河北懷安地區(qū)花崗閃長質(zhì)片麻巖地球化學特征及年代學研究

韓明洋，曹斌華，張樂沖，馬 偉，李亞超

（中國地質(zhì)調(diào)查局煙臺海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，山東煙臺 264000）

華北古陸的南北緣廣泛分布的TTG巖系是一種片麻巖，它由早前寒武紀（太古宙）奧長花崗巖-英云閃長巖-花崗閃長巖系列的花崗質(zhì)侵入巖經(jīng)變質(zhì)形成，具有富鈉貧鉀的特點[1-2]。探究TTG 的巖石成因以及構(gòu)造環(huán)境的探究對早期地殼形成、演化過程和動力學機制的研究有重要意義[3]。對于華北克拉通獨特的構(gòu)造格局，存在不同的認識。一些學者認為華北克拉通是在～2.5 Ga完成克拉通化，其標志是微陸塊拼合的“五臺運動”[4-5]；克拉通的活化則為古元古代末期，是對太古宙-古元古代早期形成的剛性地殼的破壞，由于“呂梁運動”中區(qū)域上伸展運動產(chǎn)生的基性巖墻群和非造山巖漿活動等導致的[6-7]。另一些學者認為太古宙末華北克拉通基底還沒完全固結(jié)，依然有殘留盆地[8]，在古元古代可能出現(xiàn)撞弧-陸碰撞和裂谷，直到～1.9 Ga 形成克拉通[9-12]。而東部和西部兩陸塊沿中部造山帶的碰撞拼合源于“呂梁運動”（～1.8 Ga）[12-13]。由此看來，華北克拉通太古宙末構(gòu)造格局仍未有定論。河北懷安地區(qū)位于華北克拉通中北部，區(qū)內(nèi)花崗閃長質(zhì)片麻巖工作程度較低，僅在1/20 萬的區(qū)調(diào)中略有涉及，缺乏巖石時代及巖石地球化學等諸多資料[14]。對區(qū)內(nèi)花崗閃長質(zhì)片麻巖進行年齡測定，首次在該巖體中獲得LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡2 551 Ma。本文通過對其進行地球化學及年代學研究，探討該區(qū)新太古代的巖漿活動及構(gòu)造熱事件，有望為華北克拉通構(gòu)造演化提供重要約束。

1 地質(zhì)背景

懷安地區(qū)位于河北省西北部的張家口一帶，前中生代Ⅰ級構(gòu)造單元為華北陸塊，以尚義-平泉斷裂為界，斷裂以北Ⅱ級構(gòu)造單元為冀北-陰山陸塊，Ⅲ級構(gòu)造單元為冀北基底雜巖（Pt1），Ⅳ級構(gòu)造單元為紅旗營子基底雜巖，斷裂以南Ⅱ級構(gòu)造單元為五臺-太行陸塊，Ⅲ級構(gòu)造單元為恒山-桑干基底雜巖（Ar3、Pt1），Ⅳ級構(gòu)造單元為大同-懷安-張家口古巖漿?。ˋr3）[15-16]（圖1）。經(jīng)歷了長期復雜的地質(zhì)構(gòu)造演化，構(gòu)造巖漿活動強烈。

研究區(qū)內(nèi)新太古代侵入巖普遍出露（圖2）。根據(jù)變質(zhì)深成巖的巖石特征、產(chǎn)出特點、變質(zhì)變形特征、接觸關系及巖石地球化學特征、巖漿演化序列特征等，將研究區(qū)新太古代變質(zhì)深成巖由早到晚劃分4 個單元，分別為新太古代英云閃長質(zhì)片麻巖（Ar3gnγδo）、花崗閃長質(zhì)片麻巖（Ar3gnγδ）、奧長花崗質(zhì)片麻巖（Ar3gnγo）和二長花崗質(zhì)片麻巖（Ar3gnηγ）。新太古代變質(zhì)深成巖呈巖株產(chǎn)出，并具有集中出露的特點，變質(zhì)深成巖巖體長軸方向呈東西向展布。本次研究的花崗閃長質(zhì)片麻巖分布在懷安縣馬市口東一帶，內(nèi)部有較多變質(zhì)地層等的捕虜體。呈不規(guī)則小巖株狀產(chǎn)出，長軸呈北東向展布。根據(jù)野外觀察及室內(nèi)鑒定，其具體巖性為中細粒含紫蘇花崗閃長質(zhì)片麻巖，侵入到英云閃長質(zhì)片麻巖（Ar3gnγδo）和奧長花崗質(zhì)片麻巖（Ar3gnγo）中，巖體中可見馬市口巖組（Ar3m）的包體，被古元古代輝綠巖脈（βμPt1）侵入。

圖2 懷安地區(qū)早前寒武紀地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch of Early Precambrian in Huai’an

2 巖石學特征

巖石為花崗閃長質(zhì)片麻巖（圖3），呈淺灰、灰白色，具中細粒不等粒結(jié)構(gòu)、局部可見變余半自形粒狀結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造。巖石整體較均一，部分地段受后期混合巖化影響長英質(zhì)脈體較多。主要礦物為鉀長石、斜長石、石英，少量紫蘇輝石、磁鐵礦、黑云母、磷灰石等。斜長石呈半自形-他形粒狀，粒徑0.64～2.40 mm，具聚片雙晶，局部被鉀長石呈補丁狀交代，含量40%～60%；鉀長石半自形-他形粒狀，粒徑1.04～2.40 mm，解理發(fā)育，為條紋長石，條紋形狀呈粗條狀、棒狀、脈狀、網(wǎng)狀等，見鉀長石主晶中分布有細條紋狀鈉長石客晶，含量10%～20%；石英一般他形粒狀，粒徑0.4～3.0 mm，表面干凈明亮，微弱波狀消光，含量33%～40%；紫蘇輝石他形粒狀，粒徑0.32～1 mm，蝕變嚴重，被黑云母、綠泥石完全交代，保留假象，有的顆粒可見少量殘留晶體，單光下呈淡粉色-淡綠色，顯著多色性，含量約5%；黑云母呈鱗片狀，粒徑0.32～0.72 mm，深褐色-淡褐色，具顯著多色性，一組完全解理，解理略顯彎曲，含量約1%，少數(shù)黑云母沿解理有綠泥石化，有的褪色為白云母，并析出鐵質(zhì)。此外，巖石中還含極少量磁鐵礦和磷灰石。

圖3 花崗閃長質(zhì)片麻巖鏡下特征Fig.3 Microscope features of the granodioritic gneiss

3 樣品采集及分析方法

在懷安縣地區(qū)共采集6件樣品，其中主量、微量和稀土元素分析樣品5 件，測年樣品1 件（采集位置見圖2）。主量、微量和稀土元素分析樣品選擇新鮮樣品粉碎至200目。主量元素分析在河北區(qū)礦調(diào)研究所分析測試中心完成，主要采用X 熒光法分析，F(xiàn)eO、離子水、燒失量采用重量法分析，分析精度優(yōu)于0.5%。稀土和微量元素分析在中國地質(zhì)調(diào)查局煙臺海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心化驗室測試，其中Sn采用AES-7200 地質(zhì)樣品專業(yè)發(fā)射光譜儀，As、Bi、Hg、Sb 采用（AFS-8330）原子熒光光度計，Cr、Fe、Mn采用ICP等離子光譜儀（6300），Ni、Co、Sn、W、Mo、Te、Se、Ga、In、Tl、Rb、Cs、Ge、Cd、Zr、Hf、Nb、Ta、Re、V、Sr及稀土分量采用ICP-Ms 等離子質(zhì)譜儀（ICP-Q）進行分析測試，分析精度優(yōu)于5%。在河北省廊坊地質(zhì)調(diào)查研究院選礦實驗室完成鋯石分選。在原中國人民武裝警察部隊黃金地質(zhì)研究所實驗室完成鋯石U-Pb測年工作，使用ThermoFisher X Series 2 四級桿和New Wave 193 nm激光等離子體質(zhì)譜儀，剝蝕深度為20～30 μm，激光剝蝕束斑直徑為35 μm，頻率10 Hz，剝蝕物質(zhì)采用He氣作為載體，以GJ-1、Nist610和Qinghu為外標對鋯石樣品的年齡進行校正。

4 分析結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb年齡

本次測年工作選取了一件花崗閃長質(zhì)片麻巖樣品進行LA-ICP 鋯石U-Pb 定年（表1）。鋯石呈大部分輕微水化，次圓-渾圓柱狀、粒狀，個別半自形雙錐柱狀，表面受熔蝕，大部分晶棱、晶面模糊不清，個別棱角鈍化（圖4）。共分析測試了21 個點，2 號數(shù)據(jù)點207Pb/206Pb年齡為2 984 Ma，16號數(shù)據(jù)點207Pb/206Pb年齡為2 800 Ma，存在一定鉛丟失，筆者傾向于認為該樣品為捕獲或殘余鋯石，反映了本區(qū)存在中太古代陸核的信息[17]。14、18、19號三個數(shù)據(jù)點位于具巖漿環(huán)帶的成分域，為巖漿鋯石，207Pb/206Pb年齡分別為2 406 Ma、2 518 Ma、2 551 Ma，14、18 號數(shù)據(jù)點發(fā)生熔蝕作用，原生鋯石的封閉系統(tǒng)被破壞，使年齡值偏小，19號數(shù)據(jù)點所處成分域環(huán)帶明顯并且完好，代表了巖漿形成時的年齡（圖5）。3、4、11、12、15、20號6個數(shù)據(jù)點位于重結(jié)晶或增生邊的成分域，207Pb/206Pb年齡加權(quán)平均后為2 263±34 Ma（MSWD=2.9），該年齡接近古元古代早期構(gòu)造熱事件年齡記錄[4]。6、7、9 號3 個數(shù)據(jù)點也位于重結(jié)晶或增生邊的成分域，207Pb/206Pb 加權(quán)平均年齡為1 817±24（MSWD=0.25），可能是古元古代晚期構(gòu)造熱事件年齡記錄，也顯示了中亞造山帶影響的存在[18]。根據(jù)以上分析，本區(qū)花崗閃長質(zhì)片麻巖形成于2 551 Ma，即五臺中期，在2 300 Ma、1 800 Ma左右經(jīng)歷兩次變質(zhì)作用（圖6）。

表1 花崗閃長質(zhì)片麻巖的鋯石LA-ICPMSU-Pb定年結(jié)果Table 1 LA-ICPMS U-Pb dating results for the granodioritic gneiss

圖4 花崗閃長質(zhì)片麻巖的鋯石特征Fig.4 Zircon characteristics of the granodioritic gneiss

圖5 花崗閃長片麻巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.5 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams of the granodioritic gneiss

圖6 花崗閃長片麻巖的鋯石U-Pb兩期變質(zhì)作用加權(quán)平均年齡Fig.6 Zircon U-Pb weighted average ages of the granodioritic gneiss

4.2 巖石化學特征

花崗閃長質(zhì)片麻巖主量、稀土和微量元素分析結(jié)果見表2。

表2 河北懷安地區(qū)花崗閃長質(zhì)片麻巖主量（%）、稀土（μg/g）和微量元素（μg/g）分析數(shù)據(jù)Table 2 The data of major (wt%)，rare-earth and trace elements (μg/g)of the granodioritic gneiss

花崗閃長質(zhì)片麻巖SiO2含量介于67.30%～74.94%，平均70.94%，總堿度K2O+Na2O=5.57%～8.01%，平均6.37%，A/CNK 平均1.53，屬于偏鋁質(zhì)花崗巖。在實際礦物含量QAP 分類圖解[19]（圖7左）中主要落在花崗閃長巖區(qū)。在S 型、I型花崗巖辨別圖解[20]（圖7 右）中均投在I 型花崗巖區(qū)。并在對該地區(qū)進行填圖工作中發(fā)現(xiàn)該巖石具有I型花崗巖特征。

圖7 花崗巖礦物含量QAP分類圖解（左）和花崗巖成因類型ACF圖解（右）Fig.7 Diagrams of QAP (left)and discrimination diagram of ACF (right)

4.3 稀土元素

由表2 可知前三個花崗閃長質(zhì)片麻巖樣品∑REE為86.52～103.5 μg/g，（La/Yb）N=6.02～6.98，后兩個花崗閃長質(zhì)片麻巖樣品∑REE 為33.97～50.09 μg/g，（La/Yb）N=6.48～7.23，為輕稀土富集的右傾型配分模式[21]（圖8）。（La/Sm）N=3.08～5.56，（Gd/Lu）N=0.53～1.39，顯示輕稀土分餾明顯，而重稀土分餾很弱。Eu 顯示正異常，δEu=1.14～1.91，且從樣品1 到樣品5 正異常逐漸增強。后兩個樣品Ce 顯示負異常，δCe=0.65～0.68。

圖8 河北懷安地區(qū)花崗閃長質(zhì)片麻巖巖體稀土元素配分曲線圖Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns of the granodioritic gneiss

巖漿中褐簾石分離結(jié)晶作用可能導致花崗閃長質(zhì)片麻巖LREE降低[22]，氟化物的形成和流體分異可能同時造成HREE的富集[23]，實驗結(jié)果證明巖漿過程中的富F流體作用導致殘余熔體中HREE的富集[24]，而氟化物是HREE的主要載體[25]。但是Eu負異常不明顯，暗示著巖體巖漿分異演化不明顯?；◢忛W長質(zhì)片麻巖中兩個樣品的Ce顯示負異常，可能是巖漿中氧化作用形成的[26]。

4.4 微量元素

微量元素組成方面，微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖[27]（圖9）顯示，花崗閃長質(zhì)片麻巖富含Rb、La、Sm元素，而虧損Ce、Ta、U、Nd、V元素。Sr由虧損逐漸變?yōu)楦患?。U和Nb元素在五個樣品中分布較為凌亂，Ta元素逐漸減少。Rb/Sr平均為0.157，較上地幔Rb/Sr（0.022）有所偏高，說明巖漿在向上運移過程中有殼源物質(zhì)的混入。該微量元素特征同樣暗示巖漿結(jié)晶分異程度不高[28-29]。

圖9 河北懷安地區(qū)花崗閃長質(zhì)片麻巖微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖Fig.9 The spider diagram of primitive mantlenormalized trace elements of the granodioritic gneiss

5 討論

5.1 構(gòu)造環(huán)境

不同的花崗巖巖石組合確定不同巖漿的構(gòu)造環(huán)境[30]，花崗閃長質(zhì)片麻巖的1、2、3號樣品投影點落在板塊碰撞前花崗巖區(qū)，4、5號樣落在造山晚期花崗巖區(qū)（圖10）。酸性侵入巖在不同構(gòu)造環(huán)境中的地球化學特征不同，深入分析研究后，微量元素可作為巖漿侵入構(gòu)造環(huán)境判別標志之一。由不同類型花崗巖的Rb-Yb+Ta圖解[31]（圖11）可見，兩期均落在火山弧花崗巖區(qū)中。五臺旋回開始于2 600 Ma，結(jié)束于2 500 Ma，該旋回是本區(qū)新生陸殼的增生加厚階段。結(jié)合本區(qū)基底構(gòu)造及演化特征分析，新太古代花崗閃長質(zhì)片麻巖形成于洋殼俯沖過程中的巖漿弧構(gòu)造環(huán)境[32]。遼南地區(qū)也存在大量的新太古代晚期巖漿作用。區(qū)域上TTG 質(zhì)片麻巖研究程度較高，普遍認為其形成于俯沖環(huán)境含水洋殼的部分熔融過程[19，33]。

圖10 主要花崗巖類巖石組合的示意性圖解Fig.10 Schematic diagram of major granite rock assemblage

圖11 不同類型花崗巖的Ta-Yb判別圖Fig.11 Tectonic discrimination diagrams of Ta vs.Yb

綜上所述，懷安地區(qū)發(fā)育新太古代巖漿作用，這與膠東地區(qū)、中條地區(qū)、贊皇地區(qū)、阜平地區(qū)以及大青山地區(qū)發(fā)育的2 600～2 500 Ma重要的構(gòu)造-巖漿熱事件相吻合，為華北克拉通新太古代晚期巖漿作用的典型代表之一。

5.2 巖石成因

花崗閃長質(zhì)片麻巖樣品在圖7中均落在I型花崗巖區(qū)。在化學成分上Na2O 和CaO 含量較高，Na2O/K2O＞1，實際礦物中未見白云母、石榴子石等富鋁礦物，而出現(xiàn)角閃石、磁鐵礦，CIPW標準礦物中不出現(xiàn)剛玉，符合I型花崗巖的特點。但是A/CNK＞1.1，與I型花崗巖又有些不符。根據(jù)野外觀察及區(qū)域資料，判斷該花崗閃長質(zhì)片麻巖的原巖屬于I型花崗巖，花崗閃長質(zhì)片麻巖富含Rb、La、Sm 元素，而虧損Ce、Ta、U、Nd、V 元素，LREE 元素相對富集，HREE 元素相對虧損，其微量元素含量具有造山帶巖漿特征。巖漿物質(zhì)來源于下地殼，巖體巖漿源區(qū)可能為新太古代地殼物質(zhì)，巖漿來源于早期地殼物質(zhì)的再循環(huán)[34]?；◢弾r類超單元質(zhì)量百分比圖可以反映巖漿演化過程中鐵鎂組分的變化關系，由圖12可得出花崗閃長質(zhì)片麻巖原巖巖漿演化趨向于鉀鈉系列[35]。

圖12 花崗巖類超單元質(zhì)量百分比圖Fig.12 The percentage of super unit mass of granite

5.3 地質(zhì)意義

由于在懷安地區(qū)和承德地區(qū)先后發(fā)現(xiàn)有高壓基性麻粒巖而受到廣泛重視[36-40]，對其中的新太古代晚期的巖漿作用也開展了一定的工作，但相對五臺山和恒山地區(qū)而言研究程度還相對較低。懷安地區(qū)的變質(zhì)基底由澗溝河深變質(zhì)綠巖區(qū)、懷安麻粒巖-片麻巖區(qū)、宣化-天鎮(zhèn)鉀質(zhì)花崗巖帶和豐鎮(zhèn)孔茲巖區(qū)所組成[41]。五臺期的地質(zhì)年齡時限大致為2 560 Ma～2 500 Ma。該時期本區(qū)處于俯沖（前碰撞）晚期階段，主要為TTG 巖系形成[42]。該區(qū)內(nèi)中酸性麻粒巖-片麻巖可達80%以上，其原巖為奧長花崗巖、英云閃長巖和花崗閃長巖（TTG），少量紫蘇花崗巖，其中夾有少量變質(zhì)表殼巖和基性麻粒巖。它們經(jīng)歷了多期變形改造，變質(zhì)程度達到麻粒巖相[43-44]。本文研究的花崗閃長質(zhì)片麻巖LA-ICP-MS鋯石巖漿年齡為2 551 Ma，屬于新太古代五臺期，同時該巖石的構(gòu)造環(huán)境分析同樣也與該時期的構(gòu)造階段相吻合，與華北克拉通晚太古代末-古元古代初的巖漿事件相對應。

6 結(jié)論

（1）花崗閃長質(zhì)片麻巖的結(jié)晶年齡為2 551 Ma，形成于五臺運動中期。

（2）花崗閃長質(zhì)片麻巖屬于鈣堿性系列花崗巖，形成于洋殼俯沖過程中的巖漿弧構(gòu)造環(huán)境。

（3）花崗閃長質(zhì)片麻巖富堿富硅貧鎂貧鈣，稀土配分曲線顯示Ce負異常，Eu 異常不明顯，重稀土有下降趨勢，而輕稀土有上升趨勢。富含La、Rb、Sm元素，而虧損Ce、Ta、U、Nd、V元素。該花崗閃長質(zhì)片麻巖巖體巖漿結(jié)晶分異程度不高，且后期極有可能在弱酸條件下形成的。對于認識地殼的演化、增生和再造具有重要的意義。

致謝：參與本文工作的還有王衛(wèi)國、郝連成、馮永財?shù)韧?，成文過程中得到了趙鳳清研究員和王志軍高工等的指導和幫助，在此一并致謝。