山東昌樂新生代玄武巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

王晶晶，張志剛，郭晶，陶有兵

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

在中—新生代，華北克拉通經(jīng)歷了明顯的構(gòu)造活化作用，表現(xiàn)為華北東部克拉通破壞和巖石圈減薄[1-3]。隨后華北東部總體進(jìn)入張性構(gòu)造演化階段，與之伴生的是巨量的中新生代巖漿巖發(fā)育[4-12]。

山東昌樂地區(qū)發(fā)育了大量新生代玄武巖，前人多從巖石學(xué)、地球化學(xué)、礦物包裹體等方面對(duì)其巖漿演化進(jìn)行了探討[14-18]。近年來，隨著測(cè)試技術(shù)的提高，部分學(xué)者通過對(duì)玄武巖中的地幔捕擄晶及其包體礦物的元素、同位素等的研究，探討了其源區(qū)演化特征[19-24]。本文通過對(duì)華北東部臨朐-昌樂火山巖盆地新生代堯山組玄武巖的地球化學(xué)特征的研究，探討了玄武巖巖漿源區(qū)的特征。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)(圖1)地處華北陸塊東緣，位于沂沭斷裂帶西側(cè)，屬臨朐-昌樂火山巖盆地，以發(fā)育新生代火山機(jī)構(gòu)為特征，由NE向和NW向2組斷裂構(gòu)造控制，新生代火山巖主要由臨朐群牛山組及堯山組火山—火山碎屑巖組成。其中臨朐群堯山組玄武巖中富含寶石級(jí)剛玉原生礦體，含礦橄欖玄武巖中有大量二輝巖、純橄巖、橄欖巖等超基性巖深源包體。由于研究區(qū)堯山組玄武巖的結(jié)晶程度區(qū)別較大，同時(shí)因包體的存在，易對(duì)地球化學(xué)的準(zhǔn)確性造成影響。因此本次研究的樣品選取了臨朐-昌樂火山巖盆地邊部溢流相堯山組橄欖玄武巖進(jìn)行了研究。

2 樣品特征及測(cè)試方法

2.1 樣品特征

橄欖玄武巖樣品巖石學(xué)特征如下：斑晶由輝石、橄欖石構(gòu)成，大小一般0.3～1.8mm，零散分布，部分呈聚斑、聯(lián)斑狀產(chǎn)出。橄欖石呈半自形短柱狀、他形粒狀等，裂理較發(fā)育，可見皂石、蛇紋石、褐鐵礦、伊丁石等沿裂理及邊緣交代，多呈假像。輝石呈他形—半自形柱粒狀，局部褐鐵礦化、皂石化等，部分晶粒內(nèi)可見環(huán)帶、砂鐘構(gòu)造，有時(shí)可見熔蝕麻點(diǎn)結(jié)構(gòu)。基質(zhì)由輝石、橄欖石、少量斜長石及火山玻璃構(gòu)成，粒徑一般小于0.2mm。

1—太古代侵入巖；2—寒武—奧陶系；3—白堊紀(jì)火山巖；4—新近紀(jì)臨朐群；5—中新生代盆地； 6—區(qū)域性斷裂；7—斷裂圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2.2 測(cè)試方法

全巖主微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，其中全巖主量元素分析使用日本理學(xué)(Rigaku)生產(chǎn)的 ZSX Primus Ⅱ型波長色散X射線熒光光譜儀(XRF)，4.0kW端窗銠靶X射線光管，測(cè)試條件為電壓：50kV，電流：60mA，主量各元素分析譜線均為Kα，標(biāo)準(zhǔn)曲線使用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)巖石系列GBW07101—14。微量元素利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成。用于ICP-MS分析的樣品處理如下：①將200目樣品置于105 ℃烘箱中烘干12h； ②準(zhǔn)確稱取粉末樣品50mg置于Teflon溶樣彈中；③先后依次緩慢加入1mL高純HNO3和1 mL高純HF；④將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190℃烘箱中加熱24h以上；⑤待溶樣彈冷卻，開蓋后置于140℃電熱板上蒸干，然后加入1 mL HNO3并再次蒸干；⑥加入1 mL高純HNO3、1 mL MQ水和1mL內(nèi)標(biāo)In(濃度為1 ppm)，再次將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190℃烘箱中加熱12h以上；⑦將溶液轉(zhuǎn)入聚乙烯塑料瓶中，并用2% HNO3稀釋至100 g以備ICP-MS測(cè)試。

3 測(cè)試結(jié)果及討論

3.1 主量元素特征

堯山組火山巖SiO2含量為44.14%～45.69%，屬于超基性—基性巖類，Mg＇介于0.73～0.86之間。Al2O3含量為14.12%～14.76%之間；Na2O含量為4.12%～4.98%，K2O含量為0.95%～3.22%，鉀質(zhì)成分變化較大；A/CNK值在0.56～0.64之間，屬于貧鋁質(zhì)巖石。在TAS圖解中(圖2a)，7件樣品均落入堿性玄武巖區(qū)，總的來看堯山期玄武巖富堿，相對(duì)貧鋁、硅，同時(shí)注意到6件樣品均屬堿性系列，進(jìn)一步利用T.N.Irvine(1971)堿性火山巖系列An-Ab-Or圖解(圖2b)判別，7件樣品均落入鉀質(zhì)區(qū)域，屬堿性火山巖系列鉀質(zhì)巖類[25]。

圖2 堯山組玄武巖TAS圖解(a)和堿性火山巖系列判別圖解(b)

3.2 微量及稀土元素特征

堯山組玄武巖微量元素蛛網(wǎng)圖(圖3a，表1)上表現(xiàn)出大離子親石元素Rb、Ba、K富集不顯著，尤其是Rb、K部分樣品顯示出虧損特征；高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、Ti表現(xiàn)為富集峰，顯示出不相容元素的富集特征，區(qū)別于島弧火山巖，Zr、Hf相對(duì)虧損，具幔源特征，高場(chǎng)強(qiáng)元素總體顯示出與地幔柱相關(guān)的堿性玄武巖特征，這也與陳立輝[26]在詳細(xì)分析了玄武巖的Sr、Nd、Hf同位素所得結(jié)論一致。

圖3 堯山組玄武巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(b)

堯山組玄武巖稀土元素及特征參數(shù)見表1，輕稀土總量(∑LREE)為188.84×10-6～283.41×10-6之間，重稀土總量(∑HREE)為18.76×10-6～24.14×10-6之間，δEu值為0.96～1.09，較接近1，說明基本不發(fā)生銪分異，暗示源區(qū)沒有斜長石殘留，形成深度較大。

表1 臨朐群堯山組玄武巖主量元素(wt%)、微量元素(10-6)測(cè)試結(jié)果及特征參數(shù)

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土配分曲線(圖3b)呈平緩的右傾曲線，斜率較小，輕稀土相對(duì)較富集，輕稀土分餾程度高于重稀土,說明玄武巖巖漿源區(qū)為富集地幔或巖漿在上升過程中有部分殼源物質(zhì)混入，陳立輝等[26]認(rèn)為堯山組玄武質(zhì)巖漿顯示的富集特征不是巖漿上升過程中混染的下地殼物質(zhì),而是經(jīng)歷過早期熔融的再循環(huán)大陸下地殼(富集地幔)。通過本次工作對(duì)玄武巖鋯石年代學(xué)的研究，其捕獲鋯石可以分為6組，分別為～2500Ma、～1800Ma、～800Ma、～430Ma、～230Ma、～120Ma，顯示出復(fù)雜的地殼捕獲鋯石特征，認(rèn)為堯山組玄武巖地球化學(xué)的富集特征應(yīng)為再循環(huán)大陸下地殼的熔融與地殼物質(zhì)混入共同作用的結(jié)果。

3.3 堯山組玄武巖源區(qū)特征探討

3.3.1 玄武巖構(gòu)造環(huán)境

J.A.Pearce[27]從已知構(gòu)造環(huán)境的大量中新生代玄武巖中，選出6種板塊構(gòu)造環(huán)境中代表巖石，以8個(gè)主要氧化物ωB%多元統(tǒng)計(jì)得到F1、F2、F3判別函數(shù)，分為2個(gè)圖(圖4)，以判別玄武巖產(chǎn)出的板塊構(gòu)造環(huán)境。在F1—F2相關(guān)圖解中堯山組玄武巖7件樣品均落入板內(nèi)玄武巖區(qū)，對(duì)其進(jìn)行F2—F3投圖，沒有一件樣品落入F2—F3圖中的4種構(gòu)造環(huán)境，故堯山組玄武巖形成于板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境。

LKT—低鉀拉斑玄武巖(島弧拉斑玄武巖)；CAB—鈣堿性(高鋁)玄武巖；WPB—板內(nèi)玄武巖；SHO—鉀玄巖；OFB—洋底(洋中脊)玄武巖圖4 堯山組火山巖F1-F2-F3圖解(據(jù)J.A.Pearce,1976)[27]

3.3.2 玄武巖源區(qū)溫壓環(huán)境

Κутолйн(1966)認(rèn)為玄武巖中MgO與橄欖石結(jié)晶溫度(tol)有關(guān)， MnO、TiO2、Al2O3、FeO與斜長石的結(jié)晶溫度(tpl)有關(guān)，計(jì)算出溫度為攝氏溫度t(℃)。其溫度方程式如下：tol=1056.6+17.30MgO，精確度為±26℃；tpl=1144.7-136.26MnO-19.23TiO2+7.41 Al2O3-1.04FeO，精確度為±25℃。堯山組玄武巖3件樣品計(jì)算后平均值Tol為1187.88℃，Tpl值為1215.70℃，故其巖漿源區(qū)溫度應(yīng)為1187.88～1215.70℃。

對(duì)堯山組玄武巖原始巖漿形成深度，利用陽離子標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算成Ne′、Ol′、Q′(100%)后，投圖后利用插入法確定該玄武巖漿的源區(qū)壓力(圖5)。一般的巖漿形成深度越大，地幔部分融成的玄武巖漿酸度愈小，尤其堿度(Ne)愈大。堯山組堿性玄武巖7件樣品形成壓力均大于等于3GPa，一般來說，玄武質(zhì)巖漿源區(qū)壓力大約為2.5GPa～3.5 GPa[27-28]，據(jù)其壓力與深度相關(guān)性估算堯山組玄武巖的形成深度應(yīng)大于100km[28]。

圖5 Ne′-Ol′-Q′系相圖

綜上，堯山組玄武巖地球化學(xué)特征指示其與地幔柱成因相關(guān)，利用J.A.Pearce等[27-30]認(rèn)為玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖得出其形成于板內(nèi)環(huán)境，其形成溫度為1187.88～1215.70℃，形成壓力大于等于3GPa，形成深度大于100km[30]。

4 結(jié)論

(1)堯山組玄武巖屬超基性—基性巖類堿性玄武巖，貧鋁、富堿，屬堿性火山巖系列鉀質(zhì)巖類。

(2)微量元素特征顯示堯山組玄武巖區(qū)別于島弧玄武巖，且富含高場(chǎng)強(qiáng)元素，具有幔源巖漿屬性。稀土元素特征顯示堯山組玄武巖稀土總量輕度富集，具有右傾型特征，銪異常不顯示，指示巖漿源區(qū)沒有斜長石殘留，地球化學(xué)特征顯示巖漿源區(qū)富集特征應(yīng)為再循環(huán)大陸下地殼的熔融與巖漿上涌過程中地殼物質(zhì)的混入共同作用的結(jié)果。

(3)堯山組玄武巖地球化學(xué)特征指示其與地幔柱成因相關(guān)，利用J.A.Pearce玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖得出其形成于板內(nèi)環(huán)境，其形成溫度為1187.88～1215.70℃，形成壓力大于等于3GPa，形成深度大于100km。