中—上侏罗统髫髻山组火山岩是华北克拉通燕山期第一次大规模岩浆活动的产物，广泛分布于冀北—辽西、北京西山和宣化—蔚县一带，前人研究表明，北京西山中—上侏罗统髫髻山组主要由玄武安山岩、辉石（角闪）安山岩、粗安岩及粗安质火山碎屑岩组成（汪洋等，2003；王蕊等，2007；李伍平等，2001；于海飞等，2016）；冀北—辽西一带髫髻山组以粗安岩、安山岩、气孔状安山岩、安山质凝灰岩为主（刘健等，2006；张宏等，2008）；宣化—涿鹿地区中—上侏罗统髫髻山组下部为玄武岩与粗面岩的双峰式火山岩、碎屑沉积岩和玄武粗安岩，上部为粗安岩、粗面岩以及粗面质火山碎屑岩（河北省区域地质调查院[2023]^❶）。

古生代以来华北克拉通发生了100 km左右的岩石圈减薄（ Menzies et al.，1993），中生代以来华北克拉通岩石圈地幔性质转变（鲁江姑等，2011）；前人认为中—晚侏罗世火山活动是古老大陆地壳和岩石圈地幔部分熔融的产物，早白垩世火山活动是古太平洋板块回转后撤与东亚大地幔楔形成过程中地幔楔与上覆岩石圈强烈相互作用造成深部岩石圈广泛部分熔融的结果（马强等，2022）；宣化地区髫髻山组下部玄武岩由亏损地幔部分熔融形成，受到古太平洋俯冲作用（白春东等，2024）；宣化地区晚侏罗世早期辉绿岩为洋岛型镁铁质岩，由原始地幔部分熔融形成。

前人对中—上侏罗统髫髻山组中性火山岩进行了系统研究（李伍平等，2001；汪洋等，2003；刘健等，2006；王蕊等，2007；张宏等，2008；于海飞等，2016）；对宣化—涿鹿县一带髫髻山组下部玄武岩开展了研究（白春东等，2024），但是对于髫髻山组下部玄武粗安岩研究薄弱，对于中—晚侏罗世转折期华北克拉通岩石圈地幔特征研究不足。

笔者等在华北克拉通北缘张家口市宣化区一带野外调查发现髫髻山组火山沉积喷发序列为玄武岩与粗面岩的双峰式火山岩→泥岩、砂岩和砾岩的碎屑岩组合→玄武粗安岩，玄武粗安岩被晚侏罗世辉绿岩侵入，该套玄武粗安岩是理想的研究对象，对其开展地质学、岩石学、地球化学研究，研究岩石成因和地幔源区性质，为中—晚侏罗世转折期研究华北克拉通岩石圈地幔特征提供新的证据。

1 区域地质背景

1.1 区域地质特征

依据《河北省地质志》（河北省区域地质调查研究所，2017）资料，宣化盆地位于华北克拉通燕山—辽西裂陷带宣化—易县火山盆地，是冀西北燕山运动典型的中生代火山沉积盆地，宣化盆地基底为中元古界，中生界主要为下侏罗统下花园组，中侏罗统九龙山组，中—上侏罗统髫髻山组，上侏罗统土城子组和下白垩统张家口组（图1a）。

中元古界为一套碳酸盐岩和碎屑岩的组合，是华北地台变质基底上的沉积盖层。九龙山组下部为灰绿色—灰黄色复成分砾岩、灰色—灰黄色砂质砾岩、灰白色—灰黄色（砾质）岩屑砂岩，中部灰白色流纹质角砾凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩、灰黄色—灰色（含砾）粗粒岩屑砂岩、灰白色—深灰色长石砂岩，灰白色—灰绿色砾岩，上部为灰绿色复成分砾岩、灰白色—紫红色含砾粗粒岩屑砂岩、灰绿色—紫红色薄层泥岩及灰绿色薄层长石砂岩。

髫髻山组下部为玄武岩、玄武质角砾岩、粗面岩夹泥岩的火山岩组合，中部为玄武粗安质组合，上部为粗安质火山岩和粗面质火山岩夹碎屑岩组合。

土城子组下部为紫红色—灰绿色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩；中部为绿灰色—紫红色砾岩、绿灰色岩屑石英砂岩、紫灰色—绿灰色含砾长石岩屑砂岩夹紫红色薄层泥质粉砂岩，上部为紫红色砾岩夹流纹质角砾凝灰岩。

张家口组主要为酸性火山岩组合，岩性为流纹岩、流纹质角砾熔岩、流纹质凝灰岩夹凝灰质砂岩。

1.2 地质特征

笔者野外调查查明宣化区蟒头山—祁家庄中—上侏罗统髫髻山组玄武粗安岩分布于黑山底村、顾家营—黄家堡—郭家庄一带，于蟒头山测制了剖面（图2）。玄武粗安岩整合覆盖于髫髻山组砂岩之上（图1b、图2和图3a），方家庄北和滴水崖一带髫髻山组玄武粗安岩与上覆土城子组整合接触（图1b和图3b），张家庄一带晚侏罗世辉绿岩侵入玄武粗安岩。

1.3 岩石学特征

玄武粗安岩呈紫灰色、灰红色、灰紫色、灰绿色，少斑结构，基质填间结构，块状构造，由斜长石、辉石、橄榄石、玻璃质组成。斜长石呈半自形板条状，少数宽板状为斑晶，粒度一般0.5~2 mm，部分0.2~0.5 mm，杂乱似格架状分布，可见环带构造，聚片双晶较发育，含量60%~65%。辉石主要为单斜辉石，呈半自形柱状、长柱状，粒度一般＜0.2 mm，少数0.2~0.5 mm，杂乱分布，部分被伊丁石交代呈假象，含量5%~10%；橄榄石呈半自形—他形粒状，粒度一般＜0.2 mm，少数0.2~1 mm（部分粒度较大为斑晶），填隙状分布于斜长石粒间，均被伊丁石等交代呈假象，少数粒内嵌布板条状斜长石，含量5%±；玻璃质为红褐色，呈隐晶状，填隙状分布，部分脱玻呈纤状长石及暗色矿物雏晶，含量25%（图4）。

2 分析方法

岩石地球化学分析测试在河北省区域地质矿产调查研究所实验室测试完成，主量元素采用碱烧法制备样品，使用Axios^maxX射线荧光光谱仪完成分析测试，相对误差不大于2%，烧失量、H₂O⁺和H₂O^-采用P1245电子分析天平完成测试。微量元素和稀土元素采用酸溶法制备样品，使用X Serise2等离子体质谱仪完成测试，相对误差不大于5%，测试方法见高剑峰等（2003）。

3 分析结果

3.1 主量元素特征

宣化区蟒头山中—上侏罗统髫髻山组玄武粗安岩的主量元素、微量元素及相关参数见表1。

玄武粗安岩SiO₂的质量分数为48.73%~53.23%，在TAS图解中落入玄武粗安岩（图5）；Al₂O₃的质量分数为15.68%~17.40%；TiO₂为1.65%~1.93%；K₂O为2.50%~3.96%；Na₂O为3.56%~4.01%；CaO为5.01%~9.22%；MgO为2.78%~3.79%；P₂O₅为0.82%~1.06%。

根据w（Na₂O）-2%大于或小于w（K₂O）来区分“钠质”和“钾质”（邓晋福等，2015），本文玄武粗安岩w（Na₂O）-2%均小于w（K₂O），属于钾质玄武粗安岩；在Frost et al.（2001）提出的SiO₂~FeO^*/（FeO^*+MgO）图解中主要落入Fe质区（图6）；里特曼指数σ为4.19~6.70＞3.30，属于碱性玄武岩系列（图5），镁指数Mg^#为35~43，远小于原始岩浆（63~67）。

3.2 微量元素特征

玄武粗安岩稀土元素总量为∑REE =344.4×10^-6~452.4×10^-6，（La/Yb）_N=12.5~20.6，轻稀土富集，轻重稀土强烈分馏，（Gd/Yb）_N=2.51~3.06，重稀土强烈分馏；δEu=0.76~0.92，具负铕异常—微弱负铕异常。稀土元素球粒陨石标准化配分显示，曲线强烈右倾，重稀土右倾，铕亏损—弱亏损（图7a）。

微量元素原始地幔标准化蛛网图（图7b）显示大离子亲石元素Ba、K富集，Sr无亏损—微弱亏损；高场强元素Th、U、Nb中等—弱亏损，Ti、Y、Yb强烈亏损，P无异常—弱富集，La、Ce、Zr、Sm等元素富集。

微量元素洋中脊玄武岩标准化蛛网图（图7c）大离子亲石元素Ba富集，K弱富集，Rb亏损，高场强元素Nb、Ta弱亏损，P弱亏损，Ti、Y、Yb亏损其含量与洋中脊玄武岩一致，Ce富集，Zr、Hf微弱亏损—弱富集，地幔相容元素Sc、Cr强烈亏损。

4 讨论

4.1 形成时代的讨论

玄武粗安岩发育于中侏罗世末期双峰式火山岩之上（图1a和图1b），白春东等（2024）获得髫髻山组底部玄武岩的年龄164.3±2.6 Ma，且髫髻山组为土城子组整合覆盖；白春东等（2024）获得双峰式火山岩的粗面岩年龄162.5±1.3 Ma；孟家葆等（2024）在侵入玄武粗安岩的辉绿岩获得年龄152.3±2.3 Ma，前人的研究成果表明髫髻山组玄武粗安岩喷发介于162.5±1.3 Ma~152.3±2.3 Ma之间，时代归属为晚侏罗世早期。

4.2 地壳混染与分离结晶作用

（1）地壳混染作用：大陆地壳通常具有 Nb—Ta亏损，Zr—Hf富集的特点（Rudnick and Gao Shan，2014），玄武粗安岩微量元素蛛网图中Nb、Ta亏损，Zr、Hf弱亏损—弱富集。大陆地壳具有低Ce/Pb值（~4；Rudnick and Gao Shan，2014），地壳混染作用会降低岩浆中Ce/Pb值，玄武粗安岩Ce/Pb值为6.4~13.6，介于大洋玄武岩（Ce/Pb=25±5）（Hofmann，1988）与大陆地壳之间，因此玄武粗安岩明显受到地壳混染作用。

（2）分离结晶作用：玄武粗安岩的镁指数Mg^#=35~43远小于地幔原始岩浆（63~67）（邓晋福等，2004），表明其经历了镁铁质矿物的分离结晶作用；玄武粗安岩属于碱性玄武岩系列，CIPW标准矿物显示随着Hy分异作用，标准矿物q增加（表1），显示玄武粗安岩富碱演化特征；在AFM图解具有向富碱方向演化的特征（图8）；岩石中辉石为单斜辉石，上述特征表明玄武粗安岩岩浆主要经历单斜辉石分离结晶作用。玄武粗安岩Sr具微弱亏损，δEu=0.76~0.92具弱负异常—微弱负异常，表明其经历了斜长石的分离结晶作用。综上表明玄武粗安岩岩浆过程历了单斜辉石和斜长石的分离结晶作用。

4.3 地幔源区

宣化区中—上髫髻山组玄武粗安岩的SiO₂质量分数为48.73%~53.23%，平均值为51.28%属于基性岩，主要为地幔部分熔融形成，（La/Yb）_N=12.5~20.6，（Gd/Yb）_N=2.51~3.06，轻重稀土强烈分馏，重稀土强烈分馏；在La/Sm—Sm/Yb图解中落入尖晶石—石榴二辉橄榄岩与石榴二辉橄榄岩过渡区域（图9），说明玄武粗安岩由尖晶石—石榴二辉橄榄岩经低程度部分熔融（1%~5%）形成。

玄武质岩浆富集大离子亲石元素和强不相容元素，通常认为与地幔源区的金云母或角闪石等含水矿物有关（Gillis and Meyer，2001）。含金云母地幔的熔体通常具有高K₂O含量（＞3%；Condamine et al.，2016）和较高的Rb/Sr值（＞0.1）以及低的Ba/Rb值（＜20；Furman and Graham，1999）。含角闪石地幔的熔体为富钠（K₂O＜Na₂O）和低Rb/Sr值（＜0.1）以及高Ba/Rb的特点（＞20；Furman and Graham，1999）。玄武粗安岩的K₂O含量为2.5~3.96，K₂O/Na₂O为0.69~1.04，Rb/Sr值为0.01~0.06，Ba/Rb值为20.1~108.7，其K₂O含量、Rb/Sr值和与Ba/Rb值与含角闪石地幔的熔体相似。

稀土元素Dy/Yb＞2.5，熔体源于石榴子石稳定域的部分熔融；Dy/Yb＜1.5，熔体处于尖晶石稳定域（Duggen et al.，2005），玄武粗安岩的Dy/Yb值为2.1~2.4，说明其地幔源区处于尖晶石向石榴石转变区域，且接近石榴子石稳定域，说明地幔源区深度约70 km。

玄武粗安岩微量元素Zr/Nb为13.9~20.2（平均为16.4），与原始地幔（Zr/Nb=16）相当；在 Condie（2003，2005）提出的不相容元素判别图解上（图10），玄武粗安岩主要落入来源于亏损地幔的岛弧玄武岩与原始地幔的大洋高原玄武岩重叠区内；在Nb_N—Th_N图解中（图11）落入洋岛玄武岩区域；上述特征表明玄武粗安岩的主要源区上为原始地幔。

玄武粗安岩具有富集LILE（大离子亲石元素）和LREE（轻稀土），亏损HFSE（高场强元素）的特征，暗示地幔源区受到俯冲作用改造（Tarney and Jones，1994）。俯冲带流体作用使地幔源区岩浆Ce/Pb与Nb/U值明显降低（Klein et al.，1995）。玄武粗安岩的Nb/U=20.1~31.7（平均值为27.0）与原始地幔相当（Nb/U =31），表明地幔源区未受到俯冲流体影响，同时进一步说明Ce/Pb值低（均值为10.7）为陆壳混染作用影响。

通常用俯冲活动元素（LILEs）与俯冲不活动元素（HFSE、HREE）的比值（LILE/HFSE、 LILE/HREE）识别俯冲流体端元和指示俯冲物质的加入程度（Pearce et al.，2005）。在俯冲过程中，Rb、Ba、Sr、U、Pb等LILE随板块流体发生迁移，而Th、LREE（轻稀土元素） 则保留在洋壳内，只会随板块熔体或沉积物熔体迁移至地幔楔（田原等，2022）。K、Rb、U容易受后期海水蚀变影响，选择Ba来评估板块衍生流体对俯冲相关熔岩的影响（Pearce et al.，2005）；Th主要由俯冲沉积物或板块部分融熔熔体输送到地幔楔中（Elliott et al.，1997），因此Th/Yb和Ba/Yb广泛用于评价沉积物/板片熔体和俯冲流体对相关熔岩的影响，而Nb、Yb在流体中相对稳定，Nb/Yb可以指示地幔源区的富集—亏损程度（田原等，2022）。玄武粗安岩在Nb/Yb—Th/Yb图解中落入原始地幔附近，且Th/Yb呈增加趋势（图12），说明地幔源区有沉积物/板片熔体的加入。

髫髻山组底部玄武岩数据源于白春东等2024；玄武粗安岩数据源于本文；晚侏罗世辉长岩数据源于孟家葆等2024。UC—上部陆壳; PM—原始地幔; DM—亏损地幔; HIMU—高μ值地幔; EM1—富集I型地幔; EM2—富集II型地幔; DEP—深部亏损地幔; EN—富集组分; REC—再循环组分; N-MORB—正常大洋中脊玄武岩; OIB—洋岛玄武岩; ARC—岛弧相关玄武岩

The basalt data of Tiaojishan Formation from Bai Chundong et al.2024&; basaltic trachyanite data from this paper; Late Jurassic gabbro data from Meng Jiabao et al.2024&. UC—upper crust; PM—primitive mantle; DM—depleted mantle; HIMU—high μ value mantle; EM1—enriched I-type mantle; EM2—enriched II-type mantle; DEP—deep depleted mantle; EN—enriched components; REC—recirculation components; N-MORB—normal type mid-ocean ridge basalt; OIB—ocean island basalt; ARC—island arc related basalt

俯冲消减沉积物的熔体往往具有较高的Th/Nb值和Th/Yb值以及较低的Ce/Th（≈8）、Ba/Th（≈111）值（Plank et al.，1998；Hermann and Spandler，2008）；消减沉积物的熔体使消减带的岩浆具Ce负异常（Hole et al.，1984）。玄武粗安岩的Ce/Th=11.3~28.1，Ba/Th=151~723，δCe=0.89~1.05，Th/Nb=0.06~0.21，Th/Yb=0.80~1.89，表明地幔源区无消减沉积物熔体的加入。

俯冲板片熔体交代过的上覆地幔楔发生部分熔融形成的玄武岩Nb/Ta值明显高于原始地幔值（Stolz et al.，1996; Munker，1998）；本文玄武粗安岩Nb/Ta=19.5~23.9，高于原始地幔值（Nb/Ta=17.5）（ Green，1995），综上表明其地幔源区受到俯冲板片熔体交代作用。

髫髻山组底部玄武岩数据源于白春东等2024；玄武粗安岩数据源于本文；晚侏罗世辉长岩数据源于孟家葆等2024

The basalt data of Tiaojishan Formation from Bai Chundong et al.2024&; basaltic trachyanite data from this paper; Late Jurassic gabbro data from Meng Jiabao et al.2024&.

朱日祥和徐义刚（2019）研究表明可以排除蒙古—鄂霍茨克构造体系对中生代辽东和燕辽地区的影响，中生代岩浆迁移规律反映的是太平洋板块俯冲过程，从180~145 Ma岩浆活动从海沟向陆内迁移，代表了西太平洋板块前进俯冲的响应。白春东等（2024）研究认为髫髻山组下部玄武岩为受到古亚洲洋俯冲陆壳富集组成交代的亏损地幔部分熔融产物。

野外调查表明玄武粗安岩覆盖于玄武岩之上，结合前人成果推断玄武粗安岩地幔源区受到的俯冲板片熔体交代作用源于古太平洋俯冲板片熔体。综上所述表明玄武粗安岩为原始地幔部分熔融产生，源区主要受到古太平洋俯冲板片熔体交代作用。

前人研究表明，俯冲板片产生的熔/流体与上覆橄榄岩发生交代作用，产生超镁铁质—镁铁质的交代体（Herzberg，2006），交代作用可以将地幔橄榄岩转变成为辉石岩或角闪石岩（Rapp et al.，1999；Castro and Gerya，2008；Fumagalli et al.，2009）；与橄榄岩熔体相比，辉石岩熔体往往具有较高的 Zn/Fe和Fe/Mn值（Herzberg，2006；Davis et al.，2013；郑永飞等，2019）; 橄榄岩的熔体的10000*Zn/Fe值为8.5±0.9，上限为12.5（Le Roux et al.，2010），Fe/Mn值介于50~60之间（Herzberg，2011）。玄武粗安岩具富碱特征，其Fe/Mn值为69~91，10000*Zn/Fe值为17.7~32.5，Zn/Fe和Fe/Mn值均高于橄榄岩熔体，与辉石岩熔体相似，表明地幔源区为辉石岩。

综上研究表明中—上侏罗统髫髻山组玄武粗安岩源于70km±深度原始地幔的部分熔融，是含角闪石尖晶石—石榴辉石岩低程度部分熔融（1%~5%）的产物，源区受到古太平洋俯冲板片熔体交代作用。

4.4 地质意义

赵振华等（2004）研究表明玄武质板片发生熔融有3种模式：①大洋板片俯冲熔融或洋脊俯冲、碰撞，形成板片窗导致洋脊熔融，洋壳年龄≤25 Ma，最大可达 30 Ma；②新底侵的玄武质下地壳发生部分熔融；③断离或撕裂的板片发生熔融，这实质是洋壳的拆沉作用。朱日祥和徐义刚（2019）研究表明华北板块180~145 Ma岩浆活动代表了西太平洋板块前进俯冲的响应。白春东等（2024）研究髫髻山组下部双峰式火山岩年龄为162.5±1.3 Ma~164.3±2.6 Ma，受到太平洋板块俯冲作用。俯冲带热结构研究表明火山弧之下俯冲板片顶部深度是80~180 km（Syracuse et al.，2010）。徐义刚等（2018）研究显示西太平洋板块平躺在地幔过渡带中，深度为400~600 km，其上形成东亚大地幔楔。

本文中—上侏罗统髫髻山组玄武粗安岩源区近于石榴子石稳定域，地幔深度70 km±，源区受到俯冲板片熔体交代，表明俯冲板片顶部深度浅，结合前人研究成果俯冲板片熔体源于年龄小于25 Ma的古太平洋板片熔融，表明晚侏罗世早期华北克拉通北缘岩石圈地幔主要受古太平洋俯冲作用改造。

华北克拉通东部岩石圈地幔中生代以来兼有贫瘠型（亏损玄武质组分）古老岩石圈地幔特征和大洋型地幔特征（鲁江姑等，2011）；白春东等（2024）研究表明髫髻山组下部玄武岩形成时代为中侏罗世末期，是古亚洲洋俯冲流体和陆壳富集组分改造的亏损地幔；孟家葆等（2024）研究表明侵入髫髻山组玄武粗安岩的晚侏罗世辉绿岩为俯冲洋壳熔体改造的大洋型原始地幔；根据 Condie（2003，2005）的不相容元素判别图解和Nb_N—Th_N图解（图10和图11），中侏罗世玄武岩—晚侏罗世早期玄武粗安岩—晚侏罗世辉绿岩表明华北岩石圈地幔由亏损地幔逐步演化原始地幔，地幔源区为古亚洲洋陆壳富集组分交代的亏损地幔演化为古太平洋俯冲板片熔体交代的原始地幔，表明中晚侏罗世华北克拉通北缘岩石圈地幔性质发生明显转变。

5 结论

（1）华北板块北缘宣化地区中—上侏罗统髫髻山组玄武粗安岩属于碱性玄武岩系列，形成于晚侏罗世早期，经历单斜辉石和斜长石分离结晶作用以及地壳混染作用。

（2）宣化地区髫髻山组玄武粗安岩由原始地幔含角闪石尖晶石—石榴辉石岩低程度部分熔融（1%~5%）形成，受到古太平洋俯冲板片熔体交代作用，交代的俯冲板片熔体源于年龄小于25 Ma的大洋板片熔融。

（3）髫髻山组玄武粗安岩代表晚侏罗世早期华北板块北缘岩石圈地幔主要受古太平洋洋俯冲作用改造。

（4）中—晚侏罗世华北克拉通北缘岩石圈地幔性质发生明显转变，由古亚洲洋陆壳富集组分交代的亏损地幔演化为古太平洋俯冲板片熔体交代的原始地幔。

致谢：项目实施过程中河北省区域地质调查院的李金和教授级高级工程师参加了本项目野外工作，对本项目进行指导，样品分析过程中受到河北省区域地质调查院实验室的帮助，审稿专家和编辑提出了宝贵建议，在此一并致谢！

注释 / Note

❶ 河北省区域地质调查院.2023. 河北省沙岭子、宣化县、深井镇、涿鹿县1∶5万区域地质调查报告.

参考文献