冀東碣石山巖體的主要特征及成因探討

趙忠海

（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

冀東碣石山巖體的主要特征及成因探討

趙忠海

（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

本文在1/5萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過遙感解譯、野外調(diào)查、巖礦鑒定以及化學(xué)分析等技術(shù)方法，對碣石山巖體的主要地質(zhì)特征、巖石學(xué)特征以及巖石化學(xué)特征等進(jìn)行了深入研究，對其巖漿類型、成因以及形成環(huán)境進(jìn)行了初步探討。研究表明，碣石山巖體的主要巖性為似斑狀二長花崗巖和中細(xì)粒正長花崗巖，屬高鉀鈣堿性系列的酸性巖，具有Rb、Th、Zr、U及輕稀土元素相對富集，Ba、Sr、Nb、Ta、Cr、Ni及重稀土元素相對虧損等特點(diǎn)，其巖漿類型屬殼源的S型巖漿，其形成環(huán)境應(yīng)為同碰撞構(gòu)造作用后的伸展環(huán)境。

碣石山巖體；二長花崗巖；正長花崗巖；S型巖漿；后碰撞作用；伸展環(huán)境。

0 前言

碣石山巖體位于河北省昌黎縣北至撫寧縣西，平面分布近圓形，其直徑約15km，總計(jì)出露面積約200km2。該巖體的產(chǎn)狀為一大型復(fù)式巖基，其主要巖性為二長花崗巖—正長花崗巖，巖石結(jié)構(gòu)為似斑狀—中細(xì)粒狀，巖石中暗色礦物以黑云母為主，偶見角閃石和榍石。關(guān)于碣石山巖體的時(shí)代和成因，前人也曾做過一定工作，總體認(rèn)為該巖體形成于中生代早白堊世，其成因類型為I型花崗巖（郭友釗等，2001）。

本次工作通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年，測得該巖體的年齡為115.0±1.7Ma和118.7±2.7Ma，故亦認(rèn)為該巖體形成于早白堊世，是華北燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，但對其成因類型卻有不同看法。由于該巖體地處華北克拉通東部邊緣（圖1），而中生代早白堊世正是華北克拉通巖石圈減薄，巖漿活動(dòng)廣泛而強(qiáng)烈的重要時(shí)期（許溫良等，2004），研究該巖體的巖漿來源及其形成環(huán)境對于研究確定華北克拉通東部巖石圈減薄時(shí)間與機(jī)制具有十分重要的意義，故本文在1/5萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過遙感解譯、野外調(diào)查、巖礦鑒定以及化學(xué)分析等技術(shù)方法，對該巖體的主要地質(zhì)特征、巖石學(xué)特征以及巖石地球化學(xué)特征等進(jìn)行了深入研究，對其巖漿類型、成因以及形成環(huán)境進(jìn)行了初步探討。

圖1 碣石山巖體在華北克拉通的位置示意圖Fig.1 Location sketch map of the Jieshi mountain pluton in the North China Craton

1 碣石山巖體的主要特征

1.1 地質(zhì)特征

碣石山巖體分布于河北省昌黎縣北部十里鋪、耿莊、梁各莊、楊家臺(tái)、西宋莊至撫寧縣西黃巧峪、椒園寺、大所各莊、孫家撥子一帶，平面上近圓形分布，其主要巖性為似斑狀二長花崗巖—中細(xì)粒狀正長花崗巖，其中似斑狀二長花崗巖出露在巖體四周，巖石風(fēng)化程度較重，形成的地貌相對寬緩；中細(xì)粒狀正長花崗巖出露在巖體中部，巖石風(fēng)化程度較輕，形成的地貌比較陡峻。從二者接觸關(guān)系來看，中細(xì)粒狀正長花崗巖明顯侵入于似斑狀二長花崗巖中。該巖體的四周大部分為第四系上更新統(tǒng)殘坡積、沖洪積物所覆蓋，僅在其西北部大王翟坨村—小王柳河村、西南部苓芝頂村—五里營村以及東南部后營村—池莊村一帶見該巖體與太古界三門店組、新太古代含霓石石英正長巖以及中生界上白堊統(tǒng)張家口組呈侵入關(guān)系接觸（圖2），在接觸帶附近見礦化蝕變現(xiàn)象。巖體中脈巖比較發(fā)育，總體以中、酸性脈巖為主。巖石中的捕虜體主要為沉積巖，偶見暗色變質(zhì)巖包體。

圖2 碣石山巖體遙感解譯圖Fig.2 Remote sensing interpretation chart of the Jieshi mountain pluton

1.2 巖石學(xué)特征

碣石山巖體的主要巖性為二長花崗巖及正長花崗巖。其中二長花崗巖為灰白色—黃灰色，似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，其斑晶大小一般為1.5～6mm，主要由鉀長石（30%±）、斜長石（10%±）及石英（10%±）組成；基質(zhì)大小一般為0.2～1.5mm，主要由鉀長石（20%±）、斜長石（10%±）、石英（15%±）、角閃石以及黑云母組成，角閃石與黑云母的含量約5%左右。顯微鏡下，斜長石環(huán)帶構(gòu)造發(fā)育，石英波狀消光明顯，可見鉀長石與石英構(gòu)成的文象結(jié)構(gòu)。正長花崗巖為灰白色—淺肉紅色，中—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由斜長石、鉀長石、石英和黑云母組成。其中，斜長石含量約10%～15%，呈半自形板狀，粒度一般為0.1～1.4mm；鉀長石含量約45%～50%，呈半自形板狀，粒度一般為0.2～2.0mm；石英含量約30%～35%，呈它形粒狀，粒度一般為0.1～1.5mm；黑云母含量約2%～3%，呈鱗片—葉片狀，粒度一般為0.1～1.5mm。顯微鏡下，斜長石個(gè)別可見環(huán)帶構(gòu)造，石英具輕微波狀消光，鉀長石局部高嶺土化，黑云母零星可見綠泥石化。

1.3 地球化學(xué)特征

（1）主量元素地球化學(xué)特征

碣石山巖體的巖石化學(xué)特征見表1。從中可以看出，該巖體SiO2含量為72.89%～77.90%，屬酸性巖；Na2O+K2O含量為8.24%～8.70%，在TAS圖解中均投影至花崗巖區(qū)域內(nèi)且在堿性—亞堿性系列分界線下方（圖3），屬亞堿性系列花崗巖；Al2O3含量12.89%～16.90%，鋁飽和指數(shù)A/CNK為1.00～1.049，A/CNK大于1.0而小于1.1，屬弱過鋁質(zhì)花崗巖；里特曼組合指數(shù)δ值為1.95～2.50，δ小于3.3，為鈣堿性系列巖石；K2O/Na2O的值為1.02～1.32，均大于1，巖石相對富鉀貧鈉；巖石分異指數(shù)DI值為90.3～96.6，巖石固結(jié)指數(shù)SI值為0.85～3.35，表明其巖漿經(jīng)歷了中等程度的分異演化。總體看來，該巖體巖漿具有富硅、鋁、堿而貧鈣、鐵、鎂的特點(diǎn)，且由早至晚，體現(xiàn)出SiO2由低至高、Al2O3及Na2O+K2O由高至低的演化趨勢。

圖3 碣石山巖體TAS圖解Fig.3 Diagram of TAS for the Jieshi mountain pluton

表1 碣石山巖體化學(xué)成分特征表Tab. 1 Chemical compositions of the Jieshi mountain pluton

（2）稀土和微量元素地球化學(xué)特征

碣石山巖體的稀土和微量元素特征見表2。從中可以看出，該巖體稀土元素的總量較低，∑REE為86.0×10-6～183.1×10-6，其中LREE總量為74.64×10-6～168.4×10-6，HREE總量為8.68× 10-6～14.7×10-6，LR/HR值為6.24～11.45，La/Yb值為4.71～13.37,表明該巖體輕重稀土分異明顯，LREE較HREE相對富集。依據(jù)赫爾曼提出的以稀土元素未發(fā)生分餾的球粒隕石的Sm/Nd值判斷稀土元素虧損（Sm/Nd＞0.333）和富集（Sm/Nd＜0.333）的標(biāo)準(zhǔn)，碣石山巖體的Sm/Nd值為0.16～0.18，小于0.333，屬LREE富集型。在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)分布圖（圖4）上，碣石山巖體的分布曲線呈“海鷗型”，總體右傾，Eu負(fù)異常明顯，Eu左側(cè)曲線陡傾，Eu右側(cè)曲線比較平緩，表明輕稀土的分異程度高于重稀土。碣石山巖體的La/Sm值為6.70～11.18，Gd/Yb值為0.90～1.77，表明該巖體輕稀土元素之間的分異程度大，重稀土元素之間的分異程度相對較小，這與該巖體稀土元素分布曲線的意義一致。

圖4 碣石山巖體稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)分布圖Fig.4 Chondrite-normalized REE Patterns of the Jieshi mountain pluton

同維氏同類巖石的平均值相比，碣石山巖體二長花崗巖中Rb、Ba、Th等微量元素相對富集，Sr、Cr、Ni等微量元素相對虧損，Zr、U、Nb、Ta等微量元素相近；正長花崗巖中Rb、Th等微量元素相對富集，Ba、Sr、Cr、Ni等微量元素相對虧損，Zr、U、Nb、Ta等微量元素相近。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖上（圖5），該巖體的分布曲線總體右傾，巖石中的Rb、K、La、Hf等微量元素明顯富集，Th、Ce、Nd、Zr等微量元素相對富集，Ba、Sr、P、Ti等微量元素明顯虧損，U、Ta、Nb等微量元素相對虧損。

表2 碣石山巖體稀土和微量元素特征表Tab.2 REE data and trace element of the Jieshi mountain pluton

該巖體的Rb/Yb值為61.08～116.79，遠(yuǎn)大于1，屬強(qiáng)不相容元素富集型。

圖5 碣石山巖體微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.5 Primitive mantle-normalized spider diagrams of the Jieshi mountain pluton

2 碣石山巖體的成因探討

2.1 巖石成因類型

關(guān)于花崗巖成因類型的劃分，不同學(xué)者通過對不同地區(qū)花崗巖的研究，從不同角度提出了各自的分類方案。其中以Chappell和White（1974）提出的I型和S型花崗巖以及Ishihara（1979）提出的磁鐵礦系列和鈦鐵礦系列花崗巖分類方案較有代表性。此外，Collins等(1982)劃分出的產(chǎn)于非造山環(huán)境相對不含水的堿性的A型花崗巖以及Pitcher（1983）劃分出的產(chǎn)于蛇綠巖套中的M型花崗巖等，均進(jìn)一步推進(jìn)了花崗巖成因研究方面的工作。由于花崗巖是涉及到不同源巖的幾種巖石形成作用過程末期的產(chǎn)物，而每種源巖和巖石形成作用都與特定的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，故研究花崗巖成因類型，有助于分析其形成時(shí)的構(gòu)造環(huán)境（馬鴻文，1992）。

目前，確定花崗巖的成因類型主要是依據(jù)各種地球化學(xué)參數(shù)或圖解。由于不同的參數(shù)或圖解僅能代表一兩個(gè)不同的變量，應(yīng)用不同的參數(shù)或圖解，有時(shí)會(huì)得出不一致甚至互相矛盾的結(jié)論。故研究花崗巖成因類型，除了依據(jù)各種地球化學(xué)參數(shù)或圖解外，還應(yīng)綜合考慮巖石組合、巖體產(chǎn)狀以及包體類型等。本文在綜合分析碣石山巖體的地質(zhì)特征、巖石特征、巖石化學(xué)特征以及巖石地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，認(rèn)為該巖體應(yīng)屬于S型花崗巖，其依據(jù)如下。①碣石山巖體的產(chǎn)狀為大型多期巖基，平面呈圓形，與I型花崗巖通常呈大型多期線性巖基及A型花崗巖通常呈多期中心式破火山口雜巖的產(chǎn)狀有較大不同。② 碣石山巖體的主要巖性組合為“二長花崗巖—正長花崗巖”，與S型花崗巖的巖石組合特征相一致。而I型花崗巖的巖石組合通常是“閃長巖—二長花崗巖”，A型花崗巖的巖石組合通常是“堿性花崗巖—堿性正長巖”（高秉璋等，1991）。③碣石山巖體相對富硅、富鋁、富堿而貧鈣、貧鐵、貧鎂，且鉀大于鈉，鋁飽和指數(shù)A/CNK大于1.0而小于1.1，巖石分異指數(shù)DI高而固結(jié)指數(shù)SI低，這與S型花崗巖特征較符合。④碣石山巖體稀土元素的總量較低，稀土分布曲線呈“海鷗型”，與典型S型花崗巖的稀土配分形式極其相似（周新民，2007）。曲線總體右傾，左高右平，Eu負(fù)異常非常明顯,在稀土分布曲線上表現(xiàn)為很深的“銪谷”，這與A型花崗巖稀土總量高、常具Eu正異常以及I型花崗巖幾乎沒有“銪谷”的特征相差甚遠(yuǎn)，而與S型花崗巖的稀土特征比較相近（吳鎖平等，2007）。δEu值為0.13～0.37，均小于0.70，Gd/Yb值為0.89～1.77,平均值為1.41，接近于1，這與S型花崗巖特征一致（江勝國等，2013）。⑤碣石山巖體的微量元素總體具有Rb、Th、K、Zr、U相對富集而Ba、Sr、Nb、Ta、Cr、Ni相對虧損的特點(diǎn)，這些元素地球化學(xué)組成指示其與大陸地殼物質(zhì)具有明顯的親緣性，故該巖體起源于幔源巖漿分異演化的可能性較小，而更可能起源于地殼物質(zhì)的部分熔融。 碣石山巖體的Zr/Hf值為20.73～27.07，Nb/Ta值為9.26～12.19，與大陸地殼花崗巖的比值Zr/Hf為33～40，Nb/Ta約為11非常相似（Green,1995）。⑥在判斷花崗巖成因類型的K2O-Na2O圖解（Collins et al，1982）中，碣石山巖體均投影于S型花崗巖區(qū)或S型花崗巖與A型花崗巖分界線附近（圖6）；在δEu-(La/ Yb)N圖解（王中剛，1989）中，碣石山巖體均投影于S型花崗巖區(qū)（圖7）；在SiO2-Zr圖解（圖8）中，碣石山巖體均投影于S型花崗巖區(qū)（張建澤等，2015）。結(jié)合巖石組合特征等綜合判斷，碣石山巖體的成因類型應(yīng)為S型花崗巖而非I型或A型花崗巖。

圖6 碣石山巖體K2O-Na2O圖解Fig.6 K2O-Na2O diagrams of the Jieshi mountain pluton

圖7 碣石山巖體δEu-(La/Yb)N圖解Fig.7 δEu-(La/Yb)Ndiagrams of the Jieshi mountain pluton

圖8 碣石山巖體SiO2-Zr圖解Fig.8 SiO2-Zr diagrams of the Jieshi mountain pluton

故綜上所述認(rèn)為，碣石山巖體的成因類型為S型花崗巖。

2.2 構(gòu)造環(huán)境分析

不同成因系列的巖漿巖產(chǎn)出于不同的構(gòu)造環(huán)境，與板塊構(gòu)造關(guān)系密切。Maniar and Piccoli（1987）利用花崗巖類巖石、礦物學(xué)特征和主量元素化學(xué)特征將花崗巖類形成的構(gòu)造環(huán)境劃分為造山和非造山兩大類，造山花崗巖又分為島弧、大陸弧、大陸碰撞和造山期后花崗巖4種類型；非造山花崗巖可能與裂谷有關(guān)，也可能與大陸造陸上升有關(guān)，還包括大洋斜長花崗巖（肖慶輝，2002）。長期以來，S型花崗巖的形成一直被認(rèn)為是在陸-陸碰撞帶或克拉通上韌性剪切帶大產(chǎn)物（劉曉濤等，2014）。碣石山巖體在R1-R2多陽離子參數(shù)構(gòu)造環(huán)境判別圖中均投影于同碰撞S型花崗巖區(qū)或同碰撞S型花崗巖與晚造山期花崗巖分界線附近（圖9）；在Rb-Y+Nb構(gòu)造環(huán)境判別圖中均投影于后碰撞花崗巖區(qū)（圖10）；在Hf-Rb-Ta圖中均投影于碰撞后花崗巖或碰撞后花崗巖與火山弧花崗巖分界線附近（圖11）；在SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)]圖（魯學(xué)悟，2008）中均投影于伸展型區(qū)域內(nèi)（圖12）。這表明碣石山巖體的巖漿活動(dòng)與同碰撞構(gòu)造作用有關(guān)，但在時(shí)間上比同碰撞構(gòu)造作用晚，其形成于晚造山期或同碰撞構(gòu)造作用后由于主要海洋關(guān)閉，某些大陸塊體沿巨大剪切帶的大規(guī)模水平運(yùn)動(dòng)、巖石圈拆沉以及小型海洋板塊的俯沖等導(dǎo)致的伸展環(huán)境，成巖過程較復(fù)雜，但巖漿總體是以殼源為主（趙振華，2007）。

2.3 巖漿成因探討

碣石山巖體在區(qū)域上與中生界下白堊統(tǒng)張家口組火山巖（K1z）呈侵入關(guān)系接觸，本次工作采用LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年方法測得該巖體的年齡為115.0±1.7Ma和118.7±2.7Ma，故該巖體屬于中生代早白堊世侵入巖。

圖9 碣石山巖體R1-R2構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.9 R1-R2 discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

圖10 碣石山巖體Rb-Y+Nb構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.10 Rb-Y+Nb discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

圖11 碣石山巖體Hf-Rb-Ta構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.11 Hf-Rb-Ta discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

圖12 碣石山巖體SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)]構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.12 SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)] discrimination diagram for the tectonic environment of the Jieshi mountain pluton

圖13 華北陸塊晚中生代周緣板塊相互作用示意圖Fig.13 A rough draft for the resultant effect from adjacent plate interactions on the evolution of the North China Block

據(jù)區(qū)域研究成果，晚中生代尤其是早白堊世時(shí)期正是華北地區(qū)重要的構(gòu)造變革與轉(zhuǎn)型時(shí)期。華北陸塊及其周緣地區(qū)受到了來自古太平洋板塊，尤其是伊澤奈崎板塊運(yùn)動(dòng)的影響。該板塊在晚侏羅世—早白堊世時(shí)期以非常低緩的速度朝NW向俯沖于東亞大陸之下，至140Ma左右晚侏羅世時(shí)期突然改變了運(yùn)動(dòng)方向和速度，其快速的向北運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)向拖曳的應(yīng)力與來自西伯利亞板塊的向南擠壓作用、來自印支陸塊的北向擠壓作用以及來自中國西南地區(qū)由于特提斯洋閉合所引起的被動(dòng)擠壓作用（圖13），導(dǎo)致了華北陸塊巖石圈的伸展—減薄作用（范蔚茗等，2005），這種擠壓—伸展作用，引起下部地殼重熔，生成殼源巖漿并侵入，形成了本區(qū)中生代早白堊世的中酸性深成侵入巖—碣石山巖體。

3 結(jié)語

碣石山巖體的主要巖性為似斑狀二長花崗巖和中細(xì)粒狀正長花崗巖，與中生界下白堊統(tǒng)張家口組火山巖呈侵入關(guān)系接觸，LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為115.0±1.7Ma和118.7±2.7Ma，屬于中生代早白堊世侵入巖；該巖體SiO2含量為72.89%～77.90%，Na2O+K2O含量為8.24%～8.70%，Al2O3含量12.89%～16.90%，鋁飽和指數(shù)A/CNK為1.00～1.049，里特曼組合指數(shù)δ值為1.95～2.50，屬弱過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列的酸性花崗巖；巖體中Rb、K、La、Hf及輕稀土元素相對富集，Ba、Sr、P、Ti及重稀土元素相對虧損，Eu負(fù)異常明顯,屬殼源S型花崗巖；該巖體在R1-R2多陽離子參數(shù)構(gòu)造環(huán)境判別圖中投影于同碰撞S型花崗巖區(qū)或同碰撞S型花崗巖與晚造山期花崗巖分界線附近，在Rb-Y+Nb構(gòu)造環(huán)境判別圖中投影于后碰撞花崗巖區(qū)，在Hf-Rb-Ta圖中投影于碰撞后花崗巖或碰撞后花崗巖與火山弧花崗巖分界線附近，在SiO2-lg [CaO/(Na2O+K2O)]圖中投影于伸展型區(qū)域內(nèi)，其形成環(huán)境應(yīng)為同碰撞構(gòu)造作用后的伸展環(huán)境。

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Study on the Main Characteristics and Genesis of the Jieshi Mountain Pluton in Eastern Hebei

ZHAO Zhonghai

(Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195)

The Jieshi Mountain pluton is located in the region from the north of Changli County to the west of Funing County, its shape is nearly round in the plane, its area is about 220 square kilometers, it is a large composite plutonic batholith and the previous research of its main characteristics, genetic types and formation environment degree was relatively not enough. Based on 1：50000 regional geology and mineral resources survey, the author deeply studied the main geological, petrological and petrochemical characteristics of the Jieshi Mountain pluton and brief l y discussed its magma type, genesis and formation environment by the remote sensing interpretation, fi eld investigation, rock-mineral determination and chemical analysis, etc. The Studies have shown that the main rocks of the Jieshi Mountain pluton are the porphyritic monzonitic granite and the fi ne-medium granular syenogranite, it belongs to the high-K acidic rocks of the calc-alkaline series and it has the characteristics that Rb, Th, Zr, U and light rare earth elements are relative enrichment and Ba, Sr, Nb, Ta, Cr, Ni and heavy rare earth elements are relative depleted. Its magma type belongs to the crust source S type and originated in post-collisional extension settings.

the Jieshi Mountain pluton; Monzonitic granite; Syenogranite; S type magma; Post-collision; Extension settings.

P588.1

A

1007-1903（2017）01-0034-08

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.006

趙忠海（1970- ），男，教高，從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查、工程物探勘察以及地質(zhì)災(zāi)害評估、勘查、防治工作。