魯西鄒平地區早白堊世基性巖地球化學特征及其巖石成因

王子楨

（安徽省地質測繪技術院，安徽合肥 230022）

0 引言

近年來，對于中生代以來發生在中國東部的巖石圈減薄作用的研究使得山東地區成為認識大陸克拉通破壞過程與機制的重要地區。伴隨巖石圈減薄過程發生的大規模的巖漿作用，是對巖石圈演化過程的直接記錄。因此，其廣泛出露的中生代火山巖為認識巖石圈減薄事件及其動力學過程提供了重要的物質基礎。

鄒平火山巖盆地位于魯西地塊西北部，鄒平縣南部，郯廬斷裂（沂術斷裂）西側，出露面積約400 km2。盆地基底為一套侏羅系內陸湖泊相沉積巖，蓋層為一套白堊系下統基性-中偏堿性陸相火山巖。前人對區內中生代火山巖已經做了大量的研究，但是對于其巖漿來源及巖石成因的認識還存在著不同觀點，如大多數學者主張它們應該起源于富集巖石圈地幔，由基性巖漿發生了分離結晶作用形成，在巖漿上升過程中未受到地殼混染［1-2］；部分學者認為它們是華北或揚子下地殼和地幔物質部分熔融混合的產物［3-5］；還有部分學者則認為部分地區中性火山巖是華北或揚子下地殼熔融的產物［6-8］。本文以位于魯西鄒平地區的一套早白堊世基性巖為研究對象，采用同位素和多元素地球化學的研究方法，探討其巖漿的起源和巖石成因。

1 地質背景

鄒平盆地火山巖屬于早白堊世青山群，為一套基性-中偏堿性巖石。根據野外地質資料，鄒平盆地火山巖總厚度約為5 592 m，按巖性變化分為上亞組、中亞組和下亞組三段：下亞組底部以寧靜噴溢熔巖為主，巖性為玄武巖、玄武安山巖及同成分的角礫熔巖；中部為噴溢與爆發交替出現的一套中性火山巖，巖性以玄武安山巖和玄武安山角礫巖為主；上部以爆發與噴溢為主的一套巖石，巖性為玄武安山巖與安山巖互層，夾安山質角礫熔巖、凝灰巖。中亞組底部為強烈的噴發相，以角礫凝灰巖、熔結凝灰巖、凝灰巖和玄武巖為主；中部以噴溢與爆發交替出現的粗安巖夾凝灰巖為主；上部以粗安巖和粗安質角礫凝灰巖為主。上亞組底部以碎屑巖和粗面安山巖為主；上部以熔巖碎屑為主。

鄒平雜巖體處于東西向齊河-廣饒斷裂帶的南側，南北向姚家峪斷裂之西、北北西向文組斷裂以東。主要分布于周村向斜盆地中，由茶葉山輝長巖體、虎伏山-四尖山二長巖體和王家莊閃長巖體組成，呈環狀或放射狀產出。外環為輝長巖體，中心為閃長巖體，兩者之間為二長巖體，其間夾有青山群火山巖系。上述以茶葉山巖體最大，該巖體環繞沫湖頂-白云山中基性火山巖系產出，呈北西向半環繞延伸，長約為30 km，出露面積為22.9 km2（圖1）。根據相互穿插關系和巖性特征可將茶葉山巖體劃分為三個侵入期次：第一期侵入形成的是茶葉山蘇長輝長巖，按巖石成分和結構可劃分出內部相、過渡相和邊緣相；第二期侵入形成的是長蟲峪橄欖蘇長輝長巖；第三期侵入形成的是斑狀輝綠巖，其侵入于第一期蘇長輝長巖體的邊緣相和過渡相中。

圖1 鄒平火山巖盆地地質簡圖（據山東省地礦局第一地質大隊修改）Figure 1.Geological sketch of the Zouping volcanic basin（modified after No.1 Unit, Bureau of Geology and Mineral Resources of Shandong Province）

前人對魯西地區青山群火山巖年齡有較為系統的研究，楊青亮對鄒平輝長巖和輝長閃長巖中鋯石進行了U-Pb定年，測得年齡分別為（130±1）Ma和（131±1）Ma［9］；王浩對鄒平茶葉山輝長閃長巖和鶴伴山火山巖中鋯石進行了U-Pb 定年，測得年齡分別為（126±0.9）Ma和（125±2.0）Ma［10］，屬于早白堊世。

2 樣品描述及分析方法

2.1 樣品描述

本次研究的樣品采于鄒平鶴伴山和茶葉山。鶴伴山樣品為一套青山群下亞組的火山巖，共9 塊手標本，巖性為玄武粗安巖與玄武安山巖，灰黑色，塊狀構造，斑狀結構。斑晶大小為0.5~2 mm，主要為斜長石與單斜輝石，其中斜長石呈板狀和長板狀，灰白色，自形性較好，表面部分蝕變，具有韻律性的環帶結構。單斜輝石呈短柱狀，黃綠色，自形-半自形，新鮮程度較高，斑晶大小為1~3 mm。茶葉山樣品共6 塊手標本，巖性為輝長巖，顏色呈暗綠色，致密塊狀構造，細粒輝長結構。礦物組成主要包括斜長石（45%~50%）、單斜輝石（25%~35%）、斜方輝石（15%~25%）、橄欖石（5%~10%）和黑云母（1%~5%），副礦物為磁鐵礦等。

2.2 分析方法

主量元素、微量元素及Sr-Nd-Pb同位素分析均在澳實分析檢測（廣州）有限公司完成。主量元素采用X 射線熒光光譜法（XRF）分析，在XRF 上運用外標法測定樣品中氧化物的含量，分析過程中運用BCR-2標樣進行校正，分析精確度和準確度優于5%。微量元素分析采用Agilent7500a 型ICP-MS 完成，分析精確度和準確度優于10%。Sr-Nd 同位素分析采用HF+HNO3混合酸液解，用陽離子交換技術進行分離，分析精度優于0.002%。 國際標樣LaJolla 和BCR-2的143Nd/144Nd 測定平均值分別為0.511 859±6（2σ，n=20）和0.512 637±3（2σ，n=12），NBS 987給出的87Sr/86Sr值為0.710 245±15（2σ，n=9）。Pb同位素采用AG50WX12，200~400 mesh 離子交換樹脂在超凈實驗室內進行化學分離，在測定樣品之前，用NBS 981 標準校定儀器，測試過程中采用NBS 997Tl 作為內標進行質量分餾校正，隨時測定NBS 981 來監測儀器。分析過程中NBS 981 標準測定值的平均值為：206Pb/204Pb=16.940、207Pb/204Pb=15.486和208Pb/204Pb=36.722。

3 分析結果

3.1 主量元素特征

鄒平鶴伴山玄武安山巖具有相對均一的SiO2（52.37%~54.65%），全堿（N2O+K2O）含量為5.24%~7.50%，在TAS 圖解中落入亞堿性范圍（圖2）。鄒平玄武安山巖的MgO 為4.42%~6.06%（圖3），全巖Mg#為52.50~59.43［Mg#=100×Mg2+/（Mg2++Fe2+）］，Al2O3含量為13.59%~15.60%，Fe2O3T含量為9.06%~10.38%。鄒平輝長巖的SiO2含量為50.04%~56.14%，全堿含量為3.24%~5.96%，Al2O3含量為12.38%~17.42%，Fe2O3T含量為8.12%~11.00%。鄒平輝長巖同時具有較大的MgO 含量變化（4.32%~11.80%）及Mg#范圍（55.36~74.81）（表1）。

表1 鄒平玄武安山巖和輝長巖主量元素（%）、微量元素（×10-6）與稀土元素（×10-6）分析結果Table 1.Major（%）, trace（×10-6）and rare earth（×10-6）elements in the Zouping basaltic andesite and gabbro

圖2 鄒平玄武安山巖和輝長巖TAS圖解Figure 2.TAS diagram of the Zouping basaltic andesite and gabbro

圖3 鄒平玄武安山巖和輝長巖SiO2含量與其他主量元素氧化物及Ni、Cr的相關圖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

樣品的稀土含量（∑REE）為63×10-6~130×10-6，輕重稀土比（La/Yb）N（N 代表原始地幔標準化值，下同）為5.87~10.92，在球粒隕石標準化稀土元素配分圖上為富集輕稀土、虧損重稀土的配分模式（圖4a）。其中鶴伴山玄武安山巖有輕微的Eu 負異常，Eu/Eu*為0.93~0.97，茶葉山輝長巖存在輕微的Eu 正異常，Eu/Eu*為0.97~1.33。

圖4 鄒平玄武安山巖和輝長巖稀土元素球粒隕石標準化配分圖（a）和微量元素原始地幔標準化蛛網圖（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

在原始地幔標準化微量元素蛛網圖上（圖4b），樣品表現出富集大離子親石元素（LILE，如Ba、K、Pb、Sr），虧損高場強元素（HFSE，如Nb、Ta、Zr、Hf、Ti）的典型島弧特征，具有與華北克拉通東部早白堊世鎂鐵質巖石相似的特征［11-17］。

3.4 Sr-Nd-Pb同位素組成

樣品Sr-Nd同位素組成表現出EM-I地幔源區的特征，87Sr/86Sr變化較小，為0.704 667~0.705 409，初始Nd同位素值εNd（t）變化較大，為?16.8~?9.8。與中國東部新生代堿性玄武巖相比［18］，早白堊世的濟南和鄒平基性巖更加富集。與魯西的費縣、方城和沂南［19-21］及膠東的即墨、興村早白堊世鎂鐵質巖石［22］相比，鄒平的樣品具有相似的εNd（t）及較低的87Sr/86Sr。分析測試結果見表2。

表2 鄒平玄武安山巖和輝長巖Sr-Nd同位素組成Table 2.Sr-Nd isotopic composition for the Zouping basaltic andesite and gabbro

初始Pb同位素組成是根據全巖Pb同位素組成實測值，結合U、Th 和Pb 的含量，并扣除相應年齡的放射成因Pb 同位素的累積計算得到。2 處樣品具有較為一致的Pb 同位素組成：206Pb/204Pb 為16.552~17.564；207Pb/204Pb為15.236~15.433；208Pb/204Pb為36.444~37.411。分析測試結果見表3。

表3 鄒平玄武安山巖和輝長巖Pb同位素組成Table 3.Pb isotopic composition for the Zouping basaltic andesite and gabbro

4 討論

4.1 地殼混染

鄒平基性巖具有較高的MgO、Cr、Ni，較低的SiO2，以及較高的Mg#，指示其原始熔體形成于超鎂鐵質地幔的部分熔融［23-24］。然而，這些巖石同時顯示出大陸地殼的地球化學特征，如：①較高的輕重稀土比值（La/Yb）N=6.2~11.7；②較高的LILE（Ba、K、Pb、Sr）和虧損的HFSE（Nb、Ta、Zr、Hf、Ti）（圖4）；③較低的Nb/U（4.6~20）和較高的Ba/Th（235~1 356）；④中等程度的87Sr/86Sr（0.704 667~0.705 409）和較低的εNd（t）（?16.8~?9.8）（圖5）。在Sr-Nd 圖解中，樣品沒有落在上地殼與地幔兩端元的混合趨勢線上，說明樣品受到上地殼物質混染的可能性較低。另外，鄒平玄武安山巖的Nb/U 與SiO2之間負相關性不明顯（圖6a），指示低Nb/U 與巖漿演化無關，其應該指示的是巖漿源區的性質；而茶葉山樣品的Ce/Pb與87Sr/86Sr沒有負相關關系（圖6b），指示低Ce/Pb 組分來自地殼混染的可能性較低。

圖5 鄒平玄武安山巖和輝長巖地幔端元圖Figure 5.Zouping basaltic andesite and gabbro mantle terminal diagram

圖6 鄒平玄武安山巖SiO2-Nb/U相關圖（a）及鄒平玄武安山巖和輝長巖87Sr/86Sr-Ce/Pb相關圖（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 分離結晶

全巖主微量元素的較大變化指示鄒平基性巖可能經歷了不同程度的分離結晶。Cr、Ni、CaO/Al2O3與MgO 呈正相關（圖7），指示了橄欖石和單斜輝石的分離結晶。

圖7 鄒平玄武安山巖和輝長巖MgO與CaO/Al2O3、Cr、Ni相關性和稀土總含量與Eu異常相關圖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 地幔源區

相似分配系數的強不相容元素在部分熔融過程中具有相似的地球化學行為，其比值可以用來示蹤巖漿的源區。樣品的Ce/Pb和Nb/U較低且變化較?。▓D8），落在大陸地殼與島弧火山巖的范圍內［25］，低于洋中脊玄武巖和洋島玄武巖［26］（Ce/Pb=25±5；Nb/U=47±7）。同時，本次研究的樣品具有較高的La/Nb（3.7~10.4）和La/Ta（46~83），高于軟流圈來源的玄武質熔體［27］（La/Nb＜1.5，La/Ta＜22），與方城、蒙陰盆地玄武巖以及中國東部中生代基性巖相似［28-29］，指示源區不太可能直接來源于軟流圈地幔的部分熔融［30］，而可能為受到交代的巖石圈地幔［31］。來自軟流圈的玄武質熔體具有相對較高的TiO2含量［洋島玄武巖（OIB）平均TiO2含量為2.86%］，來自巖石圈地幔的玄武質巖漿TiO2含量相對較低［32］，而鄒平基性巖具有較低的TiO2含量（TiO2＜1.2%），符合巖石圈地幔相對軟流圈地幔TiO2含量較低的特點［33］。

圖8 鄒平玄武安山巖和輝長巖Ce/Pb-Ce相關性和Nb/U-Nb相關圖注：MORB和OIB數據引自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］

鄒平基性巖具有中等的87Sr/86Sr 和較低的εNd（t），在Sr?Nd圖解中遠離洋中脊玄武巖與洋島玄武巖的地幔源區，落在EM?1 型地幔源區范圍內（圖5）。同時，樣品還具有極低的Pb 同位素比值，與來源于古老的下部大陸巖石圈地幔（SLCM）的煌斑巖相似［34］。

微量元素上，鄒平和濟南基性巖富集LILE 和LREE，虧損HFSE，不同于起源軟流圈地幔的MORB的微量元素配分［35-36］，可能指示了一個受到俯沖作用交代的EM?1 型地幔源區。同時，較高的Pb 含量（Pb在熔體中溶解度較高）以及較低的Pb 同位素比值也指示源區受到了近期俯沖相關熔體的改造，難熔的巖石圈地幔受到俯沖板片析出流體的交代而發生部分熔融形成的熔體具有與之相似的不相容元素特征和Sr-Nd-Pb 同位素組成。因此，鄒平基性巖可能形成于受俯沖板片析出流體交代的難熔巖石圈地幔的部分熔融。

5 結束語

（1）鄒平基性巖整體具有低SiO2、高MgO、Na2O以及高Mg#值特征，富集輕稀土元素和大離子親石元素，虧損重稀土元素和高場強元素，具有相對高的初始87Sr/86Sr比值和εNd（t）值。

（2）全巖Cr、Ni、CaO/Al2O3與MgO 的正相關性指示了鄒平基性巖在形成過程中經歷了橄欖石和單斜輝石的分離結晶。茶葉山輝長巖中斜長石的高含量指示存在斜長石堆晶。

（3）鄒平基性巖的源區為一個受俯沖板片析出流體交代的難熔巖石圈地幔，其在形成過程中受到了近期俯沖相關熔體的改造。