湯艷杰　張宏福,　英基豐

1.中國科學院地質與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京　1000292.西北大學地質學系，大陸動力學國家重點實驗室，西安　7100691.

富堿侵入巖的概念是涂光熾先生于1982年在南京大學召開的國際花崗巖學術會議上首先提出來的(涂光熾等,1984; 涂光熾,1989)。富堿侵入巖主要包括堿性巖和堿性花崗巖、以及和這兩類巖石共生的堿含量很高的堿長花崗巖，其全堿含量(K2O+Na2O)一般>8%。堿性巖主要包括正長巖、霞石正長巖、輝石正長巖、霓霞正長巖、閃石正長巖等，在巖石化學上相對貧硅富鋁高堿。堿性花崗巖是指含堿性角閃石、堿性輝石的花崗巖，相對富硅貧鋁高堿。在各類侵入巖中，富堿侵入巖所占比例很小，其出露面積約占各類侵入巖出露總面積的2%。但是，富堿侵入巖卻有重要的礦產(chǎn)和地質意義(涂光熾,1989; 任康緒,2003)。通過對堿性巖及其相關金屬礦床的研究，可以獲得有關殼幔物質組成、地球動力學狀態(tài)和成巖成礦的物理化學條件等方面的重要信息，進而為有關巖石圈演化、找礦勘查和資源評價工作提供科學依據(jù)(趙振華等,2002; 任康緒,2003; 聶鳳軍等,2010; 及其參考文獻)。

富堿侵入巖一般具有如下特征：(1)常呈線型(帶狀)展布，很難見到孤立的單個巖體產(chǎn)出、或者呈面狀展布的富堿侵入巖群。(2)線型展布的富堿侵入巖帶都受區(qū)域性大斷裂的控制，常出現(xiàn)于裂谷或地塹等拉張環(huán)境；在板塊碰撞后的一定時期，沿著縫合線發(fā)生拉張，在拉張環(huán)境中也可以形成富堿侵入巖。因此，富堿侵入巖的出現(xiàn)可能意味著某個時期板塊俯沖和碰撞作用的結束。(3)無論是堿性巖還是堿性花崗巖，它們的巖體形態(tài)在地表常呈環(huán)狀。(4)富堿侵入巖的同位素組成特征說明其成巖物質主要來自上地幔(也可能有少部分來自下地殼物質熔融產(chǎn)生的巖漿結晶分異的結果)，還有不同程度的殼源物質的混染?？紤]到富堿侵入巖的產(chǎn)出背景及其富含大離子親石元素的特征，一般認為富堿巖漿的部分初始物質來源于富集型地幔(涂光熾,1989; 趙振華和周玲棣,1994)。

富堿侵入巖的研究越來越受到學者們的重視。例如，20世紀90年代以來，前人對我國北方顯生宙富堿侵入巖的年代學、巖石學和地球化學等方面做了大量研究工作，取得了許多重要進展(如閻國翰等,1988,2000,2001a,b,2002,2008; 牟保磊和閻國翰,1992; 趙振華和周玲棣,1994; Zhou and Zhao,1996; 牟保磊等,2001; 韓寶福等,2004; 任榮等,2009)。但是，仍然有許多問題有待于深入研究，例如，富堿侵入巖的成因問題仍然沒有很好地解決(原始巖漿起源于富集的巖石圈地幔、還是虧損的軟流圈？巖漿上升過程中地殼物質混染的貢獻如何？殼幔相互作用過程中巖漿是如何演化的？巖漿活動與成礦作用事件是否有確定的因果關系？巖石圈的富集是否與板塊的俯沖消減作用有關？)，堿性巖漿的形成機制、演化過程及其深部動力學背景(形成于板內裂谷環(huán)境、板塊俯沖擠壓之后的拉張環(huán)境、還是與熱點地幔柱有關系？陰山地區(qū)三疊紀巖漿活動事件能否為華北地塊與西伯利亞南緣蒙古褶皺帶最終碰撞拼合時代提供進一步的約束？)等重要的科學問題也都要求對其開展進一步的研究工作。本文旨在總結陰山及鄰區(qū)三疊紀富堿侵入巖的年代學、巖石學和地球化學資料，在前人研究的基礎上，進一步探討其成因和指示意義，并為該區(qū)富堿侵入巖的下一步研究提供借鑒。

1　陰山及鄰區(qū)三疊紀富堿侵入巖的分布和形成年齡

燕遼-陰山地區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)很多三疊紀的富堿侵入巖體，它們西起內蒙古包頭市，東到吉林省的中部，向東一直延伸到朝鮮的北部，大體分布于北緯40°～42°之間(寬度約100km)，構成一條近EW向、長達1500km的堿性巖帶 (閻國翰等,2000; 任榮等,2009; 張拴宏等,2010)。陰山地區(qū)位于華北克拉通的北緣，該區(qū)的三疊紀堿性侵入巖分布在包頭、涼城、四子王旗、察哈爾右后旗和察哈爾右中旗地區(qū)，東邊與之相鄰的堿性侵入巖主要分布在天鎮(zhèn)、陽原和礬山(圖1)。閻國翰等(2001b)將陰山地區(qū)的富堿侵入巖分為南、北兩個帶：南帶由涼城霓輝正長巖體和包頭東霓輝正長巖構成，東邊與之相鄰的天鎮(zhèn)、陽原和礬山堿性雜巖體與前者處于同一緯度；北帶由四子王旗黃合少堿性正長巖體、察哈爾右后旗古城堿性正長巖體和察哈爾右中旗義發(fā)泉正長巖體組成。

圖1　陰山及鄰區(qū)三疊紀富堿侵入體的分布(據(jù)閻國翰等,2000)Fig.1　The distribution of Triassic alkali-rich intrusions in the Yinshan and neighboring areas (after Yan et al.,2000)

南帶：涼城霓輝正長巖體和包頭東霓輝正長巖體的Rb-Sr等時線年齡分別為190.3±5.6Ma和197.7±5.6Ma(閻國翰等,2000)。陽原的東城和姚家莊正長巖體的Rb-Sr等時線年齡分別為268.1±11Ma和235.9±5Ma(閻國翰等,2000)，陽原響水溝霞石正長巖體和天鎮(zhèn)羅家溝霓輝正長巖的K-Ar同位素年齡分布為248Ma和246～219Ma(牟保磊和閻國翰,1992)。河北礬山雜巖體的Rb-Sr等時線年齡為218±8Ma(牟保磊和閻國翰,1992)，SHRIMP鋯石U-Pb年齡為218±2Ma(任榮等,2009)，二者在誤差范圍內相一致。

北帶：四子王旗黃合少巖體的全巖Rb-Sr等時線年齡為203±4Ma(閻國翰等,2000)；察哈爾右后旗古城和察哈爾右中旗義發(fā)泉正長巖體尚未年齡數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，陰山三疊紀富堿侵入巖的年齡為南帶較年輕(197～190±5.6Ma)，北帶較老(203±4Ma)。而與之相鄰的東邊陽原和礬山巖體的年齡則更老(大約268～220Ma)。

圖2　富堿侵入體的主量元素組成(底圖據(jù)Tang et al.,2013及其參考文獻)雜巖體數(shù)據(jù)據(jù)牟保磊和閻國翰,1992; 侯增謙,1992; 閻國翰等,2001b.圖3、圖4、圖5、圖7數(shù)據(jù)來源同此圖Fig.2　Major-oxide variations of the alkali-rich intrusive rocks (base map after Tang et al.,2013,and references therein)

前人早期獲得的同位素年齡確定了上述巖體主要形成于三疊紀，表明陰山地區(qū)在三疊紀曾經(jīng)存在堿性拉張型巖漿-構造活動(閻國翰等,2000)。然而，不同測年方法所得到的結果還存在較大的差別(和誤差)。例如，利用K-Ar法測定的礬山巖體的形成年齡在248～203Ma之間，Rb-Sr等時線年齡為218±8Ma(牟保磊和閻國翰,1992及其參考文獻)，Sm-Nd等時線年齡則為243±9.7Ma(牟保磊等,2001)，而鋯石SHRIMP U-Pb年齡則為218±2Ma(任榮等,2009)。這些數(shù)據(jù)說明上述巖體(除了礬山巖體)還需要開展進一步的定年工作，從而獲得不同巖體精確的形成年齡，為探討其成因和時空分布特征提供精確的年齡依據(jù)。

2　富堿侵入巖的巖石學特征

南帶的涼城和包頭東巖體均為霓輝正長巖體，其主要造巖礦物為正長石和霓輝石；陽原的東城和姚家莊正長巖體分別為霞霓正長巖體和環(huán)狀次透輝巖-正長巖體。河北礬山雜巖體為層狀超鎂鐵質巖-正長巖體，平面上呈環(huán)狀，內環(huán)為正長巖系，外環(huán)為輝石巖系。北帶則以堿性正長巖體為主，古城堿性正長巖的主要造巖礦物為條紋長石、微斜條紋長石，次要礦物為輝石、角閃石、鈉長石和少量霞石；黃合少正長巖的造巖礦物以微斜長石為主，有少量霞石和霓石(閻國翰等,2000,2001b; 牟保磊等,2001; 任榮等,2009)。

圖4　富堿侵入體的稀土元素球粒隕石標準化配分形式(球粒隕石值據(jù)Anders and Grevesse,1989；OIB據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.4　Chondrite-normalized REE patterns of the alkali-rich intrusive rocks (chondrite values after Anders and Grevesse,1989；OIB after Sun and McDonough,1989)

陰山地區(qū)堿性巖中的淺色礦物堿性長石為鉀長石和鈉長石。鉀長石廣泛出現(xiàn)在各個巖體中，含量可達80%。而鈉長石僅出現(xiàn)在北帶巖體中，含量可達15%(閻國翰等,2001b)。在顯微鏡下，南帶包頭東和涼城巖體中的鉀長石為卡氏雙晶發(fā)育的正長石，北帶黃合少和古城巖體則以格子雙晶發(fā)育的微斜長石為主，有少量條紋長石。根據(jù)X光粉晶衍射數(shù)據(jù)，計算出南帶巖體的鉀長石有序度為0.01～0.06，明顯低于北帶巖體鉀長石的有序度(0.26～0.89)，可能反映出南帶的堿性巖比北帶有較高的結晶溫度(閻國翰等,2001b)。最新的研究在礬山雜巖體中發(fā)現(xiàn)了含鋇和鍶的鉀長石(鋇冰長石和鍶鋇冰長石)，指示巖漿晚期鍶、鋇含量的明顯提高，推測早中生代作為巖漿源區(qū)的巖石圈地幔有不斷富集的趨勢(牟保磊等,2013)。

圖5　富堿侵入體的微量元素原始地幔標準化圖解(標準化值據(jù)McDonough and Sun,1995)Fig.5　Primitive mantle-normalized trace-element diagrams for the alkali-rich intrusives (normalization values after McDonough and Sun,1995)

圖6　富堿侵入體的Sr-Nd-Pb同位素變化特征MORB和大洋沉積物據(jù)Hofmann,2003;其他數(shù)據(jù)據(jù)牟保磊和閻國翰,1992; 閻國翰等,2000; 牟保磊等,2001; Pb同位素底圖據(jù)Tang et al.,2006Fig.6　The diagrams showing the variations of Sr-Nd isotopes (a),εNd(t)-age (Ma) (b),Pb isotopes (c) and (d) for the alkali-rich intrusive rocks

在巖石化學組成上，陰山及鄰區(qū)的三疊紀富堿侵入巖幾乎全部落入堿性系列的范圍內，但其組成變化范圍很大(圖2)，從輝石巖-堿玄巖-二長巖-正長巖到花崗巖呈連續(xù)變化(SiO2含量從35%增加到70%)，主要組成元素之間顯示出規(guī)律性的變化：TiO2、Fe2O3、CaO、P2O5和MgO與SiO2之間呈負相關性，Al2O3與SiO2呈正相關性。大多數(shù)正長巖位于超鉀質系列和橄欖玄粗巖系列，礬山雜巖的K2O和Na2O變化范圍非常大，少數(shù)位于鈣堿性系列范圍內(圖3)。相比之下，四子王旗和察哈爾地區(qū)的正長巖具有較高的SiO2和Al2O3含量，較低的TiO2、Fe2O3和MgO，這可能反映了它們是地幔源區(qū)物質較高程度部分熔融的產(chǎn)物(Tangetal.,2006)，而且經(jīng)歷了相對較大程度的輝石、橄欖巖和角閃石的分離結晶作用(見下文)。絕大多數(shù)正長巖具有很低的MgO含量，落在了板片熔融實驗(1～4GPa)所產(chǎn)生的熔體范圍之內(圖2)，部分樣品具有相對較高的MgO含量和Mg#，落在了來源于大洋板片熔融所產(chǎn)生的埃達克巖范圍內，說明這些巖石的形成可能與再循環(huán)的俯沖板片熔融有關(Tangetal.,2013)。輝石巖的母巖漿則主要來源于地幔物質的部分熔融。

研究區(qū)所有樣品均顯示出輕稀土元素富集的特征(圖4)，與OIB的稀土元素配分形式相似，但是，北帶四子王旗和察哈爾地區(qū)正長巖的稀土元素含量明顯偏低(位于OIB配分曲線之下)。個別樣品顯示輕微的Eu異常，盡管同一巖體中不同巖石的稀土元素含量不同，但其配分模式大致平行，這些特征暗示它們?yōu)橥磶r漿演化的產(chǎn)物(閻國翰等,2001b)。在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5)，絕大多數(shù)樣品顯示出明顯的大離子親石元素(如Ba、K和Sr)富集、高場強元素(Nb、Ta、Ti)、Th、U和P的虧損。這些特征暗示富堿侵入巖的地幔源區(qū)曾經(jīng)歷了再循環(huán)的地殼物質的改造作用(閻國翰等,2001b; Tangetal.,2013)，這與其MgO和SiO2含量變化所反映的地幔源區(qū)特征相一致(圖2)。

3　同位素地球化學特征

目前的同位素數(shù)據(jù)較少，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)可知，陰山及鄰區(qū)三疊紀富堿侵入巖具有富集的Sr-Nd同位素組成特征，其εNd(t)值從大約-17變化到大約-3(圖6a)，(87Sr/86Sr)i比值從0.7054變化到0.7092，多數(shù)數(shù)據(jù)點落在了大洋沉積物的范圍內，顯示出II型富集地幔參與的特征，即這些正長巖的原始巖漿主要來源于富集的巖石圈地幔(閻國翰等,2000; 牟保磊等,2001)。四子王旗正長巖具有最低的εNd(t)值(-17)，表明下地殼物質的貢獻較大，這與其鉀長石的Pb同位素組成特征相一致(閻國翰等,2001b)。

現(xiàn)有的Pb同位素數(shù)據(jù)也表明在研究區(qū)富堿侵入巖的巖漿形成過程中有大洋物質的參與(圖6c,d)。從εNd(t)值與侵入巖形成年齡的相關性變化(圖6b)可以看出，隨著形成年齡的減小，下地殼物質的貢獻在增加。由于數(shù)據(jù)較少，目前只能獲得非常初步的認識，因此，相應的年代學和同位素地球化學工作有待加強，以便獲得較為準確的信息，進而為揭示堿性巖漿的形成機制、巖漿活動的時空分布規(guī)律和巖石圈演化過程提供依據(jù)。

4　巖石成因意義

根據(jù)上述總結可知，陰山及鄰區(qū)的三疊紀富堿侵入巖主要來源于富集的巖石圈地幔，并有或多或少的下地殼物質的貢獻。根據(jù)微量元素Ba和Nb的判別圖(圖7a)，該區(qū)富堿侵入巖的母巖漿在上升過程中經(jīng)歷了小程度的地殼物質同化混染作用；根據(jù)巖石中相容元素Cr和Ni含量的變化關系(圖7b)可以看出，在巖漿演化的過程中有大量的單斜輝石、角閃石和橄欖石的分離結晶。不相容元素La和Yb的相關性變化(圖7c)表明，四子王旗和察哈爾地區(qū)的富堿侵入巖可能是地幔源區(qū)物質經(jīng)歷較高程度部分熔融的產(chǎn)物，而且經(jīng)歷了較大程度的單斜輝石和角閃石的分離結晶作用(圖7b)，相比之下，涼城、包頭、礬山和陽原富堿侵入巖則為源區(qū)物質較低程度部分熔融的產(chǎn)物，在La/Nb和Ba/Nb判別圖上，后者明顯具有島弧熔巖的特征(圖7d)，這與其主量元素(圖2)和同位素組成特征相一致(圖6)，即在巖漿形成過程中有來源于俯沖的大洋板片物質的貢獻。

圖7　富堿侵入體的微量元素變化特征(底圖據(jù)Yang et al.,2005; Tang et al.,2013)Fig.7　The variations of selected trace elements for the alkali-rich intrusive rocks (base map after Yang et al.,2005; Tang et al.,2013)

綜述所述，陰山及鄰區(qū)的三疊紀富堿侵入巖主要來源于富集的巖石圈地幔的部分熔融，該富集的巖石圈地幔是由于俯沖的大洋板片熔融所釋放的熔體/流體交代而形成的。這說明華北北緣(陰山及東邊鄰區(qū))的巖石圈地幔經(jīng)歷了俯沖的大洋板片物質的交代作用，該事件可能與古生代以來古亞洲洋的閉合密切相關。前人關于華北北緣中生代高鎂安山巖和侵入巖的成因(Zhangetal.,2003,2004)、新生代玄武巖攜帶的輝石巖捕虜體(Xu,2002)和地幔橄欖巖捕虜體(Tangetal.,2007; Liuetal.,2010; Zhangetal.,2012)的研究均表明再循環(huán)的俯沖洋殼對華北北緣巖石圈地幔的改造作用。研究區(qū)三疊紀富堿侵入巖的形成所指示的拉張環(huán)境則意味著古亞洲洋的最終閉合以及華北與蒙古陸塊俯沖/碰撞作用的結束。

5　結束語

目前對陰山及其鄰區(qū)三疊紀富堿侵入巖的年代學和巖石地球化學的研究程度不高?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明，該區(qū)三疊紀富堿侵入巖的形成年齡為268～190Ma，由于絕大多數(shù)年齡數(shù)據(jù)為Rb-Sr等時線、Sm-Nd等時線或K-Ar同位素年齡，年齡數(shù)據(jù)偏少，而且存在同一巖體的測定結果不一致的現(xiàn)象，還有一些巖體至今尚無年齡制約。由于精確的年齡測定對于探討巖石成因、巖漿活動的時空分布規(guī)律和巖石圈演化過程都具有至關重要的作用，因此有必要對該區(qū)的富堿侵入巖開展進一步的定年工作。

該區(qū)三疊紀富堿侵入巖的地球化學特征表明，它們主要起源于經(jīng)過俯沖的大洋板片熔融所釋放的熔體/流體交代的富集型巖石圈地幔，并有不同程度的下地殼物質的參與。這些侵入巖的形成很可能標志著古亞洲洋的閉合和華北-蒙古陸塊碰撞作用的結束。但不同巖體的形成年齡、巖石學和地球化學特征上的差異及其深部動力學背景仍需要進一步的研究。

致謝衷心感謝兩位評審專家對文章的修改提出的建設性意見。

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