北山三道明水地區晚志留世埃達克巖：強烈快速俯沖的證據

王 碩，潘志龍，張 歡，陳 超，張金龍，李慶喆

河北省區域地質調查院，河北廊坊065000

1 引言

埃達克巖（adakite）這一概念最早由Defant 和Drummond引入地質文獻中，后人根據其最初的表述將埃達克巖定義為形成于島弧環境下高鋁高鍶而貧重稀土的一種特殊類型巖石組合[1-4]。這類巖石以其獨特的地球化學特點以及特殊的成因機制，在判別巖石形成的大地構造背景方面發揮著重要的作用，多年來倍受地學界的關注（王焰等，2000；張旗等，2001，2002，2003；王強等，2003，2006；毛啟貴等，2010；趙磊等，2013；許繼峰等，2014），尤其是成因機制與類型劃分方面已陸續提出多種模式，但至今仍存在較大爭議[5]。

北山造山帶位于哈薩克斯坦、塔里木、中朝三大古板塊的交匯部位，是古亞洲構造域的組成部分[6-7]。近些年來，北山造山帶先后發現過不同時代的埃達克巖（黃增保等，2005；劉明強，2007；毛啟貴等，2010），但尚未有晚志留世埃達克質巖類的報道[8-15]。本文報道了北山三道明水地區晚志留世埃達克質花崗巖，通過鋯石U-Pb年代學及巖石地球化學研究，結合區域構造背景，提出了區內埃達克巖可能是北山洋向南強烈快速俯沖過程中發生熔融的結果，這對埃達克巖成因模式的進一步探討以及北山地區早古生代板塊構造演化的研究具有重要的意義。

2 區域地質背景

北山地區在漫長的地質發展史中，經歷了復雜的構造變動，對其構造單元的劃分標準存在多種方案[16-18]，主要有以下幾種：①以明水—石板井—小黃山構造帶為界，將其南北兩側劃分為塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊（左國朝等，1990、2003）[19-20]；②其主體是哈薩克斯坦古板塊的東延部分，駱駝峰、紅石山和黑鷹山一線以北的中蒙邊界地區在古生代屬于西伯利亞古板塊的南緣，北山南麓的白山、紅柳園、賬房山一線以南的北山南緣及敦煌等地則屬于塔里木古板塊的東延部分（劉雪亞等，1995）[21]；③為塔里木板塊北部邊緣活動帶（邵積東等，1998）[22]；④以紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶為界，北側為哈薩克斯坦板塊，南側為塔里木板塊（楊合群，2010）[23]。

研究區位于北山造山帶東段中部，紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶和明水—石板井—小黃山構造帶分別在研究區南部和北部通過（圖1a）。石板井—小黃山構造帶于早古生代末—晚古生代初期發生大規模韌性剪切變形，造成兩側早期地質體發生強烈變形①②。以三道明水、紅山頭北一線為界（紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶），南側主要分布寒武紀淺海—深海環境沉積的碎屑巖—硅質巖，北側以奧陶紀—志留紀鈣堿性火山巖和具同構造變形特征的片麻狀花崗巖為主。晚古生代時期，兩條構造帶中間的塊體相對隆升，南、北兩側沉積了厚度巨大的石炭—二疊系地層。綜合區內地質體分布特征，紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶具有縫合帶特征，對本區地層、巖漿巖具有明顯的控制作用。

圖1a 三道明水地區大地構造位置圖（據文獻[23]修改）Fig.1a Geotectonic location map of Sandaomingshui area

3 巖石地質及巖相學特征

晚志留世中粒更長花崗巖位于北山三道明水地區、紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶南側，巖株狀產出，呈北西向帶狀展布（圖1b），整體具似片麻狀構造，片麻理走向北西，局部發育近東西向糜棱巖化帶，巖體局部穿插有不規則的白色偉晶質細脈，發育圍巖捕擄體及殘留頂蓋（圖2a）。侵入新太古代—古元古代敦煌巖群（主要為黑云斜長變粒巖、角閃斜長變粒巖、透閃透輝巖、橄欖透輝方解大理巖、含石榴黑云斜長片麻巖等）及晚志留世細粒石英閃長巖，被晚志留世細粒花崗閃長巖侵入。

圖1b 北山三道明水—大蘭湖墩山一帶地質簡圖Fig. 1bBeishan Sandao Mingshui-Dalanhu Dunshan area geological map

巖石呈灰色，中粒花崗結構，似片麻狀構造。巖石由斜長石（75%±）、石英（20%~25%）、黑云母（2%~5%）組成（圖2b）。斜長石呈近半自形板狀—他形粒狀，大部分2.0~4.0 mm，較少部分0.2~2.0 mm，定向分布，輕微絹云母化、高嶺土化，聚片雙晶多較細密，An =26，為更長石，常見機械雙晶、輕微扭曲、輕微扭曲等變形特征。少量斜長石呈它形微粒狀，粒徑＜0.1 mm，主呈線紋狀圍繞大顆粒斜長石分布，應為長石糜棱物經重結晶的產物。石英呈它形粒狀，拉長定向明顯，一般0.1~2.0 mm，集合體主呈彎曲條紋狀聚集，分布于斜長石粒間，顯流狀定向特征，粒內波狀、帶狀消光發育，局部有拔絲狀變形特征。黑云母呈鱗片—葉片狀，片徑一般＜0.5 mm，集合體主呈彎曲線紋狀聚集定向分布，顯棕色，多色性明顯，局部綠泥石化，有的呈假像。

圖2 晚志留世中粒更長花崗巖露頭特征及顯微照片Fig.2 Characteristics of outcrop of late Silurian medium granites with longer grains and micrograph

4 測試方法及測試結果

4.1 測試方法

全巖的主量元素和微量元素分析在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。主量元素（SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5）分析采用X射線熒光熔片法完成，分析精度為0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼燒減量、H2O+和H2O-用重量法完成。微量元素分析采用HF+HClO3+HNO3溶解樣品，王水復溶，在線加入Rh內標溶液，用Thermofisher X SeriesⅡ型ICP?MS完成測定，稀土元素分析精度為0.1×10-6，微量元素≤5×10-6，測試方法詳見高劍峰等（2003）。

鋯石分選在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。雙目鏡下挑選晶形好、無裂隙和包裹體的鋯石，用環氧樹脂制靶。將鋯石靶打磨、拋光后，進行反射光、透射光和陰極發光（CL）顯微觀察照片。鋯石制靶及陰極發光照相在北京鋯年領航科技有限公司完成。

LA?ICP?MS鋯石U?Pb測年在天津地質礦產調查研究所完成。激光剝蝕采樣采用單點剝蝕的方式，數據分析之前用美國國家標準研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標準參考物質NIST SRM 610進行儀器最佳化，采樣方式為單點剝蝕，數據采集選用1個質量峰1個點的跳峰方式，每完成8個測點的樣品測定，加測標樣1次，觀察儀器的狀態以保證測試的精度。詳細的實驗測試過程參見袁洪林等（2003）。鋯石年齡采用91500作為外標標準物質，元素含量采用NIST SRM 610作為外標，29Si作為內標。測試結果應用GLITTER（ver 4.2）軟件計算得出，并按照 Andersen 的方法用LA?ICP?MS CommonLead Correction（ver 3.15）對其進行了普通鉛校正，年齡計算和諧和圖繪制采用Isoplot（ver 3.0）完成。

4.2 測試結果

4.2.1 主量元素地球化學特征

晚志留世中粒更長花崗巖巖石化學成分、CIPW計算結果及相關參數列于表1。

表1 晚志留世中粒更長花崗巖主量元素和微量元素分析結果及相關參數Table 1 Analysis results of major elements and trace elements and related parameters of Late Silurian middle-grained longer granites

晚志留世更長花崗巖，3件樣品SiO2含量71.63%～75.49%，平均值73.22%；Al2O3含量為14.3%～14.95%，平均值14.67%；MgO含量為0.38%～0.80%，平均值0.61%；ALK含量變化于4.77%～5.71%，K2O/Na2O為0.11～0.32。在TAS圖解（圖3）中，位于Irvine線下方的花崗巖區，屬亞堿性巖系；在K2O-SiO2圖解（圖4）中，投入低鉀拉斑巖系區。固結指數（SI）為6.39～9.75；分異指數（DI）為76.15～79.53，指示巖漿分異程度較高；里特曼指數（σ）為0.70～1.10；堿度率（A.R.）為1.72～1.94，在Si2O-A.R.圖解中（圖5），位于鈣堿性巖區。A/NK為1.71～1.89，A/CNK為0.99～1.03，屬準鋁質—弱過鋁質巖石（圖6）。

圖3 晚志留世中粒更長花崗巖的TAS圖解Fig.3 TAS diagram of Late Silurian middle-grained granites with longer grains

圖4 晚志留世中粒更長花崗巖的K2O-SiO2圖解Fig.4 K2O-SiO2 diagram of Late Silurian longer-grained granites

圖5 晚志留世中粒更長花崗巖的A.R.圖解Fig.5 A.R.diagram of late silurian middle-grained longer granites

圖6 晚志留世中粒更長花崗巖的鋁飽和指數圖解Fig.6 Digram of Al saturation index of late Silurian middle-grained granites with longer grains

4.2.2 微量元素地球化學特征

晚志留世中粒更長花崗巖稀土元素、微量元素及相關參數列于表1。

晚志留世更長花崗巖，3件樣品稀土總量∑REE（包括Y元素）變化較大，介于17.98×10-6～116.79×10-6，平均值73.17×10-6，低于上地殼稀土總量（210×10-6）（Taylor，1979），略低于下地殼稀土總量（74×10-6）（Taylor，1979）；δEu值在1.21～8.14之間，正異常；LREE/HREE為4.63～9.59，（La/Yb）n值9.83～40.11，說明輕稀土富集；（La/Sm）N為5.39～7.14，（Gd/Lu）N為0.72～4.87，表明輕稀土較重稀土分異強烈。稀土配分曲線（圖7）為LREE富集的右傾型。在球粒隕石標準化的蜘蛛網圖中（圖8），具明顯的Th、Zr、Hf峰和Nb、P谷。

圖7 晚志留世更長花崗巖的稀土配分曲線Fig.7 REE distribution curve of Late Silurian longer granites

圖8 晚志留世更長花崗巖的微量元素蜘蛛網圖Fig.8 Spider web pattern of trace elements in Late Silurian longer granites

4.2.3 同位素年代學特征

本次工作在晚志留世中粒更長花崗巖中采集一件同位素樣品進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年。

中粒更長花崗巖鋯石呈短—長柱狀，半自形—自形，震蕩環帶發育（圖9），具巖漿鋯石特征。對晶形較好的27顆鋯石共分析了27個測點（表2）。Th/U值0.14～0.52之間，平均0.29，較典型巖漿鋯石略低。206Pb/238U年齡除10（230 Ma）號點外，其余在322～454 Ma之間，除去和諧性差的不一致年齡和少量較老年齡，獲得加權平均年齡為418.8±2.8 Ma（N＝10，MSWD＝0.16）（圖10），能夠代表該樣品的結晶年齡。

圖9 晚志留世中粒更長花崗巖典型鋯石的CL圖像Fig.9 CL image of typical zircons from Late Silurian middle-grain longer granites

圖10 中粒更長花崗巖（JDTW7）LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡圖Fig.10 LA-ICP-MS zircon U-Pb age of a longer-grained granite（JDTW7）

表2 晚志留世中粒更長花崗巖（JDTW7）LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of Late Silurian middle-grain longer granite （JDTW7）

5 討論

從元素的地球化學特征來看，晚志留世更長花崗巖符合典型的埃達克巖SiO2≥56%、Al2O3≥15%和MgO通常小于3%（極少大于6%）的特點；Y＜18×10-6、Yb≤1.9×10-6、Sr≥400×10-6、高場強元素含量較低，具有較高的Sr/Y比值和高的（La/Yb）N，具有明顯的Sr元素的正異常，具正銪異常，在Y-Sr/Y及圖解中（圖11），位于埃達克巖區。Mg#值為45.46～51.03，平均值47.62，明顯高于玄武質下地殼部分熔融產生的熔體，接近由MORB部分熔融產生的熔體；Rb/Sr比值0.03~0.09，略高于上地幔（0.025），遠低于大陸地殼（0.24）；Zr/Hf比值30.87~38.17，平均34.08，低于幔源巖石（36.27 ±2.0），略高于殼源巖石（33±）。這些地球化學指標顯示，幔源成分的物質在巖漿源區占有一定比重。三道明水地區埃達克巖強烈的虧損高場強元素（Nb、Ta）和重稀土元素，其Yb和Y分別為0.29×10-6～0.47×10-6和1.77×10-6～4.92×10-6，顯示明顯的正Eu異常（δEu=1.21～8.14）以及明顯的正Sr異常（Sr=219.05～482.43），這些均表明，其源區中斜長石已經消失而不以殘留相形式存在，而石榴石則是重要的殘留相，這可能與源巖在榴輝巖相條件下的熔融有關。

圖11 晚志留世侵入巖Y-Sr/Y圖解Fig. 11 Y-Sr/Y diagram of Late Silurian intrusive rocks

自從埃達克巖的概念被提出以來，其成因機制一直是地學界討論的熱點，埃達克巖最初被認為與熱的年輕（≤25 Ma）的俯沖洋殼板片熔融有關，后續研究發現埃達克巖的成因機制具有多樣性，比較有代表性的包括：①增厚的玄武質下地殼的熔融；②下地殼或巖石圈的拆沉；③玄武質母巖漿的高壓結晶分異。三道明水地區埃達克巖富鈉貧鉀的地球化學特征類似于俯沖洋殼熔融形成的埃達克巖（Defant等，2002），不同于增厚的玄武質下地殼熔融形成的富鉀富堿且低鋁的埃達克質火成巖（Drummond等，1996；張旗等，2001，2002）。其MgO（平均為0.61）或Mg#（平均為47.62）含量較低，而角閃榴輝巖下地殼拆沉到下覆地幔發生部分熔融之后會與地幔橄欖巖發生反應，從而形成了高MgO（＞3%）和Mg#（＞60），故三道明水埃達克巖也不大可能是這種成因。三道明水高硅埃達克巖的MgO含量均落入了在實驗室高壓（1.0～4.0 GPa）條件下玄武質巖石所產生的熔體的MgO含量范圍內（圖12），并且有兩個樣品同時落在了受地幔混染的區域內。

圖12 埃達克巖與玄武巖的實驗熔體的SiO2-MgO圖解Fig.12 SiO2-MgO diagram of experimental melt of adakite and basalt

與角閃巖或榴輝巖實驗形成的熔體相比，大多數埃達克巖一般具有較高的MgO、Cr、Ni、Co等元素含量，這是因為初始埃達克質巖漿在上升過程中與地幔楔發生了交代平衡反應。然而三道明水地區埃達克巖卻表現出較低的MgO、Cr、Ni、Co含量，暗示了熔體在上升過程中與地幔楔發生的交代程度非常有限，這很可能是由于洋殼俯沖深度較淺時就已經發生了部分熔融。

在Rb-Y+Nb判別圖上（圖13）更長花崗巖位于火山弧花崗巖區，該期巖體具明顯的透入性變形構造，顯示就位過程中的強烈擠壓背景。島弧環境是產生埃達克質巖石的重要大地構造背景，但正常島弧環境不具備形成該類巖石的條件。結合區域構造背景，區域上有關北山洋是否存在南向俯沖的資料相對較少，北山洋在早中志留世向北俯沖形成了規模較大的巖漿弧，同樣在研究區內、紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶南側已經發現了中奧陶世類似高鎂安山巖地球化學特征的中性碎屑巖，其可能是北山洋初始俯沖產物，同時也說明北山洋存在南向俯沖。工作區北部、石板井—小黃山構造帶北側發育有早泥盆世后碰撞花崗巖，指示北山洋在志留紀末期或早泥盆世早期閉合。而晚志留世巖漿活動相對不發育可能暗示該時期正處于強烈快速的俯沖背景之下，而恰恰在此背景下，陸殼與俯沖的洋殼之間發生強烈的相互作用，導致在較淺的深度就已經達到了形成埃達克質熔體所需要的溫壓條件，此時洋殼部分熔融并向上運移直至最終侵位、形成埃達克巖。

圖13 晚志留世侵入巖Rb-Y+Nb判別圖Fig.13 Rb-y+Nb discrimination diagram of Late Silurian intrusive rocks

6 結論

（1）綜合地球化學特征以及區域構造背景，北山三道明水地區晚志留世埃達克巖形成于北山洋向南的強烈的快速俯沖背景之下，俯沖的洋殼板片在較淺部位即發生了榴輝巖相條件下的部分熔融形成了原始埃達克巖漿，熔體在向上運移的過程中受地幔楔的交代作用有限。

（2）根據三道明水埃達克巖形成的年齡推斷，此區域古亞洲洋在418.8 Ma時仍未閉合。