冀北馬營(yíng)地區(qū)晚三疊世二長(zhǎng)花崗巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

王稀玉, 陶光活, 張 璞

1. 河北地質(zhì)大學(xué) a. 地球科學(xué)學(xué)院, b. 資源與環(huán)境工程研究所, 河北 石家莊 050031; 2. 河北省地質(zhì)調(diào)查院, 河北 石家莊 050081

0 引言

研究區(qū)位于華北陸塊北緣隆起帶, 是晚古生代活躍的陸緣, 橫跨了鑲黃旗和赤峰地區(qū)[1]。 各地質(zhì)時(shí)期的巖漿活動(dòng)、 沉積建造都較為發(fā)育。 中生代是大陸裂解的重要時(shí)期, 華北地區(qū)的擠壓和抬升對(duì)于華北克拉通巖石圈減薄有重要意義[2], 與成礦控礦[3]和燕山期研究活動(dòng)關(guān)系密切。 華北克拉通北緣花崗巖的形成被認(rèn)為可能與華北板塊與興蒙造山帶碰撞拼合以及拼合后的巖石圈伸展作用有關(guān)[4]。 前人對(duì)該地區(qū)的火成巖研究主要集中于華北板塊北緣的中東部地區(qū), 然而, 華北板塊北緣仍然存在有大量的中生代花崗巖, 但對(duì)這些花崗巖的巖石成因、源區(qū)特征及形成的構(gòu)造環(huán)境等還缺乏深入的研究和探討。 該地區(qū)缺乏高精度的年代學(xué)、 地球化學(xué)數(shù)據(jù),從而制約了我們對(duì)華北板塊北緣中生代構(gòu)造及巖漿演化的認(rèn)識(shí)。 因此, 本文選取華北克拉通北緣張家口赤城馬營(yíng)地區(qū)三疊世酸性侵入巖為研究對(duì)象, 通過巖相學(xué)、 鋯石年代學(xué)、 巖石地球化學(xué)和Lu-Hf 等方法, 厘定了研究區(qū)內(nèi)酸性侵入巖的形成時(shí)代, 并探討了其成因機(jī)制, 為華北克拉通北緣中生代構(gòu)造演化提供例證。

1 地質(zhì)背景簡(jiǎn)介

研究區(qū)位于河北省赤城縣馬營(yíng)地區(qū), 大地構(gòu)造背景屬于華北克拉通北緣中段(圖1a), 沽源—張北大斷裂、 尚義—崇禮—赤城斷裂帶、 上黃旗—烏龍溝深斷裂之間(圖1b)。 研究區(qū)內(nèi)出露地層主要為古元古代太平莊組、 古元古代花崗閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、 早白堊世張家口組。 巖漿巖主要為印支期和海西期酸性侵入巖。 區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育, 主要構(gòu)造線方向?yàn)楸睎|向, 其次為北西向, 發(fā)育大量火山構(gòu)造。

圖1 華北克拉通大地構(gòu)造位置圖[1]Fig.1 Tectonic position map of the North China craton

2 巖體特征

馬營(yíng)地區(qū)花崗巖主要包括細(xì)粒、 中粒及粗粒二長(zhǎng)花崗巖, 分布在疙料溝、 和氣營(yíng)一帶。 中粒二長(zhǎng)花崗巖侵入到細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖中, 界限清晰截然(圖2), 接觸帶附近可見中粒二長(zhǎng)花崗巖細(xì)小巖枝雜亂穿插, 細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖中有明顯被烘烤跡象,可見3～5 cm 烘烤邊, 呈黑褐色。

圖2 馬營(yíng)地區(qū)二長(zhǎng)花崗巖野外及鏡下照片Qtz-石英; Pl-斜長(zhǎng)石; Kfs-鉀長(zhǎng)石Fig.2 Field and microscopic photographs of monzogranite from the Maying area Qtz-quartz; Pl-plagioclase; Kfs-K-feldspar

研究區(qū)內(nèi)的二長(zhǎng)花崗巖特征相似, 具花崗結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造, 均由斜長(zhǎng)石、 鉀長(zhǎng)石、 石英和黑云母組成, 局部含有白云母。 斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石含量主要在30%～40%之間, 斜長(zhǎng)石粒徑以2 ～3 mm為主。 鉀長(zhǎng)石為微斜長(zhǎng)石或微斜條紋長(zhǎng)石, 含量約30%。 石英的粒度比例較為均勻, 含量在25%～30%之間。 黑云母為片狀晶體, 含量約5%。白云母含量極少。

3 分析方法

本文對(duì)11 件樣品進(jìn)行了主微量、 鋯石U-Pb 測(cè)年和Lu-Hf 同位素分析。

全巖的主量元素和微量元素在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成, 所有新鮮樣品都經(jīng)過瑪瑙環(huán)磨機(jī)粉碎至小于200 目。 分別使用X 射線熒光法(XRF) 和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS) 測(cè)量主量和微量元素組成。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品07103 (花崗巖) 和樣品07105 (玄武巖) 被用作標(biāo)準(zhǔn)樣品來監(jiān)測(cè)分析的準(zhǔn)確性和誤差。 主量元素分析的方法是將粉末直接壓制成圓盤, 在5%的分析誤差范圍內(nèi)[5]。 至于微量元素分析, 則是將約60 mg 的樣品粉末用HF +HNO3在Teflon 熔樣彈中熔化, 然后在Agilent 7500a ICP-MS 中進(jìn)行分析[6]。 當(dāng)微量元素的含量超過10-6時(shí), 相對(duì)偏差小于5%, 否則相對(duì)偏差小于10%。

鋯石單礦物分選在河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行, 所有鋯石的年齡和微量元素使用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法(LA-ICP-MS) 在廊坊誠(chéng)信地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。 使用GeoLas 200 M 193 nm ArF 準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)進(jìn)行激光取樣, 其斑點(diǎn)直徑為32 μm。 詳細(xì)的分析步驟可參考文獻(xiàn)[7]。 用于外部同位素比值修正的標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500[8]在每5 個(gè)點(diǎn)位分析之后進(jìn)行分析。 NIST SRM 610 和Ple?ovice[9]則在每十個(gè)點(diǎn)位分析中分別作為外部標(biāo)準(zhǔn)和盲樣來進(jìn)行分析。 同位素比值通過Glitter 軟件計(jì)算, 常見鉛根據(jù)Andersen 提出的方法[10]進(jìn)行修正。 使用Isoplot v.3.0 軟件[11]計(jì)算加權(quán)平均年齡。

鋯石Hf 同位素分析采用了Neptune 多收集器ICPMS 的GeoLas Pro UP193 nm 激光剝蝕顯微探針, 在廊坊誠(chéng)信地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。 實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)采集方法可參考文獻(xiàn)[12]。 實(shí)驗(yàn)中, 選用44 μm 口徑, 在8 Hz 頻率和8～10 J/cm2的能量下進(jìn)行分析。 為了校正176Lu和176Yb 的同位素異質(zhì)元素對(duì)176Hf 的影響, 通過測(cè)定176Lu/175Lu = 0.026 58 和176Yb/173Yb = 0.796 218的比值來進(jìn)行校正[48]。 使用指數(shù)定律進(jìn)行了儀器質(zhì)量偏差修正, 將Yb 同位素比值歸一化到172Yb/173Yb為1.352 74, 將Hf 同位素比值歸一化到179Hf/177Hf 為0.732 5[13]。 鋯石GJ-1 被用作參考標(biāo)準(zhǔn), 在日常分析過程中, 加權(quán)平均176Hf/177Hf 比值為0.282 018 ±0.000 020 (2σ, n=3), 這基本與Elhlou[14]中加權(quán)平均176Hf/177Hf 比值為0.282 013±0.000 019 (2σ)相同。

4 分析結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb 年齡

中粒二長(zhǎng)花崗巖(PM10-1) 采樣點(diǎn)位于研究區(qū)南西部和氣營(yíng)—侯營(yíng)壩一帶。 鋯石多呈長(zhǎng)柱狀產(chǎn)出,少數(shù)呈不規(guī)則狀, 晶棱有不同程度的熔蝕, 具震蕩環(huán)帶(圖3)。 測(cè)試分析了25 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn), 其中4 個(gè)數(shù)據(jù)偏離諧和線, 余下21 點(diǎn)均落于諧和線上。 Th/U 比值均大于0.1 (0.81～4.71, 平均值2.07), 為典型巖漿成因鋯石。 16 個(gè)有效測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U 年齡為228.3～239.1 Ma, 其加權(quán)平均年齡為232±0.72 Ma。

圖3 PM10-1 和PM10-8 二長(zhǎng)花崗巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Cathodoluminescence images of zircons from the PM10-1 and PM10-8 monzogranite

粗粒二長(zhǎng)花崗巖(PM10-8) 鋯石多呈長(zhǎng)柱狀,少數(shù)呈不規(guī)則狀, 晶棱有不同程度的熔蝕, 具震蕩環(huán)帶(圖3)。 測(cè)試分析的25 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn), Th/U 比值多大于0.1 (0.21～1.31, 平均值0.77), 為典型巖漿成因鋯石。 23 個(gè)有效測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U 年齡為229.2～246.1 Ma, 加權(quán)平均年齡為236.2±2.0 Ma(圖4)。

圖4 PM10-1 和PM10-8 二長(zhǎng)花崗巖鋯石U-Pb 年齡諧和圖Fig.4 Concordia diagram of U-Pb ages of zircons from the PM10-1 and PM10-8 monzogranite

4.2 巖石地球化學(xué)特征

4.2.1 主量元素

本次研究共采集了11 件巖石地球化學(xué)分析樣品,分析結(jié)果及特征參數(shù)分別見表1。 SiO2含量為74.26%～76.54%, Al2O3含量為12.94% ～14.40%,CaO 含量為0.46% ～0.93%, Na2O 含量為3.59% ～4.42%, K2O 含量多為3.38%～5.16%, K2O/Na2O 為0.76～1.44, 鋁指數(shù)A/CNK=1.04 ～1.14, 屬過鋁質(zhì)至強(qiáng)過鋁質(zhì), 里特曼指數(shù)σ= 1.79 ～2.44, 平均為2.22, 屬鈣堿性系列巖石。 在TAS 圖解中二長(zhǎng)花崗巖樣品點(diǎn)均落入花崗巖區(qū)(圖5a)。 在K2O-SiO2圖解中巖石均屬高鉀鈣堿性系列巖石(圖5b), 在A/CNKA/NK 圖解中, 樣品點(diǎn)多數(shù)落入過鋁質(zhì)區(qū)(圖6)。

表1 晚三疊世二長(zhǎng)花崗巖主量元素、 稀土元素、 微量元素含量及特征參數(shù)一覽表Table 1 Table of major, rare earth, and trace element contents, as well as characteristic parameters of late Triassic monzogranite

圖5 晚三疊世二長(zhǎng)花崗巖TAS 圖解(a) 和K2O-SiO2 圖(b)Fig.5 TAS (a) and K2O-SiO2 diagram (b) of the late Triassic monzogranite

圖6 晚三疊世二長(zhǎng)花崗巖A/NK-A/CNK 判別圖Fig.6 A/NK-A/CNK discrimination diagram of late Triassic monzogranite

4.2.2 稀土和微量元素

樣品∑REE 為41.00×10-6～108.28×10-6, 平均為81.99×10-6; 輕重稀土分餾明顯, LREE/HREE=8.89～18.28, (La/Yb)N為10.35 ～29.33, δEu 為0.59 ～1.22, 具負(fù)至正的Eu 異常(圖7)。

圖7 稀土元素球粒隕石配分模式圖和微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.7 Rare earth element distribution pattern diagram and trace elements spider diagram

原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中, 富集大離子親石元素Rb、 Ba、 Th、 U、 K, 虧損Nb、 P 和Ti。

4.3 鋯石Hf 同位素

對(duì)兩件樣品(PM10-1 和PM10-8) 進(jìn)行了鋯石的Lu-Hf 同位素分析, 結(jié)果見表2。 PM10-1 樣品中鋯石的176Hf/177Hf= 0.282 060 ～0.282 398, εHf (t) 在-20.2～-8.4 之間, 加權(quán)平均值為-11±0.5, 相應(yīng)的二階段Hf 模式年齡(TDM2) 為2.45 ～3.50 Ga 之間,平均為2.64 Ga。 PM10-8-TW1 樣品中鋯石的176Hf/177Hf=0.282 013～0.282 350, εHf (t) 介于-22.0 ～-10.0之間, 加權(quán)平均值為-18±0.3, 相應(yīng)的二階段Hf 模式年齡 (TDM2) 為2.48 ～3.60 Ga, 平均為3.31 Ga(圖8)。

表2 晚三疊世二長(zhǎng)花崗巖鋯石Lu-Hf 同位素組成Table 2 Zircon Lu-Hf isotope composition of late Triassic monzogranite

圖8 U-Pb 年齡與εHf (t) 關(guān)系圖解Fig.8 Relationship between U-Pb age and εHf (t)

5 討論

5.1 巖石成因

在La/Sm-La 和Eu-Ce 圖解中, 馬營(yíng)二長(zhǎng)花崗巖的成分演化主要受分離結(jié)晶控制(圖9a, 9b)。 相關(guān)研究顯示, 在巖漿結(jié)晶過程中, 石榴子石相對(duì)富集重稀土元素, 而角閃石則更加富集中稀土元素[15]。 若巖漿發(fā)生石榴子石的分離結(jié)晶, 則會(huì)明顯虧損重稀土元素。 本次研究的二長(zhǎng)花崗巖無明顯的重稀土虧損,Dy/Yb、 Er 等的變化則暗示存在角閃石的分離結(jié)晶作用, 無石榴子石的分離結(jié)晶(9c, 9d)。 Rb、 Sr、 Ba的相互關(guān)系(圖9e, 9f), 顯示了斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的分離結(jié)晶對(duì)巖漿成分的控制。 但斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石常富集Eu, 相關(guān)礦物的分離結(jié)晶必然會(huì)導(dǎo)致稀土元素明顯的Eu 負(fù)異常(圖7)。 而本次研究的二長(zhǎng)花崗巖部分具明顯的負(fù)異常, 部分具有明顯的正異常, 說明除了長(zhǎng)石的分離結(jié)晶外, 可能還經(jīng)歷了斜長(zhǎng)石的堆晶過程[16]。

圖9 冀北馬營(yíng)地區(qū)中生代二長(zhǎng)花崗巖雙變量圖解Fig.9 Bivariate diagram of Mesozoic monzogranite in Maying area, Northern Hebei

相較于其他成因類型的花崗巖, A 型花崗巖通常具有較高的10 000 Ga/Al (〉2.6)、 Zr (〉250×10-6)和Zr+Nb+Ce+Y (〉350×10-6)[19]。 本次研究的馬營(yíng)鄉(xiāng)一帶二長(zhǎng)花崗巖的10 000 Ga/Al 為2.2～2.8, 大部分小于2.6; Zr 含量為67×10-6～118×10-6, 均小于250×10-6; Zr+Nb+Ce+Y 為99.8×10-6～184.5×10-6,均小于350×10-6, 符合非A 型花崗巖的特征。 另外,相對(duì)于其他類型的花崗巖, A 型花崗巖常具有較高的形成溫度, 其鋯石飽和溫度TZr大于830 ℃[20]。 通過計(jì)算, 本次研究的馬營(yíng)地區(qū)的二長(zhǎng)花崗巖的TZr為724 ℃～814 ℃, 低于A 型花崗巖的形成溫度, 進(jìn)一步說明樣品為非A 型花崗巖。 但在相關(guān)判別圖解中,樣品部分位于A 型花崗巖區(qū)域(圖10)。 究其原因,是由于巖漿演化過程中強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用常會(huì)使其他成因類型的花崗巖與A 型花崗巖的部分地球化學(xué)特征重疊而不易區(qū)分[21-23]。

圖10 (K2O+Na2O) /CaO-Zr+Nb+Ce+Y 圖解與10 000Ga/Al-Zr 圖解Fig.10 (K2O+Na2O) /CaO-Zr+Nb+Ce+Y diagram explanation and 10 000Ga/Al-Zr diagram explanation

高分異的I 型和S 型花崗巖常會(huì)因?yàn)閺?qiáng)烈的分離結(jié)晶作用而使得許多地球化學(xué)特征重疊而無法區(qū)分[24]。 而P2O5可有效區(qū)分高分異的I 型和S 型花崗巖[25]。 P2O5在I 型花崗巖中會(huì)隨著SiO2的增加而降低, 在S 型花崗巖中隨著SiO2的增加而增高或保持穩(wěn)定[25,26]。 此外, 當(dāng)SiO2大于75%時(shí), 大多數(shù)S 型花崗巖的P2O5含量大于0.1%, 而I 型花崗巖的P2O5含量小于0.05%[25]。

馬營(yíng)地區(qū)二長(zhǎng)花崗巖的P2O5隨著SiO2的升高呈下降趨勢(shì), 并且樣品中SiO2含量大于75%的樣品,其P2O5為0.01%～0.04%, 與高分異I 型花崗巖的特征相符(圖11)。

圖11 SiO2-P2O5 圖Fig.11 SiO2-P2O5 diagram

研究區(qū)內(nèi)印支期二長(zhǎng)花崗巖的Rb/Sr 比值為0.24～1.72, 平均0.70, 明顯高于上地幔平均值(0.025); Nb/Th (0.48 ～2.69, 平均1.34)、 Ti/Zr 值(5.83～11.37, 平均8.54) 和Ti/Y 值(74.26～173.53,平均127.43) 更接近地殼值(Nb/Th=3、 Ti/Zr〈30、Ti/Y〈 200)。 Nb/Ta 比值為11.09 ～18.40, 平均15.12, 介于地殼值(11.0) 與原始地幔(17.5) 之間, 暗示可能存在少量幔源物質(zhì)的混染。 二長(zhǎng)花崗巖的εHf (t) 值為-22 ～-8.4, 暗示其可能起源于古老地殼或者富集地幔[34]。 結(jié)合微量元素特征, 馬營(yíng)鄉(xiāng)地區(qū)二長(zhǎng)花崗巖主要起源于古老地殼, 可能有少量地幔物質(zhì)的貢獻(xiàn)。

5.2 地質(zhì)意義

本文對(duì)馬營(yíng)地區(qū)的二長(zhǎng)花崗巖進(jìn)行了鋯石U-Pb測(cè)年, 得到加權(quán)平均年齡236.2±2.0 ～232±0.72 Ma。前人在該地區(qū)進(jìn)行了一系列年代學(xué)研究, 劉曉雨等[27]利用LA-ICP-MC 鋯石U-Pb 方法獲得赤城縣黃土梁二長(zhǎng)花崗巖年齡為244.8±2.0 Ma; 劉胤等[28]獲得了對(duì)赤城縣冰山梁巖體的形成年齡為228.0±3.1 Ma。 綜上所述, 研究區(qū)內(nèi)的印支期酸性侵入巖主要形成于245～228 Ma, 屬中晚三疊世。

甄世民等[29]在張宣地區(qū)谷嘴子、 紅花梁和響水溝發(fā)現(xiàn)大量高堿、 高鉀性, 具埃達(dá)克巖性質(zhì)的巖漿巖, 認(rèn)為三疊紀(jì)時(shí)期華北克拉通北緣處于碰撞后伸展環(huán)境。 高爽等[30]認(rèn)為華北板塊北緣中部地區(qū)在中三疊世已與中亞造山帶拼貼, 并向碰撞后的巖石圈伸展環(huán)境轉(zhuǎn)變。 研究區(qū)內(nèi)的二長(zhǎng)花崗巖富集大離子親石元素Rb、 Ba、 Th、 U、 K, 虧損Nb、 Ta、 P 和Ti, 具備碰撞型花崗巖的特征。 在花崗巖構(gòu)造判別圖解上, 馬營(yíng)二長(zhǎng)花崗巖主要位于后碰撞區(qū)域(圖12)。 因此,馬營(yíng)地區(qū)中晚三疊紀(jì)二長(zhǎng)花崗巖形成于碰撞后的伸展環(huán)境。

圖12 晚三疊世花崗巖Nb-Y圖解(a) 和Rb-Y+Nb (b) 圖解Fig.12 Nb-Y diagram (a) and Rb-Y+Nb diagram (b) explanation for late Triassic granite

劉錦等[31]通過對(duì)開原地區(qū)(馬營(yíng)鄉(xiāng)東側(cè)) 三疊紀(jì)侵入巖的研究, 認(rèn)為華北克拉通北緣東段的擠壓碰撞作用一直持續(xù)到晚三疊世(224 Ma), 而由造山階段向造山后階段轉(zhuǎn)換則發(fā)生于晚三疊世—早侏羅世(224 ～180 Ma)。 吳迪迪等[32]發(fā)現(xiàn), 代表增厚下地殼源區(qū)的高Sr/Y 花崗巖在西段出現(xiàn)較早(264 ～256 Ma), 而在東段出現(xiàn)較晚 (251 ～245 Ma), 表明西段碰撞早于東段, 且碰撞過程導(dǎo)致的地殼加厚可能一直延續(xù)到中三疊世末期, 符合“剪刀” 狀閉合的特征。 本次研究的馬營(yíng)二長(zhǎng)花崗巖形成于245～228 Ma, 地球化學(xué)特征顯示其形成于碰撞后的伸展環(huán)境, 證明該地區(qū)的地殼加厚和減薄早于東段, 如開原地區(qū)等, 進(jìn)一步證明中亞造山帶自西向東具有由早向晚的碰撞轉(zhuǎn)換過程。 根據(jù)西段和東段地殼加厚的時(shí)間判斷[31,32], 至少在馬營(yíng)地區(qū),地殼加厚后可能很快便進(jìn)入到減薄破壞階段。 并且地殼碰撞加厚。 馬營(yíng)二長(zhǎng)花崗巖起源于古老地殼的部分熔融, 并可能有少量地幔物質(zhì)貢獻(xiàn)的, 說明除了碰撞后的減薄過程外, 深部巖漿系統(tǒng)的作用可能扮演著重要的角色[33]。

6 結(jié)論

(1) 馬營(yíng)地區(qū)的酸性侵入巖主要為二長(zhǎng)花崗巖,其形成時(shí)代為236.2±2.0 Ma ～232±0.72 Ma, 屬于晚三疊世。

(2) 馬營(yíng)二長(zhǎng)花崗巖屬過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性花崗巖, εHf (t) 為-8.4～-21.97, 為高分異I 型花崗巖。

(3) 研究區(qū)內(nèi)二長(zhǎng)花崗巖成分主要受分離結(jié)晶控制, 形成于碰撞后的伸展環(huán)境, 主要起源于古老地殼, 可能有少量地幔物質(zhì)的貢獻(xiàn)。