北山三道明水地区晚志留世埃达克岩：强烈快速俯冲的证据

2021-09-09潘志龙张金龙李庆喆

河北地质大学学报 2021年4期

王硕，潘志龙，张欢，陈超，张金龙，李庆喆

河北省区域地质调查院，河北廊坊065000

1 引言

埃达克岩（adakite）这一概念最早由Defant 和Drummond引入地质文献中，后人根据其最初的表述将埃达克岩定义为形成于岛弧环境下高铝高锶而贫重稀土的一种特殊类型岩石组合[1-4]。这类岩石以其独特的地球化学特点以及特殊的成因机制，在判别岩石形成的大地构造背景方面发挥着重要的作用，多年来倍受地学界的关注（王焰等，2000；张旗等，2001，2002，2003；王强等，2003，2006；毛启贵等，2010；赵磊等，2013；许继峰等，2014），尤其是成因机制与类型划分方面已陆续提出多种模式，但至今仍存在较大争议[5]。

北山造山带位于哈萨克斯坦、塔里木、中朝三大古板块的交汇部位，是古亚洲构造域的组成部分[6-7]。近些年来，北山造山带先后发现过不同时代的埃达克岩（黄增保等，2005；刘明强，2007；毛启贵等，2010），但尚未有晚志留世埃达克质岩类的报道[8-15]。本文报道了北山三道明水地区晚志留世埃达克质花岗岩，通过锆石U-Pb年代学及岩石地球化学研究，结合区域构造背景，提出了区内埃达克岩可能是北山洋向南强烈快速俯冲过程中发生熔融的结果，这对埃达克岩成因模式的进一步探讨以及北山地区早古生代板块构造演化的研究具有重要的意义。

2 区域地质背景

北山地区在漫长的地质发展史中，经历了复杂的构造变动，对其构造单元的划分标准存在多种方案[16-18]，主要有以下几种：①以明水—石板井—小黄山构造带为界，将其南北两侧划分为塔里木板块和哈萨克斯坦板块（左国朝等，1990、2003）[19-20]；②其主体是哈萨克斯坦古板块的东延部分，骆驼峰、红石山和黑鹰山一线以北的中蒙边界地区在古生代属于西伯利亚古板块的南缘，北山南麓的白山、红柳园、账房山一线以南的北山南缘及敦煌等地则属于塔里木古板块的东延部分（刘雪亚等，1995）[21]；③为塔里木板块北部边缘活动带（邵积东等，1998）[22]；④以红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带为界，北侧为哈萨克斯坦板块，南侧为塔里木板块（杨合群，2010）[23]。

研究区位于北山造山带东段中部，红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带和明水—石板井—小黄山构造带分别在研究区南部和北部通过（图1a）。石板井—小黄山构造带于早古生代末—晚古生代初期发生大规模韧性剪切变形，造成两侧早期地质体发生强烈变形①②。以三道明水、红山头北一线为界（红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带），南侧主要分布寒武纪浅海—深海环境沉积的碎屑岩—硅质岩，北侧以奥陶纪—志留纪钙碱性火山岩和具同构造变形特征的片麻状花岗岩为主。晚古生代时期，两条构造带中间的块体相对隆升，南、北两侧沉积了厚度巨大的石炭—二叠系地层。综合区内地质体分布特征，红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带具有缝合带特征，对本区地层、岩浆岩具有明显的控制作用。

图1a 三道明水地区大地构造位置图（据文献[23]修改）Fig.1a Geotectonic location map of Sandaomingshui area

3 岩石地质及岩相学特征

晚志留世中粒更长花岗岩位于北山三道明水地区、红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带南侧，岩株状产出，呈北西向带状展布（图1b），整体具似片麻状构造，片麻理走向北西，局部发育近东西向糜棱岩化带，岩体局部穿插有不规则的白色伟晶质细脉，发育围岩捕掳体及残留顶盖（图2a）。侵入新太古代—古元古代敦煌岩群（主要为黑云斜长变粒岩、角闪斜长变粒岩、透闪透辉岩、橄榄透辉方解大理岩、含石榴黑云斜长片麻岩等）及晚志留世细粒石英闪长岩，被晚志留世细粒花岗闪长岩侵入。

图1b 北山三道明水—大兰湖墩山一带地质简图Fig. 1bBeishan Sandao Mingshui-Dalanhu Dunshan area geological map

岩石呈灰色，中粒花岗结构，似片麻状构造。岩石由斜长石（75%±）、石英（20%~25%）、黑云母（2%~5%）组成（图2b）。斜长石呈近半自形板状—他形粒状，大部分2.0~4.0 mm，较少部分0.2~2.0 mm，定向分布，轻微绢云母化、高岭土化，聚片双晶多较细密，An =26，为更长石，常见机械双晶、轻微扭曲、轻微扭曲等变形特征。少量斜长石呈它形微粒状，粒径＜0.1 mm，主呈线纹状围绕大颗粒斜长石分布，应为长石糜棱物经重结晶的产物。石英呈它形粒状，拉长定向明显，一般0.1~2.0 mm，集合体主呈弯曲条纹状聚集，分布于斜长石粒间，显流状定向特征，粒内波状、带状消光发育，局部有拔丝状变形特征。黑云母呈鳞片—叶片状，片径一般＜0.5 mm，集合体主呈弯曲线纹状聚集定向分布，显棕色，多色性明显，局部绿泥石化，有的呈假像。

图2 晚志留世中粒更长花岗岩露头特征及显微照片Fig.2 Characteristics of outcrop of late Silurian medium granites with longer grains and micrograph

4 测试方法及测试结果

4.1 测试方法

全岩的主量元素和微量元素分析在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主量元素（SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5）分析采用X射线荧光熔片法完成，分析精度为0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼烧减量、H2O+和H2O-用重量法完成。微量元素分析采用HF+HClO3+HNO3溶解样品，王水复溶，在线加入Rh内标溶液，用Thermofisher X SeriesⅡ型ICP⁃MS完成测定，稀土元素分析精度为0.1×10-6，微量元素≤5×10-6，测试方法详见高剑峰等（2003）。

锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。双目镜下挑选晶形好、无裂隙和包裹体的锆石，用环氧树脂制靶。将锆石靶打磨、抛光后，进行反射光、透射光和阴极发光（CL）显微观察照片。锆石制靶及阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成。

LA⁃ICP⁃MS锆石U⁃Pb测年在天津地质矿产调查研究所完成。激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析之前用美国国家标准研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM 610进行仪器最佳化，采样方式为单点剥蚀，数据采集选用1个质量峰1个点的跳峰方式，每完成8个测点的样品测定，加测标样1次，观察仪器的状态以保证测试的精度。详细的实验测试过程参见袁洪林等（2003）。锆石年龄采用91500作为外标标准物质，元素含量采用NIST SRM 610作为外标，29Si作为内标。测试结果应用GLITTER（ver 4.2）软件计算得出，并按照 Andersen 的方法用LA⁃ICP⁃MS CommonLead Correction（ver 3.15）对其进行了普通铅校正，年龄计算和谐和图绘制采用Isoplot（ver 3.0）完成。

4.2 测试结果

4.2.1 主量元素地球化学特征

晚志留世中粒更长花岗岩岩石化学成分、CIPW计算结果及相关参数列于表1。

表1 晚志留世中粒更长花岗岩主量元素和微量元素分析结果及相关参数Table 1 Analysis results of major elements and trace elements and related parameters of Late Silurian middle-grained longer granites

晚志留世更长花岗岩，3件样品SiO2含量71.63%～75.49%，平均值73.22%；Al2O3含量为14.3%～14.95%，平均值14.67%；MgO含量为0.38%～0.80%，平均值0.61%；ALK含量变化于4.77%～5.71%，K2O/Na2O为0.11～0.32。在TAS图解（图3）中，位于Irvine线下方的花岗岩区，属亚碱性岩系；在K2O-SiO2图解（图4）中，投入低钾拉斑岩系区。固结指数（SI）为6.39～9.75；分异指数（DI）为76.15～79.53，指示岩浆分异程度较高；里特曼指数（σ）为0.70～1.10；碱度率（A.R.）为1.72～1.94，在Si2O-A.R.图解中（图5），位于钙碱性岩区。A/NK为1.71～1.89，A/CNK为0.99～1.03，属准铝质—弱过铝质岩石（图6）。

图3 晚志留世中粒更长花岗岩的TAS图解Fig.3 TAS diagram of Late Silurian middle-grained granites with longer grains

图4 晚志留世中粒更长花岗岩的K2O-SiO2图解Fig.4 K2O-SiO2 diagram of Late Silurian longer-grained granites

图5 晚志留世中粒更长花岗岩的A.R.图解Fig.5 A.R.diagram of late silurian middle-grained longer granites

图6 晚志留世中粒更长花岗岩的铝饱和指数图解Fig.6 Digram of Al saturation index of late Silurian middle-grained granites with longer grains

4.2.2 微量元素地球化学特征

晚志留世中粒更长花岗岩稀土元素、微量元素及相关参数列于表1。

晚志留世更长花岗岩，3件样品稀土总量∑REE（包括Y元素）变化较大，介于17.98×10-6～116.79×10-6，平均值73.17×10-6，低于上地壳稀土总量（210×10-6）（Taylor，1979），略低于下地壳稀土总量（74×10-6）（Taylor，1979）；δEu值在1.21～8.14之间，正异常；LREE/HREE为4.63～9.59，（La/Yb）n值9.83～40.11，说明轻稀土富集；（La/Sm）N为5.39～7.14，（Gd/Lu）N为0.72～4.87，表明轻稀土较重稀土分异强烈。稀土配分曲线（图7）为LREE富集的右倾型。在球粒陨石标准化的蜘蛛网图中（图8），具明显的Th、Zr、Hf峰和Nb、P谷。

图7 晚志留世更长花岗岩的稀土配分曲线Fig.7 REE distribution curve of Late Silurian longer granites

图8 晚志留世更长花岗岩的微量元素蜘蛛网图Fig.8 Spider web pattern of trace elements in Late Silurian longer granites

4.2.3 同位素年代学特征

本次工作在晚志留世中粒更长花岗岩中采集一件同位素样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年。

中粒更长花岗岩锆石呈短—长柱状，半自形—自形，震荡环带发育（图9），具岩浆锆石特征。对晶形较好的27颗锆石共分析了27个测点（表2）。Th/U值0.14～0.52之间，平均0.29，较典型岩浆锆石略低。206Pb/238U年龄除10（230 Ma）号点外，其余在322～454 Ma之间，除去和谐性差的不一致年龄和少量较老年龄，获得加权平均年龄为418.8±2.8 Ma（N＝10，MSWD＝0.16）（图10），能够代表该样品的结晶年龄。

图9 晚志留世中粒更长花岗岩典型锆石的CL图像Fig.9 CL image of typical zircons from Late Silurian middle-grain longer granites

图10 中粒更长花岗岩（JDTW7）LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄图Fig.10 LA-ICP-MS zircon U-Pb age of a longer-grained granite（JDTW7）

表2 晚志留世中粒更长花岗岩（JDTW7）LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of Late Silurian middle-grain longer granite （JDTW7）

5 讨论

从元素的地球化学特征来看，晚志留世更长花岗岩符合典型的埃达克岩SiO2≥56%、Al2O3≥15%和MgO通常小于3%（极少大于6%）的特点；Y＜18×10-6、Yb≤1.9×10-6、Sr≥400×10-6、高场强元素含量较低，具有较高的Sr/Y比值和高的（La/Yb）N，具有明显的Sr元素的正异常，具正铕异常，在Y-Sr/Y及图解中（图11），位于埃达克岩区。Mg#值为45.46～51.03，平均值47.62，明显高于玄武质下地壳部分熔融产生的熔体，接近由MORB部分熔融产生的熔体；Rb/Sr比值0.03~0.09，略高于上地幔（0.025），远低于大陆地壳（0.24）；Zr/Hf比值30.87~38.17，平均34.08，低于幔源岩石（36.27 ±2.0），略高于壳源岩石（33±）。这些地球化学指标显示，幔源成分的物质在岩浆源区占有一定比重。三道明水地区埃达克岩强烈的亏损高场强元素（Nb、Ta）和重稀土元素，其Yb和Y分别为0.29×10-6～0.47×10-6和1.77×10-6～4.92×10-6，显示明显的正Eu异常（δEu=1.21～8.14）以及明显的正Sr异常（Sr=219.05～482.43），这些均表明，其源区中斜长石已经消失而不以残留相形式存在，而石榴石则是重要的残留相，这可能与源岩在榴辉岩相条件下的熔融有关。

图11 晚志留世侵入岩Y-Sr/Y图解Fig. 11 Y-Sr/Y diagram of Late Silurian intrusive rocks

自从埃达克岩的概念被提出以来，其成因机制一直是地学界讨论的热点，埃达克岩最初被认为与热的年轻（≤25 Ma）的俯冲洋壳板片熔融有关，后续研究发现埃达克岩的成因机制具有多样性，比较有代表性的包括：①增厚的玄武质下地壳的熔融；②下地壳或岩石圈的拆沉；③玄武质母岩浆的高压结晶分异。三道明水地区埃达克岩富钠贫钾的地球化学特征类似于俯冲洋壳熔融形成的埃达克岩（Defant等，2002），不同于增厚的玄武质下地壳熔融形成的富钾富碱且低铝的埃达克质火成岩（Drummond等，1996；张旗等，2001，2002）。其MgO（平均为0.61）或Mg#（平均为47.62）含量较低，而角闪榴辉岩下地壳拆沉到下覆地幔发生部分熔融之后会与地幔橄榄岩发生反应，从而形成了高MgO（＞3%）和Mg#（＞60），故三道明水埃达克岩也不大可能是这种成因。三道明水高硅埃达克岩的MgO含量均落入了在实验室高压（1.0～4.0 GPa）条件下玄武质岩石所产生的熔体的MgO含量范围内（图12），并且有两个样品同时落在了受地幔混染的区域内。

图12 埃达克岩与玄武岩的实验熔体的SiO2-MgO图解Fig.12 SiO2-MgO diagram of experimental melt of adakite and basalt

与角闪岩或榴辉岩实验形成的熔体相比，大多数埃达克岩一般具有较高的MgO、Cr、Ni、Co等元素含量，这是因为初始埃达克质岩浆在上升过程中与地幔楔发生了交代平衡反应。然而三道明水地区埃达克岩却表现出较低的MgO、Cr、Ni、Co含量，暗示了熔体在上升过程中与地幔楔发生的交代程度非常有限，这很可能是由于洋壳俯冲深度较浅时就已经发生了部分熔融。

在Rb-Y+Nb判别图上（图13）更长花岗岩位于火山弧花岗岩区，该期岩体具明显的透入性变形构造，显示就位过程中的强烈挤压背景。岛弧环境是产生埃达克质岩石的重要大地构造背景，但正常岛弧环境不具备形成该类岩石的条件。结合区域构造背景，区域上有关北山洋是否存在南向俯冲的资料相对较少，北山洋在早中志留世向北俯冲形成了规模较大的岩浆弧，同样在研究区内、红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带南侧已经发现了中奥陶世类似高镁安山岩地球化学特征的中性碎屑岩，其可能是北山洋初始俯冲产物，同时也说明北山洋存在南向俯冲。工作区北部、石板井—小黄山构造带北侧发育有早泥盆世后碰撞花岗岩，指示北山洋在志留纪末期或早泥盆世早期闭合。而晚志留世岩浆活动相对不发育可能暗示该时期正处于强烈快速的俯冲背景之下，而恰恰在此背景下，陆壳与俯冲的洋壳之间发生强烈的相互作用，导致在较浅的深度就已经达到了形成埃达克质熔体所需要的温压条件，此时洋壳部分熔融并向上运移直至最终侵位、形成埃达克岩。