薊縣中元古代高于莊組凝灰?guī)r鋯石LA-MC-ICPMS U-Pb定年及其地質(zhì)意義

田 輝, 張 健, 李懷坤*, 蘇文博, 周紅英, 楊立公, 相振群,耿建珍, 劉 歡, 朱士興, 許振清

1)中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所, 天津 300170; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 3)天津市薊縣中上元古界國家自然保護(hù)區(qū)管理中心, 天津 301900

薊縣中元古代高于莊組凝灰?guī)r鋯石LA-MC-ICPMS U-Pb定年及其地質(zhì)意義

田 輝1), 張 健1), 李懷坤1)*, 蘇文博2), 周紅英1), 楊立公3), 相振群1),耿建珍1), 劉 歡1), 朱士興1), 許振清3)

1)中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所, 天津 300170; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 3)天津市薊縣中上元古界國家自然保護(hù)區(qū)管理中心, 天津 301900

最近在天津薊縣東水廠村附近中元古代高于莊組三段(即張家峪亞組)下部白云巖中發(fā)現(xiàn)了一層15 cm厚的凝灰?guī)r夾層, 測得其鋯石LA-MC-ICPMS U-Pb年齡為(1577±12) Ma。這一進(jìn)展不僅使得薊縣地區(qū)高于莊組沉積時代第一次獲得了精確可靠的年代學(xué)約束, 也為華北克拉通北緣整個燕山地區(qū)中元古界的精確對比提供了新的標(biāo)尺。與此同時, 由于在其緊鄰的上覆層位還發(fā)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)剖面早年所發(fā)現(xiàn)的以光面擬丘阿爾藻(Parachuaria glabra Sun)為代表的同類的宏觀藻類, 因此本測年結(jié)果實際也同時標(biāo)定了這一宏觀藻類群的生存時代。結(jié)合筆者等早先獲得的北京延慶地區(qū)高于莊組三段上部凝灰?guī)r的鋯石 U-Pb年齡((1560±5) Ma)可以確認(rèn), 整個燕山地區(qū)高于莊組三段主體的沉積時限應(yīng)為1580~1560 Ma, 同時可以更為精確地將高于莊組與下伏大紅峪組的界線年齡限定為1600 Ma左右, 相當(dāng)于目前通用的國際中元古界蓋層系(Calymmian System)的底界。

凝灰?guī)r; 高于莊組; LA-MC-ICPMS U-Pb測年; 蓋層系; 薊縣; 華北克拉通

自“呂梁運動”華北克拉通結(jié)晶基底形成之后(Wilde et al., 2002, 2005; Kusky and Li, 2003; Zhao et al., 2005), 作為哥倫比亞超大陸裂解事件在華北克拉通北緣的沉積響應(yīng), 沿燕山裂陷槽形成了巨厚的中—新元古代地層, 薊縣地區(qū)該套地層發(fā)育相對最為完好, 長期以來一直被選為我國中—新元古界的標(biāo)準(zhǔn)剖面(王曰倫等, 1980; 陳晉鑣等, 1980, 1999;邢裕盛等, 1996; 全國地層委員會, 2001, 2002)?！案哂谇f灰?guī)r”作為其中一個地層單位, 最早由高振西等(1934)命名, 命名地點位于天津薊縣下營鄉(xiāng)高于莊村。1959年第一次全國地層會議后改稱高于莊組(全國地層委員會, 1962)。高于莊組在燕遼地區(qū)廣為分布, 其厚度和巖性均較穩(wěn)定, 且均產(chǎn)出疊層石和微古植物, 被認(rèn)為是一套中元古時期華北克拉通北緣第一次大規(guī)模海侵的產(chǎn)物(陳晉鑣等, 1980; 河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989)。

在整個燕山地區(qū), 關(guān)于高于莊組的歸屬, 學(xué)者們一直存在三種不同意見: (1)認(rèn)為該組與下伏大紅峪組呈整合接觸, 與上覆楊莊組呈不整合接觸, 將其置于長城系頂部(Kao et al., 1934; 全國地層委員會, 1962, 2001); (2)認(rèn)為高于莊組獨立于長城系和薊縣系之外, 應(yīng)單獨建系(南口系)(鐘富道, 1977;陳晉鑣等, 1980); (3)認(rèn)為高于莊組與下伏大紅峪組為不整合接觸關(guān)系, 與上覆楊莊組為連續(xù)沉積, 將其置于薊縣系底部(申慶榮和廖大從, 1958; Zhu and Chen, 1992; Lu et al., 1996; 李懷坤等, 2010; Li et al., 2013)。

燕遼地區(qū)中元古界高于莊組微生物及宏觀藻類組合是目前所知前寒武紀(jì)古生物保存最好的區(qū)系之一。20世紀(jì) 80年代以來, 許多學(xué)者對該組開展了相關(guān)研究(邢裕盛和劉桂芝, 1973; 陳晉鑣等, 1980; 曹瑞驥和趙文杰, 1981; 徐兆良, 1984; 杜汝霖, 1992; 曹芳, 1992, 2005; Zhu and Chen, 1992; 孫淑芬等, 2004, 2006)。近年來, 一些學(xué)者對該地區(qū)高于莊組碳酸鹽巖的碳-氧同位素特征及元素地球化學(xué)特征進(jìn)行了分析(彭楠等, 2009; 羅順社和汪凱明, 2010); 同時, 一些學(xué)者對高于莊組的沉積環(huán)境、層序地層以及臼齒碳酸鹽巖等開展了較為深入的研究(楊進(jìn)輝等, 1995; 高林志等, 1996; 孟祥化等, 2006;梅冥相, 2005, 2007, 2008)。

對于高于莊組的地層年代學(xué)研究, 最早是由鐘富道(1977)在河北興隆高板河一帶的高于莊組桑樹鞍亞組(高于莊組二段)上部的黃鐵鉛鋅礦中得到了三個鉛模式年齡, 分別是 1485 Ma、1384 Ma和1434 Ma, 平均年齡為(1434±50) Ma, 由此推測高于莊組頂界年齡為 1400 Ma左右; 王松山等(1995)在薊縣剖面高于莊組頂部還獲得了(1380±24) Ma的40Ar-39Ar等時線年齡, 因此該組被認(rèn)為是1400 Ma前后的沉積; 張巧大等(2002)曾在北京十三陵附近的高于莊組獲得了(1608±74) Ma碳酸鹽Pb-Pb年齡,但受限于碳酸鹽巖Pb-Pb定年方法的可靠性的爭議,該數(shù)據(jù)并未獲得廣泛認(rèn)可。

20世紀(jì) 90年代以來, 由于陸松年和李惠民(1991)、Lu等(2008)在下伏于高于莊組的長城系大紅峪組火山巖中獲得1622~1625 Ma的鋯石U-Pb年齡, 因此人們進(jìn)而將高于莊組的沉積時代界定在1600~1400 Ma。進(jìn)入21世紀(jì)后, 隨著華北克拉通北緣青白口系下馬嶺組斑脫巖的發(fā)現(xiàn)(蘇文博等, 2006)及其高精度鋯石 U-Pb測年結(jié)果(~1380 Ma)的獲得(高林志等, 2007, 2008; Su et al., 2008; 蘇文博等, 2010), 以及薊縣系頂部鐵嶺組斑脫巖的發(fā)現(xiàn)與測年(~1440 Ma, 蘇文博等, 2010), 高于莊組的沉積時代得到了進(jìn)一步的厘定。然而, 直到李懷坤等(2010)首次在北京延慶紅旗甸鄉(xiāng)下馬鹿溝村高于莊組三段(張家峪亞組)頂部發(fā)現(xiàn)了凝灰?guī)r, 并獲得了其鋯石U-Pb年齡(1559±12) Ma(SHRIMP)和(1560±5) Ma (LA-MC-ICPMS)后, 華北克拉通北緣高于莊組才第一次獲得了直接而精確的年齡約束。

最近, 筆者等(李懷坤等, 2014)在薊縣城西的霧迷山組和鐵嶺組發(fā)現(xiàn)斑脫巖并獲得高精度的SHRIMP鋯石U-Pb年齡(~1485 Ma, ~1440 Ma), 這是華北克拉通北緣傳統(tǒng)的中新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面——薊縣剖面年代學(xué)研究方面取得的突破性新進(jìn)展, 這也啟示我們應(yīng)該對我國中—新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面(薊縣剖面)其他層位, 特別是同樣以碳酸鹽巖為主的高于莊組, 進(jìn)行直接測年對象(如凝灰?guī)r夾層)的尋找, 并進(jìn)行直接精確鋯石U-Pb定年。

經(jīng)過多次工作, 最近終于在薊縣穿芳峪鄉(xiāng)東水廠村附近的高于莊組三段發(fā)現(xiàn)了凝灰?guī)r夾層, 并對其開展了鋯石 U-Pb測年。本文將報道其激光燒蝕多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-MC-ICPMS)鋯石U-Pb同位素年齡, 并討論相關(guān)的地質(zhì)意義。

研究區(qū)位于天津市薊縣東北部(圖 1), 中元古代時期屬于燕山裂陷槽的一部分(陳晉鑣等, 1980)。區(qū)內(nèi)沉積了包括長城系常州溝組、串嶺溝組、團(tuán)山子組、大紅峪組, 薊縣系高于莊組、楊莊組、霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組和待建系下馬嶺組在內(nèi)的中元古代地層, 青白口系駱駝嶺組和景兒峪組, 以及下寒武系府君山組等地層單元(王澤九等, 2014)。

研究區(qū)地層出露齊全、連續(xù)性好、厚度穩(wěn)定、各組間接觸關(guān)系清楚, 半個多世紀(jì)以來一直是華北地區(qū)中元古代研究的核心區(qū)域, 已具有良好的研究基礎(chǔ)(例如, 陳晉鑣等, 1980; 曹瑞驥和趙文杰, 1981;陸松年和李惠民, 1991; 杜汝霖等, 1992; 邢裕盛等, 1996; 張拴宏等, 2013; 李懷坤等, 2011; Li et al., 2013等)。

區(qū)內(nèi)高于莊組主要為一套碳酸鹽巖沉積序列,在標(biāo)準(zhǔn)剖面上, 其總厚度1596 m。傳統(tǒng)上, 該組自下而上分為四個亞組, 即官地亞組、桑樹鞍亞組、張家峪亞組和環(huán)秀寺亞組(陳晉鑣等, 1980), 分別相當(dāng)于現(xiàn)在的第一段至第四段(中國地層典中元古界, 1999)。現(xiàn)將其巖性特征概括如下:

第一段(官地亞組): 底部為厚3 m的石英巖狀砂巖, 向上為潮間至潮上帶含陸屑燧石白云巖、燧石云砂巖、泥質(zhì)白云巖夾白云質(zhì)粉砂巖等; 板層狀-中厚層-巨厚層狀, 層面起伏不平, 見沖刷構(gòu)造和交錯層理, 常見直徑為 30~40 cm的硅質(zhì)和鈣鎂質(zhì)結(jié)核。厚267 m。

第二段(桑樹鞍亞組): 下部開始為潮間帶-潮上帶含錳白云巖和含錳粉砂質(zhì)白云巖; 然后過渡為潮下帶細(xì)晶白云巖, 白云巖中含盆屑; 上部為潮下帶泥晶白云質(zhì)灰?guī)r, 呈粉紅色、黃色、蛋青色等, 厚層至中厚層狀。在其近頂部層位中含有錳方硼石礦。厚282 m。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)天津市地質(zhì)調(diào)查研究所基礎(chǔ)地質(zhì)室, 1990)Fig.1 Geological sketch map of the study area (modified after Tianjin Geoloical Surney Institute, 1990)

第三段(張家峪亞組): 為潮下帶-深濱帶深色含泥或泥質(zhì)白云巖、含云粉砂質(zhì)頁巖、黑色炭質(zhì)頁巖、白云質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)白云巖; 底部見少量瘤狀灰?guī)r。層理平直, 多為板層至中厚層狀, 紋理中見有機(jī)質(zhì)碎片。厚700 m。

第四段(環(huán)秀寺亞組): 底部為瀝青質(zhì)白云巖或瀝青質(zhì)角礫白云巖; 下部中層-厚層粗粒白云質(zhì)灰?guī)r;上部厚層含燧石的粗粒白云巖; 白云巖中含陸屑及盆屑。大型同心圓狀結(jié)核和連生結(jié)核多見。厚347 m。

1 測年樣品特征

本文所研究樣品(14JX03-2)為凝灰?guī)r, 取樣點位于薊縣穿芳峪鄉(xiāng)東水廠村南的鄉(xiāng)村公路邊, 其GPS坐標(biāo)為40°8′21″N; 117°31′11″E(圖1)。該地點位于薊縣中—新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面東側(cè)約 5 km 處,沿公路由北向南出露了高于莊組三段及其上、下相鄰的地層, 露頭良好, 產(chǎn)狀穩(wěn)定, 地層層序與標(biāo)準(zhǔn)剖面(大紅峪溝桑樹庵村南)完全吻合。

所研究的凝灰?guī)r為高于莊組三段下部中-厚層灰質(zhì)白云巖中的夾層(圖 2, 圖 3e), 外觀呈灰綠色,厚度約15 cm。該凝灰?guī)r層位于高于莊組三段下部瘤狀灰?guī)r(圖3a, b)之上約55 m。

圖2 東水廠村高于莊組三段下部凝灰?guī)r采樣位置剖面圖Fig.2 Tuff sample-collecting cross-section of the lower part of the 3rdMember of Gaoyuzhuang Formation at Dongshuichang Village

雖然在原實測標(biāo)準(zhǔn)剖面上, 自瘤狀灰?guī)r往上,與本文所研究的凝灰?guī)r所在層位相當(dāng)?shù)牡貙又袥]有找到凝灰?guī)r(可能與風(fēng)化剝蝕或第四系覆蓋有關(guān)),但幸運的是, 筆者在凝灰?guī)r采樣點的直接上覆層位發(fā)現(xiàn)了碳質(zhì)宏觀生物化石Parachuaria glabra Sun(光面擬丘阿爾藻)富集層(圖 3c)。Parachuaria glabra Sun是由孫淑芬等(2004)在薊縣、興隆地區(qū)的長城系串嶺溝組二段首先發(fā)現(xiàn)并命名的新屬種, 迄今只在長城系串嶺溝組二段與薊縣系高于莊組三段下部發(fā)現(xiàn)其集中分布層位(孫淑芬等, 2004, 2006),加之上述穩(wěn)定分布瘤狀灰?guī)r的層位制約, 因此可以比較準(zhǔn)確地確定樣品所在的層位應(yīng)位于高于莊組三段下部。

在東水廠剖面中所發(fā)現(xiàn)的含宏觀藻類化石灰質(zhì)白云巖總厚度約15 m, 化石形態(tài)呈圓盤形, 碳質(zhì)膜狀, 邊緣平整, 邊緣內(nèi)側(cè)盾面光滑, 橫切面為凸鏡狀, 直徑一般在3~5 mm, 大者可達(dá)10 mm。整體上它們與Chuaria circularis的形態(tài)很相似, 但是前者個體較大, 邊緣帶平整, 無同心圓狀環(huán)紋。這與孫淑芬等(2006)在薊縣大紅峪溝高于莊組三段下部發(fā)現(xiàn)的光面擬丘阿爾藻Parachuaria glabra Sun(圖3d)是完全一致的。

在顯微鏡下觀察, 凝灰?guī)r主要成分為玻屑(95%~97%)、晶屑及白云石(3%~5%); 塑性玻屑呈彎曲線紋狀; 晶屑可見石英, 呈棱角狀, 零星可見,一般＜0.2 mm, 少量晶屑被方解石交代呈假像; 巖石被白云石呈不均勻片狀交代, 白云石主要呈它形粒狀, 星散狀分布; 次生礦物主要為白云石、方解石、高嶺土等; 綜上可以判斷, 樣品應(yīng)為玻屑凝灰?guī)r(圖3f)。

自凝灰?guī)r中所選出的鋯石總體上呈短柱狀自形晶體(圖4), 長寬比為1.5/1~2/1, 長軸60~100 μm,未見明顯的搬運、磨蝕痕跡; 鋯石內(nèi)部具有明顯的巖漿振蕩生長環(huán)帶結(jié)構(gòu), Th/U主要在0.6~1之間(表1), 具有中酸性巖漿鋯石的基本特征。

2 實驗方法和結(jié)果

2.1 樣品預(yù)處理

野外采集10 kg左右凝灰?guī)r樣品, 將樣品粉碎至 80目, 經(jīng)過用水淘洗和電磁分選之后在實體顯微鏡下手工挑出待測鋯石; 鋯石分選工作在河北省廊坊宇能巖石礦物分選技術(shù)服務(wù)有限公司完成。在利用質(zhì)譜儀開展鋯石 U-Pb測年之前, 首先需要制作鋯石環(huán)氧樹脂靶。將待測鋯石澆鑄在環(huán)氧樹脂靶上, 待環(huán)氧樹脂固化以后將樣品靶打磨、拋光至鋯石的核部。對鋯石進(jìn)行透、反射光顯微照相以及陰極發(fā)光圖像分析, 以分析鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并據(jù)以選擇適宜的測試點位(圖 4); 鋯石測年樣品制靶在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司制備, 陰極發(fā)光(CL)圖像照相在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實驗室完成。

2.2 U-Pb同位素測試流程

利用天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實驗室的激光燒蝕多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-MC-ICPMS)進(jìn)行鋯石微區(qū)原位U-Pb同位素測定, 詳細(xì)分析流程及原理參見李懷坤等(2009a, 2010)、侯可軍等(2009)和耿建珍等(2012)。

圖3 薊縣高于莊組三段典型巖石和古生物特征(錘柄長度約20 cm, 標(biāo)尺長度5 cm, 硬幣直徑2 cm, 簽字筆長度15 cm)Fig.3 Typical rock and fossil features of 3rd Member of the Gaoyuzhuang Formation in the Jixian area (the length of hammer handle, scale ruler, coin and pen are 20 cm, 5 cm, 2 cm and 15 cm respectively)

圖4 薊縣東水廠村高于莊組凝灰?guī)r中鋯石陰極發(fā)光圖像及分析點位Fig.4 Cathodoluminescence (CL) images and laser ablated spots of zircons from tuff of the Gaoyuzhuang Formation, Dongshuichang Village, Jixian County

在具體測試過程中, 每測定八個樣品點進(jìn)行一次外部標(biāo)準(zhǔn)鋯石(GJ-1)U-Pb同位素測定, 用以進(jìn)行同位素分餾校正(Jackson et al., 2004), 以保證儀器的穩(wěn)定性及測定數(shù)據(jù)的有效性; 采用 Liu等(2009)ICPMSDataCal程序和Ludwig(2003)的Isoplot程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 應(yīng)用208Pb法進(jìn)行普通鉛校正(Anderson, 2002), 利用NIST610玻璃標(biāo)樣計算鋯石樣品中的Pb、U、Th含量; 數(shù)據(jù)表中所列單個數(shù)據(jù)點的誤差為1σ, 加權(quán)平均年齡為95%的置信度。

表1 高于莊組凝灰?guī)r(14JX03-2)鋯石LA-MC-ICPMS U-Pb 同位素分析結(jié)果Table 1 LA-MC-ICPMS U-Pb isotopic data of zircons from the tuff in the Gaoyuzhuang Formation (14JX03-2)

圖5 薊縣東水廠村高于莊組凝灰?guī)r樣品(14JX03-2)鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb同位素諧和圖Fig.5 Zircon LA-MC-ICP-MS U-Pb concodia diagram of the Gaoyuzhaung Formation tuff (14JX03-2) in Dongshuichang Village, Jixian County

2.3 測試結(jié)果

按照上述方法, 我們對高于莊組凝灰?guī)r(14JX03-2)鋯石測定了24個U-Pb同位素數(shù)據(jù)點(表1)。測定的數(shù)據(jù)點具有輕微的鉛丟失現(xiàn)象, 諧和度普遍在95%以上, 24個數(shù)據(jù)點構(gòu)成的不一致線與諧和線的上交點年齡為(1581±20) Ma, 24個數(shù)據(jù)點的207Pb/206Pb表面年齡加權(quán)平均值為(1577±12) Ma(圖5), 二者在誤差范圍內(nèi)完全一致。因此, 筆者認(rèn)為1580 Ma可以代表薊縣高于莊組三段沉積早期的一次火山事件的年齡。

3 討論

3.1 薊縣剖面高于莊組獲得精確定年的意義

20世紀(jì) 60年代以來前人(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989; 陳晉鑣等, 1980, 1999)在燕山地區(qū)研究工作表明, 同屬于燕山裂陷槽中段的北京延慶、天津薊縣及河北興隆等地區(qū)的中元古代高于莊組巖石地層序列是完全可以進(jìn)行對比的, 但其形成時代的準(zhǔn)確界定一直存在疑問。曾經(jīng)被認(rèn)為是1400 Ma前后的沉積(鐘富道, 1977; 王松山等, 1995); 后來根據(jù)下伏大紅峪組上部火山巖的鋯石 U-Pb年齡間接地將高于莊組的沉積時代限定為1600~1400 Ma(陸松年和李惠民, 1991; Lu et al., 2008); 曾有高于莊組碳酸鹽Pb-Pb法直接定年年齡(1608±74) Ma的報道(張巧大等, 2002), 但由于碳酸鹽巖定年方法的可靠性存在爭議, 該數(shù)據(jù)并未獲得廣泛認(rèn)可。迄今, 燕山地區(qū)高于莊組的唯一精確可靠的定年是李懷坤等(2010)在北京延慶地區(qū)高于莊組三段上部凝灰?guī)r中獲得的(1559±12) Ma的鋯石SHRIMP U-Pb年齡和(1560±5) Ma的LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡。

本研究在薊縣東水廠村高于莊組三段下部凝灰?guī)r中獲得的(1581±20) Ma和(1577±12) Ma的LA-MC-ICPMS U-Pb年齡數(shù)據(jù), 可以說是在我國中新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面上的高于莊組中獲得的第一個精確可靠的同位素年齡數(shù)據(jù)。結(jié)合前述北京延慶地區(qū)高于莊組三段頂部凝灰?guī)r鋯石 U-Pb年齡((1560± 5) Ma)可以推斷, 整個燕山地區(qū)高于莊組三段主體的沉積時限應(yīng)為 1580~1560 Ma, 而高于莊組與下伏大紅峪組的界線年齡, 可以更為精確地限定為1600 Ma左右, 相當(dāng)于目前通用的國際中元古界蓋層系(Calymmian System)的底界。同時根據(jù)現(xiàn)有資料綜合分析, 推測高于莊組頂界可以大致限定在1550 Ma左右, 則高于莊組的整體沉積時代大致在1600~1550 Ma范圍內(nèi)。

根據(jù)已有的古生物學(xué)研究資料(孫淑芬等, 2004, 2006), 本次測年結(jié)果可以對薊縣系高于莊組Parachuaria glabra Sun的生存時代進(jìn)行標(biāo)定, 結(jié)合李懷坤等(2011)、Li等(2013)對燕遼裂陷槽長城系做出的~1650 Ma底界年齡推斷, 以及高林志等(2009)、張拴宏等(2013)在長城系串嶺溝組所獲得的~1635 Ma頂界年齡約束, 筆者推測 Parachuaria glabra Sun的生存時代介于1640~1580 Ma。

總之, 本研究取得的測年資料使得我國中—新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面所在地——薊縣地區(qū)高于莊組沉積時代第一次獲得了精確可靠的年代學(xué)約束, 同時也為整個燕山地區(qū)及華北克拉通北緣中元古界的正確對比提供了新的標(biāo)尺。

3.2 薊縣剖面中元古界研究展望

華北克拉通圍繞薊縣中—新元古界剖面開展的地質(zhì)年代學(xué)研究始于20世紀(jì)50年代末期。前人主要利用Rb-Sr、K-Ar、Pb-Pb等方法針對海綠石、燧石、伊利石、白云石等進(jìn)行年代學(xué)測定(于榮炳和張學(xué)棋, 1984; 王松山等, 1995; 張巧大等, 2002),但由于測年方法的歷史局限性, 早期的年齡數(shù)據(jù)難以推廣應(yīng)用。隨著鋯石 U-Pb同位素定年技術(shù)的發(fā)展(ID-TIMS, LA-MC-ICP-MS和SIMS)以及火山巖、凝灰?guī)r和侵入巖脈(床)的探尋和識別, 燕遼地區(qū)中元古代地層獲得了一大批精確可靠的年齡數(shù)據(jù)(表2)(陸松年和李惠民, 1991; 高林志等, 2007a, 2008, 2009; Gao et al., 2007b; Su et al., 2008; Lu et al., 2008;蘇文博等, 2010; 張拴宏等, 2013; 孫會一等, 2013;李懷坤等, 2009b, 2010, 2011, 2014; Li et al., 2013)。所有這些以鋯石U-Pb年齡為主的精確測年數(shù)據(jù), 在重新精確厘定薊縣剖面這一中—新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面年代地層序列的同時, 也極大地推動了整個華北克拉通中元古代年代地層學(xué)格架的修訂, 為一系列重大地質(zhì)事件(古地磁、地球早期生命演化等)提供了精確的年代學(xué)約束(王澤九等, 2014), 也更進(jìn)一步為18~14億年間Clumbia/Nuna超大陸時期全球地層對比、克拉通盆地性質(zhì)和演化研究(Zhang et al., 2012)提供了新證據(jù)。

表2 中國及全球中元古界劃分沿革及對比(主要據(jù)王鴻禎和李廣岑, 1990; Gradstein et al., 2004, 2012; 李懷坤等, 2014等)Table 2 Regional and global Mesoproterozoic subdivision and correlation (after WANG and LI, 1990; Gradstein et al., 2004, 2012; LI et al., 2014)

2012年國際地層委員會推出了新版全球地質(zhì)年代表(GTS2012)(Gradstein et al., 2012)(表2), 將中元古代整體劃為“羅迪尼亞紀(jì)(Rodinian Period)”,意指“哥倫比亞超大陸”的裂解到“羅迪尼亞超大陸”的聚合階段; 其底界年代選取為1780 Ma, 以硫化海洋沉積物首次出現(xiàn)為標(biāo)記, 頂界為850 Ma, 以Bitter Springs碳同位素異常首次出現(xiàn)為標(biāo)記。其主要依據(jù)就是, 在長達(dá) 9億多年的時間里, 全球一直屬于穩(wěn)定的還原性海洋環(huán)境。而根據(jù)我國學(xué)者(Zhu et al., 1992; 孫淑芬等, 2004, 2006)對于燕遼裂陷槽中元古代古生物的研究, 穩(wěn)定的還原性海洋環(huán)境難以解釋該時期的生物活躍性。顯然, 與1989—2004年(Gradstein et al., 2004)地層表相對比, 新的前寒武紀(jì)地層劃分方案雖然修正了長期以來以人為的整數(shù)值標(biāo)定年代地層界線的武斷性, 卻也走向另一個極端, 即將1780 Ma至850 Ma的9億多年的地質(zhì)歷史整體劃為一個“紀(jì)”。

另一方面, 中國學(xué)者一直認(rèn)為1800 Ma是陸殼生長、巖漿熱變質(zhì)事件以及殼幔分異的集中期, 對于劃分古元古界與中元古界具有重要意義(王鴻禎和李廣岑, 1990)。新建議的地質(zhì)年代表(GTS2012)對中元古界底界年齡的修改(從 1600 Ma改為1780 Ma)實際也驗證了我國學(xué)者的這一劃分方案的合理性。由此可見, 隨著我國中元古界重大地質(zhì)事件的地球化學(xué)、同位素年代學(xué)等的深入研究, 特別是包括本文在內(nèi)的圍繞薊縣剖面以及燕山其他地區(qū)中元古界所取得的年代學(xué)研究以及其他相關(guān)研究成果, 必將有力地推進(jìn)國際地質(zhì)年代表關(guān)于中元古代內(nèi)部更為合理的進(jìn)一步劃分。在這方面的工作勢在必行, 我國學(xué)者將大有作為。

4 結(jié)論

(1)在薊縣中—新元古界剖面高于莊組三段(即張家峪亞組)下部新發(fā)現(xiàn)了凝灰?guī)r, 測得了其鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb同位素年齡(1577±12) Ma, 結(jié)合現(xiàn)有資料推斷高于莊組三段主體沉積起始于~1580 Ma, 沉積時限介于 1580~1560 Ma之間, 而整個高于莊組的沉積時限大致為1600~1550 Ma。

(2)在測年凝灰?guī)r上覆相鄰層位發(fā)現(xiàn)的大量化石為炭質(zhì)宏觀藻類Parachuaria glabra Sun, 與前人在薊縣中—新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面串嶺溝組—高于莊組中發(fā)現(xiàn)的此類宏觀藻類一致, 其生存時代應(yīng)該介于1640~1580 Ma。

致謝:薄片磨制、鋯石分選由河北省廊坊市宇能巖石礦物分選技術(shù)服務(wù)有限公司完成, 環(huán)氧樹脂鋯石樣品靶在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司制備, 巖礦鑒定由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成,中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所任紀(jì)舜院士、中國地質(zhì)科學(xué)院王澤九研究員和天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所陸松年研究員等對我們的研究工作給予了長期的指導(dǎo)和支持。兩位審稿專家提出了很好的修改意見。作者在此一并致以誠摯的謝意。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos.12120113013900 and 1212011120142), National Natural Science Foundation of China (Nos.41430210 and 41272046) and Basic Research Project of Ministry of Science and Technology, China (Nos.2015FY310100).

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Zircon LA-MC-ICPMS U-Pb Dating of Tuff from Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation in Jixian County of North China and Its Geological Significance

TIAN Hui1), ZHANG Jian1), LI Huai-kun1)*, SU Wen-bo2), ZHOU Hong-ying1), YANG Li-gong3), XIANG Zhen-qun1), GENG Jian-zhen1), LIU Huan1), ZHU Shi-xing1), XU Zhen-qing3)
1) Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Servey, Tianjin 300170; 2) School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 3) Management Centre of National Nature Reserve for the Middle-Upper Proterozoic Jixian County,Tianjin 301900

A 15 cm thick tuff intercalation in dolomite was recently discovered in the lower horizon of the third member (the Zhangjiayu Subformaiton) of the Gaoyuzhuang Formation in the Mesoproterozoic Jixian System at the Dongshuichang Village, Jixian County.A zircon U-Pb age of (1577±12) Ma for the tuff was obtained by means of LA-MC-ICPMS method, consequently for the first time providing precise and reliable chronological constraint on the depositional age of the Gaoyuzhuang Formation in the Jixian area and a new correlation marker for Mesoproterozoic strata in the whole Yanshan area of the northern North China Craton.At the same time, abundant macro-alga fossils represented by Parachuaria glabra Sun, the same as those discovered previously in the Mesoproterozoic Standard Section in the Dahongyu Valley, were also found in the dolomite beds directly

overlying the newly-discovered tuff beds.Therefore, the newly-obtained tuff age can further provide constraint on the living time of the macro-alga Parachuaria glabra Sun in the Gaoyuzhuang Formation.Combined with the zircon U-Pb age (1560±5) Ma obtained previously for the tuff bed in the top horizon of the third member of the Gaoyuzhuang Formation in Yanqing County, northwestern Beijing, it can be concluded that the depositional age of the third member of the Gaoyuzhuang Formation is in the time span of 1580~1560 Ma, and the boundary between the Gaoyuzhuang Formation and the underlying Dahongyu Formation can be quite confidently placed at 1600 Ma that is equivalent to the lower boundary of the International Mesoproterozoic Calymmian System.

tuff bed; Gaoyuzhuang Formation; LA-MC-ICPMS U-Pb dating; Calymmian System; Jixian; North China Craton

P534.3; P597.1

A

10.3975/cagsb.2015.05.12

本文由中國地質(zhì)調(diào)查局項目(編號: 12120113013900; 1212011120142)、國家自然科學(xué)基金項目(編號: 41430210; 41272046)和科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(編號: 2015FY310100)聯(lián)合資助。

2015-06-02; 改回日期: 2015-07-01。責(zé)任編輯: 閆立娟。

田輝, 男, 1985年生。碩士, 工程師。地層學(xué)專業(yè), 主要從事前寒武紀(jì)地質(zhì)調(diào)查與研究。E-mail: 309702629@qq.com。

*通訊作者: 李懷坤, 男, 1963年生。博士, 研究員。地層學(xué)專業(yè), 主要從事前寒武紀(jì)年代學(xué)研究。E-mail: huaikunli@sina.com。