山東棲霞桃村地區(qū)中酸性火山－侵入雜巖巖石地球化學及其成因研究＊

韓宗珠，張 賀，丁蒙蒙，塔金璐，徐翠玲，劉 明

（中國海洋大學海洋地球科學學院 海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島266100）

中生代是中國東部地區(qū)巖石圈減薄、構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換的主要時期，同時是中國東部巖漿劇烈活動的時期，在中國東部廣泛發(fā)育具有高Sr低Y特征的高鉀堿性－鈣堿性中酸性巖系，部分學者將其定義為“埃達克巖”［1－4］，這種巖性在華北地區(qū)同樣出露，但與埃達克巖相比存在很大的差異，且其成因特征與俯沖板塊的直接熔融無關(guān)［5－9］。山東膠東地區(qū)也出露這種中酸性火成巖，如膠東郭家?guī)X花崗閃長巖體，其地球化學特征與埃達克巖相類似，但其源于與基性巖漿底侵形成的下地殼鐵鎂質(zhì)巖石［10］。本文主要以桃村地區(qū)青山組中的一套中酸性火侵入雜巖為研究對象，綜合分析其地球化學特征和成因特征，這對于解決膠東乃至華北地區(qū)中生代的動力學演化具有重要意義。

圖1 棲霞桃村地區(qū)采樣點附近地質(zhì)圖Fig.1 Geologic map near the sampling location in the Qixia Taocun

1 地質(zhì)背景

研究地區(qū)位于山東省棲霞桃村地區(qū)，出露地層不完全，從老至新依次為上太古界膠東群、下元古界荊山群和粉山子群、上元古界的蓬萊群、中生界侏羅系上統(tǒng)萊陽組、白堊系下統(tǒng)青山組、上統(tǒng)王氏組、新生界唐山棚礫巖組和第四系沉積物，缺少古生界地層。

研究區(qū)內(nèi)青山組火山巖從整體特征上可分為上、中、下3部分，下部為一套中基性火山碎屑巖夾火山碎屑沉積巖及正常的河流相粗碎屑沉積巖，由3個小的基本層序所組成，表現(xiàn)為火山活動初始呈間歇式的爆發(fā)，并接受正常沉積。中部則為一套厚層狀的中基性熔巖，以安山巖為主見有少量的玄武巖及其沉積巖夾層，表現(xiàn)為火山已進入噴溢階段。上部以中酸性一酸性為主的流紋質(zhì)英安巖、流紋巖、角礫巖及凝灰?guī)r，反映出火山活動已進入后期，爆發(fā)和噴溢交替進行，火山活動區(qū)逐漸南移，從而形成了佛頂一帶的中酸性火山熔巖、碎屑巖直接覆蓋于萊陽組之上。

張岳橋?qū)Σ杉阅z萊盆地青山群的玄武質(zhì)火山巖層和火山巖脈進行了40Ar－39Ar同位素測年，結(jié)果顯示青山群火山巖年齡集中于120～105Ma之間，顯示為早白堊世中晚期［11］。

2 巖相學特征

本文中桃村地區(qū)中酸性雜巖主要采自白堊系下統(tǒng)青山組下段（K1q2），采樣層位見實測剖面圖（見圖2）。按照觀察的樣品手標本和鏡下描述可以分為以下幾種類型。

圖2 桃村地區(qū)青山組實測地層剖面圖Fig.2 Measured strata section of Qingshan Group in Taocun

粗面安山巖：樣品手標本顏色主要為紫紅色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶成分主要為鉀長石與斜長石，含量約為10%～20%。鏡下觀察基質(zhì)為細小的長石晶體，略具定向排列，基質(zhì)中含有少量石英。此外薄片中顯示少量長石暗化晶體。

安山巖：樣品手標本顏色為紫紅色和灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為鉀長石與斜長石，石英在樣品基質(zhì)中出現(xiàn)，呈細小顆粒。鏡下觀察，長石斑晶熔蝕呈港灣狀，具有暗化邊，并具少量的絹云母或碳酸鹽化，基質(zhì)為為長英質(zhì)細小晶粒，暗色礦物含量很少。

閃長玢巖：樣品手標本顏色為紫紅色，似斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為斜長石、鉀長石以及角閃石。鏡下觀察長石角閃石斑晶自形程度好，但大多數(shù)為暗化后骸晶或殘晶（鈉黝簾石化），基質(zhì)中長石的暗化晶體也較多，部分巖石在基質(zhì)中出現(xiàn)少量石英。

英安巖：樣品手標本為紫紅色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶成分主要為石英和長石。鏡下觀察巖石基質(zhì)主要為斜長石和鉀長石，此外，石英呈細小顆粒充填于基質(zhì)之中。

流紋巖：樣品手標本為灰白色，板狀結(jié)構(gòu)，流紋構(gòu)造，斑晶成分主要為長石和石英，鏡下觀察，流紋巖斑晶多具有熔蝕邊緣，基質(zhì)為細小的長英質(zhì)礦物以及一些火山玻璃物質(zhì)，呈定向流紋構(gòu)造。

3 地球化學

3.1 分析測試方法

本文桃村中酸性火山－侵入雜巖的主量元素在中國海洋大學海洋地球科學學院由XRF測試，分析精度一般優(yōu)于5%，微量元素在中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所由ICP－AES和ICP－MS進行測試，分析精度一般優(yōu)于5%。

3.2 主量元素地球化學

桃村地區(qū)中酸性巖類的主量元素地球化學的特征如下：SiO2含量為54.62～66.97；TiO2含量較少，為0.3～0.56；Na2O 含量為0.12～4.95，K2O 含量為2.81～4.64，Na2O／K2O比值為0.03～1.76，除2011－T－01和2011－T－02大于1之外，其余其余樣品均小于1；Al2O3含量較高，為15～18.1，鋁飽和指數(shù)ACNK為1.29～1.95，顯示為強過鋁質(zhì)；MgO含量較低，為0.85～3.2，除個別樣品外均小于3%；里特曼指數(shù)（σ）為1.67～3.44，顯示桃村中酸性巖類為亞堿性；分異指數(shù)（DI）為60.28～81.63，固結(jié)指數(shù)（SI）12.38～22.49，結(jié)晶指數(shù)（CI）為7.07～28.14，均顯示桃村中酸性巖類均分異程度較高。在Nb／Y－Zr／TiO2圖解中，桃村地區(qū)中酸性巖類落在粗面安山巖類的區(qū)域；在SiO2－K2O相關(guān)性圖解中，桃村地區(qū)火成巖主要落在鉀玄巖系列以及高鉀鈣堿性系列。

在樣品的Harker圖解中，青山組中酸性火山巖主量元素氧化物之間的相關(guān)性較好，Al2O3，TiO2，MgO，CaO與SiO2大致呈負相關(guān)關(guān)系，而Na2O和（K2O＋Na2O）與SiO2呈正相關(guān)關(guān)系，顯示樣品可能為同源巖漿演化形成，且在巖漿演化過程巖漿分異起到主導的作用。

表1 棲霞桃村中酸性巖類主量元素分析結(jié)果Table 1 Major element analysis of medium and acid rocks in Qixia Taocun ／%

圖3 棲霞桃村中酸性巖類的TAS圖解Fig.3 TAS diagram of the medium and acid rocks in Qixia Taocun

圖4 棲霞桃村地區(qū)火成巖的SiO2－K2O相關(guān)性圖解Fig.4 SiO2－K2O correlation diagram of the igneous rock in Qixia Taocun

圖5 棲霞桃村火成巖Harker圖解Fig.5 Harker diagram of the igneous rock in Qixia Taocun

3.3 微量元素地球化學

樣品的微量元素分析值見表2，由表2可知，桃村地區(qū)中酸性雜巖的Cr含量為22.99～74.52μg／g，Co含量為4.58～14.65μg／g，Ni含量為8.41～28.65μg／g，3種元素的含量均較低；Rb／Sr比值為0.60～2.03，Sr／Y比值較高，為26.82～118.75，Zr／Hf比值為9.26～16.61，Nb／Ta比值為12.13～22.21，顯示桃村地區(qū)青山組中酸性火成巖組合為近于同源演化的巖石。在微量元素MORB標準化蛛網(wǎng)圖中，桃村地區(qū)青山組中酸性火成巖富集大離子親石元素K，Rb，Ba和Th，同時富集不相容元素Ce，Hf和Ti，虧損高場強元素Ta，Nb以及P。此外，元素Y，Yb，Sc，Cr等元素較其他元素相比含量很低。

Pearce根據(jù)構(gòu)造環(huán)境和玄武巖之間的時空關(guān)系，將玄武巖劃分為3種主要類型：（1）在板塊邊緣深海環(huán)境下噴發(fā)的洋中脊玄武巖（MORB）；（2）在匯聚板塊邊緣噴發(fā)的火山弧玄武巖（VAB）；（3）遠離板塊邊緣噴發(fā)的板內(nèi)玄武巖（WPA）。以洋中脊玄武巖為基準對上述玄武巖成分作圖，各種玄武巖的地球化學特征分別為：

（1）洋中脊拉斑玄武巖曲線呈平坦型；堿性玄武巖在Rb，Ba，Th，Ta，Nb處局部隆起，其后的元素與拉斑質(zhì)玄武巖一致；快速擴張的洋中脊玄武巖與MORB的比值大于1，緩慢擴張洋中脊玄武巖則小于1。

（2）板內(nèi)拉斑玄武巖處 Y，Yb，Sc，Cr等元素外，其他元素均呈隆起；板內(nèi)堿性玄武巖Ba，Th，Ta，Nb和Hf，Zr，Sm 2組元素呈雙隆起。

（3）火山弧中的拉斑玄武巖除Sr，K，Rb，Ba選擇性富集之外，從Ta到Y(jié)b所有元素以低豐度為特征；板內(nèi)堿性玄武巖中Sr，K，Rb，Ba，Th等元素有較強富集和Ce，P，Sm等元素富集，呈現(xiàn)峰谷迭起的曲線形式［12］。

青山組中酸性火成巖的MORB標準化蛛網(wǎng)圖分配模式顯示青山組火成巖源區(qū)與俯沖作用導致的派生流體交代作用相關(guān)，也顯示分異之后的殘余源區(qū)物質(zhì)可能存在磷灰石、金紅石以及輝石的殘留。

表2 棲霞桃村中酸性雜巖類的微量元素分析結(jié)果（10－6）Fig.2 Trace element analysis of medium and acid complex in Qixia Taocun（10－6）

圖6 棲霞桃村火成巖微量元素MORB標準化蛛網(wǎng)圖Fig.6 MORB normalized spider diagram of trace element of the igneous rock in Qixia Taocun

3.4 稀土元素地球化學

桃村地區(qū)青山組中酸性雜巖的稀土元素的特征為：ΣREE含量為178.95～358.72，ΣLREE含量為167.52～334.97，ΣHREE 含量為11.42～23.75，LREE／HREE為11.30～15.17，δEu為0.93～1.45，（La／Yb）N為41.18～60.64，青山組中酸性雜巖稀土元素球粒隕石標準化曲線為強烈的右傾形式，顯示為輕稀土元素強烈富集模式，并且不顯示Eu的強烈的富集或虧；重稀土元素的Ho至Lu含量很少，蛛網(wǎng)圖中分配模式較為平坦，指示桃村地區(qū)中酸性雜巖源區(qū)殘留有角閃石或石榴石殘余，而無斜長石的殘余或晶出的現(xiàn)象。

表3 棲霞桃村中酸性雜巖類稀土元素分析結(jié)果（10－6）Table 3 REE analysis of medium and acid complex in Qixia Taocun（10－6）

圖7 棲霞桃村火成巖稀土元素球粒隕石標準化蛛網(wǎng)圖Fig.7 REE Chondrite normalized spider diagram of trace element of the igneous rock in Qixia Taocun

4 成因分析

4.1 與埃達克巖相對比

埃達克巖與太古代TTG巖套在地球化學特征上具有相似性，主要為：巖性一套與板塊俯沖相關(guān)的中酸性火山巖和侵入巖（安山巖、英安巖、流紋巖等）；SiO2≥56%，Al2O3＞15%，高 Na2O（一般約為4%）；Sr含量較高（一般均大于400μg／g），Yb（≤1.9μg／g）和Y（≤18μg／g）的含量較低，Sr／Y比值較高（＞20－40）［13－16］。然而，加厚的下地殼熔融［17－19］以及拆沉下地殼的熔融［20－21］也可以形成類似埃達克巖的巖石。在（La／Yb）N－YbN以及Sr／Y－Y 相關(guān)性圖解中［22］，青山組中酸性火成巖類均落入埃達克巖與高Al－TTG巖套的范圍內(nèi)，而沒有落入島弧拉斑玄武巖以及鈣堿性島弧巖的范圍。但是青山組火成巖地球化學特征上又表現(xiàn)出不同于埃達克巖或者太古代TTG巖套不同的地球化學特征，主要表現(xiàn)為：Na2O低K2O高，僅有少量火成巖顯示Na2O高K2O低；Eu異常不明顯；此外，埃達克巖通常具有較高的Mg＃值，指示埃達克巖在形成的過程中與地幔楔的相互作用明顯［23－24］，而青山組的中酸性雜巖的 MgO含量較低，Cr，Co，Ni元素的含量也較低，證明青山組中酸性雜巖經(jīng)過了高度的分異作用，巖石手標本沒有見到地?；烊镜陌瞪w證據(jù)，這種元素的分布形式和手標本特征指示青山組中酸性雜巖源區(qū)沒有受到地幔物質(zhì)的明顯作用，這均指示青山組中酸性火成巖的形成過程與埃達克巖不同。但是其源區(qū)具有與埃達克巖或太古宙TTG巖套類似的特征，即顯示源區(qū)有含石榴石或角閃石殘留，指示其形成深度很大。

圖8 棲霞桃村火成巖（La／Yb）N－YbN相關(guān)性圖解Fig.8 （La／Yb）N－YbNcorrelation diagram of the igneous rock in Qixia Taocun

4.2 青山組中酸性雜巖的成因

青山組中酸性雜巖的不相容元素比值與其他地殼和地幔儲庫比值的對比見表4，通過對比可見青山組中酸性雜巖的不相容元素的比值顯示不同于原始地幔、MORB以及富集型地幔，而是向地殼方向遷移，并且大于地殼不相容元素比值。在Pb／Ce－Pb圖解中［］，青山組中酸性雜巖均落入深海沉積物附近范圍，也指示其受到深海沉積物的明顯影響。

圖9 Sr／Y－Y相關(guān)性圖解Fig.9 Sr／Y－Ycorrelation diagram of the igneous rock in Qixia Taocun

表4 青山組不相容元素比值與其他地殼和地幔儲庫比值對比（Sun S.and McDonough W.F.1989［26］）Table 4 Incompatible element ratios contrast table between Qingshan Group and other crust and mantles

圖10 棲霞桃村火成巖Pb－Pb／Ce相關(guān)性圖解Fig.10 Pb－Pb／Ce correlation diagram of the igneous rock in Qixia Taocun

華北東部地區(qū)晚侏羅世發(fā)生擠壓變形和地殼增厚，而動力學機制有可能與古太平洋向歐亞板塊的角度俯沖有關(guān)［27－28］，需要進一步的研究。桃村地區(qū)青山組中酸性雜巖微量元素蛛網(wǎng)圖以及l(fā)gτ－lgσ構(gòu)造環(huán)境圖解（見圖11）［29］也均顯示出火山弧的構(gòu)造環(huán)境，指示了俯沖作用對青山組中酸性雜巖源巖形成的制約。隨后的早白堊世華北東部地區(qū)開始發(fā)生伸展變形，膠萊盆地在早白堊世也主要為伸展作用控制［11－30］，這種伸展作用可能為華北板塊下地殼增厚或者巖石圈拆沉的響應，同時伴隨著軟流圈地幔的上涌。青山組中酸性雜巖地球化學特征顯示，這套雜巖可能為加厚下地殼部分熔融，而其源區(qū)受到俯沖沉積物的混染，其熔融的所需的高溫可能為軟流圈的加熱作用，但是未受到軟流圈地幔混染。而源區(qū)殘余的榴輝巖相以及角閃巖相的物質(zhì)可能會導致下地殼的拆沉。

圖11 青山組中酸性雜巖的lgτ－lgσ構(gòu)造圖解（據(jù)Rittmann）Fig.11 lgτ－lgσtectonogram of Qingshan Group medium and acid complex

6 結(jié)論

（1）青山組中酸性雜巖的地球化學特征為：高鉀低鈉，高鋁低鎂；Cr，Co，Ni含量較低，Sr／Y 及（La／Yb）N比值很高；微量元素MORB標準化蛛網(wǎng)圖顯示富集大離子親石元素K，Rb，Ba和Th，以及不相容元素Ce，Hf和Ti，虧損高場強元素Ta，Nb以及P；輕重稀土元素分餾程度高，重稀土元素含量很低。

（2）青山組中酸性火山－侵入雜巖的地球化學特征顯示青山組雜巖具有類似埃達克巖的地球化學特征，但是其形成過程與埃達克巖不同，為增厚下地殼的熔融，且其源區(qū)混入了俯沖沉積物，其熔融機制可能為下部軟流圈地幔的加熱作用。

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