北京大石坡-黑山坨复式岩体地球化学特征、岩石成因及其地质意义

汪 洋,焦永玲

(中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083)

华北克拉通东部被认为是经历了克拉通破坏的典型地区(吴福元等,2008;朱日祥等,2012)。位于赤城-丰宁-隆化断裂以南的北京军都山地区,在大地构造上属于华北克拉通内部,中生代岩浆活动十分强烈(鲍亦刚等,2001),对该地区中生代岩浆岩的研究可以提供对于华北克拉通内部岩石圈破坏过程中岩浆作用机制的更好约束。本文报道北京市北部军都山地区出露的大石坡-黑山坨复式岩体的岩石地球化学和 Nd-Sr同位素特征,分析其岩石成因及地球动力学意义,为探讨华北克拉通内部的克拉通破坏过程中的岩浆作用机制提供线索和资料。

1 地质背景与岩相学特征

大石坡-黑山坨复式岩体位于北京市北部八达岭侵入杂岩带西南缘,其平面形态为NE-SW向略长的椭圆形,出露面积 18 km2,包括大石坡正长岩和黑山坨花岗岩两个部分,其中大石坡正长岩组成复式岩体的外环,角闪石正长岩分布在最外侧,向内过渡为黑云母正长岩,复式岩体中心为黑山坨花岗岩(白志民等,1991)。大石坡正长岩与黑山坨花岗岩的 LA-ⅠCP-MS 锆石 U-Pb 年龄为 200±1～201±1 Ma(项目组未刊数据),前人报道的大石坡正长岩SHRⅠMP锆石 U-Pb年龄为 196.5±5 Ma(肖庆辉等,2009),这些定年结果均指示该复式岩体侵位于早侏罗世初期(Cohen et al.,2014)。大石坡-黑山坨复式岩体与周围地层呈侵入接触关系,接触面均外倾,倾角60°左右,其北部、西部及东南部的围岩为长城系地层,东部及南部的围岩是太古宙变质岩(图1)。岩体被后期NE-SW向的断裂切割。

图1 大石坡-黑山坨复式岩体地质简图(a)(据鲍亦刚等,2001)及其区域地质背景(b,c)Fig.1 Sketch geological map of the Dashipo-Heishantuo batholith (a)and its geological background (b,c)

大石坡正长岩具中粗粒不等粒结构,块状构造。主要造岩矿物有石英(2%)、斜长石(18%)、碱性长石 (63%～64%)、 黑 云母 (10%～11%)、角闪石(2.5%～3%)和不透明矿物(2.5%)。碱性长石多为自形-他形板柱状,有的包裹黑云母及不透明矿物微晶。角闪石多为他形粒状,黑云母一般呈半自形-他形片状。石英多充填于长石间隙之间,多为他形粒状。与燕辽-阴山带三叠纪碱性侵入岩(如:水泉沟碱性正长岩)(阎国翰等,2000;包志伟等,2003)不同,大石坡正长岩不含碱性镁铁矿物,不属于过碱性(peralkaline)岩石(Le Maitre,2002)。

黑山坨花岗岩位于大石坡-黑山坨复式岩体的中心部位,岩石颜色较浅,呈中-细粒等粒结构,主要矿物为石英(33%)、碱性长石(42%)、斜长石(25%)。暗色矿物主要是镁质黑云母,含量不超过3%,不含角闪石。

根据白志民等(1991)的测试数据,大石坡正长岩角闪石的全铝含量为11.68%。大石坡正长岩的固相线温度高(见第2、3节),选择Johnson and Rutherford (1989)的角闪石压力计公式计算得到其结晶压力为 0.5 GPa;表明复式岩体的侵位深度为18 km左右。

2 地球化学及Nd-Sr同位素特征

2.1 测试方法

无污染碎样至200目的样品在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室分析主量和微量元素含量。主量元素采用XRF法,在RⅠX- 2100仪器上分析,分析精度优于 5%。微量元素制样流程如下:取50 g烘干样品置于Teflon坩埚中,依次加入1.5 ml高纯HNO3和1.5 ml高纯HF,在190 ℃加热48 h溶样,溶样蒸干后加入1 ml HNO3再次蒸干,加入3 ml 30%HNO3再次加热12 h,用2%HNO3稀释至100 g以备测试。微量元素用Agilent 7500a等离子体质谱仪(ⅠCP-MS)测定,分析精度优于 5%～10%。详细测试方法和分析流程见Gao et al.(2002)及 Liu et al.(2008)。

样品的Nd、Sr同位素在北京大学造山带与地壳演化国家重点实验室完成。50～100 mg样品粉末在Teflon闷罐中用HClO4、HF和HNO3在120 ℃电热板上加热一周充分溶解,溶样蒸干去硅后再反复用HCl溶解蒸干两次,分别用AG50W*12(200～400目)阳离子交换柱和P507阳离子交换柱分离提取Sr和Nd,最后用稀硝酸溶液定容备样。分析仪器为英国VG公司VG Axiom高分辨多接收电感耦合等离子质谱(HR-MC-ⅠCPMS),标样为BCR-2玄武岩。分别采用146Nd/144Nd比值0.7219和86Sr/88Sr比值0.1194对Nd、Sr同位素比值测试结果进行校正。流程本底:Rb=120×10-6,Sr =200×10-6,Nd =50×10-6～100×10-6。

2.2 主量元素

北京大石坡-黑山坨复式岩体样品的主量元素和微量元素分析结果列于表1。

表1 北京大石坡-黑山坨复式岩体样品的主量元素(%)和微量元素(×10-6)测试结果Table1 Major (%)and trace element (×10-6)concentrations of the Dashipo syenite and the Heishantuo granite

大石坡正长岩成分点落在TAS图解中的二长岩和正长岩区域(图略)。SiO2含量56.8%～60.0%,整体上具有富 K和全碱、富 Mg而贫 FeO的特征。其MgO含量1.61%～3.27%,Mg#范围为10～46,在Frost and Frost (2008)的 SiO2-FeOT/(FeOT+MgO)判别图解上落在 Mg质花岗岩类范围(图2a)。其 Al2O3含量16.48%～17.93%,A/CNK 值为 0.84～0.93,为准铝质(图2c)。其全碱含量高(K2O+Na2O=8.17%～9.94%),K2O含量3.31%～4.72%,K2O/Na2O比值为0.68～0.92,在SiO2-MALⅠ图上落在Peacock定义的碱质系列(图2b)。根据其主量元素特征,大石坡正长岩属于具有贫铁趋势的钾玄岩系列(图2a,d)(徐志刚等,1999;邓晋福等,2004),与燕辽-阴山带三叠纪具有富铁特征的碱性正长岩类不属于同一岩石系列。

黑山坨花岗岩成分点落在TAS图解中的花岗岩区域(图略)。其 SiO2含量 69.64%～72.61%,全碱含量较高(K2O+Na2O=8.35%～8.92%),为高钾钙碱性系列(图2d),K2O含量4.82%～5.55%,K2O/Na2O比值为1.18～1.98,在 SiO2-MALⅠ图上落在 Peacock定义的碱钙质系列范围内(图2b)。Al2O3含量 13.96%～14.55%,A/CNK值在1.03～1.13之间变化,绝大多数样品的 A/CNK值小于 1.1,整体属于弱过铝质(图2c)。黑山坨花岗岩具有相对富Mg的特征,Mg#范围为 33～37,在 SiO2-FeOT/(FeOT+MgO)判别图解上全部落在Mg质花岗岩类范围(图2a)。

2.3 稀土及微量元素特征

图2 大石坡-黑山坨复式岩体的SiO2-FeOT/(FeOT+MgO)(a,据Frost et al.,2001),SiO2-MALI(b,据Frost and Frost,2008),A/CNK-A/NK(c)以及 SiO2-K2O(d)图解(据 Peccerillo and Taylor,1976)Fig.2 SiO2 vs FeOT/(FeOT+MgO)(a),SiO2 vs MALI (b),A/CNK vs A/NK (c),and SiO2 vs K2O (d)plots for the Dashipo-Heishantuo batholith

大石坡正长岩稀土总量高(∑REE=328.3×10-6～391.4×10-6),在球粒陨石标准化图解上呈右倾式配分曲线(图3a),轻稀土(LREE)明显富集,重稀土(HREE)相 对 亏 损 ,(La/Yb)N=14.58～19.00。 δEu=0.82～1.10,表明样品具有弱的Eu异常或不具Eu异常。从蛛网图(图3b)可以看出,大石坡正长岩富集大离子亲石元素Rb、Ba、Sr和LREE,显示强烈的Pb正异常,高场强元素 Nb、Ta、Zr、Hf相对 Th、U和LREE亏损,且贫Ti。

黑 山 坨 花 岗 岩 ∑REE=172.4×10-6～235.6×10-6,较正长岩低,(La/Yb)N=18.06～24.32,较正长岩高;δEu=0.72～0.82,Eu 负异常明显(图3c)。从蛛网图(图3d)可以看出,花岗岩富集 Rb、Ba、Th、U、Pb等大离子亲石元素及放射性元素,高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf相对Th、U和LREE亏损,Nb相对Ta亏损,且贫Sr、P、Ti;同时,半数以上样品显示Th相对U富集。

2.4 Nd-Sr同位素特征

样品的Nd-Sr同位素测试结果列于表2。大石坡-黑山坨复式岩体岩浆岩εNd(t)和ISr值按201 Ma进行校正,亏损地幔Nd模式年龄(tDM)按DePaolo (1981)单阶段模式进行计算。结果显示:正长岩143Nd/144Nd为 0.511892～0.511901,87Sr/86Sr 为 0.70586～0.70614,εNd(t)为-12.1～ -12.2,ISr值为 0.70464～0.70506;花岗岩143Nd/144Nd 为 0.511581～0.511711,87Sr/86Sr为0.70860～0.70992,εNd(t)值为-15.5～ -18.0,ISr值为0.70516～0.70593(图4)。

图3 大石坡正长岩和黑山坨花岗岩REE球粒陨石标准化图解(a,c)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b,d)(图例同图2，标准化值据Sun and McDonough,1989),Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns (a,c)and primitive mantle-normalized spider diagrams (b,d)for the Dashipo syenite and Heishantuo granite

表2 北京大石坡-黑山坨复式岩体样品Nd-Sr同位素测试结果Table2 Nd-Sr isotope compositions of the Dashipo syenite and the Heishantuo granite

图4 大石坡-黑山坨复式岩体ⅠSr-εNd(t)图解Fig.4 ⅠSr vs εNd(t)diagram for the Dashipo-Heishantuo batholith

3 讨 论

3.1 大石坡正长岩成因

如前所述,大石坡正长岩属于贫铁的高钾中性岩,与华北克拉通北缘三叠纪富铁的碱性系列中性岩不属于同一岩石系列,因此不能简单采用与后者相对比的方式探讨前者的岩石成因。

正长岩/粗面岩的成因观点包括:(1)基性岩浆分离结晶(Frost and Frost,2013;陈新跃等,2013);(2)基性岩部分熔融(汪洋和程素华,2010);(3)加厚(长英质)下地壳的部分熔融(邓晋福等,2004);(4)基性岩浆与酸性岩浆的混合(包志伟等,2003)。

实验岩石学研究表明,富 K碱性玄武岩失水部分熔融可以形成正长质岩浆(Sen and Dunn,1994;Sisson et al.,2005)。但是,Sisson et al.(2005)的低压(P=0.7 GPa)实验结果显示,残留相中斜长石比例很高(30%～50%),所以熔体应该具有亏损Sr、Eu元素的地球化学特征。大石坡正长岩 S r含量高(526×10-6～920×10-6),具有弱的 Eu异常或无 Eu异常。石榴子石是玄武质源岩高压(P=1.5～2.0 GPa)部分熔融实验的稳定残留相矿物,这将导致熔体HREE和Y亏损(Sen and Dunn,1994)。大石坡正长岩HREE和Y含量较高(HREE=22.0×10-6～28.3×10-6,Y=31×10-6～42×10-6)。同时,大石坡正长岩具有较高Mg#(40～46),而富 K碱性玄武岩失水部分熔融的熔体,其 Mg#在合理的氧逸度(logfO2＜NNO+2)条件下均低于35(Sen and Dunn,1994;Sisson et al.,2005)(图5)。因此,我们认为大石坡正长岩不是基性岩部分熔融形成的。

图5 大石坡正长岩与实验熔体SiO2-Mg#图解Fig.5 SiO2 vs Mg# diagram for the Dashipo syenite and the experimental melts

邓晋福等(2004)认为华北地区中生代无负Eu异常的粗面岩-正长岩类起源于加厚(长英质)下地壳在高压(P ＞1.5 GPa)下的部分熔融。近年来对天然岩石样品的实验岩石学研究表明,长英质岩石高压(P=1.5～2.5 GPa)部分熔融形成的熔体均为富硅的(SiO2＞70%)(Litvinosky et al.,2000;Patino Douce and McCarthy,1998;Montel and Vielzeuf,1997)。因此,加厚(长英质)下地壳的深熔作用不可能形成正长质岩浆。由于地壳的长英质岩石是硅过饱和的,根据火成岩岩石学原理,其在高温减压条件下的部分熔融不可能形成相对贫硅的正长质/粗面质熔体(Bonin,2007;Philpotts and Ague,2009;Frost and Frost,2013;于炳松等,2012)。

基性与酸性岩浆混合作用被用于解释一些正长岩的成因(如:包志伟等,2003)。制约不同成分岩浆发生混合的重要条件是,两种端元岩浆必须具有相近的黏度(Sparks and Marshall,1986)。基性岩浆因SiO2含量低和液相线温度高,致使其黏度较低,而且碱质含量的增加会进一步降低岩浆的黏度。壳源岩石失水部分熔融形成的酸性熔体由于 SiO2＞70%,在高温条件下其黏度也较高 Mg#的基性岩浆为高。基性与酸性岩浆发生混合形成中性岩浆的成岩机制不是一种重要的成岩机制,关于这方面的详细讨论请参见相关文献(Sparks and Marshall,1986;Philpotts and Ague,2009;Clemens and Stevens,2012)。大石坡正长岩具有高于950 ℃的液相线温度,作为其母岩浆的基性岩浆应该具有更高的液相线温度,因而具有低黏度。同时,大石坡正长岩的 Mg#值高达 40～50,作为其母岩浆的富钾基性岩浆的Mg#值应该更高,而高 Mg#的基性岩浆不易与酸性岩浆发生混合(Sparks and Marshall,1986)。所以,岩浆混合作用不足以解释大石坡正长岩的成因。

综合上述我们认为,大石坡正长岩是基性岩浆分离结晶的产物。从哈克图解上可以看出(图6),随着SiO2含量的增加,正长岩的MgO、FeOT、CaO、TiO2、MnO、P2O5含量和CaO/Al2O3比值逐渐降低,V、Ni、Cr等过渡族元素含量及Mg#降低,K2O、Ba含量及 K2O/Na2O、La/Sm、Eu/Eu*比值增加,表明岩浆演化过程中经历了橄榄石、辉石、磷灰石、钛铁矿等矿物分离结晶作用。大石坡正长岩的母岩浆是幔源的镁质富钾基性岩浆。

图6 大石坡正长岩-黑山坨花岗岩哈克图解(图例同图2)Fig.6 Harker diagrams for the Dashipo syenite and the Heishantuo granite

大石坡正长岩 Nd-Sr同位素特征表明其母岩浆的源区为EMⅠ型富集地幔(图4),大石坡正长岩富集LⅠLE、亏损 HFSE的地球化学特征同样指示岩浆来源于富集地幔。富集地幔的形成与俯冲物质或流体的交代有关(Kelemen et al.,1990;Stolz et al.,1996;Pearce and Peate,1995)。实验证明,流体对改变Ce/Yb比值的作用十分有限,而离子半径相对较大的Pb、Ba、Cs、U在流体中相对活泼,因此Pb/Ce、Ba/La、Cs/Rb、U/Th这些对流体敏感的元素比值在熔体中往往保持固定比值,而在流体中却迅速增加。岩石相对高的 Pb/Ce、Ba/La、Cs/Rb、U/Th比值说明受到强烈的流体影响(Tatsumi et al.,1986;Brenan et al.,1995a,b;Keppler,1996;You et al.,1996;Kogiso et al.,1997)。大石坡正长岩显示较宽的Ce/Yb范围,而 Pb/Ce、Ba/La、Cs/Rb、U/Th比值接近 OⅠB,低于典型的流体交代成因的岩石(图7),说明正长岩母岩浆的源区受到的流体交代作用有限。因此,早期俯冲的沉积物的加入是导致大石坡正长岩母岩浆源区富集LⅠLE的原因。

图7 大石坡正长岩流体敏感元素比值Ce/Yb-Pb/Ce (a);Ce/Yb-U/Th (b);Ce/Yb-Ba/La (c)和Ce/Yb-Cs/Rb (d)图解Fig.7 Diagrams showing the fluid sensitive element pairs Ce/Yb vs Pb/Ce (a);Ce/Yb vs U/Th (b);Ce/Yb vs Ba/La (c)and Ce/Yb vs Cs/Rb (d)for the Dashipo syenite

3.2 黑山坨花岗岩成因

黑山坨花岗岩在化学成分上属于典型的高钾钙碱性火成岩。其可能的成岩机制包括:(1)正长岩分离结晶;(2)地壳源岩的部分熔融。

一种直观的认识是,大石坡正长岩分离结晶形成黑山坨花岗岩。从哈克图解看出,随着 SiO2含量的增加,花岗岩的MgO、FeOT、CaO、TiO2、MnO、P2O5含量和 Eu/Eu*比值值逐渐降低,K2O含量及K2O/Na2O、La/Sm比值增加(图6)。黑山坨花岗岩的许多元素特征与大石坡正长岩构成线性分布,长石的分离可以解释黑山坨花岗岩相对于大石坡正长岩Sr亏损与更显著的Eu负异常,黑云母的分离可以解释Ba含量的降低,角闪石的分离可以解释CaO含量的降低和A/CNK值的增加,暗色矿物以及Fe-Ti矿物的分离可以解释 SiO2的增高和 Fe、Mg、Ti含量的降低,副矿物(磷灰石、锆石等)的分离可以解释P、Zr、Hf、REE含量的降低。似乎分离结晶模式可以很好地解释黑山坨花岗岩的成因。

我们注意到大石坡正长岩的角闪石含量仅 3%左右,而且角闪石正长岩逐渐过渡为不含角闪石的黑云母正长岩。因此是否有足够多的角闪石分离使得 A/CNK值为 0.84～0.93的正长岩演化为 A/CNK值为 1.03～1.13的花岗岩,尚存疑问。同时,对于SiO2=57%～61%的正长岩而言,如果没有足够多的贫SiO2暗色矿物(黑云母、角闪石、橄榄石)分离,仅凭钾长石和富钠斜长石(An＜50)的分离不可能使得残余熔体的SiO2含量升高,因为它们的SiO2含量在56%～65%之间。此外,钾长石和黑云母的分离将导致熔体K含量的下降,而黑山坨花岗岩的K2O含量高于大石坡正长岩(表1)。

值得注意的是,黑山坨花岗岩的 Nb/Ta比值(10～13.6)明显小于原始地幔值(17.4),而大石坡正长岩的 Nb/Ta比值为 17～19。在分离结晶或部分熔融过程中Nb、Ta之间一般很难发生分馏。当分离结晶相或残留相中存在含Ti矿物时,由于Ta离子易于进入含Ti矿物的晶格,导致Nb、Ta的分馏,此时熔体的 Nb/Ta比值升高;当分离结晶相或残留相中存在低Mg#角闪石时,可导致熔体的Nb/Ta比值降低(程素华和汪洋,2011)。大石坡正长岩的角闪石含量低,而黑山坨花岗岩的 TiO2含量明显低于大石坡正长岩。因此,如果黑山坨花岗岩是由大石坡正长岩分离结晶而来,那么更大的可能性是前者的 Nb/Ta比值升高而非降低。同时,黑山坨花岗岩整体的Th/U比值高于大石坡正长岩(表1)。在没有富 Th、U副矿物参与的情况下,分离结晶过程很难使熔体的Th/U比值发生改变。综合这些证据,我们认为黑山坨花岗岩不是正长岩浆分离结晶的产物。

高钾钙碱性花岗岩类的成因往往归结于相对富钾的地壳源岩(Clemens,2006)。由于化学风化作用的影响,碎屑沉积岩在化学成分上相对富钾、铝,因此纯粹由沉积岩部分熔融形成的长英质熔体是强过铝质的(Patino Douce,1999),含有岩浆成因的强过铝矿物(如:石榴子石、堇青石、原生白云母)。黑山坨花岗岩不含原生强过铝矿物,在化学成分上整体为弱过铝质(A/CNK＜1.1)。因此沉积岩部分熔融不能解释黑山坨花岗岩的成因。

基性岩的高压(P≥1.5 GPa)失水部分熔融可以形成富钾的酸性熔体(Sen and Dunn,1994;汪洋和程素华,2010)。高压失水部分熔融体系残留相中缺少长石导致熔体的 Sr含量显著增加、Eu负异常不明显,而石榴子石残留相则导致熔体亏损 Y和HREE。黑山坨花岗岩具有Sr相对LREE亏损及弱Eu负异常的地球化学特征,与高压失水部分熔融产物不符。高钾基性岩在低压(P=0.7 GPa)、高氧逸度下失水部分熔融可以形成 SiO2≈70%的高钾钙碱性花岗岩(Sisson et al.,2005)。低压熔融体系的残留相中斜长石比例较大,会明显降低熔体的 Sr含量,高氧逸度环境可以缓冲体系中 Eu在熔体与富长石残留相中的分馏。所以,高钾基性源岩低压熔融的熔体具有Sr亏损及弱Eu负异常。黑山坨花岗岩的地球化学特征与之类似,但是具有较高 Mg#(33～37),而高钾基性岩失水部分熔融的熔体,在合理的氧逸度(logfO2＜NNO+2)条件下 Mg#低于 32(Sisson et al.,2005)(图8)。因此,基性岩失水部分熔融模式不能解释黑山坨花岗岩的成因。

图8 黑山坨花岗岩与实验熔体SiO2-Mg#图解Fig.8 SiO2 vs Mg# diagram for the Heishantuo granite and the experimental melts

在总结大量高温高压部分熔融实验的基础上,Patino Douce (1999)指出:纯粹的壳源岩石失水部分熔融不能形成高钾钙碱性岩浆,大多数高钾钙碱性岩浆是幔源岩浆与地壳源岩相互作用的产物。这种相互作用并非岩浆混合;而是基性岩浆加热围岩的同时,两者之间发生成分扩散,这种能量(热)与物质的双重交换过程导致围岩发生部分熔融。Lopez et al.(2005)的实验表明,富水和K的基性岩浆与贫K的英云闪长质源岩的反应熔融可以形成富钾的花岗闪长质熔体。汪洋和程素华(2011)将 Patino Douce提出的这种部分熔融称为反应熔融(reactive melting),对现有基性岩浆与地壳岩石相互作用熔融实验的归纳分析表明:基性岩浆与地壳岩石的反应熔融可以形成高温长英质熔体(熔融温度～1000 ℃);基性岩浆的MgO、Mg#、K2O、Na2O以及H2O含量对熔体的Mg#、碱质含量有重要影响,而地壳源岩的A12O3含量制约熔体的 A/CNK 值,但熔融压力条件(残留相矿物组合)对熔体的成分也有影响;长英质熔体的钾质组分既可以来自地壳源岩(低钾玄武岩与富钾的副变质岩反应时),也可以来自富钾的幔源岩浆。

我们认为,黑山坨花岗岩形成于幔源富钾镁质基性岩浆与壳源岩石的反应熔融过程。富钾镁质基性岩浆不但提供了能量(液相线温度大于 900 ℃),而且通过扩散的方式为壳源岩石提供 H2O、K、Mg和 LⅠLE,导致其在相对富水(因而氧逸度高)和高温条件下的部分熔融形成SiO2≈70%的高钾质熔体。同时,高温而富水的花岗质熔体能够溶解更多的副矿物(锆石、磷灰石等),使之具有较高的Th、U、Zr、Hf、LREE含量。富水导致的高氧逸度使得Fe-Ti氧化物成为稳定的残留相矿物,导致花岗质熔体的Mg#较高而低 Ti。角闪石在富水条件下可以作为稳定的残留相矿物存在,这导致花岗质熔体的 A/CNK值较大,而中稀土(MREE)含量相对降低(表现为较小的Gd/Yb比值)。少量斜长石的残留可以解释的弱Eu负异常与较低的 Sr含量。黑山坨花岗岩 HREE的相对亏损暗示残留相含少量石榴子石。根据含5%水的安山岩相图(Green,1982)推断,与少量斜长石和石榴子石平衡的熔体的温压条件是T≈900～1000 ℃,P≈1.0 GPa。地壳源岩的成分特征体现在黑山坨花岗岩的低Nb/Ta比值、高Th、U含量以及(半数以上样品的)高Th/U比值特征上;样品的高Th/U比值暗示其源岩是经历过流体蚀变作用表壳岩。由于反应熔融的基性岩浆端元具有很高的Sr含量,所以黑山坨花岗岩的ISr值低,趋近于大石坡正长岩的ISr值。

综合上述,我们归纳大石坡-黑山坨复式岩体的成岩机制如下:富集地幔部分熔融形成富水的幔源钾质基性岩浆侵位于地壳下部,通过分离结晶过程形成富镁贫铁富钾的正长岩浆,正长岩浆侵位于地表之下 18 km处(上部地壳的脆韧性转换带深度)形成大石坡正长岩。同时,底侵的富水钾质基性岩浆与壳源岩石发生反应熔融,形成高钾钙碱性的花岗岩浆,其上侵就位于尚未固结的大石坡正长岩之中。

3.3 地球动力学意义

赤城-丰宁-隆化断裂带及其以北的“内蒙地轴”晚古生代发育钙碱性侵入岩,三叠纪时期沿走向断续发育碱性正长岩类,被认为是华北克拉通北部边缘受到古亚洲洋向南俯冲及其后期伸展作用影响的结果(张拴宏等,2004,2010)。构造地质学研究表明,三叠纪末华北克拉通北缘(即:“内蒙地轴”)向南发生了长距离的逆掩推覆,导致上述晚古生代钙碱性侵入岩以及三叠纪碱性正长岩类与其围岩一起成为异地体(赵越,1990;郑亚东等,2000;Davis et al.,2001)。大石坡正长岩-黑山坨花岗岩出露于北京军都山南侧,现今距离赤城-丰宁-隆化断裂尚有50～100 km。晚古生代时期,其与华北克拉通北缘晚古生代岩浆带的距离更远。因此,难以认为晚古生代岩浆作用已经影响到北京军都山南侧的克拉通内部。

赤城-丰宁-隆化断裂以南出露的三叠纪(220 Ma)小张家口超镁铁质-镁铁质岩(陈斌等,2008)和矾山辉石岩-正长岩-碳酸岩体均具有接近原始地幔的Nd同位素比值(阎国翰等,2007),而早侏罗世初大石坡正长岩(本文)、北京西山晚侏罗世髫髻山组高Mg埃达克岩和玄武岩(袁洪林等,2005;王蕊等,2007)以及鲁西地区早白垩世碳酸岩脉(阎国翰等,2007)则具有富集地幔的 Nd同位素特征(参见图4),指示华北克拉通内部幔源岩浆源区的地球化学性质在早侏罗世前后发生了改变。因此,大石坡正长岩-黑山坨花岗岩的侵位表明,华北克拉通内部岩石圈至少在早侏罗世初期已遭到破坏。分离结晶成因的大石坡正长岩的形成指示当时华北克拉通内部 EMⅠ型富集地幔发生了部分熔融。大石坡正长岩中角闪石的存在指示其母岩浆含水,暗示早侏罗世时期华北克拉通内部岩石圈地幔的破坏是由于水分加入地幔岩石导致的弱化作用所致。

如第一节所述,大石坡-黑山坨复式岩体侵位于太古宙与长城系之间的不整合面附近。根据区域地质资料,复式岩体出露区——北京昌平十三陵地区的中元古代长城系、蓟县系、青白口系总厚度4.5 km,早古生代地层厚度不大于0.75 km,缺失晚古生界和三叠系,而邻近的门头沟地区晚古生界和三叠系总厚约0.9 km(鲍亦刚等,2001)。据此早侏罗世时期太古宙与长城系不整合面以上地层的累积厚度不超过7 km。根据角闪石全铝压力计推算的大石坡正长岩侵位深度约18 km。这表明大石坡正长岩侵位之前,该地区的上部地壳已经增厚11 km左右。构造地质学研究表明,三叠纪末燕辽地区发生过一次强烈的上盘向南的推覆运动,导致地壳增厚(赵越,1990;郑亚东等,2000;Davis et al.,2001;Wang,2013)。因此,大石坡-黑山坨复式岩体侵位于“碰撞后”的大地构造环境。

前面对黑山坨花岗岩成岩机制的分析表明,基性岩浆通过与地壳岩石的热能与化学成分扩散所诱发的部分熔融可以形成高温的高钾钙碱性长英质火成岩。前人研究表明,北京西山早白垩世东岭台组粗面岩和阳坊花岗岩体的形成机制与此相同(汪洋等,2009;程素华和汪洋,2010)。因此,地壳深部发生的幔源岩浆与壳源岩石的双扩散过程及伴随而来的部分熔融是导致华北克拉通侏罗纪-白垩纪时期大规模长英质岩浆活动的一种重要成岩机制,是克拉通破坏过程中壳幔相互作用的直接体现。

4 结 论

(1)北京大石坡-黑山坨复式岩体中的大石坡正长岩为典型的镁质富钾中性岩,微量元素具有富集Rb、Ba、Sr、Pb、LREE 等大离子亲石元素,相对亏损高场强元素Nb、Ta、U、Th、Zr、Hf以及P、Ti的特征。黑山坨花岗岩属于典型的高钾钙碱性岩石系列,在Frost et al.(2001)的分类方案中属于过铝质的镁质碱钙质花岗岩类;具有LREE富集、HREE亏损,富集Rb、Ba、Th、U、Pb等大离子亲石元素和放射性元素,亏损高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf以及Sr、P、Ti的特征。

(2)大石坡正长岩是幔源含水镁质富钾基性岩浆的分离结晶产物,母岩浆起源于 EMⅠ型富集地幔。因此,大石坡正长岩的岩石学和地球化学特征提供了水的弱化作用导致早侏罗世时期华北克拉通内部岩石圈地幔破坏的直接证据。

(3)大石坡-黑山坨复式岩体侵位于三叠纪末挤压运动之后的“后碰撞”构造背景。

(4)幔源岩浆与地壳岩石之间能量和化学成分双扩散作用所导致的部分熔融(即:反应熔融)是形成大规模高钾钙碱性长英质岩浆活动的一种重要成岩机制。高温的黑山坨花岗岩正是这种壳幔相互作用机制的一个典型实例。

致谢:匿名审稿人提出了详细的修改意见,野外工作过程中得到姬广义高级工程师的帮助,谨此一并致谢！

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