華北密云地區(qū)早中元古代正長(zhǎng)花崗斑巖巖石成因

習(xí)澤晨，李珊珊，何登洋，楊澤宇，邱昆峰,2

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

0 引言

華北克拉通東部和西部陸塊在約1.85 Ga沿中部造山帶碰撞拼合標(biāo)志著統(tǒng)一結(jié)晶基底的形成，隨后在約1.8 Ga其構(gòu)造背景由擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺弓h(huán)境[1--4]。密云地區(qū)位于華北克拉通北緣中段(圖1)，在早中元古代形成了大量A型環(huán)斑花崗巖[5]。前人[5--8]研究認(rèn)為，密云環(huán)斑花崗巖形成于1 700～1 680 Ma期間，屬于A(yíng)MCG(斜長(zhǎng)巖--紋長(zhǎng)二長(zhǎng)巖--紫蘇花崗巖--花崗巖)巖系，表明其形成于伸展環(huán)境。因此，密云地區(qū)在早中元古代的伸展過(guò)程從1 700 Ma開(kāi)始，至少持續(xù)到1 680 Ma。然而，前人[5, 7]對(duì)密云地區(qū)在早中元古代伸展過(guò)程的認(rèn)識(shí)多基于A(yíng)型環(huán)斑花崗巖的研究，認(rèn)為其形成于伸展環(huán)境，對(duì)區(qū)域內(nèi)正長(zhǎng)花崗斑巖研究較少，探討正長(zhǎng)花崗斑巖成因有助于進(jìn)一步了解密云地區(qū)在早中元古代的伸展過(guò)程。

圖1 華北克拉通地質(zhì)簡(jiǎn)圖 [22--23]Fig.1 Sketch geological map of North China Craton

本文以密云地區(qū)霍各莊鐵礦出露的正長(zhǎng)花崗斑巖為研究對(duì)象，通過(guò)巖石學(xué)、巖相學(xué)、鋯石U--Pb年代學(xué)、鋯石微量元素地球化學(xué)和鋯石Ti溫度計(jì)研究，并結(jié)合前人研究資料，為密云地區(qū)在早中元古代的伸展過(guò)程提供新的年代約束。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

華北克拉通至少存在4.0 Ga的地質(zhì)演化歷史[9--10]；在約3.8～3.2 Ga期間形成古老陸核[11]； 在2.9～2.7 Ga期間，通過(guò)陸殼增生的方式圍繞古老陸核生長(zhǎng)形成微陸塊[12--15]；在新太古代晚期(2.6～2.5 Ga)，伴隨火山作用、沉積作用以及麻粒巖相--角閃巖相變質(zhì)作用，形成登封、紅透山等綠巖帶，基本實(shí)現(xiàn)克拉通化[14, 16]；在2.3～1.95 Ga期間，經(jīng)歷了基底殘留洋盆與陸內(nèi)拉伸--裂谷事件[17]；在1.95～1.9 Ga期間，經(jīng)歷了擠壓構(gòu)造事件，形成膠遼活動(dòng)帶、豐鎮(zhèn)活動(dòng)帶和晉豫活動(dòng)帶[15]；在約1.82～1.6 Ga期間，先后經(jīng)歷了麻粒巖相--角閃巖相結(jié)晶基底抬升、角閃巖相退變質(zhì)作用和熊耳群、長(zhǎng)城系地層的不整合覆蓋[14, 18]； 約1.78 Ga的大火成巖事件中形成了太行--呂梁基性巖墻群、熊耳裂谷火山巖系和密云--北臺(tái)基性巖墻群[19]；在1.72～1.62 Ga期間，轉(zhuǎn)為非造山巖漿活動(dòng)，形成大廟雜巖體、密云環(huán)斑花崗巖和大紅峪組火山巖等[8, 20--21]。

密云地區(qū)位于華北克拉通北緣中段，主要由太古宙晚期TTG片麻巖、變質(zhì)火山巖和變質(zhì)沉積巖以及元古宙環(huán)斑花崗巖組成[24--27]。其中，TTG片麻巖、變質(zhì)火山巖和變質(zhì)沉積巖大約形成在2.6～2.5 Ga期間[24]，環(huán)斑花崗巖大約形成在1.7～1.68 Ga期間[5--8]。密云地區(qū)出露的地層主要有古太古代四合堂群(自下而上依次為陽(yáng)坡地組、宋營(yíng)子組、西灣子組和山神廟組)、新太古代密云群(自下而上依次為沙廠(chǎng)組、葦子峪組和大漕組)、中元古代長(zhǎng)城系和中元古代薊縣系[28--29](圖2)。其中，太古代地層巖性主要以變粒巖和片麻巖為主；中元古代長(zhǎng)城系以陸相--淺海相碎屑沉積為主；中元古代薊縣系巖性以白云巖為主[28]。密云地區(qū)在大約2.8 Ga的遷西運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)，在大約2.5 Ga的阜平運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)[29]，在大約1.7～1.68 Ga期間的巖漿活動(dòng)中形成了大量環(huán)斑花崗巖[5, 7, 30]。

圖2 華北克拉通密云地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖 [31]Fig.2 Sketch geological map of North China Craton in Miyun area

2 地質(zhì)特征及巖相學(xué)

研究區(qū)位于密云縣霍各莊鐵礦床的南礦段，出露輝綠巖、輝長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)花崗斑巖和云煌巖等。其中，正長(zhǎng)花崗斑巖侵位于云煌巖和輝長(zhǎng)巖，推測(cè)正長(zhǎng)花崗斑巖形成時(shí)間晚于云煌巖和輝長(zhǎng)巖(圖3a)。

正長(zhǎng)花崗斑巖新鮮面呈淺肉紅色，風(fēng)化面呈灰白色，斑狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育晚期的方解石細(xì)脈(圖3b)，斑晶成分主要為石英(15%)和正長(zhǎng)石(10%)(圖3c)。其中，石英斑晶呈他形粒狀，粒徑在500～1 500 μm之間。正長(zhǎng)石斑晶呈他形粒狀，粒徑在800～2 000 μm之間?；|(zhì)成分主要為正長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石(圖3d)。副礦物有磁鐵礦、磷灰石和鋯石。

a.正長(zhǎng)花崗斑巖野外照片; b.正長(zhǎng)花崗斑巖手標(biāo)本照片; c.正長(zhǎng)花崗斑巖正交偏光照片; d.正長(zhǎng)花崗斑巖方解石脈正交偏光照片。Cal.方解石;Or.正長(zhǎng)石;Qz.石英;Pl.斜長(zhǎng)石。圖3 正長(zhǎng)花崗斑巖野外露頭、手標(biāo)本及顯微照片F(xiàn)ig.3 Outcrops, hand specimen and photomicrographs of syenogranitic porphyry

3 分析方法

3.1 鋯石U--Pb年齡和微量元素

鋯石單礦物挑選和制靶是在北京前寒武科技有限公司完成。鋯石單礦物挑選為手工挑選，樣品經(jīng)顎式破碎機(jī)粗碎和對(duì)輥破碎機(jī)細(xì)碎到一定目數(shù)后，由人工淘洗、烘干或室溫自然陰干，采用重液和電磁選方法分離出特定重礦物，在雙目顯微鏡下逐粒挑選出指定礦物。制靶流程為：由人工在雙目顯微鏡下將單礦物顆粒按順序依次擺放整齊后，經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂包埋鑲嵌，打磨、拋光、清洗成靶樣，在偏光顯微鏡下拍透射光和反射光圖像、在掃描電鏡下拍陰極發(fā)光(CL)圖像。

本文測(cè)試鋯石U--Pb同位素定年和微量元素含量分析在北京燕都中實(shí)測(cè)試技術(shù)有限公司利用LA--ICP--MS分析完成。激光剝蝕系統(tǒng)為New Wave UP213，ICP--MS為布魯克M90，束斑為30 μm。激光剝蝕過(guò)程中采用氦氣作載氣、氬氣為補(bǔ)償氣以調(diào)節(jié)靈敏度，采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500和Plesovice作為外標(biāo)進(jìn)行同位素分餾矯正。對(duì)鋯石樣品的U--Pb年齡諧和圖繪制采用軟件ISOPLOTR完成[32]。

3.2 鋯石Ti溫度計(jì)計(jì)算方法

Waston et al.[33]通過(guò)高溫、高壓實(shí)驗(yàn)(1～2 GPa， 675～1 450℃，初始物質(zhì)為多組分含ZrO2的硅酸鹽熔體和熱液)，得出鋯石Ti溫度計(jì)計(jì)算公式為：

lg Ti鋯石=(6.01±0.03)-(5 080±30)/T(K)

(1)

其中，鋯石中Ti的含量受壓力影響不大。在計(jì)算未知源區(qū)和生長(zhǎng)條件的鋯石結(jié)晶溫度時(shí)，此方法存在±10℃的誤差。本文利用公式(1)對(duì)正長(zhǎng)花崗斑巖(19MY24)鋯石的結(jié)晶溫度進(jìn)行計(jì)算。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 鋯石U--Pb分析結(jié)果

正長(zhǎng)花崗斑巖(19MY24)鋯石多呈自形--半自形棱柱狀、次圓狀，粒徑多為(70×120～100×200)μm，晶體長(zhǎng)寬比介于(1∶1)～(2∶1)之間，鋯石內(nèi)部可見(jiàn)清晰震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4a)。鋯石Th含量分布在(8～57)×10-6之間，U含量分布在(14～87)×10-6之間，Th/U比值分布在0.47～0.85之間。對(duì)該正長(zhǎng)花崗斑巖29顆鋯石進(jìn)行了U--Pb同位素分析，27個(gè)點(diǎn)的諧和圖如圖4b所示，取其中諧和度較好的25個(gè)點(diǎn)做加權(quán)平均年齡，25個(gè)點(diǎn)的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為(1 666±17)Ma(n=25，MSWD=0.12)(圖4c)，代表了該正長(zhǎng)花崗斑巖的結(jié)晶年齡(表1)。

圖4 正長(zhǎng)花崗斑巖部分鋯石陰極發(fā)光圖(a)、鋯石U--Pb年齡諧和圖(b)與加權(quán)平均年齡(c)Fig.4 CL images of selected zircons (a),U--Pb concordia diagrams (b) and weighted average ages (c) of zircons from syenogranitic porphyry

表1 正長(zhǎng)花崗斑巖LA--ICP--MS鋯石U--Pb定年結(jié)果Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb dating of syenogranitic porphyry

4.2 鋯石結(jié)晶溫度和微量元素特征

由公式(1)計(jì)算可以得出正長(zhǎng)花崗斑巖(19MY24)鋯石的結(jié)晶溫度在754℃～862℃之間，均值為800.5℃。因此，正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石結(jié)晶時(shí)的巖漿溫度約為(800±60)℃。

鋯石總稀土含量為(281～1 152)×10-6，輕稀土含量為(12～64)×10-6，重稀土含量為(266～1 097)×10-6。鋯石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(xiàn)圖具有左傾特征(圖5)，LREE/HREE為0.03～0.07，(La/Yb)N、(La/Sm)N、(Ce/Yb)N和(Gd/Yb)N的值大部分<0.1，輕重稀土元素分異明顯，具有明顯的Ce正異常(1.96～46.80)和Eu負(fù)異常(0.05～0.23)(表2)。

圖5 正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(xiàn)圖 [34--35]Fig.5 Zircon chondrite normalized REE distribution patterns diagram of syenogranitic porphyry

5 討論

5.1 正長(zhǎng)花崗斑巖侵位時(shí)代

近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)密云地區(qū)環(huán)斑花崗巖進(jìn)行了大量高精度的鋯石U--Pb年代學(xué)研究。郁建華等[6]通過(guò)TIMS方法獲得密云環(huán)斑花崗巖的結(jié)晶年齡為(1 683±4)Ma。楊進(jìn)輝等[5]通過(guò)LA--ICP--MS鋯石U--Pb方法獲得密云環(huán)斑花崗巖的結(jié)晶年齡為(1 681±10)Ma。高維等[7]通過(guò)SHRIMP鋯石U--Pb方法獲得密云環(huán)斑花崗巖體的結(jié)晶年齡為(1 685±15)Ma。Wang et al.[8]通過(guò)鋯石SHRIMP和LA--ICP--MS方法得出密云環(huán)斑花崗巖巖體形成于1 700～1 682 Ma期間。前人研究表明，密云環(huán)斑花崗巖的結(jié)晶年齡集中在1700～1680 Ma之間，本文通過(guò)LA--ICP--MS方法獲得正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石U--Pb年齡為(1 666±17)Ma，代表正長(zhǎng)花崗斑巖的結(jié)晶年齡，其形成時(shí)代稍晚于環(huán)斑花崗巖。

5.2 巖漿源區(qū)及巖石成因

正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石為自形--半自形結(jié)構(gòu)，陰極

發(fā)光圖顯示出清晰振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，表明鋯石為典型巖漿鋯石[36]。鋯石結(jié)晶溫度在754～862℃之間，均位于未變質(zhì)巖漿鋯石的溫度范圍內(nèi)(圖6a)，Th/U比值全部位于0.1～1.0之間(圖6b)，同樣表明了巖漿成因特征[37--38]。鋯石輕稀土元素虧損，重稀土元素富集，且具有明顯的Ce正異常和Eu負(fù)異常，也表明鋯石為典型的巖漿鋯石[39]。鋯石的Eu負(fù)異常和Ce正異常可以反映鋯石結(jié)晶時(shí)的物理化學(xué)條件[40--41]。鋯石Ce正異常指示氧化條件，Eu負(fù)異常指示還原條件[42]。鋯石中同時(shí)出現(xiàn)Ce正異常和Eu負(fù)異常存在矛盾。因此，Ce正異常和Eu負(fù)異常的影響因素不僅為氧逸度。前人[43--44]研究表明，鋯石Eu負(fù)異?？赡芘c斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶有關(guān)。本文正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石具有明顯的Eu負(fù)異常(0.05～0.23)，表明其形成過(guò)程可能存在斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶。

圖6 鋯石結(jié)晶溫度與鋯石Hf含量關(guān)系圖解(a)和鋯石Th/U比值圖解(b)Fig.6 Diagram of relationship between crystallization temperature and Hf content of zircon (a) and diagram of Th/U ratio of zircon (b)

本文正長(zhǎng)花崗斑巖與密云環(huán)斑花崗巖具有相似的礦物組成，其主要礦物為正(鉀)長(zhǎng)石、石英和斜長(zhǎng)石，巖石均呈斑狀結(jié)構(gòu)[7]。正長(zhǎng)花崗斑巖位于密云霍各莊地區(qū)，密云環(huán)斑花崗巖位于密云沙廠(chǎng)地區(qū)，兩者具有一定的空間聯(lián)系。密云環(huán)斑花崗巖中除正(鉀)長(zhǎng)石、石英和斜長(zhǎng)石之外，含有少量的角閃石和黑云母[5]。隨著巖漿演化，其溫度逐漸降低，角閃石和黑云母先從巖漿中分離結(jié)晶，隨后形成正長(zhǎng)石和石英[45]。因而，本文認(rèn)為在巖漿演化過(guò)程中，正長(zhǎng)花崗斑巖在密云環(huán)斑花崗巖之后形成。從時(shí)代上看，正長(zhǎng)花崗斑巖的結(jié)晶年齡為(1 666±17)Ma，環(huán)斑花崗巖的結(jié)晶年齡在1 700～1 680 Ma期間，正長(zhǎng)花崗斑巖形成時(shí)代晚于環(huán)斑花崗巖。此外，本文正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石的Pb平均含量為16.6×10-6，U平均含量為41.9×10-6，Th平均含量為27.6×10-6，密云環(huán)斑花崗巖鋯石的Pb平均含量在(16.4～22.0)×10-6之間，U平均含量在(41.4～60.0)×10-6之間，Th平均含量在(20.7～30.3)×10-6之間[5, 7--8]。這兩種花崗巖的鋯石具有相似的Pb、Th和U元素含量。綜合分析，正長(zhǎng)花崗斑巖和環(huán)斑花崗巖為同一巖漿先后結(jié)晶分異的產(chǎn)物。本文正長(zhǎng)花崗斑巖中磷灰石、鋯石和磁鐵礦相對(duì)較多，鋯石結(jié)晶時(shí)的巖漿溫度約為(800±60)℃，溫度較高，與A型花崗巖的特征(磷灰石、鋯石和磁鐵礦相對(duì)較多，巖漿溫度>800℃)一致[46--48]。此外，楊進(jìn)輝等[5]報(bào)道密云環(huán)斑花崗巖屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)--過(guò)鋁質(zhì)巖石，具有高的Ga含量和Fe/Mg比值，認(rèn)為密云環(huán)斑花崗巖為典型的A型花崗巖。由于正長(zhǎng)花崗斑巖與密云環(huán)斑花崗巖可能為同一期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物，兩者成因可能一致。前人[43, 49--51]研究表明，殼源鋯石具有明顯的Eu負(fù)異常，而幔源鋯石無(wú)Eu異?；蛉鮁u負(fù)異常(圖5)，本文正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石稀土配分模式具有明顯的Eu負(fù)異常，表明正長(zhǎng)花崗斑巖的巖漿源區(qū)來(lái)源于地殼。此外，密云環(huán)斑花崗巖(1.70～1.68 Ga)鋯石εHf(t)為-9.8～-3.3，TDM2在2.8～2.6 Ga之間，全巖εNd(t)值在-6.38～-3.59之間，表明其巖漿源區(qū)來(lái)源于古老地殼的部分熔融[5, 8]。結(jié)合正長(zhǎng)花崗斑巖和環(huán)斑花崗巖相似的礦物組成和結(jié)構(gòu)，相近的結(jié)晶年齡和鋯石Pb、Th和U元素含量和空間的聯(lián)系，正長(zhǎng)花崗斑巖巖漿可能來(lái)源于下地殼物質(zhì)部分熔融。

5.3 地質(zhì)意義

前人[3, 52]研究認(rèn)為，A型花崗巖通常形成于伸展環(huán)境。本文正長(zhǎng)花崗斑巖與密云環(huán)斑花崗巖為同一期巖漿作用的產(chǎn)物，因此正長(zhǎng)花崗斑巖可能為A型花崗巖，暗示其形成于伸展環(huán)境。此外，密云地區(qū)出露有與正長(zhǎng)花崗斑巖同期的輝綠巖和輝長(zhǎng)巖等基性巖漿巖，為典型的雙峰式巖漿作用的特征[53]，這也進(jìn)一步表明密云地區(qū)在這一時(shí)期處于伸展環(huán)境[54]。密云環(huán)斑花崗巖形成于1 700～1 680 Ma期間[5--8]，表明密云地區(qū)在早中元古代的伸展過(guò)程至少持續(xù)到1 680 Ma。本文正長(zhǎng)花崗斑巖的結(jié)晶年齡為(1 666±17)Ma，表明密云地區(qū)在早中元古代的伸展過(guò)程至少持續(xù)到大約1 666 Ma。

結(jié)合前人[55]研究，密云地區(qū)在早中元古代時(shí)期處于伸展環(huán)境，在軟流圈上涌作用下，巖石圈地幔底侵，誘發(fā)下地殼部分熔融，隨著巖漿上涌，在1 700～1 680 Ma先后形成基性輝長(zhǎng)巖、輝綠巖和環(huán)斑花崗巖。在大約1 666 Ma，隨著分離結(jié)晶形成正長(zhǎng)花崗斑巖[4](圖7)。

圖7 密云地區(qū)中元古代巖漿形成示意圖 [4]Fig.7 Sketch map showing formation of Mesoproterozoic magma in Miyun

6 結(jié)論

(1)密云正長(zhǎng)花崗斑巖鋯石U--Pb定年結(jié)果為(1 666±17)Ma，代表了正長(zhǎng)花崗斑巖的結(jié)晶年齡。

(2)正長(zhǎng)花崗斑巖的鋯石相對(duì)虧損輕稀土元素，結(jié)晶溫度為754～862℃，代表了鋯石結(jié)晶時(shí)的巖漿溫度。鋯石明顯的Eu負(fù)異?？赡芘c斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶有關(guān)，巖漿可能來(lái)源于下地殼物質(zhì)部分熔融。

(3)正長(zhǎng)花崗斑巖形成于伸展環(huán)境，在軟流圈上涌作用下，巖石圈地幔熔體底侵，誘發(fā)地殼部分熔融，巖漿上涌過(guò)程中先后分離結(jié)晶形成密云環(huán)斑花崗巖和正長(zhǎng)花崗斑巖。

(4)華北克拉通密云地區(qū)在早中元古代的伸展過(guò)程至少持續(xù)到1 666 Ma。

致謝感謝鄧軍教授在論文成文過(guò)程中的指導(dǎo)和幫助。