燕山地區(qū)早白堊世早期薛家石梁雜巖體的成因及構(gòu)造意義

燕山地區(qū)早白堊世早期薛家石梁雜巖體的成因及構(gòu)造意義

1控礦構(gòu)造及巖漿源區(qū)性質(zhì)近年來，中國東巖石圈的減小和構(gòu)造體系的重建成為國內(nèi)外的主要課題。在中國東部巖石圈減薄和構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換的所有科學(xué)問題中,巖石圈減薄的方式是核心的科學(xué)問題之一。中國東部巖石圈減薄的方式主要有兩種觀點(diǎn):一種是拆沉作用,巖石圈減薄主要是通過高密度的、冷的物質(zhì)掉入軟流圈完成的,巖石圈以物理方式減薄;另一種是熱-化學(xué)侵蝕或置換作用,巖石圈減薄主要是通過流體或熔體的加入導(dǎo)致剛性的巖石圈部分熔融,從而轉(zhuǎn)變?yōu)檐浟魅ΑＨ绻麕r石圈以拆沉方式減薄的話,幔源巖漿主要來自軟流圈地幔;如果巖石圈以熱-化學(xué)侵蝕或置換作用減薄的話,幔源巖漿富集不相容元素和放射性同位素,具有富集地幔特征;因此,解決巖石圈減薄方式的關(guān)鍵問題是幔源巖漿的性質(zhì)問題。本文選擇燕山地區(qū)早白堊世早期的薛家石梁雜巖體為研究對(duì)象,來研究其特征、成因及源區(qū)性質(zhì),并探討中國東部巖石圈減薄的可能機(jī)制。薛家石梁雜巖體位于北京北山地區(qū),在平面上呈北西向的橢圓狀,主要由上莊輝長巖、薛家石梁二長輝長巖、黑山寨二長巖、湖門正長巖和黑熊山花崗巖等巖性組成。上莊輝長巖主要出露于雜巖體東南角,黑熊山花崗巖主要出露于雜巖體西北(圖1)。雜巖體各個(gè)巖性之間均為漸變過渡關(guān)系。前人按單元超單元方法將薛家石梁雜巖體劃分為4個(gè)超單元5個(gè)單元,時(shí)代從184.6～120.9Ma。本次研究我們將薛家石梁雜巖體各巖性進(jìn)行了鋯石SHRIMP定齡工作。測(cè)試結(jié)果為上莊輝長巖:128.8Ma;薛家石梁二長輝長巖:130Ma;黑山寨二長巖:125.1Ma;湖門正長巖:124.2Ma;黑熊山花崗巖:123.7Ma。因此,薛家石梁雜巖體應(yīng)為同時(shí)代形成的產(chǎn)物,屬早白堊世早期(K1111)。2巖石學(xué)特征下面對(duì)該雜巖體中每一巖性特征分別進(jìn)行討論。(1)礦石及不透明礦物上莊輝長巖主要分布在巖體的東南邊緣,巖體出露面積小,并呈串珠狀分布。部分小塊輝長巖以包體的形式出現(xiàn)在二長輝長巖中(圖1)。輝長巖為黑色,輝長結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要礦物有輝石、斜長石、角閃石、黑云母。單斜輝石:半自形柱狀,0.3～0.5mm,Ng∧C=38°,端員組成為En41.2Fs15.2Wo43.6,為普通輝石,30%;角閃石:他形-半自形柱狀,棕褐-淡褐色多色性,具電子探針分析為鎂質(zhì)角閃石,10%;黑云母:鱗片狀,深褐-淺黃多色性,據(jù)電子探針為鎂黑云母,5%;斜長石:半自形板柱狀,聚片雙晶發(fā)育,具電子探針分析端員組成為An48.27Ab50.26Or1.46,屬中長石,50%;不透明礦物多為鈦磁鐵礦,5%;巖石中還可見有少量橄欖石。(2)半自形質(zhì)巖石組構(gòu)二長輝長巖分布在雜巖體南部的大部分區(qū)域(圖1)。二長輝長巖為灰黑色,中細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要礦物有斜長石、輝石和角閃石。斜長石:半自形板狀,聚片雙晶發(fā)育,斜長石牌號(hào)An=27.65,為更長石,55%;單斜輝石:半自形柱狀,Ng∧C=35°,20%;角閃石:多分布于輝石邊部呈不規(guī)則狀,多色性明顯,深綠-淺黃的多色性,含鈦(TiO2)高達(dá)3.81%～3.94%,10%;黑云母:半自形鱗片狀,紅褐-淺黃多色性,大小1mm×2mm,按其成分為鎂黑云母,10%;條紋長石:不規(guī)則狀,5%;此外還有很少量石英及磁鐵礦。(3)地表巖性礦物二長巖是雜巖體的主體組成巖石,主要分布與巖體中部和北部的大部分區(qū)域(圖1)。在露頭上二長巖呈灰白色略顯肉紅色,具弱的片麻理,片麻理產(chǎn)狀184°∠37°。其中含有較多的鎂鐵質(zhì)微粒包體,且大小不等(圖2)。在湖門村村口有一鉆孔,在地表巖石為正長巖,隨著鉆孔深度的增加,其中鎂鐵質(zhì)的微粒包體逐漸增加,逐漸變化為二長巖,二長巖為中粒不等粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。主要礦物有斜長石和堿性長石。斜長石:自形-半自形柱狀,聚片雙晶、卡鈉復(fù)合雙晶發(fā)育,有的具環(huán)帶結(jié)構(gòu),其An=21.9,為更長石,45%;鉀長石:半自形-他形板狀,卡氏雙晶發(fā)育,有些包裹斜長石微晶,其端員組成為Or87.13Ab12.87,35%;黑云母:片狀,解理發(fā)育,多色性明顯,也包裹有榍石、磁鐵礦等副礦物微晶,9%;角閃石:短柱狀-粒狀,解理發(fā)育,多色性明顯屬鎂角閃石,7%;石英:呈他形粒狀充填其他礦物間隙中,4%;此外,在斜長石及黑云母中存在有大量的針狀磷灰石晶體(圖3)。(4)巖石及生長情況分析正長巖分布在雜巖體的西邊緣,呈彎月狀(圖1)。巖石為肉紅色,略顯灰色,粒度較粗,3～4mm,片麻理清晰,片麻理產(chǎn)狀130°∠65°。巖石中鉀長石:半自形-他形柱狀晶體,卡氏雙晶,電子探針分析,Or96.72～97.93Ab2.06～3.2775%;斜長石:多生長于鉀長石的邊部,他形以填隙物出現(xiàn),10%;角閃石:含TiO2較高,其中常見輝石殘留,5%;黑云母:鱗片狀,6%;石英:4%。(5)礦物組成對(duì)吸收劑花崗巖分布在環(huán)狀雜巖體的北中部(圖1)。巖石為細(xì)粒-中粒等粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。主要礦物有鉀長石、斜長石和石英。鉀長石:以微斜長石和條紋長石為主,條紋長石為正條紋長石,35%;斜長石:半自形板柱狀,環(huán)帶不發(fā)育,含量30%;石英:形狀不規(guī)則,30%。暗色礦物主要有黑云母、角閃石和磁鐵礦,含量約為5%。3巖石結(jié)構(gòu)及巖石學(xué)特征薛家石梁雜巖體各巖性的巖石化學(xué)分析數(shù)據(jù)見表1,由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,另外還收集了白志明(1991)及王焰(2001)對(duì)薛家石梁雜巖體的主量元素分析數(shù)據(jù)。將薛家石梁雜巖體各侵入體按MiddlemostE.A.K.(1994)提出的侵入巖分類方案得:上莊巖體為輝長巖,薛家石梁巖體主要為二長輝長巖,黑山寨巖體主要為二長巖,湖門巖體為正長巖,黑熊山巖體為花崗巖(圖4)。在Harker圖中(圖5),二長輝長巖-二長巖-正長巖中SiO2-Na2O/K2O、SiO2-K2O、SiO2-CaO、SiO2-TiO2、SiO2-Fe2O3、SiO2-MgO具有很好的線性關(guān)系,而輝長巖、花崗巖不具備這一特征。在w(SiO2)-w(FeO*)/w(MgO)圖解中,二長輝長巖、二長巖及正長巖w(FeO*)/w(MgO)比值變化不大(圖6),但SiO2成分變化較大,從輝長巖到二長輝長巖SiO2變化不大,但w(FeO*)/w(MgO)比值略有增加(圖6)。4稀土元素特征薛家石梁雜巖體各巖性的稀土元素和微量元素分析數(shù)據(jù)見表1,由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,另外在微量元素分析投圖中還引用了王焰(2001)的分析數(shù)據(jù)。早白堊世早期薛家石梁雜巖體中輝長巖、二長輝長巖、二長巖和正長巖稀土元素配分型式相近,輕重稀土元素分餾明顯(圖7),輕重稀土的質(zhì)量比為8.55～16.02;(La/Yb)N=12.31～23.15;δEu=0.83～1.13(表1),具正銪異常或弱的負(fù)銪異常。雜巖體中正長巖δEu=1.99,具明顯的正銪異常。這可能說明正長巖形成于較厚的地殼。而黑熊山花崗巖輕重稀土元素分餾中等,輕重稀土的質(zhì)量比為18.84,(La/Yb)N=15.14,δEu=0.20,具明顯負(fù)銪異常(表1,圖7)。在微量元素蛛網(wǎng)圖中輝長巖、二長輝長巖、二長巖及正長巖出現(xiàn)Th、Nb、U、Zr負(fù)異常(圖8),Rb/Ba比值很低。而黑熊山花崗巖微量元素在蛛網(wǎng)圖中的具有明顯的Ba、Sr、U、Ti負(fù)異常(圖8),Rb為正異常,與輝長巖、二長輝長巖、二長巖及正長巖具有不同的地球化學(xué)特征,可能具有不同的物源區(qū)。5巖石學(xué)和微量元素特征薛家石梁雜巖體的Sr-Nd-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)見表2。由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所測(cè)試。從表2可以看出雜巖體中各巖性N(143Nd)/N(144Nd)比值相近,一般都在0.5116～0.5121之間,平均為0.512057,與華北地臺(tái)中生代火成巖特征相似。薛家石梁雜巖體中輝長巖與二長輝長巖ε(Nd)分別為-7.3和-6.5。與二長巖、正長巖和花崗巖的值相近。輝長巖、二長輝長巖、二長巖及正長巖中N(87Sr)/N(86Sr)值為0.705383～0.705663,比值非常接近,平均為0.705506(表2);而黑熊山花崗巖中N(87Sr)/N(86Sr)值為0.895478,明顯比其他巖類為高,這反映其可能來自不同的源區(qū),可能為上地殼熔融產(chǎn)物。薛家石梁雜巖體各巖性N(206Pb)/N(204Pb)值相近,在N(16.1368～16.4785)之間,平均為16.3793。與中國東部其他地區(qū)中生代火成巖比較其值是最低的。6構(gòu)造巖石學(xué)和微量元素特征從前面的論述可知,薛家石梁雜巖體中各巖相之間主要為漸變過渡關(guān)系;在二長巖中可見較多鎂鐵質(zhì)暗色微粒包體;二長巖中斜長石及黑云母中可見較多針狀磷灰石;在Harker圖解中,二長輝長巖,二長巖與正長巖之間具有很好的線性關(guān)系。這些特征暗示薛家石梁雜巖體中二長巖可能是二長輝長巖與正長巖混合作用的產(chǎn)物。在Th-Hf/3-Ta圖解中薛家石梁雜巖體各巖性沿殼?；旌暇€分布(圖9)。在Th/Yb-Ta/Yb圖解中(圖10)薛家石梁雜巖體各巖性是地幔與地殼巖石混合作用形成。因此,從微量元素特征可以看出薛家石梁雜巖體是殼幔相互作用的產(chǎn)物。在N(87Sr)/N(86Sr)-N(143Nd)/N(144Nd)圖解中(圖11)、N(206Pb)/N(204Pb)-N(143Nd)/N(144Nd)(圖12)圖解中,薛家石梁雜巖體中輝長巖、二長輝長巖、二長巖及正長巖具有相似的地球化學(xué)特征,并且在N(206Pb)/N(204Pb)-N(208Pb)/N(204Pb)(圖13)圖中,薛家石梁雜巖體中各巖性巖石均分布于地幔與下地殼之間或在下地殼演化線附近。巖漿混合作用能較好的解釋雜巖體中各巖石具有相同的Sr、Nd、Pb同位素特征。Leisher(1990)通過基性和酸性熔漿的實(shí)驗(yàn)研究,提出巖漿混合作用時(shí)元素和同位素交換的解耦,同位素的交換和混合明顯地快于元素的交換和混合;不相容元素的交換和混合作用要快于主元素。從薛家石梁巖漿混合的特征來看,輝長巖、二長輝長巖、二長巖及正長巖中Sr、Nd、Pb同位素的混合已經(jīng)很均一了,稀土元素和主量元素按一定的混合比例有了較好的混合。因此,我們可以初步認(rèn)為薛家石梁雜巖體的成因是由于幔源巖漿的底侵作用(以輝長巖巖漿為代表)引起加厚陸殼(下地殼)的部分熔融,形成正長巖巖漿,正長巖巖漿與二長輝長巖巖漿混合而成為二長巖,即二長輝長巖+正長巖=二長巖。從輝長巖漿到二長輝長巖漿經(jīng)歷富鎂礦物的結(jié)晶分離作用。而黑熊山花崗巖則可能主要為中上地殼物質(zhì)部分熔融的產(chǎn)物。7地潭與下地殼物質(zhì)相互作用華北克拉通及大別造山帶發(fā)育的中生代鎂鐵質(zhì)巖石具有相似的地球化學(xué)性質(zhì):輕稀土及大離子親石元素富集,高場強(qiáng)元素(如Nb,Ta,Ti)虧損,非常低的ε(Nd,t)和Pb同位素比值,和較大的Ni(87Sr)/Ni(86Sr)變化范圍。關(guān)于其源區(qū)性質(zhì),一種觀點(diǎn)認(rèn)為其成因與富集地幔(EMI型)相關(guān)[18,24,25,26,27,28,18,24,25,26,27];另一種觀點(diǎn)認(rèn)為其主要來源于軟流圈地幔,火成巖主要是地幔巖漿與殼源巖漿混合作用形成;第三種觀點(diǎn)認(rèn)為巖石圈的拆離造成地幔源區(qū)與下地殼物質(zhì)的混合。薛家石梁雜巖體中輝長巖Mg#值為65,w(Ni)=148×10-6,基本具備了原生巖漿的特征,輝長巖中w(Nb)/w(U)比值為37.8(表1),與原始地幔特征相近。在蛛網(wǎng)圖中,輝長巖Nb,Pb具正異常,Hf具負(fù)異常,與富集地幔(EMI)Nb、Hf正異常,Pb的負(fù)異常有明顯差異,且輝長巖中Rb、Th、Nb、U、La、Ce含量比EMI型地幔低一個(gè)數(shù)量級(jí)(圖14)。因此,輝長巖源區(qū)性質(zhì)不具EMI型特征。在N(87Sr)/N(86Sr)-N(143Nd)/N(144Nd)圖解中,薛家石梁雜巖體中輝長巖、二長輝長巖、二長巖及正長巖分布于EMI區(qū)左下側(cè)及其附近區(qū)域(圖11),而在N(206Pb)/N(204Pb)-N(143Nd)/N(144Nd)圖解中則遠(yuǎn)離EMI區(qū)域(圖12)。在N(206Pb)/N(204Pb)-N(208Pb)/N(204Pb)(圖13)圖中,薛家石梁雜巖體中各巖性巖石均分布于地幔與下地殼之間或者在下地殼演化線附近。交代富集型地幔具有N(87Sr)/N(86Sr)與N(206Pb)/N(204Pb)比值負(fù)相關(guān)特征,薛家石梁雜巖體中輝長巖、二長輝長巖、二長巖及正長巖N(87Sr)/N(86Sr)與N(206Pb)/N(204Pb)比值具有正相關(guān)特征(表2)。從同位素特征來看,薛家石梁雜巖體各巖石的源區(qū)性質(zhì)與富集型地幔特征并不一致。因此,推測(cè)薛家石梁雜巖體中輝長巖源區(qū)性質(zhì)為原始地幔,巖石中高的負(fù)ε(Nd)值,是地幔與太古宙下地殼相互作用的結(jié)果。這一結(jié)論與早白堊世早期,燕山地區(qū)存在大規(guī)模巖漿活動(dòng)是一致的。8巖漿起源、演化與火炬薛家石梁雜巖體形成時(shí)代為128.8～123.7Ma,屬早白堊世早期。薛家石梁雜巖體中正長巖稀土元素具明顯正Eu異常,具有高Sr、低Y的特征,反映其形成時(shí)具有較厚陸殼,它可能是在榴輝巖拆沉過程中,加厚陸殼底部物質(zhì)部分熔融的產(chǎn)物。薛家石梁雜巖體中輝長巖Mg#=65,w(Ni)=148×10-6,基本具有原生巖漿特征。輝長巖中ε(Nd)=-6.5,不具虧損地幔特征。且其中微量元素特征及Sr、Nd、Pb同位素特征均與富集地幔(EMI)也不一致。因此,推測(cè)其來源于軟流圈地幔。輝長巖中ε(Nd)負(fù)值主要是由于地幔與太古宙下地殼相互作用的產(chǎn)物,混合的特點(diǎn)是同位素已混合均勻,但主量元素基本沒