北京延庆白河堡水库周边地区火成岩地球化学特征

2022-07-08岳晨曦于福生张晓明

四川地质学报 2022年2期

岳晨曦，于福生，张晓明

岳晨曦1，于福生1，张晓明2

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；2.河北省地矿局第五地质大队，河北唐山 063000）

通过野外地质调查与镜下薄片观察发现，北京延庆白河堡水库周边地区火成岩发育，岩性包括基性辉绿岩、中性粗安岩与酸性的流纹岩及火山角砾岩等。岩石地球化学分析显示该地区火成岩碱质含量（Na2O+K2O）介于5.97%～9.87%，K2O含量介于2.21%～5.95%，岩石δ值介于2.01～4.86，属于高钾碱性-钙碱性系列；A/CNK=0.73～1.01，A/NK=1.06～1.77，属于准铝质-弱过铝质岩石，岩石具有中高等的Mg#（0.65～0.78），中高程度的TFeO /MgO比值（3.05～4.59）。微量元素表现为Ba、Pb富集，Nb、Ta亏损，Y轻度亏损的特征；稀土元素表现出较高的REE含量(208.18～318.46μg/g)，分配模式表现为右倾平滑型，LREE相对富集，Eu轻度亏损，δEu在0.46～0.92之间，Eu负异常。轻稀土分馏较强，(La/Yb)N= 10.55～26.94，重稀土分馏较弱，(Dy/Yb)N=1.1～1.63。地球化学的特征表明白河堡水库周边早期中酸性的火成岩形成伸展背景下类似于岛弧的环境，而晚期基性岩的形成则可能与西太平洋板块西北向运动有关。

延庆白河堡水库；火成岩；地球化学；构造背景

冀北燕山地区中生代时期火山活动强烈，岩石地层上以多期次、多旋回的火山-沉积活动为特征，不同期次的火成岩成因亦不相同。在北京延庆百里山水画廊（世界地质公园）西侧的白河堡水库周边，火成岩发育丰富，国际地科联对部分典型露头做了定年工作，笔者也在前期对一些典型的样品做了定年和岩浆期次划分，然而对于该地区火成岩构造背景目前却没有具体的讨论。本文旨在通过典型样品的地球化学分析测试，对该地区火成岩的构造背景简单讨论。

图1 白河堡水库周边地区地质图与采样位置示意，ZJK-1—ZJK-6：采样位置及样品编号；图中岩石年代学数据来源国际地科联和笔者未刊发资料

1 区域地质概况

研究区位于北京延庆白河堡水库周边，百里山水画廊最西侧，在区域大地构造上属于华北克拉通北缘燕山构造带西段。燕山地区中生代受岩石圈伸展作用影响，许多小型的陆内的断陷盆地发育（冯宝华，1979）。根据笔者的野外地质调查结果，发现白河堡水库周边的火成岩发育丰富，出露基性的辉绿岩（80Ma）、中性的粗安岩和安山质熔结角砾岩（134Ma）、碱性的角闪正长斑岩（80Ma）、酸性的流纹岩（140～150Ma）、流纹质熔结角砾岩（140Ma）等火成岩。根据岩石的年代可以分为两个期次的岩浆活动，分别为早白垩世的张家口期（130～150Ma）和晚白垩世的大兴庄期（70～80Ma）。水库周边沉积地层主要为晚侏罗世土城子组和新近系冲积物。受晚中生代岩石圈伸展作用影响，水库周边正断层发育，断层面走向主要为北东向（图1）。

2 火成岩样品采集与岩石学特征

本文研究的样品采集位置如图1所示，一共采集6块样品，包括粗安岩3块，安山质角砾岩1块，流纹岩1块，辉绿岩1块。采集的样品涵盖了基性、中性、酸性以及喷出岩和浅成岩，不同岩性样品的岩石学特征描述如下：

图2 样品手标本（a）及镜下（b）图集，cpx-单斜辉石，opx-斜方辉石，Pl-斜长石，Af-碱性长石

（1）粗安岩：样品编号ZJK-1。岩石具有斑状结构，块状构造（图2-1-a），斑晶为全晶质等粒自形-半自形中粒结构。岩石基质成分主要为隐晶质-玻璃质。矿物主要有斜长石，单斜辉石，少量碱性长石。熔蚀暗化边结构，包含结构，玻晶交织结构发育（图2-1-b）。

（2）粗安岩：样品编号ZJK-2，岩石的新鲜面紫红色，斑状结构，块状构造（图2-2-a）。斑晶主要由中基性斜长石、单斜辉石、斜方辉石组成。基质主要为隐晶质，少量玻璃质，安山结构显著（图2-2-b）。

（3）粗安岩：样品编号ZJK-3，紫红色，块状构造，斑状结构（图2-3-a）。斑晶主要由中基性斜长石构成，同时也含有少量单斜辉石，斑晶自形程度好。岩石基质由大量的碱性长石和斜长石隐晶质组成，二者含量相当，呈板柱状（图2-3-b）。

（4）安山质熔结角砾岩：样品编号ZJK-4，土褐色，块状构造，角砾结构（图2-4-a）。晶屑含量30%左右，主要由碱性长石、斜长石、单斜辉石组成。基质主要为不完全结晶的熔体和微晶斜长石（图2-4-b）。

（5）流纹岩：样品编号ZJK-5，灰白色，灰绿色，斑状结构，流动构造(图2-5-a)。斑晶主要为斜长石；基质为隐晶质的石英和玻璃质（图2-5-b）。

（6）辉绿岩：样品编号ZJK-6。暗灰绿色，球形风化，全晶质不等粒半自形粒状结构，块状构造（图2-6-a）。部分斜长石被暗色矿物辉石包裹，形成嵌晶含长结构；辉绿结构发育（图2-6-b）。

3 岩石化学与地球化学分析

本次研究的6块样品主量、微量元素分析均在核工业北京地质研究院地质分析测试中心完成，其中对于样品ZJK-4，我们认为岩石依旧保留原始熔体性质未被污染。送样前的碎样工作在中国石油大学（北京）地球科学学院油气资源与探测国家重点实验室完成，单一样品碎样两次至200目。全岩主量、微量元素分别在AB104L,Axios-mAX 波长色散X射线荧光光谱仪（XRF）和NexION300D 等离子体质谱仪（ICP-MS）上完成，其中主量元素分析误差总体为1%，微量元素的分析误差为5%～8%，详细的分析方法与流程见文献（李献华等，1996）。主量元素检测方法依据GB/T 14506.14-2010 《硅酸盐岩石化学分析方法第14部分：氧化亚铁量测定》,GB/T 14506.28-2010《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》,GB∕T 14506.34-2019 硅酸盐岩石化学分析方法第34部分：烧失量的测定重量法；微量元素检测方法依据GB/T 14506.30-2010《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》。测试结果如表1所示。

图3 岩石样品主量元素特征图解

Pc：苦橄玄武岩；B：玄武岩；O1：玄武安山岩；O2：安山岩；O3：英安岩；S1：粗面玄武岩；S2：玄武粗安岩；S3：粗安岩；T：粗面岩；R：碱性流纹岩；Ir：亚碱性流纹岩；U1：碱玄岩；U2：响岩质碱玄岩；U3：碱玄质响岩；Ph：响岩；F：副长石岩；

4 主量元素特征

从测试数据上来看，所测试的6块样品SiO2含量变化范围较大（50.66%～72.78%），覆盖了基性岩、中性岩、酸性岩的SiO2含量变化范围，样品的野外定名与地球化学定名结果几乎一致。岩石总体富碱，碱质含量（Na2O+K2O）介于5.97%～9.87%，在TAS图上大部分落在碱性-亚碱性分界线上方（图3-a），只有一个粗安岩样品（ZJK-3）落在亚碱性区域内，岩石δ值(里特曼指数)介于3.27～4.86，表现为钙碱性-碱性岩石。岩石A/CNK=0.73～1.01，A/NK=1.07～1.84，属于准铝质-弱过铝质岩石（图3-b）。岩石整体比较富钾，K2O含量2.21%～5.95%，在硅-钾图中，所有样品均属于高钾系列的岩石（图3-c）。岩石具有中高等的镁值（Mg#）（0.65～0.78）；除辉绿岩样品外，具有中高程度的TFeO /MgO比值（3.05～4.59）。

表1 水库周边火成岩样品主量元素（%）、微量元素（μg/g）分析结果

注：LOI-烧失量；∑-岩石化学总量；A/CNK=Al2O3/（Na2O+K2O+CaO）（物质的量比）；Fe2O3-全铁含量；δ-里特曼指数；Mg#=Mg2+/（Mg2++Fe2+）定义为物质的量比值；δEu-球粒陨石标准化后 Eu/(Sm×Gd)1/2值

5 微量元素与稀土元素特征

样品微量元素组成上，总体表现为Ba、Pb富集，大离子亲石元素Nb、Ta亏损，Y轻度亏损的特征。流纹岩（ZJK-5）与其余样品不同，表现出强烈Sr亏损、Eu中等亏损特征（图4-a），这种现象可能与Sr2+进入斜长石晶格类质同像代替了Ca2+的位置并伴随长石晶出有关。

稀土元素组成上，除酸性的流纹岩（ZJK-5）以外，其余样品总体上显示了较高的REE含量(208.18～318.46μg/g)；球粒陨石标准化模式为右倾平滑型（图4-b），类似大陆地壳的分配模式，LREE相对富集，除流纹岩Eu亏损明显以外，其余样品均表现为Eu轻度亏损，代表有斜长石的晶出；样品整体具有较弱的Eu负异常，δEu比值主体在0.46～0.92之间。轻重稀土分馏明显，(La/Yb)N比值为10.55～26.94，重稀土分馏较弱，(Dy/Yb)N比值为1.1～1.63。

图4 白河堡水库周边火成岩微量元素蛛网图（a）和REE分布模式（b）球粒陨石和原始地幔数据引自(Sun and W. McDonough,1989)

6 岩石形成环境分析

在讨论火成岩构造背景之前，有必要对岩石的年龄进行相关讨论。根据国际地科联和笔者部分未刊发的年代学资料，本文研究的样品可以分为两个期次岩浆活动的产物，分别为早白垩世的张家口期和晚白垩的大兴庄期，张家口期主要为中酸性的岩石（样品ZJK-1-ZJK-5），大兴庄期为基性的岩石（样品ZJK-6），故在讨论构造背景时需要分开讨论。利用岩石的微量元素测试数据进行投图分析，对于中酸性岩石，本文选择可能区分火山弧、洋中脊、洋岛、同碰撞的Rb-Y+Nb图解（图5-a），对于基性岩，选择可能区分N-MORB、E-MORB和板内拉斑、板内碱性、岛弧玄武岩类的Th-Hf /3-Ta图解（图5-c），对于全部的样品，均可选择可能区分板内、岛弧和混源的lgτ-lgδ图解（图5-b）和可能区分埃达克质和岛弧的Y-Sr/Y图解（图5-d）。两个期次的火成岩在投图划分构造背景时均选择了燕山地区部分前人做过的同时代同岩性的样品数据与之对比。

在图5所示的火山岩构造背景图解中，几乎所有样品均落在岛弧火山岩范围内。但是结合当时燕山地区的构造环境来看，判断为岛弧环境有所欠妥。关于燕山地区早白垩世构造背景问题，前人已经做过许多工作，目前主流观点是在晚侏罗-早白垩世这一时间段是燕山地区由挤压向伸展构造体制转换的重要时期（邵济安等，2003；郑亚东，2000；彭艳东等，2010；Goodenough，2010）。前人对索伦缝合带两侧的不同成因类型花岗岩的年代学和地球化学研究认为古亚洲洋的闭合时间为280～310Ma（陈斌，2001；李晓勇，2004）,说明古亚洲洋在三叠纪之前己经闭合；阎国翰等人在燕山及其以北地区发现的一套260～280Ma的碱性侵入岩则标志着古亚洲洋消减闭合造山作用的结束（阎国翰等，2000）。所有这些地质事实说明燕山地区中生代火山岩的形成与古亚洲洋板块的俯冲作用没有成因上的直接联系,即不形成于古亚洲洋的俯冲动力背景。同时，将构造背景判断为古太平洋板块俯冲也证据不足，因为来自古太平洋板块的古地磁资料显示，太平洋板块于75Ma才开始对着东亚大陆边缘西北向运动，并存在俯冲作用，而在晚中生代燕山地区属于陆内环境（张长厚，1989；赵忠海，2019；汪洋和姬广义，2003），并不存在板块俯冲作用。来自构造几何学和运动学的结果显示燕山地区中生代构造变形于陆内变形特征一致，因此岩石成因很可能与造山后岩石圈伸展减薄有关（李晓勇，2003；Zhang et al，2019；汪洋和程素华，2010；赵国春，2003），也即燕山地区早白垩世的中酸性火成岩很可能形成于伸展背景下岩石圈下部物质上拱所成的类似于岛弧的环境，这就很好解释了为何在构造背景判别图上均显示岛弧背景的现象。而对于晚白垩世的基性岩，很可能与西太平洋板块的西北向运动有关，形成于岛弧环境（岳晨曦等，2021）。

图5 白河堡周边火成岩构造环境判别图解

(a) WPG：板内；ORG：洋中脊；VAG+syn-COLG：火山弧+同碰撞

(b) A：板内稳定；B：岛弧；C：AB混源；δ：里特曼指数；τ：（Al2O3%-Na2O%）/TiO2%；

图版据文献（Goodenough，2010）；图a、b前人数据来自文献（赵忠海，2019；汪洋和程素华，2010；彭艳东等，2010）；图c前人数据来源文献（李晓勇，2003；彭艳东等，2010；赵忠海，2019）

7 结论

（1）白河堡水库周边地区包含了基性辉绿岩、中性粗安岩、安山质熔结角砾岩、流纹岩、流纹质角砾岩、角闪正长斑岩等火成岩，根据岩石年龄，可以分为张家口期（中酸性）和大兴庄期（基性、碱性）两期岩浆活动。

（2）辉绿岩、粗安岩、安山质角砾岩和流纹岩均属于高钾碱性-钙碱性系列，岩石整体富碱，准铝质-弱过铝质，具有中高等的Mg#，中高程度的TFeO /MgO比值；中基性岩石微量元素表现为Ba、Pb富集，Nb、Ta亏损，Y轻度亏损的特征，酸性的流纹岩表现为Sr强烈亏损，Eu中等亏损；稀土元素分配模式表现为右倾平滑型，LREE相对富集，Eu轻度亏损；样品整体具有较弱的Eu负异常，轻重稀土分馏明显，轻稀土分馏较强，重稀土分馏较弱。

（3）早白垩世的粗安岩和流纹岩以及安山质角砾岩可能形成于伸展背景下，岩石圈下部物质上拱所成的类似于岛弧的环境，而对于晚白垩世的辉绿岩，很可能与西太平洋板块的西北向运动有关，形成于岛弧环境。

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Geochemical Characteristics of Igneous Rock around the Baihebu Reservoir in Yanqing, Beijing

YUE Chen-xi1YU Fu-sheng1ZHANG Xiao-ming2

(1-School of Earth Sciences, China University of Petroleum (Beijing) , Beijing 102249; 2-The Fifth Geological Paarty, Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources, Tangshan, Hebei 063000)

Diabase, trachyandesite, dacite liparite and volcanic breccia are exposed around the Baihebu reservoir in Yanqing, Beijing. They contain 5.97%-9.87% (Na2O + K2O) and 2.21%-5.95% K2O with δ values of 2.01-4.86, A/CNK of 0.73-1.01 and A/NK of 1.06-1.77, belonging to quasi-aluminous-weak peraluminous rock of high potassium alkaline calc alkaline series. MgO content varies from 0.65 to 0.78. TFeO/MgO ratio ranges from 3.05 to 4.59. Trace elements are characterized by enrichment in Ba and Pb and depletion in Nb and Ta, and slight depletion in Y. The REE geochemistry is characterized by Σ REE of 208.18-318.46 ppm, enrichment in LREE, slight depletion in Eu with δ Eu values of 0.46-0.92, (La/Yb)Nof 10.55-26.94 and (Dy/Yb)Nof 1.1-1.63. The geochemical characteristics indicate that the early intermediate-acid igneous rocks were derived from an extensional setting similar to the island arc environment, while the late basic rocks may be related to the northwest movement of the Western Pacific plate.

igneous rock; geochemistry; tectonic setting; Baihebu reservoir; Yanqing

P595

1006-0995（2022）02-0282-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.020

2021-05-09

岳晨曦（1999-），男，本科生，资源勘查工程专业，从事矿物岩石地球化学方面研究

于福生（1969-），男，教授，博士（后），构造地质学专业，从事盆地构造解析方面研究