華北克拉通西部臨縣紫金山堿性巖體地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

郭喜運(yùn)

(山西省礦產(chǎn)資源調(diào)查監(jiān)測中心，太原 030024)

0 引言

堿性巖主要分布于構(gòu)造活動(dòng)相對穩(wěn)定的地區(qū)及裂谷帶，是一種分布稀少、產(chǎn)出地質(zhì)環(huán)境特殊的巖石類型，常產(chǎn)出于巖石圈拉張環(huán)境，具有深源淺成特點(diǎn)，對此類特殊巖石的研究在探索地球深部物質(zhì)組成、演化和深部動(dòng)力學(xué)過程方面具有重要意義[1-2]。

紫金山巖體是我國最早發(fā)現(xiàn)的堿性巖體之一，位于山西省臨縣北西向約20 km處，前人對該巖體地質(zhì)調(diào)查工作開始于20世紀(jì)50年代，主要是對巖體進(jìn)行不同目的的巖石學(xué)研究和找礦工作，為巖體的后續(xù)研究打下了良好的基礎(chǔ)。近年來，基于巖體進(jìn)行的高精度測年工作指示巖體為早白堊世巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物[3-8]，但在巖石類型和巖漿活動(dòng)期次劃分上存在不同觀點(diǎn)[9-11]，相關(guān)巖石地球化學(xué)研究方面系統(tǒng)程度存在欠缺[7-8,12]。本文依托紫金山堿性巖體1∶1萬大比例尺路線地質(zhì)調(diào)查和剖面實(shí)測工作，通過系統(tǒng)采樣進(jìn)行巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)分析并對巖體物質(zhì)來源進(jìn)行探討，同時(shí)結(jié)合區(qū)域上同時(shí)期分布的堿性、偏堿性巖體特征，揭示華北中西部早白堊世堿性巖漿活動(dòng)與華北克拉通破壞的關(guān)系。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)處于呂梁山脈中段西翼，大地構(gòu)造位置為鄂爾多斯盆地和呂梁造山隆起帶結(jié)合部位的晉西撓褶帶內(nèi)，東側(cè)靠近區(qū)域性大型斷裂——離石斷裂帶。區(qū)域上出露的變質(zhì)地層有新太古界界河口巖群和古元古界滹沱系野雞山群、黑茶山群。沉積蓋層有：中元古界長城系和下古生界寒武系、奧陶系，同為一套陸表海碎屑巖-碳酸鹽巖建造；上古生界石炭系、二疊系，為一套海陸交互相含煤建造-陸相碎屑巖、泥質(zhì)巖建造，其底界與下古生界奧陶系馬家溝組五段呈平行不整合接觸；中生界三疊系為一套陸相河湖相沉積；新生界大面積分布(圖1)。斷層集中分布于呂梁造山隆起帶和鄂爾多斯盆地交匯的離石斷裂帶附近，除個(gè)別斷層延伸穩(wěn)定外，其他斷層規(guī)模較小。斷層總體以近SN向、NNE向?yàn)橹?，形成了一系列NNE向壓性斷裂及線狀褶皺組合。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)主要分為兩期：一期以新太古代變質(zhì)深成巖為主，主體巖性為黑云斜長片麻巖；另一期巖漿活動(dòng)以中生代的紫金山堿性巖體為代表。

圖1 區(qū)域地質(zhì)簡圖(底圖據(jù)1∶50萬地質(zhì)圖修改)Fig.1 Regional geological sketch map(according to 1∶500 000 geological map)

2 紫金山巖體地質(zhì)特征

紫金山巖體為前期巖漿侵入和后期火山噴發(fā)形成的雜巖體，具有明顯環(huán)帶分布特征，圍巖地層為三疊系二馬營組，出露面積約24.25 km2(圖2)。巖體侵入階段涵蓋3個(gè)巖漿活動(dòng)期次，先后有二長巖類(Ⅰ期)、霓輝正長巖類(Ⅱ期)、霞石正長巖類(Ⅲ期)產(chǎn)生，侵入巖構(gòu)成雜巖體的外帶；火山噴發(fā)階段主要為2個(gè)期次，先后有粗面質(zhì)火山角礫巖(Ⅳ期)、響巖質(zhì)火山角礫巖(Ⅴ期)產(chǎn)生，噴出巖構(gòu)成雜巖體的內(nèi)帶，外帶形成時(shí)間比內(nèi)帶早。巖石礦物成分中以出現(xiàn)似長石和堿性暗色礦物(霓石、霓輝石)為特征。霓輝黑云黑榴石巖呈捕虜體賦存于霞石正長巖和霓輝正長巖接觸帶附近。

圖2 紫金山堿性巖體地質(zhì)簡圖(據(jù)1∶5萬地質(zhì)圖修改)Fig.2 Geological sketch map of Zijinshan alkaline rocks(according to 1∶50 000 geological map)

粗面質(zhì)火山角礫巖和響巖質(zhì)火山角礫巖主體為一套角礫狀地質(zhì)體，其平面呈近圓筒狀和不規(guī)則封閉狀。局部地段粗面質(zhì)火山角礫巖與正長巖類接觸部位產(chǎn)狀較陡，傾角約50°，向火山角礫巖方向傾斜。粗面質(zhì)火山角礫巖具有大量的圍巖角礫，角礫分布不勻，成分主要有霞石正長巖、假白榴霞石正長巖、二長巖、砂巖等，膠結(jié)物為凝灰質(zhì)。響巖質(zhì)火山角礫巖為巖體核心，巖石角礫成分更為復(fù)雜多樣，其成分涵蓋早期侵入階段所有巖石類型及圍巖地層成分，粒級跨度大，集塊大者1 m以上，局部地段呈現(xiàn)集塊、角礫、凝灰粒度變細(xì)的規(guī)律性變化，部分角礫邊緣發(fā)育有烘烤邊，角礫含量10%～30%。大度山西南沿響巖質(zhì)角礫巖和粗面質(zhì)角礫巖的界線產(chǎn)狀陡峭，局部地段可見流動(dòng)構(gòu)造和火山凝灰降落堆積層理。鴿子崖一帶的火山角礫巖保留有“氣室”構(gòu)造(圖3(a))，該構(gòu)造大小數(shù)米不等，大者在10 m以上，小者約2 m，其長軸方向鉛直，氣室中部無充填，推斷火山活動(dòng)時(shí)期巖漿固結(jié)過程中析出大量富揮發(fā)性組分在局部空間中封閉，在經(jīng)過漫長地質(zhì)歷史地殼抬升中出露地表，由固結(jié)疏松部分遭剝蝕崩塌而形成?；鹕浇堑[巖巖石類型及產(chǎn)狀形態(tài)特征符合火山頸相特征。

(a)火山“氣室”構(gòu)造 (b)二長巖宏觀特征 (c)粗面質(zhì)火山角礫巖宏觀特征

(d)角閃二長斑巖鏡下照片 (e)霞石霓輝正長巖鏡下照片 (f)霓輝霞石正長巖鏡下照片Pl.斜長石;Hb.普通角閃石;Or.正長石;Aea.霓輝石;Ne.霞石;Bi.黑云母圖3 紫金山堿性巖體宏觀地質(zhì)構(gòu)造、巖石野外及顯微照片F(xiàn)ig.3 Macroscopic geological structure,field photographs and microphotographs of Zijinshan alkaline rocks

3 巖石學(xué)特征

(1)二長巖類。主要分布在巖體外側(cè)，面積廣泛，主要包含細(xì)粒二長巖、粗粒二長巖、二長斑巖(圖3(b))，巖石呈淺灰色、灰白色，具似斑狀結(jié)構(gòu)、二長結(jié)構(gòu)、粒狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育塊狀、似粗面狀及流線構(gòu)造。主要礦物為正長石、斜長石、霓輝石，次要礦物為角閃石、黑云母，偶見石英(圖3(d))。

(2)霓輝正長巖類。呈半弧狀構(gòu)成環(huán)狀巖體第二環(huán)，主要包含霓輝正長巖、含霞霓輝正長巖等。巖石呈灰黑色、深灰綠色，具中粒結(jié)構(gòu)、似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物有正長石、霓輝石(圖3(e))，次要礦物有斜長石、角閃石、黑云母。輝石晶體的邊緣部分綠色色調(diào)較濃，含霓石分子較多。

(3)霞石正長巖類。地表輪廓呈向南東開口的半環(huán)狀，主要包含花崗狀霞石正長巖、假白榴石霞石正長巖、黑榴石霓輝霞石正長巖，巖石呈灰色、灰黑色，具等粒、似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物有正長石、霞石、霓輝石、黑榴石和金云母。部分巖石中含有斑晶，斑晶主要為長石、霞石(圖3(f))。霓輝石常呈它形粒狀，交代作用強(qiáng)烈者發(fā)育深綠色反應(yīng)邊。

(4)粗面質(zhì)火山角礫巖。巖石呈淺灰綠、灰黃色，發(fā)育角礫狀構(gòu)造，角礫成分主要涵蓋早期侵入巖及圍巖地層砂巖等，大小不一，多具棱角(圖3(c))。膠結(jié)物主要礦物有斑晶正長石、基質(zhì)正長石及霓輝石，次要礦物有榍石、磷灰石。

(5)響巖質(zhì)火山角礫巖。為巖體核心，總體呈圓桶狀或不完整蘑菇狀。巖石呈灰綠、黃褐色，角礫狀構(gòu)造，主要由角礫和膠結(jié)物組成。角礫呈不規(guī)則狀、次棱角狀，大小不一，成分復(fù)雜多樣，涵蓋各期次巖石及脈體；基質(zhì)成分為正長石、晶屑、褐鐵礦、脫?；瘔A性玻璃質(zhì)等。巖石中響巖質(zhì)角礫占主體，含量約45%，粗面質(zhì)角礫次之，含量約10%。

4 樣品采集測試

研究區(qū)共采集不同期次巖石樣品10塊，其中二長巖類樣品3塊，霓輝正長巖類樣品2塊，霞石正長巖類樣品2塊，粗面質(zhì)火山角礫巖樣品2塊，響巖質(zhì)火山角礫巖樣品1塊。制作巖石薄片進(jìn)行巖礦鑒定后，選取對應(yīng)巖石新鮮部位在破碎機(jī)中破碎，然后經(jīng)球磨儀加工成200目以下的巖粉。對巖粉進(jìn)行化學(xué)分析，主量元素分析測試在太原礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，樣品采用S2原子吸收分光光度計(jì)和723P分光光度計(jì)分析測試，檢測溫度20 ℃，濕度48%RH，分析精度優(yōu)于5%；微量和稀土元素分析測試在武漢綜合巖礦測試中心完成，樣品采用X熒光光譜儀(XRF-1800)、等離子體發(fā)射光譜儀(ICAP6300)、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X7)進(jìn)行分析測試，檢測溫度25 ℃，濕度50%RH，分析精度優(yōu)于10%。

5 地球化學(xué)特征

5.1 主量元素

紫金山堿性巖體主量元素分析結(jié)果見表1。巖石樣品SiO2含量為52.4%～60.94%，顯示低硅特點(diǎn)。K2O含量為4.01%～14.56%，Na2O含量為0.13%～6.63%，全堿(Na2O+K2O)含量為8.52%～16.25%，K2O/Na2O為0.80～110.62，具有富堿、高鉀的特點(diǎn)。CaO含量為0.24%～6.83%，MgO含量為0.23%～2.08%，Al2O3含量為14.7%～22.6%；所有樣品里特曼指數(shù)σ大于4，且w(K2O)>w(Na2O)，為鉀質(zhì)堿性巖類。紫金山巖體主要為一系列中性巖石組合，在TAS分類圖解(圖4左)中，樣品投影點(diǎn)全部位于Ir分界線上方，屬于堿性巖石系列。二長巖類樣品全部投影在二長巖區(qū)；霓輝正長巖類樣品投影在副長石二長正長巖區(qū)；霞石正長巖類樣品投影在副長正長巖區(qū)；粗面質(zhì)火山角礫巖類、響巖質(zhì)火山角礫巖類投影在響巖區(qū)。紫金山堿性巖體K2O-SiO2圖解(圖4右)中樣品投影在鉀玄巖系列區(qū)域。

表1 紫金山堿性巖體主量元素、微量元素分析結(jié)果Tab.1 Major elements and trace elements compositions of Zijinshan alkaline rocks

(續(xù)表)

深成巖:1.橄欖輝長巖;2a.堿性輝長巖;2b.亞堿性輝長巖;3.輝長閃長巖;4.閃長巖;5.花崗閃長巖;6.花崗巖;7.硅英巖;8.二長輝長巖;9.二長閃長巖;10.二長巖;11.石英二長巖;12.正長巖;13.副長石輝長巖;14.副長石二長閃長巖;15.副長石二長正長巖;16.副長正長巖;17.副長深成巖;18.霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖火山巖:1.苦橄玄武巖;2.玄武巖;3.玄武安山巖;4.安山巖;5.英安巖;6.流紋巖;7.英石巖;8.粗面玄武巖;9.玄武巖質(zhì)粗面安山巖;10.粗面安山巖;11.粗面英安巖;12.粗面巖;13.堿玄巖;14.響巖質(zhì)堿玄巖;15.堿玄質(zhì)響巖;16.響巖;17.副長火山巖;18.方鈉巖/霞石巖/純白榴巖圖4 紫金山堿性巖體TAS圖解(左)和K2O-SiO2圖解(右)[13-14]Fig.4 TAS diagram (left) and K2O-SiO2 diagram (right) of Zijinshan alkaline rocks[13-14]

5.2 稀土元素和微量元素

巖體稀土元素和微量元素含量及有關(guān)參數(shù)比值見表1。稀土元素總量∑REE值為73.97×10-6～236.34×10-6，平均值163.45×10-6，稀土元素總量中等偏高。輕稀土元素含量LREE值為69.21×10-6～218.98×10-6，重稀土元素含量HREE值為3.97×10-6～20.12×10-6，輕重稀土元素含量比值LREE/HREE為7.41～44.63，(La/Yb)N值為9.06～78.68，表明輕重稀土元素分餾較強(qiáng)烈。δEu為0.67～1.31，平均為0.97。稀土元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖(圖5左)表現(xiàn)出輕稀土元素相對富集、重稀土元素相對虧損的右傾分布特征，Eu異常不明顯。

圖5 紫金山巖體稀土元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化分布型式(左)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(右)[15]Fig.5 Primitive mantle-normalized REE patterns (left) and primitive mantle-normalized trace elements spidergram (right) of Zijinshan alkaline rocks[15]

微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖5右)各樣品曲線總體表現(xiàn)為整體右傾的不相容元素分布型式，Rb、Ba、K、Pb、Sr、Zr和Hf等元素明顯富集，呈隆起狀態(tài)，Th、Nb、Ta、La、Ce、Nd、P和Ti等元素明顯虧損，總體上巖石相對富集大離子親石元素，虧損高場強(qiáng)元素。

6 討論

6.1 紫金山堿性巖體物質(zhì)來源與巖漿演化

紫金山堿性巖體侵入最新地層為三疊系二馬營組，將巖漿熱事件限定于三疊紀(jì)之后。巖體積累了較多高精度測年數(shù)據(jù)，測年方法為LA-ICP-MS鋯石U-Pb和SHRIMP鋯石U-Pb測年，其中二長巖類(次透輝二長巖、二長巖)年齡為(136.7±6.5) Ma[3]、(138.7±6.5) Ma[4]、(134.7±1.5) Ma[5]，霓輝正長巖類(霞霓次透輝正長巖)年齡為(137.7±2.7) Ma[3]，霞石正長巖類(霓霞正長巖、霞石正長巖)年齡為(127.2±2.7) Ma[6]、(138.3±1.1) Ma[7]，粗面質(zhì)火山巖角礫巖(粗面質(zhì)安山巖)年齡為(125±6.7) Ma[8]。測年結(jié)果顯示紫金山堿性巖體主體為早白堊世巖漿活動(dòng)產(chǎn)物。

圖6 紫金山堿性巖體lg -lg δ(左)與Th/Yb-Ta/Yb圖解(右)[23-24]Fig.6 lg -lg δ diagram (left) and Th/Yb-Ta/Yb diagram (right) of Zijinshan alkaline rocks[23-24]

哈克圖解可反映巖漿巖成分的相關(guān)性和巖漿演化趨勢，由同源巖漿分異的一系列巖石在哈克圖解中的投影具有良好相關(guān)性[25]。紫金山巖體哈克圖解(圖7)顯示紫金山巖體巖石SiO2呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，各主量元素與SiO2間不存在明顯線性關(guān)系，僅在部分相鄰期次火成巖間具有一定相關(guān)關(guān)系，表明紫金山巖體演化過程中巖漿分異作用不占主導(dǎo)地位。La/Sm-La圖解(圖8)能較好地區(qū)分出分離結(jié)晶和部分熔融作用過程[26]，在該圖解中樣品投影點(diǎn)與部分熔融趨勢線方向較為一致。

圖7-1 紫金山巖體哈克圖解Fig.7-1 Harker diagrams of Zijinshan alkaline rocks

圖7-2 紫金山巖體哈克圖解Fig.7-2 Harker diagrams of Zijinshan alkaline rocks

圖8 紫金山巖體La/Sm-La圖解[26]Fig.8 La/Sm-La diagram of Zijinshan alkaline rocks[26]

綜上，從巖石地球化學(xué)角度推斷紫金山堿性巖體物質(zhì)來源于幔源巖漿，巖漿源區(qū)中富含石榴石，缺少或者不含斜長石，巖漿演化機(jī)制以部分熔融作用占主導(dǎo)地位且存在殼源物質(zhì)參與。

6.2 華北中部早白堊世堿性巖漿活動(dòng)與華北克拉通破壞關(guān)系

華北中部山西境內(nèi)存在多個(gè)早白堊世堿性-偏堿性巖體，主要包括紫金山堿性巖體，狐偃山堿性、偏堿性雜巖體群，塔兒山—二峰山堿性、偏堿性巖體群，平順陵川(西安里)偏堿性巖體群[6,27-28]。

空間上巖體受控于中生代縱跨南北的區(qū)域性斷裂，自東向西分別有太行山斷裂、狐偃山—太岳山斷裂及離石斷裂(圖9(a))，巖體展布與斷裂方向相一致。在巖漿演化上不同巖體所處地理位置不同、控巖構(gòu)造不同，表現(xiàn)出的巖石組合也不同，但在演化序列中表現(xiàn)出自東向西巖石堿性程度明顯遞增的規(guī)律。基于前人對上述巖體的稀土、微量元素分析結(jié)果[6,27-28]，取各巖體分析結(jié)果均值進(jìn)行成圖，結(jié)果表明區(qū)域上的堿性、偏堿性巖體的稀土配分型式曲線(圖10左)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖10右)整體趨勢相似性好，表明區(qū)域上山西境內(nèi)分布的堿性、偏堿性巖為同一時(shí)期構(gòu)造-巖漿活動(dòng)產(chǎn)物，具有深源淺成特點(diǎn)且具有相似的地球化學(xué)特征。

圖9 山西堿性、偏堿性巖體分布圖(a)和華北克拉通構(gòu)造簡圖(b)[29-30]Fig.9 Distribution of the alkaline and subalkaline rocks in Shanxi Province(a)and the tectonic subdivision of North China Craton(b)[29-30]

圖10 山西堿性、偏堿性巖體稀土元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖(左)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(右)[15]Fig.10 Primitive mantle-normalized REE patterns (left) and primitive mantle-normalized trace elements spidergram (right) of the alkaline and subalkaline rocks in Shanxi Province[15]

華北克拉通主體由東、西2個(gè)太古宙陸塊在18.5億a前碰撞拼合，并通過中部造山帶連接而成(圖9(b))[31-32]。華北克拉通破壞主要受控于古太平洋板塊的西向俯沖，巨量巖石圈減薄是華北克拉通破壞的表現(xiàn)形式之一[33]。依據(jù)密集流動(dòng)地震臺陣和固定臺網(wǎng)記錄的地球物理資料對深部結(jié)構(gòu)信息的提取，中、西部陸塊巖石圈結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高度的橫向非均質(zhì)性，既在西部的鄂爾多斯盆地下保留厚度200 km的巖石圈，又在陜西—山西新生代斷陷盆地下存在厚度小于100 km的巖石圈，表明華北克拉通中西部存在不同構(gòu)造變形影響。華北西部伸展構(gòu)造發(fā)育的峰期為127 Ma[34]，地殼中發(fā)育的伸展構(gòu)造是巖石圈減薄在淺部的重要響應(yīng)，巖漿活動(dòng)則是巖石圈減薄在深部過程中的重要表現(xiàn)形式，兩者之間具有內(nèi)在聯(lián)系?；诘?zé)釋W(xué)研究呂梁山地區(qū)早白堊世經(jīng)歷了一次熱流高峰，反映強(qiáng)烈的深部構(gòu)造-熱事件[35-36]，太行山—呂梁山間存在以五寨縣至靜樂縣為中心的似圓柱狀軟流圈上涌柱，截面積約1.3萬km2，存在大于30 km厚巖石圈[37]，山西境內(nèi)的堿性、偏堿性巖體的形成時(shí)間、區(qū)域范圍與此次巖漿活動(dòng)具有一致性。山西境內(nèi)堿性巖體形成時(shí)間、華北中西部構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變時(shí)間與華北克拉通巖石圈減薄作用的峰期時(shí)間相近，該種耦合關(guān)系預(yù)示區(qū)域堿性巖漿活動(dòng)與古太平洋板塊西向俯沖關(guān)系密切。

7 結(jié)論

(1)紫金山巖體為前期巖漿侵入和后期火山噴發(fā)形成的雜巖體。前期侵入階段有二長巖類、霓輝正長巖類、霞石正長巖類產(chǎn)生；后期噴發(fā)階段有粗面質(zhì)火山角礫巖、響巖質(zhì)火山角礫巖產(chǎn)生。

(2)紫金山巖體各期次巖石具有低硅、富堿、高鉀、貧鈣鎂的特點(diǎn)，為鉀質(zhì)堿性巖類。巖石稀土元素總量中等偏高，輕重稀土元素分餾較強(qiáng)烈，總體表現(xiàn)出輕稀土相對富集、重稀土相對虧損、負(fù)Eu異常不明顯的特征。微量元素表現(xiàn)為大離子親石元素(Rb、Ba、K、Sr等)明顯富集、高場強(qiáng)元素(Th、Nb、Ta、La、Ce、Nd、P、Ti等)顯著虧損的特征。

(3)紫金山堿性巖體物質(zhì)來源與富集型地幔關(guān)系密切，巖漿源區(qū)中富含石榴石，缺少或者不含斜長石，巖漿演化機(jī)制以部分熔融作用為主且存在殼源物質(zhì)參與。

(4)推斷早白堊世華北中西部區(qū)域堿性巖漿活動(dòng)與古太平洋板塊西向俯沖關(guān)系密切。