燕山地区早白垩世早期薛家石梁杂岩体的成因及构造意义

燕山地区早白垩世早期薛家石梁杂岩体的成因及构造意义

1控矿构造及岩浆源区性质近年来，中国东岩石圈的减小和构造体系的重建成为国内外的主要课题。在中国东部岩石圈减薄和构造体制转换的所有科学问题中,岩石圈减薄的方式是核心的科学问题之一。中国东部岩石圈减薄的方式主要有两种观点:一种是拆沉作用,岩石圈减薄主要是通过高密度的、冷的物质掉入软流圈完成的,岩石圈以物理方式减薄;另一种是热-化学侵蚀或置换作用,岩石圈减薄主要是通过流体或熔体的加入导致刚性的岩石圈部分熔融,从而转变为软流圈。如果岩石圈以拆沉方式减薄的话,幔源岩浆主要来自软流圈地幔;如果岩石圈以热-化学侵蚀或置换作用减薄的话,幔源岩浆富集不相容元素和放射性同位素,具有富集地幔特征;因此,解决岩石圈减薄方式的关键问题是幔源岩浆的性质问题。本文选择燕山地区早白垩世早期的薛家石梁杂岩体为研究对象,来研究其特征、成因及源区性质,并探讨中国东部岩石圈减薄的可能机制。薛家石梁杂岩体位于北京北山地区,在平面上呈北西向的椭圆状,主要由上庄辉长岩、薛家石梁二长辉长岩、黑山寨二长岩、湖门正长岩和黑熊山花岗岩等岩性组成。上庄辉长岩主要出露于杂岩体东南角,黑熊山花岗岩主要出露于杂岩体西北(图1)。杂岩体各个岩性之间均为渐变过渡关系。前人按单元超单元方法将薛家石梁杂岩体划分为4个超单元5个单元,时代从184.6～120.9Ma。本次研究我们将薛家石梁杂岩体各岩性进行了锆石SHRIMP定龄工作。测试结果为上庄辉长岩:128.8Ma;薛家石梁二长辉长岩:130Ma;黑山寨二长岩:125.1Ma;湖门正长岩:124.2Ma;黑熊山花岗岩:123.7Ma。因此,薛家石梁杂岩体应为同时代形成的产物,属早白垩世早期(K1111)。2岩石学特征下面对该杂岩体中每一岩性特征分别进行讨论。(1)矿石及不透明矿物上庄辉长岩主要分布在岩体的东南边缘,岩体出露面积小,并呈串珠状分布。部分小块辉长岩以包体的形式出现在二长辉长岩中(图1)。辉长岩为黑色,辉长结构,块状构造,主要矿物有辉石、斜长石、角闪石、黑云母。单斜辉石:半自形柱状,0.3～0.5mm,Ng∧C=38°,端员组成为En41.2Fs15.2Wo43.6,为普通辉石,30%;角闪石:他形-半自形柱状,棕褐-淡褐色多色性,具电子探针分析为镁质角闪石,10%;黑云母:鳞片状,深褐-浅黄多色性,据电子探针为镁黑云母,5%;斜长石:半自形板柱状,聚片双晶发育,具电子探针分析端员组成为An48.27Ab50.26Or1.46,属中长石,50%;不透明矿物多为钛磁铁矿,5%;岩石中还可见有少量橄榄石。(2)半自形质岩石组构二长辉长岩分布在杂岩体南部的大部分区域(图1)。二长辉长岩为灰黑色,中细粒结构,块状构造,主要矿物有斜长石、辉石和角闪石。斜长石:半自形板状,聚片双晶发育,斜长石牌号An=27.65,为更长石,55%;单斜辉石:半自形柱状,Ng∧C=35°,20%;角闪石:多分布于辉石边部呈不规则状,多色性明显,深绿-浅黄的多色性,含钛(TiO2)高达3.81%～3.94%,10%;黑云母:半自形鳞片状,红褐-浅黄多色性,大小1mm×2mm,按其成分为镁黑云母,10%;条纹长石:不规则状,5%;此外还有很少量石英及磁铁矿。(3)地表岩性矿物二长岩是杂岩体的主体组成岩石,主要分布与岩体中部和北部的大部分区域(图1)。在露头上二长岩呈灰白色略显肉红色,具弱的片麻理,片麻理产状184°∠37°。其中含有较多的镁铁质微粒包体,且大小不等(图2)。在湖门村村口有一钻孔,在地表岩石为正长岩,随着钻孔深度的增加,其中镁铁质的微粒包体逐渐增加,逐渐变化为二长岩,二长岩为中粒不等粒结构,块状构造。主要矿物有斜长石和碱性长石。斜长石:自形-半自形柱状,聚片双晶、卡钠复合双晶发育,有的具环带结构,其An=21.9,为更长石,45%;钾长石:半自形-他形板状,卡氏双晶发育,有些包裹斜长石微晶,其端员组成为Or87.13Ab12.87,35%;黑云母:片状,解理发育,多色性明显,也包裹有榍石、磁铁矿等副矿物微晶,9%;角闪石:短柱状-粒状,解理发育,多色性明显属镁角闪石,7%;石英:呈他形粒状充填其他矿物间隙中,4%;此外,在斜长石及黑云母中存在有大量的针状磷灰石晶体(图3)。(4)岩石及生长情况分析正长岩分布在杂岩体的西边缘,呈弯月状(图1)。岩石为肉红色,略显灰色,粒度较粗,3～4mm,片麻理清晰,片麻理产状130°∠65°。岩石中钾长石:半自形-他形柱状晶体,卡氏双晶,电子探针分析,Or96.72～97.93Ab2.06～3.2775%;斜长石:多生长于钾长石的边部,他形以填隙物出现,10%;角闪石:含TiO2较高,其中常见辉石残留,5%;黑云母:鳞片状,6%;石英:4%。(5)矿物组成对吸收剂花岗岩分布在环状杂岩体的北中部(图1)。岩石为细粒-中粒等粒结构,块状构造。主要矿物有钾长石、斜长石和石英。钾长石:以微斜长石和条纹长石为主,条纹长石为正条纹长石,35%;斜长石:半自形板柱状,环带不发育,含量30%;石英:形状不规则,30%。暗色矿物主要有黑云母、角闪石和磁铁矿,含量约为5%。3岩石结构及岩石学特征薛家石梁杂岩体各岩性的岩石化学分析数据见表1,由西北大学大陆动力学教育部重点实验室测试,另外还收集了白志明(1991)及王焰(2001)对薛家石梁杂岩体的主量元素分析数据。将薛家石梁杂岩体各侵入体按MiddlemostE.A.K.(1994)提出的侵入岩分类方案得:上庄岩体为辉长岩,薛家石梁岩体主要为二长辉长岩,黑山寨岩体主要为二长岩,湖门岩体为正长岩,黑熊山岩体为花岗岩(图4)。在Harker图中(图5),二长辉长岩-二长岩-正长岩中SiO2-Na2O/K2O、SiO2-K2O、SiO2-CaO、SiO2-TiO2、SiO2-Fe2O3、SiO2-MgO具有很好的线性关系,而辉长岩、花岗岩不具备这一特征。在w(SiO2)-w(FeO*)/w(MgO)图解中,二长辉长岩、二长岩及正长岩w(FeO*)/w(MgO)比值变化不大(图6),但SiO2成分变化较大,从辉长岩到二长辉长岩SiO2变化不大,但w(FeO*)/w(MgO)比值略有增加(图6)。4稀土元素特征薛家石梁杂岩体各岩性的稀土元素和微量元素分析数据见表1,由西北大学大陆动力学教育部重点实验室测试,另外在微量元素分析投图中还引用了王焰(2001)的分析数据。早白垩世早期薛家石梁杂岩体中辉长岩、二长辉长岩、二长岩和正长岩稀土元素配分型式相近,轻重稀土元素分馏明显(图7),轻重稀土的质量比为8.55～16.02;(La/Yb)N=12.31～23.15;δEu=0.83～1.13(表1),具正铕异常或弱的负铕异常。杂岩体中正长岩δEu=1.99,具明显的正铕异常。这可能说明正长岩形成于较厚的地壳。而黑熊山花岗岩轻重稀土元素分馏中等,轻重稀土的质量比为18.84,(La/Yb)N=15.14,δEu=0.20,具明显负铕异常(表1,图7)。在微量元素蛛网图中辉长岩、二长辉长岩、二长岩及正长岩出现Th、Nb、U、Zr负异常(图8),Rb/Ba比值很低。而黑熊山花岗岩微量元素在蛛网图中的具有明显的Ba、Sr、U、Ti负异常(图8),Rb为正异常,与辉长岩、二长辉长岩、二长岩及正长岩具有不同的地球化学特征,可能具有不同的物源区。5岩石学和微量元素特征薛家石梁杂岩体的Sr-Nd-Pb同位素数据见表2。由中国科学院地质与地球物理研究所测试。从表2可以看出杂岩体中各岩性N(143Nd)/N(144Nd)比值相近,一般都在0.5116～0.5121之间,平均为0.512057,与华北地台中生代火成岩特征相似。薛家石梁杂岩体中辉长岩与二长辉长岩ε(Nd)分别为-7.3和-6.5。与二长岩、正长岩和花岗岩的值相近。辉长岩、二长辉长岩、二长岩及正长岩中N(87Sr)/N(86Sr)值为0.705383～0.705663,比值非常接近,平均为0.705506(表2);而黑熊山花岗岩中N(87Sr)/N(86Sr)值为0.895478,明显比其他岩类为高,这反映其可能来自不同的源区,可能为上地壳熔融产物。薛家石梁杂岩体各岩性N(206Pb)/N(204Pb)值相近,在N(16.1368～16.4785)之间,平均为16.3793。与中国东部其他地区中生代火成岩比较其值是最低的。6构造岩石学和微量元素特征从前面的论述可知,薛家石梁杂岩体中各岩相之间主要为渐变过渡关系;在二长岩中可见较多镁铁质暗色微粒包体;二长岩中斜长石及黑云母中可见较多针状磷灰石;在Harker图解中,二长辉长岩,二长岩与正长岩之间具有很好的线性关系。这些特征暗示薛家石梁杂岩体中二长岩可能是二长辉长岩与正长岩混合作用的产物。在Th-Hf/3-Ta图解中薛家石梁杂岩体各岩性沿壳幔混合线分布(图9)。在Th/Yb-Ta/Yb图解中(图10)薛家石梁杂岩体各岩性是地幔与地壳岩石混合作用形成。因此,从微量元素特征可以看出薛家石梁杂岩体是壳幔相互作用的产物。在N(87Sr)/N(86Sr)-N(143Nd)/N(144Nd)图解中(图11)、N(206Pb)/N(204Pb)-N(143Nd)/N(144Nd)(图12)图解中,薛家石梁杂岩体中辉长岩、二长辉长岩、二长岩及正长岩具有相似的地球化学特征,并且在N(206Pb)/N(204Pb)-N(208Pb)/N(204Pb)(图13)图中,薛家石梁杂岩体中各岩性岩石均分布于地幔与下地壳之间或在下地壳演化线附近。岩浆混合作用能较好的解释杂岩体中各岩石具有相同的Sr、Nd、Pb同位素特征。Leisher(1990)通过基性和酸性熔浆的实验研究,提出岩浆混合作用时元素和同位素交换的解耦,同位素的交换和混合明显地快于元素的交换和混合;不相容元素的交换和混合作用要快于主元素。从薛家石梁岩浆混合的特征来看,辉长岩、二长辉长岩、二长岩及正长岩中Sr、Nd、Pb同位素的混合已经很均一了,稀土元素和主量元素按一定的混合比例有了较好的混合。因此,我们可以初步认为薛家石梁杂岩体的成因是由于幔源岩浆的底侵作用(以辉长岩岩浆为代表)引起加厚陆壳(下地壳)的部分熔融,形成正长岩岩浆,正长岩岩浆与二长辉长岩岩浆混合而成为二长岩,即二长辉长岩+正长岩=二长岩。从辉长岩浆到二长辉长岩浆经历富镁矿物的结晶分离作用。而黑熊山花岗岩则可能主要为中上地壳物质部分熔融的产物。7地潭与下地壳物质相互作用华北克拉通及大别造山带发育的中生代镁铁质岩石具有相似的地球化学性质:轻稀土及大离子亲石元素富集,高场强元素(如Nb,Ta,Ti)亏损,非常低的ε(Nd,t)和Pb同位素比值,和较大的Ni(87Sr)/Ni(86Sr)变化范围。关于其源区性质,一种观点认为其成因与富集地幔(EMI型)相关[18,24,25,26,27,28,18,24,25,26,27];另一种观点认为其主要来源于软流圈地幔,火成岩主要是地幔岩浆与壳源岩浆混合作用形成;第三种观点认为岩石圈的拆离造成地幔源区与下地壳物质的混合。薛家石梁杂岩体中辉长岩Mg#值为65,w(Ni)=148×10-6,基本具备了原生岩浆的特征,辉长岩中w(Nb)/w(U)比值为37.8(表1),与原始地幔特征相近。在蛛网图中,辉长岩Nb,Pb具正异常,Hf具负异常,与富集地幔(EMI)Nb、Hf正异常,Pb的负异常有明显差异,且辉长岩中Rb、Th、Nb、U、La、Ce含量比EMI型地幔低一个数量级(图14)。因此,辉长岩源区性质不具EMI型特征。在N(87Sr)/N(86Sr)-N(143Nd)/N(144Nd)图解中,薛家石梁杂岩体中辉长岩、二长辉长岩、二长岩及正长岩分布于EMI区左下侧及其附近区域(图11),而在N(206Pb)/N(204Pb)-N(143Nd)/N(144Nd)图解中则远离EMI区域(图12)。在N(206Pb)/N(204Pb)-N(208Pb)/N(204Pb)(图13)图中,薛家石梁杂岩体中各岩性岩石均分布于地幔与下地壳之间或者在下地壳演化线附近。交代富集型地幔具有N(87Sr)/N(86Sr)与N(206Pb)/N(204Pb)比值负相关特征,薛家石梁杂岩体中辉长岩、二长辉长岩、二长岩及正长岩N(87Sr)/N(86Sr)与N(206Pb)/N(204Pb)比值具有正相关特征(表2)。从同位素特征来看,薛家石梁杂岩体各岩石的源区性质与富集型地幔特征并不一致。因此,推测薛家石梁杂岩体中辉长岩源区性质为原始地幔,岩石中高的负ε(Nd)值,是地幔与太古宙下地壳相互作用的结果。这一结论与早白垩世早期,燕山地区存在大规模岩浆活动是一致的。8岩浆起源、演化与火炬薛家石梁杂岩体形成时代为128.8～123.7Ma,属早白垩世早期。薛家石梁杂岩体中正长岩稀土元素具明显正Eu异常,具有高Sr、低Y的特征,反映其形成时具有较厚陆壳,它可能是在榴辉岩拆沉过程中,加厚陆壳底部物质部分熔融的产物。薛家石梁杂岩体中辉长岩Mg#=65,w(Ni)=148×10-6,基本具有原生岩浆特征。辉长岩中ε(Nd)=-6.5,不具亏损地幔特征。且其中微量元素特征及Sr、Nd、Pb同位素特征均与富集地幔(EMI)也不一致。因此,推测其来源于软流圈地幔。辉长岩中ε(Nd)负值主要是由于地幔与太古宙下地壳相互作用的产物,混合的特点是同位素已混合均匀,但主量元素基本没