天镇-怀安地区新太古代末二长花岗岩的成因及动力背景

任云伟，张家辉，田辉，王惠初，施建荣，常青松，张阔

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.中国地质调查局前寒武纪地质研究中心，天津 300170；3.中国地质调查局华北科技创新中心，天津 300170）

地球早期大陆地壳的形成与演化一直是前寒武纪地质学研究的热点问题。在过去的20年中，地球早期演化历史研究主要集中在两个方面：（1）古大陆的增生与克拉通化过程；（2）板块构造起始过程[1]。华北克拉通作为地球早期陆壳的重要组成部分，与世界其他克拉通以～2.7 Ga的岩浆活动为主要活动期不同，华北克拉通～2.5 Ga 的岩浆活动非常强烈[2,3]。对华北克拉通独特和复杂的演化过程，不同学者存在不同认识，但大致可归纳为以下两种主要观点：一种观点认为华北克拉通于～2.5 Ga完成克拉通化，以微陆块拼合的“五台运动”为标志[4-6]；另一种观点则认为华北克拉通基底在太古宙末尚未完全固结，后期在古元古代存在古陆块或弧陆碰撞[7-9]，～1.85 Ga东部陆块和西部陆块沿中部造山带碰撞拼合，最终完成克拉通化[10]。显然，有关华北克拉通基底拼合时间及方式仍是前寒武纪地质研究的焦点问题，而～2.5 Ga的岩浆事件性质的研究无疑会提供华北克拉通早前寒武纪地质演化的重要信息。

华北克拉通～2.5 Ga的岩浆事件的一个显著特点是TTG岩浆活动的末期普遍伴有钾质花岗岩的侵位，如鞍山地区齐大山钾质花岗岩、冀东地区山海关钾质花岗岩、鲁西地区四海山及鲁山钾质花岗岩、嵩山地区路家沟钾质花岗岩、怀安地区钾质花岗岩以及赞皇杂岩中的菅等钾质花岗岩等[11，12]。邓晋福等[4]认为华北克拉通新太古代末期花岗岩类为T1T2G1G2组合，代表半成熟陆壳的组成。晋冀蒙交界一带，沿山西繁峙县北东一直至河北宣化县分布一条钾质花岗岩带，北东东向断续延伸近200 km，被认为是桑干构造带的重要组成部分。以往一般认为该条岩浆岩带具有碰撞和后碰撞花岗岩的特征[13]，是怀安古陆和恒山古陆之间碰撞带中岩石部分熔融的产物，在古陆的拼合或大陆增长中起着某种作用[14]。但也有研究者认为，所谓怀安古陆和恒山古陆原来可能曾是一个古陆，目前的差异只是它们出露的深度不同，代表了不同的地壳水平，而桑干构造带以及其中的高压变质岩石和花岗岩带是大陆地壳基底逆掩和大规模滑脱作用的产物，且岩浆活动可能从太古宙末（～2.5 Ga）一直持续到古元古代中期（～2.15 Ga）[15]。另外，张华锋[16]等则获得董家沟一带黑云母二长花岗岩岩与石榴正长花岗岩的锆石U-Pb 年龄分别为～2 440 Ma和～2 000 Ma，并认为这两期钾质花岗岩岩浆事件分别与新太古代末微陆块拼合和古元古代板内伸展或裂解有关。在怀安地区，近年来研究者们对～2.5 Ga 岩浆作用的研究更多的偏重于TTG 方面[17-19]，而对与TTG片麻岩密切伴生的二长花岗岩的研究则相对薄弱。为此，本文对天镇-怀安地区二长花岗岩进行了岩相学、地球化学、锆石U-Pb定年等工作，探讨其岩石成因、时代及构造环境，以期对晋冀蒙一带新太古代末期构造演化提供约束。

1 地质背景及岩石学特征

晋冀蒙交界地区是华北克拉通典型的高级变质岩区，早前寒武纪变质基底大致以大同-兴和一线为界划分为两套高级变质岩系，南东一侧为太古代怀安杂岩，北西一侧为古元古代孔兹岩系。研究区位于怀安杂岩中的天镇县一带，主体地质体为新太古代变质深成片麻岩，出露面积约占变质基底总面积的80%以上，主要由包括闪长质片麻岩、英云闪长质片麻岩、奥长花岗质片麻岩的TTG组合以及少量的二长花岗岩组成，原岩年龄介于2.45～2.55 Ga，变质年龄为1.82～1.85 Ga[16-18,20,21]。此外，区内出露少量新太古代硅铁建造、榴云片麻岩以及古元古代高压基性麻粒岩-大理岩、富铝片麻岩等表壳岩组合[22]。还见大量古元古代变质基性岩墙，侵入新太古代TTG片麻岩杂岩中（图1）。

图1 晋冀蒙交界地区（b）和天镇-怀安地区（c）早前寒武纪地质简图及华北克拉通构造分区图（a）（图b、c据参考文献[22]修改，图a据参考文献[20]修改）Fig.1 Precambrain geological sketch of the border area of Shanxi,Heibei and Inner Mongolia Provinces(b)and Tianzhen-Huai’an area(c)and tectonic subdivision of the North China Craton（a）

区内的二长花岗岩出露面积有限，但分布较为广泛，以天镇东南石厂沟-白家烟一带和怀安县南部赵家窑-太平沟一带出露规模相对较大，多呈不规则小岩株状、脉状或枝脉状侵入TTG片麻岩中，片麻状构造不明显（图2a），内部见有基性麻粒岩呈“夹层”状产出（图2b）；在一些构造变形较强的区域，则见二长花岗岩与英云闪长质片麻岩彼此交互产出，二者接触界线平直，产状与英云闪长质片麻岩片麻理协调一致，表现出深熔混合岩化的特征。

二长花岗岩岩性整体均匀，片麻理不发育，岩石呈肉红色，中细粒花岗变晶结构，块状-弱片麻状构造（图2c、d）。主要由斜长石、钾长石、石英及少量暗色矿物黑云母组成。斜长石呈它形粒状，粒度一般为0.5～3.0 mm，杂乱分布，含量30%～35%。钾长石呈它形粒状，主要为条纹长石，部分岩石含微斜长石，粒度一般为1.0～3.0 mm，杂乱分布，少部分与石英呈文象结构，部分粒内嵌布少量斜长石、石英等颗粒，含量35%～40%。石英呈它形粒状，粒度一般为1.0～2.0 mm，杂乱分布，部分与钾长石呈文象结构，粒内具轻微波状消光，含量20%～25%。暗色矿物多被绿泥石、次闪石等交代呈假像，局部残留为黑云母，星散分布，含量一般在5%以下，局部含量较高，可达5%～10%。

2 分析方法

测年样品锆石分选工作由廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。样品按照常规粉碎淘洗，经磁选和重液分离，然后在双目镜下人工挑选纯度在99%以上的锆石。其中一件测年样品的锆石制靶和透射光、反射光、阴极发光照相及样品测年工作在中国地质调查局天津地质调查中心完成，采用LAMC-ICP-MS 进行锆石U-Pb 同位素定年测试，ICPMS为Agilent 7500a，分析中采用的激光束斑直径为35 μm，频率为8 Hz，能量为5 mJ。分析时采用GJ-1作为年龄外标，NIST610作为元素含量外标，分析流程见文献[23]。最终测试数据的离线处理采用软件ICPMASDataCal[24]，U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用ISOPLOT3.0程序[25]；另外一件样品的锆石制靶和透射光、反射光、阴极发光照相在北京离子探针中心实验室完成，锆石U-Pb定年在北京离子探针中心SHRIMP Ⅱ上完成，详细分析方法见文献[26]。测试时一次流O2-强度为3～5 nA，束斑直径为25 μm。标样M257（U=840×10-6）[27]和TEM（年龄为417 Ma）[28]分别用于锆石U 含量和年龄校正。TEM与未知样品测定比例为1/3～1/4。对于样品和标准锆石数据点测定均由5组扫描给出。数据处理采用SQUID和ISOPLOT程序[25]。

样品主微量元素测试分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成。主量元素用X射线荧光光谱法（XRF）测试，FeO应用氢氟酸-硫酸溶样、重铬酸钾滴定的容量法，分析精度优于2%，微量元素使用ICP-MS测试，分析精度优于5%。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年代学

本次工作选择两件二长花岗岩样品进行了年代学测定，样品岩性特征见图2a、b。其中，样品17DMTS-1采用LA-MC-ICPMS 锆石U-Pb测年；样品PM08TW53-1采用SHRIMP 锆石U-Pb定年，测试分析结果见表1、表2。

表1 二长花岗岩样品（17DMTS-1）LA-MC-ICPMS 锆石U-Pb 测年分析结果Table 1 LA-MC-ICPMS Zircon U-Pb dating results of the monzonitic granite（17DMTS-1）

表2 二长花岗岩样品（PM08TW53-1）锆石SHRIMP U-Pb 测年分析结果Table 2 SHRIMP Zircon U-Pb dating results of the monzonitic granite（PM08TW53-1）

图2 天镇-怀安地区二长花岗岩野外露头及显微照片Fig.2 Field outcrop and microphotographs of the monzogranites in the Tianzhen-Huai’an area

样品17DMTS-1 分选锆石自形程度相对较高，多呈长柱状，长宽比一般在2/1～3/1之间。锆石CL影像多具核边结构，核部结晶环带保留较好，为岩浆成因，变质边相对较窄，颜色较为均匀（图3a）。样品共分析32 个数据点，其中，核部结晶环带较好的锆石207Pb/206Pb 表面年龄多在2 400～2 500 Ma 之间（Th/U比值均＞0.1），部分数据点可能受变质作用影响，测试数据为混合年龄，结果偏小；还有部分数据点存在Pb丢失，落在谐和线下方（图4a）。选择在谐和线上方相对集中的17个数据点进行加权平均，获得的成岩年龄为2 472±10 Ma。另外，样品中4个锆石变质边分析点的Th/U小于0.07，207Pb/206Pb表面年龄在1 891～1 833 Ma之间，代表古元古代变质事件的年龄。

样品PM08TW53-1分选锆石多呈长柱状，其长宽比一般在2/1～3/1之间，在CL图像上，锆石具有窄的变质边，但核部保留较好的环带构造，显示岩浆成因（图3b）。样品通过SHRIMP 锆石U-Pb定年，共分析19个数据点，其中的10个数据点相对集中的落在谐和线同一位置附近（图4b），锆石207Pb/206Pb表面年龄多在2 414～2 520 Ma之间（Th/U比值均＞0.1），选择其中6个谐和度较高的数据点的加权平均年龄为2 448±9 Ma，代表岩石形成时代。

图3 二长花岗岩锆石阴极发光图像Fig.3 CL images of selected zircons of the monzogranites

图4 二长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams of the monzogranites

3.2 岩石地球化学特征

对所采集的岩石样品进行了主量元素、稀土及微量元素的测试，详细分析结果及各类参数见表3。

表3 二长花岗岩主量元素（%）、微量元素（×10-6）分析结果Table 3 Major（%）and trace（×10-6）elements result of the monzonitic granite

3.2.1 主量元素特征

二长花岗岩样品SiO2含量在70.55%～74.29%之间，平均为73.18%。Al2O3含量在13.78%～15.35%之间，平均为14.23%。Na2O 含量在3.04%～4.58%之间，平均为3.54%。K2O含量在4.26%～5.74%之间，平均为5.18%。除一个样品K2O/Na2O 小于1 外（0.93），其余样品K2O/Na2O在1.39～1.89之间，平均为1.60，属钾质岩石系列。CaO 含量在1.02%～1.37%之间，平均为1.24%。MgO 含量低，介于0.15%～0.47%之间，平均为0.33%，Mg#值介于26～37之间，平均值为31。TiO2含量在0.16%～0.32%之间，平均为0.20%。岩石整体相对富Si、Na、K、Al，贫Ca、Ti、Mg。样品的A/NCK在1.01～1.09之间，平均为1.04，属过铝质岩石；分异指数（DI）为88.19～92.35，分异程度高；里特曼指数（σ43）为2.27～2.8，为钙碱性岩。

在侵入岩TAS图解中（图5），样品投点均落于花岗岩区内，属亚碱性系列；在SiO2-K2O图解中（图6），样品主要落在高钾钙碱性系列中。

图5 二长花岗岩TAS图解（底图据参考文献[29]）Fig.5 TAS diagram of the monzogranites

图6 二长花岗岩SiO2-K2O图解（底图据参考文献[30]）Fig.6 SiO2-K2O diagram of the monzogranites

3.2.2 稀土、微量元素特征

二长花岗岩的稀土总量变化较大，ΣREE 在52.02×10-6～243.23×10-6之间，平均值为152.30×10-6，含量整体偏低。LREE 为49.23×10-6～238.37×10-6，平均值148.06×10-6，HREE 为2.44×10-6～7.09×10-6，平均值4.24×10-6。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图中（图7a），稀土配分曲线整体呈轻稀土相对富集、重稀土亏损的右倾分布形式，LREE/HREE为17.64 × 10-6～49.03 × 10-6，（La/Yb）N 为44.20～237.39。铕异常变化较大，其中的4件样品具弱的负铕异常，δEu介于0.63～0.85之间；另外3件样品为正铕异常，δEu介于1.19～1.65之间。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中（图7b），样品整体显示富集Rb、Ba、K、Sr等大离子亲石元素，亏损U、Nb、Ta、P、Ti等高场强元素的特点。另外，样品Sr含量变化较大，在110×10-6～382×10-6之间（平均值240.86×10-6）；Y、Yb含量低，其中Y含量在1.98×10-6～7.36×10-6之间（平均值3.23×10-6）；Yb含量在0.19×10-6～0.8×10-6（平均值0.31×10-6）。过渡元素中Cr、Ni 含量低，分别为2.2×10-6～7.3×10-6（平均值4.55×10-6）、1.79×10-6～5.72×10-6（平均值3.45×10-6）。

图7 二长花岗岩球粒陨石标准化稀土配分模式图（a）和原始地幔标准化微量元素蛛网图（b）（标准化值据参考文献[31]）Fig.7 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element patterns(b)of the monzogranites

4 讨论

4.1 成岩时代

前人对怀安杂岩中TTG片麻岩开展了大量同位素年代学工作，Zhao等[20]获得蔓菁沟一带英云闪长岩、奥长花岗岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄分别为2 515±20 Ma、2 499±19 Ma；刘富等[17]获得天镇瓦窑口一带英云闪长质片麻岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为2 502±11 Ma，怀安东洋河一带奥长花岗质片麻岩的LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄为2 506±13 Ma；Wang 等[21]获得蔓菁沟一带英云闪长质片麻岩LAICP-MS 锆石U-Pb 年龄2 503±17 Ma。而有关怀安杂岩中新太古代末期钾质花岗岩锆石年龄的报道相对要少，Zhang 等[16]获得董家沟黑云母二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为2 437±10 Ma，本次工作获得天镇大馒头山一带二长花岗岩LA-ICP-MS和SHRIMP锆石U-Pb年龄分别为2 472±10 Ma、2 448±9 Ma。由上述测年结果结合野外地质关系看，怀安地区新太古代末钾质花岗岩成岩年龄略晚于TTG片麻岩，二者应是同一地质事件不同阶段岩浆作用的产物。

4.2 岩石成因

研究区二长花岗岩富Si、高K，且样品K2O/Na2O基本都大于1，属钾质岩石，A/NCK介于1.01～1.09之间，属过铝质岩石。样品富集LREE且多数Th含量高，并具有与中、上部地壳非常相似的微量元素蛛网图曲线，显示出明显的地壳重熔特征。另外，样品低Mg（MgO 含量介于0.15%～0.47%之间，平均为0.33%，Mg#值介于26～37之间，平均值为31），Cr、Ni 含量低（分别为2.2×10-6～7.3×10-6、1.79×10-6～5.72×10-6），样品的Rb/Sr 比值≥0.36，接近或高于地壳平均值（0.35）[32]，而样品强烈亏损Nb、Ta，且Nb/Ta比值高，在18.13～108.71 之间，平均为50.05，高于地幔平均值（约17.5）[31]，说明岩浆源区以壳源物质为主，无明显地幔物质混入。同时，样品Sr含量变化大，在110×10-6～382×10-6，平均为240.86×10-6，但Y、Yb 含量很低，分别在1.98×10-6～7.36×10-6、0.19×10-6～0.8×10-6之间，在Sr-Yb判别图解中（图8），样品落在Ⅱ区（低Sr低Yb型）内，指示形成于中高压力条件下，相应的地壳深度大致在40～50 km。综合上述认识，区内二长花岗岩应是加厚下地壳部分熔融的产物，而无明显幔源组分的加入。

图8 二长花岗岩Sr-Yb分类图解（底图据参考文献[33]）Fig.8 Sr-Yb diagram of the monzogranites

区内二长花岗岩产出形态主要呈两种样式：一种产出形态是呈小型侵入体侵入于TTG片麻岩中，岩石一般具很弱的片麻理；另一种产出形态是在强变形带处呈顺层脉状与TTG片麻岩交互产出，这些顺层脉体宽度从几厘米到几米不等，或者在TTG 片麻岩中呈几毫米的红色细窄脉体与暗色基体相间分布，使TTG片麻岩表现出明显深熔混合岩化的特征。对比混合岩化TTG片麻岩中脉体与二长花岗岩矿物组成，基本可以确定区内二长花岗岩主要是由TTG 岩石重熔形成。另外，大量高温高压实验成果表明TTG的局部熔融产生钾质花岗岩的上地壳[34]，多数研究者也认为华北克拉通2.5～2.45 Ga 的钾质花岗岩可能是由先期侵入下地壳的TTG发生重熔形成[16,35-38]。在怀

安杂岩中获得钾质花岗岩的Nd同位素单阶段模式年龄为2 587～2 596 Ma[16]，与怀安杂岩中TTG片麻岩中获得的Nd同位素2.5～2.6 Ga的单阶段模式年龄一致[17]，这也反映二者Nd 同位素方面的继承性。因此，可以推测怀安地区新太古代末钾质二长花岗岩也是由TTG岩石重熔而成。

续表3

4.3 构造环境及形成机制

TTG片麻岩与二长花岗岩共同构成了怀安杂岩的主体，二者相近的形成时代以及成因上的密切联系也就限定了需要在同一构造模式下讨论新太古代末期的这期岩浆事件。虽然目前对TTG的成因尚存争议，但多数研究者认为华北克拉通新太古代末期TTG 岩石是与板块俯冲有关的岩浆活动的产物[20，37，39，40]。目前，一些研究也认为怀安地区的TTG岩石系可能来自新太古代俯冲板块的熔融[16-19]，但对于区内的钾质花岗岩，则认为其形成机制是由俯冲板片断裂引起软流圈物质上涌，导致先期侵入下地壳的TTG发生重熔而成[16,19]。但研究区的二长花岗岩相对较高的Sr含量与极低的Yb、Y含量指示形成压力条件较高，属低Sr、低Yb 的喜马拉雅型花岗岩[33]，不太可能形成于与底侵有关的伸展背景下，而更可能是地壳加厚阶段下地壳TTG 岩石熔融的产物。同时，在Rb/10-Hf-Ta×3图解中，样品投点落在碰撞大地背景上的花岗岩区域内（图9a），在Rb-（Y+Nb）图解中，样品投点基本都落在同碰撞花岗岩（Syn-COLG）区域内（图9b）。

图9 二长花岗岩Rb-Hf-Ta图解（底图据参考文献[41]）与Rb-Y＋Nb图解（底图据参考文献[42]）Fig.9 Rb-Hf-Ta（a）and Rb-Y＋Nb（b）diagram of the monzogranites

综合上述分析，区内新太古代TTG片麻岩形成与俯冲板片的熔融有关，而二长花岗岩形成则可能与碰撞导致的地壳加厚引发的下地壳TTG岩石重熔有关。由此本文认为，天镇-怀安地区新太古代末期经历了由洋壳俯冲到陆块碰撞的构造演化过程，也标志着华北克拉通新太古代末期（约2.5～2.45 Ga）克拉通化的完成。

5 结论

（1）天镇-怀安地区二长花岗岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄为2 472±10 Ma，SHRIMP锆石U-Pb年龄为2 448±9 Ma，是新太古代末期岩浆活动结束的标志。

（2）二长花岗岩具有富Si、高K、贫Fe、Mg等常量元素特征，属钾质花岗岩，微量元素上富集Rb、Ba、K、Sr等大离子亲石元素，亏损U、Nb、Ta、P、Ti等高场强元素，同时Cr、Ni含量低，具有明显的地壳重熔特征。

（3）天镇-怀安地区TTG片麻岩和二长花岗岩是新太古代末期板块俯冲-碰撞不同阶段的产物，代表华北克拉通一次重要的陆壳水平增生事件。