山東招遠蘇家莊子超基性巖地球化學特征及地質意義

陳莉，王敏，王海芹

(山東省地質科學研究院，自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013)

0 引言

山東膠北地體前寒武紀結晶基底是華北克拉通東部陸塊的組成部分，處于華北板塊南緣東部，具有獨特的構造樣式及自身演化過程[1]，由太古宙表殼巖、TTG巖系和古元古代變質雜巖構成。李洪奎研究了膠東太古宙大陸陸殼的形成和增生過程，認為是島弧環境下初始不成熟陸殼向成熟陸殼的增生，新太古代至古元古代早期的地質信息記錄了魯東大陸地殼形成的完整地質演化過程[2,3]，其間分布的超基性巖代表了初始地殼的幔源巖漿物質。古元古代變質雜巖(荊山群和粉子山群)中尚有少量的超基性巖和代表基性火山噴發相的斜長角閃巖類，反映了古元古代初板塊碰撞后拉張階段的裂陷盆地環境[4]。李旭平等結合區域大地構造背景分析認為膠北超基性巖具有島弧拉斑玄武巖的特征，它們可能形成與島弧相關的構造背景，是弧后盆地環境的產物而非大陸裂谷環境[5]。膠北地區基底巖系超基性巖包括中--新太古代的超基性巖和古元古代的超基性巖，前者主要分布在萊西馬連莊、唐家莊、萊陽西留、棲霞楊礎、譚格莊和招遠蘇家莊子等地，原巖巖性為純橄巖、橄欖巖和輝石巖為主，伴有輝長巖，經多期變質為變輝橄巖、變橄欖輝石巖和變輝長巖等，為幔源巖漿作用產物，屬擴張洋脊和幔隆區裂縫帶的構造環境;后者分布在萊陽鶴山泊、萊西南墅、萊州西水夼、海陽通海等地(圖1)，屬弧后盆地環境[5]。

1—新生界；2—白堊系；3—元古宙變質表殼巖；4—太古宙變質表殼巖+TTG；5—中生代花崗巖；6—古元古代花崗巖；7—超基性巖；8—地質界線；9—斷裂/推斷斷裂圖1 膠東地區超基性巖分布略圖

前人對膠北結晶基底的研究成果頗豐，主要集中在對早前寒武紀地質和金礦礦源層的研究，陸松年[6]、徐金芳[7]、厲子龍[8]、盧冰[9]、翟明國[10]、李永剛[11]、孫景貴[12]等對有關變質地體、年代學、巖石學、地球化學、構造環境以及陸殼演化等做過深入的研究，但對于膠北地區超基性巖的研究資料較少，尤其是在超基性巖構造環境與礦產的關系方面。本文將在前人研究基礎上，以招遠蘇家莊子超基性巖為例，進一步研究超基性巖的巖相學、巖石化學、微量元素、稀土元素等地球化學特征，追溯膠北地體中超基性巖的原巖性質、形成環境及其所經歷的地質作用過程，利用超基性巖的主微量元素地球化學特征，探討幔源巖漿對基底巖系形成環境的制約和對金礦成礦的前期富集作用。

1 地質背景

膠北地體位于華北板塊東南端，因盛產金礦而吸引國內外眾多地質學者和專家來此進行地質研究。在大地構造位置上，該區地跨華北板塊和蘇魯造山帶兩個Ⅰ級大地構造單元[1,13-15]。膠北地體前寒武紀基底主要包括中—新太古代表殼巖(唐家莊巖群和膠東巖群)、TTG質與花崗質片麻巖和古元古代荊山群和粉子山群孔茲巖系以及少量的高壓基性麻粒巖、斜長角閃巖和中—高級變質超鎂鐵質巖。

膠北地體的核部主要有中—新太古代的唐家莊巖群、膠東巖群變質火山巖系列、棲霞TTG質片麻巖和古元古代超基性—基性侵入巖[13]。唐家莊巖群為磁鐵石英巖、黑云變粒巖、磁鐵紫蘇斜長麻粒巖等，麻粒巖相變質。膠東巖群分苗家巖組(斜長角閃巖夾黑云變粒巖)和郭格莊巖組(磁鐵石英巖、黑云變粒巖)，為一套中基性火山巖、碎屑巖夾硅鐵建造，變質程度達高角閃巖相。荊山群和粉子山群為同時異相的兩套相似的沉積建造。荊山群為海相泥質巖、碎屑巖、碳酸鹽巖及鈣鎂硅酸鹽沉積，分布于萊陽、平度等地，由下而上分為祿格莊組、野頭組和陡崖組，低角閃巖相--低壓麻粒巖相變質，富產石墨礦。粉子山群為陸緣環境碎屑巖、碳酸鹽巖建造，分布于萊州、福山等地，由下而上為小宋組、祝家夼組、張格莊組、巨屯組及崗崳組，綠片巖相--角閃巖相變質，產菱鎂礦。該區TTG質片麻巖屬廣義的新太古代灰色片麻巖，其原巖形成時代從～2.9Ga到～2.5Ga[16-18]，而花崗質片麻巖的原巖時代主要為～2.5Ga和～2.1Ga[18]。膠北基性--超基性巖以變形巖墻和不規則透鏡體形式賦存于TTG質片麻巖或花崗質片麻巖之中;還與條帶狀鐵建造、超鎂鐵質巖、變質表殼巖等一起構成高級變質雜巖，并以透鏡體的形式分布在新太古代TTG質與花崗質片麻巖之中[19]。與古元古代淺海相荊山群沉積和大陸邊緣濱海--淺海相粉子山群沉積相伴隨的一套變質基性--超基性巖，其207Pb/206Pb變質年齡為1956±41Ma和1884±24Ma[20]，與這一帶的變質表殼巖、條帶狀磁鐵石英巖等一起構成高級變質雜巖透鏡體，并常以不規則透鏡體出現在表殼巖和花崗質或TTG質片麻巖中[18]，有時野外統稱為基性--超基性巖透鏡體。

研究區位于招遠市南約9km、道頭鎮北2.5km處蘇家莊子一帶(圖2)，超基性巖呈小巖瘤狀產于新太古代英云閃長巖中(圖2A)，可形成蛇紋巖礦。其原巖為橄欖巖(蛇紋巖)，灰黑色、暗綠色，葉片狀、纖維狀變晶結構、變余粒狀結構,塊狀構造。對于其產狀和時代尚存有分歧，一種認為呈包體狀產于新太古代英云閃長巖[21-24]，另一種認為是侵入于新太古代英云閃長巖中，應屬古元古代的產物[14]，本文將其形成時代劃為新太古代。

1—第四系；2—晚侏羅世二長花崗巖；3—角閃閃長巖；4—斜長角閃巖；5—角閃石巖；6—變輝石橄欖巖；7—新太古代奧長花崗巖；8—新太古代英云閃長巖；9—石英閃長玢巖/閃長玢巖；10—偉晶巖；11—煌斑巖/石英脈；12—實測/推測地質界線；13—實測/推測斷層；14—取樣位置及編號圖2 蘇家莊子超基性巖分布圖

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集與分析方法

本文超基性巖樣品采自招遠南部道頭鎮北蘇家莊子村，來自采坑中挖出的0.5～1.3m大小的大巖塊和古采礦坑(20世紀60年代晚期至80年代早期曾在此采過石棉礦)之坑壁部，與其直接接觸的圍巖是新太古代TTG質片麻巖(圖2B)。礦物化學成分分析在濟南礦產資源監督檢測中心進行，控制編號：GJJZ--JL69--07--2016。硅酸鹽巖石分析依據為DZ/T 0279--2016區域地球化學化學樣品分析方法之標準。主元素和微量元素分析采用全譜直讀等離子體發射光譜儀，儀器型號為IRIS IntrepidⅡ和雙道原子熒光光譜儀AFS-820進行分析。分析條件:加速電壓15kV、束流20An、修正方法依據PHRZ。稀土元素采用電感耦合等離子體質譜儀，儀器型號為XSERIES2分析。

2.2 分析結果

本次對超基性巖巖相學進行了鑒定，對巖石化學成分、微量元素、稀土元素進行了分析，同時收集了前人對蘇家莊子超基性巖做的巖石化學成分資料，分別列于表1、表2和表3中。

3 超基性巖地球化學研究

3.1 礦物學特征

巖石類型以變橄欖巖—變輝長巖為主，多成群呈帶狀展布，呈巖株狀、巖瘤狀侵入棲霞序列英云閃長質片麻巖中，侵入體長約230m,寬約75m。由于經多期變質作用，其原巖已蝕變為蛇紋巖(圖3)。

PG001具網脈(格)狀結構，塊狀構造，薄片中巖石主要礦物為蛇紋石，次要礦物有碳酸鹽礦物、綠泥石，副礦物為磁鐵礦等不透明礦物。蛇紋石：含量74%±，呈纖維集合體狀；顏色主要無色透明；干涉色一級灰白，可能交代橄欖石而成，在交代過程中沿著橄欖石晶形，析出的磁鐵礦等不透明礦物和部分碳酸鹽礦物混合，構成多邊形的網格(脈)結構，纖維狀蛇紋石大部分垂直于網格邊緣。碳酸鹽礦物含量20%±，呈不規則集合體狀，主要充填在網格中，少數在網格內部可見。綠泥石含量1%±，留有原礦物假象，呈柱狀、片狀集合體，具有墨水藍異常干涉色，可能交代輝石而成，巖礦鑒定為碳酸鹽蛇紋巖，其原巖為輝橄巖類。

表1 蘇家莊子超基性巖巖石化學成分(wt.%)

表2 蘇家莊子超基性巖微量元素分析結果

表3 蘇家莊子超基性巖稀土元素分析結果(×10-6)

a—PG001樣品；b—PG002樣品；c—PG003樣品圖3 蘇家莊子超基性巖鏡下照片

PG002具網脈(格)狀結構，塊狀構造。薄片中巖石主要礦物蛇紋石97%±，副礦物磁鐵礦等不透明礦物3%。蛇紋石呈纖維狀、鱗片狀集合體；顏色主要無色透明；干涉色一級灰至一級黃白，主要是交代橄欖石而成，沿晶體邊部、裂紋向中心進行，析出的磁鐵礦質點等不透明礦物與纖維狀蛇紋石混合，構成多邊形的小網格。巖礦鑒定為蛇紋巖，其原巖為橄欖巖類。

PG003具網脈(格)狀結構，塊狀構造。薄片中巖石主要礦物蛇紋石80%±，次要礦物有碳酸鹽礦物15%±，副礦物為磁鐵礦等不透明礦物5%±。蛇紋石呈纖維狀，聚集呈集合體狀；顏色主要無色透明；干涉色一級灰白，可能交代橄欖石而成，在交代過程中沿著橄欖石晶形，析出的磁鐵礦等不透明礦物和部分碳酸鹽礦物混合，構成多邊形的網格(脈)結構，纖維狀蛇紋石大部分垂直于網格邊緣。碳酸鹽礦物呈不規則集合體狀，主要充填在網格中，少數在網格內部可見。巖礦鑒定為碳酸鹽蛇紋巖，其原巖為輝橄巖類。

3.2 主元素地球化學

蘇家莊子超基性巖的主元素地球化學中(表1)，所研究的巖石樣品的SiO2含量介于31.40%～41.54%之間，平均38.55%，與中國純橄欖巖和戴里純橄欖巖相比，研究區巖石MgO含量明顯偏低，而Al2O3含量偏高。超基性巖樣品中K2O和Na2O含量偏低，Fe2O3含量則較高。在FAM和FeO-MgO-Al2O3圖解中，分別落于拉斑玄武巖系列區域(圖4)和大洋區，指示其源區屬于島弧拉斑質玄武巖和洋中脊玄武巖，與太古宙高熱流值及薄的洋殼有關。研究區巖石Fe2O3含量高，與高鐵拉斑質基性巖類相似[25]，具有玄武質巖石的演化特征。里特曼指數反映為鈣性系列，固結指數顯示為幔源原生巖漿直接結晶的產物，氧化率反映巖體就位于相對氧化環境。

圖4 蘇家莊子超基性巖AFM和FeO-MgO-Al2O3圖解

總之，研究區超基性巖具有高鋁低鎂高鐵之特點，較中國純橄欖巖基性程度更高，SiO2含量更低，蝕變后為純蛇紋巖。

3.3 微量元素地球化學

微量元素特征(表2)與世界超基性巖平均值相比，親石元素Ba，Sr，V偏高，Cr，Zr偏低；親銅元素Cu，Pb，Zn，As明顯偏高，Ag，Au，W偏低；親鐵元素Co，Ni偏高，Mo偏低，以富親石元素和親銅元素為特征(圖5)。

1—PG001；2—PG002；3—PG003；4—Pt101；5—Pt102圖5 蘇家莊子超基性巖主要成礦元素含量直方圖

從超基性巖中微量元素豐減圖(圖6)中可以看出：Ag，As，Bi，As，Sr元素在超基性巖中呈較明顯的減幅，而Zr少量減少，其他元素在同一數量級內稍有增加，但幅度不大。這可能與超基性巖經后期強烈的蝕變作用有關，并不能真正代表原巖的各微量元素的豐減情況。

1—PG001；2—PG002；3—PG003；4—Pt101；5—Pt102圖6 蘇家莊子超基性巖微量元素含量豐減圖(注：序號與表2同)

總體上，區內超基性巖與中國平均橄欖巖的微量元素相當，以富親石元素和親硫元素為特征。

3.4 稀土元素地球化學

超基性巖的稀土元素地球化學特征見表3，其球粒隕石標準化稀土配分模式屬LREE富集右頃型(圖7)，稀土總量∑REE為(1.350～2.022)×10-6，低于通常的洋脊玄武巖，類似島弧玄武巖的配分模式[26]，稀土曲線平緩右傾，輕、重稀土元素分餾程度均較低。HREE部分曲線平坦，PG002具有較低的Tm含量，可能與后期蝕變析出有關。理論上講，稀土元素被認為是最少溶解的微量元素，并且能夠在低級風化和熱液交代作用中穩定[25]。膠北地體招遠蘇家莊子超基性巖退變和Mg質交代作用形成的蛇紋巖，其REE的分布形態盡管與中國超基性巖基本一致，但其含量卻大大降低，這與后期橄欖巖、輝石轉變成蛇紋石有關。超基性巖樣品的Eu表現為無異常到弱正異常(δEu=0.8～1.21)，受蛇紋石化的影響明顯，流體的次生交代[27]、特別是與蛇紋石化的過程中經歷了一定的氧化作用相關。

圖7 蘇家莊子超基性巖稀土元素球粒隕石標準化模式圖

4 討論

4.1 關于超基性巖的構造環境

膠北早前寒武紀基底屬華北克拉通基底的組成部分[2,13]，由不成熟陸殼向成熟陸殼轉化及各微陸塊之間(包括與華北克拉通其他微陸塊之間)的碰撞拼合，基底固結并逐漸克拉通化。在太古宙時期，膠北地體存在有中太古代唐家莊古陸核，唐家莊巖群火山沉積巖有較多的富集大離子親石元素的富鐵拉斑玄武巖質基性火山巖，指示當時的大地構造環境類似于現代島弧環境[2,13]。新太古代是膠北重要的地殼增生期，形成了由一套中—基性火山沉積夾碎屑沉積建造的膠東巖群，并有二期TTG花崗巖系，為T1T2G1的灰色片麻巖組合，顯示了從不成熟洋內島弧向半成熟的大陸化島弧轉化的特點，代表了從初始的玄武質地殼轉化為半成熟的大陸化地殼的演化過程[2]。在這一過程中，幔源超基性巖漿侵位，代表太古宙高熱流不成熟初始陸殼的拉張環境。

蘇家莊子超基性巖FAM和FeO-MgO-Al2O3圖解均代表了高熱流值的拉張洋殼環境，與太古宙地質體的幔源來源相一致。但由于后期變質改造和蛇紋石化作用，某些元素的地球化學性質在變質和交代作用過程中可以發生遷移，尤其是活動元素，如K，Na，Ca等主元素。然而有些元素卻相對穩定，特別是某些微量元素如Zr，Y，Ti，Nb等高場強元素，很可能保留了原巖的性質。對于超基性巖，在多方面的分析和研究中仍可追蹤原巖產出的構造信息，而退變與交代作用盡管可以改變原巖成分或抹煞原巖的信息，有時卻也可以追蹤混染物源區的性質[13,28-29]。

4.2 超基性巖與金礦關系

如果把膠北地區基性—超基性巖類巖石組合與其形成的構造環境、陸殼成熟度相對應的結合起來便可知，作為膠東地區金礦具有花崗—綠巖地體性質的前寒武紀變質巖系，其中的超基性巖是原始地幔巖的證明，蘇家莊子超基性巖Au平均含量為1.13×10-9，而與金礦關系密切的玲瓏花崗巖Au平均含量為1.62×10-9[13]，屬同一數量級，代表超基性巖在漫長的地質構造演化過程中析出更多的金質而參與成礦，鉛源亦顯示膠東金礦的金質來源與古老鉛有關[13]。

5 結論

(1)膠北地體中的蘇家莊子超基性巖是太古宙不成熟地殼在拉張環境下侵位的幔源巖漿，其形成環境為洋殼拉張環境。

(2)蘇家莊子超基性巖原巖為橄欖輝石巖或輝橄巖，后期經強烈熱液交代或蝕變形成蛇紋巖，構成礦物以蛇紋石為主，具有典型的蛇紋網脈狀結構。

(3)超基性巖相學、巖石地球化學特征指示其源區屬于島弧拉斑質玄武巖和洋中脊玄武巖，與太古宙高熱流值及薄的洋殼有關。

(4)超基性巖微量元素顯示與中國平均橄欖巖的微量元素相當，親石元素Ba，Sr，V偏高；Cr，Zr偏低；親銅元素Cu，Pb，Zn，As明顯偏高；Ag，Au，W偏低；親鐵元素Co，Ni偏高；Mo偏低，以富親石元素和親硫元素為特征。稀土元素球粒隕石標準化稀土配分模式屬LREE富集右傾型，類似島弧玄武巖的配分模式，輕、重稀土元素分餾程度均較低，記錄了受蛇紋石化的影響明顯，流體的次生交代與蛇紋石化的過程中經歷了一定的氧化作用相關。

(5)膠北地體早前寒武紀基底中超基性巖構成了地殼早期演化由不成熟陸殼向成熟陸殼轉化中幔源富大離子親石元素的超基性巖特點，它與太古宙基底構成花崗—綠巖地體膠東金礦初始礦源層特征，參與了膠東金礦成礦過程。