胶北地区粉子山群碎屑锆石U-Pb年龄、Hf同位素及其对胶-辽-吉带构造演化的制约

陶鹏 谢士稳 王舫 刘倩 李强 高嘉敏 龙涛

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,其地质历史悠久,构造演化复杂多变。该克拉通保存有大量早前寒武纪基底,其上覆盖古元古代变质沉积岩,后者记录了较为广泛的前寒武纪地质事件,包括TTG片麻岩的广泛发育、新太古代条带状铁建造型铁矿的形成、大氧化事件等(Chen and Zhao, 1997;Chenetal., 1998;Tangetal., 2007, 2013a, b;翟明国,2011;王惠初等,2015;Chen and Tang, 2016;Zouetal., 2019)。现已获得的大量锆石U-Pb年代学数据表明,华北克拉通在新太古代末期(约2.5Ga)发生了一次重要的构造热事件(Polatetal., 2006;Yangetal., 2008;Diwuetal., 2011;Wanetal., 2012),并且多个地区陆续发现新太古代早期的岩浆岩(Polatetal., 2006;杨长秀等,2008;Wanetal., 2010;第五春荣等,2010;Diwuetal., 2011;Gengetal., 2012)。华北克拉通存在两期主要的变质作用,其时代分别为～2.5Ga和1.95～1.80Ga。围绕这两期构造热事件,前人开展了大量的研究,并对华北克拉通早前寒武纪演化历史进行了深入探讨。然而,对于华北克拉通化的时代和及其拼合方式的认识至今尚有分歧,目前主要存在两种观点:一种观点认为东部陆块和西部陆块在～2.5Ga开始相互靠近,直到古元古代晚期(～1.85Ga)才发生碰撞,最终完成克拉通化(Zhaoetal., 1998, 1999a, b, 2001, 2005;Kröneretal., 2006);另一种观点则认为华北克拉通主体在太古宙结束时(～2.5Ga)就已基本形成,随后又经历了一次基底陆块的拉伸-破裂事件(Zhai and Liu, 2003;翟明国和彭澎,2007;Zhai and Santosh, 2011)。重建华北克拉通新太古代晚期至古元古代晚期的演化历史,对认识华北克拉通化的时代和拼合方式具有重要的指示意义。

胶-辽-吉构造带位于华北克拉通的东南缘,总体呈北东-南西向展布,被渤海分割为北部的辽吉地区以及南部的胶北地区(图1)。带内广泛分布古元古代变质(火山)沉积岩系,主要包括胶北地区的粉子山群和荆山群,辽东地区的南辽河群和北辽河群以及吉南地区的老岭群和集安群,这些地层为探讨华北克拉通新太古代晚期到古元古代晚期之间的构造演化过程提供了重要的研究对象。

前人对于辽吉地区的变沉积岩碎屑锆石开展了大量的研究,并提出多种构造演化模式(Luoetal., 2004, 2008;Wangetal., 2017;Zhangetal., 2018)。Luoetal.(2004,2008)发现南辽河群、北辽河群变沉积岩中碎屑锆石具有相似的年龄分布特征和Hf同位素组成,指示南、北辽河群之下的基底很可能发育在同一太古宙陆块之上,进而支持陆内裂谷打开-闭合模式,即胶-辽-吉带由同一陆块经历了古元古代裂谷作用打开(可能打开至形成洋盆)并再闭合而形成。最近,Wangetal.(2017)通过对辽吉地区南辽河群不同组变沉积岩中碎屑锆石和变质锆石的深入研究探讨了其沉积时代、物源以及构造环境,并提出了陆-弧碰撞模式。同样的,Zhangetal.(2018)通过对吉南地区集安群和老岭群碎屑锆石的研究认为胶-辽-吉带经历了弧后伸展,并且沉积了巨量的陆源碎屑岩系。

与辽吉地区相比,胶-辽-吉带南段胶北地体上的相关研究则十分薄弱,特别是对古元古代变沉积岩系荆山群和粉子山群碎屑锆石的年代学、物源特征以及形成构造背景等方面的研究程度较低,这也制约了辽吉地区和胶北地体古元古代构造演化的对比研究以及对胶-辽-吉带构造总体演化过程的综合认识,急需加强这方面的研究。本文在总结前人研究成果的基础上,通过对粉子山群变沉积岩中碎屑锆石的U-Pb测年和Hf同位素研究,更加精确地限定了粉子山群变质和沉积时代,并探讨了其物源特征,为深入认识胶-辽-吉带古元古代构造演化过程提供一些新的制约。

1 地质背景与样品采集

胶北地体位于华北克拉通东南缘,属于胶辽地块南部的元古代活动带,西侧以郯庐断裂为界与鲁西新太古代花岗-绿岩地体相邻,东南以五莲-烟台断裂为界与苏鲁造山带相邻,北侧通过渤海海峡与辽东元古代活动带相望(图1)。胶北地体出露的岩石类型主要有前寒武纪变质岩系、中生代花岗质岩石和中-新生代火山-沉积岩系。前寒武纪变质岩系可划分为中-新太古代基底岩系、古元古代变质岩系和中-新元古代浅变质岩系(图1)。中-新太古代基底岩系主要分布于栖霞一带,由中-新太古代花岗质片麻岩、变质表壳岩系夹少量变基性岩类(基性火山岩或辉长岩)所组成。前人研究表明,太古宙花岗质片麻岩及表壳岩的原岩形成于～2.9Ga、～2.7Ga和～2.5Ga,其变质锆石还不同程度地记录了～2500Ma 和1950～1800Ma两期变质事件(Tangetal., 2007;Jahnetal., 2008;Zhouetal., 2008a;刘建辉等,2011;颉颃强等,2013;Wangetal., 2014;Wuetal., 2014;Xieetal., 2014;谢士稳等,2015;赵磊等,2023)。古元古代变质岩系主要由变沉积岩系(荆山群与粉子山群)与变质岩浆岩所组成。其中古元古代变质岩浆岩的原岩由花岗岩和少量闪长岩、辉长岩组成。锆石U-Pb定年结果表明,本区古元古代变质岩浆岩原岩形成时代主要为2.19～2.05Ga与1.87～1.80Ga(刘建辉等,2011;董春艳等,2012;刘平华等,2013;Liuetal., 2014a, b, 2017a, 2018;Lanetal., 2015;王惠初等,2015;Chengetal., 2017;Lietal., 2017;田瑞聪等,2017;肖志斌等,2017;谢士稳等,2022)。

古元古代变沉积岩系在区内广泛分布,是胶北变质基底的重要组成。其中,荆山群主要分布于栖霞复背斜南侧的平度-莱西-莱阳地区,西延至昌邑、安丘一线,它们相当一部分被中生界莱阳群所覆盖。按岩石组合,荆山群自下而上可分为禄格庄组、野头组和陡崖组。其岩性主要为夕线石榴黑云片岩-片麻岩、大理岩、石墨片岩-片麻岩、长石石英岩、黑云变粒岩等,大多经历了高角闪岩相-麻粒岩相变质作用,局部可见高压麻粒岩(周喜文等,2003,2004,2007;王舫等,2010;Liuetal., 2017b)。粉子山群主要分布在栖霞庙后、蓬莱和莱州粉子山等地,自下而上被划分为小宋组、祝家夼组、张格庄组、巨屯组和岗嵛组。岩性主要为大理岩、黑云变粒岩、夕线黑云片岩片麻岩、长石石英岩等,变质作用为绿片岩相-角闪岩相,其变质程度明显低于荆山群(刘平华等,2011a;Tametal., 2012a;谢士稳等,2014;张连祥,2021)。荆山群与粉子山群的岩石组合表明,二者具有相同的原岩类型,但经历了不同的变质级别。在胶北地区,粉子山群总体分布于荆山群的西北侧,并与荆山群一起呈北东向展布(图1)。

本文样品采自莱州、栖霞、福山等地的5个露头(图1),这些露头位于公路旁、菜地旁或采石场(表1)。样品包括2件小宋组样品(JD1571、JD1574)、3件张格庄组样品(JD1515、JD1592、JD1598)和1件巨屯组样品(JD1516)。

2 实验方法

2.1 锆石U-Pb年龄和微量元素

锆石U-Pb测年在北京离子探针中心和南京聚谱检测科技有限公司两家实验室完成。其中,在南京聚谱检测科技有限公司开展锆石测年的同时,还测定了其微量元素组成。

北京离子探针中心SHRIMP U-Pb测年方法: 实验仪器为SHRIMP Ⅱ,测试时一次流O-2强度为3～5nA,束斑直径为25～30μm。标样M257(U=840×10-6, Nasdalaetal., 2008)和TEM(年龄为417Ma, Blacketal., 2003)分别用于锆石U含量和年龄校正。每分析3～4个未知样品数据,分析1次标准锆石TEM。每个分析点采用5组扫描。数据处理采用SQUID和ISOPLOT程序。根据实测204Pb含量校正普通铅,采用207Pb/206Pb年龄为锆石年龄,同位素比值和单点年龄误差均为1σ。详细分析方法见Williams(1998)。

南京聚谱检测科技有限公司LA-ICP-MS U-Pb测年和微量元素测试方法:193nm ArF准分子激光剥蚀系统由Australian Scientific Instruments制造,型号为RESOlution LR。四极杆型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)由安捷伦科技(Agilent Technologies)制造,型号为Agilent 7700x。准分子激光发生器产生的深紫外光束经匀化光路聚焦于锆石表面,能量密度为4.5J/cm2。先收集20s气体本底,随后以33μm束斑、6Hz频率剥蚀40s,气溶胶由氦气送出剥蚀池,与氩气混合后进入ICP-MS。各核素积分时间如下:207Pb为20ms,206Pb 与208Pb各15ms,232Th与238U各10ms,202Hg、204Pb与其他微量元素积分时间8ms。测试过程中以标物锆石91500(1062Ma)为外标,校正仪器质量歧视与元素分馏;以标物锆石GJ-1(600Ma)与Plešovice(337Ma)为盲样,检验U-Pb定年数据质量;以NIST SRM 610为外标、Si为内标,标定锆石中的微量元素含量。原始的测试数据经过ICPMSDataCal软件离线处理完成(Liuetal., 2010)。

2.2 锆石Hf同位素

LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素测试在南京聚谱检测科技有限公司完成。193nm ArF准分子激光剥蚀系统由Australian Scientific Instruments制造,型号为RESOlution LR。多接收器型号电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)由英国Nu Instruments公司制造,型号为Nu Plasma II。准分子激光发生器产生的深紫外光束经匀化光路聚焦于锆石表面,能量密度为4.5J/cm2。先收集20s气体本底,随后以50μm束斑、9Hz频率剥蚀40s,气溶胶由氦气送出剥蚀池,与氩气混合后进入MC-ICP-MS。MC-ICP-MS单次积分时间为0.3s,40s内剥蚀时间内约有133组数据。测试过程中每隔15颗样品锆石,同时交替测试了3颗锆石标样(包括GJ-1、91500、Plešovice、Mud Tank、Penglai),以检验锆石Hf同位素测量数据的质量。

3 锆石U-Pb定年结果及其稀土元素特征

3.1 小宋组

小宋组黑云斜长变粒岩(JD1571)采自莱州市交通管理局东约200m北苑路旁,该处露头被挖掘成直径约30m的孤岛,出露岩石为强变形的黑云斜长变粒岩,变粒岩片麻理倾向342°,倾角60°,风化较严重(图2a)。分选自该样品的碎屑锆石多呈自形-半自形长柱状,部分锆石颗粒呈半自形椭球状,长度主要为40～100μm。从CL图像上看,大多数锆石具有明显的核-边结构,核部呈灰白色,其内显示出岩浆成因的振荡环带,其外则被一圈黑暗的变质增生边所包围(图3a)。在此样品中选取了29个点进行SHRIMP U-Pb分析(电子版附表1、图4a)。除测试点2.1的不谐和度为12%外,其他所有测试点的不谐和度均<10%。其余28个具谐和年龄的测试点中有22个位于具有振荡环带的锆石核部,其Th、U含量分别为11.2×10-6～543×10-6、33.1×10-6～474×10-6,Th/U比值为0.28～1.36,为岩浆成因,测得的207Pb/206Pb年龄分布在2406～2546Ma之间,峰值为～2.53Ga(图4a);6个测试点位于无结构锆石的变质增生边部,其Th、U含量分别为32.0×10-6～71.2×10-6和1541×10-6～2454×10-6,Th/U比值为0.02～0.03,为变质成因,207Pb/206Pb年龄分布在1842～1856Ma之间,加权平均年龄为1849±4.4Ma(MSWD=1.04,n=6,图4a)。

图2 胶北粉子山群小宋组、张格庄组和巨屯组变质沉积岩野外照片Fig.2 Field photographs of metasedimentary rocks in the Xiaosong, Zhanggezhuang, and Jutun formations of the Fenzishan Group from the Jiaobei Terrane

图3 胶北粉子山群小宋组、张格庄组和巨屯组变质沉积岩中碎屑锆石阴极发光图像图中白色椭圆、黄色圆形和绿色圆形分别代表SHRIMP U-Pb年龄、LA-ICP-MS U-Pb年龄和Hf同位素测试点位;数据代表分析点号、年龄和εHf(t)值Fig.3 Cathodoluminescence images of detrial zircons from metasedimentary rocks in the Xiaosong, Zhanggezhuang and Jutun formations of the Fenzishan Group from the Jiaobei TerraneThe white ellipses, yellow circles and green circles represent the analyzed domains of the zircon SHRIMP U-Pb age, the LA-ICP-MS U-Pb age and the Hf isotope value, respectively. Numbers near zircon denote spot numbers, U-Pb ages and εHf(t) values

图4 胶北粉子山群小宋组、张格庄组和巨屯组变质沉积岩中变质锆石和碎屑锆石U-Pb年龄谐和图和年龄分布直方图Fig.4 U-Pb concordia diagrams and age histograms of metamorphic and detrial zircons from metasedimentary rocks in the Xiaosong, Zhanggezhuang, and Jutun formations of the Fenzishan Group from the Jiaobei Terrane

小宋组长石石英片岩(JD1574)与黑云斜长变粒岩(JD1571)采自同一露头(图2b)。分选自该样品的碎屑锆石多呈自形-半自形、短柱状-椭球状,少数锆石颗粒呈他形粒状,长度主要为30～110μm。从CL图像上看,大多数锆石显示清晰或较清晰的振荡环带,部分锆石为均一、无环带结构(图3b)。大多数锆石外围发育狭窄的变质增生边,但由于宽度过小(通常小于10μm),故未对其进行测试。在此样品中选取了74个点进行LA-ICP-MS U-Pb分析(附表2、图4b)。所有测试点的不谐和度皆<10%。其中大部分测试点分析在振荡环带区域,小部分分析在结构均匀的区域。它们的Th、U含量分别为14.8×10-6～550×10-6和35.3×10-6～1056×10-6,Th/U比值为0.09～1.78(除测试点25.1的Th/U比值为0.09外,其余皆>0.10,且绝大多数>0.40)。结合CL图像和Th/U比值判断这些谐和锆石为岩浆成因。74个测点所测得的207Pb/206Pb年龄在2169～3663Ma之间,主峰值为～2.50Ga,次峰值为～2.19Ga(图4b)。此外,4颗锆石年龄>3.0Ga,分别3322±23.5Ma(点11.1)、3361±20.4Ma(点55.1)、3619±18.8Ma(点4.1)、3663±28.1Ma(点22.1)。74个具有谐和LA-ICP-MS年龄的锆石测点同时给出稀土元素组成(附表3、图5a)。它们的稀土总量∑REE为141×10-6～3471×10-6,LREE/HREE为0.01～0.55。

图5 胶北粉子山群小宋组、张格庄组和巨屯组变质沉积岩中变质锆石和谐和碎屑锆石球粒陨石标准化稀土元素配分图(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of metamorphic zircons and concordant detrial zircons from metasedimentary rocks in the Xiaosong, Zhanggezhuang, and Jutun formations of the Fenzishan Group from the Jiaobei Terrane (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

3.2 张格庄组

张格庄组不纯大理岩(JD1515)采自栖霞市庙后镇北百间观村加油站北边菜地旁的露头,局部大理岩中可见粒度较大的定向排列的透闪石(约2～3cm,图2c)。分选自该样品的碎屑锆石多呈自形长柱状或半自形椭球状,少数锆石颗粒呈他形粒状,长度主要为50～150μm。从CL图像上看,绝大多数锆石显示清晰或较清晰的振荡环带,少数几颗锆石为均一、无环带结构(图3c)。在此样品中选取了103个点进行U-Pb分析,其中测试点1.1～53.1由SHRIMP分析得来(附表1、图4c),点54.1～103.1由LA-ICP-MS分析得来(附表2、图4c)。103个测试点中共有25个测试点的不谐和度>10%;其余78个具谐和年龄的测试点绝大多数分布在振荡环带区域,少数几个分析点位于结构均匀区域。谐和锆石的Th、U含量分别为22.7×10-6～338×10-6和44.2×10-6～512×10-6,Th/U比值为0.22～1.26。结合CL图像和Th/U比值判断这些谐和锆石为岩浆成因。78个测试点所测得的207Pb/206Pb年龄在2181～3461Ma之间,主峰值为～2.52Ga,次峰值为～2.70Ga(图4c)。此外,3颗锆石年龄>3.0Ga,分别为3351±15Ma(点2.1)、3461±8.4Ma(点30.1)和3248±13Ma(点44.1)。35个谐和锆石LA-ICP-MS测试点同时给出稀土元素组成(附表3、图5b)。它们的稀土总量∑REE为203×10-6～1430×10-6,LREE/HREE为0.02～0.74。

张格庄组不纯大理岩(JD1592)采自栖霞市桃村镇徐家村北侧省道S210旁废弃的大型大理石采场,采场长约100m,高约30m,主要出露大理岩,其中含有不纯大理岩夹层,不纯大理岩厚约5m,上未见顶(图2d)。分选自该样品的碎屑锆石多呈半自形椭球状,长度主要为50～110μm。从CL图像上看,绝大多数锆石显示清晰或较清晰的振荡环带,少数锆石发育核-边结构(图3d)。在此样品中选取了66个点进行LA-ICP-MS U-Pb分析(附表2、图4d)。其中23个测试点的不谐和度>10%,其余43个为具谐和年龄的测试点。其中,42个分析在具有振荡环带的核部,它们的Th、U含量分别为22.5×10-6～512×10-6和51.7×10-6～665×10-6,Th/U比值为0.17～1.03,为岩浆成因,207Pb/206Pb年龄分布在2022～3512Ma之间,主峰值为～2.47Ga,次峰值为～2.68Ga;另有1颗古老锆石(点34.1),其年龄为3512±19Ma(图4d)。这些谐和锆石稀土总量变化较大,∑REE为106×10-6～1801×10-6,LREE/HREE为0.01～0.54(附表3、图5c)。此外,一个测试点(点20.1)位于无结构锆石的变质增生边部,Th、U含量分别为123×10-6和701×10-6,Th/U比值为0.17,为变质成因,207Pb/206Pb年龄为1876±25.9Ma(图4d);其∑REE为170×10-6,LREE/HREE为0.03,稀土总量较岩浆成因锆石低(附表3),重稀土元素富集,指示其形成时没有石榴子石与之共存(图5c)。

张格庄组不纯大理岩(JD1598)采自栖霞市桃村镇甲格庄村南约200m的露头,出露约30m的不纯大理岩,走向复杂多变(图2e)。分选自该样品的碎屑锆石多呈半自形短柱状或椭球状,长度主要为40～120μm。从CL图像上看,绝大多数锆石显示清晰或较清晰的振荡环带,少数几颗锆石发育核-边结构(图3e)。在此样品中选取了48个点进行LA-ICP-MS U-Pb分析(附表2、图4e)。该样品中多数测试点发生显著的Pb丢失(28个数据点的不谐和度>10%)。其余20个具谐和年龄的测试点中有17个在具有振荡环带的核部,它们的Th、U含量分别为0.4×10-6～309×10-6和39.6×10-6～547×10-6,Th/U比值为0.01～0.99,为岩浆成因,207Pb/206Pb年龄分布在2015～2946Ma之间,主峰值为～2.91Ga, 次峰值为～2.45Ga(图4e)。这些谐和锆石稀土总量变化较大,∑REE为59.6×10-6～1134×10-6,LREE/HREE为0.01～0.37(附表3、图5d)。3个测试点在无环带的变质增生边部,其Th、U含量分别为27.3×10-6～66.0×10-6和276×10-6～668×10-6,Th/U比值为0.05～0.10,为变质成因,207Pb/206Pb年龄分布在1857～1932Ma之间,它们与其他3个位于变质增生边部的不谐和测试点沿不一致线分布,给出的上交点年龄为1877±26Ma(MSWD=2.1,n=6,图4e)。这3颗锆石REE为77.5×10-6～169×10-6,LREE/HREE为0.02～0.03,稀土总量较岩浆成因锆石低(附表3),与上一个样品类似,重稀土元素相对富集,说明其结晶时未与石榴子石共存(图5d)。

3.3 巨屯组

巨屯组浅色变粒岩(JD1516)采自福山区高疃镇西宋洲村西南约500m公路旁,露头不大,北侧为巨屯组浅色变粒岩,南侧为侵入其中的未变形的花岗岩,露头沿公路延伸约20～30m,出露岩石相对新鲜(图2f)。分选自该样品的碎屑锆石多呈半自形短柱状或他形浑圆状,长度主要为50～100μm。从CL图像上看,大多数锆石显示清晰或较清晰的振荡环带,少部分锆石为均一、无环带结构(图3f)。在此样品中选取了124个点进行U-Pb分析。其中测试点1.1～40.1由SHRIMP分析得来(附表1、图4f),点41.1～120.1由LA-ICP-MS分析得来(附表2、图4f)。124个测试点中共有20个测试点的不谐和度>10%,其余的104个具谐和年龄的测试点几乎全部位于振荡环带区域,它们的Th、U含量分别为25.8×10-6～634×10-6和20.4×10-6～572×10-6,Th/U比值为0.06～1.63。结合CL图像和Th/U比值判断这些谐和锆石为岩浆成因。104个测试点所测得的207Pb/206Pb年龄在2039～3623Ma之间,年龄峰值为～2.48Ga(图4f)。此外,3颗锆石年龄>3.0Ga,分别为3623±26Ma(点6.1)、3328±9.2Ma(点14.1)和3099±19.9Ma(点107.1)。76个谐和锆石LA-ICP-MS测试点同时给出稀土元素组成(附表3、图5e),其稀土总量∑REE为177×10-6～1977×10-6,LREE/HREE为0.01～0.53。

4 Hf同位素分析结果

由于本次研究的粉子山群碎屑锆石颗粒普遍偏小,仅对颗粒足够大且具有谐和年龄的81个锆石颗粒进行了原位Hf同位素分析,分析结果见附表4和图6。结果表明,除三个测试点176Lu/177Hf比值为0.002139～0.002492,其他测试点的176Lu/177Hf比值均小于0.002,指示锆石形成之后未有显著的放射成因Hf积累(Patchettetal., 1982;Knudsenetal., 2001;Kinny and Mass, 2003;吴福元等,2007;第五春荣等,2012)。

图6 胶北粉子山群小宋组、张格庄组和巨屯组变质沉积岩和早前寒武纪岩浆岩的锆石εHf(t)与年龄的关系图胶北早前寒武纪岩浆岩数据引自:谢士稳,2012;Liu et al., 2013a, 2014b;Wan et al., 2014;Wang et al., 2014;Wu et al., 2014;Xie et al., 2014;Zhang et al., 2014;Lan et al., 2015;Cheng et al., 2017;田瑞聪等,2017;肖志斌等,2017Fig.6 Plot of εHf(t) vs. ages for zircons from metasedimentary rocks in the Xiaosong, Zhanggezhuang and Jutun formations of the Fenzishan Group and Early Precambrian magmatic rocks from the Jiaobei terraneData sources of the Early Precambrian magmatic rocks in the Jiaobei Terrane: Xie, 2012;Liu et al., 2013a, 2014b;Wan et al., 2014;Wang et al., 2014;Wu et al., 2014;Xie et al., 2014;Zhang et al., 2014;Lan et al., 2015;Cheng et al., 2017;Tian et al., 2017;Xiao et al., 2017

4.1 小宋组

从样品JD1574中挑选了8颗锆石进行Lu-Hf同位素分析(附表4、图6)。1颗古太古代锆石(JD1574-22.1,年龄为3663±28.1Ma)的176Hf/177Hf比值、εHf(t)值分别为0.280484和-0.45; 3颗新太古代锆石的εHf(t)值均>0,与胶北～2.5Ga和～2.7Ga 岩浆岩的锆石εHf(t)值一致(图6);3颗～2.2Ga锆石具有演化的Hf同位素组成,εHf(t)值为-2.9～-0.05;1颗～2.4Ga锆石(点37.1,年龄为2365±22.8Ma)的εHf(t)值较低,为-7.3。

4.2 张格庄组

从样品JD1515、JD1592、JD1598中分别挑选了26、5、5颗锆石(共计36颗)进行Lu-Hf同位素分析(附表4、图6)。1颗古太古代锆石(JD1515-2.1,年龄为3351±15Ma)的176Hf/177Hf比值、εHf(t)值分别为0.280554和-4.05;2颗2.2～2.1Ga锆石的176Hf/177Hf比值、εHf(t)值分别为0.281451～0.281510和0.12～3.05;其他33颗太古宙锆石根据年龄大致可分为～2.5Ga、～2.7Ga和～2.9Ga三组,除1颗锆石的εHf(t)值(-0.57)较低外,其他锆石的εHf(t)值均为正值,与胶北太古宙岩浆岩相应的锆石εHf(t)值吻合。

4.3 巨屯组

从样品JD1516中挑选了36颗锆石进行Lu-Hf同位素分析(附表4、图6)。2颗年龄>3.0Ga的锆石(JD1516-6.1,3623±26Ma;JD1516-107.1,3099±26Ma)的176Hf/177Hf比值、εHf(t)值分别为0.280304、-5.99和0.280756、-1.98。其他为新太古代锆石,可分成～2.5Ga和～2.7Ga两组,大多数锆石εHf(t)值为正值(图6)。值得注意的是,该样品中6颗～2.5Ga锆石具有明显偏低的εHf(t)值(-5.79～-2.44),分布在胶北～2.9Ga和～2.7Ga岩浆岩沿平均大陆地壳演化至～2.5Ga时Hf同位素组成的范围内(图6)。

5 讨论

5.1 粉子山群变质时代

胶北地体早前寒武纪基底普遍经历了古元古代晚期(1.95～1.80Ga)的变质作用,太古宙基底岩石、荆山群变沉积岩以及古元古代中期的变质岩浆岩均记录了该期变质作用(Wanetal., 2006;Zhouetal., 2008a;Tametal., 2011;Liuetal., 2013a, 2017a, 2018;颉颃强等,2013;Wuetal., 2014;谢士稳等,2022)。由于变质程度较低,作为胶北地体早前寒武纪基底重要组成部分的粉子山群古元古代变质作用时限的确定一直较为困难。王惠初等(2015)通过对莱州-昌邑地区原归属于粉子山群底部小宋组的变质沉积型铁矿进行研究,在一件斜长角闪岩样品中获得了～1.85Ga的变质年龄。但通过系统研究,这些含铁建造应形成于新太古代早期(～2.7Ga),而不应归属于粉子山群。Wanetal.(2006)对一件粉子山群石榴云母片岩中28颗锆石的变质边部进行了SHRIMP测年,但这些变质边均发生强烈的Pb丢失,未获得可靠的变质年龄。谢士稳等(2014)也尝试限定粉子山群的变质时代,对庙后地区粉子山群下部祝家夼组长石石英片岩中碎屑锆石进行了SHRIMP定年,但锆石边部也发生强烈的Pb丢失,未给出准确的变质作用年龄。本次研究,采自莱州地区的小宋组黑云斜长变粒岩(JD1571)中的锆石发育较宽的变质边部,通过SHRIMP测年,6个变质边部给出1842～1856Ma变质年龄。此外,采自庙后镇北的两件张格庄组大理岩中的锆石发育较窄的变质边,其中样品JD1592一个变质边给出的变质年龄为1876±25.9Ma,样品JD1598中6个变质边部发生弱的Pb丢失,在谐和图中,这几个测试点沿不一致线分布,给出的上交点年龄为1877±26Ma(图4e)。这些结果与张连祥(2021)在粉子山群中获得的1909～1841Ma变质年龄基本一致,指示粉子山群古元古代晚期变质作用的时代为1.88～1.84Ga,与荆山群变质作用时代一致。

5.2 粉子山群沉积时代

针对胶北地区古元古代变沉积岩的沉积时代,前人开展了一些有益的研究。例如,早期锆石单颗粒蒸发法U-Pb年龄指示荆山群和粉子山群沉积于2.48～2.38Ga之间(纪壮义,1993;王沛成,1995)。Wanetal.(2006)对荆山群和粉子山群碎屑锆石进行SHRIMP U-Pb定年,将其沉积时代限定在2.2～1.9Ga。谢士稳等(2014)则将粉子山群祝家夼组的沉积时代进一步限定在2.1～1.9Ga之间。近年的一些研究认为莱州-昌邑地区部分粉子山群可能沉积于新太古代,应从粉子山群中解体出来(王惠初等,2015;肖志斌等,2017)。例如小宋组含铁建造中识别出2726±10Ma的变火山岩,指示含铁建造可能沉积于新太古代早期(王惠初等,2015)。与祝家夼组中碎屑锆石年龄分布不同,昌邑山阳村小宋组石英岩中不含2.2～2.0Ga的碎屑锆石,且最年轻的锆石年龄峰值为～2.5Ga,认为该套石英岩可能沉积于新太古代(肖志斌等,2017)。值得注意的是,本次研究报道的黑云斜长变粒岩(JD1571)中也未识别古元古代中期的碎屑锆石,最年轻的碎屑锆石年龄峰值也是～2.5Ga(图4a)。而采自同一露头的长石石英片岩(JD1574)中的碎屑锆石年龄次峰为2194Ma。两件样品之间未见断层、不整合等接触关系,应为同一时期沉积产物,因此不能简单地将不含2.2～2.0Ga碎屑锆石做为判别形成于新太古代的依据。例如青白口系长龙山组石英岩中仅有一个新太古代的碎屑锆石年龄峰(第五春荣等,2011)。本文报道的小宋组长石石英片岩(JD1574)最年轻的碎屑锆石年龄峰值为～2190Ma(图4b)。结合相邻地区黑云二长浅粒岩最年轻的碎屑锆石年龄峰为～2.1Ga,小宋组最大沉积时代应晚于～2.1Ga。其他张格庄组和巨屯组样品中仅零星的含有2.2～2.1Ga的碎屑锆石,例如,张格庄组不纯大理岩(JD1592)中最年轻的两颗碎屑锆石207Pb/206Pb年龄为2087±28Ma(点30.1,不谐和度为-1)和2124±26Ma(点40.1,不谐和度为-3)。巨屯组浅色变粒岩(JD1516)中最年轻的一颗碎屑锆石207Pb/206Pb年龄为2113±26Ma(点70.1,不谐和度为0)。由此可见张格庄组和巨屯组最大沉积时代也晚于～2.1Ga。根据前人研究结果,结合本次我们获得的变质年龄和区域的变质时代,除莱州-昌邑地区分布的含有铁建造的层位应解体为新太古代表壳岩外,粉子山群主体应沉积于2.1～1.9Ga,与前人认识(Wanetal., 2006;谢士稳等,2014;刘福来等,2015)相似。

5.3 物源分析

如前文所述,得益于近年来积累的大量年代学资料,胶北地体及周边地区早前寒武纪岩浆作用的年代格架越来越清晰,这也为识别粉子山群的源区提供了基础。现有资料显示,尽管粉子山群不同组之间碎屑锆石年龄分布存在差异(图7),但值得注意的是,年龄分布的差异仅与不同年龄段碎屑锆石所占的比例有关,而年龄峰值几乎未变(图7)。粉子山群中碎屑锆石的年龄峰与胶北地区早前寒武纪岩浆活动的期次一致(图8),表明粉子山群碎屑物质很可能来自胶北地体,不同组之间年龄分布的差异,可能是由其沉积时源区基底岩石出露的不同比例所造成。粉子山群中不同年龄段碎屑锆石的εHf(t)值也大多与已发表的早前寒武纪岩浆岩一致(图6),这也支持早前寒武纪岩浆岩为粉子山群提供碎屑物质的认识。值得注意的是,巨屯组样品JD1516中约17%(6颗)的锆石具有明显偏低的εHf(t)值(-5.79～-2.44),Hf模式年龄(tDM2)为3125～3347Ma,与胶北～2.9Ga和～2.7Ga岩浆岩的锆石Hf模式年龄(tDM2)相当(图6)。在图6中它们落在胶北～2.9Ga和～2.7Ga岩浆岩沿平均大陆地壳演化至～2.5Ga时Hf同位素组成的范围内,指示其可能由早期岩浆岩部分熔融而成,这也暗示胶北新太古代晚期不仅发生大规模的初生地壳生长,还存在早期地壳的重熔。

图7 胶北粉子山群不同组碎屑锆石的年龄分布直方图数据来源:本次研究;谢士稳等,2014;肖志斌等,2017;张连祥,2021Fig.7 Detrial zircon age histogram diagram for different formations of the Fenzishan Group from the Jiaobei TerraneData sources: this study; Xie et al., 2014; Xiao et al., 2017; Zhang, 2021

图8 胶北早前寒武纪岩石的锆石年龄分布直方图(a)粉子山群变质沉积岩(本次研究;谢士稳等,2014;肖志斌等,2017;张连祥,2021);(b)荆山群变质沉积岩(Wan et al., 2006;刘平华等,2011a;Liu et al., 2018;张连祥,2021;张连祥等,2021);(c)胶北太古宙基底-古元古代岩浆岩(Tang et al., 2007;Jahn et al., 2008;Zhou et al., 2008a;刘建辉等,2011;Wan et al., 2011;刘平华等,2011b,c,2013,2014;Liu et al., 2013a, b, 2014b;颉颃强等,2013;Wang et al., 2014;Wu et al., 2014;Xie et al., 2014;Shan et al., 2015;谢士稳等,2015,2022;Jiang et al., 2016;Cheng et al., 2017;田瑞聪等,2017)Fig.8 Zircon age histograms for Early Precambrian rocks from the Jiaobei Terrane(a) metasedimentary rocks of the Fenzishan Group (this study;Xie et al., 2014;Xiao et al., 2017;Zhang, 2021); (b) metasedimentary rocks of the Jingshan Group (Wan et al., 2006;Liu et al., 2011a;Liu et al., 2018;Zhang, 2021;Zhang et al., 2021); (c) Archean basement and Paleoproterozoic magmatic rocks from the Jiaobei Terrane (Tang et al., 2007;Jahn et al., 2008;Zhou et al., 2008a;Liu et al., 2011;Wan et al., 2011;Liu et al., 2011b,c,2013,2014;Liu et al., 2013a, b, 2014b;Xie et al., 2013;Wang et al., 2014;Wu et al., 2014;Xie et al., 2014;Shan et al., 2015;Xie et al., 2015,2022;Jiang et al., 2016;Cheng et al., 2017;Tian et al., 2017)

5.4 对胶-辽-吉带构造演化的制约

如前文所述,胶-辽-吉带古元古代的构造演化过程一直存在争议。前人对辽吉带北段辽东地区南辽河群、北辽河群和吉南地区集安群、老岭群碎屑锆石开展了大量的研究,获得了一些新的认识(Luoetal., 2004, 2008;刘福来等,2015;Wangetal., 2017;Zhangetal., 2018)。辽吉地区变沉积岩中碎屑锆石最主要的年龄峰为～2.5Ga和2.2～2.0Ga,与辽吉带内广泛发育的古元古代花岗岩以及辽吉带两侧龙岗、狼林地块强烈活动的新太古代岩浆岩时代一致,指示这些变沉积岩碎屑物质来自带内及辽吉带两侧的岩浆岩(Luoetal., 2004, 2008; Wangetal., 2017)。由于龙岗和狼林地块均发育强烈的新太古代晚期(～2.5Ga)岩浆事件(Yangetal., 2008;Wanetal., 2012, 2015;赵磊等,2016;王伟等,2017),导致很难区分胶-辽-吉带两侧基底哪一侧为这些变沉积岩提供碎屑物质。与辽吉地区不同,胶北地体发育特征的～2.9Ga和～2.7Ga的岩浆岩(Tangetal., 2007;Jahnetal., 2008;刘建辉等,2011;颉颃强等,2013;Wangetal., 2014;Wuetal., 2014;Xieetal., 2014;谢士稳等,2015),为判别古元古代基底碎屑物质的来源提供了可能。

由图7可见,粉子山群由底到顶,不同组变沉积岩中均含有～2.7Ga或～2.9Ga的年龄峰,或两者兼有,表明胶北地体持续为其提供碎屑物质,沉积过程中二者未被岛弧或洋盆等隔离。与之相似,荆山群中也含有这两个年龄峰(图8)。这两期碎屑锆石应来自胶北相应年龄的岩浆岩(本文;谢士稳等,2014;刘福来等,2015)。具有顺时针P-T-t轨迹的高压泥质和基性麻粒岩指示胶北地体经历了古元古代晚期的板块俯冲碰撞作用(Zhouetal., 2008b;刘平华等,2010;王舫等,2010;Tametal., 2012a, b;Liuetal., 2017b)。粉子山群和荆山群碎屑锆石年龄分布特征基本一致(图8),表明二者具有相似的源区,它们可能分别沉积于具有相似基底的两个地块之上,暗示胶北地区可能经历了裂谷打开-闭合的过程。但是,如果二者沉积于两个地块之上,在俯冲-碰撞过程中,荆山群所处地块向下俯冲(荆山群变质程度较高),而粉子山群所处地块向上仰冲。该过程很难解释粉子山群经历与荆山群同时代、且顺时针的P-T-t轨迹(刘福来等,2015)。尽管在板块碰撞造山过程中,上盘物质可随俯冲盘向下俯冲,但规模十分有限(Liuetal., 2014b, 2018;曹汇等,2016;李广旭等,2016),与胶北大面积出露的粉子山群相矛盾(图1)。

关于荆山群和粉子山群碎屑锆石年龄一致,本文认为可能还存在另一种解释,二者沉积于同一陆块的同一边缘。根据粉子山群和荆山群的空间分布关系,推测胶北地体可能是向东南俯冲,形成分布在胶北地体东南部荆山群中的高压麻粒岩,而变质作用级别相对较低的粉子山群分布在荆山群西北(图1)。该过程可以解释粉子山群和荆山群变质作用时代一致,均具有顺时针P-T-t轨迹以及粉子山群大规模出露的问题。如果胶-辽-吉带(至少南端)由不同演化过程的地块拼合而成,粉子山群和荆山群均含有胶北特征的年龄峰,支持它们可能都沉积于胶北地体一侧。对比基底性质,胶北地体被认为与华北克拉通南缘具有亲缘性(谢士稳等,2014,2015,2016;刘超辉和蔡佳,2017)。与胶北地体具有亲缘性的荆山群经历了古元古代晚期的高压麻粒岩相变质作用,也支持胶北地体向东南俯冲的认识。

6 结论

(1)在小宋组黑云斜长变粒岩(JD1571)与两件张格庄组大理岩(JD1592、JD1598)的13个变质边中获得了1842～1877Ma的变质年龄,指示粉子山群古元古代晚期变质作用的时代为1.88～1.84Ga,与荆山群变质作用时代一致。

(2)根据前人研究结果,结合本次研究获得的2.2～2.1Ga的碎屑锆石、1.88～1.84Ga的变质年龄和区域的变质时代,除莱州-昌邑地区分布的含有铁建造的层位应解体为新太古代表壳岩外,粉子山群主体应沉积于2.1～1.9Ga。

(3)粉子山群碎屑锆石的年龄峰和εHf(t)值与胶北地区早前寒武纪岩浆岩的一致性表明其碎屑物质很可能来自胶北地体早前寒武纪岩浆岩。值得注意的是,巨屯组样品JD1516中约17%(6颗)的锆石具有明显偏低的εHf(t)值,可能由早期岩浆岩部分熔融而成,这也暗示胶北新太古代晚期不仅发生大规模的初生地壳生长,还存在早期地壳的重熔。

(4)粉子山群和荆山群碎屑锆石年龄分布特征基本一致,均含有胶北地体特征的年龄峰(～2.7Ga和～2.9Ga),结合二者的空间分布、一致的变质作用时代以及顺时针的P-T-t轨迹,我们推测粉子山群和荆山群可能均沉积于胶北地体同侧,并随胶北地体向东南俯冲。

致谢感谢两位匿名审稿专家对文章提出的宝贵意见,使本文认识更加深刻。