李琳靜，胡明毅，呂奇奇，舒 爽，王銅山，宋到福，張 嚴

( 1.長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100； 2.湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034； 3.中國石油長慶油田分公司 第八采油廠，陜西 西安 710000； 4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 5.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 )

0 引言

華北克拉通形成前經歷最早的陸核(約為3 500 Ma)、遷西期—陸核(3 500～3 000 Ma)、阜平期—萌地臺(3 000～2 500 Ma)、五臺期—雛地槽—雛地臺(2 500～2 200 Ma)、呂梁期—原地槽—原地臺(2 200～1 850 Ma)等構造演化及形成階段[1-5]。自華北克拉通基底形成(1 850 Ma)后，又經歷廣泛的拉伸，形成多個中—新元古代裂陷槽[6-7]?？死压燃爸芫壋练e一套未經變質、覆蓋面積大且橫向穩(wěn)定的中—新元古代沉積蓋層[8]，可劃分為長城系(1 800～1 600 Ma)、薊縣系(1 600～1 400 Ma)、待建系(1 400～1 000 Ma)、青白口系(1 000～780 Ma)、南華系(780～635 Ma)和震旦系(635～542 Ma)[9]。1978年，寧夏回族自治區(qū)地質局區(qū)調隊在賀蘭山進行1∶20萬區(qū)調工作時，將一組賀蘭山地層命名為中元古界黃旗口組，命名剖面位于寧夏回族自治區(qū)銀川市黃旗口冰溝，剖面具有巖性穩(wěn)定、沉積標志明顯、地層層序完整、界線清晰的特征，與下伏古元古代呂梁期花崗巖或更老的變質巖呈角度不整合接觸，與上覆薊縣系王全口組碳酸鹽巖呈平行不整合接觸，主要分布于寧夏回族自治區(qū)，在鄂爾多斯盆地西緣岐山、固原閔家溝、云霧山、賀蘭山中段等地區(qū)出露[10]。人們對黃旗口組的研究主要集中在巖性特征、地層層序、沉積特征、遺跡化石和地球化學等方面[11-15]，認為黃旗口組主要發(fā)育灰紫、灰白、紫紅色石英巖、石英巖狀砂巖、雜色泥質巖，為由白云巖組成的濱淺海沉積環(huán)境，與下伏古元古界趙池溝群、上覆薊縣系王全口組呈不整合接觸，其歸屬于中元古界長城系或薊縣系存在爭議[12,16-17]。

筆者利用LA-ICP-MS方法，對賀蘭山拜寺口剖面黃旗口組沉積碎屑巖的碎屑鋯石進行U-Pb年代學研究，對黃旗口組的年齡進行限定，研究華北克拉通古元古代重要地質事件，探討研究區(qū)碎屑沉積巖的物源方向及特征，為建立長城系與下伏古元古界的接觸關系提供新的年代學資料。

1 區(qū)域地質背景

2 000～1 850 Ma，呂梁運動使華北克拉通西部陸塊與東部陸塊沿中央碰撞帶發(fā)生碰撞拼合和統一結晶，形成華北克拉通基底[18-20]。當華北克拉通進入地臺演化階段后，碰撞造山機制逐漸被克拉通內伸展裂解替代，在其邊緣形成多個裂陷槽(裂谷盆地)，構造活動基本以斷裂與升降運動為主[3]。

賀蘭山位于華北克拉通西部陸塊和鄂爾多斯盆地西北緣，在孔茲巖帶最西端，西北部與阿拉善地塊相鄰，是中生代崛起的陸內逆沖褶皺帶(見圖1(a))[21-24]。賀蘭山地區(qū)中元古界厚度巨大，主要分布于賀蘭山中段的黃旗口冰溝、三關口、大干溝及北段的王全口等地，下部黃旗口組以碎屑巖夾少量碳酸鹽巖為主，上部王全口組主要發(fā)育燧石條帶、燧石團塊白云巖[22]。黃旗口組主要分布于賀蘭山中段(冰溝—圈渠溝)、北段及東南部，厚度以冰溝一帶為中心向北、東南變薄，至賀蘭山北端逐漸尖滅[14]。研究剖面位于寧夏回族自治區(qū)賀蘭縣拜寺口及華北克拉通陜甘裂陷槽，屬于賀蘭山中段(見圖1(b))。研究區(qū)前寒武系由下至上發(fā)育古元古界趙池溝群、中元古界黃旗口組和王全口組，以及新元古界震旦系正目觀組。黃旗口組位于中元古界最底部，主要發(fā)育一套紫紅色、灰紫色、灰白色石英巖、石英巖狀砂巖、雜色泥質巖及白云巖，可明顯分為兩個巖性段：下段為石英巖狀砂巖、石英砂巖段夾粉砂質板巖；上段為硅質白云巖、石英巖狀砂巖及硅質板巖段，屬于濱淺海沉積環(huán)境，與下伏古元古界趙池溝群呈角度不整合接觸，與上覆薊縣系王全口組碳酸鹽巖呈平行不整合接觸(見圖1(c))[13]。

黃旗口組底部第1～2層主要為一套變質巖。為增強數據準確性，用于鋯石測年的樣品采自研究區(qū)黃旗口組中下部第3層紫紅色石英砂巖段(見圖2(a))，采樣點地理坐標為北緯38°41′00″、東經105°57′48″；巖性為含鐵不等粒石英砂巖，呈塊狀構造，主要組成礦物為石英與硅質巖巖屑，體積分數為87%；長石體積分數為1%；巖屑與云母體積分數為6%；膠結物(鐵質礦物)體積分數為6%。砂質碎屑物分選性較差，粒度以中砂級為主，細砂級和粗砂級次之，不同粒度的碎屑物具有局部集中分布特征；磨圓度為中等偏好(多呈次圓狀，少數呈次棱角狀和圓狀)，為經過較長距離搬運、水動力強弱條件變換而再沉積的產物。砂質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單晶，含少量硅質巖巖屑。此外，含一定量其他巖屑端元和少量長石端元，巖屑成分多為黏土巖，少見石英巖和中酸性火山巖；長石成分為具聚片雙晶且表面多絹云母化的斜長石和鉀長石，鉀長石為微斜長石和條紋長石。雜基成分為顯微鱗片狀的黏土礦物，含量極少。膠結物成分為鐵質礦物，沿碎屑物之間呈粉末狀分布，起膠結作用，少量碎屑物見次生加大現象，巖石顯示接觸式膠結、再生式膠結。重礦物呈單晶分布于碎屑物粒間或粒內，種類有粒狀、四邊形的鐵質礦物及鋯石(呈近圓形，高突起，鮮艷干涉色)、電氣石(呈近圓形，中正突起，具有反吸收現象)(見圖2(b))。

2 實驗方法及數據處理

鋯石的分選在廊坊市區(qū)域地質礦產調查研究所巖礦分析實驗室進行。首先，將新鮮樣品粉碎至適當大小(80～100目)，經人工用水淘洗、烘干和篩選后，采用強磁分選、電磁分選和重液分離技術進行鋯石分析；然后，在實體顯微鏡下挑選形態(tài)完整、顆粒大的鋯石進行制靶，再拍攝透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)圖像，觀察鋯石的表面及內部結構[26-27]。圖像拍照由湖北省武漢市上譜分析科技有限責任公司完成。根據鋯石反射、透射圖像和陰極發(fā)光圖像揭示鋯石晶體裂隙、包體、環(huán)帶等內部結構特征，標定合適的鋯石顆粒激光剝蝕點位，用于U-Pb同位素年齡測定[28-29]。

LA-ICP-MS碎屑鋯石 U-Pb定年在湖北省武漢市上譜分析科技有限責任公司同位素實驗室完成，在安捷倫電感耦合等離子體質譜儀(Agilent 7900)和相干193 nm準分子激光剝蝕系統(GeoLasPro HD)上進行。其中，微量元素校正標準樣品為NIST610，同位素比值校正標準樣品為91500，同位素比值監(jiān)控標準樣品為GJ-1，三種樣品為國際標準物質。每隔5個測試點，加測2次NIST610標樣。原始數據采用ICPMSDATACAL10軟件處理，應用ISOPLOT3.0程序完成加權平均年齡和鋯石年齡諧和圖的繪制[30]。對于年齡大于1 000 Ma的古老鋯石，多存在一定程度的鉛丟失，一般采用207Pb/206Pb年齡；對于年齡小于1 000 Ma的鋯石數據，一般采用206Pb/238U年齡[31-32]。

3 U-Pb年代學特征

3.1 鋯石形態(tài)和Th/U

從粉砂巖樣品中分離顆粒大小不等的496粒鋯石，以橢球狀居多，短柱狀次之，少數呈球狀，偶見六方雙錐狀，粒徑多介于40～130 μm，少數超過150 μm。鋯石外形以次圓狀和次棱角狀為主，少數呈渾圓狀，顯示鋯石經歷較強的磨蝕作用及較遠距離的搬運。其中，109個鋯石測年數據點的Th/U介于0.12～1.81，Th/U在0.12～0.39之間的數據點有16個，其余數據點的Th/U大于0.40(見圖3、表1)。

樣品陰極發(fā)光(CL)圖像分析(見圖4)表明，鋯石內部特征各異，以具震蕩環(huán)帶結構的巖漿成因鋯石居多(見圖4(a-d、f、h-i、k-l))，也有少量內部均一和補丁狀結構的變質成因鋯石(見圖4(g、j))，兩種結構的鋯石Th/U比較高。此外，在個別鋯石的陰極發(fā)光圖像中可看到明顯的核幔結構(見圖4(e))。

研究區(qū)黃旗口組含海綠石石英細砂巖樣品BSK-HQK鋯石U-Pb分析結果見表1，共獲得111個同位素數據點。數據點基本上沿諧和線及其附近分布，且年齡諧和度比較高，約92%的數據點諧和度大于95%，有2個數據點(BSK-HQK-26、BSK-HQK-101)的諧和度小于90%。去除諧和度小于90%的數據點后，利用ISOPLOT3.0軟件對剩余的109個諧和數據點繪制鋯石U-Pb諧和圖及鋯石年齡分布直方圖(見圖5)。

表1 賀蘭山拜寺口剖面黃旗口組含海綠石石英細砂巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb分析結果Table 1 The results of zircon LAICPMS UPb analysis of glauconite-bearing quartz fine sandstone of the Huangqikou Formation in Baisikou Section,Helan Mountains

續(xù)表1

由于所測鋯石年齡大于1 000 Ma，選取207Pb/206Pb年齡作為鋯石的形成年齡。黃旗口組含海綠石石英細砂巖樣品BSK-HQK鋯石年齡分布范圍為2 600～1 680 Ma(見表1)，主峰值年齡為1 890 Ma，3個次級峰值年齡為2 345、2 514和2 576 Ma?？拷C和線的數據點最小碎屑鋯石的年齡為(1 680±40)Ma(BSK-HQK-25諧和度為93%)，無年齡大于2 800 Ma的碎屑鋯石。

4 地質意義

4.1 黃旗口組時代約束

在U-Pb系統沒有被干擾、樣品沒有被污染的情況下，沉積巖樣品中碎屑鋯石獲得的最年輕的年齡數據為沉積物的最大沉積年齡[33]。如果最年輕的單個碎屑顆粒獲得的年齡諧和度在95%以上，則可以代表沉積年齡[34]。

賀蘭山拜寺口剖面黃旗口組含海綠石石英細砂巖(樣品BSK-HQK)碎屑鋯石最小的諧和年齡為(1 680±40)Ma(數據點BSK-HQK-25)，諧和度為93%，代表黃旗口組最大的沉積年限，表明黃旗口組沉積于該時間后。

人們對賀蘭山黃旗口組下伏古元古代花崗巖鋯石年代學進行研究，華洪等[14]獲得古元古代趙池溝群侵入斜長花崗巖為1 839～1 681 Ma；耿元生等[35]認為賀蘭山花崗雜巖帶主要形成于三個階段，第一階段形成的時間大于2 000 Ma，第二階段主要形成于2 000～1 870 Ma，第三階段花崗雜巖在1 850～1 800 Ma期間侵位；王成等[36]獲得賀蘭山黃旗口花崗巖兩組同位素年齡為(2 003±10)、(1 976±17)Ma；李正輝等[37]獲得賀蘭山古元古代S型花崗巖鋯石年齡為(1 958±30)Ma；閆賀[10]認為賀蘭山拜寺口黃旗口組下伏元古代基底花崗巖鋯石年齡分布于2 163～1 805 Ma，加權平均年齡為(2 099±33)Ma，為花崗巖形成年齡；劉金科等[24]獲得賀蘭山北段古元古代S型花崗巖鋯石年齡為(1 922±31)Ma。這證明黃旗口組應在1 680 Ma后沉積。

將黃旗口組上覆王全口組疊層石組合及微古化石與燕遼地區(qū)薊縣系進行對比。王全口組下部以Colonnellasp.、Conophytongarganicum、Gaoyuzhuangiasp.、C.cf.cylindricum等錐疊層石和塊莖狀柱疊層石為特征，與薊縣系高于莊組疊層石組合較相似；中部為以Lochmecolumella和Pseudogymnosolen等微小類型疊層石為代表的冰溝疊層石組合，其特征與薊縣系霧迷山組疊層石組合特征完全一致[22]，表明賀蘭山地區(qū)王全口組與燕遼地區(qū)薊縣系高于莊組和霧迷山組相當。區(qū)域地層對比表明，黃旗口組沉積特征與燕遼地區(qū)長城紀大紅峪組具有很好的相似性[13]。因此，黃旗口組為長城系晚期沉積，沉積年齡為1 680～1 600 Ma。

4.2 新太古代—古元古代地質事件

華北克拉通的形成主要經歷三期重要的構造—巖漿—熱事件[38-43]：克拉通重要地殼生長期(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)。這三期地質事件使大量變質巖和巖漿巖出露于地表，且裂谷盆地的物源區(qū)基本來自華北克拉通內部前寒武紀結晶基底[3,44]。研究區(qū)黃旗口組碎屑樣品鋯石年齡分布存在1 890 Ma的主峰值年齡和2 345、2 514、2 576 Ma的次級峰值年齡。碎屑鋯石年齡分布顯著特點是最大為2 606 Ma，沒有大于2 700 Ma的年齡值，表明研究區(qū)對應華北板塊地殼生長期(2 900～2 700 Ma)無巖漿活動事件或巖漿活動規(guī)模較小。

碎屑鋯石約為2 500 Ma的主峰年齡對應華北克拉通前寒武紀一期重要的構造—巖漿—熱事件，表明地殼進入快速增長期，形成大量的TTG片麻巖和幔源花崗巖，記錄大量的巖漿活動、古老地質體的破壞和再循環(huán)事件[44]，該現象在華北克拉通顯生宙地層和現代河流沉積物中有所體現[45]。該期事件劃分為三個階段：2 700～2 600 Ma為微陸塊間的接合期，接合帶是綠巖帶或花崗巖帶，具有弧—陸、弧—弧和陸—陸拼合的特點；2 600～2 500 Ma為華北克拉通早前寒武紀最主要的構造巖漿活動時期，與地幔物質有關的玄武質巖漿活動十分強烈，形成大量的變質表殼巖系、TTG片麻巖和富鉀花崗質片麻巖；2 500～2 450 Ma，各陸塊發(fā)生高級變質、花崗巖侵入及基性巖墻群的侵入，華北各微陸塊拼貼完成，基本形成新太古代克拉通。研究區(qū)黃旗口組樣品碎屑鋯石年齡存在2 514和2 576 Ma的次級峰值年齡，其中在2 700～2 450 Ma之間的年齡數據點有19個，占總數的17.4%，為華北克拉通新太古代克拉通化事件的響應。19個數據點中有14個在2 600～2 500 Ma之間，為華北克拉通太古宙末期大規(guī)模構造巖漿活動的響應。華北克拉通內部的主要古老陸塊發(fā)育大規(guī)模2 600～2 500 Ma的變質火山巖系，是華北克拉通太古宙末期地殼生長的主要載體[43,46-48]。碎屑鋯石的年齡特征表明，賀蘭山拜寺口地區(qū)于2 600～2 500 Ma發(fā)生明顯的地殼生長過程。

2 450～2 300 Ma，為華北克拉通的構造靜寂期[49]。2 300～1 950 Ma，華北克拉通經歷一次陸內拉伸—裂谷事件[3,42]，受大陸巖漿弧和弧后擴張影響，在賀蘭山北段形成新生陸弧花崗質巖體或火山巖，巖漿弧具有向南遷移的趨勢；約2 000 Ma，弧后伸展導致新生巖漿巖快速剝蝕、沉積，并進入陸內盆地或陸緣盆地[25]。研究區(qū)黃旗口組樣品碎屑鋯石年齡在2 300～1 950 Ma之間的數據點有26個，占總數的23.9%，為賀蘭山地區(qū)大陸巖漿弧和弧后擴張事件的響應。26個數據點中有17個數據點在2 035～1 950 Ma之間，表明2 035～1 950 Ma為研究區(qū)新生陸弧花崗質巖體主要形成時期。這與賀蘭山地區(qū)古元古代晚期花崗巖形成年齡[24,35-37]基本一致。

1 950～1 800 Ma，華北克拉通經歷一次擠壓構造事件，導致裂陷盆地的閉合和焊接[6-7]。約1 950 Ma，陰山陸塊與鄂爾多斯陸塊發(fā)生碰撞，形成華北西部陸塊和賀蘭山基底變質巖系—孔茲巖帶；約1 850 Ma，西部陸塊和東部陸塊發(fā)生陸—陸碰撞、拼合，形成華北克拉通基底[50]。研究區(qū)黃旗口組樣品碎屑鋯石年齡在1 950～1 800 Ma之間的數據點有32個，占總數的29.4%，為華北克拉通古元古代經歷擠壓構造事件(主峰值年齡為1 890 Ma)的響應，陰山陸塊與鄂爾多斯陸塊發(fā)生碰撞，形成華北西部陸塊。

1 800～1 700 Ma，華北克拉通進入伸展構造機制轉化時期，并且在中元古代后進入穩(wěn)定的地臺發(fā)展階段，可劃分為克拉通基底整體抬升、裂陷槽—陸內裂谷發(fā)育、基性巖墻群和非造山巖漿活動地質過程[3,42]。研究區(qū)黃旗口組樣品碎屑鋯石年齡在1 800～1 680 Ma之間的數據點有17個，占總數的15.6%，為華北克拉通中元古代基底隆升與陸內裂谷事件的響應。

4.3 物源區(qū)分析

2 780～2 450 Ma(新太古代)，研究區(qū)黃旗口組含海綠石石英細砂巖碎屑鋯石年齡數據點有19個，占總數的17.4%，存在2 514和2 576 Ma次級峰值年齡，其中有14個數據點在2 600～2 450 Ma之間，大于2 600 Ma的數據點有1個，表明物源的碎屑物質主要來自新太古代晚期。19個樣品鋯石的Th質量分數為(27.10～113.00)×10-6，平均為55.50×10-6；U質量分數為(19.20～152.80)×10-6，平均為80.80×10-6；Th/U為0.30～1.41，平均為0.78，Th/U<0.04的樣品有3個(BSK-HQK-56、BSK-HQK-58和BSK-HQK-100)，為典型的巖漿成因鋯石，與華北克拉通太古宙基底組成的研究相吻合。華北克拉通新太古代時期(2 800～2 500 Ma)，存在二期主要的基性火山活動，一期發(fā)生于2 800～2 650 Ma，另一期發(fā)生于約2 500 Ma，代表兩期強烈的地殼增生事件[35]。新太古代早期(2 800～2 650 Ma)，基性火山活動形成的地質體只存在于局部地區(qū)；新太古代晚期(約2 500 Ma)，華北克拉通與地幔物質有關的玄武質巖漿活動十分強烈，形成分布廣泛的“幔源”TTG片麻巖和殼源花崗質巖石[51-52]。這表明新太古代晚期以陸殼物質為主的基底為研究區(qū)黃旗口組提供一定的碎屑物質，為次要物源區(qū)。

2 450～1 800 Ma(古元古代)，研究區(qū)黃旗口組含海綠石石英細砂巖碎屑鋯石年齡數據點有73個，占總數的67.0%，存在1 890 Ma主峰值年齡和2 345 Ma次級峰值年齡。碎屑鋯石年齡主要集中在2 450～2 200、2 050～1 800 Ma之間，且73個樣品鋯石的Th質量分數為(3.35～284.00)×10-6，平均為64.90；U質量分數為(18.40～310.90)×10-6，平均為115.70×10-6；Th/U為0.12～1.81，平均為0.59，Th/U≥0.40的樣品占62個，為巖漿成因鋯石[39]，部分鋯石后期可能受變質事件改造影響。華北克拉通北緣西段廣泛分布以富鋁的沉積巖及大理巖在內的變質巖系，即孔茲巖系。賀蘭山基底巖主要由孔茲巖系組成。孔茲巖帶中的鋯石年齡集中于2 500～2 300、2 050～1 800 Ma(見表2)，其特征與研究區(qū)含海綠石石英細砂巖年齡在2 450～1 800 Ma的碎屑鋯石年齡分布范圍及峰值非常相似，表明華北克拉通北緣西段孔茲巖帶為研究區(qū)黃旗口組提供碎屑物質，為主要物源區(qū)。

表2 華北克拉通北緣古元古代晚期巖漿事件的同位素年齡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)，研究區(qū)黃旗口組含海綠石石英細砂巖碎屑鋯石年齡數據點有17個，占總數的15.6%。17個樣品鋯石的Th質量分數為(19.10～151.00)×10-6，平均為58.60×10-6；U質量分數為(25.20～340.00)×10-6，平均為108.00×10-6；Th/U為0.39～1.01，平均為0.59，Th/U<0.40的樣品有1個(BSK-HQK-68)，為典型的巖漿成因鋯石[39]。約1 780 Ma，華北克拉通發(fā)生大巖漿巖事件，形成太行—呂梁基性巖墻群，巖墻群在賀蘭山地區(qū)也有分布[63-64]。推測華北克拉通太行—呂梁基性巖墻群為研究區(qū)黃旗口組提供一定的碎屑物質。

5 結論

(1)銀川拜寺口剖面黃旗口組深灰色含海綠石石英細砂巖鋯石顆粒以橢球狀居多，短柱狀次之，外形多呈次圓狀和次棱角狀，粒徑多介于40～130 μm；其中以具震蕩環(huán)帶結構的巖漿成因鋯石居多，少量為具內部均一和補丁狀結構的變質成因鋯石。鋯石Th/U介于0.12～1.81，大于0.40的樣品占85.3%；鋯石207Pb/206Pb年齡數據分布范圍為1 680～2 606 Ma，存在明顯的1 890 Ma主峰值年齡和2 345、2 514和2 576 Ma次級峰值年齡。

(2)研究區(qū)碎屑鋯石年齡峰值及組成分別響應華北克拉通新太古代—古元古代主要的地質事件。當鋯石年齡介于2 700～2 450 Ma、次級峰值為2 514和2 576 Ma時，為華北克拉通新太古代克拉通化事件的響應，其中2 600～2 500 Ma地殼生長過程明顯。2 035～1 950 Ma為研究區(qū)新生陸弧花崗質巖體主要形成時期。當鋯石年齡介于1 950～1 800 Ma、主峰值年齡為1 890 Ma時，陰山陸塊與鄂爾多斯陸塊發(fā)生碰撞而形成華北西部陸塊。當鋯石年齡為1 800～1 680 Ma時，為華北克拉通中元古代基底隆升與陸內裂谷事件的響應。

(3)研究區(qū)碎屑鋯石最小的諧和年齡為(1680±40)Ma，黃旗口組為長城系晚期沉積，沉積年齡為1 680～1 600 Ma。華北克拉通北緣西段孔茲巖帶為黃旗口組提供碎屑物質，為主要物源區(qū)；新太古代晚期(約2 500 Ma)陸殼物質和太行—呂梁基性巖墻群為次要物源區(qū)。