申志超 董博 孫偉 周玉謀 穆海鳳 孟思源

弧環(huán)境(島弧和陸緣弧)是發(fā)育巨型斑巖銅礦床的“俯沖帶工廠”(Sillitoe,2010),長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)產(chǎn)出于弧環(huán)境的斑巖銅礦含礦斑巖成因進(jìn)行了充分研究并取得了深入認(rèn)識(shí)：其基本過(guò)程為俯沖的大洋板片脫水形成的流體交代楔形地幔,所形成的玄武質(zhì)巖漿熔體分凝上升(Arculus,1994),并在相對(duì)封閉體系發(fā)生結(jié)晶分異或地殼混染作用,在淺部地殼就位形成含礦斑巖(Richardsetal.,2013),進(jìn)而發(fā)育斑巖礦化系統(tǒng)。中國(guó)大陸斑巖銅礦產(chǎn)于各類構(gòu)造環(huán)境中,近一半的大中型斑巖銅礦產(chǎn)出于非弧環(huán)境(Yang and Cooke,2019)：(1)碰撞造山環(huán)境;(2)陸內(nèi)造山巖石圈伸展環(huán)境;(3)活化的克拉通。發(fā)育于碰撞造山環(huán)境的中新世岡底斯成礦斑巖和始新世玉龍成礦斑巖具有相似的巖石地球化學(xué)特征,目前更加詳實(shí)的地質(zhì)證據(jù)表明：加厚的新生鎂鐵質(zhì)下地殼部分熔融成因(Houetal.,2015b)是碰撞環(huán)境下斑巖銅礦的主要成巖機(jī)制。陸內(nèi)造山巖石圈伸展階段發(fā)育的典型礦床是德興斑巖銅礦,其含礦斑巖成因提出了三種模式：(1)俯沖的古太平洋板片及其沉積物部分熔融模式(Zhou and Li,2000);(2)拆沉的下地殼部分熔融模式(Wangetal.,2006a);(3)元古宙新生的鎂鐵質(zhì)下地殼部分熔融模式(Houetal.,2013)。陸內(nèi)造山帶崩塌階段產(chǎn)出的成礦斑巖,以長(zhǎng)江中下游成礦帶的成礦斑巖為主,其成巖機(jī)制主要包括洋脊俯沖模式(孫衛(wèi)東等,2008;Lingetal.,2009)和加厚古老下地殼直接部分熔融(張旗等,2001)、底侵玄武質(zhì)下地殼部分熔融(王強(qiáng)等,2001)、拆沉下地殼部分熔融(Xuetal.,2002)等下地殼熔融模式,等等?；罨目死ㄒ彩前l(fā)育斑巖銅礦的重要環(huán)境,目前在縱貫華北克拉通南北的太行山構(gòu)造-巖漿巖帶的北段識(shí)別出唯一的大型斑巖銅礦是木吉村斑巖銅礦(馬國(guó)璽等,2010)。木吉村斑巖銅礦位于太行山北段王安鎮(zhèn)雜巖體內(nèi),雜巖體內(nèi)部發(fā)育強(qiáng)烈的巖漿礦化作用,含礦斑巖(次火山巖相閃長(zhǎng)玢巖)與局部出露的角閃石巖-輝石巖-輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖-安山巖構(gòu)成了一個(gè)完整的巖漿演化序列。盡管前人對(duì)這些演化完整且復(fù)雜的巖石類型的巖石成因開(kāi)展了詳細(xì)研究：角閃石巖、輝長(zhǎng)巖等基性巖由巖石圈地幔部分熔融形成(常兆山等,2000;蔡劍輝等,2003);中酸性巖石由加厚基性下地殼部分熔融形成(張海東等,2016);殼幔過(guò)渡帶的MASH過(guò)程可能是髫髻山組火山巖的形成機(jī)制(Gaoetal.,2012);強(qiáng)烈且持續(xù)的殼-幔物質(zhì)相互作用是形成中酸性巖石、長(zhǎng)英質(zhì)巖脈及鎂鐵質(zhì)包體的機(jī)制(Xueetal.,2023);但對(duì)木吉村斑巖銅礦成礦母巖的起源、演化過(guò)程分歧依然明顯：(1)巖石圈地幔與下地殼熔體相互作用(Dongetal.,2013;曲凱等,2014);(2)交代富集的巖石圈地幔熔融(Gaoetal.,2013)。王安鎮(zhèn)雜巖體面積近500km2,巖漿演化系列連續(xù)、完整,不應(yīng)孤立去分析問(wèn)題。

基于現(xiàn)狀,本文詳細(xì)總結(jié)了板內(nèi)環(huán)境木吉村大型斑巖銅礦含礦斑巖地質(zhì)特征,進(jìn)一步精確厘定其全巖主微量元素、Sr-Nd同位素特征,通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比分析王安鎮(zhèn)雜巖體超基性巖、基性巖、中基性巖精確年代學(xué)和巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù),精細(xì)刻畫(huà)出成礦斑巖的巖漿起源、演化過(guò)程,并探討華北克拉通減薄作用與木吉村斑巖銅礦成巖機(jī)制的內(nèi)在聯(lián)系。

1 地質(zhì)背景

華北克拉通由兩個(gè)太古代的東部陸塊和西部陸塊以及之間的中部造山帶組成,其覆蓋面積超過(guò)150萬(wàn)km2,東西陸塊的拼合標(biāo)志著華北克拉通的形成(圖1a;Zhaoetal.,2001)。華北克拉通由太古代和古元古代變質(zhì)基底以及中元古代到顯生宙未變質(zhì)的沉積蓋層組成。在地理上,華北克拉通北部以晚古生代天山-興安-蒙古造山帶和早古生代的祁連山造山帶為界,而南部則以秦嶺-大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶把華北克拉通與揚(yáng)子克拉通分割開(kāi)來(lái)。北北東-南南西向的大興安嶺-太行山重力梯度帶(DTGL)(圖1a)作為東西兩個(gè)陸塊的巖石圈界線(牛耀齡,2005),重力梯度帶是由發(fā)生在華北克拉通穿時(shí)巖石圈伸展/減薄作用形成的(徐義剛等,2007)。華北克拉通的形成已經(jīng)有不同的構(gòu)造模式,例如東部陸塊和西部陸塊以遵化-贊皇的混雜巖-造山帶雜巖帶為界在25億年拼合形成華北克拉通(Kuskyetal.,2018)或者華北克拉通由東、西陸塊沿著克拉通中部出露的含有高壓麻粒巖的古元古代造山帶在約18.5億年拼合形成(Zhao and Zhai,2013)。地球物理資料顯示,西部陸塊下面保存有厚度超過(guò)200km的巖石圈根,但中國(guó)東部巖石圈發(fā)生了顯著的減薄,其中燕山期減薄了約50km,古近紀(jì)和新近紀(jì)-第四紀(jì)熱減薄分別為83km和58km,機(jī)械減薄分別為11km和3km(羅照華等,2006)。太行山東西兩側(cè)地殼與巖石圈厚度空間變化及地球化學(xué)特征顯示：華北克拉通破壞主要集中在東部,而西部主要表現(xiàn)為克拉通的改造。克拉通化之后的沉積建造、巖漿活動(dòng)和構(gòu)造變形等特征表明克拉通破壞發(fā)生在中生代(朱日祥等,2011)。中生代華北克拉通的構(gòu)造轉(zhuǎn)折和巖石圈的大規(guī)模減薄造成了其本身的破壞與重建,除了發(fā)育從早太古代到晚太古代高級(jí)與低級(jí)TTG片麻巖及2500Ma的同構(gòu)造花崗質(zhì)巖石外,東部地塊還出露早古生代的金伯利巖、大量中生代的從鎂鐵質(zhì)到長(zhǎng)英質(zhì)的火成巖以及新生代的玄武巖(Gaoetal.,2008)。華北東部中-新生代巖漿巖可以劃分出兩組相互對(duì)比的產(chǎn)出環(huán)境：克拉通內(nèi)部(魯西、南太行、遼東等地)和邊緣(北緣(從西往東)：陰山、燕遼和北太行山、吉南;南緣：豫陜(東秦嶺)、北大別、膠東)。在時(shí)間上,華北東部的中-新生代可大致分為3個(gè)大的演化時(shí)期：三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)、早白堊世、晚白堊世-第三紀(jì)。

圖1 王安鎮(zhèn)雜巖體地質(zhì)圖(據(jù)申志超,2015改編)DTGL-大興安嶺-太行山重力梯度帶Fig.1 Geological map of the Wanganzhen complex (modified after Shen,2015)DTGL-Daxing’anling-Taihangshan Gravity Lineament

傳統(tǒng)上,太行山被稱為構(gòu)造巖漿帶,總體呈北北東方向展布,由一系列相間排列的隆起和凹陷區(qū)構(gòu)成,北與燕山板內(nèi)造山帶相接,西南與中條山造山帶相通。太行山構(gòu)造巖漿巖帶可劃分為南北兩個(gè)區(qū)域：北區(qū)阜平-淶源地區(qū),南區(qū)武安-贊皇地區(qū)。北區(qū)主要包括大河南、王安鎮(zhèn)、司格莊、大石峪、南城子、麻棚、赤瓦屋、觀音堂等大中型雜巖體和十幾個(gè)小型侵入體,分布在太行山中亞帶和西亞帶上,與北北東向的區(qū)域性深斷裂構(gòu)造一致。南區(qū)主要包括邯邢地區(qū)數(shù)個(gè)小巖體,如符山、綦村、礦山村、固鎮(zhèn)、新城、洪山等巖體,總體分布于贊皇變質(zhì)核雜巖的南東端,各巖體的分布沿北東-南西向斷裂呈三個(gè)亞帶,侵位時(shí)代從西向東時(shí)代變新。

木吉村大型斑巖銅礦位于太行山北段王安鎮(zhèn)雜巖體西南部(圖1b),含礦閃長(zhǎng)玢巖以髫髻山組次火山巖相產(chǎn)出。王安鎮(zhèn)雜巖體包含從超鎂鐵質(zhì)到長(zhǎng)英質(zhì)多種巖石類型。鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石發(fā)育于窯溝和龍門(mén)溝一帶,龍門(mén)溝主要發(fā)育角閃輝石巖、角閃輝長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖,窯溝主要發(fā)育角閃石巖和輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖,角閃石巖和輝石巖具典型堆晶結(jié)構(gòu),窯溝發(fā)育的鎂鐵質(zhì)、超鎂鐵質(zhì)巖體的結(jié)晶年齡為133～154Ma(Houetal.,2015b;申志超,2015);中酸性巖石主要由花崗閃長(zhǎng)巖、斑狀花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖組成,二長(zhǎng)花崗巖侵入到花崗閃長(zhǎng)巖中,斑狀花崗巖侵入到二長(zhǎng)花崗巖中,呈環(huán)狀發(fā)育的花崗質(zhì)侵入體的SHRIMP U-Pb年齡為132～135Ma(申志超等,2015);髫髻山組火山巖,由火山碎屑巖及火山熔巖組成,與下伏奧陶系地層為不整合接觸關(guān)系,主要分布于礦區(qū)東北部浮圖峪-小河一帶,王安鎮(zhèn)髫髻山組火山作用時(shí)限集中于141～150Ma之間(Gaoetal.,2012),含礦閃長(zhǎng)玢巖侵位于144Ma(申志超等,2015)。因此,王安鎮(zhèn)雜巖體形成于晚侏羅世到早白堊世之間,主體侵位于早白堊世。

閃長(zhǎng)玢巖：巖石呈灰綠色,全晶質(zhì)斑狀結(jié)構(gòu),斑晶約占30%～40%,斑晶主要為奧長(zhǎng)石(占90%),次為角閃石及石英等。含礦閃長(zhǎng)玢巖巖體呈“蘑菇狀”分布于礦區(qū)中部,出露面積約1.5km2。由下而上依次發(fā)育強(qiáng)硅化帶、鉀化帶、石英絹云母化帶、青盤(pán)巖化帶。強(qiáng)硅化帶位于鉀化帶的中心,主要礦物組合為石英和正長(zhǎng)石,其核部發(fā)育寬大次生石英脈,外圍以石英細(xì)網(wǎng)脈為主,與鉀質(zhì)蝕變帶呈漸變過(guò)渡關(guān)系。鉀化帶發(fā)育兩個(gè)亞帶：鉀長(zhǎng)石-石膏亞帶和黑云母亞帶,鉀長(zhǎng)石-石膏亞帶的金屬礦物組合為黃鐵礦、黃銅礦、輝鉬礦,非金屬礦物組合為石英、絹云母、黑云母、鉀長(zhǎng)石、石膏;黑云母亞帶的金屬礦物組合為黃鐵礦、黃銅礦以及少量輝鉬礦,非金屬礦物組合為石英、絹云母、黑云母、水云母。石英絹云母化帶位于鉀化帶之外,地表出露面積約為0.5km2,石英、絹云母、白云母、黃鐵礦為特征蝕變礦物。青盤(pán)巖化帶位于石英絹云母化帶外側(cè),出露于巖體邊部,石英、綠泥石、綠簾石、方解石為特征蝕變礦物。

2 分析方法

本次研究共采集12件含礦閃長(zhǎng)玢巖樣品,包括采集于木吉村礦區(qū)附近(圖1c,39°22′45″N、114°51′30″E)的2013-6-49、2013-6-50、3013-6-51、MJC01δμ5、MJC04δμ5、MJC-03、MJC-05、MJC-06、MJC-10,ZK7406(39°21′16″N、114°50′17″E),ZK8001(39°21′00″N、114°50′56″E)和ZK7402(39°21′07″N、114°50′45″E)。

主量、微量元素全巖測(cè)試在國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成。將新鮮的閃長(zhǎng)玢巖樣品研磨成約200目的粉末,進(jìn)行主量、微量元素分析測(cè)試。主量元素采用X射線熒光光譜法(XRF)測(cè)試,所用儀器型號(hào)為PW4400,分析誤差～5%;微量元素的分析測(cè)定,稱取試樣于高壓消解罐的Teflon內(nèi)罐中,加入HF、HNO3裝入鋼套中,于190℃保溫48h,取出冷卻后,在電熱板上蒸干趕盡HF,加入HNO3再次封閉溶樣3h,溶液轉(zhuǎn)入潔凈塑料瓶中,使用ICP-MS測(cè)定,分析精度優(yōu)于5%。

閃長(zhǎng)玢巖Sr-Nd同位素組成是在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用 Thermo Finnigan 公司的Triton TI熱電離質(zhì)譜儀(TIMS)進(jìn)行Sr和Nd同位素比值測(cè)定。粉末樣品烘干后稱取約80mg,采用BioRad50WX8陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法將完全溶解于HF+HNO3混合酸中的Sr和Nd分離提純出來(lái)。分離產(chǎn)物詳細(xì)實(shí)驗(yàn)流程參見(jiàn)濮巍等(2004,2005)。Sr和Nd分別采用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219進(jìn)行質(zhì)量分餾校正。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中標(biāo)樣NIST SRM987的87Sr/86Sr測(cè)定值為0.710259±4(2σ),這與Weisetal.(2006)報(bào)道的值0.710252±13(2σ)在誤差范圍內(nèi)一致;標(biāo)樣JNDi-1的143Nd/144Nd測(cè)定值為0.512116±4(2σ)在誤差范圍內(nèi)一致。

3 分析結(jié)果

3.1 主量、微量元素

從表1可見(jiàn),閃長(zhǎng)玢巖SiO2、MgO、CaO、Al2O3含量分別變化于59.88%～65.79%、1.54%～2.80%、1.47%～3.65%、15.02%～16.49%。含礦閃長(zhǎng)玢巖具高鉀特征,K2O含量變化于2.84%～4.42%,呈現(xiàn)高鉀鈣堿性特征(圖2b)。在TAS分類圖解中(圖2a),閃長(zhǎng)玢巖變化于玄武安山巖到流紋英安巖區(qū)域,與髫髻山組安山巖具有相似的成分演化趨勢(shì)。閃長(zhǎng)玢巖與安山巖以及王安鎮(zhèn)雜巖體超基性角閃石巖、基性輝長(zhǎng)巖、中基性輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖具有相似的稀土元素配分模式(圖3)：富集輕稀土(LREE)、虧損重稀土(HREE),具有輕重稀土顯著分餾現(xiàn)象。含礦閃長(zhǎng)玢巖相對(duì)于安山巖具有明顯的正Eu異常(0.96～1.17),而超基性巖、中基性巖無(wú)明顯Eu異常。閃長(zhǎng)玢巖與安山巖富集大離子親石元素以及輕稀土元素不相容元素,閃長(zhǎng)玢巖呈現(xiàn)典型俯沖相關(guān)巖漿特征,即在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中具有顯著Nb(Ta)、Ti負(fù)異常以及Pb的正異常。

圖2 太行山北段髫髻山組火山巖 (K2O+Na2O)-SiO2 (a,據(jù)Le Maitre,2002)和K2O-SiO2 (b,據(jù)Peccerillo and Taylor,1976)圖解Fig.2 (K2O+Na2O) vs.SiO2 (a,after Le Maitre,2002) and K2O vs.SiO2 (b,after Peccerillo and Taylor,1976) diagrams for the Tiaojishan volcanic rocks from the northern Taihang Mountains

圖3 輝石巖、角閃石巖、輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、安山巖、閃長(zhǎng)玢巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a、c、e,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton,1984)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b、d、f,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns (a,c,e,normalization values after Boynton,1984) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b,d,f,normalization values after Sun and McDonough,1989) for the pyroxenites,hornblendites,gabbros,gabbronorites,andesites and diorite porphyries

木吉村含礦閃長(zhǎng)玢巖與安山巖呈現(xiàn)埃達(dá)克巖親和性,SiO2(≥56%)和Al2O3含量(≥15%),虧損Y(<18×10-6)和Yb(<1.9×10-6)元素,富集Sr含量(>640×10-6),具有高的Sr/Y比值。

3.2 Sr-Nd同位素

木吉村含礦閃長(zhǎng)玢巖的Sr-Nd同位素值見(jiàn)表2,其εNd(t=144Ma)值變化于-19.4～-15.1,(87Sr/86Sr)i比值變化于0.70621～0.70689。髫髻山組安山巖(87Sr/86Sr)i比值變化于0.70600～0.70620,εNd(t=139Ma)值變化于-16.5～-14.2(Gaoetal.,2012)。王安鎮(zhèn)雜巖超基性巖輝石巖[(87Sr/86Sr)i=0.70580～0.70630,εNd(t)=-17.0～-15.0],角閃石巖[(87Sr/86Sr)i=0.70589～0.70598,εNd(t)=-16.0～-14.6],基性巖輝長(zhǎng)巖[εNd(t)=0.70580～0.70660,εNd(t)=-18.0～-15.0],中基性巖輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖[(87Sr/86Sr)i=0.70564～0.70575,εNd(t)=-17.4～-13.8](Liuetal.,2010;Gaoetal.,2012;Houetal.,2015),具有相似的Sr、Nd同位素特征(圖4)。

表2 木吉村斑巖銅礦含礦閃長(zhǎng)玢巖Sr-Nd同位素Table 2 Sr-Nd isotopic compositions of the diorite porphyries of the Mujicun porphyry Cu deposit

圖4 王安鎮(zhèn)雜巖體及含礦斑巖Sr-Nd同位素圖解LCC(華北克拉通下地殼)同位素范圍源自Jahn et al.(1988);EM1 and EM2源自Zindler and Hart (1986)Fig.4 Sr-Nd isotope diagram for Wanganzhen complex and ore-bearing porphyryLCC (lower continental crust of the NCC) from Jahn et al.(1988);EM1 and EM2 from Zindler and Hart (1986)

4 討論

前人對(duì)木吉村大型斑巖銅礦成巖機(jī)制已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究,總結(jié)起來(lái)兩種觀點(diǎn)：(1)古老下地殼部分熔融并遭受了少量地幔物質(zhì)的混染作用(Dongetal.,2013;曲凱等,2014);(2)富集巖石圈地幔的熔體在淺部地殼的分離結(jié)晶作用(Gaoetal.,2013)。仔細(xì)審視上述觀點(diǎn)發(fā)現(xiàn),成因爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于成礦母巖的起源、演化過(guò)程,分歧的原因在于孤立的分析問(wèn)題、對(duì)巖漿演化過(guò)程刻畫(huà)不夠精細(xì)完整。

下地殼熔體與地幔的相互作用會(huì)導(dǎo)致地幔物質(zhì)的提高,即MgO、Cr和Ni的含量會(huì)升高(Martinetal.,2005),華北克拉通內(nèi)部雄龍溝埃達(dá)克巖具高M(jìn)gO含量(平均3.7%,甚至高達(dá)5.7%),Cr含量(127×10-6～402×10-6)以及Ni含量(82×10-6～311×10-6),此特征源于拆沉進(jìn)入地幔后的地殼物質(zhì)發(fā)生熔融,之后熔體又與上覆地幔發(fā)生交代(Gaoetal.,2004),然而木吉村含礦閃長(zhǎng)玢巖具較低且呈遞減趨勢(shì)的MgO含量(1.54%～2.80%)(圖5a)、Cr含量(8.41×10-6～49.5×10-6)、Ni含量(2.72×10-6～19.9×10-6)(圖6a,b)。含礦閃長(zhǎng)玢巖具有高Na2O含量(3.78%～4.58%)、高K2O含量及K/Na比值(0.63～1.13),但實(shí)驗(yàn)研究證明起源于鎂鐵質(zhì)下地殼的埃達(dá)克質(zhì)熔體通常具有高Na2O含量(>4.3%),而不是高K2O含量(Rapp and Watson,1995)。含礦閃長(zhǎng)玢巖無(wú)明顯負(fù)Eu異常、具高Sr含量、低Y(HREE)含量以及高Sr/Y比值的特征,呈現(xiàn)埃達(dá)克巖親和性,這些特征可能是源區(qū)有石榴子石的殘留而無(wú)斜長(zhǎng)石作為殘留相的結(jié)果(Dongetal.,2013;曲凱等,2014)。但王安鎮(zhèn)雜巖體超基性巖、基性巖、中基性巖、安山巖以及閃長(zhǎng)玢巖的主量、微量元素在Harker圖解上呈現(xiàn)極強(qiáng)正/負(fù)相關(guān)性(圖5、圖6),此特征不能僅僅歸因于源區(qū)過(guò)程,結(jié)晶分異作用可能發(fā)揮著重要影響。圖4顯示閃長(zhǎng)玢巖的Sr、Nd同位素特征(εNd(t)=-14.1～-19.4,(87Sr/86Sr)i=0.70578～0.70689)與王安鎮(zhèn)雜巖體內(nèi)部同時(shí)代基性、超基性巖體的Sr-Nd同位素相似,顯著區(qū)別華北克拉通下地殼同位素特征(εNd(t)=-30,(87Sr/86Sr)i=0.710)(Jahnetal.,1988)。綜上所述,下地殼源區(qū)過(guò)程可能不是形成木吉村含礦斑巖的深部機(jī)制。

圖5 角閃石巖、輝石巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、安山巖、閃長(zhǎng)玢巖主量元素對(duì)SiO2二元圖解Fig.5 Abundances of major element against SiO2 diagrams for the hornblendite,pyroxenite,gabbrodiorite,andesite,diorite porphyry

閃長(zhǎng)玢巖與雜巖體同時(shí)代基性、超基性巖體的Sr-Nd同位素比值相似(圖4),明顯區(qū)別于華北克拉通富集地幔的同位素特征(εNd(t)=-8.5,(87Sr/86Sr)i=0.7052)(Chen and Zhai,2003)和中上地殼同位素區(qū)域((εNd(t)=-28～-19,(87Sr/86Sr)i=0.713～0.718)(Jahnetal.,1988)。這些巖石的(87Sr/86Sr)i=0.70580～0.70689變化較明顯,地殼混染會(huì)顯著改變(87Sr/86Sr)i值。閃長(zhǎng)玢巖的εHf(t)值(-21.2～-17.9)和王安鎮(zhèn)輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖的εHf(t)值(-19.6～-15.3)(申志超等,2015)明顯區(qū)別于華北克拉通富集地幔的εHf(t)值(-10～-8)(Chenetal.,2008)。綜上所述,木吉村含礦斑巖不可能由富集地幔形成的熔體直接演化而來(lái)。

4.1 母巖漿的形成

王安鎮(zhèn)雜巖體發(fā)育的輝石巖、角閃石巖、輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、安山巖和含礦閃長(zhǎng)玢巖具有相似的微量元素配分模式圖,但呈現(xiàn)不同的Eu異常(圖3),不同程度的長(zhǎng)石分離結(jié)晶尤其是斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶可能是導(dǎo)致Eu異常的重要原因。上述巖石主量、微量元素在Harker圖解上呈極強(qiáng)正/負(fù)相關(guān)性,Sr、Nd同位素具有明顯的相似性(圖4)且親EMI型地幔,同時(shí)呈現(xiàn)難以區(qū)分的εHf(t)=-15.3～-24.8同位素特征(申志超等,2015)說(shuō)明共同起源于富集的巖石圈地幔。所以,輝長(zhǎng)質(zhì)巖漿(玄武質(zhì))可能是輝石巖、角閃石巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、安山巖、含礦閃長(zhǎng)玢巖共同的母巖漿。

王安鎮(zhèn)雜巖體輝長(zhǎng)巖具有低SiO2含量(47.2%～51.0%)、高M(jìn)g#(68～72.5)(Chenetal.,2003;Liuetal.,2010;Houetal.,2015b),這種特征指示其起源于地幔源區(qū)。王安鎮(zhèn)鎂鐵質(zhì)-長(zhǎng)英質(zhì)巖石具有高Sr(LREE)含量(圖6c)的特征,其中含礦閃長(zhǎng)玢巖(87Sr/86Sr)i比值-燒失量(LOI)二元圖解顯示二者無(wú)明顯正相關(guān)性,說(shuō)明(87Sr/86Sr)i比值受熱液蝕變作用的影響較小(申志超,2015),這些巖石高Sr特征可能是華北克拉通富集的巖石圈地幔部分熔融作用所致,富集地幔的形成可能是太古代至古元古代時(shí)東西板塊的俯沖碰撞作用所產(chǎn)生的硅質(zhì)熔體對(duì)巖石圈地幔的交代作用(Zhangetal.,2004;Tangetal.,2006)。王安鎮(zhèn)雜巖體超基性巖-基性巖-長(zhǎng)英質(zhì)巖的Nd、Hf的模式年齡(2.2～2.6Ga)約束了這一富集事件。太行山地區(qū)鎂鐵質(zhì)包體的鋯石O同位素(δ18O=5.5‰～7.8‰)顯著高于華北克拉通幔源物質(zhì)(5.3±0.3‰)且主體低于殼源物質(zhì)(6.5‰～7.5‰),這一特征暗示太行山地區(qū)起源于地幔的玄武質(zhì)巖漿在演化過(guò)程中遭受了地殼物質(zhì)的混染(Chenetal.,2009)。Os同位素比值特征表明下地殼物質(zhì)而非上地殼物質(zhì)的混染作用對(duì)王安鎮(zhèn)巖體超基性-基性巖-安山巖的Sr-Nd-Hf-Os同位素變化發(fā)揮著重要控制作用(Liuetal.,2010)。超基性巖-基性巖-長(zhǎng)英質(zhì)巖石的Hf同位素處于EMⅠ和華北克拉通下地殼端元之間也指示下地殼混染過(guò)程(申志超等,2015)。

4.2 兩階段分離結(jié)晶

王安鎮(zhèn)雜巖體的輝石巖、角閃石巖、輝長(zhǎng)巖具有完全一致的形成壓力條件(0.60～0.78GPa)(Liuetal.,2010;Houetal.,2015a),推測(cè)在下地殼上部大約26～29km處它們具有一個(gè)共同的深部巖漿房。起源于EMⅠ且遭受下地殼混染的玄武質(zhì)巖漿首先在深部巖漿房形成輝長(zhǎng)巖、輝石巖和角閃石巖,輝石巖和角閃石巖具典型堆晶結(jié)構(gòu)(橄欖石-單斜輝石-斜方輝石-角閃石-隙間斜長(zhǎng)石)(Houetal.,2015a),其指示橄欖石、單斜輝石、斜方輝石、角閃石發(fā)生了顯著的堆晶作用,上述特征詮釋了堆晶成因的輝石巖和角閃石巖(Frey and Prinz,1978;Chenetal.,2009)。

輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖中單斜輝石不同部位獲得較寬的形成壓力范圍(0.22～0.73GPa),輝石周圍綠色角閃石獲得相對(duì)較低的壓力環(huán)境(0.15～0.24GPa)(Liuetal.,2010),這些特征暗示輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖是由玄武質(zhì)巖漿在8～11km處的淺部巖漿房中形成的。主量、微量元素與SiO2在Harker圖解上呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)性的演化關(guān)系,其指示玄武質(zhì)巖漿在淺部巖漿房發(fā)生分異作用形成輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、含礦閃長(zhǎng)玢巖這一地質(zhì)過(guò)程(圖5、圖6)。從Sr/Y-Y(圖7)圖解上可以識(shí)別出兩階段分離結(jié)晶過(guò)程,分別是輝長(zhǎng)巖-輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖和安山巖-含礦閃長(zhǎng)玢巖系列。

第一階段分離結(jié)晶過(guò)程,Al2O3、Sr、MgO、CaO、Fe2O3T、Sc、V、Cr、Ni與SiO2在Harker圖解上的負(fù)相關(guān)性,其詮釋了玄武質(zhì)巖漿經(jīng)過(guò)斜長(zhǎng)石、角閃石和輝石的分離結(jié)晶形成輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖這一過(guò)程(圖5a,b,d,e和圖6a-c,e,f)。斜長(zhǎng)石是Al2O3及相容性元素Sr的主要載體,而鎂鐵質(zhì)礦物比如角閃石、輝石則是MgO、CaO、Fe2O3T及相容性元素Sc、V、Cr、Ni的主要載體,長(zhǎng)石分離結(jié)晶,尤其是斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶,可以造成顯著的負(fù)Eu異常(Rollinson,1993),然而,角閃石和輝石的分離結(jié)晶可以造成正Eu異常。因此,輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖無(wú)明顯Eu異常(圖3c,d)說(shuō)明第一階段分離結(jié)晶過(guò)程,斜長(zhǎng)石、角閃石和輝石可能以合適比例組合發(fā)生了分離結(jié)晶(Eyubogluetal.,2011)。

第二階段分離結(jié)晶過(guò)程,MgO、Fe2O3T、Al2O3、CaO、TiO2、P2O5、Sr、V、Cr、Ni、Dy/Y與SiO2在Harker圖解上呈負(fù)相關(guān)性(圖5a,b,d和圖6a-f),閃長(zhǎng)玢巖和安山巖在Sr/Y-Y圖解(圖7)上呈持續(xù)性的地球化學(xué)演化趨勢(shì),上述特征詮釋了輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿通過(guò)角閃石和斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶形成含礦閃長(zhǎng)玢巖這一過(guò)程。Dy/Y比值與SiO2具負(fù)相關(guān)性(圖6d)、安山巖具近鏟狀REE配分模式圖(圖3),此演化特征指示角閃石顯著分離結(jié)晶。角閃石在分離結(jié)晶過(guò)程中傾向富集中稀土元素,這種稀土元素配分模式圖可以在沒(méi)有橄欖石分離結(jié)晶的情況下僅僅通過(guò)角閃石的分離結(jié)晶即可以實(shí)現(xiàn)(Moyen,2009),角閃石的顯著分離結(jié)晶表明含礦閃長(zhǎng)玢巖形成于一個(gè)相對(duì)富水的淺部巖漿房中。CaO、TiO2、P2O5與SiO2在Harker圖解上呈負(fù)相關(guān)性指示磷灰石、Fe-Ti氧化物的分離結(jié)晶,同時(shí)安山巖中少量輝石斑晶的發(fā)育暗示單斜輝石的分離結(jié)晶。Al2O3與SiO2在Harker圖解上呈相對(duì)平坦的負(fù)相關(guān)性演化關(guān)系(圖5b),說(shuō)明斜長(zhǎng)石在巖漿整個(gè)分異過(guò)程中分離結(jié)晶程度不高。

5 地質(zhì)意義

全球影像研究顯示太平洋大洋板片已靜止于歐亞大陸下部的地幔過(guò)渡帶且近水平向西延伸(Zhao,2004)。太平洋板塊的俯沖作用始于侏羅紀(jì)(Engebretsonetal.,1985),持續(xù)到現(xiàn)在,水平靜止的大洋板片誘發(fā)板片之上強(qiáng)烈的地幔對(duì)流,太平洋板塊的俯沖吸力會(huì)引起西部軟流圈的補(bǔ)給,此過(guò)程可能進(jìn)一步加強(qiáng)地幔對(duì)流作用(Niu,2005),強(qiáng)對(duì)流作用引發(fā)的熱侵蝕(Buck,1986;Davies,1994)對(duì)華北克拉通巖石圈去根影響重大。古老巖石圈的去根通過(guò)拆沉作用也可實(shí)現(xiàn)(Gaoetal.,2002),在華北克拉通北部雄龍溝地區(qū)發(fā)育的晚侏羅世安山巖、英安巖和埃達(dá)克巖與榴輝巖相部分熔融體具有相似的地球化學(xué)特征,巖石圈減薄作用發(fā)生在晚侏羅世,下地殼巖石轉(zhuǎn)變成榴輝巖相,拆離沉降進(jìn)入對(duì)流地幔中熔融。拆沉作用是否可被應(yīng)用到整個(gè)華北克拉通有待進(jìn)一步研究,因?yàn)橹猩V鐵質(zhì)、長(zhǎng)英質(zhì)巖漿作用的高峰在早白堊世(Yangetal.,2003;Wuetal.,2005)而不是拆沉作用提出的晚侏羅世,另一方面,快速的拆沉作用與華北克拉通延長(zhǎng)的巖漿作用(～100Ma)相悖(Xuetal.,2004)。熱侵蝕可能是一種合理的機(jī)制(Xu,2001),伸展構(gòu)造體制導(dǎo)致對(duì)巖石圈的熱量注入和軟流圈對(duì)流作用,淶源雜巖體超基性-基性-中性巖體Sr-Nd同位素特征指示它們起源于富集的太古代巖石圈地幔形成的部分熔融體。殼幔過(guò)渡帶發(fā)育具典型堆晶結(jié)構(gòu)的基性-超基性堆晶體,其形成于120～140Ma之間,與王安鎮(zhèn)雜巖體內(nèi)的基性-超基性巖體的結(jié)晶時(shí)代(133～138Ma)(申志超,2015)相似,此現(xiàn)象也支持熱侵蝕深部過(guò)程(Fanetal.,1998)。上涌的軟流圈逐步加熱、弱化、侵蝕巖石圈最底部(Xuetal.,2009),此過(guò)程將使巖石圈發(fā)生顯著減薄(Maetal.,2016),形成具有富集地幔特征的巖漿。巖石圈地幔部分熔融形成的玄武質(zhì)巖漿在上升過(guò)程中與地殼發(fā)生作用形成王安鎮(zhèn)早階段鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體(Xueetal.,2023),殼幔過(guò)渡帶的MASH(熔融、同化、儲(chǔ)存、均一)過(guò)程是髫髻山組火山巖成因的主要機(jī)制,MASH過(guò)程強(qiáng)調(diào)加厚下地殼部分熔融的重要性(Gaoetal.,2012),但本次研究認(rèn)為王安鎮(zhèn)雜巖體鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖、髫髻山組火山巖具有共同的母巖漿,其起源于富集的巖石圈地幔部分熔融形成的玄武質(zhì)熔體,上升過(guò)程中遭受下地殼混染,在深部巖漿房發(fā)生堆晶作用形成輝石巖和角閃石巖堆晶體,在淺部巖漿房發(fā)生兩階段分離結(jié)晶作用形成安山巖和含礦閃長(zhǎng)玢巖。上涌的熱軟流圈持續(xù)對(duì)富集地幔的熱烘烤、侵蝕作用將產(chǎn)生玄武質(zhì)巖漿,其對(duì)加厚下地殼的將產(chǎn)生底侵作用,幔源的玄武質(zhì)巖漿不僅作為熱源使下地殼發(fā)生熔融,還將作為鎂鐵質(zhì)端元與殼源長(zhǎng)英質(zhì)巖漿相互作用,強(qiáng)烈且持續(xù)的殼幔相互作用可能是王安鎮(zhèn)雜巖體花崗質(zhì)巖石的成因(Xueetal.,2023),斑巖銅礦成礦金屬主要源于地幔,殼源為主的王安鎮(zhèn)花崗質(zhì)巖體無(wú)銅礦化作用。

綜合研究表明,華北克拉通在150～120Ma之間發(fā)生了構(gòu)造體制由擠壓向伸展的轉(zhuǎn)換(翟明國(guó),2019),埃達(dá)克質(zhì)成礦巖漿大多發(fā)育于匯聚板塊環(huán)境(Gutscheretal.,2000),但華北克拉通木吉村大型斑巖銅礦含礦斑巖的形成機(jī)制表明：一些具有埃達(dá)克巖親和性的成礦巖漿也可以形成于伸展環(huán)境下(Wangetal.,2006a)。

6 結(jié)論

(1)王安鎮(zhèn)雜巖體超基性巖(角閃石巖、輝石巖)、基性巖(輝長(zhǎng)巖)、中基性巖(輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖)、安山巖及閃長(zhǎng)玢巖具有共同的母巖漿。

(2)母巖漿起源于富集的巖石圈地幔部分熔融體,其上升過(guò)程中遭受了一定程度的下地殼混染,隨后在深部巖漿房發(fā)生堆晶作用形成角閃石巖等超基性巖,在淺部巖漿房發(fā)生兩階段分離結(jié)晶作用形成木吉村斑巖銅礦含礦斑巖。

(3)晚中生代太平洋板塊對(duì)歐亞板塊的俯沖作用誘發(fā)了強(qiáng)烈地幔對(duì)流和弧后伸展構(gòu)造體制,熱侵蝕過(guò)程可能導(dǎo)致了華北克拉通巖石圈顯著去根。

致謝感謝保定地質(zhì)工程勘察院在野外工作方面的支持與配合及審稿老師的真知灼見(jiàn)。同時(shí)感謝牛樹(shù)銀、孫愛(ài)群、俞良軍、陳志寬和王志敏老師一直以來(lái)的關(guān)心、支持與幫助。