冀北红旗营杂岩多期变质作用:古元古代俯冲/碰撞—晚古生代伸展—早中生代挤压的记录

Multi-phase metamorphism in the Hongqiying Complex, northern Hebei: Records of Paleoproterozoic subduction/collision, late Paleozoic extension and early Mesozoic compression events

摘要

冀北红旗营杂岩记录了从古元古代到早中生代多期构造-热事件,并可能存在支持古元古代洋壳俯冲的关键证据,但是对其形成时代、变质演化历史和大地构造属性等众说纷纭。本文以总结红旗营杂岩变质作用和年代学研究为基础,探讨其复杂的多期构造演化过程。红旗营杂岩包括表壳岩、赤城混杂岩和正片麻岩三个岩石-构造单元。正片麻岩以古元古代(1.87~1.82 Ga)花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩为主, 出现少量新太古代(2.55~2.53 Ga)英云闪长质-花岗闪长质片麻岩。赤城混杂岩为典型蛇绿混杂岩,由退变榴辉岩(斜长角闪岩)和橄榄岩块体以及变质沉积岩组成,形成时代可能>1.88 Ga。表壳岩主要包括不同变质程度的碳质碎屑岩-碳酸盐岩和少量火山岩,可能形成于2.1~2.0 Ga。综合分析赤城混杂岩中的退变榴辉岩、斜长角闪岩和凤山地区含十字石石榴云母片岩的变质作用演化,可划分出5期变质作用。第一期变质作用(M1)存在于凤山地区的云母片岩中,为中压型,顺时针型p-T轨迹,峰期变质条件为1.0~1.1 GPa/> 780 ℃,变质时间为约1.95 Ga。第二期变质作用(M2)见于退变榴辉岩中,顺时针型p-T轨迹,包括升温升压至峰期和峰后等温降压演化阶段,峰期p-T条件为>2.2 GPa/约750 ℃,地热梯度约为9 ℃/km。尽管退变榴辉岩中多数锆石限定晚古生代变质年龄,但榴辉岩相变质作用时间应>1.88 Ga。第三期变质作用(M3)出现于凤山地区的云母片岩中,以含十字石组合叠加在M1高级变质组合为特征,顺时针型p-T轨迹,峰期变质条件为0.6~0.7 GPa/610~630 ℃,变质年龄约为1.88 Ga。第四期变质作用(M4)出现于赤城混杂岩的斜长角闪岩中,由早期榴辉岩组合叠加变质形成,显示“大于号”形p-T轨迹,包括峰前减压升温和峰期后减压冷却变质过程,峰期p-T条件为0.5~0.7 GPa/780~830 ℃,地热梯度约为35 ℃/km(低压型),变质时间为晚古生代(354~289 Ma),并伴随广泛深熔作用。第五期变质作用(M5)以局部叠加绿片岩相组合为特征,为顺时针型p-T轨迹,推测变质作用时间为255~234 Ma。M1中压型变质作用与在华北克拉通西部2.0~1.95 Ga发生的碰撞造山事件有关;M2高压型变质作用与沿华北克拉通北缘1.95~1.88 Ga期间发生的洋壳俯冲有关,是支持现在样式板块构造启动的有力证据之一;M3中压型变质作用指示在华北克拉通北缘于1.88~1.83 Ga期间发生的另一次碰撞造山事件;M4低压型变质作用为晚古生代华北克拉通北缘区域伸展所致;M5低温型变质作用与沿索伦缝合带发生的碰撞闭合事件有关。可见,红旗营杂岩5期变质作用记录了古元古代碰撞-俯冲-碰撞、晚古生代伸展和早中生代挤压的复杂构造过程。红旗营杂岩在经历古元古代俯冲-碰撞事件之后位于不同地壳深度。西部红旗营表壳岩和赤城混杂岩位于中-下地壳层次,其中锆石记录了1.72~1.66 Ga、约450 Ma、354~289 Ma和255~234 Ma等多期热事件;而东部凤山地区表壳岩则位于中-上地壳,缺少后期热事件的锆石和独居石年龄记录。

关键词

多期变质作用 / 古元古代混杂岩 / 红旗营杂岩 / 华北克拉通

Key words

multi-phase metamorphism / Paleoproterozoic mélange / Hongqiying Complex / North China Craton

0 引言

对华北克拉通古元古代构造格局与演化历史有多种不同认识。第一种观点认为华北克拉通在古元古代经历了3期碰撞造山作用(图1A),在约1.95 Ga鄂尔多斯地块与阴山地块碰撞形成孔兹岩带及西部地块,在约1.90 Ga狼林地块与龙岗地块碰撞形成胶辽吉带和东部地块,在约1.85 Ga东部地块与西部地块碰撞形成中部造山带^[1-2]。按照这种观点,华北克拉通在古元古代经历了3期变质作用,但分布在3个造山带中。第二种观点认为华北克拉通主要由7个太古宙微陆块和绿岩带组成(图1B),并在新太古代末期(约2.5 Ga)通过微陆块和岛弧地体拼贴完成克拉通化,在古元古代相继发生裂谷伸展、俯冲、增生、碰撞等一系列构造事件,形成丰镇、晋豫和胶辽吉3条活动带;并从2.3~2.0 Ga的伸展构造体制转化为2.01~1.97 Ga的挤压体制,随后在1.95~1.82 Ga期间发生高压和高温-超高温麻粒岩相变质作用^[3⇓-5]。这种观点强调3条元古代造山带经历了相同漫长的变质演化过程,即从高压-高温麻粒岩相(1.98~1.90 Ga)抬升形成中压麻粒岩相(1.89~1.82 Ga),再退变形成角闪岩相(约1.80 Ga)^[6]。第三种观点认为华北克拉通东部陆块在2.7~2.6 Ga聚合形成(图1C),随后在其西部发生一系列幕式增生、裂解、俯冲和碰撞事件,并形成扇形向北西依次变年轻的4条构造带,包括2.5 Ga中央造山带、2.4 Ga鄂尔多斯块体(洋底高原)增生、2.3~1.9 Ga安第斯型陆缘和1.9~1.85 Ga内蒙—冀北造山带^[7-8]。

Wei等^[9]基于变质作用研究,提出华北克拉通北缘于古元古代晚期经历了4期变质作用,包括>1.95 Ga以高压麻粒岩为特征的中压型、1.94~1.88 Ga以超高温麻粒岩为特征的低压型、>1.88 Ga以榴辉岩为特征的高压型和1.88~1.82 Ga中压型变质作用,并提出了与以往不同的构造模式(图1D)。即华北克拉通在新太古代末期完成克拉通化之后,在古元古代经历长期(2.46~2.00 Ga)伸展,形成一系列裂谷盆地,于2.00~1.95 Ga华北克拉通西部与未知大陆碰撞形成华北西部造山带(WNCO);随后沿华北克拉通北缘发生俯冲和弧后伸展(1.95~1.88 Ga),并于1.88~1.82 Ga与西伯利亚克拉通碰撞形成华北北部造山带(NNCO),从而形成华北克拉通基底岩系。

自古元古代晚期碰撞造山之后,华北克拉通又经历了长期伸展,如形成燕辽沉降带火山-沉积岩建造和基性岩-斜长石-花岗岩系列等^[11-12]。从早古生代开始,华北克拉通北缘遭受古亚洲洋构造域影响,尤其是在晚古生代到早中生代,在华北克拉通北缘发育不同系列岩浆岩组合^{[13⇓⇓-16]}、变质岩系和韧性剪切带等^[17⇓-19]。因此,华北克拉通北缘基底岩系不仅经历了古元古代多期变质时间改造,而且可能受到了从中元古代到早中生代多期构造-热事件影响。

冀北红旗营杂岩为一套低-高级变质变质岩系,分布于赤城—大庙断裂带以北。不同学者对其形成时代等有很大争议,至今莫衷一是。如胡学文等^[20]依据区域岩性对比和同位素定年结果认为红旗营子群形成于古元古代。但后来在红旗营杂岩中发现了晚古生代退变榴辉岩^[21],并解析出大量晚古生代侵入岩体^[22], 因此,王惠初等^[22]认为红旗营杂岩形成于晚古生代。还有些学者如Wang 等^[23]提出红旗营子表壳岩原岩沉积发生在1.90~1.72 Ga,变质作用发生在晚古生代。Zhang等^[24]认为红旗营子杂岩原岩形成于新太古代,并在古元古代至中生代期间经历了多期变质作用改造。红旗营杂岩是华北克拉通北缘最有代表性的岩石系列,可能经历了从古元古代到早中生代多期构造-热事件改造,是华北克拉通演化历史最复杂的岩石系列。

本文总结近年来对红旗营杂岩变质作用和年代学研究进展,厘定其岩石组成和形成时代,阐明其多期变质作用特征和大地构造属性。

1 区域地质概况

按照Wei等^[9]的认识,华北克拉通北缘包括2个太古宙地块(阴山地块、龙岗地块)和2个古元古代造山带(华北西部和北部造山带)(图1D)。华北西部造山带进一步划分为乌拉山活化带、集宁活动带和怀安活化带,它们均在2.0~1.95 Ga期间经历了以高压麻粒岩为特征的变质作用,但在乌拉山和怀安活化带中包括大量新太古代变质杂岩,而集宁活动带则基本由古元古代岩石建造组成。华北西部造山带形成之后,沿华北克拉通北缘发生洋壳俯冲、弧后伸展,并在1.88~1.82 Ga华北克拉通北缘与西伯利亚克拉通碰撞,形成华北北部造山带。研究区主要岩石系列包括红旗营杂岩、单塔子杂岩、中元古代沉积岩及岩浆岩序列、晚古生代-早中生代侵入体。

红旗营杂岩分布在华北西部和北部造山带叠加部位,赤城—大庙断裂以北地区,可分成3个构造-岩石单元^[25]:(赤城)混杂岩、表壳岩和正片麻岩(图1E^[10],2A^[26])。正片麻岩形成时间主要为新太古代和古元古代。新太古代正片麻岩区域分布不很明确,图2A中依据有限定年数据暂把云州一带片麻岩划为新太古代,而古元古代片麻岩主要分布在丰宁、凤山到隆化一带^{[27⇓⇓-30]}。Liu等^[30]研究认为:区内新太古代正片麻岩主要为石英闪长质-英云闪长质-花岗闪长质片麻岩,形成时代为2.55~2.53 Ga;古元古代正片麻岩主要成分为花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩,形成时代为1.87~1.82 Ga。Liu等^[30]还认为:新太古代片麻岩主要起源于高压下新生铁镁质地壳的部分熔融,代表岛弧环境;而古元古代侵入体是在低压下由新太古代-古元古代变玄武岩和杂砂岩部分熔融形成的,代表古元古代碰撞后岩浆作用。近年来,在红旗营杂岩中解析出一些晚古生代到早中生代(338~239 Ma)侵入体,应该从红旗营杂岩中剥离出去。

赤城混杂岩在1∶250 000丰宁县和延庆县幅地质图中,被划分为新太古代红旗营岩群太平庄岩组,但是赤城混杂岩由变沉积岩基质和其中大小不等(几米至几百米)的超镁铁质和镁铁质岩块体组成(图2B),与其他地区的红旗营岩群明显不同。变沉积岩主要包括变质砂岩、副片麻岩,如(石榴)黑云母斜长石片麻岩等。初航等^[31]在副片麻岩中获得2组变质锆石年龄:1.89~1.83 Ga和334~293 Ma;Zhang等^[25]对变质砂岩定年获得4组锆石年龄:第一组碎屑锆石年龄约为2.46 Ga,第二、三组变质锆石年龄约为1.82 Ga和1.66 Ga,第四组深熔锆石年龄为291~274 Ma。超镁铁质岩体以方辉橄榄岩为主,包含少量纯橄岩和超镁铁质堆晶岩^[32]。橄榄岩Re-Os同位素研究表明,它们具有克拉通岩石圈地幔属性,并在2.7~2.4 Ga期间经历了熔体抽取,在2.05 Ga~981 Ma期间经历了俯冲流体交代^[33],很可能为地幔楔橄榄岩。镁铁质岩块体主要为退变榴辉岩和(含榴)斜长角闪岩。多数退变榴辉岩变质锆石为晚古生代(341~322 Ma)^[21,34];少数退变榴辉岩显示古元古代(约1.85 Ga)和晚古生代(约354 Ma)两组变质年龄^[31];也有少数退变榴辉岩仅显示古元古代(约1.85 Ga)变质年龄^[35]。斜长角闪岩变质年龄为291~282 Ma^[25,36]。赤城混杂岩经历了强烈混合岩化,发育大量深熔浅色体和花岗质脉体。这些脉体的锆石U-Pb年龄为360~289 Ma^[22,31],与退变榴辉岩晚古生代变质锆石年龄一致。赤城混杂岩区域面理走向北西(图2B),但局部发育东西向韧性剪切带并遭受角闪岩相至绿片岩相变质作用^[19]。长英质糜棱岩中白云母⁴⁰Ar-³⁹Ar年龄约为234 Ma^[17],与沿赤城—大庙断裂带分布的剪切带中白云母和黑云母⁴⁰Ar-³⁹Ar年龄(291~235 Ma)一致^[18,37]。

红旗营杂岩中的表壳岩主要分布在西部红旗营村、东部凤山和北部东井子一带(图1E^[10],2A^[26])。红旗营村一带的表壳岩系包括变长英质火山岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、石榴夕线斜长片麻岩、变砂屑岩、石英岩和大理岩等,主要发生高角闪岩相变质作用,并伴随广泛的深熔作用。前人对该区表壳岩进行了大量锆石定年,且定年样品集中在红旗营村附近,但年龄结果非常混乱,有7组年龄,分别是2.61~2.41 Ga、2.45~2.00 Ga、1.90~1.72 Ga、约450 Ma、约390 Ma、约330 Ma和约250~230 Ma^[23,24,31]。因此对于红旗营子表壳岩的沉积和变质年龄的解释也存在许多争议(见引言部分)。

在东部丰宁、凤山和隆化一带,分布有大面积表壳岩系(图2A),主要由黑云变粒岩、石榴云母片岩和大理岩组成,主体为中压低角闪岩相变质,局部出现十字石。在1∶250 000丰宁县幅(K50C003002)和隆化县幅(K50C003003)地质图中,把这套表壳岩系划分为新太古代单塔子岩群凤凰嘴岩组,但是该套岩石组合与单塔子杂岩表壳岩的特征明显不同。Zhang等^[26]测定石榴云母片岩中锆石和独居石年龄,获得碎屑锆石年龄为2.10~1.99 Ga, 三组变质年龄分别约为1.95 Ga、1.92 Ga和1.88 Ga。在凤山一带表壳岩中发育北东-南西向和东-西向两组叶理,分别对应角闪岩相和绿片岩相条件,并且东-西向叶理可能与赤城—大庙断裂带耦合,形成时间为238~234 Ma^[17]。

在北部东井子一带分布的表壳岩系主要以石榴浅粒岩和石榴二长/斜长变粒岩为主,夹少量石英岩和石墨大理岩,其原岩为碎屑岩和碳酸岩。在1∶250 000张北县幅(K50C003001)地质图中,把这套岩系划分为东井子岩组,尚缺少年代学和变质作用研究资料。

单塔子杂岩分布于赤城—大庙断裂以南,主要由TTG片麻岩和少量表壳岩组成,其中TTG片麻岩形成于2.52~2.45 Ga,普遍遭受1.90~1.80 变质作用改造,局部地区出现高压麻粒岩,但没有遭受古生代变质作用影响^[28,38]。中元古代沉积岩系包括长城系和蓟县系,为碎屑岩-碳酸岩组合;中元古代岩浆岩系列包括斜长岩、环斑花岗岩、正长岩等,形成时间为1.75~1.68 Ga,分别代表伸展背景下的裂陷槽沉积和岩浆活动^[11-12]。

晚古生代-早中生代侵入体可分为3期:泥盆纪、石炭纪-早二叠世和晚二叠世-早三叠世岩体。泥盆纪侵入体(约390 Ma)主要为二长岩、正长岩侵入体,可能与古亚洲洋向南俯冲导致的弧后伸展有关^[22,39]。石炭纪-早二叠世侵入体(338~274 Ma)为闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩,或者形成于安第斯型活动大陆边缘^[12⇓-14],或者与弧后伸展有关^[24]。晚二叠世-早三叠世侵入体(254~237 Ma)为二长花岗岩、正长花岗岩和石英二长岩等,可能代表造山后构造背景^[14]。

2 红旗营杂岩变质作用

对红旗营杂岩变质作用研究主要集中在赤城混杂岩和东部凤山地区的表壳岩系。

2.1 赤城混杂岩变质作用

对赤城混杂岩变质作用研究主要针对其中退变榴辉岩和斜长角闪岩块体,对变质沉积岩和超基性岩尚无变质作用研究资料。根据Zhang等的研究结果^[25],退变榴辉岩主要由石榴石、后成合晶及少量金红石/钛铁矿/榍石组成。石榴石发育明显成分环带:镁铝榴石组分含量(X_Prp)从核到幔升高(0.17→0.34),再向边部降低至0.30;钙铝榴石组分含量(X_Grs)从核到幔/边部降低(0.21→0.14)。后成合晶主要包括镁角闪石和斜长石及少量透辉石,通过成分回算确定原来单斜辉石硬玉组分X_Jd=0.21。退变榴辉岩石榴石中包裹的绿辉石X_Jd=0.32^[21]。依据p-T视剖面图计算,并结合石榴石从核到幔部生长环带和角闪石的Ti含量,可恢复进变质到峰期阶段的p-T轨迹,确定峰期p-T条件为>2.2 GPa/约750 ℃,峰期后变质演化以等温降压为主,通过后成合晶组合确定降压演化终止于0.8~1.1 GPa/750 ℃(图3^[40-41]中M2)。

Ni等^[21]利用传统石榴石-单斜辉石温度计和绿辉石中硬玉压力计,确定退变榴辉岩的峰期p-T条件为>1.4~1.5 GPa/680~730 ℃。其中温度估计与相平衡模拟结果相似,但利用相平衡模拟的压力远高于绿辉石中硬玉压力计值。实际上绿辉石中硬玉压力计仅适合于绿辉石与斜长石、石英共生的狭窄组合,所确定的最高压力不超过钠长石和硬玉+石英转变线,对几乎所有榴辉岩组合只能给出其压力下限^[42]。从某种程度上说,Zhang等^[25]利用相平衡模拟和石榴石幔部成分确定的峰期p-T条件也是一个下限,因为石榴石边部可能有更高的X_Prp和更低的X_Grs,应该形成于更高的p-T条件,但没有保存下来。

斜长角闪岩由榴辉岩块体经过叠加变质形成,有些块体仅在边部发生强烈角闪岩相改造,但更多块体整体都变成角闪岩相组合。斜长角闪岩主要由角闪石和斜长石组成,可出现少量黑云母、石榴石、石英、黝帘石和钛铁矿等。根据Zhang等^[25]研究结果,角闪石主要为镁角闪石和韭闪石,发育不同的成分环带:少数粗粒角闪石Ti含量从核到幔部升高再向边部降低(0.09→0.16→0.10);但多数细粒角闪石显示从核到边Ti含量降低。斜长石也发育两类成分环带:一类从核到幔X_An(钙长石组分含量)升高再向边部降低(0.37→0.59→0.49);另一类从核向边部X_An降低(0.57→0.41)。依据p-T视剖面模拟,并结合角闪石Ti含量和斜长石X_An变化,确定斜长角闪岩的p-T轨迹为“大于号”状的顺时针型,包括峰期前降压升温至峰期和峰期后降压降温演化过程(图3中M4a)。峰期p-T条件为0.5~0.7 GPa/780~830 ℃,在峰期前降压升温过程中发生角闪石脱水熔融,形成长英质熔体。

2.2 凤山地区表壳岩变质作用

Zhang等^[26]对凤山一带含十字石石榴云母片岩进行了系统的变质作用研究。该区一个代表性石榴云母片岩(C1749)主要矿物包括石英、白云母、斜长石、黑云母和石榴石,并含有少量钾长石、十字石、红柱石/蓝晶石、绿泥石和钛铁矿等。岩石为斑状变晶结构,变斑晶为石榴石和红柱石,具片理构造,局部出现的长英质(斜长石+钾长石+石英)微粒集合体为原地分凝熔体结晶产物(图4A)。

石榴石变斑晶常被剪切变形,破碎成细小颗粒集合体,出现不对称压力影(图4B),一些石榴石内部还包裹蓝晶石和黑云母等。石榴石发育扩散环带,显示为X_Prp从核向边部降低。粒径越大的石榴石,其核部X_Prp值越高,达到0.24,边部X_Prp值可降至0.08~0.10;粒径越小石榴石核部X_Prp值越低;石榴石核部X_Grs为0.05~0.06,有些颗粒边部X_Grs明显升高。岩石中黑云母、白云母和石英都有两个粒级:较粗粒的云母(Bt₁,Ms₁)和石英(0.2~0.6 mm)定向分布形成岩石主面理S₂;细粒云母(Bt₂,Ms₂)和石英(<0.1 mm)也定向分布,形成穿切主面理的另一组S₃面理(图4C, D)。该石榴云母片岩可划分出4期矿物组合。

第一期包括石榴石变斑晶(尤其是高X_Prp值的核部)、斜长石和长英质微粒集合体等,代表剪切变形过程中的低应变域,指示超固相线变质条件。根据p-T视剖面模拟,利用石榴石核部最高的X_Prp等值线以及基质斜长石中最小的X_An等值线,确定第一期变质条件为0.9~1.0 GPa/>770 ℃,位于含有蓝晶石+钾长石组合的高压麻粒岩区域。长英质微粒集合体也表明岩石经历了峰期后折返至浅部地壳过程并导致原位分凝熔体发生快速结晶。因此,推测变质作用p-T轨迹为顺时针型(图3中M1)。

第二期矿物组合包含十字石、石榴石边部(低X_Prp,高X_Grs)和构成主面理(S₂)的白云母(Ms₁)、黑云母(Bt₁)和石英,指示中压低角闪岩相(十字石带)变质条件。根据p-T视剖面模拟,并利用石榴石边部X_Prp等值线以及黑云母中最高Ti含量,确定其峰期温压条件为0.6~0.7 GPa/~610 ℃。而石榴石从核到边稍有升高的X_Grs可能指示峰期前的升温升压进变过程,峰期后为等温降压演化过程, 变质p-T轨迹为顺时针型(图3中M3)。该期含十字石矿物组合叠加在第一期高压麻粒岩相矿物组合之上,伴随有强烈变形作用和流体注入,形成透入性叶理(S₂)。相平衡模拟表明,在缺流体的条件下,高压麻粒岩相组合能够在低角闪岩相条件下保存,随着水含量增加,高压麻粒岩相组合转变为含十字石的矿物组合,变质反应为Grt+Kfs+Ky+H₂O=Bt+Ms+Qz+St。在这个过程中,如果岩石较富铝,那么钾长石会早于蓝晶石消失,出现十字石、石榴石、蓝晶石、二云母的矿物组合;但如果岩石较贫铝,那么蓝晶石会早于钾长石消失,此时将不会出现十字石,形成石榴石二云片岩。

第三期矿物组合以出现粗大红柱石变斑晶(0.5 mm×2.5 mm)为特征,可能由早期蓝晶石转变形成,指示典型低压变质条件,推测其变质作用p-T轨迹与赤城混杂岩中斜长角闪岩轨迹相似,为“大于号”状的顺时针型(图3中M4b)。

第四期矿物组合指局部构造域出现的细小白云母(Ms₂)、黑云母(Bt₂)、绿泥石和石英,指示绿片岩相(黑云母带)变质条件,并构成面理S₃,切割主面理S₂(图4C, D)。根据p-T视剖面图方法,确定其峰期变质条件约为0.4 GPa/450 ℃,变质p-T轨迹为顺时针型(图3中M5)。

3 红旗营杂岩多期变质变质作用时代与大地构造属性

综合红旗营杂岩中赤城混杂岩和表壳岩的变质演化,可以划分出5期变质作用,分别为中压型(M1)、榴辉岩相高压型(M2)、以十字石组合叠加为特征的中压型(M3)、低压型(M4)和绿片岩相低温型(M5)。

3.1 中压型变质作用(M1)

该期变质作用主要见于风山一带的石榴云母片岩中,以石榴石变斑晶核部成分(高X_Prp值)和局部出现熔体结晶形成的长英质集合体为特征,其峰期变质条件接近高压麻粒岩相,对应地热梯度约为21 ℃/km,为典型中压型,p-T轨迹为顺时针型(图3中M1),指示与地壳加厚为特征的碰撞造山事件。依据Zhang等 ^[26]对其进行锆石和独居石定年结果,确定其变质年龄约为1.95 Ga,该组锆石Ti温度计结果与相平衡模拟的高压麻粒岩相温度也基本一致。考虑到麻粒岩相变质锆石经常记录温度峰期之后的冷却过程^[43],推测该期变质作用的压力峰期年龄应该>1.95 Ga。

3.2 榴辉岩相高压型变质作用(M2)

赤城混杂岩中的退变榴辉岩、橄榄岩块体与变质沉积岩一起,构成典型的蛇绿混杂岩,榴辉岩峰期压力>2.2 GPa,地热梯度约为9 ℃/km,p-T轨迹为顺时针型(图3中M2),指示洋壳俯冲环境,俯冲深度超过70 km。由于赤城混杂岩退变榴辉岩变质锆石定年结果复杂,对榴辉岩相变质时间和大地构造意义有不同认识。例如:Ni等^[21]认为榴辉岩相变质作用发生在石炭纪(约325 Ma),与古亚洲洋向南俯冲有关;Zhang等^[24]认为榴辉岩相变质作用发生在古元古代,与华北中部造山带的俯冲造山事件有关。综合区域地质资料和年代学数据,我们推测赤城混杂岩中的榴辉岩相变质作用发生在古元古代,并在约1.88 Ga之前,其主要依据为:

(1)退变榴辉岩与斜长角闪岩的晚古生代变质锆石年龄(354~291 Ma)与区内广泛分布的深熔花岗质浅色体、脉体和侵入体年龄(360~287 Ma)一致(图5A, D);退变榴辉岩锆石中有斜长石包裹体,说明其并不代表榴辉岩相条件^[25]。尤其是有些退变榴辉岩也出现约1.85 Ga的古元古代变质年龄(图5B)^[35]。

(2)榴辉岩周围的变质沉积岩出现大量古元古代变质年龄(1.89~1.84 Ga)(图5B)。

(3)赤城混杂岩中的超基性岩主要来源于地幔楔,其Re-Os 同位素结果表明,这些超基性岩在2.05~0.98 Ga期间遭受了俯冲板片流体交代^[33],虽然时间误差较大,当可以排除遭受晚古生代变质改造的可能性。

(4)理论上,与俯冲有关的榴辉岩相变质作用应该早于受碰撞控制的M3中压型变质作用(约1.88 Ga,见后面讨论)。

3.3 以十字石组合叠加为特征的中压型变质作用(M3)

该期变质作用主要见于风山一带的石榴云母片岩中,以出现十字石组合叠加早期高角闪岩相组合为特征,地热梯度约为24 ℃/km,p-T轨迹为顺时针型(图3中M3),代表以地壳加厚为特征的碰撞造山事件。依据Zhang等^[26]对其进行的锆石和独居石定年结果,推测其变质年龄应该约为1.88 Ga。从年代学角度来说,赤城混杂岩和红旗营地区的表壳岩都遭受了这期变质时间改造,所记录的变质年龄分别为1.89~1.84 Ga、1.88~1.83 Ga(图5B,C)。退变榴辉岩所记录的约1.85 Ga变质年龄^[35],也是这次碰撞造山事件的记录,并非对应榴辉岩相峰期的俯冲时间。另外,红旗营杂岩中的正片麻岩主要形成于1.87~1.85 Ga^[30],显然与这次碰撞造山有关。

3.4 低压型变质作用(M4)

低压型变质作用(M4)以赤城榴辉岩退变形成斜长角闪岩组合为代表,所记录的p-T轨迹为“大于号”形,即表现为减压加热至温度峰期,然后再减压冷却,峰期地热梯度约为35 ℃/km,指示岩石圈伸展并伴随软流圈上涌的构造过程^[45]。退变榴辉岩和斜长角闪岩所记录的变质年龄为354~291 Ma,其周围变质沉积岩记录的变质年龄为323~300 Ma(图5A, B)。西部红旗营一带的表壳岩也有大量晚古生代变质年龄(315~289 Ma)记录(图5C)。这期低压变质作用伴随广泛深熔作用,形成大量花岗质脉体和侵入体,其年龄分布于360~287 Ma之间(图5D)。在东部凤山一带的石榴云母片岩中发育的红柱石应该是晚古生代低压变质作用的产物,但是尚缺少明确的年龄记录(图5C1)。

3.5 绿片岩相低温型变质作用(M5)

绿片岩相低温型变质作用(M5)见于凤山一带的石榴云母片岩中,峰期条件所对应的地热梯度约为30 ℃/km,为低压型,具有顺时针型p-T轨迹,峰期前为升压升温过程,与挤压变形有关,受区域糜棱岩带控制。在西部红旗营村和赤城一带缺少具体研究,但推测该区晚古生代岩体的变质-变形或糜棱岩化与这期变质作用有关。基于红旗营子杂岩斜长片麻岩中黑云母238 Ma和糜棱岩中白云母234 Ma的⁴⁰Ar-³⁹Ar年龄^[17],推测该绿片岩相变质作用应该发生于早中生代。在红旗营子村附近的表壳岩中也有同期变质锆石年龄(255~234 Ma,图5C)记录。

4 红旗营杂岩形成时代

4.1 锆石年龄记录

红旗营杂岩中不同岩石单元记录了不同的变质历史(图5)。赤城混杂岩中的变质沉积岩记录古元古代(1.89~1.84 Ga)、中元古代(约1.66 Ga)和晚古生代(323~300 Ma)3期变质年龄。赤城混杂岩中的退变榴辉岩和斜长角闪岩主要记录晚古生代变质年龄(354~291 Ma),只有少量样品记录古元古代(约1.85 Ga)变质年龄。分布在红旗营村一带的表壳岩记录古元古代(1.88~1.83 Ga)、中元古代(约1.72 Ga)、早古生代(约452 Ma)、晚古生代(315~289 Ma)和晚二叠世—中三叠世(255~234 Ma)5期变质年龄。而东部凤山一带的表壳岩仅记录古元古代变质年龄(1.95~1.88 Ga)。可见,西部红旗营子村一带的表壳岩和赤城混杂岩受古元古代以后多期构造-热事件改造强烈,有大量变质锆石记录,而东部凤山地区的表壳岩受改造较弱,缺少变质锆石和独居石的年龄记录,仅在富铝岩石中出现蓝晶石向红柱石同质多象转变。这说明红旗营子杂岩在经历古元古代晚期造山事件之后位于不同的地壳深度。如东部凤山地区表壳岩位于较浅地壳层次,受后期热事件改造微弱;而西部变质杂岩则位于更深的中下地壳层次,因此受后期热事件改造强烈。

4.2 表壳岩与混杂岩形成时代

如前所述,不同学者对红旗营子杂岩的形成时代有新太古代晚期^[24]、古元古代晚期^[23]以及晚古生代^[22]等多种认识。红旗营杂岩中的表壳岩主要分布在西部红旗营村、东部凤山以及北部东井子一带(图1E,2A),虽然它们变质程度不同,但其原岩组合相似,即包括含碳质碎屑岩、碳酸盐岩夹少量火山岩。以往对红旗营表壳岩年代学研究主要集中于西部红旗营村一带,该处岩石遭受了古元古代以后多次构造-热事件改造,有大量变质或深熔锆石生长(图5C),锆石成因复杂,很难确定原岩形成年龄。红旗营村一带表壳岩也有部分古元古代变质年龄(1.88~1.83 Ga)(图5C),说明它们应该形成于古元古代,并非晚古生代。相对来说,凤山一带的表壳岩系受后期构造热事件改造较弱,没有发现相应的变质锆石和独居石记录(图5C1)。Zhang等^[26]在该区石榴云母片岩中获得的碎屑锆石年龄为2.10~1.99 Ga,第一期变质年龄>1.95 Ga,可以很好限定红旗营表壳岩的沉积年龄。并且,该区石榴云母片岩的碎屑锆石和变质锆石年龄可与华北孔兹岩带对比^[46]。因此,我们认为红旗营表壳岩系形成于古元古代层侵纪晚期(2.1~2.0 Ga),并可与华北克拉通其他地区同时代的裂谷型火山沉积岩系(如孔兹岩系和五台地区的滹沱群等)对比^[46-47]。王惠初等^[22]在红旗营、赤城一带的原红旗营杂岩中识别出大量晚古生代侵入体。虽然这些侵入体也遭受了强烈变质-变形改造,但很容易把它们从红旗营杂岩中剥离出来。

赤城混杂岩的形成时代尚难以确定,其中最老变质锆石年龄>1.89 Ga^[31],也没有发现任何约1.95 Ga变质记录,我们推测赤城混杂岩形成于1.95~1.89 Ga之间,当然,这一推测还需要进一步研究工作证实。

5 构造演化

综合红旗营杂岩的多期变质作用演化和年代学记录,提出红旗营杂岩经历了如下多期构造演化,包括古元古代区域伸展与第一次碰撞造山、洋壳俯冲、第二次碰撞造山,以及古元古代以后多期构造-热事件等。

5.1 区域伸展(2.1~2.0 Ga)与第一次碰撞造山(2.0~1.95 Ga)

红旗营杂岩中的表壳岩原岩为沉积-火山岩系,主要形成于古元古代层侵纪晚期(2.1~2.0 Ga),可与华北克拉通同时代广泛发育的岩石系列对比,与区域伸展有关^[4]。如图1E所示,在红旗营杂岩中的表壳岩分布区东部有少量太古宙岩石,指示这些表壳岩所代表的沉积盆地为陆内盆地,有太古宙基底,属于怀安活化带;但在西北部东井子一带缺少太古宙岩石分布,划为集宁活动带^[9]。这套沉积-火山岩系在2.0~1.95期间经历一次碰撞造山带事件和中压型变质作用(M1)。Zhao等^[1-2]指出,在华北克拉通约1.95 Ga中压型变质作用主要分布在孔兹岩带中,以出现高压麻粒岩为特征,与阴山地块和鄂尔多斯地块之间的碰撞造山有关。但后来研究发现,约1.95 Ga的中压型变质作用也见于华北中部造山带中的五台地区 ^[48-49]、怀安地区^[50]以及鄂尔多斯地块北部^[51⇓-53]。因此,Wei等^[9]提出,孔兹岩带、中部造山带和鄂尔多斯地块北部一起经历了约1.95 Ga(或更早)的中压型变质作用,形成华北西部造山带(WNCO,图1D),与在华北克拉通西部发生的地壳增厚造山有关。显然,红旗营杂岩中的表壳岩也参与了这期造山过程。

5.2 洋壳俯冲(1.95~1.88 Ga)

华北西部造山带(WNCO)形成之后,沿华北克拉通北缘发生洋壳俯冲。赤城混杂岩形成于俯冲隧道中,记录了与俯冲有关的高压变质作用(M2),是华北克拉通古元古代洋壳俯冲的有力证据之一。此外,在华北克拉通北缘还有其他两例洋壳俯冲记录:(1)Xu等^[54-55]在孔兹岩带东端丰镇浑源窑碳酸岩中发现榴辉岩捕虏体和超硅石榴石包体(图1E),寄主碳酸岩侵位到集宁杂岩的孔兹岩中,结晶年龄为1.82~1.81 Ga ^[56];超硅石榴石包体指示来源深度>380 km^[54], 榴辉岩峰期变质条件为 2.5~2.8 GPa/650~670 ℃^[55]。但李韵秀等^[57]进一步研究发现榴辉岩中的石榴石发育明显生长环带,从核到边X_Prp 升高而X_Grs 降低,并且石榴石边部出现柯石英和硬柱石假象;进一步相平衡模拟表明这种石榴石环带可记录一个很陡的进变p-T 轨迹,从约2.6 GPa/约650 ℃到约3.7 GPa/约670 ℃,指示俯冲深度超过100 km。(2)Wu等^[58]在阴山地块北缘白云鄂博地区报道与俯冲有关的约1.90 Ga混杂岩,其中变质沉积物基质最大沉积年龄约为1.95 Ga,超基性岩块体具有SSZ型蛇绿岩属性,形成年龄约为1.91 Ga,该混杂岩形成于海沟环境,并在华北克拉通北缘和西伯利亚克拉通西南缘碰撞过程中遭受变质、变形作用,但没有与俯冲有关的高压变质记录。上述白云鄂博、赤城和丰镇3个实例说明,与俯冲有关的混杂岩和榴辉岩包体所记录的俯冲深度,从北向南依次增加,指示洋壳沿华北克拉通北缘从北向南俯冲。

Wei等^[9]研究认为该洋壳俯冲导致弧后伸展,引起低压超高温变质作用(1.94~1.88 Ga),即导致西部造山带中的变质岩系,特别是高压麻粒岩发生减压加热,达到超高温条件。超高温变质作用主要分布在孔兹岩带东端的集宁杂岩中^[59⇓-61]。最近的研究表明超高温变质作用向东延伸到怀安地体^[50,62],向西到贺兰山地区^[63],向南到吕梁地区^[64]。这期低压型变质作用很可能影响了更广泛的地区,例如,五台-恒山地区的石榴斜长角闪岩^[65]和红旗营表壳岩中石榴云母片岩^[26]都有约1.92 Ga的年龄记录。

5.3 第二期碰撞造山(1.88~1.83 Ga)

沿华北克拉通北缘发生的洋壳俯冲导致华北克拉通北缘与西伯利亚克拉通碰撞,并形成华北北部造山带(NNCO)^[9]。凤山地区云母片岩中叠加的含十字石组合(M3),记录了伴随这次碰撞造山事件发生的中压型变质作用的p-T条件和时间(约1.88 Ga)。从年代学角度来说,赤城混杂岩和红旗营地区的表壳岩都遭受了这期变质事件改造(图5B, C),但其具体变质作用p-T条件尚需进一步研究。红旗营杂岩中的正片麻岩主要形成于1.87~1.85 Ga,显然与这次碰撞造山有关。

另外,沿华北克拉通北缘从东到西有一系列变质作用记录,指示这次碰撞造山事件:(1)沿龙岗地块北缘吉南夹皮沟地区、辽北清原地区和冀东地区均发现2.2~2.1 Ga侵位的变质基性岩墙遭受石榴角闪岩相到高压麻粒岩相变质作用,变质年龄为1.84~1.82 Ga^{[66⇓⇓-69]},该变质作用还不同程度地改造了周围的太古宙岩石,如在冀东新太古代二辉麻粒岩中叠加了含石榴石的高压麻粒岩相组合^[70-71];(2)Qian等^[72]在山西五台地区朱家坊韧性剪切带研究中报道的含1.87~1.86 Ga十字石组合叠加到早期高级变质组合之上就与板内变形-变质作用有关^[73];(3)在大青山地区二道凹群中发育典型巴罗型递增变质值带,变质年龄为1.88~1.86 Ga^[74-75],二道凹群中部分变质火山岩形成年龄为1.91~1.88 Ga^[76],说明在第一期造山作用之后形成的火山沉积岩系又遭受了中压型变质作用;(4)在阴山地块东南部西乌兰不浪地区,发育高压麻粒岩组合并叠加到新太古代麻粒岩组合之上,变质年龄约为1.87 Ga^[77-78]。

5.4 古元古代以后的多期构造-热事件

红旗营杂岩中的赤城混杂岩和西部红旗营村一带的表壳岩记录了古元古代以后的4期构造-热事件,包括中元古代(1.72~1.66 Ga)、早古生代(约452 Ma)、晚古生代(354~289 Ma)和晚二叠世—中三叠世(255~234 Ma)。其中中元古代变质年龄(1.72~1.66 Ga)与华北克拉通中元古代伸展和岩浆活动有关^[11,79];早古生代(约450 Ma)变质年龄可能与500 Ma以来古亚洲洋向南俯冲导致的深部热活动有关^[24]。这两次构造-热事件只有年龄记录,尚缺少变质温压条件限定。

对于华北克拉通北缘晚古生代到早中生代的大地构造环境有不同认识:Zhang等^[14-15]根据对冀北地区闪长岩-花岗闪长岩的研究,认为晚石炭世-早二叠世期间华北克拉通北缘处于古亚洲洋向南俯冲产生的安第斯型大陆岩浆弧环境;Zhang等^[24]推测红旗营子杂岩晚古生代热事件与古亚洲洋向南俯冲导致的弧后伸展有关;然而,Shao等^[16]提出在晚古生代时期华北克拉通北缘处于板内伸展活跃时期。实际上,这种不同认识源于对古亚洲洋演化和索伦缝合带的大地构造属性认识不同,可归纳为两种观点:一种观点认为古亚洲洋俯冲从寒武纪开始,一直持续到早中生代,沿索伦缝合带闭合^[80⇓-82]。按照这种观点,华北克拉通北缘晚古生代时期处于受俯冲控制的陆缘环境^{[13⇓-15,24]}。另外一种观点认为古亚洲洋闭合于早-中泥盆世^[83-84],随后在石炭-二叠纪发生伸展^[16,85],形成有限海盆^[85-86]。这些有限海盆由于受到早中生代苏鲁-大别大陆深俯冲的远程效应而被动闭合,索伦缝合带是早中生代有限洋盆被动闭合形成的。因此,在晚古生代-早中生代时期,华北克拉通北缘与其北部的兴蒙造山带一起遭受了晚古生代伸展有关的低压变质作用(M4),随后经历挤压变形,发育与板内变形有关的糜棱岩化带和绿片岩相低温型变质作用(M5)。

感谢《地学前缘》编辑部邀稿, 祝贺贵刊成立30周年!感谢审稿人提出宝贵意见。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42030304)