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矿物地球化学研究论文

2015/02/11 阅读:

1区域地质背景

苏鲁构造带(见图1)是大别造山带的东延部分,被郯庐断裂向北推移而出露到现在的位置。该变质带内合接触关系;(2)呈透镜状或条带状赋存于石榴石橄榄岩中,与围岩呈突变接触关系[23]。韩宗珠[24]曾将苏鲁榴辉岩分为胶东、鲁南和青岛3个区。胶东榴辉岩区是指文登、荣成及威海榴辉岩发育区,它包括文荣和威海2个榴辉岩集中分布区。该区位于胶东东部垛崮山-昆嵛山岩体以东地区,区内围岩为元古代片麻岩(多糜棱岩化)和少量变质地层(大理岩、石英岩等)及超基性岩(石榴橄榄岩、蛇纹岩)。区内榴辉岩出露数百个,荣成地区成北东展布,威海地区成近南北向展布。鲁南区榴辉岩多集中成群成带分布,构成青岛、诸城、莒南、东海(含临沭石门)5个榴辉岩集中分布区,围岩主要为元古界变质地层和花岗片麻岩,由于青岛榴辉岩较为特殊,故另作讨论。区内榴辉岩出露数千个,总体成NE和NNE向展布,仅临沭石门地区成北西向展布,主要分布于变质层状岩系和片麻岩中,少量分布于超基性岩中。

2样品和分析方法

本文榴辉岩样品来自江苏东海至山东荣成苏鲁榴辉岩带,具体采样点如图1所示。将样品洗净烘干,选取新鲜部分粉碎至200目和60~100目左右,分别用于地球化学分析和单矿物颗粒的挑选。将粉碎至60~100目左右的样品颗粒冲洗烘干后过筛,随后在中国海洋大学海洋地球科学学院显微分析实验室利用体式镜挑选出纯净的绿辉石和石榴石,用玛瑙研钵研至200目左右进行地球化学分析。全岩主量元素在中国海洋大学海洋地球科学学院实验室用XRF完成测试,分析精度优于0.5%。全岩微量元素及单矿物主微量元素测试在青岛海洋地质研究所实验测试中心用ICP-MS/AES完成,分析精度优于5%。文中矿物缩写据WhitneyandEvans[26],Grt:石榴石;Cpx:单斜辉石;Alm:铁铝榴石;Gro:钙铝榴石;Spe:锰铝榴石;Prp:镁铝榴石;Wef:硅灰石+顽火辉石+铁辉石;Jd:硬玉;Ae:霓石。

3岩石学特征

3.1岩相学特征

胶东-鲁南榴辉带上的榴辉岩主要呈片麻状构造和条带状构造,有时见斑杂构造和块状构造,压力挤压现象明显,矿物定向和分异普遍发育。由此可见,本区域大部分榴辉岩都经历了后期退变质作用和地壳物质混染,退变质作用尤以合晶化作用和角闪石化作用为主。岩相学观察表明,胶东地区榴辉岩呈中粗粒粒状变晶结构,块状构造,矿物组合为石榴石(30%~40%)、单斜辉石(40%~70%)和金红石(1%~2%),出露的主要岩石类型为榴辉岩、超镁铁质岩、片麻岩、面理化花岗岩(变质花岗岩、花岗质片麻岩)[21],大部分是来自俯冲板片的大陆地壳。大量榴辉岩和超基性岩(约5%)呈大小不一的透镜状、团块状夹在大面积分布的围岩-变质表壳岩(约25%)和花岗质片麻岩(约70%)中[22]。苏鲁榴辉岩主要呈两种产状:(1)呈透镜状、条带状或肠状赋存于构造混杂岩系中,与围岩呈整部分样品中含有石英(8%)、白云母(3%)或角闪石(15%)。鲁南地区榴辉岩呈中粗粒粒状变晶结构,块状构造,矿物组合为石榴石(30%~60%)、单斜辉石(15%~40%)、角闪石(10%~20%)、白云母(2%~10%)和金红石(1%-3%),部分样品中含有石英(8%)。

3.2岩石化学特征

胶东地区榴辉岩各氧化物含量平均值分别为SiO2:45.71%,Al2O3:12.88%,Fe2O3:11.81%,CaO:10.91%,MgO:15.35%,Na2O:3.14%;鲁南地区榴辉岩各氧化物含量平均值分别为SiO2:45.15%,Al2O3:12.15%,Fe2O3:15.56%,CaO:11.55%,MgO:9.75%,Na2O:3.42%。鲁南榴辉岩的Fe2O3含量高于胶东榴辉岩,MgO含量则相对较低,多数苏鲁榴辉岩的主量元素化学成分相当于基性岩,部分榴辉岩SiO2<45%,但其他氧化物的含量仍相当于基性岩,而非超基性岩[27]。

4矿物主量与微量元素化学

4.1石榴石

胶东和鲁南榴辉岩均主要由Prp、Alm、Gro和Spe4个端元组成,平均值分别为50.53%、25.32%、23.48%、0.68%和30.46、50.53%、29.85%、0.83%。胶东榴辉岩中石榴石∑REE平均值为16.46×10-6,低于鲁南榴辉岩中∑REE平均值25.53×10-6,东海榴辉岩Ec44-1的稀土总量偏低,仅2.9×10-6。稀土元素配分模式(见图2)为中重稀土富集的左倾型,具有明显的正Eu异常,部分样品具有Ce的负异常。石榴石微量元素主要有Cr、Zn、Sr、Sc、Co、Y、V、Ni,含有一定量的Ba(3.74×10-6~25.63×10-6)和Pb(0.65×10-6~35.35×10-6)。

4.2单斜辉石

苏鲁榴辉岩中仅一个样品单斜辉石投影在Mg-Fe-Ca辉石区,属普通辉石,其余样品单斜辉石均为绿辉石(见图3)。胶东榴辉岩中单斜辉石Jd分子含量平均为26.73%,低于鲁南榴辉岩中单斜辉石Jd平均含量(39.27%)。胶东榴辉岩单斜辉石∑REE平均值(26.58×10-6)高于鲁南榴辉岩单斜辉石中的∑REE平均值(9.49×10-6),稀土元素配分型式(见图4)整体为中稀土上凸富集的“钟状”,多数样品轻稀土表现为左倾富集,个别为左倾亏损,重稀土为右倾亏损型。绿辉石的“钟状”稀土配分模式是绿辉石与富集重稀土的石榴石和富集轻稀土的矿物平衡共生所致,从而使得绿辉石相对富集中稀土。绿辉石中的微量元素主要有Sr、Cr、V、Ni、Zn、Co,含有一定量的Ba(2.67×10-6~48.91×10-6)、Sc(4.01×10-6~32.59×10-6)和Pb(2.22×10-6~12.98×10-6)。

5讨论

5.1榴辉岩成因

根据榴辉岩中石榴石端元组分与榴辉岩地质产状的关系将石榴石分成三类[28-29](见图5),胶东榴辉岩全部位于A类榴辉岩区,鲁南榴辉岩除东海样品投影在A类榴辉岩区,其他均投影在B类和C类榴辉岩的重叠区,反映榴辉岩原岩及成因的多样性。稀土元素球粒陨石标准化配分模式(见图6)多为LREE富集的右倾型,具Eu正异常,其原岩可能是富斜长石的基性岩;少量为LREE亏损的左倾型,HREE富集,可能与多硅白云母含量较多有关。部分样品具有Ce的负异常,说明其原岩可能是氧化条件下形成的沉积物[30],与基性岩一同俯冲形成了榴辉岩。胶东地区榴辉岩TiO2含量低,平均0.52,鲁南地区榴辉岩TiO2含量高,平均1.82,反映出胶东地区榴辉岩形成的压力环境高于鲁南地区的榴辉岩。在Mg/(Mg+Fe2++Mn)-Ca2+相关性图解中(见图7)说明胶东和鲁南榴辉岩区具有不同的成因和物质来源,胶东地区榴辉岩投影的全部在ZC线以上,为地幔成因;鲁南地区榴辉岩既有壳内角闪岩相变质成因,又有地幔金伯利岩和刚玉变质成因。上述特征说明胶东地区榴辉岩的成岩深度可能大于鲁南榴辉岩区。

5.2矿物之间元素分配及与全岩成分的关系

石榴石中(见图8)明显富集重稀土元素和Y,含量大于全岩成分,重稀土元素配分型式与全岩基本一致,另外石榴石与全岩主量元素、REE、Ba、Cr、Sc、V、Co、Ni、Y、Ga之间具有良好的正相关关系,说明石榴石是全岩重稀土元素和Y的主要寄主矿物,且其主量元素、REE、Ba、Cr、Sc、V、Co、Ni、Y、Ga等含量明显受全岩成分的制约。单斜辉石(见图9)明显富集轻、中稀土、Sr、V和Ni,与全岩主量元素、Sr、Ba、Cr、Sc、V、Ni、Ga之间存在明显的正相关关系,说明辉石的化学成分明显受到全岩成分的制约。胶东榴辉岩单斜辉石的LREE、Sr、V、Ni、Cr和Ga含量高于全岩,说明胶东榴辉岩中的单斜辉石是LREE和Sr的主要载体,不含磷灰石和绿帘石或者含量非常少,鲁南地区榴辉岩单斜辉石中LREE、Sr含量低于全岩,说明该区榴辉岩中存在磷灰石和绿帘石等强烈富集LREE和Sr的矿物[32]。石榴石和单斜辉石中的稀土元素含量占全岩稀土总量的大多数,石榴石亏损轻稀土、富集重稀土,单斜辉石相对亏损重稀土、富集轻稀土,二者的轻重稀土含量相互消长,呈互补关系。Y和Sr分别在石榴石和单斜辉石中相对富集,Ga、Cr、Sc、V、Ni和Co等元素在石榴石和单斜辉石中含量相对较高,这些特征与它们在榴辉岩石榴石和单斜辉石间微量元素分配系数研究及可类质同像代替石榴石和单斜辉石矿物晶体结构中主要阳离子的研究结果相符[13,33]。榴辉岩中石榴石和单斜辉石之间的微量元素分配是温度、压力和成分的函数[34-35]。苏鲁榴辉岩中石榴石和单斜辉石之间的分配系数(见图10)基本相同,说明石榴石与单斜辉石之间微量元素的分配已经达到了化学平衡。稀土元素的分配系数随着原子序数的增加而减小,轻稀土的分配系数均大于1,HREE与Y的分配系数均小于1。单斜辉石与石榴石之间的Sr、V、Ni、Cr和Ga之间的分配系数均大于1,Co和Sc的分配系数小于1,Zn的分配系数在1附近。上述微量和稀土元素在单斜辉石和石榴石之间的分配系数与它们在两种矿物之间的富集特征是一致的,即轻稀土和过渡族元素主要赋存在单斜辉石中,而重稀土、Co和Sc主要赋存在石榴石中。综上可知,Ga、Cr、Zn主要赋存于石榴石和单斜辉石中,重稀土、Y、Co、Sc主要赋存于石榴石中,V、Ni主要赋存于单斜辉石中,轻稀土和Sr在胶东地区榴辉岩中主要赋存于单斜辉石中,但在鲁南地区的榴辉岩中可能赋存于磷灰石和绿帘石等矿物中。

5.3成岩温度

胶东-鲁南榴辉岩的成岩平衡温度是采用Elliss和Green的Grt-Cpx地温计计算,这一温度计强调了Ca2+组分对温度的影响,其计算结果与高温高压实验资料基本一致,其计算式为T(K)=[3104XCaGrt+3030+10.86P(kb)]/(lnKD+1.9034)式中:KD=(Fe2+/Mg)Grt/(Fe2+/Mg)CpxXCaGrt=[Ca/(Ca+Mn+Fe2+)]GrtP的单位为kPa,按此公式,当压力变化为1kPa时,温度只改变1℃,故压力的影响可忽略不计。苏鲁榴辉岩中存在的柯石英说明该区榴辉岩形成于高温超高压环境,柯石英的稳定压力至少为2.8GPa[36],因此,将苏鲁榴辉岩的最低压力值假定为2.8GPa,估算的胶东及鲁南地区榴辉岩的成岩温度如表5所示。从计算结果来看,胶东地区榴辉岩成岩温度主要为935.46~1349.22℃,平均为1176.26℃,主要属幔源的A类榴辉岩,鲁南地区榴辉岩成岩温度为850.15~1094.66℃,平均为959.65℃,大致相当于B类榴辉岩。苏鲁榴辉岩的成岩温度自西向东有升高的趋势。Kosler[38]认为微量元素对岩石变质温度和压力的变化比主量元素更明显,因此,榴辉岩中石榴石与单斜辉石之间的微量元素分配系数能够反映榴辉岩的峰期变质温度。苏鲁榴辉岩中单斜辉石和石榴石之间的Sr和稀土元素分配系数(DiCpx/Grt)与二者之间的Ca分配系数(DCaCpx/Grt)具有良好的正相关性,对应的分配系数回归线与地幔榴辉岩相应元素的分配系数回归线基本一致(见图11),其中Sm、Tb和Mo的分配系数与地幔榴辉岩之间的一致性最好;Eu、Nd和Y次之,其分配系数比地幔榴辉岩稍高;Sr的分配系数比地幔榴辉岩要低。这种较好的一致性说明苏鲁榴辉岩中单斜辉石和绿辉石之间微量元素和稀土元素已达到平衡分配,榴辉岩的形成温度可能与地幔榴辉岩非常类似。

6结论

(1)苏鲁榴辉岩的原岩为基性岩和氧化条件下具Ce负异常的沉积物。胶东榴辉岩为地幔成因,鲁南榴辉岩既有地幔成因又有地壳成因,形成压力胶东要高于鲁南地区。(2)石榴石与单斜辉石的主微量元素与全岩呈很好的正相关关系。石榴石富集重稀土,贫轻稀土,单斜辉石富集轻稀土,贫重稀土,二者的轻重稀土元素含量呈相互消长的互补关系。Ga、Cr、Zn主要赋存于石榴石和单斜辉石中,重稀土、Y、Co、Sc主要赋存于石榴石中,V、Ni主要赋存于单斜辉石中,轻稀土和Sr在胶东地区榴辉岩中主要赋存于单斜辉石中,但在鲁南地区的榴辉岩中可能赋存于磷灰石和绿帘石等矿物中。(3)榴辉岩的成岩温度自西向东逐渐升高。石榴石与单斜辉石之间的稀土元素分配系数与地幔榴辉岩具有较好的一致性,说明榴辉岩的成岩温度可能与地幔榴辉岩类似。

作者:李敏韩宗珠秘丛永张贺李景瑞崔竹沅单位:中国海洋大学海洋地球科学学院

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