摘要
庞杖子岩体位于华北克拉通北缘,为厘定其形成时代、构造环境与地质意义,本文对其开展岩石学、元素地球化学特征和LA-ICP-MS锆石U-Pb测年研究。结果表明,庞杖子岩体成岩年龄为(198.1±7.2) Ma,属早侏罗世。岩石地球化学特征显示岩体具有高硅、富铝、高钾钙碱性特征,属过铝质钙碱性钾长花岗岩; 微量元素具有典型岛弧型花岗岩属性;稀土元素呈现轻稀土富集、重稀土亏损特征,反映壳幔混合作用下的岩浆分异过程。结合区域构造事件认为,该岩体形成于古太平洋板块持续俯冲引发的碰撞后伸展环境,俯冲板片脱水导致岩石圈地幔部分熔融形成幔源岩浆,高温侵入引发下地壳部分熔融,壳幔混合岩浆经强烈结晶分异形成高分异I型花岗岩。
关键词
Abstract
Pangzhangzi pluton is located in the northern margin of North China Craton. In order to determine its formation age, tectonic environment and geological significance, the petrology, elemental geochemical characteristics and LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of Pengzhangzi pluton are studied. The results show that the diagenesis age of Pangzhangzi pluton is (198.1±7.2) Ma, belonging to the Early Jurassic. The geochemical characteristics show that the rock mass has the characteristics of high silicon, rich aluminum and high potassium calc alkalinity, belonging to peraluminous calc alkalic potassium feldspar. The trace elements have typical island arc granite properties. The rare earth elements are characterized by light rare earth enrichment and heavy rare earth deficit, which reflects the magmatic differentiation process under crust-mantle mixing. Combined with regional tectonic events, it is believed that the rock mass was formed in the post-collision extension environment caused by the continuous subduction of the ancient Pacific Plate. The dehydration of the subduction plate led to partial melting of the lithosphere mantle to form mantle-derived magma, and the high-temperature intrusion led to partial melting of the lower crust. The crust and mantle mixed magma formed highly differentiated type I granite through strong crystallization differentiation.
Keywords
0 引言
华北克拉通作为中国最古老陆核之一,其在中—新生代的稳定性转变与古太平洋板块俯冲密切相关(马玉见等,2024;刘建辉等,2025)。中生代时期,古太平洋板块俯冲导致华北克拉通岩石圈减薄与地壳活化,辽西地区由此进入大规模岩浆活动阶段(李壮等,2016;崔芳华等,2020,2021;张超等, 2020)。该过程与华北克拉通南缘晚中生代花岗岩的演化特征显著相关:早期 I 型花岗岩富集大离子亲石元素(如K、Rb),亏损重稀土元素(Y、Yb),反映岩石圈的部分熔融(尹志刚等,2020);晚期A型花岗岩则呈现高硅、钾、岩浆强分异特征,Sr、Nd、Hf同位素组成更亏损,表明构造体制由挤压向伸展转变,幔源组分显著增加(崔芳华等,2021)。这种岩浆演化序列揭示了华北克拉通中—新生代构造体制转折的关键时期,与古太平洋俯冲方向改变引发的区域动力学环境变化直接相关(崔芳华等,2020)。
庞杖子岩体作为辽西中生代岩浆活动产物之一,其成因研究为解析华北克拉通破坏机制提供了关键证据。本文通过野外地质调查,选取该岩体的 17件钾长花岗岩开展岩相学、岩石地球化学及锆石 U-Pb年代学分析,结合区域构造事件综合研究。研究旨在揭示岩浆源区性质(如壳幔混合程度)、成因机制(如部分熔融与结晶分异过程)及其构造环境背景,为古太平洋板块俯冲导致华北克拉通破坏、辽西地区中生代大规模花岗质岩浆岩形成提供证据。该研究进一步支持了华北克拉通南缘晚中生代岩浆活动与岩石圈减薄过程的时空耦合关系,为区域构造—岩浆演化模型构建提供了新的制约。
1 区域地质特征
研究区位于华北地块北缘的要路沟—葫芦岛断裂和女儿河断裂交汇部位,属多旋回构造复合区 (图1a)。区域地层发育具有显著分异性:中元古界以长城系高于庄组、蓟县系杨庄组和雾迷山组为主构成基底,其上局部零星出露侏罗系兰旗组(中生代地层);元古宙黑云母二长花岗岩沿东西向展布于中生代侵入体与中元古界地层间(图1b),形成显著的岩浆—沉积界面(孟繁敏等,2022a)。地层序列显示中生代兰旗组呈角度不整合覆盖于中元古界之上(曲晓梅等,2022)。受古太平洋板块向欧亚板块俯冲作用驱动,本区中生代经历强烈构造活化与岩浆喷发(孟繁敏等,2022b)。岩浆作用表现为两期特征:早期以中粗粒钾长花岗岩侵入为主,晚期形成似斑状花岗岩。
2 岩石地球化学特征
本研究采用多种技术手段对庞杖子岩体进行系统性分析:样品制备环节委托廊坊市地科勘探技术服务有限公司完成薄片磨制(厚度≤0.03 mm)及矿物粉碎(粒径<0.15 mm);显微观察在东华理工大学基础地质实验室实施,依托蔡司 AxioImager.M2m 高分辨显微系统进行岩相学鉴定。主量元素测试由澳实分析检测(广州)有限公司承担,运用 XRF1800 X 射线荧光光谱仪(日本岛津)完成 Fe、Si、Al等12项氧化物含量测定(检出限0.01 wt.%);微量元素及稀土元素分析采用 Thermo Fisher X SeriesⅡ型四极杆ICP-MS(美国)联用技术,(精度>10×10-6)。
2.1 岩石学特征
本文对庞杖子岩体采集的 17 件钾长花岗岩样本进行岩相学系统分析:岩石呈肉红色,花岗结构,块状构造(图2a)。矿物组成以石英、钾长石和斜长石为主,含少量黑云母(占比约 5%),副矿物包括锆石、磁铁矿等不透明矿物。石英呈他形粒状,粒径 0.90~3.80 mm;钾长石包括条纹长石(图2b)与微斜长石,呈半自形—他形板状,表面具有弱黏土化和绢云母化风化蚀变特征,粒径 1.20~4.20 mm(占比约 45%);斜长石表面发生绢云母化,具明显聚片双晶(图2c),呈半自形—他形板状,粒径 0.70~3.30 mm(占比约 5%);黑云母呈他形片状(图2d),普遍发育弱绿泥石化现象(占比约45%)。
2.2 主量元素特征
本文对庞杖子岩体 17 件钾长花岗岩进行主量元素数据分析(表1),分析结果显示:SiO2 含量6 5.49%~75.56%( 均值 71.11%),Al2O3 含量 13.35%~17.05%(均值 14.81%),Na2O+K2O 总量 8.20%~9.64%(均值 8.81%),呈现典型的高硅富铝碱性特征;CaO 含量 0.25%~2.30%(均值 0.93%)、 MgO 含量 0.12%~1.47%(均值 0.59%)、TiO2 含量 0.06%~0.51%(均值 0.23%),显示明显的贫钙镁钛特性。A/NK 比值 1.09~1.39(均值 1.24),A/CNK 比值 1.03~1.15(均值 1.09),在 A/NK-A/CNK 分类图解中均分布于过铝质过渡区(图3b)。TAS 图解投点集中于 Ir 花岗岩-石英闪长岩交界带(图3a),里特曼指数 σ 值 1.47~2.29(均值 1.71)证实其钙碱性属性,碱度率 AR值 2.63~3.75(均值 3.20)进一步支持该结论。SiO2-K2O 图解显示多数样品位于高钾钙碱性区,个别样本落入钾玄岩系列(图3c);SiO2-AR 图解全部分布于碱性区域(图3d),与显微观察的过铝质特征高度吻合。岩浆分异指数 DI 值 78.55~95.19(均值 88.57)及固结指数 SI 值 1.01~9.99(均值 4.37)表明,岩浆在侵位过程中经历了显著结晶分异作用,特别是高 DI 值(>85)样品显示强烈分异演化特征。综合地球化学与岩相学证据认为庞杖子岩体为过铝质钙碱性钾长花岗岩。
1 —第四系;2—侏罗系;3—石炭系;4—混合花岗岩;5—花岗岩;6—石英斑岩脉;7—正长斑岩;8—辉绿岩脉;9—推测断裂;10—断裂;11—地名;12—取样位置
图2庞杖子岩体手标本及镜下照片
a—肉红色钾长花岗岩;b—条纹长石(Pth)发育条纹结构;c—斜长石(Pl)发育聚片双晶;d—黑云母(Bt)
表1庞杖子岩体主量元素(%)分析结果
注:测试单位为澳实分析检测(广州)有限公司(2023年10月)。
图3庞杖子岩体主量元素相关图解
a—SiO2-(Na2O+K2O)图解(底图据lrvine and Baragar,1971);b—A/CNK-A/NK图解(底图据Maniar and Piccolli,1989);c—SiO2-K2O图解(底图据 Peccerillo and Taylor,1976);d—AR-SiO2图解(底图据Wright,1969)
图3a中Ir分界线上方为碱性,下方为亚碱性;1—橄榄辉长岩;2a—碱性辉长岩;2b—辉长岩;3—辉长闪长岩;4—闪长岩;5—花岗闪长岩;6— 花岗岩;7—硅英岩;8—二长辉长岩;9—二长闪长岩;10—二长岩;11—石英闪长岩;12—正长岩;13—副长石辉长岩;14—副长石二长岩;15— 副长石二长正长岩;16—副长正长岩;17—副长深成岩;18—霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩
2.3 微量、稀土元素特征
本文对庞杖子岩体 17 件钾长花岗岩的微量元素及稀土元素特征进行系统分析(表2)。图4a显示岩石整体呈现大离子亲石元素 Rb、Th、Ta、Hf 富集 (Rb=152.00×10-6~620.00×10-6, Th=120.00×10-6~580.00×10-6 , Ta=1.20×10-6~5.80×10-6, Hf=3.50× 10-6~12.40×10-6 ),而高场强元素K、Nb、Ti、P显著亏损 (K=1.80×10-6 ~7.20×10-6 ,Nb=0.20×10-6~1.50× 10-6,Ti=0.30×10-6 ~1.80×10-6 ,P=0.02×10-6~0.15× 10-6),具有典型岛弧型花岗岩的微量元素特征。P 和 Ti 的异常亏损表明源区残留或岩浆分异过程中长石、磷灰石及钛铁矿的结晶分离作用占主导。
稀土元素总量(ΣREE=65.76×10-6 ~282.26× 10-6,均值 154.88×10-6)显示轻稀土(LREE=62.25× 10-6~274.91×10-6,均值149.01×10-6)显著富集,重稀土(HREE=2.96×10-6~10.72×10-6,均值 6.02×10-6)强烈亏损,LREE/HREE 比值达 13.47~37.39(均值 25.68)。LaN/YbN比值范围 16.7~142.92进一步印证轻重稀土分馏效应。稀土元素分布曲线向右倾斜 (图4b),Eu异常显著(δEu=0.360~1.10,均值0.74), Ce异常微弱(δCe=0.77~1.59,均值1.06),结合Zr/Hf =38.50~52.10(均值43.30)的比值特征,表明岩石经历较弱的风化作用且源区富石榴子石相矿物。
表2庞杖子岩体岩微量、稀土元素(10-6)分析结果
注:测试单位为澳实分析检测(广州)有限公司(2023年10月)。
3 锆石U-Pb年代学
本文采用LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年技术对庞杖子岩体进行年代学研究。样品测试在中国地质调查局天津地质矿产研究所完成,采用New‐ wave UP213 激光剥蚀系统与 Bruker M90 等离子体质谱仪联用,锆石年龄数据通过Isoplot 3.0软件进行谐和曲线拟合及加权平均年龄计算。测试过程中,对 20 颗自形—半自形柱状双锥锆石(长宽比 1∶1~1.5∶1)进行了原位微区分析,其中 18颗锆石呈透明至浅褐色,2颗因 U含量较高呈黑色,均具有典型岩浆锆石的震荡环带结构和局部溶蚀现象(图5a),证实其形成于岩浆活动阶段(雷玮琰等,2013;秦军强等,2024;张德富等,2024;廖辉宝等,2025)。
测年结果显示(表3),20 个有效测年数据中 3 个数据点偏离协和曲线的离群数据,可能源于锆石晶格损伤或后期热扰动作用,17 个集中分布于 UPb 谐和曲线上(图5b),206Pb/238U 年龄集中分布于 195~185 Ma 区间。经严格质量筛选后,获得加权平均年龄为(198.1±7.2) Ma,MSWD=0.5(n=20)(图5b)。该年龄结果不仅揭示了庞杖子钾长花岗岩主体形成于早侏罗世,而且其年龄分布特征表明岩浆侵入过程具有较短持续时间。
表3庞杖子岩体锆石U-Pb年代学分析结果
注:测试单位为天津地质矿产研究所(2023年9月)。
图5庞杖子岩体锆石CL照片(a)和U-Pb协和图及加权平均年龄(b)
4 讨论
4.1 岩石成因类型
本研究通过系统地球化学分析揭示庞杖子钾长花岗岩的成因特征:岩石在微量元素组成上表现出典型 I 型花岗岩标志,即 Zr(1.20×10-6~5.80× 10-6)、Ta(0.12×10-6~0.58×10-6)、Nd(0.65×10-6~2.10×10-6)和 Ti(0.30×10-6~1.80×10-6)显著亏损,而 Sr 含量高达 76.90×10-6 ~208.42×10-6 (均值 436.37× 10-6),Yb 含量低至 0.26×10-6~1.71×10-6(均值 0.68× 10-6),Sr/Y比值(5.27~208.42,均值96.28)普遍大于 20。SiO2与P2O5、TiO2、MgO、CaO呈负相关(图6),表明富钛、磷等矿物的结晶分异作用强烈。地球化学图解显示,样品在SiO2-Ce图解中全部落入I型花岗岩域(图7a),在(K2O+Na2O)/CaO-(Zr+Nb+Ce+Y)图解(图7b)中均分布于高分异花岗岩区域。结合结晶分异指数(DI=78.55~95.19,均值88.57)和固结指数(SI=1.01~9.99,均值4.37)数据,进一步证实该岩体为高分异 I 型花岗岩,其形成过程与幔源岩浆强烈分异及壳幔物质混合作用密切相关。
图6主要氧化物与SiO2相关性图解
4.2 源区性质与演化
本研究通过地球化学分析揭示庞杖子岩体钾长花岗岩的成因机制:Zr-Zr/Sm 图解中样品呈现显著正相关趋势(图8a),证实其形成过程中存在岩石圈地幔源区部分熔融作用。La/Ta 比值(15.98~216.49,均值 93.81)远超 25 的判别阈值,结合 Y/Nb 值(0.54~1.70,均值 0.98)处于壳幔临界区间,表明该岩浆体系具有岩石圈地幔为主、兼具少量幔源贡献的特征(陈井胜等,2016)。在(La/Yb)N-δEu 图解 (图8b)中,多数样品分布于壳幔混合花岗岩区域,其 δEu 异常(0.36~1.10,均值 0.74)与 Ce 异常微弱 (δCe=0.77~1.59,均值 1.06)的配分特征,进一步印证壳幔混合作用的有效性。TFeO-MgO图解(图8c) 显示样品呈离散分布趋势,反映岩浆在上升过程中经历多阶段混合演化。A/MF-C/MF 判别图(图8d) 结果显示,样品集中分布于变质杂砂岩部分熔融区,表明源区物质具有较高成熟度。 Mg# 指数 (22.03~66.18,均值 46.63)超过 40 的临界值,结合 Zr/Hf=38.52~52.14(均值 43.37)的比值特征,反映出幔源岩浆的底侵作用(朱江等,2015)。
图8庞杖子岩体岩浆演化与物源判别图解
a—Zr-Zr/Sm图解(底图据Bottinga et al.,1978);b—(La/Yb)N-δEu图解(底图据陈懋弘等,2012);c—TFeO-MgO图解(底图据Ballouard et al., 2016);d—A/MF-C/MF判别图(底图据Altherr et al.,2000)
4.3 构造背景及意义
庞杖子岩体位于华北克拉通北缘燕山造山带辽西拗陷与山海关隆起交接部位,前人通过锆石U-Pb 定年确认其经历了五期显著岩浆活动(储少雄等, 2010),构成了岩浆活动的主要构造背景,晚侏罗世达到板内造山高峰期(徐学纯等,2015),形成大规模岩浆侵入。地球化学判别图解显示,庞杖子岩体在 Rb-(Yb+Ta)(图9a)、Rb-Yb+Y(图9b)、Y-Nb(图9c)及 Ta-Yb(图9d)图解中均落入 VAG(火山弧花岗岩)和 syn-COLG(同碰撞花岗岩)区域,印证了碰撞期后抬升与同期碰撞的构造环境控制。微量元素特征显示Nb(0.20×10-6~1.50×10-6 )、Ta(0.12×10-6~0.58×10-6)显著亏损,La/Ta 比值(15.98~216.49,均值 93.81,远高于 25),表明岩浆以地幔来源为主(何鹏等,2020;赵海波等,2024),结合 Y/Nb 值(0.54~1.70,均值 0.98)处于壳幔过渡区间,表明岩浆源区具有岩石圈地幔为主、少量幔源贡献的特征(孙雨等,2009)。这一地球化学特征与古太平洋板块持续俯冲的构造背景密切相关:俯冲板片脱水交代岩石圈地幔形成幔源岩浆,其高温导致下地壳局部熔融,形成的壳幔混合岩浆经结晶分异(DI=78.55~95.19,均值 88.57)最终形成庞杖子高分异 I 型花岗岩。该过程不仅解释了 SiO2与 P2O5、TiO2等的负相关趋势,更为华北克拉通中生代岩石圈减薄背景下幔源—壳源协同作用机制提供了关键证据。
图9庞杖子岩体构造判别图
a—(Yb+Ta)-Rb图解(底图据Pearce,1996);b—(Y+Nb)-Rb图解(底图据Pearce,1996);c—Y-Nb图解(底图据Harris et al.,1986);d—Yb-Ta图解(底图据Pearce,1996);VAG—火山弧花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩;WPG—板内花岗岩;ORG—洋脊花岗岩
5 结论
(1)通过 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 测年确定庞杖子岩体钾长花岗岩成岩年龄为(198.1±7.2) Ma,形成时代归属于早侏罗世。
(2)庞杖子岩体为铝质-过铝质高钾钙碱性岩。岩石表现出典型火山弧I型花岗岩特征:轻稀土显著富集,重稀土强烈亏损,Eu异常微弱。微量元素显示 Rb、Th、Ta、Hf亏损,而K、Nb、Ti、P富集。La/Ta、Zr/Hf 和Y/Nb比值及Mg# 值证实具有幔源岩浆的底侵作用。
(3)本文揭示了庞杖子岩体形成于古太平洋板块持续俯冲华北克拉通并交代岩石圈地幔的活陆缘构造背景。俯冲过程中,板块脱水引发岩石圈地幔部分熔融形成幔源岩浆,其高温侵入导致下地壳局部熔融。岩浆上升过程中捕获少量幔源组分,经结晶分异形成高分异I型花岗岩。