华北克拉通西部临县紫金山碱性岩体地球化学特征及地质意义

郭喜运

(山西省矿产资源调查监测中心，太原 030024)

0 引言

碱性岩主要分布于构造活动相对稳定的地区及裂谷带，是一种分布稀少、产出地质环境特殊的岩石类型，常产出于岩石圈拉张环境，具有深源浅成特点，对此类特殊岩石的研究在探索地球深部物质组成、演化和深部动力学过程方面具有重要意义[1-2]。

紫金山岩体是我国最早发现的碱性岩体之一，位于山西省临县北西向约20 km处，前人对该岩体地质调查工作开始于20世纪50年代，主要是对岩体进行不同目的的岩石学研究和找矿工作，为岩体的后续研究打下了良好的基础。近年来，基于岩体进行的高精度测年工作指示岩体为早白垩世岩浆活动的产物[3-8]，但在岩石类型和岩浆活动期次划分上存在不同观点[9-11]，相关岩石地球化学研究方面系统程度存在欠缺[7-8,12]。本文依托紫金山碱性岩体1∶1万大比例尺路线地质调查和剖面实测工作，通过系统采样进行岩相学、岩石地球化学分析并对岩体物质来源进行探讨，同时结合区域上同时期分布的碱性、偏碱性岩体特征，揭示华北中西部早白垩世碱性岩浆活动与华北克拉通破坏的关系。

1 研究区地质概况

研究区处于吕梁山脉中段西翼，大地构造位置为鄂尔多斯盆地和吕梁造山隆起带结合部位的晋西挠褶带内，东侧靠近区域性大型断裂——离石断裂带。区域上出露的变质地层有新太古界界河口岩群和古元古界滹沱系野鸡山群、黑茶山群。沉积盖层有：中元古界长城系和下古生界寒武系、奥陶系，同为一套陆表海碎屑岩-碳酸盐岩建造；上古生界石炭系、二叠系，为一套海陆交互相含煤建造-陆相碎屑岩、泥质岩建造，其底界与下古生界奥陶系马家沟组五段呈平行不整合接触；中生界三叠系为一套陆相河湖相沉积；新生界大面积分布(图1)。断层集中分布于吕梁造山隆起带和鄂尔多斯盆地交汇的离石断裂带附近，除个别断层延伸稳定外，其他断层规模较小。断层总体以近SN向、NNE向为主，形成了一系列NNE向压性断裂及线状褶皱组合。区内岩浆活动主要分为两期：一期以新太古代变质深成岩为主，主体岩性为黑云斜长片麻岩；另一期岩浆活动以中生代的紫金山碱性岩体为代表。

图1 区域地质简图(底图据1∶50万地质图修改)Fig.1 Regional geological sketch map(according to 1∶500 000 geological map)

2 紫金山岩体地质特征

紫金山岩体为前期岩浆侵入和后期火山喷发形成的杂岩体，具有明显环带分布特征，围岩地层为三叠系二马营组，出露面积约24.25 km2(图2)。岩体侵入阶段涵盖3个岩浆活动期次，先后有二长岩类(Ⅰ期)、霓辉正长岩类(Ⅱ期)、霞石正长岩类(Ⅲ期)产生，侵入岩构成杂岩体的外带；火山喷发阶段主要为2个期次，先后有粗面质火山角砾岩(Ⅳ期)、响岩质火山角砾岩(Ⅴ期)产生，喷出岩构成杂岩体的内带，外带形成时间比内带早。岩石矿物成分中以出现似长石和碱性暗色矿物(霓石、霓辉石)为特征。霓辉黑云黑榴石岩呈捕虏体赋存于霞石正长岩和霓辉正长岩接触带附近。

图2 紫金山碱性岩体地质简图(据1∶5万地质图修改)Fig.2 Geological sketch map of Zijinshan alkaline rocks(according to 1∶50 000 geological map)

粗面质火山角砾岩和响岩质火山角砾岩主体为一套角砾状地质体，其平面呈近圆筒状和不规则封闭状。局部地段粗面质火山角砾岩与正长岩类接触部位产状较陡，倾角约50°，向火山角砾岩方向倾斜。粗面质火山角砾岩具有大量的围岩角砾，角砾分布不匀，成分主要有霞石正长岩、假白榴霞石正长岩、二长岩、砂岩等，胶结物为凝灰质。响岩质火山角砾岩为岩体核心，岩石角砾成分更为复杂多样，其成分涵盖早期侵入阶段所有岩石类型及围岩地层成分，粒级跨度大，集块大者1 m以上，局部地段呈现集块、角砾、凝灰粒度变细的规律性变化，部分角砾边缘发育有烘烤边，角砾含量10%～30%。大度山西南沿响岩质角砾岩和粗面质角砾岩的界线产状陡峭，局部地段可见流动构造和火山凝灰降落堆积层理。鸽子崖一带的火山角砾岩保留有“气室”构造(图3(a))，该构造大小数米不等，大者在10 m以上，小者约2 m，其长轴方向铅直，气室中部无充填，推断火山活动时期岩浆固结过程中析出大量富挥发性组分在局部空间中封闭，在经过漫长地质历史地壳抬升中出露地表，由固结疏松部分遭剥蚀崩塌而形成。火山角砾岩岩石类型及产状形态特征符合火山颈相特征。

(a)火山“气室”构造 (b)二长岩宏观特征 (c)粗面质火山角砾岩宏观特征

(d)角闪二长斑岩镜下照片 (e)霞石霓辉正长岩镜下照片 (f)霓辉霞石正长岩镜下照片Pl.斜长石;Hb.普通角闪石;Or.正长石;Aea.霓辉石;Ne.霞石;Bi.黑云母图3 紫金山碱性岩体宏观地质构造、岩石野外及显微照片Fig.3 Macroscopic geological structure,field photographs and microphotographs of Zijinshan alkaline rocks

3 岩石学特征

(1)二长岩类。主要分布在岩体外侧，面积广泛，主要包含细粒二长岩、粗粒二长岩、二长斑岩(图3(b))，岩石呈浅灰色、灰白色，具似斑状结构、二长结构、粒状结构，发育块状、似粗面状及流线构造。主要矿物为正长石、斜长石、霓辉石，次要矿物为角闪石、黑云母，偶见石英(图3(d))。

(2)霓辉正长岩类。呈半弧状构成环状岩体第二环，主要包含霓辉正长岩、含霞霓辉正长岩等。岩石呈灰黑色、深灰绿色，具中粒结构、似斑状结构，块状构造。主要矿物有正长石、霓辉石(图3(e))，次要矿物有斜长石、角闪石、黑云母。辉石晶体的边缘部分绿色色调较浓，含霓石分子较多。

(3)霞石正长岩类。地表轮廓呈向南东开口的半环状，主要包含花岗状霞石正长岩、假白榴石霞石正长岩、黑榴石霓辉霞石正长岩，岩石呈灰色、灰黑色，具等粒、似斑状结构，块状构造，主要矿物有正长石、霞石、霓辉石、黑榴石和金云母。部分岩石中含有斑晶，斑晶主要为长石、霞石(图3(f))。霓辉石常呈它形粒状，交代作用强烈者发育深绿色反应边。

(4)粗面质火山角砾岩。岩石呈浅灰绿、灰黄色，发育角砾状构造，角砾成分主要涵盖早期侵入岩及围岩地层砂岩等，大小不一，多具棱角(图3(c))。胶结物主要矿物有斑晶正长石、基质正长石及霓辉石，次要矿物有榍石、磷灰石。

(5)响岩质火山角砾岩。为岩体核心，总体呈圆桶状或不完整蘑菇状。岩石呈灰绿、黄褐色，角砾状构造，主要由角砾和胶结物组成。角砾呈不规则状、次棱角状，大小不一，成分复杂多样，涵盖各期次岩石及脉体；基质成分为正长石、晶屑、褐铁矿、脱玻化碱性玻璃质等。岩石中响岩质角砾占主体，含量约45%，粗面质角砾次之，含量约10%。

4 样品采集测试

研究区共采集不同期次岩石样品10块，其中二长岩类样品3块，霓辉正长岩类样品2块，霞石正长岩类样品2块，粗面质火山角砾岩样品2块，响岩质火山角砾岩样品1块。制作岩石薄片进行岩矿鉴定后，选取对应岩石新鲜部位在破碎机中破碎，然后经球磨仪加工成200目以下的岩粉。对岩粉进行化学分析，主量元素分析测试在太原矿产资源监督检测中心完成，样品采用S2原子吸收分光光度计和723P分光光度计分析测试，检测温度20 ℃，湿度48%RH，分析精度优于5%；微量和稀土元素分析测试在武汉综合岩矿测试中心完成，样品采用X荧光光谱仪(XRF-1800)、等离子体发射光谱仪(ICAP6300)、电感耦合等离子体质谱仪(X7)进行分析测试，检测温度25 ℃，湿度50%RH，分析精度优于10%。

5 地球化学特征

5.1 主量元素

紫金山碱性岩体主量元素分析结果见表1。岩石样品SiO2含量为52.4%～60.94%，显示低硅特点。K2O含量为4.01%～14.56%，Na2O含量为0.13%～6.63%，全碱(Na2O+K2O)含量为8.52%～16.25%，K2O/Na2O为0.80～110.62，具有富碱、高钾的特点。CaO含量为0.24%～6.83%，MgO含量为0.23%～2.08%，Al2O3含量为14.7%～22.6%；所有样品里特曼指数σ大于4，且w(K2O)>w(Na2O)，为钾质碱性岩类。紫金山岩体主要为一系列中性岩石组合，在TAS分类图解(图4左)中，样品投影点全部位于Ir分界线上方，属于碱性岩石系列。二长岩类样品全部投影在二长岩区；霓辉正长岩类样品投影在副长石二长正长岩区；霞石正长岩类样品投影在副长正长岩区；粗面质火山角砾岩类、响岩质火山角砾岩类投影在响岩区。紫金山碱性岩体K2O-SiO2图解(图4右)中样品投影在钾玄岩系列区域。

表1 紫金山碱性岩体主量元素、微量元素分析结果Tab.1 Major elements and trace elements compositions of Zijinshan alkaline rocks

(续表)

深成岩:1.橄榄辉长岩;2a.碱性辉长岩;2b.亚碱性辉长岩;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.石英二长岩;12.正长岩;13.副长石辉长岩;14.副长石二长闪长岩;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/粗白榴岩火山岩:1.苦橄玄武岩;2.玄武岩;3.玄武安山岩;4.安山岩;5.英安岩;6.流纹岩;7.英石岩;8.粗面玄武岩;9.玄武岩质粗面安山岩;10.粗面安山岩;11.粗面英安岩;12.粗面岩;13.碱玄岩;14.响岩质碱玄岩;15.碱玄质响岩;16.响岩;17.副长火山岩;18.方钠岩/霞石岩/纯白榴岩图4 紫金山碱性岩体TAS图解(左)和K2O-SiO2图解(右)[13-14]Fig.4 TAS diagram (left) and K2O-SiO2 diagram (right) of Zijinshan alkaline rocks[13-14]

5.2 稀土元素和微量元素

岩体稀土元素和微量元素含量及有关参数比值见表1。稀土元素总量∑REE值为73.97×10-6～236.34×10-6，平均值163.45×10-6，稀土元素总量中等偏高。轻稀土元素含量LREE值为69.21×10-6～218.98×10-6，重稀土元素含量HREE值为3.97×10-6～20.12×10-6，轻重稀土元素含量比值LREE/HREE为7.41～44.63，(La/Yb)N值为9.06～78.68，表明轻重稀土元素分馏较强烈。δEu为0.67～1.31，平均为0.97。稀土元素原始地幔标准化分布型式图(图5左)表现出轻稀土元素相对富集、重稀土元素相对亏损的右倾分布特征，Eu异常不明显。

图5 紫金山岩体稀土元素原始地幔标准化分布型式(左)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(右)[15]Fig.5 Primitive mantle-normalized REE patterns (left) and primitive mantle-normalized trace elements spidergram (right) of Zijinshan alkaline rocks[15]

微量元素原始地幔标准化蛛网图(图5右)各样品曲线总体表现为整体右倾的不相容元素分布型式，Rb、Ba、K、Pb、Sr、Zr和Hf等元素明显富集，呈隆起状态，Th、Nb、Ta、La、Ce、Nd、P和Ti等元素明显亏损，总体上岩石相对富集大离子亲石元素，亏损高场强元素。

6 讨论

6.1 紫金山碱性岩体物质来源与岩浆演化

紫金山碱性岩体侵入最新地层为三叠系二马营组，将岩浆热事件限定于三叠纪之后。岩体积累了较多高精度测年数据，测年方法为LA-ICP-MS锆石U-Pb和SHRIMP锆石U-Pb测年，其中二长岩类(次透辉二长岩、二长岩)年龄为(136.7±6.5) Ma[3]、(138.7±6.5) Ma[4]、(134.7±1.5) Ma[5]，霓辉正长岩类(霞霓次透辉正长岩)年龄为(137.7±2.7) Ma[3]，霞石正长岩类(霓霞正长岩、霞石正长岩)年龄为(127.2±2.7) Ma[6]、(138.3±1.1) Ma[7]，粗面质火山岩角砾岩(粗面质安山岩)年龄为(125±6.7) Ma[8]。测年结果显示紫金山碱性岩体主体为早白垩世岩浆活动产物。

图6 紫金山碱性岩体lg -lg δ(左)与Th/Yb-Ta/Yb图解(右)[23-24]Fig.6 lg -lg δ diagram (left) and Th/Yb-Ta/Yb diagram (right) of Zijinshan alkaline rocks[23-24]

哈克图解可反映岩浆岩成分的相关性和岩浆演化趋势，由同源岩浆分异的一系列岩石在哈克图解中的投影具有良好相关性[25]。紫金山岩体哈克图解(图7)显示紫金山岩体岩石SiO2呈现先降低再升高的趋势，各主量元素与SiO2间不存在明显线性关系，仅在部分相邻期次火成岩间具有一定相关关系，表明紫金山岩体演化过程中岩浆分异作用不占主导地位。La/Sm-La图解(图8)能较好地区分出分离结晶和部分熔融作用过程[26]，在该图解中样品投影点与部分熔融趋势线方向较为一致。

图7-1 紫金山岩体哈克图解Fig.7-1 Harker diagrams of Zijinshan alkaline rocks

图7-2 紫金山岩体哈克图解Fig.7-2 Harker diagrams of Zijinshan alkaline rocks

图8 紫金山岩体La/Sm-La图解[26]Fig.8 La/Sm-La diagram of Zijinshan alkaline rocks[26]

综上，从岩石地球化学角度推断紫金山碱性岩体物质来源于幔源岩浆，岩浆源区中富含石榴石，缺少或者不含斜长石，岩浆演化机制以部分熔融作用占主导地位且存在壳源物质参与。

6.2 华北中部早白垩世碱性岩浆活动与华北克拉通破坏关系

华北中部山西境内存在多个早白垩世碱性-偏碱性岩体，主要包括紫金山碱性岩体，狐偃山碱性、偏碱性杂岩体群，塔儿山—二峰山碱性、偏碱性岩体群，平顺陵川(西安里)偏碱性岩体群[6,27-28]。

空间上岩体受控于中生代纵跨南北的区域性断裂，自东向西分别有太行山断裂、狐偃山—太岳山断裂及离石断裂(图9(a))，岩体展布与断裂方向相一致。在岩浆演化上不同岩体所处地理位置不同、控岩构造不同，表现出的岩石组合也不同，但在演化序列中表现出自东向西岩石碱性程度明显递增的规律。基于前人对上述岩体的稀土、微量元素分析结果[6,27-28]，取各岩体分析结果均值进行成图，结果表明区域上的碱性、偏碱性岩体的稀土配分型式曲线(图10左)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(图10右)整体趋势相似性好，表明区域上山西境内分布的碱性、偏碱性岩为同一时期构造-岩浆活动产物，具有深源浅成特点且具有相似的地球化学特征。

图9 山西碱性、偏碱性岩体分布图(a)和华北克拉通构造简图(b)[29-30]Fig.9 Distribution of the alkaline and subalkaline rocks in Shanxi Province(a)and the tectonic subdivision of North China Craton(b)[29-30]

图10 山西碱性、偏碱性岩体稀土元素原始地幔标准化分布型式图(左)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(右)[15]Fig.10 Primitive mantle-normalized REE patterns (left) and primitive mantle-normalized trace elements spidergram (right) of the alkaline and subalkaline rocks in Shanxi Province[15]

华北克拉通主体由东、西2个太古宙陆块在18.5亿a前碰撞拼合，并通过中部造山带连接而成(图9(b))[31-32]。华北克拉通破坏主要受控于古太平洋板块的西向俯冲，巨量岩石圈减薄是华北克拉通破坏的表现形式之一[33]。依据密集流动地震台阵和固定台网记录的地球物理资料对深部结构信息的提取，中、西部陆块岩石圈结构表现出高度的横向非均质性，既在西部的鄂尔多斯盆地下保留厚度200 km的岩石圈，又在陕西—山西新生代断陷盆地下存在厚度小于100 km的岩石圈，表明华北克拉通中西部存在不同构造变形影响。华北西部伸展构造发育的峰期为127 Ma[34]，地壳中发育的伸展构造是岩石圈减薄在浅部的重要响应，岩浆活动则是岩石圈减薄在深部过程中的重要表现形式，两者之间具有内在联系。基于地热学研究吕梁山地区早白垩世经历了一次热流高峰，反映强烈的深部构造-热事件[35-36]，太行山—吕梁山间存在以五寨县至静乐县为中心的似圆柱状软流圈上涌柱，截面积约1.3万km2，存在大于30 km厚岩石圈[37]，山西境内的碱性、偏碱性岩体的形成时间、区域范围与此次岩浆活动具有一致性。山西境内碱性岩体形成时间、华北中西部构造体制转变时间与华北克拉通岩石圈减薄作用的峰期时间相近，该种耦合关系预示区域碱性岩浆活动与古太平洋板块西向俯冲关系密切。

7 结论

(1)紫金山岩体为前期岩浆侵入和后期火山喷发形成的杂岩体。前期侵入阶段有二长岩类、霓辉正长岩类、霞石正长岩类产生；后期喷发阶段有粗面质火山角砾岩、响岩质火山角砾岩产生。

(2)紫金山岩体各期次岩石具有低硅、富碱、高钾、贫钙镁的特点，为钾质碱性岩类。岩石稀土元素总量中等偏高，轻重稀土元素分馏较强烈，总体表现出轻稀土相对富集、重稀土相对亏损、负Eu异常不明显的特征。微量元素表现为大离子亲石元素(Rb、Ba、K、Sr等)明显富集、高场强元素(Th、Nb、Ta、La、Ce、Nd、P、Ti等)显著亏损的特征。

(3)紫金山碱性岩体物质来源与富集型地幔关系密切，岩浆源区中富含石榴石，缺少或者不含斜长石，岩浆演化机制以部分熔融作用为主且存在壳源物质参与。

(4)推断早白垩世华北中西部区域碱性岩浆活动与古太平洋板块西向俯冲关系密切。