胶北地块变质基底超镁铁岩的矿物岩石地球化学特征*

2015-03-15孔凡梅刘云李旭平郭敬辉赵国春

岩石学报 2015年6期

关键词：橄榄岩辉石尖晶石

孔凡梅刘云李旭平＊＊郭敬辉赵国春

KONG FanMei1，LIU Yun1，LI XuPing1＊＊，GUO JingHui2 and ZHAO GuoChun3

1. 山东省沉积成矿作用实验室，山东科技大学，青岛 266510

2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

3. 香港大学地球科学系，香港

1. Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization and Sedimentary Minerals，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China

2. Institute of Geology and Geophysics，CAS，Beijing 100029，China

3. Department of Earth Sciences，University of Hong Kong，Pokfulam Road，Hong Kong，China

2014-10-11 收稿，2015-04-03 改回.

1 引言

华北克拉通东部陆块在太古代晚期～2.5Ga 发生过一次重要的俯冲-碰撞拼合事件，将古老的微陆块焊接到一起，形成了华北克拉通的基本格架(Zhai and Liu，2003;Zhai and Santosh，2011;Zhao and Zhai，2013)，此次碰撞引发区域性变质深熔作用，在俯冲阶段形成TTG 片麻岩和石榴黑云斜长片麻岩，与此同时，该正片麻岩被同构造花岗岩类岩石侵入(Zhai and Liu，2003;Zhai and Santosh，2011)，早期地壳受到强烈的再造(颉颃强等，2013;单厚香等，2013)，之后古元古-中元古发生裂解(Zhai and Liu，2003)。众多研究成果显示，在1950 ～1850Ma 期间，华北地块经历了一次高压麻粒岩相变质事件(Zhao et al.，2001;Zhao and Guo，2012;Zhou et al.，2008;Tam et al.，2011;刘平华等，2011，2013)，部分学者认为华北克拉通于此期间发生陆-陆碰撞、拼合成统一的克拉通变质基底(Zhao et al.，2005)。

胶北地块结晶基底是华北克拉通东部陆块的重要组成部分。年代学研究成果显示，该区在早前寒武纪经历了多期岩浆-变质热事件，主要表现为三期岩浆事件(～2.9Ga、～2.7Ga和～2.5Ga)和两期热变质事件(～2.5Ga 和1.8 ～1.9Ga)(Tang et al.，2007;Jahn et al.，2008;Zhou et al.，2008;刘建辉等，2011，2012;徐扬等，2011;董春艳等，2010;Liu et al.，2013a;颉颃强等，2013)。最近的年代学研究表明，胶北地块变泥质岩和基性高压麻粒岩的变质时间为1.85 ～1.95Ga 之间(Zhou et al.，2008;Tam et al.，2011;Zhao and Guo，2012)，高压麻粒岩相峰期变质时间为1.85 ～1.9Ga(刘平华等，2011)。

胶北地块基性高压麻粒岩赋存于太古代花岗片麻岩和TTG 片麻岩中(刘文军等，1998;刘平华等，2010;Tam et al.，2012a)，其原岩为形成于弧后扩张背景下的拉斑玄武质岩石。岩石在胶-辽-吉带碰撞闭合过程中，先经历了麻粒岩相变质作用，随后又经历了抬升过程中退变质和钙硅酸岩化作用(刘文军等，1998;刘平华等，2010;李旭平等，2013)。斜长角闪岩与二辉麻粒岩形成于胶北地块古元古代地层沉积之前的一次地壳伸展作用，后于古元古代晚期(1.95 ～1.80Ga)卷入了碰撞造山作用过程(刘平华等，2013)。

研究资料显示，胶北地块镁铁质岩主要为太古代基性-超基性侵入岩和古元古代基性-超基性侵入岩，例如具2839～2904Ma 的Sm-Nd 模式年龄的福山后变质橄榄辉石岩和锆石U-Pb 年龄为1852 ±9Ma、1868 ±11Ma 的西水夼变辉长岩(王世进等，2009)。研究者于胶北地块荆山群分布区发现超镁铁质岩(周喜文等，2004;Tam et al.，2011)，胶北地块出露的栖霞TTG 片麻岩中不规则透镜状超镁铁岩，变质演化P-T-t 轨迹具有典型碰撞造山带顺时针型式，可能是古老陆块之间碰撞造山的产物(刘平华，2011;刘平华等，2011，2012;Liu et al.，2012，2013b)。本文研究的超镁铁岩石，为出露于胶北地块前寒武纪结晶基底TTG 片麻岩中的尖晶石橄榄岩、辉石岩和角闪石岩，通过对其进行矿物岩石和主、微量元素的地球化学的分析，探讨其形成的热力学特征及其后期的交代变质作用，进而探究该超镁铁质岩石的原岩性质、形成的构造背景及其所经历的地质作用过程。

2 地质背景

胶北地块位于华北克拉通东部，北临渤海，位于胶-辽-吉活动带的南端(Zhao et al.，1999，2000);东南侧大致以五莲-即墨-牟平断裂带为界邻接苏鲁造山带;西侧以郯庐断裂为界邻接鲁西地体;胶北地块中五莲-即墨-牟平断裂带以北，发育了中生代胶莱盆地(图1)。胶北前寒武纪结晶基底岩石组合及演化历史与辽东半岛非常相似(Zhao et al.，1999，2005;李旭平等，2011)。胶北地块出露的太古宙陆壳物质主要是称为胶东群的一套形成于晚太古代的变质火山沉积岩系，及以粉子山群和荆山群为代表的早元古代变质杂岩系列(宋明春和李洪奎，2001;宋明春，2008;李旭平等，2011)。

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镁铁质岩石及胶东岩群中基性火山岩(宋明春和李洪奎，2001;Jahn et al.，2008)。TTG 片麻岩分布在莱西和栖霞地区，前人研究成果表明至少经历3 期的TTG 岩浆事件，而2.6 ～2.5Ga 期间最为强烈(刘建辉等，2011，2012)。而TTG 片麻岩中分布有众多大小不等的同期或稍早的透镜状超镁铁质岩侵入体和更早的中太古代斜长角闪岩与高压麻粒岩。胶北荆山群分布于莱阳-莱西-平度-安丘等地，围绕胶东群分布，其岩石组合主要为富铝的片岩-片麻岩、透辉石岩、大理岩、石墨片麻岩、黑云斜长片麻岩和镁铁质岩石(Tam et al.，2011)，经历了高角闪岩相-麻粒岩相变质作用。粉子山群则分布在胶北地块北部的蓬莱和烟台等地，岩石组合主要为泥砂质片岩、片麻岩和大理岩等，其变质程度相对较低，经历了高绿片岩相到低角闪岩相变质作用(周喜文等，2004;王舫等，2010;Tam et al.，2011)。

图1 胶北地块构造地质简图及采样位置(据周喜文等，2004;李旭平等，2013 修改)Fig.1 Geological schematic map of the Jiaobei terrane and sample localities (modified after Zhou et al.，2004;Li et al.，2013)

胶北前寒武纪结晶基底的岩石据其物质组成和形成时代约分为五类:①TTG 质-闪长质和花岗质片麻岩类(刘建辉等，2011;单厚香等，2013;颉颃强等，2013;刘平华等，2014);②新太古代变质表壳岩系，在不同地区，岩石类型有所差异，栖霞北部主要岩石类型为斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩和黑云变粒岩等(刘平华等，2014);③元古代变质表壳岩系，主要为相当于孔兹岩系的含石榴石富铝片岩-片麻岩、长英质片岩-片麻岩、大理岩和钙镁硅酸盐岩(刘平华等，2014)，并包括高压泥质麻粒岩(周喜文等，2004;Zhou et al.，2008;王舫等，2010;Tam et al.，2012b，c)和中-新元古代浅变质岩系及古元古代变质侵入岩(刘平华等，2014);④基性高压麻粒岩类(白瑾等，1996;刘文军等，1998;刘平华等，2010;李旭平等，2011，2013;Tam et al.，2012a;Liu et al.，2013a，b;刘平华等，2014);⑤镁铁-超镁铁质岩类(刘平华，2011;刘平华等，2014)。

胶北地块的超镁铁质岩石，主要分布在莱西-莱阳、招远、栖霞一带;该区的超镁铁质岩石多以不规则透镜体或者变形岩墙的形式被包裹于花岗质或TTG 质片麻岩中，并常与高压基性麻粒岩伴生(刘平华，2011)。前人研究成果表明，胶北栖霞超镁铁质岩石中锆石记录的高压变质时代为1858～1877Ma，此年龄与区内高压基性麻粒岩记录的1900 ～1850Ma 峰期高压变质时间相吻合，该超镁铁质岩退变质时代为1820 ～1840Ma(刘平华，2011);元古代荆山群分布区也存在变质基性-超基性岩，已有的研究成果指出其207Pb/206Pb变质年龄为1956 ±41Ma 和1884 ±24Ma(Tam et al.，2011)。

3 样品采集与分析方法

本文中超镁铁质样品采自莱西福山后村，莱西怀古庄与张各庄之间，招远大吴家、苏家庄子等地的太古代基底中(图2)。研究地区采集的蛇纹岩、蛇纹岩化橄榄岩、辉石岩和角闪石岩，来自包含在新太古代TTG 片麻岩中的透镜状或块状岩体(图2)。招远地区的超镁铁岩蛇纹岩化较严重，莱西地区所取样品与刘平华(2011)论述的A 类高镁超基性岩一致(图2b)，据山东省地质矿产局第四地质队区调研究所，为变超基性岩类。取样点皆落入1∶5 万地质图上新太古代的基性-超基性变质岩区。本文鉴定观察和研究分析了26 件样品，选取其中14 件进行地球化学主、微量元素的分析。

图2 胶北地块研究区前寒武纪基底岩石分布及采样点位置(据山东省地质矿产局第四地质队区调研究所，1995①山东省地质矿产局第四地质队区调研究所. 1995. 中华人民共和国地质图(1∶50000). 山东省地质印刷厂印刷)(a)招远地区;(b)莱西地区Fig. 2 Distribution of Precambrian rocks and sample localities in the investigated area of the Jiaobei terrane(a)Zhaoyuan area，(b)Laixi area

矿物的电子探针分析数据是在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室完成，仪器型号JXA-8230;分析条件:加速电压15kV，束流20nA，束斑1μm;数据通过ZAF correction produce 校正。对数据进行分析处理是采用Ax、Geokit、Minpet 等软件计算矿物端元组分。主微量元素在中科院地球化学研究所矿床地球化学重点实验室完成，主量元素采用PW4400 型X 荧光仪测定;微量元素采用ICP-MS 质谱分析仪，分析方法如Qi and Grégoire(2000)。根据对标准样品GBPC-1de 分析结果，分析误差＜5%。图文中矿物缩写符号据Whitney and Evans(2010)。

4 岩相学

研究区的超镁铁岩样品均发生中等-强的蛇纹岩化，其组成矿物主要是橄榄石、斜方辉石、角闪石、蛇纹石等，次要矿物有尖晶石、绿泥石、磁铁矿及方解石等;副矿物有钛铁矿和磷灰石。角闪石岩相对较新鲜。此外26 件研究样品中均未发现单斜辉石。根据矿物组合可以将研究区岩石分为以下几种类型:

(1)蛇纹石化尖晶石方辉橄榄岩

岩石发生中度蛇纹石化，其矿物组合为橄榄石(40% ～50%)、蛇纹石(20% ～30%)、斜方辉石(5% ～15%)、尖晶石(5% ～10%)和角闪石(5% ～10%)，还含有少量磁铁矿、钛铁矿和榍石。为表达简便，后文中将其简称为尖晶石橄榄岩或橄榄岩。

其中尖晶石有两期成因，早期尖晶石(Spl1)被包裹于斜方辉石中，或与早期大颗粒的斜方辉石共生(图3a，b)，呈褐绿色，自形-半自形粒状，粒径0.2 ～0.5mm(图3a，b);晚期尖晶石(Spl2)淡红褐色，他形晶，通常＜0.2mm，与后期形成的角闪石密切共生(3c)。橄榄石也分两期形成，早期为包裹在大颗粒斜方辉石中的浑圆状(Ol1)或大颗粒残斑状橄榄石，晚期橄榄石颗粒细小(Ol2)，分布于大颗粒残斑状橄榄石或斜方辉石周围。早期斜方辉石(Opx1)颗粒较大，约0.5mm～2cm。而晚期斜方辉石(Opx2)交代早期大颗粒斜方辉石(Opx1)的边缘，或呈不规则细粒状产出于早期斜方辉石边部，并与早期角闪石紧密共生。早期角闪石(Amp2)与晚期橄榄石(Ol2)和晚期斜方辉石(Opx2)共生，晚期角闪石(Amp3)与蛇纹石、磁铁矿和方解石等矿物共生(图3f)。

(2)蛇纹石化尖晶石橄榄斜方辉石岩

主要矿物为斜方辉石(40% ～50%)、蛇纹石(25% ～30%)、橄榄石(5% ～10%)、尖晶石(5% ～10%)和角闪石(10% ～20%)。为表达简便，后文中将其简称为尖晶石辉石岩或辉石岩。

其它矿物有绿泥石、磁铁矿、钛铁矿、方解石、磷灰石等。斜方辉石粒径约0.5 ～2mm，大颗粒斜方辉石中间保留了早期特征(Opx1)，边缘为受交代作用改造的晚期产物。橄榄石多为后期重结晶形成的细小颗粒。尖晶石为绿色(Spl2)，形状极不规则，粒径通常＜0.2mm，大多裹在蛇纹石中。角闪石也呈现两期特征。部分样品中见方解石细脉。

(3)蛇纹岩

蛇纹石含量大于90%，网格状结构中残留了少量的橄榄石，常见蛇纹石完全交代橄榄石却仍保留了橄榄石颗粒形态假象，假象颗粒间常呈现三边平衡结构(图3e)，显示橄榄石颗粒在蛇纹石化之前经历了变质重结晶作用。少量绢石化斜方辉石，具有斜方辉石假象。还有磁铁矿、方解石、绿泥石等次生矿物，样品发生了程度不同的碳酸盐化现象。

(4)角闪石岩

岩石由角闪石(90%)、斜方辉石(5%)、尖晶石(1% ～2%)、橄榄石组成，还见有少量斜长石、钛铁矿、方解石、伊丁石等矿物，其中尖晶石含量很少，为绿色尖晶石。角闪石也分早晚两期，分别与斜方辉石-橄榄岩-尖晶石和绿泥石-蛇纹石-磁铁矿-伊丁石-方解石共生(图3h)。

采自胶北地块新太古变质基底的尖晶石橄榄岩和尖晶石辉石岩中角闪石全部为绿色镁角闪石与透闪石，为常见的变质角闪石，而非富钛、富铬的地幔角闪石(樊祺诚等，1992)。这两类超镁铁质岩中含有大量绿色高铝尖晶石，有学者认为绿色高铝尖晶石是麻粒岩相的标志性矿物(Evans and Frost，1975;刘平华，2011)，则研究样品中绿色高铝尖晶石和晚期的橄榄石、斜方辉石代表了麻粒岩相的矿物组合，而镁普通角闪石的出现，又喻示岩石经历了角闪岩相的变质作用。依据岩相学和矿物化学分析认为，采自胶北地块变质基底中的尖晶石橄榄岩的演化可以分为3 个阶段，分别为:M1 原岩形成阶段，早期残留的原岩矿物组合为Opx1+

Jiaobei massifOl1+Spl1;M2 麻粒岩-角闪岩相变质阶段，该阶段矿物组合为Opx2+Ol2+Spl2+Amp2;M3 晚期绿片岩相变质阶段，这阶段新生的矿物为Amp3、Srp3、Mag3等，还有绿泥石等矿物。所有的岩石类型中都观察到有碳酸盐化现象，常见方解石与蛇纹石共生，部分薄片中局部见方解石细脉切穿蛇纹石，显示碳酸盐化与蛇纹石化同期或稍晚的特征。图3 中矿物代号的下标代表了以上划分的不同阶段。

表1 胶北地块新太古超镁铁岩中橄榄石、斜方辉石和尖晶石的矿物成分(wt%)Table 1 Representative mineral compositions (wt%)of olivine，orthopyroxene and spinel in the ultramafic rocks from Late Archean

5 矿物化学

分别对研究区的尖晶石橄榄岩、尖晶石斜方辉岩和角闪石岩等进行矿物成分特征研究，电子探针矿物组分分析结果列在表1、表2。

斜方辉石在尖晶石橄榄岩中早期代表地幔岩原岩的斜方辉石，En 为89.45 ～89.96，Fs 值为9.55 ～10.01，属顽火辉石范围，Mg#为0.90 ～0.91;晚期斜方辉石受到交代作用的改造，En 为88.06 ～88.50，Fs 为10.91 ～11.43，也属于顽火辉石范围，Mg#～0.89。尖晶石辉石岩中斜方辉石En 为84.52 ～85.31，Fs 为14.29 ～15.06，属古铜辉石范围，Mg#为0.89 ～0.91。角闪石岩中斜方辉石En 为76.40 ～76.94，Fs为21.85 ～23.25，属于古铜辉石范围，Mg#为0.79 ～0.80。且尖晶石橄榄岩中斜方辉石Al 的含量低，在Al2O3-TiO2图解中，显示其具克拉通橄榄岩中斜方辉石特征(图4)。

橄榄石在尖晶石橄榄岩中，早期橄榄石Fo 值范围为88.42 ～90.40，FeO 含量9.17% ～10.96%，MnO 含量0.13%～0.19%。晚期重结晶的小颗粒橄榄石Fo 略有降低，为87.01～87.37，FeO 和MnO 的含量升高，分别为12.02% ～12.34%和0.20% ～0.34%。尖晶石辉石岩中橄榄石也表现出与尖晶石橄榄岩相同的变化规律，早晚两期的橄榄石呈现Fo 值逐渐降低，而MnO 含量升高的特征(图5)。

表2 胶北地块新太古超镁铁岩中角闪石、蛇纹石及其他矿物的化学成分(wt%)Table 2 Representative mineral composition (wt%)of amphibole，serpentine and other minerals in the ultramafic rocks from Late Archean Jiaobei massif

图4 斜方辉石Al2O3-TiO2 图解灰色区域和实线圈闭区域分别代表克拉通橄榄岩和非克拉通橄榄岩(据Rudnick et al. ，2004 修改)Fig.4 Al2O3-TiO2 diagram of orthopyroxeneGrey area and solid circle represent cratonic peridotite and offcratonic peridotite respectively (after Rudnick et al. ，2004)

图5 胶北地块超镁铁岩中橄榄石的Fo-MnO 关系图解Fig. 5 Fo-MnO diagram of olivines from the ultramafic rocks in Jiaobei terrance

图6 胶北地块超镁铁岩中尖晶石的XMg-Cr#关系图解(a)、Mg-Fe2+-Cr 成分图解(b，据Della-Pasqua，1995)和Al2O3-Cr2O3 图解(c，据Franz and Wirth，2000)Fig. 6 XMg-Cr# diagram (a)，Mg-Fe2+-Cr diagram (b，after Della-Pasqua，1995)and Al2O3-Cr2O3 diagram (c，after Franz and Wirth，2000)of spinels from the ultramafic rocks in Jiaobei terrane

图7 胶北地块超镁铁岩中角闪石成分特征(a)角闪石的Si-Mg/(Mg +Fe2+)成分分类图(据Leake et al. ，1997);(b)Al-Ti 成分图解(据靳是琴，1991)Fig. 7 Amphibole chemistry from ultramafic rocks in Jiaobei terrane(a)Si-Mg/(Mg+Fe2+)diagram (after Leake et al. ，1997);(b)Al-Ti diagram (after Jin，1991)

尖晶石尖晶石橄榄岩中早期的尖晶石Mg#为0.72 ～0.79，Cr#为0.06 ～0.11，Al2O3含量60.25% ～63.03%，Cr2O3为5.60% ～6.77%，FeO 为12.24% ～12.28%，TiO2＜0.05%。晚期的尖晶石Mg#降低为0.68 ～0.71，Cr#为0.06～0.12，Al2O3含量也有所降低，而FeO 含量增加。

尖晶石辉石岩中绿色铝尖晶石Mg#范围为0.58 ～0.67，Cr#为0.07 ～0.16，Al2O3含量为51.1% ～59.1%，Cr2O36.15% ～14.07%，MgO 14.02% ～16.74%。角闪石岩中也存在少量绿色铝尖晶石，Mg#为0.49 ～0.51，Cr#0.06 ～0.09。不同阶段和岩石类型中的尖晶石，从早期到晚期，从橄榄岩、辉石岩到角闪石岩，Mg#依次降低，FeO 含量依次升高，说明随着变质作用的进行，由于Mg-Fe 扩散作用的影响，Mg 逐渐被Fe 替代(图6a)。研究的超镁铁岩尖晶石，尤其在早期地幔岩阶段形成的高Mg、Al 低Cr 尖晶石，其成分区介于深海橄榄岩的尖晶石和铝尖晶石成分区之间(图6b)。而在Al2O3-Cr2O3关系上(图6c)，研究区超镁铁岩的尖晶石在成分上主要表现为变质交代成因(Evans and Frost，1975;Sarıfakıogˇlua et al.，2010)，其Cr#较低，Mg#高可能主要与其寄主岩石堆晶成因或交代作用有关，几乎没有进入地幔分异演化过程(Haggerty，1989;Franz and Wirth，2000)，但也可能表明胶北基底的超镁铁岩是地幔低部度熔融的产物(Pearce et al.，2000;Choi et al.，2008)。

角闪石尖晶石橄榄岩和尖晶石辉石岩中所含角闪石明显不同于地幔环境形成的富钛、富铬的棕色或褐色角闪石(樊祺诚等，1992)，这两种岩石类型中所有角闪石皆为绿色或无色，且TiO2、Cr2O3和Al2O3含量均较低，显示它们形成于超镁铁质岩石构造折返的变质作用过程(刘平华，2011)，而非地幔环境中形成。据Leake et al.(1997)的角闪石分类，尖晶石橄榄岩和橄榄斜方辉石岩中所含角闪石均属于钙质角闪石，大部分为镁角闪石与透闪石(图7a)，都是常见的变质角闪石。

角闪石岩中的角闪石，同属镁角闪石，也分为两期，但前者Mg#低，而后者较高，晚期角闪石中较富Mg，因归于变质交代成因的角闪石受到源于超镁铁岩蛇纹岩化释放出富Mg 流体影响的结果。

角闪石中钛的含量是受温度控制的，一般温度越高，角闪石中钛的含量也越高。采用Al-Ti-变异图进行角闪石成因分析(图7b，据靳是琴，1991)，该图基于变基性岩石建立的角闪石分类图件，胶北地块尖晶石橄榄岩和尖晶石辉石岩中早期的角闪石落在角闪岩相区，而晚期角闪石则分布于绿片岩相区;角闪石岩中早、晚两期角闪石分别落在了麻粒岩-高角闪岩相和低角闪岩相区，这表明角闪石岩中早期角闪石与岩浆作用有关。

蛇纹石交代橄榄石形成网纹状结构，同时析出磁铁矿。蛇纹石没有任何受到应力的迹象，表明形成于非挤压环境的晚期交代变质作用过程。蛇纹石的Mg#多变化于89 ～97 之间，蛇纹岩中蛇纹石的Mg#约95 ～97，而尖晶石橄榄岩和尖晶石辉石岩中Mg#分别为89 ～94 和约92，表明蛇纹岩的成分继承了原岩的特征。斜长石:在角闪石岩中An 约48.22 ～49.52，为中长石。尖晶石橄榄岩和辉石岩中的绿泥石为镁绿泥石Mg#约0.91 ～0.93。

6 地球化学特征

图8 研究区橄榄岩的主元素变化五角星代表太古代橄榄岩的平均成分(Griffin et al. ，1999);灰色区域代表世界上典型的克拉通橄榄岩(据Rudnick et al. ，2004 及其中引用的文献);十字符号代表原始地幔(McDonough and Sun，1995)Fig.8 Major element compositional variations for the serpentinite peridotites investigatedStar represents average“Archaen”from Griffin et al. (1999);Gray field represents typical cratonic peridotites from the craton of Anzanian，Kaapvaal，Daldyn，Siberia and Slave (after Rudnick et al. ，2004 and references there within);Cross denotes primitive mantle (P. M. )from McDonough and Sun(1995)

表3 胶北地块新太古代超镁铁岩的主量元素(wt%)和微量元素(×10 -6)的分析结果Table 3 Major (wt%)and trace (×10 -6)elements analyses of the ultramafic rocks from Late Archean Jiaobei massif

岩石中某些元素的地球化学性质在变质、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、轻稀土、大离子亲石元素等微量元素。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(Pearce et al.，2000;Pearce，2008)。对于胶东变质基底的镁铁-超镁铁岩石，尽管漫长复杂的变质演化历史，对一些主、微量元素产生影响，但在多方面的分析和研究中仍可追踪原岩产出的地质信息(Ernst，1989;Rudnick et al.，2004;Deschamps et al.，2013)。即使是蛇纹石化，其相容元素和稀土元素也很少活动，可以帮助鉴别原岩的信息，甚至岩浆作用过程中熔体与岩石的作用关系(Deschamps et al.，2013)。胶北地区镁铁-超镁铁石的14 个样品的主元素和微量元素的分析结果列于表3。其中包括9个超基性岩样品，2 个辉石岩样品和2 个斜长角闪岩-角闪岩样品。图中主元素氧化物成分点是去除水分后，再换算成100%，Fe2O3换算成FeOT后的投点。

图9 Si/Al-(Mg+Fe)/Al (a)和Mg/Ti-Fe/Ti (b)的元素比值图解Fig.9 The element ratios Si/Al vs. (Mg + Fe)/Al (a)and Mg/Ti vs. Fe/Ti (b)

6.1 主元素地球化学

胶北地块莱西-招远地区超镁铁岩的主元素地球化学特征，所研究的三类岩石:蛇纹岩-蛇纹石化尖晶石橄榄岩、尖晶石辉石岩和角闪石岩样品的SiO2含量分别为37.39% ～43.27%、45.51% ～47.08%、48.69% ～51.13%;MgO 含量高，分别为31.51% ～42.15%、23.13% ～23.62%、15.94%～19.29%;而Al2O3分别0.16% ～2.82%、5.83% ～5.84%、5.22% ～8.64%。10 件蛇纹岩化橄榄岩样品，其LOI 为7.23% ～13.84%，呈现与蛇纹岩化程度从中等到强是一致的特征。2 件辉石岩和2 件角闪岩样品中CaO 含量分别为5.07% ～6.07%、11.64% ～13.99%，TiO2和P2O5含量变化相对较小，分别变化于0.32% ～0.34%和0.35% ～0.49%，0.02% ～0.03%和0.03% ～0.04%之间。尖晶石橄榄岩的Mg#在0.86 ～0.93 之间。在MgO 对其他主元素的关系图中(图8)，研究区尖晶石橄榄岩的主要元素Al2O3、FeO、CaO 和SiO2的成分落于世界上典型的克拉通橄榄岩成分区到原始地幔成分区之间，表现为克拉通地幔性质，成分点分布相对离散。根据Si/Al-(Mg+Fe)/Al 和Mg/Ti-Fe/Ti 主元素的比值图解(图9a，b)显示，尖晶石橄榄岩、尖晶石辉石岩、角闪石岩成分点成线性相关，表明研究区镁铁质岩和超镁铁岩有着成因上的联系(Pearce，1968;Russell and Nicholls，1987，1988)。

6.2 稀土元素与微量元素地球化学

研究区蛇纹岩化尖晶石橄榄岩、尖晶石辉石岩和角闪石岩的主元素、稀土元素和微量元素含量见表3 所示。角闪石岩稀土配分模式(图10a)显示基本呈平坦到LREE 略为富集曲线，(La/Sm)N的比值为1.11 ～1.41，(La/Yb)N的比值为0.91 ～1.6，与洋中脊玄武岩类似，与现代大西洋玄武岩的比值非常相近((La/Sm)N为1.09 ～1.70，(La/Yb)N为0.65 ～1.66)(le Roex et al.，1996)。尖晶石橄榄岩和尖晶石辉石岩属LREE 略富集的右顷型，重稀土配分曲线相对平坦，类似于板内拉张环境玄武岩稀土配分曲线特征。胶北地区镁铁-超镁铁岩的稀土总量∑REE 变化于0.46 ×10-6～10.38×10-6，含量变化较大。除了两个超基性岩有轻微的δEu 负异常(Eu/Eu*= -0.84 ～-0.71)，可能是由于结晶分异引起;其他分析样品皆为正异常(Eu/Eu*=1.01 ～1.59)，可能由早期发生分离结晶作用，岩体中斜长石堆晶所引起。样品表现出LREE 略富集，特别是尖晶石橄榄岩和蛇纹岩表现出较为宽缓的U 型稀土配分样式，表明受到了流体交代富集作用(Paulick et al.，2006)。

在原始地幔标准化的多元素图解上(图10b)，LIL(大离子亲石元素Sr、K、Rb)基本上没有异常，说明流体交代作用的改变不很明显;蛇纹岩化橄榄岩和辉石岩中的Ba 有些正异常，也应该与岩石的碳酸盐化或角闪石的出现相关，Ba2+可以替代Ca2+进入到方解石晶格中，或替代K+进入交代作用形成的角闪石晶格中。LIL/HFS 比值不高，反映出大离子亲石元素和高场强元素含量相当。高场强元素Zr、Hf 没有明显的异常出现，Ta 的略微正异常，而Nb 却呈现与Ta 相反的特征，可能和岩石中较多斜方辉石和少量钛铁矿的存在有关(Rollinson，1993)，Ti 的正异常可能受到主元素和微量元素分析方法不同的影响，亦或也可能有含Ti 矿物，如钛铁矿的出现有关。U 和Pb 的正异常反映了变质交代作用过程中流体的影响，角闪石的晶格中较之橄榄石和辉石能够固定更多的U 和Pb。角闪石岩中K 的正异常也源于此因。此外，U作为易溶组分，可随蛇纹岩化的流体进入到蛇纹石中，使得蛇纹岩化方辉橄榄岩和辉石岩中的U 呈正异常(Deschamps et al.，2013)。

7 讨论与结论

图10 胶北地块镁铁-超镁铁岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据McDonough and Sun，1995)Fig. 10 Chondrite-normalized REE patterns (a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams(b ) for mafic-ultramafic rocks in Jiaobei terrane(normalization values after McDonough and Sun，1995)

研究区样品主要为胶北地块出露的前寒武纪变质基底中蛇纹岩化尖晶石方辉橄榄岩、尖晶石橄榄斜方辉石岩、角闪石岩。岩石呈透镜体被包裹在太古代的表壳岩中，自形成后通过漫长的地质历史，至少经历了两期变质和交代作用，早期的麻粒岩-角闪岩相变质阶段，和晚期经历的绿片岩相变质作用，随后普遍发生蛇纹岩化和碳酸盐化。超镁铁岩中普遍存在角闪石，岩相学和矿物化学特征显示其粒状变晶结构特征主要形成于角闪岩相或绿片岩相的变质作用中。胶北地块蛇纹岩没有任何受到应力的迹象，说明蛇纹岩化形成于非挤压环境的晚期交代变质作用过程。

岩相学和矿物化学分析显示，尖晶石橄榄岩和尖晶石辉石岩记录了三个阶段的矿物组合:早期的Opx1+Ol1+Spl1;中期的Opx2+ Ol2+ Spl2+ Amp2和晚期的Amp3+ Srp3+Mag3+Cal 组合。岩石从形成开始，随着向地面抬升的过程，先经麻粒岩-角闪岩相变质作用，继续上升的过程中又经历绿片岩相变质作用(图7b)及普遍的蛇纹岩化、碳酸盐岩化变质交代的演化过程，反映了研究区超镁铁岩从形成到近地表的一个抬升过程中的退变演化趋势。

胶北蛇纹石化尖晶石方辉橄榄岩与Coleman(1977)所提到典型的方辉橄榄岩中SiO2(39.6% ～44.4%)和TiO2(0.01% ～0.15%)变化范围基本一致。方辉橄榄岩橄榄石Fo 值落入88 ～93 范围之中，较宽成分变化范围是堆晶橄榄岩中橄榄石的特征(Duchesne and Charlier，2005;Li et al.，2011)，且样品中原生尖晶石Cr#极低，Cr#与Mg#呈明显的负相关性(Dick and Bullen，1984)，上述特征都表明胶北尖晶石方辉橄榄岩可能是幔源堆晶系列或极低熔融程度的产物。橄榄岩全岩的高MgO 含量(31.51% ～42%)表现出太古代地幔橄榄岩的性质(Herzberg，1993;Francis，2003)。

岩相学和矿物学研究表明，胶北尖晶石橄榄岩原岩尖晶石的具Al，低Cr#(0.06 ～0.12)特征，两者数量值介于深海橄榄岩中尖晶石和端元的铝尖晶石成分之间，表明胶北基底的超镁铁岩经受了地幔极低度部分熔融。前人的研究成果表明，如胶北基底的超镁铁岩这样Cr#极低的尖晶石是交代变质成因(Evans and Frost，1975;Sarıfakıogˇlua et al.，2010;Haggerty，1989;Franz and Wirth，2000)，接近于原始地幔和洋壳形成前的大陆裂谷环境(Bonatti and Michael，1989)，研究样品中斜方辉石低A2O3和高TiO2特征显示出克拉通橄榄岩的性质(Rudnick et al.，2004)。

橄榄岩的主量化学研究表明，其成分上接近太古代的地幔橄榄岩，是原始地幔低程度部分熔融的产物。研究区超镁铁岩，除了角闪石岩外，研究样品烧失量较高，显示岩石样品中含有较多的H2O 或CO2等挥发性组分，这与长时间变质过程中流体的作用、角闪石的形成，以及蛇纹石化都有关系。超镁铁质岩主元素变化的分散性(图8)，以及Si/Al-(Mg +Fe)/Al 和Mg/Ti-Fe/Ti 主元素的比值图解(图9)，表明原岩与角闪石岩的原岩具有成因联系，可能是具有堆晶成因的一套幔源岩浆系列。

蛇纹岩化尖晶石方辉橄榄岩稀土元素配分曲线表现出流体交代作用的影响，辉石岩和角闪石岩的稀土元素配分曲线以及∑REE 含量变化较大，少数样品δEu 负异常可能是由于结晶分异引起;多数样品皆为δEu 正异常，表明岩石可能经历了早期发生分离结晶作用，岩体中斜长石堆积成晶。所有岩石类型显示的Zr、Hf、Y 等高场强元素基本无异常现象等，也显示研究区超镁铁岩可能形成于裂谷环境。结合他人的研究成果(Rudnick et al.，2004;Jahn et al.，2008;刘平华，2011)，本文的研究结果表明前寒武纪岩石在长期复杂的变质作用过程中，胶北地区变质基底表现出较明显的不均一性。

致谢感谢中国海洋大学教育部海底科学与探测技术重点实验室来志庆老师、中国科学院地球化学研究所矿床地球化学重点实验室漆亮研究员在矿物岩石地球化学分析中给予的帮助;感谢山东省地质科学实验研究院李洪奎研究员对野外工作的指导;衷心感谢审稿专家宋述光教授、刘平华博士和焦淑娟博士提出的宝贵建议。

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