Question

　太古宙地层及岩石建造特征

Answer 1

一、太古宙变质岩的岩石学特征及变质时代

研究区太古宙地层主要出露有新太古代早期的谷咀子组中深区域变质岩系和新太古代晚期的红旗营子群和乌拉山群中浅区域变质岩系。谷咀子组主要分布在研究区南部边缘，崇礼—赤城EW向深大断裂以南。其主要岩性有片麻岩、麻粒岩、含铁石英岩及混合岩，属角闪岩相含辉石岩亚相夹麻粒岩相的中深区域变质岩相产物。该地层不构成研究区火山盆地的直接基底，故在此不作过多探讨。红旗营子群主要分布于崇礼—赤城和康保—围场两条区域性深断裂带所夹持的广大地区，构成研究区南半部的火山盆地的直接基底的重要组成部分。它与崇礼—赤城断裂带以南的谷咀子组呈断层接触，其总厚度为9100m。该组在宝昌县城西侧与其上覆的古元古界化德群呈角度不整合接触关系。红旗营子群的岩石学和岩石化学特征可概括如下：①普遍遭受中—浅度区域变质作用，为一套绿片岩相－角闪岩相变质岩系，主要岩性有黑云变粒岩、浅粒岩、斜长片麻岩、长石石英岩、石英云母片岩和大理岩等，其中，以黑云变粒岩、斜长片麻岩和浅粒岩分布广泛；②各类岩性在区域上分布较稳定，在垂向上有一定的规律性，故可将该群分为三个岩性段，不同地段虽划分方案有所差异，但大致可以对比（表2—2）；③各类岩石的主要矿物成分为钾长石、石英、斜长石和少量的黑云母、石榴子石、角闪石等，其中，钾长石含量高者可达30%—40%，岩石多具不等粒花岗变晶结构和层状构造；④各类岩石的岩石化学特征（表2—3）表明，普遍具有富SiO₂（平均为72.33%）、富K₂O（平均为5.15%）和贫Na₂O、CaO和MgO等特征；⑤大量的地面伽玛能谱测量（表2—4）和岩石的铀、钍化学分析结果表明，红旗营子群主要变质岩的铀、钍、钾含量均偏低，平均铀含量为1.9×10^-6，钍含量为7.4×10^-6，钾含量为2.9%,Th/U比值为4.0。

乌拉山群主要分布于研究区北部兴蒙地槽褶皱带的宝昌火山盆地东侧骆驼山地区和多伦火山盆地的西北侧地区，其主要岩性为角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩、浅粒岩、变粒岩夹长英质岩石，其岩性组合大致可与研究区南半部的红旗营子群对比（表2—2）。各类岩石的主要矿物成分为斜长石、石英、钾长石、角闪石及少量黑云母、石榴子石等，其中，钾长石含量一般少于斜长石，多为10%左右，斜长石含量一般高达30%—40%，岩石多具花岗变晶结构和层状构造。各类岩石的化学成分（表2—3）表明，它们具有贫SiO₂（平均含量为55.6%）、富铁（平均含Fe₂O39.53%、FeO8.9%）、钙（平均含CaO6.1%）、镁（平均含MgO6.51%）和低钾（平均含K₂O1.13%）、钠（平均含Na₂O1.12%）为特征。它们与红旗营子群的岩石化学成分比较，具有明显偏基性的特点。大量伽玛能谱测量结果（表2—4）表明，该群主要岩石平均铀含量为1.22×10^-6、钍含量为8.3×10^-6、钾含量为2.1%、Th/U比值为9.6。综上所述，本区新太古界上部的红旗营子群和乌拉山群变质岩的岩石化学特征存在着明显的差异，后者比前者明显偏基性，但二者的铀含量均偏低，如果没有后期的构造岩浆活化改造作用而引起岩石中的铀的富集增量，它们只能构成本区火山盆地的贫铀基底。

表2—1　燕辽西段中新生代火山盆地基底和盖层地层及建造特征对比表

表2—2　燕辽西段火山岩盆地新太古代地层对比表

表2—3　燕辽西段火山岩盆地基底变质岩石化学成分分析结果表

（核工业北京地质研究院七室分析，1990）

表2—4　燕辽西段火山岩盆地基底岩石能谱测量平均值表

为了确定岩石的变质时代，我们对区内盆地基底红旗营子群和乌拉山群的主要岩性角闪斜长片麻岩、黑云变粒岩中的锆石进行了铀－铅同位素年龄测定和对全岩进行了铷－锶年龄测定，红旗营子群变质岩石中的锆石铀－铅同位素年龄为2400Ma（图2—1）。乌拉山群斜长片麻岩中四个锆石样品的铀－铅同位素等时线年龄为2350Ma，全岩铷－锶同位素等时线年龄为2446Ma（图2—2）。上述同位素年龄数据表明二者均属于新太古代晚期的产物，它们在变质时代上完全可以对比。

图2—1　红旗营子群变质岩系中锆石U-Pb一致线图解（据夏毓亮，1986）

二、太古宙基底岩石混合岩化作用的基本特征

图2—2

区内太古宙基底岩石普遍遭受了不同程度的混合岩化作用，根据野外观察测量及室内研究资料，按其地质特征和发育时间，可分为区域性和局部性混合岩化作用两期。区域性混合岩化作用是本区区域变质作用早期发展阶段，即阜平期的产物。该期混合岩化作用具大面积广泛，但发育强度弱而均匀，分带性不明显的特点，属原地选择性重熔性质，以钾质或钠质沿片麻理顺层渗透交代为主，多形成条带状、条痕状、眼球状和斑点状混合岩化变质岩，其岩石化学成分（表2—3）表明，K₂O、Na₂O具有增量趋势，但岩石中的铀、钍含量无明显变化。局部性混合岩化作用，主要在研究区南部的红旗营子群变质岩中发育强烈，在北部的乌拉山群变质岩中一般不太发育。该期混合岩化作用是叠加在早期区域性混合岩化作用之上的一次高级混合岩化作用。根据对蔡家营地区混合花岗岩中锆石的铀－铅同位素等时线年龄测定结果，该期混合岩化发生的时代为1858Ma，属吕梁期的产物。其基本特征是：①混合岩化作用及其混合岩的空间分布主要受基底轴向为EW向的倒转复式背斜轴部的区域性深大断裂带控制，另外，受崇礼—赤城EW向深大断裂带控制，也发育一条强度比前者要弱的混合岩化带。沿这两条混合岩化带发育呈串珠状排列的若干混合岩化中心，形成穹状混合岩体。沿基底EW向倒转复式背斜轴部自西向东分布有新民村斑状混合岩体、大囫囵穹状花岗岩体、蔡家营穹状混合花岗岩体、翟家村混合花岗岩体等，组成一条长40km、宽2km的串珠状混合花岗岩带。沿崇礼—赤城区域性深断裂带自西向东也分布有崇礼老芽茬斑状混合岩体、段木沟混合花岗岩体、红山咀斑状混合岩体、赤城镇宁堡斑状混合岩体，组成一条长约50km、宽2km的串珠状混合岩带。各混合岩体自中心向外混合岩化程度有规律地减弱，自中心向外分别为混合花岗岩、均质混合岩、斑状混合岩、条痕、条带、迷露状混合岩化变质岩，与围岩呈逐渐过渡关系，反映了就地重熔交代成因的特点。②根据我们对崇礼西双台—康保闫油房剖面和赤城—长门沟—翟家村剖面等两条区域性穿越剖面的野外观察和系统伽玛能谱测量资料，该期混合岩化作用从倒转复式背斜两翼向轴部有明显增强的趋势。③该期混合岩的矿物成分主要由钾长石和石英组成，斜长石和黑云母较少，其中钾长石含量可高达50%—70%。常见各种交代结构和阴影构造，常见的交代结构有交代花岗变晶结构、钾长石交代斜长石形成的交代残余结构、交代蠕英石结构、交代条纹结构等（图版I—1、2、3、4、5、6）。其各类混合岩的化学成分（表2—3）表明，该期混合岩具有富钾（平均含K₂O6%）、低钠（平均含Na₂O₂%）、贫钙、铁、镁的特点。从崇礼西双台—张北蔡家营红旗营子群剖面钾质混合岩化元素变化曲线（图2—3）可以看出，随着混合岩化程度的增强，K₂O、SiO₂明显增量，说明该期混合岩化作用是以钾质混合岩化作用为特征，作用的实质是向富钾花岗岩方向演化，伴随该过程发生了铀和钍的明显富集增量，根据该剖面稀土元素含量变化曲线（图2—4）可以看出，随着钾质混合岩化程度的增强，也伴随着重稀土元素减量和轻稀土元素的增量。④钾质混合岩化的基本过程，反映到矿物的相变中，表现为从斜长石的绢云母化开始→斜长石暗化双晶消失→反条纹长石化→条纹长石化→微斜长石化→钾长石最终全部交代斜长面的演化过程（图版Ⅰ—1、2、4）。

图2—3　崇礼西双台—张北蔡家营Ar2hn钾质混合岩化与元素含量变化曲线（计量单位：氧化物为%；元素为10^-6）

三、太古宙基底变质岩的原岩恢复及其形成环境

1.野外产状及岩石结构构造特征

红旗营子群的长石石英岩、大理岩等，无论从野外产状、岩石结构构造和岩石化学成分等特点来看，它们的原岩无疑是属正常的沉积岩类。至于分布最广的黑云变粒岩、斜长片麻岩和浅粒岩等，在剖面上往往呈互层状，成层性和可分性明显，各层之间呈整合接触，应属于层状岩石。镜下观察发现，黑云变粒岩中有较多的泥质、炭质变质矿物，如夕线石和石墨，岩石具有变余碎屑结构（图版I—6），表明红旗营子群变质岩石的大部分原岩应属正常沉积岩类。北部的乌拉山群以厚层状角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩夹长英质岩、变粒岩为主，其野外产状与南部的红旗营子群相近，成层性、可分性好，多为薄层状岩石。斜长角闪片麻岩和斜长角闪岩多具花岗变晶结构，矿物成分以斜长石、角闪石、黑云母为主，岩石化学特征表明它们具贫SiO₂（平均含量为55%），富钙、铁、镁等特点，其原岩可能属于偏基性的层状火山岩类，夹于其间的长英质岩、变粒岩夹层，其原岩应属于沉积岩类。

图2—4　崇礼西双台—张北蔡家营Ar₂hn钾质混合岩化剖面稀土元素含量变化曲线（计量单位：10^-6）

2.岩石化学成分及其图解分析

表2—5　燕辽西段火山岩盆地基底新太古界变质岩、混合岩尼格里岩石化学计算参数

图2—5　P.尼格里四面体及其展开图

红旗营子群和乌拉山群代表性岩石的化学成分特征见表（表2—3）。其尼格里岩石化学特征值计算结果列于表（表2—5）。我们分别采用尼格里八面体图解法、A.西蒙南（al+fm）-（c-alk）:Si图解法、al-alk:c图解法、al:alk图解法和Na₂O+K₂O:SiO₂图解等五种图解方法，对上述变质岩进行原岩恢复，获得了基本一致的结果（图2—5、6、7、8、9）。在尼格里四面体图解和西蒙南图解中，红旗营子群和乌拉山群大部分样品的投影点均落在火成岩区，少数落在沉积岩区；在al-alk:c图解和al:alk图解中，红旗营子群大部分样品投影点落在中酸性凝灰岩区和二长安山质凝灰岩区，而乌拉山群的大部分样品投影点则落在细碧－玄武岩区和角斑岩区，只有个别样品投影点落在中酸性凝灰岩区；在（Na₂O+K₂O）:SiO₂关系图解中，乌拉山群所有样品投影点均落在安山岩、亚碱性玄武岩区，而红旗营子群的大部分样品投影点却落在流纹岩区，少数样品投影点落在英安岩和安山岩区。通过对上述图解资料的综合分析，可以确定红旗营子群变质岩的原岩应为含炭泥砂质岩夹中酸性火山岩和火山碎屑岩；乌拉山群变质岩的原岩应为中基性海底火山岩夹灰岩。

图2—6　本区新太古代变质岩（a1+fm）-（c+alk）:Si图解

图2—6（al+fm）－（c+alk）:Si图解说明表

图2—7　本区新太古代变质岩al-alk:c图解

图2—7（al-alk）:c图解说明表

图2—8　本区新太古代岩石al:aIk图解

A—细碧岩；B—角斑岩；C一安山岩；D—玄武岩；E—流纹岩；F—粗面岩；G—石英安山岩；H—石英角斑岩；I—粗面安山岩；J—二长安山岩；K—石英二长岩；L—粘土岩；M—页岩类区；Ⅰ—钙质泥灰岩区；Ⅱ—白云质泥灰岩区；Ⅲ—粘土岩区；Ⅳ—中酸性凝灰岩区；Ⅴ—角斑岩区；Ⅵ—细碧－玄武岩区；Ⅶ—二长安山质凝灰岩区；Ⅶ—英安质凝灰岩区；●红旗营子群变质岩；△乌拉山群变质岩；注：O资料引自《康保—太仆寺旗幅1/20万地质图说明书》，1980

图2—9　红旗营子群与乌拉山群SiO₂和Na₂O+K₂O关系图

1—红旗营子群；2—乌拉山群；Ⅰ—非硅酸盐岩类；Ⅱ—麦美奇岩类；Ⅲ—霞石岩；Ⅳ—聚集玄武岩；Ⅴ—碱性玄武岩；Ⅵ—亚碱性玄武岩；Ⅶ—过碱性玄武岩；Ⅶ—安山岩；Ⅸ—粗安岩；Ⅹ—粗面岩；Ⅺ—响岩；Ⅻ—英安岩类；Ⅻ—流纹岩类

3.岩石的稀土元素配分特征

根据我们采集的红旗营子群和乌拉山群岩石样品的X射线荧光光谱分析法测定的稀土元素的含量和有关参数计算结果（表2—6、7），绘制了岩石的稀土元素配分模式图（图2—10）。可以看出，红旗营子群和乌拉山群变质岩与上地慢岩石相比较，具有普遍富含轻稀土元素，稀土元素总量高，La/Yb和LREE/HREE比值大，Sm/Nd比值均小于0.3等特征，说明它们均与地壳岩石的稀土元素配分特征相一致。但二者之间又存在着明显的差异性，红旗营子群岩石的稀土元素配分模式图与沉积岩的稀土元素配分模式图相似，是一平缓的右倾斜线，Eu正异常不明显，富轻稀土（LREE平均含量为4003×10^-6,LREE/HREE和La/Yb比值大，表明红旗营子群变质岩的原岩应属沉积岩夹中酸性火山岩类，而且，也反映出它遭受一定程度钾质混合岩化作用，这与前面的分析结果是相一致的。而乌拉山群的斜长角闪岩的稀土元素配分模式图与区内早白垩世玄武岩的稀土元素配分模式图相似，呈向右倾斜线，Ce、Sm明显亏损，Eu正异常明显，LREE、LREE/HREE和La/Yb比值均明显小于红旗营子群，表明乌拉山群岩石具有下地壳岩石的特点，其原岩应属中基性火山岩类。

根据上述事实，研究区南部基底的红旗营子群和北部的乌拉山群形成的构造环境及成因存在着显著的差异。前者的原岩为浅海—滨海相含炭泥砂质岩夹中酸性火山碎屑沉积岩和火山碎屑岩，形成的构造环境为古陆核边缘陆棚区的滨海—浅海相环境，具有萌冒地槽特征。阜平运动和五台运动使该沉积建造发生褶皱和区域变质作用，形成绿片岩相－角闪岩相区域变质岩系，并遭受较弱的区域性钠质和钾质混合岩化作用，此间，岩石中的铀、钍含量低，未发生明显的活化和增量。吕梁期构造运动伴随着强烈的构造活化作用，导致沿EW向倒转复式背斜轴部深断裂带及崇礼—赤城EW向深断裂带发生了局部性强烈的钾质混合岩化作用，伴随着铀、钍、钾的明显增量，形成了局部的富铀基底，构成本区第一次铀的预富集作用，为形成富铀的壳源重熔型火山岩盖层打下了物质基础。北部的乌拉山群，其原岩为海相中基性火山岩夹沉积岩建造，形成于萌优地槽的构造环境。阜平和五台运动使其发生褶皱和中等区域变质作用，形成角闪岩相变质岩系，伴随较弱的区域性混合岩化作用。而吕梁运动对它影响很弱，该期的钾质混合岩化作用不发育，因此，岩石的铀、钍、钾含量低，无明显活化增量，构成北部的贫铀基底。

表2—6　燕辽西段火山岩盆地基底岩石稀土元素分析结果表（10^-6）

表2—7　燕辽西段火山岩盆地基底岩石稀土元素有关参数计算结果表（10^-6）

图2—10　燕辽西段火山岩盆地新太古代基底变质岩石稀土配分模式图