遼西寺兒堡-白塔盆地晚侏羅世火山巖地質(zhì)特征及其對(duì)燕山運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)

　　摘要：(意義)遼西地區(qū)位于燕山造山帶東段，發(fā)育有大規(guī)模的中生代火山-沉積盆地，是研究中生代燕山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換、巖石圈減薄和克拉通破壞的關(guān)鍵地區(qū)之一。(方法)本文報(bào)道了遼西寺兒堡-白塔盆地晚侏羅世火山巖巖相學(xué)、鋯石 U-Pb 年代學(xué)、地球化學(xué)和鋯石 Hf 同位素組成等資料，確定了其形成時(shí)代、巖石成因及構(gòu)造背景，探討了晚中生代期間古太平洋板塊對(duì)華北克拉通東部俯沖后撤作用時(shí)間，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)燕山運(yùn)動(dòng)和燕山期巖漿活動(dòng)的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。(結(jié)果)盆地內(nèi)大范圍出露的流紋巖形成時(shí)代為 153.8 ~ 160.3 Ma，在空間上呈 NE 向展布，具有較高的 SiO2、Al2O3 和全堿含量，顯示準(zhǔn)鋁質(zhì)-過(guò)鋁質(zhì)和高鉀鈣堿性特征。樣品相對(duì)富集大離子親石元素(LILEs: Rb、Ba、Pb、K 等)和輕稀土元素(LREEs)，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSEs: Nb、Ta、P、Ti 等)和重稀土元素(HREEs)，具明顯的 Eu 負(fù)異常和較低的 Cr、Co、Ni 含量，結(jié)合巖漿成因鋯石具有負(fù) εHf(t)值(-17.8 ~ -23.2)和相對(duì)古老的 Hf 同位素二階段模式年齡(TDM2 = 2334 ~ 2697 Ma)，暗示初始巖漿可能來(lái)自于太古代或元古代的古老下地殼的部分熔融。(結(jié)論)綜合研究表明，遼西地區(qū)晚侏羅世巖漿構(gòu)造活動(dòng)主要受控于古太平洋板塊俯沖和后撤。寺兒堡-白塔盆地中流紋巖形成于古太平洋板塊俯沖的 NW 向擠壓構(gòu)造背景，同時(shí)，在遼西地區(qū)存在大量與古太平洋板塊后撤密切相關(guān)的變質(zhì)核雜巖和伸展盆地，暗示區(qū)域上伸展體系的存在。因此，本文認(rèn)為燕山遼西地區(qū)構(gòu)造體制于晚侏羅世發(fā)生轉(zhuǎn)變，由擠壓體系逐漸過(guò)渡為伸展體系，為燕山運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。

　　關(guān)鍵詞：燕山運(yùn)動(dòng);鋯石 U-Pb 年齡;華北克拉通;遼西地區(qū);古太平洋板塊

　　宋志偉; 鄭常青; 林波; 徐學(xué)純; 梁琛岳; 陳龍; 趙英利; 溫泉波， 地球科學(xué) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-26

　　0 引言

　　中國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家翁文灝根據(jù)燕山地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)于 1926 年首次提出“燕山運(yùn)動(dòng)” 這一概念(Wong, 1926)，最初是指遼西地區(qū)火山巖和髫髻山組火山巖的底部角度不整合所代表的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的巖漿活動(dòng)，隨后又將其推廣至整個(gè)中國(guó)東部(Wong, 1927)。近幾十年來(lái)，學(xué)者們對(duì)燕山運(yùn)動(dòng)進(jìn)行大量的相關(guān)研究，認(rèn)為燕山運(yùn)動(dòng)是中國(guó)東部地區(qū)在整個(gè)侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)期間發(fā)生的重大構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，根本性的改變了中國(guó)東部的構(gòu)造格局，中國(guó)東部地殼由東西向構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|向，并經(jīng)歷了強(qiáng)烈的擠壓造山作用向伸展構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)變(Dong et al., 2015, 2018; Wang et al., 2018)。但是關(guān)于燕山運(yùn)動(dòng)形成的動(dòng)力學(xué)背景和構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換時(shí)間仍存在不同認(rèn)識(shí)。部分學(xué)者將燕山運(yùn)動(dòng)的形成聯(lián)系于新特提斯、蒙古-鄂霍茨克和古太平洋三大構(gòu)造域的共同作用(Dong et al., 2015, 2018)，或考慮燕山運(yùn)動(dòng)是蒙古-鄂霍茨克洋閉合和古太平洋板片俯沖交替影響的結(jié)果(Davis et al., 2001)，然而更多的研究認(rèn)為燕山運(yùn)動(dòng)是古太平洋板塊俯沖作用的產(chǎn)物(Li et al., 2014; Wang et al., 2015, 2017, 2018; Dai et al., 2018; Zhang et al., 2020)。古太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖作用開始于早侏羅世(Wang et al., 2017; Tang et al., 2018)，與燕山運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)間不謀而合(Dong et al., 2018; Zhang et al., 2020)。此外，燕山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變也受古太平洋板塊俯沖后撤作用的強(qiáng)力制約(Li et al., 2014; Wang et al., 2018; Hu et al., 2019; Zhang et al., 2020)。因此，準(zhǔn)確厘定古太平洋板塊俯沖后撤作用的時(shí)間是必要的。

　　華北克拉通具有～38 億年的演化歷史，是世界上最古老的克拉通之一(圖 1; Zhao et al., 2012; Wang et al., 2020)。在中生代受到燕山運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響，巖石圈減薄，并在地表淺層發(fā)育大規(guī)模的巖漿活動(dòng)和區(qū)域性構(gòu)造變形(Yang, 2003)。遼西地區(qū)位于華北克拉通北緣，燕山構(gòu)造帶的東段(圖 1, 2)。中生代時(shí)期，地殼由穩(wěn)定轉(zhuǎn)為活化，遼西地區(qū)具有與華北克拉通相似的演化歷史。強(qiáng)烈且頻繁的構(gòu)造巖漿活動(dòng),導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)發(fā)育了大量的中生代巖漿巖和火山-沉積斷陷盆地，并富含豐富的湖相古生物化石，是研究燕山運(yùn)動(dòng)和古太平洋構(gòu)造體系演化歷史的典型地區(qū)之一(Liang et al., 2015a, b; Song et al., 2021)。前人對(duì)該地區(qū)出露的大面積中生代巖漿巖進(jìn)行了系統(tǒng)的研究工作，但工作重點(diǎn)主要集中于侵入巖類(Hu et al., 2019; 崔芳華等, 2020)，對(duì)火山巖的報(bào)道相對(duì)較少，并且部分火山巖的年代劃分是通過(guò)野外巖石組合和生物化石完成的，定年工作不夠細(xì)致。因此，本文對(duì)遼西寺兒堡-白塔盆地出露的晚侏羅世火山巖進(jìn)行巖石學(xué)、鋯石 U-Pb 年代學(xué)、地球化學(xué)以及鋯石 Hf 同位素組成等多方面的綜合研究，確定了其形成時(shí)代，巖石成因及構(gòu)造背景，探討了晚中生代期間古太平洋板塊對(duì)華北克拉通東部俯沖后撤作用時(shí)間，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)燕山運(yùn)動(dòng)和燕山期巖漿活動(dòng)的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

　　1 區(qū)域地質(zhì)背景

　　華北克拉通位于中國(guó)東部，形態(tài)上呈三角狀，北鄰西伯利亞克拉通，南鄰揚(yáng)子克拉通，東緣與太平洋板塊相連(圖 1)。遼西地區(qū)位于華北克拉通北緣燕山褶皺帶內(nèi)，其東南為渤海灣盆地，向北為內(nèi)蒙地軸(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989)。在古生代期間研究區(qū)處于穩(wěn)定沉積階段，整體以升降運(yùn)動(dòng)為主，構(gòu)造、巖漿活動(dòng)不活躍(崔芳華等, 2020; Song et al., 2021)。而在中生代則先后經(jīng)歷了古亞洲洋、蒙古鄂霍茨克洋和古太平洋等構(gòu)造體系的疊加影響，引發(fā)了強(qiáng)烈的構(gòu)造-巖漿-成礦-成盆活動(dòng)，是研究區(qū)的構(gòu)造活躍期(圖 2; Davis et al., 2001; Meng, 2003; Dai et al., 2018)。印支期時(shí)華北克拉通與相鄰的揚(yáng)子克拉通和西伯利亞克拉通發(fā)生碰撞拼合(Davis et al., 2001; Meng, 2003; Yang et al., 2003)，導(dǎo)致研究區(qū)發(fā)育了一系列近東西向的褶皺和斷裂構(gòu)造，隨后晚中生代的燕山運(yùn)動(dòng)又對(duì)印支期的構(gòu)造格局進(jìn)行了強(qiáng)烈的改造，造成研究區(qū)的近東西向和北西向的斷裂又被后期的燕山期北東向斷裂錯(cuò)斷，形成了大量走向?yàn)楸睎|或北北東向的韌性剪切帶、變質(zhì)核雜巖和中小型斷陷盆地。強(qiáng)烈的巖漿構(gòu)造活動(dòng)使得區(qū)域性隆升、伸展和走滑等構(gòu)造現(xiàn)象較為普遍，同時(shí)還廣泛分布著火山巖地層，如晚侏羅世髫髻山組和早白堊世義縣組等(圖 2;Song et al., 2021)。因此，晚中生代火山巖與中國(guó)東部中生代構(gòu)造格架的轉(zhuǎn)換、燕山運(yùn)動(dòng)的演化歷程以及華北克拉通破壞等地質(zhì)問(wèn)題密切相關(guān)(Gao et al., 2004; Zhu et al., 2012)。

　　中生代火山巖在遼西地區(qū)廣泛分布，大面積的火山巖出露于小德營(yíng)子、新臺(tái)門、寺兒堡 -白塔和阜新-義縣等地區(qū)，分布面積約占總面積的 30%(圖 2a;遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989)。研究區(qū)內(nèi)火山噴發(fā)活動(dòng)從晚三疊世開始，至早白堊世達(dá)到頂峰，之后區(qū)域處于相對(duì)穩(wěn)定期，后期改造較弱。興隆溝組中生代火山巖是遼西地區(qū)第一次火山噴發(fā)旋回的產(chǎn)物。隨后進(jìn)入強(qiáng)烈的晚侏羅世髫髻山(藍(lán)旗)組和早白堊世義縣組火山噴發(fā)旋回。研究區(qū)中生代頻繁且強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也造成區(qū)域上火山-碎屑巖地層較為發(fā)育，由下而上依次為晚三疊世紅垃子組、中-晚侏羅世海房溝組、髫髻山(藍(lán)旗)組和土城子組以及早白堊世義縣組(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989)。根據(jù)現(xiàn)今的盆地殘留地層，又將遼西地區(qū)廣泛發(fā)育的火山-沉積盆地劃分為侏羅紀(jì)盆地和白堊紀(jì)盆地。其中，侏羅紀(jì)盆地為金嶺寺-羊山盆地，白堊紀(jì)盆地主要包括小德營(yíng)子盆地、新臺(tái)門盆地和寺兒堡-白塔盆地等(圖 2a)。寺兒堡-白塔盆地位于楊家杖子巖漿熱液成礦帶東南部(圖 2b)，盆地內(nèi)發(fā)育有一套中酸性火山巖巖石組合，主要由粗安巖，粗面巖、粗面英安巖，流紋巖以及少量火山碎屑巖組成，因受燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，火山巖均呈北東或北北東向展布，與下伏早-中元古代灰?guī)r和早古生代灰?guī)r地層呈不整合接觸。對(duì)該套白堊紀(jì)盆地中晚侏羅世火山巖的詳細(xì)厘定，有助于建立區(qū)域中生代火山巖年代學(xué)格架和確定火山巖巖石成因及其構(gòu)造背景。

　　2 樣品巖相學(xué)特征

　　晚侏羅世火山巖在遼西地區(qū)廣泛發(fā)育，主要由粗安巖、粗面巖、粗面英安巖、流紋巖以及少量火山碎屑巖組成，其中流紋巖僅出露在寺兒堡-白塔盆地內(nèi) ，在空間上呈北東或北北東向展布，巖石風(fēng)化面呈土黃色，新鮮面呈黃白色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造或流紋構(gòu)造(圖 3a, b)。斑晶主要由石英，斜長(zhǎng)石，黑云母及少量鉀長(zhǎng)石組成(圖 3c, d)。其中，斜長(zhǎng)石呈半自形-他形板柱狀，具聚片雙晶，高嶺土化嚴(yán)重，粒徑介于 0.3 ~ 1.5 mm，含量約 10% ~ 15%;石英呈他形粒狀，粒徑介于 0.4 ~ 0.7 mm，含量約為 3% ~ 5%;黑云母呈不規(guī)則的片狀分布在基質(zhì)中，含量約為 1% ~ 3%。基質(zhì)為微晶-隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由石英和斜長(zhǎng)石組成，鉀長(zhǎng)石含量較少，石英顆粒包含斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石微晶構(gòu)成包含微晶結(jié)構(gòu)(圖 3c, d)。

　　3 分析測(cè)試方法

　　3.1 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 同位素測(cè)試分析

　　本文選取 3 件流紋巖(S4047, S4049, S4073)樣品進(jìn)行 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 同位素測(cè)試分析。鋯石單礦物分選在河北廊坊地質(zhì)調(diào)查院完成。樣品靶由北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司制備。LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 年代學(xué)測(cè)試在吉林大學(xué)東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)自然資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。激光剝蝕使用德國(guó)相干公司(Coherent)COMPExPro 型 ArF 準(zhǔn)分子激光器，質(zhì)譜儀為美國(guó)安捷倫公司 7500A 型四極桿等離子質(zhì)譜。具體操作流程見梁琛岳等, 2020。使用 Glitter 軟件處理原始數(shù)據(jù)。年齡計(jì)算及圖像繪制采用 ISOPLOT(Version 3.0; Ludwig, 2003)程序，數(shù)據(jù)結(jié)果和鋯石 U-Pb 諧和圖給出誤差為 1σ，表示 95%的置信度(表 1)。

　　3.2 全巖主、微量元素分析

　　全巖主量元素的前處理和測(cè)試分析在中國(guó)冶金地質(zhì)總局一局測(cè)試中心完成，主量元素測(cè)試采用X射線熒光光譜(XRF)法，測(cè)試儀器為順序式X-射線熒光光譜儀(AXIOS Minerals)。微量元素測(cè)試采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS Agilent 7500ce)完成。詳細(xì)分析流程參考 Song et al.(2021)。

　　3.3 鋯石 Lu-Hf 同位素分析

　　在鋯石年代學(xué)分析之后，對(duì)遼西寺兒堡-白塔盆地晚侏羅世火山巖進(jìn)一步做了原位微區(qū)鋯石Hf同位素組成分析。分析工作在中科院地質(zhì)與地球物理研究所完成。實(shí)驗(yàn)儀器為GeoLas Plus 和 MC-ICP-MS 為 Neptune 準(zhǔn)分子激光器。數(shù)據(jù)結(jié)果處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇、同位素質(zhì)量分餾校正)采用 ICPMSDataCal 程序完成。具體分析流程見 Hu et al. (2012)。

　　4 分析測(cè)試結(jié)果

　　4.1 年代學(xué)測(cè)試結(jié)果

　　本文對(duì)采自寺兒堡-白塔盆地的 3 件流紋巖樣品進(jìn)行 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 同位素定年，數(shù)據(jù)結(jié)果見表 1，部分鋯石的陰極發(fā)光圖像如圖 4 所示，所有鋯石顆粒均呈自形-半自形粒狀或橢圓狀，顆粒長(zhǎng) 100 ~ 300 μm，長(zhǎng)寬比為 1.5:1 ~ 3:1，顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，絕大多數(shù)鋯石發(fā)育有典型的巖漿震蕩環(huán)帶，少量鋯石保存有捕獲的殘留核(圖 4a2, b2, c2)，結(jié)合其較高的 Th/U 比值(0.03 ~ 3.23)，暗示鋯石均為巖漿成因，詳細(xì)結(jié)果如下：

　　樣品 S4047 共有 25 個(gè)分析點(diǎn)，剔除 4 個(gè)偏離點(diǎn)，17 個(gè)分析點(diǎn)的 206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為 159.3 ± 2.0 Ma(MSWD = 0.19, n = 17; 圖 4a1)。其余 4 顆鋯石的年齡值分別為 ~ 170, ~ 175, ~ 190 和 ~ 245 Ma。該樣品的最小年齡為 159.3 ± 2.0 Ma，代表了流紋巖的結(jié)晶年齡，其余較老的鋯石年齡均為流紋巖形成過(guò)程中捕獲的或繼承的鋯石年齡。樣品 S4049 共有 25 個(gè)分析點(diǎn)，剔除 2 個(gè)偏離點(diǎn)，22 個(gè)分析點(diǎn)的 206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為 160.3 ± 1.7 Ma(MSWD = 0.25, n = 22; 圖 4b1)，代表了流紋巖的結(jié)晶年齡。剩余 1 顆鋯石的年齡為 199.0 ± 6.0 Ma，可能代表了捕獲的或繼承的鋯石年齡。

　　樣品 S4073 共有 24 個(gè)分析點(diǎn)，剔除 1 個(gè)偏離點(diǎn)，23 個(gè)分析點(diǎn)的 206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為 153.8 ± 1.5 Ma(MSWD = 0.29, n = 23; 圖 4c1)，代表了流紋巖的結(jié)晶年齡。

　　4.2 地球化學(xué)特征

　　本文對(duì)遼西寺兒堡-白塔盆地 7 件晚侏羅世火山巖樣品進(jìn)行了全巖主、微量元素分析，詳細(xì)結(jié)果見表 2

　　本次在遼西寺兒堡-白塔盆地采集的晚侏羅世火山巖樣品為流紋巖(圖 5a)，具有較高的 SiO2(75.53 ~ 76.10 wt.%)、K2O(5.01 ~ 5.49 wt.%)、Al2O3(12.84 ~ 13.05 wt.%)和全堿含量(8.68 ~ 9.04 wt.%)，CaO(0.33 ~ 0.58 wt.%)、MgO (< 0.20 wt.%)和 TFeO 含量較低(0.97 ~ 1.45 wt.%)。在 TAS 圖解中，樣品落入亞堿性區(qū)域(圖 5a)，其 K2O/Na2O 比值為 1.37 ~ 1.61 wt.%，屬于高鉀鈣堿性系列(圖 5b)。在 A/CNK-A/NK 圖解中，A/CNK 值介于 0.99 ~ 1.07 之間，樣品落在準(zhǔn)鋁質(zhì)-過(guò)鋁質(zhì)范圍內(nèi),顯示準(zhǔn)鋁質(zhì)-過(guò)鋁質(zhì)特征(圖 5c)。

　　樣品的稀土元素總量中等偏低(∑REE = 58.10×10-6 ~ 126.10×10-6)，在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖中(圖 6b)，稀土元素配分模式整體右傾，輕重稀土分餾中等(∑LREE/∑HREE = 14.26 ~ 20.84;(La/Yb)N =8.66 ~ 22.43))，輕稀土元素富集，重稀土元素虧損。除 S4049 顯示具有弱的 Eu 正異常外(δEu = 1.15)，其余樣品均為明顯的 Eu 負(fù)異常(δEu = 0.53 ~ 0.86)。在微量元素組成上(圖 6a)，流紋巖樣品相對(duì)富集大離子親石元素(LILEs：Rb、Ba、 Pb、K 等)，而相對(duì)虧損 Nb、Ta、Sr、P、Ti 等高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSEs)。

　　4.3 Hf 同位素組成

　　本文對(duì)研究區(qū) 3 件流紋巖(S4047，S4049，S4073)樣品中部分鋯石進(jìn)行了原位 Hf 同位素組成分析，測(cè)試結(jié)果見表 3。 3 件流紋巖樣品鋯石 206Pb/238U 年齡雖有差別，但其 Hf 同位素具有相似的地球化學(xué)特征。樣品 S4047(t = 159 Ma)中代表結(jié)晶年齡的 10 顆鋯石 176Hf/177Hf 比值為 0.282055 ~ 0.282176，以其結(jié)晶年齡計(jì)算得到的 εHf(t)值為-22.3 ~ -17.8，二階段模式年齡(TDM2)介于 2334 ~ 2610 Ma。樣品 S4049 中 14 顆代表巖石結(jié)晶年齡(t = 160 Ma)的巖漿成因鋯石 176Hf/177Hf 比值為 0.282008 ~ 0.282131，εHf(t) = -21.7 ~ -19.4，TDM2 = 2430 ~ 2697 Ma。樣品 S4073(t = 154 Ma)中 10 顆巖漿成因鋯石 176Hf/177Hf 比值為 0.282030 ~ 0.282148，以其結(jié)晶年齡計(jì)算得到 εHf(t) = -23.2 ~ -18.8，TDM2 = 2391 ~ 2663 Ma。

　　5 討論

　　5.1 火山巖形成時(shí)代

　　華北克拉通先后受到了古亞洲洋構(gòu)造域、蒙古-鄂霍茨克洋構(gòu)造域及古太平洋構(gòu)造域的相互作用影響，在華北北緣燕山-遼西地區(qū)發(fā)育了大面積的巖漿巖，并具有多期構(gòu)造-巖漿活動(dòng)疊加的特點(diǎn)(Gao et al., 2004; 馬強(qiáng), 2013; Song et al., 2021)。出露的大規(guī)模中生代火山巖可劃分為四期：早侏羅世(興隆溝組或南大嶺期)、晚侏羅世(藍(lán)旗組或髫髻山組)、早白堊世(義縣期或張家口期)和晚白堊世(大興莊期)(Yang and Li, 2008; 馬強(qiáng), 2013)。其中，晚侏羅世中酸性火山巖巖石組合主要以粗安巖，粗面巖、粗面英安巖，流紋巖以及少量火山碎屑巖為主，出露于金嶺寺-羊山盆地和寺兒堡-白塔盆地內(nèi)。寺兒堡-白塔盆地原被認(rèn)為是白堊紀(jì)盆地，主要發(fā)育早白堊世義縣組火山巖(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989)。但本次通過(guò)詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和鋯石 U-Pb 同位素年代學(xué)分析發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)具有兩套不同時(shí)期的火山巖，大部分火山巖形成于晚侏羅世，其時(shí)代與髫髻山(藍(lán)旗)組火山巖相近，而早白堊世火山巖僅在盆地南緣的尖山-老灘地區(qū)出露。本次對(duì)盆地內(nèi)白塔滿族鄉(xiāng)附近的 3 件流紋巖樣品進(jìn)行鋯石 U-Pb 年代學(xué)分析，樣品中鋯石顆粒均呈自形-半自形粒狀或橢圓狀，發(fā)育有典型的巖漿震蕩環(huán)帶，Th/U 比值(0.03 ~ 3.23)較高，暗示鋯石為巖漿成因。因此，經(jīng)原位 U-Pb 同位素測(cè)試分析得到的年齡即為火山巖的結(jié)晶年齡，其結(jié)果顯示白塔地區(qū)流紋巖形成于 153.8 ~ 160.3 Ma，即晚侏羅世。此外，在野外可見該套火山巖與上覆土城子組砂礫巖具有明顯的不整合接觸關(guān)系，火山巖中包含有晚侏羅世的凝灰?guī)r和翼龍化石。因此，本文認(rèn)為該火山巖應(yīng)該為晚侏羅世火山巖，與區(qū)域上已發(fā)現(xiàn)的中酸性火山巖和花崗質(zhì)巖石結(jié)晶年齡基本一致(馬強(qiáng)和鄭建平, 2009; 崔芳華等, 2020)。

　　5.2 巖石成因及源區(qū)特征

　　主微量元素?cái)?shù)據(jù)和鋯石 Hf 同位素組成是探討巖漿源區(qū)性質(zhì)的可靠手段。遼西地區(qū)晚侏羅世酸性火山巖具有較高的 SiO2，Al2O3 和全堿含量，較低的 MgO(< 0.20 wt.%)、Cr、Co、 Ni 含量(Cr、Co、Ni 平均值為 4.96×10-6、0.79×10-6、1.78×10-6)，結(jié)合低 Ce/Pb 值(1.79 ~ 4.45)，說(shuō)明巖漿起源于地殼物質(zhì)的部分熔融(Zhang et al., 2018)。中等偏高的 Th、U、Sr 含量和 K、Pb 正異常及 P、Ti 負(fù)異常，暗示著巖漿在上升過(guò)程中可能遭受了中上地殼的混染作用(馬強(qiáng), 2013)。流紋巖屬于高鉀鈣堿性系列，顯示準(zhǔn)鋁質(zhì)-過(guò)鋁質(zhì)特征。大離子親石元素(LILEs：Rb、Ba、Pb、K 等)和輕稀土元素(LREEs)相對(duì)富集，高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSEs： Nb、Ta、Sr、P、Ti 等)和重稀土元素(HREEs)相對(duì)虧損，并具有 Eu 負(fù)異常，Sr 弱正異常或無(wú)異常的特點(diǎn)，暗示巖漿起源于正常深部陸殼的部分熔融。整體上，晚侏羅世流紋巖輕重稀土分異程度中等((La/Yb)N = 8.66 ~ 22.43; ∑LREE/∑HREE = 14.26 ~ 20.84)，稀土元素總量不高(58.10×10-6 ~ 126.10×10-6)，明顯低于同時(shí)期的中基性火山巖。遼西地區(qū)晚侏羅世中基性火山巖主要為埃達(dá)克質(zhì)巖石，具有較晚侏羅世流紋巖更強(qiáng)的輕重稀土元素分餾和更高的 MgO(> 1.00 wt.%)、Sr(> 400×10-6)含量，一般表現(xiàn)出不明顯的 Eu 負(fù)異常或具有 Eu 正異常(Yang and Li, 2008; 馬強(qiáng), 2013)。因此，晚侏羅世流紋巖不可能是中性巖漿直接分異結(jié)晶的產(chǎn)物。本次研究中除樣品 S4049 外，其余樣品均表現(xiàn)出明顯的 Eu 負(fù)異常，具有低 Sr 含量、Ti 和重稀土元素虧損的特點(diǎn), Er 和 Dy 之間具有明顯的線性關(guān)系(圖 7a)，表明其經(jīng)歷了斜長(zhǎng)石和角閃石的分離結(jié)晶作用。在火山巖 Rb/Y-Nb/Y 圖解中(圖 7b)，流紋巖具有部分熔融程度增加的趨勢(shì)，說(shuō)明酸性巖漿曾經(jīng)歷明顯的部分熔融過(guò)程，后期則以斜長(zhǎng)石、角閃石等礦物的分離結(jié)晶作用為主。

　　流紋巖相對(duì)富集 Rb、Ba、K 等大離子親石元素，虧損 Nb、Ta、Ti、Th、U 等高場(chǎng)強(qiáng)元素，明顯的 Pb 正異常和 P 負(fù)異常，結(jié)合低 Nb/Ta 值(10.2 ~ 12.4;古老地殼值為 11;Sun and McDonough, 1989)，暗示其源區(qū)可能為古老的下地殼，這在流紋巖鋯石 Hf 同位素組成上也有體現(xiàn)(圖 8)。雖然 3 件流紋巖樣品鋯石年齡值略有不同，但其 Hf 同位素具有相似的地球化學(xué)特征。鋯石具有明顯的負(fù) εHf(t)值(εHf(t) = -17.8 ~ -23.2)和古老的 Hf 同位素二階段模式年齡(TDM2 = 2334 ~ 2699 Ma)，與區(qū)域上中酸性火山巖和花崗質(zhì)巖石相似，均表現(xiàn)出富集 Hf 同位素特點(diǎn)(馬強(qiáng)和鄭建平, 2009; 馬強(qiáng)等, 2013; 崔芳華等, 2020; Xue et al., 2020)。本次研究結(jié)果在 Hf 同位素相關(guān)圖解中分別落入 2.5 Ga 地殼演化線和下地殼區(qū)域內(nèi)(圖 8)，指示其巖漿源區(qū)應(yīng)為太古代或元古代的古老下地殼的部分熔融。結(jié)合巖石中高的 SiO2、Th、 U 和重稀土含量及低 Sr/Y 值，指示巖漿可能是由下地殼中上部長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖或片麻巖部分熔融形成，再經(jīng)歷斜長(zhǎng)石、角閃石等礦物的分離結(jié)晶作用，最后噴發(fā)至地表形成流紋巖。

　　5.3 華北克拉通北緣晚侏羅世的構(gòu)造演化及其對(duì)燕山運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)

　　華北克拉通自晚古生代以來(lái)先后受到了古亞洲洋、蒙古-鄂霍茨克洋和古太平洋等多構(gòu)造體系的疊加影響，是研究燕山運(yùn)動(dòng)、巖石圈減薄和克拉通破壞的重要地區(qū)之一(趙越等, 2004; Zhu et al., 2018)。侏羅紀(jì)是燕山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)期(趙越等, 2004)，燕山地區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和巖漿活動(dòng)，并發(fā)育了大規(guī)模北東-北北東向火山-沉積斷陷盆地(Liang et al., 2015a, b)。遼西地區(qū)位于燕山造山帶的東段，出露有大面積的中-晚侏羅世火山巖，與區(qū)域上中生代火山巖和花崗質(zhì)巖石呈現(xiàn)一致的北東向展布方向。晚侏羅世流紋巖具有與活動(dòng)大陸邊緣巖漿巖相似的地球化學(xué)特征(Pitcher, 1997)，顯示高鉀鈣堿性和準(zhǔn)鋁質(zhì)-過(guò)鋁質(zhì)特點(diǎn)，P2O5 含量極低(0.02 ~ 0.03 wt.%)，屬于 I 型流紋巖(圖 9; Pitcher, 1997)。在相關(guān)的構(gòu)造判別圖解中樣品分別落在島弧花崗巖(圖 10a, b)和活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域(圖 10c, d)，與同時(shí)期的花崗質(zhì)巖石基本一致(Hu et al., 2019; 崔芳華等, 2020)，共同顯示的強(qiáng)烈 Nb、Ta 虧損，暗示它們應(yīng)形成于相同的構(gòu)造環(huán)境，即與俯沖相關(guān)的活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。

　　目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，燕山地區(qū)早白堊世巖漿巖形成于與古太平洋板塊俯沖相關(guān)的伸展背景下(Sun et al., 2007; 崔芳華等, 2020)，但對(duì)晚侏羅世巖漿巖的成因及其構(gòu)造背景仍存在較大爭(zhēng)議。部分學(xué)者將燕山地區(qū)晚侏羅世的巖漿活動(dòng)聯(lián)系于蒙古-鄂霍茨克洋消減閉合的遠(yuǎn)程效應(yīng)(張長(zhǎng)厚等, 2004; 趙越等, 2004)，古太平洋的俯沖(Wang et al., 2015)，或者兩者的疊加影響(馬強(qiáng), 2013; Dong et al., 2015)。最新的古地磁資料表明，在晚侏羅世時(shí)華北克拉通與西伯利亞之間相距 1600 Km(Ren et al., 2016; Wang et al., 2018)，并且在燕山地區(qū)未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的南北向巖漿活動(dòng)。因此，蒙古-鄂霍茨克洋的消減閉合可能對(duì)燕山地區(qū)晚侏羅世的巖漿活動(dòng)起到推動(dòng)作用，但絕不是引起遼西地區(qū)構(gòu)造巖漿活動(dòng)的必要條件。燕山地區(qū)晚侏羅世巖漿活動(dòng)僅次于早白堊世，空間上，晚侏羅世火山巖和早白堊世火山巖分別位于燕遼火山巖帶的東南側(cè)和西北側(cè)，整體表現(xiàn)出火山活動(dòng)隨時(shí)間由南東向北西遷移的趨勢(shì)(Dong et al., 2018)。并且，遼西地區(qū)晚侏羅世火山巖及同時(shí)期花崗質(zhì)巖石的展布方向與古太平洋俯沖帶方向近乎平行，均呈 NE 向(崔芳華等, 2020)，暗示區(qū)域上晚侏羅世巖漿活動(dòng)可能與古太平洋板塊的俯沖有關(guān)。Hu et al. (2019)提出遼西興城地區(qū)晚侏羅世花崗巖形成于古太平洋板塊俯沖的擠壓環(huán)境。遼西凌源藍(lán)旗組火山巖(166 ~ 153 Ma)及臺(tái)里地區(qū)晚侏羅世 ENE 向花崗質(zhì)糜棱巖帶的形成也與古太平洋板塊的俯沖相關(guān)(馬強(qiáng), 2013; Liang et al., 2015a, b)。除廣泛分布的巖漿巖外，華北北緣發(fā)育有大規(guī)模的晚侏羅世逆沖構(gòu)造，例如大青山逆沖推覆構(gòu)造帶(~ 170 Ma)，十三陵沖斷褶皺構(gòu)造(161 ~ 141 Ma)以及四合堂逆沖推覆構(gòu)造(148 ~ 143 Ma)等(Davis et al., 2001; 張長(zhǎng)厚等, 2004; Dong et al., 2018)。燕山地區(qū)則以承德逆沖斷層為代表(Dong et al., 2018)，這些廣泛發(fā)育代表擠壓的變形樣式暗示著區(qū)域處于古太平洋板塊俯沖引起的擠壓環(huán)境。因此，遼西寺兒堡-白塔盆地的晚侏羅世火山巖具有與活動(dòng)大陸邊緣巖漿巖相似的地球化學(xué)特征，形成于古太平洋板塊俯沖的北西向擠壓構(gòu)造環(huán)境。這為確定遼西地區(qū)晚侏羅世中酸性火山巖的成因提供了更有利的證據(jù)。晚侏羅世古太平洋板塊向歐亞大陸的斜向俯沖脫水?dāng)_動(dòng)了燕山地區(qū)的巖石圈地幔，使其部分熔融形成幔源巖漿，幔源巖漿底侵古老下地殼并加熱下地殼，造成下地殼不同層次的部分熔融，持續(xù)的底侵作用導(dǎo)致下地殼中上部長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖或片麻巖部分熔融，再經(jīng)歷斜長(zhǎng)石、角閃石等礦物的分離結(jié)晶后形成流紋巖巖漿。

　　目前已有的區(qū)域資料表明古太平洋板塊的俯沖和后撤作用是引起燕山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造體制發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的主要原因(趙越等, 2004;Mercier et al., 2007; Zhu et al., 2012; Wang et al., 2018; Hu et al., 2019)，但對(duì)后撤作用的初始時(shí)間依舊存在不同的認(rèn)識(shí)，例如 ~145Ma(Zheng et al., 2018; Zhu et al., 2019)、~135Ma(Mercier et al., 2007; Zhu et al., 2012)以及 ~ 100Ma 等。燕山地區(qū)晚侏羅世火山巖 SiO2 含量變化范圍較大，主要為一套中酸性巖石組合，火山巖地球化學(xué)組成多變，成因呈多樣化，單一的成巖模式很難解釋，這可能是由燕山地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)不均一導(dǎo)致的，與區(qū)域上構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變密切相關(guān)(Yang and Li, 2008; 馬強(qiáng), 2013)。本次在寺兒堡-白塔盆地識(shí)別出晚侏羅世火山巖形成于活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景，與下伏地層呈角度不整合接觸，其北東向展布與古太平洋板塊俯沖方向正交，暗示其可能處于古太平洋板塊俯沖的北西向擠壓構(gòu)造環(huán)境。但同時(shí)期金嶺寺-羊山盆地出露的火山巖則為堿性巖石系列，暗示著區(qū)域上伸展體系的存在。遼西醫(yī)巫閭山地區(qū)保存有明顯的晚侏羅世伸展構(gòu)造形跡，其鄰區(qū)存在雙峰式火山巖侵位(李剛等, 2013;梁琛岳等; 2016)。同時(shí)，花崗巖磁組構(gòu)資料指出燕山地區(qū)晚侏羅世堿廠巖體和四干頂巖體的侵位受控于古太平洋板塊俯沖引起的區(qū)域伸展(Lin et al., 2021)。燕山地區(qū)除廣泛分布的火山巖外，還存在著大量的晚侏羅世變質(zhì)核雜巖和伸展盆地(梁琛岳等, 2016; Lin et al., 2021)，例如：遼西大紅旗斷陷盆地、后城盆地(160 ~ 152Ma; 邵濟(jì)安等, 2003)以及下板城盆地等(160 ~ 153Ma; Davis et al., 2001; Lin et al., 2021)。晚侏羅世(160 ~ 150Ma)是華北克拉通中生代變質(zhì)核雜巖發(fā)育的高峰期之一(Dong et al., 2018; Hu et al., 2019)。遼西醫(yī)巫閭山晚侏羅世伸展變形、臺(tái)里韌性剪切帶以及片麻狀花崗巖體中礦物之間的破碎具有明顯定向，均暗示著區(qū)域上存在伸展體系(許文良等, 2004; Liang et al., 2015a, b; 梁琛岳等, 2016)。綜上所述，燕山-遼西地區(qū)出露的大規(guī)模晚侏羅世中酸性火山巖、花崗質(zhì)巖石及逆沖構(gòu)造形成于古太平洋板塊俯沖的擠壓構(gòu)造環(huán)境，局部變質(zhì)核雜巖、侵入巖體與沉積盆地受區(qū)域伸展體系控制，暗示著燕山-遼西地區(qū)構(gòu)造體制于晚侏羅世(153.8 ~ 160.3 Ma)發(fā)生轉(zhuǎn)變，由擠壓體系逐漸過(guò)渡為伸展體系，為燕山運(yùn)動(dòng)的局部響應(yīng)(圖 11)。

　　6 結(jié)論

　　基于對(duì)遼西寺兒堡-白塔盆地晚侏羅世火山巖巖相學(xué)、鋯石 U-Pb 同位素年代學(xué)、地球化學(xué)及鋯石 Hf 同位素組成的研究，得出如下主要結(jié)論：

　　(1)最新鋯石 U-Pb 年代學(xué)結(jié)果表明寺兒堡-白塔盆地除早白堊世火山巖外，還發(fā)育有大規(guī)模的晚侏羅世火山巖，成巖時(shí)代為 153.8 ~ 160.3 Ma，空間上呈 NE 向展布。

　　(2)晚侏羅世流紋巖具有與活動(dòng)大陸邊緣巖漿巖相似的地球化學(xué)特征，巖漿成因鋯石顯示負(fù)的 εHf(t)值(εHf(t) = -17.8 ~ -23.2)和古老的 Hf 同位素二階段模式年齡(TDM2 = 2334 ~ 2697 Ma)，暗示初始巖漿來(lái)源于太古代或元古代的古老下地殼的部分熔融，形成于古太平洋板塊俯沖的北西向擠壓構(gòu)造背景。

　　(3)晚侏羅世燕山-遼西地區(qū)受古太平洋板塊俯沖后撤作用的影響構(gòu)造體制發(fā)生轉(zhuǎn)變，由擠壓體系逐漸過(guò)渡為伸展體系，為燕山運(yùn)動(dòng)的局部響應(yīng)。