山西王家泉花岗闪长斑岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其对华北克拉通破坏的约束

Zircon U-Pb Geochronology and Geochemical Characteristics of Wangjiaquan Granodiorite Porphyry： Constraints on the Destruction of North China Craton， Shanxi Province

摘要

华北克拉通作为研究克拉通破坏机制的典型地区之一，目前研究成果主要集中于东部地区，中西部地区研究程度相对较低，因此对华北克拉通破坏边界研究存在认识不足的问题。为深入了解华北克拉通中部地区内的王家泉岩体的岩石成因和构造背景，对王家泉岩体中较新鲜的花岗闪长斑岩首次开展地球化学、锆石年代学的研究。结果表明，王家泉花岗闪长斑岩形成于早白垩世（127.1 ± 0.4）Ma；地球化学数据显示花岗闪长斑岩富硅、富碱，为高钾钙碱性弱过铝质花岗岩类，相对富集轻稀土元素（LREE）和Ba、Eu等大离子亲石元素（LILEs），相对亏损重稀土元素（HREE）和Nb、P、Ti等高场强元素（HFSEs），Eu弱正异常不明显等特征。研究表明，王家泉花岗闪长斑总体上表现出I型花岗岩成因特征，可能源自下地壳物质部分熔融，且有幔源物质的参与。综合前人资料和本文数据，本文提出王家泉花岗闪长斑岩形成于早白垩世古太平洋板块西向俯冲背景下的伸展构造环境，为中生代华北克拉通构造体制转换作用的产物。

Abstract

The North China Craton （NCC） provides a classic example of lithospheric destruction of the Craton， the research on the NCC are mainly concentrated in the Eastern Block （EB）， while the Trans-North China Orogen （TNCO） and Western Block （WB） received relatively little attention. Therefore， there is a lack of understanding regarding the boundary of the destruction of the NCC. To constrain petrogenesis and tectonic setting of the Wangjiaquan intrusion in the TNCO， we report new geochronologica and geochemical data on the fresh granodiorite porphyry from the Wangjiaquan intrusion in Shanxi Province. The results show that the zircon U-Pb ages of granodiorite porphyry was determined to be （127.1 ± 0.4） Ma， indicating formation in the Early Cretaceous. The major elements of granite porphyry mass exhibit characteristics of high-K calc-alkaline series and weakly peraluminous granite composition， the trace and elements show enrichment in large-ion lithophile elements （LILEs） （such as Ba and Eu） and light rare-earth elements （LREE）， depleted in high-field-strength elements （HFSEs） （such as Nb， P and Ti） and heavy rare-earth elements （HREE）. δEu shows weak anomalies. The genetic type of granodiorite porphyry is I-type granite. Wangjiaquan granodiorite porphyry characteristics indicate that the rocks was formed from partial melting of crustal materials with mantle-derived inputs. Therefore， it is suggested that the Xiashuitou granodiorite porphyry formed in extensional setting likely associated with the ancient Pacific Plate subduction beneath the Eurasian continent， and was the production of the transition of Mesozoic tectonic evolution of the NCC.

Graphical abstract

关键词

花岗闪长斑岩 / 早白垩世 / 华北克拉通 / 构造背景 / 王家泉

Key words

granodiorite-porphyry / Early Cretaceous / North China Craton / tectonic background / Wangjiaquan region

0 引 言

稳定的克拉通岩石圈由于受到地球深部板块间的动力过程的影响，使岩石圈本身的结构、密度和黏度等发生明显的改变^［1］。在板块机制地质研究中，岩浆岩通常被视作“岩石探针”来认识其地球深部组成，以及约束板块间的俯冲或碰撞等地质过程^［2］。

作为我国境内最为典型的克拉通，华北克拉通自古元古代碰撞拼合形成后，经历了长时间的稳定状态^{［3 - 5］}。但自中新生代起，由于受到大规模岩浆活动的影响^{［6 - 8］}，华北克拉通岩石圈减薄作用明显^{［8 - 10］}，以地壳浅部广泛出现伸展构造（包括张性断裂、盆地和变质核杂岩）的地质格局为主要特征，产生华北克拉通破坏事件^{［11 - 12］}，使华北克拉通被视作研究克拉通破坏机制的典型地区之一^［11］。前人在多地区对华北克拉通岩石圈特征开展了岩石学、矿物学、矿床学、地球化学和地球物理等多学科研究^{［13 - 23］}，对华北克拉通破坏的时间、范围和驱动力等方面进行了详细讨论^{［7，12，18 - 20］}，提出了拆沉方式、壳幔拆离方式和热侵蚀方式等理论来解释其破坏机制^{［11 - 12］}。由于东部地区的岩石圈减薄现象明显，中新生代岩浆岩出露范围相对较广，前人的研究成果多集中于此^{［24 - 30］}，而中西部地区的岩石圈相对的保持了典型克拉通的特征^［31］，且中新生代岩浆岩分布零散，研究成果相对匮乏，限制了对华北克拉通破坏机制和边界的整体认识。

王家泉花岗闪长斑位于华北克拉通中部地区内的晋北地区，为中生代岩浆岩集中区的晋北地区内的典型中生代岩浆岩，具有研究以上科学问题中的独特优势。本文通过对该岩体的锆石U-Pb年龄和岩石主微量元素地球化学特征的研究，并结合岩体周边其他出露的同时代岩浆岩，探讨了王家泉花岗闪长斑的侵位时代、岩石成因以及构造背景。从而为整体上认识华北克拉通的破坏和边界提供一定参考。

1 区域地质背景及岩体特征

华北克拉通中部碰撞带为古元古代东部地块和西部地块碰撞形成的构造拼合带，该碰撞带以两条深大断裂带与东部地块和西部地块为界，总体呈南北向展布^［3］（图1（a））。地震学研究表明，华北克拉通沿大兴安岭—太行山重力梯度带地壳与岩石圈结构和性质存在显著差异。重力梯度带东部地壳（厚度 < 35 km）和岩石圈（厚约60 ~ 80 km）相较于西部地壳（厚约45 km）和岩石圈（厚达200 km），明显不具有典型克拉通型岩石圈结构的特征^{［11， 31］}。

研究区位于华北克拉通中部碰撞带内（图1（a）），区内未见明显构造断裂，地层出露有奥陶系、石炭系—二叠系及第四系。石炭系—二叠系岩性为太原组深灰色、灰黑色泥（页）岩、粉砂质泥岩、黏土岩，底部为湖田段特征的铁铝岩系；奥陶系岩性为马家沟组灰色-灰白色厚层白云岩灰岩互层。王家泉岩体主要出露于朔州市平鲁区王家泉村附近，另外在大泉沟村北也有少量出露，岩体出露面积约为0.52 km²（图1（b））。岩体围岩为马家沟组厚层白云岩、灰岩，岩体与围岩呈明显的侵入接触关系1

1 山西省地质调查院. 1∶5万下水头幅区域地质调查报告(R), 2012.

。

王家泉岩体主体岩性为花岗闪长斑岩。岩石呈灰色、灰黄色（图2（a））；斑状结构、块状构造；基质含量约为65%，长英质为其主要成分，整体上呈霏细-微粒状；斑晶多见1 ~ 2 mm大小，最大可达4 mm。斑晶主要矿物成分可见斜长石（35%），镜下呈半自形板状（图1（b））。

2 测试方法

本次研究选取用于岩石地球化学和锆石U-Pb定年测试的样品均无明显风化现象，较新鲜并具代表性，采样位置见图1（b）。

本次地球化学样品处理和分析测试工作由武汉综合岩矿测试中心完成。首先对岩石样品进行符合分析测试要求的200目粉末化处理，主量元素分析测试采用XRF法由RIX 2100型X射线荧光光谱仪完成，分析误差优于5%，Agilent 7500型等离子体质谱仪完成微量稀土元素分析测试工作，分析误差优于5%～10%。标准样品选择USGS地球化学标准岩石（BCR-2、BHVO-1和 AGV-1）。具体测试方法及规范可参见文献［32］。

在西北大学大陆动力学实验室完成本次锆石U-Pb年龄测定工作，首先对岩石样品粉碎至30目，用水反复清洗后晾干，再用浮选和电磁选方法进行分离，然后在双目镜下挑选出透明度和晶形较好的锆石颗粒，对挑选好的锆石单矿物进行抛光后完成阴极发光（CL）显微照相工作，依据锆石显微图像上锆石晶型及形态进行U-Pb同位素定年靶点的选择，分析测试工作采用LA-ICP-MS方法，在GeoLas 2005激光剥蚀系统和Agilent 7500a ICP-MS系统上进行，外标样选择91500标准锆石，监控标样选择GJ-1标准锆石^［33］，ICP-MS Data Cal软件对取得的测试数据进行后期处理。具体测试方法规范参见文献［34］。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄

锆石在阴极发光显微图像上绝大部分呈粒状、板状形态，自形程度较好，粒径多在100 μm以上（图3）。其中选取具有完整晶型、明显振荡环带的锆石进行激光剥蚀分析工作，27个分析点Th/U比值高于0.1（0.23～0.40，均值0.34）（图4（a））。²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄加权平均值为（127.1 ± 0.4）Ma （图4（b）），代表了王家泉花岗闪长斑岩的侵位年龄。

3.2 全岩元素组成

从岩石地球化学分析结果来看（表2），王家泉花岗闪长斑岩具有高SiO₂值（62.18% ~ 64.92%，均值63.54%），样品数据绝大部分落入花岗闪长岩区域内（图5（a）），与晋北地区绝大多数早白垩世岩浆岩属酸性岩（图5（a））；里特曼指数δ小于3.3（1.80 ~ 2.44，均值2.12），与晋北地区大多数早白垩世岩浆岩类似，属钙碱性系列（图5（b））；高碱（Na₂O+K₂O含量6.13% ~ 6.96%，均值6.58%），具高钾钙碱性系列特征（图6（a）），与晋北地区刁泉、支家地、义兴寨等地早白垩世多金属含矿岩石具钾玄岩系列特征相区别；高Al₂O₃值（15.53% ~ 16.56%，平均16.06%）；K₂O/Na₂O比值均大于1（1.07 ~ 1.50，均值1.17），为钾质系列；铝饱和度（A/CNK）介于0.97 ~ 1.09，平均1.02，符合晋北地区大多数早白垩世岩浆岩低铝饱和度（A/CNK < 1.1）特点，总体上属于弱过铝质花岗岩类（图6（b））。

在原始地幔标准化微量元素蛛网图解（图7（a））中，王家泉花岗闪长斑岩样品不同程度表现出相对富集Ba、Eu等大离子亲石元素，相对亏损Nb、P、Ti等高场强元素，与晋北地区早白垩世岩浆岩大体具相似的地球化学特征。

王家泉花岗闪长斑岩样品稀土元素总量ΣREE = 201.56 × 10^-6 ~ 346.57 × 10^-6，平均301.75 × 10^-6；轻重稀土元素比值较高（ΣLREE/ΣHREE值介于15.31 ~ 20.80，均值17.32），表明轻稀土元素相对重稀土元素明显富集；（La/Yb）_N比值高（18.77 ~ 32.95，均值24.54），表明轻重稀土元素之间的分馏作用明显，具晋北地区早白垩世岩浆岩的稀土元素配分曲线类似的右倾型特征（图7（b））；（La/Sm）_N比值较（Gd/Lu）_N比值高（（La/Sm）_N = 4.15 ~ 4.98，均值4.51；（Gd/Lu）_N = 2.35 ~ 4.26，均值3.34），重稀土元素的内部分馏作用相对轻稀土元素较弱；Ce异常相对不明显（δCe值 = 0.97 ~1.04，均值1.00）；Eu正异常相对不明显（δEu值 = 0.98 ~ 1.13，均值为1.02）。

4 讨 论

4.1 岩浆侵位时代

本文获得王家泉花岗闪长斑岩（127.1 ± 0.4）Ma的锆石U-Pb年龄数据，表明其侵位时代属早白垩世。

另外，王家泉花岗闪长斑岩所在的晋北地区出露大量早白垩世岩浆岩，近些年对这些岩体的研究分析获得一大批可靠的U-Pb年龄数据，包括孙庄岩体（包括石英二长闪长岩（133.0 ~ 134.0 Ma）^{［45 - 46］}、石英二长岩（135.0 ~ 138.8 Ma）^［47］和花岗斑岩（134.4 ~ 138.6 Ma）^［47］）；义兴寨岩体（包括角砾岩（140.0 Ma）^［48］、石英斑岩（141.0 Ma）^{［48 - 49］}和花岗斑岩（142.1 Ma）^［47］）；刁泉岩体（包括花岗斑岩（131.2 ~ 131.8 Ma）^{［38，47］}、二长花岗岩（132.2 ~ 141.6 Ma）^［47］和黑云石英二长岩（141.0 Ma）^［38］）；伯强岩体（包括花岗斑岩（123.2 ~ 141.0 Ma）^［47］、石英二长斑岩（134.6 Ma）^［47］和伯强斑状花岗岩（138.7 Ma）^［47］）；支家地岩体（包括石英斑岩（135.4 Ma）^［39］、隐爆角砾岩（136.0 Ma）^［50］、流纹斑岩（136.2 Ma）^［39］和花岗岩（136.2 Ma）^［39］）；龙峪池安山岩（130.5 Ma）^［51］；中庄铺花岗岩（115.4 Ma）^［52］；羊投崖花岗斑岩（131.7 Ma）^［40］。上述岩浆岩年龄结果表明，晋北地区在早白垩世存在大规模岩浆活动^{［37，53］}。

4.2 岩石成因

形成于早白垩世的王家泉花岗闪长斑岩内未发现钠铁闪石等标志性碱性暗色矿物，说明岩体不具典型A型花岗岩岩石学特征^［54］，同时地球化学特征表明，FeO^T/MgO比值（1.99 ~ 4.66，均值2.93）明显区别于A型花岗岩的高值特征（> 10）^［55］。本次研究暂未发现具富Al的S型花岗岩特征性矿物，如矽线石、堇青石等；Eu异常相对不明显，具明显右倾型的稀土配分曲线，与具强烈的Eu负异常特征表现为“海鸥型”稀土元素配分曲线的S型、A型花岗岩有显著差异^［56］。样品铝饱和度摩尔比值小于1.1（0.97 ~ 1.09，平均1.02），属弱过铝质花岗岩类，符合I型花岗岩的特点^［57］；具有Ⅰ型花岗岩特征的低P₂O₅、TiO₂的数值表现^［58］；Sr/Ba比值0.42 ~ 1.00，平均0.76，符合Ⅰ型花岗岩Sr/Ba比值大于0.5的特征^［59］；同时，王家泉花岗闪长斑岩与晋北地区早白垩世岩浆岩整体上呈现I型花岗岩的演化趋势（图8（a））。以上情况均表明王家泉花岗闪长斑岩总体上应为Ⅰ型花岗岩成因。

王家泉岩体与晋北地区其他早白垩世高硅（SiO₂ > 70%）岩浆岩对比，Rb、K等元素含量相对较低，表现出深成岩中石英和斜长石为主导矿物的特征^［60］；而Ba、Sr、Eu等元素含量相对较高，则表现出斜长石中的Ba、Sr、Eu等大离子亲石元素在晶体—熔体分离的成岩过程具相容性^［61］。

王家泉花岗闪长斑岩与晋北地区其他早白垩世岩浆岩在La-La/Yb图解中整体上为部分熔融成因（图8（b））。Zr/Hf比值（26.42 ~ 28.07，均值26.94）与地幔平均值（≈ 39）相差较大，相对更接近于地壳平均值（≈ 33）^{［62 - 63］}；Th/U比值（5.50 ~ 6.17，均值5.81）与下地壳平均值（≈ 6）类似^［64］；Eu弱正异常亦暗示源区很可能与下地壳有关^［64］；与晋北地区其他同期岩浆岩相比，王家泉岩体表现出明显的相对贫硅（SiO₂ < 70%）、贫碱（Na₂O + K₂O < 8%）的特征，亦暗示其并非与高硅质花岗岩（SiO₂ > 70%）类似形成于地壳浅部（< 10 km）^［61］。以上证据表明，王家泉花岗闪长斑岩总体上应形成于下地壳物质部分熔融。在过铝质花岗岩中，Al₂O₃/TiO₂比值是源区岩石部分熔融温度的有效地球化学指标^［65］，当Al₂O₃/TiO₂比值大于100时，指示源区熔融温度低于875 ℃，而比值小于100则反映源区熔融温度高于875 ℃，王家泉花岗闪长斑岩的Al₂O₃/TiO₂比值为31.86 ~ 69.92，均小于100。显示王家泉花岗闪长斑岩岩浆的形成温度相对较高，暗示高温地幔可能参与其成岩过程。王家泉花岗闪长斑岩Nb/Ta比值（12.01 ~ 16.02，均值14.70）介于地壳平均值（≈ 12）和地幔平均值（≈ 17.5）之间^［66］；同时La/Nb比值（2.37 ~ 4.70，均值为4.00）和Th/Nb比值（0.67 ~ 0.78，均值为0.74）均明显高于地壳平均值（La/Nb ≈ 2.2，Th/Nb ≈ 0.44）^［66］，以上说明王家泉花岗闪长斑岩成岩过程有地幔物质的参与；同时，通过晋北地区早白垩世岩浆岩地质学、岩石地球化学、锆石Hf同位素等手段研究表明，区内早白垩世岩浆岩普遍为壳幔混合成因^{［37，40，45 - 47，50，52 - 53］}。总体而言，王家泉花岗闪长斑岩主要形成于地幔物质上涌产生的高温使下地壳物质发生部分熔融，但有地幔物质参与成岩过程。

4.3 构造背景

王家泉花岗闪长斑岩与形成于俯冲背景下的岩浆岩类似，均体现出轻稀土元素和大离子亲石元素相对富集，重稀土元素和高场强元素相对亏损的地球化学特征^{［67 - 78］}，在构造判别图解中（图9（a）），王家泉花岗闪长斑岩样品均落入活动大陆边缘区域内，因此其可能形成于俯冲背景下的活动大陆边缘构造环境。而中生代古太平洋板块在欧亚板块下的西向俯冲作用通常解释该构造背景的形成^{［11，19 - 20］}。

华北克拉通自早白垩世起发生了由挤压构造环境向伸展构造环境转变的重大构造体制转折^［69］，其转折时限约为150 ~ 100 Ma，并在120 Ma左右达到峰值^［69］。这可能与东亚大型地幔楔的发育有关，东亚大型地幔楔构造可能始于145 ~ 140 Ma，并在约120 Ma时完全发育^［70］。构造体制转折使华北克拉通岩石圈发生快速减薄和破坏作用^［25］，并伴随着大规模岩浆活动^［19］。在构造判别图解中（图9（b）），晋北地区早白垩世岩浆岩绝大部分落入拉张型构造环境中，体现出了挤压构造向伸展构造的转变趋势。前人将该构造体制的转变归因于中生代古太平洋板块的俯冲回撤作用^{［12，20，71 - 73］}。

王家泉花岗闪长斑岩（侵位年龄127.1 Ma）形成于华北克拉通构造体制转折的时限范围内，与华北克拉通东部地块早白垩世岩浆岩大体上地球化学特征类似^{［26，71，74 - 81］}，落入拉张型构造环境中，以上情况说明王家泉花岗闪长斑岩形成于俯冲背景下的伸展构造环境，为华北克拉通构造体制转折的产物。早白垩世华北克拉通破坏事件在中部地区与东部地区同时发生。

综上所述，王家泉花岗闪长斑岩形成于下地壳物质的部分熔融作用，地幔物质参与其成岩过程，为早白垩世古太平洋板块西向俯冲作用引起的伸展构造背景下岩浆活动产物（图10）。综合王家泉花岗闪长斑岩和晋北地区早白垩世岩浆岩的研究，推测早白垩世古太平洋板块西向俯冲作用的影响已深入到华北克拉通中部地区的西北部边界。

5 结 论

（1）锆石U-Pb同位素年代学研究获得王家泉花岗闪长斑岩侵位年龄为（127.1 ± 0.4） Ma，形成于早白垩世，处于华北克拉通构造体制转折时限内。

（2）王家泉花岗闪长斑岩属高钾钙碱性系列，具弱过铝质花岗岩特征，且轻重稀土元素之间分馏程度较高，Eu弱正异常不明显。总体上表现出Ⅰ型花岗岩成因。

（3）王家泉花岗闪长斑岩形成于早白垩世古太平洋板块西向俯冲过程中的伸展构造背景下的下地壳物质的部分熔融作用，但有幔源物质参与其成岩过程。

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基金资助

山西省基础研究计划青年项目(202503021212285)

山西省地质勘查基金项目(0632-1911FW1L2054-17)