华北克拉通中部中元古代岩墙群的古地磁学研究及其地质意义

侯贵廷 李江海 钱祥麟 张宝兴 H. C . Halls

摘要 华北克拉通中部(主要在晋北、五台和吕梁地区)广泛发育着中元古代的基性岩墙群, 这些基性岩墙群未变形、未变质、具有较强的磁性, 分布广泛, 成为利用古地磁对比前寒武纪高级变质岩区的理想标志. 从这一地区基性岩墙群的古地磁结果分析, 华北板块向南掀斜18°左右, 晋北地区相对五台地区翘起并左旋10°左右, 而吕梁地区的岩墙群比晋北五台地区的岩墙群形成晚. 并且在吕梁地区NNW向和WNW向岩墙形成过程中, 华北板块持续向北漂移, 因此造成吕梁地区NNW向和WNW向岩墙群与晋北-五台地区的岩墙群具有较大的古地磁差异.
关键词 中元古代基性岩墙群 古地磁 磁倾角 磁偏角 视极移曲线

　　利用古地磁学研究成果恢复古板块位置是大地构造地质学的一个重要内容^[1]. 华北克拉通的大部分古地磁研究工作集中在元古代以来沉积盖层的古地磁研究^[2], 而对华北克拉通前寒武纪结晶基底的古地磁研究很少. 由于高级变质作用很难利用古地磁进行前寒武纪古板块位置的恢复, 但我们可以利用侵位于高级变质岩区的基性岩墙群. 这些基性岩墙群未变形、未变质、具有较强的磁性, 分布广泛, 成为前寒武纪高级变质岩区古地磁工作的理想对象^[3～5]. 利用岩墙群的古地磁和视极移曲线的研究可以探讨岩墙群所在陆块的构造-热事件和不同陆块的拼贴与超大陆的再造, 因此, 华北克拉通的中元古代基性岩墙群成为华北克拉通中元古代古大陆再造和恢复的良好标志^{[6, 7]}.

1 地质概况

　　华北克拉通中部(主要在晋北和吕梁地区)广泛发育中元古代的基性岩墙群(图1). 围岩主要是太古代的各类片麻岩和麻粒岩, 早元古代的石英岩或千枚岩和中元古代长城系岩石等. 大同丰镇西北为一套太古代变质的富铝沉积岩系孔磁岩, 大同 -天镇以北为太古代麻粒岩相区, 而吕梁-五台地区为高级角闪岩相区^[8]. 侵位于华北克拉通中部高级变质岩区的基性岩墙群绝大多数是辉绿岩墙, 主要发育两组: NNW向和WNW向, 一般后组切割前组^[9,10].
　　这些基性岩墙群主要形成于中元古代(1 600 ～ 1 000 Ma), 主要有两个侵位高峰期: 1 600 ～1 400 Ma和1 200 ～ 1 000 Ma. 晋北和五台地区的岩墙群形成于第一个侵位高峰期. 吕梁地区的岩墙群主要形成于第二个侵位高峰期, 并且WNW向晚于NNW向岩墙群^{[4, 11]}. 这些基性岩墙群的侵位时期正与东侧燕辽-中条拗拉槽内的火山-沉积岩系年代一致, 而且从岩石化学分析这些基性岩墙群是板内大陆裂谷拉张环境下的拉斑玄武岩系列岩石, 因此这些基性岩墙群可能与东侧的燕辽-中条拗拉槽系的活动有一定的成因联系^{[4, 9]}. 五台地区的岩墙群比晋北地区的更接近燕辽-中条拗拉槽系, 根据岩浆侵位的方式分析, 岩浆是由燕辽-中条拗拉槽系从五台地区向晋北地区侵位的, 因此, 五台地区的岩墙群可能比晋北地区的形成要早些^{[9, 12, 13]}.
　　华北克拉通中部山西及邻区的元古代和古生代地层均比较平缓, 侵位于太古界的中元古代基性岩墙群绝大多数产状近于直立, 走向稳定, 未发生任何褶曲变形, 并未发生变质, 是基性岩浆沿刚性地块崩裂的先存裂隙侵位而成. 这表明自中元古代基性岩墙群侵位以来, 本区就已具有刚性特征, 相对比较稳定^{[4, 9]}.

图 1 华北克拉通中部的岩石-构造略图[8]
A 示晋北五台采样区; B 示吕梁采样区. 1. 高压麻粒岩相; 2. 高级角闪岩相; 3. 孔兹岩系; 4. 北缘表壳岩; 5. 基性岩
墙群; 6. 拗拉槽; 7. 克拉通北界; 8. 麻粒岩相与高级角闪岩相界线; 9. 孔兹岩系底界; 10. 本图在华北克拉通的位置;
11. 高压麻粒岩相区; 12. 高级角闪岩相区

2 古地磁测试结果分析

　　铁磁性物质在古地磁场中由高温状态冷却刚刚降至居里点温度(T_c)以下时, 它就会以很大的比率被磁化, 而这种磁化只有再受热到高于T_c时才能被消除. 这样磁性物质在从高温冷却至T_c以下时的古地磁场被记录了下来. 虽然以后的地磁场对其有一些影响, 但绝大多数热剩磁是降至T_c以下时的古地磁. 我们通过热退磁方法可以逐步加热逐步消除热剩磁, 从而得到原生剩磁^[14].
　　利用测量基性岩墙群的古地磁, 得到古地磁场的磁偏角和磁倾角, 可以分析岩墙群侵位时的太古代地块的视极古纬度和古经度, 从而研究缺少构造形迹的早前寒武纪地块的构造运动和古板块位置.
　　华北克拉通中部的基性岩墙群未变形未变质, 多为辉绿岩, 暗色矿物很多, 具有较强的磁性, 因而基性岩墙群是古地磁研究的较理想对象. 华北克拉通中部的基性岩墙群主要分布在晋北、吕梁和五台地区. 在晋北、恒山-五台地区绝大多数岩墙为NNW向岩墙, 在吕梁地区发育两组岩墙群NNW和WNW. 野外采集定向标本全部利用太阳罗盘和磁罗盘进行两次定向测量. 在晋北地区主要在大同市北部孤山4条辉绿岩墙上采集了30个定向岩芯; 在五台地区3条NNW向辉绿岩墙上采集了29块定向岩芯(图2). 在吕梁地区两条NNW向岩墙上采集了3块定向手标本和4个定向岩芯, 而在6条WNW向辉绿岩墙上采集了8个定向岩芯和8块定向手标本(图3). 在北京大学古地磁实验室对所采集的定向标本在TSD-1型热退磁仪上进行热退磁. 在Minispin旋转磁力仪上测量剩磁. 磁力仪和退磁仪都置于Helmholtz线圈内, 使这些仪器工作时处于残余磁场少于?^?? A/m的环境, 使所测数据具有良好的可靠性.

图 2 晋北-五台地区采样点分布图
1. 基性岩墙群; 2. 太古界露头区; 3. 采样点

　　表1是每个采样点上采集的所有样品古地磁测量结果的赛舍尔平均值^[14]. D是磁偏角, I是磁倾角, X95[°]是95%信任角, PLT和PLG分别是采样点的视古地磁极位置的古纬度和古经度, K是精密参数, dp和dm分别是极位置95%置信椭圆的长、短轴. 95%信任角介于2.6～11.6之间, 置信椭圆的短轴介于1.3～6.7之间, 长轴介于3.2～13之间. 晋北地区的古地磁结果精度最高, 而五台地区平均值的95%信任角为11.6, 主要是五台地区的样品比晋北地区的样品分散, 相对误差较大, 但从95%置信椭圆的长、短轴来看, 短轴为1.7, 长轴为3.2, 并具有很高的精密参数, 因此数据是比较可靠的.

　　根据以上各区辉绿岩墙古地磁测试结果进行等密统计得到各采样区的平均古地磁磁偏角和磁倾角及视古地磁极的古经纬度(表1).
　　晋北地区采样点的地理坐标为北纬40°东经113°3 0 ′五台地区采样点在北纬39°东经114°, 吕梁地区采样点在北纬38°东经112°. 对比古地磁结果与采样点的地理坐标可以发现视古地磁极的古纬度约30°～ 60°明显小于90°, 可见, 这些地区在岩墙群形成时均位于现地理位置以南. 岩墙群形成以后由于华北板块向北漂移才到达现在的位置. 对比晋北和五台地区岩墙群与吕梁地区岩墙群古地磁结果, 吕梁地区的古地磁磁倾角明显比晋北五台地区大很多, 而视古地磁极的古纬度也大很多. 在吕梁地区, WNW向岩墙群的古磁倾角和古纬度比NNW向的要大. 另外, 对比晋北地区和五台地区岩墙群古地磁结果, 两地区的古磁倾角相差18°左右, 古磁偏角相差12°(表1). 将各区辉绿岩墙古地磁的平均磁偏角和磁倾角及古经纬度投影可以分析各区块的相互关系和构造运动(图4和图5).

图 3 吕梁地区采样点分布图
1. 基性岩墙群; 2. 中酸性岩墙群; 3. 太古界露头区; 4. 采样点

图 4 各采样区的古地磁平均磁倾角和磁偏角投影
负磁倾角; 正磁倾角. JB 晋北岩墙群; WT 五台岩墙群;
LL-NNW 吕梁NNW 向岩墙群; LL-WNW 吕梁WNW 向岩墙群

3 地质证据

　　研究华北克拉通中部岩墙群古地磁的地质意义, 首先要考虑到华北克拉通前寒武纪基底和岩墙群本身的基本地质事实. 华北克拉通北部出露一条近东西向的麻粒岩相带, 这是太古代下地壳的抬升出露. 从大青山向南经晋北至五台地区, 太古代变质岩相从高压麻粒岩相转为高级角闪岩相和角闪岩相, 反映华北克拉通存在一个向南的掀斜, 即华北克拉通北部(大青山、晋北地区)翘起出露下地壳下部的麻粒岩-紫苏花岗岩杂岩系, 恒山五台地区出露下地壳上部的灰色片麻岩杂岩系(图1)^[8].
　　华北克拉通中部发育的中元古代基性岩墙群的时空分布有一定的规律, 即晋北五台地区岩墙群的年龄约在14～16亿年, 而吕梁地区岩墙群的年龄较小约在10～12亿年. 这是由于吕梁地区基性岩墙群是在燕辽和中条两个拗拉槽交汇时才形成的, 比晋北和五台地区的岩墙群形成要晚^{[9, 12, 13]}.
　　华北克拉通中部从中晚元古代至晚古生代一直比较稳定, 地层平缓,大部分倾角仅4°左右^[15]. 直到中、新生代才发生局部构造伸展, 如在新第三纪才发育了汾河地堑系, 由一些狭窄的雁列的北东向小盆地组成. 在晋北和五台地区近9×10⁴ km²的范围内发育3个雁列的宽20～50 km, 长100～200 km的北东向狭窄地堑, 沉积厚度大部分在500 m以内. 山西的各前寒武纪地块就是由这类伸展量较小的狭窄地堑分割^{[15, 16]}.

图 5 华北克拉通中部中元古代古地磁视极移曲线
JB 晋北岩墙群; WT 五台岩墙群. LL-NNW 吕梁
N-NW 向岩墙群; LL-WNW 吕梁WNW 向岩墙群

　　从岩墙群分布规律分析, 这些地堑两侧的太古界地块上发育的岩墙群的分布密度和走向都可以进行追踪对比(图2). 这有力地说明晋北和五台地区的岩墙群形成于一个统一的区域应力场中, 属于同一个构造节理系统^[9]. 对比晋北地区岩墙群古地磁磁倾角I＝0.3°和五台地区的I＝?18.1°, 可见两个地区在磁倾角相差很大约18.4°. 对于形成于同一构造单元、同一时代和统一构造应力场中的岩墙群应具有相近的磁倾角, 如此大的差异, 可能是华北克拉通向南掀斜的结果(图4). 因此, 根据两个地区的岩墙磁倾角相差18.4°分析, 晋北地区可能相对五台地区向上翘起18°左右. 大同地区辉绿岩墙的长石为云雾状长石(cloudy felspar), 表明研究区北部岩墙群侵位较深, 而五台地区辉绿岩墙的长石晶面干净, 表明研究区南部的岩墙群侵位较浅^{[17, 18]}, 这从岩石矿物学方面验证了研究区北部相对南部向上掀斜翘起, 因而造成北部太古代下地壳深部物质抬升出露. 根据华北克拉通中部岩墙群分布规律研究, 晋北地区岩墙群走向的优势方位是325°, 而五台地区岩墙群走向优势方位是335°, 相差10°左右^[9](图2), 可能表明晋北地区相对五台地区发生了10°左右的左旋转动, 因而产生了10°左右的磁偏角差异.
　　根据华北克拉通晚前寒武纪区域地质研究, 燕辽拗拉槽从北东向南西方向扩展^[9]. 首先, 在拗拉槽西北方向形成晋北和五台地区的岩墙群, 当燕辽拗拉槽与中条拗拉槽在晋中左权一带, 交汇时在其西部吕梁地区才形成了吕梁岩墙群. 因此, 吕梁地区的古地磁数据与晋北和五台地区有明显差异. 分析研究区内岩墙群的视极移曲线, 对比吕梁地区和晋北五台地区的古磁倾角及视古地磁极古纬度, 两者相差很大, 这可能说明吕梁地区的岩墙群形成时华北板块一直向北漂移, 因此WNW向岩墙的古磁倾角和古纬度比NNW向的要大, WNW向岩墙晚于NNW向岩墙(图5), 这与本区的古地磁学研究和区域地质背景基本一致^{[4, 9, 11, 19]}. 从吕梁地区岩墙群的古磁偏角基本相同来看, 吕梁地区在形成NNW向和WNW向岩墙群时基本未发生旋转.
　　以上分析结果表明, 侵位于前寒武纪克拉通内的基性岩墙群的古地磁学研究是半定量分析缺乏构造形迹的古老克拉通构造运动的重要方法. 岩墙群古地磁学研究有助于恢复古大陆的位置和构造演化历史.

4 讨论和结论

　　华北克拉通中部发育的中元古代基性岩墙群未变形未变质, 是比较理想的古地磁学研究对象, 也是一种显著的古构造标志. 根据晋北、五台和吕梁3个地区基性岩墙群的分布和年代学统计, 同一地区同一走向的辉绿岩墙基本上属于同一期的构造-热事件的产物. 另外, 均在规模较大的岩墙上采样, 以上的古地磁结果分析有一定的代表意义. 从晋北、五台和吕梁3个地区基性岩墙群的古地磁结果和视极移曲线分析, 早期晋北五台地区岩墙群形成以后, 在后期的吕梁地区NNW向和WNW向岩墙形成过程中, 华北板块持续向北漂移, 因此造成吕梁地区NNW向和WNW向岩墙群以及与晋北五台地区岩墙群具有较大的古地磁差异, 吕梁地区的岩墙群比晋北五台地区的岩墙群形成晚, 另外持续的漂移过程也造成了WNW向岩墙的古磁倾角和古纬度比NNW向的要大, 表明WNW向岩墙晚于NNW向岩墙. 从吕梁地区两组岩墙群的古磁偏角基本相同来看, 吕梁地区在形成NNW向和WNW向岩墙群时基本未发生旋转. 另外, 从晋北地区和五台地区岩墙群的古地磁对比分析, 晋北地区相对五台地区翘起18°左右, 推测华北板块向南有一定程度的掀斜作用; 结合岩墙群走向的优势方位统计分析, 晋北地区相对五台地区左旋10°左右.
　　这里值得探讨的是华北板块向南掀斜了18°左右. 华北克拉通中部在中晚元古代至晚古生代一直比较稳定, 以大规模平缓的升降运动为主, 只是在中、新生代发生有限的局部断陷活动^[15]. 分隔晋北和五台两个太古界地块的大同盆地表现为“两堑一垒”的对称断陷, 南北两侧的控盆断裂都为北东走向的高角度正断层, 因而本区整体表现为对称的垂直升降和水平伸展运动, 表明新生代晋北地区与五台地区相互无明显的区域规模的掀斜运动^[16]. 结合上述区域地质分析, 根据本区的前寒武纪区域地质和岩墙群的古地磁研究, 在晚前寒武纪华北板块可能已经向南存在一定程度的掀斜.
　　古老克拉通内基性岩墙群古地磁学研究对于全球各古大陆的地质对比和古大陆相对位置的恢复具有重要意义, 结合大陆视极移曲线的对比, 对于前寒武纪大陆地质演化历史研究也具有重大的理论意义. 因此, 开展全球古老克拉通岩墙群的古地磁学合作对比研究是前寒武纪地质学领域的一个重要研究方向.

国家自然科学基金资助项目(批准号:49832030)
侯贵廷(北京大学地质学系, 北京 100871)
李江海(北京大学地质学系, 北京 100871)
钱祥麟(北京大学地质学系, 北京 100871)
张宝兴(多伦多大学地球科学系, Canada)
H.C.Halls(多伦多大学地球科学系, Canada)

参 考 文 献

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