冀北大囫囵古元古代花岗岩地球化学特征、岩石成因及其构造意义

周艦. 冀北大囫囵古元古代花岗岩地球化学特征、岩石成因及其构造意义.吉林大学学报（地球科学版），2024，54（3）：828839. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220243.

Zhou Jian. Geochemistry， Petrogenesis and Tectonic Significance of the Paleoproterozoic Granites in Dahulun， North Hebei Province. Journal of Jilin University （Earth Science Edition） ，2024，54（3）：828839. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220243.

摘要：冀北西部陆块东北缘局部地区发现古元古代花岗岩体，由于缺少系统研究，其地球化学特征及地质意义尚不清晰。本文对冀北大囫囵古元古代花岗岩的锆石UPb年代学、元素地球化学和SrNdPb同位素进行了系统研究。结果显示：两个花岗岩样品的锆石UPb年龄为（1 855±7）Ma和（1 844±8）Ma。岩石高硅（w（SiO2）为71.58%～74.01%）、高钾（w（K2O）为6.44%～7.07%，K2O/Na2O为3.68～4.20），高铝饱和指数（A/CNK为1.12～1.27），为钾质强过铝质岩石;花岗岩富集轻稀土和大离子亲石元素，亏损重稀土和高场强元素，结合高TFeO/（TFeO+MgO）值（0.74～0.80）和高10000 Ga/Al值（3.36～3.55）及较高的锆石饱和温度（840～873 ℃），确定其具有A2型花岗岩特征，暗示其形成于碰撞造山后伸展构造体制。花岗岩样品具有较高的Sr初始值（（87Sr/86Sr）i为0.713 0～0.716 2）、负的εNd（t）值（-8.0～-7.6），Nd二阶段模式年龄TDM2为2.96～2.94 Ga，（206Pb/204Pb）t、（207Pb/204Pb）t、（208Pb/204Pb）t值分别为14.976～15.178、15.192～15.228和35.413～36.626。综合研究表明，大囫囵钾质强过铝质花岗岩岩浆源自约2.95 Ga的中太古代下地壳物质部分熔融，形成于华北克拉通东部陆块和西部陆块碰撞造山后的伸展构造环境。

关键词：大囫囵花岗岩；古元古代；锆石UPb年代学；地球化学；冀北

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220243

中图分类号：P595

文献标志码：A

收稿日期：20220831

作者简介：周舰（1989—）， 男， 工程师，主要从事铀矿地质研究与勘查方面的研究， E-mail：1045620827@qq.com

基金项目：中国核工业地质局铀矿调查项目（202001）

Supported by the Project of China National Nuclear Corporation （202001）

Geochemistry， Petrogenesis and Tectonic Significance of the Paleoproterozoic Granites in Dahulun， North Hebei Province

Zhou Jian

No.243 Geological Party， CNNC， Chifeng 024000， Inner Mongolia，China

Abstract：

Paleoproterozoic granites were discovered in localized areas of the northeastern margin of the landmass in the western part of north Hebei Province. However， systematically studies on their geochemical characteristics and geological significance are still unclear. Zircon UPb geochronology， geochemistry， and SrNdPb isotopes analysis on the Paleoproterozoic granites in the Dahulun area， north Hebei Province， have been systematically studied. Two granite samples have been dated to （1 855±7） Ma and （1 844±8） Ma， and  are rich in silicon （w（SiO2）=71.58%74.01%） and potassium （w （K2O）=6.44%7.07%）， with K2O/Na2O ratios from 3.68 to 4.20 and A/CNK values from 1.12 to 1.27， displaying characteristics of strongly peraluminous， relatively potassic granites. They are enriched in light rare earth elements and large ion lithophilic elements， depletion in heavy rare earth elements and high field strength elements. Additionally， they show high TFeO/（TFeO+MgO） （0.740.80）， and 10000×Ga/Al ratios （3.363.55） and high zircon saturation temperature （840873 ℃）， which are typical characteristics of A2-type granite in a post-collisional extensional setting. All sample have high initial 87Sr/86Sr values of 0.713 00.716 2 and negative εNd（t） values of -8.0 to -7.6， with two-stage model ages （TDM2） ranging from 2.96 to 2.94 Ga. The （206Pb/204Pb）t， （207Pb/204Pb）t and （208Pb/204Pb）t ratios were 14.97615.178， 15.19215.228 and 35.41336.626， respectively. The comprehensive study shows that the Dahulun granitic magma originated from the partial melting of the ～2.95 Ga Mesoarchean lower crust and was produced in an extensional tectonic setting following the collision between the Eastern and Western blocks of the North China Craton.

Key words：

Dahulun granite; paleoproterozoic; zircon UPb geochronology; geochemistry; northern Hebei Province

0  引言

华北克拉通是全球上最古老的克拉通之一，经历了约3.8 Ga的漫长演化过程，记录了几乎地球早期发展的所有重大事件［13］，其构造单元划分和前寒武纪演化历史一直是该地区研究的热点问题［48］。Zhao等［8］将华北克拉通分为东部陆块、西部陆块及二者之间的中央造山带，又在东部、西部陆块中进一步划分出胶辽吉带和孔兹岩带，并基于岩石学、岩石地球化学和同位素年代学，以及区域变质作用过程中压力、温度随时间变化的态势和轨迹的研究，认为东、西陆块在约1.85 Ga发生碰撞拼合形成中央造山带［4，78］，并最终形成稳定统一的华北克拉通，其可能与全球Columbia超大陆的汇聚事件相关［4，79］。本文旨在通过对位于西部陆块东北缘的古元古代大囫囵花岗岩的年代学、岩石地球化学和SrNdPb同位素研究，精确厘定其形成时代，约束岩石成因及其形成的大地构造背景，为探讨华北克拉通古元古代晚期构造演化提供岩浆岩证据。

1  地质背景及样品特征

研究区位于河北省张北县—沽源县之间，地处华北克拉通北缘西部陆块东北缘（图1a），研究区出露的地层主要为下白垩统张家口组一段的流纹质火山碎屑岩和二段的粗面岩、安山岩，侵入岩主要为古元古代变质黑云母二长花岗岩和变质正长花岗岩，及与张家口组火山岩同期的石英正长斑岩①，整体上研究区约45%被第四系覆盖（图1b）。

样品采自张北县大囫囵镇东北约5.5 km处（图1b），地理坐标41°22′32"N，115°14′25"E附近，该花岗岩被下白垩统张家口组火山岩不整合覆盖。河北省区域地质矿产调查研究所①认为该花岗岩经历了变质作用改造，称之为变质花岗岩。但本文野外和显微镜下观察认为所研究的花岗岩基本没有发生变质（图2），岩性为黑云母正长花岗岩，岩石呈淡红色，细粒半自形粒状结构，块状构造，主要由钾长石（40%～45%）、石英（30%～35%）、斜长石（15%～20%）和黑云母（＜5%）组成，矿物蚀变微弱。

①河北省区域地质矿产调查研究所.中华人民共和国1∶50 000地质图（大囫囵幅（K50E016005）、羊囫囵幅（K50E016006））.北京：全国地质资料馆，2003.

2  分析方法

锆石UPb同位素测年在中国地质调查局天津地质调查中心实验室采用LAICPMS方法完成，激光束斑直径为29 μm，剥蚀频率为7 Hz。UPb同位素定年和微量元素质量分数处理时采用91500锆石标样和SRM 610玻璃标样作外标，分别

进行同位素和微量元素分馏校正，测试数据采用ICPMSDataCal软件［11］和GLITTER软件进行处理，普通Pb校正采用Anderson［12］的方法，年龄计

1. 第四系；2. 张家口组二段；3. 张家口组一段；4. 古元古代变质黑云母二长花岗岩；5. 古元古代变质正长花岗岩；6. 早白垩世

石英正长斑岩；7. 安山岩；8. 粗面岩；9. 流纹质角砾凝灰岩；10. 黑云母二长花岗岩；11. 正长花岗岩；12. 石英正长斑岩；13. 整合及角度不整合界线；14. 正断层、逆断层、实测及推测性质不明断层；15. 样品位置及编号；16. 地名。a据文献［10］修编；b据脚注①修编。

算及谐和图绘制采用Isoplot程序［13］完成。

大囫囵花岗岩样品地球化学成分分析由核工业二○八大队分析测试中心完成。先将岩石样品粗碎至厘米级，再选取无蚀变或弱蚀变的新鲜样品粉碎至200目。主量元素分析采用X射线荧光光谱（XRF）方法，数据误差优于±1%，其中FeO、H2O+、S、CO2等质量分数采用化学方法分析；微量元素分析采用等离子体质谱（ICPMS）方法，所测数据误差优于±5%，部分挥发性元素及质量分数极低元素的分析误差优于±10%。

①河北省区域地质矿产调查研究所.中华人民共和国1∶50 000地质图（大囫囵幅（K50E016005）、羊囫囵幅（K50E016006））.北京：全国地质资料馆，2003.

全岩SrNdPb同位素分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成。其中，全岩SrNdPb同位素利用Triton型热电离质谱仪（TIMS）

测定，Sr、Nd和Pb同位素比值利用88Sr／86Sr＝8.375209和146Nd／144Nd＝0.7219分别对Sr和Nd进行质量分馏校正。铅同位素测量采用硅胶发射剂和铼金属带，利用铅标准物质NBS981监控仪器状态，实验过程以国际标准岩石样品BCR2（玄武岩）监测分离流程。

3  分析结果

3.1  锆石UPb定年

本次对大囫囵花岗岩DHL1、DHL2的2个样品进行了锆石UPb同位素测试，所测锆石均呈自形—半自形柱状，震荡环带清晰（图3），屬于岩浆结晶锆石［14］。测试分析结果如图4和表1所示。对DHL1和DHL2两个样品各分析了29粒锆石，去除普通Pb质量分数高和Pb丢失严重的测点数据后，样品DHL1有16个锆石颗粒测试数据可用，其207Pb/206Pb表面年龄主要变化于1 884～1 832 Ma之间，大多数位于谐和线右侧，加权平均年龄为（1 855±7）Ma，MSWD=1.10；样品DHL2有14个锆石测点数据可用，其207Pb/206Pb表面年龄主要介于1 863～1 825 Ma之间，测点也基本位于谐和线右侧，加权平均年龄为（1 844±8）Ma，MSWD=0.63。本次测年结果表明大囫囵花岗岩形成于1.85～1.84 Ga的古元古代晚期。

3.2  地球化学特征

大囫囵花岗岩的主量、微量和稀土元素分析结果列于表2。

3.2.1  主量元素

大囫囵花岗岩的w（SiO2）较高，为71.58%～74.01%，极为富钾，w（K2O）为6.44%～7.07%，贫钠，w（Na2O）为1.61%～1.75%，K2O/Na2O=3.68～4.20，属钾质花岗岩；岩石的w（MgO）、w（CaO）低，分别为0.23%～0.27%和0.97%～1.27%；

w（Al2O3）

中等，为14.05%～14.82%，铝饱和指数

A/CNK=1.12～1.27，属于强过铝质岩石（A/CNK＞1.1）；在CIPW标准矿物AnAbOr花岗岩分类图解上样品均位于花岗岩区（图5），与岩相学观察到的结论吻合。在w（K2O）  w（SiO2）图解上样品均位于钾玄岩系列区（图6）。综上，大囫囵花岗岩为钾质强过铝质花岗岩。

3.2.2  稀土和微量元素

大囫囵花岗岩的稀土总量w（∑REE）为154.30×10-6～202.36×10-6，明显富集轻稀土亏损重稀土，LREE/HREE=11.27～12.69，轻重稀土元素分馏程度较强，（La/Yb）N=14.01～17.84，基本无铕异常（δEu=0.81～1.03）。稀土元素球粒隕石标准化配分曲线为较平滑的右倾型（图7a）。从微量元素原始地幔标准化蛛网图中（图7b）可以看出大囫囵花岗岩富集K、Rb、La、Zr、Hf、Th等元素，较强烈亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素。

3.3  SrNdPb同位素

大囫囵花岗岩4件全岩样品的SrNdPb同位素分析结果列于表3。从表3中可知，花岗岩的初始Sr值较高（87Sr/86Sr）i为0.713 0～0.716 2，平均值为0.715 8，显示出变质沉积泥质岩石部分熔融成因的特征，这与A/CNK＞1.1所指示的源区特征一致；143Nd/144Nd值为0.511 195～0.511 333，εNd（t）值为-8.0～-7.6，对应的Nd二阶段模式年龄TDM2为2.96～2.94 Ga，这些特征表明其源区岩石是形成于约2.95 Ga的古老地壳。样品全岩（206Pb/204Pb）t= 14.976～15.178，（207Pb/204Pb）t=15.192～15.228，（208Pb/204Pb）t=35.413～36.626，也显示出岩浆来自下地壳的特征。

4  讨论

4.1  岩石成因类型

由前述可知，大囫囵花岗岩是形成于1.85～1.84 Ga的钾质强过铝质岩石，其较高的TFeO/MgO（2.88～4.11）、TFeO/（TFeO+MgO）（0.74～0.80）、10000Ga/Al（3.36～3.55）值和较高的锆石饱和温度（840～873 ℃，温度计算方法见文献［1617］），显示出A型花岗岩特征［18］（图8），较强烈亏损Nb、Ta、P和Ti元素。但几乎无铕异常（δEu=0.81～1.03）的地球化学特征又与典型的A型花岗岩有很大区别。已有研究表明［1922］，分布在华北克拉通恒山、尚义、小秦岭和鲁山地区以及青藏部分地区的钾质花岗岩也具有类似特征。有关该类型花岗岩的成因主要为：钾质花岗岩来源于以TTG片麻岩为代表的晚太古代陆壳物质［19］ 、幔源岩浆分离结晶并且同化混染早期奥长花岗岩［21］以及受到地壳物质混染［20，22］。

4.2  岩浆源区性质

目前，有关铝质A型花岗岩的成因有较多争议，Anderson等［23］认为铝质A型花岗岩起源于低fH2O（水逸度）、高fO2（氧逸度）的过铝质下地壳变质沉积岩的部分熔融；Creaser 等［24］提出英云闪长质到花岗闪长质成分的地壳岩浆源岩经部分熔融

Tn. 英云闪长岩；Gd. 花岗闪长岩；MG. 二长花岗岩；Tr. 奥长花岗岩；Gr. 花岗岩。底图数据据文献［15］。

作用可以派生出偏铝质A型花岗岩；King等［25］认

为铝质A型花岗岩起源于具正常含水量的长英质下地壳的部分熔融，其源区应是经过地幔流体交代的饱满型源区，富集碱金属和高场强元素，最理想的源区岩石应是饱满型长英质麻粒岩；Poitrasson等［26］也主张铝质A型花岗岩起源于下部地壳物质的部分熔融，但他们认为下地壳源区的成分主要是镁铁质的。

大囫囵花岗岩的高硅高钾、富集轻稀土和亏损重稀土元素的特征，以及样品的Ti/Zr值为1.50～1.77（地壳Ti/Zr＜30）［27］，Nd/Th值为2.84～3.67（幔源岩石Nd/Th＞15）［28］，暗示岩浆应来自地壳物质部分熔融。在εNd（t）t 图解（图9a）上大囫囵钾质花岗岩样品均落在新太古代地壳演化区，在208Pb/204Pb206Pb/204Pb图解（图9b）中样品点落于下地壳区域，以及Nd二阶段模式年龄为2.96～2.94 Ga，这表明大囫囵古元古代晚期钾质花岗岩源自约2.95 Ga中太古代下地壳岩石的部分熔融，综合岩石较高的（87Sr/86Sr）i值（0.713 0～0.716 2）和A/CNK值（1.12～1.27），其源岩应以下地壳高级变质沉积岩为主［29］。

4.3  大囫囵花岗岩形成的构造环境

大囫囵花岗岩高钾和A型花岗岩特征暗示其与伸展构造背景密切相关，应形成于造山后或非造山构造环境［3031］。Eby ［32］基于不同A型花岗岩在微量元素组成特征上的差异将其进一步划分为A1和A2型，前者通常形成于非造山的大陆裂谷或大陆板内构造环境，后者通常形成于造山后的构造环境，并为地壳部分熔融的成因。相关判别图解显示大囫囵钾质花岗岩属于A2型（图8b），且位于后碰撞区域（图10），表明其形成于造山后的伸展构造背景。

ORG. 大洋中脊花岗岩;WPG. 板内花岗岩;VAG. 火山弧花岗岩;SynCOLG. 同碰撞花岗岩;PostCOLG. 后碰撞花岗岩。

已有大量研究证实，华北克拉通东部陆块和西部陆块在古元古代末期约1.85 Ga发生陆陆碰撞拼合［3337］，随后形成一系列造山后伸展背景的岩浆岩，包括1.80～1.75 Ga熊耳群双峰式火山岩［3839］和1.68～1.62 Ga長城系火山沉积建造［31］，以及与它们同期的基性岩墙群和1.72～1.60 Ga的斜长岩环斑花岗岩、碱性岩碱性花岗岩等非造山岩浆活动。本文所研究的大囫囵钾质花岗岩形成于约1.84 Ga，这表明华北克拉通西部陆块东北缘碰撞造山后的伸展作用可能从1.84 Ga就已经开始［4041］。

5  结论

1）大囫囵花岗岩形成于约1.85～1.84 Ga的古元古代晚期。

2）大囫囵花岗岩属于钾质强过铝质岩石，具A2型花岗岩特征，岩浆源于中太古代下地壳高级变质沉积岩的部分熔融。

3）大囫囵钾质花岗岩形成于华北克拉通东部陆块和西部陆块碰撞造山后的伸展构造环境。

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