2013, Vol. 29
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 山东省地质科学实验研究院，济南 250013;
4. 香港大学地球科学系，香港
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Shandong Institute and Laboratory of Geological Sciences, Jinan 250013, China;
4. Department of Earth Sciences, the University of Hong Kong, Hong Kong, China
胶北地块前寒武纪结晶基底是华北克拉通东部陆块内部构造带。其中有一套古元古代变质杂岩,北部由中级变质沉积岩系组成,通常称为粉子山群；南部由高级变质沉积岩系组成,称为荆山群(卢良兆等,1996)。荆山群原岩主要为泥质岩、碎屑岩、碳酸盐岩及钙镁硅酸盐岩,尚有大量的代表基性火山喷发相的斜长角闪岩类,反映了一种浅海相的沉积环境(宋明春和李洪奎,2001)。粉子山群总体分布于荆山群的北侧,具有高绿片岩相-低角闪岩相变质程度,由一套滨海相至浅海相的大陆边缘构造环境的岩性组成,因此认为荆山群、粉子山群形成于新太古代末-古元古代初板块碰撞后拉张阶段的裂陷盆地环境(宋明春和李洪奎,2001)。结合胶-辽-吉带中胶东和辽南大规模出现的菱镁矿和滑石矿床形成的流体丰富环境,和其围岩的C和O稳定同位素和流体包裹体研究表明,古海水演化而来的变质成矿流体对后期滑石矿床的形成起着重要的控制作用(冯本智,1995；陈从喜等, 2003a,b)。刘永达等(1989)在辽河群中发现了层状基性岩和枕状熔岩,其岩石学和岩石地球化学的研究结果表明,这些层状基性岩是辽河群早期沉降阶段的海相拉斑玄武岩。王惠初等(2011)在北辽河群中也发现了有良好的枕状构造的变质基性火山岩,其原岩形成年龄为~1869±28Ma,具有岛弧拉斑玄武岩的特征,认为它们可能形成于与岛弧相关的构造背景,是弧后盆地环境的产物,而非大陆裂谷环境。
变质作用研究表明,西北部的粉子山群经历了高绿片岩相-低角闪岩相变质作用,而东南部的荆山群分布区出露多种高级变质岩,既有高压基性麻粒岩,又有高压泥质麻粒岩,以中高压顺时针P-T轨迹为特征,指示了该带闭合过程中的碰撞构造环境(白瑾等,1996；刘文军等,1998；周喜文等,2004；Zhou et al., 2008；刘平华等,2010)。很多学者认为,与辽吉地区一样,胶北地区古元古代也经历了拉张和俯冲碰撞构造两个过程(Zhou et al., 2008；赵国春,2009)。年代学研究表明,胶-辽-吉带中沉积岩和火山岩的形成时代为2.3~2.0Ga,指示了古元古代拉伸裂陷盆地的形成时间；之后盆地接受沉积的年龄为2.05~1.93Ma或1.88Ga,在古元古代晚期约1.93~1.85Ga发生碰撞造山(Li et al., 2005; Wan et al., 2006; Zhou et al., 2008; Luo et al., 2004,2008；董春艳等,2010；翟明国, 2009,2010; Liu et al., 2013a,b; 刘平华等,2013)。最近Li et al.(2012)对胶-辽-吉古元古代构造变形研究提出,褶皱与推覆构造变形的事件也在1.95~1.87Ga之间。自此鲁东裂陷盆地闭合,古元古代地层发生强烈变形,形成褶皱造山带,形成一套麻粒岩相变质岩,构成华北克拉通东部地块内一条重要的古元古代造山带——胶-辽-吉造山带(Zhao et al., 1999,翟明国和卞爱国,2000)。
胶-辽-吉构造带的胶北地区荆山杂岩主要分布在平度明村-莱西南墅、马莲庄-栖霞这一NEE展布的角闪麻粒岩相内(靳是琴等,1987),本文研究的麻粒岩和钙硅酸盐岩即产在这一带内。高压基性麻粒岩与钙硅酸盐岩在空间上密切共生。我们的前期研究揭示钙硅酸盐岩是由石榴基性麻粒岩经退变和钙质交代形成(李旭平等,2011)。本文将在此研究基础上,进一步探讨基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的岩石地球化学特征,追溯胶-辽-吉构造带中基性麻粒岩及其蜕变而来的钙硅酸盐岩的原岩性质、形成的构造背景及其所经历的地质作用过程,进一步探讨其与该地区没有受到钙硅酸盐岩化的高压基性麻粒岩之间地球化学特征异同。
2 地质背景胶北地块位于华北克拉通东部陆块胶-辽-吉活动带的南端,向东北延伸,穿过渤海连接辽-吉地块；在五莲-即墨-牟平断裂带以北,发育了中生代胶莱盆地；西侧以郯庐断裂为界邻接鲁西花岗-绿岩地体,东南侧以五莲-即墨-牟平断裂为界邻接苏鲁超高压变质带(图 1a)。胶北地块前寒武纪基底主要包括中-新太古代TTG质与花岗质片麻岩、新太古代变质表壳岩系(胶东岩群和唐家庄岩群)和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。
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图 1 胶东地区地质构造简图(a,据周喜文等2004;Tam et al., 2011修改)和莱西南山口地区前寒武纪基底岩石分布图及采样位置(b,据山东省地质矿产局第四地质队区调研究所,1995①) Fig. 1 Geological schematic map of the Jiaodong district in the North China Craton(a,modified after Zhou et al., 2004; Tam et al., 2011)and distribution of Precambrian rocks in the Nanshankou area and sample locality(b) |
① 山东省地质矿产局第四地质队区调研究所. 1995. 中华人民共和国夏甸幅和河头店幅地质图(1:5万). 济南: 山东省地质印刷厂印刷
胶北地块的核部主要有中新太古代的胶东岩群变质火山岩系列、栖霞TTG质片麻岩、花岗质片麻岩和少量中新太古代至古元古代超基性-基性侵入岩及胶东岩群中基性火山岩(宋明春和李洪奎,2001; Jahn et al., 2008)。代表性岩性是分布在栖霞的一套中基性、中酸性岩夹硅铁建造,以及TTG质片麻岩和花岗质片麻岩,其变质程度达到了麻粒岩相。该区TTG质片麻岩的原岩形成时代从~2.9Ga到~2.5Ga(Zhou et al., 2008; 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~2.1Ga(刘建辉等,2011)。胶北高压基性麻粒岩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; 还与条带状铁建造、超镁铁质岩、变质表壳岩等一起构成高级变质杂岩,并以透镜体的形式分布在太古代TTG质与花岗质片麻岩围岩之中(刘平华等,2012)。在晚太古代末期~2.5Ga的碰撞事件导致华北克拉通超大陆拼合,地壳发生了强烈褶皱,太古宙胶东岩群发生了中高级变质作用,并使早元古宙地层不整合在太古宙地层之上,但在绝大多数地区见到的是韧性剪切带接触关系。
华北克拉通晚太古代末超大陆拼合,古元古代末开始裂解(翟明国和卞爱国,2000；刘建辉等,2011),沉积了浅海相的荆山群和大陆边缘的滨海相至浅海相的粉子山群(宋明春和李洪奎,2001)。粉子山群主要由大理岩、透闪岩、变粒岩、高铝片岩组成,经历了高绿片岩相到低角闪岩相变质作用；主要发育于莱州市粉子山、蓬莱市金果山、烟台福山区、张格庄等地区,空间位置偏北。荆山群的岩性组合为大理岩、高铝片岩-片麻岩和透辉石岩,其中赋存着丰富的石墨矿产,经历了高角闪岩相-麻粒岩相变质作用,主要分布于平度明村-莱西南墅、莱阳旌旗山、栖霞大庄头一带,总体呈NEE向带状展布。此外,荆山群分布区还包含有变质基性-超基性岩,其207Pb/206Pb变质年龄为1956±41Ma和1884±24Ma(Tam et al., 2011),与区内泥质麻粒岩的变质时代和变质演化特征都十分相似(刘文军等；1998；周喜文等,2004；Wan et al., 2006; 刘平华等,2011; Tam et al., 2011)。
胶北地区的变基性-超基性岩,主要分布在莱西-莱阳、栖霞一带。这一带的变基性-超基性岩石还常常与变质表壳岩、条带状磁铁石英岩等一起构成高级变质杂岩透镜体,并常以不规则透镜体出现在花岗质或TTG质片麻岩中(刘平华等,2012)。莱西南山口地区主要出露新太古代花岗质或TTG质片麻岩(山东省地质矿产局第四地质队区调研究所,1995),其中包含有中新太古代到古元古代不同时代的基性-超基性岩岩墙和透镜体(图 1b)。
3 样品采集与分析方法本文用麻粒岩和钙硅酸盐岩样品采自莱西北部马莲庄镇南山口村,来自采坑中挖出的0.5~1.5m大小的巨大岩块,与其直接接触围岩是新太古代TTG质片麻岩与花岗质片麻岩(图 1b)。
矿物化学成份分析在北京大学地球与空间科学学院“教育部造山带与地壳演化教育部重点实验室”进行,使用的电子探针仪器型号为JXA-8100；分析条件：加速电压15kV、束流20An、修正方法PHRZ；标准样品为美国SPI公司53种矿物。主元素和微量元素的测试在德国鲁尔大学、矿物、地质、地球物理研究生化学实验室进行,采用X-射线荧光光谱,仪器型号为Philips PW 1400分析测定；稀土元素采用电感耦合等离子-原子发射光谱分析。水含量测试采用库仑卡尔费瑟滴定法(Johannes and Schreyer, 1981)；CO2的分析是在1100℃在O2中加热,采用库仑测定法和滴定法；F的分析采用选择性离子敏感电极；FeO的分析采用电位测定法(Ungethüm,1965)；Fe2O3的含量由计算所得(Fe2O3T-FeO×1.1113)。文中使用的矿物代号引自Kretz(1983)。
4 矿物化学和岩石学特征前期的研究成果表明,莱西南山口高压基性麻粒岩的矿物组合为Grt+Cpx+(Opx)+Amp+Pl。其中部分麻粒岩经历退变质和Ca质交代联合作用,形成钙硅酸盐岩(李旭平等,2011)。石榴基性麻粒岩经历了不同程度的钙硅酸盐岩化,有的岩块完全钙硅酸盐岩化,有的岩块核心仍是未受交代的石榴基性麻粒岩,而边缘已由钙质交代作用形成了钙硅酸盐岩,同一块岩石上可看见钙硅酸盐岩化不同程度的部分(图 2)。本文选取1件基性麻粒岩、2件钙硅酸盐岩化的岩石和2件完全钙硅酸盐岩化的钙硅酸盐岩进行了矿物化学成分分析；共选取11件样品作了系统岩相学、矿物相转变结构研究和地球化学特征研究。
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图 2 胶北地区莱西南山口高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩 Fig. 2 The HP mafic granulite and calc-silicate from the nanshankou,Laixi of the Jiaobei massif |
基性麻粒岩主要由石榴石、单斜辉石、斜方辉石、角闪石和长石组成；此外还有5%~10%的细粒不透明铁-钛氧化物矿物。中-细粒变晶结构,块状构造,见有不十分明显的片麻理。麻粒岩中保留了3个阶段的变质矿物组合。如图 3a, b所示,在石榴石中保留有早期或许是岩浆岩阶段的矿物Cpx、Pl和Qtz；麻粒岩相变质峰期的矿物组合为Grt和Cpx的变斑晶,有的样品中见有金红石；其后的退变质过程中,角闪石交代单斜辉石(图 3a),Cpx退变形成Opx+Mgt+Ilm后成合晶、Grt退变分解为Cpx+Pl的后成合晶矿物组合(图 3a-d)。
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图 3 高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的显微结构图 (a、b)-高压基性麻粒岩；(c-f)-钙硅酸盐岩化岩石；(g、h)-钙硅酸盐岩.(a、c)单片光显微结构照片；其它皆为背散射电子图像 Fig. 3 Photomicrographs of the HP mafic granulites and calc-silicate from the Laixi,Jiaobei massif (a,b)-HP mafic granulite；(c-f)-calc-siliscatic rock；(g,h)-calc-silicate；(a,c)under plane-polarized light; others are all BSC images |
初始钙硅酸盐岩化时,岩石仍保留了退变麻粒岩的结构,表现在石榴石退变形成Cpx+Pl的后成合晶结构,同时也出现了钙硅酸盐岩化的代表性矿物——绿帘石(图 3c,d)。不完全钙硅酸盐化的钙硅酸盐岩中仍保留了高压基性麻粒岩及其退变质阶段的矿物组合：Grt+Cpx+(Opx)+Amp+Pl(图 3e,f)。高压基性麻粒岩经历退变质作用的同时,叠加了不同程度的Ca交代作用。部分岩石转化成了富钙硅酸盐岩(图 3c-f),其矿物组合为Grtrelict +Grt+Cpxrelict +Cpx+Amp+Zo+Pl+Ab+Cal+Qtz,结构中仍然保留残留的单斜辉石和石榴石,以及新生成的黝帘石、钙铁辉石等矿物。完全钙硅酸盐岩化的岩石,交代作用比较彻底,形成了钙硅酸盐岩。矿物组合为Grs+Zo+Prh+Ab+Cal,结构中见到完全交代成因形成的细粒石榴石、单斜辉石、葡萄石、黝帘石和钠长石等(图 3g,h)。
综上所述,根据岩相学研究,南山口高压基性麻粒岩记录了四个阶段的地质作用：峰期前矿物组合在石榴石中以包裹体的形式出现,其矿物组合为Cpx+Pl+Qtz(M1)；峰期麻粒岩相变质的矿物组合Grt+Cpx+Rt+Qtz(M2); 退变质和钙硅酸盐岩化共同作用的矿物组合可在后成合晶矿物组合中看到Cpx+Pl+Opx+Ilm+Mgt+Ep(M3); 完全钙硅酸盐岩化阶段Grs+Zo+Prh+Ab+Cal(M4)。
电子探针矿物组分分析结果显示(表 1),未发生钙硅酸盐岩化的高压基性麻粒岩的石榴石平均成分为Alm51.86Pyr12.59Spe5.21Adr21.55Urv1.22Grs7; 部分钙硅酸盐岩化的岩石中残留石榴石的平均成分为Alm27.26Pyr6.83Spe9.47Adr5.83Urv9.93Grs40.68,由于受到钙硅酸盐岩化的作用,其中石榴石的CaO含量可高达20%之多；完全退变和钙硅酸盐岩化的石榴石平均成分为Alm6.43Pyr0.90Spe2.11Adr8.27Urv1.41Grs80.88,石榴石中的CaO含量已达到33.74%,钙铝榴石的端元成分占到了近81%。由此可见,在退变质和Ca质交代过程中,石榴石中铁铝榴石和镁铝榴石等端员成分在减少,而钙铁榴石和钙铝榴石的成分在不断增加,。单斜辉石成分在高压基性麻粒岩中为En32.87Fs22.12Wo45.01,部分钙硅酸盐岩化的岩石中的残留成分为En27.43Fs15.61Wo45.45,完全钙硅酸盐岩化的成分是En32.58Fs14.81Wo49.13,分别为普通辉石、铁次透辉石到次透辉石,表现出交代成因的特征,在交代作用改造的单斜辉石中,透辉石端员的含量增加。斜方辉石在高压基性麻粒岩和部分钙硅酸盐岩化的岩石中退变残留的成分分别为En45.01Fs49.35Wo1.36和En40.56Fs53.94Wo1.66,皆为铁紫苏辉石；在退变质和交代作用中同样表现为Fe质增加,Mg质减少。角闪石多为普通角闪石,随着交代作用的进行,铁镁的含量减少,而钙的含量增加。黝帘石和葡萄石是典型的钙硅酸盐岩中矿物。斜长石在麻粒岩中是基性倍长石,而交代彻底的钙硅酸盐岩中是纯的钠长石。
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表 1 莱西代表性高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的矿物化学成分(wt%)特征 Table 1 Representative mineral composition(wt%)of HP mafic granulites and calc-silicates from the Laixi,Jiaobei massif |
前面的研究结果表明,高压基性麻粒岩在退变和钙硅酸盐岩化过程中经历了早期780~850℃、1.0~1.1GPa的退变质作用和晚期400~650℃、0.6~0.75Gpa的退变质和Ca质交代的联合作用,得出的顺时针P-T轨迹(李旭平等,2011)。
5 地球化学特征岩石的某些元素的地球化学性质在变质和交代作用过程中可以发生迁移,尤其是活动元素,如K、Na、Ca等主元素。然而有些元素却相对稳定,特别是某些微量元素如Zr、Y、Ti、Nb等高场强元素,很可能保留了原岩的性质。对于麻粒岩相变质基性岩,在多方面的分析和研究中仍可追踪原岩产出的构造信息；而退变与交代作用形成的钙硅酸盐岩,视交代作用的强弱,弱交代作用的样品仍可窥视原岩信息；尽管强烈钙硅酸盐岩化的样品甚至可以完全抹煞原岩的信息,有时却也可以追踪混染物源区的性质。
5.1 主元素地球化学高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的主元素地球化学中(表 2),除了09LY22样品,所研究的岩石样品的SiO2含量介于46.45%~53.10%,与MORB和岛弧的玄武岩相比,研究区岩石MgO含量明显高,而Al2O3含量偏低。5个基性麻粒岩样品中MgO和CaO含量分别介于7.33%~8.04%,9.77%~13.81%之间,而钙硅酸盐岩样品中分别达到5.17%~10.86%和22.45%~25.6%；TiO2和P2O5含量变化相对较小,分别变化于0.15%~0.91%和0.01%~0.07% 之间。TiO2-MnO-P2O5图可以区分岛弧拉斑质玄武岩、岛弧钙碱性玄武岩和洋中脊玄武岩,研究区样品多数落入岛弧钙碱性玄武岩中,然而,有两个样品,并且是高压基性麻粒岩落在岛弧拉斑玄武岩区(图 4)。研究区岩石FeO含量与拉斑玄武岩相比明显高；在Al-FeTi-Mg图投图表明(图 5),基性麻粒岩由于变质作用,成为典型的高铁拉斑质基性岩类(Rollinson,1993),具有演化玄武质岩石的特征。大多数钙硅酸盐岩由于Ca、Mg质增加,Al2O3减少,投到科马提岩的范围而失去构造环境的判别作用。CO2的含量在0.05%~4.41%之间,明显表现出与钙硅酸盐岩化程度成正相关性,表明钙硅酸盐岩化流体中含有碳酸盐的成分。岩石的FeO/Fe2O3比值很高(2.97~6.57),表明研究岩石仍然很新鲜,表生蚀变作用不严重(Dixon and Batiza, 1979)。
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图 4 TiO2-MnO-P2O5构造环境判别图解(据Rollinson,1993) Fig. 4 The TiO2-MnO-P2O5 discrimination diagram for volcanic rocks(after Rollinson,1993) OIT-ocean-island tholeiite; MORB-mid-ocean basalt; IAT-island-arc tholeiite; OIA-ocean-island alkaline tholeiite; CAB-island-arc calc-alkaline tholeiite |
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图 5 玄武岩火山岩分类的AFM图解(据Rollinson,1993) Fig. 5 The AFM classification of volcanic rocks(after Rollinson,1993) TA,TD,TR-tholeiitic series; CB,CA,CD,CR-calc-alkaline series; HFT-high-Fe tholeiite basalt; HMT-high-Mg tholeiite basalt; KB,K-komatiitic basalt and komatiite |
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表 2 胶北莱西高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的主元素(wt%)和微量元素(×10-6)的分析结果 Table 2 Major(wt%)and trace elements(×10-6)analyses for the HP granulites and calc-silicates in the Laixi area |
高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的球粒陨石标准化稀土配分模式属LREE富集右顷型(图 6a),稀土总量∑REE为52.75×10-6~121.9×10-6,高于通常的洋脊玄武岩；类似岛弧玄武岩的配分模式(Hofmann,1988)。HREE部分曲线平坦。稀土元素被认为是最少溶解的微量元素,并且能够在低级风化和热液交代作用中稳定(Rollinson,1993)。胶北地块莱西高基性压麻粒岩退变和Ca质交代作用形成的钙硅酸盐岩,其REE的分布形态与高压基性麻粒岩基本一致。大多高压基性麻粒岩样品的Eu表现为无异常到弱正异常(δEu=1~2.95),受钙硅酸盐岩化的影响在钙硅酸盐岩化的样品皆为正异常,这是由于钙硅酸盐岩中含钙矿物(如绿帘石、葡萄石、钙铝榴石等)的出现而富集Eu的原故(李旭平等,2008)。大多数样品Ce表现为负异常(δCe=0.29~0.68),只有两个麻粒岩样品(09LY21、09LY23)表现为正异常(δCe=1.29~2.14)。Ce值的负异常表明岩石形成后,流体的次生交代(Sun and McDonough, 1989)、特别是与钙硅酸盐岩化的过程中经历了一定的氧化作用相关。
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图 6 胶北莱西高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩球粒陨石标准化REE配分模式(a)和MORB标准化微量元素配分图(b)(球粒陨石标准化值据Masuda et al., 1973;MORB标准化值据Pearce,1983; Sc和Cr据Pearce,1982) Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns(a)and MORB-normalized trace-element diagrams(b)of the HP mafic granulites and calc-silicates in the Laixi,Jiaobei area(chondrite data after Masuda et al., 1973; MORB data after Pearce,1983; Sc and Cr after Pearce,1982) |
高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的Ni(34×10-6~111×10-6)、Sc(20×10-6~53 ×10-6)、Co(8×10-6~53 ×10-6)、V(37×10-6~261×10-6)、Cr(52×10-6~330×10-6),其含量基本可与显生宙MORB和一些岛弧玄武岩相比较(Dixon and Batiza, 1979; Hofmann,1988; Hoeck et al., 2002; Dilek et al., 2008)。Ti/V介于18~71之间,也相似于MORB和一些岛弧玄武岩(Shervais,1982)。
在微量配分图解中(图 6b),与MORB玄武岩相比,不相容元素K、Rb、Ba相对富集,而绝大多数样品的Sr、P、Zr、Ti、Y亏损,Nb也表现为负异常。前人的研究表明,低Zr、Ti、Nb是大陆玄武岩和岛弧、活动大陆边缘玄武岩的标志特征(Dixon and Batiza, 1979; Pearce,1982; Ishikawa et al., 2002)。然而,除了样品09LY-22以外(该样品是完全钙硅酸盐岩化的岩石),所有的样品的(Th/Nb)N ＜1,同样绝大多数样品的(La/Nb)N>1,表明研究区岩石更属意于岛弧、活动大陆边缘玄武岩特征(Storey et al., 1992; Kieffer et al., 2004; 夏林圻等,2007)。
为了进一步研究岩石可能出现在大陆内部、岛弧、活动大陆边缘的构造环境属性,这里采用稳定的高场强元素Zr/Y-Zr图解,对区分岛弧玄武岩和板内玄武岩效果很好(Pearce,1983),研究区的高压基性麻粒岩都落在岛弧玄武岩范围内,而钙硅酸盐岩化的岩石Zr/Y比值增加的方向移动,失去构造环境的鉴别意义(图 7a),却也反映出陆源物质的混染作用。此外,Zr/Y-Ti/Y图解可以区别板内玄武岩和其它板块边缘玄武岩,研究区所有样品明确地落入板块边缘玄武岩的范围(图 7b)。在Zr/-Ti-Y的构造判别图解中(图 8),基性麻粒岩都投入B区,即大洋拉斑玄武岩、岛弧拉斑玄武岩和岛弧钙碱性玄武岩的区域；而钙硅酸盐岩投入C区,即岛弧钙碱性玄武岩的区域。由于Ca质的交代作用,钙硅酸盐岩不能够准确反映原岩的构造环境。结合岩石的微量配分图解和Zr/-Ti-Y、Zr-Y和SiO2-FeOT/MgO的构造判别图解(图 8、图 9),莱西南山口高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的原岩显示了岛弧拉斑玄武岩质岩石的特征。
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图 7 莱西高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的Zr/Y-Ti/Y(a)和Zr/Y-Zr(b)构造判别图解(据Rollinson,1993) Fig. 7 Discrimination diagrams of Zr/Y-Ti/Y(a)and Zr/Y-Zr(b)for the HP mafic granulite and calc-silicate from the Laixi,Jiaobei massif(after Rollinson,1993) |
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图 8 莱西高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的Zr/-Ti-Y的构造判别图解(据Rollinson,1993) Fig. 8 The Zr/-Ti-Y discrimination diagram for the HP mafic granulite and calc-silicate(after Rollinson,1993) IAT-island-arc tholeiite; MORB-mid-ocean basalt; CAB-island-arc calc-alkaline tholeiite; WPB-within plate basalts |
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图 9 莱西高压基性麻粒岩Zr-Y(a)和SiO2-FeOT/MgO(b)构造分类图解(据Miyashiro,1974) Fig. 9 The Zr-Y(a)and SiO2-FeOT/MgO(b)diagrams for the HP mafic granulite in the Laixi,Jiaobei massif(after Miyashiro,1974) |
胶北地块太古代中分布有多种变质基性-超基性岩石。研究区莱西高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩属于这一类的变基性岩。近年来对其中高压基性麻粒岩的变质作用和年代学的研究中取得了很大的进展(刘文军等,1998；刘平华等, 2010,2012；刘建辉等,2011；Liu et al., 2012; Tam et al., 2012a)。基性麻粒岩的变质作用研究表明,高压基性麻粒岩在退变和钙硅酸盐岩化过程中经历了早期780~850℃、1.0~1.1GPa的退变质作用和晚期400~650℃、0.6~0.75Gpa的退变质和Ca质交代的联合作用(李旭平等,2011),得出的顺时针P-T轨迹。与Tam et al.(2012a)和Liu et al.(2013b)在该地区研究的基性麻粒岩退变质温度压力条件和顺时针P-T轨迹的结果是一致的。因此,钙硅酸盐岩的原岩高压基性麻粒岩与前人在该地区研究的高压基性麻粒岩类同,只是在特定构造环境下、在退变质过程中遭受了钙硅酸盐岩化的交代作用。
由于变质作用的影响,使得前寒武纪的变质基性岩地球化学成因信息变得复杂。研究区的高压基性麻粒岩及其钙硅酸盐岩携带有大陆玄武岩、岛弧拉斑玄武岩和岛弧钙碱性玄武岩的多重信息。莱西南山口高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的岩石学和元素地球化学特点揭示,这套变质基性岩是后期受陆源物质混染的岛弧拉斑玄武质岩石。
岩石的主量元素研究表明,莱西高压基性麻粒岩样品的TiO2和P2O5的含量类似于低Ti-P的大陆玄武岩(表 2；Rollinson,1993),研究区的基性麻粒岩和钙硅酸盐岩具有TiO2＜1%,Nb/Y＜2。 这些值都满足低Ti-P的大陆玄武岩(Hergt et al., 1991; Kapenda et al., 1998). 然而,除了1个完全钙硅酸盐岩化的岩石,其他样品的Zr＜70×10-6,并且大多数高压基性麻粒岩的Zr/Y＜3(图 7、图 8),表明岩石具有岛弧和活动大陆边缘玄武岩特征(Pearce,1982; Rollinson,1993)。主元素TiO2-MnO-P2O5构造环境判别图解表明高压基性麻粒岩样品投入到岛弧拉斑玄武岩和岛弧钙碱性玄武岩两个区域,然而钙硅酸盐岩的样品都投入到岛弧钙碱性玄武岩的区域(图 4),但由于Ca质的交代作用,钙硅酸盐岩的判别不能作为构造属性依据。
大陆拉斑玄武岩中MnO、TiO2、P2O5不比大洋玄武岩富集,因此图 4无法将大陆玄武岩与大洋玄武岩区分(如Rollinson,1993)。为此,采用Zr/Y-Ti/Y和Zr/Y-Zr构造判别图解(图 7),莱西高压基性麻粒岩表现出板块边缘玄武岩和岛弧玄武岩的特征。在Zr/-Ti-Y的构造判别图解中(图 8),研究区基性麻粒岩的投点落入了洋中脊玄武岩、岛弧拉斑玄武岩和岛弧钙碱性玄武岩的共同区域,钙硅酸盐岩化岩石明确落入岛弧钙碱性玄武岩范围,但不能作为判别依据。这几个判别图都排除了高压基性麻粒岩板内成因的可能。
莱西高压基性麻粒岩具有轻稀土元素富集和高场强元素Zr、Ti、Y的亏损的特征。Nd元素表现出负异常但是富集的。这是由于Nb的不相容性很强,易于进入到流体中。因而时有在岛弧玄武岩中表现出不亏损、甚至富集的现象。古老的前寒武纪岩石或由于岩浆来源较浅,或经历可能来自古老地壳流体的作用,或岩石受俯冲带流体的影响,都可以出现Nd不亏损或富集现象(Hollings,2002; Escuder et al., 2007; Macpherson et al., 2010)。稀土元素的球粒陨石配分图解和微量元素的MORB配分图解明确无误地揭示了莱西高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩的原岩具有岛弧玄武岩的特征。由于古元古代高压麻粒岩经历的变质作用的复杂性,Na2O和K2O和Sr在变质作用过程中比较活泼,利用FeOT-Na2O+K2O-MgO和Ti/100-Zr-Sr/2的构造判别图解进一步判断岛弧玄武岩的性质都没有得到好的效果。本文选择Miyashiro(1974)的方法,利用Zr-Y和SiO2-FeOT/MgO构造分类图解(图 9),得出莱西高压基性麻粒岩的原岩为拉斑系列玄武质基性岩的结论。与在Zr-Ti-Y的构造判别图解中(图 8)的结果一样,钙硅酸盐岩化的岩石投入了钙碱性岛弧系列,因此钙硅酸盐岩化可以使得岛弧拉斑系列的信息迁移向钙碱性岛弧系列,这是在研究变质历史复杂的岩石值得注意的问题。
前人的研究认为胶北地块的古元古代变质岩组合,是华北克拉通东部陆块古元古代胶-辽-吉带在山东半岛的延伸(Li et al., 2005; Zhao et al., 2005,2012；Zhao and Guo, 2012; Zhao and Zhai, 2013),其中胶北地块的粉子山群和荆山群分别对应于辽东半岛的北辽河群和南辽河群,粉子山群和荆山群沉积形成于较稳定大陆边缘裂陷带(卢良兆等,1996),或认为荆山群形成于岛弧环境(杨敏之和吕古贤,1997)。变质作用PT轨迹指示陆壳先拉张减薄后又经挤压增厚的构造过程(卢良兆等,1996)；高压基性麻粒岩和高压泥质麻粒岩的顺时针PT轨迹指示了该带闭合过程中的碰撞构造环境(白瑾等,1996；刘文军等,1998；刘平华等,2010；Zhou et al., 2008,Tam et al., 2012a,b,c)。近年来的研究总结出粉子山群具有低压逆时针P-T演化的变质作用特征,而荆山群是以中压顺时针P-T变质作用轨迹为特征,提出胶-辽-吉构造带代表了华北东部板块内部拉张和俯冲碰撞构造的两个过程,并在拉张过程中形成一定规模的洋盆,在~1.9Ga自身碰撞闭合(赵国春,2009; Zhao and Guo, 2012; Zhao and Zhai, 2013)。结合前人的研究,本文对高压基性麻粒岩的元素地球化学研究表明,莱西高压基性麻粒岩的原岩是拉斑玄武岩质岩石,可能是形成于弧后扩张背景下基性岩侵入岩或喷出岩。
研究区高压基性麻粒岩原岩的时代问题仍未解决,期待在后续的工作中得到解决。1:5万的地质图表明研究区高压基性麻粒岩是古元古代变质基性岩,是分布在新太古代TTG质片麻岩与花岗质片麻岩中的透镜体。如前所述,年代学研究表明胶-辽-吉带古元古代拉伸裂陷盆地的形成时间为2.3~2.0Ga,盆地接受沉积的年龄为2.05~1.93Ga或1.88Ga,碰撞造山时间为古元古代晚期约1.93~1.85Ga(Li et al., 2005; Wan et al., 2006; Li and Zhao 2007; Zhou et al., 2008; Luo et al., 2004,2008；董春艳等,2010；翟明国, 2009,2010; Liu et al., 2013a,b; 刘平华等,2013)。研究区高压基性麻粒岩的原岩应该是从胶辽裂谷形成之始到麻粒岩相变质作用之间,应该是在古元古代的某个时期。
7 结论(1) 胶北莱西的高压基性麻粒岩和钙硅酸盐岩分布在平度-莱西-栖霞一带的高角闪岩相-麻粒岩相变质带中。钙硅酸盐岩的原岩高压基性麻粒岩与前人在该地区研究的高压基性麻粒岩相似,只是在特定构造环境下,在退变质过程中遭受了钙硅酸盐岩化的交代作用。
(2) 岩相学研究表明,研究区高压基性麻粒岩展现了四个阶段的矿物组合：岩浆作用阶段的矿物组合为Cpx+Pl+Qtz(M1)；峰期麻粒岩相变质作用的矿物组合Grt+Cpx+Rt+Qtz(M2); 退变质叠加钙硅酸盐岩化作用的矿物组合Cpx+Pl+Opx+Ilm+Mgt(M3)和完全钙硅酸盐岩化阶段Grs+Zo+Prh+Ab+Cal(M4)。
(3) 胶北莱西基性高压基性麻粒岩的地球化学研究表明,SiO2含量介于46.45%~53.10%,MgO含量介于7.33%~8.04%。岩石具有轻稀土富集右倾型配分曲线；大多高压基性麻粒岩样品的Eu表现为弱的正异常(δEu=1~2.95),不排除与岩石受钙硅酸盐岩化的影响有一定的关系。Ce的负异常也表明岩石形成后,受到富流体的次生交代和氧化作用的影响。
(4) 微量元素研究表明,高压基性麻粒岩中大离子亲石元素Ba、Rb、K、Rb、Th,而高场强元素Zr、Ti、Y、Nb等亏损,具有轻稀土富集的右倾型稀土配分曲线。稀土元素和微量元素配分图解显示了岛弧玄武岩的特征。主元素、微量元素的构造判别图解进一步表明高压基性麻粒岩及其钙硅酸盐岩形成于大陆边缘的岛弧环境,具有岛弧拉斑玄武岩的特征。岩石形成以后,经历了麻粒岩相变质作用,又在后来的碰撞抬升过程中经历退变质和钙硅酸盐岩化的作用。
(5) 综合高压基性麻粒岩的岩石学、元素地球化学研究,莱西高压基性麻粒岩及其钙硅酸盐岩的原岩是拉斑玄武质岩石,可能是形成于弧后扩张背景下基性侵入岩或喷出岩。岩石形成后,在胶-辽-吉带碰撞闭合过程中,经历了麻粒岩相变质作用,又在后来的抬升过程中经历退变质和钙硅酸盐岩化的作用。
致谢 感谢北京大学地球与空间科学学院舒桂明老师在矿物化学成分分析中给予的帮助；衷心感谢审稿专家刘晓春研究员和刘平华博士提出的宝贵建议。| [] | Bai J, Huang XG, Dai FY et al. 1996. The Precambrian Crustal Evolution of China. 2nd Edition. Beijing: Geological Publishing House (in Chinese with English abstract) |
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