南黃海千里巖島榴輝巖的地球化學特征及成因分析*

李 敏，韓宗珠**，許 紅，趙廣濤，趙 利，張 賀，劉金慶

（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）

蘇魯造山帶是秦嶺－大別造山帶的東延部分，形成于印支期華北板塊與揚子板塊的陸陸碰撞。多數學者［1－7］認為蘇魯造山帶向東通過黃海向朝鮮半島延伸，但對該板塊縫合線在海區的出露位置缺乏相關深入的研究。而確定板塊縫合線是探討板塊構造的基礎，因此蘇魯造山帶的東延及華北與揚子板塊邊界在海區的位置是值得地質學家們深入思考的關鍵問題。南黃海海區中千里巖海島上榴輝巖的發現［8］為研究以上問題提供了直接證據，但目前對該區榴輝巖僅進行了初步的巖相學和地球化學分析［8－10］。因此本文利用千里巖已有榴輝巖樣品，通過地球化學特征及同位素特征分析，討論該地榴輝巖的成因，初步探討千里巖隆起的基底性質。

1 區域地質背景

千里巖隆起區位南黃海北部，屬于蘇魯超高壓變質帶的北帶［11］，南側與南黃海北部盆地以嘉山－響水-海州NE向大斷裂為界，是一個NEE向的狹長地帶。該隆起為一長期隆起區，由前寒武紀變質巖系組成，其基底主要為早元古界地層，是一套強烈韌性變形的片麻巖［12］。隆起區內零星發育中生代陸相碎屑巖系和火山巖系，NE向斷裂發育，沿斷裂帶有巖漿巖體侵入和中基性火山噴發。地層巖性主要有黑云母質混合巖、黑云母質條紋狀混合巖、混合巖化淺粒巖、長石石英巖、黑云母片巖，并有黑云母花崗巖侵入體發育［10］。

圖1 南黃海千里巖島地質略圖（據文獻［9］、［14］、［15］修改）Fig.1 Sketch geological Map of Qianliyan Island in the southern Yellow Sea（According to literature［9］，［14］，［15］）

千里巖島（見圖1）是千里巖隆起在海上的出露，對該島的地質調查表明它是一個構造基巖島（36°15′57″N，121°23′09″E）［13］，島上出露一套鉀長片麻巖，在該島的中央部位榴輝巖呈較小的透鏡狀或扁豆體產出于片麻巖中，兩者之間整合接觸，圍巖片麻理產狀150°∠60°。榴輝巖透鏡體中心部位巖石相對較新鮮，中等程度的角閃石化和綠泥石化；在透鏡體邊緣榴輝巖退變質作用強烈，大多已完全退變質為榴閃巖，但紅色的石榴石仍清晰可見［10］。

2 樣品及分析方法

榴輝巖樣品采自南黃海千里巖島。多呈深褐色，也可見灰綠和灰黑色，發育中粗粒纖狀粒狀變晶結構及鱗片粒狀變晶結構，片麻狀構造和塊狀構造；榴輝巖主要礦物組成為石榴石（45%～55%）、綠輝石（10%～35%）、普通角閃石（10%～20%），次要礦物為白云母（3%～10%）、綠 泥 石 （5% ～10%）和 石 英 （5% ～10%），個別樣品中可見少量的綠簾石，副礦物主要是金紅石（2%）。巖相學觀察顯示千里巖榴輝巖的變形作用較弱，主要表現為多期退變質作用，具體表現為：（1）透輝石＋斜長石后成合晶，表明綠輝石退變為透輝石＋斜長石；（2）角閃石＋斜長石后成合晶，表明透輝石進一步轉變為角閃石；（3）石榴石、角閃石組合，石榴石、綠輝石轉變為角閃石粒狀變晶；（4）石榴石、綠輝石轉變為綠泥石、綠簾石的退變邊。

將巖石樣品切去表面風化的部分后，用碎樣機碎至200目以下，用于地球化學分析。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，分析精度優于0.5%，標樣采用國內玄武巖標樣GBW07105（GSR-3）；微量元素和稀土元素的測定由中國地質調查局青島海洋地質研究所實驗中心用ICPAES完成，分析精度優于5%，內標采用In Re 1mg/mL。同位素分析在中國地質科學院地質研究所同位素地質研究實驗室完成，Sr同位素采用MAT262固體同位素質譜計，Nd、Pb同位素分析采用 MC-ICP-MS，標樣采用國際標樣SRM 987SrCO387Sr/86Sr＝0.710 238±12（2σ）和JMC Nd2O3143Nd/144Nd＝0.511 127±10（2σ）；測試誤差為2σ。

3 地球化學特征

3.1 主量元素特征

千里巖榴輝巖主量元素含量見表1所示。

榴輝巖SiO2、K2O、Na2O和TiO2的含量分別為40.84% ～ 50.02%、0.19% ～ 0.61%、2.79% ～4.23%、0.66%～2.05%。其中 Na2O＞K2O，富鈉貧鉀，TiO2含量平均為1.68%，不同于島弧拉斑玄武巖（0.8%），而接近 MORB（1.5%）［16］。榴輝巖主要氧化物的特征顯示Al2O3低、MgO中等、CaO高、K2O極低，成分屬于低鉀拉斑玄武巖。里特曼指數σ25均小于4，屬于鈣堿性系列。在Zr/Ti＊0.000 1-Nb/Y分類圖上（見圖2）千里巖榴輝巖與蘇魯、大別山地區榴輝巖基本都落入亞堿性玄武巖范圍內；AFM圖解（見圖3）中除仰口榴輝巖落在鈣堿性系列的范圍外，其余樣品均為拉斑玄武巖系列。千里巖榴輝巖的Eu異常不明顯，可以區別于輝長巖，由此可認為研究區榴輝巖的原巖為玄武巖。

表1 千里巖榴輝巖及片麻巖主量元素成分表Table 1 Major element composition for eclogite and gneiss from Qianliyan /%

圖2 Zr/TiO2＊0.0001-Nb/Y圖解（據 Winchester et al［17］）Fig.2 Zr/TiO2＊0.0001-Nb/Y diagram （after Winchester et al［17］）

3.2 微量元素地球化學特征

圖3 AFM圖解（圖例同圖2所示）Fig.3 AFM diagram （Legends are shown in Fig.2）

千里巖榴輝巖的微量元素及稀土元素含量見表2所示。

在相對于N-MORB的標準化微量元素蛛網圖上（見圖4），高場強元素特征基本與N-MORB一致，但大離子親石元素K、Rb、Ba、Th相對于N-MORB明顯富集。無Nb、Ta、Zr、Ti的負異常，也不同于產自島弧的拉斑玄武巖類［22］；而總體上與 Pearce［23］總結的弧后盆地的火山巖相似。由于大離子親石元素在變質過程中是活潑元素，而高場強元素基本上略低于N-MORB的含量，說明它們很可能來源于N-MORB或類似于N-MORB的地幔源區，基本上沒有受到地殼物質的混染［24］。千里巖與大別蘇魯地區榴輝巖微量元素之間，蘇魯大別各地區榴輝巖之間微量元素均存在明顯的不同（見圖4），說明大別蘇魯造山帶榴輝巖原巖類型較為復雜。

表2 微量元素和稀土元素化學成分表Table 2 Trace element and REE compositions of eclogite and gneiss /μg·g－1

續表2

圖4 微量元素N-MORB標準化蛛網圖Fig.4 The N-MORB normalized multi-element variation diagram of trace element

3.3 稀土元素特征

千里巖榴輝巖的稀土元素含量總量較低（見表2），∑REE為7.94×10－6～31.03×10－6，平均為18.55×10－6，與 N-MORB的稀土總量（39.9×10－6）較接近。LREE/HREE為0.64～1.04，平均為0.88；（La/Yb）N為0.12～1.23，平均為0.49，與N-MORB的（La/Yb）N值（0.59）接近［25］。La-Sm 都低于10倍的球粒隕石含量，表明它們來自于高虧損的地幔源區［26］。δEu為0.95～1.32，平均為1.15，Eu異常不明顯，說明斜長石未發生明顯的分離結晶作用。千里巖榴輝巖稀土元素配分模式明顯區別于大別蘇魯地區除諸城、榮成大疃外的榴輝巖稀土元素模式，說明其原巖具有洋殼性質，但并非洋島拉斑玄武巖［19］和島弧拉斑玄武巖［10］。千里巖榴輝巖的稀土元素配分模式為輕稀土虧損的左傾型（見圖5），與典型N-MORB的LREE虧損分布型式不完全相同，指示其并非形成于N-MORB型的開放大洋中脊環境［27］。

圖5 稀土元素球粒隕石標準化模式圖解Fig.5 Chondrite normalized REE patterns

3.4 同位素地球化學

前人對Pb同位素的研究成果為判斷千里巖隆起的基底性質提供了基礎，邢光福［28］認為207Pb/204Pb的現代比值基本可以代表巖石形成時的初始比值，對顯生宙的巖石更為適用。張本仁等［29，30］曾經根據殼幔放射性成因鉛、殼幔源地球化學特征等方面的比較認為北秦嶺與揚子陸塊和南秦嶺相同，認為北秦嶺在新元古代之前屬于揚子陸塊。為確定千里巖基底的歸屬，將千里巖榴輝巖的207Pb/204Pb比值（見表3）與北秦嶺和華北板塊的207Pb/204Pb比值進行直接對比。千里巖榴輝巖207Pb/204Pb的比值變化范圍為15.470 7～15.518 5，與華北陸塊南緣玄武巖207Pb/204Pb比值范圍15.198～15.490相比，更接近于北秦嶺玄武巖如207Pb/204Pb比值范圍15.456～15.774［31］。因此，認為千里巖隆起的基底是屬于揚子板塊的。

表3 榴輝巖的同位素分析結果Table 3 Isotopic analysis results of eclogite

4 構造環境探討

主微量元素判別圖解（見圖6）中大別蘇魯造山帶不同地區榴輝巖投影點較為分散，說明榴輝巖形成環境較為復雜（島弧［10］、洋盆［18］等）；而千里巖榴輝巖樣品投影點與大別蘇魯造山帶存在明顯的區別，基本都落在洋中脊玄武巖和島弧玄武巖的區域中，說明千里巖榴輝巖既有洋中脊拉斑玄武巖的性質，又有島弧玄武巖的性質，表明其構造環境應為洋中脊和火山弧之間的過渡環境。

另外，千里巖榴輝巖的Ce/Zr、Zr/Nb、Th/Yb、Zr/Y、La/Nb和Y/Nb平均比值分別為0.06、27.41、0.08、2.55、0.89和11.34，接近N-MORB的對應值（0.1、31.8、0.04、2.64、1.07和11.2），表明本區榴輝巖顯示出N-MORB的性質，原巖可能來自虧損的地幔源區［25，33］。Nb、Ti/V、Th/Nb、Zr/TiO2、Ba/La平均為1.88、20.44、0.09、0.0027、70.52，具有島弧玄武巖的性質（＜12、＜30、＞0.07、＜3、＜0.01、＞30）［34］。因此千里巖榴輝巖的微量元素特征其兼具洋中脊玄武巖和島弧玄武巖的特征，具有弧后盆地的特征。

綜上可知，千里巖榴輝巖的地球化學特征既不同于典型的洋中脊玄武巖，也不同于典型的島弧拉斑玄武巖，而是兼有二者的特征。因此有理由認為千里巖榴輝巖的巖石源區是洋中脊玄武巖和島弧拉斑玄武巖兩個端元的混合，形成于弧后盆地的構造環境［16，35］。張安達等［18］認為北秦嶺官坡榴輝巖也形成于弧后盆地環境，但其微量稀土元素特征與千里巖有明顯區別，說明兩地區榴輝巖的原巖成分存在差異。

此外，千里巖榴輝巖繼承性鋯石SHRIMP U-Pb加權平均年齡為（747±19）Ma［36］，說明榴輝巖的原巖在經歷榴輝巖相的高壓超高壓變質作用之前經歷過晉寧期熱事件（約800Ma），這一事件僅在揚子板塊有記錄，因此可以推測該區所在的千里巖隆起區代表揚子板塊的基底。

5 結論

（1）千里巖榴輝巖原巖與大別蘇魯造山帶榴輝巖一致，為拉斑玄武巖系列。

圖6 （a）TiO2－MnO-P2O5 圖解，（b）Zr/Y-Zr圖解，（c）V-Ti/1000圖解，（d）Nb＊2-Zr/4-Y圖解（據文獻［32］）（圖例同圖2所示）Fig.6 （a）Diagram of TiO2－MnO-P2O5，（b）Diagram of Zr/Y-Zr，（c）Diagram of V-Ti/1000，（d）Diagram of Nb＊2-Zr/4-Y（According to literature［32］）（legends are shown in Fig.2）

（2）千里巖榴輝巖微量與稀土元素配分模式均與大別蘇魯造山帶榴輝巖有較大差異。大離子親石元素相對于N-MORB富集，高場強元素特征與N-MORB基本一致，無Nb、Ta、Zr、Ti負異常。稀土元素配分形式為LREE虧損的左傾型。主微量元素判別圖與微量元素特征值均指示千里巖榴輝巖兼具島弧玄武巖和洋中脊玄武巖的性質，說明其形成的構造環境為弧后盆地。

（3）千里巖榴輝巖207Pb/204Pb比值更接近于北秦嶺（新元古代前屬于揚子板塊）玄武巖的207Pb/204Pb比值；而鋯石中記錄的（747±19）Ma的年齡說明榴輝巖的原巖經歷了僅在揚子板塊有記錄的晉寧期熱事件。該區所在的千里巖隆起區應代表了揚子板塊的基底。

［1］楊森楠.秦嶺古生代陸間裂谷系的演化［J］.地球科學，1985，10（4）：53-62.

［2］楊巍然，王豪.中國板塊構造概況［J］.地球科學，1991，16（5）：505-513.

［3］Yin A，Nie S Y.An indentation model for the North and South China collision and the development of the Tan-Lu and Honam fault systems，eastern Asia［J］.Tectonic，1993，12：801-813.

［4］周建波，鄭永飛，李龍，等.大別—蘇魯超高壓變質帶內部的淺變質巖［J］.巖石學報，2001，17（1）：39-48.

［5］劉光鼎.中國海地球物理場和地球動力學特征［J］.地質學報，1992，66（4）：300-314.

［6］蔡乾忠.黃海含油氣盆地區域地質與大地構造環境［J］.海洋地質動態，2002，18（11）：8-12.

［7］蔡峰，孫萍.黃海海域的中朝造山帶與沉積盆地［J］.海洋科學，2006，30（7）：69-75.

［8］紀壯義，趙環金，趙光華.黃海海域千里巖島發育榴輝巖［J］.山東地質，1992，8（2）：1-2.

［9］韓宗珠，肖瑩，于航，等.南黃海千里巖島榴輝巖的礦物化學及成因探討［J］.海洋湖沼通報，2007（1）：83-87.

［10］李敏.南黃海千里巖榴輝巖隆起基底性質及動力學演化機制——來自榴輝巖的巖石學和地球化學證據［D］.青島：中國海洋大學，2011.

［11］馬杏垣.江蘇響水值內蒙滿都拉地學斷面南北兩段的地質觀察［J］.地球科學—中國地質大學學報，1989（1）：1-7.

［12］來志慶，鄒昊，陳淳，等.南黃海千里巖隆起區構造屬性及地質演化［J］.海洋湖沼通報，2011（4）：164-168.

［13］山東省科學技術委員會.山東海島研究［M］.濟南：山東科學技術出版社，1995，43-320.

［14］Li S Z，Kusky T M，Zhao G C，et al.Thermochronological Con-straints on Two-Stage Extrusion of HP/UHP Terranes in the Dabie-Sulu Orogen，Eastern-Central China［J］.Tectonophysics，2011，504：25-42.

［15］廖晶，岳保靜，施劍.千里巖隆起在海區延伸問題探討［J］.海洋地質與第四紀地質，2013，33（2）：153-162.

［16］汪雙雙.北祁連烏鞘嶺蛇綠巖地球化學特征及其構造意義［D］.蘭州：蘭州大學，2009.

［17］Winchester J A，Floyd P A.Geochemical magma type discrimination：application to altered and metamorphosed basic igneous rocks［J］.Earth and Planetary Science Letters，1976，28，459-469.

［18］張安達，劉良，王焰，等.北秦嶺榴輝巖的地球化學特征及形成環境［J］.西北大學學報（自然科學版），2003，33（2）：191-195.

［19］吳元保，陳道公，程昊，等.北大別饒拔寨退變質榴輝巖的地球化學特征［J］.地震地質，2000，22（增刊）：99-103

［20］劉貽燦，徐樹桐，李曙光，等.大別山北部榴輝巖的地球化學特征和Sr，Nd同位素組成及其大地構造意義［J］.中國科學（D輯），2000，30（增刊）：99-107.

［21］Sun S S，McDonough W F.Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts：implications for mantle composition and processes［J］.Geological Society Special Publications，1989，42：313-345.

［22］Pearce J A.Trace element characteristics of lava from destructive plate boundaries［M］.∥Thorps R S，ed.Andesite.Chichester：Wiley，1983，525-538.

［23］Pearce J A，Alabaster T，Shelton A W，et al.The Oman ophiolite as a Cretaceous arc-basin complex：evidence and implication［J］.Phil Trans R Soc Lond，1981，A300：299-317.

［24］彭松柏，李昌年，Kusky Timothy M，等.鄂西黃陵背斜南部元古宙廟灣蛇綠巖的發現及其構造意義［J］.地質通報，2010，29（1）：8-20.

［25］徐力峰，夏斌，李建峰，等.藏北湖區拉弄蛇綠巖幀狀玄武巖地球化學特征及其成因［J］.大地構造與成礦學，2010，34（1）：105-113.

［26］許繼鋒，于學元，李獻華，等.高度虧損的N-MORB型火山巖的發現：勉略古洋盆存在的新證據［J］.科學通報，1997，42（22）：2414-2418.

［27］Pearce J A.Lippard S J，Roberts S.Characteristics and tectonic significance of supra-subduction zone ophiolites∥ MarginalBasin Geology［J］.Geol Soc Lond Spec Pub，1984，l16：77-94.

［28］邢光福.Dupal同位素異常的概念、成因及其地質意義［J］.火山地質與礦產，1997，18（4）：281-291.

［29］張本仁，韓吟文，許繼鋒，等.北秦嶺新元古代前屬于揚子板塊的地球化學證據［J］.高校地質學報，1998，4（4）：369-381.

［30］張本仁，高山，張宏飛，等.秦嶺造山帶地球化學［M］.北京：科學出版社，2003，37-41.

［31］侯青葉，張宏飛，張本仁，等.祁連造山帶中部拉脊山古地幔特征及其歸屬：來自基性火山巖的地球化學證據［J］.地球科學—中國地質大學學報，2005，30（1）：62-69.

［32］Meschede M A.Method of discriminating between different type of mid-ocean ridge basalts and continental tholeiites with Nb-Zr-Y diagram［J］.Chem Geol，1986，56：207-218.

［33］第五春榮，孫勇，劉良，等.北秦嶺寬坪巖群的解體及新元古代N-MORB［J］.巖石學報，2010，26（7）：2025-2038.

［34］歐陽京，汪雙雙，于漫，等.島弧環境中不同成因的火成巖組合及其地質意義［J］.甘肅地質，2010，19（2）：18-26.

［35］廖群安，薛重生，李昌年，等.贛東北地區早古生代登山巖群弧后盆地火山巖的成因與洋殼演化［J］.巖石礦物學雜志，1999，18（1）：1-7.

［36］張賀.南黃海前陸盆地動力過程與盆山耦合關系研究［D］.青島：中國海洋大學，2013.