2018, Vol. 34
中-新太古代(3.2~2.5Ga)是早期大陆地壳形成和演化机制转折的关键时期，尽管仍然是TTG片麻岩占主导地位，但是已经从冥古宙-古太古代早期较为单一的TTG片麻岩组合逐渐演变出了大量地壳再循环和岩浆混合成因的花岗闪长质-二长花岗质-偏碱质花岗质岩石组合(Condie, 1993; Moyen, 2011; Laurent et al., 2014a; Laurent and Zeh, 2015)，其明显标志是较大规模的富钾花岗质岩石的出现。这些富钾花岗质岩石约占新太古代花岗质岩石总量的15%~20%，表明大陆地壳的成分从富钠质向富钾质转变。因此，中-新太古代富钾花岗质岩浆作用是这一时期壳幔动力学机制转化的关键地质记录。以至于Laurent et al. (2014a)将太古宙晚期(中-新太古代)多样性花岗岩分为如下四类：(1)占量比最大的仍然是TTG片麻岩，它们形成于不同压力下的铁镁质火成岩的部分熔融；(2)富含Mg-Fe-K的(二长)闪长岩-花岗闪长岩组合(赞歧岩类)，形成于受富含大离子亲石元素(LILEs)和高场强元素(HFSEs)的流体或熔体交代的地幔楔部分熔融(Laurent et al., 2014b)；(3)过铝质黑云母花岗岩和二云母花岗岩，形成于古老地壳物质(TTG或变质沉积岩)的部分熔融；(4)岩浆混合成因钾质花岗岩，具有上述三类花岗质岩浆的混合特征。这些富钾花岗质岩石中的赞岐岩类岩石，是新太古代大陆地壳形成演化转折时期壳幔作用的重要地质记录，倍受国内外研究者们的关注(Smithies and Champion, 2000; Wang et al., 2009; Heilimo et al., 2010, 2013; Martin et al., 2009; Rapp et al., 2010; Laurent et al., 2011, 2013, 2014a; Semprich et al., 2015; Halla et al., 2016)。
中-新太古宙这一花岗质岩浆作用性质的转变在华北克拉通表现的尤为明显，例如冀东安子岭花岗岩和秦皇岛花岗岩是新太古代末期富钾花岗质岩石的典型代表(Yang et al., 2008; Fu et al., 2017)。近年来，我们在冀东-辽西地区太古宙火成岩岩石组合填图研究中发现，这些富钾花岗质岩石向NEE方向一直延伸到锦州以东地区，被松辽盆地沉积物覆盖，向西通过卢龙-迁安延伸到遵化以北地区(Fu et al., 2016, 2017)，构成了冀东-辽西南部地区NEE-SSW向延伸200余千米的富钾花岗质岩石带(图 1)。其中部分富钾花岗质岩石的化学成分类似于前人定义的高钾高铁镁的太古宙赞岐岩类岩石(Heilimo et al., 2010; Laurent et al., 2013, 2014a, b)。本文以迁安以南到锦州地区的太古宙高钾高铁镁花岗质岩石为例，报导华北克拉通冀东-辽西南部地区太古宙赞歧岩类花岗质岩石的锆石U-Pb年代学、Lu-Hf同位素和全岩地球化学特征，初步分析判断其岩石成因及其动力学意义。
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图 1 锦州-迁安地区太古宙富钾花岗质岩石带地质简图及采样点位置 Fig. 1 Geological sketch map of Neoarchean Jinzhou-Qian'an K-rich granitoid rock zone of the North China Craton and sample locations |
冀东-辽西地区是华北克拉通北部太古宙变质基底出露面积最大、岩石组合最全、也是我国太古宙变质基底研究程度较高的经典地区之一，其中保存了多处老于2.9Ga的地质记录，例如老于3.5Ga的迁安曹庄附近的铬云母石英片岩，3.3~2.9Ga的迁安TTG片麻岩和挂兰峪变质火山岩等(Liu et al., 1992; Nutman et al., 2011, 2014; 刘鹏，2017)。同时这一地区又是我国BIF型铁矿最丰富的地区之一，例如水厂铁矿、司家营铁矿集中区等，是我国最重要的铁矿基地，因此备受国内外学者的关注。
近年来，冀东-辽西太古宙变质基底区较为详细的变质火山岩和深成侵入体岩石组合研究表明，该区太古宙变质基底可以分为三个大的火成岩岩石组合带(刘树文等，2018)，从北向南依次为：(1)分布在阜新-朝阳北部的大洋地壳变质玄武岩带，主要由N-MORB和E-MORB组成，含有条带状磁铁石英岩和一系列小规模BIF铁矿床，形成时代为2.64~2.60Ga，代表了本区残留的大洋地壳残片，为弧前增生楔构造环境；(2)阜新-朝阳-建平-青龙-上营-洒河桥-马兰峪岛弧岩浆岩带，广泛发育拉斑玄武质和钙碱性变质火山岩组合，如初始弧型拉斑玄武岩-钙碱性玄武岩-安山岩-英安岩等，与NMORB-EMORB构造带呈韧性变形带接触。其中变质火山岩中广泛发育(但是总体上少量)具有富Nb玄武岩、类玻安岩地球化学特征的变质玄武安山岩，大量发育Nb、Ta、Ti亏损的钙碱性火山岩岩石系列，岩石成因主要与受洋壳俯冲影响的地幔楔岩浆作用相关，原岩时代为2.61~2.54Ga，形成于大洋岛弧构造环境。这个过程中洋壳俯冲开始的时间＞2.61Ga。该构造带中北部的阜新-义县-朝阳-建平地区广泛发育2.54~2.50Ga的TTG片麻岩，形成于俯冲板片和岛弧根部初生地壳物质的部分熔融，前者岩浆在上升迁移过程中受到地幔楔的混染。该带西南部分的马兰峪-遵化-三屯营一带逐渐过渡为弧后构造背景，既有Nb、Ta、Ti亏损的钙碱性变质火山岩组合又有广泛发育的闪长质(石英闪长质)-英云闪长质-奥长花岗质-花岗闪长质(DTTG)侵入岩岩石组合，该变质火山岩和DTTG片麻岩均形成于俯冲板片之上地幔楔岩浆作用和相关的壳幔作用。尤其是DTTG岩浆作用主要形成于交代地幔楔来源的闪长质-石英闪长质岩浆的结晶分异作用，表明它们侵位于相对稳定的构造-岩浆环境，西南部与2.9 Ga微陆块接壤部位保留了3.4~2.9Ga碎屑锆石和2.7Ga的碎屑、继承锆石(Guo et al., 2013, 2015, 2017；Bai et al., 2014, 2015, 2016；Fu et al., 2016；刘鹏, 2017)；(3)活动大陆边缘和碰撞后伸展构造带。该构造带岩石组合较为复杂，突出地表现在保存了一系列古-中太古代古老陆块，例如遵化草场地区出露的2.9Ga的角闪岩相变质钙碱性火山岩、曹庄地区出露的>3.3Ga的角闪岩相变质表壳岩和3.3~2.9Ga花岗质侵入体等(Wilde et al., 2008; Nutman et al., 2011; Liu et al., 2013; Han et al., 2014)。与古-中太古代变质地块相伴生的有分布在三屯营-太平寨-水厂地区的2531~2515Ma紫苏石英闪长岩-紫苏花岗闪长岩和紫苏花岗岩岩石组合，分布在界岭口、安子岭、绥中以北-兴城-锦州以北地区的2562~2524Ma二长闪长质-石英二长闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩岩石组合、秦皇岛-绥中地区的2527~2511Ma中粒二长花岗岩-正长花岗岩岩石组合和双山子-迁安-滦县-卢龙一带上覆构造盆地2.52~2.51Ga浅变质盖层的岩石组合，其中副变质岩中保存有3.8~2.7Ga的碎屑锆石(Lv et al., 2012; 郭荣荣等, 2014)。该构造带于2.52~2.49Ga形成于以伸展变形为主的下地壳构造层次近水平伸展构造带，在锦州以北-兴城以北地区表现为大型拆离韧性剪切带，导致卷入到该带中的早期花岗质侵入体固态韧性底劈、亚固半塑性底劈，形成标志性的卵型构造区，包括三屯营-太平寨卵型构造区、界岭口-安子岭-绥中卵型构造带。同时双山子-朱杖子-迁安东南-卢龙-滦县地区拉分盆地上部盖层中与底砾岩相伴生的枕状玄武岩、变质英安岩形成时代2.50~2.51Ga (Lv et al., 2012; 郭荣荣等, 2014)，说明它们是与伸展变形带同时形成的弧后盆地沉积和火山喷发。冀东-辽西地区太古宙变质基底经历了2.51~2.45Ga多阶段角闪岩相-麻粒岩相变质作用(Yang et al., 2008；Liu et al., 2011；Wang et al., 2011, 2012, 2013, 2015；Guo et al., 2013, 2015, 2017；Bai et al., 2014, 2015, 2016；王伟等，2015；Fu et al., 2016；刘树文等，2018)。
迁安-锦州地区太古宙NEE向延伸200余千米的富钾花岗质岩石带位于上述的(3)活动大陆边缘和碰撞后伸展构造带内，主要由暗色矿物含量较多、变形强烈的石英二长闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩(即界岭口闪长岩-安子岭花岗岩-绥中花岗岩等)和侵入其中暗色矿物较少未明显变形的中粒二长花岗岩-正长花岗岩侵入体(即秦皇岛花岗岩)组成。其中部分石英二长闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩具有与太古宙赞歧岩类相似的富钾高铁镁的成分特征。我们新近研究在这个太古宙富钾花岗质岩石带内识别出许多中生代花岗岩侵入体，已经从太古宙变质基底地质简图中去除(图 1)。
2 样品岩石学特征本文共采集了10个赞岐岩类片麻岩样品，分布范围从锦州东北到迁安东南，涵盖了冀东-辽西南部地区的整个富钾花岗质岩石带(图 1)。该带东北部锦州-葫芦岛地区4个样品，其中样品15LX01-1为糜棱岩化黑云母石英二长闪长质片麻岩，样品15LX13-2、15LX18-1和15LX38-1为似斑状角闪石黑云母二长花岗质片麻岩；中西部的绥中-安子岭段4个样品，其中15LX58-1、15LX67-3和16JD23-1为中粗粒角闪黑云花岗闪长质片麻岩，16JD17-1为中粒角闪黑云石英二长闪长质片麻岩；西南部迁安-卢龙段2个样品(15JD66-1和15JD68-1)均为中粒似斑状花岗闪长质片麻岩。
这些岩石野外露头上最突出的特征是岩性的不均一性，局部可见到角闪岩包体(图 2a, b)、富云包体、TTG和表壳岩捕掳体。绝大部分岩石均有中粗粒似斑状结构，斑杂状构造，斑晶为钾长石，角闪石和黑云母构成定向排列的暗色矿物斑块或条带，表现清楚的片麻理(图 2c, d)。通常石英二长闪长质片麻岩、花岗闪长质片麻岩和二长花岗质片麻岩之间没有明显的分界线，但是石英二长闪长质片麻岩在界岭口地区较为发育，被秦皇岛花岗岩(2.50Ga)侵入(Yang et al., 2008)。
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图 2 赞岐岩类片麻岩野外地质特征和岩石学特征 (a)二长闪长质片麻岩与花岗闪长质片麻岩之间的过渡关系；(b)二长花岗质片麻岩中角闪岩暗色包体；(c、d)二长花岗质片麻岩和花岗闪长质片麻岩中的斑杂状构造和条带状构造；(e-h)显微镜岩石学特征.矿物缩写：Pl-斜长石；Kfs-钾长石；Qz-石英；Hb-角闪石；Bi-黑云母；Ep-绿帘石 Fig. 2 Geological and petrographic features of the sanukitoid gneisses |
锦州地区的强烈糜棱岩化黑云母石英二长闪长质片麻岩，以样品15LX01-1为代表。岩石为灰黑色，鳞片粒状变晶结构，糜棱叶理构造，其中动态重结晶的黑云母和石英、长石相间排列，构成了糜棱叶理面。主要的暗色矿物为黑云母，细粒鳞片状，含量15%~20%，钾长石和斜长石完全动态重结晶，粒度均小于0.5mm，显微镜下因为观察不到双晶而难以区分，总含量65%~70%，少量动态重结晶的石英(10%~15%), 粒度小于0.5mm。
这些样品中有8个样品为角闪黑云花岗闪长质-二长花岗质片麻岩，岩石主体为中-粗粒似斑状结构，片麻状构造(图 2c, d)。主要的矿物组成为钾长石(15%~30%)，斜长石(35%~45%)，石英(20%~25%)，角闪石(0%~10%)和黑云母(5%~15%)。钾长石主要由条纹长石、微斜长石和正长石组成，部分样品中条纹长石或微斜长石构成斑晶，粒径可达6mm(图 2e, f)。部分角闪黑云花岗闪长质片麻岩样品中存在原生自形绿帘石类矿物(图 2g)。
角闪黑云石英二长闪长质片麻岩以样品16JD17-1为代表，新鲜岩石为灰白色，似斑状中粗粒结构，片麻状构造，岩石的主要矿物组成为角闪石5%左右，黑云母10%~15%；钾长石总量25%~30%，由条纹长石斑晶和基质中微斜长石构成；斜长石含量45%~50%，基质粒度0.5~2mm，主要分布在基质中。在钾长石和斜长石接触部位的斜长石中出现交代的蠕虫结构(图 2h)。石英不规则状，含量10%~15%，通常粒度1~2mm左右。
3 分析测试方法本文对上述10个岩石样品进行了全岩主微量元素分析，并选择其中2个代表性似斑状花岗闪长质-二长花岗质片麻岩样品(15JD66-1和15LX38-1)进行了锆石U-Pb年龄和Lu-Hf同位素分析。分析方法和步骤简述如下。
全岩样品的主量元素和微量元素分析测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。主要氧化物前处理使用碱溶法，即首先采用称重法进行烧失量测试，然后准确称重0.4g岩石样品粉末放入铂金坩埚中，并与1g偏硼酸锂和3g四硼酸锂混合，用玻璃棒轻轻搅拌均匀，在高频炉上加热到1100℃并维持4min，使之混合均匀并形成均质玻璃体。在Advant’XP+ X荧光光谱仪上分析，仪器工作条件为50mA和50kV。分析时采用国际标样GSR-1(花岗岩)、GSR-2(安山岩)、GSR-3(玄武岩)、GSR-9(花岗闪长岩)、GSR-14(花岗质片麻岩)和GSR-15(斜长角闪岩)作为监测，分析精度在0.5%以内(Liu et al., 2012；Bai et al., 2014)。样品微量元素(包括稀土元素)的前处理过程采用高压釜酸溶法进行，前处理过程见Liu et al. (2012)和Bai et al. (2014)。样品分析测试使用仪器为德国Finnigan公司的HR-ICP-MS，分析过程中采用国际标样GSR-1(花岗岩)、GSR-2(安山岩)、GSR-3(玄武岩)、GSR-9(花岗闪长岩)、GSR-14(花岗质片麻岩)和GSR-15(斜长角闪岩)作为监测。一般微量元素测量的精度优于5%，而Nb和Ta优于10%。
锆石单矿物分离是在河北区测队(廊坊)完成，首先将样品粉碎至80~100目，经过常规浮选和磁选方法分离后，在双目镜下挑纯，然后将挑好的锆石颗粒，连同标样一同放置于DEVCON环氧树脂中，待固结后再抛磨至原粒径的二分之一左右，从而使得锆石内部充分曝露，然后对锆石靶进行显微镜透反射光照相和锆石的阴极发光图像(CL)。锆石的U-Pb同位素分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室的LA-ICP-MS实验室进行。采用He作为剥蚀物质的载气，采用91500标准锆石进行外部校正。测试时使用直径为32μm的激光束斑，激光剥蚀深度为20~40μm，同位素比值数据处理和U-Pb表观年龄计算采用Glitter 4.0程序进行，普通铅校正使用Andersen (2002)的方法，谐和线图的制作和年龄计算采用Isoplot 3.0程序进行(Ludwig, 2003)。
锆石Lu-Hf同位素分析测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室进行。分析测试使用LA-MC-ICP-MS完成，激光剥蚀系统为GeoLas 2005，MC-ICP-MS为Neptune Plus。实验过程中采用He气作为剥蚀物质载气，激光剥蚀时间为120s，束斑固定为44μm。采用91500和GJ-1标准锆石作为外标。详细的仪器操作和分析方法参照Hu et al. (2012)。分析数据的离线处理，包括对样品和空白信号的选择、同位素质量分馏校正，均采用软件ICPMS-Datacal完成(Liu et al., 2010)。
4 分析结果 4.1 主量元素特征本文10个样品的分析数据(表 1)表明，2个石英二长闪长质片麻岩样品(15LX1-1和16JD17-1)表现为中低SiO2(60.68%~65.89%)、P2O5(0.25%~0.33%)和TiO2(0.42%~0.60%)，但是较高的Al2O3(15.23%~17.34%)、Fe2O3(4.09%~6.10%)、MgO(1.95%~2.89%)、CaO(3.11%~3.45%)、K2O(3.38%~3.61%)和Na2O(3.82%~4.40%)含量，突出的特征为高铁、镁、钙质和Mg#值(47.7~48.6)。在TAS分类图上该类样品分别投在二长岩和石英二长岩范围内(图 3a)，在K2O-SiO2分类图上落在了高钾钙碱性系列范围(图 3b)。在O’Connor (1965) An-Ab-Or花岗质岩石分类图上，这些样品落在了花岗闪长岩区(图 3c)，铝饱和指数(A/CNK=Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)分子比)为0.89~1.09(表 1)。Mg#和MgO含量与高硅埃达克岩相当，但SiO2含量明显高于高镁安山岩(表 1、图 3d)。
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表 1 全岩常量元素(wt%)、微量元素和稀土元素(×10-6)分析数据和主要参数 Table 1 Analyzed whole-rock data for granitoids and major parameters (major elements: wt%; trace elements: ×10-6) |
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图 3 赞岐岩类片麻岩的岩石化学分类图 (a) TAS分类图(Middlemost, 1994)；(b) K2O对SiO2岩石系列分类图，阴影区为全球2.9~2.5Ga赞岐岩类岩石分布范围(Rollinson, 1993)；(c)花岗岩An-Ab-Or分类图(O′Connor, 1965)；(d)高Si、低Si埃达克岩分类，图中PMB范围为玄武岩部分熔融熔体范围(Martin et al., 2005) Fig. 3 Petrochemical classifications for sanukitoid gneisses |
与石英二长闪长质片麻岩相比，5个花岗闪长质片麻岩样品(15JD66-1、15JD68-1、15LX58-1、15LX67-3和16JD23-1)表现SiO2(63.89%~70.40%)略高、更低的P2O5(0.01%~0.25%)和TiO2(0.49%~0.55%)，Al2O3在14.59%~16.33%之间变化、Fe2O3、MgO、CaO、K2O和Na2O略低(表 1)，Mg#在42.4~49.4之间变化，铝饱和指数明显偏高，除了样品16JD23-1以外，其它样品A/CNK值均大于1.1(表 1)，表现出过铝质地球化学特征。在TAS分类图上，所有花岗闪长质片麻岩样品均落在了花岗闪长岩范围内(图 3a)，在K2O-SiO2分类图上落在了中钾(样品15LX67-3和16JD23-1)到高钾(样品15LX58-1、15JD68-1和15JD66-1)钙碱性系列范围内(图 3b)，在An-Ab-Or花岗质岩石分类图上跨越了奥长花岗岩-花岗闪长岩-二长岩区，其中样品15LX67-3落入奥长花岗岩区，样品15JD68-1落入二长岩区，其余3个样品在花岗闪长岩范围(图 3c)。样品16JD23-1具有准铝质特征，其它样品均为强过铝质(表 1)，其Mg#和SiO2含量均高于高镁安山岩，在MgO-SiO2坐标图上，5个样品均落在了高Si埃达克岩范围内，值得注意的是其中4个样品落于玄武质岩石部分熔融范围之上(图 3d)，表现了明显高K2O、FeOT、MgO和Mg#的地球化学属性。
3个二长花岗质片麻岩样品(15LX13-2、15LX18-1和15LX38-1)的SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3、TiO2、P2O5与花岗闪长质片麻岩相当，而K2O和CaO含量明显偏高(表 1)。MgO含量和Mg#分别为1.72%~2.38%和45.9~49.5，A/CNK值在1.00~1.06，为弱过铝质。在TAS分类图上样品15LX13-2落在石英二长岩范围内，其它样品落在了花岗闪长岩范围内。在K2O-SiO2分类图上样品落在了高钾钙碱性到Shoshonite系列(图 3b), 明显地表现出高K2O特征。在An-Ab-Or分类图上这些样品中1个(15LX18-1)落在花岗闪长岩范围内，另外2个样品(15LX13-2和15LX38-1)落在二长岩范围内(图 3c)。在MgO-SiO2图上，这些二长花岗质片麻岩均落在高Si埃达克岩的范围内，其中2个样品MgO含量高出玄武质岩石部分熔融的熔体范围(图 3d)。
4.2 稀土元素和微量元素所有这些样品的TREE总量在120×10-6~329×10-6之间变化，石英二长闪长质、花岗闪长质和二长花岗质片麻岩的(La/Yb)N比值分别为11.2~25、9.5~84和7.7~23(表 1)。10个样品在球粒陨石标准化稀土图谱上表现了右斜式稀土图谱(图 4a)，其中有6个样品的(La/Yb)N比值大于20，总体上表现了高(La/Yb)N比值的特征，所有样品表现出弱的正Eu异常到弱的负Eu异常(δEu=0.63~1.56)(表 1、图 4a)。总体上(La/Yb)N比值越高，正Eu异常越明显，TREE与(La/Yb)N比值正相关(其相关系数为0.83)(表 1)。
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图 4 球粒陨石标准化稀土图谱(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-element spider diagram (b) (normalization values after Sun and McDonough, 1989) |
所有这些样品表现为大离子亲石元素(LILEs)明显富集，Rb、Sr和Ba的浓度分别为76×10-6~219×10-6、197×10-6~914×10-6和283×10-6~1531×10-6, 在微量元素原始地幔标准化蜘蛛网状图上，LILEs富集，高场强元素(HFSEs)Nb、Ta和Ti明显亏损，P和Sr从无异常到明显负异常(图 4b)。P和Sr明显正相关(相关系数0.75)，Sr-CaO相关系数为0.63，δEu与Zr正相关(相关系数0.75)。Nb/Ta比值变化范围宽(7.53~52)，但是Zr/Hf比值变化范围很小(36~41)(表 1)。
4.3 锆石U-Pb同位素年代学和Lu-Hf同位素特征 4.3.1 样品15LX38-1定年二长花岗质片麻岩样品15LX38-1采自葫芦岛市西北地区。本文对该样品的23颗锆石共进行了30个U-Pb同位素定年分析(表 2)。这23颗定年锆石均发育良好的岩浆震荡环带，大部分锆石发育良好的高亮度边缘(图 5插图)，Th/U比值在0.21~1.30之间变化，表明它们是岩浆结晶锆石，高亮度边缘并非是变质结晶生成的生长边，与一些内部具有较宽环带的锆石区域一样，具有明显Pb丢失，说明它们为岩浆锆石蜕晶质化后重结晶的结果(例如#09)。此外个别锆石保留了较老的继承锆石内核(例如#11，图 5插图)。这30个定年分析点的表观207Pb/206Pb年龄在2165~2583Ma之间变化(表 2)，其中有27个分析点的表观207Pb/206Pb年龄大于2478Ma。这些分析点大部分表现出不同程度的Pb丢失，只有7个分析点落在谐和线上或者谐和线附近(图 5a)。所有30个分析点构成3个主要的表观207Pb/206Pb年龄峰(图 5a插图)，最主要的年龄峰值在2540Ma左右，次要峰值分别在2572Ma和2510Ma左右。结合锆石的CL图像，2572Ma年龄组由6个分析点构成，集中在锆石内核(图 5b插图)，它们分布在谐和线之下，沿着一条不一致线分布，最上部分析点接近谐和线。这6个分析产生的不一致线上交点年龄为2585±27Ma(MSWD=0.47)。由于该年龄分析点位于锆石内核，其Th/U比值在0.62~1.30，有明显Pb丢失，该年龄可能代表了源岩继承锆石年龄或捕获的围岩锆石年龄。
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表 2 锆石U-Th-Pb同位素分析数据和计算的年龄 Table 2 Analytical data of zircon U-Pb isotopes and calculated age values |
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图 5 样品15LX38-1锆石U-Pb同位素谐和线图和定年锆石的CL图像 Fig. 5 Concordia diagram of zircon U-Pb isotopes and dated zircon CL images from Sample 15LX38-1 |
第二组锆石年龄分析点集中在锆石的震荡环带区(图 5a插图)，表观207Pb/206Pb年龄在2529~2555Ma之间变化，构成了该测年样品最大的年龄组，由15个分析点构成，其中6个分析点落在谐和线上。在谐和线图上沿着不一致线分布(图 5c)，产生的不一致线上交点年龄为2545±7Ma(MSWD=0.45)，其加权平均207Pb/206Pb年龄为2543±9Ma (MSWD=0.16)。其中落在谐和线上的6个分析点产生一个谐和年龄2546±6Ma(MSWD=0.0033)(图 5c插图)。这三个年龄在误差范围内一致，2546±6Ma代表了该样品的岩浆结晶年龄。
第三组锆石年龄的9个分析点主要集中在分析锆石的边缘和重结晶锆石内部(#09)，表观207Pb/206Pb年龄较为分散，其中#09、#12、#20、#27和#29沿着一条不一致线分布，#12点在谐和线上，形成的不一致线上交点年龄为2512±24Ma(MSWD=0.33)(图 5d)。该年龄与冀东-辽西地区~2.5Ga主体区域变质作用的时代(Zhang et al., 2012；刘鹏，2017；刘树文等，2018)一致，代表了主要的变质改造事件年龄。其余4个分析点年龄较为分散，没有构成统一的年龄峰，应为晚期改造事件的年龄纪录，地质意义不明确。
本文对上述定年锆石点共进行了15个Lu-Hf同位素分析(表 3)，当继承锆石Lu-Hf同位素值回算到其形成年龄2585Ma，其它分析点回算到样品的岩浆结晶年龄2546Ma时，获得的2个继承锆石分析点εHf(t1)值分别为-0.9和+2.7，其它分析点εHf(t2)值均为正值，在+0.7~+2.7之间变化(表 3)。这些分析点的tDM1和tDM2值分别为2753~2920Ma和2828~2948Ma(表 3)。
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表 3 锆石Lu-Hf同位素数据 Table 3 Analytical data of zircon Lu-Hf isotopes |
花岗闪长质片麻岩样品15JD66-1采自迁安东南新太古代上覆盆地的基底出露区(图 1)。本文共对其中25颗锆石颗粒进行了30个点U-Pb同位素年龄分析(表 2)。几乎所有的锆石都有具有岩浆锆石特征震荡环带的内核和外部明亮的环边构成。其中有16个分析点落在谐和线上，其余14个分析点中12个点落在谐和线下，2个点落在谐和线上方(图 6a)。其中一颗锆石颗粒保留了继承锆石的内核#11(图 6b插图)，其Th/U比值为0.94，表观207Pb/206Pb年龄为2576±17Ma，反映了源区或围岩的年龄特征。另有16个集中在锆石震荡环带区的分析点落在了谐和线上或附近，其Th/U比值为0.16~0.98，表观207Pb/206Pb年龄范围为2532~2553Ma，产生的权重平均207Pb/206Pb年龄和谐和年龄分别为2542±4Ma(MSWD=0.74)和2543±6Ma(MSWD=0.0113)(图 6a插图)。其余13个分析点中的8个点(#02、#08、#09、#10、#17、#23、#24和#26)的Th/U比值变化较大(0.06~1.78，表 2)，主要在锆石的亮化边(Th/U < 0.1)或者暗化边(Th/U>0.1)部位(图 6b插图)，构成的不一致线上交点年龄为2514±20Ma(MSWD=1.5)，与冀东-辽西地区主体区域变质作用的时代(Zhang et al., 2012；刘鹏，2017；刘树文等，2018)一致，代表了太古宙末期主要的变质热事件。其余4个分析点的表观207Pb/206Pb年龄在1992~2296Ma之间变化，没有构成一个年龄峰值，明显受到后期热事件的改造。
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图 6 样品15JD66-1锆石U-Pb同位素谐和线图和定年锆石的CL图像 Fig. 6 Concordia diagram of zircon U-Pb isotopes and dated zircon CL images from Sample 15JD66-1 |
本文对该样品的15个锆石定年点进行了Lu-Hf同位素原位分析。当继承锆石Lu-Hf同位素回算到其形成年龄2576Ma时，获得的εHf(t1)值为-1.5。而其他分析点回算到样品结晶年龄2543Ma时，获得的εHf(t2)值介于-3.8~+3.2之间。这些分析的tDM1和tDM2值分别为2718~2962Ma和2790~3130Ma(表 3)，反映了初生地壳和一些中太古代古老地壳物质被卷入到该样品的岩浆作用之中。
5 讨论 5.1 石英二长闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩的赞岐岩属性太古宙赞岐岩类岩石首先在加拿大太古宙苏伯利尔省被报道(Shirey and Hanson, 1984), 后来在各大克拉通区均有发现，研究者们普遍认为这些具有特殊地球化学特征的高钾高铁镁质岩石是太古宙大陆地壳形成与演化过程中形成的一类重要岩石组合(Moyen et al., 2003; de Oliveira et al., 2009, 2010; Halla et al., 2009; Martin et al., 2009; Wang et al., 2009; Mikkola et al., 2014; Farina et al., 2015; Dey et al., 2016)。Heilimo et al. (2010)对赞岐岩类进行了重新定义，认为赞岐岩类涵盖了很宽的成分范围，其化学成分可以从闪长岩、二长闪长岩(其SiO2含量在55%，MgO含量最高可达9.0%)一直到花岗岩(SiO2含量在~70%，MgO含量~1.5%)。这类岩石最突出的地球化学特征是具有高的K2O、FeOT、MgO含量和Mg#值(100Mg/(Mg+Fetotal)原子比=45~65)，富集过渡族元素、大离子亲石元素(LILEs)和轻稀土元素(LREEs)，具有明显分异的REE图谱。根据这一新的太古宙赞岐岩类定义，本文分析的锦州-迁安富钾花岗质岩石带上的10个样品均表现了高的FeOT、MgO浓度和高的Mg# (42.4~49.5)，与赞岐岩类有可比性。除样品16JD23-1表现出略低的K2O含量，K2O-SiO2图上，其余9个样品均落在了赞岐岩类的范围内(图 4b)。与此类似，在Laurent et al.(2014a, b)花岗岩分类的Na2O/K2O-2×A/CNK-2×FMSB((FeOT+MgO)×(Sr+Ba))图上，2个石英二长闪长质片麻岩和3个二长花岗质片麻岩均落入到赞岐岩范围内，花岗闪长质片麻岩中2个样品也落入赞岐岩范围内，另外2个花岗闪长质片麻岩样品(16JD23-1和15LX67-3)落入了混合成因花岗岩范围内，还有1个样品(15JD68-1)落入了黑云母花岗岩或者二云母花岗岩范围内(图 7a)。在K2O-Na2O-CaO分类图上，2个石英二长闪长质片麻岩、4个花岗闪长质片麻岩和1个二长花岗质片麻岩落入了赞岐岩范围内，另2个二长花岗质片麻岩(15LX13-2和15LX18-1)落入了Closepet型花岗岩范围内，1个花岗闪长质片麻岩(15JD68-1)表现了更高的K2O含量，接近黑云母花岗岩范围(图 7b)。在TiO2-MgO图上所有样品均落入了低Ti赞岐岩范围内(图 7c)。此外这些样品的稀土图谱与前人定义的典型太古宙赞岐岩类岩石平均值基本一致(图 4a)。
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图 7 样品与赞岐岩类岩石对比图(底图据Laurent et al., 2014a, b) 图a中A/CNK为Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)分子比 Fig. 7 Comparison diagrams between samples and sanukitoid rocks (after Laurent et al., 2014a, b) |
综上所述，我们认为锦州-迁安地区的石英二长闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩组合总体上与太古宙赞岐岩类岩石相当，并且从辽西锦州以东到冀东迁安东南延伸200余千米，构成了一条太古宙重要的由赞岐岩类和壳源钾质花岗岩组成的富钾花岗质岩石带(图 1；Yang et al., 2008；Wang et al., 2016；张媛媛等, 2016；Fu et al., 2017；刘树文等，2018)
5.2 赞岐岩类片麻岩的岩石成因前人的研究表明高Fe、Mg和K质的赞岐岩类及其结晶分异作用的产物主要起源于受俯冲流体和/或熔体交代的地幔楔的部分熔融，通常认为它们形成于板块俯冲的构造背景下(Smithies and Champion, 2000; Martin et al., 2009; Rapp et al., 2010; Laurent et al., 2014a, b)。本文所研究的锦州-迁安地区新太古代花岗质片麻岩样品具有高的MgO、FeOT和高的Mg#值(表 1)，大部分样品MgO含量落在了玄武质岩石部分熔融范围之上(图 3d)，并在高Si埃达克岩范围内，说明一些地幔物质已经卷入了这些赞岐岩类片麻岩的岩浆成因之中。2个锆石U-Pb同位素定年样品都存在2.58Ga的继承锆石，比它们的成岩年龄(2.54Ga)老约40Ma(图 5、图 6中插图和表 1)。2个定年样品的Lu-Hf同位素研究表明它们具有较宽的εHf(t)(-3.8~+2.7)和2753~3130Ma的tDM1范围(表 3和图 8)，表明初生地壳和一些3.1Ga的古老地壳物质被卷入到这些赞岐岩类片麻岩母岩浆的成因之中，说明一些古老的(3.1Ga)和初生地壳物质卷入了壳幔再循环。
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图 8 定年样品的εHf(t)对年龄演化图 Fig. 8 Zircon εHf(t) value versus age plot of dating samples |
在3CaO-Al2O3/(FeOT+MgO)-5K2O/Na2O花岗质岩石成因鉴别图(Laurent et al., 2014)上，1个花岗闪长质片麻岩样品(16JD23-1)落在低钾铁镁质岩石部分熔融区和另1个样品(15JD58-1)落在变质沉积岩部分熔融区内，其它8个样品均落入了高钾高铁镁质岩石部分熔融区(图 9a)，表明这些岩石高钾高铁镁质岩石的亲缘性。在AMF(Al2O3/(MgO+FeOT)分子比)对CMF(CaO/(MgO+FeOT)分子比)岩石成因鉴别图(Altherr et al., 2014)上，这些样品表现了低的AMF值的总体特征，分布在玄武质岩石和TTG片麻岩部分熔融区以及该熔融区和变质泥质岩熔融范围之间(图 9b)，结合Hf同位素特征，不难得出结论是古老地壳物质对岩浆贡献相对较少，初生地壳物质及其非成熟沉积物对岩浆贡献明显较高。石英二长闪长质片麻岩和另外两个花岗闪长质片麻岩样品具有低的(La/Yb)N和Sr/Y比值(图 9c, d)、相对低的SiO2含量和岩浆混合成因花岗岩区(图 7a)，表明它们的富集地幔的亲缘性。在LILEs和HFSEs对(FeOT+MgO)花岗质岩浆成因鉴别图上这些分析样品表现了跨越壳幔熔体分界线、但是接近地幔趋势分布，落在富集地幔熔融区并接近地幔分布范围(图 9e, f, Laurent et al., 2014)，反映了它们岩浆中地幔物质的强烈影响。
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图 9 赞岐岩类片麻岩岩石成因鉴别 Fig. 9 Petrogenesis discrimination diagrams for the sanukitoid gneisses |
其它样品表现了高的(La/Yb)N和Sr/Y比值并具有高的SiO2含量，落在不同比例石榴石角闪石岩或者榴辉岩低度部分熔融的范围内，同时落在了埃达克岩范围内(图 9c, d)，表明它们形成于洋壳板片俯冲隧道内俯冲洋壳物质和拖曳增生楔火山-沉积物质以及卷入俯冲的部分老地壳物质残片的部分熔融。这一过程导致岩浆中LILEs和HFSEs浓度明显升高。这些熔体受到了水化、蛇纹石化或者俯冲流体、熔体交代地幔楔物质的明显混染，导致了FeOT、MgO、K2O和Mg#明显升高。具有相对较低的(La/Yb)N和Sr/Y比值的花岗闪长质片麻岩和二长花岗质片麻岩样品可能是以俯冲折返沉积物为主体的物质流在交代地幔楔和老地壳交界区的减压部分熔融的产物。
5.3 赞岐岩质岩浆作用的动力学意义总体上锦州-迁安2.54Ga的赞岐岩类岩浆作用与Fischer and Gerya (2016)和Sizova et al. (2010)热-力学二维-三维模拟的当莫霍面温度比现在高100~175℃时热俯冲壳幔岩浆作用过程基本一致，反映了太古宙晚期一个NNW方向洋壳向SSE方向高角度的热俯冲导致俯冲隧道内的俯冲物质与受俯冲流体、熔体交代的地幔楔相互作用和部分熔融过程。这可能反映了新太古代时期冀东-辽西南部地区在热的构造体制之下形成的洋壳向大陆地壳俯冲的动力学过程。这样一个热的板片俯冲是形成于太古宙晚期莫霍面温度比现在莫霍面温度高的体制下的类现代板片俯冲的动力学机制和过程。这种板片俯冲过程与现代洋壳板片俯冲过程的主要差别在于：(1)由于新太古代晚期莫霍面温度较高，导致俯冲板片和岩石圈强度均低于显生宙；(2)俯冲板片角度增加；(3)俯冲速度加快并且板块规模相对现代板块较小；(4)俯冲板片颈缩和断离的深度较浅；(5)超高压变质记录被断离板片携带下沉深部地幔，榴辉岩、高压麻粒岩、榴闪岩变质岩石难以回返到地表，而是主要受上部地幔楔回升热流和水化地幔楔物质影响发生部分熔融，形成复杂多样的壳幔岩浆作用过程和多样化的岩浆记录。
6 结论(1) 华北克拉通锦州-迁安早前寒武纪变质基底区保存了一套高FeOT、MgO、K2O和Mg#的花岗质片麻岩，主要的岩石组合为石英二长闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩，它们的岩石地球化学特征与全球范围内2.9~2.5Ga赞岐岩类一致，其形成时代为2546~2543Ma；
(2) 这些赞岐岩类片麻岩的岩浆形成于俯冲板片及其拖曳的洋壳沉积物、增生楔物质的熔体和受俯冲流体、熔体交代的地幔楔相互作用引发的一系列多样化的岩浆作用；
(3) 这一多样化的赞岐岩类岩浆作用从NEE到SWW延伸200余千米，构成一条新太古代赞岐岩类带，该赞岐岩类带反映了冀东-辽西南部地区新太古代从NNW向SSE板片热俯冲的动力学体制。
致谢 首先作者非常感谢两名匿名评阅人花了大量时间和精力对本文进行了认真的审阅和并提出了宝贵的修改意见，使本文修改后质量明显提高；北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室杨斌、古丽冰、马芳老师，中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室胡兆初老师在样品测试和分析过程中给予了帮助，在此表示感谢。
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