京西海坨山岩体的期次划分、成因类型及构造环境

赵忠海

(北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195)

京西海坨山岩体的期次划分、成因类型及构造环境

赵忠海

(北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195)

海坨山岩体位于北京市延庆区与河北省怀来县的交界处,为一大型复式深成岩基,前人研究工作程度较低。在1∶5万区域地质调查工作的基础上,对该岩体进行了岩性、岩相及侵入期次划分,并对其成因类型和形成环境进行了研究和探讨。结果表明,海坨山岩体的主要岩性为石英二长岩、二长花岗岩以及花岗岩,分三个期次侵入,总体属钙碱性系列的中—酸性岩,具有K、Rb、Ba及轻稀土元素相对富集,Zr、Yb、Y及重稀土元素相对亏损等特点,其成因类型属幔、壳混源的I型花岗岩,形成环境应为活动性大陆边缘的造山带环境,岩浆活动发生于晚造山期。

海坨山岩体;岩性;岩相;侵入期次;I型花岗岩;造山带;晚造山期

图1 海坨山岩体区域地质构造略图Fig.1 Regional geological tectonic sketch of Haituoshan pluton1.第四系;2.侏罗系;3.蓟县系;4.长城系;5.太古界;6.花岗岩体;7.地质界线;8.角度不整合;9.断层;10.推测断层;11.断裂带。

海坨山岩体位于北京的西北部,地处北京市延庆区与河北省怀来县的交界处,平面分布近椭圆形,其出露面积约400 km2。关于海坨山岩体,前人研究工作程度较低,只是将其作为单一的花岗岩侵入体,认为其形成于中生代晚侏罗世[1],而对其成因类型及形成环境并没有进行深入的研究。本次工作发现该岩体为一大型复式深成岩基,其岩性、结构变化较大,故本文在1∶5万区域地质调查(延庆幅、靳家堡幅)工作基础上,对该岩体进行了岩性、岩相及侵入期次划分,并对其成因类型和形成环境进行了研究和探讨。对于重新认识该岩体以及研究华北地区中生代的构造岩浆活动具有重要的意义。

1 地质背景

海坨山岩体分布于北京市延庆区张山营、佛峪口、东门营、西大庄科以及河北省怀来县狼山、东黑山口、大海坨、三间房一带,地处延怀盆地中部,在区域构造上位于山西地堑系NEE向展布的晋冀北张性区东北端与NW向展布的张家口—蓬莱断裂带的复合、交汇部位[2],出露面积约400 km2,平面上呈一长轴方向近NNE向的椭圆形分布,受区域断裂构造大河南—大海坨断裂带及蔚县—延庆断裂带控制明显。该岩体西侧与太古界变质岩及元古界长城系侵入接触,北、东侧与元古界蓟县系及中生界晚侏罗系侵入接触,南侧为新生界第四系覆盖(图1)。沿接触带可见矿化蚀变及矽卡岩化、大理岩化等接触变质现象。岩体中常见变质岩、沉积岩捕虏体及暗色的基性斜长角闪岩和中性闪长岩包体,脉岩比较发育,主要为基性的辉绿玢岩、中性的闪长玢岩以及酸性的正长斑岩、霏细斑岩等。

2 期次划分

海坨山岩体在产状上为一大型复式深成岩基,其主要岩性可划分为石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩。其中石英二长岩主要分布于海坨山岩体北部的鱼儿场沟—三间房一带,出露面积约50 km2。根据岩石结构及岩石中暗色矿物的变化,石英二长岩又可进一步细分为细粒含黑云母石英二长岩及中粒含角闪石石英二长岩,二者间呈不明显的渐变接触关系;二长花岗岩主要分布于海坨山岩体南部的狼山—大青山以及中部的金家口—兰角沟一带,出露面积约260 km2,根据岩石结构的变化,二长花岗岩又可进一步细分为中细粒二长花岗岩及中粒似斑状二长花岗岩,二者间呈不明显的渐变接触关系;花岗岩主要分布于海坨山岩体偏北部的西大庄科—海坨山一带,出露面积约90 km2。根据岩石结构及岩石中暗色矿物的变化,花岗岩又可进一步细分为细粒含黑云母花岗岩及中粒含角闪石花岗岩,二者间呈不明显的渐变接触关系(图2)。野外调查发现,石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩之间呈明显的侵入接触关系,是不同演化阶段的岩浆分三次侵入活动的结果。根据其相互之间的接触关系来看,侵入次序由早至晚依次为石英二长岩—二长花岗岩—花岗岩。又根据其各自结构的变化,分别进行了岩相划分,划分出边缘相和内部相(表1)。

3 岩体特征

3.1 地质特征

海坨山岩体的主要岩性为石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩,岩石风化蚀变比较强烈。其中石英二长岩为灰白色,中—细粒状结构,块状构造,主要由钾长石(45%～50%)、斜长石(30%～35%)、石英(7%～10%)以及角闪石(3%～5%)和黑云母(3%～5%)组成,副矿物主要为磷灰石及榍石;二长花岗岩为灰白色—黄灰色,中细粒状—似斑状结构,块状构造,主要由钾长石(30%～35%)、斜长石(25%～35%)、石英(25%～30%)以及角闪石(3%～5%)和黑云母(3%～5%)组成,副矿物主要为磷灰石及磁铁矿;花岗岩为灰白色—浅肉红色,中—细粒结构,块状构造,主要由钾长石(50%～55%)、斜长石(10%～20%)、石英(25%～30%)以及角闪石(2%～3%)和黑云母(2%～4%)组成,副矿物主要为磷灰石及磁铁矿。野外调查发现,石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩之间呈明显的侵入接触关系,在兰角沟—西大庄科一带,见中细粒二长花岗岩侵入于细粒含黑云母石英二长岩中,沿二者接触带,中细粒二长花岗岩中发育有0.1～0.5 m的冷凝边(图3);在大岭子—黑龙潭沟一带,见中粒含角闪石花岗岩侵入于中粒似斑状二长花岗岩中,在含角闪石花岗岩中见二长花岗岩捕虏体(图4)。

图2 海坨山岩体岩性与侵入期次划分Fig.2 Lithology and intrusive period division of Haituoshan pluton1.第四系;2.侏罗系;3.蓟县系;4.长城系;5.太古界;6.地质界线;7.角度不整合界线;8.岩相界线;9.断层;10.细粒含黑云母花岗岩;11.中粒含角闪石花岗岩;12.中细粒二长花岗岩;13.中粒似斑状二长花岗岩;14.细粒含黑云母石英二长岩;15.中粒含角闪石石英二长岩;16.岩性及侵入期次。表1 海坨山岩体侵入期次及岩相划分Table 1 Intrusive period and lithofacies division of Haituoshan pluton

期次侵入阶段岩相带岩石类型岩石代号产状主侵入期第三阶段第二阶段第一阶段内部相中粒含角闪石花岗岩γ3-3a5岩株边缘相细粒含黑云母花岗岩γ3-3b5岩株内部相中粒似斑状二长花岗岩ηγ3-2a5岩基边缘相中细粒二长花岗岩ηγ3-2b5环带状内部相中粒含角闪石石英二长岩ηo3-1a5小岩株边缘相细粒含黑云母石英二长岩ηo3-1b5环带状附加侵入期脉岩相辉绿玢岩βμ脉状闪长玢岩δμ脉状正长斑岩ξπ脉状霏细斑岩μπ小岩株

图3 二长花岗岩与石英二长岩接触关系素描图Fig.3 Sketch of the contact relation between monzonitic granite and quartz monzonite①.细粒含黑云母石英二长岩;②.中细粒二长花岗岩;③.冷凝边。

图4 花岗岩与二长花岗岩接触关系素描图Fig.4 Sketch of the contact relation between granite and monzonitic granite ①.中粒似斑状二长花岗岩;②.中粒含角闪石花岗岩。

3.2 地球化学特征

本次工作在海坨山岩体中分别采集石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩新鲜样品各2件用于主量、稀土和微量元素地球化学分析,样品测试在原地质矿产部北京市中心实验室测试完成,其中主量元素采用等离子发射光谱仪分析,除SiO2采用碱熔法测定外,其它氧化物均采用酸溶法测定,分析精度优于2%;稀土和微量元素采用质谱仪和X荧光光谱仪分析,分析精度优于3%。

3.2.1 主量元素地球化学特征

海坨山岩体的岩石化学特征见表2。从表2中可以看出,该岩体SiO2含量为64.28%～74.60%,属中—酸性岩;Na2O+K2O含量为7.92%～9.19%,在TAS图解[3]中均投影至石英二长岩—花岗岩区域内且在碱性—亚碱性系列分界线下方(图5),属亚碱性系列花岗岩;Al2O3含量12.74%～15.92%,铝饱和指数A/CNK为1.00～1.09,平均1.04,A/CNK>1.0而<1.1,属弱过铝质花岗岩;里特曼组合指数δ值为2.16～3.28,均<4,K2O/Na2O的值为0.92～1.03,平均0.97,岩石相对富钠贫钾,属太平洋型钙碱性系列岩石;岩石分异指数DI值为79.8～96.6,岩石固结指数SI值为0.54～7.40,岩石长英指数FL值为79.7～96.7,表明其岩浆在演化过程中经历了较好的结晶分异作用。总体看来,该岩体岩浆具有富硅、铝、碱而贫钙、铁、镁的特点,且由早至晚,体现出SiO2由低至高,Al2O3、MgO、CaO及Fe2O3+FeO由高至低,Na2O+K2O变化不明显的演化趋势。

图5 海坨山岩体TAS图解Fig.5 Diagram of TAS for Haituoshan pluton

3.2.2 稀土和微量元素地球化学特征

海坨山岩体的稀土和微量元素特征见表3。从表3中可以看出,该岩体稀土元素总量中等偏低,∑REE为141.7×10-6～247.9×10-6,其中∑LREE为125.7×10-6～225.6×10-6,∑HREE为16.0×10-6～27.9×10-6,LR/HR值为7.03～10.1,La/Yb值为40.2～61.6,表明该岩体轻、重稀土分异明显,LREE 较HREE相对富集。依据赫尔曼提出的以稀土元素未发生分馏的球粒陨石的Sm/Nd值判断稀土元素亏损(Sm/Nd>0.333)和富集(Sm/Nd<0.333)的标准,海坨山岩体的Sm/Nd值为0.16～0.21,均<0.333,属LREE富集型[4]。在稀土元素球粒陨石标准化[5]分布图上(图6),海坨山岩体的分布曲线总体呈右倾型,表明轻、重稀土分异明显。 Eu左侧的曲线陡倾,Eu右侧的曲线平缓,表明轻稀土的分异程度高于重稀土。La/Sm值为8.6～20.1,Gd/Yb值为1.57～3.91,表明轻稀土元素之间的分异程度大,而重稀土元素之间的分异程度相对较小,这与稀土元素分布曲线的意义一致。

表2 海坨山岩体化学成分特征表Table 2 Chemical compositions of Haituoshan pluton

表3 海坨山岩体稀土和微量元素特征表Table 3 Characteristics of REE and trace element of Haituoshan pluton

图6 海坨山岩体稀土元素球粒陨石标准分布图Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution of Haituoshan pluton

δEu为0.30～0.74,属中等—强铕负异常。

海坨山岩体的微量元素以相对富集K、Rb、Ba、Th、Hf,相对亏损Zr、Yb、Y、Cr、Ni等元素为特征。在原始地幔标准化[6]微量元素蛛网图上(图7),该岩体的分布曲线总体右倾,岩石中的Rb、Th、K、La、Nd、Hf等元素明显富集,Nb、 Sr、P、Ti等元素明显亏损,Ba、U、Ta、Ce、Zr等元素无明显富集或亏损趋势。

与维氏同类岩石的平均值相比,海坨山岩体石英二长岩中Ba、Th、U、Ta、Hf等元素相对富集,Sr、Nb、Ni等元素相对亏损,Rb、Zr、Cr等元素相近;二长花岗岩中Ba、Sr、Th等元素相对富集,Rb、Th、U、Ni、Nb等元素相对亏损,Ta、Zr、Cr等元素相近;花岗岩中Nb、Hf等元素相对富集,Sr、Ba、U、Ta、Ni等元素相对亏损,Rb、Zr、Cr等元素相近。

图7 海坨山岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.7 Primitive mantle-normalized spider diagram of Haituoshan pluton

由“石英二长岩—二长花岗岩—花岗岩”,岩石中微量元素呈现出Rb、Nb含量增高,Sr、Ba、Ti、Cr、Th、Ni含量降低的趋势。

4 成因类型

关于花岗岩成因类型的划分,不同学者通过对不同地区花岗岩的研究,从不同角度提出了各自的分类方案。其中以Chappell和White(1974)提出的I型和S型花岗岩以及Ishihara(1979)提出的磁铁矿系列和钛铁矿系列花岗岩分类方案较有代表性。此外,Collins等(1982)划分出的产于非造山环境相对不含水的碱性的A型花岗岩以及Pitcher(1983)划分出的产于蛇绿岩套中的M型花岗岩等,均进一步推进了花岗岩成因研究方面的工作。由于花岗岩是涉及到不同源岩的几种岩石形成作用过程末期的产物,而每种源岩和岩石形成作用都与特定的构造环境有关,故研究花岗岩成因类型,有助于分析其形成时的构造环境。

目前,确定花岗岩的成因类型主要是依据各种地球化学参数或图解。由于不同的参数或图解仅能代表一两个不同的变量,应用不同的参数或图解,有时会得出不一致甚至互相矛盾的结论。故研究花岗岩成因类型,除了依据各种地球化学参数或图解外,还应综合考虑岩石组合、岩体产状以及包体类型等。本文在综合分析海坨山岩体的地质特征、岩石特征、岩石化学特征以及岩石地球化学特征的基础上,认为该岩体成因类型总体属于I型,但由早至晚,岩浆中壳源组分逐渐增多。主要依据如下:

(1) 海坨山岩体的产状为平面近椭圆形的大型多期复式岩基,这是I型或S型花岗岩的典型特征,与A型花岗岩通常呈多期中心式破火山口杂岩的产状特征有较大不同[7]。

(2) 海坨山岩体的主要岩性组合为“石英二长岩—二长花岗岩—正长花岗岩”,与I型花岗岩的岩石组合特征相一致。而S型花岗岩的岩石组合通常是“二长花岗岩—正长花岗岩”,A型花岗岩的岩石组合通常是“碱性花岗岩—碱性正长岩”[8]。

(3) 海坨山岩体相对富硅、富铝、富碱而贫钙、贫铁、贫镁,里特曼指数δ为2.16～3.28,均<3.3;铝饱和指数A/CNK为1.00～1.09,均<1.1;Fe2O3/FeO值为0.70～3.16,均>0.4;岩石分异指数DI为79.8～96.6,结晶分异程度较高。这与I型花岗岩特征比较一致[9]。

(4) 海坨山岩体稀土元素的总量中等偏低,稀土分布曲线表现为左高右平的右倾型曲线,石英二长岩与二长花岗岩的铕负异常中等偏弱,在稀土分布曲线上几乎没有“铕谷”;花岗岩的铕负异常比较强烈,在稀土分布曲线上表现为很深的“铕谷”,表明海坨山岩体的岩浆具有幔、壳混源的特征,且由早至晚,壳源组分逐渐增多[10]。

(5) 海坨山岩体相对富集Rb、Ba、Th、K、La、Nd、Hf,亏损Sr、 Nb、 P、Ti等元素,符合Ⅰ型花岗岩的特点,岩石普遍具Th/Hf(0.92～2.66)、Yb/Hf(0.06～0.39)较低,Ba/La(2.33～31.57)较高的特征,表明其岩浆除幔源成分外,同时还有陆壳物质的掺入[11]。早期岩体Cr、Ni含量较高,表明其岩浆起源深,后期Cr、Ni的含量逐渐降低,表明其岩浆起源深度逐渐变浅[12]。此外,岩石中Zr/Hf为7.8～27.6,Nb/Ta为4.2～19.7,介于地幔与地壳的均值之间[13]。

(6) 在判断花岗岩成因类型的SiO2-Zr图解[14]和Fe2O3-FeO图解[15]中,海坨山岩体均投影于I型花岗岩区内(图8、图9);在ACF图解[16]中,海坨山岩体中的石英二长岩和二长花岗岩均投影于I型花岗岩区内,花岗岩则投影于I型与S型花岗岩区分界线附近(图10)。

故综上所述,本文认为海坨山岩体的成因类型为I型花岗岩,且由早至晚,岩浆中壳源组分逐渐增多。

5 构造环境

不同成因系列的岩浆岩产出于不同的构造环境,与板块构造关系密切。Maniar and Piccoli(1987)利用花岗岩类岩石、矿物学特征和主量元素化学特征将花岗岩类形成的构造环境划分为造山和非造山两大类,造山环境花岗岩又分为岛弧、大陆弧、大陆碰撞和造山期后花岗岩等4种环境类型;非造山环境花岗岩可能与裂谷有关,也可能与大陆造陆上升有关,还包括大洋斜长花岗岩[17]。海坨山岩体在lgσ-lgτ图解[18]中(图11),均投影于造山带环境(岛弧与活动大陆边缘)区内,但岩石中K2O的含量值为3.84%～4.49%,平均为4.13%,远高于岛弧环境火山岩K2O的含量(平均为1.6%),而与活动大陆边缘环境火山岩K2O的含量(平均为3.25%)比较接近,按照Jakes等人(1972)的观点,其形成环境应为活动大陆边缘环境[19];又由于其在R1-R2多阳离子参数构造环境判别图[20]中均投影于晚造山期花岗岩区(图12),故本文认为该岩体形成于造山带之活动陆缘环境,其岩浆活动发生于晚造山期,岩浆以幔、壳混源为主,且由早至晚,岩浆中壳源组分逐渐增多[21]。

图8 海坨山岩体SiO2-Zr图Fig.8 SiO2-Zr diagram of Haituoshan pluton

图9 海坨山岩体Fe2O3-FeO图Fig.9 Fe2O3-FeO diagram of Haituoshan pluton

图10 海坨山岩体ACF图Fig.10 ACF diagram of Haituoshan pluton

图11 海坨山岩体lgσ-lgτ构造环境判别图Fig.11 Lgσ-lgτ discrimination diagram for the tectonic environment of Haituoshan pluton

图12 海坨山岩体R1-R2构造环境判别图Fig.12 R1-R2 discrimination diagram for the tectonic environment of Haituoshan pluton

6 结论

本文在1∶5万区域地质调查工作基础上,对海坨山岩体进行了岩性、岩相及侵入期次划分,将该岩体划分为石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩,并根据岩石结构及暗色矿物等变化特征,进一步划分出了边缘相和内部相。根据石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩相互之间的接触关系,将海坨山岩体划分为三个主要侵入阶段,由早至晚依次为:石英二长岩—二长花岗岩—花岗岩。通过对海坨山岩体地质特征及地球化学特征等综合分析后认为,该岩体的成因类型主要为幔、壳混源岩浆形成的I型花岗岩,其形成环境为造山带之活动陆缘环境,其岩浆活动发生于晚造山期。

[1] 郁建华,付会芹,张凤兰,等.北京地区岩浆岩深成作用[M].北京:地质出版社,1992:1-178

[2] 刘保金,孙振国,赵成斌,等.延庆—怀来地区高分辨率浅地震反射剖面[J].地震地质,1999,21(4):425-430.

[3] Middlemost Eric A.K.Naming materials in the magma/igneous rock system[J].Earth Science Reviews,1994,37(3/4):215-224.

[4] 陈德潜,陈刚.实用稀土元素地球化学[M].北京:地质出版社,1990:59-185.

[5] Boynton W F. Geochemistry of the rare earth elements:meteorite studies[M].Amsterdam:Elsevier,1984:63-114.

[6] Sun S S and McDonough W F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts:Implications for mantle composition and processes[J].Geological Society,1989,42(1):313-345.

[7] 马鸿文.花岗岩成因类型的判别分析[J].岩石学报,1992,8(4):341-349.

[8] 高秉璋,洪大卫,郑基俭,等.花岗岩类区1∶5万区域地质填图方法指南[M].武汉:中国地质大学出版社,1991:1-100.

[9] Pitcher W S. Granite type and tectonic environment[M].London:Academic Press,1983:19-40.

[10] 吴锁平,王梅英,戚开静.A型花岗岩研究现状及其述评[J].岩石矿物学杂志,2007,26(1):59-61.

[11] Barry T L,Pearce J A,Leat P T,et al..Hf isotope evidence for selective mobility of high field strength elements in a subduction setting:South Sandwich Islands[J].Earth and Planetary Science Letters,2006,252(3):223-244.

[12] Martin H. Adakitic magmas:Modern analogues of Archaean granitoids[J].Lithos,1999,46(3):411-429.

[13] Green T H. Significance of Nb/Ta as an indicator of geochemical processes in the crust-mantle system[J].Chemical Geology,1995,120:347-359.

[14] 李小强,何雨栗,陈军林,等.内蒙古阿巴嘎旗北部侵入岩体地质地球化学特征及成因[J].兰州大学学报(自然科学版),2013,49(1):13-23.

[15] 白志民,许淑贞,葛世伟.八达岭花岗杂岩 [M].北京:地质出版社,1991:1-200.

[16] Chappell B W,White A J R.Two contrasting granite types:25 years later[J].Australian Journal of Earth Sciences,2001,48(4):489-499.

[17] 肖庆辉.花岗岩研究思维与方法[M].北京:地质出版社,2002:537-563.

[18] 邱家骧,林景仟.岩石化学[M].北京:科学出版社,1991:110-202.

[19] Jakeš P,White AJR.Major and Trace element abundances in volcanic rocks of orogenic areas[J].Geological Society of America Bulletin,1972,83:29-40.

[20] Delaroche H,Leterrier J,Grandclaude P,et al..A classification of volcanic and plutonic rocks using R1R2-diagram and ma-jor-element analyses-Its relationships with current nomenclature [J].Chemical Geology,1980,29(1):183-210.

[21] 赵振华.关于岩石微量元素构造环境判别图解使用的有关问题[J].大地构造与成矿学,2007,31(1):92-103.

(责任编辑：于继红)

Intrusive Stages Division,Genetic Types and Tectonic Setting ofHaituoshan Pluton in Western Beijing

ZHAO Zhonghai

(BeijingGeologicalMineralExplorationandDevelopmentBureau,Beijing100195)

The Haituoshan pluton is located in the junction between Yanqing District of Beijing and Huailai County of Hebei Province. It is a large composite plutonic batholith,of which the previous research work level was relatively low. In this paper,the author focused the research on lithology,lithofacies and intrusive stage division about this pluton on the basis of 1∶50 000 regional geological survey,further,its genetic type and tectonic setting were studied and discussed. The results show that the main lithology of the Haituo Mountain pluton is quartz monzonite,monzonitic granite and granite,and it was the product of three intrusion stages. It belongs to the neutral-acid rocks of the calc-alkaline series,and has the characteristics that K,Rb,Ba and light rare earth elements are relative enrichment while Zr,Yb,Y and heavy rare earth elements are relative depleted. Thus,its magma type belongs to the crust-mantle mixing I-type granite,and it originated in the active continental margin of the orogenic belt,which magmatic activity occurred in the late-orogenic phase.

Haituoshan pluton; lithology; lithofacies; intrusive stages; I-type granite; the orogenic belt; the late-orogenic phase

2016-11-01;改回日期:2016-12-27

赵忠海(1970-),男,教授级高级工程师,硕士,地质学与应用地球物理复合型专业,从事区域地质调查、矿产资源勘查、工程物探勘察以及地质灾害评估、勘查、防治工作。E-mail:zhaozhonghai2011@126.com

P588.12

A

1671-1211(2017)03-0243-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.002

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170517.1600.004.html 数字出版日期:2017-05-17 16:00