中国河北省北部承德变质岩群的地球化学、地质年代学及其构造意义

《Journal of Asian Earth Sciences》：Geochemistry, geochronology, and tectonic implications of the chengde metamorphic complex, Northern Hebei, China

华北克拉通前寒武纪基底岩石构造环境与变质事件研究。通过对北河地区洪旗英子群和丹塔子群中麻粒岩相变质岩石的岩相学、地球化学及锆石U-Pb定年分析，揭示其原岩分别为钙碱性玄武岩和泥岩/砂岩，形成于俯冲相关的岛弧构造环境，并识别出晚前寒武纪的两次变质事件（1933–1931 Ma和1885–1860 Ma），支持华北克拉通晚Neoarchean期碰撞造山过程。

　　

薛妮|郑石|贾毅周|王国东|肖玲玲

中国-赞比亚矿产资源绿色与安全发展“一带一路”联合实验室，北京科技大学资源与安全工程学院，北京100083，中国

摘要

华北克拉通（NCC）前寒武纪变质基底的形成和演化至今仍存在很大争议。本研究重点关注河北北部地区承德地区的洪庆英子（Hongqiyingzi）和丹塔子（Dantazi）复合体。选取含石榴石的单斜辉石角闪岩和含石榴石的二云斜长片麻岩，进行系统的岩石学、全岩地球化学以及锆石U–Pb地质年代学分析，旨在确定其原岩性质、构造环境及变质演化过程。结果表明，含石榴石的单斜辉石角闪岩的原岩为钙碱性玄武岩，形成于火山弧环境；而含石榴石的二云斜长片麻岩的原岩则来源于大陆岛弧环境。这些岩石共同表明，在新元古代晚期至古元古代早期，河北北部地区处于与俯冲作用相关的岛弧构造体制中。锆石U–Pb测年结果显示存在两次变质事件，分别发生在19.33–19.31 Ma和18.85–18.60 Ma。这些年龄与NCC地区的古元古代碰撞造山作用时间相吻合。先前研究记录了顺时针方向的近等温减压P–T变化趋势，支持河北北部地区参与了古元古代的俯冲-碰撞-抬升造山过程。然而，基底原岩所记录的岛弧环境与随后的变质作用是否属于同一构造周期尚不明确，需要通过进一步研究来阐明其成因关系。

引言

华北克拉通（NCC）是世界上最古老、最大的克拉通之一。其广泛出露的前寒武纪变质岩保存了早期大陆地壳形成和演化的相对完整记录，为了解早期地球的地质过程提供了关键线索（Wan等人，2005年；Liu等人，2007年）。普遍认为，NCC的前寒武纪变质基底是由多个太古代微地块聚合而成的；然而，这些微地块的数量、空间边界以及它们聚合的时间和方式仍存在争议（Zhao等人，1998年；Zhao等人，2012年；Zhai等人，2000年；Zhai等人，2005年；Zhai等人，2019年；Kusky和Li，2003年；Faure等人，2007年；Zhai和Santosh，2011年；Kusky和Mooney，2015年；Kusky等人，2016年）。Zhao等人（1998年；Zhao等人，2001年；Zhao等人，2001年；Zhao等人，2005年；Zhao等人，2012年）将NCC划分为三个主要构造单元：东部块体、西部块体以及介于两者之间的跨华北造山带（TNCO）。他们的模型认为，这些单元在新元古代晚期至古元古代早期沿各自的缝合带发生俯冲作用，随后发生碰撞并最终聚合，形成了现今的变质结晶基底。相比之下，Zhai和Santosh（2011年）提出NCC是由七个微大陆块体（胶辽地块、前淮地块、鄂尔多斯地块、许淮地块、济宁地块和阿尔xa地块）在约25亿年前聚合而成的，高级变质带和绿岩带构成了这些地块的边界。Kusky和Li（2003年）认为东部块体和西部块体在约25亿年前通过弧-大陆碰撞结合在一起，形成了西部块体的花岗岩相带和东部块体的前陆盆地，并在两者之间形成了中央造山带（Kusky等人，2007年；Kusky等人，2016年；Kusky和Li，2010年；Kusky和Mooney，2015年；Kusky和Xiao，2015年）。其他研究则认为造山作用分为两个阶段，分别发生在约21亿年前和约18.5亿年前（Faure等人，2007年；Trap等人，2007年；Trap等人，2012年）。尽管Zhao等人（1998年；Zhao等人，2001年；Zhao等人，2001年；Zhao等人，2005年；Zhao等人，2012年）和Zhai和Santosh（2011年）在微地块数量和聚合时间上存在分歧，但他们都认为基底的形成与新元古代地幔柱活动有关，随后各块体之间发生了碰撞（Zhao等人，1998年；Zhao等人，2001年；Zhai和Santosh，2011年；Zhai和Santosh，2013年）。此外，基于新元古代基底岩石中的典型俯冲相关岩性组合和地球化学特征，一些研究者推断NCC的新元古代演化过程中以俯冲作用为主的构造体制占主导（Liu等人，2006年；Liu等人，2011年；Guo等人，2013年；Guo等人，2014年；Guo等人，2015年；Bai等人，2014年；Bai等人，2016年）。综上所述，NCC变质结晶基底演化的构造模型较为复杂，并得到了多种证据的支持。因此，整合岩石学和地质年代学信息以更准确地界定NCC的构造环境和演化历史具有重要的科学意义。

河北北部地区位于NCC北部边缘的中心地带，前寒武纪变质基底岩石广泛出露，是研究TNCO前寒武纪构造演化的关键区域。该地区以角闪岩至花岗岩相的基性岩和各种片麻岩为主，已对其地球化学、变质演化和同位素地质年代学进行了大量研究（Liu等人，2019年；Sun等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2024年）。然而，关于变质作用的时间和构造演化仍存在争议。具体而言，该地区报道了多个不同的变质年龄，包括约25亿年（Liu等人，2007年；Chu等人，2012年；Sun等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2024a）、约19.5亿年（Qu等人，2012年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2024年）和约18.5亿年（Liu等人，2007年；Liu等人，2007年；Sun等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2024年），但其空间分布和构造意义仍不明确。此外，主要变质作用是发生在新元古代晚期块体碰撞期间（Li等人，1998年；Li等人，2000年），还是对古元古代造山作用的响应（Mao等人，1999年；Qu等人，2012年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2024年），目前仍不清楚。本研究提供了河北北部地区含石榴石的单斜辉石角闪岩和含石榴石的二云斜长片麻岩的详细岩石学观察结果、全岩地球化学数据及锆石U–Pb地质年代学信息，用于重建原岩特征、确定主要变质事件的时间，并评估岩石形成的构造环境，从而为TNCO北部边缘的构造演化提供更多约束。

地质背景

河北北部地区位于TNCO的北部边缘，毗邻NCC的东部块体（图1）。该地区被崇礼-赤城-丰宁-丹塔子断层/韧性剪切带所包围（图2），传统上被划分为南部的丹塔子群和北部的洪庆英子群（Wang，1992年；Hu等人，1996年）。然而，Liu等人（2006年；Liu等人，2019年；Liu等人，2025年）和Feng等人（2008年）发现了新的地质证据……

岩石学特征

本研究共分析了来自河北北部的14个岩石样本，包括来自丹塔子复合体的7个含石榴石的单斜辉石角闪岩和来自洪庆英子复合体的7个含石榴石的二云斜长片麻岩。前者主要呈透镜状或层状分布在黑云母-长石片麻岩中（图3a-d），而后者则主要呈层状分布（图3e、f）。提供了样本产地的详细信息。

分析方法

对所有14个样本进行了全岩主量和微量元素分析。FeO含量在中国地质大学（北京）进行测量，其他元素则在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行分析。主量元素分析时，首先将样品粉末与四硼酸锂、氟化锂和硝酸铵按指定比例混合，然后使用高频熔炉将其熔融成玻璃盘。

变质岩

7个含石榴石的单斜辉石角闪岩样本的化学成分如下：SiO₂含量为46.69–51.76 wt%，Al₂O₃含量为12.06–14.09 wt%，MgO含量为4.46–8.62 wt%，TFe₂O₃含量为12.79–19.62 wt%，TiO₂含量为1.27–2.39 wt%。样品的Mg^#（100 × MgO/(MgO + TFe₂O₃)值范围为31.05–51.66，Na₂O/K₂O比值介于1.05–4.37之间，A/CNK（Al₂O₃/(CaO + Na₂O + K₂O）比值介于0.51–0.65之间。根据Simonen（1953）的(al + fm)-(c + alk)–Si原岩判别图，所有样本均属于火山岩类型（图6a）。

原岩重建与构造环境判别

全岩地球化学特征表明，河北北部的含石榴石单斜辉石角闪岩属于弱过铝质、富钠的钙碱性岩系，其原岩可能是玄武岩或其深成等效岩（辉长岩/辉长岩）。这些样本的微量元素特征与LCC地区的岩石相似，Mg^#值介于31.05–56.66之间，富集LILE元素（如K、Ba、Sr），贫乏Th、U和Ta，但富含HFSE元素（如Ti和Nb）。

结论

• （1）
  丹塔子复合体（承德地区）的含石榴石单斜辉石角闪岩具有钙碱性玄武岩原岩，形成于火山弧环境；而洪庆英子复合体的含石榴石二云斜长片麻岩则来源于黏土岩和/或砂岩原岩，形成于大陆岛弧环境。综合这些结果表明，河北北部地区在新元古代晚期至……期间处于与俯冲作用相关的岛弧构造环境中。

未引用参考文献

Liu等人，2009年；Liu等人，2018年；Liu等人，2019年；Liu等人，2007年；Wang等人，2017年；Zhang等人，2024年。

CRediT作者贡献声明

薛妮：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；数据分析。郑石：数据分析。贾毅周：数据分析。王国东：撰写 – 审稿与编辑；监督；资源获取；调查；概念构建。肖玲玲：撰写 – 审稿与编辑；监督；资源获取；调查；资金申请；概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42572057、42472080、42072219）和中国地质科学院地质研究所深部地球动力学重点实验室（项目编号：J1901-16）的共同支持。感谢Luwei Niu在稿件准备过程中的宝贵帮助，同时也感谢匿名审稿人的建设性意见和建议，这些意见显著提升了本文的质量。