燕山运动“绪动/A幕”的本意及其锆石U-Pb年代学制约

2014-04-22李海龙张宏仁渠洪杰蔡向民王猛

地质论评 2014年5期

李海龙,张宏仁,渠洪杰,蔡向民,王猛

1) 中国地质科学院地质力学研究所，北京，100081；2) 中华人民共和国国土资源部，北京，100812； 3) 北京市地质调查研究院，北京，102206； 4) 中国五矿集团公司五矿勘查开发有限公司，北京，100044

内容提要: “燕山运动”提出已有90余年。该概念从产生之日到现在一直存在着巨大争论。本文首先回顾了该概念的原始含义及其存在的逻辑问题。翁文灏将燕山运动分为三个阶段：“绪动”阶段、即A幕；火山幕、或称为中间幕；B幕。“绪动/A幕”的本意指上火山岩系下部砾岩与煤系地层之间的不整合事件。需强调翁文灏所谓的上火山岩系包括了主体的火山岩和火山岩之下的砾岩。这套砾岩在辽西为海房沟组、在北京西山为龙门—九龙山组。翁文灏认为砾岩产生于燕山运动的“绪动/A幕”，但“绪动/A幕”与“火山幕”的关系翁文灏认为难以阐述清楚。翁文灏在提出燕山运动(Yenshan movement)之后、丁文江提出了燕山期运动(Yenshanian movement)的名词。后续的研究者多因循“燕山期运动”的思想，但在中文表述中几乎只使用“燕山运动”的文字表述，这造成了逻辑上理解的差异，二者显然是不同的概念范畴，需予以区分。理清原始概念之后，本文通过位于北京西山雁翅镇田村、淤白村附近的钻孔和探槽，揭露出北京西山九龙山组底部的一套厚约12m火山凝灰岩。凝灰岩之下发育一套砾径可达2m、碳酸岩质的砾岩，与其下寒武纪地层呈不整合接触，代表“绪动/A幕”的不整合面。凝灰岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学测试揭示了154Ma和161Ma两期年龄，前者限定了九龙山组的底界年龄，后者可能代表了“绪动/A幕”发生的最早火山响应。最后本文依据不整合面穿时性特点指出位于龙门—九龙山组砾岩之下的不整合面在空间上应收敛于髫髻山组火山岩之下的不整合面。而龙门—九龙山组砾岩与髫髻山组火山岩具有同时异相的空间特征。

“燕山运动”系翁文灏在北京西山和辽西北票一带工作基础上提出的(Wong,1926, 1927, 1929; 翁文灏,1928)，至今已有九十多年。北京西山资料获得始于1916年，在章鸿钊、翁文灏和丁文江的组织和领导下，由叶良辅、王竹泉、朱庭祜等13个学员分段对北京西山地质情况进行勘测，最终由叶良辅1919年执笔汇编而成，取名为《北京西山地质志》，再由丁、翁、章三人及安特生等人校正(朱庭祜,1951)，正式发布于1920年(叶良辅,1920)，这是中国第一部地质调查报告。图1为北京西山地质简图，其总体构造特征为北东向的向斜。在该向斜内，发育丰富的中—晚中生代地层。在这些地层中，翁文灏厘定出髫髻山火山岩下的区域不整合面，并与位于辽西火山岩之下的不整合面进行对比，指出这一不整合面适合于整个中国东部，具有重要的意义，因在燕山发现，故命名为燕山运动。然而燕山运动的概念从提出之日就存在巨大争论，存在着不同的分类方案(Wong,1929; 谢家荣,1933)。翁文灏使用Yenshan movement一词，该词有着浓厚的地理含义(Wong,1926, 1927)。后来，丁文江(1929)建议使用Yenshanian movement一词，即燕山期变形。采取如此命名是因为丁文江强调这期变形比翁文灏设想的还要强烈、还要广泛，甚至与东亚的侏罗纪—白垩纪的构造变形有关。Yenshan movement和Yenshanian movement显然是不同的概念范畴，然而中文表达只用“燕山运动”一词，时至今日，这经常造成理解上的混乱(Davis, et al.,1998, 2001)。

图1 北京西山地质简图 (据鲍亦冈，2001，修改)Fig. 1 Simplified geologic map of the Western Hills, Beijing (after Bao Yigang, 2001)

后续对燕山运动的研究实际上因循了Yenshanian movement的定义，即燕山期构造运动。研究范围也扩展到燕山以外，如强调这期变形是 “东亚多向汇聚”构造体制及其形成的广泛陆内造山和构造变革(董树文等,2000, 2008, 2007)；是中国东部近东西向的特提斯构造域向北北东向的滨太平洋构造域的转换(赵越等,2004)。Davis等(2001)均将其视为秦岭洋的闭合，蒙古鄂霍茨克海的闭合、以及太平洋向中国东部的俯冲所带来的远程应力。另外，有从东部高原的角度(张旗等,2001)，从板内变形(张长厚,1999, 2004)，从克拉通破坏(吴福元等,2008; Zhu Rixiang et al.,2012)，从事件地质(张宏仁,1998, 2013)等角度对燕山运动产生、及其动力学背景进行重要的探索和有益的讨论。

值得说明的是90年代以来的许多研究忽视了燕山运动原始定义和含义，对于前期大量的文献、特别是60年代之前的重要文献可谓引用者甚多而研读者寥寥，这也是对燕山运动产生认识分歧的原因之一。本文在重新梳理原始文献中有关燕山运动、燕山运动绪动、燕山运动分期等概念的基本含义、基本内涵及时空限制的基础上，在野外地质调查、钻孔、探槽所揭示的岩石地层序列的基础上，结合锆石测年并参考前人的测年数据重新勾画了燕山运动不整合面及其上相关沉积物的时空框架。

1 翁文灏与“燕山运动”

1.1 “燕山运动”的提出

北京西山的侏罗纪陆相地层序列最早由叶良辅等(1920)厘定。大致可分为两套旋回，由杏石口砾岩—南大岭火山岩—窑坡煤系地层为一旋回；龙门—九龙山组砾岩—髫髻山组火山岩—土城子砾岩及粉砂岩为第二旋回。南大岭火山岩系后北京西山发育沼泽或湖相沉积，含有煤系地层。随后由一套递进沉积序列碎屑岩组成，下部为砾岩与粗砂岩，向上变为砂岩到粉砂岩(张岳桥等,2007)，再上为一套火山岩建造。这一套建造自下而上就被命名为龙门组砾岩、九龙山组砾岩、髫髻山组火山岩。龙门组的为快速粗砾堆积，磨拉石建造, 区域展布并不稳定(赵越等, 1990, 2004)。龙门组之上为九龙山组，在北京西山一带沉积巨厚，岩性以陆相碎屑岩夹火山碎屑岩，底部见砾岩并凝灰岩，总体为紫红、灰绿色凝灰质细砂岩、粉砂岩及砾岩。再上为髫髻山组岩性为暗紫、紫褐和灰绿色安山岩、角闪安山岩、辉石安山岩、安山质熔岩角砾岩、安山角砾岩、安山集块岩夹紫红、灰褐色及灰绿色砂岩、砾岩、粉砂岩和泥岩等。

Wong (1926, 1927)注意到在北京西山髫髻山组火山岩覆盖在不同时代的地层之上，这表明在髫髻山火山岩沉积之前，区域上曾发生过重大的变形和剥蚀。继而作者论述了这一事件在中国东部的巨大影响，巨大到足以为它专门起一个名字的程度。由于它首先在北京西山(古燕国地)被认定，故将其称为燕山运动。

1.2 燕山运动“绪动”的提出及其本意

燕山运动提出后在地质界掀起了惊涛骇浪，这不必赘述。然而，在对辽西北票地区地层划分和区域构造研究的基础上，翁文灏(1928)又提出了“燕山运动绪动”的概念。翁文灏(1928)与谭锡畴(1926)将辽西中生代地层划分为下火山岩系、下煤系地层、上煤系地层和上火山岩系。上煤系地层即北票组。需要说明的是上火山岩系并未单纯指现今地层单元的蓝旗组火山岩，而包含了海房沟组砾岩。翁文灏(1928)对上火山岩系有如下论述：“上火山岩系之岩石殊极复杂，而多变化。然而底部砾石之存在则殊甚确定。其中以花岗岩、片麻岩所成者为最多。今上火山岩系之底部砾岩所含砾石乃独多太古界物，足见当其沉积之时，附近地方必有侵蚀甚深之山地，致最老岩石已被冲刷而成砾石。其间必经过一变动时期其重要性不可忽视也。底部砾岩最大约不过80公尺，其上为凝灰岩和熔岩。”同时，翁氏描述到：“本地地史在侏罗纪以前已久涌起成陆，至上煤系末(笔者按：北票组沉积之后)地壳运动已复萌动，升降既多、侵蚀加速，故有上火山岩系下之不整合，此殆为中生代地壳大运动之绪动(殆意为大概)。经此绪动火山喷出极烈，遂成上火山岩系。”在这段文字中，翁文灏使用了“火山岩系”，它岩性复杂，主体为上部的火山岩和底部砾岩组成。绪动不整合面位于火山岩系、而仅非火山岩之下，也就是在辽西位于海房沟组之下。

翁文灏(1928)再次论述道：“按之北票地质则知所谓燕山期者应相当于上煤系及上火山岩系间之不整合，仅为绪动期间，而主要运动则为时尚稍后。”这样，翁文灏不仅谈到“绪动”，还强调“绪动”之后还有一“主动幕”：“经此绪动，火山喷出极烈当火山爆发之时，地壳运动或仍缓缓继进折曲及横移现象因之发生。虽因主要动以后之地层缺乏观测，不能知此主要动究应先于何时，然就先后之关系思之，则吾颇以为上火山岩系前与其后之二期运动不能相去过远，毋宁谓为同一地壳运动之先后二期。”

通过以上文字可了解翁文灏将燕山运动分为“绪动”和“主动”两期。绪动有三个特点：① 绪动表现为地块的垂向剧烈升降并剧烈剥蚀；② 绪动形成区域的不整合面；火山岩大规模喷发系绪动之直接后果；③ 绪动之后为主动期，二者时代应较为接近。

翁氏的思路可简单概括如下：绪动(地壳激烈升降)——随后火山岩巨量喷发——大型褶曲与横移(主动期)。

1.3 燕山运动的分期方案

翁文灏1929年系统总结了自己三年来的工作，发表了题为《中国东部中生代造山运动》的论文，将燕山运动系统分为A幕、中间幕、B幕(Wong,1929)。

A期地壳变动：此期在侏罗纪之末或白垩纪之初，地层起宽缓之折曲或坳曲，大部分倾斜不甚急，而局部的上下升降则颇大。(笔者按：翁文灏的原意是褶皱变形不发育，而垂向升降明显，即断裂活动为主)。翁文灏的认识后续得到了发展，如任纪舜指出燕山运动以脆性断裂为主，但他同时还指出，燕山运动是压倒一切的构造运动，中国的主要大地构造单元雏形基本形成(任纪舜等,1990)。

中间火山期：大多数地方在白垩纪之初，火山喷发甚盛，亦有少数地方从侏罗纪之终，火山作用即已开始。其岩石先为安山岩，渐变为粗面岩，或流纹岩，更继以花岗岩及闪长岩之侵入。

B期地壳变动：火山作用之后，地壳变动复烈，而在特别地带更发生剧烈褶曲与逆掩构造。

将此分类与翁文灏1928年辽西工作进行比较不难发现，燕山运动的A幕对应于“绪动”，火山大规模喷发是中间期，B幕是“主动期”，即大型褶曲和推覆构造的出现。

1.4 翁文灏对“主动期”的疑惑与燕山事件的提出

翁文灏一方面强调绪动时地壳剧烈升降并剥蚀、造成区域不整合面、又引起火山岩喷发，显然绪动已经够强烈了。同时翁文灏又提出了绪动之后还有一主动期，表现出更为强烈的构造变形。但行文之间，翁氏颇感疑惑，他在《中国东部中生代造山运动》一文中提出一个颇具玩味的问题：“即在华北、华中，吾所谓A，B二期，究竟孰最重要，余前后所述固已犹夷其辞(笔者注：犹夷意犹豫，此处指作者对结论的不确定)。实地考察竟尚不甚明了，有待于详勘重证者，何可胜道？(Wong,1929)” 这说明在经过多年工作之后，翁文灏首先怀疑自己的划分方案，特别是如何认识“绪动”这个问题上翁文灏更是疑惑不解。张宏仁1997年在中国地质学会年会上发表了题名为《“燕山运动主幕”及其他》的演讲稿(内部资料，未刊印)，该演讲稿中提出了“燕山事件”的初步认识。张宏仁(1998)正式提出“燕山事件”的概念，并且试图从地质突变的角度探讨燕山运动的发生背景。该文强调燕山运动如同一次强大脉冲，影响并制约了嗣后的构造变形(张宏仁,1998)。张宏仁等(2013)明确将“绪动”定义为燕山运动的主幕，燕山事件的思想与对翁文灏“绪动”的思想从某种程度上是相通的。

虽然现在普遍认为燕山运动A幕是东亚构造体制之巨大转折，对其后中国东部的构造变形具有深远影响，其在生物、矿产、环境等方面的影响甚剧，不可能是印支运动的后效(董树文等,2007; 赵越等,2004)。但是A幕和B幕之间具有怎样的关系呢？Wong(1929)不仅怀疑A、B二期孰最重要，甚至还怀疑二期是否具有直接的成因联系。翁文灏注意到燕山运动B期造成的褶曲方向有向南、向北、西北等方向，作者论述到：“中生代造山运动即可细分A、B二期，各期褶曲之方向相同乎、否乎？”这里面有两个问题需要澄清。第一，翁文灏定义的B幕时间上可能横跨了晚侏罗世晚期和早白垩世，从构造运动的方向上，确实存在应力场方向的改变。第二，翁文灏观测B幕的褶曲方向采用了冀北、辽西、山西、秦岭等地的数据。所以褶皱走向的不同的可能是由于多向块体汇聚造成(董树文等,2008)。

综上可知，以地层单元为划分依据，燕山运动绪动(A幕)指的是从地壳响应, 即砾岩沉积到火山岩开始喷发为止的短暂的地质历史时期，中间幕就是火山岩大规模持续喷发的时期。由于后续对燕山运动的研究实际上主要是在论述A幕和中间幕，所以明确翁文灏对A幕定义的本意显得非常重要。A幕形成的不整合面代表了燕山运动的初始不整合面，也是绪动的不整合面。这样一个不整合面具有怎样的时空界限呢？

2 燕山运动时空界限

2.1 燕山运动时间界定(以岩石地层单元为根据)

燕山运动有着明确的时间限制。在20世纪20年代由于缺乏足够的高精度测年数据，时间地层单元的划分是依据古生物标准的，地层的划分是依据层序地层单元的。

在厘定燕山运动起始变形不整合面上，翁文灏给后人留下了一个小小的疑问，即辽西和北京西山确定燕山运动不整合面时出现了不同的方案。

辽西的下火山岩系、下煤系地层、上煤系地层和上火山岩系四套地层间存在两个重要的不整合面，即下火山岩系之下的不整合面和上煤系地层与上火山岩系地层之间的不整合面。翁文灏(1928)并没有否定前者不整合的存在，而是强调后者实为一大变动——即燕山运动形成的初始不整合面。他列举的理由：下火山岩系地层砾石“虽亦时见，然砾体不大，绝少太古界花岗岩(仅为间断期，并未有褶曲变形)；上火山岩系的砾石成分较之前多为太古界地层，同时粒径甚大，磨圆也极差，表明侵蚀极其剧烈。前文已述在辽西的上火山岩系实际上包括了海房沟组砾岩。也就是说翁文灏确定的燕山运动不整合面在北票煤系之上，海房沟组砾岩之下。

海房沟组砾岩在北京西山对应于龙门—九龙山组砾岩。然而在北京西山，Wong(1926, 1929)划分的燕山运动A幕并未直接确定在煤系地层之上，而是在髫髻山组与九龙山组之间。理由是在北京西山则强调髫髻山组覆盖在不同时代地层之上(最老为元古界地层)，表明期间必有一大变动。关于九龙山组翁文灏并未做任何解释，这就使得在煤系地层和髫髻山组火山岩之间出现了无法解释的九龙山组砾岩。

目前，在北京西山的地层中，还有一套无法解释的龙门组砾岩。经过张宏仁等(2013)详细考证发现：叶良辅(1920)在北京西山的填图中也出现了一个小的疏漏，他发现在九龙山组底部存在两套砾岩，并将上部砾岩划分为九龙山组，下部砾岩划分为窑坡组，但未给出将这两套砾岩分开的理由。王竹泉为了谨慎起见，将下部砾岩从窑坡组上部划分开，命名为龙门组砾岩(Wang et al.,1933)，同时王竹泉表示，他并未看出这两套砾岩的差别，提出龙门组仅仅是谨慎的考虑。这就是龙门组的来历，实际上龙门组与九龙山组本就是一套地层(张宏仁等,2013)。这套地层应该与上火山岩系的底部砾岩相对应，故本文有时使用龙门—九龙山组的名称。

将燕山运动不整合面划分为煤系地层之上、火山岩系地层之下(底部含砾岩)是翁文灏在辽西工作的结论，辽西是翁文灏参与实际详细考察的主要地点，应代表他的本意。黄汲清(1945)指出髫髻山组相当于部分九龙山组，两者时代相差不多，九龙山组前和髻髻山组前的不整合是一个东西。所以燕山运动的A期划为上火山岩系与煤系地层之间，应是对这一问题合理的解释，也与翁文灏将火山岩系和煤系划分的本意相符。此后，赵宗溥(1963)将九龙山(含龙门组)与髫髻山明确合并为上火山岩系，并且进行了详尽的论述和地层对比(赵宗溥,1963)(见表1)。所以，在北京西山，燕山运动绪动的不整合面也应在上火山岩系的下面，煤系地层的上面。最新大量研究从地球化学、沉积学的角度也证实了将燕山运动不整合面划分于煤系地层之上的合理性(李振宏等,2013; Li, et al.,2013)。

表1 燕山地壳中生代地层划分及其沉积建造对比表(据赵宗溥, 1963)Table 1 ComparisonTable of the Mesozoic strata and sedimentary formation in the Yanshan Mountains (after Zhao Zongfu, 1963)

2.2 燕山运动的空间界定

尽管翁文灏有关燕山运动的论文中一再强调燕山运动代表中国东部地壳之大变动。但并没有明确指出燕山运动的空间格架。目前，国内主流观点认为燕山运动构造线方向呈现北北东走向。那么这一认识又从何而来呢？

黄汲清在《关于震旦运动》一文中说：“翁文灏先生研究中国构造，断定东部造山运动多成于中生代晚期，因其在北平西山一带所见最为明显故名之曰燕山运动，其后丁文江(1929)、谢家荣(1933)二先生又从而推广修正之。各家意见虽略有出入，均认定燕山运动有时间上之特征而无空间上之限制(黄汲清,1947)。”黄先生谓其“无空间上之限制”算是一语中的。黄汲清(1945)在《中国主要地质构造单位》一书中将古生代以来中国之主要造山运动分为三类：太平洋式；古亚洲式；特提斯喜马拉雅式。“太平洋式之主要造山运动，就时期言属于燕山运动，但不以燕山运动为限。就动向而言，太平洋式之构造大都为震旦运动，但亦不以震旦运动为限。”应该说黄汲清是最早将燕山运动与北东向构造格架、与古亚洲构造域真正联系起来的学者。

图2 北京西山门头沟雁翅地区地质简图、剖面图及钻孔位置图Fig. 2 Geological map and profiles of the Yanchi area, Mentougou, Western Hills, Beijing, and location of the drilling hole

北东向构造的最早阐释者是A. W. Grabau，即葛利普教授，他使用了Cathaysian Geosyncline 一词表述呈北东展布的东亚古大陆特点 (Grabau,1924)。李四光借用Cathaysian创造了Neocathaysian(新华夏式)，是以湖南广西一带的发育特征、表示北东20°走向的褶皱的研究依据的(Li,1939)。实际上，李四光(1947)也承认这一构造特征与Richthofen(1877)(李希霍芬)所谓的兴安构造线是一回事，即震旦方向。然而，李四光在新华夏构造的提出时并未论述它的时间含义。黄汲清(1947)指出李四光所谓的华夏构造线即中生代造山运动所造成之东北西南走向之构造线，并暗示华夏构造线、兴安岭构造线均是燕山运动的结果。另外，章鸿钊(1936)也认为燕山运动所形成的褶曲即使北东南西走向。

通过以上文字可知，在1949年之前有关燕山运动的时空格架已经非常清晰。时间格架：上火山岩系地层与上煤系地层煤系地层之间的不整合(上火山岩系的底砾岩在北京西山为龙门—九龙山组，在北票为海房沟组)；空间格架上：中国东部甚至东亚北东向构造的发育(华南的华夏式构造线与华北的兴安岭构造线)。这应该是燕山运动最基本的内涵，准确的说这样的时空格架只适用于对燕山运动“绪动”(A幕)的探讨上。显然，燕山运动由翁文灏先生提出，但是黄汲清先生对燕山运动的时空理解最为准确和明晰。

3 钻孔与探槽揭示

理清燕山运动A幕/绪动的本意之后，最关键的问题将是确定这期变形的起始时代。为此在髫髻山向斜的北翼雁翅镇一带进行了详细的地质调查。

图3 北京西山门头沟雁翅地区钻孔柱状图

Fig. 3 Columnar section of the drill hole in Yanchi area, Mentougou, Western Hills, Beijing

此钻孔可见，在九龙山组之下为一条火山凝灰岩有12m厚，再之下为一套砾岩，底部砾石有2m长，总厚度超过50m，这套地层应对应于龙门组砾岩

In the drilling hole, the tuff is about 12m thick and the underlying conglomerate over 50m which belong to the Longmen Formation

图4 北京西山门头沟雁翅淤白村九龙山组底部探槽及火山凝灰岩的野外及显微特征: (a) 未挖探槽的火山凝灰岩野外产状；(b) 野外探槽，凝灰岩之下为石炭纪粉砂岩；(c) 火山凝灰岩显微特征，内部发育斜长石斑晶Fig. 4 The field view and microscopic characteristics of the tuff in the exploratory trench near Yubai village, Yanchi area, Mentougou, Western Hills, Beijing: (a) filed view of the tuff; (b) exploratory trench of the tuff. Under the tuff is the Carboniferous sandstone; (c) microscopic characteristics of the tuff

本文重点介绍钻孔、探槽和部分地质调查工作。钻孔位于门头沟雁翅镇、201县道旁侧田村附近，海拔高度418m(N40°04′13"，E115°53′32.4")。本文首次通过钻孔和探槽工作均在九龙山组底部发现一套火山凝灰岩。火山凝灰岩上部为紫红色火山碎屑岩、火山质沉积岩，1∶5万雁翅幅地质图将其界定为九龙山组。钻孔穿过岩石主要由三部分组成：浅部第四系坡积地层，主要为黄土和砂土，厚度1.8m左右。其下为侏罗系九龙山组安山岩、火山角砾岩、砾岩、凝灰岩等，埋深159m。再下为奥陶系灰岩。其凝灰岩呈灰绿色、浅绿色，凝灰岩之下发育厚约40m的砾岩，砾石为寒武纪竹叶状灰岩、鲕粒灰岩等，局部可见砂岩。砾径30～80cm，至大有超过2m的砾石。砾石结构成熟度较差，反映了近源快速堆积特征。这套砾石不整合于其下寒武纪地层之上，代表了燕山运动绪动形成的不整合面。目前这套凝灰岩是目前在北京西山发现最靠近燕山运动绪动发生时间的火山物质(图3)。在雁翅镇淤白村附近，探槽揭示这套火山凝灰岩覆盖于石炭纪清水涧组砂岩之上(图2剖面b)，厚约12m。清水涧组为区域广泛分布的砂岩，该点产状为118°/18°。火山凝灰岩之上为九龙山组砾岩，砾石成分总体为碳酸盐岩，局部见石英岩，夹砂岩透镜体及粉砂岩层，产状96°/24°。显微镜下可见斜长石斑晶和石英斑晶(图4)。本次工作对这套火山岩进行采样，分离出锆石单矿物并进行了年代学测试。

4 实验方法及测试结果

4.1 测试方法

为了精确确定燕山运动绪动的时代，本文对九龙山组底部的火山凝灰岩进行了采样，(样品YS002-2)对这个样品挑选了锆石，锆石样品是采用常规的浮选和电磁选方法进行分选的。阴极发光反映出锆石大致可以分为两类，大多数锆石表现为自形短柱状，长宽比为2∶1～3∶2，内部结构表现为清晣的振荡环带，说明为岩浆成因。第二类类锆石为他形，环带不清晰。此次重点对第一类环带清晰，结晶完整的锆石进行分析。锆石分别在中国地质科学院测试研究所的北京离子探针中心和中国地质科学院矿产资源研究所成矿作用与资源评价重点实验室进行了SHRIMP和LA-ICP-MS U-Pb测年。

表2 北京西山门头沟雁翅淤白村探槽九龙山组底部火山凝灰岩样品YS002-2中锆石SHRIMP U-Pb测试结果Table 2 SHRIMP U-Pb analytical results of zircons form the tuff sample YS002-2 at the bottom of the Jiulongshan Formation in the exploratory trench near Yubai village, Yanchi area, Mentougou, Western Hills, Beijing

锆石SHRIMP U-Pb测试分析使用北京离子探针中心高灵敏度高分辨率离子探针测试。首先在双目镜下挑选晶形完好的锆石颗粒，和标准锆石TEM粘贴在环氧树脂表面(TEM标准锆石的标准值为417Ma)，抛光后制成样靶。再进行测试前首先对待测锆石进行透射光、反射光以及阴极发光和背散射显微照像，并对锆石的生长特征进行研究。然后将样品靶清洗、镀金后，在SHRIMP 离子探针上根据实验室规范程序进行测定，测定程序见宋彪等(2002)。样品数据与图形处理分别采用SQUID和ISOPLOT软件处理(Ludwig,2003)。普通Pb采用204Pb校正，标准样品和未知样品的普通Pb校正用的417Ma模型给出：n(207Pb)/n(206Pb)=0.864,n(208Pb)/n(206Pb)= 2.097,n(206Pb)/n(204Pb)= 18.052。北京离子探针中心的高灵敏度高分辨率离子探针SHRIMP离子束的直径可控制在30～20μm之间，常常小于锆石颗粒边部岩浆结晶过程中形成的增生锆石部分的宽度，也常常小于颗粒核部继承性锆石的直径，因此，所获得的年龄数据可以比较确定的代表岩浆结晶年龄或者继承性锆石的年龄。测试结果见表2。

LA-ICP-MS测年所用仪器为德国Finnigan 公司生产的Neptune型激光接收等离子体质谱，并结合美国NEW Wave公司生产的UP213nm激光剥蚀系统，激光剥蚀所用斑束直径为25μm，频率为10Hz，能量密度为2.5J/cm2，以He为载气。U、Th含量以锆石M127(U:923×10-6；Th：439×10-6；Th/U:0.475)为外标进行校正。测试过程中每测定5个样品点前后重复测量两次锆石标样GJ-1和一次锆石标样Plesovice。对分析测试的离线处理(包括对样品和空白信号的选择，仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U—Th—Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal 8.3版本完成(Liu Yongsheng et al., 2010a, b)。锆石年龄和谐图用Isoplot 3.0 程序获得。测试结果见表3。

表3北京西山门头沟雁翅淤白村探槽九龙山组底部火山凝灰岩样品YS002-3中锆石的LA-ICP-MS方法测试结果

Table3LA-ICP-MSU-PbanalyticalresultsofzirconsformthetuffsampleYS002-3atthebottomoftheJiulongshanFormationintheexploratorytrenchnearYubaivillage,Yanchiarea,Mentougou,WesternHills,Beijing

点号元素含量Pb总238U232Th(×10-6)ThU同位素比值年龄(Ma)n(207Pb)n(206Pb)n(207Pb)n(235U)n(206Pb)n(238U)n(207Pb)n(206Pb)n(207Pb)n(235U)n(206Pb)n(238U)测值误差(%)测值误差(%)测值误差(%)测值±1σ测值±1σ测值±1σ谐和度0112.461852871.550.0506 1.13 0.1697 1.11 0.02440.53 233.4028.70159.151.63155.310.8297%0222.3557611.070.0505 1.82 0.1798 1.83 0.02590.73 220.4442.58167.892.84164.681.1998%0319.971222472.020.0504 1.30 0.1680 1.35 0.02420.61 213.0429.62157.711.97154.280.9397%0411.69951251.320.0515 1.65 0.1704 1.55 0.02410.64 261.1832.41159.802.29153.730.9896%0516.012493881.560.0500 0.99 0.1694 1.05 0.02460.48 194.5324.07158.931.55156.820.7498%0610.7867951.420.0505 1.93 0.1784 1.82 0.02580.75 220.4444.44166.722.79163.951.2198%0736.401953331.710.0501 1.02 0.1673 0.99 0.02430.59 211.1928.70157.071.44154.610.8998%08129.303819602.520.0778 2.55 0.2700 2.72 0.02510.54 1142.6046.14242.735.88159.640.8558%0916.382813811.360.0506 1.17 0.1690 1.37 0.02420.47 233.4025.92158.532.01154.200.7297%104.5498880.890.0504 1.43 0.1709 1.40 0.02460.65 216.7433.33160.162.08156.891.0197%115.821421441.020.0530 4.40 0.1945 6.79 0.02610.69 327.8499.99180.4911.23166.171.1391%123.55123770.620.0518 1.18 0.1761 1.19 0.02470.58 275.9927.78164.711.80157.350.9095%1322.471953851.970.0479 0.99 0.1686 1.12 0.02550.58 94.5419.44158.241.64162.550.9297%1410.1090670.750.0495 1.48 0.1713 1.51 0.02520.57 168.605.56160.572.24160.170.9099%1512.062382411.010.0497 0.79 0.1725 0.82 0.02520.48 188.9718.52161.581.22160.570.7699%1619.151481661.120.0501 1.12 0.1750 1.05 0.02540.62 211.1928.70163.731.58161.790.9898%1711.621973581.810.0485 0.88 0.1689 0.95 0.02530.46 124.1620.37158.441.39160.770.7298%1851.8274914511.940.0504 0.49 0.1762 0.66 0.02530.45 216.7411.11164.741.00161.240.7197%196.811542291.490.0501 1.11 0.1669 1.08 0.02420.52 211.1928.70156.731.57154.200.7998%202.6173741.010.0498 1.64 0.1753 1.58 0.02560.69 183.4243.51164.022.39163.161.1199%2148.9644515543.490.0495 0.58 0.1720 0.64 0.02520.46 172.3110.19161.150.96160.460.7299%2230.513678082.200.0487 0.71 0.1678 0.80 0.02500.46 200.0816.67157.471.17159.000.7299%2322.703937481.900.0535 0.77 0.1801 0.87 0.02440.36 350.0618.52168.191.35155.530.5692%243.581191010.850.0498 1.21 0.1724 1.22 0.02510.55 187.1225.00161.481.82160.080.8699%251.4165440.670.0513 1.84 0.1803 1.82 0.02560.62 253.7742.59168.292.82162.841.0096%262.81110900.820.0505 1.31 0.1761 1.30 0.02540.52 216.7434.25164.691.97161.460.8298%2717.832116843.240.0505 0.99 0.1761 0.97 0.02540.45 216.7422.22164.741.47161.380.7197%2810.601101090.990.0518 1.41 0.1838 1.30 0.02580.54 279.6926.85171.312.05164.340.8795%2915.05781101.400.0514 1.51 0.1840 1.47 0.02600.57 261.1830.55171.492.32165.580.9496%304.3857831.440.0517 1.73 0.1887 1.64 0.02660.70 272.2945.37175.562.65169.341.1696%3165.3966920593.080.0502 0.55 0.1782 0.58 0.02580.44 205.6312.96166.470.90163.970.7198%329.971121631.460.0512 2.42 0.1874 2.60 0.02660.52 255.6255.55174.394.17169.070.8796%338.922192941.340.0501 0.87 0.1772 0.89 0.02570.46 198.2320.37165.611.36163.580.7498%344.031351491.100.0519 1.23 0.1838 1.18 0.02580.57 279.6927.78171.351.86164.280.9395%3520.863777411.960.0490 0.63 0.1728 0.67 0.02560.40 146.3817.59161.821.00163.050.6499%3623.4758450.770.0515 1.78 0.1833 1.64 0.02600.64 261.1840.74170.902.57165.441.0596%3724.282222000.900.0484 0.86 0.1676 0.85 0.02510.49 120.4620.37157.341.24160.080.7898%3821.143574711.320.0488 0.70 0.1681 0.79 0.02500.43 138.9821.30157.801.15158.980.6799%397.46921501.630.0509 1.37 0.1778 1.23 0.02550.72 235.2526.85166.171.88162.391.1597%4054.8247211292.390.0514 0.78 0.1774 0.86 0.02500.53 257.4718.52165.821.32159.470.8396%4123.76951471.550.0519 1.31 0.1954 1.38 0.02740.72 279.6929.63181.262.29174.141.2395%4210.171893341.770.0481 0.87 0.1665 0.96 0.02510.56 105.6520.37156.381.40160.040.8997%4339.213219052.820.0509 0.78 0.1705 0.81 0.02440.61 235.2518.52159.831.20155.140.9497%446.121001771.770.0569 1.11 0.2001 1.34 0.02550.68 487.0828.70185.252.27162.321.0986%4516.9235330.940.0484 2.19 0.1697 2.44 0.02551.26 116.7651.85159.143.59162.532.0297%4616.032912680.920.0483 0.81 0.1711 1.04 0.02570.77 122.3115.74160.331.54163.811.2497%4722.205925470.920.0489 0.51 0.1621 0.70 0.02410.55 142.6812.96152.560.99153.370.8399%487.101992011.010.0491 0.88 0.1701 1.17 0.02520.91 153.7912.03159.521.72160.151.4599%4926.153289953.030.0494 0.66 0.1655 1.12 0.02441.00 164.9019.44155.531.61155.161.5399%5012.3037270.740.0489 2.17 0.1696 2.50 0.02511.35 142.6845.37159.083.68160.022.1399%

4.2 测试结果

YS002-2锆石形态显示多为短柱状或长柱状粒状，自形程度较好，长50～100μm，宽50～80μm。阴极发光电子图像(CL)显示锆石具韵律震荡环带结构，反映出典型的岩浆锆石成因(图5)。有些锆石呈他形，可能来自围岩的捕虏晶或原岩中的残留锆石。选择具韵律环带的岩浆锆石，利用SHRIMPⅡ进行了21个点的定年分析，这些点Th含量总体变化于100～500μg/g，U含量总体<900μg/g，Th/U比值变化于1～2(表2)。14个测试点的获得了161.5±3.1Ma的加权平均年龄(图6)。对该年龄的计算中，舍去了3.1、4.1、8.1、10.1 、19.1 五个误差较大、但却相对年轻的测试点。然而从理论上讲样品中最年轻的锆石应该代表火山岩形成的年龄，哪怕只有一颗。所以有必要对该样品重新测试。

图5 北京西山门头沟雁翅淤白村探槽九龙山组底部火山凝灰岩样品火山凝灰岩YS002-2的锆石CL图像Fig. 5 CL images of zircons form the tuff sample YS002-2 at the bottom of the Jiulongshan Formation in the exploratory trench near Yubai village, Yanchi area, Mentougou, Western Hills, Beijing

对该凝灰岩本文进行了重新采样(YS002-3，表3)。LA- ICP-MS在测试中用时较少，在同样的费用下可以测取更多的点。二次实验对该样品测试了80个点，测试点总体位于谐和线上或附近(图7)。新的测试结果可识别出两组峰值年龄，一组年龄的加权平均值为153.76±0.54Ma(MSWD=1.5，n=43 )，另一组年龄的加权平均值为161.32±0.68Ma(MSWD=5.5，n=24)。这两组年龄的锆石在形态上并无差异，这套火山凝灰岩也并未发生变质，而测试点均位于锆石的震荡环带以内。测试过程也符合相关流程、结果可信度较高。161Ma和154Ma两个峰期年龄表明火山的脉动式喷发过程。从数据可知，北京西山田村、淤白村一带九龙山组底部的火山凝灰岩的喷发时代为154Ma，但是该火山物质中携带了大量、甚至更多的是161Ma的火山物质。说明这套154Ma左右喷发的火山凝灰岩同时也记录了该区161Ma火山活动的存在。

图6 北京西山门头沟雁翅淤白村探槽九龙山组底部火山凝灰岩样品YS002-2中锆石的SHRIMP U-Pb测年结果Fig. 6 SHRIMP U-Pb dating of zircons form the tuff sample YS002-2 at the bottom of the Jiulongshan Formation in the exploratory trench near Yubai village, Yanchi area, Mentougou, Western Hills, Beijing

5 讨论

5.1 火山凝灰岩的两期年龄及其启示

图7 北京西山门头沟雁翅淤白村探槽九龙山组底部火山凝灰岩样品YS002-3中锆石的LA- ICP-MS测年结果Fig. 7 LA- ICP-MS U-Pb dating of zircons form the tuff sample YS002-3 at the bottom of the Jiulongshan Formation in the exploratory trench near Yubai village, Yanchi area, Mentougou, Western Hills, Beijing

本文报道的凝灰岩厚约12m，钻孔揭示出其内部无杂质，呈现均一的灰、灰绿色，无沉积搬运形成的层理，这说明它距离火山口并不远。从火山喷发的过程而言，它应是一期火山喷发的结果。然而，SHRIMP U-Pb和LA- ICP-MS的测试结果均获得了两组年龄，如何解释这一现象呢？其实，在一期岩浆时间或火山事件中存在两期甚至多期锆石的现象在国际上已经收到了广泛研究，典型的例子就是Tuolumne Intrusive Suite岩体的多期阶段性侵位，其岩浆房中存在96～85Ma不同时期的岩浆锆石(Kistler et al.,1986; Glazner et al.,2004; Coleman et al.,2004)。这些锆石在形态上并无明显差异，只是在同位素年代学方面确实可以区分。Miller等(2007)对同一个样品中多期锆石进行了详细的分类，本文不再赘述，需要强调的是，即使不考虑岩浆喷发过程中捕获了早期岩石中的锆石，在同一岩浆房中仍可以存在不同世代的锆石，其年龄差异可能只有几个、或十几个百万年。此类现象可能记录了早期喷发的、仍旧保留在岩浆房中的锆石被重新吸收到新的喷发事件中(Bacon et al.,2005)。

对于火山岩或岩浆岩，由于继承锆石问题、或者岩浆的捕获作用，同一个样品中存在多组U-Pb年龄的现象在锆石测年中比较普遍。但是令实验者比较难处理的是在测年中出现年龄偏小的测试点。例如，赵越等(2006)对南大岭组玄武岩进行了SHRIMP U-Pb定年，获得了174Ma的加权平均年龄，但数据中存在一颗171Ma的锆石，尽管如此，赵越还是无法排除约171 Ma的锆石结晶年龄是否为南大岭组玄武岩的形成年龄。这是非常谨慎的科学态度。

笔者对九龙山底部的凝灰岩首先使用了SHRIMP U-Pb测试了21个点，发现了五个相对比较年轻的测试点，这几个点是否能代表该火山凝灰岩的真正喷发时代呢？笔者抱着尝试的想法再通过LA- ICP-MS进行了约80点的测试。确认SHRIMP测试中出现的相对年轻的测试点代表了凝灰岩真正的喷发时代。鉴于该经验，笔者再次仔细阅读前人文献，特别是发表在一些高级别刊物上的文章，类似于本文SHRIMP U-Pb测年结果的现象比较普遍，但均未引起重视。暂时仅举与髫髻山组有关的两个实例。张宏等(2008)对髫髻山组的研究中列举了五个样品的测试结果，其中CY03-1一共13个测试点，有效点的加权平均年龄为154Ma，但原始数据存在两个144Ma左右异常年轻的测试点，其原因原文并未予以解释；CD05-1一共24个测试点，加权平均年龄为164.4Ma，原始数据中存在139Ma、146Ma、145Ma、149Ma、151Ma五个异常点，最大误差点有将近10%。刘健等(2006)对冀北髫髻山组研究中，XBC09一共20个测试点，加权平均年龄为155.5Ma，原始数据中存在134Ma左右的三颗锆石年龄。这些异常年轻的测试点是否代表了火山岩真正喷发的时代呢？本文将这些前人的数据罗列于此并非否定其工作成果，只是从方法上提出不同的见解。这次实验让笔者重新思考一个问题：Davis(2005)发现整个燕山九龙山组、髫髻山组、土城子组的同位素年代学极为混乱，存在重叠现象，他认为这可能是由于地层对比的问题造成的。那么有没有是存在第二种可能呢，即年代学测试本身可能存在巨大的问题。本文的研究实例暗示有必要对目前的年代学资料进行统一的评述，这显然是深入研究的基础。

5.2 陆相地层的同时异相性与不整合面的穿时性

陆相地层的“同时异相”和不整合面的穿时性是地质构造最为重要的特征。由于变形递进、盆地迁移等因素，构造运动可形成一个或多个分布有限的不整合面。这些不整合面在空间上最终可收敛于一个主不整合面。在北京西山中—晚侏罗纪地层中可以发现三个不整合面。髫髻山组之下、九龙山组之下、龙门组之下的不整合面。那么如何理解这三个不整合面的空间关系呢？

髫髻山组与其下地层的不整合面在区域上最为明显，它覆盖于不同地层之上。髫髻山组之下为九龙山组，关于二者的关系前文已经论述过，即九龙山组为上火山岩系的底部砾岩(赵宗溥,1963; 翁文灏,1928)，髫髻山组相当于部分九龙山组，两者时代相差不多(黄汲清1945)，龙山组为一种古代扇形冲积层，故各处之岩性，变迁颇著(谢家荣，1933)。而九龙山组前和髻髻山组前的不整合是一个东西(黄汲清,1945; 赵宗溥,1963; 朱庭祜,1951)。髫髻山组为面状喷发，火山物质可以最早沉积于盆地低洼处并完好保存，然而在盆地边缘的剥蚀区火山物质并非能保留下来或只能部分保留下来。所以，九龙山组自下而上火山物质是逐渐加多的，而髫髻山组底部的沉积物质是逐渐减少的。九龙山组之下为龙门组，关于龙门组的来历颇为曲折，张宏仁等(2013)系统考证了龙门组的来源并对它的意义进行了说明：简言之，龙门组实际上是九龙山组的下部砾岩，是因为叶良辅(1920)的错误划分和王竹泉(1933)的谨慎处理而出现的。九龙山组与龙门组之下的不整合面实际上也是同一回事(张宏仁等, 2013)。

图8给出了在中—晚侏罗世时期砾岩和火山岩所形成的时空特征——龙门组、九龙山组、髫髻山组之下的三个不整合面最终均收敛于髫髻山组下的不整合面(图8a、b)。在该示意图中，笔者等首先认为燕山运动的不整合面首先是一个穿时面(图8b)，应从龙门—九龙山组开始沉积到髫髻山组喷发结束为止(图8b)。“A幕/绪动”的不整合面是燕山运动不整合面的一小部分，是燕山运动开启时的响应(图8b)，指的是上火山岩系(含下部砾岩)与煤系地层之间的角度不整合面。从这个角度而言，绪动的本意就是指这一局部不整合事件。“绪动/A幕”的角度不整合面在北京西山应位于窑坡组煤系地层之上，在山西位于大同煤系地层之上，在冀东位于下花园组之上，在辽西位于北票组之上；煤系地层之上为一套区域上可供对比的砾岩，山西为云岗组, 北京西山为龙门组, 辽西为海房沟组(赵宗溥1963及其参考文献；张宏仁等2013)。

沉积响应是动力学的表现，火山响应是热力学表现，理想的模型中二者具有准同时性。但因为沉积响应本质体现了地貌的响应，比起火山等深部作用更为明显和敏感，所以往往沉积响应会略早一些。年代学数据表明北京西山的九龙山组沉积应不老于154Ma左右，这与Yang Jinhui 等(2006)的测年结果相同，所以龙门组应早于154Ma。如髫髻山大规模喷发时代是158Ma的认识成立(赵越等,2004)，那么可以认为龙门组的开始沉积也应略早于158Ma。赵越等(2004)和刘健等(2006)针对髫髻山组火山岩的底部年龄做过统计，最老的年龄也为161Ma(Ar-Ar，燕山中段)，本文新的年代学数据同时发现了161Ma的火山事件的存在。假如燕山运动的热力学过程和动力学过程, 即火山响应和构造地貌响应同时，那么认为龙门组的沉积时代介于158～161Ma比较合理。总之，本文认为髫髻山组开始喷发, 与龙门—九龙山组开始沉积宏观上是同时异相的，只是火山岩越演越烈，后来占据了主导地位，这样的认识与北京西山观测到的三者地层叠置关系不矛盾(图8b)。北京西山陆相地层复杂的时空关系可以成为认识陆相地层同时异相性的一个典型实例。

图8 龙门—九龙山组和髫髻山组的时空表现特征Fig. 8 Temporal and spatial characteristics of the Tiaojishan Formation, the Jiulongshan and Longmen Formation 在该图中本文采用以下数据：东岭台底界年龄130Ma、髫髻山顶界年龄137Ma(袁洪林等,2005)，髫髻山三段底界年龄为147Ma(李伍平等,2001)，北京西山九龙山顶界年龄为147Ma(Yang Jinhui et al.,2006)，北京西山九龙山底界年龄为154Ma(Yang Jinhui et al.,2006)，髫髻山组一段底界年龄在158Ma(赵越等，2004，未见原始数据) In theFigure, we used these data as follows: The bottom boundary age of the Donglingtai Formation is about 130Ma(Yuan Honglin et al , 2005); the top boundary age of the Tiaojianshan Formation is about 137Ma(Yuan Honglin et al., 2005); the bottom boundary age of the third section of the Tiaojishan Formation is about 147Ma (Li Wuping et al., 2001); the top boundary age of the Jiulongshan Formation is about 147Ma(Yang Jinhui et al.,2006); the bottom boundary age of the Jiulongshan Formation is about 154Ma(Yang Jinhui et al.,2006) and 154Ma(this paper); the bottom boundary age of the Tiaojishan Formation is about 158Ma (Zhao Yue et al., 2004)

6 初步结论

(1) 目前文献中大量出现的“燕山运动/Yenshan movemen/Yanshan movement ”实际上因循着 “燕山期运动/Yenshanian movement/Yanshanian movement”的思想。二者显然是不同的概念范畴，需予以区分。

(2) 燕山运动“A幕/绪动”的概念是指位于北京西山和辽西等地中—晚侏罗世火山岩系地层下部砾岩与煤系地层之间的一个不整合事件。在北京西山表现为龙门组与窑坡煤系地层之间, 在辽西表现为海房沟组砾岩与北票煤系地层之间的不整合面。该事件造成地壳的强烈升降与快速剥蚀。

(3) 燕山运动具有NE向的空间特征是在20纪50年代之前的共识、延续至今。

(4) 北京西山的髫髻山组火山岩、九龙山—龙门组砾岩具有同时异相性。髫髻山组、九龙山组和龙门组之下的三个不整合面在空间上最终收敛于髫髻山组之下的不整合面(图8)。

(5) 探槽和钻孔首次揭示出北京西山九龙山组底部发现一套厚约12m的火山凝灰岩、时代为154Ma，给出了北京西山一带九龙山组的底界年龄。同时该火山凝灰岩中记录了161Ma的火山事件的存在，可能是“绪动/A幕”在北京西山最早的火山响应。

致谢：本文野外、室内工作多次得到地质力学研究所赵越研究员、杨振宇研究员、张岳桥研究员、胡健民研究员，中国地质大学(北京)张长厚教授，北京市地质调查局张磊博士的帮助; 在SHRIMP U-Pb测试中得到刘建辉博士、颉颃强博士的帮助， ICP-LA-MS测试中得到侯可军博士的帮助; 在项目实施中得到了朱府升硕士的帮助; 袁洪林教授、董云鹏教授和章雨旭研究员先后审阅文稿，并提出许多修改建议; 在此一并表示衷心的感谢。