锆石晶体生长动力学对华北地区河北东部姚岭子岩群成因的制约作用

《Lithos》：Constraints from zircon crystal growth kinetics on the petrogenesis of the Yaolingzi Complex, eastern Hebei, North China

　　摘要
华北板块内造山带中的中生代复合侵入体通常与金矿化具有空间上的关联性，但相似的锆石UPb年龄可能会掩盖不同的岩浆脉动。本研究聚焦于河北东部的姚岭子复合体，利用岩石学、锆石UPb定年、锆石REE地球化学、锆石形态学、T-A分类以及生长动力学分析来探究其岩浆演化过程。四个采样侵入体的锆石UPb年龄集中在164–160 Ma之间，表明它们属于早燕山期同期岩浆活动。锆石形态学、T-A分类、REE特征和生长速率模式揭示了这四种岩性之间的差异。石英二长岩、花岗闪长岩和细粒正长岩脉显示出相似的锆石特征，说明它们来源于同一或密切相关的岩浆体系；而黑云母花岗岩则表现出更大的形态变异性和独特的晚期生长行为。根据Pupin锆石分类体系，前三种岩性具有混合钙碱性特征，表明受到地壳和地幔的共同影响；而黑云母花岗岩则表现出较强的地幔贡献特征。这些结果表明，在复合侵入体中，仅凭相似的年龄和空间关联不足以识别与矿化相关的岩浆事件。因此，基于锆石的研究方法为评估同期但可能不同的岩浆脉动提供了补充的晶体尺度信息。黑云母花岗岩是最有可能与矿化相关的侵入岩相，值得进一步研究。

引言
在复杂侵入体中区分时间和成分不同的岩浆脉动对于理解大陆地壳生长及相关的矿床形成至关重要（例如，Kharkongor等人，2025；Kleinsasser等人，2024；Spandler等人，2000；Spandler等人，2005；Wall等人，2018）。复合侵入体通常由多次岩浆事件形成，其结晶年龄在分析不确定性范围内可能存在重叠（Clemens和Birch，2012；Cole等人，2000；Dong等人，2006）。因此，仅依靠野外接触关系和高精度地质年代学数据往往难以揭示不同岩体的岩浆演化序列和遗传联系（Zhang等人，2025；Zhou等人，2021）。传统的全岩主量和微量元素地球化学方法为评估岩浆亲缘关系、分异趋势和成分组成提供了重要依据（Zhou等人，2022）。然而，全岩成分整合了整个样品的化学特性，可能无法保留结晶过程中的短时变化信息。锆石形态学、内部分区、微量元素组成和生长动力学能够提供关于岩浆结晶过程中物理化学条件的补充信息（例如，Gillespie等人，2024；Muhtar等人，2023；Sun，2021）。锆石是长英质岩浆中最常见的副矿物之一，具有很强的抗风化和蚀变能力，因此是岩浆演化的理想记录介质（Lee等人，2025；Yang等人，2025）。除了在UPb定年和微量元素地球化学中的应用（如LREE亏损、HREE富集和Ce/Eu异常可以追踪岩浆源特性和氧化还原条件）外，锆石形态和内部结构还与晶体生长动力学相关（例如，Nathwani等人，2023；Yang和Wei，2017）。这些特征可以通过量化来限制结晶条件和岩浆演化过程（Dempster等人，2008；Huang等人，2024；Ni等人，2020）。例如，经典的锆石分类表明，棱柱面和金字塔面的相对发育定义了与岩浆结晶温度（T）和碱度（A）密切相关的T-A分类场（Pupin，2024）。此外，锆石棱柱和金字塔指数等测量参数可用于评估岩浆结晶的稳定性（例如，Pupin，1980；Vavra，1993；Wang，1998；Wang和Ren，2018）。基于阴极发光（CL）成像的生长过程分析可以量化锆石生长速率和突然的生长事件，从而揭示岩浆房内的微观过程（Vavra，2025）。将锆石地球化学、形态学和生长动力学与岩石学、地质年代学和常规地球化学数据相结合，可以为评估复合侵入体的岩浆成因提供额外的晶体尺度信息。

不确定性
复合侵入体的岩浆成因和演化历史不确定性可能阻碍针对金矿化的深部勘探和区域预测。位于华北东部马兰峪复合背斜的燕山岩浆作用域与华北克拉通的地壳减薄和再改造过程密切相关（Bagas等人，2021；Wu等人，2023），该区域是重要的金矿区之一（Bagas等人，2021；Wu等人，2023）。燕山期侵入体（包括青山口、姚岭子和鱼儿崖体）广泛分布，并与大规模金矿化具有时空关联性（例如，Kong等人，2015；Liu等人，2021；Miao等人，2008）。姚岭子复合体由花岗闪长岩、石英二长岩、细粒正长岩脉和黑云母花岗岩组成。尽管先前的研究表明岩浆活动和矿化主要集中在165–160 Ma（Chen等人，2023；Sun等人，2024），但目前尚不清楚这些岩体是来自单一岩浆源的分异产物还是多批次岩浆作用的结果（Liu等人，2016）。因此，本文重点研究了姚岭子复合体的四种主要岩性类型（图2b）。通过详细的岩石学观察，我们进行了LA–ICP–MS锆石UPb定年，以建立高精度的时间框架，并整合了定量锆石形态数据、生长分区分析和微量元素分析。我们的目标是：（1）验证尽管姚岭子复合体的四种岩性锆石UPb年龄相似（164–160 Ma），它们记录的是单一连续的岩浆演化还是多个同期岩浆脉动；（2）评估锆石形态学、T-A分类、REE特征和生长速率模式是否能够提供关于结晶条件、岩浆演化和相对岩浆源的晶体尺度约束；（3）判断这些基于锆石的特征是否有助于识别与区域金矿化最相关的岩浆脉动。

区域地质背景
华北东部马兰峪复合背斜位于华北板块内造山带的东部段（Wu等人，2023；图1a），从西部的平谷延伸至东部的秦皇岛，大致呈东西向延伸，长度约为110 km，核心宽度约为25–30 km。该区域具有复杂的构造格局，反映了多种方向构造的叠加（例如，Guo等人，2024；图1b）。该地区存在超过一百个金矿床。

姚岭子复合体的岩石学
野外地质调查和岩石学观察表明，姚岭子复合体是由多种中长英质侵入岩组成的复合岩体，而非单一岩性（图2b、3a、b）。所有岩石样本均采自马兰峪复合背斜的核心区域。采样的岩性和对应的样本编号分别为：花岗闪长岩（GD；YLZ-1）、细粒正长岩脉（SG；YLZ-2）和石英二长岩（QMD；Y20–3）。

锆石UPb地质年代学
在锆石UPb定年中，首先排除了受Pb损失影响或同位素组成异常的分析结果，仅保留了一致度≥90%的分析结果，并进一步排除了与主年龄群体不一致的继承或混合年龄的锆石颗粒。相关分析方法详见附录A.2。GD、SG、QMD和BG分别获得了21个、17个、15个和23个分析点。四种岩性样本的锆石数据显示……

姚岭子复合体的岩浆演化和地质意义
通过整合四种岩性的数据，我们利用岩石学、定量锆石形态学、锆石生长动力学、地球化学和锆石UPb地质年代学来研究其岩浆演化。四个样本的锆石UPb年龄集中在164–160 Ma之间，与Jiang等人（2018）报告的马兰峪复合背斜花岗岩体的年龄范围（220–160 Ma）一致。Qiu等人（2023）指出，在此期间……

结论
（1）锆石UPb年龄表明QMD、GD、SG和BG在早燕山期岩浆事件中于164–160 Ma之间结晶。重叠的年龄在当前分析分辨率下显示了岩浆活动的同步性，而野外关系表明SG是在GD和QMD之后形成的。
（2）综合锆石数据显示QMD、GD和SG具有相似的结晶特征，而野外关系表明SG是较晚形成的侵入相。

作者贡献声明
郝天勋：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、数据管理、概念化。
王书志：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。
马亚杰：撰写 – 审稿与编辑、验证。
曹崇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、正式分析。
郑永涛：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、调查。
周龙环：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢
本研究得到了北京SHRIMP中心开放基金、中国河北省自然科学基金（项目编号D2023209016）以及河北省创新能力提升项目（项目编号23564201D）的支持。

作者：
郝天勋 | 王书志 | 马亚杰 | 曹崇 | 郑永涛 | 周龙环
华北科技大学，唐山063210，中国