馬蘭峪背斜核部中生代侵入巖體鋯石U-Pb年齡、地球化學特征及其構造意義

楊付領 ,牛寶貴,任紀舜*,李 舢

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083;2)中國地質科學院地質研究所,北京 100037

馬蘭峪復式背斜位于燕山造山帶南緣,為一條形成于中生代的東西向構造。河北省地質局區(qū)域地質測量大隊、中國地質科學院地質力學所和中國地質大學的地質工作者曾在這一區(qū)域開展地質填圖或專題研究工作,發(fā)表了一系列有價值的研究成果(河北省地質局區(qū)域地質測量大隊,1966,1970;河北省區(qū)域地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,2000;崔盛芹等,2002;中國地質大學(北京)地質調查研究院,2004;張長厚等,2004ab,2011)。引人注目的是,在馬蘭峪復式背斜核部發(fā)育有一系列呈東西向線狀展布的中生代中酸性侵入巖體,其形成時代從晚三疊世至晚侏羅世均有分布,這些侵入巖體必然與馬蘭峪復式背斜的褶皺過程有著密切的成生聯(lián)系。因此作者以馬蘭峪復式背斜核部的中生代侵入巖體作為研究對象,應用同位素年代學與巖石地球化學技術方法,結合區(qū)域構造,探討馬蘭峪背斜的形成時代、形成過程及其地質構造意義。

馬蘭峪復式背斜地處承德復式向斜之南,西起平谷、東至秦皇島,整體為一近EW向的復式背斜構造,長約110 km,核部寬25～30 km。背斜核部主要指興隆—薊縣一線之東太古界變質結晶基底出露的區(qū)域,在青龍縣以南可見中、新元古界蓋層殘留其上(圖1)。其核部變質巖系主要為角閃斜長片麻巖,被沿復背斜核部分布的一系列中生代中酸性巖體侵入。背斜兩翼地層基本對稱,分別向南、北傾斜,中、新元古界至古生界地臺蓋層發(fā)育有次一級褶曲,如南翼的東蓮花院背斜,構造線方向與背斜軸基本平行,組成一完整的復式背斜形態(tài)。背斜南翼多處可見中元古界長城系常州溝組底部紅褐色石英巖狀砂巖角度不整合于太古界片麻巖之上,北翼由于斷層破壞,僅在興隆之南背斜傾伏端,可見常州溝組底部暗紅色砂礫巖角度不整合于太古代基底巖石之上。

圖1 馬蘭峪地區(qū)地質簡圖(據(jù)河北省地質礦產(chǎn)局,1989修改)Fig.1 Geological sketch map of Malanyu area (modified after Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources,1989)

表1 樣品位置、礦物組成特征Table 1 Sampling locations and mineral composition of the Mesozoic intrusive bodies

中生代陸相上疊盆地沉積主要分布于馬蘭峪背斜兩翼和承德復向斜,進一步可劃分為先后三個世代(徐剛等,2006)。第一世代,由早侏羅世杏石口組、南大嶺組和下花園組地層構成,自下而上為一套砂巖、礫巖,基性至中性火山巖和含煤巖系組成的盆地充填地層,早中三疊世紫紅色長石巖屑砂巖被早侏羅世杏石口組微角度不整合覆蓋;第二世代,由九龍山組、髫髻山組和土城子組盆地充填巖系構成,時代為中—晚侏羅世包括早白堊世初期部分地層,分布廣泛。在背斜北翼中北部前中侏羅世褶皺地層大范圍掩覆于盆地充填地層之下,中侏羅世晚期九龍山組或髫髻山組角度不整合于早侏羅世杏石口組或下花園組地層之上并超覆于中、新元古界和古生界地臺蓋層之上;第三世代,由早白堊世張家口組火山巖或義縣組構成,不整合于一切老地質體之上。上述中生代地層間的三個不整合面分別代表了中生代印支運動與燕山運動Ⅰ幕和Ⅱ幕,區(qū)域內,由這三期造山作用所形成的構造線方向均為近東西走向,其褶皺構造具顯著的同軸疊加特點。結合灤平盆地和承德盆地張家口組底部時代確定為136～135 Ma(牛寶貴等,2003;趙越等,2004),可以基本限定燕山Ⅱ幕造山作用結束的時間應在晚侏羅世—早白堊世初(135 Ma之前)。

馬蘭峪背斜核部的中生代巖漿巖帶自西向東主要由麻地、王坪石、茅山、前分水嶺、羅文峪、高家店、青山口、賈家山、肖營子和都山以及分布于其間的數(shù)個小巖體組成(圖1)。巖體形態(tài)多為橢圓狀,長軸與背斜軸基本平行,大部分巖體為復式巖體。近些年,分布于背斜核部東段與成礦密切相關的侵入巖體獲得了較好的年代學數(shù)據(jù)(羅鎮(zhèn)寬等,2001a,b,2003;張長厚等,2004a;郭少豐等,2009;李強等,2012;陸繼龍等,2012;葉浩等,2014),而其它非成礦巖體的年代學與巖石地球化學報道較少,雖也有一些年齡數(shù)據(jù),但多采用K-Ar或Rb-Sr等技術手段測試得到,精度不高且差異大。因此,分析每個巖體的形成年齡,研究其形成的構造條件不僅對認識馬蘭峪背斜的形成,而且對燕山地區(qū)中生代構造演化過程均具有重要的意義。本文采用LA-MC-ICP-MS鋯石原位微區(qū)定年技術分析部分巖體的形成時代,用于分析的樣品采樣位置及詳細信息見圖1和表1。

1 主要巖體的U-Pb年齡和地球化學特征

1.1 分析方法

樣品主量元素和微量元素分析在核工業(yè)北京地質研究院分析測試研究中心完成。主量元素分析采用 X射線熒光光譜儀(XRF)分析,測試精密度RSD<2%～8%。微量元素分析采用 XR電感耦合等離子體質譜分析(ICP MS),測試精密度RSD<10%。

鋯石 U-Pb同位素分析在天津地質礦產(chǎn)研究所同位素實驗室完成。使用激光燒蝕多接收器電感耦合等離子體質譜儀(LA-MC-ICP MS),激光器為美國ESI公司生產(chǎn)的UP193-FXArF準分子激光器,激光波長193 nm,脈沖寬度5 ns,束斑直徑為35 μm,脈沖頻率8～10 Hz。激光剝蝕物質以He為載氣送入Neptune,利用動態(tài)變焦擴大色散可以同時接收質量數(shù)相差很大的U-Pb同位素,進行鋯石U-Pb同位素原位測定。采用中國地質大學劉勇勝博士研發(fā)的ICP MS DataCal程序和 Kenneth R1 Ludwig的Isoplot程序進行數(shù)據(jù)處理,208Pb校正法對普通鉛進行校正,利用SRM610玻璃標樣作為外標計算鋯石樣品的Pb、U、Th含量。

1.2 鋯石U-Pb年齡

6件樣品中鋯石顆粒晶型均完整,主要為柱狀、橢圓狀或短柱狀,晶體粒徑變化于40～200 μm之間,鋯石均具有典型的巖漿生長振蕩環(huán)帶結構(圖2)。

根據(jù)宋彪等(2008)的研究認為:“通常,一個巖體樣品中鋯石成因復雜,有巖漿侵位過程中形成的,亦有捕獲的,各自具有不同的年齡和意義,實際上,一個樣品中鋯石測定得足夠多,那么其中最年輕顆粒的年齡就最接近巖體最后的形成時間,即巖體結晶冷卻時間”。鑒于本區(qū)巖體有相當一部分為晚三疊世—侏羅紀印支—燕山階段多期次侵入形成的復式巖體,這在野外和以往的定年研究已得到證實;另本次測試樣品中還出現(xiàn)有連續(xù)的鋯石年齡,這很可能是由巖體在深部滯留期間連續(xù)結晶所致,故選取其中最年輕的若干顆粒的206Pb/238U年齡加權平均值作為巖體最終形成或結晶年齡。

圖2 測年鋯石陰極發(fā)光圖像(圓圈為激光剝蝕位置)Fig.2 Cathodoluminescence (CL) images of representative zircons (small circles are LA-MC-ICP-MS U-Pb analysis spots.)

王坪石巖體二長花崗巖(Mly-8),共測試 30粒鋯石獲得30個數(shù)據(jù),其中1、15號點數(shù)據(jù)偏離U-Pb諧和線且206Pb/238U和207Pb/235U年齡差異大;其余數(shù)據(jù)在 U-Pb諧和圖中的投影位置落于諧和線或附近(圖3A),鋯石206Pb/238U年齡大致可分為5組(圖3a),按照上述觀點,取其最年輕的一組(5、6、9、12、13、19、21、29)8粒鋯石206Pb/238U年齡介于164～158 Ma之間,給出的加權平均值為(162.3±1.3) Ma,作為該巖體二長花崗巖的結晶年齡;其余4組年齡相對偏老,依直方圖的概率曲線確定其峰值年齡分別為191 Ma、180 Ma、172 Ma和167 Ma,為繼承鋯石的年齡。

前分水嶺巖體二長花崗巖(Mly-19),共測試 30粒鋯石獲得的30個數(shù)據(jù)在U-Pb諧和圖中的投影位置落于諧和線或附近(圖3B),鋯石206Pb/238U年齡大致可分為4組(圖3b),同上述觀點,取其最年輕的一組(9、13、26)3粒鋯石206Pb/238U年齡介于 155～153 Ma之間,給出的加權平均值為(153.8±2.7) Ma,作為該巖體二長花崗巖的結晶年齡;其余3組年齡相對偏老,依直方圖的概率曲線確定其峰值年齡分別為178 Ma、170 Ma和164 Ma,為繼承鋯石的年齡。

英譯文：After going through a system of analysis,the Dou Qi rankings in the Dou Qi Continent got split into four different classes-Tian,Di,Xuan,Huang and every class was split further into Beginner,Medium and High ranks!

茅山巖體二長花崗巖(Mly-20),共測試26粒鋯石獲得的26個數(shù)據(jù)在U-Pb諧和圖中的投影位置落于諧和線或附近(圖 3C),鋯石206Pb/238U年齡大致可分為3組(圖3c),取其最年輕的一組(18、22)2粒鋯石206Pb/238U年齡介于164～161 Ma之間,給出的加權平均值為(162.7±1.5) Ma,作為該巖體二長花崗巖結晶年齡;其余 2組年齡相對偏老,依直方圖的概率曲線確定其峰值年齡分別為 176 Ma和170 Ma,為繼承鋯石的年齡。

高家店巖體石英閃長巖(Mly-27),共測試32粒鋯石獲得32個數(shù)據(jù),其中8、10、19、30、32號點數(shù)據(jù)偏離U-Pb諧和線且206Pb/238U和207Pb/235U年齡差異大;其余數(shù)據(jù)在 U-Pb諧和圖中的投影位置落于諧和線或附近(圖 3D),鋯石206Pb/238U年齡大致可分為3組(圖3d),取其最年輕的一組(2、3、5～7、9、12～15、17、21、24、28)14粒鋯石206Pb/238U年齡介于 174～164 Ma之間,給出的加權平均值為(170.5±1.8) Ma,作為該巖體石英閃長巖的結晶年齡;其余 2組年齡相對偏老,依直方圖的概率曲線確定其峰值年齡分別為186 Ma和176 Ma,為繼承鋯石的年齡。

圖3 鋯石U-Pb諧和圖和年齡頻率分布圖Fig.3 U-Pb concordia and probability diagrams of zircon 206Pb/238U ages

肖營子巖體鉀長花崗巖(Mly-32),共測試32粒鋯石獲得32個數(shù)據(jù),其中4、11、13、16號點數(shù)據(jù)偏離U-Pb諧和線且206Pb/238U和207Pb/235U年齡差異大;其余數(shù)據(jù)在 U-Pb諧和圖中的投影位置落于諧和線或附近(圖3E),鋯石206Pb/238U年齡大致可分為3組(圖3e),取其最年輕的一組(1、3、6～8、12、14、17、20、21、23、25、27～29、31)16 粒鋯石206Pb/238U年齡介于 191～183 Ma之間,給出的加權平均值為(186.8±1.3) Ma,作為該巖體鉀長花崗巖的結晶年齡;其余 2組年齡相對偏老,依直方圖的概率曲線確定其峰值年齡分別為201 Ma和193 Ma,為繼承鋯石的年齡。

圖4 稀土元素球粒隕石標準化配分圖(A)和微量元素原始地幔標準化蜘蛛圖解(B) (球粒隕石和原始地幔標準數(shù)據(jù)參考Sun et al.,1989;圖中虛線為閃長巖,實線為花崗巖)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (A) and primitive mantle-normalized spidergrams (B) of the intrusive bodies from the core of the Malanyu anticline (the values of chondrite and primitive mantle are from Sun et al.,1989;Solid lines represent the granite,and dotted line represents diorite)

肖營子巖體花崗閃長巖(Mly-39),共測試31粒鋯石獲得的31個數(shù)據(jù)在U-Pb諧和圖中的投影位置落于諧和線或附近(圖3F),鋯石206Pb/238U年齡大致可分為3組(圖3f),取其最年輕的一組(21～25、28)6粒鋯石206Pb/238U年齡介于166～161 Ma之間,給出的加權平均值為(164.6±2.2) Ma,作為該巖體花崗閃長巖的結晶年齡;其余 2組年齡相對偏老,依直方圖的概率曲線確定其峰值年齡分別為175 Ma和170 Ma,為繼承鋯石的年齡。

1.3 巖體地球化學特征

馬蘭峪背斜核部中生代中酸性侵入巖體總體上可分為閃長巖類和花崗巖類。閃長巖總體表現(xiàn)為低Si(SiO2=55.28%～66.26%)、Mg(MgO=1.6%～3.17%),高Al(Al2O3=16.17%～16.57%)、Ga(CaO=3.03%～6.22%),K2O/Na2O比＜1,A/CNK值＜1,為準鋁質;花崗巖總體表現(xiàn)為高Si(SiO2=73.57%～75.77%)、Al(Al2O3=12.97%～14.62%)、Ga(CaO=0.47%～1.07%),低Mg(MgO=0.14%～0.29%),K2O/Na2O比≈1,A/CNK值＞1,為偏鋁質。對于同一巖體不同巖性單元,隨著 SiO2含量的增加,K2O表現(xiàn)為一致增加,其余各主量元素均表現(xiàn)為一致減少,顯示出巖漿分異特征。巖體稀土總量總體偏低(∑REE=82×10-6～349×10-6,平均 155×10-6),在稀土元素球粒隕石標準化圖中(圖4A),各巖體配分曲線相似,均表現(xiàn)為左陡右緩的輕稀土元素富集、重稀土元素虧損型式((La/Yb)N=3.53～44.32,平均18.98),具有不明顯或弱 Eu負異常,其中花崗巖類較閃長巖類 Eu負異常明顯。微量元素原始地幔標準化圖中(圖4B),各巖體具有相似配分曲線特征,K、Pb大離子親石元素富集,Nb、Ta、P、Ti、Zr等高場強元素虧損。另閃長巖的 Ba(339×10-6～1806×10-6,平均1067×10-6)、Sr(106×10-6～980×10-6,平均402×10-6)均高于一般花崗巖的Ba、Sr含量,表現(xiàn)為高Ba-Sr的特點。

2 討論

通過以上工作我們得到了馬蘭峪背斜核部中生代侵入巖體的年代學和地球化學的基本特征,在此基礎上,本文結合區(qū)域構造和前人研究成果,探討馬蘭峪背斜的形成時代、形成過程及其大地構造意義。

表2 馬蘭峪背斜核部中生代侵入巖體同位素年齡表Table 2 Isotope ages of the Mesozoic intrusive bodies from the core of the Malanyu anticline

根據(jù)上述獲得幾個巖體的鋯石U-Pb年齡,得出各巖體侵位結晶年齡由老至新依次為:前分水嶺二長花崗巖為(153.8±2.7) Ma,茅山二長花崗巖為(162.7±1.5) Ma,王 坪 石 二 長 花 崗 巖 為 (162.3±1.3) Ma,肖營子花崗閃長巖為(164.6±2.2) Ma,高家店二長閃長巖為(170.5±1.8) Ma,肖營子鉀長花崗巖(186.8±1.3) Ma;各巖體的繼承巖漿鋯石的峰值年齡可進一步歸納為167～164 Ma、172～170 Ma、180～175 Ma 和201～186 Ma幾組(圖3)。這一結果基本反映了馬蘭峪背斜核部花崗質巖漿活動的時代范圍,與前人研究成果可互為印證與補充(Zhang et al.,2014),并可將馬蘭峪背斜核部中生代侵入巖體時代大致分別歸屬于印支期(224～186 Ma)和燕山期(180～153 Ma)(表2),以燕山期為主,與區(qū)域內構造運動完全協(xié)調一致。這也反映了馬蘭峪復式背斜開始形成于印支期,并最終完成于燕山期,期間伴隨與構造活動協(xié)調一致的巖漿活動。

區(qū)域地質填圖和專題研究表明,馬蘭峪背斜是水平擠壓背景下形成的基底結晶巖系與蓋層共同卷入褶皺作用的厚皮式構造,構造作用使地殼加厚到近 50 km(河北省地質局區(qū)域地質測量大隊,1966;Chen,1998;李海龍等,2008;張長厚等,2011)。一些學者分析了馬蘭峪背斜核部巖體以及這一區(qū)域中生代高鍶花崗巖和中晚侏羅世髫髻山組火山巖地球化學特征認為其形成于陸內造山擠壓環(huán)境,巖漿應來源于下地殼古老變質巖,同時有地幔物質的加入(李伍平等,2004,2007;劉紅濤等,2002;李承東等,2004;馬君,2009;李小偉等,2010;Li et al.,2013;葉浩等,2014)。本文所列舉的馬蘭峪背斜核部侵入巖體具有相似微量元素配分模式、左陡右傾型的稀土元素配分曲線、不明顯或弱的 Eu負異常以及部分巖體具有高Ba-Sr花崗巖特征表明其巖漿確實來源于加厚的下地殼,具有殼?；旌咸卣?。野外可見王坪石巖體鉀長花崗巖、高家店二長閃長巖和肖營子花崗斑巖中有暗色包體出現(xiàn)也指示了殼?；旌献饔?。上述事實說明馬蘭峪背斜在其形成過程中,其構造作用已觸及下地殼并引起上地幔頂部物質運動,上地幔物質的底侵作用使下地殼物質部分熔融,使得以花崗巖等為主體的中酸性巖漿沿背斜核部不斷侵入。因此,馬蘭峪背斜形成過程,不僅是地殼表層物質的運動,而且涉及下地殼甚至上地幔部分的構造巖漿作用過程。

除劇烈的地殼褶皺作用外,燕山及其北側的內蒙地軸還發(fā)育有規(guī)模巨大的深部斷裂,由北向南有康?！獓鷪鰯嗔褞Ш统喑恰』瘮嗔褞У?。北緣康?！獓鷪鰯嗔言?70～250 Ma、230～210 Ma均具強烈的深層次韌性剪切變形(Wang et al.,2013);赤城—隆化斷裂帶也經(jīng)歷了多次斷裂活動:263～252 Ma、244～233 Ma、180～162 Ma(王瑜,1994;胡玲等,2002;Wang et al.,2013),斷裂作用形成的糜棱巖的變質程度已達到高綠片巖相的變質條件,表明其形成深度也已達到中、下地殼。

從燕山地區(qū)中生代的沉積-火山巖地層序列看出,燕山地區(qū)中、晚三疊世時曾經(jīng)受了印支造山運動,伴有大量花崗巖侵入,之后南大嶺火山巖噴出。侏羅紀時期,以九龍山組或髫髻山組之下角度不整合為其上限,和以張家口組之下的角度不整合為其上限的兩個不整合面為界限的燕山運動兩幕造山作用均發(fā)育強烈火山作用和大量花崗巖侵入。這就充分說明了燕山造山帶是涉及全地殼的一個構造-巖漿活動帶,中生代的構造運動使得這里的大陸地殼卷入造山作用中,完全改變了這里大陸殼原來的穩(wěn)定狀態(tài),進入一個構造-巖漿活化的新階段,即濱太平洋構造-巖漿活化的新階段(任紀舜等,1980,1990,1999;劉鳳山等,1998;李秋生等,2008)

3 結論

通過對馬蘭峪復式背斜核部中生代侵入巖體的鋯石 U-Pb定年分析認為,背斜核部中生代侵入巖形成時期大致可分為印支期和燕山期,與區(qū)域內構造作用完全同步。侵入巖地球化學特征表明其巖漿可能來源于上地幔物質底侵引起下地殼基性巖石部分熔融。這說明馬蘭峪復式背斜并不僅是印支造山運動的產(chǎn)物,而是開始形成于印支期,最終完成于燕山期;說明燕山地區(qū)中生代的構造運動并不僅是地殼表層的構造作用,而是涉及下地殼甚至上地幔的構造運動,它使燕山地區(qū)大陸地殼由原來穩(wěn)定的克拉通狀態(tài)進入一個構造-巖漿活化的新階段。

致謝:感謝中國地質科學院地質研究所任留東研究員檢查了巖石薄片;劉建峰、張維、周麗云博士對巖石地化數(shù)據(jù)和 U-Pb測年數(shù)據(jù)處理的指導;宋彪研究員對鋯石 U-Pb測年數(shù)據(jù)處理的指導及對本文提出了建設性的修改意見。感謝中國地震局地質研究所王艷楠同學對本文測試工作的幫助。感謝審稿專家提出的建議。

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