莊鎮(zhèn)、黃莊鎮(zhèn)—房家圈—上升科峪一帶。在蔡店—辛莊鎮(zhèn)、黃莊鎮(zhèn)—房家圈—上升科峪巖體呈條帶狀侵入到混合巖內(nèi)，規(guī)模大小不等，最大的侵入體達(dá)到20 km2(圖1C)。同時(shí)片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖中含有塊狀英云閃長(zhǎng)巖捕擄體(圖2a)，大小不等，最大的有1 m2，在黃莊鎮(zhèn)—房家圈—上升科峪一帶以條帶狀侵入體形式出露在混合巖中的片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖內(nèi)含有大型混合巖捕擄體(圖2b)，混合巖的基體為英云閃長(zhǎng)巖，脈體為二長(zhǎng)花崗巖(圖2d)，同時(shí)片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖中含有大量的角閃石暗色包體和少量的黑云母包體(圖2c)。

圖1 華北克拉通地質(zhì)圖構(gòu)造格架(a)；魯西前寒武紀(jì)地質(zhì)(b)；研究區(qū)內(nèi)片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖分布(c)

圖2 研究區(qū)片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖野外地質(zhì)照片

1.3 片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖的地球化學(xué)特征

5個(gè)具有代表性的片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖樣品主量元素分析結(jié)果列于表1，其表現(xiàn)了高SiO2、K2O、K2O/Na2O的地球化學(xué)特征(表1)。在TAS圖上，所有樣品落入花崗巖區(qū)，為亞堿性系列(圖3a)。在SiO2對(duì)K2O分類圖上，所有的樣品位于高鉀到鉀玄巖系列過(guò)渡區(qū)(圖3b)。因此，研究區(qū)內(nèi)巖石屬于高鉀鈣堿性花崗巖。

研究區(qū)內(nèi)片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖稀土總量變化很大(9.48～165×10-6)，除16SD84-7樣品，其他樣品都表現(xiàn)右斜式稀土配分模式(圖3c)。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素圖譜上，除16SD84-7樣品之外，其他樣品(La/Yb)N值22.11～159.82，表現(xiàn)右斜式稀土配分模式，富集LREE，中稀土到重稀土平坦，表明角閃石為主要?dú)埩粝?，較弱的負(fù)Eu(0.56和0.45)異常，說(shuō)明沒(méi)有明顯的斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶(表1，圖3c)，巖漿起源深度應(yīng)為中下地殼。

表1 代表性樣品的巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)

注：主量元素 wt%；稀土和微量元素10-6。

在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化地微量元素蛛網(wǎng)圖上，所有樣品都表現(xiàn)Nb、Ti、P的負(fù)異常，大離子親石元素Rb、Ba、K的相對(duì)富集，表明源區(qū)在部分熔融之前經(jīng)歷了與流體或熔體交代相關(guān)的過(guò)程(圖3d)。

3 巖石成因討論

魯西地區(qū)魯山新太古代片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖中的暗色包體，在巖體上成群分布，呈現(xiàn)渾圓狀和不規(guī)則的拉長(zhǎng)狀，主要是角閃石，還有少量的黑云母暗色包體，稀土圖譜(圖3a)顯示，角閃石為原巖部分熔融的殘留相，另外，巖體中含有規(guī)模不等的英云閃長(zhǎng)巖捕擄體和基體為英云閃長(zhǎng)巖脈體為二長(zhǎng)花崗巖的混合巖大型捕擄體(圖2a,b,d)。因此，混合巖應(yīng)該是原巖為英云閃長(zhǎng)巖原地部分熔融的產(chǎn)物，研究區(qū)內(nèi)片麻狀高鉀二長(zhǎng)花崗巖為混合巖巖漿進(jìn)一步演化的產(chǎn)角閃石和黑云母暗色包體為伴隨著熔融程度增大而形成的殘留相。同時(shí)，在Al2O3/(FeOtotal+MgO)-3CaO-5K2O/Na2O源巖判別圖中，五個(gè)樣品均落在英云閃長(zhǎng)巖區(qū)域(圖4)，同樣說(shuō)明了英云閃長(zhǎng)質(zhì)巖石的部分熔融形成了高鉀二長(zhǎng)花崗巖。

圖4 研究區(qū)巖石源巖判別圖

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)從樣品的野外地質(zhì)特征以及全巖主微量地球化學(xué)特點(diǎn)的角度入手，嘗試探討高鉀二長(zhǎng)花崗巖的成因。

首先，樣品在野外表現(xiàn)為樣品中含有大量的角閃石和黑云母暗色包體，且形狀不規(guī)則，多呈現(xiàn)梭子形。同時(shí)，樣品中含有英云閃長(zhǎng)巖捕擄體以及基體為英云閃長(zhǎng)巖脈體為二長(zhǎng)花崗巖的混合巖，因此，暗示巖石樣品為英云閃長(zhǎng)巖部分熔融形成，其中混合巖化的英云閃長(zhǎng)巖為英云閃長(zhǎng)巖熔融程度較小時(shí)的產(chǎn)物，暗色包體為英云閃長(zhǎng)巖熔融的殘留相。

其次，在全巖地球化學(xué)方面，巖石樣品表現(xiàn)出了高硅、高鉀、低鎂的地球化學(xué)特征，暗示其為殼源物質(zhì)的部分熔融，同時(shí)在稀土圖譜中，樣品表現(xiàn)為稀土總量較高，而且虧損中、重稀土，表明角閃石為主要?dú)埩粝?，這與野外觀察相一致。

圖3 研究區(qū)巖石樣品主微量特征

最后，巖石樣品在Al2O3/(FeOtotal+MgO)-3CaO-5K2O/Na2O源巖判別圖中，全部落在了英云閃長(zhǎng)巖的部分熔融區(qū)，再次驗(yàn)證了本區(qū)高鉀二長(zhǎng)花崗巖為源巖是英云閃長(zhǎng)巖發(fā)生部分熔融形成。