塔里木陆块新元古代冰期事件研究进展与展望

钟焱 ，田辉 ，张健 ，张阔 ，李怀坤 ，相振群

（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地质科技创新中心，天津300170）

在1991年刊发的《Episodes》杂志上，Plumb正式阐述了以绝对年龄为界的前寒武纪地质年表[1]，该表将新元古代地球经历大规模冰川作用的时期称为“成冰纪（Cryogenian Period）”[2]，作为新元古代的第二个“纪”级年代地层单元，与下部拉伸纪（Tonian Period）、上部埃迪卡拉纪（其时被暂称为“Neoproterozoic IIIPeriod”）的年代界限被暂时限定在850 Ma和650 Ma[1]。然而，这种“武断的、严格按照时间刻度的、以绝对时代作为界限的”地质年表，脱离了“唯一重要且客观的，记录了行星演化过程的现存岩石记录”[3]。因而，得益于研究手段的进步和认识水平的提高，国际地层委员会开始倡议以类似于显生宙地层研究所采用的“金钉子”方法-即以现存的岩石记录-标定前寒武纪地层界线的工作方法[4,5]。

回溯近三十年来的研究进程，成冰纪各次冰期事件启动、消融时代研究的精准程度，直接决定着新元古代年代地层划分的精细水平：例如成冰纪的上限是以Marinoan冰期的消融时代（即盖帽碳酸盐岩的沉积时代）为界，从最初的650 Ma被厘定到目前的635 Ma，这一修订是以海量的岩石地层学、年代地层学和化学地层学研究资料作为坚实基础的[6]；与上限时代的研究进度不同，成冰纪的下限是直到2015年以后才被修订为720 Ma的，其依据是能够在世界范围内确认存在的、最早的全球性冰川作用，是启动时间大致在719～714 Ma之间的Sturtian冰期事件[7]。众所周知，作为一种普遍且精确的语言，地质年代表是地质学家讨论、刻画地球演变历史的通用工具[8]，而前寒武纪地质年表更是对地球特定时期内不同圈层相互耦合的过程和结果的高度概括。对于新元古代而言，可以大致地分为剧烈岩浆活动、极端气候变化和早期生命的迅速分化并繁盛等3个阶段，而以全球广泛分布冰川作用记录的成冰系地层，作为划分拉伸纪Rodinia超大陆裂解和埃迪卡拉纪生物演化的时间刻度，是相对客观、且更为有效的解决方案。也正因于此，查明新元古代是否存在、以及存在几次“全球冰冻和快速解冻”的极端气候事件，一直是地球科学领域近三十年来的热点和难点问题。

1 新元古代冰期事件研究进展

1.1 新元古代极端气候事件及其成因

以各大洲的新元古代冰碛岩古地磁观测结果为基础，Harland提出了“泛赤道冰川作用”[9]的设想。其后，Budyko建立了描述冰盖面积、地表反射率、太阳辐射流入量与古气候波动的计算模型[10]，该模型描述了一种不可逆的冰川漫延状态，即“冰川灾变事件[11]”。然而，由于不能理解全球范围内的冰盖消融机制，同时“极端环境下生命无法存活”的观念在当时深入人心，全球冰冻模型一直未被认同[12]。直至1992年，Kirschvink将充分验证后的古地磁测量结果和冰碛岩中存在碳酸盐岩砾石、碳酸盐岩和蒸发岩中发育落石构造等证据相结合，提出“新元古代的低纬度地区广泛发育海相冰川作用，整个地球都处于雪球状态”的设想。Kirschvink认为，“雪球地球”假说成立与否可从三个方面验证，即冰碛岩的全球等时性、指示冰室-温室气候摆动的岩石组合和条带状铁建造的局部重现[13]。在此基础上，Hoffman等人[14，15]进一步将板块运动、火山作用、化学风化强度等因素相互关联，从地球系统的视角阐述了大气CO2含量对诱发新元古代极端气候事件（地球气候系统从超级冰室迅速演变为超级温室，即Neoproterozoic Climatic Paradox[16]）的决定性作用。

时至今日，无论是来自现代黑烟囱和活火山口附近的样品观测结果[12]，还是对新元古代化石组合多样性和演化趋势的对比分析[17]，都表明原始/早期生命能够存活于极端恶劣的生态环境中。事实上，近年来的地球化学资料显示，拉伸纪末期（约800～700 Ma）的地球经历过一次显著的大气增氧事件（Neoproterozoic Oxygenation Event,“NOE”[18]）；分子钟的估算结果也表明，早期动物的趋异进程同样发端于拉伸纪[17]，这些证据说明早期生命（乃至早期动物）的演化和进化，至少在拉伸纪时期就已经开始与生态环境的剧变（对应地球表生系统的显著变化）进程紧密耦合。如果“雪球地球”假说所描述的极端气候事件确实存在，那么这个罕见的“环境过滤器[12]”势必强烈干预了早期生命的演化过程。例如，最新的研究显示，在成冰纪海洋整体处于缺氧环境的大背景下，冰川刨蚀带底部含大气冰川融水的运移，可以在滨浅海浮冰之下的缺氧水体中生成一个楔状的含氧带，这些广泛分布于陆架周缘的局部富氧环境，很可能是条带状铁建造和需氧型真核生物（化石记录）呈孤岛型重现和保存的原因[19]。

被不断修正、完善的“雪球地球”假说现在认为，新元古代地球的极端气候事件，是由长期的全球冰冻状态和短暂的极度温室状态两部分所组成。尽管有大量的古地磁证据显示新元古代的低纬度地区确实存在冰川作用，并且“雪球地球”假说的三个核心预测也已被各类研究资料不断证实[6,20-23]，但也有不利于“全球冰冻”状态的诸多证据被持续的发现[24]，此外还有其他在某些方面更加合理的理论模型[25]被提出，如泥球地球假说[26]、地轴高度倾斜假说[27]等。总体而言，这些模型及其相关研究基本存在两个重点的论证方向：其一是成因方面，以气候波动的起因为核心，主要针对大气CO2分压的升降过程展开；其二是规模方面，以验证全球冰冻状态是否存在为核心，具体围绕冰碛岩的全球等时性展开。

如前所述，“雪球地球”假说在其建立伊始，就将新元古代极端气候事件与大气圈的温室气体含量演化模型建立了紧密的成因联系[13]。时下的主流观点认为，新元古代高效的硅酸岩化学风化作用[28-30]、较高初级生产力带来的大规模固碳作用[31]和减弱的火山去气作用[32]，都会造成大气CO2含量的显著下降，最终使地球进入“雪球”状态；其后，进入冰期阶段的地球表层，各类活动强度显著降低，如水循环基本停滞、大气环流急剧减弱等[12，33]，与之密切相关的初级生产力和化学风化强度降至极低水平，对CO2的消耗趋近于零，使得大气CO2持续累积到地球历史上的最高水平[15，34]，最终实现全球冰盖的瞬时消融[15，35]。

在验证冰川作用的规模方面，研究成果更为丰硕、争议也始终不断。例如，通过对比C、Sr同位素变化曲线，Kaufman等[36]认为新元古代至少存在4次全球冰期事件；其他研究者则认为可全球对比的冰期事件只有2次，另在约570 Ma存在1次区域性的冰期事件[37，38]。由于全岩地球化学组分易受后期地质作用影响，并且不同地区冰期前后沉积记录的保存潜力存在巨大差异，众多研究者开始通过直接限定全球各地冰碛岩的沉积时代，间接判断同期冰川作用的分布规模。累积至今的研究资料已经揭示出4次冰期事件，自老而新包括：Kaigas冰期（约740～735 Ma[39-42]）、Sturtian冰期（约716～665 Ma[43-49]）、Marinoan冰期（约639～635 Ma[7，46，50-52]）和Gaskiers冰期（约583.7～582.1 Ma[53]）；其中，成冰纪的Sturtian冰期和Marinoan冰期属于全球冰期事件，而埃迪卡拉纪的Gaskiers冰期是仅在中、高纬度带发育的地域性冰川作用[54,55]。尽管在数个地区（包括南非Kalahari克拉通、赞比亚西北部、纳米比亚西南部和塔里木陆块东北缘等）的拉伸系地层中都有冰川沉积作用记录的报道，且各地的冰川作用时代也近乎等时，但以此为依据所建立的拉伸纪Kaigas冰期，近来受到一些学者的质疑，如Rooney等人就认为，上述地区的杂砾岩或者对其成岩时代的约束有误，或者缺乏典型的冰川成因标志，因而不可以视为是一次比Sturtian冰期更早的大规模冰川作用[47]。

1.2 杂砾岩、冰碛岩与块状冰碛岩的地质意义

沉积岩中的碎屑物质在堆积过程中，如果存在冰川或冰川融水的作用，都可以被称为广义的冰碛岩，这一定义范围除了冰川冰沉积外，还包括了明显存在水营力参与的冰川接触沉积、冰水沉积和冰湖沉积等类型。在诸多类型的冰碛岩中，不发育层状构造和粒序层理的块状冰碛岩，一般只与冰川消融造成的快速混杂堆积有关，冰川携带的沉积物在被剥蚀、搬运和堆积的过程中，基本可忽略水营力的参与。杂砾岩，是单纯的岩石学概念，一般仅指示快速混杂堆积的沉积过程，不具备成因含义和环境属性[56]。

典型的冰川成因标志包括冰溜面、冰川擦痕、漂砾和落石构造、“泥包砾”结构等[57，58]。然而这些结构和构造在大部分杂砾岩地层中十分少见，因此通常难以判断一套杂砾岩及其相关沉积体系的成因是与重力流或是冰川作用有关[56]。前人研究所揭示的地史规律显示，冰碛岩在伸展背景盆地的保存潜力更高[59]，而这种环境通常也是重力流高发的地区，进一步增加了识别杂砾岩成因的难度。与早期研究视非构造成因杂砾岩为冰碛岩的不当认识不同，近年来，识别杂砾岩的重力流或冰川成因问题已经得到部分学者的重视，其核心驱动力正如Le Heron等所描述的，“混淆重力流与冰川成因的杂砾岩会导致冰期旋回的误判，由此建立的冰期对比格架可能存在本质上的错误”[60]。因而，在典型地区，如可能是世界上唯一一处保存了4期新元古代冰川作用记录的塔里木陆块[61,62]，开展冰碛岩与块状冰碛岩的期次与成因研究，是对现有研究资料和认识的检验和修正，也是对极端气候事件成因模型的补充和完善。

2 塔里木陆块北缘的新元古代冰期事件研究进展

位于我国西北地区的塔里木陆块，在其周缘和相邻微地块的南华-震旦系中，保存了大量发育杂砾岩层位的沉积记录（图1）。早期曾认为这些杂砾岩均属冰川成因[57，58，63-65]，但仅在部分剖面发现了典型的冰川作用标志（如塔里木陆块东北缘的库鲁克塔格地区[57，66]，全吉地块德令哈一带的全吉山、大煤沟地区[67，68]）。前人已对这些地区开展了较充分的冰期事件研究，目前以塔里木陆块的北缘地区研究程度最高，分别在阿克苏-柯坪-乌什和库鲁克塔格等地积累了丰富的研究资料。与国际上的新元古代杂砾岩和冰期事件研究进程类似，塔里木北缘地区的相关研究进展也可大致分为两个方面：

2.1 杂砾岩的成因和岩相划分

图1 塔里木陆块及邻区前寒武纪地质简图[69]Fig.1 Sketch map of the Precambrian units outcropped in the Tarim Block and its ajacent terranes

（1）东北缘库鲁克塔格地区：库鲁克塔格群与下伏地层呈角度不整合接触关系、其上被寒武系平行不整合覆盖，自下而上包括贝义西组、照壁山组、阿勒通沟组、黄羊沟组、特瑞爱肯组、扎摩克提组、育肯沟组、水泉组和汉格（戈）尔乔克组[57，58]。通过沉积特征和“泥包砾”、压裂、刻蚀纹、冰溜面等冰川作用标志，早期研究将该区的新元古代冰期事件厘定为：第一冰期—贝义西组冰海相沉积；第二冰期—阿勒通沟组、特瑞爱肯组冰海相沉积；第三冰期—汉格尔乔克组大陆冰川沉积[57，58，64，66]。此后，曹仁关建议在阿勒通沟组和特瑞爱肯组之间建立滨浅海相黄羊沟组[70]，这种划分方案得到了高振家和陈克强的支持[71]，并被后续的化学蚀变指数[72]和C同位素异常[73]等研究证实。根据这些资料，高林志提出塔里木陆块的东北缘可能存在4次新元古代冰期事件：即贝义西冰期、阿勒通沟冰期、特瑞爱肯冰期和汉格尔乔克冰期[62]。然而，也有观点认为贝义西组、阿勒通沟组的杂砾岩中缺少明确的冰川作用标志，因此这两期冰期事件的真实性仍需考证[41，74]。

（2）阿克苏-柯坪-乌什地区：不整合于阿克苏群蓝片岩之上的南华-震旦系，包括巧恩布拉克组、尤尔美那克组、苏盖特布拉克组和奇格布拉克组。高振家等人的早期研究曾认为，巧恩布拉克组中虽无厚层杂砾岩产出，但存在含漂砾碎屑岩夹层以及指示寒冷气候的棱角状杂砂岩，属于广义的“冰成岩”，因此判断该组为冰筏海洋相沉积；尤尔美那克组的杂砾岩则代表大陆冰盖型沉积[75]。然而，陆松年等通过系统的沉积学研究，证明巧恩布拉克组杂砾岩及其相关沉积体系代表的是碎屑流沉积事件，与冰川作用无关[63，76]。因此，塔里木陆块的西北缘地区只存在1次新元古代冰期事件，即尤尔美那克组冰期[71]。

2.2 塔里木陆块的新元古代冰期格架

根据沉积相序、岩石组合特征和古地理重建结果，早期研究曾给出塔里木陆块的新元古代冰期对比方案[64，75]。随着全球冰川作用等时性与期次问题的重要意义日益凸显[11]，塔里木陆块杂砾岩研究的重心逐渐转移到限定其地层时代的方面。依据锆石UPb 同位素年代学[41，42，61，77-83]、C-O-S 同位素地球化学[74，84-86]、主量元素化学地层学[72，87，88]、层序地层学[89]等分析结果，现行的塔里木陆块新元古代冰期的划分是以东北缘的库鲁克塔格群为标准，对应的冰期对比方案为：贝义西冰期（约740～725 Ma，对比Kaigas冰期）、阿勒通沟冰期（晚于740 Ma、早于655 Ma，对比Sturtian冰期）、特瑞爱肯-尤尔美那克冰期（晚于655 Ma、早于615 Ma，对比Marinoan冰期）和汉格尔乔克冰期（对比Gaskiers冰期）。

3 塔里木陆块西南缘的新元古代冰碛岩研究现状

保存于塔里木陆块西南缘的南华-震旦系沉积盖层，主要出露于喀什地区叶城县南部的苏库里克-雨塘-艾玛硝克一带，自下而上包括丝路群[90]、恰克马克力克群和震旦系库尔卡克组-克孜苏胡木组。其中，杂砾岩主要发育在恰克马克力克群的波龙组和雨塘组。基于这两层杂砾岩及其相关沉积体系的沉积学特征，马世鹏等[65]首次提出塔里木陆块西南缘存在两套新元古代冰碛岩的观点，并将该群的沉积相序自下而上依次划分为：牙拉古孜组类磨拉石建造，波龙组火山-沉积建造、滨海冰川建造，克里西组间冰期陆缘碎屑建造，雨塘组火山-沉积建造、滨海冰川建造、间冰期陆缘碎屑建造。其后，马世鹏等“两期冰期事件”的认识得到了粒度分析[91]和化学蚀变指数分析[92]结果的支持。然而最近的沉积学和地层学研究提出，较新的雨塘组冰碛岩，可能代表裂谷发育过程中的冰湖环境[93]，而非海相冰川记录。

虽然目前一致认为塔里木陆块的西南缘经历了两次新元古代冰期事件[62]，但对这两次冰期事件的时代与对比问题，目前仍无统一认识（图2）。宗文明等将波龙组冰期、雨塘组冰期分别与贝义西冰期和阿勒通沟-特瑞爱肯冰期对比[91]；高林志等认为它们应分别对比于阿勒通沟冰期和特瑞爱肯冰期对比[62]；而童勤龙等则将其分别与特瑞爱肯冰期和汉格尔乔克冰期对比[92]。由于缺乏来自岩浆事件年龄的有效约束，目前的碎屑锆石年代学研究也有较大分歧，存在将恰克马克力克群归属为埃迪卡拉纪/震旦纪[94-96]或成冰纪/南华纪[62，97，98]两种截然不同的观点。

4 结语

图2 塔里木陆块西南缘南华-震旦系岩石地层划分与对比方案的历史沿革Fig.2 Evolution of the subdividing and correlating schemes of the Nanhuaan-Sinian in the southwestern part of the Tarim Block

地球在新元古代经历的两次全球性极端气候事件，是厘定成冰纪顶、底界线，继而划分新元古代地球各圈层演化阶段的主要依据。针对极端气候事件的成因机制，目前已经提出了一系列假说和模型，如“雪球地球”、“泥球地球”、“带状开放水体”等，这些相悖的假说可以在各自的理论框架内合理解释一些客观存在的地质现象，如低纬度冰川作用记录、条带状铁建造重现、碳同位素比值剧烈变化与未冰冻流动水体成因的沉积构造等。但是，与极端气候事件触发机制有关的讨论，则鲜有例外的归因于大气温室气体含量/分压的变化。由于地球表层物质（指地表和地壳浅层）在被冰川刨蚀、搬运和堆积的过程中，基本没有经历因水营力参与导致的化学风化和分选作用，因此冰碛岩较好地继承了源区物质的化学组成，可用于恢复特定时期的上地壳平均物质组分特征、推测陆表化学风化强度等[99,100]。有鉴于此，对现存的新元古代冰碛岩、特别是最接近源区物质组成的块状杂砾岩，系统开展全岩化学元素分析和地球化学特征的对比研究，可以最大限度的模拟冰期阶段或冰前陆壳表层的平均化学组成，为验证目前被反复论证的“雪球地球”触发机制—即“适宜的陆壳表层物质、通过一种或多种方式造成大气CO2的巨量消耗、最终引发大规模冰川作用”—提供直接依据。与华南、劳伦古陆、澳大利亚、刚果和蒙古等地区相比，塔里木陆块新元古代冰碛岩的研究资料亟待充实，而与北缘的乌什和库鲁克塔格地区相比，西南缘叶城一带的研究资料更显薄弱。因此，在后续的研究工作中，笔者将以叶城地区的恰克马克力克群为主要对象，以期建立恰克马克力克群的年代地层格架、获取该群波龙组和雨塘组块状冰碛岩记录的源区物质平均化学组成，最终通过与全球同期块状冰碛岩的对比研究和综合分析，恢复相应时期地壳表层物质的基本组成特征，为理解新元古代极端气候事件的触发机制提供直接依据。

致谢：笔者曾就塔里木陆块的冰碛岩问题，与张启锐研究员进行过深入讨论；文中拟定的以块状冰碛岩反演冰期/冰前地球表层物质组成的设想，受到储雪蕾、李献华和翟明国研究员的启发，在此，一并向诸位师长表示感谢。特别感谢赵凤清、王惠初研究员组织本辑。陆松年先生早年曾在塔里木陆块开展了系统的前寒武纪地质调查与研究工作，建立了塔里木陆块前寒武纪地质演化过程的基本构架，后学谨以此文庆贺陆松年先生80寿辰。