摘要
鲁西新太古代经历多期华北克拉通化和地壳增生作用，在圣水峪地区广泛分布闪长岩和二长花岗岩，其形成时代为 2540～2530 Ma。在圣水峪地区新太古界结晶基底中发育的变角闪辉长岩包体，本文对其开展岩相学、锆石 U-Pb年代学和地球化学的研究，揭示其岩浆演化特征、岩浆源区信息及构造格架。研究发现变角闪辉长岩以贫 K2O、Na2O＞K2O 为特征，里特曼指数 σ 为 2.07～5.91，属于碱性系列；Nb/Ta 值为 14.90～31.30，比值中等，岩浆源区来自岩石地幔；全岩∑REE 中等（39.31×10-6 ～199.28×10-6 ），LREE/ HREE为 4.74～12.10，（La/Yb）N值为 2.82～16.90，显示轻稀土元素富集，δEu为 0.78～1.19，显示微弱负 Eu 异常。变角闪辉长岩锆石 U-Pb年龄为（2558±17） Ma（MSWD=3.7，n=24），为新太古代晚期。岩石地球化学分析显示岩浆起源于亏损地幔源区，形成于岛弧环境，为洋壳板块俯冲至地幔，引发大规模岩浆侵位在地表形的基性—超基性岩体。
Abstract
The Western Shandong experienced multiple periods of North China cratonization and crustal accretion in Neoarchean, and monzogranite and diorite are widely distributed in shengshuiyu area. In this paper, petrogra‐phy, zircon U-Pb chronology and geochemistry are studied to reveal the magmatic evolution characteristics, magmatic source region information and tectonic framework of the metacorphogabbro inclusions developed in the Neoar-chean crystalline basement of Shengshuiyu area.The gabbros are characterized by poor K2O and NaO>K2O, and the Rittman index σ is 2.07-5.91, which belong to alkaline series. The Nb / Ta values range from 14.90 to 31.30, indicating that the magmatic source is from the mantle. The total amount of REE is moderate (39.31×10-6 -199.28×10-6 ), and the ratio of LREE/HREE is 4.74-12.10, while the (La/Yb)N value is 2.82-16.90, indicating that LREE is enriched. The δEu is 0.78-1.19, indicating weakly negative Eu anomaly. Zircon LA-ICP-MS U-Pb age of gabbro is (2558±17) Ma (MSWD=3.7, n=24), which is formed in the Neoarchean. The results of petro-geochemical analysis show that the magma originated from the depleted mantle region and formed in the island arc environment, and this basic-ultrabasic rock mass formed accompanied by the oceanic plate subducted to the mantle and large-scale magma emplacement on the surface.
Keywords
0 引言
华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，存在 38 亿年的古老地壳（刘树文等，2007；Liu et al.， 2019；Wu et al.，2019）并经历了复杂的演化历史 （Zhao et al.，2005；Zhai and Santosh，2011，2013；朱日祥等，2012）。华北克拉通古老岩石的形成峰值约为 2.5 Ga，约在 1.8 Ga 克拉通化完成进入稳定时期 （Wan et al.，2013，2014）。鲁西地区在大地构造位置上属华北克拉通东部（刘树文等，2021）（图1a），受去克拉通化和陆壳的增生事件的影响，区内强烈发育新太古代岩浆活动，形成大量以各类花岗质岩石为主的岩浆岩，与新太古代的变质表壳岩一起，形成了鲁西地区太古宙基底并多见报道（曹国权， 1996；宋明春和王沛成，2003；侯贵廷等，2004；万渝生等，2012；王跃等，2022）。多期次岩浆事件和变质变形事件组成了鲁西地区特有的太古宙花岗-绿岩带地体。前人的研究工作多集中于区内的新太古代岩浆岩和表壳岩的形成时代，对构造机制和壳幔演化进行研究（王跃等，2022），而对结晶基底中分布着大量的变角闪辉长岩包体研究较为薄弱，其形成时代和岩浆演化等关键问题尚不清楚，不利于华北克拉通中部鲁西地区的岩浆演化过程和地球动力学背景的研究。鉴于此，本文在详实的野外地质调查的基础上，以鲁西圣水峪地区新太古界结晶基底中发育的变角闪辉长岩包体为研究对象，对其开展岩相学、锆石 U-Pb年代学和地球化学的研究，揭示其岩浆演化特征、岩浆源区信息及构造格架，并为探讨华北克拉通中段的新太古界岩浆幔演化提供数据支持。
1 区域地质背景
鲁西圣水峪地区属于华北板块（Ⅰ）之鲁西隆起区（Ⅱ）之鲁中隆起（Ⅲ）分区（王来明等，2021）。区内地层由结晶基底和沉积盖层组成。其中，结晶基底主要为新太古代的 TTG岩系，多分布于研究区中南部；沉积盖层主要为寒武系长清群朱砂洞组钙质泥岩、白云质灰岩，地层产状比较平缓，与新太古代岩体呈异岩不整合接触，标志着该区地壳由陆块发展阶段向陆缘发展阶段演化。区内断裂主要有4 组（NW、NE、近EW和近SN），以脆性为主，构成区域格字状断裂构造格架（图1b）。
区内岩浆岩发育。Wan et al（.2013，2014）根据侵入岩的年代学、岩石组合类型及成因将鲁西地区的太古宙基底从东北到西南依次划分为A、B、C共3 个岩带：A带为新太古代晚期的壳源花岗岩，B带为新太古代早期的岩石，C 带为新太古代晚期的新生岩浆岩。本研究圣水峪地区的变角闪辉长岩，主要位于太古宙基底的 C 带内，该带主要出露新太古代晚期岩浆岩（2.56~2.50 Ga），主要岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩（Wan et al.，2013，2014；王跃等， 2022）。花岗闪长岩棕黄色，中细粒花岗结构，块状构造，主要由斜长石、钾长石和石英组成，含有少量黑云母，片麻理清晰，其U-Pb年龄主要为2537 Ma； 二长花岗岩灰白色，等粒花岗结构、似斑状结构，块状构造，主要由斜长石、钾长石、石英和黑云母组成，局部见斜长石斑晶，其 U-Pb 年龄主要为 2566 Ma（王跃等，2022）。花岗闪长岩和二长花岗岩均表现为高硅、高铝、富碱、富钠等特征，属准铝质岩石，其来源于2.9~2.8 Ga的古老地壳重熔。变角闪辉长岩主要呈包体大量分布于太古宙岩浆岩内。
1 —第四系；2—奥陶系；3—寒武系；4—前寒武纪侵入体；5—变角闪辉长岩；6—破碎带；7—断层；8—角度不整合接触；9—地层产状；10—片麻理产状；11—地名；12—采样位置；AS—鞍山；CD—承德；DF—登封；FP—阜平；GY—固阳；HA—怀安；HL—贺兰山；HS—衡山；JN—集宁；JP— 建平；LL—吕梁；NH—冀北；NL—辽北；QL—部连山；SJ—吉北；SL—辽南；TH—太华；WD—乌控山—大青山；WL—辽西；WS—鲁西；WY—舞阳；WT—五台；XH—宣化；ZH—赞皇；ZT—中条
2 岩石地质和岩相学特征
2.1 地质特征
圣水峪一带中粗粒变角闪辉长岩呈包体产出 （图2a、b）。受构造作用影响，基本为NWW向展布，该期岩体在形成之后，被后期岩浆侵位破坏，普遍经受了变质作用。主要出露于泗水县幅的后等齐村—吉沃村、小河村、泗张镇、卢沟村北一带，单个侵入体规模较小，总面积约3.57 km2，具有成群成带分布的特点。
变角闪辉长岩共发育4个包体带，1号前等齐包体带，出露面积2.13 km2，展布方向为NWW向，变角闪辉长岩呈包体状分布于桃科单元中，构成包体带，共5个包体，其中前等齐、吉沃一带规模较大，亦为区内规模最大的 2个包体；2号小河村南包体带，出露面积 0.63 km2，展布方向为 NWW 向，变角闪辉长岩呈包体状分布于马家河单元中，共 4 个包体；3 号泗张镇包体带，出露面积 0.44 km2，展布方向为 NWW 向，变角闪辉长岩呈包体状分布于桃科单元以及邱子峪单元中，共4个包体，规模较小；4号卢沟村北包体带，出露面积 0.37 km2，展布方向为 NWW 向，变角闪辉长岩呈包体状分布于马家河单元中，发育 1 个包体。岩石普遍遭受变质作用影响，片麻理化弱发育，岩石表面风化为灰黄色、灰绿色，岩石普遍发育褐铁矿化、绿帘石化。部分包体中发育变质岩浆熔离型磁铁矿。
图2二长花岗岩与辉长岩的侵位关系野外照片（a）和示意图（b）
υ—变角闪辉长岩；ηγ—二长花岗岩
2.2 岩石学特征
圣水峪地区包体主要为中粗粒变角闪辉长岩，主要岩石学特征如下：
岩石新鲜面为墨绿色，呈自形—半自形粒状结构，块状构造（图3）；显微结构可见辉长结构，在地质体的边部，样品的显微结构局部显示出辉绿结构 （图3a）。主要矿物成分为斜长石，呈半自形柱状，大小 1～2 mm，局部可见聚片双晶、卡钠复合双晶 （图3d），含量55%～65%；单斜辉石，呈半自形柱状，大小 0.2～0.5 mm，包裹粒状磁铁矿（图3b），含量 5%～10%；角闪石，呈半自形—他形柱状，粒径 2～4 mm，填隙状分布于斜长石周围（图3c），含量 15%～20%；黑云母，呈片状，片径 1～2 mm，含量 1%～2%；石英，呈他形粒状，大小一般为 0.5～1.0 mm。
图3圣水峪地区辉长岩岩体显微结构特征
a—岩体局部在显微镜下显示出辉绿结构；b—单斜辉石中包裹磁铁矿；c—淡绿色角闪石呈填隙状分布，围绕在斜长石周围；d—斜长石卡钠复核双晶；Pl—斜长石；Cpx—单斜辉石；Am—角闪石；Mt—磁铁矿；Py—黄铁矿
3 样品采集和测试方法
3.1 样品采集
本研究所用样品均采集于圣水峪东南的1号前等齐包体带内，选取较大的变角闪辉长岩包体中的新鲜岩石，共 7 件。其中，地球化学样品共采集 6 件，锆石U-Pb测年样品采集1件，采样位置见图1b，野外岩石照片见图4。
图4变角闪辉长岩野外照片
3.2 分析方法
锆石 U-Pb测年样品的制备和测试由中国冶金地质总局山东局测试中心完成。样品经破碎、淘洗、重液分选后，在双目镜下对锆石进行手工选取。将选好的锆石粘在环氧树脂柱上打磨、抛光，进行阴极发光和背散射照相等。具体测试方法见朱晓青等（2021）。
变角闪辉长岩的主量、微量、稀土元素测试由山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心完成。主量元素分析采用荧光光谱法，分析精度高于 5%。微量元素和稀土元素的测试方法详见高剑锋等 （2003）。其分析精度和准确度优于5%。
4 分析结果
4.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果
样品的锆石阴极发光图像见图5。锆石呈半自形—自形，等轴—长柱状，粒径介于80～200 μm，长宽比为 1～2，内部结构清晰，核幔构造和振荡环带发育，表明为岩浆成因（王玺等，2024）。其相对较宽的振荡环带，一般认为高温条件下易形成宽的环带（吴元保和郑永飞，2004）。辉长岩为基性岩类，锆石的环带较宽，暗示岩浆结晶温度高。此次测试选择锆石边部振荡环带均匀处进行测试，经挑选共选择 24 颗锆石测试（表1），锆石的 Th、U 含量低，分别为 22×10-6～101×10-6、39×10-6～145×10-6。岩浆锆石具有较高 Th/U（一般>0.4）（吴元保和郑永飞， 2004），变质锆石 Th/U 比值小（一般<0.1）（Rubatto and Gebauer，2000）。本次所测点位的 Th/U 介于 0.37～0.89，具有典型的岩浆锆石特征（Belousova et al.，2002）。
锆石 U-Pb 年龄比较集中，数据点都较集中落入协和曲线附近，加权平均年龄为（2558±17） Ma （MSWD=3.7，n=24）（图6），表明圣水峪地区中粗粒变角闪辉长岩形成时代为新太古代晚期。
4.2 岩石地球化学特征
4.2.1 主量元素特征
圣水峪地区中粗粒变角闪辉长岩的主量元素分析结果见表2。
岩石中 SiO2含量介于 42.88%～53.46%，平均值为 47.44%，属 SiO2低度不饱和的超基性—基性岩； Na2O含量介于1.62%～4.20%，平均值为2.98%；K2O 含量介于 0.48%～2.92%，平均值为 1.44%，相对贫 K2O，K2O/Na2O=0.17～0.82，总体显示富钠的特征； Al2O3 含量较低，介于 10.54%～19.49%，平均值为 15.17%；MgO 含量介于 3.47%～14.46%，平均为 7.94%，含量较高。里特曼指数 σ 为 2.07～5.91；镁铁比值 M/F 为 0.70～3.55；分异指数（DI）为 12.53～53.59；碱度指数A·R为1.23～1.78，与基性程度较高的岩体特征相吻合。在图7a中，样品主要落入碱性系列区，部分样品投在了亚碱性系列区域，说明岩石中富含普通角闪石，SiO2含量整体偏低，岩石显示出碱性系列；在图7b中，样品落入拉斑玄武岩系列区。
表1圣水峪地区辉长岩U-Pb同位素测年数据
图5锆石阴极发光图像和年龄值
图6变角闪辉长岩锆石U-Pb年龄谐和图（a）和年龄加权平均值（b）
表2圣水峪地区辉长岩主量元素（%）分析结果
4.2.2 微量、稀土元素特征
圣水峪地区中粗粒变角闪辉长岩微量、稀土元素分析结果见表3。岩石中稀土元素总量为∑REE =39.31×10-6～199.28×10-6，变化较大；轻稀土元素含量∑LREE=32.99×10-6～184.70×10-6；重稀土元素含量∑HREE=6.32×10-6～16.54×10-6；LREE / HREE = 4.74～12.10，平均值为 7.91，说明样品中轻、重两组稀土元素之间以及轻、重稀土元素内部分馏程度较弱。（La/Yb）N值为 3.72～16.90，平均值为 10.50，（La/ Sm）N值为0.89～3.15之间，平均值为2.14，说明岩石中轻稀土富集，轻稀土内部分馏程度大于重稀土内部分馏程度（唐建科等，2024）；δEu为0.78～1.19，平均值为 0.99，显示微弱负 Eu 异常，表明岩石中存在少量的斜长石堆积作用发生（孙宣艳等，2018）。在稀土元素球粒陨石标准化模式图（图8a）上，曲线向右缓倾斜，为轻稀土相对富集、重稀土亏损，铕异常不明显的配分曲线特征，为同源岩浆岩化的产物 （孙志远等，2016）。
在微量元素原始地幔标准化蛛网图上（图8b） 可以看出，Rb、Ba、Th、U 等大离子亲石元素相对富集，而Ta、Nb、Ti 等高场强元素相对亏损，亲铁元素 P 含量变化较大，总体含量偏高，Ni 含量变化不大； 高场强元素中，Zr、Ta、Nb 元素含量略低；低场强元素中，Ba、U、K元素含量略高于平均值，表明该辉长岩可能受到地壳混染或流体交代作用的影响（菅坤坤等，2018）。
表3圣水峪地区辉长岩体微量和稀土元素（10-6）分析结果
5 讨论
5.1 成岩时代
受去克拉通化和陆壳的增生事件的影响，鲁西地区强烈发育新太古代岩浆活动，形成大量以各类花岗质岩石为主的岩浆岩。区内主要岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩（Wan et al.，2013，2014；王跃等，2022），成岩时代主要为 2.6～2.5 Ga（王跃等， 2022）。本次获得的圣水峪地区辉长岩的锆石U-Pb 年龄为（2558±17） Ma，为新太古代晚期岩浆活动的产物，早于鲁西类 TTG 花岗岩和壳源花岗岩（约 2500 Ma）（万渝生等，2012），属于第二次克拉通化和陆壳增生的产物，为鲁西地区新太古代岩浆活动时限提供了约束。
5.2 岩石成因和源区特征
研究区内岩石的分异指数 DI 值介于 12.53～53.59，平均值为32.0（表2）。在基性岩的范围内，岩石的 DI 值略微小于戴里安山岩 DI 值（56），大于苦橄岩DI值（12），表明其分异程度中等偏低。微量元素总体 Sr高 Ba低，深源重元素含量高，具有较低的稀土总量和稀土分馏程度，其幔源岩浆特征比较明显。
在 Harker 图解（图9）中，MgO 与 Al2O3、Na2O 有明显的负相关性，表明在岩浆演化过程中，斜长石并没有明显的结晶分离；MgO 与 TiO2、TFeO 正相关性很好，表明了暗色矿物、磷灰石及Ti-Fe氧化物显著的分离结晶。说明圣水峪变角闪辉长岩具有同源或近源特征（Zindler and Hart，1986）
圣水峪地区辉长岩岩石类型主要是拉斑玄武岩系列，具有明显的 Nb、Th、Zr和 Ti负异常，富集大离子亲石元素 Ba、Ce、Sm，可能由俯冲板块的脱水作用和部分熔融作用造成（姜常义等，1995）。岩石的 Nb/Ta 比值为 14.09～31.3，平均值为 16.72，高于新太古代大陆地壳平均值（11～12）（Hofmann， 1988；Green，1994）。岩石样品的 Zr/Nb 比值为 5.29～40.50，Sm/Nd 的比值为 0.16～2.12，表明岩浆源区主体为岩石地幔。辉长岩的 La/Ba-La/Nb 图解 （图10a）指示岩浆源区为俯冲交代的岩石圈地幔。 TiO2-（Na2O+K2O）判别图（图10b）显示为碳酸盐化橄榄岩部分熔融-角闪石岩熔融的趋势（张旗等， 2024）。
圣水峪地区辉长岩 La/Nb=1.26～21.7，平均为 6.02，大于 1.5；La/Ta=21.80～142.30，平均为 63.25，大于22，指示圣水峪辉长岩岩浆源区以幔源物质为主。（Th/Nb）PM平均值为2.26，大于1；Nb/La平均值为 0.38，小于 1，说明圣水峪地区辉长岩受到地壳的污染（张旗等，2024）。据 La/Sm-La 图解（图11），部分熔融趋势明显，属幔源分异型侵入岩类，与超基性—基性岩系与全球克拉通范围内地幔柱背景下形成的岩石组合特征一致，是地幔在不同深度发生的部分熔融形成的（李婷，2019）。
综上所述，圣水峪地区辉长岩岩浆可能来自岩石圈地幔的部分熔融，并在上升过程中与地壳物质发生同化混染。
图9圣水峪地区辉长岩哈克图解
OIB—洋岛玄武岩；DM—亏损地幔；PM—原始地幔；CC—大陆地壳
5.3 岩浆岩的构造环境及大地构造意义
在新太古代中晚期，鲁西随着洋盆消减，出现洋内岛弧和大陆岛弧，洋壳板块俯冲至地幔，造成俯冲作用下的同碰撞事件（王跃等，2022），导致地幔柱的活动增强，造成约 2650 Ma 的地幔中熔融的岩浆上升至地表，在俯冲带的上部构成了火山岛弧，加之底侵的辉长岩混入使其更趋于镁铁质，即在鲁西形成了基性—超基性岩石。同时由于地幔物质的加入，导致了陆壳分层（翟明国，2019），下地壳上部发生强烈的混合岩化角闪岩相—角闪岩相变质作用，部分岩石发生深熔地质作用，形成了变角闪辉长岩等岩石。此次构造热事件为新太古代晚期岩浆事件的第一阶段（Yu et al.，2021），此阶段岩浆活动主要分布于鲁西华北克拉通的中部。伴随变质深熔的同时，岩石发生较强的韧性变形，岩浆作用扩展到整个鲁西。随着本阶段侵位、固结、变形的完成，导致了鲁西在 2650～2550 Ma 完成了第二次的克拉通化和陆壳的增生。
根据微量元素蛛网图走势，Nb 负异常明显，说明岩石的形成与俯冲作用有关；结合岩石中以角闪石为特有的铁镁质矿物成分，可以判断圣水峪地区的中粗粒变角闪辉长岩岩浆来源于地幔，属于火山弧环境。
通常利用 Zr 与 Y 元素可以有效判别大陆弧与洋内弧玄武质岩浆，圣水峪变角闪辉长岩的Zr/Y 值介于 1.77～11.14，平均值为 4.27，显示为典型的大陆弧（Zr/Y＞3）特征。Nb-Nb/Th 图解（图12a）显示圣水峪变角闪辉长岩投点多分布于洋中脊-火山弧玄武岩之间。在 TFeO-MgO-Al2O3图解（图12b）中，样品在岛弧和活动大陆边缘及洋岛区，同样表明圣水峪地区的辉长岩形成于岛弧环境。
华北克拉通岩浆热事件在新太古代晚期达到顶峰（万渝生等，2020）。新太古代晚期（2550～2500 Ma），亦是鲁西规模最大的一次陆壳增生活动，形成鲁西南地区大面积分布的类 TTG 花岗岩，此类岩石形成于（2537±18） Ma（王跃等，2022），划归为峄山序列。峄山序列岩石中普遍发育的幔源型微粒包体，充分说明了这种岩浆混合作用。随着软流圈不断上涌，岩浆活动的进一步加强，下地壳熔融的范围逐渐扩大，产生大量的壳源钾质二长花岗岩浆向上侵位，形成了二长花岗岩，其形成于 2540～2530 Ma（杨帆等，2022），划归为傲来山序列。在峄山序列和傲来山序列中含有较多的捕虏体，此捕虏体大多为前期形成的基性—超基性岩石。伴随各期岩浆侵位同时，岩石发生较强的韧性变形、低角闪岩相变质和部分的深熔作用。本阶段侵位、固结、变形的完成，导致了该区第三次的克拉通化，也是鲁西规模最大的和最后一次克拉通化和陆壳的增生。之后鲁西地壳增生基本结束，形成新的板块构造。
圣水峪地区辉长岩体普遍遭受了新太古代晚期构造热事件的改造，被后期岩浆侵入破坏，导致其零星分布于区内壳源花岗岩和 TTG花岗岩中，多独立呈包体产出。
6 结论
（1）泗水县圣水峪地区变角闪辉长岩体岩性及岩相单一，为中粗粒变角闪辉长岩。岩石分异程度偏低。岩石化学组成总体显示出钠质岩特点，属于拉斑玄武岩系列。微量元素Sr高Ba低，深源重元素含量高，具有较低的稀土总量和稀土分馏程度，指示圣水峪辉长岩岩浆源区为幔源物质为主，可能壳源物质的加入。
（2）泗水县圣水峪地区变角闪辉长岩体锆石UPb年龄为（2558±17） Ma，表明其形成时代为新太古代晚期。早于鲁西类 TTG花岗岩和壳源花岗岩，属于第二次克拉通化和陆壳增生的产物。
（3）圣水峪地区辉长岩体是随着洋盆消减，洋壳板块俯冲至地幔，发生大规模的（部分）熔融作用，大量岩浆侵位至地表，形成于洋内岛弧或大陆岛弧环境。
