ISSN 1005-2518
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Gold Science and Technology >

2026 , Vol. 34 >Issue 2: 334 - 351

DOI: https://doi.org/10.11872/j.issn.1005-2518.2026.02.155

Mineral Exploration and Resource Evaluation

Geochemistry，Chronology and Tectonic Environment of the Early Permian Granite in the Heishishan， Southern Belt of Beishan Mountains

  • Decao NIU , 1, 2 ,
  • Tao MA , 1, 2 ,
  • Kangning LI 1, 2, 3 ,
  • Han DONG 1, 2 ,
  • Bingwen JIANG 1, 2 ,
  • Dengpeng HUANG 1, 2 ,
  • Zhihu WANG 1, 2
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  • 1. Key Laboratory of Mineral Resources Exploration, Gansu Province, Lanzhou 730000, Gansu, China
  • 2. The Third Institute of Geology and Minerals Exploration, Gansu Provincial Bureau of Geology and Minerals Exploration and Development/Gold Mine Resource Exploration and Utilization Technology Innovation Center of Gansu Province, Lanzhou 730050, Gansu, China
  • 3. School of Earth Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China

Received date: 2025-04-29

  Revised date: 2025-11-03

  Online published: 2026-05-13

Copyright

© Editorial Department of Gold Science and Technology （CC BY-NC-ND）
Fold

Abstract

The Early Permian granites of Heishishan are situated within the Late Paleozoic intracontinental rift in the southern region of Beishan Mountains. These granites have been inadequately studied, thereby limiting the understanding of the tectonic-magmatic evolutionary history of the Beishan area. This paper, presents findings from comprehensive field geological investigations, petrogeochemical analyses, isotopic chronology, and petrographic studies conducted on the Heishishan granite body. The results indicate that： the SiO2 content of the rocks consistently exceeds 70%. The A/CNK ratio of the difeldspar granite is greater than 1.1, classifying it as a strongly peraluminous granite. The geochemical parameter of alkalinity ranges from 0.49 to 0.67, identifying the granite as calc-alkaline with characteristics typical of S-type granites. Both the consolidation index and feldspar index suggest a high degree of fractional crystallization and separation in the granite. Additionally, the trace elements are enriched with large ion lithophile elements such as Rb, K, Ba, and La, while elements such as Ba, Sr, P, and Ti are notably depleted. The rare earth element（REE） distribution pattern exhibits a rightward inclination, characterized by a pronounced negative europium（Eu） anomaly. Zircon U-Pb geochronology results reveal that the diagenetic age of the rock mass is （284.8±3.9） Ma, corresponding to the Early Permian period. Tectonic environment analysis suggests formation within a stretched and thinned intra-plate rift, setting, indicative of a post-collisional extensional regime. The source rock is interpreted as a product of lower crustal melting, induced by the thermal influence of mantle-derived magmatic under plating. Considering the regional geological, context, it is postulated that the Beishan Mountains Southern Belt and its surrounding areas transitioned into a post-collisional rift extension phase during the late Early Permian. Consequently, the closure of the Central Asian Orogenic Belt likely occurred prior to the late Early Permian.

Key words： the southern belt of Beishan Mountains; granite; geochemistry; zircon U-Pb; tectonic environment; Early Permian

Cite this article

Decao NIU , Tao MA , Kangning LI , Han DONG , Bingwen JIANG , Dengpeng HUANG , Zhihu WANG . Geochemistry，Chronology and Tectonic Environment of the Early Permian Granite in the Heishishan， Southern Belt of Beishan Mountains[J]. Gold Science and Technology, 2026 , 34(2) : 334 -351 . DOI: 10.11872/j.issn.1005-2518.2026.02.155

北山造山带呈EW向展布于甘肃、新疆和内蒙古交界处，为塔里木板块与华北板块的结合部位（鲍育敏等，2025），是一条多旋回复合造山带，经历了复杂的构造演化过程（任纪舜，2003；杨合群等，2012；田健等，2025）。以明水—石板井—小黄山蛇绿岩带和红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿岩带为界，可将北山地区划分为北山北带、北山中带和北山南带（左国朝等，1990；郑荣国等，2012）。北山地区花岗岩类岩石分布广泛，约占该区全部侵入岩的95%（聂凤军等，2002），探讨北山地区花岗岩的形成时代和形成环境等属性，可为揭示甘肃北山造山带构造演化提供重要信息。
近年来，前人对北山地区开展了很多工作，积累了大量的研究资料。研究认为北山北带早二叠世仍处于古亚洲洋板块的俯冲阶段（鲍育敏等，2025），北山中部地区中酸性侵入岩以华力西中晚期为主，其次为加里东晚期（戴霜等，2003），北山东部及其邻区在早二叠世已进入后碰撞陆内伸展的构造演化阶段（安屹，2018）。也有研究认为北山地区白云山花岗闪长岩形成于后碰撞构造环境，形成于早石炭世（赵泽南等，2020）。由此可见，前人虽然对北山地区花岗岩开展了大量的研究，但相关研究主要关注北山中带和北带，较少涉及北山南带，近年才有少量研究涉及（雒晓强，2022；黄博涛等，2023；张文斌等，2025）。同时，对该区华力西期花岗岩的构造背景和岩石成因等认识仍存在较大的分歧：有学者认为北山地区早古生代中奥陶世存在碰撞带，此时古洋盆开始闭合（修迪等，2018）；也有学者认为北山地区的古洋盆直到晚古生代晚石炭世才开始闭合，到二叠纪则已进入后碰撞发育阶段（张文等，2011；王盛栋，2017，杨镇熙等，2022）。此外，张文斌（2025）认为北山南带南段的长山二长花岗岩形成于早二叠世，中亚造山带南缘碰撞拼接早于早二叠世；慕洁等（2025）通过研究北山南带下二叠统双堡塘组火山岩，认为其在早二叠世就已进入后碰撞阶段；许伟（2019）则认为古洋盆闭合于晚古生代晚二叠世；孙海瑞等（2020）分析认为北山南带增生造山事件至少持续到早二叠世；宋东方等（2018）研究表明，柳园地区火山岩有明显俯冲带岩石的地球化学特征；Tian et al（2013）通过研究红岩井盆地指出，古亚洲洋的汇聚闭合与249 Ma大型褶皱变性时间有关，另外在柳园西部发现的中二叠世闪长岩脉、岛弧特征辉长岩脉和埃达克特征花岗岩，揭示该地区在早二叠世仍为板块俯冲环境（Zheng et al，2020）。总之，对该地区的古构造背景长时间没有统一认识，争论很大，限制了对中亚造山带的整体认识（黄博涛等，2023）。鉴于此，针对北山南带东段的黑石山花岗岩体开展了详细研究，采用区域地质背景、地球化学和同位素年代学等方法，对黑石山花岗岩体的成因时代和构造背景等进行探讨，以期为北山地区北山构造演化和中亚造山带南缘闭合时间等提供新的地质证据。

1 地质背景

北山造山带位于中亚造山带南部，研究区属北山造山带南带，大地构造位置处于磁海—红柳园—白山堂晚古生代陆内裂谷（杨合群等，2010）［图1（a）］，位于北卧虎山断层和沙红山—月牙山断层之间，主要由沉积盖层和侵入岩组成［图1（b）］。
图1 黑石山二长花岗岩体大地构造位置（a）及地质简图（b）（修改自李注苍等，2016）

1.第四纪全新世冲洪积层；2.晚新近世苦泉组；3.晚白垩世赤金堡组；4.早二叠世双堡塘组；5.晚石炭世干泉组二段；6.晚石炭世干泉组一段；7.早石炭世红柳园组二段；9.早石炭世红柳园组一段；9.蓟县系平头山组；10.长城系古硐井群上岩组；11.长城系古硐井组中岩组；12.长城系古硐井组下岩组；13.中三叠世花岗斑岩；14.中三叠世闪长玢岩；15.晚二叠世二长花岗岩；16.早二叠世正长花岗岩；17.地质界线；18.不整合接触界线；19.区域断层；20.缝合带断层；21.采样位置；22.省界线

Fig. 1 Tectonic location （a） and geological sketch diagram（b） of the Heishishan monzogranite mass（modified after Li et al，2016）

研究区内出露地层主要为上石炭统干泉组。上石炭统干泉组岩性为一套浅海—半深海相火山—碎屑岩建造（张新虎，2013）。地层总体走向为NW和NE向。区内断层整体较为发育，以NW和近EW向断层为主，可见近EW向断层向NW-NE向断层过渡为弧形断层。区内总体褶皱较发育，在沙红山、凤凰山和黑石山一带发育背斜和向斜，其中黑石山背斜规模较大，黑石山早二叠世花岗岩就分布于该背斜中，呈NWW-SEE向长条状展布，长轴方向与区域构造线方向基本一致（李注苍等，2016）。区内经历了二叠纪和三叠纪多期次的岩浆作用，侵入岩较发育。加里东晚期以中酸性岩为主，呈大岩基出露；华力西期侵入岩以酸性岩为主，呈较大岩基或小岩株产出，岩体形态受区域构造控制明显，长轴与区域构造线方向一致；印支期侵入岩分布相对较少，主要以规模大的独立岩基产出，为酸性侵入岩，有中酸性小岩株零星分布。区内辉绿岩脉、石英脉、花岗斑岩脉和闪长玢岩脉等不太发育。

2 岩体地质和岩石学特征

黑石山岩体主要岩性为二长花岗岩，边部及中心有小面积出露的正长花岗岩，与二长花岗岩呈脉动接触关系。NNE向宽度为0.9~3.3 km，SEE向长度为15.5 km，出露总面积约为33 km2。该岩体侵入于晚石炭世干泉组中。岩体边部弯曲，局部呈港湾状，边缘接触带附近分布有数十平方米大小的围岩捕虏体。岩体中包体不发育，但普遍存在糜棱岩化，矿物呈定向排列。
二长花岗岩［图2（a）］具中细粒花岗结构，块状构造。矿物组成主要为钾长石（37%~42%）、斜长石（25%~30%）和石英（20%~22%），黑云母约占7%，白云母占比小于5%，偶见较少的金属矿物等副矿物，岩石整体致密坚硬。矿物粒径大小为0.2~3.0 mm，个别长石（如正长石）粒径可达4.0 mm左右，长石晶体形态多呈不规则状，斜长石聚片双晶发育，晶体中心的蚀变强于边缘，见不同程度的绢云母化和黏土化。斜长石自形程度高于钾长石［图2（b）］；钾长石卡式双晶发育，部分钾长石包裹柱状斜长石［图2（b）］。石英晶体多呈他形晶粒状，普遍具波带状消光，偶见晶体表面脆性裂纹，较少为晶粒状，多呈集合体不均匀分布［图2（c）］。黑云母呈鳞片状，具深褐—淡黄多色性。副矿物常与黑云母伴生或被包裹。具糜棱岩化［图2（a）］。
图2 黑石山正长花岗岩和二长花岗岩手标本和显微镜下特征

（a）二长花岗岩糜棱岩化（手标本）；（b）二长花岗岩中钾长石和斜长石含量相近（+）；（c）二长花岗岩钾长石属微斜条纹长石，条纹的形态以点滴状和微脉状为主（+）；（d）正长花岗岩（手标本）；（e）正长花岗岩，钾长石颗粒明显粗大（+）；（f）正长花岗岩，局部具破碎带（+）；Bi-黑云母；Kf-钾长石；Ms-白云母；Pl-斜长石；Q-石英

Fig. 2 Hand specimens and microscopic features of syenogranite and monzonogranite from Heishishan

正长花岗岩［图2（d）］具中细粒花岗结构，块状构造。矿物组成主要为钾长石（57%~58%）、斜长石（15%）和石英（20%）；含少量黑云母、白云母和绿泥石，含量均小于5%，零星可见微量锆石和磷灰石等副矿物，金属矿物少见，岩石整体致密坚硬。斜长石呈半自形的柱粒状或短柱状形态，自形程度高于钾长石，斜长石晶体粒径多数在4.0 mm以下。钾长石呈他形晶粒状［图2（e）］，以正长石为主，粒径多数在5.0 mm以下，与细粒斜长石和石英等穿插生长［图2（f）］。石英多呈不规则的他形粒状，彼此呈锯齿状镶嵌分布［图2（f）］，粒径相对长石较小，均为不均匀消光，粒径多数在1.0 mm以下。暗色矿物多为黑云母［图2（d）］，但已基本绿帘石化，偶见残余黑云母呈杂乱分布，粒径在0.5 mm以下，部分呈聚集态不均匀分布。

3 样品采集与测试

3.1 样品的采集

本次工作在研究区内采集岩石样品5件，采样位置见图1，其中二长花岗岩样品4件，正长花岗岩样品1件。锆石U-Pb年龄样1件，采于二长花岗岩中。采集过程避开了外来包体、脉体以及外来物质的污染。

3.2 测试方法

黑石山花岗岩体主量和微量元素分析测试工作由自然资源部兰州矿产资源检测中心完成，分析精度均符合规定要求。锆石同位素测试工作由国土资源部中南矿产资源监督检测中心完成，数据处理采用ICP-MS DataCal完成，详细的分析步骤和数据处理方法见文献（Horn et al，2000；Yuan et al，2004）。U-Pb年龄图绘制采用Isoplot 4.0程序完成（Ludwig，2003）。

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素特征

黑石山花岗岩岩石地球化学分析数据见表1。由于样品烧失量值较大，另外岩石标本显示均有不同程度的糜棱岩化，显示花岗岩均遭受一定的后期高温蚀变。因此，文中所用的主量元素图均为去除烧失量并重新折算的主量元素含量，调整后的岩石氧化物数据、标准矿物及相关参数见表2。由表2可知，SiO2和K2O含量高于中国花岗岩类二者的平均值（黎彤等，1998），而其余氧化物（如Na2O、Al2O3、MgO和CaO）含量均低于中国花岗岩类平均值。
表1 黑石山花岗岩岩石地球化学分析数据

Table 1 Analysis data of rock geochemical of the Heishishan granite（%）

序号 样品编号 侵入体名称 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO
1 PM03YQ43-1 正长花岗岩 75.86 0.17 11.34 0.80 0.90 0.03 0.49 0.92
2 2014X YQ-10 二长花岗岩 73.88 0.48 13.52 1.28 0.81 0.02 0.41 0.96
3 2014X YQ-23 二长花岗岩 72.10 0.64 14.24 0.78 2.21 0.04 0.38 1.05
4 2014X YQ-24 二长花岗岩 72.85 0.70 13.95 0.93 2.31 0.04 0.37 1.10
5 2014X YQ-25 二长花岗岩 70.33 0.70 14.46 1.31 2.02 0.04 0.31 1.34
序号 样品编号 侵入体名称 Na2O K2O P2O5 CO2 H2O+ H2O- 灼减 总计
1 PM03YQ43-1 正长花岗岩 2.94 4.68 0.05 0.20 0.88 0.21 1.42 100.90
2 2014X YQ-10 二长花岗岩 2.45 4.18 0.06 0.68 0.88 0.18 - 99.78
3 2014X YQ-23 二长花岗岩 3.10 4.32 0.09 0.36 1.00 0.27 - 100.57
4 2014X YQ-24 二长花岗岩 2.72 4.42 0.10 0.50 0.72 0.20 - 100.92
5 2014X YQ-25 二长花岗岩 2.74 4.37 0.10 0.56 1.19 0.12 - 99.59

注：“-”代表灼烧前与灼烧后的重量未减少

表2 黑石山花岗岩岩石地球化学分析调整后数据、标准矿物计算及相关参数

Table 2 Adjusted data，standard minerals calculation and relevant parameters of rock geochemical analysis of the Heishishan granite（%）

序号 样品编号 侵入体名称 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O
1 PM03YQ43-1 正长花岗岩 77.26 0.18 11.55 0.78 0.95 0.03 0.50 0.94 2.99
2 2014X YQ-10 二长花岗岩 75.36 0.49 13.79 0.88 1.21 0.02 0.41 0.98 2.50
3 2014X YQ-23 二长花岗岩 72.87 0.64 14.39 0.79 2.23 0.04 0.39 1.06 3.13
4 2014X YQ-24 二长花岗岩 73.22 0.71 14.02 0.93 2.32 0.04 0.38 1.10 2.74
5 2014X YQ-25 二长花岗岩 71.97 0.72 14.80 1.34 2.07 0.04 0.32 1.37 2.80
序号 样品编号 侵入体名称 K2O P2O5 Hy.fs Mt Il Ap 碱性 Alk A/NK
1 PM03YQ43-1 正长花岗岩 4.77 0.05 0.80 1.14 0.33 0.12 0.67 7.76 1.14
2 2014X YQ-10 二长花岗岩 4.26 0.06 0.71 1.28 0.93 0.14 0.49 6.76 1.58
3 2014X YQ-23 二长花岗岩 4.37 0.09 2.46 1.14 1.22 0.19 0.52 7.50 1.46
4 2014X YQ-24 二长花岗岩 4.44 0.10 2.40 1.36 1.35 0.21 0.51 7.18 1.51
5 2014X YQ-25 二长花岗岩 4.47 0.10 1.58 1.94 1.36 0.21 0.49 7.28 1.57
序号 样品编号 侵入体名称 Di.fs Hy.en Q Or Ab An C Di.wo Di.en
1 PM03YQ43-1 正长花岗岩 0.06 1.15 38.70 28.19 25.31 3.96 0 0.16 0.09
2 2014X YQ-10 二长花岗岩 0 1.04 41.66 25.23 21.13 4.47 3.41 0 0
3 2014X YQ-23 二长花岗岩 0 0.97 34.20 25.85 26.47 4.75 2.75 0 0
4 2014X YQ-24 二长花岗岩 0 0.94 36.54 26.28 23.13 4.90 2.90 0 0
5 2014X YQ-25 二长花岗岩 0 0.79 34.68 26.45 23.70 6.23 3.05 0 0
序号 样品编号 侵入体名称 A/CNK σ AR DI SI FL MF Mg# Fe*值
1 PM03YQ43-1 正长花岗岩 0.98 1.76 4.28 92.2 4.98 194.59 77.7 0.23 1.65
2 2014X YQ-10 二长花岗岩 1.31 1.41 2.69 88.02 4.45 191.18 83.73 0.17 2
3 2014X YQ-23 二长花岗岩 1.22 1.88 2.89 86.52 3.54 175.15 88.67 0.12 2.94
4 2014X YQ-24 二长花岗岩 1.24 1.71 2.81 85.95 3.48 182.52 89.65 0.11 3.16
5 2014X YQ-25 二长花岗岩 1.24 1.83 2.64 84.83 2.88 170.26 91.48 0.09 3.27

注：Di（透辉石）由Di.en（顽火辉石，镁端元）、Di.fs（铁辉石，铁端元）和Di.wo（硅灰石，钙端元）组成；Hy（紫苏辉石）由Hy.en（顽火辉石，镁端元）和Hy.fs（铁辉石，铁端元）组成，可指示岩浆演化程度；wo（硅灰石）与en（顽火辉石）、fs（铁辉石）首先形成透辉石Di，等wo（硅灰石）消耗完全后，剩余的结合形成en（顽火辉石）和fs（铁辉石），并形成Hy（紫苏辉石）；Mt为磁铁；Il为钛铁矿；Ap为磷灰石；Fe*指（FeOt）=FeO （wt%）+0.8998*Fe₂O₃ （wt%）；Alk=Na2O+K2O；Mg#=MgO/（MgO+FeOt）；A/NK=Al2O3/102/（Na2O/62+K2O/94）；DI=Q+Or+Ab；SI＝100*MgO/（MgO+FeO+Fe2O3+Na2O+K2O）；Fl=100（Na2O+K2O）/（Na2O+K2O+CaO）；MF=100（Fe2O3+FeO）/（Fe2O3+FeO+MgO）；AR=（Al2O3+CaO+Na2O+K2O）/（Al2O3+CaO-Na2O-K2O）；A/CNK=Al2O3/102/（CaO/56+N2O/62+K2O/94）；σ=（Na2O+K2O）2/（SiO2-43）；碱性=（Na2O+K2O）/Al2O3

岩石化学参数碱性常用来划分岩石的钙碱性系列，Alk常用来与中国花岗岩类（黎彤等，1998）平均值对比，用于反映碱度的高低，另一参数Mg#值用于反映岩石基性程度，分异指数DI、固结指数SI、长英指数FL和镁铁指数MF用于表述岩石结晶分异程度（邱家骧，1991；雒晓强，2022）。黑石山花岗岩碱性计算值为0.49~0.67，均小于0.9；Alk值为6.76%~7.76%，平均值为7.30%；Mg#值为0.09~0.23，平均值为0.14；DI值为84.83~92.20，SI值为2.88~4.98，长英指数FL值为170.26~194.59，镁铁指数MF值为77.70~91.48。综合表明，黑石山花岗岩属于钙碱性花岗岩，其碱度较低，基性程度很低，分离结晶程度高，分异好。
虽然里特曼指数σ值为1.41~1.88，属于钙碱性系列，但当岩石中SiO2含量大于70%时，该指数反映的岩石碱度不够准确，还需利用TAS图解等进行综合分析。在TAS图（图3）中，所有样品均投入亚碱性系列区域；SiO2-AR图解（图4）显示，正长花岗岩为碱性，二长花岗岩为碱性与钙碱性过渡，但偏向碱性。
图3 黑石山花岗岩SiO2-全碱图解（底图据Middlemost，1994）

Fig. 3 SiO2-total alkali diagram of the Heishishan granite（base map according to Middlemost，1994）

图4 黑石山花岗岩SiO2-AR图解（底图据Middlemost，1994）

Fig. 4 SiO2-AR dagram of the Heishishan granite（base map according to Middlemost，1994）

在花岗岩SiO2-K2O图解（图5）中，所有样品均投入高钾钙碱性系列中。对于A/CNK值，除正长花岗岩样品小于1之外，二长花岗岩样品均大于1.1，显示前者为准铝质岩石，后者为强过铝质岩石。在A/CNK-A/NK图解（图6）中，正长花岗岩样品投入准铝质区，二长花岗岩样品均投入过铝质区。
图5 黑石山花岗岩SiO2-K2O图解（底图据Middlemost，1985）

Fig. 5 SiO2-K2O diagram of the Heishishan granite（base map according to Middlemost，1985）

图6 黑石山花岗岩A/CNK-A/NK图解（底图据Maniar et al， 1989）

Fig. 6 A/NKC-A/NK diagram of the Heishishan granite（base map according to Maniar et al， 1989）

4.2 微量元素特征

黑石山花岗岩体微量元素数据及相关参数见表3。由表3可知，（Rb/Yb）N值为32.86~53.92，显示为强不相容元素富集型，代表的源区地幔特征为富集地幔型（李昌年，2008），熔融程度低、分离结晶强的残余熔体。二长花岗岩和正长花岗岩K*值大于1，为钾富集型，指示成因信息为花岗质岩石，与消减作用有联系。Th*值、Sr*值、P*值和Ti*值均小于1，指示为钍、锶、磷及钛亏损型，指示成因信息为花岗质岩石，具富钛矿物分离结晶的残余熔体。此外，正长花岗岩与二长花岗岩2014X WL-10样品Zr*值小于1，指示成因信息为有锆英石参与分离结晶的残余熔体，其余二长花岗岩Zr*值大于1，显示其为地壳岩石和花岗质岩石。正长花岗岩与二长花岗岩2014X WL-23和2014X WL-24样品Nb*值小于1，可能与偏基性的岩石有关（李昌年，2008）。综合微量元素相关参数，揭示黑石山花岗岩与壳源关系密切，侵位过程中可能存在与偏基性围岩同化混染作用。
表3 黑石山花岗岩体微量元素数据及相关参数

Table 3 Trace element data and related parameters of the Heishishan granite body（×10-6）

序号 样品编号 侵入体名称 Ba Rb Th U K Nb Sr P
1 PM03WL43-1 正长花岗岩 554.0 244 14.3 1.35 39 561.25 6.08 74.9 240.06
2 2014X WL-10 二长花岗岩 61.0 264 10.7 1.47 35 388.32 68.4 48.4 276.05
3 2014X WL-23 二长花岗岩 384.5 239.7 17.8 4.99 36 272.6 69.5 116.3 388.22
4 2014X WL-24 二长花岗岩 382.4 239 20.5 4.35 36 880.55 69.7 79.6 421.17
5 2014X WL-25 二长花岗岩 418 234 12.2 3.12 37 117.27 69.8 80.7 428.82
序号 样品编号 侵入体名称 Zr Hf Ti Ni Cr Co （Rb/Yb）N Th*
1 PM03WL43-1 正长花岗岩 117 0.2 1 050.18 2.14 10.4 17.9 35.08 0.66
2 2014X WL-10 二长花岗岩 77.4 2.8 2 916.84 1.70 3.7 7.5 53.92 0.49
3 2014X WL-23 二长花岗岩 244.4 9.0 3 847.49 1.70 3.7 7.4 33.80 0.86
4 2014X WL-24 二长花岗岩 268.9 9.5 4 241.90 1.70 3.7 7.5 32.86 0.99
5 2014X WL-25 二长花岗岩 261.4 9.8 4 306.68 1.90 3.7 8.0 43.05 0.59
序号 样品编号 侵入体名称 K* Nb* Sr* P* Zr* Ti*
1 PM03WL43-1 正长花岗岩 4.53 0.08 0.09 0.18 0.75 0.05
2 2014X WL-10 二长花岗岩 2.45 1.16 0.12 0.28 0.67 0.2
3 2014X WL-23 二长花岗岩 1.92 0.95 0.12 0.16 1.35 0.18
4 2014X WL-24 二长花岗岩 1.82 0.89 0.07 0.15 1.27 0.17
5 2014X WL-25 二长花岗岩 2.16 1.01 0.11 0.19 1.71 0.25

注：Th*=2ThN/（RbN+KN）；K*=2KN/（TaN+LaN）；Nb*=2NbN/（KN+LaN）；Sr*=2SrN/（CeN+NdN）；P*=2PN/（NdN+HfN）；Zr*=2ZrN/（PN+SmN）；Ti*=2TiN/（SmN+TbN）；标准化数据选择原始地幔

在原始地幔标准化微量元素蛛网图（图7）中，Ba、Sr、P和Ti明显亏损，指示黑石山花岗岩成岩过程中可能有残余熔浆加入，同时也反映斜长石分离结晶程度高，岩浆分异结晶演化彻底；富集Rb和Th，且亏损Nb、Hf和Ti，反映源区有锆石参与分离结晶且源岩具有陆壳物质特征（李昌年，2008；陈有炘等，2015，向华等，2025）。
图7 黑石山花岗岩微量元素蛛网图（标准化数据引自Pearce et al， 1984）

Fig. 7 Trace elements spider diagram of the Heishishan granite（standardized data cited from Pearce et al，1984）

4.3 稀土元素特征

黑石山花岗岩体稀土元素分析数据及其参数特征值见表4。由表4可知，轻稀土总量为75.93×10-6~223.74×10-6，重稀土含量为52.12×10-6~79.08×10-6，稀土总量为128.06×10-6~302.81×10-6，平均值为224.38×10-6；LaN/YbN比值为2.95~6.72，平均值为5.23，反映轻重稀土存在明显分馏；（La/Sm）N值为1.49~2.67，反映轻稀土分馏程度弱或未分馏，（Gd/Yb）N值为1.22~1.50，反映重稀土元素分馏程度弱或未分馏，但轻稀土元素分馏强于重稀土元素。Sm/Yb比值为1.84~2.34，小于4，另外Dy/Yb比值为1.81~1.97，小于2，综合表明岩体成因可能为中下地壳来源（张竞嘉等，2021）。δEu值为0.28~0.57，平均值为0.44，显示较明显的负Eu异常。
表4 黑石山花岗岩稀土元素数据及相关参数

Table 4 Rare earth elements data and related parameters of the Heishishan granite（×10-6）

序号 样品编号 侵入体名称 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb
1 PM03XT43-1 正长花岗岩 33.20 75.30 10.02 35.05 8.18 1.21 6.82 1.36
2 2014X XT-10 二长花岗岩 13.45 33.90 4.46 17.96 5.68 0.48 4.66 0.95
3 2014X XT-23 二长花岗岩 38.00 88.23 10.14 39.34 9.05 1.21 7.27 1.31
4 2014X XT-24 二长花岗岩 45.58 105.43 12.37 48.26 10.73 1.36 8.48 1.48
5 2014X XT-25 二长花岗岩 28.35 63.11 7.54 30.33 7.17 1.25 5.86 1.08
序号 样品编号 侵入体名称 Dy Ho Er Tm Yb Lu Y LREE
1 PM03XT43-1 正长花岗岩 7.92 1.70 4.83 0.74 4.37 0.62 42.35 162.97
2 2014X XT-10 二长花岗岩 5.85 1.07 3.11 0.46 3.08 0.45 32.51 75.93
3 2014X XT-23 二长花岗岩 8.24 1.61 4.65 0.67 4.46 0.67 45.21 185.98
4 2014X XT-24 二长花岗岩 9.00 1.73 4.93 0.70 4.57 0.67 47.52 223.74
5 2014X XT-25 二长花岗岩 6.76 1.32 3.73 0.53 3.42 0.5 36.33 137.74
序号 样品编号 侵入体名称 HREE ΣREE LREE/HREE δEu LaN/YbN （La/Sm）N （Gd/Yb）N
1 PM03XT43-1 正长花岗岩 70.72 233.69 2.30 0.48 5.12 2.55 1.26
2 2014X XT-10 二长花岗岩 52.12 128.06 1.46 0.28 2.95 1.49 1.22
3 2014X XT-23 二长花岗岩 74.09 260.07 2.51 0.44 5.75 2.64 1.32
4 2014X XT-24 二长花岗岩 79.08 302.81 2.83 0.42 6.72 2.67 1.50
5 2014X XT-25 二长花岗岩 59.53 197.28 2.31 0.57 5.59 2.49 1.38

注：标准化数据据Sun et al（1989）

在球粒陨石标准化稀土配分模式图（图8）上，样品稀土元素配分模式基本为右倾式，曲线斜率较小，轻重稀土分异不明显。结合表4中（La/Sm）N和（Gd/Yb）N以及轻重稀土配分曲线可知，轻稀土分馏较重稀土略强；所有样品均存在着显著的负Eu异常，反映出岩浆源区存在强烈的斜长石分离结晶（安屹，2018），表明岩浆快速上升，可能形成于伸展构造环境（王二腾等，2022）。
图8 黑石山花岗岩稀土元素配分图（标准化数据引自Sun et al， 1989）

Fig. 8 REE distribution diagram of the Heishishan granite（standardized data cited from Sun et al， 1989）

5 锆石U-Pb测年

LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的样品采集于中细粒二长花岗岩（样品编号为2014XTW-1）。样品新鲜且具有代表性，所选取的锆石自形程度较高，呈透明—半透明，多呈四方双锥柱状、半截柱状和碎屑状，颜色多为无色、浅黄色和褐黄色。在CL图像（图9）上可见明显的岩浆振荡生长环带。Th/U比值为0.78~1.79，平均值为1.32，与大多数岩浆锆石Th/U比值大于0.4的结果一致，说明该锆石为岩浆成因，同位素年龄代表了岩浆结晶成岩年龄。锆石U-Pb法测定分析数据见表5，共选择12个有效点，样品U-Pb谐和图及年龄权重平均值见图10。最终确定黑石山二长花岗岩成岩年龄为（284.8±3.9）Ma，时代为早二叠世。
图9 黑石山花岗岩锆石CL图像和206Pb/238U表面年龄值

Fig. 9 Zircon CL images and 206Pb/238U surface age of zircon of the Heishishan granite

表5 黑石山二长花岗岩样品（2014XTW-5）LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析数据

Table 5 U-Pb isotopic analysis data of LA-ICP-MS zircon of the Heishishan monzogranite（2014XTW-5）

样品编号（点号） 同位素比值
207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ rho 208Pb/232Th 1σ 238U/232Th
2014XTW-5-2 0.0571 0.0020 0.3550 0.0135 0.0449 0.0010 0.5793 0.0140 0.0005 1.9942
2014XTW-5-3 0.0555 0.0024 0.3405 0.0142 0.0445 0.0009 0.4673 0.0133 0.0004 1.5313
2014XTW-5-4 0.0524 0.0018 0.3211 0.0126 0.0439 0.0008 0.4646 0.0146 0.0004 2.0973
2014XTW-5-7 0.0507 0.0020 0.3141 0.0131 0.0448 0.0009 0.4804 0.0150 0.0005 1.4133
2014XTW-5-8 0.0532 0.0025 0.3306 0.0163 0.0449 0.0008 0.3521 0.0156 0.0005 2.0702
2014XTW-5-9 0.0561 0.0019 0.3648 0.0136 0.0468 0.0009 0.4872 0.0148 0.0004 1.0513
2014XTW-5-12 0.0560 0.0024 0.3495 0.0149 0.0453 0.0009 0.4727 0.0154 0.0006 1.4136
2014XTW-5-14 0.0516 0.0021 0.3180 0.0140 0.0446 0.0008 0.4156 0.0152 0.0005 1.9149
2014XTW-5-15 0.0518 0.0018 0.3260 0.0117 0.0455 0.0008 0.4641 0.0153 0.0005 2.3545
2014XTW-5-16 0.0516 0.0017 0.3222 0.0104 0.0454 0.0009 0.6058 0.0154 0.0005 1.9290
2014XTW-5-19 0.0567 0.0030 0.3487 0.0182 0.0452 0.0011 0.4729 0.0153 0.0007 1.9368
2014XTW-5-20 0.0519 0.0022 0.3334 0.0147 0.0467 0.0011 0.5218 0.0151 0.0006 1.7389
样品编号（点号） U-Pb同位素年龄数据/Ma
207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 208Pb/232Th 1σ 238U/232Th 谐和度/%
2014XTW-5-2 494 75.9 308 10.1 283 6.1 281 10.4 1 91
2014XTW-5-3 432 89.8 298 10.8 281 5.4 267 7.9 1 94
2014XTW-5-4 302 77.8 283 9.7 277 5.0 292 8.0 1 98
2014XTW-5-7 233 95.4 277 10.1 283 5.5 301 9.5 1 98
2014XTW-5-8 339 107 290 12.4 283 4.8 313 10.3 1 97
2014XTW-5-9 457 71.3 316 10.1 295 5.3 297 8.9 1 93
2014XTW-5-12 450 94.4 304 11.2 286 5.6 308 11.1 1 93
2014XTW-5-14 265 99.1 280 10.8 281 5.0 305 10.2 1 99
2014XTW-5-15 280 84.2 287 8.9 287 4.7 307 9.5 1 99
2014XTW-5-16 333 75.9 284 8.0 286 5.5 308 10.0 1 99
2014XTW-5-19 480 120 304 13.7 285 6.9 307 13.5 1 93
2014XTW-5-20 280 100.0 292 11.2 294 6.6 303 12.6 1 99
图10 黑石山花岗岩（2014XTW-5）U-Pb年龄谐和图和206Pb/238U加权平均年龄

Fig. 10 U-Pb age harmony diagram of the Heishishan granite（2014XTW-5） and 206Pb/238U weighted average age

6 构造环境探讨

6.1 成因与源岩

Sr和Yb（Sr/Y和Sr/Yb比值）是2个非常有意义的地球化学指标元素，该值在中酸性岩浆岩中的含量与岩浆形成的压力（深度）具有密切的关系（张旗等，2006）。按照高Sr（Sr>400×10-6）低Yb（Yb<2×10-6）、低Sr（Sr<400×10-6）低Yb（Yb<2×10-6）、低Sr（Sr<400×10-6）高Yb（Yb>2×10-6）、高Sr（Sr>400×10-6）高Yb（Yb>2×10-6）和非常低Sr（Sr<100×10-6）高Yb型（Yb<2×10-6）的花岗岩划分标准，在花岗岩Sr-Yb图解（图11）中，黑石山花岗岩体所有样品均投入非常低Sr高Yb区（Ⅴ区），在相应相图中非常低Sr高Yb区（Ⅴ区）与高温低压区域一致，反映该花岗岩形成于高温低压环境。在Q-Ab-Or三角图解（图12）中，显示围岩压力约为0.5 GPa，成岩温度约为750 ℃，与前述Sr-Yb图解反映的成岩温压条件基本一致。
图11 黑石山花岗岩Sr-Yb图解及相应相图（底图据Defant et al，1990；张旗等，2006）

Fig. 11 Sr-Yb diagram and corresponding phase diagram of the Heishishan granite（base map according to Defant et al，1990；Zhang et al，2006）

图12 黑石山花岗岩Q-Ab-Or相图解（底图据Tuttle et al，1958）

Fig. 12 Q-Ab-Or phase diagram of the Heishishan granite（base map according to Tuttle et al，1958）

黑石山花岗岩侵入体SiO2含量均大于70%，为酸性岩，二长花岗岩A/CNK值均大于1.1，为强过铝质花岗岩，造岩矿物中包含少量白云母，标准矿物计算出现2.8%~3.4%的刚玉分子，这些特征均反映黑石山花岗岩与S型花岗岩相似。另外，在黑石山花岗岩K2O-Na2O成因判别图解（图13）中，所有样品均落入S型花岗岩区域，说明该黑石山花岗岩为S型花岗岩。
图13 黑石山花岗岩成因判别图解（底图据Collins et al， 1982）

Fig. 13 Genetic discrimination diagram of the Heishi-shan granite（base map according to Collins et al，1982）

该岩体A/MF-C/MF源岩及其他相关判别图解（图14）显示，绝大部分样品落入变质杂砂岩部分熔融区［图14（a）、14（b）］，部分样品落入变质杂砂岩的部分熔融和基性岩（角闪岩）的部分熔融区［图14（c）、14（d）］，可能指示黑石山花岗岩主要由壳源物质组成，并存在幔源基性岩浆的叠加和混合作用（何成等，2018）。
图14 黑石山花岗岩体源岩判别图（a底图据Altherr et al，2000；b~d底图据Patiño Douce，1999）

Fig. 14 Source rock discrimination of the Heishishan granite body（base map a according to from Altherr et al，2000；base map b，c and d according to Patiño Douce，1999）

结合微量元素Zr*和Nb*等元素指示参数、微量元素蛛网图、稀土元素配分图、S型花岗岩特点以及上述判别图解，认为黑石山花岗岩源岩形成于高温低压环境，具有壳幔混合的特点，且以壳源物质为主，混合叠加幔源基性岩浆。

6.2 构造环境

在晚石炭—早二叠世，北山地区造山拼合作用持续进行，使得岩石圈不断增生，当增生至一定的规模后，岩石圈发生拆沉作用，拆沉后的岩石圈块体向下沉降，致使其周围的软流圈地幔上涌，因压力减小而发生部分熔融，最终导致岩石圈受到上涌岩浆的底侵作用而主动伸展拉张（赵泽辉等，2007；Qin et al，2011；Li et al，2013；陈万峰，2017）。研究发现，北山南带二叠世镁铁质岩石具有形成于板内裂谷环境的特征，而且部分具有A型花岗岩和正的εHf（t）值的特征，因此张文等（2011）认为其应该为壳幔混合成因，形成于裂谷环境，这种特征与中亚造山带广泛分布的形成于后碰撞环境的晚古生代正εHf（t）值的花岗岩类特征相似（Zheng et al， 2014；向华等，2025）。
黑石山花岗岩岩石学、矿物学以及地球化学特征和参数显示，其具有高硅富铝和富钾贫钠的S型花岗岩特征，岩浆分异程度较高，岩浆经历过斜长石分离结晶作用或岩浆源区部分熔融时存在斜长石的残留，是在伸展背景下形成的高钾钙碱性系列岩石。Sr、Yb微量元素组合及Q-Ab-Or相图均反映了高温低压的成岩条件，表现地壳拉伸减薄构造环境。结合前人研究（赵泽辉等，2007；Qin et al，2011；Li et al，2013；陈万峰，2017）认为，在早二叠世，黑石山地区造山拼合作用持续进行，岩石圈不断增生，当达到一定的规模后，岩石发生拆沉作用向下沉降，致使软流圈地幔上涌发生部分熔融，并与地壳发生混合，使其带有基性岩特征，最终因底侵作用使得地壳表现为拉伸减薄构造环境。
在花岗岩R1-R2构造环境判别图（图15）中，有1个二长花岗岩样品投入地幔分异区域，其余样品投入造山晚期及同碰撞边界区域。在花岗岩Rb/30-Hf-Ta*3图解（图16）中，正长花岗岩样品投入同碰撞区，二长花岗岩样品投入碰撞晚期—碰撞后区域。在花岗岩Nb-Y和Rb-Y+Nb图解（图17）中，正长花岗岩投入火山弧和同碰撞花岗岩区，二长花岗岩投入板内花岗岩区，表现出后碰撞花岗岩的特征，而黑石山花岗岩富钾低镁的地球化学特征（张文斌等，2025）也证明其应为后碰撞环境。结合北山南带其他研究成果（慕洁等，2025；张文斌等，2025），认为古亚洲洋的闭合时间应早于早二叠世，北山南带在早二叠世就已进入后碰撞的陆内拉伸裂谷环境，黑石山花岗岩年代学和地球化学参数等特征为该观点提供了新的地质证据。
图15 黑石山花岗岩R1-R2构造环境图（底图据Batchelor et al，1985）

Fig. 15 R1-R2 structural environment map of the Heishishan granite（base map according to Batchelor et al，1985）

图16 黑石山花岗岩Rb/30-Hf-Ta*3图解（底图据Wood，1980）

Fig. 16 Rb/30-Hf Ta*3 diagram of the Heishishan granite（base map according to Wood， 1980）

图17 黑石山花岗岩Nb-Y和Rb-Y+Nb图解（a底图据Pearce et al，1984；b底图据Pearce et al，1984）

Fig. 17 Nb-Y and Rb-Y+Nb diagrams of the Heishishan granite（base map a according to Pearce et al，1984； base map b according to Pearce et al，1984）

研究区广泛发育石炭—二叠纪火山—沉积岩地层。其中，上石炭统干泉组下段为一套灰岩、硅质岩夹粉砂岩、泥岩的断陷海盆中的滨浅海相沉积；上段主要为一套流纹岩、安山岩、流纹质凝灰岩和流纹质角砾熔岩组成的双峰式火山岩沉积，火山岩形成年龄为（293.9±2.7）Ma，代表由小型断陷海盆逐渐演化为大型裂谷盆地的过程，表明盆地演化进入到火山强烈活动的裂陷期（郑荣国等，2016；牛亚卓等，2018a，2018b）。早二叠—中二叠世双堡塘组和菊石滩组成了一套裂谷盆地沉降期的海侵充填序列，进一步反映裂谷规模持续扩大。黑石山二长花岗岩的成岩年龄为（284.8±3.9）Ma，也为该时期岩浆活动的产物，构造环境为板内裂谷。

7 结论

（1）黑石山花岗岩主微量元素地球化学参数、微量元素蛛网图和稀土元素配分图表明，其属于富钾的钙碱性花岗岩，具有S型花岗岩特征，其分离结晶程度高，结合源岩判别图解，认为黑石山花岗岩源岩应为地幔岩浆与中下地壳熔融混合的产物，并以壳源为主。
（2）U-Pb测年结果表明，岩体成岩年龄为（284.8±3.9）Ma，时代为早二叠世，与北山地区早二叠岩浆活动一致。
（3）综合前人研究成果以及黑石山花岗岩体构造判别图、地球化学参数等特征，认为中亚造山带南缘应早于早二叠世闭合，之后北山南带进入后碰撞的板内裂谷伸展发育阶段，表现出高温低压的拉伸减薄构造环境。

http://www.goldsci.ac.cn/CN/10.11872/j.issn.1005-2518.2026.02.155

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