山东昌乐新生代碧玄岩中歪长石巨晶特征及成因

杜　青^1,2　孟凡超^1,2　王千军³

田雨露^1,2　韩慧妹¹　刘浩毅¹　左耿超¹

（1. 中国石油大学（华东） 地球科学与技术学院 山东青岛 266580；2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 山东青岛 266061；3. 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院 山东东营 257015）

摘　要　山东昌乐新生代玄武岩中发育大量长石、辉石和刚玉巨晶。前人的研究多集中在辉石和刚玉上，而长石巨晶的来源仍存在争议。本文对新生代玄武岩岩石学、地球化学，以及长石巨晶矿物特征、包裹体成分和原位主微量元素进行了系统分析，结果显示：长石巨晶主要存在于K₂O和Na₂O含量较高、SiO₂含量较低的碧玄岩中。背散射图像下长石巨晶无环带，存在长石、辉石微晶及玻璃质组成的反应边。巨晶原位主量元素分析表明长石为歪长石，An值为4.76%~5.62%，Ab值为49.81%~71.89%，巨晶核部Mg、Fe、Na、Al、K等元素及An、Ab的含量处于小范围内的无序波动状态，无明显的变化规律，可能为地幔环境下结晶的高温无序矿物；长石巨晶富集轻稀土元素（LREE），亏损重稀土元素（HREE），具有明显的Eu正异常（δEu=12.37~26.22），Sm、Nd、Gd相对亏损，核部稀土元素总量较低，ΣREE=1.98×10^-6~2.46×10^-6，LREE/HREE=21.71×10^-6~76.51×10^-6，(La/Yb)_N为18.14~36.7，长石巨晶与碧玄岩的稀土元素总量比值在0.006~0.015之间，暗示两者无演化联系。综合歪长石巨晶以及寄主岩浆的成因特征，本文认为歪长石巨晶结晶于含有洋壳俯冲流体组分的地幔环境，后期被来源于软流圈地幔的玄武质岩浆捕获，带出地表。

关键词　新生代玄武岩　长石巨晶　碧玄岩成因　昌乐火山　中国东部

Characteristics and genesis of anorthoclase megacrysts in Cenozoic basanite from Changle area, Shandong Province

Du Qing^1,2　Wang Qianjun³　Tian Yulu^1,2　Meng Fanchao^1,2　Han Huimei¹　Liu Haoyi¹　Zuo Gengchao¹

（1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580; 2. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao, Shandong 266061; 3. Exploration and Development Research Institute of Shengli Oilfield Company, Dongying, Shandong 257015）

Abstract

A large number of feldspars, pyroxene and corundum megacrysts were found in the Cenozoic basalts in Changle, Shandong Province. Previous studies mainly focus on the genetic characteristics of pyroxene and corundum, but the origin of feldspar megacrysts is still controversial. In this study, mineralogical and in situ analysis of major and trace elements of feldspar megacrysts in Cenozoic basalts from Changle were conducted. The results show that feldspar megacrysts mainly exist in basanite with high K₂O and Na₂O contents and low SiO₂ contents. The backscatter images show no bands in the feldspar, and the reaction edges are mainly composed of feldspar, pyroxene microcrystals and vitreous. Laser ablation data show that the feldspar megacrysts are anorthoclases with An value of 4.76%~5.62% and Ab value of 49.81%~71.89%. The contents of Mg, Fe, Na, Al, K and An and Ab in the giant crystal nucleus fluctuate in a small range without obvious change rule, indicating that the anorthoclase is a high-temperature disordered mineral crystallized in the mantle source environment. The samples are enriched in light rare earth elements (LREE) and depleted in heavy rare earth elements (HREE), with obvious positive Eu anomaly (δEu = 12.37~26.22). The Sm, Nd and Gd contents in anorthoclases are relatively depleted, and the total amount of rare earth elements in the core is low (ΣREE=1.98×10^-6~2.46×10^-6, LREE/HREE= 21.71×10^-6~76.51×10^-6, (La/Yb)_N=18.14~36.7). The ratio of total rare earth elements between anorthoclases and host rock is 0.006~0.015, indicating disequilibrium relationship between the anorthoclase and the host magma. Based on the characteristics of mineralogical petrology and elemental geochemistry of host rocks and anorthoclase, we consider that the anorthoclases are the product of early crystallization under the background of lithospheric mantle metasomatism by subduction fluid of oceanic crust, and were captured by basaltic magma from asthenosphere. Therefore, the basanite magma is likely mixed with melts from lithosphere and asthenosphere.

Keywords　Cenozoic basalt, Feldspar megacrysts, Basanite genesis, Changle volcano, Eastern China

国内外学者对火山岩中的各类巨晶矿物进行了大量研究。巨晶矿物的矿物学和原位地球化学特征可以反映其结晶环境与成因机制，指示寄主岩浆的形成演化过程，从岩石矿物学角度为岩浆岩的成因演化研究提供新方法，为岩石圈演化研究提供新的思路和证据（陈小明等，2002；赵令权等，2015；D'Oriano et al., 2017；邹东雅，2017；Cawthorn，2020；Law et al., 2021）。

歪长石巨晶为一种高温无序矿物，常发育于响岩、碧玄岩等富钠质火山岩中，其成因对于岩浆的形成演化有着重要制约作用。前人通过大量工作研究了歪长石巨晶的矿物学和地球化学特征，却提出了不同的成因解释。部分学者通过对美国德克萨斯州、澳大利亚等地玄武岩及响岩中的歪长石巨晶进行矿物地球化学（Stuckless and Irving, 1976；Sun and Hanson, 1976；Dawson et al., 2008）、同位素（Dasch, 1969；Laughlin et al., 1974；Irving and Frey, 1984）及实验模拟分析（Chapman and Powell, 1976；Bahat, 1979），认为歪长石巨晶与寄主岩浆之间存在不平衡，歪长石为捕掳成因，形成于深部地幔环境。另有学者基于歪长石巨晶的矿物学、原位主微量元素以及稀有气体特征，认为歪长石巨晶与寄主岩浆存在亲缘关系，歪长石为在地壳环境下玄武质岩浆或粗面岩岩浆自身结晶的矿物（邱家骧等, 1987；D'Oriano et al., 2017；Matchan et al., 2018）。

山东昌乐地区新生代玄武岩中常见地幔捕掳体及歪长石、辉石和刚玉等巨晶矿物（Xu et al.，2012；赵令权等，2015），歪长石巨晶的成因尚不明确，缺乏深入研究。本文针对山东昌乐地区新生代玄武岩中的歪长石巨晶，利用激光拉曼、激光剥蚀等原位微区测试技术，开展详细的矿物学和地球化学研究，深入分析歪长石巨晶特征及成因机制，结合寄主岩石地球化学特征，探讨歪长石巨晶与寄主岩浆的关系。从岩相学和矿物学角度为昌乐新生代玄武岩的形成演化研究提供新的制约，这对深入理解中国东部新生代火山岩源区特征及成因演化具有重要的指示意义。

1　区域地质概况及样品

山东昌乐火山区位于华北克拉通东南部，郯庐断裂带西侧（图1a），新生代火山岩主要沿断裂分布。玄武岩多出露于临朐县牛山与尧山等地，以及昌乐县北岩镇、乔官镇，潍城区大柳树镇等地（图1b）。火山活动主要发生在牛山期（21.0±2.5 Ma）、山旺期（18~17 Ma）和尧山期（17.3±1.5 Ma）（He et al., 2011）。不同期次的火山喷发具有不同的特点，牛山期火山活动主要以裂隙式熔岩喷发为主，局部有中心式喷发，该期次玄武岩多分布于山坡或山前平原地区。山旺期的火山活动相对较少，玄武岩不发育，以火山碎屑岩为主。尧山期火山作用则以中心式喷发为主，喷发间隙少，玄武岩为厚层状，岩石柱状节理发育，多出露于山顶，氧化顶及沉积夹层均不发育（张春池等，2007），玄武岩底部盛产蓝宝石矿。区内玄武岩多为碱性玄武岩和碧玄岩，部分区域也发育有少量的拉斑玄武岩、橄榄拉斑玄武岩，其中碧玄岩中常存在方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、纯橄岩和辉石岩等地幔捕虏体，以及刚玉、橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和歪长石等巨晶矿物（陈道公等，1985；山东省地质矿产局，1991；胡文瑄等，2006；徐峥，2012）。本次样品取自昌乐地区郝家沟（样品HJG-1-2；图1c）、团山子（样品TSZ-1；图1d）以及二姑山（样品EGS-1-2；图1e）火山口，均为尧山期火山活动产物。

2  分析方法

全岩主微量元素在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。样品经人工粉碎至200目。主量元素利用X射线荧光法（XRF）测试，仪器为Ｘ荧光光谱仪Philips PW2404，测试精度优于2%。微量元素利用电感耦合等离子体质谱法测试，仪器为等离子质谱仪ELEMENT-I（Finnigan-MAT有限公司制造），测试精度优于5%。依据标准为《电感耦合等离子体质谱方法通则（DZ/T0223-2001）》。详细分析测定步骤参照Qu et al.（2004）。

长石原位主微量元素测试在武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA-ICP-MS完成。GeolasPro激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193 nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成，ICP-MS型号为Agilent 7700e。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合，激光剥蚀系统配置有信号平滑装置（Hu et al., 2015）。本次分析的激光束斑和频率分别为44 μm和5 Hz。单矿物微量元素含量处理中采用玻璃标准物质BHVO-2G，BCR-2G和BIR-1G进行多外标无内标校正（Liu et al., 2008）。每个时间分辨分析数据包括大约20~30 s空白信号和50 s样品信号。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal（Liu et al., 2008）完成。

图1　山东地区新生代玄武岩分布简图及火山口样景图

a. 山东新生代玄武岩分布图；b. 昌乐地区新生代玄武岩分布图（地质图据山东省地质矿产局, 1991修改）；

c. 郝家沟火山口；d. 团山子火山口；e. 二姑山火山口

Fig.1　Simplified distribution of basalt and craters in Changle area