山東昌樂新生代玄武巖地球化學特征及地質意義

王晶晶，張志剛，郭晶，陶有兵

(山東省地質調查院，山東 濟南 250014)

0 引言

在中—新生代，華北克拉通經歷了明顯的構造活化作用，表現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入張性構造演化階段，與之伴生的是巨量的中新生代巖漿巖發育[4-12]。

山東昌樂地區發育了大量新生代玄武巖，前人多從巖石學、地球化學、礦物包裹體等方面對其巖漿演化進行了探討[14-18]。近年來，隨著測試技術的提高，部分學者通過對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，探討了其源區演化特征[19-24]。本文通過對華北東部臨朐-昌樂火山巖盆地新生代堯山組玄武巖的地球化學特征的研究，探討了玄武巖巖漿源區的特征。

1 研究區地質概況

研究區(圖1)地處華北陸塊東緣，位于沂沭斷裂帶西側，屬臨朐-昌樂火山巖盆地，以發育新生代火山機構為特征，由NE向和NW向2組斷裂構造控制，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。由于研究區堯山組玄武巖的結晶程度區別較大，同時因包體的存在，易對地球化學的準確性造成影響。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行了研究。

2 樣品特征及測試方法

2.1 樣品特征

橄欖玄武巖樣品巖石學特征如下：斑晶由輝石、橄欖石構成，大小一般0.3～1.8mm，零散分布，部分呈聚斑、聯斑狀產出。橄欖石呈半自形短柱狀、他形粒狀等，裂理較發育，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，部分晶粒內可見環帶、砂鐘構造，有時可見熔蝕麻點結構?；|由輝石、橄欖石、少量斜長石及火山玻璃構成，粒徑一般小于0.2mm。

1—太古代侵入巖；2—寒武—奧陶系；3—白堊紀火山巖；4—新近紀臨朐群；5—中新生代盆地； 6—區域性斷裂；7—斷裂圖1 研究區地質簡圖

2.2 測試方法

全巖主微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責任公司完成，其中全巖主量元素分析使用日本理學(Rigaku)生產的 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，測試條件為電壓：50kV，電流：60mA，主量各元素分析譜線均為Kα，標準曲線使用國家標準物質巖石系列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內標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將溶液轉入聚乙烯塑料瓶中，并用2% HNO3稀釋至100 g以備ICP-MS測試。

3 測試結果及討論

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%，鉀質成分變化較大；A/CNK值在0.56～0.64之間，屬于貧鋁質巖石。在TAS圖解中(圖2a)，7件樣品均落入堿性玄武巖區，總的來看堯山期玄武巖富堿，相對貧鋁、硅，同時注意到6件樣品均屬堿性系列，進一步利用T.N.Irvine(1971)堿性火山巖系列An-Ab-Or圖解(圖2b)判別，7件樣品均落入鉀質區域，屬堿性火山巖系列鉀質巖類[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圖(圖3a，表1)上表現出大離子親石元素Rb、Ba、K富集不顯著，尤其是Rb、K部分樣品顯示出虧損特征；高場強元素Nb、Ta、Ti表現為富集峰，顯示出不相容元素的富集特征，區別于島弧火山巖，Zr、Hf相對虧損，具幔源特征，高場強元素總體顯示出與地幔柱相關的堿性玄武巖特征，這也與陳立輝[26]在詳細分析了玄武巖的Sr、Nd、Hf同位素所得結論一致。

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

堯山組玄武巖稀土元素及特征參數見表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，說明基本不發生銪分異，暗示源區沒有斜長石殘留，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)測試結果及特征參數

球粒隕石標準化的稀土配分曲線(圖3b)呈平緩的右傾曲線，斜率較小，輕稀土相對較富集，輕稀土分餾程度高于重稀土,說明玄武巖巖漿源區為富集地?；驇r漿在上升過程中有部分殼源物質混入，陳立輝等[26]認為堯山組玄武質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,而是經歷過早期熔融的再循環大陸下地殼(富集地幔)。通過本次工作對玄武巖鋯石年代學的研究，其捕獲鋯石可以分為6組，分別為～2500Ma、～1800Ma、～800Ma、～430Ma、～230Ma、～120Ma，顯示出復雜的地殼捕獲鋯石特征，認為堯山組玄武巖地球化學的富集特征應為再循環大陸下地殼的熔融與地殼物質混入共同作用的結果。

3.3 堯山組玄武巖源區特征探討

3.3.1 玄武巖構造環境

J.A.Pearce[27]從已知構造環境的大量中新生代玄武巖中，選出6種板塊構造環境中代表巖石，以8個主要氧化物ωB%多元統計得到F1、F2、F3判別函數，分為2個圖(圖4)，以判別玄武巖產出的板塊構造環境。在F1—F2相關圖解中堯山組玄武巖7件樣品均落入板內玄武巖區，對其進行F2—F3投圖，沒有一件樣品落入F2—F3圖中的4種構造環境，故堯山組玄武巖形成于板內構造環境。

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J.A.Pearce,1976)[27]

3.3.2 玄武巖源區溫壓環境

Κутолйн(1966)認為玄武巖中MgO與橄欖石結晶溫度(tol)有關， MnO、TiO2、Al2O3、FeO與斜長石的結晶溫度(tpl)有關，計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件樣品計算后平均值Tol為1187.88℃，Tpl值為1215.70℃，故其巖漿源區溫度應為1187.88～1215.70℃。

對堯山組玄武巖原始巖漿形成深度，利用陽離子標準礦物計算成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，玄武質巖漿源區壓力大約為2.5GPa～3.5 GPa[27-28]，據其壓力與深度相關性估算堯山組玄武巖的形成深度應大于100km[28]。

圖5 Ne′-Ol′-Q′系相圖

綜上，堯山組玄武巖地球化學特征指示其與地幔柱成因相關，利用J.A.Pearce等[27-30]認為玄武巖構造環境判別圖得出其形成于板內環境，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巖類。

(2)微量元素特征顯示堯山組玄武巖區別于島弧玄武巖，且富含高場強元素，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，指示巖漿源區沒有斜長石殘留，地球化學特征顯示巖漿源區富集特征應為再循環大陸下地殼的熔融與巖漿上涌過程中地殼物質的混入共同作用的結果。

(3)堯山組玄武巖地球化學特征指示其與地幔柱成因相關，利用J.A.Pearce玄武巖構造環境判別圖得出其形成于板內環境，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。