天津蓟州东水厂中元古代高于庄组凝灰岩锆石SHRIMPU－Pb年龄——对中元古代生物-环境事件的制约

田辉 ，李怀坤 *，张健 ，苏文博 ，刘欢 ，相振群 ，钟焱

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质调查局前寒武纪地质研究中心，天津300170；3.中国地质调查局华北科技创新中心，天津300170；4.中国地质大学（北京），北京100083）

作为中-新元古界标准剖面，蓟县剖面（原天津市蓟县行政区已改称天津市蓟州区，本文出于尊重传统，仍将涉及地质研究的剖面称为“蓟县剖面”或“蓟县中-上元古界剖面”）位于天津市蓟州城区以北，具有保存完好的中-新元古代地层，长期以来一直作为我国中-新元古界的标准剖面[1-5]。命名于蓟县剖面的高于庄组最初称为“高于庄灰岩”，1959年第一次全国地层会议后改称高于庄组[6]。高于庄组在燕辽裂陷槽广为分布，其厚度和岩性均较稳定，且均产出叠层石和微古植物，被认为是一套中元古时期华北克拉通北缘第一次大规模海侵的产物[7-8]。20世纪80年代以来，学者对该组开展了一系列古生物学-地层学研究[9-15]。

近几十年以来，以蓟县剖面为代表的燕辽裂陷槽涌现了一系列地层年代学、地球化学、古生物学等相关领域的成果报道[16-21]：古海水碳同位素数据显示[22-26]燕辽裂陷槽沉积区在高于庄期首次出现了显著的碳同位素负漂移事件；Zhu et al.[27]在高于庄组发现了宏观多细胞真核生物群，将该类生物在地球上首次出现的时代由～600 Ma提前至～1 600 Ma；Zhang et al.[28]在高于庄组三段发现了大气增氧事件，并认为该事件促进了全球海洋多细胞真核生物的演化。此外，蓟县剖面高于庄组以其巨大的沉积厚度（1 596 m）、复杂多样的沉积环境、特征性古生物/矿物等在整个中-新元古界占有独树一帜的研究地位：自下向上硅-钙质沉积结核、含锰白云岩（锰方硼石矿）、“瘤状灰岩”、宏观藻类化石、臼齿碳酸盐岩、沥青质角砾、同心圆状藻结核等独特的沉积现象的成因仍存广泛争议。因此，高于庄组时代的确认既是该时段沉积学研究的基础，也是研究该时期全球生物-环境协同演化和对比的重要依据。

李怀坤等[29]首次在北京延庆地区高于庄组三段上部凝灰岩中获得的1 559±12 Ma的锆石SHRIMP U-Pb年龄和1 560±5 Ma的LA-MC-ICP-MSU-Pb年龄之后，笔者等[30]在蓟县标准剖面高于庄组三段下部凝灰岩中获得了1 581±20（上交点年龄）Ma和1 577±12 Ma（加权平均年龄）的LA-MC-ICPMS U-Pb年龄数据，本研究在北京离子探针中心以SHRIMPU-Pb测试方法对上述高于庄组三段下部的凝灰岩锆石进行了验证，以期获得更加可靠和公认的高于庄组沉积时代。

1 地质概况

蓟县剖面位于燕山山脉南缘，西距北京中心城区90 km，南至天津市中心城区100 km，与北京和天津中心城区之间交通便利。从剖面底部长城系常州沟组河流相的砂砾岩到青白口系景儿峪组滨海相泥质微晶灰岩，剖面总厚度9 197 m，几乎未遭受变质作用，变形微弱。自“吕梁运动”之后，华北克拉通结晶基底之上沿燕辽裂陷槽沉积了巨厚的中-新元古代地层，自下而上包括长城系常州沟组、串岭沟组、团山子组、大红峪组，蓟县系高于庄组、杨庄组、雾迷山组、洪水庄组、铁岭组和待建系下马岭组在内的中元古代地层，青白口系骆驼岭组和景儿峪组，以及下寒武统府君山组等地层单元[31]。

在中国地层表（2014）[31]中高于庄组位于蓟县系最下部，与下伏长城系大红峪组不整合接触，与上覆蓟县系杨庄组呈整合接触。高于庄组主体为一套碳酸盐岩沉积序列，在标准剖面上，其总厚度1 596 m。传统上，该组自下而上分为四个亚组（表1），分别相当于现在的一段至四段。现将其岩性特征概括如下：

本文所研究样品（14JX03-2）为凝灰岩，取样点位于蓟县穿芳峪乡东水厂村南的乡村公路边，其地理坐标为 40°8′21″N；117°31′11″E（图1、图 2a）。该凝灰岩样品为张家峪亚组下部中-厚层灰质白云岩中的夹层，外观呈灰绿色，厚度约15 cm（图2b）。层位位于张家峪亚组瘤状灰岩之上约55 m，紧邻parachuariaglabra化石层。该凝灰岩主要成分为玻屑（95%～97%）、晶屑及白云石（3%～5%）；玻屑呈弯曲线纹状；晶屑可见石英，呈棱角状，零星可见，少量晶屑被方解石交代呈假像，应属于玻屑凝灰岩（图2c）。该凝灰岩相邻地层特征详见文献[30]。

表1 蓟县系高于庄组划分Tab.1 Subdivision of the Gaoyuzhuang Formation,Jixian system

自凝灰岩中所选出的锆石总体上呈短柱状或厚板状自形晶体（图3），长宽比为1.5/1～2/1，长轴60～100μm，未见明显的搬运、磨蚀痕迹；锆石内部具有明显的岩浆振荡生长环带结构，Th/U主要在0.5～1（表2），具有中酸性岩浆锆石的基本特征。

2 测试方法

SHRIMP锆石微区原位U-Pb同位素年龄测定在北京离子探针中心完成（利用高灵敏度高分辨率离子探针质谱仪SHRIMPⅡ），分析流程及原理见Compston et al.[32-33],Williamset al.[34]及宋彪等[35]。测试过程采用标准锆石TEM[36]进行同位素分馏校正，使用标准锆石M257进行待测样品U、Th和Pb含量标定[37]。用SQUID和Isoplot[38]程序进行数据处理，采用锆石样品中实际测得的204Pb进行普通Pb校正，数据表中所列单个数据点的误差为2σ，加权平均年龄为95%的置信度。在具体测试过程中，每测定四个样品点进行一次标准锆石TEM测定，以监测仪器的稳定性。

3 测试结果

按上述方法，笔者对高于庄组凝灰岩（14JX03-2）锆石测定了24个U-Pb同位素数据点。测点17与华北克拉通基底～1 800 Ma年龄一致，应属于凝灰岩中混入的锆石，另外去掉不在谐和线上的2、22、23和24共4个测点，其他谐和度在95%以上的19个数据点的207Pb/206Pb表面年龄加权平均值为1 582±12 Ma（图3）。因此，笔者认为该数据可以代表蓟县高于庄组张家峪亚组的一次火山事件的年龄。详细的测试数据结果见表2。

4 讨论

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch of the studied area

目前蓟县中-新元古界剖面的研究程度已经达到了很高的水平，在岩石学、年代学、地球化学、古生物、古地磁等方面都有了大量的成果报道，这在世界范围内的中元古界剖面都是独一无二的。蓟县剖面最初被认为保存了1.8～0.8 Ga的沉积记录，继陆松年和李惠民[39]首次将长城系大红峪组火山岩年龄标定在～1 625 Ma之后，中元古代新的凝灰岩/斑脱岩夹层不断被发现并测得了精确的锆石U-Pb同位素年龄，利用最新测年成果对蓟县剖面的中元古代地层-年代格架进行了重新厘定[21-26]，不仅重新确定了蓟县剖面底界的年龄，大部分中元古代地层组/段也获得了精确的年代学约束，颠覆了许多传统认识，这一系列成果在中国地层表（2014）中得到了体现。根据已有文献资料[18-21，30，40-42]，重新确立的蓟县剖面中元古代地层格架：长城系1 650～1 600 Ma、蓟县系1 600～1 400 Ma、待建系（1 400～1 000 Ma）下部下马岭组1 400～1 350 Ma。

高于庄组沉积现象丰富多样，特别是其生物-环境的演化一直受到学者的广泛关注，其中官地亚组的硅-钙质沉积结核，桑树庵亚组含锰白云岩（锰方硼石），张家峪亚组“瘤状灰岩”、宏观藻类化石Parachuariaglabra.、臼齿碳酸盐岩，环秀寺亚组沥青质角砾、同心圆状藻结核等独特的沉积现象的大部分仍属未解之谜，除此之外，高于庄组的油气成藏潜力也获得了关注[43]。

图2 采样剖面和凝灰岩微观照片Fig.2 The sample－collecting cross－section of the Gaoyuzhuang Formation in Jixian area and the typical characteristics of the tuff

图3 蓟县剖面东水厂村高于庄组凝灰岩中锆石分析点位及年龄Fig.3 The SHRIMP analysis spots and ages of zircons from the tuff of the Gaoyuzhuang Formation,Dongshuichang Village,Jixian section

1.6 ～1.0 Ga由于δ13C波动幅度很小而被称为地质历史中“最单调的时段”（The dullest time）[44]，而国际上形成该固有认识的很大一部分原因是因为样品采集密度偏低[45]导致的以偏概全。学者在蓟县剖面进行了详细的δ13C研究[22-24,30]，基于最新的地层年代格架，其中不乏波动较大的时段，且部分可与其他大陆进行对比（高于庄组、杨庄组等），中-新元古界巨厚的碳酸盐岩地层中，首次δ13C负漂移即出现于高于庄组[22-24，30]。

对于高于庄组的年代学研究，张巧大等[46]曾利用碳酸盐Pb-Pb法测得1 608±74 Ma的数据，但受测试方法的限制未被广泛采纳。李怀坤等[29]首次在北京延庆地区高于庄组三段上部凝灰岩中获得的1 559±12 Ma的锆石SHRIMPU-Pb年龄和1 560±5 Ma的LA-MC-ICP-MSU-Pb年龄之后，燕辽裂陷槽高于庄组才真正具有了可靠的年龄约束。笔者等于2015[30]年在蓟县标准剖面高于庄组三段下部凝灰岩中获得了1 581±20（上交点年龄）Ma和1 577±12 Ma（加权平均年龄）的LA-MC-ICP-MSU-Pb年龄数据，首次在我国中-新元古界标准剖面高于庄组中获得精确可靠的同位素年龄数据。本研究利用锆石SHRIMP U-Pb测年技术再次对上述凝灰岩年龄进行了验证。目前华北克拉通中元古代高于庄组只在第三段（张家峪亚组）具有精确的年代学约束，高于庄组上部杨庄组迄今未获得精确的年龄约束，根据最新的碳同位素演化曲线对比[26]，杨庄组顶部应与全球～1 500 Ma的碳同位素正漂移相对应，即高于庄组沉积上限应早于～1 500 Ma；其沉积下限参考陆松年和李惠民[39]和张健等[47]获得的长城系顶部大红峪组火山岩年龄数据，应晚于～1 620 Ma，通常取整数值将大红峪组的顶界年龄置于1 600 Ma，因此整个高于庄组的沉积时限应介于1 600 Ma与1 500 Ma之间。

高于庄组从张家峪亚组开始进入多细胞真核生物大发展阶段，并开始出现明显个体加大和细胞分异现象[13，17],与之前报道的串岭沟、团山子组小微生物化石[14]相比具有更重要的生物进化意义。而且，臼齿碳酸盐岩（Molar tooth）这一独特的沉积现象也出现在张家峪亚组顶部，其成因也不乏生物成因解释[48]。张家峪亚组至环秀寺亚组占据了高于庄组的绝大部分厚度，二者岩性特征显示出明显的潮下带向潮间-潮上带过渡的沉积特征，该海退过程对于海水氧含量及生物种类变化具有重要影响，这在地球化学和古生物学方面都得到了进一步证实[13，17，28]。

高于庄组经历了多次大规模海侵-海退旋回，高密度取样得到的碳同位素演化曲线显示，在～1 580 Ma首次出现中元古代碳酸盐岩的负漂移之后，紧接着又出现多次负漂移往复循环[26]，标志着该时期沉积环境发生了多期次旋回变化。～1 580 Ma年龄的获得同时也标定了大气氧含量增加、宏观多细胞真核生物的首次爆发等一系列重大地质事件[27-28，49]发生的时限，为哥伦比亚超大陆裂解过程中全球性生物-环境演化和地层对比研究提供了时间依据。

5 结论

（1）获得蓟县中-上元古界剖面高于庄组张家峪亚组凝灰岩锆石SHRIMPU-Pb年龄1 582±12 Ma，与其LA-MC-ICP-MSU-Pb年龄1 581±20 Ma相吻合，表明燕辽裂陷槽蓟县系高于庄组张家峪亚组下部沉积时代为～1 580 Ma。

（2）蓟县剖面高于庄组的沉积时代，应介于1 600～1 500 Ma。

（3）蓟县剖面中元古代首次碳同位素负漂移、首次多细胞真核生物爆发、全球增氧事件等地质事件出现在～1 580 Ma。

致谢：陆松年先生开创了蓟县中上元古界标准剖面锆石U-Pb同位素测年之先河，对近年来的凝灰岩/斑脱岩U-Pb同位素定年工作起到了重要的引领和带动作用，谨以此文祝贺陆松年先生80寿辰！锆石SHRIMPU-Pb同位素测年得到北京离子探针中心刘敦一研究员、宋彪研究员等的大力支持和帮助；中国地质调查局天津地质调查中心陆松年研究员和朱士兴研究员在蓟县剖面的研究工作中给予了一贯的指导和帮助；在此一并致以诚挚的感谢。