華北東部青島地區(qū)煌斑巖巖石地球化學(xué)特征與成因*

部雪嬌，韓宗珠**，翁立猛，來志慶，劉 明

(1. 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；3. 山東黃金集團(tuán)青島黃金有限公司，山東 青島 266100)

一直以來，由于煌斑巖與原生金剛石礦床和金礦床有著密切的成因聯(lián)系[1]，同時(shí)可以反映深部巖石圈地幔物質(zhì)的組成和演化[2]而備受關(guān)注。華北東部山東半島廣泛發(fā)育中生代煌斑巖，主要分布于魯西、膠東半島一帶。近年來，前人對(duì)山東地區(qū)的煌斑巖進(jìn)行了詳細(xì)的年代學(xué)研究，并將其主體形成時(shí)代鎖定為早白堊世[1-14](前人測年結(jié)果見表1)，這與華北板塊東部早白堊世廣泛發(fā)育的巖漿事件相一致。然而對(duì)于其形成的構(gòu)造背景仍存在較大爭議，主要有以下兩種觀點(diǎn)：(1)部分學(xué)者認(rèn)為膠東半島煌斑巖應(yīng)形成于揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞后巖石圈減薄的伸展拉張環(huán)境[1-6]。(2)另有學(xué)者則認(rèn)為，該地區(qū)煌斑巖的地球化學(xué)特征與大陸邊緣弧火成巖相似，應(yīng)形成于中生代古太平洋板塊向歐亞板塊之下的俯沖環(huán)境[7-10]。鑒于此，本文重點(diǎn)對(duì)山東青島地區(qū)的早白堊世煌斑巖進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，探討了其巖漿源區(qū)性質(zhì)和形成的構(gòu)造環(huán)境，為解決上述問題提供了有利的證據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)與巖石學(xué)特征

山東青島地區(qū)地處華北板塊與華南板塊的結(jié)合部位，蘇魯碰撞造山帶東端，同時(shí)處于西太平洋大陸邊緣活動(dòng)帶西部，新華夏系第二隆起帶的膠東隆起區(qū)。自中、新生代以來，由于太平洋板塊的西向俯沖，膠東隆起區(qū)的基底地殼層發(fā)生大規(guī)模破裂，并形成膠北隆起、膠萊斷陷、膠南-威海折返帶三個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[6]。而研究區(qū)恰位于膠南-威海折返帶東端與膠萊斷陷接合處的特殊構(gòu)造地帶(見圖1)。

山東青島地區(qū)以大面積出露中生代晚燕山期花崗巖為特征，屬中國東部中生代復(fù)合花崗巖帶的一部分[2]，并普遍被后期的早白堊世煌斑巖侵入。研究區(qū)煌斑巖整體呈NNE向展布，多以巖脈、巖墻的形式產(chǎn)出，穿插于先期侵位的花崗質(zhì)巖基中。

2 樣品的采集和分析

本文所研究樣品主要采自青島地鐵工程鉆孔巖心，共10件(見圖1)，主要巖性為閃斜煌斑巖和云煌巖(見圖2)。兩類巖石均呈灰至深灰色、煌斑結(jié)構(gòu)；基質(zhì)為細(xì)粒-隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。閃斜煌斑巖的斑晶為普通角閃石和斜長石，其中普通角閃石局部發(fā)生了綠泥石化或綠簾石化，斜長石則發(fā)生了絹云母化和鈉黝簾石化(見圖2(a))；云煌巖的斑晶主要為黑云母，部分綠泥石化(見圖2(b))。

樣品的主量元素由山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院試驗(yàn)測試中心分析測試，分析方法采用常規(guī)濕化學(xué)法。微量元素和稀土元素測試由中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所檢測中心完成，使用酸溶法進(jìn)行分析，分析測試儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)，使用標(biāo)樣為AGV-1 和BHVO-1，測試精度優(yōu)于5%。

表1 山東地區(qū)中生代煌斑巖年齡

3 分析結(jié)果

3.1 主量元素

表2表明，本區(qū)煌斑巖的SiO2含量39.13%～51.26%，屬于超基性-基性巖類；TiO2含量為0.91%～1.38%，MgO含量為3.73%～6.94%，Mg#值高達(dá)51～63，K2O+Na2O含量為3.47%～12.67%?？傮w來看，本區(qū)煌斑巖屬于低硅、高堿、富鈉、低鈦的超基性-基性巖類。在全堿-SiO2圖(見圖3(a))中，本區(qū)煌斑巖的投影點(diǎn)全部落在堿性系列范圍內(nèi)。從SiO2-K2O巖石系列劃分圖(見圖3(b))看，所有樣品均落入鉀玄巖系列。在Na2O-K2O圖解(見圖4)中，除兩個(gè)樣品點(diǎn)落入鈉質(zhì)區(qū)域，主體上均落入鉀質(zhì)區(qū)域，屬于鉀玄質(zhì)堿性煌斑巖。

3.2 稀土元素和微量元素含量

樣品的稀土元素總量(∑REE)介于188.49～299.47 μg/g之間，平均值為255.94 μg/g(見表4)；輕稀土元素(LREEs)含量為172.2～278.20 μg/g之間，平均值為236.39 μg/g；重稀土元素(HREEs)含量為16.10～22.16 μg/g之間，平均值為19.55 μg/g；(La/Yb)N值介于14.27～22.04之間，平均值17.46。在稀土元素配分模式圖上(見圖5)，所有樣品的稀土分配曲線整體形態(tài)基本一致，均表現(xiàn)出輕稀土富集、重稀土虧損的特征，暗示其巖漿源區(qū)存在重稀土元素富集礦物的殘留。同時(shí)，本文煌斑巖具有非常弱或不明顯的δCe、δEu異常(δCe平均為0.94，δEu平均為0.97)，表明在巖漿演化過程中未發(fā)生明顯的斜長石分離結(jié)晶作用。

在微量元素含量表(見表4)及原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(見圖6(a))中，所有樣品都表現(xiàn)出大離子親石元素(LILEs)(特別是Rb、Ba、K和Pb)的富集，高場強(qiáng)元素(HFSEs)(特別是Ta、Nb和Ti)的虧損，與俯沖帶弧火山巖的地球化學(xué)特征相似。同時(shí)青島煌斑巖的過渡元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化曲線(見圖6(b))呈明顯的“W”型，元素Cr、Ni明顯虧損，表明在其巖漿演化過程中經(jīng)歷了橄欖石的分離結(jié)晶。

圖1 山東青島區(qū)域地質(zhì)簡圖

圖2 山東青島地區(qū)煌斑巖偏光顯微照片

(底圖實(shí)線據(jù)Peccerillo and Taylor，1976；虛線據(jù)Middlemost，1985。Solid lines of after Peccerillo and Taylor, 1976,dashed lines after Middlemost，1985.);(據(jù)Rock,1991,(a)SiO2-Na2O+K2O圖解;(b)SiO2-K2O巖石系列劃分圖解。(Base mape after rock 1991)(a)SiO2-Na2O+K2O diagram;(b)SiO2-K2O diagram for classification Diagram for classification.)

(據(jù)Middlemost E A K.，1972。Base map after Middlemost E A K.，1972.)

(標(biāo)準(zhǔn)值據(jù)Sun and McDonough,1989。Chondrite data after Sun and McDonough,1989.)

(標(biāo)準(zhǔn)值據(jù)Sun and McDonough,1989，膠北煌斑巖據(jù)文獻(xiàn)[1]。Chondritedata after Sun and McDonough,1989,lamprophyres after references[1].)

4 討論

4.1 源區(qū)性質(zhì)

研究區(qū)煌斑巖的SiO2為39.13%～51.26%，為基性巖，MgO為3.73%～6.94%，具有較高的Mg#值(為51-63)，貧硅富鎂，表明它們的原始巖漿至少起源于巖石圈地幔[15]。另外，在主量元素的協(xié)變圖解(見圖7)上，本區(qū)煌斑巖的MgO含量與TFe2O3、CaO、Cr、P2O5含量以及CaO/Al2O3比值呈正相關(guān)，與SiO2、Al2O3和K2O呈負(fù)相關(guān)，表明本區(qū)煌斑巖應(yīng)起源于相同的巖漿源區(qū)，其化學(xué)成分上的差別主要是由于巖漿源區(qū)不同程度的部分熔融或巖漿演化過程中不同程度的巖漿分離結(jié)晶作用所導(dǎo)致。在La-La/Sm相關(guān)圖解(見圖8(a))中，本區(qū)煌斑巖整體上呈明顯的高角度陡坡狀分布，表明其巖漿主要是由不同程度的部分熔融所形成的[16]。然而巖石過渡元素中Cr、Ni含量的相對(duì)虧損表明，巖漿演化過程中還存在一定程度的橄欖石、斜方輝石的分離結(jié)晶；同時(shí)δCe、δEu的微弱負(fù)異常(部分正異常)，表明斜長石的分離結(jié)晶不明顯。

本區(qū)煌斑巖富集LILEs和LREEs、虧損HFSE和HREEs，特別是具有Nb、Ta、Ti元素的虧損。通常巖漿巖中Nb、Ta等的虧損主要由于三種原因?qū)е拢?1)在巖漿源區(qū)，母巖熔融過程中金紅石等富HFSEs礦物的殘留[17]；(2)在巖漿源區(qū)或者巖漿演化過程中，受到地殼物質(zhì)的混染[18]；(3)受到俯沖流體或熔體的交代，與俯沖交代作用所改造的巖石圈富集地幔有關(guān)[19]。

圖7 山東青島地區(qū)煌斑巖主元素與微量元素相對(duì)MgO協(xié)變圖解

首先，如果巖漿源區(qū)有金紅石殘留[17]，不僅會(huì)造成熔體明顯虧損Nb、Ta，同時(shí)也會(huì)造成Zr、Hf、Ti等HFSEs的明顯虧損。本區(qū)煌斑巖具有很低的Nb和Ta含量，但Zr、Hf等的虧損不是很明顯(見圖6(a))。因此，煌斑巖的HFSEs特征不能用巖漿源區(qū)有金紅石的殘留來解釋。本區(qū)煌斑巖SiO2含量低，MgO含量高，Sr含量(高達(dá)1 010 μg/g)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圍巖花崗巖的Sr含量值(8.19～410.99 μg/g，數(shù)據(jù)源于作者待刊文獻(xiàn))，表明大規(guī)模的地殼混染可能性較小。此外，具有地殼混染的巖石其SiO2-La/Nb為正相關(guān)[20]，Nb/Ta與La/Yb具有負(fù)相關(guān)關(guān)系[21]，研究區(qū)煌斑巖在SiO2-La/Nb圖解中沒有表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)(見圖9(a))，而在Nb/Ta-La/Nb圖解上成正相關(guān)(見圖9(b))，說明巖漿侵位過程中主體上沒有受到大規(guī)模地殼混染。在La/Nb-Ba/Nb圖解(見圖8(b))中，本文煌斑巖大部分落入了弧火山巖的范圍內(nèi)，其La/Nb、Ba/Nb值明顯高于陸殼，顯然不能由低La/Nb、Ba/Nb的幔源巖漿經(jīng)陸殼混染或殼幔物質(zhì)混合熔融形成，簡單陸殼混染的產(chǎn)物應(yīng)該落在陸殼組成的下方，介于陸殼組成和幔源巖漿組成之間，因此本區(qū)煌斑巖的巖漿源區(qū)為受到俯沖流體或熔體交代的巖石圈地幔。而樣品分布接近碎屑沉積物和大陸地殼的分布區(qū)，表明交代巖石圈地幔的流體或熔體主要來自大陸地殼。

圖8 山東青島地區(qū)煌斑巖La-La/Sm與La/Nb-Ba/Nb相關(guān)圖

圖9 山東青島地區(qū)煌斑巖SiO2-La/Nb相關(guān)圖(a)與Nb/Ta-La/Yb相關(guān)圖(b)

(Ce/Yb)N-Ti/Ti*、(Ce/Yb)N-Nb/Nb*、Ce/Nb-Ti/Ti*、Ce/Nb-Nb/Nb*比值可以區(qū)分軟流圈地幔、巖石圈地?；蚺袛嗷r漿起源上是否存在俯沖物質(zhì)的參與[22-24]。從圖10可以看出，研究區(qū)煌斑巖與山東中生代玄武巖[25]和膠北煌斑巖[1]區(qū)域重疊，暗示其成因上的聯(lián)系。而大部分樣品落入崆嶺群范圍，表明交代巖石圈地幔應(yīng)該是與崆嶺群相關(guān)的熔體[1]，可能來自揚(yáng)子板塊下地殼[26,27]。因此，本文煌斑巖沒有經(jīng)歷過強(qiáng)烈的陸殼混染，其巖石地球化學(xué)特征主要是由于巖漿源區(qū)受到了俯沖熔體的交代作用，與弧火山巖具有相似的巖石成因，即起源于俯沖熔體交代的富集巖石圈地幔，其俯沖熔體可能來源于揚(yáng)子板塊下地殼。

研究表明，由尖晶石相穩(wěn)定地幔形成的熔體，La/Yb的變化較小，Dy/Yb幾乎保持不變，一般都<1.5；而由石榴石相穩(wěn)定地幔形成的熔體La/Yb和Dy/Yb的比值變化較大，Dy/Yb一般大于2.5[28,29]。本區(qū)煌斑巖的La/Yb變化范圍較大(4.37～30.73)，Dy/Yb比值在1.76～2.11之間，在原始巖漿的Dy/Yb-La/Yb圖解(見圖11)中落入了尖晶石相和石榴石相地幔熔體混合線附近，說明其巖漿源區(qū)可能位于尖晶石相與石榴石相之間，我們推測研究區(qū)煌斑巖的起源深度可能在60-85 km。同時(shí)，研究區(qū)煌斑巖富集K和LILEs，而金云母和角閃石是含LILEs和K的主要礦物，因此煌斑巖的巖漿源區(qū)應(yīng)含有金云母或角閃石。含金云母源區(qū)的熔體具有低的Ba和Ba/Rb比值(<20)，含角閃石的熔體具有較低的Rb/Sr(<0.1)和高的Ba/Rb比值(>20)[30]。研究區(qū)煌斑巖Rb/Sr比值為0.04～0.30(多數(shù)大于0.1)；Ba/Rb比值為10.0～24.8(多數(shù)<20或近20)，證明其源區(qū)為含金云母的巖石圈地幔。

(底圖據(jù)文獻(xiàn)[1]。Base map after references[1].)圖10 山東青島地區(qū)煌斑巖微量元素比值相關(guān)圖

綜上所述，研究區(qū)煌斑巖應(yīng)為受到熔體交代的含金云母尖晶石-石榴石相地幔巖石部分熔融形成，并在巖漿演化過程中經(jīng)歷了一定程度的橄欖石、斜方輝石的分離結(jié)晶。

4.2 構(gòu)造意義

研究區(qū)位于華北板塊與揚(yáng)子板塊的轉(zhuǎn)換部位，蘇魯碰撞造山帶東端，同時(shí)處于西太平洋大陸邊緣活動(dòng)帶西部，其形成的構(gòu)造背景有很大爭議。

首先，本區(qū)煌斑巖富集LILEs和LREEs、虧損HFSEs和HREEs，特別是具有Nb、Ta、Ti元素的虧損，顯示與俯沖帶弧火山巖相似的地球化學(xué)特征。在MORB標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(見圖12)中，所有煌斑巖樣品與大陸邊緣弧玄武巖曲線[29]一致。同時(shí)其巖漿源區(qū)主要為受俯沖熔體交代的巖石圈地幔也進(jìn)一步證實(shí)了其形成環(huán)境與板塊碰撞俯沖有關(guān)。其次，研究區(qū)煌斑巖具有貧硅富鉀的特點(diǎn)，屬于典型的鉀玄質(zhì)巖石，因此可以用鉀玄質(zhì)巖石的構(gòu)造判別圖解判斷其形成的構(gòu)造環(huán)境[31]。在Zr-Y和Al2O3-TiO2圖解(見圖13)上，研究區(qū)煌斑巖落入了弧相關(guān)巖漿巖的區(qū)域內(nèi)。在TiO2/Al2O3-Zr/Al2O3和Zr/TiO2-Ce/P2O5圖解上，可以看出研究區(qū)煌斑巖投影在碰撞后弧區(qū)域，所以研究區(qū)煌斑巖形成的構(gòu)造背景應(yīng)為碰撞后弧。

圖11 山東青島地區(qū)煌斑巖原始巖漿La/Yb-Dy/Yb圖解

(標(biāo)準(zhǔn)值據(jù)Sun and McDonoughe，1989。Chondrite data after Sun and McDonough,1989.)圖12 山東青島地區(qū)煌斑巖(a)與大陸邊緣弧玄武巖、板內(nèi)堿性玄武巖和島弧鈣堿性玄武巖(b)的大洋中脊玄武巖標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖

圖13 山東青島地區(qū)煌斑巖構(gòu)造環(huán)境判別圖

前人研究認(rèn)為，三疊紀(jì)時(shí)，揚(yáng)子板塊已經(jīng)開始向華北板塊之下俯沖[32-33]。在俯沖進(jìn)行到一定深度時(shí)，揚(yáng)子板塊下地殼脫水熔融，析出了富水熔體，與上覆的華北板塊巖石圈地幔橄欖巖發(fā)生交代反應(yīng)，形成了研究區(qū)煌斑巖早期的富集地幔源區(qū)。白堊紀(jì)時(shí)，華北板塊出現(xiàn)區(qū)域性構(gòu)造拉張和巖石圈減薄，軟流圈上涌，先前形成的富集巖石圈地幔源區(qū)發(fā)生部分熔融，巖漿上升并沿裂隙發(fā)生侵位，最終形成廣泛分布的煌斑巖脈。

5 結(jié)論

(1)青島煌斑巖形成于燕山晚期嶗山花崗巖侵位以后，成巖時(shí)代應(yīng)為早白堊世。具有高鎂(Mg#值為51-63)、高堿、富鉀的地球化學(xué)特征，為堿性系列、鉀玄質(zhì)煌斑巖。大離子親石元素(LILE)(Ba、K、Pb)和LREE富集，而高場強(qiáng)元素(HFSE)(Ta、Nb和Ti)和HREE虧損,與大洋板塊俯沖帶相關(guān)的弧火山巖相似。

(2)青島煌斑巖形成于碰撞后弧環(huán)境，源區(qū)為含金云母尖晶石-石榴石相地幔橄欖巖，由揚(yáng)子板塊俯沖脫水而析出的熔體，交代上覆的華北板塊巖石圈地幔形成。白堊紀(jì)時(shí)，巖石圈大范圍坍塌，軟流圈上涌，地幔源區(qū)發(fā)生部分熔融，巖漿沿裂隙侵位成巖。