魯西郯城蛇紋巖微量元素和鋯石U
--Pb年代學：對華北陸塊東部巖石圈地幔改造的啟示

全昳糠, 霍騰飛, 楊冬紅, 劉金民

1.吉林大學地球科學學院, 長春130061;2.吉林大學古生物學與地層學研究中心, 長春130026;3.山東省地質礦產局, 濟南250013

0 引言

華北陸塊東部因廣泛發育晚中生代巖漿活動和產出有橄欖巖類及輝石巖類地幔包體成為研究華北克拉通破壞的天然實驗室[1--4]。近年來，研究表明華北陸塊東部古老的、厚的(～200 km)富集巖石圈的地幔被年輕的、薄的(～80 km)虧損大洋型地幔所取代，華北陸塊東部巖石圈地幔發生了減薄[5]。雖然，減薄發生的機制和動力學背景仍存在諸多爭議[6]，但大規模減薄的峰期發生在早白堊世已經得到共識[7]。特別是Yang et al.[4]在詳細的巖相學和礦物化學研究基礎上，通過對魯西地區鐵銅溝高鎂閃長巖攜帶的地幔橄欖巖包體中鋯石的SHRIMP U--Pb定年研究，直接給出了華北陸塊東部巖石圈地幔被陸殼物質強烈改造的峰期時間為早白堊世早期。俯沖或拆沉的陸殼物質部分熔融可以產生大量的富硅質熔體，進而交代巖石圈地幔，因此，地幔橄欖巖記錄了大陸地殼物質熔融的熔體對巖石圈地幔的改造過程，是揭示巖石圈地幔被改造過程的重要窗口。

前人對華北陸塊東部巖石圈地幔被改造性質的研究，主要集中在魯西地區早白堊世高鎂閃長巖中地幔橄欖巖類捕虜體和膠東地區中國大陸超深鉆工程中產出的地幔橄欖巖[3,8]。然而，地幔橄欖巖多因蛇紋石化作用逐漸轉變成蛇紋石化橄欖巖或蛇紋巖，而蛇紋巖因其特殊的物理性質和地球化學性質研究程度相對較低，通常僅將蛇紋巖作為原生超鎂鐵質巖的蝕變巖。雖然，蛇紋巖中巖石學和礦物學發生了改變，但其繼承了原巖屬性的信息，與地幔橄欖巖相比，華北陸塊東部蛇紋巖的研究相對較少，主要集中在蘇魯造山帶內，它們的構造屬性和巖石成因仍存在較大爭議。Xie et al.[9]基于蘇魯超高壓變質帶內仰口和梭羅樹蛇紋巖的礦物化學和鉑族元素研究，認為該蛇紋巖的原巖是華北克拉通東部古老大陸巖石圈地幔楔的殘留，而Li et al.[10]對蘇魯超高壓變質帶仰口蛇紋巖的礦物化學和鋯石U--Pb年代學研究，認為其原巖可能為新元古代侵入揚子陸塊地殼中的超基性堆晶巖，中晚三疊世同揚子陸塊一起發生俯沖和超高壓變質作用，而后發生蛇紋石化形成仰口蛇紋巖。魯西地區郯城蛇紋巖出露于揚子和華北陸塊拼接的結合部位—郯廬斷裂帶內，它們的構造屬性如何?原巖所反映的巖石圈地幔被改造的過程如何?目前這些科學問題還沒有得到較好的解決。鑒于此，筆者對魯西地區郯城蛇紋巖開展了鋯石U--Pb年代學和全巖微量元素研究，進而探討華北陸塊東部巖石圈地幔被改造的過程。

1 地質背景和樣品描述

華北陸塊是世界上典型的古老克拉通之一，分為東部陸塊、西部陸塊和中部造山帶[8]?！?.85 Ga完成了克拉通化后，華北陸塊一直保持穩定，直到晚中生代華北克拉通發生強烈的破壞，巖石圈地幔的厚度減薄～120 km，巖石圈地幔的性質由難熔型向飽滿型轉變[11]。魯西地區位于華北陸塊東部，郯廬斷裂帶以西，東南與大別—蘇魯造山帶相接。區內地層為典型的華北型地層，主要為新太古代泰山群、寒武系、中--下奧陶統和石炭系—二疊系，中生代主要為斷陷盆地沉積，發育少量的上三疊統和侏羅系—白堊系[11]，新生代為河湖相沉積。魯西地區除廣泛分布前寒武紀巖石外，中生代火成巖也非常發育，主要形成于早侏羅世和早白堊世，少量為晚白堊世[12]。早白堊世費縣—方城玄武巖和鐵銅溝高鎂閃長巖中發育豐富的地幔橄欖巖類包體、輝石巖類包體以及橄欖石和輝石等捕虜晶，成為研究華北陸塊東部巖石圈地幔屬性的天然實驗室[3]。

郯城蛇紋巖出露于魯西地區郯城縣東北約20 km，郯廬斷裂帶內部，呈橢圓狀巖株產出，無分帶特征，變形較弱，長約250 m，寬約100 m，巖體周邊被第四系覆蓋，南部出露的地層主要為白堊系田家樓組(圖1)。蛇紋巖內發育少量的金云母脈。樣品呈灰綠色(圖2a)，主要由蛇紋石(75%～80%)、橄欖石(10%～15%)以及少量的黑云母(2%～3%)和不透明礦物(1%～2%)組成。橄欖石多發生蛇紋石化，呈孤島狀殘留在蛇紋石中(圖2b、c)，蛇紋巖中大量橄欖石的殘留以及多數蛇紋石具橄欖石的假晶，未見輝石及其假晶，表明蛇紋巖的原巖應為地幔超鎂鐵質純橄巖。

2 分析方法

對樣品進行詳細的巖相學研究，挑選無巖脈的樣品約10 kg。鋯石分選在廊坊宇能地質服務公司完成， 為避免混樣的發生， 除大型儀器外， 淘選用的小件儀器均采用新工具。樣品人工粉碎并磨至200目，采用磁選和重液分選方法進行鋯石分離，在雙目鏡下手動挑純。將分選出的鋯石顆粒粘在雙面膠上，套上靶環，灌入環氧樹脂后冷卻，對樣品靶進行拋光并露出顆粒表面，再進行透射光、反射光和陰極發光(CL)圖像采集，圖像的采集工作在廊坊宇能地質服務公司完成。激光剝蝕等離子體質譜(LA--ICP--MS)鋯石U--Pb同位素分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。實驗中采用He作為剝蝕物質的載氣，U--Pb定年采用標準鋯石91500作為外標進行同位素分餾校正，硅酸鹽玻璃NIST610作為參考物質進行儀器最佳化。全巖的微量元素在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成。分析采用電感耦合等離子質譜(ICP--MS)法，其分析精度和準確度一般優于10%，采用HNO3和HF酸溶樣后制備待試溶液，并使用標準樣品W--2和G--2及GSR--1、GSR--2和GSR--3校正所測樣品的元素含量。

圖1 魯西地區郯城蛇紋巖地質簡圖Fig.1 Geologic sketch map showing location of serpentinites from Tancheng of western Shandong

Bt：黑云母；Ol：橄欖石；Srp：蛇紋石圖2 郯城蛇紋巖樣品特征和礦物組成Fig.2 Petrographic features and minerals compositions of Tancheng serpentinites

3 分析結果

3.1 鋯石U--Pb年代學

郯城蛇紋巖樣品(Tc--3)中共分選出44顆鋯石，測定了45個年齡點，部分鋯石CL圖像見圖3，U--Pb分析結果見表1。對于年齡>1 000 Ma的數據，采用207Pb/206Pb的值作為結果,對于年齡<1 000 Ma的數據，采用206Pb/238U的值作為結果。

圖3 郯城蛇紋巖中典型鋯石陰極發光圖像Fig.3 Cathodoluminescence images of representive zircons of Tancheng serpentinites

45個鋯石U--Pb年齡介于78～2 518 Ma之間，其諧和年齡可以分為6個主要年齡段：78～92 Ma、106～122 Ma、225～231 Ma和少量的新元古代年齡(711 Ma、719 Ma)、古元古代年齡(～1 815 Ma)以及新太古代年齡(～2 518 Ma)。其中，最年輕的一組年齡為78～92 Ma，其206Pb/238U加權平均年齡為85±4 Ma(n=8)，即晚白堊世。8顆晚白堊世鋯石呈長柱狀，少數呈次棱角狀，大小50～100 μm，長寬比介于1～2之間，發育典型的巖漿生長環帶和弱條痕吸收(圖3)，結合較高的Th/U比值(0.63～1.18，圖4)，暗示它們為巖漿成因。早白堊世鋯石年齡為106～122 Ma，其206Pb/238U加權平均年齡為113±3 Ma(n=14)，14顆鋯石呈短柱狀，大小50～120 μm，長寬比為1～1.5，發育巖漿環帶結構，Th/U比值為0.40～2.23，暗示為巖漿成因。晚三疊世鋯石呈渾圓狀，具有均勻無分帶和云霧狀的CL圖像特點(圖3)，其Th/U比值為0.04～0.13(表1)，位于變質鋯石Th/U比值范圍內(圖4)，表明其為變質鋯石，分析點年齡為225～231 Ma，加權平均年齡為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)鋯石，多數呈褐色--紅褐色，少量為無色透明，在CL圖像上，表現為渾圓狀--次圓狀，發育典型的巖漿生長環帶，少量鋯石具核邊結構，其Th/U比值變化于0.44～1.25，暗示它們均為巖漿成因鋯石。

圖4 郯城蛇紋巖中鋯石Th/U比值--U--Pb年齡變異圖Fig.4 Zircon Th/U radios and U--Pb variation diagrams of Tancheng serpentinites

3.2 微量元素

郯城蛇紋巖中橄欖石多發生蛇紋石化而轉變為蛇紋石，僅有少量的橄欖石殘留，考慮到主量元素的改變和高的燒失量，筆者僅對不發育晚期脈體的蛇紋巖Tc--2和Tc--11樣品進行了微量元素分析(表2)。郯城蛇紋巖稀土元素總量較低(∑REE=1.25×10-6、6.81×10-6)，輕稀土元素和重稀土元素元素分餾不明顯(LREE/HREE=1.71、2.70)，稀土元素配分曲線近于平坦型(圖6a)，(La/Yb)N=0.57、0.97，發育弱的Eu負異常(Eu/Eu*=0.58、0.88)，整體與華北陸塊魯西和太行山地區早白堊世高鎂閃長巖中地幔橄欖巖包體的稀土元素豐度和配分型式相類似[3,13]，而與MORB和OIB組成以及蘇魯造山帶橄欖巖的稀土元素特征不同，后者具有更高的豐度[14]。原始地幔標準化蛛網圖顯示(圖5b)，郯城蛇紋巖相對富集大離子親石元素(Ba、Th、U)和相對虧損高場強元素(Nb、Zr、Hf)，具有明顯的Pb正異常，這與華北陸塊魯西和太行山地區早白堊世高鎂閃長巖中地幔橄欖巖包體的微量元素特征相似[3,13]，而不同于蘇魯造山帶橄欖巖的微量元素組成[13]，后者缺乏Pb的正異常。

表1 郯城蛇紋巖LA--ICP--MS U--Pb同位素定年結果Table 1 LA--ICP--MS U--Pb isotopic dating results for Tancheng serpentinites

注：對于年齡>1 000 Ma的數據，采用207Pb/206Pb的值作為結果；對于年齡<1 000 Ma的數據，采用206Pb/238U的值作為結果.

圖5 郯城蛇紋巖中鋯石U--Pb年齡諧和圖(a,b,c)和分布頻率圖(d)Fig.5 LA--ICP--MS zircon U--Pb concordant plots (a, b, c) and distribution diagram (d) of Tancheng serpentinites

表2 郯城蛇紋巖微量元素分析數據Table 2 Trace element data for Tancheng serpentinites/10-6

數據來源：蘇魯造山帶橄欖巖據文獻[14]; 魯西橄欖巖捕虜體據文獻[3]; 太行山橄欖巖捕虜體據文獻[13]; N--MORB、E--MORB和OIB據文獻[15]; LCC據文獻[5].圖6 郯城蛇紋巖稀土元素球粒隕石標準化配分型式圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace elements spider diagrams (b) for Tancheng serpentinites

4 討論

4.1 郯城蛇紋巖的原巖性質

郯城蛇紋巖巖體在野外以巖株狀產出，巖體無分帶，變形較弱，且蛇紋巖樣品中橄欖石呈孤島狀殘留在蛇紋石中(圖2b、c)，多數蛇紋石具橄欖石的假晶，未見輝石及其假晶。此外，郯城蛇紋巖輕重稀土元素分餾不明顯，相對富集大離子親石元素，相對虧損高場強元素，整體上與華北陸塊代表古老巖石圈地幔殘留的魯西和太行山地區早白堊世高鎂閃長巖中地幔橄欖巖類包體的特征相類似(圖6)[3,13]，而與蘇魯造山帶橄欖巖不同，后者的原巖為侵入到揚子陸殼中的超基性堆晶巖[13]，結合郯城蛇紋巖中具有華北基底屬性的古元古代—新太古代巖漿鋯石的存在(圖5)，暗示它們的原巖應為華北陸塊古老的巖石圈地幔部分熔融后殘留的純橄巖，而后經歷強烈的蛇紋石化作用形成蛇紋巖。

4.2 郯城蛇紋巖中鋯石的組成及其對巖石圈地幔改造的啟示

超鎂鐵質地幔巖的SiO2極度不飽和及Zr含量極低，因此很難直接結晶出鋯石。然而，超高壓變質帶中經歷變質作用改造的石榴石橄欖巖[10,14]和被富硅質熔體強烈改造的地幔橄欖巖捕虜體[3,13]中發現有變質鋯石和巖漿鋯石的存在，它們分別是變質流體和富硅質熔體對地幔橄欖巖改造的結果，其年齡代表了變質作用發生的時間以及巖石圈地幔被富硅質熔體改造的時間。魯西地區郯城蛇紋巖樣品相對富集輕稀土元素，具有明顯的Pb正異常，此外，微量元素組成與MORB和OIB樣品明顯不同，而與魯西和太行山地區早白堊世高鎂閃長巖中產出的地幔橄欖巖類捕虜體組成相類似(圖5)，暗示它們的原巖同樣經歷了富硅質熔體的改造，這為蛇紋巖中鋯石的形成提供了條件[3,13]。郯城蛇紋巖中鋯石的形成，是大陸地殼物質熔融產生的富硅質熔體對巖石圈地幔改造的結果[4]。

郯城蛇紋巖樣品中共分選出44顆鋯石，基于鋯石的晶體特征和CL圖像以及U--Pb年代學分析結果(表1)，可將鋯石分為2組：一組為巖漿鋯石，其年齡組成包括古元古代—新太古代(1 815～2 518 Ma，n=5)、新元古代(711 Ma、719 Ma)、早白堊世(106～122 Ma，n=14)和晚白堊世(78～92 Ma，n=8)；另一組為變質鋯石，其年齡為晚三疊世(225～231 Ma，n=3)。

華北陸塊基底以發育新太古代花崗巖、TTG片麻巖和鎂鐵質火山巖以及古元古代堿性花崗巖和環斑花崗巖等構造--巖漿--熱事件為特征[8,14]，雖然在揚子陸塊也有新太古代和古元古代巖漿事件年齡的報道(如崆嶺雜巖)[16]，但與華北陸塊相比，揚子陸塊則以新元古代雙峰式巖漿活動為特征[17]。郯城蛇紋巖中古元古代—新太古代(1 815～2 518 Ma)巖漿鋯石的存在，暗示拆沉的華北陸塊基底物質熔融的熔體對巖石圈地幔的改造。蛇紋巖中新元古代(711 Ma、719 Ma)鋯石發育環帶結構，結合較高的Th/U比值(1.25、1.03)，暗示其為巖漿成因，該年齡與揚子陸塊廣泛發育的新元古代(700～850 Ma)雙峰式巖漿作用相一致[18]。而晚三疊世(225～231 Ma)鋯石的CL圖像則呈無分帶結構和云霧狀特點(圖3)，具有較小的Th/U比值(0.04～0.13)，表明其為變質鋯石。該年齡與大別—蘇魯高壓--超高壓變質作用的峰期時間相吻合[11,19]，同時與仰口蛇紋巖和CCSD中石榴橄欖巖獲得的變質鋯石年齡結果(212～234 Ma)相類似[8,10]，結合新元古代巖漿鋯石的同時存在，暗示郯城蛇紋巖的原巖經歷了超高壓變質作用改造的俯沖--斷離揚子板片熔融的熔體的交代，同時，也證明揚子大陸的深俯沖是造成華北陸塊東部巖石圈加厚的動因[11,19]。早白堊世(106～122 Ma)鋯石的CL圖像具有較明顯的震蕩環帶結構，結合較高的Th/U比值(0.40～2.23)，暗示其為巖漿成因。早白堊世巖漿作用在華北陸塊東部廣泛發育，形成大量不同性質的侵入巖和火山巖，如魯西地區濟南輝長巖(120～130 Ma)[20]、鐵銅溝、金嶺、上峪輝長閃長巖(131～134 Ma)[18]、徐淮地區利國、夾溝、班井、豐山和蔡山高鎂閃長巖(125～132 Ma)[21]以及蚌埠地區女山、西蘆山、曹山花崗巖(112～130 Ma)[19]。蛇紋巖中早白堊世年齡具有最高的峰值，這與華北陸塊東部廣泛存在的早白堊世巖漿作用時間以及華北陸塊巖石圈減薄的峰期時間相一致，代表了拆沉陸殼物質熔融的熔體與巖石圈地幔之間的強烈相互作用[4]。晚白堊世(78～92 Ma)鋯石呈長柱狀，少數呈次棱角狀，CL圖像具震蕩環帶和條痕狀吸收的特點，結合較高的Th/U比值(0.63～1.18)，暗示它們為巖漿成因。華北陸塊東部晚白堊世巖漿活動相對較少，僅在膠東、遼西、遼南地區有少量報道，如膠東莒南玄武質火山角礫巖的形成時代為67 Ma[22]，遼西阜新堿性玄武巖的形成時代為85～92 Ma[23]，而遼南曲家屯堿性玄武巖則形成于晚白堊世的82 Ma[23]。蛇紋巖中晚白堊世鋯石應來源于該期以基性巖漿活動為主的富硅質熔體的交代。

華北陸塊中部漢諾壩、繁峙和鶴壁地區新生代玄武巖中橄欖巖類捕虜體的Li--Sr--Nd同位素結果[24]和華北陸塊東部蒙陰金伯利巖所含的石榴石橄欖巖類捕虜體中不同類型輝石的礦物化學分析[25]以及魯西地區鐵銅溝早白堊世高鎂閃長巖產出的純橄欖巖捕虜體中鋯石SHRIMP U--Pb定年研究[4]，均表明華北陸塊巖石圈地幔經歷了多階段、不同性質熔體的改造，這與郯城蛇紋巖中鋯石年代學的研究結果相一致。

5 結論

(1)魯西地區郯城蛇紋巖的原巖是純橄巖，為華北陸塊東部巖石圈地幔的殘留。

(2)蛇紋巖中存在古元古代—新太古代(1 815～2 518 Ma)、新元古代(711 Ma、719 Ma)、早白堊世(106～122 Ma)和晚白堊世(78～ 92 Ma)四組巖漿鋯石年齡以及晚三疊世(225～231 Ma)變質鋯石年齡。

(3)華北陸塊東部巖石圈地幔受到了俯沖揚子大陸地殼和拆沉華北陸殼物質熔融的熔體改造，同時，記錄了華北陸塊東部早白堊世和晚白堊世巖漿作用的信息。巖石圈地幔被改造的峰期發生在早白堊世，與華北陸塊東部巖石圈發生大規模減薄的峰期時間一致。

致謝: 鋯石LA--ICP--MS U--Pb分析得到西北大學大陸動力學國家重點實驗室的支持和幫助，在此表示感謝!