2022, Vol. 38
2. 合肥工业大学资源与环境工程学院, 合肥 230009;
3. 山东省地质调查院, 济南 250013
2. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;
3. Shandong Geological Survey Institute, Jinan 250013, China
花岗岩的形成经历了从地壳深部岩石部分熔融，到熔体抽提、聚集，岩浆上升、就位和结晶等作用过程(Brown, 1994, 2013; Sawyer, 1996; Johannes et al., 2003)。实验岩石学研究表明，花岗质熔体不能直接由地幔橄榄岩部分熔融形成，主要为地壳物质部分熔融的产物(Taylor and McLennan, 1985; Wolf and Wyllie, 1994)。研究花岗岩的成因，首先需要了解其源区的性质和组成，不同的源区组成将形成不同的花岗岩。对于非原地的壳源花岗岩，由于岩浆形成的深度和就位的深度存在很大差异，其源区特征通常很难识别。对于原地-半原地的花岗岩(初级深熔混合岩、高级深熔混合岩和深熔花岗岩)，其源区中的熔融残余物质或/和未熔融物质会以包体的形式被深熔熔体携带运移。由于运移距离不远，可根据这些共生包体来研究源区特征和熔融过程(Zeck and Williams, 2002；Bitencourt and Nardi, 2004；Acosta-Vigil et al., 2010)。鲁西地区新太古代晚期高级深熔混合岩和壳源花岗岩广泛发育，但在源区组成方面的具体研究实例很少。本文对鲁西沂山地区高级深熔混合岩中的包体进行了详细的野外地质、地球化学、锆石SHRIMP年代学和Hf同位素研究，为花岗质岩浆的起源和演化提供重要信息。
1 地质背景鲁西太古宙花岗-绿岩带位于华北克拉通东部(图 1a)，总体上呈北西-南东向展布，其东缘被郯庐断裂截切(图 1b)。根据不同时代、不同类型岩石的时空分布，鲁西太古代基底可划分为三个岩带(Wan et al., 2010, 2011)：位于东北部的A带主要为新太古代晚期(2.53~2.49Ga)的壳源花岗岩和混合岩；位于中部的B带主要为新太古代早期(2.75~2.60Ga)古老岩石组成，以TTG和表壳岩为主；位于西南部的C带主要为新太古代晚期(2.56~2.50Ga)新生(juvenile)岩浆岩，以花岗闪长岩、石英闪长岩为主。鲁西地区表壳岩的出露面积不足10%，常以透镜状、条带状零星出露于花岗质岩石中，遭受绿片岩相-角闪岩相变质(曹国权，1996；杜利林等，2003)。研究表明，原泰山岩群由不同时代的表壳岩组成，被重新划分为新太古代早期(2.75~2.70Ga)雁翎关-柳杭岩系和新太古代晚期(2.55~2.52Ga)山草峪-济宁岩系(Wan et al., 2012；万渝生等，2012)。前者主要为变质基性岩(斜长角闪岩)和变质超基性岩。后者主要为黑云变粒岩、云母片岩和BIF以及变质中酸性火山岩。鲁西地区深成侵入岩也可划分为新太古代早期(2.75~2.60Ga)和新太古代晚期(2.55~2.49Ga)两个部分(陆松年等，2008；Wang et al., 2009；Wan et al., 2010, 2011, 2014；Peng et al., 2012, 2013；任鹏等，2015；Ren et al., 2016；Dong et al., 2017；Hu et al., 2019；Li et al., 2020；Sun et al., 2020；李源等，2020)。新太古代早期以地幔物质的添加为主，形成大量TTG岩石和辉长岩；新太古代晚期更为复杂，壳幔相互作用和壳内再循环并存，形成TTG、辉长-闪长岩、埃达克岩、赞岐岩和富钾花岗岩及混合岩。
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图 1 华北克拉通早前寒武纪岩石分布图(a，据Dong et al., 2021修改)、鲁西地区地质图(b，据Wan et al., 2010, 2011修改)和鲁西沂山地区地质简图(c，据山东省地质矿产局第一地质队，1990①修改) Fig. 1 Geological maps of the distribution of Early Precambrian rocks in the North China Craton (a, modified after Dong et al., 2021), the western Shandong (b, modified after Wan et al., 2010, 2011) and the Yishan area (c) |
① 山东省地质矿产局第一地质队. 1990. 1:5万鄌郚-牛沐-蒋峪幅区域地质调查报告. 济南: 山东省地质矿产局, 1-271
沂山位于A带的东北部(图 1b, c)，是鲁西新太古代晚期混合岩的典型出露区。按照熔体的含量和流变学性质，混合岩可分为初级深熔混合岩(metatexite)和高级深熔混合岩(diatexite)(Sawyer, 2008)。初级深熔混合岩的熔融程度相对较低，熔体与残留体未明显分离，可见熔融前的原始结构构造；高级深熔混合岩熔融程度较高，以新成体为主，原始结构基本消失，具有类似岩浆的流动构造。沂山地区发育大规模的高级深熔混合岩，并被新太古代末期(~2.49Ga)正长花岗岩和伟晶岩侵入切割(Wan et al., 2010)。这套高级深熔混合岩主要为含角闪石花岗质岩石，组成不均匀，具有岩浆流动构造特征，但几乎未发生变形，是花岗质熔体聚集与运移过程中的中间产物，相当于半原地花岗岩。沂山高级深熔混合岩的化学组成主要为二长花岗质和正长花岗质成分，少数为英云闪长质和奥长花岗质成分。
沂山地区高级深熔混合岩中保留了一些呈分散碎块、团块状的古成体或残留体包体，为深熔熔体(岩浆)从深部源区及围岩携带运移的产物。规模较小，单个包体出露面积通常不足50×50cm2，与寄主岩的接触关系既有截然的，也有渐变过渡的。包体分布可呈单个包体出现，也可成群产出，有的包体(通常为斜长角闪岩)之间可以拼接，指示部分小的包体是由大的包体打散而成。可见基性矿物(特别是角闪石)呈数毫米至数厘米大小的不规则簇状分布，部分可能是基性包体被熔体打散与分解的结果。除斜长角闪岩外，还存在少量TTG片麻岩、石英闪长质片麻岩和表壳岩包体。前人报道了高级深熔混合岩中的英云闪长质片麻岩和石英闪长质片麻岩包体的形成时代，分别为~2.67Ga和~2.52Ga(Wan et al., 2014；Dong et al., 2017)。
2 样品特征本文对高级深熔混合岩中的各类包体进行了研究，共采集1个英云闪长质片麻岩、2个变质火山岩和6个斜长角闪岩样品。所有样品采自沂山地质公园及邻区(图 1c)。
2.1 英云闪长质片麻岩样品S1024 (36°11′07.85″N、118°38′13.07″E)以包体形式存在于高级深熔混合岩中，被浅色脉体切割(图 2a)，但英云闪长质片麻岩样品(S1024)不含浅色脉体。英云闪长质片麻岩具片麻状构造，主要由石英(25%~30%)、斜长石(50%~55%)和黑云母(5%~10%)、角闪石(5%~7%)组成(图 3a)。部分斜长石发育聚片双晶，但多数发生绢云母化。黑云母呈长条状，定向排列形成片麻状构造。角闪石呈不规则状，多具筛状变晶结构，包含少量石英和黑云母等矿物包裹体。石英呈他形粒状分布。
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图 2 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的野外照片 (a)英云闪长质片麻岩(S1024)；(b)角闪斜长片麻岩和黑云斜长片麻岩互层状产出；(c)角闪斜长片麻岩(S2021)；(d)黑云角闪变粒岩(S2022)；(e、f)斜长角闪岩(S1953)；(g)斜长角闪岩(S2031)；(h)斜长角闪岩(S1931)；(i)斜长角闪岩(S1022)；(j)斜长角闪岩(S2019)；(k、l)斜长角闪岩(S1026) Fig. 2 Field photographs of the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong (a) tonalitic gneiss (S1024); (b) hornblende-plagioclase gneiss was interbedded with fine-grained biotite-hornblende gneiss; (c) hornblende-plagioclase gneiss (S2021); (d) fine-grained biotite-hornblende gneiss (S2022); (e, f) amphibolite (S1953); (g) amphibolite (S2031); (h) amphibolite (S1931); (i) amphibolite (S1022); (j) amphibolite (S2019); (k, l) amphibolite (S2019) |
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图 3 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的显微照片 (a)英云闪长质片麻岩(S1024)；(b)角闪斜长片麻岩(S2021)；(c)黑云角闪变粒岩(S2022)；(d、e)斜长角闪岩(S1953)；(f、g)斜长角闪岩(S2031)；(h)斜长角闪岩(S1931)；(i)斜长角闪岩(S1022)；(j、k)斜长角闪岩(S2019)；(l)斜长角闪岩(S1026). Qtz-石英；Pl-斜长石；Kfs-钾长石；Cpx-单斜辉石；Hbl-角闪石；Bt-黑云母；Chl-绿泥石.(+)和(-)分别代表正交偏光和单偏光 Fig. 3 Photographs showing petrographic features of the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong (a) tonalitic gneiss (S1024); (b) biotite-hornblende gneiss (S2021); (c) fine-grained biotite-hornblende gneiss (S2022); (d, e) amphibolite (S1953); (f, g) amphibolite (S2031); (h) amphibolite (S1931); (i) amphibolite (S1022); (j, k) amphibolite (S2019); (l) amphibolite (S1026). Qtz-quartz; Pl-plagioclase; Kfs-K-feldspar; Cpx-clinopyroxene; Hbl-hornblende; Bt-biotite; Chl-chlorite. (+) and (-) mean cross and plane polarized light |
在沂山地质公园北门附近的公路边，高级深熔混合岩中出露宽度约30m的变质火山岩包体，被伟晶岩脉侵入(图 2b)。从露头的东侧至西侧变质变形和深熔作用逐渐增强，东侧岩石包体为变形较弱的黑云角闪变粒岩(S2022)，西侧为变形较强的角闪斜长片麻岩(S2021)，可见原地深熔形成的浅色体(图 2c)，矿物粒度变粗，可能为变质深熔过程中加粗的结果。局部可见角闪斜长片麻岩与黑云角闪变粒岩互层。东侧的黑云角闪变粒岩中可见两种类型的浅色体，一类是顺着片理/层理贯入的细窄条的浅色体，另一类是截切片理/层理的宽的浅色体，但相互关系为渐变过渡(图 2d)。角闪斜长片麻岩(S2021, 36°13′49.12″N、118°36′48.47″E)具有柱状-粒状变晶结构，片麻状构造，主要由角闪石(35%~40%)、斜长石(30%~40%)、钾长石(5%~15%)和石英(5%~10%)组成(图 3b)，几乎无黑云母。角闪石呈短柱状，定向排列构成片麻状构造，部分绿泥石化。斜长石大多发生绢云母化和绿帘石化。石英呈他形粒状分布在其它矿物间隙中。钾长石具有格子双晶，可能为深熔熔体结晶的产物。黑云角闪变粒岩(S2022)具有鳞片状-粒状变晶结构，弱片麻状构造，主要由细粒矿物组成，粒度0.1~0.4mm，主要矿物组成为斜长石(40%~45%)、石英(20%~25%)、角闪石(15%~20%)和黑云母(10%~15%)(图 3c)。角闪石呈短柱状或不规则状，少数角闪石颗粒包含有细小的石英包裹体，黑云母呈长条状，两者定向排列分布。
2.3 斜长角闪岩样品S1953 (36°11′21.96″N、118°38′30.95″E)取自沂山地质公园公路边，面积约40×50cm2(图 2e, f)，与浅色体为过渡关系，在包体周围可见角闪石等暗色矿物逐渐进入浅色体的现象。样品具有变余辉长结构，原岩可能为辉长岩，主要由角闪石(45%~55%)、斜长石(40%~50%)和少量石英(< 5%)组成(图 3d, e)。角闪石颗粒较大，约1~2mm，呈半自形柱状、不规则状，具有筛状变晶结构，普遍包含较多的不规则状石英包裹体。斜长石1~2mm，半自形柱状-粒状，大都绢云母化和绿帘石化。部分浅色矿物呈尖角状分布。结构特征表明岩石可能遭受了流体或熔体改造。
样品S2031 (36°12′15.51″N、118°39′30.87″E)取自沂山东镇庙后山的公路边。岩石以包体形式存在于高级深熔混合岩中，面积约100×150cm2(图 2g)，被伟晶岩脉切割。岩石遭受变质变形和深熔作用改造，局部可见少量浅色细脉。主要由角闪石(60%~70%)、斜长石(20%~25%)、石英(5%~10%)、黑云母(5%~7%)和少量钾长石(5%~7%)组成(图 3f, g)。角闪石呈浅绿色-黄绿色，短柱状，大多都包含有粒度不等的石英包裹体。斜长石多绢云母化，黑云母呈褐色，片状。钾长石具有格子双晶，部分可见石英、角闪石等包裹物，可能代表了深熔熔体结晶的产物。
样品S1931 (36°11′00.48″N、118°38′04.28″E)取自沂山地质公园白石瀑布景点处。斜长角闪岩以包体形式存在于高级深熔混合岩中，面积约50×80cm2(图 2h)，二者接触界线整体上相对平直，但局部也可见浅色体侵入斜长角闪岩，过渡渐变。样品呈块状，细粒粒状-柱状变晶结构，主要由角闪石(65%~70%)、斜长石(20%~25%)和黑云母(5%~10%)组成(图 3h)。角闪石呈半自形-他形，部分蚀变为绿泥石，斜长石呈他形粒状，遭受绢云母化和绿帘石化，黑云母呈片状分布。
样品S1022 (36°11′05.75″N、118°32′58.17″E)取自研究区西南部河口村的省道S224公路边。包体规模相对较大，宽度约5m，可见花岗质脉体侵入其中(图 2i)。包体与高级深熔混合岩逐渐过渡。岩石整体均匀，中粗粒结构，发育弱片麻状构造，主要矿物组成为角闪石(70%~75%)、斜长石(15%~20%)、黑云母(5%~7%)和磁铁矿(1%~2%)(图 3i)。矿物蚀变严重，部分角闪石蚀变为绿泥石，部分斜长石蚀变为绢云母和帘石。
样品S2019 (36°11′34.68″N、118°37′45.99″E)取自沂山地质公园公路边，呈棱角状，面积约20×30cm2(图 2j)。斜长角闪岩内有少量的长英质细脉，为深熔形成的浅色体。岩石呈中细粒结构，弱片麻状构造，主要由角闪石(70%~75%)、斜长石(20%~25%)和少量单斜辉石(1%~3%)组成(图 3j, k)。单斜辉石呈残余破碎状分布在角闪石和斜长石之间。角闪石呈自形-半自形短柱状，弱定向排列。斜长石呈半自形-他形粒状，发育聚片双晶，部分遭受绿帘石化和绢云母化。
样品S1026 (36°11′29.84″N、118°38′48.23″E)取自沂山地质公园南门水库旁，露头上的基性岩以大小不同的包体形式存在于高级深熔混合岩中(图 2k, l)。斜长角闪岩整体不均匀，部分为角闪石岩，长石含量很少。两者互层状产出，或者斜长角闪岩包裹角闪石岩。斜长角闪岩中局部存在浅色体聚集现象，可能与深熔作用有关。样品主要由角闪石(75%~80%)、斜长石(20%~25%)组成(图 3l)，矿物普遍蚀变严重，大部分角闪石发生绿泥石化，大部分斜长石发生帘石化和绢云母化。
3 分析方法全岩主、微量地球化学分析在国家地质实验测试中心和武汉上谱分析科技有限责任公司完成。主量元素含量使用X射线荧光光谱仪(PW4400和日本理学Primus II)测定，分析误差通常为1%~5%；微量和稀土元素使用等离子质谱仪(PE300D和Agilent7700e)测定，分析误差一般在10%之下，误差大小与元素含量有关。
锆石SHRIMP U-Pb定年在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心SHRIMPⅡ仪器上完成。详细的分析原理及方法见Williams (1998)。一次离子流O2-强度为3~5nA，束斑直径为20~30μm。标准锆石M257(U含量为840×10-6，Nasdala et al., 2008)和TEM(年龄为416.8Ma，Black et al., 2004)分别用于校正待测样品的U、Th含量和206Pb/238U年龄。待测样品数据点与标准锆石TEM数据点分析比例为4:1，每个分析点均采取5组扫描，单点误差为1σ，加权平均年龄为95%置信度。数据处理使用SQUID和ISOPLOT程序(Ludwig, 2001, 2003)。
锆石Hf同位素分析在中国计量科学研究院采用LA-MC-ICP-MS(Neptune Plus)完成，详细分析流程见Wu et al. (2006)。锆石Hf同位素分析点与SHRIMP U-Pb年龄分析点的位置一致或选择相同结构的邻近位置，激光剥蚀直径采用40μm，测试过程中使用标准锆石Penglai和SA01作为参考物质来监控仪器状态，Penglai和SA01的176Hf/177Hf加权平均值分别为0.282910±0.000020 (2σ)和0.282292±0.000012 (2σ)，与参考值176Hf/177Hf=0.282906± 0.0000010(Li et al., 2010)和176Hf/177Hf=0.282291 ± 0.000026(Huang et al., 2020)在误差范围内是一致的。εHf(t)的计算采用176Lu衰变常数为1.867×10-11y-1(Söderlund et al., 2004)，球粒陨石176Hf/177Hf=0.282772，176Lu/177Hf=0.0332(Blichert-Toft and Albarède, 1997)；Hf亏损地幔模式年龄的计算采用现今的亏损地幔176Hf/177Hf=0.28325和176Lu/177Hf=0.0384(Griffin et al., 2004)。
4 分析结果 4.1 全岩地球化学8个样品的全岩地球化学分析结果见表 1。样品烧失量为0.51%~1.78%，均显示较弱的蚀变特征。
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表 1 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)含量 Table 1 Major (wt%) and trace (×10-6) element compositions of the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong |
英云闪长质片麻岩(S1024) SiO2含量为64.8%，TiO2为0.66%，Fe2O3T为6.02%，MgO为2.11%，Na2O为4.96%，K2O为1.15%；稀土总量为177.2×10-6，轻重稀土分异不强[(La/Yb)N=12.23]，具有轻微的Eu负异常(Eu/Eu*=0.84)。
角闪斜长片麻岩(S2021)和黑云角闪变粒岩(S2022) SiO2含量为55.33%~61.05%，TiO2为0.63%~0.67%，Fe2O3T为8.22%~9.36%，MgO为3.31%~6.88%，Na2O为3.37%~4.19%，K2O为1.20%~1.97%。在Nb/Y-Zr/TiO2图解中，这两个样品(S2021和S2022)投点均位于安山岩区(图 4)。且具有非常相似的稀土配分模式(图 5a)，稀土总量、(La/Yb)N和Eu/Eu*值分别为160.9×10-6~144.2×10-6、5.72~6.45和0.72~0.79。
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图 4 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的岩石分类图解(据Winchester and Floyd, 1977) Fig. 4 Classification diagram of the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong (after Winchester and Floyd, 1977) |
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图 5 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的球粒陨石标准化稀土元素配分模式图和原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化数值据Sun and McDonough, 1989) (a、b)英云闪长质片麻岩和变质火山岩；(c、d)斜长角闪岩 Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns and primitive-mantle normalized trace element diagrams of the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong (normalization values after Sun and McDonough, 1989) (a, b) tonalitic gneiss and meta-volcanic rocks; (c, d) amphibolite |
斜长角闪岩SiO2含量为45.41%~54.29%，TiO2为0.43%~0.96%，Fe2O3T、MgO含量分别为10.09%~14.35%和7.34%~11.51%，Na2O为1.11%~3.18%，K2O为0.37%~1.59%。在Nb/Y-Zr/TiO2图解中，主要位于安山岩/玄武岩和亚碱性玄武岩区(图 4)，与它们的中基性-基性岩石组成特征相吻合。斜长角闪岩(S2019)的稀土总量较低(ΣREE=42.4×10-6)，轻重稀土分异较弱[(La/Yb)N=1.51]，几乎无铕异常，(Eu/Eu*=1.01，图 5c)。其它斜长角闪岩(S1953、S2031、S1022、S1931和S1026)的稀土总量为76.0×10-6~233.7×10-6，具有较强的轻重稀土分异和微弱的Eu负异常，(La/Yb)N和Eu/Eu*值分别为4.63~15.54和0.73~0.98。在微量元素蛛网图上(图 5b, d)，所有样品均不同程度地富集大离子亲石元素，普遍存在Nb、Ta、Ti等高场强元素的亏损特征。
4.2 锆石SHRIMP U-Pb定年本文中，根据锆石阴极发光(CL)特征，将锆石划分为岩浆锆石(MA)、重结晶锆石(RC)和外来锆石(X)等不同类型。其中，重结晶锆石是指在热和流体条件下原有结构发生了改变的锆石，例如岩浆环带消失或变得模糊；其U-Pb同位素体系可完全未重置，部分重置和完全重置。重结晶锆石和岩浆锆石之间存在过渡现象，一些情况下可结合定年结果进行划分。U-Pb同位素组成和年龄见表 2。
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表 2 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的锆石SHRIMP U-Pb年龄测试结果 Table 2 SHRIMP U-Pb zircon data of the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong |
样品S1024的锆石呈长柱状，在CL图像上普遍具有核-边结构(图 6a)，多数核部锆石发育震荡环带，由于遭受不同程度的重结晶作用导致部分环带模糊化。对7颗锆石进行了11个数据点分析。2个核部岩浆锆石数据点(1.1MA和7.2MA)的U含量为85×10-6~161×10-6，Th/U比值为0.90~1.01。重结晶锆石的U含量为310×10-6~959×10-6，Th/U比值为0.15~0.66。大多数锆石存在强烈铅丢失，但大致位于同一不一致线附近(图 7a)。仅数据点7.2MA位于谐和线附近，207Pb/206Pb年龄为2711±16Ma，可能接近英云闪长岩的形成时代。位于谐和线上的数据点6.1RC给出2503±6Ma的207Pb/206Pb年龄，该数据点所在位置的CL图像显示几乎无岩浆环带，该年龄可能为新太古代晚期(~2.5Ga)构造热事件的年龄记录。
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图 6 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的锆石阴极发光图像 (a)英云闪长质片麻岩(S1024)；(b)角闪斜长片麻岩(S2021)；(c)斜长角闪岩(S1953)；(d)斜长角闪岩(S2031)；(e)斜长角闪岩(S1931)；(f)斜长角闪岩(S1022)；(g)斜长角闪岩(S2019)；(h)斜长角闪岩(S1026). MA-岩浆锆石；RC-重结晶锆石；X-外来锆石. 括号中数字分别代表207Pb/206Pb年龄和Th/U比值 Fig. 6 Cathodoluminescence (CL) images of zircons from the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong (a) tonalitic gneiss (S1024); (b) biotite-hornblende gneiss (S2021); (c) amphibolite (S1953); (d) amphibolite (S2031); amphibolite (S1931); (f) amphibolite (S1022); (g) amphibolite (S2019); (h) amphibolite (S1026). MA-magmatic zircon; RC-recrystallized zircon; X-xenocrystic zircon; the data in brackets mean the analyzed 207Pb/206Pb age and Th/U ratio, respectively |
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图 7 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的锆石U-Pb谐和图 (a)英云闪长质片麻岩(S1024)；(b)角闪斜长片麻岩(S2021)；(c)斜长角闪岩(S1953)；(d)斜长角闪岩(S2031)；(e)斜长角闪岩(S1931)；(f)斜长角闪岩(S1022)；(g)斜长角闪岩(S2019)；(h)斜长角闪岩(S1026) Fig. 7 Concordia diagrams of SHRIMP U-Pb data for zircons from the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong (a) tonalitic gneiss (S1024); (b) biotite-hornblende gneiss (S2021); (c) amphibolite (S1953); (d) amphibolite (S2031); (e) amphibolite (S1931); (f) amphibolite (S1022); (g) amphibolite (S2019); (h) amphibolite (S1026) |
样品S2021的锆石呈柱状或短柱状，具有岩浆震荡环带，部分发生重结晶作用(图 6b)。19颗锆石进行了20个数据点分析。19个岩浆锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为210×10-6~1488×10-6和0.12~0.62，其207Pb/206Pb年龄主要集中在~2.5Ga，由于不同程度的铅丢失而沿着不一致线分布(图 7b)，其上交点年龄为2511±17Ma(MSWD=3.5)，最靠近谐和线的两个数据点(3.1MA和7.1MA)的207Pb/206Pb加权平均年龄为2511±14Ma(MSWD=1.9)，大致代表岩石的形成时代。数据点2.1X的207Pb/206Pb年龄较老，为2658±10Ma，解释为外来锆石。
4.2.3 斜长角闪岩样品S1953的锆石大多呈长柱状，在CL图像上显示发育典型的板状环带，部分具封闭振荡环带，多数环带保存清晰，但也有部分环带有一定的模糊化，可能是受到变质重结晶改造的结果，部分锆石边部具有变质重结晶明显，环带基本完全消失(图 6c)。对14颗锆石进行了19个数据点分析。15个岩浆锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为76×10-6~332×10-6和0.41~0.84，数据点均位于谐和线上或附近(图 7c)，其中谐和且年龄最大的10个数据点的207Pb/206Pb加权平均年龄为2685±10Ma(MSWD=1.2)，该年龄解释为斜长角闪岩原岩的形成时代。另外5个数据点的年龄略微年轻，或许是受到变质重结晶轻微改造的结果。4个重结晶锆石数据点(3.2RC，6.1RC，11.1RC和12.1RC)的U含量和Th/U比值分别为87×10-6~259×10-6和0.25~1.01，207Pb/206Pb年龄变化范围为2634~2510Ma。数据点6.1RC位于谐和线上，207Pb/206Pb年龄最小(2510Ma)，可能是最接近变质作用的时代。
样品S2031的锆石颗粒在CL图像上普遍呈椭圆状，颗粒细小，粒径30~100μm，个别(颗粒10)呈长柱状(图 6d)。结构上显示均匀的成分域(颗粒1、6、11和14)，部分锆石(颗粒8和13)保留了岩浆环带，部分锆石(颗粒9)受到重结晶影响显示残留核。对14颗锆石进行了16个数据点分析，U含量为119×10-6~299×10-6，Th/U比值为0.42~0.84，其中6个岩浆锆石数据点集中分布谐和线上(图 7d)，给出的207Pb/206Pb加权平均年龄为2533±9Ma(MSWD=0.92)，大致代表了斜长角闪岩原岩的形成时代。
样品S1931的锆石在CL图像上呈长柱状或椭圆状，发育板状环带，普遍遭受强烈的重结晶作用改造，显示不同发光性的成分域(图 6e)。对13颗锆石进行了16个数据点分析。3个岩浆锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为283×10-6~383×10-6和0.41~0.47，均位于谐和线上(图 7e)，其207Pb/206Pb加权平均年龄为2532±9Ma(MSWD=0.4)，代表了斜长角闪岩原岩的形成时代。13个重结晶锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为160×10-6~580×10-6和0.37~0.62，除去位于谐和线之下的数据点12.1RC，其它数据点均集中分布在谐和线上，给出的207Pb/206Pb加权平均年龄为2515±5Ma(MSWD=0.61)，大致代表了样品遭受变质作用的时代。
样品S1022的锆石呈长柱状或椭圆状，在CL图像上显示具有板状环带，发育双锥结构，个别锆石遭受变质重结晶改造(图 6f)。对11颗锆石进行了12个数据点分析。8个岩浆锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为110×10-6~491×10-6和0.22~1.41，6个数据点位于谐和线上(图 7f)，其中年龄最大4个的数据点给出207Pb/206Pb加权平均年龄为2530±6 Ma(MSWD=0.09)，代表了斜长角闪岩原岩的形成时代。另外2个数据点(7.1MA和10.1MA)的年龄略微年轻，可能是受到变质重结晶轻微改造的结果。4个重结晶锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为107×10-6~623×10-6和0.28~1.2，其中1个位于谐和线上数据点(9.1RC)的207Pb/206Pb年龄为2510±6 Ma，大致代表了样品遭受变质作用的时代。
样品S2019的锆石在CL图像上呈椭圆状或不完整粒状，具有扇状结构或组成均一，遭受变质重结晶影响，少数锆石(颗粒8和12)呈长柱状，具封闭振荡环带(图 6g)，为外来锆石。对16颗锆石进行了16个数据点分析。12个重结晶锆石数据点的U含量为91×10-6~1186×10-6，Th/U比值存在较大变化，为0.02~1.2。Th/U比值变化大可能与变质重结晶过程中Th、U元素的重新分配有关。其中位于谐和线上的8个数据点给出的207Pb/206Pb加权平均年龄为2522±7Ma(MSWD=0.94，图 7g)，代表岩石遭受变质作用的时代。2颗呈长柱状的锆石(8.1RC和12.1RC)，遭受重结晶作用导致环带模糊化，207Pb/206Pb年龄分别为2632±15Ma和2477±112Ma。
样品S1026的锆石在CL图像上呈长柱状或椭圆状，多数锆石具有板状环带，个别锆石(5.1MA)具有宽的封闭环带(图 6h)。对12颗锆石进行了14个数据点分析。11个岩浆锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为38×10-6~158×10-6(4.1MA为326×10-6)和0.79~1.72，所有数据点均位于谐和线上(图 7h)，给出的207Pb/206Pb加权平均年龄为2511±6Ma(MSWD=0.39)，代表了其形成时代。3个重结晶锆石数据点的U含量和Th/U比值分别为60×10-6~164×10-6和0.25~0.83，其中2个位于谐和线上数据点(1.2RC和8.1RC)的207Pb/206Pb加权平均年龄为2496±23Ma(MSWD=1.11)。变质重结晶锆石的年龄与岩浆锆石类似，表明岩浆侵位后就立即发生了重结晶。
6个斜长角闪岩包体的锆石CL图像及SHRIMP定年结果显示，样品S1953的锆石类型主要为基性岩浆锆石，重结晶较弱，岩浆锆石年龄为2.69Ga；其余5个样品的岩浆锆石年龄主要为2.53~2.51Ga，遭受不同程度的变质重结晶，重结晶锆石年龄主要为2.52~2.50Ga。
4.3 锆石Hf同位素对定年样品中的1个变质火山岩和4个斜长角闪岩进行了锆石Lu-Hf同位素分析。分析结果见表 3和图 8。大部分测试点与U-Pb定年的分析位置一致，少数点为相同结构的邻近部位。锆石Hf同位素计算时，使用岩石的形成年龄。对于岩浆锆石采用加权平均年龄，而外来锆石则使用其所测的单点207Pb/206Pb年龄。对于重结晶锆石，也采用岩浆锆石的加权平均年龄，因为岩浆锆石在形成后很短时间内(< 20Myr)就遭受了重结晶作用，并且锆石的Hf同位素相对Pb同位素更为稳定(Cherniak, 2010)。
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表 3 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的锆石Hf同位素组成 Table 3 Zircon Hf isotopic compositions of the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong |
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图 8 鲁西沂山地区高级深熔混合岩中包体的锆石年龄-εHf(t)值相关图 Fig. 8 Age vs. εHf(t) diagram for zircons from the enclaves within diatexite in the Yishan area, western Shandong |
角闪斜长片麻岩(S2021)的5个岩浆锆石数据点的εHf(t)值为-1.2~+3.1，一阶段亏损地幔Hf模式年龄tDM1为2893~2707Ma，平均值为2779Ma；1个外来锆石数据点的εHf(t)值和一阶段亏损地幔Hf模式年龄分别为+5.8和2730Ma。斜长角闪岩(S1953)的岩浆锆石的εHf(t)值为+4.8~+8.1，一阶段亏损地幔Hf模式年龄tDM1为2792~2662Ma，平均值为2740Ma。斜长角闪岩(S2031)的岩浆锆石εHf(t)值为0~+5.4，多数分析点靠近球粒陨石演化线附近，一阶段亏损地幔Hf模式年龄tDM1为2832~2631Ma，平均值为2770Ma；斜长角闪岩(S1931)岩浆锆石的εHf(t)值为+1.8~+5.5，一阶段亏损地幔Hf模式年龄tDM1为2758~2619Ma，平均值为2700Ma。斜长角闪岩(S2019)的变质锆石εHf(t)值为+1.8~+7.8，一阶段亏损地幔Hf模式年龄tDM1为2735~2535Ma，平均值为2677Ma；1个外来锆石数据点的εHf(t)值和一阶段亏损地幔Hf模式年龄分别为+4.6和2753Ma。斜长角闪岩普遍具有正的εHf(t)值，显示亏损地幔源区的组成特征。
5 讨论英云闪长质片麻岩(S1024)形成年龄为~2.7Ga。前人报道了高级深熔混合岩中的英云闪长质片麻岩和石英闪长质片麻岩包体的形成时代分别为~2.67Ga和~2.52Ga(Wan et al., 2014；Dong et al., 2017)。这些英云闪长质片麻岩包体的岩石外貌类似，都遭受强烈变质变形改造，被浅色体侵入切割。角闪斜长片麻岩(S2021)与黑云角闪变粒岩(S2022)互层状产出。在角闪斜长片麻岩中可见原地深熔特征，在镜下可见少量钾长石呈填隙状分布在其他颗粒之间(图 3b)，代表了深熔熔体结晶的产物。根据成层性特征，推断片麻岩和变粒岩的原岩为火山岩。角闪斜长片麻岩的岩浆锆石年龄为2.51Ga，代表其形成年龄。新太古代晚期表壳岩主要存在于鲁西地区B带(Wan et al., 2012；万渝生等，2012)，在A带中也有少量分布。本研究在A带发现了~2.5Ga表壳岩包体，不仅扩大了新太古代表晚期表壳岩的分布范围，而且表明，除新太古代早期和晚期TTG岩石外，新太古代晚期表壳岩也是壳源花岗岩物源区组成之一。英云闪长质片麻岩和表壳岩包体尽管遭受不同程度深熔作用改造，但原岩特征仍较好保留。它们很可能是深熔熔体向上运移了一定距离才被捕获的，而不是来自于物源熔融区。但是，类似岩石应为物源区的主要组成，真正来自物源区的残余体组成上已发生了很大改造。
高级深熔混合岩中变质基性岩(斜长角闪岩)包体的比例相对较高，深熔改造程度较低，可能与变质基性岩相对于中酸性岩更难熔融有关。从岩石结构和变质作用特征可以将斜长角闪岩分为3类：(1)第一类斜长角闪岩(S2031、S1931和S2019)。发育典型的粒状-柱状变晶结构，具高级变质岩的结构特征。其中样品S2019最为典型，角闪石呈绿色-黄绿色，有钛铁矿出溶，其温度可能到750~800℃或者更高些。锆石也大都具扇形结构(图 6g)，显示高温变质锆石特征。这些岩石可能是在较深部源区捕获的。斜长角闪岩(S2019)中出现单斜辉石，颗粒较小，出现在角闪石和斜长石之间(图 3j)，可能记录的变质反应为Hbl = Cpx+Pl+熔体，但这种角闪石脱水熔融对熔体的贡献不大(魏春景等，2017)。(2)第二类斜长角闪岩(S1953)。样品具有变余辉长结构，原岩应为辉长岩，其中角闪石存在较多石英包体，可能与辉长岩受到富硅熔体或流体注入时发生变质有关，变质反应为Cpx+Opx+Pl+富硅熔体/流体= Hbl+Qtz(魏春景等，2017)，所以样品的钾、硅和轻稀土含量偏高。变质条件相当于角闪岩相，或许小于700℃。其锆石以基性岩浆锆石为主，重结晶弱(图 6c)，岩浆锆石年龄为2.69Ga，是新太古代早期的基性侵入岩。该岩石发育片理，且与围岩片理高角度相交。岩石包体可能是在浅部源区捕获的，与英云闪长质片麻岩和表壳岩的深度相似。(3)第三类斜长角闪岩(S1022和S1026)。样品为低角闪岩相的矿物组合，粒状变晶结构，变质温度较低，一般低于600℃，其锆石为典型的基性岩浆锆石，原岩为辉长岩。这两个斜长角闪岩包体的变质温度都远低于基性岩的饱水固相线(Vielzeuf and Schmidt, 2001；Weinberg and Hasalová, 2015)，没有经历部分熔融。因此，他们可能为深熔熔体向上运移了较远的距离才被捕获的。
大多数斜长角闪岩的岩浆锆石年龄为2.53~2.51Ga，与变质作用和壳源花岗岩形成时代(2.52~2.49Ga)大致相同，但起始时间略微偏早。在鲁西地区，~2.5Ga基性岩浆作用以往主要在西南部(C带)被确定(Wan et al., 2010)，最近马铭株等(2020)在东北部(A带)西北侧的七星台地区也发现了~2.5Ga基性岩浆作用。本研究在A带的东部确定~2.5Ga基性岩浆作用存在，具有重要意义。研究区的基性岩包体为高级深熔混合岩从不同地壳层次携带而来，表明A带中可能存在大规模的~2.5Ga基性岩。不仅可为大规模混合岩和壳源花岗岩形成提供大量热源，而且进一步支持了~2.5Ga地幔岩浆底侵作用在整个鲁西地区都发育广泛的认识(马铭株等，2020)。虽然这些基性岩是高级深熔混合岩的源区组成类型之一，但不是壳源花岗岩形成的主要物质来源。
英云闪长质片麻岩岩和表壳岩的地球化学组成与前人报道的类似(Hu et al., 2019；Gao et al., 2020)。斜长角闪岩的轻重稀土分异程度存在较大变化，普遍显示出富集大离子亲石元素、亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素的组成特征(图 5c, d)，可能与后期富硅熔体或流体改造有关。这与部分样品中存在外来锆石一致。对于遭受深熔作用改造的岩石，地球化学分析结果已不能完全代表原岩的地球化学组成，在开展有关岩石成因讨论时应持谨慎态度。
6 结论(1) 鲁西沂山地区高级深熔混合岩的源区组成不是单一的，至少包括了新太古代早期(~2.7Ga)英云闪长片麻岩和变质辉长岩以及新太古代晚期(~2.5Ga)石英闪长质片麻岩、变质火山岩和变质辉长岩(斜长角闪岩)等岩石类型。
(2) 高级深熔混合岩中的包体是从不同地壳层次携带上来的，经历了不同程度的变质作用改造。
(3)~2.5Ga基性岩浆作用在鲁西地区广泛发育，为新太古代晚期深熔作用及大规模壳源花岗岩的形成提供了热源。
致谢 锆石靶由北京离子探针中心江南、杨淳制作，锆石CL图像由北京离子探针中心张志超完成，锆石SHRIMP U-Pb定年分析得到北京离子探针中心刘建辉工程师的帮助；锆石Hf同位素分析得到中国计量科学研究院高钰涯老师的帮助；两位评审专家提供了宝贵的修改意见和建议，对论文质量的提高起了重要作用。在此深表谢意！
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