沂沭斷裂帶北段早白堊世高鉀鈣堿性火山巖地球化學(xué)特征與巖石成因*

孟凡超 瞿志敬, 2 崔巖 陳勇 張尚坤 周瑤琪 吳智平 劉嘉麒

1. 中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，青島 2665802. 中國石化勝利油田分公司東辛采油廠，東營 2570003. 山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東科技大學(xué)，青島 2665904. 山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，濟南 2500135. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

郯廬斷裂帶是中國東部濱太平洋構(gòu)造域內(nèi)一條規(guī)模巨大的斷裂帶，其在山東境內(nèi)的部分稱為沂沭斷裂帶。沂沭斷裂帶由一系列NNE向的斷裂構(gòu)成，縱貫山東中部，帶內(nèi)出露有大面積的中生代巖漿巖，包括鐵鎂質(zhì)侵入巖和基性-中酸性火山巖(邱檢生等, 2001; Zhangetal., 2002; 裴福萍等, 2004; 劉燊等, 2004; 牛漫蘭等, 2007; 李友連, 2013)。前人研究表明，鐵鎂質(zhì)侵入巖和基性火山巖具有相似的元素地球化學(xué)特征，明顯富集輕稀土元素(LREE)和Rb、Ba、K等大離子親石元素(LILE)，相對虧損重稀土元素(HREE)和Nb、Ta、Ti等高場強元素(HFSE)，相對富集Sr-Nd-Pb同位素，這些特征表明，巖漿起源于地球化學(xué)不均一的富集巖石圈地幔(Xuetal., 2004a; 李全忠等, 2007; Liuetal., 2015; Mengetal., 2015; Yangetal., 2018)，但關(guān)于源區(qū)富集機制還存在爭議，部分學(xué)者認為富集作用與三疊紀時期揚子陸塊與華北板塊之間發(fā)生的深俯沖、碰撞作用有關(guān)，富集地幔由揚子大陸地殼對華北古老巖石圈地幔交代改造作用形成(Zhouetal., 2002; Yanetal., 2009; Lanetal., 2011; Huangetal., 2012)；另一種觀點認為其與華北克拉通巖石圈大規(guī)模拆沉作用有關(guān)，太古代古老地殼物質(zhì)拆沉進入到地幔中，導(dǎo)致了巖石圈地幔成分改變(Gaoetal., 2004; 邱檢生等, 2013; Liuetal., 2015; Lietal., 2018)。還有學(xué)者認為部分地區(qū)富集巖石圈地幔與碳酸鹽交代作用有關(guān)，交代作用使地幔中金云母和單斜輝石的模式比例發(fā)生了改變，導(dǎo)致巖石圈富集(Guoetal., 2001; Yingetal., 2006)。

雖然鐵鎂質(zhì)巖石可以很好反映源區(qū)特征，但其包含的巖漿后期演化過程信息卻十分有限。沂沭斷裂帶及其附近發(fā)育大量中酸性火山巖，可以更多反應(yīng)巖漿形成以后穿過地殼的演化過程。其巖石成因存在三種觀點：(1)大多數(shù)學(xué)者主張它們應(yīng)該起源于富集巖石圈地幔，由基性巖漿發(fā)生了分離結(jié)晶作用形成，在巖漿上升過程中有/未受到地殼混染(牛漫蘭等, 2001; Yangetal., 2018)；(2)部分學(xué)者認為它們是華北或揚子下地殼和地幔物質(zhì)部分熔融混合的產(chǎn)物(匡永生等, 2012; 曹光躍, 2018; Mengetal., 2018)；(3)還有部分學(xué)者則認為部分地區(qū)中性火山巖是華北或揚子下地殼熔融產(chǎn)物(Fanetal., 2001; Lingetal., 2009; Yangetal., 2016)。

沂沭斷裂帶區(qū)域中酸性火山巖的源區(qū)組成和形成演化過程也存在爭議。不同地區(qū)中酸性火山巖成因可能存在差別，前人的研究多集中在沂沭斷裂帶中南段，而北段研究較少。本次研究選取沂沭斷裂帶北段濰坊-安丘-鄌郚地區(qū)的晚中生代火山巖為研究對象，系統(tǒng)考察與取樣后，進行詳細的巖石學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)、巖石地球化學(xué)研究，探討其源區(qū)組成特征及形成演化過程，為進一步整體揭示沂沭斷裂帶晚中生代巖漿活動特征提供重要信息。

圖1 華北克拉通構(gòu)造簡圖(a, 據(jù)Zhao et al., 2005)和沂沭斷裂帶晚中生代火山巖分布略圖(b, 據(jù)匡永生等, 2012)Fig.1 A simplified tectonic map of North China Craton (a, after Zhao et al., 2005) and distribution of Late Mesozoic volcanic rocks along the Yishu fault (b, after Kuang et al., 2012)

1 區(qū)域地質(zhì)概況及巖石學(xué)

華北克拉通以中亞造山帶南緣為北界，以秦嶺-大別-蘇魯造山帶為東南界，東臨黃海，地質(zhì)演化歷史復(fù)雜(圖1a)(Liuetal., 2019)。中亞造山帶形成于古生代時期華北克拉通與蒙古板塊之間的碰撞作用(Xiaoetal., 2003; 陳衍景等, 2009)，秦嶺-大別-蘇魯造山帶則是由晚三疊世時期華北克拉通與揚子板塊之間的陸陸碰撞作用產(chǎn)生(Yin and Nie, 1993; Li, 1994)。郯廬斷裂帶是華北東部的一個突出的地質(zhì)構(gòu)造，在中國境內(nèi)寬約20～40km，長近2400km。斷裂帶整體呈近“S”狀沿著NNE方向延伸，南起長江北岸湖北廣濟，向北途經(jīng)安徽廬江、江蘇宿遷，到達山東境內(nèi)的郯城地區(qū)，北入渤海，最終穿過沈陽后一分為二形成了東支的密山-撫順斷裂帶(又稱敦化-密山斷裂帶)和西支的依蘭-伊通斷裂帶。斷裂帶由南至北可劃分為蘇皖段、山東段(沂沭斷裂帶)和沈陽-渤海段(營濰斷裂帶)(朱光等, 2003)(圖1a)。

山東地區(qū)晚中生代地層由萊陽群、大盛群、青山群、王氏群組成，早白堊世火山巖和燕山期花崗巖分布廣泛，本次研究所采樣品位于沂沭斷裂帶北段的濰坊、安丘、鄌郚地區(qū)(圖1b)?；鹕綆r廣泛分布在早白堊世青山群地層中(圖2)，存在火山熔巖和火山碎屑巖兩種類型，本次研究主要采集火山熔巖樣品。巖石整體呈紫色、灰黑色、淺肉紅色，塊狀構(gòu)造，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，部分可見斑狀結(jié)構(gòu)(圖3a-d)，取樣過程去除表面風(fēng)化物質(zhì)，獲得新鮮樣品10件。

圖2 沂沭斷裂帶北段鄌郚地區(qū)地質(zhì)圖(a, 據(jù)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1990(1)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 1990年. 1:5萬鄌郚幅地質(zhì)圖)、安丘地區(qū)地質(zhì)圖(b, 據(jù)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1991(2)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 1991年. 1:20萬高密幅地質(zhì)圖)和濰坊地區(qū)地質(zhì)圖(c, 據(jù)山東省地質(zhì)調(diào)查研究院, 1996(3)山東省地質(zhì)調(diào)查研究院. 1996年. 1:20萬濰坊幅地質(zhì)圖)

鄌郚地區(qū)火山巖為玄武安山巖(BTW樣品)和粗安巖(SMT樣品)：玄武安山巖呈斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為斜長石、輝石、角閃石，斑晶含量約占10%(圖3e)，基質(zhì)主要由細小輝石、角閃石、斜長石、不透明礦物組成；粗安巖呈斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為正長石，含量約占15%(圖3f)。濰坊地區(qū)火山巖包括粗面巖(NMC樣品)和英安巖(XFC樣品)：粗面巖呈斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為正長石，含量較低，約為5%(圖3g)。安丘地區(qū)火山巖主要為英安巖(QXCG樣品)，與濰坊地區(qū)英安巖巖石特征相似，都為斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶含量較低，約為5%。斑晶由黑云母和斜長石組成，部分黑云母具有暗化邊，基質(zhì)成分肉眼不能辨認(圖3h)。

圖3 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖野外照片(a-d)和相應(yīng)的顯微照片(e-h)Pl-斜長石；Bt-黑云母；Px-輝石；Or-正長石Fig.3 Field photos (a-d) and corresponding micrographs (e-h) of the Early Cretaceous volcanic rocks from the northern part of Yishu faultPl-plagioclase; Bt-biotite; Px-pyroxene; Or-orthoclase

2 分析方法

鋯石挑選工作在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成。首先，用切割機將野外采集樣品的風(fēng)化面切除，保留內(nèi)部新鮮部分，進行破碎、磁選以及重選完成鋯石顆粒的初步分選；然后，雙目鏡下挑選出符合要求(顆粒大、表面光潔、晶型完整、色澤度好等)的鋯石顆粒，再將鋯石用雙面膠貼在載玻片上注入環(huán)氧樹脂；最后，用砂紙對固結(jié)后的鋯石顆粒進行打磨并進行表面清洗工作，拋光后進行陰極發(fā)光照相(CL)、透反射光照相。鋯石U-Pb年齡測試在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司進行。使用AnlyitikJena PQMS Elite ICP-MS儀器和ESI NWR 193nm準分子激光剝蝕系統(tǒng)，激光光斑直徑可達到35μm，頻率高達10Hz，能量密度2.31J/cm2。采用國際標準鋯石GJ-1為外標標準物質(zhì)(Jacksonetal., 2004)。使用ICPMSDataCal程序軟件來進行測試數(shù)據(jù)的處理工作，采用Isoplot 4.15程序進行鋯石年齡諧和圖繪制，同位素比值和年齡誤差為1σ，U-Pb加權(quán)平均年齡誤差在95%的置信區(qū)間內(nèi)。

圖4 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖鋯石CL圖像和LA-ICP-MS分析點位以及206Pb/238U視年齡(單位：Ma)Fig.4 CL images, localities of the points for LA-ICP-MS measurements and the 206Pb/238U apparent ages (Ma) of zircons from the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault

全巖主微量元素在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。主量元素利用X射線熒光光譜(XRF)法進行分析測定，儀器為AxiosmAX X射線熒光光譜儀，測試精度優(yōu)于2%。微量元素的分析測試工作采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)，儀器為德國ELEMENT質(zhì)譜儀，元素含量大于10-5的元素測試精度優(yōu)于5%，小于10-5的元素精度優(yōu)于10%。詳細分析測定步驟可以參照Quetal. (2004)。Sr-Nd-Pb同位素在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體同位素實驗室進行分析。利用HF+HNO3+HClO4混合酸將50～100mg樣品溶解，后分離提純。同位素組成在FinniganMAT262同位素質(zhì)譜儀上進行測定，Sr同位素比值采用86Sr/88Sr=0.1194進行質(zhì)量分餾校正；Nd同位素比值采用146Nd/144Nd=0.7219進行校正；Pb同位素比值采用NBS-981標樣進行校正。具體的實驗步驟可見相關(guān)參考文獻(Foland and Allen, 1991)。

3 分析測試結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年齡

選取濰坊粗面巖(NMC-01)、安丘英安巖(QXGC-01)和鄌郚玄武安山巖(BTW-01)三件樣品進行LA-ICP-MS法鋯石U-Pb同位素年代學(xué)測試，測試樣品的詳細經(jīng)緯度坐標及U-Pb定年結(jié)果列于表1。

表1 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果

續(xù)表1

NMC-01樣品中鋯石顆粒絕大多數(shù)以棱柱狀為主，少數(shù)呈不規(guī)則的粒狀，結(jié)晶程度較好，具透明-半透明狀，長徑主要變化于100～150μm，長寬比多為1.5:1～2:1，其Th/U比值在0.75～1.56范圍內(nèi)，陰極發(fā)光圖像(CL)上均顯示出較為清晰的震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4a)，為明顯的巖漿成因特征。該樣品共獲得了28個有效測試點數(shù)據(jù)(表1)，其中點21與其他分析點不諧和， 剩余27個點均具有相似的206Pb/238U年齡，所有點在206Pb/238U-207Pb/235U圖上(圖5a)，均位于諧和線上，經(jīng)計算獲得206Pb/238U加權(quán)平均年齡為124±1Ma(MSWD=0.86，2σ)(圖5b)，該年齡可以代表濰坊地區(qū)粗面巖的形成年齡。

圖5 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖的鋯石U-Pb諧和圖Fig.5 U-Pb concordia diagrams of zircons from the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault

QXGC-01樣品中鋯石顆粒發(fā)育不太完整，呈大小不一的短柱狀、不規(guī)則粒狀，其長徑變化于60～100μm之間，長寬比為1:1～1.5:1，高Th/U比值為0.15～1.49，CL圖像顯示大多數(shù)鋯石顆粒發(fā)育韻律環(huán)帶但環(huán)帶不清晰(圖4b)，應(yīng)為巖漿成因鋯石。對鋯石顆粒進行了20個分析點的測定(表1)，其中點2、4、5、7、13和18測試點的206Pb/238U表面年齡介于1470～2531Ma之間，為繼承或捕獲的鋯石；點1、3、10、11、和19的206Pb/238U表面年齡分別為257Ma和432Ma，也為捕獲鋯石。除去2個不在諧和線上的測試點，剩余7個測試點206Pb/238U表面年齡均落在諧和線上(圖5c)，經(jīng)加權(quán)平均計算后其206Pb/238U年齡為131±2Ma(MSWD=1.6，2σ)(圖5d)，代表安丘地區(qū)英安巖的形成年齡。

BTW-01樣品中鋯石顆粒較小，以柱狀、不規(guī)則狀為主，長徑變化范圍為50～90μm，長寬比多為1:1～1.5:1，其高Th/U比值為0.20～2.80，指示其為巖漿結(jié)晶產(chǎn)物，CL圖像上韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)模糊或不發(fā)育(圖4c)。共進行了22個分析點的測試(表1)，其中2、12、16分析點的206Pb/238U表面年齡在2228～2695Ma之間，為繼承鋯石或捕獲鋯石；測試點4、17、18、19的206Pb/238U表面年齡244～439Ma之間，也為繼承鋯石或捕獲鋯石；除去1個非諧和測試點，其余14個測點數(shù)據(jù)集中在119～130Ma，均位于諧和線上(圖5e)，其206Pb/238U加權(quán)平均年齡為124±2Ma(MSWD=2.2，2σ)(圖5f)，代表鄌郚地區(qū)玄武安山巖的形成年齡。

3.2 主量元素

沂沭斷裂帶北段濰坊-安丘-鄌郚地區(qū)晚中生代火山巖樣品的主量元素地球化學(xué)組成列于表2。區(qū)內(nèi)火山巖為一套中性巖石，SiO2含量變化范圍為51.25%～66.47%，火山巖樣品在TAS圖解上(圖6a)落入玄武安山巖、安山巖、粗安巖、粗面巖和英安巖區(qū)域中。其K2O含量在2.07%～4.35%范圍內(nèi)變化，在SiO2-K2O關(guān)系圖(圖6b)中落入高鉀鈣堿性系列。區(qū)域內(nèi)火山巖樣品MgO含量(0.48%～3.22%)變化較大，而TiO2含量較低，變化范圍為0.30%～0.73%，Al2O3含量為12.65%～17.90%，Na2O含量為2.41%～6.29%， Fe2O3T含量為3.83%～7.52%。沂沭斷裂帶所有巖石樣品的MgO、CaO、Fe2O3T、TiO2總體上均與SiO2含量呈明顯負相關(guān)關(guān)系，而K2O與SiO2含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，Na2O、P2O5、Al2O3則隨著SiO2含量的增加無明顯變化(圖7)。

圖6 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖TAS(a, 據(jù)Le Bas et al., 1986)和K2O-SiO2(b, 據(jù)Foley and Peccerillo, 1992)圖解安丘數(shù)據(jù)引自張永清等, 2017. 圖7-圖14圖例及數(shù)據(jù)引用同此圖Fig.6 TAS (a, after Le Bas et al., 1986) and K2O vs. SiO2 (b, after Foley and Peccerillo, 1992) diagrams of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu faultAnqiu data from Zhang et al., 2017. Symbols and data in fig.7-fig.14 are as same as those in this figure

表2 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖主量元素(wt%)及微量元素(×10-6)含量

圖7 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖元素協(xié)變圖解Fig.7 Elements against SiO2 diagrams of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault

3.3 微量元素

研究區(qū)高鉀鈣堿性火山巖微量元素和稀土元素分析結(jié)果列于表2。稀土元素含量變化具有一致性，其∑REE主要在140.5×10-6～433.1×10-6范圍內(nèi)，富集輕稀土(LREE)而虧損重稀土(HREE)，∑LREE/∑HREE值為9.8～31.0，(La/Yb)N值為14.0～58.1(平均為40.3)。稀土元素配分模式圖上，具有明顯一致的右傾型特征(圖8a)，指示這些巖石的原始巖漿來源于性質(zhì)相似的源區(qū)。δEu值在0.81～1.02內(nèi)變化，缺乏顯著的負Eu異常，暗示無明顯的斜長石分離結(jié)晶作用?；鹕綆r這些元素地球化學(xué)特征與魯西晚中生代基性巖漿巖類似(Zhangetal., 2002; Guoetal., 2013; Lietal., 2018)，但與OIB或MORB完全不同。

原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖8b)，火山巖明顯富集Rb、Ba、K、Pb等大離子親石元素(LILE)，相對虧損Nb、Ta和Ti等高場強元素(HFSE)。巖石表現(xiàn)出顯著的Pb正異常、P負異常，Th、Zr、Hf元素含量相對較低，微量元素分布模式與魯西地區(qū)早白堊世EMⅡ型基性巖漿巖(Zhangetal., 2002; Yingetal., 2006; Liuetal., 2015)相似。Cr、Ni元素含量整體上隨著SiO2含量的增加而減少，Sr、Sm元素隨著SiO2含量的增加無明顯變化(圖7)。

3.4 Sr-Nd-Pb同位素特征

高鉀鈣堿性火山巖Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果列于表3?；鹕綆r具有富集的Sr-Nd同位素組成，(87Sr/86Sr)i值在0.708054～0.711692范圍內(nèi)變化，εNd(t)值為-15.3～-7.4之間，同位素值變化區(qū)間較大。樣品的Sr-Nd同位素組成與魯西EMⅡ型幔源巖石——方城玄武巖((87Sr/86Sr)i=0.7094～0.7101,εNd(t)=-14.2～-11.1, Zhangetal., 2002; Guoetal., 2013)類似(圖9)，也與沂沭斷裂帶內(nèi)鐵鎂質(zhì)侵入巖相似，如濰坊輝綠巖((87Sr/86Sr)i=0.7098～0.7100，εNd(t)=-14.5～-13.8，Liuetal., 2015)、沂南輝長巖((87Sr/86Sr)i=0.7105～0.7112，εNd(t)=-15.6～-12.7，Xuetal., 2004a)等。不同于魯西EMⅠ型巖石圈地幔來源基性巖(Guoetal., 2003)。Pb同位素變化范圍為(206Pb/204Pb)i=17.213～17.962，(207Pb/204Pb)i=15.425～15.590，(208Pb/204Pb)i=37.597～38.365，與沂沭斷裂帶內(nèi)及鄰區(qū)的魯西EMⅡ型巖石相似(圖10)，如沂南輝長巖((206Pb/204Pb)i=17.263～17.454，(207Pb/204Pb)i=15.475～15.552，(208Pb/204Pb)i=37.458～38.019，Xuetal., 2004a)。

表3 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖Sr-Nd-Pb同位素組成

圖8 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(a)及原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)(標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)數(shù)據(jù)來源：方城玄武巖(Zhang et al., 2002; Ying et al., 2006)；濰坊輝綠巖(Liu et al., 2015)Fig.8 Chondrite-normalized rare earth element pattern (a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b) of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault (normalization values after Sun and McDonough, 1989)Data resources: Fancheng basalt (Zhang et al., 2002; Ying et al., 2006); Weifang diabase (Liu et al., 2015)

圖9 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖(87Sr/86Sr)i-εNd(t)關(guān)系圖(底圖據(jù)Li et al., 2018修改)數(shù)據(jù)來源：MORB (Hofmann, 2007)；魯西EMⅠ型基性巖(Guo et al., 2001; 閆峻, 2001; Xu et al., 2004b; Yang et al., 2005; Liu et al., 2006, 2008a; 李全忠等, 2007)；魯西EMⅡ型基性巖(Zhang et al., 2002; Xu et al., 2004a; Ying et al., 2006)；軟流圈地幔來源基性巖(107～78Ma)和巖石圈地幔來源基性巖脈(Ma et al., 2014)；魯西早白堊世埃達克質(zhì)巖石(Liu et al., 2008a; Wang et al., 2016)；魯東早白堊世埃達克巖(Huang et al., 2016)；沂南輝長巖(Xu et al., 2004a)；方城玄武巖(Zhang et al., 2002; Guo et al., 2013)Fig.9 (87Sr/86Sr)i vs. εNd(t) diagram of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault (base map after Li et al., 2018)Data resources: MORB (Hofmann, 2007); EMⅠ-type rocks in Luxi (Guo et al., 2001; Yan et al., 2001; Xu et al., 2004b; Yang et al., 2005; Liu et al., 2006, 2008a; Li et al., 2007); EMⅡ-type rocks in Luxi (Zhang et al., 2002; Xu et al., 2004a; Ying et al., 2006); asthenospheric mantle-derived mafic rocks (107～78Ma) and lithospheric mantle-derived mafic dykes (Ma et al., 2014); Early Cretaceous adakitic rocks in western Shandong (Liu et al., 2008a; Wang et al., 2016); Early Creaceous adakitic rocks in eastern Shandong (Huang et al., 2016); Yi’nan gabbro (Xu et al., 2004a); Fancheng basalt (Zhang et al., 2002; Guo et al., 2013)

4 討論

風(fēng)化和次生變化過程可不同程度地活化某些主量元素(Si、Na、K、Ca)和大離子親石元素(Rb、Ba、Sr)，但基本不會改變高場強元素和稀土元素的活動性(Rileyetal., 2001)，具體表現(xiàn)為低溫水合和長英質(zhì)脫?；饔靡讓?dǎo)致K、Si元素的增加而Na元素減少；熱液活動通常會使K、Rb、Ba和Si元素富集而Na、Ca和Sr虧損；區(qū)域變質(zhì)作用也會提高K、Sr、Rb和Ba等元素的活動性(Thorpeetal., 1993)，因此對弱蝕變火山巖成因的分析應(yīng)該主要集中于HFSE(Zr、Hf、Nb、Ta、Ti、P)和REE。

4.1 地殼混染

沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖均表現(xiàn)為富集大離子親石元素(LILE)、虧損高場強元素(HFSE)的特征，且具有富集的Sr-Nd-Pb同位素組成，這些特征說明地殼物質(zhì)起到了重要作用。然而，地殼物質(zhì)是對地幔源區(qū)交代改造還是參與了巖漿上升過程中的混染，或是兩者作用的疊加，需要進一步討論。沂沭斷裂帶處于大陸板塊內(nèi)部，巖漿上升過程中需要跨越較厚的大陸地殼，一定程度上可能要遭受地殼混染。

火山巖具有明顯較高含量的SiO2和低含量的MgO、全鐵Fe2O3T以及CaO，指示其火山巖可能經(jīng)歷了強烈的結(jié)晶分異或地殼混染作用。任何地幔巖石的部分熔融都會產(chǎn)生低SiO2含量的巖漿，盡管在地幔高度富集流體時可以產(chǎn)生中等SiO2(56%～60%)含量的巖漿(Zhangetal., 2008)。地殼混染會致使主量、微量元素隨SiO2含量的改變發(fā)生明顯地變化，還會導(dǎo)致巖石的(87Sr/86Sr)i和εNd(t)值隨著SiO2的增大而分別增加和減少。沂沭斷裂帶北段中性火山巖的Sr-Nd同位素組成具有一定變化，個別樣品的初始87Sr/86Sr比值、εNd(t)值與SiO2含量之間呈現(xiàn)上升或者下降趨勢(圖11a, b)，指示這些樣品可能受到地殼混染。另外，地殼混染作用會導(dǎo)致K2O/TiO2和K2O/P2O5比值的增加(Fanetal., 2001)，區(qū)內(nèi)中性火山巖的K2O/TiO2=3.17～14.30，K2O/P2O5=4.66～19.32，比值具有一定變化，符合這一特征。安丘地區(qū)QXGC-01火山巖中存在捕獲鋯石，鋯石年齡(2.43～2.69Ga)與華北克拉通太古界基底的年齡相一致(2.4～2.5Ga; Gaoetal., 2004; Gengetal., 2012)，也說明了在巖漿演化的過程中有華北古老地殼物質(zhì)的參與。

中上地殼通常表現(xiàn)為具有顯著的Eu負異常，以及強烈富集Rb、Th、U等元素而相對虧損Sr元素的特征(Taylor and McLennan, 1985; Jahnetal., 1999)。斷裂帶北段中性火山巖不存在明顯Eu負異常特征，其Rb/Ba值介于0.04～0.10之間，總體偏低，表明了在巖漿上升過程中不存在顯著的中上地殼的混染。下地殼主要是由麻粒巖相巖石組成的，其組成具有不均一性且Sr-Nd同位素組成變化大，強烈虧損U、Th，相對富集Ba、Sr，虧損Nb、Ta且Nb/Ta比值較高。微量元素蛛網(wǎng)圖上顯示斷裂帶北段早白堊世高鉀鈣堿性火山巖絕大多數(shù)都富集Ba而虧損Th、Sr(圖8)，且其Nb/Ta比值范圍為18.8～24.2(平均值為20.2)，整體上略高于華北克拉通基性麻粒巖的平均值(17.42, 劉勇勝等, 1999)。高鉀鈣堿性火山巖Th/U比值在4.3～11.8范圍內(nèi)變化，其平均值為7.2，比華北克拉通下地殼的平均值(6.0, Gaoetal., 1998)要高。這些證據(jù)均表明斷裂帶北段早白堊世巖漿上升過程中受到了來自華北下地殼物質(zhì)的混染。然而，鄌郚地區(qū)玄武安山巖、粗面巖MgO含量和εNd(t)值較高，隨SiO2含量增加變化范圍較小，只有濰坊地區(qū)樣品的(87Sr/86Sr)i比值、εNd(t)值出現(xiàn)明顯變化，表現(xiàn)出了地殼混染趨勢(圖11)。因此，沂沭斷裂帶北段濰坊地區(qū)和安丘地區(qū)英安巖遭受了明顯的地殼混染，其余地區(qū)樣品的Sr-Nd同位素組成與原始巖漿差異不大，可以用來討論源區(qū)特征和巖漿演化。

4.2 部分熔融與分離結(jié)晶

La-La/Sm圖解常被用于判別部分熔融和分離結(jié)晶過程。由于La和Sm在熔體相和晶體相的配分系數(shù)不同，在部分熔融過程中，La/Sm隨著La的增加而增加，而分離結(jié)晶過程中，La/Sm值隨著La的增加保持恒定。沂沭斷裂帶鄌郚地區(qū)玄武安山巖隨著La的增加，La/Sm比值呈良好的線性增加趨勢，代表部分熔融作用影響較大。粗面巖、粗安巖和英安巖隨著La的增加，La/Sm比值基本保持恒定，說明分離結(jié)晶作用對粗面巖、粗安巖和英安巖地球化學(xué)特征影響較大(圖12)。

粗面巖、粗安巖和英安巖斑晶發(fā)育(圖3f-h)。MgO、CaO、Fe2O3T等氧化物以及Cr、Ni等微量元素均同SiO2表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(圖7)，暗示這些巖石經(jīng)歷不同程度的分離結(jié)晶。英安巖的MgO、Cr、Ni含量(表2)均明顯低于原始巖漿的參考值(即其MgO=10%～12%，Cr=250×10-6，Ni=90×10-6～670×10-6，Mg#值為68～75，Wendlandtetal., 1995; Righter, 2000)，表明了它們是原始巖漿結(jié)晶分異形成的。英安巖的MgO、CaO、Fe2O3T的含量均隨著SiO2含量的增大而減少，暗示其巖漿可能都經(jīng)歷了一定的角閃石的分離結(jié)晶，同時Dy與Er之間的正相關(guān)性也證明了這一點(圖略)。微量元素蛛網(wǎng)圖中顯示P和Ti元素存在顯著負異常(圖8)，而其TiO2、P2O5的含量也都隨著SiO2含量的增大而減少，這些特征均指示磷灰石和Fe-Ti等氧化物(如鈦鐵礦)發(fā)生了分離結(jié)晶。稀土元素配分圖上英安巖無明顯的Eu異常(圖8)，表明不存在斜長石的強烈分離結(jié)晶作用。綜上所述，該區(qū)玄武安山巖元素變化主要受部分熔融控制，而粗面巖、粗安巖和英安巖元素變化則受部分熔融和分離結(jié)晶的共同控制。

4.3 源區(qū)特征

沂沭斷裂帶北段部分鈣堿性火山巖母巖漿在上升過程中經(jīng)歷了華北地殼物質(zhì)的同化混染作用。因此，關(guān)于它源區(qū)特征的討論主要集中在區(qū)內(nèi)混染程度較低或未受混染影響的樣品(鄌郚地區(qū)玄武安山巖)。這些火山巖具有高含量的Al2O3、Sr和(La/Yb)N以及低Yb特征，類似于埃達克巖(Drummond and Defant, 1990; Castillo, 2012)。實驗研究表明，在1～4GPa壓力下，基性下地殼(玄武巖/變玄武巖)發(fā)生部分熔融形成的埃達克質(zhì)熔體具有低的MgO、Cr、Ni含量和Mg#(Rapp and Watson, 1995; Rappetal., 1999)。然而，該區(qū)玄武安山巖具有較高的Cr(286.4×10-6～313.3×10-6)、Ni(103.4×10-6～119.5×10-6)值，MgO、Mg#值變化范圍也較大，初始87Sr/86Sr和εNd(t)值也完全與華北下地殼或是揚子下地殼的同位素組成不同(圖9)。玄武安山巖的Nb/Ta值(18.79～24.24)高于大陸地殼(12～13, Barthetal., 2000)，La/Nb比值(≥4)高于中國大陸東部地殼平均值(1.7, Gaoetal., 1998)，指示它們不可能僅由下地殼源區(qū)的部分熔融形成，巖漿源區(qū)中必然存在幔源物質(zhì)。軟流圈與地殼巖漿混合，在理論上可以產(chǎn)生類似區(qū)內(nèi)火山巖的εNd(t)值，但也會造成火成巖的Nb/U、Ce/Pb比值分別達到20和13以上(謝文雅等, 2009)，該區(qū)玄武安山巖的Nb/U約為4.7，Ce/Pb約為5.3，均遠小于上述值。因此，沂沭斷裂帶北段玄武安山巖無法用殼源和軟流圈巖漿的混合來解釋。

圖10 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖(207Pb/204Pb)i-(206Pb/204Pb)i (a)和(208Pb/204Pb)i-(206Pb/204Pb)i (b)關(guān)系圖(底圖據(jù)Zindler and Hart, 1986)數(shù)據(jù)來源：方城玄武巖(Zhang et al., 2002)；沂南輝綠巖(Xu et al., 2004a)；魯西EMⅠ型基性巖(Guo et al., 2001; 閆峻等, 2001; 楊承海, 2007)；魯西EMⅡ型基性巖(Zhang et al., 2002; Ying et al., 2004; 楊承海, 2007)Fig.10 (207Pb/204Pb)i vs. (206Pb/204Pb)i (a) and (208Pb/204Pb)i vs. (206Pb/204Pb)i (b) diagrams of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault (base map after Zindler and Hart, 1986)Data resources: Fangcheng basalt (Zhang et al., 2002); Yi’nan diabases (Xu et al., 2004a); EMⅠ-type basic rocks in Luxi (Guo et al., 2001; Yan et al., 2001; Yang, 2007); EMⅡ-type basic rocks in Luxi (Zhang et al., 2002; Ying et al., 2004; Yang, 2007)

圖11 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖(87Sr/86Sr)i-SiO2 (a)和εNd(t)-SiO2 (b)關(guān)系圖Fig.11 (87Sr/86Sr)i vs. SiO2 (a) and εNd(t) vs. SiO2 (b) diagrams of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault

圖12 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖La-La/Sm關(guān)系圖Fig.12 La vs. La/Sm diagram of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault

未受混染影響的玄武安山巖表現(xiàn)出富集的Sr-Nd-Pb同位素組成，強烈富集LREE和LILE，而虧損HREE、HFSE，樣品的Ba/Nb、Rb/Nb比值較高，遠高于原始地幔(PM)、虧損地幔(DM)的值(Weaver, 1991; Jahnetal., 1999)，這些特征都說明該區(qū)玄武安山巖可能來源于富集地幔，其地幔源區(qū)遭受了大陸地殼物質(zhì)的改造。另外，玄武安山巖稀土、微量元素特征與方城玄武巖、濰坊輝綠巖等山東晚中生代富集地幔源區(qū)基性巖的十分接近(圖8)。Sr-Nd同位素組成與來自富集巖石圈地幔的魯西EMⅡ型基性巖和沂沭斷裂帶內(nèi)鐵鎂質(zhì)侵入巖類似。在(207Pb/204Pb)i-(206Pb/204Pb)i和(208Pb/204Pb)i-(206Pb/204Pb)i關(guān)系圖上(圖10)，玄武安山巖Pb同位素與沂南輝長巖相近，略高于典型富集地幔源區(qū)方城玄武巖(Zhangetal., 2002)，這些特征進一步驗證了玄武安山巖與該區(qū)基性巖具有相同的源區(qū)，均為富集巖石圈地幔源區(qū)。粗面巖、粗安巖、英安巖與玄武安山巖具有相似的同位素組成，暗示其來自于相同源區(qū)，經(jīng)歷了不同的巖漿演化過程。

華北中生代富集巖石圈地幔的形成有多種方式：(1)與華北克拉通巖石圈大規(guī)模拆沉作用有關(guān)，來自太古代的古老地殼物質(zhì)因拆沉而循環(huán)進入到地幔中，最終導(dǎo)致了其巖石圈地幔成分發(fā)生改變(Gaoetal., 2004; Liuetal., 2008b; Lingetal., 2009)；(2)與三疊紀時期揚子陸塊與華北板塊之間發(fā)生的深俯沖、碰撞作用有關(guān)，由揚子大陸地殼對華北古老巖石圈地幔交代改造作用形成(Zhangetal., 2002; Tangetal., 2009; Lanetal., 2011; Yangetal., 2010, 2012a, 2016)；(3)與碳酸鹽交代作用有關(guān)(Guoetal., 2001; Yingetal., 2006)，交代過程促使地幔中金云母、單斜輝石之間的模式比例發(fā)生了改變，導(dǎo)致地幔富集。

高鉀鈣堿性火山巖富集LILE而虧損HFSE、富集Sr-Nd-Pb同位素組成，與活動大陸邊緣火山巖類似，具有弧火山巖的地球化學(xué)特征。元素異常是源區(qū)富集流體/熔體的標志。在火山巖形成之前，流體/熔體將古老的、冷的、難熔的大陸巖石圈地幔交代改造形成富集地幔。(Ta/La)N-(Hf/Sm)N關(guān)系圖顯示，研究區(qū)火山巖富集地幔源區(qū)的形成可能與俯沖流體交代作用有關(guān)，而與碳酸鹽交代無關(guān)(圖13)。由俯沖大洋板塊形成的熔體/流體交代地幔楔形成的巖石通常相對具有虧損Sr、Nd同位素組成(Hofman and Jochum, 1996)，本文中性火山巖具有富集Sr-Nd同位素組成，Sr、Nd同位素投點遠離MORB，而偏向富集的大陸地殼一側(cè)(圖9)，說明源區(qū)的流體交代作用并不是洋殼俯沖的結(jié)果，而是陸殼物質(zhì)加入的結(jié)果，進而排除了源區(qū)是由古太平洋板塊早中生代向歐亞大陸俯沖導(dǎo)致的地幔富集。

圖13 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖(Ta/La)N-(Hf/Sm)N關(guān)系圖(底圖據(jù)邱檢生等, 2013)數(shù)據(jù)來源：俯沖流體/熔體交代及碳酸巖熔體交代區(qū)(La Flèche et al., 1998); DM(McCulloch and Bennett, 1994); HIMU(Chauvel et al., 1992)Fig.13 (Ta/La)N vs. (Hf/Sm)N diagram of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault (after Qiu et al., 2013)Data resources: The fields for subduction metasomatism and carbonatite metasomatism (La Flèche et al., 1998); DM (McCulloch and Bennett, 1994); HIMU (Chauvel et al., 1992)

古老下地殼拆沉作用可以導(dǎo)致巖石圈地幔富集(Gaoetal., 2004; Liuetal., 2008b)。山東地區(qū)西北部的濟南、鄒平基性巖源區(qū)具有EMⅠ地幔特征，其源區(qū)可能是由于華北下地殼拆沉作用導(dǎo)致的地幔被碳酸鹽交代形成(Yingetal., 2006)。巖石圈拆沉過程中加厚的下地殼部分熔融可以形成埃達克質(zhì)巖石，雖然山東地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了許多埃達克質(zhì)巖石，但是這些巖石時代大多也為早白堊世，與區(qū)域早白堊世基性巖漿活動同時形成(Gaoetal., 2004; Liuetal., 2008b; Lingetal., 2009; Lietal., 2018)，這說明華北克拉通埃達克質(zhì)巖石與區(qū)域中基性巖形成于同一構(gòu)造體系(Yangetal., 2016)。區(qū)域上缺少中生代之前形成的埃達克質(zhì)巖石，排除了大規(guī)模的拆沉作用導(dǎo)致的地幔富集。華北克拉通東南部中生代基性巖的元素和Sr-Nd-Pb同位素自西向東、自北向南具有明顯的變化規(guī)律，源區(qū)交代作用由東南向西北逐漸減弱(Xuetal., 2004a; Yangetal., 2012a, b, 2016)，暗示其源區(qū)的富集與三疊紀時期南部揚子板塊向北俯沖有關(guān)。Yangetal.(2012a)研究認為，揚子深俯沖折返對上覆巖石圈地幔的空間影響效應(yīng)可能延伸至距大別-蘇魯造山帶200～300km處。沂沭斷裂帶及附近早白堊世基性巖源區(qū)中存在大量揚子物質(zhì)(Yangetal., 2010, 2016)，進一步說明了沂沭斷裂帶地區(qū)古老巖石圈地幔遭受過揚子板塊俯沖的改造。本文選擇揚子下地殼和華北古老巖石圈地幔(蒙陰金伯利巖和地幔橄欖巖)作為二元混合端元，進行混合模擬，相關(guān)參數(shù)參考文獻(Yingetal., 2006)。圖14可以看出，高鉀鈣堿性火山巖Sr、Nd同位素組成分布在古老巖石圈地幔與揚子克拉通下地殼的混合線上，其中鄌郚玄武安山巖中揚子下地殼物質(zhì)貢獻10%～20%，部分濰坊和安丘英安巖偏向華北克拉通下地殼，是巖漿上升過程受到地殼混染所致。

圖14 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖(87Sr/86Sr)i-(143Nd/144Nd)i 二元混合模擬數(shù)據(jù)來源：古生代巖石圈地幔(蒙陰金伯利巖和地幔橄欖巖，Sr=95×10-6, Nd=21×10-6, 87Sr/86Sr=0.7085, 143Nd/144Nd=0.51225, Zhang et al., 2002)；揚子下地殼(Sr=300×10-6, Nd=20×10-6, 87Sr/86Sr=0.711, 143Nd/144Nd=0.5110, Jahn et al., 1999)；華北上地殼(Zhou et al., 2002)；山東EMⅡ型基性巖(Zhang et al., 2002; Xu et al., 2004a; Ying et al., 2006; 楊進輝等, 2007; Guo et al., 2013)；EMⅠ(Zindler and Hart, 1986)Fig.14 (87Sr/86Sr)i vs. (143Nd/144Nd)i model diagram of the Early Cretacous volcanic rocks in the northern part of Yishu faultData sources: Old lithospheric mantle (kimberlites and their mantle peridotite, Sr=95×10-6, Nd=21×10-6, 87Sr/86Sr=0.7085, 143Nd/144Nd=0.51225, Zhang et al., 2002); Yangtz Lower crust (Sr=300×10-6, Nd=20×10-6, 87Sr/86Sr=0.711, 143Nd/144Nd=0.5110, Jahn et al., 1999); upper crust of the North China Craton (Zhou et al., 2002); EMⅡ-type basic rocks of Shandong (Zhang et al., 2002; Xu et al., 2004a; Ying et al., 2006; Yang et al., 2007; Guo et al., 2013); EMⅠ (Zindler and Hart, 1986)

4.4 構(gòu)造意義

華北克拉通以中亞造山帶南緣為北界，秦嶺-大別為南界，蘇魯造山帶位于其東南部邊界上(圖1)，中生代構(gòu)造演化十分復(fù)雜。華北克拉通早白堊世大規(guī)模巖漿活動之前，巖石圈地幔已經(jīng)遭受了不同程度改造，但空間差異較大。華北克拉通內(nèi)部仍保留著難熔的古老巖石圈地幔或者受到了碳酸鹽交代改造(Guoetal., 2003; Yingetal., 2006)。克拉通北緣巖石圈在古生代受到了古亞洲洋俯沖交代改造(Fanetal., 2007)。東南緣巖石圈則在三疊紀時期受到了揚子板塊俯沖改造(Yangetal., 2012a, b, 2016)。地質(zhì)-地球物理資料證明，晚三疊世，揚子板塊沿蘇魯-大別向北及西北方向俯沖(Gilderetal., 1999; Xuetal., 2009)。基于以上認識，我們認為：三疊紀，揚子地塊和華北克拉通發(fā)生碰撞，在克拉通東南緣，揚子板塊沿沂沭斷裂帶向西北方向俯沖，深俯沖距離超過200km(Yangetal., 2012a)，俯沖過程導(dǎo)致了地殼增厚，隨之俯沖板片斷離(Zhangetal., 2002; Xuetal., 2009; Lanetal., 2011)，斷離的揚子地殼析出的流體/熔體將華北古老巖石圈地幔改造(圖15a)，形成了富集Sr-Nd-Pb同位素以及LREE、LILE的巖石圈地幔。之后，區(qū)域一直處于碰撞后調(diào)整階段，巖石圈相對較冷，缺乏熱對流，沒有發(fā)生大規(guī)模巖漿活動。早白堊世，由于古太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖、后撤，區(qū)域伸展拉張或者拆沉(Yangetal., 2016)，富集巖石圈地幔和拆沉下地殼發(fā)生部分熔融，形成了華北克拉通東部中基性巖漿。與此同時，受太平洋板塊俯沖影響，沂沭斷裂帶發(fā)生了大規(guī)模的平移，伸展活動持續(xù)加強(牛漫蘭等, 2002; Zhuetal., 2005; 朱光等, 2018)，斷裂帶內(nèi)部及附近巖石圈地幔發(fā)生部分熔融，形成了早白堊世沂沭斷裂帶巖漿巖(圖15b)(Qiuetal., 2002; Xuetal., 2004b; 邱檢生等, 2013; Yangetal., 2018)。與魯東和魯西不同在于，沂沭斷裂帶深切作用較強，巖漿在上升過程中發(fā)生了更為強烈的分離結(jié)晶，在沂沭斷裂帶及附近部分地區(qū)，基性巖漿進一步分離結(jié)晶。受斷裂作用影響，華北克拉通下地殼物質(zhì)更易加入巖漿演化過程，導(dǎo)致巖漿混染作用發(fā)生，最終形成了廣泛分布的中性火山巖(圖15c)。由于不同地區(qū)，斷裂規(guī)模和活動程度存在差別(邱檢生等, 2013; 曹光躍, 2018)，導(dǎo)致巖漿遭受分離結(jié)晶和混染程度不同，從而形成了粗面巖、粗安巖和英安巖等多種類型噴出巖。早白堊世末期，沂沭斷裂帶經(jīng)歷一次左行走滑運動，隨后斷裂帶的伸展活動減弱，巖漿活動基本結(jié)束(Guoetal., 2014; 朱光等, 2018)。

圖15 沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖成因模式圖Fig.15 Petrogenesis model of the Early Cretaceous volcanic rocks in the northern part of Yishu fault

5 結(jié)論

(1)沂沭斷裂帶北段濰坊-安丘-鄌郚地區(qū)早白堊世火山巖主要為玄武安山巖、粗面巖、粗安巖、英安巖。鋯石U-Pb定年結(jié)果表明火山巖年齡主要集中在131～124Ma，即形成于早白堊世。

(2)沂沭斷裂帶北段早白堊世火山巖屬高鉀鈣堿性系列，富集Rb、Ba等大離子親石元素而相對虧損Nb、Ta、Ti等高場強元素，富集Sr-Nd-Pb同位素組成，源區(qū)為富集巖石圈地幔。

(3)晚三疊紀世，揚子地塊向華北地塊深俯沖，揚子陸殼部分熔融產(chǎn)生的流體/熔體對上覆華北古老巖石圈地幔進行交代改造形成富集巖石圈地幔。早白堊世，古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖、后撤，華北東部巖石圈伸展減薄。富集巖石圈地幔部分熔融形成基性巖源區(qū)，基性巖漿上升過程發(fā)生分離結(jié)晶作用形成玄武安山質(zhì)巖漿。在沂沭斷裂帶部分地區(qū)，巖漿遭受了華北下地殼不同程度混染，形成了粗安巖、粗面巖、英安巖等高鉀鈣堿性巖漿。

致謝感謝審稿專家和俞良軍副主編提出的寶貴意見。