秦皇岛柳江地区辉绿岩脉特征及其成因

董福湘，曹家鑫，于红玉，闫攀攀

1.长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 1300122.浙江大学海洋学院，杭州 3100583.广东省有色金属地质局九四○队，广东 清远 5115204.中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队, 杭州 310022



秦皇岛柳江地区辉绿岩脉特征及其成因

董福湘1，曹家鑫2，于红玉3，闫攀攀4

1.长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 1300122.浙江大学海洋学院，杭州 3100583.广东省有色金属地质局九四○队，广东 清远 5115204.中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队, 杭州 310022

秦皇岛柳江地区辉绿岩脉主要分布于碳酸盐岩出露区的亮甲山、石门寨、潮水峪西北、砂锅店东北、揣庄北、石岭西北、鸡冠山等地，且多以脉状，岩墙、岩床等形式产出。对柳江地区辉绿岩常量元素的分析表明:w(SiO2)变化较大，且平均值较低；w(FeO+Fe2O3)平均值比基性岩类略偏高；w(Al2O3)、w(CaO)、w(MgO)、w(K2O+Na2O)的平均值均在基性岩类平均值范围内；w(TiO2)的平均值为1.53%。微量元素富集高场强元素Ta、Nb、Zr、Hf，La/Nb>1，表明岩浆上升过程中受到地壳不同程度的混染；稀土元素球粒陨石标准化分布型图各样品基本一致，呈右倾，稀土元素总量较高，轻稀土较重稀土富集，无明显的Eu异常，反映出岩浆演化过程中分离结晶作用并不明显，样品之间的稀土分馏程度相同。分析结果与研究区辉绿岩的岩相学特征相结合，表明柳江地区辉绿岩属于钾玄岩系列，来自于板内环境。结合研究区大地构造背景，认为研究区辉绿岩脉是钾玄质系列玄武质岩浆沿早期断裂或岩层层面灌入冷凝而形成。

辉绿岩脉；岩石化学特征；成因；柳江地区

0 引言

Ⅰ.西伯利亚板块；Ⅱ.华北板块；Ⅲ.扬子板块。据文献[14]修改。图1 华北东部及邻区中生代构造背景及格局Fig.1 Mesozoic tectonic framework of the eastern North China Block and its surrounding area

华北地块位于古亚洲洋构造域和太平洋构造域的交叠部位，中生代以来发生过华北板块和华南板块的碰撞、岩石圈快速减薄、岩石圈地幔的置换作用、“地台活化”等多次构造事件[1-8]。秦皇岛柳江地区位于华北板块东北部、渤海湾盆地以北[9-13](图1)。经野外地质调查得知，该区寒武纪-奥陶纪碳酸盐岩分布较广，主要地层为府君山组、冶里组、亮甲山组、马家沟组，这些地层的碳酸盐岩中穿插分布着较多的辉绿岩脉、岩墙及岩床。

秦皇岛柳江盆地是我国重要的较为理想的基础地质实习基地，有关地层、古生物、沉积岩和沉积相、岩浆活动和岩浆岩、构造、路线地质及矿产等方面的研究成果较多；并且关于其构造属性[9]、地壳演化[10]、混合花岗岩锆石定年[15]及火山岩[16]等方面前人也已经做了大量工作。李越等[9]认为，柳江盆地为单斜构造,是地壳断块在北北东向断裂作用下西侧上升东侧下降掀斜作用的结果，其北北东向断裂是郊庐断裂系的组成部分；陈丹玲等[14]在锆石阴极荧光内部结构研究的基础上进行了LA-ICP-MS锆石原位U-Pb定年，获得柳江盆地基底混合岩化作用发生的年代为2 570～2 560 Ma。但对前人区内分布的众多辉绿岩脉却很少进行研究，而辉绿岩又是研究地幔特征及恢复地质历史时期构造环境最好的证据之一。基性岩作为岩石圈拉张背景下的产物，是基性岩浆从地幔上升至地表所形成的，其为壳幔演化的研究提供了重要信息，对限定研究区的构造格局和时空演化特征起着重要的作用，具有特殊的大陆动力学意义[17-19]。笔者对柳江地区辉绿岩的分布特征、岩相学特征及主要元素、微量元素和稀土元素特征进行综合研究，以深化对柳江地区辉绿岩脉岩浆源区特征、成因机制的认识。

1 辉绿岩脉分布及岩相学特征

1.1 辉绿岩脉分布特征

研究区辉绿岩脉多分布在碳酸盐岩出露区，即亮甲山、石门寨西、石门寨北、潮水峪西北、砂锅店东北、揣庄北、石岭西北等地区(图2)，出露规模大小不一(表1)。辉绿岩脉出露宽度最大为4.5 m，最小为0.2 m，多数为0.5～1.0 m;出露长度最大为250 m，最小为2 m(图版)。从产状看，辉绿岩脉基本呈近东西和北北西两个方向展布，在富祥采石场、浅野采石场、亮甲山及沙锅店均见到顺层产出的辉绿岩脉(图版A、B、E)，多处可见直立辉绿岩脉，如亮甲山、沙锅店、浅野采石场及富祥采石场 (图版B、 C、D、F、G)，在潮水浴有辉绿岩脉顺断裂灌入(图版H)。在亮甲山出露的辉绿岩脉，近于直立产出的穿切近于顺层产出的(图版B)，这表明辉绿岩脉至少有两期，并且顺层产状的脉体形成时间早于直立产状的脉体。

表1 辉绿岩脉规模及产状统计表

图2 柳江地区辉绿岩脉分布示意图Fig. 2 Diabase dikes distribution in Liujiang

1.2 辉绿岩岩相学特征

辉绿岩新鲜面黑绿色，风化面暗褐色，斑状结构，多数为块状构造，个别见有气孔构造，细粒--中粒辉绿结构、辉绿辉长结构(图版I)，主要组成矿物为斜长石，角闪石及少量辉石，含有不透明的金属矿物(图版J)。斜长石为板状，发育聚片双晶，局部可见有环带结构，长宽比例为3∶1～5∶1，粒径一般为1～3 mm ，体积分数40%～50%，多数斜长石发生绢云母化、碳酸盐岩及弱绿帘石化等；角闪石呈长柱状、自形至半自形，体积分数为30%～45%，角闪石多已经蚀变，部分保留长柱状晶形；辉石为他形粒状，粒径0.05～0.1 0 mm，多已碳酸盐化，体积分数为20%～30%；黄铁矿等金属矿物多为他形粒状，体积分数为5%～10%。

2 岩石化学特征

2.1 岩石化学分析数据

从采集的样品中挑选未蚀变或个别样品蚀变程度较轻的7个辉绿岩样品进行化学成分分析，测试工作由国土资源部长春矿产资源监督检测中心完成(检测批号：20132025)，常量元素检测依据是GB/T145063-GB/T1450614，仪器使用天平(BS124S)、滴定管(50 mL)、原子吸收分光光度计(GGX-600)、分光光度计(722G)，精度符合国标，部分优于国标；微量元素和稀土元素检测依据是DZ/T0167-2006及DZG93-04，使用的仪器主要是等离子体质谱仪(X Series2)，精度符合国标，部分优于国标。分析结果列于表2。岩石地球化学数据处理及作图采用路远发[20]的Geokit软件完成。常量元素分析表明：w(SiO2)为45.61%～50.78%，在45%～52%范围内[21]；w(K2O+Na2O)个别样品(D1201)略偏高，但平均值(4.79%)在正常值(小于5%)范围内[21]，并且，7个样品K2O/Na2O均值为0.5～2.0；w(FeO+Fe2O3)平均值为16.53%，而基性岩正常值范围为8%～14%[21]，比基性岩类的铁的氧化物值略偏高，并且，Fe2O3/FeO较高；w(CaO)的平均值为7.50%，为正常范围值(6%～10%);w(MgO)的平均值为5.84%，为正常范围值(4%～11%)；w(Al2O3)的平均值为14.23%，为基性岩正常值(13%～18%)；w(TiO2)的平均值为1.53。

从微量元素分析结果(表2)可以明显看出,微量元素的质量分数都高于MORB(大洋中脊玄武岩)值，并且富集高场强元素Ta、Nb、Zr、Hf，La/Nb>1，暗示有地壳组分的混入，即上升过程中受到地壳不同程度的混染[22-23]。

表2 研究区辉绿岩岩脉元素分析数据

注：表中常量元素质量分数单位为10-2；微量元素及稀土元素质量分数单位为10-6。

稀土元素总量w(∑REE)=(112.58～525.08)×10-6(表2), LREE/HREE=(5.10～18.29)，说明轻稀土富集程度高于重稀土。7个样品的稀土配分型式曲线基本一致，且呈明显的右倾型，轻稀土分布曲线较陡,重稀土分布曲线较为平缓，Eu未见明显的异常(图3)，为轻稀土富集型，反映出岩浆演化过程中分离结晶作用并不明显，样品之间的稀土分馏程度相同，同时也表明辉绿岩在形成过程中曾遭受地壳混染作用。

球粒陨石数据引自文献[33]。图3 稀土元素球粒陨石标准化分布型式图Fig.3 Chondrite-normalized REE distribution pattern

2.2 岩石系列划分

依据研究区代表性样品辉绿岩的常量元素、微量元素和稀土元素分析结果，绘制图4--图10。

Pc.苦橄玄武岩；B.玄武岩；O1.玄武安山岩；O2.安山岩；O3.英安岩；R.流纹岩；S1.粗面玄武岩；S2.玄武质粗面安山岩；S3.粗面安山岩；T.粗面岩、粗面安山岩；U1.碱玄岩、碧玄岩；U2.响岩质碱玄岩；U3.碱玄质响岩；Ph.响岩。图4 研究区w(Na2O+K2O)-w(SiO2)相关图Fig.4 Correlogram of w(Na2O+K2O)-w(SiO2)

图5 研究区w(SiO2)-Zr/TiO2相关图Fig.5 Correlogram of w(SiO2)-Zr/TiO2

图6 研究区w(K2O)与w(SiO2)关系图Fig.6 Diagram of w(K2O)-w(SiO2)

图7 研究区Ce/Yb与Ta/Yb关系图Fig.7 Diagram of Ce/Yb-Ta/Yb

WPB.板内玄武岩；MORB.大洋中脊玄武岩区；IAB.岛弧玄武岩。图8 研究区Zr/Y与w(Zr)关系图Fig.8 Diagram of Zr/Y-w(Zr)

VAB.火山弧玄武岩。图9 研究区w(TiO2)与w(Zr)关系图Fig.9 Diagram of w(TiO2)-w(Zr)

Ⅰ.板块发散边缘区；Ⅱ.板块汇聚边缘；Ⅲ.大洋板内洋岛、海山玄武岩区；Ⅳ.大陆板内；Ⅴ.地幔热柱玄武岩区。图10 研究区Th/Hf-Ta/Hf关系图Fig.10 Diagram of Th/Hf-Ta/Hf

图4--图7为岩石类型及岩石系列划分图。在图4中，5个投影点落在玄武岩区，2个投影点落在粗面玄武岩区。图5中所有点落均在玄武岩区及其边界线上。图4和图5表明，柳江辉绿岩的化学成分与玄武岩的化学成分相当，应来源于玄武质岩浆。在图6中，6个投影点落在钾玄岩系列，一个投影点落在钾玄岩系列与高钾钙碱性岩系列的边界上。在图7中6个投影点落在钾玄质系列，一个投影点落在钙碱性系列。表明研究区辉绿岩为钾玄系列。

结合研究区辉绿岩的岩相学特征表明，研究区辉绿岩属于钾玄岩系列。因为：①碱性玄武岩浆冷凝形成的岩石矿物成分和化学成分，突出的特征是富碱，w(K2O+Na2O)均大于5%；②碱性玄武岩与拉斑玄武岩相比，富w(TiO2)(>2%)，高碱，从这一点上来看，D601、D603、D401号样虽满足w(TiO2)>2%这一特点，但是全碱质量分数小于5%。③而碱性玄武岩与亚碱性玄武岩相比，碱性玄武岩在矿物成分上以含大量碱性长石、碱性暗色矿物、富钛辉石等为特征，若岩石碱性较强时，则会出现似长石，但就矿物组成上来看，上述样品均不具备碱性玄武岩浆特点；④中国东部岩石圈的主拆沉期(160～120 Ma)是深部软流圈地幔与地壳相互作用的结果，其代表性岩石为钾玄岩系[24]；⑤本次研究中发现，大离子亲石元素K在分析样品中质量分数较高，从岩石系列划分来看达到富钾程度(图5、图7)，而板内玄武岩源于富集型地幔或曾遭受地壳混染时，则会同时富集大离子亲石元素和高场强元素[23]，本次研究过程中，野外观察到辉绿岩脉没有明显的冷凝边和烘烤边现象，表明岩浆在侵位后没有快速上升、冷凝，而很可能是岩浆在上升过程中与地壳物质发生混染，从而导致钾偏高，稀土元素的特征研究也表明了这一点。因此，柳江辉绿岩岩相学特点和化学成分分析相结合，综合判断其来源于钾玄质系列。

2.3 构造背景

图8至图10为构造背景划分图。其中:图8中的7个投影点均落在WPB区内；图9中的7个投影点，其中有6个点落在WPB或其边缘线上，有一个投影点落在了靠近板内玄武岩边上MORB的边界线上；图10中除了一个点，其他投影点均落在了大陆板内(Ⅳ)区域。综合图8、9、10的研究表明，研究区的辉绿岩来自于板内环境。

此外，从稀土元素分析表(表2)中可以看出，除D302号样外，其他样品Y/Nd值均小于1。这也表明，研究区辉绿岩可能来源于板内。

研究区位于河北省东北部，即华北地台燕辽沉降带的东段、山海关隆起带东南缘[22]。前人研究表明，河北北部燕山地区在距今95～62 Ma的中生代侏罗纪--白垩纪期间，发生了燕山构造运动，其始动期的早侏罗世以宁静的玄武岩喷溢揭开了燕山构造运动的序幕[25]。

董树文等[26-27]把“燕山运动”定义为起始于(165±5) Ma的“东亚多向汇聚”构造体制及其形成的广泛陆内造山和构造变革,将中国东部岩石圈巨量减薄视作燕山期陆内造山和陆内变形的后效，并将燕山运动分为3个时期，即燕山运动主幕强挤压陆内造山期((165±5)～136 Ma)、主伸展垮塌与岩石圈减薄期(135～100 Ma)、燕山运动晚幕弱挤压变形期(100～83 Ma)。其中，在主伸展垮塌与岩石圈减薄期，由于中、晚侏罗世板块汇聚、多向挤压变形和陆内造山导致中国东部地壳岩石圈增厚,特别是华北地块地壳大幅度增厚,从而诱发了以华北为中心的岩石圈垮塌减薄和克拉通破坏,大规模的软流圈地幔上涌发生的底板垫托作用引发了巨量的岩浆侵入和火山喷发。张旗等[28]认为中国东部燕山期大规模岩浆活动可能与超级地幔柱的活动有关,是一种新的大火成岩省类型。并归为B型大火成岩省,部分熔融发生在岩石圈底部,以发育玄武岩为特征。

传统意义上的柳江盆地位于燕山东段[9]。而燕山中段,侵入密云--喜峰口断裂中的辉绿岩脉的锆石SHRIMP U-Pb和角闪石Ar-Ar测年发现,锆石U-Pb年龄为290～125 Ma,没有一个谐和年龄；角闪石Ar-Ar年龄为(123.5±1.5) Ma,这与最年轻的锆石U-Pb年龄一致,代表了辉绿岩脉的冷却年龄[29]，这一时间段恰好在燕山构造运动主伸展垮塌与岩石圈减薄期(135～100 Ma)之内。因此，可以认为，位于燕山东段研究区辉绿岩脉冷却时间应与燕山中段辉绿岩脉冷却时间相近，为135～100 Ma。

3 成因分析

研究区辉绿岩脉与华北克拉通175 Ma前后基性岩墙群类似[30-33]，属于板内环境的非造山岩浆活动。

在中生代，由于太平洋板块运动方向向西北转变碰撞挤压华北板块，引起板块的内部拉张，导致燕山主伸展垮塌与岩石圈减薄(135～100 Ma)[1]，在拉张的构造环境中，裂谷发育初期，缓慢的岩石圈拉伸导致软流圈上涌速度慢，减压熔融的部位深，温度增加幅度小，因此熔融程度一般较低，饱满型或交代富集型地幔橄榄岩发生部分熔融，从而形成富碱基性岩浆，富K2O+Na2O及不相容元素；大陆裂谷发育中晚期，熔融程度增加时，其他元素也大量进入，不相容元素被稀释而比例减小，从而形成钾玄系列基性岩浆。这些岩浆在浮力作用下，可能沿着东西向、北北东向断裂构造上升形成岩脉或岩墙，如亮甲山采石场，辉绿岩呈岩墙产出，岩墙沿走向N10°E、倾向西、倾角85°～88°的张断裂充填；或者，这些岩浆沿着地层层面灌入，因为研究区辉绿岩脉围岩地层倾角角度较小，一般接近于15°左右，所以呈类似于岩床状产出。

4 结论

1)野外地质调查表明，柳江地区辉绿岩主要分布于碳酸盐岩出露区，以岩脉、岩墙、岩床等形式产出,并且在亮甲山出露的直立产出的辉绿岩脉穿切顺层产出的，这表明辉绿岩脉至少有两期。辉绿岩新鲜面黑绿色，风化面暗褐色，具斑状结构、辉绿结构、辉绿辉长结构，多数为块状构造，个别见有气孔构造，组成矿物为斜长石、角闪石及少量辉石。

2)对柳江地区辉绿岩常量元素分析表明，w(SiO2)变化较大，且平均值较低；w(FeO+Fe2O3)平均值比基性岩类略偏高；Al2O3、CaO、MgO、K2O+Na2O的质量分数平均值均在基性岩类平均值范围内；w(TiO2)的平均值为1.53%。

3)微量元素富集高场强元素Ta、Nb、Zr、Hf，La/Nb>1，暗示有地壳组分的混入，即上升过程中受到地壳不同程度的混染；稀土配分型式曲线基本一致且右倾型，为轻稀土富集型，反映出岩浆演化过程中分离结晶作用并不明显，样品之间的稀土分馏程度相同，研究区辉绿岩属于钾玄岩系列。

4)结合研究区大地构造背景，认为研究区辉绿岩来自于板内环境；研究区辉绿岩脉是钾玄质系列玄武岩浆沿早期断裂或岩层层面灌入冷凝而形成。

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图 版 说 明

A.亮甲山顺层辉绿岩脉；B.亮甲山直立辉绿岩脉切穿顺层脉；C.沙锅店直立辉绿岩脉；D.浅野采石厂直立辉绿岩脉；E.沙锅店顺层辉绿；F.浅野采石厂直立辉绿岩脉被错断岩脉；G.沙锅店直立辉绿岩脉；H.潮水浴村旁辉绿岩脉沿断层灌入；I.辉绿结构，斜长石呈板柱状，搭建有三角形格架，其间充填有它形金属颗粒及绿泥石化的辉石(02号薄片，10倍正交偏光)；J.晶型较好的辉石,具环带状消光现象，该颗粒大小为1.5 mm左右。周围白色的针柱状矿物为碳酸盐化的斜长石。I、J为薄片照片，正交偏光。

Characteristics and Cause of Diabase Dikes in Liujiang Area of Qinhuangdao

Dong Fuxiang1,Cao Jiaxin2,Yu Hongyu3,Yan Panpan4

1.SchoolofProspecting&SurveyingEngineering，ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China2.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China3.NonferrousMetalsGeologicalBureauofGuangdongProvince940Battalion，Qingyuan511520,Guangdong,China4.ChinaConstructionMaterialsandGeologicalProspectingCentreZhejiangGeneralTeam,Hangzhou310022,China

Diabase dikes in Liujiang of Qinhuangdao mainly distribute along the limerock outcropping zone,such as Mount Liangjia,Shimen Village, Chaoshuiyu (northwest), Shaguodian (northeast), Chuaizhuang Village (north), Shiling Ridge (northwest),Mount Jiguan and other regions as veins, dykes, sills，and other output forms. The constant element analysis of diabase in Liujiang indicates that the content of SiO2varies greatly with a fairly low average. The average content of FeO+Fe2O3is higher than the average of basic rocks； the average values of Al2O3,CaO,MgO and K2O+Na2O are within the average of basic rocks；the average value of TiO2is 1.53%; the enrichment of HFSE Ta,Nb, Zr, Hf,La/Nb value is higher than 1；it shows that magma was contaminated by the crust material in different degree during its ascending. The total REE is high, and LREE are more than HREE. The chondrite normalized REE distribution patterns are consistent, tilted to the right, with no obvious Eu anomaly.This reflects that the fractional crystallization is not obvious in magma,and evolution and REE fractionation degree between samples is the same. The petrographic features of the diabase in Liujiang indicate that the diabase in Liujiang was derived from shoshonitic series in the intra-plate rift environment. According to the tectonic setting of the study area, the author concludes that shoshonitic series basaltic magma moved along the fractures, cooled down，then formed the diabase.

diabase dikes；chemical characteristics of the rock； cause；Liujiang

10.13278/j.cnki.jjuese.201503114.

2014-10-20

吉林省科技发展计划项目(20140101214JC)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201211437032)

董福湘(1967--)，女，教授，博士，主要从事地质教学与研究工作，E-mail:dongfuxiang2007@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201503114

P619.224

A

董福湘，曹家鑫，于红玉，等.秦皇岛柳江地区辉绿岩脉特征及其成因.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(3):820-831.

Dong Fuxiang,Cao Jiaxin,Yu Hongyu，et al.Characteristics and Cause of Diabase Dikes in Liujiang Area of Qinhuangdao.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(3):820-831.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201503114.