华北克拉通南缘五佛山群沉积时代和物源区分析:碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素证据

胡国辉, 赵太平, 周艳艳, 杨 阳

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院 研究生院, 北京 100049; 3. 西北大学 大陆动力学国家重点实验室, 陕西 西安 710069)

0 引 言

锆石具有较强的抗风化性和抗干扰性, 在风化、剥蚀、搬运、沉积和成岩过程中保持稳定。由于锆石U-Th-Pb同位素体系具有较高的封闭温度[1–2],在成岩过程和低级变质作用下受扰动较小, 可以保持其形成时的特征。因此, 在缺乏火山岩夹层和生物记录的前寒武纪沉积地层中, 通常利用碎屑锆石最年轻的U-Pb同位素年龄来制约地层的最大沉积时代[3–7]; 同时, 根据大量的碎屑锆石年龄统计结果可以确定碎屑沉积岩的物质来源[8]、恢复区域古地理格局[9]和揭示陆壳演化历史[10]等。

华北克拉通太古宙-古元古代结晶基底之上不整合覆盖着大面积的中-新元古代沉积盖层, 主要包括北部的狼山-渣尔泰山群和白云鄂博群[11–12], 中部和东部的长城系、蓟县系和青白口系[13–17], 南部的熊耳群火山-沉积岩系及其上的中-新元古代沉积地层[18–22]。嵩山地区是华北克拉通南缘前寒武系典型地层出露区之一, 其早前寒武纪结晶基底主要由新太古界登封群TTG质片麻岩(2.60～2.50 Ga)[23–25]和古元古界早期嵩山群石英岩(2.45～2.00 Ga)[23,26]组成, 之后开始发育稳定的沉积盖层。由于仅在局部地区发现有少量的古元古代晚期熊耳群火山-沉积地层, 而五佛山群直接角度不整合覆盖于登封群和嵩山群之上。因此, 五佛山群为嵩山地区太古宙-古元古代褶皱变质基底之上分布面积最大的第一沉积盖层, 对它的研究对揭示华北克拉通结晶基底的性质及其构造-热事件具有重要意义。

前人的研究认为五佛山群从1400 Ma左右开始沉积[27], 微古植物组合特征也表明其形成于中-新元古代[18], 但缺乏精确的年龄资料。本文拟选择五佛山群底部的石英砂岩样品进行碎屑锆石LA-ICPMS U-Pb年龄和Hf同位素分析, 探讨其沉积时代和物质来源, 为该地区中-新元古代沉积地层的划分和厘定提供依据, 并与其他区域同时代的沉积地层进行对比, 进而为分析讨论华北克拉通南缘早前寒武纪地壳演化历史提供制约。

1 区域地质背景

嵩山地区前寒武纪岩石序列发育较为完整(图 1),主要有新太古界登封群表壳岩[19,23,24,28]、TTG片麻岩(2.60～2.50 Ga)[19,23,24,28,29]、古元古界嵩山群(2.00～2.45 Ga)[23,26]、中-新元古界五佛山群[27]等。其中新太古界登封群、TTG片麻岩、古元古界嵩山群和侵入其中的基性岩墙群以及花岗岩系列[30–31]共同构成嵩山地区前寒武纪结晶基底, 沉积盖层主要由中-新元古界及之后的地层组成。空间上, 新太古界登封群近南北向分布, 产状近于直立, 被古元古界嵩山群不整合覆盖; 古元古界嵩山群主要由石英岩组成, 也呈近南北向分布, 被元古宇五佛山群不整合覆盖。新太古界TTG质片麻岩侵入登封群, 并普遍被嵩山群、五佛山群和第四系覆盖。古元古代早期的路家沟钾长花岗岩侵入新太古界登封群和TTG片麻岩中, 并被中-新元古界五佛山群不整合覆盖。古元古代晚期的石秤和白家寨钾长花岗岩均侵入TTG片麻岩中, 前者侵入新太古界登封群和古元古界嵩山群中, 后者被五佛山群不整合覆盖[31]。

图1 华北克拉通南缘嵩山地区地质简图Fig.1 Simplified geological map of Songshan region at the south margin of the North China Craton

嵩山地区五佛山群自下而上分为马鞍山组、葡峪组、骆驼畔组和何家寨组[32], 主要分布于玉寨山-五佛山北坡, 以登封市少林寺-偃师市何家寨一带层序发育最为齐全,其他地区仅有下部层位马鞍山组 露。在嵩山西段兵马沟地区, 五佛山群假整合于兵马沟组之上, 局部地区则直接不整合覆盖于白家寨钾长花岗岩之上[31]。在登封城西北的马鞍山附近, 直接角度不整合覆盖于新太古界登封群之上, 在许多地方都存在底砾岩。在玉寨山北坡则直接角度不整合覆盖于古元古界嵩山群之上。五佛山群的上覆地层在不同地区也不尽相同。嵩山西段马鞍山组被震旦系罗圈组冰碛杂岩假整合覆盖; 在少林寺-何家寨以及嵩山以东地区,五佛山群则被寒武系关口砂岩不整合覆盖。

2 样品采集与分析方法

本文用于碎屑锆石分析的样品WFS-1和WFS11均采自嵩山地区玉寨山-五佛山北坡马鞍山组。WFS11位于马鞍山组底部, 接近马鞍山组与太古宙登封群角度不整合界线, WFS-1采自于马鞍山组上部。锆石的U-Pb同位素年代学和Hf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所进行。

U-Pb同位素分析使用Agilent公司7500a型ICP-MS进行测试, Lu-Hf同位素测试使用德国Finnigan公司制造的Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS), 加载德国Lamda Physik公司制造的Geolas193nm准分子激光取样系统。锆石Lu-Hf同位素分析和U-Pb定年的ICP-MS使用同一台激光剥蚀系统, 对样品进行一次性剥蚀测试。所测锆石的粒径在100～250 μm之间, 采用激光束直径为70 μm, 剥蚀频率为10 Hz, 能量密度为15 J/cm2, 剥蚀时间为27 s, 剥蚀深度20～30 μm。详细的分析流程见文献[33]。

锆石的U-Pb同位素及U、Th数据处理使用Glitter 4.0软件[34], U-Pb谐和图和加权平均年龄的计算及绘图用Isoplot 3.0软件[35]完成。数据标准化根据179Hf/177Hf =0.7325, 质量歧视校正用指数法则进行, Yb和Lu的干扰校正取176Lu/175Lu = 0.02655[36]和176Yb/172Yb =0.5887, 而Yb分馏校正则根据172Yb/173Yb = 1.35272用指数法则进行[33]。

3 分析结果

马鞍山组两个石英砂岩样品 WFS-1和 WFS11的碎屑锆石 U-Pb年龄分析结果见表 1, 选择样品WFS-1做锆石Hf同位素分析, 其结果见表2。

表1 华北克拉通南缘嵩山地区五佛山群石英砂岩碎屑锆石U-Pb年龄数据Table 1 U-Pb analytical data of detrital zircon from quartz sandstones of the Wufoshan Group in the south margin of the North China Craton.

(续表1)

(续表1)

(续表1)

表2 华北克拉通南缘嵩山地区五佛山群石英砂岩(WFS-1)碎屑锆石Hf同位素分析结果Table 2 Hf isotopic data of detrital zircon from sample WFS-1 of the Wufoshan Group in the south margin of the North China Craton

(续表 2)

(续表 2)

马鞍山组底部石英砂岩 WFS11的碎屑锆石大小不均匀, 粒径最小为 25 μm, 最大达到 230 μm, 大多数介于80～180 μm之间, 形状为次圆状和次棱角状。阴极发光(CL)图像显示(图2), 大多数锆石无分带或弱分带, 部分锆石呈长柱状, 可见岩浆震荡环带, 少数锆石具有面状分带、扇形分带和溶蚀结构。对该石英砂岩样品共进行了89个碎屑锆石分析。最年轻的碎屑锆石207Pb/206Pb年龄为(1655±22) Ma。除三个较老的太古宙的锆石年龄外, 其余的碎屑锆石在207Pb/206Pb年龄频率分布直方图上有四组比较明显的分布区间(图3), 分别为: (1) 2.50～2.38 Ga; (2)2.34～2.24 Ga; (3) 2.24～1.90 Ga; (4) 1.90～1.65 Ga。该样品共有62个锆石年龄分布于2.10～1.70 Ga之间,占统计总数的 70%, 形成一个最高的年龄峰, 峰值为1.92 Ga, 次年龄峰值为20.50 Ga。

马鞍山组细粒岩屑石英砂岩样品WFS-1的碎屑锆石大小不等, 粒径最小可至10 μm, 最大至350 μm,大部分在200～250 μm之间。其CL图像显示, 大部分锆石呈次圆状和柱状, 但也有少量晶型较好的碎屑锆石存在。部分具有岩浆震荡环带, 有的具有继承锆石核, 表明部分碎屑物质源区较近。还有部分变质锆石存在, 一些锆石颗粒的边部常出现一个很窄的(几微米)、不规则的变质增生边。笔者对样品WFS-1共进行了80个碎屑锆石分析, 剔除谐和度较差的 5个点(WFS-1-2、10、15、16、38), 对剩下的 75个点进行年龄统计。该样品的锆石207Pb/206Pb年龄分布于 2681～1732 Ma之间, 最年轻的年龄为(1732±11)Ma。其中有4个较老的太古宙的锆石年龄, 50个分析点的锆石年龄在 2.10～1.80 Ga之间, 占统计总数的67%。锆石207Pb/206Pb年龄频率分布直方图显示(图3),锆石年龄形成一个明显的主峰, 其峰值约为1.94 Ga。石英砂岩样品WFS-1的碎屑锆石Hf同位素分析结果显示(图4), 大部分锆石的176Lu/177Hf比值均小于 0.002,176Hf/177Hf比值为 0.280863～0.281700,εHf(t)值变化较大, 介于–14.3～4.6 之间, 平均为–2.51。大多数1.90 Ga左右的碎屑锆石的εHf(t)值相对比较集中, 介于–5～4.6之间(图4)。所有锆石的两阶段模式年龄分布于2363～3672 Ma之间, 明显大于其207Pb/206Pb年龄, 大部分锆石的Hf同位素组成位于2.50 Ga和2.80 Ga地壳演化线区域内(图4)。

图2 五佛山群石英砂岩(WFS11)碎屑锆石CL图像Fig.2 Representative CL images for detrital zircon from sample WFS11 of the Wufoshan Group圆圈内数字为分析点号, 碎屑锆石下方的年龄为其207Pb/206Pb年龄。The numbers in circles are analytical plots and data under each photo are 207Pb/206Pb ages.

4 讨 论

4.1 五佛山群的形成时代

已有观点认为嵩山地区五佛山群底部马鞍山组的时代为蓟县纪(1400～1000 Ma), 葡峪组、骆驼畔组和何家寨组的时代为青白口纪(1000～800 Ma)[27,32]。因此, 五佛山群地层大体可限定在蓟县纪-青白口纪地层范围内[18]。另据地质关系也可限定五佛山群至少在古元古代晚期之后沉积, 并且沉积作用可延至新元古代早期。但一直缺少精确的年代学数据。

关保德等[18]发现五佛山群底部马鞍山组所含微古植物组合特征与华北克拉通南缘相邻地区(中条山、太行山地区)的汝阳群云梦山组极为相似, 而葡峪组、骆驼畔组和何家寨组岩性和中条山、王屋山地区的洛峪群崔庄组、三教堂组的岩性也极为相似。因此, 五佛山群的形成时代可以和汝阳群、洛峪群进行对比。汝阳群不整合于熊耳群(1.80～1.75 Ga)[21,37]之上, 但在汝阳群云梦山组底部发现一层与熊耳群玄武安山岩岩性和地球化学特征相似的火山岩夹层,说明汝阳群继熊耳群之后不久开始沉积。洛峪群平行不整合覆盖于汝阳群之上, 关保德等[18]获得洛峪群崔庄组下部年龄为1171 Ma和1150 Ma(海绿石Rb-Sr年龄), 崔庄组上部年龄为1013 Ma(海绿石K-Ar年龄)。因此, 汝阳群应该形成于中元古代。

本文通过对五佛山群碎屑锆石U-Pb年龄分析,发现其底部马鞍山组两个石英砂岩样品最年轻的207Pb/206Pb年龄分别为(1732±11) Ma和(1655±22) Ma,该数据谐和性较好, 从而限制了五佛山群的最大沉积年龄不早于1650 Ma。结合野外地质考察结果, 笔者认为嵩山地区五佛山群的形成时代相当于长城纪(1800～1600 Ma)[38–40]晚期, 可能与汝阳群沉积起始时间相近或稍晚。由于没有对五佛山群上部地层做年龄测试, 笔者根据前人研究成果和野外地层关系,推断五佛山群自古元古代晚期(约1655 Ma)之后开始沉积, 可能延续到新元古代, 目前只能将汝阳群与五佛山群下部地层进行对比, 而洛峪群形成于新元古代, 可以和五佛山群上部地层进行对比, 它们都是在熊耳群火山-沉积作用之后形成的, 表明华北克拉通南缘在古元古代晚期开始进入了一个稳定沉积的阶段。

图3 五佛山群石英砂岩碎屑锆石U-Pb谐和图(a和c)和锆石年龄频率分布直方图(b和d)Fig.3 U-Pb concordia diagrams (a and c) and age histograms (b and d) of detrital zircon from quartz sandstone of the Wufoshan Group

图4 五佛山群石英砂岩(WFS-1)碎屑锆石Hf同位素特征Fig.4 Hf isotopic characteristics of detrital zircon from quartz sandstone of the Wufoshan Group

4.2 物源区分析

通过对嵩山地区五佛山群马鞍山组两个石英砂岩进行碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素分析, 得出以下几点认识。

(1) 在WFS-1和WFS11两个样品中存在少量较为古老的新太古代的锆石年龄, 所占比例较小, 分别为5.3%和3.4%。已有资料表明, 华北克拉通存在大于约3.00 Ga的古陆核[41–44], 在2.70 Ga和2.90 Ga发生过大规模的陆壳增生事件[42], 但是由于被后期地质事件改造而未留下大量的锆石记录。目前, 在嵩山地区发现较多的2.65～2.50 Ga的地质体[23–25],河南鲁山[45–46]和山东西部[47]也发现有2.80～2.70 Ga的地质体, 主要为TTG片麻岩和少量表壳岩[42,48],还有少量2.50 Ga左右的富钾花岗岩[30]。五佛山群2.85～2.50 Ga的碎屑锆石年龄可能是对这些古老地质事件的反映。太古宙岩浆事件在嵩山群碎屑锆石中记录很显著[23,26]。虽然约2.50 Ga是华北克拉通重要的陆壳增生和克拉通化时期, 该时期的年龄记录在华北克拉通广泛存在[23,43,44,49], 但五佛山群约2.50 Ga的碎屑锆石所占比例较小(图3), 说明五佛山群的物源区并非主要来自太古宙的岩石。

(2) 从WFS-1和WFS11两个样品的年龄分布特征来看, 2.10～1.80 Ga的锆石年龄分布最为集中, 所占比例最多(分别为67%和55%), 指示五佛山群的源区物质主要以2.10～1.80 Ga的地质体为主, 与华北克拉通早前寒武纪重要的构造-热事件发生的时代相对应[42,50,51]。然而, 目前在嵩山地区发现的该时期的地质体很少, 但是在华北南缘周边地区发现大量2.10～1.80 Ga的地质体, 如太华群变质的中-基性火山岩、鲁山和中条山地区的花岗岩等, 它们可以为五佛山群的沉积提供物源。WFS-1的锆石年龄呈现出1.94 Ga的年龄峰值, WFS11的锆石年龄呈现出1.92 Ga的主峰值和2.05 Ga的次年龄峰值, 反映该时期内可能发生了一系列的构造-热事件。从锆石的CL图像特征上看, 大多数1.92 Ga和2.05 Ga左右的锆石具有变质锆石的特征, 少数具有岩浆锆石震荡环带结构, 表明提供这些锆石的物源区发生了一定程度的变质作用, 同时也伴随有岩浆活动。在华北克拉通其他地区也发现有该时期的变质作用, Santosh et al.[52]对内蒙古凉城集宁杂岩体中的麻粒岩进行了SHRIMP U-Pb定年, 得到了(1919±10) Ma的变质年龄, Yin et al.[53]在内蒙古千里山片麻岩中发现了大量的1.92～1.95 Ga的变质年龄, 时毓等[54]的研究结果显示小秦岭地区的太华群在约1.91 Ga经历了一期重要的变质热事件。翟明国[55]总结了华北克拉通元古宙麻粒岩的变质期次和年代, 指出峰期变质作用和退变麻粒岩相-高级角闪岩相的时代分别为约1.91 Ga和1.84 Ga, 本文获得的(1.93±0.10) Ga的碎屑锆石年龄峰值与约1.91 Ga的峰期变质作用的时代基本一致。

(3) 在WFS-1和WFS11的碎屑锆石中, 还有若干2.50～2.10 Ga和1.80～1.60 Ga的锆石年龄, 两个样品2.50～2.10 Ga的碎屑锆石所占比例分别为22.7%和24.7%, 1.80～1.60 Ga的碎屑锆石所占比例分别为5.3%和17.6%。嵩山地区广泛分布的古元古代嵩山群石英岩(2.00～2.45 Ga)[23,26]和路家沟钾长花岗岩((2424±24) Ma)[30]以及基性岩墙[56]等地质体可以为五佛山群提供沉积物质。WFS11显示有1.75 Ga的年龄峰值, 对应着华北克拉通1.80～1.60 Ga裂解事件发生的时间。华北克拉通南缘典型的岩浆活动是镁铁质岩墙群的侵入和熊耳群火山-沉积建造以及后造山花岗岩的侵位等[21,31,56–60], 它们均为五佛山群的沉积提供物源。

4.3 对华北克拉通南缘早前寒武纪地壳演化的制约

华北克拉通大规模陆壳物质的生长发生在新太古代(2.80～2.50 Ga), 同位素资料显示地壳物质生长的峰期在2.80～2.70 Ga[49], 与全球典型克拉通相似,五佛山群石英砂岩(WFS-1)的Hf同位素组成大部分集中于2.50 Ga和2.80 Ga地壳演化线区域内(图4),表明了这一时期为地壳的生长期。华北克拉通最强烈的岩浆活动出现在太古宙末2.55～2.50 Ga[61–62],以TTG质片麻岩和登封群表壳岩为主, 这一岩浆活动主要在古元古界嵩山群记录比较丰富, 五佛山群仅有少量记录。嵩山群记录了大量新太古代(约2.50 Ga和2.75～2.80 Ga)的锆石年龄, 以约2.50 Ga的年龄峰值最为显著, 母岩岩浆以新太古代地壳再造为主并伴有少量古老地壳物质的再循环[26], 表明新太古代华北克拉通发生了大规模的岩浆活动。五佛山群两个石英砂岩样品碎屑锆石207Pb/206Pb年龄主要集中于2.10～1.80 Ga之间, 其峰值为(1.93±0.10) Ga, 还有部分2.50～2.10 Ga和少量新太古代以及古元古代晚期的年龄纪录。因此, 嵩山群和五佛山群分别记录了华北克拉通新太古代和古元古代重要的构造-热事件, 五佛山群碎屑锆石的年龄峰值(约1.93 Ga)的发现表明华北克拉通南缘在最终克拉通化之前发生了一期重要的构造-热事件。

华北克拉通古元古代地质演化可以分为活动(造山)带的形成和基底隆升-裂谷事件, 分别与古元古代的哥伦比亚超大陆形成与裂解相对应[41,62–65]。翟明国[41,66]以及翟明国等[67]认为在2300～1950 Ma期间, 华北克拉通经历了一次基底陆块的拉伸-破裂事件, 形成晋豫、胶辽裂陷盆地和丰镇陆内凹陷盆地。在1950～1800 Ma期间, 华北克拉通经历了一次挤压构造事件, 导致裂陷盆地的闭合和焊接, 形成晋豫、胶辽及丰镇等类似于现代陆-陆碰撞型造山带, 大致相当于Zhao et al.[68]的中央造山带, 这一构造事件为五佛山群提供了主要的沉积物源。很多学者[68–70]提出2100～1800 Ma间有一个全球规模的造山活动,并推测世界克拉通的拼合导致一个古元古代-中元古代的超级大陆(哥伦比亚超大陆)形成。该时期华北克拉通不同陆块相互碰撞拼合, 最终克拉通化, 为全球哥伦比亚超大陆形成作用的一部分。

5 结 论

(1) 五佛山群底部两个石英砂岩样品最年轻的碎屑锆石207Pb/206Pb年龄分别为(1732±11) Ma和(1655±22) Ma, 说明五佛山群沉积时代不早于1655 Ma。

(2) 五佛山群马鞍山组的碎屑锆石207Pb/206Pb年龄主要集中于2.10～1.80 Ga之间, 最大的峰值年龄为(1.93±0.10) Ga, 记录了华北克拉通南缘早前寒武纪重要的构造-热事件。

(3) 五佛山群马鞍山组的碎屑锆石207Pb/206Pb年龄分布特征表明, 古元古代的地质体为五佛山群的沉积提供了主要的物源, 其中2.10～1.80 Ga期间的物源较多, 而太古宙的物源很少。

(4) 五佛山群碎屑锆石 εHf(t)值为–14.3～4.6, Hf的两阶段模式年龄分布于2363～3672 Ma之间, 大部分锆石的Hf同位素组成集中于2.50 Ga和2.80 Ga地壳演化线区域内, 说明新太古代为华北克拉通南缘重要的陆壳生长期。

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