冀北镇宁堡—赤城一带红旗营子杂岩变基性岩及其围岩锆石U-Pb年代学研究

孔旭，密文天，马莹莹，辛杰，卢嵩，邢佳怡，李诗佳，王晟宁

(1.西北大学地质学系，西安 710069；2.内蒙古工业大学矿业学院，呼和浩特 010051)

0 引言

华北克拉通是世界上重要的克拉通之一，有着古老的早太古代—古元古代基底，在其上发育有中元古代—新生代的盖层[1-3]。前人对华北克拉通的大地构造单元进行划分研究，认为华北克拉通由3个构造单元组成，即东部陆块、西部陆块和中部造山带(图1b)。其中，中部造山带是由东部陆块和西部陆块在1.85 Ga[4-6]或1.95 Ga[7]碰撞拼合形成。

图1 冀北镇宁堡—赤城一带地质简图(a图据文献[2]修改；b图据文献[28-29]修改；c图据文献[17,30]修改)Fig.1 Geological sketch of Zhenningpu-Chickeng area in northern Hebei province1.第四系；2.侏罗系；3.红旗营子杂岩；4.太古宙(单塔子杂岩)；5.黑云二长花岗岩；6.似斑状花岗岩；7.花岗片麻岩-糜棱岩；8.超镁铁岩(蛇纹石化橄榄岩)；9.变基性岩主要出露点；10.赤城-崇礼断裂带；11.片(麻)理产状；12.采样位置及样品编号

红旗营子杂岩分布在赤城—隆化断裂以北的华北克拉通北部地区。赤城—隆化断裂以南的基底属于单塔子杂岩，该杂岩形成于新太古代，并经历了古元古代变质作用[8]，关于红旗营子杂岩的形成时代目前尚未形成共识。一部分学者认为，红旗营子杂岩形成于新太古代—早古元古代的2.6 Ga—2.4 Ga[8-12,14]；另一部分学者认为红旗营子杂岩新太古代—早古元古代的锆石成因为碎屑锆石，并认为红旗营子杂岩是晚古生代的变质杂岩[14-16]。前人还对红旗营子杂岩中的透镜状或布丁状(退变)榴辉岩和(蛇纹石化)橄榄岩进行了研究[17-20]。研究表明：(退变)榴辉岩的原岩为洋壳拉斑玄武岩，并经历了330 Ma—320 Ma变质作用[17,19]，而(蛇纹石化)橄榄岩是SSZ型亏损地幔橄榄岩[18,21]。

2019年Liu H等对红旗营子杂岩中的斜长角闪岩开展年代学研究，认为斜长角闪岩的原岩形成年代为2664 Ma—2518 Ma，变质年代为1847 Ma—1840 Ma。那么斜长角闪岩是否经历了古生代的变质作用，其围岩也经历了什么样的形成及变质过程？鉴于锆石的U-Pb年代学研究能提供强大的工具来限制变质岩的变质年龄和后期的构造热事件，本次研究报告了红旗营子杂岩石榴斜长角闪岩及其围岩石榴角闪黑云斜长片麻岩的锆石U-Pb同位素年代学研究成果，用来限制红旗营子杂岩石榴斜长角闪岩及其围岩的形成及变质时限，这对理解红旗营子杂岩在古生代时期的构造演化具有重要意义。

1 地质背景

华北克拉通南接祁连-大别造山带、东临苏鲁造山带，而北部则与古亚洲洋构造域相邻(图1b)。目前，最为广泛接受的构造模型将华北克拉通分为3个主要地块：东部陆块，西部陆块和二者之间的中部造山带，它代表了古元古代的碰撞拼合带，标志着华北克拉通的克拉通化的最终完成[1-3,6,22]。部分学者认为东部陆块与西部陆块的拼合碰撞发生在2.5 Ga，并将中部造山带命名为中央造山带[23]。华北克拉通由发生变质的太古代至古元古代基底岩石和中元古代至新生代未变质的盖层组成[1-3,22]。

华北克拉通北缘中段在镇宁堡—赤城一带，以赤城—崇礼断裂可以分为南北两个部分。南部主体为单塔子杂岩，由高角闪岩相—麻粒岩相的花岗片麻岩、石榴斜长片麻岩、角闪岩、角闪斜长片麻岩、石榴二辉石岩、石榴矽线黑云片岩、磁铁石英岩和少量大理岩组成[8]。红旗营子杂岩则分布于赤城—崇礼断裂带以北地区(图1c)，在其北部还分布有中生代黑云二长花岗岩岩体。

红旗营子杂岩主体为变表壳岩，其次为变基性岩和(蛇纹石化)橄榄岩。变表壳岩包括(石榴角闪)黑云斜长片麻岩和(蛇纹石化)大理岩，以前者为主。黑云斜长片麻岩的原岩可能为浅海相(泥质)砂岩[24-25]，其片麻理极为发育，片麻理的产状与赤城—崇礼大断裂大体一致，片麻岩走向为NW-SE，倾向NE，倾角45°～78°。变基性岩包括(退变)榴辉岩和(石榴)斜长角闪岩，变基性岩多呈透镜状或布丁状产出于(石榴角闪)黑云斜长片麻岩内部，其长轴方向与片麻岩的片麻理长轴方向一致[17,19,21,26-27]。

2 样品采集及岩石学特征

本次红旗营子杂岩样品(石榴)斜长角闪岩及其围岩(石榴角闪)黑云斜长片麻岩的采样地点为七里墩和吕和堡，样品具体描述如下：

样品QLD-001采样地点为七里墩(图1c)，岩石名称为石榴斜长角闪岩，主要基质变质矿物组合为Pl+Amp+Qz+Grt±Ilm(矿物代码说明详见图2)，具有典型的粒状柱状变晶结构(图2a)，其中：长石是以自形板状结构赋存，以中-基性斜长石为主，粒径在0.15～0.39 mm之间，占总量12%；角闪石单偏光下具有多色性，粒径为0.18～0.5 mm，占总量70%；石英呈他形粒状，不均匀消光，粒径为0.11～0.76 mm，约占总量5%；石榴子石呈粒状，含量约13%，石榴子石发育白眼圈结构(图2b)，白眼圈矿物组合为Pl+Amp+Bt+Qz，白眼圈内部的Pl发生不同程度的绢云母化蚀变；样品的副矿物主要为锆石。

样品LHP-002采样地点为吕和堡(图1c)，岩石名称石榴斜长角闪岩，主要基质变质矿物组合为Pl+Amp±Grt，具有粒状柱状变晶结构(图2c)和“白眼圈”结构(图2d)。长石以半自形板状赋存，以中-基性斜长石为主，长石粒径0.18～0.52 mm，占总量的11%；角闪石粒径为0.24～0.63 mm，占总量的64%；石榴子石呈粒状，粒径为0.48～1.86 mm，占总量的23%，正交偏光下全消光，部分石榴子石发育筛状结构和白眼圈结构，白眼圈矿物组合为Pl+Amp+Qz+Ilm；副矿物主要为锆石。

样品QLD-003采样地点为七里墩(图1c)，岩石名称为石榴角闪黑云斜长片麻岩，为QLD-001石榴斜长角闪岩的围岩。岩石主要矿物组合为Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt，具有鳞片粒状变晶片麻状结构(图2e)。石英大部分以自形粒状规律展布，不均匀消光，长宽比达到1∶3，石英颗粒大小0.09～0.4 mm，含量约35%；长石是自形板状具聚片双晶结构，An≈60，为拉长石，该长石粒径为0.11～0.55 mm，含量28%；黑云母呈鳞片状定向排列，鳞片直径0.08～0.35 mm，含量20%，常见黑云母环绕石榴子石和石英生长并定向排列形成区域片麻理(图2f)；角闪石在单偏光下呈多色性，对称消光，粒径0.04～0.1 mm，含量10%；石榴子石呈粒状，正交偏光下全消光，部分石榴子石中包含细粒石英，呈筛状结构，粒径0.13～0.5 mm，含量为7%；副矿物主要为锆石。考虑到该岩石的矿物成分共生组合为Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt，推断变质原岩可能是泥质粉砂岩，变质程度为角闪岩相。

样品LHP-004采样地点为吕和堡(图1c)，岩石名称为石榴角闪黑云斜长片麻岩，为LHP-002石榴斜长角闪岩的围岩。岩石主要矿物组合为Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt+Ap，具有鳞片粒状变晶片麻状结构(图2g)。石英呈他形粒状定向排列，消光不均匀，颗粒大小在0.16～0.96 mm之间，占总量的33%；长石呈半自形板状，以中-基性斜长石为主，An≈55，粒径为0.2～0.77 mm，含量为40%；黑云母以鳞片结构整齐排布，在0.1～0.38 mm之间，占总量的13%，常见黑云母环绕磷灰石、石英和石榴子石生长(图2h)；角闪石单偏光下呈多色性，对称消光，粒径0.03～0.09 mm，含量9%；石榴子石呈粒状，正交偏光下全消光，部分石榴子石中包含细粒石英，具有筛状结构，粒径0.5～1.0 mm，含量5%；副矿物主要为锆石。考虑到该岩石的矿物组合为Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt+Ap，推断其变质原岩可能为泥质砂岩类，变质程度为角闪岩相。

图2 红旗营子杂岩变基性岩(石榴斜长角闪岩)及其围岩(石榴角闪黑云斜长片麻岩)显微照片(-)Fig.2 Microscopic photo of meta-basic rock (garnet-Plagioclase hornblendite) and its surrounding rock (garnet-hornblende-biotite-Plagioclase lasegneiss)a.石榴斜长角闪岩(QLD-001)的主要基质变质矿物组合为Pl+Amp±Qz±Grt；b.石榴斜长角闪岩(QLD-001)的Grt发育白眼圈结构，白眼圈矿物组合为Pl+Amp+Bt+Qz；c.石榴斜长角闪岩(LHP-002)主要基质变质矿物组合为Pl+Amp±Grt；d.石榴斜长角闪岩(LHP-002)的Grt发育白眼圈结构，白眼圈矿物组合为Pl+Amp+Qz+Ilm；e.石榴角闪黑云斜长片麻岩(QLD-003)中的黑云母环绕石英生长并定向排列形成片麻理；f.石榴角闪黑云斜长片麻岩(QLD-003)中的黑云母和角闪石环绕粒状矿物石榴子石和石英生长并定向排列形成片麻理；g.石榴角闪黑云斜长片麻岩(LHP-004)中的黑云母环绕粒状矿物磷灰石和石英生长；h.石榴角闪黑云斜长片麻岩(LHP-004)中的黑云母环绕石榴子石生长Grt.石榴子石；Amp.角闪石；Bt.黑云母；Pl.斜长石；Qz.石英；Ap.磷灰石；Ilm.钛铁矿；Zrn.锆石

3 样品处理及测试方法

(1)样品处理

样品的粉碎、锆石单矿物的挑选、制靶和阴极发光(CL)拍照均在廊坊宇能(宇恒)岩矿技术服务有限公司进行。首先，将岩石样品粉碎至80～100目，然后通过常规电磁选和浮选技术对锆石进行分选，再在双目显微镜下通过人工挑选完整的锆石。将挑好的样品锆石粘贴在环氧树脂靶中并抛光至其一半厚度，之后进行锆石靶的显微照片和CL照片拍照。

(2)测试方法和数据处理

锆石测年在南京聚谱检测科技有限公司电子微探针实验室完成。锆石U-Pb同位素年龄采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法测得，采用Agilent 7700x型ICP-MS激光剥蚀系统。激光波长为193 nm，锆石表面能力密度为10 J/cm2，He作为载气，20～40 μm剥蚀深度激光束斑为32 μm，剥蚀频率为5Hz，单次剥蚀持续时间为70秒。每分析5个点后，插入一次标准锆石91500(1064 Ma)[31]和GJ-1(600 Ma)[32]作为外标，微量元素含量计算采用NIST SRM610进行校正，29Si作为内标元素进行校正，具体的分析测试方法详见文献[33-34]。

数据采用ICP-MS DataCal软件处理，用Anderson软件进行普通铅校正；年龄谐和图采用Isoplot 3.0软件完成[35-36]。对年轻锆石(<1000 Ma)采用206Pb/238U年龄；单个测点数据误差和206Pb/238U年龄加权平均值误差均为1σ。

(3)测试结果

红旗营子杂岩锆石CL图像和LA-ICP-MS U-Pb测年点位及其年龄值如图3所示。锆石LA-ICP-MS U-Pb测年各测点的测试数据如表1所述。

图3 红旗营子杂岩锆石CL图像及测点年龄Fig.3 Zircon cathodo-luminescence image of Hongqiyingzi coplex

石榴斜长角闪岩样品QLD-001中锆石的13个测点具有很低的w(Th)/w(U)值(<0.01～0.01)，属于变质成因锆石，它们的206Pb/238U年龄加权平均值为322.0 Ma±4.9 Ma(表1，图4a)，其年龄值可能代表晚古生代的变质年龄。

石榴斜长角闪岩样品LHP-002中锆石的14个测点的w(Th)/w(U)值为<0.01～0.09，也属于变质成因锆石，其中6号测点因Pb丢失严重而不参与年代学的计算，其余13测点的206Pb/238U年龄加权平均值为317.3 Ma±3.7 Ma(表1，图4b)，其年龄值可能代表晚古生代的变质年龄。

表1 红旗营子杂岩锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果Table 1 Zircon U-Pb LA-ICP-MS age dating of Hongqiyingzi complex

续表1：

图4 红旗营子杂岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon U-Pb age Concordia plot of Hongqiyingzi complex(红色为变质锆石，黑色为岩浆锆石)

石榴角闪黑云斜长片麻岩样品QLD-003中锆石可以分为2组。1组是测点5和测点6，w(Th)/w(U)值为0.09～0.11，锆石的HREE曲线显著上翘，锆石属于岩浆锆石；锆石206Pb/238U年龄范围为370.9 Ma—382.0 Ma(表1，图4c)。2组是其余测点，w(Th)/wU)值<0.01，锆石的HREE曲线平坦，属于变质锆石，9个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为350.9±6.1 Ma(图4c)，其年龄值可能代表石榴角闪黑云斜长片麻岩晚古生代变质年龄。

石榴角闪黑云斜长片麻岩样品LHP-004中的锆石也可分为2组。1组是测点1、测点4和测点13，w(Th)/w(U)值为0.07～0.23，锆石的HREE曲线显著上翘，锆石属于岩浆锆石；锆石206Pb/238U年龄范围为384.1 Ma—392.8 Ma(表1，图4d)。2组是其余测点，w(Th)/w(U)值为0.01，锆石的HREE曲线平坦，属于变质锆石，17个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为343.5±3.1 Ma(图4d)，其年龄值可能代表石榴角闪黑云斜长片麻岩晚古生代变质年龄。

4 讨论

(1)红旗营子杂岩的组成

目前对红旗营子杂岩的原岩属性及组成仍存在着较大的争议。刘树文等[8,12]认为红旗营子杂岩属于岩浆侵入岩群，主要由太古代(石英闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩)片麻岩和和古元古代花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩组成；太古代(石英闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩)片麻岩形成时代为2546 Ma—2532 Ma，古元古代花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩侵入体侵入时代为1870 Ma—1819 Ma。周兵等[17,26,30]认为红旗营子杂岩中的退变榴辉岩的原岩可能为兼具洋中脊和岛弧地球化学属性的洋壳拉斑玄武岩类，原岩形成于438 Ma，在325 Ma发生峰期榴辉岩相变质作用(与古亚洲洋的俯冲有关)。笔者曾获得红旗营子杂岩的黑云斜长片麻岩中的碎屑锆石年龄范围是1855 Ma—369 Ma[14]，认为沉积上限为369 Ma[14]。初航等[37]认为红旗营子杂岩碎屑锆石年龄范围389 Ma—1989 Ma，沉积上限为389 Ma。Liu H等[38]认为红旗营子杂岩中的橄榄岩代表俯冲洋壳下部的岩石圈地幔；橄榄岩、退变榴辉岩和片麻岩代表蛇绿岩套的残片，该蛇绿岩套的发现意味着现代板块构造机制在古元古代时期就已存在；红旗营子杂岩(角闪斜长片麻岩)原岩形成于2664 Ma—2518 Ma[38]，属于新太古代，在1840 Ma—1847 Ma发生变质作用，并在显生宙时期发生折返和角闪岩相变质作用(变质温度为700～760℃，压力为5～7 Kbar)。陶光活等[39]对斜长角闪岩开展研究，认为其结晶时代为2477 Ma，源区来源于古老地壳物质的再循环，其锆石Lu-Hf一阶段模式年龄为2673 Ma—2783 Ma)，形成环境为岛弧相关环境。

由此可见，红旗营子杂岩的组成异常复杂，可以初步归类为：①太古代斜长角闪(片麻)岩、石英闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩；②晚古元古代或古生代变基性岩，如(退变)榴辉岩和斜长角闪岩；③晚古生代变表壳岩，如(石榴角闪)黑云斜长片麻岩和(蛇纹石化)大理岩。

(2)变表壳岩的源区属性及沉积时限

红旗营子杂岩变表壳岩原岩的源区来源复杂，碎屑锆石最老可以追溯到中-新太古代，其锆石U-Pb年龄3164 Ma—2465 Ma[8,12,40]；在元古代时期也有丰富的碎屑锆石记录，其锆石U-Pb年龄范围2417 Ma—1815 Ma[8,12-13,16,37]；在古生代时期也有少量的碎屑锆石U-Pb年龄记录，其年龄范围457 Ma—357 Ma[8,16]。本次研究的两个变表壳岩(石榴角闪黑云斜长片麻岩)的碎屑锆石U-Pb年龄范围为370.9 Ma—392.8 Ma，落在了前人研究的古生代变表壳岩年龄范围(457 Ma—357 Ma)内，这表明变表壳岩的沉积上限可能为357 Ma。

前人报道的变表壳岩变质时代范围为293 Ma—334 Ma[8,16,37]，本次研究得到的变表壳岩变质锆石U-Pb年龄范围是343.5 Ma—350.9 Ma，限制了变表壳岩的沉积下限为350.9 Ma。因此，红旗营子杂岩变表壳岩可能的沉积时限为357 Ma—350.9 Ma。

(3)斜长角闪岩和变表壳岩晚古生代变质年龄及意义

本次研究采集的斜长角闪岩的矿物组合为Pl+Amp+Grt±Ilm±Qz，属于角闪岩相，考虑到斜长角闪岩的样品位于前人采集的榴辉岩样品[17,19]附近，因此斜长角闪岩可能是榴辉岩发生角闪岩相退变质作用的产物，角闪岩相退变质发生的时间为322.0 Ma—317.3 Ma。变表壳岩(石榴角闪黑云斜长片麻岩)的变质矿物组合为Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt，也属于角闪岩相，因此变表壳岩的角闪岩相变质作用发生的时间为350.9 Ma—343.5 Ma。

(4)红旗营子杂岩构造演化

从区域构造上看，红旗营子杂岩属于华北克拉通中部造山带和古亚洲洋构造域的结合部位，通过对前人发表的红旗营子杂岩变质作用年代学成果进行汇总研究(图5)，可以看出红旗营子杂岩存在显著的3个变质年龄区间：晚太古代2494 Ma—2448 Ma；晚古元古代1900 Ma—1734 Ma(峰期为1824.6 Ma)；显生宙495 Ma—234 Ma(峰期为323.7 Ma)。晚太古代2494 Ma—2448 Ma变质事件，说明红旗营子杂岩中的太古代斜长角闪(片麻)岩和石英闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩具有显著华北属性；晚古元古代1900 Ma—1734 Ma变质事件，说明红旗营子杂岩中的太古代块体、斜长角闪岩等可能经历了华北克拉通东西陆块的相互碰撞及哥伦比亚超大陆的形成；显生宙495 Ma—234 Ma变质事件，可能与古亚洲洋的俯冲、关闭及造山后的伸展有关。

图5 红旗营子杂岩变质年龄统计柱状图(据文献[8,12-13,16-17,19,37-38,40-41]数据绘制)Fig.5 Statistical histogram of metamorphic age of Hongqiyingzi complex

结合前人研究成果，显生宙495 Ma—234 Ma变质事件可进一步细化为多个演化阶段。495 Ma—438 Ma为古亚洲洋开始裂开及(退变)榴辉岩原岩的形成时期；438 Ma—354 Ma为古亚洲洋洋壳的南向俯冲并发生榴辉岩相变质作用和变质表壳岩原岩(357 Ma—350.9 Ma)形成时期；350.9 Ma—293.4 Ma红旗营子杂岩早前寒武纪块体发生折返、榴辉岩发生退变质作用和变表壳岩发生角闪岩相变质作用时期，该阶段变质事件与古亚洲洋的最终关闭有关；293.4 Ma—234 Ma变质事件可能与造山后伸展作用有关。

5 结语

通过对镇宁堡—赤城一带红旗营子杂岩变基性岩(石榴斜长角闪岩)及其围岩(石榴角闪黑云斜长片麻岩)的岩石学特征和同位素年代学进行研究，可以得出以下结论：

红旗营子杂岩的主要块体包括：太古代火成岩(斜长角闪(片麻)岩、石英闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩)；晚古元古代或古生代变基性岩(退变榴辉岩和斜长角闪岩)；晚古生代变表壳岩(石榴角闪黑云斜长片麻岩和蛇纹石化大理岩)。

变表壳岩(石榴角闪黑云斜长片麻岩)沉积作用发生的时限可能为357 Ma—350.9 Ma，发生角闪岩相变质作用的时间为350.9 Ma—343.5 Ma；变基性岩(石榴斜长角闪岩)角闪岩相变质作用(榴辉岩的退变质作用)发生的时间为322.0 Ma—317.3 Ma。

红旗营子杂岩存在显著的3个变质年龄区间：晚太古代2494 Ma—2448 Ma；晚古元古代1900 Ma—1734 Ma(峰期为1824.6 Ma)；显生宙495 Ma—234 Ma(峰期为323.7 Ma)。其中，晚古元古代变质年龄记录和显生宙变质年龄记录的峰值最为显著，晚古元古代变质事件与华北克拉通东西陆块的相互碰撞及哥伦比亚超大陆的形成有关；显生宙变质事件，可能与古亚洲洋的开裂、俯冲、关闭及造山后的伸展有关。