山東招遠(yuǎn)蘇家莊子超基性巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

陳莉，王敏，王海芹

(山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

山東膠北地體前寒武紀(jì)結(jié)晶基底是華北克拉通東部陸塊的組成部分，處于華北板塊南緣東部，具有獨(dú)特的構(gòu)造樣式及自身演化過程[1]，由太古宙表殼巖、TTG巖系和古元古代變質(zhì)雜巖構(gòu)成。李洪奎研究了膠東太古宙大陸陸殼的形成和增生過程，認(rèn)為是島弧環(huán)境下初始不成熟陸殼向成熟陸殼的增生，新太古代至古元古代早期的地質(zhì)信息記錄了魯東大陸地殼形成的完整地質(zhì)演化過程[2,3]，其間分布的超基性巖代表了初始地殼的幔源巖漿物質(zhì)。古元古代變質(zhì)雜巖(荊山群和粉子山群)中尚有少量的超基性巖和代表基性火山噴發(fā)相的斜長角閃巖類，反映了古元古代初板塊碰撞后拉張階段的裂陷盆地環(huán)境[4]。李旭平等結(jié)合區(qū)域大地構(gòu)造背景分析認(rèn)為膠北超基性巖具有島弧拉斑玄武巖的特征，它們可能形成與島弧相關(guān)的構(gòu)造背景，是弧后盆地環(huán)境的產(chǎn)物而非大陸裂谷環(huán)境[5]。膠北地區(qū)基底巖系超基性巖包括中--新太古代的超基性巖和古元古代的超基性巖，前者主要分布在萊西馬連莊、唐家莊、萊陽西留、棲霞楊礎(chǔ)、譚格莊和招遠(yuǎn)蘇家莊子等地，原巖巖性為純橄巖、橄欖巖和輝石巖為主，伴有輝長巖，經(jīng)多期變質(zhì)為變輝橄巖、變橄欖輝石巖和變輝長巖等，為幔源巖漿作用產(chǎn)物，屬擴(kuò)張洋脊和幔隆區(qū)裂縫帶的構(gòu)造環(huán)境;后者分布在萊陽鶴山泊、萊西南墅、萊州西水夼、海陽通海等地(圖1)，屬弧后盆地環(huán)境[5]。

1—新生界；2—白堊系；3—元古宙變質(zhì)表殼巖；4—太古宙變質(zhì)表殼巖+TTG；5—中生代花崗巖；6—古元古代花崗巖；7—超基性巖；8—地質(zhì)界線；9—斷裂/推斷斷裂圖1 膠東地區(qū)超基性巖分布略圖

前人對(duì)膠北結(jié)晶基底的研究成果頗豐，主要集中在對(duì)早前寒武紀(jì)地質(zhì)和金礦礦源層的研究，陸松年[6]、徐金芳[7]、厲子龍[8]、盧冰[9]、翟明國[10]、李永剛[11]、孫景貴[12]等對(duì)有關(guān)變質(zhì)地體、年代學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造環(huán)境以及陸殼演化等做過深入的研究，但對(duì)于膠北地區(qū)超基性巖的研究資料較少，尤其是在超基性巖構(gòu)造環(huán)境與礦產(chǎn)的關(guān)系方面。本文將在前人研究基礎(chǔ)上，以招遠(yuǎn)蘇家莊子超基性巖為例，進(jìn)一步研究超基性巖的巖相學(xué)、巖石化學(xué)、微量元素、稀土元素等地球化學(xué)特征，追溯膠北地體中超基性巖的原巖性質(zhì)、形成環(huán)境及其所經(jīng)歷的地質(zhì)作用過程，利用超基性巖的主微量元素地球化學(xué)特征，探討幔源巖漿對(duì)基底巖系形成環(huán)境的制約和對(duì)金礦成礦的前期富集作用。

1 地質(zhì)背景

膠北地體位于華北板塊東南端，因盛產(chǎn)金礦而吸引國內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)者和專家來此進(jìn)行地質(zhì)研究。在大地構(gòu)造位置上，該區(qū)地跨華北板塊和蘇魯造山帶兩個(gè)Ⅰ級(jí)大地構(gòu)造單元[1,13-15]。膠北地體前寒武紀(jì)基底主要包括中—新太古代表殼巖(唐家莊巖群和膠東巖群)、TTG質(zhì)與花崗質(zhì)片麻巖和古元古代荊山群和粉子山群孔茲巖系以及少量的高壓基性麻粒巖、斜長角閃巖和中—高級(jí)變質(zhì)超鎂鐵質(zhì)巖。

膠北地體的核部主要有中—新太古代的唐家莊巖群、膠東巖群變質(zhì)火山巖系列、棲霞TTG質(zhì)片麻巖和古元古代超基性—基性侵入巖[13]。唐家莊巖群為磁鐵石英巖、黑云變粒巖、磁鐵紫蘇斜長麻粒巖等，麻粒巖相變質(zhì)。膠東巖群分苗家?guī)r組(斜長角閃巖夾黑云變粒巖)和郭格莊巖組(磁鐵石英巖、黑云變粒巖)，為一套中基性火山巖、碎屑巖夾硅鐵建造，變質(zhì)程度達(dá)高角閃巖相。荊山群和粉子山群為同時(shí)異相的兩套相似的沉積建造。荊山群為海相泥質(zhì)巖、碎屑巖、碳酸鹽巖及鈣鎂硅酸鹽沉積，分布于萊陽、平度等地，由下而上分為祿格莊組、野頭組和陡崖組，低角閃巖相--低壓麻粒巖相變質(zhì)，富產(chǎn)石墨礦。粉子山群為陸緣環(huán)境碎屑巖、碳酸鹽巖建造，分布于萊州、福山等地，由下而上為小宋組、祝家夼組、張格莊組、巨屯組及崗崳組，綠片巖相--角閃巖相變質(zhì)，產(chǎn)菱鎂礦。該區(qū)TTG質(zhì)片麻巖屬廣義的新太古代灰色片麻巖，其原巖形成時(shí)代從～2.9Ga到～2.5Ga[16-18]，而花崗質(zhì)片麻巖的原巖時(shí)代主要為～2.5Ga和～2.1Ga[18]。膠北基性--超基性巖以變形巖墻和不規(guī)則透鏡體形式賦存于TTG質(zhì)片麻巖或花崗質(zhì)片麻巖之中;還與條帶狀鐵建造、超鎂鐵質(zhì)巖、變質(zhì)表殼巖等一起構(gòu)成高級(jí)變質(zhì)雜巖，并以透鏡體的形式分布在新太古代TTG質(zhì)與花崗質(zhì)片麻巖之中[19]。與古元古代淺海相荊山群沉積和大陸邊緣濱海--淺海相粉子山群沉積相伴隨的一套變質(zhì)基性--超基性巖，其207Pb/206Pb變質(zhì)年齡為1956±41Ma和1884±24Ma[20]，與這一帶的變質(zhì)表殼巖、條帶狀磁鐵石英巖等一起構(gòu)成高級(jí)變質(zhì)雜巖透鏡體，并常以不規(guī)則透鏡體出現(xiàn)在表殼巖和花崗質(zhì)或TTG質(zhì)片麻巖中[18]，有時(shí)野外統(tǒng)稱為基性--超基性巖透鏡體。

研究區(qū)位于招遠(yuǎn)市南約9km、道頭鎮(zhèn)北2.5km處蘇家莊子一帶(圖2)，超基性巖呈小巖瘤狀產(chǎn)于新太古代英云閃長巖中(圖2A)，可形成蛇紋巖礦。其原巖為橄欖巖(蛇紋巖)，灰黑色、暗綠色，葉片狀、纖維狀變晶結(jié)構(gòu)、變余粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。對(duì)于其產(chǎn)狀和時(shí)代尚存有分歧，一種認(rèn)為呈包體狀產(chǎn)于新太古代英云閃長巖[21-24]，另一種認(rèn)為是侵入于新太古代英云閃長巖中，應(yīng)屬古元古代的產(chǎn)物[14]，本文將其形成時(shí)代劃為新太古代。

1—第四系；2—晚侏羅世二長花崗巖；3—角閃閃長巖；4—斜長角閃巖；5—角閃石巖；6—變輝石橄欖巖；7—新太古代奧長花崗巖；8—新太古代英云閃長巖；9—石英閃長玢巖/閃長玢巖；10—偉晶巖；11—煌斑巖/石英脈；12—實(shí)測(cè)/推測(cè)地質(zhì)界線；13—實(shí)測(cè)/推測(cè)斷層；14—取樣位置及編號(hào)圖2 蘇家莊子超基性巖分布圖

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集與分析方法

本文超基性巖樣品采自招遠(yuǎn)南部道頭鎮(zhèn)北蘇家莊子村，來自采坑中挖出的0.5～1.3m大小的大巖塊和古采礦坑(20世紀(jì)60年代晚期至80年代早期曾在此采過石棉礦)之坑壁部，與其直接接觸的圍巖是新太古代TTG質(zhì)片麻巖(圖2B)。礦物化學(xué)成分分析在濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行，控制編號(hào)：GJJZ--JL69--07--2016。硅酸鹽巖石分析依據(jù)為DZ/T 0279--2016區(qū)域地球化學(xué)化學(xué)樣品分析方法之標(biāo)準(zhǔn)。主元素和微量元素分析采用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀，儀器型號(hào)為IRIS IntrepidⅡ和雙道原子熒光光譜儀AFS-820進(jìn)行分析。分析條件:加速電壓15kV、束流20An、修正方法依據(jù)PHRZ。稀土元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，儀器型號(hào)為XSERIES2分析。

2.2 分析結(jié)果

本次對(duì)超基性巖巖相學(xué)進(jìn)行了鑒定，對(duì)巖石化學(xué)成分、微量元素、稀土元素進(jìn)行了分析，同時(shí)收集了前人對(duì)蘇家莊子超基性巖做的巖石化學(xué)成分資料，分別列于表1、表2和表3中。

3 超基性巖地球化學(xué)研究

3.1 礦物學(xué)特征

巖石類型以變橄欖巖—變輝長巖為主，多成群呈帶狀展布，呈巖株?duì)睢r瘤狀侵入棲霞序列英云閃長質(zhì)片麻巖中，侵入體長約230m,寬約75m。由于經(jīng)多期變質(zhì)作用，其原巖已蝕變?yōu)樯呒y巖(圖3)。

PG001具網(wǎng)脈(格)狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，薄片中巖石主要礦物為蛇紋石，次要礦物有碳酸鹽礦物、綠泥石，副礦物為磁鐵礦等不透明礦物。蛇紋石：含量74%±，呈纖維集合體狀；顏色主要無色透明；干涉色一級(jí)灰白，可能交代橄欖石而成，在交代過程中沿著橄欖石晶形，析出的磁鐵礦等不透明礦物和部分碳酸鹽礦物混合，構(gòu)成多邊形的網(wǎng)格(脈)結(jié)構(gòu)，纖維狀蛇紋石大部分垂直于網(wǎng)格邊緣。碳酸鹽礦物含量20%±，呈不規(guī)則集合體狀，主要充填在網(wǎng)格中，少數(shù)在網(wǎng)格內(nèi)部可見。綠泥石含量1%±，留有原礦物假象，呈柱狀、片狀集合體，具有墨水藍(lán)異常干涉色，可能交代輝石而成，巖礦鑒定為碳酸鹽蛇紋巖，其原巖為輝橄巖類。

表1 蘇家莊子超基性巖巖石化學(xué)成分(wt.%)

表2 蘇家莊子超基性巖微量元素分析結(jié)果

表3 蘇家莊子超基性巖稀土元素分析結(jié)果(×10-6)

a—PG001樣品；b—PG002樣品；c—PG003樣品圖3 蘇家莊子超基性巖鏡下照片

PG002具網(wǎng)脈(格)狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。薄片中巖石主要礦物蛇紋石97%±，副礦物磁鐵礦等不透明礦物3%。蛇紋石呈纖維狀、鱗片狀集合體；顏色主要無色透明；干涉色一級(jí)灰至一級(jí)黃白，主要是交代橄欖石而成，沿晶體邊部、裂紋向中心進(jìn)行，析出的磁鐵礦質(zhì)點(diǎn)等不透明礦物與纖維狀蛇紋石混合，構(gòu)成多邊形的小網(wǎng)格。巖礦鑒定為蛇紋巖，其原巖為橄欖巖類。

PG003具網(wǎng)脈(格)狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。薄片中巖石主要礦物蛇紋石80%±，次要礦物有碳酸鹽礦物15%±，副礦物為磁鐵礦等不透明礦物5%±。蛇紋石呈纖維狀，聚集呈集合體狀；顏色主要無色透明；干涉色一級(jí)灰白，可能交代橄欖石而成，在交代過程中沿著橄欖石晶形，析出的磁鐵礦等不透明礦物和部分碳酸鹽礦物混合，構(gòu)成多邊形的網(wǎng)格(脈)結(jié)構(gòu)，纖維狀蛇紋石大部分垂直于網(wǎng)格邊緣。碳酸鹽礦物呈不規(guī)則集合體狀，主要充填在網(wǎng)格中，少數(shù)在網(wǎng)格內(nèi)部可見。巖礦鑒定為碳酸鹽蛇紋巖，其原巖為輝橄巖類。

3.2 主元素地球化學(xué)

蘇家莊子超基性巖的主元素地球化學(xué)中(表1)，所研究的巖石樣品的SiO2含量介于31.40%～41.54%之間，平均38.55%，與中國純橄欖巖和戴里純橄欖巖相比，研究區(qū)巖石MgO含量明顯偏低，而Al2O3含量偏高。超基性巖樣品中K2O和Na2O含量偏低，F(xiàn)e2O3含量則較高。在FAM和FeO-MgO-Al2O3圖解中，分別落于拉斑玄武巖系列區(qū)域(圖4)和大洋區(qū)，指示其源區(qū)屬于島弧拉斑質(zhì)玄武巖和洋中脊玄武巖，與太古宙高熱流值及薄的洋殼有關(guān)。研究區(qū)巖石Fe2O3含量高，與高鐵拉斑質(zhì)基性巖類相似[25]，具有玄武質(zhì)巖石的演化特征。里特曼指數(shù)反映為鈣性系列，固結(jié)指數(shù)顯示為幔源原生巖漿直接結(jié)晶的產(chǎn)物，氧化率反映巖體就位于相對(duì)氧化環(huán)境。

圖4 蘇家莊子超基性巖AFM和FeO-MgO-Al2O3圖解

總之，研究區(qū)超基性巖具有高鋁低鎂高鐵之特點(diǎn)，較中國純橄欖巖基性程度更高，SiO2含量更低，蝕變后為純蛇紋巖。

3.3 微量元素地球化學(xué)

微量元素特征(表2)與世界超基性巖平均值相比，親石元素Ba，Sr，V偏高，Cr，Zr偏低；親銅元素Cu，Pb，Zn，As明顯偏高，Ag，Au，W偏低；親鐵元素Co，Ni偏高，Mo偏低，以富親石元素和親銅元素為特征(圖5)。

1—PG001；2—PG002；3—PG003；4—Pt101；5—Pt102圖5 蘇家莊子超基性巖主要成礦元素含量直方圖

從超基性巖中微量元素豐減圖(圖6)中可以看出：Ag，As，Bi，As，Sr元素在超基性巖中呈較明顯的減幅，而Zr少量減少，其他元素在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)稍有增加，但幅度不大。這可能與超基性巖經(jīng)后期強(qiáng)烈的蝕變作用有關(guān)，并不能真正代表原巖的各微量元素的豐減情況。

1—PG001；2—PG002；3—PG003；4—Pt101；5—Pt102圖6 蘇家莊子超基性巖微量元素含量豐減圖(注：序號(hào)與表2同)

總體上，區(qū)內(nèi)超基性巖與中國平均橄欖巖的微量元素相當(dāng)，以富親石元素和親硫元素為特征。

3.4 稀土元素地球化學(xué)

超基性巖的稀土元素地球化學(xué)特征見表3，其球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式屬LREE富集右頃型(圖7)，稀土總量∑REE為(1.350～2.022)×10-6，低于通常的洋脊玄武巖，類似島弧玄武巖的配分模式[26]，稀土曲線平緩右傾，輕、重稀土元素分餾程度均較低。HREE部分曲線平坦，PG002具有較低的Tm含量，可能與后期蝕變析出有關(guān)。理論上講，稀土元素被認(rèn)為是最少溶解的微量元素，并且能夠在低級(jí)風(fēng)化和熱液交代作用中穩(wěn)定[25]。膠北地體招遠(yuǎn)蘇家莊子超基性巖退變和Mg質(zhì)交代作用形成的蛇紋巖，其REE的分布形態(tài)盡管與中國超基性巖基本一致，但其含量卻大大降低，這與后期橄欖巖、輝石轉(zhuǎn)變成蛇紋石有關(guān)。超基性巖樣品的Eu表現(xiàn)為無異常到弱正異常(δEu=0.8～1.21)，受蛇紋石化的影響明顯，流體的次生交代[27]、特別是與蛇紋石化的過程中經(jīng)歷了一定的氧化作用相關(guān)。

圖7 蘇家莊子超基性巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖

4 討論

4.1 關(guān)于超基性巖的構(gòu)造環(huán)境

膠北早前寒武紀(jì)基底屬華北克拉通基底的組成部分[2,13]，由不成熟陸殼向成熟陸殼轉(zhuǎn)化及各微陸塊之間(包括與華北克拉通其他微陸塊之間)的碰撞拼合，基底固結(jié)并逐漸克拉通化。在太古宙時(shí)期，膠北地體存在有中太古代唐家莊古陸核，唐家莊巖群火山沉積巖有較多的富集大離子親石元素的富鐵拉斑玄武巖質(zhì)基性火山巖，指示當(dāng)時(shí)的大地構(gòu)造環(huán)境類似于現(xiàn)代島弧環(huán)境[2,13]。新太古代是膠北重要的地殼增生期，形成了由一套中—基性火山沉積夾碎屑沉積建造的膠東巖群，并有二期TTG花崗巖系，為T1T2G1的灰色片麻巖組合，顯示了從不成熟洋內(nèi)島弧向半成熟的大陸化島弧轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，代表了從初始的玄武質(zhì)地殼轉(zhuǎn)化為半成熟的大陸化地殼的演化過程[2]。在這一過程中，幔源超基性巖漿侵位，代表太古宙高熱流不成熟初始陸殼的拉張環(huán)境。

蘇家莊子超基性巖FAM和FeO-MgO-Al2O3圖解均代表了高熱流值的拉張洋殼環(huán)境，與太古宙地質(zhì)體的幔源來源相一致。但由于后期變質(zhì)改造和蛇紋石化作用，某些元素的地球化學(xué)性質(zhì)在變質(zhì)和交代作用過程中可以發(fā)生遷移，尤其是活動(dòng)元素，如K，Na，Ca等主元素。然而有些元素卻相對(duì)穩(wěn)定，特別是某些微量元素如Zr，Y，Ti，Nb等高場(chǎng)強(qiáng)元素，很可能保留了原巖的性質(zhì)。對(duì)于超基性巖，在多方面的分析和研究中仍可追蹤原巖產(chǎn)出的構(gòu)造信息，而退變與交代作用盡管可以改變?cè)瓗r成分或抹煞原巖的信息，有時(shí)卻也可以追蹤混染物源區(qū)的性質(zhì)[13,28-29]。

4.2 超基性巖與金礦關(guān)系

如果把膠北地區(qū)基性—超基性巖類巖石組合與其形成的構(gòu)造環(huán)境、陸殼成熟度相對(duì)應(yīng)的結(jié)合起來便可知，作為膠東地區(qū)金礦具有花崗—綠巖地體性質(zhì)的前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系，其中的超基性巖是原始地幔巖的證明，蘇家莊子超基性巖Au平均含量為1.13×10-9，而與金礦關(guān)系密切的玲瓏花崗巖Au平均含量為1.62×10-9[13]，屬同一數(shù)量級(jí)，代表超基性巖在漫長的地質(zhì)構(gòu)造演化過程中析出更多的金質(zhì)而參與成礦，鉛源亦顯示膠東金礦的金質(zhì)來源與古老鉛有關(guān)[13]。

5 結(jié)論

(1)膠北地體中的蘇家莊子超基性巖是太古宙不成熟地殼在拉張環(huán)境下侵位的幔源巖漿，其形成環(huán)境為洋殼拉張環(huán)境。

(2)蘇家莊子超基性巖原巖為橄欖輝石巖或輝橄巖，后期經(jīng)強(qiáng)烈熱液交代或蝕變形成蛇紋巖，構(gòu)成礦物以蛇紋石為主，具有典型的蛇紋網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu)。

(3)超基性巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)特征指示其源區(qū)屬于島弧拉斑質(zhì)玄武巖和洋中脊玄武巖，與太古宙高熱流值及薄的洋殼有關(guān)。

(4)超基性巖微量元素顯示與中國平均橄欖巖的微量元素相當(dāng)，親石元素Ba，Sr，V偏高；Cr，Zr偏低；親銅元素Cu，Pb，Zn，As明顯偏高；Ag，Au，W偏低；親鐵元素Co，Ni偏高；Mo偏低，以富親石元素和親硫元素為特征。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式屬LREE富集右傾型，類似島弧玄武巖的配分模式，輕、重稀土元素分餾程度均較低，記錄了受蛇紋石化的影響明顯，流體的次生交代與蛇紋石化的過程中經(jīng)歷了一定的氧化作用相關(guān)。

(5)膠北地體早前寒武紀(jì)基底中超基性巖構(gòu)成了地殼早期演化由不成熟陸殼向成熟陸殼轉(zhuǎn)化中幔源富大離子親石元素的超基性巖特點(diǎn)，它與太古宙基底構(gòu)成花崗—綠巖地體膠東金礦初始礦源層特征，參與了膠東金礦成礦過程。