内蒙古中部太古宙高级变质岩区变质岩石组合、变质变形及其演化

摘要:兴和岩群为一套层状无序构造岩石地层。岩石组合为麻粒岩、片麻岩、石英岩、透辉石岩、斜长角闪岩，通过岩石学、矿物学、岩石化学、地球化学等综合分析认为为一套火山—沉积建造，形成于活动大陆边缘。变质程度高角达闪岩相—麻粒岩相，系区域中高温、中高压变质作用产物。以太古宙高级区为代表，PTt为逆时针演进形式，早期增温为主，峰期温压均较高，峰期后为近等压冷却过程，它们反映地壳因岩浆底侵而增厚的动力学机制。

关键词：兴和岩群 麻粒岩相 变质作用 PTt轨迹

1. 区域地质概况

内蒙古中部大青山地区是华北地块北缘前寒武纪变质结晶基底岩系出露区之一，到目前为止最古老的地质体为古太古界兴和岩群，其建组剖面位于内蒙古乌兰察布市兴和县。西乌兰不浪地区的兴和岩群二十世纪70年代1∶20万区域地质调查时称其为古太古界五台群，1987年《内蒙古地层表》称其为古太古界集宁群，李树勋等（1986） 认为其相当于色尔腾山岩群的高级变质岩系。同时，部分学者认为大量产出的麻粒岩、片麻岩系形成于太古代。之后，随着1∶5万及1∶25万区调的开展，对原地质体进行了系统解体，充分利用同位素年代学、岩石学、岩石化学、地球化学等手段，厘定出多个古太古界兴和岩群地块，本文所讨论的兴和岩群就是其中一部分。陶继雄等（2002）在召河庙北角闪斜长片麻岩中获锆石207Pb/206Pb表面年龄3049±1.4Ma，从而确定兴和岩群的形成年龄应为3049Ma，说明华北古陆块中存在着﹥3000Ma的初始地壳。该兴和岩群的确立，为研究整个华北地台初始陆核的形成及地壳演化有着重要的地质意义。

2. 变质岩石组合

内蒙古中部的高级变质岩系是指武川县西乌兰不浪一带，经受了角闪岩相至麻粒岩相变质的太古宙岩石。由于太古宙强烈的深融作用和侵入岩的侵入，其原始地层层序已荡然无存，内部不同岩性间呈无序叠合分布，顶底不清，层内构造减薄、拉伸等变形构造十分发育。特别是由于受不均一的重熔作用（混合岩化），露头尺度上表现为残留体。总体特征是垂直岩体走向上麻粒岩、片麻岩、石英等岩石类型交替出现，成分层转换面与岩石内部透入性片麻理显示出平行一致。

2.1 二辉麻粒岩

测区二辉麻粒岩属兴和岩群的主要组成部分，其次为乌兰不浪基性岩墙，前者多数薄层状与斜长麻粒岩、长英质麻粒岩呈不规则韵律产出，或是夹层产于斜长麻粒岩和长英质麻粒岩之中。岩石变形强烈，片麻状构造十分发育，多数为暗色矿物定向排列而成，并形成十分复杂的层内剪切褶皱。后者呈岩墙沿兴和岩群片麻理北西向分布。

二辉麻粒岩的主要变质矿物共生组合为：紫苏辉石+透辉石+斜长石；石榴石+紫苏辉石+透辉石+普通辉石+斜长石±石英；紫苏辉石+透辉石+角闪石+斜长石±石英；紫苏辉石+透辉石+角闪石+黑云母±石英。

二辉麻粒岩的主要变质矿物反应：紫苏辉石+透辉石+斜长石角闪石+斜长石。角闪石+斜长石紫苏辉石+透辉石+斜长石；斜方辉石+单斜辉石石榴石+角闪石+石英。

斜长麻粒岩类

属于二辉麻粒岩与长英质麻粒岩的过渡岩系。在兴和岩群和狼牙山片麻岩中分布，兴和岩群中的斜长麻粒岩与薄层二辉麻粒岩和长英质粒状岩石呈韵律产出的现象。而狼牙山片麻岩中的斜长麻粒岩与长英质麻粒岩呈渐变关系。

斜长麻粒岩的主要变质矿物共生组合为：

紫苏辉石+石榴石+黑云母+斜长石+磁铁矿+石英；紫苏辉石+透辉石+角闪石+斜长石+钾长石+磁铁矿±石英；角闪石+紫苏辉石+透辉石+条纹长石+斜长石+磁铁矿±石英；黑云母+石榴石+紫苏辉石+斜长石±石英；石榴石+紫苏辉石+透辉石+斜长石+黑云母±石英等。

斜长麻粒岩变质矿物的转变（变质反应）为：透辉石+斜长石+紫苏辉石黑云母+角闪石+斜长石+石英；斜长石+石英+黑云母（黄褐色）+紫苏辉石+石榴石角闪石+黑云母（绿色）+石英（1P15b2）；紫苏辉石+斜长石+石英微斜长石+黑云母（褐色）+石英（1P15b1）；紫苏辉石+斜长石+黑云母+石英次闪石+绿泥石+石英（1P15b33）；石榴石+斜长石+角闪石紫苏辉石+斜长石+石英。

本区的长英质麻粒岩有两种类型，其一为具块状构造的长英质麻粒岩，在露头尺度均显示出侵入体的特征；而另一种长英质麻粒岩（兴和岩群）具有薄层状构造，与斜长麻粒岩呈互层产出，局部夹有二辉麻粒岩和榴英岩。

2.2 透辉石岩—斜长角闪石类

岩石类型为角闪透辉斜长角闪岩、石榴透辉斜长角闪岩、含黑云斜长角闪岩和角闪透辉石岩，呈“夹层”状产出。在兴和岩群和乌拉山岩群中村空山片麻岩中均有分布。

斜长角闪岩及透辉石岩主要变质矿物共生组合为：石榴石+透辉石+斜长石；斜长石+角闪石+透辉石+石榴石；透辉石+角闪石+石榴石±黑云母；斜长石+角闪石+斜长石等。

斜长角闪岩及透辉石岩变质矿物的转变（变质反应）：斜长石+角闪石+透辉石+石榴石钠黝帘石+绿帘石+绿泥石；透辉石+斜长石±石英绿帘石+绿泥石+更长石+石英。

2.3 角闪斜长片麻岩——黑云斜长片麻岩类

该类型岩石分布比较广泛，在兴和岩群和乌拉山岩群及村空山片麻岩中均有分布。主要岩石类型为榴石黑云斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩。斜长片麻岩系主要为角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪片麻岩、透辉斜长片麻岩和含榴石角闪紫苏斜长片麻岩。该类岩石在兴和岩群和乌拉山岩群中呈薄层状与其它岩系互层产出。

角闪透辉斜长片麻岩：在兴和岩群中，岩石呈灰白色，柱粒状变晶结构，片麻状构造。岩石由变晶粒状斜长石、透辉石、角闪石组成，偶见石榴石。矿物粒度多在0.5mm—1.0mm之间，2.0mm者少量。晶体间紧密相嵌，接触界线较规则。斜长石含量40%，具绿泥石化；角闪石含量25%，新鲜无蚀变；透辉石含量35%，普遍发生次闪石化，被兰绿色长柱状、针状阳起石交代。暗色矿物呈集合体断续定向排列，形成片麻状构造。

2.4 榴云片麻岩类

榴云斜长片麻岩的条带状、片麻状构造发育最普遍。长英质组份和相对富集的暗色组份之间条带相间，界线清楚—渐变，条带宽度不等，一般1cm—2cm左右。长英质条带普遍发育，是岩石部份深融所致，形成条带状混合岩。由于混合岩化程度不同，出现黑云斜长混合片麻岩—条带状混合岩—混合岩化黑云斜长片麻岩的一系列过渡类型。

含硅线黑云斜长片麻岩：岩石（乌拉山岩群）呈灰白色，柱粒状变晶结构，片麻状构造,由斜长石、石英及少量黑云母、硅线石和次生绿帘石等组成。共生矿物为Sl+Pl+Q。斜长石呈变晶粒状，粒径为0.3mm—1.0mm，表面污浊晶体及颗粒界线模糊，强烈钠黝帘石化；石英呈透镜状，变形强，亚颗粒结构发育，具强烈波状消光现象，集合体粒径多在1.0mm—5.0mm之间定向排列；黑云母部分呈残留体，强烈绿泥生化，部分转变为束状硅线石。

2.5 长英质粒状岩类

包括石英岩、浅粒岩和变粒岩，广泛分布于乌拉山岩群和兴岩群中。石英岩类：多呈现层状、透镜状产出，有长石石英岩，榴石石英岩、长石石英岩、磁铁石英岩等。

3. 变质作用

通过对本区兴和岩群麻粒岩中变质共生矿物的研究 ，确定了兴和岩群的主期变质作用经历了4个阶段。

本区未受后期变形变质叠加改造的地区，基性麻粒岩一般呈中细粒结构，各种矿物边界呈三连式接触，表明彼此为平衡共生。峰期阶段常见的矿物组合为Hy+Di+Pl+Gt和Hy+Di+Hb+Pl，次要矿物组合有Di+Gt+Pl+Q，Di+Hy+Pl+Q，Hy+Gt+Bi+Pl+Q等。紫苏辉石、透辉石和斜长石普遍存在，是麻粒岩相变质作用的代表。

在兴和岩群少量基性麻粒岩中的紫苏辉石偶见有褐绿色角闪石和斜长石被包裹体（图版1），既微粒紫苏辉石与蠕虫状斜长石及少许透辉石构成后成合晶，为一个典型的近变质反映结构，其变质反应为石榴石+斜长石+角闪石紫苏辉石+斜长石+石英，暗示在紫苏辉石之前有角闪石斜长石组合存在，是早阶段角闪岩相变质的产物。

在兴和岩群中的二辉麻粒岩出现环边状石榴石围绕紫苏辉石分布，形成反应环边结构。其变质反应为：紫苏辉石+斜长石→透辉石+石榴石（+石英）,这是近等压冷却的代表性反应。

角闪石取代辉石的变质反应是区域上存在的普遍现象，如角闪石代替辉石，辉石细粒化形成辉石链并被部分被角闪石取代，新生角闪石具有良好的优选方位，与辉石链平行。此外，区域上普遍存在一次明显的变形，即片麻理构造与辉石链平行或斜交。角闪石发育的各个阶段均有大量的证据，从辉石边部被细粒角闪石围绕，到被角闪石大部分取代，辉石呈残留体被角闪石包裹，以致于辉石基本消失，矿物一系列的转变过程非常明显。有的紫苏辉石退变为次闪石和阳起石，形成反应边结构。

3.1 兴和岩群变质温度和压力的估算

结合区域地质调查大量的矿物对温压计资料，对兴和岩群不同变质阶段的温度和压力进行了计算,其结果如下：

3.1.1 早期变质条件

依据角闪石+斜长石共生矿物和角闪岩相的标准温压条件，推断兴和岩群早期角闪岩相变质阶段的温度为700℃—800℃，压力为0.8Gpa左右。

3.1.2 麻粒岩相变质阶段的温度计算

该阶段矿物组合以二辉石代替角闪石为特征，根据高级区麻粒岩相岩石中矿物的共生组合特点。对兴和岩群中的变质峰期的共生矿物单斜辉石、斜方辉石进行了电子探针分析（表1、表2、表3），利用二辉石地质温度计计算出该阶段的温度压力（表4）。

结果表明兴和岩群峰期变质的温度在836.273—1085.27℃之间，压力在1.198—1.326Gpa之间。

3.1.3 近等压阶段冷却的温度

石榴石和斜方辉石、单斜辉石温度计：兴和岩群中近等压冷却阶段形成矿物对为紫苏辉石边部的石榴石—单斜辉石。

用石榴石—斜方辉石温度计对环紫苏辉石边部的石榴石和斜方辉石样品B7699-4进行了计算，结果见表5：

用石榴石--单斜辉石温度计对环紫苏辉石边部的石榴石和单斜辉石样品B7699-4进行计算，结果见表6。

3.1.4 角闪石+斜长石温度计

角闪石取代辉石的变质反应，采用（лерчук，1966）共存角闪石—斜长石的Ca分配等温线图，求本区角闪石—斜长石共生矿物对的变质温度。结果是石榴角闪二辉麻粒岩与紫苏辉石边部生长的角闪石—斜长石变质温度为870OC（见图2）。

3.2 PTt轨迹及动力学特征

以上四个阶段不同世代矿物共生计算和变质反应推测的P—T条件，按先后顺序排列1—4个温度压力点，连成一个逆时针演进的变质作用PTt轨迹图(图3)。从图上可以看出兴和岩群主期变质、不同变质阶段的温度集中分布在600—900℃之间；压力变化区间在0.8—1.1Gpa之间。

3.2.1 峰期前变质阶段

该阶段的岩石学标志为紫苏辉石和透辉石环绕角闪石、斜长石分布，显示属于高角闪岩相的变质矿物组合。表明沉积的上壳岩当时已进入了深度超过25—30Km的下地壳，与太古宙地壳中普遍高热流值相比较，此值显示低异常，近地表成因的上壳岩进入了如此深度，是较强烈的构造加厚和同时引起的地壳热扰动，使地温梯度呈低异常。由于本区峰期前存在构造变动为大规模平卧皱褶作用，是地壳加厚的根本原因，也是峰期前变质的热动力条件［1］。

3.2.2 峰期变质阶段

峰期阶段典型矿物组合为紫苏辉石+透辉石+角闪石+石榴石+斜长石+石英，是兴和岩群主要矿物组合，该岩系PTt轨迹显示出由峰期前变质阶段到峰期变质阶段为增温增压的过程，是强烈的构造变动和区域性高热流共同作用的结果，使兴和岩群岩石变质为麻粒岩相的岩石。

3.2.3 近等压冷却阶段

其矿物转变为环紫苏辉石边部新生成石榴石和透辉石。区域地质和岩石学研究，结合同位素地球化学研究表明，该阶段变质温压条件与区域性重熔事件关系密切［2］。

结合卢良兆等对该地区的研究,本区兴和岩群在该阶段的变质温度为737-856°、压力为1.09Gpa，因此,具备了发生深熔作用的条件。大量矿物转化证据从岩理学角度证实本区深熔作用的存在，岩石中分布两个世代的石榴石，早阶段的石榴石与紫苏辉石和透辉石共生；晚阶段形成的石榴石，在榴石混合花岗岩中的粒度、形态、消光性和化学成分方面与残留体麻粒岩中的石榴石不同,这点表明榴石混合花岗岩中的石榴石不是岩浆直接结晶所成,而是来源于变质岩中的矿物相,花岗岩中石榴石含量则较残留体榴石二辉麻粒岩中石榴石多的多,且多呈粗大巨晶,使岩石呈现出特殊的斑杂状构造,表明它们在深熔过程中是不断增大和聚集［3］。

3.2.4 峰期后降温降压阶段

这阶段开始的主要标志是PTt向下，显示出降温和降压的特点。麻粒岩中的各种辉石转变为角闪岩相的黄绿色角闪石，表明地壳上升的迹象。这阶段温度较大幅度降低主要反映上地幔释放的热流减弱，是地壳减薄的动力学过程［4］。

通过上述兴和岩群麻粒岩变质PTt轨迹的研究，表明构造环境类似碰撞造山带，既上壳岩由于本身的构造堆垛及相邻地体的仰冲掩覆而进入下部地壳，它们先经历了增温增压的过程；变质峰期后出现的短暂的近等压冷却的变质阶段与区域性重熔事件关系密切；峰期后降温降压阶段，代表地壳减薄的构造环境的温压条件。

参考文献：

[1] 卢良兆.徐学纯.董永胜.中朝克拉通北部早前寒武纪变质作用演化的三种主要样式及其地质动力[J].高校地质学报，1998.Vol.4(1).

[2] 卢良兆.内蒙集宁地区太古宙麻粒岩相变质作用的PTt轨迹及其大地构造意义[J].岩石学学报，1991.4.

[3] 陶继雄.内蒙古卓资山地区榴石混合花岗岩的形成及其深熔作用[J].前寒武纪研究进展，2002.3.

[4] 陆松年.李惠民.前寒武纪大陆壳演化示踪[M]．北京地质出版社，1996.1-6.

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