2013, Vol. 29
自从刘文军等(1998)和周喜文等(2004)在胶北早前寒武纪变质基底中相继识别出高压基性麻粒岩和高压泥质麻粒岩以来, 有关本区高压麻粒岩及其相关岩石的成因矿物学、岩石学、变质演化、构造解析、岩石地球化学、同位素年代学及其成因机制等的研究逐渐成为国内外学者关注的焦点。到目前为止, 随着研究工作的不断深入, 有关本区高压麻粒岩及其相关岩石在上述各项领域取得了一系列成果和进展(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, 2003; 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, 2011a, b, c, 2012；王舫等, 2010；Tam et al., 2011, 2012a, b, c; 李旭平等, 2011；刘建辉等, 2011；Li et al., 2011, 2012; 刘福来等, 2012；Liu et al., 2012, 2013)。如有关基底岩石的锆石U-Pb年代学和Hf同位素研究结果表明：胶北高级变质基底中不仅存在~2.90Ga、~2.70Ga、 ~2.50Ga三期显著的岩浆事件；~2.50Ga的变质事件也有所记录(Jahn et al., 2008; 刘建辉等, 2011；刘平华等, 2011a；Liu et al., 2012, 2013)。有关高压麻粒岩的变质作用研究表明, 与华北克拉通中部碰撞带一样, 本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), 特别是在高压泥质岩中发现了早期俯冲进变质过程的矿物学证据(王舫等, 2010)。在对胶北高压麻粒岩及其相关岩石的锆石年代学研究中, 发现本区不同类型的基底岩石变质锆石不同程度地记录了两组具有重要地质意义的年代学信息, 其中一组年龄为1.90~1.86Ga, 代表了高压麻粒岩相变质时代, 该类变质锆石微区含有高压麻粒岩相典型矿物组合(石榴石+单斜辉石+斜长石+石英+金红石)；而第二组变质年龄为1.86~1.80Ga, 该类变质锆石微区常含有中低压麻粒岩相典型矿物组合(石榴石+紫苏辉石+斜长石, 钾长石+黑云母+堇青石+夕线石), 代表了造山后高压麻粒岩退变质时代以及造山后伸展过程中变基性岩的侵位时代(董春艳等, 2011；刘平华等, 2011a；刘建辉等, 2011；Tam et al., 2011; 刘福来等, 2012；Liu et al., 2012, 2013)。
然而值得注意的是, 尽管有关胶北早前寒武纪地质的研究已取得如上所述的重要进展, 但是, 前人的研究主要围绕胶北太古代陆壳物质生长与再造及其形成的机制、~2.5Ga和1.95~1.80Ga两期地质事件的性质及其所反映的动力学演化背景与过程而展开, 对于胶北变质基底中~2.1Ga地质事件的研究相对薄弱, 仅刘建辉等(2011)报道了胶北地区~2.1Ga含角闪石的花岗质片麻岩。最近, 我们在胶北变质基底岩石中解析出~ 2.1Ga的变辉长岩(二辉麻粒岩和辉石斜长角闪岩), 有关这些变辉长岩目前缺乏深入而系统的研究。有鉴于此, 本文以莱阳西留古元古代中期变辉长岩为重点研究对象, 在前人研究的基础上, 通过详细的野外地质观察, 结合室内岩相学、成因矿物和锆石U-Pb年代学的综合研究, 准确限定胶北西留变辉长岩的原岩形成时代与变质时代, 精细刻画其变质演化过程, 以期丰富对胶北地区乃至胶辽吉构造带古元古代构造演化过程的认识。
2 地质背景胶北地体位于华北克拉通东部陆块胶辽吉构造带的南端(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 华北克拉通划分模式图及研究区位置图(a, 据Zhao et al., 2005)与胶北早前寒武纪变质基底地质简图(b, 据卢良兆等, 1996修改) Fig. 1 Subdivisions of the North China Craton indicating the study area(a, after Zhao et al., 2005)and simplified geological map of the Jiaobei Early Precambrian metamorphic basement(b, modified after Lu et al., 1996) |
研究区前寒武纪岩石主要包括中-新太古代TTG质片麻岩、花岗质片麻岩、太古代唐家庄岩群与胶东岩群、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、斜长角闪岩和变超基性岩。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：本区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(Jahn et al., 2008; Zhou et al., 2008a; 刘建辉等, 2011；Liu et al., 2013), 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)。唐家庄岩群为区内最古老的变质表壳岩系之一, 主要岩石类型为磁铁二辉麻粒岩、紫苏角闪斜长麻粒岩、含紫苏磁铁石英岩、斜长角闪岩等, 集中分布于莱西市唐家庄、马连庄、南岚等地, 呈零星包体赋存于新太古代TTG质和花岗质片麻岩系中, 包体规模一般长几米至上百米, 宽为0.5~5.0m, 最宽可达10.0m, 呈透镜状分布, 连续性极差, 延深较浅, 产状较缓, 最新的同位素年代学研究表明, 唐家庄岩群变质表壳岩系以记录~2.50Ga和1.95~1.80Ga两期麻粒岩相变质事件为特征(刘平华等, 2010；Liu et al., 2012)。胶东岩群, 同唐家庄岩群相似, 多呈规模不等的包体状“漂浮”于栖霞TTG质与花岗质片麻岩之中, 主要分布在栖霞亭口、桃村与庙后等地区, 为一套成层性明显、韵律性清楚的黑云斜长片麻岩、黑云变粒岩、斜长角闪岩、角闪变粒岩夹磁铁石英岩组合。古元古代荆山群孔兹岩系主要分布于莱阳荆山、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泥砂质岩石中的锆石进行了原位U-Pb定年, 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本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。胶北地区出露的变基性-超基性岩虽然规模不大, 但分布十分广泛, 总体上, 沿北东-南西向呈断续带状分布, 构成了一条长约200km的基性-超基性岩变质带(图 1)。变基性-超基性岩在莱西-莱阳一带出露较多, 在不同地段, 胶北变基性-超基性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：①以不规则透镜体形式赋存于围岩TTG质或花岗质片麻岩中；②以变形岩墙的形式赋存于TTG质或花岗质片麻岩中；③此外, 在莱西至莱阳一带的变基性-超基性岩石还常常与变质表壳岩、条带状铁建造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。
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质与花岗质片麻岩及古元古代荆山群变质岩系中, 岩性主要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；苗来成等, 1998；Wang et al., 1998)。
3 样品采集与分析方法本次分析测试的变辉长岩样品来自莱阳市西留村西南约5.0km的小型铁矿采坑中, 变辉长岩以不规则透镜体形式赋存于围岩新太古代(~2.55Ga)花岗质片麻岩与英云闪长质片麻岩之中, 变辉长岩透镜体面积约1.0km2。
本文共对2件变辉长岩样品的探针片进行了系统的室内岩相学与矿物相转变结构研究。首先, 在显微镜下进行了岩相学特征观察与分析, 选择典型变辉长岩探针片, 进行矿物共生组合与岩石结构构造的照相。然后, 利用中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室的扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对每件样品的矿物结构构造、相互间转变关系以及矿物成分变化特征进行系统测试分析, 扫描电镜为日本电子公司JSM-561LV型, 电子束电压20kV, 焦距20mm, 束斑大小为41nm, 能谱仪是英国牛津公司INCA软件包版本4.4。最后选择典型的矿物进行化学成分分析, 矿物化学成分测试在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室JXA-8230型电子探针上进行, 测试条件为加速电压15kV, 电子流1×10-8A, 束斑1~5μm, 标准样品采用美国SPI公司53种标准矿物化学成分。
此外, 本文还对1件变辉长岩样品(QX2-2)进行了锆石U-Pb定年测试分析, 锆石分选在河北省区域地质调查所矿物分选实验室完成。首先, 将样品(约5kg)进行破碎至适当粒级, 经清洗、烘干和筛选后, 采用磁选和重液分选出不同粒级的锆石晶体, 然后再双目镜下挑选出颗粒相对完整的锆石晶体约200粒, 制成符合激光拉曼测试、阴极发光图像照相和LA-ICP-MS U-Pb定年的标准锆石靶。锆石U-Pb定年的LA-ICP-MS测试在天津地质矿产研究所同位素实验室Neptune型MC-ICP-MS上进行, 锆石U-Pb定年的实验测试条件详见耿建珍等(2012)的论述。本文的矿物代号均采用沈其韩(2009)与Whitney and Evans(2010)的资料。
4 岩相学特征胶北西留变辉长岩主要由二辉麻粒岩与辉石斜长角闪岩所组成, 其外观上为灰黑色, 中至细粒不等粒粒状变晶结构, 块状构造, 片麻状构造不明显, 局部可见长英质浅色体和角闪石细脉, 其主要组成矿物为单斜辉石、斜方辉石、斜长石、石英与角闪石(图 2、图 3), 此外还含有 ~10%的细粒不透明铁-钛氧化物和鳞片状棕色黑云母, 常见的副矿物为钾长石、磷灰石和锆石, 在富含斜长石的微域, 由于受晚期钾质交代作用的影响, 斜长石晶体表面分布有蠕虫状石英和细粒浑圆状或不规则状钾长石(图 3)。根据变辉长岩中单斜辉石中矿物包体性质、矿物转变结构和矿物成分等方面的综合研究, 变辉长岩矿物演化可分为3个阶段, 分别为早期原岩残留阶段(M0)、峰期麻粒岩相变质阶段(M1)和晚期降温角闪岩相退变质阶段(M2)。
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图 2 胶北西留变辉长岩中典型矿物组合和结构显微照片 (a-d)-变辉长岩中残留的早期岩浆结构-辉绿结构与麻粒岩相变质矿物组合：斜方辉石+单斜辉石+斜长石+黑云母+钛铁矿+磁铁矿, (a)和(c)为单偏光, (b)和(d)为正交偏光；(e、f)-变辉长岩中晚期叠加的角闪岩相矿物组合：单斜辉石+角闪石+斜长石+钛铁矿+磁铁矿±黑云母, 正交偏光 Fig. 2 Photomicrographs showing the typical minerals and textures of the Xiliu meta-gabbro in Laiyang, southern Jiaobei terrane (a-d)-early relict igneous ophitic textures and typical granulite-facies mineral assemblage of clinopyroxene(Cpx)+orthopyroxene(Opx)+plagioclase(Pl)+biotite(Bt)+magnetite(Mag)+ilmenite(Ilm), Fig. 2(a, c) are under plane-polarized light, Fig. 2(b, d) are under cross-polarized light;(e, f)-amphibolite-facies mineral assemblage of Cpx+amphibole(Amp)+Pl+Mag+Ilm ± Bt are identified in the matrix from the meta-gabbro, under plane-polarized light |
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图 3 变辉长岩中典型结构背散射电子图像 (a-c)-变辉长岩中典型的麻粒岩相变质矿物组合：斜方辉石+单斜辉石+斜长石+钛铁矿+磁铁矿；(d)-变辉长岩中粗粒单斜辉石具有细粒角闪石反应结构；(e)-斜长石中蠕虫状石英；(f)-斜长石中细粒钾长石 Fig. 3 Back-scattering images showing the typical minerals and textures of the meta-gabbro in Laiyang, south Jiaobei terrane (a-c)-typical granulite-facies mineral assemblage of clinopyroxene(Cpx)+orthopyroxene(Opx)+plagioclase(Pl)+magnetite(Mag)+ilmenite(Ilm)are identified in the meta-gabbro;(d)-corona texture of the fine-grained amphibole(Amp)surrounding the Cpx;(e)-worms-like quartz(Qz)in the coarse-grained Pl;(f)-fine-grained K-feldspar(Kfs)in the coarse-grained Pl |
尽管本区变辉长岩遭受了峰期麻粒岩相与晚期角闪岩相变质作用的叠加改造, 但是, 早期残留的原岩岩浆结构保留较好, 其中, 二辉麻粒岩(QX2-1)保存了完好的岩浆残留结构, 如辉长辉绿结构(图 2), 这些结构指示本区二辉麻粒岩的原岩为辉长岩, 其稳定的矿物组合为辉石+斜长石+石英。值得注意的是, 与变质阶段形成的单斜辉石相比, 早期残留岩浆阶段形成的单斜辉石主要为低钙高铝的普通辉石。
4.2 峰期麻粒岩相变质阶段(M1)变辉长岩进入峰期麻粒岩相变质阶段最显著的标志是斜方辉石(紫苏辉石)开始大量出现, 该阶段典型的矿物组合为斜方辉石(紫苏辉石)+单斜辉石+斜长石+石英+磁铁矿+钛铁矿, 它们一般呈中粒至粗中粒他形-半自形镶嵌接触, 接触界线较为平直, 显示平衡共生的特征(图 2、图 3)。在变辉长岩的局部微域, 由于H2O的存在, 峰期麻粒岩相变质阶段其稳定的矿物组合还包括棕色高钛的黑云母(图 3)。值得指出的是, 变辉长岩中的单斜辉石晶体中, 常分布有十分丰富的针状斜方辉石和棒状钛铁矿出溶晶片, 单斜辉石的矿物出溶结构可能是早期岩浆阶段高温低钙普通辉石在降温条件下转变而形成低温高钙的次透辉石及其相应的出溶体矿物(图 4), 这与O’Brien et al.(2005)在华北克拉通中部碰撞带恒山变质杂岩中报道的保留板状斜长石和辉长辉绿结构的含榴基性麻粒岩中单斜辉石的矿物相转变结构一样, 其可能的矿物相转变反应如下：
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图 4 变辉长岩单斜辉石中出溶结构背散射电子图像 (a-c)-单斜辉石中定向排列的针状斜方辉石与棒状钛铁矿；(d)-单斜辉石中定向排列的针状斜方辉石与斜方辉石边部的角闪石反应边结构 Fig. 4 Back-scattering images showing the exsolution textures of the clinopyroxenes from the meta-gabbro in Laiyang, southern Jiaobei terrane (a-c)-oriented orthopyroxene(Opx)needles and ilmenite(Ilm)rods in the coarse-grained clinopyroxene(Cpx);(d)-oriented Opx needles in the coarse-grained Cpx and corona texture of the fine-grained amphibole(Amp) |
单斜辉石(Cpx0)→单斜辉石(Cpx1)+ 针状斜方辉石(Opx)+ 棒状钛铁矿(Ilm)。
4.3 晚期降温角闪岩相退变质阶段(M2)胶北西留变辉长岩在晚期降温角闪岩相退变质阶段, 发生一系列降温退变质反应。斜方辉石、单斜辉石转变成细粒他形的角闪石和斜长石, 他形细粒角闪石沿其粗粒辉石边部分布, 有的沿其解理缝定向分布(图 2、图 3、图 4、图 5)。在局部富含角闪石的微域, 细粒角闪石和斜长石已重结晶变粗且较自形, 而辉石则呈残留状被角闪石包裹(图 2)。根据上述矿物间的转变关系, 该阶段存在如下退变质反应：
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图 5 变辉长岩中典型结构背散射电子图像 (a)-斜方辉石中棒状钛铁矿与细粒单斜辉石包体；(b)-斜方辉石中定向排列的棒状钛铁矿；(c)-含有针状斜方辉石与棒状钛铁矿的单斜辉石颗粒发育角闪石反应边结构；(d)-变辉长岩中由磁铁矿+钛铁矿组成的铁-钛氧化物 Fig. 5 Back-scattering images showing the typical minerals and textures of the meta-gabbro in Laiyang, south Jiaobei terrane (a)-ilmenite(Ilm)rods and fine-grained clinopyroxene(Cpx)inclusion in the coarse-grained orthopyroxene(Opx);(b)-oriented Ilm rods in the coarse-grained Opx;(c)-Cpx which contain the Opx needles and Ilm rods have the corona texture of the fine-grained amphiboles(Amp);(d)-Fe-Ti-oxides are consist of magnetite(Mag)+Ilm from the meta-gabbro |
单斜辉石(Cpx1)+ 斜方辉石(Opx1)+ 斜长石(Pl1)+ H2O → 角闪石(Amp2)+ 斜长石(Pl2)。
5 矿物化学 5.1 斜方辉石斜方辉石是胶北西留变辉长岩中最特征的矿物之一, 根据其形态、产状及分布特征可划分为三种类型, 第一种类型的斜方辉石大多呈粒状变晶, 粒度介于0.5~2.0mm之间, 在岩石分布较为均匀, 与近等粒的单斜辉石和斜长石等矿物接触界线较为平直, 显示平衡共生的特点, 此类斜方辉石晶体表面有的还分布棒状钛铁矿出溶晶片, 偶见细粒单斜辉石包体(图 5)；第二种类型的斜方辉石主要分布于粗粒单斜辉石之中, 呈他形不规则粒状, 其粒度一般小于0.5mm；第三类斜方辉石常为针状出溶晶片, 定向分布于单斜辉石晶体表面。
23个斜方辉石的化学成分如图 6所示, 其中10个具有代表性的斜方辉石化学成分列入表 1中。从表 1以及图 6中可以看出, 不同类型的斜方辉石的化学成分没有明显差异。其Al2O3、MgO含量分别变化于0.66%~0.82%、17.53%~18.93%之间, XMg(Mg /(Mg+Fe2+))介于0.54~0.56之间, 根据Deer et al.(1997)的分类原则, 其化学成分均属于紫苏辉石(图 6)。在进一步区分变辉长岩斜方辉石的成因分类的图解中(图 7), 与胶北高压基性麻粒岩石榴石边部后成合晶中蠕虫状斜方辉石类似, 变辉长岩不同类型的斜方辉石均落入变质成因的区域(Bhattacharyya, 1971), 这进步佐证了变辉长岩中斜方辉石是麻粒岩相变质过程的产物, 与岩相学观察相吻合。
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表 1 西留变辉长岩中斜方辉石的代表性化学成分(wt%) Table 1 Representative chemical composition of orthopyroxenes from the Xiliu meta-gabbro(wt%) |
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图 6 变辉长岩中辉石Fs-Wo-En图解(据Deer et al., 1997) 1-单斜辉石中针状斜方辉石与斜方辉石包体；2-基质中粗粒斜方辉石；3-粗粒斜方辉石中的单斜辉石包体；4-基质中粗粒单斜辉石核部；5-基质中粗粒单斜辉石边部；6-基质中早期残留的普通辉石 Fig. 6 Fs-Wo-En diagram of the pyroxenes from the meta-gabbro in the Jiaobei terrane(after Deer et al., 1997) 1-orthopyroxene needles and inclusions in the coarse-grained matrix-type clinopyroxenes; 2-coarse-grained matrix-type orthopyroxenes; 3-fine-grained clinopyroxene inclusions in the coarse-grained matrix-type orthopyroxenes; 4-cores of the coarse-grained matrix-type clinoproxenes; 5-rims of the coarse-grained matrix-type clinoproxenes; 6-early relict augite in the matrix-type clinopyroxens |
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图 7 变辉长岩中斜方辉石Al2O3 -(MgO+FeO)图解(据Bhattacharyya, 1971) 1-基质中粗粒斜方辉石；2-单斜辉石中针状斜方辉石与细粒斜方辉石包体；3-胶北高压基性麻粒岩中石榴边部后成合晶中的蠕虫状斜方辉石(刘平华等, 2010) Fig. 7 Al2O3-(MgO+FeOT)diagram of the orthopyroxenes from the meta-gabbro in the Jiaobei terrane(after Bhattacharyya, 1971) 1-coarse-grained matrix-type orthopyroxenes; 2-orthopyroxene needles and inclusions in the coarse-grained matrix-type clinopyroxenes; 3-worm-like orthopyroxenes surrounding the coarse-grained garnets in the Jiaobei high-pressure mafic granulites(Liu et al., 2010) |
单斜辉石在胶北西留变辉长岩(二辉麻粒岩和辉石斜长角闪岩)中均有分布。绝大多数单斜辉石常呈中粒(0.5~1.5mm)粒状变晶, 与近等粒斜方辉石和斜长石等相接触, 接触界线平直, 此类单斜辉石边部常具有他形细粒角闪石反应边, 且晶体表面定向分布有针状斜方辉石和棒状钛铁矿出溶晶片(图 2、图 3、图 4)。此外变辉长岩中还存在少量细粒浑圆状的单斜辉石以包裹体形式分布在紫苏辉石之中(图 5)。
变辉长岩中单斜辉石代表性的化学成分列入表 2中。根据Poldervaart and Hess(1951)的分类原则, 它们大部分属于次透辉石, 个别属于普通辉石(图 6)。不同类型的单斜辉石化学成分基本相同, 其FeOT与MgO含量分别集中变化于9.16%~10.83%与12.67%~13.23%之间。本区变辉长岩单斜辉石Al2O3含量集中变化于1.24%~1.48%之间, 明显低于胶北高压基性麻粒岩峰期高压麻粒岩相变质阶段单斜辉石的Al2O3含量, 而与峰后中低压麻粒岩相变质阶段的相近(刘平华等, 2010), 指示本区变辉长岩中单斜辉石形成于中低压的变质条件(Anovitz, 1991)。
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表 2 西留变辉长岩中单斜辉石的代表性化学成分(wt%) Table 2 Representative chemical composition of clinopyroxenes from the Xiliu meta-gabbro(wt%) |
本区变辉长岩CaO含量介于19.52%~22.32%之间, 平均值为21.81%, 与胶北高压基性麻粒岩中单斜辉石相近(刘平华等, 2010)。许多研究表明(卢良兆等, 1996), 当斜方辉石与单斜辉石共生时, 结晶温度愈高, 则钙的不混溶区愈小, 即单斜辉石CaO含量愈低, 斜方辉石CaO含量愈高。对比胶北高压基性麻粒岩与本区变辉长岩中单斜辉石化学成分表明, 本区变辉长岩单斜辉石CaO含量总体与高压基性麻粒岩在峰后近等温减压阶段蠕虫状二辉石中单斜辉石的相近, 说明它们结晶温度相当。值得注意的是, 本区变辉长岩存在一个CaO含量(19.52%)偏低的单斜辉石(图 6), 应为早期岩浆结晶阶段残留的普通辉石, 其结晶温度明显偏高, 上述结论也被实际计算的温度条件和岩相学观察所证实。
5.3 角闪石角闪石是胶北西留变辉长岩中分布最广泛的变质矿物之一, 在辉石斜长角闪岩中(QX2-2)含量最高(图 2), 岩相学与矿物相转变分析表明, 角闪石可以分为以下两种类型, 在富含辉石的结构微域, 角闪石主要分布辉石的边部或辉石颗粒间, 常呈细粒他形, 其粒度一般小于0.50 mm(图 3、图 4、图 5)；在富含角闪石的结构微域, 角闪石则常常包裹早期的辉石, 而与长石、石英等矿物平直接触, 其粒度一般大于0.50mm(图 2)。
本文对上述不同类型的角闪石的化学成分进行了测试, 9个化学成分列入表 3中。从表 3可以看出, 不同类型的角闪石化成成分没有显著的差别, 其SiO2含量变化于42.92%~44.30%之间, TiO2含量变化于1.68%~2.20%之间, Al2O3含量变化于10.34%~11.08%之间, MgO含量变化于10.11%~10.73%之间, FeOT含量变化于14.99%~17.03%之间, CaO含量变化于11.28%~11.84%之间, Na2O含量变化于1.15%~1.46%之间。依据Leake et al.(1997)分类原则, 胶北西留变辉长岩中角闪石均为钙质角闪石大类, 属于SiO2含量较低, XMg(Mg/(Mg+Fe2+))比值较高的韭闪石类(图 8)。在角闪石Ti-(Na+K)成分图解中(靳是琴, 1991), 胶北西留变辉长岩中角闪石均落在高角闪岩相-麻粒岩相过渡区(图略)。
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表 3 西留变辉长岩中角闪石的代表性化学成分(wt%) Table 3 Representative chemical composition of amphiboles from the Xiliu meta-gabbro(wt%) |
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图 8 变辉长岩中角闪石Si-Mg/(Mg+Fe2+)图解(据Leake et al., 1997) 1-粗粒单斜辉石反应边中的细粒角闪石；2-辉石斜长角闪岩基质中的粗粒角闪石 Fig. 8 Si-(Mg)/(Mg+Fe2+)diagram of the amphiboles from the meta-gabbro in the Jiaobei terrane(after Leake et al., 1997) 1-fine-grained amphiboles as the corona rims surrounding coarse-grained clinopyroxene; 2-coarse-grained matrix-type amphiboles |
斜长石在本区两类变辉长岩中均有分布, 呈半自形粒状变晶, 与辉石、角闪石等矿物平衡共生。8个斜长石的化学成分如图 9与表 4所示。从表 4和图 9中可以看出, 在二辉麻粒岩(QX2-1)中, 同一斜长石不同微区结构部位的化学成分存在一定差别, 其核部CaO含量偏高, 而Na2O的含量偏低, 相应的An端元组分介于51~54之间, 而其边部CaO含量偏低, 相应的An端元组分为43~44。而在辉石斜长角闪岩(QX2-2)中, 斜长石的化学成分没有明显的差别, 其CaO、Na2O含量分别介于8.26%~8.93%与6.55%~6.90%之间, 相应的An端元组分变化于39~42之间。
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表 4 西留变辉长岩中斜长石的代表性化学成分(wt%) Table 4 Representative chemical composition of plagioclases from the Xiliu meta-gabbro(wt%) |
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图 9 胶北西留变辉长岩中斜长石的Ab-Or-An图解(据Deer et al., 1997) Fig. 9 Ab-Or-An diagram of the plagioclases from the Xiliu meta-gabbro in the Jiaobei terrane(after Deer et al., 1997) |
如上所述, 岩相学、矿物相转变结构及矿物成分特征研究表明, 本区变辉长岩的矿物演化可划分出3个阶段, 即早期原岩残留阶段(M0)、峰期变质阶段(M1)和晚期降温阶段(M2)。依据本区变辉长岩中最常见共生矿物组合的特点, 本文采用Opx-Cpx(Taylor, 1998), Amp-Pl(Holland and Blundy, 1994)与Amp-Pl-Qz(Bhadra and Bhattacharya, 2007)等地质温度计、压力计来估算它们各个阶段的温度压力条件。由于本区变辉长岩经历了复杂的演化过程, 同种矿物常具有不同世代。降温过程的交换反应和扩散作用也使矿物微区的化学成分发生了不同程度的调整。因此, 在温度与压力估算过程中, 将矿物演化与世代关系和矿物对温度与压力估算紧密结合起来。本文遵循上述原则, 对区内变辉长岩中不同演化阶段的共生矿物对进行了温度与压力估算, 分如述下。
6.1 峰期麻粒岩相变质阶段(M1)区内变辉长岩峰期麻粒岩相变质阶段稳定的矿物组合为斜方辉石+单斜辉石+斜长石+石英, 根据其峰期麻粒岩相变质阶段矿物组合特征, 本文选择了二辉麻粒岩中平衡共生的斜方辉石与单斜辉石的化学成分, 运用Opx-Cpx温度计公式(Taylor, 1998)进行本阶段温度条件的估算。通过1件样品23个Opx-Cpx矿物对的温度估算结果, 确定峰期麻粒岩相变质阶段的温度为800~860℃(表 5、图 10a)。由于本区变辉长岩原岩为石英拉斑玄武质岩石(刘平华等, 2012), 而峰期麻粒岩相变质过程中未出现石榴石, 因此, 本区变辉长岩峰期阶段的压力应小于石英拉斑玄武质岩石出现石榴石的反应线所标定的压力值(Green and Ringwood, 1967), 在T=800~860℃时, 其反应线压力值为0.65~0.75GPa。综合以上分析, 本区变辉长岩峰期麻粒岩相变质阶段的温度为800~860℃, 压力小于0.65~0.75GPa(图 10a)。值得注意的是, 矿物对QX2-1.5.7-8温度明显偏高(表 5), 约为950℃, 可能反映了变辉长岩原岩结晶温度下限(M0), 这与矿物化学特征所指示的该矿物对中单斜辉石为高温低钙的普通辉石相吻合。
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表 5 胶北西留变辉长岩(QX2-1)中二辉石地质温度计数据 Table 5 Calculated results using the orthopyroxene-clinopyroxene geothrmometer for the Xiliu meta-gabbro sample QX2-1 from the Jiaobei terrane |
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图 10 胶北西留变辉长岩不同变质阶段温压条件估算结果 (a)-中低压麻粒岩相变质阶段(M1)；(b)-晚期角闪岩相变质阶段(M2).蓝晶石-夕线石-红柱石之间的矿物相转变反应引自Salje(1986)的资料 Fig. 10 Temperature-pressure estimates of different metamorphic stages for the Xiliu meta-gabbro in the Jiaobei terrane (a)-middle- and low-pressure granulite-facies metamorphic stage(M1);(b)-late amphibolite-facies retrograde stage(M2). Al2SiO5 transformation lines are cited after Salje(1986) |
对本区内变辉长岩晚期角闪岩相变质阶段的退变产物-辉石斜长角闪岩, 本文选择了Amp-Pl温度计(Holland and Blundy, 1994)与Amp-Pl-Qz压力计(Bhadra and Bhattacharya, 2007)对其晚期降温退变质阶段(M2)的温度与压力条件进行了估算。利用辉石斜长角闪岩基质中角闪石与斜长石的化学成分, 对1件样品5个Amp-Pl-Qz矿物对的温度与压力进行了估算, 其结果列入表 6中, 估算结果表明本区变辉长岩晚期降温角闪岩相退变质阶段的P-T条件为T=675~700℃, P=0.40~0.55GPa(图 10b)。
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表 6 胶北西留变辉长岩(QX2-2)中角闪石-斜长石-石英地质温压计数据 Table 6 Calculated results using the amphibole-plagioclase geothrmometer and the amphibole -plagioclase-quartz geobarometer for the Xiliu meta-gabbro sample QX2-1 from the Jiaobei terrane |
胶北西留变辉长岩锆石为暗紫红色, 不透明-半透明, 以长柱状和板状晶体为主, 少数者为他形不规则粒状晶体, 部分晶体表面发育了裂纹, 长宽比多为1:1 ~ 3:1, 其粒度一般为50~250μm。锆石外部形态与锆石阴极发光图像研究结果表明, 胶北西留变辉长岩锆石(QX2-2)可分为两种类型。其中, 第一类锆石为柱状(以长柱状为主), CL图像具有相对弱发光效应特征(灰黑色), 其内部普遍具有板状环带(图 11a-e)。第二类锆石主要为不规则粒状晶体, 少数者为浑圆状-椭圆状晶体, CL图像亦具有均匀的弱发光效应(黑灰色)特征, 内部无环带特征(图 11f)。
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图 11 胶北变质基底中变辉长岩(QX2-2)中锆石的阴极发光图像与LA-ICP-MS定年结果 (a)-第3粒锆石晶体(-2.3)的阴极发光图像, 具有相对弱发光效应(灰黑色), 板状环带与207Pb/206Pb表面年龄；(b)-第80粒锆石晶体(-2.80)的阴极发光图像, 具有相对弱发光效应(灰黑色), 板状环带与207Pb/206Pb表面年龄；(c)-第55粒锆石晶体(-2.55)的阴极发光图像, 具有相对弱发光效应(灰黑色), 板状环带与207Pb/206Pb表面年龄；(d)-第29粒锆石晶体(-2.29)的阴极发光图像, 具有相对弱发光效应(灰黑色), 板状环带与207Pb/206Pb表面年龄；(e)-第24粒锆石晶体(-2.24)的阴极发光图像, 具有相对弱发光效应(灰黑色)与207Pb/206Pb表面年龄；(d)-第71粒锆石晶体(-2.71)的阴极发光图像, 具有相对均匀的弱发光效应(灰黑色)与207Pb/206Pb表面年龄 Fig. 11 Cathodoluminescence(CL)images and LA-ICP-MS U-Pb ages of zircons from the meta-gabbro sample QX2-2 in the Jiaobei metamorphic basement (a)-magmatic zircon grain -2.3 showing relatively low-luminescent(grey-black)banded zoning, and an apparent 207Pb/206Pb age;(b)-magmatic zircon grain -2.80 showing relatively low-luminescent(grey-black)banded zoning, and an apparent 207Pb/206Pb age;(c)-magmatic zircon grain -2.55 showing relatively low-luminescent(grey-black)banded zoning, and a 207Pb/206Pb age;(d)-magmatic zircon grain -2.29 showing relatively low- luminescent(grey-black)banded zoning, and an apparent 207Pb/206Pb age;(e)-magmatic zircon grain -2.24 showing relatively low-luminescent(grey-black)banded zoning, and an apparent 207Pb/206Pb age;(f)-metamorphic zircon grain -2.71 showing homogeneous relatively low-luminescent(grey-white)and an apparent 207Pb/206Pb age |
本文对胶北西留变辉长岩(QX2-2)测试了76个锆石微区, 具体结果见表 7, 相应的207Pb/235U-206Pb/238U关系图解如图 12所示。75个具有相对弱发光效应(灰黑色)岩浆锆石微区的Th、U含量变化范围较大, 分别介于77×10-6~1922×10-6和156×10-6~2558×10-6之间, 相应的Th/U比值变化亦较大, 变化于0.18~1.56之间(表 7)。75个测试点207Pb/206Pb表面年龄变化于2134±10Ma~2061±11Ma之间, 相应的207Pb/206Pb加权平均年龄为2102±3Ma(MSWD=1.07, n=75；表 7、图 12)。在207Pb/235U-206Pb/238U关系图解中(图 12), 该类锆石所有测试点皆位于谐和线上或其附近, 结合其锆石CL图像特征, 该组207Pb/206Pb表面年龄应代表变辉长岩原岩形成时代。1个具有相对均匀的弱发光效应的变质锆石微区的Th、U含量为1623×10-6和996×10-6, 相应的Th/U比值1.63(表 7), 其锆石微区记录的207Pb/206Pb表面年龄为1907±16Ma(表 7、图 12), 结合胶北古元古代区域变质作用的年代学特征(刘平华等, 2011a；Tam et al., 2011; Liu et al., 2012, 2013; 及其参考文献), 该组变质锆石记录的207Pb/206Pb表面年龄应代表本区变辉长岩遭受麻粒岩相-角闪岩相变质的时代。
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表 7 胶北西留变辉长岩(QX2-2)锆石LA-ICP-MS定年结果 Table 7 LA-ICP-MS ananlyses of zircons from the Xiliu meta-gabbro QX2-2 in the Jiaobei terrane |
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图 12 西留变辉长岩(QX2-2)中锆石207Pb/235U-206Pb/238U年龄关系图 Fig. 12 207Pb/235U-206Pb/238U diagrams showing U-Pb analyses for zircons of the meta-gabbro sample QX2-2 in the Jiaobei terrane |
近年来, 许多学者就华北克拉通胶辽吉构造带南端胶北变质基底岩石的变质作用进行了研究。刘文军等(1998)观察到莱西马连庄一带石榴基性麻粒岩中普遍发育石榴石-单斜辉石-斜长石-石英的矿物组合, 据此提出胶北基性麻粒岩曾经历了高压麻粒岩相变质, 为华北克拉通早前寒武纪变质基底下地壳的岩石组合。周喜文等(2004)在栖霞小庄铺荆山群孔兹岩系中识别出高压泥质麻粒岩, 利用相平衡的方法, 将峰期变质条件限定在T=800~840℃, P=1.0~1.25GPa之间, 并提出栖霞高压泥质麻粒岩具有近等温减压的顺时针的P-T轨迹, 指示其具有碰撞的构造属性。刘平华等(2010)和Tam et al.(2012a, c)通过详细的矿物学与变质作用研究进一步揭示了本区高压麻粒岩具有顺时针P-T轨迹和普遍发育典型的近等温减压反应结构, 并利用传统地质温压计和相平衡模拟的方法将胶北高压麻粒岩峰期变质条件分别限定在T=850~880℃, P=1.45~1.65GPa, T=860~890℃, P=1.48~1.62GPa之间。王舫等(2010)还报道了胶北高压泥质岩石中石榴石发育了俯冲进变质阶段的矿物学环带。
本文根据对胶北西留变辉长岩的岩相学观察, 结合传统温压计的计算, 确定变辉长岩记录了顺时针的P-T轨迹(图 13), 其P-T轨迹的样式与本区含石榴石的高压基性麻粒岩存在明显不同, 而与分布在莱西日庄一带含堇青石中低压泥质麻粒岩相似(周喜文等, 2007)。首先, 西留变辉长岩记录的最高压力不超过0.75GPa, 明显低于胶北高压基性麻粒岩普遍记录了大于1.3GPa的峰期压力, 这可能与它们在俯冲-碰撞-造山过程中处于不同的地壳深度有关。其次, 西留变辉长岩并没有记录近等温减压的变质演化过程, 这与岩相学观察相吻合, 它们与胶北高压基性麻粒岩不同, 其矿物组合中不存在石榴石, 也不发育含蠕虫状二辉石或角闪石的后成合晶减压反应结构。而与高压麻粒岩在晚期降温退变质阶段相似, 本区变辉长岩也记录近等压降温变质过程, 即从中低压麻粒岩相向角闪岩相变质阶段转变。
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图 13 胶北西留变辉长岩变质演化P-T轨迹 蓝晶石-夕线石-红柱石之间的矿物相转变反应引自Salje(1986)的资料, 变质相区域划分引自Spear(1993), 线A为石英拉斑玄武岩中石榴石的反应线(Green and Ringwood, 1967) Fig. 13 Metamorphic P-T path of the Xiliu meta-gabbro from the Jiaobei terrane Al2SiO5 transformation lines are cited from Salje(1986); fields of metamorphic facies and subfacies(Spear, 1993); ‘A’ represents the range in P-T conditions for the first appearance of garnet in quartz tholeiites(Green and Ringwood, 1967) |
随着锆石SHRIMP/LA-ICP-MS技术的应用, 胶北早前寒武纪基底岩石古元古代晚期变质时代已得到准确测定, 不同变质岩石不同程度地记录了1.95~1.80Ga变质年龄(Faure et al., 2003; Zhang et al., 2003; Wan et al., 2006, 2011; Tang et al., 2007; Jahn et al., 2008; Zhou et al., 2008a, b; 董春艳等, 2011；刘建辉等, 2011；刘平华等, 2011a, b, c；Tam et al., 2011；刘福来等, 2012；Liu et al., 2013)。尤其值得指出的是, Liu et al.(2012)通过锆石矿物包体的激光拉曼测试-扫描电镜测试、锆石内部结构的CL图像分析与锆石原位微区定年的综合研究, 发现胶北早前寒武纪变质基底岩石的变质锆石记录了两组具有重要地质意义的年代学信息, 其中一组年龄为1.90~1.86Ga, 代表了高压麻粒岩相变质时代, 该类变质锆石微区以含有高压麻粒岩相典型矿物组合为特征(石榴石+单斜辉石+斜长石+石英+金红石)；而第二组年龄为1.86~1.80Ga, 该类锆石微区常含有中低压麻粒岩相典型矿物组合(石榴石+紫苏辉石+斜长石, 钾长石+黑云母+堇青石+夕线石), 代表了造山后高压麻粒岩退变质时代以及造山后伸展过程中变基性岩的侵位时代(董春艳等, 2011；刘平华等, 2011a；刘建辉等, 2011；Tam et al., 2011; 刘福来等, 2012；Liu et al., 2012, 2013)。本文的锆石LA-ICP-MS定年结果表明, 胶北西留变辉长岩存在一个记录了~1.90Ga的207Pb/206Pb表面年龄的变质锆石, 指示它们亦卷入古元古代晚期的碰撞造山作用, 这与变质作用研究结果是一致的, 进一步佐证了胶北古元古代碰撞造山作用具有区域性的特征。
8.2 构造意义胶辽吉构造带具有悠久的研究历史, 目前普遍认同在古元古代晚期(2.0~1.80Ga)胶辽吉构造带的地壳演化已卷入了碰撞造山过程(李三忠等, 2003；Faure et al., 2004; Luo et al., 2004, 2006, 2008; Lu et al., 2006; 周喜文等, 2004；刘平华等, 2010；Tam et al., 2011, 2012a, b, c; Li et al., 2005, 2006, 2011, 2012; Liu et al., 2012; 及其参考文献)。但是, 目前对于胶辽吉构造带碰撞之前古元古代火山-沉积岩石的沉积环境以及古元古代中期(2.2~2.0Ga)的岩浆岩的岩石成因与构造环境目前仍存在激烈的争论, 并先后提出了陆内裂谷闭合模式(张秋生等, 1988; Peng and Palmer, 1995; Luo et al., 2004, 2006, 2008; Li et al., 2005, 2006, 2011, 2012; Li and Zhao, 2007)和弧-陆碰撞模式(白瑾, 1993; Bai and Dai, 1998; 贺高品和叶慧文, 1998；Faure et al., 2004; Lu et al., 2006)。路孝平等(2004)首次获得了胶辽吉构造带北部通化地区古元古代正长花岗岩原岩形成时代的SHRIMP锆石U-Pb结果为2160Ma, 并提出其具有A型花岗岩的特征, 是辽吉地区古元古代地层沉积之前地壳伸展作用的产物, 属于非造山花岗岩。Lu et al.(2006)结合辽吉地区古元古代沉积地层中的火山岩和同期基性侵入岩的相关研究, 进一步对碰撞前~2.1Ga的辽吉花岗岩形成环境进行了分析, 提出它们不是来源于太古代基底岩石, 其形成环境与活动大陆边缘的地壳伸展过程有关, 并非形成于陆内裂谷伸展构造环境。Li and Zhao(2007)对辽吉地区古元古代花岗岩进行了系统的年代学研究, 并认为辽吉地区古元古代花岗岩可以划分出早晚两期, 早期的花岗岩形成于古元古代~2.1Ga, 晚期的花岗岩形成于1.9~1.85Ga, 结合辽吉地区其它相关研究资料, 提出~2.1Ga辽吉花岗岩形成于裂谷伸展构造环境。此外, 杨德彬等(2009)还研究了胶辽吉构造带西南端安徽蚌埠地区~2.1Ga具有A型花岗岩特征的钾长花岗岩, 并认为其形成于伸展构造环境。Guo and Li(2009)报道了安徽蚌埠石门山~2.1Ga变形花岗岩, 并提出蚌埠地区古元古代岩浆-变质杂岩可能是胶辽吉构造带的西南延伸。最近, 蓝挺广等(2013, 未发表数据)还在胶东昌邑地区发现了2193±11Ma的碱长花岗岩和2169±11Ma的钠长花岗岩。
从上述研究资料分析, 华北克拉通古元古代胶辽吉构造带也存在显著的2.2~2.0Ga岩浆活动, 其活动范围较以前认为的更广泛, 且形成于地壳伸展的构造环境。本文的研究进一步佐证了上述认识。与胶辽吉构造带北段辽吉地区类似, 胶北地区不仅存在~2.1Ga的花岗质片麻岩(刘建辉等, 2011), 而且还存在~ 2.1Ga的变辉长岩, 具有双峰式岩浆岩组合特征, 指示胶北地区在古元古代中期亦处于伸展构造环境。至于它是陆内裂谷伸展环境, 还是大陆拉开向洋壳转换的伸展环境, 还是活动大陆边缘弧后伸展环境, 目前还不是十分明确。因此, 对胶北地区~2.1Ga变辉长岩的地球化学特征和大地构造环境的研究将有助于加深对胶北地区乃至胶辽吉构造带古元古代构造演化格局的认识, 这也是以后将要开展的工作。
9 初步结论综合以上的研究, 本文得出如下几点初步认识：
(1) 胶北西留变辉长岩主要由二辉麻粒岩与辉石斜长角闪岩所组成, 且以不规则透镜体的形式赋存于新太古代花岗质片麻岩与英云闪长质片麻岩之中。
(2) 岩相学观察、矿物相转变分析、矿物化学研究和传统地质温压计计算结果表明, 胶北西留变辉长岩记录了十分复杂的演化历史, 其中早期残留的原岩标志性的岩浆结构以辉长辉绿结构为特征；峰期麻粒岩相变质阶段(M1)的矿物组合以斜方辉石+单斜辉石+斜长石+石英为特征, 记录的温压条件为T=800~850℃, P＜0.65~0.75GPa；晚期角闪石的生长表明岩石又经历了降温冷却的过程(M2), 其稳定的矿物组合为角闪石+斜长石+石英+单斜辉石, 记录的温压条件为T=675~700℃, P=0.40~0.55GPa。变辉长岩记录了近等压降温的顺时针P-T轨迹。
(3) 高精度的锆石LA-ICP-MS定年结果表明, 胶北西留古元古代变辉长岩侵位于2103±3Ma左右, 是胶北地区古元古代地层沉积之前一次地壳伸展作用的产物, 并于~1.90Ga遭受了麻粒岩相-角闪岩相变质作用的改造。
致谢 感谢中国地质科学院地质研究所陈方远老师、中国地质科矿产资源研究所陈振宇副研究员与天津地质调查中心李怀坤研究员与耿建珍副研究员在实验测试过程中的帮助；感谢中国地质科学院地质研究所沈其韩院士与杜利林研究员在论文写作过程中的指导与帮助；感谢审稿专家吴春明教授、李三忠教授和李旭平教授认真审阅了本文, 并提出了宝贵的修改意见。| [] | Anovitz LM. 1991. Al zoning in pyroxene and plagioclase: Window on late prograde to early retrograde P-T paths in granulite terranes. American Mineralogist, 76(7-8): 1328–1343. |
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