鲁西邹平地区早白垩世基性岩地球化学特征及其岩石成因

2023-08-07王子桢

安徽地质 2023年2期

王子桢

（安徽省地质测绘技术院，安徽合肥 230022）

0 引言

近年来，对于中生代以来发生在中国东部的岩石圈减薄作用的研究使得山东地区成为认识大陆克拉通破坏过程与机制的重要地区。伴随岩石圈减薄过程发生的大规模的岩浆作用，是对岩石圈演化过程的直接记录。因此，其广泛出露的中生代火山岩为认识岩石圈减薄事件及其动力学过程提供了重要的物质基础。

邹平火山岩盆地位于鲁西地块西北部，邹平县南部，郯庐断裂（沂术断裂）西侧，出露面积约400 km2。盆地基底为一套侏罗系内陆湖泊相沉积岩，盖层为一套白垩系下统基性-中偏碱性陆相火山岩。前人对区内中生代火山岩已经做了大量的研究，但是对于其岩浆来源及岩石成因的认识还存在着不同观点，如大多数学者主张它们应该起源于富集岩石圈地幔，由基性岩浆发生了分离结晶作用形成，在岩浆上升过程中未受到地壳混染［1-2］；部分学者认为它们是华北或扬子下地壳和地幔物质部分熔融混合的产物［3-5］；还有部分学者则认为部分地区中性火山岩是华北或扬子下地壳熔融的产物［6-8］。本文以位于鲁西邹平地区的一套早白垩世基性岩为研究对象，采用同位素和多元素地球化学的研究方法，探讨其岩浆的起源和岩石成因。

1 地质背景

邹平盆地火山岩属于早白垩世青山群，为一套基性-中偏碱性岩石。根据野外地质资料，邹平盆地火山岩总厚度约为5 592 m，按岩性变化分为上亚组、中亚组和下亚组三段：下亚组底部以宁静喷溢熔岩为主，岩性为玄武岩、玄武安山岩及同成分的角砾熔岩；中部为喷溢与爆发交替出现的一套中性火山岩，岩性以玄武安山岩和玄武安山角砾岩为主；上部以爆发与喷溢为主的一套岩石，岩性为玄武安山岩与安山岩互层，夹安山质角砾熔岩、凝灰岩。中亚组底部为强烈的喷发相，以角砾凝灰岩、熔结凝灰岩、凝灰岩和玄武岩为主；中部以喷溢与爆发交替出现的粗安岩夹凝灰岩为主；上部以粗安岩和粗安质角砾凝灰岩为主。上亚组底部以碎屑岩和粗面安山岩为主；上部以熔岩碎屑为主。

邹平杂岩体处于东西向齐河-广饶断裂带的南侧，南北向姚家峪断裂之西、北北西向文组断裂以东。主要分布于周村向斜盆地中，由茶叶山辉长岩体、虎伏山-四尖山二长岩体和王家庄闪长岩体组成，呈环状或放射状产出。外环为辉长岩体，中心为闪长岩体，两者之间为二长岩体，其间夹有青山群火山岩系。上述以茶叶山岩体最大，该岩体环绕沫湖顶-白云山中基性火山岩系产出，呈北西向半环绕延伸，长约为30 km，出露面积为22.9 km2（图1）。根据相互穿插关系和岩性特征可将茶叶山岩体划分为三个侵入期次：第一期侵入形成的是茶叶山苏长辉长岩，按岩石成分和结构可划分出内部相、过渡相和边缘相；第二期侵入形成的是长虫峪橄榄苏长辉长岩；第三期侵入形成的是斑状辉绿岩，其侵入于第一期苏长辉长岩体的边缘相和过渡相中。

图1 邹平火山岩盆地地质简图（据山东省地矿局第一地质大队修改）Figure 1.Geological sketch of the Zouping volcanic basin（modified after No.1 Unit, Bureau of Geology and Mineral Resources of Shandong Province）

前人对鲁西地区青山群火山岩年龄有较为系统的研究，杨青亮对邹平辉长岩和辉长闪长岩中锆石进行了U-Pb定年，测得年龄分别为（130±1）Ma和（131±1）Ma［9］；王浩对邹平茶叶山辉长闪长岩和鹤伴山火山岩中锆石进行了U-Pb 定年，测得年龄分别为（126±0.9）Ma和（125±2.0）Ma［10］，属于早白垩世。

2 样品描述及分析方法

2.1 样品描述

本次研究的样品采于邹平鹤伴山和茶叶山。鹤伴山样品为一套青山群下亚组的火山岩，共9 块手标本，岩性为玄武粗安岩与玄武安山岩，灰黑色，块状构造，斑状结构。斑晶大小为0.5~2 mm，主要为斜长石与单斜辉石，其中斜长石呈板状和长板状，灰白色，自形性较好，表面部分蚀变，具有韵律性的环带结构。单斜辉石呈短柱状，黄绿色，自形-半自形，新鲜程度较高，斑晶大小为1~3 mm。茶叶山样品共6 块手标本，岩性为辉长岩，颜色呈暗绿色，致密块状构造，细粒辉长结构。矿物组成主要包括斜长石（45%~50%）、单斜辉石（25%~35%）、斜方辉石（15%~25%）、橄榄石（5%~10%）和黑云母（1%~5%），副矿物为磁铁矿等。

2.2 分析方法

主量元素、微量元素及Sr-Nd-Pb同位素分析均在澳实分析检测（广州）有限公司完成。主量元素采用X 射线荧光光谱法（XRF）分析，在XRF 上运用外标法测定样品中氧化物的含量，分析过程中运用BCR-2标样进行校正，分析精确度和准确度优于5%。微量元素分析采用Agilent7500a 型ICP-MS 完成，分析精确度和准确度优于10%。Sr-Nd 同位素分析采用HF+HNO3混合酸液解，用阳离子交换技术进行分离，分析精度优于0.002%。国际标样LaJolla 和BCR-2的143Nd/144Nd 测定平均值分别为0.511 859±6（2σ，n=20）和0.512 637±3（2σ，n=12），NBS 987给出的87Sr/86Sr值为0.710 245±15（2σ，n=9）。Pb同位素采用AG50WX12，200~400 mesh 离子交换树脂在超净实验室内进行化学分离，在测定样品之前，用NBS 981 标准校定仪器，测试过程中采用NBS 997Tl 作为内标进行质量分馏校正，随时测定NBS 981 来监测仪器。分析过程中NBS 981 标准测定值的平均值为：206Pb/204Pb=16.940、207Pb/204Pb=15.486和208Pb/204Pb=36.722。

3 分析结果

3.1 主量元素特征

邹平鹤伴山玄武安山岩具有相对均一的SiO2（52.37%~54.65%），全碱（N2O+K2O）含量为5.24%~7.50%，在TAS 图解中落入亚碱性范围（图2）。邹平玄武安山岩的MgO 为4.42%~6.06%（图3），全岩Mg#为52.50~59.43［Mg#=100×Mg²+/（Mg²++Fe²+）］，Al2O3含量为13.59%~15.60%，Fe2O3T含量为9.06%~10.38%。邹平辉长岩的SiO2含量为50.04%~56.14%，全碱含量为3.24%~5.96%，Al2O3含量为12.38%~17.42%，Fe2O3T含量为8.12%~11.00%。邹平辉长岩同时具有较大的MgO 含量变化（4.32%~11.80%）及Mg#范围（55.36~74.81）（表1）。

表1 邹平玄武安山岩和辉长岩主量元素（%）、微量元素（×10-6）与稀土元素（×10-6）分析结果Table 1.Major（%）, trace（×10-6）and rare earth（×10-6）elements in the Zouping basaltic andesite and gabbro

图2 邹平玄武安山岩和辉长岩TAS图解Figure 2.TAS diagram of the Zouping basaltic andesite and gabbro

图3 邹平玄武安山岩和辉长岩SiO2含量与其他主量元素氧化物及Ni、Cr的相关图Figure 3.Correlation diagram of SiO2 content against the oxides of other major elements, Ni and Cr in the Zouping basaltic andesite and gabbro

3.2 稀土元素特征

样品的稀土含量（∑REE）为63×10-6~130×10-6，轻重稀土比（La/Yb）N（N 代表原始地幔标准化值，下同）为5.87~10.92，在球粒陨石标准化稀土元素配分图上为富集轻稀土、亏损重稀土的配分模式（图4a）。其中鹤伴山玄武安山岩有轻微的Eu 负异常，Eu/Eu*为0.93~0.97，茶叶山辉长岩存在轻微的Eu 正异常，Eu/Eu*为0.97~1.33。

图4 邹平玄武安山岩和辉长岩稀土元素球粒陨石标准化配分图（a）和微量元素原始地幔标准化蛛网图（b）Figure 4.Chondrite-normalized REE patterns（a）and primitive-mantle-normalized spidergrams for the Zouping basaltic andesite and gabbro（b）

3.3 微量元素特征

在原始地幔标准化微量元素蛛网图上（图4b），样品表现出富集大离子亲石元素（LILE，如Ba、K、Pb、Sr），亏损高场强元素（HFSE，如Nb、Ta、Zr、Hf、Ti）的典型岛弧特征，具有与华北克拉通东部早白垩世镁铁质岩石相似的特征［11-17］。

3.4 Sr-Nd-Pb同位素组成

样品Sr-Nd同位素组成表现出EM-I地幔源区的特征，87Sr/86Sr变化较小，为0.704 667~0.705 409，初始Nd同位素值εNd（t）变化较大，为−16.8~−9.8。与中国东部新生代碱性玄武岩相比［18］，早白垩世的济南和邹平基性岩更加富集。与鲁西的费县、方城和沂南［19-21］及胶东的即墨、兴村早白垩世镁铁质岩石［22］相比，邹平的样品具有相似的εNd（t）及较低的87Sr/86Sr。分析测试结果见表2。

表2 邹平玄武安山岩和辉长岩Sr-Nd同位素组成Table 2.Sr-Nd isotopic composition for the Zouping basaltic andesite and gabbro

初始Pb同位素组成是根据全岩Pb同位素组成实测值，结合U、Th 和Pb 的含量，并扣除相应年龄的放射成因Pb 同位素的累积计算得到。2 处样品具有较为一致的Pb 同位素组成：206Pb/204Pb 为16.552~17.564；207Pb/204Pb为15.236~15.433；208Pb/204Pb为36.444~37.411。分析测试结果见表3。

表3 邹平玄武安山岩和辉长岩Pb同位素组成Table 3.Pb isotopic composition for the Zouping basaltic andesite and gabbro

4 讨论

4.1 地壳混染

邹平基性岩具有较高的MgO、Cr、Ni，较低的SiO2，以及较高的Mg#，指示其原始熔体形成于超镁铁质地幔的部分熔融［23-24］。然而，这些岩石同时显示出大陆地壳的地球化学特征，如：①较高的轻重稀土比值（La/Yb）N=6.2~11.7；②较高的LILE（Ba、K、Pb、Sr）和亏损的HFSE（Nb、Ta、Zr、Hf、Ti）（图4）；③较低的Nb/U（4.6~20）和较高的Ba/Th（235~1 356）；④中等程度的87Sr/86Sr（0.704 667~0.705 409）和较低的εNd（t）（−16.8~−9.8）（图5）。在Sr-Nd 图解中，样品没有落在上地壳与地幔两端元的混合趋势线上，说明样品受到上地壳物质混染的可能性较低。另外，邹平玄武安山岩的Nb/U 与SiO2之间负相关性不明显（图6a），指示低Nb/U 与岩浆演化无关，其应该指示的是岩浆源区的性质；而茶叶山样品的Ce/Pb与87Sr/86Sr没有负相关关系（图6b），指示低Ce/Pb 组分来自地壳混染的可能性较低。

图5 邹平玄武安山岩和辉长岩地幔端元图Figure 5.Zouping basaltic andesite and gabbro mantle terminal diagram

图6 邹平玄武安山岩SiO2-Nb/U相关图（a）及邹平玄武安山岩和辉长岩87Sr/86Sr-Ce/Pb相关图（b）Figure 6.SiO2 versus Nb/U for the Zouping basaltic andesite and 87Sr/86Sr versus Ce/Pb for the Zouping basaltic andesite and gabbro

4.2 分离结晶

全岩主微量元素的较大变化指示邹平基性岩可能经历了不同程度的分离结晶。Cr、Ni、CaO/Al2O3与MgO 呈正相关（图7），指示了橄榄石和单斜辉石的分离结晶。

图7 邹平玄武安山岩和辉长岩MgO与CaO/Al2O3、Cr、Ni相关性和稀土总含量与Eu异常相关图Figure 7.Correlation between MgO and CaO/Al2O3, Cr and Ni and correlation between total rare earth content and Eu anomaly for the Zouping basaltic andesite and gabbro

4.3 地幔源区

相似分配系数的强不相容元素在部分熔融过程中具有相似的地球化学行为，其比值可以用来示踪岩浆的源区。样品的Ce/Pb和Nb/U较低且变化较小（图8），落在大陆地壳与岛弧火山岩的范围内［25］，低于洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩［26］（Ce/Pb=25±5；Nb/U=47±7）。同时，本次研究的样品具有较高的La/Nb（3.7~10.4）和La/Ta（46~83），高于软流圈来源的玄武质熔体［27］（La/Nb＜1.5，La/Ta＜22），与方城、蒙阴盆地玄武岩以及中国东部中生代基性岩相似［28-29］，指示源区不太可能直接来源于软流圈地幔的部分熔融［30］，而可能为受到交代的岩石圈地幔［31］。来自软流圈的玄武质熔体具有相对较高的TiO2含量［洋岛玄武岩（OIB）平均TiO2含量为2.86%］，来自岩石圈地幔的玄武质岩浆TiO2含量相对较低［32］，而邹平基性岩具有较低的TiO2含量（TiO2＜1.2%），符合岩石圈地幔相对软流圈地幔TiO2含量较低的特点［33］。

图8 邹平玄武安山岩和辉长岩Ce/Pb-Ce相关性和Nb/U-Nb相关图注：MORB和OIB数据引自Hofmann et al.（1986）［26］Figure 8.Ce/Pb versus Ce and Nb/U versus Nb for the Zouping basaltic andesite and gabbroNote:MORB and OIB data are cited from Hofmann et al（.1986）［26］

邹平基性岩具有中等的87Sr/86Sr 和较低的εNd（t），在Sr‒Nd图解中远离洋中脊玄武岩与洋岛玄武岩的地幔源区，落在EM‒1 型地幔源区范围内（图5）。同时，样品还具有极低的Pb 同位素比值，与来源于古老的下部大陆岩石圈地幔（SLCM）的煌斑岩相似［34］。

微量元素上，邹平和济南基性岩富集LILE 和LREE，亏损HFSE，不同于起源软流圈地幔的MORB的微量元素配分［35-36］，可能指示了一个受到俯冲作用交代的EM‒1 型地幔源区。同时，较高的Pb 含量（Pb在熔体中溶解度较高）以及较低的Pb 同位素比值也指示源区受到了近期俯冲相关熔体的改造，难熔的岩石圈地幔受到俯冲板片析出流体的交代而发生部分熔融形成的熔体具有与之相似的不相容元素特征和Sr-Nd-Pb 同位素组成。因此，邹平基性岩可能形成于受俯冲板片析出流体交代的难熔岩石圈地幔的部分熔融。