银川拜寺口剖面黄旗口组LAICPMS碎屑锆石UPb年代学特征及其地质意义

李琳静，胡明毅，吕奇奇，舒 爽，王铜山，宋到福，张 严

( 1.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100； 2.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034； 3.中国石油长庆油田分公司 第八采油厂，陕西 西安 710000； 4.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 5.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249 )

0 引言

华北克拉通形成前经历最早的陆核(约为3 500 Ma)、迁西期—陆核(3 500～3 000 Ma)、阜平期—萌地台(3 000～2 500 Ma)、五台期—雏地槽—雏地台(2 500～2 200 Ma)、吕梁期—原地槽—原地台(2 200～1 850 Ma)等构造演化及形成阶段[1-5]。自华北克拉通基底形成(1 850 Ma)后，又经历广泛的拉伸，形成多个中—新元古代裂陷槽[6-7]。克拉通裂谷及周缘沉积一套未经变质、覆盖面积大且横向稳定的中—新元古代沉积盖层[8]，可划分为长城系(1 800～1 600 Ma)、蓟县系(1 600～1 400 Ma)、待建系(1 400～1 000 Ma)、青白口系(1 000～780 Ma)、南华系(780～635 Ma)和震旦系(635～542 Ma)[9]。1978年，宁夏回族自治区地质局区调队在贺兰山进行1∶20万区调工作时，将一组贺兰山地层命名为中元古界黄旗口组，命名剖面位于宁夏回族自治区银川市黄旗口冰沟，剖面具有岩性稳定、沉积标志明显、地层层序完整、界线清晰的特征，与下伏古元古代吕梁期花岗岩或更老的变质岩呈角度不整合接触，与上覆蓟县系王全口组碳酸盐岩呈平行不整合接触，主要分布于宁夏回族自治区，在鄂尔多斯盆地西缘岐山、固原闵家沟、云雾山、贺兰山中段等地区出露[10]。人们对黄旗口组的研究主要集中在岩性特征、地层层序、沉积特征、遗迹化石和地球化学等方面[11-15]，认为黄旗口组主要发育灰紫、灰白、紫红色石英岩、石英岩状砂岩、杂色泥质岩，为由白云岩组成的滨浅海沉积环境，与下伏古元古界赵池沟群、上覆蓟县系王全口组呈不整合接触，其归属于中元古界长城系或蓟县系存在争议[12,16-17]。

笔者利用LA-ICP-MS方法，对贺兰山拜寺口剖面黄旗口组沉积碎屑岩的碎屑锆石进行U-Pb年代学研究，对黄旗口组的年龄进行限定，研究华北克拉通古元古代重要地质事件，探讨研究区碎屑沉积岩的物源方向及特征，为建立长城系与下伏古元古界的接触关系提供新的年代学资料。

1 区域地质背景

2 000～1 850 Ma，吕梁运动使华北克拉通西部陆块与东部陆块沿中央碰撞带发生碰撞拼合和统一结晶，形成华北克拉通基底[18-20]。当华北克拉通进入地台演化阶段后，碰撞造山机制逐渐被克拉通内伸展裂解替代，在其边缘形成多个裂陷槽(裂谷盆地)，构造活动基本以断裂与升降运动为主[3]。

贺兰山位于华北克拉通西部陆块和鄂尔多斯盆地西北缘，在孔兹岩带最西端，西北部与阿拉善地块相邻，是中生代崛起的陆内逆冲褶皱带(见图1(a))[21-24]。贺兰山地区中元古界厚度巨大，主要分布于贺兰山中段的黄旗口冰沟、三关口、大干沟及北段的王全口等地，下部黄旗口组以碎屑岩夹少量碳酸盐岩为主，上部王全口组主要发育燧石条带、燧石团块白云岩[22]。黄旗口组主要分布于贺兰山中段(冰沟—圈渠沟)、北段及东南部，厚度以冰沟一带为中心向北、东南变薄，至贺兰山北端逐渐尖灭[14]。研究剖面位于宁夏回族自治区贺兰县拜寺口及华北克拉通陕甘裂陷槽，属于贺兰山中段(见图1(b))。研究区前寒武系由下至上发育古元古界赵池沟群、中元古界黄旗口组和王全口组，以及新元古界震旦系正目观组。黄旗口组位于中元古界最底部，主要发育一套紫红色、灰紫色、灰白色石英岩、石英岩状砂岩、杂色泥质岩及白云岩，可明显分为两个岩性段：下段为石英岩状砂岩、石英砂岩段夹粉砂质板岩；上段为硅质白云岩、石英岩状砂岩及硅质板岩段，属于滨浅海沉积环境，与下伏古元古界赵池沟群呈角度不整合接触，与上覆蓟县系王全口组碳酸盐岩呈平行不整合接触(见图1(c))[13]。

黄旗口组底部第1～2层主要为一套变质岩。为增强数据准确性，用于锆石测年的样品采自研究区黄旗口组中下部第3层紫红色石英砂岩段(见图2(a))，采样点地理坐标为北纬38°41′00″、东经105°57′48″；岩性为含铁不等粒石英砂岩，呈块状构造，主要组成矿物为石英与硅质岩岩屑，体积分数为87%；长石体积分数为1%；岩屑与云母体积分数为6%；胶结物(铁质矿物)体积分数为6%。砂质碎屑物分选性较差，粒度以中砂级为主，细砂级和粗砂级次之，不同粒度的碎屑物具有局部集中分布特征；磨圆度为中等偏好(多呈次圆状，少数呈次棱角状和圆状)，为经过较长距离搬运、水动力强弱条件变换而再沉积的产物。砂质碎屑物成分主要是石英端元，其中石英端元的主要成分是石英单晶，含少量硅质岩岩屑。此外，含一定量其他岩屑端元和少量长石端元，岩屑成分多为黏土岩，少见石英岩和中酸性火山岩；长石成分为具聚片双晶且表面多绢云母化的斜长石和钾长石，钾长石为微斜长石和条纹长石。杂基成分为显微鳞片状的黏土矿物，含量极少。胶结物成分为铁质矿物，沿碎屑物之间呈粉末状分布，起胶结作用，少量碎屑物见次生加大现象，岩石显示接触式胶结、再生式胶结。重矿物呈单晶分布于碎屑物粒间或粒内，种类有粒状、四边形的铁质矿物及锆石(呈近圆形，高突起，鲜艳干涉色)、电气石(呈近圆形，中正突起，具有反吸收现象)(见图2(b))。

2 实验方法及数据处理

锆石的分选在廊坊市区域地质矿产调查研究所岩矿分析实验室进行。首先，将新鲜样品粉碎至适当大小(80～100目)，经人工用水淘洗、烘干和筛选后，采用强磁分选、电磁分选和重液分离技术进行锆石分析；然后，在实体显微镜下挑选形态完整、颗粒大的锆石进行制靶，再拍摄透射光、反射光和阴极发光(CL)图像，观察锆石的表面及内部结构[26-27]。图像拍照由湖北省武汉市上谱分析科技有限责任公司完成。根据锆石反射、透射图像和阴极发光图像揭示锆石晶体裂隙、包体、环带等内部结构特征，标定合适的锆石颗粒激光剥蚀点位，用于U-Pb同位素年龄测定[28-29]。

LA-ICP-MS碎屑锆石 U-Pb定年在湖北省武汉市上谱分析科技有限责任公司同位素实验室完成，在安捷伦电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7900)和相干193 nm准分子激光剥蚀系统(GeoLasPro HD)上进行。其中，微量元素校正标准样品为NIST610，同位素比值校正标准样品为91500，同位素比值监控标准样品为GJ-1，三种样品为国际标准物质。每隔5个测试点，加测2次NIST610标样。原始数据采用ICPMSDATACAL10软件处理，应用ISOPLOT3.0程序完成加权平均年龄和锆石年龄谐和图的绘制[30]。对于年龄大于1 000 Ma的古老锆石，多存在一定程度的铅丢失，一般采用207Pb/206Pb年龄；对于年龄小于1 000 Ma的锆石数据，一般采用206Pb/238U年龄[31-32]。

3 U-Pb年代学特征

3.1 锆石形态和Th/U

从粉砂岩样品中分离颗粒大小不等的496粒锆石，以椭球状居多，短柱状次之，少数呈球状，偶见六方双锥状，粒径多介于40～130 μm，少数超过150 μm。锆石外形以次圆状和次棱角状为主，少数呈浑圆状，显示锆石经历较强的磨蚀作用及较远距离的搬运。其中，109个锆石测年数据点的Th/U介于0.12～1.81，Th/U在0.12～0.39之间的数据点有16个，其余数据点的Th/U大于0.40(见图3、表1)。

样品阴极发光(CL)图像分析(见图4)表明，锆石内部特征各异，以具震荡环带结构的岩浆成因锆石居多(见图4(a-d、f、h-i、k-l))，也有少量内部均一和补丁状结构的变质成因锆石(见图4(g、j))，两种结构的锆石Th/U比较高。此外，在个别锆石的阴极发光图像中可看到明显的核幔结构(见图4(e))。

研究区黄旗口组含海绿石石英细砂岩样品BSK-HQK锆石U-Pb分析结果见表1，共获得111个同位素数据点。数据点基本上沿谐和线及其附近分布，且年龄谐和度比较高，约92%的数据点谐和度大于95%，有2个数据点(BSK-HQK-26、BSK-HQK-101)的谐和度小于90%。去除谐和度小于90%的数据点后，利用ISOPLOT3.0软件对剩余的109个谐和数据点绘制锆石U-Pb谐和图及锆石年龄分布直方图(见图5)。

表1 贺兰山拜寺口剖面黄旗口组含海绿石石英细砂岩锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果Table 1 The results of zircon LAICPMS UPb analysis of glauconite-bearing quartz fine sandstone of the Huangqikou Formation in Baisikou Section,Helan Mountains

续表1

由于所测锆石年龄大于1 000 Ma，选取207Pb/206Pb年龄作为锆石的形成年龄。黄旗口组含海绿石石英细砂岩样品BSK-HQK锆石年龄分布范围为2 600～1 680 Ma(见表1)，主峰值年龄为1 890 Ma，3个次级峰值年龄为2 345、2 514和2 576 Ma。靠近谐和线的数据点最小碎屑锆石的年龄为(1 680±40)Ma(BSK-HQK-25谐和度为93%)，无年龄大于2 800 Ma的碎屑锆石。

4 地质意义

4.1 黄旗口组时代约束

在U-Pb系统没有被干扰、样品没有被污染的情况下，沉积岩样品中碎屑锆石获得的最年轻的年龄数据为沉积物的最大沉积年龄[33]。如果最年轻的单个碎屑颗粒获得的年龄谐和度在95%以上，则可以代表沉积年龄[34]。

贺兰山拜寺口剖面黄旗口组含海绿石石英细砂岩(样品BSK-HQK)碎屑锆石最小的谐和年龄为(1 680±40)Ma(数据点BSK-HQK-25)，谐和度为93%，代表黄旗口组最大的沉积年限，表明黄旗口组沉积于该时间后。

人们对贺兰山黄旗口组下伏古元古代花岗岩锆石年代学进行研究，华洪等[14]获得古元古代赵池沟群侵入斜长花岗岩为1 839～1 681 Ma；耿元生等[35]认为贺兰山花岗杂岩带主要形成于三个阶段，第一阶段形成的时间大于2 000 Ma，第二阶段主要形成于2 000～1 870 Ma，第三阶段花岗杂岩在1 850～1 800 Ma期间侵位；王成等[36]获得贺兰山黄旗口花岗岩两组同位素年龄为(2 003±10)、(1 976±17)Ma；李正辉等[37]获得贺兰山古元古代S型花岗岩锆石年龄为(1 958±30)Ma；闫贺[10]认为贺兰山拜寺口黄旗口组下伏元古代基底花岗岩锆石年龄分布于2 163～1 805 Ma，加权平均年龄为(2 099±33)Ma，为花岗岩形成年龄；刘金科等[24]获得贺兰山北段古元古代S型花岗岩锆石年龄为(1 922±31)Ma。这证明黄旗口组应在1 680 Ma后沉积。

将黄旗口组上覆王全口组叠层石组合及微古化石与燕辽地区蓟县系进行对比。王全口组下部以Colonnellasp.、Conophytongarganicum、Gaoyuzhuangiasp.、C.cf.cylindricum等锥叠层石和块茎状柱叠层石为特征，与蓟县系高于庄组叠层石组合较相似；中部为以Lochmecolumella和Pseudogymnosolen等微小类型叠层石为代表的冰沟叠层石组合，其特征与蓟县系雾迷山组叠层石组合特征完全一致[22]，表明贺兰山地区王全口组与燕辽地区蓟县系高于庄组和雾迷山组相当。区域地层对比表明，黄旗口组沉积特征与燕辽地区长城纪大红峪组具有很好的相似性[13]。因此，黄旗口组为长城系晚期沉积，沉积年龄为1 680～1 600 Ma。

4.2 新太古代—古元古代地质事件

华北克拉通的形成主要经历三期重要的构造—岩浆—热事件[38-43]：克拉通重要地壳生长期(2 900～2 700 Ma)、克拉通化期(2 700～2 500 Ma)、克拉通活化再改造期(1 950～1 800 Ma)。这三期地质事件使大量变质岩和岩浆岩出露于地表，且裂谷盆地的物源区基本来自华北克拉通内部前寒武纪结晶基底[3,44]。研究区黄旗口组碎屑样品锆石年龄分布存在1 890 Ma的主峰值年龄和2 345、2 514、2 576 Ma的次级峰值年龄。碎屑锆石年龄分布显著特点是最大为2 606 Ma，没有大于2 700 Ma的年龄值，表明研究区对应华北板块地壳生长期(2 900～2 700 Ma)无岩浆活动事件或岩浆活动规模较小。

碎屑锆石约为2 500 Ma的主峰年龄对应华北克拉通前寒武纪一期重要的构造—岩浆—热事件，表明地壳进入快速增长期，形成大量的TTG片麻岩和幔源花岗岩，记录大量的岩浆活动、古老地质体的破坏和再循环事件[44]，该现象在华北克拉通显生宙地层和现代河流沉积物中有所体现[45]。该期事件划分为三个阶段：2 700～2 600 Ma为微陆块间的接合期，接合带是绿岩带或花岗岩带，具有弧—陆、弧—弧和陆—陆拼合的特点；2 600～2 500 Ma为华北克拉通早前寒武纪最主要的构造岩浆活动时期，与地幔物质有关的玄武质岩浆活动十分强烈，形成大量的变质表壳岩系、TTG片麻岩和富钾花岗质片麻岩；2 500～2 450 Ma，各陆块发生高级变质、花岗岩侵入及基性岩墙群的侵入，华北各微陆块拼贴完成，基本形成新太古代克拉通。研究区黄旗口组样品碎屑锆石年龄存在2 514和2 576 Ma的次级峰值年龄，其中在2 700～2 450 Ma之间的年龄数据点有19个，占总数的17.4%，为华北克拉通新太古代克拉通化事件的响应。19个数据点中有14个在2 600～2 500 Ma之间，为华北克拉通太古宙末期大规模构造岩浆活动的响应。华北克拉通内部的主要古老陆块发育大规模2 600～2 500 Ma的变质火山岩系，是华北克拉通太古宙末期地壳生长的主要载体[43,46-48]。碎屑锆石的年龄特征表明，贺兰山拜寺口地区于2 600～2 500 Ma发生明显的地壳生长过程。

2 450～2 300 Ma，为华北克拉通的构造静寂期[49]。2 300～1 950 Ma，华北克拉通经历一次陆内拉伸—裂谷事件[3,42]，受大陆岩浆弧和弧后扩张影响，在贺兰山北段形成新生陆弧花岗质岩体或火山岩，岩浆弧具有向南迁移的趋势；约2 000 Ma，弧后伸展导致新生岩浆岩快速剥蚀、沉积，并进入陆内盆地或陆缘盆地[25]。研究区黄旗口组样品碎屑锆石年龄在2 300～1 950 Ma之间的数据点有26个，占总数的23.9%，为贺兰山地区大陆岩浆弧和弧后扩张事件的响应。26个数据点中有17个数据点在2 035～1 950 Ma之间，表明2 035～1 950 Ma为研究区新生陆弧花岗质岩体主要形成时期。这与贺兰山地区古元古代晚期花岗岩形成年龄[24,35-37]基本一致。

1 950～1 800 Ma，华北克拉通经历一次挤压构造事件，导致裂陷盆地的闭合和焊接[6-7]。约1 950 Ma，阴山陆块与鄂尔多斯陆块发生碰撞，形成华北西部陆块和贺兰山基底变质岩系—孔兹岩带；约1 850 Ma，西部陆块和东部陆块发生陆—陆碰撞、拼合，形成华北克拉通基底[50]。研究区黄旗口组样品碎屑锆石年龄在1 950～1 800 Ma之间的数据点有32个，占总数的29.4%，为华北克拉通古元古代经历挤压构造事件(主峰值年龄为1 890 Ma)的响应，阴山陆块与鄂尔多斯陆块发生碰撞，形成华北西部陆块。

1 800～1 700 Ma，华北克拉通进入伸展构造机制转化时期，并且在中元古代后进入稳定的地台发展阶段，可划分为克拉通基底整体抬升、裂陷槽—陆内裂谷发育、基性岩墙群和非造山岩浆活动地质过程[3,42]。研究区黄旗口组样品碎屑锆石年龄在1 800～1 680 Ma之间的数据点有17个，占总数的15.6%，为华北克拉通中元古代基底隆升与陆内裂谷事件的响应。

4.3 物源区分析

2 780～2 450 Ma(新太古代)，研究区黄旗口组含海绿石石英细砂岩碎屑锆石年龄数据点有19个，占总数的17.4%，存在2 514和2 576 Ma次级峰值年龄，其中有14个数据点在2 600～2 450 Ma之间，大于2 600 Ma的数据点有1个，表明物源的碎屑物质主要来自新太古代晚期。19个样品锆石的Th质量分数为(27.10～113.00)×10-6，平均为55.50×10-6；U质量分数为(19.20～152.80)×10-6，平均为80.80×10-6；Th/U为0.30～1.41，平均为0.78，Th/U<0.04的样品有3个(BSK-HQK-56、BSK-HQK-58和BSK-HQK-100)，为典型的岩浆成因锆石，与华北克拉通太古宙基底组成的研究相吻合。华北克拉通新太古代时期(2 800～2 500 Ma)，存在二期主要的基性火山活动，一期发生于2 800～2 650 Ma，另一期发生于约2 500 Ma，代表两期强烈的地壳增生事件[35]。新太古代早期(2 800～2 650 Ma)，基性火山活动形成的地质体只存在于局部地区；新太古代晚期(约2 500 Ma)，华北克拉通与地幔物质有关的玄武质岩浆活动十分强烈，形成分布广泛的“幔源”TTG片麻岩和壳源花岗质岩石[51-52]。这表明新太古代晚期以陆壳物质为主的基底为研究区黄旗口组提供一定的碎屑物质，为次要物源区。

2 450～1 800 Ma(古元古代)，研究区黄旗口组含海绿石石英细砂岩碎屑锆石年龄数据点有73个，占总数的67.0%，存在1 890 Ma主峰值年龄和2 345 Ma次级峰值年龄。碎屑锆石年龄主要集中在2 450～2 200、2 050～1 800 Ma之间，且73个样品锆石的Th质量分数为(3.35～284.00)×10-6，平均为64.90；U质量分数为(18.40～310.90)×10-6，平均为115.70×10-6；Th/U为0.12～1.81，平均为0.59，Th/U≥0.40的样品占62个，为岩浆成因锆石[39]，部分锆石后期可能受变质事件改造影响。华北克拉通北缘西段广泛分布以富铝的沉积岩及大理岩在内的变质岩系，即孔兹岩系。贺兰山基底岩主要由孔兹岩系组成。孔兹岩带中的锆石年龄集中于2 500～2 300、2 050～1 800 Ma(见表2)，其特征与研究区含海绿石石英细砂岩年龄在2 450～1 800 Ma的碎屑锆石年龄分布范围及峰值非常相似，表明华北克拉通北缘西段孔兹岩带为研究区黄旗口组提供碎屑物质，为主要物源区。

表2 华北克拉通北缘古元古代晚期岩浆事件的同位素年龄Table 2 The isotopic ages of Late Palaeo-Proterozoic magmatic events in the northern margin of the North China Craton

1 800～1 680 Ma(中元古代)，研究区黄旗口组含海绿石石英细砂岩碎屑锆石年龄数据点有17个，占总数的15.6%。17个样品锆石的Th质量分数为(19.10～151.00)×10-6，平均为58.60×10-6；U质量分数为(25.20～340.00)×10-6，平均为108.00×10-6；Th/U为0.39～1.01，平均为0.59，Th/U<0.40的样品有1个(BSK-HQK-68)，为典型的岩浆成因锆石[39]。约1 780 Ma，华北克拉通发生大岩浆岩事件，形成太行—吕梁基性岩墙群，岩墙群在贺兰山地区也有分布[63-64]。推测华北克拉通太行—吕梁基性岩墙群为研究区黄旗口组提供一定的碎屑物质。

5 结论

(1)银川拜寺口剖面黄旗口组深灰色含海绿石石英细砂岩锆石颗粒以椭球状居多，短柱状次之，外形多呈次圆状和次棱角状，粒径多介于40～130 μm；其中以具震荡环带结构的岩浆成因锆石居多，少量为具内部均一和补丁状结构的变质成因锆石。锆石Th/U介于0.12～1.81，大于0.40的样品占85.3%；锆石207Pb/206Pb年龄数据分布范围为1 680～2 606 Ma，存在明显的1 890 Ma主峰值年龄和2 345、2 514和2 576 Ma次级峰值年龄。

(2)研究区碎屑锆石年龄峰值及组成分别响应华北克拉通新太古代—古元古代主要的地质事件。当锆石年龄介于2 700～2 450 Ma、次级峰值为2 514和2 576 Ma时，为华北克拉通新太古代克拉通化事件的响应，其中2 600～2 500 Ma地壳生长过程明显。2 035～1 950 Ma为研究区新生陆弧花岗质岩体主要形成时期。当锆石年龄介于1 950～1 800 Ma、主峰值年龄为1 890 Ma时，阴山陆块与鄂尔多斯陆块发生碰撞而形成华北西部陆块。当锆石年龄为1 800～1 680 Ma时，为华北克拉通中元古代基底隆升与陆内裂谷事件的响应。

(3)研究区碎屑锆石最小的谐和年龄为(1680±40)Ma，黄旗口组为长城系晚期沉积，沉积年龄为1 680～1 600 Ma。华北克拉通北缘西段孔兹岩带为黄旗口组提供碎屑物质，为主要物源区；新太古代晚期(约2 500 Ma)陆壳物质和太行—吕梁基性岩墙群为次要物源区。