2013, Vol. 29
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 中国地质调查局天津地质矿产研究所, 天津 300170
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey, Tianjin 300170, China
八达岭花岗岩位于北京的北部，是中国东部具有代表性的岩体之一，可是研究程度并不高。从20世纪50年代初期，在池际尚教授的带领下，北京地质学院曾经对八达岭花岗岩作了开创性的研究。随后北京市地质局和北京地质研究所对八达岭花岗岩作了大量详细的区域地质和岩石学研究，取得了丰硕的成果(白志民等, 1991; 郁建华等, 1994)。
在21世纪初期，王焰和张旗(2001)、钱青(2001)、钱青等(2002)、Qian et al. (2003)发现八达岭花岗岩中有埃达克岩(或高Ba-Sr花岗岩)出露，但是，他们只对岩体进行了地球化学研究，而没有开展同位素定年工作，从而限制了对八达岭花岗岩成因和地球动力学背景的认识。Su et al. (2007)对薛家石梁杂岩体进行了详细的研究，根据锆石SHRIMP定年为132.8~123.3Ma，认为形成于早白垩世早期，并经历了岩浆混合作用和结晶分异作用形成的杂岩体，并讨论了岩浆源区，认为中国东部岩石圈减薄的机制是岩石圈的拆沉作用。汪洋(2009)考察了侵位于八达岭岩基中的白查岩体，认为白查岩体起源于华北克拉通下地壳铁镁质源岩在相对贫水、高温、低氧逸度条件下的低程度部分熔融，侵位年龄为127Ma的白查岩体的形成标志着燕山西段崩塌阶段的到来。
本文通过对八达岭花岗杂岩详细的野外调查、室内的薄片鉴定、地球化学分析及精确的年代学工作，发现八达岭花岗岩存在不同时代不同类型的花岗岩，并初步探讨了其地球动力学意义。
1 地质概况八达岭花岗杂岩是指出露于北京以北，八达岭至长园一带，长约90km，宽约10~20km，出露面积约540km2，总体呈北东向带状展布，是燕山期多期次岩浆侵入活动的典型代表。现已查明，八达岭花岗岩由121个侵入体组成，并区分为8个超单元(白志民等, 1991; 郁建华等, 1994)。八达岭花岗杂岩主要是由辉长岩、闪长岩、石英二长岩、二长闪长岩、二长花岗岩、花岗岩、碱性花岗岩和石英正长岩等组成的一个复式岩基(图 1)。出露地层主要为中、上元古界地层，零星分布太古界，下古生界，中生界，新生界地层。
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图 1 北京八达岭花岗杂岩地质略图(据郁建华等, 1994) Fig. 1 Sketch geological map of granitoid rocks in Badaling area, Beijing (after Yu et al., 1994) |
本次研究对八达岭岩基中的黄花城、分水岭、铁炉子岩体作了详细的研究(图 1)。各岩体主要岩相学特征如下：
黄花城岩体主要由红色中粗粒似斑状花岗岩(图 2a, b)组成，具似斑状结构，斜长石发育环带结构，主要造岩矿物为斜长石30%~35%、钾长石35~45%、石英20%~27%，暗色矿物以黑云母为主3%~5%，副矿物有锆石、磁铁矿等。分水岭岩体主要为灰色中粒花岗岩(图 2c, d)，块状构造，主要矿物斜长石25%~34%、钾长石35%~40%、黑云母3%~9%、石英22%~30%，部分黑云母蚀变为绿泥石。铁炉子岩体主要为灰色中粒二长花岗岩(图 2e, f)，块状构造，主要矿物斜长石27~38%、钾长石28%~35%、石英15%~20%，黑云母和白云母15%左右，副矿物有锆石、磷灰石、磁铁矿等。
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图 2 样品野外照片及显微照片 Fig. 2 Field photo and micro photo of samples |
锆石单矿物分离在河北省区域地质调查研究所完成，首先清洗样品表面以防外界的杂质污染，然后将样品粉碎，进行重选和电磁选后再双目镜下挑选锆石。然后将待测锆石制靶、打磨抛光和照相。首先，将锆石排列在载玻片的双面胶上，放上PVC杯，然后将环氧树脂和固化剂进行充分混合后注入PVC杯，待树脂充分固化后将样品座从载玻片上剥离，并对其进行抛光，抛光后进行反射光和透射光照相，再在表面镀金，然后进行阴极发光(CL)照相，查明锆石内部结构和表面裂隙的分布情况，确保上机实验时挑选合适的区域。锆石透射光和反射光观察与照相，阴极发光(CL)照相在中国地质调查局天津地质矿产研究所完成。
锆石U-Pb同位素分析在中国地质调查局天津地质矿产研究所同位素实验室完成。使用仪器为Neptune多接受电感耦合等离子体质谱仪和193nm激光取样系统(LA-MC-ICP-MS)。样品测试时的激光束斑直径为30μm，能量密度为13~14J/cm2，频率为8Hz。激光剥蚀物质以He为载气送入Neptune，利用动态变焦扩大色散同时接受质量数相差很大的U-Pb同位素，从而进行锆石U-Pb同位素原位测定。本文测试使用的标准锆石为TEMORA (GJ-1)作为外部锆石年龄标样，利用NIST610玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量，采用208Pb对普通铅进行校正。年龄数据计算处理采用国际标准程序Isoplot。
锆石形态大多自形，少见残留核部发育，锆石大小长约100~300μm，宽约50~150μm，长宽比值1~2，CL图像中可见锆石内部显示典型的岩浆震荡环带结构，DB104样品由于U、Pb含量高图像偏暗，锆石的Th/U比值为0.35~2.60，为典型的岩浆锆石。
如图 3所示，为各样品锆石的阴极发光图像、206Pb/238U表面年龄测试结果和它们的年龄谐和曲线，具体数据见表 1。测试结果表明，三个岩体的年龄不同：铁炉子二长花岗岩的侵位年龄为137±1.2Ma，黄花城似斑状花岗岩的侵位年龄为133±1.3Ma，分水岭花岗岩的侵位年龄为128.5±1.2Ma。
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表 1 八达岭花岗杂岩锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb分析结果 Table 1 LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb data of Badaling granitoid complex |
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图 3 锆石的阴极发光图像、测点位置及谐和曲线 Fig. 3 CL images, testing point locations and U-Pb concordia diagrams of the zircon |
样品为新鲜的花岗岩样品，样品加工在无污染的设备中进行，主量、微量和稀土元素分析在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。本文分析了八达岭6件岩浆岩样品的主量元素、微量元素和稀土元素，分析结果见表 2。三个花岗岩均富钾，主要落入高钾钙碱性系列(图 4a)，大多是准铝质岩石，少数过铝质岩石。十分有意义的是，三个侵入体的地球化学特征不同，分属于3种不同的花岗岩类型(图 4b、图 5)。铁炉子二长花岗岩富Sr贫Yb (Sr=312.6×10-6，Yb=0.98×10-6)，属于埃达克型花岗岩。黄花城似斑状花岗岩具低Sr低Yb (Sr=193×10-6，Yb=1.43×10-6)的特征，为喜马拉雅型花岗岩。分水岭花岗岩Sr含量很低(Sr=10.2×10-6)，贫铝(Al2O3=13.66%)，Yb=0.98×10-6，REE具明显的负铕异常(Eu/Eu*=0.32)，属于南岭型花岗岩。
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表 2 样品的主量(wt%)、微量和稀土元素(×10-6)含量 Table 2 Major (wt%), trace and rare earth (×10-6) elements contents of the samples |
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图 4 八达岭花岗杂岩的SiO2-K2O图(a)和Sr-Yb图(b) 资料来源：五角星-本文；正方形-王焰和张旗(2001)；圆形-钱青等(2002)；空心三角形-汪洋(2009)；实心三角形-Su et al. (2007).图 4b的界线据张旗等(2010) Fig. 4 SiO2-K2O (a) and Sr-Yb (b) diagrams of Badaling granitoid complex |
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图 5 稀土元素球粒陨石标准化配分型式图(标准化值据Boynton, 1984)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 5 Chondrite-normalized REE distributions patterns (normalization values after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized spider diagrams (normalization values after Sun and McDonough, 1989) for trace elements |
一个大花岗岩体或岩基往往是由许多不同时代的花岗岩体组成的，它们之间的关系是一个值得关注的问题。张旗等(2006)根据花岗岩与其残留相的关系将其划分为4类，它们主要体现在Sr-Yb含量变化上以及REE的分布型式上(张旗等, 2010)，分别是高Sr低Yb的埃达克型花岗岩，残留相为石榴石+金红石，压力通常 > 1.5GPa；低Sr和Yb的喜马拉雅型花岗岩，残留相为斜长石+石榴石，压力大约在1.0~1.5GPa；低Sr高Yb的浙闽型花岗岩(相当于岛弧安山岩-英安岩-流纹岩组合)，残留相为斜长石+角闪石，压力 < 1.0GPa；Sr含量非常低和Yb含量较高的南岭型花岗岩(相当于A型花岗岩)，残留相为斜方辉石+高钙斜长石，压力 < 0.8GPa (张旗等，2008a)。
本文的三类花岗岩，铁炉子二长花岗岩属于埃达克型花岗岩，黄花城似斑状花岗岩属于喜马拉雅型花岗岩，分水岭花岗岩属于南岭型花岗岩。笔者通过研究和对比，下面着重讨论一下埃达克岩和南岭型花岗岩形成的压力问题。
5.1 埃达克岩形成的压力埃达克岩是不是在高压下形成的，学术界有不同的认识。埃达克岩是Defant and Drummond (1990)提出来的，他们认为俯冲洋壳熔融产生的埃达克/TTG的形成深度为70~90km，这是根据角闪岩向榴辉岩过渡过程中角闪石脱水熔融的压力上限2.2~2.5GPa确定的。埃达克岩独特的微量元素特征提供了其源区矿物学和形成条件的最好限制。俯冲洋壳熔融产生的埃达克/TTG岩石与MORB相比具有高Sr，低HREE以及负Nb-Ta异常(图 5d)。普遍认为具有高HREE分配系数的石榴石是其岩浆产生时一个必要的残留相，而具有高Sr和Eu分配系数的斜长石在残留体中是微量或不存在的；俯冲洋壳MORB没有负Nb-Ta异常，实验(Xiong et al., 2005)表明金红石是残留相之一，可以解释TTG/埃达克岩的负Nb-Ta异常。最近Nair和Chacko (2008)的实验和HREE模拟计算表明，残留石榴子石含量能指示埃达克/TTG岩浆产生深度，熔融深度大于48km才能产生足够的残留石榴子石( > 20%)导致TTG岩浆的HREE亏损程度或高La/Yb比值，这一实验限定的深度与Xiong et al. (2005)由金红石稳定的压力限定的最小深度( > 50km)基本一致。
据熊小林等(2011)研究，埃达克岩的Nb/La比值总体比下地壳岩石低，下地壳岩石Nb/La界于0.2~1.0之间，平均0.60，而埃达克岩界于0.1~0.5之间，平均0.20。八达岭埃达克型花岗岩12件样品的Nb/La比值平均为0.27，与熊小林等(2011)得出的华北埃达克岩平均0.2一致，表明八达岭埃达克岩的负Nb异常总体比下地壳岩石要显著，可能与源区残留相有金红石出现有关，指示在133Ma时华北北缘地壳厚度应当超过50km。熊小林等(2011)指出，大别地区大部分埃达克岩La/Yb > 50，Nb/La < 0.2，指示该区地壳厚度最大，可能大大超过50km。八达岭埃达克岩平均的La/Yb=48，Nb/La=0.27，略高于大别地区，说明地壳厚度应当 > 50km。有学者(He et al., 2011; Wang et al., 2013)认为大别地区高Sr/Y花岗岩具有的高Sr和Sr/Ca，高(Dy/Yb)N，(La/Yb)N和Nb/Ta以及Sr/Y，(Dy/Yb)N，(La/Yb)N和Nb/Ta之间明显的正相关关系的地球化学特征可以用来区分加厚下地壳部分熔融形成的高Sr/Y花岗岩。
5.2 A型花岗岩形成的压力对于A型花岗岩形成的压力有不同的认识，但是，大多数学者认为A型花岗岩形成在构造伸展的环境(Loiselle and Wones, 1979; Eby, 1992)。实验研究表明，A型花岗岩可能是在低压下形成的( PatiñoDouce, 1997; Anderson and Bender, 1989; Breiter, 2012)。 PatiñoDouce (1997)的实验在压力为8kb时，残留相为单斜辉石，脱水熔融形成的花岗岩类似A型花岗岩的特征；而在更低的压力下( < 4kb)，残留相为斜长石+斜方辉石时，形成的花岗岩更具有A型花岗岩的典型特征。他认为，过分强调A型花岗岩源区物质的组分有所偏颇，而熔融过程中压力与源区物质组分具有同等重要的作用，提出同一种源岩组分更容易在相对低压条件下熔融生成富硅准铝质的A型花岗岩，即A型花岗岩岩浆更易于产出于地壳浅部。
贾小辉等(2009)总结了A型花岗岩的若干实验研究成果，实验大多是在低压下进行的，在大多数情况下压力可能低于8kb ( PatiñoDouce, 1997; Creaser et al., 1991; Skjerlie and Johnston, 1992, 1993; Anderson, 1983; Clemens et al., 1986; Dall′Agnol et al., 1999; Klimm et al., 2003; Scaillet and Macdonald, 2001, 2003)。大部分熔融实验留下的残留相为斜长石+斜方辉石(Litvinovsky et al., 2000; PatiñoDouce, 1997; Skjerlie and Johnston, 1992, 1993)。典型的脱水熔融方程式可以简化为：黑云母+ Ca (来自斜长石)+石英=斜方辉石+斜长石+副矿物+熔体。这些矿物相的残留使得熔体亏损Al2O3、Na2O、CaO、Sr、Eu及Ga/Al值。Ga/Al值受控于斜长石，MgO及Fe/Mg值受控于斜方辉石，高场强元素主要受控于一些副矿物。实验研究印证了斜方辉石相在A型花岗岩的成因中的重要作用(Rutter and Wyllie, 1988; PatiñoDouce, 1997; Skjerlie and Johnston, 1992, 1993; 贾小辉等, 2009)。
通常认为，A型花岗岩形成在地壳减薄环境，出现在碰撞后(造山后)和板内构造背景。地壳拉张减薄的构造背景下可能同时满足形成A型花岗岩所必须的低压、相对贫水和高温等物理化学条件。原因是由于地壳减薄导致的地幔上涌带来的热使下地壳发生了部分熔融，在减薄的背景下，不论源岩是基性岩、中酸性岩还是沉积岩，只要能够发生部分熔融，形成的花岗岩即为A型花岗岩。因此，A型花岗岩的形成可能只与压力有关，与源岩无关。由于A型花岗岩无水，因此，还需要高温的条件。在下地壳底部最具备这种高温条件，因此，A型花岗岩是减薄的地壳部分熔融的产物。典型的A型花岗岩即张旗命名的南岭型花岗岩。八达岭岩基中已经多处发现A型花岗岩，如本文的分水岭、白查、薛家石梁等(汪洋, 2009; Su et al., 2007)，代表地壳厚度减薄的产物。
5.3 八达岭花岗岩的地球动力学意义八达岭花岗岩位于中国东部，在华北克拉通的北缘。中国东部中生代的科学问题很多，如大规模的岩浆活动和大规模成矿作用，岩石圈减薄，大陆深俯冲，华北克拉通破坏以及中国东部高原等。许多学者对这些问题作了很有意义的探讨(Menzies et al., 1993; Griffin et al., 1998; Xu, 2001; Gao et al., 2002; 任纪舜等, 1990; 邓晋福等, 1996, 2006; 董树文等, 2000; 张旗等, 2001a, 2008a, b)。其中华北克拉通破坏和中国东部高原是两个争论的热点问题。许多人认为，华北克拉通破坏是在侏罗-白垩纪时期发生的，与华北大规模岩浆活动的时间一致(吴福元等, 2000; Wu et al., 2005; Deng et al., 2004; 翟明国等, 2003)。中国东部高原也与大规模岩浆活动有关。中国东部高原是张旗等(2001a)提出来的，一经提出就引发了激烈的争论，有的学者持赞成的态度，有的持反对意见(详见张旗等，2008b及其所附的参考文献)。笔者认为，中国东部高原是一个新提出来的问题，还有许多科学问题需进一步研究。
八达岭花岗杂岩位于华北克拉通的北缘，该区最近还报道了许多埃达克岩的出露，如刘翠等(2004)报道的云蒙山二长花岗岩，其SHRIMP年龄是145Ma，与Davis et al. (1996)报道的锆石U-Pb年龄(141~143Ma)一致。北京房山埃达克岩是134~136Ma，与八达岭花岗岩大体同时(Yan et al., 2010)。冀西木吉村斑岩的时代为143±2Ma (L)，斑岩铜矿的时代为142.5±1.4Ma (Re) (Gao et al., 2012a)；木吉村周边的髫髻山组英安岩的时代为145Ma (Gao et al., 2012b)。华北北缘时代较新的埃达克岩有赤峰地区对面沟花岗岩(128Ma, Fu et al., 2012)，涞源花岗岩(126Ma, SHRIMP法, 陈斌等, 2005)。山西中生代岩浆岩分布零星，发表的资料较少，可能属于埃达克岩的有弧堰山碱性花岗岩(130±2.3Ma)和二峰山碱性花岗岩(134~128Ma, Ying et al., 2011)以及晋南运城地区的3个小花岗岩株(139~141Ma，张旗未发表的资料)。
华北北缘还有一些非埃达克岩分布，它们大多位于上述埃达克岩分布区以北，主要是张家口组流纹岩和英安岩以及一些偏碱性的花岗岩。如汪洋和程素华(2010)报道的张家口地区的张家口组的时代在143~136Ma之间，与八达岭-云蒙山地区的花岗岩大体是同时代的，地球化学研究认为属于A型花岗岩。张振强(2007)报道的河北沽源-多伦地区的张家口组含铀火山岩，资料不是很完整，但是，根据REE资料出现强烈的负铕异常推测可能是南岭型的。沈光银和薛清波(2011)研究了沽源张家口组次流纹斑岩，他们给出的时代是131Ma (K-Ar法)，只有REE资料，也可能是南岭型的。李创举和包志伟(2012)报道的冀西北东坪金矿东侧北栅子碱性花岗岩的侵位年龄为130±1.5Ma，地球化学特征大体类似浙闽型的特征。此外，邵济安等(2003)报道的冀北张家口组火山岩也具有南岭型和浙闽型的特征。总之，北京以北和河北北部的张家口组火山岩及早白垩世的花岗岩大多具有浙闽型和南岭型的特征，代表正常地壳和较薄的地壳厚度。
张旗等(2001a, b)提出在中国的华北东部可能存在一个中国东部高原，其时代大概是从165Ma至130Ma或125Ma。高原是125Ma以后垮塌的。中国东部高原的北界在张家口-赤峰-沈阳一带。
八达岭花岗岩位于中国东部高原的偏北部。八达岭花岗岩属于高钾钙碱性系列(图 4a)，推测部分熔融的源岩可能为下地壳底部变质的中基性含角闪石榴辉岩。137Ma的埃达克型花岗岩指示在137Ma以前，高原可能已经存在了，高原地壳厚度 > 50km。133Ma的喜马拉雅型花岗岩指示的地壳厚度在40~50km范围，与137Ma相比，地壳厚度降低了，可能是高原开始垮塌的信号。至于128Ma的南岭型花岗岩，则代表了减薄的地壳，可以解释为高原已经垮塌的信息。早先认为高原垮塌在125~130Ma范围，我们的资料表明为128Ma，Deng et al. (2004)研究了八达岭花岗岩中的白查A型花岗岩，其时代为127Ma (SHRIMP方法)，Su et al. (2007)研究了八达岭花岗岩中的薛家石梁杂岩，其中的花岗岩也具有南岭型特征，其时代为123.7Ma (SHRIMP方法)，与我们的结果可以对比。我们推测，高原的垮塌可能在133Ma之后和128Ma之前，可能在130Ma左右，高原垮塌的过程见图 6。
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图 6 中国东部高原北部随时间演化图 绿色圆代表本文结果；红色圆代表白查岩体(据Deng et al., 2004)；蓝色圆代表薛家石梁杂岩中的花岗岩(据Su et al., 2007) Fig. 6 The evolution of the northern East China Plateau |
(1)八达岭花岗杂岩出露面积大，是由不同时代和不同岩性的花岗岩类岩石组成的。本次研究发现八达岭岩体存在有三种类型的花岗岩：铁炉子埃达克型的二长花岗岩(137Ma)，黄花城喜马拉雅型似斑状花岗岩(133Ma)和分水岭南岭型花岗岩(128Ma)。
(2)关于埃达克型花岗岩、喜马拉雅型花岗岩和南岭型花岗岩的形成条件、构造背景及成因学术界存在争论，本文根据花岗岩的地球化学资料认为，埃达克岩代表地壳加厚的产物，南岭型花岗岩(A型花岗岩)代表了地壳减薄的产物。于是，埃达克岩的出现应当反映八达岭地区地壳加厚了，属于高原(或山脉)范围。喜马拉雅型花岗岩地壳厚度比埃达克岩薄一些，可能预示地壳开始减薄了，可能是高原开始垮塌的信号。而南岭型花岗岩代表减薄的地壳，表明高原已经消失了。
(3)综合华北北缘早白垩世中酸性岩浆岩的资料，本文认为，在华北北缘地壳加厚的范围可能在北京以北至赤峰一带，张家口至沽源一带的地壳厚度很低，大体相当于正常地壳厚度或更薄。
(4)华北北缘埃达克岩主要是165~130Ma期间的，个别地方可以持续到127Ma (赤峰对面沟)和126Ma (涞源)。在埃达克岩分布区，南岭型花岗岩出现的最早时间是128Ma，一直持续到117Ma，代表地壳减薄的时间。看来，128~126Ma可能是华北北缘地壳减薄的时间。八达岭地区地壳可能比较早即开始减薄，涞源地区地壳减薄可能晚一些。
本文的认识是根据我们的研究成果和周边地区的研究成果对比得出来的，由于资料的不足，不同方法得出的年龄数据可能还存在一些差别，因此，还有许多问题需要今后继续深入研究。
致谢 诚挚的感谢审稿专家提供的宝贵意见和建议，使笔者受益匪浅；也感谢中国地质调查局天津地质矿产研究所同位素实验室全体人员在实验过程中给予的帮助和支持。| [] | Anderson JL. 1983. Proterozoic anorogenic granite plutonism of North America. In: Medaris LG Jr, Byers CW, Mickelson DM and Shanks WC (eds.). Proterozoic Geology: Selected Papers from an International Proterozoic Symposium. Geological Society of America, Memoir, 161: 133-152 |
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