北苏鲁超高压变质带内多成因类型的变花岗质岩石及其地质意义

变花岗质岩石是北苏鲁超高压变质带出露最广泛的岩石类型。本文通过锆石年代学和全岩地球化学的系统研究,查明该区变花岗质岩石具有成因类型多样性的特点,揭示其构造归属的复杂性,这对于解释扬子板块与华北板块之间的俯冲-碰撞-折返动力学过程具有重要科学意义。锆石U-Pb定年结果表明,区内的变花岗质岩石由新元古代(820～750Ma)花岗质片麻岩和新太古代-古元古代(2700～1870Ma)TTG-花岗质片麻岩共同组成,且二者经历了完全不同的构造演化历史。其中,新元古代花岗质片麻岩经历了晚三叠世(222～213Ma)的变质-深熔事件,而新太古代-古元古代的TTG-花岗质片麻岩则记录了晚古元古代(～1864Ma)的变质事件。全岩地球化学结果表明,新元古代花岗质片麻岩的原岩成分趋近于A型花岗岩,属于过铝质-准铝质的高钾钙碱性系列,主量元素(AlT_2O_3、MgO、FeO、TiO_2、CaO、P_2O_5)与SiO_2显示负相关性,具有轻、重稀土分异和负Eu异常特征,表明其源区有斜长石的残留。富集大离子亲石元素和强烈亏损高场强元素的特点,进一步表明它们可能是中-上地壳物质部分熔融的产物。新太古代-古元古代TTG-花岗质片麻岩的原岩成分主要落入TTG和I&S型花岗岩区域,属于低钾-钙碱性系列,主量元素与SiO_2相关性不明显,多数样品的稀土总量比新元古代花岗质片麻岩略低,轻、重稀土分异相对较弱,具有正Eu或无Eu异常,表明其源区无斜长石而可能有角闪石的残留。它们的地球化学属性与新元古代花岗质片麻岩的成因特点存在显著差异。古元古代花岗质片麻岩的原岩可能为与造山有关的I型花岗岩,来自于太古宙基底岩石的重熔与再造。上述综合研究结果显示,北苏鲁超高压变质带内新元古代花岗质片麻岩的原岩具有亲扬子板块的属性,与扬子板块北缘罗迪尼亚超大陆裂解存在密切成因关系。而新太古代-古元古代TTG-花岗质片麻岩与华北板块变质基底、胶-辽-吉古元古构造带具有明显亲缘性。由此可见,在传统北苏鲁超高压变质带内的威海-乳山一带,由具有扬子板块属性和具有华北板块属性的变质基底,沿北东-南西方向共同组成了一条北苏鲁混杂岩带。这一新的研究成果充分表明,华北板块东南缘的新太古代-古元古代的陆壳物质普遍卷入到三叠纪时期扬子板块与华北板块之间的相向(双向)俯冲-折返造山过程中。

北苏鲁超高压变质带前寒武纪基底研究新进展

北苏鲁超高压变质带位于胶东牟平—即墨断裂以东的地区,其前寒武纪基底以出露新元古代的双峰式火成岩为主要特征,其主要岩石组合包括大量花岗片麻岩以及少量变(超)基性岩(榴辉岩)、变沉积岩。对花岗片麻岩、变质(超)基性岩的岩石组合、地球化学、锆石U-Pb和Lu-Hf同位素的研究表明,北苏鲁存在新太古代—古元古代的残留地壳,经历了1.8～2.2 Ga期间的岩浆-火山-变质事件;新元古代中期(0.72～0.80 Ga)与Rodinia超大陆的裂解相关的岩浆活动促使地壳的生长和再造,形成了北苏鲁的前寒武纪基底的主体;北苏鲁和苏鲁—大别造山带一样,其前寒武纪基底是扬子板块北缘的一部分,苏鲁造山带的西北边界是五莲—烟台断裂带。

北苏鲁超高压变质岩锆石中的矿物包体

北苏鲁莒南—岚山头—日照—桃行—仰口—荣成—威海一带榴辉岩的围岩经历了强烈角闪岩相退变质作用的改造,峰期超高压矿物组合已完全被后期退变矿物组合所取代。锆石微区阴极发光图像和矿物包体激光拉曼测试研究结果表明,132件不同类型岩石(包括榴辉岩、斜长角闪岩、正片麻岩、副片麻岩、大理岩、蓝晶石英岩、云母片岩和钙镁硅酸盐类变质岩等)锆石中,普遍隐藏以柯石英为代表的超高压矿物包体。此外,在南苏鲁东海及其邻区的地表露头和一系列钻孔岩心的锆石中,也普遍发现以柯石英为代表的超高压矿物包体。该项研究成果表明,在苏鲁地体由榴辉岩及其围岩的原岩所组成的陆壳岩石(约320km×20km×5km)曾发生过巨量物质深俯冲—超高压变质的壮观地质事件。

北苏鲁威海地区伟晶岩的形成过程及其与超高压岩石深熔作用的成因关系

在北苏鲁超高压变质带的威海地区,普遍发育与含黑云母正片麻岩深熔作用存在密切成因关系的伟晶岩,它们主要以规模不一的脉体、无根不规则的透镜体赋存于超高压的含黑云母正片麻岩中。锆石中矿物包体的激光拉曼鉴定、锆石阴极发光图像分析、不同性质锆石微区U-Pb定年以及锆石原位微量元素和Lu-Hf同位素测试等综合研究结果表明,伟晶岩(WH19)中的锆石成因相对复杂,可划分为两种类型:第一类具有强发光效应(白色)的继承性岩浆结晶锆石的核(Ic)、强发光效应(灰白色)新生岩浆结晶锆石的幔(m)和相对弱发光效应(黑色)的岩浆结晶锆石的边(r);第二类具有强发光效应(灰白色)新生岩浆结晶锆石的核(c)和相对弱发光效应(黑色)的岩浆结晶锆石的边(r)。其中继承性岩浆结晶锆石核部(Ic)的矿物包体为Qtz+Kfs+Pl+Ap,与围岩含黑云母正片麻岩的基质矿物组合十分相似。继承性岩浆结晶锆石核部(Ic)记录的206Pb/238U年龄为769～228Ma,所组成的不一致线的上交点年龄为788±21Ma,下交点年龄为225±20Ma,这两组年龄分别与围岩含黑云母正片麻岩的原岩形成时代和超高压变质时代完全一致,表明该类继承性岩浆锆石来源于围岩含黑云母正片麻岩。新生岩浆结晶锆石的核部(c)和幔部(m)的矿物包体为Qtz+Kfs+Ap,与伟晶岩的基质矿物组合相似,记录的206Pb/238U年龄为223～217Ma,谐和年龄为219.5±1.4Ma,应代表伟晶质岩浆的形成年龄或新生岩浆的初始结晶年龄。这组年龄比含黑云母正片麻岩的超高压年龄偏新,表明深熔作用应滞后于苏鲁地体超高压变质时代,更有可能发生于构造折返麻粒岩相升温减压退变质阶段。新生岩浆结晶锆石的边部(r)矿物包体相对较少,记录的206Pb/238U年龄为217～211Ma,谐和年龄为214.6±1.7Ma,应代表伟晶质岩浆结晶结束的时代。继承性岩浆结晶锆石(Ic)的176Lu/177Hf=0.00031～0.00360,176Hf/177Hf(t)=0.282051～0.282348,εHf(t)=-8.3～2.4,TDM2=1.43～2.02Ga,与围岩含黑云母正片麻岩中岩浆结晶锆石的Lu-Hf同位素特征完全一致,这进一步充分证明了新元古代含黑云母正片麻岩是深熔作用形成的伟晶质岩浆的母岩。麻粒岩相退变质阶段形成的新的岩浆结晶锆石的核部(c)和幔部(m)与继承性岩浆结晶锆石的Hf同位素特征存在明显差异,176Lu/177Hf=0.00031～0.00099,176Hf/177Hf(t)=0.282175～0.282225,εHf(t)=-16.7～-14.9,TDM2=1.91～2.0Ga,表明在麻粒岩相退变质阶段,围岩含黑云母花岗岩的深熔作用是在开放体系条件下进行的。与新生岩浆结晶锆石核部(c)和幔部(m)对比,新生岩浆结晶锆石的边部(r)具有偏低的176Hf/177Hf(t)、εHf(t)和更加离散的176Lu/177Hf(t)值,176Lu/177Hf(t)=0.00059～0.00288,176Hf/177Hf(t)=0.282110～0.282168,εHf(t)=-20.6～-17.3,TDM2=2.03～2.21Ma,表明伟晶质岩浆在临近结晶结束时仍然处在一个相对开放的体系条件。

北苏鲁超高压变质带中斜长角闪岩的成因

在北苏鲁超高压变质带的成海地区的正片麻岩中,存在大量规模不一的含石榴石斜长角闪岩的透镜体或不规则团块。锆石中矿物包体的激光拉曼测试、阴极发光图像分析、稀土元素和微量元素以及Lu-Hf同位素的LA-(MC)-ICP-MS测试等综合研究结果表明,含石榴石斜长角闪岩(WH17)只存在一种成因类型的锆石,即变质锆石。该类锆石自核部到边部均保存了典型的超高压包体矿物组合:柯石英(Coe)+石榴石(Grt)+绿辉石(Omp)+多硅白云母(Phe)+金红石(Rt)+磷灰石(Ap),相应的阴极发光图像自核部到边部十分均匀,具有典型变质锆石的特点。锆石核部和边部的稀土元素含量特征和配分模式也十分相似,主要表现为轻稀土元素相对亏损,而重稀土元素相对平坦,无Eu异常(Eu/Eu~*=0.94～1.04),具较明显的正Ce异常(Ce/Ce~*=83.4～111.0),低的Th/U(<0.02)和Lu/Hf(<0.00010)比值以及极低的Th(1×10^(-6)～4×10^(-6))含量。锆石核部到边缘的重稀土元素亏损与石榴石稳定有关,而无Eu异常则与斜长石分解关系密切。上述特征表明,含石榴石斜长角闪岩中的锆石均是在超高压变质阶段形成的变质锆石,而研究样品中继承性岩浆结晶锆石的缺乏,是由于含石榴石斜长角闪岩在原岩形成时Zr的成分明显匮乏所致。SHRIMP U-Pb定年结果表明,含柯石英锆石自核部到边部记录了十分一致的^(206)Pb/^(238)U年龄,变化于240.2±3.3Ma到220.2±2.8Ma之间,加权平均年龄为229.8±2.0Ma,这组年龄与前人对苏鲁超高压变质带中榴辉岩、正片麻岩、副片麻岩和大理岩等含柯石英锆石微区记录的年龄完全吻合,应代表苏鲁地体超高压变质时代。Lu-Hf同位素研究结果表明,含石榴石斜长角闪岩中变质锆石的Hf同位素特征与苏鲁超高压变质带中榴辉岩的继承性岩浆锆石和变质锆石均存在本质差别,其中^(176)Lu/^(177)Hf=0.00001～0.00003,^(176)Hf/^(177)Hf_((t))=0.282052～0.282107,相应的ε_(Hf)(t)=-21.1～-18.8,模式年龄t_(DM2)=2.14～2.24Ca,这些Lu-Hf同位素特征与围岩正片麻岩含柯石英锆石微区的Hf同位素性质十分相似,充分表明了北苏鲁舍石榴石斜长角闪岩在超高压变质阶段形成的变质锆石所必须的Zr和Hf成分不是来自体系本身,而是来源于围岩正片麻岩。