李創(chuàng)舉, 包志偉

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院 研究生院, 北京100049)

0 引 言

晚中生代華北克拉通北緣燕山構(gòu)造帶內(nèi)發(fā)育了大面積的中酸性花崗巖和火山巖[1–5], 這些巖漿隨著時(shí)間演化顯示出不同的特點(diǎn), 其中晚侏羅世-早白堊世中基性-酸性巖漿巖通常具有高Sr、低Y類似埃達(dá)克質(zhì)巖石的特點(diǎn), 如高鍶花崗巖[2], 而在早白堊世以后形成了大面積的堿性巖漿, 如正長(zhǎng)巖-堿性花崗巖、堿性粗面巖-流紋巖組合[5]。這些巖漿巖類型的演化可能暗示了早白堊世(約130 Ma)區(qū)域構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)換, 標(biāo)志著燕山構(gòu)造帶垮塌, 進(jìn)入強(qiáng)烈伸展的構(gòu)造環(huán)境[4]。開展這一構(gòu)造轉(zhuǎn)折期巖漿活動(dòng)的詳細(xì)研究, 對(duì)深入理解燕山陸內(nèi)造山帶的構(gòu)造演化、晚中生代巖石圈殼幔相互作用以及區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景都具有重要意義。

冀西北張家口地區(qū)早白堊世爆發(fā)了強(qiáng)烈的中酸性巖漿活動(dòng), 其中張家口組火山巖在該地區(qū)出露最為廣泛。前人曾對(duì)冀西北至遼西一帶的張家口組火山巖進(jìn)行過一些年代學(xué)研究, 但對(duì)其噴發(fā)時(shí)代仍存在不同的認(rèn)識(shí)[6–11]。張家口地區(qū)還出露了早白堊世的堿性長(zhǎng)石花崗巖(如北柵子巖體), 其年齡和地球化學(xué)特征顯示可能與張家口組火山巖為同期巖漿作用的產(chǎn)物。對(duì)張家家口地區(qū)的張家口組火山巖和堿性長(zhǎng)石花崗巖的地球化學(xué)以及同位素研究相對(duì)較少[3,6,11], 本文擬通過對(duì)張家口東北部的北柵子巖體以及附近出露的張家口組火山巖進(jìn)行系統(tǒng)的地球化學(xué), 鋯石U-Pb年代學(xué)和Sr、Nd以及鋯石Hf同位素研究, 揭示研究區(qū)早白堊世構(gòu)造轉(zhuǎn)折期巖漿活動(dòng)的地球化學(xué)特征、巖石成因以及形成機(jī)制, 并結(jié)合前人研究資料, 進(jìn)一步探討該地區(qū)下地殼特征以及這些巖漿形成的構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)背景

張家口地區(qū)位于華北克拉通北緣、燕山構(gòu)造帶的西部(圖1)。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育早前寒武紀(jì)麻粒巖相變質(zhì)地體, 主要為太古宙和古元古代角閃巖相-麻粒巖相變質(zhì)巖系[12–13]。顯生宙以來, 區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁,其中早泥盆世的水泉溝堿性雜巖體[14–15]出露面積達(dá)340 km2, 其形成與晚加里東期-早海西期華北克拉通北側(cè)的一次弧-陸碰撞事件相呼應(yīng)[16]; 早中生代紅花梁黑云母花崗巖和谷嘴子花崗巖以及小張家口超基性巖產(chǎn)于水泉溝堿性雜巖體周圍, 可能與古亞洲洋的最終閉合有關(guān)[17–18]; 晚中生代上水泉堿性花崗巖、轉(zhuǎn)枝蓮輝石閃長(zhǎng)巖以及北柵子花崗巖體侵位[17,19–20],伴隨著大規(guī)模的安山質(zhì)-流紋質(zhì)的火山巖噴出活動(dòng)[11];新生代漢諾壩堿性玄武巖噴發(fā), 這些玄武巖攜帶的下地殼麻粒巖以及地幔橄欖巖包體的研究為探討區(qū)域下地殼和巖石圈地幔特征提供了重要信息[21]。

北柵子巖體位于張家口東北部東坪金礦東側(cè),出露面積約20 km2。巖體北端侵入古生代水泉溝雜巖體, 南部侵入太古宙變質(zhì)巖, 東西兩側(cè)為張家口組火山巖覆蓋。北柵子巖體主要由堿性長(zhǎng)石花崗巖組成, 普遍具有花崗結(jié)構(gòu)。主要造巖礦物為堿性長(zhǎng)石、石英和斜長(zhǎng)石, 暗色礦物為黑云母, 角閃石少見。區(qū)內(nèi)張家口組火山巖為一套中酸性的火山巖、火山碎屑巖, 由安山巖-英安巖-流紋巖組成。本次采集樣品主要集中在張家口組二段-三段, 巖性主要為粗面巖-流紋巖, 大多樣品顯示斑狀結(jié)構(gòu), 斑晶礦物主要為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黑云母、石英等, 基質(zhì)由微晶質(zhì)-玻璃質(zhì)組成。

圖1 張家口地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a)及研究區(qū)位置圖(b)Fig.1 Simplified geological map of the Zhangjiakou region (a) and location of the study area (b)

2 分析方法

樣品主元素、微量元素和Sr、Nd同位素的分析測(cè)試在中國科學(xué)院同位素年代學(xué)和地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。主元素、微量元素分析分別是在Rigaku ZSX 100e型X射線熒光光譜儀(XRF)和PE Elan 6000型電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)上完成,其中主元素的分析誤差總體為 1%, 微量元素的分析誤差為5%～8%, 詳細(xì)分析流程以及方法見劉穎等[22]。Sr、Nd 同位素分析在 MicroMass ISOPROBE型多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)上完成。Sr-Nd同位素分析的樣品預(yù)處理中, 筆者采用了酸淋濾方法, 以減少后期蝕變作用對(duì)同位素比值的影響。取約130 mg全巖粉末樣品, 加入純化HF-HClO4酸, 在高溫下完全溶解。Rb-Sr和 REE的分離和純化是在裝有5 mL AG 50W-X12交換樹脂(200～400目)的石英交換柱上進(jìn)行的, 而Sm和Nd的分離和純化是在石英交換柱上用 1.7 mL Teflon?粉末為交換介質(zhì)完成的。87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值分別用87Sr/86Sr = 0.1194和143Nd/144Nd = 0.7219校正。精度優(yōu)于0.002%, 具體分析方法以及流程見Li et al.[23]。

用常規(guī)方法對(duì)待定年巖石樣品進(jìn)行鋯石分選,然后在雙目鏡下挑純。將挑純的鋯石顆粒置于DEVCON環(huán)氧樹脂中, 待固結(jié)后拋磨至粒徑的大約二分之一, 使鋯石內(nèi)部充分暴露, 然后進(jìn)行鋯石顯微(反射光和透射光)照相。鋯石陰極發(fā)光圖像研究在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所電子探針實(shí)驗(yàn)室完成。

樣品D-60的SHRIMP U-Pb年齡測(cè)定在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所北京離子探針中心SHRIMP Ⅱ上完成。測(cè)試過程采用的一次離子流強(qiáng)度約10 nA, 離子束斑直徑約30 μm, 標(biāo)樣為SL13 (572 Ma,238U =238 μg/g)和TEM (417 Ma)。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)流程和原理參見劉敦一等[24]。樣品D-89鋯石U、Th和Pb同位素分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的Cameca SIMS-1280離子探針(SIMS)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)流程和數(shù)據(jù)處理詳見Li et al.[25], 單點(diǎn)分析的同位素比值及年齡誤差為1σ, 加權(quán)平均年齡誤差為95%置信度。

鋯石微區(qū) Hf同位素分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 Neptune多接受器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和193nm激光取樣系統(tǒng)上進(jìn)行, 分析時(shí)激光斑束直徑為40 μm或60 μm, 激光剝蝕時(shí)間為26 s。測(cè)定時(shí)采用國際標(biāo)樣 91500作為外標(biāo), 激光脈沖速率為6-8Hz, 激光束脈沖能量為100 mJ。儀器運(yùn)行條件和詳細(xì)的分析流程見徐平等[26], 實(shí)驗(yàn)測(cè)定過程中,標(biāo)樣 91500的176Hf/177Hf值為 0.282318±0.000012,與文獻(xiàn)報(bào)道[27]的數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)基本一致。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 鋯石年齡

堿性長(zhǎng)石花崗巖樣品D-60中的鋯石, 晶型比較完好, 多呈短柱狀(長(zhǎng)寬比為 1.5 ∶ 1 ), CL 圖像顯示清晰的韻律環(huán)帶, 明顯為巖漿成因鋯石(圖 2a)。用SHRIMP方法對(duì)這些鋯石進(jìn)行Th、U、Pb同位素測(cè)定, 結(jié)果見表 1。所測(cè)鋯石中并未發(fā)現(xiàn)繼承性鋯石,Th、U 含量變化較大, 分別在 62～2058 μg/g、57～952 μg/g之間, Th/U比值介于1.12～2.23之間。11個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均集中在207Pb/235U-206Pb/238U的U-Pb諧和線上或其附近(圖3a),206Pb/238U年齡集中在126.1～137.9 Ma之間, 其加權(quán)平均值為(130.5±1.5) Ma (MSWD=1.5),此年齡值應(yīng)代表巖體的結(jié)晶年齡。

圖2 鋯石CL圖像Fig.2 CL images of representative zircons from the analytical samples

表1 北柵子堿性長(zhǎng)石花崗巖(D-60)鋯石SHRIMP U-Pb測(cè)年分析結(jié)果Table 1 SHRIMP U-Pb zircon results for the Beizhazi granites (sample D-60)

圖3 鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.3 U-Pb concordant diagrams of zircon grains from the analyzed samples (sample D-60 and D-89)

粗面質(zhì)火山巖樣品D-89的鋯石顆粒較小, 長(zhǎng)柱狀到短柱狀, CL圖像顯示了清晰的韻律環(huán)帶, 為典型巖漿成因鋯石(圖 2b)。用 SIMS方法對(duì)這些鋯石的Th、U、Pb同位素測(cè)定結(jié)果見表2。鋯石的Th、U含量變化范圍較小, 分別在20～233 μg/g和40～300 μg/g之間, Th/U比值介于0.30～1.76之間。所測(cè)鋯石中有一顆鋯石顯示了老的年齡, 其207Pb/206Pb表面年齡為2326 Ma, 鋯石特征顯示可能為捕獲的鋯石;另外有兩顆鋯石顯示了140 Ma左右的206Pb/238U年齡, 其中一位于巖漿鋯石的增生邊上的分析點(diǎn)所給出的年齡老于位于巖漿鋯石核部分析點(diǎn)的年齡(130 Ma), 這可能為后期熱事件對(duì)巖漿鋯石的改造且有放射成因鉛加入; 而另一顆鋯石具有較好的環(huán)帶,但是和其他巖漿鋯石特征不同, 可能為上侵過程中捕獲的鋯石。在鋯石207Pb/235U-206Pb/238U的U-Pb諧和圖上, 所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均集中在諧和線上或其附近(圖3b), 其中8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)給出了206Pb/238U年齡加權(quán)平均年齡為(128±4) Ma, 這一結(jié)果與楊進(jìn)輝等[6]對(duì)張家口組二段的測(cè)年結(jié)果(126 Ma)基本一致, 應(yīng)為早白堊世巖漿作用的產(chǎn)物。

3.2 主元素特征

分析樣品的主元素和微量元素組成見表 3。從表3可以看出, 張家口組火山巖SiO2含量具有較大的變化范圍(58%～70%), 巖石從粗面安山巖-粗面巖-流紋巖; 而北柵子巖體具有相對(duì)均一的 SiO2含量(約70%), 與張家口組的流紋巖組成相當(dāng), 屬于堿性長(zhǎng)石花崗巖。這些巖石總體富堿(Na2O + K2O為8.34%～10.30%), 在TAS圖解中, 均落在堿性演化線的上方, 屬于偏堿性-堿性巖石系列(圖 4a)。巖石整體富鉀(K2O含量為3.70%～5.78%, Na2O/K2O = 0.76～1.15), 屬于高鉀-鉀玄質(zhì)巖石系列(圖4b)。A/CNK =0.87～1.05, A/NK= 1.10～1.39, 屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)系列。巖石具有中等程度的 FeOT/MgO 比值(2.41～4.14), 中等低的 Mg#值(30～43), 在 FeOT/(FeOT+MgO)-SiO2圖解中主要落在鎂質(zhì)巖石系列中(圖 4c)。與粗面安山巖、粗面巖相比, 流紋巖和堿性長(zhǎng)石花崗巖樣品相對(duì)貧 CaO、TiO2、FeOT、MnO、MgO 和 P2O5。在 Harker圖解(圖 4d)中, TiO2、FeOT、MgO、CaO、P2O5的含量隨著SiO2含量的增高而降低, K2O含量與SiO2含量呈正相關(guān)關(guān)系。

3.3 微量和稀土元素特征

樣品總體上顯示了較高的 REE含量(255～356 μg/g), 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式為右傾平滑型(圖 5a和5c)。LREE相對(duì)富集, 輕稀土和重稀土分餾明顯,(La/Yb)N比值為 20.8～42.2, 重稀土分餾較弱,(Dy/Yb)N為 1.20～1.58。樣品整體具有較弱的 Eu負(fù)異常, δEu比值主體在0.62～0.97之間(樣品 D-89顯示了Eu的正異常, δEu為1.33)。

微量元素組成上, 這些樣品總體顯示了大離子親石元素(LILE; K、Rb、Ba)和Pb富集, 高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb、Ta、Ti和 P)不同程度虧損的特征(圖5b和5d)。其中粗面安山巖和粗面巖樣品相對(duì)高Sr、Ti、P, 低Rb、Th、U, Sr、P、Ti虧損不顯著的特征, 而流紋巖和堿性長(zhǎng)石花崗巖樣品則顯著虧損Sr、P、Ti。與火山巖和堿性長(zhǎng)石花崗巖在主元素組成上連續(xù)變化的特征相似, 兩者在微量元素組成及比值上亦有著同樣的變化趨勢(shì): Sr含量隨SiO2含量增加而逐漸降低(圖6a); 和P2O5隨SiO2增加而降低所顯示出的火山巖-花崗巖I型特征一致, 圖6b顯示出巖石Rb含量隨Th含量的增加而增加, 表現(xiàn)出與Lachlan褶皺帶I型花崗巖相似的演化趨勢(shì); Ba含量與δEu及Rb與Sr之間的變化關(guān)系顯示出結(jié)晶分異作用在巖石微量元素組成演化中可能起著重要作用(圖 6c和 6d);另外, Nb-Ta、Zr-Hf協(xié)變關(guān)系亦顯示出火山巖和花崗巖微量元素組成上連續(xù)演化的特征(圖 5e～5f), 表明它們可能為同源巖漿演化的產(chǎn)物。

表2 張家口組粗面巖鋯石SIMS U-Pb測(cè)年分析結(jié)果Table 2 SIMS zircon U-Pb results for the Zhangjiakou Formation trachyte (sample D-60)

表3 張家口組火山巖和北柵子巖體的主元素(%)和微量元素(μg/g)分析結(jié)果Table 3 Major (%) and trace element (μg/g) compositions for the Beizhazi granites and Zhangjiakou Formation volcanic rocks

圖4 張家口組火山巖和北柵子巖體的巖石化學(xué)特征以及主元素-SiO2關(guān)系圖解Fig.4 Maps showing major characteristics of the Beizhazi rocks and Zhangjiakou Formation volcanic rocks(a) TAS 圖解; (b) K2O vs. SiO2圖解; (c) FeOT/(FeOT+MgO) vs. SiO2圖解; (d)～(i) Harker圖解(據(jù)文獻(xiàn)[28–30])。

張家口組火山巖中的流紋巖顯示了A型花崗巖的特征, 如高的Na2O+K2O、Zr、Nb含量以及Ga/Al比值等, 但是所有樣品均具有較高的Al2O3含量, 相對(duì)低的 FeOT/MgO 比值(2.41～4.14), FeOT/(FeOT+MgO)比值(0.71～0.81), 明顯低于 A 型花崗巖(氧化型0.80～0.94; 還原型大于 0.88)[30]; Ga/Al×10000 比值為2.01～2.79, 也顯著低于 A 型花崗巖的平均值 3.75[35];高Ba含量, 沒有強(qiáng)烈的Sr虧損, 稀土元素顯示了弱的Eu負(fù)異常(δEu = 0.62～0.97), 與典型A型花崗巖的特征也明顯不同; 同時(shí)這些樣品總體為準(zhǔn)鋁質(zhì),Rb含量低于160 μg/g, 又與S型花崗巖不同。因此這些火山巖和花崗巖應(yīng)屬于高鉀鈣堿性-鉀玄質(zhì)的 I型花崗巖(或火山巖)。

3.4 Sr-Nd-Hf同位素特征

張家口火山巖和北柵子巖體的Sr-Nd同位素分析結(jié)果見表 4。張家口組火山巖與北柵子堿性長(zhǎng)石花崗巖的87Sr/86Sr初始值變化范圍分別為 0.70726～0.70806和 0.70756～0.70799,143Nd/144Nd初始值分別為 0.511655～0.511772 和 0.511609～0.511654, 對(duì)應(yīng)的 εNd(t)值分別為–15.9～ –13.6 和–16.8～ –15.9。

圖5 張家口組火山巖和北柵子巖體的REE分布模式和微量元素蛛網(wǎng)圖(球粒隕石值和初始地幔值引自Sun et al.[31])Fig.5 Chondrite normalized REE patterns and trace elements spider diagrams for the Beizhazi granites and Zhangjiakou Formation volcanic rocks

鋯石Hf同位素分析結(jié)果見表5, 所有鋯石顆粒的176Lu/177Hf比值均很低(小于 0.001)說明鋯石形成后放射成因Hf同位素積累量很低, 能有效地代表巖石源區(qū)性質(zhì)[36–38]。其中, 堿性長(zhǎng)石花崗巖(D-60)鋯石分析點(diǎn)的176Hf/177Hf比值在 0.281999～0.282178之間,較為均一。取 T = 130 Ma 計(jì)算, εHf(t)的值為–24.7～–18.4, 平均值為–22.2; 單階段 Hf模式年齡為1.58～1.85 Ga, 二階段 Hf模式年齡為 2.34～2.74 Ga。粗面質(zhì)火山巖樣品(D-89)分析點(diǎn)的176Hf/177Hf的初始值在0.282170～0.282374之間, 也較為均一。εHf(t)的值為–18.7～ –11.3, 平均值為–16.0; 單階段 Hf 模式年齡為1.24～1.54 Ga, 二階段Hf模式年齡為1.90～2.36 Ga。由于這些鋯石的Lu/Hf比值顯著小于大陸地殼 Lu/Hf比值, 二階段模式年齡能更好的反映其源區(qū)物質(zhì)從虧損地幔被抽取的時(shí)間或其源區(qū)物質(zhì)在地殼的存留年齡。

這些樣品的同位素特征和該地區(qū) 140 Ma左右出露的酸性侵入巖(上水泉花崗巖)以及相對(duì)基性的輝石閃長(zhǎng)巖(轉(zhuǎn)枝蓮巖體)相似[17], 并且在 Sr-Nd同位素圖解(圖 7a)中它們都投在漢諾壩下地殼基性麻粒巖包體的范圍, 這說明該地區(qū)早白堊世巖漿活動(dòng)與區(qū)域下地殼關(guān)系密切。

4 討 論

4.1 巖石源區(qū)

區(qū)內(nèi)張家口組火山巖從粗面安山巖-粗面巖到流紋巖-堿性長(zhǎng)石花崗巖其主量元素含量總體上顯示了從中性到酸性巖漿的結(jié)晶分異特征(圖4d～4i)。TiO2、FeO、MgO、CaO、P2O5含量隨著 SiO2含量的增高而逐漸減少, 可能與巖漿演化過程中角閃石,鐵鈦氧化物以及磷灰石的分離結(jié)晶作用有關(guān)。其微量元素組成也顯示出結(jié)晶分異作用的影響。張家口組火山巖和北柵子巖體在Sr、Y含量, K2O/Na2O、Sr/Y比值, 重稀土虧損程度等特征上與東部燕山期高Sr低Y的埃達(dá)克質(zhì)中酸性火成巖有著顯著的不同,反映其熔融條件(如溫度, 壓力, 水含量, 氧逸度以及殘留相)存在較大的差異。區(qū)內(nèi)張家口組火山巖和北柵子花崗巖形成深度可能較東部燕山期埃達(dá)克質(zhì)中酸性火成巖略淺[42]。微量元素蛛網(wǎng)圖上顯著的Nb、Ta虧損表明殘留相中可能存在鈦鐵礦等, 但是根據(jù)粗面安山巖較弱的Ti負(fù)異常, Nb、Ta虧損更可能是對(duì)源區(qū)特征的繼承。

圖6 火山巖和花崗巖微量元素含量及比值變化圖解(據(jù)文獻(xiàn)[32–34])Fig.6 Diagrams of trace element concentration and ratio variations for the volcanic rocks and granites (from references [32–34])

表4 張家口組火山巖和北柵子巖體的Sr-Nd同位素分析結(jié)果Table 4 Sr-Nd isotope compositions of the Beizhazi granites and Zhangjiakou Formation volcanic rocks

表5 北柵子巖體和張家口組火山巖的鋯石Hf同位素分析結(jié)果Table 5 Zircon Hf isotope compositions of the Beizhazi granites and Zhangjiakou Formation volcanic rocks

圖7 張家口組火山巖和北柵子巖體的Sr-Nd同位素(a)與鋯石Hf同位素圖解(b)Fig.7 Sr-Nd and Hf isotopic features of the Beizhazi rocks and Zhangjiakou Formation volcanic rocks漢諾壩下地殼麻粒巖包體數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[39–41], 區(qū)內(nèi)麻粒巖據(jù)文獻(xiàn)[17,41]。

盡管張家口組火山巖和北柵子花崗巖在主元素和微量元素組成及演化上顯示出同源巖漿結(jié)晶分異的趨勢(shì), 但全巖Nd同位素組成及鋯石Hf同位素特征存在顯著的差異?；鹕綆r和花崗巖的87Sr/86Sr初始比值差別較小, 其平均值分別為0.7075和0.7078;但在全巖 εNd(t)及鋯石 εHf(t)特征上有明顯差別: 火山巖 εNd(t) = –15.9～ –13.6、εHf(t) = –18.7～ –13.5, 而花崗巖εNd(t)及εHf(t)則顯著低于火山巖, 分別為εNd(t) =–16.8～ –15.9 和–24.7～ –18.4。這些樣品同位素特征與 SiO2含量無明顯的線性關(guān)系, 說明中上地殼物質(zhì)的混染不顯著, 全巖Nd和鋯石Hf同位素的差異可能反應(yīng)了源區(qū)組成的不同。

張家口組火山巖和北柵子巖體整體較高的87Sr/86Sr 初始比值(0.70726～0.70806)和低的全巖εNd(t) (–13.6～–16.8)及鋯石 εHf(t) (–24.7～ –11.3)的同位素特征, 表明其源區(qū)可能為下地殼物質(zhì)或者富集的巖石圈地幔。而火山巖和花崗巖樣品高 SiO2, 低Cr, Ni含量以及 Mg#值的特征表明其主體不太可能來源于富集的巖石圈地幔。在Sr-Nd同位素圖解(圖7a)中, 張家口組火山巖和北柵子巖體的投影位置偏離華北古老下地殼[43], 而落在漢諾壩下地殼基性麻粒巖包體的范圍。依據(jù)其鋯石Hf同位素特征, 張家口組火山巖和北柵子巖體顯示了相對(duì)較老鋯石 Hf模式年齡(t2DM＞ 1.8 Ga), 在 εHf(t)-tDM(age)圖解中,這些樣品均落在新太古代到古元古代下地殼演化線之間(圖 7b)。

區(qū)內(nèi)大面積出露的張家口組火山巖、北柵子花崗巖及早白堊世侵入巖的地球化學(xué)以及同位素特征表明, 它們主要來源于基性下地殼的部分熔融, 這些巖石的同位素特征表明部分熔融的下地殼應(yīng)是經(jīng)歷了強(qiáng)烈改造的下地殼。前人資料顯示[44–45], 華北克拉通最下部地殼部分或大部已經(jīng)被中生代的下地殼置換(或稱換底作用)。鄰區(qū)的新生代漢諾壩玄武巖下地殼麻粒巖包體的研究表明該地區(qū)下地殼包括中生代底侵的玄武質(zhì)巖石和強(qiáng)烈改造的前寒武紀(jì)下地殼物質(zhì)[21,39–41,46–51]。

綜合火山巖和花崗巖密切的時(shí)空聯(lián)系和主元素、微量元素特征演化趨勢(shì)及其在 Nd、Hf同位素組成上的差異, 筆者認(rèn)為可能存在不同源區(qū)巖漿混合過程[52–53]。由中生代的底侵玄武質(zhì)巖漿形成的下地殼物質(zhì)部分熔融形成的中酸性巖漿與經(jīng)歷強(qiáng)烈改造的前寒武下地殼物質(zhì)部分熔融為主的酸性巖漿端元混合而形成了這種在主元素、微量元素特征上連續(xù)演化的巖漿巖組合。其中張家口組中相對(duì)基性的火山巖源區(qū)含有較多的新生地幔物質(zhì), 而酸性程度較高的流紋巖和花崗巖則相對(duì)的以經(jīng)受過強(qiáng)烈改造的前寒武紀(jì)古老下地殼為主。另外, 實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究結(jié)果亦表明, 中基性變質(zhì)火山巖或者基性變質(zhì)巖的部分熔融可以形成這類高鉀的中酸性巖漿[54-55]。

4.2 早白堊世構(gòu)造背景

前人研究資料顯示, 高鉀鈣堿性巖漿可形成于多種構(gòu)造背景, 但通常是與區(qū)域構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)變有關(guān)[56–58]。北柵子巖體以及近同期的張家口組火山巖顯示了高鉀鈣堿性-鉀玄質(zhì)巖漿巖特征, 一些流紋巖樣品顯示了A型花崗巖的地球化學(xué)特征, 這些巖漿的大面積出露表明當(dāng)時(shí)的構(gòu)造體制可能由擠壓構(gòu)造格局轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺箻?gòu)造格局。燕山地區(qū)晚中生代變質(zhì)變形構(gòu)造研究資料亦顯示, 晚侏羅世到早白堊世主要為擠壓構(gòu)造背景, 發(fā)育NNE(NE)展布的深層次韌性剪切帶、逆沖推覆構(gòu)造以及一系列褶皺變形[59–63]。如張長(zhǎng)厚等[62]對(duì)燕山西段以及北京西山地區(qū)晚中生代逆沖構(gòu)造的研究顯示, 逆沖構(gòu)造變形主要發(fā)生在140～130 Ma; 而在白堊世初期強(qiáng)烈的收縮變形之后,130～110 Ma發(fā)育了一系列的變質(zhì)核雜巖、斷陷盆地等伸展變形構(gòu)造[61]。而區(qū)域巖漿活動(dòng)資料顯示, 燕山構(gòu)造帶埃達(dá)克質(zhì)巖漿活動(dòng)結(jié)束和堿性巖漿活動(dòng)開始時(shí)間為130～120 Ma[4], 在130 Ma以后區(qū)域上開始出現(xiàn)大量堿性-偏堿性的巖漿活動(dòng), 如冀北白查A型花崗巖、八達(dá)嶺雜巖中的堿性花崗巖以及燕山大面積的堿性系列的火山巖[5,64,65]。130 Ma之后變質(zhì)核雜巖、斷陷盆地的發(fā)育以及大面積的堿性巖漿活動(dòng)的出現(xiàn)表明, 130 Ma左右區(qū)域巖石圈開始進(jìn)入強(qiáng)烈伸展背景, 也標(biāo)志著燕山構(gòu)造帶的垮塌。張家口組火山巖和北柵子巖體形成時(shí)代(約130 Ma)以及地球化學(xué)特征說明, 它們是在這一擠壓向伸展轉(zhuǎn)折期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

早白堊世是華北東部構(gòu)造轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵時(shí)期, 這一時(shí)期(130～110 Ma)也是華北克拉通減薄(或破壞)的高峰期[45,66–68]。燕山構(gòu)造帶在這一時(shí)間開始垮塌,并由擠壓向伸展轉(zhuǎn)變可能與整個(gè)華北東部構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)折是一致的。已有研究表明, 華北東部晚侏羅世整體性抬升和早白堊世構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)變與華北-蒙古板塊和西伯利亞碰撞、Izanaqi板塊運(yùn)動(dòng)方向以及速度的轉(zhuǎn)變有關(guān), 是鄰近塊體綜合作用的結(jié)果[45,68]。

總體來說, 北柵子巖體以及早白堊世張家口組火山巖形成于早白堊世由擠壓向伸展轉(zhuǎn)折的構(gòu)造背景。這一時(shí)期燕山構(gòu)造帶的陸殼擠壓增厚結(jié)束并開始垮塌, 強(qiáng)烈的巖石圈減薄導(dǎo)致幔源玄武質(zhì)巖漿底侵誘使下地殼發(fā)生部分熔融作用是這些巖漿形成的主要機(jī)制。同時(shí)這些大面積火成巖的同位素特征暗示基性下地殼源區(qū)中明顯存在幔源玄武質(zhì)組分的貢獻(xiàn), 這也印證了晚中生代區(qū)域上發(fā)生了強(qiáng)烈的殼幔相互作用。

5 結(jié) 論

(1) 北柵子巖體的 SHRIMP 鋯石 U-Pb年齡為(130.5±1.5) Ma, 張家口組粗面巖的SIMS鋯石U-Pb年齡為(127.8±3.5) Ma, 為早白堊世巖漿作用的產(chǎn)物。

(2) 張家口組火山巖與北柵子花崗巖體屬于高鉀鈣堿性-鉀玄質(zhì)系列, 富堿, 準(zhǔn)鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì), 中等低的 Mg#值; LREE相對(duì)富集((La/Yb)N比值為20.8～42.2), 弱的 Eu 負(fù)異常(δEu為 0.62～0.97); 微量元素上LILE相對(duì)富集和高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb、Ta、Ti和P)不同程度虧損?；鹕綆r和花崗巖的Sr同位素組成差別較小,87Sr/86Sr初始值的平均值分別為0.7075和0.7078, 但兩者εNd(t)和鋯石εHf(t)的差異顯著, 火山巖εNd(t) = –15.9～ –13.6、εHf(t) = –18.71～ –13.49, 而花崗巖 εNd(t)及 εHf(t)則顯著低于火山巖, 分別為–16.8～–15.9和–24.7～ –18.4。同位素以及地球化學(xué)特征表明, 形成張家口組火山巖及北柵子花崗巖的巖漿可能存在源區(qū)混合過程, 它們均主要源于經(jīng)強(qiáng)烈改造的下地殼物質(zhì)的部分熔融, 但張家口組粗面巖可能含有較多的年輕地幔物質(zhì)。

(3) 張家口組火山巖與北柵子花崗巖體是燕山構(gòu)造帶擠壓向伸展轉(zhuǎn)變過程中, 巖石圈強(qiáng)烈減薄導(dǎo)致的玄武質(zhì)巖漿底侵所誘發(fā)的下地殼部分熔融作用的結(jié)果。

趙振華研究員參加了部分野外工作; 室內(nèi)研究階段得到張紹立、陳林麗、胡光黔等老師的支持和幫助; 兩位審稿專家提出了建設(shè)性的修改意見, 在此謹(jǐn)致謝忱。

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