2020, Vol. 36
2. 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049;
3. 西北大学地质学系, 大陆动力学国家重点实验室, 西安 710069
2. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwestern University, Xi'an 710069, China
作为地球上稳定的古老陆块之一，华北克拉通东部在中生代时期经历了重要的岩石圈减薄与克拉通破坏过程(朱日祥等, 2012)。中生代火成岩，特别是花岗岩在华北克拉通东部地区广泛分布，它们是华北克拉通破坏过程中的重要地质响应，记录了地球深部物质交换与区域地质演化的许多证据。已有的大量年代学研究资料显示，华北克拉通中生代岩浆岩主要形成于晚三叠世、侏罗纪和早白垩世三个时代。其中，晚三叠世、早白垩世岩浆岩受到广泛关注，它们被认为分别记录了华北克拉通破坏起始与峰期的时间(Zhang et al., 2014)。相比而言，侏罗纪的岩石在华北克拉通相对较少，已经识别出来的岩石主要集中在中-晚侏罗世时期(杨进辉等, 2007)。其中，早侏罗世岩石在华北普遍较为稀少，因此对这一时期的深部过程及其与克拉通破坏的联系，研究也十分有限。
冀东地区位于华北克拉通东部陆块，沿马兰峪背斜核部一带出露了大量的中生代侵入体，但对其年代学研究及不同时代岩体之间的成因联系，研究程度仍相对有限，对一些岩体的形成时代认识也很不足(马君, 2009; 杨付领等, 2015)。在对区域中生代岩浆岩开展系统研究的过程中，本文发现早侏罗世岩体在这一区域十分发育。这为我们探讨早侏罗世岩浆岩的成因以及与之相关的深部过程，提供了十分良好的地质素材。为此，本文以冀东青龙地区肖营子岩基内识别出的早侏罗世岩石为例，结合区域前人已有研究资料，对华北早侏罗世侵入岩进行系统研究，以揭示其成因，并探索其与克拉通破坏的关系。
1 区域地质背景华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，由早太古代至早元古代的结晶基底和覆盖其上的沉积盖层组成。中生代时期，华北克拉通东部地区经历了广泛的构造-热事件，与之伴随的是岩石圈的减薄与克拉通的破坏，克拉通的破坏在早白垩世达到顶峰(吴福元等, 2008; 朱日祥等, 2012; Zhang et al., 2014)。
冀东青龙地区位于华北克拉通东部，区内中生代岩浆活动强烈(罗镇宽等, 2001; 陆继龙等, 2012; 叶浩等, 2014; 徐希阳等, 2016; Fan et al., 2017; 熊乐等, 2017)，形成了诸如都山、柏杖子、肖营子、青山口、罗文峪、贾家山、牛心山、峪耳崖、碾子峪等许许多多的侵入岩(图 1)。肖营子岩基是区域上较大的一个侵入体，它位于冀东青龙县南部肖营子镇一带，呈不规则椭圆状，北东向展布，出露面积大约有230km2。肖营子岩基的围岩为太古宙变质岩系和中元古代高于庄组地层(图 1)。前人曾将肖营子岩基视为同一时代的产物，并根据不同的测年结果解释将其置于侏罗纪的不同时代(马君, 2009; 杨付岭等, 2015; 尹业长等, 2018)。我们近年来的详细研究发现，它实际上至少由中侏罗世的白家店、早侏罗世的蛇盘兔两部分构成。本文将对研究区早侏罗世的蛇盘兔单元进行详细报道。蛇盘兔岩体位于岩基北东部位，出露面积约170km2，主体岩石为碱长花岗岩，其次为石英斑岩、正长花岗岩等(图 2)。在其内部，还伴生出现了规模较小(~3km2)的龙须门闪长岩岩体(图 1、图 2)。蛇盘兔碱长花岗岩主要由石英(40%)、钾长石(35%)、斜长石(20%)组成，副矿物有磁铁矿、榍石等(图 3)。花岗斑岩的矿物组合为黑云母(~5%)+石英(30%)+斜长石(20%)+钾长石(40%)，副矿物有磁铁矿、锆石、榍石等(图 3)。龙须门闪长岩显示出半自形粒状结构，矿物组合为黑云母(~10%)、石英(~10%)、角闪石(20%~30%)、斜长石(50%~60%)，副矿物有磁铁矿、榍石、锆石和磷灰石，电子探针分析显示其斜长石类型为中长石(图 3)。本文对早侏罗世蛇盘兔花岗岩与龙须门闪长岩进行了采样，采样位置详见图 1；并开展了详细的年代学、岩石学和地球化学研究。
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图 1 华北克拉通及研究区示意图(a)、冀东地区侵入体分布图(b)及冀东青龙地区区域地质简图(c) (据Fan et al., 2017修改) Fig. 1 Sketch map of North China Craton and research area (a), sketch map showing distribution of intrusions in the eastern Hebei Province (b) and simplified geological map of Qinglong area, eastern Hebei Province (c) (modified after Fan et al., 2017) |
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图 2 冀东地区蛇盘兔与龙须门岩体野外照片 Fig. 2 Field photographs of Shepantu and Longxumen intrusions of eastern Hebei Province |
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图 3 冀东地区蛇盘兔与龙须门岩石显微照片 Qtz-石英；Kfs-钾长石；Pl-斜长石；Amp-角闪石；Bt-黑云母；Mt-磁铁矿；Sph-榍石 Fig. 3 Microscopical photographs of Shepantu and Longxumen intrusions of eastern Hebei Province Qtz-quartz; Kfs-K-feldspar; Pl-plagioclase; Amp-amphibole; Bt-biotite; Mt-magnetite; Sph-sphene |
锆石单矿物在河北廊坊物化探实验室分选完成，锆石制靶及阴极发光图像拍摄在中国科学院地质与地球物理研究所进行。锆石U-Pb年龄分析在中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室完成，所用仪器为CAMECA IMS-1280二次离子质谱仪。
U-Pb年龄详细分析方法见Li et al. (2009)。U-Th-Pb同位素比值用标准锆石Plésovice校正获得，U含量采用标准锆石91500校正获得，以长期监测标准样品获得的标准偏差和单点测试内部精度共同传递得到样品单点误差，以标准样品Qinghu作为未知样监测数据的精确度。普通Pb校正采用实测204Pb值。单点分析的同位素比值及年龄误差均为1σ；加权平均值误差为2σ，U-Pb的加权平均年龄、谐和年龄误差在95%的置信区间内。数据结果处理采用Isoplot(ver.3.0)软件完成(Ludwig, 2003)。
2.2 锆石Hf同位素分析锆石原位Hf同位素测试在中国科学院地质与地球物理研究所多接收等离子体质谱仪实验室完成。分析时，所用仪器为装配有193nm激光剥蚀系统的Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪。采用He作为剥蚀物质载气，激光束斑直径为63μm，激光脉冲频率为8~10Hz，激光束的脉冲能量为100J。每个分析点的激光剥蚀时间26s，气体背景采集时间为30s，信号采集时间为30s。仪器的运行条件，详细的分析过程和数据处理见Wu et al. (2006)。分析过程中，用国际标样91500锆石为外标。数据结果计算中，衰减常量λLu取1.867×10-11y-1(Söderlund et al., 2004)，普通球粒陨石的176Hf/177Hf与176Lu/177Hf的比值以及现今的亏损地幔估计值分别为0.282772、0.0332和0.0384(Blichert-Toft and Albarède, 1997)。
2.3 全岩主微量元素分析主量元素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。首先称取0.5g样品粉末放入陶瓷坩埚中，在1100℃高温下灼烧，恒重后测定烧失量。然后将样品转移至玛瑙研钵中，加入5g Li2B4O7试剂，混合均匀后完全转移至铂金坩埚，滴入4滴发泡剂(NH4Br)，利用M4自动熔样机高温熔融，制成玻璃片上机测试。测试工作通过X-射线荧光光谱仪(AXIOS和RIX2100)完成。分析方法采用标准曲线法，岩石标样为GSR-1和GSR-3。样品的分析精度为~1%(含量>10%)和~10%(含量 < 1.0%)。微量元素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，所用仪器为Agilent 7500a ICP-MS，样品制备采用混合酸溶样法完成。数据分析的精确度优于10%，其中稀土元素的分析进度优于5%。
3 分析测试结果 3.1 锆石微区分析蛇盘兔花岗岩JN09114中的锆石为短柱状到长柱状，粒径在50~100μm，长宽比1:1~2:1，具有明显的岩浆锆石震荡环带(图 4)。U和Th平均含量分别为481×10-6和509×10-6，Th/U比值介于0.75~1.32之间(表 1)。15个分析点得到的年龄为192.0±2.4Ma(MSWD=2.3)，因此其形成于早侏罗世(图 5)。Hf同位素分析结果显示，其初始176Hf/177Hf值从0.282395到0.282470，εHf(t)值分布在-9.1~-6.5，平均地壳模式年龄tDMC集中分布于1632~1801 Ma(表 2)。
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图 4 冀东地区蛇盘兔与龙须门岩体锆石CL照片 红色虚线圈为定年分析点(年龄单位为Ma)；黄色实线圈为原位Hf同位素分析点 Fig. 4 Representative CL images of zircon from Shepantu and Longxumen intrusions of eastern Hebei Province The red dotted circles represent U-Pb dating analysis (unite: Ma); the yellow solid circles represent in-situ Hf isotope analysis |
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图 5 蛇盘兔花岗岩与龙须门闪长岩锆石U-Pb年龄谐和图 Fig. 5 Zircon SIMS U-Pb dating concordia diagrams for Shepantu granite and Longxumen diorite |
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表 1 冀东地区早侏罗世岩浆岩SIMS锆石U-Pb年龄 Table 1 SIMS zircon U-Pb ages of the Early Jurassic igneous rocks from eastern Hebei Province |
龙须门闪长岩JN09116中的锆石长柱状到不规则状，粒径在100~300μm，长宽比1:1~3:1，锆石振荡环带不明显(图 4)。U和Th平均含量分别为107×10-6和125×10-6，Th/U比值介于0.55~1.61之间(表 1)。19个分析点得到岩石的结晶年龄为190.5±1.3Ma(MSWD=0.61)，指示其同样形成于早侏罗世，且形成年龄与蛇盘兔岩体十分接近(图 5)。龙须门闪长岩锆石的初始176Hf/177Hf值分布于0.282437~0.282554，εHf(t)为-7.7~-3.5，略高于蛇盘兔花岗岩，tDMC集中分布在1445~1732 Ma(表 2)。
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表 2 冀东地区早侏罗世岩浆岩锆石原位Hf同位素组成 Table 2 The in-situ Hf isotopic compositions of zircons for the Early Jurassic igneous rocks from eastern Hebei Province |
蛇盘兔花岗岩和龙须门闪长岩的全岩主、微量元素含量分析结果见表 3、表 4。在TAS图解中，蛇盘兔岩体的样品全部落在了花岗岩的范围内，龙须门闪长岩则落在了二长闪长岩的区域(图 6a)。在K2O与SiO2含量投图中，二者主体落在了高钾钙碱性系列范围内(图 6b)。蛇盘兔花岗岩显示准铝质到弱过铝质的特征，而龙须门闪长岩样品则均落在了准铝质的范围内(图 6c)。主量元素组成来看，二者在表现出截然不同的特征：蛇盘兔花岗岩体样品显示出十分明显的高硅(72.1%~78.1%)、富碱(8.47%~9.42%)、低镁(0.05%~0.45%)、低铁(0.32%~2.30%)和低钙(0.25%~1.02%)等酸性岩浆岩的特征；而龙须门闪长岩表现出中性岩石所具有的低硅(50.7%~54.1%)、高镁(3.39%~3.54%)、高铁(8.56%~9.66%)和高钙(5.33%~6.23%)特征(图 7)。随着SiO2含量的增加，两类岩石自身的MgO、Fe2O3T、TiO2、CaO、Al2O3等氧化物含量逐渐降低，一些微量元素也显示出同步变化的特征(图 7)。
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图 6 冀东地区早侏罗世侵入岩地球化学分类图解 Fig. 6 Geochemical classification diagrams of Early Jurassic intrusions from eastern Hebei Province |
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图 7 冀东地区早侏罗世侵入岩Harker图解 Fig. 7 Harker diagrams of Early Jurassic intrusions from eastern Hebei Province |
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表 3 冀东地区早侏罗世岩浆岩全岩主量元素(wt%)分析结果 Table 3 Whole-rock major elements (wt%) of Early Jurassic igneous rocks from eastern Hebei Province |
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表 4 冀东地区早侏罗世岩浆岩全岩微量元素(×10-6)分析结果 Table 4 Whole-rock trace elements (×10-6) of Early Jurassic igneous rocks from eastern Hebei Province |
蛇盘兔花岗岩和龙须门闪长岩的稀土与微量元素组成明显不同(表 4、图 8、图 9)。稀土元素配分曲线显示，蛇盘兔花岗岩显示不同程度的中稀土元素(MREE)亏损，富集K、Rb但亏损Ba、Sr、P和Ti，具有不同程度的负铕异常(Eu/Eu*=0.18~0.58)，REE含量也有较大的变化。龙须门闪长岩显示出右倾的平滑稀土配分型式，富集LILEs(Rb、K、Sr和Ba)，亏损HFSE(Nb、Ta、Th和U)，无或仅显示轻微的铕正异常(Eu/Eu*=1.0~1.1)。
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图 8 冀东地区蛇盘兔花岗岩与龙须门闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(标准化值据Sun and McDonough, 1989) JD050据尹业长等(2018)，都山闪长岩据叶浩等(2014)，白家店闪长岩据Fan et al. (2017)；图 9数据来源同此图 Fig. 8 Chondrite-normalized rare earth elements diagram for the Shepantu granite and Longxumen diorite from eastern Hebei Province (normalization values after Sun and McDonough, 1989) JD050 from Yin et al. (2018), Dushan diorite from Ye et al. (2014), Baijiadian diorite from Fan et al. (2017), also in the Fig. 9 |
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图 9 冀东地区蛇盘兔花岗岩与龙须门闪长岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 9 Primitive mantle-normalized trace elements diagram for the Shepantu granite and Longxumen diorite from eastern Hebei Province (normalization values after Sun and McDonough, 1989) |
冀东地区中生代岩浆活动强烈，形成了晚三叠世、侏罗纪、早白垩世等不同时代的大量中酸性侵入岩。其中，已经识别出的早侏罗世岩体包括青山口花岗岩(199±2Ma; Miao et al., 2008)、罗文峪花岗岩(197±7.0Ma; 陆继龙等, 2012)、高家店岩体(199±1Ma; 尹业长等, 2018)。另外，在肖营子镇以西的四拨子-六拨子矿区，也发现有少量的早侏罗世小型侵入单元，例如老商家和五拨子花岗斑岩的锆石年龄分别为190±0.7Ma和196±0.8Ma(李强等, 2012)。本文进一步获得青龙地区的蛇盘兔花岗岩和龙须门闪长岩的锆石年龄分别为192.0±2.4Ma和190.5±1.3Ma，表明冀东地区早侏罗世是一重要的岩浆作用时期。
同时，蛇盘兔花岗岩和龙须门闪长岩的早侏罗世锆石年龄与它们之南白家店花岗岩的中侏罗世年龄(约170Ma)明显不同(Fan et al., 2017)，它们原来被当作统一的燕山期肖营子岩体，因此，肖营子岩体应为两个时代形成的复式岩体。
4.2 早侏罗世岩石成因如上所述，虽然在冀东地区通过锆石定年识别出多个早侏罗世岩体，但相关的地球化学资料还很不完整，除了少量的全岩主、微量元素外，同位素组成鲜有报道。已有资料显示，青山口、罗文峪花岗岩显示具有高硅(SiO2=69%~75%)、富碱(Na2O+K2O=8.3%~9.5%)、低镁(MgO=0.05%~0.28%)、低铁(Fe2O3T=1.06%~2.65%)、低钙(CaO=0.33%~0.98%)、贫Sr(43×10-6~158×10-6)的特征(罗镇宽等, 2001; 陆继龙等, 2012)。
与同时期的青山口、罗文峪花岗岩相比，本文的研究对象蛇盘兔花岗岩类和龙须门闪长岩具有很大的成分变化范围(SiO2=51%~78%)。总体上，蛇盘兔花岗岩和龙须门闪长岩随着SiO2的增加，TiO2、MgO、Fe2O3T、CaO、Al2O3、P2O5呈明显下降，Sr、Ba、Eu/Eu*也明显下降(图 7、表 3、表 4)，这些特征反映出角闪石、磁铁矿、磷灰石等矿物的分离结晶。结合样品JN09116(SiO2=54%)和JN09114(SiO2=78%)的锆石年龄在误差范围内一致，我们认为它们是同源岩浆的不同结晶分异的产物。蛇盘兔花岗岩在稀土元素配分图上具有不同程度的中稀土元素亏损，也指示了角闪石在岩浆分异过程中起到了十分重要的作用。
然而，与蛇盘兔花岗岩相比，龙须门闪长岩在锆石Hf同位素上具有一定的差别。龙须门闪长岩锆石εHf(t)值在-7.7~-3.5，略高于蛇盘兔花岗岩锆石εHf(t)的-9.1~-6.5，表明随着岩浆的结晶分异，可能存在少量围岩的同化混染。
在讨论早侏罗世岩浆岩的岩浆来源时，需要与该地区不同时期岩浆岩进行对比。在青龙地区的晚三叠世都山花岗岩和中侏罗世白家店花岗岩中都存在暗色包体(叶浩等, 2014; Fan et al., 2017)。中侏罗世白家店花岗岩中的暗色包体(SiO2=52%)与寄主花岗岩之间在锆石年龄上完全相同，但是在锆石Hf同位素上存在明显差别，暗色包体比花岗岩具有更高的锆石εHf(t)和更大的εHf(t)变化范围(图 10)。暗色包体的锆石εHf(t)为-3.7~+3.5，正的εHf(t)表明亏损地幔物质的加入，而其大的εHf(t)变化范围则表明壳幔岩浆的混合，而寄主花岗岩的锆石εHf(t)多数落入华北古老下地壳的范围，表明主要来源于古老下地壳的部分熔融。晚三叠世都山岩体主体为花岗岩(SiO2=70%~73%)，其锆石εHf(t)为-13.7~-9.6，而1个采自该岩基边部的闪长岩(SiO2=54%)样品在锆石年龄上和花岗岩完全一致，均为221Ma，但是其锆石εHf(t)为-5.2~+3.9(叶浩等, 2014)，与白家店暗色包体相似，其正的εHf(t)表明亏损地幔物质的加入，而其大的εHf(t)变化范围也表明壳幔岩浆的混合。
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图 10 冀东地区早侏罗世岩石锆石Hf同位素组成与该地区其它中生代岩石的对比图 晚三叠世都山岩体数据叶浩等(2014)、徐希阳等(2016)；中侏罗世白家店岩体数据徐希阳等(2016)、Fan et al. (2017)；华北克拉通东部下地壳Hf同位素数值据Jiang et al. (2013) Fig. 10 Comparison diagram on Hf isotopic composition of zircon from Early Jurassic intrusions with other Mesozoic intrusions of eastern Hebei Province Date source: Late Triassic Dushan intrusions from Ye et al. (2014) and Xu et al. (2016); Middle Jurassic Baijiadian intrusions from Xu et al. (2016) and Fan et al. (2017); the lower crust values of the eastern NCC from Jiang et al. (2013) |
对比可以发现，尽管龙须门闪长岩与上述都山岩体和白家店岩体中的闪长岩三者在锆石年龄上明显不同，但它们在稀土配分模式以及微量元素配分模式上非常相似(图 8、图 9)。在锆石εHf(t)上，龙须门闪长岩明显低于都山和白家店闪长岩的锆石εHf(t)(图 10)，但高于都山花岗岩和白家店花岗岩的锆石εHf(t)，都山花岗岩和白家店花岗岩的锆石εHf(t)主体上落在华北古老下地壳的范围之内，反映它们主要来源于古老下地壳部分熔融。尽管龙须门闪长岩在主、微量元素上与晚三叠世都山及中侏罗世白家店的闪长岩相似，但龙须门闪长岩的锆石Hf同位素变化范围很小，难以用壳幔岩浆混合来解释。另外，龙须门闪长岩具有极低的Cr、Ni含量(均≤1×10-6)，也排除具有高Cr、Ni含量幔源岩浆的加入。
蛇盘兔花岗岩在锆石εHf(t)上只是略低于龙须门闪长岩，两者的锆石εHf(t)显著高于华北古老下地壳的范围(Jiang et al., 2013)，说明它们可能并不是主要由古老下地壳重熔产生。考虑到该地区在三叠纪都山花岗岩体重的闪长岩中记录有亏损地幔物质的加入，我们认为在该地区在三叠纪可能存在亏损地幔物质的底侵作用，底侵作用形成的新生地壳与古老地壳在早侏罗世发生部分熔融，形成的岩浆在侵位前就已混合，具有比较均一的、高于古老下地壳部分熔融而低于新生地壳部分熔融岩浆的εHf(t)特征，蛇盘兔花岗岩比龙须门闪长岩稍低的锆石εHf(t)，表明随着岩浆的结晶分异，前者可能存在少量围岩的同化混染。
4.3 早侏罗世岩浆岩与区域演化的联系华北克拉通在显生宙经历了岩石圈减薄和克拉通破坏，通常认为破坏的峰期在白垩纪(吴福元等, 2008)。但是一些研究显示，华北克拉通破坏可能在晚三叠世就已开始(Zhang et al., 2014)，并且始于周缘，这主要是基于华北北缘和辽东的一些晚三叠世岩浆岩中显示出软流圈地幔物质的加入(Yang et al., 2008; Zhang et al., 2014)得出的认识。
在冀东地区，晚三叠世都山岩体中存在亏损地幔物质的加入，进一步支持华北克拉通破坏可能在晚三叠世就已开始。我们的研究表明，青龙地区的早侏罗世岩浆岩可能来源于三叠纪底侵作用形成的新生地壳与古老地壳的部分熔融，反映了早侏罗世岩浆作用与华北克拉通破坏息息相关，早期的破坏为早侏罗世岩浆岩提供了所需的部分物质基础。另外，在冀东地区的中侏罗世岩浆岩中也存在亏损地幔物质的加入，同样反映了克拉通的破坏。这样直到华北克拉通破坏在早白垩世达到峰期，冀东地区的中生代岩浆作用表明克拉通的破坏是一个持续的长期过程。
5 结论(1) 锆石U-Pb定年结果显示，冀东青龙地区的蛇盘兔花岗岩和龙须门闪长岩分别形成于192.0±2.4Ma和190.5±1.3Ma，结合区内前人报道的多个同期岩体，表明冀东地区早侏罗世存在一期十分明显的岩浆作用，这一期岩浆活动在华北其它地区鲜有报道。
(2) 岩石学、地球化学证据显示，冀东早侏罗世岩石主要由经历了不同程度结晶分异的岩浆岩组成，其岩浆可能来源于底侵作用形成的新生地壳与古老地壳的部分熔融。
(3) 冀东地区中生代不同时期的岩浆岩，都与华北克拉通破坏有关，反映了华北克拉通破坏是一个持续的长期过程。
致谢 作者感谢中国科学院地质与地球物理研究所杨岳衡、谢烈文、刘宇、唐国强、闫欣等老师在样品分析测试过程中提供的帮助与指导。感谢审稿人提出的宝贵的修改意见和建议。
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