冀北赤城蛇紋石化橄欖巖是否為太古宙蛇綠巖殘片？*

劉卉 張宏福, 2

板塊構(gòu)造運(yùn)動是固體地球內(nèi)部物質(zhì)和能量循環(huán)的重要方式。然而，地球上最早何時開始出現(xiàn)板塊構(gòu)造至今仍無定論(Condie and Kr?ner, 2008)。學(xué)者們通過元素和同位素地球化學(xué)、古地磁、高壓變質(zhì)作用、蛇綠巖等多個方面的研究給出了不同的時間——從大約4.3Ga的冥古宙(Harrisonetal., 2008)到新元古代(ca. 800Ma; Hamilton, 1998, 2011; Stern, 2008)。其中，指示板塊構(gòu)造運(yùn)動開啟于太古宙的研究多是通過與俯沖或大陸地殼生長相關(guān)的地球化學(xué)特征來進(jìn)行(N?raaetal., 2012; Tangetal., 2016)。例如，Harrison(2009)對3.5～4.3Ga Jack Hills 碎屑鋯石年代學(xué)、Lu-Hf同位素和氧同位素組成特征的研究，認(rèn)為這些碎屑鋯石來自花崗巖，因此推測地球在冥古宙早期就已經(jīng)開啟了板塊構(gòu)造運(yùn)動。一些學(xué)者認(rèn)為，太古宙地幔熱流值較高，難以實(shí)現(xiàn)板塊的俯沖(Hamilton, 2011)。并且，與俯沖相關(guān)的巖石組合，包括蛇綠巖、藍(lán)片巖和高壓變質(zhì)地體最早出現(xiàn)的時間在1.0Ga以后，從而認(rèn)為類似現(xiàn)在意義的板塊構(gòu)造開啟時間不早于1.0Ga，甚至更晚(Stern, 2008)。

蛇綠巖被認(rèn)為是在匯聚板塊邊界構(gòu)造就位于大陸邊緣的一套巖石組合，代表已經(jīng)消失的大洋巖石圈，是板塊構(gòu)造運(yùn)動存在的最直接標(biāo)志之一。彭羅斯(Penrose)會議定義了一套完整的蛇綠巖組成，從底部到頂部包括：超鎂鐵質(zhì)巖、輝長質(zhì)雜巖、鎂鐵質(zhì)席狀巖墻、鎂鐵質(zhì)火山雜巖及伴生巖系(Penrose Conference Participants, 1972)。然而，隨著對蛇綠巖研究的深入，地質(zhì)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)蛇綠巖有很多類型，它們所包含的巖石組合也不相同(Pearce, 2003; Dilek and Furnes, 2011)。目前已經(jīng)識別并做詳細(xì)研究的蛇綠巖多出現(xiàn)在顯生宙造山帶之中，例如塞浦路斯的Troodos蛇綠巖、Oman蛇綠巖等(Dilek and Furnes, 2009及其參考文獻(xiàn))，而顯生宙之前的前寒武紀(jì)保存的蛇綠巖則比較少見。其中保存接近完整并且廣為接受的前寒武紀(jì)蛇綠巖是芬蘭的Jourma蛇綠巖(1.96Ga)和加拿大Purtuniq蛇綠巖(1.99Ga)。此外，一些學(xué)者將更古老的格陵蘭Isua表殼巖帶(3.8Ga; Furnesetal., 2007)和加拿大Wawa綠巖帶(2.7Ga; Polatetal., 2015)視為蛇綠混雜巖，這一觀點(diǎn)仍存在很大爭議。曾被認(rèn)為是華北克拉通保存最古老的東灣子蛇綠巖(2.5Ga; Kuskyetal., 2001)，也因各巖石單元之間是否具有相關(guān)性遭到很多學(xué)者的質(zhì)疑(Zhaoetal., 2008)。

一般來說，蛇綠巖的年代越新，保存越完好，其巖石組合剖面越接近標(biāo)準(zhǔn)剖面，也越容易識別。越古老的蛇綠巖，形成時的地球環(huán)境與現(xiàn)今差別越大，因此其巖石組合和結(jié)構(gòu)剖面與現(xiàn)今蛇綠巖多少存在差異，無法做到完全一致。再者，古老的蛇綠巖受到后期地質(zhì)作用的改造較為強(qiáng)烈和復(fù)雜，甚至不能完全保留形成時的巖石組合，各巖石單元之間的接觸關(guān)系或許也被改變。因此，古老蛇綠巖的識別非常困難，不能完全按照是否具有標(biāo)準(zhǔn)剖面的組合來判定，需要認(rèn)識到蛇綠巖的本質(zhì)是已消失的大洋巖石圈殘片。這無疑是一件比較難的事情。然而，對古老蛇綠巖，尤其是太古宙蛇綠巖的識別和研究卻具有非常重大的地質(zhì)意義，其中之一就是對確定早期板塊構(gòu)造起始的時間起到關(guān)鍵作用。

華北克拉通作為世界上最古老的克拉通之一，保存了大量太古宙的地質(zhì)記錄(Zhaoetal., 2005)，因此是尋找古老蛇綠巖的絕佳場所。華北克拉通在構(gòu)造格架上可以分為東部陸塊、西部陸塊以及被認(rèn)為是東部和西部陸塊之間碰撞拼合而成的中部造山帶(Zhaoetal., 2001, 2005; Kusky and Li, 2003)。隨著有關(guān)島弧巖漿作用(Yang and Santosh, 2014)和俯沖進(jìn)變質(zhì)P-T軌跡的揭示(Zhangetal., 2016)，學(xué)者們認(rèn)識到中部帶很可能經(jīng)歷了自1.95Ga到1.85Ga連續(xù)的俯沖-碰撞過程(Chenetal., 2020; Liu and Zhang, 2021)。

在中部帶的北段，冀北赤城地區(qū)出露一套前寒武紀(jì)基底——紅旗營子群。紅旗營子群由角閃斜長片麻巖、退變榴輝巖和蛇紋石化橄欖巖所組成的巖石組合，其中蛇紋石化橄欖巖和退變榴輝巖以構(gòu)造透鏡體的形式產(chǎn)出于片麻巖之中。赤城紅旗營子群片麻巖的年代學(xué)研究從二十世紀(jì)九十年代至今爭論不斷，他們到底是古生代的變質(zhì)雜巖(王惠初等，2012) 還是形成于新太古代-古元古代(王啟超, 1992；胡學(xué)文等，1996；劉樹文等2007)？前人從退變榴輝巖的鋯石中得到了428～326Ma的年代學(xué)數(shù)據(jù)，從而認(rèn)為退變榴輝巖的形成與古亞洲洋的閉合相關(guān)(Nietal., 2006; 孔旭等，2011)，這一觀點(diǎn)在解釋紅旗營子群的成因上似乎行不通(Liuetal., 2019)。有學(xué)者對橄欖巖的研究認(rèn)為其與蛇綠巖型的橄欖巖性質(zhì)相同(盧俊生等, 2009； Liu and Zhang, 2019)，或認(rèn)為其為構(gòu)造抬升的大陸巖石圈地幔(Tianetal., 2017)。那么，赤城紅旗營子群是否是蛇綠巖？又是什么時期的蛇綠巖？本文將從巖石學(xué)和地球化學(xué)的角度對此做簡單探討。

圖1 華北克拉通基底構(gòu)造單元劃分(a, 據(jù)Zhao and Zhai, 2013修改)和中部帶北段地質(zhì)簡圖(b，據(jù)Wang et al., 2011修改)Fig.1 Tectonic subdivision of North China Craton (a, modified after Zhao and Zhai, 2013) and geological sketch map of the northern Trans-North China Orogen (b, modified after Wang et al., 2011, 2013)

1 區(qū)域地質(zhì)背景

華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，由始太古代到古元古代結(jié)晶基底和之上的中元古代到新生代沉積蓋層組成(Jahn, 1990; Zhai, 2004)。關(guān)于華北克拉通基底的劃分，有三種方案，其中Zhai and Liu(2003)認(rèn)為華北克拉通結(jié)晶基底是由多個微陸塊在～2.5Ga的新太古代末期拼合形成統(tǒng)一的華北克拉通基底。Zhaoetal.(2001)和Kusky and Li(2003)都采用三分法，將華北克拉通基底劃分三個部分：東部陸塊、西部陸塊和中部造山帶，其中中部造山帶是由東部陸塊和西部陸塊碰撞拼接而成(圖1a)。不過，關(guān)于碰撞拼合時間二者觀點(diǎn)不同，前者認(rèn)為中部造山帶是由東西部陸塊在1.95～1.85Ga碰撞拼合形成(Zhaoetal. 2001)，后者則認(rèn)為該過程發(fā)生在新太古代末期～2.5Ga(Kusky and Li, 2003)。

在中部帶的北段，有一條近東西走向的赤城-崇禮深大斷裂(圖1b)。前人地質(zhì)填圖時將斷裂帶以南的前寒武紀(jì)基底巖石稱為單塔子群，分布于斷裂帶以北的前寒武紀(jì)基底稱為紅旗營子群(許紹忠等, 2002)。紅旗營子群不僅分布有大量變火山沉積巖，同時也發(fā)育有大量的閃長巖-花崗閃長巖等深成巖，因此也有學(xué)者們將其稱為“紅旗營子雜巖”(胡學(xué)文等，1996)。紅旗營子群原巖建造主體上形成于新太古代，后期受到古元古代和古生代變質(zhì)事件的改造(王啟超, 1992；劉樹文等2007)。區(qū)內(nèi)廣泛分布晚古生代閃長質(zhì)到花崗質(zhì)深成侵入體，主要形成于324～252Ma期間(王惠初等, 2007; 王芳等, 2009)。赤城位于崇禮-赤城斷裂帶東段，區(qū)內(nèi)出露前寒武基底、侏羅紀(jì)地層和古生代侵入巖(圖2)。崇禮-赤城斷裂帶以北出露紅旗營子群片麻巖、超鎂鐵質(zhì)巖、退變榴輝巖和二疊紀(jì)侵入巖，斷裂帶以南分布著太古宙的單塔子群、小張家口超鎂鐵質(zhì)巖和二疊紀(jì)花崗巖(Wangetal., 2011)。赤城超鎂鐵質(zhì)巖出露有上百個塊體(陳安國等，1996)，多呈無根巖塊，以構(gòu)造團(tuán)塊的形式出露于片麻巖中，退變榴輝巖以透鏡狀或布丁形式產(chǎn)出于片麻巖中。

圖2 赤城地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)河北省地質(zhì)勘測總隊(duì), 1970(1)河北省地質(zhì)勘測總隊(duì). 1970. 1:20萬河北省地質(zhì)圖修改)

圖3 赤城紅旗營子群巖石出露和構(gòu)造接觸關(guān)系(據(jù)Liu and Zhang, 2019修改)Fig.3 The outcrop of rocks from the Chicheng Hongqiyingzi Group and their tectonic relationship with each other(modified after Liu and Zhang, 2019)

2 紅旗營子群的巖石組合和構(gòu)造特征

赤城的紅旗營子群主要巖石類型為角閃斜長片麻巖、超鎂鐵質(zhì)巖和退變榴輝巖。角閃斜長片麻巖片麻理發(fā)育，局部地區(qū)可見混合巖化。超鎂鐵質(zhì)巖由方輝橄欖巖、純橄巖和超鎂鐵質(zhì)堆晶巖三種巖石類型組成，多以構(gòu)造團(tuán)塊的形式與圍巖角閃斜長片麻巖直接接觸(圖3a)。在七里墩的一處露頭，從山底部到頂部依次出露方輝橄欖巖、純橄巖和超鎂鐵質(zhì)堆晶巖，其中純橄巖和堆晶巖交互出現(xiàn)(圖3b)。退變榴輝巖以零星分布的透鏡狀或布丁形式出現(xiàn)，與片麻巖直接接觸(圖3c)。紅旗營子群三種巖石的構(gòu)造特征指示，它們可能共同經(jīng)歷了某一時期的構(gòu)造演化過程。

赤城的橄欖巖主要采自七里墩(40°33′02″N、115°39′01″E)和呂合堡(39°57′40.8″N、116°22′39.2″E)兩地，均受到強(qiáng)烈的蛇紋石化作用，斜方輝石和橄欖石基本被蛇紋石取代，另外還普遍存在新生礦物——角閃石。一部分方輝橄欖巖比較新鮮，組成礦物為橄欖石、斜方輝石和角閃石，部分斜方輝石以大斑晶的形式出現(xiàn)。野外露頭即可觀察到斜方輝石晶體沿著一個方向定向排列，有些還被拉長呈長條狀(圖3d)。顯微鏡下觀察到方輝橄欖巖中普遍存在角閃石(Liu and Zhang, 2019)。純橄巖整體呈現(xiàn)淺綠色，基本完全蛇紋石化，沒有新鮮的礦物顆粒。堆晶巖基本組成礦物是蛇紋石和變質(zhì)角閃石，蛇紋石是由橄欖石蝕變而來，變質(zhì)角閃石由單斜輝石轉(zhuǎn)變而來。因此該巖石的原巖應(yīng)該是橄欖輝石巖，是由橄欖石和單斜輝石堆晶形成的巖石。因此，赤城蛇紋石化橄欖巖的巖石組合與典型蛇綠巖中地幔部分的巖石組合可以進(jìn)行對比。

3 赤城橄欖巖的地球化學(xué)特征與年代學(xué)

3.1 赤城橄欖巖與蛇綠巖的地球化學(xué)特征對比

赤城橄欖巖組合的巖石學(xué)特征顯示它們具有難熔的特征，它們的地球化學(xué)特征是否也指示如此的結(jié)果呢？本文作者曾對赤城橄欖巖的全巖主量和微量元素，以及礦物主量元素進(jìn)行測試分析，結(jié)果顯示其特征與典型蛇綠巖中橄欖巖有相似之處。

赤城純橄巖化學(xué)成分比較均一，全巖的MgO較高，Al2O3和CaO含量較低，全巖Mg#與典型的蛇綠巖套中的橄欖巖數(shù)值相近。大多數(shù)方輝橄欖巖同純橄巖一致，具有高M(jìn)gO，低Al2O3和CaO含量。純橄巖以及大部分方輝橄欖巖在 MgO/SiO2-Al2O3/SiO2圖解上落在地幔演化序列的難熔一端(圖4a，Liu and Zhang, 2019)。超鎂鐵質(zhì)堆晶巖主量元素成分變化較大。因此，橄欖巖的主量元素反映它們具有難熔的特征，為高程度部分熔融后的殘余，這與蛇綠巖中橄欖巖的特征是一致的。

圖4 赤城橄欖巖的地球化學(xué)特征圖解(據(jù)Liu and Zhang, 2019修改)Fig.4 The diagrams of Chicheng peridotites showing their geochemical characteristics (modified after Liu and Zhang, 2019)

赤城地區(qū)的純橄巖和部分方輝橄欖巖遭受了強(qiáng)烈的蛇紋石化，只有蛇紋石化相對較弱的含角閃石方輝橄欖巖，仍然保留新鮮的橄欖石、斜方輝石、角閃石和尖晶石礦物，筆者曾對這些礦物進(jìn)行了詳細(xì)的主量元素實(shí)驗(yàn)分析。赤城方輝橄欖巖中的橄欖石具有高的Fo [100×Mg2+/(Mg2++Fe2+)] 值，為91.5～92.2。方輝橄欖巖中的尖晶石為鉻尖晶石，Cr#[100×Cr/(Cr+Al)]在53.9～85.9之間，兩個低MgO的樣品中的尖晶石Cr#較低(12.3～17.1)。所有尖晶石均具有一致的低Ti(<0.2%)和低Fe3+(0.01%～0.1%)特征，與典型的地幔尖晶石成分一致(Kamenetskyetal., 2001)。在尖晶石Cr#-橄欖石Fo值圖解上，所有的樣品均落在橄欖石-尖晶石地幔演化序列(OSMA; Arai, 1994)之間。具有較高Cr#的鉻尖晶石樣品落在SSZ型蛇綠橄欖巖的范圍之內(nèi)，而具有低Cr#的尖晶石樣品落在深海橄欖巖的區(qū)域(圖4b，Liu and Zhang, 2019)。

Liu and Zhang(2019)及Tianetal.(2017)的研究均顯示，赤城方輝橄欖巖和純橄巖的全巖主量元素和礦物化學(xué)成分具有難熔的殘余地幔特征，這與典型的蛇綠巖套中的橄欖巖特征相似，很可能代表了殘余的大洋巖石圈地幔(Dilek and Furnes, 2011)。赤城的超鎂鐵質(zhì)堆晶巖位于七里墩橄欖巖塊體的最上部，成分上表現(xiàn)出比方輝橄欖巖和純橄巖更飽滿的特征，因此代表了熔體早期的結(jié)晶相，并由于重力作用堆積在地殼最底部和地幔的上部。因此，我們認(rèn)為，赤城的橄欖巖是一套完整的超鎂鐵質(zhì)地幔巖石組合，自下而上包括了方輝橄欖巖、純橄巖和堆晶巖，這與蛇綠巖剖面中的地幔部分一致。

值得注意的是，赤城的方輝橄欖巖既有高M(jìn)g的樣品，又有低Mg的樣品。其中高M(jìn)g的方輝橄欖巖與SSZ型蛇綠橄欖巖特征相似，低Mg的方輝橄欖巖與MOR型蛇綠橄欖巖特征相似。Uysaletal.(2012)曾提出，具有SSZ型特征的難熔方輝橄欖巖可以由MOR型的方輝橄欖巖經(jīng)歷二次熔體抽離而形成。根據(jù)這一研究，我們認(rèn)為赤城橄欖巖很可能最初形成于大洋中脊環(huán)境下，之后就位在俯沖帶之上弧前的位置(Parkinson and Pearce, 1998; Rizelietal., 2016)。

橄欖巖與熔體/巖漿直接的相互作用表現(xiàn)為：橄欖石(和單斜輝石)與熔體反應(yīng)形成斜方輝石(Kelemenetal., 1998; Zhang, 2005)。這種由熔體交代橄欖石形成的斜方輝石通常會在形態(tài)上呈現(xiàn)拉長狀或者粗粒似斑狀結(jié)構(gòu)。斜方輝石變斑晶內(nèi)部還保留著被富水變質(zhì)流體部分溶蝕的橄欖石殘余晶(Smithetal., 1999; McInnesetal., 2001)。并且，交代成因的斜方輝石在成分上有別于部分熔融殘余的斜方輝石，表現(xiàn)在具有極低的Al2O3、Cr2O3和CaO，以及高的SiO2含量，這可能是富Si熔/流體反應(yīng)的結(jié)果(Yuetal., 2017)。值得注意的是，赤城橄欖巖中的斜方輝石與許多交代成因的斜方輝石一致，都具有低Al2O3、Cr2O3和CaO的特征(圖4c，Liu and Zhang, 2019)。因此，結(jié)合赤城斜方輝石特殊的礦物結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，我們認(rèn)為斜方輝石的形成是熔/流體注入的結(jié)果。這一過程可能發(fā)生在大洋巖石圈地幔向大陸巖石圈地幔轉(zhuǎn)換時期，并且在橄欖巖經(jīng)歷部分熔融作用之后。

角閃石是橄欖巖中常見的變質(zhì)礦物，可由多種方式形成(Coltortietal., 2007; Ishimaru and Arai, 2008)。Nozaka (2005, 2014)研究表明，角閃石中(Na+K)/Si的值是判斷透閃石成因的有用指標(biāo)。這是因?yàn)?，在進(jìn)變質(zhì)過程中堿金屬元素容易流失。因此，相對于進(jìn)變質(zhì)作用形成的角閃石，退變質(zhì)形成的角閃石具有稍高的(Na+K)/Si比值。

赤城的角閃石屬于鈣質(zhì)角閃石系列， 其Na和Si成分的含量也與前人研究中的退變質(zhì)成因透閃石一致(Nozaka, 2005, 2014)。此外，在赤城的樣品中，角閃石的結(jié)構(gòu)通常呈現(xiàn)棱柱狀，或者是輝石晶體的假象。由此說明，角閃石是替換輝石而形成的，尤其是單斜輝石。我們推測，赤城的角閃石是在造山帶抬升階段，由于溫壓條件的變化，導(dǎo)致輝石退變質(zhì)形成角閃石。赤城紅旗營子群中廣泛出現(xiàn)的退變榴輝巖透鏡體中同樣含有大量類似的角閃石礦物，也被認(rèn)為是榴輝巖在抬升至角閃巖相過程中所形成的(Nietal., 2006)。

表1 赤城橄欖巖的Os同位素?cái)?shù)據(jù)表

圖5 赤城橄欖巖全巖187Os/188Os比值和tRD與Al2O3 (%)關(guān)系圖圖例同圖4Fig.5 Whole 187Os/188Os ratios and tRD plotted against Al2O3 (%)The symbols are the same as Fig.4

3.2 赤城橄欖巖Os同位素年齡

本文對赤城橄欖巖樣品進(jìn)行了Os同位素分析，測試結(jié)果列于表1中。橄欖巖全巖Os同位素分析測試在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體同位素實(shí)驗(yàn)室完成化學(xué)前處理，在多接受等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)實(shí)驗(yàn)室完成測試。Os同位素分析測試采用的儀器是英國GV公司生產(chǎn)的IsoProbe-T型熱電離質(zhì)譜儀。

在化學(xué)分離過程中，使用國際標(biāo)樣WPR-1作為標(biāo)樣，并隨批次加入空白樣品作為實(shí)驗(yàn)流程監(jiān)測。稱取大約2g全巖粉末樣品，倒入已經(jīng)王水洗凈的Carius管中，并加入適量187Re-190Os混合稀釋劑。分別加入3mL純化的濃HCl和6mL純化的濃HNO3，并用液化氣火焰將Carius管封好。然后將已封口的Carius管放置于鋼套中，放入恒溫烘箱，在240℃的溫度下保持72h小時，以保證鉑族元素充分溶解，并與各稀釋劑混合均勻。冷卻后打開Carius管，用CCl4將元素Os從王水中萃取出來，再利用HBr反萃取Os，然后微蒸餾純化Os元素，并采用英國GV公司生產(chǎn)的IsoProbe-T型熱電離質(zhì)譜儀進(jìn)行上機(jī)測試。測試時，將已純化的Os 同位素點(diǎn)在Pt燈絲帶上，在其表面滴1～2滴Ba(OH)2作為發(fā)射劑。選用靜態(tài)分析模式，高含量(信號高)樣品使用法拉第杯(Faraday Cup)，低含量樣品和空白樣使用電子倍增器(SEM)。Os同位素比值采用192Os/188Os=3.0827進(jìn)行質(zhì)量校正，測試精度優(yōu)于±0.2%(2SD)。

赤城純橄巖和方輝橄欖巖均具有低的187Os/188Os比值，在深海橄欖巖的范圍之下。Al2O3是指示橄欖巖難熔程度的指標(biāo)，其值越低，代表橄欖巖經(jīng)歷的部分熔融程度越高。圖5顯示，橄欖巖的187Os/188Os與Al2O3有弱的正相關(guān)關(guān)系。

圖6 赤城蛇綠巖簡單模型與典型的SSZ型蛇綠巖剖面做對比(a)顯示了各個巖石單元之間的空間位置和構(gòu)造接觸關(guān)系；(b)橄欖巖構(gòu)造塊體中方輝橄欖巖、純橄巖和超鎂鐵質(zhì)堆晶的接觸關(guān)系(據(jù)Liu and Zhang, 2019修改). 圖例同圖2Fig.6 Simplified model for Chicheng ophiolitic fragments, compared with the section of a generalized SSZ-type ophiolite(a) the localities and tectonic relations of each rock types; (b) a specific peridotite section where both harzburgite, dunite and ultramafic cumulates are exposed (modified after Liu and Zhang, 2019). The symbols are the same as Fig.2

Re為中等不相容元素，Os為相容元素，因此在部分熔融過程中，Re與Os元素產(chǎn)生分離，表現(xiàn)為Re更多地進(jìn)入熔體中，而殘余地幔中的Re含量微乎其微。因此，可以用單階段Re虧損模式年齡反演橄欖巖部分熔融事件發(fā)生的時間。tRD代表Re虧損模式年齡，即：假設(shè)Re在部分熔融過程中全部進(jìn)去熔體，進(jìn)而計(jì)算得出的模式年齡，適用于強(qiáng)烈難熔的地幔巖石。tRD代表部分熔融發(fā)生的最小年齡。計(jì)算結(jié)果顯示，赤城橄欖巖具有非常古老的Re虧損模式年齡，最老可以超過2.5Ga。Tianetal.(2017)也對赤城橄欖巖的Re-Os同位素進(jìn)行了報(bào)道，得到981～2054Ma的Re虧損模式年齡。

4 紅旗營子群變質(zhì)巖的原巖類型及年代學(xué)

赤城紅旗營子群的變質(zhì)巖包括角閃斜長片麻巖和退變榴輝巖。角閃斜長片麻巖是橄欖巖構(gòu)造團(tuán)塊體的圍巖，具有明顯的片麻理，主要由斜長石、石英和角閃石組成，前人研究認(rèn)為這是一套變質(zhì)火山巖(王啟超，1992；劉樹文等，2007)。退變榴輝巖以透鏡體或團(tuán)塊形式出露在角閃斜長片麻巖中(圖3c)，其中石榴子石具有明顯的“白眼圈”結(jié)構(gòu)。Nietal. (2006)、周兵(2018)對赤城的退變榴輝巖進(jìn)行了較詳細(xì)的巖石地球化學(xué)研究，結(jié)果顯示，它們具有鈣堿性或拉斑質(zhì)玄武巖的組成，推測其原巖可能為兼具洋中脊和島弧性質(zhì)的洋殼玄武巖。

根據(jù)Liuetal. (2019)報(bào)道，角閃斜長片麻巖中的鋯石大多數(shù)顆粒具有明顯的核邊結(jié)構(gòu)，核部色率低，為暗色布丁狀或具振蕩環(huán)帶，可判斷為是典型的巖漿鋯石。鋯石邊部通常色率較高，表現(xiàn)為亮色邊環(huán)繞殘留核，推測為后期變質(zhì)事件中形成的變質(zhì)邊。兩個角閃斜長片麻巖樣品的鋯石U-Pb年代學(xué)測試結(jié)果顯示，均獲得兩組不一致年齡。一組較老的年齡從巖漿鋯石中獲得，上交點(diǎn)年齡分為是2664Ma和2518Ma，代表角閃斜長片麻巖原巖的形成年齡。另一組較新的年齡從變質(zhì)新生鋯石中獲得，上交點(diǎn)年齡分別是1840Ma和1847Ma(Liuetal., 2019)。

退變榴輝巖中的鋯石也獲得了兩組年齡，分別為1850Ma的上交點(diǎn)年齡和300Ma的加權(quán)平均年齡，均代表所經(jīng)歷的變質(zhì)事件的年齡。退變榴輝巖中較老的一組年齡與角閃斜長片麻巖中變質(zhì)年齡相對應(yīng)，代表他們經(jīng)歷了相同的變質(zhì)事件改造。退變榴輝巖中未發(fā)現(xiàn)～2.5Ga的年齡，推測可能受到1850Ma變質(zhì)事件的徹底改造，未保留更古老的鋯石。大量中生代鋯石年齡被記錄在紅旗營子群的各類變質(zhì)巖中，包括變粒巖、花崗質(zhì)片麻巖、斜長角閃巖和退變榴輝巖等(劉樹文等, 2007；王惠初等, 2012；Liuetal., 2019)。Zhangetal.(2016)曾對這些中生代年齡做出合理解釋，認(rèn)為460～275Ma代表中部帶抬升過程的階段，是由古亞洲洋的閉合所引發(fā)的對太古宙地殼巖石的活化改造。因此，根據(jù)赤城的紅旗營子群的變質(zhì)巖年代學(xué)的研究結(jié)果，作者認(rèn)為赤城紅旗營子群主體形成于2.6～2.5Ga，之后經(jīng)歷了～1.85Ga的俯沖變質(zhì)事件和300Ma的構(gòu)造抬升過程。

5 赤城太古宙蛇綠巖的形成與演化

赤城紅旗營子群的巖石組合主要包括角閃斜長片麻巖、蛇紋石化橄欖巖和退變榴輝巖，后兩者以無根的構(gòu)造團(tuán)塊的形式包裹在片麻巖中。我們推測，這三種巖石單元曾經(jīng)共同經(jīng)歷了某一時期的構(gòu)造事件，進(jìn)而導(dǎo)致它們以團(tuán)塊包裹的構(gòu)造接觸關(guān)系出露。在經(jīng)歷此次構(gòu)造事件之前，它們之間的接觸關(guān)系應(yīng)該是怎樣的，又有什么成因聯(lián)系？這要從它們的原巖中尋找答案。

根據(jù)上文的討論可知，赤城的方輝橄欖巖和純橄巖可以與典型的蛇綠巖套中殘余的大洋巖石圈地幔對比(Dilek and Furnes, 2011)。赤城的超鎂鐵質(zhì)堆晶巖則代表了殘余地幔上部的層狀超鎂鐵質(zhì)堆晶巖(圖6)。既然退變榴輝巖的原巖是洋中脊和島弧性質(zhì)的洋殼玄武巖(Nietal., 2006)，那么它可能代表了大洋巖石圈的基性部分(輝長巖、席狀巖墻或玄武巖)。角閃斜長片麻巖則被認(rèn)為可能是島弧環(huán)境下的火山巖(王啟超，1992；劉樹文等，2007)。因此，赤城紅旗營子群的蛇紋石化橄欖巖、退變榴輝巖和片麻巖，很可能是一套經(jīng)歷了強(qiáng)烈變質(zhì)變形的蛇綠巖殘片。

上文中提到赤城的橄欖巖中缺失單斜輝石，而大量發(fā)育狹長形的角閃石。無論是形態(tài)還是化學(xué)組成均顯示其是退變質(zhì)階段形成的富Mg角閃石，說明橄欖巖經(jīng)歷了角閃巖相深度的變質(zhì)作用。根據(jù)野外產(chǎn)狀，橄欖巖和退變榴輝巖透鏡體的長軸方向與片麻巖的片麻理方向相一致。因此，本文認(rèn)為赤城紅旗營子群的巖石組合共同經(jīng)歷了角閃巖相深度的退變質(zhì)過程。

赤城橄欖巖的Re虧損模式年齡顯示，橄欖巖的部分熔融作用發(fā)生在～2.5Ga之前。角閃斜長片麻巖的鋯石年代學(xué)研究結(jié)果顯示，原巖形成于～2.5Ga，后經(jīng)歷了～1.85Ga的俯沖變質(zhì)作用。赤城退變榴輝巖與橄欖巖空間上相伴生，同樣呈透鏡體形態(tài)出露在片麻巖中。根據(jù)退變榴輝巖的產(chǎn)出及與片麻巖的構(gòu)造接觸關(guān)系可以推測，其原巖年齡也是在新太古代-古元古代。Zhangetal.(2016)報(bào)道了退變榴輝巖中330～320Ma的U-Pb變質(zhì)年齡，以此制約榴輝巖向角閃巖相深度抬升的時間，同時也能夠代表片麻巖的抬升時間。

赤城紅旗營子群位于華北克拉通中部帶的北段。中部造山帶被認(rèn)為是一條由多個高級變質(zhì)地體組成的碰撞造山帶(Zhaoetal., 2001, 2005)。Yang and Santosh(2014)認(rèn)為中部帶存在2.48～1.9Ga的由俯沖引發(fā)的弧巖漿作用。Zhangetal.(2016)通過對赤城高壓麻粒巖變質(zhì)過程的研究，識別出了進(jìn)變質(zhì)作用的P-T軌跡，從而證實(shí)中部帶在碰撞之前經(jīng)歷了深達(dá)50km的俯沖作用。因此，中部帶是一條形成于1.95～1.85Ga、由俯沖到碰撞的構(gòu)造變質(zhì)帶(Liu and Zhang, 2019)。

由此，我們推測，中部帶形成以前，在東、西部陸塊之間，應(yīng)該存在一個古老的大洋。赤城的橄欖巖就是這個古大洋的巖石圈地幔殘片，在2.5～1.90Ga之間經(jīng)歷強(qiáng)烈的部分熔融。隨著洋殼不斷俯沖消失，橄欖巖地幔逐漸匯聚在大陸邊緣一側(cè)，同時被匯聚在此的還應(yīng)該包括洋殼、大洋沉積物、火山弧巖漿巖。之后，在1.95～1.85Ga的時間里，堆積在板塊消亡邊界的一套混雜體向大陸下俯沖，最終在1.85Ga碰撞拼合形成現(xiàn)在的中部造山帶。由于顯生宙時期華北克拉通穩(wěn)定的陸殼受到再活化，這套混雜巖在480～220Ma整體抬升至地表(Zhangetal., 2016)。

6 類似現(xiàn)代意義的板塊構(gòu)造在2.5Ga已經(jīng)啟動

板塊構(gòu)造的開啟時間一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，同時也存在著很大的爭議(Condie and Kr?ner, 2008)。想要追蹤類似現(xiàn)代意義的板塊構(gòu)造，我們需要從古老的地質(zhì)記錄中識別板塊構(gòu)造的標(biāo)志。不同研究領(lǐng)域的研究者根據(jù)自身領(lǐng)域?qū)Π鍓K構(gòu)造的理解，提出了很多板塊構(gòu)造的判別標(biāo)志，例如：古地磁、巖石的地球化學(xué)特征、高壓-超高壓變質(zhì)巖、大陸地殼大規(guī)模出現(xiàn)和蛇綠巖等(翟明國等，2020)。不同的指標(biāo)探討的時間跨度不同，可信程度也有差別。Harrisonetal. (2008)、Harrison (2009)分析了Jack Hill 3.5～4.36Ga沉積巖中碎屑鋯石的年代學(xué)、Lu-Hf 同位素和氧同位素組成特征，認(rèn)為地球在冥古宙早期就已經(jīng)開啟了板塊構(gòu)造運(yùn)動并形成了具有大陸特征的地殼。在3.8Ga的Isua綠巖帶中識別出具有島弧特征的玻安巖也為板塊構(gòu)造開啟提供新的制約(Polatetal., 2002)。古太古代巴布通綠巖帶中3.2Ga雙峰式變質(zhì)帶的識別表明此時已經(jīng)存在類似現(xiàn)代意義板塊構(gòu)造的冷俯沖(Stevens and Moyen,2007)。此外，大陸地殼的產(chǎn)生與俯沖作用密不可分，世界上古老的克拉通陸核在3.5Ga已經(jīng)形成，2.7～2.5Ga是陸殼增生速度最快和體積增加最多的時段，因此可能代表了現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(Moyenetal., 2006; Condie and Kr?ner，2013)。2.5Ga是全球克拉通趨于穩(wěn)定的時期，因此也被認(rèn)為是板塊構(gòu)造最可能的啟動時間(Zhao and Zhai，2013)。

在眾多標(biāo)志中，蛇綠巖無疑是板塊構(gòu)造最直接的證據(jù)之一。目前，被廣泛認(rèn)可的蛇綠巖最老可以追溯到2.0Ga，即加拿大Purtuniq蛇綠巖(～2.0Ga; Scottetal., 1992)。此外，較老的蛇綠巖還有芬蘭的Jormua蛇綠巖(～1.95Ga; Peltonenetal., 1996)和美國Payson蛇綠巖(～1.73Ga; Dann, 1997)。Kuskyetal.(2001)在華北克拉通中部帶遵化地體中識別出了2.5Ga的東灣子蛇綠巖，隨后又在遵化-上營蛇綠混雜巖中識別出了原巖是大洋地殼，且經(jīng)歷了榴輝巖相變質(zhì)的石榴單斜輝石巖，從而認(rèn)為板塊構(gòu)造運(yùn)動至少在2.5Ga已經(jīng)開啟(Ningetal., 2022)。

此外，一些學(xué)者將更古老的格陵蘭Isua表殼巖帶(3.8Ga; Furnesetal., 2007, 2009)和加拿大Wawa綠巖帶(2.7Ga; Polatetal., 2015)視為地球最早出現(xiàn)的蛇綠巖，這一觀點(diǎn)仍存在很大爭議。赤城地區(qū)識別出來2.5Ga的古老蛇綠巖殘片，無疑為板塊構(gòu)造啟動時間這一科學(xué)問題提供了新的有利證據(jù)。赤城蛇綠巖的存在表明，至少在華北地區(qū)，板塊構(gòu)造運(yùn)動在2.5Ga的時候已經(jīng)啟動。

7 結(jié)語

蛇綠巖是一套復(fù)雜又有規(guī)律的巖石組合，古老的蛇綠巖往往更復(fù)雜，并且常常偏離以往對顯生宙蛇綠巖研究中所總結(jié)出來的規(guī)律。越古老的蛇綠巖，越難以被識別和證實(shí)。大量統(tǒng)計(jì)國內(nèi)外疑似的太古宙蛇綠巖，從中尋找共同之處，厘定出古老蛇綠巖所具有的標(biāo)志特征，是非常有必要且有意義的工作。

值周新華老師八十華誕暨從事地球科學(xué)研究六十周年之際，感謝周老師在第一作者研究生學(xué)習(xí)期間和科研工作中給予的鼓勵和幫助！并衷心祝愿周老師身體健康、事事順意！

致謝感謝評審人對本文初稿提出的建設(shè)性修改建議，這些建議對本文質(zhì)量的提升增色不少。