北京周口店地區(qū)房山巖體中巖漿混合作用的野外實(shí)踐教學(xué)

續(xù)海金，宋衍茹，章軍鋒，王永鋒，袁晏明

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）《地球科學(xué)》編輯部，湖北 武漢 430074

巖漿混合作用作為巖漿成巖過(guò)程中一個(gè)重要方式，是巖石學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題。一方面，巖漿混合作用既是再造新生巖漿又是開放體系下巖漿演化的重要巖漿作用，是導(dǎo)致巖漿多元性和火成巖多樣性的重要原因；另一方面，巖漿混合作用及其產(chǎn)物的形成還涉及巖漿熱動(dòng)力學(xué)和殼幔演化地球動(dòng)力學(xué)等重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，因而巖漿混合作用研究又是當(dāng)前地球動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)新的熱點(diǎn)科學(xué)研究問(wèn)題，對(duì)于認(rèn)識(shí)巖漿巖的成巖過(guò)程、巖漿演化和殼-幔間物質(zhì)與能量交換等有著重要意義。

眾所周知，地質(zhì)科學(xué)以實(shí)踐性和探索性強(qiáng)為突出特點(diǎn)，野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)是保證地學(xué)教育質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。然而，有關(guān)巖漿混合作用的教學(xué)卻主要停留在課堂抽象化的概念之上，缺乏相關(guān)的生動(dòng)、直觀的野外地質(zhì)教學(xué)方法和實(shí)踐。以聞名遐邇的周口店實(shí)踐教學(xué)基地為例，北京周口店地區(qū)位于華北克拉通東部，經(jīng)歷了從太古宙到新生代漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程，形成并保留了較為完整的地質(zhì)記錄，被公認(rèn)為礦物學(xué)、巖石學(xué)、地層學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)科野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的“天然課堂和實(shí)驗(yàn)室”[2]。周口店實(shí)踐教學(xué)基地自創(chuàng)建以來(lái)，積累了豐富的野外地質(zhì)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，很多專家和學(xué)者從不同學(xué)科或角度深入探討和研究了野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和心得，主要集中在地理學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)科，以及實(shí)踐教學(xué)的改革、創(chuàng)新和人才培養(yǎng)[3-17]。然而有關(guān)巖石學(xué)的野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)卻不多，且以較簡(jiǎn)單、直觀的巖性描述為主[2]。房山復(fù)式巖體是北京周口店野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)重要的組成部分，但從現(xiàn)有資料來(lái)看，缺乏與房山巖體巖漿成因相關(guān)的混合作用的野外地質(zhì)教學(xué)實(shí)踐教學(xué)研究。本文以筆者及前人對(duì)北京周口店地區(qū)房山巖體的詳細(xì)巖石學(xué)和地球化學(xué)研究和認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)[18-20]，結(jié)合周口店野外實(shí)踐教學(xué)研究過(guò)程的認(rèn)識(shí)，提出巖漿混合作用野外實(shí)踐教學(xué)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，探討以房山巖體巖漿混合作用為例的野外實(shí)踐教學(xué)主要內(nèi)容和路線，并總結(jié)了與巖漿混合作用相關(guān)的室內(nèi)巖石地球化學(xué)和微量元素地球化學(xué)科學(xué)證據(jù)。

一、房山巖體巖漿混合作用野外實(shí)踐教學(xué)的可行性和意義

巖漿混合作用作為成巖體系中一個(gè)重要方式，對(duì)于認(rèn)識(shí)成巖過(guò)程、巖漿演化等有著重要意義，尤其是幔源巖漿在上升過(guò)程中與地殼偏酸性巖漿的混合作用是殼- 幔間物質(zhì)與能量交換的重要形式，日益受到人們的關(guān)注。然而，有關(guān)巖漿混合作用的研究，更多地側(cè)重于理論和模擬研究，如巖石地球化學(xué)的各種圖解研究（Harker 圖解），Sr-Nd-Pb 等同位素地球化學(xué)的計(jì)算模擬研究，同位素年代學(xué)研究，精細(xì)的礦物學(xué)研究，以及巖漿混合程度的質(zhì)量平衡計(jì)算和定量模擬等研究。有關(guān)巖漿混合作用的野外研究和實(shí)踐教學(xué)之所以無(wú)法深入開展，主要面臨以下挑戰(zhàn)。

1.端元巖漿組分的確定和識(shí)別

很多情況下，很難在野外識(shí)別出發(fā)生混合作用的兩個(gè)端元巖漿組分。較為普遍的是花崗巖類寄主巖中具有巖漿結(jié)構(gòu)的暗色基性微粒包體（Mafic Microgranular Enclaves，簡(jiǎn)稱MME），花崗巖類的寄主巖可以看作是酸性的端元，而具有巖漿結(jié)構(gòu)的MME是巖漿混合的產(chǎn)物，但基性端元的同深成巖漿巖往往沒有出露或難以確定和識(shí)別[21]。房山巖體為巖漿混合作用中端元組分的確定提供了可靠的野外證據(jù)，野外明確出露代表基性端元的幔源巖漿、代表酸性端元的殼源巖漿以及二者不同程度混合的產(chǎn)物MME。

2.巖漿混合作用的方式和機(jī)理

根據(jù)混合產(chǎn)物的均一性特征，巖漿混合方式分為均勻巖漿混合和非均勻巖漿混合。它們分別受化學(xué)混合（mixing）和機(jī)械混合（mingling）的機(jī)理所制約。巖漿的化學(xué)混合和機(jī)械混合既有區(qū)別又有聯(lián)系，而且二者能持續(xù)發(fā)生，因而二者常伴生在一起，這是導(dǎo)致花崗質(zhì)巖石在成分上多樣性的主要原因之一，也是導(dǎo)致殼?；煸椿◢弾r類形成的主要機(jī)制[22]，但在具體的野外工作和實(shí)踐教學(xué)中不能截然區(qū)分開來(lái)。房山巖體中，從快速冷卻的基性巖脈（圖1a、b、c），到串珠狀（圖1d）、河流狀（圖1e）和流線狀（圖2a）等MME，再到展示不同程度混合作用的各種MME（圖2），很好的揭示了巖漿混合作用的方式和過(guò)程。

3.巖漿混合作用的程度

巖漿混合程度是指混合巖漿中某一端元巖漿所占的比例，它在數(shù)值上是確定的，但在野外實(shí)際應(yīng)用時(shí)難以確定。因此，巖漿混合作用的程度往往限于實(shí)驗(yàn)和理論條件，如質(zhì)量平衡原理計(jì)算，定量模型估算模擬和二元混合方程等。這些理論和模擬等研究成果，在野外無(wú)法“看”到。而在實(shí)際的野外工作或?qū)嵺`教學(xué)中，在知道或識(shí)別出端元巖漿組分的情況下，只能簡(jiǎn)單、籠統(tǒng)地說(shuō)巖漿混合程度的大、小或高、低。加之在實(shí)際的巖漿混合雜巖體中，均勻的和非均勻的巖漿混合巖往往伴生在一起，要準(zhǔn)確地確定其巖漿混合程度更困難了。房山巖體以一種野外“看得見”的方式展示其巖漿混合作用的過(guò)程和程度（圖1～2）。

二、房山巖體巖漿混合作用的野外實(shí)踐教學(xué)

房山復(fù)式巖體是周口店野外實(shí)踐教學(xué)中巖漿巖的重要組成部分，巖體西界車廠，東臨羊頭崗，北抵東嶺子，南至東山口，平面上近于圓形，直徑7.5～9km，面積約60km2，為一中等規(guī)模的巖株[16，18]。其接觸面產(chǎn)狀較陡，一般傾向圍巖。房山復(fù)式巖體中石英閃長(zhǎng)巖體成若干個(gè)小巖體散布于外緣，主體為花崗閃長(zhǎng)巖。據(jù)鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石斑晶的大小、含量和環(huán)帶特征的差異性，將花崗閃長(zhǎng)巖體從內(nèi)向外劃分為中央相、過(guò)渡相和邊緣相，其間無(wú)明顯分界。其中，中央相為巨斑狀結(jié)構(gòu)，過(guò)渡相為斑狀結(jié)構(gòu)，邊緣相為粗粒等粒結(jié)構(gòu)?；◢忛W長(zhǎng)巖體的另一特征就是其中的包體/捕擄體[18]，中央相和過(guò)渡相數(shù)量少、成分單一、形態(tài)以橢圓狀和紡錘狀為主，為典型的MME，具有巖漿結(jié)構(gòu)。而邊緣相數(shù)量多、成分復(fù)雜、形態(tài)多樣，其中大小不一、棱-次棱形態(tài)的是各種圍巖捕虜體。在巖體的西南邊緣可見同深成的基性巖脈群與花崗閃長(zhǎng)巖的侵入接觸關(guān)系[18]。

本文將通過(guò)對(duì)房山巖體系統(tǒng)的野外觀察，結(jié)合已有的研究成果，探索巖漿巖巖石學(xué)的野外實(shí)踐教學(xué)，特別是與巖漿混合作用相關(guān)的野外實(shí)踐教學(xué)。經(jīng)過(guò)筆者這些年對(duì)房山巖體深入細(xì)致的研究發(fā)現(xiàn)[18]，房山巖體巖漿混合作用的特征十分明顯和豐富。從同深成巖脈與花崗閃長(zhǎng)巖的侵入接觸關(guān)系（圖1a、b），到巖體邊緣相中的脈狀和串珠狀MME（圖1c、d），到巖體過(guò)渡相中的河流狀MME（圖1e），到巖體過(guò)渡相和中央相中反映巖漿混合的各種MME（圖2），很好地指示了巖漿混合的方式、過(guò)程和程度，是巖漿混合作用野外實(shí)踐教學(xué)的理想場(chǎng)所和天然實(shí)驗(yàn)室。

圖1 房山復(fù)式巖體巖漿混合作用的野外照片

1.同深成巖脈群

同深成巖脈與花崗巖類的侵入接觸關(guān)系認(rèn)為是鎂鐵質(zhì)巖漿與長(zhǎng)英質(zhì)巖漿之間的混合作用的典型現(xiàn)象[22]。在車廠房山花崗閃長(zhǎng)巖巖體的西南邊緣相帶，可見數(shù)條基性巖脈群與花崗閃長(zhǎng)巖呈侵入接觸關(guān)系（圖1a、b）。巖脈寬窄不一（0.1～3m），形態(tài)不規(guī)則（圖1a），巖脈邊部呈細(xì)褶狀，較寬的巖脈出現(xiàn)冷凝邊（圖1b）。巖脈的主要巖性為輝長(zhǎng)巖和輝綠巖，窄的巖脈和寬的巖脈的邊部由于快速的冷凝淬火主要為細(xì)粒等粒結(jié)構(gòu)或隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，而寬的巖脈的中央由于緩慢的冷卻主要為輝綠結(jié)構(gòu)或斑狀結(jié)構(gòu)（斑晶主要為斜長(zhǎng)石）（圖1b）。已有研究表明，基性巖脈與花崗閃長(zhǎng)巖的形成時(shí)代相同，即基性巖脈的LA-ICPMS 鋯石U-Pb 年齡為134±2Ma，花崗閃長(zhǎng)巖的LA-ICPMS 鋯石U-Pb 年齡為136±2Ma[18]。

2.巖體邊緣相時(shí)斷時(shí)續(xù)的脈狀MME 和串珠狀MME

在官地村以北一帶房山花崗閃長(zhǎng)巖巖體南部的邊緣相帶，可見斷斷續(xù)續(xù)的脈狀MME，呈塑性流動(dòng)狀態(tài)（圖1c），延綿達(dá)100 多米；以及串珠狀的MME，大小不一，呈渾圓狀或橢圓狀塑性流動(dòng)狀態(tài)定向排列（圖1d）。這種MME 的形成，為典型的巖漿混合現(xiàn)象，王德滋和謝磊[22]解釋為來(lái)自深部巖漿房的玄武質(zhì)巖漿向淺部酸性巖漿房的注入作用。

3.巖體過(guò)渡相河流狀MME

磊孤山以南一帶房山花崗閃長(zhǎng)巖巖體南部過(guò)渡相帶，可見MME 整體呈河流狀或管道狀產(chǎn)出（圖1e）?！昂拥馈眱?nèi)的MME 大小不一，呈橢圓狀或液珠狀的塑性流動(dòng)狀態(tài)。這種獨(dú)特的巖漿混合現(xiàn)象，一個(gè)重要的影響因素就是端元巖漿的物理性質(zhì)不同，特別是基性巖漿和酸性巖漿的粘度和巖漿密度的巨大差異[23]。

4.巖體過(guò)渡相和中央相的MME

普遍認(rèn)為，中酸性巖中具巖漿結(jié)構(gòu)的鎂鐵質(zhì)巖石包體是指示巖漿混合作用存在的可靠證據(jù)[18，21-23]。以房山巖體中央相和過(guò)渡相中產(chǎn)出的MME 為例：（1）形成時(shí)代，已有研究表明MME 的形成時(shí)代與寄主的花崗閃長(zhǎng)巖和基性巖脈一致，為136±2Ma（LA-ICPMS 鋯石U-Pb 年齡[18]）。（2）巖相學(xué)特征，包體比寄主巖的色率高、粒度細(xì)，與寄主巖的接觸界線或明顯或漸變，一般為細(xì)粒等粒結(jié)構(gòu)；部分包體為斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶一般為斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石（圖2）。細(xì)粒礦物為巖漿混合形成，而粗粒的長(zhǎng)石礦物多來(lái)自寄主巖石，為典型的二元性礦物成分特征。這種特征的結(jié)構(gòu)類型完全不同于部分熔融之后形成的殘余體，殘余體一般具殘余變質(zhì)結(jié)構(gòu)，也不同于巖漿結(jié)晶分異之后形成的析離體，析離體一般具堆晶結(jié)構(gòu)，更不同于捕獲圍巖的捕擄體，在房山巖體的邊緣相帶最為常見。（3）巖性特征，包體的巖性變化大，從接近基性巖脈成分的基性包體，到接近寄主的花崗閃長(zhǎng)巖成分的閃長(zhǎng)質(zhì)包體，指示不同程度的巖漿混合作用（圖2）。（4）巖漿混合作用的具體野外特征。圖2a、b 中呈橢圓狀或紡錘狀的MME 表現(xiàn)的塑性流線構(gòu)造，即指示了巖漿上升侵位的流動(dòng)方向，也指示了基性巖漿與酸性巖漿共同的液態(tài)共存階段和液態(tài)條件下的物質(zhì)交換。圖2c中呈等軸狀的MME 與寄住的花崗閃長(zhǎng)巖呈漸變的反應(yīng)接觸關(guān)系，即指示了包體巖漿曾以液態(tài)球滴狀存在于寄主巖漿中，并且二者之間進(jìn)行了明顯的巖漿混合作用，形成介于二者之間的反應(yīng)條帶。圖2d中幾乎被完全消耗的渾圓狀MME，其成分特征已接近于寄主的花崗閃長(zhǎng)巖，指示深程度的巖漿混合作用。圖2e 中橢圓狀暗色微粒包體與寄住的花崗閃長(zhǎng)巖呈截然的接觸關(guān)系，在包體內(nèi)部和包體與寄主巖的接觸界面，可見大的鉀長(zhǎng)石斑晶，指示巖漿混合過(guò)程中包體巖漿對(duì)寄主巖漿中長(zhǎng)石斑晶的捕擄。

圖2 房山復(fù)式巖體中反映巖漿混合作用的MME 野外照片

除了上述的野外證據(jù)外，房山巖體巖漿的混合作用在巖石地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)和礦物質(zhì)學(xué)方面的研究，也得到了進(jìn)一步的證實(shí)[18-19]。如鋯石U-Pb 年齡表明，基性巖脈、MME 和寄主巖花崗閃長(zhǎng)巖形成時(shí)間一致[18]。巖石地球化學(xué)表明，在Harker 圖解中，從基性巖脈，經(jīng)過(guò)MME，到寄住巖花崗閃長(zhǎng)巖，SiO2與其他主量元素（特別是MgO）呈有規(guī)律的線性變化趨勢(shì)[18]。包體和寄主的花崗閃長(zhǎng)巖中副礦物鋯石、磷灰石和榍石的Sr、Nd、Hf 和O 同位素特征也反映巖漿混合的特征[19]。

對(duì)房山復(fù)式巖體的已有研究認(rèn)為，幔源巖漿（基性巖脈群）底侵作用，引發(fā)增厚的下地殼部分熔融形成殼源的酸性巖漿（花崗閃長(zhǎng)巖），二者不同程度的混合作用形成MME[18-19]。玄武巖漿的底侵作用和幔源巖漿與殼源巖漿的混合作用是殼幔作用最直觀的表現(xiàn)形式[23]。玄武質(zhì)基性巖漿和長(zhǎng)英質(zhì)酸性巖漿在有利構(gòu)造條件下，能從不同深度近于同時(shí)地侵入或噴出，被認(rèn)為是地殼拉張或巖石圈伸展作用的有力證據(jù)[24]。因此結(jié)合房山巖體巖漿混合作用發(fā)生的構(gòu)造背景，系統(tǒng)研究端元巖漿的成因和巖漿混合的機(jī)理、過(guò)程和程度，對(duì)認(rèn)識(shí)房山巖體所處的華北克拉通東部晚中生代巖石圈減薄事件有著重要意義?？梢?，房山復(fù)式巖體巖漿混合作用野外實(shí)踐教學(xué)路線的開辟，將區(qū)域構(gòu)造背景和大陸動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以一種野外“看得見”的方式合理呈現(xiàn)給學(xué)生觀察、描述和分析。

三、結(jié)束語(yǔ)

雖然周口店野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)體系已經(jīng)比較完善，但在具體的野外實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中也存在一些可以進(jìn)一步提高的地方，以房山復(fù)式巖體的野外實(shí)踐教學(xué)為例，目前的巖石學(xué)教學(xué)還停留在比較簡(jiǎn)單、直觀的巖性觀察和描述之上，沒有將野外現(xiàn)象和成因相聯(lián)系。而房山復(fù)式巖體巖漿混合作用的野外特征是明顯和豐富的。因此，筆者建議：（1）將巖漿混合作用正式的納入房山復(fù)式巖體野外實(shí)踐教學(xué)路線之中，進(jìn)一步拓展和豐富野外實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，將巖漿混合方式、過(guò)程和程度，以一種野外“看得見”的方式合理呈現(xiàn)給學(xué)生觀察、描述和分析；（2）在經(jīng)費(fèi)支持下，對(duì)周口店實(shí)習(xí)指導(dǎo)書[16]進(jìn)行適當(dāng)修訂。

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