冥古宙地球表层陆壳的形成是当今地球科学研究的热点之一，花岗质岩浆作用和早期陆壳再循环是地球早期陆壳演化的一个重要方面。然而，目前为止发现大于4.0Ga的岩石的报道很少，只有北美Acasta片麻岩为4.0Ga左右(Bowring et al., 1984, 1989 ; Iizuka et al., 2006, 2007)。地球上最老的锆石(4.4Ga)发现于西澳Jack Hills (Wilde et al., 2001; Harrison et al., 2005)，该区域获得了大量＞4.0Ga碎屑锆石的U-Pb年龄、Hf和O同位素结果 (Maas et al., 1992; Amelin, 1998; Peck et al., 2001; Valley et al., 2002; Cavosie et al., 2004, 2005; Dunn et al., 2005; Nemchin et al., 2006; Ushikubo et al., 2008; Kemp et al., 2010; Bell et al., 2011)。通过冥古宙岩石或锆石的研究，对我们了解地球早期陆壳的形成、演化历史和环境具有重要意义。

在我国一些前寒武纪基底也发现了古老锆石，如华北鞍山地区、冀东、信阳发现3.6~3.8Ga岩石和锆石(Liu et al., 1992, 2008; Song et al., 1996; Wan et al., 2005; Zheng et al., 2004; 刘敦一等, 1994; 吴福元等, 2005; 万渝生等, 2009)，华南崆岭杂岩中发现≥3.5Ga岩石(Zhang et al., 2006a)和3802±8Ma碎屑锆石(ε_Hf(t)=-0.8, t_DM¹=3.96Ga, t_DM²=4.0Ga) (Zhang et al., 2006b), 西北阿尔金山阿克塔什塔格变质岩中获得3605±43Ma单颗粒锆石U-Pb年龄(陆松年和袁桂邦, 2003; 李惠民等, 2001)。西藏普兰县石英片岩中发现锆石U-Pb年龄为4103±4Ma (多吉等, 2007)；北秦岭西段奥陶纪火山岩中发现一颗4079±5Ma捕虏锆石(不谐和度2.28%)(王洪亮等, 2007)，第五春荣等(2010) 在该地区又发现两颗²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄为4007±29Ma和3908±45Ma变质成因锆石。在华夏地块，发现Hf模式年龄大于4.0Ga的碎屑锆石较多，于津海等(2007) 报道了潭溪片麻岩中3755Ma锆石Hf 同位素模式年龄为4.07Ga, Yao et al. (2011) 报道了赣南地区早古生代地层中两颗碎屑锆石Hf模式年龄分别为4068Ma(锆石U-Pb年龄2435±19Ma)和4202Ma(锆石U-Pb年龄2649±9Ma)。本文报道了河西走廊晚泥盆世地层中发现的3.6Ga、3.9Ga和4.0Ga三颗碎屑锆石，其中＞3.9Ga这两颗锆石为西北地区首次发现；通过分析锆石原位微区Hf同位素和微量元素，对地球早期地壳形成、演化以及河西走廊地区在晚泥盆世古地理位置进行初步探讨。

研究区位于华北西缘河西走廊过渡带的东段(图 1)。河西走廊过渡带为一早古生代的弧后盆地，归为阿拉善-龙首山地块的西南部大陆边缘(陆松年等, 2009)。该过渡带呈北西西-南东东向展布，其北界为龙首山断裂，断裂东延为元山子断裂，以后转为北西向的牛首山断裂和南北向的罗山断裂；南界可能为海原断裂带的月亮山，崛吴山断裂；东端与鄂尔多斯地块相接；西界可能为阿尔金断裂的东北延伸部分(Zhao et al., 1993; 李清河等, 1999; Huang et al., 2000; 陆松年等, 2009)。区内发育厚度很大的中-晚泥盆世河湖相沉积，为典型磨拉石建造(潘江等, 1987)。阿拉善-河西走廊地块是否为华北地块的西向延伸，是否与塔里木和柴达木地块构成西域板块，其大地构造属性尚存争议(葛肖虹和刘俊来, 2000)。

图 1

Fig. 1

图 1 河西走廊地质简图 (a):①龙首山-六盘山深断裂；②沙坡头-同心断裂；③车道-阿色浪断裂；④黄河断裂. (b):3.6Ga(样品号: QK-3)和3.9Ga(样品号: QK-1)碎屑锆石采样位置地质图. (c): 4.0Ga碎屑锆石采样点地质图(SX-7为样品号) Fig. 1 he simplified geological map of Hexi Corridor (a): ① Longshoushan-Liupanshan fault; ② Shapotou-Tongxin fault; ③ Chedao-Aselang fault; ④ Huanghe fault; (b): The geological map for the sampling site of 3.6Ga detrital zircon (sample number: QK-3) and 3.9Ga detrital zircons (sample number: QK-1). (c): The geological map for the sampling site of 4.0Ga detrital zircons (sample number: SX-7)

研究区上泥盆统中宁组整合接触覆于上泥盆统大岱沟组之上，与上覆地层中石炭统羊虎沟群或下石炭统臭牛沟组呈平行不整合接触；上泥盆统中宁组(D₃z)分三段：上段(D₃z³)为浅湖相-深湖相泥岩、粉砂岩、砂质灰岩，灰岩，含丰富的鱼类化石；中段(D₃z²)为浅湖相-河流相粉砂岩、砂岩；下段(D₃z¹)为河流相-浅湖相砂岩、粉砂岩(潘江等, 1987)。本次样品采自宁夏中宁地区晚泥盆统中宁组地层中(图 2)，为紫红色中粗粒长石石英砂岩。样品QK-1(GPS点为37°40′46″N; 105°44′15.1″E)、QK-3(GPS点为37°40′47.2″N; 105°44′17.3″E)采集于上泥盆统中宁组上段，SX-7(GPS点为37°39′16.2″N; 105°59′38.0″E)采集于上泥盆统中宁组中段。样品QK-3中发现了U-Pb年龄为3.6Ga碎屑锆石，QK-1中发现了U-Pb年龄为3.9Ga碎屑锆石；SX-7中发现了U-Pb年龄为4.0Ga碎屑锆石。

图 2

Fig. 2

图 2 采样剖面地层柱状图 Fig. 2 Strata histogram for sampling profile

锆石是将所采砂岩样品粉碎至60目以下，按磁选和重液方法分选，最后在双目镜下挑纯。按照随机原则，每个样品粘300~400颗锆石，固定于环氧树脂中，经抛光后，进行透射光和反射光照相，并用阴极发光(CL)扫描电子显微镜进行图像分析，以观察锆石的抛光面及内部结构。CL显微照相在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，CL发光仪为加载于扫描电子显微镜(Quanta 400 FEG)上的美国Gatan公司的Mono CL3+型阴极荧光探头，分析电压为10kV，电流为240μA。

锆石U-Pb年龄分析是在中国科学院地质与地球物理研究所多接收等离子质谱仪实验室利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS) 上完成的。激光束斑直径为32μm，频率为8Hz，能量密度为15J/cm²。采用91500 标准锆石(1062.4±0.6Ma)作为标准, GJ-1 (608.53±0.37Ma)作为未知样品对测试结果进行监控，采用美国国家标准物质局研制的人工合成硅酸盐玻璃NIST610为外标(Pearce et al., 1997)，²⁹Si为内标进行元素含量校正。每个样品在试验开始和结束时分别测试两次91500和NIST610，每完成10个测点加测一次GJ-1和91500，每完成20个测点加测一次NIST610。利用Glitter (4.0版)软件处理测试数据，采用Isoplot 程序(3.0版)计算年龄，绘制谐和图(Ludwig，2003)。详细分析流程见谢烈文等(2008) 、Xie et al. (2008) 。

锆石原位Lu-Hf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所193nm激光取样系统的Neptune多接收电感耦合等离子质谱仪(LA-MC-ICPMS)上进行，激光束斑直径为60μm，激光脉冲宽度为15ns，采用He气做为剥蚀物质载气，详细分析流程见Wu et al. (2006) 和Xie et al. (2008) 。每个样品在开始和结束分别测试两次GJ-1，每完成10个测点加测一次GJ-1。本次标样GJ-1的测定结果为¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf=0.282009±25(2σ，N=145)，该值与目前已获得的值在误差范围内一致(Elhlou et al., 2006; Armin et al., 2007)。ε_Hf(t)和模式年龄计算中，¹⁷⁶Lu衰变常数为1.867×10^-11 (Bouvier et al., 2008)，现今球粒陨石的¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf和¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf分别为0.0332、0.282772 (Bicher-Toft et al., 1997), 亏损地幔的¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf和¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf采用0.0384、0.28325 (Griffin et al., 2000)，地壳模式年龄(t_DM^C)采用平均地壳的¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf=0.015 (Griffin et al., 2002)。

借助锆石透射光、反射光、CL照片，避开包裹体，确定测点位置，获得较准确可靠的年龄。测试U-Pb年龄时，每个样品在靶上从左往右，无论大小(>32μm)依次测试，直到锆石数目达到140或150为止。

对三个样品测定约450颗锆石后，发现大量前寒武纪碎屑锆石(0.5~4.0Ga)，峰值主要集中在~2.3~2.5Ga、1.8~2.1Ga、0.8~1.2Ga和0.5Ga，并发现两颗始太古代锆石(3.6Ga和3.9Ga)和一颗冥古宙锆石(4.0Ga)。²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄为3611±17Ma的锆石U-Pb年龄谐和度达95%，无色透明，长150μm，宽75μm，CL照片显示锆石呈面状结构、较暗，具有变质增生亮边(图 3)，Th/U=0.14(表 1)。²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄为3891±17Ma的锆石U-Pb年龄谐和度达96%，无色透明，长150μm，宽95μm，CL照片显示锆石没有振荡环带结构，较暗，具有变质增生亮边(图 3)，Th/U=1.01(表 1)，为岩浆锆石。²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄为4022±16Ma的锆石年龄谐和度为100%，无色透明，直径100μm左右，磨圆较好，CL照片显示核部具有明显的振荡环带结构(获取U-Pb年龄的位置)，较亮，从CL照片观察应存在至少4期变质增生边(图 3)，Th/U=0.58(表 1)，为岩浆锆石。

图 3

Fig. 3

图 3 锆石CL照片 大圆圈表示Hf同位素测试点;小圆圈表示U-Pb年龄测试点 Fig. 3 CL images of zircons Large circles indicate positions for Hf-isotope analyses; small circles indicate positions for U-Pb age analyses

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 锆石U-Pb同位素LA-ICP-MS分析结果 Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb isotopic data

表 1 锆石U-Pb同位素LA-ICP-MS分析结果 Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb isotopic data

U-Pb年龄为3.9Ga的锆石获得原位Hf同位素结果：¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf_i=0.280169，ε_Hf(t)=3.6，t_DM=4139Ma，t_DM^C=4319Ma (表 2)； ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄为3611±17Ma锆石的原位Hf同位素结果为：¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf_i=0.280196，ε_Hf(t)=9.3，t_DM=4113Ma，t_DM^C=4464Ma(表 2)。这两颗锆石原位Hf同位素结果与华北板块3.8Ga左右岩石中锆石的Hf同位素结果(吴福元等，2005；Zheng et al., 2004)存在明显不同，而与Jack Hills＞4.0Ga锆石的Hf同位素特征(Kemp et al., 2010; Harrison et al., 2008)非常相近(图 4)。

图 4

Fig. 4

图 4 锆石εHf(t)对U-Pb年龄图解 Fig. 4 εHf(t) vs. U-Pb age for zircons

锆石稀土元素轻稀土(LREE)亏损重稀土(HREE)富集，均具有Ce正异常，4.0Ga锆石具有Eu负异常，3.9Ga锆石没有Eu负异常(图 5)。Ce正异常是Ce^﹢4优先进入锆石晶格的结果(吴元保等, 2003)，Eu负异常则是锆石与长石平衡生长的结果(Rubatto and Williams, 2000)。

图 5

Fig. 5

图 5 冥古代锆石稀土元素蛛网图 Fig. 5 Rare earth element patterns of Hadean zircon

利用锆石中⁴⁹Ti含量计算母岩岩浆温度(Ferry and Watson, 2007)，3.9Ga、4.0Ga锆石的母岩岩浆温度分别为792±36℃和967±45℃(表 3)。

古老锆石的发现和研究可有效追溯冥古宙大陆地壳的形成。Jack Hills地区4.4Ga左右碎屑锆石的稀土元素具有轻稀土亏损重稀土富集，Ce正异常和Eu负异常(图 5)，且测试点附近发现了SiO₂包裹体，表明这些锆石源于花岗岩岩浆(Wilde et al., 2001)。前人获得这些40亿以上锆石的δ¹⁸O值为6.3‰~7.5‰ (Peck et al., 2001; Cavosie et al., 2006), 而地幔平均δ¹⁸O为5.3±0.3‰ (Valley et al., 2005)，说明在地球历史早期有大陆地壳的存在。Grimes et al. (2007) 统计了大量的洋壳锆石和陆壳锆石的微量元素特征，通过U对Yb、U/Yb对Hf或Y图解很好地将陆壳锆石和洋壳锆石区分开来，Narryer Terrane太古宙变质沉积岩中冥古宙碎屑锆石及Acasta Gneiss中的4.2Ga碎屑锆石在U对Yb、U/Yb对Hf或Y图解中明显处于大陆地壳区域(图 6)，表明在地球形成早期可能有陆壳的存在。本文报道的3.9Ga和4.0Ga两颗锆石在U/Yb对Hf或Y图解中也落入到了大陆地壳区域(图 6)，可能说明地球在冥古宙有地壳的存在。

图 6

Fig. 6

图 6 冥古宙锆石Hf对U/Yb图解(a)和Y对U/Yb图解(b) (据Grimes et al., 2007修改) Fig. 6 Hf vs. U/Yb (a) and Y vs. U/Yb (b) for Hadean zircon (after Grimes et al., 2007)

西藏普兰县石英片岩和北秦岭西段奥陶纪火山岩中冥古宙(碎屑或继承)锆石的发现(华南崆岭群，≥3.5Ga)并非偶然，其中西藏普兰变质沉积岩的老锆石与西澳Jack Hills冥古宙碎屑锆石(>4.0Ga)的沉积物源区可能具有成因联系(万渝生等, 2009)。古地理和古地磁研究也均表明西藏雅鲁藏布江带缝合带西段和华南地块与东冈瓦纳地块具有明显的亲缘关系(Allegre et al., 1984; Yang et al., 2004)。宁夏中宁地区晚泥盆世地层中发现的中华豆石介族(介形类)，表明泥盆纪时该区属华南生物地理区系(王尚启等, 1995)；发现的胴甲鱼表明中宁与华南和澳大利亚西北部具有明显亲缘性(Jia et al., 2010)。上述地区在古生代中期的亲缘关系也得到古地磁研究的初步证明(Huang et al., 2000)。本次在中宁地区获得的3.6Ga和3.9Ga锆石同华北板块3.8Ga左右岩石中锆石Hf同位素特征亲缘性较差，同Jack Hills地区4.0Ga以上锆石Hf同位素具有一定的相似性，则说明河西走廊在晚泥盆世时与澳大利亚西北部沉积物源区可能具有成因联系。

本次在河西走廊地区晚泥盆统中宁组地层中利用LA-ICP-MS法测年，首次在我国西北地区的沉积岩中发现3.9Ga和4.0Ga碎屑锆石。这两颗锆石的微量元素特征，说明在冥古宙时地球上可能存在地壳；3.9Ga锆石同Jack Hills地区＞4.0Ga锆石Hf同位素具有一定的相似性，结合前人古生物和古地磁研究结果，说明在晚泥盆世时河西走廊同澳大利亚西北部可能具有亲缘性。