冀北錐子山花崗質巖體巖石成因及地質意義

陳 薇，樊玉朋，王 光，張興康，劉程遠

河北省地質調查院，河北 石家莊 050081

華北克拉通北緣燕山期構造巖漿活動強烈，廣泛出露花崗質侵入巖[1]，伴生金-鉬-銅-鉛鋅-銀等金屬礦產[2]，形成了中國重要的金屬成礦帶——燕遼成礦帶。該帶因獨特的地質背景和豐富的礦產資源引起了許多專家學者的關注，主要涉及到礦床地質特征、成礦規律及時代、不同礦床類型和礦種之間的內在聯系等的研究[3-5]。錐子山雜巖體位于燕遼成礦帶的中段，行政隸屬于河北省圍場縣和隆化縣管轄，巖體主體為黑云母花崗巖，前人對錐子山復式巖體一帶進行了中、小比例尺區調及化探工作[6]，對該復式巖體進行解體劃分，并對其侵位機制進行研究[7]，但并未系統分析錐子山復式巖體花崗巖巖石類型、巖石成因等。因此，論文在系統野外調研的基礎上，對研究區花崗巖進行了巖相學、巖石地球化學分析，探討其巖石成因類型、源區信息及其構造背景，以期對區內巖漿作用及其成礦作用制約提供參考。

1 區域地質概況

錐子山巖體地處華北克拉通北緣中段(圖1c)，位于燕遼地塊之上。印支期受后碰撞作用的影響，導致本區地殼增厚，東西向斷裂繼承性活動，花崗巖生成[8]。研究區位于華北地臺北緣與內蒙—大興安嶺褶皺系接合部位之上，以橫貫測區北部的康保—圍場深斷裂為界，北為內蒙—大興安嶺褶皺系，以發育濱海相沉積地層為標志；南為華北地臺，以古老的基底之上配以年輕的中生代蓋層為特征。

圖1 燕山地區錐子山復式巖體地質簡圖

本區火山活動強烈，火山-沉積地層發育，出露古生代二疊系、中生代侏羅系、白堊系以及新生代漢諾壩期地層，以及第四系沖洪積物。區內斷裂構造發育，形跡連續，脈絡清楚，多以正斷層組合形式穿切于地質體中。它們長期地、繼承性地導控著地質作用，是本區斷塊造山構造變動的主導因素，而且多數是不同級別構造單元的分界面。根據斷裂成因上的內在聯系、不同展布方向和發生發展的特點，可分成近EW向、NE向、NNE向、NNW向4組斷裂系統。它們在不同的地質時期中，控制著不同構造格局的形成與發展。區內侵入巖發育，侵位時間為古元古代和中生代。古元古代侵入體呈近東西向斷續帶狀分布在測區南、北邊緣。中生代侏羅紀—早白堊世巖漿侵入事件強烈，侵入體規模宏大，主要以NNE向帶狀展布在測區中偏西部，形成著名的錐子山復式巖體。

2 巖體及巖相學特征

錐子山復式巖體呈NE、NNE向帶狀展布，侵入時代為早—晚侏羅世和早白堊世，產狀多呈巖株、巖墻產出。把四期巖漿侵入體劃分為4個序列，分別為黃土坎序列、南大天序列、焦家溝序列以及錐子山序列，見圖1a。

2.1 燕山旋回第一期早侏羅世二長花崗巖

該期巖體(黃土坎巖體)空間上主要沿錐子山周邊分布。由于受EW、NE、NNW向三組斷裂的聯合控制，總體形態呈不規則的橢圓形。巖性以二長花崗巖為主。侵入體含深源細粒閃長質包體，多呈扁平狀、橢圓狀，且與圍巖界線不清，具有同源包體的地質特征。黃土坎序列二長花崗巖新鮮面多呈淺肉紅色，塊狀構造，主要礦物成分為石英(30%)、鉀長石(35%)、斜長石(35%)以及少量黑云母(5%)。石英多呈不規則它形粒狀，部分呈半自形粒狀，無色透明，表面純凈，可見波狀消光，一級黃白干涉色，粒徑0.3 mm～3 mm不等。鉀長石多為正長石。正長石多呈自形—半自形粒狀，單偏光鏡下無色透明，正交偏光鏡下為一級灰干涉色，可見卡式雙晶，粒徑約3 mm，表面多發生輕微泥化，略顯渾濁。黑云母多呈片狀，正交偏光鏡下多色性、吸收性均十分顯著，具一組極完全解理，粒徑1 mm左右，沿其邊緣、解理、裂隙多發生綠泥石化(圖2a、2b)。

a、b-黃土坎巖體二長花崗巖；c、d-南大天巖體中細粒花崗巖；e、f-焦家溝巖體二長花崗斑巖；g、h-錐子山巖體細粒黑云母二長花崗巖；Kf-鉀長石；Pl-斜長石；Qt-石英；Bi-黑云母

2.2 燕山旋回第二期中侏羅世中細粒花崗巖

該期巖體(南大天巖體)空間上呈NE展布，由于受NE、EW向兩組斷裂控制，總體形態呈不規則的“卵狀體”，主要巖性為中細粒花崗巖、細粒斑狀花崗巖。中-細粒黑云母花崗巖呈灰白色，中-細粒結構，塊狀構造，巖石較新鮮，并未發生大面積風化。主要礦物成分為石英(30%)、斜長石(35%)、鉀長石(25%)、黑云母(10%)。石英多呈不規則它形粒狀，部分呈半自形粒狀，無色透明，表面純凈，可見波狀消光，一級黃白干涉色，粒徑0.5 mm～1 mm；斜長石為自形-半自形板柱狀，聚片雙晶發育，雙晶紋細而密，表面具輕微絹云母化現象，粒徑0.5 mm；堿性長石主要為正長石和條紋長石，微斜長石較少，正長石多呈自形-半自形粒狀，單偏光鏡下無色透明，正交偏光鏡下為一級灰干涉色，可見卡式雙晶，粒徑約0.5 mm，表面多發生輕微泥化，略顯渾濁；條紋長石多呈它形粒狀，單偏光鏡下無色，可見平行消光，條紋定向分布具出溶特征，粒徑1 mm左右，粒度大者多包裹有斜長石、石英、黑云母等；云母呈片狀，單偏光鏡下多為褐色，正交偏光鏡下多色性、吸收性均十分顯著，具一組極完全解理，粒徑0.2 mm，多分布于長石晶隙之間(圖2c、2d)。

2.3 燕山旋回第三期晚侏羅世二長花崗巖

該期巖體(焦家溝巖體)整體呈NE向串珠狀展布，空間上常與火山巖相伴，并嚴格受斷裂構造控制。主要巖性為二長花崗斑巖，據野外觀察發現，巖體內含有細粒閃長質包體，多呈渾圓狀、透鏡狀分布于巖體邊緣。二長花崗斑巖整體呈灰白色，斑狀結構，塊狀構造。

斑晶主要為鉀長石和石英，含量約15%。基質成分主要為為石英(30%)、斜長石(35%)、鉀長石(25%)、黑云母(10%)。石英，無色透明，正低突起，一級黃白干涉色，它形粒狀，粒徑0.5 mm左右；斜長石為自形-半自形板柱狀，聚片雙晶發育，表面具輕微絹云母化現象，粒徑0.5×1.5 mm左右；鉀長石多為正長石，自形-半自形粒狀，單偏光鏡下無色透明，正交偏光鏡下為一級灰干涉色，可見卡式雙晶，粒徑約0.5 mm，表面多發生輕微泥化，略顯渾濁；黑云母呈片狀，黃褐色，粒徑0.3 mm左右(圖2 e、2 f)。

2.4 燕山旋回第四期早白堊世二長花崗巖

該期巖體分布于錐子山復式雜巖體的東部，空間上呈北北西向帶狀展布，并嚴格受龍頭山—河南營NW向斷裂所控制。野外可見該序列侵入于黃土坎巖體、焦家溝巖體。主要巖性為細粒黑云母二長花崗巖，巖石呈灰白色，主要礦物成分為石英(35%)、鉀長石(28%)、斜長石(32%)以及黑云母(5%)。石英多呈不規則它形粒狀，可見波狀消光，一級黃白干涉色，粒徑0.5 mm～1 mm；斜長石為自形-半自形板柱狀，聚片雙晶發育，表面具輕微絹云母化現象，粒徑0.2 mm～1 mm；堿性長石多為正長石，正長石多呈自形-半自形粒狀，正交偏光鏡下為一級灰干涉色，可見卡鈉復合雙晶，粒徑約0.5 mm～1 mm；黑云母多呈片狀，具一組極完全解理，部分黑云母已被流體交代為白云母；副礦物主要為電氣石、螢石(圖2 g、2h)。

3 樣品采集及分析結果

3.1 實驗測試方法

論文共選取12件花崗巖樣品進行全巖主、微量及稀土元素化學分析。所分析樣品為去除風化面和筆痕的新鮮樣，并且均已避開礦化蝕變及石英脈。樣品處理在河北省地質測繪院進行，首先將樣品用清洗過的鋼錘碎成小塊，取其中約1 cm以上粒徑小塊，放入純凈水中利用超聲波清洗干凈，再將其放入干凈清潔的環境中烘干，最后利用球磨機磨成粉末(直徑約50 μm)。

全巖主量元素測試由河北省地質實驗測試中心完成，采用 X 射線熒光光譜儀進行分析[9]。全巖微量元素測試是在河北省第四地質大隊實驗室采用LA-ICP-MS方法測定，精度優于5%[10]。

3.2 主量元素特征

從錐子山復式巖體各序列花崗質巖石主、微量元素及稀土元素地球化學分析數據(表略，備索)可知，其中SiO2含量為70.02%～76.39%，Al2O3含量為12.28%～14.48%，Na2O和K2O的含量分別為3.25%～4.54%以及4.06%～5.31%，全堿含量ALK(Na2O+K2O)為7.63%～9.28%，K2O/ Na2O比值為0.96～1.49，巖石整體富鉀；CaO含量為0.32%～1.56%，MgO含量為0.17%～1.10%，Fe2O3T含量為0.93%～2.96%，P2O5含量為0.05%～0.15%。錐子山花崗巖分異指數(DI)為84.02～95.37，整體較高，表明巖漿在演化過程中經歷了強烈的分離結晶作用[11]。

在TAS圖解(圖3a)中，各樣品投圖均落入花崗巖范圍內，與野外及鏡下鑒定結果一致。A/CNK比值介于0.98～1.13之間，整體小于1.1，在A/CNK-A/NK圖解(圖3b)中，樣品大多落入弱過鋁質范圍內。SiO2-K2O圖解(圖3c)中，樣品相對富鉀，屬于高鉀鈣堿性巖系列。巖石的AR值介于2.61～4.04之間，在SiO2-AR圖解中，樣品均落入堿性巖范圍內(圖3d)。

a-TAS圖解[12]；b-A/CNK-A/NK圖解[13]；c-SiO2-K2O圖解[14]；d-AR-SiO2圖解[15]

3.3 微量及稀土元素特征

錐子山復式巖體四期花崗巖微量元素蜘蛛圖(圖4a)型式相似，均富集Rb、Th、U、Zr、Hf等元素，而虧損Ba、Sr、Nb、Ta、P、Ti等元素，顯著的P、Ti虧損可能與磷灰石、鈦鐵礦的分離結晶作用有關[16-17]。巖石中出現Nb、Ta、Ti等元素的虧損表明其具有陸殼花崗巖的特征。

錐子山雜巖體花崗巖的稀土元素總量為∑REE為(101.68～298.59)×10-6，輕、重稀土含量分別為(83.22～241.22)×10-6和(12.18～57.37)×10-6，LREE/HREE=3.63～7.49，平均為15.03，從稀土元素球粒隕石標準化分布圖(圖4b)中可以看出，錐子山花崗巖表現為輕重稀土分餾相對比較明顯的“右傾海鷗型”，具有輕稀土富集重稀土虧損的特征。δEu值介于0.39～0.77，具有明顯的銪負異常。上述特點表明在巖漿源區部分熔融形成花崗質熔體時的殘留固相組合中大量長石存在，且熔體在進入巖漿房演化過程中發生過明顯的長石分離結晶作用。

圖4 花崗巖微量元素原始地幔標準化蜘蛛圖及稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖[18]

4 討論

4.1 巖石成因類型

錐子山復式巖體花崗巖在礦物學上均以石英、鉀長石、斜長石為主要造巖礦物，同時出現白云母等富Al礦物以及螢石等富F的副礦物，這與典型的A型花崗巖的礦物學特征相一致[19-22]。地球化學方面，錐子山復式巖體花崗巖富硅(70.02%～76.39%)，全堿(K2O+Na2O)含量較高(7.54%～9.28%)；貧鈣、鎂、鋁，富集Rb、Th、Nb、Ta、Hf、Ga等元素，虧損Ba、Sr、Cr、Co、Ni、V等元素，稀土元素含量高，配分模式圖呈海鷗型展布，且具有強烈的負銪異常，這與典型的A型花崗巖的地球化學特征相一致[23-25]。此外，區內花崗巖類的FeOt/MgO值較高，比值在2.45～6.80；10 000Ga/Al值為2.51～3.38，大于A型花崗巖類平均值2.60；(K2O+Na2O)/CaO值較高，比值在4.21～29.00之間，以上均為A型花崗巖的典型特征[26-27]。在花崗巖微量元素成因系列判別圖解中，錐子山花崗巖除個別樣品落入I型和S型花崗巖范圍內，其他樣品基本落入A型花崗巖區域內。綜上所述，認為錐子山復式巖體花崗巖應為A型花崗巖。

圖5 錐子山花崗巖微量元素成因系列判別圖解[27]

4.2 巖漿源區

錐子山雜巖體花崗質巖石均為過鋁質，堿性巖系列。稀土元素球粒隕石標準化圖解表現為輕稀土相對富集的右傾特征，具有明顯的負銪異常(δEu=0.39～0.77)；原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖顯示，花崗巖相對富集大離子親石元素，而虧損高場強元素，這些地球化學特征均指示該地區出露的花崗巖具有明顯的“地殼”印記[28-31]。一些分配系數相近的微量元素比值受結晶分異作用的影響較小，是限定源巖性質和形成過程的重要指示劑之一。地球演化過程中，K、Rb不斷向上遷移進入硅鋁層，上地幔越來越虧損K、Rb，Sr主要富集在斜長石中，因此花崗巖中的Rb/Sr比值可以作為判斷源巖的參數，其比值越高，說明其來自地殼[32]。錐子山雜巖體花崗巖Rb/Sr比值介于0.48～4.95之間，平均為1.58，明顯高于中國中東部上地殼(0.31)[33]和全球上地殼平均值(0.32)[34]。Nb、Ta由于性質相近，Nb/Ta比值在巖漿分異中不會造成較大的分異，可以指示巖漿源區特征及演化過程，通常地殼起源的巖漿巖具有較低的比值(11～12)，而地幔起源的巖漿巖的比值較高(17.8)[35]，錐子山復式花崗巖Nb/Ta比值介于8.21～14.57之間，平均為10.72，接近上地殼平均值[36]。在δEu-(La/Yb)N圖解中(圖6)，樣品全部落于殼源型區，暗示其來源于地殼。在Nb/Ta-Nb圖解上(圖7)，錐子山花崗巖投影點均位于上地殼平均值的右下方，也同樣說明源區為地殼物質。

圖6 花崗巖δEu-(La/Yb)N圖解[37]

圖7 花崗巖Nb-Nb/Ta圖解[38]

4.3 大地構造背景

中生代以來，受中國東部巖石圈大規模減薄以及古太平洋板塊向西俯沖作用，華北克拉通發生了大規模推覆和伸展運動，伴隨發生了大規模的構造—巖漿—成礦作用[39]。毛景文等[40]認為中國東部構造體制轉換調整時間主要為163 Ma～136 Ma，最早開始于180 Ma。Xu等(2013)[41]認為古太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖時間始于早—中侏羅世，此階段花崗質巖漿作用形成于造山期后的伸展環境，代表了中生代巖石圈減薄的繼續和發展；早白堊世(112 Ma～132 Ma)雙峰式巖漿作用階段，含有俯沖板片物質的軟流圈熱流上涌，對巖石圈地幔底部進行交代、侵蝕和熔融，形成的巖漿上升到地殼底部發生底侵，并引起了地殼底部巖石的部分熔融，從而形成了早白堊世雙峰式火山巖，此時中生代巖石圈減薄達到了峰期[42]。據本區區調報告[43]可知，黃土坎巖體二長花崗巖Rb-Sr同位素年齡值為185±3.2 Ma，南大天巖體中細粒花崗巖Rb-Sr同位素年齡值為165 Ma～167 Ma，焦家溝巖體二長花崗巖K-Ar同位素年齡值為142.7±5 Ma，錐子山巖體細粒花崗巖K-Ar同位素年齡值為129.3 Ma～132.7 Ma，先后持續55.7 Ma，已經受到早期太平洋俯沖作用的影響，處于中國東部構造大轉折時期。巖漿巖組合和巖石成分與大地構造環境有著密切關系，錐子山花崗巖La/Nb比值介于1.70～2.92之間，平均值為2.44，大于2，具島弧構造環境屬性。在R1-R2構造環境判別圖解(圖8)中，樣品落入造山晚期花崗巖向造山期后過渡的范圍內；在Yb+Nb-Rb判別圖解(圖9)中，樣品落在了同碰撞花崗巖和火山島弧花崗巖內，表明其形成與俯沖環境有關。SiO2-TFeO/[w(TFeO)+w(MgO)]和SiO2-Al2O3判別圖解(圖10)中，早—中侏羅世花崗巖落入大陸碰撞花崗巖類，晚侏羅世—早白堊世花崗巖落入后造山花崗巖類。因此，結合巖石學、地球化學以及地質年代學特征，認為在中國東部構造大轉折背景下，錐子山復式巖體早—中侏羅世花崗巖是受古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖的影響，經歷了顯著的構造擠壓作用而形成；而晚侏羅世—早白堊世花崗巖則是在巖石圈減薄、地殼伸展的作用下，在壓力差的驅動下誘發軟流圈以及上地幔物質上涌[47]，大量下地殼物質部分熔融生成原始巖漿后經分離結晶作用而形成。

圖8 R1-R2判別圖解[44]

圖9 Yb+Ta-Rb判別圖解[45]

圖10 SiO2-TFeO/[w(TFeO)+w(MgO)]和SiO2-Al2O3判別圖解[46]

5 結論

(1)錐子山復式巖體按其侵位時代共劃分為四期巖漿巖，其主體巖性為黑云母花崗巖；巖石地球化學方面具有富硅、富堿、貧鐵鎂鈣特征，整體表現為弱過鋁質堿性巖系列。相對富集大離子親石元素(LILEs)，而虧損高場強元素(HFSEs)；輕重稀土分餾明顯，具有顯著的銪負異常。

(2)巖石地球化學特征顯示錐子山復式巖體花崗巖為A型花崗巖，巖漿來源于地殼物質。

(3)錐子山花崗巖形成于中國東部中生代構造體制大轉折的背景下，其中早—中侏羅世花崗巖形成于古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用的早期，而晚侏羅世—早白堊世形成于弧后伸展的構造背景下。