义县组主期中酸性岩墙与熔岩地球化学特征及其地质意义

李永飞，李之彤，杨芳林，张立君，陈树旺

（沈阳地质矿产研究所，辽宁沈阳110034）

义县组主期中酸性岩墙与熔岩地球化学特征及其地质意义

李永飞，李之彤，杨芳林，张立君，陈树旺

（沈阳地质矿产研究所，辽宁沈阳110034）

对义县组主期中酸性岩墙与熔岩的地球化学、成因岩石学对比分析显示：中酸性岩墙Mg#平均36.68%，Na2O/K2O平均为1.07；微量元素标准化配分图表现出富集Rb、Ba、K大离子亲石元素，亏损Sr及高场强元素Nb、Ta、P、Ti；稀土元素标准化配分图上表现出负Eu异常，HREE强烈分异，Y/Yb平均10.10，（Ho/Yb）N平均1.13，LREE配分曲线与熔岩LREE配分曲线重合.中性、中基性熔岩Mg#平均大于55%，除无Sr负异常外，微量元素标准化配分图与岩墙相似；中性、中基性熔岩稀土元素标准化配分曲线相互平行，并且配分高低与SiO2含量呈反相关关系，说明二者是部分熔融的非同源岩浆发生混合作用的产物；中性、中基性熔岩Y/Yb 分别平均为 11.27、11.98；（Ho/Yb）N分别平均为 1.25、1.32，Sr大于 400×10－6，Sr/Y 均大于 40，显示出了典型埃达克岩地球化学特征.地球化学特征表明中酸性岩墙与火山熔岩来自不同源区，前者来源于斜长石稳定的加厚角闪石麻粒岩地壳部分熔融，而后者来源于受幔源岩浆底侵并且混染过的加厚石榴石麻粒岩相下地壳部分熔融，并且岩墙母岩浆、熔岩岩浆与幔源底侵岩浆在形成过程中可能发生过不同比例的混合作用.结合义县组最底部高Mg#幔源玄武质岩浆成因机制，主期中酸性岩墙与熔岩岩浆形成机制揭示了早白垩世期间华北板块壳－幔之间岩浆动力学过程.

义县组；中酸性岩墙；中性熔岩；中基性熔岩；地球化学；岩浆混合；岩浆成因

燕辽地区自燕山运动以来，由于受到西伯利亚板块与欧亚板块碰撞及太平洋板块俯冲作用的影响［1-5］，该区发生了大规模的构造变形和频繁的岩浆活动.在早侏罗世—早白垩世期间，岩浆喷发活动主要以兴隆沟、髫髻山、张家口、义县这4个火山旋回为代表.就岩浆活动规模而言，义县旋回代表了该地区中生代最强烈的一次岩浆活动，从而引起不同学者对该组火山岩的深入研究［6-15］.值得注意的是，在对义县组火山岩进行研究的过程中，很少涉及到该组以潜火山相产出的中酸性岩墙；这些中酸性岩墙作为同岩浆事件侵位的产物，代表了岩浆从地壳深处/地幔上升到地表的通道，不仅提供了有关壳幔演化的重要信息，而且有助于恢复岩浆侵位时的构造环境，因此，将其与火山熔岩联系起来系统分析，对认识大地构造属性和岩浆动力学机制必将有所帮助.

本文选择辽西义县组主期中酸性岩墙与熔岩为研究对象，通过详细的地球化学及成因岩石学的研究，探讨火山岩的源区性质及构造背景，并为燕辽地区中生代岩石圈壳幔相互作用提供基本约束.

1 义县组火山旋回划分

义县组火山岩主要分布在辽西义县盆地和金羊盆地内，其中以义县马神庙-宋八户地区的义县组发育最完全，各火山亚旋回的火山岩层次分明，岩性差异明显，厚度也较大，并且被延伸较稳定的沉积层分开，所以，前人均选择此剖面为义县组标准剖面［6，10-11］.义县火山旋回是一个从基性—中基性—中性到酸性火山岩完整喷发旋回.王五力等［10-11］将其划分为4个亚旋回：第Ⅰ亚旋回（初始期），主要由玄武岩，玄武安山岩及3个沉积夹层组成；第Ⅱ亚旋回（主期）为主要喷发期，主要由玄武安山岩和安山岩为组成，其中发育众多呈筒状的安山-玄武安山质集块角砾（熔）岩及安山质岩墙群；第Ⅲ亚旋回（晚期）主要为安山岩系，有2个沉积夹层，有侵出相的安山玢岩体；第Ⅳ亚旋回（末期），主要由中酸性火山岩组成，底部为沉积层，顶部为黄花山火山角砾岩.

义县马神庙-宋八户标准剖面在砖城子村南山-三百垄附近，为义县火山岩主期，主要发育大量的火山熔岩、火山角砾岩及以潜火山岩相产出的中酸性岩墙.其中在岭底下村南附近，出露5条中酸性岩墙，在其南部刘龙沟-大定堡一带，出露有几十条.岩墙呈北东向断续展布，穿切第二旋回，规模大小不等（图1），与其他旋回呈圆、弧形产出的火山玢岩形态明显不同.

2 中酸性岩墙与熔岩岩石学特征

中酸性岩墙呈灰绿色、灰黑色，致密块状，少斑结构.斑晶占3%～5%，主要由自形—半自形板条状拉长石、单斜辉石、斜方辉石构成.其中拉长石明显发育卡钠复合双晶，并且部分被溶蚀（图2b）；单斜辉石呈自形—半自形短柱状，边部被溶蚀成港湾状（图2a）；斜方辉石呈自形短柱状，偶见包橄结构，并且可见中心橄榄石的反应边结构（图2c）.基质呈交织结构，少量为玻晶交织结构.火山熔岩多为玄武安山岩类和安山岩类，其中玄武安山岩类呈灰黑、浅紫灰色，块状、杏仁状构造，斑晶占5%～10%，主要为斜长石、单斜辉石、微量橄榄石、钾长石.斜长石呈板条状，辉石以普通辉石为主.基质以交织结构为主，个别呈玻晶交织结构，主要由拉—中长石微晶及单斜辉石微晶组成.安山岩类主要呈灰色、灰褐色，局部气孔发育.岩石呈少斑结构，斑晶约占3%，主要由斜长石、单斜辉石及以微弱蛇纹石化橄榄石组成；基质呈交织结构，主要由板条状中长石及少量镁铁矿物微粒组成.

3 主量元素地球化学特征

中酸性岩墙与中性、中基性熔岩主量与微量元素分析结果见表1.中酸性岩墙SiO2含量为60.89%～61.49%，平均为61.20%；Al2O3在16.11%～17.10%之间变化；MgO=1.14%～1.58%；Mg#=33.69～40.54，平均为 36.68；Na2O=4.85%～5.23%；K2O=4.26%～5.18%；Na2O/K2O平均为1.07.中性熔岩SiO2为54.60%～63.68%，平均58.67%；Al2O3平均为15.57%；MgO变化范围较大，在0.98%～5.56%之间；除样品P80-4外，Mg#介于 45.05～63.43之间，平均为 55.32；Na2O/K2O大部分介于1.1～1.5之间.中基性熔岩SiO2为46.12%～53.52%，平均为50.32%；Al2O3=11.02%～17.21%；MgO在3.47%～9.08%之间变化，平均为5.72%；Mg#介于45.95～63.99 之间，平均为 56.59；Na2O/K2O=1.5～1.9，平均1.48.火成岩在利用SiO2-（K2O+Na2O）分类命名时，首先应该进行主量元素去水归一化［16-19］.运用SINCLAS程序［20］去水归一化处理后，在 SiO2-（K2O+Na2O）（图 3a）与 SiO2-K2O图解（图 3b）上，中酸性岩墙与熔岩呈不同的岩浆系列.中酸性岩墙为钾玄岩系列粗面岩，中性熔岩主要为高钾钙碱性系列粗安岩，而中基性熔岩主要为玄武粗安岩.

表1 义县组主期中酸性岩墙与熔岩主量元素和微量元素分析结果Table 1 Analysis results of major and trace elements for the studied rocks

4 稀土与微量元素地球化学特征

中酸性岩墙稀土含量较高，ΣREE=（324.5～375.5）×10-6，平均为 359×10-6，轻重稀土高度分异，（La/Yb）N=16.20～17.80，平均为 17.50；Yb=（3.02～3.52）×10-6.ΣLREE/ΣHREE 值介于 13.14～13.68 之间，平均为 13.36；ΣHREE 值介于（23.0～26.1）×10-6，平均值为25×10-6.Y/Yb平均值10.10.（Ho/Yb）N平均值为1.13.Eu/Eu*=0.77～0.88，具有负Eu异常.中性熔岩稀土含量中等，ΣREE在（144.19～301.51）×10-6，平均为217.23×10-6.ΣLREE值介于（132.29～278.51）×10-6.ΣHREE 值介于（9.85～23.00）×10-6，平均值为13.53×10-6.轻重稀土分异强烈（图4a），（La/Yb）N介于15.29～36.60之间，平均值为24.06，ΣLREE/ΣHREE平均值为15.52.（Ho/Yb）N变化小，平均值为1.25.Eu/Eu*平均为0.94，几乎无Eu异常.Y/Yb平均值11.27.中基性熔岩稀土含量偏高，ΣREE=（219.17～487.01）×10-6.ΣLREE 值介于（203.41～471.87）×10-6，平均值为 273.70×10-6.ΣHREE平均值为16.27×10-6.轻重稀土分异强烈（图4a），（La/Yb）N介于 17.86～55.48 之间，平均值为26.94，ΣLREE/ΣHREE 平均值为 16.93.（Ho/Yb）N平均值为1.32.Eu/Eu*介于0.95～1.03之间，平均为0.99，无Eu异常.Y/Yb平均值11.98.

综上所述，中酸性岩墙与中性、中基性熔岩稀土配分图均表现为右倾型；岩墙稀土配分图LREE与中性、中基性熔岩的LREE重合，具有负Eu异常并具有平坦的HREE分配模式；中性、中基性熔岩基本无Eu异常，具有较倾斜的HREE分配模式；在微量元素配分图上（图4b），除岩墙样品表现出明显的负Sr和正Zr、Hf异常外，中酸性岩墙与中性、中基性熔岩配分模式相似，富集大离子亲石元素Rb、Ba、K，亏损高场强元素 N、Ta、P、Ti.

5 岩浆成因讨论

在Harker图解上（略），中酸性岩墙与中性、中基性熔岩具有明显的成分连续和相同演化趋势，且二者具有不同的 Mg#、Cr、Co、Ni含量（表 1），但岩墙是否为熔岩分离结晶的产物，还需微量元素指标判定.由于岩浆在分离结晶作用中，随着超亲岩浆元素的富集，亲岩浆元素的丰度几乎同步增长，因此，Zr/Sm基本保持为一常数；相反，在平衡部分熔融过程中，随着Zr快速进入熔体，Sm也会在熔体中富集，但其增长速度要慢，这是因为Zr的不相容性更强［23-24］.因此，可以根据Zr-（Zr/Sm）图解来判断岩浆岩的成因.图5a说明岩石是部分熔融形成而未经过明显的结晶分异作用.微量元素标准化配分图（图4b）上，相对于熔岩的Zr、Hf无（负）异常，岩墙表现出不同程度Zr、Hf正异常.另外，岩墙和熔岩Eu/Eu*值与SiO2含量并无线性相关关系（图5b）.值得注意的是，在稀土元素标准化配分图上，中性、中基性熔岩配分曲线相互平行，并且曲线配分高低与SiO2含量具有明显的反相关关系（图4a），说明中性与中基性岩浆是部分熔融的非同源岩浆，并且二者相互发生过混合作用［25］.因此，对于中酸性岩墙LREE配分曲线与熔岩LREE重合这一特征，则可能是非同源岩浆小程度混合作用所致.实际上，中酸性岩墙在显微镜下，斜方辉石具有包橄结构，并且中心橄榄石具有反应边结构（图2c），早期单斜辉石被后期单斜辉石简单双晶所“继承”（图2d）这些特征，也是非同源岩浆混合作用的微观佐证.以上地球化学特征说明，中酸性岩墙可能是部分熔融形成而并未经过明显的结晶分异作用.因此，岩石的地球化学特征可以反演其源区特征.

中性、中基性熔岩在化学成分上具有与埃达克岩相似的地球化学性质，主要表现为：大部分样品Al2O3＞15%，Na2O＞K2O，富集 LILE 和 LREE，无负 Eu异常，亏损 HREE 和 Y，REE 强烈分异，Sr＞400×10-6，Sr/Y＞40（图 6a）.在 SiO2－Mg#图解（图 6b）中，中酸性岩墙位于角闪岩-榴辉岩熔体与安第斯火山岩带（AVZ）埃达克岩范围之间；中性熔岩位于世界典型埃达克岩范围；中基性熔岩位于幔源岩浆遭受地壳同化混染/结晶分异的演化趋势线附近，暗示火山熔岩可能与埃达克质岩浆成因有关.通常，石榴石强烈富集HREE，而角闪石相对更富集 MREE［26］.因此当石榴石为主要残留相时，熔体表现为HREE的强烈亏损，这时Y/Yb＞10，（Ho/Yb）N＞1.2；当角闪石为主要残留相时，熔体表现为 HREE 相对平坦（Y/Yb≈10，（Ho/Yb）N≈1）［27-28］.研究区中性、中基性熔岩Y/Yb值分别平均为11.3、11.0（＞10）；（Ho/Yb）N分别平均为 1.25、1.32（＞1.2），说明其源区以石榴子石为主；中酸性岩墙Y/Yb平均10.1（≈10），（Ho/Yb）N平均 1.13（≈1），说明其源区残留相以角闪石为主.

在微量元素标准化配分图（图4b）与稀土元素标准化配分图（图4a）上，中酸性岩墙表现出明显负Sr异常，负Eu异常，说明其岩浆源区可能处于斜长石相对稳定区，且母岩浆中具有高的Eu3+/Eu2+比值［32］.熔岩并无Sr、Eu异常，加之其高Sr/Y比值表明熔岩源区岩浆形成过程中斜长石已发生熔融，残留相不存在或很少有斜长石.由于典型的MORB的Mg#约为60，因此由其部分熔融产生熔体的Mg#应远低于60［33］.研究表明［34］玄武岩部分熔融产生熔体的 Mg#＜45，因此，高Mg#可认为是经过幔源岩浆混染的标志［35-36］.实验岩石学研究结果也表明［37-38］，大陆地壳局部熔融不能产生比安山岩更基性的原生岩浆，陆壳局部熔融产物的SiO2含量通常应大于56%.另外，中性、中基性熔岩Sr-Nd同位素值［12］与汉诺坝玄武岩中麻粒岩捕虏体Sr-Nd 值（t=125 Ma）［39-40］，以及华北地块中间造山带下部辉长岩Sr-Nd值相近［41］.图6a暗示中性岩浆可能是局部熔融达到50%单斜辉石+50%石榴石残留相的熔体，而中基性岩浆可能是大于50%单斜辉石+小于50%石榴石残留相的熔体.

由以上论述可以推断，中酸性岩墙（SiO2平均为61.20%，Mg#平均为36.68）母岩浆可能是由加厚下地壳局部熔融达到角闪石麻粒岩相产生的平衡熔体；中性熔岩（SiO2平均为58.62%，Mg#平均为55.81）与中基性熔岩（SiO2平均为50.32%（未去水归一化），Mg#平均为56.59）可能是加厚基性下地壳受幔源岩浆底侵作用后部分熔融达到石榴石麻粒岩相产生的平衡熔体.对于中性、中基性熔岩高Mg#且二者Mg#近乎一致的特征，归因于软流圈底辟上涌岩浆与岩石圈地幔相互作用［14-15］，造成高Mg#幔源玄武质熔浆在底侵加厚下地壳的过程中，同时混染了中性、中基性岩浆（或先混染了中基性岩浆），随后二者相互发生混合作用的结果.值得一提的是，中酸性岩墙中斜方辉石包含橄榄石捕掳晶并且见有橄榄石的反应边结构，说明高Mg#幔源玄武质熔浆也可能参与岩墙母岩浆的形成过程.

6 地球动力学意义

已有的研究表明，辽西-冀北地区从晚三叠世—中侏罗世末期一直处于区域挤压背景.从晚侏罗世到早白垩辽西地区地壳/岩石圈经历了由厚减薄的过程，区域引力场由挤压转变为拉张［42］.研究区砖城子火山岩年龄为133～120 Ma［43］，说明辽西地区正好处于岩石圈相对平静的伸展构造环境中.综上所述，义县组主期中酸性岩墙与火山熔岩的形成机理如下：晚三叠世—中侏罗世末期区域挤压而产生地壳不均匀缩短加厚至麻粒岩相，促使岩石圈地幔增厚；由于软流圈地幔的底辟上涌为岩石圈地幔熔融提供了部分需要的足够热量，二者相互作用造成高Mg#幔源岩浆的底侵作用，从而诱发加厚石榴石麻粒岩相下地壳（30～45km）不同程度的局部熔融，熔融岩浆与玄武质底侵岩浆在底侵/上升过程中发生混染/混合作用，最终产生义县组主期高Mg#中性、中基性熔岩；高Mg#玄武岩岩浆与中性、中基岩浆上升至约30km时，底侵加厚角闪石麻粒岩相地壳，使其发生部分熔融，并与之发生相互混合作用，由于岩石圈伸展拉张不均匀，熔融体在上升过程中发生冷却，最终呈北北东向岩墙形式产出；而玄武质底侵岩浆上升至地表，形成义县火山岩最底部高Mg#玄武岩［14］（图 7）.值得一提的是，在位于义县组之上的阜新组碱锅玄武岩中发现了少量下地壳麻粒岩捕虏体［15］，其与义县主期源自加厚麻粒岩相的中酸性岩墙/熔岩有何关系，有待进一步研究.

因此，义县组主期中酸性岩墙与熔岩不仅可以示踪早白垩世辽西地区下地壳物质组成，而且对华北板块中生代软流圈、岩石圈和下地壳之间的壳幔岩浆相互作用过程及地球动力学过程提供基本信息.

7 结论

义县组主期中酸性岩墙与中性、中基性熔岩岩石学与岩石地球化学特征显示，中酸性岩墙并非中性、中基性熔岩简单结晶分异的产物，而是部分熔融的幔源岩浆、壳源岩浆不同比例相互混合的产物.

中酸性岩墙微量元素与稀土元素标准化配分图分别表现出Sr、Eu不同程度负异常，并且HREE强烈分异，指示其可能来源于斜长石稳定的加厚角闪石麻粒岩地壳部分熔融.火山熔岩Mg#平均大于50，HREE强烈分异，表现出了典型埃达克岩的地球化学特征，表明其来源于受幔源岩浆底侵并且混染过的加厚石榴石麻粒岩相下地壳的部分熔融.中性、中基性熔岩稀土元素标准化配分曲线相互平行，并且配分高低与SiO2含量呈反相关关系，说明二者是部分熔融的非同源岩浆发生混合作用的产物.

在华北板块早白垩世期间岩石圈相对平静的伸展构造背景下，义县组主期中酸性岩墙与中性、中基性熔岩以及义县组最底部的高Mg#玄武岩的岩浆成因，为进一步揭示该时期华北板块壳幔岩浆相互作用过程提供了基本信息.

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GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS AND GEOLOGICAL IMPLICATION OF THE ACIDIC-INTERMEDIATE DYKE AND LAVA OF THE MAJOR CYCLE OF YIXIAN FORMATION

LI Yong-fei,LI Zhi-tong,YANG Fang-lin,ZHANG Li-jun,CHEN Shu-wang

（Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China）

The geochemistry and petrogenesis of the acidic-intermediate dyke and lava of the second cycle of Yixian formation are studied.The result shows that,the dykes have an average Mg#value of 36.68,with average Na2O/K2O=1.07.In trace element spider diagram,the dykes are characterized by enriched Rb,Ba and K and depleted Nb,Ta,P,Ti and Sr.In addition,the rocks present a pronounced negative Eu anomaly,overlapped LREE pattern with that of lava and a strong fractionation in HREE in chondrite-normalized REE pattern,with an average Y/Yb ratio of 10.1 and（Ho/Yb）N=1.13.For the intermediate and intermediate-basic lava,the average Mg#is more than 55.Except for absence of significant Sr and Eu anomalies,the rocks have a close affinity to the dykes with respect to trace element spider diagram.Especially for the following characteristics:parallel LREE patterns and apparently negative correlation with their SiO2contents in the chondrite-normalized REE patterns,which can be explained by the mixing of two heterogeneous end-members.Moreover,the intermediate and intermediate-basic lava show a typical adakitic feature,with average Y/Yb ratios of 11.27 and 11.98,and（Ho/Yb）Nof 1.25 and 1.32,respectively,as well as Sr＞ 400×10－6,Sr/Y ＞ 40.On a whole,the geochemical features of the dykes and lava suggest that the former are most likely generated from the melting of thickened amphibole-granulitefacies continental crust;whereas the latter,derived from the melting of thickened garnet-granulite-facies lower continental crust and contaminated subsequently by the mantle-derived basic magmas.Combined with the genesis for the high Mg#basalt from the bottom of Yixian formation,the magmatic mechanism for the dykes and lava may signify a dynamic magmatic interaction process between the lower continental crust and mantle in North China Craton during Early Cretaceous.

Yixian formation;acidic-intermediate dyke;intermediate lava;intermediate-basic lava;geochemistry;magma mixing;petrogenesis

1671－1947（2012）01－0042－09

P588.1；P595；P597

A

2011－03－11；

2011－03－31.编辑：张哲.

中国地质调查局“古亚洲洋构造体制与滨太平洋构造体制叠加转变综合调查和研究”（基［2010］矿评01-19-01）资助.

李永飞（1980—），男，硕士，主要从事岩石大地构造与岩石地球化学工作，通信地址沈阳市黄河北大街1号，E-mail//geology198086@163.com