西藏中部早白堊世中酸性巖的成因來自波羅諾和大光頂巖體的證據(jù)

西藏中部早白堊世中酸性巖的成因來自波羅諾和大光頂巖體的證據(jù)

華北克拉通（圖1（a））經(jīng)歷了太古代到古元古代的復(fù)雜陸地殼形成過程，并在古元古代（約1.85g）達到了穩(wěn)定的狀態(tài)。太古代變質(zhì)巖形成了華北克拉通古代的基本基底。它被覆蓋在中國古代古代、新元古代和冷武紀(jì)-奧陶紀(jì)海相碎屑和碳酸鹽鹽巖、沉積巖石和中新世火山巖中。華北克拉通北緣造山帶幾乎呈東西走向，北部是早古生代白乃廟弧和阿拉森-阿拉山增水期的不同巖帶，北部是古亞洲最后一個開放區(qū)域[4.7]。通常認(rèn)為華北克拉通從新元古代至三疊紀(jì)一直保持穩(wěn)定,屬于被動大陸邊緣[8~11].然而,最近的研究表明華北克拉通北緣在古生代期間可能屬于活動大陸邊緣,一直受古亞洲洋板塊向南俯沖作用的影響.對華北克拉通北緣晚古生代的沉積地層研究表明,該區(qū)在晚古生代可能屬于安第斯型活動大陸邊緣.沿克拉通北緣分布的泥盆紀(jì)堿性巖體、閃長巖和A型花崗巖等侵入巖體暗示了華北克拉通北緣存在古生代溝-弧-盆體系.此外,沿著華北克拉通北緣分布有大量的石炭紀(jì)-二疊紀(jì)I型花崗巖(圖1(b)),如:灤平京北喇叭溝門閃長巖體、虎什哈花崗閃長巖體、隆化片麻狀花崗閃長巖體、灤平球狀閃長巖等,它們的侵位年齡介于324~274Ma之間,構(gòu)成一條平行于華北克拉通北緣、長1000km,寬30~120km的巖漿巖帶,這些巖體具有相似的巖石學(xué)和地球化學(xué)性質(zhì),如:它們的巖性組合為花崗巖-英云閃長巖-花崗閃長巖-石英閃長巖-閃長巖,都表現(xiàn)為鈣堿性系列,A/CNK≤1.1,普遍具有富集大離子親石元素(Ba,K,Sr),虧損高場強元素(Nb,Ta,Ti)的弧巖漿的特征,它們的形成被認(rèn)為是與古亞洲洋板塊的俯沖有關(guān),進一步證明了華北克拉通北緣在晚古生代期間的安第斯弧陸緣性質(zhì).然而,目前對這些晚古生代巖體的研究僅限于他們的形成時代[19~24]、弧巖漿性質(zhì)及地球動力學(xué)背景分析,還沒有對晚古生代超基性-基性-酸性巖體的巖石成因、源區(qū)性質(zhì),以及華北克拉通北緣的陸緣性質(zhì)進行系統(tǒng)研究.本文選擇了該巖漿巖帶中代表性的波羅諾和大光頂巖體,對華北克拉通北緣晚古生代中酸性巖體及伴生的超基性-基性巖體進行年代學(xué)、礦物學(xué)、全巖地球化學(xué)和Sr-Nd同位素,以及鋯石Hf同位素研究,試圖進一步限定他們的巖石成因、源區(qū)特征及構(gòu)造背景.1樣品特征和巖體特征波羅諾巖體位于華北克拉通北緣(圖1(c)),近東西向展布,出露面積約80~100km2,侵位于太古宙-古元古代片麻巖中.巖體內(nèi)有明顯變形,片麻狀構(gòu)造發(fā)育.巖性主要為石英閃長巖,其次為花崗閃長巖、閃長巖、含斜長石的角閃石巖、角閃輝長巖等,不同巖性之間為過渡接觸關(guān)系.在巖體的南部出露基底變質(zhì)巖,在中酸性巖體的內(nèi)部也可見變質(zhì)基性巖的捕虜體.已有數(shù)據(jù)表明石英閃長巖和角閃輝長巖的侵位年齡分別為(302±4)~(299±6)Ma和(297±1)Ma.本文所采集的波羅諾巖體的樣品主要為含斜長石的角閃石巖和閃長質(zhì)巖石(石英閃長巖和閃長巖).含斜長石的角閃石巖的主要礦物組成為角閃石(70%~80%)和斜長石(15%~20%),還有少量的單斜輝石、磷灰石、磁鐵礦和鋯石.角閃石顆粒自形,局部定向排列,粒徑變化范圍較大(0.8~9.0mm).樣品具有典型的堆晶結(jié)構(gòu)(圖2(a)),表現(xiàn)為自形-半自形的角閃石緊密堆晶,他形的斜長石呈填隙狀分布于角閃石之間,表明斜長石的結(jié)晶晚于角閃石.閃長巖(BLN-2-1)為中粒結(jié)構(gòu),含基性包體,主要由斜長石(70%),角閃石(21%),石英(5%),單斜輝石和副礦物(如磷灰石、鋯石、榍石、磁鐵礦等,4%)組成.斜長石顯示成分和結(jié)構(gòu)不平衡結(jié)構(gòu)(圖2(b),(c)),內(nèi)部有港灣狀的殘留核,具篩狀結(jié)構(gòu).石英閃長巖(BLN-5-2,BLN-8-2)為淺灰色,中粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,礦物組合為斜長石(50%~57%),角閃石(13%~15%),鉀長石(8%~10%),石英(12%~16%),黑云母(2%~5%)和單斜輝石,及少量副礦物(如磷灰石、磁鐵礦、榍石和鋯石).大光頂巖體位于波羅諾巖體以北6~10km處(圖1(b),(c)),巖體呈不規(guī)則橢圓形,東西向展布,出露面積約為200km2,侵位于太古宙-古元古代基底片麻巖及混合巖中.巖體主要由石英閃長巖、閃長巖和少量角閃輝長巖組成,后者只發(fā)育于巖體的邊緣位置.巖體變形強烈,片麻狀構(gòu)造發(fā)育(特別在巖體中西部).前人獲得巖體侵位年齡為(324±6)~(314±6)Ma.本文在大光頂巖體中所采樣品為石英閃長巖和花崗閃長巖,它們具有與波羅諾閃長質(zhì)巖石相似的礦物組成和結(jié)構(gòu)特征,為中-粗粒塊狀結(jié)構(gòu),局部含基性包體,礦物組合為斜長石(50%~55%),角閃石(8%~15%),石英(13%~20%),鉀長石(8%~12%),黑云母(2%~6%)和單斜輝石,以及副礦物(如磷灰石,磁鐵礦,榍石和鋯石;圖2(d)).2分析方法及結(jié)果對波羅諾巖體中石英閃長巖(BLN-5-2)進行鋯石SHRIMPU-Pb測年,結(jié)果列于表1.用磁選和重液方法分選鋯石,并在雙目鏡下挑選.將鋯石樣品與數(shù)粒TEM(標(biāo)樣)置于環(huán)氧樹脂中,然后磨約一半,使鋯石內(nèi)部暴露,用于陰極發(fā)光和U-Pb同位素分析.鋯石CL圖像在北京大學(xué)拍攝(圖3(a)).鋯石U-Pb同位素分析在北京離子探針中心SHRIMPII上完成,詳細的測定程序可參見文獻Compston等和Williams等.測試過程中選用TEM(417Ma)作為標(biāo)準(zhǔn).測試過程中,每測量3個點插入一次TEM測定.測試數(shù)據(jù)采用Ludwig編寫的ISOPLOT程序進行處理.礦物主量元素測試在北京大學(xué)電子探針實驗室JXA-8100型電子探針上進行.測試過程中,加速電壓為15kV,電流為10nA,束斑直徑為1μm,標(biāo)樣為美國SPI公司的53種礦物,數(shù)據(jù)列于表2和表3.全巖主量元素測試在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)所完成,采用RegakuZSX-100eXRF儀器測定,分析精度好于1%.全巖微量元素測定在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地學(xué)實驗中心完成.樣品粉末化學(xué)預(yù)處理采用兩酸(HNO3+HF)高壓反應(yīng)釜溶樣方法,分析儀器為Agilent7500a型等離子質(zhì)譜儀.大多數(shù)元素分析的相對偏差(RSD)<5%,少數(shù)元素的RSD<10%.全巖主量、微量數(shù)據(jù)列于表4.全巖Sr和Nd同位素比值在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的MicromassIsoprobe型多接收器等離子質(zhì)譜儀(MC-ICPMS)上進行,分別用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219進行校正,在本次樣品分析過程中,NBS987標(biāo)準(zhǔn)的87Sr/86Sr測定值為0.710247±17(2uf073).Sr-Nd同位素比值測定的儀器參數(shù)和方法參見文獻.全巖Sr-Nd同位素數(shù)據(jù)列于表5.鋯石Hf同位素原位測試在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的Neptune多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)和193nm激光取樣系統(tǒng)上進行.分析時激光光斑直徑為60uf06dm,剝蝕時間約為26s,激光脈沖頻率為6~8Hz,激光束脈沖能量為100mJ,采用鋯石國際標(biāo)樣91500作外標(biāo).儀器運行條件及詳細的分析過程可參見文獻.在本次測試中,鋯石標(biāo)樣91500的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf值分別為0.282294±15(2σn,n=20)和0.00031,與目前用溶液法獲得的值在誤差范圍內(nèi)一致.鋯石原位Hf同位素數(shù)據(jù)列于表6.3分析的結(jié)果3.1地球化學(xué)和年代學(xué)對波羅諾巖體中石英閃長巖樣品(BLN-5-2)共測定11個顆粒的11個測點(表1),所測鋯石都是透明、無色,晶形較好,具有振蕩環(huán)帶,顯示了巖漿成因(圖3(a)).鋯石Th/U比值在0.08~0.28之間,Th和U之間正相關(guān)性較好,表現(xiàn)出巖漿鋯石的地球化學(xué)特征.除點3.1和7.1以外,大部分的測點均落于諧和線上,得到206Pb/238U加權(quán)年齡平均為(296±4)Ma(MSWD=0.92,圖3(a),(b)),與Zhang等和王惠初等報道的年齡在誤差范圍內(nèi)一致(分別為(302±4)和(299±6)Ma),因此這一結(jié)果代表了該巖體的侵位年齡.Zhang等對波羅諾含斜長石的角閃石巖的鋯石U-Pb定年結(jié)果為(297±1)Ma,可見閃長巖與超基性-基性巖是同期侵位的.3.2.2羅馬斯基亞9.8%3.3.35.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3根據(jù)Leake等的分類,波羅諾和大光頂巖體中的角閃石都是鈣質(zhì)角閃石(表3;圖4).波羅諾含斜長石的角閃石巖中的角閃石主要為韭閃石和淺閃石,具有較低的SiO2(39.8%~43.9%),較高的Al2O3(9.8%~14.2%),TiO2(1.5%~2.3%)和Mg#(0.54~0.64).波羅諾中酸性巖體中的角閃石也為韭閃石和淺閃石,具有相對較高的SiO2(42.6%~46%),低Al2O3(8.4%~11.8%),TiO2(0.9%~1.7%)和Mg#(0.51~0.62).大光頂巖體中的角閃石為鎂綠鈣閃石,具有相對較低的SiO2(42%~43%),TiO2(1.0%~1.3%)和Al2O3(10.3%~10.5%),Mg#=0.54~0.56.所有角閃石都比較均勻,未見明顯的成分環(huán)帶.3.3全巖地球化學(xué)波羅諾含斜長石的角閃石巖屬于低鉀拉斑玄武質(zhì)到鈣堿性系列,準(zhǔn)鋁質(zhì)(A/CNK=0.5~0.8,圖5(a)).其Mg#介于0.36到0.45之間.與閃長質(zhì)巖體相比(圖6,表4),具較低的SiO2(38%~43%),較高的Fe2O3,MgO,CaO和REE含量,相容元素Co(17~60.4ppm),V(94.3~535.8ppm)和Sc(8.4~35.6ppm)的含量較高但變化較大.在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解上(圖7(a)),含斜長石的角閃石巖表現(xiàn)為上凸型的稀土分布模式,峰值為Pr-Nd,富集LREE,虧損HREE,LaN/YbN=4.6~12,沒有明顯的Eu異常.在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解上(圖7(b)),含斜長石的角閃石巖明顯富集Ba,Sr,虧損Th,Nb,Zr和Ti.波羅諾中酸性巖體同樣屬于低鉀拉斑到鈣堿性系列(圖5(a)),全部為準(zhǔn)鋁質(zhì)(A/CNK=0.9~1),Mg#值為~0.46.在哈克圖解中(圖6),隨著SiO2的升高,MgO,Fe2O3,CaO,TiO2,CaO/Al2O3和堿都降低,表明有鎂鐵質(zhì)礦物(例如:角閃石和輝石)的分離結(jié)晶.它們的稀土發(fā)生了更大程度的分餾(LaN/YbN=16.6~23.2),Eu出現(xiàn)明顯的正異常(圖7(c)).高Sr(1672~2316ppm),Sr/Y比值(224~352)及低Y(4.8~10.4ppm)指示它們具有埃達克質(zhì)巖石的特征(圖8(a)).在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解上(圖7(d)),這些巖體富集Ba和Sr,強烈虧損Th,Nb,Ti,中度虧損Ce,P,Zr.大光頂巖體屬于低鉀拉斑到中鉀鈣堿性系列,準(zhǔn)鋁質(zhì)(A/CNK=0.9~1)(圖5(a),(b)).具有較高的SiO2,Al2O3,以及相對較低的Fe2O3,MgO和CaO的含量,Mg#值介于0.39~0.47之間.巖體的稀土分布模式與波羅諾中酸性巖體的REE分布模式相似,富集LREE,虧損HREE,輕、重稀土分餾明顯(LaN/YbN=15.4~107.6),有明顯的Eu正異常.它們同樣具有高Sr(1083~1111ppm),Sr/Y(186~547)和低Y(2~11ppm)的埃達克巖特征(圖8(a)).在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中(圖7(f)),虧損Th,Nb,P和Ti,富集Ba,K和Sr.3.4微量元素和hf同位素組成波羅諾含斜長石的角閃石巖的ISr=0.7052~0.7057,εNd(296Ma)=–9.8~–8.2(表5).中酸性巖體具有較低的ISr(0.7047~0.7049)和εNd(296Ma)值(–16.5~–13.1).根據(jù)Zhang等得到的結(jié)晶年齡(314Ma),大光頂巖體具有較高的ISr(0.7052~0.7059)和εNd(314Ma)值(–15.2~–11.8).石英閃長巖中的27顆鋯石具有相對一致的Hf同位素成分(表6),(176Hf/177Hf)i=0.28196~0.28212,εHf(296Ma)=–22.5~–16.8,低于含斜長石的角閃石巖的Hf同位素((176Hf/177Hf)i=0.28213~0.28222,εHf(296Ma)=–16.5~–13.6).4討論4.1含斜長石角閃石巖巖漿地球化學(xué)特征波羅諾含斜長石的角閃石巖具有明顯的堆晶結(jié)構(gòu):自形角閃石緊密堆積,少量他形的斜長石呈填隙狀充填于角閃石粒間,屬于Wager等定義的中堆積巖(mesocumulate).全巖的過渡族元素,如:Co(17~60.4ppm),V(94~535.8ppm)和Sc(8.4~63ppm)的含量變化范圍很大,也說明含斜長石的角閃石巖的堆晶成因[40~42].含斜長石的角閃石巖具有明顯的峰值為Pr-Nd的上凸型稀土分布模式(圖7(a)),與角閃石在玄武質(zhì)巖漿中的稀土分配系數(shù)模式相似,說明全巖的稀土成分主要受到堆晶礦物角閃石的控制.在Harker圖解(圖6)中,隨著SiO2的升高,V和Sc的含量降低,堿,Al2O3,Sr的含量增加.由于V和Sc對于角閃石是相容元素,而Al2O3,堿,Sr主要賦存于斜長石中,因此,這種線性趨勢說明隨著巖漿的演化,堆晶巖中斜長石比例逐漸增加.但是,含斜長石的角閃石巖顯然不是與原始地幔橄欖巖相平衡的熔體,全巖較低的Mg#(0.36~0.60),Ni(1.1~51.9ppm),Cr(2.9~90.7ppm)含量暗示了在巖漿演化的初期,有大量的橄欖石和輝石的分離結(jié)晶,而角閃石的大量出現(xiàn)與殘余巖漿不斷富水有關(guān).4.2酸巖中的形成4.2.1殼潭巖漿混合過程華北克拉通北緣晚古生代中酸性巖體具有明顯的埃達克質(zhì)巖石的特征,如:中酸性的SiO2含量,較高的Al2O3,Sr,Sr/Y比值,低Y和HREE含量等(表4,圖8).但是它們富集型的εNd(–17.4~–9.9)和ISr(0.7046~0.7102;本文及Zhang等的數(shù)據(jù))值與大洋中脊玄武巖(MORB)的同位素特征截然不同,說明它們不可能直接來源于俯沖板片的熔融.近年來提出的有關(guān)埃達克質(zhì)巖石的其他成因模式還包括:(1)底墊加厚(>40km,1.2GPa)下地殼的部分熔融;(2)拆沉下地殼的部分熔融,并與地幔巖相互作用[46~48].我們認(rèn)為華北克拉通北緣晚古生代中酸性巖體并非單純的殼源熔體,而是混合有相當(dāng)比例的幔源玄武質(zhì)巖漿,即形成于殼幔巖漿混合過程.主要證據(jù)如下:(1)首先,中酸性巖體中常見細粒閃長質(zhì)包體(MME),并具有典型的巖漿結(jié)構(gòu).暗色包體是巖漿混合的直接證據(jù)[49~51].暗色包體的存在是底墊加厚下地殼部分熔融(上述模式1)和拆沉下地殼部分熔融(上述模式2)過程難以解釋的.其次,波羅諾石英閃長巖中的斜長石具有富鈣的殘留核(An46~An50),這些殘留核具有明顯比幔部斜長石(An26~An33)高的鈣長石分子,并且變化截然(圖2(b),(c)).這不同于普通的斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu),因為后者環(huán)帶通常有規(guī)則外形,而且有成分連續(xù)變化的圈層.這些斜長石成分和結(jié)構(gòu)不平衡現(xiàn)象記錄了殼幔巖漿發(fā)生混合的過程[49~53].(2)中酸性巖體的Mg#介于0.34到0.60之間(本文及Zhang等的數(shù)據(jù)),顯著大于在同等硅含量的條件下玄武巖熔融實驗熔體的Mg#(通常小于0.4,圖9),表明這些中酸性巖體不是純的殼源熔體,也表明底墊加厚下地殼部分熔融(模式1)不能解釋這些中酸性巖體的成因,其較高的Mg#與殼幔巖漿混合模式是吻合的.拆沉下地殼(模式2)過程雖然可解釋巖體高鎂特征,但該模式得不到任何巖石學(xué)證據(jù)的支持.(3)實驗證明,基性下地殼部分熔融形成的埃達克質(zhì)巖石通常具有相對富Na2O(>4.3%)而不是富K2O的特征,華北克拉通北緣晚古生代中酸性巖體雖然也具有高Na2O的特征(本文及Zhang等的數(shù)據(jù)),但它們同時也富集K2O,Ba,Sr,這種特征相似于高Sr-Ba花崗巖,如華北燕山期高Sr-Ba花崗巖和英國Rugart高Sr-Ba花崗巖,它們都有相當(dāng)比例的來自富集地幔源區(qū)的玄武質(zhì)巖漿的混合,因為這些來自富集地幔的玄武巖以高Sr-Ba為特征.(4)華北克拉通北緣晚古生代中酸性巖體的Sr-Nd同位素有較大的變化范圍(εNd(300Ma)=–17.4~–8.2,(87Sr/86Sr)i=0.70456~0.71022;本文及Zhang等的數(shù)據(jù)),但介于華北克拉通EMI型富集地幔和古老下地殼的Sr-Nd同位素成分之間(圖10(a)).所研究的晚古生代巖體中相對“原始”的巖石類型的Sr-Nd同位素成分與華北克拉通EMI型富集地幔的Sr-Nd同位素成分((87Sr/86Sr)i=0.7050,εNd(300Ma)=–7.5)接近,其他巖石數(shù)據(jù)點向古老下地殼的區(qū)域延伸,表明來自富集地幔的巖漿和古老下地殼物質(zhì)都是這些晚古生代巖體的重要源區(qū),這與前面論述的這些中酸性巖體可能形成于殼幔巖漿混合的過程是一致的.這得到εNd(t)與SiO2較好的負(fù)相關(guān)性(圖10(b))和巖體中鋯石具有太古宙-古元古代的繼承鋯石的支持.此外,波羅諾巖體的鋯石Hf同位素也支持殼幔巖漿混合作用的過程.華北克拉通的富集型巖石圈地幔的εHf(t)可能為–9.0左右.從圖11中可見,波羅諾巖體的鋯石εHf(t)顯著低于富集地幔的εHf(t)值,表明這種富集地幔巖漿不是波羅諾巖體的唯一來源,具有非常低εHf(t)值(約–35)的古老地殼物質(zhì)可能是另一個重要的源區(qū).殼源混染物質(zhì)可能為前寒武紀(jì)TTG片麻巖和/或基性地殼(麻粒巖和角閃巖),它們是組成華北克拉通的基底巖石.根據(jù)前人的報道[58~63],太古宙的基性下地殼具有較高且變化較大的εNd值(約為–4~–22)和相對較低的ISr值(約為0.7055~0.708),而TTG片麻巖表現(xiàn)為很低的εNd值(–25~–40)和相對較高的Sr同位素比值(0.710~0.730).華北克拉通北緣晚古生代巖體的εNd(t)值介于-17.4到–8.2之間,ISr值低于0.707(除了隆化和建平巖體的ISr=~0.7102;圖10(a)),表明參與混染的殼源物質(zhì)主要為基性下地殼,而TTG片麻巖較少.另外,與鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)堆晶巖相比,中酸性巖體的εNd(t)和εHf(t)值較低(圖10(a),11),表明鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿中殼源物質(zhì)的比例較少.4.2.2巖體富水性巖體的埃達克巖越來越多的研究表明,弧巖漿巖中角閃石的分離結(jié)晶對巖漿成分的演化有重要的影響.根據(jù)實驗相圖研究,對于水飽和的安山質(zhì)巖漿,角閃石可以作為第一個、也是唯一的堆晶礦物相出現(xiàn),其形成深度范圍是從7km開始,直到(有石榴石晶出的)下地殼/上地幔深度.而對于更原始的巖漿(玄武質(zhì)),水飽和巖漿中最先晶出的是橄欖石和輝石.也就是說,來源于富集(流體)地幔的玄武質(zhì)巖漿,先在上地幔/下地殼處分離出橄欖石和輝石等鎂鐵礦物,殘余玄武安山質(zhì)巖漿逐漸更加富水,大量結(jié)晶角閃石,并發(fā)生單一角閃石的分離結(jié)晶和堆晶作用.角閃石的廣泛存在使巖漿的密度增大(結(jié)晶度提高~40%),形成“晶粥”,從而阻止/減緩了巖漿的繼續(xù)上升,在下地殼處形成了大量的角閃石堆晶巖.因此,角閃石巖可能是保存在下地殼的從地幔生成的原始巖漿最初堆晶產(chǎn)物中一個重要組成部分.在世界各地的弧環(huán)境中,堆晶角閃石巖都普遍存在,例如:中國東北的佳木斯地體,巴基斯坦的科伊斯坦弧,PanamaCanal地區(qū)的CerroPatacon安山巖中的堆晶角閃石巖捕虜體.華北克拉通北緣晚古生代中酸性巖體以含有豐富而自形的角閃石為特征,說明巖漿體系的富水特性.波羅諾富角閃石堆晶巖可能代表了富水巖漿體系演化早期的分離結(jié)晶作用的產(chǎn)物.這在哈克圖中得到了體現(xiàn)(圖6):MgO,Fe2O3,CaO,TiO2都隨著SiO2的升高而降低,表明鎂鐵質(zhì)礦物(輝石和角閃石)的大量分離結(jié)晶,這與Co,Sc,CaO/Al2O3也隨著SiO2呈負(fù)相關(guān)是一致的.P2O5與SiO2的負(fù)相關(guān)性表明了磷灰石的分離結(jié)晶.在稀土分布模式圖解中(圖7(c),(e)),MERR的虧損也證明了這點,因為角閃石和磷灰石是MREE的主要賦存礦物.另外,角閃石等的分離結(jié)晶也會導(dǎo)致殘余巖漿HREE和Y的虧損,同時使得巖漿具有較高的Sr/Y比值而具有埃達克巖的特征.因此,華北克拉通北緣晚古生代中酸性巖體的埃達克巖特征,可能與輝石、角閃石和少量磷灰石、鋯石的分離結(jié)晶有關(guān),而不是前述底墊加厚下地殼部分熔融或拆沉下地殼部分熔融[46~48]等機制形成.為了驗證這一模式,我們可以根據(jù)已知的分配系數(shù)進行微量元素地球化學(xué)模擬.在圖8(b)中,假設(shè)初始巖漿為玄武安山質(zhì)(是混漿,代表幔源玄武質(zhì)與殼源花崗質(zhì)的混合物),那么只要經(jīng)歷程度為25%~40%的角閃石(60%)+輝石(24%)+磷灰石(15%)+鋯石(1%)的分離結(jié)晶就可以形成顯著的高Sr/Y,低Y的埃達克巖的特征.而分離結(jié)晶的礦物百分比例與波羅諾含斜長石的角閃石巖的礦物組成相似(輝石較早分離結(jié)晶出去).因此,這些晚古生代中酸性巖體的埃達克巖特征實際上是富水弧巖漿體系(同時具有高Sr-Ba,富LREE等特征)經(jīng)歷了以角閃石為主的分離結(jié)晶作用而形成.事實上,在世界上很多弧地體都發(fā)育有大面積的以角閃石為主的堆晶巖和與之相伴的、具有埃達克巖特征的中酸性巖體[78~80].因為巖漿中大量的角閃石分離結(jié)晶會導(dǎo)致殘余巖漿的SiO2升高,從硅不飽和巖漿迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣栾柡蜖顟B(tài),同時導(dǎo)致MREE和HREE虧損.另外,以角閃石為主的鎂鐵質(zhì)礦物的分離結(jié)晶也會顯著提高巖漿中Sr的含量,并進一步提高巖漿的Sr/Y比值.所以,在弧環(huán)境中,富角閃石的堆晶巖的形成,為殘余巖漿形成具埃達克質(zhì)巖石的特征提供了可能的演化機制.波羅諾富角閃石堆晶巖中的角閃石鎂值(Mg#=0.52~0.63)明顯低于富鎂安山巖(0.79)和玄武質(zhì)安山巖(~0.79)中初始分離結(jié)晶產(chǎn)生的角閃石的鎂值,而且在堆晶礦物之間有填隙斜長石的存在,說明形成堆晶巖的母巖漿經(jīng)歷了一定程度的演化(原始巖漿在演化的早期有大量的橄欖石、輝石等鎂鐵質(zhì)礦物相的分離),這一點也得到了全巖低的Mg#(0.36~0.60),Ni(1.1~51.9ppm),Cr(2.9~90.7ppm)含量的證實.橄欖石、輝石等無水礦物的分離結(jié)晶使得殘余巖漿不斷富水,并大量結(jié)晶自形的角閃石,隨后的分離結(jié)晶作用在中下地殼的位置形成了以角閃石為主的堆晶巖.位于弧下地殼中的富角閃石堆晶巖常被用來解釋陸殼增生機制和殼幔物質(zhì)交換:堆積于弧下地殼的富角閃石堆晶巖顯著提高了下地殼的密度,將因重力不均衡/拆沉作用而再循環(huán)回到地幔,使得化學(xué)成分上偏基性的弧大陸地殼向中酸性演化.4.3地表及成分特征在波羅諾基性-超基性堆晶巖中,角閃石是主要的堆晶礦物;在中酸性巖體中,角閃石為主要的暗色礦物.角閃石的大量出現(xiàn),表明巖漿體系的富水和角閃石在整個巖漿演化系列中都接近液相線.實驗表明,在400MPa下,巖漿中水的含量約為5wt%,或在960MPa條件下,巖漿中水含量為7wt%~9wt%時角閃石就會從熔體中結(jié)晶.因此,波羅諾巖體中角閃石的大量出現(xiàn),暗示在巖漿演化的早期階段就含有大量的水.這種母巖漿富水的特征不可能是由于它與地殼物質(zhì)相互作用所致,因為含斜長石的角閃石巖的地殼混染量較少(<5%,見上面),而且混染成分主要為貧水的基性下地殼(麻粒巖等).所以,巖漿體系的富水特征可能與受到俯沖帶流體/熔體交代的地幔楔有關(guān).在REE圖解中(圖7(a)),包括波羅諾含斜長石的角閃石巖在內(nèi)的華北克拉通北緣晚古生代基性-超基性巖體(圖7(a),(b)中陰影部分)都表現(xiàn)出富集LREE和LILE(如Sr,Ba),以及輕、重稀土分餾明顯的特征,暗示了地幔源區(qū)富集的性質(zhì).此外,華北克拉通北緣晚古生代基性-超基性巖類的ISr(0.7052~0.7061),εNd(t)(–14.2~–8.2)值與高寺臺阿拉斯加型超基性巖體的Sr-Nd同位素值(ISr=0.7054~0.7066,εNd(t)=–15~–8;圖10(a))相似.高寺臺巖體被認(rèn)為是主要來自EMI型富集地幔部分熔融的產(chǎn)物,兩者SrNd同位素上的相似性指示了地幔源區(qū)的富集性質(zhì),暗示晚古生代期間華北克拉通北緣巖石圈地幔為富集型.為了進一步證明華北克拉通北緣巖石圈地幔在古生代期間的富集性質(zhì),我們用簡單混合計算對Nd同位素進行模擬分析.分別假定富集地幔(EMI,εNd(t)=–5~–7,Nd=30)和虧損地幔(DM,εNd(t)=9,Nd=19)作為一個端元,前寒武紀(jì)下地殼LCC作為另一個端元.計算表明,波羅諾和大光頂巖體不可能由虧損地幔起源巖漿和下地殼熔體混合形成,因為該成因需要殼源混染的比例高達30%~52%.這么大體積的陸殼混染會顯著改變源區(qū)巖漿的主量元素的特征,如SiO2會顯著的升高,而在隨后含水巖漿的分離結(jié)晶過程中,SiO2會變得更高.這與波羅諾和大光頂巖體的SiO2含量(40%~70%)不符.因此,我們認(rèn)為巖體的源區(qū)之一應(yīng)該是富集地幔,在該情況下,只需要4.5%~37%的地殼混染即可解釋巖體的同位素特征.華北巖石圈地幔在古生代期間具有富集的性質(zhì)雖然也被其他學(xué)者所報道,但是巖石圈地幔富集的過程卻較少提及.事實上,華北克拉通的巖石圈地幔經(jīng)歷了漫長的富集過程(約從2.5Ga左右開始).尤其在早古元古代(ca.2.2Ga)和晚古元古代期間(ca.1.85Ga)的大規(guī)模俯沖和碰撞過程,使得巖石圈地幔受到交代而富集(例如,華北克拉通北部古元古代末到中元古代初的基性-超基性巖的εNd(t)=–7~–4).在古生代期間,由于古亞洲洋板片不斷的向華北克拉通之下俯沖,俯沖板片流體對地幔楔的交代反應(yīng)使得這個先前已經(jīng)富集的古老地幔源區(qū)更加富集LREE,LILEs和水.4.4克拉通北緣的晚古生代巖漿一些學(xué)者認(rèn)為中泥盆世或晚泥盆世到早石炭世時期華北北緣不存在俯沖作用.但是,對華北克拉通北部晚古生代-早中生代沉積巖中鋯石的研究以及古氣候研究都表明華北克拉通北緣在古生代期間為活動陸緣.對錫林浩特變質(zhì)核雜巖中的鋯石U-Pb定年結(jié)果表明,華北克拉通與蒙古微地體的碰撞拼合的時間為290~234Ma,即古亞洲洋的閉合要晚于290Ma.本文對波羅諾巖體最新的SHRIMP鋯石U-Pb測年結(jié)果為(296±4)Ma,與前人所得的結(jié)果一致,進一步證實了該巖體侵位于晚石炭世-早二疊世.事實上,在華北克拉通北緣,波羅諾和大光頂巖體的侵位不是一次孤立的巖漿事件,大量的晚古生代巖漿活動已被證實,如:灤平京北喇叭溝門閃長巖體、虎什哈花崗閃長巖體、隆化片麻狀花崗閃長巖體、灤平球狀閃長巖等,它們的侵位年齡介于324~274Ma之間,形成一條平行于華北克拉通北緣分布的巖漿巖帶(圖1(b)).這些巖體主要巖石組合為花崗巖-英云閃長巖-花崗閃長巖-石英閃長巖-閃長巖,含少量的角閃輝長巖-角閃石巖,