2021, Vol. 37
2. 自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 中国地质调查局造山带地质研究中心, 中国地质调查局西安地质调查中心, 西安 710054;
3. 西安地质矿产勘察开发院, 西安 710054;
4. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
2. MNR Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Centre of Orogenic Belt Geology, Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, China;
3. Xi'an Institute of Geological and Mineral Exploration, Xi'an 710054, China;
4. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
敦煌地区处于阿尔金主断裂西北侧，位于中亚造山带、塔里木克拉通、特提斯构造域和华北克拉通的结合部位，其大地构造属性的研究对于认识中国西部大地构造格架与演化具有重要意义。
传统观点认为，敦煌地区是具有前寒武纪基底的稳定地块，称之为“敦煌地块”(任纪舜等，1980；梅华林等，1998；Lu et al., 2008；Liu et al., 2011)。目前，在前寒武变质基底研究方面取得了系列重要成果认识，普遍认为敦煌地块经历了3.4~2.7Ga地壳生长(梅华林等，1998；Zhang et al., 2013；赵燕等，2013)、2.7~2.5Ga(Zhang et al., 2013；Zong et al., 2013)和1.81~1.85Ga地壳改造作用(赵燕等，2013)。近年来，随着矿物原位测试分析手段不断提高，越来越多的学者发现敦煌地块高级变质岩普遍存在具顺时针P-T-t演化轨迹特征的早泥盆世-志留纪(480~390Ma)变质作用(孟繁聪等，2011；Zong et al., 2012；He et al., 2014；Zhao et al., 2016，2017；Wang et al., 2017)和大量与俯冲增生造山有关的中奥陶世-二叠纪(461.7~275Ma)岩浆岩(张志诚等，2009；朱涛等，2014；Zhao et al., 2016，2017；王楠等，2016；Bao et al., 2017；赵燕，2017；Shi et al., 2019；Feng et al., 2020)，由此揭示出敦煌地区经历了强烈的古生代造山作用，认为该地区并不存在大规模的前寒武纪陆块(Zhao et al., 2016)，应属于“增生造山带”或“构造带”，为中亚造山带的一部分(Zhao et al., 2016，2017；Wang et al., 2017；石梦岩等，2017；赵燕，2017；范文寿等，2018；赵燕和孙勇，2018；Shi et al., 2019；Feng et al., 2020)。由此引发了对“敦煌地块”的质疑，并受到地质学界的广泛关注。引起这一分歧的核心问题是：敦煌地区是否存在大规模前寒武基底？但因为目前的研究仅是基于对高级变质岩和岩浆岩的锆石U-Pb定年、Hf同位素和岩石地球化学分析的推断，还缺乏指示敦煌地区前寒武基底大规模存在的有力证据。
近年来，笔者等在敦煌地区东北缘进行1:5万地质填图过程中，新发现了一套大规模以变砂岩和变砂质泥岩为主的沉积地层，通过岩石组合、锆石U-Pb测年、重矿物和岩石地球化学分析，对其形成时代、物源特征和沉积相沉积环境进行了系统研究，认为其可能形成于晚震旦世-早寒武世大陆边缘滨海环境，其物源应来自敦煌地块甚至塔里木板块的前寒武变质基底，从而为敦煌地区新元古代-寒武纪存在大规模前寒武纪基底提供了重要信息，并为敦煌地块北部古边界位置的确定提供了新的依据。
1 区域地质背景敦煌地区位于塔里木克拉通东端，东临阿拉善地块，北接北山造山带，南以阿尔金断裂带与祁连造山带相隔(图 1a)，整体呈北东东-南西西向带状展布(图 1b)。该地区基岩露头较为简单，由变质基底(敦煌杂岩)和显生宙岩浆岩组成(Zhang et al., 2013；Zhao et al., 2016，2017；Wang et al., 2017)。在地层方面，广泛发育第三系和第四系，少量侏罗系(芨芨沟组)和白垩系(下部赤金堡组和上部新民堡群)，无其它时代的地层出露(甘肃省地质矿产局, 1989, 1997；赵燕，2017)，一直没有发现新元古代-古生代沉积地层。
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图 1 敦煌地区晚震旦世-早寒武世沉积地层的大地构造位置图(a、b, 分别据Lu et al., 2008; Zhao et al., 2016修改)和地质简图(c, 据康磊等，2019①) Fig. 1 Tectonic position of the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata in Dunhuang area (a, b, modified after Lu et al., 2008; Zhao et al., 2016) and it's geological sketch map (c) |
① 康磊, 李天虎, 计文化等. 2019. 甘肃安西1:5万K47E022001幅区域地质图.西安：中国地质调查局西安地质调查中心
敦煌杂岩主要由TTG片麻岩和表壳岩组成，其中表壳岩的主要岩石类型为各类片麻岩，以及云母石英片岩、石英岩, 大理岩、斜长角闪岩等。自下向上可划分为四个岩组(甘肃省地质矿产局，1989)：第一岩组主要由条痕状-眼球状混合岩、角闪黑云斜长片麻岩和石榴黑云片岩、石英岩及少量透辉石岩、大理岩透镜体组成；第二岩组主要为不同成分的大理岩夹少量石榴黑云石英片岩；第三岩组主要为含榴二云母石英片岩、白云母石英片岩和黑云斜长片麻岩，局部含石榴黑云斜长角闪岩；第四岩组为黑云石英片岩、黑云母变粒岩、黑云斜长片麻岩等，局部具有混合岩化现象。从李志琛(1994)在敦煌群中深变质岩系中获得六组Sm-Nd等时线年龄值(2935Ma、2949Ma、2946Ma、2956Ma、3237Ma和3487Ma)而首次确认敦煌杂岩形于前寒武纪以来，该套地层中相继发现了太古代(~2.5Ga，2.6~2.7Ga，~3.01Ga)的TTG质片麻岩(Zhang et al., 2013；Zong et al., 2013；赵燕等，2013；赵燕，2017)和古元古代末期(~1.8Ga)的基性变质岩(Zhang et al., 2012，2013)。此外，这套地层后期还经历了古元古代晚期-中元古代早期(1.81~1.85Ga，He et al., 2013；Zhang et al., 2013；赵燕等，2013)及早古生代(0.48~0.39Ga，孟繁聪等，2011；Zong et al., 2012；He et al., 2014；Wang et al., 2017)的变质作用。
敦煌地区显生宙岩浆岩较为发育，以中酸性侵入岩为主，少量中酸性火山岩和中生代基性岩墙(张志诚等，2009；冯志硕等，2010；朱涛等，2014；赵燕等，2015)。其中，早古生代岩浆岩主要分布于敦煌地区中北部，时代为382~461.7Ma，形成于俯冲碰撞环境(Zhao et al., 2016，2017；赵燕，2017；Shi et al., 2019)。晚古生代侵入岩主要发育于敦煌地区中南部，时代为275~382Ma(朱涛等，2014；Zhao et al., 2016；Bao et al., 2017；Feng et al., 2020)。其中，赵燕等(2015)认为党河水库地区发育的晚泥盆世英云闪长岩(ca.365~363Ma)可能是古亚洲洋南缘弧后盆地扩张，形成于多样的构造环境；朱涛等(2014)和Bao et al.(2017)认为赛马沟地区晚泥盆世-早石炭世埃达克岩(ca.330~382Ma)可能是敦煌地块与阿尔金地块碰撞造山导致地壳加厚的产物；Zhao et al.(2016)和赵燕(2017)认为蘑菇台被、榆林河水库、旱峡、火焰山和红柳峡黄花岗岩体(ca.340~315Ma)形成于碰撞后挤压-伸展背景；Feng et al.(2020)认为东巴兔-青山地区花岗岩体(ca.284~275Ma)形成于洋壳俯冲岛弧环境。此外，在敦煌地块普遍发育中生代基性岩墙，笔者等在敦煌地块东北缘测得其锆石U-Pb年龄为164Ma(另文介绍)。
2 沉积地层的宏观特征及岩石特征本次工作新发现的沉积地层出露于甘肃瓜州县城小宛南山-双塔水库一带，分为南北两段，均呈长条状东西向展布(图 1c)。北段出露宽约7.6km，东西延伸约19.8km；南段出露宽约2.1km，东西延伸约28.2km。此外，在双危山断裂北侧也有少量发育。该套沉积地层主要岩性为变砂岩、变泥质砂岩夹变砂质泥岩，偶夹变砂砾岩和变硅质岩(图 2Ⅰ、Ⅱ)。普遍发生绿片岩相变质，局部达低角闪岩相，但岩石原始沉积层理仍较为清晰(图 2a-c, f, i, j、图 3a, e)。岩层中发育变余粒序层理构造(图 3b)、变余泥质沙状结构(图 3c)、变余沙状泥质结构(图 3d)和变余纹层理构造(图 3f)。砂岩主要碎屑组分为石英(64%~82%)，少量长石(3%~18%)，磨圆、分选性均较好(图 3b-d, f)。
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图 2 晚震旦世-早寒武世沉积地层的实测柱状图、宏观露头特征及岩石组合特征 (a)变砂岩基本层序；(b)变砂岩与变泥质砂岩互层；(c)变砂岩、变砂砾岩夹变泥质砂岩；(d)变泥质砂岩与变砂岩互层；(e)变砂质泥岩；(f)变砂岩基本层序；(g)变砂岩夹变泥质砂岩；(h)变砂岩与变泥质砂岩互层；(i)变泥质砂岩基本层序；(j)条纹状硅质岩 Fig. 2 Measured histogram, outcrop characteristics and rock assemblages of the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata (a) basic sequence of mate-sandstone; (b) interbed of mate-sandstone and meta-shaly sandstone; (c) meta-sandstone and meta-glutenite with meta-sandy mudstone; (d) interbed of meta-shaly sandstone and meta-sandstone; (e) meta-sandy mudstone; (f) Basic sequence of mate-sandstone; (g) meta-sandstone with meta-sandy mudstone; (h) interbed of meta-sandstone and meta-shaly sandstone; (i) basic sequence of meta-sandy mudstone; (j) meta-siliceous with banded structure |
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图 3 晚震旦世-早寒武世沉积地层中宏观岩层及显微特征 (a)宏观露头下变泥质砂岩中变余粒序层理构造；(b)显微镜下变泥质砂岩中变余粒序层理构造(正交偏光)；(c)显微镜下变余泥质砂状结构(正交偏光)；(d)显微镜下变余砂状泥质结构(正交偏光)；(e)变泥质砂岩与变砂质泥岩的变余粒序层理及变余纹层构造；(f)显微镜下变砂质泥岩中变余泥质纹层理构造(正交偏光).Q-石英；Pl-斜长石；Bt-黑云母；Ms-白云母；Srt-绢云母；Gr-石榴石 Fig. 3 Macroscopical bedding and microscopic features of the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata (a) blasto graded bedding structure of meta-shaly sandstone in outcrop; (b) blasto graded bedding structure under the microscope (crossed polarized light); (c) blasto sand muddy texture under the microscope (crossed polarized light); (d) blastopsammitic texture under the microscope (crossed polarized light); (e) blasto graded bedding structure and blastolaminated structure of meta-shaly sandstone and meta-sandy mudstone; (f) blastolaminated structure of Mudstone under the microscope (crossed polarized light). Q-quartz; Pl-plagioclase; Bt-biotite; Ms-muscovite; Srt-sericite; Gr-garnet |
南北两段岩石组合相似，岩石层序及岩层厚度分布较为稳定，均呈单斜岩层，北段整体向南倾斜，南段向北倾斜，同时两者之上均被灰绿色安山岩夹英安岩和玄武安山岩等火山岩组合覆盖，两侧具有明显的对称性，整体为一大型向斜褶皱。此外，其中发育寒武纪第二世(ca. 517.3Ma)、早奥陶世、晚奥陶世和早志留世(ca. 441.9Ma)等多个侵入岩体(图 1c)。
野外测制了该套地层的沉积剖面(图 2)。不考虑变质作用对岩层厚度的影响，南段沉积岩厚度约806.3m，整体上从底到顶，其岩石组合分别为(图 2Ⅰ)：浅灰色中厚层变砂岩(图 2a)→浅灰色中厚层变砂岩偶夹灰色薄层变泥质砂岩→灰白色中薄层变砂岩与浅灰色中薄层变泥质砂岩互层(图 2b)→深灰色中厚层变砂岩、杂色中层变砂砾岩夹变泥质砂岩(图 2c)→浅灰色中厚层变砂岩→灰色中厚层变砂岩与深灰色中厚层变泥质砂岩互层(图 2d)→深灰色中薄层变砂质泥岩偶夹灰色薄层变砂岩→深灰色薄层变砂质泥岩(图 2e)夹青灰色薄层状变硅质岩(2i)。北段沉积岩厚度约1696.9m，从底到顶其岩石组合分别为(图 2Ⅱ)：浅灰色中厚层变砂岩(图 2f)→灰色中厚层变砂岩夹深灰色中厚层变泥质砂岩(图 2g)→灰色中薄层变砂岩与深灰色中薄层变泥质砂岩互层(图 2h)→深灰色中薄层变泥质砂岩夹灰色中薄层变砂岩→深灰色中薄层变泥质砂岩夹深灰色砂质泥岩(2i)→深灰色中薄层变砂质泥岩夹青灰色薄层条带状变硅质岩(2j)。
3 样品采集及分析方法为了研究该套沉积地层的形成时代、沉积岩的物源特征及其构造环境，本次工作采集沉积岩的锆石U-Pb同位素测年样3件(具体位置见图 1c和图 2)，重矿物挑选分析样4件(具体位置见图 2)和岩石地球化学分析样5件。
锆石挑选在西安瑞石地质科技有限公司，锆石阴极发光(CL)图像、微区元素和同位素分析在自然资源部岩浆岩与成矿重点实验室完成。锆石CL图像分析在装有英国Gatan公司生产的Mono CL3+阴极发光装置系统的电子显微扫描电镜上完成；锆石微量元素分析和U-Pb年龄测定是在连接Geolas2005紫外激光剥蚀系统(193nm深紫外ArF激光器)的Agilient7500a型ICP-MS上进行的，激光剥蚀斑束直径为30μm，采样为单点剥蚀方式，以He作为剥蚀物质的载气，ICP-MS数据采集选用跳峰方式，样品同位素比值及元素含量计算采用Glitter(Ver.4.0，Macanarie University)程序，年龄计算以标准锆石91500为外标进行同位素比值分馏校正样品的谐和图和加权平均年龄计算及绘制均采用Isoplot(Ver.2.49)(Ludwig，2003)，详细分析步骤和数据处理方法详见Yuan et al.(2008)。
重矿物分选及鉴定分析由廊坊市尚艺岩矿检测技术服务有限公司完成。先对样品进行破碎，除油，酸化处理，随后水洗、烘干，采用重液将重矿物分离，提取出0.063~0.25mm的混合粒级的重矿物，最后在岩相偏光显微镜下进行鉴定和统计。
主量、微量和稀土元素的测试在自然资源部岩浆岩与成矿重点实验室完成。主量元素含量用射线荧光光谱仪(XRF)测试，其过程大致如下：首先称取0.7g样品，然后加入适量硼酸高温熔融成玻璃片，最后在XRF(仪器型号为PANalytical AXIOS)上用外标法测定氧化物含量，氧化物总量分析误差为1%~3%，其中FeO含量通过湿化学方法测定，分析精度和准确度优于1%。微量元素和稀土元素含量采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)完成，其过程大致如下：首先称取50mg样品，用酸溶样制成溶液，然后在ICP-MS(仪器型号为ELANDRC-e)上用内标法进行测定，分析精度优于10%，分析精度和准确度一般也优于5%。
4 分析结果 4.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb测年本次工作对3件样品进行了锆石U-Pb测年，分别为变砂砾岩(PM70101TW)、变泥质砂岩(PM71101TW)和变砂岩(PM93001TW)。
(1) 变砂砾岩(PM70101TW)
该样品采自南段沉积地层的中部，岩石中锆石呈次圆状-长柱状，长宽比为1:1.2~1:2.6，晶粒长度为68~167μm，宽度为54~136μm。锆石阴极发光图像显示(图 4)，根据锆石形态和内部结构，可分为三类：第一类锆石具明显的振荡环带(如@4、@13、@16、@23和@24)，多呈自形柱状，显示岩浆成因锆石特征；第二类具有核边结构(如@1、@7、@9、@10、@15、@17和@18)，多呈不规则柱状，指示锆石经历过强烈的变质作用；第三类呈面状结构(如@3、@6、@8、@21和@22)，无明显环带结构，呈不规则状或半自形柱状，显示变质锆石的特征。
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图 4 晚震旦世-早寒武世地层中变砂砾岩(PM70101TW)代表性锆石的阴极发光CL图像及其206Pb/238U年龄值 Fig. 4 Representative zircon CL images and 206Pb/238U ages of the meta-sandstone (PM70101TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
本次共获得24个有效数据点(表 1)，均落在谐和线附近，206Pb/238U年龄变化较大，为645~3364Ma，可分为：645~847Ma、995~1298Ma和1414~3364Ma等3个峰值阶段。最小锆石年龄为645±15.5Ma(@22)，锆石不发育环带结构，呈浑圆状形态，具搬运磨圆特征，应属于碎屑锆石，表明该变砂砾岩的形成时代应小于645Ma(图 5)。
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表 1 晚震旦世-早寒武世地层中变砂砾岩(PM70101TW)LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic analysis of meta-sandstone (PM70101TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
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图 5 晚震旦世-早寒武世地层中变砂砾岩(PM70101TW)锆石U-Pb年龄谐和图及其年龄频谱图 Fig. 5 Zircon U-Pb concordia diagram and age spectrogram of meta-sandstone (PM70101TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
(2) 变泥质砂岩(PM71101TW)
该样品采自南段沉积地层的北部，岩石中锆石多呈柱状-短柱状，部分呈浑圆状(@6、@29、@38、@41)，长宽比为1:1~1:2.3，晶粒长度为70~180μm，宽度为40~160μm。根据锆石形态及其内部结构(图 6)，可分为四类：第一类锆石具有振荡环带(@3、@32、@51和@56)，呈自形柱状，具有岩浆成因锆石的特征；第二类呈面状结构(@22、@29、@31和@41)，不发育生长环带，结构较为简单，多呈椭圆状或浑圆状，自形程度较低，具有变质成因锆石的特征；第三类锆石具明显的核边结构(@1、@33、@49、@53和@59)，边部呈白色亮化边或黑色暗化边，不发育生长环带，显示变质增生边的特征；第四类锆石发育典型的核幔边结构(@46、@50和@57)，指示锆石经历了多期变质事件。
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图 6 晚震旦世-早寒武世地层中变泥质砂岩(PM71101TW)代表性锆石的阴极发光CL图像及其206Pb/238U年龄值 Fig. 6 Representative zircon CL images and 206Pb/238U ages of meta-shaly sand (PM71101TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
本次共获得57个有效数据点(表 2)，均落在谐和线附近。206Pb/238U年龄变化较大，为765~2661Ma，大致可分为973~1311Ma、1708~1757Ma和2492~2552Ma等3个年龄峰期(图 7)。具有最小206Pb/238U年龄(765Ma±8.5)的锆石(@31)属于第二类，应为变质成因锆石。因为变泥质砂岩仅经历了绿片岩相变质，指示该锆石应来自于沉积物源的碎屑锆石，因此变泥质砂岩的形成时代应小于765Ma±8.5Ma。
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表 2 晚震旦世-早寒武世地层中变泥质砂岩(PM71101TW)的LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果表 Table 2 LA-ICP-MS Zircon U-Pb isotopic analysis of meta-sandstone (PM71101TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
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图 7 晚震旦世-早寒武世地层中变泥质砂岩(PM71101TW)中锆石U-Pb年龄谐和图及其年龄频谱图 Fig. 7 Zircon U-Pb concordia diagram and age spectrogram of meta-shaly sand (PM71101TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
(3) 变砂岩(PM93001TW)
该样品采自北段沉积地层的中部，岩石中锆石多呈短柱状，长宽比为1:1~1:2.2，晶粒长度为30~140μm，宽度为25~120μm。部分颗粒磨圆好(@3、@11、@45、@49和@57)，呈浑圆状，个别颗粒呈他形不规则状(@19和@21)。根据锆石形态及其内部结构(图 8)，可分为四类：第一类锆石发育典型的生长震荡环带(@2、@7、@10、@38和@54)，呈柱状-短柱状，自形程度较高，具岩浆锆石成因特征；第二类呈面状无分带结构，自形程度较低，呈不规则或浑圆状，具变质成因锆石的特征；第三类锆石具明显的核边结构(@1、@14、@32、@40和@55)，核部发育生长震荡环带或呈面状均匀结构，边部均呈无环带结构的变质增生边特征；第四类具典型的核幔边结构(@11和@45)，指示多期变质作用的产物。
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图 8 晚震旦世-早寒武世地层中变砂岩(PM93001TW)中代表性锆石的阴极发光CL图像及其206Pb/238U年龄值 Fig. 8 Representative zircon CL images and 206Pb/238U ages of meta-sand (PM93001TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
本次共获得60个有效数据点(表 3)，均落在谐和线附近。206Pb/238U年龄变化较大，为574~3261Ma，大体可分为953~1041Ma、1531~1751Ma和2438~2507Ma等3个年龄段(图 9)。最小206Pb/238U年龄(574Ma±7.2)的锆石(@32)属于第三类碎屑锆石，测点位于核部，表明沉积岩的年龄应小于574±7.2Ma。
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表 3 晚震旦世-早寒武世地层中变质砂岩(PM93001TW)的LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果表 Table 3 LA-ICP-MS Zircon U-Pb isotopic analysis of meta-sandstone (PM93001TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
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图 9 晚震旦世-早寒武世地层中变砂岩(PM93001TW)锆石U-Pb年龄谐和图及其年龄频谱图 Fig. 9 Zircon U-Pb concordia diagram and age spectrogram of meta-sand (PM93001TW) in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
本次在南段沉积地层的不同层位采集了4件重矿物样品，分别为PM11201(变砂岩)、PM11101(变砂岩)、PM71601(变砂岩)、PM11102(含砾砂岩)(图 2)。通过对这4件样品进行重矿物特征分析显示，样品中重矿物均较为丰富，重矿物组合相似(图 10)。样品中所含的重矿物类型如表 4，以超稳定-中等稳定性矿物为主，主要有锆石(51.97%~63.06%)、钛铁矿(10.21%~17.00%)、磷灰石(4.47%~6.65%)、石榴石(2.41%~12.26%)、赤褐铁矿(1.2%~6.12%)和电气石(0.76%~3.56%)，另有少量锐钛矿、尖晶石、黄铁矿、金红石、方铅矿、绿帘石，个别发育角闪石、辉石、雄黄、孔雀石和独居石等。锆石多呈次圆状-次棱角、半自形柱状，磨圆特征明显，个别甚至呈浑圆状；磷灰石呈次浑圆粒状；电气石呈次滚圆柱状；钛铁矿、赤褐铁、石榴石矿、尖晶石、金红石、方铅矿、绿帘石均呈次棱角状-次滚圆状。总体上，重矿物磨圆特征明显，多呈次滚圆状、浑圆状和次棱角粒状，显示了长距离搬运特征。此外，重矿物稳定系数为稳定的重矿物与不稳定的重矿物相对含量之比(吴朝东等，2005；周建文等，2002)，通过计算，该套沉积岩的重矿物稳定系数普遍较高，从底到顶的重矿物稳定系数分别为10.48、12.20、12.90和7.75，也反映沉积物搬运距离较远。
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图 10 晚震旦世-早寒武世沉积地层中碎屑重矿物组合特征 Fig. 10 Heavy mineral assemblage of sandstones in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
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表 4 晚震旦世-早寒武世沉积地层中常见碎屑重矿物稳定性 Table 4 Heavy mineral stability of sandstones in the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
本次工作对3件变砂岩和2件泥质砂岩样品进行了主微量元素测试，分析结果见表 5。主量元素分析结果表明，该套碎屑岩具有较高的SiO2含量(79.1%~90.8%)，指示具有相对富石英的源区，K2O/Al2O3比值较小(0.12~0.41)，指示源区岩石中碱性长石较少。变砂岩Al2O3含量较低(4.47%~4.82%)，变泥质砂岩Al2O3含量略高(9.15%~9.45%)，与后者更富粘土质组分特征一致。
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表 5 晚震旦世-早寒武世沉积地层的主量元素(wt%)、稀土元素和微量元素(×10-6)组成 Table 5 Major element (wt%) and trace element (×10-6) composition of the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
碎屑岩中稀土元素含量变化较大，但总体较低(ΣREE为71.55×10-6~175.9×10-6)，轻稀土元素相对富集(LREE/HREE为8.32~8.94)。在球粒陨石标准化稀土元素配分图(图 11a)上，碎屑岩样品的稀土元素模式图均为右倾型，其((La/Yb)N为8.99~11.02)，重稀土元素相对平坦((Gd/Yb)N为1.05~1.20)，具中等的负铕异常(Eu/Eu*=0.59~0.71)。在晚太古代澳大利亚页岩标准化稀土元素配分图(图 11b)上，稀土元素配分曲线呈平坦型，无明显的异常，与上地壳特征一致(Taylor and McLennan, 1985)。
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图 11 晚震旦世-早寒武世沉积地层的球粒陨石标准化(a，标准化值据Sun and McDonough, 1989)和晚太古代澳大利亚页岩(PAAS)标准化(b，标准化值据Bhatia, 1985)稀土元素配分图 Fig. 11 Chondrite-normalized (a, normalization values after from Sun and McDonough, 1989) and Late Archaic Australian Shale-normalized (b, normalization values after Bhatia, 1985) REE-pattern diagrams of the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata |
通过对该套沉积地层中变砂砾岩(PM70101TW)、变泥质砂岩(PM71101TW)和变砂岩(PM93001TW)的碎屑锆石U-Pb同位素测年，其中最年轻碎屑锆石年龄分别为644.6±15.5Ma、764.8±8.45Ma和574.4±7.20Ma，可限定沉积年龄的下限，因此该套沉积岩应形成于574.4±7.20Ma之后。此外，本次野外调查工作发现该套地层中发育花岗岩岩体，两者呈明显的侵入接触关系(图 12a)，接触部位沉积岩普遍发生热接触变质(角岩化)，而且岩体中发育地层捕掳体(图 12b)。经研究，该套花岗岩体锆石U-Pb同位素年龄为517.3±2.9Ma(MSWD=0.56)(图 1，另文介绍)。综上所述，该套沉积地层应形成于517.3~574.4Ma，应属于晚震旦世-早寒武世，这也表明敦煌地块存在新元古代-古生代沉积地层。
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图 12 晚震旦世-早寒武世地层与寒武纪花岗岩体的侵入接触关系(a)及后者中发育前者捕掳体(b) Fig. 12 The intrusive contact relationship of Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata and second unity of Cambrian granite body (a) and strata xenoliths in granite body (b) |
该套沉积地层中砂粒以石英为主，仅少量斜长石，同时主量元素具有较高的SiO2含量，指示具有相对富石英的源区特征。在稀土和微量元素方面，沉积岩样品的稀土元素特征与晚太古代澳大利亚页岩相似(图 11b)；同时沉积岩的Th/U比值(6.65~8.50)明显高于上地壳平均值(3.8)，指示源区物质应来自于地壳(McLennan and Taylor, 1980)，这与其矿物组成及其形态分析结果一致。Roser and Korsch(1988)利用碎屑沉积岩主量元素分析结果，建立了区分沉积岩源区的判别方程，并提出了相应的判别图解。在F1-F2和F3-F4判别图解中(图 13)，该套沉积岩样品基本落入成熟大陆石英质源区。
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图 13 晚震旦世-早寒武世地层中碎屑沉积岩源区判别图(据Roser and Korsch, 1988) Fig. 13 Source discriminant diagrams of the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata (base map after Roser and Korsch, 1988) |
如前文所述，该套沉积地层中大多碎屑锆石(如：PM70101TW、PM71101TW和PM93001TW)具典型变质成因的核-边、核-幔-边或面状无分带结构，指示该套地层物源可能与变质岩关系密切。特别是，通过对该套沉积岩年龄频谱特征与敦煌岩群变质岩、塔里木库鲁塔格古元古代变质岩和塔里木周缘前寒武纪岩石进行对比(图 14)，二者具有明显的相似性：该套沉积岩主要发育3.26~3.36Ga、2.49~2.61Ga、1.56~1.91Ga和0.80~1.40Ga等4期年龄峰值阶段；敦煌岩群变质岩发育3.09~3.60Ga、2.50~2.58Ga、1.52~1.83Ga、0.76~1.15Ga和0.41~0.48Ga等5期年龄峰值(项目未发表数据)；塔里木库鲁塔格古元古代变质岩主要发育3.11~3.17Ga、2.38~2.54Ga、1.49~2.01Ga和0.78~1.12Ga等4期年龄峰值(Shu et al., 2011)；塔里木周缘前寒武纪岩石整体发育3.21~3.58Ga、2.18~2.52Ga、1.38~1.94Ga和0.68~1.16Ga等4期锆石年龄峰值(Rojas-Agramonte et al., 2011)。此外，该套沉积地层普遍存在>3.0Ga碎屑锆石年龄信息，排除了来自北山造山带和祁连造山带的可能(Song et al., 2016；He et al., 2018)，说明它们很可能来自敦煌岩群甚至塔里木前寒武纪变质岩。并且，从区域岩相古地理角度，震旦纪塔里木板块东南部的民丰-且末-若羌地区(周肖贝等，2015；石开波等, 2016, 2018)、早寒武世塔里木板块东部的罗西地区(严威等，2018)均处于隆起带，可能为该套地层的形成提供了充足的物源。此外，同时期的敦煌地区整体缺失沉积，也不排除其处于隆起带，为该套地层的形成提供了部分物源。
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图 14 晚震旦世-早寒武世沉积地层、敦煌岩群变质岩和塔里木前寒武岩石的锆石年龄频谱对比图 Fig. 14 Comparison spectrum chart of zircon ages from the Late Sinian-Early Cambrian sedimentary strata, Dunhuang terrain and Tarim Precambrian rocks |
因此，综合沉积岩的岩石组合、岩石地球化学特征、碎屑锆石结构及其年龄和邻区岩相古地理对比研究，该套沉积地层的物源应来自于敦煌地块甚至塔里木板块的前寒武基底岩石。
5.3 沉积相沉积环境该套沉积岩的重矿物稳定系数普遍较高，而且总体上砂岩碎屑磨圆度和分选性较好，指示其沉积物普遍经过了较长距离的搬运。但同时局部层位砂质颗粒分选性较差，甚至存在变砂砾岩碎屑，说明存在部分近源物源。
该套沉积地层厚度较大(北段和南段分别约1696.9m和756.9m)(图 2Ⅰ、Ⅱ)，延伸较长(北段和南段分别约18.2km和27.2km)，岩性横向展布稳定(图 2a, f)。同时，南北两段岩石组合及变化特征相似，均以变砂岩、变泥质砂岩为主，夹少量砂质泥岩，内部不发育火山物质，指示其应该形成于稳定的大陆边缘环境。同时，砂岩中多发育密集的泥岩纹层理(图 3e, f)和波状交错层理，指示水动力较为动荡，可能为滨海环境。这与其整体物源区较远、少部分距离较近的源区特征一致。综上所述，该套沉积地层应形成于稳定的大陆边缘滨海环境。
5.4 对敦煌地区构造属性和区域构造单元划分的启示近几年来，越来越多的学者对传统的“敦煌地块”产生了质疑，认为敦煌地区应为“增生造山带”，其主要依据有：①在岩浆岩方面，Zhao et al.(2016，2017)、赵燕(2017)、Shi et al.(2019)和Feng et al.(2020)分别厘定出450~410Ma、370~360Ma、284~275Ma等多期钙碱性Ⅰ型中-酸性侵入岩，推断它们属于与洋壳俯冲相关的岩浆弧；②在变质岩方面，孟繁聪等(2011)、Zong et al.(2012)、He et al.(2014)、Zhao et al.(2016)、赵燕(2017)、Wang et al.(2017)和范文寿等(2018)分别识别出460~440 Ma、440~430 Ma、403~431Ma、440~400Ma、430~390 Ma和417~419Ma具顺时针P-T-t演化轨迹的变质事件(高压麻粒岩、角闪岩相变质岩等)，认为代表着区域俯冲-碰撞造山作用；③在构造变形方面，Feng et al.(2018)通过对清山剪切带调查研究，认为敦煌地区经历了406Ma北向逆冲剪切和241~249Ma右旋剪切的强烈构造作用，与北山造山带和天山造山带具有相似性。特别是，Zhao et al.(2016)通过统计，认为敦煌地区志留纪-石炭纪变质岩和岩浆岩约占岩石露头的70%。基于以上证据，许多学者(Zhao et al., 2016，2017；Wang et al., 2017；石梦岩等，2017；赵燕，2017；范文寿等，2018；赵燕和孙勇，2018；Shi et al., 2019；Feng et al., 2020)认为敦煌地区不存在大规模前寒武基底，应属于中亚造山带南缘古生代增生造山带的组成部分。但是，以上认识缺乏作为增生造山带中必不可少的增生杂岩(海沟复理石、大洋壳沉积物和洋壳残片等)的关键证据(Moore and Sliver, 1987；李继亮，2004；肖文交等，2019)，而大规模显生宙侵入岩、志留纪-石炭纪变质岩和构造作用可能是古亚洲洋碰撞造山作用在敦煌地区前寒武地块的叠加，不能成为俯冲增生造山带的直接证据，更不能否定大规模前寒武地块的存在。
敦煌地区一直缺失新元古代-古生代地层(宋立勋和刘万祥，1990；Zhang et al., 2013；Zhao et al., 2016，2017；Wang et al., 2017)，本次工作在敦煌地区东北缘发现了晚震旦世-早寒武世沉积地层，研究揭示其物源应来自敦煌岩群甚至塔里木板块前寒武基底岩石，同时总体上具有远距离搬运特征，说明新元古代-寒武纪敦煌地区应该存在着大规模前寒武基底。同时，敦煌地区显生宙岩浆岩中普遍存在前寒武纪捕掳锆石(张志诚等，2009；Zhao et al., 2016，2017；王楠等，2016；Bao et al., 2017；Feng et al., 2018，2020；Shi et al., 2019)，也指示敦煌地区地壳深部仍存在着大量前寒武基底。因此，敦煌地区的构造属性仍应属于“前寒武地块”，后期可能受到北侧古生代古亚洲洋碰撞造山程作用的影响，发生了强烈的构造变质-热事件。
此外，敦煌地块北部与北山造山带相接，两者之间的界线一直存在严重分歧：一些学者认为敦煌地块北部以星星峡断裂为界，石板山地块属于敦煌地块的一部分(葛肖虹和刘俊来，2000；Xiao et al., 2010；Cleven et al., 2015；Zhao et al., 2016；王楠等，2016)；其他学者却认为石板山地块与敦煌地块存在明显区别(He et al., 2013；Zhang et al., 2013；Zong et al., 2013)，可能是一个独立的微陆块(姜洪颖等，2013)，敦煌地块与北山造山带应以疏勒河断裂为界(李志琛，1994；贺振宇等，2014)。前人主要依据前寒武纪岩石和岩浆岩的对比研究，本次工作新发现了形成于大陆边缘环境的晚震旦世-早寒武世沉积地层，代表了当时敦煌地块北部的古边界(图 1a)，应在疏勒河断裂附近，为区域构造单位划分提供了重要信息。
6 结论(1) 在敦煌地块东北缘发现一套规模较大的沉积地层，其主要岩石组合为变砂岩、变泥质砂岩夹少量变砂质泥岩，偶夹变砂砾岩、变硅质岩。确定其形成时代为517.3~574.4Ma，属于晚震旦世-早寒武世，从而证明敦煌地块新元古代-古生代沉积地层的存在。
(2) 通过岩石宏观特征、重矿物组合、地球化学特征、碎屑锆石年代学研究和重矿物分析，结合区域地质背景分析，推测该套沉积岩形成于大陆边缘滨海环境，其物源来自敦煌地块甚至塔里木板块的前寒武变质基底。
(3) 该套沉积地层的发现，指示了敦煌地区晚震旦世-早寒武世应存在着大规模前寒武基底，同时揭示敦煌地块的北部古边界应在疏勒河断裂附近，为敦煌地区构造属性的确定和区域构造单位划分提供了关键信息。
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