0 引言

小兴安岭张广才岭位于兴蒙造山带的东段，该区在古生代时期经历了微陆块的拼合与古亚洲洋的演化^{[1, 2, 3, 4]}。这些微陆块自东至西包括兴凯地块、佳木斯地块、松嫩张广才岭地块、兴安地块和额尔古纳地块(图 1a)。近年来，对这些微陆块上存在的前寒武纪地质体的研究取得了新的进展，先前确定的绝大多数“古元古代”或“新元古代”地层已经被解体。比如，位于佳木斯地块上的古元古代麻山群实际上是一套形成于泛非期的花岗质片麻岩^{[5, 6]},其和额尔古纳地块上的古元古代兴华渡口群实际形成于古生代^{[7, 8, 9]}，并存在寒武纪晚期的变质作用；位于兴安地块上的古元古代风水沟河群和扎兰屯群则形成于晚古生代晚期早中生代^[10]；位于松嫩张广才岭地块上的新元古代张广才岭群，实际上是由早古生代早中生代沉积和火山岩构成的一个构造混杂岩^{[11, 12]}；小兴安岭先前确定的东风山群是由新元古代晚期的云母片岩和古生代沉积岩和侵入其中的二叠纪花岗岩所构成^[13]。这些所谓的前寒武纪地质体主体上形成于古生代，尤其是晚古生代早中生代，部分形成于新元古代。同样，传统上认为在多个微陆块上分布有古生代地层，这些古生代地层呈零星分布在原来确定的海西期花岗岩“海洋”中^[14]。近年来，对原定为海西期花岗岩进行广泛U-Pb年代学研究，结果表明这些花岗岩主要形成于早中生代，一部分为早古生代和晚古生代^{[15, 16]}。随着这些微陆块上前寒武纪地层的解体和对海西期花岗岩形成时代的重新认识，现在需要解决的问题是前人确定的古生代地层是否存在？它们形成的时代如何？鉴于此，本文对出露于小兴安岭的晚古生代地层红山组(晚二叠世)和黑龙宫组(早泥盆世)进行了岩石组合及锆石U-Pb年代学研究，结合野外地质证据，确定了红山组和黑龙宫组的形成时代，并讨论了其物源。

图 1 研究区地质图 Fig.1 Geological sketch map of the study area

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在构造上，研究区位于松嫩张广才岭地块东缘(图 1b)，区内发育有新生界、中生界、古生界和元古宇，同时有大面积的海西期、燕山期和新元古代的花岗岩^[14]。红山组和黑龙宫组位于伊春市北部，嘉荫牡丹江断裂带西侧，该区分布大面积的中生代花岗岩^[15]和少量中生代火山岩^[17]。该区的红山组和黑龙宫组呈残留孤岛状分布在中生代花岗岩“海洋”之中(图 1b)。

红山组由张海驲于1971年创建于伊春市上甘岭区红山车站附近。1979年黑龙江省区域地层表编写组称其为三角山组，东部密山宝清地区称城山组，这些组现在均归入红山组。1993年《黑龙江省区域地质志》^[14]将红山组定义为:分布于伊春、铁力、密山及东宁等地，主要由砾岩、砂岩和板岩组成的地层，并含炭质，偶见凝灰质及火山岩夹层，构成明显韵律的一套河流相碎屑岩沉积，厚度超过642.8 m。地层中盛产丰富的以Comia为代表的安加拉型植物化石群，确定其年龄为晚二叠世。顶底界不清。本文研究的红山组样品14HYC-2采于建组剖面，伊春市上甘岭区红山林场经营所西北铁路旁(129°00′07″E，47°59′58″N)，整个剖面由下至上为杂砂岩与炭质板岩互层、粉砂岩、板岩、含砾砂岩和砂岩，未见顶底^[14]。样品采于红山组的中部(图 2)。岩石类型为青灰色泥板岩，变余泥质结构，板状构造，岩石主要由定向分布的绢云母和隐晶质黏土组成，具有碳酸盐化(图 3a)。

图 2 红山组和黑龙宫组岩性柱状图及采样位置 Fig.2 Column diagram of the Hongshan and Heilonggong Formations showing lithology and sampling locations

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图 3 红山组泥板岩(a)和黑龙宫组泥板岩(b)样品显微照片 Fig.3 Photomicrographs of analysed samples from the Hongshan and Heilonggong Formations

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黑龙宫组源于1962年朱松年等创建于尚志市得好屯的下黑龙宫组。1993年《黑龙江省区域地质志》^[14]将下黑龙宫组改称黑龙宫组，时代置早泥盆世，下黑龙宫组停用。黑龙宫组现指分布于尚志市黑龙宫一带及伊春市五星镇、宏川等地，岩性为灰绿色、灰黄色、灰紫色砂砾岩、砂岩、凝灰砂岩和灰黑色板岩、结晶灰岩。顶底界不清。为一套浅海相沉积，厚度超过939 m。本文研究的黑龙宫组样品HYC7-1采于伊春市上甘岭区(128°59′43.9″E，48°00′06.9″N)。地层剖面由下至上为厚层大理岩夹薄层泥质板岩、白色厚层状大理岩夹炭质粉砂质板岩、页岩，采样位置位于黑龙宫组下段中下部。岩石类型为灰黑色泥质板岩，变余泥质结构，板状构造，主要由自生黏土矿物组成，碳酸盐化较强(图 3b)。

本文锆石U-Pb定年样品均在河北省区域地质矿产调查研究所采用常规方法进行粉碎，并用浮选和电磁选方法进行分选，然后在双目镜下挑选出不同晶形、颗粒大小、磨蚀程度以及颜色不同的锆石颗粒，进而确保所选锆石的代表性。在此基础上，将锆石粘在双面胶上，用无色透明的环氧树脂浇灌固定，待环氧树脂充分固化后抛光，使锆石暴露出内部结构，从而进行透射光、反射光和阴极发光扫描电镜显微照像。根据锆石阴极发光(CL)图像，尽量选择包裹体较少且吸收程度均匀的区域进行分析测试。

锆石U-Pb同位素分析在中国地质大学过程与矿产资源国家重点室采用标准测定程序进行，使用的ICP-MS为Agilient公司生产的Agilient 7500，激光剥蚀系统为德国MicroLas公司的GeoLas 200M，该系统由德国Lambda Physik公司的Compex 102 Excimer 激光器(工作物质ArF，波长193 nm)与MicroLas公司的光学系统组成。分析中采用的激光束斑直径为32 μm，以²⁹Si作为内标，哈佛大学标准锆石91500作为外标校正，详细参考值及仪器操作条件及步骤见参考文献[18]，年龄采用ISOPLOT软件计算(版本号3.0)^[19]。实验获得的数据采用Andersen的方法进行同位素比值的校正^[20]，以扣除普通Pb的影响。所给定的同位素比值和年龄的误差(标准误差)在1σ水平。锆石的LA-ICP-MS U-Pb分析数据见表 1。测试的样品为:红山组(14HYC-2)的泥板岩，共计测点42个；黑龙宫组(HYC7-1)的泥板岩，共计测点97个。

样品14HYC-2为采自于红山组标准剖面的泥板岩。样品中锆石特征相对单一，多呈长柱状，在阴极发光图像中锆石内部结构均匀，个别锆石具有核边结构，边部发育有明显的振荡环带，结合它们具有较高的Th/U值(表 1，0.31~1.26)，暗示了它们均为典型的岩浆成因锆石(图 4a)。42个测点给出宽广的同位素年龄为735~2 702 Ma(>1 000 Ma采用²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb的定年结果，<1 000 Ma采用²⁰⁶Pb/²³⁸U的定年结果)(表 1，图 5a、b)，但其年龄主体集中分布于747、807、849、903、956、1 167和1 811 Ma多个峰值。样品HYC7-1为采于伊春地区黑龙宫组的泥板岩。样品中的锆石多数呈半自形，个别锆石近浑圆状，暗示其经历了一定距离的搬运或磨圆作用。在阴极发光图像中，多数锆石发育有较明显的显示岩浆成因的振荡环带，个别锆石边部发育显示岩浆成因的环带结构(图 4b)。97个测点给出宽广的同位素年龄为685~2 468 Ma(>1 000 Ma采用²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb的定年结果，<1 000 Ma采用²⁰⁶Pb/²³⁸U的定年结果)(表 1，图 6a、b)，但其年龄主体集中分布于700、805、902、1 764、2 446和2 467 Ma多个峰值。

图 4 红山组(a)与黑龙宫组(b)锆石中的阴极发光图像 Fig.4 CL image of selected zircons from the Hongshan (a) and Heilonggong(b)Formations

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图 5 红山组锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig.5 U-Pb concordia diagrams summarizing the LA-ICP-MS zircon data for the Hongshan Formation

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图 6 黑龙宫组锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig.6 U-Pb concordia diagrams summarizing the LA-ICP-MS zircon data for the Heilonggong Formation

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红山组是张海驲1971年创建的，时代置于晚二叠世；黑龙宫组是1962年朱松年创建的，时代置于早泥盆世。1993年《黑龙江省区域地质志》保留了这两个组，时代仍依据前人厘定结果。在红山组和黑龙宫组沉积时限的确定过程中，主要依据岩石组合和区域地层对比^[21]，一直缺乏同位素年代学依据;然而由于该区地质演化复杂，植被覆盖极为严重，露头较差，地层间的接触关系不明，加上缺乏古生物地层学资料，基于地层对比等手段对红山组和黑龙宫组沉积时限的确定证据并不充分。

随着地质年代学测试技术方法的广泛应用以及测试水平的不断提高，对红山组和黑龙宫组进行锆石U-Pb年代学的研究成为确定其沉积时限的关键。本文通过对红山组泥板岩和黑龙宫组泥板岩进行采样和详细的锆石U-Pb年龄测试，以最年轻的碎屑锆石年龄限定其沉积下限，由于上覆地层界限不清，地层中无火山岩夹层且不见侵入地质体，所以采用同区地层中碎屑锆石年龄组合来限定其沉积上限。

基于这一原则，从红山组标准剖面泥板岩(样品14HYC-2)中最年轻的一组碎屑锆石年龄为747 Ma，从而限定了红山组的最大沉积年龄不早于747 Ma。黑龙宫组分布较为广泛，从黑龙江省东北部伊春地区黑龙宫组泥板岩(样品HYC7-1)中最年轻的一组碎屑锆石年龄为700 Ma，但从谐和图中可以看到该处锆石年龄偏离谐和线，原因为Pb丢失，其同位素年龄应为2 446 Ma(图 6)，所以黑龙宫组的最大沉积年限应为805 Ma。由于该两个组所处位置具有亲缘性，且沉积年代相似，因此其沉积上限可以统一确定。近年来在黑龙江省东部晚古生代地层中也有很多人进行研究：黑龙江省东部伊春市北部的东风山群桦皮沟组中的碎屑锆石出现了561 Ma的年龄^[22]；同样在伊春市南部晨明镇出露的晨明组中的碎屑锆石同样出现了561 Ma的年龄^[23]。鉴于目前红山组和黑龙宫组中缺乏这个年龄的锆石，所以认为红山组的形成时代为747~561 Ma，黑龙宫组的形成时代可能为805~561 Ma，即红山组和黑龙宫组形成于新元古代，而非前人认为的晚古生代^[14]。

在黑龙江省南部尚志市黑龙宫一带也有黑龙宫组出露并且有人进行研究。孟恩^[24]2011年对分布于尚志市西北黑龙宫镇两公里的西南山脚的黑龙宫组标准剖面上的石英岩屑砂岩进行研究，其中的碎屑锆石形成2 503、1 833、903、802、551、511、448和403 Ma的加权平均年龄，大量的489~551 Ma碎屑锆石分布于佳木斯地块之上，暗示松嫩张广才岭和佳木斯地块碰撞在加里东晚期之前已经完成。项目组2011年在黑龙江省木兰县香磨山水库东刘忠树沟村也采集了黑龙宫组并进行碎屑锆石分析(未发表)，碎屑锆石形成2 067、1 862、1781、958、894、847、794、504和450 Ma的加权平均年龄。结合区域地质资料，确定分布于黑龙江省南部尚志市和木兰县一带的黑龙宫组形成于403~551 Ma，时代置早泥盆世^[24]。

结合区域地质资料，出露于黑龙江省南部尚志市西北黑龙宫镇两公里的西南山脚的黑龙宫组标准剖面中，其岩石组合为白色厚层状大理岩夹炭质粉砂质板岩、黑色泥质板岩及页岩，在黑龙江省木兰县香磨山水库东刘忠树沟村出露的黑龙宫组剖面距标准剖面很近，具有相似的岩性组合，锆石定年确定二者均形成于早泥盆世(403~551 Ma)。而出露在黑龙江省东北部伊春地区的黑龙宫组其岩石组合为薄层石灰岩、碎屑石灰岩、长石砂岩及粉砂岩，锆石定年确定其形成于新元古代(805~561 Ma)。由此可以看出，南部标准剖面的黑龙宫组和东北部伊春地区的黑龙宫组从岩性组合上就存在一定的差异，锆石定年结果又完全不同，由此可以进一步说明，分布于南部标准剖面上的黑龙宫组和东北部伊春地区的黑龙宫组应属两个不同时代的地层单元。

锆石以较高的封闭温度和高硬度为特点，使得其在经历各种地质过程中仍然保持稳定的U-Pb同位素体系^{[25, 26, 27, 28]}。因此，在岩浆活动相对频繁的地区，根据碎屑锆石的年龄频谱和区域中已有的同位素年代学数据进行对比，可以判断地层的物源^{[29, 30]}。

本次研究中，红山组42颗碎屑锆石样品的LA-ICP-MS U-Pb给出735~2 702 Ma的年龄区间，出现峰值747、807、849、903、956 Ma等(表 1、图 7a)，其中新元古代锆石年龄占71.4%，中、晚元古代锆石年龄占28.6%。红山组泥板岩中的锆石形态多呈半自形短柱状，在CL图像中也多为振荡生长环带(图 4a)，结合它们具有较高的Th/U值(0.31~1.26)，暗示它们应为岩浆成因。

图 7 碎屑锆石U-Pb年龄频率 Fig.7 Relative probability of detrital zirons

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黑龙宫组97颗碎屑锆石样品的LA-ICP-MS U-Pb给出685~2 468 Ma的年龄区间，出现峰值700、747、903 Ma等(表 1、图 7b)，其中新元古代锆石年龄占79.4%，中、晚元古代锆石年龄占20.6%。黑龙宫组泥板岩中的锆石多数呈短柱状半自形，个别锆石呈近浑圆状，暗示其经历过一定距离的搬运或磨圆作用。在CL图像中，多数锆石发育有较明显的振荡环带(图 4b)，结合其较高的Th/U(0.14~1.30)，暗示它们为岩浆成因。

红山组与黑龙宫组新元古代锆石都占有较高的比例，且锆石均为岩浆成因，由此说明研究区可能存在新元古代岩浆活动事件，岩浆事件的产物构成了红山组和黑龙宫组的主要物源。类似的新元古代岩浆事件在额尔古纳地块、兴安地块及松嫩张广才岭地块都已有报道^{[31, 32, 33]}，且具有类似年龄的碎屑锆石在松嫩张广才岭地块东缘东南缘古生代地层中大量出现^{[19, 30]}，在黄松群杨木岗组中的碎屑锆石也出现该时期的年龄(本项目组未发布资料)，由此推测在东北和内蒙古东部地区在新元古代时期发育岩浆活动事件。

同时，两组数据中还出现一定数量²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb同位素年龄大于1 000 Ma的中、古元古代碎屑锆石(图 7b)(红山组仅有4粒、黑龙宫组仅有1粒锆石年龄处于中元古代，而大量的古老锆石年龄存在于古元古代)。目前，类似年龄的地质体在东北地区尚无准确报到，但是在松辽盆地基底和东北地区诸多的古生代地层中，特别是松嫩张广才岭地块之上的古生代地层中大量出现类似年龄的碎屑锆石^{[12, 30]}。上述证据表明，这些古老锆石应来源于一个当地的古老沉积物源区;由此可以推断出，在红山组和黑龙宫组形成过程中区域地表或地表浅部应该具有类似年龄的古老地质体残片。

通过对黑龙江省东部红山组泥板岩砂岩和黑龙宫组泥板岩的锆石U-Pb年代学研究，得出以下几点主要结论：

1)出露于黑龙江省东部伊春市附近的红山组和黑龙宫组分别沉积于747~561 Ma和805~561 Ma，时代置于新元古代，并非前人所厘定的晚古生代。

2)出露在黑龙江省东北部伊春地区的黑龙宫组和南部标准剖面上的黑龙宫组分别形成于新元古代(805~561 Ma)和早泥盆世(403~551 Ma)，岩性组合存在明显差异，说明这两个剖面上的黑龙宫组应属于不同时代的地层单元。

3)红山组和黑龙宫组泥板岩中碎屑锆石年龄表明，沉积物源主要来源于新元古代，该区可能存在新元古代岩浆事件；同时也存在中、古元古代碎屑锆石，暗示该区地表或地表浅部应存在更为古老的前寒武纪残片。

中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室工作人员在锆石LA-ICP-MS U-Pb测试过程中给予了大力帮助，在此表示感谢。