2020, Vol. 36
2. 自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室, 长春 130026;
3. 深海圈层与地球系统前沿科学中心, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学海洋地球科学学院, 青岛 266100;
4. 青岛海洋科学与技术国家实验室, 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛 266100;
5. 奥塔哥大学地质系, 达尼丁 9054
2. Key Laboratory of Mineral Resources Evaluation in Northeast Asia, Ministry of Natural Resources, Changchun 130026, China;
3. Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
4. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China;
5. Department of Geology, University of Otago, Dunedin 9054, New Zealand
深熔作用是岩石圈演化最基本的转化过程，对岩石圈的物理性质、变形和流变学特征都有重要的影响和控制作用(Lejeune and Richet, 1995; Renner et al., 2000; Takeda and Obata, 2003)。前人关于深熔作用研究成果表明：深部热流持续输入岩石圈-地壳，造成温度升高，下部地壳-上地幔岩石将经历变质作用-部分熔融-岩浆演化-冷却结晶等一系列连续的转变，岩石物理性质(应变强度、粘滞性、流变性等)会发生明显的改变(Brown et al., 2011)，产生复杂多样的流变行为。下地壳的岩石通常都遭受了强烈的部分熔融、构造变形和变质作用的改造，记录了丰富的构造流变信息，通过对野外岩石天然流变产物的观测来对构造加载的变形进行详细解剖研究，是直接认识大陆岩石圈流变特征和规律的必要手段(Burov, 2011; Watts and Burov, 2003)。
内蒙大青山-乌拉山地区是典型的早前寒武纪造山带根部岩石出露区，发育有大量来自中、下地壳的高级变质-深熔岩石及其丰富的相关韧性变形和塑性流变构造，是开展部分熔融岩石流变行为研究的天然实验室。前人对研究区内麻粒岩系和孔兹岩系的变质作用进行了详细的研究(刘喜山, 1994; 金巍等, 1992, 1991; 金巍和李树勋, 1996; 吴新伟, 2007)，确定大青山地区麻粒岩系(含TTG片麻岩)变质温压条件介于760~870℃和0.95~1.09GPa之间，孔兹岩系温压条件介于650~880℃和0.35~0.8GPa之间。此外，大青山地区发育有不同变质级别的韧性剪切带(刘喜山等, 1987; 孙德育等, 1990; 李树勋和刘喜山, 1988)，其中深层次韧性剪切带的变形以扩散蠕变和位错蠕变共存为特征，形成的构造岩宏观上以构造片麻岩为主(徐仲元等, 2005; 陈晓锋, 2007; 刘正宏等, 2008)。
通过野外地质调查研究发现，不同岩石类型和不同产出构造部位岩石的深熔程度和构造变形特征上具有较大的差异。在雪海沟地区以高度熔融的TTG与孔兹岩系为主，熔体含量较多，主要以各种形式的浅色脉体形式参与岩石流变或发生近距离迁移；而在大庙-忽鸡沟剖面的北段，以TTG为主的片麻岩总体发生深熔作用相对弱，熔体含量较少，以一些平行片麻理的浅色条带形式参与流变。这些差异是岩石在造山带中所处的构造层次不同，或者构造变形机制差异所致，但这些岩石的深熔与构造变形机制以及岩石流变的关系研究基本空白。为研究部分熔融对岩石流变行为的影响，本文通过对代表不同构造层次的内蒙古大青山地区雪海沟和大庙-忽鸡沟构造剖面内岩石宏观、微观构造变形特征、EBSD组构以及锆石U-Pb年代学等方面进行详细的研究，并结合前人研究资料，剖析不同构造层次中不同熔融程度岩石的流变特征及其与造山过程的耦合关系。
1 区域地质背景内蒙古大青山地区位于华北克拉通北缘孔兹岩带中段，北侧紧邻阴山陆块，南侧与鄂尔多斯陆块相接，是一条近东西向的古元古代造山带(图 1)。区内发育系列的早前寒武纪高级变质地层和深熔片麻岩，遭受强烈变质变形作用改造，发育有不同层次的构造变形带和大量的流变构造(赵庆英, 2004; 陈晓锋, 2007; 刘正宏等, 2008)。其中早前寒武纪变质地层主要由桑干岩群麻粒岩系(中色、浅色麻粒岩岩组)、下乌拉山岩群黑云角闪片麻岩系(深色、浅色片麻岩岩组)和上乌拉山岩群孔兹岩系(榴云片麻岩岩组、透辉片麻岩岩组和大理岩岩组)组成(徐仲元等, 2001, 2002, 2005, 2007; 杨振升等, 2003, 2006)。早前寒武纪深熔片麻岩主要由花岗质-花岗闪长质片麻岩、紫苏花岗质-紫苏花岗闪长质-紫苏斜长花岗质-紫苏石英闪长质片麻岩和石榴花岗质片麻岩组成，它们在空间上与相应的变质地层紧密共生，是变质地层发生部分熔融作用的产物，其纵向和横向分布不均匀。
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图 1 华北克拉通构造划分图(a, 据Zhao et al., 2005)及内蒙大青山地区地质简图(b, 据徐仲元等, 2005) Fig. 1 The tectonic subdivision of the North China Craton (a, after Zhao et al., 2005) and the simplified geological map in Daqingshan area, Inner Mongolia (b, after Xu et al., 2005) |
近年来锆石U-Pb测年研究表明，桑干岩群形成于新太古代晚期，同时记录有2500~2450Ma和1950~1850Ma两期变质年龄(Ma et al., 2012; 蔡佳, 2014; 孟炳儒, 2007)，表明其经历两期高级变质变形事件的改造。下乌拉山岩群形成于新太古代晚期-古元古代早期，并且同样遭受了古元古代早期和古元古代晚期的高级变质作用(王惠初, 2001; 宋海峰等, 2005; 徐仲元等, 2015; 张维杰等, 2000; 刘建辉等, 2013; 张琳等, 2016; 马铭株, 2015)。孔兹岩系其原岩形成时间在2000~1950Ma之间，在1950~1850Ma之间遭受高角闪岩相-麻粒岩相的变质作用(董春艳等, 2009; Dong et al., 2013; 吴昌华等, 2006; Wan et al., 2009, 2013; Xia et al., 2008; 蔡佳, 2014)。对于众多不同类型的原地或半原地深熔片麻岩来说，其原岩形成于新太古代晚期，并经历了古元古代早期和晚期两次变质作用(董晓杰, 2012; 徐仲元等, 2015; Ma et al., 2012; 董春艳等, 2009; 石强等, 2018; Shi et al., 2019)。这些岩石普遍经历古元古代晚期构造热事件的影响，应是古元古代晚期(~1950Ma)阴山陆块与鄂尔多斯陆块俯冲碰撞拼合的产物。
2 构造变形特征内蒙古大青山高级变质杂岩经历了多期次、不同环境下的构造作用叠加与改造，具有十分复杂的变质变形历史，使得其保留的构造样式较为复杂(杨振升等, 2006; 陈晓锋, 2007; 徐仲元等, 2002, 2005, 2007; 刘正宏等, 2017)。同一构造环境下，不同地区由于岩石力学性质差别，也会产生不同的构造形迹。笔者在详细的野外宏观构造特征识别的基础上，为进一步研究造山带根部岩石流变行为，选择雪海沟(图 2a)和大庙-忽鸡沟(图 2b)典型剖面开展详细的宏、微观构造解析。
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图 2 研究区构造剖面图及采样位置 (a)雪海沟剖面；(b)大庙-忽鸡沟剖面 Fig. 2 Structural profiles and sampling location of the study area |
(1) 雪海沟构造带
雪海沟构造带(剖面)位于包头市东河区东北方向，主要出露山和原片麻岩(紫苏花岗质片麻岩)、基性麻粒岩(原岩为辉长岩)、石榴黑云片麻岩、斜长角闪岩、立甲子片麻岩(钾长花岗质片麻岩)等。发育明显的流面构造，片理倾向为SE方向，倾角50°~70°。构造带多为深熔岩体，熔体比例较高，通常呈类似网脉状的强流变带和其间夹持的似菱形的弱变形域构成的面状流变特征，局部偶见眼球状和条带状构造。区域内见强变形片麻岩夹有被拉断的基性岩脉透镜体(图 3a)，呈定向分布，基性岩透镜体长轴向S-SE方向倾伏，代表其流动方向。TTG片麻岩、斜长角闪片麻岩中发育大量浅色条带，多为流褶皱构造(图 3b-d, f)，表明其变形为粘塑性变形。此外，构造带内发育有A型褶皱(鞘褶皱)和典型的L构造岩(图 3e)。
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图 3 雪海沟构造带宏观构造特征 (a)强变形片麻岩夹有基性岩脉透镜体；(b、c)揉流褶皱；(d) TTG中的条带状构造；(e)暗色辉长岩和浅色熔体脉呈杆状透镜产出，构成L构造岩；(f)石榴黑云片麻岩熔体流动变形 Fig. 3 Macroscopic structural characteristics of Xuehaigou structural belt |
(2) 大庙-忽鸡沟构造带
大庙-忽鸡沟构造带位于包固公路沿线地区，区内岩石类型丰富，主要为(二辉)麻粒岩、片麻岩系、石榴黑云片麻岩、钙硅酸岩以及一系列的变质深熔片麻岩(紫苏花岗质片麻岩)和变质深成侵入岩(TTG)组成，各类岩石均发生了不同程度的变质-深熔作用，其宏观构造样式略有不同(图 4)。构造面理产状陡倾或近于直立，可能与后期变形作用叠加和改造有关。构造带内岩石部分熔融程度强弱不一，总体相对熔融程度低，在TTG片麻岩，斜长角闪片麻岩、紫苏花岗质片麻岩等岩石中明显发育较规则的条纹条带状构造(图 4a, c)，变形强烈，少量熔体联通汇集，并沿着流面方向展布，构成熔融线理(图 4b)。局部地区辉长岩包体有明显的熔融条带(图 4d)，在易熔岩系(如石榴黑云片麻岩)中发育有明显揉皱褶曲现象(图 4e)，也存在部分条带状构造。此外，眼球状花岗质片麻岩变形明显，巨大的长石斑晶或长石集合体强烈拉长显示出十分明显的矿物拉伸线理，并夹有暗色麻粒岩条带(图 4f)。
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图 4 大庙-忽鸡沟构造带宏观构造特征 (a) TTG片麻岩中的弱条带状构造；(b)强变形紫苏花岗质片麻岩；(c)钾质花岗岩中的条带状构造；(d)辉长岩部分熔融；(e)石榴黑云片麻岩中的褶曲构造；(f)片麻岩夹暗色麻粒岩条带 Fig. 4 Macroscopic structural characteristics of Damiao-Hujigou structural belt |
总体来说，典型剖面内各类岩石普遍遭受到复杂的变形-变质-深熔作用影响，但从同种岩石宏观变形和所含熔体比例的角度对比分析，认为由雪海沟至大庙-忽鸡沟地区应体现了造山带地壳结构层次由深至浅的特点。不同构造层次下同种岩石熔融程度差别较大，具有明显的构造流变特征差异。在深部构造层次下(雪海沟地区)深熔作用较强，熔体含量较多，主要以各种形式的浅色脉体(熔体)参与岩石流变或发生近距离迁移，流动褶曲占主导变形地位；在中深部构造层次下(大庙-忽鸡沟地区)熔融程度相对较低，熔体含量较少，以一些平行片麻理的浅色条带参与流变，发育明显较规则的条纹条带状构造。此外，不同岩性其熔融程度存在很大的差别，孔兹岩系(石榴黑云片麻岩和变粒岩)属于易熔岩系，而基性麻粒岩、斜长角闪片麻岩、TTG片麻岩和钙硅酸盐岩都属于难熔岩系，在流变过程中常常以变形透镜体形式存在。
2.2 微观组构研究区内岩石普遍遭受变质-深熔作用的影响，岩石中古成体和新成体界线清晰，发育有大量的显微构造变形特征。其中古成体为未受到或少量受到部分熔融作用的混合岩初始组成部分，新成体为在深熔作用下部分熔融形成的岩石或源于外部的侵入脉体(Sawyer and Brown, 2008)。
雪海沟构造带古成体中动态重结晶方式为颗粒边界迁移为主(GBM)(图 5a)，见有高温塑性蠕英结构(图 5b, c)；此外，矿物颗粒具有较好的流动定向性(图 5d, e)，如黑云母和透辉石。新成体中见有转融形成的大颗粒矿物(图 5f, g)，如角闪石和石榴石，同样见有复晶石英条带(图 5h)及长英质矿物发育的三边平衡结构(图 5i)。
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图 5 雪海沟构造带显微构造特征 18BT04-13：黑云斜长片麻岩；18BT04-5：石榴黑云片麻岩；16BT03-6：二辉麻粒岩；16BT06-1：紫苏花岗质片麻岩；18T22-3：英云闪长岩. Bt-黑云母；Qtz-石英；Pl-斜长石；Hb-角闪石；Di-透辉石；Grt-石榴子石 Fig. 5 Microstructure characteristics of Xuehaigou structural belt |
大庙-忽鸡沟构造带古成体中动态重结晶方式以亚颗粒旋转(SGR)(图 6a)和颗粒边界迁移重结晶为主(GBM)(图 6b)，见有塑性流动变形构造(图 6c-f)，如长石发育的扭折、核幔构造以及石英的变形纹等；此外，见到部分矿物受熔体影响呈微弱旋转定向(图 6g)。新成体中见有复晶石英条带(图 6h)及高温下静态恢复作用形成的三边平衡结构(图 6i)。
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图 6 大庙-忽鸡沟构造带显微构造特征 18BT28-2：麻粒岩；18BT28-7：英云闪长岩；16BT35-2：麻粒岩；15BT21-6：变质辉长岩；16BT15-1：石榴黑云片麻岩；16BT25-1：斜长角闪片麻岩；15BT21-7：英云闪长岩. Rt-金红石 Fig. 6 Microstructure characteristics of Damiao-Hujigou structural belt |
电子背散射衍射(EBSD)技术是通过分析晶体背散射衍射图像来确定晶体轴向，进而确定晶体颗粒的排列取向性，确定晶体内发育的活动滑移系，进而估算矿物的变形温度和滑移系(刘俊来等, 2008; 许志琴等, 2009; Liang et al., 2015)。本次EBSD测试分析在在自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成，其测试样品如表 1所示，具体实验操作流程参见刘俊来等(2008)。数据采用下半球等面积赤平投影的形式表示，选取前人研究中与所测试矿物主要滑移系有关的晶面、晶带和晶棱进行投点，组构图解(XZ面)的坐标轴设置为X轴平行于拉伸线理方向，XY为面理，Z垂直面理方向，每个极图下面的Max表示其最大极密值。
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表 1 测试样品基本信息 Table 1 Basic information of test samples |
斜长石发育滑移系为(010)[100]，表明其发生在高温(700~850℃)、中压(4~10kbar)环境下(Závada et al., 2007; Harigane et al., 2008)。测试结果表明不同构造环境下的斜长石结晶优选方位(CPO)差异较大，在深部构造层次熔融程度较高的环境下，古成体区域中的斜长石普遍不发育或发育弱CPO，极密值相对较小，如样品18BT04-5和18BT22-3 (图 7)。在中深部构造层次熔融程度较低的环境下，古成体区域中的斜长石CPO发育明显，极密值相对较大，如样品16BT15-1和18BT28-7 (图 7)。此外，在同一样品的古成体中斜长石相比新成体更容易发育强CPO，且极密值普遍也要高于新成体区域。因此，斜长石CPO发育强弱可能主要受熔体含量影响，并且在富熔体环境中会弱化其变形强度。
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图 7 斜长石EBSD组构极密图 Fig. 7 EBSD pole figures of plagioclase |
角闪石发育的滑移系为(100)[001]和(010)[001]，说明其变形温度在600℃以上(曹淑云, 2007; Tatham et al., 2008; 嵇少丞等, 2013; Getsinger and Hirth, 2014; Ko and Jung, 2015)。总体来说，不同样品古成体中角闪石发育强晶格优选方向(CPO)，但差异较大。但同一岩性中的角闪石在深部构造层次(如样品18BT22-3)和中深部构造层次(如样品18BT28-7)下CPO差异较小(图 8)，说明不同地壳构造层次下其CPO基本一致，受深熔作用影响不大。
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图 8 角闪石EBSD组构极密图 Fig. 8 EBSD pole figures of amphibole |
滑移系及相应CPO不一定代表矿物经受位错蠕变(Bons and den Brok, 2000; Jiang et al., 2000)。引入取向差角分布数据图能够更加直观地判断矿物的显微构造特征及变形机制。取向差(Misorientation)指多晶集合体中两个晶体的晶体学方位差，一般采用取向差角分布图(Misorientation Angle Distribution, MAD)来分析优选特征，每个数据的获取可以采取随机选取两个颗粒计算或者只选取相邻颗粒对来计算，其中横坐标为取向差分布角度、纵坐标为某一角度范围在数据中出现的频度。通过分析理论随机分布曲线与实际分布的关系，可以分析多晶集合体的微观动力学过程(刘世然等, 2016; Wheeler et al., 2001)。
取向差角可分为相邻取向差角和随机取向差角。前人研究表明相邻取向差角在0°~10°区间比例高代表受位错蠕变影响，而随机取向差角与理论曲线频率越接近，且相邻取向差角在0°~10°区间比例低则代表受扩散蠕变影响(Ishii et al., 2007; Menegon et al., 2013; Mukai et al., 2014; Czaplińska et al., 2015)。
部分样品取向差角分布图如图 9所示。深部构造层次下，在样品18BT22-3中，古成体和新成体区域中斜长石随机取向差角分布与理论值十分接近，且相邻取向差角在0°~10°区间比例低，表明受扩散蠕变影响；古成体中角闪石相邻取向差角在0°~10°区间比例高，受到位错蠕变的作用；在样品18BT04-5中，斜长石在古成体和新成体区域内的位错角分布类似，且矿物随机对位错角分布与理论值亦十分接近，受扩散蠕变影响。中深部构造层次下，在样品18BT28-7中，斜长石在新成体和古成体区域中分布相似，但低角度位错角(0°~10°)所占比例明显高于其他样品，受到位错蠕变影响最大；古成体中角闪石受明显的位错蠕变作用影响。
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图 9 部分样品取向差角度分布图 Fig. 9 Orientation difference angle distribution diagrams of partial samples |
从上述结果来看，深部构造层次下样品中的斜长石普遍受扩散蠕变影响，受晶内变形影响不大；中深部构造层次下样品中保留了少量位错蠕变特征。角闪石在不同构造层次环境下均表现出位错蠕变特征。
4 古元古造山期变质变形年代学研究 4.1 样品采集为进一步限定高级变质深熔岩变形时代，本文在研究区内深熔作用强烈部位采集高级变质岩石进行锆石U-Pb年代学研究。下面对本文进行锆石U-Pb测年的3个样品作简要描述：
(1) 紫苏花岗岩(16BT03-5，40°34′55.5″N、110°05′58.4″E)样品采自雪海沟内，属山和原片麻岩。野外观察点上深熔作用发育，紫苏辉石充分结晶，颗粒大，见有明显的熔体相物质(图 10a)。样品主要由长石和石英组成，含少量辉石，发育长石、石英斑晶，粒径在2~5mm之间，斑晶间充填有长石、石英细粒集合体，显示深熔熔体结晶成因(图 10b)。
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图 10 大青山地区高级变质岩野外及岩相学特征 Hy-紫苏辉石；Pth-条纹长石；Qtz-石英；Pl-斜长石；Bt-黑云母；Grt-石榴石 Fig. 10 Field and petrographic characteristics of high grade metamorphic rocks in Daqingshan area |
(2) 石榴黑云斜长片麻岩样品采自忽鸡沟南部2km左右(16BT31-2，40°49′30.3″N、110°04′22.2″E)。观察点上深熔作用发育，可见大量揉皱构造，也存在部分条带状构造(图 10c)。样品由斜长石(40%~45%)、钾长石(5%~10%)、石英(15%~20%)、黑云母(15%~20%)和石榴石(5%~10%)组成，部分长石绢云母化，石榴石应为黑云母分解(进变质)产物。一些石榴石斑晶含有黑云母+石英+长石包裹体，其边缘被细粒石英+斜长石+钾长石集合体侵蚀和取代(图 10d)。
(3) 黑云二长花岗质片麻岩样品采自前店附近(18BT06-1，40°46′52.25″N、110°4′44.14″E)。观察点上岩石遭受深熔作用改造，变形强烈，见有大量浅色脉体，说明其熔融程度高(图 10e)。岩石主要由石英(15%~25%)、斜长石(20%~25%)、条纹长石(45%~50%)和黑云母(~10%)组成。镜下观察黑云母呈定向分布，石英和斜长石细粒集合体也呈定向分布(图 10f)。
4.2 测试样品及方法样品的锆石分选以及制靶工作分别在河北廊坊区域地质调查研究所、北京锆年领航科技有限公司完成。锆石U-Pb测年在自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成，主要采用激光剥蚀-电感耦合等离子质谱仪联机(LA-ICP-MS)方法，在连接GeoLas200M激光剥蚀系统的Agilient 7500a型ICP-MS仪器上进行，实验中采取单点剥蚀方法，以He作为剥蚀物质的载气，激光束斑直径为32μm，频率为10Hz，激光能量为90mJ，每个分析点的气体背景采集时间为20s，信号采集时间为40s，具体的测试流程及铅校正方法参见文献(Andersen, 2002; Yuan et al., 2004)。数据处理采用GLITTER 4.0软件包，利用Isoplot 4.15进行年龄计算、谐和图绘制以及207Pb/206Pb加权平均年龄计算。
4.3 测试结果(1) 紫苏花岗岩(16BT03-5)
CL图像显示该样品中的锆石主要分两种，其中多数呈柱状，少数呈浑圆状(图 11a)。柱状锆石粒径在100~200μm之间，多具核-幔-边结构，其中核部锆石呈灰黑色，遭受强烈的变质重结晶作用，Th、U重新分配，岩浆环带模糊；幔部锆石浅灰色，无环带，结构均一，部分颗粒不发育幔部锆石；变质增生边呈灰色，无环带，结构均一，边部宽窄不一，变化范围较大。对于浑圆状锆石来说，其粒径在100~150μm，结构均一，无环带。在22颗锆石上进行了28个数据点分析。
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图 11 样品典型锆石CL图像和锆石U-Pb谐和图 Fig. 11 Cathodoluminescence images of representative zircons and age probability diagrams of investigated sample |
测试结果表明，继承性的锆石的U含量和Th/U比值分别为96×10-6~2391×10-6和0.13~2.61，变化很大；变质锆石的U含量和Th/U比值分别为67×10-6~472×10-6和0.29~3.58(表 2)。样品的锆石年龄结果可分为三组：第一组继承性锆石记录的207Pb/206Pb年龄为2355~2503Ma；第二组为变质锆石，其记录的207Pb/206Pb年龄相对较老，分布在2406~2485Ma之间，加权平均年龄为2443±26Ma(MSWD=0.86，n=6)；第三组也为变质锆石，其207Pb/206Pb年龄分布在1844~1948Ma之间，加权平均年龄为1867±24Ma(MSWD=0.024，n=4)(图 11b)。
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表 2 紫苏花岗岩(样品16BT03-5)锆石U-Pb同位素数据 Table 2 Zircon U-Pb isotopic data of charnockite (Sample16BT03-5) |
(2) 石榴黑云斜长片麻岩(16BT31-2)
CL图像显示该样品中的锆石呈短柱状和浑圆状，长宽比为1:1~3:1，锆石粒径在80~140μm之间(图 11c)。阴极发光下显示两种类型的锆石：其一具有核边结构，继承核呈灰黑-黑色，内部发育模糊岩浆结晶环带或为结构均匀的变质锆石，核部与边部界限较清晰，变质增生边常具有灰色-黑色的弱发光效应，无环带特征，变质增生边宽度变化较大。其二多呈浑圆状，少数呈半自形晶，灰-灰黑色，内部无明显分带特征，部分具有冷杉树状结构，具有变质锆石结构特征。在20颗锆石上进行了28个数据点分析。
测试结果表明，继承性核部的U含量和Th/U比值分别为218×10-6~1055×10-6和0.08~0.28；变质锆石的U含量和Th/U比值分别为210×10-6~592×10-6和0.06~0.37(表 3)。样品的锆石年龄结果可分为三组：第一组以继承锆石为代表，其记录的207Pb/206Pb年龄为2072~2386Ma；第二组为变质锆石，其记录的207Pb/206Pb年龄分布在1881~1939Ma，加权平均年龄为1894±23Ma(MSWD=0.031，n=5)；第三组也为变质锆石，其记录的207Pb/206Pb年龄分布在1792~1870Ma，加权平均年龄为1851±25Ma(MSWD=0.19，n=16)。在部分锆石中我们可以清楚的观察到这两期变质年龄的存在，如18、19数据点分别为同一锆石的核部年龄(1939±19Ma)和边部年龄(1827±20Ma)(图 11d)。
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表 3 石榴黑云斜长片麻岩(样品16BT31-2)锆石U-Pb同位素数据 Table 3 Zircon U-Pb isotopic data of garnet biotite plagiogneiss (Sample16BT31-2) |
(3) 黑云二长花岗质片麻岩(18BT06-1)
CL图像显示该样品中的锆石多呈柱状，粒径在120~200μm之间，具典型的核-幔-边结构。其中核部锆石多呈灰黑色，具有岩浆结晶环带结构，部分环带结构因受后期改造已不明显。幔部锆石呈深灰-灰黑色，结构均匀，部分蚕食核部锆石，显示出变质重结晶成因，部分颗粒不发育幔部锆石；边部主要呈灰白色，无环带，结构均一，边部宽窄不一，变化范围较大(图 11e)。在20颗锆石上进行了30个数据点分析。
测试结果表明，继承性核部的U含量和Th/U比值分别为85×10-6~376×10-6和0.69~1.85；变质锆石的U含量和Th/U比值分别为144×10-6~1513×10-6和0.01~0.28(表 4)。
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表 4 黑云二长花岗质片麻岩(样品18BT06-1)锆石U-Pb同位素数据 Table 4 Zircon U-Pb isotopic data of biotite monzograniteic gneiss (Sample18BT06-1) |
该样品的锆石年龄结果可分为三组：第一组以继承锆石为代表，其记录的207Pb/206Pb年龄为2134~2394Ma；第二组为变质锆石，其记录的207Pb/206Pb年龄分布在1891~1954Ma，加权平均年龄为1940±61Ma(MSWD=0.35，n=6)；第三组也为变质锆石，其记录的207Pb/206Pb年龄分布在1830~1867Ma，加权平均年龄为1848±31Ma(MSWD=0.108，n=11)。在部分锆石中我们可以清楚的观察到这两期变质年龄的存在，如26、27数据点分别为同一锆石的幔部年龄(1911±19Ma)和边部年龄(1847±20Ma)(图 11f)。
测试结果表明，样品中的锆石记录有新太古代晚期，古元古代早期和古元古代晚期的年龄。结合锆石CL图分析，新太古代晚期和古元古代早期年龄主要在锆石核部记录，多为发生不同变质重结晶作用的岩浆锆石，锆石边部往往具有扇形结构，记录有古元古代晚期变质-热事件年龄，高Th/U值显示高级变质作用成因特点，说明研究区内岩石在古元古代晚期遭受高级变质作用改造，与大青山地区古元古代晚期造山构造热事件有关(徐仲元等, 2015; Wan et al., 2009, 2013; Dong et al., 2013)。
对于古元古代晚期的变质年龄来说，根据锆石结构特征进一步分为三个年龄阶段：~1940Ma，~1894Ma和~1848Ma，指示了区内不同时代的变质作用，证实大青山地区这一构造热事件经历了长期复杂的演化历史。蔡佳(2014)根据孔兹岩系变质锆石年龄直方图并结合岩相学观察和年代学结果进一步划分出~1950Ma，~1900Ma和~1850Ma三个年龄阶段，分别对应于阴山陆块和鄂尔多斯陆块碰撞、孔兹岩峰后减压退变质和碰撞后近等压降温构造折返的时代。说明加厚地壳的伸展减薄在~1900Ma时早已经开始。
对于华北克拉通古元古代晚期构造体制从挤压向伸展的转换时间，前人进行了一系列的研究。马铭株(2015)认为深熔作用及其产物石榴石花岗岩的形成标志着华北克拉通古元古代晚期构造体制从挤压向伸展的转换，石榴石花岗岩中的锆石边部年龄为~1900Ma，代表其伸展的时间。赵国春(2009)认为~1920Ma的超高温变质事件与造山之后的伸展环境下地幔岩浆底侵有关，而且Peng et al.(2010, 2011)在徐武家地区测出辉长岩墙群年龄为~1930Ma，进一步佐证这一观点。Jiao et al. (2013)在集宁小什字地区测得石榴石岩的变质年龄为~1890Ma，认为其代表孔兹岩开始折返的时代。Yin et al. (2011)认为1870Ma的退变质时代代表了孔兹岩带碰撞造山后构造抬升阶段。此外，部分研究者认为孔兹岩带变泥质岩的变质锆石所记录的1850~1920Ma为碰撞后折返抬升的时代(Yin et al., 2009, 2011; 赵国春, 2009; 周喜文和耿元生, 2009; Zhao et al., 2010; Dong et al., 2013)，该时代与贺兰山S型花岗岩的形成时代相吻合(~1880Ma; Yin et al., 2009)，而S型花岗岩被普遍认为是陆-陆碰撞造山后的折返过程中高级变泥质岩减压熔融的产物(蔡佳等, 2015; 卢良兆等, 1992, 1996)。
综上所述，大青山地区造山变质-深熔演化过程至少持续100Myr以上，其伸展作用可能在~1900Ma甚至更早阶段就已经开始。
5 讨论 5.1 矿物变形机制矿物在高温条件下受到应力作用而发生晶质塑性变形，由于不同的矿物其结晶学、结构、成分、流变特性和变形条件等的不同，进而表现出不同的变形机制，同一种矿物在不同的变形环境下其变形表现和变形机制也有较大差异(曹淑云, 2007; 胡玲等, 2009)。
(1) 斜长石
大青山地区高级变质岩岩石内，斜长石颗粒普遍存在。区内岩石普遍遭受高角闪岩-麻粒岩相变质作用，斜长石颗粒显示高温变形特征，其重结晶类型主要为亚颗粒旋转和颗粒边界迁移重结晶。此外，部分样品中斜长石发育微裂隙、扭折带、波状消光、核幔构造、三边平衡结构和镶嵌状新晶集合体等构造现象。
EBSD测试结果表明斜长石发育滑移系为(010)[100]，表明其发生在高温(700~850℃)中压(0.4~1.0GPa)环境下(Zavada et al., 2007; Harigane et al., 2008)，其变形机制为亚晶粒旋转重结晶和颗粒边界迁移重结晶。在新成体中斜长石普遍不发育结晶优选方向(CPO)，而在古成体中其CPO发育程度视岩石遭受深熔作用强度而定。总体而言，其在造山带地壳深部构造层次熔融程度较高环境下的古成体区域不易形成CPO，而在造山带地壳中深部构造层次熔融程度较低的环境下容易形成CPO。造成这种现象的原因与斜长石在变形过程中所经历的变形机制有关。在熔融程度低的环境下，矿物变形受位错蠕变的影响，长石发育强CPO(Imon et al., 2004; Berger et al., 1996; Passchier and Trouw, 2005)，而在熔融程度较高的环境下，矿物变形机制为颗粒流动、颗粒边界滑移和扩散蠕变，长石CPO不明显(Viegas et al., 2016; Menegon et al., 2013; 巴合达尔·巴勒塔别克等, 2019)。通过对发生熔融的部分样品进行取向差角研究进一步支持了这一观点，在深部构造层次熔融程度较高样品中(18BT22-3)新成体和古成体的长石矿物普遍受扩散蠕变影响，受晶内变形影响不大，在中深部构造层次熔融程度较低的样品中(18BT28-7)保留了少量位错蠕变特征，保持强CPO和高温滑移系。这种现象主要是深熔熔体分数在岩石中所占比例不同造成的，在中深部地壳熔融程度较低的环境下，矿物质点相互接触，以固态骨架来调节变形，易形成位错蠕变，而在深部地壳熔融程度较高的环境下，固态骨架崩解，易形成扩散蠕变，在更高熔体环境下(如在新成体区域中的矿物)，矿物质点悬浮在熔体中，机械行为主要受液相流体粘度控制，以颗粒流动(超塑性流)变形机制为主(刘正宏等, 2017)。
(2) 角闪石
角闪石颗粒在研究区内的麻粒岩、黑云斜长片麻岩、紫苏花岗质片麻岩和英云闪长岩中普遍存在。EBSD测试结果表明角闪石发育滑移系为(100)/(010)[001]，说明其变形环境是在高温低应状态件下，伴随有动态重结晶、位错滑动以及亚颗粒形成(Dollinger and Blacic, 1975; Rooney et al., 1970, 1975; Skrotzki, 1992)。在不同岩性下角闪石的结晶优选方向(CPO)差异较大，但同一岩性在不同构造层次下其CPO依然保留很大程度的相似性，如英云闪长岩中的样品18BT28-7和18BT22-3，说明角闪石结晶优选方向受深熔作用影响不大。通过对英云闪长岩(样品18BT28-7和18BT22-3)进行取向差角分析，角闪石在熔融程度不同的构造环境下均表现出位错蠕变特征。
5.2 岩石流变机制内蒙古大青山地区广泛发育中-下地壳尺度麻粒岩相变质的高级变质岩，随变质-深熔作用的增强，熔体的出现弱化了岩石的流变结构，形成固-液两相变形介质参与下的变形环境，发生大规模的塑性流动变形。岩石流变构造在宏观上多呈面状分布，边界不十分清楚，总体由类似网脉状的强流变带和其间夹持的似菱形的弱变形域构成，其宏观上形成不对称流动组构、条纹条带构造、熔融线理、层内流动褶皱等构造形迹，对应的构造岩主要为发育有片麻状构造的各类构造片麻岩。
受变形环境的影响，同种岩性(构造片麻岩)在造山带不同地壳构造层次下具有不同的流变样式。在深部构造层次下(以雪海沟构造剖面为代表)其深熔作用较强，熔体含量较多，固体颗粒形成集合体，甚至孤立固体颗粒可以悬浮在液态熔体中，主要以各种形式的浅色脉体形式参与岩石流变或发生近距离流变迁移，这种深层次流变特征总体上表现为宏观不出现规则的条带和条纹状构造，通常为由熔体流动夹带矿物颗粒流形成的网状的断续条带状构造，发育L构造岩和不规则的A型鞘褶皱，微观上单个矿物受扩散蠕变、颗粒边界滑移和颗粒流动(超塑性流)影响，一般没有明显的晶内变形组构，如斜长石，不发育或发育弱CPO。而在中深部构造层次下(以大庙-忽鸡沟构造剖面为代表)其深熔作用总体相对较弱，熔体含量较少，固体颗粒相互连接支撑构成承重格架，总体表现为宏观上形成一些平行片麻理的较规则变形条带和条纹构造，少量熔体联通汇集，多为带状展布，构成熔融线理，微观上通常单矿物有位错蠕变变形，如斜长石、角闪石，发育有强CPO。此外，在相同构造层次下，受岩石本身应变强度影响，各类构造片麻岩流变机制也存在较大差别。总之，孔兹岩系(石榴黑云片麻岩和变粒岩)属于易熔岩系，熔体含量较多，在差应力作用下浅色熔体发生迁移、聚集和沉淀，形成形态不一、规模不等的浅色熔融团块、脉体(刘正宏等, 2017)；而基性麻粒岩、斜长角闪片麻岩、TTG片麻岩和钙硅酸盐岩都属于相对难熔岩系，熔体含量相对较少，主要形成规则条纹条带构造。
综上所述，造山带下地壳岩石的塑性流动主要是由位错蠕变、扩散蠕变和颗粒流动这三种变形机制造成的，随着根部地壳层次的加深，变质-深熔程度逐渐增大，深熔岩石固-液组分比例不断变化，其变形机制会发生相应调整，进而导致各类构造片麻岩呈现不同的宏观构造样式。
5.3 大青山地区构造环境演化过程大青山-乌拉山构造带内主要以古元古代变质深熔岩系和新太古代TTG岩系为主，并且大都经历了高角闪岩相-麻粒岩的变质作用。研究认为造山带内古元古代变质岩主要经历近峰期变质、峰后减压退变质和近等压降温退变质三期变质阶段(金巍和李树勋, 1996; 卢良兆等, 1996; Guo et al., 2012; 蔡佳, 2014)，反映地壳由构造埋深到抬升减薄的演化历史。
华北克拉通西部的阴山陆块和鄂尔多斯陆块在~1950Ma发生俯冲-碰撞作用，形成古元古代陆-陆碰撞构造带(董春艳等, 2009; Wan et al., 2009, 2013; Yin et al., 2009, 2011; 周喜文和耿元生, 2009)。挤压造山过程中，地壳中深部岩层强烈褶皱，逆冲断裂等构造现象普遍发育，部分上地壳岩石同时也被卷入下地壳区域，形成加厚的地壳岩石圈(图 12a)(卢良兆等, 1992)。随着等温面的恢复，下插的上地壳岩石在深部层次下达到固相线温度(~750℃)以上，进入变质深熔阶段(ca.1950~1900Ma)，经历峰期中-高压麻粒岩相变质作用的改造。下地壳熔融区因高级变质重熔作用而导致不同岩石强度不一，同时改变了原有的岩石流变性质，形成系列的水平熔融软弱层，造山带内的孔兹岩系及重熔花岗岩主要在此阶段形成，除部分新太古代岩系发生熔融外，大部分相对难熔保持原有的刚性强度。固相线以上的韧性变形域内，岩石在地壳自重的持续负荷下发生近水平的应变剪切，在这种动力成因机制下岩石呈近水平的扁平棱形块体(钱祥麟等, 1994)(图 12b)。随着加厚地壳热弛豫升温，重力不稳定的地壳趋于伸展，以减薄地壳降低势能趋于平衡(李江海, 1992)，造成了造山带后期的伸展-垮塌，表现为上地壳的脆性扩展和下地壳的韧性减薄(Vanderhaeghe and Teyssier, 2001)。在减压过程中由于重力均衡作用导致高压变质的造山带根部发生快速折返抬升(~1900Ma)，记录峰期后减压退变质阶段(图 12c)。在后造山阶段，随着剥蚀作用的持续进行，下地壳在构造均衡作用下继续缓慢抬升至近地表，记录了近等压降温的退变质过程(图 12d)。
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图 12 造山带演化结构示意图(据刘同君等, 2020) Fig. 12 Schematic diagram of the evolutionary structure of the orogenic belt (after Liu et al., 2020) |
总之，下地壳深熔区主要以塑性流动变形为主，发育有近水平的熔融层，其流变性质决定其构造特征是褶皱不发育而以近水平的流变为主。本次研究的大青山造山带典型剖面的宏微观构造样式均较好的保存了变质-深熔过程中根部岩的构造变形响应。此外，近年来完成的所有GGT剖面显示(刘昌铨等, 1991; 滕吉文等, 2010)下地壳层次内近水平状态的结构特征，应是深部构造作用的最基本状态，是强弱应变区带构成的变形分隔的网络格架。遭受深熔作用的岩石主要在这种近水平的地壳结构下发生塑性流动变形。而对于目前大青山地区呈现的近东西向的陡倾叶理带来说，可能是后期隆升过程中一系列的逆冲作用造成的，此外，研究区在显生宙经历了一系列复杂的构造运动(如：晚古生代、中生代的逆冲推覆)(刘正宏等, 2001, 2002; 徐仲元等, 2001)，导致古元古代造山带原始的构造样式被叠加改造，随之呈现的是大青山-乌拉山造山带下地壳岩石复杂的构造叠加样式。
6 结论(1) 深部构造层次高级深熔条件下，宏观上主要以各种形式的浅色脉体(熔体)参与岩石流变或发生近距离(熔体)迁移，通常为由熔体夹矿物颗粒流形成的网状的断续条带状构造，微观上单个矿物受扩散蠕变、颗粒边界滑移和颗粒流动(超塑性流)影响，一般没有明显的晶内变形组构，CPO发育不明显。
(2) 在中深部构造层次条件下，宏观上形成一些平行片麻理的较规则变形条带和条纹构造，少量熔体联通汇集，并沿着流面方向展布，构成熔融线理，微观上通常单矿物有位错蠕变变形，CPO发育明显。
(3) 斜长石在中深部构造层次熔融程度较低的环境下变形机制以位错蠕变为主，在深部构造层次熔融程度较高的环境下发生扩散蠕变；角闪石CPO受深熔作用影响不大，不同构造环境下均表现出明显的位错蠕变特征。
(4) 深熔岩石变形机制分析和同位素年代学研究表明，大青山造山带地壳的变质-深熔作用可能在~1900Ma甚至更早阶段就已经开始，并在上覆载荷的作用下，形成近水平的熔融流变层，随后深熔岩石的塑性流动变形伴随加厚地壳的伸展减薄-隆升过程而逐渐硬化并遭受剥露。
致谢 对吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室在锆石U-Pb和EBSD组构测试方面给予的支持表示感谢。同时感谢审稿专家给予的宝贵修改意见。
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