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徐州地区辉绿岩地球化学特征

更新时间:2016-07-05

0 引 言

苏皖北部分布着较大规模的基性岩群,是华北克拉通内重要的、具有特色的地质构造单元(陶奎元,1986;刘福来等,2011)。作为重要的构造-岩浆地质体,其存在表明具有相当规模的、已经固结的稳定陆块的存在,并且还可以提供早期地球深部岩浆和岩石圈演化的信息。对徐州区域内的辉绿岩进行详细的岩石学研究,可以揭示出辉绿岩的岩石成因及其与Rodinia超大陆裂解之间可能的联系。

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1 区域地质背景

徐州位于江苏北部,构造上属华北陆块东缘,属于华北准地台的次级构造单元(图1a)。区域上,东部边界为双沟推覆断层带,南北边界为蚌埠和丰沛太古代地层出露区(施建斌等,2012),该区断裂构造较发育。根据地球物理资料、岩浆活动及地层错断关系分析,有延伸至上地幔的超壳断裂,也有盖层内的断裂(舒良树等,1994;张贵山等,2009;赵正等,2010;王梦玺等,2012)。以其在空间的展布方向、组合形式和共生关系可划分为东西向、北东向、北北东向和北西向4组断裂(王陆超等,2011),这些断裂构造除了控制暗色岩的时空分布外,在一定程度上还对沉积盖层的发育、岩相变化和展布方向具有重要的影响(潘国强等,2000;柳永清等,2005;相振群等,2012)。

证明 (1) 因为当α=0时,Uα=U0={U⊆[0,1]2|[0]⊆U}={L×L},且UρG是上集,所以U0⊆UρG。对任意的(0,1], (1,0)Uα,其中

郯庐断裂带是我国东部一条著名的深大断裂带,沿郯庐断裂带分布着大量的基性岩墙,与各种矿床关系十分密切。研究区作为中国大陆古老的陆块之一,具有古老的结晶变质基底,并且经历了长期而复杂的构造及岩浆演化过程,尤其是受燕山运动的影响比较突出(蔡逸涛等,2014;张洁等,2015)。

图1 郯庐断裂带构造(a)及徐州地区地质简图(b) 1-元古代地层;2-古生代地层;3-中生代地层;4-基性岩;5-断层;6-地质界线;7-工作地点 Fig.1 Tanlu fault belt structure (a) and Xuzhou geological sketch map (b)

徐州地区岩浆活动不强烈,在各个地质时期具有不同表现,可以将其从太古代到新生代划分为5个岩浆活动期。其中,太古代—新元古代主要为五台期、武陵期及扬子期岩浆活动,海底富钠质岩浆喷发,形成规模较大的细碧-石英角斑岩火山岩,并伴有基性至超基性岩浆岩侵入;中生代燕山期岩浆活动表现为多期次强烈的喷发和侵入,形成中酸性、偏碱性岩;而新生代主要为喜马拉雅期岩浆活动,形成多期喷发的玄武岩和基性侵入岩——辉绿岩。总体来说,新元古代震旦期和中生代燕山期活动较强烈,古生代次之,新生代活动很弱。岩浆活动与构造断裂密切相关,岩浆岩的分布受某一构造体系支配,构造断裂是岩浆上侵的通道,也是控岩、容岩空间。区内各类岩石的分布具有一定的规律性,且具有成群成带分段集中的特点(黄先觉,2012)。

2 样品分析

2.1 徐州辉绿岩样品情况

主量元素Haker图解如图5所示。主量元素的质量分数与MgO的变化并不十分明显,随着MgO的质量分数升高,SiO2降低,Al2O3质量分数呈负相关性,反映岩浆在上升侵位过程中经历的分离结晶作用。同时,K2O+Na2O与MgO相关性不明显,随着MgO增加,TiO2和P2O5的质量分数随MgO呈较弱的负相关。尽管如此,某些主量元素还是存在不同的演化趋势。w(TiO2)为2.70%~3.49%,TiO2高质量分数可能暗示源自软流圈的流体参与了岩浆活动(贺世杰,2003)。

高场强元素Nb/Ta比值为16.83~17.74,平均值为17.47,近似于球粒陨石、原始地幔值(Sun et al., 1989),与大陆溢流玄武岩(如西伯利亚暗色岩)相近(Lightfoot et al.,1990)。各样品的Zr/Hf比值变化都较大,为36.49~41.04,平均值为38.00,与原始地幔值(Nb/Ta比值为17.5±2.0,Zr/Hf比值为36.0)相近(Weaver,1991)。

2.2 分析方法

主量元素采用玻璃熔片-X射线荧光光谱法(XRF)分析,测试误差<2%,其中FeO质量分数采用湿法化学分析。微量元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析,测定精度>5%,测定元素含量>100 g/t时分析误差<5%,测定含量<10 g/t时分析误差<8%,Cr、Ni、V和Sc元素的分析误差在10%左右。

岩石主量元素化学分析结果显示,辉绿岩中w(SiO2)为43.45%~49.19%, w(K2O+Na2O)为2.79%~5.11%,w(Na2O)>w(K2O), w(Al2O3)为12.39%~13.70%,w(CaO)为5.88%~14.08%,w(Fe2O3)为13.57%~16.33%,w(MgO)为3.58%~6.86%。

3 结果与讨论

徐州地区辉绿岩中,主量元素、微量及稀土元素含量分别见表1和表2

表1 徐州地区辉绿岩的主量元素质量分数 Table 1 Content of major elements of the diabase, Xuzhou area

项目徐州倪园村徐州燕子埠张山LLC⁃1LLC⁃2LLC⁃3LLC⁃4LLC⁃5ZS⁃1ZS⁃2ZS⁃3ZS⁃4ZS⁃5ZS⁃6SiO245.7544.7346.3446.1247.6048.6847.5849.1946.2048.6443.45Al2O313.2512.9013.3513.2012.6713.1313.7013.4212.7612.7412.39CaO8.168.507.038.728.877.107.075.887.627.4014.08Fe2O38.028.168.007.687.537.467.437.917.337.146.78FeO7.227.357.206.916.786.716.697.126.606.436.10K2O1.041.241.891.152.500.720.760.611.661.750.40MgO6.046.865.995.215.164.173.723.584.835.764.45MnO0.230.240.230.240.210.190.190.190.210.190.20Na2O3.152.652.713.242.143.633.653.923.453.372.39P2O50.510.430.470.510.290.300.330.290.270.260.27TiO23.353.223.323.492.772.902.982.822.802.702.87LOI2.682.652.832.412.603.894.644.194.092.844.94合计100.2199.74100.1599.6599.8699.6299.4799.9298.5599.9298.99

注:质量分数单位为%;测试单位:国家海洋局第二海洋研究所

3.1 主量元素特征

从主量元素TAS图解(图2a)可以看出,徐州地区辉绿岩的投影点基本落于辉长岩范围。辉绿岩中一些样品烧失量较高,表明在岩浆就位后岩石可能经历了后期的蚀变改造。低温蚀变作用可能引起岩石中许多元素的含量变化,特别是一些低温情况下活动性较强的元素,如K、Ba、Rb等大离子亲石元素,因此在进行岩石分类时采用不活泼元素图解来进行岩石分类(图2b),在Nb/Y-Zr/TiO2图上辉绿岩主要为碱性至亚碱性玄武岩。

本文使用2008年至2016年的面板数据进行实证分析,在一定程度上可以解决遗漏变量所导致的内生性问题。其中,2008年至2012年为政策未实施期,2013年至2016年为政策实施期,与实施该项政策的处理组(北京16区)以及未实施该项政策的对照组(天津及河北11市)共同构成双重差分方法的使用前提。

地壳中K质量分数较地幔中要高出数十倍甚至上百倍,而P、Ti则与地壳和地幔中质量分数相近,因此w(K2O)/w(TiO2)、w(K2O)/w(P2O5)值可以用来判断岩浆上升过程中是否受地壳物质混染或岩浆熔融源区是否有大陆地壳物质加入。研究区辉绿岩w(K2O)/w(TiO2)、w(K2O)/w(P2O5)值与MgO呈负相关(图5),表明辉绿岩岩浆的演化伴随了地壳物质的加入。

3.2 微量元素特征

徐州倪园村与燕子埠张山辉绿岩显示出基本相似的不相容元素地球化学特征。在微量元素的原始地幔标准化蛛网图(图3)上,表现为右倾而较为平滑的配分型式,类似于平均OIB的配分型式。强不相容元素Rb、K最为富集,反映出其高度分异的特征,或者源区富集这些元素;在中等不相容元素中,以La的富集和Sr的亏损为特征。岩石的大离子亲石元素和高场强元素含量及比值均大于幔源岩浆的相应比值(Jagoutz et al.,1979),反映岩石为原始岩浆经过了分异作用的产物。

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表2 徐州地区辉绿岩的微量元素含量 Table 2 Content of trace elements of the diabase, Xuzhou area

项目徐州倪园村徐州燕子埠张山LLC⁃1LLC⁃2LLC⁃3LLC⁃4LLC⁃5ZS⁃1ZS⁃2ZS⁃3ZS⁃4ZS⁃5ZS⁃6Sc31.334.832.033.039.140.540.639.037.737.337.3Ti2009419296199022091616644173881785616914167941618817226V441500453438447450452443423459438Cr15120916172.357.664.662.757.452.651.552.9Mn19801989192419561771152415391534172216061679Co51.856.552.242.747.645.145.341.244.842.041.1Ni61.476.860.737.840.841.240.139.736.739.038.3Cu26.236.832.525.032.359.644.643.445.757.3110Zn18318420215584.390.590.486.394.610551373Ga19.919.120.420.120.920.421.519.520.921.521.2Rb22.831.452.324.839.59.8711.18.2129.325.65.98Sr25931535223986.239.743.537.911742.247.2Y30.026.230.330.535.136.740.634.132.835.632.8Zr196172231208168170192166158190156Nb23.820.023.624.114.914.116.314.014.514.814.1Mo0.910.951.161.220.590.570.540.330.820.800.71Cd0.310.290.280.290.190.190.220.160.240.190.24Sn1.471.301.741.621.481.992.161.731.461.801.62Cs0.540.800.881.220.180.200.270.380.360.110.13Ba347373739334244165210183159102100La29.925.330.330.219.619.620.218.417.418.218.3Ce63.953.964.865.044.243.745.440.640.241.340.5Pr8.116.908.188.285.946.016.375.815.495.705.48Nd33.128.033.133.925.926.428.225.623.924.923.9Sm7.016.097.077.196.366.517.066.266.026.275.97Eu2.632.342.592.742.332.422.542.262.362.412.49Gd7.556.627.737.817.427.688.247.477.077.296.94Tb1.100.951.101.131.171.211.301.161.111.191.12Dy6.085.286.136.196.797.097.656.896.526.826.43Ho1.181.061.221.231.401.451.591.401.321.411.32Er3.252.893.373.383.884.094.373.883.734.033.71Tm0.450.390.450.460.540.560.610.540.510.570.51Yb2.782.492.932.873.423.583.863.423.283.613.28Lu0.410.370.440.420.500.530.580.510.490.530.48Hf4.914.335.635.144.514.675.204.534.315.044.25Ta1.351.121.341.370.850.810.940.820.830.880.80W0.340.320.380.430.400.190.330.300.340.410.46Pb2.703.565.312.870.440.820.840.721.420.911.76Bi00000.0100.0200.0200.0200.0200.0100.020Th3.403.003.393.612.592.622.952.612.422.972.36U0.690.620.780.760.560.550.630.550.500.680.53(La/Yb)N7.286.876.997.103.883.693.543.633.583.403.77(Gd/Yb)N2.202.162.142.201.761.741.731.771.751.641.71(Lu/Sm)N0.350.370.370.350.480.490.500.490.490.520.49Eu/Eu∗1.101.121.071.111.041.041.021.011.111.091.18Ce/Ce∗12.5512.4712.6012.5712.5012.3312.2212.0212.5912.4512.36∑REE167143170171129131138124119124120LREE/HREE6.356.116.256.274.153.993.903.923.973.884.06

注:元素含量单位为g/t;测试单位:国家海洋局第二海洋研究所

图2 徐州地区辉绿岩岩石类型划分 (据Le Bas et al.,1986) Fig.2 Lithological type of the diabase in Xuzhou area (after Le Bas et al., 1986)

图3 微量元素原始地幔标准化蛛网图 Fig.3 Primitive mantle normalized spider diagram of the trace elements of the diabase

本次研究的辉绿岩样品主要采集自燕子埠张山和倪园村(位于倪园村和吕梁村交界处)(图1b)。野外观察辉绿岩略有细至中粗粒结构上的相变;辉绿岩一般呈灰绿色、灰黑色、墨绿色,风化后多呈深棕色、褐棕色、黄褐色;辉绿结构,局部见辉长结构;块状构造,局部雪花状构造。主要矿物成分:斜长石约占60%,辉石30%~40%,其他矿物有云母、磁铁矿、黄铁矿、少量橄榄石等,总量<10%。具有中等程度的绿泥石化和纤闪石化,局部绿泥石化、钾长石化发育,少量碳酸盐化。

徐州地区辉绿岩样品稀土含量变化不大,∑REE为119~170 g/t,∑LREE为42.0~159 g/t,∑HREE为15.0~37.0 g/t。LREE/HREE为3.88~6.35,(La/Yb)N为3.40~7.30,δEu=1.01~1.12,表明稀土元素分馏程度较高。稀土元素球粒陨石标准化分配曲线具有强烈的右倾特征(图4),总体上稀土总量较高、轻稀土富集和重稀土亏损;Eu正异常较明显,可能与岩石中富含斜长石斑晶有关。

图4 辉绿岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线 Fig.4 Chondrite-normalized distribution curves of REE of the diabase

图5 徐州地区辉绿岩主量元素Haker图解 Fig.5 Harker diagram for the major elements of the diabase of Xuzhou area

3.3 讨 论

徐州地区的辉绿岩墙主要分布在铜山、邳州燕子埠、睢宁双沟一带。辉绿岩墙呈层状或似层状侵入于新元古代沉积岩层中,其展布特征受北东向和近东西向构造带控制。这些侵入体多呈岩床和岩墙产出,岩体规模较小,主要岩体包括燕子埠、红山、牛蹄山和黄集岩体等,其侵入接触的地层多为碳酸盐岩,并普遍遭受不同程度的大理岩化,岩床与围岩接触面清晰,并伴随有局部矽卡岩化和金属矿化点。辉绿岩只侵入到新元古代地层之中,侵入到的最新层位是上震旦统金山寨组底部。在该区的北部,如汴塘、燕子埠和岔河等地的岩体与上寒武统呈断层接触,而南部的房村、大庙和八义集等地的岩体则侵入到新元古界地层,相邻的皖北宿州—灵璧一带也有辉绿岩分布,但是辉绿岩出露零星,岩性较为单一,常呈岩床状产于上震旦统史家组砂岩和望山组灰岩中,可见与围岩具同行褶皱现象(蔡逸涛等,2014)。前人对徐州和宿州的辉绿岩侵入体进行过年龄测定,结果差异较大,其中安徽的老寨山岩体、马鞍山岩体的年龄值分别为706、723、612 Ma(角闪石K-Ar法),徐州燕子埠岩体年龄值为585.9 Ma(K-Ar法)(贺世杰,2003;柳永清等,2005;王清海等,2011)。

与中国东部中元古代基性岩墙群相比,明显表现出Si、Ca高,K、Na质量分数多数偏低,Al质量分数偏低,Mg、Fe质量分数相近,Ca质量分数个别偏高等特点。

经Design-Expert 8.0.6软件分析优化,可得到羊肚菌SDF最佳提取工艺参数为料液比1∶20.12 (g/mL)、 碱液浓度0.75%、提取温度62.79 ℃、提取时间60 min。在此最佳工艺提取条件下,SDF理论得率为 34.62%。考虑到试验可操作性,将制备的最优条件定为料液比1∶20(g/mL)、提取液浓度0.75%、提取温度63 ℃、提取时间 60 min。在此制备条件下进行3组平行验证试验,得到羊肚菌SDF的平均值为33.06%,与模型得出的羊肚菌SDF理论值比较接近,说明数学模型对优化羊肚菌SDF的提取工艺是可行的。

徐州地区辉绿岩稀土元素La-La/Sm关系图(图6a)中显示出不明显的相关性,说明该区的辉绿岩岩浆在形成过程中主要受结晶分异作用的影响。而在Rb/Zr-Rb/Nb相关图解(图6b)中表现为部分熔融演化的趋势(Onuma et al.,1981),说明辉绿岩岩浆可能经历了低度的部分熔融。

Treuil等(1975)认为,部分熔融和分离结晶作用过程中REE的地球化学行为具有较大差别。部分熔融过程中,La/Sm比值会随着La的含量增加而增大,因此表现为一条斜线;同源岩浆分离结晶作用的过程中,La/Sm的比值是不随La的丰度增加而变化的,它的比值保持在一个相对稳定的范围内,分离结晶过程表现为一条水平线。根据部分熔融和分离结晶REE元素定量模型的各自特点,选择不相容元素La和中等分配系数元素Sm作La-La/Sm图解。

图6 辉绿岩La-La/Sm (a)及Rb/Zr-Rb/Nb图解 (b) Fig.6 La-La/Sm diagram (a) and Rb/Zr-Rb/Nb diagram (b) for the diabase

基性岩墙是深源岩浆浅侵位的构造岩浆活动,其快速侵位到构造裂隙中,与围岩的交代作用不强,因此地壳混染并不是影响其岩石地球化学特征的原因。基性岩墙(床)的岩石学特征,特别是受后期蚀变影响较小的高场强元素(如Ti、Zr、Y、Nb、Ta、Hf、Th等)和稀土元素等不活泼元素的地球化学特征基本上可以反映岩浆源区的性质。

徐州地区辉绿岩总体上富集大离子亲石元素(Ba、Rb、La等),略亏损高场强元素(Th、Nb、Ta、Zr、Hf等),且相对富集Cr 和Ni,其微量元素分配特征和稀土元素配分曲线特征反映岩浆源区相对比较深,可能主要来自上地幔。Zr-Nb、Y-Nb等元素的比值图解显示了该区辉绿岩中对应于过渡型地幔的元素指数,暗示岩浆来源于过渡型地幔。Zr-Y、Zr-Nb和Th/Ta-La/Yb图解则同样证明了岩浆来源于过渡型地幔(图7)。王清海等(2011)对徐淮地区锆石的Hf同位素研究表明,Hf模式年龄均大于但并不远大于其形成年龄,表明辉绿岩原始岩浆不是来源于亏损地幔,亦非富集型地幔,而是中元古代的过渡型地幔或略富集型地幔。

图7 徐州地区辉绿岩Zr-Nb和Zr-Y构造判别图解 (据Le Roex et al.,1983) P-富集型地幔; N-亏损型地幔; T-过渡型地幔 Fig.7 Zr-Nb and Zr-Y structural diagrams for the diabase, Xuzhou area (after Le Roex et al.,1983)

徐州地区辉绿岩微量元素的Zr-Zr/Y图解显示,该辉绿岩形成于板内向岛弧过渡的环境(图8),这与其围岩为大陆边缘浅海沉积环境的分析结果一致,表明其形成于华北陆块东南缘的板内陆缘环境。在新元古代,全球最重要的事件就是Rodina超级大陆的裂解,并被广泛认为与超级地幔柱事件紧密相关,因此认为华北陆块南缘的这套新元古代辉绿岩墙的形成构造环境为同期超大陆裂解时地幔柱的部分熔融产物。

图8 徐州辉绿岩构造判别图解 (据Pearce et al.,1979;Wood,1980;Meschede,1986) WPB-板内玄武岩;MORB-洋中脊玄武岩;IAB-岛弧玄武岩 Fig.8 Structural diagram for the diabase, Xuzhou area (after Pearce et al.,1979; Wood, 1980; Meschede,1986)

4 结 论

(1) 徐州地区辉绿岩属于板内玄武岩,其地球化学特征反映形成于华北陆块东南缘的板内陆缘环境。主量元素特征则显示了较低SiO2、低MgO和Al2O3特征,反映其经历了地壳浅部分离结晶;而强烈的Sr异常说明岩浆演化过程中显著的斜长石分离结晶作用。

(2) 研究区辉绿岩的微量元素特征显示其总体上富集大离子亲石元素Rb、Ba、La,略亏损高场强元素Th、Nb、Ta、Zr、Hf等,相对富集Cr 和Ni。稀土元素总量相对较低, 略富轻稀土元素(LREE),Eu显示较明显的正异常。Zr-Y、Zr-Nb和Th/Ta-La/Yb暗示其原始岩浆起源于中元古代时期的过渡型地幔。

参考文献

蔡逸涛, 陈国光, 张洁, 等, 2014.安徽栏杆地区橄榄辉长岩地球化学特征及其与金刚石成矿的关系[J].资源调查与环境,35(4):245-253.

贺世杰,2003.徐州地区晚元古代辉绿岩墙岩石成因的初步研究[D].广州: 中国科学院广州地球化学研究所.

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王善明,张洁,张琪,周琦忠,肖书阅,李帅,王大志,施建斌
《地质学刊》 2018年第01期
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