山东昌乐新生代玄武岩地球化学特征及地质意义

王晶晶，张志刚，郭晶，陶有兵

(山东省地质调查院，山东 济南 250014)

0 引言

在中—新生代，华北克拉通经历了明显的构造活化作用，表现为华北东部克拉通破坏和岩石圈减薄[1-3]。随后华北东部总体进入张性构造演化阶段，与之伴生的是巨量的中新生代岩浆岩发育[4-12]。

山东昌乐地区发育了大量新生代玄武岩，前人多从岩石学、地球化学、矿物包裹体等方面对其岩浆演化进行了探讨[14-18]。近年来，随着测试技术的提高，部分学者通过对玄武岩中的地幔捕掳晶及其包体矿物的元素、同位素等的研究，探讨了其源区演化特征[19-24]。本文通过对华北东部临朐-昌乐火山岩盆地新生代尧山组玄武岩的地球化学特征的研究，探讨了玄武岩岩浆源区的特征。

1 研究区地质概况

研究区(图1)地处华北陆块东缘，位于沂沭断裂带西侧，属临朐-昌乐火山岩盆地，以发育新生代火山机构为特征，由NE向和NW向2组断裂构造控制，新生代火山岩主要由临朐群牛山组及尧山组火山—火山碎屑岩组成。其中临朐群尧山组玄武岩中富含宝石级刚玉原生矿体，含矿橄榄玄武岩中有大量二辉岩、纯橄岩、橄榄岩等超基性岩深源包体。由于研究区尧山组玄武岩的结晶程度区别较大，同时因包体的存在，易对地球化学的准确性造成影响。因此本次研究的样品选取了临朐-昌乐火山岩盆地边部溢流相尧山组橄榄玄武岩进行了研究。

2 样品特征及测试方法

2.1 样品特征

橄榄玄武岩样品岩石学特征如下：斑晶由辉石、橄榄石构成，大小一般0.3～1.8mm，零散分布，部分呈聚斑、联斑状产出。橄榄石呈半自形短柱状、他形粒状等，裂理较发育，可见皂石、蛇纹石、褐铁矿、伊丁石等沿裂理及边缘交代，多呈假像。辉石呈他形—半自形柱粒状，局部褐铁矿化、皂石化等，部分晶粒内可见环带、砂钟构造，有时可见熔蚀麻点结构。基质由辉石、橄榄石、少量斜长石及火山玻璃构成，粒径一般小于0.2mm。

1—太古代侵入岩；2—寒武—奥陶系；3—白垩纪火山岩；4—新近纪临朐群；5—中新生代盆地； 6—区域性断裂；7—断裂图1 研究区地质简图

2.2 测试方法

全岩主微量元素含量在武汉上谱分析科技有限责任公司完成，其中全岩主量元素分析使用日本理学(Rigaku)生产的 ZSX Primus Ⅱ型波长色散X射线荧光光谱仪(XRF)，4.0kW端窗铑靶X射线光管，测试条件为电压：50kV，电流：60mA，主量各元素分析谱线均为Kα，标准曲线使用国家标准物质岩石系列GBW07101—14。微量元素利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成。用于ICP-MS分析的样品处理如下：①将200目样品置于105 ℃烘箱中烘干12h； ②准确称取粉末样品50mg置于Teflon溶样弹中；③先后依次缓慢加入1mL高纯HNO3和1 mL高纯HF；④将Teflon溶样弹放入钢套，拧紧后置于190℃烘箱中加热24h以上；⑤待溶样弹冷却，开盖后置于140℃电热板上蒸干，然后加入1 mL HNO3并再次蒸干；⑥加入1 mL高纯HNO3、1 mL MQ水和1mL内标In(浓度为1 ppm)，再次将Teflon溶样弹放入钢套，拧紧后置于190℃烘箱中加热12h以上；⑦将溶液转入聚乙烯塑料瓶中，并用2% HNO3稀释至100 g以备ICP-MS测试。

3 测试结果及讨论

3.1 主量元素特征

尧山组火山岩SiO2含量为44.14%～45.69%，属于超基性—基性岩类，Mg＇介于0.73～0.86之间。Al2O3含量为14.12%～14.76%之间；Na2O含量为4.12%～4.98%，K2O含量为0.95%～3.22%，钾质成分变化较大；A/CNK值在0.56～0.64之间，属于贫铝质岩石。在TAS图解中(图2a)，7件样品均落入碱性玄武岩区，总的来看尧山期玄武岩富碱，相对贫铝、硅，同时注意到6件样品均属碱性系列，进一步利用T.N.Irvine(1971)碱性火山岩系列An-Ab-Or图解(图2b)判别，7件样品均落入钾质区域，属碱性火山岩系列钾质岩类[25]。

图2 尧山组玄武岩TAS图解(a)和碱性火山岩系列判别图解(b)

3.2 微量及稀土元素特征

尧山组玄武岩微量元素蛛网图(图3a，表1)上表现出大离子亲石元素Rb、Ba、K富集不显著，尤其是Rb、K部分样品显示出亏损特征；高场强元素Nb、Ta、Ti表现为富集峰，显示出不相容元素的富集特征，区别于岛弧火山岩，Zr、Hf相对亏损，具幔源特征，高场强元素总体显示出与地幔柱相关的碱性玄武岩特征，这也与陈立辉[26]在详细分析了玄武岩的Sr、Nd、Hf同位素所得结论一致。

图3 尧山组玄武岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化配分图(b)

尧山组玄武岩稀土元素及特征参数见表1，轻稀土总量(∑LREE)为188.84×10-6～283.41×10-6之间，重稀土总量(∑HREE)为18.76×10-6～24.14×10-6之间，δEu值为0.96～1.09，较接近1，说明基本不发生铕分异，暗示源区没有斜长石残留，形成深度较大。

表1 临朐群尧山组玄武岩主量元素(wt%)、微量元素(10-6)测试结果及特征参数

球粒陨石标准化的稀土配分曲线(图3b)呈平缓的右倾曲线，斜率较小，轻稀土相对较富集，轻稀土分馏程度高于重稀土,说明玄武岩岩浆源区为富集地幔或岩浆在上升过程中有部分壳源物质混入，陈立辉等[26]认为尧山组玄武质岩浆显示的富集特征不是岩浆上升过程中混染的下地壳物质,而是经历过早期熔融的再循环大陆下地壳(富集地幔)。通过本次工作对玄武岩锆石年代学的研究，其捕获锆石可以分为6组，分别为～2500Ma、～1800Ma、～800Ma、～430Ma、～230Ma、～120Ma，显示出复杂的地壳捕获锆石特征，认为尧山组玄武岩地球化学的富集特征应为再循环大陆下地壳的熔融与地壳物质混入共同作用的结果。

3.3 尧山组玄武岩源区特征探讨

3.3.1 玄武岩构造环境

J.A.Pearce[27]从已知构造环境的大量中新生代玄武岩中，选出6种板块构造环境中代表岩石，以8个主要氧化物ωB%多元统计得到F1、F2、F3判别函数，分为2个图(图4)，以判别玄武岩产出的板块构造环境。在F1—F2相关图解中尧山组玄武岩7件样品均落入板内玄武岩区，对其进行F2—F3投图，没有一件样品落入F2—F3图中的4种构造环境，故尧山组玄武岩形成于板内构造环境。

LKT—低钾拉斑玄武岩(岛弧拉斑玄武岩)；CAB—钙碱性(高铝)玄武岩；WPB—板内玄武岩；SHO—钾玄岩；OFB—洋底(洋中脊)玄武岩图4 尧山组火山岩F1-F2-F3图解(据J.A.Pearce,1976)[27]

3.3.2 玄武岩源区温压环境

Κутолйн(1966)认为玄武岩中MgO与橄榄石结晶温度(tol)有关， MnO、TiO2、Al2O3、FeO与斜长石的结晶温度(tpl)有关，计算出温度为摄氏温度t(℃)。其温度方程式如下：tol=1056.6+17.30MgO，精确度为±26℃；tpl=1144.7-136.26MnO-19.23TiO2+7.41 Al2O3-1.04FeO，精确度为±25℃。尧山组玄武岩3件样品计算后平均值Tol为1187.88℃，Tpl值为1215.70℃，故其岩浆源区温度应为1187.88～1215.70℃。

对尧山组玄武岩原始岩浆形成深度，利用阳离子标准矿物计算成Ne′、Ol′、Q′(100%)后，投图后利用插入法确定该玄武岩浆的源区压力(图5)。一般的岩浆形成深度越大，地幔部分融成的玄武岩浆酸度愈小，尤其碱度(Ne)愈大。尧山组碱性玄武岩7件样品形成压力均大于等于3GPa，一般来说，玄武质岩浆源区压力大约为2.5GPa～3.5 GPa[27-28]，据其压力与深度相关性估算尧山组玄武岩的形成深度应大于100km[28]。

图5 Ne′-Ol′-Q′系相图

综上，尧山组玄武岩地球化学特征指示其与地幔柱成因相关，利用J.A.Pearce等[27-30]认为玄武岩构造环境判别图得出其形成于板内环境，其形成温度为1187.88～1215.70℃，形成压力大于等于3GPa，形成深度大于100km[30]。

4 结论

(1)尧山组玄武岩属超基性—基性岩类碱性玄武岩，贫铝、富碱，属碱性火山岩系列钾质岩类。

(2)微量元素特征显示尧山组玄武岩区别于岛弧玄武岩，且富含高场强元素，具有幔源岩浆属性。稀土元素特征显示尧山组玄武岩稀土总量轻度富集，具有右倾型特征，铕异常不显示，指示岩浆源区没有斜长石残留，地球化学特征显示岩浆源区富集特征应为再循环大陆下地壳的熔融与岩浆上涌过程中地壳物质的混入共同作用的结果。

(3)尧山组玄武岩地球化学特征指示其与地幔柱成因相关，利用J.A.Pearce玄武岩构造环境判别图得出其形成于板内环境，其形成温度为1187.88～1215.70℃，形成压力大于等于3GPa，形成深度大于100km。