太行山中生代岩浆岩的地球化学特征及其成因机制

太行山中生代岩浆岩的地球化学特征及其成因机制

中生代华北克拉通的构造岩浆活动表现为大盆地发育、火山作用和深成岩浆。同时，它可以伴随古代岩浆圈地幔的减少和分解，形成新的岩浆圈地幔[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]2、3、5、6和8]。华北中生代的岩浆作用成因和地球动力学背景已经引起国内外学术界的广泛关注,成为近些年大陆动力学研究的热点之一[1,3,8,12,13,14,15,3,8]。然而,对包括太行山在内的华北中生代岩浆作用的成因的认识还有很大分歧。目前有两种主要的模式:其一,基性下地壳熔融模式;其二,壳幔岩浆混合模式[13,14,18,19,20,21,22,18,19,20]。对华北中生代岩浆作用成因机制的研究显然具有重要的理论意义,因为这不仅关系到岩浆的成因过程,还关系到中生代岩浆作用的地球动力学环境。本文将着重从太行山中生代岩浆岩的野外关系和岩石学的角度,并结合其元素和同位素地球化学特征讨论岩浆作用的成因机制。1包体与改石岩石的关系太行山中生代岩浆岩带呈北北东向分布,主要由石英二长岩组成,其次有石英二长闪长岩、二长花岗岩和少量二长辉长岩-辉长闪长岩等基性岩体等。陈斌等(2005)获得石英二长岩的锆石U-Pb年龄为127~133Ma(SHRIMP),并获得基性岩体(二长辉长岩)的锆石U-Pb年龄为(138±2)Ma(SHRIMP),比中酸性岩浆岩稍微老一些。太行山岩体最显著的特征是其中普遍包含中基性包体(maficenclave)。包体大小通常在几cm到几十cm之间。与寄主岩石的界线复杂多变,有的界线截然分明,有的界线模糊(图1a)。包体通常为细粒块状,有的有斑状结构,斑晶为长石。包体的主要矿物组成是斜长石(35%~50%)、石英(5%~12%)、黑云母(5%~15%)、角闪石(10%~25%)、辉石(5%~10%)和少量钾长石。副矿物主要是铁氧化物、锆石、磷灰石和榍石等。斜长石呈半自形板柱状,具卡纳复合双晶,有的有环带结构。角闪石绿色—淡褐色多色性,有的辉石被角闪石包围,是一种反应关系。多数包体呈水滴状或椭球状(图1b),表示包体与其寄主岩石是大致同时代的。这一点得到以下几点证据的支持:(1)包体中常有长石斑晶,后者的成分和特征与其寄主岩石中相应的长石斑晶完全相同(图1c);有的长石斑晶位于包体与寄主岩石的边界上,部分挤入包体,部分留在寄主岩石中,显示出包体及寄主岩石当时都呈塑性流动状态;(2)包体中可见寄主岩石的捕掳体,而寄主岩石中也见包体的捕掳体(图1d),显示两者的互相穿插关系;(3)包体没有例外地都具有岩浆结构,其中长石通常具有半自形板柱状晶形、环带结构,以及卡纳复合双晶(图2)。以上这些现象一致表明,包体与寄主岩石是大致同时形成的,这是壳幔岩浆发生混合作用的必要前提。同深成(syn-plutonic)基性包体的存在已经被许多研究证实为岩浆混合作用的证据.2岛状残留核及其特征无论在寄主岩石,还是在包体中,都可以发现斜长石具有成分和结构的不平衡现象。图2是基性包体和寄主岩石中斜长石和角闪石的结构和成分环带特征。可以看出,斜长石内部可见复杂的结构现象(图2a,b,c)。这种结构现象主要有两种类型。其一是斜长石斑晶由一个核和幔(包壳)组成(图2a,b),核部形态多变,有的呈规则的半自形板柱状轮廓,有的则不规则。但无论哪种情况,斜长石核部通常有熔蚀现象而呈港湾状。其二是斜长石内部有若干个孤岛状残留核(图2c),而残留核具有统一消光,似乎原来属于同一个晶体(也叫做“筛状结构”)。表1是包体及其寄主岩石中斜长石和角闪石的电子探针分析数据。我们把斜长石的成分表示成钙长石分子(An),并图示于图2中。由图2可以看出,斜长石的核(图2a,b)的成分均一,其An=58~65,幔部成分也较均一,主要在An=34~38之间(图3和表1)。一个重要的特征是,斜长石幔部An分子比其核部An分子低得多,而且这种变化是截然的。类似地,从图3c可以看出,斜长石中的孤岛状残留体的成分也比较富钙,An为60左右,而斜长石包壳部分比孤岛状残留体显著富钠,An主要在20~33之间,而且这种变化也是突变的。角闪石主要呈黄绿色-淡黄色多色性,晶形良好。角闪石经常可见成分环带状结构,不同的环带表现为不同的颜色(图2d)。我们对角闪石不同的环带进行电子探针分析(表1),结果表明角闪石的内环(黄褐色)通常比较富Ti和Al,分别为1.34%~1.47%和11%~12.4%(表1和图2d中点1,2和3),属于韭闪石;而外环(绿色调)显著贫Ti和Al,分别为0.94%~0.97%和6%(表1和图2d中点4和5),属于浅闪石类。如图3所示,角闪石的成分环带变化是突变的。据Gilbert等(1982)的研究,角闪石中越富Ti和Al(即韭闪石分子越高),其形成的温度越高。因此,角闪石内环形成于较高温环境,而角闪石外环形成于较低温环境,两者可相差近100℃。3融体岩浆岩岩石化学特征2.太行山岩石的地球化学数据主要来自陈斌等已经发表的数据。图4是太行山(和部分燕山[17,18,19,17,18,19])中生代岩浆岩的主要元素成分特征,这些中生代岩浆岩包括基性岩(辉长质-辉长闪长质)、闪长质包体(辉长闪长质-闪长质)和寄主岩石(石英二长质岩石)。图中也图示了玄武岩熔融实验的融体的成分,以便与华北中生代岩浆岩对比。从图4可以看出,与玄武岩实验融体相比,太行山的中生代岩石比较富钾和镁,其高钾钙碱性特征已经被许多数据证实[17,18,19,20,17,18,19,20]。太行山岩石(无论是基性岩、包体,还是寄主岩石)的另一个特征是富集轻稀土而强亏损重稀土(在球粒陨石10×以下;图5),而且大部分岩石Eu异常不明显。图6是岩石的Nd-Sr同位素数据。基性岩显示富集的同位素特征,其ε(Nd,t)主要在-8~-12之间,而初始Sr同位素主要为ISr=0.7055~0.7062;寄主岩石(石英二长岩等)具有比基性岩更加富集的Nd-Sr同位素特征,其ε(Nd,t)主要在-11~-18之间(个别低至-22),ISr主要在0.7056~0.7070之间。包体的同位素特征与其寄主岩石基本一致(图6),反映两者同位素成分在岩浆的高温条件下基本达到平衡。需要指出的是,太行山基性岩、包体和寄主岩石的同位素成分都分布在从EM1型富集地幔到下地壳的趋势线上或附近。4壳实行岩浆混合过程近几年,华北中生代岩浆作用的成因机制一直争论的焦点问题之一。对华北克拉通不同地区中生代岩浆岩的地球化学性质已经有了详细的研究[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,16,17,18,19,20]。总结起来,这些中生代岩浆岩的共同特征是:(1)具有LREE富集、HREE明显亏损(多数在球粒陨石10倍以下)和Eu异常不明显的特征;(2)具有高Sr、Ba含量和高Sr/Y、La/Yb比值的特征;(3)具有富集的Rb-Sr和Sm-Nd同位素性质。许多学者认为华北克拉通大量的中生代中酸性岩浆岩形成于基性下地壳的部分熔融,这些学者认为这种基性下地壳主要由早中生代以来(或更早?)的幔源玄武质岩浆底侵作用形成。根据这个模式,由于基性岩浆的底侵,导致地壳加厚(形成“东部高原”),而加厚的基性下地壳发生部分熔融所形成的中酸性岩浆就构成华北中生代岩浆岩的主体。这种模式的确解释了华北中生代岩浆岩的一些地球化学性质,比如高Sr、Ba和稀土模式图上Eu异常不明显(斜长石在高压下分解而在熔融源区消失)和HREE显著亏损(石榴石在高压条件下成为熔融源区重要的组成之一)等。陈斌等在大量的岩石学和地球化学数据基础上,认为壳幔岩浆混合是华北中生代岩浆作用的主要成因机制,这一模式已经得到不少其他学者的研究的支持,也得到本文关于基性包体及斜长石(和角闪石)的成分和结构不平衡现象的支持。无论在胶辽半岛、燕山,还是太行山[13,14,21,22,28,29],华北中生代岩浆作用的最突出特征是有时空上密切相关的同期基性岩浆活动,后者表现为规模相对较小的基性岩体、基性岩脉,特别是分布广泛的基性包体。这暗示华北中生代岩浆作用的发生与幔源基性岩浆作用的参与是分不开的。另外,华北中生代岩浆作用(包括火山作用和深成岩浆作用)的规模庞大,如果没有大规模幔源基性岩浆(带来必要的热源)的参与是无法想像的。太行山复式岩体中基性包体的岩浆结构及其与寄主岩石的相互关系(图1),都表明包体与寄主岩石是同时形成的,这是岩浆发生混合的重要前提。前面已经论述,无论是在包体中还是在寄主岩石中,都可见到部分斜长石具有非常富钙的残留核(图2a,b),或孤岛状残留核(图2c)。这些残留核(An=57~65)具有比幔部斜长石(An=20~35)高得多的钙长石分子,而且变化截然,这不同于普通的斜长石环带结构。因为后者环带通常有规则外形,而且有成分连续变化的圈层。因此,这些富钙的残留斜长石可能代表早期从基性岩浆中结晶的斜长石的残留(或代表花岗岩中斜长石由于高温基性岩浆的注入而发生部分熔融形成的残留核?),而幔部相对富钠的斜长石可能代表晚期从混浆中结晶或从壳源花岗质岩浆中结晶的斜长石。换句话说,太行山中生代岩石中这些斜长石的成分和结构不平衡现象见证了壳幔岩浆发生混合的过程。类似的现象被谢磊等在东南沿海中生代花岗岩中发现,他们也认为岩浆混合是造成这些现象的原因。在澳大利亚Lachlan带和Glenelg河杂岩体,以及欧洲的海西钙碱性花岗岩中,斜长石的成分和结构不平衡现象也很明显,这些现象被毫无例外地解释成岩浆混合的记录。实际上,太行山中生代岩浆岩的壳幔混合成因也得到角闪石环带的支持。如前所述,角闪石的成分环带特点是内环比外环具有明显高的Ti和Al,内环主要成分是韭闪石,而外环为浅闪石,反映内环比外环形成于较高温度。由于这种成分变化是突变的,因此不同于角闪石的扩散环带,后者成分变化是连续的。所以,较高温的韭闪石内环可能代表较早期从基性岩浆中结晶的产物,而较低温的浅闪石外环代表从混浆中结晶的产物,这与斜长石的成分不平衡现象所反映的岩石成因过程是吻合的。因此,斜长石和角闪石的成分和结构不平衡现象可能记录了如下岩浆混合的过程:幔源基性岩浆底侵到下地壳(这已经被樊棋诚等的研究所证实),所带来的高热流引起古老下地壳(TTG等片麻岩)的部分熔融,并形成花岗质岩浆。后者与基性岩浆发生混合而形成混浆(hybridmagma),混浆再发生分离结晶作用而形成太行山岩石类型复杂的岩石谱系。这一模式也得到我们地球化学数据的支持。华北中生代岩浆岩普遍具有高Mg和高K的特征[17,18,19,20,21,22,28,29,17,18,19,20]。在图4中我们清楚地看到,太行山中生代岩石在同等硅条件下明显比玄武岩部分熔融体富K2O和MgO,这意味着太行山中生代岩石不可能仅仅来源于下地壳的部分熔融,其高钾和高镁的特征要求其源区必须有幔源岩浆的贡献,即壳幔岩浆混合可能是太行山(以及燕辽、胶东等)中生代岩浆岩形成的主要机制。我们认为太行山岩石的富钾主要有两个来源,一是来自富集地幔的岩浆的混合,因为富集地幔起源的岩浆通常为小程度部分熔融的产物,富钾是其重要特征之一;二是来源于古老TTG等岩石的部分熔融,后者的花岗质部分熔融体通常比较富钾。而幔源岩浆混合是太行山中生代岩石高Mg#的合理解释。壳幔岩浆混合的模式还可以合理地解释太行山中生代岩浆岩的稀土等微量元素地球化学性质。如前所述,太行山同期基性岩和基性包体都具有LREE富集、HREE明显亏损、Eu异常不明显甚至轻微正异常的特点(图5),而且具有比中酸性岩(寄主岩石)高得多的Sr(高达1500×10-6)、Ba含量和Sr/Y、La/Yb比值。这是因为富集地幔发生熔融通常在深部地幔,在地幔岩部分熔融过程中Sr是不相容元素(斜长石不稳定),而石榴石可能是源区的重要残留相,因此,作为富集地幔岩小程度部分熔融的产物,这些基性幔源岩浆不但比较富钾和Sr,Ba等元素,而且强烈富集轻稀土而亏损重稀土。所以,我们认为这些来自富集地幔的基性岩浆的混合是太行山中生代岩浆岩高分异的稀土特征(重稀土亏损、轻稀土富集、无Eu异常)、高Sr-Ba和高Sr/Y、La/Yb比值的主要原因。这也得到我们同位素数据的有力支持。如图6所示,来自富集地幔的基性岩显示富集的Sr-Nd同位素特征(ε(Nd,t)=-8~-12,ISr=0.7055~0.7062),而中酸性岩浆岩(石英二长岩等)的同位素数据都分布在古老下地壳和基性岩之间,表明这些中酸性岩体(太行山的主体)的形成可能与