冀东碣石山岩体的主要特征及成因探讨

赵忠海

（北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

冀东碣石山岩体的主要特征及成因探讨

赵忠海

（北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

本文在1/5万区域地质矿产调查的基础上，通过遥感解译、野外调查、岩矿鉴定以及化学分析等技术方法，对碣石山岩体的主要地质特征、岩石学特征以及岩石化学特征等进行了深入研究，对其岩浆类型、成因以及形成环境进行了初步探讨。研究表明，碣石山岩体的主要岩性为似斑状二长花岗岩和中细粒正长花岗岩，属高钾钙碱性系列的酸性岩，具有Rb、Th、Zr、U及轻稀土元素相对富集，Ba、Sr、Nb、Ta、Cr、Ni及重稀土元素相对亏损等特点，其岩浆类型属壳源的S型岩浆，其形成环境应为同碰撞构造作用后的伸展环境。

碣石山岩体；二长花岗岩；正长花岗岩；S型岩浆；后碰撞作用；伸展环境。

0 前言

碣石山岩体位于河北省昌黎县北至抚宁县西，平面分布近圆形，其直径约15km，总计出露面积约200km2。该岩体的产状为一大型复式岩基，其主要岩性为二长花岗岩—正长花岗岩，岩石结构为似斑状—中细粒状，岩石中暗色矿物以黑云母为主，偶见角闪石和榍石。关于碣石山岩体的时代和成因，前人也曾做过一定工作，总体认为该岩体形成于中生代早白垩世，其成因类型为I型花岗岩（郭友钊等，2001）。

本次工作通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，测得该岩体的年龄为115.0±1.7Ma和118.7±2.7Ma，故亦认为该岩体形成于早白垩世，是华北燕山期构造运动的产物，但对其成因类型却有不同看法。由于该岩体地处华北克拉通东部边缘（图1），而中生代早白垩世正是华北克拉通岩石圈减薄，岩浆活动广泛而强烈的重要时期（许温良等，2004），研究该岩体的岩浆来源及其形成环境对于研究确定华北克拉通东部岩石圈减薄时间与机制具有十分重要的意义，故本文在1/5万区域地质矿产调查的基础上，通过遥感解译、野外调查、岩矿鉴定以及化学分析等技术方法，对该岩体的主要地质特征、岩石学特征以及岩石地球化学特征等进行了深入研究，对其岩浆类型、成因以及形成环境进行了初步探讨。

图1 碣石山岩体在华北克拉通的位置示意图Fig.1 Location sketch map of the Jieshi mountain pluton in the North China Craton

1 碣石山岩体的主要特征

1.1 地质特征

碣石山岩体分布于河北省昌黎县北部十里铺、耿庄、梁各庄、杨家台、西宋庄至抚宁县西黄巧峪、椒园寺、大所各庄、孙家拨子一带，平面上近圆形分布，其主要岩性为似斑状二长花岗岩—中细粒状正长花岗岩，其中似斑状二长花岗岩出露在岩体四周，岩石风化程度较重，形成的地貌相对宽缓；中细粒状正长花岗岩出露在岩体中部，岩石风化程度较轻，形成的地貌比较陡峻。从二者接触关系来看，中细粒状正长花岗岩明显侵入于似斑状二长花岗岩中。该岩体的四周大部分为第四系上更新统残坡积、冲洪积物所覆盖，仅在其西北部大王翟坨村—小王柳河村、西南部苓芝顶村—五里营村以及东南部后营村—池庄村一带见该岩体与太古界三门店组、新太古代含霓石石英正长岩以及中生界上白垩统张家口组呈侵入关系接触（图2），在接触带附近见矿化蚀变现象。岩体中脉岩比较发育，总体以中、酸性脉岩为主。岩石中的捕虏体主要为沉积岩，偶见暗色变质岩包体。

图2 碣石山岩体遥感解译图Fig.2 Remote sensing interpretation chart of the Jieshi mountain pluton

1.2 岩石学特征

碣石山岩体的主要岩性为二长花岗岩及正长花岗岩。其中二长花岗岩为灰白色—黄灰色，似斑状结构，块状构造，其斑晶大小一般为1.5～6mm，主要由钾长石（30%±）、斜长石（10%±）及石英（10%±）组成；基质大小一般为0.2～1.5mm，主要由钾长石（20%±）、斜长石（10%±）、石英（15%±）、角闪石以及黑云母组成，角闪石与黑云母的含量约5%左右。显微镜下，斜长石环带构造发育，石英波状消光明显，可见钾长石与石英构成的文象结构。正长花岗岩为灰白色—浅肉红色，中—细粒结构，块状构造，主要由斜长石、钾长石、石英和黑云母组成。其中，斜长石含量约10%～15%，呈半自形板状，粒度一般为0.1～1.4mm；钾长石含量约45%～50%，呈半自形板状，粒度一般为0.2～2.0mm；石英含量约30%～35%，呈它形粒状，粒度一般为0.1～1.5mm；黑云母含量约2%～3%，呈鳞片—叶片状，粒度一般为0.1～1.5mm。显微镜下，斜长石个别可见环带构造，石英具轻微波状消光，钾长石局部高岭土化，黑云母零星可见绿泥石化。

1.3 地球化学特征

（1）主量元素地球化学特征

碣石山岩体的岩石化学特征见表1。从中可以看出，该岩体SiO2含量为72.89%～77.90%，属酸性岩；Na2O+K2O含量为8.24%～8.70%，在TAS图解中均投影至花岗岩区域内且在碱性—亚碱性系列分界线下方（图3），属亚碱性系列花岗岩；Al2O3含量12.89%～16.90%，铝饱和指数A/CNK为1.00～1.049，A/CNK大于1.0而小于1.1，属弱过铝质花岗岩；里特曼组合指数δ值为1.95～2.50，δ小于3.3，为钙碱性系列岩石；K2O/Na2O的值为1.02～1.32，均大于1，岩石相对富钾贫钠；岩石分异指数DI值为90.3～96.6，岩石固结指数SI值为0.85～3.35，表明其岩浆经历了中等程度的分异演化。总体看来，该岩体岩浆具有富硅、铝、碱而贫钙、铁、镁的特点，且由早至晚，体现出SiO2由低至高、Al2O3及Na2O+K2O由高至低的演化趋势。

图3 碣石山岩体TAS图解Fig.3 Diagram of TAS for the Jieshi mountain pluton

表1 碣石山岩体化学成分特征表Tab. 1 Chemical compositions of the Jieshi mountain pluton

（2）稀土和微量元素地球化学特征

碣石山岩体的稀土和微量元素特征见表2。从中可以看出，该岩体稀土元素的总量较低，∑REE为86.0×10-6～183.1×10-6，其中LREE总量为74.64×10-6～168.4×10-6，HREE总量为8.68× 10-6～14.7×10-6，LR/HR值为6.24～11.45，La/Yb值为4.71～13.37,表明该岩体轻重稀土分异明显，LREE较HREE相对富集。依据赫尔曼提出的以稀土元素未发生分馏的球粒陨石的Sm/Nd值判断稀土元素亏损（Sm/Nd＞0.333）和富集（Sm/Nd＜0.333）的标准，碣石山岩体的Sm/Nd值为0.16～0.18，小于0.333，属LREE富集型。在稀土元素球粒陨石标准分布图（图4）上，碣石山岩体的分布曲线呈“海鸥型”，总体右倾，Eu负异常明显，Eu左侧曲线陡倾，Eu右侧曲线比较平缓，表明轻稀土的分异程度高于重稀土。碣石山岩体的La/Sm值为6.70～11.18，Gd/Yb值为0.90～1.77，表明该岩体轻稀土元素之间的分异程度大，重稀土元素之间的分异程度相对较小，这与该岩体稀土元素分布曲线的意义一致。

图4 碣石山岩体稀土元素球粒陨石标准分布图Fig.4 Chondrite-normalized REE Patterns of the Jieshi mountain pluton

同维氏同类岩石的平均值相比，碣石山岩体二长花岗岩中Rb、Ba、Th等微量元素相对富集，Sr、Cr、Ni等微量元素相对亏损，Zr、U、Nb、Ta等微量元素相近；正长花岗岩中Rb、Th等微量元素相对富集，Ba、Sr、Cr、Ni等微量元素相对亏损，Zr、U、Nb、Ta等微量元素相近。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上（图5），该岩体的分布曲线总体右倾，岩石中的Rb、K、La、Hf等微量元素明显富集，Th、Ce、Nd、Zr等微量元素相对富集，Ba、Sr、P、Ti等微量元素明显亏损，U、Ta、Nb等微量元素相对亏损。

表2 碣石山岩体稀土和微量元素特征表Tab.2 REE data and trace element of the Jieshi mountain pluton

该岩体的Rb/Yb值为61.08～116.79，远大于1，属强不相容元素富集型。

图5 碣石山岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.5 Primitive mantle-normalized spider diagrams of the Jieshi mountain pluton

2 碣石山岩体的成因探讨

2.1 岩石成因类型

关于花岗岩成因类型的划分，不同学者通过对不同地区花岗岩的研究，从不同角度提出了各自的分类方案。其中以Chappell和White（1974）提出的I型和S型花岗岩以及Ishihara（1979）提出的磁铁矿系列和钛铁矿系列花岗岩分类方案较有代表性。此外，Collins等(1982)划分出的产于非造山环境相对不含水的碱性的A型花岗岩以及Pitcher（1983）划分出的产于蛇绿岩套中的M型花岗岩等，均进一步推进了花岗岩成因研究方面的工作。由于花岗岩是涉及到不同源岩的几种岩石形成作用过程末期的产物，而每种源岩和岩石形成作用都与特定的构造环境有关，故研究花岗岩成因类型，有助于分析其形成时的构造环境（马鸿文，1992）。

目前，确定花岗岩的成因类型主要是依据各种地球化学参数或图解。由于不同的参数或图解仅能代表一两个不同的变量，应用不同的参数或图解，有时会得出不一致甚至互相矛盾的结论。故研究花岗岩成因类型，除了依据各种地球化学参数或图解外，还应综合考虑岩石组合、岩体产状以及包体类型等。本文在综合分析碣石山岩体的地质特征、岩石特征、岩石化学特征以及岩石地球化学特征的基础上，认为该岩体应属于S型花岗岩，其依据如下。①碣石山岩体的产状为大型多期岩基，平面呈圆形，与I型花岗岩通常呈大型多期线性岩基及A型花岗岩通常呈多期中心式破火山口杂岩的产状有较大不同。② 碣石山岩体的主要岩性组合为“二长花岗岩—正长花岗岩”，与S型花岗岩的岩石组合特征相一致。而I型花岗岩的岩石组合通常是“闪长岩—二长花岗岩”，A型花岗岩的岩石组合通常是“碱性花岗岩—碱性正长岩”（高秉璋等，1991）。③碣石山岩体相对富硅、富铝、富碱而贫钙、贫铁、贫镁，且钾大于钠，铝饱和指数A/CNK大于1.0而小于1.1，岩石分异指数DI高而固结指数SI低，这与S型花岗岩特征较符合。④碣石山岩体稀土元素的总量较低，稀土分布曲线呈“海鸥型”，与典型S型花岗岩的稀土配分形式极其相似（周新民，2007）。曲线总体右倾，左高右平，Eu负异常非常明显,在稀土分布曲线上表现为很深的“铕谷”，这与A型花岗岩稀土总量高、常具Eu正异常以及I型花岗岩几乎没有“铕谷”的特征相差甚远，而与S型花岗岩的稀土特征比较相近（吴锁平等，2007）。δEu值为0.13～0.37，均小于0.70，Gd/Yb值为0.89～1.77,平均值为1.41，接近于1，这与S型花岗岩特征一致（江胜国等，2013）。⑤碣石山岩体的微量元素总体具有Rb、Th、K、Zr、U相对富集而Ba、Sr、Nb、Ta、Cr、Ni相对亏损的特点，这些元素地球化学组成指示其与大陆地壳物质具有明显的亲缘性，故该岩体起源于幔源岩浆分异演化的可能性较小，而更可能起源于地壳物质的部分熔融。 碣石山岩体的Zr/Hf值为20.73～27.07，Nb/Ta值为9.26～12.19，与大陆地壳花岗岩的比值Zr/Hf为33～40，Nb/Ta约为11非常相似（Green,1995）。⑥在判断花岗岩成因类型的K2O-Na2O图解（Collins et al，1982）中，碣石山岩体均投影于S型花岗岩区或S型花岗岩与A型花岗岩分界线附近（图6）；在δEu-(La/ Yb)N图解（王中刚，1989）中，碣石山岩体均投影于S型花岗岩区（图7）；在SiO2-Zr图解（图8）中，碣石山岩体均投影于S型花岗岩区（张建泽等，2015）。结合岩石组合特征等综合判断，碣石山岩体的成因类型应为S型花岗岩而非I型或A型花岗岩。

图6 碣石山岩体K2O-Na2O图解Fig.6 K2O-Na2O diagrams of the Jieshi mountain pluton

图7 碣石山岩体δEu-(La/Yb)N图解Fig.7 δEu-(La/Yb)Ndiagrams of the Jieshi mountain pluton

图8 碣石山岩体SiO2-Zr图解Fig.8 SiO2-Zr diagrams of the Jieshi mountain pluton

故综上所述认为，碣石山岩体的成因类型为S型花岗岩。

2.2 构造环境分析

不同成因系列的岩浆岩产出于不同的构造环境，与板块构造关系密切。Maniar and Piccoli（1987）利用花岗岩类岩石、矿物学特征和主量元素化学特征将花岗岩类形成的构造环境划分为造山和非造山两大类，造山花岗岩又分为岛弧、大陆弧、大陆碰撞和造山期后花岗岩4种类型；非造山花岗岩可能与裂谷有关，也可能与大陆造陆上升有关，还包括大洋斜长花岗岩（肖庆辉，2002）。长期以来，S型花岗岩的形成一直被认为是在陆-陆碰撞带或克拉通上韧性剪切带大产物（刘晓涛等，2014）。碣石山岩体在R1-R2多阳离子参数构造环境判别图中均投影于同碰撞S型花岗岩区或同碰撞S型花岗岩与晚造山期花岗岩分界线附近（图9）；在Rb-Y+Nb构造环境判别图中均投影于后碰撞花岗岩区（图10）；在Hf-Rb-Ta图中均投影于碰撞后花岗岩或碰撞后花岗岩与火山弧花岗岩分界线附近（图11）；在SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)]图（鲁学悟，2008）中均投影于伸展型区域内（图12）。这表明碣石山岩体的岩浆活动与同碰撞构造作用有关，但在时间上比同碰撞构造作用晚，其形成于晚造山期或同碰撞构造作用后由于主要海洋关闭，某些大陆块体沿巨大剪切带的大规模水平运动、岩石圈拆沉以及小型海洋板块的俯冲等导致的伸展环境，成岩过程较复杂，但岩浆总体是以壳源为主（赵振华，2007）。

2.3 岩浆成因探讨

碣石山岩体在区域上与中生界下白垩统张家口组火山岩（K1z）呈侵入关系接触，本次工作采用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法测得该岩体的年龄为115.0±1.7Ma和118.7±2.7Ma，故该岩体属于中生代早白垩世侵入岩。

图9 碣石山岩体R1-R2构造环境判别图Fig.9 R1-R2 discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

图10 碣石山岩体Rb-Y+Nb构造环境判别图Fig.10 Rb-Y+Nb discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

图11 碣石山岩体Hf-Rb-Ta构造环境判别图Fig.11 Hf-Rb-Ta discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

图12 碣石山岩体SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)]构造环境判别图Fig.12 SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)] discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

图13 华北陆块晚中生代周缘板块相互作用示意图Fig.13 A rough draft for the resultant effect from adjacent plate interactions on the evolution of the North China Block

据区域研究成果，晚中生代尤其是早白垩世时期正是华北地区重要的构造变革与转型时期。华北陆块及其周缘地区受到了来自古太平洋板块，尤其是伊泽奈崎板块运动的影响。该板块在晚侏罗世—早白垩世时期以非常低缓的速度朝NW向俯冲于东亚大陆之下，至140Ma左右晚侏罗世时期突然改变了运动方向和速度，其快速的向北运动所产生的侧向拖曳的应力与来自西伯利亚板块的向南挤压作用、来自印支陆块的北向挤压作用以及来自中国西南地区由于特提斯洋闭合所引起的被动挤压作用（图13），导致了华北陆块岩石圈的伸展—减薄作用（范蔚茗等，2005），这种挤压—伸展作用，引起下部地壳重熔，生成壳源岩浆并侵入，形成了本区中生代早白垩世的中酸性深成侵入岩—碣石山岩体。

3 结语

碣石山岩体的主要岩性为似斑状二长花岗岩和中细粒状正长花岗岩，与中生界下白垩统张家口组火山岩呈侵入关系接触，LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为115.0±1.7Ma和118.7±2.7Ma，属于中生代早白垩世侵入岩；该岩体SiO2含量为72.89%～77.90%，Na2O+K2O含量为8.24%～8.70%，Al2O3含量12.89%～16.90%，铝饱和指数A/CNK为1.00～1.049，里特曼组合指数δ值为1.95～2.50，属弱过铝质高钾钙碱性系列的酸性花岗岩；岩体中Rb、K、La、Hf及轻稀土元素相对富集，Ba、Sr、P、Ti及重稀土元素相对亏损，Eu负异常明显,属壳源S型花岗岩；该岩体在R1-R2多阳离子参数构造环境判别图中投影于同碰撞S型花岗岩区或同碰撞S型花岗岩与晚造山期花岗岩分界线附近，在Rb-Y+Nb构造环境判别图中投影于后碰撞花岗岩区，在Hf-Rb-Ta图中投影于碰撞后花岗岩或碰撞后花岗岩与火山弧花岗岩分界线附近，在SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)]图中投影于伸展型区域内，其形成环境应为同碰撞构造作用后的伸展环境。

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Study on the Main Characteristics and Genesis of the Jieshi Mountain Pluton in Eastern Hebei

ZHAO Zhonghai

(Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195)

The Jieshi Mountain pluton is located in the region from the north of Changli County to the west of Funing County, its shape is nearly round in the plane, its area is about 220 square kilometers, it is a large composite plutonic batholith and the previous research of its main characteristics, genetic types and formation environment degree was relatively not enough. Based on 1：50000 regional geology and mineral resources survey, the author deeply studied the main geological, petrological and petrochemical characteristics of the Jieshi Mountain pluton and brief l y discussed its magma type, genesis and formation environment by the remote sensing interpretation, fi eld investigation, rock-mineral determination and chemical analysis, etc. The Studies have shown that the main rocks of the Jieshi Mountain pluton are the porphyritic monzonitic granite and the fi ne-medium granular syenogranite, it belongs to the high-K acidic rocks of the calc-alkaline series and it has the characteristics that Rb, Th, Zr, U and light rare earth elements are relative enrichment and Ba, Sr, Nb, Ta, Cr, Ni and heavy rare earth elements are relative depleted. Its magma type belongs to the crust source S type and originated in post-collisional extension settings.

the Jieshi Mountain pluton; Monzonitic granite; Syenogranite; S type magma; Post-collision; Extension settings.

P588.1

A

1007-1903（2017）01-0034-08

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.006

赵忠海（1970- ），男，教高，从事区域地质调查、矿产资源勘查、工程物探勘察以及地质灾害评估、勘查、防治工作。