吉南龍崗巖群四道砬子河巖組泥質(zhì)片麻巖變質(zhì)作用

鄭常青，王 博，王琳琳，李美慧

1.吉林大學地球科學學院，長春 130061 2.自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室，長春 130061

0 引言

華北克拉通是世界著名、中國最大的古老克拉通之一，其基底可分為東部陸塊、陰山陸塊和鄂爾多斯陸塊3個太古宙陸塊，以及孔茲巖帶、華北中部帶和膠—遼—吉帶3個早元古代活動帶[1-2]。與其他克拉通相比，華北克拉通有著更為復(fù)雜多變的構(gòu)造演化，尤其是東部陸塊最為顯著特點是以多期次的新太古代構(gòu)造熱事件為特征[3-9]。近年來，諸多學者對華北克拉通東部陸塊的太古宙結(jié)晶基底開展了大量的巖石學、地球化學及年代學工作，取得了較為豐富的研究成果：識別出華北克拉通東部陸塊新太古代(約2.5 Ga)為近等壓冷卻(IBC)型逆時針變質(zhì)作用p-T演化軌跡[2]；東部陸塊早元古代(1.95～1.85 Ga)膠—遼—吉帶變質(zhì)作用是先呈近等溫減壓(ITD)型順時針隨后近IBC型逆時針變質(zhì)作用p-T演化軌跡[10]。但學者們對東部陸塊新太古代構(gòu)造巖漿事件的地球動力學機制仍存在一定的爭論，目前主要有微陸塊拼貼過程中發(fā)生的俯沖—碰撞作用[6, 11-12]、板塊俯沖導(dǎo)致的碰撞造山帶作用[13-15]以及地幔柱環(huán)境[9, 16-19]3種觀點。

吉林南部夾皮溝地區(qū)及其鄰區(qū)太古宙變質(zhì)雜巖是華北克拉通東部陸塊的重要組成部分，主體巖石組合主要包括2.6～2.5 Ga英云閃長質(zhì)-奧長花崗質(zhì)-花崗閃長質(zhì)片麻巖(TTG片麻巖)和少量變質(zhì)沉積巖組成的表殼巖系[20-25]。該地區(qū)早前寒武紀變質(zhì)巖系構(gòu)造位置獨特，巖石類型與變質(zhì)作用演化復(fù)雜，使得這一地區(qū)成為解決華北克拉通早前寒武紀變質(zhì)地質(zhì)、大陸地殼演化、甚至板塊構(gòu)造啟動等問題的關(guān)鍵地區(qū)。然而相比于華北克拉通其他地區(qū)較為廣泛的討論和系統(tǒng)的研究，吉南夾皮溝地區(qū)的研究稍顯薄弱，可能是受到該地區(qū)植被覆蓋廣泛、露頭嚴重風化的影響[24-26]。前人針對夾皮溝地區(qū)太古宙變質(zhì)巖的研究主要集中在20世紀90年代，其中葛文春等[27]認為該區(qū)太古宙雜巖的麻粒巖相變質(zhì)作用具有近IBC型逆時針變質(zhì)作用p-T演化軌跡特征。

前述信息表明，華北克拉通東部陸塊太古宙基底巖系，變質(zhì)作用演化總體以具有近IBC型逆時針p-T演化軌跡特征，但具有近ITD型順時針p-T演化軌跡的太古宙變質(zhì)巖在一些克拉通上也有報道[28-30]。筆者經(jīng)前期初步研究發(fā)現(xiàn)，吉南夾皮溝地區(qū)龍崗巖群泥質(zhì)片麻巖總體具有近IBC型逆時針變質(zhì)演化軌跡的巖相學特點，但其變質(zhì)時代、變質(zhì)p-T條件及其構(gòu)造背景仍需要進一步確認和研究。基于此，本文以龍崗巖群四道砬子河巖組泥質(zhì)片麻巖為研究對象，在充分開展野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，進行巖相學、激光拉曼光譜分析、礦物化學、變質(zhì)礦物世代演化、變質(zhì)p-T條件、變質(zhì)作用p-T演化軌跡和鋯石U-Pb定年等系統(tǒng)研究，確定吉南龍崗巖群泥質(zhì)片麻巖變質(zhì)作用演化與成因，探討其形成的構(gòu)造背景，為深入探討華北克拉通東部陸塊太古宙結(jié)晶基底演化提供詳實資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

吉南夾皮溝地區(qū)位于華北克拉通東部陸塊北緣東段太古宙基底出露區(qū)(圖1a)，太古宙變質(zhì)巖主要有變質(zhì)表殼巖和變質(zhì)深成侵入體(圖1b)。變質(zhì)表殼巖自下而上為龍崗巖群四道砬子河巖組、楊家店巖組，夾皮溝巖群老牛溝巖組、三道溝巖組，主要巖石類型有片巖、片麻巖、變粒巖、斜長角閃巖、石英巖和麻粒巖等，含條帶狀含鐵建造(BIF)。該期變質(zhì)作用熱流體活動強烈，遞增變質(zhì)明顯。該區(qū)變質(zhì)深成侵入巖發(fā)育，主要有TTG片麻巖和鉀質(zhì)花崗巖，晚期的紫蘇花崗巖、變質(zhì)花崗巖(淺色塊狀花崗巖)。變質(zhì)相主體屬于綠片巖相—角閃巖相，局部可達麻粒巖相。

據(jù)文獻[21]修編。

本文研究區(qū)位于吉林省南部樺甸市夾皮溝鎮(zhèn)附近(圖2)，區(qū)內(nèi)出露新太古代—中生代地質(zhì)單元，整體呈近東西及偏北東向展布。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，在老牛溝村—夾皮溝鎮(zhèn)發(fā)育一條北西向斷裂帶，形成較為強烈的構(gòu)造破碎帶和糜棱巖化帶，局部發(fā)育飛來峰構(gòu)造。區(qū)內(nèi)新太古代地質(zhì)單元出露有龍崗巖群、夾皮溝巖群，總體以TTG片麻巖和變質(zhì)表殼巖為主。龍崗巖群主要分布在老金廠鎮(zhèn)附近，不同期次花崗質(zhì)巖石的侵入，致使該巖群呈大小不等的包體賦存于變質(zhì)深成侵入體之中。其中：龍崗巖群的四道砬子河巖組變質(zhì)巖石組合為石榴黑云斜長片麻巖、矽線石榴黑云二長片麻巖、矽線藍晶石榴黑云斜長片麻巖、含石榴石斜長角閃巖；楊家店巖組變質(zhì)巖石組合為基性麻粒巖、斜長角閃巖。有學者先后報道了本區(qū)變質(zhì)表殼巖測年結(jié)果，利用鋯石同位素U-Pb測年結(jié)果為(2 536±16)Ma，解釋為巖漿作用年齡[26]；(2 510±2)Ma、(2 509±12)Ma，解釋為變質(zhì)作用年齡[23]。

2 樣品描述

本文研究樣品主要采自吉南夾皮溝地區(qū)老牛溝村—后油房村附近的泥質(zhì)片麻巖，采樣坐標為127°23′38″E，42°55′54″N，采樣位置見圖2。

據(jù)文獻[31]修編。

2.1 巖相學特征

根據(jù)野外及顯微鏡下巖相學研究，將泥質(zhì)片麻巖類劃分為如下4種巖石類型。

石榴黑云二長片麻巖(樣品號Lng-11-1)該巖石總體為斑狀變晶結(jié)構(gòu)，變斑晶為細小粒狀石榴石集合體，基質(zhì)為細粒片狀粒狀變晶結(jié)構(gòu)，弱片麻狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造。礦物組成主要為石榴石(10%)、黑云母(20%～25%)、斜長石(35%～40%)、石英(10%～15%)、堿性長石(15%～20%)以及少量白云母(小于1%)。石榴石呈自形、細粒狀，內(nèi)部干凈，單體粒徑為0.1～0.2 mm，這些細小的石榴石相對集中，顆粒之間有微粒的石英、黑云母和斜長石等礦物(圖3a)，石榴石集合體粒徑為1.0～2.0 mm；黑云母細小鱗片狀，粒徑為0.3～0.7 mm，深褐色—淺黃色多色性；斜長石粒狀，發(fā)育聚片雙晶，粒徑為0.5～1.0 mm；石英粒狀，粒徑為0.4～0.8 mm；堿性長石粒狀，輕微蝕變，粒徑為0.5～1.0 mm。此階段礦物顆粒細小、弱定向，變形相對較弱，該巖石巖相學特征可能代表變質(zhì)結(jié)晶作用的早期階段。

含藍晶石榴黑云二長片麻巖(樣品號Lng-12)該巖石總體為斑狀變晶結(jié)構(gòu)，變斑晶為藍晶石及石榴石，弱片麻狀構(gòu)造。礦物組成主要為藍晶石(5%)、石榴石(10%)、黑云母(25%)、石英(15%)、斜長石(30%～40%)以及堿性長石(15%～20%)。藍晶石呈不規(guī)則板狀，粒徑為2.5 mm，與細小黑云母鑲嵌生長(圖3b)；石榴石粒徑為0.3～0.5 mm，與黑云母呈鑲嵌狀生長，變斑晶粒徑約為2.0 mm；黑云母鱗片狀，粒徑為0.3～0.7 mm，深褐色—淺黃色多色性；石英粒狀，粒徑為0.5～1.0 mm；斜長石粒狀，發(fā)育聚片雙晶，粒徑為0.5～1.0 mm；堿性長石粒狀，輕微蝕變，粒徑為0.5～1.0 mm。該巖石中石榴石微粒集合體局部已經(jīng)連片，呈現(xiàn)較大的變斑晶狀。

含矽線藍晶石榴黑云二長片麻巖(樣品號Lng-11-2,Lng-13-2)該巖石整體為斑狀變晶結(jié)構(gòu)，變斑晶為石榴石和藍晶石，基質(zhì)為中細粒纖狀片狀粒狀(或粒狀片狀)變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造。該巖石礦物分布極不均勻，局部已呈現(xiàn)為矽線藍晶石榴黑云母片巖。礦物組成為矽線石(5%)、藍晶石(10%)、石榴石(10%)、黑云母(20%～30%)、石英(10%)、條紋長石(15%)、斜長石(25%～30%)，以及極少量白云母(小于1%)。矽線石一部分呈細針狀，位于石榴石變斑晶內(nèi)部，另一部分呈柱狀，局部可見柱狀矽線石穿切板狀藍晶石(圖3c)；藍晶石呈板狀，與黑云母鑲嵌生長；石榴石變斑晶呈團塊狀，其內(nèi)部含有定向的細針狀矽線石，以及細小片狀黑云母、斜長石、石英包體，石榴石內(nèi)部定向與基質(zhì)片理一致，表明石榴石內(nèi)部細小矽線石與基質(zhì)中矽線石屬于同期產(chǎn)物(圖3d)；黑云母片狀，粒徑為0.3～0.7 mm，深褐色—淺黃色多色性，與石榴石、藍晶石、矽線石鑲嵌接觸(圖3c, d)；石英粒狀，粒徑為0.4～0.8 mm；條紋長石板狀，發(fā)育顯微條紋結(jié)構(gòu)；斜長石粒狀，發(fā)育聚片雙晶，粒徑為0.6～1.0 mm。該巖石中石榴石、矽線石、藍晶石、黑云母、斜長石、條紋長石、石英平衡共生，礦物組合屬于第一矽線石帶[32]，變質(zhì)強度達到中級變質(zhì)[33]。

a.細粒的石榴石變斑晶內(nèi)部包裹黑云母(Lng-11-1，單偏光)；b.板狀藍晶石與細小鱗片狀黑云母鑲嵌生長(Lng-12，單偏光)；c.板狀的藍晶石被柱狀的矽線石穿切(Lng-13-2，單偏光)；d.石榴石變斑晶內(nèi)部含有定向矽線石(Lng-11-2，單偏光)；e.粒狀藍晶石圍繞具有殘縷結(jié)構(gòu)的石榴石生長(Lng-10-2，正交偏光)；f.石榴石旋轉(zhuǎn)雪球結(jié)構(gòu)(Lng-10-2，正交偏光)；g.暗色片理帶出現(xiàn)非定向、自形、細粒的藍晶石(Ky2)，與小片狀白云母共生(Lng-10-2，單偏光)；h.受構(gòu)造變形作用改造，板狀藍晶石碎裂，邊部轉(zhuǎn)變?yōu)獒樦鶢钗€石(Lng-10-2，正交偏光)。Bi.黑云母；Mus.白云母；Grt.石榴石；Qz.石英；Pl.斜長石；Kf.鉀長石；Ky1.第一世代藍晶石；Ky2.第二世代藍晶石；Sil1.第一世代矽線石；Sil2.第二世代矽線石。

藍晶矽線石榴黑云鉀長片麻巖(樣品號Lng-10-2)該巖石整體為斑狀變晶結(jié)構(gòu)，變斑晶為石榴石，具有殘縷變晶結(jié)構(gòu)(圖3e)、旋轉(zhuǎn)雪球結(jié)構(gòu)(圖3f)，基質(zhì)為細粒纖狀片狀粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造。礦物組成為石榴石(15%)、藍晶石(10%)、矽線石(10%)、微斜條紋長石(20%～25%)、斜長石(20%～25%)、黑云母(5%)、石英(20%)以及極少量白云母(小于1%)。石榴石變斑晶較大，粒徑已達3.0～5.0 mm，被拉長定向，其內(nèi)部含有毛發(fā)狀矽線石(圖3e, f)及少量黑云母，矽線石主要集中在石榴石變斑晶的核部，黑云母在變斑晶邊部(圖3e)，其中，石榴石內(nèi)部矽線石殘縷定向，與基質(zhì)片理斜交，表明石榴石內(nèi)部矽線石形成世代早于基質(zhì)中礦物組合。藍晶石主要有兩種形態(tài)，一部分呈半自形—自形粒狀，圍繞石榴石變斑晶生長(圖3e)，或切割黑云母片理分布(圖3g)；另一部分呈破碎板狀，外圍被針柱狀矽線石包裹，具有藍晶石轉(zhuǎn)變矽線石進變質(zhì)過程(圖3h)。由此可見，巖石中的藍晶石存在兩個世代：進變質(zhì)階段中尚未被矽線石完全取代的呈破碎板狀殘留的藍晶石，退變質(zhì)階段細粒狀自形切割片理的藍晶石。第一矽線石帶的矽線石呈毛發(fā)狀，分布于石榴石內(nèi)部；第二矽線石帶的矽線石呈針柱狀，分布在基質(zhì)中定向構(gòu)成片理，或分布在破碎板狀藍晶石周圍。微斜條紋長石板狀，粒徑為0.5～0.8 mm，發(fā)育顯微條紋結(jié)構(gòu)。斜長石粒狀，發(fā)育聚片雙晶，粒徑為0.5～0.9 mm。黑云母一部分重結(jié)晶形成較大顆粒的片狀黑云母，粒徑為0.7～1.2 mm，深紅褐色—淺黃色多色性；另一部分遭受綠泥石化，和白云母共生。石英粒狀，粒徑為0.5～1.0 mm。該巖石中礦物定向改造明顯，變質(zhì)變形較強，達到變質(zhì)作用峰期，在高溫條件下存在矽線石、石榴石、鉀長石、黑云母、石英的礦物組合，變質(zhì)強度達到麻粒巖相；同時，巖相學顯示存在粒狀第二世代藍晶石及少量白云母組合，存在峰后期退變質(zhì)過程。

2.2 激光拉曼光譜特征

為了進一步確定樣品中相似狀態(tài)的藍晶石和矽線石以及二者的先后世代關(guān)系，對上述礦物進行了激光拉曼光譜分析。激光拉曼光譜分析在自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室地質(zhì)流體實驗室完成，使用型號為Renishaw System-100的激光拉曼光譜儀(分析精度為1 cm-1)，Ar+離子激光器波長為514 nm，掃描范圍為200～1 300 cm-1，對樣品中藍晶石和矽線石進行激光拉曼光譜分析。分析點位見圖4頻譜圖中的左上角附圖，其中圖4a, c分析點位于樣品Lng-13-2中矽線石穿切藍晶石的部位(圖3c的局部)，圖4b, d的分析點位于樣品Lng-10-2中切割黑云母片理的藍晶石及其周圍針狀分布的矽線石的部位(圖3g的局部)。通過激光拉曼對以上點位分析，取得的頻譜峰值特征分別符合矽線石、藍晶石特征。其中矽線石有2個明顯的主峰，分別為234、308 cm-1(圖4a, b)；藍晶石有3個明顯的主峰，分別位于299、384～389、485 cm-1，兩期藍晶石的主峰基本相同，次峰略有差異(圖4c, d)。

圖4 研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖中藍晶石及矽線石激光拉曼光譜分析結(jié)果

3 巖石地球化學特征

全巖主量元素、微量元素分析在中國冶金地質(zhì)總局第一地質(zhì)勘查院測試中心完成。主量元素分析采用X射線熒光光譜儀(XRF)測定，精度高于5%；微量元素采用等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定，具體測試條件和步驟參考文獻[34]的論述。本文選取4件樣品(Lng-10-2，Lng-11-1，Lng-12，Lng-13-2)進行了全巖主量、微量及稀土元素含量分析，具體結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖主量、微量及稀土元素組成

3.1 主量元素特征

研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖的SiO2質(zhì)量分數(shù)為58.55%～67.51%，總體屬于較富硅范疇；Al2O3質(zhì)量分數(shù)為15.73%～17.55%，表現(xiàn)富鋁質(zhì)特征；Fe2O3質(zhì)量分數(shù)為5.01%～8.70%，F(xiàn)eO質(zhì)量分數(shù)為3.78%～6.15%，MgO質(zhì)量分數(shù)為1.98%～2.82%，TiO2質(zhì)量分數(shù)為0.43%～0.79%，鐵、鎂、鈦質(zhì)量分數(shù)相對較低；CaO質(zhì)量分數(shù)為2.06%～2.99%；Na2O質(zhì)量分數(shù)為3.76%～5.50%，K2O質(zhì)量分數(shù)為1.83%～2.65%，表現(xiàn)出較富鈉、略低鉀的特征。巖石整體為較富硅、富鋁、貧鐵鎂、低鈦的特征，具有富鋁質(zhì)的泥質(zhì)巖石特征。

3.2 微量元素特征

研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖的大離子親石元素(Rb、Ba和Sr)在4個樣品中質(zhì)量分數(shù)總體變化不大，在微量元素蛛網(wǎng)圖上表現(xiàn)出Sr弱虧損的特征(圖5a)；相容元素(Cr、Ni和Sc)在4個樣品中質(zhì)量分數(shù)稍有變化，但總體接近，分別為50.42×10-6～92.58×10-6、23.13×10-6～51.48×10-6和10.71×10-6～22.12×10-6；高場強元素(Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Th、U)在4個樣品中，除個別樣品(Lng-10-2)Nb、Ta和Y質(zhì)量分數(shù)相對較低，其余樣品的元素質(zhì)量分數(shù)均變化不大。

3.3 稀土元素特征

研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖的稀土元素總量變化不大，w(ΣREE)為148.24×10-6～217.70×10-6，LREE/HREE值為7.22～13.28，(La/Yb)N為7.22～22.73，稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖呈現(xiàn)右傾斜(圖5b)，總體顯示為LREE富集、HREE相對虧損，表明輕重稀土分餾較強，與北美頁巖(NASC)[36]、后太古代澳大利亞頁巖(PAAS)以及上地殼平均成分相似[35]，說明研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖的成分類似上地殼巖石；δEu值為0.76～1.08，平均值為0.90，除Lng-12為弱正異常外，其余樣品呈微弱的負異常，表明其物源中可能有成熟度較低的弧物質(zhì)加入[37]；δCe值為1.03～1.11，平均值為1.06，基本無異常。

原始地幔和球粒隕石元素值據(jù)文獻[35]。

3.4 原巖恢復(fù)

為了確認泥質(zhì)片麻巖的原巖類型，本文利用尼格里參數(shù)(al+fm)-(c+alk)-Si圖解[38-39]進行投影，該圖解不僅劃分出火山巖和沉積巖區(qū)，還劃分了兩種典型類型的沉積巖，即泥質(zhì)沉積巖和砂質(zhì)沉積巖。通過投影，樣品點均落在靠近泥質(zhì)沉積巖的區(qū)域(圖6a)。

相比主量元素，稀土元素化學性質(zhì)穩(wěn)定性更強，受各種交代作用影響較弱。本文利用La/Yb-w(ΣREE)判別圖解[36, 39](圖6b)進一步判斷泥質(zhì)片麻巖的原巖類型。通過投影，樣品點主要落在頁巖區(qū)域，僅有樣品Lng-13落在砂巖區(qū)域。綜合以上結(jié)果，認為吉南夾皮溝地區(qū)泥質(zhì)片麻巖的原巖主要以泥質(zhì)沉積巖為主，兼有部分砂巖。

a.尼格里參數(shù)(al+fm)-(c+alk)-Si圖解，底圖據(jù)文獻[38-39]；b.La/Yb-w(ΣREE)判別圖解，底圖據(jù)文獻[36, 39]。

4 鋯石U-Pb年齡

鋯石分選工作在河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院完成。首先將樣品清洗干凈后晾干并粉碎至80～100目，然后經(jīng)水粗淘、強磁分選、電磁分選和酒精細淘后，在顯微鏡下挑選出表面潔凈、透明度好、裂隙相對較少的鋯石制作環(huán)氧樹脂樣品靶。在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成透射光、反射光以及陰極發(fā)光(CL)圖像的采集工作。

LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學測試在自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室LA-ICP-MS實驗室完成。激光剝蝕使用Coherent(相干)公司GeoLasPro型193 nm ArF準分子激光器，質(zhì)譜儀為Agilent(安捷倫)公司7900型ICP-MS質(zhì)譜儀。激光條件：激光束斑直徑為32 μm，激光能量密度為10 J/cm2，剝蝕頻率為8 Hz。使用標準鋯石91500(1 062 Ma)作為外標進行同位素比值校正，標準鋯石PLE為監(jiān)督盲樣。元素含量以國際標樣NIST610為外標、Si為內(nèi)標元素進行計算。測試結(jié)果采用軟件ICPMSDataCal[40]處理完成，普通鉛校正使用Andersen[41]的方法計算，諧和年齡及圖像使用Isoplot[42]完成。

本文對研究區(qū)內(nèi)兩個泥質(zhì)片麻巖樣品(Lng-10-2和Lng-13-2)進行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年，結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖代表性鋯石U-Th-Pb同位素數(shù)據(jù)

4.1 鋯石CL圖像特點

兩個泥質(zhì)片麻巖樣品的鋯石特點大致相同，主要為無色透明短柱狀及不規(guī)則粒狀，自形—半自形，鋯石顆粒較小，長軸為50～150 μm，短軸為30～70 μm，長寬比在1∶1～2∶1之間。在鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像中，部分鋯石發(fā)光強度較弱，多數(shù)鋯石顯示振蕩環(huán)帶，表明其為巖漿成因。多數(shù)鋯石發(fā)育核-邊結(jié)構(gòu)，增生邊為8～15 μm(圖7)。

圖7 研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖代表性鋯石陰極發(fā)光圖像

對樣品Lng-10-2的28顆鋯石和樣品Lng-13-2的21顆鋯石共進行了77個點分析測試，分析點多數(shù)位于結(jié)構(gòu)均勻的具有核-邊結(jié)構(gòu)鋯石的核部及增生邊，結(jié)果顯示具有振蕩環(huán)帶的核部鋯石Th、U質(zhì)量分數(shù)分別為32.11×10-6～701.34×10-6、72.02×10-6～1 837.99×10-6，Th/U值為0.15～0.93(均大于0.1)，表明為巖漿成因鋯石[43-45]；鋯石邊部的Th質(zhì)量分數(shù)很低，Th/U值為0.01～0.09(均小于0.1)，表明其為變質(zhì)成因[46]。

4.2 分析結(jié)果

通過對樣品Lng-10-2的37個測點進行分析，結(jié)果表明207Pb/206Pb年齡范圍在2 665.13～2 440.43 Ma之間，主要存在兩組諧和年齡(圖8a, b)，分別是(2 547±16)Ma(MSWD=1.3,n=17, 具有振蕩環(huán)帶的巖漿鋯石)和(2 506±15)Ma(MSWD=1.08,n=18, 變質(zhì)增生邊)，計算加權(quán)平均年齡分別為(2 531±16)Ma(MSWD=1.01,n=17, 核部)和(2 495±15)Ma(MSWD=0.96,n=18, 邊部)；對樣品Lng-13-2的40個測點進行分析，結(jié)果表明207Pb/206Pb年齡范圍在2 600.00～2 354.02 Ma之間，同樣存在兩組諧和年齡(圖8c, d)，分別是(2 509±26)Ma(MSWD=2.4,n=24, 具有振蕩環(huán)帶的巖漿鋯石)及(2 462±46)Ma(MSWD=2.7,n=16, 變質(zhì)增生邊)，計算加權(quán)平均年齡分別為(2 506±21)Ma(MSWD=1.8,n=24, 核部)和(2 442±28)Ma(MSWD=2.1,n=16, 邊部)。綜上所述，具有振蕩環(huán)帶的巖漿鋯石年齡為2 531～2 506 Ma，應(yīng)為泥質(zhì)片麻巖的原巖年齡；變質(zhì)增生邊年齡為2 495～2 442 Ma，為泥質(zhì)片麻巖的變質(zhì)年齡。

圖8 研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖鋯石U-Pb年齡諧和圖

5 變質(zhì)礦物及變質(zhì)p-T條件

5.1 礦物化學

單礦物電子探針分析在自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室電子探針實驗室完成。電子探針分析儀型號為JAX-8230型(日本電子株式會社生產(chǎn))，測試條件設(shè)置為：加速電壓15 kV、束流10 nA、束斑1 μm，標樣為氧化物或硅酸鹽。礦物端元組分計算使用Geokit程序[47]。本文針對泥質(zhì)片麻巖中的礦物進行了詳細的研究，主要測試礦物有石榴石、長石、黑云母和白云母，測試結(jié)果見表3—5。

5.1.1 石榴石

樣品中石榴石主要為鐵鋁榴石，端元組成摩爾分數(shù)為：鐵鋁榴石(Alm)為65.40%～78.36%，鎂鋁榴石(Pyr)為11.57%～31.25%，鈣鋁榴石(Gro)為2.05%～4.26%，錳鋁榴石(Spe)為0.78%～7.48%(表3)。不同的樣品存在差異，樣品Lng-10-2中的石榴石Mg質(zhì)量分數(shù)普遍較高，而Mn、Ca質(zhì)量分數(shù)相對較低。在石榴石成分與變質(zhì)帶關(guān)系圖解(圖9a)[48]中，本區(qū)石榴石成分全部投在矽線石帶上，但是有一部分偏向藍晶石帶(樣品Lng-11-1, Lng-11-2, Lng-12, Lng-13-2)，屬于第一矽線石帶石榴石，另一部分靠近矽線石帶下部(樣品Lng-10-2)，屬于第二矽線石帶石榴石，這和巖相學觀察相一致；在石榴石化學成分CaO-MgO-(FeO+MnO)圖解(圖9b)[48]中，本區(qū)石榴石成分分布于麻粒巖相區(qū)(樣品Lng-10-2)及角閃巖相區(qū)貼近于麻粒巖相的一側(cè)。石榴石的成分變化記錄了變質(zhì)作用演化各個階段的信息，同時表明研究區(qū)部分泥質(zhì)片麻巖達到麻粒巖相條件。

I.角閃巖相；II.麻粒巖相；III.榴輝巖相。底圖據(jù)文獻[48]。

5.1.2 長石

樣品Lng-10-2中的鉀長石為微斜條紋長石，其x(Ab)=9.81%～18.40%，x(Or)=79.91%～89.91%，x(An)普遍較低，為0.18%～1.68%；斜長石，x(An)=19.45%～22.53%，x(Ab)=76.98%～79.83%(表4)，根據(jù)長石成分圖解(圖10)，斜長石投影點主要落在更長石區(qū)，且分布范圍較為集中，各個樣品中的斜長石成分沒有明顯變化。

Kf.鉀長石；Pl.斜長石。

5.1.3 云母

樣品中黑云母XMg值在0.49～0.75之間，TiO2質(zhì)量分數(shù)主要在1.67%～4.80%之間(表5)。在w(TiO2)-FeO/(FeO+MgO)變質(zhì)相分類圖解(圖11)中，樣品Lng-10-2的黑云母成分投在麻粒巖相區(qū)，說明部分泥質(zhì)片麻巖達到麻粒巖相變質(zhì)作用條件；部分樣品(Lng-10-2)含有少量白云母，呈不規(guī)則片狀，略具定向性，SiO2質(zhì)量分數(shù)變化在45.80%～47.22%之間，可能為退變質(zhì)過程中體系發(fā)生水化反應(yīng)[49]。

底圖據(jù)文獻[48]。

5.2 變質(zhì)作用p-T條件及演化軌跡

利用傳統(tǒng)地質(zhì)溫壓計估算各變質(zhì)階段溫壓條件，溫壓估算結(jié)果見表6、7。結(jié)合特征變質(zhì)礦物，本文所選擇的地質(zhì)溫壓計為石榴石-黑云母溫度計(GB)[50-54]、石榴石-Al2SiO5-石英-斜長石壓力計(GASP)[55-56]、石榴石-黑云母-斜長石-石英壓力計(GBPQ)[57]和石榴石-黑云母-白云母-Al2SiO5-石英壓力計(GBMAQ)[58]。

表6 研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖的溫度條件計算

峰前期M1階段：選擇細粒自形、不含包體、變斑晶相對松散的石榴石和石榴石相鄰的黑云母，以及基質(zhì)中的斜長石成分，估算峰前期進變質(zhì)階段溫壓條件，利用GB溫度計和GASP、GBPQ壓力計估算峰前期進變質(zhì)階段(M1)T=468～515 ℃,p=(3.8～4.3)×105kPa。

峰期M2階段：選擇具有旋轉(zhuǎn)雪球結(jié)構(gòu)、核部含有毛發(fā)狀矽線石的巨型石榴石變斑晶幔部，基質(zhì)中粒度較大、與柱狀矽線石共生的片狀黑云母以及基質(zhì)中殘留的斜長石成分，估算峰期變質(zhì)階段的溫壓條件，利用GB溫度計和GASP、GBPQ壓力計估算峰期變質(zhì)階段(M2)T=703～760 ℃,p=(6.6～7.1)×105kPa。

峰后期M3階段：選擇石榴石變斑晶的外邊緣和石榴石外邊緣緊密接觸的細小黑云母、與黑云母共生的白云母以及細粒斜長石成分，估算峰后期退變質(zhì)階段的溫壓條件，利用GB溫度計和GASP、GBPQ、GBMAQ壓力計估算退變質(zhì)階段(M3)T=552～591 ℃,p=(5.5～6.0)×105kPa。結(jié)合巖相學特征，峰后期M3階段的礦物組合中存在自形粒狀藍晶石，其壓力不會大幅低于峰期M2階段壓力；M3階段發(fā)生矽線石轉(zhuǎn)變?yōu)樗{晶石的過程主要為降溫過程，在退變質(zhì)階段，泥質(zhì)片麻巖經(jīng)歷了等壓冷卻的變質(zhì)作用過程。

依據(jù)巖相學及變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)，可識別出3個階段的礦物共生組合。峰前期進變質(zhì)階段礦物組合為M1:Grt+Bi+Pl+Qz±Mus±Ky1±Sil1，其中Ky1為板狀的第一期藍晶石，Sil1為石榴石變斑晶內(nèi)部細針狀定向的第一期矽線石，進變質(zhì)階段泥質(zhì)片麻巖經(jīng)歷了溫度和壓力升高的過程，由于藍晶石和矽線石的存在，它們一般是由葉臘石(Pyp)進變質(zhì)而成，推斷可能發(fā)生了以下反應(yīng)Pyp→Al2SiO5+3Qz+H2O。峰期變質(zhì)階段礦物組合為M2: Grt+Sil2+Kf+Bi+Pl+Qz，從進變質(zhì)到峰期的變質(zhì)過程中，可能發(fā)生了如下反應(yīng)：Ky1→Sil2, Mus+Qz→Sil2+Kf+H2O[56, 59]。退變質(zhì)階段礦物組合為M3: Ky2+Grt+Bi+Pl+Qz+Mus，從峰期到峰后期退變質(zhì)階段的過程中，藍晶石以細粒自形晶體出現(xiàn)，可能發(fā)生以下反應(yīng)：Sil2→Ky2。

峰前期進變質(zhì)階段(M1)礦物組合中，以黑云母+斜長石+石英+白云母組合為代表礦物，計算溫壓結(jié)果表明該階段礦物組合屬于中壓角閃巖相；峰期階段(M2)礦物組合中，以石榴石+矽線石+鉀長石為代表礦物，形成于約750 ℃、7×105kPa的p-T條件下，具有典型的麻粒巖相變質(zhì)作用；峰后期退變質(zhì)階段(M3)以藍晶石取代矽線石為代表，溫度降低100～150 ℃。綜上所述，得到泥質(zhì)片麻巖為近IBC型逆時針的變質(zhì)作用p-T演化軌跡(圖12)。

Crd.堇青石。

6 討論

6.1 變質(zhì)作用時代

前已述及，吉南地區(qū)是華北克拉通東部陸塊重要的太古宙基底出露區(qū)，近年來，越來越多的太古宙相關(guān)研究工作相繼在吉南夾皮溝、和龍、靖宇、白山和通化等地展開[23-26, 60-65]，取得了較為豐富的研究成果。吉南地區(qū)最古老的TTG片麻巖為出露于通化三源浦地區(qū)的英云閃長片麻巖，形成于2 698～2 683 Ma[61]，其巖漿來源于新生地殼，揭示了約2.70 Ga的地殼增生過程。李鵬川[65]在白山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了2.66～2.60 Ga的英云閃長-奧長花崗質(zhì)片麻巖，表明該地區(qū)存在新太古代早期巖漿活動。Guo 等[24-26]對夾皮溝地區(qū)以及和龍花崗綠巖帶進行研究，認為新太古代巖漿事件總體可劃分為2 688～2 654 Ma和2 588～2 536 Ma兩期，較早一期主要有斜長角閃巖、斜長片麻巖等組成，較晚一期主要有英云閃長巖、奧長花崗巖等花崗質(zhì)片麻巖和少量變質(zhì)表殼巖組成，其主體形成于2.6～2.5 Ga，并認為其生長機制可能與俯沖作用有關(guān)的弧-陸側(cè)向增生過程相聯(lián)系。王朝陽等[62]對通化地區(qū)花崗質(zhì)片麻巖進行研究，依據(jù)SiO2質(zhì)量分數(shù)將花崗質(zhì)片麻巖分為兩組，其中二長、奧長花崗質(zhì)片麻巖及英云閃長質(zhì)片麻巖原巖形成于2 557～2 549 Ma，石英二長閃長質(zhì)片麻巖及花崗閃長質(zhì)片麻巖原巖形成于2 552～2 534 Ma，二者都遭受了約2.5 Ga的變質(zhì)作用改造，認為其巖漿來源于新生地殼物質(zhì)部分熔融，暗示該時期地殼生長可能形成于活動大陸邊緣環(huán)境。宋健等[23]對夾皮溝地區(qū)的TTG片麻巖進行研究，獲得了兩組約2 509 Ma TTG巖漿鋯石年齡結(jié)果，并認為該地區(qū)約2 509 Ma高級變質(zhì)事件與巖漿事件幾乎同時發(fā)生，可能與地幔柱環(huán)境下的巖漿底侵作用有關(guān)。

本次同位素年代學研究結(jié)果表明，具有振蕩環(huán)帶的巖漿鋯石年齡為2 531～2 506 Ma，應(yīng)為泥質(zhì)片麻巖的原巖年齡，暗示區(qū)域內(nèi)2.53～2.50 Ga新太古代晚期巖漿事件的存在，與近年來前人有關(guān)遼北—吉南地區(qū)同時代地質(zhì)體年代學研究結(jié)果基本一致[4, 23-26, 62-64, 66-68]；同時，本文研究的泥質(zhì)片麻巖樣品Lng-10-2中含有兩顆2.69～2.67 Ga的捕獲鋯石(表2，測點號18-19)，207Pb/235U年齡為(2 691.93±19.16)Ma和(2 671.87±18.34)Ma，其時代與研究區(qū)東側(cè)通化三源浦地區(qū)的英云閃長片麻巖年齡2 698～2 683 Ma[61]一致，表明區(qū)域內(nèi)也可能存在2.70～2.67 Ga的新太古代早期巖漿事件。此外，變質(zhì)增生邊年齡為2 495～2 442 Ma，為泥質(zhì)片麻巖的變質(zhì)年齡，表明本區(qū)泥質(zhì)片麻巖同時記錄了2.50～2.45 Ga的變質(zhì)事件，這也與區(qū)域上變質(zhì)表殼巖及TTG片麻巖所記錄的2 510～2 480 Ma變質(zhì)作用時代相近[3, 66, 69-72]。以上研究表明，巖漿作用與變質(zhì)作用在發(fā)生時間上非常接近，二者時間間隔在50 Ma左右，與前人論述的在華北克拉通東部陸塊約2.5 Ga變質(zhì)巖普遍經(jīng)歷IBC逆時針變質(zhì)作用p-T演化軌跡的變質(zhì)過程基本一致，表明華北克拉通東部陸塊晚太古宙基底變質(zhì)作用和形成TTG巖石的巖漿作用是同一熱構(gòu)造事件的產(chǎn)物[16, 20-21, 66, 70, 73-76]。

6.2 構(gòu)造背景

本次研究表明，與世界上大多數(shù)太古宙巖石變質(zhì)演化特征相似，華北克拉通東部陸塊吉南夾皮溝地區(qū)的泥質(zhì)片麻巖也經(jīng)歷了以近IBC型逆時針p-T演化軌跡為特征的變質(zhì)作用，峰期變質(zhì)程度達到麻粒巖相。前已述及，有關(guān)華北克拉通東部陸塊太古宙麻粒巖相變質(zhì)作用的大地構(gòu)造環(huán)境，一般有3種不同的認識：微陸塊拼貼過程中發(fā)生的俯沖—碰撞作用[6, 11-12]、板塊俯沖導(dǎo)致的碰撞造山帶作用[13-15]以及地幔柱環(huán)境[9, 16-19]。Zhao[18]認為，解釋新太古宙東部陸塊地殼形成演化的構(gòu)造模式須解釋以下事實：1)2.55～2.50 Ga的TTG巖石侵入體呈面狀分布，無系統(tǒng)的年齡遞增規(guī)律；2)高溫科馬提巖與基性麻粒巖共生；3)表殼巖雙峰火山式組合(基性玄武巖和酸性英安巖、英安質(zhì)流紋巖，缺少大量安山巖)；4)變質(zhì)作用p-T演化軌跡以近IBC型逆時針為特征；5)TTG巖石侵位與區(qū)域變質(zhì)作用時間間隔很短，小于50 Ma；6)太古宙結(jié)晶基底廣泛發(fā)育的TTG穹窿構(gòu)造。在本次研究的同時，已有學者初步發(fā)現(xiàn)了在本文采樣地附近出露的基性麻粒巖中含有超鎂鐵質(zhì)巖包體，其包體具有科馬提巖的性質(zhì)，形成年齡約2 512 Ma(未發(fā)表)。本次研究取得的泥質(zhì)片麻巖年代學特征、變質(zhì)作用演化特征，以及本區(qū)廣泛發(fā)育的TTG穹窿構(gòu)造，均表明區(qū)域內(nèi)變質(zhì)表殼巖和TTG片麻巖的形成與地幔柱環(huán)境下的巖漿底侵作用相關(guān)。

基于以上討論和本次研究的結(jié)果，對華北克拉通東部陸塊基底巖石的變質(zhì)作用和構(gòu)造演化提出了以下設(shè)想：在早太古代至中太古代，華北克拉通東部陸塊存在原始大陸地殼，主要以鞍山地區(qū)3.8～3.3 Ga花崗質(zhì)片麻巖及伴生表殼巖[77]、冀東地區(qū)約3.8 Ga TTG片麻巖為代表[78]。由于晚太古代構(gòu)造熱事件的廣泛改造，這些物質(zhì)的來源、初始位置和構(gòu)造背景仍然未知。在2.6～2.5 Ga，由于上地幔柱與巖石圈的相互作用，東部陸塊產(chǎn)生了大量超鎂鐵質(zhì)—鎂鐵質(zhì)火山巖和TTG深成巖體，根據(jù)晚太古代綠巖地體(含科馬提巖)的數(shù)量和麻粒巖相地體分布情況，推斷晚太古代東部地塊存在多個地幔柱，地幔柱抬升巖石圈和上覆大陸地殼，從而導(dǎo)致巖石圈拉伸，發(fā)生廣泛的超鎂鐵質(zhì)—鎂鐵質(zhì)火山作用(科馬提巖和玄武巖)。同時，地幔柱對上地幔的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致玄武質(zhì)或角閃質(zhì)巖石部分熔融，形成TTG穹窿。地幔柱向地殼的熱傳遞也導(dǎo)致了區(qū)域變質(zhì)作用，起初溫度相對較低的羽流頭部加熱地殼，導(dǎo)致進變質(zhì)作用(M1)，靠近熱柱頭部的地殼經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)作用，形成高級變質(zhì)區(qū)域(如吉南地區(qū))，而遠離熱柱頭部的地殼經(jīng)歷了綠片巖相變質(zhì)作用，形成低級變質(zhì)區(qū)域；隨后，熱柱“尾”繼續(xù)向上加熱地殼，導(dǎo)致角閃巖相到麻粒巖相的峰值變質(zhì)作用(M2)；最后，加熱的地殼經(jīng)歷了近等壓冷卻(M3)，加熱的影響隨著羽流活動的終止而停止[79]。這一構(gòu)造熱過程與華北克拉通東部陸塊吉南龍崗巖群四道砬子河泥質(zhì)片麻巖逆時針方向的變質(zhì)作用p-T演化軌跡一致。

當然，單一的地幔柱模式可能無法解釋地殼早期演化的諸多問題，近年來也有諸多學者在遼北—吉南地區(qū)的研究認為華北克拉通東部陸塊太古宙巖石的構(gòu)造背景與板塊運動有關(guān)[62-63, 67, 80-82]。劉樹文等[83]認為，在新太古代晚期，板塊構(gòu)造體制已經(jīng)是最主要的殼幔動力學體制，地幔柱構(gòu)造體制、板塊構(gòu)造與地幔柱聯(lián)合作用體制仍然在局部地區(qū)存在，但其作用的范圍和強度已經(jīng)明顯減小，地幔柱和板塊俯沖的動力學體制可能是相互關(guān)聯(lián)的此消彼長的動力學過程，而不是單一事件導(dǎo)致的突變過程。但需要注意的是，地球經(jīng)歷了持續(xù)變冷的過程，太古宙的地殼和地幔要比現(xiàn)今的溫度高出許多[84]，即使太古宙存在地幔柱和板塊俯沖作用，其特點與現(xiàn)今的相應(yīng)機制也是存在一定差異的，許多在現(xiàn)今地形中適用的地質(zhì)標志，同樣在太古宙出現(xiàn)卻可能不具有指示意義[85]。

表7 研究區(qū)泥質(zhì)片麻巖的壓力條件計算

7 結(jié)論

1)龍崗巖群四道砬子河巖組泥質(zhì)片麻巖經(jīng)歷了3個階段變質(zhì)演化，分別為峰前期進變質(zhì)階段(M1)，Grt+Bi+Pl+Qz±Mus±Ky1±Sil1；峰期變質(zhì)階段(M2)，Grt+Sil2+Kf+Bi+Pl+Qz；峰后期退變質(zhì)階段(M3)，Ky2+Grt+Bi+Pl+Qz+Mus。

2)通過傳統(tǒng)地質(zhì)溫壓計，獲得泥質(zhì)片麻巖峰前期進變質(zhì)階段的溫壓條件為T=468～515 ℃,p=(3.8～4.3)×105kPa；峰期變質(zhì)階段的溫壓條件為T=703～760 ℃,p=(6.6～7.1)×105kPa；峰后期退變質(zhì)階段的溫壓條件為T=552～591 ℃,p=(5.5～6.0)×105kPa。泥質(zhì)片麻巖具有典型的近IBC型逆時針變質(zhì)作用p-T演化軌跡特征。反映了在地幔柱與巖石圈相互作用的環(huán)境中，變質(zhì)作用與大量的幔源巖漿底侵作用有關(guān)。

3)泥質(zhì)片麻巖的鋯石核部為巖漿成因、邊部為變質(zhì)成因，通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年，結(jié)果表明泥質(zhì)片麻巖的原巖形成時代不早于2 531～2 506 Ma，變質(zhì)作用時代為2 495～2 442 Ma，屬于新太古代變質(zhì)熱事件產(chǎn)物。

致謝：吉林省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查所周曉東研究員對本文的采樣工作提出了指導(dǎo)性意見；自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室電子探針實驗室、地質(zhì)流體實驗室、LA-ICP-MS實驗室對礦物化學成分、激光拉曼分析和鋯石U-Pb測年提供了技術(shù)支持；吉林大學地球科學學院楊巖、郭騰達、周梟、孫曉蕾等同學在樣品處理、電子探針和鋯石定年工作上給予幫助，并提供了一些地球化學方面討論的建議，在此表示感謝！