礦物地球化學研究論文范文

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1區域地質背景

蘇魯構造帶（見圖1）是大別造山帶的東延部分，被郯廬斷裂向北推移而出露到現在的位置。該變質帶內合接觸關系；（2）呈透鏡狀或條帶狀賦存于石榴石橄欖巖中，與圍巖呈突變接觸關系［23］。韓宗珠［24］曾將蘇魯榴輝巖分為膠東、魯南和青島3個區。膠東榴輝巖區是指文登、榮成及威海榴輝巖發育區，它包括文榮和威海2個榴輝巖集中分布區。該區位于膠東東部垛崮山－昆崳山巖體以東地區，區內圍巖為元古代片麻巖（多糜棱巖化）和少量變質地層（大理巖、石英巖等）及超基性巖（石榴橄欖巖、蛇紋巖）。區內榴輝巖出露數百個，榮成地區成北東展布，威海地區成近南北向展布。魯南區榴輝巖多集中成群成帶分布，構成青島、諸城、莒南、東海（含臨沭石門）5個榴輝巖集中分布區，圍巖主要為元古界變質地層和花崗片麻巖，由于青島榴輝巖較為特殊，故另作討論。區內榴輝巖出露數千個，總體成NE和NNE向展布，僅臨沭石門地區成北西向展布，主要分布于變質層狀巖系和片麻巖中，少量分布于超基性巖中。

2樣品和分析方法

本文榴輝巖樣品來自江蘇東海至山東榮成蘇魯榴輝巖帶，具體采樣點如圖1所示。將樣品洗凈烘干，選取新鮮部分粉碎至200目和60～100目左右，分別用于地球化學分析和單礦物顆粒的挑選。將粉碎至60～100目左右的樣品顆粒沖洗烘干后過篩，隨后在中國海洋大學海洋地球科學學院顯微分析實驗室利用體式鏡挑選出純凈的綠輝石和石榴石，用瑪瑙研缽研至200目左右進行地球化學分析。全巖主量元素在中國海洋大學海洋地球科學學院實驗室用XRF完成測試，分析精度優于0．5％。全巖微量元素及單礦物主微量元素測試在青島海洋地質研究所實驗測試中心用ICP－MS／AES完成，分析精度優于5％。文中礦物縮寫據WhitneyandEvans［26］，Grt：石榴石；Cpx：單斜輝石；Alm：鐵鋁榴石；Gro：鈣鋁榴石；Spe：錳鋁榴石；Prp：鎂鋁榴石；Wef：硅灰石＋頑火輝石＋鐵輝石；Jd：硬玉；Ae：霓石。

3巖石學特征

3．1巖相學特征

膠東－魯南榴輝帶上的榴輝巖主要呈片麻狀構造和條帶狀構造，有時見斑雜構造和塊狀構造，壓力擠壓現象明顯，礦物定向和分異普遍發育。由此可見，本區域大部分榴輝巖都經歷了后期退變質作用和地殼物質混染，退變質作用尤以合晶化作用和角閃石化作用為主。巖相學觀察表明，膠東地區榴輝巖呈中粗粒粒狀變晶結構，塊狀構造，礦物組合為石榴石（30％～40％）、單斜輝石（40％～70％）和金紅石（1％～2％），出露的主要巖石類型為榴輝巖、超鎂鐵質巖、片麻巖、面理化花崗巖（變質花崗巖、花崗質片麻巖）［21］，大部分是來自俯沖板片的大陸地殼。大量榴輝巖和超基性巖（約5％）呈大小不一的透鏡狀、團塊狀夾在大面積分布的圍巖－變質表殼巖（約25％）和花崗質片麻巖（約70％）中［22］。蘇魯榴輝巖主要呈兩種產狀：（1）呈透鏡狀、條帶狀或腸狀賦存于構造混雜巖系中，與圍巖呈整部分樣品中含有石英（8％）、白云母（3％）或角閃石（15％）。魯南地區榴輝巖呈中粗粒粒狀變晶結構，塊狀構造，礦物組合為石榴石（30％～60％）、單斜輝石（15％～40％）、角閃石（10％～20％）、白云母（2％～10％）和金紅石（1％－3％），部分樣品中含有石英（8％）。

3．2巖石化學特征

膠東地區榴輝巖各氧化物含量平均值分別為SiO2：45．71％，Al2O3：12．88％，Fe2O3：11．81％，CaO：10．91％，MgO：15．35％，Na2O：3．14％；魯南地區榴輝巖各氧化物含量平均值分別為SiO2：45．15％，Al2O3：12．15％，Fe2O3：15．56％，CaO：11．55％，MgO：9．75％，Na2O：3．42％。魯南榴輝巖的Fe2O3含量高于膠東榴輝巖，MgO含量則相對較低，多數蘇魯榴輝巖的主量元素化學成分相當于基性巖，部分榴輝巖SiO2＜45％，但其他氧化物的含量仍相當于基性巖，而非超基性巖［27］。

4礦物主量與微量元素化學

4．1石榴石

膠東和魯南榴輝巖均主要由Prp、Alm、Gro和Spe4個端元組成，平均值分別為50．53％、25．32％、23．48％、0．68％和30．46、50．53％、29．85％、0．83％。膠東榴輝巖中石榴石∑REE平均值為16．46×10－6，低于魯南榴輝巖中∑REE平均值25．53×10－6，東海榴輝巖Ec44－1的稀土總量偏低，僅2．9×10－6。稀土元素配分模式（見圖2）為中重稀土富集的左傾型，具有明顯的正Eu異常，部分樣品具有Ce的負異常。石榴石微量元素主要有Cr、Zn、Sr、Sc、Co、Y、V、Ni，含有一定量的Ba（3．74×10－6～25．63×10－6）和Pb（0．65×10－6～35．35×10－6）。

4．2單斜輝石

蘇魯榴輝巖中僅一個樣品單斜輝石投影在Mg－Fe－Ca輝石區，屬普通輝石，其余樣品單斜輝石均為綠輝石（見圖3）。膠東榴輝巖中單斜輝石Jd分子含量平均為26．73％，低于魯南榴輝巖中單斜輝石Jd平均含量（39．27％）。膠東榴輝巖單斜輝石∑REE平均值（26．58×10－6）高于魯南榴輝巖單斜輝石中的∑REE平均值（9．49×10－6），稀土元素配分型式（見圖4）整體為中稀土上凸富集的“鐘狀”，多數樣品輕稀土表現為左傾富集，個別為左傾虧損，重稀土為右傾虧損型。綠輝石的“鐘狀”稀土配分模式是綠輝石與富集重稀土的石榴石和富集輕稀土的礦物平衡共生所致，從而使得綠輝石相對富集中稀土。綠輝石中的微量元素主要有Sr、Cr、V、Ni、Zn、Co，含有一定量的Ba（2．67×10－6～48．91×10－6）、Sc（4．01×10－6～32．59×10－6）和Pb（2．22×10－6～12．98×10－6）。

5討論

5．1榴輝巖成因

根據榴輝巖中石榴石端元組分與榴輝巖地質產狀的關系將石榴石分成三類［28－29］（見圖5），膠東榴輝巖全部位于A類榴輝巖區，魯南榴輝巖除東海樣品投影在A類榴輝巖區，其他均投影在B類和C類榴輝巖的重疊區，反映榴輝巖原巖及成因的多樣性。稀土元素球粒隕石標準化配分模式（見圖6）多為LREE富集的右傾型，具Eu正異常，其原巖可能是富斜長石的基性巖；少量為LREE虧損的左傾型，HREE富集，可能與多硅白云母含量較多有關。部分樣品具有Ce的負異常，說明其原巖可能是氧化條件下形成的沉積物［30］，與基性巖一同俯沖形成了榴輝巖。膠東地區榴輝巖TiO2含量低，平均0．52，魯南地區榴輝巖TiO2含量高，平均1．82，反映出膠東地區榴輝巖形成的壓力環境高于魯南地區的榴輝巖。在Mg／（Mg＋Fe2＋＋Mn）－Ca2＋相關性圖解中（見圖7）說明膠東和魯南榴輝巖區具有不同的成因和物質來源，膠東地區榴輝巖投影的全部在ZC線以上，為地幔成因；魯南地區榴輝巖既有殼內角閃巖相變質成因，又有地幔金伯利巖和剛玉變質成因。上述特征說明膠東地區榴輝巖的成巖深度可能大于魯南榴輝巖區。

5．2礦物之間元素分配及與全巖成分的關系

石榴石中（見圖8）明顯富集重稀土元素和Y，含量大于全巖成分，重稀土元素配分型式與全巖基本一致，另外石榴石與全巖主量元素、REE、Ba、Cr、Sc、V、Co、Ni、Y、Ga之間具有良好的正相關關系，說明石榴石是全巖重稀土元素和Y的主要寄主礦物，且其主量元素、REE、Ba、Cr、Sc、V、Co、Ni、Y、Ga等含量明顯受全巖成分的制約。單斜輝石（見圖9）明顯富集輕、中稀土、Sr、V和Ni，與全巖主量元素、Sr、Ba、Cr、Sc、V、Ni、Ga之間存在明顯的正相關關系，說明輝石的化學成分明顯受到全巖成分的制約。膠東榴輝巖單斜輝石的LREE、Sr、V、Ni、Cr和Ga含量高于全巖，說明膠東榴輝巖中的單斜輝石是LREE和Sr的主要載體，不含磷灰石和綠簾石或者含量非常少，魯南地區榴輝巖單斜輝石中LREE、Sr含量低于全巖，說明該區榴輝巖中存在磷灰石和綠簾石等強烈富集LREE和Sr的礦物［32］。石榴石和單斜輝石中的稀土元素含量占全巖稀土總量的大多數，石榴石虧損輕稀土、富集重稀土，單斜輝石相對虧損重稀土、富集輕稀土，二者的輕重稀土含量相互消長，呈互補關系。Y和Sr分別在石榴石和單斜輝石中相對富集，Ga、Cr、Sc、V、Ni和Co等元素在石榴石和單斜輝石中含量相對較高，這些特征與它們在榴輝巖石榴石和單斜輝石間微量元素分配系數研究及可類質同像代替石榴石和單斜輝石礦物晶體結構中主要陽離子的研究結果相符［13，33］。榴輝巖中石榴石和單斜輝石之間的微量元素分配是溫度、壓力和成分的函數［34－35］。蘇魯榴輝巖中石榴石和單斜輝石之間的分配系數（見圖10）基本相同，說明石榴石與單斜輝石之間微量元素的分配已經達到了化學平衡。稀土元素的分配系數隨著原子序數的增加而減小，輕稀土的分配系數均大于1，HREE與Y的分配系數均小于1。單斜輝石與石榴石之間的Sr、V、Ni、Cr和Ga之間的分配系數均大于1，Co和Sc的分配系數小于1，Zn的分配系數在1附近。上述微量和稀土元素在單斜輝石和石榴石之間的分配系數與它們在兩種礦物之間的富集特征是一致的，即輕稀土和過渡族元素主要賦存在單斜輝石中，而重稀土、Co和Sc主要賦存在石榴石中。綜上可知，Ga、Cr、Zn主要賦存于石榴石和單斜輝石中，重稀土、Y、Co、Sc主要賦存于石榴石中，V、Ni主要賦存于單斜輝石中，輕稀土和Sr在膠東地區榴輝巖中主要賦存于單斜輝石中，但在魯南地區的榴輝巖中可能賦存于磷灰石和綠簾石等礦物中。

5．3成巖溫度

膠東－魯南榴輝巖的成巖平衡溫度是采用Elliss和Green的Grt－Cpx地溫計計算，這一溫度計強調了Ca2＋組分對溫度的影響，其計算結果與高溫高壓實驗資料基本一致，其計算式為T（K）＝［3104XCaGrt＋3030＋10．86P（kb）］／（lnKD＋1．9034）式中：KD＝（Fe2＋／Mg）Grt／（Fe2＋／Mg）CpxXCaGrt＝［Ca／（Ca＋Mn＋Fe2＋）］GrtP的單位為kPa，按此公式，當壓力變化為1kPa時，溫度只改變1℃，故壓力的影響可忽略不計。蘇魯榴輝巖中存在的柯石英說明該區榴輝巖形成于高溫超高壓環境，柯石英的穩定壓力至少為2．8GPa［36］，因此，將蘇魯榴輝巖的最低壓力值假定為2．8GPa，估算的膠東及魯南地區榴輝巖的成巖溫度如表5所示。從計算結果來看，膠東地區榴輝巖成巖溫度主要為935．46～1349．22℃，平均為1176．26℃，主要屬幔源的A類榴輝巖，魯南地區榴輝巖成巖溫度為850．15～1094．66℃，平均為959．65℃，大致相當于B類榴輝巖。蘇魯榴輝巖的成巖溫度自西向東有升高的趨勢。Kosler［38］認為微量元素對巖石變質溫度和壓力的變化比主量元素更明顯，因此，榴輝巖中石榴石與單斜輝石之間的微量元素分配系數能夠反映榴輝巖的峰期變質溫度。蘇魯榴輝巖中單斜輝石和石榴石之間的Sr和稀土元素分配系數（DiCpx／Grt）與二者之間的Ca分配系數（DCaCpx／Grt）具有良好的正相關性，對應的分配系數回歸線與地幔榴輝巖相應元素的分配系數回歸線基本一致（見圖11），其中Sm、Tb和Mo的分配系數與地幔榴輝巖之間的一致性最好；Eu、Nd和Y次之，其分配系數比地幔榴輝巖稍高；Sr的分配系數比地幔榴輝巖要低。這種較好的一致性說明蘇魯榴輝巖中單斜輝石和綠輝石之間微量元素和稀土元素已達到平衡分配，榴輝巖的形成溫度可能與地幔榴輝巖非常類似。

6結論

（1）蘇魯榴輝巖的原巖為基性巖和氧化條件下具Ce負異常的沉積物。膠東榴輝巖為地幔成因，魯南榴輝巖既有地幔成因又有地殼成因，形成壓力膠東要高于魯南地區。（2）石榴石與單斜輝石的主微量元素與全巖呈很好的正相關關系。石榴石富集重稀土，貧輕稀土，單斜輝石富集輕稀土，貧重稀土，二者的輕重稀土元素含量呈相互消長的互補關系。Ga、Cr、Zn主要賦存于石榴石和單斜輝石中，重稀土、Y、Co、Sc主要賦存于石榴石中，V、Ni主要賦存于單斜輝石中，輕稀土和Sr在膠東地區榴輝巖中主要賦存于單斜輝石中，但在魯南地區的榴輝巖中可能賦存于磷灰石和綠簾石等礦物中。（3）榴輝巖的成巖溫度自西向東逐漸升高。石榴石與單斜輝石之間的稀土元素分配系數與地幔榴輝巖具有較好的一致性，說明榴輝巖的成巖溫度可能與地幔榴輝巖類似。

作者：李敏韓宗珠秘叢永張賀李景瑞崔竹沅單位：中國海洋大學海洋地球科學學院