新疆祁曼塔格地区发现新元古代叠层石

修群业,颜 妍,刘正荣,崔建勇

(1.核工业北京地质研究院,北京 100029;2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局 物化探大队,新疆 昌吉 831100)

东昆仑西段的祁曼塔格山位于新疆若羌县祁曼塔格乡西北一带。该区的地质调查工作始于20世纪50年代，先后零星地进行过部分区域地质调查、区域化探扫面和少量航磁概查工作，但最具参考价值的当属青海省地质调查院完成的1∶25万区域地质调查(拜永山等，2004)(1)拜永山，常革红，谈生祥，等(青海省地质调查院).2004.J46C003001(库郎米其提幅)1∶25区域地质调查报告.。尽管前人做过一些相关地质工作，本区基础地质研究程度仍比较低。分布于祁曼塔格山一带的狼牙山组主要是根据岩石组合特征和区域地质对比而被归于蓟县系，既没有精确的同位素年龄，也没有特征化石，地质时代一直存在争议，严重制约着本区基础地质的研究程度。通过寻找相关化石，利用有效同位素测年方法进行定年，来确定祁曼塔格地区狼牙山组地质年代是工作区存在的重要基础地质问题。近期笔者在祁曼塔格山水泉子沟附近狼牙山组白云岩内的3个地点首次发现了叠层石，并对其寄主岩进行了Sm-Nd全岩等时线法测年，在此基础上系统研究和分析了祁曼塔格山水泉子沟附近狼牙山组的地质年代归属。研究成果将有助于提升工作区研究程度与基础地质认知水平，服务区域地质、矿产及大地构造背景研究。

1 区域地质背景

研究区所在的水泉子沟一带位于东昆仑西段的祁曼塔格山(图1)，属于柴达木盆地西南缘，大地构造上为塔里木克拉通的南部边缘带(舒良树等，2013)，亦即东昆仑北坡断隆带。区内地层属华北地层大区的柴达木南缘小区，主要发育原划分的蓟县纪狼牙山组和青白口纪丘吉东沟组及少量晚三叠世卾拉山组火山岩(修群业等，2009)(2)修群业，刘正荣，付建平，等.2009.1∶5万(水泉子沟幅阿达滩幅石雪尖幅联测)区域地质调查报告.；岩浆岩主要为印支期角闪黑云二长花岗岩和角闪黑云钾长花岗岩岩(图1)；变质作用较弱，仅在狼牙山组局部层位和岩体边部发育高绿片岩相。狼牙山组下部为大理岩夹粉砂质板岩及云母(石榴)石英片岩，受断层影响未见顶、底，厚度>3 300 m；中部为中薄层状(含硅质)结晶灰岩段，厚度>2 300 m ；上部为细晶白云岩段(偶见赤铁矿)，厚度>800 m。丘吉东沟组出露于研究区西部，与狼牙山组以断层接触(图1)，岩性主要包括二云母石英片岩、石英岩、含炭质粉砂质板岩和千枚岩，厚度>2 160 m。研究区东部发育少量晚三叠世卾拉山组火山岩，主要岩性为含火山角砾晶屑凝灰岩、复屑凝灰岩及流纹岩等。

图1 水泉子沟地质略图(据修群业等，2009缩略)(3)修群业，刘正荣，付建平，等.2009.1∶5万(水泉子沟幅阿达滩幅石雪尖幅联测)区域地质调查报告.Fig.1 Geological sketch map of Shuiquanzi valley (Xiu Qunye et al.,2009)(4)修群业，刘正荣，付建平，等.2009.1∶5万(水泉子沟幅阿达滩幅石雪尖幅联测)区域地质调查报告.1—蓟县系狼牙山组；2—青白口系丘吉东沟组；3—卾拉山组火山岩；4—第四系；5—印支期角闪黑云二长花岗岩；6—印支期角闪黑云钾长花岗岩；7—岩体脉动侵入界线；8—断层；9—地层产状；10—叠层石出露位置及采样编号1—Langyashan Formation of Jixian System；2—Qiujidonggou Formation of Qingbaikouan System；3—volcanic rocks of Elashan Formation；4—Quater-nary；5—Indosinian hornblende-biotite monzonitic granite；6—Indosinian hornblende-biotite moyite；7—pulsating intrusion boundary of rock mass；8—fault；9—stratigraphic occurrence；10—exposed location of the stromatolites and sampling number

2 叠层石特征

本次工作发现了3处前寒武纪的叠层石露头。第1处位于水泉子沟沟口西部附近(样品A)，第2处位于四干旦沟口附近第2个南叉沟中游的西侧(样品B)，第3处出露于四干旦沟上游东侧(样品C)，它们均发育在狼牙山组内(图1)。

叠层石的寄主岩石为肉红色或灰黑色微晶-细晶白云岩。叠层石的柱体均属中、小型(朱士兴，1993)，详见下述。

样品A采自水泉子沟沟口附近，寄主岩石白云岩颜色稍浅，呈肉红色，显示地层产状正常(图2a)，含少量的石英和金云母(图3,背散射和能谱分析在核工业北京地质研究院分析测试中心的NOVA NANO SEM 450和OXFORD X-Max 80仪器上完成)。叠层石柱体呈短柱状或块茎状，具1～2次强烈散开分叉,分叉出相当数量缓倾斜的子柱体。子柱体先为细柱状,宽1～2 cm，后逐渐膨大成块茎或瘤状(图2b)，宽一般7～8 cm,分叉角45°～60°。其边缘无壁，但也无显著的檐；微构造为线状或薄的条带状，呈缓波状或穹状(图2b)，暗色条纹的宽度一般为0.2～0.5 mm，与Baicalia和Tuangussia(朱士兴，1993)都有相似之处，但它有多缓倾斜子柱体，所以更接近Tuangussia，可定为瘤状通古斯相似形(Tungussiacf.nodosaSemikhatov)。

图2 叠层石照片Fig.2 Photographs of stromatolitesa—出露于水泉子沟口附近的叠层石，地层产状正常，样品A；b—产于水泉子沟口附近的瘤状通古斯相似形,样品A；c—出露于四干旦沟口附近的叠层石,样品B；d—倾斜生长的撕裂贝加尔叠层石,样品B；e—直立生长的撕裂贝加尔叠层石,样品B;f—出露于四干旦沟上游的叠层石,样品Ca—stromatolite exposed near the mouth of Shuiquanzi valley,showing normal stratigraphic occurrence,sample A；b—Tungussia cf.nodosa Semikhatov exposed near the mouth of Shuiquanzi valley,sample A；c—stromatolite exposed near the mouth of Sigandan ditch,sample B；d—Baicalia lacera Semikhatov growing obliquely,sample B；e—Baicalia lacera Semikhatov growing vertically,sample B；f—stromatolite exposed at the upper course of Sigandan river,sample C

图3 叠层石样品A的背散射电子图(a)和其中的石英、金云母能谱图(b、c)Fig.3 Back scattering electronic image(a)and energy dispersive spectra for quartz(b)and phlogopite (c)from the stromatolite sample ACc—方解石；Dol—白云石；Sal—盐类；Phl—金云母；Q—石英；F5—测点及编号Cc—calcite;Dol— dolomite;Sal—salite;Phl—phlogopite;Q—quartz;F5—dot and its numbers

样品B位于四干旦沟口附近第2个南叉沟中上游西侧的白云岩中，方解石稍多一些，岩石呈灰黑色，含少量有机质，偶含赤铁矿。叠层石呈短柱状到块茎状(图2c),宽3～8 cm，直立或不同程度倾斜生长(图2d、2e)，柱体边部无壁，多檐，有时株间连层发育，具薄带状微构造，暗色条带的宽度一般为0.7～1.2 mm，叠层石纹理特征(曹瑞骥等，2009)见图2c。叠层石形态特征相似于撕裂贝加尔叠层石BaicalialaceraSemikhatov，但因野外露头所限，未见柱体的分叉特征。

样品C采自四干旦沟上游东侧浅肉红色细晶白云岩中。叠层石的形态呈柱状，不同程度倾斜生长(图2f)，柱体边无壁，没有明显的檐，柱体宽一般2～5 cm，具薄带状微构造，生长条带基本呈波状或穹状，宽度一般为0.4～1.0 mm。因出露范围有限，加之岩石受变形的影响，无法确定其种属(经与天津地质调查中心朱士兴研究员当面讨论，判断它是叠层石，而非因气候干旱造成的栉壳状构造)。

3 叠层石寄主岩石的地球化学特征

因叠层石的寄主岩石是碳酸盐类，常量元素与其它碳酸盐类相比无特点，故进行了原位稀土元素测定。由于样品C寄主岩石风化较严重，并有一定变形，因此只选取了样品A和样品B进行了地球化学成分分析。原位REE分析由核工业北京地质研究院分析测试中心的LA-ICP-MS完成，HR-IC-MS GEOlas 193 nm,激光束斑直径32 μm,剥蚀频率8～10 Hz，每个测点信号采集时间100 s。分析的测点沿叠层石纹理依次分布，实际测试结果并没有明显差异，REE的含量基本一致，分析结果见表1。从表1可明显看出，两块样品之间稀土元素总量上存在差异，样品A的Σ REE变化范围是18.96×10-6～33.46×10-6，样品B变化范围是1.23×10-6～3.43×10-6，样品A大约为样品B的11倍，而同一样品纹理之间微量元素的差别很小。稀土元素经标准化后配分型式均为具铕弱负异常(δEu=0.56～0.78)、向右弱倾斜的曲线(图4)。总体来说，样品A比样品B更平坦一些，表明轻重稀土元素的分异不明显，具前寒武纪太古宙之后沉积岩(王仁民等，1987)的典型特征。

表1 叠层石原位REE分析数据 wB/10-6Table 1 Analytical data of REE from the micro-area of studied stromatolites

图4 叠层石寄主岩石的稀土元素配分型式(标准化数据引自Sun and McDonough,1989)Fig.4 REE pattern of the host rocks of the studied stromatolites (normalized data from Sun and McDonough,1989)

4 叠层石的Sm-Nd同位素定年

4.1 样品的选取与处理

样品A和样品B基本符合等时线年龄测试的条件(Faure and Mensing，2005)，因此在测定了其部分微量元素浓度的基础上，选择Sm-Nd全岩等时线法对样品A和样品B进行了定年。在样品A和样品B不同位置各选取3个点(微量取样法，其中1个点测试过程有损坏未参加年龄计算)，为减少金属对样品的污染，对取下的微样(3 g左右)用酒精清洗干净、晾干后，再用玛瑙研钵磨碎到150～200目。准确称取0.3000 g样品粉末，置于已洗净的低压密闭溶样罐中，加入147Sm-145Nd稀释剂，再缓缓加入5 mL 6 mol/L的HCl和少许浓HNO3，在195℃的电热板上溶解24 h。待样品完全溶解后，蒸干，用1.5 mL 0.5 mol/L的盐酸溶液溶解，然后离心分离，取清液加入阳离子交换柱(树脂为AG50W X8，100～200目)，用2 mol/L和3 mol/L的盐酸溶液依次淋洗，最后用6 mol/L的盐酸溶液洗脱稀土元素。将稀土元素溶液再次蒸干，用0.05 mol/L的HCl溶解，然后用P507萃淋树脂分离Sm、Nd，蒸干后转为硝酸盐，并再次蒸干，待热电离质谱测定。整个分离过程在核工业北京地质研究分析测试中心超净实验室中进行，全流程Sm、Nd的本底<50 pg。

4.2 Sm-Nd同位素定年结果

把分离好的样品点样到钽带上(三带法，中心带为钽带，其两边为铼带)，用ISOPROBE-T热电离质谱计(TIMS)进行测定。测试过程中，Sm、Nd的质量分馏用146Nd/144Nd =0.721 9校正。本仪器测量标准物质JNdi-1的结果为143Nd/144Nd=0.512 109±3，测量GBW04419的结果为Sm=0.01×10-6，Nd=10.16×10-6，143Nd/144Nd =0.512 721±5。

将测得的定年分析数据(表2)用ISOPLOT程序进行了计算，得出的Sm-Nd全岩等时线年龄为815±26 Ma (图5)，相关系数R=99.89%，MSWD=1.5，说明这个年龄值的置信度较高。该地质年代明显属于新元古代青白口纪，而非前文献资料所述的蓟县纪或震旦纪。

表2 Sm-Nd 同位素定年分析结果Table 2 Analytical result of Sm-Nd isotopes from the stromatolites

图5 叠层石寄主岩石Sm-Nd全岩等时线年龄Fig.5 The whole-rock Sm-Nd isochron age of the host rocks of studied stromatolites

5 简要讨论

狼牙山组的命名地在青海省(孙崇仁，1997)。祁曼塔格地区狼牙山组主要是依据岩石组合特征和区域地质对比来划分的，新疆维吾尔自治区地质矿产局(1993)还曾称其为狼牙山群。祁曼塔格地区狼牙山组自被命名以来，其时代归属一直存在争议，主要是因为没有较精确的同位素年龄和特征化石。边千韬等(2006)曾在东昆仑相关碳酸盐和浅变质碎屑岩中发现了一套叠层石组合，并将这些组合与国内外的相关种属进行了成岩时代对比，推测其形成时限为中元古代晚期—新元古代早期，但这些地层的成岩时代问题并未得到完全解决，因为不同时代的叠层石，其形态可能完全相同，而同一时代的叠层石特征可千差万别。本次在研究区发现的叠层石Tungussiacf.nodosaSemikhatov和BaicalialaceraSemikhatov，在安徽徐淮地区和辽东半岛一带新元古代地层中也均有出露(旷红伟等，2018)。研究区叠层石的形态特征与以瘤状、柱状为主的青白口系叠层石组合特征(白瑾等，1996)相同。此外，在东昆仑中段也曾发现过Jurusaniaf和Tungussiaf叠层石(拜永山等，2004)(5)拜永山，常革红，谈生祥，等(青海省地质调查院).2004.J46C003001(库郎米其提幅)1∶25区域地质调查报告.，它们的形态特征及寄主岩的地质层位表明，东昆仑地区叠层石组合大致相当于华北地区叠层石组合序列的组合Ⅳ(曹瑞骥等，2009)，据此推断它们应形成于新元古代。同时，本文获得叠层石寄主岩石的Sm-Nd全岩等时线年龄为815±26 Ma，张强等(2018)在东昆仑中段洪水河铁矿区的狼牙山组中获得的碎屑锆石U-Pb年龄谱系中年轻的锆石峰值为788 ±9 Ma，这两个数据支持狼牙山组沉积的下限为新元古代中期。因此，祁曼塔格山地区的狼牙山组地质时代应相当于青白口纪，与研究区出露的丘吉东沟组地质时代相同，而非以前文献所述的蓟县纪。

对于本区的大地构造，李兴振等(2002)将其归为祁曼塔格古生代复合沟弧带。这可能是更多地考虑了显生宙的特征，对前寒武纪地层的出露欠缺考虑。本文采纳孙崇仁(1997)的划分意见，即本区属于东昆仑-中秦岭地层分区的柴达木南缘小区，为柴达木微大陆块的组成部分(陆松年，2002)。研究区内地层的褶皱简单，断裂较为发育，一般仅遭受弱变质或未遭受变质，具有克拉通盖层的性质，与塔里木克拉通内部的特征相似，应属于它的边缘带(舒良树等，2013)。有些学者认为，现今柴达木盆地周围晚中元古代—新元古代的前寒武纪微陆块与华南陆块或塔里木陆块的亲缘性更强(陆松年，2002；陆松年等，2006；张建新等，2021)；但也有学者据叠层石的总体特征认为，东昆仑所在的柴达木微大陆块与华南地块存在明显差异(边千韬等，2006)。笔者倾向认为这个微陆块是塔里木陆块的组成部分，与某些学者的看法(陆松年，2002)一致，推测它是原超大陆的组成部分，可能在Rodinia超大陆解体过程中从其主体解体而来，这有待古地磁和化石研究等进一步印证。此外，关于本区的古地理环境，根据碳酸盐岩沉积建造特征(以白云岩、灰质白云岩为主，夹有少量千枚岩、板岩碎屑岩类)，结合瘤状通古斯相似型等叠层石来推断，其成岩的古环境应当为被动大陆(塔里木克拉通？)边缘温暖滨浅海相。这与“狼牙山组形成于温暖、湿润、成熟度高地壳”的推论(张强等，2018)不谋而合。研究区叠层石的发现及其寄主岩Sm-Nd全岩年龄的获得，为探讨本区大地构造演化和成岩环境提供了新证据。

6 结论

东昆仑祁曼塔格地区狼牙组首次发现前寒武纪叠层石化石Tungussiacf.nodosaSemikhatov和BaicalialaceraSemikhatov，根据其与Tungussia和Baicalia的形态特征对比，初步研究倾向认为狼牙山组发育于新元古代青白口纪；同时获得叠层石寄主岩石的Sm-Nd全岩等时线年龄为815±26 Ma，与叠层石的地质年代学解释一致；该区的前寒武纪微陆块应是罗迪尼亚超大陆的组成部分；综合叠层石寄主岩石地质、地球化学和年代学特征，推测研究区大地构造背景属被动大陆边缘环境。

致谢叠层石的鉴定与命名得到中国地质调查局天津地质调查中心朱士兴研究员和中国地质科学院地质研究所旷红伟研究员的大力帮助；野外工作中，曾得到朱代处长、付建平高级工程师和吕惠庆高级工程师的协助，张丽红研究生参加了部分野外工作；室内稀土元素原位测定和扫描电镜分析分别得到核工业北京地质研究院分析测试研究所刘瑞萍博士、于阿朋高级工程师的大力帮助；成文过程，中国地质科学院地质研究所柳永清研究员提出了建设性修改意见并对文章进行润色，在此一并表示衷心感谢。