2013, Vol. 29
2. 中国科学院大学，北京 100049;
3. 西北大学大陆动力学国家重点实验室，西安 710069;
4. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029;
5. 河南省地质调查院，郑州 450001
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China;
4. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
5. Henan Institute of Geological Survey, Zhengzhou 450001, China
华北克拉通太古宙-古元古代变质结晶基底之上不整合覆盖着中-新元古代沉积盖层, 主要沿着三条古元古代晚期的裂谷带(渣尔泰-白云鄂博裂谷、燕辽裂谷和熊耳裂谷)发育, 包括北部的狼山-渣尔泰山群、化德群和白云鄂博群(王楫等, 1992; Lu et al., 2002; Li et al., 2007; 胡波等, 2009), 中部和东部的长城系、蓟县系和青白口系(高林志和乔秀夫, 1992; 李怀坤等, 1995; Wan et al., 2003; Lu et al., 2008; 高林志等, 2008), 南部的熊耳群火山-沉积岩系及其上的中-新元古代沉积地层(关保德等, 1988; 河南省地质矿产厅, 1989; 劳子强等, 1996; 周洪瑞等, 1998; 左景勋, 2002; 赵太平等, 2002, 2004; Zhu et al., 2011)。最近在华北克拉通中-新元古界地层中获得了较多的高精度定年数据(李怀坤等, 1995, 2009; 万渝生等, 2009; 高林志等, 2007, 2008; Lu et al., 2008; Gao et al., 2009, 彭澎等, 2011; 苏文博等, 2012), 使得人们对其形成时代和划分出现争议。而且华北南缘不同地区沉积地层的岩石类型不同, 通过其岩石学、地球化学和碎屑锆石年龄的对比研究, 能够为地层层序的厘定和划分提供依据。
华北克拉通南缘结晶基底之上不整合覆盖着巨厚的熊耳群火山-沉积地层(1.80～1.75Ga, 赵太平等, 2004), 主要分布在熊耳山、外方山和崤山地区。研究表明, 其形成于被动大陆边缘的裂谷环境, 代表了古元古代末华北克拉通伸展-裂解事件的开始(Lu et al., 2002; 赵太平等, 2002, 2004; 徐勇航等, 2008; Zhao et al., 2009)。熊耳裂谷之后, 华北克拉通南缘开始进入稳定的沉积盖层发育阶段, 主要形成中-新元古代陆源碎屑岩-碳酸盐岩沉积序列(关保德等, 1988; 周洪瑞, 1998; 高林志, 2002)。根据地层的发育特征, 前人将其划分为三个不同的地层小区：嵩箕地层小区、渑池-确山地层小区和熊耳山地层小区(图 1)(关保德等, 1988; 河南省地质矿产厅, 1989)。由于前寒武纪地层缺少古生物化石, 且之前的同位素年龄和地球化学资料尚不完整, 不同地层小区中-新元古代地层的对比和划分存在一定的争议(关保德等, 1988; 河南省地质矿产厅, 1989; 周洪瑞, 1999), 而且其岩相古地理特征和碎屑物质来源尚不清楚。
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图 1 华北克拉通南缘豫西地区中-新元古代地层分布简图 (a)-华北克拉通前寒武纪主要地层分布(据Peng et al., 2007);(b)-华北克拉通南缘中-新元古代地层分区图(据关保德等, 1988;河南省地质矿产厅, 1989).Ⅰ-嵩箕地层小区;Ⅱ-渑池-确山地层小区;Ⅲ-熊耳山地层小区 Fig. 1 Simplified geological map of Meso-Neoproterozoic sedimentary sequences in the southern margin of the North China Craton(NCC) (a)-major Precambrian geological distributions of the NCC(modified after Peng et al., 2007);(b)-Meso-Neoproterozoic stratigraphic provinces of the southern NCC(after Guan et al., 1988; BGMRH, 1989). Ⅰ-the stratigraphic province of Songji; Ⅱ-the stratigraphic province of Mianchi-Queshan; Ⅲ-the stratigraphic province of Xiong’ershan |
本文选择华北克拉通南缘嵩箕地层小区、渑池-确山地层小区和熊耳山地层小区的中-新元古代沉积岩为研究对象, 从地层发育和岩石组合特征入手, 并结合已有的层序地层研究结果, 对比分析其沉积相和沉积古地理环境, 为建立华北克拉通南缘中-新元古代地层框架提供依据。同时, 利用碳酸盐岩(主要为白云岩)的地球化学组成反映沉积盆地的有关沉积条件(如Mg/Ca比、盐度、氧化还原条件等)。结合碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素组成及其地球化学特征, 探讨华北南缘中-新元古代沉积盖层的沉积古地理环境、物质来源和构造环境以及记录的重要地质事件, 试图为研究华北克拉通前寒武纪地壳演化提供信息(Dickinson, 1970, 1985; Taylor and McLennan, 1985; Bhatia and Crook, 1986; Roser and Korsch, 1986, 1988; Andersen, 2005)。
1 区域地质背景华北克拉通南缘早前寒武纪(>1.80Ga)岩石序列发育较为完整, 主要有新太古代登封群表壳岩、TTG片麻岩(2.6~2.5Ga)、古元古代嵩山群石英岩(2.45~2.0Ga)、镁铁质-超镁铁质侵入岩和富钾花岗岩(~2.5Ga)、以及太华群变质中基性火山-沉积岩系(太古宙-古元古代)等, 它们共同构成华北克拉通南缘前寒武纪结晶基底, 其上被古元古代末-新元古代沉积盖层角度不整合覆盖。沉积盖层主要由古元古代末熊耳群火山-沉积岩系(赵太平等, 2002, 2004; Zhao et al., 2009; He et al., 2009)和上覆的中-新元古界汝阳群、洛峪群及与其相当的官道口群、栾川群、陶湾群, 以及嵩山地区的五佛山群等组成(图 1)。古元古代末期, 华北南缘处于伸展体制的熊耳三叉裂谷盆地(Lu et al., 2002; 赵太平等, 2002, 2004), 中元古代开始进入稳定的沉积盖层发育阶段。根据地层发育特征, 将其划分为三个地层分布小区, 分别为嵩箕地层小区、渑池-确山地层小区和熊耳山地层小区。各小区的地层分布和发育特点如下：
嵩箕地层小区：主要分布在河南偃师、登封、临汝等地的嵩山-箕山地区, 主要由五佛山群沉积地层组成, 还有中元古代早期兵马沟组和新元古代晚期红岭组。五佛山群岩石类型主要为陆源碎屑岩, 包括砾岩、砂岩、粉砂岩和泥质岩, 还有少量的白云岩夹层, 自下而上分为马鞍山组、葡峪组、骆驼畔组和何家寨组。此外, 还有角度不整合覆盖在登封群之上的古元古代末兵马沟组(砂)砾岩和砂岩, 以及平行不整合覆盖在何家寨组的南华系红岭组钙质石英砂岩和(白云质)灰岩。其岩性变化如表 1。
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表 1 华北克拉通南缘嵩箕地层小区中-新元古代地层柱状图(据关保德等, 1988;河南省地质矿产厅, 1989) Table 1 Schematic stratigraphic section of Meso-Neoproterozoic sequences in the Songji area of the southern margin of the NCC, with lithologic descriptions and interpreted paleoenvironments according to our field investigations(after Guan et al., 1988; BGMRH, 1989) |
渑池-确山地层小区：该地层区位于豫西渑池、汝阳、鲁山、确山等地, 区内的沉积地层主要包括中元古界蓟县系汝阳群、新元古界青白口系洛峪群和震旦系地层。底部的汝阳群主要由砾岩、砂岩和白云岩组成, 表现为陆源碎屑岩-碳酸盐岩过渡的沉积序列, 自下而上分为小沟背组、云梦山组、白草坪组和北大尖组。洛峪群主要由泥(页)岩、砂岩和(泥质)白云岩组成, 自下而上分为崔庄组、三教堂组和洛峪口组, 与下伏汝阳群和上覆震旦系地层均呈平行不整合接触。此外, 震旦系地层包括黄连垛组、董家组和罗圈组, 岩性主要为砂岩、硅质条带白云岩、泥质白云岩和粉砂岩等。其岩性变化如表 2。
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表 2 华北克拉通南缘渑池-确山地层小区中-新元古代地层柱状图(据关保德等, 1988;河南省地质矿产厅, 1989) Table 2 Schematic stratigraphic section of Meso-Neoproterozoic sequences in the Mianchi-Queshan area of the southern margin of the NCC(after Guan et al., 1988; BGMRH, 1989) |
熊耳山地层小区：主要分布于豫西卢氏、洛宁、栾川、方城等地, 包括中元古代官道口群和新元古代栾川群、陶湾群等沉积地层。官道口群以石英砂岩和白云岩为主, 为一套陆源碎屑岩-碳酸盐岩沉积序列, 自下而上分为高山河组、龙家园组、巡检司组、杜关组和冯家湾组。新元古代栾川群自下而上主要分为白术沟组、三川组、南泥湖组和煤窑沟组, 岩性主要为千枚岩、变质长石石英岩、白云石大理岩、绢云(钙质)片岩等。新元古代陶湾群由浅海相碎屑岩和碳酸盐岩组成, 主要包括钙质砾岩、千枚岩和片状大理岩, 平行不整合覆盖于栾川群之上, 是一套变质程度和构造变形较复杂的地层。其岩性变化如表 3。
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表 3 华北克拉通南缘熊耳山地层小区中-新元古代地层柱状图(据关保德等, 1988;河南省地质矿产厅, 1989) Table 3 Schematic stratigraphic section of Meso-Neoproterozoic sequences in the Xiong’ershan area of the southern margin of the NCC(after Guan et al., 1988; BGMRH, 1989) |
本次研究工作在卢氏县官道口群高山河组和龙家园组采取11件岩石样品, 主要包括砂岩和硅质白云岩。主量元素测试是在中国科学院广州地球化学研究所完成, 采用X射线荧光光谱法(XRF)测试, XRF分析精度为2%, 分析方法见参考文献(Li et al., 2006)。微量元素测试是在贵州省拓谱资源环境分析检测中心进行, 采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行测试, 分析精度优于5%, RSD%＜5%, 分析流程见Qi et al.(2000)。
2.2 岩相学特征官道口群下部高山河组的砂岩样品Hu-21的碎屑成分主要为石英(图 2a), 其分选性好, 磨圆度差, 多为次棱角状、尖棱状, 少数为次圆状, 碎屑颗粒粒径为100~300μm, 多为硅质胶结, 边界轮廓清晰, 少数石英颗粒间隙中的硅质岩发生重结晶, 形成新生的石英增生边。石英粉砂岩样品Hu-11主要由石英和杂基组成(图 2b), 石英颗粒粒径为60~130μm, 石英磨圆度较差, 杂基成分主要为云母和其它粘土质矿物, 由于粘土质、铁质胶结物的溶蚀, 碎屑石英具有典型的棱角状。
白云岩样品主要由微粒(＜20μm)晶体组成, 为微-细晶白云岩, 碎屑成分以石英为主, 含有少量的粘土矿物。镜下颗粒结构不明显, 几乎不见生物碎屑, 但样品GSH12-13可见大量黄铁矿颗粒(图 2c), 说明其形成于较深水的还原环境, 黄铁矿粒径为3~10μm, 大多数黄铁矿边缘被氧化, 少数黄铁矿呈现较好的形态, 镜下呈现浅黄铜色金属光泽。白云岩样品GSH12-7具有鲕状结构(图 2d), 鲕粒粒径为50~150μm。
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图 2 华北克拉通南缘豫西地区官道口群砂岩(a、b)和白云岩(c、d)正交偏光显微照片 (a、b、c和d)分别对应样品Hu-21、Hu-11、GSH12-13和GSH12-7 Fig. 2 The micrographs of sandstones(a, b)and dolomites(c, d)from the Guandaokou Group in the southern margin of the NCC(cross polarized light) |
官道口群砂岩和白云岩样品的主、微量分析结果见表 4。
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表 4 华北南缘熊耳山地区官道口群砂岩和白云岩的主量(wt%)、微量(×10-6)地球化学数据 Table 4 Major(wt%)and trace elemental(×10-6)data of sandstones and dolomites from the Guandaokou Group in the Xiong’ershan area of the southern margin of the NCC |
官道口群下部的砂岩样品SiO2含量为49.19%~91.16%(平均为65.60%), 具有较高的Al2O3(4.01%~20.10%)和K2O含量(1.86%~8.65%)以及中等Fe2O3含量(0.98%~19.62%), 而MgO(0.36%~2.83%)和CaO含量(0.09%~0.35%)相对较低, 样品的LOI=0.32%~3.87%。其中, 样品Hu-14和Hu-21的Fe2O3+MgO含量(分别为17.72%和20.71%)比其它砂岩样品高, 说明其含有较多的基性组分。岩石Al2O3/(CaO+K2O)比值可以用来反映样品中稳定组分与不稳定组分的相对含量(Bhatia, 1983; Fedo et al., 1995), 大多数砂岩样品的Al2O3和K2O含量较高, 其Al2O3/(CaO+K2O)比值为17.6~42.6, 表明砂岩样品中稳定组分含量相对较高。
官道口群下部的三个白云岩样品SiO2含量分别为40.36%、62.42%和38.35%, 具有较高的MgO(5.87%~11.46%)和CaO含量(9.37%~18.48%), Mg2+/Ca2+比值(摩尔比)为0.87~1.20。一般认为控制白云石生成的两个主要因素是Mg/Ca比值和盐度(Folk and Land, 1975), 官道口群白云岩样品的Mg/Ca比值可能反映了当时海水的条件。样品Hu-13具有较高的Al2O3(9.05%)、MgO(10.27%)和CaO(11.98%)含量, 可能与其含有较多的粘土矿物有关, 如伊利石和高岭石等。
2.3.2 微量元素在球粒陨石标准化蛛网图中(图 3), 官道口群所有样品均表现为右倾斜的REE配分模式, 呈中等程度的轻稀土(LREE)富集和相对平坦的重稀土(HREE)配分模式(LREE/HREE=3.72~22.1)。所有样品具有明显的Eu负异常(0.47~0.75)和轻微Ce负异常(0.75~0.93)。砂岩样品中等轻、重稀土分异和明显Eu负异常的特征与后太古宙沉积岩样品相似(Taylor and McLennan, 1985), 其碎屑锆石年龄结果也主要为古元古代(Zhu et al., 2011)。三个白云岩样品的log(Ce/Ce*)值为-0.033、-0.090和-0.035, 均大于-0.1, 指示还原环境(Wright et al., 1987)。
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图 3 华北克拉通南缘豫西地区官道口群沉积岩稀土元素球粒陨石和澳大利亚后太古代页岩(PAAS)标准化配分型式图(球粒陨石标准化值据Sun and McDonough, 1989 ;澳大利亚后太古代页岩标准化值据McLennan, 1989) Fig. 3 Chondrite- and typical post-Archean shales from Australia(PAAS)-normalized REE patterns of sedimentary rocks of the Guandaokou Group(chondrite and PAAS data after Sun and McDonough, 1989; McLennan, 1989) |
砂岩样品的∑REE含量为41.8×10-6~226×10-6, 白云岩样品的∑REE含量为51.3×10-6~125×10-6。所有样品的稀土含量变化较大, 其中5个石英砂岩样品(Hu-18, 19, 20和GSH12-5, 11)的∑REE总量(166×10-6~266×10-6)和白云岩样品(Hu-13)的∑REE总量较高, 可能和其含有较多的碎屑组分有关(McLennan and Taylor, 1991), 因为细粒沉积物中较高含量的粘土矿物对稀土元素具有较强的吸附作用(Condie, 1991)。澳大利亚后太古代页岩(PAAS)标准化稀土元素配分模式(图 3)显示, 所有砂岩样品表现出近似平坦的分布, 且五个∑REE含量较高的砂岩与PAAS的元素组成很相近(比值为1左右), 而三个白云岩样品含量均较低。
3 讨论 3.1 华北克拉通南缘中-新元古代沉积地层对比华北克拉通南缘在古元古代晚期(1.80~1.75Ga, 赵太平等, 2004)发育熊耳群火山岩, 主要分布在熊耳山小区和渑池-确山小区, 之前在嵩箕地区一直没有发现典型的熊耳群火山岩地层。周洪瑞等(1998)认为是其所处的构造部位所决定的, 因为嵩山-箕山地区兵马沟组和马鞍山组的下伏地层为新太古界登封群和古元古代嵩山群, 反映其位于华北南缘熊耳裂谷之外, 故缺失熊耳群火山岩。但是, 劳子强等(1996)发现嵩山地区兵马沟组底部有大量熊耳群火山岩砾石, 本文作者和所在课题组在河南箕山地区野外考察时发现, 在临汝风穴寺存在有熊耳期的杏仁状安山岩(GPS点位：N 34° 13′ 43.9″, E 112° 53′ 34.9″; 赵太平等, 2012)。这说明嵩箕地区位于华北克拉通南部熊耳裂谷的边缘, 也有熊耳群岩浆活动的记录, 所以三个地层小区的沉积地层都是在熊耳群火山作用之后形成的。根据嵩箕小区、渑池-确山小区和熊耳山小区的地层发育特征、上下地层的接触关系、沉积相类型和岩相古地理环境, 并结合地球化学特征和碎屑锆石年龄资料等, 可以将三个地层小区的沉积序列进行对比(图 4)。
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图 4 华北克拉通南缘豫西地区中-新元古代地层对比 Ⅰ-低水位沉积体系, 河流相沉积；Ⅱ-海侵沉积体系, 河流、潮坪-滨海相沉积；Ⅲ-最大海泛期的浅海相沉积；Ⅳ-高水位沉积体系, 滨海-浅海相沉积；Ⅴ-河流-浅海相沉积, 为一海侵海退沉积过程 Fig. 4 Stratigraphic comparison of Meso-Neoproterozoic sedimentary sequences in the southern margin of the NCC |
关保德等(1988)根据岩石组合和沉积特征认为嵩箕地层小区可以和渑池-确山地区进行对比。王屋山地区的小沟背组砾岩角度不整合于熊耳群之上, 并被汝阳群云梦山组不整合覆盖。嵩山地区兵马沟组砾岩直接角度不整合覆盖于新太古代片麻岩之上, 其上被五佛山群马鞍山组不整合覆盖, 兵马沟组底砾岩中发现有大量熊耳群安山岩砾石, 说明其形成于熊耳群之后, 与小沟背组时代相当。这两套砾岩层的成分和结构成熟度均较低, 表现为山间盆地或泥石流-坡积物沉积特征, 代表华北克拉通南缘沉积盖层形成之前的一次地壳抬升, 为低水位沉积体系域。
渑池-确山小区的汝阳群和熊耳山小区的官道口群均不整合于熊耳群之上, 且在两套地层的底部均发育有一层与熊耳群火山岩岩性和地球化学特征相似的火山岩夹层(河南省地质矿产厅, 1989; 关保德等, 1993), 二者很可能是同一期岩浆活动的产物。汝阳群底部云梦山组最年轻的碎屑锆石207Pb/206Pb年龄为1565Ma(Hu et al., 未发表), 说明汝阳群形成于中元古代, 与蓟县系相当。汝阳群和官道口群底部均为红色中-厚层石英砂岩, 为河流相沉积, 而上部表现为陆源碎屑岩-碳酸盐岩过渡的发育特征, 为滨海-浅海相沉积。官道口群上部白云岩样品的log(Ce/Ce*)值均大于-0.1, 指示还原环境(Wright et al., 1987), 反映了一个较深水的沉积特征。嵩山地区五佛山群底部马鞍山组最年轻的碎屑锆石207Pb/206Pb年龄为1655Ma(胡国辉等, 2012a), 形成于中元古代, 其岩性主要为(长石)石英砂岩, 形成于河流相-滨海相。因此, 中元古代汝阳群、官道口群和五佛山群马鞍山组可以作为一个海侵沉积体系域, 均伏于层状黑色炭质泥岩(葡峪组、崔庄组和白术沟组)之下。
洛峪群洛峪口组和嵩山地区五佛山群何家寨组均发现有叠层石, 虽然叠层石的类型不同, 但从组合来看, 可与我国蓟县中、新元古代叠层石组合对比, 应属蓟县青白口纪叠层石组合的主要分子, 从生物地层角度看, 汝阳群微古植物面貌更接近新元古代(尹崇玉和高林志, 2000)。这和高林志等(2002)根据西阳河群(熊耳群)顶部古风化壳的确立、汝阳群底部小沟背组下切河谷特征、白草坪组大型具刺源类、洛峪口组宏观藻类的发现以及罗圈组冰碛岩在地层柱中的对比位置将洛峪群归入新元古界(1000~542Ma)的结果一致。因此, 洛峪群可以与嵩山地区五佛山群上部地层进行对比。新元古代早期, 华北克拉通南缘普遍发育深水沉积的细粒陆源碎屑岩, 嵩山地区五佛山群葡峪组、渑池-确山小区洛峪群崔庄组和熊耳山小区栾川群白术沟组的底部均有一层黑色炭质泥(板)页岩, 属于同一次海平面变化旋回的最大海泛期沉积。
嵩箕地区五佛山群上部骆驼畔组和何家寨组主要为滨海相石英砂岩和较深水环境下形成的薄层条带状灰岩、钙质页岩, 顶部被南华系红岭组和寒武系关口组平行不整合覆盖；渑池-确山地层小区洛峪群三教堂组主要为前滨-临滨石英砂岩, 平行不整合覆盖于崔庄组海相炭质页岩之上, 局部地区可以看到残留的古风化壳, 三教堂组顶部也发现有一层厚约数米的浅海相灰黑色泥岩, 而洛峪口组主要为钙质砂岩和泥质(叠层石)白云岩, 整体上表现为滨海-浅海过渡的沉积环境；熊耳山地层小区栾川群中上部三川组大理岩之上覆盖着南泥湖组中厚层石英砂岩, 说明沉积环境发生了明显变化, 标志着一个新的沉积旋回的开始, 南泥湖组和煤窑沟组主要由片岩和大理岩(原岩为碳酸盐岩)组成, 反映一个较深水的沉积环境。因此, 这三个地区的三套地层可以进行对比, 均形成于较深水的浅海相环境, 为高水位沉积体系域。
嵩箕地区震旦系(635~542Ma)红岭组与五佛山群何家寨组呈平行不整合接触, 其底部主要为长石石英砂岩, 向上迅速变化为过渡带-浅海相的粉砂岩和灰黑色炭质泥岩以及白云质灰岩, 表现为最大海泛期的沉积, 反映较深水的沉积环境, 而寒武系关口组则为砂岩和细砾(砂)岩, 表现为河流-滨海相沉积, 反映了海退过程；渑池-确山地区的震旦系地层平行不整合覆盖于洛峪群之上, 底部主要为滨海相石英砂岩, 上部为(叠层石、硅质)白云岩, 局部地层界面上下碳同位素(δ13C)变化明显且有机碳含量较高(周洪瑞等, 1999), 黄连垛组顶部含有一层厚约5m的浅海相纹层状硅质岩, 其上为粉砂质泥(页)岩夹薄层含海绿石细砂岩等, 反映海平面相对下降的特征；熊耳山地区震旦系底部大红口组主要为一套火山岩夹沉积岩组合, 其上鱼库组主要为厚层石英大理岩, 反映海进过程, 上部的深灰色黑云白云片岩可能是最大海泛期的沉积, 其上的白云石大理岩也反映较深水的沉积环境, 而震旦系陶湾群底部为变质钙质砾岩, 表现为快速沉积的河流相特征, 反映了海水变浅, 沉积环境发生了变化, 陶湾群上部主要为(变质)碳酸盐岩, 可能相当于海进体系, 代表高水位沉积环境。综上所述, 华北南缘三个地层小区的震旦系地层可能表现为河流-浅海相沉积环境, 代表了一个海侵海退过程, 反映该时期海平面发生了快速变化。
3.2 物源区分析碎屑锆石U-Pb年龄和地球化学数据能够为沉积岩的物源区提供相关信息(Taylor and McLennan, 1985; Roser and Korsch, 1988; Floyd et al., 1989; McLennan et al., 1995, 2001; Fedo et al., 2003)。华北克拉通南缘三个地层小区的五佛山群、汝阳群和官道口群碎屑锆石年龄主要为1.60~2.50Ga(胡国辉等, 2012a; Zhu et al., 2011; Hu et al., 未发表), 太古宙的年龄相对很少, 表明这三套地层的物源区主要为古元古代的地质体, 华北南缘广泛分布的古元古代太华杂岩(1.90~2.45Ga, 第五春荣等, 2008; 万渝生等, 2009; Xu et al., 2009; 时毓等, 2011)、嵩山群石英岩(2.00~2.45Ga, 第五春荣等, 2008; 万渝生等, 2009)、熊耳群火山岩(赵太平等, 2002, 2004; Zhao et al., 2009)、富钾花岗岩(2399±24Ma, Zhou et al., 2011; 1797±14Ma和1743±14Ma, Zhao and Zhou, 2009)和基性岩墙(程胜利等, 2003; 胡国辉等, 2010)等均可为中-新元古代沉积岩提供物源, 而太古宙的物源可能来自于登封杂岩、TTG质片麻岩和富钾花岗岩等(Kröner et al., 1988; 万渝生等, 2009; 周艳艳等, 2009; Huang et al., 2010; Diwu et al., 2011)。
官道口群砂岩样品Hu-11和GSH12-2具有较高的SiO2含量(91.2%和85.0%)和SiO2/Al2O3比值(分别为22.7和13.7), 镜下观察可以看到其主要是由石英组成, 说明成熟度较高(Roser and Korsch, 1986), 而且其Fe2O3和MgO含量都很低, 表明其来自于长英质物源区。其它砂岩样品的SiO2含量为49.2%~68.1%, SiO2/Al2O3比值也较低(2.4~4.6), 但Fe2O3和MgO含量较高, 说明其基性组分含量相对较高。嵩箕地区的五佛山群碎屑沉积岩主要来源于古元古代中酸性组分, 有少量基性组分的加入(胡国辉等, 2012b), 而渑池-确山地区汝阳群的物源主要也是以长英质物质为主, 有少量的中性物质(Hu et al., 未发表)。官道口群砂岩稀土元素表现为相似的右倾斜球粒陨石标准化配分模式, 具有明显的Eu负异常和较低的HREE含量, 与嵩箕地区五佛山群和渑池-确山地区汝阳群沉积岩的地球化学特征相似, 类似于后太古代克拉通起源的平均上地壳物质(Taylor and McLennan, 1985)。
因此, 华北克拉通南缘三个地区的中元古代沉积岩物质源区主要为古元古代形成的长英质物源区, 有少量中性和基性物质的加入, 这些物质来源于古元古代结晶基底, 而太古宙基底提供的物源相对极少。
3.3 华北南缘中-新元古代时期的构造演化碎屑沉积岩的地球化学特征可以作为判别构造环境的标识(Bhatia 1983; McLennan and Taylor, 1991)。例如, 活动大陆边缘以低Fe2O3＋MgO(2.00%~5.00%)和TiO2 (0.25%~0.45%)为特征, K2O/Na2O比率≈1；从大洋岛弧到被动大陆边缘的砂岩, 其Fe2O3＋MgO、TiO2、和Al2O3/SiO2比值降低, 而K2O/Na2O和Al2O3/(Na2O＋CaO)比值增加, 并且被动大陆边缘的砂岩一般富含SiO2, 亏损Na2O, CaO和TiO2(Bhatia 1983)。官道口群砂岩样品具有中等的SiO2含量(49.19%~91.16%, 平均为65.60%), 而Na2O(0.05%~0.47%)、CaO(0.09%~0.35%)和TiO2 (0.06%~0.81%)含量均较低, K2O/Na2O比值(15.9~74.3)较高, 远大于1, 不同于岛弧的砂岩特征(图 5a), 与被动大陆边缘环境相似。在K2O/Na2O-SiO2构造环境判别图解中, 官道口群砂岩样品显示为被动大陆边缘环境的特征(图 5a)。
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图 5 华北克拉通南缘中-新元古代沉积岩构造环境判别图解 图a据Roser and Korsch(1986); 图b据Bhatia and Crook(1986), A-大洋岛弧, B-大陆岛弧, C-活动大陆边缘, D-被动大陆边缘.五佛山群数据据胡国辉等(2012b), 汝阳群数据据Hu et al.(未发表) Fig. 5 Discrimination diagrams of various tectonic settings for Meso-Neoproterozoic sedimentary rocks in the southern margin of the NCC Fig. 5a after Roser and Korsch(1986); Fig. 5b after Bhatia and Crook(1986): A-oceanic island arc, B-continental arc, C-active continental margin, D-passive continental margin. Geochemical data of Wufoshan and Ruyang groups after Hu et al.(2012b)and Hu et al.(unpublished) |
地球化学特征表明, 嵩山地区五佛山群底部马鞍山组(中元古代)砂岩形成于被动大陆边缘环境, 而上部的泥质岩石(新元古代)形成于岛弧环境(图 5a)(胡国辉等, 2012b), 渑池-确山地层小区的中元古代汝阳群形成于稳定的被动大陆边缘沉积环境(图 5b)(Hu et al., 未发表), 而且, 五佛山群底部马鞍山组、汝阳群和官道口群底部的砂岩的碎屑锆石年龄都集中分布于1.70~2.30Ga之间(图 6, 数据引自Zhu et al., 2011; 胡国辉等, 2012a; Hu et al., 未发表), 大于其沉积时代(中元古代), 表现为稳定的被动大陆边缘环境下形成的沉积岩碎屑锆石年龄分布特征(Goodge et al., 2002), 明显不同于岛弧和活动大陆边缘环境的碎屑沉积岩的锆石年龄特征(大多与其沉积时代相近; Degraaff-Surpless et al., 2002)。所以, 华北南缘中元古代为一个稳定的被动大陆边缘沉积盆地, 延续了熊耳群顶部硅质岩的稳定型沉积环境的特征(徐勇航等, 2008), 随着熊耳三叉裂谷的不断拉张裂解, 华北陆块南缘逐渐处于海陆交互相环境, 它们共同表明了熊耳群之后华北克拉通南缘开始进入了一个稳定的沉积阶段, 在此基础上发育了中-新元古代陆源碎屑岩-碳酸盐岩沉积(孙枢等, 1981, 1982)。但是, 新元古代早期地壳活动性增强, “秦岭”微陆块开始碰撞拼合, 华北南缘位于弧后盆地边缘靠陆一侧, 发育有弧后盆地(华北南缘和北秦岭)陆源炭质、炭泥质、泥钙质复理石沉积和碱性、偏碱性岩墙群(Zhang et al., 1996; 张国伟等, 2001; 陆松年等, 2003), 而五佛山群上部形成于弧后盆地的泥质岩石也说明了华北克拉通南缘受到了秦岭造山带初期的构造活动影响, 发生了沉积环境的转变。
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图 6 华北克拉通南缘中-新元古代沉积岩碎屑锆石207Pb/206Pb年龄分布直方图 五佛山群碎屑锆石年龄数据据胡国辉等(2012a); 官道口群数据据Zhu et al.(2011); 汝阳群数据据Hu et al.(未发表) Fig. 6 Histogram of zircon 207Pb/206Pb ages of Meso-Neoproterozoic sedimentary rocks in the southern margin of the NCC Zircon ages of the Wufoshan and Guandaokou groups after Hu et al.(2012a)and Zhu et al.(2011); Zircon ages of the Ruyang Group after Hu et al.(unpublished) |
碎屑沉积岩是区域范围内大陆地壳出露的最有代表性的岩石类型之一, 能够记录一定时期和范围内大陆地壳演化的信息, 是研究大陆地壳形成、演化和化学组分的理想物质(如Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Bhatia and Crook, 1986; McLennan and Taylor, 1982, 1991; Rudnick and Gao, 2003)。记录前寒武纪重大地质事件的岩浆岩和变质岩可能会经历后期的构造运动和风化剥蚀作用而在地表缺失, 但是它们的碎屑物质(锆石)能够携带源区的信息保存在前寒武纪的沉积盆地中。碎屑锆石因其稳定的物理化学性质、较高的U-Th-Pb和Hf同位素封闭温度, 能够保留其形成时的特征, 用来探讨沉积物源区的物质组成和陆壳演化历史等(Belousova et al., 2010; Condie and Aster, 2010)。
华北南缘三个地层小区中元古代砂岩的207Pb/206Pb年龄大多数为古元古代, 太古宙的年龄相对很少, 最年轻的锆石年龄都在1.60Ga左右(Zhu et al., 2011; 胡国辉等, 2012a; Hu et al., 未发表)。五佛山群马鞍山组、汝阳群云梦山组和官道口群高山河组的碎屑锆石年龄, 主要集中于1.70~2.30Ga, 峰值为1.93Ga(图 6), 而且大多数古元古代的碎屑锆石具有变质锆石的特征。华北克拉通其它地区也发现有该时期的变质作用, 如燕山和鄂尔多斯地块的麻粒岩相变质作用事件(2.0~1.9Ga; Zhao et al., 2006)、内蒙古凉城集宁杂岩体中的麻粒岩(SHRIMP U-Pb定年结果为1919±10Ma, Santosh et al., 2009)、内蒙古千里山片麻岩(1.92~1.95Ga, Yin et al., 2009)、熊耳山-小秦岭地区的太华群片麻岩在~1.91Ga经历了一期变质热事件(时毓等, 2011; 黄道袤等, 2012)。翟明国(2009)总结了华北克拉通元古宙麻粒岩的变质期次和年代, 指出峰期变质作用和退变麻粒岩相-高级角闪岩相的时代分别为~1.91Ga和1.84Ga, 华北克拉通南缘1.93±0.01Ga的碎屑锆石年龄峰值与~1.91Ga的峰期变质作用的时代基本一致, 说明华北南缘该时期发生了一期大范围的变质事件。
已有研究表明, 华北克拉通可能为哥伦比亚超大陆的一部分, 响应了早期全球超大陆的聚合与裂解(Lu et al., 2002; Wilde et al., 2002; Zhao et al., 2003a, b, 2009)。华北克拉通在1.85Ga前后发生大规模碰撞拼合, 之后发生伸展裂解并且可能一直延续到1.2Ga, 分别对应了哥伦比亚超大陆的汇聚(2.1~1.8Ga)和裂解事件(1.8~1.2Ga)(Zhao et al., 2003b; Hou et al., 2008a, b; Zhang et al., 2009)。华北克拉通南缘中-新元古代沉积地层中发现的大量2.1~1.8Ga的碎屑锆石说明了这一时期地壳活跃, 发生了强烈的地质事件, 尤其是~1.93Ga的变质事件, 可能与哥伦比亚超大陆的碰撞拼合有关。
碎屑锆石Hf同位素组成可以很好地示踪大陆地壳的生长和再造相关的信息(Belousova et al., 2010; Condie and Aster, 2010)。研究表明, 华北克拉通大规模陆壳物质的生长发生在新太古代(2.8~2.5Ga), 同位素资料显示地壳物质生长的峰期在2.8~2.7Ga(Wu et al., 2005; Zhai et al., 2011), 与全球典型克拉通的地壳生长时间相似(Brown, 1979; Dewey and Windley, 1981; Mclennan and Taylor, 1982, 1983)。华北克拉通南缘三个地层小区的砂岩碎屑锆石Hf两阶段模式年龄大多集中于3.0~2.5Ga, 峰值为2.75Ga(图 7a), Hf同位素组成多数分布于2.6Ga和3.0Ga的地壳演化线之间(图 7b), 表明在中太古代晚期-新太古代发生了一期地壳生长, 而且在华北南缘也发现有2.85~2.70Ga的TTG片麻岩(Kröner et al., 1988; Sun et al., 1994; Liu et al., 2009; 第五春荣, 2010; 周艳艳, 2011), 此外在2.6~2.5Ga期间也有代表地壳生长的TTG存在(劳子强等, 1996; 王泽九等, 2004; 万渝生等, 2009; 周艳艳等, 2009)。华北南缘嵩山群碎屑锆石也记录了大量~2.5Ga和2.75~2.80Ga的年龄, 且以2.5Ga的年龄峰值最为明显, 研究表明嵩山群石英岩的母岩岩浆以新太古代再造的地壳物质为主(万渝生等, 2009; 第五春荣等, 2008), 本文的碎屑锆石Hf同位素研究结果表明~2.75Ga为华北克拉通南缘重要的陆壳生长期。
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图 7 华北克拉通南缘中-新元古代沉积岩碎屑锆石Hf同位素组成特征 五佛山群锆石Hf同位素数据据胡国辉等(2012a), 官道口群数据据Zhu et al.(2011), 汝阳群数据据Hu et al.(未发表) Fig. 7 Zircon Hf isotopic compositions of Meso-Neoproterozoic sedimentary rocks in the southern margin of the NCC Zircon Hf isotopic compositions of the Wufoshan and Guandaokou groups after Hu et al.(2012a)and Zhu et al.(2011). Those of the Ruyang Group after Hu et al.(unpublished) |
(1) 华北克拉通南缘三个地层小区的中-新元古代陆源碎屑岩-碳酸盐岩地层可以分为低水位、海侵和高水位沉积体系, 从北向南海水逐渐加深, 熊耳山地层小区是沉积盆地中心。
(2) 熊耳山地区官道口群底部的砂岩和华北南缘其它地区中元古代的沉积岩均形成于稳定的被动大陆边缘环境, 而新元古代的沉积岩形成于弧后盆地, 表明当时沉积环境发生了转变, 可能受到秦岭造山带早期微陆块俯冲碰撞的影响。
(3) 华北南缘中元古代沉积岩的碎屑锆石Hf同位素组成集中于2.6Ga和3.0Ga地壳演化线区域内, Hf两阶段模式年龄峰值为2.75Ga, 表明2.75Ga左右是华北克拉通南缘重要的陆壳生长期。
(4) 华北南缘中-新元古代沉积物质主要来自于古元古代长英质物源区, 太古宙的物源相对很少。碎屑锆石年龄主要分布于1.6~2.3Ga之间, 峰值为1.93Ga, 代表了该时期华北南缘及相邻地区发生了一次重要的变质事件。
致谢 本文野外考察和采样工作得到王汾连和金昌的帮助；实验过程中受到了中国科学院地球化学研究所漆亮研究员和中国科学院广州地球化学研究所刘颖老师的帮助；胡波博士和杨阳博士对本文提出了宝贵的修改意见；在此一并表示衷心感谢！| [] | Andersen T. 2005. Detrital zircons as tracers of sedimentary provenance: Limiting conditions from statistics and numerical simulation. Chemical Geology, 216(3-4): 249–270. DOI:10.1016/j.chemgeo.2004.11.013 |
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