青島仰口榴輝巖及其圍巖的巖石地球化學特征和成因機制＊

李 敏，韓宗珠，許 紅，張 賀，趙廣濤，林學輝，何雨旸

（1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島266100；2.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島266071）

大別—蘇魯超高壓變質帶是世界上現已確定的十幾個超高壓變質帶中規模最大、出露最好的超高壓變質帶，是中朝板塊和揚子板塊在印支期俯沖碰撞的產物。自含柯石英和金剛石的超高壓變質巖在該區被發現以來[1－2]，該變質帶成為研究大陸碰撞造山帶作用及動力學的重要場所之一。青島仰口地區由于保存了從變輝長巖到榴輝巖的完整的超高壓變形和變質巖石組合，成為研究超高壓變質作用的典型地區[3－4]。自韓宗珠等[5]首次在青島仰口發現榴輝巖以來，這一超高壓構造單元便吸引了國內外許多地質學家對其進行研究，在地球化學、礦物學、巖石學、構造學和年代學方面取得了一系列的研究成果[4，6－13]，對該區榴輝巖的形 成時代、溫壓條件、物質來源等有了深刻的理解。本文旨在前人研究的基礎上，通過主微量元素地球化學分析，揭示榴輝巖及其圍巖的巖石學、地球化學等方面的特征及其成因機理，進而探討該區巖石形成的構造環境。

1 地質背景

青島仰口地區位于青島王哥莊鎮東海邊，出露約2km2的超高壓變質地體和大量的花崗巖。本文所研究的超高壓變質地體位于蘇魯超高壓變質帶北緣，五蓮—榮成構造帶的中部，是魯東造山帶的組成部分[10－11]。該區榴輝巖主要呈透鏡狀產出于太古代—早元古代膠南群變質地層中，其原巖形成時代為新元古代[3，9]，與圍巖的總出露面積約2km2，主要圍巖為花崗質片麻巖、超基性巖、變輝長巖等[3]（見圖1）。超基性巖在本地表現為蛇紋巖，主要出露在該地體的西北部，與片麻巖呈突變接觸關系，在接觸面附近伴隨強烈的片理化，原巖形成于古元古代，受到新元古代Rodinia巖漿熱事件的改造[3]；變輝長巖與相鄰的榴輝巖呈過渡接觸關系，部分呈透鏡體出露在強烈面理化的片麻巖中，主要出露在中部一帶，其原巖形成于新元古代[3，14]；片麻巖在中部及北部大面積出露，大部分圍巖均遭受了不同程度的韌性變形作用的改造[3，11]。

2 巖相學特征

研究區主要出露一套受到強烈變質變形的構造混雜巖，其變質巖類型主要有片麻巖、變輝長巖、榴輝巖和超基性巖（已蝕變為蛇紋巖）等。

（1）榴輝巖 灰綠色，細粒－中細粒鱗片粒狀變晶結構，塊狀構造，主要礦物為石榴石（30%～50%）、綠輝石（10%～45%）、白云母（10%～20%）、石英（10%～

20%）、綠泥石（5%～10%）組成，次要礦物主要是金紅石。

（2）變輝長巖 深灰色，變余輝長結構和粒狀變晶結構，塊狀構造。樣品2009－YK－23主要礦物為綠泥石（30%）、白云母（15%）、石英（15%）、石榴石（10%）、綠輝石（15%）、堿性長石（10%）；樣品2009－YK－14B主要礦物為普通輝石（45%）、斜長石（45%）、石英（10%）。

（3）超基性巖 完全蛇紋石化，呈灰綠、深灰色，中細粒粒狀變晶結構和隱晶質結構，塊狀構造和片麻狀構造，主要礦物為蛇紋石（80%～90%），次要礦物為磁鐵礦、方解石等。

（4）片麻巖 淺灰、灰白色，細粒－中粗粒鱗片粒狀變晶結構，片麻狀構造，主要礦物為長石（20%～70%，主要是斜長石和微斜長石）、石英（20%～65%）、白云母（10%～40%）。

方愛民等[4]通過對青島仰口地區不同期次構造變形的研究認為該區超高壓變質巖經歷了多期構造變形和變質作用，其中主要包括榴輝巖相、角閃巖相和綠片巖相條件下的三期擠壓構造變形以及一期較晚時期的伸展構造運動。以榴輝巖的巖相學觀察為例，榴輝巖經歷了多期的退變質作用，礦物變形程度存在明顯的差異性，在較大榴輝巖透鏡體核部產出的榴輝巖變形程度較弱，大部分呈自形或半自形晶體平衡共生（見照片1），而在透鏡體邊部和條帶狀榴輝巖中礦物的變形作用強烈（見照片2），主要表現在石英強塑性變形，粒度較細，多為構造重結晶的細粒石英集合體，多數石英光軸與榴輝巖的條帶延長方向一致；白云母塑性扭曲呈膝形（見照片3）；綠輝石呈透鏡狀或長柱狀定向排列，與壓扁拉長的石榴石一起構成條帶狀構造；石榴石多碎裂為細小的顆粒，并被壓扁拉長為條帶狀或透鏡狀（見照片4），部分石榴石沿裂理呈書斜式排列，呈現后期剪切特征。

圖1 蘇魯地區以及青島仰口地質簡圖（據Zhang R Y et al[15]）Fig.1 Simplified geological map of Su－Lu region and Yangkou

圖2 榴輝巖中礦物顯微構造特征Fig.2 Photomicrographys of minerals in eclogite

3 樣品采集及分析方法

本文樣品主要采自青島仰口灣，具體采樣位置見圖1所示。

將采集的具有代表性的樣品（7件榴輝巖、3件超基性巖、2件變輝長巖及2件片麻巖）用清水洗凈烘干，選取新鮮部分，粉碎至200目用于主微量及稀土元素的測試。主量元素在中國海洋大學海洋地球科學學院XRF分析實驗室完成，分析經度優于0.5%，微量元素和稀土元素的分析在中國地質調查局青島海洋地質研究所實驗中心用ICP MS/AES完成，分析精度優于5%。主微量及稀土元素的測試過程中均使用國內玄武巖標樣GBW07105（GSR－3）作為標準樣品。屬于橄欖拉斑玄武巖，而超基性巖則屬于苦橄巖。片麻巖的SiO2過飽和，均不出現標準霞石和白榴石，說明其巖漿來源不是過堿性巖漿，長石以鈉長石為主，其次為鉀長石和鈣長石，出現標準礦物剛玉，說明片麻巖的Al過飽和，利用Ab－An－Or圖解（圖略）進行分類得到該地片麻巖原巖為花崗巖。

根據TAS分類圖（見圖3）和AFM圖（見圖4），青島仰口地區榴輝巖、變輝長巖和片麻巖為鈣堿性系列，超基性巖屬于拉斑系列。

4 地球化學特征

4.1 主量元素特征

榴輝巖與變輝長巖的主要氧化物含量非常接近，相當于玄武巖或輝長巖。SiO2平均為50.79%；Na2O＞K2O，巖石富鈉貧鉀，K2O/Na2O平均為0.34，為鈉質類型，里特曼指數平均為5.9，為堿性系列。榴輝巖和變輝長巖的的Al2O3和TiO2含量平均值分別為16.21%、0.98%和16.41%、0.77%，與島弧拉斑玄武巖相似[16]。分異指數平均值分別為58.44、63.98，固結指數平均值分別為16.42、15.73，說明巖漿分異程度較高。根據R.G.Colemn[17]的榴輝巖分類，青島仰口榴輝巖為C榴輝巖，這一結論得到礦物學研究的證實[18]。

超基性巖SiO2平均為41.86%；Na2O＞K2O，巖石富鈉貧鉀，K2O/Na2O 平均為0.005 9，為鈉質類型。分異指數平均為2.17，固結指數平均為72.28，巖漿的分異程度最低。

片麻巖SiO2平均為72.03%；K2O/Na2O平均為1.06，為鈉質類型，里特曼指數平均為1.81，為鈣堿性系列；AKNC均大于1.1，為過鋁質巖類。分異指數平均為86.23，固結指數為平均為7.94，巖漿分異程度最高。

CIPW標準礦物計算結果如表2所示，顯示榴輝巖和變輝長巖為SiO2不飽和巖石，長石以鈉長石為主，其次為鈣長石和鉀長石，其他主要標準礦物為透輝石、橄欖石和紫蘇輝石，個別樣品出現霞石。超基性巖中主要的標準礦物為橄欖石、紫蘇輝石和錐輝石。按照CIPW標準礦物成分對玄武巖及其相關的巖石和超基性巖的分類圖解可以推斷青島仰口榴輝巖和變輝長巖

圖3 TAS圖解Fig.3 TAS diagram

圖4 AFM圖解（據朱維光[19]，圖例同圖3所示）Fig.4 AFM diagram（According to Zhu[9]，legerds are shown in Fig.3）

4.2 微量元素特征

青島仰口榴輝巖的微量分析結果見表3。

在相對于MORB標準化的蛛網圖（見圖5）中，青島仰口榴輝巖、變輝長巖和片麻巖富集大離子親石元素，而虧損高場強元素，具Ba、Ce、Sr、Sm等的正異常，Nb、Ta、Zr、Hf等的負異常，這與和俯沖交代作用有關的島弧玄武巖微量元素特征一致[21]。這三者的微量元素標準化模式曲線呈“W”型，具有島弧鈣堿性巖漿巖的模式特征[22]，與下地殼的微量元素標準化曲線相似，但相對虧損Hf、Zr元素。

超基性巖的大離子親石元素和高場強元素相對于MORB虧損，MORB標準化曲線與下地殼的標準化曲線的變化趨勢大體一致，具Nb、Ta、Zr、Hf的負異常，Ba、Sm的正異常，反映出島弧火山巖的特征，其源區可能是俯沖帶島弧下的發生過部分熔融的地幔楔[23]，在形成過程中可能遭受了消減作用的影響，并有陸緣物質的混染[24－25]。

圖5 微量元素MORB標準化蛛網圖（圖例同圖3所示）Fig.5 MORB normalized spidergram of trace element（Legends are shown in Fig.3）

4.3 稀土元素特征

在球粒隕石標準化的圖解（見圖6）和表4中，可以看出青島仰口榴輝巖和變輝長巖的稀土元素分布型式為明顯的右傾型，顯示二者具有相同的成因特征。稀土元素總量較高；（La/Yb）N比值說明輕重稀土元素發生了明顯的分餾；輕稀土明顯富集，重稀土元素間沒有明顯的分餾，稀土元素配分型式與鈣堿性島弧玄武巖相似，但輕稀土元素要稍高于鈣堿性島弧玄武巖，可能與受到陸殼物質的混染有關；δEu平均值分別為1.14和0.92，具有弱的Eu異常。

片麻巖的稀土總量與榴輝巖和變輝長巖的稀土總量相當，輕重稀土也發生了明顯的分餾，δEu平均為0.63，Eu負異常明顯，與巖漿中斜長石的分離有關。片麻巖稀土元素的分布型式為典型的A型花崗巖所特有的海鷗型[28]，顯示出與A型花崗質巖石具有一定的相似性。

榴輝巖和變輝長巖的稀土元素配分模式基本相同，可能具相同的成因特征，僅在Eu的虧損程度上有所不同，暗示較酸性巖漿可能是較基性巖漿連續分離結晶的產物[29]，Eu的虧損自基性巖到酸性巖逐漸增強，δEu為1.14～0.63，由弱的正異常到明顯虧損。

超基性巖的稀土總量與球粒隕石（ΣREE2.562×10－6）相比偏高，輕稀土總量明顯較高，重稀土較低，屬于虧損的地幔巖[30]；LREE/HREE為2.8，說明稀土元素配分曲線比較平坦；（La/Yb）N為2.45～2.76平均為2.65，輕重稀土分餾不明顯；δEu平均為0.71，具較明顯的負異常，可能是巖漿中斜長石發生分離從而使得殘余熔漿中虧損Eu；δCe為0.35，具強烈的Ce的負異常，而其他樣品并未顯示Ce的負異常，因此更合理的解釋應該是在氧化條件下形成的具有Ce負異常的沉積物深俯沖形成超基性巖[31]。

圖6 榴輝巖稀土元素球粒隕石標準化模式圖解（圖例同圖3所示）Fig.6 Chondrite－normalized REE patterns of eclogite（Legends are shown in Fig.3）

5 討論

不相容性相似的元素比值可以指示不同的地幔端元[33]，因而可以有效的區分巖漿源區。

青島仰口榴輝巖Nb/Ta比值平均為16.37，多數≤17.5，片麻巖的 Nb/Ta比值平均為14.8，接近于陸殼的 Nb/Ta比值（11～17.5）[34]；超基性巖的 Nb/Ta比值平均為11，接近于虧損地幔的Nb/Ta比值（15.5±1）[35]；變輝長巖的 Nb/Ta比值為24～29.3，平均為26.6，高于原始地幔和陸殼的Nb/Ta比值，可能與石榴石穩定域內的部分熔融作用有關[36]。榴輝巖、變輝長巖、超基性巖和片麻巖的Ba/Nb平均值分別為264.41、268.8、103 和 107.4，La/Nb平均值分別為6.34、6.93、6.08和3.24，高于洋中脊和洋島玄武巖的比值（Ba/Nb≤20，La/Nb為0.5～2.5）；而與島弧玄武巖類似（Ba/Nb約為200，La/Nb為1～15）[37]。

同樣，利用Nb、Yb和Th也能有效的區分巖漿源區[38]，在Nb/Yb－Th/Yb圖解（見圖7）中，榴輝巖、變輝長巖和片麻巖投影在深部地殼熔融趨勢線附近，超基性巖則落在巖漿－地殼作用的趨勢線附近，所有樣品全部落在火山弧序列內，說明該區巖石的巖漿源區與地殼有關，其形成與火山弧作用有密切的聯系。

Ti/Y－Nb/Y圖解（見圖8）指示了研究區榴輝巖和變輝長巖與大洋輝長巖之間的不同及與大陸堆積輝長巖的相似性，表明兩者的原巖為輝長巖，葉建國[3]通過觀察本區榴輝巖和變輝長巖的礦物結構和成分也證實榴輝巖和變輝長巖的原巖為輝長巖。

圖7 Th/Yb－Nb/Yb圖解Fig.7 Th/Yb－Nb/Yb diagram

圖8 Ti/Y－Nb/Y圖解Fig.8 Yi/Y－Nb/Y diagram

圖9 片麻巖原巖類型判別圖解Fig.9 Discrimination diagrams of the protolith of gneiss

圖10 構造環境判別圖解Fig.10 Discrimination diagrams of tectonic environment

Katsube A et al對仰口正片麻巖的地球化學特征研究表明，該區片麻巖原巖為A型花崗巖。Rb/Nb－Y/Nb圖解及Nb－Y－3Ga圖解（見圖9）進一步說明研究區片麻巖原巖為造山后A型花崗巖。在Hf/3－Th－Ta和Hf/3－Th－Ta圖解（見圖10）中，研究區樣品均投影在島弧鈣堿性玄武巖區，說明形成于島弧環境。前人對該區巖石的年代學研究表明榴輝巖、變輝長巖及片麻巖的原巖均形成于新元古代，超基性巖的原巖形成于古元古代，都經歷了超高壓變質作用（見表5）。根據研究區巖石的地球化學特征及各種成因判別圖解推斷本區的超高壓變質巖的原巖為島弧環境的火成巖，榴輝巖及變輝長巖的原巖為輝長巖，片麻巖的原巖為造山后的A型花崗巖，其巖漿源區位于大陸下地殼；超基性巖的原巖為地幔巖，巖漿源區位于上地幔。在中－晚三疊紀期間，揚子板塊與華北板塊碰撞，揚子板塊古－新元古代的巨量陸殼物質向華北板塊俯沖到達地幔深度，最大可達200km[45]，此時溫壓條件可能達到1 000～1 100℃，6～7Gpa[46]，俯沖的陸殼物質發生超高壓變質作用形成了榴輝巖等超高壓變質巖。

表5 青島仰口地區榴輝巖及其圍巖同位素年齡Table 5 Isotopic age of eclogite and its country rock from Yangkou in Qingdao

6 結論

（1）地球化學特征表明仰口地區榴輝巖、變輝長巖及片麻巖富集大離子親石元素，虧損高場強元素，稀土元素為右傾型，超基性巖微量元素相對于MORB虧損，輕重稀土分餾不明顯。

（2）該區超高壓變質巖的原巖形成于島弧環境，榴輝巖和變輝長巖的原巖為輝長巖，片麻巖的原巖為造山后A型花崗巖，三者的巖漿源區位于下地殼，超基性巖的原巖為虧損的地幔巖，原巖的巖漿源區位于上地幔。

致謝：本文依托“南黃海油氣資源評價技術及其應用研究”子項目“下揚子前陸盆地成因特征與盆山耦合關系研究”。中國地質調查局青島海洋地質研究所科技處和實驗中心為本項目的開展給予了大力支持和幫助，作者在此深表感謝。

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