克拉通内部古老(新太古代-古元古代)造山带的准确识别及其构造背景的深入研究,对于揭示全球古老克拉通的形成演化、陆块聚-散的动力学过程具有重要的科学意义[1,2]。华北克拉通北部广泛出露麻粒岩相变质岩,是我国高级变质岩研究的经典地区[3]。自上世纪九十年代在华北北部发现高压麻粒岩以来[4-6],引起了国内外前寒武纪地质学者的极大关注,开创了华北克拉通早前寒武纪板块构造研究新时代。高压麻粒岩最早在怀安蔓菁沟-宣化西望山地区被发现,然后在恒山、赤城、承德、千里山-贺兰山等地相继报道[5,7,8-19]。大多数研究者相信高压麻粒岩具有板块构造意义,是地球早期高地热梯度状态下板块俯冲的产物。华北北部凉城-集宁地区和大青山地区超高温麻粒岩的发现是继高压麻粒岩发现之后的另一个重大进展[20-25],其形成与地壳深处壳幔相互作用密切相关,但其是否具有板块构造意义依然存在较大争议。
针对华北克拉通中北部古元古代构造格局和高压、(超)高温麻粒岩的成因与构造背景等重大基础地质问题,自2016年以来,中国地质调查局在天镇-集宁-凉城地区部署了区域地质调查项目,通过填图实践,厘清了一些基本地质事实,取得了一些新认识,为华北克拉通的形成演化研究提供了坚实的基础地质资料支撑。
华北克拉通中北部的麻粒岩带主要分布于承德-集宁-包头一线,通常包括东部的麻粒岩地体(以太古宙TTG片麻岩为主)和西部的孔兹岩带(以变质表壳岩为主)。晋冀蒙相邻地区是麻粒岩地体与孔兹岩带的接触带,处于华北克拉通变质基底大地构造单元划分的关键部位。在前人不同的基底构造单元划分方案中[26-39],晋冀蒙相邻地区均是重要的构造节点。特别是古元古代构造单元划分中,均将兴和-大同一线作为重要构造单元的分界线。如在赵国春等[34]的划分方案中,兴和-大同一线是中部造山带与西部陆块的分界线;在陆松年等[40-41]的中国变质岩大地构造图中,兴和-大同一线被认为是贺兰山-集宁-承德古造山系内部恒山-承德高压麻粒岩带(古元古代再造杂岩带)与凉城-集宁孔兹岩带之间的分界线。郭敬辉等①郭敬辉,彭澎,焦淑娟,等.华北克拉通西北部古元古代高压麻粒岩-超高温麻粒岩——变质岩与前寒武纪地质学2017年全国学术研讨会野外地质考察指南[R].2017.在Zhao et al.(2005)[35]阴山地块、孔兹岩带和中部带构造单元基础上,依据华北克拉通中北部早前寒武纪岩石组合将孔兹岩带细分为乌拉山-大青山地体和集宁-凉城地体,将中部带细分为怀安片麻岩地体、恒山片麻岩地体、五台绿岩带、阜平片麻岩地体以及北部的红旗营子群(地体),以各单元变质作用时代和演化特征初步构建了北东向的构造格局。毫无疑问,阴山地块与孔兹岩带之间以及孔兹岩带与怀安片麻岩地体之间的分界线已得到了广泛认可。
本次工作对张家口-包头一带的早前寒武纪地质体进行了重新梳理,以物质组成为基础,结合航磁特征,对该带的构造单元划分进行了重新梳理。一是将东五分子绿岩带与五台绿岩带类比,将阴山新太古代岩浆弧与五台新太古代岛弧带视为古元古代造山带两侧的新太古代陆块,两者物质组成均是以新太古代TTG片麻岩和绿岩带为主,有少量古元古代的地质记录。二是将乌拉山-大青山再造杂岩带与天镇-怀安再造杂岩带(恒山-桑干高压麻粒岩带)视为卷入古元古代造山带的两侧大陆边缘,岩石组成包括新太古代变质岩系和古元古代变质岩系两部分,其中乌拉山-大青山再造杂岩带中变质表壳岩较多,新太古代片麻岩系占比较小;而天镇-怀安再造杂岩带则变质表壳岩相对较少,以新太古代片麻岩系为主。三是将含矿性作为划分构造单元的重要标志,乌拉山-大青山再造杂岩带与天镇-怀安再造杂岩带中均含有条带状铁建造(BIF)(新太古代)和晶质石墨矿(古元古代),其中BIF铁矿均为小型铁矿或矿点,石墨矿则可达到中型以上规模。四是将凉城-集宁一带视为古元古代造山带的核部,古元古代深熔花岗岩发育,且缺少新太古代的地质体。五是物质组成与航磁异常相结合,太古宙地质体显示明显的航磁正异常,而凉城深熔花岗岩带则显示明显的航磁负异常;在航磁图上崇礼-尚义-察右后旗一带显示明显的构造边界特征,该断裂带两侧变质程度有所差异,但在张北县北侧的义哈德石墨矿的钻孔岩心中可以见到与黄土窑地区类似的榴云片麻岩,并发育大理岩,因此我们暂将崇礼一带的红旗营子群视为天镇-怀安再造杂岩带的中浅部构造层次对应物。
由此,我们将华北克拉通中北部的变质基底构造单元划分为阴山太古宙岩浆弧、乌拉山-大青山再造杂岩带、凉城深熔花岗岩带、天镇-怀安再造杂岩带和五台新太古代岩浆弧(图1)。其中乌拉山-大青山再造杂岩带以固阳-下湿壕-武川韧性剪切带为界与阴山新太古代岩浆弧相接,天镇-怀安再造杂岩带以朱家坊韧性剪切带为界与五台新太古代岛弧带相接,凉城深熔花岗岩带与天镇-怀安再造杂岩带之间的界线为大同孤山-兴和大同夭韧性剪切带(孤山构造混杂带)。凉城深熔花岗岩带与乌拉山-大青山再造杂岩带之间的界线为黄合少-福生庄韧性剪切带,也是一条特征明显的航磁梯度带,北侧磁正异常反映的是太古宙基底岩石,南侧磁负异常则是深熔花岗岩的体现,凉城深熔花岗岩带中零星的磁正异常对应该带中较大面积分布的中基性麻粒岩[42-43]。
图1 华北克拉通中北部变质基底构造单元划分(a)及所处大地构造位置(b)
Fig.1 Division of tectonic units of met amorphic basement in the north central part of Nort h China Crat on(a)and their geotectonic locat ion(b)
古元古代造山带包括乌拉山-大青山再造杂岩带、天镇-怀安再造杂岩带和凉城深熔花岗岩带三个构造单元。其中,天镇-怀安再造杂岩带以发育古元古代高压麻粒岩为特征,可视为古元古代热造山带的俯冲大陆边缘;凉城深熔花岗岩带以发育超高温麻粒岩和大规模深熔花岗岩为特征,缺少太古宙基底岩石,可视为热造山带核部的深熔花岗岩脊;乌拉山-大青山再造杂岩带最为复杂,发育古元古代晚期麻粒岩相和角闪岩相-绿片岩相两套变质表壳岩,并有超高温麻粒岩。三个单元的主要地质事件对比见表1。
表1 三个构造单元主要地质事件对比表
Table 1 Comparison of main geological events of three Tectonic units
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分布于鄂尔多斯盆地北缘的孔兹岩带通常被划分为东、中、西三段,东段相当于凉城-集宁深熔花岗岩带,中段即乌拉山-大青山再造杂岩带。
分布在乌拉山-大青山一线的变质岩系,曾先后被定为太古宙桑干群、五台群,太古宙乌拉山群[44-46]。前人多将这套变质岩系归属于中太古代或新太古代[46,50-54]。
在区调填图的基础上,杨振升和徐仲元等[54-59]将乌拉山-大青山一带剔除变质深成岩后的变质地层按变质作用、变形作用和岩浆活动特征划分为:(1)麻粒岩系,由各种成分的麻粒岩以一定的韵律或组合形式产出,相当于原划中太古代兴和岩群;(2)黑云角闪片麻岩系,由斜长角闪岩、黑云角闪片麻岩、黑云片麻岩和黑云长英片麻岩组成,相当于乌拉山岩群的下部;(3)孔兹岩系,由夕线石榴片麻岩、石墨片麻岩、透辉片麻岩、透辉长石岩、长石透辉岩夹透辉大理岩(蛇纹石化橄榄白云质大理岩、硅质白云质大理岩)组成,相当于乌拉山岩群的中上部;(4)浅变质岩系(美岱召群),为一套绿片岩相变质的由石英岩、长石石英岩、黑云变粒岩、阳起变粒岩组成的碎屑沉积地层。除上部的浅变质岩系(美岱召群)外,仍将之下的三套变质表壳岩系归属于中太古代-新太古代。
近年来对乌拉山-大青山的孔兹岩系进行的锆石U-Pb定年结果表明,碎屑锆石年龄主要集中于2.0~2.4 Ga之间,并经历了1.95~1.85 Ga变质作用[21,60-69],因此孔兹岩系的形成时代为古元古代晚期(2.0~1.95 Ga),而非太古宙。
分布在凉城-丰镇-集宁一带的孔兹岩系称为集宁岩群。上世纪60年代初,李璞、钟富道等[70]根据集宁三岔口东山剖面和卓资县花山剖面把这一地区的变质岩层称为集宁群,并自下而上划分为土贵乌拉组、赵秀沟组、玻璃图组和三岔口组等4个组。土贵乌拉组主要由夕线石榴钾长片麻岩和紫苏斜长片麻岩互层为特征,赵秀沟组以夕线石榴钾长片麻岩为主,玻璃图组以大理岩为主,三岔口组以长英片麻岩为主[70]。此后的研究者将集宁群的分布范围逐渐扩大到大同-天镇-怀安地区,并划分为上部孔兹岩系(上集宁群)和下部麻粒岩系(下集宁群)[44,50-52,71],两者之间或为不整合或为断层接触,时代均归属于太古宙。现今的集宁岩群指内蒙古中南部以富铝片麻岩和大理岩为主的一套高级变质岩层。由于这套岩层层理已被片理强烈置换,原有面貌保留极少,不易恢复,故命名为集宁岩群,而下部以麻粒岩和片麻岩为主的岩系则划归到桑干杂岩(怀安杂岩)。显然现今的集宁岩群跨越了凉城深熔花岗岩带和天镇-怀安再造杂岩带两个构造单元。
凉城-集宁地区孔兹岩系样品的锆石U-Pb定年结果亦显示,碎屑锆石年龄主要集中于2.0~2.1 Ga之间,2.2~2.4 Ga的年龄较少,并经历了强烈的1.95~1.85 Ga变质作用[22,60,68,72-74],也将孔兹岩系的形成时代限定在古元古代晚期(2.0~1.95 Ga)。
分布在大同-天镇-怀安-宣化一带的麻粒岩系,在早期的地质工作中被笼统地称为桑干片麻岩或桑干杂岩[75]。上世纪80年代,晋冀蒙交界地区的早前寒武纪高级变质岩区逐步建立起以太古代TTG片麻岩或灰色片麻岩杂岩为主体的地质格架,变质表壳岩呈层状包体零星“漂浮”在片麻岩杂岩中[76]。该套片麻岩杂岩被称为怀安杂岩[77],其中的变质表壳岩部分归属于马市口群[52]或集宁群孔兹岩[46],形成时代被认为是新太古代。
随后,1/25万大同市幅、张家口市幅区调对区内变质表壳岩进行了不同划分,建立了阳高岩组、黄土窑岩组、右所堡岩组以及马市口岩组等地层单位,且变质表壳岩的形成时代存在古太古代[78]、新太古代和古元古代[79]等不同认识。最近的锆石U-Pb年代学研究表明,怀安杂岩中兴和黄土窑、天镇四方墩以及怀安蔓菁沟等地的变泥质表壳岩中的碎屑锆石年龄同样集中在2.0~2.3 Ga之间,并记录了1.80~1.95 Ga多期变质事件[74,80-84],其岩石组合和年龄格架与孔兹岩一致,为古元古代变质表壳岩。
本次工作在典型地区的区调填图基础上,结合区域变质地层对比研究,重新厘定了天镇-怀安再造杂岩带的变质表壳岩系,共划分出新太古代和古元古代四套不同成因类型的变质表壳岩组合(填图单元)(表2)。新太古代变质表壳岩归属桑干岩群阳高岩组,划分为二辉麻粒岩-铁英岩组合和榴云片麻岩组合;古元古代变质表壳岩归属黄土窑岩组(前人亦称下白窑组)。通过野外产状、岩石组合、特征变质矿物和年代学等研究可以明确区分新太古代和古元古代变质表壳岩单元[84]。
表2 天镇地区早前寒武纪变质表壳岩构造-地层单元划分
Table 2 Division of tectonic stratigraphic units of Early Precambrian metamorphic supracrustal rocks in Tianzhen area
时代古元古界新太古界构造岩石地层桑干岩群黄土窑岩组阳高岩组含墨夕线榴片麻岩-变粒岩组合石榴二辉麻粒岩-大理岩组合榴云片麻岩组合二辉麻粒岩-铁英岩组合岩石组合含石墨夕线石榴钾长/二长片麻岩、含石墨夕线钾长变粒岩为主,局部夹石墨片岩、石榴石英岩、透辉大理岩、钙镁硅酸盐岩以及浅粒岩等石榴二辉麻粒岩、石榴二辉斜长角闪岩、含石墨透辉大理岩,以及黑云夕线石榴二长片麻岩、长石石英岩等(条带状)石榴黑云斜长片麻岩为主,含石榴斜长变粒岩等二辉麻粒岩、透辉斜长角闪岩为主,夹条带状二辉磁铁石英岩,局部含石榴黑云斜长片麻岩原岩性质富粘土质长石砂岩建造,夹少量碳酸盐岩和石英砂岩基岩火山岩夹碳酸盐岩(洋壳组合),含少量碎屑岩含粘土质杂砂岩建造基性火山岩夹磁铁石英岩,含少量陆源碎屑岩产状带状构造岩片构造岩片长条状、带状或透镜状透镜状,局部呈长条状年龄/Ma碎屑锆石:1980~2300变质锆石:1820~1840基性火山岩年龄:>2000碎屑锆石:2500~2530变质锆石:~2471;1831~1838结晶年龄:2480~2510变质年龄:~1807矿产石墨矿BIF铁矿
BIF作为二辉麻粒岩+磁铁石英岩组合中最具代表性的一类岩石,是识别该组合的主要岩石学标志,同时也是判断其表壳岩属性的主要依据。该套岩石在阳高-怀安地区均有出露,野外呈透镜体状产出于各类变质TTG片麻岩之中,具有分布范围广、单个露头规模小、连续性差等特征。该组合是区内小型铁矿或民采矿点的主要开采层位,野外采坑中常见残存的磁铁石英岩透镜体。根据岩石组合判定,该套岩石原岩为一套基性火山岩+BIF建造,含少量陆缘碎屑岩,具有阿尔戈马型BIF特征。
榴云片麻岩组合在野外产状、岩石组合以及变质矿物组成等方面均与孔兹岩具有明显区别。该套岩石野外呈带状或透镜状产出于变质TTG片麻岩之中,与TTG片麻岩界线不清晰,显示出先期侵入后变形变质改造的特征。主体岩石类型为条带状石榴黑云斜长片麻岩,伴生少量石榴斜长变粒岩和石榴浅粒岩等,岩石组合相对简单。主要的暗色变质矿物为石榴石和黑云母,无石墨,偶见夕线石。岩石发生了强烈的深熔作用,形成大量的浅色脉体以及条带状构造。主要矿物组成为石英+斜长石+石榴石+黑云母,钾长石类矿物含量少,其物源区具有富钠贫钾的地球化学特征。根据岩石组合判定,该套岩石的原岩可能为一套杂砂岩夹中酸性火山岩建造。
石榴二辉麻粒岩-大理岩组合以其特殊的岩石组合与其它表壳岩类相区别。该套岩石主体为石榴二辉麻粒岩、石榴二辉斜长角闪岩和斜长角闪岩,含石墨透辉大理岩和蛇纹石化橄榄大理岩,伴生少量钙镁硅酸盐岩和夕线石榴黑云斜长片麻岩,且大理岩中可见晶质石墨和岩屑。石榴二辉麻粒岩属于典型的高压基性麻粒岩,其野外产状、岩石组合与前人在恒山[17,85]、怀安蔓菁沟以及宣化西望山[6,86]等地发现的原岩为基性岩墙的高压基性麻粒岩明显不同[87]。根据岩石组合判定,该套岩石的原岩为一套基性火山岩夹大理岩和泥沙质碎屑岩建造。
含墨夕线榴片麻岩-变粒岩组合是区内特殊的岩石单元,该套岩石横向上连续性较好,呈大型带状构造岩片产出,与TTG片麻岩之间往往界线清晰,为一套“有层无序”的变泥砂质岩组合,并以出现石墨、夕线石和石榴石这一特殊变质矿物组合为识别标志,具有典型孔兹岩系的岩石矿物组合特征。区域上,石墨矿均产于该层位。
天镇地区的野外填图实践表明,新太古代的榴云片麻岩与孔兹岩系的含墨夕线石榴片麻岩的正确识别是野外填图的关键。根据野外岩石组合和特征变质矿物组合结合室内地球化学和年代学研究可以正确区分[84]。这些野外经验可为乌拉山-大青山地区相似岩石组合的识别提供依据。
前文已述李璞等[70]将集宁群自下而上划分为土贵乌拉组、赵秀沟组、玻璃图组和三岔口组等4个地层单位。1972年内蒙古区测队在1/20万集宁幅地质报告中把集宁群自下而上分为大石窑沟组、下白窑组、沙渠村组和东沟村组。现今的集宁岩群指分布于集宁、凉城一带的深变质浅色岩石组合[45],其变质岩石组合下部以夕线石榴钾长(二长)片麻岩为主,夹石榴黑云片麻岩、含石墨片麻岩及透辉大理岩等,上部以含石榴浅粒岩为主,夹夕线石榴钾长(斜长)片麻岩。1/25万大同市幅[79]将集宁岩群划分为黄土窑岩组(包括原划大石窑沟组)、沙渠村岩组和东沟岩组。黄土窑岩组指分布于怀安杂岩的孔兹岩,东沟岩组指分布于集宁三岔口-卓资县八苏木和福生庄一带的大理岩组合。
本次工作拟将怀安杂岩中黄土窑岩组从集宁岩群中剥离,并根据航磁资料及大理岩分布区有太古代TTG片麻岩产出的特征,将东沟岩组大理岩组合划归乌拉山岩群上部孔兹岩系。这样本构造单元中孔兹岩系只剩下沙渠村岩组:为一套石榴长石石英岩、石榴夕线(钾长、二长)浅粒岩、石榴石英岩夹石榴夕线黑云斜长(钾长、二长)片麻岩、或呈互层状分布,偶见夹含石墨石榴夕线黑云斜长片麻岩和极少量透闪大理岩。本次工作在集宁土贵乌拉地区填图时将沙渠村岩组划分为变粒岩-浅粒岩组合(Pt1bi)、夕线榴云片麻岩组合(Pt1sg)、尖晶夕线榴云片麻岩组合(Pt1pg)等3个填图单位。变粒岩-浅粒岩组合以石榴浅粒岩为主,夹少量榴云片麻岩和薄层长石石英岩。夕线榴云片麻岩组合以(含石墨)石榴黑云斜长片麻岩、石榴夕线黑云二长片麻岩为主,夹石榴浅粒岩、石榴变粒岩。尖晶夕线榴云片麻岩组合主要为尖晶夕线石榴钾长(二长)片麻岩和尖晶夕线石榴黑云钾长片麻岩,超高温泥质麻粒岩往往产于其中。
原怀安杂岩中的孔兹岩系(黄土窑岩组)归属于集宁岩群,也表明天镇-怀安地区与凉城-集宁地区的孔兹岩系具有一定的亲缘性。
大青山地区前寒武纪变质表壳岩通常被划分为兴和岩群麻粒岩系(深色麻粒岩岩组和中色麻粒岩岩组)、下乌拉山岩群黑云角闪片麻岩系(深色片麻岩岩组和浅色片麻岩岩组)、上乌拉山岩群孔兹岩系和浅变质的美岱召群,早期的研究认为前三者形成于太古宙不同时代[54-59]。根据近年来的研究,兴和岩群的形成时代为新太古代晚期,下乌拉山岩群的形成时代为新太古代晚期-古元古代早期,上乌拉山岩群的主体形成时代为古元古代晚期[61-62,64-66]。
上乌拉山岩群为孔兹岩系岩石组合,经历高角闪岩相-麻粒岩相变质作用,被进一步划分为榴云片麻岩岩组、透辉片麻岩岩组和大理岩岩组[54-59]。榴云片麻岩岩组是一套变质富铝片麻岩系,原岩为杂砂岩、粉砂质粘土岩、泥岩夹石英砂岩;透辉片麻岩岩组为一套钙硅酸盐岩,原岩为钙泥质-钙质碎屑沉积夹泥灰岩沉积;大理岩岩组是一套富镁的碳酸盐岩建造。近年来,从上乌拉山岩群中分辨出古元古代早期变质碎屑沉积岩(榴云片麻岩),称之为大青山表壳岩[64-66]。其岩性和变质程度与古元古代晚期上乌拉山岩群(孔兹岩系)的榴云片麻岩岩组类似,但两者在岩石组合和含矿性方面有明显区别,孔兹岩系中的榴云片麻岩岩组与大理岩和钙硅酸盐岩空间上共生,产有石墨矿;而古元古代早期的榴云片麻岩则与麻粒岩和含铁建造共生,产有BIF铁矿,且普遍遭受深熔作用改造,形成石榴石花岗岩[64-65]。这一特点与天镇地区的两套榴云片麻岩类似[84]。
总结前人资料结合野外观察,乌拉山-大青山的变质杂岩可以划分为新太古代末期和古元古代晚期两套变质岩系。新太古代末期变质岩系由麻粒岩相-角闪岩相的TTG片麻岩、花岗片麻岩和变质表壳岩组成,其中变质表壳岩有麻粒岩相变质和角闪岩相变质两套含铁建造。这两套变质表壳岩是同一套火山-沉积建造不同构造层次(不同变质程度)的产物还是两套不同的火山-沉积建造有待进一步研究,就像阴山地块中原划分的麻粒岩相兴和岩群与角闪岩相色尔腾山岩群一样。本次工作考虑到大青山表壳岩中的榴云片麻岩与BIF建造共生,且包头北哈德门沟金矿区较为典型,按照不同构造单元地层系统不同名的原则,拟采用哈德门沟岩群的名称代替原来的兴和岩群,并将哈德门沟岩群划分为两套岩石组合:麻粒岩-片麻岩-磁铁石英岩组合和榴云片麻岩组合。而角闪岩相变质的下乌拉山岩群也可以划分为斜长角闪岩-片麻岩-磁铁石英岩组合和榴云片麻岩组合两套岩石组合。暂时将哈德门沟岩群和下乌拉山岩群视为不同变质程度的同时代火山-沉积建造。
古元古代晚期变质岩系则包括麻粒岩相-角闪岩相的上乌拉山岩群(孔兹岩系)和角闪岩相-绿片岩相的美岱召群和二道洼群,前者为2.1~1.95 Ga的沉积建造,后者为1.93~1.88 Ga的火山-沉积建造[88-89]。上乌拉山岩群(孔兹岩系)可划分为三套岩石组合:夕线石榴片麻岩组合、透辉片麻岩组合和大理岩组合,其中大理岩组合中含有石墨矿。这一大致层序与天镇-怀安地区的黄土窑岩组有相似之处。古元古代末期的美岱召群和二道洼群是天镇-怀安地区不具备的岩石组合,尤其是其中的哈拉沁变质中基性火山岩很可能是弧岩浆作用的产物。
地壳深熔作用是大陆地壳演化和分异的基本地质过程[90]。部分熔融可能由富水流体相的进入或含水相矿物(如白云母、黑云母和角闪石等)的分解触发[91]。凉城-集宁地区发育大量的深熔花岗岩,与集宁岩群的麻粒岩相变质沉积岩共生。这些深熔花岗岩以凉城“S”型石榴花岗岩为代表,其以规模大、岩性独特而著称。S型花岗岩通常为强过铝质(A/CNK>1.1),被认为是变质沉积岩部分熔融形成的[92]。凉城花岗岩也被解释为由邻近的高级变质沉积岩近原位部分熔融形成[8,93-96],与之相关的超高温麻粒岩在几个地方已被识别[21-22,24-25,97]。
凉城石榴花岗岩前人对其地球化学性质和成因做过大量研究工作[93,94,96,98-102]。凉城斑状石榴花岗岩以含斜方辉石、高比例石榴石(可达25%)、较低二氧化硅(低至55 wt%)和高铁镁含量为特征,明显区别于典型的S型花岗岩。被认为是在高温至超高温(UHT)麻粒岩相条件下变质沉积岩在近原位部分熔融形成,成因上与板底垫托镁铁质侵入体有关[93,94]。然而,凉城-集宁深熔花岗岩带中深熔花岗岩种类繁多,岩相各异,凉城斑状石榴花岗岩仅仅是该地区深熔花岗岩众多类型中的一种。
Wang et al.[99]将凉城地区的S型花岗岩划分为两种类型:较早的细粒含石榴花岗岩(称为安子山花岗岩)和年轻的粗粒斑状石榴花岗岩(称为凉城花岗岩)。前者出露面积较小,由变质沉积岩在~1.95 Ga进变质阶段高角闪岩相变质作用期间的含水熔融作用形成[98],也有学者认为它们是凉城石榴石花岗岩的高硅端元[94,96]。凉城石榴石花岗岩在体积上占主体,被解释为1.93~1.92 Ga期间变质沉积岩大规模熔融的产物[8,94,96],其中广泛分布的规模不等的变质辉长岩(徐武家期辉长苏长岩)为高温变质作用和广泛的深熔熔融提供了额外的热。
常青松等[101]对集宁地区S型花岗岩研究后认为斑状石榴紫苏二长花岗岩与淡色含石榴二长花岗岩形成时代相近,均为~1.95 Ga。斑状石榴紫苏二长花岗岩(局部具片麻状构造)低硅、高镁铁,具有Eu负异常及Sr的相对亏损;淡色含石榴二长花岗岩富硅、贫铁镁,强烈亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素,富集K和Rb、Ba等亲石元素。二者均可能源自幔源岩浆底侵造成的重熔作用,斑状石榴紫苏二长花岗岩源岩为孔兹岩系沉积岩,混合了一定比例的幔源物质组分并经过分离结晶过程;淡色含石榴二长花岗岩源岩主要为孔兹岩系沉积岩,较少受到幔源组分的影响。其中斑状石榴紫苏二长花岗岩中还记录了一组1827 Ma的变质年龄。
集宁土贵乌拉地区的区调填图将区内的S型花岗岩划分出了4个填图单位(即4种岩石类型),分别是:(1)斑状石榴二长花岗岩(花岗片麻岩),规模大,以含大量钾长石斑晶为特征,石榴石含量较多,并含紫苏辉石;(2)石榴黑云二长片麻岩,含5%~10%的黑云母,石榴石含量<10%;(3)淡色石榴二长花岗岩,岩株或岩脉状产出,色浅,多与浅粒岩-变粒岩组合共生,界线模糊,石榴石含量<5%;(4)含石榴白岗岩(含石榴正长花岗岩),脉状产出,高硅,瓷白色,石榴石含量少(<3%)且分布不均匀。其中前两者不同程度地具有片麻理构造,岩石单位代号纳入片麻岩系;后两者花岗岩外貌较明显,变形弱,岩石单位代号纳入花岗岩系。
最近,我们对凉城蛮汉山地区的深熔花岗岩进行了系统的填图研究,发现深融花岗岩中还存在较大规模的不含石榴石(或含量极少)的紫苏花岗闪长岩。根据岩石结构构造和矿物成分特征,凉城蛮汉山地区的深熔花岗岩可以划分为三个阶段6个填图单位(6种岩石类型)。
早期阶段形成中细粒石榴二长花岗岩(~1.95 Ga),即前人的安子山花岗岩[96,98],多以岩株的形式产出,以高硅(~73%)、贫MgO+FeO*(<2.0%),不含紫苏辉石为特征。形成时代相对较早,被认为是泥砂质碎屑岩进入地壳深部高角闪岩相条件下脱水熔融的产物[98]。
主期阶段在高温-超高温条件下发生大规模深熔,形成巨斑状紫苏花岗岩(~1.94~1.91 Ga),以巨斑状结构和含紫苏辉石为特征。包括4种岩石类型:斑状紫苏花岗闪长岩、斑状含石榴紫苏花岗闪长岩、斑状石榴紫苏二长花岗岩和斑状石榴紫苏正长花岗岩。这几种岩石类型以岩基的形式产出,构成了蛮汉山主体。岩石中的正长石斑晶多呈自形-半自形板柱状晶型(图2),多见卡氏双晶,斑晶粒度和含量变化均较大,斑晶粒度大者可达10 cm以上,含量可达25%。巨斑状花岗岩局部发育片麻理构造。根据矿物成分和化学成分,可将四种斑状紫苏花岗岩划分为两组,一组为不含或少含石榴石的斑状紫苏花岗闪长岩,另一组是含较多石榴石(5%~25%)的斑状石榴紫苏二长-正长花岗岩。前者贫硅(SiO2含量53%~62%)、富钙(CaO含量3.84%~6.05%、相对富钛(TiO2含量1.18%~1.65%)和铁镁(MgO+FeOT为8.19%~14.34%);后者相对富硅(SiO2含量62%~68%)、贫钙(CaO含量1.30%~3.81%)、相对贫钛(TiO2含量0.62%~1.15%)和铁镁(MgO+FeOT为5.32%~11.16%)。两者在TAS图上均投在亚碱性系列区(图3a),但铝饱和指数有明显区别(图3b),前者A/CNK值为0.95~1.04,后者除个别样品外,A/CNK值几乎均大于1.1(1.11~1.43)。在ACF图解上,前者投在I-型和S-型花岗岩的过渡带,后者则投在过铝质S-型花岗岩区(图3c)。
图2 斑状紫苏花岗闪长岩(a)和斑状石榴花岗岩(b)的斑状结构
Fig.2 Porphyrit ic texture of porphyrit ic hypersthene granodiorite(a)and porphyrit ic garnet granite(b)
图3 斑状紫苏(石榴)花岗岩的TAS(a)、A/NK-A/CNK(b)和ACF(c)图解
Fig.3 TAS(a),A/NK-A/CNK(b)and ACF(c)diagrams of porphyritic(garnet)hypersthene granite
晚期阶段形成含石榴正长花岗岩(<1.91Ga),貌似白岗岩,规模较小,多呈岩脉状或岩枝状产出。可见明显侵入斑状花岗岩中,常与变粒岩-浅粒岩组合共生,且两者之间关系模糊,很可能是抬升减压阶段变粒岩-浅粒岩组合部分熔融的产物。岩石含石榴石较少且分布不均匀,基本不含紫苏辉石,SiO2含量高,多介于71%~74%之间,贫MgO+FeOT(<1%)。
王洛娟和郭敬辉等[99,102]研究认为,凉城石榴花岗岩具有典型的“高温”岩浆和“干”岩浆特征。花岗岩中高Ti黑云母和高AlVI紫苏辉石、全岩低的Al2O3/TiO2和高的锆饱和温度指示其为高温“干”岩浆。凉城石榴花岗岩具有低SiO2、富镁铁的地球化学特征,至少有一半样品偏离了正常花岗岩的成分范围。因此,凉城石榴花岗岩应该具有特殊的成因机制。(1)该类花岗岩的熔体来自孔兹岩系变质泥砂质岩石的部分熔融,依据主要有:在花岗岩体外缘观察到花岗岩与围岩变沉积岩呈渐变过渡关系;残留相(夕线石榴石岩)与石榴花岗岩之间存在互补的元素地球化学特征,显示原地-半原地重熔特征;石榴花岗岩与变质沉积岩具有相似的矿物组合、矿物化学成分和Pb-O同位素组成[94-96,103];(2)该类花岗岩富含辉长苏长岩包体及富石榴石反应边的野外特征,指示出幔源基性物质的添加。综合全岩主微量元素和Sr-Nd同位素组成特征,Peng et al.[94]提出幔源基性岩浆为石榴花岗岩提供了10%~30%的物质。石榴花岗岩与辉长苏长岩的岩浆锆石具有部分重合的εHf(t)和δ18O值,暗示着二者之间存在强烈的组分交换和物质混合;(3)该类花岗岩富含石榴石(5%~20%),常见富石榴石团块或条带,有一部分富石榴石相明显是基性包体被花岗质熔体消解的反应产物,代表幔源基性物质的添加,另外一部分与基性包体没有任何可追索的联系,很可能代表了未分离的部分熔融残留相。Wang et al.[99]采用Patino Douce[104]针对花岗岩类提出的主元素混合模拟计算和作图方法,直观地显示了石榴花岗岩三元组分混合特征。变质沉积岩熔体,幔源基性物质和以石榴石岩为代表的部分熔融残留相,构成了粗粒石榴石花岗岩的三个物质来源的端元组分。因此认为富石榴石相残留体和幔源基性岩浆的物质贡献是造成凉城石榴花岗岩低SiO2和富MgO+FeOT含量的两个主要因素,基性岩和部分熔融残留相的物质贡献比例可达20%~40%。
不含石榴石的紫苏花岗岩具有与石榴石花岗岩类似的巨斑状结构和相同锆石U-Pb年龄,其内部也含有辉长苏长岩(基性麻粒岩)和变质沉积岩包体,且与石榴花岗岩为渐变过渡关系,两者应是相同构造背景下形成的深熔花岗岩,但紫苏花岗岩属于准铝质与过铝质的过渡类型(A/CNK<1.04),没有达到强过铝的程度,显然其原岩不是富铝的碎屑岩;同时,紫苏花岗岩贫SiO2(53%~62%),富铁镁,其原岩既不是砂质碎屑岩(变粒岩-浅粒岩-石英岩),也不是直接来源于地幔。因此其原岩应是以基性侵入体(辉长苏长岩)为主。由于区内变质基性侵入体(辉长苏长岩)中的锆石具有岩浆结晶核和变质生长边的核边结构,我们推测部分熔融的原岩应是已结晶的辉长苏长岩,但不排除基性岩浆直接注入的岩浆混合。紫苏花岗岩中含少量石榴石则反映了有少量变质碎屑岩熔体混入或是有变质碎屑岩部分熔融的残留体混入。
深熔花岗岩的形成时代晚于孔兹岩系,不是孔兹岩系原岩的物质源区,但其钙碱性的地球化学性质,尤其是紫苏花岗闪长岩兼有I-型花岗岩特征,具有通常意义上的弧花岗质岩石特征,其是否是二道洼群和美岱召群等的碎屑源区,或是具有~1.85 Ga造山事件岩浆弧的意义,值得深入研究。
鄂尔多斯地块是破解华北早期大陆形成演化和构造体制谜团的钥匙[105],是否存在新太古代的“鄂尔多斯地块”是华北克拉通基底构造单元划分的关键,也直接影响到对华北克拉通中西部早前寒武纪地质演化的认识。
鄂尔多斯盆地由于巨厚的沉积盖层,变质基底少有出露。很长时间以来,鄂尔多斯地块被认为是一个完整的、稳定的太古代陆块[34,106-108]。由于其基底组成和时代不清,华北克拉通基底演化的一些重要的地质事件缺乏明确的依据。
鄂尔多斯盆地是侏罗纪以来逐渐发育的坳陷盆地,从晚石炭世到晚三叠世的地层系统与整个华北克拉通上的同时代盖层类似。这表明在晚三叠世以前,鄂尔多斯盆地与吕梁山、太行山无异。因此鄂尔多斯盆地基底的构造格局由吕梁山一带按照构造线方向延伸到盆地内部是合理的,也就是说鄂尔多斯盆地周边特别是东部和北部的早前寒武纪岩石组成和构造特征可以为揭示鄂尔多斯盆地基底的组成提供有效线索。
近年来鄂尔多斯盆地的基底研究取得了重要进展,油气勘探的大量钻孔资料不仅揭示了鄂尔多斯盆地盖层的组成和结构,许多钻孔穿透到变质基底,揭示出鄂尔多斯盆地基底主要由麻粒岩、正(副)片麻岩、变粒岩、角闪岩、石英岩片岩和大理岩及花岗质岩石等组成,经历了不同程度(角闪岩相-麻粒岩相)的变质作用。钻孔岩芯样品的岩石学和同位素年代学研究为基底的形成演化研究提供了直接证据(图4)。
图4 鄂尔多斯盆地及周边航磁化极上延2km等值线图
Fig.4 The contour map of aeromagnet ic anomalies of upward extending 2km of reduction to the magnetic pole in Ordos Basin and its surrounding areas
图中标出了主要构造边界和部分穿透盖层的深钻孔位置
(1)鄂尔多斯北部:
在包头黄河南岸鄂尔多斯北缘隆起带(伊盟隆起)的响沙湾以西地区,直接有基底岩石出露,由浅变质的石英岩、黑云变粒岩和大理岩构成的基底岩系被推覆到晚石炭统太原组和中三叠统二马营组之上[109]。这些岩石组成相当于大青山地区的二道洼群或美岱召群。
鄂尔多斯一带的钻孔E-1(鄂1),E-2(鄂2),E-3(鄂3)揭露的基底岩石分别为石榴浅粒岩、二云石英片岩和二云片岩[110]。鄂1井2796~2797.5 m处为角闪石英二长岩,从中获得两组年龄:27个点不一致线上交点年龄为2196±32 Ma(MSWD=3.7),另10个点的加权平均年龄为2019±29 Ma[111]。
QI1(棋探-1)钻孔5230 m为石榴夕线黑云斜长片麻岩,与贺兰山孔兹岩系相当。碎屑锆石年龄界于2162 Ma~1982 Ma之间,并获得了~1.95 Ga的变质锆石年龄[112]。Wan et al.[113]从棋探1井5229~5235 m处采集的样品(QT1-12b)也是石榴夕线黑云片麻岩,从中获得的碎屑锆石年龄为2003±24 Ma至2118±14 Ma,并有一个1920±14 Ma的数据认为是后期构造热事件的反映。
鄂尔多斯市北侧的S2(胜2)钻孔1750 m处的黑云钾长片麻岩样品(S2-5)给出了新太古代的信息[113];Zhang et al.[111]对同一钻孔取样进行年龄测试(Sheng2-1:片麻状黑云母钾长花岗岩,采自深度1749.5~1756.5 m),锆石有不同程度的铅丢失,获得不一致线上交点年龄2496±19 Ma(MSWD=6.4)。
Wan et al.[113]采自鄂尔多斯市南侧的霍3(H3)钻孔2985 m处的样品为条带状二云钾长片麻岩(霍3-7),获得锆石年龄为~2.0 Ga,代表岩体形成的年龄,锆石变质边年龄为1882±45 Ma。Zhang et al.[111]采自同一钻孔的样品块状的黑云母石榴二长花岗岩(Huo3-1,取自2985.5~2987.5 m深度),获得的锆石U-Pb不一致线上交点年龄2035±12 Ma(MSWD=2.1),7个谐和程度高的测点207Pb/206Pb加权平均年龄为2040±28 Ma(MSWD=0.35),并存在少量新太古代的继承锆石。Wang et al.[114]在准1井(Z-1)2520~2525 m采集的石榴黑云片麻岩中获得LA-ICP-MS碎屑锆石的上交点年龄为2046±24 Ma,对变质锆石边的SIMS分析得到加权平均年龄为1960±23 Ma,LA-ICP-MS独居石U-Pb分析得到两个加权平均年龄为1936±25 Ma和1909±13 Ma。
(2)鄂尔多斯南部:
吕梁市西侧的LT-1(龙探1)钻孔3540 m处的二云花岗片麻岩(含夕线黑云片岩包体的S型花岗岩)获得的上交点年龄为2045±16 Ma(MSWD=1.3)[115],与207Pb/206Pb加权平均年龄(2035±10 Ma,MSWD=1.4)在误差范围内一致,代表花岗岩的结晶年龄。采自同一钻孔3560 m深度的样品为含石墨二云二长片麻岩,相当界河口岩群[113],获得的SHRIMP年龄为2.0~1.9 Ga。Wang et al.[112]采自LT-1井3495 m处样品为含石墨片麻岩,获得了~1.95 Ga的变质锆石年龄和2.15~2.0 Ga的碎屑锆石年龄。
Zhang et al.[111]采自龙探1井3560~3563 m处的块状黑云母二长花岗岩,样品的锆石年龄为2094±31 Ma(19个点的上交点年龄),2个锆石变质边年龄数据为1804±39 Ma和1908±23 Ma,另有3个点的加权平均年龄2214±45 Ma(MSWD=1.04),认为分别代表岩体形成、变质和继承锆石年龄。
吴素娟等[116]对鄂尔多斯盆地东北部吕梁西侧的镇钾1井(位于龙探1井东南)中的样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究,采自426.20 m处为二云母斜长片麻岩(ZJ1-1、3),3440.16 m处为含榴夕线石片麻岩(ZJ1-4),获得的碎屑锆石年龄为1898~2047 Ma,变质年龄~1.83 Ga。结合前人的研究数据,认为鄂尔多斯盆地基底东北部在古元古代2.0~2.1 Ga左右曾有岩浆活动。二云母斜长片麻岩的部分锆石和夕线石片麻岩的锆石具有变质锆石特征,获得的变质锆石年龄数据支持鄂尔多斯盆地东北部在古元古代末(1.83 Ga)发生过变质作用。
庆深1井(QS-1)(延安与固原之间)的4618 m处为二云钾长花岗片麻岩。Zhang et al.[111]采自庆深1井4069~4068 m处的样品为黑云母钾长花岗片麻岩,获得的锆石铅丢失较严重,锆石U-Pb不一致线上交点年龄2045±23 Ma(27个点,MSWD=2.8),应大致代表岩体的形成时代。
鄂尔多斯西南缘的泾源石砠子(35°21′4.5″,106°26′22″),出露的钾长花岗岩形成年龄为1803±13 Ma[117],与云中山花岗岩相当,代表吕梁运动的终结。
以上测年数据表明,东胜北侧的胜2井获得了新太古代~2.5 Ga的岩石年龄[111,113],其它样品获得的均为古元古代的年龄信息,有2.2~2.0 Ga的碎屑锆石年龄,也有2.1~2.0 Ga的花岗岩年龄,并有1.95~1.80 Ga的变质年龄。变质程度达到了中压麻粒岩相[111-116]。东胜北侧一带的孔兹岩系与大青山和乌拉山一带的孔兹岩系相同,有许多太古宙TTG片麻岩和花岗片麻岩卷入其中,胜2井的~2.5 Ga证实这些太古宙花岗片麻岩的残留。
Wan et al.[113]研究认为,鄂尔多斯基底广泛分布着古元古代晚期变质沉积岩,没有证据显示有广泛的太古宙的物质成分分布,并对鄂尔多斯基底是太古宙克拉通地块的观点提出了质疑。鄂尔多斯基底卷入了广泛的古元古代晚期的构造热事件的事实表明华北克拉通西部构造演化的模式需要修正。
由于鄂尔多斯盆地自古生代以来的盖层磁性较弱,航磁异常主要反映了变质基底的磁性特征,化极上延2 km、5 km航磁基本特征不变,进一步说明航磁异常由基底岩石引起。剔除鄂尔多斯盆地边缘和内部的深大断裂构造及汉诺坝玄武岩对航磁异常的影响,结合周缘露头及盆地内部钻孔揭露情况,可以将鄂尔多斯盆地北部(乌海-鄂尔多斯一带)的高磁异常与乌拉山-大青山一带高磁异常对比,均是乌拉山-大青山再造杂岩带的组成部分,高磁特征系由太古宙TTG和含铁建造引起。凉城一带的航磁和地面高精磁均显示孔兹岩和深熔花岗岩呈低磁特征,只有其中的中基性麻粒岩呈高磁特征[42],但中基性麻粒岩在该带中所占比重较小,对区域航磁异常影响有限(可引起局部正异常),凉城深熔花岗岩带整体显示为低磁异常特征,并沿大同-榆林一线北西侧向西南方向延伸。东缘吕梁杂岩也可向西南延安一带延伸,关帝山花岗岩带可与平凉泾原石咀子的钾长花岗岩(~1803 Ma)相连。从而展现出北东向或近东西向的构造格局(图4)。
从航磁异常图可以看出(图4),Zhao et al.[2,34]划分的孔兹岩带的南部边界明显切割了磁异常条带,仅仅是孔兹岩系露头区的边界。中部造山带的西部边界也切割了吕梁山区向盆地内部延伸的磁异常条带。
由此可见,鄂尔多斯基底并非太古宙变质基底,而是与鄂尔多斯北缘和东缘的岩石组合相似的古元古代带造山变质基底。鄂尔多斯盆地基底西北部是乌拉山-大青山再造杂岩带的组成部分,东南部固原-吕梁一带则可与恒山-张家口一带对比,中部银川-大同一线的航磁负异常区域是深熔花岗岩带的反映。
在天镇-怀安再造杂岩带和乌拉山-大青山再造杂岩带中存在~1.95 Ga和~1.85 Ga的两期麻粒岩相变质事件已被大量研究成果所证实[25,35,68,74,80,81,83,87,118-122]。但对两期麻粒岩相变质作用的性质仍有不同认识,究竟是两次造山事件还是一次造山事件的两个阶段依然存在较大分歧。
天镇地区区调填图将怀安杂岩中的基性麻粒岩划分出两期三种类型,两期基性麻粒岩指早期(~1.95 Ga)的含石榴石的高压基性麻粒岩和晚期(~1.85 Ga)的不含石榴石的二辉麻粒岩。其中晚期二辉麻粒岩均由基性岩墙变质而来[123],而早期高压基性麻粒岩则可识别出变质基性火山岩和变质基性岩墙两种原岩类型[87]。
许多学者针对天镇-怀安再造杂岩带中的高压基性麻粒及其所反映的变质作用过程进行了详细研究。高压基性麻粒岩以发育石榴石的“白眼圈”结构为特征,反映了石榴石的减压分解过程。大量的研究成果揭示高压基性麻粒岩中存在3~4个世代的变质矿物组合,勾画出近等温降压型(ITD)顺时针P-T演化轨迹,计算的峰期压力为1.1~1.6 GPa[4,9,17,73,124-127],并在麻粒岩相退变过程中可能叠加了超高温变质作用[119],部分含蓝晶石变泥质岩(孔兹岩系)也记录了与高压基性麻粒岩类似的变质过程[128-130]。该过程与古元古代晚期(~1.95 Ga)的碰撞造山事件有关,高压基性麻粒岩与高压泥质麻粒岩共存指示了浅表物质的深俯冲作用。基性岩墙侵位于大陆硅铝质地壳,因此基性岩墙型高压麻粒岩也指示了大陆地壳的俯冲,表明~1.95 Ga怀安地块已进入到>30 km的地壳深部。高压麻粒岩不仅有1.95~1.93 Ga的高压麻粒岩相变质事件,而且记录了1.86~1.83 Ga的麻粒岩相-角闪岩相退变质事件[35,74,83,118-119,131-132]。
晚期二辉麻粒岩中由于缺少石榴石,难以反演变质作用的完整轨迹,给这期变质事件构造性质的判别带来了困难。到目前为止,尚未在基性岩墙变质而成的二辉麻粒岩中发现任何~1.95 Ga的变质作用的痕迹,有理由相信这些变质的基性岩墙是~1.95 Ga变质事件之后侵位的,与徐武家辉长苏长岩可能是同时代侵位[43]。从构造变形的角度看,二辉麻粒岩发生了强烈的褶皱变形和构造置换(图5),显示遭受了强烈的挤压构造变形。野外露头上常可见一些二辉麻粒岩条带平行状产出,但从垂直这些条带的断面上观察,经常可以看到这些二辉麻粒岩条带实际上是同一条变质基性岩脉强烈褶皱置换而成。
图5 TTG片麻岩中二辉麻粒岩(变质基性岩墙)的褶皱构造
Fig.5 Fold structure of basic granulite(met amorphic basic dyke)in TTG gneiss
内蒙古兴和黄土窑地区的区调工作填绘出一些规模较大的辉石正长岩岩脉,岩石也发生了麻粒岩相变质变形作用,发育程度不一的片麻理构造,且整体上与围岩产状协调一致。锆石U-Pb测年显示其成岩年龄约1.93 Ga,变质年龄约1.86 Ga。构造解析表明,该岩脉虽未卷入黄土窑环形构造的早期北东-南西向塑性流变变形,但参与了黄土窑环形构造的第二期北西-南东向挤压变形,在环形构造的北东端环绕该环形构造分布。
因此我们倾向于认为~1.85 Ga的变质事件是一次挤压变形事件而不是伸展抬升事件。
岛弧岩浆作用是板块构造的基本构成,缺少岛弧岩浆作用就意味着没有俯冲带的壳幔相互作用。华北克拉通上缺少与古元古代造山过程相呼应的岛弧TTG岩系,西部的孔兹岩带如此,东部的胶-辽-吉造山带亦是如此。岛弧岩浆岩是造山带不成熟碎屑沉积的主要物源[133]。
孔兹岩系的沉积构造背景和物源来自何方一直是困扰相关地学研究的难题。传统上孔兹岩系的沉积建造被认为是稳定的被动大陆边缘的沉积[134]。卢良兆等[46]恢复孔兹岩系的原岩建造为类复理石的长石砂岩-富粘土质长石杂砂岩夹粘土岩和粉砂岩,形成于张性构造背景,可能为稳定大陆边缘的浅海沉降带或边缘坳陷带,且认为碎屑物源主要为大陆地壳的TTG岩石。近年来孔兹岩系的众多高精度锆石U-Pb定年结果显示,碎屑锆石U-Pb年龄峰值在2.2~2.0 Ga,与造山变质作用的时限(~1.95 Ga)相差仅50Ma,更可能发育在活动陆缘环境[133]。
针对华北克拉通中北部2.2~2.0 Ga的碎屑锆石物源性质,前人开展了大量研究工作。
贺兰山地区:Yin et al.[135]对贺兰山孔兹岩系的研究表明,岩浆型碎屑锆石的U-Pb年龄主要集中在两个年龄组,分别是2.85~2.53 Ga和2.2~2.0 Ga;对应的εHf(t)值和TDMC分别为-7.64~-0.15和3.34~3.10 Ga,+0.86~+9.38和2.45~2.15 Ga,表明贺兰山地区存在显著的古元古代地壳增长。Dan et al.[136]对贺兰山孔兹岩系的碎屑锆石的U-Pb年龄和Hf-O同位素测试结果表明,贺兰山孔兹岩原岩主要来源于2.18~2.00 Ga的长时间、幕式岩浆作用物源。孔兹岩中2.18~2.00 Ga的碎屑锆石的εHf(t)值范围为+8.9~-2.9和Hf TDMC模型年龄在2.8~2.1 Ga之间,出现2.6Ga和2.3 Ga两个峰值,δ18O值分别为6.6‰和8.2‰。锆石Hf-O同位素数据表明,源岩既有太古宙地壳成分也有古元古代新生地壳,推测可能来自约2.18~2.00 Ga的大陆弧,并认为孔兹岩原岩可能沉积在活动大陆边缘。
鄂尔多斯盆地基底:鄂尔多斯盆地基底花岗质岩石中2.2~2.0 Ga锆石的Hf同位素分析显示,εHf(t)值的变化较大,超过一半的锆石为正值,表明它们主要来自亏损地幔或新生地壳[111]。锆石中的这种Hf同位素组成通常被认为是年轻和古老地壳物质混合的结果,是地壳部分熔融形成的花岗岩类的典型特征。
乌拉山-大青山地区:董春艳等[137]对大青山孔兹岩系中2个变质碎屑沉积岩样品中碎屑锆石(1.9~2.1 Ga)的Hf同位素测试显示,εHf(t)值变化大,Hf模式年龄主要指向太古宙源区;一个2.37 Ga变质辉长岩样品中岩浆锆石的εHf(t)为+1.50~+6.68和TDM为2449~2647 Ma,表明大青山在新太古代晚期-古元古代早期存在强烈的构造岩浆热事件。大青山二道洼群哈拉沁组二云母片岩中碎屑锆石的核部207Pb/206Pb年龄为~2.0 Ga,其δ18O值为6.69‰~9.45‰,ɛHf(t)值分别为+7.7~+16.2。石榴十字蓝晶二云片岩中锆石核(>2.0 Ga)的δ18O值分别为12.10‰~12.75‰,ɛHf(t)值分别为+0.7~+5.4。指示这些碎屑锆石有一部分是来自于2.0 Ga的新生地壳[138]。
吕梁山地区:Xia et al.[139]对吕梁界河口岩群碎屑锆石的U-Pb测年和Hf同位素测试表明,界河口群碎屑岩主要来自1.9~2.1 Ga的古元古代源区,1.9~2.1 Ga锆石的εHf(t)以正值为主(峰值为+5),指示古元古代有显著的地壳增长,也揭示有~2.6 Ga的下地壳卷入了古元古代岩浆活动。岚河群和黑茶山群碎屑锆石的Hf同位素测试显示[140],~2.35 Ga有较强烈的地壳生长,古元古代锆石可以分为三组:2.39~2.34 Ga年龄组具有正εHf(t)值为+2.8~+9.0,Hf模型年龄为2.61~2.35 Ga。2.22~2.14 Ga的一组锆石εHf(t)值为-6.4至+8.8,Hf模型年龄主要在2.55 Ga~2.30 Ga之间。2.01~1.86 Ga的碎屑锆石εHf(t)值为=+1.7~+6.7,TDM为2.31~2.13 Ga;认为2.0~2.3 Ga期间仅有少量地幔物质添加。Liu et al.(2021)[141]对赤坚岭杂岩的研究表明,深成岩体的主要岩石类型为中细粒闪长岩和花岗质片麻岩,形成年龄主要为2216±5Ma~2110±23 Ma,两个闪长岩的锆石ɛHf(t)值分别为-0.27~+4.11(TDM2为2.52~2.75 Ga)和+5.35~+7.99(TDM2为2.18至2.34 Ga)。2.18至2.13 Ga的花岗岩的岩浆锆石的ɛHf(t)值为-1.08~+3.15,TDM2为2.54~2.78 Ga。两个较年轻花岗岩(~2.11 Ga)锆石的ɛHf(t)值为-5.33~-0.58(TDM2为2.73~3.03 Ga)。结果显示这些花岗质岩石主要来自新太古代地壳的部分熔融,2.0~2.2 Ga期间的地幔物质添加较少。
怀安杂岩:Wang et al.[73]对大同孤山构造混杂带岩石研究显示,具有大陆弧高钾钙碱性的含紫苏二长花岗片麻岩中岩浆锆石(~2.17 Ga)的Hf同位素测试显示εHf(t)值为-0.3~+2.7,Hf模型年龄(TDM2)为2.76~2.58 Ga,系太古宙地壳部分熔融产物。变质表壳岩中~2.08 Ga的碎屑锆石的εHf(t)为-3.1~+1.4,TDM2年龄为2.84~2.62 Ga。~1.93 Ga变质锆石的εHf(t)值为-5.4~-1.5,TDM2年龄为2.90~2.66 Ga。仅有高压麻粒岩的TDM为~2.2 Ga,指示新生地壳生长。黄土窑地区~1.95 Ga英云闪长岩脉的大多数锆石具有正εHf(t)值(+5~+9),TDM2为2.0~2.2 Ga,表明它们是通过古元古代新生地壳岩石的熔融生成的,镁铁质高压麻粒岩中变质锆石也具有正εHf(t)值和2.0~2.2 Ga的模式年龄[73]。张家辉等[87]对天镇西赵家窑的高压麻粒岩中具谐和年龄的锆石Hf同位素测试计算的εHf(t)值为+2.5~+11.5,均为正值,相对于亏损地幔单阶段模式年龄介于2065~2250 Ma之间。
以上研究结果表明,华北克拉通中北部2.2~2.0 Ga期间没有大规模的地幔物质添加和地壳生长,2.2~2.0 Ga幔源基性岩浆的添加主要表现在裂陷盆地中的基性火山岩喷发(如滹沱群、野鸡山群等地层中的基性火山岩)、天镇-怀安杂岩带和乌拉山-大青山杂岩带中的中-基性岩墙及与孔兹岩系共生的基性火山岩等。实际上,华北克拉通在2.2~2.0 Ga期间整体处于伸展裂解阶段,存在广泛的2.2~2.0 Ga的多期裂解事件记录[142-151]。而在凉城深熔花岗岩带中花岗闪长岩和中基性麻粒岩的形成时代均小于1.95 Ga[43,94,99,152]。因此,我们认为华北克拉通中北部不存在明显形成于~1.95 Ga之前俯冲阶段的岛弧岩浆作用,其原因一方面可能是早期热造山带与现代类型的冷造山带壳幔相互作用的方式不同,早期地壳的厚度较大[153-154],俯冲深度较浅,难以达到地幔楔深度区域,故不易形成壳幔相互作用的TTG类岩石。另一方面可能是受高地热状态下板块规模和俯冲板片的俯冲角度的制约,早期热造山带,板块边缘是韧性的,出现暖俯冲和热裂断,地幔上涌导致的超高温变质作用和部分熔融作用[155]。
正如Gerya[156]展示的那样,造山带随着地质时代不断演化,由太古宙超热造山带(UHO)到古元古代热造山带(HO)、混合热造山带(MHO),再到新元古代以来的冷造山带(CO)。2.0 Ga是关键的热演化时间节点,由热造山带(HO)向混合热造山带(MHO)转换,这两类造山带都是在水平运动机制主导下通过岩石圈缩短而形成,岩石圈已具备一定硬度的上地幔。热造山带与超热造山带具有相同的热流特征,但岩浆活动不太强烈;混合热造山带则显示出与冷造山带类似的结构和运动学特征。华北克拉通中北部古元古代造山带正是这种热造山带与混合热造山带的过渡特征。
相对于~1.85 Ga的造山事件而言,具有壳幔混合及钙碱性岩石特征的斑状石榴花岗岩、斑状紫苏花岗闪长岩、徐武家期辉长苏长岩、二道洼群中变质中基性火山岩则可视为该阶段的弧岩浆作用的产物。
因此孔兹岩系的碎屑源区可能主要是2.2~2.0 Ga期间的裂解型花岗岩(如赤坚岭杂岩),少量来自同时代的基性火山岩、中基性侵入体。正如胶辽吉活动带中2.2~2.05 Ga的辽吉花岗岩被认为是碎屑物质的重要来源一样[61,142-143]。
在早期板块构造的识别标志中,蛇绿岩残片和古老高压变质岩(带)无疑是两个最重要的因素,前者可以确定有古老的洋壳存在过并成为残存的缝合带中的残片,后者可以指示曾有地表岩石被俯冲到深部,是俯冲、消减与碰撞的岩石学证据[157]。
怀安地块中从恒山到赤城广泛分布的古元古代高压麻粒岩和退变榴辉岩[4,7,9,17,73,124-127],证明华北克拉通在古元古代晚期(~1.95 Ga)存在与现代板块构造类似的深俯冲作用。
早前寒武纪蛇绿岩非常稀少,现今普遍认可的大于18亿年蛇绿岩套主要有加拿大的Purtuniq蛇绿岩(~2.0 Ga)[158]和芬兰的Jormua蛇绿岩[159-160],而对于太古宙是否存在蛇绿岩套仍存在较大争议,例如格陵兰Isua绿岩带中3.8 Ga的蛇绿岩[161-162]、华北冀东2.5 Ga的蛇绿岩[163-166]以及五台山地区的太古宙蛇绿岩[27,167-170]。寻找残留的古老洋壳物质(蛇绿岩套)成为研究地球早期板块构造作用的关键。翟明国(2012)[157]认为早前寒武纪缺少蛇绿岩可能的原因有两个:一是早前寒武纪的大陆形成与生长,其机制完全和板块构造不同,高的地热梯度与频繁的、小规模的地幔柱构造很活跃;二是绿岩带中至少有一部分可能代表了残留的早期洋壳,但那时的洋壳与现代洋壳在结构和地球化学性质上都不相同。
王仁民和董卫东[171]在研究冀西北高压基性麻粒岩时,发现了具有轻稀土亏损的洋中脊型(TH1型)和轻稀土富集型(TH2型)两种类型,并提出冀西北高压麻粒岩带可能存在洋壳残片。Wang et al.[73]对大同孤山地区怀安杂岩与集宁孔兹岩带的接触边界研究后认为该接触带可能是一条构造混杂岩带,在变质泥砂质碎屑岩基质中发现了具钙碱性特征的二长花岗片麻岩、含石榴石的镁铁质麻粒岩、大理岩和钙硅酸盐等外来岩块;其中的含石榴石基性麻粒岩的原岩形成于~2.2 Ga前后,地球化学特征显示出N-MORB特征,有可能是尖晶石二辉橄榄岩在大洋中脊环境中的部分熔融的产物。
张家辉等[87]在天镇地区的区调填图,识别出一套含MORB型基性火山岩的变质岩石组合,该套组合的主体岩石为高压基性麻粒岩(保存厚度>50 m),伴生含石墨岩屑透辉/蛇纹石化橄榄大理岩、含石墨钙镁硅酸盐岩以及夕线黑云石榴二长片麻岩,并可见少量石英岩产出。原岩为一套基性火山岩-碳酸盐岩-砂/泥岩建造。岩石地球化学研究揭示高压基性麻粒岩原岩为亚碱性拉斑玄武岩,稀土配分模式平坦((La/Yb)N=1.35~1.79),轻稀土相对亏损(La/Sm)N=0.83~1.13,无Nb、Ta负异常,具有MORB类似的地球化学特征。SHRIMP U-Pb定年及Hf同位素研究结果表明,高压基性麻粒岩原岩形成年龄为2.15~2.2 Ga,峰期高压麻粒岩相变质年龄为~1.95Ga,麻粒岩相退变质作用和减压熔融时限介于1.83~1.82 Ga之间。类似的岩石组合在兴和黄土窑地区也有出露。从岩石组合看,基性火山岩与含石墨的泥砂质碎屑岩共生,其中的石英岩含有大量新太古代-古元古代的碎屑锆石,排除了远洋硅质岩变质而成的可能性。怀安地块中尚未发现有超镁铁质岩与这些高压榴辉岩相变质的MORB型变质火山岩共生,显然现有证据尚不足以证明这套岩石组合包含有洋壳残片。但是这套含MORB型火山岩的岩石建造明显不同于滹沱群和野鸡山群等陆内裂陷带中的基性火山岩建造,预示着不同于滹沱群和野鸡山群等的沉积构造背景。
区域上,有学者认为冀北赤城红旗营子群中的变质橄榄岩是古元古代的蛇绿岩残片[172],且有石榴斜长角闪岩和退变榴辉岩与之共生[173],但其形成时代尚存较大争议[172,174]。界河口地区也有一些变质镁铁质-超镁铁质岩块(体)呈透镜状、团块状产于界河口岩群贺家湾岩组中,一些镁铁质岩石还具有科马提质岩石的化学成分,但它们往往是一些孤立的岩块,难以观察到有蛇绿岩迹象的岩石组合。从目前已有的资料看,华北中北部古元古代造山带中尚无可信的蛇绿岩残片,一方面可能与当时的高地热梯度的构造背景有关,高热背景导致俯冲规模和俯冲深度均有限,地幔岩石可能没有参与俯冲和碰撞过程[179],厚的洋壳也可能会阻断地幔橄榄岩的构造就位;另一方面也可能预示当时洋盆规模有限,洋壳残片保存下来的概率更低。
华北克拉通中北部古元古代造山带由孔兹岩系两侧陆块碰撞拼合而成,但两个陆块间的沉积盆地(洋盆)性质不明,是两个远离的陆块逐渐靠近发生俯冲碰撞,还是曾经的古大陆发生裂解出现有限洋盆后构造反转再次拼合?如果是大陆裂解那么是全球性的大陆裂解事件还是地幔柱引起的裂谷作用?2.5~2.2 Ga全球构造岩浆活动的寂静期[175-176]又如何导致大氧化事件,是否是全球性大陆裂解事件导致了古元古代大氧化事件[177]?
华北克拉通中北部古元古代造山带缺少洋板块地层系统[178],似乎不大可能在两个陆块之间存在宽阔的大洋;由于缺少大规模的基性岩浆活动,也难以与地幔柱引起的裂谷作用相联系,但大规模的花岗质岩浆活动似乎又与异常的地幔岩浆板底垫托有关。Zhai and Peng[179]提出前板块-始板块(>~2.5 Ga)、早期板块(2.2~1.8 Ga)和现代板块构造(<~0.7 Ga)的概念,认为早期板块构造是以古老克拉通上发育活动带为标志,活动带具有线性分布特征,部分地层和基底岩石发生了高压麻粒岩相或高温-超高温麻粒岩相变质作用,并表现出降压的变质过程,部分达麻粒岩-榴辉岩转换相。华北克拉通2.2~1.8Ga古元古代活动带经历了从裂谷-俯冲-碰撞造山过程:(1)裂谷火山作用和有限洋盆形成;(2)俯冲形成岛弧性质的岩浆作用和高级麻粒岩(局部UHT)。俯冲深度达到下地壳,由于俯冲的麻粒岩相岩石与麻粒岩相的围岩在密度和粘滞度、塑性上的相似性,俯冲不能达到地幔深度,下插的岩片抬升速率很慢。“造山带”表现为很宽的泛造山带面貌,强烈的岩浆底侵作用导致了超高温变质作用[180]。
通过以上变质作用、岩浆作用和变形作用的分析,华北中北部古元古代造山带具有如下主要特征:一是缺少与早期高压麻粒岩相变质相关联的俯冲型岛弧岩浆作用,2.2~2.0 Ga的岩浆活动主要与裂解构造背景相关;二是~1.95 Ga的高压麻粒岩相变质事件早于徐武家期基性-中基性岩浆侵位和大规模的深熔事件;三是在巨厚的古元古代沉积建造中虽然存在MORB型基性火山岩,在怀安地块与孔兹岩带的接触边界上也存在构造混杂的特征,但目前未识别出典型的蛇绿岩组合;四是在乌拉山-大青山再造杂岩带的南缘存在一套古元古代晚期的角闪岩相-绿片岩相变质的火山-沉积建造(二道洼群和美岱召群),其中的二道洼群哈拉沁火山岩具有与弧火山岩类似特征;五是古元古代造山作用经历了挤压-伸展-挤压的演化过程,~1.95 Ga和~1.85 Ga的变质事件记录了两次挤压构造作用过程,而1.93~1.90 Ga的超高温变质事件发生在伸张背景下。此外孔兹岩系碎屑锆石最大峰值均在~2.0 Ga,对其碎屑源区尚无合理解释,不能排除高温-超高温变质作用对孔兹岩系沉积岩中碎屑锆石的U-Pb同位素体系有一定影响。
图6 华北克拉通中北部古元古代造山带演化模式图
Fig.6 Evolution model of Paleoproterozoic orogen in the north cent ral part of North China Craton
可以设想华北克拉通中北部古元古代造山带经历了如下演化过程:
约2.2~2.0 Ga,华北太古宙古陆发生裂谷作用,出现大规模花岗质岩浆作用,并伴有基性岩浆活动和少量酸性火山活动,这些大规模花岗质岩石成为裂谷盆地重要的碎屑物源。大致沿孔兹岩沉积盆地,裂谷作用最强烈,导致了大陆的分裂和洋盆的形成,在裂谷盆地中沉积了以古元古代花岗岩为主要碎屑物源的孔兹岩系原岩建造;而在五台的滹沱和吕梁的野鸡山等裂谷盆地中则沉积了太古宙和古元古代物源并存的沉积建造,并伴有较强烈的基性岩浆活动。
约2.0~1.95 Ga,构造体系反转,由伸展体系转换为挤压体系(导致反转的动力学机制尚不明确,也许是全球哥伦比亚超大陆汇聚事件,也许是地幔柱活动引起,如同[81]Burov and Gerya所模拟的那样),阴山地块与晋冀地块逐渐靠拢-俯冲-碰撞,在俯冲带前缘形成由孔兹岩系构成的巨大增生楔;南侧的天镇-怀安地块相对北侧的乌拉山-大青山地块俯冲作用更强烈,形成了大面积分布的高压麻粒岩。
约1.95~1.90 Ga,俯冲板块发生板片拆沉,导致幔源岩浆大规模上涌。在造山带核部由于徐武家期辉长苏长岩的上侵和基性岩浆板底垫托作用,孔兹岩系被加热而发生大规模深熔作用,形成大规模的强过铝质S型花岗岩和部分I型花岗岩,并引发了区内超高温变质作用。伸展构造背景下在天镇-怀安和乌拉山-大青山再造杂岩带中有许多基性岩墙侵位,局部也出现了超高温变质作用(如兴和黄土窑和武川东坡)。伴随基性岩墙侵位,还有一些碱性岩浆活动,如内蒙古兴和黄土窑地区有较大规模的辉石正长岩岩脉产出,在山西云中山地区发现了同时代的霞石正长岩。
约1.90~1.82 Ga,在由地幔岩浆上侵诱导的伸展阶段后,在全球哥伦比亚超大陆汇聚构造背景下,华北克拉通整体重新转换为挤压构造体系,怀安地块再次向北(北西)俯冲,在凉城深熔花岗岩带北侧出现中基性火山岩喷发和碎屑岩沉积,相当于弧后盆地的构造背景。挤压造山使二道洼群发生了强烈的变形变质作用,~1.85 Ga的变质作用在整个造山带乃至华北克拉通的大部分地区都有记录。
1.82 Ga以后,整体进入造山后的伸展抬升阶段。韧性剪切带发育,局部记录了~1.80 Ga的退变质作用;随后有~1.8 Ga的花岗岩侵位和~1.78 Ga的基性岩墙侵位。
(1)华北克拉通中北部变质基底可划分为阴山新太古代岩浆弧(阴山地块)、乌拉山-大青山古元古代再造杂岩带(Pt1)、凉城深熔花岗岩带(Pt1)、天镇-怀安再造杂岩带(Pt1)和五台新太古代岛弧带等5个构造单元。乌拉山-大青山古元古代再造杂岩带、凉城深熔花岗岩带和天镇-怀安再造杂岩带构成了古元古代造山带。
(2)凉城深熔花岗岩可以划分为3期6种岩石类型,早期阶段(~1.95 Ga)形成中细粒石榴二长花岗岩,是俯冲阶段泥砂质碎屑岩进入地壳深部高角闪岩相条件下脱水熔融的产物。主期阶段(~1.94~1.91 Ga)在高温-超高温条件下发生大规模深熔形成巨斑状紫苏花岗岩,包括4种岩石类型:斑状紫苏花岗闪长岩、斑状含石榴紫苏花岗闪长岩、斑状石榴紫苏二长花岗岩和斑状石榴紫苏正长花岗岩。其中不含石榴石的斑状紫苏花岗闪长岩具有钙碱性I-型花岗岩特征。晚期阶段(<1.91 Ga)形成含石榴正长花岗岩,是抬升减压阶段背景下变粒岩-浅粒岩组合部分熔融的产物。
(3)钻孔资料和航磁特征揭示鄂尔多斯盆地变质基底不是一个独立的太古宙地块,而是古元古代造山带的重要组成部分,造山带核部的深熔花岗岩带可从内蒙古凉城一带穿过鄂尔多斯盆地延伸到宁夏的贺兰山一带。
(4)综合分析古元古代变质作用、岩浆作用和构造变形作用,认为古元古代造山带经历了大陆裂解、俯冲碰撞、板片拆沉-地幔上涌、挤压造山和造山后伸展抬升的复杂演化过程。与板块俯冲作用相关的岩浆弧缺失、深熔作用强烈且发育超高温变质岩、无典型蛇绿岩可能是地球早期热板块构造的重要特色。
致谢:参与本文工作的还有康健丽、田辉、初航、佟鑫、肖志斌、滕菲等同志,成文过程中得到了郭敬辉研究员、徐仲元教授、金巍教授、万渝生研究员、赵凤清研究员和李承东教授级高工等的指导和帮助,在此一并致谢。
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