山东省栖霞牙山花岗闪长岩岩石地球化学特征及成因探讨

韩宗珠,张 贺,田 元,邓声贵,张凯棣,王淑杰,高 芳

(中国海洋大学海洋地球科学学院,海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

山东省栖霞牙山花岗闪长岩岩石地球化学特征及成因探讨

韩宗珠,张 贺,田 元,邓声贵,张凯棣,王淑杰,高 芳

(中国海洋大学海洋地球科学学院,海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

栖霞牙山地区地处华北地台东部,对该区的似斑状花岗闪长岩体所作的岩石地球化学研究表明,该区岩石为钙碱性偏铝质岩石;微量元素MORB标准化蛛网图显示富集大离子亲石元素Ba、Sr,亏损高场强元素Nb、Ta、Hf、Y;K/Rb比值为295.34～388.88,Rb/Sr比值为0.21～0.29;稀土元素蛛网图表现为较平滑的具微弱负Eu异常向右陡倾的稀土元素配分模式曲线,∑LREE/∑HREE为9.14～12.22,显示轻重稀土元素分异较好。结合构造背景分析,认为牙山花岗闪长岩体为早白垩世太平洋板块向欧亚板块俯冲诱发的地幔柱活动,造成地幔底辟,引起地壳部分熔融,形成壳幔混合岩浆并进一步侵入形成。

栖霞;花岗闪长岩;岩石地球化学;成因

白垩纪是环太平洋构造域形成演化的重要阶段,同时也是中国东部地区构造演变的重要时期,在山东地区主要以岩石圈减薄,裂陷盆地的形成,大规模的火山活动为特征[1-5]。前人对包括胶莱盆地和郭家岭岩体等在内的栖霞附近区域的构造演化机制,成矿成油气机制,岩浆活动,岩体成因做了大量研究[6-10],并得出一系列重要的结论。本文通过对牙山花岗闪长岩主微量元素进行测定,从岩石地球化学的角度,对该区花岗闪长岩体的成因进行探讨。其对研究区的花岗岩起源,以及中国东部中生代岩石圈减薄和构造体制转换有重要意义。

1 地质背景

山东省栖霞地区位于华北克拉通东部,区域内出露地层不全,从老至新依次包括上太古界胶东群,下元古界荆山群和粉山子群和上元古界的蓬莱群,古生界地层缺失,中生界有莱阳群、青山群、王氏群,新生界有第三系和第四系[6]。

燕山运动时期在山东栖霞地区形成的火成岩分布广泛,分早期和晚期两个阶段。早期侵入岩以酸性花岗岩类为主,其时代为180～140 Ma,以玲珑花岗岩体的侵入年龄(160 Ma)为界,分两次侵入。第一次侵入形成的岩体主要有磁山岩体、鹊山岩体、昆仑山岩体、文登岩体和玲珑花岗岩体,第二次侵入形成的岩体主要有郭家岭岩体和孟家岩体。晚期分为两个阶段,即早期艾山阶段和晚期崂山阶段。晚期有多次侵入活动,形成了多阶段多次侵入岩,类型复杂。其中在鲁西出露面积约1 000 km2,多为中基性—中酸性—碱性杂岩体或岩体,呈岩盆、岩床或岩株产出,其同位素年龄多为140～100 Ma,属艾山阶段侵入岩,本期岩体包括济南杂岩体、邹平杂岩体、莱芜杂岩体和郗山碱性杂岩体等;在鲁东出露面积约为4 780 km2,多为酸性岩体,呈岩基产出,主要属艾山阶段和崂山阶段侵入岩,多分布于胶北和胶南。

燕山晚期的岩浆活动在研究区内亦很强烈,形成了一系列花岗闪长岩和花岗岩类。主要包括艾山阶段锯齿牙似斑状花岗闪长岩体、营盘中细粒黑云母花岗闪长岩体和崂山阶段岚店中细粒花岗岩岩体,出露总面积约92 km2。前人对牙山岩体进行SHRIMP锆石U-Pb年龄测定,该岩体年龄为(117.7±9)Ma[11]。

本区断裂构造以桃村断裂为特征,该断裂属牟平—即墨断裂带,总体呈NE40(°)～50(°),断裂带由一系列压性压扭性断裂组成,压性特征显著,具平移性质和多期活动特征。

2 岩石学特征

牙山花岗闪长岩一般呈灰色、灰白色,不等粒半自行粒状结构,似斑状结构,块状构造,基质为花岗结构,斑晶主要为斜长石(An=38)、钾长石和石英,斑晶含量一般为2%～5%,大小一般为1～2 cm左右,个别较大者可达10 cm以上。基质主要矿物成分为石英、斜长石(An=26)、钾长石,以中细粒为主。副矿物成分主要为榍石、磷灰石、锆石、磁铁矿等。暗色矿物为黑云母和角闪石,含量约为15%。镜下观察角闪石发生中等强度绿帘石化,斜长石发生轻微绢云母化。样品的矿物组合具有I型花岗岩的标准的矿物组合,即:角闪石+榍石+磁铁矿[12]。

图1 栖霞牙山附近岩浆岩体分布图Fig.1 Distribution of magmatic rocks in Qixia Yashan

野外观察研究区内花岗闪长岩普遍含有暗色包体,其形状大小不一,初步判定其成分为闪长岩包体。

牙山山峰的花岗闪长岩岩体,其围岩为太古宙胶东群,为明显的侵入接触关系,边部有围岩的捕掳体,流动构造明显,流面倾向北东,倾角65(°)。

3 样品采集和分析方法

样品的采样位置主要在栖霞304省道桃村至唐家泊段公路两侧,由于T037位于本区花岗闪长岩与胶东古老变质岩的交界处,其数值与其他样品有较大,故特此标出。

对采自栖霞牙山的具代表性的10件岩石样品,粉碎至200目做主量、微量和稀土元素分析。其中主量元素在中国海洋大学海洋地球科学学院XRF分析实验室作了基质XRF分析,分析精度优于0.5%;微量元素和稀土元素在中国地质调查局青岛海洋地质研究所实验中心完成,应用ICP-AES和ICP-MS微量元素和稀土元素分析5件,分析精度优于5%。

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素地球化学特征

主量元素分析结果如下(见表1),分析结果表明,研究样品SiO2含量介于58.12%～69.28%之间,除T037含量为58.12%之外,其余标本含量均在65%以上;岩石中Al2O3、CaCO3含量较高,Al2O3含量为14.46%～15.78%,CaCO3含量为1.93%～5.00%;K2O+Na2O含量为5.78%～7.43%,Na2O/K2O(分子数比)>1;里特曼指数(σ)为1.66～2.35,属于钙碱性系列。铝饱和度判别指数(分子数比)(Na2O+K2O)

牙山花岗岩的TAS图解(Wilson1989)见图2,结果显示除T037样品投在闪长岩范围内,以及T012样品投在花岗岩范围内,其他样品均投影在花岗闪长岩范围内。

图2 栖霞牙山花岗闪长岩的全碱-硅图解(TAS)Fig.2 Granodiorite TAS diagram in Yashan Qixia

表1 山东省栖霞牙山花岗闪长岩主量元素分析结果Table 1 Granodiorite analysis of major elements in Yashan Qixia

4.2 微量元素地球化学特征

样品的微量元素含量见表2,K/Rb比值为295.34～388.88,Rb/Sr比值为0.21～0.29,Nb/Ta比值为13.58～19.03,Zr/Hf比值为32.92～74.06。其中T037Rb/Sr比值与其他样品差别较大。这些比值均显示牙山花岗岩经历了高度的演化,分异程度好[13-15]。

在微量元素MORB标准化配分图上,花岗闪长岩主要富集大离子亲石元素Ba、Rb以及Ce,亏损高场强元素Nb、Ta、Hf、Y(见图3),还有Ti元素的亏损。此外,在微量元素标准化图中出现Nb-Ta槽。

图3 栖霞牙山花岗闪长岩微量元素蛛网图Fig.3 The spider diagram of trace elements of Yashan Qixia granodiorite

由稀土元素的数据见表3,∑REE在(90.2～186.85)×10-6;δEu=0.79～0.91,显示微弱的Eu负异常,稀土元素球粒陨石标准化蛛网图(见图4)呈现较为平滑的向右陡倾的LREE富集模式;∑LREE/∑HREE为9.13～12.23,(La/Yb)N=12.39～49.82, (La/Sm)N=3.69～9.87,(Ce/Yb)N=8.82～29.2,显示轻稀土元素富集,轻、重稀土元素较强的分异作用。

图4 栖霞牙山花岗闪长岩稀土元素球粒陨石标准化配分图Fig.4 Chondrite-mormalized REE patterns of Yasahn Qixia granodiorite

表2 花岗闪长岩微量元素含量Table 2 Trace Elements in granodiorite

表3 花岗闪长岩稀土元素含量Table 3 Rare Earth Elements in granodiorite

5 构造环境分析

微量元素具有很好的指示作用,对于不同构造环境形成的酸性侵入岩,具有不同的岩石地球化学特征。

图5 栖霞牙山花岗闪长岩Y-Nb判别图Fig.5 Tectonic discrimination digrams of Y-Nb for granodiorite in Yashan Qixia

在Y-Nb构造环境判别图上(见图5)所有样品均落在VAG+Syn-COL G区域,即火山弧花岗岩+同碰撞花岗岩区域;在Rb-(Y+Nb)判别图中,所有样品的投点都落入火山弧型花岗岩区(见图6)。由此指示牙山花岗闪长岩起源于火山弧环境。

图6 栖霞牙山花岗闪长岩体Rb-(Y+Nb)判别图Fig.6 Tectonic discrimination digrams of Rb-(Y+Nb)for granodiorite in Yashan Qixia

6 成因讨论

从岩石学特征及主量元素特征来看,牙山花岗闪长岩具有角闪石磁铁矿榍石的矿物组合,Na2O/K2O (分子数比)>1,里特曼指数(σ)测定为钙碱性系列,这些均具有I型花岗岩的特征[16];岩石闪长质暗色包体,说明可能幔源岩浆和壳源岩浆相互混合而成[17]。稀土元素中Ba、Sr、Rb等大离子亲石元素,在微量元素标准化图解上出现Nb-Ta亏损谷,说明其起源于地壳,符合I型花岗岩特征;在稀土元素标准化图解上,曲线呈向右陡倾的形式,亦显示I型花岗岩特征[14]。

Whalen等在研究研究加拿大花岗岩成因类型时认为,Ga/Al与一些主量元素K2O、Na2O、MgO及微量元素Y、Ce、Nb、Zr之间相互关系可以区分I型、A型、M型以及A型花岗岩。如图所示,牙山花岗岩样品全部落在I、M、S型花岗岩区域(见图7)。在K2ONa2O图解中待测样品中,除T018好样品落在S型花岗岩区外,其他样品均落在I型花岗岩的区域(见图8)。说明本区花岗岩可能起源于地壳。

图7 牙山花岗闪长岩K2O+Na2O、K2O/MgO、Y、Zr与Ga/Al的关系图[17]Fig.7 Diagram of K2O+Na2O,K2O/MgO,Y and Zr vs.Ga/Al for granodiorite in Yashan

图8 牙山花岗闪长岩K2O-Na2O判别图[18]Fig.8 Diagram of K2O-Na2O for Yashan granodiorite

图9 地壳花岗岩与壳幔花岗岩图解Fig.9 Granite originite from crust and crust vsmantle

我国学者涂光炽[13]认为,依据花岗岩的稀土元素特征可以区分不同源区的花岗岩。∑REE总量<200 10-6,(La/Yb)>10,Eu亏损不明显,δEu平均值为0.84,为壳幔源花岗岩[13]。对该研究区花岗岩进行投图研究(见图9),其全部落入壳幔源花岗岩的范围内。说明其在演化的过程中可能受到地幔物质的混染[13]。

胶东地区中生代岩浆活动强烈,前人对胶东地区花岗岩体进行研究,根据研究成果,本区花岗岩岩体大致可以分为侏罗纪和早白垩世2期。前者以玲珑岩体为代表,后者主要以郭家岭、艾山等岩体为代表。而在在岩石成因方面,前者主要以地壳熔融为主,后者主要表现为岩浆混合特征[10-11,17,20-21]。

牙山花岗岩的同位素年龄指示其形成于早白垩世中晚期(125～100 Ma),是中国东部岩石圈大规模减薄时期。在这一时期中国东部发生了大规模中酸性岩浆侵入和火山岩的喷发[2],同时也是大陆裂谷作用的高峰期,而这种大规模的岩浆构造活动与太平洋板块向欧亚板块俯冲有关[22]。当太平洋板块俯冲达到一定的深度时,诱发地幔熔融,形成局部地幔柱的升降活动。当地幔柱上升至地壳底部时,使胶东群变质基底发生熔融,地幔成分与地壳成分发生了混染,形成壳幔混合岩浆,并沿着地壳拉张的薄弱地带向上侵入从而形成一系列火成岩体。

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Abstract: Qixia Yashan area is located at the east of the North China platform.The geochemical studies about the porphyritic granodiorites in this area shows that the rocks belong to calc-akaline and metalumious series.The MORB-normalized spider diagram of trace elements reveals enriching LILE of Ba and Sr, and lacking of HFSE of Nb,Ta,Hf and Y.The ratio of K/Rb is 295.34～388.88 and Rb/Sr is 0.21～0.29.The spider diagram of rare earth element,show relative smooth,weak negative abnormal of Eu and right steep patterns.∑LREE/∑HREE is 9.14～12.22.They all indical well differentiation between LREE and HREE.Through the analysis of strural factors the genesis of Yashan granodiorite is that sabduction of Pacific plate to Eurasian plate causes mantle plume activlty,which produces mantdiapir and crust partial melting,then form crust-mantle magma,and the furture invasion form the granodiorite.

Key words: Qixia;granodiorite;petrogeochemistry;genesis

责任编辑 徐 环

The Petrogeochemistry and Genesis of Granodiorite in Yashan Qixia, Shandong Province

HAN Zong-Zhu,ZHANG He,TIAN Yuan,DEN G Sheng-Gui, ZHANG Kai-Li,WAN G Shu-Jie,GAO Fang
(College of Marine Geoscience,The Key Laboratory of Science and Exploration,Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

P588.12;P595

A

1672-5174(2011)06-097-07

国家自然科学基金项目(41072152);中国海洋大学OUC_SRTP项目(0912010510)资助

2010-10-20;

2011-04-08

韩宗珠(1964-),男,教授。E-mail:hanzongzhu@ouc.edu.cn