胡漾 祝禧艷 張瑞英 趙太平 張成立

1.前寒武紀(jì)研究中心,大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西北大學(xué),西安 710069 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029 3.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640

華北克拉通是世界上較完整記錄前寒武紀(jì)多階段地殼生長(zhǎng)和構(gòu)造熱事件的古老克拉通之一(Zhaoetal.,2003,2005,2012;Zhai and Santosh,2011)。中元古代早期,哥倫比亞超大陸開(kāi)始解體,全球大部分克拉通經(jīng)歷了伸展事件并形成了大量裂陷沉積盆地(Wangetal.,2014;Frolovetal.,2015;Guadagninetal.,2015;Samantaetal.,2016;Verbaasetal.,2018)。華北克拉通也發(fā)育多個(gè)中-新元古代裂陷盆地,包括中北部的燕遼盆地、北部的渣爾泰-白云鄂博-化德盆地、西南部的賀蘭-晉陜盆地以及南部的熊耳盆地(圖1a),這些盆地多分布于克拉通邊部(Mengetal.,2011;Zhaietal.,2015;Liuetal.,2019)。其中,燕遼地區(qū)保存了華北克拉通中沉積最為連續(xù)的中-新元古代地層,由下至上劃分為長(zhǎng)城系、薊縣系、待建系和青白口系(陳晉鑣等,1999;Wanetal.,2011;Lietal.,2013)。下伏于長(zhǎng)城系之下的基底花崗巖及侵入其中的巖脈測(cè)年結(jié)果已將該區(qū)長(zhǎng)城系底界限定在1.67Ga左右(王松山等,1995;萬(wàn)渝生等,2003;和政軍等,2011;李懷坤等,2011;彭澎等,2011;Lietal.,2013;周紅英等,2020)。與其相比,華北地塊南緣熊耳裂谷盆地內(nèi)中-新元古代地層是由1.78～1.75Ga的熊耳群火山-沉積巖系(趙太平等,2001;Pengetal.,2008;Mengetal.,2018)及其上覆1.75Ga之后的沉積巖系組成(Huetal.,2014a;祝禧艷等,2019;Lietal.,2020),明顯早于北部燕遼裂谷區(qū)長(zhǎng)城系的起始沉積,因而熊耳地區(qū)的早期火山沉積建造也被認(rèn)為代表了呂梁運(yùn)動(dòng)后華北克拉通最初始裂解的產(chǎn)物(趙太平等,2004;汪校鋒,2015;蘇文博,2016)。

圖1 華北克拉通中元古代裂陷盆地分布圖(a,據(jù)Hu et al.,2014b)及太行山南段黎城地區(qū)地質(zhì)圖(b)

中元古代早期是華北克拉通由廣泛造山背景向非造山環(huán)境轉(zhuǎn)換的重要階段(Zhaietal.,2000;Luetal.,2002;翟明國(guó)等,2014),南部熊耳和北部燕遼地區(qū)均保存有較完整的中-新元古界非造山環(huán)境的裂谷沉積序列,分析和探討這兩個(gè)裂谷盆地中元古代早期長(zhǎng)城系沉積特征及其相關(guān)性對(duì)了解華北克拉通中元古代早期的沉積格局具有重要意義。位于熊耳和燕遼裂谷之間的太行山南段地區(qū)也發(fā)育同期沉積地層,是研究?jī)蓚€(gè)裂谷區(qū)之間中部地區(qū)內(nèi)中元古代沉積演化的理想對(duì)象。早期的研究大多將太行山南部歸為燕遼裂谷向南延伸的分支(王鴻禎,1985;和政軍,1990;侯貴廷等,1998)。然而,太行山南段長(zhǎng)城系常州溝組之下還發(fā)育大河組和趙家莊組兩套地層(武鐵山,1979,1997(1)武鐵山.1979.山西的震旦系.山西省地礦局區(qū)調(diào)隊(duì),1-138),說(shuō)明其沉積早于北部的燕遼地區(qū)。因而有學(xué)者提出,太行山南段長(zhǎng)城系與熊耳地區(qū)中元古代早期沉積地層更具可對(duì)比性(趙澄林等,1997)。近期,白國(guó)典等(2019)在不整合于大河組之下的花崗巖中獲得了1.79Ga的年齡,由此將太行山南段長(zhǎng)城系的底界限定在～1.79Ga。此外,趙太平等(2015)認(rèn)為趙家莊組頁(yè)巖可與熊耳裂谷澠池-確山地區(qū)的汝陽(yáng)群白草坪組頁(yè)巖相對(duì)比,據(jù)此推斷二者均為1.79Ga之后的沉積產(chǎn)物。

前人通過(guò)熊耳、燕遼以及太行山地區(qū)長(zhǎng)城系沉積地層的對(duì)比和巖性變化特征構(gòu)建了華北克拉通中元古代沉積演化模型,對(duì)中元古代裂谷盆地的階段性演化關(guān)系進(jìn)行了探討,并提出兩個(gè)裂谷在1.67～1.64Ga階段有過(guò)短暫相連的歷史(Dengetal.,2021)?；诖?本文對(duì)太行山南段黎城地區(qū)長(zhǎng)城紀(jì)早期沉積地層開(kāi)展鋯石U-Pb年代學(xué)和Lu-Hf同位素特征分析,揭示該區(qū)中元古代早期地層的沉積時(shí)代及碎屑物質(zhì)來(lái)源,進(jìn)而探討兩個(gè)裂谷的形成演化關(guān)系及其源區(qū)性質(zhì)和早期地殼演化歷史。

1 地質(zhì)概況及樣品描述

華北克拉通自呂梁運(yùn)動(dòng)后,由擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺箻?gòu)造背景,先后形成了熊耳、燕遼、賀蘭-晉陜和渣爾泰-白云鄂博-化德等多個(gè)裂谷系(翟明國(guó)等,2014;Dengetal.,2021),并在每個(gè)裂谷盆地中均發(fā)育了中-新元古代沉積地層(翟明國(guó),2004;趙太平等,2004;Mengetal.,2011;Huetal.,2016)。其中,熊耳裂谷位于華北克拉通南緣的豫-陜-晉交界區(qū)域,整體呈近等邊三角形展布。盆地內(nèi)中新元古界由下部熊耳群火山-沉積巖系及其上覆沉積地層構(gòu)成,是華北克拉通保存最為完整且連續(xù)沉積的中-新元古代沉積(趙太平等,2001,2002,2004;Wangetal.,2010;Cuietal.,2013)。燕遼裂谷位于克拉通東北部,可分為南、北兩支,太行山北部和沿燕-遼地區(qū)大致呈東西向展布的北部分支是中元古代地層最為發(fā)育和研究程度最高的地區(qū)(喬秀夫和王彥斌,2014)。該區(qū)域內(nèi)不整合覆蓋于變質(zhì)基底巖系上的中元古代地層出露完整連續(xù),作為沉降中心的天津薊縣地區(qū)成為該區(qū)中-新元古代地層標(biāo)準(zhǔn)剖面,由下至上劃分為常州溝組、串嶺溝組、團(tuán)山子組和大紅峪組(陳晉鑣等,1999)。燕遼裂谷南部分支呈北北東向展布,向西南延伸至太行山中南部,該區(qū)長(zhǎng)城系由下至上可分為大河組、趙家莊組、常州溝組、串嶺溝組和大紅峪組。其中,大河組不整合覆蓋于太古代片麻巖之上,僅在晉豫交界一帶零星出露,地層橫向厚度變化大,自南向北明顯變薄。趙家莊組在太行山中南段廣泛出露,與下伏大河組整合接觸或直接角度不整合于基底變質(zhì)巖系之上。在黎城西井-左權(quán)拐兒鎮(zhèn)一帶,該組巖層厚度穩(wěn)定在120～170m之間,厚度向南北方向均呈現(xiàn)變薄趨勢(shì)。常州溝組在太行山中南段分布范圍廣、沉積厚度大,在左權(quán)柏管寺-黎城西井鎮(zhèn)一帶,地層厚度可達(dá)700～1000m,向西北和東南方向逐漸減薄。串嶺溝組在太行山地區(qū)的分布范圍明顯變小,其沉降中心位于黎城大井盤-和順半溝一帶,沉積厚度變化于150～280m之間,在南北方向上逐漸減薄。太行山中南段缺少團(tuán)山子組的白云巖沉積組合,大紅峪組直接平行不整合覆蓋于串嶺溝組之上。雖然巖石組合可與燕遼地區(qū)相對(duì)比,但太行山南段的大紅峪組中不含火山巖夾層且分布范圍有限,僅見(jiàn)于和順半溝-平定南峪一線,在太行山中南段的大部分地區(qū),串嶺溝組之上均直接被寒武系饅頭組平行不整合覆蓋(李建榮等,2019(2)李建榮,衛(wèi)彥升,魏榮珠,孫占亮.2019.中國(guó)區(qū)域地質(zhì)志——山西志.山西省地質(zhì)調(diào)查院,1-247)。

研究區(qū)位于太行山南段的黎城縣西井鎮(zhèn)彭莊-大井盤地區(qū),區(qū)內(nèi)趙家莊組、常州溝組和串嶺溝組出露良好,地層連續(xù)(圖2)。其中,底部趙家莊組直接不整合覆蓋在太古宙贊皇群石家欄組之上(圖1b、圖2),主要由紫紅色泥頁(yè)巖夾中-薄層石英砂巖組成,厚度約為147m,其中的砂巖層發(fā)育水動(dòng)力較強(qiáng)的平行層理(圖3a)。常州溝組與下覆趙家莊組為整合接觸,主要由淺灰紅色、灰白色石英砂巖組成,厚度可達(dá)732m,羽狀交錯(cuò)層理和波痕較為發(fā)育(圖3b)。串嶺溝組整合覆蓋于常州溝組之上,為灰黑色、灰綠色泥頁(yè)巖與灰白色薄層細(xì)粒砂巖互層,厚度約為156m。

圖2 太行山南段黎城地區(qū)大井盤剖面地層柱狀圖

圖3 黎城地區(qū)長(zhǎng)城系野外(a、b)和顯微照片(c-f)

在趙家莊組底部和常州溝組底部各采集1件砂巖樣品。其中,采自趙家莊組底部的樣品21LC-1為肉紅色中-粗粒長(zhǎng)石石英砂巖(N36°46′06″、E113°22′02″),巖石分選中等,碎屑顆粒以次圓狀-圓狀的石英為主,含有少量長(zhǎng)石,孔隙式膠結(jié),填隙物以雜基為主(圖3c,d)。采自常州溝組底部的樣品21LC-3為淺灰紅色中-細(xì)粒石英砂巖(N36°46′29″、E113°21′31″),該層發(fā)育大型板狀和楔狀交錯(cuò)層理,顆粒分選較好,但磨圓度中等,部分石英顆粒還發(fā)育次生加大邊,填隙物仍以雜基為主,局部有少量硅質(zhì)膠結(jié)(圖3e,f)。

2 測(cè)試方法

2.1 鋯石LA-ICP-MS U-Pb測(cè)年

鋯石單礦物的分選和制靶工作分別在河北廊坊地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室和西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。分選出的鋯石顆粒置于環(huán)氧樹(shù)脂中固定,打磨至鋯石顆粒近一半再進(jìn)行拋光。用體積分?jǐn)?shù)為3%的HNO3清洗樣靶表面后,在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用搭載Gatan MonoCL4+陰極熒光譜儀的FEI Quanta 450 FEG掃描電鏡完成鋯石陰極發(fā)光圖像的拍攝。鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年測(cè)試和微量元素含量分析在西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。為了保證年齡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,鋯石測(cè)試點(diǎn)選在無(wú)裂隙和包裹體出現(xiàn)的均一區(qū)域進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)儀器為RESOLution S155-LR ArF準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)和Agilent 7900 ICP-MS聯(lián)機(jī)。相較于傳統(tǒng)剝蝕系統(tǒng)的圓形剝蝕坑,利用此種剝蝕系統(tǒng)進(jìn)行剝蝕時(shí)得到的剝蝕坑為正方形,U-Pb定年的束斑邊長(zhǎng)為37μm,激光波長(zhǎng)為193nm,能量密度約20J/cm2。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1(Jacksonetal.,2004)和人工合成硅酸鹽標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST SRM610(Pearceetal.,1997;Gaoetal.,2002)作為外標(biāo),分別對(duì)U-Pb同位素定年和微量元素含量進(jìn)行同位素和微量元素分餾校正。測(cè)試獲得的原始數(shù)據(jù)通過(guò)ICPMSDataCal 11.1軟件進(jìn)行處理和校正(Liuetal.,2008b,2010),之后用Isoplot 3.0程序?qū)⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行U-Pb諧和圖的繪制(Ludwig,2003)。由于本研究中樣品的鋯石年齡基本均大于1.2Ga,因而采用207Pb/206Pb年齡代表鋯石的結(jié)晶年齡(Gehrels,2014)。

2.2 鋯石Hf同位素測(cè)定

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年代學(xué)

趙家莊和常州溝組2個(gè)石英砂巖樣品的鋯石U-Pb年齡和微量元素分析結(jié)果分別列于電子版附表1和電子版附表2,表中已將不諧和度大于10%的數(shù)據(jù)剔除,不參與后續(xù)討論。

趙家莊組砂巖樣品(21LC-1)中的鋯石以半自形柱狀為主,粒徑變化于50～300μm,弱到中等磨圓,說(shuō)明鋯石離源區(qū)的距離不遠(yuǎn)。CL圖像顯示大部分鋯石顆粒都可見(jiàn)清晰的巖漿振蕩環(huán)帶(圖4),它們的Th/U比值(0.2～1.2)均大于0.1(附表1、圖5a),明顯富集HREE(附表2),并有顯著的正Ce和負(fù)Eu異常(圖5b),顯示了巖漿成因鋯石的特征(Hanchar and Van Westrenen,2007)。大部分鋯石位于諧和線及其附近,并獲得了較高諧和度的年齡,僅有少量分析點(diǎn)偏離諧和線,說(shuō)明有一定程度的Pb丟失(圖6a)。所有諧和鋯石的207Pb/206Pb年齡范圍變化在2799～1761Ma之間,并呈現(xiàn)出2.55～2.45Ga的主年齡峰值和～2.7Ga、2.15～2.0Ga的兩個(gè)次要年齡峰值(圖6b)。三顆最年輕鋯石的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1764±14Ma(MSWD= 0.04)。

圖4 黎城地區(qū)趙家莊組和常州溝組典型碎屑鋯石的陰極發(fā)光圖像

圖5 黎城地區(qū)趙家莊組長(zhǎng)石石英砂巖(a、b)和常州溝組石英砂巖(c、d)碎屑鋯石Th/U比值和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough,1989)

圖6 黎城地區(qū)趙家莊組長(zhǎng)石石英砂巖(a、b)和常州溝組石英砂巖(c、d)碎屑鋯石諧和圖和年齡直方圖

常州溝組砂巖樣品(21LC-3)中的鋯石也多呈半自形柱狀,粒徑為100～350μm,鋯石磨圓度中等,同樣說(shuō)明它們經(jīng)歷了不遠(yuǎn)距離的搬運(yùn)。大部分鋯石發(fā)育巖漿震蕩環(huán)帶(圖4),鋯石的Th/U比值(0.1～2.6)基本上大于0.1(圖5c),稀土組成也表現(xiàn)為Ce正異常、Eu負(fù)異常和HREE富集(圖5d),為巖漿成因鋯石。多數(shù)諧和的鋯石基本上位于諧和線上或附近,部分位于諧和線之下的鋯石(圖6c)是受后期地質(zhì)事件改造使得Pb發(fā)生一定程度丟失的結(jié)果。諧和鋯石的207Pb/206Pb年齡變化于3520～1765Ma之間,除出現(xiàn)2.55～2.45Ga和1.92Ga的主要年齡峰值之外,還存在2.1Ga、2.9Ga、3.1Ga以及3.5～3.4Ga的次級(jí)年齡峰值(圖6d)。該樣品獲得一顆最年輕的諧和鋯石207Pb/206Pb年齡為1765±21Ma。

3.2 鋯石Hf同位素特征

根據(jù)2個(gè)樣品鋯石U-Pb定年結(jié)果,選擇典型峰值年齡的代表性碎屑鋯石進(jìn)行了原位或鄰近相同結(jié)構(gòu)區(qū)域的微區(qū)Hf同位素分析,分析結(jié)果列于電子版附表3。2件樣品(21LC-1和21LC-3)的鋯石176Lu/177Hf值分別變化于0.000027～0.001725和0.000042～0.001624,均低于0.002,表明鋯石結(jié)晶后基本少有放射性成因176Lu的積累,因而測(cè)得的176Hf/177Hf值可以代表鋯石形成時(shí)體系中的Hf同位素組成(Jonathan Patchettetal.,1982;吳福元等,2007)。

4 討論

4.1 長(zhǎng)城系沉積起始時(shí)限及地層對(duì)比

華北克拉通中元古代長(zhǎng)城系可劃分為以火山-沉積建造為主的下統(tǒng)和以沉積碎屑巖為主的上統(tǒng)(李振生等,2021;龐嵐尹等,2021),在華北克拉通南緣對(duì)應(yīng)于熊耳群及其上部的碎屑沉積巖層(趙太平等,2001;Heetal.,2009;Mengetal.,2018;Lietal.,2020)。在燕遼地區(qū),長(zhǎng)城系下部缺失可與南部熊耳對(duì)比的火山-沉積巖層,由長(zhǎng)城系上統(tǒng)的一套碎屑巖-碳酸鹽巖沉積建造組成,底界年齡在1.67Ga左右(宋天銳,2007;李懷坤等,2011)。同樣,太行山南段也缺乏可與熊耳火山-沉積巖系對(duì)比的地層,但該區(qū)存在較北部燕遼地區(qū)沉積層位更低的早期沉積地層。白國(guó)典等(2019)在太行山南段河南豐峪一帶不整合下伏于長(zhǎng)城系之下的花崗巖體中獲得了1790Ma的結(jié)晶年齡,將該區(qū)長(zhǎng)城系的沉積時(shí)代限定在1790Ma之后。Liuetal.(2020)在太行山南部的長(zhǎng)城系趙家莊組中上部和常州溝組底部砂巖中分別獲得1895Ma和2134Ma的最年輕鋯石207Pb/206Pb年齡,但這些年齡還無(wú)法有效限定這兩套地層的沉積時(shí)代。Andersen(2005)認(rèn)為,至少3個(gè)或3個(gè)以上的最年輕碎屑鋯石年齡才能有效限定賦存其地層的沉積時(shí)代。本研究在趙家莊組底部的砂巖中獲得了3個(gè)最年輕諧和碎屑鋯石的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1764Ma,在常州溝組底部也發(fā)現(xiàn)1765Ma鋯石存在。因此,將太行山南段趙家莊組的起始沉積時(shí)代限定在1.76Ga之后。

熊耳地區(qū)直接覆蓋于變質(zhì)結(jié)晶基底之上的呈河湖相砂巖-泥巖沉積的大古石組和上覆熊耳火山巖構(gòu)成了華北克拉通1.80～1.75Ga期間的最早火山沉積地層(趙太平等,2015)。這一時(shí)期,華北克拉通呈現(xiàn)為北高南低的古地理格局,古流向大致為NNE-SSW向(李文超,2013;王淼,2020)。隨著～1.75Ga之后火山活動(dòng)的減弱,熊耳裂谷經(jīng)歷了短暫抬升后盆地再次沉降且范圍逐漸擴(kuò)大,并呈現(xiàn)為東北高、西南低的古地形特征,古水流將剝蝕的基底碎屑物質(zhì)攜帶進(jìn)入盆地,在該區(qū)形成了小溝背組和兵馬溝組沖積扇-扇三角洲粗碎屑沉積(鄭德順等,2016;Mengetal.,2018;左鵬飛等,2019)。在兵馬溝組和小溝背組沉積末期,熊耳裂谷活動(dòng)漸趨穩(wěn)定,經(jīng)過(guò)短暫的地殼調(diào)整,海水由西南向東北大規(guī)模入侵(左鵬飛等,2019;龐嵐尹等,2021)。太行山南段沉積的大河組以及覆蓋在小溝背組和兵馬溝組之上的云夢(mèng)山組底部?jī)H有少量礫石,主體由大量中細(xì)粒-粗粒的紅色石英巖狀砂巖與灰紫色含鐵質(zhì)石英砂巖組成,并發(fā)育平行層理、板狀交錯(cuò)層理和波痕構(gòu)造(李建榮等,2019),反映了水動(dòng)力較強(qiáng)的河流沖刷環(huán)境。古地理環(huán)境和沉積組合特征揭示,云夢(mèng)山組和大河組早期河流相沉積主要來(lái)自北部古陸,隨著后期的海侵,沉積環(huán)境逐漸由河口三角洲轉(zhuǎn)變?yōu)闉I海潮間帶(李兵,2018;李建榮等,2019)。同時(shí),大河組地層厚度由南向北逐漸減薄的特征也反映了在該階段海水已經(jīng)到達(dá)太行山南段地區(qū),并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。整合覆蓋在大河組之上的趙家莊組以大量的砂巖和泥巖互層為特征,與南部白草坪組巖石組合基本相同,反映了潮間-潮上帶砂泥坪的沉積環(huán)境(趙太平等,2015;李建榮等,2019)。其上的北大尖組以石英砂巖和長(zhǎng)石石英砂巖為主,上部出現(xiàn)少量砂質(zhì)頁(yè)巖和海綠石鐵質(zhì)砂巖,整體與太行山地區(qū)常州溝組巖石組合一致,指示為濱海-潮間帶沉積環(huán)境的產(chǎn)物(李建榮等,2019)。上述兩個(gè)地區(qū)中元古代地層對(duì)比表明,太行山南段與華北克拉通南部熊耳地區(qū)的長(zhǎng)城系有較大的可對(duì)比性,證明兩個(gè)地區(qū)在中元古代早期基本處于同一沉積構(gòu)造背景。

4.2 沉積物源分析

綜合分析沉積巖的沉積構(gòu)造及其所含碎屑鋯石的U-Pb年齡、微量元素和Lu-Hf同位素特征,可以較為準(zhǔn)確地提供關(guān)于沉積物潛在源區(qū)的相關(guān)信息(McLennanetal.,2001;Fedoetal.,2003;Wangetal.,2021)。趙家莊組和常州溝組是太行山南段中元古代長(zhǎng)城系早期的連續(xù)沉積地層,它們的碎屑鋯石年代學(xué)和Hf同位素特征可為揭示該地區(qū)中元古代早期物源區(qū)特征及其早期演化歷史提供重要的信息。

4.2.1 趙家莊組砂巖中碎屑鋯石的物質(zhì)源區(qū)

圖7 黎城地區(qū)趙家莊組長(zhǎng)石石英砂巖(a)和常州溝組石英砂巖(b)碎屑鋯石U-Pb年齡與εHf(t)值圖

圖8 黎城地區(qū)趙家莊組和常州溝組碎屑鋯石微量元素巖性判別圖解(底圖據(jù)Belousova et al.,2002)

4.2.2 常州溝組砂巖中碎屑鋯石的物質(zhì)源區(qū)

常州溝組也發(fā)育大型板狀交錯(cuò)層理,同樣反映了較強(qiáng)的水動(dòng)力條件,巖石分選較好、碎屑顆粒磨圓中等以及較高的成分成熟度說(shuō)明碎屑物質(zhì)經(jīng)歷了較長(zhǎng)距離的搬運(yùn)。該組砂巖中碎屑鋯石除與其下覆趙家莊組砂巖一樣具有新太古代晚期(2.55～2.45Ga)和古元古代中期(～2.1Ga)的年齡峰值外,還存在1.92Ga的年齡峰值和少量2.9Ga、3.1Ga和3.5～3.4Ga的年齡(圖6d)。常州溝組碎屑鋯石的微量元素與趙家莊組大致相同,也反映了主要源自花崗閃長(zhǎng)巖和英云閃長(zhǎng)巖類為主的源區(qū)(圖8)。

常州溝組～1.92Ga的碎屑鋯石的Th/U=0.13～0.62,多數(shù)鋯石都保留有巖漿振蕩環(huán)帶,應(yīng)是古元古代晚期巖漿活動(dòng)事件的記錄。已有研究表明,中部帶在1.9～1.8Ga期間經(jīng)歷了強(qiáng)烈的變質(zhì)作用,而同期的巖漿活動(dòng)除北部的孔茲巖帶外,在中部帶的呂梁、中條和小秦嶺地區(qū)也有報(bào)道(田偉等,2005;Tianetal.,2006;田輝等,2014;王璽,2014;王雪,2017)。南部中條地區(qū)涑水雜巖中的同期高鉀鈣堿性花崗巖和小秦嶺地區(qū)同期花崗質(zhì)脈體均具有變化較大的鋯石εHf(t)值(-16.6～+5.1)和全巖εNd(t)值(-7.8～-3.2),基本與常州溝組～1.92Ga鋯石的Hf同位素特征(-6.2～+2.0)類似,因而中部帶中南段該期花崗巖類最有可能為該峰期鋯石的物質(zhì)來(lái)源。

4.3 沉積構(gòu)造背景及源區(qū)演化

一般來(lái)說(shuō),形成于不同構(gòu)造背景下的碎屑沉積巖中的碎屑鋯石往往會(huì)呈現(xiàn)出不同的年齡譜,處于匯聚板塊邊緣沉積巖的鋯石年齡譜常呈現(xiàn)為一個(gè)接近沉積物沉積年齡的單峰,與板塊碰撞造山帶有關(guān)的沉積盆地中的碎屑鋯石則以出現(xiàn)多個(gè)年齡峰值為特征,而被動(dòng)大陸邊緣和裂谷環(huán)境中的碎屑鋯石往往由于記錄了地殼演化歷史的多期地質(zhì)事件而呈現(xiàn)更為復(fù)雜的年齡峰值,并以大多數(shù)碎屑鋯石的年齡都遠(yuǎn)大于其沉積年齡為特點(diǎn)(Cawood and Nemchin,2001;Gehrelsetal.,2003;Hawkesworthetal.,2009)?；诖?Cawoodetal.(2012)提出可利用碎屑鋯石年齡分布的不同判別它們的沉積環(huán)境,通過(guò)碎屑鋯石結(jié)晶年齡(Crystallization age,簡(jiǎn)稱CA)與沉積年齡(Deposition age,簡(jiǎn)稱DA)之間時(shí)間跨度累計(jì)頻率圖,劃分出匯聚、碰撞和伸展三個(gè)主要的沉積環(huán)境類型(圖9)。黎城地區(qū)長(zhǎng)城系趙家莊和常州溝組2件樣品(21LC-1和21LC-3)的碎屑鋯石結(jié)晶年齡與其沉積年齡的時(shí)間跨度均超過(guò)150Myr,與伸展構(gòu)造背景沉積盆地的碎屑鋯石年齡譜特征基本一致(圖9)。這兩組砂巖均表現(xiàn)為濱海帶的沉積特征(李建榮等,2019),而且它們的大地構(gòu)造位置位于華北克拉通中部,因而表明在中元古代早期該區(qū)為一個(gè)伸展背景下的陸表海環(huán)境。太行山南段贊皇雜巖中大量1.82～1.77Ga基性巖脈的侵入也說(shuō)明該時(shí)期為一伸展構(gòu)造背景(Wangetal.,2003; 廖超林等,2003)。顯然,太行山南段長(zhǎng)城系下部的趙家莊組和常州溝組應(yīng)是陸殼伸展環(huán)境下的沉積產(chǎn)物。

圖9 黎城地區(qū)長(zhǎng)城系中碎屑鋯石年齡累積頻率圖(據(jù)Cawood et al.,2012)

中元古代早期是華北克拉通裂谷系廣泛發(fā)育的重要階段,地塊南緣的熊耳地區(qū)通常被認(rèn)為是最早開(kāi)始伸展裂解的區(qū)域(趙太平等,2002;翟明國(guó),2004),并受斷裂控制呈三角形分布(趙太平等,2001)。近年來(lái),在山西呂梁地區(qū)與熊耳火山巖成因類似火山巖的發(fā)現(xiàn)使得一些學(xué)者認(rèn)為熊耳裂谷盆地的北向分支可向北延伸到呂梁地區(qū)(徐勇航等,2007;雷天,2021;王彥斌等,2022)。此外,地球物理資料揭示,熊耳裂谷除北向分支外,在北東方向上還存在一個(gè)穿過(guò)沁水盆地與太行山地區(qū)相通的分支(王同和,1992;武鐵山,1997;王坤等,2018)。太行山南部與熊耳裂谷中類似的～1.78Ga輝綠巖墻群(Peng,2010)和豐峪地區(qū)A型花崗巖體(Zhao and Zhou,2009;白國(guó)典等,2019)的發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步佐證了熊耳裂谷存在一個(gè)延伸至太行山地區(qū)的北東分支。黎城地區(qū)長(zhǎng)城系早期陸緣濱海相沉積和這些沉積巖中碎屑鋯石年齡分布及Hf同位素特征與中南部地區(qū)基底巖石地質(zhì)事件和性質(zhì)呈現(xiàn)高度一致性(圖10),也說(shuō)明熊耳裂谷在中元古代早期就已延伸至太行山南段地區(qū)。Dengetal.(2021)通過(guò)地層對(duì)比研究提出,熊耳裂谷在中元古代晚期不斷向北延伸,至1.67～1.64Ga已與燕遼裂谷溝通相連。最近,太行山地區(qū)串嶺溝組頁(yè)巖中的古生物學(xué)研究揭示,太行山、熊耳地區(qū)的真核生物化石組合與燕遼地區(qū)相應(yīng)地層中的化石組合存在差異(Lyuetal.,2022),說(shuō)明至串嶺溝組沉積期南、北兩個(gè)裂谷盆地還未溝通相連。顯然,太行山中、南段中元古代早期沉積巖系主要為中部帶南段地區(qū)物源供給的結(jié)果。

圖10 華北克拉通中部帶南段基底巖石(a)及黎城地區(qū)和中部帶南段長(zhǎng)城系(b)鋯石年齡峰值及Hf同位素特征

5 結(jié)論

(1)黎城地區(qū)長(zhǎng)城系底部砂巖中最年輕碎屑鋯石1764Ma的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡將太行山南部長(zhǎng)城系趙家莊組的最大沉積時(shí)代限定在1764Ma之后,該區(qū)長(zhǎng)城系下部地層可與華北克拉通南緣長(zhǎng)城系對(duì)應(yīng)地層相比對(duì),證明在中元古代早期(～1.76Ga)太行山南部已與南部熊耳裂谷盆地相聯(lián)通。

(2)太行山南段長(zhǎng)城系下部地層碎屑鋯石的年齡分布及其峰值Hf同位素特征與華北克拉通中部帶的中、南部地區(qū)基底主要地質(zhì)事件及Hf同位素十分類似,指示太行山南段長(zhǎng)城系主要來(lái)自華北克拉通中、南部地區(qū)基底物質(zhì)源區(qū)。

(3)長(zhǎng)城系古-中太古代碎屑鋯石及其負(fù)的εHf(t)值證明華北克拉通中、南部存在古太古代的古老地殼物質(zhì),新太古代至古元古代晚期幾個(gè)碎屑鋯石峰期年齡及Hf同位素特征揭示,在新太古代早期華北克拉通南部以新生地殼生長(zhǎng)為主,新太古代晚期-古元古代中期則由新生地殼增生與改造過(guò)渡為以早期地殼物質(zhì)再造和少量新生陸殼增生的轉(zhuǎn)換階段,至古元古代末期則進(jìn)入到以早期地殼物質(zhì)改造為主的演化階段。

致謝感謝山西省地質(zhì)調(diào)查院李建榮工程師和中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所馬建鋒博士在野外地質(zhì)工作中提供的幫助。感謝三位審稿人提出的建設(shè)性建議,這些建議對(duì)本文的提高和完善有很大幫助。