青岛仰口榴辉岩及其围岩的岩石地球化学特征和成因机制＊

李 敏，韩宗珠，许 红，张 贺，赵广涛，林学辉，何雨旸

（1.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛266100；2.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东 青岛266071）

大别—苏鲁超高压变质带是世界上现已确定的十几个超高压变质带中规模最大、出露最好的超高压变质带，是中朝板块和扬子板块在印支期俯冲碰撞的产物。自含柯石英和金刚石的超高压变质岩在该区被发现以来[1－2]，该变质带成为研究大陆碰撞造山带作用及动力学的重要场所之一。青岛仰口地区由于保存了从变辉长岩到榴辉岩的完整的超高压变形和变质岩石组合，成为研究超高压变质作用的典型地区[3－4]。自韩宗珠等[5]首次在青岛仰口发现榴辉岩以来，这一超高压构造单元便吸引了国内外许多地质学家对其进行研究，在地球化学、矿物学、岩石学、构造学和年代学方面取得了一系列的研究成果[4，6－13]，对该区榴辉岩的形 成时代、温压条件、物质来源等有了深刻的理解。本文旨在前人研究的基础上，通过主微量元素地球化学分析，揭示榴辉岩及其围岩的岩石学、地球化学等方面的特征及其成因机理，进而探讨该区岩石形成的构造环境。

1 地质背景

青岛仰口地区位于青岛王哥庄镇东海边，出露约2km2的超高压变质地体和大量的花岗岩。本文所研究的超高压变质地体位于苏鲁超高压变质带北缘，五莲—荣成构造带的中部，是鲁东造山带的组成部分[10－11]。该区榴辉岩主要呈透镜状产出于太古代—早元古代胶南群变质地层中，其原岩形成时代为新元古代[3，9]，与围岩的总出露面积约2km2，主要围岩为花岗质片麻岩、超基性岩、变辉长岩等[3]（见图1）。超基性岩在本地表现为蛇纹岩，主要出露在该地体的西北部，与片麻岩呈突变接触关系，在接触面附近伴随强烈的片理化，原岩形成于古元古代，受到新元古代Rodinia岩浆热事件的改造[3]；变辉长岩与相邻的榴辉岩呈过渡接触关系，部分呈透镜体出露在强烈面理化的片麻岩中，主要出露在中部一带，其原岩形成于新元古代[3，14]；片麻岩在中部及北部大面积出露，大部分围岩均遭受了不同程度的韧性变形作用的改造[3，11]。

2 岩相学特征

研究区主要出露一套受到强烈变质变形的构造混杂岩，其变质岩类型主要有片麻岩、变辉长岩、榴辉岩和超基性岩（已蚀变为蛇纹岩）等。

（1）榴辉岩 灰绿色，细粒－中细粒鳞片粒状变晶结构，块状构造，主要矿物为石榴石（30%～50%）、绿辉石（10%～45%）、白云母（10%～20%）、石英（10%～

20%）、绿泥石（5%～10%）组成，次要矿物主要是金红石。

（2）变辉长岩 深灰色，变余辉长结构和粒状变晶结构，块状构造。样品2009－YK－23主要矿物为绿泥石（30%）、白云母（15%）、石英（15%）、石榴石（10%）、绿辉石（15%）、碱性长石（10%）；样品2009－YK－14B主要矿物为普通辉石（45%）、斜长石（45%）、石英（10%）。

（3）超基性岩 完全蛇纹石化，呈灰绿、深灰色，中细粒粒状变晶结构和隐晶质结构，块状构造和片麻状构造，主要矿物为蛇纹石（80%～90%），次要矿物为磁铁矿、方解石等。

（4）片麻岩 浅灰、灰白色，细粒－中粗粒鳞片粒状变晶结构，片麻状构造，主要矿物为长石（20%～70%，主要是斜长石和微斜长石）、石英（20%～65%）、白云母（10%～40%）。

方爱民等[4]通过对青岛仰口地区不同期次构造变形的研究认为该区超高压变质岩经历了多期构造变形和变质作用，其中主要包括榴辉岩相、角闪岩相和绿片岩相条件下的三期挤压构造变形以及一期较晚时期的伸展构造运动。以榴辉岩的岩相学观察为例，榴辉岩经历了多期的退变质作用，矿物变形程度存在明显的差异性，在较大榴辉岩透镜体核部产出的榴辉岩变形程度较弱，大部分呈自形或半自形晶体平衡共生（见照片1），而在透镜体边部和条带状榴辉岩中矿物的变形作用强烈（见照片2），主要表现在石英强塑性变形，粒度较细，多为构造重结晶的细粒石英集合体，多数石英光轴与榴辉岩的条带延长方向一致；白云母塑性扭曲呈膝形（见照片3）；绿辉石呈透镜状或长柱状定向排列，与压扁拉长的石榴石一起构成条带状构造；石榴石多碎裂为细小的颗粒，并被压扁拉长为条带状或透镜状（见照片4），部分石榴石沿裂理呈书斜式排列，呈现后期剪切特征。

图1 苏鲁地区以及青岛仰口地质简图（据Zhang R Y et al[15]）Fig.1 Simplified geological map of Su－Lu region and Yangkou

图2 榴辉岩中矿物显微构造特征Fig.2 Photomicrographys of minerals in eclogite

3 样品采集及分析方法

本文样品主要采自青岛仰口湾，具体采样位置见图1所示。

将采集的具有代表性的样品（7件榴辉岩、3件超基性岩、2件变辉长岩及2件片麻岩）用清水洗净烘干，选取新鲜部分，粉碎至200目用于主微量及稀土元素的测试。主量元素在中国海洋大学海洋地球科学学院XRF分析实验室完成，分析经度优于0.5%，微量元素和稀土元素的分析在中国地质调查局青岛海洋地质研究所实验中心用ICP MS/AES完成，分析精度优于5%。主微量及稀土元素的测试过程中均使用国内玄武岩标样GBW07105（GSR－3）作为标准样品。属于橄榄拉斑玄武岩，而超基性岩则属于苦橄岩。片麻岩的SiO2过饱和，均不出现标准霞石和白榴石，说明其岩浆来源不是过碱性岩浆，长石以钠长石为主，其次为钾长石和钙长石，出现标准矿物刚玉，说明片麻岩的Al过饱和，利用Ab－An－Or图解（图略）进行分类得到该地片麻岩原岩为花岗岩。

根据TAS分类图（见图3）和AFM图（见图4），青岛仰口地区榴辉岩、变辉长岩和片麻岩为钙碱性系列，超基性岩属于拉斑系列。

4 地球化学特征

4.1 主量元素特征

榴辉岩与变辉长岩的主要氧化物含量非常接近，相当于玄武岩或辉长岩。SiO2平均为50.79%；Na2O＞K2O，岩石富钠贫钾，K2O/Na2O平均为0.34，为钠质类型，里特曼指数平均为5.9，为碱性系列。榴辉岩和变辉长岩的的Al2O3和TiO2含量平均值分别为16.21%、0.98%和16.41%、0.77%，与岛弧拉斑玄武岩相似[16]。分异指数平均值分别为58.44、63.98，固结指数平均值分别为16.42、15.73，说明岩浆分异程度较高。根据R.G.Colemn[17]的榴辉岩分类，青岛仰口榴辉岩为C榴辉岩，这一结论得到矿物学研究的证实[18]。

超基性岩SiO2平均为41.86%；Na2O＞K2O，岩石富钠贫钾，K2O/Na2O 平均为0.005 9，为钠质类型。分异指数平均为2.17，固结指数平均为72.28，岩浆的分异程度最低。

片麻岩SiO2平均为72.03%；K2O/Na2O平均为1.06，为钠质类型，里特曼指数平均为1.81，为钙碱性系列；AKNC均大于1.1，为过铝质岩类。分异指数平均为86.23，固结指数为平均为7.94，岩浆分异程度最高。

CIPW标准矿物计算结果如表2所示，显示榴辉岩和变辉长岩为SiO2不饱和岩石，长石以钠长石为主，其次为钙长石和钾长石，其他主要标准矿物为透辉石、橄榄石和紫苏辉石，个别样品出现霞石。超基性岩中主要的标准矿物为橄榄石、紫苏辉石和锥辉石。按照CIPW标准矿物成分对玄武岩及其相关的岩石和超基性岩的分类图解可以推断青岛仰口榴辉岩和变辉长岩

图3 TAS图解Fig.3 TAS diagram

图4 AFM图解（据朱维光[19]，图例同图3所示）Fig.4 AFM diagram（According to Zhu[9]，legerds are shown in Fig.3）

4.2 微量元素特征

青岛仰口榴辉岩的微量分析结果见表3。

在相对于MORB标准化的蛛网图（见图5）中，青岛仰口榴辉岩、变辉长岩和片麻岩富集大离子亲石元素，而亏损高场强元素，具Ba、Ce、Sr、Sm等的正异常，Nb、Ta、Zr、Hf等的负异常，这与和俯冲交代作用有关的岛弧玄武岩微量元素特征一致[21]。这三者的微量元素标准化模式曲线呈“W”型，具有岛弧钙碱性岩浆岩的模式特征[22]，与下地壳的微量元素标准化曲线相似，但相对亏损Hf、Zr元素。

超基性岩的大离子亲石元素和高场强元素相对于MORB亏损，MORB标准化曲线与下地壳的标准化曲线的变化趋势大体一致，具Nb、Ta、Zr、Hf的负异常，Ba、Sm的正异常，反映出岛弧火山岩的特征，其源区可能是俯冲带岛弧下的发生过部分熔融的地幔楔[23]，在形成过程中可能遭受了消减作用的影响，并有陆缘物质的混染[24－25]。

图5 微量元素MORB标准化蛛网图（图例同图3所示）Fig.5 MORB normalized spidergram of trace element（Legends are shown in Fig.3）

4.3 稀土元素特征

在球粒陨石标准化的图解（见图6）和表4中，可以看出青岛仰口榴辉岩和变辉长岩的稀土元素分布型式为明显的右倾型，显示二者具有相同的成因特征。稀土元素总量较高；（La/Yb）N比值说明轻重稀土元素发生了明显的分馏；轻稀土明显富集，重稀土元素间没有明显的分馏，稀土元素配分型式与钙碱性岛弧玄武岩相似，但轻稀土元素要稍高于钙碱性岛弧玄武岩，可能与受到陆壳物质的混染有关；δEu平均值分别为1.14和0.92，具有弱的Eu异常。

片麻岩的稀土总量与榴辉岩和变辉长岩的稀土总量相当，轻重稀土也发生了明显的分馏，δEu平均为0.63，Eu负异常明显，与岩浆中斜长石的分离有关。片麻岩稀土元素的分布型式为典型的A型花岗岩所特有的海鸥型[28]，显示出与A型花岗质岩石具有一定的相似性。

榴辉岩和变辉长岩的稀土元素配分模式基本相同，可能具相同的成因特征，仅在Eu的亏损程度上有所不同，暗示较酸性岩浆可能是较基性岩浆连续分离结晶的产物[29]，Eu的亏损自基性岩到酸性岩逐渐增强，δEu为1.14～0.63，由弱的正异常到明显亏损。

超基性岩的稀土总量与球粒陨石（ΣREE2.562×10－6）相比偏高，轻稀土总量明显较高，重稀土较低，属于亏损的地幔岩[30]；LREE/HREE为2.8，说明稀土元素配分曲线比较平坦；（La/Yb）N为2.45～2.76平均为2.65，轻重稀土分馏不明显；δEu平均为0.71，具较明显的负异常，可能是岩浆中斜长石发生分离从而使得残余熔浆中亏损Eu；δCe为0.35，具强烈的Ce的负异常，而其他样品并未显示Ce的负异常，因此更合理的解释应该是在氧化条件下形成的具有Ce负异常的沉积物深俯冲形成超基性岩[31]。

图6 榴辉岩稀土元素球粒陨石标准化模式图解（图例同图3所示）Fig.6 Chondrite－normalized REE patterns of eclogite（Legends are shown in Fig.3）

5 讨论

不相容性相似的元素比值可以指示不同的地幔端元[33]，因而可以有效的区分岩浆源区。

青岛仰口榴辉岩Nb/Ta比值平均为16.37，多数≤17.5，片麻岩的 Nb/Ta比值平均为14.8，接近于陆壳的 Nb/Ta比值（11～17.5）[34]；超基性岩的 Nb/Ta比值平均为11，接近于亏损地幔的Nb/Ta比值（15.5±1）[35]；变辉长岩的 Nb/Ta比值为24～29.3，平均为26.6，高于原始地幔和陆壳的Nb/Ta比值，可能与石榴石稳定域内的部分熔融作用有关[36]。榴辉岩、变辉长岩、超基性岩和片麻岩的Ba/Nb平均值分别为264.41、268.8、103 和 107.4，La/Nb平均值分别为6.34、6.93、6.08和3.24，高于洋中脊和洋岛玄武岩的比值（Ba/Nb≤20，La/Nb为0.5～2.5）；而与岛弧玄武岩类似（Ba/Nb约为200，La/Nb为1～15）[37]。

同样，利用Nb、Yb和Th也能有效的区分岩浆源区[38]，在Nb/Yb－Th/Yb图解（见图7）中，榴辉岩、变辉长岩和片麻岩投影在深部地壳熔融趋势线附近，超基性岩则落在岩浆－地壳作用的趋势线附近，所有样品全部落在火山弧序列内，说明该区岩石的岩浆源区与地壳有关，其形成与火山弧作用有密切的联系。

Ti/Y－Nb/Y图解（见图8）指示了研究区榴辉岩和变辉长岩与大洋辉长岩之间的不同及与大陆堆积辉长岩的相似性，表明两者的原岩为辉长岩，叶建国[3]通过观察本区榴辉岩和变辉长岩的矿物结构和成分也证实榴辉岩和变辉长岩的原岩为辉长岩。

图7 Th/Yb－Nb/Yb图解Fig.7 Th/Yb－Nb/Yb diagram

图8 Ti/Y－Nb/Y图解Fig.8 Yi/Y－Nb/Y diagram

图9 片麻岩原岩类型判别图解Fig.9 Discrimination diagrams of the protolith of gneiss

图10 构造环境判别图解Fig.10 Discrimination diagrams of tectonic environment

Katsube A et al对仰口正片麻岩的地球化学特征研究表明，该区片麻岩原岩为A型花岗岩。Rb/Nb－Y/Nb图解及Nb－Y－3Ga图解（见图9）进一步说明研究区片麻岩原岩为造山后A型花岗岩。在Hf/3－Th－Ta和Hf/3－Th－Ta图解（见图10）中，研究区样品均投影在岛弧钙碱性玄武岩区，说明形成于岛弧环境。前人对该区岩石的年代学研究表明榴辉岩、变辉长岩及片麻岩的原岩均形成于新元古代，超基性岩的原岩形成于古元古代，都经历了超高压变质作用（见表5）。根据研究区岩石的地球化学特征及各种成因判别图解推断本区的超高压变质岩的原岩为岛弧环境的火成岩，榴辉岩及变辉长岩的原岩为辉长岩，片麻岩的原岩为造山后的A型花岗岩，其岩浆源区位于大陆下地壳；超基性岩的原岩为地幔岩，岩浆源区位于上地幔。在中－晚三叠纪期间，扬子板块与华北板块碰撞，扬子板块古－新元古代的巨量陆壳物质向华北板块俯冲到达地幔深度，最大可达200km[45]，此时温压条件可能达到1 000～1 100℃，6～7Gpa[46]，俯冲的陆壳物质发生超高压变质作用形成了榴辉岩等超高压变质岩。

表5 青岛仰口地区榴辉岩及其围岩同位素年龄Table 5 Isotopic age of eclogite and its country rock from Yangkou in Qingdao

6 结论

（1）地球化学特征表明仰口地区榴辉岩、变辉长岩及片麻岩富集大离子亲石元素，亏损高场强元素，稀土元素为右倾型，超基性岩微量元素相对于MORB亏损，轻重稀土分馏不明显。

（2）该区超高压变质岩的原岩形成于岛弧环境，榴辉岩和变辉长岩的原岩为辉长岩，片麻岩的原岩为造山后A型花岗岩，三者的岩浆源区位于下地壳，超基性岩的原岩为亏损的地幔岩，原岩的岩浆源区位于上地幔。

致谢：本文依托“南黄海油气资源评价技术及其应用研究”子项目“下扬子前陆盆地成因特征与盆山耦合关系研究”。中国地质调查局青岛海洋地质研究所科技处和实验中心为本项目的开展给予了大力支持和帮助，作者在此深表感谢。

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