冀东昌黎地区碱性花岗岩年代学和地球化学特征及其地质意义

张永，辛后田，滕学建，王山亮

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.北京市地质研究所，北京100120）

华北克拉通新太古代末-古元古代花岗岩和正片麻岩分布广泛，表明华北从2 540 Ma到2 490 Ma期间发生了大规模的岩浆事件[1]。目前，国内外学者对该期岩浆事件开展了广泛研究，认为从2 560 Ma开始华北克拉通东、西陆块间存在的大洋开始向东俯冲，在2 520 Ma左右形成五台岛弧，在2 480～2 440 Ma五台岛弧与东部陆块拼贴在一起，直到1880～1850 Ma时，大洋完全闭合，东、西部陆块拼合在一起[2]。然而，该俯冲模式无法解释华北东部＞800 km宽的岩浆活动出现在很短的时间内[3]。结合华北东部新太古代-古元古代岩浆岩的分布形态以及缺乏与裂谷有关的碱性侵入岩等资料，有人提出了一个地幔柱模式来解释华北东部广泛出现的2.6～2.5 Ga的TTG和花岗质岩石以及记录了逆时针P-T-t的区域变质作用[3]。碱性花岗岩由于其产出的特殊构造背景，一直受到国内外学者的广泛关注[4-5，6]。近期，笔者在冀东昌黎地区开展地质调查时，发现了一个新太古代末碱性花岗质侵入体——昌黎岩体。碱性花岗岩由于其特殊的产出构造背景，对于揭示华北克拉通东部新太古代末-古元古代的区域构造背景和深部地球动力学机制具有重要的意义。本文基于高精度的锆石U-Pb年代学，岩相学及岩石地球化学工作，并在与邻区秦皇岛花岗质岩石广泛对比的基础上，论证了昌黎岩体是冀东地区晚太古代末碱性花岗岩，并探讨了其形成的构造背景。

1 地质背景

华北克拉通由东部陆块和西部陆块组成，二者于1.85 Ga左右沿中部造山带发生碰撞拼合而形成统一的结晶基底，进入克拉通演化阶段[3]。冀东位于东部陆块的北部，由早太古代-古元古代基底组成，部分地区为古元古代-新生代盖层覆盖。早太古代基底岩石出露极少，以3.8～3.4 Ga表壳岩石为代表，由于后期构造事件的改造，早太古代基底岩石的成因尚不清楚[7]。中太古代基底岩石（3.2～2.8 Ga）以迁西群为代表，出露有限；而新太古代基底岩石（2.8～2.5 Ga）出露广泛，占基底岩石的85%[7]。新太古代基底岩石由2.6～2.5 Ga TTG片麻岩及少量表壳岩石（2.8～2.5 Ga）组成。这些表壳岩石为一系列火成侵入岩侵入，侵入岩包括辉石岩、辉长岩、闪长岩、英云闪长岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩和花岗岩，构成华北TTG岩石。古元古代基底岩石（＞1.6 Ga）由双峰式火山岩和沉积岩组成，并被I型和A型花岗岩侵入，暗示其形成于陆内裂谷的环境[7]。冀东地区广泛发育了2.5 Ga的辉长岩、闪长岩、花岗岩和片麻岩[1]，如秦皇岛花岗岩、花岗闪长岩等[7]（图1）。笔者在昌黎县附近发现的新太古代碱性花岗岩，被白垩纪花岗岩侵入（图1）。

2 碱性花岗岩岩相学特征

图1 （a）华北克拉通深成体分布[7]和（b）冀东地区地质图Fig.1 （a）Distribution of intrusive rocks;（b）Geological map of the Jidong area

该片麻状含霓辉石碱性花岗岩岩体分布于昌黎县幅五里营、十里铺一带，总面积约3.4 km2；遥感影像显示其特征明显，其北东侧被早白垩世似斑状黑云角闪二长花岗岩侵入，西南被晚更新世马兰组掩盖。岩体中有三门店岩组黑云变粒岩和斜长角闪岩捕虏体，捕虏体被压扁拉长（图2a），捕虏体附近含霓辉石碱性花岗岩为片麻状构造，片麻理围绕捕虏体分布，并发育有花岗岩脉体（图2b）。

本研究的岩体在工作区1/20万秦皇岛幅地质图中称为霓石钠长质混合岩，而在1/25万秦皇岛幅地质图中被划归潘庄花岗岩（变质二长花岗岩）。岩相学特征显示，该岩体呈灰白色，细粒结构，一般为块状构造，局部为片麻状构造。岩石主要由斜长石组成，含少量石英、霓辉石、角闪石（图2c、2d）。斜长石为近半自形板状，部分他形粒状，大小一般0.2～2 mm，部分2～4.4 mm，杂乱分布，局部土化，含量75%左右。石英呈他形粒状，大小一般为0.1～2 mm，部分2～4.3 mm，零散填隙状分布，粒内轻波状消光，含量20%左右。霓辉石呈近半自形柱状，大小一般为0.2～2.5mm，零散分布，含量＞5%。角闪石为近半自形柱状，大小一般0.15 mm左右，少见。因而岩性为含霓辉石的碱性花岗岩，且岩石新鲜，蚀变较弱。

3 采样与分析

3.1 锆石LA-ICPMS U-Pb同位素定年

锆石分选由河北省廊坊区域地质调查研究所地质实验室完成，锆石阴极发光（CL）图像照射以及LA-ICPMS锆石U-Pb同位素测定在天津地质调查中心实验室完成。样品采用常规方法进行粉碎，将岩石粉末淘洗，保留重砂矿物，再用电磁选方法分选锆石，在双目镜下选出晶形较好的锆石。将锆石粘贴在环氧树脂表面，打磨抛光后露出锆石的表面，制备锆石样品靶。拍摄样品靶锆石的透射光、反射光和CL图像，在此基础上，选取拟分析的锆石颗粒。LAICPMS锆石U-Pb同位素测试在天津地质调查中心同位素实验室完成。利用193 nm激光器对锆石进行剥蚀，激光束斑直径为35 μm；采用标准锆石GJ-1作为外标校正U-Pb同位素分馏；利用NIST610玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量，详细的实验原理和流程见参考文献[8，9]。采用ICP-MS Data Cal程序和Isoplot（v 3.0）程序进行数据处理。

根据锆石CL图像和透反射光图像进行标点选样，排除裂隙发育和含较多包裹体的锆石颗粒。CL图像显示，锆石呈现了各种不同的内部结构特征，例如部分锆石具有明显的岩浆生长振荡环带和韵律结构，表明其为岩浆锆石；而部分锆石发育核边结构以及增生边结构，显示出受到了后期变质事件的影响（图3a）。

图2 昌黎碱性花岗岩岩相学特征Fig.2 Lithological Characteristics of the Changli Alkaline Granite

本次研究对昌黎岩体两个含霓辉石碱性花岗岩样品（14HB0101和14HB0102）进行了年代学研究，采样位置如图1所示。14HB0101的42颗锆石选取45个点和样品14HB0102的39颗锆石选取42个点进行U-Pb定年，获得的锆石年龄见表1。样品14HB0101锆石颗粒的U含量变化范围为195×10-6～2 286×10-6，测试点数据落在不谐和线上，其上交点为2518 ± 19 Ma（MSWD=6.0）（图3b），207Pb/206Pb权重平均年龄为2 504± 18 Ma（MSWD=6.8）。样品14HB0102锆石颗粒的U含量变化范围为294×10-6～2 726×10-6，测试点数据落在不谐和线上，其上交点为2 518 ± 20 Ma（MSWD=3.3）（图3c），与样品14HB0101的年龄值一致。碱性岩具有较高的钾钠含量，一般为高分异岩浆作用产物。形成碱性岩的岩浆锆石往往因其含有较高不相容元素（如U、Th等）从而影响锆石定年的协和度，使得测年数据值不能投点于207Pb/235U—206Pb/238U协和曲线上。本次测年工作中，因此采取了CL图像岩浆震荡环带的锆石展开定年，且测年点数均超过40（通常岩浆岩测年点数只需20测年点）等来降低影响。实验结果表明，本次测年的两个花岗岩样品所测锆石也均一致落在其上、下交点的直线上（图3），且两个样品的上交点年龄几乎一致，指示本次锆石测年代表成岩年龄。这表明昌黎岩体的结晶年龄为约2 500 Ma。因此，该岩体的形成时代与Yang J H[7]报道的秦皇岛岩体的结晶时代接近。

3.2 花岗岩地球化学特征

野外采集的新鲜无蚀变的岩石样品主微量元素分析测试工作在中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成，具体的分析流程参见文献[10]。样品测试结果见表2。昌黎岩体的SiO2含量为71.4%～72.3%，A12O3含量为14.5%～14.96%，TiO2含量为0.9%～0.10%，MgO含量为0.19%～0.20%，CaO含量为0.54%～0.62%，K2O含量为5.02%～5.22%，（K2O+Na2O）含量为10.62%～10.99%，属碱性花岗质岩体，而明显不同于秦皇岛岩体的特征（图4a）。昌黎碱性花岗岩具有低的A/CNK和A/NK值（A/CNK=0.92～0.93；A/NK=0.99），整体介于准铝质与过碱质之间（图4b），具有过碱质花岗岩性质。哈克图解显示，昌黎岩 体 的 SiO2、MgO、Al2O3、TiO2、CaO、Fe2O3T、P2O5含量偏离秦皇岛花岗岩演化趋势线上（图5），暗示了二者可能没有直接的成因联系。

图3 昌黎碱性花岗岩样品14HB0101和14HB0102锆石CL图像及LA-ICPMS U-Pb谐和图Fig.3 CL images and LA-ICPMS U-Pb concordia diagrams of zircons from sample 14HB0101 and 14HB0102 of the Changli Alkaline Granite

在REE配分模式图上（图6a），昌黎碱性花岗岩稀土元素含量较低，ΣREE=72.0～75.6 ，（La/Yb）N=22～35，曲线呈明显的右倾型，轻稀土较富集，重稀土亏损；存在明显的Eu正异常[Eu/Eu*=1.38～1.49；Eu/Eu*=EuN/（SmN*NdN）0.5]。原始地幔标准化微量元素蛛网图（图6b）显示，昌黎碱性花岗岩富集Rb、Ba和Pb，亏损Th、U以及高场强元素（Nb、Ta、Zr和Hf等），明显不同于秦皇岛花岗岩[7]。

4 讨论

新的高精度锆石U-Pb定年结果表明，昌黎碱性花岗岩形成于约2 509±13 Ma，与冀东较基性的界岭口闪长岩和秦皇岛钾质花岗岩的形成时代一致[7]（2 526～2 515 Ma）。统计分析[1]表明，新太古代末-古元古代初期（2 540～2 490 Ma）的岩浆事件的火成岩记录广泛分布在华北克拉通，在各陆块的太古代基底中均有发育，尤其是在东部陆块和中部造山带。这一时期中基性岩浆事件和中酸性岩浆事件、TTG岩浆事件和钾质花岗岩事件在时间上相互交叉，同时该岩浆事件与区域变质时间和空间上密切相关[1]。这表明，昌黎碱性花岗岩的

形成与华北克拉通晚太古代末-早古元古代初期的大规模岩浆事件在时间上吻合。昌黎碱性花岗岩的形成机制对于理解华北克拉通晚太古代末-早古元古代初期岩浆事件的深部地球动力学过程具有重要的意义。

表1 昌黎碱性花岗岩锆石LA-ICPMS年龄测定结果Tab.1 LA-ICPMS dating results of the zircon in Changli Alkaline Granite

续表1

表2 昌黎和秦皇岛花岗岩主量元素（wt%）和微量元素（×10-6）分析结果Tab.2 Analytical results of major(wt%)and trace elements(×10-6)for the Granite from Changli and Qinhuangdao

续表2

图4 昌黎碱性花岗岩的岩性判别图解Fig.4 Discriminative diagrams of the Changli alkaline granite

图5 昌黎碱性花岗岩体Harker图解Fig.5 Harker diagrams of the alkaline granite from Changli

图6 昌黎碱性花岗岩稀土元素配分图和微量元素蛛网图Fig.6 Chondrite-normalized REE and primitive mantle normalized trace elements spider diagrams of the alkaline granite in Changli area

昌黎花岗岩形成于约2.5Ga，受到区域变质作用的影响，其中部分锆石发育核边结构以及增生边结构，显示了受到后期变质事件影响的特点。然而，根据岩相学和全岩地球化学数据，该花岗岩较为新鲜，其烧失量（LOI）在0.14～0.59 wt.%之间，指示蚀变弱，区域变质作用对岩浆岩的主微量稀土元素影响较小，因此全岩地球化学数据可以用来探讨其成因演化。昌黎花岗岩的SiO2＞71%，Al2O3=14.5%～14.96%，Na2O+K2O=10.6%～11.0%（表2），表明其为富硅、富碱、富钠，相对低铝的碱性花岗岩[15]。这与岩相学特征一致，即昌黎花岗岩以碱性长石（如钠长石）和石英为特征，含有霓辉石、角闪石等碱性暗色矿物，具有碱性花岗岩的典型特征。昌黎碱性花岗岩高的SiO2，低的MgO、Fe2O3T、Ni和Cr含量，表明其来源于地壳源区。昌黎碱性花岗岩明显亏损重稀土元素（HREE），具有Eu正异常，相对高的Sr、Ba和Sr/Y比值，以及低的Y和Yb含量（表2和图6），暗示了昌黎碱性花岗岩的母岩浆来源于下地壳源区的部分熔融，发生熔融压力较大（＞15 kbar），源区残留矿物为石榴子石，从而导致部分熔融产生的岩浆Y和Yb高场强元素含量较低[7，16]。

碱性花岗岩常被认为是拉张构造背景的产物，例如裂谷环境下的非造山碱性花岗岩和后造山碱性花岗岩[14]。一种形成方式是，在拉张背景下发育的深断裂深达岩石圈底部，导致上地幔物质减压、部分熔融、上侵，在浅部地壳生成沿断裂分布的热侵位的碱性花岗岩以及基性-超基性岩石。另一种情形是，在造山作用晚期，随着挤压汇聚作用的中止，地应力转为伸展，形成后造山碱性花岗岩，因此后造山碱性花岗岩是紧随区域造山运动的结束而发生，标志着造山运动的结束。前人通过对华北晚太古代末-古元古代花岗质岩石和片麻岩的研究认为，区内缺乏常见的与裂谷有关的碱性侵入岩，因此提出不能用裂谷模式来解释华北晚太古代-古元古代花岗岩的形成[1，3，7]。华北晚太古代-古元古代花岗岩的广泛分布以及花岗岩普遍具有正的εNd（t）和锆石εHf（t）值的特征，使得学者们提出华北晚太古代末花岗岩来源于新生下地壳的部分熔融，这可能与晚太古代末华北克拉通下地壳基性岩浆的底侵作用有关，造成大规模岩浆底侵的驱动机制是地幔柱活动[1，3，7]。然而，本次工作报道的昌黎碱性花岗岩的出现暗示了华北晚太古代-古元古代大规模岩浆活动可能也受到区域性的伸展构造的影响，深断裂的形成导致上地幔物质减压、部分熔融并上侵到浅部地壳，形成新生地壳，侵位于不同地壳深部的新生地壳的部分熔融，形成了起源于不同熔融深度和压力的秦皇岛、昌黎碱性花岗岩和界岭口花岗闪长岩[7]。至于本文所研究的岩体变质程度较低问题，有待于进一步研究。

5 结论

（1）昌黎花岗岩的形成时间为约2 518 Ma，与冀东界岭口闪长岩和秦皇岛钾质花岗岩的形成时代一致，为华北晚太古代-古元古代大规模岩浆活动的记录。

（2）昌黎花岗岩具有富硅、富碱、富钠，相对低铝的特征，而且以碱性长石和石英为特征，含有霓辉石、角闪石，为碱性花岗岩。全岩地球化学特征表明，昌黎碱性花岗岩的母岩浆来源于下地壳源区的部分熔融，熔融压力＞15 kbar，源区残留矿物为石榴子石。

（3）昌黎碱性花岗岩的形成可能与区域性伸展构造有关，为深部地幔物质底侵形成的新生地壳物质的部分熔融产物。

致谢:成文过程中得到了桂林理工大学庞崇进博士、合肥工业大学张达玉博士、南京大学章荣清博士的有益讨论，论文评审过程中审稿人对本文提出了非常中肯的修改意见，在此一并致以诚挚的感谢!

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