膠東海陽所超鎂鐵巖中強親鐵元素的地球化學(xué)特征及其構(gòu)造環(huán)境探討*

馬雪盈 劉慶** 閆方超 何苗 張宏遠

1. 中國科學(xué)院地球動力學(xué)重點實驗室，中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

相對于硅酸鹽相而言，強親鐵元素(Os、Ir、Ru、Rh、Pt、Pd、Re、Au)強烈傾向于進入金屬相，其配分系數(shù)Dmetal/silicate大于104(O’Neilletal., 1995; Mannetal., 2012)。其中，根據(jù)熔融溫度，可將鉑族元素(PGEs，包括Os、Ir、Ru、Rh、Pt和Pd)分為PPGE組(Rh、Pt、Pd，熔融溫度<2000℃)和IPGE組(Os、Ir、Ru，熔融溫度>2000℃)。在地質(zhì)作用過程中，鉑族元素(PGEs)常表現(xiàn)出一致的地球化學(xué)行為，以“整體”的形式進行遷移，但PGEs之間也存在一定的差異性，因不同的地球化學(xué)性質(zhì)而發(fā)生分異，如在部分熔融和結(jié)晶分異過程中，PPGE趨向于進入熔體相，而IPGE 則富集于殘留相(Lorandetal., 1999; Beckeretal., 2006)。鉑族元素為一組親硫元素，在硫化物/硅酸鹽中的分配系數(shù)高達105～106(Mungall and Brenan, 2014)，因此主要賦存在富Fe-Ni的單硫化物固溶體(MSS)和富Cu-Ni的硫化物熔體中(Alardetal., 2000)，前者多以硫化物包裹體的形式存在于斜方輝石和橄欖石中，具有高的Os、Ir、Ru含量，低的Pt、Pd含量和Pd/Ir值；后者位于礦物顆粒之間(粒間硫化物)，常與晚期的單斜輝石和尖晶石共生，具有低的Os、Ir、Ru含量，高的Pt、Pd含量和Pd/Ir比值。粒間硫化物更易受到熔/流體的影響，從而影響全巖的鉑族元素特征(Alardetal., 2000; Luguetetal., 2003; Pearsonetal., 2004; Ballhausetal., 2006; Lorandetal., 2008)。研究表明，在低至中等程度的部分熔融過程中，殘留在地幔中的硫化物可以對強親鐵元素起到緩沖作用，使其配分型式不會發(fā)生明顯的分異(Pearsonetal., 2004; Beckeretal., 2006)。在貧硫的地幔環(huán)境下，鉑族元素表現(xiàn)出親鐵性，多形成合金(如Pt-Ir合金、Os-Ir-Ru合金等)或以微小的難熔金屬顆粒的形式存在于地幔橄欖巖中(Luguetetal., 2003; Pearsonetal., 2004; Lorandetal., 2008)。此外，IPGE也可賦存于非硫化物相，如橄欖石、輝石、尖晶石、鉻鐵礦等(Ballhausetal., 2006)。相對其它類型的巖漿巖而言，超鎂鐵巖的稀土元素(REE)含量較低而強親鐵元素含量較高，因此可以通過研究其中強親鐵元素的地球化學(xué)特征來探討其成因及演化過程(Barnesetal., 1985)。

Re-Os同位素體系與Rb-Sr、Sm-Nd等親石元素構(gòu)成的同位素體系在地球化學(xué)行為上差異顯著。在地幔部分熔融過程中，Re為中等不相容元素，傾向于進入熔體相，Os則表現(xiàn)為相容元素而強烈富集于殘留相中(Carlson and Irving, 1994)。同時，地幔橄欖巖中的Os元素具有較強的抗地幔交代作用的能力，Re-Os同位素體系具有相對較高的封閉溫度，可用來限定殘留橄欖巖的熔體虧損時間(支霞臣, 1999; 陳意等, 2019)，因此，可以通過對橄欖巖中Re-Os同位素體系的研究，探討其形成和演化過程(張宏福, 2008)。

多年來，有關(guān)蘇魯造山帶中海陽所地區(qū)出露的超鎂鐵巖的成因及其構(gòu)造環(huán)境的認識，一直存在爭議。一種觀點認為該地區(qū)出露一條NE向的蛇綠巖(Jahnetal., 1995; 劉若新等, 1989; 王仁民等, 1995; 賴興運等, 1996; 倪志耀等, 2001)，超鎂鐵巖屬于蛇綠巖的一部分(王仁民等, 1995; 倪志耀等, 2001)；但也有觀點認為該地區(qū)超鎂鐵巖并非蛇綠巖，而是深成侵入巖(方長青, 1997)。本文選取山東海陽所地區(qū)超鎂鐵巖為研究對象，通過對其全巖主微量元素、強親鐵元素及Re-Os同位素特征的分析，揭示海陽所地區(qū)超鎂鐵巖中強親鐵元素的地球化學(xué)行為，進而探討其巖石成因及形成的構(gòu)造環(huán)境。

1 地質(zhì)背景

蘇魯造山帶是秦嶺-大別造山帶向東北的延伸部分，形成于早中生代揚子板塊與華北板塊的俯沖、碰撞過程，同時也是中國中東部一條巨型的高壓-超高壓變質(zhì)帶，后期被郯廬斷裂(NE向左旋平移斷裂)錯斷并向北平移了約500km(Yeetal., 2000; Yangetal., 2009; 劉福來等, 2011)。造山帶內(nèi)巖石以花崗質(zhì)片麻巖為主，夾有云母片巖、石英巖、大理巖等，大量規(guī)模不等的榴輝巖、鎂鐵-超鎂鐵巖以透鏡體或團塊形式分布于各類花崗質(zhì)片麻巖中(Cong and Wang, 1999; Zhengetal., 2003; Liu and Liou, 2011)，蘇魯造山帶超鎂鐵巖普遍經(jīng)歷了蛇紋石化等蝕變過程(Zhangetal., 2003; Chenetal., 2009; 李強等, 2016)。

膠東海陽所位于蘇魯造山帶的東北端，該區(qū)出露的超鎂鐵巖主要分布在西泓至南唐家一帶(圖1)，巖體多已解體為巖塊和包體，普遍以大小不均的團塊狀賦存在花崗質(zhì)片麻巖中(圖2a, b)，這些構(gòu)造塊體屬無“根”巖塊(方長青, 1997; 倪志耀等, 2001)，長軸方向與區(qū)域片麻理總體方向一致(倪志耀等, 2001; 劉利雙等, 2017)。多數(shù)學(xué)者認為該地區(qū)超鎂鐵巖屬于蛇綠巖(王仁民等, 1995; 賴興運等, 1996; 倪志耀等, 2001)，如劉若新等(1989)最先提出海陽所的基性巖可能是蛇綠巖；王仁民等(1995)等根據(jù)巖石組合(蛇紋巖、堆晶輝石巖、變質(zhì)輝長巖、玄武巖和硅質(zhì)巖)及其地球化學(xué)特征，認為基性巖是俯沖洋殼的根部碎片，并且得到了其他研究者的支持(Jahnetal., 1995)；倪志耀等(2001)認為海陽所地區(qū)的變質(zhì)硅質(zhì)巖的原巖形成于早元古代的大洋中脊環(huán)境，并與蛇綠巖的其它端元組分一起發(fā)生過俯沖作用。然而，方長青(1997)根據(jù)輝石巖侵入到蛇紋石化橄欖巖中并存在熱接觸變質(zhì)作用，枕狀熔巖不發(fā)育等特征，認為海陽所超鎂鐵巖屬于非蛇綠巖型的超鎂鐵巖，可能是深成侵入巖。

圖1 膠東海陽所地區(qū)超鎂鐵巖地質(zhì)簡圖(據(jù)方長青, 1997)1-第四系；2-萊陽群；3-荊山群；4-新元古代二長花崗巖；5-新元古代花崗閃長巖；6-斜長角閃巖；7-超鎂鐵巖；8-韌性剪切帶；9-采樣點Fig.1 Simplified geological map of ultramafic rocks in Haiyangsuo area, Jiaodong (after Fang, 1997)

圖2 海陽所超鎂鐵巖野外及顯微特征(a、b)超鎂鐵巖呈團塊狀賦存在花崗質(zhì)片麻巖中；(c)橄欖石的波狀消光,正交偏光；(d)斜方輝石波狀消光，同時在蛇紋石化的過程中有大量磁鐵礦析出,正交偏光；(e)深褐色粒狀的尖晶石分布于蛇紋巖的基質(zhì)中或被包裹在蛇紋石礦物之中，單偏光；(f)硫化物的存在,反射光；(g)單斜輝石包裹綠泥石,正交偏光；(h)交代成因的角閃石,正交偏光. Sep-蛇紋石；Ol-橄欖石；Opx-斜方輝石；Cpx-單斜輝石；Amp-角閃石；Spl-尖晶石；Sul-硫化物；Mag-磁鐵礦；Clc-綠泥石Fig.2 Field and microscopic characteristics of ultramafic rocks in Haiyangsuo

2 分析方法

全巖主量和微量元素測試分別在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的巖礦制樣與分析實驗室和成礦元素與同位素實驗室測試完成。主量元素的測試采用 X 射線熒光光譜玻璃熔片法完成，所用儀器為加拿大CLAISSE公司生產(chǎn)的M-4燃氣自動熔樣機和荷蘭PANalytical公司生產(chǎn)的AXISO Minerals 順序式 X射線熒光光譜儀，并選用國家標準物質(zhì)中心提供的巖石標樣花崗巖GSR-1和玄武巖GSR-3作為參考標樣，對于分析結(jié)果含量高于10%的元素精度好于1%，含量低于10%的元素精度好于5%。微量元素采用Teflon罐酸溶法，測試儀器為美國Finnigan-Mat公司生產(chǎn)的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)ELEMENT，并采用國家標準物質(zhì)中心提供的巖石標樣GSR-1和GSR-3進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，分析方法采用標準曲線法，以In內(nèi)標校準儀器漂移，絕大多數(shù)元素RSD≤10%。

Re-Os同位素和強親鐵元素的測試(HSE，本文主要測定Os、Ir、Ru、Pt、Pd和Re六種元素)在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的固體同位素實驗室和多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜實驗室(MC-ICP-MS)完成，測試儀器為英國GV公司生產(chǎn)的IsoProbe-T型熱電離質(zhì)譜儀和美國Thermo Fisher公司生產(chǎn)的利用Neptune Plus型多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。采用Carius管溶樣法和同位素稀釋法測定(Chuetal., 2017)，分析流程使用蛇紋巖標樣UB-N作為流程監(jiān)控標樣，并加入空白樣監(jiān)控實驗本底(Chuetal., 2017)。Os的溶解和提取采用CCl4萃取和微蒸餾的方法(Bircketal., 1997)，測試過程中Os同位素比值采用192Os/188Os=3.0827進行質(zhì)量分餾校正(Shirey and Walker, 1995)，采用Johnson-Matthey標樣(UMCP)作為內(nèi)標，其測試值為0.11380±0.008%(SD%)。其它強親鐵元素的分離和純化采用陰離子交換柱+LN柱法(Chuetal., 2017)，測試過程中采用不同濃度的標準溶液進行漂移校正和標樣校正，空白樣品相應(yīng)元素的含量極低，表明整個實驗流程本底控制較好。

3 超鎂鐵巖巖石學(xué)與地球化學(xué)特征

3.1 巖石學(xué)特征

本文選取海陽所地區(qū)具有代表性的蛇紋石化橄欖巖和輝石巖進行研究。

團塊狀產(chǎn)出的蛇紋石化橄欖巖呈青灰色，塊狀構(gòu)造，蝕變較為嚴重，主要由蛇紋石、橄欖石、輝石和極少量的尖晶石、綠泥石組成，橄欖石及輝石大多蝕變?yōu)樯呒y石，僅在較大顆粒的中心殘留有較為新鮮的礦物，顯微鏡正交偏光下可觀察到橄欖石和輝石的波狀消光(圖2c, d)。由橄欖石蝕變形成的纖維狀蛇紋石集合體呈網(wǎng)狀、環(huán)狀分布，在蛇紋石化的過程中有大量的磁鐵礦析出(圖2d)，部分蛇紋石保留著橄欖石和斜方輝石的晶形。深褐色粒狀的尖晶石分布于蛇紋巖的基質(zhì)中或被包裹在蛇紋石礦物之中(圖2e)，鏡下還可觀測到硫化物的存在(圖2f)。

輝石巖相對新鮮，主要組成礦物為輝石、蛇紋石和橄欖石，含少量的尖晶石，可見堆晶結(jié)構(gòu)(王仁民等, 1995; 賴興運等, 1996)。單斜輝石包裹綠泥石(圖2g)，部分轉(zhuǎn)化為角閃石的輝石仍保留了原生輝石的假象(賴興運等, 1996)，橄欖石多為后期重結(jié)晶形成的細小顆粒，尖晶石形狀極不規(guī)則，大多被包裹在蛇紋石中，還有少量交代成因礦物如角閃石(圖2h)。

3.2 全巖主微量元素

蛇紋石化橄欖巖(樣品H5、H6)蝕變較為強烈，燒失量可達11.71%～12.15%(表1)，MgO為41.37%～42.48%(去除燒失量)，Mg#分別為90.4和90.2，F(xiàn)e2O3T在8%左右，Al2O3為1.17%～2.13%(去除燒失量)，CaO為0.39%～0.53%，TiO2約為0.02%，堿含量(Na2O+K2O)極低(<0.02%)，MgO與Al2O3、CaO之間沒有明顯的相關(guān)性(圖3a, b)。與原始地幔相比，海陽所蛇紋石化橄欖巖明顯虧損易熔組分，如Al、Ti和Ca 等，稀土元素的含量低于虧損的大洋中脊地幔源區(qū)(DMM)(Workman and Hart, 2005)，且配分型式呈輕微的U型，明顯富集流體遷移元素U、Pb，而高場強元素Zr、Hf尤為虧損(圖4a, b)，這些特征表明蛇紋石化橄欖巖經(jīng)歷部分熔融過程后又受到了熔/流體交代作用的影響。

圖3 海陽所蛇紋石化橄欖巖(a、b)和輝石巖(a-f)主量元素相關(guān)圖Fig.3 Correlation diagrams of major elements in serpentinized peridotite (a, b) and pyroxenite (a-f)

圖4 海陽所蛇紋石化橄欖巖(a、b)和輝石巖(c、d)球粒隕石標準化稀土元素配分圖和原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)熔融模擬曲線來自Niu, 2004; Piccardo et al., 2007；DMM來自Workman and Hart, 2005Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams of serpentinized peridotite (a, b) and pyroxenite (c, d) (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

輝石巖樣品相對較為新鮮(燒失量0.70%～6.12%)，具有高的SiO2(41.99%～50.69%)、TiO2(0.32%～1.27%)、Al2O3(2.14%～13.47%)、CaO(8.71%～16.01%)和Na2O+K2O(0.32%～2.09%)含量(Na2O>K2O)，低的Fe2O3T(10.11%～11.60%)、MgO(13.34%～27.63%)、Mg#(70.2～79.6)、Cr2O3(0.02%～0.64%)和NiO(0.01%～0.13%)含量(表1)。隨著MgO含量的減少，SiO2、TiO2、Al2O3、CaO和Na2O+K2O含量增加，Al2O3含量隨著CaO含量增加而增加，與巖漿結(jié)晶分異的特點一致(圖3a-f)。隨著樣品中單斜輝石含量的增加，CaO和TiO2含量升高，而MgO和Fe2O3T含量降低。輝石巖微量元素總體相對原始地幔富集，其配分型式表現(xiàn)出輕微的倒U型，即中稀土相對于輕、重稀土元素更為富集，尤其富集流體遷移元素U、Pb及高場強元素Hf，而元素Zr明顯虧損(圖4c, d)。僅個別輝石巖具有輕微的Y及Nb的負異常，弱的Eu負異常，表明存在不顯著的斜長石的分離結(jié)晶。在MgO-Eu、MgO-Yb、MgO-La和La-La/Sm的相關(guān)圖解中(圖5)，輝石巖也表現(xiàn)出明顯的結(jié)晶分異特征。

表1 海陽所超鎂鐵巖全巖主量(wt%)和微量元素(×10-6)含量Table 1 Major- (wt%) and trace-element (×10-6) concentrations for the ultramafic rocks

續(xù)表1Continued Table 1

圖5 海陽所輝石巖全巖主量元素與微量元素相關(guān)圖Fig.5 Correlation diagram of major elements and trace element for the Haiyangsuo pyroxenite

3.3 鉑族元素及Re-Os同位素

海陽所蛇紋石化橄欖巖的鉑族元素配分型式呈平坦型，其中樣品H5的(Pd/Ir)N值為1.53(表2)，而樣品H6的PGEs含量略低于樣品H5，其(Pd/Ir)N值為0.89，兩者均具有明顯的Ru正異常(圖6)。蛇紋石化橄欖巖的187Os/188Os值(0.1152和0.1215)均低于原始地幔值(0.1296±0.0008，Meiseletal., 2001)，但與深海橄欖巖所具有的187Os/188Os值范圍一致。在187Os/188Os-187Re/188Os和187Os/188Os-Al2O3圖中，都落入了深海橄欖巖的區(qū)域(圖7)，其中PGE含量高的樣品(H5)具有接近現(xiàn)代大洋深海橄欖的Os同位素組成(0.1246±0.0014，Snow and Reisberg, 1995)。

圖6 海陽所蛇紋石化橄欖巖PGEs原始地幔標準化分布模式圖(標準化值據(jù)McDonough and Sun, 1995)深海橄欖巖數(shù)據(jù)值來自Warren et al., 2009; Stracke et al., 2011; Kempton and Stephens, 1997；蛇綠巖數(shù)據(jù)值來自Luguet et al., 2004; Batanova et al., 2008; Lorand et al., 2008; Fischer-G?dde et al., 2011; Aldanmaz et al., 2012Fig.6 Primitive mantle-normalized PGEs pattern for the Haiyangsuo serpentinized peridotite (normalization values after McDonough and Sun, 1995)

圖7 海陽所蛇紋石化橄欖巖187Os/188Os-187Re/188Os圖和187Os/188Os-Al2O3圖(底圖據(jù)劉通, 2017)原始上地幔推薦值據(jù)Meisel et al., 2001；深海橄欖巖的背景值來自Snow and Reisberg, 1995; Parkinson and Pearce, 1998; Brandon et al., 2000; Harvey et al., 2006; Liu et al., 2008Fig.7 187Os/188Os vs. 187Re/188Os diagram and 187Os/188Os vs. Al2O3 diagram (base map after Liu, 2017) of serpentinized peridotite

表2 海陽所超鎂鐵巖全巖鉑族元素(×10-9)含量及Os同位素比值Table 2 Concentrations of platinum group elements (×10-9) and Os isotopes of Haiyangsuo ultramafic rocks

海陽所輝石巖的鉑族元素含量變化范圍較大，∑PGE含量遠低于原始地幔相應(yīng)值，Os、Ir、Ru、Pt和Pd的含量分別為0.014×10-9～0.0059×10-9、0.006×10-9～0.073×10-9、0.03×10-9～0.157×10-9、0.082×10-9～0.581×10-9和0.1×10-9～1.485×10-9。盡管輝石巖的鉑族元素含量各異，但是具有類似的配分型式，在原始地幔標準化圖中均呈現(xiàn)出明顯的正斜率型(圖8)，IPGE較為平坦，而PPGE則相對較陡，(Pd/Ir)N在1.8～22.5之間。

圖8 海陽所輝石巖PGEs原始地幔標準化分布模式圖(標準化值據(jù)McDonough and Sun, 1995)Fig.8 Primitive mantle-normalized PGEs pattern for the Haiyangsuo pyroxenite (normalization values after McDonough and Sun, 1995)

4 討論

4.1 蛇紋石化作用對強親鐵元素的影響

海陽所地區(qū)的橄欖巖普遍經(jīng)歷了一定程度的蛇紋石化作用，因此在討論強親鐵元素的地球化學(xué)特征之前，需要評估蛇紋石化作用對強親鐵元素的影響。蛇紋石化橄欖巖燒失量(11.71%～12.15%)與PGEs、Re的含量均未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，這表明強親鐵元素并未受到蛇紋石化作用的明顯影響。前人對地幔橄欖巖中強親鐵元素的研究也表明，強親鐵元素在還原環(huán)境中極不活潑，蛇紋石化過程發(fā)生在強還原環(huán)境，因此蛇紋石化并不會影響其配分型式和元素之間的比值(Snow and Schmidt, 1998; Rehk?mperetal., 1999; Brandonetal., 2000; Büchletal., 2002; Van Ackenetal., 2008; Liuetal., 2009)。對橄欖巖中Re-Os同位素體系的大量研究發(fā)現(xiàn)，Re-Os同位素同樣具有很強的抗蛇紋石化能力，蛇紋石化作用對橄欖巖的Re/Os值與187Os/188Os值基本上沒有影響(Meiseletal., 1997; Alardetal., 2005; 張宏福, 2008),即海陽所蛇紋石化橄欖巖所具有的強親鐵元素特征，基本上就是橄欖巖本身所具有的特點。

4.2 部分熔融過程

從具有原始地幔組成的飽滿橄欖巖中抽取鎂鐵質(zhì)熔體會導(dǎo)致殘余地幔橄欖巖中虧損玄武質(zhì)成分，如CaO、Al2O3、TiO2、Na2O和K2O等(Herzberg, 2004)，且全巖MgO(或Mg#)和飽滿指數(shù)間呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。海陽所蛇紋石化橄欖巖具有低的Al2O3、CaO、Na2O、K2O和TiO2含量以及低的微量元素含量，相對高的MgO含量和Mg#值，在ACM圖和AFM圖中均落入地幔橄欖巖的區(qū)域(圖9)，這些特征表明海陽所蛇紋石化橄欖巖為經(jīng)歷了部分熔融過程的殘余地幔橄欖巖。地幔橄欖巖的部分熔融程度可以通過主量元素成分以及根據(jù)虧損地幔源區(qū)計算的部分熔融程度的變化曲線來估計(Niu, 1997, 2004)。通過樣品在 MgO-Al2O3圖、MgO-SiO2圖和MgO-TiO2圖中的分布(圖10a-c)，估算出海陽所蛇紋石化橄欖巖經(jīng)歷了10%～15%的部分熔融。微量元素也可以用來限定地幔橄欖巖所經(jīng)歷的部分熔融程度 (圖4a)，模擬得到的蛇紋石化橄欖巖所經(jīng)歷的部分熔融程度與其主量元素的結(jié)果一致。此外，在全巖Yb-Ti相關(guān)圖中(圖10d)，蛇紋石化橄欖巖同樣落在部分熔融程度為10%～15%的熔融曲線上，因此海陽所地區(qū)的蛇紋石化地幔橄欖巖經(jīng)歷的部分熔融程度應(yīng)在10%～15%。

圖9 海陽所超鎂鐵巖Al2O3-CaO-MgO圖(a, 底圖據(jù)Coleman, 1977)和FeOT-(Na2O+K2O)-MgO圖(b, 底圖據(jù)Irvine and Baragar, 1971)MC-鎂鐵巖；UC-超鎂鐵巖；MP-地幔橄欖巖；TH-拉斑玄武巖；CA-鈣堿性玄武巖Fig.9 Al2O3-CaO-MgO diagram (a, after Coleman, 1977) and FeOT-(Na2O+K2O)-MgO diagram (b, after Irvine and Baragar, 1971) of Haiyangsuo ultramafic rocks

圖10 海陽所蛇紋石化橄欖巖主量元素和微量元素的部分熔融程度模擬圖(a-c)深海橄欖巖數(shù)據(jù)及模擬線來自Niu (1997, 2004); (d)模擬線來自Parkinson and Pearce (1998)Fig.10 Partial melting models based on major and trace elements of the serpentinized peridotite (a-c, after Niu, 1997, 2004; d, after Parkinson and Pearce, 1998)

海陽所蛇紋石化橄欖巖的鉑族元素配分型式和深海橄欖巖類似(圖6)，Al2O3與鉑族元素比值之間沒有明顯相關(guān)性，這表明蛇紋石化橄欖巖經(jīng)歷了低至中等程度的部分熔融。海陽所蛇紋石化橄欖巖中鉑族元素(PGEs)之間沒有發(fā)生明顯的分異，呈平坦的配分型式。鉑族元素在硫化物/硅酸鹽中的分配系數(shù)(DPGESul/Sil)高達105～106(Mungall and Brenan, 2014)，因此鉑族元素主要賦存于硫化物中。假設(shè)原始地幔中S含量為250×10-6，其在玄武質(zhì)巖漿中的溶解度為1000×10-6(Mavrogenes and O’Neill, 1999)，當?shù)蒯ｉ蠙鞄r遭受的部分熔融程度達到25%時，硫化物會被完全消耗(圖11a；Keays, 1995)，而當?shù)蒯０l(fā)生小于25%部分熔融程度時，將有部分硫化物殘留在地幔橄欖巖中，作為親硫元素的鉑族元素因其極高的分配系數(shù)隨著硫化物保存在殘留地幔橄欖巖中(圖11b)，因此在低至中等程度部分熔融時，殘留在地幔橄欖巖中的硫化物會對鉑族元素起到緩沖作用(劉傳周, 2007)，鉑族元素之間不會發(fā)生明顯的分異(Luguetetal., 2003; Pearsonetal., 2004; Ballhausetal., 2006)，其配分曲線基本保持平坦型。海陽所蛇紋石化橄欖巖就是在低至中等程度(10%～15%)的部分熔融過程中，鉑族元素隨著硫化物保存在殘留相中，所以蛇紋石化橄欖巖的配分型式接近原始地幔且呈平坦型。

圖11 殘余上地幔的S濃度(a)和Pd的含量(b)與部分熔融程度相關(guān)圖(底圖據(jù)Keays, 1995)Fig.11 S (a) and Pd (b) in upper mantle varying with degrees of partial melt (base map after Keays, 1995)

Cu和S具有相似的地球化學(xué)行為，當S丟失時，可以用Cu替代S。Cu在硫化物/硅酸鹽中的分配系數(shù)(DCuSul/Sil=103)遠小于Pd，所以任何微量硫化物從硅酸鹽巖漿中的熔離，都會導(dǎo)致巖漿中的Pd相對Cu的嚴重虧損，因此，Cu/Pd比值可以有效判別巖漿是否發(fā)生過硫化物熔離(Barnes and Picard, 1993)。在硫不飽和巖漿中，Pd因賦存于巖漿里的硫化物中而相對于Cu 強烈富集，Cu/Pd值低于地幔；但在經(jīng)歷過硫化物分異的硫飽和巖漿中，Pd因隨硫化物的熔離而離開巖漿，導(dǎo)致剩余巖漿Cu/Pd值遠高于地幔的平均值(6500, Barnesetal., 1988)。在Cu/Pd-Pd圖中，海陽所輝石巖的Cu/Pd值遠遠高于原始地幔的平均值(圖12)，即Cu相對于Pd富集，這表明形成輝石巖的巖漿達到了硫化物的飽和而發(fā)生硫化物的熔離作用，從而造成其PGEs強烈虧損。

圖12 海陽所輝石巖中Pd-Cu/Pd關(guān)系圖(底圖據(jù)Barnes and Picard, 1993)Fig.12 Pd vs. Cu/Pd diagram of pyroxenite in Haiyangsuo (base map after Barnes and Picard, 1993)

一些學(xué)者指出在巖漿上升過程中也能發(fā)生硫化物的熔離，大部分PGEs會隨著硫化物的熔離而析出巖漿，造成巖漿強烈虧損PGEs(Song and Li, 2009; Gaoetal., 2012)。如果巖漿在結(jié)晶分異的過程中發(fā)生了硫飽和而產(chǎn)生硫化物的熔離，那么所有的PGEs在分異的過程中均會表現(xiàn)出相容性(Maieretal., 2003)，而海陽所輝石巖樣品中Pd、Pt與 MgO無明顯相關(guān)性，說明Pt和Pd在巖漿結(jié)晶過程中為不相容元素，因此硫化物的熔離不是發(fā)生在巖漿上升結(jié)晶分異的過程中，而是發(fā)生在巖漿源區(qū)。巖漿源區(qū)發(fā)生硫化物的分異，使巖漿迅速虧損PGEs，由此巖漿結(jié)晶形成的海陽所輝石巖具有PGEs虧損的特征。

巖漿中的Ni/Cu和Pd/Ir比值基本不會受硫化物熔離作用的影響(Barnes and Picard, 1993)，因此Ni/Cu和Pd/Ir比值可以用來判別母巖漿性質(zhì)。地幔高程度部分熔融形成的巖漿常具有較高的Ni/Cu值和較低的Pd/Ir值，如科馬提巖的Ni/Cu值在12～16范圍內(nèi)，Pd/Ir值約為10(Barnesetal., 1985; Barnes, 2006)。在 Ni/Cu-Pd/Ir 圖解中，海陽所大多數(shù)輝石巖樣品落在高MgO玄武巖區(qū)內(nèi)(部分熔融程度>20%；邵濟安等, 2015)，甚至接近科馬提巖的區(qū)域(圖13)。Keays (1995)指出地幔橄欖巖在部分熔融程度小于25%時會形成硫飽和的鐵鎂質(zhì)巖漿，前已述及，海陽所輝石巖的源區(qū)達到過硫化物的飽和并熔離出硫化物，因此其源區(qū)的部分熔融程度小于25%，再結(jié)合輝石巖樣品基本落在了高鎂玄武巖的區(qū)域，推測海陽所輝石巖源區(qū)的部分熔融程度為20%～25%。

圖13 海陽所輝石巖Ni/Cu-Pd/Ir圖(底圖據(jù)Barnes et al., 1988)Fig.13 Ni/Cu vs. Pd/Ir diagram of the Haiyangsuo pyroxenite (base map after Barnes et al., 1988)

4.3 結(jié)晶分異作用

玄武質(zhì)巖漿演化過程實際上是巖漿從源區(qū)抽取后，侵位到巖漿房或在淺部冷卻結(jié)晶的過程，因此巖漿上升冷卻的過程中通常會經(jīng)歷結(jié)晶分異作用。海陽所輝石巖中SiO2、TiO2、Al2O3、CaO、La、Eu和Yb的含量隨著 MgO含量的降低而逐漸增加(圖3、圖5)，而CaO與Al2O3、MgO與Fe2O3T的相關(guān)圖中均呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，表明在巖漿演化過程中，結(jié)晶分異作用是一個重要的過程。稀土元素La/Sm-La的相關(guān)關(guān)系可以有效區(qū)分巖石中的部分熔融過程和結(jié)晶分異作用，在部分熔融過程中，巖漿中La的含量隨著部分熔融程度的增大而減小，La/Sm比值也隨部分熔融程度的增大而減小，即在部分熔融過程中La/Sm和La呈正相關(guān)；而結(jié)晶分異過程中La/Sm比值卻與結(jié)晶程度無關(guān)(La和Sm分別為強和中等不相容元素)。海陽所輝石巖在La/Sm-La圖中顯示巖石經(jīng)歷了分離結(jié)晶作用(圖5d)。鎂鐵指數(shù)(MF)的大小在一定程度上能反映巖漿結(jié)晶分異程度的高低，分異結(jié)晶程度越高，鐵鎂指數(shù)越大。海陽所輝石巖的鎂鐵指數(shù)值大于30，也表明其原始巖漿經(jīng)過一定程度的橄欖石和輝石的結(jié)晶分異作用。海陽所輝石巖樣品的稀土元素總量(∑REE)的變化趨勢與MF的變化趨勢大體相同，表明隨著巖漿分離結(jié)晶作用的進行，即隨著巖石酸性程度的增高，稀土元素含量不斷增高(圖14)。

圖14 海陽所輝石巖MF-∑REE相關(guān)圖Fig.14 MF vs. ∑REE diagram of Haiyangsuo pyroxenite

在結(jié)晶分異過程中，IPGE與PPGE顯示出不同的地球化學(xué)行為，即具有不相容性的PPGE傾向于保存在熔體中，而相容性的IPGE進入早期結(jié)晶的礦物中(Keays, 1982; Barnesetal., 1988; 侯泉林等, 1994)。實驗研究表明，IPGE相對PPGE更傾向于富集在橄欖石、尖晶石和鉻鐵礦等優(yōu)先結(jié)晶出的礦物內(nèi)(Keays, 1982; Barnesetal., 1988; Capobianco and Drake, 1990)，Keays (1982)也發(fā)現(xiàn)Kambalda純橄巖中橄欖石的分離會帶走大量的Ir，即橄欖石是元素Ir的主要寄存相。鉑族元素之間的分異受到橄欖石、尖晶石和鉻鐵礦的綜合影響(Keays, 1995; 侯泉林等, 1994)，當橄欖石從巖漿中結(jié)晶時，巖漿中Ni、Ir、Ru和Os的含量會降低，并且IPGE的減少比Ni更為顯著(Keays, 1995)。海陽所輝石巖的鎂鐵指數(shù)顯示其經(jīng)歷過橄欖石的分離結(jié)晶作用， IPGE優(yōu)先進入早期結(jié)晶的橄欖石中，使得剩余巖漿中IPGE含量相對較低，而PPGE含量相對較高。隨著巖漿結(jié)晶分異作用的進行，Ir和Pd發(fā)生明顯的分異，剩余巖漿中Pd/Ir值不斷增大，導(dǎo)致巖漿后期形成的輝石巖中鉑族元素配分曲線具有明顯的正斜率。此外，在巖漿結(jié)晶早期，IPGE還可以RuS2、Os-Ir合金等形式從巖漿中分離出來，而PPGE則隨著結(jié)晶分異作用的進行在熔體中出現(xiàn)不同程度的富集(圖15)(Keays, 1995)。Tredouxetal.(1995)研究指出，在巖漿結(jié)晶過程中，IPGE比PPGE更易與一些非親石元素形成金屬集合體，從而被包裹在氧化物、硅酸鹽礦物和硫化物中，隨著結(jié)晶分異作用的進行被帶離巖漿，從而造成PGEs之間的分異。但關(guān)于巖漿中的合金或難熔的金屬集合體是否為造成海陽所輝石巖PGEs配分型式左傾的影響因素，還需要進一步的研究。

圖15 熔體中元素含量與結(jié)晶分異作用相關(guān)圖(據(jù)Keays, 1995)Fig.15 Variation of elements in magmas as fractionation (after Keays, 1995)

4.4 熔/流體交代作用

海陽所蛇紋石化橄欖巖富集難熔的主量元素、虧損稀土元素的特征可能與部分熔融過程有關(guān)，但蛇紋石化橄欖巖全巖的MgO與一些易熔組分(如Al2O3、SiO2和CaO)之間沒有明顯的相關(guān)性。一般來說，隨著部分熔融程度的增加，LREE應(yīng)該逐漸虧損，然而蛇紋石化橄欖巖的微量元素配分圖中，大部分橄欖巖具有LREE和HREE較MREE富集的特點，表現(xiàn)出“U”型配分型式，且流體遷移元素U、Pb尤為富集，這些特征表明橄欖巖在部分熔融之后可能經(jīng)歷了熔/流體交代作用。稀土元素呈“U”型配分模式往往和后期富LREE的熔體(流體)滲入有關(guān)，致使原本虧損的LREE含量顯著增高(Lianetal., 2016; Sahaetal., 2018)。此外，蛇紋石化橄欖巖(H5和H6)的部分熔融程度相近，但是樣品H6中鉑族元素含量低于樣品H5，這暗示可能與后期受到的熔/流體交代作用有關(guān)。硫化物是鉑族元素的重要載體，在地幔部分熔融以及熔/流體交代作用過程中，以粒間硫化物形式存在的硫化物會被不斷消耗，而以包裹體形式存在的硫化物則由于其賦存相(硅酸鹽礦物)的保護而損耗較少，大部分被保留下來。由于不同存在形式的硫化物在橄欖巖中的分布不均勻，海陽所蛇紋石化橄欖巖中觀察到的硫化物主要以包裹體的形式存在(圖2f)，硫化物包裹體較多的橄欖巖(H5)相對于硫化物包裹體較少的橄欖巖(H6)具有更高的鉑族元素含量，因此海陽所蛇紋石化橄欖巖樣品中鉑族元素含量的差異，很可能是部分熔融或熔/流體與地幔橄欖巖相互作用中，硫化物的差異性賦存狀態(tài)造成的。

海陽所蛇紋石化橄欖巖樣品存在明顯的Ru正異常，表現(xiàn)出較高的Ru/Os值(2.68、2.79)和Ru/Ir值(4.82、4.54)。Ru與PPGE之間的分異可以通過部分熔融過程中IPGE和PPGE不同的地球化學(xué)行為來解釋，但是Ru與Os、Ir均屬于IPGE，也發(fā)生了明顯的分異，這種現(xiàn)象僅通過部分熔融過程無法解釋。在(Pt/Pd)N-(Ru/Os)N圖上可以看出(圖16)，蛇紋石化橄欖巖的相關(guān)比值與深海橄欖巖類似，樣品的(Ru/Os)N基本一致，在主、微量成分上也沒有明顯差別，兩者又經(jīng)歷了類似的部分熔融程度，這表明存在其它的過程導(dǎo)致富集鉑族元素的載體發(fā)生了分解，而在此過程中，Ru的載體保持穩(wěn)定。有研究顯示，Ru與其他強親鐵元素的分異可能是熔/流體與地幔橄欖巖的相互作用中引起單硫化物發(fā)生復(fù)雜的脫硫反應(yīng)造成的(Lorandetal., 2008)。硫不飽和的熔/流體可以促進地幔橄欖巖中殘留的、富集IPGE的鉑族礦物的溶解，導(dǎo)致Os和Ir從橄欖巖中最終移除，相反，Ru傾向于形成難熔的單硫化物或硫釕礦物而被保留在地幔橄欖巖中，這些富集Ru的鉑族元素礦物常以包裹體的形式存在地幔造巖礦物中(Brenan and Andrews, 2001)。因此，海陽所蛇紋石化橄欖巖中Ru的正異?？赡苁侨?流體和地幔橄欖巖相互作用過程中難熔的富Ru礦物的殘留所致。

圖16 海陽所超鎂鐵巖(Ru/Os)N-(Pt/Pd)N相關(guān)圖深海橄欖巖的數(shù)據(jù)來自Brandon et al., 2000; Liu et al., 2009; Luguet et al., 2003; Marchesi et al., 2013Fig.16 (Pt/Pd)N vs. (Ru/Os)N diagrams of Haiyangsuo ultramafic rocks

鉻尖晶石在強親鐵元素的分異過程中也具有重要的作用，前人研究表明Ru在硫不飽和體系的鉻尖晶石中是高度相容的元素(Righteretal., 2004)，Ru3+具有和Cr3+相近的離子半徑，因此可以在低硫逸度條件下替代鉻尖晶石中的Cr3+，硫釕礦也常以包裹體的形式出現(xiàn)在鉻尖晶石中(Finniganetal., 2008)。如果有含水流體的存在，在部分熔融過程中，地幔橄欖巖的硫化物和鉑族元素礦物會被大量分解，而鉻尖晶石相對穩(wěn)定，海陽所蛇紋石化橄欖巖中普遍存在有尖晶石(圖2e)，它的存在可能也是導(dǎo)致Ru富集的原因之一。

4.5 構(gòu)造環(huán)境探討

現(xiàn)有研究表明，快速擴張洋脊并不多見，如現(xiàn)代大洋只有東太平洋洋隆為快速擴張，具有類似阿曼蛇綠巖完整巖石組合的蛇綠巖也僅占很少的一部分，野外觀察到的蛇綠巖大部分都是“不完整”的——缺失某些巖石類型，而蛇綠巖中巖石層序的不完整除了與保存條件有關(guān)外，還可能與慢速-超慢速擴張洋脊下的巖漿供應(yīng)不足有關(guān)。自大洋核雜巖提出以來，造山帶中的蛇綠巖有相當一部分被認為與洋底拆離斷層作用形成的大洋核雜巖有關(guān)(敖松堅等, 2017)。大洋核雜巖具有其獨特的特征，如其中地幔橄欖巖經(jīng)歷的部分熔融和虧損程度均較低，且與鎂鐵質(zhì)熔巖往往不具有熔體-殘留體的關(guān)系，即既不同源也不同時(Rampone and Piccardo, 2000; Snowetal., 2000; Van Ackenetal., 2008; Rampone and Hofmann, 2012)；席狀巖墻一般不發(fā)育，常出現(xiàn)輝長巖、輝石巖侵入地幔巖的現(xiàn)象(Cannatetal., 1995; Blackman and Collions, 2010; Piccardo and Guarnieri, 2010; Schoolmeestersetal., 2012; Vitaleetal., 2014)；發(fā)育拆離斷層，橄欖石、輝石等鎂鐵礦物發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為波狀消光和膝折帶等(吳福元等, 2014; 敖松堅等, 2017; 侯泉林, 2018)。

前已述及，海陽所蛇紋石化橄欖巖的微量元素和鉑族元素均顯示其經(jīng)歷了熔/流體的交代作用，這會造成橄欖巖的Re含量和放射性成因Os同位素比值的增加，二者的增加都會導(dǎo)致Re虧損模式年齡變年輕(張宏福, 2008)。因為tRD的計算過程中假設(shè)巖石中的Re在熔體抽離的時候全部丟失，且后期沒有Re的加入，全巖樣品的tRD可能不對應(yīng)任何真正的熔體虧損事件，但可為熔體虧損年齡提供最小的估計值(張宏福, 2008)。海陽所蛇紋石化橄欖巖(H6)的187Os/188Os值為0.1152，tRD模式年齡為1.8Ga，顯示出古老、虧損的特點，表明該地區(qū)蛇紋石化橄欖巖經(jīng)歷的古老熔融事件發(fā)生在1.8Ga之前(樣品H5因受到熔體交代的影響較大，模式年齡變小，不具參考性)。海陽所蛇紋石化橄欖巖的鉑族元素與Re-Os同位素特征與深海橄欖巖相似(圖6、圖7)，顯示出大洋親和性。前文研究已表明海陽所蛇紋石化橄欖巖經(jīng)歷的部分熔融程度低，巖漿供給有限，產(chǎn)生的基性熔巖較少，這與野外未見玄武質(zhì)熔巖及巖墻發(fā)育的現(xiàn)象吻合，與大洋核雜巖具有一定的相似性。前人的研究表明膠東海陽所發(fā)育較深層次的韌性剪切帶(劉若新等, 1989)，整個剪切帶由糜棱巖、糜棱狀片巖和深源構(gòu)造巖組成，其中深源構(gòu)造巖包括橄欖巖、輝石巖以及石榴石輝石巖，橄欖巖中可見橄欖石、斜方輝石被壓扁拉長的變形特征，顯示清晰的流變構(gòu)造(劉若新等, 1989)，同時在鏡下亦能觀察到橄欖石和輝石的波狀消光(圖2c, d)，這暗示該地區(qū)上地幔范圍內(nèi)以韌性變形為特征的構(gòu)造作用比較明顯。

海陽所輝石巖多具有較高的 Ni/Cu 值(8～20)和較低的Pd/Ir值(<30)，形成于地幔較高程度的部分熔融(20%～25%)，而蛇紋石化橄欖巖的主微量元素及稀土元素部分熔融模擬顯示其經(jīng)歷的是低-中等程度的部分熔融(10%～15%)，且蛇紋石化橄欖巖與輝石巖的微量元素、鉑族元素之間都沒有互補性，表明兩者不具有熔體-殘留體的關(guān)系，即堆晶輝石巖不是由蛇紋石化橄欖巖部分熔融產(chǎn)生的巖漿堆晶形成的，因此蛇紋石化橄欖巖和堆晶輝石巖不具有同源性，這與典型的蛇綠巖特征不同。此外，海陽所堆晶輝石巖侵入到蛇紋石化橄欖巖中，并存在熱接觸變質(zhì)作用(方長青, 1997)，表明輝石巖的形成晚于蛇紋石化橄欖巖，即堆晶輝石巖與蛇紋石化橄欖巖不具有同時性。這種既不同時又不同源的特征與大洋核雜巖極為類似，如在識別出大洋核雜巖的西藏日喀則地區(qū)，就發(fā)現(xiàn)晚期的輝綠巖侵入到先期的輝長巖和蛇紋石化地幔橄欖巖中(Liuetal., 2021)，因此，海陽所輝石巖是侵入到蛇紋石化地幔橄欖巖中晚期巖漿事件的產(chǎn)物。

綜合地球化學(xué)特征和野外接觸關(guān)系，海陽所堆晶輝石巖和蛇紋石化地幔橄欖巖之間并非簡單的熔體-殘留體的關(guān)系，堆晶輝石巖是由來自于地幔源區(qū)高程度部分熔融產(chǎn)生的母巖漿侵入巖石圈地幔中形成的，并非穩(wěn)定的巖漿房產(chǎn)物，這些特征與現(xiàn)今慢速擴張脊的洋殼結(jié)構(gòu)極為相似。在慢速擴張的條件下，巖漿房不發(fā)育，巖漿以侵入體的形式就位于地幔橄欖巖中(Tribuzioetal., 2000)，在這樣的環(huán)境下，洋殼的增生往往受控于大洋拆離斷層的發(fā)育程度(Ildefonseetal., 2007; Escartín and Canales, 2011)。海陽所超鎂鐵巖的地質(zhì)特征和拆離斷層的發(fā)育表明其可能形成于慢速擴張的環(huán)境，與拆離斷層有關(guān)的伸展作用將深部的地幔橄欖巖拆離至洋底，形成大洋核雜巖(圖17a)，堆晶輝石巖可能不是穩(wěn)定巖漿房的產(chǎn)物，而是就位于地幔橄欖巖中的侵入體(圖17b)。

圖17 海陽所超鎂鐵巖構(gòu)造環(huán)境演化模式圖(據(jù)Escartín and Canales, 2011)Fig.17 Model diagrams of tectonic environment evolution of ultramafic rocks (after Escartín and Canales, 2011)

5 結(jié)論

通過對蘇魯造山帶海陽所地區(qū)超鎂鐵巖的巖石學(xué)、全巖主微量元素、鉑族元素及Re-Os同位素的地球化學(xué)研究，得出以下結(jié)論：

(1)海陽所蛇紋石化橄欖巖的鉑族元素配分曲線呈平坦型，不同樣品間鉑族元素含量的差異是部分熔融或熔/流體交代過程中不同形式存在的硫化物的差異性行為導(dǎo)致的，顯著的Ru正異常是富Ru礦物相的殘留造成。

(2)海陽所輝石巖的源區(qū)發(fā)生過硫化物的飽和，大部分鉑族元素隨著硫化物的熔離而析出巖漿，造成輝石巖的PGEs含量相對原始地幔強烈虧損。在結(jié)晶分異的過程中，IPGE優(yōu)先進入早期結(jié)晶的礦物中，導(dǎo)致剩余巖漿IPGE含量降低，而PPGE含量相對較高，由此巖漿堆晶形成的輝石巖中IPGE和PPGE發(fā)生明顯分異。

(3)海陽所蛇紋石化橄欖巖是經(jīng)歷了低-中等程度部分熔融的殘余地幔橄欖巖，可能屬于大洋核雜巖，而輝石巖是巖漿源區(qū)發(fā)生過高程度部分熔融形成的堆晶巖，代表侵入到蛇紋石化地幔橄欖巖中晚期巖漿事件的產(chǎn)物，橄欖巖與輝石巖兩者之間不具有熔體-殘留體的關(guān)系。

致謝感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所儲著銀研究員在鉑族元素和Re-Os同位素分析實驗中的幫助;衷心感謝侯泉林教授在成文過程中的精心指導(dǎo)和無私幫助；感謝兩位審稿人詳細審閱了本文并提出寶貴的修改意見。

在李繼亮先生逝世一周年之際，謹以此文寄托哀思！