熊耳裂陷槽云梦山组LAICPMS碎屑岩锆石UPb年代学特征及其地质意义

耿军阳， 刘丽萍， 罗顺社,3， 张 严， 吕奇奇， 王铜山

(1. 长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100； 2. 中国石油长庆油田分公司 第七采油厂，陕西 西安 710200； 3. 非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100； 4. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083 )

0 引言

华北克拉通大约在2.50 Ga完成克拉通化，随后经历新太古代末期超级克拉通形成之后的一次全球大规模裂解事件[1-2]，最终于1.85 Ga由微陆块拼合为稳定的克拉通[3-4]，进入沉积盖层演化阶段。在拉伸的构造背景下，发育南、北裂陷槽和北缘、东缘裂谷带，分别对应熊耳裂陷槽、燕辽裂陷槽、渣尔泰—白云鄂博—化德裂谷带和徐淮—旅大—平南裂谷带[2,5]。南缘熊耳裂陷槽大致呈“三角形”，其中一角以NNE—SN向楔入华北克拉通，底部发育岩浆岩，往上发育滨—浅海沉积，中间夹新元古界罗圈组及同时期的冰碛岩，岩性变化大，构造复杂，地质现象丰富，是华北克拉通开展中—新元古界研究的焦点。

目前，对熊耳裂陷槽地层年代归属存有争议，文献[6]、邢裕盛等[7]将由兵马沟组—北大尖组组成的汝阳群归入中元古界蓟县系，将由崔庄组—洛峪口组组成的洛峪群归入新元古界青白口系；陈晋镳等[8]将兵马沟组—洛峪口组统称为“汝阳群”，统一归入中元古界蓟县系。为限定地层年代，文献[6]在三教堂组和崔庄组获得海绿石K-Ar测年数据，分别为1 071～1 089、1 138～1 159 Ma，作为将洛峪群划归青白口系的依据；胡国辉等[9]对嵩山地区五佛山群底部马鞍山组开展LA-ICP-MS碎屑岩锆石U-Pb 年龄测定，最年轻的碎屑岩锆石年龄分别为(1 732±11)、(1 655±22)Ma，认为五佛山群沉积时代晚于1 655 Ma；HU Guohui等[10]在汝阳群底部获得最年轻的碎屑岩锆石年龄((1 744±22)Ma)，认为汝阳群沉积时代晚于1 744 Ma。这些研究结果为确定熊耳裂陷槽的地层年代归属提供重要证据，但研究区汝阳—鲁山一带的碎屑岩锆石研究比较薄弱，汝阳群云梦山组年代地层归属有待进一步确定。

笔者对河南新安黛眉山地区汝阳群云梦山组开展LA-ICP-MS碎屑岩锆石U-Pb测年，对比华北克拉通南缘不同地区同时期碎屑岩锆石年龄，探讨云梦山组沉积时代和物质来源，揭示华北克拉通南缘结晶基底及熊耳裂陷槽的演化特征，为该地区的地层对比和年代地层格架建立提供地质依据。

1 区域地质背景

熊耳裂陷槽主要分布于豫、晋、陕三省交界处，以“豫西”地区为主[11]。熊耳裂陷槽中—新元古界主要由下部熊耳群巨厚(最厚达7.0 km)的中性夹酸性火山岩基底，以及上部碎屑岩、碳酸盐岩沉积盖层组成[1]。根据区域岩性组合和沉积特征，将熊耳裂陷槽中—新元古代地层划分为中条山—王屋山地层小区(Ⅰ)、渑池—确山地层小区(Ⅱ)、小秦岭—栾川地层小区(Ⅲ)、嵩山—箕山地层小区(Ⅳ)(见图1(a))[12-15]。其中，中条山—王屋山地层小区位于裂谷盆地西北缘，整体以碎屑岩为主，部分地区略有差异；渑池—确山地层小区位于裂谷盆地中部，为NW—SE向条带状展布的地层分区，以碎屑岩—碳酸盐岩过渡产物为主；小秦岭—栾川地层小区位于裂谷盆的南缘，以碳酸盐岩为主；嵩山—箕山地层小区位于裂谷盆地北东缘，以硅质碎屑岩为主。

研究区主要位于渑池—确山地层小区，长城系分布较为广泛。研究区长城系主要发育熊耳群、汝阳群和洛峪群，其中汝阳群自下而上分为小沟背组、云梦山组、白草坪组和北大尖组，总厚度为1.0～1.6 km，主要分布于河南省渑池、宜阳、汝阳、汝州、鲁山、临汝等地。小沟背组以砾岩、(含砾)粗砂岩及中—细砂岩为主，下部砾石含量高，多呈次棱角状，局部呈叠瓦状分布，中上部粒度变细，岩性为中—粗粒长石砂岩及岩屑长石砂岩，发育大型交错层理、透镜状层理、平行层理及冲刷面等构造，为扇三角洲沉积；在汝阳地区沉积厚度约为900.00 m，在万安山地区沉积厚度为527.12 m，在黛眉山地区沉积厚度为88.00 m。云梦山组主要发育一套紫红色砂砾岩、不等粒石英砂岩夹紫红色泥岩组合，研究区底部为砾岩层，发育赤铁矿层，沉积厚度区域性变化较大，分布范围较为广泛，一般为161.00～1 008.00 m。白草坪组主要为一套紫红色和紫灰色页岩、砂岩互层组合，在中条山地区超覆不整合于熊耳群之上，沉积厚度一般为72.00～214.00 m。北大尖组与下伏白草坪组呈整合接触，为一套石英砂岩夹页岩，顶部可见砂砾屑白云岩或叠层石白云岩，主要分布于豫西、中条山、王屋山等地区，沉积厚度一般为186.00～420.00 m(见图1(b))。

图1 熊耳裂陷槽地层分布及采样位置Fig.1 The stratigraphic distribution and sampling position of Xionger Aulacogen

2 样品采集及数据处理

样品采集于河南省洛阳市新安县黛眉山地区(见图1(a))，采样点坐标为北纬 35°2′1.72″、东经111°57′44.26″。

样品粉碎及锆石挑选由廊坊市科大岩石矿物分选技术股份有限公司协作完成。首先，采用浮选法和电磁法进行分选，在双目镜下挑选晶体形态较完好、大小不同的单颗粒锆石进行制靶；然后，对锆石样品进行透射光、反射光、阴极发光(CL)照相等，制靶和透射光、反射光、阴极发光照相由武汉上谱分析科技有限责任公司协作完成；最后，利用透射光、反射光、阴极发光照片观察锆石晶体的完整性，以及包裹体、环带、晶形等特征，反复对比，选择晶形完好、无包裹体、环带外缘的点作为激光剥蚀点进行下一步测试[16-17]。

锆石微区U-Pb测年由武汉上谱分析科技有限责任公司协作完成。采用美国Coherent相干激光公司193 nm准分子激光剥蚀系统(GeoLas-HD)和安捷伦7900电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)；使用国际标准锆石91500作为外标进行校正，微量元素校正标准样品为NIST 610，同位素比值监控标准样品为GJ-1。每完成5个测点加测两次标准锆石91500。

对大于1 000 Ma的古老锆石，由于存在铅丢失现象，一般采用207Pb/206Pb年龄更为可靠[18-19]。实验数据应用ICPMSDataCal软件[20]和Isoplot程序[21](3.0版本)进行分析处理，计算加权平均年龄，绘制谐和图。

3 同位素年龄分析

共采集碎屑岩样品51块，其中云梦山组碎屑岩样品为33块。碎屑岩样品DMS-17为紫红色石英砂岩，在研究区分布较为广泛，具有代表性，且风化程度较低，因此选取该样品进行LA-ICP-MS碎屑岩锆石U-Pb同位素年龄分析。阴极发光图像(见图2)显示，碎屑岩样品DMS-17中锆石颗粒形状以长柱状、等轴状居多，偶见纺锤形；锆石内部特征差异明显，大部分锆石具有明显的岩浆生长振荡环带结构，其中多数结晶环带较窄，显示为岩浆成因锆石；个别锆石可见较薄的灰白色增生边(见图2(c-d))，表明可能经历后期热事件或变质事件改造。碎屑岩锆石粒径介于50～150 μm，长宽比多为2∶1，以次圆状、次棱角状为主，偶见浑圆状颗粒，表明可能离物源区较近，遭受搬运和磨蚀的时间较短。

图2 云梦山组石英砂岩(DMS-17)碎屑锆石阴极发光图像Fig.2 CL images of detrital zircons in the quartz sandstone(DMS-17) from Yunmengshan Formation

碎屑岩锆石(样品DMS-17)的Th和U质量分数分别为(8.76～161.70)×10-6、(12.60～189.00)×10-6，Th/U介于0.26～1.79，多集中在0.40～0.80之间，表明锆石具有岩浆成因的特征(见表1)。

云梦山组碎屑岩样品DMS-17获得80个有效数据点(见表1)，对样品的有效数据作谐和曲线图和年龄分布柱状图，可见多数数据点分布于谐和线附近(见图3(a))，谐和度大于90%。按分布频率特征大致可分为3组(见图3(b))：

(1)碎屑岩锆石207Pb/206Pb年龄集中在1 700～1 906 Ma之间，加权平均年龄为1 789 Ma(n=22，MSWD=1.20)，峰值年龄为1 771 Ma；

(2)碎屑岩锆石207Pb/206Pb年龄集中在1 921～2 400 Ma之间，加权平均年龄为2 105 Ma(n=46，MSWD=6.00)，峰值年龄为2 083 Ma；

(3)碎屑岩锆石207Pb/206Pb年龄集中在2 435～2 724 Ma之间，加权平均年龄为2 541 Ma(n=12，MSWD=4.40)，峰值年龄为2 512 Ma。

云梦山组碎屑岩锆石的年龄分布在1 700～2 724 Ma之间，年龄跨度较大，反映云梦山组物源较为复杂。

表1 云梦山组石英砂岩(DMS17)碎屑锆石样品LAICPMS UPb分析结果

续表1

图3 云梦山组石英砂岩(DMS-17)碎屑锆石U-Pb谐和曲线及年龄分布Fig.3 Detrital zircon U-Pb concordia diagrams and age dictribution of quartz sandstone(DMS-17) in Yunmengshan Formation

4 地质意义

4.1 云梦山组沉积时限

有关云梦山组下伏地层熊耳群的研究集中于将熊耳群的形成时间限定在1.80～1.75 Ga之间，高峰期为1.78 Ga[22-23]。汪校锋[24]对河南省渑池以北汝阳群云梦山组底部砾岩及石英砂岩、鲁山县冷风口地区汝阳群云梦山组底部砾岩、舞钢市尹集地区汝阳群云梦山组底部砾岩开展碎屑岩锆石测年，分别获得最年轻的锆石年龄为(1 711±37)、(1 730±27)、(1 774±32)、(1 763±51)Ma，认为(1 711±37)Ma为云梦山组最古老的沉积时代。

云梦山组80颗锆石测试点年龄的多数数据点沿谐和线及其附近分布，为有效年龄。年龄分布在1 700～2 724 Ma之间，靠近谐和线的最年轻的碎屑锆石年龄为(1 700±55)Ma，表明云梦山组最大的沉积年限约为1 700 Ma。

4.2 物源区分析

根据锆石年龄分布柱状图(见图3(b))，云梦山组年龄分布可分为3组，分别为2.75～2.40 Ga(峰值为2 512 Ma)、2.40～1.95 Ga(峰值为2 083 Ma)、1.95～1.70 Ga(峰值为1 771 Ma)，所占比例分别为15.00%、57.50%、27.50%(见表1)，推测云梦山组物源主要来自于中元古代早期或古元古代的岩石。

在河南省鲁山、山东省西部发现2.80～2.70 Ga的岩石[25-26]，在河南省嵩山发现较多2.65～2.50 Ga的岩石，岩性主要为TTG片麻岩和表壳岩[27-29]，以及少量约为2.50 Ga的富钾花岗岩[30]，云梦山组2.75～2.40 Ga的碎屑岩锆石年龄是对古老岩石的反映。由于云梦山组2.75～2.40 Ga的碎屑岩锆石所占比例较低(为15.00%)，表明云梦山组的物源并非主要来自于新太古代岩石。

云梦山组样品分布较多的年龄范围为2.40～1.95 Ga(峰值为2 083 Ma)，所占比例为57.50%，指示物源以约为2.10 Ga的岩石为主，来自于古元古代中期的岩石主要为太华群变质火山—沉积岩[31]、鲁山—中条山地区的花岗质岩及嵩山群石英岩(2.45～2.00 Ga)[32]。

云梦山组样品的碎屑岩锆石中还有部分1.95～1.70 Ga的锆石年龄，所占比例为27.50%，指示物源来自于中元古代早期的熊耳群火山岩(1.80～1.75 Ga)[33]、富钾花岗岩((1 797±4)、(1 743±4)Ma)，以及镁铁质岩墙群[34]，部分年龄约为1.85 Ga的锆石与古元古代末期的华北克拉通拼合相关。

4.3 碎屑岩锆石与大地构造演化

云梦山组物源分析对揭示熊耳裂陷槽及华北克拉通的构造演化特征具有重要意义。云梦山组碎屑岩锆石记录约为2.50 Ga的峰值年龄及少数约为2.70 Ga的年龄分布，2.90～2.70 Ga被认为是华北克拉通大规模陆壳生长时期[36]，岩体证据主要有鲁西地区的绿岩带和TTG片麻岩，以及来自胶东、中条山、河南省和内蒙古自治区等地的TTG片麻岩[28-30,37]。同时，克拉通内部片麻岩、TTG和花岗质片麻岩的锆石原位U-Pb、Hf同位素及Sr-Nd同位素分析发现，具有2.90～2.70 Ga的Hf和Nd模式年龄，形成时代或从地幔抽取时代为2.90～2.70 Ga，反映华北克拉通有大规模陆壳形成过程[28-30,38-39]。

云梦山组碎屑锆石U-Pb年龄分布显示存在大量2.40～1.95 Ga的年龄分布，峰值约为2.10 Ga。2.30～2.00 Ga期间，华北克拉通可能经历一次基底陆块的断裂—拉伸事件，在华北北缘、东缘及中部地区形成丰镇、胶辽和晋豫三个裂谷带，从而形成丰镇、胶辽和晋豫三个克拉通内部凹陷盆地(或裂谷带)。已发现的同期的基性岩墙、裂谷型火山岩及A型花岗岩[40-43]等具有伸展性质，可以有效论证这一观点。

云梦山组碎屑岩锆石U-Pb年龄还有部分分布在1.95～1.70 Ga之间，峰值年龄约为1.80 Ga。华北克拉通在1.95～1.82 Ga之间发生大规模变质事件，与变质作用有关的花岗岩和伟晶岩脉侵入，可能与1.95～1.80 Ga丰镇、胶辽和晋豫三个裂谷带的造山活动相关[3,40]。1.80～1.75 Ga年龄分布的碎屑岩锆石对应熊耳裂陷槽的发育，伴随1.78 Ga基性岩墙群的侵入[43]。

5 结论

(1)熊耳裂陷槽汝阳群下部云梦山组最年轻的一组碎屑岩锆石年龄为1.95～1.70 Ga，峰值年龄为1 771 Ma，地层沉积时限不晚于1 771 Ma，认为云梦山组时代下限约为1.70 Ga。

(2)云梦山组碎屑岩锆石的年龄分布特征表明，云梦组物源区可能来自于中元古代早期或古元古代的岩石，其中来自2.40～1.95 Ga的物源较多。

(3)云梦山组碎屑岩锆石年龄峰值与华北克拉通前寒武地质事件具有较好的响应关系，2.90～2.70 Ga的碎屑岩锆石年龄分布主要反映克拉通盆地的大规模生长；约为2.50 Ga的峰值年龄反映华北克拉通化的主要过程；1. 95～1. 80 Ga的年龄分布主要与丰镇、胶辽和晋豫三个裂谷带的造山活动相关；1.80～1.75 Ga的年龄分布对应熊耳裂陷槽的发育。