西藏中部早白垩世中酸性岩的成因来自波罗诺和大光顶岩体的证据

西藏中部早白垩世中酸性岩的成因来自波罗诺和大光顶岩体的证据

华北克拉通（图1（a））经历了太古代到古元古代的复杂陆地壳形成过程，并在古元古代（约1.85g）达到了稳定的状态。太古代变质岩形成了华北克拉通古代的基本基底。它被覆盖在中国古代古代、新元古代和冷武纪-奥陶纪海相碎屑和碳酸盐盐岩、沉积岩石和中新世火山岩中。华北克拉通北缘造山带几乎呈东西走向，北部是早古生代白乃庙弧和阿拉森-阿拉山增水期的不同岩带，北部是古亚洲最后一个开放区域[4.7]。通常认为华北克拉通从新元古代至三叠纪一直保持稳定,属于被动大陆边缘[8~11].然而,最近的研究表明华北克拉通北缘在古生代期间可能属于活动大陆边缘,一直受古亚洲洋板块向南俯冲作用的影响.对华北克拉通北缘晚古生代的沉积地层研究表明,该区在晚古生代可能属于安第斯型活动大陆边缘.沿克拉通北缘分布的泥盆纪碱性岩体、闪长岩和A型花岗岩等侵入岩体暗示了华北克拉通北缘存在古生代沟-弧-盆体系.此外,沿着华北克拉通北缘分布有大量的石炭纪-二叠纪I型花岗岩(图1(b)),如:滦平京北喇叭沟门闪长岩体、虎什哈花岗闪长岩体、隆化片麻状花岗闪长岩体、滦平球状闪长岩等,它们的侵位年龄介于324~274Ma之间,构成一条平行于华北克拉通北缘、长1000km,宽30~120km的岩浆岩带,这些岩体具有相似的岩石学和地球化学性质,如:它们的岩性组合为花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩-石英闪长岩-闪长岩,都表现为钙碱性系列,A/CNK≤1.1,普遍具有富集大离子亲石元素(Ba,K,Sr),亏损高场强元素(Nb,Ta,Ti)的弧岩浆的特征,它们的形成被认为是与古亚洲洋板块的俯冲有关,进一步证明了华北克拉通北缘在晚古生代期间的安第斯弧陆缘性质.然而,目前对这些晚古生代岩体的研究仅限于他们的形成时代[19~24]、弧岩浆性质及地球动力学背景分析,还没有对晚古生代超基性-基性-酸性岩体的岩石成因、源区性质,以及华北克拉通北缘的陆缘性质进行系统研究.本文选择了该岩浆岩带中代表性的波罗诺和大光顶岩体,对华北克拉通北缘晚古生代中酸性岩体及伴生的超基性-基性岩体进行年代学、矿物学、全岩地球化学和Sr-Nd同位素,以及锆石Hf同位素研究,试图进一步限定他们的岩石成因、源区特征及构造背景.1样品特征和岩体特征波罗诺岩体位于华北克拉通北缘(图1(c)),近东西向展布,出露面积约80~100km2,侵位于太古宙-古元古代片麻岩中.岩体内有明显变形,片麻状构造发育.岩性主要为石英闪长岩,其次为花岗闪长岩、闪长岩、含斜长石的角闪石岩、角闪辉长岩等,不同岩性之间为过渡接触关系.在岩体的南部出露基底变质岩,在中酸性岩体的内部也可见变质基性岩的捕虏体.已有数据表明石英闪长岩和角闪辉长岩的侵位年龄分别为(302±4)~(299±6)Ma和(297±1)Ma.本文所采集的波罗诺岩体的样品主要为含斜长石的角闪石岩和闪长质岩石(石英闪长岩和闪长岩).含斜长石的角闪石岩的主要矿物组成为角闪石(70%~80%)和斜长石(15%~20%),还有少量的单斜辉石、磷灰石、磁铁矿和锆石.角闪石颗粒自形,局部定向排列,粒径变化范围较大(0.8~9.0mm).样品具有典型的堆晶结构(图2(a)),表现为自形-半自形的角闪石紧密堆晶,他形的斜长石呈填隙状分布于角闪石之间,表明斜长石的结晶晚于角闪石.闪长岩(BLN-2-1)为中粒结构,含基性包体,主要由斜长石(70%),角闪石(21%),石英(5%),单斜辉石和副矿物(如磷灰石、锆石、榍石、磁铁矿等,4%)组成.斜长石显示成分和结构不平衡结构(图2(b),(c)),内部有港湾状的残留核,具筛状结构.石英闪长岩(BLN-5-2,BLN-8-2)为浅灰色,中粒结构,块状构造,矿物组合为斜长石(50%~57%),角闪石(13%~15%),钾长石(8%~10%),石英(12%~16%),黑云母(2%~5%)和单斜辉石,及少量副矿物(如磷灰石、磁铁矿、榍石和锆石).大光顶岩体位于波罗诺岩体以北6~10km处(图1(b),(c)),岩体呈不规则椭圆形,东西向展布,出露面积约为200km2,侵位于太古宙-古元古代基底片麻岩及混合岩中.岩体主要由石英闪长岩、闪长岩和少量角闪辉长岩组成,后者只发育于岩体的边缘位置.岩体变形强烈,片麻状构造发育(特别在岩体中西部).前人获得岩体侵位年龄为(324±6)~(314±6)Ma.本文在大光顶岩体中所采样品为石英闪长岩和花岗闪长岩,它们具有与波罗诺闪长质岩石相似的矿物组成和结构特征,为中-粗粒块状结构,局部含基性包体,矿物组合为斜长石(50%~55%),角闪石(8%~15%),石英(13%~20%),钾长石(8%~12%),黑云母(2%~6%)和单斜辉石,以及副矿物(如磷灰石,磁铁矿,榍石和锆石;图2(d)).2分析方法及结果对波罗诺岩体中石英闪长岩(BLN-5-2)进行锆石SHRIMPU-Pb测年,结果列于表1.用磁选和重液方法分选锆石,并在双目镜下挑选.将锆石样品与数粒TEM(标样)置于环氧树脂中,然后磨约一半,使锆石内部暴露,用于阴极发光和U-Pb同位素分析.锆石CL图像在北京大学拍摄(图3(a)).锆石U-Pb同位素分析在北京离子探针中心SHRIMPII上完成,详细的测定程序可参见文献Compston等和Williams等.测试过程中选用TEM(417Ma)作为标准.测试过程中,每测量3个点插入一次TEM测定.测试数据采用Ludwig编写的ISOPLOT程序进行处理.矿物主量元素测试在北京大学电子探针实验室JXA-8100型电子探针上进行.测试过程中,加速电压为15kV,电流为10nA,束斑直径为1μm,标样为美国SPI公司的53种矿物,数据列于表2和表3.全岩主量元素测试在中国科学院广州地球化学所完成,采用RegakuZSX-100eXRF仪器测定,分析精度好于1%.全岩微量元素测定在中国地质大学(北京)地学实验中心完成.样品粉末化学预处理采用两酸(HNO3+HF)高压反应釜溶样方法,分析仪器为Agilent7500a型等离子质谱仪.大多数元素分析的相对偏差(RSD)<5%,少数元素的RSD<10%.全岩主量、微量数据列于表4.全岩Sr和Nd同位素比值在中国科学院广州地球化学研究所的MicromassIsoprobe型多接收器等离子质谱仪(MC-ICPMS)上进行,分别用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219进行校正,在本次样品分析过程中,NBS987标准的87Sr/86Sr测定值为0.710247±17(2uf073).Sr-Nd同位素比值测定的仪器参数和方法参见文献.全岩Sr-Nd同位素数据列于表5.锆石Hf同位素原位测试在中国科学院地质与地球物理研究所的Neptune多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和193nm激光取样系统上进行.分析时激光光斑直径为60uf06dm,剥蚀时间约为26s,激光脉冲频率为6~8Hz,激光束脉冲能量为100mJ,采用锆石国际标样91500作外标.仪器运行条件及详细的分析过程可参见文献.在本次测试中,锆石标样91500的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf值分别为0.282294±15(2σn,n=20)和0.00031,与目前用溶液法获得的值在误差范围内一致.锆石原位Hf同位素数据列于表6.3分析的结果3.1地球化学和年代学对波罗诺岩体中石英闪长岩样品(BLN-5-2)共测定11个颗粒的11个测点(表1),所测锆石都是透明、无色,晶形较好,具有振荡环带,显示了岩浆成因(图3(a)).锆石Th/U比值在0.08~0.28之间,Th和U之间正相关性较好,表现出岩浆锆石的地球化学特征.除点3.1和7.1以外,大部分的测点均落于谐和线上,得到206Pb/238U加权年龄平均为(296±4)Ma(MSWD=0.92,图3(a),(b)),与Zhang等和王惠初等报道的年龄在误差范围内一致(分别为(302±4)和(299±6)Ma),因此这一结果代表了该岩体的侵位年龄.Zhang等对波罗诺含斜长石的角闪石岩的锆石U-Pb定年结果为(297±1)Ma,可见闪长岩与超基性-基性岩是同期侵位的.3.2.2罗马斯基亚9.8%3.3.35.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3根据Leake等的分类,波罗诺和大光顶岩体中的角闪石都是钙质角闪石(表3;图4).波罗诺含斜长石的角闪石岩中的角闪石主要为韭闪石和浅闪石,具有较低的SiO2(39.8%~43.9%),较高的Al2O3(9.8%~14.2%),TiO2(1.5%~2.3%)和Mg#(0.54~0.64).波罗诺中酸性岩体中的角闪石也为韭闪石和浅闪石,具有相对较高的SiO2(42.6%~46%),低Al2O3(8.4%~11.8%),TiO2(0.9%~1.7%)和Mg#(0.51~0.62).大光顶岩体中的角闪石为镁绿钙闪石,具有相对较低的SiO2(42%~43%),TiO2(1.0%~1.3%)和Al2O3(10.3%~10.5%),Mg#=0.54~0.56.所有角闪石都比较均匀,未见明显的成分环带.3.3全岩地球化学波罗诺含斜长石的角闪石岩属于低钾拉斑玄武质到钙碱性系列,准铝质(A/CNK=0.5~0.8,图5(a)).其Mg#介于0.36到0.45之间.与闪长质岩体相比(图6,表4),具较低的SiO2(38%~43%),较高的Fe2O3,MgO,CaO和REE含量,相容元素Co(17~60.4ppm),V(94.3~535.8ppm)和Sc(8.4~35.6ppm)的含量较高但变化较大.在球粒陨石标准化图解上(图7(a)),含斜长石的角闪石岩表现为上凸型的稀土分布模式,峰值为Pr-Nd,富集LREE,亏损HREE,LaN/YbN=4.6~12,没有明显的Eu异常.在原始地幔标准化图解上(图7(b)),含斜长石的角闪石岩明显富集Ba,Sr,亏损Th,Nb,Zr和Ti.波罗诺中酸性岩体同样属于低钾拉斑到钙碱性系列(图5(a)),全部为准铝质(A/CNK=0.9~1),Mg#值为~0.46.在哈克图解中(图6),随着SiO2的升高,MgO,Fe2O3,CaO,TiO2,CaO/Al2O3和碱都降低,表明有镁铁质矿物(例如:角闪石和辉石)的分离结晶.它们的稀土发生了更大程度的分馏(LaN/YbN=16.6~23.2),Eu出现明显的正异常(图7(c)).高Sr(1672~2316ppm),Sr/Y比值(224~352)及低Y(4.8~10.4ppm)指示它们具有埃达克质岩石的特征(图8(a)).在原始地幔标准化图解上(图7(d)),这些岩体富集Ba和Sr,强烈亏损Th,Nb,Ti,中度亏损Ce,P,Zr.大光顶岩体属于低钾拉斑到中钾钙碱性系列,准铝质(A/CNK=0.9~1)(图5(a),(b)).具有较高的SiO2,Al2O3,以及相对较低的Fe2O3,MgO和CaO的含量,Mg#值介于0.39~0.47之间.岩体的稀土分布模式与波罗诺中酸性岩体的REE分布模式相似,富集LREE,亏损HREE,轻、重稀土分馏明显(LaN/YbN=15.4~107.6),有明显的Eu正异常.它们同样具有高Sr(1083~1111ppm),Sr/Y(186~547)和低Y(2~11ppm)的埃达克岩特征(图8(a)).在原始地幔标准化图解中(图7(f)),亏损Th,Nb,P和Ti,富集Ba,K和Sr.3.4微量元素和hf同位素组成波罗诺含斜长石的角闪石岩的ISr=0.7052~0.7057,εNd(296Ma)=–9.8~–8.2(表5).中酸性岩体具有较低的ISr(0.7047~0.7049)和εNd(296Ma)值(–16.5~–13.1).根据Zhang等得到的结晶年龄(314Ma),大光顶岩体具有较高的ISr(0.7052~0.7059)和εNd(314Ma)值(–15.2~–11.8).石英闪长岩中的27颗锆石具有相对一致的Hf同位素成分(表6),(176Hf/177Hf)i=0.28196~0.28212,εHf(296Ma)=–22.5~–16.8,低于含斜长石的角闪石岩的Hf同位素((176Hf/177Hf)i=0.28213~0.28222,εHf(296Ma)=–16.5~–13.6).4讨论4.1含斜长石角闪石岩岩浆地球化学特征波罗诺含斜长石的角闪石岩具有明显的堆晶结构:自形角闪石紧密堆积,少量他形的斜长石呈填隙状充填于角闪石粒间,属于Wager等定义的中堆积岩(mesocumulate).全岩的过渡族元素,如:Co(17~60.4ppm),V(94~535.8ppm)和Sc(8.4~63ppm)的含量变化范围很大,也说明含斜长石的角闪石岩的堆晶成因[40~42].含斜长石的角闪石岩具有明显的峰值为Pr-Nd的上凸型稀土分布模式(图7(a)),与角闪石在玄武质岩浆中的稀土分配系数模式相似,说明全岩的稀土成分主要受到堆晶矿物角闪石的控制.在Harker图解(图6)中,随着SiO2的升高,V和Sc的含量降低,碱,Al2O3,Sr的含量增加.由于V和Sc对于角闪石是相容元素,而Al2O3,碱,Sr主要赋存于斜长石中,因此,这种线性趋势说明随着岩浆的演化,堆晶岩中斜长石比例逐渐增加.但是,含斜长石的角闪石岩显然不是与原始地幔橄榄岩相平衡的熔体,全岩较低的Mg#(0.36~0.60),Ni(1.1~51.9ppm),Cr(2.9~90.7ppm)含量暗示了在岩浆演化的初期,有大量的橄榄石和辉石的分离结晶,而角闪石的大量出现与残余岩浆不断富水有关.4.2酸岩中的形成4.2.1壳潭岩浆混合过程华北克拉通北缘晚古生代中酸性岩体具有明显的埃达克质岩石的特征,如:中酸性的SiO2含量,较高的Al2O3,Sr,Sr/Y比值,低Y和HREE含量等(表4,图8).但是它们富集型的εNd(–17.4~–9.9)和ISr(0.7046~0.7102;本文及Zhang等的数据)值与大洋中脊玄武岩(MORB)的同位素特征截然不同,说明它们不可能直接来源于俯冲板片的熔融.近年来提出的有关埃达克质岩石的其他成因模式还包括:(1)底垫加厚(>40km,1.2GPa)下地壳的部分熔融;(2)拆沉下地壳的部分熔融,并与地幔岩相互作用[46~48].我们认为华北克拉通北缘晚古生代中酸性岩体并非单纯的壳源熔体,而是混合有相当比例的幔源玄武质岩浆,即形成于壳幔岩浆混合过程.主要证据如下:(1)首先,中酸性岩体中常见细粒闪长质包体(MME),并具有典型的岩浆结构.暗色包体是岩浆混合的直接证据[49~51].暗色包体的存在是底垫加厚下地壳部分熔融(上述模式1)和拆沉下地壳部分熔融(上述模式2)过程难以解释的.其次,波罗诺石英闪长岩中的斜长石具有富钙的残留核(An46~An50),这些残留核具有明显比幔部斜长石(An26~An33)高的钙长石分子,并且变化截然(图2(b),(c)).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.这些斜长石成分和结构不平衡现象记录了壳幔岩浆发生混合的过程[49~53].(2)中酸性岩体的Mg#介于0.34到0.60之间(本文及Zhang等的数据),显著大于在同等硅含量的条件下玄武岩熔融实验熔体的Mg#(通常小于0.4,图9),表明这些中酸性岩体不是纯的壳源熔体,也表明底垫加厚下地壳部分熔融(模式1)不能解释这些中酸性岩体的成因,其较高的Mg#与壳幔岩浆混合模式是吻合的.拆沉下地壳(模式2)过程虽然可解释岩体高镁特征,但该模式得不到任何岩石学证据的支持.(3)实验证明,基性下地壳部分熔融形成的埃达克质岩石通常具有相对富Na2O(>4.3%)而不是富K2O的特征,华北克拉通北缘晚古生代中酸性岩体虽然也具有高Na2O的特征(本文及Zhang等的数据),但它们同时也富集K2O,Ba,Sr,这种特征相似于高Sr-Ba花岗岩,如华北燕山期高Sr-Ba花岗岩和英国Rugart高Sr-Ba花岗岩,它们都有相当比例的来自富集地幔源区的玄武质岩浆的混合,因为这些来自富集地幔的玄武岩以高Sr-Ba为特征.(4)华北克拉通北缘晚古生代中酸性岩体的Sr-Nd同位素有较大的变化范围(εNd(300Ma)=–17.4~–8.2,(87Sr/86Sr)i=0.70456~0.71022;本文及Zhang等的数据),但介于华北克拉通EMI型富集地幔和古老下地壳的Sr-Nd同位素成分之间(图10(a)).所研究的晚古生代岩体中相对“原始”的岩石类型的Sr-Nd同位素成分与华北克拉通EMI型富集地幔的Sr-Nd同位素成分((87Sr/86Sr)i=0.7050,εNd(300Ma)=–7.5)接近,其他岩石数据点向古老下地壳的区域延伸,表明来自富集地幔的岩浆和古老下地壳物质都是这些晚古生代岩体的重要源区,这与前面论述的这些中酸性岩体可能形成于壳幔岩浆混合的过程是一致的.这得到εNd(t)与SiO2较好的负相关性(图10(b))和岩体中锆石具有太古宙-古元古代的继承锆石的支持.此外,波罗诺岩体的锆石Hf同位素也支持壳幔岩浆混合作用的过程.华北克拉通的富集型岩石圈地幔的εHf(t)可能为–9.0左右.从图11中可见,波罗诺岩体的锆石εHf(t)显著低于富集地幔的εHf(t)值,表明这种富集地幔岩浆不是波罗诺岩体的唯一来源,具有非常低εHf(t)值(约–35)的古老地壳物质可能是另一个重要的源区.壳源混染物质可能为前寒武纪TTG片麻岩和/或基性地壳(麻粒岩和角闪岩),它们是组成华北克拉通的基底岩石.根据前人的报道[58~63],太古宙的基性下地壳具有较高且变化较大的εNd值(约为–4~–22)和相对较低的ISr值(约为0.7055~0.708),而TTG片麻岩表现为很低的εNd值(–25~–40)和相对较高的Sr同位素比值(0.710~0.730).华北克拉通北缘晚古生代岩体的εNd(t)值介于-17.4到–8.2之间,ISr值低于0.707(除了隆化和建平岩体的ISr=~0.7102;图10(a)),表明参与混染的壳源物质主要为基性下地壳,而TTG片麻岩较少.另外,与镁铁-超镁铁质堆晶岩相比,中酸性岩体的εNd(t)和εHf(t)值较低(图10(a),11),表明镁铁-超镁铁质堆晶岩的母岩浆中壳源物质的比例较少.4.2.2岩体富水性岩体的埃达克岩越来越多的研究表明,弧岩浆岩中角闪石的分离结晶对岩浆成分的演化有重要的影响.根据实验相图研究,对于水饱和的安山质岩浆,角闪石可以作为第一个、也是唯一的堆晶矿物相出现,其形成深度范围是从7km开始,直到(有石榴石晶出的)下地壳/上地幔深度.而对于更原始的岩浆(玄武质),水饱和岩浆中最先晶出的是橄榄石和辉石.也就是说,来源于富集(流体)地幔的玄武质岩浆,先在上地幔/下地壳处分离出橄榄石和辉石等镁铁矿物,残余玄武安山质岩浆逐渐更加富水,大量结晶角闪石,并发生单一角闪石的分离结晶和堆晶作用.角闪石的广泛存在使岩浆的密度增大(结晶度提高~40%),形成“晶粥”,从而阻止/减缓了岩浆的继续上升,在下地壳处形成了大量的角闪石堆晶岩.因此,角闪石岩可能是保存在下地壳的从地幔生成的原始岩浆最初堆晶产物中一个重要组成部分.在世界各地的弧环境中,堆晶角闪石岩都普遍存在,例如:中国东北的佳木斯地体,巴基斯坦的科伊斯坦弧,PanamaCanal地区的CerroPatacon安山岩中的堆晶角闪石岩捕虏体.华北克拉通北缘晚古生代中酸性岩体以含有丰富而自形的角闪石为特征,说明岩浆体系的富水特性.波罗诺富角闪石堆晶岩可能代表了富水岩浆体系演化早期的分离结晶作用的产物.这在哈克图中得到了体现(图6):MgO,Fe2O3,CaO,TiO2都随着SiO2的升高而降低,表明镁铁质矿物(辉石和角闪石)的大量分离结晶,这与Co,Sc,CaO/Al2O3也随着SiO2呈负相关是一致的.P2O5与SiO2的负相关性表明了磷灰石的分离结晶.在稀土分布模式图解中(图7(c),(e)),MERR的亏损也证明了这点,因为角闪石和磷灰石是MREE的主要赋存矿物.另外,角闪石等的分离结晶也会导致残余岩浆HREE和Y的亏损,同时使得岩浆具有较高的Sr/Y比值而具有埃达克岩的特征.因此,华北克拉通北缘晚古生代中酸性岩体的埃达克岩特征,可能与辉石、角闪石和少量磷灰石、锆石的分离结晶有关,而不是前述底垫加厚下地壳部分熔融或拆沉下地壳部分熔融[46~48]等机制形成.为了验证这一模式,我们可以根据已知的分配系数进行微量元素地球化学模拟.在图8(b)中,假设初始岩浆为玄武安山质(是混浆,代表幔源玄武质与壳源花岗质的混合物),那么只要经历程度为25%~40%的角闪石(60%)+辉石(24%)+磷灰石(15%)+锆石(1%)的分离结晶就可以形成显著的高Sr/Y,低Y的埃达克岩的特征.而分离结晶的矿物百分比例与波罗诺含斜长石的角闪石岩的矿物组成相似(辉石较早分离结晶出去).因此,这些晚古生代中酸性岩体的埃达克岩特征实际上是富水弧岩浆体系(同时具有高Sr-Ba,富LREE等特征)经历了以角闪石为主的分离结晶作用而形成.事实上,在世界上很多弧地体都发育有大面积的以角闪石为主的堆晶岩和与之相伴的、具有埃达克岩特征的中酸性岩体[78~80].因为岩浆中大量的角闪石分离结晶会导致残余岩浆的SiO2升高,从硅不饱和岩浆迅速转变为硅饱和状态,同时导致MREE和HREE亏损.另外,以角闪石为主的镁铁质矿物的分离结晶也会显著提高岩浆中Sr的含量,并进一步提高岩浆的Sr/Y比值.所以,在弧环境中,富角闪石的堆晶岩的形成,为残余岩浆形成具埃达克质岩石的特征提供了可能的演化机制.波罗诺富角闪石堆晶岩中的角闪石镁值(Mg#=0.52~0.63)明显低于富镁安山岩(0.79)和玄武质安山岩(~0.79)中初始分离结晶产生的角闪石的镁值,而且在堆晶矿物之间有填隙斜长石的存在,说明形成堆晶岩的母岩浆经历了一定程度的演化(原始岩浆在演化的早期有大量的橄榄石、辉石等镁铁质矿物相的分离),这一点也得到了全岩低的Mg#(0.36~0.60),Ni(1.1~51.9ppm),Cr(2.9~90.7ppm)含量的证实.橄榄石、辉石等无水矿物的分离结晶使得残余岩浆不断富水,并大量结晶自形的角闪石,随后的分离结晶作用在中下地壳的位置形成了以角闪石为主的堆晶岩.位于弧下地壳中的富角闪石堆晶岩常被用来解释陆壳增生机制和壳幔物质交换:堆积于弧下地壳的富角闪石堆晶岩显著提高了下地壳的密度,将因重力不均衡/拆沉作用而再循环回到地幔,使得化学成分上偏基性的弧大陆地壳向中酸性演化.4.3地表及成分特征在波罗诺基性-超基性堆晶岩中,角闪石是主要的堆晶矿物;在中酸性岩体中,角闪石为主要的暗色矿物.角闪石的大量出现,表明岩浆体系的富水和角闪石在整个岩浆演化系列中都接近液相线.实验表明,在400MPa下,岩浆中水的含量约为5wt%,或在960MPa条件下,岩浆中水含量为7wt%~9wt%时角闪石就会从熔体中结晶.因此,波罗诺岩体中角闪石的大量出现,暗示在岩浆演化的早期阶段就含有大量的水.这种母岩浆富水的特征不可能是由于它与地壳物质相互作用所致,因为含斜长石的角闪石岩的地壳混染量较少(<5%,见上面),而且混染成分主要为贫水的基性下地壳(麻粒岩等).所以,岩浆体系的富水特征可能与受到俯冲带流体/熔体交代的地幔楔有关.在REE图解中(图7(a)),包括波罗诺含斜长石的角闪石岩在内的华北克拉通北缘晚古生代基性-超基性岩体(图7(a),(b)中阴影部分)都表现出富集LREE和LILE(如Sr,Ba),以及轻、重稀土分馏明显的特征,暗示了地幔源区富集的性质.此外,华北克拉通北缘晚古生代基性-超基性岩类的ISr(0.7052~0.7061),εNd(t)(–14.2~–8.2)值与高寺台阿拉斯加型超基性岩体的Sr-Nd同位素值(ISr=0.7054~0.7066,εNd(t)=–15~–8;图10(a))相似.高寺台岩体被认为是主要来自EMI型富集地幔部分熔融的产物,两者SrNd同位素上的相似性指示了地幔源区的富集性质,暗示晚古生代期间华北克拉通北缘岩石圈地幔为富集型.为了进一步证明华北克拉通北缘岩石圈地幔在古生代期间的富集性质,我们用简单混合计算对Nd同位素进行模拟分析.分别假定富集地幔(EMI,εNd(t)=–5~–7,Nd=30)和亏损地幔(DM,εNd(t)=9,Nd=19)作为一个端元,前寒武纪下地壳LCC作为另一个端元.计算表明,波罗诺和大光顶岩体不可能由亏损地幔起源岩浆和下地壳熔体混合形成,因为该成因需要壳源混染的比例高达30%~52%.这么大体积的陆壳混染会显著改变源区岩浆的主量元素的特征,如SiO2会显著的升高,而在随后含水岩浆的分离结晶过程中,SiO2会变得更高.这与波罗诺和大光顶岩体的SiO2含量(40%~70%)不符.因此,我们认为岩体的源区之一应该是富集地幔,在该情况下,只需要4.5%~37%的地壳混染即可解释岩体的同位素特征.华北岩石圈地幔在古生代期间具有富集的性质虽然也被其他学者所报道,但是岩石圈地幔富集的过程却较少提及.事实上,华北克拉通的岩石圈地幔经历了漫长的富集过程(约从2.5Ga左右开始).尤其在早古元古代(ca.2.2Ga)和晚古元古代期间(ca.1.85Ga)的大规模俯冲和碰撞过程,使得岩石圈地幔受到交代而富集(例如,华北克拉通北部古元古代末到中元古代初的基性-超基性岩的εNd(t)=–7~–4).在古生代期间,由于古亚洲洋板片不断的向华北克拉通之下俯冲,俯冲板片流体对地幔楔的交代反应使得这个先前已经富集的古老地幔源区更加富集LREE,LILEs和水.4.4克拉通北缘的晚古生代岩浆一些学者认为中泥盆世或晚泥盆世到早石炭世时期华北北缘不存在俯冲作用.但是,对华北克拉通北部晚古生代-早中生代沉积岩中锆石的研究以及古气候研究都表明华北克拉通北缘在古生代期间为活动陆缘.对锡林浩特变质核杂岩中的锆石U-Pb定年结果表明,华北克拉通与蒙古微地体的碰撞拼合的时间为290~234Ma,即古亚洲洋的闭合要晚于290Ma.本文对波罗诺岩体最新的SHRIMP锆石U-Pb测年结果为(296±4)Ma,与前人所得的结果一致,进一步证实了该岩体侵位于晚石炭世-早二叠世.事实上,在华北克拉通北缘,波罗诺和大光顶岩体的侵位不是一次孤立的岩浆事件,大量的晚古生代岩浆活动已被证实,如:滦平京北喇叭沟门闪长岩体、虎什哈花岗闪长岩体、隆化片麻状花岗闪长岩体、滦平球状闪长岩等,它们的侵位年龄介于324~274Ma之间,形成一条平行于华北克拉通北缘分布的岩浆岩带(图1(b)).这些岩体主要岩石组合为花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩-石英闪长岩-闪长岩,含少量的角闪辉长岩-角闪石岩,