山西黄榆沟岩体锆石U-Pb年代学、地球化学特征及其地质意义

叶 枫，董国臣，任建勋，龚杰立，李猛兴，王 权，张兆琪，赵三波

(1.山西省地质调查院，山西 太原 030006； 2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；3.山西省油气资源调查研究院，山西 太原 030006)

0 引 言

岩浆活动在板块构造过程中通常被认为是大洋板块俯冲、大陆板块碰撞等过程所伴随的深部作用响应，同时也是探索地球深部作用过程的“岩石探针”[1]。

华北克拉通是全球最古老的陆核之一，自中新生代以来，华北克拉通重新活化，大规模岩浆活动是其破坏作用的一个重要响应[2-9]，华北克拉通破坏已成为国内外关注的热点之一[10-17]。目前华北克拉通破坏的研究主要集中于岩浆活动频繁的东部地区[18-32]，而华北克拉通中部地区因岩浆活动相对较弱而所受关注的程度较低。

山西黄榆沟岩体位于华北克拉通中部地区，是区内典型的中生代酸性侵入岩。本文通过对黄榆沟岩体U-Pb年代学、地球化学数据的研究，确定其岩体形成时代，探讨黄榆沟岩体的岩石成因、地球动力学背景。研究结果可为揭示华北克拉通破坏机制提供相关科学依据，对华北克拉通岩石圈破坏的差异性对比研究具有一定的借鉴意义。

1 区域地质背景及岩体特征

研究区位于华北克拉通北缘中部碰撞(造山)带内(图1(a))，大地构造位置位于塔里木—华北板块的Ⅲ级构造单元山西地块(地理上包括山西及豫西)[34]。区内构造断裂不发育，地层出露有寒武系、奥陶系及第四系，寒武系岩性主要为炒米店组灰色厚层-巨厚层泥晶灰岩；奥陶系岩性主要为冶里组灰色中薄层泥晶灰岩、三山子组浅灰色厚层白云岩、马家沟组灰色-灰白色厚层白云岩灰岩互层。黄榆沟岩体主要出露于黄榆沟西、大马军营北东，出露面积为2.72 km2，另外在小井沟一带也有少量出露(图1(b))。岩体呈岩株、岩枝状产出，侵入于下古生界奥陶系三山子组地层中，与围岩呈明显的侵入接触关系，侵入界线不规则，局部呈枝杈状顺层侵入于白云质灰岩中。

图1 华北克拉通构造简图(a)和山西黄榆沟地区地质简图(b)Fig.1 Simplified tectonic map of North China Craton (a) and geological sketch map of the study area (b)((a)据Zhao等[33]修改； (b)据山西省地质调查院(1) 山西省地质调查院. 1:25万偏关县幅区域地质调查报告.2014. 修改)1.第四系冲洪积物；2.第四系残坡积物；3.奥陶系炒米店组；4.奥陶系冶里组；5.奥陶系三山子组；6.奥陶系马家沟组；7.石英二长斑岩；8.构造断裂；9.地球化学样品采样位置；10.年龄样品采样位置

黄榆沟岩体主要岩性为石英二长斑岩，岩体自中心到边部岩性变化不大，具斑状结构，块状构造，由斑晶(约25%)和基质(约75%)组成(图2(a))。斑晶主要由斜长石(15%)、钾长石(10%)及蚀变暗色矿物(2%)组成; 基质具微细结构，由长英质及蚀变矿物等组成(图2(b))。

图2 黄榆沟岩体野外露头(a)及镜下照片(b)Fig.2 Fields outcrop (a) and microscopic photos (b) of the Huangyugou intrusion

2 样品采集与分析方法

本次用于岩石地球化学分析的样品包括9个石英二长斑岩样品，用于锆石U-Pb定年的样品为1件石英二长斑岩样品(PT17W-1)。样品较为新鲜，采样位置见图1(b)。

样品锆石单矿物挑选、阴极发光显微照相和U-Pb同位素定年均在西北大学大陆动力学实验室完成。阴极发光显微照相工作电压为15 kV，电流为4 nA。U-Pb同位素定年采用激光烧蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)分析方法。剥蚀系统为GeoLas 2005，ICP-MS为Agilent 7500电感耦合等离子体质谱仪。选用激光束斑为直径30 μm，频率为5 Hz。同位素质量分馏校正采用国际标准锆石91500。测试完成后，采用软件ICP-MS Data Cal对样品的测试数据进行后期处理[35]，年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot 3.0完成。

样品的主量元素、微量元素、稀土元素测定均在武汉综合岩矿测试中心完成。主量元素分析所用仪器型号为RIX 2100，测试方法采用XRF法，分析误差优于5%。将制备好的熔片放入X射线荧光光谱仪中进行测试，采用校准曲线法进行岩石主量元素定量分析。微量元素、稀土元素分析所用仪器型号为Agilent 7500电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定，分析误差优于5%～10%。分析方法参见文献[36]。元素含量大于10-6时，分析精度优于5%；含量小于10-6时，分析精度优于10%。测试过程中，加入标样和平行样进行监控和检验。

3 分析结果

3.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

本文对黄榆沟岩体石英二长斑岩(PT17W-1)进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年。石英二长斑岩中的锆石多为粒状、长柱状(图3)，自形程度较好，粒径多大于100 μm。锆石的U含量为209×10-6～999×10-6，Th含量为32×10-6～368×10-6。锆石晶形多完整，自形棱角状外形，色暗，细密的振荡环带发育；Th/U比值为0.13～0.37(图4(a))，表明锆石为岩浆成因。对锆石测定数据(表1)运用ICP-MS DATA Cal软件处理，16个分析点206Pb/238U年龄加权平均值为(149.3±0.9)Ma(图4(b))，代表了石英二长斑岩的结晶年龄。

表1 黄榆沟岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb分析结果

图3 石英二长斑岩锆石阴极发光图像Fig.3 CL images of representative zircons from the quartz monzonite porphyry

图4 石英二长斑岩锆石Th-U相关图(a)和U-Pb谐和图(b)Fig.4 Th vs. U plot (a) and zircon U-Pb concordia diagram (b) for the quartz monzonite porphyry

3.2 地球化学特征

3.2.1 主量元素

从岩石全岩化学成分分析结果(表2)来看，石英二长斑岩的SiO2含量为61.72%～64.24%，平均为62.89%，属酸性岩。在TAS图解中样品投点落入石英二长岩区域(图5(a))。里特曼指数σ为2.87～3.28，平均为2.96，大体属于钙碱性系列(图5(b))。Al2O3含量为15.49%～16.54%，平均为16.19%；Na2O+K2O含量为7.17%～8.00%，平均为7.66%。在K2O-SiO2图解中样品投点落入钾玄岩系列(图6(a))。K2O/Na2O为0.97～2.22，平均为1.31，为钾质系列。铝饱和指数(A/CNK= Al2O3/(CaO+Na2O+ K2O)，摩尔比)为0.90～1.04，平均为0.95，属于准铝质花岗岩类(图6(b))。

图6 黄榆沟岩体K2O-SiO2图解((a), 底图据Rollinson等[39])和A/NK-A/CNK图解((b), 底图据Maniar等[40])Fig.6 K2O vs. SiO2((a), after Rollinson et al. [39]) and A/NK vs. A/CNK ((b), after Maniar et al. [40]) plots for the Huangyugou intrusion

表2 黄榆沟岩体主量元素分析结果(%)

图5 黄榆沟岩体岩石类型((a), 底图据Lemaitre等[37])和SiO2-AR((b), 底图据Wright[38])图解Fig.5 TAS (a) and SiO2 vs. AR (b) diagrams for the Huangyugou intrusion((a) after Lemaitre et al. [37], and (b) after Wright[38]])

3.2.2 微量、稀土元素

岩样的微量、稀土元素分析结果如表3所示。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图7(a))中，大部分样品均显示相对富集K、Sr、Eu等大离子亲石元素，相对亏损Nb、Ce、Zr、Ti等高场强元素。

表3 黄榆沟岩体微量、稀土元素分析结果(wB/10-6)

图7 黄榆沟岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(b)(原始地幔数据据Sun等[41], 球粒陨石数据据Boynton等[42])Fig.7 Primitive-mantle-normalized multi-element plot (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) for theHuangyugou intrusion

在稀土元素球粒陨石标准化配分图(图7(b))中，曲线为倾斜程度类似的右倾型。轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损。轻稀土元素与重稀土元素之间分馏明显，(La/Yb)N=6.79～10.06，均值为8.43；轻稀土内部分馏相对较为明显，(La/Sm)N=3.11～3.75，均值为3.37；重稀土元素内部分馏作用相对较弱，(Gd/Lu)N=1.81～2.27，均值为1.92，重稀土元素活动性相对较弱。Ce具弱负异常，δCe= 0.81～1.07，均值为0.91。δEu=1.04～1.14，均值为1.09，具弱正Eu异常。这些特征与下地壳的类似[43]，指示黄榆沟岩体的形成很可能与下地壳有关。

4 讨 论

4.1 黄榆沟岩体的形成时代

石英二长斑岩(PT17W-1)的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明，16粒锆石的测定结果集中给出(149.3±0.9) Ma的年龄，表明其侵位时间在(149.3±0.9) Ma左右，属于晚侏罗世。

另外，黄榆沟岩体所在的晋北地区还出露有其他晚侏罗世岩浆岩体，如云岗组含凝灰质碳酸盐岩((160.6±0.5) Ma)[44]，浑源盆地官王铺髫髻山组安山岩(152 Ma)[44]、西施沟杂岩体((160.19±0.50) Ma)[45]。对这些岩浆岩体年龄数据的研究结果表明，黄榆沟岩体所在的晋北地区在晚侏罗世存在岩浆活动[46]。

4.2 岩石成因

在成因类型判别图解[47-48]中，样品落入未分异花岗岩区(图8(a))。同时，黄榆沟岩体具有低TiO2、低P2O5、准铝质等特点，与I型花岗岩演化趋势一致[49-52]；稀土元素配分曲线指示富集轻稀土，Eu异常不明显，配分曲线为右倾型，与典型的I型花岗岩相似，不同于典型的S型、A型花岗岩的“海鸥型”配分型式[53]；Sr/Ba比值为0.93～1.58，也符合I型花岗岩Sr/Ba比值大于0.5的特征[54]。另外，在K2O-Na2O图解(图8(b))中，石英二长斑岩样品绝大部分落入I型花岗岩区域内。以上结果均说明，黄榆沟岩体总体上为I型花岗岩成因。

图8 黄榆沟岩体成因类型判别图解((a)，底图据Whalen等[47]；(b)，底图据Chappell等[48])Fig.8 Petrogenetic discrimination diagrams for the Huangyugou intrusion(a) FeOT/MgO vs. (Zr+Nb+Ce+Y) plot ((a),base map after Whalen et al. [47]) and Na2O vs. K2O plot ((b),base map after Chappell et al. [48])

黄榆沟岩体具有高Al2O3含量(15.49%～16.54%)、高Sr含量(810×10-6～1 574×10-6)、高Ba ( 822×10-6～1 276×10-6)和高的Sr/Y比值(55.94～138.07)，以及低Yb(1.11×10-6～1.33×10-6)、低MgO(1.50%～2.12%)的特征，LREE相对富集，Eu异常不明显，具有埃达克岩特征[55-56]。在Y-Sr/Y图解(图9(a))中，绝大部分样品落在埃达克岩区域；但与典型的O型埃达克岩相比较，黄榆沟岩体更加富集K2O (K2O/Na2O比值0.97～1.35)，与中国东部C型埃达克岩类似[21,57]。推测其可能为地壳底部在底侵作用下部分熔融的产物[58]。

图9 黄榆沟岩体Y-Sr/Y((a)，底图据Altherr等[49])和δEu-(La/Yb)N((b)，底图据董毅等[50])图解Fig.9 Y vs. Sr/Y (a) and δEu vs. (La/Yb)N (b) plots for the Huangyugou intrusion((a) after Altherr et al. [49], and (b) after Dong et al. [50])

δEu-(La/Yb)N图显示黄榆沟岩体为壳幔混源型(图9(b))，说明在成岩过程中具有幔源物质成分的加入。La与La/Sm呈正相关关系(图10(a))，显示黄榆沟岩体为平衡部分熔融成因[59]。Eu弱正异常指示源区很可能与下地壳有关[43]；从TFeO-MgO判别图(图10(b))中也看出样品投点远离结晶分异趋势线，显示遭受了明显的岩浆混合作用。

图10 黄榆沟岩体La-La/Sm (a)和MgO-FeOT (b)(底图据Zorpi等[51])图解Fig.10 La vs. La/Sm (a) and MgO vs. FeOT(b) plots for the Huangyugou intrusion (base map after Zorpi et al. [51])

4.3 岩石形成的地球动力学背景

在构造环境判别图解(图11)中，样品全部落入后碰撞花岗岩范围内，说明黄榆沟岩体石英二长斑岩属于后碰撞伸展构造背景产物。黄榆沟岩体形成时代为(149.3±0.9) Ma，属晚侏罗世岩浆活动产物。黄榆沟岩体与其他华北克拉通内晚侏罗世岩浆岩类似[61-66]，形成于伸展构造背景下[67]，说明黄榆沟岩体的形成与碰撞造山后的伸展作用有关，而该伸展环境可与中生代华北克拉通破坏机制背景相联系[2, 11-16]。黄榆沟岩体与华北克拉通内的晚侏罗世岩浆岩大多具埃达克岩性质[67]，而这种类型的埃达克岩通常形成于伸展环境下，与地幔上涌造成的底侵作用有关[15,21,57-58,67]。

图11 黄榆沟岩体构造环境判别图解(底图据Pearce等[60]) Fig.11 Tectonic discrimination diagrams for the Huangyugou intrusion (base map after Pearce et al. [60])syn-COLG.同碰撞花岗岩；WPG.板内花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；ORG.洋脊花岗岩；post-COLG.后碰撞花岗岩

综上所述，在碰撞造山后的伸展构造环境下，地幔上涌形成的底侵作用使下地壳物质部分熔融，并伴随着不同程度幔源物质的注入和岩浆混合作用，形成了黄榆沟石英二长斑岩岩体；该岩体为钙碱性钾玄岩系列的I型花岗岩，具埃达克岩特征。

5 结 论

(1)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年表明，岩体黄榆沟石英二长斑岩形成于(149.3±0.9) Ma，属晚侏罗世岩浆活动产物。

(2)黄榆沟岩体石英二长斑岩属钙碱性钾玄岩系列准铝质岩石，相对富集K、Sr、Eu等大离子亲石元素，相对亏损Nb、Ce、Zr、Ti等高场强元素。稀土元素配分曲线为右倾型，轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损， Eu具弱正异常。为I型花岗岩成因，具埃达克岩特征。

(3)黄榆沟岩体形成于碰撞造山后的伸展构造环境，地幔上涌导致的底侵作用使下地壳物质发生部分熔融，并有幔源物质成分的加入和遭受了岩浆混合作用。

致谢：审稿人对本文提出了宝贵意见，野外工作得到山西省地质调查院基础中心同仁的帮助，西北大学大陆动力学实验室的老师们在LA-ICP-MS锆石U-Pb定年过程中给予了支持，在此一并表示感谢。