華北克拉通南緣古元古代早期巖漿作用及構(gòu)造演化

王敬宇,龍曉平,翟明國(guó)

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069；2.中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029)

板塊構(gòu)造是現(xiàn)今地球獨(dú)有的構(gòu)造形式,其啟動(dòng)時(shí)間和機(jī)制一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)問(wèn)題[1-4]。由于不同學(xué)者對(duì)板塊構(gòu)造定義的差異性解讀,板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)間跨度較大,從冥古宙(>40億年前)一直到新元古代(<10億年前),跨越近3/4的地球歷史。雖然目前對(duì)于板塊構(gòu)造何時(shí)成為主要構(gòu)造機(jī)制存在爭(zhēng)議,但是，研究者普遍認(rèn)為在古太古代已經(jīng)完成轉(zhuǎn)變[4]。早期板塊構(gòu)造問(wèn)題與大陸地殼的形成和演化密切關(guān)聯(lián),因此，探究地殼成分的變化與板塊構(gòu)造機(jī)制轉(zhuǎn)變之間的聯(lián)系是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。太古宙末期(25億年),花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)從以鈉質(zhì)為絕對(duì)主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)殁涃|(zhì)花崗巖的廣泛出現(xiàn),意味著大陸表殼物質(zhì)發(fā)生了再循環(huán)以及大陸的成熟化,暗示板塊構(gòu)造可能已經(jīng)啟動(dòng)[4]。而且,太古宙尤其是新太古代末期與古元古代早期在巖漿作用、變質(zhì)作用、構(gòu)造體制和古大陸演化存在明顯的過(guò)渡關(guān)系,之后不久便出現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá) 250 Ma 的構(gòu)造停滯期(2.45～2.2Ga),直到古元古代中晚期(2.2～1.6 Ga)全球構(gòu)造活動(dòng)再度活躍[5]。因此,2.45～2.2 Ga這一特殊時(shí)期很有可能是前寒武紀(jì)構(gòu)造機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵期,起著承上啟下的作用。

Condie等人曾經(jīng)對(duì)全球的碎屑沉積巖和巖漿巖中的鋯石U-Pb年齡進(jìn)行了匯編,發(fā)現(xiàn)在2.45～2.2Ga期間呈現(xiàn)明顯的低谷(見圖1)。在此期間,全球只有零星的綠巖帶、TTG巖套和大火成巖省的記錄,并伴隨著一系列重大環(huán)境的巨變,如大規(guī)模條帶狀鐵礦的形成、海水成分的巨變、全球硫同位素分餾等,最為顯著的是大氧化事件和休倫冰期事件[6]。不少學(xué)者認(rèn)為這很可能與全球性的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)停滯有關(guān),俯沖的停滯導(dǎo)致火山作用及陸殼生長(zhǎng)的暫停,并將古元古代巖漿活動(dòng)明顯減少的這段時(shí)期稱為“靜寂期”[6-8]。近些年來(lái),隨著區(qū)域數(shù)據(jù)的不斷完善,在2.45～2.2 Ga期間，全球構(gòu)造-巖漿作用并不完全“平靜”,在局部地區(qū)表現(xiàn)為匯聚板塊邊緣的構(gòu)造作用和新生地殼的產(chǎn)生,形成了一定量的增生造山帶,在加拿大西部、中國(guó)、印度、非洲、澳大利亞和格陵蘭島都有記錄[8-15]。其中,以北美大陸Rae克拉通西緣的Arrowsmith造山帶,南美大陸圣弗朗西斯科克拉通的Minerio造山帶,華北克拉通的中部造山帶較為典型,在這些地區(qū)相繼有古元古代早期(2.45～2.2 Ga)與俯沖相關(guān)的巖石記錄[8-9]。然而,2.45～2.2 Ga的巖漿記錄相對(duì)全球巖漿活動(dòng)來(lái)說(shuō)仍然只占的很小一部分,研究程度較為薄弱,這在一定程度上阻礙了對(duì)早古元古代構(gòu)造演化的認(rèn)知。

圖1 鋯石 U-Pb 年齡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布圖[43]Fig.1 Statistical distribution of zircon U-Pb age data

華北克拉通作為我國(guó)出露面積最大和最古老的陸塊,記錄并保存了早前寒武紀(jì)漫長(zhǎng)的演化歷史[16-17]。近年來(lái),在華北克拉通的北部、中部、南部以及西緣相繼有近乎同期2.45～2.2 Ga巖漿活動(dòng)的報(bào)道,識(shí)別出各種不同類型的巖石記錄,包括輝長(zhǎng)-閃長(zhǎng)巖、TTG質(zhì)片麻巖和花崗巖等[12,18-42]。其中,華北克拉通南緣作為呈近東西向分布的早前寒武紀(jì)變質(zhì)基底,這一時(shí)期的巖漿活動(dòng)異常發(fā)育,2.45～2.20 Ga地質(zhì)體廣泛分布,是華北克拉通“靜寂期”巖漿活動(dòng)最為典型的地區(qū),這為探究該時(shí)期的巖漿作用、構(gòu)造背景,以及殼-幔演化過(guò)程提供了理想的場(chǎng)所。

1 華北克拉通南緣地質(zhì)概況

目前,學(xué)者普遍認(rèn)為華北克拉通變質(zhì)基底是由多個(gè)微陸塊沿相應(yīng)的活動(dòng)帶拼貼而成的,而對(duì)于微陸塊存在的數(shù)量、拼合時(shí)間和方式尚存在爭(zhēng)議,相應(yīng)出現(xiàn)了不同的構(gòu)造演化模式[16-17,43-48]。趙國(guó)春及其合作者在系統(tǒng)研究總結(jié)華北克拉通變質(zhì)基底變質(zhì)演化特征的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步識(shí)別出了中部造山帶、膠—遼—吉帶、孔茲巖帶3條古元古代構(gòu)造帶,并將華北克拉通劃分為西部陸塊和東部陸塊(見圖2A)。西部陸塊主要是由陰山陸塊和鄂爾多斯陸塊在約1.95 Ga沿孔茲巖帶碰撞拼合而成；東部陸塊又可進(jìn)一步劃分為龍崗地塊和狼林地塊以及位于兩者之間膠—遼—吉帶。其中,東部陸塊和西部陸塊則由中部造山帶分割開來(lái)。中部造山帶作為華北克拉通關(guān)鍵的地質(zhì)單元,又可劃分為以宣化、懷安、恒山、阜平、太華雜巖等為代表的高級(jí)變質(zhì)雜巖區(qū)和以五臺(tái)、呂梁、贊皇、中條、登封雜巖等為代表的低級(jí)變質(zhì)的花崗-綠巖帶。其中,太華雜巖和登封雜巖是華北克拉通南緣的主要地質(zhì)單元,由大致呈近東西向展布的新太古代—古元古代地質(zhì)體組成,主要分布在中條、小秦嶺、魯山、熊耳山、登封、舞陽(yáng)等地。華北克拉通南緣出露的前寒武紀(jì)巖石(地層)較為集中,巖石序列發(fā)育完整,是我國(guó)保存較完整前寒武紀(jì)結(jié)晶基底及蓋層的地區(qū)之一(見圖2B)[49-52]。

圖2 華北克拉通南緣早前寒武紀(jì)地體簡(jiǎn)圖[17，27]Fig.2 Sketch map of the Early Precambrian terranes in the southern section of North China Craton

1.1 太華雜巖

太華雜巖是華北克拉通南緣出露面積最大的前寒武紀(jì)結(jié)晶基底,整體呈北西—南東方向展布,向西綿延數(shù)百公里,由西向東主要出露于小秦嶺、崤山、洛寧、熊耳山、魯山、舞陽(yáng)等地,類似的巖石組合向西一直延伸到甘肅隴山地區(qū),向東則可與安徽的霍邱和蚌埠雜巖相對(duì)比,其中，以河南魯山、熊耳山以及豫陜交界的小秦嶺地區(qū)的巖石出露最為典型[50]。太華雜巖主要為太古代的TTG質(zhì)片麻巖、鉀質(zhì)花崗巖、斜長(zhǎng)角閃巖和古元古代以泥質(zhì)片麻巖、大理巖為代表的表殼巖,普遍經(jīng)歷角閃相變質(zhì)作用,局部地區(qū)出露(高壓)基性麻粒巖[49,50,52],太華雜巖的上覆蓋層為不整合接觸的1.78～1.75 Ga熊耳群火山巖[53-54]。華北克拉通南緣發(fā)育2.8～2.7 Ga以及 2.6～2.5 Ga 兩期太古代巖漿作用是華北克拉通普遍具有的特征,以發(fā)育大規(guī)模的 TTG 巖石組合為特征,代表中太古代晚期和新太古代晚期兩次重要的陸殼生長(zhǎng)事件;同時(shí)，華北克拉通南緣又以發(fā)育獨(dú)特的2.3 Ga巖漿活動(dòng)與華北克拉通其他地區(qū)相區(qū)分。早期的觀點(diǎn)普遍認(rèn)為華北克拉通南緣具有統(tǒng)一的太古代結(jié)晶基底。然而,近些年來(lái)隨著年代學(xué)測(cè)試技術(shù)的不斷提高,大量的研究數(shù)據(jù)表明太華雜巖在不同區(qū)域出露的變質(zhì)結(jié)晶基底的年代學(xué)并不統(tǒng)一[27,30, 39,41-42]。其中，在小秦嶺地區(qū)出露的太華雜巖具有4期較為顯著的巖漿活動(dòng),包括中太古代(約2.8 Ga)和新太古代(約2.5 Ga)TTG質(zhì)片麻巖,古元古代(約2.3 Ga和2.1 Ga)TTG質(zhì)片麻巖、鉀質(zhì)花崗巖和斜長(zhǎng)角閃巖。熊耳山地區(qū)的太華雜巖則主要為古元古代巖石,包括2.3 Ga TTG質(zhì)片麻巖和2.2～2.1 Ga高鉀花崗質(zhì)片麻巖類。在魯山地區(qū)則以出露中—新太古代(2.9～2.7 Ga)的TTG質(zhì)片麻巖和斜長(zhǎng)角閃巖為特征,在部分區(qū)域也有2.5 Ga和2.2～2.1 Ga鉀質(zhì)花崗巖分布。太華雜巖不同的地質(zhì)體很可能經(jīng)歷了不同的演化過(guò)程。

1.2 登封雜巖

登封雜巖是一套典型花崗-綠巖帶巖石組合,大致呈東西向分布于河南省中部的嵩山和箕山兩地。登封雜巖主要由太古代—古元古代的表殼巖、TTG-花崗質(zhì)片麻巖組成,以及一系列元古代的侵入體,如早期的富鈉花崗巖類及晚期富鉀花崗質(zhì)侵入體、基性巖等[30,55-57]。TTG-花崗質(zhì)片麻巖主要由2.6～2.5 Ga的TTG和閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖構(gòu)成,這些巖體呈東西向展布,具有南北向延伸的片麻理,局部地區(qū)可見少量斜長(zhǎng)角閃巖包體?？臻g上TTG質(zhì)片麻巖與登封群表殼巖密切共生,主體分布在登封群的西部[55,57]。嵩山地區(qū)的表殼巖按照地層時(shí)代進(jìn)一步可劃分為新太古代的登封群和古元古代的嵩山群,普遍經(jīng)歷了綠片巖-角閃巖相的變質(zhì)作用[51,58]。登封群由多個(gè)旋回的火山-沉積巖系組成,主要出露于君召和臨汝地區(qū),其形成時(shí)代約為2.5 Ga。在巖石組合、巖性變化和變質(zhì)巖原巖性質(zhì)等方面具有明顯的分層性,自下而上分為郭家窯組、金家門組和老羊溝組3個(gè)主要的地層單元。郭家窯組為混合雜巖,包括片麻狀花崗巖、混合巖和片麻巖,金家門組以基性-中酸性火山建造為主,夾有基性-超基性巖體,老羊溝組以淺變質(zhì)沉積巖為主,局部夾大理巖,且具有復(fù)理石建造特征[51,59]。嵩山群主要分布在登封市西、北部的擋陽(yáng)山、玉寨山、嵩山、五指山一帶,主要由位于上部的五指嶺片巖和底部的嵩山石英巖組成,總體具有變質(zhì)程度低(綠片巖相)、變形程度強(qiáng)的特征,它的原巖為一套淺海相陸源碎屑巖和碳酸鹽沉積序列。除嵩山和鞍坡山兩地為正常層序外,其他地區(qū)地層均為倒轉(zhuǎn)層序[51-59]。嵩山群與下伏新太古代變質(zhì)巖石及古元古代侵入巖為不整合接觸，其上被中元古代五佛山群不整合覆蓋[56]。

2 古元古代早期巖漿活動(dòng)

華北克拉通中部帶古元古代鋯石年代學(xué)記錄了3組明顯的年齡峰值：2.4 ～ 2.3 Ga,2.2～2.1 Ga和1.95～1.8 Ga,暗示華北克拉通古元古代可能存在不同演化階段[60]。古元古代末期(1.95～1.8 Ga)的造山事件已得到了廣泛認(rèn)可,并被認(rèn)為與全球哥倫比亞超大陸匯聚事件相關(guān)。但2.4～2.3 Ga和2.2～2.1 Ga記錄所代表的構(gòu)造熱事件的性質(zhì)和意義尚不明確,存在不小的分歧[27-28,31,39,41,60-64]。特別是2.4～2.3 Ga,作為全球板塊構(gòu)造的停滯期,該時(shí)期的巖漿記錄相對(duì)于廣泛分布的前寒武巖漿巖尤其稀少。近些年,華北克拉通中部帶相繼有大量2.3 Ga的巖漿報(bào)道[18-42]。在烏拉山—大青山地區(qū),變基性巖的年齡顯示了多期巖漿活動(dòng),集中在2.50～2.45 Ga,2.30～2.10 Ga 和1.97～1.93 Ga[25]。在淮安地區(qū),記錄了2 358 ± 34 Ma閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖和2 370 ± 24 Ma花崗閃長(zhǎng)巖[18]。在恒山地區(qū),多種巖石類型共同顯示了2.52～2.44 Ga, 2.36～2.33 Ga, 2.2～2.1 Ga 3期巖漿年齡[20-21]。在五臺(tái)地區(qū),主要的年齡峰值集中在2.53～2.51 Ga 和 2.35～2.08 Ga[19],與阜平和贊皇地區(qū)記錄的年齡類似(2.52～2.44 Ga, 2.35～2.00 Ga)[18,64]。在呂梁地區(qū),有大量2.50 Ga, 2.37 Ga 和2.20～2.17 Ga的鈣堿性花崗巖分布,比如2 364±9 Ma蓋家莊片麻質(zhì)花崗巖和火山巖[23]。而這一時(shí)期分布最廣泛的巖漿活動(dòng)主要集中在華北克拉通南緣[27-42]。華北克拉通南緣在全球陸殼“沉寂期”的巖漿活動(dòng)異常發(fā)育,2.45～2.20 Ga巖漿活動(dòng)廣泛分布,峰值年齡集中于 2 310 Ma,主要出露于熊耳山和小秦嶺地區(qū)的太華雜巖,而在涑水雜巖和登封雜巖地區(qū)也有大量同時(shí)期的巖漿記錄(見圖3)[30,37,40,57,65],如中條地區(qū)的2 256±35 Ma橫嶺關(guān)花崗閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、2 321±2 Ma寨子英云閃長(zhǎng)片麻巖和煙莊鉀長(zhǎng)-二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖、2 315～2 317 Ma變中-酸性火山巖以及嵩山地區(qū)2 424±24 Ma 高分異I型花崗巖、2 306±6 Ma TTG質(zhì)片麻巖以及2 301±16 Ma輝綠巖。華北克拉通南緣的沉積蓋層,如汝陽(yáng)群、欒川群、高山河群、五佛山群以及鐵銅溝組都記錄了一期明顯的峰值年齡(約2.3 Ga),周緣的巖漿活動(dòng)為這些地層提供了豐富的物源。

圖3 華北克拉通南緣2.45～2.2 Ga巖漿記錄(修改自文獻(xiàn)[17],數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[27-35, 38-42]及未發(fā)表數(shù)據(jù))Fig.3 The reported 2.45～2.2 Ga magmatism in the southern margin of the NCC

華北克拉通南緣2.45～2.20 Ga期間的巖石類型多樣,從花崗質(zhì)巖石一直延續(xù)到輝長(zhǎng)質(zhì)(見圖4),在不同地區(qū)出露有所差異。巖漿活動(dòng)主要分布于小秦嶺地區(qū)和熊耳山地區(qū),代表性巖石組合包括TTG質(zhì)片麻巖、閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、鉀長(zhǎng)花崗巖以及少量的斜長(zhǎng)角閃巖。登封地區(qū)則記錄了英云閃長(zhǎng)片麻巖和輝綠巖兩種端元。魯山地區(qū)該時(shí)期巖漿出露較少,目前只有少量TTG質(zhì)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖的報(bào)道。中條山地區(qū)的涑水雜巖為該時(shí)期的巖漿記錄，主要為中-酸性巖漿,如一些火山巖、花崗質(zhì)片麻巖等。

3 華北克拉通南緣2.45～2.2 Ga巖石的地球化學(xué)特征

3.1 巖石系列及元素含量

1)TTG質(zhì)片麻巖通常與小型鎂鐵質(zhì)包體伴生或呈層狀出現(xiàn)在穹隆的核部[66]。由于后期變質(zhì)變形作用不同,在野外既可見條帶狀 TTG 片麻巖,也可發(fā)現(xiàn)成分相對(duì)均勻的TTG片麻巖。TTG片麻巖經(jīng)歷了復(fù)雜的高角閃巖-麻粒巖相變質(zhì)歷史,具有強(qiáng)烈的多相變形和多重葉理[29,66]。典型的TTG質(zhì)片麻巖以灰色或條帶狀斷續(xù)排列的片麻狀構(gòu)造為特征,由英云閃長(zhǎng)巖、奧長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖組成(見圖5A);主要的礦物組合為斜長(zhǎng)石(45%～60 %)、石英(25%～30 %)、黑云母(25%～30 %)、鉀長(zhǎng)石(<5 %)、角閃石(1%～5 %)。TTG 質(zhì)片麻巖的 SiO2含量變化范圍被約束在 57.35～78.74 wt.% 之間,具有中等Al2O3含量(12.46～17.53 wt.%)、CaO含量(0.37～6.56 wt.%),變化的FeOT含量(0.70～7.78 wt.%)和Mg含量(0.01～3.91 wt.%),較高的Na2O含量(2.95～5.32 wt.%)和中-高K2O含量(1.00～4.92 wt.%)[66]。

注：XQL為小秦嶺,XS為熊耳山,DF為登封,LS為魯山,ZTS為中條山圖4 華北克拉通南緣巖漿巖SiO2-Na2O+K2O判別圖(修改自文獻(xiàn)[67])Fig.4 SiO2-Na2O+K2O diagrams for the intrusives in S-NCC

2)花崗質(zhì)片麻巖為主要由富鉀的二長(zhǎng)花崗巖-正長(zhǎng)花崗巖-堿性花崗巖-正長(zhǎng)巖組成。二長(zhǎng)花崗巖的礦物組合主要為近乎等量的斜長(zhǎng)石和堿性長(zhǎng)石(40%～60 %)、石英(25%～35 %)、少量的黑云母和角閃石(5 %)；正長(zhǎng)花崗巖的礦物組合主要為微斜長(zhǎng)石(45%～55 %)、石英(25%～35 %)以及斜長(zhǎng)石(5%～10 %)；堿性花崗巖組合主要為堿性長(zhǎng)石(40%～60 %)、石英(25%～30 %)、斜長(zhǎng)石(5 %)及少量的黑云母和角閃石(5 %)[66]?；◢徺|(zhì)片麻巖的SiO2含量變化范圍在63.39 ～ 82.26 wt.%之間。Al2O3、FeOT、MgO、CaO、Na2O、K2O 和 TiO2含量主要變化范圍分別為 9.20～17.88 wt.%、0.36～8.05 wt.%、0.02 ～ 1.39 wt.%、0.12 ～ 0.36 wt.%、0.48 ～ 4.87 wt.%、2.39 ～ 9.37 wt.% 和0.05～1.24 wt.%，SiO2與這些主量元素呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。

華北克拉通南緣的花崗質(zhì)巖石總體顯示出準(zhǔn)鋁質(zhì)-弱過(guò)鋁質(zhì)屬性(見圖5B)。TTG 質(zhì)片麻巖主要為英云閃長(zhǎng)質(zhì)和花崗閃長(zhǎng)質(zhì),奧長(zhǎng)花崗巖相對(duì)較少(見圖5A),相較于花崗質(zhì)片麻巖具有較低的K2O含量、更高的Na2O/K2O比值(0.66～4.71),落入中-高鉀鈣堿性區(qū)域(見圖5D)。花崗質(zhì)片麻巖具有較低的Na2O/K2O比值(0.05～2.04),大多在0.4～1之間,位于高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列。在K-Na-Ca三角圖中,花崗質(zhì)片麻巖沿著CA(鈣堿性) 趨勢(shì)分布,而TTG 質(zhì)片麻巖則遵循 Td(奧長(zhǎng)花崗巖)的趨勢(shì),向富 Na 的方向演化,具有明顯的差異(圖5C)。TTG 質(zhì)片麻巖具有一定的輕重稀土分異和明顯的Nb、Ta、Ti的虧損,顯示出富 Sr 、貧 Y和Yb的特征(見圖6A～B),總體上具有較高的Sr/Y和La/Yb比值,類似于新太古代TTG 巖石的特征規(guī)律[68]。花崗質(zhì)片麻巖具有明顯的輕稀土富集([La/Yb]N=11～168),以及Ba、 Nb、 Ta的負(fù)異常。部分花崗質(zhì)片麻巖也具有富 Sr 貧 Yb 的特征,但TTG質(zhì)片麻巖的Sr含量明顯更高(除了奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖外),為(187～986)×10-6，而鉀質(zhì)花崗巖的Sr含量((20～685)×10-6)絕大多數(shù)小于200×10-6。TTG質(zhì)片麻巖根據(jù)主、微量元素特征可劃分3組(見圖6C～D)：第1組TTG質(zhì)片麻巖主要是位于熊耳山和小秦嶺地區(qū)的英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖,具有相對(duì)較低的稀土含量和Y含量,顯著Eu的正異常和較高的MgO含量(1.28～3.61 wt.%)、Cr含量((10～248)×10-6)、Ni含量((7～33)×10-6);第2組TTG質(zhì)片麻巖沒有明顯的Eu異常,具有相對(duì)較低的MgO、Cr、Ni含量,以及變化范圍較大的La/Yb比值(10～286);第3組TTG質(zhì)片麻巖主要為高硅(75.85～78.74 wt.%)和低鋁(10.49～12.78 wt.%)的奧長(zhǎng)花崗巖,沒有明顯的重稀土虧損,La/Yb比值較低,具有明顯Eu的負(fù)異常,相對(duì)較低的MgO、Cr、Ni含量,以及較低的Sr含量((42～164)×10-6)和Y含量((15～29)×10-6),類似喜馬拉雅型低Sr低Y淡色花崗巖?；◢徺|(zhì)片麻巖根據(jù)主、微量元素特征也可劃分3組：第1組主要為侵入基性巖的花崗質(zhì)巖脈,具有相對(duì)較低的稀土含量和Y含量,具有明顯的輕稀土富集以及顯著Eu的正異常;第2組具有高硅,富堿,貧鋁、鈣、鎂和磷以及明顯Eu的負(fù)異常;第3組具有較高的稀土含量及重稀土虧損,以及很低的Sr含量和Yb含量,無(wú)明顯的Eu異常。

注：G2代表花崗質(zhì)片麻巖;GB代表閃長(zhǎng)-輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖A 標(biāo)準(zhǔn)化An(鈣長(zhǎng)石)-Ab(鈉長(zhǎng)石)-Or(正長(zhǎng)石)圖解;B A/CNK-A/NK圖解;C K-Na-Ca三角圖解;D SiO2-K2O圖解圖5 華北克拉通南緣早古元古巖漿巖主量元素圖解Fig.5 Diagram of major elements of Early Paleoproterozoic magmatic rocks in the southern margin of North China Craton

3)閃長(zhǎng)質(zhì)-輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖常常零星地與TTG質(zhì)片麻巖伴生。閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖在熊耳山地區(qū)主要由斜長(zhǎng)石(50%～60 %)、角閃石(20%～30 %)、石英(10%～15 %)和黑云母(<5 %)組成。輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖侵入TTG質(zhì)片麻巖中,主要由斜長(zhǎng)石(45 %)、輝石(45 %)、角閃石(5 %)和黑云母(<5 %)組成。閃長(zhǎng)質(zhì)-輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖SiO2含量變化在48.26～ 65.54 wt.%之間,具有變化較大的Al2O3含量(11.14～21.82 wt.%)、CaO含量(4.42～12.08 wt.%)和TiO2含量(0.25～1.72 wt.%),較高的MgO含量(1.47～12.97 wt.%)、Mg#值(32～74)和FeOT含量(4.47～13.45 wt.%)。閃長(zhǎng)輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖依據(jù)SiO2含量(48.26 ～ 65.52 wt.%)和Mg#值(31.34 ～ 73.92)[66]可初步分為3組:第1組為閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖,SiO2含量變化范圍較大(52.27～ 65.52 wt.%),具有相對(duì)較低的MgO含量(1.35 ～ 4.38 wt.%)和較高的鋁含量(13.66 ～ 21.82 wt.%),以及變化的Eu異常;第2組為輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖,SiO2含量集中(50.67～ 52.16 wt.%),具有較高M(jìn)gO含量(12.18 ～ 12.97 wt.%)、Mg#值(72.60 ～ 73.92)、Cr含量((264～278)×10-6)和Ni含量(88 ～ 96 wt.%)以及明顯Eu的負(fù)異常;第3組為晚期(2 138～2 177 Ma)的閃長(zhǎng)-輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖,SiO2含量介于48.26～ 56.18 wt.%之間,具有中-高的Mg#值(49.78 ～ 58.43)。這些閃長(zhǎng)輝長(zhǎng)質(zhì)片麻巖普遍具有顯著的Nb、Ta、Ti的虧損,顯示出島弧巖漿巖的地球化學(xué)特征(見圖6E～F)。

4)基性巖體主要出露于嵩山地區(qū)的輝綠巖、熊耳山地區(qū)的基性巖墻和魯山地區(qū)的斜長(zhǎng)角閃巖。嵩山地區(qū)2.3 Ga的輝綠巖侵入體主要由斜長(zhǎng)石 (50%～60 %)、 單斜輝石(30%～40 %)和斜方輝石(10%～20%)組成,具有較低的K2O含量(0.1～0.7 wt.%)和的SiO2含量(44.8～54.1 wt.%),屬于低鉀拉斑系列。輕微變化的FeOT含量(11.5～16.0 wt.%)、Al2O3含量(14.8～17.0 wt.%)、CaO含量(5.5～10.6 wt.%),以及中-高的MgO含量(6.1～10.8 wt.%)和Mg#值(58～65)。輝綠巖體具有一定的輕重稀土分異((La/Yb)N=3.02～3.58),沒有顯著的Eu異常(Eu/Eu*=0.87～1.18),但具有明顯的Nb、Zr 和 Ti虧損以及Ba的富集(圖6G～H)。熊耳山地區(qū)的2.24 Ga基性巖具有變化較大的MgO含量(2.93 ～ 7.02 wt.%)、Mg#值(46～61)以及異常高的FeOT含量(15.46 ～ 22.13 wt.%)和較低的TiO2(0.95 ～ 2.00 wt.%),具有明顯的輕稀土富集。魯山地區(qū)的斜長(zhǎng)角閃巖具有較高的Mg#值(68)和Cr含量(1 570×10-6)、Ni含量(522×10-6)以及相對(duì)較為平坦的稀土配分模式,與N-MORB特征類似,并顯示出Nb-Ta-Ti的負(fù)異常(見圖6H)。

圖6 華北克拉通南緣早古元古巖漿巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)文獻(xiàn)[69])Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element diagrams for the Early Paleoproterozoic magmatic rocks in the southern margin of North China Craton

3.2 Nd-Hf-O同位素組成

收集總結(jié)華北克拉通南緣～2.3 Ga巖漿巖的Nd-Hf-O同位素?cái)?shù)據(jù)[27-42],發(fā)現(xiàn)花崗質(zhì)片麻巖中235個(gè)鋯石樣品176Hf/177Hf 比值變化范圍為0.281 166～0.281 595,樣品的兩階段模式年齡tDM2(CC)的變化范圍是2 403 ～ 3 022 Ma,對(duì)應(yīng)的εHf(t)變化范圍是-7.1～+7.8。4個(gè)花崗質(zhì)片麻巖樣品的εNd(t) 變化范圍是-1.7～+3.8。花崗質(zhì)片麻巖中118個(gè)鋯石樣品測(cè)定了氧同位素,δ18O值變化范圍為(-0.92 ± 0.33)‰到(4.78 ± 0.25)‰。

TTG質(zhì)片麻巖中173個(gè)鋯石樣品176Hf/177Hf 比值變化范圍為0.281 124～0.281 497,樣品的兩階段模式年齡tDM2(CC)的變化范圍是2 669～3 313 Ma,對(duì)應(yīng)的εHf(t)變化范圍是-7.3～+3.7。16個(gè)TTG質(zhì)片麻巖樣品的εNd(t) 變化范圍是-3.9～+2.0。TTG質(zhì)片麻巖中47個(gè)鋯石樣品測(cè)定了氧同位素,δ18O值變化范圍為(3.97～6.79)‰。

斜長(zhǎng)角閃巖中14個(gè)鋯石樣品176Hf/177Hf 比值變化范圍為0.281 226～0.281 564,樣品的單階段模式年齡tDM1的變化范圍是2 329～2 647 Ma,對(duì)應(yīng)的εHf(t)變化范圍是-3.9～+6.5。1個(gè)斜長(zhǎng)角閃巖樣品的εNd(t) 為+4.2。

輝綠巖中23個(gè)鋯石樣品176Hf/177Hf 比值變化范圍為0.281 280～0.281 543,樣品的模式年齡tDM1的變化范圍是2 414～2 796 Ma,對(duì)應(yīng)的εHf(t)變化范圍是-3.6～+5.4。6個(gè)斜長(zhǎng)角閃巖樣品的εNd(t) 變化范圍是-0.5～+0.6。

2.24 Ga 基性巖墻中20個(gè)鋯石樣品176Hf/177Hf比值變化范圍為0.281 048～0.281 227,樣品的模式年齡tDM1的變化范圍是2 805～3 051 Ma,對(duì)應(yīng)的εHf(t)變化范圍是-11.4～-2.7。4個(gè)斜長(zhǎng)角閃巖樣品的εNd(t) 變化范圍是-6.7～-3.3。

4 華北克拉通南緣2.45～2.2 Ga巖石成因

TTG質(zhì)片麻巖可分為3組。第1組和第2組TTG質(zhì)片麻巖具有較高的Al2O3含量,輕重稀土分餾明顯,低 Nb、Ta并相對(duì)富集Ba、Sr元素,屬于典型的高鋁 TTG 質(zhì)片麻巖。第3組TTG質(zhì)片麻巖具有較低的Al2O3含量(當(dāng) SiO2含量為70 wt.% 時(shí),Al2O3含量小于 15 wt.%),輕重稀土分異弱,Nb、Ta 含量也較高,并顯示出Ba、Sr的虧損以及顯著Eu的負(fù)異常,屬于低鋁型 TTG質(zhì)巖石。

第1組TTG質(zhì)片麻巖具有較高的Sr/Y比值和Eu的正異常,而且Sr/Y比值與Eu/Eu*具有很好的正相關(guān),附近不存在更老的高 Sr/Y 源區(qū),表明這可能是由于斜長(zhǎng)石堆晶作用引起的。這組TTG質(zhì)片麻巖重稀土嚴(yán)重虧損并具有高的La/Yb、低Dy/Yb的比值,指示源區(qū)是一個(gè)石榴石-角閃石相的穩(wěn)定域,無(wú)(或少)斜長(zhǎng)石殘余,相應(yīng)的最小壓力在 10 kbar 以上,最小地殼厚度通常在 35 km以上,這正好對(duì)應(yīng)于Moyen所限定的中-高壓環(huán)境[70]。這種高壓背景可以由洋殼俯沖、下地殼增厚或拆沉作用形成。這組TTG質(zhì)片麻巖總體具有較高的Mg#值以及Cr、Ni含量,并落入俯沖洋殼和拆沉下地殼所限定的區(qū)域范圍內(nèi),暗示有幔源的物質(zhì)加入(圖7B～D)。在源區(qū)判別圖解中,完全落入了低鉀鎂鐵質(zhì)巖區(qū)域(見圖7A)。通常而言,典型的板片熔體具有較低的Rb/Sr比值(<0.05),而來(lái)自增厚下地殼的埃達(dá)克巖則往往具有變化較廣的Rb/Sr比值(0.01～0.4)[30,66]。這組TTG質(zhì)片麻巖的Rb/Sr比值(0.07 ～ 0.18)則普遍較高,暗示可能與加厚的玄武質(zhì)下地殼部分熔融有關(guān)。此外,這些片麻巖的鋯石樣品εHf(t)值只有少量的正值,絕大多數(shù)為負(fù)值,而且全巖的εNd(t) 值和εHf(t)值全為負(fù)值,說(shuō)明其源區(qū)主要為古老的陸殼物質(zhì)。因此,第一組TTG質(zhì)片麻巖很可能源于拆沉下地殼的部分熔融。基性巖漿的底侵不僅會(huì)產(chǎn)生高 Mg#特征的源區(qū),導(dǎo)致地殼加厚,還將為加厚地殼的部分熔融提供熱[41]。

第2組TTG質(zhì)片麻巖源區(qū)特征與第1組類似,重稀土非常虧損,具有高的Sr含量、較低的Yb含量和高的Sr/Y比值,指示一個(gè)高壓環(huán)境。這組TTG質(zhì)片麻巖的Mg#值以及Cr、Ni含量總體較低(見圖7B～D),大都分布在增厚下地殼范圍內(nèi)。在源區(qū)判別圖解中,都落入了鎂鐵質(zhì)巖區(qū)域(見圖7A)。而且片麻巖的鋯石樣品絕大多數(shù)為負(fù)值(-7.3～+3.7),故該組TTG質(zhì)片麻巖主要源于加厚下地殼的部分熔融。

第3組奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖與第1和第2組片麻巖在地球化學(xué)特征上有所差異,前兩組的TTG片麻巖的輕、重稀土分異較強(qiáng)烈(見圖6B),而這一組片麻巖的輕、重稀土分異相對(duì)弱,重稀土平坦,具有較高的Yb和Y含量,表明不同類型的TTG形成過(guò)程中的源區(qū)存在不同程度的石榴子石和角閃石貢獻(xiàn),反映了不同的熔融壓力條件[27,29,30]。第3組片麻巖具有明顯負(fù)的Eu異常,指示有斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶或源區(qū)有斜長(zhǎng)石的殘留。相對(duì)低的Sr含量、Sr/Y比值,相對(duì)富集的重稀土以及Nb、Ta含量,表明其殘留相中存在斜長(zhǎng)石、少量或無(wú)石榴子石而且一定不存在金紅石[68，70-72]。副礦物獨(dú)居石、磷灰石的分離結(jié)晶通常會(huì)導(dǎo)致花崗質(zhì)巖石具有強(qiáng)烈的銪負(fù)異常、低中稀土和相對(duì)高的重稀土含量。在源區(qū)判別圖中,樣品均落入英云閃長(zhǎng)巖區(qū)域。低鋁奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖很可能是由俯沖洋殼低壓熔融而成[71]。

第1組花崗質(zhì)片麻巖主要為侵入基性巖的花崗質(zhì)巖脈,稀土總含量較低,具有強(qiáng)烈的輕、重稀土分異(見圖6C～D)和較高的Sr/Y和La/Yb比值,表明部分熔融過(guò)程的壓力達(dá)到穩(wěn)定的石榴石-角閃石相。但Sr/Y和La/Yb之間沒有相關(guān)性,這表明較高的Sr/Y和La/Yb值不是由于角閃石和/或石榴石分異,而是由于部分熔融,在源區(qū)殘留有角閃石或石榴石。而且Dy/Yb比值較低,表明角閃石和石榴石在部分熔融過(guò)程中均為殘留物,這指示其巖漿應(yīng)形成于較高的壓力區(qū)間。在源區(qū)判別圖中，該組花崗質(zhì)片麻巖樣品全落入英云閃長(zhǎng)巖所在的區(qū)域(見圖9D)。結(jié)合樣品具有較低的Mg#值、Cr和Ni含量,鋯石的εHf(t)值幾乎全為負(fù)值(-2.9～+0.1),以及其所對(duì)應(yīng)的Hf的二階段模式年齡為tDM2為2 655～2 715 Ma,暗示其很可能為早期2.7 Ga年的TTG重熔的產(chǎn)物。

第2組花崗質(zhì)片麻巖具有高硅(64.7～82.3 wt.%)、富堿(7.2～12.4 wt.%),貧CaO、MgO、Al2O3的特征,明顯的Eu的負(fù)異常,輕稀土富集,呈海鷗型展布的配分模式(見圖6C),以及低的P2O5含量,均顯示出典型A型花崗巖的特征,而明顯區(qū)別于I型和S型花崗巖。高的FeOT/(FeOT+MgO) (0.75～0.97)和10 000*Ga/Al(1.81～4.34)比值顯示出A型花崗巖的特征,并落入A型花崗巖所限定的區(qū)域內(nèi)(見圖9A～C)。較高的全巖鋯石飽和溫度(810～985℃)和鋯石 Ti 飽和溫度(784～1 005℃)[31,39],均符合 A 型花崗巖高溫的特征。該組A型花崗巖在一定程度上重稀土的虧損、較低的Sr含量、Gd/Yb和 Dy/Yb比值等特征指示熔體的殘留相礦物應(yīng)含有一定量的斜長(zhǎng)石、角閃石以及石榴子石,這指示其巖漿形成于較低的壓力范圍(10～12 kbar),位于斜長(zhǎng)石穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi),很有可能是中下地殼在高溫低壓環(huán)境下部分熔融形成的,指示一個(gè)伸展的構(gòu)造背景[31]?；◢徠閹r具有較大的Nb/Ta及Zr/Hf比值,分別介于平均地殼和原始地幔值之間,同時(shí)具有變化較大的Mg#值(25～43),均體現(xiàn)出殼慢物質(zhì)混合的特征?；◢徠閹r的εHf(t)值顯示出較大的變化范圍(-7.1～+7.7),也是巖漿源區(qū)不均一性的表現(xiàn),單一源巖漿的結(jié)晶分異無(wú)法解釋。而其所對(duì)應(yīng)的二階段模式年齡tDM2為2 403～2 885 Ma,反應(yīng)源巖漿存在新生陸殼物質(zhì)及太古代老陸殼物質(zhì)的混合,這與伸展構(gòu)造背景下的殼幔物質(zhì)混合有關(guān)[29,31,32,39]。

第3組花崗質(zhì)片麻巖主要以中條山地區(qū)的煙莊花崗巖為代表,該組花崗巖具有高硅、高堿,貧CaO、MgO、P2O5的特征,同時(shí)富集 Rb、Th、U等大離子親石元素和 Zr、Hf 等高場(chǎng)強(qiáng)元素,與A型花崗巖特征類似,但其具有較低的MnO含量和Ga/Al值,從而區(qū)別于A型花崗巖。該組花崗巖含有較低的Sr、Yb含量,類似喜馬拉雅型花崗巖,其成因與地殼加厚有關(guān)[37,65]。該組花崗巖的SiO2含量較高,具有較低Mg#值,并顯示出接近殼源巖石的Nd/Th值(0.32～ 0.41)。鋯石的εHf(t)值以正值為主(-1.8～+7.6),模式年齡集中在2.5～2.7 Ga 之間,表明該區(qū)在2.3 Ga存在一期重要的巖漿事件, 并改造了早期形成的中下地殼物質(zhì), 包括2.7 Ga和2.5 Ga兩期重要的TTG質(zhì)片麻巖[65]。

注：ORG為洋中脊花崗巖; VAG為火山弧花崗巖; WPG為板內(nèi)花崗巖; Syn-COLG為同碰撞花崗巖;三角形代表花崗質(zhì)片麻巖;正方形代表TTG質(zhì)片麻巖A～B La/Yb-Yb和Sr/Y-Y圖解(據(jù)文獻(xiàn)[72]);C～D Rb-(Yb+Ta)和Ta-Yb微量元素環(huán)境判別圖解(據(jù)文獻(xiàn)[74])圖8 TTG質(zhì)片麻巖和花崗質(zhì)片麻巖圖解Fig.8 TTG gneiss and granitic gneiss diagram

嵩山地區(qū)2301±16 Ma的輝綠巖體,具有較低的鉀含量(<1.0 wt.%)和全堿含量(2.4～4.7 wt.%),屬于低鉀拉斑系列(筆者未發(fā)表數(shù)據(jù))。樣品主量元素SiO2、FeOT、Al2O3、CaO的含量變化較大,并具有較高的MgO含量(6.1～10.8 wt.%)?；詭r總體呈現(xiàn)輕稀土富集的特征,無(wú)明顯Eu負(fù)異常,發(fā)育Nb、Zr、Ti虧損和Ba富集,顯示典型島弧巖漿巖的地球化學(xué)特征,揭示其經(jīng)歷了單斜輝石、斜方輝石和斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用。輝綠巖全巖的εNd(t)值變化范圍較小, 介于0.2～+0.8, 其鋯石的εHf(t)值變化在3.0～+6.6, 表明該基性巖是由含石榴石尖晶石的二輝橄欖巖部分熔融形成的, 來(lái)源于淺部、 流體交代的富集巖石圈地幔。 魯山雷音寺地區(qū)2.3 Ga的斜長(zhǎng)角閃具有相對(duì)較為平坦的稀土配分模式, 與N-MORB特征類似, 但在微量元素蛛網(wǎng)圖中又顯示LILE富集和Nb-Ta-Ti負(fù)異常的特點(diǎn)。 在Th/Yb-Nb/Yb 圖解中,樣品落在MORB和島弧玄武巖之間的過(guò)渡區(qū)域，出現(xiàn)這一結(jié)果可能與俯沖流體或熔體加入地幔源區(qū)有關(guān)。俯沖流體或熔體與上覆地幔楔相互作用,使地幔源區(qū)熔融程度增大,產(chǎn)生淺部擴(kuò)張以及兼具M(jìn)ORB和島弧玄武巖特征的過(guò)渡型巖漿,與弧前或弧后盆地玄武巖的特征類似。而且,斜長(zhǎng)角閃巖具有較高的Mg#值和Cr、Ni含量以及正的初始εHf(t)和εNd(t)特征,暗示了其原巖更接近原始巖漿成分,來(lái)源于相對(duì)虧損的地幔源區(qū)[38]。2.24 Ga的基性巖墻具有明顯的輕、重稀土分異,稀土的配分模式介于OIB和E-MORB之間,但在蛛網(wǎng)圖上顯示明顯的高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損(如Nb、 Ta、 Ti、 P)以及大離子親石元素富集,類似于典型的安第斯型巖漿。較低的TiO2以及富集的Sr-Nd同位素表明其源于俯沖沉積物交代過(guò)的大陸巖石圈地幔[28]。

注：三角形代表第1組花崗質(zhì)片麻巖;正方形代表第2組花崗質(zhì)片麻巖;圓形代表第3組花崗質(zhì)片麻巖A FeOT/(MgO+FeOT)-SiO2; B Zr-10 000*Ga/Al; C (K2O+Na2O)/CaO-(Zr+Nb+Ce+Y)(據(jù)文獻(xiàn)[75]);D 3*CaO vs.Al2O3/(FeOT+MgO) vs.5*(K2O/Na2O)圖9 花崗質(zhì)片麻巖圖解和A型花崗巖判別圖Fig.9 Diagram of granitic gneiss and discrimination diagram of A-type granite

5 華北克拉通南緣古元古代構(gòu)造演化

研究表明,具有類似于現(xiàn)代單向高角度深俯沖機(jī)制的板塊構(gòu)造在太古宙中晚期約3.0 Ga 已經(jīng)開始啟動(dòng),到新太古代末期—古元古代初已經(jīng)在全球范圍內(nèi)盛行起來(lái)[1-5,76-77]。然而,進(jìn)入古元古代早期全球范圍內(nèi)的巖漿活動(dòng)顯著減弱,尤其是在 2.45～2.2 Ga 期間,呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的“靜寂期”。對(duì)于全球各個(gè)地區(qū)“靜寂期”巖漿事件構(gòu)造背景,目前主要有兩種不同的認(rèn)識(shí):一些研究者認(rèn)為與俯沖-碰撞背景下的弧巖漿作用相關(guān); 另一些研究者認(rèn)為與穩(wěn)定大陸形成后的裂解或造山后伸展環(huán)境相關(guān)[6-8,16-17, 77]。而在華北克拉通,由于該時(shí)期的巖漿記錄相對(duì)較少,研究程度薄弱,從而導(dǎo)致了眾多不同演化模型的提出。一種觀點(diǎn)認(rèn)為華北克拉通在2.5 Ga完成克拉通化后,在2.5～2.3 Ga期間處于相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境,而后華北克拉通變質(zhì)基底在2.35～1.95 Ga經(jīng)歷了拉伸破裂事件,此時(shí)基底陸殼沒有完全裂開形成洋殼,隨后經(jīng)歷了多期次、多階段裂陷俯沖與碰撞的旋回演化,最終于1.9～1.8 Ga再次碰撞拼合[16]。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為華北克拉通的中部帶經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的俯沖增生過(guò)程,從太古代末一直持續(xù)到古元古代晚期(>650 Ma),東、西陸塊最終于1.85 Ga完成碰撞拼合[17]。還有一些學(xué)者則提出東部陸塊與西緣島弧地體和洋底高原發(fā)生弧陸碰撞拼貼,形成約2.5 Ga和約2.3 Ga的弧陸碰撞造山帶,期間伴隨多次俯沖極性反轉(zhuǎn),最終以陸陸碰撞造山帶的形式并入哥倫比亞超大陸[78]。由此可見,發(fā)育大量“靜寂期”巖漿活動(dòng)的華北克拉通南緣對(duì)約束華北克拉通古元古早期的地質(zhì)背景有著十分重要的意義。

基于華北克拉通南緣出露的巖漿主要為近同期的長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖和基性侵入巖,顯示出雙峰式巖漿活動(dòng)的特征[31,33,39],不少學(xué)者認(rèn)為該時(shí)期主體處于板內(nèi)裂谷拉張環(huán)境。TTG質(zhì)片麻巖和花崗質(zhì)片麻巖具有相對(duì)分散的Nd-Hf同位素特征,具有正-負(fù)的εHf(t)和εNd(t)值,指示有不同程度古老地殼物質(zhì)與新生地殼物質(zhì)的混合。而且,具有A型花崗巖特征的花崗質(zhì)片麻巖主要落入了A1型亞類區(qū)域,侵位于板內(nèi)裂谷或與地幔柱或熱點(diǎn)活動(dòng)形成有關(guān)[31]。這很可能是在伸展構(gòu)造背景下,上涌的地幔物質(zhì)為華北克拉通南緣提供了熱和物質(zhì),導(dǎo)致了陸殼減薄,發(fā)生了以古老地殼熔融為主的地殼物質(zhì)再循環(huán)作用,并伴隨少量新生地殼的形成。此外,高鉀的花崗質(zhì)片麻巖和低壓的TTG質(zhì)片麻巖都具有類似的低δ18O特征[39,41]。具有低δ18O值的巖漿巖可以通過(guò)高溫?zé)嵋何g變形成或者從低δ18O巖漿結(jié)晶而來(lái),而最有利低δ18O巖漿發(fā)育的構(gòu)造背景就是裂谷構(gòu)造帶[79-81]。大量低δ18O巖石同樣出現(xiàn)在揚(yáng)子西北緣與大別—蘇魯造山帶新元古代巖石,很可能與羅迪尼亞超大陸裂解有關(guān)。在華北克拉通南緣霍邱地區(qū)同樣記錄了這一時(shí)期(約2.36～2.24 Ga)大量的花崗巖漿作用，并形成了火山沉積巖和含BIF的地層,一些學(xué)者認(rèn)為這些沉積巖可能與古元古代大氧化事件有關(guān)[82-83],代表著2.50～2.35 Ga冰川期之后的全球裂谷事件,是對(duì)Kenorland超大陸最初解體的響應(yīng)。然而,形成于板內(nèi)裂谷的巖漿通常會(huì)伴有大量鎂鐵質(zhì)巖石伴生以及堿性巖的出現(xiàn)。而且,華北克拉通南緣的基性巖漿出露相對(duì)較少,中酸性巖漿占據(jù)主導(dǎo)地位,不太符合板內(nèi)裂谷以及雙峰式巖漿特征。

另一方面,在華北克拉通中部帶尤其是南緣的巖石中記錄了大量與俯沖相關(guān)的印記[27-30,32,38,40]。五佛山群,作為登封地區(qū)古元古代—新元古代的沉積蓋層,記錄了與嵩山石英巖相類似的太古代信息。五佛山群的碎屑鋯石記錄了古元古代早期明顯的4期巖漿年齡峰值分別在2 402 Ma、2 298 Ma、2 179 Ma、2 058 Ma,表明登封地區(qū)以及周緣的巖漿巖可能提供了一定的物質(zhì)來(lái)源[84]。其中，約2.3 Ga的碎屑鋯石具有變化非常大的氧同位素值 (2.28‰～8.06‰),這與華北克拉通南緣約2.3 Ga花崗質(zhì)片麻巖以及TTG質(zhì)片麻巖的鋯石氧同位素特征相一致[39,41]。2.3 Ga片麻質(zhì)巖石普遍具有熱液蝕變巖石的重熔特征,具有較高的δ18O值鋯石樣品可能與俯沖熱液蝕變大洋玄武巖脫水產(chǎn)生的流體相關(guān),這種低溫水巖反應(yīng)過(guò)程能夠使氧同位素快速增加。異常較低的δ18O巖漿可由與海水進(jìn)行過(guò)高溫同位素交換的俯沖下部洋殼部分熔融形成,如藏北日灣茶卡英安巖和奧長(zhǎng)花崗巖、東北碾子山A型花崗巖等[85-86]。俯沖模式能夠很好滿足這一過(guò)程,海水熱液蝕變的下部洋殼經(jīng)高溫熔融能夠形成異常低δ18O巖漿,上部洋殼低溫蝕變經(jīng)部分熔融則可形成高δ18O巖漿[87]。在微量元素蛛網(wǎng)圖上,TTG質(zhì)片麻巖和花崗質(zhì)片麻巖樣品普遍顯示出Nb、Ta的虧損(見圖6);而Nb和Ta為高場(chǎng)強(qiáng)元素,它們相對(duì)于輕稀土明顯虧損通常被認(rèn)為與板塊俯沖的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。而且在微量元素環(huán)境判別圖解中所有的樣品基本都落入火山弧花崗巖區(qū)(見圖8)。此外,低鋁奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖來(lái)自俯沖洋殼的熔融,其熔融壓力低的特點(diǎn)可以用板片斷裂模式加以解釋[88-89]。孫乾迎對(duì)華北克拉通南緣王屋山和嵩山古元古界沉積建造開展了詳細(xì)的研究工作[90]。王屋山地區(qū)銀魚溝群和嵩山地區(qū)嵩山群沉積時(shí)代分別限定為2.43～2.30 Ga和2.37～2.30 Ga,屬古元古代早期沉積地層,樣品的地球化學(xué)特征都落入大陸島弧區(qū)域。通常,碎屑鋯石的U-Pb年齡分布可以反映其沉積盆地的構(gòu)造背景[91]。銀魚溝群和嵩山群沉積地層中的碎屑鋯石主要由年輕的鋯石組成,其結(jié)晶年齡接近于形成時(shí)代,碎屑鋯石年齡的累計(jì)曲線一致指示匯聚相關(guān)的背景(見圖10)。阿拉斯加型侵入巖通常是俯沖相關(guān)弧巖漿或弧根雜巖的產(chǎn)物,往往作為造山帶俯沖增生碰撞的標(biāo)志。最近,古元古代早期阿拉斯加型基性超基性巖相繼在華北克拉通中部帶發(fā)現(xiàn),如南部的中條地區(qū),中部的恒山五臺(tái)阜平區(qū)域以及東緣的放馬峪地區(qū),形成時(shí)代分別為2.3 Ga、2.2 Ga和2.3～2.0 Ga[78,92-93]。這些阿拉斯加型侵入體的母巖漿很可能源于俯沖流體交代的巖石圈地?；蛱潛p的富水地幔楔。單斜輝石的Al2O3含量隨著Mg2+/(Mg2++Fe2+)比值的降低而呈現(xiàn)明顯升高的趨勢(shì),而且顯示出較高的Al/Ti比值,指示一個(gè)俯沖相關(guān)的背景(見圖10A)。登封地區(qū)的輝綠巖(作者未發(fā)表數(shù)據(jù))以及熊耳山地區(qū)的基性巖墻均記錄了流體或沉積物交代過(guò)的大陸巖石圈地幔特征,與俯沖作用密切相關(guān)(見圖10C～F)。大陸地殼的生長(zhǎng)主要發(fā)生于俯沖增生型背景。通過(guò)鋯石年齡頻譜圖和年齡-Hf同位素圖解可以清楚看到,在2.45～2.2 Ga期間,華北克拉通南緣有一個(gè)顯著的峰值年齡為2 313 Ma和兩期明顯的地殼生長(zhǎng)事件,分別約為2 428 Ma和2 334 Ma。而且2 428 Ma和2 334 Ma的巖漿鋯石具有非常高的εHf(t)正值 (分別高達(dá)+7.8和+7.7),鋯石Hf同位素模式年齡與U-Pb年齡非常接近,指示有新的地殼物質(zhì)的加入(見圖11)。此外,約2 336 Ma的基性巖進(jìn)一步支持了該時(shí)期存在地殼生長(zhǎng)。古元古代早期的巖漿活動(dòng)很可能與東部陸塊與西部陸塊的俯沖匯聚有關(guān)[17,27,30,41]。

A 單斜輝石 AlZ-TiO2圖解;B 碎屑鋯石年齡累計(jì)曲線圖;C～F 玄武質(zhì)巖石判別圖圖10 華北克拉通中部帶約2.3 Ga巖漿活動(dòng)圖解(數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[78,90,92-93])Fig.10 Diagram of ca. 2.3 Ga magmatism in the central belt of the North China Craton

現(xiàn)代板塊構(gòu)造以單邊俯沖和發(fā)育大陸玄武安山巖-英安巖-流紋巖(BADR)的巖漿為特征,而太古代大陸巖漿則主要為英云閃長(zhǎng)巖-奧長(zhǎng)花崗巖-花崗閃長(zhǎng)巖(TTG)成分。它們的主要區(qū)別在于現(xiàn)代板塊構(gòu)造中缺乏大量的、新生的、來(lái)自玄武質(zhì)巖石的長(zhǎng)英質(zhì)巖漿作用[94]。目前關(guān)于TTG質(zhì)片麻巖的形成環(huán)境主要有兩種,俯沖環(huán)境下俯沖板片熔融以及擠壓造山環(huán)境下的下地殼熔融(包括古老的加厚下地殼熔融和拆沉后新生的下地殼熔體)[88-89]。因此,地幔柱作為一種可能的增生機(jī)制也不能完全排除。從全球范圍來(lái)看,該時(shí)期的巖漿活動(dòng)形成于多種不同構(gòu)造背景,俯沖相關(guān)的島弧環(huán)境[7,12]、非造山環(huán)境[95-97]以及后碰撞伸展環(huán)境[75,98-100]。地球動(dòng)力學(xué)模型表明,在停滯蓋層機(jī)制向板塊構(gòu)造機(jī)制過(guò)渡期間,地球主要受幕式俯沖體制的控制[77]。停滯蓋層向板塊構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變時(shí)間上與全球巖漿活動(dòng)靜寂期相關(guān),板塊構(gòu)造很可能出現(xiàn)在2.45～2.2 Ga期間[6,101]。在最近的研究中,Spencer等人對(duì)古元古代沉積序列中碎屑鋯石的氧和鉿同位素進(jìn)行了耦合分析,結(jié)果表明,鋯石δ18O在約2.3 Ga時(shí)發(fā)生了驟變,從5.9‰突然增加到7.0‰。碎屑鋯石中δ18O的快速變化可能是由于高δ18O的沉積物進(jìn)入俯沖帶巖漿所致[102]。隨后(2.2～2.1 Ga),花崗巖的堿性元素及相關(guān)元素(Rb、Th、Ba、Nb含量)明顯升高,反映了板塊運(yùn)動(dòng)很可能已經(jīng)開始,將大量水引入了地幔[101]。TTG到贊岐巖的過(guò)渡通常作為板塊構(gòu)造啟動(dòng)的標(biāo)志。在S?o Francisco 克拉通的Mineiro造山帶,2.13 Ga贊岐巖、高Ba-Sr花崗巖及混合花崗巖的形成與俯沖沉積物的加入有關(guān),暗示可能由早期的平板俯沖逐漸變?yōu)楦呓嵌雀_,地幔楔開始形成[94]。在2.1 Ga左右,大量堿性玄武巖的形成,代表了一次地幔加速降溫事件,很可能指示了持續(xù)性的板塊俯沖作用的開啟,這與高壓低溫變質(zhì)巖和蛇綠巖的出現(xiàn)、全球性碰撞造山事件的開始相吻合[103]。因此,“靜寂期”很可能是地幔柱為主的巖漿作用模式向俯沖島弧巖漿作用為主的板塊構(gòu)造機(jī)制過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期[101，104]。

A 鋯石年齡頻譜圖；B 年齡-鉿同位素圖解圖11 華北克拉通南緣2.45～2.2 Ga巖漿巖圖解[27-42]Fig.11 2.45～2.2 Ga magmatism in the southern margin of North China Craton

6 結(jié)語(yǔ)

古元古代早期(2.45～2.2 Ga)作為地質(zhì)歷史上一段特殊的時(shí)期,在此期間巖漿活動(dòng)大幅度減少,伴隨著TTG向鈣堿性巖漿成分的轉(zhuǎn)變,很可能是前寒武紀(jì)構(gòu)造機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵期。華北克拉通南緣作為全球“靜寂期”巖漿活動(dòng)最為豐富的地區(qū)之一,分布著各種不同的巖石類型,這為厘清古元古代早期(2.45～2.2 Ga)的構(gòu)造巖漿活動(dòng)過(guò)程提供了便利的條件,對(duì)于揭示地殼成分的轉(zhuǎn)變機(jī)制以及板塊構(gòu)造的啟動(dòng)具有十分重要的意義。