冀西北宣化盆地髫髻山組粗面巖年代學、地球化學特征及其地質意義

楊濟遠,胡新茁,周敬,齊朋超,李澤陽,孟家葆,許凡,張會彬,齊慧云

(1.河北省區域地質調查院(河北省地學旅游研究中心),河北 廊坊 065000;2.中國地質調查局 廊坊自然資源綜合調查中心,河北 廊坊 065000;3.河北省地礦局第六地質大隊,河北 石家莊 050000)

0 引言

冀西北宣化盆地位于華北克拉通北緣中段,自顯生宙以來該區構造活動頻繁,分為早奧陶世到晚志留世古亞洲洋的俯沖削減和弧—陸碰撞階段、早石炭世—早二疊世活動大陸邊緣演化階段、二疊紀末期至三疊紀微陸塊碰撞合并階段及侏羅紀—白堊紀的克拉通破壞4個階段[1-4]。中生代時期,由于古亞洲洋的閉合和太平洋的俯沖,中國東部近EW向的構造域向NNE向轉換,并在燕山期達到頂峰[5]。為此,中國地質學的先驅者之一翁文灝學者最早提出了燕山運動,指發生在華北燕山地區中晚侏羅世的重大構造事件,并將其劃分為“緒動/A幕”、中間幕和侏羅紀末期的B幕3個階段[6-7]。關于燕山運動的性質,大多數學者認為燕山運動是中國東部近EW向的特提斯構造域向NNE向的濱太平洋構造域的轉換,是從大陸碰撞構造體制轉為以西太平洋陸緣俯沖構造體制為主導的陸內變形和陸內造山[8-14]?；诟玫亟忉?、研究華北燕山運動,近年來,眾多地質學者對冀北一帶出露的中生代火山巖進行了較為系統的研究[15-23],以期根據巖漿作用更好地解釋中國東部中生代構造格架的轉換。

在冀北地區,共發育4個重要的中生代火山巖地層,分別為南大嶺組、髫髻山組(藍旗)、張家口組和義縣組。其中,髫髻山組火山巖研究表明,其總體為一套以粗安質、安山質熔巖、角礫凝灰巖等火山噴出巖為主,夾有凝灰質砂巖等的火山—沉積地層。通過1∶5萬沙嶺子幅區域地質調查,筆者在冀西北宣化盆地內髫髻山組上部新填繪出一套粗面巖及粗面質火山碎屑巖,為了進一步探討華北燕山地區中生代火山巖的成因和構造背景,本文結合前人的研究成果對該套粗面巖進行巖石學、地球化學及年代學的系統研究,以期為該區域的巖漿起源及構造演化提供依據。

1 區域地質背景

研究區位于華北克拉通北緣中段(圖1a),燕山山脈與大興安嶺—太行山脈交匯部位,北部與興蒙造山帶相鄰。晚古生代—中生代期間,研究區處于不同板塊間的構造復合部位[24-27],經歷了多期次復雜的構造運動,構造—巖漿活動劇烈,褶皺、斷裂和逆沖推覆構造十分發育,構造線以EW向和NE向為主,近SN向次之[28-30]。

1—第四系;2—張家口組;3—土城子組;4—髫髻山組二段;5—髫髻山組一段;6—九龍山組;7—霧迷山組;8—高于莊組;9—花崗斑巖;10—角度不整合接觸界線;11—正斷層及傾角;12—性質不明斷層;13—飛來峰構造;14—地層產狀;15—火山口;16—取樣位置

宣化盆地內出露中生界地層自下而上分別為下花園組、九龍山組、髫髻山組、土城子組和張家口組(見圖1b)。其中髫髻山組總體為一套中性、中堿性火山巖夾凝灰質砂巖、巖屑砂巖,整合于九龍山組之上,與上覆土城子組為整合接觸關系。筆者在1∶5萬沙嶺子幅地質填圖時,根據其火山噴發規律和巖石組合將其劃分為兩個巖性段:一段分布較廣泛,為一套粗安巖及粗安質火山碎屑巖組合,主要巖性為灰綠色粗安質沉集塊角礫巖、淺灰綠色粗安質沉角礫凝灰巖、灰綠色粗安質角礫凝灰巖、灰綠色粗安質集塊巖、灰綠色粗安質角礫巖、灰褐色—紫紅色—灰紅色粗安巖,灰綠色蝕變粗安巖、褐灰色玄武粗安巖、淺灰色安山巖、淺灰色安山質角礫巖,局部發育黃灰色、灰褐色凝灰質砂巖、巖屑砂巖夾層,厚度大于391.3 m;二段分布于宣化盆地滴水崖村及雷公山一帶,為一套粗面巖及粗面質角礫巖組合,主要巖性為灰黃色—灰褐色—紫紅色粗面巖、紫紅色粗面質集塊角礫巖、黃灰色—紫紅色粗面質角礫巖、紫灰色—灰白色—灰紅色粗面質凝灰巖,局部發育灰褐色氣孔狀輝石粗面巖、灰紅色凝灰質砂巖夾層,厚608.2 m。

2 巖石學特征

本次研究分別對滴水崖村、黨家溝村及雷公山一帶發育的髫髻山組上部粗面巖進行了系統采樣分析。野外采樣時,選擇原位、新鮮、無風化、無蝕變的巖石樣品,采樣地點詳細記錄坐標及高程,并對巖石宏觀特征進行拍照記錄(圖2a～d),最后用無污染的白布袋將采集好的樣品裝好,并用規范的編號標明樣品。

圖2 宣化盆地髫髻山組粗面巖野外露頭(a～d)和顯微照片(e～f)(Kfs:鉀長石)Fig.2 Field outcrops(a～d) and photomicrographs(e～f) of trachytes in the Tiaojishan Formation, Xuanhua Basin (Kfs: potassium feldspar)

由顯微照片可知,圖2e所示粗面巖為斑狀結構—基質粗面結構,塊狀構造,由斑晶、基質組成。其中斑晶由鉀長石、暗色礦物組成,粒度一般為0.2～3.1 mm,雜亂分布,鉀長石呈半自形板狀,普遍具黑云母—綠泥石化、碳酸鹽化,部分暗色礦物具皂石化、少硅化,裂紋被鐵質填充推測呈輝石假象,部分暗色礦物為黃褐色半自形柱狀角閃石;基質由鉀長石、暗色礦物假象、不透明礦物組成,粒度一般<0.15 mm,雜亂分布,鉀長石多呈半自形短板狀,具黑云母—綠泥石化,暗色礦物具綠泥石化假象,不透明礦物多呈黑色微粒狀,杏仁體多呈圓形,大小0.6～2.6 mm,零散分布,由少量綠鱗石、黏土等填充。

圖2f所示粗面巖為斑狀結構—基質粗面結構,塊狀構造,由斑晶、基質組成。其中斑晶由鉀長石、暗色礦物組成,粒度一般為0.2～3.65 mm,雜亂分布,鉀長石呈半自形板狀,普遍具黏土化、輕微碳酸鹽化,暗色礦物具碳酸鹽化等,裂紋被鐵質填充呈假象;基質由鉀長石、暗色礦物假象、不透明礦物組成,粒度一般<0.2 mm,雜亂分布,鉀長石多呈自形—半自形短板狀,部分具土化,暗色礦物具黑云母—綠泥石化、碳酸鹽化假象,不透明礦物多呈黑色微粒狀。巖內見少量碳酸鹽、鐵質、硅質等填充裂隙。

3 樣品及分析方法

3.1 樣品采集

本文研究工作針對滴水崖村一帶出露的粗面巖(D2022、D3511),進行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年,測試結果見表1和表2。并與黨家溝村附近(D4021、D4022)和雷公山一帶(PM17)出露的粗面巖一起進行了主量、微量元素測試分析,分析結果見表3。具體采樣位置見圖1,采樣坐標分別為:N40°30′39″、E114°52′56″(D2022);N40°32′13″、E114°54′39″(D3511);N40°20′46″、E114°52′55″(D4021);N40°29′35″、E114°52′58″(D4022)和N40°27′25″、E115°00′16″(PM17)。

表2 粗面巖(D3511)鋯石LA-ICP-MS年代學分析結果Table 2 Chronological analysis results of trachyte (D3511) zircon by LA-ICP-MS

表3 髫髻山組粗面巖主量元素(%)、微量元素和稀土元素(10-6)分析結果Table 3 Analysis results of major elements (%), trace elements and rare earth elements (10-6) of trachytes in the Tiaojishan Formation

3.2 分析方法

標準的重礦物分離方法挑出U-Pb同位素測年鋯石,由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室加工完成。按照常規粉碎淘洗,經磁選和重液分離,然后在雙目鏡下人工挑選出純度在99%以上的鋯石。鋯石制靶、反射光、陰極發光圖像分析及LA-ICP-MS測年由北京鋯年領航科技有限公司完成。儀器詳細參數及操作方法參考文獻[33];數據處理應用Iolite程序[34],鋯石91500作為校正標樣,GJ-1作為監測標樣,每隔10～12個樣品點分析2個91500標樣及一個GJ-1標樣。通常采集20 s的氣體空白,35～40 s的信號區間進行數據處理,按指數方程進行深度分餾校正[34],年齡計算及諧和圖的繪制采用Isoplot3.0程序[35]。

巖石地球化學分析均由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成,樣品的加工過程均在無污染設備中進行。主量元素采用堿溶法制備樣品,并使用AxiosmaxX射線熒光光譜儀完成分析測試,燒失量、H2O+和H2O-采用P1245電子分析天平完成測試,分析誤差優于5%。微量元素和稀土元素采用酸溶法制備樣品,使用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)(XSerise2)完成測試,相對誤差不大于5%,測試方法見高劍峰等[36]。

4 分析結果

4.1 鋯石U-Pb定年

本次粗面巖挑選出的鋯石形態多呈透明—半透明短柱狀或長柱狀,自形程度較好,粒徑較小,多為10～100 μm,長寬比主要介于1.2∶1～2∶1,陰極發光圖像上具清晰的振蕩環帶(圖3)。鋯石的Th、U含量變化較大(表1、2),Th含量為(30.1～2 168.0)×10-6,U含量為(52.8～1 695.0)×10-6。w(Th)/w(U)比值介于0.54～1.28,均值為0.89,均大于0.4,結合鋯石CL圖像特征來看,髫髻山組粗面巖樣品中的鋯石為巖漿成因鋯石[37]。

圖3 宣化盆地髫髻山組粗面巖鋯石陰極發光圖像Fig.3 Zircon cathodoluminescence images of trachytes in the Tiaojishan Formation, Xuanhua Basin

a—D2022;b—D3511

D2022粗面巖測定鋯石20顆,19顆鋯石具諧和年齡,w(206Pb)/w(238U)年齡變化范圍為159～166 Ma,加權平均值為161.1±1.2 Ma(n=19,MSWD=0.51);D3511粗面巖中有較多的捕獲鋯石,測定鋯石18顆,其中5顆鋯石具諧和年齡,w(206Pb)/w(238U)加權平均值為162.5±1.3 Ma(n=5,MSWD=0.22)。以上兩個年齡均表明巖石形成于中侏羅世晚期—晚侏羅世早期(圖3、4)。

4.2 全巖地球化學

粗面巖的主量元素分析結果見表3。粗面巖樣品的SiO2含量為61.19%～68.96%,平均64.20%;Al2O3含量介于13.76%～15.46%,平均14.75%;w(K2O)/w(Na2O)比值為1.26～1.79,平均1.42;K2O+Na2O含量較高,為7.80%～10.28%,CaO含量介于0.90%～2.35%,平均1.50%;TiO2含量介于0.34%～1.04%;MgO含量介于0.39%～1.34%,平均0.62%。據鄧晉福等[38]關于TAS圖解的相關建議投圖,除D2022點落入粗面巖與英安巖交界附近外,其余均落入粗面巖區域內(圖5a)。在w(K2O)—w(SiO2)圖解中,除D2022點落入高鉀鈣堿性系列外,其余均落入鉀玄巖區域(圖5b)。

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—粗面玄武巖;8—玄武質粗面安山巖;9—粗面安山巖;10—粗面巖、粗面英安巖;11—響巖;12—堿玄質響巖;13—響巖質堿玄巖;14—堿玄巖、碧玄巖;15—副長石巖

粗面巖的稀土與微量元素分析結果見表3。其中,稀土元素總量∑REE集中在(168.47～273.96)×10-6,平均247.52×10-6,在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖中呈右傾配分模式(圖6a),w(LREE)/w(HREE)=7.89～15.67,平均9.44;[w(La)/w(Yb)]N=9.08～19.34,平均11.52?？傮w顯示巖石具輕稀土富集、重稀土虧損的分餾特征,未出現明顯Eu異?；蚓哂休p微Eu的正異常(δEu=0.92～1.19,平均1.03),這可能與巖漿中斜長石結晶分異較弱有關。在原始地幔標準化微量元素蛛網圖中,粗面巖表現出相對富集Rb、K、Th、Ce、Zr、Hf等元素,相對虧損Ba、Nb、Sr、P、Ti等元素(圖6b);w(Sr)/w(Y)比值除D2022外,均較低(0.85～2.34,平均1.25),w(Zr)/w(Hf)比值介于36.35～40.97,平均40.32。

圖6 宣化盆地髫髻山組粗面巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)(球粒隕石標準化值據Boynton[42],原始地幔標準化值據Sun and McDonough[43])Fig.6 Chondrite-normalized rare earth element distribution map (a) and spider diagram of primitive mantle normalized trace elements (b) of trachytes in the Tiaojishan Formation, Xuanhua Basin(standardized values for chondrites according to Bounton[42],primitive mantle normalized values according to Sun and McDonough[43])

5 討論

5.1 成巖時代

在冀北地區,不同學者對髫髻山組火山巖開展了多次測年工作。如Davis等[15]在承德及北京十三陵地區通過Ar-Ar定年,獲得髫髻山組下部年齡為160.7±0.8 Ma、161.1±1.9 Ma;Cope[44]在承德地區通過Ar-Ar定年,獲得髫髻山組下部及頂部年齡為159.7±1.3 Ma、152.6±0.3 Ma;趙越等[14]在北京西山地區獲得髫髻山組底部鋯石U-Pb SHRIMP年齡為156.6±3.1 Ma;張宏等[17]在灤平地區髫髻山組頂部獲得LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為162.8±3.2 Ma;于海飛等[23]在北京十三陵地區獲得髫髻山組底部LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為157.2±1.2 Ma。

本文通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年方法,獲得冀西北宣化盆地髫髻山組中上部的粗面巖成巖年齡為161.1±1.2 Ma和162.5±1.3 Ma。國際地層表(Gradstein等[45])將早中侏羅世時代界定為174.1±1.0 Ma,中晚侏羅世時代為163.5±1.0 Ma,這與眾多學者獲得的髫髻山組年齡基本一致,髫髻山組時代歸屬中侏羅世晚期到晚侏羅世早期較為合適。

5.2 巖漿源區性質及成因

許多學者[19,46-48]認為燕山造山帶髫髻山組巖漿起源于加厚地殼條件下基性下地殼的部分熔融;而王蕊等[22]則認為京西盆地髫髻山組為殼幔巖漿混合模式形成。李伍平等[49]又指出燕山造山帶中—晚侏羅世髫髻山期(藍旗期)火山巖具有埃達克巖或太古宙TTG的地球化學特征,屬于埃達克質火山巖,并認為這些火山巖的形成與幔源巖漿底侵作用引起下地殼的玄武質巖石的部分熔融有關。

本次工作所采集的樣品中,燒失量均集中在0.89%～2%,顯示蝕變程度較低(燒失量<3%),同時在鏡下觀察發現巖石樣品也較新鮮,在原始地幔標準化的微量元素蛛網圖中,Rb、Ba和K含量波動較小,同樣反映出后期蝕變對巖石影響較弱,因此本文認為可以用該套火山巖的地球化學信息表征原始巖漿特征。

宣化盆地髫髻山組粗面巖樣品具高硅、高堿,貧Ca、Mg,相對富鋁特征;巖石中Th含量(7.45～9.05)×10-6,平均8.18×10-6,高于中地殼(6.5×10-6)及下地殼(0.42×10-6)[50],且富集LREE,顯示出明顯的地殼重熔特征;在Harker圖解中(圖7),主要氧化物Al2O3、Fe2O3、K2O、MnO、Na2O和TiO2與SiO2呈負相關性,指示長石類礦物、鐵鎂礦物(如角閃石和黑云母)和含鈦(如鈦鐵礦、鈦礦和金紅石)礦物的分離結晶,表明該火山巖是連續演化的產物;據路鳳香等[51],由陸殼沉積物熔融形成的花崗巖w(K2O)/w(Na2O)>1,而由幔源巖漿分異形成的花崗巖w(K2O)/w(Na2O)<1,研究區w(K2O)/w(Na2O)為1.26～1.79,平均1.42,為殼源熔融形成特征;據Taylor等[52]研究,幔源巖漿w(Rb)/w(Sr)比通常小于0.05,幔殼混合源介于0.05～0.5,殼源巖漿大于0.5,本區粗面巖樣品w(Rb)/w(Sr)平均值為2.18,也顯示出明顯的殼源特征;在A/FM—C/FM圖中,區內粗面巖樣品成分落入變質雜砂巖部分熔融區和變質泥巖部分熔融區附近(圖8a),進一步表明其為地殼部分熔融而成。此外,研究區粗面巖具低Sr(平均值為93.41×10-6)、高Yb(平均值為3.40×10-6)的特征,與俯沖洋殼部分熔融形成的高Sr(>400×10-6)、低Yb(<1.9×10-6)的埃達克巖特征明顯不同,在Sr/Y—Y圖解中(圖8b),樣品大部分落在正常島弧區域內。上述巖石地球化學特征說明形成宣化盆地粗面質火山巖的巖漿源區為大陸地殼物質熔融的產物。

圖7 宣化盆地髫髻山組粗面巖主量元素Harker圖解Fig.7 Harker diagram of major elements of trachytes in the Tiaojishan Formation, Xuanhua Basin

圖8 宣化盆地髫髻山組粗面巖的A/FM—C/FM圖解(a)[53]和Sr/Y—Y圖解(b)[54]Fig.8 A/FM—C/FM diagram (a)[53] and Sr/Y—Y diagram (b)[54] of trachytes in the Tiaojishan Formation,Xuanhua Basin

5.3 構造環境

據董樹文等[12],華北克拉通自古生代后一直處于多板塊匯聚的大地構造環境,多次期的板塊俯沖、弧—陸碰撞、陸—陸碰撞等造山作用在其周緣廣泛發育[1-4]。冀西北宣化盆地位于華北克拉通北緣燕山構造帶,其在中生代—早新生代期間構造和巖漿活動頻繁而劇烈,形成現今復雜的構造樣式。目前眾多學者皆認為冀北燕山構造帶在早白堊世(約135 Ma)之后整體處于伸展構造環境[30,43,55-56],但對于早侏羅晚期—早白堊世(175～135 Ma)期間該區構造環境還有很多分歧,大部分地質工作者認為燕山構造帶在該時期處于擠壓構造環境,冀北地區的沉積盆地的發育和演化都受到區域擠壓構造控制[4,25,28,43,57-60];而另一部學者則認為燕山構造帶西段土城子時期發育的赤城盆地和宣化盆地形成于伸展構造環境[61-62],渠洪杰等[63]通過對燕山構造帶中段承德盆地中上侏羅—下白堊統土城子組沉積地層進行沉積相分析、古流和物源分析,同樣認為該盆地屬于伸展構造環境下。

前已述及,冀西北宣化盆地粗面質火山巖的巖漿源區主要是大陸地殼物質。在Pearce等[64]提出的構造環境判別圖解中,粗面巖樣品均落在火山弧花崗巖(VAG)區域內(圖9a、b),在R1—R2判別圖解上落入晚造山期花崗巖與非造山區A型花崗巖區界線附近(圖9c);在Rb/30—Hf—3Ta圖解中落入火山弧花崗巖區域內(圖9d)。上述圖解進一步說明髫髻山組火山巖形成于擠壓構造背景下的活動大陸邊緣火山弧環境。

WPG—板內花崗巖;VAG—火山弧花崗巖;syn-COLG—同碰撞花崗巖;ORG—大洋中脊斜長花崗巖。1—地幔斜長花崗巖;2—破壞性活動板塊邊緣(板塊碰撞前)花崗巖;3—板塊碰撞后隆起期花崗巖;4—晚造山期花崗巖;5—非造山區A型花崗巖;6—同碰撞S型花崗巖;7—造山期后A型花崗巖

另外,發育于燕山構造帶中段的逆沖斷層(豐寧—隆化斷裂、冷口斷裂、大廟—娘娘廟斷裂以及六道河斷裂等)在九龍山組沉積期間均表現出向南逆沖的特征[29,57]。趙麗君[67]將燕山構造帶東段薊縣—寬城—凌源一帶NE向逆沖斷層的變形時間約束為160 Ma左右。同樣,Davis等[15]在燕山構造帶東段的遼西地區報道了喀左逆沖斷層在173 Ma時期的逆沖活動。

綜上,冀西北宣化盆地髫髻山組粗面巖形成于擠壓構造環境,因此在中侏羅晚期至晚侏羅世早期燕山造山帶應處于擠壓構造背景較為合理。

6 結論

1)獲得冀西北宣化盆地髫髻山組中上部粗面巖成巖年齡為161.1±1.2 Ma和162.5±1.3 Ma,與眾多學者獲得的髫髻山組年齡基本一致,髫髻山組時代屬中侏羅世晚期—晚侏羅世早期較為合適。

2)冀西北宣化盆地髫髻山組中上部發育的粗面巖具典型的大陸地殼物質熔融成因的地球化學特征,而非前人認為的殼幔巖漿混合模式形成。

3)髫髻山組粗面巖具有擠壓性質大陸邊緣弧火山巖特征,認為在中侏羅晚期至晚侏羅世早期燕山造山帶應處于擠壓構造背景。

致謝：本文是以“河北省沙嶺子、宣化縣、深井鎮、涿鹿縣1∶5萬區域地質調查”項目為依托,文中所用的原始數據是項目組成員在極為惡劣的工作生活條件下取得的,在此對項目組人員表示感謝,并衷心地感謝審稿人對本文提出的寶貴意見和建議。