赞皇地体糜棱岩³⁹Ar-⁴⁰Ar年代学及EBSD组构分析：对华北克拉通古元古代构造热演化过程的启示

³⁹Ar-⁴⁰Ar Geochronology and EBSD Analysis of Mylonite in Zanhuang Massif: Implications for Paleoproterozoic Tectono-Thermal Evolution of North China Craton

摘要

赞皇地体位于华北克拉通中部造山带的东南段，出露有太古代至古元古代复杂的岩石组合和构造变形，是研究华北克拉通中部造山带早前寒武纪构造热演化的重要窗口.对赞皇地体内一条出露完好的韧性剪切带进行了大比例尺岩石-构造填图、岩相学、黑云母³⁹Ar-⁴⁰Ar年代学和石英EBSD组构分析，限定了剪切带的运动学特征和形成时代，进一步探讨华北克拉通古元古代构造热演化过程.韧性剪切带主体岩性为花岗质糜棱岩，主要由石英（30%~40%）、黑云母（5%~15%）和长石（35%~55%）组成.韧性剪切带内岩石变形强烈，发育有正断层、褶皱、旋转碎斑等变形构造，面理产状和旋转碎斑均指示北西-南东向的剪切作用.糜棱岩中黑云母氩氩年龄测试得到了1 781~1 745 Ma的坪年龄，表明剪切带形成于古元古代晚期.糜棱岩中石英的EBSD组构反映石英主要为底面a滑移，指示变形温度低于400 ℃.综合赞皇地区前人研究成果，提出赞皇变质地体在古元古代晚期经历了一次构造热事件的强烈扰动.

Abstract

The Zanhuang massif is located in the southeast part of the Central Orogenic Belt of the North China Craton, with complex rock association and tectonic deformation from Archaean to Paleoproterozoic. It is important to study the Early Precambrian tectono-thermal evolution of the Central Orogenic Belt of the North China Craton. In this study, a large-scale rock structure mapping, petrography, biotite ³⁹Ar-⁴⁰Ar geochronology and quartz EBSD fabric analysis of a well-out cropping ductile shear zone in the Zanhuang massif were carried out to define the kinematic characteristics and formation age of the shear zone, and to further explore the Paleoproterozoic tectono-thermal evolution of the North China Craton. The main lithology of the ductile shear zone is granitic mylonite, mainly composed of quartz (30%-40%), biotite (5%-15%) and feldspar (35%-55%). In the study area, the rocks are strongly deformed and metamorphosed, and a series of normal faults, folds, lineaments, foliations, and rotated porphyroblasts are developed. The surface occurrence and the trail of rotating patches all indicate the NW-SE shear. A plateau age of 1 781-1 745 Ma for biotite in mylonite was obtained by argon age test, indicating that the shear zone was formed in the Late Paleoproterozoic. EBSD fabric of quartz in mylonite shows that the quartz is mainly underside a-slip, indicating that the deformation temperature is lower than 400 ℃. Based on the previous research results, this study shows that the Zanhuang metamorphic complex experienced a strong disturbance caused by a tectono-thermal event in the Late Paleoproterozoic.

Graphical abstract

关键词

古元古代 / 糜棱岩 / ³⁹Ar-⁴⁰Ar定年 / 构造热演化 / 赞皇地体 / 华北克拉通 / 构造地质学.

Key words

Paleoproterozoic / mylonite / ³⁹Ar-⁴⁰Ar dating / tectono-thermal evolution / Zanhuang massif / North China Craton / structural geology

0 引言

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，北邻中亚造山带，南邻秦岭-大别造山带，西邻祁连造山带，东邻苏鲁造山带，出露有面积最大、保存最完整的前寒武纪基底岩石，记录了自太古宙以来较为详细的早期地壳演化和重大地质事件的关键信息（伍家善，1998； 李江海等，2001；翟明国，2010； Wang et al.， 2013，2015， 2017；万渝生等，2015； Jiang et al.， 2020；万渝生等，2024；Xu et al.， 2024）.前人从岩石地球化学、地质年代学等角度开展了研究，在赞皇地体的形成、演化等方面取得丰富成果（马杏垣等，1979； 雷世和等，1994；唐先梅等，1997； 伍家善，1998； 李江海等，2001； Trap et al.， 2009； Wang et al.， 2013，2015， 2017）.近年来，随着对板块构造理论研究的深入，多数学者认可华北克拉通由东部陆块和西部陆块拼接而成，中间被中部造山带分隔的三分模式（Zhao et al.， 1999； Kusky and Li， 2003； Kusky et al.， 2007； Kusky， 2011）（图1a）.

自太古宙以来，华北克拉通至少发生了3次大规模的板块聚合和裂解事件，包括古元古代初期（2.50 ~2.40 Ga）中部北-北东向的裂谷系的张开、古元古代末期（2.00 ~ 1.85 Ga）构造聚合以及中元古代初期（1.85 ~ 1.70 Ga）的伸展活动和大陆裂解（Li et al.， 2001），在中部造山带太行山地区形成了阜平、赞皇、五台等多个变质地体（图1b），同时发育多条构造复杂、岩性混杂的韧性剪切带，被前人定义为太行山变质穹隆.太行山变质穹隆的成因一直广受争议：雷世和等（1994）认为太行山穹隆是新生代太平洋板块向大陆板块俯冲的构造背景下形成的变质核杂岩；唐先梅等（1997）对赞皇剪切带研究认为太行山穹隆是晚太古代时期形成的伸展变形带；王岳军等（2003）认为太行山穹隆是古元古代晚期形成的片麻岩变质穹隆.前人对于太行山穹隆的主要争议在于形成时代和形成机制，但缺少足够的野外证据.因此，需要开展更详细的变形年代学和运动学研究.

赞皇地体位于太行山南段，远离阴山-燕山造山带和秦岭造山带，受到中生代构造热事件叠加的影响相对较小.本研究以华北克拉通中部造山带内赞皇地体中保留完好的韧性剪切带为研究对象，在野外大比例尺岩石-构造填图的基础上，对剪切带中的糜棱岩开展岩相学、年代学和EBSD组构学研究，确定剪切带的运动学特征、变形温压和时代，厘定赞皇地体变形机制和早前寒武纪构造演化过程，进而探讨华北克拉通中部造山带古元古代大地构造演化.

1 区域地质背景

赞皇地体位于华北克拉通中部造山带与东部陆块之间，平面上呈近南北向的纺锤体状（图1b）.Trap et al.（2009）按照岩性组合特征和空间位置将赞皇地体分为西部、东部和中部赞皇地体三部分（图1c）.西部赞皇地体主体为英云闪长质TTG片麻岩，同时含有少量暗色闪长质片麻岩和浅色奥长花岗岩脉，区域岩石遭受部分熔融作用，出露少量深融花岗岩、石英岩和斜长角闪岩（Trap et al.， 2009）.东部赞皇地体主体为暗红色TTG片麻岩，经历了角闪岩相变质作用，局部出露大理岩和斜长角闪岩（河北省地质矿产局，1989；王岳军等， 2003；Trap et al.， 2009）.中部赞皇地体主要由一套混杂岩和大理岩-硅质碎屑岩序列组成，混杂岩与大理岩-硅质碎屑岩序列呈断层接触.大理岩-硅质碎屑岩单元主要由云母片岩、石英岩和大理岩组成.混杂岩主要由变泥质岩、大理岩、石英岩、外来基性和超基性岩、变玄武岩和TTG片麻岩等一系列岩石单元混杂堆积而成，具有“基质包团块”的特征（Wang et al.， 2013，2015， 2017； Jiang et al.， 2020； Xiao et al.， 2021； Zhong et al.， 2022）.大量岩相学、地球化学、年代学数据表明，赞皇地体经历了晚太古代（~2.5 Ga）和古元古代（~2.1 Ga）花岗质岩浆侵入事件（杨崇辉等，2011a， 2011b；Wang et al.， 2022），~2.5 Ga岩浆事件的结束标志着整个华北克拉通已完成克拉通化和华北稳定陆块的形成（翟明国，2010）.

中部赞皇变泥质岩顺时针近等温降压型的P-T-t变质轨迹和变质锆石1 868~1 842 Ma的U-Pb年龄表明，赞皇变质杂岩在~1 850 Ma经历了一期高角闪岩相的变质事件，前人认为这是华北克拉通东、西部陆块大规模碰撞造山的结果（肖玲玲等，2019），但缺少直接的野外证据和详细的运动学和年代学研究.王岳军等（2003）对赞皇地体内的韧性变形岩石进行了云母³⁹Ar-⁴⁰Ar年代学研究，得到了1 632~1 688 Ma、1 792~1 826 Ma两组年龄，认为其可以代表剪切带内变质杂岩的变质年龄，但缺乏对野外变形运动学特征、变形温度和压力、年代学的系统研究.本研究对赞皇变质地体内大理岩-硅质碎屑岩单元和东部赞皇地体之间的韧性变形带剖面进行了大比例尺岩石-构造填图、运动学、变形温度和压力、年代学的系统分析，为赞皇变质地体早前寒武纪大地构造热演化提供直接的野外证据和更为详尽的变形、年代学数据.

2 大比例尺岩石-构造填图和野外特征

本研究对赞皇地体中部的韧性剪切带剖面进行了大比例尺岩石-构造填图.将长约90 m、高约15 m的露头划分为1 m×1 m的格子，将格子中的岩石单元，构造特征按照1∶500的比例尺绘制到方格纸上，最后用CorelDRAW软件绘制完整的剖面图，绘制结果见图2.

剪切带主体岩性为花岗质糜棱岩，发育有一系列断层、褶皱、S-C面理、旋转碎斑等变形构造（图2a）.断层面倾向300°~355°，倾角50°~70°，整体为西倾或北西倾，根据标志层错段和碎斑拖尾等构造标志可判断为正断层（图2h，3a），断层内可见大量碎裂岩块和断层泥（图3a）.断层两侧发育多种褶皱，枢纽均倾伏（图2b，2c，2d，2g，2h，2i）.岩石线理、面理普遍发育（图2f，图3c~3f），共采集27组面理法线产状，并对其进行极射赤平投影，统计结果表明总体倾向为北西向，倾角40°~50°（图2j）.糜棱岩中的矿物普遍被定向拉长，矿物颗粒细碎，塑性形变的特征明显（图3c，3e，3f）.旋转碎斑以“σ”型为主，拖尾清晰，根部较平直，可指示北西-南东向剪切（图2e，图3c~3f）.

3 样品采集和岩相学特征

样品采集于赞皇地体剪切带剖面内，共7个测年样品和4个EBSD组构分析样品，具体位置见图1，2.样品岩性为花岗质糜棱岩，矿物以它形石英（30%~40%）、片状、鳞片状黑云母（5%~15%）、它形长石（35%~55%）为主.石英、黑云母矿物定向拉长现象明显（图4a，4b，4d）.斜长石发育聚片双晶，钾长石有明显的格子双晶（图4a），基质矿物颗粒细碎，粒度均匀，粒径0.5~1.0 mm，部分区域出现长石斑晶，粒径4~5 mm，呈糜棱构造或眼球构造（图4c）.矿物变形强烈，石英，长石具有波状消光现象，石英、黑云母定向明显（图4b，4d）.样品中的矿物颗粒较小，重结晶作用不明显，因此认为研究区的糜棱岩形成于较低温度，同时结合石英的波状消光现象和部分区域长石的脆性破裂，可将其划分为低温韧-脆性糜棱岩.

4 分析方法

4.1　黑云母³⁹Ar-⁴⁰Ar定年

黑云母³⁹Ar-⁴⁰Ar同位素年代学是测定岩石矿物绝对年龄的重要手段之一，能够根据黑云母特定的封闭温度和封闭时间，测定其形成年龄进而确定研究对象遭受变形变质等构造事件的时代.

测试前需要对样品进行预处理，主要步骤如下：（1）选样、碎样：从研究区的样品中选取黑云母含量高的样品进行碎样处理，保证破碎后的样品颗粒大小在250~500 μm左右；（2）清洗、烘干、挑选：将破碎处理后的样品粉末进行清洗并烘干，在双目镜下挑选黑云母.挑选时以纯净、无包裹体的颗粒为佳，以此减少其他杂质成分的干扰，保证挑选后的黑云母纯度在99%以上.（3）中子辐照处理：将挑选后的样品放入铝管中进行辐照处理.本次测试在中国科学院地质与地球物理研究所的岩石圈演化国家重点实验室中进行，样品以40 ℃为梯度分步加热，从700 ℃逐步加热到1 300 ℃，保证样品中的Ar完全释放.对每次加热释放的Ar进行纯化和质谱测定，计算每个阶段的表观年龄，得到年龄谱图（Shi et al.， 2020）.

4.2　EBSD分析

电子背散射衍射（electric Backscattered Diffraction，简称EBSD）定向样品的制备，严格按照步骤磨片抛光，去除样品表面的凹坑、污渍和各种机械损伤，保证实验数据的可靠性.制备和测试过程如下：（1）EBSD定向薄片磨制：沿垂直面理和平行线理的方向（XZ面）切制光学薄片；（2）磨片抛光：依次用直径为3.5 μm、1.5 μm和0.5 μm的Al₂O₃悬浊液进行抛光，最后用超声波清洗薄片；（3）测试与数据采集：选择合适的步长对矿物进行扫描，对得到的电子背散射衍射图案进行分析处理，并绘制极图.本次测试在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室进行，分析仪器为FEI有限公司生产的Quanta 450 FEG场发射扫描电子显微镜和HKL公司生产的Nordlys Ⅱ & Channel 5.0 电子背散射衍射仪，采用的扫描方式为面扫方式，对标定率较高的石英矿物进行了EBSD测试分析，具体测试条件见徐海军等（2007）.

5 结果

5.1　构造解析

赞皇地体经历多期构造事件，导致发育了复杂的构造变形（Wang et al.， 2013，2015， 2017）.区域内发育两条大型的逆冲断层，分隔东部赞皇地体、西部赞皇地体与中部的混杂岩带和大理岩-硅质碎屑岩带（图1c）.研究区位于东部赞皇TTG片麻岩与中部赞皇大理岩之间，根据大比例尺岩石-构造填图（图2a），露头发育断层、褶皱、旋转碎斑等构造；剖面上发育4条大型正断层，倾角均较大（50°~70°），断层面为北西倾，上陡下缓，周围发育有牵引构造、碎裂角砾和断层泥（图2c，2i）；剖面上多数褶皱为斜歪倾伏褶皱，同时发育横弯、倒转褶皱，褶皱轴面北西倾，转折端平缓，翼间角变化较大，从中常褶皱到开阔褶皱不等，枢纽倾伏（图2a）；剖面内部变形强烈，矿物具有明显的北西-南东向定向拉长的特征（图3b，2c，2d），岩石的原生面理被改造，糜棱面理发育.从赤平投影图可以看出，剖面上糜棱面理倾向大部分为北西向（20°~70°），倾斜角度较大（40°~50°）（图2j）.剖面上发育许多“σ”状钾长石旋转碎斑，拖尾延伸方向与周围岩石面理一致，为同期构造，指示北西-南东向剪切.

区域内的构造特征可以反映剪切带形成的构造背景，断层、褶皱轴面、岩石面理、旋转碎斑等变形构造，均反映剪切带形成于一个北西-南东向应力背景之下.

5.2　黑云母³⁹Ar-⁴⁰Ar年代学

采用分步加热的方法对测年样品进行了测试，得到了坪年龄数据，并给出了坪年龄特征图（图5），具体测试结果见附表1. 7组样品中³⁹Ar在15%~85%的释放区域都给出了较为稳定的坪年龄，0~15%的释放区间给出较为年轻的年龄（图5），代表低温扰动事件导致Ar丢失的影响.因此，可以认为15%~85%的释放区间给出的坪年龄为黑云母中Ar同位素体系封闭的年龄.7组样品得到的年龄分别为1 781.4±1.4 Ma、1 750.2±10.0 Ma、1 745.0±6.5 Ma、1 751.4±8.9 Ma、1 748.0±7.9 Ma、1 777.3±8.0 Ma、1 751.8±9.5 Ma，范围为1 781~1 745 Ma，代表原岩经过高温变质作用后，温度降低至黑云母封闭温度（约300 ℃）的冷却年龄，同时也说明样品在后期地质演化过程中未发生使得黑云母Ar同位素体系开放的热事件.

5.3　EBSD组构测定

矿物优选方位与多个因素相关，其中位错滑移是使得矿物优选的重要因素（夏浩然等，2011）.通常用｛滑移面｝<滑移方向>来表示一个滑移系，石英的滑移系有｛0001｝<110>、｛101｝<110>、｛100｝<110>、｛100｝<0001>，分别称为底面<a>滑移、菱面<a>滑移、柱面<a>滑移、柱面<c>滑移（夏浩然等，2011）.滑移系的启动与温度、压强、流体环境等各个因素密切相关，不同温压环境下，石英呈现不同的主控制滑移系和CPO样式，温度发生改变时，极密的范围也会发生变化（Toy et al.， 2008），随着温度升高，差异应力增加，石英主控制滑移系逐渐从底面<a>滑移向菱面<a>滑移、柱面<a>滑移和柱面<c>滑移转变.

从石英的极图分布可以看出，4个样品优选方位明显，且均只有一个优选方向（图6）.按照极图分布特征，大致可分为两类：XT30-1、XT30-3两个样品明显可见在Z方向的主极密，依照温度与CPO图像的关系，该样品中石英优选形成温度为400 ℃以下（Toy et al.， 2008）；XT30-2、XT30-4两个样品极密也集中在Z轴附近，形成温度也在400 ℃以下，但具有不对称的特征，指示右行剪切，这些特征指示岩石的变形温度较低，与镜下特征一致.

6 讨论

6.1　韧性剪切带变形变质特征

华北克拉通中央造山带发育有五台、吕梁、赞皇、阜平等多个地体，普遍受到华北克拉通前寒武纪构造事件的影响，大部分地体经历了绿片岩相-麻粒岩相的变质作用，其中赞皇地块经历了变质程度较低的绿片岩-角闪岩相变质作用（肖玲玲和刘福来，2015）.锆石U-Pb年代学测试表明，赞皇地体黑云斜长角闪片麻岩中的变质锆石记录了1 825~1 811 Ma的变质年龄，代表赞皇地体峰期变质的年龄（肖玲玲和刘福来，2015；肖玲玲等，2019）.研究区剪切带内韧、脆性破裂共存，断层数量众多，断层面上陡下缓，牵引构造清晰.岩石变质变形强烈，岩石内含有大量旋转碎斑，指示北西-南东向剪切.糜棱岩面理发育，矿物以定向拉伸的石英、长石、黑云母为主.此外，石英C轴定向与温度直接相关，剪切带中糜棱岩EBSD组构反映剪切带变形温度低于400 ℃，与岩石矿物特征一致，因此认为研究区韧性剪切带经历了一次变质级别较低的低温韧-脆性变形.剪切带内黑云母给出了1 781~1 745 Ma的Ar同位素年代学年龄，与变质锆石U-Pb年龄接近，表明赞皇地体在古元古代晚期经历了一次北西-南东向伸展、低温韧-脆性变形事件.

6.2　变形年龄与机制

前人对赞皇变质杂岩开展了大量的年代学工作，但赞皇地体的变质变形年龄仍存有争议.雷世和等（1994） 细致解析了岩体中的多期变形构造，识别了变质杂岩核、剥离断层和盖层，并结合中、新生代陆内伸展构造环境，将赞皇变质杂岩定性为中生代变质核杂岩，但目前无直接的年代学证据支持这一观点；王岳军等（2003） 对赞皇地体中3条韧性剪切带中的糜棱岩黑云母进行了研究，得到了1 689 Ma、1 633 Ma、1 645 Ma的³⁹Ar-⁴⁰Ar坪年龄，将其作为剪切带的变形年龄，并指出中元古代以后，华北克拉通内部并未受到后期构造热事件的扰动；Ning et al.（2019）和肖玲玲等（2019）则在赞皇地体变泥质岩中发现了~1.85 Ga的峰期变质记录.本研究通过对剪切带糜棱岩中的黑云母进行氩氩年龄测试，得到了1 781~1 745 Ma的冷却年龄，代表~1.85 Ga变质事件的退变质阶段.

华北克拉通~1.8 Ga发生了一次重要的构造-热事件，前人对此进行了大量研究并提出了不同见解.Zhao et al.（2001）认为在~1.85 Ga时，华北克拉通西部陆块沿华北中部造山带向东俯冲，与东部陆块发生陆-陆碰撞，形成华北克拉通基底；Trap et al.（2009）认为在~2.1 Ga时期，增生的吕梁-恒山-五台-阜平岛弧先与西部陆块碰撞，其后在~1.85 Ga时，华北克拉通东西陆块发生碰撞；Kusky and Li（2003）分析华北克拉通边缘的坳拉槽、大陆裂谷和基性岩墙群，认为在~1.8 Ga以后华北克拉通以伸展构造为主.越来越多的年代学证据证明，华北克拉通在1 900~1 800 Ma期间遭受了明显的变质变形作用改造（Liu et al.， 2002；Zhao， 2002，2005），华北克拉通边缘各处也陆续发现大量的坳拉槽，如燕辽坳拉谷、熊耳-中条坳拉谷、贺兰山坳拉谷等，其中燕辽坳拉谷和熊耳-中条坳拉谷更是贯穿整个华北克拉通，广泛反映华北克拉通的大陆伸展裂解作用，坳拉槽北西-南东向扩张，内部火山岩锆石U-Pb年龄在1 700~1 800 Ma，代表了坳拉谷形成初期的年龄（Kusky et al.， 2003； 侯贵廷等，2005）.而研究区正断层、面理和旋转碎斑等变形构造一定程度上指示了北西-南东向的应力环境，与华北克拉通古元古代伸展构造体系相吻合，结合剪切带1 781~1 745 Ma的变质年龄，可认为华北克拉通中部造山带在古元古代晚期处于北西-南东向伸展的环境，而这一构造体制可能与华北克拉通古元古代大陆裂解事件密切相关.

7 结论

（1）黑云母氩氩年代学结果表明华北克拉通中部造山带赞皇地体内发育的韧性剪切带形成于1 781~1 745 Ma.

（2）华北克拉通赞皇地体在古元古代晚期发生了一期北西-南东向的伸展事件，EBSD组构结果显示变形变质温度低于400 ℃，可能与古元古代晚期大陆裂解事件有关.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42072222)