北京周口店地区房山岩体中岩浆混合作用的野外实践教学

续海金，宋衍茹，章军锋，王永锋，袁晏明

1.中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北 武汉 430074；

2.中国地质大学（武汉）《地球科学》编辑部，湖北 武汉 430074

岩浆混合作用作为岩浆成岩过程中一个重要方式，是岩石学研究领域内一个重要科学问题。一方面，岩浆混合作用既是再造新生岩浆又是开放体系下岩浆演化的重要岩浆作用，是导致岩浆多元性和火成岩多样性的重要原因；另一方面，岩浆混合作用及其产物的形成还涉及岩浆热动力学和壳幔演化地球动力学等重大基础科学问题，因而岩浆混合作用研究又是当前地球动力学研究领域内一个新的热点科学研究问题，对于认识岩浆岩的成岩过程、岩浆演化和壳-幔间物质与能量交换等有着重要意义。

众所周知，地质科学以实践性和探索性强为突出特点，野外地质实践教学是保证地学教育质量的关键[1]。然而，有关岩浆混合作用的教学却主要停留在课堂抽象化的概念之上，缺乏相关的生动、直观的野外地质教学方法和实践。以闻名遐迩的周口店实践教学基地为例，北京周口店地区位于华北克拉通东部，经历了从太古宙到新生代漫长的地质演化过程，形成并保留了较为完整的地质记录，被公认为矿物学、岩石学、地层学、构造地质学等地质学科野外地质实践教学的“天然课堂和实验室”[2]。周口店实践教学基地自创建以来，积累了丰富的野外地质教学经验，很多专家和学者从不同学科或角度深入探讨和研究了野外地质实践教学的经验和心得，主要集中在地理学、地球化学、构造地质学、第四纪地质学、海洋地质学和工程地质学等地质学科，以及实践教学的改革、创新和人才培养[3-17]。然而有关岩石学的野外地质实践教学却不多，且以较简单、直观的岩性描述为主[2]。房山复式岩体是北京周口店野外地质实践教学重要的组成部分，但从现有资料来看，缺乏与房山岩体岩浆成因相关的混合作用的野外地质教学实践教学研究。本文以笔者及前人对北京周口店地区房山岩体的详细岩石学和地球化学研究和认识为基础[18-20]，结合周口店野外实践教学研究过程的认识，提出岩浆混合作用野外实践教学面临的问题和挑战，探讨以房山岩体岩浆混合作用为例的野外实践教学主要内容和路线，并总结了与岩浆混合作用相关的室内岩石地球化学和微量元素地球化学科学证据。

一、房山岩体岩浆混合作用野外实践教学的可行性和意义

岩浆混合作用作为成岩体系中一个重要方式，对于认识成岩过程、岩浆演化等有着重要意义，尤其是幔源岩浆在上升过程中与地壳偏酸性岩浆的混合作用是壳- 幔间物质与能量交换的重要形式，日益受到人们的关注。然而，有关岩浆混合作用的研究，更多地侧重于理论和模拟研究，如岩石地球化学的各种图解研究（Harker 图解），Sr-Nd-Pb 等同位素地球化学的计算模拟研究，同位素年代学研究，精细的矿物学研究，以及岩浆混合程度的质量平衡计算和定量模拟等研究。有关岩浆混合作用的野外研究和实践教学之所以无法深入开展，主要面临以下挑战。

1.端元岩浆组分的确定和识别

很多情况下，很难在野外识别出发生混合作用的两个端元岩浆组分。较为普遍的是花岗岩类寄主岩中具有岩浆结构的暗色基性微粒包体（Mafic Microgranular Enclaves，简称MME），花岗岩类的寄主岩可以看作是酸性的端元，而具有岩浆结构的MME是岩浆混合的产物，但基性端元的同深成岩浆岩往往没有出露或难以确定和识别[21]。房山岩体为岩浆混合作用中端元组分的确定提供了可靠的野外证据，野外明确出露代表基性端元的幔源岩浆、代表酸性端元的壳源岩浆以及二者不同程度混合的产物MME。

2.岩浆混合作用的方式和机理

根据混合产物的均一性特征，岩浆混合方式分为均匀岩浆混合和非均匀岩浆混合。它们分别受化学混合（mixing）和机械混合（mingling）的机理所制约。岩浆的化学混合和机械混合既有区别又有联系，而且二者能持续发生，因而二者常伴生在一起，这是导致花岗质岩石在成分上多样性的主要原因之一，也是导致壳幔混源花岗岩类形成的主要机制[22]，但在具体的野外工作和实践教学中不能截然区分开来。房山岩体中，从快速冷却的基性岩脉（图1a、b、c），到串珠状（图1d）、河流状（图1e）和流线状（图2a）等MME，再到展示不同程度混合作用的各种MME（图2），很好的揭示了岩浆混合作用的方式和过程。

3.岩浆混合作用的程度

岩浆混合程度是指混合岩浆中某一端元岩浆所占的比例，它在数值上是确定的，但在野外实际应用时难以确定。因此，岩浆混合作用的程度往往限于实验和理论条件，如质量平衡原理计算，定量模型估算模拟和二元混合方程等。这些理论和模拟等研究成果，在野外无法“看”到。而在实际的野外工作或实践教学中，在知道或识别出端元岩浆组分的情况下，只能简单、笼统地说岩浆混合程度的大、小或高、低。加之在实际的岩浆混合杂岩体中，均匀的和非均匀的岩浆混合岩往往伴生在一起，要准确地确定其岩浆混合程度更困难了。房山岩体以一种野外“看得见”的方式展示其岩浆混合作用的过程和程度（图1～2）。

二、房山岩体岩浆混合作用的野外实践教学

房山复式岩体是周口店野外实践教学中岩浆岩的重要组成部分，岩体西界车厂，东临羊头岗，北抵东岭子，南至东山口，平面上近于圆形，直径7.5～9km，面积约60km2，为一中等规模的岩株[16，18]。其接触面产状较陡，一般倾向围岩。房山复式岩体中石英闪长岩体成若干个小岩体散布于外缘，主体为花岗闪长岩。据钾长石和斜长石斑晶的大小、含量和环带特征的差异性，将花岗闪长岩体从内向外划分为中央相、过渡相和边缘相，其间无明显分界。其中，中央相为巨斑状结构，过渡相为斑状结构，边缘相为粗粒等粒结构。花岗闪长岩体的另一特征就是其中的包体/捕掳体[18]，中央相和过渡相数量少、成分单一、形态以椭圆状和纺锤状为主，为典型的MME，具有岩浆结构。而边缘相数量多、成分复杂、形态多样，其中大小不一、棱-次棱形态的是各种围岩捕虏体。在岩体的西南边缘可见同深成的基性岩脉群与花岗闪长岩的侵入接触关系[18]。

本文将通过对房山岩体系统的野外观察，结合已有的研究成果，探索岩浆岩岩石学的野外实践教学，特别是与岩浆混合作用相关的野外实践教学。经过笔者这些年对房山岩体深入细致的研究发现[18]，房山岩体岩浆混合作用的特征十分明显和丰富。从同深成岩脉与花岗闪长岩的侵入接触关系（图1a、b），到岩体边缘相中的脉状和串珠状MME（图1c、d），到岩体过渡相中的河流状MME（图1e），到岩体过渡相和中央相中反映岩浆混合的各种MME（图2），很好地指示了岩浆混合的方式、过程和程度，是岩浆混合作用野外实践教学的理想场所和天然实验室。

图1 房山复式岩体岩浆混合作用的野外照片

1.同深成岩脉群

同深成岩脉与花岗岩类的侵入接触关系认为是镁铁质岩浆与长英质岩浆之间的混合作用的典型现象[22]。在车厂房山花岗闪长岩岩体的西南边缘相带，可见数条基性岩脉群与花岗闪长岩呈侵入接触关系（图1a、b）。岩脉宽窄不一（0.1～3m），形态不规则（图1a），岩脉边部呈细褶状，较宽的岩脉出现冷凝边（图1b）。岩脉的主要岩性为辉长岩和辉绿岩，窄的岩脉和宽的岩脉的边部由于快速的冷凝淬火主要为细粒等粒结构或隐晶质结构，而宽的岩脉的中央由于缓慢的冷却主要为辉绿结构或斑状结构（斑晶主要为斜长石）（图1b）。已有研究表明，基性岩脉与花岗闪长岩的形成时代相同，即基性岩脉的LA-ICPMS 锆石U-Pb 年龄为134±2Ma，花岗闪长岩的LA-ICPMS 锆石U-Pb 年龄为136±2Ma[18]。

2.岩体边缘相时断时续的脉状MME 和串珠状MME

在官地村以北一带房山花岗闪长岩岩体南部的边缘相带，可见断断续续的脉状MME，呈塑性流动状态（图1c），延绵达100 多米；以及串珠状的MME，大小不一，呈浑圆状或椭圆状塑性流动状态定向排列（图1d）。这种MME 的形成，为典型的岩浆混合现象，王德滋和谢磊[22]解释为来自深部岩浆房的玄武质岩浆向浅部酸性岩浆房的注入作用。

3.岩体过渡相河流状MME

磊孤山以南一带房山花岗闪长岩岩体南部过渡相带，可见MME 整体呈河流状或管道状产出（图1e）。“河道”内的MME 大小不一，呈椭圆状或液珠状的塑性流动状态。这种独特的岩浆混合现象，一个重要的影响因素就是端元岩浆的物理性质不同，特别是基性岩浆和酸性岩浆的粘度和岩浆密度的巨大差异[23]。

4.岩体过渡相和中央相的MME

普遍认为，中酸性岩中具岩浆结构的镁铁质岩石包体是指示岩浆混合作用存在的可靠证据[18，21-23]。以房山岩体中央相和过渡相中产出的MME 为例：（1）形成时代，已有研究表明MME 的形成时代与寄主的花岗闪长岩和基性岩脉一致，为136±2Ma（LA-ICPMS 锆石U-Pb 年龄[18]）。（2）岩相学特征，包体比寄主岩的色率高、粒度细，与寄主岩的接触界线或明显或渐变，一般为细粒等粒结构；部分包体为斑状结构，斑晶一般为斜长石和钾长石（图2）。细粒矿物为岩浆混合形成，而粗粒的长石矿物多来自寄主岩石，为典型的二元性矿物成分特征。这种特征的结构类型完全不同于部分熔融之后形成的残余体，残余体一般具残余变质结构，也不同于岩浆结晶分异之后形成的析离体，析离体一般具堆晶结构，更不同于捕获围岩的捕掳体，在房山岩体的边缘相带最为常见。（3）岩性特征，包体的岩性变化大，从接近基性岩脉成分的基性包体，到接近寄主的花岗闪长岩成分的闪长质包体，指示不同程度的岩浆混合作用（图2）。（4）岩浆混合作用的具体野外特征。图2a、b 中呈椭圆状或纺锤状的MME 表现的塑性流线构造，即指示了岩浆上升侵位的流动方向，也指示了基性岩浆与酸性岩浆共同的液态共存阶段和液态条件下的物质交换。图2c中呈等轴状的MME 与寄住的花岗闪长岩呈渐变的反应接触关系，即指示了包体岩浆曾以液态球滴状存在于寄主岩浆中，并且二者之间进行了明显的岩浆混合作用，形成介于二者之间的反应条带。图2d中几乎被完全消耗的浑圆状MME，其成分特征已接近于寄主的花岗闪长岩，指示深程度的岩浆混合作用。图2e 中椭圆状暗色微粒包体与寄住的花岗闪长岩呈截然的接触关系，在包体内部和包体与寄主岩的接触界面，可见大的钾长石斑晶，指示岩浆混合过程中包体岩浆对寄主岩浆中长石斑晶的捕掳。

图2 房山复式岩体中反映岩浆混合作用的MME 野外照片

除了上述的野外证据外，房山岩体岩浆的混合作用在岩石地球化学、同位素地球化学和矿物质学方面的研究，也得到了进一步的证实[18-19]。如锆石U-Pb 年龄表明，基性岩脉、MME 和寄主岩花岗闪长岩形成时间一致[18]。岩石地球化学表明，在Harker 图解中，从基性岩脉，经过MME，到寄住岩花岗闪长岩，SiO2与其他主量元素（特别是MgO）呈有规律的线性变化趋势[18]。包体和寄主的花岗闪长岩中副矿物锆石、磷灰石和榍石的Sr、Nd、Hf 和O 同位素特征也反映岩浆混合的特征[19]。

对房山复式岩体的已有研究认为，幔源岩浆（基性岩脉群）底侵作用，引发增厚的下地壳部分熔融形成壳源的酸性岩浆（花岗闪长岩），二者不同程度的混合作用形成MME[18-19]。玄武岩浆的底侵作用和幔源岩浆与壳源岩浆的混合作用是壳幔作用最直观的表现形式[23]。玄武质基性岩浆和长英质酸性岩浆在有利构造条件下，能从不同深度近于同时地侵入或喷出，被认为是地壳拉张或岩石圈伸展作用的有力证据[24]。因此结合房山岩体岩浆混合作用发生的构造背景，系统研究端元岩浆的成因和岩浆混合的机理、过程和程度，对认识房山岩体所处的华北克拉通东部晚中生代岩石圈减薄事件有着重要意义。可见，房山复式岩体岩浆混合作用野外实践教学路线的开辟，将区域构造背景和大陆动力学过程，以一种野外“看得见”的方式合理呈现给学生观察、描述和分析。

三、结束语

虽然周口店野外地质实践教学体系已经比较完善，但在具体的野外实践教学过程中也存在一些可以进一步提高的地方，以房山复式岩体的野外实践教学为例，目前的岩石学教学还停留在比较简单、直观的岩性观察和描述之上，没有将野外现象和成因相联系。而房山复式岩体岩浆混合作用的野外特征是明显和丰富的。因此，笔者建议：（1）将岩浆混合作用正式的纳入房山复式岩体野外实践教学路线之中，进一步拓展和丰富野外实践教学内容，将岩浆混合方式、过程和程度，以一种野外“看得见”的方式合理呈现给学生观察、描述和分析；（2）在经费支持下，对周口店实习指导书[16]进行适当修订。

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