河北懷安地區花崗閃長質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

（中國地質調查局煙臺海岸帶地質調查中心，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侵入巖經變質形成，具有富鈉貧鉀的特點[1-2]。探究TTG 的巖石成因以及構造環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”中區域上伸展運動產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，依然有殘留盆地[8]，在古元古代可能出現撞弧-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造格局仍未有定論。河北懷安地區位于華北克拉通中北部，區內花崗閃長質片麻巖工作程度較低，僅在1/20 萬的區調中略有涉及，缺乏巖石時代及巖石地球化學等諸多資料[14]。對區內花崗閃長質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，探討該區新太古代的巖漿活動及構造熱事件，有望為華北克拉通構造演化提供重要約束。

1 地質背景

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

研究區內新太古代侵入巖普遍出露（圖2）。根據變質深成巖的巖石特征、產出特點、變質變形特征、接觸關系及巖石地球化學特征、巖漿演化序列特征等，將研究區新太古代變質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片麻巖（Ar3gnγδo）、花崗閃長質片麻巖（Ar3gnγδ）、奧長花崗質片麻巖（Ar3gnγo）和二長花崗質片麻巖（Ar3gnηγ）。新太古代變質深成巖呈巖株產出，并具有集中出露的特點，變質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片麻巖分布在懷安縣馬市口東一帶，內部有較多變質地層等的捕虜體。呈不規則小巖株狀產出，長軸呈北東向展布。根據野外觀察及室內鑒定，其具體巖性為中細粒含紫蘇花崗閃長質片麻巖，侵入到英云閃長質片麻巖（Ar3gnγδo）和奧長花崗質片麻巖（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 懷安地區早前寒武紀地質簡圖Fig.2 Geological sketch of Early Precambrian in Huai’an

2 巖石學特征

巖石為花崗閃長質片麻巖（圖3），呈淺灰、灰白色，具中細粒不等粒結構、局部可見變余半自形粒狀結構、交代結構，片麻狀構造、塊狀構造。巖石整體較均一，部分地段受后期混合巖化影響長英質脈體較多。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，解理發育，為條紋長石，條紋形狀呈粗條狀、棒狀、脈狀、網狀等，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?？梢娚倭繗埩艟w，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%，少數黑云母沿解理有綠泥石化，有的褪色為白云母，并析出鐵質。此外，巖石中還含極少量磁鐵礦和磷灰石。

圖3 花崗閃長質片麻巖鏡下特征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礦調研究所分析測試中心完成，主要采用X 熒光法分析，FeO、離子水、燒失量采用重量法分析，分析精度優于0.5%。稀土和微量元素分析在中國地質調查局煙臺海岸帶地質調查中心化驗室測試，其中Sn采用AES-7200 地質樣品專業發射光譜儀，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 等離子質譜儀（ICP-Q）進行分析測試，分析精度優于5%。在河北省廊坊地質調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 號數據點207Pb/206Pb年齡為2 984 Ma，16號數據點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，反映了本區存在中太古代陸核的信息[17]。14、18、19號三個數據點位于具巖漿環帶的成分域，為巖漿鋯石，207Pb/206Pb年齡分別為2 406 Ma、2 518 Ma、2 551 Ma，14、18 號數據點發生熔蝕作用，原生鋯石的封閉系統被破壞，使年齡值偏小，19號數據點所處成分域環帶明顯并且完好，代表了巖漿形成時的年齡（圖5）。3、4、11、12、15、20號6個數據點位于重結晶或增生邊的成分域，207Pb/206Pb年齡加權平均后為2 263±34 Ma（MSWD=2.9），該年齡接近古元古代早期構造熱事件年齡記錄[4]。6、7、9 號3 個數據點也位于重結晶或增生邊的成分域，207Pb/206Pb 加權平均年齡為1 817±24（MSWD=0.25），可能是古元古代晚期構造熱事件年齡記錄，也顯示了中亞造山帶影響的存在[18]。根據以上分析，本區花崗閃長質片麻巖形成于2 551 Ma，即五臺中期，在2 300 Ma、1 800 Ma左右經歷兩次變質作用（圖6）。

表1 花崗閃長質片麻巖的鋯石LA-ICPMSU-Pb定年結果Table 1 LA-ICPMS U-Pb dating results for the granodioritic gneiss

圖4 花崗閃長質片麻巖的鋯石特征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兩期變質作用加權平均年齡Fig.6 Zircon U-Pb weighted average ages of the granodioritic gneiss

4.2 巖石化學特征

花崗閃長質片麻巖主量、稀土和微量元素分析結果見表2。

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

花崗閃長質片麻巖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。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。并在對該地區進行填圖工作中發現該巖石具有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 河北懷安地區花崗閃長質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晶作用可能導致花崗閃長質片麻巖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圖[27]（圖9）顯示，花崗閃長質片麻巖富含Rb、La、Sm元素，而虧損Ce、Ta、U、Nd、V元素。Sr由虧損逐漸變為富集。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的混入。該微量元素特征同樣暗示巖漿結晶分異程度不高[28-29]。

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

5 討論

5.1 構造環境

不同的花崗巖巖石組合確定不同巖漿的構造環境[30]，花崗閃長質片麻巖的1、2、3號樣品投影點落在板塊碰撞前花崗巖區，4、5號樣落在造山晚期花崗巖區（圖10）。酸性侵入巖在不同構造環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造環境判別標志之一。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中。五臺旋回開始于2 600 Ma，結束于2 500 Ma，該旋回是本區新生陸殼的增生加厚階段。結合本區基底構造及演化特征分析，新太古代花崗閃長質片麻巖形成于洋殼俯沖過程中的巖漿弧構造環境[32]。遼南地區也存在大量的新太古代晚期巖漿作用。區域上TTG 質片麻巖研究程度較高，普遍認為其形成于俯沖環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，懷安地區發育新太古代巖漿作用，這與膠東地區、中條地區、贊皇地區、阜平地區以及大青山地區發育的2 600～2 500 Ma重要的構造-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

花崗閃長質片麻巖樣品在圖7中均落在I型花崗巖區。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，而出現角閃石、磁鐵礦，CIPW標準礦物中不出現剛玉，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。根據野外觀察及區域資料，判斷該花崗閃長質片麻巖的原巖屬于I型花崗巖，花崗閃長質片麻巖富含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。巖漿物質來源于下地殼，巖體巖漿源區可能為新太古代地殼物質，巖漿來源于早期地殼物質的再循環[34]?；◢弾r類超單元質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 花崗巖類超單元質量百分比圖Fig.12 The percentage of super unit mass of granite

5.3 地質意義

由于在懷安地區和承德地區先后發現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而言研究程度還相對較低。懷安地區的變質基底由澗溝河深變質綠巖區、懷安麻粒巖-片麻巖區、宣化-天鎮鉀質花崗巖帶和豐鎮孔茲巖區所組成[41]。五臺期的地質年齡時限大致為2 560 Ma～2 500 Ma。該時期本區處于俯沖（前碰撞）晚期階段，主要為TTG 巖系形成[42]。該區內中酸性麻粒巖-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，其中夾有少量變質表殼巖和基性麻粒巖。它們經歷了多期變形改造，變質程度達到麻粒巖相[43-44]。本文研究的花崗閃長質片麻巖LA-ICP-MS鋯石巖漿年齡為2 551 Ma，屬于新太古代五臺期，同時該巖石的構造環境分析同樣也與該時期的構造階段相吻合，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 結論

（1）花崗閃長質片麻巖的結晶年齡為2 551 Ma，形成于五臺運動中期。

（2）花崗閃長質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造環境。

（3）花崗閃長質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。該花崗閃長質片麻巖巖體巖漿結晶分異程度不高，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國、郝連成、馮永財等同志，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。