原地-半原地深熔花岗岩特征：以华北克拉通北缘包头地区石榴花岗岩为例

石强 徐仲元 李刚 赵忠海 尹志刚 董晓杰 冯帆 连光辉SHI Qiang, XU ZhongYuan**, Li Gang, ZHAO ZhongHai, YIN ZhiGang, DONG XiaoJie, FENG Fan and LIAN Guang Hui

1. 吉林大学地球科学学院，长春 1300612. 辽宁工程技术大学矿业学院，阜新 1230001.

College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China2. College of Mining Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

深熔作用一直是国内外地学界十分关注的重大科学问题之一。“深熔”这一概念脱胎于混合岩和混合岩化作用的研究，强调中-高级变质岩区广泛存在的深熔作用产物(杨振升等, 2008)。近20年来，高温高压熔融实验(Kriegsman, 2001; Brown, 2007)和高温-超高温变质相平衡模拟(魏春景和朱文萍, 2016; 魏春景, 2016)的研究成果进一步支持了这一认识，而且变质相平衡模拟研究还得到泥砂质岩石在不同温压条件下(如无水熔融、缺流体熔融、有流体熔融和水致熔融)可以分别形成不同成分的花岗质岩浆。深熔混合岩和深熔花岗岩形成过程中的熔体分凝、汲取、运移和结晶过程中的分离结晶作用、残留熔体与残留体的相互作用等概念的提出(Kriegsman, 2001; Sawyer, 2010)为高级变质岩区深熔作用的研究提供了极大的理论支持。然而，深熔作用的研究仍困难重重，虽然认识到高级变质岩区乃至一些造山带的岩石中密集发育的长英质脉体是深熔作用的产物，但是这也仅仅只是深熔作用研究的开端。大量与深熔作用相关的问题仍需要探索，如深熔花岗岩(限定为原地-半原地花岗岩)的特征及如何识别，深熔花岗岩的形成过程或形成机理，深熔作用与造山作用和壳幔作用之间的关系等。从此意义而言，高级变质岩区可以作为研究下地壳地质作用的天然实验室。华北克拉通西部陆块近东西向孔兹岩带中，与泥质片麻岩在空间上密切共生的石榴花岗岩具有深熔成因的认识已为众多研究者所公认(陶继雄等, 2002; 杨振升等, 2008; 马铭珠等, 2015; 石强等, 2018)，但是，石榴花岗岩的深熔作用标志、岩浆属性、深熔作用机理仍需要进一步总结研究，本文将依据多年研究和思考对此进行探讨。

1 石榴花岗岩区域地质背景

研究区位于华北克拉通西部陆块孔兹岩带中段的大青山高级变质地体内。高级变质地层划分为新太古代晚期麻粒岩系(桑干岩群)、黑云角闪片麻岩系(乌拉山岩群下亚群)和古元古代晚期孔兹岩系(乌拉岩群上亚群)(徐仲元等, 2007)，SHRIMP锆石U-Pb测年在大青山哈德门沟-昆对沟一带发现一套原划归为乌拉山岩群上亚群榴云片麻岩岩组的石榴黑云母片麻岩、含夕线堇青石榴黑云母片麻岩、石榴长英片麻岩夹夕线石英岩、磁铁石英岩等岩石组合，获取变质锆石年龄为～2.45Ga，而不同于孔兹岩系中的～1.95Ga和～1.85Ga变质年龄，因此命名大青山表壳岩(Dongetal., 2014)，现在认为形成于新太古代晚期(张琳等, 2016)。变质深成岩浆岩划分为新太古代晚期紫苏花岗岩、石英闪长质-英云片麻岩和石榴花岗岩(马铭株等, 2013)。

上述变质地层都遭受不同程度的变质-深熔作用改造，其中大青山表壳岩受到的改造最为强烈，大部分石榴黑云母片麻岩中含石榴长英质条带十分发育，局部形成厚度不等的石榴花岗岩岩层，与含石榴长英质条带平行，规模最大的石榴花岗岩分布于包头市西北侧的平方沟-哈德门沟-昆对沟一带；黑云角闪片麻岩系和古元古代晚期孔兹岩系中的透辉片麻岩岩组，这两套地层中长英质条带也十分发育，局部宽度可达10cm。这些岩石均遭受近东西向陡倾叶理带的改造，以十分发育的陡倾叶理和局部发育的叶内褶皱为特征，局部保留十分平缓的早期变形构造。

2 野外地质特征

哈德门沟石榴花岗岩及大青山表壳岩分布于包头市北侧的平方沟-哈德门沟-昆对沟一带(图1)，在平面上呈不规则的条带状，断续延伸10km左右。其在山脊上宽度较大，最宽可达500m，而在山沟里宽度急剧缩小，犹如长轴为东西向的近水平扁豆体漂浮在下伏麻粒岩系和大青山表壳岩之上。由于后期近东西向陡倾叶理带的改造，多处可见哈德门沟石榴花岗岩及大青山表壳岩与下伏麻粒岩系之间相互穿插，但有些地方还保留着十分平缓的界面(图2)，石榴花岗岩体中局部也保存了近水平的片麻理。消除后期近东西向陡倾叶理带的影响后，可以发现哈德门沟石榴花岗岩及大青山表壳岩在空间上密切共生。野外观察发现，哈德门沟石榴花岗岩与大青山表壳岩是渐变过渡的，根据浅色体的形态、规模和分布特点，可以划分为石榴黑云母片麻岩带、深熔石榴黑云母片麻岩带和石榴花岗岩带(图2a, b)。

图1 华北克拉通北缘大青山高级变质地体构造位图(a、b)、包头市哈德门沟地区(c)和昆对沟地区(d)地质简图及采样位置Fig.1 Distribution of the Daqingshan high grade metamorphic terrane (a, b), the geological maps and the sample location of the Hademengou (c) and Kunduigou (d) areas in Baotou, the north margin of North China Craton

图2 华北克拉通北缘包头哈德门沟地区大青山表壳岩中石榴黑云母片麻岩-石榴花岗岩地质剖面图(a、b)以及剖面上局部放大特征(c-h)(a、b)哈德门沟地质剖面；(c)退变中基性麻粒岩被灰白色含石榴花岗岩脉灌入；(d)灰色石榴黑云母片麻岩中的灰白色含石榴花岗岩浅色体及其中的石榴石集合体(样品HD-4)；(e)灰色石榴黑云母片麻岩中的灰白色石榴花岗岩浅色体，石榴石多成集合体产出；(f)灰白色石榴花岗岩大量出现，并且其中包含不规则状灰色夕线石榴黑云母片麻岩残块或残影(样品HD-7)；(g)灰白色石榴花岗岩与灰色石榴黑云母片麻岩共存，石榴花岗岩中规模较大的石榴石集合体(样品HD-9)；(h)灰白色石榴花岗岩中的灰色含夕线堇青石榴黑云母片麻岩残影(样品HD-10)Fig.2 Geological sections of Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneiss and garnet granite in the Hademengou area, Baotou, northern margin of the North China Craton (a, b) and local magnification characteristics (c-h)

石榴黑云母片麻岩带分布于石榴花岗岩的外围，以条带状石榴黑云母片麻岩夹含夕线菫青石榴黑云母片麻岩为特征，岩石中含石榴长英质条带发育，灰白色，宽多为0.5～1cm，其中石榴石粒度巨大，而长石和石英粒度仅为0.1～0.3cm，基质中黑云母含量较高，定向形成片麻理。

深熔石榴黑云母片麻岩带以规模不等的石榴花岗岩团块和石榴黑云母片麻岩混杂产出为特征，石榴花岗岩团块已具有石榴花岗岩的基本特征，并有如下特点：①形态上，石榴花岗岩团块表现为不规则团块状和钩状，局部露头上表现为长轴呈近水平的扁豆体，为熔体线理；②大多数石榴石都发育在石榴花岗岩团块中，粒度较大，有些汇聚成富石榴石集合体，局部甚至表现为富石榴石团块周围被大片长英质花岗岩包围的现象(图2d, f, h)；③向着高度深熔带方向，石榴花岗岩团块的规模逐渐变大，数量增多，以致于石榴黑云母片麻岩呈残影产出，同时石榴花岗岩中的富石榴石团块规模也逐渐变大(图2a, e)。

石榴花岗岩带以大量的石榴花岗岩发育为特点，这些石榴花岗岩最大的特征是富含石榴石，含量15%～20%，局部可达30%。岩性不均匀，部分含黑云母，多呈弱片麻状或块状构造，岩性和成分具有微观均匀，宏观变化较大的特点。岩体中含石榴黑云母片麻岩残影和麻粒岩包体、磁铁石英岩包体、富石榴石团块(或残留体)和石英脉团块，形态各样，规模不等。

3 岩相学特征

大青山表壳岩的岩石组成以石榴黑云母片麻岩和含夕线堇青石榴黑云母片麻岩(图3a-c)为主，夹石榴长英片麻岩、石榴夕线石英岩、磁铁石英岩等。

图3 华北克拉通包头地区大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩和石榴花岗岩镜下显微照片该区也遭受古元古代晚期的构造热事件，岩相学特征在多大程度上仍反映了原深熔作用特征.(a)夕线石榴黑云母片麻岩中石榴石包体矿物和基质矿物镜下特征(样品KD-13)；(b)含夕线堇青石榴黑云母片麻岩中石榴石被Crd+Q+Sil+Pl等矿物包围(KD-17)；(c)含夕线堇青石榴黑云母片麻岩中堇青石和石英条带特征(样品P3-15)；(d)石榴混合闪长岩中榴石Pl+Q+Bt包体矿物组合特征(样品HD-5)；(e)石榴混合石英闪长岩石榴石边部通过“逆反应”形成的黑云母(样品HD9-1)；(f)石榴混合花岗闪长岩镜下岩相学特征(样品HD9-10).Gt-石榴石；Bt-黑云母；Q-石英；Pl-斜长石；Kfs-钾长石；Sil-夕线石；Crd-堇青石；Ilm-钛铁矿；Mt-磁铁矿Fig.3 Photomicrographs of the Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneiss and garnet granite in Baotou area of the NCC

这些泥质片麻岩中基本矿物组成为石榴石(10%～15%)，黑云母 (10%～15%)，石英(15%～20%)，条纹长石和反条纹长石(40%～45%)，夕线石(0～5%)，堇青石(<5%)，磁铁矿(<1%) 等，中细粒变晶结构，片麻状构造或条带状构造。其中石榴石多呈变斑晶产于长英质条带中，有时包体较多，黑云母以红褐色或红棕色为主。

相反，石榴花岗岩则具有与之完全不同的岩貌，富含石榴石(15%～30%)，这也是整个孔兹岩带中大部分石榴花岗岩的主要特征，其粒度较大，可达5～8mm，呈他形-半自形，具有筛状变晶结构或包含变晶结构，包含有细粒石英、斜长石和红棕色黑云母等矿物，少量石榴石还包含有柱状夕线石(图3f)。除此之外，岩石中主要矿物为：黑云母(1%～5%)、斜长石(30%～60%)、微斜长石(5%～35%)、石英(5%～25%)。斜长石呈半自形-他形，微斜长石呈他形-半自形，石英他形，部分岩石中石英有拉长、定向。另外还有独居石、磷灰石和锆石等副矿物。野外和镜下观察结果表明，这些石榴花岗岩的矿物成分变化较大，结构构造也有较大差异。根据矿物含量及结构特征，将石榴花岗岩细分为石榴混合闪长岩(表1，石榴石25%～30%，斜长石55%～60%，石英5%，黑云母1%～5%)、石榴混合石英闪长岩(表1，石榴石20%～25%，长石50%～55%，石英10%～15%，黑云母1%～5%)和石榴混合花岗闪长岩 (表1，石榴石15%～20%，长石50%～55%，石英15%～20%，黑云母1%～5%)，但整体上具有花岗岩的特征，块状-弱片麻状，花岗变晶结构。在石榴花岗岩体中，除石榴石集合体(残留体)外，还有磁铁石英岩、麻粒岩等残留体和石榴黑云母片麻岩残影等。

表1 包头地区哈德门沟石榴花岗岩的主要矿物组成(vol%)和地球化学特征(wt%)Table 1 Comparison of mineral composition (vol%) and geochemical characteristics (wt%) of the garnet granites in Baotou area

4 样品采集与分析方法

4.1 样品采集

本次工作在包头市昆对沟(91-1、91-2、p1-13、p1-14、p1-2、p2-15、p2-18、p3-15、p3-2、p3-6、p3-3、p6-21、KD-13、KD-17)和哈德门沟(HD-4、WD8-1)共计获得16件大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩样品；昆对沟(KD-9、KD-10)和平方沟-哈德门沟-乌兰不浪沟(PF-1、PF-2、PF-3、HB-1、B72-2、B72-3、B72-4、B72-6、B72-8、b7-1、b7-2、LH1、D72-2、B7211、B7204、5p-28、5p-29、HD-5、HD-7、HD-9、HD-10、HD9-1、HD9-2、HD9-10)共计采集26件石榴花岗岩样品。对这些样品进行主量、微量元素地球化学分析。SHRIMP锆石U-Pb定年样品WL18-1(石榴花岗岩)采自乌兰不浪沟(40°41′15″N、109°30′25″E)和KDG1912(石榴黑云母片麻岩)采自昆对沟(40°48′44″N、110°15′33″E)。

4.2 分析方法

岩石地球化学分析工作在澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素在等离子光谱仪上分析，微量元素和稀土元素则由等离子体质谱仪完成。测试的相关流程简述如下：取破碎后经均匀搅拌的新鲜岩石样品300g，进一步不断研磨至200目(75μm)来进行主量元素和微量元素的分析测试。主量元素测定需要经过样品煅烧、加入助溶剂、加热至完全熔融混合后，由X-射线荧光光谱法(XRF)测定，利用重铬酸钾滴定法测定Fe2+含量。微量元素和稀土元素测定同样需要加入助熔剂、加热至完全熔融混合，冷却后定容，采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定。

岩石样品送至河北省廊坊市区域地质调查所进行锆石分选，制靶和阴极发光图像采集均在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心完成，制靶流程依文献(宋彪等, 2002)。SHRIMP锆石U-Pb测年在北京离子探针中心SHRIMP Ⅱ二次离子探针质谱仪上完成。实验过程中，一次流强度控制为7.5nA，加速电压为10kV，离子束斑直径为25～30μm。利用标准锆石TEMORA进行同位素分馏校正(参考年龄为417Ma, Blacketal., 2003)。实验原理和流程参照Williams (1998)和宋彪等(2002)。数据处理过程中应用实测204Pb校正锆石中的普通铅。单个数据点的误差均为1σ，因为年龄大于1000Ma，参照206Pb/207Pb年龄。

5 地球化学

5.1 主量元素

石榴花岗岩和石榴黑云母片麻岩主量元素、微量元素及稀土元素分析结果见表2，二者SiO2含量十分接近。石榴黑云母片麻岩Al2O3、FeOT和MgO含量分别为13.98%～22.4%、2.11%～7.79%、0.46%～3.09%，TiO2、Na2O、CaO和P2O5含量分别为0.28%～1.20%、2.08%～4.14%、0.75%～3.41%、0.03%～0.38%。然而，石榴花岗岩Al2O3、FeOT和MgO含量分别为13.02%～20.02%、0.70%～12.41%和0.14%～3.81%，TiO2、Na2O、CaO和P2O5含量分别为0.04%～1.11%、1.80%～4.03%、0.78%～4.21%和0.02%～0.50%。石榴花岗岩整体表现出TiO2、Na2O、CaO、P2O5和Nb含量较石榴黑云母片麻岩相对亏损的特征，同时K2O和MnO含量变化较大分别为0.40%～5.66%和0.01%～0.19%(石榴黑云母片麻岩分别为1.11%～5.82%和0.04%～0.15%)。石榴花岗岩具有相对富钙、富钠的特点，K2O/Na2O比值为0.32～2.07，K2O含量为0.87%～5.62%，具有高钾质花岗岩特征，K2O+Na2O总量为2.20%～9.45%，铝饱和指数A/CNK=1.04～2.68(图4b)，具有亚碱性系列的过铝质S型花岗质岩石(图4a)。

图4 包头地区石榴花岗岩和大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩的(K2O+Na2O)-SiO2图解(a, 底图据Jensen and Meckling, 1976)和A/CNK-A/NK图解(b, 底图据Morrison, 1980)Fig.4 The diagram of K2O+Na2O vs. SiO2 (a, base map after Jensen and Meckling, 1976) and A/CNK vs. A/NK (b, base map after Morrison, 1980) in the Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneisses and garnet granites in Baotou area

5.2 微量、稀土元素

哈德门沟-昆对沟石榴花岗岩与石榴黑云母片麻岩的稀土元素配分模式相似，具有轻稀土元素富集，重稀土元素亏损的特征，(La/Yb)N=1.54～86.9，表现为典型的右倾稀土元素配分模式(图5a, c)，特别是哈德门沟石榴混合闪长岩具有稀土元素配分曲线尾部上扬，富集重稀土元素的特点(图5a)。但仍存在一定变异性，石榴花岗岩稀土元素总量(∑REE=74.83×10-6～237.9×10-6)相对石榴黑云母片麻岩偏低(∑REE=102.2×10-6～449.0×10-6)，特别是从哈德门沟石榴混合闪长岩→石榴混合石英闪长岩→石榴混合花岗闪长岩，稀土元素总量具有逐渐降低的趋势(图5a)。根据Eu元素的异常特征将石榴花岗岩稀土元素配分模式曲线分为Eu富集型(Eu/Eu*=1.04～5.36)和Eu亏损型两种 (Eu/Eu*=0.29～0.99)(图5a, c)，然而石榴黑云母片麻岩几乎均具有Eu亏损型特点(Eu/Eu*=0.45～0.94)，仅有个别样品为富集型(Eu/Eu*=1.10～1.16)。原始地幔标准化微量元素蛛网图中，哈德门沟-昆对沟石榴花岗与石榴黑云母片麻岩微量元素蛛网图曲线配分相似，微量元素含量较石榴黑云母片麻岩略微减少，均富集大离子亲石元素K和Ba，高场强元素Nb、Ta、P、Ti、Th等相对亏损(图5b, d)。

图5 包头地区哈德门沟-昆对沟一带石榴花岗岩与石榴黑云母片麻岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a、c)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b、d)(标准化值据 Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a, c) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b, d) in garnet granites and garnet biotite gneisses in Baotou area (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

6 锆石定年

6.1 石榴花岗岩(样品WL18-1)

阴极发光图像显示锆石形态多样，大部分呈浑圆状和近似椭圆状，粒径多数在100～200μm之间，长宽比多数为1:1～2:1。锆石具有核-幔-边结构，核部锆石具有典型的岩浆振荡环带结构，认为可能代表了深熔源岩形成年龄 (Koschek, 1993)，但是由于受到后期麻粒岩相变质作用的改造，岩浆震荡环带普遍变得模糊(图6a, 9.1C)。5个具有模糊岩浆振荡环带的核部锆石U-Pb分析点(2.1C, 3.1C, 9.1C, 10.1C, 11.1C)获得207Pb/206Pb年龄为2120～2494Ma，Th和U含量分别为79.3×10-6～303×10-6和127×10-6～516×10-6，具有变化范围相对较大的Th/U值，大部分在0.01～0.68之间(表3)，认为是残留锆石并受到后期变质作用改造。幔部锆石大部分呈灰黑色，具有变质成因锆石特征(1.2M, 7.2M, 9.2M, 11.2M)，包裹核部岩浆成因的残留锆石，Th和U的含量分别为4×10-6～126×10-6和96×10-6～1072×10-6，Th/U比值为0.01～0.48(表3)，测试结果同核部锆石相近，获得207Pb/206Pb加权平均年龄为2485±9Ma，其余幔部锆石均受到后期变质事件的不同程度的影响(2.2M, 4.2M, 8.2M, 10.2M, 11.2M, 12.2M)。边部锆石围绕核部和幔部锆石，主要是灰白色且具有隐约的岩浆震荡环带，具有深熔成因锆石的典型特征 (3.3R, 4.3R, 9.3R)，Th和U的含量分别为31×10-6～38×10-6和102×10-6～224×10-6，Th/U比值集中在0.01～0.40之间，边部深熔成因锆石获得207Pb/206Pb加权平均年龄为2434±6Ma(MSWD=1.2，表3、图6b)。另外一些边部锆石数据点偏离谐和曲线，获得207Pb/206Pb年龄为1994±23Ma～2336±22Ma之间，仅有1个点获得年龄1994±23Ma(1.3R)比较靠近谐和曲线，代表受到古元古代变质事件的影响。

6.2 石榴黑云母片麻岩(样品KDG1912)

阴极发光图像显示锆石的粒径多数在50～120μm之间，长宽比值多数为1:1～1:1.5，呈近似浑圆状和椭圆状。锆石具有典型的核-边结构，核部锆石具有隐约的岩浆振荡环带结构，可能代表源岩形成的岩浆年龄 (Koschek, 1993)，受到后期麻粒岩相变质作用的改造，环带普遍变得浑浊和模糊 (图6c,13.1,14.1, 15.1)。核部锆石仅获得了2个U-Pb年龄分析数据(10.1C, 21.1C)，207Pb/206Pb年龄分别为2425±23Ma和2527±7Ma，U和Th含量分别为263×10-6～349×10-6和106×10-6～122×10-6，具有相对较大的Th/U值(0.36～0.42)(表3)，认为受到后期不同程度变质作用的改造。边部锆石呈灰白色，包裹核部锆石，具有变质成因锆石特征 (图6c, 3.1R, 13.1R, 14.1R, 15.1R, 16.1R, 18.1R)，部分锆石与石榴花岗岩变质深熔成因锆石阴极发光图像特征相似，Th和U的含量分别为4×10-6～13×10-6和284×10-6～350×10-6，Th/U的比值为0.01～0.09，10个边部变质成因锆石获得加权平均年龄为2367±8Ma(MSWD=1.4，图6d)，获得不一致线上交点年龄为2354±16Ma(MSWD=0.54，图6d)。此外，仍有一些边部锆石获得207Pb/206Pb年龄为1982±16Ma～2267±7Ma之间，几乎所有数据点均偏离谐和曲线，仅有1个数据点落在谐和曲线上并获得207Pb/206Pb年龄为1982±16Ma(17.1R)，代表样品受到古元古代变质事件的影响。

表3 包头地区石榴花岗岩和大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩样品SHRIMP锆石U-Pb分析结果Table 3 SHRIMP U-Pb dating data of zircons from garnet granite and Daqingshan supracrustal rock, garnet biotite gneisses in the Baotou area

图6 包头地区石榴花岗岩和石榴黑云母片麻岩样品锆石CL图像和锆石U-Pb谐和图(a、b)石榴花岗岩(WL18-1)，包头市西乌兰不浪沟；(c、d)石榴黑云母片麻岩(KDG1912)，包头市东昆对沟Fig.6 CL image of zircon and SHRIMP U-Pb concordia data for typical zircon of the garnet granite and garnet-biotite gneisses in the Baotou area

7 讨论

7.1 变质作用与深熔作用时代确定

微区锆石U-Pb定年技术目前已经十分成熟，前人对不同岩石类型中不同成因锆石的形态、内部结构及Th/U比值等都进行过研究和总结(Rubattoetal., 2002; Geisleretal., 2007; Dongetal., 2017)。石榴黑云母片麻岩(KDG1912)中变质成因锆石获得207Pb/206Pb加权平均年龄为2367±8Ma，石榴花岗岩(WL18-1)中深熔成因锆石获得207Pb/206Pb加权平均年龄为2434±6Ma。本次研究与前人成果具有高度的一致性，以往在哈德门沟-昆对沟一带石榴花岗岩中获得～2.46Ga、～2.45Ga、～2.39Ga变质深熔锆石年龄，大青山表壳岩中获得～2.45Ga、～2.44Ga、～2.40Ga、～2.37Ga变质锆石年龄，野外露头中近水平的滑脱变形构造保存较好；然而昆对沟一带大青山表壳岩和石榴花岗岩中普遍受到古元古代晚期构造事件影响，获得～1.95Ga变质锆石年龄(Wanetal., 2006, 2009, 2013; Dongetal., 2013, 2014)，遭受近东西向陡倾叶理带的改造，仅有局部保留十分平缓的早期变形构造。

鉴于对石榴花岗岩是石榴黑云母片麻岩深熔熔体与残留体、残留矿物相、转熔矿物相逐渐分离产物的证据已经十分充分。但是对于能否简单的将石榴花岗岩的变质深熔事件时代确定在2.45～2.37Ga之间还有待进一步探讨，具体的原因主要包括以下方面：①石榴花岗岩的结晶年龄和石榴黑云母片麻岩的变质年龄相差将近100Myr，难免令人觉得不可思议，说明这些锆石样品年龄的不均匀性和时间上的不一致，因此年龄所代表的实际地质意义需要做进一步讨论；②石榴花岗岩样品中核部锆石获得加权平均年龄为2485±9Ma，但是阴极发光图像下显示这些核部锆石环带普遍变的模糊，明显受到后期变质事件的影响，同时在石榴黑云母片麻岩中核部锆石获得一个年龄数据为2527±10Ma且位于谐和曲线上，说明原岩的时代可能要远早于～2.5Ga。③同古老的碎屑锆石一样，古老的变质锆石同样容易受到后期变质事件的改造，石榴花岗岩和石榴黑云母片麻岩样品中部分边部锆石获得～1.98Ga年龄且靠近谐和曲线，部分数据点在谐和图上沿谐和线平行且分散分布，说明这些岩石虽然没有受到古元古代晚期(～1.95Ga)构造热事件完全改造，但是却受到了一定程度的影响(Dongetal., 2014)。④尽管石榴黑云母片麻岩样品边部锆石获得了2367±8Ma加权平均年龄，但在样品中单个锆石测试数据点仍获得2456±18Ma变质年龄，且位于谐和线上。同样的，石榴花岗岩中获得2434±6Ma加权平均年龄，但单个锆石颗粒边部变质成因锆石仍获得207Pb/206Pb锆石U-Pb年龄为2416±11Ma和2466±5Ma，且均位于谐和线上。前人在大青山哈德门沟-昆对沟一带石榴花岗岩中获得～2.46Ga、～2.45Ga、～2.39Ga 变质深熔锆石年龄，在大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩中获得～2.45Ga、～2.44Ga、～2.40Ga、～2.37Ga变质锆石年龄(Wanetal., 2009; Dongetal., 2014)。综上所述，认为大青山地区新太古代晚期岩石中的锆石普遍受到了后期构造-热事件的影响，同位素体系发生了不完全重置，使得多数年龄值(沿着谐和线)降低，反映的是地质意义不明确的混合年龄，而谐和线上最大的表面年龄值可能接近原岩或事件年龄，本文石榴花岗岩的变质深熔事件的时代可能更早。近年来的研究也进一步证实这一观点，张琳等(2016)在乌拉山地区早前寒武纪岩浆作用与变质作用的研究中率先提出大青山表壳岩可能形成于新太古代晚期，万渝生等(2020)研究认为华北克拉通最重要的太古宙构造热事件出现在新太古代晚期(2.49～2.53Ga)，一些地区存在古元古代早期的年龄记录，但并不是真实的构造热事件存在，而是由于古元古代晚期构造热事件强烈叠加改造的缘故。因此认为区内石榴花岗岩变质深熔作用发生在2.43Ga之前，可能形成于新太古代晚期，部分地区受到～1.95Ga构造热事件影响。

7.2 石榴花岗岩地球化学特征及含义

石榴花岗岩与石榴黑云母片麻岩在空间上密切共生，地球化学特征具有一定的继承性，差异性则表现为石榴花岗岩成分的不均一性。以包头哈德门沟一条剖面上的石榴花岗岩为例，岩性变化较大，主要的矿物含量和地球化学特征各异，这是深熔花岗岩的典型特征之一。石榴混合闪长岩偏中基性，SiO2的含量为56.63%～64.40%，具有低K2O、Na2O和CaO的特点，同时Al2O3、FeO、MgO和MnO含量相对较高(图7)。相反，石榴混合石英闪长岩和石榴混合花岗闪长岩属于偏中酸性，SiO2的含量分别为：62.11%～67.61%和69.58%～72.32%，具有Na2O和CaO组分含量相对较高的特点；同时具有Al2O3、FeO、K2O、MgO和MnO等组分含量相对较低的特点(表1)。

石榴混合闪长岩→石榴混合石英闪长岩→石榴混合花岗闪长岩SiO2和Na2O含量具有增大的趋势，K2O、Al2O3、FeO、MgO和MnO具有减小的趋势。低K2O、Na2O、CaO的石榴混合闪长岩与低K2O、高Na2O、CaO的石榴混合石英闪长岩和石榴混合花岗闪长岩稀土元素方面具有一定的差异性，具体表现如下：①稀土总量方面：石榴混合闪长岩稀土元素总量较高(∑REE=87.6×10-6～500.2×10-6)，石榴混合石英闪长岩(∑REE=207.4×10-6～492.1×10-6)和石榴混合花岗闪长岩稀土元素总量相对较低(∑REE=126.1×10-6～188.6×10-6)。②Eu异常特征方面：几乎所有样品均具有Eu富集型和Eu近平坦型稀土配分曲线(图5)，石榴混合闪长岩Eu/Eu*值为1.00～5.36，石榴混合石英闪长岩和石榴混合花岗闪长岩Eu/Eu*值分别为1.27～4.54和0.99～2.33。③样品的稀土元素配分曲线分馏程度较高，但平方沟获取的1件石榴混合闪长岩和2件石榴混合石英闪长岩样品具有明显的重稀土富集特征，表现为稀土元素配分曲线尾部翘起，可能与样品中石榴子石、磷灰石和锆石等矿物含量有关。与其他样品相比，平方沟3件富集重稀土元素样品具有相对较高的Zr含量(270×10-6～411×10-6，平均值：298×10-6)和相对较低的P含量(74×10-6～87×10-6)，进一步证明锆石对样品稀土元素配分曲线具有一定的影响，对应样品的稀土元素总量为：154.5×10-6～500.2×10-6(平均值：217.7×10-6)。暗示在熔体的形成过程中，石榴黑云母片麻岩残留体、石榴石和黑云母等残留矿物与熔体没有发生完全分离，进一步推断熔体没有经历运移或者仅仅只是经历较近距离的运移，说明石榴花岗岩原地-近原地属性。

图7 包头地区哈德门沟-昆对沟石榴花岗岩与大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩Hark图解Fig.7 The Hark diagrams of garnet granite and Daqingshan supracrustal rocks, garnet biotite gneiss in the NCC

这种具有Eu富集型和Eu亏损型共存的稀土模式配分曲线的石榴花岗质岩石在纳米比亚的Damara中央造山带和芬兰南部的Turku地区也有发现，Jungetal. (2000a)研究认为Eu富集型样品是Eu亏损型样品进一步分离结晶作用的产物，分别代表残留熔体和早期长英质堆积。但不同的是，本文样品SiO2的含量为56.63%～73.34%，石榴混合花岗闪长岩部分SiO2>70%，这与纳米比亚的Damara中央造山带和芬兰南部的Turku地区花岗岩样品普遍SiO2>70%不完全一致。本文的研究表明石榴花岗岩不同类型(石榴混合闪长岩、石榴混合石英闪长岩、石榴混合石花岗闪长岩)是熔体与残留体、残留矿物相不同程度分离所形成，具体证据如下：①岩石学、岩相学和地球化学特征更支持其为深熔熔体与残留体、残留矿物相逐渐分离的产物；②实验岩石学研究表明MgO和FeO在过铝花岗岩中的溶解度分别为0.22%～0.9%和1.27%～3.01% (Jungetal., 2000b)，本文样品MgO和FeO的含量分别为1.05%～3.81%(仅3个样品为0.1%、0.19%、0.99%)和3.13%～12.41%(仅3个样品为0.70%、2.36%、2.78%)，远远大于溶解度，说明镁铁矿物至少有一部分是深熔的残留矿物相。③石榴混合闪长岩→石榴混合石英闪长岩→石榴混合花岗闪长岩，残留矿物相逐渐减少(红棕色熔蚀状黑云母及同源包体)，能够反映深熔熔体与残留体、残留矿物相逐渐分离的过程，残留体不断的停留在“原地”。

7.3 深熔作用模式和机理

7.3.1 深熔源岩和熔融属性

深熔作用的发生和熔融程度不仅与温度、压力和流体等因素有关，还取决于变质岩原岩的可熔性(Kriegsman, 2001; 杨振升等，2008)，前人研究认为岩石的可熔性主要与参与熔融岩石的岩性和岩石物理性质有关。在同一环境下，不同变质岩原岩发生熔融的程度不同。哈德门沟-昆对沟石榴花岗岩围岩的岩性主要为石榴黑云母片麻岩和含夕线堇青石榴黑云母片麻岩。围岩的深熔程度相对较高，深熔浅色体与暗色体条带十分发育，Hark图解显示石榴花岗岩地球化学组分特征与深熔源岩的酸性端元相当；但哈德门沟石榴花岗岩中的磁铁石英岩、中性麻粒岩和石榴石英岩等残留体深熔程度却相对较低，保存较好。这些现象都可以说明深熔作用对其源岩具有一定的选择性，结合地球化学特征，认为包头市哈德门沟-昆对沟一带石榴花岗岩主要是由大青山表壳岩中石榴黑云母片麻岩的酸性端元发生熔融形成，这与区域上前人报道的石榴花岗岩是孔兹岩带中富铝片麻岩酸性端元深熔的认识一致(石强等, 2018)。根据上述野外岩石学、岩相学、地球化学及锆石年代学特征，进一步确定大青山表壳岩中石榴黑云母片麻岩是哈德门沟-昆对沟石榴花岗岩的深熔源岩(宋海峰等, 2005; 吴新伟等, 2013; 马铭株等, 2015)。

从岩浆岩的角度出发，过铝质-强过铝质花岗岩均来自深部地壳陆源物质的部分熔融，在侵位过程中，熔体与残留体分离。但是，对于残留体的矿物成分和化学成分，则有不同的认识：Chappelletal. (1984)最早提出了残留体分离模型，认为许多花岗岩及相关的火山岩都会包含一定量源区未熔融或者未发生完全熔融的残留晶体，随着花岗质岩浆聚集、迁移和上升，这些残留矿物相会不同程度的从花岗质岩浆中分离出来，造成花岗岩成分上的变化。在大多数花岗岩中都有残留矿物的存在，其中最常见的就是残留锆石，往往受到熔体温压条件和迁移距离等因素的影响，石榴石、黑云母及部分副矿物也会发生一定程度的残留。本文着重对比研究石榴花岗岩与石榴黑云母片麻岩中石榴石的岩相学、矿物地球化学特征，具体如下：①石榴花岗岩与石榴黑云母片麻岩中石榴石特征十分相似，具有栅状变晶结构，含有大量的包裹体矿物，包体矿物类型极其相似。②从石榴子石的核部到边部，包体矿物颗粒逐渐变小直至消失；③电子探针数据表明石榴花岗岩(石榴石成分环带：铁铝榴石：0.62～0.66，镁铝榴石：0.29～0.33，钙铝榴石：0.03～0.04，锰铝榴石：0.01～0.02)与石榴黑云母片麻岩(石榴石成分环带：铁铝榴石：0.62～0.68，镁铝榴石：0.26～0.32，钙铝榴石：0.03～0.04，锰铝榴石：0.01～0.02)中的石榴石具有相似的成分环带(石强, 2020)，且边部铁铝榴石成分含量均相对核部较高，镁铝榴石含量相对较低，普遍发育扩散环带，环带的发育程度和样式不均匀，明显受到其接触矿物的影响。以往的研究认为石榴石主要是残留矿物相或转熔矿物相(夏琼霞, 2019)，如何区分石榴花岗岩中石榴石的成因则需要进一步的探讨。石榴石残留矿物相实际上就是变质成因的石榴石参加熔融反应发生剩余，因此它们几乎不含包体矿物。而转熔成因的石榴石形成于黑云母的脱水分解，可能发生反应为：Sil+Bt+Qz±Pl→Grt+Kfs+Melt (Patio Douce and Johnston, 1991)或者Bt+Qz+Pl→Grt+Kfs+Melt (Vielzeuf and Montel, 1994)，其中石榴石常会捕获转熔反应产生的深熔熔体而形成熔体包裹体。石榴花岗岩中石榴石的特征暗示其更可能是转熔反应的产物，但并不能完全排除是从深熔源岩石榴黑云母片麻岩中直接继承到了含有包体的石榴石。进一步研究发现，在石榴花岗岩和石榴黑云母片麻岩中随着深熔的浅色长英质条带的增多，石榴石含量明显增多且绝大部分呈定向分布在长英质条带中，随着浅色体逐渐增多直至形成石榴花岗岩，石榴石的含量也增多且粒径增大，这一现象可以说明石榴花岗岩中石榴石是由深熔作用过程中的转熔反应形成。

区内石榴花岗岩普遍具有强过铝质花岗岩的特征，石榴石含量在10%以上，最高可达30%，与其深熔源岩中的石榴石十分相似，普遍含有石英、斜长石、黑云母和夕线石等变质矿物包体。石榴花岗岩中浅棕褐色黑云母呈放射状分布在石榴石周围，应为熔体结晶过程石榴石与熔体发生反应(逆反应)的产物，这能很好的解释石榴石边部与核部成分存在差异的原因。石榴黑云母片麻岩中含有大量的黑云母和较多的正条纹长石，而在石榴花岗岩中黑云母和钾长石含量明显减少，这貌似与上文石榴石转熔反应产生钾长石不符，结合前人资料认为钾长石可能再次发生熔融，但具体熔融反应的确定需要进一步研究。综上所述，石榴花岗岩形成的熔融反应可能是等温降压过程中的钾长石熔融和黑云母熔融，这与魏春景和朱文萍等(2016)研究认为深熔作用发生在麻粒岩相变质作用减压过程中钾长石熔融和黑云母发生熔融一致。本次年代学研究结果表明石榴花岗岩的形成与大青山表壳岩中石榴黑云母片麻岩的早期变质作用均为同一期构造热事件的产物，具有密切的成因联系，石榴黑云母片麻岩变质作用演化对石榴花岗岩深熔作用研究具有重要的指导意义。石榴石中含有针柱状的夕线石矿物包体，说明深熔作用过程中的转熔石榴石可能经历了变质作用演化的峰期阶段。石榴黑云母片麻岩中发育峰期柱状夕线石和堇青石，石榴花岗岩中仅发育极少量柱状夕线石，且被石榴石环绕的这一现象也说明熔融可能发生在具有顺时针P-T轨迹的变质作用演化峰期及峰期后等温降压阶段。

7.3.2 深熔作用模式

以往的研究认为深熔作用是壳源花岗岩形成的重要方式，会形成强过铝质S型花岗岩(翟明国等, 1996; 马铭株等, 2015)。哈德门沟实测地质剖面上能够看到石榴黑云母片麻岩、深熔石榴黑云母片麻岩以及石榴花岗岩等深熔作用各阶段的产物，这些野外地质现象为研究深熔熔体的形成、运移以及成岩过程提供了重要的证据。其中在深熔石榴黑云母片麻岩中分布大量的石榴花岗岩团块，靠近石榴花岗岩岩体的位置，团块数量明显增多，暗示石榴花岗岩是由这些小的团块不断的汇聚形成，同时石榴花岗岩中也存在大量石榴黑云母片麻岩包体、残留体和残影等。随着深熔程度的加强，深熔源岩中浅色体和石榴石逐渐增多，岩石塑性越来越强(McKenzie, 1978; Milordetal., 2001)，在应力的作用下使得整个体系更容易发生运移(刘正宏等, 2008; Labrousseetal., 2011)，残留体与熔浆未发生完全分离说明岩浆未远离物源区，未发生充分的“搅拌”，形成哈德门沟一条实测地质剖面上存在石榴混合闪长岩、 石榴混合石英闪长岩和石榴混合花岗闪长岩等多种岩石类型，具有原地-半原地花岗岩特征。

SHRIMP锆石年代学结果限定了这期变质深熔事件可能发生在新太古代晚期，与前人报道的华北克拉通北缘新太古代晚期构造热事件时代一致(万渝生等, 2020)。哈德门沟-乌兰不浪沟石榴花岗岩获得～2.46Ga、～2.45Ga、～2.39Ga变质深熔年龄和大青山表壳岩中石榴黑云母片麻岩获得～2.45Ga、～2.44Ga、～2.40Ga、～2.37Ga变质年龄，个别锆石还获得了～1.95Ga变质年龄，普遍可以观察到保存较好的近水平滑脱变形构造，整个石榴花岗岩岩体呈扁豆状近平卧在大青山表壳岩和麻粒岩之上，长英质条带多数呈水平状分布；而昆对沟一带大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩和石榴花岗岩中除了获得～2.43Ga和～2.37Ga变质年龄，普遍还获得～1.95Ga变质锆石年龄(Wanetal., 2009; Dongetal., 2013, 2014)，遭受近东西向陡倾叶理带的改造强烈，仅有局部保留十分平缓的早期变形构造，可见熔融形成的长英质条带被近东西向构造改造发生变位(吴新伟, 2007)。但大量的研究表明这些变质锆石年龄普遍受到古元古构造热事件影响而偏低(张琳等, 2016)。徐仲元等(2005, 2007)和吴新伟(2007)做进一步的研究发现大青山地区存在一期新太古代晚期近水平顺层滑脱变形，矿物组合与区内石榴黑云母片麻岩变质作用演化峰期后近等温减压阶段十分相似，与前文讨论的变质作用与深熔作用之间的关系吻合。结合哈德门沟石榴花岗岩呈扁平的豌豆状近水平产出并漂浮在大青山表壳岩石榴黑云母片麻岩之上的特征说明其成因与区内近水平顺层滑脱变形有关。前人研究表明，大青山地区发育中心多为变质深成岩的穹-褶构造，且与水平顺层滑脱变形关系密切，代表伸展过程中深部甚至地幔物质上涌的产物(徐仲元等, 2007)，SHRIMP锆石年代学研究表明哈德门沟东北2km处的平方沟紫苏花岗质片麻岩形成时代为新太古代晚期(徐仲元，未发表数据)，与石榴花岗岩空间产出关系密切，进一步说明石榴花岗岩的深熔事件发生在新太古代晚期。结合已有的成果，推测新太古代晚期构造事件导致地壳加厚，深部幔源物质发生上涌，水平顺层滑脱变形起到了导热作用，为深熔作用提供大量的热，大青山表壳岩中石榴黑云母片麻岩发生熔融，形成包头哈德门沟-乌兰不浪沟-昆对沟一带的石榴花岗岩。

8 结论

通过对研究区内深熔石榴花岗岩做相关的总结和讨论，结合前人成果，主要得到以下结论：

(1)石榴花岗岩的岩性具有不均一性，哈德门沟实测地质剖面上出现多种岩石类型，同时与深熔源岩渐变过渡、密切共生，并含有大量的包体和残留体。

(2)岩相学研究表明深熔石榴花岗岩与石榴黑云母片麻岩具有相似的矿物组合，石榴石具有大量的包体矿物，为转熔矿物相，主要与深熔作用过程中的转熔反应有关。

(3)石榴花岗岩是残留体、转熔矿物相与熔体发生逐步分离的产物，石榴石周围存在放射状黑云母，是典型的逆反应结构。研究表明深熔作用可能发生在具有顺时针P-T轨迹的变质作用演化峰期及峰期后等温降压阶段。

(4)地球化学特征显示石榴花岗岩对源岩具有一定的继承性，表现出高Al2O3含量，CaO含量和K2O/Na2O比值存在较大变化，富集轻稀土和大离子亲石元素，亏损Nb、Ta、P和Ti；但同时又存在一定的差异性，其中Eu富集型和亏损型共存的稀土元素配分模式曲线成为这种小规模深熔花岗岩最标志性的特征之一。

(5)包头一带深熔石榴花岗岩至少形成于2.43Ga之前，可能与华北克拉通北缘新太古代晚期构造热事件密切相关。

致谢感谢北京离子探针中心董春艳研究员和颉颃强研究员在SHRIMP锆石U-Pb测年过程中提供的帮助。感谢魏春景教授、杨崇辉研究员以及万渝生研究员对本文提出的诸多宝贵意见，对论文质量提高起了重要作用。

在沈其韩院士百岁大寿之际，谨以此文表示祝贺。