太行山早前寒武纪杂岩的同位素年代学和地质事件

刘树文　梁海华　赵国春　华永刚　简安华

摘　要：通过对太行山前寒武纪杂岩地质学和同位素地质年代学研究， 确定了太行山的地质事件主要有5期。新太古代早期玄武质岩浆喷发和石英闪长质-英云闪长质岩浆侵位，形成阜平片麻岩的角闪斜长片麻岩和TTG片麻杂岩中变质基性岩包体。 新太古代晚期麻粒岩相变质和黑云斜长片麻岩侵位。新太古代末期至古元古代早期伸展隆升，形成城南庄大型变形带，沿着伸展变形带变质基性岩脉侵位。古元古代晚期（吕梁期）太行山前寒武纪杂岩重新活化，构造隆升，南营片麻岩侵位，之后形成龙泉关韧性剪切带。古元古代末期形成区域性花岗质伟晶岩，代表吕梁运动结束.
关键词：早前寒武纪杂岩 同位素年代学 地质事件 太行山▲

1 地质概况

图1　太行山早前寒武纪变质杂岩地质简图

1示中生代岩体, 2示阜平期岩体, 3示五台期岩体, 4示南营片麻岩（第三地质单元）, 5示湾子变质层状岩系（第二地质单元）, 6示阜平片麻岩（第一地质单元）, 7示五台群, 8示滹沱群, 9示古生代地层, 10示中上元古代地层, 11示地质界线,12示断层。■为fl03-1～fl08-1等斜长角闪岩样品取样地点； ◆为I9725-1， 9758-1， 9711-1等样品取样地点；★为9737-1, 9711-1-1, 9735-1等样品取样地点，▲为Rb-Sr等时线样品采样地点

2　阜平片麻杂岩同位素年代学

　　近年来阜平片麻杂岩的同位素年代学研究取得了许多进展，使其研究程度大大提高。前人测定的片麻岩的碎屑锆石一致线U-Pb年龄2.8^+0.23_-0.15 Ga^［3］, 麻粒岩和片麻岩Sm-Nd等时线年龄(2.79±0.17) Ga^［4］，角闪斜长片麻岩的单颗粒锆石LP-ICP-MS法²⁰⁷Pb-²⁰⁶Pb年龄峰值为（2.69±0.06）　Ga^［5］，黑云斜长片麻岩单颗粒锆石SHRIMP的U-Pb年龄(2.535±0.008) Ga^［6］。其中前两个同位素年龄的测定是基于对阜平片麻杂岩是地层系统的认识做出的，所以测定Sm-Nd年龄时将片麻岩和变质基性岩构筑同一条等时线^［4］。近年来的研究表明， 阜平片麻杂岩的主体TTG片麻岩是深成侵入体，而其中的基性麻粒岩和单斜辉石斜长角闪岩包体是变质表壳岩^{［1，7，8］}，应分属不同的同位素体系。本文利用前人的Sm-Nd同位素资料^［4，8］剔除原等时线中的片麻岩样品、亏损地幔模式年龄异常高的样品（8255-1和8266），对原作者的6个单斜辉石斜长角闪岩、麻粒岩样品进行了重新处理和等时线拟合（表1，图2(a)），得到了(2.679±0.069) Ga的等时线年龄，M.S.W.D=1.59, ε_Nd(t)=+3.5, 平均模式年龄为2.767 Ga。该等时线年龄应代表单斜辉石斜长角闪岩的成岩年龄，与角闪斜长片麻岩的单颗粒锆石LP-ICP-MS法²⁰⁷Pb-²⁰⁶Pb年龄峰值在该等时线的误差范围内一致，反映了该区在2.70　Ga左右存在一期强烈的岩浆活动，表现为玄武质岩浆的火山活动和角闪石斜长片麻岩的侵位。
　　阜平片麻杂岩中的黑云母斜长片麻岩的2个样品（样品8252和H8506）取自阜平县大柳树附近^［4］，在广安桥东相同地质单元补充采集了3个样品（采样地点见图1，I9725-1,9758-1和9711-1，3个样品为黑云母含量不同的黑云斜长片麻岩）， 进行了Sm-Nd同位素测定（表1），结合张宗清的2个样品，5个黑云斜长片麻岩的等时线年龄为(2.502±0.050) Ga（图2(b)）, M.S.W.D=1.40，平均亏损地幔模式年龄2.93 Ga。大于2.9 Ga亏损地幔模式年龄，暗示了本区可能存在中太古代的老地壳。ε_Nd(t)=-0.7, 表明有地壳物质加入。SHRIMP单颗粒锆石U-Pb年龄（2.535 Ga）^［6］在该等时线年龄的误差范围内。因此, 将2.535 Ga作为黑云斜长片麻岩的成岩年龄是合适的，反映了该区太古代晚期的大规模花岗质岩浆活动地质事件。岩石学特征和变质流体研究均表明， 黑云母斜长片麻岩和眼球状片麻岩未经历过麻粒岩相变质作用，黑云斜长片麻岩的变质流体成分与铁镁质麻粒岩减压隆升退变质阶段的流体成分特征相似，说明黑云斜长片麻岩的侵位结晶在麻粒岩相峰期变质之后，是在地壳早期隆升时形成的^［1］。同时也暗示出麻粒岩相变质作用峰期略早于黑云斜长片麻岩的结晶时间。但是，就总体而言， 麻粒岩相变质作用和黑云斜长片麻岩的岩浆活动属于新太古代同一期构造岩浆事件。

图2　太行山前寒武纪变质杂岩的Sm-Nd等时线图

(a) 阜平片麻杂岩中单斜辉石斜长角闪岩、麻粒岩包体Sm-Nd等时线图， (b) 阜平片麻岩中黑云斜长片麻岩Sm-Nd等时线图, (c) 阜平片麻杂岩中斜长角闪岩脉Sm-Nd等时线图, (d) 南营片麻岩中淡色片麻岩的Sm-Nd等时线图

3　变质基性岩脉Sm-Nd同位素特征

　　采自阜平-涞源公路两县分界以南的大岭南麓（fl03-1）到岭下东庄（fl08-1）, 直线距离约1 km左右, 为城南庄大型低角度伸展变形带出露部位。斜长角闪岩以低角度脉状产出，脉宽0.3～2 m。其边界呈小角度斜切黑云斜长片麻岩的片麻理。7个样品的同位素分析结果列于表1，Sm/Nd等时线年龄t=(2.519±0.044) Ga（图2(c)）， M.S.W.D=1.46, ε_Nd(t)=+5.2, ε_Nd(t)值在Morb亏损地幔演化线之上。 因此，使用Morb亏损地幔参数得到的模式年龄低于等时线年龄，并且模式年龄范围较大（2.34～2.51 Ga），平均模式年龄为2.42 Ga（表1）。对ε_Nd(t)值明显高于Morb亏损地幔演化线，Morb亏损地幔模式年龄较分散的情况比较复杂，可能由以下原因产生： （1） 可能等时线年龄是真实年龄，岩浆来自于比Morb亏损地幔更亏损的地幔；（2） 构筑等时线的样品为非同源；（3） 相对较晚的岩浆在侵位结晶过程中被老地壳混染。太行-五台地区的变质基性火山岩研究表明，它们经历了地壳混染作用^{［10，11］}，所以(2.519±0.044) Ga等时线年龄的地质意义尚不明确，需要进一步研究。但是野外地质关系表明，南营片麻岩侵位并截断了变质基性岩脉，所以变质基性岩脉形成早于南营片麻岩，推测变质基性岩脉形成于太古代末到古元古代早期。它们可能代表了伸展事件的时间。

4　南营片麻岩地质年代学

　　南营片麻岩中淡色花岗质片麻岩的主要岩石类型为含黑云斜长片麻岩、二长片麻岩和钾长片麻岩（花岗岩）等，突出的特征是暗色矿物含量很少，片麻理发育不均匀。它们常常沿着阜平片麻岩中黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩片麻理侵入（石湖）或以很小角度斜切阜平片麻岩的片麻理（广安桥东、栗树园和西槽口）。采自阜平大柳树和广安桥东一带7个样品的亏损地幔模式年龄为2.52～2.76 Ga（表1，平均值为2.66 Ga）, 等时线年龄t=(2.123±0.055) Ga（图2(d)）, ε_Nd（t）=-3.7，M.S.W.D=1.22。其平均模式年龄与图2(a) （透辉石斜长角闪岩和麻粒岩）等时线年龄接近。该2.123 Ga等时线年龄可能有以下两种情况：（1） 源区岩石可能主体形成于2.70 Ga左右，在后期变质岩浆事件中重新深熔活化，但是源区岩石并未达到Sm-Nd同位素的均一化，那么等时线年龄仍然代表岩浆结晶年龄，本文倾向于该解释；（2） 晚期岩浆作用受到了老地壳成分的混染，则等时线无地质意义。
　　南营片麻岩中另一套主要岩石类型是夕线石石英球二长花岗岩，地质分布颇为广泛。该类岩石在前人的研究中称为浅粒岩^［12］。主要岩石为粉红色二长花岗岩、钾长花岗岩，暗色矿物含量极低，主要是黑云母和少量的白云母，含有磁铁矿，局部含有较多的夕线石石英球。本文进行Rb-Sr同位素测定的样品均采自孟家庄南的粉红色二长花岗岩和钾长花岗岩（前人称为浅粒岩），局部发育夕线石石英球。该类岩石与其他各类表壳岩、片麻岩之间均为低角度侵入接触关系，而不是地层意义上的不整合。这类岩石的突出特征是暗色矿物含量很低，片麻理不太明显，但是可见到夕线石-石英球有定向排列。6个样品的的Rb/Sr同位素分析数据列入表2，由此得到(1.933±0.08) Ga的等时线年龄（图3）。根据该类岩石中花岗岩的结构特征依然存在，片麻理不发育等特征，说明这些岩石受后期热扰动和变质变形不明显，Rb-Sr等时线的一致性较高，M.S.W.D =1.27，应该代表其成岩年龄。I_Sr=0.712, 表明了它们的壳源成因, 形成于变质变形晚期或期后。这一结果比南营片麻岩中的淡色花岗质片麻岩的Sm-Nd等时线年龄略低，可能是南营片麻岩中的淡色花岗质片麻岩形成早于粉红色二长花岗岩。在太行山地区，吕梁期的同位素年龄值很多^{［4，5，11，13］}，反映出太行山地区在吕梁运动期间是异常活跃的地区，主要表现为构造隆升、深熔活化、壳源花岗岩浆活动和龙泉关韧性剪切带的形成。在构造隆升过程中地壳重熔，形成红色过铝二长花岗岩和钾长花岗岩（成分上相当于S-型花岗岩）和淡色花岗质片麻岩。

图3　二长花岗岩的Rb-Sr等时线

5　花岗伟晶岩的形成时代

　　太行山前寒武纪杂岩中发育一套花岗质伟晶岩，全区范围内均较发育，尤其是在阜平县城到坊里一带较为集中，只要表现为规模不等，从若干厘米至若干米的脉体， 呈灰白色至粉红色。在阜平片麻岩中表现为斜切片麻理的不规则脉体。本文对阜平片麻岩中的花岗伟晶岩脉（I9711 -1B）中的11颗锆石进行了单颗粒锆石蒸发法²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb测定，107个²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb数据得到的年龄值是（1.799±0.007） Ga，与SHRIMP单颗粒锆石的U-Pb年龄是(1.790±0.008) Ga^［6］ 的一致性非常好。这两个年龄值表明在1.8 Ga左右存在重要的地质流体活动事件，可能代表太行山前寒武纪杂岩吕梁期的活化事件的结束。

6　结论

　　综合上述同位素地质年代学特征，得出本区的地质事件如下：
　　（1） 2.7 Ga左右本区发生了玄武质岩浆喷发和石英闪长质、云英闪长质岩浆侵位，形成本区早期的角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩以及其中的基性麻粒岩、单斜辉石斜长角闪岩包体的源岩。
　　（2） 麻粒岩相变质作用的峰期可能在2.55 Ga前后，2.50～2.55　Ga形成本区分布最广的黑云斜长片麻岩，构成了阜平片麻岩的主体。
　　（3） 太古代末到古元古代早期是太行山前寒武纪杂岩伸展隆升时期，沿着伸展变形带形成了变质基性岩脉，代表了太古代构造热事件的结束。
　　（4） 在2.0 Ga前后（吕梁期）该区重新活化，形成了以龙泉关韧性剪切带为代表的大规模韧性剪切带，使本区进一步构造隆升和中下地壳熔融，形成南营片麻岩中的淡色花岗片麻岩和粉红色钾长花岗岩（局部含夕线石石英球），构成了南营片麻岩的主体。
　　（5） 在1.8 Ga左右形成了本区大量的花岗质伟晶岩脉，代表了吕梁期构造热事件的结束.

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　　致谢　本文样品测试过程中得到了乔广生先生大力支持和协作,成文过程中曾与韩宝福教授进行了多次有益的讨论, 完稿后韩宝福教授审阅了全文，并提出了宝贵的修改意见，在此表示感谢.

资金项目：国家自然科学基金资助项目(批准号： 49672153, 49832030)
作者单位：刘树文(北京大学地质学系，北京100871)
　　　　　梁海华(北京大学地质学系，北京100871)
　　　　　赵国春(School of Applied Geology,　Curtin University of Technology, 　　　　　　　　　　　　Perth 6001, Australia)
　　　　　华永刚(北京大学地质学系，北京100871)
　　　　　简安华(北京大学地质学系，北京100871)

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