膠西北變輝長巖U-Pb年齡及地質(zhì)意義

王世龍

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膠西北變輝長巖U-Pb年齡及地質(zhì)意義

王世龍

（西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊，拉薩 850000）

過去膠北地區(qū)（變）基性巖已有深入的研究基礎，本研究以膠西北萊州-三山島地區(qū)山東黃金集團有限公司中國巖金勘察第一深鉆ZK96-5孔中的鈦鐵礦和榍石的變輝長巖巖脈巖心為研究對象，從膠北地區(qū)殼幔演化的角度出發(fā)，在已有資料基礎上重建膠北地區(qū)殼幔演化史，從該變輝長巖的巖石地球化學特征獲取該變輝長巖的成因信息，在宏觀地質(zhì)構造背景中探討該變輝長巖的形成演變歷史。其研究對于確定該變輝長巖形成和變質(zhì)時代，對理清膠北地區(qū)多期次基性巖漿活動所反映的地球動力學背景具有重要價值。

變輝長巖；U-Pb年齡；Sm-Nd同位素；膠西北

膠西北地區(qū)位于華北板塊東緣，東臨太平洋板塊，西側以郯廬斷裂帶為界與魯西花崗-綠巖地體毗鄰，南側為大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶，北臨渤海，東南側以煙臺-青島-五蓮斷裂為界與蘇魯超高壓變質(zhì)帶相鄰（圖1）。該地區(qū)出露的主要巖石類型為早前寒武紀變質(zhì)巖和中生代花崗巖，少量的火山沉積巖、中生代陸相火山巖及第三紀玄武巖在局部地區(qū)鮮有出現(xiàn)。出露的地層主要有新太古代膠東群，早元古代荊山群和粉子山群，新元古界蓬萊群和中新生代地層，侏羅系萊陽組、白堊系青山組、白堊系王氏組及第三系和第四系地層。膠東位于華北克拉通東側郯廬斷裂以東的膠東隆起地區(qū)。這個地區(qū)存在兩個坳陷帶：萊陽坳陷帶、渤海坳陷帶。兩個隆起帶：膠南隆起帶、膠北隆起帶。膠東隆起區(qū)經(jīng)歷過五次構造運動，形成了五個構造層，自上而下分別為：漸新統(tǒng)末期喜馬拉雅運動二幕，新生界構造層；K2末期燕山運動四幕，中生界構造層；粉子山運動（1600Ma），粉子山構造層；伴生膠東運動（1900Ma），荊山群構造層；伴生阜平運動（2600Ma）[1]，膠東構造層。

膠西北萊州-三山島地區(qū)山東黃金集團有限公司中國巖金勘察第一深鉆ZK96-5孔發(fā)現(xiàn)了厚逾百米含大量鈦鐵礦和榍石的變輝長巖巖脈，成為本次研究的對象。

圖1 膠西北區(qū)域地質(zhì)圖

1 變輝長巖的形成時代

1.1 鋯石U-Pb年齡的解釋

變輝長巖的鋯石大多數(shù)鋯石呈橢圓狀或粒狀，其核邊或核幔邊結構發(fā)育極為明顯，核部較暗，一般常出現(xiàn)模糊韻律環(huán)帶或無環(huán)帶的均一內(nèi)核，由此推測為巖漿成因。幔部陰極發(fā)光亮度較低，邊緣處亮度較高，為后期變質(zhì)形成（圖1）。通過鋯石的U-Pb同位素分析和鋯石CL圖像特征，獲得了三期年齡值：核部具模糊巖漿環(huán)帶或無環(huán)帶，207Pb/206Pb表面年齡為2 362~2 511Ma，Th/U變化范圍為0.01~0.7，指示部分鋯石經(jīng)歷了變質(zhì)重結晶作用，除點42-2和42-4以外，其余13個分析點獲得的上交點年齡為2 497±17Ma，MSWD=0.76，這期年齡此前被認為代表了輝長巖的侵位時代。幔部3個分析點（46-6，46-8，46-11）據(jù)陰極發(fā)光圖像觀察，無內(nèi)部結構或具面狀分帶特征，由這3個分析點獲得的207Pb/206Pb加權平均年齡為2 484±8Ma，MSWD=0.02，之前被解釋為變輝長巖經(jīng)歷的第一期變質(zhì)作用的時間，無環(huán)帶或面狀分帶特征的鋯石邊部兩個點的207Pb/206Pb平均年齡為2124Ma，Th/U比值分別為4.7和0.6，被認為是變輝長巖經(jīng)歷的第二期變質(zhì)作用的時間，如圖3所示。變輝長巖中鋯石的來源對解釋這三期年齡至關重要，不同于前人觀點，本文認為該變輝長巖中鋯石為繼承鋯石或捕獲圍巖灰色片麻巖中鋯石，其年齡不能代表原輝長巖的侵位時代。

圖2 膠西北ZK96-5孔變輝長巖鋯石CL圖像

（圓圈為分析點，束斑直徑為20μm）

1.2 榍石U-Pb年齡的解釋

變輝長巖中榍石粒徑較大，對生長在鈦鐵礦周圍的粒度較大的榍石的U-Pb定年結果為161±21Ma（圖4），前人將此年齡解釋為變輝長巖的變質(zhì)年齡，并將其與同期玲瓏花崗巖侵位聯(lián)系起來。根據(jù)榍石在變輝長巖中產(chǎn)狀，變質(zhì)成因的榍石占據(jù)大多數(shù)，對于榍石成因，至少有兩種可能，一是巖漿期后變質(zhì)形成，二是由于后期流體或巖石氧逸度、水活度等物理化學條件的變化變質(zhì)形成。玲瓏巖體的侵位從地殼深處帶來大量的熱和豐富的流體導致變輝長巖中大量變質(zhì)榍石的形成是最合理的一種解釋，但也存在另外一種可能是變輝長巖原巖和玲瓏巖體是同期巖漿活動產(chǎn)物，由于該期巖漿活動規(guī)模大，侵位深度大，時間長（乃至于可將后期形成于145.9 ± 3.6Ma的細晶巖脈視為同期巖漿活動）使原始輝長巖巖漿緩慢結晶，稍晚的巖漿期后變質(zhì)作用導致了變輝長巖中大量榍石的形成，而這一時間間隔在變輝長巖的榍石U-Pb定年結果中得不到反映，榍石U-Pb定年的誤差±21Ma，難以分辨這一時間間隔，變輝長巖原巖可能在~160Ma侵入到晚太古代灰色片麻巖中，在接下來的幾個百萬年期間發(fā)生了緩慢的變質(zhì)重結晶作用。

1.3 Nd同位素對變輝長巖形成時代的制約

Sm和Nd同屬稀土元素，地球化學性質(zhì)相近，多數(shù)情況下稀土元素在變質(zhì)作用中不活潑，Sm/Nd比值不易發(fā)生變化，Sm-Nd同位素體系可以保持良好的封閉體系，從而獲得變質(zhì)巖的成巖年齡，但巖石和礦物的Sm和Nd在變質(zhì)過程中發(fā)生分餾，致使Sm-Nd同位素體系發(fā)生重置而不具備對變質(zhì)巖原巖定年和原巖源區(qū)性質(zhì)示蹤的例子也有報道[25]。如李曙光等報道了華北五臺山地區(qū)早前寒武紀細碧巖和角斑巖全巖Sm-Nd體系在變質(zhì)作用過程中發(fā)生開放[26]。Gruau報道了西格陵蘭Isua表殼巖帶Garbenschiefer角閃巖單元中的巖石具有不均一的Nd同位素組成[26]。變質(zhì)作用引起Sm-Nd體系擾動的機理至今仍有各種猜測，元素在高級變質(zhì)條件下在各種礦物中的重新分配會對單礦物的Sm-Nd體系造成重置，但在全巖尺度，則更有可能是由于變質(zhì)流體的影響使得巖石的Sm-Nd體系受到擾動。

圖3 膠西北ZK96-5孔變輝長巖鋯石U-Pb年齡協(xié)和圖

為方便比較，將7個變輝長巖的全巖Sm-Nd同位素分析結果與膠北前寒武紀和中生代一些變基性巖的Sm-Nd同位素數(shù)據(jù)列于表1中。從此可見，本次研究的變輝長巖與中生代基性脈巖的Nd同位素組成更接近，用2.5Ga計算出的εNd值達到+14，遠離了正常的地幔演化線，單階段Nd模式年齡在1.8Ga左右，與晚太古代角閃巖具有明顯不同的Nd同位素組成，那是否就說明該變輝長巖的Sm-Nd同位素體系就發(fā)生了重置呢？對比那些已經(jīng)報道的全巖Sm-Nd體系由于變質(zhì)作用影響發(fā)生重置的例子筆者發(fā)現(xiàn)那些巖石在野外露頭上就有不均一的礦物組成，并且在露頭尺度上相隔不到幾米的巖石Nd同位素組成都相差較大，反映了變質(zhì)流體造成巖石Sm/Nd比值不均一，但對于本次研究的變輝長巖，不同樣品間間隔最大可達百米，都具有均一的Nd同位素組成，并且從微量元素組成上也并沒有顯現(xiàn)出收到較強流體活動的印記。因此筆者認為變輝長巖應該形成于中生代，全巖Nd同位素反映變輝長巖原巖的源區(qū)有陸殼物質(zhì)的加入。

圖4 膠西北ZK96-5孔變輝長巖榍石U-Pb定年結果

2 變輝長巖的成因及地質(zhì)意義

2.1 蝕變作用的影響

一般利用燒失量（LOI）來評估后期改造中元素活動性的大?。‵arahat, 2010）[27]。本次試驗中16個樣品的燒失量變化范圍大部分在1%附近，僅樣品Z2965-39，-40，-42，-44 燒失量較大（>2.9%）（表2）。由此說明，在后期改造中對元素的活動性產(chǎn)生影響的因素有限。作為不活動元素Zr在巖石發(fā)生蝕變時性質(zhì)穩(wěn)定，因此Zr與其他相對元素的相關性圖解可作為討論其他元素活動特點的重要依據(jù)[28]。從圖中（圖6）可以看出高場強元素（Sm, Yb, Th, Nb）與Zr元素相關性較好，大離子親石元素（Rb、Sr）則以相對離散形式分布，這些證據(jù)表明，在蝕變作用過程中，大離子親石因素比較活動，受蝕變作用的影響較大，因此在討論巖石成因時，重點考慮活動性不強的高場強元素和稀土元素。

圖5 膠西北ZK96-5孔變輝長巖微量元素與Zr相關圖

2.2 源區(qū)富集或圍巖混染

變輝長巖顯示富集輕稀土元素的特征并具有負的εNd（t=160）值，指示了陸殼物質(zhì)的加入。源區(qū)富集和原始巖漿在上升侵位過程中同化混染地殼圍巖都有可能造成變輝長巖呈現(xiàn)現(xiàn)今的元素地球化學特征。微量元素和同位素在示蹤巖漿源區(qū)和研究巖漿演化中具有獨特的重要作用。在過去的幾十年間研究人員對元素和同位素在地球各圈層的分布和運移規(guī)律有了系統(tǒng)研究，建立了多種端元組分和定量模型。地殼和地幔是固體地球的兩個重要圈層，具有差異較大的微量元素和同位素的分布特征。表2列出了變輝長巖中一些特征元素比值，和殼幔端元的對比來探討變造成輝長巖現(xiàn)今地球化學特征的主要因素。

Nb/U、Nb/Pb、Pb/Nd、Ce/Pb、Th/Ta比值可以作為識別陸殼貢獻的指標（Hoffmann,1997），在大陸弧和島弧火山巖中，這些比值明顯低。大陸殼中Nb/U比值為9.7，在OIB和MORB中為47，球粒隕石和原始地幔中為34，變輝長巖的Nb/U比值變化范圍23~44，平均值為34，與原始地幔Nb/U比值一致；Nb/Pb比值變化范圍2.36~8.61，平均值3.4，介于大陸地殼（1.6）與MORB（25）之間；Pb/Nd比值變化范圍0.11~0.23，平均值0.19，位于大陸地殼（0.63）與MORB（0.04）之間；Ce/Pb比值變化范圍7.57~15.73，平均值9.61，位于大陸地殼（4）與MORB（25）之間，與地幔值（10）接近；變輝長巖Th/Ta比值1.23~4.18，平均值1.80，絕大部分樣品的Th/Ta比值低于原始地幔平均值2.30，此比值也遠低于大陸Th/Ta平均值10，說明地殼混染有限。

圖6 La/Sm對La圖解

此次研究的變輝長巖的陸殼印記主要是由于源區(qū)富集而非巖漿混染。前人研究表明，源于軟流圈地幔的玄武巖，其La/Nb值約＜1.5，La/Ta值約＜22，巖石圈地幔來源的玄武巖則與之相反。變輝長巖的La/Nb值變化范圍為0.6~1.3（表2），La/Ta值除一個樣品大于22（Z2965-44，La/Ta=26.7）外，其余樣品La/Ta值變化范圍為14.1~20.0（表2），說明原始輝長巖巖漿來自于軟流圈地幔。

2.3 分離結晶

變輝長巖低的Mg#值，低的Cr和Ni含量指示原始輝長巖巖漿已經(jīng)歷一定程度的結晶分異。在La-La/Sm圖中也顯示分離結晶作用在巖漿演化過程占主導地位，變輝長巖成分的變化主要由結晶分異作用造成。δEu與Sr、Al2O3具有正相關關系，但與CaO為負相關關系（圖略），斜長石的結晶證據(jù)不足，變輝長巖δEu大于1指示斜長石的堆晶。MgO與Ni含量呈正相關關系，指示橄欖石的分離結晶貫穿了整個巖漿演化過程。

表2 膠西北ZK96-5孔變輝長巖相關微量元素比值計算表

2.4 構造環(huán)境

大量地球化學數(shù)據(jù)表明，稀土元素、微量元素相容元素、不相容元素的元素組合、比值變化及一些活動性較差的元素（Ti, P, Zr, Y, Nb, Hf, Ta, Th等）常被用來確定巖石的地球化學特征和構造環(huán)境[5]。在Ti/100-Zr-3Y判別圖中，本應全部落在板內(nèi)玄武巖區(qū)域內(nèi)的測試點由于變輝長巖中Ti含量極高而發(fā)生偏移。在二元Zr-Zr/Y判別圖中幾乎所有的測試點都落在了板內(nèi)玄武巖區(qū)域。同樣，在Th-Hf/3-Ta和2Nb-Zr/4-Y 判別圖解中也都顯示膠西北變輝長巖的構造環(huán)境為板塊內(nèi)部構造環(huán)境，指示變輝長巖原巖侵位于陸內(nèi)環(huán)境。

3 變輝長巖的形成時代

1）膠北鉆孔中0~1km內(nèi)變質(zhì)基性侵入巖主要為榍石斜長角閃巖，原巖為輝長巖巖枝，主量元素組成相當于堿性玄武巖，具有低鎂高鈦的特征。

2）此變輝長巖中鋯石為巖漿上升過程中捕獲圍巖所得，鋯石記錄了膠北地區(qū)-2.5Ga的巖漿事件和-2.1Ga的變質(zhì)事件，這與華北克拉通前寒武紀地體中廣泛記錄的巖漿變質(zhì)事件一致。

3）變輝長巖中榍石為巖漿期后熱液變質(zhì)形成，其形成時代（-160Ma）可代表輝長巖的侵位時代，與膠北地區(qū)廣泛發(fā)育的玲瓏巖體為同期巖漿活動產(chǎn)物。

4）變輝長巖原巖形成于大陸板塊內(nèi)部，侵位過程中受到少量陸殼物質(zhì)混染，成巖過程中主要發(fā)生了橄欖石的分離結晶。

圖7 Ti/100-Zr-3Y判別圖

（a） Ti/100–Zr–3Y判別圖解（Pearce and Cann 1973）; （b） Zr–Zr/Y判別圖解（Pearce and Norry 1979）; （c） Th–Hf/3–Ta 判別圖解（Wood et al. 1979）; （d） 2Nb–Zr/4–Y 判別圖解（Meschede 1986）. MORB：大洋中脊玄武巖

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U-Pb Age Values and Their Geological Significance for Metagabbro from Northwest Shandong

WANG Shi-long

（No.2 geological Party, Tibet Bureau of Geology and Mineral Resources, Lhasa 850000）

This study deals with reconstruction of evolutionary history of the northwest Shandong region based on U-Pb age values and geochemical characteristics of metagabbro sample from drilling core of the first deep drill hole of China gold exploration in the Laizhou-Sanshan island region.

metagabbro; U-Pb age; Sm-Nd isotopic composition; northwest Shandong

2017-12-26

王世龍（1992-），男，河北石家莊人，助理工程師，研究方向：地質(zhì)礦產(chǎn)

P588.1

A

1006-0995（2018）04-0542-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.003