华北克拉通东部双山子地壳序列中的新元古代和古元古代变质作用：来自P-T演化路径及U-Pb地质年代学的约束

《Precambrian Research》：Neoarchean and Paleoproterozoic metamorphism recorded in the Shuangshanzi supracrustal sequence, eastern North China Craton: Constraints from P-T paths and U-Pb geochronology

华北克拉通东部河北地块双山子片岩带发育两期变质作用，通过矿物组合分析、相平衡建模及U-Pb定年（1827±13 Ma，2526±43 Ma）揭示：早期变质为3-5 kbar/540-580°C逆冲型事件，晚期形成顺时针P-T路径（5.8 kbar/570°C→减压冷却）。与安子岭花岗岩基（2521-2501 Ma）的变质年龄一致，支持Neoarchean变质与克拉通核部形成相关，Paleoproterozoic变质反映克拉通北缘造山带的重塑。

　　

张金瑞|单选龙|易建|魏春静|段展展|薛成成|刘鹏成|唐双|徐洪杰

中国自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，吉林大学地球科学学院，长春130061

摘要

河北东部地体的新元古代上地壳序列受到了古元古代变质作用的影响，然而这种变质作用归因于不同的构造体制存在争议。以往的研究主要集中在片麻岩穹隆内的花岗岩体上，而那些被认为能保留更多变质信息的较低级别岩石则很少受到关注。本文基于系统性的变质演化数据和U–Pb地质年代学研究，报道了双山子上地壳带中三个石榴石云母片岩样本的两次变质事件。样本A261中的矿物组合为早期变质阶段的钙铝榴石+堇青石+十字石+白云母+黑云母+石英+斜长石；晚期变质阶段的矿物组合为石榴石+黑云母+斜长石+石英，这两次变质事件得到了明确的记录。第一次变质作用的特征是在约540–580°C温度下达到3–5 kbar的压力峰值，并可能经历了逆向变质过程。第二次变质作用的特点是P–T路径呈顺时针方向变化，从约4.4 kbar/550°C逐渐升高到约5.8 kbar/570°C，随后发生减压和冷却过程。样本A223和A262仅保留了一次变质阶段的矿物组合，其P–T路径也呈顺时针方向变化，峰值压力分别为5.4 kbar/576°C和5.7 kbar/585°C，与样本A261中的第二次变质作用相似。原位U–Pb金红石测年结果显示，样本A262的年龄为古元古代（1827 ± 13 Ma），样本A261的年龄为新元古代（2526 ± 43 Ma），这表明了两次变质事件的发生时间。锆石U–Pb测年还表明，这些上地壳岩石的源岩年龄为2637–2574 Ma，而安子岭穹隆中的花岗岩片麻岩的源岩年龄为2526–2508 Ma，其变质年龄为2521–2501 Ma。结合以往的研究，我们认为新元古代的上地壳变质作用与华北克拉通（NCC）核区的形成相关的构造体制有关；而古元古代的变质作用可能代表了华北克拉通北部边缘造山带的响应。

引言

全球的太古代克拉通通常以花岗岩-绿岩地体为特征，其中穹隆-基体结构是一个显著的构造特征（例如，Condie, 1981; Collins et al., 1998; Brown, 2015）。在这种结构中，绿片岩至角闪岩相的上地壳序列形成了向斜状的基体，这些基体位于主要由tonalite-trondhjemite-granodiorite（TTG）花岗岩组成的穹隆之间（例如，Collins et al., 1998; Lin & Beakhouse, 2013; Van Kranendonk et al., 2004）。此外，上地壳岩石以不同大小的包体或浮岩形式存在于TTG片麻岩穹隆中，其中大部分经历了上角闪岩相或花岗岩相的变质，少数情况下还出现了超高温（UHT）变质作用（例如，Rajesh et al., 2014; Duan et al., 2017; Liu et al., 2022a）。

许多太古代克拉通中的上地壳岩石的一个关键特征是它们保留了多次变质事件的信息，这些信息对于理解大陆核区的形成及其后续增生过程至关重要。例如，在Dharwar克拉通中，Holenarsipur和Kaliyadi绿岩带的上地壳岩石在31.4–31.0 Ga期间经历了角闪岩相变质，随后在约26.2 Ga时又经历了二次角闪岩相变质（例如，Dasgupta et al., 2019; Jayananda et al., 2011）。在Kaapvaal克拉通中，Barberton绿岩带的上地壳岩石分别在34.5–34.2 Ga和32.6–32.3 Ga期间经历了两次角闪岩相变质（例如，Diener et al., 2005; Stevens et al., 2002; Dziggel et al., 2002）。这些多阶段变质作用的表现包括复杂的矿物组合、不连续的P-T路径以及明显的空间分带现象，这些都与特定的构造环境密切相关，凸显了它们在解读地壳演化过程中的重要性。

在华北克拉通（NCC）中，太古代的上地壳岩石也表现出多阶段变质的特点。在河北东部和辽宁清原地区，上地壳岩石经历了新元古代（约25.2–25.0 Ga）的花岗岩-超高温（UHT）变质作用，以及古元古代（约18.3–17.8 Ga）的高压（HP）花岗岩相变质（例如，Duan et al., 2015, Duan et al., 2019; Liu et al., 2022b; Lu and Wei, 2020; Yang and Wei, 2017; Cui et al., 2023）。关于新元古代变质作用所指示的构造体制，存在两种对立的观点：一种是俯冲-碰撞板块构造（例如，Cutts et al., 2014; Dziggel et al., 2002; Stevens et al., 2002; Stevens & Moyen, 2007），另一种是下沉构造（例如，Collins et al., 1998; Fran?ois et al., 2014; Van Kranendonk et al., 2004）。对于古元古代变质作用，关于华北克拉通构造重组的机制仍存在争议，主要有两种竞争模型：一种是沿华北造山带（TNCO）的俯冲-碰撞作用（例如，Zhai et al., 2001, Zhai et al., 2005; Zhang et al., 2009, Zhang et al., 2015; Zhao et al., 2012; Zhao et al., 2001, Zhao et al., 2002, Zhao et al., 2005），另一种是沿华北克拉通北部边缘的俯冲-碰撞作用（Kusky & Li, 2003; Kusky et al., 2016; Kusky et al., 2022; Wei et al., 2023; Yang et al., 2025）。

以往对河北东部地体太古代上地壳岩石的研究主要集中在那些作为包体或浮岩存在于穹隆内的花岗岩样本上，例如在Malanyu、Saheqiao和Taipingzhai地区的研究（例如，Liu et al., 2020, Liu et al., 2022a, Liu et al., 2022b, Liu and Wei, 2018, Liu and Wei, 2020）。值得注意的是，早期新元古代花岗岩相变质作用导致的流体缺乏效应使得晚期古元古代变质作用的岩石学特征非常微弱（例如，Giraud et al., 2001, Wei, 2018），这限制了对其构造意义的理解（例如，Wei et al., 2021; Lu and Wei, 2020, Yang and Wei, 2017）。相比之下，基体中的低级别变质上地壳岩石由于变质程度较轻，因此能够更有效地保留变质信息（例如，Giraud et al., 2001; Wei & Duan, 2019）。因此，这些岩石被认为可能更有效地记录了不同阶段的变质信息。然而，迄今为止，对河北东部地区这类低级别变质上地壳岩石的研究仍然较少。

本研究聚焦于河北东部的双山子上地壳序列，该序列与安子岭花岗岩片麻岩地体共同形成了典型的穹隆-基体结构。通过系统的岩石学、矿物化学、相平衡建模和地质年代学研究，表明该上地壳序列保留了与新元古代和古元古代构造事件相对应的两次变质作用。我们提供了关于基体中低级别上地壳岩石叠加变质作用的重要数据，从而更好地揭示了华北克拉通大陆地壳的形成和演化机制。

地质背景

早前寒武纪的河北东部地体位于龙岗地块的西北角（图1a）。该地区主要由几个卵形构造域和线性构造带组成，这些构造带被归类为“穹隆-基体”结构。根据Wu et al.（1998）和Wei（2018）的分类方法，该地体可以分为六个岩石-构造单元（图1b），包括Taipingzhai卵形构造域、Qian’an片麻岩穹隆、Badaohe片麻岩穹隆以及Lulong-Shuangshanzi上地壳岩带。

岩石总体成分分析

岩石总体成分是通过中国地质大学（北京）使用电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP–OES）分析方法测定的，分析过程中使用了中国的国家地质标准参考材料（GSR–1、GSR–3和GSR–5）以及美国地质调查局（USGS）的AGV–2样品。除TiO₂（约1.5%）和P₂O₅（约2.0%）外，大多数主要元素的分析精度（1σ）优于1%。

矿物成分与成像

矿物微探针分析是通过电子微探针进行的。

样品的总体成分

本研究样品的总体成分见表1。安子岭穹隆中的两个花岗岩片麻岩样本的成分如下：Al₂O₃ = 13.46–14.92 wt%，Na₂O = 3.37–3.69 wt%，A/CNK [Al₂O₃/(CaO + Na₂O + K₂O)] = 0.84–0.93；由于混合岩化程度不同，其他主要元素的含量变化较大。石榴石云母片岩样本A223和A262的成分分别为SiO₂ = 53.23–55.76 wt%，Al₂O₃ = 15.79–17.37 wt%，CaO = 1.83–2.34 wt%，MgO = 3.35–4.34 wt%，Fe₂O₃^T =

使用假截面进行的相平衡建模

对样品A223、A261和A262在NCK(Mn)FMASHTO（Na₂O–CaO–K₂O (–MnO) –FeO–MgO–Al₂O₃–SiO₂–H₂O–TiO₂ –Fe₂O₃）体系下进行了相平衡建模。计算使用了THERMOCALC 3.45软件以及Holland & Powell（2011）提供的内部一致的热力学数据集ds62和Powell et al.（2014）以及White et al.（2014）重新参数化的a–x模型。假设的流体相为纯H₂O，石英为纯端元相。

样品A261和A262的金红石U–Pb年龄

通过对样品A262和A261进行背散射电子（BSE）电子探针显微镜（EPMA）和原位LA-ICP-MS U-Pb同位素分析，测得了金红石的年龄。在样品A261中，金红石颗粒既存在于弱变形（And-St-Crd）区域，也存在于强变形（基体）区域，并分别对其进行了年代测定。可以识别出两组不同的金红石U–Pb年龄结果，详见附表S4–6。

在样品A261中，And-St-Crd区域中的金红石晶体分布均匀，主要为椭圆形

双山子上地壳序列的变质演化

根据岩石学特征和相平衡建模结果，可以确定双山子上地壳序列经历了两次变质作用。

结论

我们对河北东部NCC地区的双山子上地壳岩石进行了详细的岩石学观察、矿物化学分析、假截面计算和地质年代学研究，主要结论如下：

(1) 上地壳样品保留了两代矿物组合，这些矿物组合的形成受到不均匀变形的控制。早期组合包含钙铝榴石、堇青石和十字石，晚期组合包含石榴石，代表了两次不同的变质过程。

CRediT作者贡献声明

张金瑞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法学研究，正式分析。单选龙：监督，概念构建。易建：研究，数据管理。魏春静：概念构建。段展展：软件应用，数据管理。薛成成：研究，正式分析。刘鹏成：研究，数据管理。唐双：软件应用，数据管理。徐洪杰：研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2021YFA0715104）的财政支持。我们感谢北京大学造山带与地壳演化实验室的工作人员在锆石测年和矿物成分分析方面提供的帮助。同时，也要感谢硕士生王一丹对手稿格式的修订工作。