造山崩塌过程的岩浆作用响应:以北京薛家石梁-黑山寨岩浆杂岩体为例

汪 洋

(中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083)

0 引 言

形成于早白垩世中期的云蒙山变质核杂岩是典型的科迪勒拉型变质核杂岩(Davis et al.,2001),被认为是燕山造山带由于地壳增厚导致的重力崩塌的直观构造表现(Davis et al.,2001;Davis,2003)。一个有趣的事实是:位于现今出露的河防口拆离断层下盘的云蒙山岩基的侵位时代为侏罗纪末-白垩纪初(～143 Ma)(Davis et al.,2001),与变质核杂岩的形成无关(Davis et al.,1996)。因此,出露面积约 200 km2的云蒙山岩基并非造山崩塌过程的产物。云蒙山变质核杂岩的下盘发育多个规模较小的早白垩世岩体,它们与燕山带造山崩塌阶段的伸展拆离运动有密切联系,出露于北京市昌平区东部的薛家石梁-黑山寨岩浆杂岩体是其中的典型代表。

前人对薛家石梁-黑山寨杂岩体的成因认识不一,主要观点包括:(1) 杂岩体中的中酸性岩属于C型埃达克岩,是加厚下地壳部分熔融的产物(王焰和张旗,2001;Su et al.,2007);(2) 基性岩来自富集的古老岩石圈地幔,高 Ba-Sr的中酸性岩是基性岩浆分离结晶的产物,而低 Ba-Sr花岗岩可能为地壳重熔形成(钱青等,2002);(3) 杂岩体中的中酸性岩是基性岩浆经历AFC过程的产物(汪洋,2007)。本文作者注意到,上述研究仅仅是基于岩石地球化学数据推论,缺乏对于薛家石梁-黑山寨杂岩体内部不同岩性之间野外关系的观察和鉴别。例如:钱青等(2002)将侵位年代早于薛家石梁-黑山寨杂岩体的对臼峪花岗岩和铁炉子花岗岩的分析数据一并归于其划分的高 Ba-Sr中酸性岩,并以此为基础进行基性岩浆分离结晶形成高Ba-Sr中酸性岩的模拟计算。显然,这个失误降低了其成因模式的可信度(汪洋,2007)。本文在新获得的薛家石梁-黑山寨杂岩体地球化学和Sr-Nd-Pb同位素数据的基础上,结合野外观察和利用角闪石全铝压力计对杂岩体侵位深度的估算结果,对其岩石成因及地球动力学意义进行讨论。

1 岩体地质和岩石学特征

薛家石梁-黑山寨杂岩体出露于北京市昌平区东部燕山南麓,在大地构造上位于燕山中生代褶皱-逆冲推覆带的西段。杂岩体平面上呈 NW-SE向展布的卵圆状;由上庄辉长岩,薛家石梁闪长岩,黑山寨石英二长岩、湖门二长岩和黑熊山花岗岩组成,其中偏基性的端元出露于东南端,偏酸性端元出露在西北部(图1)。杂岩体中的闪长岩、石英二长岩与二长岩之间为过渡(涌动)接触关系,黑熊山花岗岩与其他岩性之间呈截然的(脉动)侵入接触关系(图1)。高精度锆石U-Pb年龄显示:薛家石梁闪长岩的侵位年龄为125±2 Ma,湖门二长岩为124±2 Ma,黑熊山花岗岩为124±1 Ma(Davis et al.,2001;Su et al.,2007)。因此,野外地质证据和同位素测年数据均指示,薛家石梁-黑山寨杂岩体不同岩性均属于同一期岩浆活动的产物。

根据我们的野外观察和前人资料(白志民等,1991;郁建华等,1994;钱青等,2002;Su et al.,2007),归纳薛家石梁-黑山寨杂岩体的野外地质和岩石学特征如下:

图1 薛家石梁-黑山寨岩浆杂岩体地质图(据Wang and Yao,2013)Fig.1 Geological map of the Xuejiashiliang-Heishanzhai magmatic complex

薛家石梁-黑山寨杂岩体中的辉长岩出露于东南部,由 5个小岩块组成,断续出露于上庄村到百合村一带,其中上庄村东北侧者最大,为含钒钛磁铁矿矿体。上庄辉长岩是一岩盆状地质体,辉长岩占据中-上部;堆晶成因的含矿辉长岩分布在下部,平面上出露在东部,且其东侧地表边界呈弧形,向下呈簸箕状朝北西方向倾覆延伸。钒钛磁铁矿体呈似层状、扁豆状分布其中。辉长岩由斜长石(～60%)、单斜辉石(20%)、角闪石(15%)、黑云母(～2%)和不透明矿物组成。含矿辉长岩中的斜长石定向-半定向排列,其间隙被磁铁矿、黑云母等充填,形成嵌晶状补堆晶结构,磁铁矿含量约 15%,分布均匀,其中有绿色尖晶石。

薛家石梁闪长岩位于东南部的南半部,包裹了上庄辉长岩。该闪长岩的东部和东南部呈向南东方向凸出的弧形,其西北部与黑山寨石英二长岩的边界在剖面上则显示过渡的涌动接触关系,在平面上非常不规则,呈现犬牙交错的形态(图1)。闪长岩由斜长石(～55%)、角闪石(～30%)、黑云母(～10%)以及少量石英、碱性长石与不透明矿物组成。作者的野外观察表明,薛家石梁闪长岩实际上包含两种岩性,一种是灰色中-粗粒闪长岩,另一种为灰黑色闪长岩,后者呈岩脉或包体产于前者之中,两者之间的界线犬牙交错,很难在小比例尺地图中表示出来。灰黑色闪长岩因其颜色暗,在野外时常被定为辉长岩,但镜下观察显示,其中的斜长石牌号多数小于50,仍然是闪长岩(Le Maitre,2002)。岩石地球化学分析数据显示,灰色中-粗粒闪长岩 TiO2含量相对较低,灰黑色闪长岩 TiO2含量高,因此本文称前者为低Ti闪长岩、后者为高Ti闪长岩(见本文第3节)。

黑山寨石英二长岩位于杂岩体的北半部,其西、北侧被湖门二长岩所环绕,东、南侧与薛家石梁闪长岩呈涌动式接触,该岩体中部被黑熊山花岗岩侵入(图1)。石英二长岩由斜长石(～40%)、碱性长石(～35%)、黑云母(～8%)、角闪石(～5%)、石英(～7%)以及榍石、不透明矿物组成。

湖门二长岩出露于杂岩体的北西部边缘,呈半环状分布,与黑山寨石英二长岩之间为渐变过渡关系。二长岩由碱性长石、斜长石、黑云母、角闪石、石英以及不透明矿物组成。

黑熊山花岗岩占据杂岩体中心偏西北的位置,平面形态类似半个蘑菇,主体侵入黑山寨石英二长岩,在东南端向南东走向延伸出一细长条,与薛家石梁-黑山寨杂岩体中的其他岩体之间为脉动式接触关系(图1)。花岗岩由石英(～33%)、碱性长石(～30%)、斜长石(～35%)和少量黑云母组成。

前人研究(Hammarstrom and Zen,1986;Hollister et al.,1987;Schmidt,1992)表明:结晶压力大于0.2 GPa时,钙碱性侵入岩固相线温度变化不大,在近固相线条件下结晶的角闪石的全铝含量受压力制约,而与岩浆的形成温度(即液相线温度)无关,可以利用Schmidt (1992)标定的角闪石全铝压力计公式估计其侵位深度。本文作者的镜下观察表明,薛家石梁-黑山寨杂岩体以及其周边的的几个晚中生代钙碱性花岗岩体的矿物组合以及角闪石产出特征符合应用角闪石全铝压力计的物理化学条件(汪洋,2014)。应用 Schmidt (1992)标定的角闪石全铝压力计公式对这些岩体的侵位深度进行估算(表1)。结果表明:杂岩体东南部的薛家石梁闪长岩的结晶压力是 0.63 GPa、侵位深度约23 km;杂岩体西北部的黑山寨石英二长岩的结晶压力是0.17 GPa、侵位深度约6 km。同时,在薛家石梁-黑山寨杂岩体以东,晚侏罗世(～152 Ma)侵位的长园闪长岩的结晶压力是0.65 GPa、侵位深度约 23 km;杂岩体西北方向出露的早白垩世早期(～133 Ma)铁炉子二长闪长岩的结晶压力是0.38 GPa、侵位深度约12 km。因此,薛家石梁-黑山寨杂岩体在岩浆固结之后经历了南东-北西向掀斜,导致其原始的底部出露于东南部,而原始的顶部出露于西北部。

表1 薛家石梁-黑山寨杂岩体的角闪石成分(%)Table1 Chemical compositions of the amphiboles from the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex (%)

结合薛家石梁-黑山寨杂岩体的地质产状、各类岩性的空间分布和接触关系以及侵位深度的估算结果,我们认为该杂岩体是一个被剥露出来的掀斜岩浆房,岩浆房的原始底部在目前的南东端,依次分布堆晶的含矿辉长岩、辉长岩、闪长岩;其原始的顶部在目前的北西端,分布石英二长岩、二长岩;其整体的原始三维形态呈现长轴直立的“瓶状(bottle-like)”特征(Zellmer and Annen,2008)。黑熊山花岗岩侵入到该瓶状岩浆房中,其南端发育的NW-SE走向的同成分“岩枝”是该花岗岩浆在薛家石梁-黑山寨岩浆房中原始运移通道的遗迹。

2 分析方法

样品在无污染环境下碎至 200目,用于分析。所有样品的主量元素、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素的分析测试都在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。

主量元素采用 ICP-AES方法进行分析,测试仪器为 JY38S型电感耦合等离子体光谱仪,主要氧化物的分析误差一般小于2%。FeO含量由南京大学地球科学系实验室湿化学法分析测定。微量元素(包括REE)采用 ICP-MS进行分析,测试仪器为高分辨率电感耦合等离子体质谱仪(Finnigan ELEMENT II HR-ICP-MS)。样品使用1 mol/L HF+0.5 mol/L HNO3在190 ℃溶解48 h,以保证样品完全溶解;在测试过程中采用 F-基体匹配分析技术(高剑峰等,2003),有效解决了Nb、Ta、Zr、Hf等元素在稀硝酸介质中的不稳定性问题。对USGS国际标准样品(BHVO-2)的测定结果表明,样品测定值和推荐值的相对误差均小于10%,且大多数微量元素的分析误差在5%以内。详细的样品制备、分析流程及对国际标准样品的测试结果见高剑峰等(2003)。

Sr、Nd同位素的分析测试流程如下:取100 mg粉末样品用HNO3+HF混合液完全溶解。使用HIBA作为淋洗剂在阳离子交换树脂柱中分离 Nd和Sm,详细流程见濮巍等(2005)。使用 DCTA和嘧啶的混合溶液作为淋洗剂分离 Rb和Sr(Yoshikawa and Nakamura,1993;濮巍等,2005)。使用1 μL的1 N浓度HCl溶解Nd样品,再使用H3PO4溶液将其装入TIMS的Re双丝。使用1 μL的1 N浓度HCl溶解Sr样品,再使用TaF5溶液将其装入TIMS的W丝。Nd、Sr同位素测试采用 Triton TI 热离子质谱仪(TIMS)分析(濮巍等,2004)。分别采用146Nd/144Nd=0.7219和86Sr/88Sr=0.1194对Sr、Nd同位素进行校正。Nd同位素以国际标准 JNDi-Nd进行监控。Sr同位素以国际标准 NBS987进行监控。详细的分析流程见濮巍等(2004,2005)。国际标准 JNDi-Nd的143Nd/144Nd比值和NBS987的87Sr/86Sr比值分别为0.512112±5(n=5,2σ)和0.710260±6(n=5,2σ)。

Pb同位素的分析测试流程如下:取 100 mg粉末样品用HNO3+HF混合液完全溶解。蒸干后用HBr再次溶样,而后再蒸干,如此反复3次,使残余物完全溶解。之后将50 μL的溶解液置于AG1-X8阳离子交换树脂柱内分离;萃取出的Pb再通过交换树脂柱进行二次提纯。采用硅胶-H3PO4技术(Gerstenberger and Haase,1997)将约100 ng Pb装入TIMS的Re丝。分析仪器是Finnigan MAT Triton TI 热离子质谱仪(TIMS)。质量校正采用Todt et al.(1996)给出的NBS-981标准。

3 地球化学

薛家石梁-黑山寨杂岩体代表性岩石样品的主量、微量和稀土元素含量见表2,Sr-Nd-Pb同位素数据见表3。由于薛家石梁-黑山寨杂岩体高 Ti闪长岩、闪长岩、石英闪长岩与二长岩的K2O和全碱含量较高,在TAS图解中落在二长辉长岩、二长岩和正长岩的区域。但需要指出的是,侵入岩的命名应依据其实际矿物含量在QAP三角图投图决定,而非TAS图解(Le Maitre,2002),因此本文以实际矿物含量为依据对薛家石梁-黑山寨杂岩体的不同岩石类型进行命名。为了有关岩石特征、成因探讨方面描述的方便和简洁,本文根据岩石学特征和地球化学分析结果将杂岩体的岩石归为5大类:(1) 堆晶成因的含钒钛磁铁矿辉长岩;(2) 低Ti辉长岩;(3) 高Ti闪长岩;(4) 高Sr低Y中酸性岩(包括:低Ti闪长岩、二长岩、石英二长岩)和(5) 黑熊山铁质花岗岩。

在 TAS图解中,薛家石梁-黑山寨杂岩体中的上庄低Ti辉长岩落在亚碱性系列区域,薛家石梁高Ti闪长岩和低Ti闪长岩、黑山寨石英二长岩和湖门二长岩的样品落入碱性系列区域(图2)。在AFM图解中,这些岩石均显示钙碱性系列的演化趋势(图3a)。在 SiO2-K2O图解中,低 Ti辉长岩落在钙碱性系列区域,而高Ti闪长岩、低Ti闪长岩、石英二长岩和二长岩成分点多数落在钾玄岩系列区域,其他落在高钾钙碱性系列区域(图3b)。综合起来,低 Ti辉长岩是典型的钙碱性系列岩石,而高Ti闪长岩、低Ti闪长岩、石英二长岩和二长岩属于钾玄岩系列与高钾钙碱性系列之间的过渡类型。

表2 薛家石梁-黑山寨杂岩体主量(%)、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-黑山寨杂岩Sr-Nd-Pb同位素组成Table3 Sr-Nd-Pb isotopic compositions of the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

低Ti辉长岩的TiO2含量小于2%,具有较低的K2O(<1%)和全碱含量。在杂岩体的中基性岩中,低Ti辉长岩的REE和微量元素含量相对最低;REE配分曲线显示LREE的适度富集,具有正的Eu异常(图4a);原始地幔标准化的微量元素蛛网图显示Ba、Sr、Pb的正异常,高场强元素Nb、Ta和Zr、Hf的相对亏损,Th、U相对于LREE的亏损(图5a)。

高 Ti闪长岩的 SiO2含量与低 Ti辉长岩相当(<50%),但具有较高的 TiO2(>2%)、K2O(>1.4%)和全碱含量。在杂岩体的中基性岩中,高 Ti闪长岩的REE含量相对最高;REE分配曲线显示LREE的适度富集,不显示Eu异常(图4a);原始地幔标准化的微量元素蛛网图显示Ba的正异常,高场强元素Nb、Ta和Zr、Hf的相对亏损,Sr、Pb不显示异常,明显亏损 Th、U(图5a)。

图2 薛家石梁-黑山寨杂岩 TAS图解(部分数据据钱青等,2002,Su et al.2007)Fig.2 TAS plot for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

杂岩体中的高Sr低Y中酸性岩(SiO2=50%～70%)在Frost et al.(2001)提出的SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)图解中,属于镁质花岗岩类(图6a)。按 SiO2-MALI图解,成分点主体落在 Peacock意义上的碱性区域内(图6b)。这些岩石的REE含量介于低Ti辉长岩和高Ti闪长岩之间,轻重稀土分馏特征与低Ti辉长岩和高 Ti闪长岩相似(图4a),其中二长岩具有十分明显的 Eu正异常。微量元素蛛网图显示 Ba、Sr、Pb的正异常,高场强元素Nb、Ta和Zr、Hf的相对亏损,Th、U相对于LREE的亏损(图4b)。

图3 薛家石梁-黑山寨杂岩AFM (Na2O+K2O-FeO-MgO) (a)和SiO2-K2O (b)图解(部分数据据钱青等,2002;Su et al.2007,图例同图2)Fig.3 AFM (Na2O+K2O-FeO-MgO) (a) and SiO2 vs K2O (b) diagrams for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

图4 薛家石梁-黑山寨杂岩稀土元素球粒陨石标准化配分型式(球粒陨石值据Boynton,1984)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

图5 薛家石梁-黑山寨杂岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔标准化数据值据Sun and McDonough,1989)Fig.5 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

图6 薛家石梁-黑山寨杂岩SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)(a)和SiO2-MALI (Na2O+K2O-CaO)图解(b,底图据Frost et al.,2001)(部分数据据钱青等,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)

黑熊山花岗岩具有很高的 SiO2含量(>75%)。在Frost et al.(2001)提出的SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)图解中,属于铁质花岗岩类(图6a),而与杂岩体的其他岩类明显不同。其具有右倾的“海鸥型”配分曲线和明显的负Eu异常(图4b)。微量元素蛛网图显示其亏损 Ba、Sr、Ti,具有明显的 Pb、K的正异常,Th、U、Nb、Ta和Zr、Hf相对于REE均不亏损(图5b)。

薛家石梁-黑山寨杂岩体显示相对富集的Nd同位素特征,其εNd(t)值在-7.3到-16.3之间变化,以-8到-13者为多(表3)。样品的87Sr/86Sr(i)值均小于0.706(表3)。在87Sr/86Sr(i)-εNd(t)图解中,样品落在原始地幔和EMI型富集地幔源区之间(图7),表明其源岩和/或成岩过程中有EMI型富集源区的参与。

薛家石梁-黑山寨杂岩体的不同岩性都表现出放射性Pb同位素明显亏损的特征: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)图解中(图8),杂岩体的成分点落在华北克拉通岩石圈地幔和下地壳 Pb同位素比值分布区之间,表明其源岩是长期亏损Th、U的古老岩石圈地幔和下地壳。

4 岩石成因与地球动力学意义探讨

4.1 岩石成因

图7 薛家石梁-黑山寨杂岩Sr-Nd同位素图解(部分数据据钱青等,2002;Su et al.2007。DM(地幔端元)据Rollinson,1993,图例同图2)Fig.7 Sr-Nd isotopic plots for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

如上节所述,薛家石梁-黑山寨杂岩体的岩石类型可分为5组:(1) 堆晶成因的辉长岩;(2) 低Ti辉长岩;(3) 高Ti闪长岩;(4) 高Sr低Y中酸性岩;(5) 黑熊山铁质花岗岩。这些岩石在空间上的分布规律以及相互间的接触关系暗示,分离结晶作用在基性岩和高Sr低Y中酸性岩形成过程中扮演了重要角色。

高Ti闪长岩和低Ti辉长岩的MgO、Ni、Cr含量较低,不属于原始岩浆,但在该杂岩体出露的所有岩性中最接近原始幔源岩浆。高Ti闪长岩与低Ti辉长岩相比,具有高的稀土元素和强不相容元素含量,在微量元素蛛网图上显示U、Th相对于Nb、Ta亏损,K相对于LREE亏损的特征;同时,高Ti闪长岩具有比低 Ti辉长岩更高的εNd(t)值(表3,图7)。两类基性岩相近的SiO2含量以及REE、不相容元素丰度和Nd同位素的显著差异暗示两者之间不存在演化关系。它们分别源于相对独立的两种原始幔源岩浆。低Ti辉长岩的微量元素蛛网图显示明显的Pb正异常,表明其成岩过程中受到地壳物质的混染。高Ti闪长岩则不具有Pb正异常,反映其没有受到地壳物质的混染。

图8 薛家石梁-黑山寨杂岩Pb同位素图解(部分数据据Su et al.2007)Fig.8 Pb isotopic plots for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

如第1节所述,薛家石梁-黑山寨杂岩体中的高Sr低Y中酸性岩,即低Ti闪长岩(SiO2>50%)、石英二长岩、二长岩在空间上位于原始岩浆房中、上部,相互之间为过渡关系。这些中酸性岩的稀土配分模式、不相容元素标准化模式与低Ti辉长岩相近,且相应微量元素含量随演化程度增高(SiO2含量增加)而增高(图5,图9)。这些特征指示,两者不是独立起源的岩浆,而是具有演化关系,同为原始幔源岩浆的分异产物。该杂岩体的低Ti闪长岩、石英二长岩和二长岩均属于Frost et al.(2001)定义的镁质花岗岩类(图6),加之堆晶岩的磁铁矿矿化现象,这些事实指示其原始岩浆的分异演化是在相对氧化条件下进行。据此,我们归纳该杂岩体主体的成岩过程是:原始幔源岩浆在岩浆房内分异,其早期离结晶的辉石、斜长石和磁铁矿等下沉形成上庄堆晶含钒钛磁铁矿辉长岩,残余岩浆继续演化形成低Ti辉长岩、低Ti闪长岩(SiO2>50%)、石英二长岩和二长岩;其中湖门二长岩包含了大量岩浆结晶过程中上浮堆积的长石,显示了明显Eu的正异常(图4a)。其后,高Ti闪长岩浆注入岩浆房,包裹堆晶含钒钛磁铁矿辉长岩和低Ti辉长岩;同时与岩浆房内未固结的中性岩浆发生同位素的交换,导致 Nd同位素组成的相对均一化。

除高 Ti闪长岩以外的薛家石梁-黑山寨杂岩体各岩性在微量元素蛛网图上所显示的 Pb正异常表明,它们在成岩过程中受到地壳物质的(不均匀)混染,这必然导致Sr、Nd同位素比值的变化。所以,薛家石梁-黑山寨杂岩体的成岩过程属于广义的 AFC过程(汪洋,2007),而非钱青等(2002)所认为的单纯分离结晶演化机制。反之,杂岩体各岩性之间 Sr、Nd同位素比值的波动也不构成否定分离结晶作用的证据。

黑熊山花岗岩与薛家石梁-黑山寨杂岩体内其它岩性之间侵入接触关系截然,其岩石地球化学特征明显不同于基性岩和高Sr低Y中酸性岩(图4～6),具有A型花岗岩的特征,属于Frost and Frost (2011)定义的铁质花岗岩(即:A型花岗岩)(图6a)。基于此,我们认为黑熊山花岗岩是独立的壳源岩浆侵位于薛家石梁-黑山寨岩浆房中固结的产物。黑熊山铁质花岗岩体的形态表明,其侵位时岩浆呈热柱(thermal plume)形式注入薛家石梁-黑山寨岩浆房尚未固结的上部,然后水平扩展形成碗碟状形态,而在岩浆房下部保留了原始运移通道——细长的热柱尾部(plume tail)。相对于杂岩体中的基性岩和其他中酸性岩,黑熊山铁质花岗岩相对更亏损Nd、Pb同位素组成,其Th、U相对于 Nb、Ta和LREE富集,具明显的Eu负异常并且相对亏损中稀土元素(图7～8,图4～5)。这些岩石地球化学特征指示其源岩接近上地壳的成分,且部分熔融残留相组合中含角闪石。黑熊山铁质花岗岩浆的起源深度应大于23 km(0.63 GPa)——薛家石梁-黑山寨岩浆房下部的原始深度,而小于50 km(1.5 GPa)——斜长石在中酸岩浆体系中的稳定压力范围上限所对应的深度。正常情况下上地壳厚度小于15 km。因此,黑熊山铁质花岗岩浆是具有上地壳成分组成的源岩在中、下地壳深度的压力范围内发生黑云母失水部分熔融的产物。

图9 薛家石梁-黑山寨杂岩哈克图解(部分数据据钱青等,2002;Su et al.2007,图例同图2)Fig.9 Harker diagrams for the Xuejiashiliang-Heishanzhai complex

4.2 地球动力学意义

薛家石梁-黑山寨杂岩体出露于云蒙山变质核杂岩河防口拆离断层的下盘(西侧),其形成时代与云蒙山变质核杂岩的活动起始时代一致(～125 Ma)(Davis et al.,2001)。野外观察和岩浆侵位深度的估算结果表明,该杂岩体在固结成岩后经历了南东-北西向的掀斜,是变质核杂岩下盘在拆离运动中发生背形穹弯变形的结果(程素华和汪洋,2011)。因此,薛家石梁-黑山寨杂岩体是燕山西段地区造山崩塌开始阶段岩浆活动的典型代表。

根据该杂岩体的岩体地质、岩石学、地球化学和侵位深度信息,可以归纳燕山西段地区造山崩塌阶段的岩浆作用特点如下:(1) 幔源基性岩浆可以在地壳中部通过分离结晶过程形成硅饱和的高钾钙碱性中酸性岩,后者具有高Sr低Y的特征;(2) 与基性-中性岩浆活动伴生的铁质花岗岩(即:A型花岗岩)不一定是幔源基性岩浆分离结晶的直接产物,而更有可能是壳源岩石部分熔融的产物,其起源深度位于地壳中下部;(3) 基性-中性岩浆与铁质花岗岩两类岩浆形成的时间间隔在地质意义上很短暂;铁质花岗岩浆可以在基性-中性岩浆发生分异演化的岩浆房尚未完全固结时侵入其中。这暗示在造山崩塌阶段幔源岩浆加热中、下地壳导致其发生部分熔融所需时间短暂。所以,造山崩塌阶段可以形成从基性岩、中性岩到酸性岩的宽谱系火成岩组合,而且其频数分布不一定是双模式(bi-modal)类型。这些火成岩几乎同时形成并侵位,构成基性岩-高 Sr低 Y中酸性岩-铁质花岗岩共生组合。

具有放射性 Pb同位素强烈亏损同时又不具备Pb异常的薛家石梁高Ti闪长岩的出露表明,至少在早白垩世中期(～125 Ma)燕山西段仍然存在亏损放射性Pb同位素的岩石圈地幔,这一事实不支持部分学者提出的下地壳与岩石圈地幔整体发生拆沉的动力学模式。

具有类似埃达克岩地球化学性质的高Sr低Y中酸性岩(薛家石梁的低 Ti闪长岩、黑山寨石英二长岩、湖门二长岩)可以由基性岩浆通过分离结晶形成。因此,仅仅依据地球化学特征厘定的“C型埃达克岩”并非全部形成于加厚下地壳的部分熔融过程。同样,不能简单地依据“C型埃达克岩”的出现来论证是否存在加厚的地壳。

造山崩塌阶段的铁质花岗岩(即:A型花岗岩)并不一定形成于低压条件(地壳浅部),黑熊山铁质花岗岩的起源深度应该在23 km以下。黑熊山铁质花岗岩的源岩具有上地壳的地球化学特征,暗示在变质核杂岩形成之前地壳上部曾经显著增厚,与构造地质的研究结果吻合(Davis et al.,2001)。如前所述,以上庄辉长岩和薛家石梁高Ti闪长岩为代表的幔源岩浆活动与黑熊山铁质花岗岩代表的地壳部分熔融事件的时间间隔很短。这一事实表明,在幔源岩浆和变质核杂岩形成时地壳的温度较高,底侵或内侵的幔源岩浆结晶释放的能量很快就能使得围岩的温度超过其固相线温度,从而引发壳源岩石部分熔融作用的发生。这也就表明,在云蒙山变质核杂岩形成之前,燕山西段地区存在地温较高的加厚地壳。流变学研究表明,热而厚的地壳会导致岩石圈的整体强度显著下降(Wang,2001;汪洋和程素华,2011),以至于无法支撑造山带自身的重量,在重力势能的作用下发生伸展垮塌(Sandiford and Powell,1990)。因此,云蒙山变质核杂岩是燕山造山带由于地壳增厚和增温导致重力崩塌的构造表现,而非岩石圈地幔拆沉所导致的伸展响应。在后一种动力学背景下,地壳底部和未被拆沉的岩石圈地幔部分的温度由于直接与软流圈接触增加很快,流变学强度降低,但地壳中部、上部的温度增加得很慢(汪洋,2006)。在此情况下,壳源岩石部分熔融作用的发生将滞后于幔源岩浆的活动。

综合上述内容,我们归纳早白垩世燕山西段造山崩塌过程的构造-岩浆活动序列如下:(1) 前期挤压造山过程导致的地壳增厚和地温增加,岩石圈强度急剧降低;(2) 在重力势能作用下发生伸展,形成云蒙山变质核杂岩;(3) 伸展作用导致的岩石圈地幔发生减压熔融——基性岩浆活动,内侵的基性岩浆在地壳内的高位岩浆房发生分异演化,形成一系列中酸性岩;(4) 底侵和内侵的基性岩浆加热下地壳,使其发生部分熔融,形成铁质花岗岩(A型花岗岩)。(5) 变质核杂岩持续活动,导致侵位于其拆离断层下盘的侵入体发生掀斜。

5 结 论

本文作者的野外观察以及角闪石压力计估算的岩体侵位深度结果显示:薛家石梁-黑山寨杂岩体代表了一个早白垩世中期(～125 Ma)的岩浆房。岩浆固结后该岩浆房经历了大角度掀斜,是云蒙山变质核杂岩下盘在拆离运动过程中发生背形穹弯变形的结果。

薛家石梁-黑山寨杂岩体岩浆活动分为 3批次,第1批次的原始幔源岩浆经分异演化形成该杂岩体所包含的堆晶辉长岩、低Ti辉长岩、低Ti闪长岩、石英二长岩和二长岩;在岩浆房未固结时第 2批次的高Ti闪长岩浆注入其中;然后是第3批次的壳源铁质花岗岩浆注入岩浆房上部。薛家石梁-黑山寨杂岩体的高Sr低Y中酸性岩既非王焰和张旗(2001)所认为的部分熔融成因,亦不能够用钱青等(2002)的简单分离结晶机制来诠释;它们是基性岩浆分离结晶过程的同时受到地壳物质混染,最后又经历了高Ti闪长岩浆注入导致的岩浆混合作用的产物。

薛家石梁-黑山寨杂岩体所含的高 Ti闪长岩的地球化学和Sr-Nd-Pb同位素特征指示当时存在亏损放射性Pb同位素的岩石圈地幔,不支持岩石圈拆沉的动力学模式。该杂岩体是燕山造山带挤压变形导致的地壳增厚和增温所引起的重力崩塌过程的岩浆事件响应的典型代表。

致谢:中国科学院地质与地球物理研究所钱青研究员和另一位匿名审稿人提出了宝贵的修改意见。本文初稿图件由姚瑶绘制,在此一并表示感谢！

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