孔旭，密文天，馬瑩瑩，辛杰，盧嵩，邢佳怡，李詩佳，王晟寧

(1.西北大學地質學系，西安 710069；2.內蒙古工業(yè)大學礦業(yè)學院，呼和浩特 010051)

0 引言

華北克拉通是世界上重要的克拉通之一，有著古老的早太古代—古元古代基底，在其上發(fā)育有中元古代—新生代的蓋層[1-3]。前人對華北克拉通的大地構造單元進行劃分研究，認為華北克拉通由3個構造單元組成，即東部陸塊、西部陸塊和中部造山帶(圖1b)。其中，中部造山帶是由東部陸塊和西部陸塊在1.85 Ga[4-6]或1.95 Ga[7]碰撞拼合形成。

圖1 冀北鎮(zhèn)寧堡—赤城一帶地質簡圖(a圖據文獻[2]修改；b圖據文獻[28-29]修改；c圖據文獻[17,30]修改)Fig.1 Geological sketch of Zhenningpu-Chickeng area in northern Hebei province1.第四系；2.侏羅系；3.紅旗營子雜巖；4.太古宙(單塔子雜巖)；5.黑云二長花崗巖；6.似斑狀花崗巖；7.花崗片麻巖-糜棱巖；8.超鎂鐵巖(蛇紋石化橄欖巖)；9.變基性巖主要出露點；10.赤城-崇禮斷裂帶；11.片(麻)理產狀；12.采樣位置及樣品編號

紅旗營子雜巖分布在赤城—隆化斷裂以北的華北克拉通北部地區(qū)。赤城—隆化斷裂以南的基底屬于單塔子雜巖，該雜巖形成于新太古代，并經歷了古元古代變質作用[8]，關于紅旗營子雜巖的形成時代目前尚未形成共識。一部分學者認為，紅旗營子雜巖形成于新太古代—早古元古代的2.6 Ga—2.4 Ga[8-12,14]；另一部分學者認為紅旗營子雜巖新太古代—早古元古代的鋯石成因為碎屑鋯石，并認為紅旗營子雜巖是晚古生代的變質雜巖[14-16]。前人還對紅旗營子雜巖中的透鏡狀或布丁狀(退變)榴輝巖和(蛇紋石化)橄欖巖進行了研究[17-20]。研究表明：(退變)榴輝巖的原巖為洋殼拉斑玄武巖，并經歷了330 Ma—320 Ma變質作用[17,19]，而(蛇紋石化)橄欖巖是SSZ型虧損地幔橄欖巖[18,21]。

2019年Liu H等對紅旗營子雜巖中的斜長角閃巖開展年代學研究，認為斜長角閃巖的原巖形成年代為2664 Ma—2518 Ma，變質年代為1847 Ma—1840 Ma。那么斜長角閃巖是否經歷了古生代的變質作用，其圍巖也經歷了什么樣的形成及變質過程？鑒于鋯石的U-Pb年代學研究能提供強大的工具來限制變質巖的變質年齡和后期的構造熱事件，本次研究報告了紅旗營子雜巖石榴斜長角閃巖及其圍巖石榴角閃黑云斜長片麻巖的鋯石U-Pb同位素年代學研究成果，用來限制紅旗營子雜巖石榴斜長角閃巖及其圍巖的形成及變質時限，這對理解紅旗營子雜巖在古生代時期的構造演化具有重要意義。

1 地質背景

華北克拉通南接祁連-大別造山帶、東臨蘇魯造山帶，而北部則與古亞洲洋構造域相鄰(圖1b)。目前，最為廣泛接受的構造模型將華北克拉通分為3個主要地塊：東部陸塊，西部陸塊和二者之間的中部造山帶，它代表了古元古代的碰撞拼合帶，標志著華北克拉通的克拉通化的最終完成[1-3,6,22]。部分學者認為東部陸塊與西部陸塊的拼合碰撞發(fā)生在2.5 Ga，并將中部造山帶命名為中央造山帶[23]。華北克拉通由發(fā)生變質的太古代至古元古代基底巖石和中元古代至新生代未變質的蓋層組成[1-3,22]。

華北克拉通北緣中段在鎮(zhèn)寧堡—赤城一帶，以赤城—崇禮斷裂可以分為南北兩個部分。南部主體為單塔子雜巖，由高角閃巖相—麻粒巖相的花崗片麻巖、石榴斜長片麻巖、角閃巖、角閃斜長片麻巖、石榴二輝石巖、石榴矽線黑云片巖、磁鐵石英巖和少量大理巖組成[8]。紅旗營子雜巖則分布于赤城—崇禮斷裂帶以北地區(qū)(圖1c)，在其北部還分布有中生代黑云二長花崗巖巖體。

紅旗營子雜巖主體為變表殼巖，其次為變基性巖和(蛇紋石化)橄欖巖。變表殼巖包括(石榴角閃)黑云斜長片麻巖和(蛇紋石化)大理巖，以前者為主。黑云斜長片麻巖的原巖可能為淺海相(泥質)砂巖[24-25]，其片麻理極為發(fā)育，片麻理的產狀與赤城—崇禮大斷裂大體一致，片麻巖走向為NW-SE，傾向NE，傾角45°～78°。變基性巖包括(退變)榴輝巖和(石榴)斜長角閃巖，變基性巖多呈透鏡狀或布丁狀產出于(石榴角閃)黑云斜長片麻巖內部，其長軸方向與片麻巖的片麻理長軸方向一致[17,19,21,26-27]。

2 樣品采集及巖石學特征

本次紅旗營子雜巖樣品(石榴)斜長角閃巖及其圍巖(石榴角閃)黑云斜長片麻巖的采樣地點為七里墩和呂和堡，樣品具體描述如下：

樣品QLD-001采樣地點為七里墩(圖1c)，巖石名稱為石榴斜長角閃巖，主要基質變質礦物組合為Pl+Amp+Qz+Grt±Ilm(礦物代碼說明詳見圖2)，具有典型的粒狀柱狀變晶結構(圖2a)，其中：長石是以自形板狀結構賦存，以中-基性斜長石為主，粒徑在0.15～0.39 mm之間，占總量12%；角閃石單偏光下具有多色性，粒徑為0.18～0.5 mm，占總量70%；石英呈他形粒狀，不均勻消光，粒徑為0.11～0.76 mm，約占總量5%；石榴子石呈粒狀，含量約13%，石榴子石發(fā)育白眼圈結構(圖2b)，白眼圈礦物組合為Pl+Amp+Bt+Qz，白眼圈內部的Pl發(fā)生不同程度的絹云母化蝕變；樣品的副礦物主要為鋯石。

樣品LHP-002采樣地點為呂和堡(圖1c)，巖石名稱石榴斜長角閃巖，主要基質變質礦物組合為Pl+Amp±Grt，具有粒狀柱狀變晶結構(圖2c)和“白眼圈”結構(圖2d)。長石以半自形板狀賦存，以中-基性斜長石為主，長石粒徑0.18～0.52 mm，占總量的11%；角閃石粒徑為0.24～0.63 mm，占總量的64%；石榴子石呈粒狀，粒徑為0.48～1.86 mm，占總量的23%，正交偏光下全消光，部分石榴子石發(fā)育篩狀結構和白眼圈結構，白眼圈礦物組合為Pl+Amp+Qz+Ilm；副礦物主要為鋯石。

樣品QLD-003采樣地點為七里墩(圖1c)，巖石名稱為石榴角閃黑云斜長片麻巖，為QLD-001石榴斜長角閃巖的圍巖。巖石主要礦物組合為Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt，具有鱗片粒狀變晶片麻狀結構(圖2e)。石英大部分以自形粒狀規(guī)律展布，不均勻消光，長寬比達到1∶3，石英顆粒大小0.09～0.4 mm，含量約35%；長石是自形板狀具聚片雙晶結構，An≈60，為拉長石，該長石粒徑為0.11～0.55 mm，含量28%；黑云母呈鱗片狀定向排列，鱗片直徑0.08～0.35 mm，含量20%，常見黑云母環(huán)繞石榴子石和石英生長并定向排列形成區(qū)域片麻理(圖2f)；角閃石在單偏光下呈多色性，對稱消光，粒徑0.04～0.1 mm，含量10%；石榴子石呈粒狀，正交偏光下全消光，部分石榴子石中包含細粒石英，呈篩狀結構，粒徑0.13～0.5 mm，含量為7%；副礦物主要為鋯石?？紤]到該巖石的礦物成分共生組合為Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt，推斷變質原巖可能是泥質粉砂巖，變質程度為角閃巖相。

樣品LHP-004采樣地點為呂和堡(圖1c)，巖石名稱為石榴角閃黑云斜長片麻巖，為LHP-002石榴斜長角閃巖的圍巖。巖石主要礦物組合為Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt+Ap，具有鱗片粒狀變晶片麻狀結構(圖2g)。石英呈他形粒狀定向排列，消光不均勻，顆粒大小在0.16～0.96 mm之間，占總量的33%；長石呈半自形板狀，以中-基性斜長石為主，An≈55，粒徑為0.2～0.77 mm，含量為40%；黑云母以鱗片結構整齊排布，在0.1～0.38 mm之間，占總量的13%，常見黑云母環(huán)繞磷灰石、石英和石榴子石生長(圖2h)；角閃石單偏光下呈多色性，對稱消光，粒徑0.03～0.09 mm，含量9%；石榴子石呈粒狀，正交偏光下全消光，部分石榴子石中包含細粒石英，具有篩狀結構，粒徑0.5～1.0 mm，含量5%；副礦物主要為鋯石?？紤]到該巖石的礦物組合為Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt+Ap，推斷其變質原巖可能為泥質砂巖類，變質程度為角閃巖相。

圖2 紅旗營子雜巖變基性巖(石榴斜長角閃巖)及其圍巖(石榴角閃黑云斜長片麻巖)顯微照片(-)Fig.2 Microscopic photo of meta-basic rock (garnet-Plagioclase hornblendite) and its surrounding rock (garnet-hornblende-biotite-Plagioclase lasegneiss)a.石榴斜長角閃巖(QLD-001)的主要基質變質礦物組合為Pl+Amp±Qz±Grt；b.石榴斜長角閃巖(QLD-001)的Grt發(fā)育白眼圈結構，白眼圈礦物組合為Pl+Amp+Bt+Qz；c.石榴斜長角閃巖(LHP-002)主要基質變質礦物組合為Pl+Amp±Grt；d.石榴斜長角閃巖(LHP-002)的Grt發(fā)育白眼圈結構，白眼圈礦物組合為Pl+Amp+Qz+Ilm；e.石榴角閃黑云斜長片麻巖(QLD-003)中的黑云母環(huán)繞石英生長并定向排列形成片麻理；f.石榴角閃黑云斜長片麻巖(QLD-003)中的黑云母和角閃石環(huán)繞粒狀礦物石榴子石和石英生長并定向排列形成片麻理；g.石榴角閃黑云斜長片麻巖(LHP-004)中的黑云母環(huán)繞粒狀礦物磷灰石和石英生長；h.石榴角閃黑云斜長片麻巖(LHP-004)中的黑云母環(huán)繞石榴子石生長Grt.石榴子石；Amp.角閃石；Bt.黑云母；Pl.斜長石；Qz.石英；Ap.磷灰石；Ilm.鈦鐵礦；Zrn.鋯石

3 樣品處理及測試方法

(1)樣品處理

樣品的粉碎、鋯石單礦物的挑選、制靶和陰極發(fā)光(CL)拍照均在廊坊宇能(宇恒)巖礦技術服務有限公司進行。首先，將巖石樣品粉碎至80～100目，然后通過常規(guī)電磁選和浮選技術對鋯石進行分選，再在雙目顯微鏡下通過人工挑選完整的鋯石。將挑好的樣品鋯石粘貼在環(huán)氧樹脂靶中并拋光至其一半厚度，之后進行鋯石靶的顯微照片和CL照片拍照。

(2)測試方法和數據處理

鋯石測年在南京聚譜檢測科技有限公司電子微探針實驗室完成。鋯石U-Pb同位素年齡采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法測得，采用Agilent 7700x型ICP-MS激光剝蝕系統。激光波長為193 nm，鋯石表面能力密度為10 J/cm2，He作為載氣，20～40 μm剝蝕深度激光束斑為32 μm，剝蝕頻率為5Hz，單次剝蝕持續(xù)時間為70秒。每分析5個點后，插入一次標準鋯石91500(1064 Ma)[31]和GJ-1(600 Ma)[32]作為外標，微量元素含量計算采用NIST SRM610進行校正，29Si作為內標元素進行校正，具體的分析測試方法詳見文獻[33-34]。

數據采用ICP-MS DataCal軟件處理，用Anderson軟件進行普通鉛校正；年齡諧和圖采用Isoplot 3.0軟件完成[35-36]。對年輕鋯石(<1000 Ma)采用206Pb/238U年齡；單個測點數據誤差和206Pb/238U年齡加權平均值誤差均為1σ。

(3)測試結果

紅旗營子雜巖鋯石CL圖像和LA-ICP-MS U-Pb測年點位及其年齡值如圖3所示。鋯石LA-ICP-MS U-Pb測年各測點的測試數據如表1所述。

圖3 紅旗營子雜巖鋯石CL圖像及測點年齡Fig.3 Zircon cathodo-luminescence image of Hongqiyingzi coplex

石榴斜長角閃巖樣品QLD-001中鋯石的13個測點具有很低的w(Th)/w(U)值(<0.01～0.01)，屬于變質成因鋯石，它們的206Pb/238U年齡加權平均值為322.0 Ma±4.9 Ma(表1，圖4a)，其年齡值可能代表晚古生代的變質年齡。

石榴斜長角閃巖樣品LHP-002中鋯石的14個測點的w(Th)/w(U)值為<0.01～0.09，也屬于變質成因鋯石，其中6號測點因Pb丟失嚴重而不參與年代學的計算，其余13測點的206Pb/238U年齡加權平均值為317.3 Ma±3.7 Ma(表1，圖4b)，其年齡值可能代表晚古生代的變質年齡。

表1 紅旗營子雜巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb測年結果Table 1 Zircon U-Pb LA-ICP-MS age dating of Hongqiyingzi complex

續(xù)表1：

圖4 紅旗營子雜巖鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.4 Zircon U-Pb age Concordia plot of Hongqiyingzi complex(紅色為變質鋯石，黑色為巖漿鋯石)

石榴角閃黑云斜長片麻巖樣品QLD-003中鋯石可以分為2組。1組是測點5和測點6，w(Th)/w(U)值為0.09～0.11，鋯石的HREE曲線顯著上翹，鋯石屬于巖漿鋯石；鋯石206Pb/238U年齡范圍為370.9 Ma—382.0 Ma(表1，圖4c)。2組是其余測點，w(Th)/wU)值<0.01，鋯石的HREE曲線平坦，屬于變質鋯石，9個測點的206Pb/238U年齡加權平均值為350.9±6.1 Ma(圖4c)，其年齡值可能代表石榴角閃黑云斜長片麻巖晚古生代變質年齡。

石榴角閃黑云斜長片麻巖樣品LHP-004中的鋯石也可分為2組。1組是測點1、測點4和測點13，w(Th)/w(U)值為0.07～0.23，鋯石的HREE曲線顯著上翹，鋯石屬于巖漿鋯石；鋯石206Pb/238U年齡范圍為384.1 Ma—392.8 Ma(表1，圖4d)。2組是其余測點，w(Th)/w(U)值為0.01，鋯石的HREE曲線平坦，屬于變質鋯石，17個測點的206Pb/238U年齡加權平均值為343.5±3.1 Ma(圖4d)，其年齡值可能代表石榴角閃黑云斜長片麻巖晚古生代變質年齡。

4 討論

(1)紅旗營子雜巖的組成

目前對紅旗營子雜巖的原巖屬性及組成仍存在著較大的爭議。劉樹文等[8,12]認為紅旗營子雜巖屬于巖漿侵入巖群，主要由太古代(石英閃長巖-英云閃長巖-花崗閃長巖)片麻巖和和古元古代花崗閃長巖-二長花崗巖-正長花崗巖組成；太古代(石英閃長巖-英云閃長巖-花崗閃長巖)片麻巖形成時代為2546 Ma—2532 Ma，古元古代花崗閃長巖-二長花崗巖-正長花崗巖侵入體侵入時代為1870 Ma—1819 Ma。周兵等[17,26,30]認為紅旗營子雜巖中的退變榴輝巖的原巖可能為兼具洋中脊和島弧地球化學屬性的洋殼拉斑玄武巖類，原巖形成于438 Ma，在325 Ma發(fā)生峰期榴輝巖相變質作用(與古亞洲洋的俯沖有關)。筆者曾獲得紅旗營子雜巖的黑云斜長片麻巖中的碎屑鋯石年齡范圍是1855 Ma—369 Ma[14]，認為沉積上限為369 Ma[14]。初航等[37]認為紅旗營子雜巖碎屑鋯石年齡范圍389 Ma—1989 Ma，沉積上限為389 Ma。Liu H等[38]認為紅旗營子雜巖中的橄欖巖代表俯沖洋殼下部的巖石圈地幔；橄欖巖、退變榴輝巖和片麻巖代表蛇綠巖套的殘片，該蛇綠巖套的發(fā)現意味著現代板塊構造機制在古元古代時期就已存在；紅旗營子雜巖(角閃斜長片麻巖)原巖形成于2664 Ma—2518 Ma[38]，屬于新太古代，在1840 Ma—1847 Ma發(fā)生變質作用，并在顯生宙時期發(fā)生折返和角閃巖相變質作用(變質溫度為700～760℃，壓力為5～7 Kbar)。陶光活等[39]對斜長角閃巖開展研究，認為其結晶時代為2477 Ma，源區(qū)來源于古老地殼物質的再循環(huán)，其鋯石Lu-Hf一階段模式年齡為2673 Ma—2783 Ma)，形成環(huán)境為島弧相關環(huán)境。

由此可見，紅旗營子雜巖的組成異常復雜，可以初步歸類為：①太古代斜長角閃(片麻)巖、石英閃長巖-英云閃長巖-花崗閃長巖；②晚古元古代或古生代變基性巖，如(退變)榴輝巖和斜長角閃巖；③晚古生代變表殼巖，如(石榴角閃)黑云斜長片麻巖和(蛇紋石化)大理巖。

(2)變表殼巖的源區(qū)屬性及沉積時限

紅旗營子雜巖變表殼巖原巖的源區(qū)來源復雜，碎屑鋯石最老可以追溯到中-新太古代，其鋯石U-Pb年齡3164 Ma—2465 Ma[8,12,40]；在元古代時期也有豐富的碎屑鋯石記錄，其鋯石U-Pb年齡范圍2417 Ma—1815 Ma[8,12-13,16,37]；在古生代時期也有少量的碎屑鋯石U-Pb年齡記錄，其年齡范圍457 Ma—357 Ma[8,16]。本次研究的兩個變表殼巖(石榴角閃黑云斜長片麻巖)的碎屑鋯石U-Pb年齡范圍為370.9 Ma—392.8 Ma，落在了前人研究的古生代變表殼巖年齡范圍(457 Ma—357 Ma)內，這表明變表殼巖的沉積上限可能為357 Ma。

前人報道的變表殼巖變質時代范圍為293 Ma—334 Ma[8,16,37]，本次研究得到的變表殼巖變質鋯石U-Pb年齡范圍是343.5 Ma—350.9 Ma，限制了變表殼巖的沉積下限為350.9 Ma。因此，紅旗營子雜巖變表殼巖可能的沉積時限為357 Ma—350.9 Ma。

(3)斜長角閃巖和變表殼巖晚古生代變質年齡及意義

本次研究采集的斜長角閃巖的礦物組合為Pl+Amp+Grt±Ilm±Qz，屬于角閃巖相，考慮到斜長角閃巖的樣品位于前人采集的榴輝巖樣品[17,19]附近，因此斜長角閃巖可能是榴輝巖發(fā)生角閃巖相退變質作用的產物，角閃巖相退變質發(fā)生的時間為322.0 Ma—317.3 Ma。變表殼巖(石榴角閃黑云斜長片麻巖)的變質礦物組合為Qz+Pl+Bt+Hbl+Grt，也屬于角閃巖相，因此變表殼巖的角閃巖相變質作用發(fā)生的時間為350.9 Ma—343.5 Ma。

(4)紅旗營子雜巖構造演化

從區(qū)域構造上看，紅旗營子雜巖屬于華北克拉通中部造山帶和古亞洲洋構造域的結合部位，通過對前人發(fā)表的紅旗營子雜巖變質作用年代學成果進行匯總研究(圖5)，可以看出紅旗營子雜巖存在顯著的3個變質年齡區(qū)間：晚太古代2494 Ma—2448 Ma；晚古元古代1900 Ma—1734 Ma(峰期為1824.6 Ma)；顯生宙495 Ma—234 Ma(峰期為323.7 Ma)。晚太古代2494 Ma—2448 Ma變質事件，說明紅旗營子雜巖中的太古代斜長角閃(片麻)巖和石英閃長巖-英云閃長巖-花崗閃長巖具有顯著華北屬性；晚古元古代1900 Ma—1734 Ma變質事件，說明紅旗營子雜巖中的太古代塊體、斜長角閃巖等可能經歷了華北克拉通東西陸塊的相互碰撞及哥倫比亞超大陸的形成；顯生宙495 Ma—234 Ma變質事件，可能與古亞洲洋的俯沖、關閉及造山后的伸展有關。

圖5 紅旗營子雜巖變質年齡統計柱狀圖(據文獻[8,12-13,16-17,19,37-38,40-41]數據繪制)Fig.5 Statistical histogram of metamorphic age of Hongqiyingzi complex

結合前人研究成果，顯生宙495 Ma—234 Ma變質事件可進一步細化為多個演化階段。495 Ma—438 Ma為古亞洲洋開始裂開及(退變)榴輝巖原巖的形成時期；438 Ma—354 Ma為古亞洲洋洋殼的南向俯沖并發(fā)生榴輝巖相變質作用和變質表殼巖原巖(357 Ma—350.9 Ma)形成時期；350.9 Ma—293.4 Ma紅旗營子雜巖早前寒武紀塊體發(fā)生折返、榴輝巖發(fā)生退變質作用和變表殼巖發(fā)生角閃巖相變質作用時期，該階段變質事件與古亞洲洋的最終關閉有關；293.4 Ma—234 Ma變質事件可能與造山后伸展作用有關。

5 結語

通過對鎮(zhèn)寧堡—赤城一帶紅旗營子雜巖變基性巖(石榴斜長角閃巖)及其圍巖(石榴角閃黑云斜長片麻巖)的巖石學特征和同位素年代學進行研究，可以得出以下結論：

紅旗營子雜巖的主要塊體包括：太古代火成巖(斜長角閃(片麻)巖、石英閃長巖-英云閃長巖-花崗閃長巖)；晚古元古代或古生代變基性巖(退變榴輝巖和斜長角閃巖)；晚古生代變表殼巖(石榴角閃黑云斜長片麻巖和蛇紋石化大理巖)。

變表殼巖(石榴角閃黑云斜長片麻巖)沉積作用發(fā)生的時限可能為357 Ma—350.9 Ma，發(fā)生角閃巖相變質作用的時間為350.9 Ma—343.5 Ma；變基性巖(石榴斜長角閃巖)角閃巖相變質作用(榴輝巖的退變質作用)發(fā)生的時間為322.0 Ma—317.3 Ma。

紅旗營子雜巖存在顯著的3個變質年齡區(qū)間：晚太古代2494 Ma—2448 Ma；晚古元古代1900 Ma—1734 Ma(峰期為1824.6 Ma)；顯生宙495 Ma—234 Ma(峰期為323.7 Ma)。其中，晚古元古代變質年齡記錄和顯生宙變質年齡記錄的峰值最為顯著，晚古元古代變質事件與華北克拉通東西陸塊的相互碰撞及哥倫比亞超大陸的形成有關；顯生宙變質事件，可能與古亞洲洋的開裂、俯沖、關閉及造山后的伸展有關。