华北克拉通西山东部新太古宙地壳上覆岩层的变质P–T–t演化及其地质动力学意义

《Precambrian Research》：Metamorphic P–T–t evolution and geodynamic implications of Neoarchean supracrustal rocks in the Western Shandong Province, North China Craton

　　

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  泰山群记录了顺时针方向的P–T路径，处于逆向变温阶段。
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  在角闪岩相中，岩石的峰值变质作用压力约为4.5–5.7千巴，温度为600–680摄氏度。
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  通过独居石U-Pb定年法，可确定该变质事件发生于约25.3–25.0亿年前。
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  针对西山东省地区，有研究提出了一种涉及微大陆聚合的地球动力学模型。

引言

新太古代是许多古老大陆核区地壳生长、改造和克拉通形成的关键时期，被广泛认为是研究显生宙板块构造完全形成之前构造机制的重要阶段（Condie, 2008; Condie et al., 2009; Zhai, 2014, Brown et al., 2020）。太古代克拉通内的构造机制，究竟是水平板块构造还是垂直地幔柱构造，至今仍存在争议，这也是地球科学领域的重要研究问题（Bédard et al., 2003, Zhao and Zhai, 2013, Cawood et al., 2018, Wei, 2018; Yu et al., 2022a）。华北克拉通作为地球上最古老、最大的克拉通之一，保存了大量新太古代花岗岩类、上地壳岩系、变质岩以及构造记录，因此为研究其新太古代的构造热演化提供了重要依据（例如Zhai and Santosh, 2011; Zhao et al., 2012; Zhao and Zhai, 2013）。

西山东省地区位于华北克拉通东部（图1a），是新太古代岩浆岩及上地壳岩类分布较为广泛的典型区域（Wan et al., 2014）。以往的岩石学、地球化学、地质年代学及构造学研究显示，该地区在约27亿年至25亿年之间经历了多次时间间隔较短的岩浆活动和构造热事件，这些事件被解释为不同构造机制的作用结果（例如Du et al., 2003, Du et al., 2005, Wan et al., 2010, Wan et al., 2011, Wan et al., 2012a, Wan et al., 2012b, Wan et al., 2020, Peng et al., 2012, Peng et al., 2013a, Peng et al., 2013b, Wang et al., 2013, Wang et al., 2016a, Wang et al., 2016b, Wang et al., 2017b, Dong et al., 2017, Dong et al., 2021, Sun et al., 2019, Sun et al., 2020, Yu et al., 2021, Yu et al., 2022b, Yu et al., 2025）。有一些研究根据科马提式火山活动、新生地壳的添加以及逆时针方向的P–T路径，推测西山东省地区在新太古代时期以地幔柱主导的构造机制为主，还有研究认为这种机制一直持续到约25亿年前（Su et al., 1997, Zhao et al., 2005, Polat et al., 2006, Wu et al., 2012, Wu et al., 2013, Ren et al., 2016, Zuo et al., 2021, Chen et al., 2025）。与之相反，另有研究基于类似弧形的地球化学特征或与俯冲作用相关的岩浆活动（如圣纳石英岩），认为在约27–26亿年之后，该地区以俯冲作用主导的构造机制占主导地位（Dong et al., 2021, Gao et al., 2018, Gao et al., 2019a, Gao et al., 2019b, Gao et al., 2020, Li et al., 2016, Li et al., 2022, Peng et al., 2012, Peng et al., 2013a, Peng et al., 2013b, Sun et al., 2019, Sun et al., 2020, Wang et al., 2009, Yu et al., 2021, Yu et al., 2022b, Zhang et al., 2024）。还有一类研究着眼于区域构造样式，认为新太古代晚期存在水平构造机制，这种机制可能是由微大陆块的聚合或是远离活跃俯冲边缘的陆内汇聚带所导致的（Zhang et al., 2022）或（Zhang et al., 2025a, 2025b）。因此，西山东省地区在新太古代时期的构造机制，尤其是在约25.5–25.0亿年时的构造机制，至今仍存在争议。变质岩被称为地球演化的“黑箱”（Zhai and Peng, 2020），恢复这些古老变质岩的P–T路径对于理解早期地球的演化过程至关重要（例如England and Thompson, 1984, Harley, 1989, Brown, 2009, Zhao et al., 1998, 2000）。与关于西山东省地区岩石学、地球化学和地质年代学的众多研究相比，针对其变质历史的研究相对较少。尤其是西山东部的一水群，被认为记录了麻粒岩相变质作用以及逆时针方向的P–T路径（Su et al., 1997, Wu et al., 2012, Chen et al., 2025）。而西山东省地区分布最广的上地壳岩系——泰山群的特定特征及其P–T–t演化规律目前了解甚少，这大大限制了人们对西山东省地区新太古代构造演化的理解。

在本研究中，我们对西山东省地区的泰山群上地壳岩进行了详细的岩石学、矿物化学分析，研究了其变质演化特征，并分析了最新的锆石和独居石U-Pb同位素数据，旨在进一步了解华北克拉通东部的新太古代变质特征及构造演化过程。

章节摘要

区域背景

西山东省地区位于华北克拉通东部，形成一条西北-东南走向的带状构造，该带的东端被坦卢断层截断（图1b）。西山东省地区的新太古代基底从东北到西南可分为三条西北-东南走向的带状构造（图1b，Wan et al., 2010, Wan et al., 2014, Wang et al., 2013, Wang et al., 2017b, Zhang et al., 2024, Zuo et al., 2021），其中包括：A带，即晚新太古代的岩浆成因花岗岩带，由25.3–24.9亿年的闪长花岗岩构成，

采样与岩石学特征

本研究从泰山群采集了三份具有代表性的上地壳岩样本（图1b）。这些样本分别是来自七星台地区的含石榴石的硅线石-堇青石片麻岩（23LX05）和含石榴石的角闪岩（23LX06），以及来自燕岭关地区的含石榴石的黑云母-斜长石片麻岩（23LX13）。含石榴石的硅线石-堇青石片麻岩以及

矿物化学分析

在中国合肥工业大学的资源与环境工程学院，使用JEOL JXA-8230型电子探针显微分析仪，对代表性样本中的矿物进行了矿物成分分析及背散射电子图像分析。对于斜长石和云母这类富含钙、钠、钾元素且容易受到束流损伤的矿物，分析时采用的加速电压为15千伏，束流电流为10纳安。而对于其他矿物，则

矿物化学分析

矿物的成分数据列于补充表S1中，石榴石的成分变化曲线则展示在图4中。

相平衡建模

使用GeoPS程序（版本3.4.8566.2862；Xiang and Connolly, 2022），结合Holland和Powell（2011）建立的内部一致的热力学数据库ds62，在MnO-Na?O-CaO-K?O-FeO-MgO-Al?O?-SiO?-H?O-TiO?（MnNCKFMASHT）体系中计算出了P–T假截面。由于23LX05和23LX06样本中这些元素的浓度较低，因此在计算假截面时分别排除了MnO和K?O的影响。而磷灰石中的CaO含量则被纳入了分析范围。

锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年

23LX05样本中锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年分析数据列于补充表S2中，锆石的典型CL图像以及U-Pb一致性图分别展示在图9a和图9b中。这些锆石颗粒大多呈柱状，长度在70–150微米之间。在CL图像中，它们的发光强度较低，且表现出从弱到明显的岩浆振荡带结构，这说明这些锆石源自岩浆。

对该样本的24颗锆石颗粒进行了24次点分析。

西山东省地区新太古代上地壳岩的变质作用

通过相平衡建模和地质热压力学分析，我们发现西山东省地区泰山群的上地壳岩呈现出一致的顺时针方向P–T演化趋势。这些岩石经历了约4.5–5.7千巴/600–700摄氏度的角闪岩相峰值变质作用，之后进入了几乎等温的减压阶段，此时的压力约为3.0–3.2千巴，温度为548–575摄氏度。我们的研究结果与之前在该地区开展的研究一致，那些研究也报道了角闪岩相的峰值变质作用（5.5–5.7

结论

• (1)
  西山东省地区泰山群的新太古代上地壳岩记录了顺时针方向的P–T路径，其特点是先经历了中等至低压力条件下的角闪岩相峰值变质作用（约4.5–5.7千巴/600–700摄氏度），随后进入了近乎等温的减压演化阶段。
• (2)
  通过原位独居石U-Pb定年法，可确定该变质事件发生于约25.3–25.0亿年前。结合碎屑锆石的U-Pb定年结果，可以判断这些上地壳岩的沉积原始岩形成于

作者贡献说明

肖玲玲：论文撰写——初稿撰写、研究工作、数据整理。王国栋：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、研究工作、数据整理。史正：研究工作、定量分析。陈子渊：研究工作、定量分析。李永攀：研究工作、定量分析。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42472080、42572057）以及山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023MD058）的支持。

肖玲玲|王国栋|史正|陈子渊|李永攀