造山崩塌過程的巖漿作用響應(yīng):以北京薛家石梁-黑山寨巖漿雜巖體為例

汪 洋

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

0 引 言

形成于早白堊世中期的云蒙山變質(zhì)核雜巖是典型的科迪勒拉型變質(zhì)核雜巖(Davis et al.,2001),被認(rèn)為是燕山造山帶由于地殼增厚導(dǎo)致的重力崩塌的直觀構(gòu)造表現(xiàn)(Davis et al.,2001;Davis,2003)。一個(gè)有趣的事實(shí)是:位于現(xiàn)今出露的河防口拆離斷層下盤的云蒙山巖基的侵位時(shí)代為侏羅紀(jì)末-白堊紀(jì)初(～143 Ma)(Davis et al.,2001),與變質(zhì)核雜巖的形成無關(guān)(Davis et al.,1996)。因此,出露面積約 200 km2的云蒙山巖基并非造山崩塌過程的產(chǎn)物。云蒙山變質(zhì)核雜巖的下盤發(fā)育多個(gè)規(guī)模較小的早白堊世巖體,它們與燕山帶造山崩塌階段的伸展拆離運(yùn)動(dòng)有密切聯(lián)系,出露于北京市昌平區(qū)東部的薛家石梁-黑山寨巖漿雜巖體是其中的典型代表。

前人對(duì)薛家石梁-黑山寨雜巖體的成因認(rèn)識(shí)不一,主要觀點(diǎn)包括:(1) 雜巖體中的中酸性巖屬于C型埃達(dá)克巖,是加厚下地殼部分熔融的產(chǎn)物(王焰和張旗,2001;Su et al.,2007);(2) 基性巖來自富集的古老巖石圈地幔,高 Ba-Sr的中酸性巖是基性巖漿分離結(jié)晶的產(chǎn)物,而低 Ba-Sr花崗巖可能為地殼重熔形成(錢青等,2002);(3) 雜巖體中的中酸性巖是基性巖漿經(jīng)歷AFC過程的產(chǎn)物(汪洋,2007)。本文作者注意到,上述研究?jī)H僅是基于巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)推論,缺乏對(duì)于薛家石梁-黑山寨雜巖體內(nèi)部不同巖性之間野外關(guān)系的觀察和鑒別。例如:錢青等(2002)將侵位年代早于薛家石梁-黑山寨雜巖體的對(duì)臼峪花崗巖和鐵爐子花崗巖的分析數(shù)據(jù)一并歸于其劃分的高 Ba-Sr中酸性巖,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行基性巖漿分離結(jié)晶形成高Ba-Sr中酸性巖的模擬計(jì)算。顯然,這個(gè)失誤降低了其成因模式的可信度(汪洋,2007)。本文在新獲得的薛家石梁-黑山寨雜巖體地球化學(xué)和Sr-Nd-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合野外觀察和利用角閃石全鋁壓力計(jì)對(duì)雜巖體侵位深度的估算結(jié)果,對(duì)其巖石成因及地球動(dòng)力學(xué)意義進(jìn)行討論。

1 巖體地質(zhì)和巖石學(xué)特征

薛家石梁-黑山寨雜巖體出露于北京市昌平區(qū)東部燕山南麓,在大地構(gòu)造上位于燕山中生代褶皺-逆沖推覆帶的西段。雜巖體平面上呈 NW-SE向展布的卵圓狀;由上莊輝長(zhǎng)巖,薛家石梁閃長(zhǎng)巖,黑山寨石英二長(zhǎng)巖、湖門二長(zhǎng)巖和黑熊山花崗巖組成,其中偏基性的端元出露于東南端,偏酸性端元出露在西北部(圖1)。雜巖體中的閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖與二長(zhǎng)巖之間為過渡(涌動(dòng))接觸關(guān)系,黑熊山花崗巖與其他巖性之間呈截然的(脈動(dòng))侵入接觸關(guān)系(圖1)。高精度鋯石U-Pb年齡顯示:薛家石梁閃長(zhǎng)巖的侵位年齡為125±2 Ma,湖門二長(zhǎng)巖為124±2 Ma,黑熊山花崗巖為124±1 Ma(Davis et al.,2001;Su et al.,2007)。因此,野外地質(zhì)證據(jù)和同位素測(cè)年數(shù)據(jù)均指示,薛家石梁-黑山寨雜巖體不同巖性均屬于同一期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

根據(jù)我們的野外觀察和前人資料(白志民等,1991;郁建華等,1994;錢青等,2002;Su et al.,2007),歸納薛家石梁-黑山寨雜巖體的野外地質(zhì)和巖石學(xué)特征如下:

圖1 薛家石梁-黑山寨巖漿雜巖體地質(zhì)圖(據(jù)Wang and Yao,2013)Fig.1 Geological map of the Xuejiashiliang-Heishanzhai magmatic complex

薛家石梁-黑山寨雜巖體中的輝長(zhǎng)巖出露于東南部,由 5個(gè)小巖塊組成,斷續(xù)出露于上莊村到百合村一帶,其中上莊村東北側(cè)者最大,為含釩鈦磁鐵礦礦體。上莊輝長(zhǎng)巖是一巖盆狀地質(zhì)體,輝長(zhǎng)巖占據(jù)中-上部;堆晶成因的含礦輝長(zhǎng)巖分布在下部,平面上出露在東部,且其東側(cè)地表邊界呈弧形,向下呈簸箕狀朝北西方向傾覆延伸。釩鈦磁鐵礦體呈似層狀、扁豆?fàn)罘植计渲小］x長(zhǎng)巖由斜長(zhǎng)石(～60%)、單斜輝石(20%)、角閃石(15%)、黑云母(～2%)和不透明礦物組成。含礦輝長(zhǎng)巖中的斜長(zhǎng)石定向-半定向排列,其間隙被磁鐵礦、黑云母等充填,形成嵌晶狀補(bǔ)堆晶結(jié)構(gòu),磁鐵礦含量約 15%,分布均勻,其中有綠色尖晶石。

薛家石梁閃長(zhǎng)巖位于東南部的南半部,包裹了上莊輝長(zhǎng)巖。該閃長(zhǎng)巖的東部和東南部呈向南東方向凸出的弧形,其西北部與黑山寨石英二長(zhǎng)巖的邊界在剖面上則顯示過渡的涌動(dòng)接觸關(guān)系,在平面上非常不規(guī)則,呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的形態(tài)(圖1)。閃長(zhǎng)巖由斜長(zhǎng)石(～55%)、角閃石(～30%)、黑云母(～10%)以及少量石英、堿性長(zhǎng)石與不透明礦物組成。作者的野外觀察表明,薛家石梁閃長(zhǎng)巖實(shí)際上包含兩種巖性,一種是灰色中-粗粒閃長(zhǎng)巖,另一種為灰黑色閃長(zhǎng)巖,后者呈巖脈或包體產(chǎn)于前者之中,兩者之間的界線犬牙交錯(cuò),很難在小比例尺地圖中表示出來。灰黑色閃長(zhǎng)巖因其顏色暗,在野外時(shí)常被定為輝長(zhǎng)巖,但鏡下觀察顯示,其中的斜長(zhǎng)石牌號(hào)多數(shù)小于50,仍然是閃長(zhǎng)巖(Le Maitre,2002)。巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)顯示,灰色中-粗粒閃長(zhǎng)巖 TiO2含量相對(duì)較低,灰黑色閃長(zhǎng)巖 TiO2含量高,因此本文稱前者為低Ti閃長(zhǎng)巖、后者為高Ti閃長(zhǎng)巖(見本文第3節(jié))。

黑山寨石英二長(zhǎng)巖位于雜巖體的北半部,其西、北側(cè)被湖門二長(zhǎng)巖所環(huán)繞,東、南側(cè)與薛家石梁閃長(zhǎng)巖呈涌動(dòng)式接觸,該巖體中部被黑熊山花崗巖侵入(圖1)。石英二長(zhǎng)巖由斜長(zhǎng)石(～40%)、堿性長(zhǎng)石(～35%)、黑云母(～8%)、角閃石(～5%)、石英(～7%)以及榍石、不透明礦物組成。

湖門二長(zhǎng)巖出露于雜巖體的北西部邊緣,呈半環(huán)狀分布,與黑山寨石英二長(zhǎng)巖之間為漸變過渡關(guān)系。二長(zhǎng)巖由堿性長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黑云母、角閃石、石英以及不透明礦物組成。

黑熊山花崗巖占據(jù)雜巖體中心偏西北的位置,平面形態(tài)類似半個(gè)蘑菇,主體侵入黑山寨石英二長(zhǎng)巖,在東南端向南東走向延伸出一細(xì)長(zhǎng)條,與薛家石梁-黑山寨雜巖體中的其他巖體之間為脈動(dòng)式接觸關(guān)系(圖1)。花崗巖由石英(～33%)、堿性長(zhǎng)石(～30%)、斜長(zhǎng)石(～35%)和少量黑云母組成。

前人研究(Hammarstrom and Zen,1986;Hollister et al.,1987;Schmidt,1992)表明:結(jié)晶壓力大于0.2 GPa時(shí),鈣堿性侵入巖固相線溫度變化不大,在近固相線條件下結(jié)晶的角閃石的全鋁含量受壓力制約,而與巖漿的形成溫度(即液相線溫度)無關(guān),可以利用Schmidt (1992)標(biāo)定的角閃石全鋁壓力計(jì)公式估計(jì)其侵位深度。本文作者的鏡下觀察表明,薛家石梁-黑山寨雜巖體以及其周邊的的幾個(gè)晚中生代鈣堿性花崗巖體的礦物組合以及角閃石產(chǎn)出特征符合應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)的物理化學(xué)條件(汪洋,2014)。應(yīng)用 Schmidt (1992)標(biāo)定的角閃石全鋁壓力計(jì)公式對(duì)這些巖體的侵位深度進(jìn)行估算(表1)。結(jié)果表明:雜巖體東南部的薛家石梁閃長(zhǎng)巖的結(jié)晶壓力是 0.63 GPa、侵位深度約23 km;雜巖體西北部的黑山寨石英二長(zhǎng)巖的結(jié)晶壓力是0.17 GPa、侵位深度約6 km。同時(shí),在薛家石梁-黑山寨雜巖體以東,晚侏羅世(～152 Ma)侵位的長(zhǎng)園閃長(zhǎng)巖的結(jié)晶壓力是0.65 GPa、侵位深度約 23 km;雜巖體西北方向出露的早白堊世早期(～133 Ma)鐵爐子二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖的結(jié)晶壓力是0.38 GPa、侵位深度約12 km。因此,薛家石梁-黑山寨雜巖體在巖漿固結(jié)之后經(jīng)歷了南東-北西向掀斜,導(dǎo)致其原始的底部出露于東南部,而原始的頂部出露于西北部。

表1 薛家石梁-黑山寨雜巖體的角閃石成分(%)Table1 Chemical compositions of the amphiboles from the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex (%)

結(jié)合薛家石梁-黑山寨雜巖體的地質(zhì)產(chǎn)狀、各類巖性的空間分布和接觸關(guān)系以及侵位深度的估算結(jié)果,我們認(rèn)為該雜巖體是一個(gè)被剝露出來的掀斜巖漿房,巖漿房的原始底部在目前的南東端,依次分布堆晶的含礦輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖;其原始的頂部在目前的北西端,分布石英二長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖;其整體的原始三維形態(tài)呈現(xiàn)長(zhǎng)軸直立的“瓶狀(bottle-like)”特征(Zellmer and Annen,2008)。黑熊山花崗巖侵入到該瓶狀巖漿房中,其南端發(fā)育的NW-SE走向的同成分“巖枝”是該花崗巖漿在薛家石梁-黑山寨巖漿房中原始運(yùn)移通道的遺跡。

2 分析方法

樣品在無污染環(huán)境下碎至 200目,用于分析。所有樣品的主量元素、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素的分析測(cè)試都在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

主量元素采用 ICP-AES方法進(jìn)行分析,測(cè)試儀器為 JY38S型電感耦合等離子體光譜儀,主要氧化物的分析誤差一般小于2%。FeO含量由南京大學(xué)地球科學(xué)系實(shí)驗(yàn)室濕化學(xué)法分析測(cè)定。微量元素(包括REE)采用 ICP-MS進(jìn)行分析,測(cè)試儀器為高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Finnigan ELEMENT II HR-ICP-MS)。樣品使用1 mol/L HF+0.5 mol/L HNO3在190 ℃溶解48 h,以保證樣品完全溶解;在測(cè)試過程中采用 F-基體匹配分析技術(shù)(高劍峰等,2003),有效解決了Nb、Ta、Zr、Hf等元素在稀硝酸介質(zhì)中的不穩(wěn)定性問題。對(duì)USGS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品(BHVO-2)的測(cè)定結(jié)果表明,樣品測(cè)定值和推薦值的相對(duì)誤差均小于10%,且大多數(shù)微量元素的分析誤差在5%以內(nèi)。詳細(xì)的樣品制備、分析流程及對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)試結(jié)果見高劍峰等(2003)。

Sr、Nd同位素的分析測(cè)試流程如下:取100 mg粉末樣品用HNO3+HF混合液完全溶解。使用HIBA作為淋洗劑在陽(yáng)離子交換樹脂柱中分離 Nd和Sm,詳細(xì)流程見濮巍等(2005)。使用 DCTA和嘧啶的混合溶液作為淋洗劑分離 Rb和Sr(Yoshikawa and Nakamura,1993;濮巍等,2005)。使用1 μL的1 N濃度HCl溶解Nd樣品,再使用H3PO4溶液將其裝入TIMS的Re雙絲。使用1 μL的1 N濃度HCl溶解Sr樣品,再使用TaF5溶液將其裝入TIMS的W絲。Nd、Sr同位素測(cè)試采用 Triton TI 熱離子質(zhì)譜儀(TIMS)分析(濮巍等,2004)。分別采用146Nd/144Nd=0.7219和86Sr/88Sr=0.1194對(duì)Sr、Nd同位素進(jìn)行校正。Nd同位素以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) JNDi-Nd進(jìn)行監(jiān)控。Sr同位素以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) NBS987進(jìn)行監(jiān)控。詳細(xì)的分析流程見濮巍等(2004,2005)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) JNDi-Nd的143Nd/144Nd比值和NBS987的87Sr/86Sr比值分別為0.512112±5(n=5,2σ)和0.710260±6(n=5,2σ)。

Pb同位素的分析測(cè)試流程如下:取 100 mg粉末樣品用HNO3+HF混合液完全溶解。蒸干后用HBr再次溶樣,而后再蒸干,如此反復(fù)3次,使殘余物完全溶解。之后將50 μL的溶解液置于AG1-X8陽(yáng)離子交換樹脂柱內(nèi)分離;萃取出的Pb再通過交換樹脂柱進(jìn)行二次提純。采用硅膠-H3PO4技術(shù)(Gerstenberger and Haase,1997)將約100 ng Pb裝入TIMS的Re絲。分析儀器是Finnigan MAT Triton TI 熱離子質(zhì)譜儀(TIMS)。質(zhì)量校正采用Todt et al.(1996)給出的NBS-981標(biāo)準(zhǔn)。

3 地球化學(xué)

薛家石梁-黑山寨雜巖體代表性巖石樣品的主量、微量和稀土元素含量見表2,Sr-Nd-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)見表3。由于薛家石梁-黑山寨雜巖體高 Ti閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖與二長(zhǎng)巖的K2O和全堿含量較高,在TAS圖解中落在二長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖和正長(zhǎng)巖的區(qū)域。但需要指出的是,侵入巖的命名應(yīng)依據(jù)其實(shí)際礦物含量在QAP三角圖投圖決定,而非TAS圖解(Le Maitre,2002),因此本文以實(shí)際礦物含量為依據(jù)對(duì)薛家石梁-黑山寨雜巖體的不同巖石類型進(jìn)行命名。為了有關(guān)巖石特征、成因探討方面描述的方便和簡(jiǎn)潔,本文根據(jù)巖石學(xué)特征和地球化學(xué)分析結(jié)果將雜巖體的巖石歸為5大類:(1) 堆晶成因的含釩鈦磁鐵礦輝長(zhǎng)巖;(2) 低Ti輝長(zhǎng)巖;(3) 高Ti閃長(zhǎng)巖;(4) 高Sr低Y中酸性巖(包括:低Ti閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖)和(5) 黑熊山鐵質(zhì)花崗巖。

在 TAS圖解中,薛家石梁-黑山寨雜巖體中的上莊低Ti輝長(zhǎng)巖落在亞堿性系列區(qū)域,薛家石梁高Ti閃長(zhǎng)巖和低Ti閃長(zhǎng)巖、黑山寨石英二長(zhǎng)巖和湖門二長(zhǎng)巖的樣品落入堿性系列區(qū)域(圖2)。在AFM圖解中,這些巖石均顯示鈣堿性系列的演化趨勢(shì)(圖3a)。在 SiO2-K2O圖解中,低 Ti輝長(zhǎng)巖落在鈣堿性系列區(qū)域,而高Ti閃長(zhǎng)巖、低Ti閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖成分點(diǎn)多數(shù)落在鉀玄巖系列區(qū)域,其他落在高鉀鈣堿性系列區(qū)域(圖3b)。綜合起來,低 Ti輝長(zhǎng)巖是典型的鈣堿性系列巖石,而高Ti閃長(zhǎng)巖、低Ti閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖屬于鉀玄巖系列與高鉀鈣堿性系列之間的過渡類型。

表2 薛家石梁-黑山寨雜巖體主量(%)、微量和稀土元素(×10-6)含量Table2 Major (%),trace and rare earth (×10-6) element contents of the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

表3 薛家石梁-黑山寨雜巖Sr-Nd-Pb同位素組成Table3 Sr-Nd-Pb isotopic compositions of the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

低Ti輝長(zhǎng)巖的TiO2含量小于2%,具有較低的K2O(<1%)和全堿含量。在雜巖體的中基性巖中,低Ti輝長(zhǎng)巖的REE和微量元素含量相對(duì)最低;REE配分曲線顯示LREE的適度富集,具有正的Eu異常(圖4a);原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖顯示Ba、Sr、Pb的正異常,高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta和Zr、Hf的相對(duì)虧損,Th、U相對(duì)于LREE的虧損(圖5a)。

高 Ti閃長(zhǎng)巖的 SiO2含量與低 Ti輝長(zhǎng)巖相當(dāng)(<50%),但具有較高的 TiO2(>2%)、K2O(>1.4%)和全堿含量。在雜巖體的中基性巖中,高 Ti閃長(zhǎng)巖的REE含量相對(duì)最高;REE分配曲線顯示LREE的適度富集,不顯示Eu異常(圖4a);原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖顯示Ba的正異常,高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta和Zr、Hf的相對(duì)虧損,Sr、Pb不顯示異常,明顯虧損 Th、U(圖5a)。

圖2 薛家石梁-黑山寨雜巖 TAS圖解(部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)錢青等,2002,Su et al.2007)Fig.2 TAS plot for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

雜巖體中的高Sr低Y中酸性巖(SiO2=50%～70%)在Frost et al.(2001)提出的SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)圖解中,屬于鎂質(zhì)花崗巖類(圖6a)。按 SiO2-MALI圖解,成分點(diǎn)主體落在 Peacock意義上的堿性區(qū)域內(nèi)(圖6b)。這些巖石的REE含量介于低Ti輝長(zhǎng)巖和高Ti閃長(zhǎng)巖之間,輕重稀土分餾特征與低Ti輝長(zhǎng)巖和高 Ti閃長(zhǎng)巖相似(圖4a),其中二長(zhǎng)巖具有十分明顯的 Eu正異常。微量元素蛛網(wǎng)圖顯示 Ba、Sr、Pb的正異常,高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta和Zr、Hf的相對(duì)虧損,Th、U相對(duì)于LREE的虧損(圖4b)。

圖3 薛家石梁-黑山寨雜巖AFM (Na2O+K2O-FeO-MgO) (a)和SiO2-K2O (b)圖解(部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)錢青等,2002;Su et al.2007,圖例同圖2)Fig.3 AFM (Na2O+K2O-FeO-MgO) (a) and SiO2 vs K2O (b) diagrams for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

圖4 薛家石梁-黑山寨雜巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分型式(球粒隕石值據(jù)Boynton,1984)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

圖5 薛家石梁-黑山寨雜巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)值據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.5 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

圖6 薛家石梁-黑山寨雜巖SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)(a)和SiO2-MALI (Na2O+K2O-CaO)圖解(b,底圖據(jù)Frost et al.,2001)(部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)錢青等,2002;Su et al.2007)Fig.6 SiO2 vs TFeO/(TFeO+MgO) (a) and SiO2 vs MALI (Na2O+K2O-CaO) (b,after Frost et al.,2001) diagrams for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex (some data from Qian et al.2002;Su et al.2007)

黑熊山花崗巖具有很高的 SiO2含量(>75%)。在Frost et al.(2001)提出的SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)圖解中,屬于鐵質(zhì)花崗巖類(圖6a),而與雜巖體的其他巖類明顯不同。其具有右傾的“海鷗型”配分曲線和明顯的負(fù)Eu異常(圖4b)。微量元素蛛網(wǎng)圖顯示其虧損 Ba、Sr、Ti,具有明顯的 Pb、K的正異常,Th、U、Nb、Ta和Zr、Hf相對(duì)于REE均不虧損(圖5b)。

薛家石梁-黑山寨雜巖體顯示相對(duì)富集的Nd同位素特征,其εNd(t)值在-7.3到-16.3之間變化,以-8到-13者為多(表3)。樣品的87Sr/86Sr(i)值均小于0.706(表3)。在87Sr/86Sr(i)-εNd(t)圖解中,樣品落在原始地幔和EMI型富集地幔源區(qū)之間(圖7),表明其源巖和/或成巖過程中有EMI型富集源區(qū)的參與。

薛家石梁-黑山寨雜巖體的不同巖性都表現(xiàn)出放射性Pb同位素明顯虧損的特征:206Pb/204Pb(t)小于16.5,207Pb/204Pb(t)小于 15.3,208Pb/204Pb(t)小于 36.4(表3)。在207Pb/204Pb(t)-206Pb/204Pb(t)和208Pb/204Pb(t)-206Pb/204Pb(t)圖解中(圖8),雜巖體的成分點(diǎn)落在華北克拉通巖石圈地幔和下地殼 Pb同位素比值分布區(qū)之間,表明其源巖是長(zhǎng)期虧損Th、U的古老巖石圈地幔和下地殼。

4 巖石成因與地球動(dòng)力學(xué)意義探討

4.1 巖石成因

圖7 薛家石梁-黑山寨雜巖Sr-Nd同位素圖解(部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)錢青等,2002;Su et al.2007。DM(地幔端元)據(jù)Rollinson,1993,圖例同圖2)Fig.7 Sr-Nd isotopic plots for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

如上節(jié)所述,薛家石梁-黑山寨雜巖體的巖石類型可分為5組:(1) 堆晶成因的輝長(zhǎng)巖;(2) 低Ti輝長(zhǎng)巖;(3) 高Ti閃長(zhǎng)巖;(4) 高Sr低Y中酸性巖;(5) 黑熊山鐵質(zhì)花崗巖。這些巖石在空間上的分布規(guī)律以及相互間的接觸關(guān)系暗示,分離結(jié)晶作用在基性巖和高Sr低Y中酸性巖形成過程中扮演了重要角色。

高Ti閃長(zhǎng)巖和低Ti輝長(zhǎng)巖的MgO、Ni、Cr含量較低,不屬于原始巖漿,但在該雜巖體出露的所有巖性中最接近原始幔源巖漿。高Ti閃長(zhǎng)巖與低Ti輝長(zhǎng)巖相比,具有高的稀土元素和強(qiáng)不相容元素含量,在微量元素蛛網(wǎng)圖上顯示U、Th相對(duì)于Nb、Ta虧損,K相對(duì)于LREE虧損的特征;同時(shí),高Ti閃長(zhǎng)巖具有比低 Ti輝長(zhǎng)巖更高的εNd(t)值(表3,圖7)。兩類基性巖相近的SiO2含量以及REE、不相容元素豐度和Nd同位素的顯著差異暗示兩者之間不存在演化關(guān)系。它們分別源于相對(duì)獨(dú)立的兩種原始幔源巖漿。低Ti輝長(zhǎng)巖的微量元素蛛網(wǎng)圖顯示明顯的Pb正異常,表明其成巖過程中受到地殼物質(zhì)的混染。高Ti閃長(zhǎng)巖則不具有Pb正異常,反映其沒有受到地殼物質(zhì)的混染。

圖8 薛家石梁-黑山寨雜巖Pb同位素圖解(部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)Su et al.2007)Fig.8 Pb isotopic plots for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

如第1節(jié)所述,薛家石梁-黑山寨雜巖體中的高Sr低Y中酸性巖,即低Ti閃長(zhǎng)巖(SiO2>50%)、石英二長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖在空間上位于原始巖漿房中、上部,相互之間為過渡關(guān)系。這些中酸性巖的稀土配分模式、不相容元素標(biāo)準(zhǔn)化模式與低Ti輝長(zhǎng)巖相近,且相應(yīng)微量元素含量隨演化程度增高(SiO2含量增加)而增高(圖5,圖9)。這些特征指示,兩者不是獨(dú)立起源的巖漿,而是具有演化關(guān)系,同為原始幔源巖漿的分異產(chǎn)物。該雜巖體的低Ti閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖均屬于Frost et al.(2001)定義的鎂質(zhì)花崗巖類(圖6),加之堆晶巖的磁鐵礦礦化現(xiàn)象,這些事實(shí)指示其原始巖漿的分異演化是在相對(duì)氧化條件下進(jìn)行。據(jù)此,我們歸納該雜巖體主體的成巖過程是:原始幔源巖漿在巖漿房?jī)?nèi)分異,其早期離結(jié)晶的輝石、斜長(zhǎng)石和磁鐵礦等下沉形成上莊堆晶含釩鈦磁鐵礦輝長(zhǎng)巖,殘余巖漿繼續(xù)演化形成低Ti輝長(zhǎng)巖、低Ti閃長(zhǎng)巖(SiO2>50%)、石英二長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖;其中湖門二長(zhǎng)巖包含了大量巖漿結(jié)晶過程中上浮堆積的長(zhǎng)石,顯示了明顯Eu的正異常(圖4a)。其后,高Ti閃長(zhǎng)巖漿注入巖漿房,包裹堆晶含釩鈦磁鐵礦輝長(zhǎng)巖和低Ti輝長(zhǎng)巖;同時(shí)與巖漿房?jī)?nèi)未固結(jié)的中性巖漿發(fā)生同位素的交換,導(dǎo)致 Nd同位素組成的相對(duì)均一化。

除高 Ti閃長(zhǎng)巖以外的薛家石梁-黑山寨雜巖體各巖性在微量元素蛛網(wǎng)圖上所顯示的 Pb正異常表明,它們?cè)诔蓭r過程中受到地殼物質(zhì)的(不均勻)混染,這必然導(dǎo)致Sr、Nd同位素比值的變化。所以,薛家石梁-黑山寨雜巖體的成巖過程屬于廣義的 AFC過程(汪洋,2007),而非錢青等(2002)所認(rèn)為的單純分離結(jié)晶演化機(jī)制。反之,雜巖體各巖性之間 Sr、Nd同位素比值的波動(dòng)也不構(gòu)成否定分離結(jié)晶作用的證據(jù)。

黑熊山花崗巖與薛家石梁-黑山寨雜巖體內(nèi)其它巖性之間侵入接觸關(guān)系截然,其巖石地球化學(xué)特征明顯不同于基性巖和高Sr低Y中酸性巖(圖4～6),具有A型花崗巖的特征,屬于Frost and Frost (2011)定義的鐵質(zhì)花崗巖(即:A型花崗巖)(圖6a)?；诖?我們認(rèn)為黑熊山花崗巖是獨(dú)立的殼源巖漿侵位于薛家石梁-黑山寨巖漿房中固結(jié)的產(chǎn)物。黑熊山鐵質(zhì)花崗巖體的形態(tài)表明,其侵位時(shí)巖漿呈熱柱(thermal plume)形式注入薛家石梁-黑山寨巖漿房尚未固結(jié)的上部,然后水平擴(kuò)展形成碗碟狀形態(tài),而在巖漿房下部保留了原始運(yùn)移通道——細(xì)長(zhǎng)的熱柱尾部(plume tail)。相對(duì)于雜巖體中的基性巖和其他中酸性巖,黑熊山鐵質(zhì)花崗巖相對(duì)更虧損Nd、Pb同位素組成,其Th、U相對(duì)于 Nb、Ta和LREE富集,具明顯的Eu負(fù)異常并且相對(duì)虧損中稀土元素(圖7～8,圖4～5)。這些巖石地球化學(xué)特征指示其源巖接近上地殼的成分,且部分熔融殘留相組合中含角閃石。黑熊山鐵質(zhì)花崗巖漿的起源深度應(yīng)大于23 km(0.63 GPa)——薛家石梁-黑山寨巖漿房下部的原始深度,而小于50 km(1.5 GPa)——斜長(zhǎng)石在中酸巖漿體系中的穩(wěn)定壓力范圍上限所對(duì)應(yīng)的深度。正常情況下上地殼厚度小于15 km。因此,黑熊山鐵質(zhì)花崗巖漿是具有上地殼成分組成的源巖在中、下地殼深度的壓力范圍內(nèi)發(fā)生黑云母失水部分熔融的產(chǎn)物。

圖9 薛家石梁-黑山寨雜巖哈克圖解(部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)錢青等,2002;Su et al.2007,圖例同圖2)Fig.9 Harker diagrams for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

4.2 地球動(dòng)力學(xué)意義

薛家石梁-黑山寨雜巖體出露于云蒙山變質(zhì)核雜巖河防口拆離斷層的下盤(西側(cè)),其形成時(shí)代與云蒙山變質(zhì)核雜巖的活動(dòng)起始時(shí)代一致(～125 Ma)(Davis et al.,2001)。野外觀察和巖漿侵位深度的估算結(jié)果表明,該雜巖體在固結(jié)成巖后經(jīng)歷了南東-北西向的掀斜,是變質(zhì)核雜巖下盤在拆離運(yùn)動(dòng)中發(fā)生背形穹彎變形的結(jié)果(程素華和汪洋,2011)。因此,薛家石梁-黑山寨雜巖體是燕山西段地區(qū)造山崩塌開始階段巖漿活動(dòng)的典型代表。

根據(jù)該雜巖體的巖體地質(zhì)、巖石學(xué)、地球化學(xué)和侵位深度信息,可以歸納燕山西段地區(qū)造山崩塌階段的巖漿作用特點(diǎn)如下:(1) 幔源基性巖漿可以在地殼中部通過分離結(jié)晶過程形成硅飽和的高鉀鈣堿性中酸性巖,后者具有高Sr低Y的特征;(2) 與基性-中性巖漿活動(dòng)伴生的鐵質(zhì)花崗巖(即:A型花崗巖)不一定是幔源基性巖漿分離結(jié)晶的直接產(chǎn)物,而更有可能是殼源巖石部分熔融的產(chǎn)物,其起源深度位于地殼中下部;(3) 基性-中性巖漿與鐵質(zhì)花崗巖兩類巖漿形成的時(shí)間間隔在地質(zhì)意義上很短暫;鐵質(zhì)花崗巖漿可以在基性-中性巖漿發(fā)生分異演化的巖漿房尚未完全固結(jié)時(shí)侵入其中。這暗示在造山崩塌階段幔源巖漿加熱中、下地殼導(dǎo)致其發(fā)生部分熔融所需時(shí)間短暫。所以,造山崩塌階段可以形成從基性巖、中性巖到酸性巖的寬譜系火成巖組合,而且其頻數(shù)分布不一定是雙模式(bi-modal)類型。這些火成巖幾乎同時(shí)形成并侵位,構(gòu)成基性巖-高 Sr低 Y中酸性巖-鐵質(zhì)花崗巖共生組合。

具有放射性 Pb同位素強(qiáng)烈虧損同時(shí)又不具備Pb異常的薛家石梁高Ti閃長(zhǎng)巖的出露表明,至少在早白堊世中期(～125 Ma)燕山西段仍然存在虧損放射性Pb同位素的巖石圈地幔,這一事實(shí)不支持部分學(xué)者提出的下地殼與巖石圈地幔整體發(fā)生拆沉的動(dòng)力學(xué)模式。

具有類似埃達(dá)克巖地球化學(xué)性質(zhì)的高Sr低Y中酸性巖(薛家石梁的低 Ti閃長(zhǎng)巖、黑山寨石英二長(zhǎng)巖、湖門二長(zhǎng)巖)可以由基性巖漿通過分離結(jié)晶形成。因此,僅僅依據(jù)地球化學(xué)特征厘定的“C型埃達(dá)克巖”并非全部形成于加厚下地殼的部分熔融過程。同樣,不能簡(jiǎn)單地依據(jù)“C型埃達(dá)克巖”的出現(xiàn)來論證是否存在加厚的地殼。

造山崩塌階段的鐵質(zhì)花崗巖(即:A型花崗巖)并不一定形成于低壓條件(地殼淺部),黑熊山鐵質(zhì)花崗巖的起源深度應(yīng)該在23 km以下。黑熊山鐵質(zhì)花崗巖的源巖具有上地殼的地球化學(xué)特征,暗示在變質(zhì)核雜巖形成之前地殼上部曾經(jīng)顯著增厚,與構(gòu)造地質(zhì)的研究結(jié)果吻合(Davis et al.,2001)。如前所述,以上莊輝長(zhǎng)巖和薛家石梁高Ti閃長(zhǎng)巖為代表的幔源巖漿活動(dòng)與黑熊山鐵質(zhì)花崗巖代表的地殼部分熔融事件的時(shí)間間隔很短。這一事實(shí)表明,在幔源巖漿和變質(zhì)核雜巖形成時(shí)地殼的溫度較高,底侵或內(nèi)侵的幔源巖漿結(jié)晶釋放的能量很快就能使得圍巖的溫度超過其固相線溫度,從而引發(fā)殼源巖石部分熔融作用的發(fā)生。這也就表明,在云蒙山變質(zhì)核雜巖形成之前,燕山西段地區(qū)存在地溫較高的加厚地殼。流變學(xué)研究表明,熱而厚的地殼會(huì)導(dǎo)致巖石圈的整體強(qiáng)度顯著下降(Wang,2001;汪洋和程素華,2011),以至于無法支撐造山帶自身的重量,在重力勢(shì)能的作用下發(fā)生伸展垮塌(Sandiford and Powell,1990)。因此,云蒙山變質(zhì)核雜巖是燕山造山帶由于地殼增厚和增溫導(dǎo)致重力崩塌的構(gòu)造表現(xiàn),而非巖石圈地幔拆沉所導(dǎo)致的伸展響應(yīng)。在后一種動(dòng)力學(xué)背景下,地殼底部和未被拆沉的巖石圈地幔部分的溫度由于直接與軟流圈接觸增加很快,流變學(xué)強(qiáng)度降低,但地殼中部、上部的溫度增加得很慢(汪洋,2006)。在此情況下,殼源巖石部分熔融作用的發(fā)生將滯后于幔源巖漿的活動(dòng)。

綜合上述內(nèi)容,我們歸納早白堊世燕山西段造山崩塌過程的構(gòu)造-巖漿活動(dòng)序列如下:(1) 前期擠壓造山過程導(dǎo)致的地殼增厚和地溫增加,巖石圈強(qiáng)度急劇降低;(2) 在重力勢(shì)能作用下發(fā)生伸展,形成云蒙山變質(zhì)核雜巖;(3) 伸展作用導(dǎo)致的巖石圈地幔發(fā)生減壓熔融——基性巖漿活動(dòng),內(nèi)侵的基性巖漿在地殼內(nèi)的高位巖漿房發(fā)生分異演化,形成一系列中酸性巖;(4) 底侵和內(nèi)侵的基性巖漿加熱下地殼,使其發(fā)生部分熔融,形成鐵質(zhì)花崗巖(A型花崗巖)。(5) 變質(zhì)核雜巖持續(xù)活動(dòng),導(dǎo)致侵位于其拆離斷層下盤的侵入體發(fā)生掀斜。

5 結(jié) 論

本文作者的野外觀察以及角閃石壓力計(jì)估算的巖體侵位深度結(jié)果顯示:薛家石梁-黑山寨雜巖體代表了一個(gè)早白堊世中期(～125 Ma)的巖漿房。巖漿固結(jié)后該巖漿房經(jīng)歷了大角度掀斜,是云蒙山變質(zhì)核雜巖下盤在拆離運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生背形穹彎變形的結(jié)果。

薛家石梁-黑山寨雜巖體巖漿活動(dòng)分為 3批次,第1批次的原始幔源巖漿經(jīng)分異演化形成該雜巖體所包含的堆晶輝長(zhǎng)巖、低Ti輝長(zhǎng)巖、低Ti閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖;在巖漿房未固結(jié)時(shí)第 2批次的高Ti閃長(zhǎng)巖漿注入其中;然后是第3批次的殼源鐵質(zhì)花崗巖漿注入巖漿房上部。薛家石梁-黑山寨雜巖體的高Sr低Y中酸性巖既非王焰和張旗(2001)所認(rèn)為的部分熔融成因,亦不能夠用錢青等(2002)的簡(jiǎn)單分離結(jié)晶機(jī)制來詮釋;它們是基性巖漿分離結(jié)晶過程的同時(shí)受到地殼物質(zhì)混染,最后又經(jīng)歷了高Ti閃長(zhǎng)巖漿注入導(dǎo)致的巖漿混合作用的產(chǎn)物。

薛家石梁-黑山寨雜巖體所含的高 Ti閃長(zhǎng)巖的地球化學(xué)和Sr-Nd-Pb同位素特征指示當(dāng)時(shí)存在虧損放射性Pb同位素的巖石圈地幔,不支持巖石圈拆沉的動(dòng)力學(xué)模式。該雜巖體是燕山造山帶擠壓變形導(dǎo)致的地殼增厚和增溫所引起的重力崩塌過程的巖漿事件響應(yīng)的典型代表。

致謝:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所錢青研究員和另一位匿名審稿人提出了寶貴的修改意見。本文初稿圖件由姚瑤繪制,在此一并表示感謝！

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