陰山及鄰區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖的成因意義*

湯艷杰　張宏福,　英基豐

1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　1000292.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　7100691.

富堿侵入巖的概念是涂光熾先生于1982年在南京大學(xué)召開的國際花崗巖學(xué)術(shù)會(huì)議上首先提出來的(涂光熾等,1984; 涂光熾,1989)。富堿侵入巖主要包括堿性巖和堿性花崗巖、以及和這兩類巖石共生的堿含量很高的堿長花崗巖，其全堿含量(K2O+Na2O)一般>8%。堿性巖主要包括正長巖、霞石正長巖、輝石正長巖、霓霞正長巖、閃石正長巖等，在巖石化學(xué)上相對貧硅富鋁高堿。堿性花崗巖是指含堿性角閃石、堿性輝石的花崗巖，相對富硅貧鋁高堿。在各類侵入巖中，富堿侵入巖所占比例很小，其出露面積約占各類侵入巖出露總面積的2%。但是，富堿侵入巖卻有重要的礦產(chǎn)和地質(zhì)意義(涂光熾,1989; 任康緒,2003)。通過對堿性巖及其相關(guān)金屬礦床的研究，可以獲得有關(guān)殼幔物質(zhì)組成、地球動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和成巖成礦的物理化學(xué)條件等方面的重要信息，進(jìn)而為有關(guān)巖石圈演化、找礦勘查和資源評價(jià)工作提供科學(xué)依據(jù)(趙振華等,2002; 任康緒,2003; 聶鳳軍等,2010; 及其參考文獻(xiàn))。

富堿侵入巖一般具有如下特征：(1)常呈線型(帶狀)展布，很難見到孤立的單個(gè)巖體產(chǎn)出、或者呈面狀展布的富堿侵入巖群。(2)線型展布的富堿侵入巖帶都受區(qū)域性大斷裂的控制，常出現(xiàn)于裂谷或地塹等拉張環(huán)境；在板塊碰撞后的一定時(shí)期，沿著縫合線發(fā)生拉張，在拉張環(huán)境中也可以形成富堿侵入巖。因此，富堿侵入巖的出現(xiàn)可能意味著某個(gè)時(shí)期板塊俯沖和碰撞作用的結(jié)束。(3)無論是堿性巖還是堿性花崗巖，它們的巖體形態(tài)在地表常呈環(huán)狀。(4)富堿侵入巖的同位素組成特征說明其成巖物質(zhì)主要來自上地幔(也可能有少部分來自下地殼物質(zhì)熔融產(chǎn)生的巖漿結(jié)晶分異的結(jié)果)，還有不同程度的殼源物質(zhì)的混染?？紤]到富堿侵入巖的產(chǎn)出背景及其富含大離子親石元素的特征，一般認(rèn)為富堿巖漿的部分初始物質(zhì)來源于富集型地幔(涂光熾,1989; 趙振華和周玲棣,1994)。

富堿侵入巖的研究越來越受到學(xué)者們的重視。例如，20世紀(jì)90年代以來，前人對我國北方顯生宙富堿侵入巖的年代學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)等方面做了大量研究工作，取得了許多重要進(jìn)展(如閻國翰等,1988,2000,2001a,b,2002,2008; 牟保磊和閻國翰,1992; 趙振華和周玲棣,1994; Zhou and Zhao,1996; 牟保磊等,2001; 韓寶福等,2004; 任榮等,2009)。但是，仍然有許多問題有待于深入研究，例如，富堿侵入巖的成因問題仍然沒有很好地解決(原始巖漿起源于富集的巖石圈地幔、還是虧損的軟流圈？巖漿上升過程中地殼物質(zhì)混染的貢獻(xiàn)如何？殼幔相互作用過程中巖漿是如何演化的？巖漿活動(dòng)與成礦作用事件是否有確定的因果關(guān)系？巖石圈的富集是否與板塊的俯沖消減作用有關(guān)？)，堿性巖漿的形成機(jī)制、演化過程及其深部動(dòng)力學(xué)背景(形成于板內(nèi)裂谷環(huán)境、板塊俯沖擠壓之后的拉張環(huán)境、還是與熱點(diǎn)地幔柱有關(guān)系？陰山地區(qū)三疊紀(jì)巖漿活動(dòng)事件能否為華北地塊與西伯利亞南緣蒙古褶皺帶最終碰撞拼合時(shí)代提供進(jìn)一步的約束？)等重要的科學(xué)問題也都要求對其開展進(jìn)一步的研究工作。本文旨在總結(jié)陰山及鄰區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖的年代學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)資料，在前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討其成因和指示意義，并為該區(qū)富堿侵入巖的下一步研究提供借鑒。

1　陰山及鄰區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖的分布和形成年齡

燕遼-陰山地區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)很多三疊紀(jì)的富堿侵入巖體，它們西起內(nèi)蒙古包頭市，東到吉林省的中部，向東一直延伸到朝鮮的北部，大體分布于北緯40°～42°之間(寬度約100km)，構(gòu)成一條近EW向、長達(dá)1500km的堿性巖帶 (閻國翰等,2000; 任榮等,2009; 張拴宏等,2010)。陰山地區(qū)位于華北克拉通的北緣，該區(qū)的三疊紀(jì)堿性侵入巖分布在包頭、涼城、四子王旗、察哈爾右后旗和察哈爾右中旗地區(qū)，東邊與之相鄰的堿性侵入巖主要分布在天鎮(zhèn)、陽原和礬山(圖1)。閻國翰等(2001b)將陰山地區(qū)的富堿侵入巖分為南、北兩個(gè)帶：南帶由涼城霓輝正長巖體和包頭東霓輝正長巖構(gòu)成，東邊與之相鄰的天鎮(zhèn)、陽原和礬山堿性雜巖體與前者處于同一緯度；北帶由四子王旗黃合少堿性正長巖體、察哈爾右后旗古城堿性正長巖體和察哈爾右中旗義發(fā)泉正長巖體組成。

圖1　陰山及鄰區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入體的分布(據(jù)閻國翰等,2000)Fig.1　The distribution of Triassic alkali-rich intrusions in the Yinshan and neighboring areas (after Yan et al.,2000)

南帶：涼城霓輝正長巖體和包頭東霓輝正長巖體的Rb-Sr等時(shí)線年齡分別為190.3±5.6Ma和197.7±5.6Ma(閻國翰等,2000)。陽原的東城和姚家莊正長巖體的Rb-Sr等時(shí)線年齡分別為268.1±11Ma和235.9±5Ma(閻國翰等,2000)，陽原響水溝霞石正長巖體和天鎮(zhèn)羅家溝霓輝正長巖的K-Ar同位素年齡分布為248Ma和246～219Ma(牟保磊和閻國翰,1992)。河北礬山雜巖體的Rb-Sr等時(shí)線年齡為218±8Ma(牟保磊和閻國翰,1992)，SHRIMP鋯石U-Pb年齡為218±2Ma(任榮等,2009)，二者在誤差范圍內(nèi)相一致。

北帶：四子王旗黃合少巖體的全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡為203±4Ma(閻國翰等,2000)；察哈爾右后旗古城和察哈爾右中旗義發(fā)泉正長巖體尚未年齡數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，陰山三疊紀(jì)富堿侵入巖的年齡為南帶較年輕(197～190±5.6Ma)，北帶較老(203±4Ma)。而與之相鄰的東邊陽原和礬山巖體的年齡則更老(大約268～220Ma)。

圖2　富堿侵入體的主量元素組成(底圖據(jù)Tang et al.,2013及其參考文獻(xiàn))雜巖體數(shù)據(jù)據(jù)牟保磊和閻國翰,1992; 侯增謙,1992; 閻國翰等,2001b.圖3、圖4、圖5、圖7數(shù)據(jù)來源同此圖Fig.2　Major-oxide variations of the alkali-rich intrusive rocks (base map after Tang et al.,2013,and references therein)

前人早期獲得的同位素年齡確定了上述巖體主要形成于三疊紀(jì)，表明陰山地區(qū)在三疊紀(jì)曾經(jīng)存在堿性拉張型巖漿-構(gòu)造活動(dòng)(閻國翰等,2000)。然而，不同測年方法所得到的結(jié)果還存在較大的差別(和誤差)。例如，利用K-Ar法測定的礬山巖體的形成年齡在248～203Ma之間，Rb-Sr等時(shí)線年齡為218±8Ma(牟保磊和閻國翰,1992及其參考文獻(xiàn))，Sm-Nd等時(shí)線年齡則為243±9.7Ma(牟保磊等,2001)，而鋯石SHRIMP U-Pb年齡則為218±2Ma(任榮等,2009)。這些數(shù)據(jù)說明上述巖體(除了礬山巖體)還需要開展進(jìn)一步的定年工作，從而獲得不同巖體精確的形成年齡，為探討其成因和時(shí)空分布特征提供精確的年齡依據(jù)。

2　富堿侵入巖的巖石學(xué)特征

南帶的涼城和包頭東巖體均為霓輝正長巖體，其主要造巖礦物為正長石和霓輝石；陽原的東城和姚家莊正長巖體分別為霞霓正長巖體和環(huán)狀次透輝巖-正長巖體。河北礬山雜巖體為層狀超鎂鐵質(zhì)巖-正長巖體，平面上呈環(huán)狀，內(nèi)環(huán)為正長巖系，外環(huán)為輝石巖系。北帶則以堿性正長巖體為主，古城堿性正長巖的主要造巖礦物為條紋長石、微斜條紋長石，次要礦物為輝石、角閃石、鈉長石和少量霞石；黃合少正長巖的造巖礦物以微斜長石為主，有少量霞石和霓石(閻國翰等,2000,2001b; 牟保磊等,2001; 任榮等,2009)。

圖4　富堿侵入體的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分形式(球粒隕石值據(jù)Anders and Grevesse,1989；OIB據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.4　Chondrite-normalized REE patterns of the alkali-rich intrusive rocks (chondrite values after Anders and Grevesse,1989；OIB after Sun and McDonough,1989)

陰山地區(qū)堿性巖中的淺色礦物堿性長石為鉀長石和鈉長石。鉀長石廣泛出現(xiàn)在各個(gè)巖體中，含量可達(dá)80%。而鈉長石僅出現(xiàn)在北帶巖體中，含量可達(dá)15%(閻國翰等,2001b)。在顯微鏡下，南帶包頭東和涼城巖體中的鉀長石為卡氏雙晶發(fā)育的正長石，北帶黃合少和古城巖體則以格子雙晶發(fā)育的微斜長石為主，有少量條紋長石。根據(jù)X光粉晶衍射數(shù)據(jù)，計(jì)算出南帶巖體的鉀長石有序度為0.01～0.06，明顯低于北帶巖體鉀長石的有序度(0.26～0.89)，可能反映出南帶的堿性巖比北帶有較高的結(jié)晶溫度(閻國翰等,2001b)。最新的研究在礬山雜巖體中發(fā)現(xiàn)了含鋇和鍶的鉀長石(鋇冰長石和鍶鋇冰長石)，指示巖漿晚期鍶、鋇含量的明顯提高，推測早中生代作為巖漿源區(qū)的巖石圈地幔有不斷富集的趨勢(牟保磊等,2013)。

圖5　富堿侵入體的微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)McDonough and Sun,1995)Fig.5　Primitive mantle-normalized trace-element diagrams for the alkali-rich intrusives (normalization values after McDonough and Sun,1995)

圖6　富堿侵入體的Sr-Nd-Pb同位素變化特征MORB和大洋沉積物據(jù)Hofmann,2003;其他數(shù)據(jù)據(jù)牟保磊和閻國翰,1992; 閻國翰等,2000; 牟保磊等,2001; Pb同位素底圖據(jù)Tang et al.,2006Fig.6　The diagrams showing the variations of Sr-Nd isotopes (a),εNd(t)-age (Ma) (b),Pb isotopes (c) and (d) for the alkali-rich intrusive rocks

在巖石化學(xué)組成上，陰山及鄰區(qū)的三疊紀(jì)富堿侵入巖幾乎全部落入堿性系列的范圍內(nèi)，但其組成變化范圍很大(圖2)，從輝石巖-堿玄巖-二長巖-正長巖到花崗巖呈連續(xù)變化(SiO2含量從35%增加到70%)，主要組成元素之間顯示出規(guī)律性的變化：TiO2、Fe2O3、CaO、P2O5和MgO與SiO2之間呈負(fù)相關(guān)性，Al2O3與SiO2呈正相關(guān)性。大多數(shù)正長巖位于超鉀質(zhì)系列和橄欖玄粗巖系列，礬山雜巖的K2O和Na2O變化范圍非常大，少數(shù)位于鈣堿性系列范圍內(nèi)(圖3)。相比之下，四子王旗和察哈爾地區(qū)的正長巖具有較高的SiO2和Al2O3含量，較低的TiO2、Fe2O3和MgO，這可能反映了它們是地幔源區(qū)物質(zhì)較高程度部分熔融的產(chǎn)物(Tangetal.,2006)，而且經(jīng)歷了相對較大程度的輝石、橄欖巖和角閃石的分離結(jié)晶作用(見下文)。絕大多數(shù)正長巖具有很低的MgO含量，落在了板片熔融實(shí)驗(yàn)(1～4GPa)所產(chǎn)生的熔體范圍之內(nèi)(圖2)，部分樣品具有相對較高的MgO含量和Mg#，落在了來源于大洋板片熔融所產(chǎn)生的埃達(dá)克巖范圍內(nèi)，說明這些巖石的形成可能與再循環(huán)的俯沖板片熔融有關(guān)(Tangetal.,2013)。輝石巖的母巖漿則主要來源于地幔物質(zhì)的部分熔融。

研究區(qū)所有樣品均顯示出輕稀土元素富集的特征(圖4)，與OIB的稀土元素配分形式相似，但是，北帶四子王旗和察哈爾地區(qū)正長巖的稀土元素含量明顯偏低(位于OIB配分曲線之下)。個(gè)別樣品顯示輕微的Eu異常，盡管同一巖體中不同巖石的稀土元素含量不同，但其配分模式大致平行，這些特征暗示它們?yōu)橥磶r漿演化的產(chǎn)物(閻國翰等,2001b)。在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5)，絕大多數(shù)樣品顯示出明顯的大離子親石元素(如Ba、K和Sr)富集、高場強(qiáng)元素(Nb、Ta、Ti)、Th、U和P的虧損。這些特征暗示富堿侵入巖的地幔源區(qū)曾經(jīng)歷了再循環(huán)的地殼物質(zhì)的改造作用(閻國翰等,2001b; Tangetal.,2013)，這與其MgO和SiO2含量變化所反映的地幔源區(qū)特征相一致(圖2)。

3　同位素地球化學(xué)特征

目前的同位素?cái)?shù)據(jù)較少，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)可知，陰山及鄰區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖具有富集的Sr-Nd同位素組成特征，其εNd(t)值從大約-17變化到大約-3(圖6a)，(87Sr/86Sr)i比值從0.7054變化到0.7092，多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在了大洋沉積物的范圍內(nèi)，顯示出II型富集地幔參與的特征，即這些正長巖的原始巖漿主要來源于富集的巖石圈地幔(閻國翰等,2000; 牟保磊等,2001)。四子王旗正長巖具有最低的εNd(t)值(-17)，表明下地殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)較大，這與其鉀長石的Pb同位素組成特征相一致(閻國翰等,2001b)。

現(xiàn)有的Pb同位素?cái)?shù)據(jù)也表明在研究區(qū)富堿侵入巖的巖漿形成過程中有大洋物質(zhì)的參與(圖6c,d)。從εNd(t)值與侵入巖形成年齡的相關(guān)性變化(圖6b)可以看出，隨著形成年齡的減小，下地殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)在增加。由于數(shù)據(jù)較少，目前只能獲得非常初步的認(rèn)識，因此，相應(yīng)的年代學(xué)和同位素地球化學(xué)工作有待加強(qiáng)，以便獲得較為準(zhǔn)確的信息，進(jìn)而為揭示堿性巖漿的形成機(jī)制、巖漿活動(dòng)的時(shí)空分布規(guī)律和巖石圈演化過程提供依據(jù)。

4　巖石成因意義

根據(jù)上述總結(jié)可知，陰山及鄰區(qū)的三疊紀(jì)富堿侵入巖主要來源于富集的巖石圈地幔，并有或多或少的下地殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)。根據(jù)微量元素Ba和Nb的判別圖(圖7a)，該區(qū)富堿侵入巖的母巖漿在上升過程中經(jīng)歷了小程度的地殼物質(zhì)同化混染作用；根據(jù)巖石中相容元素Cr和Ni含量的變化關(guān)系(圖7b)可以看出，在巖漿演化的過程中有大量的單斜輝石、角閃石和橄欖石的分離結(jié)晶。不相容元素La和Yb的相關(guān)性變化(圖7c)表明，四子王旗和察哈爾地區(qū)的富堿侵入巖可能是地幔源區(qū)物質(zhì)經(jīng)歷較高程度部分熔融的產(chǎn)物，而且經(jīng)歷了較大程度的單斜輝石和角閃石的分離結(jié)晶作用(圖7b)，相比之下，涼城、包頭、礬山和陽原富堿侵入巖則為源區(qū)物質(zhì)較低程度部分熔融的產(chǎn)物，在La/Nb和Ba/Nb判別圖上，后者明顯具有島弧熔巖的特征(圖7d)，這與其主量元素(圖2)和同位素組成特征相一致(圖6)，即在巖漿形成過程中有來源于俯沖的大洋板片物質(zhì)的貢獻(xiàn)。

圖7　富堿侵入體的微量元素變化特征(底圖據(jù)Yang et al.,2005; Tang et al.,2013)Fig.7　The variations of selected trace elements for the alkali-rich intrusive rocks (base map after Yang et al.,2005; Tang et al.,2013)

綜述所述，陰山及鄰區(qū)的三疊紀(jì)富堿侵入巖主要來源于富集的巖石圈地幔的部分熔融，該富集的巖石圈地幔是由于俯沖的大洋板片熔融所釋放的熔體/流體交代而形成的。這說明華北北緣(陰山及東邊鄰區(qū))的巖石圈地幔經(jīng)歷了俯沖的大洋板片物質(zhì)的交代作用，該事件可能與古生代以來古亞洲洋的閉合密切相關(guān)。前人關(guān)于華北北緣中生代高鎂安山巖和侵入巖的成因(Zhangetal.,2003,2004)、新生代玄武巖攜帶的輝石巖捕虜體(Xu,2002)和地幔橄欖巖捕虜體(Tangetal.,2007; Liuetal.,2010; Zhangetal.,2012)的研究均表明再循環(huán)的俯沖洋殼對華北北緣巖石圈地幔的改造作用。研究區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖的形成所指示的拉張環(huán)境則意味著古亞洲洋的最終閉合以及華北與蒙古陸塊俯沖/碰撞作用的結(jié)束。

5　結(jié)束語

目前對陰山及其鄰區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖的年代學(xué)和巖石地球化學(xué)的研究程度不高。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明，該區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖的形成年齡為268～190Ma，由于絕大多數(shù)年齡數(shù)據(jù)為Rb-Sr等時(shí)線、Sm-Nd等時(shí)線或K-Ar同位素年齡，年齡數(shù)據(jù)偏少，而且存在同一巖體的測定結(jié)果不一致的現(xiàn)象，還有一些巖體至今尚無年齡制約。由于精確的年齡測定對于探討巖石成因、巖漿活動(dòng)的時(shí)空分布規(guī)律和巖石圈演化過程都具有至關(guān)重要的作用，因此有必要對該區(qū)的富堿侵入巖開展進(jìn)一步的定年工作。

該區(qū)三疊紀(jì)富堿侵入巖的地球化學(xué)特征表明，它們主要起源于經(jīng)過俯沖的大洋板片熔融所釋放的熔體/流體交代的富集型巖石圈地幔，并有不同程度的下地殼物質(zhì)的參與。這些侵入巖的形成很可能標(biāo)志著古亞洲洋的閉合和華北-蒙古陸塊碰撞作用的結(jié)束。但不同巖體的形成年齡、巖石學(xué)和地球化學(xué)特征上的差異及其深部動(dòng)力學(xué)背景仍需要進(jìn)一步的研究。

致謝衷心感謝兩位評審專家對文章的修改提出的建設(shè)性意見。

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