華北克拉通西部臨縣紫金山堿性巖體地球化學特征及地質意義

郭喜運

(山西省礦產資源調查監測中心，太原 030024)

0 引言

堿性巖主要分布于構造活動相對穩定的地區及裂谷帶，是一種分布稀少、產出地質環境特殊的巖石類型，常產出于巖石圈拉張環境，具有深源淺成特點，對此類特殊巖石的研究在探索地球深部物質組成、演化和深部動力學過程方面具有重要意義[1-2]。

紫金山巖體是我國最早發現的堿性巖體之一，位于山西省臨縣北西向約20 km處，前人對該巖體地質調查工作開始于20世紀50年代，主要是對巖體進行不同目的的巖石學研究和找礦工作，為巖體的后續研究打下了良好的基礎。近年來，基于巖體進行的高精度測年工作指示巖體為早白堊世巖漿活動的產物[3-8]，但在巖石類型和巖漿活動期次劃分上存在不同觀點[9-11]，相關巖石地球化學研究方面系統程度存在欠缺[7-8,12]。本文依托紫金山堿性巖體1∶1萬大比例尺路線地質調查和剖面實測工作，通過系統采樣進行巖相學、巖石地球化學分析并對巖體物質來源進行探討，同時結合區域上同時期分布的堿性、偏堿性巖體特征，揭示華北中西部早白堊世堿性巖漿活動與華北克拉通破壞的關系。

1 研究區地質概況

研究區處于呂梁山脈中段西翼，大地構造位置為鄂爾多斯盆地和呂梁造山隆起帶結合部位的晉西撓褶帶內，東側靠近區域性大型斷裂——離石斷裂帶。區域上出露的變質地層有新太古界界河口巖群和古元古界滹沱系野雞山群、黑茶山群。沉積蓋層有：中元古界長城系和下古生界寒武系、奧陶系，同為一套陸表海碎屑巖-碳酸鹽巖建造；上古生界石炭系、二疊系，為一套海陸交互相含煤建造-陸相碎屑巖、泥質巖建造，其底界與下古生界奧陶系馬家溝組五段呈平行不整合接觸；中生界三疊系為一套陸相河湖相沉積；新生界大面積分布(圖1)。斷層集中分布于呂梁造山隆起帶和鄂爾多斯盆地交匯的離石斷裂帶附近，除個別斷層延伸穩定外，其他斷層規模較小。斷層總體以近SN向、NNE向為主，形成了一系列NNE向壓性斷裂及線狀褶皺組合。區內巖漿活動主要分為兩期：一期以新太古代變質深成巖為主，主體巖性為黑云斜長片麻巖；另一期巖漿活動以中生代的紫金山堿性巖體為代表。

圖1 區域地質簡圖(底圖據1∶50萬地質圖修改)Fig.1 Regional geological sketch map(according to 1∶500 000 geological map)

2 紫金山巖體地質特征

紫金山巖體為前期巖漿侵入和后期火山噴發形成的雜巖體，具有明顯環帶分布特征，圍巖地層為三疊系二馬營組，出露面積約24.25 km2(圖2)。巖體侵入階段涵蓋3個巖漿活動期次，先后有二長巖類(Ⅰ期)、霓輝正長巖類(Ⅱ期)、霞石正長巖類(Ⅲ期)產生，侵入巖構成雜巖體的外帶；火山噴發階段主要為2個期次，先后有粗面質火山角礫巖(Ⅳ期)、響巖質火山角礫巖(Ⅴ期)產生，噴出巖構成雜巖體的內帶，外帶形成時間比內帶早。巖石礦物成分中以出現似長石和堿性暗色礦物(霓石、霓輝石)為特征。霓輝黑云黑榴石巖呈捕虜體賦存于霞石正長巖和霓輝正長巖接觸帶附近。

圖2 紫金山堿性巖體地質簡圖(據1∶5萬地質圖修改)Fig.2 Geological sketch map of Zijinshan alkaline rocks(according to 1∶50 000 geological map)

粗面質火山角礫巖和響巖質火山角礫巖主體為一套角礫狀地質體，其平面呈近圓筒狀和不規則封閉狀。局部地段粗面質火山角礫巖與正長巖類接觸部位產狀較陡，傾角約50°，向火山角礫巖方向傾斜。粗面質火山角礫巖具有大量的圍巖角礫，角礫分布不勻，成分主要有霞石正長巖、假白榴霞石正長巖、二長巖、砂巖等，膠結物為凝灰質。響巖質火山角礫巖為巖體核心，巖石角礫成分更為復雜多樣，其成分涵蓋早期侵入階段所有巖石類型及圍巖地層成分，粒級跨度大，集塊大者1 m以上，局部地段呈現集塊、角礫、凝灰粒度變細的規律性變化，部分角礫邊緣發育有烘烤邊，角礫含量10%～30%。大度山西南沿響巖質角礫巖和粗面質角礫巖的界線產狀陡峭，局部地段可見流動構造和火山凝灰降落堆積層理。鴿子崖一帶的火山角礫巖保留有“氣室”構造(圖3(a))，該構造大小數米不等，大者在10 m以上，小者約2 m，其長軸方向鉛直，氣室中部無充填，推斷火山活動時期巖漿固結過程中析出大量富揮發性組分在局部空間中封閉，在經過漫長地質歷史地殼抬升中出露地表，由固結疏松部分遭剝蝕崩塌而形成?；鹕浇堑[巖巖石類型及產狀形態特征符合火山頸相特征。

(a)火山“氣室”構造 (b)二長巖宏觀特征 (c)粗面質火山角礫巖宏觀特征

(d)角閃二長斑巖鏡下照片 (e)霞石霓輝正長巖鏡下照片 (f)霓輝霞石正長巖鏡下照片Pl.斜長石;Hb.普通角閃石;Or.正長石;Aea.霓輝石;Ne.霞石;Bi.黑云母圖3 紫金山堿性巖體宏觀地質構造、巖石野外及顯微照片Fig.3 Macroscopic geological structure,field photographs and microphotographs of Zijinshan alkaline rocks

3 巖石學特征

(1)二長巖類。主要分布在巖體外側，面積廣泛，主要包含細粒二長巖、粗粒二長巖、二長斑巖(圖3(b))，巖石呈淺灰色、灰白色，具似斑狀結構、二長結構、粒狀結構，發育塊狀、似粗面狀及流線構造。主要礦物為正長石、斜長石、霓輝石，次要礦物為角閃石、黑云母，偶見石英(圖3(d))。

(2)霓輝正長巖類。呈半弧狀構成環狀巖體第二環，主要包含霓輝正長巖、含霞霓輝正長巖等。巖石呈灰黑色、深灰綠色，具中粒結構、似斑狀結構，塊狀構造。主要礦物有正長石、霓輝石(圖3(e))，次要礦物有斜長石、角閃石、黑云母。輝石晶體的邊緣部分綠色色調較濃，含霓石分子較多。

(3)霞石正長巖類。地表輪廓呈向南東開口的半環狀，主要包含花崗狀霞石正長巖、假白榴石霞石正長巖、黑榴石霓輝霞石正長巖，巖石呈灰色、灰黑色，具等粒、似斑狀結構，塊狀構造，主要礦物有正長石、霞石、霓輝石、黑榴石和金云母。部分巖石中含有斑晶，斑晶主要為長石、霞石(圖3(f))。霓輝石常呈它形粒狀，交代作用強烈者發育深綠色反應邊。

(4)粗面質火山角礫巖。巖石呈淺灰綠、灰黃色，發育角礫狀構造，角礫成分主要涵蓋早期侵入巖及圍巖地層砂巖等，大小不一，多具棱角(圖3(c))。膠結物主要礦物有斑晶正長石、基質正長石及霓輝石，次要礦物有榍石、磷灰石。

(5)響巖質火山角礫巖。為巖體核心，總體呈圓桶狀或不完整蘑菇狀。巖石呈灰綠、黃褐色，角礫狀構造，主要由角礫和膠結物組成。角礫呈不規則狀、次棱角狀，大小不一，成分復雜多樣，涵蓋各期次巖石及脈體；基質成分為正長石、晶屑、褐鐵礦、脫?；瘔A性玻璃質等。巖石中響巖質角礫占主體，含量約45%，粗面質角礫次之，含量約10%。

4 樣品采集測試

研究區共采集不同期次巖石樣品10塊，其中二長巖類樣品3塊，霓輝正長巖類樣品2塊，霞石正長巖類樣品2塊，粗面質火山角礫巖樣品2塊，響巖質火山角礫巖樣品1塊。制作巖石薄片進行巖礦鑒定后，選取對應巖石新鮮部位在破碎機中破碎，然后經球磨儀加工成200目以下的巖粉。對巖粉進行化學分析，主量元素分析測試在太原礦產資源監督檢測中心完成，樣品采用S2原子吸收分光光度計和723P分光光度計分析測試，檢測溫度20 ℃，濕度48%RH，分析精度優于5%；微量和稀土元素分析測試在武漢綜合巖礦測試中心完成，樣品采用X熒光光譜儀(XRF-1800)、等離子體發射光譜儀(ICAP6300)、電感耦合等離子體質譜儀(X7)進行分析測試，檢測溫度25 ℃，濕度50%RH，分析精度優于10%。

5 地球化學特征

5.1 主量元素

紫金山堿性巖體主量元素分析結果見表1。巖石樣品SiO2含量為52.4%～60.94%，顯示低硅特點。K2O含量為4.01%～14.56%，Na2O含量為0.13%～6.63%，全堿(Na2O+K2O)含量為8.52%～16.25%，K2O/Na2O為0.80～110.62，具有富堿、高鉀的特點。CaO含量為0.24%～6.83%，MgO含量為0.23%～2.08%，Al2O3含量為14.7%～22.6%；所有樣品里特曼指數σ大于4，且w(K2O)>w(Na2O)，為鉀質堿性巖類。紫金山巖體主要為一系列中性巖石組合，在TAS分類圖解(圖4左)中，樣品投影點全部位于Ir分界線上方，屬于堿性巖石系列。二長巖類樣品全部投影在二長巖區；霓輝正長巖類樣品投影在副長石二長正長巖區；霞石正長巖類樣品投影在副長正長巖區；粗面質火山角礫巖類、響巖質火山角礫巖類投影在響巖區。紫金山堿性巖體K2O-SiO2圖解(圖4右)中樣品投影在鉀玄巖系列區域。

表1 紫金山堿性巖體主量元素、微量元素分析結果Tab.1 Major elements and trace elements compositions of Zijinshan alkaline rocks

(續表)

深成巖:1.橄欖輝長巖;2a.堿性輝長巖;2b.亞堿性輝長巖;3.輝長閃長巖;4.閃長巖;5.花崗閃長巖;6.花崗巖;7.硅英巖;8.二長輝長巖;9.二長閃長巖;10.二長巖;11.石英二長巖;12.正長巖;13.副長石輝長巖;14.副長石二長閃長巖;15.副長石二長正長巖;16.副長正長巖;17.副長深成巖;18.霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖火山巖:1.苦橄玄武巖;2.玄武巖;3.玄武安山巖;4.安山巖;5.英安巖;6.流紋巖;7.英石巖;8.粗面玄武巖;9.玄武巖質粗面安山巖;10.粗面安山巖;11.粗面英安巖;12.粗面巖;13.堿玄巖;14.響巖質堿玄巖;15.堿玄質響巖;16.響巖;17.副長火山巖;18.方鈉巖/霞石巖/純白榴巖圖4 紫金山堿性巖體TAS圖解(左)和K2O-SiO2圖解(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

巖體稀土元素和微量元素含量及有關參數比值見表1。稀土元素總量∑REE值為73.97×10-6～236.34×10-6，平均值163.45×10-6，稀土元素總量中等偏高。輕稀土元素含量LREE值為69.21×10-6～218.98×10-6，重稀土元素含量HREE值為3.97×10-6～20.12×10-6，輕重稀土元素含量比值LREE/HREE為7.41～44.63，(La/Yb)N值為9.06～78.68，表明輕重稀土元素分餾較強烈。δEu為0.67～1.31，平均為0.97。稀土元素原始地幔標準化分布型式圖(圖5左)表現出輕稀土元素相對富集、重稀土元素相對虧損的右傾分布特征，Eu異常不明顯。

圖5 紫金山巖體稀土元素原始地幔標準化分布型式(左)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(右)[15]Fig.5 Primitive mantle-normalized REE patterns (left) and primitive mantle-normalized trace elements spidergram (right) of Zijinshan alkaline rocks[15]

微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖5右)各樣品曲線總體表現為整體右傾的不相容元素分布型式，Rb、Ba、K、Pb、Sr、Zr和Hf等元素明顯富集，呈隆起狀態，Th、Nb、Ta、La、Ce、Nd、P和Ti等元素明顯虧損，總體上巖石相對富集大離子親石元素，虧損高場強元素。

6 討論

6.1 紫金山堿性巖體物質來源與巖漿演化

紫金山堿性巖體侵入最新地層為三疊系二馬營組，將巖漿熱事件限定于三疊紀之后。巖體積累了較多高精度測年數據，測年方法為LA-ICP-MS鋯石U-Pb和SHRIMP鋯石U-Pb測年，其中二長巖類(次透輝二長巖、二長巖)年齡為(136.7±6.5) Ma[3]、(138.7±6.5) Ma[4]、(134.7±1.5) Ma[5]，霓輝正長巖類(霞霓次透輝正長巖)年齡為(137.7±2.7) Ma[3]，霞石正長巖類(霓霞正長巖、霞石正長巖)年齡為(127.2±2.7) Ma[6]、(138.3±1.1) Ma[7]，粗面質火山巖角礫巖(粗面質安山巖)年齡為(125±6.7) Ma[8]。測年結果顯示紫金山堿性巖體主體為早白堊世巖漿活動產物。

圖6 紫金山堿性巖體lg -lg δ(左)與Th/Yb-Ta/Yb圖解(右)[23-24]Fig.6 lg -lg δ diagram (left) and Th/Yb-Ta/Yb diagram (right) of Zijinshan alkaline rocks[23-24]

哈克圖解可反映巖漿巖成分的相關性和巖漿演化趨勢，由同源巖漿分異的一系列巖石在哈克圖解中的投影具有良好相關性[25]。紫金山巖體哈克圖解(圖7)顯示紫金山巖體巖石SiO2呈現先降低再升高的趨勢，各主量元素與SiO2間不存在明顯線性關系，僅在部分相鄰期次火成巖間具有一定相關關系，表明紫金山巖體演化過程中巖漿分異作用不占主導地位。La/Sm-La圖解(圖8)能較好地區分出分離結晶和部分熔融作用過程[26]，在該圖解中樣品投影點與部分熔融趨勢線方向較為一致。

圖7-1 紫金山巖體哈克圖解Fig.7-1 Harker diagrams of Zijinshan alkaline rocks

圖7-2 紫金山巖體哈克圖解Fig.7-2 Harker diagrams of Zijinshan alkaline rocks

圖8 紫金山巖體La/Sm-La圖解[26]Fig.8 La/Sm-La diagram of Zijinshan alkaline rocks[26]

綜上，從巖石地球化學角度推斷紫金山堿性巖體物質來源于幔源巖漿，巖漿源區中富含石榴石，缺少或者不含斜長石，巖漿演化機制以部分熔融作用占主導地位且存在殼源物質參與。

6.2 華北中部早白堊世堿性巖漿活動與華北克拉通破壞關系

華北中部山西境內存在多個早白堊世堿性-偏堿性巖體，主要包括紫金山堿性巖體，狐偃山堿性、偏堿性雜巖體群，塔兒山—二峰山堿性、偏堿性巖體群，平順陵川(西安里)偏堿性巖體群[6,27-28]。

空間上巖體受控于中生代縱跨南北的區域性斷裂，自東向西分別有太行山斷裂、狐偃山—太岳山斷裂及離石斷裂(圖9(a))，巖體展布與斷裂方向相一致。在巖漿演化上不同巖體所處地理位置不同、控巖構造不同，表現出的巖石組合也不同，但在演化序列中表現出自東向西巖石堿性程度明顯遞增的規律?；谇叭藢ι鲜鰩r體的稀土、微量元素分析結果[6,27-28]，取各巖體分析結果均值進行成圖，結果表明區域上的堿性、偏堿性巖體的稀土配分型式曲線(圖10左)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖10右)整體趨勢相似性好，表明區域上山西境內分布的堿性、偏堿性巖為同一時期構造-巖漿活動產物，具有深源淺成特點且具有相似的地球化學特征。

圖9 山西堿性、偏堿性巖體分布圖(a)和華北克拉通構造簡圖(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]

圖10 山西堿性、偏堿性巖體稀土元素原始地幔標準化分布型式圖(左)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(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]

華北克拉通主體由東、西2個太古宙陸塊在18.5億a前碰撞拼合，并通過中部造山帶連接而成(圖9(b))[31-32]。華北克拉通破壞主要受控于古太平洋板塊的西向俯沖，巨量巖石圈減薄是華北克拉通破壞的表現形式之一[33]。依據密集流動地震臺陣和固定臺網記錄的地球物理資料對深部結構信息的提取，中、西部陸塊巖石圈結構表現出高度的橫向非均質性，既在西部的鄂爾多斯盆地下保留厚度200 km的巖石圈，又在陜西—山西新生代斷陷盆地下存在厚度小于100 km的巖石圈，表明華北克拉通中西部存在不同構造變形影響。華北西部伸展構造發育的峰期為127 Ma[34]，地殼中發育的伸展構造是巖石圈減薄在淺部的重要響應，巖漿活動則是巖石圈減薄在深部過程中的重要表現形式，兩者之間具有內在聯系?；诘責釋W研究呂梁山地區早白堊世經歷了一次熱流高峰，反映強烈的深部構造-熱事件[35-36]，太行山—呂梁山間存在以五寨縣至靜樂縣為中心的似圓柱狀軟流圈上涌柱，截面積約1.3萬km2，存在大于30 km厚巖石圈[37]，山西境內的堿性、偏堿性巖體的形成時間、區域范圍與此次巖漿活動具有一致性。山西境內堿性巖體形成時間、華北中西部構造體制轉變時間與華北克拉通巖石圈減薄作用的峰期時間相近，該種耦合關系預示區域堿性巖漿活動與古太平洋板塊西向俯沖關系密切。

7 結論

(1)紫金山巖體為前期巖漿侵入和后期火山噴發形成的雜巖體。前期侵入階段有二長巖類、霓輝正長巖類、霞石正長巖類產生；后期噴發階段有粗面質火山角礫巖、響巖質火山角礫巖產生。

(2)紫金山巖體各期次巖石具有低硅、富堿、高鉀、貧鈣鎂的特點，為鉀質堿性巖類。巖石稀土元素總量中等偏高，輕重稀土元素分餾較強烈，總體表現出輕稀土相對富集、重稀土相對虧損、負Eu異常不明顯的特征。微量元素表現為大離子親石元素(Rb、Ba、K、Sr等)明顯富集、高場強元素(Th、Nb、Ta、La、Ce、Nd、P、Ti等)顯著虧損的特征。

(3)紫金山堿性巖體物質來源與富集型地幔關系密切，巖漿源區中富含石榴石，缺少或者不含斜長石，巖漿演化機制以部分熔融作用為主且存在殼源物質參與。

(4)推斷早白堊世華北中西部區域堿性巖漿活動與古太平洋板塊西向俯沖關系密切。