北山三道明水地區(qū)晚志留世埃達(dá)克巖：強(qiáng)烈快速俯沖的證據(jù)

王 碩，潘志龍，張 歡，陳 超，張金龍，李慶喆

河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院，河北廊坊065000

1 引言

埃達(dá)克巖（adakite）這一概念最早由Defant 和Drummond引入地質(zhì)文獻(xiàn)中，后人根據(jù)其最初的表述將埃達(dá)克巖定義為形成于島弧環(huán)境下高鋁高鍶而貧重稀土的一種特殊類型巖石組合[1-4]。這類巖石以其獨(dú)特的地球化學(xué)特點(diǎn)以及特殊的成因機(jī)制，在判別巖石形成的大地構(gòu)造背景方面發(fā)揮著重要的作用，多年來倍受地學(xué)界的關(guān)注（王焰等，2000；張旗等，2001，2002，2003；王強(qiáng)等，2003，2006；毛啟貴等，2010；趙磊等，2013；許繼峰等，2014），尤其是成因機(jī)制與類型劃分方面已陸續(xù)提出多種模式，但至今仍存在較大爭議[5]。

北山造山帶位于哈薩克斯坦、塔里木、中朝三大古板塊的交匯部位，是古亞洲構(gòu)造域的組成部分[6-7]。近些年來，北山造山帶先后發(fā)現(xiàn)過不同時(shí)代的埃達(dá)克巖（黃增保等，2005；劉明強(qiáng)，2007；毛啟貴等，2010），但尚未有晚志留世埃達(dá)克質(zhì)巖類的報(bào)道[8-15]。本文報(bào)道了北山三道明水地區(qū)晚志留世埃達(dá)克質(zhì)花崗巖，通過鋯石U-Pb年代學(xué)及巖石地球化學(xué)研究，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，提出了區(qū)內(nèi)埃達(dá)克巖可能是北山洋向南強(qiáng)烈快速俯沖過程中發(fā)生熔融的結(jié)果，這對(duì)埃達(dá)克巖成因模式的進(jìn)一步探討以及北山地區(qū)早古生代板塊構(gòu)造演化的研究具有重要的意義。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

北山地區(qū)在漫長的地質(zhì)發(fā)展史中，經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造變動(dòng)，對(duì)其構(gòu)造單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)存在多種方案[16-18]，主要有以下幾種：①以明水—石板井—小黃山構(gòu)造帶為界，將其南北兩側(cè)劃分為塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊（左國朝等，1990、2003）[19-20]；②其主體是哈薩克斯坦古板塊的東延部分，駱駝峰、紅石山和黑鷹山一線以北的中蒙邊界地區(qū)在古生代屬于西伯利亞古板塊的南緣，北山南麓的白山、紅柳園、賬房山一線以南的北山南緣及敦煌等地則屬于塔里木古板塊的東延部分（劉雪亞等，1995）[21]；③為塔里木板塊北部邊緣活動(dòng)帶（邵積東等，1998）[22]；④以紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶為界，北側(cè)為哈薩克斯坦板塊，南側(cè)為塔里木板塊（楊合群，2010）[23]。

研究區(qū)位于北山造山帶東段中部，紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶和明水—石板井—小黃山構(gòu)造帶分別在研究區(qū)南部和北部通過（圖1a）。石板井—小黃山構(gòu)造帶于早古生代末—晚古生代初期發(fā)生大規(guī)模韌性剪切變形，造成兩側(cè)早期地質(zhì)體發(fā)生強(qiáng)烈變形①②。以三道明水、紅山頭北一線為界（紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶），南側(cè)主要分布寒武紀(jì)淺?！詈－h(huán)境沉積的碎屑巖—硅質(zhì)巖，北側(cè)以奧陶紀(jì)—志留紀(jì)鈣堿性火山巖和具同構(gòu)造變形特征的片麻狀花崗巖為主。晚古生代時(shí)期，兩條構(gòu)造帶中間的塊體相對(duì)隆升，南、北兩側(cè)沉積了厚度巨大的石炭—二疊系地層。綜合區(qū)內(nèi)地質(zhì)體分布特征，紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶具有縫合帶特征，對(duì)本區(qū)地層、巖漿巖具有明顯的控制作用。

圖1a 三道明水地區(qū)大地構(gòu)造位置圖（據(jù)文獻(xiàn)[23]修改）Fig.1a Geotectonic location map of Sandaomingshui area

3 巖石地質(zhì)及巖相學(xué)特征

晚志留世中粒更長花崗巖位于北山三道明水地區(qū)、紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶南側(cè)，巖株?duì)町a(chǎn)出，呈北西向帶狀展布（圖1b），整體具似片麻狀構(gòu)造，片麻理走向北西，局部發(fā)育近東西向糜棱巖化帶，巖體局部穿插有不規(guī)則的白色偉晶質(zhì)細(xì)脈，發(fā)育圍巖捕擄體及殘留頂蓋（圖2a）。侵入新太古代—古元古代敦煌巖群（主要為黑云斜長變粒巖、角閃斜長變粒巖、透閃透輝巖、橄欖透輝方解大理巖、含石榴黑云斜長片麻巖等）及晚志留世細(xì)粒石英閃長巖，被晚志留世細(xì)?；◢忛W長巖侵入。

圖1b 北山三道明水—大蘭湖墩山一帶地質(zhì)簡圖Fig. 1bBeishan Sandao Mingshui-Dalanhu Dunshan area geological map

巖石呈灰色，中粒花崗結(jié)構(gòu)，似片麻狀構(gòu)造。巖石由斜長石（75%±）、石英（20%~25%）、黑云母（2%~5%）組成（圖2b）。斜長石呈近半自形板狀—他形粒狀，大部分2.0~4.0 mm，較少部分0.2~2.0 mm，定向分布，輕微絹云母化、高嶺土化，聚片雙晶多較細(xì)密，An =26，為更長石，常見機(jī)械雙晶、輕微扭曲、輕微扭曲等變形特征。少量斜長石呈它形微粒狀，粒徑＜0.1 mm，主呈線紋狀圍繞大顆粒斜長石分布，應(yīng)為長石糜棱物經(jīng)重結(jié)晶的產(chǎn)物。石英呈它形粒狀，拉長定向明顯，一般0.1~2.0 mm，集合體主呈彎曲條紋狀聚集，分布于斜長石粒間，顯流狀定向特征，粒內(nèi)波狀、帶狀消光發(fā)育，局部有拔絲狀變形特征。黑云母呈鱗片—葉片狀，片徑一般＜0.5 mm，集合體主呈彎曲線紋狀聚集定向分布，顯棕色，多色性明顯，局部綠泥石化，有的呈假像。

圖2 晚志留世中粒更長花崗巖露頭特征及顯微照片F(xiàn)ig.2 Characteristics of outcrop of late Silurian medium granites with longer grains and micrograph

4 測試方法及測試結(jié)果

4.1 測試方法

全巖的主量元素和微量元素分析在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素（SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5）分析采用X射線熒光熔片法完成，分析精度為0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼燒減量、H2O+和H2O-用重量法完成。微量元素分析采用HF+HClO3+HNO3溶解樣品，王水復(fù)溶，在線加入Rh內(nèi)標(biāo)溶液，用Thermofisher X SeriesⅡ型ICP?MS完成測定，稀土元素分析精度為0.1×10-6，微量元素≤5×10-6，測試方法詳見高劍峰等（2003）。

鋯石分選在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。雙目鏡下挑選晶形好、無裂隙和包裹體的鋯石，用環(huán)氧樹脂制靶。將鋯石靶打磨、拋光后，進(jìn)行反射光、透射光和陰極發(fā)光（CL）顯微觀察照片。鋯石制靶及陰極發(fā)光照相在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。

LA?ICP?MS鋯石U?Pb測年在天津地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所完成。激光剝蝕采樣采用單點(diǎn)剝蝕的方式，數(shù)據(jù)分析之前用美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST SRM 610進(jìn)行儀器最佳化，采樣方式為單點(diǎn)剝蝕，數(shù)據(jù)采集選用1個(gè)質(zhì)量峰1個(gè)點(diǎn)的跳峰方式，每完成8個(gè)測點(diǎn)的樣品測定，加測標(biāo)樣1次，觀察儀器的狀態(tài)以保證測試的精度。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測試過程參見袁洪林等（2003）。鋯石年齡采用91500作為外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，元素含量采用NIST SRM 610作為外標(biāo)，29Si作為內(nèi)標(biāo)。測試結(jié)果應(yīng)用GLITTER（ver 4.2）軟件計(jì)算得出，并按照 Andersen 的方法用LA?ICP?MS CommonLead Correction（ver 3.15）對(duì)其進(jìn)行了普通鉛校正，年齡計(jì)算和諧和圖繪制采用Isoplot（ver 3.0）完成。

4.2 測試結(jié)果

4.2.1 主量元素地球化學(xué)特征

晚志留世中粒更長花崗巖巖石化學(xué)成分、CIPW計(jì)算結(jié)果及相關(guān)參數(shù)列于表1。

表1 晚志留世中粒更長花崗巖主量元素和微量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)Table 1 Analysis results of major elements and trace elements and related parameters of Late Silurian middle-grained longer granites

晚志留世更長花崗巖，3件樣品SiO2含量71.63%～75.49%，平均值73.22%；Al2O3含量為14.3%～14.95%，平均值14.67%；MgO含量為0.38%～0.80%，平均值0.61%；ALK含量變化于4.77%～5.71%，K2O/Na2O為0.11～0.32。在TAS圖解（圖3）中，位于Irvine線下方的花崗巖區(qū)，屬亞堿性巖系；在K2O-SiO2圖解（圖4）中，投入低鉀拉斑巖系區(qū)。固結(jié)指數(shù)（SI）為6.39～9.75；分異指數(shù)（DI）為76.15～79.53，指示巖漿分異程度較高；里特曼指數(shù)（σ）為0.70～1.10；堿度率（A.R.）為1.72～1.94，在Si2O-A.R.圖解中（圖5），位于鈣堿性巖區(qū)。A/NK為1.71～1.89，A/CNK為0.99～1.03，屬準(zhǔn)鋁質(zhì)—弱過鋁質(zhì)巖石（圖6）。

圖3 晚志留世中粒更長花崗巖的TAS圖解Fig.3 TAS diagram of Late Silurian middle-grained granites with longer grains

圖4 晚志留世中粒更長花崗巖的K2O-SiO2圖解Fig.4 K2O-SiO2 diagram of Late Silurian longer-grained granites

圖5 晚志留世中粒更長花崗巖的A.R.圖解Fig.5 A.R.diagram of late silurian middle-grained longer granites

圖6 晚志留世中粒更長花崗巖的鋁飽和指數(shù)圖解Fig.6 Digram of Al saturation index of late Silurian middle-grained granites with longer grains

4.2.2 微量元素地球化學(xué)特征

晚志留世中粒更長花崗巖稀土元素、微量元素及相關(guān)參數(shù)列于表1。

晚志留世更長花崗巖，3件樣品稀土總量∑REE（包括Y元素）變化較大，介于17.98×10-6～116.79×10-6，平均值73.17×10-6，低于上地殼稀土總量（210×10-6）（Taylor，1979），略低于下地殼稀土總量（74×10-6）（Taylor，1979）；δEu值在1.21～8.14之間，正異常；LREE/HREE為4.63～9.59，（La/Yb）n值9.83～40.11，說明輕稀土富集；（La/Sm）N為5.39～7.14，（Gd/Lu）N為0.72～4.87，表明輕稀土較重稀土分異強(qiáng)烈。稀土配分曲線（圖7）為LREE富集的右傾型。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的蜘蛛網(wǎng)圖中（圖8），具明顯的Th、Zr、Hf峰和Nb、P谷。

圖7 晚志留世更長花崗巖的稀土配分曲線Fig.7 REE distribution curve of Late Silurian longer granites

圖8 晚志留世更長花崗巖的微量元素蜘蛛網(wǎng)圖Fig.8 Spider web pattern of trace elements in Late Silurian longer granites

4.2.3 同位素年代學(xué)特征

本次工作在晚志留世中粒更長花崗巖中采集一件同位素樣品進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年。

中粒更長花崗巖鋯石呈短—長柱狀，半自形—自形，震蕩環(huán)帶發(fā)育（圖9），具巖漿鋯石特征。對(duì)晶形較好的27顆鋯石共分析了27個(gè)測點(diǎn)（表2）。Th/U值0.14～0.52之間，平均0.29，較典型巖漿鋯石略低。206Pb/238U年齡除10（230 Ma）號(hào)點(diǎn)外，其余在322～454 Ma之間，除去和諧性差的不一致年齡和少量較老年齡，獲得加權(quán)平均年齡為418.8±2.8 Ma（N＝10，MSWD＝0.16）（圖10），能夠代表該樣品的結(jié)晶年齡。

圖9 晚志留世中粒更長花崗巖典型鋯石的CL圖像Fig.9 CL image of typical zircons from Late Silurian middle-grain longer granites

圖10 中粒更長花崗巖（JDTW7）LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡圖Fig.10 LA-ICP-MS zircon U-Pb age of a longer-grained granite（JDTW7）

表2 晚志留世中粒更長花崗巖（JDTW7）LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of Late Silurian middle-grain longer granite （JDTW7）

5 討論

從元素的地球化學(xué)特征來看，晚志留世更長花崗巖符合典型的埃達(dá)克巖SiO2≥56%、Al2O3≥15%和MgO通常小于3%（極少大于6%）的特點(diǎn)；Y＜18×10-6、Yb≤1.9×10-6、Sr≥400×10-6、高場強(qiáng)元素含量較低，具有較高的Sr/Y比值和高的（La/Yb）N，具有明顯的Sr元素的正異常，具正銪異常，在Y-Sr/Y及圖解中（圖11），位于埃達(dá)克巖區(qū)。Mg#值為45.46～51.03，平均值47.62，明顯高于玄武質(zhì)下地殼部分熔融產(chǎn)生的熔體，接近由MORB部分熔融產(chǎn)生的熔體；Rb/Sr比值0.03~0.09，略高于上地幔（0.025），遠(yuǎn)低于大陸地殼（0.24）；Zr/Hf比值30.87~38.17，平均34.08，低于幔源巖石（36.27 ±2.0），略高于殼源巖石（33±）。這些地球化學(xué)指標(biāo)顯示，幔源成分的物質(zhì)在巖漿源區(qū)占有一定比重。三道明水地區(qū)埃達(dá)克巖強(qiáng)烈的虧損高場強(qiáng)元素（Nb、Ta）和重稀土元素，其Yb和Y分別為0.29×10-6～0.47×10-6和1.77×10-6～4.92×10-6，顯示明顯的正Eu異常（δEu=1.21～8.14）以及明顯的正Sr異常（Sr=219.05～482.43），這些均表明，其源區(qū)中斜長石已經(jīng)消失而不以殘留相形式存在，而石榴石則是重要的殘留相，這可能與源巖在榴輝巖相條件下的熔融有關(guān)。

圖11 晚志留世侵入巖Y-Sr/Y圖解Fig. 11 Y-Sr/Y diagram of Late Silurian intrusive rocks

自從埃達(dá)克巖的概念被提出以來，其成因機(jī)制一直是地學(xué)界討論的熱點(diǎn)，埃達(dá)克巖最初被認(rèn)為與熱的年輕（≤25 Ma）的俯沖洋殼板片熔融有關(guān)，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)埃達(dá)克巖的成因機(jī)制具有多樣性，比較有代表性的包括：①增厚的玄武質(zhì)下地殼的熔融；②下地殼或巖石圈的拆沉；③玄武質(zhì)母巖漿的高壓結(jié)晶分異。三道明水地區(qū)埃達(dá)克巖富鈉貧鉀的地球化學(xué)特征類似于俯沖洋殼熔融形成的埃達(dá)克巖（Defant等，2002），不同于增厚的玄武質(zhì)下地殼熔融形成的富鉀富堿且低鋁的埃達(dá)克質(zhì)火成巖（Drummond等，1996；張旗等，2001，2002）。其MgO（平均為0.61）或Mg#（平均為47.62）含量較低，而角閃榴輝巖下地殼拆沉到下覆地幔發(fā)生部分熔融之后會(huì)與地幔橄欖巖發(fā)生反應(yīng)，從而形成了高M(jìn)gO（＞3%）和Mg#（＞60），故三道明水埃達(dá)克巖也不大可能是這種成因。三道明水高硅埃達(dá)克巖的MgO含量均落入了在實(shí)驗(yàn)室高壓（1.0～4.0 GPa）條件下玄武質(zhì)巖石所產(chǎn)生的熔體的MgO含量范圍內(nèi)（圖12），并且有兩個(gè)樣品同時(shí)落在了受地?；烊镜膮^(qū)域內(nèi)。

圖12 埃達(dá)克巖與玄武巖的實(shí)驗(yàn)熔體的SiO2-MgO圖解Fig.12 SiO2-MgO diagram of experimental melt of adakite and basalt

與角閃巖或榴輝巖實(shí)驗(yàn)形成的熔體相比，大多數(shù)埃達(dá)克巖一般具有較高的MgO、Cr、Ni、Co等元素含量，這是因?yàn)槌跏及＿_(dá)克質(zhì)巖漿在上升過程中與地幔楔發(fā)生了交代平衡反應(yīng)。然而三道明水地區(qū)埃達(dá)克巖卻表現(xiàn)出較低的MgO、Cr、Ni、Co含量，暗示了熔體在上升過程中與地幔楔發(fā)生的交代程度非常有限，這很可能是由于洋殼俯沖深度較淺時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了部分熔融。

在Rb-Y+Nb判別圖上（圖13）更長花崗巖位于火山弧花崗巖區(qū)，該期巖體具明顯的透入性變形構(gòu)造，顯示就位過程中的強(qiáng)烈擠壓背景。島弧環(huán)境是產(chǎn)生埃達(dá)克質(zhì)巖石的重要大地構(gòu)造背景，但正常島弧環(huán)境不具備形成該類巖石的條件。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，區(qū)域上有關(guān)北山洋是否存在南向俯沖的資料相對(duì)較少，北山洋在早中志留世向北俯沖形成了規(guī)模較大的巖漿弧，同樣在研究區(qū)內(nèi)、紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶南側(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了中奧陶世類似高鎂安山巖地球化學(xué)特征的中性碎屑巖，其可能是北山洋初始俯沖產(chǎn)物，同時(shí)也說明北山洋存在南向俯沖。工作區(qū)北部、石板井—小黃山構(gòu)造帶北側(cè)發(fā)育有早泥盆世后碰撞花崗巖，指示北山洋在志留紀(jì)末期或早泥盆世早期閉合。而晚志留世巖漿活動(dòng)相對(duì)不發(fā)育可能暗示該時(shí)期正處于強(qiáng)烈快速的俯沖背景之下，而恰恰在此背景下，陸殼與俯沖的洋殼之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，導(dǎo)致在較淺的深度就已經(jīng)達(dá)到了形成埃達(dá)克質(zhì)熔體所需要的溫壓條件，此時(shí)洋殼部分熔融并向上運(yùn)移直至最終侵位、形成埃達(dá)克巖。

圖13 晚志留世侵入巖Rb-Y+Nb判別圖Fig.13 Rb-y+Nb discrimination diagram of Late Silurian intrusive rocks

6 結(jié)論

（1）綜合地球化學(xué)特征以及區(qū)域構(gòu)造背景，北山三道明水地區(qū)晚志留世埃達(dá)克巖形成于北山洋向南的強(qiáng)烈的快速俯沖背景之下，俯沖的洋殼板片在較淺部位即發(fā)生了榴輝巖相條件下的部分熔融形成了原始埃達(dá)克巖漿，熔體在向上運(yùn)移的過程中受地幔楔的交代作用有限。

（2）根據(jù)三道明水埃達(dá)克巖形成的年齡推斷，此區(qū)域古亞洲洋在418.8 Ma時(shí)仍未閉合。