冀北五凤楼煌斑岩年代学、地球化学特征及其成因

董朋生，董国臣，孙转荣，李华伟，王树树，翟天雷，王伟清，耿建珍

(中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083)

0 引 言

煌斑岩作为浅成镁铁质—超镁铁质火成岩，是一种成分和成因复杂的一组暗色斑状脉岩，挥发分含量较高[1-2]，常与深成中温热液金矿床有着密切的时空联系[3-4]，因此一直是地球动力学过程中如壳幔作用和成矿作用研究的热点之一。

随着研究的不断深入，不同学者提出了不同的煌斑岩成因模式。有学者认为煌斑岩为基性岩浆受到地壳混染后发生结晶分异形成[5]；也有学者提出煌斑岩是幔源煌斑岩熔体与壳源硅质熔体发生混合作用而成[6]；目前普遍认为煌斑岩是由交代富集地幔部分熔融产生，但对于地幔交代富集机制存在不同观点：(1)俯冲洋壳交代地幔诱发部分熔融产生富集地幔[7]；(2)深源含挥发分流体交代岩石圈地幔诱发部分熔融产生富集地幔[4,8]。对煌斑岩的成因认识直接影响到壳幔相互作用和深部地幔部分熔融程度，从而使煌斑岩具有反映深部构造—岩浆作用和源区地球化学性质及成矿作用的属性。

燕山地区自元古宙华北克拉通化以来，进入稳定的盖层演化阶段[9]，在中生代初期出现岩浆活动并在早白垩世达到顶峰，形成以包括基性岩浆和酸性岩浆为特征的重要岩浆事件[10]。前人对该地区岩浆岩的成因机制及地球动力学背景进行了广泛研究。寿王坟杂岩体是该地区早白垩世岩浆活动的重要组成部分，其接触带发育矽卡岩型铜钼矿化，前人对该杂岩体的成岩成矿时代、岩石地球化学特征及岩石矿床成因机制进行了研究[11]，取得了一定的研究成果。但是对侵入寿王坟杂岩体中的五凤楼煌斑岩未见研究，本文报道了冀北五凤楼煌斑岩岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学及Hf同位素特征，探讨其成因及其所蕴含的地质意义，为区域壳幔结构及其相互作用提供参考依据。

1 区域地质背景及岩石学特征

寿王坟—五凤楼一带的煌斑岩产于与寿王坟铜矿有关的花岗质杂岩体中(图1)。该区域地处华北克拉通东部的中生代月明山火山盆地北部边缘，北临张家口—北票深大断裂，南有西峰口—凌源深断裂。火山盆地以中侏罗统安山岩和安山质火山碎屑岩为主，周边发育中元古界蓟县系雾迷山组厚层灰岩、含燧石条带或结核灰质白云岩。

区内侵入岩呈岩株状南北向延伸产出，出露面积约72 km2。岩性由南向北依次为石英二长岩—石英闪长岩—石英二长岩，构成一个侵入杂岩体。在岩体接触带常有矿化蚀变，形成矽卡岩型铜铁钼多金属矿床。著名的寿王坟铜矿就是该杂岩体外接触带中的矽卡岩型铜铁矿床。区内断裂成群出现，构造线多呈SSW—NNE向，断面北倾，倾角30°～60°。

在该火山岩盆地中发育有煌斑岩，呈脉状侵入到燕山期石英闪长岩中(图1)，多呈近南北走向陡倾产出，一般宽1～3 m，延长百余米至数百米(图2(a))。其岩性为云煌岩，呈灰黑色，斑状结构，致密块状构造(图2(b))，斑晶成分为黑云母和角闪石，黑云母含量5%～10%，可见细粒磁铁矿沿其解理或裂隙分布(图2(c))；角闪石呈自形—半自形晶，放射状(图2(d))，含量5%，基质含量85%，以斜长石为主，可见绢云母化。副矿物主要为磁铁矿(3%)、磷灰石(<1%)及锆石等。

2 分析方法

图1 五凤楼一带地质简图(据文献[12]修改)Fig.1 Geological sketch map of the Wufenglou area

图2 五凤楼煌斑岩野外露头及显微照片Fig.2 Field outcrop and microscopic photos of Wufenglou lamprophyres(a)煌斑岩野外露头; (b)煌斑岩标本; (c)煌斑岩显微照片(单偏光),磁铁矿充填基质; (d)煌斑岩显微照片(单偏光),斑状结构，有放射状角闪石斑晶; Bi.黑云母; Hb.角闪石; Ap.磷灰石; Mag.磁铁矿

用于测试的样品产出位置见图1，样品是在野外仔细观察的基础上挑选的无蚀变或蚀变较弱的代表性岩石，将其粉碎至200目，在中国冶金地质总局第一地质勘察院测试中心完成煌斑岩样品的主量元素、稀土及微量元素分析工作。采用重铬酸钾容量法测定氧化亚铁含量，用X射线荧光光谱法在X荧光光谱仪上测定其他主量元素，误差小于5%。用电感耦合等离子体质谱法在离子质谱仪上测定微量元素和稀土元素，误差小于5%。

锆石单矿物挑选工作在河北省欣航测绘院完成，先将原岩样品粉碎至300 μm，经常规重选和电磁选之后，在双目镜下挑选晶形完好、透明度和色泽度较好的锆石。锆石制靶和显微照相工作在北京锆年领航科技有限公司完成。将完整典型的锆石颗粒置于DEVCON环氧树脂中，待固结后抛磨，使锆石内部充分暴露，然后对锆石靶进行阴极发光(CL)、透射光和反射光照相，据此选择并标记合适的锆石位置进行U-Pb定年分析。锆石U-Pb同位素分析及Lu-Hf同位素分析在天津地质矿产研究所完成，所用仪器为Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和193 nm激光取样系统(LA-ICP-MS)。激光剥蚀的斑束直径为35 μm，能量密度为13～14 J/cm2，频率为8～10 Hz，激光剥蚀物质以He为载气送入Neptune(MC-ICP-MS)。锆石标样采用TEMORA标准锆石。数据处理及作图运用ICPMSDataCal程序和Isoplot程序，采用208Pb对普通铅进行校正。利用NIST612作为外标计算锆石样品的Pb、U和Th含量。锆石Lu-Hf同位素分析是在锆石U-Pb年龄分析位置或附近进行，方法和同位素分馏校正见耿建珍等详述[13]。

3 分析结果

3.1 主量元素

由分析结果(表1)可以看出，五凤楼煌斑岩SiO2=48.25%～51.47%，平均50.11%，MgO=6.94%～8.00%，平均7.40%；K2O+Na2O=6.61%～7.40%，平均6.81%，Na2O/K2O=1.13～2.31，平均1.51，表明煌斑岩具高碱、富钠的特征；在SiO2-K2O图解(图3(a))上可判别为钙碱性煌斑岩；其TiO2=1.31%～1.65%，平均1.46%，Ti/Y>350，属于高钛煌斑岩；Al2O3=13.75%～14.12%，平均13.93%，摩尔比K/Al=0.16～0.27，摩尔比K/(K+Na)=0.22～0.37，在K/( K+Na )-K/Al图解(图3(b))中落入钠质煌斑岩区域。因此，五凤楼煌斑岩属于高钛、钠质钙碱性煌斑岩。

3.2 微量元素

煌斑岩的稀土元素(表1)总量介于248.3×10-6～362.8×10-6，平均313.3×10-6。LREE/HREE比值为14.70～18.49，平均为17.17，轻重稀土元素分异明显，(La/Yb)N变化于27.57～43.07之间，平均为37.46，轻稀土富集，重稀土亏损。其稀土配分曲线基本一致(图4(a))，为右倾曲线。δCe为1.00～1.10，平均1.04，δEu为0.99～1.03，平均1.01，基本无Ce和Eu异常。

表1 五凤楼煌斑岩主量元素(wB/%)、微量元素(wB/10-6)分析结果Table 1 Composition of major elements (%) and trace elements (10-6) of Wufenglou lamprophyres

图3 煌斑岩SiO2-K2O分类图(a) (底图据文献[14])和K/Al-K/(K+Na)分类图(b) (底图据文献[2])Fig.3 SiO2-K2O diagram (a) and K/Al-K/(K+Na) diagram (b) for classification of Wufenglou lamprophyresCAL.钙碱性煌斑岩；UML.超镁铁质煌斑岩；AL.碱性煌斑岩；LL.钾镁煌斑岩；I.钠质煌斑岩；Ⅰ’.弱钾质煌斑岩；Ⅱ.钾质煌斑岩；Ⅲ.超钾质煌斑岩；Ⅳ.过钾质煌斑岩

图4 煌斑岩球粒陨石标准化REE配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化数值据文献[15])Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized spidergrams of trace elements (b) of the lamprophyres

煌斑岩不相容元素含量明显高于原始地幔，表现出不同程度的富集。Ba等大离子亲石元素及P、Hf的富集程度较强 (图4(b))，Nb、Zr、Ta等高场强元素则表现出一定程度的亏损。

3.3 锆石U-Pb年代学

煌斑岩中可以挑选出原生锆石[7,16-17]。本次选取煌斑岩(样品16WF93，采样位置：N40°34′46″，E117°53′24″，图1)进行精确定年。其锆石呈无色透明或淡黄色，自形长柱状，长50～200 μm，长宽比1∶1～3∶1。阴极发光显示内部结构清晰，具有典型的单期生长的震荡环带(图5(a))，锆石的U和Th含量较高,分别为170×10-6～847×10-6、126×10-6～1 061×10-6，Th/U比值为0.56～1.25，全部大于0.5,说明其为岩浆成因锆石[18](表2)。

所有18个测点几乎均落在谐和线附近(图5(b))，谐和度达95%以上，说明这些锆石未受明显的后期热事件影响，U-Pb同位素体系封闭性较好。18颗锆石的206Pb/238U加权平均年龄为(135.2±1.3)Ma(图5(b))，代表煌斑岩的结晶年龄。

3.4 锆石Hf同位素

五凤楼煌斑岩Lu-Hf同位素分析结果(表3)表明所有测点176Lu/177Hf在0.000 452～0.001 163范围内，均小于0.002，表明锆石形成后有较低放射性成因Hf的积累，所以176Lu/177Hf比值能比较好地反映锆石形成过程中的Hf同位素组成[19]。18个测点176Hf/177Hf介于0.282 142～0.282 313，平均0.282 225，根据锆石原位年龄校正计算后求得锆石εHf(t)为-19.3～-13.3(图6(a))，均小于0，平均-16.5，单阶段模式年龄tDM1=1.3～1.5 Ga，平均1.4 Ga，二阶段模式年龄tDM2=2.0～2.4 Ga(图6(b))，平均2.2 Ga，远老于其成岩年龄(135 Ma)。

4 讨 论

4.1 煌斑岩的形成时限

华北克拉通煌斑岩形成时代一直是相关研究的热点之一。已有研究较多，但结果相差较大。如辽东铧子裕矿区煌斑岩SHRIMP锆石U-Pb年龄(155±4) Ma[16]、内蒙古丰镇对九沟煌斑岩K-Ar同位素年龄(146.6±2.9) Ma[20]、京北军都山南口北Rb-Sr同位素年龄(128±2) Ma[21]、太行山大河岩体北部煌斑岩Rb-Sr同位素年龄为120 Ma[22]和辽宁桃源—小佟家堡子金矿带煌斑岩K-Ar同位素年龄100～84 Ma[23]等。从这些结果中可以看出，除了分析时代和分析方法如较早时期的K-Ar法所引起的差异外，煌斑岩年龄值总体上显示出明显的不一致，其形成时代介于155～84 Ma。本文对寿王坟地区五凤楼煌斑岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，获得岩浆结晶年龄为(135.2±1.3) Ma，年龄上与京北军都山煌斑岩较接近，说明该煌斑岩侵位于早白垩世。

图5 五凤楼煌斑岩(16WF93)锆石CL图像(a)及锆石U-Pb年龄谐和曲线图(b)Fig.5 CL images (a) and U-Pb concordia diagrams (b) of zircon grains of Wufenglou lamprophyres

表2 五凤楼煌斑岩(16WF93)LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic data of Wufenglou lamprophyres

图6 五凤楼煌斑岩(16WF93)锆石εHf(t)值(a)及二阶段模式年龄图(b)Fig.6 εHf(t) values (a) and two-stage Hf model ages (b) of zircon grains of Wufenglou lamprophyres

表3 五凤楼煌斑岩(16WF93)锆石Hf同位素分析结果Table 3 Zircon Hf isotopic compositions of Wufenglou lamprophyres

从区域岩浆活动分析，研究区内煌斑岩的直接围岩石英闪长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为143 Ma(未发表数据)，石英闪长岩所在的寿王坟杂岩体的侵位年龄为143～133 Ma[11]，这个年龄代表了华北燕山地区中酸性岩的形成年龄[24]。同时，已有研究揭示，华北克拉通东部地区有多期基性岩脉侵入，其中，对比吉林三棚甸子辉绿岩(137 Ma)[25]、冀北杨树沟基性岩(134.9 Ma)[26]、鲁西铁铜沟辉石闪长岩(134.5 Ma)[27]、吉林赤柏松橄榄辉长岩(134 Ma)[28]、济南王各庄辉长岩(132.3 Ma)[28]、辽宁杨木川角闪辉长岩(132 Ma)[25]、吉林胡家口子橄榄二辉岩(130 Ma)[25]等，这些基性岩侵位年龄在137～130 Ma。

可以看出，本文所获得的煌斑岩年龄代表区域煌斑岩类岩浆活动，与中酸性岩类和基性岩类岩浆同时形成，构成区域岩浆活动事件。

4.2 岩浆源区及岩石成因

五凤楼煌斑岩具低SiO2、富MgO、高Ti的特点，SiO2含量为48.25%～54.23%，MgO含量介于6.94%～8.00%，按照Mg含量摩尔比换算，Mg#=100×Mg2+/(Mg2++Fe2+)，其Mg#=67.84～71.34，接近原始地幔(89.93)[29]；岩石属于高钛煌斑岩(TiO2=1.31%～1.65%，Ti/Y>350)指示深部地幔源区的特点[30]，相容元素Cr=168.8×10-6～376.0×10-6，Ni=79.4×10-6～150.9×10-6，接近原生岩浆范围[1]；五凤楼煌斑岩Nb/U平均值为28.22，Ce/Pb平均值为13.58，远大于地壳相应值(Nb/U=6.15，Ce/Pb=3.91)[31]，而接近原始地幔(Nb/U=30.42，Ce/Pb=9.15)[29]。地壳混染岩石的Nb/Ta值较低(约11)，且Nb/Ta与La/Yb具明显负相关性[32]。五凤楼煌斑岩的Nb/Ta较高(17.8～36.7)，接近原始地幔(Nb/Ta=17.6)[29]，且Nb/Ta与La/Yb不具备负相关关系，而呈现微弱的正相关关系，显示没有发生地壳混染。

五凤楼煌斑岩锆石的εHf(t)值为-19.3～-13.3，模式年龄远老于其成岩年龄，表明岩浆源区起源于富集地幔[19]。在Zr/Nb-Y/Nb图解(图7(a))和Ta/Yb-Th/Yb图解(图7(b))上，煌斑岩样品基本上落在富集地幔的区域内或接近富集地幔，而不具备亏损地幔的特征，也表明岩浆源区为富集地幔[33]。

图7 五凤楼煌斑岩Zr/Nb-Y/Nb图解(a)和Ta/Yb-Th/Yb图解(b) (底图据文献[33])Fig.7 Zr/Nb-Y/Nb diagram (a) and Ta/Yb-Th/Yb diagram (b) of Wufenglou lamprophyres

五凤楼煌斑岩具有较高的LILE/HFSE和LREE/HREE值及Sr含量(915.4×10-6～1 257×10-6)，暗示源区受到了俯冲带流体或者熔体改造。高Ba/Th值代表了俯冲带流体对岩浆源区显著的贡献[34]，本区煌斑岩的Ba/Th值为123.09～436.34，平均为268.46，说明岩浆源区在一定程度上受到了俯冲带流体或者熔体的改造。俯冲洋壳在深部发生脱水形成俯冲带流体，其非常容易与俯冲带上侧的地幔楔发生交代作用，进而形成富集地幔源区，五凤楼煌斑岩的富集地幔特征可能与俯冲流体作用有关。在Sr/Th-Th/Ce图(图8(a))和Th-Ba/Th图(图8(b))中可以看出源区具俯冲流体的特征[35]。五凤楼煌斑岩富钠(Na2O>3%，Na2O/K2O>1)，Nb>10×10-6(38.17×10-6～64.84×10-6)，具有稀土配分曲线右倾、富集轻稀土和Ba等大离子亲石元素而亏损Nb、Zr、Ta等高场强元素等特征，类似于富Nb玄武岩[36](图9)，后者形成于与富钠俯冲流体的交代作用。因此，五凤楼煌斑岩的形成与钠质俯冲流体交代有关。

图8 五凤楼煌斑岩Sr/Th-Th/Ce图解(a)和Th-Ba/Th图解(b) (底图据文献[35])Fig.8 Sr/Th-Th/Ce diagram (a) and Th-Ba/Th diagram (b) of Wufenglou lamprophyres

图10 五凤楼煌斑岩Ba/Rb-Rb/Sr图解 (a) (底图据文献[37])和K/Yb-Dy/Yb图解 (b) (底图据文献[39]) Fig.10 Ba/Rb-Rb/Sr diagram (a) and K/Yb-Dy/Yb diagram (b) of Wufenglou lamprophyres

交代地幔源区的主要含大离子亲石元素的矿物为金云母和角闪石。有金云母存在的地幔源区部分熔融形成钾质岩浆(K2O/Na2O>1)，而有角闪石存在的地幔源区部分熔融形成的钠质岩浆(Na2O/K2O>1)[37]。五凤楼煌斑岩具富钠特征，暗示其地幔源区可能存在角闪石。Ba和Rb在金云母中为相容元素，Ba、Rb和Sr在角闪石中为中等相容元素[38]，较低的Rb/Sr(0.02～0.11)及较高的Ba/Rb(10.8～80.9)证明其源区主要为含有角闪石的富集地幔(图10(a))。五凤楼煌斑岩LREE富集，HREE相对亏损及较低的Y含量(14.19×10-6～19.06×10-6)和Yb含量(1.15×10-6～1.32×10-6)反映了地幔源区中石榴子石为重要残留相，较高的Dy/Yb值(3.1～3.4)也说明岩浆可能来源于石榴子石相地幔部分熔融[39]。在K/Yb-Dy/Yb图解(图10(b))上指示其源区性质接近石榴石角闪二辉橄榄岩富集地幔的低程度部分熔融(0.5%～1.5%)[39]。因此，五凤楼煌斑岩源区为富集地幔石榴石角闪二辉橄榄岩。地幔石榴石相橄榄岩深度大于75 km[40]，地幔角闪石稳定深度小于100 km[41]，由此推测五凤楼煌斑岩起源深度为75～100 km。

华北克拉通东部由挤压构造向伸展构造转折始于150～140 Ma，终于110～100 Ma，峰期是120～110 Ma[42]，早白垩世古太平洋板块向欧亚大陆的俯冲引起大陆岩石圈发生大规模伸展作用[43-44]，为岩浆侵位提供了良好条件[45]，由此诱发中国东部中生代强烈的构造岩浆事件[46]。五凤楼煌斑岩形成于135 Ma，与这一事件相吻合，形成于这一构造背景下。

古太平洋板块向欧亚大陆的俯冲开始为斜向俯冲，随后为沿着地幔过渡带的水平俯冲[47-48]。

五凤楼地区作为华北克拉通东部的一部分，在古太平洋板块俯冲过程中，随着温度和压力条件的升高，洋壳脱水析出富钠流体，这些流体与上覆岩石圈地幔发生交代作用形成富集地幔源区，并能显著降低地幔岩石固相线温度，从而使石榴石角闪二辉橄榄岩富集地幔发生低程度部分熔融，熔体上侵形成具有富集Na、Ba，高Mg、Ti，低Y和Yb等特征的煌斑岩。

5 结 论

(1)冀北五凤楼煌斑岩呈钠质、钙碱性、富镁贫硅特征，属云煌岩，具轻稀土富集、重稀土亏损，基本不存在δCe异常和δEu异常，富集Ba等大离子亲石元素和P，亏损Nb、Zr、Ta等高场强元素的特点。

(2)五凤楼煌斑岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(135.2±1.3) Ma，与区域岩浆活动时期一致，是早白垩世岩浆活动的产物。

(3)五凤楼煌斑岩的形成与古太平洋板块向欧亚大陆的俯冲有关，为被富钠俯冲流体交代形成的石榴石角闪二辉橄榄岩富集地幔的部分熔融(0.5%～1.5%)而成，形成深度为75～100 km。

致谢：中国地质调查局天津地质矿产研究所激光剥蚀等离子实验室的老师在LA-ICP-MS锆石U-Pb定年过程中给予了大力支持，有关专家及编辑在审稿过程中对本文提出了宝贵修改意见，在此一并感谢！

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