2012, Vol. 28
胶北早前寒武纪高级变质基底, 是华北克拉通的重要组成部分之一, 主要由TTG质片麻岩、花岗岩质片麻岩、孔兹岩系、高压基性麻粒岩、斜长角闪岩和超镁铁质岩所组成。近年来, 前人对胶北基底岩石进行了很多研究, 并在其原岩性质, 成因矿物学、变质演化、构造解析、同位素年代学和成因机制等研究领域取得了一系列重要成果和进展(白文吉等, 1993；卢良兆等, 1996；李永刚等, 1997, 1999；刘文军等, 1998；Zhai et al., 2000；Faure et al., 2001；周喜文等, 2004；Wan et al., 2006；Tang et al., 2007；Jahn et al., 2008；Zhou et al., 2008a, b；刘平华等, 2010；王舫等, 2010；Tam et al., 2011；刘平华等, 2011a, b, c；刘建辉等, 2011；Li et al., 2012；Liu et al., 2012)。比如, 有关基底岩石的锆石U-Pb年代学和Hf同位素研究显示：胶北高级变质基底中不仅存在显著的~2.90Ga、~2.70Ga地壳生长事件, 而且, 还存在~2.50Ga、~2.10Ga的岩浆作用；~2.50Ga的变质作用也有所记录(Jahn et al., 2008；刘建辉等, 2011；刘平华等, 2011a)；与华北克拉中部碰撞带一样, 该区不仅存在具有顺时针P-T轨迹和减压反应结构的高压基性麻粒岩(刘文军等, 1998；刘平华等, 2010), 而且, 还存在具有顺时针P-T轨迹的高压泥质麻粒岩(周喜文等, 2004), 特别是高压变质岩石中发现了早期俯冲进变质过程的矿物学证据；高精度同位素年代学研究还显示, 无论是高压基性麻粒岩, 孔兹岩系, 还是广泛分布的TTG质片麻岩和花岗质片麻岩都记录了1.90~1.85Ga峰期高压麻粒岩相变质事件和1.84~1.82Ga中低压麻粒岩相-角闪岩相退变质事件(刘平华等, 2011a；刘建辉等, 2011；Tam et al., 2011)；部分角闪二辉麻粒岩中变质锆石保存了高压麻粒岩相峰期矿物组合(石榴石+单斜辉石+斜长石+石英+金红石), 指示区内部分中低压基性麻粒岩早期也曾经历了高压麻粒岩相变质作用(刘平华等, 2011a)。
尽管有关胶北高级变质基底的研究已取得大量研究进展。但是, 许多重要的科学问题仍然没有解决。比如, 胶北早前寒武纪高级变质基底中广泛分布的高压基性麻粒岩原岩的岩石成因与构造环境就是一个没有明确的问题。它是大陆裂谷构造环境侵入的辉长质小岩体或辉绿质岩墙, 还是形成于汇聚板块边缘的弧后扩张构造环境？这些问题一直未能得到明确的阐述。
胶北高级变质基底中高压基性麻粒岩不仅以变形岩墙和不规则透镜体形式赋存于TTG质片麻岩或花岗质片麻岩之中；而且还与条带状铁建造、变质表壳岩、超镁铁质岩一起构成高级变质杂岩, 并以透镜体的形式分布在围岩之中。因此, 这些高压基性麻粒岩地质产状具有多样性的特点, 其原岩性质可能比较复杂。
本文选择胶北高级变质基底中广泛分布的高压基性麻粒岩, 在详细野外地质调查和岩相学研究基础上, 重点研究其地球化学特征。充分分析变质过程中高压基性麻粒岩的元素迁移规律；而后, 慎重选择地球化学指标和相关判别图解, 探讨胶北高级变质基底中高压基性麻粒岩可能的原岩性质和构造环境。
2 地质背景胶北地区位于华北克拉通东南缘(图 1), 北临渤海, 西侧以郯庐断裂为界与鲁西花岗-绿岩地体相邻, 东南侧以烟台-青岛-五莲断裂为界与苏鲁超高压变质带相邻(图 1)。区内出露的岩石类型以早前寒武纪变质岩和中生代花岗岩为主, 在局部地区有少量中生代侏罗纪-白垩纪陆相火山岩、火山沉积岩和第三纪玄武岩。
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图 1 胶北早前寒武纪地质简图(据卢良兆等, 1996) Fig. 1 Early Precambrian simplified geological map of the Jiaobei area (modified after Lu et al., 1996) |
研究区前寒武纪变质岩主要包括中-新太古代TTG质片麻岩、花岗质片麻岩、古元古代荆山群和粉子山群孔兹岩系、新元古代蓬莱群浅变质岩系以及少量的高压基性麻粒岩、斜长角闪岩和深变质超镁铁质岩。中、新太古代TTG质片麻岩主要分布在栖霞地区, 主要岩性有英云闪长质片麻岩、奥长花岗质片麻岩和花岗闪长质片麻岩, 前人研究结果表明：该区TTG质片麻岩的原岩形成时代可分为三期, 分别为~2.90Ga、~2.70Ga和~2.50Ga (Zhou et al., 2008a；Jahn et al., 2008；刘建辉等, 2011), 而花岗质片麻岩的原岩时代主要为~2.5Ga和~2.10Ga (刘建辉等, 2011)。古元古代荆山群孔兹岩系主要分布在莱阳荆山、旌旗山和莱西南墅等地, 岩性主要为石榴夕线黑云片岩-片麻岩、大理岩、石墨片岩-片麻岩、长石石英岩、黑云变粒岩等, 荆山群普遍经历了角闪岩相-麻粒岩相变质作用(周喜文等, 2004, 2007；王舫等, 2010)。粉子山群主要分布于栖霞庙后、门楼与莱州粉子山等地, 岩性主要为大理岩、黑云变粒岩、夕线黑云片岩(片麻岩)、长石石英岩等, 并普遍经历了绿片岩相-角闪岩相变质作用。前人曾对荆山群和粉子山群中变质岩锆石进行了SHRIMP U-Pb定年测试, 测试结果表明荆山群和粉子山群的变质时代为1.95~1.85Ga (Wan et al., 2006；刘平华等, 2011c), 其变质时代和变质演化特征与该区内高压基性麻粒岩十分相似(刘文军等；1998；周喜文等, 2004；刘平华等, 2010, 2011a), 表明胶北早前寒武纪变质基底在古元古代晚期存在一次重要的变质事件。蓬莱群主要分布在蓬莱地区和栖霞北部, 主要岩性有结晶灰岩、板岩、石英岩等, 仅遭受了绿片岩相变质作用。
胶北地区中生代岩浆岩主要为燕山期复式花岗岩基, 集中分布在招远至平度一带, 在艾山地区也有少量出露, 它们侵入于太古代TTG质/花岗质片麻岩及古元古代荆山群变质岩中。主要岩性为黑云母二长花岗岩和花岗闪长岩, 这些花岗岩体的锆石206Pb/238U年龄多数集中在160~120Ma (王沛成和安郁宏, 1996；Wang et al., 1998；苗来成等, 1998)。
与华北克拉通中部碰撞带内出露的高压基性麻粒岩一样(翟明国等, 1992；Zhao et al., 2001；Guo et al., 2002；及其参考文献), 在宏观上, 胶北地区出露的高压基性麻粒岩, 沿北东-南西向断续带状分布, 构成了一条长约200km的高压变质带(图 1), 高压基性麻粒岩在莱西-莱阳-栖霞一带出露较多。然而值得注意是, 在不同地段, 胶北高压基性麻粒岩地质产状存在一定差异, 其典型的地质产状归纳主要有如下三类(图 2)：①以不规则透镜体形式赋存于围岩TTG质片麻岩或花岗质片麻岩中(图 2a, b)。透镜体长轴长度变化于0.5~15m之间, 方向与围岩区域性片麻理方向一致, 边部变形明显, 并伴随强烈的退变质作用, 透镜体常成群产出, 沿区域片麻理方向常常可见深熔长英质浅色体。以不规则透镜体产出的高压基性麻粒岩, 最典型的观察点是栖霞市亭口镇李家圈村西约1km处公路旁小河边。②以变形岩墙的形式赋存于TTG质片麻岩或花岗质片麻岩中(图 2c)。在露头上, 可以观察到高压基性麻粒岩成相互平行的岩墙产出, 弱变形的高压基性麻粒岩与TTG质片麻岩或花岗质片麻岩呈条带状产出, 条带宽度变化于1~3m之间, 局部可见它们与围岩一起遭受韧性变形, 强变形的高压基性麻粒岩被拉断而呈复杂的石香肠构造或布丁构造, 以变形岩墙形式产出的高压基性麻粒岩, 最典型的观察点是栖霞市庙后镇骂阵口村。③此外, 在莱西至莱阳一带的高压基性麻粒岩还常常与变质表壳岩、条带状铁建造和深变质超镁铁质岩等岩石一起构成高级变质杂岩, 并以不规则透镜体被花岗质或TTG质片麻岩所包裹。例如, 在莱西马连庄镇杨家寨村东约300m铁矿采坑处, 可观察到由高压基性麻粒岩、深变质大理岩(方解石+尖晶石+透辉石+橄榄石) 和条带状铁建造所构成的高级变质杂岩, 以不规则透镜体的形式被花岗质片麻岩包裹, 透镜体大小约为2km2。本文矿物缩写据沈其韩(2009)和Whitney and Evans (2010)。
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图 2 胶北高压基性麻粒岩的地质产状 (a、b)-高压基性麻粒岩以透镜体的形式产于TTG质片麻岩之中；(c)-高压基性麻粒岩以相互平行的岩墙(脉) 产于TTG质片麻岩之中；(d)-石榴斜长角闪岩中石榴石呈典型的“白眼圈”结构 Fig. 2 Occurrences of the HP mafic granulites in the Jiaobei area (a, b)-the HP mafic granulites as enclaves preserved in TTG gneisses; (c)-HP mafic granulites as deformed dikes preserved in TTG gneisses; (d)-"white eye" texture preserved in garnet amphibolite |
胶北地区高压基性麻粒岩主要由石榴基性麻粒岩、石榴紫苏麻粒岩和石榴斜长角闪岩所组成。其中, 石榴基性麻粒岩保存了典型高压麻粒岩相矿物组合和减压反应结构(图 3), 它们集中分布在莱西马连庄-莱阳河头店地区, 其最典型的观察点是马连庄镇杨家寨村东约300m铁矿采坑处。石榴基性麻粒岩外观上为灰黑色夹红色斑点, 中至细粒不等粒粒状变晶结构, 块状构造, 片麻理不明显, 局部可见深熔的长英质浅色体。其主要组成矿物为石榴石、单斜辉石、斜长石、石英和角闪石(图 3), 此外还含有~5%的细粒磁铁矿和鳞片状棕色黑云母, 常见的副矿物为钛铁矿、磷灰石和锆石。
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图 3 高压基性麻粒岩中典型结构显微照片 (a)-石榴基性麻粒岩保存的峰期矿物组合石榴石(Grt2)+单斜辉石(Cpx2)+斜长石(Pl), 石榴石转变为单斜辉石(Cpx3)+角闪石(Amp3) 的后成合晶；(b)-石榴基性麻粒岩中石榴石(Grt2) 转变为单斜辉石(Cpx3)+角闪石(Amp3) 的后成合晶.均为单偏光 Fig. 3 Photomicrographs showing typical textures of the HP mafic granulites (a)-garnet (Grt2) + clinopyroxene (Cpx2) + plagioclase (Pl) as index high-pressure (HP) granulitic mineral assemblages identified in the matrix, with symplectite of clinopyroxene (Cpx3) + amphibole (Amp3) + plagioclase (Pl) around garnet (Grt2); (b)-symplectite of clinopyroxene (Cpx) + amphibole (Amp) + plagioclase (Pl) around garnet. All under plane polarized light |
石榴紫苏麻粒岩为该区高压基性麻粒岩在峰后中低压麻粒岩相变质条件下的退变产物, 其最大特点是在石榴石边部广泛发育蠕虫状冠状体或后成合晶的减压反应结构, 但与石榴基性麻粒岩不同之处是, 在后成合晶中, 广泛发育麻粒岩相的标志性矿物——蠕虫状斜方辉石。该类岩石外观上呈灰黑色, 随着磁铁矿含量的增加而颜色逐渐变深, 中至细粒不等粒粒状变晶结构, 块状构造, 其主要组成矿物为石榴石、斜方辉石、斜长石和石英(图 4), 此外还含有~5%的角闪石、细粒单斜辉石、磁铁矿和鳞片状棕色黑云母, 常见的副矿物为钛铁矿、磷灰石和锆石。
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图 4 高压基性麻粒岩中典型结构显微照片 (a)-石榴石(Grt) 转变为斜方辉石(Opx)+斜长石(Pl)+石英(Qtz)+磁铁矿(Mag) 的后成合晶；(b)-石榴石(Grt) 转变为单斜辉石(Cpx)+斜方辉石(Opx)+斜长石(Pl)+石英(Qtz) 的后成合晶.均为单偏光 Fig. 4 Photomicrographs showing typical textures of the HP mafic granulites (a)-quartz (Qtz) + plagioclase (Pl) as inclusions preserved in garnet, with symplectite of orthopyroxene (Opx) + plagioclase (Pl) + quartz (Qtz) + magnetite (Mag) around garnet (Grt); (b)-symplectite of clinopyroxene (Cpx) + orthopyroxene (Opx) + plagioclase (Pl) + quartz (Qtz) + magnetite (Mag) around garnet (Grt). All under plane polarized light |
石榴斜长角闪岩是区内分布最广的高压角闪岩相变质的岩石, 本文研究的石榴斜长角闪岩均为高压基性麻粒岩在晚期角闪岩相变质作用的退变产物。因为在同一露头或同一变基性小侵入体范围内, 既可见减压反应结构十分发育的石榴紫苏麻粒岩, 又可见“白眼圈”结构石榴斜长角闪岩(栖霞市桃村镇大庄头村公路旁), 此类石榴斜长角闪岩最典型的观察点是烟台庙后镇枣园村桥西南小山坡上。该类岩石外观上以粗粒石榴石边部普遍发育“白眼圈”结构为特点(图 2d), 其新鲜面为灰黑色夹红色斑点, 风化面为土黄色, 有的观察点深熔现象十分发育(图 2a), 中-粗粒不等粒粒状变晶结构, 块状构造, 少数发育片麻状构造。其主要组成矿物为石榴石、角闪石、斜长石和石英(图 5), 部分样品中还含有~5%的粗粒单斜辉石和细粒磁铁矿, 常见的副矿物为钛铁矿、金红石、磷灰石和锆石。
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图 5 石榴斜长角闪岩中典型结构显微照片 (a)-石榴石(Grt) 边部的“白眼圈”结构, 新生矿物为角闪石(Amp)+斜长石(Pl)+石英(Qtz)；(b)-石榴石(Grt) 内部的包体矿物细粒石英以及其边部的“白眼圈”结构, 新生矿物为斜长石(Pl)+石英(Qtz).均为单偏光 Fig. 5 Photomicrographs showing typical textures of garnet amphibolites (a)-symplectites of amphibole (Amp) + plagioclase (Pl) + quartz (Qtz) surrounding garnet (Grt); (b)-fine-gained quartz (Qtz) as inclusions preserved in garnet (Grt), symplectites of amphibole (Amp) + plagioclase (Pl) + quartz (Qtz) surrounding garnet (Grt). All under plane polarized light |
本次分析测试的样品均采自胶北高级变质基底, 在莱西-栖霞的地表露头与小型铁矿采坑均有分布。其中, 样品PD-13d-02、PD-25b-02、PD-18a-02、QX2-1、QX9-1来自莱西-莱阳的小型铁矿采坑, 其它样品则来自胶北地区的地表露头。
在系统的岩相学研究基础上, 选取典型高压基性麻粒岩样品的新鲜部分, 在河北省区域地质矿产调查研究所进行全岩粉末样品磨制至200目, 而后, 进行全岩主量、微量和同位素测试分析。全岩主量、微量元素分别在国家地质实验测试中心3080E型荧光光谱仪(XRF) 以及等离子质谱仪(ICP-MS) 上测得, 具体分析的测试条件和步骤参阅靳新娣和朱和平(2002)的论述。Nd同位素测试在国土资源部同位素重点实验室Nu Plasam HR MC-ICP-MS (Nu Instruments) 上进行, 具体的分析流程参见何学贤等(2007), 146Nd/144Nd比值用标准比值146Nd/144Nd=0.7219校正。FeOT=0.8998×Fe2O3+FeO, Mg#=100×Mg /(Mg+Fe2+)(摩尔分数), Eu/Eu*=EuCN/(SmCN×NdCN)1/2, cn表示与球粒陨石标准化值(Sun and McDonough, 1989)。
5 分析结果 5.1 主量元素特征在主量元素分析表(表 1) 中, 胶北高压基性麻粒岩显示SiO2、CaO、TiO2、K2O、Na2O的含量变化较大, 其中, SiO2集中变化于44.04%~53.54%之间, CaO含量介于7.14%~14.61%之间, TiO2含量变化于0.48%~2.34%之间, K2O含量变化于0.30%~3.11%之间, Na2O含量变化于0.23%~2.83%；而Al2O3和P2O5含量变化相对较小, 分别变化于11.65%~15.24%和0.04%~0.28%之间。所有样品中, FeOT含量变化也较大, 且相对较高(9.27%~17.25%), MgO含量变化范围也较大, MgO的含量变化于3.47%~8.43%之间, 相应的Mg#值变化范围也较大(26~61), 皆低于原生玄武质岩石(Mg#=70, Dupuy and Dostal, 1984), 具有演化玄武质岩石的特征。
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表 1 胶北高压基性麻粒岩的主量(wt%) 和微量(×10-6) 元素分析结果 Table 1 Major (wt%) and trace (×10-6) elements analyses for the HP granulites in the Jiaobei area |
在稀土元素分析表(表 1) 中, 胶北高压基性麻粒岩的稀土元素含量变化范围较大, 根据其稀土含量及其相关比值显示其存在内在差异, 可进一步分为稀土含量相对较低的A类(21.13×10-6~78.49×10-6) 和稀土含量相对较高的B类(92.74×10-6~133.5×10-6), 其中, A类的轻、重稀土元素分异程度不明显((La/Yb)CN=1.03~2.86)；B类具有中等程度的分异特征((La/Yb)CN=2.93~4.56)。两类高压基性麻粒岩Eu异常不明显(Eu/Eu*=0.93~1.04), 表明无大量的斜长石结晶分离(Woodhead, 1988)。在球粒陨石标准化的稀土配分模式图解(图 6) 中, A类高压基性麻粒岩具有平坦的稀土配分模式, 总体特征与正常洋中脊玄武岩(N-MORB) 的稀土配分模式类似, 而B类高压基性麻粒岩具有右倾的稀土配分模式, 与洋岛玄武岩(OIB) 和岛弧玄武质岩石的稀土配分模式类似(Hofman, 1988；Rudnick, 1995)。
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图 6 胶北高压基性麻粒岩稀土配分图解(球粒陨石和正常洋中脊玄武岩(N-MORB) 数值分别据Sun and McDonough, 1989；Hofman, 1988) Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns of the HP mafic granulites in the Jiaobei area (chondrite and normal-Mid-Ocean Ridge Basalt (N-MORB) values after Sun and McDonough, 1989; Hofman, 1988, respectively) |
在微量元素分析表(表 1) 中, 胶北高压基性麻粒岩的Cr、Ni含量变化范围很大, 分别变化于3.36×10-6~550×10-6、6.93×10-6~150×10-6, 其中, Ni含量总体上低于正常洋中脊玄武岩(N-MORB)(Ni=149.5×10-6；Hofman, 1988)；Co含量变化范围相对较小, 介于36.2×10-6~69.5×10-6, 总体上与正常洋中脊玄武岩(N-MORB) 相当(Co=47.47×10-6；Hofman, 1988)；而大部分样品中Ta (0.17×10-6~0.65×10-6)、Nb (1.10×10-6~10.70×10-6)、Zr (16.4×10-6~150×10-6)、Hf (0.69×10-6~4.71×10-6) 含量总体上与正常洋中脊玄武岩(N-MORB) 含量相当(Hofman, 1988；Sun and McDonough, 1989)。在原始地幔标准化的微量元素配分图解中(图 7), 胶北高压基性麻粒岩的配分模式与REE配分曲线一样, 存在内在差异, 可以进一步划分A类(图 7a) 和B类(图 7b)。其中, A类具有平坦的曲线特征, 总体上, 与N-MORB的配分型式类似(图 7a), B类具有右倾的曲线特征(图 7b)。但是, 无论A类还是B类样品, 大部分样品皆与N-MORB存在明显的差异, 即具有明显的Nb、Zr、Ti的负异常(图 7), 与显生宙典型岛弧玄武岩相似(McCulloch and Gamble, 1991)。
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图 7 胶北高压基性麻粒岩微量元素地幔标准化配分图解(原始地幔、正常洋中脊玄武岩(N-MORB) 和大陆地壳的数值分别据Hofman, 1988；Rudnick et al., 1995) Fig. 7 Primitive mantle-normalized trace elements patterns for the HP mafic granulites in the Jiaobei area (primitive mantle, normal-Mid-Ocean Ridge Basalt (N-MORB) and continent crust values after Sun and McDonough, 1989; Rudnick et al., 1995, respectively) |
本文对4件高压基性麻粒岩样品进行了Sm-Nd同位素分析, 结果列于表 2, 胶北高压基性麻粒岩的147Sm/144Nd与143Nd/144Nd的变化范围较小, 分别介于0.16090~0.18260与0.51229~0.51263之间。以2.50Ga (大部分样品记录了~2.50Ga的继承性原岩形成年龄(PD-22a, 刘平华等, 2011a)) 计算的εNd(t) 值范围是从+2.70至+4.77, 接近亏损地幔演化线(图略), 暗示胶北高压基性麻粒岩的原岩来源于长期亏损的地幔。
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表 2 胶北高基性麻粒岩Sm-Nd同位素分析结果 Table 2 Sm-Nd isotopic analyses results for the HP mafic granulites in the Jiaobei area |
已有研究表明, 在变质过程中, 特别是高级变质过程中, REE、高场强元素(Th、Nb、Ta、Zr、Hf、Y) 是相对不活动的, 而大离子亲石元素常常是活动性元素(Rudnick et al., 1985；Rollison, 1993；Kerrich et al., 1999)。由于胶北高压基性麻粒岩不仅经历了峰期高压麻粒岩相变质作用, 而且还遭受了中低压麻粒岩相-角闪岩相退变质作用的叠加, 所以, 在利用元素讨论岩石成因和构造环境之前应判明其元素的活动性。Polat et al.(2002, 2009, 2012) 在研究格陵兰Isua绿岩带与Fiskenęsset高级变质片麻岩地体中变质镁铁-超镁铁质杂岩时, 提出4条判别岩石遭受变质改造的条件：(1) 利用元素与最不活动性元素Zr在双变量图中的相关性, 相关系数R＜0.75被认为是活动性的元素；(2) 在原始地幔标准化图解中出现明显的Ce异常, 通常Ce/Ce*比值大于1.1或小于0.9的样品被认为不同程度遭受了改造；(3) 碳酸盐矿物和石英富集(体积百分数＞2%) 的样品可能遭受改造；(4) 样品中出现高的烧失量(LOI＞6.0%)。其中Zr与其它元素的相关性是简便有效的判别方法(Polat and Hofmann, 2003)。因此, 本文利用Zr与主、微量元素的相关性来判定胶北高压基性麻粒岩中元素在变质过程的活动性。
胶北高压基性麻粒岩的Ti、REE、Th、Nb与Zr的相关图如图 8所示, TiO2与Zr具有非常好的相关性, 相关系数R=0.827(样品QX73-1、QX2-1和PD-22a除外)；稀土元素La、Sm、Nd、Gd、Yb与Zr亦具有非常好的相关性, 相关系数R分别为0.899(样品QX73-1除外)、0.867(样品QX73-1、PD-22a除外)、0.857(样品QX73-1除外)、0.837(样品QX73-1、PD-22a除外)、0.721(样品QX73-1、QX2-1、PD-22a、PD-25b-02外)；高场强元素Nb、Th与Zr也显示了很好的相关性, 相关系数分别为R=0.856(样品QX73-1、PD-25b-02除外)、0.867(样品QX73-1、PL04-1、PD-02a-02除外)。
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图 8 胶北高压基性麻粒岩Zr与主、微量元素(REE、Th、Nb、Ti) 变化图 R为相关系数, 下同 Fig. 8 Zr vs. selected major and trace elements (REE, Th, Nb, Ti) variation diagrams for the HP mafic granulites in the Jiaobei area R is correlation coefficient, the same below |
与稀土元素、高场强元素相比, 在胶北高压基性麻粒岩中大离子亲石元素(Sr、Rb、Cs)、K、Na、Pb与Zr没有明显的相关性, 具有很强的分散性(图 9), 其中, Cs的变化范围最大。其它主量元素如P、Mg、Ca、Al、Si、Fe与Zr相关系数R分别为0.917(样品QX51-1、QX51-2除外)、0.753(样品QX73-1和PD-18a-02除外)、0.633(样品QX73-1和PD-18a-02除外)、0.345、0.235、0.256(图略)。其它微量元素Hf、Ta、U、Ni、Cr与Zr亦具有很好的相关性, 其相关系数R分别为0.977、0.858(样品QX9-1除外)、0.647(样品QX73-1、PD-18a-02除外)、0.513(样品PL04-1、PD-18a-02除外)、0.724(样品PL05-1、PD-18a-02除外)。
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图 9 胶北高压基性麻粒岩Zr与主、微量元素(Na、K、Rb、Cs、Sr、Pb) 相关图 Fig. 9 Zr vs. selected major and trace elements (Na, K, Rb, Cs, Sr, Pb) variation diagrams for the HP mafic granulites in the Jiaobei area |
胶北高压基性麻粒岩主量、稀土和微量元素与Zr的相关性分析结果显示, Ti、P、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf、Th、U与稀土元素在变质过程中元素保持稳定, 基本无变化, 可以代表原岩的含量和特征；Ca、Cr、Ni遭受轻微的影响而发生迁移, 基本也保持/继承原岩的特征；Si、Fe、Al在变质过程中可能发生了部分迁移, 但变化的程度并不明显, 应可以反映原岩的一些特征；而以大离子亲石元素为代表的其它活动性元素(Sr、Rb、Cs、K、Na、Pb) 基本已发生强烈的迁移, 无法代表原岩的岩石化学特征, 因此这些强活动性元素不能用来讨论岩浆系列和岩石的成因。
6.2 岩石成因与构造环境由于上述变质作用的影响, K、Na等活动性元素多已发生较显著的迁移变化, 因此利用TAS图判定岩浆岩系列可能存在一些偏差, 而采用没有发生显著变化的惰性组分可判别岩浆岩系列。在Nb/Y-Zr/TiO2(Pearce, 1996) 与Nb/Y-SiO2(Winchester and Floyd, 1977) 分类图中, 胶北高压基性麻粒岩皆位于亚碱性玄武岩区域(图 10)。在进一步区分钙碱性和拉斑玄武岩的Zr-Y (Miyashiro, 1974) 与FeOT/MgO-SiO2(Miyashiro, 1974) 分类图中, 胶北高压基性麻粒岩所有样品皆位于拉斑玄武岩区(图 11)。
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图 10 胶北高压基性麻粒岩Nb/Y-Zr/TiO2(据Pearce, 1996) 与Nb/Y-SiO2(据Winchester and Floyd, 1977) Fig. 10 Nb/Y vs. Zr/TiO2(after Pearce, 1996) and Nb/Y vs. SiO2(after Winchester and Floyd, 1977) diagrams for the HP mafic granulites in the Jiaobei area |
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图 11 胶北高压基性麻粒岩Zr-Y与FeOT/MgO-SiO2分类图解(据Miyashiro, 1974) Fig. 11 Zr vs. Y and FeOT/MgO vs. SiO2 diagrams for the HP mafic granulites in the Jiaobei area (after Miyashiro, 1974) |
结晶分异作用是岩浆演化中的重要过程(Depaolo, 1980), 在这种岩浆演化的过程中通常会使许多元素含量发生变化。胶北高压基性麻粒岩中相容元素含量变化较大可能与岩浆结晶分异作用有关, Mg与Cr和Ni具有强烈的正相关性(图 12), 说明该区高压基性麻粒岩原岩形成过程中存在橄榄石、尖晶石和单斜辉石的分离结晶。
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图 12 胶北高压基性麻粒岩MgO-Cr与MgO-Ni相关图解 图(a) 中除样品PD-18a-02、PL04-1和PL05-1外, 图(b) 中除样品PD-18a-02和QX73-1外 Fig. 12 MgO vs. Cr and MgO vs. Ni variation diagrams for the HP mafic granulites in the Jiaobei area The following outlier samples were not plotted: PD-18a-02 and PL04-1 and PL05-1 on MgO vs. Cr, and PD-18a-02 and QX73-1 on MgO vs. Ni |
如上所述, 胶北高压基性麻粒岩经历了多期变质作用, 许多元素已经不能代表岩浆源区本身的特征, 本文选取受变质作用影响较小的(REE、Th、Nb、Y与Zr的相关系数R＞0.70) 几个样品进行构造环境判别, 所有样品皆位于岛弧玄武岩区(图 13), 与微量元素原始地幔标准化图中大部分样品显示出Nb、Zr、Ti的负异常相吻合, 显示其具岛弧拉斑玄武岩的地球化学特征(Woodhead, 1988；Kelemen et al., 1990；McCulloch and Gamble, 1991)。
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图 13 胶北高压基性麻粒岩构造环境判别图解(a, 据Pearce, 2008；b-d, 据Agrawal et al., 2008) 在图(b) 中, DF1=-0.5558Log (La/Th)-1.4260Log (Sm/Th)+2.2935Log (Yb/Th)-0.6890Log (Nb/Th)+4.1422, DF2=-0.9207Log (La/Th)+3.6520Log (Sm/Th)-1.9866Log (Yb/Th)+1.0574 Log (Nb/Th)-4.4283；在图(c) 中DF1=0.5533Log (La/Th)+0.2173Log (Sm/Th)-0.0969Log (Yb/Th)+2.0454Log (Nb/Th)-5.6305, DF2=-2.4498Log (La/Th)+4.8562Log (Sm/Th)-2.1240 Log (Yb/Th)-0.1567Log (Nb/Th)+0.94；在图(d) 中：DF1=0.3518Log (La/Th)+0.6013Log (Sm/Th)-1.3450Log (Yb/Th)+2.1056Log (Nb/Th)-5.4763；DF2=-0.3050Log (La/Th)-1.1801Log (Sm/Th)+1.6189Log (Yb/Th)+1.2260Log (Nb/Th)-0.9944. C-陆壳混染趋势；W-板内富集趋势；MORB-洋中脊玄武岩；IAB-岛弧玄武岩；CRB-大陆裂谷玄武岩；OIB-洋岛玄武岩 Fig. 13 Immobile trace element tectonic discrimination diagrams for the HP mafic granulites in the Jiaobei area (a, after Pearce, 2008; b-d, after Agrawal et al., 2008) In Fig. 13(b): DF1=-0.5558Log (La/Th)-1.4260Log (Sm/Th)+2.2935Log (Yb/Th)-0.6890Log (Nb/Th)+4.1422, DF2=-0.9207Log (La/Th)+3.6520 Log (Sm/Th)-1.9866 Log (Yb/Th)+1.0574 Log (Nb/Th)-4.4283; In Fig. 13(c): DF1=0.5533 Log (La/Th)+0.2173 Log (Sm/Th)-0.0969 Log (Yb/Th)+2.0454Log (Nb/Th)-5.6305, DF2=-2.4498 Log (La/Th)+4.8562 Log (Sm/Th)-2.1240 Log (Yb/Th)-0.1567 Log (Nb/Th)+0.94; In Fig. 13(d): DF1=0.3518 Log (La/Th)+0.6013 Log (Sm/Th)-1.3450 Log (Yb/Th)+2.1056 Log (Nb/Th)-5.4763, DF2=-0.3050 Log (La/Th)-1.1801 Log (Sm/Th)+1.6189 Log (Yb/Th)+1.2260 Log (Nb/Th)-0.9944. Vector "C" shows the crustal contamination trend and vector "W" indicates the wedge melting trend; MORB-mid-ocean ridge basalt; IAB-island arc basalt; CRB-continental rift basalt; OIB-ocean island basalt |
一些从事格陵兰太古代绿岩带和高级片麻岩区变质超镁铁质-镁铁质杂岩地球化学研究的学者们注意到(Polat et al., 2011；及其参考文献)：无论是在浅变质Isua绿岩帯, Ivisaartoq-Ujarassuit绿岩带, 还是在高级变质Fiskenęsset杂岩中, 变质镁铁质岩石(斜长角闪岩或基性麻粒岩) 通常具有显著的Nb、Ta、Ti负异常, 部分(Qagsse斜长角闪岩) 还具有显著的Zr、Hf的负异常, 这与显生宙岛弧玄武岩(比如Aleutians岛弧, Marianas岛弧、New Britain岛弧和Kermadec岛弧) 具有Nb、Ta等高场元素具有亏损的特征相一致。这些微量元素地球化学特征反映了它们来源于太古代古俯冲带之上相对亏损的地幔橄榄岩部分熔融, 并充分受到俯冲板片熔体/流体的交代。
对于华北克拉通高压基性麻粒岩的原岩具有岛弧地球化学特征的原因, 目前还存在不同的认识。王仁民和董卫东(1999)曾对冀西北高压基性麻粒岩的原岩地球化学特征做过探讨, 发现它们的地球化学特征与洋中脊玄武岩(MORB)、洋岛玄武岩(OIB)、岛弧玄武岩(IAB)、大陆裂谷玄武岩(CRB) 都不像, 但又有相似之处, 因此, 提出弧后混杂岩带的观点；也有研究者认为冀西北高压基性麻粒岩具有某些岛弧特征的原岩可能反映其地幔源区受过早前俯冲-交代作用(张华峰, 2005)。对胶北高压基性麻粒岩具有岛弧拉斑玄武岩的地球化学属性, 所指示的构造环境, 本文做如下分析：
已有研究表明, 地壳物质混染可以造成玄武质岩石的Nb (Ta)、Ti的负异常(Ernst et al., 2005；Polat et al., 2011), 然而, 胶北高压基性麻粒岩几乎所有样品不仅具有明显的Nb (Ta)、Ti负异常(图 7), 而且具有明显的Zr (Hf) 负异常(图 7), 这很难用大陆地壳物质的混染来解释, 因为地壳物质通常是无Zr (Hf) 负异常, 还可能存在正异常(Rudnick et al., 1995；Gao et al., 1998；Hawkesworth and Kemp, 2006)。此外, 胶北高压基性麻粒岩具有正的εNd(t)(表 2), 位于亏损地幔演化线附近(图略), 也说明其未受显著的地壳物质加入。胶北高级变质基底中高压基性麻粒岩与围岩接触关系非常明显、平整, 而且没有围岩和壳源包体, 说明高压基性麻粒岩原岩在上升过程中, 没有显著的地壳物质加入。因此, 地壳物质混染不是胶北高压基性麻粒岩具有Nb (Ta)、Zr (Hf)、Ti负异常的根本原因。
综合胶北高压基性麻粒岩的微量元素地球化学、同位素地壳化学和野外地质关系等方面特征, 我们认为胶北高压基性麻粒岩在成岩-变质过程中受古老地壳物质混染不明显, 其微量元素组成具有岛弧拉斑玄武质岩石的特点, 与显生宙岛弧拉斑玄武质岩石的形成环境可以类比(Pearce et al., 1984, 1994；Ewart et al., 1994；Hawkins, 1995), 造成其Nb (Ta)、Zr (Hf)、Ti等高场强元素亏损原因应是亏损地幔熔体与俯冲板片部分熔融相互作用的结果(岛弧构造环境)。而根据胶北高压基性麻粒岩具有变形岩墙和透镜体的产状特点以及胶北地区早前寒武纪大地构造演化特点来看, 其原岩更可能为弧后扩张背景下形成的一套岩浆岩系列, 包括侵入的辉长岩或辉绿岩以及相应喷出的基性火山岩。
6.3 初步结论综合以上的讨论, 本文得出如下几点初步认识：
(1) 胶北高压基性麻粒岩主要由石榴基性麻粒岩、石榴紫苏麻粒岩和石榴斜长角闪岩组成, 且主要以不规则透镜体或变形岩墙的形式赋存于TTG质和花岗质片麻岩之中, 并集中分布在莱西-莱阳-栖霞一带, 沿北东-南西向断续带状分布, 构成了一条长约200km的高压变质带。
(2) 在变质过程中, 胶北高压基性麻粒岩中许多元素发生了显著的变化, 比如K、Na、Sr、Rb、Pb、Fe等；与此相反, 在大部分样品中, 其高场强元素(Th、Zr、Ti、Nb) 和稀土元素基本无变化, 保持稳定；在球粒陨石标准化稀土配分图中, 该区高压基性麻粒岩不仅存在平坦型的稀土配分曲线, 也有轻稀土相对富集右倾型配分曲线, Eu异常不明显(Eu/Eu*=0.93~1.04)。胶北高压基性麻粒岩几乎所有样品皆具有Nb、Zr、Ti亏损特征, 其εNd(t) 为正的且变化范围小(+2.70~+4.77)。
(3) 胶北高压基性麻粒岩几乎所有样品显示其微量元素组成具有岛弧拉斑玄武质岩石的特征, 其原岩可能为弧后扩张背景下侵入的辉长岩或辉绿岩以及相应喷出的基性火山岩, 在岩浆上升过程中发生了橄榄石、尖晶石和单斜辉石的分离结晶作用, 地壳物质的混染作用不明显。
致谢 本文所有样品全岩主量、微量和Nd同位素成分测试与分析得到了韩慧明老师、唐索寒老师的帮助；论文写作过程中得到了沈其韩院士、郭敬辉研究员和杜利林研究员的指导与帮助；野外地质调查得到了薛怀民研究员和王金光高级工程师的指导和帮助；在此一并致谢。| [] | Agrawal S, Guevara M, Verma SP. 2008. Tectonic discrimination of basic and ultrabasic volcanic rocks through log-transformed ratios of immobile trace elements. International Geology Review, 50(12): 1057–1079. DOI:10.2747/0020-6814.50.12.1057 |
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