2021, Vol. 37
造山带一般分为增生造山带、碰撞造山带和板内造山带(Cawood et al., 2009)。造山带解析是地球科学研究的热点，尤其是前寒武纪造山带，其能为板块构造启动时间、地球早期BIF成矿及演化过程等重大科学问题提供新的思路(刘福来等, 2015)。需要指出的是，对前寒武纪造山带的解析工作较为困难，原因如下：(1)地球经历漫长的地质演化历史，大多数具有研究价值的岩石单元被风化剥蚀，致使研究对象变少；(2)部分保留下来的前寒武纪岩石单元又遭受后期多期多阶段构造事件的影响，大量前寒武纪构造及变质信息被置换或抹灭。幸运的是，作为世界上最古老克拉通之一的华北克拉通，不仅包含3.8~2.5Ga的太古宙TTG片麻岩及晚太古代表壳岩，还保留大量古元古代变沉积岩和火成岩，是研究前寒武纪造山带的理想场所(Zhao et al., 2005, 2012)。
华北克拉通一般分为东部陆块、西部陆块和中部造山带，其中西部陆块包括鄂尔多斯陆块、阴山陆块和孔兹岩带，东部陆块包括龙岗陆块、狼林陆块和胶-辽-吉造山带(Zhao et al., 2003, 2005, 2012)。前人从构造变形、岩浆作用、变质地质和地球化学等方面出发，对中部造山带的俯冲极性和碰撞时间等方面提出了不同认识(Zhao et al., 2012及其中参考文献)。如从构造方面来说，不同学者提出不同的东西陆块碰撞、增生模式(Zhang et al., 2012; Trap et al., 2012)。同样地，作为华北克拉通内最具代表性的胶-辽-吉造山带，其古元古代构造演化及造山过程也较为复杂。通过对辽东半岛辽河群构造变形的研究，Li et al. (2005)认为东部陆块在2.2~1.9Ga之间持续伸展形成裂谷盆地，并伴随着双峰式火山岩和辽河群地层的沉积，辽吉地区于1.90~1.87Ga碰撞造山形成胶-辽-吉造山带，并于~1.87Ga发生造山后伸展。然而，新一轮的辽河群构造及岩石学研究工作认为，辽东地区北侧龙岗陆块与狼林陆块之间存在弧后盆地，盆地于2.2Ga左右张裂(Tian et al., 2017)，辽河群沉积时代为2.2~2.1Ga之间(田忠华等, 2020)，大量火山沉积岩及侵入岩也形成于该时期(Bi et al., 2018; Xu et al., 2020a)，峰期造山作用发生在2.0~1.95Ga之间，可能持续到1.90Ga(Tian et al., 2017)。上述可知，胶-辽-吉造山带造山过程及时间存在不同认识，其原因可能来自于以下两个方面：(1)对辽河群形成时代认识的差异；(2)对辽河群变质变形时代认识的差异。首先，对于辽河群的形成时代，近年来开展了大量研究工作(Bi et al., 2018; Wang et al., 2017; Xu et al., 2020a, b; Tian et al., 2021)，对其沉积年龄进行了精确限定，如浪子山组沉积时代为2205~2170Ma，里尔峪组沉积时代为2170Ma，高家峪组沉积时代为2170~2110Ma；其次，辽河群的变质作用研究也取得了重大突破，例如辽河群麻粒岩相变质作用的发现、浪子山组巴罗式变质带的研究等。北辽河群浪子山组发育典型的蓝晶石型中压变质相系，结合锆石U-Pb年代学表明胶-辽-吉造山带在~1.96Ga经历了主碰撞时期的地壳增厚过程(文飞等, 2020)。南辽河群泥质麻粒岩的研究工作暗示胶-辽-吉造山带在1.95~1.80Ga之间经历了造山峰期-造山后伸展的连续造山过程(Liu et al., 2019)。
针对胶-辽-吉造山带造山时间及过程这一个存在争议的科学问题，尤其是对其造山过程缺乏精细的研究工作，本文选择辽宁岫岩塔子岭地区的变泥质岩作为主要研究对象，依据详细的野外工作、室内的岩相学观察和岩石矿物化学分析等手段，进行变质作用和构造变形研究。结合Tian et al. (2017)和Liu et al. (2019)发表的岩石学工作，以及对其中的含十字石榴片岩和泥质麻粒岩进行构造解析工作，建立辽东地区横跨基底至整个造山带的大型剖面，最终探讨胶-辽-吉造山带古元古代的精细造山过程。
1 地质背景胶-辽-吉造山带位于华北克拉通东部，走向大致为北东-南西，该带西北侧和东南侧分别为龙岗陆块和狼林陆块(图 1a)。胶-辽-吉造山带内广泛分布绿片岩相-麻粒岩相的火山-沉积建造，大致分为朝鲜北部的摩天岭群、吉林南部的老岭群和集安群、辽东地区的北辽河群和南辽河群、胶北地区的粉子山群和荆山群，以及安徽地区的五河群(刘福来等, 2015; 图 1b)。
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图 1 华北克拉通及其东部陆块大地构造图 (a)华北克拉通大地构造划分图(据Zhao et al., 2005; Tian et al., 2021修改)，胶-辽-吉造山带位于华北克拉通东部陆块中；(b)东部陆块大地构造图，胶-辽-吉造山带位于狼林地块和龙岗地块之间，带内显示了主要地层的分布情况, 研究区图 2被标记在图中 Fig. 1 Tectonic subdivision of the North China Craton and its Eastern Block (a) tectonic subdivision of the North China Craton (modified after Zhao et al., 2005; Tian et al., 2021), the JLJOB is located in the eastern part of North China Craton; (b) tectonic subdivision of the Eastern Block in the North China Craton, the JLJOB is between the Longgang and Nangrim Blocks. Litho-stratigraphic units are marked in this belt. Our study area Fig. 2 is marked |
辽河群位于胶-辽-吉造山带中段辽东半岛地区，是由日本学者斋藤林次提出的"辽河系"演变而来(转刘平华等, 2017a)。经过20世纪60年代至70年代大面积的区域地质调查和研究，辽河群的地层格架基本被确定。从下到上，依次分为浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组，最底部浪子山组地层不整合于太古宙鞍山群和连山关花岗岩之上，最上部盖县组地层被中元古代榆树砬子群不整合覆盖(张秋生, 1988; 辽宁省地质矿产局, 1989)。随着研究的不断深入，部分学者提出底部浪子山组与太古宙花岗片麻岩之间的接触关系较为复杂，古元古代为逆冲断层接触，白垩纪为拆离断层接触(Tian et al., 2020)。由于地层分布、变质程度、构造样式等方面的差异，部分学者以盖县-析木城-塔子岭-叆阳一线为界，将界线以南称为南辽河群，界线以北则称为北辽河群(Li et al., 2005; 王惠初等, 2015)。南、北辽河群的主要差异表现在以下三个方面：(1)从地层划分来看，浪子山组只存在于北辽河群(刘福来等, 2015; 王惠初等, 2015)；(2)从变质作用来看，北辽河变质等级为绿片岩相-低角闪岩相，仅有顺时针的P-T演化轨迹，而南辽河群的变质等级最高能达到麻粒岩相，兼有顺时针和逆时针的P-T演化轨迹(刘福来等, 2015; 刘平华等, 2017a; Liu et al., 2019)；(3)南辽河群的混合岩化程度明显强于北辽河群(刘福来等, 2015)。
近二十年来，大量学者对辽河群的沉积物源、构造变形和岩浆作用做了较为深入的研究工作。沉积物源方面，变火山-沉积岩系的U-Pb年龄结果表明，辽河群的碎屑物源主要来自于晚太古代基底(~2.5Ga)和2.2~2.0Ga岩浆岩(Luo et al., 2004, 2008; 刘福来等, 2015; Wang et al., 2017, 2020; Xu et al., 2020b)。构造变形方面，在辽河群中识别出古元古代三阶段的变形，但是对其动力学背景却有不同的认识。Li et al. (2005)认为S1面理形成与裂谷的开闭有关，而田忠华等(2020)认为最早期S0和S0-1(平行层理面理)的形成可能与弧后拉张相关，晚阶段S1、S2和S3都与增生或者碰撞造山过程相关。此外，辽河群也受到了白垩纪大规模的伸展作用影响，表现为区域上广泛存在变质核杂岩(Lin et al., 2011; Liu et al., 2017; Tian et al., 2020)。古元古代(2.2~1.8Ga)岩浆作用大致可以分为五期(Xu and Liu, 2019)：2190~2160Ma、2160~2110Ma、2110~2080Ma、2010~1895Ma和1875~1850Ma，岩石类型主要包括辉绿岩、辉长岩、条痕状花岗岩、斑状花岗岩和正长岩(蔡剑辉等, 2002; 郝德峰等, 2004; Lu et al., 2006; Meng et al., 2014; 杨明春等, 2015; 许王等, 2017)。
北辽河群浪子山组古元古代经历巴罗式变质作用(文飞等, 2020)，南辽河群的泥质片岩主要存在于大石桥组内，Liu et al. (2019)对大石桥二段中的变泥质岩进行研究，发现其经历麻粒岩相变质作用。同样地，本文所采集的样品位于塔子岭西北1km的大石桥二段地层中(图 2)，位于南、北辽河群的界线处，构造上处于造山带较为重要的部位(下文详述)。
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图 2 胶-辽-吉造山带中段三家子和上麻屯地区地质简图(据辽宁省第一区域地质测量队二分队，1971①；田忠华等，2020修改) Fig. 2 Geological map of the Sanjiazi and Shangmatun area in the central part of the JLJOB (modified after Tian et al., 2020) |
① 辽宁省第一区域地质测量队二分队. 1971. 1:20万辽阳幅地质图
2 变质作用和年代学 2.1 分析方法本文对所采集的样品(18TZH49)进行了全岩主量元素测试、电子探针分析以及锆石U-Pb年代学测试。首先，在河北省区域地质矿产调查研究所实验室将样品粉碎并研磨至200目。然后，在中国科学院地质与地球物理研究所岩矿制样与分析实验室进行全岩主量元素测试。分析仪器为荷兰帕纳科公司生产的Axios型波长色散X射线荧光光谱仪。具体操作流程为：(1)将全岩粉末样品(＜200目)在105℃的烘箱中烘干2小时后迅速置于干燥器中，冷却至室温；(2)用电子天平准确称取0.5g样品放入已称重的陶瓷坩埚中，高温(1100℃)灼烧至恒重，测定样品的烧失量；(3)将样品全部转移到玛瑙研钵中，再滴入5g混合试剂(67% Li2B4O7 + 33% LiBO2)，混合均匀后倒入铂金坩埚中，再加入3滴NH4Br溶液，在1050℃的条件下熔融12分钟使其自动浇铸成型，该过程所采用的仪器为CLAISSEM4自动熔片制样机；(3)将已制成的玻璃片放于顺X射线荧光光谱仪进行实验测量。主量元素所用的岩石标样为GSR-1(花岗岩)和GSR-3(玄武岩)。
此外，对该样品(18TZH49)进行了详细的岩相学观察与分析。然后选择代表性的探针片，对其中典型的变质矿物或变质矿物组合进行化学成分分析。实验是在东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地JXA8230型电子探针上进行，测试条件为加速电压15kV，加速电流为20nA，束斑直径为1~5μm。标准样品选用萤石(F)、硅铍铝钠石(Cl)、硬玉(Na、Si)、透长石(K)、斜长石(Ca、Al)、黑云母(Fe、Mg)、锆石(Zr)、金属铪(Hf)、红钛锰矿(Ti、Mn)、铌酸锶钡(Nb、Sr、Ba)、晶质铀矿(U、Th、Pb)、独居石(P、La、Ce、Pr、Nd、Sm)和部分稀土磷酸盐(Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Y)。Si、Al、Mg、Ca、Fe、Na、K、F、Cl等主量元素或易挥发元素特征峰测量时间为10s，背景测量时间为5s；P、Nb、Ti、Zr、Hf、U、Th、Cr、Y、Mn、Pb、Sr、Ba和REEs等微量元素特征峰测量时间为20s，背景测量时间为10s，所有测试数据均采用ZAF程序进行了校正处理。
锆石U-Pb同位素定年在武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA-ICP-MS分析完成。详细的仪器参数和分析流程见Zong et al. (2017)。GeolasPro激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成，ICP-MS型号为Agilent 7700e。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合，激光剥蚀系统配置有信号平滑装置(Hu et al., 2015)。本次分析的激光束斑为32μm，频率为5Hz。U-Pb同位素定年和微量元素含量处理中采用锆石标准91500和玻璃标准物质NIST610作外标分别进行同位素和微量元素分馏校正。每个时间分辨分析数据包括大约20~30s空白信号和50s样品信号。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal(Liu et al., 2008, 2010)完成。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。
2.2 岩相学和矿物化学样品18TZH49是采于南辽河群大石桥组二段的含夕线石榴黑云片麻岩(图 2)，呈土黄色-青灰色(图 3a)，主要矿物组成为夕线石(5%)、石榴子石(15%)、黑云母(20%)、石英(25%)、斜长石(30%)，十字石、绿泥石、钛铁矿、电气石等矿物少量(图 3b-i)。
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图 3 样品18TZH49的岩相学特征 (a) 野外照片；(b-g)显示了峰期矿物组合(Sil+Grt+Pl+Bi+Qz+Ilm+Melt)，以及各矿物的形态和特征；(h)石榴子石在退变质阶段发生了绿泥石化；(i)晚期生长的十字石. 矿物缩写：Sil-夕线石；St-十字石；Grt-石榴子石；Bi-黑云母；Pl-斜长石；Qz-石英；Chl-绿泥石；Tur-电气石；Ilm-钛铁矿；Melt-熔体 Fig. 3 The representative petrographic characteristics of Sample 18TZH49 (a) field photo; (b-g) shows peak mineral assemblages (Sil+Grt+Pl+Bi+Qz+Ilm+Melt) and their shapes and feathers; (h) the chloratization of garnet in retrograde process; (i) later staurolite is formed after peak metamorphic phase. Mineral abbreviation: Sil-sillimanite; St-staurolite; Grt-garnet; Bi-boitite; Pl-plagiclase; Qz-quartz; Chl-chlorite; Tur-tourmaline; Ilm-ilmenite |
石榴子石呈半自形-自形粒状，以变斑晶的形式出现在基质中，其内可见石英和黑云母包体(图 3b, c)。此外，石榴子石裂缝和边缘处广泛发生绿泥石化(图 3g, h)。矿物化学分析表明，石榴子石核幔成分均一(图 4)，显示锰铝榴石端元(Sps)组分为~0.01、钙铝榴石端元(Grs)组分为~0.032、镁铝榴石端元(Prp)组分为~0.145，铁铝榴石端元(Alm)组分为~0.81(表 1)。值得注意的是，石榴子石边部的Fe、Mg含量有微小变化，表现为Fe含量上升和Mg含量下降，表明石榴子石边部与黑云母之间存在Fe-Mg交换反应(图 4)，指示了一个降温的退变质过程。
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图 4 样品18TZH49的石榴子石化学特征 (a)石榴子石镜下照片和线分析示意图；(b)显示了石榴子石核部-边部铁铝榴石、锰铝榴石、镁铝榴石和钙铝榴石端元组分以及Fe/(Fe+Mg)的变化 Fig. 4 The chemistry characteristics of garnet in Sample 18TZH49 (a) photomicrograph of garnet and line analysis profile; (b) the change of different compositions in garnet from core to rim, including almandine, spessartite, pyrope, grossularite and Fe/(Fe+Mg) |
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表 1 样品18TZH49代表性的矿物组分(wt%) Table 1 Representative mineral composition of Sample 18TZH49 (wt%) |
黑云母大多以片状出现在基质中，少数以包体形式出现在石榴子石中，可见黑云母分解为毛发状或针状夕线石(图 3b, f)，指示其变质等级达到了高角闪岩相。此外，也可见部分黑云母退变为绿泥石，代表着晚期降温降压(图 3g)。矿物化学成分表明，无论是远离还是靠近石榴子石的黑云母的TiO2含量和Ti原子数基本一致，TiO2介于1.47%~1.68%之间，Ti原子含量变化于0.74~0.96之间(表 1)。黑云母Ti温度计结果表明其温度基本介于550~590℃之间。
斜长石主要呈不规则状出现在基质中或石榴子石边部(图 3b-f)。矿物化学分析表明，这些斜长石大致可以分为两类：一类是具有较高的An值(大约为0.16~0.18)(表 1)，同时存在石榴子石边部或基质中，可能记录了退变质过程；另一类具有相对较低An值(大约为0.14~0.15)(表 1)，只出现在基质中，可能保留了峰期变质成分。
十字石出现在基质中，并叠加在石英或其他矿物上(图 3i)，代表着晚期退变质阶段的产物。石英和钛铁矿在变斑晶内部和基质中都较为常见。
以上岩相学和矿物化学分析表明，含夕线石榴黑云片麻岩记录了两个阶段的变质演化过程：(1)峰期变质阶段(定义为M1)，其矿物组合为Sil+Grt+Bi+Pl+Qz+Ilm+Melt；(2)峰后变质阶段(定义为M2)，其矿物组合为St+Grt+Pl+Bi+Chl+Qz+Ilm。
2.3 相平衡模拟及温压估算 2.3.1 系统模型为了模拟样品18TZH49的变质演化P-T轨迹，本文基于MnNCKFMASTHO(MnO-Na2O-CaO-K2O-FeO-MgO-Al2O3-SiO2- TiO2-H2O-O2)模型，采用了GEOPS(该软件由中国地质科学院地质研究所向华副研究员研发)计算了该岩石的P-T视剖面。P2O5被移除，设流体相为纯水且过量。相平衡模拟所需的全岩成分根据岩石全岩化学分析获得，具体全岩成分见表 2。相平衡模拟结果如图 5所示，所有区域均含有石英。
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表 2 样品18TZH49的有效全岩成分(wt%) Table 2 Bulk composition of Sample 18TZH49 (wt%) |
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图 5 含夕线石榴黑云片麻岩(样品18TZH49)的P-T视剖面图 峰期矿物组合被标红 Fig. 5 P-T pseudosection of sillimanite-bearing garnet biotite gneiss (Sample 18TZH49) Peak mineral assemblages are marked by red |
峰期变质阶段M1：岩相学分析结果表明，峰期矿物组合为Sil+Grt+Bi+Pl+Qz+Ilm+Melt，与图 5中的Sil-Grt-Pl-Bi-Qz-Ilm-Melt区域一致。根据基质中斜长石的An值(An=0.143~0.149)，大致限定该阶段的压力为5.9~6.9kbar。从实验岩石学上来看，黑云母初始部分熔融的温度应在720℃左右(魏春景, 2016; 魏春景和朱文萍, 2016)。因此，结合矿物组合、基质中斜长石的An值和黑云母初始熔融温度，大致限定峰期变质阶段的温压条件为720~780℃、5.9~6.9kbar。
峰后变质阶段M2：岩相学观察表明，该阶段矿物组合为St+Grt+Bi+Pl+Chl+Qz+Ilm，与图 5中的St-Grt-Bi-Pl-Chl-Qz-Ilm区域一致。根据石榴子石边部XCa和XMg限定退变质阶段的温压条件为540~565℃、3~4.1kbar。此外，黑云母Ti温度计所得的温度大多介于550~590℃之间，这表明岩石中的黑云母基本上未保留峰期成分。
2.4 锆石U-Pb年代学含夕线石榴黑云片麻岩(样品18TZH49)中的锆石大多数为短柱状-椭圆状，少数呈长柱状或不规则状，长轴粒径主要介于80~130μm，长宽比介于1.2:1~2:1(图 6)。根据CL图像特征，可将这些锆石分为三类：(1)少数可见明显岩浆震荡环带，为岩浆锆石，可指示该岩石的碎屑物源；(2)可见明显的核-边结构，核部呈现深灰色的阴极发光特征，具有明显的岩浆震荡环带，边部呈现灰色的阴极发光特征，且发育明显的变质增生边(图 6)；(3)大多数锆石CL图像呈现不均匀的灰色-灰黑色，为变质重结晶锆石(图 6)。
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图 6 样品18TZH49的年代学特征 包括锆石CL图像特征、U-Pb协和图以及~1.95Ga峰期变质年龄和~1.85Ga退变质年龄 Fig. 6 The geochronology characteristics of Sample 18TZH49 The picture is composed of characteristics of CL images, U-Pb diagram and ~1.95Ga of peak metamorphic age and ~1.85Ga of retrograde age |
样品18TZH49的定年结果见图 6和表 3。30个锆石微区定年结果显示，其Th值变化较大，介于0.6×10-6~232×10-6之间；U值变化较小，介于203.1×10-6~603.2×10-6之间；Th/U比值介于0~0.97之间。U-Pb年龄变化于2539~1759Ma，这些年龄大多数位于谐和线上且为变质年龄。结合研究区其他年代学资料(刘福来等, 2015)，可将其分为三组：(1)少数207Pb/206Pb年龄为~2.5Ga和~2.1Ga，指示该岩石部分碎屑物质来源于晚太古宙基底和辽吉花岗岩；(2)点22的207Pb/206Pb年龄为1947Ma(图 6)，代表造山峰期变质年龄；(3)大多数207Pb/206Pb年龄主要集中于1900~1800Ma，其加权平均年龄为1851Ma(图 6)，解释为造山后伸展的退变质年龄。关于其变质年龄的划分下文详述。
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表 3 样品18TZH49碎屑锆石U-Pb年龄 Table 3 U-Pb ages of detrital zircons from Sample 18TZH49 |
前文已述，辽河群在塔子岭一带被分为北辽河群和南辽河群(图 2)。北辽河群主要以断层形式覆盖于龙岗基底之上(Tian et al., 2020)。基底由38~25亿年花岗绿岩带组成(Wan et al., 2015)，花岗片麻岩及太古宙表壳岩片麻理走向为NNW-SSE，与辽河群古元古代各阶段变形面理(近EW走向)差别较大(Tian et al., 2020)。
南辽河群受中生代岩浆作用破坏较大，构造相对复杂，北辽河群相对来说则保留较好的构造变形序列。田忠华等(2020)将北辽河群古元古代变形定义为D1，主要包括三个阶段的变形：(1)早期增生造山阶段，包含面理S1及褶皱F1；(2)峰期碰撞造山阶段，包含面理S2及褶皱F2和大规模逆冲推覆构造；(3)晚期造山伸展阶段，主要包含膝折S3。早期面理及褶皱受S2褶劈理及F2褶皱改造强烈，仅在局部地区保存，面理S1及F1轴面主要倾向南，角度变化较大。S2褶劈理与F2褶皱轴面一致，呈中低角度倾向南。这两个阶段构造样式指示递进变形特征。
从构造样式来说，北辽河群从龙岗基底至盆地中心，能够观察到不断发生变化的构造样式(Tian et al., 2020)，北侧浪子山组内S1、F1、S2、F2及逆冲推覆构造发育。各类面理及断层倾向南，指示向北逆冲特征(图 7之1区)。里尔峪组火山岩(夹大理岩)内发育倒转褶皱(轴面倾向南)(图 7之2区)，高家峪组白云质大理岩中发育大量倒转褶皱和直立褶皱(图 7之3区)。
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图 7 辽东半岛横跨龙岗基底和胶-辽-吉造山带构造剖面(据田忠华等, 2020; Tian et al., 2020修改) Fig. 7 Structural cross-section from the Longgang basement and JLJOB in the Liaodong Peninsula (modified after Tian et al., 2020) |
南、北辽河群界线处的构造极为复杂，发育有大量直立褶皱和韧性剪切带。变形岩石主要以大石桥组碳酸盐和碎屑岩为主。从构造特征上来说，盆地中心大石桥组地层内大理岩主要发育有大量的直立褶皱(图 7之4区)。大石桥组中还含有大量泥质片岩，内部发育直立褶皱，野外可见片岩中S1面理发生变形形成F2，轴面近直立，走向E-W(图 8a, b)。此外，Tian et al. (2017)提到大石桥组内的含十字石榴片岩发生了强烈的褶皱变形作用，形成大量的向斜和背斜。例如16KD63-2所在层位属于向斜北翼(或背斜南翼)，该向斜北翼面理中等角度倾向南，从区域上来说，属于大型直立向斜的北翼(图 7、图 8c)。
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图 8 辽河群大石桥二段泥质片岩野外变形特征 (a、b)内部发育直立褶皱，轴面走向近东西向；(c) 16KD63-2(含十字石榴片岩)位于褶皱南翼，S1面理倾向南；(d) 18TZH49(含夕线石榴黑云片麻岩)中面理呈高角度倾向北偏东；(e) 16KD97-1(麻粒岩)面理呈低角度倾向北偏东. 具体位置见图 2及图 7 Fig. 8 Field deformation feature of the second member of Dashiqiao Formation in the Liaohe Group (a, b) upright fold, axial plane strikes E-W; (c) 16KD63-2 (staurolite-bearing garnet) schist is located in the south limb of fold, S1 dips to south; (d) foliation of 18TZH49 (sillimanite-bearing garnet biotite gneiss) dips to north at high dipping angle; (e) foliation of 16KD97-1 (granulite) dips to north at low dip angle. Locations of these pictures are shown in Fig. 2 and Fig. 7 |
南辽河群主要包含盖县组、大石桥组、高家峪组和里尔峪组地层，内部可以观察到辽吉花岗岩侵入到里尔峪组地层(图 7之6区)。除此之外，还可见大量中生代岩浆侵入其中。对未受岩浆作用影响的局部区域进行面理测量，发现大量早期(古元古代)面理及轴面倾向北。本文样品18TZH49位于南北辽河群界线处，属于研究区中部大石桥组二段，其面理高角度倾向北(图 8d)。此外，对Liu et al. (2019)提到的泥质麻粒岩(16KD97-1)进行面理测量，发现其也呈低角度倾向北(图 8e)。从构造特征上来说，除大量面理及轴面倾向北以外，南辽河群中还可见大量低角度逆冲断层，均指示向南的逆冲推覆特征(图 7)。
4 讨论 4.1 变质时代大量年代学工作表明，胶-辽-吉造山带与华北克拉通其他两大造山带一样，普遍经历1.95~1.80Ga的区域变质作用。例如，变火山-沉积岩的年代学研究表明其变质年龄为~1.93Ga(Luo et al., 2004)、~1.9Ga(李壮等, 2015)、1.96~1.94Ga和1.92~1.83Ga(刘平华等, 2017a)、~1.86Ga(Wang et al., 2017; 王舫等, 2018)；从岩浆岩的年代学研究来看，其变质年龄为1.93~1.91Ga和1.85Ga(Lu et al., 2006)、~1.91Ga和1.87~1.85Ga(Li and Zhao, 2007)。
对于研究区辽河群内的变泥质岩来说，盖县组变泥质岩中的特征变质矿物(石榴子石和十字石)定年研究发现其变质年龄为1.93~1.91Ga和~1.86Ga(Xie et al., 2011)。值得一提的是，南辽河群大石桥组二段中麻粒岩的锆石和独居石年代学研究发现其变质年龄为~1.95Ga和1.88~1.82Ga(Liu et al., 2019)，结合锆石或独居石内的包体矿物组合，作者进一步提出~1.95Ga代表了峰期变质年龄，1.88~1.82Ga则代表了峰后退变质年龄。北辽河群浪子山组巴罗式变质带也携带同样的变质作用信息(文飞等, 2020)，对其中蓝晶十字石榴二云母片岩进行锆石U-Pb年代学研究，作者提出蓝晶石带的变质年龄为~1.96Ga。刘平华等(2017b)通过其中蓝晶石带的独居石年代学研究，提出巴罗式变质作用发生在1.95~1.85Ga。根据固相线下的变质锆石往往记录着峰期变质年龄(魏春景, 2018)，得出辽河群浪子山组巴罗式带的最大峰期变质年龄为1.96~1.95Ga，这可能代表了整个胶-辽-吉造山带的最大变质年龄。此外，刘福来等(2015)提出胶-辽-吉造山带的变质时限大致分为1.95~1.90Ga和~1.85Ga两个阶段，前者为造山变质时限，后者为造山折返阶段变质时限。
本文对南辽河群大石桥组中含夕线石榴黑云片麻岩(18TZH49)进行锆石U-Pb年代学研究，除了少数锆石年龄为~2.5Ga和~2.1Ga，其余锆石年龄大多集中于1.95~1.80Ga。从CL图像特征和已有研究资料来看，这些1.95~1.80Ga锆石大多为变质增生锆石或变质重结晶锆石，其年龄代表该岩石的变质年龄。如前所述，根据前人研究资料可以这些变质年龄大致可以分为两个阶段，即1947Ma和1.9~1.8Ga(加权平均年龄为1851Ma)，1947Ma代表陆陆碰撞造山阶段的峰期变质年龄，1851Ma则代表造山折返阶段的退变质年龄。
4.2 P-T演化轨迹早期变质作用研究工作认为辽河群P-T演化轨迹分为两类(贺高品和叶慧文, 1998; 卢良兆等, 1996; 李三忠等, 2001)，一类是北辽河群的顺时针P-T演化轨迹(图 9a, b)，与大陆碰撞引起的构造增厚相关；另一类是南辽河群的逆时针P-T演化轨迹(图 9c, d)，与大陆边缘岩浆侵位引起的增温有关。然而，随着研究程度的不断深入和研究手段的不断创新，不同学者在南辽河群以及集安群和荆山群相继发现了高温/高压的基性/泥质麻粒岩，并利用传统温压计和相平衡模拟等技术，确定了这些麻粒岩均具有顺时针的P-T演化轨迹(周喜文等, 2004; Zhou et al., 2008; 刘平华等, 2010, 2011, 2012; Tam et al., 2012a, b, c; 刘福来等, 2015; Cai et al., 2017; Zou et al., 2017, 2020; Liu et al., 2019; 图 9e-g)，这表明南辽河群甚至荆山群和集安群同样经历了具有大陆碰撞特征的P-T演化轨迹。
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图 9 辽河群的P-T演化轨迹(据贺高品和叶慧文, 1998; 李三忠等, 2001; 刘福来等, 2015; 刘平华等, 2017a; Liu et al., 2019修改) (a、b)显示了北辽河群的顺时针P-T演化轨迹；(c、d)显示了南辽河群的逆时针P-T演化轨迹；(e-g)显示了南辽河群的顺时针P-T演化轨迹 Fig. 9 The P-T paths of the Liaohe Group (modified after He and Ye, 1998; Li et al., 2001; Liu et al., 2015, 2017, 2019) (a, b) showing clockwise P-T paths of the North Liaohe Group; (c, d) suggesting anticlockwise P-T paths of the South Liaohe Group; (e-g) indicating clockwise P-T paths of the South Liaohe Group |
根据岩相学、矿物化学与相平衡模拟结果，本文建立了含夕线石榴黑云片麻岩(样品18TZH49)的P-T演化轨迹(图 5)。从样品18TZH49的岩相学分析来看，其峰期变质阶段矿物组合为Sil+Grt+Bi+Pl+Qz+Ilm+Melt，峰后变质阶段的矿物组合为St+Grt+Bi+Pl+Chl+Qz+Ilm。从样品18TZH49的相平衡模拟结果来看，峰期变质阶段的变质温压条件为720~780℃、5.9~6.9kbar，峰后变质阶段的变质温压条件为540~565℃、3~4.1kbar。因此，本文推测含夕线石榴黑云母片麻岩从峰期变质阶段到峰后变质阶段经历了顺时针的P-T演化轨迹，记录了显著的降温降压过程，这可能与造山过程中的快速折返有关，这也能与该样品大多数锆石所记录的退变质年龄(~1851Ma)相关联。
4.3 造山演化构建造山模型、分析造山过程对前寒武纪造山带研究具有重要的地质意义。例如，华北克拉通中部造山带造山模型的构建，对理解东部陆块和西部陆块的拼合具有重要的启示意义(Zhang et al., 2012)。胶-辽-吉造山带位于东部陆块内部，由龙岗陆块与狼林陆块之间的相互作用而产生。古元古代多阶段变形作用及变质作用的发现，为构造胶-辽-吉造山带的造山过程和造山模型提供了较好信息。贯通胶-辽-吉造山带中部辽东地区的大型构造-岩性剖面对理解这一过程必不可少(图 7)。
从变形作用上来看，造山带北部北辽河群的构造变形主要表现为以下几个方面(图 7之1区-4区，)：(1)北辽河群经历大规模由南向北的逆冲推覆构造，大量元古宙沉积岩被推覆到中太古代龙岗基底之上；(2)从构造样式上来说，近基底区(北侧)显示S2面理，向南侧盆地中心逐渐变为S2褶劈理、倒转褶皱、直立褶皱等构造样式；(3)从构造强度上来说，由北向南，变形强度逐渐减弱，变质强度也逐渐减弱，应变状态由强简单剪切变为纯剪切特征(Tian et al., 2020)。进入造山带中心部位，大量韧性剪切带发育，所有早期面理均被置换为近直立的E-W走向面理。本文研究对象18TZH49位于造山带最中心部位(图 2)，其面理高角度(85°)倾向北(图 8d)。在造山带南部的南辽河群地层中，可见大量倾向北的逆冲断层，三家子泥质麻粒岩的面理也呈低角度倾向北(~12°)的特征(图 7、图 8e)，这些构造样式均指示由北向南的逆冲推覆特征。
从变质作用上来看，造山带北部浪子山组中巴罗式变质带内大部分石榴子石均记录的进变质作用信息(刘平华等, 2017b; 文飞等, 2020)，经历了具有大陆碰撞特征的P-T演化轨迹。进入造山带较为核心部位，Tian et al. (2017)对含十字石榴片岩(16KD63-2，图 2)中的石榴子石进行了面扫描分析，发现其锰铝榴石从核部到边部依次降低，镁铝榴石从核部到边部依次升高，指示石榴子石具有进变质生长的特征。该样品中的典型矿物组合(十字石+石榴子石+斜长石+白云母+黑云母+石英)表明其峰期变质等级达到了低角闪岩相。此外，本文也对造山带核部的变泥质岩(18TZH49)进行了变质作用研究，提出该岩石峰期变质等级达到了高角闪岩相，从峰期变质阶段-峰后变质阶段经历了一个顺时针的P-T演化轨迹。造山带南部保存了麻粒岩相变泥质岩，Liu et al. (2019)对其进行详细变质作用研究，提出该岩石经历了自升温升压-近等温降压-近等压降温的顺时针P-T演化过程，指示其经历一个完整的造山过程，即先是构造埋藏增压达到最大压力，然后达到最大温度，最后剥蚀过程中发生热弛豫。
结合年代学来说，从北部龙岗基底至盆地中心再到南侧狼林陆块，辽河群在1.95~1.80Ga记录了完整的造山过程(图 10)。造山带北部浪子山组巴罗式变质带和靠近造山带核部的岩石(16KD63-2)记录了造山作用进变质过程，与该期构造所对应的变质时代大致为1.95~1.90Ga(刘平华等, 2017b; 文飞等, 2020)；造山带中心部位样品18TZH49记录了造山作用退变质过程，与该期构造所对应的变质时代大致为~1.85Ga；造山带南部三家子麻粒岩(16KD97-1)同时记录了进变质和退变质过程，其峰期变质和退变质年龄分别为~1.95Ga和1.88~1.82Ga。这些不同变质程度构造岩片叠置在一起，指示其经历不同程度的构造增厚过程。结合造山带构造-岩性剖面来说(图 7)，胶-辽-吉造山带中部的辽东地区于1.95~1.90Ga经历大规模造山作用，并发生了绿片岩相-麻粒岩相的变质作用(图 10a)。在这个过程中，形成了大量逆冲断层及褶皱。辽河群北部大量物质逆冲至龙岗陆块，辽河群南侧物质则逆冲至狼林陆块，表现为北部向北的逆冲断层、倒转褶皱和S2褶劈理，南部为向南的逆冲断层、倒转褶皱和S2褶劈理。造山作用晚期(~1.85Ga)经历折返、剥蚀过程(图 10b)，不同变质等级的岩片出露地表。造山带核心部位易形成晚期韧性剪切带及部分熔融岩浆作用(图 10b)。
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图 10 胶-辽-吉造山带古元古代的造山演化过程 (a) 1.95~1.90Ga的峰期造山作用阶段；(b) ~1.85Ga造山作用折返阶段 Fig. 10 The orogenic evolution of JLJOB in Paleoproterozoic (a) peak orogenesis at 1.95~1.90Ga; (b) exhumation of orogenesis at ~1.85Ga |
本文以辽河群的变质变形研究为基础，通过大型岩性-构造剖面详细解析了其造山过程，这对理解胶-辽-吉造山带的俯冲-碰撞-折返过程具有重要的意义，同时为其他造山带的造山作用研究提供了一个例子。
5 结论(1) 造山带核心部位含夕线石榴黑云片麻岩(18TZH49)的变质作用研究表明，其峰期变质矿物组合为Sil+Grt+Bi+Pl+Qz+Ilm+Melt，峰后变质矿物组合为St+Grt+Bi+Pl+Chl+Qz+Ilm，其变质温压条件分别为720~780℃/5.9~6.9kbar，540~565℃/3~4.1kbar，记录了一个降温降压的顺时针P-T演化轨迹。锆石U-Pb年代学表明其退变质时代为1851Ma。
(2) 辽东地区贯通基底至造山带大型构造-岩性剖面指示，辽河群北部物质向北逆冲至龙岗基底，并经历了低角闪岩相变质作用；南侧物质向南逆冲至狼林基底，并经历了麻粒岩相变质作用；造山带核心部位物质形成大量直立褶皱，并经历了高角闪岩相变质作用。
(3) 结合前人研究资料，表明辽河群于1.95~1.90Ga经历强烈造山作用，构造增厚使岩石发生不同程度变质；于~1.85Ga经历造山后折返，不同变质级别岩石单元剥露至地表，并发生不同程度的退变质作用。
致谢 感谢东华理工大学王义龙同学在探针实验、中国地质科学院矿产资源研究所曾志杰同学在探针数据处理方面提供的帮助。感谢中国地质科学院地质研究所刘平华老师、刘超辉老师、许王博士后和中国科学院地质与地球物理研究所邹雷博士在文章写作过程中提供的重要帮助和指导。感谢两位审稿人对本文提出建设性的修改意见。
谨以此文恭贺尊敬的沈其韩院士百岁华诞。
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