義縣組主期中酸性巖墻與熔巖地球化學特征及其地質意義

李永飛，李之彤，楊芳林，張立君，陳樹旺

（沈陽地質礦產研究所，遼寧沈陽110034）

義縣組主期中酸性巖墻與熔巖地球化學特征及其地質意義

李永飛，李之彤，楊芳林，張立君，陳樹旺

（沈陽地質礦產研究所，遼寧沈陽110034）

對義縣組主期中酸性巖墻與熔巖的地球化學、成因巖石學對比分析顯示：中酸性巖墻Mg#平均36.68%，Na2O/K2O平均為1.07；微量元素標準化配分圖表現出富集Rb、Ba、K大離子親石元素，虧損Sr及高場強元素Nb、Ta、P、Ti；稀土元素標準化配分圖上表現出負Eu異常，HREE強烈分異，Y/Yb平均10.10，（Ho/Yb）N平均1.13，LREE配分曲線與熔巖LREE配分曲線重合.中性、中基性熔巖Mg#平均大于55%，除無Sr負異常外，微量元素標準化配分圖與巖墻相似；中性、中基性熔巖稀土元素標準化配分曲線相互平行，并且配分高低與SiO2含量呈反相關關系，說明二者是部分熔融的非同源巖漿發生混合作用的產物；中性、中基性熔巖Y/Yb 分別平均為 11.27、11.98；（Ho/Yb）N分別平均為 1.25、1.32，Sr大于 400×10－6，Sr/Y 均大于 40，顯示出了典型埃達克巖地球化學特征.地球化學特征表明中酸性巖墻與火山熔巖來自不同源區，前者來源于斜長石穩定的加厚角閃石麻粒巖地殼部分熔融，而后者來源于受幔源巖漿底侵并且混染過的加厚石榴石麻粒巖相下地殼部分熔融，并且巖墻母巖漿、熔巖巖漿與幔源底侵巖漿在形成過程中可能發生過不同比例的混合作用.結合義縣組最底部高Mg#幔源玄武質巖漿成因機制，主期中酸性巖墻與熔巖巖漿形成機制揭示了早白堊世期間華北板塊殼－幔之間巖漿動力學過程.

義縣組；中酸性巖墻；中性熔巖；中基性熔巖；地球化學；巖漿混合；巖漿成因

燕遼地區自燕山運動以來，由于受到西伯利亞板塊與歐亞板塊碰撞及太平洋板塊俯沖作用的影響［1-5］，該區發生了大規模的構造變形和頻繁的巖漿活動.在早侏羅世—早白堊世期間，巖漿噴發活動主要以興隆溝、髫髻山、張家口、義縣這4個火山旋回為代表.就巖漿活動規模而言，義縣旋回代表了該地區中生代最強烈的一次巖漿活動，從而引起不同學者對該組火山巖的深入研究［6-15］.值得注意的是，在對義縣組火山巖進行研究的過程中，很少涉及到該組以潛火山相產出的中酸性巖墻；這些中酸性巖墻作為同巖漿事件侵位的產物，代表了巖漿從地殼深處/地幔上升到地表的通道，不僅提供了有關殼幔演化的重要信息，而且有助于恢復巖漿侵位時的構造環境，因此，將其與火山熔巖聯系起來系統分析，對認識大地構造屬性和巖漿動力學機制必將有所幫助.

本文選擇遼西義縣組主期中酸性巖墻與熔巖為研究對象，通過詳細的地球化學及成因巖石學的研究，探討火山巖的源區性質及構造背景，并為燕遼地區中生代巖石圈殼幔相互作用提供基本約束.

1 義縣組火山旋回劃分

義縣組火山巖主要分布在遼西義縣盆地和金羊盆地內，其中以義縣馬神廟-宋八戶地區的義縣組發育最完全，各火山亞旋回的火山巖層次分明，巖性差異明顯，厚度也較大，并且被延伸較穩定的沉積層分開，所以，前人均選擇此剖面為義縣組標準剖面［6，10-11］.義縣火山旋回是一個從基性—中基性—中性到酸性火山巖完整噴發旋回.王五力等［10-11］將其劃分為4個亞旋回：第Ⅰ亞旋回（初始期），主要由玄武巖，玄武安山巖及3個沉積夾層組成；第Ⅱ亞旋回（主期）為主要噴發期，主要由玄武安山巖和安山巖為組成，其中發育眾多呈筒狀的安山-玄武安山質集塊角礫（熔）巖及安山質巖墻群；第Ⅲ亞旋回（晚期）主要為安山巖系，有2個沉積夾層，有侵出相的安山玢巖體；第Ⅳ亞旋回（末期），主要由中酸性火山巖組成，底部為沉積層，頂部為黃花山火山角礫巖.

義縣馬神廟-宋八戶標準剖面在磚城子村南山-三百壟附近，為義縣火山巖主期，主要發育大量的火山熔巖、火山角礫巖及以潛火山巖相產出的中酸性巖墻.其中在嶺底下村南附近，出露5條中酸性巖墻，在其南部劉龍溝-大定堡一帶，出露有幾十條.巖墻呈北東向斷續展布，穿切第二旋回，規模大小不等（圖1），與其他旋回呈圓、弧形產出的火山玢巖形態明顯不同.

2 中酸性巖墻與熔巖巖石學特征

中酸性巖墻呈灰綠色、灰黑色，致密塊狀，少斑結構.斑晶占3%～5%，主要由自形—半自形板條狀拉長石、單斜輝石、斜方輝石構成.其中拉長石明顯發育卡鈉復合雙晶，并且部分被溶蝕（圖2b）；單斜輝石呈自形—半自形短柱狀，邊部被溶蝕成港灣狀（圖2a）；斜方輝石呈自形短柱狀，偶見包橄結構，并且可見中心橄欖石的反應邊結構（圖2c）.基質呈交織結構，少量為玻晶交織結構.火山熔巖多為玄武安山巖類和安山巖類，其中玄武安山巖類呈灰黑、淺紫灰色，塊狀、杏仁狀構造，斑晶占5%～10%，主要為斜長石、單斜輝石、微量橄欖石、鉀長石.斜長石呈板條狀，輝石以普通輝石為主.基質以交織結構為主，個別呈玻晶交織結構，主要由拉—中長石微晶及單斜輝石微晶組成.安山巖類主要呈灰色、灰褐色，局部氣孔發育.巖石呈少斑結構，斑晶約占3%，主要由斜長石、單斜輝石及以微弱蛇紋石化橄欖石組成；基質呈交織結構，主要由板條狀中長石及少量鎂鐵礦物微粒組成.

3 主量元素地球化學特征

中酸性巖墻與中性、中基性熔巖主量與微量元素分析結果見表1.中酸性巖墻SiO2含量為60.89%～61.49%，平均為61.20%；Al2O3在16.11%～17.10%之間變化；MgO=1.14%～1.58%；Mg#=33.69～40.54，平均為 36.68；Na2O=4.85%～5.23%；K2O=4.26%～5.18%；Na2O/K2O平均為1.07.中性熔巖SiO2為54.60%～63.68%，平均58.67%；Al2O3平均為15.57%；MgO變化范圍較大，在0.98%～5.56%之間；除樣品P80-4外，Mg#介于 45.05～63.43之間，平均為 55.32；Na2O/K2O大部分介于1.1～1.5之間.中基性熔巖SiO2為46.12%～53.52%，平均為50.32%；Al2O3=11.02%～17.21%；MgO在3.47%～9.08%之間變化，平均為5.72%；Mg#介于45.95～63.99 之間，平均為 56.59；Na2O/K2O=1.5～1.9，平均1.48.火成巖在利用SiO2-（K2O+Na2O）分類命名時，首先應該進行主量元素去水歸一化［16-19］.運用SINCLAS程序［20］去水歸一化處理后，在 SiO2-（K2O+Na2O）（圖 3a）與 SiO2-K2O圖解（圖 3b）上，中酸性巖墻與熔巖呈不同的巖漿系列.中酸性巖墻為鉀玄巖系列粗面巖，中性熔巖主要為高鉀鈣堿性系列粗安巖，而中基性熔巖主要為玄武粗安巖.

表1 義縣組主期中酸性巖墻與熔巖主量元素和微量元素分析結果Table 1 Analysis results of major and trace elements for the studied rocks

4 稀土與微量元素地球化學特征

中酸性巖墻稀土含量較高，ΣREE=（324.5～375.5）×10-6，平均為 359×10-6，輕重稀土高度分異，（La/Yb）N=16.20～17.80，平均為 17.50；Yb=（3.02～3.52）×10-6.ΣLREE/ΣHREE 值介于 13.14～13.68 之間，平均為 13.36；ΣHREE 值介于（23.0～26.1）×10-6，平均值為25×10-6.Y/Yb平均值10.10.（Ho/Yb）N平均值為1.13.Eu/Eu*=0.77～0.88，具有負Eu異常.中性熔巖稀土含量中等，ΣREE在（144.19～301.51）×10-6，平均為217.23×10-6.ΣLREE值介于（132.29～278.51）×10-6.ΣHREE 值介于（9.85～23.00）×10-6，平均值為13.53×10-6.輕重稀土分異強烈（圖4a），（La/Yb）N介于15.29～36.60之間，平均值為24.06，ΣLREE/ΣHREE平均值為15.52.（Ho/Yb）N變化小，平均值為1.25.Eu/Eu*平均為0.94，幾乎無Eu異常.Y/Yb平均值11.27.中基性熔巖稀土含量偏高，ΣREE=（219.17～487.01）×10-6.ΣLREE 值介于（203.41～471.87）×10-6，平均值為 273.70×10-6.ΣHREE平均值為16.27×10-6.輕重稀土分異強烈（圖4a），（La/Yb）N介于 17.86～55.48 之間，平均值為26.94，ΣLREE/ΣHREE 平均值為 16.93.（Ho/Yb）N平均值為1.32.Eu/Eu*介于0.95～1.03之間，平均為0.99，無Eu異常.Y/Yb平均值11.98.

綜上所述，中酸性巖墻與中性、中基性熔巖稀土配分圖均表現為右傾型；巖墻稀土配分圖LREE與中性、中基性熔巖的LREE重合，具有負Eu異常并具有平坦的HREE分配模式；中性、中基性熔巖基本無Eu異常，具有較傾斜的HREE分配模式；在微量元素配分圖上（圖4b），除巖墻樣品表現出明顯的負Sr和正Zr、Hf異常外，中酸性巖墻與中性、中基性熔巖配分模式相似，富集大離子親石元素Rb、Ba、K，虧損高場強元素 N、Ta、P、Ti.

5 巖漿成因討論

在Harker圖解上（略），中酸性巖墻與中性、中基性熔巖具有明顯的成分連續和相同演化趨勢，且二者具有不同的 Mg#、Cr、Co、Ni含量（表 1），但巖墻是否為熔巖分離結晶的產物，還需微量元素指標判定.由于巖漿在分離結晶作用中，隨著超親巖漿元素的富集，親巖漿元素的豐度幾乎同步增長，因此，Zr/Sm基本保持為一常數；相反，在平衡部分熔融過程中，隨著Zr快速進入熔體，Sm也會在熔體中富集，但其增長速度要慢，這是因為Zr的不相容性更強［23-24］.因此，可以根據Zr-（Zr/Sm）圖解來判斷巖漿巖的成因.圖5a說明巖石是部分熔融形成而未經過明顯的結晶分異作用.微量元素標準化配分圖（圖4b）上，相對于熔巖的Zr、Hf無（負）異常，巖墻表現出不同程度Zr、Hf正異常.另外，巖墻和熔巖Eu/Eu*值與SiO2含量并無線性相關關系（圖5b）.值得注意的是，在稀土元素標準化配分圖上，中性、中基性熔巖配分曲線相互平行，并且曲線配分高低與SiO2含量具有明顯的反相關關系（圖4a），說明中性與中基性巖漿是部分熔融的非同源巖漿，并且二者相互發生過混合作用［25］.因此，對于中酸性巖墻LREE配分曲線與熔巖LREE重合這一特征，則可能是非同源巖漿小程度混合作用所致.實際上，中酸性巖墻在顯微鏡下，斜方輝石具有包橄結構，并且中心橄欖石具有反應邊結構（圖2c），早期單斜輝石被后期單斜輝石簡單雙晶所“繼承”（圖2d）這些特征，也是非同源巖漿混合作用的微觀佐證.以上地球化學特征說明，中酸性巖墻可能是部分熔融形成而并未經過明顯的結晶分異作用.因此，巖石的地球化學特征可以反演其源區特征.

中性、中基性熔巖在化學成分上具有與埃達克巖相似的地球化學性質，主要表現為：大部分樣品Al2O3＞15%，Na2O＞K2O，富集 LILE 和 LREE，無負 Eu異常，虧損 HREE 和 Y，REE 強烈分異，Sr＞400×10-6，Sr/Y＞40（圖 6a）.在 SiO2－Mg#圖解（圖 6b）中，中酸性巖墻位于角閃巖-榴輝巖熔體與安第斯火山巖帶（AVZ）埃達克巖范圍之間；中性熔巖位于世界典型埃達克巖范圍；中基性熔巖位于幔源巖漿遭受地殼同化混染/結晶分異的演化趨勢線附近，暗示火山熔巖可能與埃達克質巖漿成因有關.通常，石榴石強烈富集HREE，而角閃石相對更富集 MREE［26］.因此當石榴石為主要殘留相時，熔體表現為HREE的強烈虧損，這時Y/Yb＞10，（Ho/Yb）N＞1.2；當角閃石為主要殘留相時，熔體表現為 HREE 相對平坦（Y/Yb≈10，（Ho/Yb）N≈1）［27-28］.研究區中性、中基性熔巖Y/Yb值分別平均為11.3、11.0（＞10）；（Ho/Yb）N分別平均為 1.25、1.32（＞1.2），說明其源區以石榴子石為主；中酸性巖墻Y/Yb平均10.1（≈10），（Ho/Yb）N平均 1.13（≈1），說明其源區殘留相以角閃石為主.

在微量元素標準化配分圖（圖4b）與稀土元素標準化配分圖（圖4a）上，中酸性巖墻表現出明顯負Sr異常，負Eu異常，說明其巖漿源區可能處于斜長石相對穩定區，且母巖漿中具有高的Eu3+/Eu2+比值［32］.熔巖并無Sr、Eu異常，加之其高Sr/Y比值表明熔巖源區巖漿形成過程中斜長石已發生熔融，殘留相不存在或很少有斜長石.由于典型的MORB的Mg#約為60，因此由其部分熔融產生熔體的Mg#應遠低于60［33］.研究表明［34］玄武巖部分熔融產生熔體的 Mg#＜45，因此，高Mg#可認為是經過幔源巖漿混染的標志［35-36］.實驗巖石學研究結果也表明［37-38］，大陸地殼局部熔融不能產生比安山巖更基性的原生巖漿，陸殼局部熔融產物的SiO2含量通常應大于56%.另外，中性、中基性熔巖Sr-Nd同位素值［12］與漢諾壩玄武巖中麻粒巖捕虜體Sr-Nd 值（t=125 Ma）［39-40］，以及華北地塊中間造山帶下部輝長巖Sr-Nd值相近［41］.圖6a暗示中性巖漿可能是局部熔融達到50%單斜輝石+50%石榴石殘留相的熔體，而中基性巖漿可能是大于50%單斜輝石+小于50%石榴石殘留相的熔體.

由以上論述可以推斷，中酸性巖墻（SiO2平均為61.20%，Mg#平均為36.68）母巖漿可能是由加厚下地殼局部熔融達到角閃石麻粒巖相產生的平衡熔體；中性熔巖（SiO2平均為58.62%，Mg#平均為55.81）與中基性熔巖（SiO2平均為50.32%（未去水歸一化），Mg#平均為56.59）可能是加厚基性下地殼受幔源巖漿底侵作用后部分熔融達到石榴石麻粒巖相產生的平衡熔體.對于中性、中基性熔巖高Mg#且二者Mg#近乎一致的特征，歸因于軟流圈底辟上涌巖漿與巖石圈地幔相互作用［14-15］，造成高Mg#幔源玄武質熔漿在底侵加厚下地殼的過程中，同時混染了中性、中基性巖漿（或先混染了中基性巖漿），隨后二者相互發生混合作用的結果.值得一提的是，中酸性巖墻中斜方輝石包含橄欖石捕擄晶并且見有橄欖石的反應邊結構，說明高Mg#幔源玄武質熔漿也可能參與巖墻母巖漿的形成過程.

6 地球動力學意義

已有的研究表明，遼西-冀北地區從晚三疊世—中侏羅世末期一直處于區域擠壓背景.從晚侏羅世到早白堊遼西地區地殼/巖石圈經歷了由厚減薄的過程，區域引力場由擠壓轉變為拉張［42］.研究區磚城子火山巖年齡為133～120 Ma［43］，說明遼西地區正好處于巖石圈相對平靜的伸展構造環境中.綜上所述，義縣組主期中酸性巖墻與火山熔巖的形成機理如下：晚三疊世—中侏羅世末期區域擠壓而產生地殼不均勻縮短加厚至麻粒巖相，促使巖石圈地幔增厚；由于軟流圈地幔的底辟上涌為巖石圈地幔熔融提供了部分需要的足夠熱量，二者相互作用造成高Mg#幔源巖漿的底侵作用，從而誘發加厚石榴石麻粒巖相下地殼（30～45km）不同程度的局部熔融，熔融巖漿與玄武質底侵巖漿在底侵/上升過程中發生混染/混合作用，最終產生義縣組主期高Mg#中性、中基性熔巖；高Mg#玄武巖巖漿與中性、中基巖漿上升至約30km時，底侵加厚角閃石麻粒巖相地殼，使其發生部分熔融，并與之發生相互混合作用，由于巖石圈伸展拉張不均勻，熔融體在上升過程中發生冷卻，最終呈北北東向巖墻形式產出；而玄武質底侵巖漿上升至地表，形成義縣火山巖最底部高Mg#玄武巖［14］（圖 7）.值得一提的是，在位于義縣組之上的阜新組堿鍋玄武巖中發現了少量下地殼麻粒巖捕虜體［15］，其與義縣主期源自加厚麻粒巖相的中酸性巖墻/熔巖有何關系，有待進一步研究.

因此，義縣組主期中酸性巖墻與熔巖不僅可以示蹤早白堊世遼西地區下地殼物質組成，而且對華北板塊中生代軟流圈、巖石圈和下地殼之間的殼幔巖漿相互作用過程及地球動力學過程提供基本信息.

7 結論

義縣組主期中酸性巖墻與中性、中基性熔巖巖石學與巖石地球化學特征顯示，中酸性巖墻并非中性、中基性熔巖簡單結晶分異的產物，而是部分熔融的幔源巖漿、殼源巖漿不同比例相互混合的產物.

中酸性巖墻微量元素與稀土元素標準化配分圖分別表現出Sr、Eu不同程度負異常，并且HREE強烈分異，指示其可能來源于斜長石穩定的加厚角閃石麻粒巖地殼部分熔融.火山熔巖Mg#平均大于50，HREE強烈分異，表現出了典型埃達克巖的地球化學特征，表明其來源于受幔源巖漿底侵并且混染過的加厚石榴石麻粒巖相下地殼的部分熔融.中性、中基性熔巖稀土元素標準化配分曲線相互平行，并且配分高低與SiO2含量呈反相關關系，說明二者是部分熔融的非同源巖漿發生混合作用的產物.

在華北板塊早白堊世期間巖石圈相對平靜的伸展構造背景下，義縣組主期中酸性巖墻與中性、中基性熔巖以及義縣組最底部的高Mg#玄武巖的巖漿成因，為進一步揭示該時期華北板塊殼幔巖漿相互作用過程提供了基本信息.

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GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS AND GEOLOGICAL IMPLICATION OF THE ACIDIC-INTERMEDIATE DYKE AND LAVA OF THE MAJOR CYCLE OF YIXIAN FORMATION

LI Yong-fei,LI Zhi-tong,YANG Fang-lin,ZHANG Li-jun,CHEN Shu-wang

（Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China）

The geochemistry and petrogenesis of the acidic-intermediate dyke and lava of the second cycle of Yixian formation are studied.The result shows that,the dykes have an average Mg#value of 36.68,with average Na2O/K2O=1.07.In trace element spider diagram,the dykes are characterized by enriched Rb,Ba and K and depleted Nb,Ta,P,Ti and Sr.In addition,the rocks present a pronounced negative Eu anomaly,overlapped LREE pattern with that of lava and a strong fractionation in HREE in chondrite-normalized REE pattern,with an average Y/Yb ratio of 10.1 and（Ho/Yb）N=1.13.For the intermediate and intermediate-basic lava,the average Mg#is more than 55.Except for absence of significant Sr and Eu anomalies,the rocks have a close affinity to the dykes with respect to trace element spider diagram.Especially for the following characteristics:parallel LREE patterns and apparently negative correlation with their SiO2contents in the chondrite-normalized REE patterns,which can be explained by the mixing of two heterogeneous end-members.Moreover,the intermediate and intermediate-basic lava show a typical adakitic feature,with average Y/Yb ratios of 11.27 and 11.98,and（Ho/Yb）Nof 1.25 and 1.32,respectively,as well as Sr＞ 400×10－6,Sr/Y ＞ 40.On a whole,the geochemical features of the dykes and lava suggest that the former are most likely generated from the melting of thickened amphibole-granulitefacies continental crust;whereas the latter,derived from the melting of thickened garnet-granulite-facies lower continental crust and contaminated subsequently by the mantle-derived basic magmas.Combined with the genesis for the high Mg#basalt from the bottom of Yixian formation,the magmatic mechanism for the dykes and lava may signify a dynamic magmatic interaction process between the lower continental crust and mantle in North China Craton during Early Cretaceous.

Yixian formation;acidic-intermediate dyke;intermediate lava;intermediate-basic lava;geochemistry;magma mixing;petrogenesis

1671－1947（2012）01－0042－09

P588.1；P595；P597

A

2011－03－11；

2011－03－31.編輯：張哲.

中國地質調查局“古亞洲洋構造體制與濱太平洋構造體制疊加轉變綜合調查和研究”（基［2010］礦評01-19-01）資助.

李永飛（1980—），男，碩士，主要從事巖石大地構造與巖石地球化學工作，通信地址沈陽市黃河北大街1號，E-mail//geology198086@163.com