冀西北怀安地区基底变质岩系构造变形序列研究

郝连成， 王卫国， 胡延斌， 韩明洋

(中国人民武装警察部队黄金第七支队，烟台 264004)

0 引言

华北克拉通在太古宙—古元古代期间的构造演化问题一直是学术界关注的焦点，通过大量的岩石地球化学、变质岩及同位素年代学研究，获得了众多研究成果[1-5]。但是，关于华北克拉通早前寒武纪基底微陆块的划分、拼合方式及时间的认识，目前仍存在很大分歧，代表性观点有： ①华北克拉通基底可分为3个太古宙—古元古代微陆块(东部陆块、北阴山陆块和鄂尔多斯陆块)和3个古元古代活动带(孔兹岩带、华北中部带和胶—辽—吉带)，其中鄂尔多斯陆块和北阴山陆块在约1.95 Ga沿EW向孔兹岩带碰撞对接形成西部陆块，然后西部陆块与东部陆块在约1.85 Ga沿SN向华北中部地带碰撞拼合，形成华北克拉通结晶基底[6-7]； ②东部陆块与西部陆块的碰撞造山发生在约2.5 Ga，冀北古元古代造山带(1.93～1.92 Ga)代表区域上由北向南碰撞逆冲[8]； ③将华北克拉通划分为6个主要的微陆块(胶辽、许昌、迁怀、阜平、集宁和阿拉善)，认为华北克拉通的形成经历了两期克拉通化事件。第一期克拉通化发生在太古宙末期(2.53～2.60 Ga)，微陆块被火山-沉积岩系焊接，随后发生变质作用和花岗岩化，完成初步克拉通化，华北地区形成现今规模的古陆； 第二期克拉通化发生在古元古代末期(1.82～1.95 Ga)，华北克拉通出现了以3条古元古代活动带(丰镇活动带、晋豫活动带和胶辽活动带)为代表的裂谷-俯冲-增生-碰撞的陆内造山事件,至中元古代，华北进入地台演化阶段[9-10]。冀西北怀安地区位于迁怀陆块西北缘[9]或中部碰撞带中北部[7]，均处于微陆块拼合部位，探讨该区的构造演化对认识华北克拉通早前寒武纪地质演化具有重要意义。

本文在前人研究的基础上，通过第一手野外资料，建立基底变质岩系构造变形序列，探讨该区早前寒武纪构造演化过程。

1 区域地质概况

根据不同地区岩石组合、物质来源、形成方式及构造背景等方面的差异，将研究区划分为以太古宙TTG岩系为特征的怀安杂岩体、以孔兹岩为特征的集宁岩群和以变质火山-沉积岩为特征的红旗营子岩群3个岩石构造单元[11]。怀安杂岩体构成研究区的主体，尚义—平泉断裂与北部红旗营子岩群相邻，西部与孔兹岩带相邻(图1)。

ALS.阿拉善陆块； JN.集宁陆块； JL.胶辽陆块； FP.阜平陆块； QH.迁怀陆块； XCH.许昌陆块

怀安杂岩是一套遭受强烈变形变质、片麻理发育且普遍达到麻粒岩相的高级变质岩系。其中，中酸性麻粒岩-片麻岩达70%以上(图2)，主要为英云闪长质片麻岩、花岗闪长质片麻岩、奥长花岗质片麻岩和二长花岗质片麻岩，具有TTG组合特征[12]。其次为桑干岩群马市口岩组和右所堡岩组，出露面积较小，且多呈大小不等的包体零星分布于TTG片麻岩中，岩石类型主要为麻粒岩、变粒岩、片麻岩及磁铁石英岩等，原岩形成于拉张环境下的初始大洋-陆缘裂谷构造环境[13]。

西北部的孔兹岩系，在研究区内主要为集宁岩群沙渠村组，由浅粒岩、变粒岩、片麻岩、长石石英岩及基性麻粒岩组成，为一套麻粒岩相-高角闪岩相的变质沉积岩组合。原岩盆地的构造属性有克拉通盆地[14-15]、被动大陆边缘[16]和活动大陆边缘[17]等多种解释。近年来，大量碎屑锆石U-Pb年代学研究资料显示,其原岩形成于古元古代，时间限制为2.3～2.0 Ga[15]。

北部红旗营子岩群为一套经历绿片岩相-角闪岩相变质的火山-沉积建造，研究区内仅在套里庄乡西侧有小面积太平庄岩组出露(图2)，为红旗营子岩群下部岩组，主要由变粒岩、片麻岩及斜长角闪岩组成，韧性变形较强。通过对红旗营子岩群建群标准剖面的角闪黑云花岗闪长质片麻岩进行SHRIMP锆石U-Pb测年，表明1 841 Ma为其成岩年龄[18]，红旗营子岩群主体火山岩系形成应略早。

图2 怀安地区早前寒武纪地质简图

2 构造形迹

研究区早前寒武纪结晶基底均为中高级变质岩系，自太古宙以来经历了多期构造活动，形成了空间上并置、时间上叠加的复合型构造组合。本次野外调查表明，该区主要以中深构造层次下的韧性变形为主，形成的主要构造形迹包括片麻理、变余层理、构造透镜体、小褶皱等小型构造和韧性剪切带、褶皱等大型构造。

2.1 小型构造

2.1.1 片麻理

片麻理是研究区基底变质岩最明显的构造形迹，主要由角闪石、黑云母等片状矿物、柱状矿物和粒状矿物相间排列，具有明显定向性，对构造方向具有指示作用[19]。片麻理在该区早前寒武纪各地质体中均较发育，新太古代地质体受后期变形叠加影响，片麻理产状较混乱，但亦有规律可循，其较好地反映了褶皱等其他构造现象。桑干岩群与TTG片麻岩片麻理不协调，说明为两期构造变形的结果。集宁岩群沙渠村岩组片麻理产状稳定，走向以NE 30°～50°为主，倾向NW，倾角中等(30°～50°)。红旗营子岩群太平庄岩组片麻理主体走向近EW向，与尚义—平泉断裂平行。

2.1.2 变余层理

研究区变质表壳岩特征明显，虽然经历了麻粒岩相的变质和深构造层次下的变形，原生沉积构造大部消失殆尽，但在部分地段仍可观察到由不同矿物含量形成的岩石成分层。尤其在沙渠村岩组中，发现由变质后形成的石英、长石、石榴石和黑云母共同构成的成层分带现象，可能是其原始层理的反映(图3(a)、(b))。

(a) 沙渠村岩组宏观上呈层状构造 (b) 沙渠村岩组岩石成分层

(c) 奥长花岗质片麻岩中斜长角闪岩透镜体 (d) 片麻岩中镁铁质岩构造透镜体

2.1.3 构造透镜体

调查发现,新太古代古老表壳岩组合常呈构造透镜体产于变质深成岩中，空间上呈断续状、尖灭再现状产出，形似“漂浮”的岩块(图3(c))。片麻岩中的镁铁质侵入岩席或脉体，在变形中常形成石香肠(图4(a))或透镜体，在石香肠或透镜体内部存在弱变形的核，边部为强变形的幔，有时发育超塑性流动变形的尾或翼，多呈σ型(图3(d))，从块体的形态和两侧片麻理的产状可以判别剪切运动的方向。

(c) 褶皱f2示意图 (d) 次级褶皱素描图

2.1.4 小褶皱

研究区小褶皱较发育，主要零星分布于新太古代地质体内，其发育背景与大型顺层韧性剪切作用及其伴生的深部重熔作用有关[19]。褶皱形态及类型复杂： 一类是揉流褶皱(图4(b))，深熔作用使浅色体和暗色体逐渐分离，浅色长英质物质出熔形成大量浅色条带,脉体的不规则褶皱或脉体呈勾状产于小褶皱转折端，空间上该类褶皱呈紧闭不对称形态; 另一类是变质基性岩脉体侵入后发生的紧闭剪切褶皱，主要为无根褶皱(图3(e))、平卧褶皱和肠状褶皱(图3(f))等，具不对称褶皱的特点，反映了明显的剪切流动变形机制。这些小褶皱与区域片麻理同期，是岩石在半固态塑性状态下受近水平剪切作用形成的。

2.2 大型构造

2.2.1 褶皱

在综合研究区域地质资料的基础上，通过分析研究区各地质体的分布及产状，并结合野外构造现象，识别出了两期发育在新太古代地质体上的褶皱。

第一期褶皱由3个近平行的背形和向形组成复式背形和向形构造，总体轴向近EW—NEE向，向东倾伏，核部为马市口岩组，两翼为右所堡岩组。北部背斜核部位于马市口—旧堡一带，核部及近核部有大量新太古代变质侵入岩及古元古代变质侵入岩，南侧被第四系覆盖(图2中f1-1)。中部背斜核部位于崛仑屯村—治家庄一带，由马市口岩组组成，见大量新太古代变质侵入岩侵入，两翼由右所堡岩组构成(图2中f1-2)。南部背斜核部位于西湾堡一带，西侧核部被正长花岗岩侵入，东侧被第四系覆盖，核部也有新太古代变质侵入岩侵入(图2中f1-3)。总体上，该期褶皱表现为背形紧闭、向形宽缓的形态。桑干岩群和新太古代变质侵入岩均卷入该期褶皱，古元古代以后的地质体未卷入，由此可知，该期褶皱变形时间应发生于新太古代侵入岩形成之后，为新太古代末期。

第二期褶皱在近EW向复式背形和向形的基础上，叠加形成了近SN—NNE向开阔复式背形和向形(图2中f 2-1、f 2-2)。两期褶皱叠加部位的产状倾向变化大，背形叠加位置形成穹窿，出露马市口岩组和新太古代变质深成岩，向形叠加部位形成构造盆地，出露右所堡岩组，并见古元古代侵入岩侵入。野外可见第二期复式背形和向形褶皱的次级褶皱(图4(c)、(d))，枢纽产状与主褶皱轴近平行。该期褶皱将新太古代地质体卷入变形，推测变形时代应在古元古代早期。

2.2.2 韧性剪切带

韧性剪切带主要产出于变质岩系中[20]，通过研究区内糜棱岩及糜棱岩化岩石，识别出3条具有一定规模的韧性剪切带，分别位于西赵家窑村北西(图2中DS1)、小坝子—松树沟(图2中DS2)和套里庄乡南西(图2中DS3)，具体特征如表1和图5所示。

表1 研究区韧性剪切带特征

(a) DS1糜棱岩长石、石英呈压扁拉长状 (b) DS2糜棱岩宏观特征 (c) DS3牵引小褶皱

(d) DS3牵引小褶皱 (e) DS3糜棱岩化黑云斜长片麻岩镜下特征 (f) DS3长英质糜棱岩镜下特征

西赵家窑村北西韧性剪切带(DS1)总体呈NE向展布，两侧被新太古代变质深成岩截断，长2～3 km，宽15～30 m，倾向NW，倾角10°～20°，带内糜棱面理发育，其产状与两侧片麻理一致，该韧性剪切带仅改造了马市口岩组，故推测其形成于新太古代阜平运动晚期； 小坝子—松树沟韧性剪切带(DS2)位于研究区西北部，仅发育于古元古代沙渠村岩组中，呈NE向展布，向北延出研究区，长>5 km，宽十几米至几十米不等，倾向NW，倾角30°～45°，变形带主要由糜棱岩和糜棱岩化岩石组成，糜棱面理、拉伸线理发育，综合研究认为其形成于古元古代早期； 套里庄乡南西韧性剪切带(DS3)位于研究区北部，总体呈近EW向展布，向西延伸出研究区，东侧被汉诺坝组玄武岩覆盖，长<2 km，宽几十米至百余米，走向约100°，北倾，倾角50°～70°，变形带主要由弱糜棱岩化黑云斜长片麻岩、糜棱岩化黑云斜长片麻岩、糜棱岩化黑云角闪斜长片麻岩和长英质糜棱岩组成，糜棱面理、拉伸线理发育，并见大量牵引小褶皱，该断裂仅发育在古元古代太平庄岩组内，综合研究表明其形成于古元古代晚期。

3 变形序列及构造演化讨论

该区位于华北克拉通北缘中段，是华北陆块构造演化的缩影，近年来，众多学者认为华北克拉通在太古宙早期已形成陆核，而后在不同时代，陆核以不同规模和方式进行拼接，形成较大的陆块，进而向稳定克拉通转化[21-25]。在研究该区变质岩系建造、改造与变质作用的基础上，结合同位素年龄数据，分析区内早前寒武纪构造变形顺序，建立该区早前寒武纪主要地质构造变形序列(表2)和早前寒武纪构造演化模式(图6),将研究区构造过程划分为新太古代陆壳增生阶段和古元古代碰撞造山阶段。

表2 早前寒武纪主要地质事件

1.洋壳； 2.古陆壳； 3.地幔软流圈； 4.桑干岩群； 5.集宁岩群； 6.红旗营子岩群； 7.TTG/花岗岩； 8.桑干岩群原岩；9.集宁岩群原岩； 10.碰撞构造带； 11.蔓菁沟—大庙区域断裂； 12.尚义—平泉断裂

3.1 新太古代陆壳增生阶段

新太古代，特别是2 700～2 450 Ma期间，是华北地区地壳快速增生阶段，几乎所有地表出露的太古宙变质岩均在此时间段形成[26-27]。目前,尚未精确厘定地壳增生的精细年龄格架，以往研究大多认为华北地区经历了两期或更多期的克拉通化，在约2 500 Ma的新太古代末，华北地区已形成现今规模的古陆[28-29]。近期研究表明，太古宙的岩石经历了约2 600 Ma和2 520～2 500 Ma的变质作用[9]，进一步证实华北地区存在与克拉通化有关的约2 500 Ma变质作用和壳熔花岗岩事件。

新太古代早期为研究区早前寒武纪变质基底的陆壳孕育期，由拉张裂解向盆地发展，稳定过渡演变，古陆壳在地幔软流圈对流和上涌作用下裂解，形成了古大洋或古大陆边缘裂谷海。冀西北的堆积中心在怀安一带，有海相碎屑岩、硅铁质岩、碳酸盐岩和含碳质碎屑岩等沉积建造，与大洋-裂谷型超基性、基性和中性火山岩建造交替，形成桑干岩群原岩(图6(a))。

新太古代中期是研究区新生陆壳的初步形成与第一改造期，由前造山转为同造山早期前碰撞阶段，阜平微陆块向怀安微陆块俯冲(图6(b))。期间第一期麻粒岩相区域变质期间第一期韧性变形(D1)形成，主要发生于2 657～2 600 Ma[30]。桑干岩群形成区域片麻理和残存片内的无根褶皱，并在马市口组形成与片麻理一致的韧性剪切带(DS1)。

新太古代晚期(2 600～2 500 Ma)是华北陆块演化最重要的时期，有大量TTG岩系形成，并有广泛的麻粒岩相-角闪岩相变质作用[9]。近年来的锆石U-Pb年龄结果[2,31-34]显示，TTG岩系的年龄均为2 500 Ma左右(表3)，说明2 500 Ma该区存在巨量的初始地壳增生。研究表明,TTG岩系具有俯冲洋壳部分熔融特征[3,34]，推断新太古代该区为与洋壳俯冲有关的岛弧或大陆边缘弧(图6(c))。该期岩浆事件与变质事件几乎同时发生，为同一构造热事件的产物[35]，伴随此次构造热事件，区内发生了第二期变形(D2)(图6(d))。在TTG岩系中形成区域性片麻理和条带状构造，并在桑干岩群中形成近EW向的复式背形和向形构造(f1)。

表3 怀安地区及邻区TTG岩系年龄

3.2 古元古代碰撞造山阶段

最近几年，古元古代华北克拉通的构造演化引起了国内外学者的广泛关注，部分学者认为华北陆块是古元古代晚期东部陆块与西部陆块碰撞拼合而成的[25]，虽然对拼合格局和方式认识不同，但大多数学者承认吕梁运动对华北陆块的最终形成作出了巨大贡献[7,21]。吕梁旋回在研究区由集宁岩群、红旗营子岩群及大量侵入岩构成。

与世界其他克拉通的地球动力学背景类似，华北克拉通也经历了2.5～2.3 Ga的“构造寂静期”[10,14]。2.3～2.0 Ga期间，区内集宁岩群沙渠村岩组(孔兹岩系)形成[15]，原岩盆地的构造属性有克拉通盆地[14-15]、被动大陆边缘[16]或活动大陆边缘[17]等多种解释。岩相古地理分析认为原岩更可能形成于陆表海[15](图6(e))。同位素特征研究显示，伴随1.95 Ga左右的构造热事件[7,36]，研究区发生第三期变形(D3)，沙渠村岩组发生麻粒岩相-高角闪岩相变质，形成区域性片麻理，并形成与片麻理一致的NE向韧性剪切带(DS2)，在新太古代地质体中叠加一期近SN向的开阔复式背形和向形构造(f2)。

华北克拉通的微陆块碰撞与2.1～1.8 Ga的全球造山事件同步[15]，研究区表现为阴山陆块向怀安方向俯冲-碰撞(图6(f))。古元古代晚期，红旗营子岩群形成于阴山陆块南缘[18]，1.8 Ga左右，伴随南北陆块的拼合(图6(g))，研究区发生第四期变形(D4)。太平庄组发生角闪岩相-绿片岩相变质，形成片理和片麻理，尚义—平泉断裂形成，太平庄组主要表现为韧性剪切带(DS3)。

4 结论

(1)怀安地区早前寒武纪基底变质岩系构造变形序列主要分为4期： 阜平晚期(D1)，桑干岩群韧性变形，形成区域片麻理、无根褶皱及韧性剪切带； 五台晚期(D2)，新太古代TTG/花岗岩韧性变形，形成区域性片麻理,桑干岩群被叠加改造，形成近EW向的复式背形和向形构造； 吕梁中期(D3)，集宁岩群形成区域性片麻理和韧性剪切带，新太古代地质体中叠加近SN向的开阔复式背形和向形构造; 吕梁晚期(D4)，红旗营子岩群形成片理和片麻理，尚义—平泉断裂形成。

(2)怀安地区早前寒武纪构造演化模式可划分为新太古代陆壳增生阶段和古元古代碰撞造山阶段。

(3)怀安地区早前寒武纪基底变质岩系构造变形序列的确立及构造演化模式的分析，对理解华北克拉通的形成具有重要意义。

需要说明的是，受研究区复杂地质条件和研究水平的限制，本文仅粗略地研究了怀安地区构造变形序列，而如何建立详细的早前寒武纪基底变质岩系构造变形序列，厘定构造演化的精细格架，是下一步需要解决的问题。