华北克拉通南缘官道口群龙家园组凝灰岩SHRIMP锆石U-Pb年代学研究

张 健，李怀坤，田 辉

（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.华北地质科技创新中心，天津 300170）

熊耳群火山岩（1.80～1.75 Ga）广泛出露于华北克拉通南缘（图1a），是变质结晶基底形成以后最早接受沉积的中元古代盖层单元；之后有厚度近万米、由硅质陆源碎屑岩和碳酸盐岩组成的沉积序列不整合覆盖在熊耳火山岩群之上，属于河流-滨浅海相环境，其上被罗圈组冰碛岩覆盖。学者普遍认可其发育时限为中-新元古界，是哥伦比亚超大陆裂解过程的地质响应。但是，由于缺乏充分、可靠的年龄约束，不同盆地之间的地层对比只能依靠地层结构、沉积相序和碎屑锆石年龄记录等手段。苏文博等[1]在《地质调查与研究》（本刊的前身）率先报道洛峪群洛峪口组中部凝灰岩锆石的高精度年代学结果（1 611±8 Ma，LA-MC-ICPMS），将汝阳群和洛峪群明确划归为长城纪，也由此掀起重新认识华北克拉通南缘中-新元古代地层系统的热潮。本文厘定栾川地区官道口群龙家园组下部凝灰岩层的年龄，新增标定地层格架的年龄“锚点”，为探讨哥伦比亚超大陆裂解过程以及地球早期生命起源与环境协同演化规律提供时间维基础。

1 地质背景和样品采集

吕梁（中条）运动以后，熊耳、渣尔泰-白云鄂博和燕辽三大裂谷盆地沿华北克拉通南、北两侧相继发育[2-3]。熊耳裂谷（又称“豫陕裂谷”，图1b）主要分布于豫-陕-晋交界地区。熊耳群上覆的中-新元古带地层，自东北向西南包括嵩山-箕山地区的五佛山群，渑池-确山地区的汝阳群和洛峪群以及卢氏-栾川地区的高山河群、管道口群和栾川群等。本文官道口群龙家园组凝灰岩样品采自河南省栾川县祖师庙-白土镇公路旁（地理坐标34°01′13.28″N、111°22′12.43″E），该地区中-新元古界地层由老到新依次为熊耳群火山-沉积岩系、高山河群、官道口群（龙家园组、巡检司组、杜关组、冯家湾组、白术沟组）、栾川群（三川组、南泥湖组、煤窑沟组、大红口组和鱼库组）。官道口群下与高山河群，上与栾川群平行不整合或角度不整合接触，为一套碳酸盐岩沉积建造，叠层石发育。龙家园组位于官道口群的最下部，厚度＞850 m，主体为浅灰-灰色中厚层白云岩夹燧石条带。底部以紫红色含铁砾岩与高山河组平行不整合接触，下部为紫红色白云岩，中上部为燧石条带白云岩和厚层白云岩，顶部以燧石层及含砾的褐铁矿风化壳与巡检司组整合接触。张恒等[4]在龙家园组底部和下部分别获得深灰绿色和紫红色凝灰岩夹层的年龄为1 594±12 Ma和1 541±8 Ma。本文分析的凝灰岩样品层位与其后者样品（样品编号20180726-7）类似，为晶屑凝灰岩呈流纹构造，岩石由晶屑、玻屑、火山尘组成，其晶屑和玻屑主要由斜长石和石英组成，占50%以上，火山尘混杂其中。

图1 华北克拉通前寒武纪地质简图（a，据参考文献[5]）；熊耳裂谷中-新元古代地层分布（b，据参考文献[1]）和卢氏-栾川地区中新元古代-地层序列（c，据参考文献[6]）Fig.1 Precambrian tectonic sketch map of the North China Craton(a);Sketch map showing the distribution of the Meso-Neoproterozoic strata in the Xiong’er rift,southern North China Craton(b)and Meso-Neoproterozoic stratigraphic sequences in Lushi-Luanchuan area(c)

2 锆石U-Pb测年分析方法

锆石分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成，样品经破碎、淘洗和分选出重矿物后,在双目镜下挑出锆石。将待测锆石样品和标样颗粒浇铸在环氧树脂靶上，待环氧树脂固化以后将样品靶打磨、抛光至锆石的核部。通过透、反射光显微照相和阴极发光图像分析，对锆石内部结构进行研究，选择合适的测定点位。锆石U-Th-Pb同位素测定在北京离子探针中心的SHRIMP二次离子探针质谱仪上完成，测试流程见文献[7]。采用标准锆石TEM和M257进行同位素分馏校正和标定待测锆石中的U、Th和Pb含量。数据处理采用Isoplot程序[8]，利用实测的204Pb进行普通铅校正。

3 锆石U-Pb年代学

龙家园组凝灰岩（20HN15）的锆石多呈无色或褐色透明，长柱状，自形-半自形，粒径100～150μm，长宽比3/1～2/1。阴极发光图像（CL image）显示振荡环带，呈现岩浆锆石的特点（图2a）。选择20颗锆石进行年代学分析，测试结果见表1。锆石U和Th含量分别为（113～355）×10-6和（66～454）×10-6，Th/U比值0.6～1.9，整体远高于岩浆锆石经验值（0.4）（图2b）。此外，锆石Th/U比值和结晶温度具有正相关的关系，暗示其形成于高温岩浆过程。锆石UPb谐和度高（除spot 3.1为94%，其余颗粒均大于97%）。206Pb/238U的表面年龄范围1 502～1 622 Ma，207Pb/206Pb的表面年龄分布范围一致1 494～1 562 Ma，加权平均值为1 533±8 Ma（MSWD=0.75，N=20，图2b）。与不一致线上交点年龄1 532.8±7.9 Ma结果一致（图2a），因此，锆石结晶年龄～1.53 Ga可以代表凝灰岩地层的沉积年龄。

表1 龙家园组凝灰岩SHRIMP锆石U-Pb同位素定年分析结果Table 1 SHRIMP U-Th-Pb isotopic results of zircon from tuff in the Longjiayuan Formation

图2 龙家园组凝灰岩锆石阴极发光和SHRIMP U-Pb年龄谐和图（a）和207Pb/206Pb表面年龄加权平均（b）Fig.2 Zircon CL images and SHRIMP U-Pb concordia diagram of tuff in the Longjiayuan Formation(a)and 207Pb/206Pb age weighted mean plots(b)

4 地层年代学格架和意义

由于长期缺乏精确可靠的同位素测年数据，以往对于熊耳裂谷地层格架的认识主要依赖于地层结构、沉积序列，遗迹化石和大型宏观多细胞藻类化石对比以及部分层位海绿石、粘土矿物、碳酸盐岩和燧石等矿物/岩石的K-Ar、Rb-Sr、Pb-Pb和Ar-Ar年龄。由于上述方法具有较大的局限性，地层的划分和对比仍未形成共识。如前所述，随着苏文博等[1]获得洛浴群洛峪口组上部“沉凝灰岩”的锆石U-Pb年龄，结合下伏地层熊耳火山岩群的时代（1.80～1.75 Ga），将汝阳-洛峪群明确划归为长城纪，该年龄结果得到汪校锋（1 662±20 Ma和1 640±16 Ma，LA-ICPMS）[9]、李承东等（1 638±9 Ma和1 634±10 Ma，LA-MCICPMS）[10]、彭楠等（1 639±3 Ma，SHRIMP）[11]和张恒等（1 596～1 620 Ma，SHRIMP）[4]的验证。此外，高山河组和白术沟组的凝灰岩夹层被相继发现，其锆石U-Pb年龄分别为1 759±17 Ma[12]和～1 330 Ma[13]，使得地层年代格架得到有效约束。龙家园组底部凝灰岩的年龄为1 594±12 Ma[4]，侵入龙家园组下部的洛南麻坪碱性正长岩的年龄为1 598±9 Ma[14-15]，以及龙家园组底部砂岩碎屑锆石最小年龄峰1 616 Ma（N=28）[16]，共同限定官道口群最下部地层龙家园组的起始沉积时间为～1 600 Ma，代表华北克拉通西南缘蓟县纪的最底部层位。

本文和张恒等[4]分别获得龙家园组下部凝灰岩夹层的年龄1 533±8 Ma和1 541±8 Ma，指示龙家园组与燕辽裂谷的蓟县纪高于庄组的上部层位相当[17-18]。地球化学信息显示该时期地球表层系统大气-海洋的幕式增氧事件[19]，大气含氧量高达4%PAL，为真核生物的出现提供物质基础。熊耳裂谷区域内，与龙家园组凝灰岩同期的岩浆事件有豫-陕交界处的张家坪1.53 Ga A1-型花岗岩[20]，又称铁质花岗岩，形成于高温、无水的伸展环境，是典型克拉通背景下非造山的岩浆活动。实际上，沿华北克拉通南缘分布近东-西方向偏碱性的花岗岩带（1.84～1.47Ga）[21-22]，其时空分布规律与熊耳裂谷的发育高度耦合，成因可能与幔源岩浆底侵加热导致古老壳源基底物质部分熔融作用有关，暗示大陆岩石圈减薄和哥伦比亚超大陆裂解。与此同时，沉积学支持超大陆裂解的过程，由河流-滨浅海相碎屑岩沉积环境（高山河群石英砂岩）向陆表海碳酸盐岩台地（官道口群）沉积环境过渡，指示明显的海侵体系沉积。