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华北克拉通古/中元古代界线和相关地质问题讨论*

2015-03-15赵太平邓小芹胡国辉周艳艳彭澎翟明国1

岩石学报 2015年6期
关键词:克拉通火山岩锆石

赵太平 邓小芹 胡国辉 周艳艳 彭澎 翟明国1,

ZHAO TaiPing1,2,DENG XiaoQin2,3,HU GuoHui4,ZHOU YanYan5,PENG Peng5 and ZHAI MingGuo1,5

1. 西北大学大陆动力学国家重点实验室,西安 710069

2. 中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室,广州 510640

3. 中国科学院大学,北京 100049

4. 中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081

5. 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室,北京 100029

1. State Key Laboratory of Continental Dynamics,Northwest University,Xi’an 710069,China

2. Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny,Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China

3. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

4. Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China

5. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

2015-03-30 收稿,2015-05-15 改回

1 华北克拉通长城系的底界年龄

在地球演化发展史上,从18 到16 亿年,全球构造格局、古地理环境及生物演化发生重要变革。该时期,全球范围内的碰撞造山作用(如澳大利亚Kimban 造山事件)结束,哥伦比亚(Columbia)超大陆形成,并首次出现有核原生生物(Knoll et al.,2006),随之发生广泛的盖层沉积(如澳大利亚北部的McArthur 盆地),以及哥伦比亚超大陆的裂解和有性繁殖的进化等(Rogers and Santosh,2002;Zhao et al.,2002a)。

就全球地质演化历史而言,结晶基底的形成标志着古元古代的结束,而稳定盖层的发育标志着中元古代的开始。在国际地层年表上,古元古代末期(18 ~16 亿年)被称之为“固结纪”(Statherian)。在华北克拉通,一般认为“吕梁运动”是结晶基底最终形成的标志性构造-热事件(赵宗溥,1993;白瑾等,1996),此后开始发育以长城系为代表的地台型沉积盖层。其中,燕辽地区发育的中-新元古代地层剖面,基本未受变质作用影响,顶、底界线非常清晰,被认为是中国出露最好、最连续的沉积盖层(陈晋镳等,1980,1999)。正因此,天津蓟县中-新元古代地层剖面成为我国第一个国家级地质类自然保护区(1984 年经国务院批准)(图1),并一直被作为我国中-新元古界的标准剖面。

长城系的沉积代表中元古代的开始,这是我国地质界长期以来的共识。长城系作为华北克拉通稳定沉积盖层的起点,但其底界年龄(18 亿年,陈晋镳等,1980,1999)与国际地层年表古/中元古界地层的界线(16 亿年)相差达2 亿年(图1),以至于在中外文献中对中国18 ~16 亿年间的地质记录长期表述方式的混乱,分别是“中元古”、“Paleo-proterozoic”或“Late Paleo-proterozoic”。究其原因,主要有:①普遍认为华北克拉通基底的形成或最终克拉通化是以“吕梁运动”的结束作为标志,结晶基底中最晚期的变质年龄不晚于18 亿年;②长城系的底界年龄(18 亿年)一直缺乏可靠的数据,而对华北克拉通范围内稳定盖层发育的起始时间及相应的代表性沉积记录,尚无统一的认识;③对华北克拉通“吕梁运动”之后由基底到盖层的演化及构造体制转折的动力学过程等见解不一,对该时期所发生的地质事件也缺少精细的年代学制约。

图1 国际地层年表和我国华北南部熊耳群与天津蓟县长城系-蓟县系剖面示意图国际地层年表据ICS(2014);我国华北南部熊耳群与天津蓟县长城系-蓟县剖面据综合资料汇总Fig.1 International Chronostratigraphic Chart and schematic stratigraphic column of the Xiong’er Group in the southern NCC and the Changcheng-Jixian Systems in the NCC

对于华北北部蓟县剖面长城系的底界年龄,许多研究者做了大量工作(钟富道,1977;陈晋镳等,1980,1999;王松山等,1995),但结果并不理想。21 世纪初锆石微区原位定年技术的发展给这一问题的解决提供了新的契机。万渝生等(2003)利用SHRIMP 测定了常州沟组砂砾岩碎屑锆石U-Pb年龄,得到了最小峰值为1805 ±25 Ma,提出该组的初始沉积时代很可能在18 ~17.5 亿年。彭澎等(2011)从密云水库附近分布的岩墙群中分选出大量的斜锆石,用同位素稀释法获得其207Pb/206Pb 年龄为1731 ±4Ma。根据该岩墙被长城系底部常州沟组底砾岩不整合覆盖,认为这一年龄限定常州沟组沉积起始时代晚于1731Ma,建议将长城系起始沉积时代定为17.3 亿年或稍晚。和政军等(2011a,b)在密云大城子乡杨各庄北部发现环斑花岗岩的古风化壳-碎屑岩,并利用SHRIMP 和LA-ICP-MS 对古风化壳上部的粗碎屑岩进行了碎屑锆石U-Pb 年龄测定,分别获得1682 ±20Ma 和1708 ±6Ma 的年龄数据。从形成时间来看,这套岩石应属于“前常州沟期(组)”,测年结果显示长城系常州沟组的底界年龄应小于16.8 亿年。同时,李怀坤等(2011)、Li et al. (2013)在北京密云大龙门村发现花岗斑岩岩脉,利用LA-ICPMS 锆石U-Pb 法获得~16.7 亿年的年龄,稍晚于附近的沙厂环斑花岗岩主体就位时间(约16.8 亿年)(郁建华等,1996;杨进辉等,2005;高维等,2008);由于这条岩脉和周围片麻岩共同被常州沟组沉积岩覆盖,岩脉的侵位年龄被认为能限定上覆的常州沟组含砾砂岩的初始沉积年龄。张艳斌等(待刊资料)最近从串岭沟组中的磷钇矿获得SIMS Pb-Pb 年龄1716Ma,认为长城系的沉积起始时限至少大于1716Ma。

就华北克拉通而言,对于长城系下伏的结晶基底的变质年龄,普遍认为在18 亿年左右,如王松山等(1995)测定长城系下伏变质岩系中角闪石、斜长石、黑云母的形成年龄分别为1794 ±1.7Ma、1798 ±2Ma、1782 ±3Ma。目前虽然还没有获得精确且被一致认可的长城系起始沉积年龄,但大体在17亿年左右。另一个关键问题是,天津蓟县剖面长城系的底界年龄能否作为华北克拉通中元古界的底界年龄?考虑到华北克拉通不同地区盖层沉积开始发育的时间可能存在区域性的差异,除蓟县剖面及其附近地区以外,华北克拉通其它地区有无连续的18 ~17 亿年的火山-沉积记录?

图2 “传统的”华北南部中-新元古代地层分区和划分对比(据关保德等,1988;河南省地质矿产局,1989)Fig.2 The“traditional”stratigraphic division and correlation scheme of the Meso-Neoproterozoic strata in the southern NCC (after Guan et al.,1988;BGMRH,1989)

2 华北克拉通18 ~16 亿年期间的火山-沉积记录在南部地区最广泛、最完整

传统观点认为,华北克拉通的最终稳定固结主要与古元古代末期的“吕梁运动”有关(赵宗溥,1993),表现为太古宙基底上沉积的古元古代沉积地层发生了广泛的变质变形。在华北南部,这套地层在不同地区分别被命名为中条群-担山石群、银鱼沟群、嵩山群、铁铜沟组等,还有一些近年来从太古宙杂岩体中解体出来的古元古代的沉积岩系——“上太华群”。不整合覆盖于这套古元古代变质地层和太古宙结晶基底上的是一套厚达3 ~7km、野外露头面积约7000km2、分布范围至少60000km2的熊耳群火山岩系(赵太平和金成伟,1999;Zhao et al.,2002b)。

我国地质界一直认为长城系是华北克拉通结晶基底之上第一套稳定的盖层型沉积。20 世纪90 年代以前,由于缺少可靠的年龄数据,都把熊耳群火山岩和长城系的大红峪组火山岩相对比(图2)。赵太平等(2004)应用SHRIMP 方法对熊耳群中的英安-流纹斑岩和同期的次火山-侵入岩多个样品进行了锆石U-Pb 定年,认为熊耳群形成于18 ~17.5 亿年。其后,又有许多学者对熊耳群火山岩以及可能同期的岩墙群或次火山岩、侵入体等的年龄进行了测试(Peng et al.,2005,2008;Peng,2015;He et al.,2009,2010;Cui et al.,2011,2013;Wang et al.,2010),所获得的锆石U-Pb 年龄基本都在17.8 或17.6 亿年左右。对山西吕梁地区汉高山群下部的小两岭组火山岩,也被认为是与熊耳群火山岩在形成时代和成因上相当(徐勇航等,2008);乔秀夫和王彦斌(2014)分别以SHRIMP 和LA-ICP-MS 方法获得锆石U-Pb 年龄,均为17.8亿年。因此,关于熊耳群火山岩系的形成时代,可以确定为18 ~17.5 亿年。

不整合在熊耳群之上的中-新元古代的地层非常发育(关保德等,1988;河南省地质矿产局,1989),但不同地区的岩石组合特征差异明显,前人划分出三个不同的地层小区:嵩箕地层小区、渑池-确山地层小区和熊耳山地层小区。豫陕交界的小秦岭地区中-新元古代沉积建造和熊耳山地区的非常相似(关保德等,1988;河南省地质矿产局,1989)(图2),1987 年国务院批准在陕西洛南县建立了小秦岭元古界标准剖面,是继1985 年在天津市蓟县建立的元古界标准地层剖面后的第二个国家级地质自然保护区。

图3 华北克拉通18 ~16 亿年岩浆岩的分布及其锆石年龄(底图据Peng et al.,2011)Fig.3 Distribution of major igneous rocks (1.8 ~1.6Ga)in the NCC and their zircon U-Pb ages (after Peng et al.,2011)

由于缺少古生物化石和同位素年龄资料,对华北南部不同地层小区中-新元古代地层的对比和划分,以及如何与华北中-北部地区的进行对比,一直有不同认识和看法(关保德等,1988;河南省地质矿产局,1989;周洪瑞等,1998;高林志等,2008,2009,2011;苏文博,2014)。如,李钦仲等(1985)根据官道口群下部高山河组的岩性组合及其所含的叠层石特征,认为它可能与长城系相当;不少学者和区调资料建议将高山河组石英砂岩和上覆的碳酸盐岩地层分开,单独命名为高山河群。王同和(1995)从地震资料分析,认为长城系大红峪组与西阳河群(在山西省中条山地区,熊耳群被称为西阳河群)并不相当,因为在山西霍山以东的永乐附近,长城系明显超覆于熊耳群之上,且沉积范围有所扩大。赵澄林等(1997)认为汝阳群与长城系具有相同的岩石组合和沉积旋回,汝阳群上部北大尖组与长城系上部的碳酸盐岩中的叠层石组合相似。此外,山西省地调院新的1∶25 万区调工作将河南林州豫晋交界一带出露的一套碎屑岩厘定为长城系,分别称为常州沟组、赵家庄组和大河组,而这三套岩石组合可以很好地与汝阳地区汝阳群的云梦山、白草坪、北大尖3 个组对应。此外,作者和河南省地质调查院的新近研究资料都表明:①兵马沟组与小沟背组相当,均为山间盆地相砾岩-砂砾岩-砂岩;②在嵩山地区发现有熊耳群火山岩及同期的次火山-侵入岩。因此直接覆盖在熊耳群之上的是三套具有不同岩性组合特征的中-新元古代的地层(图2)。

上述三套地层的起始年龄,目前还没有可靠资料。Zhu et al.(2011)曾经报道豫西官道口群高山河组下部砂岩的碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb 年龄,最小年龄峰值约18.5 亿年,但这并不能限定该套碎屑岩的起始沉积时代。在高山河组和云梦山组底部都发育一套和大红峪组类似的粗玄岩。作者与高林志(私人通讯)曾多次尝试,但均未能获得可靠的年龄数据;也有学者获得新元古甚至古生代、中生代的锆石UPb 年龄资料,但均未被广泛认可。苏文博等(2012)运用LAICP-MS 方法,对河南汝州阳坡村附近洛峪口组中部凝灰岩夹层开展了锆石U-Pb 定年,获得了1611 ±8Ma 的年龄,认为汝阳群-洛峪群的形成年代限定为17.5 ~16 亿年之间。然而,1611 ±8Ma 的锆石是否可能是继承性锆石,洛峪口组是否形成于16 亿年前,还需要进一步证实。许多研究者从遗迹化石、沉积作用等方面开展了研究,并和蓟县中-新元古界对比,多认为汝阳群相当于蓟县系(周洪瑞等,1998;黄秀等,2010)。作者近期获得一批汝阳群云梦山组底部(分别在山西垣曲、河南济源和鲁山)和嵩山地区五佛山群底部碎屑锆石U-Pb 年龄,所有样品的最年轻的锆石年龄都是介于17.1~16.8 亿年之间,表明华北南部覆盖于熊耳群之上的中-新元古代沉积建造的起始年龄也是在17 亿年左右或更晚,在时间上与蓟县剖面的长城系相当(胡国辉等,2012;Hu et al.,2014;以及作者的未刊资料)。

值得指出的是,在华北南部熊耳群火山岩系发育前后都有陆源碎屑岩的沉积。熊耳群底部大古石组在局部地区发育,由一套河湖相砂岩-泥岩组成(徐勇航等,2008);不整合覆盖于熊耳群之上的高山河组底部和小沟背组、兵马沟组都有一套砾岩和杂砂岩沉积,表明在熊耳群火山喷发前后,华北南部地区发生了区域性的构造运动,处于隆升并接受剥蚀物沉积的古地理环境。

另外,18 ~16 亿年期间,在华北南部发育多期次、多种类的侵入岩,如A-型花岗岩、正长岩和基性岩墙等(图3)。它们的形成时代和成因研究,是探讨该时期壳-幔作用过程及地球动力学演化的重要切入点。

上述资料表明,华北南部发育早于天津蓟县剖面长城系的地层——熊耳群,填补了从结晶基底形成到稳定蓟县剖面长城系开始发育期间的地质记录空白,记录了这一段时间内的地质演化过程。华北南部地区也完整发育与天津蓟县的长城系-蓟县系-青白口系相当的地层。所有这些地质记录,相较于华北其它地区,更为丰富、完整。因此,精细研究华北南部地区18 ~16 亿年期间的岩浆-沉积作用,是解决华北克拉通该时期地质演化过程的关键,也是最理想的研究地区。

3 古/中元古代地质界线及相关问题

18 ~16 亿年是全球范围内克拉通结晶基底形成并接受稳定盖层沉积的转折期。在华北克拉通前寒武纪演化历史中,“吕梁运动”是一次具有“分水岭”意义的构造-热事件,之前形成的结晶基底普遍发生变质作用并具强烈的褶皱,而之后形成的盖层则基本未发生变质,且变形轻微。因此,长期以来一直认为长城系是华北克拉通结晶基底上的第一盖层,并以长城系的发育作为中元古代的开始。

目前对长城系的底界年龄还没有取得共识,也存在沉积起始年龄有穿时的可能(Li et al.,2013)。已有成果的取样位置多局限于天津蓟县长城系-蓟县系标准剖面或附近,未必代表最早沉积的“长城系底部”,缺少华北其它地区同时期地层的资料。然而,华北克拉通18 ~16 亿年的火山-沉积记录在其南部地区最广泛、最完整,熊耳群火山岩系填补了地层记录从结晶基底形成到蓟县剖面长城系发育期间的地质记录空白。如果说以覆盖于变质结晶基底上的未变质的沉积岩的发育作为古/中元古代的分界,那么熊耳群火山岩系底部发育的稳定的河湖相砂岩-泥岩沉积(大古石组)(18 ~17.6 亿年,作者的未刊资料)起始年龄作为华北克拉通古/中元古代的分界年龄要比蓟县剖面的长城系的起始沉积年龄(<17.3 亿年)更为合适。因此,如果以18 亿年作为古/中元古代的分界年龄,它对华北克拉通而言的地质含义不是蓟县剖面长城系的底界年龄而是熊耳群火山岩系的底界年龄,熊耳群火山岩系底部的大古石组代表华北克拉通结晶基底上最早期的、没有变质的稳定沉积。

国际地层年表中古/中元古代分界年龄为16 亿年,在华北克拉通的地质记录中,目前有可靠年龄资料的是蓟县剖面高于庄组和大红峪组的分界。李怀坤等(2010)从北京延庆高于庄组张家峪亚组上部凝灰岩中获得的锆石1559 ±12 Ma的SHRIMP U-Pb 年龄和1560 ±5Ma 的LA-MC-ICPMS U-Pb年龄,结合早先大红峪组火山岩的锆石U-Pb 年龄(1622 ~1625Ma),将高于庄组的底界年龄限定在1600Ma 左右,建议将华北中元古界蓟县系的底界下拉到高于庄组底界,并对应于国际中元古界的盖层系,认为高于庄组与大红峪组之间的界线可作为蓟县系与长城系的分界标志。新近的资料也证实,高于庄组以下地层中获得的锆石年龄资料也都表明它们是大于16 亿年的。如,张拴宏等(2013)获得平谷熊耳寨团山子组上部钾质火山岩的锆石年龄为1641 ±4Ma,蓟县青山岭侵位于串岭沟组地层内的闪长玢岩脉的锆石年龄为1634±9Ma,因而认为燕辽拗拉槽(裂谷)钾质火山岩的喷发开始于~1640Ma,并在大红峪期(~1625Ma)达到高潮。李怀坤等(2010)认为,高于庄组与下伏地层既有连续沉积,又存在平行不整合接触,一些地区还出现高于庄组超覆在下伏不同地层之上的现象,据此将高于庄组划归到蓟县群。从包括高于庄组在内的蓟县系及以上地层和全球中-新元古代地层是可以对比的。

但是,将长城系和蓟县系分别归为古元古代和中元古代,目前并没有被多数人所接受,主要因为传统认识上它们不是两个明显不同的地质事件或区域地质演化不同阶段的产物。所以,高于庄组和大红峪组的接触关系及其地质意义,以及它们在华北克拉通其它地区相对应的地质记录、表现形式及其全球对比意义,是非常必要继续做深入研究的。而从华北南部的情况看,汝阳群底部云梦山组和五佛山群底部马鞍山组最年轻的的碎屑锆石年龄分别为17.1 亿年(Hu et al.,2014)和16.5 亿年(胡国辉等,2012)。最近作者获得济源汝阳群底部小沟背组最年轻的碎屑锆石年龄也是16.4~16.8 亿年。这些资料只能说明华北南部地区不整合覆盖于熊耳群之上的汝阳群等地层的起始沉积时代晚于16.5 亿年,目前还没有充分的证据证明它们形成于16 亿年之后,也没有厘定出16 亿年左右的地质界线。

我们认为,18 ~16 亿年是全球范围内克拉通结晶基底形成并接受稳定盖层沉积的转折期,应该将结晶基底的形成到稳定盖层发育理解为一个演变过程,这一克拉通最终“稳定化的过程”归为古元古代末期(18 ~16 亿年),即“固结纪”(Statherian)(ICS,2014)(图1),可能更合适些。世界不同克拉通的结晶基底形成和稳定盖层发育的时间也不尽一致,中元古代的开始应以稳定盖层的大规模发育为标志,而不是以大规模变质事件的结束或以局部地区的底砾岩等有限分布且不具有地层对比意义的沉积为标志。如果仅仅从华北克拉通的地质演化特点考虑,可以将18 亿年作为古/中元古代的分界年龄,因为变质事件的结束没有晚于18 亿年,以及最早的沉积——熊耳群底部的大古石组起始沉积年龄18 ~17.6 亿年(作者未刊资料)。然而,考虑到方便全球对比,将古/中元古代的分界年龄厘定为16 亿年也许更为合适;虽然在16 亿年前,华北克拉通就有盖层沉积的发育,但它们是局部分布的,并不具有全球对比意义。而且,在18 ~16 亿年间,华北克拉通发生大规模岩浆活动,形成熊耳群火山岩、A-型花岗岩(包括环斑花岗岩)、斜长岩和基性岩墙等,只有到16 亿年后岩浆活动规模才急剧减弱。因此,将18 ~16 亿年归为古元古代固结纪,在目前看来更合适些。同时我们也认为,将长城系涵盖18 ~16 亿年间的全部火山-沉积记录是不合适的;华北克拉通古元古代末期(18 ~16 亿年)固结纪的地质记录包括早期的熊耳群和后期的长城群或与长城群相当的地层。

目前全国地层委员会前寒武纪分委员会仍把长城系作为中元古代最下部的一个系级年代地层单位,对应于国际的固结系,但是国际上的固结系是古元古代最晚的一个系级年代地层单位,而我们的长城系则作为中元古代最下部的年代地层单位,两者仍存在矛盾(耿元生和陆松年,2014)。2012年国际地层委员会推出了新一版的全球地质年代表(The Geological Time Scale 2012,简称GTS2012;Van Kranendonk et al.,2012),最为系统权威地反映了国际地层学界对地球演化历史的认识(苏文博,2014)。在该地质年表中,古元古代包括三个“纪”,从早到晚依次是“成氧纪”(Oxygenian)2420~2250Ma、“真核纪”(Eucaryian)(2250 ~2060Ma)以及“哥伦比亚纪”(Columbian)(2060 ~1780Ma)。这三个纪分别对应全球大气增氧事件、Lomagundi-Jatuli 碳同位素漂移事件及真核生物广泛出现、哥伦比亚/努娜(Columbia/Nuna)超大陆聚合等重大地质历史事件和过程;中元古代的起始年龄确定在1780Ma,新方案仅划分一个“纪”——“罗迪尼亚纪”(Rodinian),用以代表从哥伦比亚超大陆裂解到罗迪尼亚超大陆聚合的漫长历史阶段(1780 ~850Ma),这个“纪”的时限长达930Myr;而如果将其上的新元古界“成冰系”底界确定在750Ma 左右的话,则当前的“罗迪尼亚纪”时限将超过10亿年(苏文博,2014)。很显然,目前国际上对中元古代阶段的年代地层学研究也不成熟。

讨论华北克拉通古/中元古界线究竟置于18 亿年还是16 亿年,难点在于:1)华北从“吕梁运动”到长城系-蓟县系沉积期间所发生的重要地质事件的年代-构造格架还不清楚,缺少相关地质记录的高精度年龄资料;2)如何理解华北克拉通18 ~16 亿年间一系列地质事件的性质以及它们发生的地球动力学条件或背景;3)如何理解“结晶基底的形成与稳定”,以及“稳定盖层的发育”。而目前的研究大多集中在华北中-北部地区,有关华北南部地区的研究相对薄弱,有必要开展深入细致的年代学和地层学工作,以期为全球古-中元古代地层学工作做出中国学者的独特贡献。

4 华北克拉通南部18 ~16 亿年地质演化研究中亟待解决的一些问题

华北南部像华北克拉通其它地区一样,记录了~27 亿年的陆壳生长和~25 亿年的强烈构造-岩浆事件,及至18 亿年华北克拉通基底的最终形成(Zhao et al.,2005;Zhai and Santosh,2011)。18 亿年以后,华北克拉通陆续出现沉积记录和各类岩浆岩,并且总体是沿南部的熊耳三叉裂谷(孙枢等,1981,1985)、北部的燕辽三叉裂谷以及西北部可能的渣尔泰-狼山裂谷系的侵入岩和火山-沉积记录最为发育,它们的起始时间是有差异的(图3),南部的熊耳三叉裂谷早于燕辽三叉裂谷(赵太平等,2001;翟明国等,2014)。

与华北克拉通其它地区以及世界其它克拉通相比,华北南部最为特色的是发育18 ~17.5 亿年的熊耳群。如北美、南美、欧洲等地,虽然17 ~16 亿年前后的造山后-非造山侵入岩比较发育,也有少量火山岩出露,但都没有与熊耳群时代相近并且如熊耳群火山岩系这般分布广、厚度大的未变质的火山岩系。尤其是,熊耳群底部的大古石组,是华北克拉通变质基底上目前已知的最古老的未变质的稳定沉积岩层。因此,华北南部是解析华北克拉通由结晶基底形成到稳定盖层发育地质演变过程和古/中元古代地质界线问题的理想场所,对于揭示华北克拉通乃至全球前寒武纪地质演化具有重要研究价值。

以下几个重要问题值得在今后的研究工作中予以高度重视:

(1)熊耳群底部大古石组和不整合于熊耳群之上的汝阳群底部小沟背组、兵马沟组的沉积时限、沉积环境及其区域大地构造演化意义

熊耳群底部的大古石组是“吕梁运动”后最早的、未变质的沉积记录,解决熊耳群火山岩及其底部的大古石组沉积岩的形成时代和大地构造内涵,是极具重要科学研究价值的。作者最近对豫北大古石组上、中、下三个部位获取的锆石样品用LA-ICP-MS 方法各测试了100 粒锆石,只有1 粒锆石年龄为1762Ma。显然,还需要进一步的工作来确定大古石组的沉积年龄以及熊耳群火山活动的时限。

华北南部熊耳群之上发育的三套可能近于同期的中-新元古代沉积建造,它们和下伏的熊耳群火山岩系共同保存了华北克拉通南部地区从基底到盖层演化的丰富信息。但目前缺少可靠的年龄资料,相关的沉积古地理环境、大地构造背景、基底控制因素和深部动力学条件等,还没有合理的解释。另外,如何将它们和天津蓟县及国际中-新元古界相关地层进行对比,尤其是16 亿年的地质界线在哪里,目前都不清楚,需要进一步的研究。

(2)熊耳群火山岩的形成时代、源区特征、岩浆演化

熊耳群火山岩喷发的大致时限为18 ~17.5 亿年(图3)(赵太平等,2001,2004;Peng et al.,2008;He et al.,2009,2010;Cui et al.,2011,2013;Wang et al.,2010),但并没有精准限定火山喷发的起止时间以及不同地区火山喷发时限的空间变化规律(赵太平等,2007)。目前几乎所有的锆石年龄都是基于英安-流纹斑岩或辉长-闪长岩中的锆石。而据作者的长期研究积累,认为多数年龄资料所涉及的英安-流纹斑岩是侵入相,作为熔岩地层的证据不够充分;其次,迄今为止没有获得熊耳群火山岩最主要的岩石类型——中基性熔岩中的锆石年龄。我们曾分别运用SHRIMP、LA-ICP-MS 分析了能代表熊耳群顶底界线的玄武安山质熔岩中的锆石,发现这些锆石几乎都是继承性的锆石,而熊耳群火山岩形成期的锆石很少且粒度很小,将来的工作可以利用Söderlund and Johansson (2002)提出的改进方案分选出斜锆石,以ID-TIMS或者离子探针(SIMS)等测试方法获取熊耳群顶底年龄。

图4 华北克拉通1.80 ~1.60Ga 岩浆岩的年龄-全岩εNd(t)、锆石εHf(t)图解Fig.4 εNd(t)-age and εHf(t)-age diagrams for the igneous rocks (1.8 ~1.6Ga)in the NCC

已有资料显示,熊耳群火山岩几乎都具有“岛弧地球化学特征”,如Nb、Ta 等高场强元素的亏损和大离子亲石元素的富集,全岩εNd(t)和锆石εHf(t)值都表现出富集地幔的特征(Zhao et al.,2002b;He et al.,2009,2010;Wang et al.,2010),或是其地幔源区经受古俯冲组分的改造,或表明有大量的地壳物质的加入(图4)。其中的锆石绝大多数是继承性的,表明地壳物质的贡献很大,尤其是长英质岩石很可能源于地壳物质的部分熔融,而中基性岩石不只是岩浆在上升到地表的过程中混染了地壳物质,其富集的陆下岩石圈地幔曾遭受古俯冲组分的改造(Zhao et al.,2002b;赵太平等,2007;Wang et al.,2010)。此外,熊耳群火山岩普遍富钾,目前也没有得到很好的解释。已有的研究,多认为它们主要是地幔源区特征的反映,说明这期岩浆活动可能是一次重要的陆壳生长事件,通过相关研究可以反演或制约华北克拉通结晶基底的形成过程和古构造格局。

此外,熊耳群中基性熔岩普遍含铁在10%左右(FeO +Fe2O3或全铁作为Fe2O3,质量百分含量,下同),少数达到15%;岩石都显示高度分异和拉斑质岩浆的演化趋势和矿物学特征。其SiO2含量大多高于52%,铁镁矿物主要是单斜辉石,很少有橄榄石和斜方辉石,普遍缺少含水矿物如角闪石,地球化学上具低Al、Ca 和Mg、富Fe 的特征,具有板内富铁拉斑质火山岩特征(Brooks et al.,1991)。这些特征是由于地幔源区性质的不同,还是因为部分熔融条件以及岩浆在上升侵位过程中的演化过程或/和温压条件不同等造成的,目前的认识分歧很大。华北克拉通在此期间的基性岩墙也有不少是具有类似的岩石学和地球化学特征(彭澎等,2004;Peng et al.,2007,2008;胡国辉等,2010)。

(3)官道口群和汝阳群底部火山岩的形成时代与成因

官道口群和汝阳群底部的高山河组和云梦山组中均有岩相学和地球化学特征完全一致的钾玄质熔岩夹层。这套火山岩夹层在华北南缘多处产出,在地层层序上比较稳定。作者近期在豫-陕交界地区的高山河组底部发现数十米厚的钾玄质的火山岩夹层。关保德等(1996)和我们的初步工作显示,高山河组和云梦山组中的玄武安山质熔岩的岩石学、地球化学特征和熊耳群的中基性熔岩非常相似,但更为富钾,Nb、Ta 亏损程度略低。其形成时代至今也没有可靠资料。作者经多次尝试只获得3 个颗粒的锆石U-Pb 年龄,约16.5 亿年,原因是其中的锆石几乎都是捕获的继承性的锆石(几乎都是18 亿年前的),火山活动期的锆石很少而且很细小(很难用LA-ICP-MS 或SHRIMP 方法测试);无论从其产出的地层层位,还是其岩石学和地球化学特征,都与长城系大红峪组火山岩相当。比较它们和熊耳群火山岩在成因演化上的异同点,探讨它们在大地构造环境上的关系,有助于从岩浆作用方面揭示18 ~16 亿年华北南部地区构造体制的演变过程。

(4)侵入岩的时空格架、成因及其形成的构造环境

华北南部在18 ~16 亿年,不仅有广泛的火山活动,还发育多期次A-型花岗岩、正长岩和基性岩墙等(图3)。如分布有两期A-型花岗岩,即18 ~17.5 亿年的石秤岩体、摩天寨岩体以及桂家峪岩体(Zhao and Zhou,2009;邓小芹等,未刊资料)和16 亿年的龙王 岩体(陆松年等,2003;包志伟等,2009;Wang et al.,2013c)、麻坪岩体(邓小芹等,2015),还有一些古元古代末至中元古代早期的正长岩-碱性正长岩体(柳晓艳,2011),以及大规模~17.8 亿年的基性岩墙群(Peng et al.,2008;Peng,2015;胡国辉等,2010;侯贵廷,2012)。

目前资料显示,该时期的A-型花岗岩全岩的εNd(t)及锆石εHf(t)值均较低(图4),且二阶段模式年龄远远大于其结晶年龄,表明它们主要来源于古老地壳物质的脱水部分熔融(Zhao and Zhou,2009;邓小芹等,2015)。同时,基性岩浆的底侵作用可能为A-型花岗岩的形成提供了相应的热源。A型花岗岩的产生通常与伸展的构造背景有关,如造山后或者非造山环境(Frost et al.,2007;Zhao and Zhou,2009)。因此,A 型花岗岩的研究对于区域地壳的演化和壳幔相互作用以及大地构造演化具有非常重要的指示意义。

该时期的镁铁质岩墙,和华北其它地区的一样(Peng et al.,2008;侯贵廷,2012),铁含量普遍在10%以上,多数在15%左右,有的甚至高达20%左右;而TiO2含量普遍在1%左右,只有少数样品大于2%。如此特征的岩石在地质历史上非常少见,它们与正常的岩浆演化(鲍文演化序列产生的富硅贫铁的趋势—‘Bowen’trend)形成的基性岩明显不同,显示出相反的富铁演化趋势(‘Fenner’trend)。对于它们产出的构造背景,除了最早发现于典型的洋中脊扩张中心之外,后来在弧后盆地以及大陆裂谷环境(如埃塞俄比亚的Afar 裂谷和红海裂谷)也相继识别出。因此,它们的成因研究(特别富铁问题),对于岩浆源区识别、成岩过程及地球动力学机制解析都具有重要意义。

目前对于华北南部18 ~16 亿年的各类侵入岩的形成时代、源区属性和成岩过程研究还很匮乏,数据资料零散,需要综合所有岩浆活动的空间分布规律以及随时间演变的特点,来剖析其深部动力学机制,进一步认识华北18 ~16 亿年的地壳增生与改造、构造体制转换和壳-幔作用过程。

(5)岩浆作用与沉积响应的耦合关系需要厘清

岩浆作用的时空分布规律及其成因特征,尤其是它们记录的壳-幔作用过程是探讨深部动力学过程的重要途径;而沉积建造的区域分布特征和古地理环境是追索地球深部过程的浅表地质响应的线索。因此,总结沉积岩的时空分布规律和相关沉积建造/盆地的演化过程,研究具有一定序列性和阶段性的沉积记录与岩浆作用的耦合关系,解析浅表沉积-构造运动和岩浆活动、深部动力学机制的演变关系,构建研究区岩浆-沉积的构造演化格架,对于澄清从结晶基底到稳定盖层发育的过程是非常必要的。

例如,华北南部在熊耳群火山岩喷发前,有明显的地壳隆升运动记录。不少地方零星分布砾岩、砂砾岩等。豫北济源熊耳群火山岩系的底部有一套稳定的河湖相的泥质沉积岩——大古石组。在熊耳群火山岩内部,也有约5%厚度的沉积岩。岩石学证据充分表明熊耳群主要形成于海相环境(中基性熔岩普遍发育中空骸晶结构、其中的斜长石无例外地是钠长石、枕状构造、淬碎熔岩比较发育等;赵太平等,1995),表明伴随着熊耳群的火山喷发地壳是逐步沉降的。但是,熊耳群顶部发育柱状节理玄武安山岩(其斑晶和基质相的斜长石为中-拉长石),熊耳群火山岩喷发以后,在局部地区形成指示山间盆地-河流相的砾岩、砂砾岩等。如,覆盖于熊耳群之上有一套从山间盆地-河流相的地层——“小沟背组”(相同的地层,在嵩山地区称为“兵马沟组”),接着才是代表海进层序的官道口群和汝阳群底部的底砾岩-砂砾岩,往上过渡为砂岩-泥岩-碳酸盐岩沉积。这些地层层序上的特征表明,火山喷发经历了陆相到海相再到海-陆过渡相的古地理环境变迁。另外,熊耳群之上不整合覆盖有三套时代相近、岩性组合特征有异的中-新元古代地层,即:汝阳群→洛峪群、官道口群→栾川群→陶湾群和嵩山地区的五佛山群等(图2)(关保德等,1988;周洪瑞,1998),和蓟县剖面中-新元古代地层相比,更显复杂多样化。对这些沉积建造进行精细的时空分布、物源特征和区域综合对比研究,无疑有助于建立可以进行国际对比的华北地区新的古-中元古界地层划分方案。

(6)华北克拉通18 ~16 亿年期间的构造体制转折和动力学机制

全球超大陆的形成及其裂解和重建,是近年来国际上前寒武纪研究的热点问题之一。已有的古地磁和古地理研究认为,华北克拉通与Columbia(或Nuna)超大陆有非常紧密的联系,参与了其形成和裂解的演化过程(Zhao et al.,2002a,2004,2011;Wilde et al.,2002;Luet al.,2002;Li et al.,2007;Hou et al.,2008a,b;Zhang et al.,2012a,b)。这也得到了地质学资料的支持。Li et al.(2013)认为华北克拉通与西伯利亚有相似的中元古代沉积序列;而Condie (2002)和Wilde et al. (2002)分别对比华北中部造山带与西伯利亚Akitkan 造山带、Kola-Karelian 造山带,认为它们在古元古代发生同期碰撞。此外,通过对华北克拉通与印度板块同期的基性岩墙群研究,二者被认为在中元古代有所联系(Peng et al.,2005;Peng,2015;Hou et al.,2008a)。虽然以上资料为解析华北克拉通与超大陆的关系提供了证据,但是对其在超大陆中的位置以及裂解的响应时间存在争议,原因主要是对华北18 ~16 亿年所发生的地质事件性质或构造背景的认识不同。

就该时期华北克拉通发育的岩浆岩而言(图4),大部分学者认为华北克拉通南部广泛发育1.80 ~1.75Ga 的熊耳群火山岩形成于裂谷的环境(孙枢等,1981,1985)。有的学者认为,熊耳群火山岩与镁铁质岩墙和1.75 ~1.68Ga 的斜长岩-纹长二长岩-碱性花岗岩-环斑花岗岩系列一起,代表了地幔柱或哥伦比亚超大陆的裂解(Peng et al.,2005,2007;Hou et al.,2008a;侯贵廷,2012;Zhang et al.,2012a)。Wang et al.(2004)和Wang et al. (2013a,2013b)认为18.5 亿年之后的地质事件是克拉通化过程中板块碰撞后伸展的结果。还有学者认为,熊耳群形成于安第斯型板块边缘弧环境(胡受奚和林潜龙等,1988;陈衍景等,1992;He et al.,2009;Zhao et al.,2009a),只有在熊耳群之后,华北克拉通才作为一个稳定的克拉通陆块经历了一个长期的沉积作用。

值得关注的是,虽然普遍认为华北克拉通在结晶基底形成后经历多期裂解事件,但并没有大陆裂解开来或洋盆发育的记录(翟明国,2012)。华北18 ~16 亿年的中-基性岩类被认为源于地幔,但大多是分异演化程度较高的,迄今没有发现苦橄岩、OIB 型玄武岩或直接来自于软流圈亏损地幔的岩浆岩;而且岩浆活动并不是短时期巨量发育,而是“持续的、脉动的”,其地球化学特征也是逐步变化的,从18 亿年到16亿年,全岩的εNd(t)及锆石εHf(t)值有逐渐增加而模式年龄变小的趋势(图4),这些特点明显不同于与地幔柱相关的岩浆活动特征。另一方面,与现代岛弧/活动大陆边缘弧或板块构造体制岩浆岩组合不同的是,这些岩浆岩不是“线型”分布的,缺乏类似现代板块体制的岩浆岩组合。尽管不同地区的岩浆岩在岩石类型和地球化学特征上存在某些差异,但它们在成因和构造环境上很可能是一致或有联系的,而且它们在华北克拉通整体是呈“面状”分布的(图3),现有的构造环境解释依然缺乏足够的依据。

综上所述,以目前的研究积累和测试技术,有条件精细构建华北克拉通18 ~16 亿年间所发生的岩浆-沉积作用的时序,深入探讨岩浆岩的岩石学和地球化学特征和岩浆演化、空间分布以及随时间而演变的规律性,解析岩浆作用的深部动力学过程及其和浅表沉积作用的耦合关系,并与全球典型克拉通进行对比,进而刻画华北克拉通由结晶基底形成到稳定盖层发育的构造体制转折和动力学过程,为重新或准确厘定古/中元古代界线和相关地层划分方案提供依据。这些是我国前寒武纪地质研究迫切需要解决的重要课题。

致谢 本论文在成文过程中得到赵振华、孙勇、郭敬辉、包志伟、彭头平等的指导和帮助;审稿人耿元生、王世炎、李怀坤提出宝贵意见。在此对他们表示衷心感谢!

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