2016, Vol. 32
华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，也是中国规模最大的克拉通，保留着3.8 Ga以上的地质演化历史(翟明国, 2010; 万渝生等, 2015)，基底岩浆锆石年龄峰值为2.5 Ga，该年龄记录广泛存在于整个华北克拉通(Zhai et al., 2000, 2005; Zhao et al., 2001, 2005; 耿元生等, 2002; 彭澎和翟明国, 2002; Diwu et al., 2010)。近年来，围绕华北克拉通形成和演化过程、早期板块构造、前寒武纪BIF铁矿等热点问题，地质学家展开了深入的研究和讨论(沈其韩等, 2004; 翟明国, 2010, 2012; 万渝生等, 2012, 2015; 张连昌等, 2012)，取得了丰硕的成果和进展，但仍存在许多争论。研究表明，早期地壳的形成以高钠的TTG系列岩石为代表，2.7 Ga是TTG形成的高峰期(翟明国, 2012; Geng et al., 2012)，在全球范围形成规模巨大的克拉通(Condie et al., 2009, 2011; Condie and Aster, 2010)。华北克拉通具有多阶段生长的特点(翟明国, 2013a, b)，新太古代晚期(2.55~2.50 Ga)发生大规模构造热事件，伴随新生陆壳的增生(Diwu et al., 2011; 万渝生等, 2012)，对于该阶段构造热事件有不同观点。一种观点认为陆壳生长是通过俯冲增生和弧陆碰撞实现，即岛弧岩浆作用模式(伍家善等, 1998; Zhao et al., 2000, 2005; Kusky et al., 2001; Li et al., 2002; Kröner et al., 2005)，基于这个观点认为太古宙晚期华北克拉通存在强烈的碰撞造山作用并形成了碰撞造山带(伍家善等, 1998; Kusky et al., 2001; Li et al., 2002; 万渝生等, 2005a, b)；另一种观点则认为由地幔柱或板底垫托(岩浆底侵)作用引起陆壳的生长(Geng et al., 2006; Yang et al., 2008; 耿元生等, 2010; 翟明国, 2010)，归根结底，这个争论的关键在于新太古代是否存在板块构造，而这是已存在几十年的前沿科学问题。
太古宙TTG片麻岩、壳源花岗岩和表壳岩是解决华北克拉通太古宙地质问题的窗口，相对于TTG片麻岩和壳源花岗岩而言，表壳岩分布范围和规模则小得多。华北克拉通太古宙表壳岩主要分布在鞍本、冀东、五台、鲁西、吕梁、胶东和固阳等地(万渝生等, 2012; 张连昌等, 2012)，而在华北克拉通东北部，太古宙表壳岩集中在鞍山、本溪、抚顺和清原地区，这些地区表壳岩的研究程度较高(万渝生等, 2005a, b; 代堰锫等, 2012, 2013; 相鹏等, 2012; 钱烨等, 2013; 张增杰等, 2013; 白翔等, 2014; 张雅静等, 2014)。除此之外，在吉南白山板石沟地区、靖宇北部、抚松西北部以及延边和龙地区仍有太古宙表壳岩零星分布(图 1a)，规模和范围则更小，科学研究也相对较少。
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图 1 华北克拉通东北部太古宙岩石分布图(a)、中国大地构造图(b, 据潘桂棠等, 2009)、吉南板石沟地区地质简图(c)和表壳岩地质剖面(d) Fig. 1 The distribution map of Archean rocks in the northeast of the North China Craton (a), tectonic map of China (b, modified after Pan et al., 2009), geological map of Banshigou area (c) and geological sections of supracrustal rocks (d) |
自1958年板石沟铁矿发现以来，板石沟地区先后开展了1:20万浑江幅和1:5万板石沟铁矿幅区域地质调查，之后很多学者从不同方面对其进行过报道。屈奋雄等(1992)从矿区地层及岩石组合、矿床特征、变质作用和构造变形方面总结了板石沟铁矿的地质特征，随后又探讨了板石沟铁矿的构造置换作用及其控矿规律(屈奋雄等, 1997)，杨豹等(1993)对板石沟等地的变质火山岩地球化学组成进行了研究，刘志宏和姜继圣(1995)、孙忠实等(1999)分别划分了板石沟地区变质变形作用期次，姜继圣等(1997)对板石沟早前寒武纪基底单元进行了划分并梳理了基底地质演化序列，刘志宏等(1999)运用Sm-Nd同位素测年方法获得了表壳岩的形成时代并讨论了岩浆物质来源。可见对于板石沟铁矿的基础地质问题研究较全面，但对表壳岩的综合性研究较少，并且由于年代较早，部分测试结果如今来看可能不够精确，因此本文对吉南板石沟地区太古宙变质表壳岩(命名为板石沟表壳岩)进行了年代学、地球化学和Hf同位素分析，以确定表壳岩形成时代，恢复表壳岩原岩，讨论原岩物质来源，对研究华北克拉通东北部太古宙晚期地壳演化、构造环境和碰撞造山作用具有一定意义。
2 地质概况吉林省境内的太古宙岩石主要分布在东南部龙岗山脉地区，整体呈北东东向带状弧形分布，大致以龙岗主脊为轴，向南北两侧地层依次变新，构成大型的复式背斜(吉林省地质矿产局, 1988)。吉南板石沟地区位于华北克拉通东北部(图 1b)，龙岗复式背斜的核部及南缘，属于典型的太古宙基底出露区，该地区经历多期次构造运动、岩浆活动和变质作用，形成复杂的褶皱和断裂构造，对板石沟铁矿的空间赋存形态起着控制和改造作用(图 1c)。
板石沟地区位于白山市北约9 km处，区内TTG片麻岩和花岗质岩石分布广泛，多遭受强烈变质变形，局部被深熔作用改造，构成太古宙基底的主体。表壳岩整体呈近东西向长条状断续分布，主体部分东起上青东沟，西至木通沟，长约11 km，最宽处达2.5 km。板石沟表壳岩赋存于新太古界鞍山群杨家店组中，多期次变形使岩石中发育不同程度的紧闭同斜褶皱，表壳岩主要的岩石类型包括斜长角闪岩、斜长片麻岩、角闪片岩和磁铁石英岩，它们呈条状、带状、钩状或透镜状分布在TTG片麻岩和花岗质岩石之中。通过对板石沟铁矿多个矿组大比例尺剖面的测制，发现磁铁石英岩多赋存在角闪片岩或斜长角闪岩中，它们是磁铁矿的主要围岩，空间上角闪片岩的出露不稳定，多位于磁铁石英岩的边缘，与磁铁石英岩的形成关系密切(图 1c)，表壳岩的典型产出层序为斜长片麻岩、角闪片岩、斜长角闪岩组合(图 1d)。此外，区内还出露古元古界老岭群和新元古界沉积盖层，它们呈断层接触关系自南向北推覆在表壳岩和TTG片麻岩之上(图 1c)。
3 样品特征本文针对板石沟表壳岩中的斜长角闪岩(图 2a)和角闪片岩(图 2b)进行研究。
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图 2 板石沟表壳岩宏观和显微照片 (a)斜长角闪岩与磁铁石英岩接触关系宏观照片；(b)角闪片岩宏观照片；(c)斜长角闪岩中斜长石强烈绢云母化；(d)斜长角闪岩中角闪石蚀变成绿泥石；(e)钠长角闪片岩中钠长石集合体呈他形糖粒状；(f)绿帘角闪片岩矿物定向排列.Pl-斜长石；Hb-角闪石；Ser-绢云母；Chl-绿泥石；Ab-钠长石；Bi-黑云母；Ep-绿帘石 Fig. 2 Macrographs and micrographs of Banshigou supracrustal rocks |
斜长角闪岩：粒状柱状变晶结构，块状构造，主要由普通角闪石(55%~75%)和斜长石(25%~45%)组成，含有少量的黑云母、钠长石和石英，斜长石绢云母化(图 2c)或钠黝帘石化蚀变严重，个别可见聚片双晶(图 2c)，部分斜长角闪岩中角闪石蚀变成绿泥石，集合体呈片状，平行消光，具有靛蓝色异常干涉色(图 2d)，副矿物有榍石、磷灰石、磁铁矿及电气石。
角闪片岩：根据矿物组合不同，可分为钠长角闪片岩和绿帘角闪片岩，粒状柱状变晶结构，片状构造，钠长角闪片岩主要矿物包括普通角闪石(60%~80%)、钠长石(0~10%)、黑云母(5%~10%)和石英(0~5%)，钠长石集合体呈他形糖粒状存在，干涉色一级灰白，未见双晶(图 2e)；绿帘角闪片岩由角闪石(50%~80%)、绿帘石(20%~45%)以及极少量的长石和石英(0~5%)组成，绿帘石具有弱多色性，以粒状集合体形式存在，干涉色多为姜黄色异常干涉色(图 2f)。副矿物可见榍石、磁铁矿和磷灰石。
取测年样品2件，分别为中细粒斜长角闪岩(编号BA-1，坐标42°2′30.4″N、126°22′59.7″ E)和细粒绿帘角闪片岩(编号BA-6，坐标42°2′26.0″ N、126°23′5.7″ E)。取岩石地球化学全分析样品12件，包括斜长角闪岩样品和角闪片岩样品各6件。
4 分析方法锆石分选和制靶按照常规方法进行，流程不再赘述，可参考侯可军等(2009)、李鹏川等(2016)。锆石U-Pb测年和Hf同位素测试在中国地质科学院矿产资源研究所成矿作用与资源评价重点实验室完成，测试仪器为Neptune多接收电感耦合等离子体质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)，实验过程中采用氦气为剥蚀物质载气，使用GJ-1和Plesovice做为参考物质，根据锆石粒径选择55 μm或40 μm的剥蚀直径，锆石U-Pb定年分析点和Hf同位素分析点位置相同。分析过程中锆石GJ-1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282007±0.000007(2σ, n=36)，与文献报道值(侯可军等, 2007; Morel et al., 2008)在误差范围内完全一致，具体的仪器运行参数及详细分析流程见侯可军等(2007)。实验取得的测年数据使用ICPMSDataCal进行处理(Liu et al., 2010)，运用Isoplot(Ludwing, 2001)绘制谐和图，年龄误差为1σ。主量、微量元素分析在广州澳实矿物实验室(ALS Chemex)完成，主量元素采用X荧光光谱法(XRF)分析，并采用重铬酸钾滴定法测定FeO含量，微量元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析。
5 分析结果 5.1 锆石U-Pb年代学斜长角闪岩样品(BA-1)中的锆石形态不规则，以他形为主，粒径主要集中在200 μm左右，个别可达450 μm，阴极发光图中(图 3)多数锆石为无分带或弱分带结构，并具很窄的浅色变质增生边，少数锆石内部有模糊的岩浆环带。对BA-1中的40颗锆石进行了U-Pb测年(表 1)，由于变质增生边过窄，测试点都选在锆石内部，这些锆石的Th含量为15×10-6~1104×10-6，U含量为73×10-6~984×10-6，Th/U比值为0.15~1.12，符合岩浆锆石的特征，尽管Th、U含量和Th/U比值变化较大，但年龄非常一致。40个数据点都落在了谐和线上(图 4a)，取得的207Pb/206Pb加权平均年龄为2548±11 Ma(1σ；MSWD=1.9)，代表了表壳岩的形成时代。
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图 3 板石沟表壳岩中斜长角闪岩(BA-1)和绿帘角闪片岩(BA-6)锆石阴极发光图像 Fig. 3 CL images of zircons from amphibolite (BA-1) and epidote hornblende schist (BA-6) of Banshigou supracrustal rocks |
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表 1 板石沟表壳岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of Banshigou supracrustal rocks |
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图 4 板石沟表壳岩中斜长角闪岩BA-1 (a)和绿帘角闪片岩BA-6 (b)锆石U-Pb谐和图 虚线为3颗捕获锆石 Fig. 4 U-Pb concordia diagrams of zircons for amphibolite BA-1 (a) and epidote hornblende schist BA-6 (b) of Banshigou supracrustal rocks |
绿帘角闪片岩样品(BA-6)中的锆石呈他形粒状或不规则形状，粒径100~150 μm，整体粒度小于BA-1中的锆石，长宽比1:1~2:1，CL图(图 3)显示锆石内部结构清晰，呈无分带结构或弱分带结构，特征与基性岩浆锆石相符。对BA-6中的30颗锆石进行了测试(表 1)，在其中识别出3颗捕获锆石(BA-6-15、BA-6-16和BA-6-26)，它们的Th含量18×10-6~55×10-6，U含量32×10-6~90×10-6，Th/U比值0.56~0.63，加权平均年龄为2728±71 Ma，表明板石沟地区可能存在新太古代早期地质体。其余27颗锆石中有3颗锆石因为铅丢失偏离谐和线(已剔除)，剩余的24颗皆落在谐和线上(图 4b)，这些锆石的Th含量为10×10-6~392×10-6，U含量为19×10-6~871×10-6，Th/U比值为0.34~0.86。它们的207Pb/206Pb加权平均年龄为2548±23 Ma(1σ；MSWD=0.23)，与斜长角闪岩的形成时代完全一致。
5.2 锆石Hf同位素对BA-1中所有测年锆石和BA-6中部分测年锆石进行了Hf同位素分析(表 2)，测试点与测年点相对应。
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表 2 板石沟表壳岩Lu-Hf同位素分析结果 Table 2 Zircon Lu-Hf isotope data of Banshigou supracrustal rocks |
斜长角闪岩样品(BA-1)的40个测试点176Hf/177Hf值分布在0.281264~0.281496之间，εHf(t)都为正值，变化范围0.29~8.89，平均5.10。单阶段模式年龄tDM1为2877~2469 Ma，基本每颗测试锆石的tDM1都大于锆石形成年龄。在Hf同位素演化图中(图 5a)，多数测试点落在亏损地幔和球粒陨石演化线之间，少数落在亏损地幔以上。
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图 5 板石沟表壳岩中斜长角闪岩BA-1 (a)和绿帘角闪片岩BA-6 (b)中锆石Age-εHf(t)图解 虚线为0.75倍的亏损地幔εHf(t)值演化线 Fig. 5 Age-εHf(t) plot of zircons for amphibolite BA-1 (a) and epidote hornblende schist BA-6 (b) of Banshigou supracrustal rocks |
绿帘角闪片岩样品(BA-6)中15个测试点的Hf同位素分析结果显示，BA-6-21测试点176Hf/177Hf值为0.281198，εHf(t)为负值(-0.78)，具有最老的单阶段模式年龄(2871 Ma)，其余测试点测得的176Hf/177Hf值为0.281299~0.281413，相应的εHf(t)值为4.32~8.03，tDM1为2713~2544 Ma，测试点基本都投在亏损地幔演化线附近，BA-6-21则投在球粒陨石演化线之下(图 5b)。
5.3 地球化学斜长角闪岩和角闪片岩的主量、微量元素分析结果见表 3。其中，与测年样品BA-1和BA-6相对应的地球化学样品分别为BC-1和BC-7。
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表 3 板石沟表壳岩主量元素(wt%)、稀土微量元素(×10-6)组成 Table 3 Major (wt%) and trace elements (×10-6) of Banshigou supracrustal rocks |
斜长角闪岩样品SiO2含量为47.7%~54.0%，Al2O3含量11.30%~17.50%，Fe2O3含量2.42%~7.34%，FeO含量7.59%~11.05%，Na2O含量皆多于K2O含量，A/CNK=0.60~0.80，属准铝质。稀土元素总量53.02×10-6~103.4×10-6，LREE/HREE=3.63~7.83，(La/Yb)N=3.00~8.91，轻稀土富集重稀土亏损，具有右倾的稀土元素配分曲线(图 6a)，Eu总体呈现无异常或正异常(δEu=0.84~1.59)。微量元素富集大离子亲石元素Cs、Rb、Ba和K，亏损高场强元素Th、Nb和Zr(图 6b)。
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图 6 板石沟表壳岩球粒陨石标准化REE配分图(a, 标准化值据Boynton, 1984)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. 6 Chondrite-normalized REE patterns (a, normalization values after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) of Banshigou supracrustal rocks |
角闪片岩中8-3、8-5和8-6为钠长角闪片岩，BC-7、BC-8和BC-9为绿帘角闪片岩。钠长角闪片岩样品SiO2含量47.3%~51.2%，Al2O3含量12.55%~15.25%，Fe2O3含量2.93%~4.18%，FeO含量8.80%~11.20%，Na2O含量2.21%~2.70%，K2O含量0.50%~2.16%，A/CNK=0.59~0.70。绿帘角闪片岩样品SiO2含量45.5%~50.2%，Al2O3含量11.50%~15.05%，Fe2O3含量3.66%~7.68%，FeO含量7.18%~9.33%，Na2O含量0.60%~1.87%，K2O含量0.31%~0.51%，A/CNK=0.34~0.56。对比可见钠长角闪片岩的Na2O、K2O含量远高于绿帘角闪片岩，FeO和MgO含量也较高，而绿帘角闪片岩则具有较高的CaO和Fe2O3含量，这与岩石的矿物组合特征相符。钠长角闪片岩由于含钠长石、黑云母和较多的角闪石而富Na、K、Ca和Fe2+，绿帘角闪片岩含较多的绿帘石而富Ca和Fe3+。两种角闪片岩稀土元素总量都较低(ΣREE=32.88×10-6~58.98×10-6)，LREE/HREE=1.29~2.80，(La/Yb)N=0.55~2.23，轻重稀土分馏程度低。稀土元素配分曲线较为平坦，Eu异常不明显(图 6a)，微量元素富集大离子亲石元素Cs、K和Sr，亏损高场强元素Nb(图 6b)。
硅碱图显示斜长角闪岩和角闪片岩样品基本都为亚碱性系列(图略)，用AFM图解进一步判断属于拉斑玄武岩系列(图略)。
运用变质岩原岩判别图解对板石沟表壳岩进行了原岩恢复，Si-mg图解(图 7a)中样品全都落在火成岩区，而(al+fm)-(c+alk)-Si图解(图 7b)中，绿帘角闪片岩中有2个(BC-7和BC-9)落在火山岩区与钙质沉积岩区的重合区域、1个(BC-8)落在钙质沉积岩区，这是由其矿物组合中绿帘石含量多，使得样品CaO和Fe2O3含量相对较高，在计算尼格里值时钙组分偏大导致的，其余样品都落在火山岩区并具较小的Si值，可确定它们的原岩主要为基性火山岩。La/Yb-ΣREE图解中，除BC-1外，其余的斜长角闪岩、钠长角闪岩和绿帘角闪片岩多落在正斜长角闪岩区(图 7c)，同样表明其原岩类型主要为基性火山岩。综合岩石矿物组成和化学成分特征，认为板石沟表壳岩原岩应为玄武质火山岩。
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图 7 板石沟表壳岩原岩恢复图解(a, 据Van de Kamp and Beakhouse, 1979; b, 据Simonen, 1953; c, 据王仁民等, 1987) Fig. 7 Protolith reconstruction diagrams of Banshigou supracrustal rocks (a, after Van de Kamp and Beakhouse, 1979; b, after Simonen, 1953; c, after Wang et al., 1987) |
华北克拉通东北部的太古宙表壳岩自南西向北东依次分布在冀东、鞍山、本溪、抚顺、清原、白山板石沟、靖宇北部、抚松西北部以及延边和龙地区。
在冀东地区，滦平县周台子铁矿的围岩斜长角闪岩(Z-1-7)中，岩浆成因锆石上交点年龄为2512±21 Ma，代表火山喷发和周台子铁矿沉积年龄，变质成因锆石加权平均年龄为2394±55 Ma，代表了变质作用时间，并且大部分锆石具正的εHf(t)值，模式年龄大于锆石形成年龄，表明岩浆受地壳物质混染(相鹏等, 2012)。在鞍山地区，陈台沟铁矿夹层中绿泥石英片岩(CTG-7)的岩浆锆石年龄为2551±10 Ma，代表岩石结晶年龄，变质锆石年龄为2469±23 Ma，为后期变质作用时间，还有3颗年龄为2739±50 Ma的捕获锆石，代表早期岩浆活动时间，岩浆锆石εHf(t)值为-1.48~7.54，tDM2介于3133~2580 Ma，变质锆石εHf(t)值为-2.23~1.16，tDM2介于3115~2906 Ma，被解释为源区以亏损地幔物质为主，受古老地壳物质混染，暗示鞍本地区新太古代地壳增生(代堰锫等, 2013)。而铁架山表壳岩中黑云变粒岩碎屑锆石年龄为2975±9 Ma，云母石英片岩碎屑锆石年龄为2959±6 Ma，变质石英岩碎屑锆石年龄为2981±9 Ma，则表明中太古代为鞍山地区重要陆壳增生期(殷小艳等, 2006; 万渝生等, 2007)。在本溪地区，歪头山铁矿夹层中斜长角闪岩(WTS-11)的岩浆锆石年龄为2533±11 Ma，存在2610±5 Ma的捕获锆石，微量元素特征表明其形成于弧后盆地环境(代堰锫等, 2012)。在抚顺地区，汤图斜长角闪岩(12LN25-2)岩浆锆石取得了2530±5 Ma的谐和年龄(白翔等, 2014)；小莱河角闪变粒岩(LQ0107)中岩浆锆石年龄为2515±6 Ma，汤图角闪变粒岩(LF0107)中岩浆锆石年龄为2510±7 Ma，代表太古宙晚期一次强烈的构造热事件，认为其形成于岛弧环境，指示弧陆碰撞陆壳增厚(万渝生等, 2005a)。在清原地区，红透山铜锌矿的围岩黑云母斜长片麻岩(N19)具有明显的核幔边结构，核部岩浆锆石上交点年龄为2552 Ma代表海底火山岩喷发时间，幔部变质重结晶锆石年龄为2520 Ma代表变质时间(钱烨等, 2013)；黑云斜长角闪岩的形成年龄为2500±7 Ma，形成环境为弧后盆地(张增杰等, 2013)；树基沟铜锌矿的围岩黑云斜长片麻岩同样具核幔边结构，核部岩浆锆石上交点年龄为2565 Ma，幔部锆石年龄为2529~2519 Ma(张雅静等, 2014)；清原北部清原群中角闪变粒岩(LQ0104)变质锆石获得了2479±5 Ma的变质年龄(万渝生等, 2005a)。在白山地区，五道羊岔钒钛磁铁矿的围岩斑杂状斜长角闪岩中岩浆锆石上交点年龄为2526±35 Ma，其原岩为玄武岩，形成于板块汇聚边缘岛弧构造环境(邵建波等, 2014)。
可以看出，华北克拉通东北部的太古宙表壳岩形成时间多集中在2.55~2.50 Ga，并且普遍经历过后期变质事件，各地的表壳岩多反映出岛弧构造环境，部分地区的研究成果暗示存在新太古代地壳增生事件。板石沟表壳岩中斜长角闪岩(BA-1)的年龄为2548±11 Ma，绿帘角闪片岩(BA-6)的年龄为2548±23 Ma，表明表壳岩形成于新太古代晚期，在绿帘角闪片岩中发现3颗新太古代早期岩浆锆石(2754±80 Ma~2710±92 Ma)，是绿帘角闪片岩原岩岩浆在上升过程中捕获的锆石，代表板石沟地区新太古代早期岩浆活动。板石沟表壳岩与抚顺、清原、鞍山、冀东的表壳岩形成时间相近，表明华北克拉通东北部新太古代晚期(2.55~2.50 Ga)发生过一次重要的岩浆事件。
6.2 原岩的物质来源板石沟表壳岩中的斜长角闪岩和绿帘角闪片岩的原岩主要为玄武质火山岩，对于地幔来源的玄武质岩石，如果Hf模式年龄与其形成年龄相近，表明其来源于亏损地幔，如果Hf模式年龄大于其形成年龄，则表明其岩浆源区受到地壳物质的混染或来自于富集地幔(吴福元等, 2007)，壳幔相互作用过程中结晶出来的锆石的Hf同位素组成取决于亏损地幔和地壳端元所占的比例(Zheng et al., 2006; 郑永飞等, 2007)。
BA-1的Hf同位素测试结果显示εHf(t)值都为正值(0.29~8.89)，指示其源区主要由亏损地幔物质组成，单阶段模式年龄tDM1主要集中在2734~2616 Ma之间，大于锆石的形成年龄(2548 Ma)，表明岩浆源区受到了地壳物质的混染，这与斜长角闪岩较富集轻稀土的特征相符。BA-6中的锆石多具有正的εHf(t)值，tDM1主要为2713~2544 Ma，同样指示亏损地幔物质在源区中作为主导，而BA-6-21测试点的εHf(t)为负值(-0.8)，单阶段模式年龄为2871 Ma，则反映出可能有极少量古老地壳物质加入。
当最大εHf(t)值与同期亏损地幔的初始Hf同位素比值一致，且对应的Hf模式年龄与锆石从幔源岩浆中生长的时间相似时，则可以揭示新生地壳生长事件(Zheng et al., 2006; 郑永飞等, 2007)。这也就是说具有最大的εHf(t)值的锆石，如果与该时期亏损地幔的Hf同位素比值接近，并同时满足Hf模式年龄与形成年龄接近，则可用于指示地壳生长。但是如何衡量锆石的εHf(t)值是否最大呢？根据Belousova et al. (2010)的方法，计算出亏损地幔的εHf(t)值再乘以0.75，如果锆石的εHf(t)值大于这个值则可表示其具有最大εHf(t)值。
在Hf同位素演化图中(图 5)，虚线为0.75倍的亏损地幔εHf(t)值，在虚线之上即表示具有大的εHf(t)值。BA-1中有18个测试点位于虚线之上，其中BA-1-35(207Pb/206Pb=2552 Ma，tDM1=2548 Ma)、BA-1-26(207Pb/206Pb=2555 Ma，tDM1=2555 Ma)和BA-1-40(207Pb/206Pb=2567 Ma，tDM1=2577 Ma)的模式年龄与锆石形成年龄接近。BA-6中12个测试点分布在虚线之上，其中BA-6-27的207Pb/206Pb=2545 Ma，tDM1=2544 Ma，模式年龄与形成年龄接近，表明板石沟地区在2550 Ma左右可能有新生地壳形成。
上述分析结果表明，板石沟表壳岩的岩浆主要来源于亏损地幔，同时伴随少量古老地壳物质的再造，部分具有高εHf(t)值且tDM1与207Pb/206Pb年龄相近的锆石反映板石沟地区新太古代晚期可能发生了地壳增生事件。
6.3 构造背景首先利用构造环境判别图解对板石沟表壳岩的构造背景进行判别，在Pearce and Cann(1973)的Ti/100-Zr-Sr/2图解中(图 8a)，斜长角闪岩和角闪片岩样品主要落入岛弧拉斑玄武岩及其边缘，在Mullen(1983)的10MnO-TiO2-10P2O5图解(图 8b)中，样品同样多投入岛弧拉斑玄武岩区域，表明表壳岩原岩形成于岛弧环境。为了避免利用构造环境判别图得出的判别结果可能存在的不确定性，结合地球化学性质稳定的微量元素对构造环境进行判断。Condie(1989)根据不相容元素在演化过程中相对稳定的性质，提出了用其区分T-MORB、N-MORB和ARCB(IAB、CABI和CABC)的详细步骤和判别参数(图 9、表 4)。首先根据Nb/La、Hf/Ta、La/Ta和Ti/Y比值特征，确定板石沟斜长角闪岩和角闪片岩属于岛弧玄武岩或NMORB，然后根据Th/Yb、Th/Nb、Nb/La和Hf/Th元素比值，确定为岛弧玄武岩，再根据Zr/Y和Ta/Yb比值，判别其属于岛弧拉斑玄武岩或岛弧钙碱性玄武岩(表 4)，虽然使用该方法进一步判断遇到困难，但已经能确定原岩形成于岛弧环境。
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图 8 板石沟表壳岩原岩构造判别图解(a, 据Pearce and Cann, 1973; b, 据Mullen, 1983) Fig. 8 Tectonic discrimination diagrams of protoliths of Banshigou supracrustal rocks (a, after Pearce and Cann, 1973; b, after Mullen, 1983) |
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图 9 玄武岩分类步骤(据Condie, 1989) WPB-板内玄武岩；MORB大洋中脊玄武岩(N、T、E分别代表亏损型、过渡型、富集型)；ARCB-弧玄武岩；CAB-钙碱性玄武岩；IAB-岛弧拉斑玄武岩；CABI-岛弧钙碱性玄武岩；CABC-大陆边缘弧钙碱性玄武岩 Fig. 9 Basalt classification screens (after Condie, 1989) |
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表 4 玄武岩分类参数(据Condie, 1989)及板石沟表壳岩参数 Table 4 Basalt classification screens parameters (after Condie, 1989) and the parameters of Banshigou supracrustal rocks |
万渝生等(2005a)通过研究认为华北克拉通太古宙晚期弧陆碰撞增生造山带从辽宁抚顺-清原向南西经鞍山、大石桥、建平等地延伸到冀东地区，并把该带称为吉-辽-冀造山带。板石沟表壳岩岩石类型主要包括斜长角闪岩、斜长片麻岩、角闪片岩和角闪斜长片麻岩，变质原岩主要为拉斑玄武质火山岩。斜长角闪岩和角闪片岩的形成时间为2.55 Ga，与抚顺、清原、鞍山和冀东的表壳岩形成时间接近，Lu-Hf同位素特征显示出板石沟表壳岩岩浆主要来源于亏损地幔，受少量地壳物质混染，可能存在新太古代晚期地壳增生事件。此外，板石沟地区TTG片麻岩的形成时代略早于表壳岩形成时代，TTG片麻岩形成与洋壳俯冲有关，而区内壳源花岗岩形成时代与板石沟表壳岩相近(未发表资料)，它们共同组成了一个由洋壳俯冲到弧陆碰撞导致陆壳增厚的演化过程。
综合以上研究结果，认为华北克拉通可能存在新太古代吉-辽-冀弧陆碰撞增生造山带，板石沟地区属于该造山带的一部分，并且推测板石沟地区并不是该造山带的终结位置，该造山带可能继续向北东延伸至靖宇北部、抚松西北部，甚至可能达到延边和龙地区，这些地区的太古宙岩石组成了一个连续完整的弧陆碰撞增生造山带，这将需要今后更多的工作来证实。
7 结论(1) 板石沟表壳岩中斜长角闪岩岩浆锆石年龄为2548±11 Ma，绿帘角闪片岩岩浆锆石年龄为2548±23 Ma，表明表壳岩形成于新太古代晚期。绿帘角闪片岩中3颗年龄为2754±80 Ma~2710±92 Ma的捕获锆石暗示板石沟地区可能存在新太古代早期岩浆事件。
(2) Hf同位素特征显示斜长角闪岩和角闪片岩的岩浆主要来源于亏损地幔，伴随少量古老地壳物质的再造，部分锆石反映出板石沟地区可能存在新太古代晚期地壳生长事件。
(3) 斜长角闪岩和角闪片岩变质原岩为玄武质火山岩，形成于岛弧环境，认为板石沟地区为华北克拉通新太古代吉-辽-冀弧陆碰撞增生造山带的一部分。
致谢 耿元生研究员和迟效国教授对本文提出了诸多宝贵意见，在此表示衷心感谢！| [] | Bai X, Liu SW, Yan M, Zhang LF, Wang W, Guo RR, Guo BR. 2014. Geological event series of Early Precambrian metamorphic complex in South Fushun area, Liaoning Province. Acta Petrologica Sinica , 30 (10) :2905–2924. |
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