辽东岫岩地区下古生界碎屑锆石定年：罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆在华北遗留的痕迹？

董晓杰, 2 陈煜嵩 刘正宏 徐仲元 沙茜

1. 吉林大学地球科学学院，长春 1300612. 自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，长春 1300611.

超大陆的形成与裂解一直是地质学研究的重要内容，基于传统板块构造旋回的认识，地质学家们提出了不同地质历史时期的超大陆重建模型(李三忠等, 2016c)。目前，形成于～1.1Ga的罗迪尼亚超大陆(Dalziel, 1997; Evans, 2009; Lietal., 2008, 2013; Pisarevskyetal., 2003)和形成于～540Ma的冈瓦纳大陆(Powelletal., 1993; Veevers, 2004)的重建模型已相对清晰；由于华北克拉通缺乏典型“构造-热”事件的约束，其与罗迪尼亚超大陆及冈瓦纳大陆的关系尚存争论。

图1 研究区地质简图(a)华北克拉通早前寒武纪构造单元划分简图(据Zhao et al., 2005修改)；(b)辽东-辽南地区地质简图；(c)岫岩地区地质简图；(d)岫岩地区下古生界沉积建造地质剖面图Fig.1 Sketch maps of study area(a) sketch map of tectonic frame and subdivision of tectonic units in the NCC (after Zhao et al., 2005); (b) sketch geological map of eastern and southern parts of Liaoning Province; (c) sketch geological map of Xiuyan area; (d) geological section map of Lower Paleozoic deposits in Xiuyan area

图2 岫岩地区下古生界沉积建造的宏微观地质特征(a)灰黑色薄层泥岩、粉砂岩(地质锤锤头长度约18cm)；(b)具毫米级纹层的灰岩与燧石岩互层(硬币直径约2.5cm)；(c)下部为中厚层鲕粒灰岩，上部为薄层状灰岩与泥灰岩互层；(d)图c中的同心鲕状灰岩；(e)细粒砂岩中的滑塌褶皱(包卷层理)及LD15取样位置；(f)薄层状粉砂岩与泥岩互层(中性笔长度约15cm)；(g)细砂岩中的纹层(样品LD17)；(h) LD15细砂岩的显微特征(泥质胶结物变质为白云母). Qz-石英；Ms-白云母；Cal-方解石Fig.2 Geological features of the Lower Paleozoic deposits in Xiuyan area(a) gray-black lamellar mudstone and siltstone (the length of geological hammer head is about 18cm); (b) limestone and flintstone with millimeter-scale laminations (the diameter of the coin is about 2.5cm); (c) the lower part is medium-thick bedded oolitic limestone and the upper part is lamellar limestone and marl interbedded; (d) the concentric oolitic limestone in Fig.2c; (e) slump fold in fine sandstone (convolute bedding) and sampling location of LD15; (f) lamellar siltstone interbedded with mudstone (The length of the gel pen is about 15cm); (g) lamination in fine sandstone (Sample LD17); (h) the microscopic characteristics of fine sandstone LD15 (the argillaceous cement turned into muscovite). Qz-quartz; Ms-muscovite; Cal-calcite

图3 岫岩地区下古生界细砂岩碎屑锆石U-Pb同位素年龄计时T-W图解(a、c)和频度分布直方图(b、d)直方图中<1000Ma的分析点采用206Pb/238U年龄；>1000Ma的分析点采用207Pb/206Pb年龄Fig.3 U-Pb Terra-Wasserburg diagrams (a, c) and age histograms (b, d) of the detrital zircons from the Lower Paleozoic fine sandstone in Xiuyan areaAge data of <1000Ma are shown by 206Pb /238U age and those of >1000Ma are shown by 207Pb/206Pb age in age histogram

华北克拉通是中国最主要的克拉通之一，记录了～3.8Ga的演化历史(Liuetal., 1992; Wanetal., 2012, 2015; 万渝生等, 2009)，其与不同地质时期超大陆的关系一直深受国内外地质学者的重视。早前寒武纪，华北克拉通经历了～2.7Ga主要陆壳生长，～2.5Ga克拉通化事件和2.0～1.8Ga克拉通的最终形成三个主要演化阶段，记录了哥伦比亚超大陆聚合之前的演化历史(Wanetal., 2015; Zhaoetal., 2005, 2011)。自古元古代末期至新元古代华北克拉通一直处于稳定地台发展阶段，形成了沿华北克拉通南部熊耳裂陷槽、中部燕辽裂陷槽、北缘白云鄂博裂谷和东缘徐淮裂谷分布的沉积岩系(Peng, 2015; Zhaietal., 2015; Zhaoetal., 2016)和与之对应的大火成岩省和基性岩墙群事件，反映了华北克拉通的多期次裂解事件，并被作为华北克拉通与全球对比和哥伦比亚至罗迪尼亚超大陆期间超大陆精细重建的依据(Lietal., 2019b; Peng, 2015; Pengetal., 2011b; Wangetal., 2015; Zhangetal., 2017; Zhaoetal., 2016)。自新元古代罗迪尼亚超大陆裂解以来，全球处于板块构造运动活跃期，尤其在早古生代末450～400Ma存在全球性准同时的造山运动，意味着当时可能存在一个以冈瓦纳大陆为雏形的原潘吉亚(Proto-Pangea)超大陆，以华北克拉通为代表的东亚陆块群均卷入了其中(Lietal., 2018; Zhaoetal., 2018; 李三忠等, 2016a, b, d)。辽东岫岩地区新发新识别出的一套富含格林威尔至泛非期碎屑锆石的沉积建造(Dongetal., 2018)，对其开展深入研究能为进一步探索华北克拉通与罗迪尼亚超大陆和冈瓦纳超大陆的关系提供依据。

1 区域地质概况

华北克拉通由东西两个太古宙陆块和位于其间的古元古代中部带所组成，其北毗邻中亚造山带，其南与秦岭-大别造山带相连，其西与塔里木板块相接(图1a)。就华北克拉通东部陆块而言，它又被分为北部的鞍山-吉南太古宙地块(龙岗地块)、南部的辽南-狼林太古宙地块(狼林地块)以及夹持在它们之间的胶-辽-吉古元古代活动带(图1a)(Zhaoetal., 2005, 2012)。胶-辽-吉造山带是华北克拉通东部陆块内的一条著名的呈北东-南西向展布古元古代造山带，在中国东北地区被称为辽吉造山带或辽吉活动带(李三忠, 1997; Zhaoetal., 2005; Li and Zhao, 2007)，是华北克拉通参与哥伦比亚超大陆重建的重要依据。辽吉造山带内的岩石主要由古元古代的辽吉花岗岩及绿片-角闪岩相的辽河群变质火山-沉积岩系组成(Lietal., 2004, 2005, 2006; Li and Zhao, 2007)。岫岩地区位于华北克拉通东部陆块辽-吉造山带内，以发育巨量的古元古代变质火山沉积岩系为主要特征(图1b)，前期尚未发现早古生代沉积建造。传统观点认为，辽东地区的寒武-奥陶系属稳定的海相沉积地层，以浅海相碳酸盐岩建造为主，夹少量的碎屑岩，主要分布于北部的本溪、辽阳、桓仁西南部以及南部的瓦房店一带(图1b)。

图4 样品LD15 (a)和样品LD17 (b)细砂岩中典型碎屑锆石的阴极发光图像Fig.4 CL images of typical detrital zircons in fine sandstone samples LD15 (a) and LD17 (b)

2 岩石地层特征

本文报道的这套早古生代沉积建造出露在辽东中部的岫岩县朝阳镇附近(图1c)，该套地层过去一直被认为是辽河群的一部分。野外调查显示，该套地层未遭受区域变质作用的改造，仅部分受到动力变质的影响；其与该区大面积分布的辽河群古元古代变质火山-沉积建造呈构造接触并被侏罗纪花岗岩侵位。这套地层与华北克拉通以海相碳酸盐岩为主的早古生代沉积并不完全一致，具有陆源碎屑沉积与碳酸盐岩交互产出的层序特征。该套地层下部为灰黑色泥页岩、粉砂岩与中薄层泥灰岩、鲕粒灰岩交互产出(图1d、图2a-d)。中上部陆源碎屑含量增多，以发育中细粒砂岩为特征，表现为中薄层中细粒砂岩、粉砂岩、泥页岩夹薄层泥灰岩的沉积建造(图1d、图2e-h)，中细粒砂岩中发育滑塌褶皱或包卷层理(图2e)。

3 碎屑锆石U-Pb定年

笔者从该套地层的中上部采集了2件样品分别进行碎屑锆石U-Pb定年。样品LD15采自该套地层中下部的细粒砂岩，采样坐标：40°25′09.036″N、123°32′52.885″E；样品LD17采自该套地层上部的细粒砂岩，采样坐标：40°24′46.378″N、123°32′36.952″E。2件样品的锆石挑选在廊坊区调所进行。LD15锆石定年采用LA-ICP-MS法在中国地质科学院矿产资源研究所成矿作用与资源评价实验室的Thermo Finngan Neptune型多接收等离子质谱仪和Newwave UP213激光剥蚀系统上完成，标准样采用GJ-1，同位素比值和单点年龄误差均为1σ。LD17锆石U-Pb测年在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心SHRIMP-Ⅱ上完成, 标准样TEM和待测样之比为1:4，根据实测204Pb含量校正普通铅，同位素比值和单点年龄误差均为1σ。为凸显碎屑锆石的沉积下限和物源信息，锆石年龄处理采用ISOPLOT程序(Ludwig, 2003)分别制作了锆石U-Pb同位素年龄计时T-W图解(Tera and Wasserburg, 1972)和频度分布直方图(图3)。

2件样品中的锆石形态较相似，多数具有次圆状至次棱角状的外形，表现出碎屑锆石的特征(图4)。测试结果显示，2件样品的碎屑锆石年龄组成基本一致，进一步证实该套地层的沉积时限与辽河群建造的形成时代大相径庭。

LD-15共获得56组有效数据(表1)，获得的年龄数据介于482～2732Ma之间(图3a, b)。6颗锆石的年龄介于1880～2768Ma，阴极发光特征显示，它们或具有清晰岩浆震荡环带，或显示核边结构或云雾状的内部结构(图4a)。19颗锆石年龄介于1287～1781Ma；阴极发光图像显示它们多数具有清晰的岩浆震荡环带(图4a)。18颗锆石年龄介于768～1210Ma，它们的Th、U含量及Th/U比值分别为89×10-6～519×10-6、143×10-6～955×10-6和0.14～1.60；该部分锆石的阴极发光图像特征较为复杂，部分发育变质作用形成的核-边结构，部分发育不同类型的岩浆震荡环带，少许具有云雾状的内部结构(图4a)。其余13颗锆石年龄介于482～731Ma之间，它们的Th、U含量及Th/U比值分别为52×10-6～629×10-6、131×10-6～1603×10-6和0.12～1.88；阴极发光图像显示它们或具有明显的岩浆结晶环带，或发育变质核-边结构(图4a)。

表1 细砂岩(样品LD15)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年数据

续表1

表2 细砂岩(样品LD17)SHRIMP U-Pb 定年数据

续表2

LD17共在66颗锆石上获得69组数据(表2)，获得的年龄介于498～3232Ma之间(图3c, d)。8个锆石年龄数据介于1848～3232Ma；阴极发光图像特征显示，这些锆石部分具有清晰岩浆震荡环带，部分具有变质形成核边结构或云雾状的内部结构(图4b)。22个锆石年龄数据介于1273～1767Ma；阴极发光特征显示这些锆石多数具有明显的结晶环带。25个锆石年龄数据介于819～1255Ma，Th、U含量及Th/U比值分别为57×10-6～614×10-6、239×10-6～1663×10-6和0.13～0.95；阴极发光特征显示这些锆石的内部结构较为复杂，部分发育变质成因的核-边、核-幔-边结构或云雾状的内部结构，部分发育较清晰的结晶环带(图4b)。14个锆石年龄数据介于498～738Ma，它们的Th、U含量及Th/U比值分别为10×10-6～353×10-6、166×10-6～1727×10-6和0.01～1.01；这些锆石在阴极发光下或具有清晰的结晶环带，或发育变质形成的核-边结构(图4b)。

4 讨论

4.1 物源及沉积时限

岩石学特征显示，研究区这套沉积建造中的砂岩中的碎屑颗粒以石英为主，但普遍含有超过20%的杂基，表明它们的成分成熟度并不高；虽然碎屑颗粒的粒度普遍较细，但碎屑颗粒大小不一，显示出较差的分选性。

2件定年样品的碎屑锆石形态多呈次圆状至浑圆状，少量为次棱角状，表明它们经历了不同程度的搬运，反映它们或来自不同的源区或部分锆石经历了再次搬运。阴极发光下，这些碎屑锆石的内部结构特征复杂多变，碎屑锆石年龄范围介于482～3232Ma，指示该套地层的源区岩石组成十分复杂。华北克拉通是全球最古老的前寒武纪克拉通之一，保留着自～3.8Ga以来的演化信息(Liuetal., 1992; Wanetal., 2012, 2015; 万渝生等, 2009)。例如：太古宙多期次的陆壳增生事件，古元古代的裂谷、俯冲与碰撞增生事件，中新元古代多期次的裂解事件等(Zhaietal., 2015)。这些古老构造事件的地质年代学信息虽然大多可以从本次研究的碎屑锆石定年结果中找到，但两者之间也存在着明显差异。

一个显著的特征是，2件定年样品的碎屑锆石中最重要年龄峰值出现在500～1600Ma(图3b, d)，阴极发光下，这些锆石或发育明显的岩浆结晶环带，或发育明显变质形成的“核-边”和云雾状的内部结构(图4)，显示出多变的成因特征，表明它们的形成与板块俯冲-碰撞造山体制下发生的大规模岩浆-变质作用有关。就华北克拉通而言，该段时期未见大规模“构造-热”事件的地质记录，以发育伸展裂解模式下的裂陷盆地和基性岩墙群为特征(Peng, 2015; Pengetal., 2011a, b; Wangetal., 2015; Zhangetal., 2016, 2017)，不具备为该套地层提供前述物源的物质条件。此外，两件定年样品的碎屑锆石中都缺失了辽吉造山带内巨量产出的形成于2.2～1.8Ga的古元古代辽吉花岗岩和辽河群绿片-角闪岩相变质火山-沉积建造的物源信息。

如此看来，该套地层中的砂岩具有较复杂的源区特征，与该区广泛分布的辽河群完全不同。细砂岩碎屑锆石的内部结构和年代学组成表明它们的源区与辽吉造山带或华北克拉通的关联并不十分明显，陆源碎屑的物源可能更多与格林威尔期及泛非期的造山作用有关。2件样品的最小年龄基本一致，分别为～482Ma和～498Ma，给出了这套沉积建造的最早沉积时限。

4.2 格林威尔期碎屑锆石的来源及华北克拉通与罗迪尼亚超大陆的联系

古元古代末至新元古代，华北克拉通以发育巨厚层的大陆裂谷沉积和与大陆裂解作用有关的基性岩墙群为特征(Chenetal., 2013; Peng, 2015; Pengetal., 2011a, b; Zhangetal., 2016, 2017)，尚未发现与格林威尔事件有关的大规模“构造-热”事件的地质记录。近年来，在位于华北克拉通东缘徐淮裂谷系的辽东榆树砬子群，北朝鲜平南盆地的祥原超群，山东烟台蓬莱群和山东莒县土门群，以及位于华北克拉通北缘裂谷系的白云鄂博群和化德群内陆续发现了大量非华北的碎屑锆石的年龄信息(Huetal., 2012; Lietal., 2007, 2019a; Liuetal., 2014, 2017, 2018, 2019; Luoetal., 2006; 初航等, 2011; 高林志等, 2010; 李忠等, 2016; 陆松年等, 2012; 朴贤旭等, 2016; 杨正赫等, 2016)。如：榆树砬子群的1.4～1.0Ga的碎屑锆石峰值(Luoetal., 2006)；祥原超群和蓬莱群的～1.6Ga和1.3～1.1Ga碎屑锆石峰值(Huetal., 2012; Lietal., 2007; 初航等, 2011)；土门群上部的1.1～1.3Ga和～1.6Ga碎屑锆石峰值(Huetal., 2012; Lietal., 2007; 李忠等, 2016; 陆松年等, 2012)；白云鄂博群和化德群上部层位大量发育的1.1～1.6Ga碎屑锆石(Lietal., 2019a; Liuetal., 2014, 2017, 2018)。

图5 华北克拉通与波罗地古陆在950～900Ma之间的关系(a,据Liu et al., 2017修改;岩墙群据Peng, 2015；Söderlund et al., 2005)和华北克拉通与冈瓦纳大陆北缘在500～420Ma之间的关系(b,据Li et al., 2018修改)Fig.5 The relationship between the NCC and the Baltic at 950～900Ma (a, modified after Liu et al., 2017; dykes after Peng, 2015；Söderlund et al., 2005) and the relationship between the NCC and the northern margin of the Gondwana at 500～420Ma (b, modified after Li et al., 2018)

如此看来，华北克拉通东缘和北缘普遍发育一套具经典格林威尔期和～1.6Ga碎屑锆石的沉积建造。华北克拉通除发育少量～1.6Ga粗面岩外(高林志等, 2008)，并不具备为这些沉积建造提供如此大量中元古代碎屑锆石的物质条件。古地理重建和古地磁证据显示，哥伦比亚超大陆可能自古元古代末期一直延续至～1.27Ga，在此期间，华北克拉通可能与澳大利亚或印度克拉通相邻(Pisarevskyetal., 2014; Zhangetal., 2012; Zhaoetal., 2011)。然而，以大火成岩省和基性岩墙群事件等为标志的超大陆裂解事件的全球对比则给出了华北克拉通与澳大利亚古陆(Zhangetal., 2017)，华北克拉通与印度和西伯利亚古陆(Chenetal., 2013)，华北克拉通与波罗地和劳伦古陆(Wangetal., 2015)等多种可能的相连模型(Lietal., 2019b)。一个重要信息是，与前述非华北的碎屑锆石年龄谱相当的“构造-热”事件在劳伦古陆和波罗地古陆最为发育(Condieetal., 2009; Ernstetal., 2008)，劳伦古陆和波罗地古陆也最可能成为它们的潜在源区。这意味着华北克拉通在哥伦比亚-罗迪尼亚超大陆转换期间最有可能与劳伦古陆和波罗地古陆之间存在联系(Huetal., 2012; Lietal., 2019a; Liuetal., 2014, 2017; 陆松年等, 2012)，这种联系可能一直持续至格林威尔造山期之后。华北东缘徐淮裂谷系900～925Ma的基性岩墙群事件(Peng, 2015; Pengetal., 2011a, b; Zhaietal., 2015; Zhaoetal., 2016)可与波罗地古陆挪威和芬兰地区914～945Ma的基性岩墙群事件(Hellströmetal., 2004; Söderlundetal., 2005)相类比，这极可能是华北克拉通从罗迪尼亚超大陆裂离的标志，也暗示华北克拉通东缘可能曾与波罗地古陆相接(图5a)。本文研究对象中富含的1.6～1.0Ga碎屑锆石可能来源于徐淮裂谷系榆树砬子群、祥原超群、蓬莱群、土门群等该时期锆石的再循环。

4.3 泛非期碎屑锆石的来源及华北克拉通与冈瓦纳大陆的关系

辽东岫岩地区这套早古生代沉积建造的一个显著特征是富含与冈瓦纳大陆拼合相关的泛非期碎屑锆石。华北克拉通早古生代以发育被动大陆边缘环境下的碳酸盐岩连续沉积建造为特征，缺乏600～500Ma的岩浆作用记录(Hanetal., 2016)，其与冈瓦纳大陆的关系一直悬而未决。虽然部分学者认为华北克拉通与冈瓦纳大陆在古地磁特征上存在较明显差异，两者之间也未保留汇聚及裂解的典型构造标志(Cocks and Torsvik, 2013)；但是华北克拉通中西部地区寒武-奥陶纪之交的角度不整合(Myrowetal., 2015; 彭向东等, 2002)、古生物学及沉积岩石碳同位素地球化学等特征与冈瓦纳大陆的古印度北部地区相当，暗示华北克拉通曾与东冈瓦纳大陆北缘存在联系(Lietal., 2018; Metcalfe, 2006, 2013; Myrowetal., 2015; Wilhemetal., 2012; Zhenetal., 2009)。祁连和北秦岭构造带发育的510～420Ma岩浆和(U)HP变质事件(Muetal., 2018; Yuetal., 2015; Zhangetal., 2015)被认为与原特提斯洋的俯冲闭合有关，反映了华北克拉通西南缘与东冈瓦纳大陆北缘构造拼合的演化历史(Lietal., 2018; Zhaoetal., 2018)。面向古亚洲洋的华北克拉通北缘在～500Ma开始广泛出现与岛弧作用相关的岩浆作用，被认为与冈瓦纳大陆拼合引起的全球板块运动调整进而导致的大陆边缘俯冲有关，亦可作为华北克拉通曾与冈瓦纳大陆相连的间接证据(Hanetal., 2016)。

除本文外，在华北克拉通为数不多的陆源碎屑沉积中陆续发现了大量与冈瓦纳大陆汇聚相关的泛非期碎屑锆石，如：华北克拉通南缘的馒头组(McKenzieetal., 2011)，北京西山地区的徐庄组(胡波等, 2015)，吉林延边的江域岩组(Wangetal., 2016)等。华北克拉通不具备为它们提供如此大量泛非期碎屑锆石的条件，而东冈瓦纳大陆北缘的泛非期造山带显然可以作为它们的理想源区(图5b)，这也进一步证明华北克拉通在早古生代曾与冈瓦纳大陆存在过联系。

5 结论

辽东岫岩地区的古元古代辽吉造山带内发育的一套与华北克拉通早古生代典型沉积不同的沉积建造。这套沉积建造中2件砂岩样品碎屑锆石的最小年龄为～482Ma和～498Ma，代表了它们的最早沉积时限。2件样品的碎屑锆石年龄均以缺乏亲华北尤其亲古元古代辽吉造山带的物源信息为特征，它们最重要的年龄峰值出现在格林威尔期和泛非期，暗示华北克拉通分别曾与罗迪尼亚超大陆和冈瓦纳大陆存在过联系。格林威尔造山期，华北克拉通东缘可能与罗迪尼亚超大陆的波罗地古陆相接；泛非造山期，华北克拉通可能位于东冈瓦纳大陆的印度和澳大利亚北缘。

致谢本研究的野外工作得到吉林省区域地质矿产调查所周晓东教授级高级工程师的大力帮助；审稿人李三忠教授和万渝生研究员对本文提出了宝贵的意见；在此一并表示衷心的感谢!