華北克拉通北緣晚古生代尚義鉀質(zhì)花崗巖的成因分析: 來(lái)自巖石地球化學(xué)的證據(jù)

李孟江，陳衍景，張 莉

(1.中國(guó)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.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京100871; 3.中國(guó)科學(xué)院 研究生院, 北京 100049)

0 引 言

在華北克拉通北緣內(nèi)蒙古隆起的太古宙-古元古代結(jié)晶基底中, 存在大量晚古生代的中酸性侵入體, 其主要巖性為片麻質(zhì)的閃長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖, 侵位時(shí)代從石炭紀(jì)到二疊紀(jì), 呈現(xiàn)出東西向分布大致平行于華北克拉通北緣邊界[1–3]。研究者[4–6]認(rèn)為該晚古生代巖漿活動(dòng)與古亞洲洋板塊向華北克拉通俯沖形成的安第斯型活動(dòng)陸緣背景有關(guān), 二疊紀(jì)末期巖漿巖偏向富鉀質(zhì)表明該區(qū)域古生代末開(kāi)始轉(zhuǎn)化為后造山背景。然而, 目前對(duì)華北克拉通北緣的這些中酸性侵入巖的研究主要集中在年代學(xué)方向[2,3,5,7,8],成因研究很少[9–10], 因此本文對(duì)尚義-赤城古斷裂中發(fā)育的晚古生代(未公開(kāi)發(fā)表資料)的鉀質(zhì)花崗巖進(jìn)行成因分析, 為研究古亞洲洋和華北克拉通構(gòu)造演化提供新的思路。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

華北克拉通北緣中段是我國(guó)重要的前寒武紀(jì)地區(qū), 主要由太古宙-古元古代的變質(zhì)基底、未變質(zhì)蓋層和不同時(shí)期的各類(lèi)侵入體組成。其中, 變質(zhì)基底由太古宙-古元古代的單塔子雜巖、崇禮群、懷安雜巖、孔茲巖系以及紅旗營(yíng)子雜巖構(gòu)成; 各類(lèi)侵入體則包括古元古代末期未變質(zhì)的輝長(zhǎng)巖-閃長(zhǎng)巖-斜長(zhǎng)巖-堿性花崗巖-環(huán)斑花崗巖組合、晚古生代-中生代的基性-超基性侵入體組合和閃長(zhǎng)質(zhì)-花崗質(zhì)侵入體;未變質(zhì)蓋層多為中生代火山巖和火山沉積巖以及中元古代到古生代的沉積蓋層[11–12]。以尚義-赤城斷裂為界, 華北克拉通北緣中段可以被劃分為兩大構(gòu)造單元, 斷裂以北為內(nèi)蒙古隆起, 主要分布著古元古代紅旗營(yíng)子雜巖以及晚古生代的基性-超基性侵入體和閃長(zhǎng)質(zhì)-花崗質(zhì)侵入體; 以南為燕山臺(tái)褶帶, 分布著太古宙崇禮群、單塔子雜巖、懷安雜巖和古元古代孔茲巖系以及中元古代到古生代未經(jīng)受變質(zhì)的沉積蓋層[11,13,14]。尚義-赤城斷裂帶之中分布著變質(zhì)玄武巖(斜長(zhǎng)角閃巖)、堆晶輝長(zhǎng)巖、堆晶輝石巖、奧長(zhǎng)花崗巖(TTG)、包括斜長(zhǎng)橄欖巖在內(nèi)的超鎂鐵巖、條帶狀硅質(zhì)巖和蛇紋石大理巖, 這些巖石多呈無(wú)根的巖塊分布于斷裂帶內(nèi), 王仁民等[15]將斷裂帶巖石組合命名為“尚義雜巖”。鉀質(zhì)花崗巖主要位于尚義-赤城斷裂帶中尚義縣西梁村和豆腐窯村, 部分位于黃土窯村附近并與奧長(zhǎng)花崗巖伴生(圖1)。

圖1 尚義黃土窯地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 The geological sketch map of Huangtuyao, Shangyi

2 樣品采集和分析方法

鉀質(zhì)花崗巖產(chǎn)于尚義雜巖中, 在豆腐窯村北可見(jiàn)基性巖與鉀質(zhì)花崗巖野外共生, 表現(xiàn)為鉀質(zhì)花崗巖中含基性巖包體(圖 2a)。在西梁村和黃土窯村可見(jiàn)新太古代[16]的奧長(zhǎng)花崗巖與基性巖及鉀質(zhì)花崗巖共生(圖2b、圖2c)。本研究采集鉀質(zhì)花崗巖、基性巖和奧長(zhǎng)花崗巖樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

鉀質(zhì)花崗巖巖性為含鉀長(zhǎng)石斑晶黑云母鉀長(zhǎng)-二長(zhǎng)花崗巖, 呈粉紅色, 眼球狀深熔斑狀結(jié)構(gòu)(圖2d), 塊狀構(gòu)造。礦物組合為鉀長(zhǎng)石(50%～60%)、斜長(zhǎng)石(10%～20%)、石英(20%～30%)、黑云母(～5%)及少量綠簾石、單斜輝石(均不超過(guò) 5%), 副礦物為鋯石、磁鐵礦、鈦鐵礦和磷灰石等。斑晶為鉀長(zhǎng)石(主要條紋長(zhǎng)石)約40%, 粒度3～7 mm, 自形-半自形柱狀。基質(zhì)礦物為斜長(zhǎng)石+石英+黑云母+少量鉀長(zhǎng)石+少量單斜輝石+少量磁鐵礦, 其中, 斜長(zhǎng)石粒度為0.4～1.4 mm, 半自形柱狀; 石英粒度較小, 他形粒狀集中于斑晶邊緣; 黑云母呈扭曲片狀分布于長(zhǎng)石的顆粒邊界構(gòu)成眼球狀結(jié)構(gòu)的邊緣; 基質(zhì)鉀長(zhǎng)石主要為條紋長(zhǎng)石, 粒度為 0.5～1.0 mm, 半自形柱狀;單斜輝石和綠簾石呈小顆粒脈狀、串珠狀分布于黑云母和鉀長(zhǎng)石周?chē)１∑锌梢?jiàn)奇怪的線(xiàn)狀擠壓破裂(圖 2e)。

基性巖(圖2f)呈全晶質(zhì)中-細(xì)粒結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造,礦物組合為黑云母(25%～30%)、斜長(zhǎng)石(40%～50%),角閃石(10%～15%), 鉀長(zhǎng)石(5%～10%), 少量單斜輝石、綠簾石、石英和磁鐵礦等。黑云母粒度為0.5～2.5 mm, 自形-半自形片狀; 斜長(zhǎng)石粒度0.5～1.0 mm,自形-半自形柱狀; 角閃石粒度 0.4～1.0 mm, 他形粒狀于黑云母周?chē)? 鉀長(zhǎng)石粒度約0.5 mm, 半自形。單斜輝石和綠簾石粒度小(0.1～0.3 mm), 他形粒狀分布于黑云母和角閃石邊緣。豆腐窯的基性巖體底部可見(jiàn)堆晶狀的基性巖石(圖2g)。

奧長(zhǎng)花崗巖(圖 2h)呈灰白色, 中粒全晶質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造, 組成礦物為石英(～40%)、斜長(zhǎng)石(50%～60%)及少量暗色礦物磁鐵礦等。石英粒度 1～3 mm,半自形粒狀。斜長(zhǎng)石粒度1～3 mm, 半自形柱狀。

樣品的主元素和微量元素測(cè)試分析均在中國(guó)核工業(yè)部北京地質(zhì)三所完成。

主元素分析: 用坩鍋稱(chēng)取2 g樣品, 放入馬弗爐中烘烤后, 將樣品直接放入干燥器中, 最后稱(chēng)量計(jì)算。用堿熔法進(jìn)行: 將0.4 g巖石樣品粉末和1 g偏硼酸鋰及 3 g四硼酸鋰混合, 在高頻爐上加熱到1100 ℃維持 4 min, 混合均勻, 形成均質(zhì)玻璃體,然后在飛利浦PW2404 X射線(xiàn)熒光光譜儀上分析。采用XRF方法進(jìn)行的主元素測(cè)試精度高于1%。

基性巖微量元素測(cè)試溶液制備使用普通酸溶法:將樣品置于烘箱中, 于105 ℃烘干1～2 h; 從烘箱中取出樣品, 置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫。準(zhǔn)確稱(chēng)取樣品100 mg于美國(guó)Savillex公司帶蓋密閉Teflon溶樣器中, 緩慢加入0.5 mL的高純硝酸, 2.5 mL的高純氫氟酸(如樣品含有機(jī)質(zhì), 可加入 0.5 mL高氯酸,旋緊瓶蓋, 輕輕搖勻; 將 Teflon瓶置于電熱板上,于 120 ℃加熱 6 d; 開(kāi)蓋, 在電熱板上于 140 ℃將溶液蒸干, 緩慢加入0.5 mL的高純高氯酸, 在電熱板上于 140 ℃將溶液蒸干, 趁熱加入 1 mL高純硝酸, 約3 mL高純水, 旋緊瓶蓋, 于120 ℃加熱提取鹽類(lèi)1 d。將提取液稀釋于PET(聚酯)瓶中(PET瓶先用1∶1硝酸浸泡24 h, 再用去離子水清洗, 最后用超純水清洗, 烘干), 溶液為 2%的硝酸, In 內(nèi)標(biāo)為40 ng/g, 稀釋因子為1000?；◢弾r微量元素分析采用高壓釜酸溶法進(jìn)行: 將樣品置于烘箱中, 于105 ℃烘干 1～2 h; 從烘箱中取出樣品, 置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫; 準(zhǔn)確稱(chēng)取約100 mg樣品于聚四氟乙烯杯中, 分別加入0.5 mL HNO3, 2.5 mL HF, 蓋上蓋子, 在微波振蕩器(125 V)振蕩10 min, 敞開(kāi)蓋子,在 150 ℃的電熱板上預(yù)溶、蒸干; 再加入 0.5 mL HNO3, 2.5 mL HF, 蓋上蓋子, 杯子外套上熱縮管,置于高壓釜內(nèi), 于200 ℃烘箱中加熱72 h; 從烘箱中取出高壓釜, 放置冷卻后, 取出聚四氟乙烯杯,在杯內(nèi)加入 0.5 mL HClO4, 在電熱板上加熱蒸干,加入1 mL HNO3, 少量(約1 mL)高純水, 蓋好, 重新套上熱縮管, 置于高壓釜內(nèi), 于 150 ℃烘箱中加熱提取12 h以上; 冷至室溫轉(zhuǎn)移到清洗干凈的聚酯瓶中(稱(chēng)重轉(zhuǎn)移), 加入 1 mL 1 μg/g In內(nèi)標(biāo), 稀釋至40 g左右, 搖勻備測(cè)。微量元素分析儀器為Finnigan MAT制造的 HR-ICP-MS, 測(cè)試方法遵循DZ/T0223-2001(電感耦合等離子體質(zhì)譜方法通則),標(biāo)樣為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-1、GSD-6以及GSR-1。ICP-MS方法進(jìn)行微量元素和稀土元素的測(cè)試精度在5%～10%以?xún)?nèi)。

為有代表性, 本文選取遠(yuǎn)離三種巖石接觸帶的鉀質(zhì)花崗巖(0501-8和 0502-1)、基性巖(0615-3和0617-3)和奧長(zhǎng)花崗巖(0616-3、60901-13和60901-3-3)的化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 鉀質(zhì)花崗巖、基性巖和奧長(zhǎng)花崗巖野外照片和巖相圖Fig.2 Field photographs and micro-petrography of potassic granite, basite and trondhjemite

表1 樣品的主元素(%)和微量元素(μg/g)分析結(jié)果Table 1 Major (%) and trace elements (μg/g) compositions of samples

圖3 鉀質(zhì)花崗巖、基性巖和奧長(zhǎng)花崗巖的鋁飽和指數(shù)(a)、K2O-SiO2 (b)和Na2O-K2O圖解(c)Fig.3 A/NK-A/CNK (a), K2O-SiO2 (b) and Na2O-K2O (c) diagrams of potassic granite, basite and trondhjemite

3 分析結(jié)果

鉀質(zhì)花崗巖的SiO2為65.69%～70.9%, K2O/Na2O為0.85～1.75, K2O+Na2O為7.22%～9.14%,δ(里特曼指數(shù))為2.30～2.99, Al2O3中等，為13.58%～15.09%,A/CNK(鋁飽和指數(shù))為0.89～0.93, A/NK為1.15～1.51,在 K2O-SiO2圖中樣品落入高鉀區(qū)域, 屬于高鉀偏鋁質(zhì)鈣堿性系列(圖3a、圖3b), 在Na2O-K2O圖中, 落入到I型花崗巖區(qū)域(圖3c), Mg#比值高(43～46)。稀土含量中等, ∑REE為 110～180 μg/g, 輕重稀土中等分異, (La/Yb)N為16.8～23.0, 稀土分布模式表現(xiàn)出相對(duì)平緩的右傾曲線(xiàn), 輕稀土富集, 重稀土略虧損,La為 27.1～42.6 μg/g, Yb 為 1.09～1.25 μg/g, 輕微的負(fù) Eu異常(δEu為 0.88～0.99)。富集大離子親石元素 Rb (57.9～155 μg/g)、Ba (1185～1606 μg/g)和輕稀土, Nb、Ta、Ti負(fù)異常, 同時(shí)富集地幔元素 Cr(97.8～135 μg/g)(詳見(jiàn)圖4)。鉀質(zhì)花崗巖顯示出TTG的稀土分布模式和 LILE特征, 同時(shí)富集地幔元素Cr表明地幔物質(zhì)的貢獻(xiàn), 暗示鉀質(zhì)花崗巖與地殼和地幔物質(zhì)成因相關(guān)。

基性巖 SiO2為 51.32%～53.11%, K2O/Na2O為0.75～0.80, K2O+Na2O為6.10%～6.44%,δ為3.68～4.98, 屬于堿性巖類(lèi), 富 Al2O3(15.59%～17.20%),A/CNK在0.81～0.85之間, A/NK在1.83～1.90間,屬于偏鋁質(zhì)系列(圖 3a), K2O-SiO2圖解中顯示為高鉀巖類(lèi)(圖3b), 富Mg (MgO平均為4.34%, Mg#值平均 47)。稀土元素富集, ∑REE 為 135～210 μg/g, 輕重稀土分異程度低, 稀土分布模式表現(xiàn)為平緩的右傾曲線(xiàn), (La/Yb)N為12.3～13.5, 輕稀土富集, La為23.1～36.5 μg/g, 重稀土略虧損, Yb 為 1.15～2.00 μg/g,輕微的正Eu異常(δEu為1.06～1.09), 富集大離子親石元素 Rb (52.8～66.0 μg/g)、Sr (1117～1484 μg/g)、Ba (1404～1514 μg/g), Nb、Ta、Ti輕微負(fù)異常同時(shí)富集地幔元素(Cr 52.5～103 μg/g)(圖4)?；詭r富Na、Mg、Al、Ti、Sr且顯示輕微正 Eu異常, 稀土含量高而輕重稀土分異程度低, 推測(cè)其來(lái)源為富集地幔?；詭r與鉀質(zhì)花崗巖Nd同位素接近以及演化線(xiàn)一致表明兩者為同源巖漿, 且基性巖的虧損地幔年齡早于鉀質(zhì)花崗巖的暗示出了兩者演化的先后關(guān)系(表 1, 圖 5)。

奧長(zhǎng)花崗巖 SiO2含量 65.55%～73.35%,K2O/Na2O比值為0.51～0.80, K2O+Na2O為4.51%～5.47%,δ為0.80～1.23, Al2O3含量較低, 為12.70%～13.77%, A/CNK在0.80～1.19之間, A/NK在1.59～2.19之間, 屬于偏鋁質(zhì)鈣堿性巖類(lèi)(圖3a), K2O-SiO2和Na2O-K2O圖解中顯示出中鉀的I型花崗巖(圖3b、圖3c), Mg含量變化大(0.11%～2.27%)。稀土含量低,∑REE 平均 65.0 μg/g, La為 6.76～22.3 μg/g (平均15.89 μg/g), Yb 含量變化大, 為 0.16～2.76 μg/g (平均1.04 μg/g), 因而輕重稀土分異程度明顯變化, (La/Yb)N為5.45～78.4(平均10.3), 明顯負(fù)Eu異常到正Eu異常(δEu 0.79～4.24, 平均為 1.26)。Rb 平均 47.5 μg/g, Sr平均 350 μg/g, Ba平均 499 μg/g, Nb、Ta、Ti強(qiáng)烈負(fù)異常 (圖 4)。較之鉀質(zhì)花崗巖和基性巖, 奧長(zhǎng)花崗巖SiO2、Na2O含量高, 稀土含量、地幔元素Cr和大離子親石元素含量低, 輕重稀土分異程度變化大。

圖4 尚義花崗巖的稀土元素球粒隕石分布模式和微量元素原始地幔蛛網(wǎng)圖Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized spidergrams of the Shangyi potassic granite, basite and trondhjemite

圖5 尚義鉀質(zhì)花崗巖和基性巖的Nd同位素組成及虧損地幔演化線(xiàn)(T鋯石資料待刊)Fig.5 Nd isotopic compositions of Shangyi potassic granite and basite.Also shown is the evolution line of the depleted mantle

4 討 論

尚義鉀質(zhì)花崗巖與基性巖共生(圖2a), Nd同位素顯示兩者為同源巖漿關(guān)系且鉀質(zhì)花崗巖演化應(yīng)晚于基性巖(圖5), 同時(shí)鉀質(zhì)花崗巖與新太古代奧長(zhǎng)花崗巖共生, 表明鉀質(zhì)花崗巖與基性巖、奧長(zhǎng)花崗巖成因相關(guān)。筆者從基性巖體到鉀質(zhì)花崗巖進(jìn)行了系統(tǒng)采樣, 發(fā)現(xiàn)從基性巖體到鉀質(zhì)花崗巖呈現(xiàn)漸變過(guò)渡, 表現(xiàn)為礦物粒度增大和鉀長(zhǎng)石含量增加、暗色礦物減少, 同時(shí)在豆腐窯的基性巖體底部發(fā)現(xiàn)了呈堆晶狀的基性巖(圖 2g), 認(rèn)為是基性巖漿分異結(jié)晶形成的堆晶輝長(zhǎng)巖的退變產(chǎn)物, 因此有理由相信基性巖與鉀質(zhì)花崗巖為同源巖漿演化產(chǎn)物。鉀質(zhì)花崗巖、基性巖的主元素、稀土元素與SiO2呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, 說(shuō)明鉀質(zhì)花崗巖的形成與基性巖漿分離結(jié)晶有關(guān), 同時(shí)兩者的 MgO與 CaO、 Fe2O3T、TiO2正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.98、0.99), TiO2與 FeOT正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.99), CaO與Al2O3、TiO2正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.96)暗示角閃石、鈦鐵礦、斜長(zhǎng)石和榍石參與了分離結(jié)晶。根據(jù)鉀質(zhì)花崗巖的Sr、Yb含量推斷其形成壓力為中壓-較高壓, 殘留相為斜長(zhǎng)石+石榴子石+角閃石+輝石組成的麻粒巖相[18–19]?；詭r稀土含量、大離子親石元素(Ba、Sr)高于鉀質(zhì)花崗巖, Cr含量低于鉀質(zhì)花崗巖, 排除了單獨(dú)的基性巖漿分離結(jié)晶產(chǎn)生鉀質(zhì)花崗巖漿的可能,鉀質(zhì)花崗巖的高 K2O/Na2O 比值(0.85～1.75)和高Rb/Sr比值(0.10～0.56)反映巖漿同化了上地殼物質(zhì),鉀質(zhì)花崗巖含有古老鋯石的殘核(未發(fā)表資料)也表明其形成有古老陸殼物質(zhì)的加入。研究者們[2,5,10]對(duì)華北克拉通北緣其他地區(qū)的晚古生代花崗巖類(lèi)進(jìn)行了成因研究, 也指出這些花崗巖類(lèi)形成中遭受了古老陸殼物質(zhì)的同化混染。再結(jié)合鉀質(zhì)花崗巖與基性巖、奧長(zhǎng)花崗巖的野外關(guān)系和微量元素圖解中三者的過(guò)渡關(guān)系, 本文中采用模擬計(jì)算方法推演鉀質(zhì)花崗巖與基性巖、奧長(zhǎng)花崗巖的成因關(guān)系。在地球化學(xué)模擬計(jì)算過(guò)程中, 原始巖漿的成分至關(guān)重要, 本文中挑選出遠(yuǎn)離基性巖與鉀質(zhì)花崗巖接觸帶, 組成礦物無(wú)明顯定向同時(shí)SiO2、K2O含量最低, Fe2O3T、MgO、MnO含量最高的基性巖(0615-3和0617-3)作為原始巖漿。為了方便分析, 對(duì)鉀質(zhì)花崗巖、基性巖和奧長(zhǎng)花崗巖取其化學(xué)成分的平均值, 編號(hào)為K-G、J-M和P-G。

表2 AFC模式微量元素(μg/g)計(jì)算結(jié)果Table 2 Trace element results calculated using the AFC model

4.1 AFC模式(同化混染和分離結(jié)晶作用聯(lián)合模型)

鉀質(zhì)花崗巖AFC模式計(jì)算假定圍巖同化量與巖漿分離結(jié)晶量呈固定比例關(guān)系, 采用 Donald[20]的計(jì)算公式:

其中、C0、Ca分別代表產(chǎn)生的巖漿、母巖漿和圍巖中元素濃度,F代表殘余熔體比例,r代表同化物質(zhì)量與分離結(jié)晶量的比值。

ma代表同化物質(zhì)的量,mc代表分離結(jié)晶的量。

考慮到巖石受蝕變風(fēng)化可能造成主元素分析失真, 筆者在對(duì)鉀質(zhì)花崗巖AFC模式計(jì)算中使用微量元素, 以基性巖漿作為母巖漿, 奧長(zhǎng)花崗巖作為同化圍巖, 不同礦物的分配系數(shù)采用 Teixeira[21]中數(shù)據(jù), 得出分離結(jié)晶礦物組合為單斜輝石(16.45%)+角閃石(34.54%)+斜長(zhǎng)石(37.01%)+磁鐵礦(4.11%)+石榴子石(2.47%)+榍石(1.32%)+鈦鐵礦(4.11%),r在0.09～0.12之間取0.1,F在50%～70%之間取60%,發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果成分與實(shí)際鉀質(zhì)花崗巖中大多數(shù)微量元素(Ni、Co、V、Rb、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Er、Yb、Lu)和 K最接近, 表 2列出計(jì)算結(jié)果, 并用這些微量元素作出蛛網(wǎng)圖(圖 6)。r取其他值時(shí)未能找到比r=0.1使更多微量元素吻合的F值, 因此筆者認(rèn)為采用r=0.1,F=60%, 分離結(jié)晶礦物相為單斜輝石+角閃石+斜長(zhǎng)石+磁鐵礦+石榴子石+榍石+鈦鐵礦來(lái)模擬鉀質(zhì)花崗巖 AFC過(guò)程是合適的。Cr和Sr元素的計(jì)算結(jié)果較之實(shí)際值相差較大,其中鉀質(zhì)花崗巖中 Cr含量(116 μg/g)高于計(jì)算值(32.3 μg/g), Sr含量(424 μg/g)卻遠(yuǎn)低于計(jì)算值(1332 μg/g)。已知分離結(jié)晶的主要的礦物相中, 只有在斜長(zhǎng)石中Cr的分配系數(shù)小于1, Sr的分配系數(shù)大于1[21],說(shuō)明斜長(zhǎng)石對(duì)于鉀質(zhì)花崗巖漿的形成至關(guān)重要。要產(chǎn)生高Cr和低Sr的計(jì)算結(jié)果: ①要求分離結(jié)晶相中盡量少含有除斜長(zhǎng)石外的其他礦物; ②分離結(jié)晶相對(duì)同化物質(zhì)量比例高, 即r值低; ③合適的殘余熔體F值。在r=0.1前提下考慮①②兩種理想條件, 計(jì)算發(fā)現(xiàn)并不存在同時(shí)滿(mǎn)足殘余巖漿Cr和Sr吻合的F值(表3), 并且與其他微量元素的吻合F值也不一致,因此僅依靠基性巖漿和奧長(zhǎng)花崗巖的AFC過(guò)程不能解釋鉀質(zhì)花崗巖的高Cr和低Sr問(wèn)題, 猜測(cè)鉀質(zhì)花崗巖后期還受到了低壓下地幔脫氣形成的高 Cr低 Sr流體的再次灌入, 樣品0502-1中出現(xiàn)的線(xiàn)狀擠壓破裂脈支持了這種猜測(cè)(圖2e)。

圖6 AFC模式計(jì)算結(jié)果與鉀質(zhì)花崗巖對(duì)比圖解Fig.6 Comparison of AFC modelling results calculation and the potassic granite

表3 AFC模式計(jì)算中Cr和Sr元素吻合的F值及分離結(jié)晶礦物Table 3 Fractional crystallization minerals and F-values for Cr and Sr in AFC model calculation

表4 FCA模式計(jì)算中與鉀質(zhì)花崗巖微量元素吻合的R值和F值Table 4 R-value and F-value for trace element FCA modelling

4.2 FCA模式(同化混染和分離結(jié)晶作用分離模式)

上述AFC模式計(jì)算是建立在同化物質(zhì)量和分離結(jié)晶量呈固定的比例關(guān)系基礎(chǔ)上的[20,22]。但是, 同化作用不一定要與分離結(jié)晶有關(guān), 同化物質(zhì)也可作為一種端元物質(zhì)表現(xiàn)為一種熔體混合模式[23],可以解釋為簡(jiǎn)單的兩端元混合過(guò)程, 例如在有定期巖漿補(bǔ)充情況下巖漿庫(kù)的同化和分離結(jié)晶可以是獨(dú)立的[24–25]。這種情況下需考慮FCA模式, 即同化混染和分離結(jié)晶作用分離模式。本文鉀質(zhì)花崗巖FCA模式計(jì)算中以基性巖漿作為母巖漿, 奧長(zhǎng)花崗巖作為同化圍巖, 采用Cribbet al.[26]的元素濃度計(jì)算公式:

Ma和Mc分別代表較之原始巖漿同化物質(zhì)的比例和分離結(jié)晶損失物質(zhì)的比例,,Cf為分離結(jié)晶形成巖漿中的元素濃度,F代表殘余巖漿比例。

本研究 FCA模式計(jì)算采用迭代法, 運(yùn)用Ersoy[27]設(shè)計(jì)的 Excel工具計(jì)算, 得出多組與鉀質(zhì)花崗巖較為吻合的結(jié)果, 即有多組R和F值產(chǎn)生與鉀質(zhì)花崗巖相近的成分(表4, 圖7)。FCA模式與ACF模式區(qū)別在于其未限定出圍巖同化與分離結(jié)晶之間存在固定比例關(guān)系, 故計(jì)算具多解性。從表 4中看出R與F表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系, 同化比值與殘余巖漿量保持某種比例時(shí)可產(chǎn)生相似的巖漿成分, 暫時(shí)無(wú)法確定哪組數(shù)值可以較真實(shí)地反映鉀質(zhì)花崗巖FCA過(guò)程, 因此本文中FCA模式計(jì)算無(wú)法定量解釋鉀質(zhì)花崗巖漿演化, 但可以確定鉀質(zhì)花崗巖的形成與基性巖漿的分離結(jié)晶作用和奧長(zhǎng)花崗巖同化混染作用有關(guān)。

圖7 FCA模式計(jì)算結(jié)果與鉀質(zhì)花崗巖吻合圖解Fig.7 Diagrams showing the consistents between FCA modelling results and the potassic granite

4.3 鉀質(zhì)花崗巖的成因分析

以基性巖漿為母巖漿, 奧長(zhǎng)花崗巖為同化圍巖,通過(guò) AFC模式計(jì)算得出分離結(jié)晶組為單斜輝石(16.45%)+角閃石(34.54%)+斜長(zhǎng)石(37.01%)+磁鐵礦(4.11%)+石榴子石(2.47%)+榍石(1.32%)+鈦鐵礦(4.11%),r=0.1,F=60%條件下得出與鉀質(zhì)花崗巖很吻合的微量元素含量, 通過(guò)FCA模式計(jì)算得出了多組R-F值下的微量元素結(jié)果與鉀質(zhì)花崗巖相近, 因此本文解釋鉀質(zhì)花崗巖的成因?yàn)獒Ｔ椿詭r漿分離結(jié)晶并且同化混染早期奧長(zhǎng)花崗巖形成。

Lópezet al.[28]實(shí)驗(yàn)?zāi)M了鎂鐵質(zhì)巖漿侵入到英云閃長(zhǎng)質(zhì)地殼發(fā)生的反應(yīng), 指出原來(lái)溶解于鎂鐵質(zhì)熔體中的H2O和K在熔體與英云閃長(zhǎng)質(zhì)圍巖相互作用時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)移到新生熔體中。尚義鉀質(zhì)花崗巖中 K2O含量和 K2O/Na2O比值高于基性巖和奧長(zhǎng)花崗巖,基性巖中的K2O含量和K2O/Na2O比值又高于奧長(zhǎng)花崗巖, 因此筆者認(rèn)為鉀質(zhì)花崗巖中富鉀質(zhì)不僅與基性巖漿的 K遷移有關(guān), 還與同化混染過(guò)程中優(yōu)先提取圍巖鉀有關(guān)。同時(shí)在考慮了各種理想條件下,仍然無(wú)法計(jì)算出Cr和Sr含量與鉀質(zhì)花崗巖吻合的一致F值, 也無(wú)法與其他微量元素吻合, 因此僅用上述模式不能解釋鉀質(zhì)花崗巖高Cr和低Sr問(wèn)題, 筆者認(rèn)為可能與低壓條件下的地幔脫氣作用形成的高Cr低Sr流體再次灌入有關(guān)。

4.4 鉀質(zhì)花崗巖的地質(zhì)意義

尚義晚古生代鉀質(zhì)花崗巖的成因研究為制約古亞洲洋的活動(dòng)提供了新的思路, 其地球化學(xué)特征所象征的與殼源物質(zhì)和幔源物質(zhì)間的成因聯(lián)系, 可能反映了俯沖帶與地幔作用的產(chǎn)物。在花崗巖的Rb-(Y+Nb)和Nb-Y構(gòu)造環(huán)境判別圖解中, 尚義晚古生代鉀質(zhì)花崗巖落到島弧花崗巖區(qū)域(VAG), 意味著尚義鉀質(zhì)花崗巖形成于島弧環(huán)境, 與冀北位于尚義-赤城-隆化斷裂中其他地區(qū)的晚古生代花崗巖類(lèi)一致[10](圖8), 表明華北克拉通北緣在晚古生代時(shí)為活動(dòng)大陸邊緣[2,3,5,6,8,9]。受晚古生代古亞洲洋板塊向華北克拉通俯沖影響, 華北克拉通北緣內(nèi)蒙古隆起為活動(dòng)大陸邊緣弧, 尚義-赤城-隆化古斷裂帶再次活化[1,3], 誘發(fā)巖漿侵位產(chǎn)生了鉀質(zhì)花崗巖。

圖8 尚義鉀質(zhì)花崗巖Nb-Y和Rb-(Y+Nb)構(gòu)造環(huán)境判別圖解(據(jù)Pearce et al.[29])Fig.8 Nb-Y and Rb-(Y+Nb) diagrams for discriminating tectonic settings of the Shangyi potassic granite

5 結(jié) 論

(1)尚義鉀質(zhì)花崗巖產(chǎn)于華北克拉通的北緣中段,巖性為眼球狀黑云母鉀長(zhǎng)-二長(zhǎng)花崗巖, 地球化學(xué)特征表現(xiàn)為富鉀、偏鋁質(zhì)、鈣堿性的I型花崗巖, 富集LILE、LREE和富集地幔元素Cr, Nb、Ta、Ti負(fù)異常, 表明鉀質(zhì)花崗巖成因與殼源和幔源物質(zhì)有關(guān)。通過(guò)地球化學(xué)分析認(rèn)為鉀質(zhì)花崗巖為幔源基性巖漿分離結(jié)晶并且同化混染早期奧長(zhǎng)花崗巖圍巖形成的。

(2)晚古生代時(shí)受古亞洲洋板塊向華北克拉通俯沖影響, 華北克拉通北緣為活動(dòng)大陸邊緣, 尚義-赤城古斷裂再次活化并誘發(fā)巖漿侵位產(chǎn)生了鉀質(zhì)花崗巖。

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