鲁西郯城蛇纹岩微量元素和锆石U<br/>--Pb年代学：对华北陆块东部岩石圈地幔改造的启示

鲁西郯城蛇纹岩微量元素和锆石U
--Pb年代学：对华北陆块东部岩石圈地幔改造的启示

2019-04-09全昳糠霍腾飞杨冬红刘金民

世界地质 2019年1期

全昳糠, 霍腾飞, 杨冬红, 刘金民

1.吉林大学地球科学学院, 长春130061;2.吉林大学古生物学与地层学研究中心, 长春130026;3.山东省地质矿产局, 济南250013

0 引言

华北陆块东部因广泛发育晚中生代岩浆活动和产出有橄榄岩类及辉石岩类地幔包体成为研究华北克拉通破坏的天然实验室[1--4]。近年来，研究表明华北陆块东部古老的、厚的(～200 km)富集岩石圈的地幔被年轻的、薄的(～80 km)亏损大洋型地幔所取代，华北陆块东部岩石圈地幔发生了减薄[5]。虽然，减薄发生的机制和动力学背景仍存在诸多争议[6]，但大规模减薄的峰期发生在早白垩世已经得到共识[7]。特别是Yang et al.[4]在详细的岩相学和矿物化学研究基础上，通过对鲁西地区铁铜沟高镁闪长岩携带的地幔橄榄岩包体中锆石的SHRIMP U--Pb定年研究，直接给出了华北陆块东部岩石圈地幔被陆壳物质强烈改造的峰期时间为早白垩世早期。俯冲或拆沉的陆壳物质部分熔融可以产生大量的富硅质熔体，进而交代岩石圈地幔，因此，地幔橄榄岩记录了大陆地壳物质熔融的熔体对岩石圈地幔的改造过程，是揭示岩石圈地幔被改造过程的重要窗口。

前人对华北陆块东部岩石圈地幔被改造性质的研究，主要集中在鲁西地区早白垩世高镁闪长岩中地幔橄榄岩类捕虏体和胶东地区中国大陆超深钻工程中产出的地幔橄榄岩[3,8]。然而，地幔橄榄岩多因蛇纹石化作用逐渐转变成蛇纹石化橄榄岩或蛇纹岩，而蛇纹岩因其特殊的物理性质和地球化学性质研究程度相对较低，通常仅将蛇纹岩作为原生超镁铁质岩的蚀变岩。虽然，蛇纹岩中岩石学和矿物学发生了改变，但其继承了原岩属性的信息，与地幔橄榄岩相比，华北陆块东部蛇纹岩的研究相对较少，主要集中在苏鲁造山带内，它们的构造属性和岩石成因仍存在较大争议。Xie et al.[9]基于苏鲁超高压变质带内仰口和梭罗树蛇纹岩的矿物化学和铂族元素研究，认为该蛇纹岩的原岩是华北克拉通东部古老大陆岩石圈地幔楔的残留，而Li et al.[10]对苏鲁超高压变质带仰口蛇纹岩的矿物化学和锆石U--Pb年代学研究，认为其原岩可能为新元古代侵入扬子陆块地壳中的超基性堆晶岩，中晚三叠世同扬子陆块一起发生俯冲和超高压变质作用，而后发生蛇纹石化形成仰口蛇纹岩。鲁西地区郯城蛇纹岩出露于扬子和华北陆块拼接的结合部位—郯庐断裂带内，它们的构造属性如何?原岩所反映的岩石圈地幔被改造的过程如何?目前这些科学问题还没有得到较好的解决。鉴于此，笔者对鲁西地区郯城蛇纹岩开展了锆石U--Pb年代学和全岩微量元素研究，进而探讨华北陆块东部岩石圈地幔被改造的过程。

1 地质背景和样品描述

华北陆块是世界上典型的古老克拉通之一，分为东部陆块、西部陆块和中部造山带[8]。～1.85 Ga完成了克拉通化后，华北陆块一直保持稳定，直到晚中生代华北克拉通发生强烈的破坏，岩石圈地幔的厚度减薄～120 km，岩石圈地幔的性质由难熔型向饱满型转变[11]。鲁西地区位于华北陆块东部，郯庐断裂带以西，东南与大别—苏鲁造山带相接。区内地层为典型的华北型地层，主要为新太古代泰山群、寒武系、中--下奥陶统和石炭系—二叠系，中生代主要为断陷盆地沉积，发育少量的上三叠统和侏罗系—白垩系[11]，新生代为河湖相沉积。鲁西地区除广泛分布前寒武纪岩石外，中生代火成岩也非常发育，主要形成于早侏罗世和早白垩世，少量为晚白垩世[12]。早白垩世费县—方城玄武岩和铁铜沟高镁闪长岩中发育丰富的地幔橄榄岩类包体、辉石岩类包体以及橄榄石和辉石等捕虏晶，成为研究华北陆块东部岩石圈地幔属性的天然实验室[3]。

郯城蛇纹岩出露于鲁西地区郯城县东北约20 km，郯庐断裂带内部，呈椭圆状岩株产出，无分带特征，变形较弱，长约250 m，宽约100 m，岩体周边被第四系覆盖，南部出露的地层主要为白垩系田家楼组(图1)。蛇纹岩内发育少量的金云母脉。样品呈灰绿色(图2a)，主要由蛇纹石(75%～80%)、橄榄石(10%～15%)以及少量的黑云母(2%～3%)和不透明矿物(1%～2%)组成。橄榄石多发生蛇纹石化，呈孤岛状残留在蛇纹石中(图2b、c)，蛇纹岩中大量橄榄石的残留以及多数蛇纹石具橄榄石的假晶，未见辉石及其假晶，表明蛇纹岩的原岩应为地幔超镁铁质纯橄岩。

2 分析方法

对样品进行详细的岩相学研究，挑选无岩脉的样品约10 kg。锆石分选在廊坊宇能地质服务公司完成，为避免混样的发生，除大型仪器外，淘选用的小件仪器均采用新工具。样品人工粉碎并磨至200目，采用磁选和重液分选方法进行锆石分离，在双目镜下手动挑纯。将分选出的锆石颗粒粘在双面胶上，套上靶环，灌入环氧树脂后冷却，对样品靶进行抛光并露出颗粒表面，再进行透射光、反射光和阴极发光(CL)图像采集，图像的采集工作在廊坊宇能地质服务公司完成。激光剥蚀等离子体质谱(LA--ICP--MS)锆石U--Pb同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。实验中采用He作为剥蚀物质的载气，U--Pb定年采用标准锆石91500作为外标进行同位素分馏校正，硅酸盐玻璃NIST610作为参考物质进行仪器最佳化。全岩的微量元素在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。分析采用电感耦合等离子质谱(ICP--MS)法，其分析精度和准确度一般优于10%，采用HNO3和HF酸溶样后制备待试溶液，并使用标准样品W--2和G--2及GSR--1、GSR--2和GSR--3校正所测样品的元素含量。

图1 鲁西地区郯城蛇纹岩地质简图Fig.1 Geologic sketch map showing location of serpentinites from Tancheng of western Shandong

Bt：黑云母；Ol：橄榄石；Srp：蛇纹石图2 郯城蛇纹岩样品特征和矿物组成Fig.2 Petrographic features and minerals compositions of Tancheng serpentinites

3 分析结果

3.1 锆石U--Pb年代学

郯城蛇纹岩样品(Tc--3)中共分选出44颗锆石，测定了45个年龄点，部分锆石CL图像见图3，U--Pb分析结果见表1。对于年龄>1 000 Ma的数据，采用207Pb/206Pb的值作为结果,对于年龄<1 000 Ma的数据，采用206Pb/238U的值作为结果。

图3 郯城蛇纹岩中典型锆石阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescence images of representive zircons of Tancheng serpentinites

45个锆石U--Pb年龄介于78～2 518 Ma之间，其谐和年龄可以分为6个主要年龄段：78～92 Ma、106～122 Ma、225～231 Ma和少量的新元古代年龄(711 Ma、719 Ma)、古元古代年龄(～1 815 Ma)以及新太古代年龄(～2 518 Ma)。其中，最年轻的一组年龄为78～92 Ma，其206Pb/238U加权平均年龄为85±4 Ma(n=8)，即晚白垩世。8颗晚白垩世锆石呈长柱状，少数呈次棱角状，大小50～100 μm，长宽比介于1～2之间，发育典型的岩浆生长环带和弱条痕吸收(图3)，结合较高的Th/U比值(0.63～1.18，图4)，暗示它们为岩浆成因。早白垩世锆石年龄为106～122 Ma，其206Pb/238U加权平均年龄为113±3 Ma(n=14)，14颗锆石呈短柱状，大小50～120 μm，长宽比为1～1.5，发育岩浆环带结构，Th/U比值为0.40～2.23，暗示为岩浆成因。晚三叠世锆石呈浑圆状，具有均匀无分带和云雾状的CL图像特点(图3)，其Th/U比值为0.04～0.13(表1)，位于变质锆石Th/U比值范围内(图4)，表明其为变质锆石，分析点年龄为225～231 Ma，加权平均年龄为227±4 Ma(n=3)。少量的新元古代(711 Ma、719 Ma)、古元古代(～1 815 Ma)和新太古代(～2 518 Ma)锆石，多数呈褐色--红褐色，少量为无色透明，在CL图像上，表现为浑圆状--次圆状，发育典型的岩浆生长环带，少量锆石具核边结构，其Th/U比值变化于0.44～1.25，暗示它们均为岩浆成因锆石。

图4 郯城蛇纹岩中锆石Th/U比值--U--Pb年龄变异图Fig.4 Zircon Th/U radios and U--Pb variation diagrams of Tancheng serpentinites

3.2 微量元素

郯城蛇纹岩中橄榄石多发生蛇纹石化而转变为蛇纹石，仅有少量的橄榄石残留，考虑到主量元素的改变和高的烧失量，笔者仅对不发育晚期脉体的蛇纹岩Tc--2和Tc--11样品进行了微量元素分析(表2)。郯城蛇纹岩稀土元素总量较低(∑REE=1.25×10-6、6.81×10-6)，轻稀土元素和重稀土元素元素分馏不明显(LREE/HREE=1.71、2.70)，稀土元素配分曲线近于平坦型(图6a)，(La/Yb)N=0.57、0.97，发育弱的Eu负异常(Eu/Eu*=0.58、0.88)，整体与华北陆块鲁西和太行山地区早白垩世高镁闪长岩中地幔橄榄岩包体的稀土元素丰度和配分型式相类似[3,13]，而与MORB和OIB组成以及苏鲁造山带橄榄岩的稀土元素特征不同，后者具有更高的丰度[14]。原始地幔标准化蛛网图显示(图5b)，郯城蛇纹岩相对富集大离子亲石元素(Ba、Th、U)和相对亏损高场强元素(Nb、Zr、Hf)，具有明显的Pb正异常，这与华北陆块鲁西和太行山地区早白垩世高镁闪长岩中地幔橄榄岩包体的微量元素特征相似[3,13]，而不同于苏鲁造山带橄榄岩的微量元素组成[13]，后者缺乏Pb的正异常。

表1 郯城蛇纹岩LA--ICP--MS U--Pb同位素定年结果Table 1 LA--ICP--MS U--Pb isotopic dating results for Tancheng serpentinites

注：对于年龄>1 000 Ma的数据，采用207Pb/206Pb的值作为结果；对于年龄<1 000 Ma的数据，采用206Pb/238U的值作为结果.

图5 郯城蛇纹岩中锆石U--Pb年龄谐和图(a,b,c)和分布频率图(d)Fig.5 LA--ICP--MS zircon U--Pb concordant plots (a, b, c) and distribution diagram (d) of Tancheng serpentinites

表2 郯城蛇纹岩微量元素分析数据Table 2 Trace element data for Tancheng serpentinites/10-6

数据来源：苏鲁造山带橄榄岩据文献[14]; 鲁西橄榄岩捕虏体据文献[3]; 太行山橄榄岩捕虏体据文献[13]; N--MORB、E--MORB和OIB据文献[15]; LCC据文献[5].图6 郯城蛇纹岩稀土元素球粒陨石标准化配分型式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace elements spider diagrams (b) for Tancheng serpentinites

4 讨论

4.1 郯城蛇纹岩的原岩性质

郯城蛇纹岩岩体在野外以岩株状产出，岩体无分带，变形较弱，且蛇纹岩样品中橄榄石呈孤岛状残留在蛇纹石中(图2b、c)，多数蛇纹石具橄榄石的假晶，未见辉石及其假晶。此外，郯城蛇纹岩轻重稀土元素分馏不明显，相对富集大离子亲石元素，相对亏损高场强元素，整体上与华北陆块代表古老岩石圈地幔残留的鲁西和太行山地区早白垩世高镁闪长岩中地幔橄榄岩类包体的特征相类似(图6)[3,13]，而与苏鲁造山带橄榄岩不同，后者的原岩为侵入到扬子陆壳中的超基性堆晶岩[13]，结合郯城蛇纹岩中具有华北基底属性的古元古代—新太古代岩浆锆石的存在(图5)，暗示它们的原岩应为华北陆块古老的岩石圈地幔部分熔融后残留的纯橄岩，而后经历强烈的蛇纹石化作用形成蛇纹岩。

4.2 郯城蛇纹岩中锆石的组成及其对岩石圈地幔改造的启示

超镁铁质地幔岩的SiO2极度不饱和及Zr含量极低，因此很难直接结晶出锆石。然而，超高压变质带中经历变质作用改造的石榴石橄榄岩[10,14]和被富硅质熔体强烈改造的地幔橄榄岩捕虏体[3,13]中发现有变质锆石和岩浆锆石的存在，它们分别是变质流体和富硅质熔体对地幔橄榄岩改造的结果，其年龄代表了变质作用发生的时间以及岩石圈地幔被富硅质熔体改造的时间。鲁西地区郯城蛇纹岩样品相对富集轻稀土元素，具有明显的Pb正异常，此外，微量元素组成与MORB和OIB样品明显不同，而与鲁西和太行山地区早白垩世高镁闪长岩中产出的地幔橄榄岩类捕虏体组成相类似(图5)，暗示它们的原岩同样经历了富硅质熔体的改造，这为蛇纹岩中锆石的形成提供了条件[3,13]。郯城蛇纹岩中锆石的形成，是大陆地壳物质熔融产生的富硅质熔体对岩石圈地幔改造的结果[4]。

郯城蛇纹岩样品中共分选出44颗锆石，基于锆石的晶体特征和CL图像以及U--Pb年代学分析结果(表1)，可将锆石分为2组：一组为岩浆锆石，其年龄组成包括古元古代—新太古代(1 815～2 518 Ma，n=5)、新元古代(711 Ma、719 Ma)、早白垩世(106～122 Ma，n=14)和晚白垩世(78～92 Ma，n=8)；另一组为变质锆石，其年龄为晚三叠世(225～231 Ma，n=3)。

华北陆块基底以发育新太古代花岗岩、TTG片麻岩和镁铁质火山岩以及古元古代碱性花岗岩和环斑花岗岩等构造--岩浆--热事件为特征[8,14]，虽然在扬子陆块也有新太古代和古元古代岩浆事件年龄的报道(如崆岭杂岩)[16]，但与华北陆块相比，扬子陆块则以新元古代双峰式岩浆活动为特征[17]。郯城蛇纹岩中古元古代—新太古代(1 815～2 518 Ma)岩浆锆石的存在，暗示拆沉的华北陆块基底物质熔融的熔体对岩石圈地幔的改造。蛇纹岩中新元古代(711 Ma、719 Ma)锆石发育环带结构，结合较高的Th/U比值(1.25、1.03)，暗示其为岩浆成因，该年龄与扬子陆块广泛发育的新元古代(700～850 Ma)双峰式岩浆作用相一致[18]。而晚三叠世(225～231 Ma)锆石的CL图像则呈无分带结构和云雾状特点(图3)，具有较小的Th/U比值(0.04～0.13)，表明其为变质锆石。该年龄与大别—苏鲁高压--超高压变质作用的峰期时间相吻合[11,19]，同时与仰口蛇纹岩和CCSD中石榴橄榄岩获得的变质锆石年龄结果(212～234 Ma)相类似[8,10]，结合新元古代岩浆锆石的同时存在，暗示郯城蛇纹岩的原岩经历了超高压变质作用改造的俯冲--断离扬子板片熔融的熔体的交代，同时，也证明扬子大陆的深俯冲是造成华北陆块东部岩石圈加厚的动因[11,19]。早白垩世(106～122 Ma)锆石的CL图像具有较明显的震荡环带结构，结合较高的Th/U比值(0.40～2.23)，暗示其为岩浆成因。早白垩世岩浆作用在华北陆块东部广泛发育，形成大量不同性质的侵入岩和火山岩，如鲁西地区济南辉长岩(120～130 Ma)[20]、铁铜沟、金岭、上峪辉长闪长岩(131～134 Ma)[18]、徐淮地区利国、夹沟、班井、丰山和蔡山高镁闪长岩(125～132 Ma)[21]以及蚌埠地区女山、西芦山、曹山花岗岩(112～130 Ma)[19]。蛇纹岩中早白垩世年龄具有最高的峰值，这与华北陆块东部广泛存在的早白垩世岩浆作用时间以及华北陆块岩石圈减薄的峰期时间相一致，代表了拆沉陆壳物质熔融的熔体与岩石圈地幔之间的强烈相互作用[4]。晚白垩世(78～92 Ma)锆石呈长柱状，少数呈次棱角状，CL图像具震荡环带和条痕状吸收的特点，结合较高的Th/U比值(0.63～1.18)，暗示它们为岩浆成因。华北陆块东部晚白垩世岩浆活动相对较少，仅在胶东、辽西、辽南地区有少量报道，如胶东莒南玄武质火山角砾岩的形成时代为67 Ma[22]，辽西阜新碱性玄武岩的形成时代为85～92 Ma[23]，而辽南曲家屯碱性玄武岩则形成于晚白垩世的82 Ma[23]。蛇纹岩中晚白垩世锆石应来源于该期以基性岩浆活动为主的富硅质熔体的交代。

华北陆块中部汉诺坝、繁峙和鹤壁地区新生代玄武岩中橄榄岩类捕虏体的Li--Sr--Nd同位素结果[24]和华北陆块东部蒙阴金伯利岩所含的石榴石橄榄岩类捕虏体中不同类型辉石的矿物化学分析[25]以及鲁西地区铁铜沟早白垩世高镁闪长岩产出的纯橄榄岩捕虏体中锆石SHRIMP U--Pb定年研究[4]，均表明华北陆块岩石圈地幔经历了多阶段、不同性质熔体的改造，这与郯城蛇纹岩中锆石年代学的研究结果相一致。