冀西北懷安地區(qū)基底變質(zhì)巖系構(gòu)造變形序列研究

郝連成， 王衛(wèi)國， 胡延斌， 韓明洋

(中國人民武裝警察部隊(duì)黃金第七支隊(duì)，煙臺(tái) 264004)

0 引言

華北克拉通在太古宙—古元古代期間的構(gòu)造演化問題一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)，通過大量的巖石地球化學(xué)、變質(zhì)巖及同位素年代學(xué)研究，獲得了眾多研究成果[1-5]。但是，關(guān)于華北克拉通早前寒武紀(jì)基底微陸塊的劃分、拼合方式及時(shí)間的認(rèn)識(shí)，目前仍存在很大分歧，代表性觀點(diǎn)有： ①華北克拉通基底可分為3個(gè)太古宙—古元古代微陸塊(東部陸塊、北陰山陸塊和鄂爾多斯陸塊)和3個(gè)古元古代活動(dòng)帶(孔茲巖帶、華北中部帶和膠—遼—吉帶)，其中鄂爾多斯陸塊和北陰山陸塊在約1.95 Ga沿EW向孔茲巖帶碰撞對(duì)接形成西部陸塊，然后西部陸塊與東部陸塊在約1.85 Ga沿SN向華北中部地帶碰撞拼合，形成華北克拉通結(jié)晶基底[6-7]； ②東部陸塊與西部陸塊的碰撞造山發(fā)生在約2.5 Ga，冀北古元古代造山帶(1.93～1.92 Ga)代表區(qū)域上由北向南碰撞逆沖[8]； ③將華北克拉通劃分為6個(gè)主要的微陸塊(膠遼、許昌、遷懷、阜平、集寧和阿拉善)，認(rèn)為華北克拉通的形成經(jīng)歷了兩期克拉通化事件。第一期克拉通化發(fā)生在太古宙末期(2.53～2.60 Ga)，微陸塊被火山-沉積巖系焊接，隨后發(fā)生變質(zhì)作用和花崗巖化，完成初步克拉通化，華北地區(qū)形成現(xiàn)今規(guī)模的古陸； 第二期克拉通化發(fā)生在古元古代末期(1.82～1.95 Ga)，華北克拉通出現(xiàn)了以3條古元古代活動(dòng)帶(豐鎮(zhèn)活動(dòng)帶、晉豫活動(dòng)帶和膠遼活動(dòng)帶)為代表的裂谷-俯沖-增生-碰撞的陸內(nèi)造山事件,至中元古代，華北進(jìn)入地臺(tái)演化階段[9-10]。冀西北懷安地區(qū)位于遷懷陸塊西北緣[9]或中部碰撞帶中北部[7]，均處于微陸塊拼合部位，探討該區(qū)的構(gòu)造演化對(duì)認(rèn)識(shí)華北克拉通早前寒武紀(jì)地質(zhì)演化具有重要意義。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過第一手野外資料，建立基底變質(zhì)巖系構(gòu)造變形序列，探討該區(qū)早前寒武紀(jì)構(gòu)造演化過程。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

根據(jù)不同地區(qū)巖石組合、物質(zhì)來源、形成方式及構(gòu)造背景等方面的差異，將研究區(qū)劃分為以太古宙TTG巖系為特征的懷安雜巖體、以孔茲巖為特征的集寧巖群和以變質(zhì)火山-沉積巖為特征的紅旗營子巖群3個(gè)巖石構(gòu)造單元[11]。懷安雜巖體構(gòu)成研究區(qū)的主體，尚義—平泉斷裂與北部紅旗營子巖群相鄰，西部與孔茲巖帶相鄰(圖1)。

ALS.阿拉善陸塊； JN.集寧陸塊； JL.膠遼陸塊； FP.阜平陸塊； QH.遷懷陸塊； XCH.許昌陸塊

懷安雜巖是一套遭受強(qiáng)烈變形變質(zhì)、片麻理發(fā)育且普遍達(dá)到麻粒巖相的高級(jí)變質(zhì)巖系。其中，中酸性麻粒巖-片麻巖達(dá)70%以上(圖2)，主要為英云閃長質(zhì)片麻巖、花崗閃長質(zhì)片麻巖、奧長花崗質(zhì)片麻巖和二長花崗質(zhì)片麻巖，具有TTG組合特征[12]。其次為桑干巖群馬市口巖組和右所堡巖組，出露面積較小，且多呈大小不等的包體零星分布于TTG片麻巖中，巖石類型主要為麻粒巖、變粒巖、片麻巖及磁鐵石英巖等，原巖形成于拉張環(huán)境下的初始大洋-陸緣裂谷構(gòu)造環(huán)境[13]。

西北部的孔茲巖系，在研究區(qū)內(nèi)主要為集寧巖群沙渠村組，由淺粒巖、變粒巖、片麻巖、長石石英巖及基性麻粒巖組成，為一套麻粒巖相-高角閃巖相的變質(zhì)沉積巖組合。原巖盆地的構(gòu)造屬性有克拉通盆地[14-15]、被動(dòng)大陸邊緣[16]和活動(dòng)大陸邊緣[17]等多種解釋。近年來，大量碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)研究資料顯示,其原巖形成于古元古代，時(shí)間限制為2.3～2.0 Ga[15]。

北部紅旗營子巖群為一套經(jīng)歷綠片巖相-角閃巖相變質(zhì)的火山-沉積建造，研究區(qū)內(nèi)僅在套里莊鄉(xiāng)西側(cè)有小面積太平莊巖組出露(圖2)，為紅旗營子巖群下部巖組，主要由變粒巖、片麻巖及斜長角閃巖組成，韌性變形較強(qiáng)。通過對(duì)紅旗營子巖群建群標(biāo)準(zhǔn)剖面的角閃黑云花崗閃長質(zhì)片麻巖進(jìn)行SHRIMP鋯石U-Pb測(cè)年，表明1 841 Ma為其成巖年齡[18]，紅旗營子巖群主體火山巖系形成應(yīng)略早。

圖2 懷安地區(qū)早前寒武紀(jì)地質(zhì)簡圖

2 構(gòu)造形跡

研究區(qū)早前寒武紀(jì)結(jié)晶基底均為中高級(jí)變質(zhì)巖系，自太古宙以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)，形成了空間上并置、時(shí)間上疊加的復(fù)合型構(gòu)造組合。本次野外調(diào)查表明，該區(qū)主要以中深構(gòu)造層次下的韌性變形為主，形成的主要構(gòu)造形跡包括片麻理、變余層理、構(gòu)造透鏡體、小褶皺等小型構(gòu)造和韌性剪切帶、褶皺等大型構(gòu)造。

2.1 小型構(gòu)造

2.1.1 片麻理

片麻理是研究區(qū)基底變質(zhì)巖最明顯的構(gòu)造形跡，主要由角閃石、黑云母等片狀礦物、柱狀礦物和粒狀礦物相間排列，具有明顯定向性，對(duì)構(gòu)造方向具有指示作用[19]。片麻理在該區(qū)早前寒武紀(jì)各地質(zhì)體中均較發(fā)育，新太古代地質(zhì)體受后期變形疊加影響，片麻理產(chǎn)狀較混亂，但亦有規(guī)律可循，其較好地反映了褶皺等其他構(gòu)造現(xiàn)象。桑干巖群與TTG片麻巖片麻理不協(xié)調(diào)，說明為兩期構(gòu)造變形的結(jié)果。集寧巖群沙渠村巖組片麻理產(chǎn)狀穩(wěn)定，走向以NE 30°～50°為主，傾向NW，傾角中等(30°～50°)。紅旗營子巖群太平莊巖組片麻理主體走向近EW向，與尚義—平泉斷裂平行。

2.1.2 變余層理

研究區(qū)變質(zhì)表殼巖特征明顯，雖然經(jīng)歷了麻粒巖相的變質(zhì)和深構(gòu)造層次下的變形，原生沉積構(gòu)造大部消失殆盡，但在部分地段仍可觀察到由不同礦物含量形成的巖石成分層。尤其在沙渠村巖組中，發(fā)現(xiàn)由變質(zhì)后形成的石英、長石、石榴石和黑云母共同構(gòu)成的成層分帶現(xiàn)象，可能是其原始層理的反映(圖3(a)、(b))。

(a) 沙渠村巖組宏觀上呈層狀構(gòu)造 (b) 沙渠村巖組巖石成分層

(c) 奧長花崗質(zhì)片麻巖中斜長角閃巖透鏡體 (d) 片麻巖中鎂鐵質(zhì)巖構(gòu)造透鏡體

2.1.3 構(gòu)造透鏡體

調(diào)查發(fā)現(xiàn),新太古代古老表殼巖組合常呈構(gòu)造透鏡體產(chǎn)于變質(zhì)深成巖中，空間上呈斷續(xù)狀、尖滅再現(xiàn)狀產(chǎn)出，形似“漂浮”的巖塊(圖3(c))。片麻巖中的鎂鐵質(zhì)侵入巖席或脈體，在變形中常形成石香腸(圖4(a))或透鏡體，在石香腸或透鏡體內(nèi)部存在弱變形的核，邊部為強(qiáng)變形的幔，有時(shí)發(fā)育超塑性流動(dòng)變形的尾或翼，多呈σ型(圖3(d))，從塊體的形態(tài)和兩側(cè)片麻理的產(chǎn)狀可以判別剪切運(yùn)動(dòng)的方向。

(c) 褶皺f2示意圖 (d) 次級(jí)褶皺素描圖

2.1.4 小褶皺

研究區(qū)小褶皺較發(fā)育，主要零星分布于新太古代地質(zhì)體內(nèi)，其發(fā)育背景與大型順層韌性剪切作用及其伴生的深部重熔作用有關(guān)[19]。褶皺形態(tài)及類型復(fù)雜： 一類是揉流褶皺(圖4(b))，深熔作用使淺色體和暗色體逐漸分離，淺色長英質(zhì)物質(zhì)出熔形成大量淺色條帶,脈體的不規(guī)則褶皺或脈體呈勾狀產(chǎn)于小褶皺轉(zhuǎn)折端，空間上該類褶皺呈緊閉不對(duì)稱形態(tài); 另一類是變質(zhì)基性巖脈體侵入后發(fā)生的緊閉剪切褶皺，主要為無根褶皺(圖3(e))、平臥褶皺和腸狀褶皺(圖3(f))等，具不對(duì)稱褶皺的特點(diǎn)，反映了明顯的剪切流動(dòng)變形機(jī)制。這些小褶皺與區(qū)域片麻理同期，是巖石在半固態(tài)塑性狀態(tài)下受近水平剪切作用形成的。

2.2 大型構(gòu)造

2.2.1 褶皺

在綜合研究區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，通過分析研究區(qū)各地質(zhì)體的分布及產(chǎn)狀，并結(jié)合野外構(gòu)造現(xiàn)象，識(shí)別出了兩期發(fā)育在新太古代地質(zhì)體上的褶皺。

第一期褶皺由3個(gè)近平行的背形和向形組成復(fù)式背形和向形構(gòu)造，總體軸向近EW—NEE向，向東傾伏，核部為馬市口巖組，兩翼為右所堡巖組。北部背斜核部位于馬市口—舊堡一帶，核部及近核部有大量新太古代變質(zhì)侵入巖及古元古代變質(zhì)侵入巖，南側(cè)被第四系覆蓋(圖2中f1-1)。中部背斜核部位于崛侖屯村—治家莊一帶，由馬市口巖組組成，見大量新太古代變質(zhì)侵入巖侵入，兩翼由右所堡巖組構(gòu)成(圖2中f1-2)。南部背斜核部位于西灣堡一帶，西側(cè)核部被正長花崗巖侵入，東側(cè)被第四系覆蓋，核部也有新太古代變質(zhì)侵入巖侵入(圖2中f1-3)?？傮w上，該期褶皺表現(xiàn)為背形緊閉、向形寬緩的形態(tài)。桑干巖群和新太古代變質(zhì)侵入巖均卷入該期褶皺，古元古代以后的地質(zhì)體未卷入，由此可知，該期褶皺變形時(shí)間應(yīng)發(fā)生于新太古代侵入巖形成之后，為新太古代末期。

第二期褶皺在近EW向復(fù)式背形和向形的基礎(chǔ)上，疊加形成了近SN—NNE向開闊復(fù)式背形和向形(圖2中f 2-1、f 2-2)。兩期褶皺疊加部位的產(chǎn)狀傾向變化大，背形疊加位置形成穹窿，出露馬市口巖組和新太古代變質(zhì)深成巖，向形疊加部位形成構(gòu)造盆地，出露右所堡巖組，并見古元古代侵入巖侵入。野外可見第二期復(fù)式背形和向形褶皺的次級(jí)褶皺(圖4(c)、(d))，樞紐產(chǎn)狀與主褶皺軸近平行。該期褶皺將新太古代地質(zhì)體卷入變形，推測(cè)變形時(shí)代應(yīng)在古元古代早期。

2.2.2 韌性剪切帶

韌性剪切帶主要產(chǎn)出于變質(zhì)巖系中[20]，通過研究區(qū)內(nèi)糜棱巖及糜棱巖化巖石，識(shí)別出3條具有一定規(guī)模的韌性剪切帶，分別位于西趙家窯村北西(圖2中DS1)、小壩子—松樹溝(圖2中DS2)和套里莊鄉(xiāng)南西(圖2中DS3)，具體特征如表1和圖5所示。

表1 研究區(qū)韌性剪切帶特征

(a) DS1糜棱巖長石、石英呈壓扁拉長狀 (b) DS2糜棱巖宏觀特征 (c) DS3牽引小褶皺

(d) DS3牽引小褶皺 (e) DS3糜棱巖化黑云斜長片麻巖鏡下特征 (f) DS3長英質(zhì)糜棱巖鏡下特征

西趙家窯村北西韌性剪切帶(DS1)總體呈NE向展布，兩側(cè)被新太古代變質(zhì)深成巖截?cái)?，長2～3 km，寬15～30 m，傾向NW，傾角10°～20°，帶內(nèi)糜棱面理發(fā)育，其產(chǎn)狀與兩側(cè)片麻理一致，該韌性剪切帶僅改造了馬市口巖組，故推測(cè)其形成于新太古代阜平運(yùn)動(dòng)晚期； 小壩子—松樹溝韌性剪切帶(DS2)位于研究區(qū)西北部，僅發(fā)育于古元古代沙渠村巖組中，呈NE向展布，向北延出研究區(qū)，長>5 km，寬十幾米至幾十米不等，傾向NW，傾角30°～45°，變形帶主要由糜棱巖和糜棱巖化巖石組成，糜棱面理、拉伸線理發(fā)育，綜合研究認(rèn)為其形成于古元古代早期； 套里莊鄉(xiāng)南西韌性剪切帶(DS3)位于研究區(qū)北部，總體呈近EW向展布，向西延伸出研究區(qū)，東側(cè)被漢諾壩組玄武巖覆蓋，長<2 km，寬幾十米至百余米，走向約100°，北傾，傾角50°～70°，變形帶主要由弱糜棱巖化黑云斜長片麻巖、糜棱巖化黑云斜長片麻巖、糜棱巖化黑云角閃斜長片麻巖和長英質(zhì)糜棱巖組成，糜棱面理、拉伸線理發(fā)育，并見大量牽引小褶皺，該斷裂僅發(fā)育在古元古代太平莊巖組內(nèi)，綜合研究表明其形成于古元古代晚期。

3 變形序列及構(gòu)造演化討論

該區(qū)位于華北克拉通北緣中段，是華北陸塊構(gòu)造演化的縮影，近年來，眾多學(xué)者認(rèn)為華北克拉通在太古宙早期已形成陸核，而后在不同時(shí)代，陸核以不同規(guī)模和方式進(jìn)行拼接，形成較大的陸塊，進(jìn)而向穩(wěn)定克拉通轉(zhuǎn)化[21-25]。在研究該區(qū)變質(zhì)巖系建造、改造與變質(zhì)作用的基礎(chǔ)上，結(jié)合同位素年齡數(shù)據(jù)，分析區(qū)內(nèi)早前寒武紀(jì)構(gòu)造變形順序，建立該區(qū)早前寒武紀(jì)主要地質(zhì)構(gòu)造變形序列(表2)和早前寒武紀(jì)構(gòu)造演化模式(圖6),將研究區(qū)構(gòu)造過程劃分為新太古代陸殼增生階段和古元古代碰撞造山階段。

表2 早前寒武紀(jì)主要地質(zhì)事件

1.洋殼； 2.古陸殼； 3.地幔軟流圈； 4.桑干巖群； 5.集寧巖群； 6.紅旗營子巖群； 7.TTG/花崗巖； 8.桑干巖群原巖；9.集寧巖群原巖； 10.碰撞構(gòu)造帶； 11.蔓菁溝—大廟區(qū)域斷裂； 12.尚義—平泉斷裂

3.1 新太古代陸殼增生階段

新太古代，特別是2 700～2 450 Ma期間，是華北地區(qū)地殼快速增生階段，幾乎所有地表出露的太古宙變質(zhì)巖均在此時(shí)間段形成[26-27]。目前,尚未精確厘定地殼增生的精細(xì)年齡格架，以往研究大多認(rèn)為華北地區(qū)經(jīng)歷了兩期或更多期的克拉通化，在約2 500 Ma的新太古代末，華北地區(qū)已形成現(xiàn)今規(guī)模的古陸[28-29]。近期研究表明，太古宙的巖石經(jīng)歷了約2 600 Ma和2 520～2 500 Ma的變質(zhì)作用[9]，進(jìn)一步證實(shí)華北地區(qū)存在與克拉通化有關(guān)的約2 500 Ma變質(zhì)作用和殼熔花崗巖事件。

新太古代早期為研究區(qū)早前寒武紀(jì)變質(zhì)基底的陸殼孕育期，由拉張裂解向盆地發(fā)展，穩(wěn)定過渡演變，古陸殼在地幔軟流圈對(duì)流和上涌作用下裂解，形成了古大洋或古大陸邊緣裂谷海。冀西北的堆積中心在懷安一帶，有海相碎屑巖、硅鐵質(zhì)巖、碳酸鹽巖和含碳質(zhì)碎屑巖等沉積建造，與大洋-裂谷型超基性、基性和中性火山巖建造交替，形成桑干巖群原巖(圖6(a))。

新太古代中期是研究區(qū)新生陸殼的初步形成與第一改造期，由前造山轉(zhuǎn)為同造山早期前碰撞階段，阜平微陸塊向懷安微陸塊俯沖(圖6(b))。期間第一期麻粒巖相區(qū)域變質(zhì)期間第一期韌性變形(D1)形成，主要發(fā)生于2 657～2 600 Ma[30]。桑干巖群形成區(qū)域片麻理和殘存片內(nèi)的無根褶皺，并在馬市口組形成與片麻理一致的韌性剪切帶(DS1)。

新太古代晚期(2 600～2 500 Ma)是華北陸塊演化最重要的時(shí)期，有大量TTG巖系形成，并有廣泛的麻粒巖相-角閃巖相變質(zhì)作用[9]。近年來的鋯石U-Pb年齡結(jié)果[2,31-34]顯示，TTG巖系的年齡均為2 500 Ma左右(表3)，說明2 500 Ma該區(qū)存在巨量的初始地殼增生。研究表明,TTG巖系具有俯沖洋殼部分熔融特征[3,34]，推斷新太古代該區(qū)為與洋殼俯沖有關(guān)的島弧或大陸邊緣弧(圖6(c))。該期巖漿事件與變質(zhì)事件幾乎同時(shí)發(fā)生，為同一構(gòu)造熱事件的產(chǎn)物[35]，伴隨此次構(gòu)造熱事件，區(qū)內(nèi)發(fā)生了第二期變形(D2)(圖6(d))。在TTG巖系中形成區(qū)域性片麻理和條帶狀構(gòu)造，并在桑干巖群中形成近EW向的復(fù)式背形和向形構(gòu)造(f1)。

表3 懷安地區(qū)及鄰區(qū)TTG巖系年齡

3.2 古元古代碰撞造山階段

最近幾年，古元古代華北克拉通的構(gòu)造演化引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，部分學(xué)者認(rèn)為華北陸塊是古元古代晚期東部陸塊與西部陸塊碰撞拼合而成的[25]，雖然對(duì)拼合格局和方式認(rèn)識(shí)不同，但大多數(shù)學(xué)者承認(rèn)呂梁運(yùn)動(dòng)對(duì)華北陸塊的最終形成作出了巨大貢獻(xiàn)[7,21]。呂梁旋回在研究區(qū)由集寧巖群、紅旗營子巖群及大量侵入巖構(gòu)成。

與世界其他克拉通的地球動(dòng)力學(xué)背景類似，華北克拉通也經(jīng)歷了2.5～2.3 Ga的“構(gòu)造寂靜期”[10,14]。2.3～2.0 Ga期間，區(qū)內(nèi)集寧巖群沙渠村巖組(孔茲巖系)形成[15]，原巖盆地的構(gòu)造屬性有克拉通盆地[14-15]、被動(dòng)大陸邊緣[16]或活動(dòng)大陸邊緣[17]等多種解釋。巖相古地理分析認(rèn)為原巖更可能形成于陸表海[15](圖6(e))。同位素特征研究顯示，伴隨1.95 Ga左右的構(gòu)造熱事件[7,36]，研究區(qū)發(fā)生第三期變形(D3)，沙渠村巖組發(fā)生麻粒巖相-高角閃巖相變質(zhì)，形成區(qū)域性片麻理，并形成與片麻理一致的NE向韌性剪切帶(DS2)，在新太古代地質(zhì)體中疊加一期近SN向的開闊復(fù)式背形和向形構(gòu)造(f2)。

華北克拉通的微陸塊碰撞與2.1～1.8 Ga的全球造山事件同步[15]，研究區(qū)表現(xiàn)為陰山陸塊向懷安方向俯沖-碰撞(圖6(f))。古元古代晚期，紅旗營子巖群形成于陰山陸塊南緣[18]，1.8 Ga左右，伴隨南北陸塊的拼合(圖6(g))，研究區(qū)發(fā)生第四期變形(D4)。太平莊組發(fā)生角閃巖相-綠片巖相變質(zhì)，形成片理和片麻理，尚義—平泉斷裂形成，太平莊組主要表現(xiàn)為韌性剪切帶(DS3)。

4 結(jié)論

(1)懷安地區(qū)早前寒武紀(jì)基底變質(zhì)巖系構(gòu)造變形序列主要分為4期： 阜平晚期(D1)，桑干巖群韌性變形，形成區(qū)域片麻理、無根褶皺及韌性剪切帶； 五臺(tái)晚期(D2)，新太古代TTG/花崗巖韌性變形，形成區(qū)域性片麻理,桑干巖群被疊加改造，形成近EW向的復(fù)式背形和向形構(gòu)造； 呂梁中期(D3)，集寧巖群形成區(qū)域性片麻理和韌性剪切帶，新太古代地質(zhì)體中疊加近SN向的開闊復(fù)式背形和向形構(gòu)造; 呂梁晚期(D4)，紅旗營子巖群形成片理和片麻理，尚義—平泉斷裂形成。

(2)懷安地區(qū)早前寒武紀(jì)構(gòu)造演化模式可劃分為新太古代陸殼增生階段和古元古代碰撞造山階段。

(3)懷安地區(qū)早前寒武紀(jì)基底變質(zhì)巖系構(gòu)造變形序列的確立及構(gòu)造演化模式的分析，對(duì)理解華北克拉通的形成具有重要意義。

需要說明的是，受研究區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件和研究水平的限制，本文僅粗略地研究了懷安地區(qū)構(gòu)造變形序列，而如何建立詳細(xì)的早前寒武紀(jì)基底變質(zhì)巖系構(gòu)造變形序列，厘定構(gòu)造演化的精細(xì)格架，是下一步需要解決的問題。