赞皇杂岩翁城地区长城系常州沟组砂岩碎屑锆石U-Pb-Hf同位素研究

常州沟组是华北克拉通太古宙-古元古代变质基底上最早的沉积盖层之一,其碎屑锆石U-Pb年代学与Hf同位素特征分析对探讨长城系形成时代、源区特征以及基底演化均具有重要的研究意义。本文对华北克拉通中部赞皇杂岩瓮城地区长城系常州沟组底部砂岩样品进行了LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb定年和LA-MC-ICP-MS碎屑锆石Lu-Hf同位素分析。砂岩样品中碎屑锆石主要年龄峰值约为2 500 Ma,推断其碎屑物质主要来自于华北克拉通新太古代晚期变质基底,而最年轻的碎屑锆石年龄为1 822 Ma,结合赞皇杂岩变质基底普遍经历了1 850~1 800 Ma变质作用以及区域上上覆大红峪组火山岩中1 635 Ma结晶锆石年龄,限定瓮城地区长城系常州沟组沉积时代为1 800~1 635 Ma。砂岩样品中碎屑锆石的εHf(t)值变化于-6.8~+5.2之间,相应的两阶段模式年龄峰值约为2 820 Ma,结合赞皇杂岩已发表的2 900~2 700 Ma岩浆锆石和碎屑锆石Hf同位素结果,进一步表明2 900~2 700 Ma为赞皇杂岩地壳生长最主要的时期。综合太行山中南部地区已发表的长城系常州沟组的沉积学与新的年代学数据,推测赞皇杂岩瓮城地区长城系常州沟组沉积于陆内裂谷盆地。

河北赞皇地区许亭花岗岩的时代及成因:对华北克拉通中部带构造演化的制约

许亭花岗岩出露于赞皇杂岩中,位于河北省赞皇县西部山区,呈岩基状侵入新太古代TTG片麻岩和变质地层中,SHRIMP锆石U-Pb年龄为2090±10Ma。岩体主要由钾长-二长花岗岩组成,无暗色包体,偶见围岩的捕掳体。岩体组成不均匀,局部含石英和少量钾长石斑晶,构成似斑状结构。主要的矿物组合为石英+钾长石+斜长石+黑云母+绿帘石±白云母±角闪石,含萤石副矿物。岩石具有高硅(SiO2>75%)、富碱(ALK=6.90%～8.75%)、低铝(Al2O3=10.32%～11.64%)、钛(TiO2=0.26%～0.36%)和贫钙(CaO=0.18%～0.48%)、镁(MgO=0.16%～0.40%)、铁(Fe2O3T=2.58%～3.46%)的特征,为偏铝质到弱过铝质的高钾钙碱性系列。岩石的稀土总量较高(293.8×10-6～702.8×10-6),轻稀土相对富集,有明显的负Eu异常(Eu/Eu*=0.1～0.35)。微量元素中,富Zr、Nb和Y,而贫Ba、Sr和P等元素,Rb/Sr比值较高,介于1.45～7.52之间,平均4.31。岩石还具有高的Ga/Al值(3.04×10-6～4.08×10-6),具有A型花岗岩特征。在同位素组成方面,具有较低的εNd(t)值(-14.29～-0.29,平均为-5.58)。许亭花岗岩具有板内花岗岩特征,可能与2.1Ga时岩浆板底垫托,导致新太古代TTG岩石部分熔融,并可能有少量古老地壳物质加入。根据岩体性质及岩石组合等特征推测赞皇、阜平、五台等地区的2.1Ga岩浆活动形成于统一的拉张裂解环境。

赞皇杂岩中太古宙末期菅等钾质花岗岩的成因及动力学背景

赞皇杂岩中的菅等花岗岩体位于临城县西北,主要由钾长花岗岩和二长花岗岩组成,偶见暗色包体。菅等花岗岩SHRI MP锆石U-Pb年龄为（2 490±13）Ma。岩石具有高硅（Si O274.3%-75.4%）、高钾（K2O5.76%-9.37%）、富碱（ALK 6.16%-9.51%）、贫钙（CaO 0.14%-0.81%）、低镁、铁（MgO 0.02%-0.49%,TFeO0.26%-1.05%）和钛（Ti O20.04%-0.15%）的特征,A/CNK=0.97-1.07,为弱过铝质的钾玄岩系列。岩石的稀土总量较低（ΣREE=（12.07-160.38）×10^-6）,轻稀土相对富集,Eu异常变化较大（Eu/Eu＊=0.46-1.97）。岩石富Rb、Ba和Th等元素,贫Sr、Zr、Nb、Y、Yb等元素,具有较高Rb/Sr和Rb/Ba值以及较低的Y/Nb值。菅等花岗岩具有正的εNd（t）值（2.85-3.66）,两阶段Nd模式年龄TDM2集中于2.55-2.64 Ga。石英闪长岩包体SHRI MP锆石U-Pb年龄为（2 506±13）Ma,高铝（Al2O317.16%）、富钙（CaO4.34%）、高钠（Na2O4.47%）、富铁（TFeO5.26%）,高Rb、高Sr、高Zr,稀土总量较高（ΣREE=212.82×10^-6）,有弱的负Eu异常（Eu/Eu^＊=0.83）,具TTG岩类的特征;该包体岩石具有正的εNd（t）值（3.05）,两阶段Nd模式年龄TDM2为2.63 Ga。这些特征显示菅等花岗岩具有同碰撞和后碰撞的S型花岗岩的特征,为新生地壳在由挤压向伸展转换的构造背景下部分熔融所形成,石英闪长质包体为源区残留的岩石。这期钾质花岗岩的形成,标志着华北克拉通太古宙末期岩浆事件的结束以及稳定陆壳的形成。

赞皇前寒武纪变质杂岩区变质反应结构与变质作用P-T-t轨迹

赞皇变质杂岩位于华北克拉通中部造山带中南段、太行山东麓低山区。出露于该变质杂岩区中南部的含石榴石的斜长角闪片麻岩、泥质片麻岩,均保存了三期矿物组合:进变质、峰期变质和退变质矿物组合。这两大类变质岩石中,进变质阶段矿物组合(M1)以石榴石变斑晶核部的包裹体矿物组合为代表,变质高峰期矿物组合(M2)由石榴石变斑晶"边部"和基质矿物组成,退变质阶段矿物组合(M3)主要是环绕石榴石边部发育的"白眼圈"状后成合晶矿物组合。泥质片麻岩中的石榴石变斑晶均保存了明显的成分环带,且在边部很窄的范围内XMn有所增加、Mg/(Mg+Fe)有所降低,指示存在变质高峰期后的退变质过程。温度与压力计算结果表明,赞皇斜长角闪片麻岩所经历的进变质阶段(M1)温度约为640～710℃、压力约为8.2～8.6kbar;高峰期(M2)变质温度超过810℃,压力大于12.1kbar;退变质阶段(M3)的温压范围为590～670℃和3.2～5.6kbar。此前的研究已说明泥质片麻岩的进变质阶段(M1)变质温度为660～690℃,压力为9.0～9.2kbar;高峰期(M2)变质温度超过780℃,压力大于12.5kbar。变质高峰属于中压相系的顶部至高压相系的底部。斜长角闪片麻岩、泥质片麻岩均记录了典型的顺时针P-T轨迹,并显示近等温减压(ITD)的退变质片段。对泥质片麻岩中多颗锆石的变质增生边的SHRIMPU-Pb定年表明,变质高峰期时代为1821±17Ma。变质作用历史说明赞皇变质岩区卷入了华北克拉通东部陆块和西部陆块之间的俯冲-碰撞、随后的快速隆升过程,为华北克拉通中部造山带早元古代末期(～1850Ma)存在的造山事件提供了新的证据。

河北赞皇杂岩中2.7Ga TTG片麻岩的厘定及其地质意义

本文对赞皇杂岩中的条带状TTG片麻岩样品进行了岩石化学、锆石U-Pb年龄和锆石Hf同位素研究。其中ZH39-1和ZH39-2的岩性为英云闪长质片麻岩,TZ50-1和TZ50-2为奥长花岗质片麻岩。对岩浆锆石的定年结果显示英云闪长质片麻岩ZH39-1具有2702±13Ma的结晶年龄,奥长花岗质片麻岩TZ50-2具有2690±10Ma的结晶年龄。同时这2个样品均具有新太古代晚期的变质年龄记录,说明岩石受到了新太古代晚期构造-热事件的影响。该片麻岩主量元素均具有高硅(66.4%～74.3%)、高铝(14.0%～15.9%)、富钠(4.13%～5.20%)、贫钾(1.17%～2.54%)和MgO(0.68%～2.12%)、具有低K_2O/Na_2O比值(0.25～0.62)的特征,Mg~#在43.0～47.4之间。微量元素具有富集Ba、Sr、Zr、Hf和Th,亏损Nb、Nd、Ti的特征,稀土元素具有总含量较低为47.6×10^(-6)～120×10^(-6),(La/Yb)_N为16.4～56.5,Eu无异常或较强正异常,这些特征同太古宙高铝TTG岩系一致。英云闪长质片麻岩样品ZH39-1中绝大多数锆石具有ε_(Hf)(t)正值,变化范围是1.52～5.59,该样品锆石两阶段Hf模式年龄为2874Ma,显示新生地壳来自于亏损地幔。在赞皇杂岩不同地点再次发现～2.7Ga的TTG岩石,证明该地区在中太古代晚期和新太古代早期存在大规模陆壳增生事件。

赞皇斜长角闪片麻岩地球化学特征及其构造环境探讨

赞皇变质杂岩位于华北克拉通中部造山带的中南段,斜长角闪片麻岩是构成其前寒武纪基底的主要变质岩之一。通过野外地质调查、岩相学以及地球化学特征研究,发现赞皇斜长角闪片麻岩的原岩为拉斑-钙碱玄武质岩石,其稀土总量变化较大（41.38×10^-6～232.55×10^-6）,轻稀土轻微富集,稀土配分模式近平坦,几乎无Eu异常。原始地幔标准化微量元素蛛网图显示其富集大离子亲石元素K、Rb、Ba,高场强元素Nb、Ta存在明显负异常,Ti弱亏损。地球化学特征和多种构造环境判别图解均表明,形成环境类似于现代大陆边缘岛弧构造环境,推测其形成与华北克拉通西部陆块与东部陆块间的俯冲碰撞有关。

赞皇杂岩官都岩群时代与物源——来自黑云变粒岩与石英岩碎屑锆石U-Pb-Hf同位素与稀土元素组成的约束

官都岩群是华北克拉通中部造山带赞皇杂岩中重要的变质火山-沉积岩系,经历了高绿片岩相-高角闪岩相变质,准确限定其沉积时代与物质来源对探究中部造山带新太古代-古元古代构造演化过程具有重要意义。利用LA-MC-ICP-MS(多接收激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪)与TIMA(矿物自动分析系统)对官都岩群中黑云变粒岩与石英岩进行了锆石矿物包体、U-Pb-Hf同位素与稀土元素原位分析。根据碎屑锆石内部矿物包体组成、阴极发光图像特征与U-Pb年龄结果,认为黑云变粒岩与石英岩中碎屑锆石中最年轻一组的^(207)Pb/^(206)Pb谐和年龄分别为2 544 Ma或2 536 Ma,大致限定了其原岩的最老沉积时代,结合区内黄岔花岗岩岩体侵入官都岩群的野外地质关系,推测官都岩群沉积时代为新太古代末期,并非古元古代。官都岩群黑云变粒岩与石英岩碎屑锆石年龄图谱十分相似,最主要的峰值年龄为2 512 Ma,结合碎屑锆石内部矿物包体与结构特征,认为官都岩群主要物源为新太古代晚期中酸性岩浆岩。两阶段锆石Hf模式年龄揭示2 850~2 700 Ma为赞皇杂岩最强烈的地壳生长阶段。综合本文与中部造山带已发表的数据,认为官都岩群黑云变粒岩与石英岩中变质锆石记录了~2 500 Ma的变质年龄,表明华北克拉通中部造山带普遍遭受了~2 500 Ma变质作用,该期变质作用可能与新太古代晚期华北克拉通初步克拉通化有关。

赞皇地区～2.5Ga A型花岗岩的成因及构造背景:以黄岔岩体为例

位于华北克拉通中部的赞皇杂岩中保留有丰富的新太古代-古元古代岩石记录,是探究华北克拉通早期演化的重要地区之一。其中新太古代晚期TTG片麻岩和花岗岩的成因研究是探讨赞皇杂岩构造演化过程的关键。本文选择出露于河北省邢台市西部山区的黄岔花岗岩体进行研究。该岩体呈不规则的岩株产出,与周围地层主要呈构造接触关系,局部侵入于官都群石英岩中。岩体主要由片麻状、似斑状二长花岗岩组成,边缘相偶见细粒片麻岩包体,斑晶为长石和少量石英。LA-ICP-MS岩浆锆石的^(207)Pb/^(206)Pb加权平均年龄为2488±6Ma,代表岩体的形成时代。由于黄岔岩体侵入于官都群,根据该花岗岩的时代可以限定官都群地层时代为太古代,而非古元古代。但官都群与赞皇群的关系还需要进一步研究。黄岔岩体具有高硅(Si O2=72.64%~74.16%)、富钾(K_2O=3.53%~6.15%)、富碱(ALK=7.59%~9.07%)及铁(Fe_2O_3T=1.84%~3.03%),贫钙(CaO=0.67%~1.67%)、低钛(TiO_2=0.18%~0.28%)、低镁(MgO=0.31%~0.46%)的特征。岩石的稀土总量较高(ΣREE=364.2×10^(-6)~661.1×10^(-6)),轻重稀土元素分异较强烈((La/Yb)_N=18.7~29.8),并具有明显的负Eu异常(Eu/Eu*=0.23~0.33)。微量元素中,富Zr、Zn、Nb、Ga、Y,而贫Sr、V、Cr、Co、Ni等元素,Rb/Sr比值较高,介于0.73~2.72之间,平均1.96。岩石Ga/Al值(2.75×10-4~3.11×10-4)高,全岩Zr饱和温度为826~877℃,具有A型花岗岩特征。黄岔岩体锆石εHf(t)为0.96~6.2,单阶段和两阶段Hf模式年龄分别为2552~2746Ma和2576~2826Ma。黄岔岩体具有造山后A型花岗岩的特征,为2.7~2.5Ga的新太古代TTG片麻岩在造山后地壳拉张减薄初期的构造背景下部分熔融所形成。~2.5Ga的碱性花岗岩在华北不同地区分布,并形成于伸展的构造背景。该期碱性花岗岩的出现,标志华北克拉通在太古宙末期已经初步形成稳定的克拉通。

河北赞皇杂岩官都群碎屑沉积岩锆石SHRIMPU-Pb定年及其地质意义

新太古代-古元古代表壳岩系在华北克拉通广泛发育,在赞皇地区也出露有较典型的中低级变质的火山-沉积岩系,即从原赞皇群解体出来的官都群,其形成时代和成因目前仍有争议。官都群的主要岩石组合为变基性火山岩(包括角闪片岩和斜长角闪岩)、大理岩、石英片岩,以及一系列长英质副片麻岩等。对其中的长英质副片麻岩进行碎屑锆石定年研究,并结合前人已报道的碎屑锆石数据可知,碎屑锆石年龄主要峰值约为2.5Ga,部分样品出现2.0~2.2Ga的峰值。变质锆石记录主要有2个范围,分别为2.48Ga左右和1.85~1.9Ga,可能代表了2期不同的构造热事件记录。结合该地区近年来的研究,可以得到如下认识:(1)样品中存在形态完好的长柱状锆石,表明是近源沉积;(2)约2.48Ga的变质记录与核部岩浆锆石的年龄(约2.5Ga)非常接近,可能代表了物源区中酸性岩体侵位后遭受的一次构造热事件,而不代表沉积岩形成后遭受变质的记录,即沉积过程晚于2.48Ga;(3)官都群至少有一部分岩石组合形成于古元古代;(4)官都群可能是不同时代、不同岩性单元拼贴而成,需要进一步解体。