大同-天镇古元古代叠加岩浆岩带-早前寒武纪地质

该带北东向展布于大同—天镇一带，之所以称为叠加岩浆岩带，是因为该带形成于古元古代并叠加在新太古代岩浆岩带之上，主要地质体包括变质花岗闪长岩、变质二长花岗岩和变质辉石正长岩，以变质花岗闪长岩为主，在大同市西北一带分布较为普遍，变质二长花岗岩分布较为零星，多呈规模较小的岩株状产出，变质辉石正长岩则主要见于阳高北山一带。

图3-230　Pearce的微量元素花岗岩的构造环境判别图

a.Nb-Y图解；b.Ta-Yb图解；c.Rb-（Yb+Ta）图解；d.Rb-（Y+Nb）图解

图3-231　花岗岩的Hf-Rb/10-Ta×3构造环境判别图解

（据Harris et al.，1986）

图3-232　花岗岩的Hf-Rb/30-Ta×3构造环境判别图解

（据Harris et al.，1986）

（一）变质花岗闪长岩（Pt1γδ）

1.地质特征

该变质花岗闪长岩主要分布在大同市北西一带，在大同—阳高一线也有少量分布，1∶5万大同测区称为小站花岗岩。岩体多呈规模较小、不规则的岩株状，也见呈带状或宽脉状产出，侵入于葛胡窑片麻岩和峨沟片麻岩中，两者接触界线多数地段与围岩片麻理产状基本一致，在围岩中可见其呈枝脉状穿插其中，内部含有早期岩石的捕虏体。规模最大的侵入体位于古店西，面积达12km2左右。其次为小站花岗岩体，面积达1.7512km2左右。岩体构造变形较弱，内部片麻理构造不太发育，为弱片麻状或块状构造。在岩体边部局部见比较弱的片麻理等定向构造。

2.岩石特征

主要岩石类型为变质花岗闪长岩。岩石一般呈粉红色、肉红色，风化后呈黄白色，中细粒鳞片粒状变晶结构，局部地段为粒变晶结构，块状构造，局部显弱的片麻状构造。主要矿物组成为微斜长石35%～40%，奥长石24%～30%，石英25%～32%，黑云母3%～5%，角闪石2%～7%，少量绿泥石。但这种岩石中长石含量特征与据岩石化学成分确定的岩石类型具有明显的差异，可能与岩石遭受了后期的变质作用与蚀变有关，从而使长石种属的区分不够准确。

3.副矿物特征

变质花岗闪长岩人工重砂副矿物组合为：锆石+磷灰石+磁铁矿+钛铁矿+金红石。

锆石：a×b×c=（0.05～0.24）mm×（0.05～0.24）mm×（0.08～0.45）mm，多数为浅褐色，少数无色和乳白色。晶体为浑圆四方柱和四方双锥的聚形，主要为由四方柱（110）、（100）和四方双锥面（111）以及偏锥面（131）、（311）组成的聚形，晶体表面较为粗糙，呈细小麻点状，有溶蚀坑，个别晶体内含黑色包体。多数透明，少数不透明和半透明，金刚光泽，长宽比一般1∶（1.5～2.5），少数1∶（3～3.5）。

磷灰石：粒径0.05～0.3mm，无色，少数为淡黄色，多数为浑圆状，少数为粒状，透明，玻璃光泽。

磁铁矿：粒径0.02～0.5mm，黑色，不规则的棱角状颗粒，个别为八面体，金属光泽。

黄铁矿：粒径0.02～0.3mm，黄色，不规则的棱角状颗粒，少数为立方体，金属光泽。

金红石：粒径0.05～0.2mm，黑红色、红色，柱状颗粒，半透明，金刚光泽。

钛铁矿：粒径0.05～0.3mm，黑色，不规则的棱角状颗粒，具弱磁性，金属光泽。

黄铜矿：粒径0.15mm，黄铜色，棱角状颗粒，金属光泽。

4.岩石地球化学特征

变质花岗闪长岩主量、微量、稀土元素含量分别见表3-72、表3-73、表3-74。从表3-72可以看出，变质花岗闪长岩18件样品SiO2含量介于66.40%～72.15%之间，平均为68.05%，Al2O3含量介于14.27%～16.45%之间，平均为15.53%，含量偏高。Na2O含量在1.18%～3.30%之间变化，平均为2.35%。K2O含量在1.81%～6.76%之间，平均为3.15%。Na2O+K2O为4.32%～7.94%，平均为5.50%，碱质总量偏低，K2O/Na2O为0.72～5.73，平均为1.51，岩石以略富钾为特征。利用TAS图解（图3-233）对其岩石类型进行判别，主要落于花岗闪长岩区，并显示为亚碱性岩，在An-Ab-Or图解（图3-234）上主体显示为花岗闪长岩，部分样品显示为石英二长岩。在K2O-SiO2图解（图3-235）上显示为钙碱性-高钾钙碱性系列。CaO含量在2.61%～5.66%之间，平均为4.87%，含量偏高。MgO含量介于0.30%～1.88%之间，平均为1.01%，含量偏低。TiO2含量介于0.23%～1.18%之间，平均为0.39%，略显偏低。全铁（=FeO+0.899×Fe2O3）在1.10%～3.77%之间，平均为2.54%，含量偏高，但以Fe2O3含量高为特征。Mg#[Mg#=Mg/（Mg+Fe2+）]（原子数比）为0.53～0.77，平均为0.67，明显偏高，反映其岩浆可能受到了幔源岩浆的混染。A/CNK为0.868～1.153，平均为0.97，为准铝质岩类。

表3-72　大同-天镇古元古代构造岩浆岩带岩石主量元素含量表（%）

续表3-72

注：序号1～8号为变质辉石二长岩；9～24号为变质二长花岗岩；25～45号为变质花岗闪长岩；所有数据均引自1∶5万区调报告。

表3-73　大同-天镇古元古代构造岩浆岩带岩石微量元素含量表（×10-6）

表3-74　大同-天镇古元古代构造岩浆岩带岩石稀土元素含量表（×10-6）

注：表3-72和表3-73中序号1、2号为变质辉石二长岩；3号为变质正长花岗岩；4～15号为变质花岗闪长岩；所有数据均引自1∶5万区调报告。

图3-233　TAS图解

[资料来源：Earth-Science Reviews，vol.37，（1994）：215-224]Ir.Irvine分界线，上方为碱性，下方为亚碱性。
1.橄榄辉长岩；2a.碱性辉长岩；8.二长辉长岩；9.二长闪长岩；14.副长石二长闪长岩；15.副长石二长正长岩

图3-234　An-Ab-Or图解

15件样品微量元素含量特征基本一致，其微量元素原始地幔比值蛛网图（图3-236）呈向右倾斜的多谷型，由不相容元素向相容元素含量明显降低，过渡到相容元素一侧呈近平坦型，含量与原始地幔接近，到强相容元素一侧则又呈现向右陡倾型，高场强元素Th、Nb、Ta、P、Ti亏损明显。

在稀土元素方面，12件样品稀土含量特征基本相同，其∑REE为（74.98～160.58）×10-6，平均为132.93×10-6，含量中等偏高，LREE为（70.92～151.45）×10-6，平均为125.63×10-6，HREE为（4.06～9.13）×10-6，平均为7.30×10-6，LREE/HREE为14.80～21.24，其轻、重稀土分馏程度较高，（La/Sm）N为3.62～5.53，平均为4.44，（Gd/Yb）N为3.00～3.62，平均为3.43，轻稀土分馏程度较重稀土分馏程度略显偏高。δEu为0.70～1.33，平均为0.94，具弱的负铕异常或正铕异常。其球粒陨石标准化配分图（图3-237）呈向右陡倾型，轻、重稀土斜率基本相近，稀土元素特征指示岩浆在上升过程中经历了较明显的结晶分异过程。

图3-235　变质花岗闪长岩系列（Na2O+K2O）-SiO2图解

（实线据Peccerillo et al.，1976；虚线据Middlemost，1985）

5.时代讨论

其侵入时代方面1∶5万大同市4幅联测项目在小站村南采石场取样，经天津地质矿产研究所采用单颗粒锆石U-Pb法获得4个点的上交点年龄为2230±16Ma，其变形较弱的特点和侵入于早前寒武纪变质岩系的接触关系，都表明它形成较晚，应为吕梁期的产物。故认为2230±16Ma可大致代表它的侵入年龄。

图3-236　变质花岗闪长岩微量元素原始地幔标准化比值蛛网图

（原始地幔值据Sun & McDoungh，1995）

图3-237　变质花岗闪长岩稀土元素配分图

（球粒陨石值据Sun & McDoungh，1989）

（二）变质正长花岗岩（Pt1ξγ）

1.地质特征

该变质正长花岗岩多呈脉状侵入于葛胡窑片麻岩、峨沟片麻岩中，脉体规模一般宽小于10m，长一般十数米到上百米，多顺围岩片麻理分布，仅局部地段见斜切围岩片麻理现象。岩株状侵入体仅见于大同市小站村东阳和坡一带，呈一不规则岩株状侵入于葛胡窑片麻岩中，出露面积仅0.15km2。

2.岩石特征

主要岩石类型为变质正长花岗岩。岩石一般呈砖红色，中粒鳞片粒状变晶结构，局部为中粗粒变晶结构，块状构造，局部弱片麻状构造。主要矿物组成为微斜长石40%～50%，斜长石14%～20%，石英25%～30%，黑云母3%～5%，角闪石2%～5%。

3.人工重砂副矿物特征

该变质正长花岗岩人工重砂副矿物组合为锆石+磷灰石+金红石+磁铁矿+黄铁矿。

锆石：a×b×c=（0.03～0.28）mm×（0.03～0.28）mm×（0.05～0.6）mm，多数为浅黄色和褐色，少数无色。晶体多数为浑圆四方柱和四方双锥的聚形，主要为由四方柱（110）、（100）和四方双锥面（111）以及偏锥面（131）、（311）组成的聚形，晶棱、顶角呈浑圆状，透明，少数不透明和半透明，金刚光泽，少量颗粒表面具细小溶蚀坑，未见包体。长宽比多数为1∶（1.5～2.5），少数1∶（3～3.5）。

磷灰石：粒径0.02～0.35mm，多数无色，少数为淡黄色，浑圆状和柱状颗粒，透明，玻璃光泽。

磁铁矿：粒径0.02～0.5mm，黑色，不规则的棱角状颗粒，少数为浑圆状和半浑圆状，个别为八面体和偏八面体，金属光泽。(www.xing528.com)

黄铁矿：粒径0.02～0.3mm，黄色，颗粒碎块，金属光泽。

金红石：粒径0.1～0.25mm，黑红色、红色，不规则的粒状和柱状颗粒，深色不透明，红色半透明，金刚光泽。

4.岩石地球化学特征

该变质正长花岗岩主量、微量、稀土元素含量分别见表3-71、表3-72、表3-73。从表3-71可以看出，变质正长花岗岩19件样品SiO2含量介于64.27%～76.69%之间，平均为72.64%，Al2O3含量介于9.9%～15.75%之间，平均为13.42%，含量较变质花岗闪长岩偏低。Na2O含量在0.5%～4.56%之间变化，平均为2.70%。K2O含量在1.83%～6.76%之间，平均为7.69%。Na2O+K2O为4.37%～10.15%，平均8.15%，碱质总量总体偏高，K2O/Na2O为0.72～13.82，平均为2.02，岩石总体以富钾为特征。用TAS图解（图3-233）对其岩石类型进行判别，主要落于花岗岩区，并显示为亚碱性岩，在An-Ab-Or图解（图3-234）上主体显示为花岗岩。CaO含量在0.46%～3.04%之间，平均为1.71%，含量偏低。MgO含量介于0.15%～1.16%之间，平均为0.53%，含量偏低。TiO2含量介于0.05%～0.28%之间，平均为0.21%，明显偏低。全铁（=FeO+0.899×Fe2O3）在0.29%～4.63%之间，平均为1.70%，含量偏低。Mg#[Mg#=Mg/（Mg+Fe2+）]（原子数比）为0.25～0.76，平均为0.53，较变质花岗闪长岩偏低，反映其岩浆可能受幔源岩浆的混染程度偏低。A/CNK为0.731～2.136，平均为1.031，较变质花岗闪长岩增高，为准铝质岩类。

其微量元素原始地幔比值蛛网图（图3-238）呈向右倾斜的多谷型，由不相容元素向相容元素含量明显降低，过渡到相容元素一侧呈近平坦型，含量与原始地幔接近，到强相容元素一侧则又呈现向右陡倾型，高场强元素Nb、Ta、P、Ti和Sc亏损明显。

在稀土元素方面，其∑REE为388.52×10-6，含量较高，LREE为382.58×10-6，HREE为5.94×10-6，LREE/HREE为64.41，其轻、重稀土分馏程度较高，（La/Sm）N为11.39，（Gd/Yb）N为5.36，轻稀土分馏程度较重稀土分馏程度偏高。δEu为0.94，具弱的负铕异常。其球粒陨石标准化配分图（图3-239）呈向右陡倾型，轻稀土斜率大、重稀土斜率小，稀土元素特征指示岩浆在上升过程中经历了较明显的结晶分异过程。

图3-238　变质正长花岗岩微量元素蛛网图

（原始地幔值据Sun & McDoungh，1995）

图3-239　变质正长花岗岩稀土元素配分图

（球粒陨石值据Sun & McDoungh，1989）

（三）变质辉石二长岩（Pt1ξφ）

1.地质特征

该岩类仅见于大同市幅中东部阳高县北山一带，呈北东向带状展布，以脉状、岩株状侵入于葛胡窑片麻岩中，被辉绿岩脉穿切。产状与围岩片麻理基本一致，宽一般数十米到上千米，延伸长10余千米。

2.岩石特征

岩石一般呈砖红色、褐红色。中细粒花岗変晶结构、块状构造。主要矿物组成为反条纹长石50%～54%，斜长石25%～30%，透辉石1%～15%，角闪石1%～12%，黑云母2%～5%。

3.人工重砂副矿物特征

其人工重砂副矿物组合为锆石+磷灰石+钛铁矿+磁铁矿+赤褐铁矿。

锆石：含量25.84×10-6，粉色、个别玫瑰色，次浑圆—浑圆柱粒状、粒状，透明，金刚光泽，高硬度，晶内可见黑色、红色固相及气液包体，表面受溶蚀，晶棱晶面模糊不清，伸长系数1.0～2.0mm，少数在2.0～3.0之间，粒径为0.02～0.45mm。

磷灰石：含量1031.03×10-6，无色—白色，半自形柱状及断柱状，次浑圆粒状，透明，中硬度，粒径为0.03～0.38mm。

钛铁矿：含量189.53×10-6，黑色，棱角—次棱角块状，次浑圆板粒状，不透明，金属光泽，高硬度，粒径为0.03～0.45mm。

磁铁矿：含量13 589.02×10-6，黑色，棱角—次棱角块状，次浑圆粒状，不透明，金属光泽，高硬度，粒径为0.03～0.60mm。

4.岩石地球化学特征

变质辉石二长岩主量、微量、稀土元素含量分别见表3-71、表3-72、表3-73。从表3-71可以看出，变质正长岩8件样品SiO2含量介于55.60%～59.98%之间，平均为57.77%，Al2O3含量介于17.16%～20.53%之间，平均为18.36%，含量较变质花岗闪长岩和变质正长花岗岩明显偏高。Na2O含量在1.59%～6.31%之间变化，平均为5.28%。K2O含量在3.01%～8.86%之间，平均为4.91%。Na2O+K2O为9.32%～11.93%，平均10.18%，碱质总量总体较高，K2O/Na2O为0.48～5.57，平均为1.36，岩石总体以富钾为特征。用TAS图解（图3-233）对其岩石类型进行判别，主要落于二长岩区，并显示为碱性系列。在Ab′-An-Or碱性系列划分图（图3-240）上主体显示为钾质碱性岩类。CaO含量在2.94%～4.46%之间，平均为3.41%，含量偏高。MgO含量介于0.77%～2.27%之间，平均为1.71%，含量偏高。TiO2含量介于0.45%～1.72%之间，平均为0.79%，略显偏高。全铁（=FeO+0.899×Fe2O3）在3.27%～6.22%之间，平均为4.82%，含量偏高。Mg#[Mg#=Mg/（Mg+Fe2+）]（原子数比）为0.49～0.81，平均为0.59，反映其岩浆可能受到了幔源岩浆的混染。A/CNK为0.731～2.136，平均为0.91，为准铝质岩类。

图3-240　变质辉石二长岩Ab′-An-Or碱性系列划分图

（据Irvine，1971，Ab′=Ab+5/3Ne）

其微量元素原始地幔比值蛛网图（图3-241）呈向右倾斜的多谷型，由不相容元素向相容元素含量明显降低，高场强元素Th、Nb、Ta、P、Ti具一定程度的亏损。

在稀土元素方面，2件样品给出了比较一致的含量特征，∑REE为（264.68～313.41）×10-6，平均为289.04×10-6，含量偏高，LREE为（248.69～298.78）×10-6，平均为273.74×10-6，HREE为（14.63～15.99）×10-6，平均为15.31×10-6，LREE/HREE为15.55～20.42，其轻、重稀土分馏程度较高，（La/Sm）N为3.62～4.03，平均为3.82，（Gd/Yb）N为3.78～4.72，平均为4.25，轻稀土分馏程度较重稀土分馏程度略显偏低。δEu为0.83～0.84，平均0.83，具弱的负铕异常。其球粒陨石标准化配分图（图3-242）呈向右陡倾型，稀土元素特征指示岩浆在上升过程中经历了较明显的结晶分异过程。

图3-241　变质辉石二长岩微量元素原始地幔标准化比值蛛网图

（原始地幔值据Sun & McDoungh，1995）

图3-242　变质辉石二长岩稀土元素配分图

（球粒陨石值据Sun & McDoungh，1989）

5.时代研究

本次工作在山西省阳高县罗文皂镇管家堡北的沟中采集了变质辉石二长岩测年样品（样品号RZTW18），其锆石多呈粒状（图3-243），颗粒较粗，粒径多大于100μm，晶形多完整，棱角状外形。内部结构可分为核部和边部两部分。核部多以暗色为主，发育有模糊不清的振荡环带，具岩浆锆石的特征。甚至个别锆石内部具冷杉状结构，可能为变质改造的结果。个别晶体内部并见细小包体。边部多呈亮白色，较窄，不足20μm，可能为变质增生边，变质增生边和核部之间可能还存在过渡地带，特征为内部结构模糊不清。本次工作对其核部和过渡地带进行了年龄测试，结果表明二者年龄基本相近（表3-75，图3-244），获得20个点207 Pb/206 Pb谐和年龄加权平均为1808±8.1 Ma，且绝大多数测点的Th/U值大于0.1，结合其地质产状与围岩之间的地质关系，认为该年龄可代表其岩浆结晶的时代。

图3-243　阳高县黄土沟一带变质辉石二长岩RZTW18号样品锆石阴极发光图像

表3-75　变质辉石二长岩RZTW18号样品测年结果表

注：1～6号点测试异常已删除。

图3-244　阳高县黄土沟一带变质辉石二长岩（样品号为RZTW18）年龄谐和图（a）和Th-U相关图（b）

（四）大同-天镇古元古代叠加岩浆岩带的岩石成因、构造环境

大同天镇古元古代叠加岩浆岩带形成于古元古代中晚期，岩石在暗色矿物组成上普遍含有角闪石，变质辉石二长岩中还见有辉石，其副矿物组合基本一致，为锆石+磷灰石+磁铁矿+钛铁矿+金红石型，具有幔源岩浆的矿物组成特征。在岩石化学方面，Mg#普遍偏高，同样也显示了幔源岩浆的印记。微量元素方面，以高场强元素Nb、Ta、P、Ti亏损为特征，稀土元素普遍无明显的负铕异常，这些特征均显示了壳幔岩浆混合的特征。

在图3-245上，变质花岗闪长岩显示为基性岩的部分熔融，变质二长花岗岩显示为变质砂岩的部分熔融，变质辉石二长岩源岩与基性岩的部分熔融有关。虽然上述结论可能存在偏差，但起码说明，区内变质花岗闪长岩、变质正长花岗岩、变质辉石正长岩在源区成分上存在明显的差异。

图3-245　A/FM-C/FM图

（据Alther R et al.，2000）

变质花岗闪长岩为钙碱性-高钾钙碱性系列，准铝质岩类，虽然在图3-245上显示为基性岩的部分熔融，但Roberts（1993）根据大量的实验资料指出，高钾的I型花岗质类岩浆只能由地壳中含水的钙碱性到高钾钙碱性、镁铁质到中性的变质岩石部分熔融而产生，因为各种变玄武质岩石的K2O含量低，所以把它们作为源岩是不合适的。并指出，I型钙碱性岩浆作用也未必总是与俯冲消减过程有关。结合本区的地质背景，区内广泛分布有新太古代闪长质-石英闪长质片麻岩体，在受到地幔岩浆加热作用的条件下发生部分熔融，有可能形成变质花岗闪长岩的源岩岩浆。这一成因可能也得到了岩石矿物学、岩石地球化学特征方面的支持。

变质正长花岗岩更多是以脉状地质体产出，与围岩界线渐变有之，截然者亦有之，据此认为其可能与古元古代变质重熔作用有关。

变质辉石二长岩属于钾质碱性岩石系列，无负铕异常或弱的负铕异常，这种特征被认为是加厚的陆壳底部形成的。

大同-天镇古元古代叠加岩浆岩带形成时代跨度大，不同时期的地质体可能形成于不同的构造环境中，但各个地质体均发育有弱的片麻状构造，并经历了角闪岩相的变质，说明其形成于古元古代吕梁运动之前，可能属于造山花岗岩类，其中变质花岗闪长岩在Hf-Rb/10-Ta×3和Hf-Rb/30-Ta×3判别图解（图3-246）上投点均落于火山弧花岗岩区，结合其侵入于葛胡窑片麻岩中，认为其可能为大陆边缘弧的构造环境。变质正长花岗岩在Maniar & Piccoli（1989）构造环境判别图（图3-247）上投点落于后造山花岗岩区，这一结果与区域构造演化相吻合，变质辉石二长岩形成时代最晚，也为造山后的构造环境。

图3-246　变质花岗闪长岩的Hf-Rb/10-Ta×3（a）和Hf-Rb/30-Ta×3（b）判别图解

（据Harris et al.，1986）

图3-247　Maniar & Piccoli（1989）构造环境判别图

IAG.岛弧花岗岩类；CAG.大陆弧花岗岩类；CCG.大陆碰撞花岗岩类；POG.后造山花岗岩类；RRG.与裂谷有关的花岗岩类；CEUG.与大陆的造陆抬升有关的花岗岩类