天津薊縣鐵嶺組新剖面鉀質(zhì)斑脫巖鋯石U-Pb測(cè)年及Hf同位素研究*

郭文琳 蘇文博 張健 李惠民 周紅英 李懷坤

1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 1000832. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 1000373. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 3001704.

著名的薊縣剖面位于天津市薊縣(現(xiàn)薊州區(qū))北部山區(qū)，主要代表了中-新元古代華北克拉通燕遼裂陷槽沉積的巨厚地層(圖1)。薊縣剖面具有地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖層完整連續(xù)、頂?shù)捉缑媲逦?、變質(zhì)變形輕微、化石豐富、地理位置優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)(陳晉鑣等, 1980, 1997)，是世所罕見(jiàn)的珍貴地層剖面，具有很高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。特別是近年來(lái)，研究者們圍繞薊縣剖面在早期生命起源和演化(Zhu and Chen, 1995; Pengetal., 2009; Zhuetal., 2016; Huangetal., 2017; Shietal., 2017a, b; Guoetal., 2018; Quetal., 2018; Miaoetal., 2019)、古海洋沉積環(huán)境(Lietal., 2003; Chuetal., 2004, 2007; Mei, 2006; 梅冥相等, 2008, 2009; 王德海等, 2009; Mei and Tucker, 2011; 朱祥坤等, 2013; Dingetal., 2017; Maetal., 2017; Zhangetal., 2018)、LIP與全球古大陸再造(Zhangetal., 2017)、微生物成因沉積構(gòu)造(MISS)(Yangetal., 2017)等方面，相繼取得了一系列新的重要進(jìn)展，使這一剖面更受世人關(guān)注。

圖1 薊縣北部地區(qū)地質(zhì)圖與采樣位置(據(jù)李懷坤等, 2014修改)1-第四系; 2-府君山組; 3-景兒峪組; 4-長(zhǎng)龍山組; 5-下馬嶺組; 6-鐵嶺組; 7-洪水莊組; 8-霧迷山組; 9-楊莊組; 10-高于莊組; 11-大紅峪組;12-團(tuán)山子組; 13-串嶺溝組; 14-常州溝組; 15-太古宙遵化巖群; 16-中生代花崗巖; 17-斷層; 18-地層產(chǎn)狀; 19-倒轉(zhuǎn)地層; 20-薊縣標(biāo)準(zhǔn)剖面; 21-大喻山剖面采樣點(diǎn); 22-大五尖剖面采樣點(diǎn)Fig.1 Geological map of northern Jixian area and the sampling locations (modified after Li et al., 2014)

作為以上各類研究的基礎(chǔ)，華北地臺(tái)及中國(guó)中-新元古代地層格架的建立與完善具有十分重要的意義，薊縣剖面則見(jiàn)證了其間復(fù)雜的研究歷史?！罢鸬┫怠弊钤绫幻鞔_為代表中國(guó)寒武系之下、五臺(tái)群或泰山群之上的沉積單元(Grabau, 1922)，稍后建立的三峽震旦系剖面(Lee and Chao, 1924)成為中國(guó)震旦系的代表。自1934年被首次報(bào)道后(Kaoetal., 1934)，薊縣剖面成為華北震旦系的標(biāo)準(zhǔn)剖面(Lee, 1939)。然而，隨著工作的不斷深入，研究者們逐漸認(rèn)識(shí)到，三峽剖面震旦系層位應(yīng)高于薊縣剖面震旦系(王曰倫和陸宗斌, 1962; 張丕孚, 1988)，于是又將中國(guó)震旦系重新劃分為四個(gè)“系”，統(tǒng)稱“震旦亞界”(陳晉鑣等, 1980)，與南方震旦系合稱“上前寒武系”(王曰倫等, 1980; 邢裕盛和劉桂芝, 1982; 曹瑞驥等, 1988)。自20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，薊縣剖面逐漸成為中國(guó)中-新元古界地層標(biāo)準(zhǔn)剖面，用以指代1800～800Ma間華北地臺(tái)的地質(zhì)歷史，并被學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期引用(邢裕盛等, 1996; 陳晉鑣等, 1999; 全國(guó)地層委員會(huì), 2001, 2002; Luetal., 2008)。

眾所周知，一個(gè)地區(qū)地層格架的建立與完善，除了傳統(tǒng)的地層學(xué)和古生物學(xué)研究，主要來(lái)自于相關(guān)地層的年代學(xué)研究，特別是取決于測(cè)年對(duì)象以及相關(guān)測(cè)試技術(shù)的不斷改進(jìn)和應(yīng)用，薊縣剖面也是如此。該剖面相關(guān)地層直接定年的最早嘗試，可追溯到20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)景兒峪組自生海綠石的K-Ar法測(cè)年(轉(zhuǎn)引自于榮炳和張學(xué)祺, 1984)。利用相同方法，研究者們陸續(xù)測(cè)定了薊縣剖面景兒峪組、鐵嶺組、大紅峪組、團(tuán)山子組等地層單位的形成年齡(中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所絕對(duì)年齡實(shí)驗(yàn)室, 1965; LIGKIGAS, 1977; 于榮炳和張學(xué)祺, 1984)。20世紀(jì)70年代后，研究者又在薊縣剖面地層中開(kāi)展了包括云母或全巖K-Ar法、沉積巖U-Pb法、自生海綠石或粘土Rb-Sr法、燧石K-Ar法和40Ar-39Ar法以及頁(yè)巖或碳酸鹽巖Pb-Pb法等多方面的測(cè)年研究(LIGKIGAS, 1977; 于榮炳和張學(xué)祺, 1984; 王松山等, 1995; 李明榮等, 1996; 王松山和裘冀, 1999)。現(xiàn)在人們知道，上述這些技術(shù)和方法中，由于其測(cè)年礦物同位素系統(tǒng)大都會(huì)在后期的構(gòu)造-熱事件中受到嚴(yán)重的干擾和改造，因此其測(cè)年結(jié)果對(duì)相關(guān)地層形成時(shí)代的實(shí)際約束是非常有限的。

隨著以鋯石為測(cè)年對(duì)象的高精度U-Pb同位素測(cè)年法的應(yīng)用和推廣，研究者相繼在薊縣剖面大紅峪組堿性火山巖(陸松年和李惠民, 1991)以及團(tuán)山子組火山巖(李懷坤等, 1995)分別獲得了1625.3±6.2Ma和1683±67Ma的鋯石U-Pb年齡。這是首批利用火山巖鋯石對(duì)薊縣剖面下部地層形成時(shí)代的直接約束。除此之外，研究者也一直設(shè)法在薊縣剖面其他層位尋找火山成因的沉積夾層，以期獲得更多直接而精確的年齡，但未能成功。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，研究者首先在燕山地區(qū)原來(lái)劃歸“新元古界青白口系(1000～800Ma)”的下馬嶺組黑色頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)鉀質(zhì)斑脫巖(K-bentonite)這類火山成因夾層(陳曉雨, 2005; 楊紅梅, 2006)，為華北中-新元古界中-上部序列的直接測(cè)年帶來(lái)了新的契機(jī)。依靠該組鉀質(zhì)斑脫巖鋯石測(cè)年研究的突破(高林志等, 2007; Gaoetal., 2008; Suetal., 2008)以及隨后在其他地區(qū)相應(yīng)層位獲得的一系列新進(jìn)展(Luetal., 2008; 李懷坤等, 2009a, 2010, 2011; Suetal., 2010; 蘇文博等, 2012; Lietal., 2013; 張拴宏等, 2013; Zhangetal., 2015)，華北克拉通“中-新元古界”的地層格架終于得到了較全面的重新厘定(蘇文博等, 2012; Lietal., 2013; 蘇文博, 2014, 2016)。然而，薊縣剖面的中上部，以碳酸鹽巖為主的層段，即薊縣系(群)，一直還缺乏類似的精確而直接的測(cè)年約束。2014年筆者等在薊縣城北西鐵嶺組及霧迷山組中分別發(fā)現(xiàn)了鉀質(zhì)斑脫巖，并獲得了其鋯石SHRIMP U-Pb年齡分別為1439±14Ma、1483±13Ma 和 1487±16Ma(李懷坤等, 2014)，其中霧迷山組鉀質(zhì)斑脫巖鋯石測(cè)年在整個(gè)華北北緣還是首次。這一進(jìn)展為薊縣剖面繼續(xù)作為華北克拉通中-新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面，提供了直接而強(qiáng)有力的年代學(xué)新依據(jù)，成為精確約束該剖面薊縣系相關(guān)地層單位年代格架的新“錨點(diǎn)”。

遺憾的是，由于上述大喻山剖面緊鄰薊縣城區(qū)，最近幾年來(lái)該地區(qū)的市政建設(shè)使得剖面的絕大部分已被道路和其他設(shè)施覆蓋。這給后續(xù)圍繞薊縣剖面鐵嶺組開(kāi)展研究帶來(lái)了極大不便，也在客觀上影響了該剖面的科學(xué)性及權(quán)威性。鑒于此，筆者在薊縣附近相關(guān)地點(diǎn)開(kāi)展了一系列新的工作，終于在位于薊縣城東北約5km的大五尖采石場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了鐵嶺組新剖面，并在該組二段近底部相關(guān)層位確認(rèn)了類似的鉀質(zhì)斑脫巖夾層。經(jīng)過(guò)前期分析，筆者選取該剖面的2件斑脫巖樣品開(kāi)展了LA-ICPMS鋯石U-Pb測(cè)年研究。為對(duì)比起見(jiàn)，筆者還將此前在原大喻山剖面鐵嶺組相關(guān)層位采集的1件樣品一起開(kāi)展了測(cè)年。鑒于樣品鋯石具有確鑿的巖漿成因特征，筆者還對(duì)這3件樣品的測(cè)年鋯石顆粒開(kāi)展了系統(tǒng)的Lu-Hf同位素分析。新的測(cè)年結(jié)果與筆者等早先在薊縣西北原大喻山剖面(李懷坤等, 2014)、河北平泉?jiǎng)⒓覝掀拭?Suetal., 2010)鐵嶺組二段近底部鉀質(zhì)斑脫巖鋯石SHRIMP U-Pb測(cè)年結(jié)果，在誤差范圍內(nèi)是完全可比的；而其Lu-Hf同位素結(jié)果則顯示，當(dāng)前鉀質(zhì)斑脫巖所代表的源巖主要來(lái)源于地殼物質(zhì)的熔融。大五尖剖面的發(fā)現(xiàn)及其相關(guān)研究，可望彌補(bǔ)大喻山剖面被破壞的缺憾，因而具有重要的科學(xué)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

基于碰撞造山帶的系統(tǒng)對(duì)比，研究者們提出2000～1800Ma期間曾形成了全球性的Columbia超大陸，華北克拉通保留了與超大陸聚合相關(guān)的古老碰撞造山帶，是Columbia超大陸的組成部分(Zhaoetal., 2000, 2002, 2004; Rogers and Santosh, 2002)。Columbia超大陸在1800Ma前后進(jìn)入裂解期(Zhaoetal., 2000; Rogers and Santosh, 2002)，華北克拉通基底整體抬升，緊隨著開(kāi)始發(fā)生裂谷作用(Zhai and Liu, 2003; 翟明國(guó), 2004; 翟明國(guó)和彭澎, 2007)，主要表現(xiàn)為在其邊緣首先形成數(shù)個(gè)裂陷槽(坳拉谷)，海水再沿著這些裂陷槽向克拉通內(nèi)部不斷侵進(jìn)。位于華北北緣大體呈北東-南西方向展布的燕遼裂陷槽(Luetal., 2008; 翟明國(guó)等, 2014; 陸松年等, 2016)便是其中之一，天津薊縣一帶則為這一裂陷槽的沉降中心，形成了巨厚的濱淺海相中-新元古代地層(王鴻禎, 1985)。

整個(gè)薊縣剖面地層的總厚度接近10000m，自下而上一般劃分為長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系3個(gè)系(群)，含12個(gè)組(Kaoetal., 1934; 全國(guó)地層委員會(huì), 1962, 2001, 2002; 王曰倫, 1963; 河北省、天津市區(qū)域地層表編寫(xiě)組, 1979; 陳晉鑣等, 1980, 1997, 1999; 邢裕盛等, 1996)。區(qū)域上，這套地層自東北向西南，由老到新依次展布，中心則為府君山-洪水莊向斜(圖1)。其底部的常州溝組砂礫巖呈角度不整合覆蓋于太古界遷西群(密云群)混合巖化的片麻巖、角閃巖、變粒巖等變質(zhì)雜巖之上，其頂部景兒峪組灰?guī)r、頁(yè)巖的上覆地層則為寒武系府君山組灰?guī)r和白云巖，其間也為平行不整合接觸(Kaoetal., 1934; 陳晉鑣等, 1980)。

鐵嶺組屬于上述序列中的薊縣系頂部，其底部與洪水莊組整合接觸，上覆下馬嶺組，之間為平行不整合接觸。后者曾被命名為“芹峪上升”，代表一次區(qū)域地殼抬升(喬秀夫, 1976)。高振西等最早將薊縣城北約5km的鐵嶺村附近灰?guī)r命名為“鐵嶺灰?guī)r”(Kaoetal., 1934)，后改稱“鐵嶺組”(全國(guó)地層委員會(huì), 1962, 2001; 陳晉鑣等, 1980, 1999)。鐵嶺組可被分為上、下兩個(gè)亞組，即“老虎頂亞組”和“代莊子亞組”(陳晉鑣等, 1980)，亦對(duì)應(yīng)鐵嶺組二段和一段(陳晉鑣等, 1999)。在華北北部燕山和太行山地區(qū)，鐵嶺組以普遍發(fā)育各類疊層石礁丘的濱、淺海相潮間帶-潮下帶碳酸鹽巖為主，夾少量細(xì)碎屑巖(杜汝霖等, 1980)。一般認(rèn)為該組形成于北半球中低緯度(Zhangetal., 2006; Chenetal., 2013)，屬于熱帶-亞熱帶氣候環(huán)境(屈原皋等, 2004)。筆者此前關(guān)于該組頂部風(fēng)化殼的研究結(jié)果，也支持類似認(rèn)識(shí)(郭文琳和蘇文博, 2014)。

在薊縣剖面上，鐵嶺組一段底部為中厚層砂巖與下伏洪水莊組整合接觸，向上為頁(yè)巖和灰色含砂含錳白云巖互層，上部以紫色、綠色和黑色頁(yè)巖為主，也有含錳白云巖，白云巖含疊層石。頂部有硅質(zhì)角礫，或錳土質(zhì)古土壤，厚153m。二段下部為含錳內(nèi)碎屑白云巖與白云質(zhì)灰?guī)r互層，向上為巨大疊層石礁灰?guī)r夾內(nèi)碎屑質(zhì)灰?guī)r。頂部為薄層白云質(zhì)灰?guī)r，厚180m(陳晉鑣等, 1980)。

圖2 采樣點(diǎn)剖面示意圖(A、B)及野外露頭(a-f)(a)鐵嶺組一段泥頁(yè)巖與二段灰?guī)r整合接觸；(b)鐵嶺組與下馬嶺組平行不整合接觸；樣品JX321 (c)、樣品JX323 (d)、樣品JX324 (e)和樣品JX325 (f)露頭，箭頭指示斑脫巖層位，鐵錘等為比例尺. 1-灰?guī)r；2-含錳灰?guī)r；3-疊層石灰?guī)r；4-雜色泥頁(yè)巖；5-砂巖；6-鉀質(zhì)斑脫巖層Fig.2 Stratigraphic profiles with sampling sites (A, B) and field outcrops (a-f)

2 剖面及樣品特征

本文新剖面位于天津薊州區(qū)北部府君山東北坡(圖1)，整體上沿大五尖灰?guī)r采坑西側(cè)及桃園村-和平村之間鄉(xiāng)村公路延伸，其起始位置GPS參考坐標(biāo)為(40°4′57″ N、117°25′35″ E)。當(dāng)前剖面總體走向190°左右，巖層傾向一般為230°左右，傾角接近30°。除鐵嶺組外，沿該剖面自北向南還依次出露有下馬嶺組、長(zhǎng)龍山組、景兒峪組等(圖2)。需要說(shuō)明的是，由于該采石場(chǎng)主要采集鐵嶺組二段灰?guī)r，其實(shí)際揭示的露頭主體沿北西-南東的地層走向橫向展布，其東西向最寬處接近1500m，南北向則接近500m，因此在當(dāng)前剖面的中東側(cè)，也有多處為層序連續(xù)、巖石新鮮的露頭剖面可供觀測(cè)。

該處鐵嶺組一段以灰?guī)r為主，頂部為含錳-鈣質(zhì)的灰綠色-紫紅色-褐色等雜色泥頁(yè)巖，與其上的含錳灰?guī)r呈現(xiàn)逐漸過(guò)渡、連續(xù)沉積的特征(圖2a)。其二段底部為灰色-淺褐色中厚層狀含錳灰?guī)r，向上逐漸過(guò)渡為質(zhì)地純凈的灰白色中厚層狀灰?guī)r及厚層-塊狀疊層石礁丘，整個(gè)二段厚度大于200m。往南則可見(jiàn)鐵嶺組上覆下馬嶺組砂巖，其間發(fā)育風(fēng)化殼，兩者為平行不整合接觸(圖2b)。

采樣層位為該處鐵嶺組二段近底部灰?guī)r，分別見(jiàn)于相隔約300m的兩段露頭(分別稱之剖面A和剖面B)(圖2A, B)。因采石挖掘，露頭上可見(jiàn)多層鉀質(zhì)斑脫巖，均呈夾層狀產(chǎn)于灰?guī)r中。其層厚5～20cm，上下層位相距3～10m不等。此處共采集4件樣品，樣品編號(hào)JX322、JX323、JX324、JX325，其采樣層位參見(jiàn)圖2。此處所見(jiàn)鉀質(zhì)斑脫巖夾層呈灰白、淺灰綠色或淺豆綠色，單層厚度一般為1～10cm。其表面略呈土狀，結(jié)構(gòu)疏松，遇水易膨脹；舌尖舔其新鮮斷口處，具有明顯的吸附-粘滯感；這些均為典型的斑脫巖特征(Huffetal., 1992; Kolataetal., 1996; 蘇文博等, 2006; 周明忠等, 2007; Huff, 2008, 2016; Suetal., 2010)。其中JX324(圖2e)位于剖面露頭SE100°方向約300m處的剖面B所在小山包近頂部(即大五尖)，其層厚約20cm；JX325(圖2f)位于小山包西南側(cè)的剖面A采坑內(nèi)，層厚也約為20cm。需要說(shuō)明的是，上述兩者露頭橫向上相距大約300m，其間因發(fā)育有南北向小斷層及褶曲，使其層位無(wú)法直接追索對(duì)比。然而通過(guò)反復(fù)觀測(cè)表明，這兩層樣品所在的斑脫巖夾層距離鐵嶺組二段底界的地層厚度均為27m左右，同時(shí)其斑脫巖夾層厚度、巖性特征也相似，其上覆及下伏巖性也可比，特別是其相鄰層位灰?guī)r中也沒(méi)有其他斑脫巖夾層，因此這兩處夾層很可能屬于同一層斑脫巖(圖2)。

為對(duì)比起見(jiàn)，筆者在早先獲得薊縣剖面鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖鋯石U-Pb年齡的大喻山剖面鐵嶺組二段近底部鉀質(zhì)斑脫巖(李懷坤等, 2014)同一層位中也曾采集了1件樣品，樣品編號(hào)為JX321。此處鉀質(zhì)斑脫巖呈淺豆綠色，層厚約25cm(圖2c)。值得注意的是，根據(jù)早先觀測(cè)記錄，該層斑脫巖也位于鐵嶺組二段底界厚約25m處。這與上述大五尖測(cè)年樣品JX324及JX325的層位(距二段底界厚約27m)是基本一致的?？紤]到當(dāng)前樣品所在層位的上下地層中也同樣再無(wú)其他更厚的斑脫巖夾層，同時(shí)該斑脫巖厚度、巖性也與大五尖測(cè)年樣品所在層基本一致，筆者認(rèn)為，本文大喻山剖面樣品JX321與大五尖樣品JX324及JX325，很可能都屬于不同地點(diǎn)的同一層斑脫巖。

3 測(cè)試方法及結(jié)果

3.1 測(cè)試方法

鉀質(zhì)斑脫巖的鋯石分選使用常規(guī)方法和流程，其分選與制靶的具體過(guò)程參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)(宋彪等, 2002; Suetal., 2010; 李懷坤等, 2014)。鋯石微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測(cè)定和Lu-Hf同位素分析在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心同位素實(shí)驗(yàn)室分別采用LA-ICPMS和LA-MC-ICPMS完成，詳細(xì)分析流程及原理參見(jiàn)文獻(xiàn)(Wuetal., 2006; 侯可軍等, 2007; 李懷坤等, 2009b; 耿建珍等, 2011)。

鋯石年齡計(jì)算采用源自澳大利亞Macquarie大學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1作為外標(biāo)，數(shù)據(jù)采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)劉勇勝研發(fā)的ICPMS Data Cal程序(Liuetal., 2010)和Kenneth R. Ludwig的Isoplot程序(Ludwig, 2003)進(jìn)行處理，普通Pb采用Andersen的3D坐標(biāo)法校正(Andersen, 2002)，利用NIST612玻璃標(biāo)樣作為外標(biāo)計(jì)算鋯石樣品的Pb、U含量。單個(gè)測(cè)試點(diǎn)的同位素比值和同位素年齡誤差為1σ，207Pb/206Pb年齡加權(quán)平均值置信度為95%。

圖3 鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像內(nèi)部黃色圓圈為L(zhǎng)A-ICPMS鋯石U-Pb同位素分析點(diǎn)位置，外部白色圓圈為L(zhǎng)u-Hf同位素測(cè)試位置，數(shù)字分別為年齡值和樣點(diǎn)號(hào)Fig.3 Cathodoluminescence images of zircons

鋯石Lu-Hf同位素測(cè)試，選擇了相關(guān)樣品中同位素年齡諧和度(指206Pb/238U年齡與207Pb/206Pb年齡比值的百分?jǐn)?shù))大于90%的顆粒來(lái)進(jìn)行。測(cè)試時(shí)采用標(biāo)樣91500作為外標(biāo)，Lu-Hf同位素計(jì)算公式及標(biāo)準(zhǔn)值參見(jiàn)文獻(xiàn)(吳福元等, 2007)?，F(xiàn)今球粒隕石176Lu/177Hf=0.0332，176Hf/177Hf=0.282772(Blichert-Toft and Albarède, 1997)，現(xiàn)今虧損地幔的(176Lu/177Hf)DM=0.0384，(176Hf/177Hf)DM=0.28325(Nowelletal., 1998)，λ(176Lu)=1.867×10-11y-1(S?derlundetal., 2004)。需要說(shuō)明的是，該測(cè)試是在其U-Pb測(cè)年三年多之后才進(jìn)行的，因此在測(cè)試前又按規(guī)定程序?qū)影羞M(jìn)行了輕微拋光、清洗等前處理，并根據(jù)測(cè)年時(shí)的樣品靶圖，選擇了在與鋯石U-Pb年齡測(cè)試相同的測(cè)定域開(kāi)展測(cè)試(圖3)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

本文對(duì)采自大五尖剖面的2件樣品JX324、JX325以及采自薊縣大喻山剖面的1件樣品JX321分別開(kāi)展了鋯石LA-ICPMS U-Pb測(cè)年和LA-MC-ICPMS Lu-Hf同位素測(cè)定。

3.2.1 鋯石U-Pb年齡

所測(cè)鋯石Pb含量為26×10-6～137×10-6，U含量為93×10-6～488×10-6(表1)。鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像(圖3)結(jié)果顯示，3件樣品的鋯石粒徑約為80～150μm，長(zhǎng)寬比約為1:1～1:3之間。絕大部分鋯石顆粒呈自形-半自形晶，多呈短柱狀或柱狀，個(gè)別呈不規(guī)則形，發(fā)育有雙錐，顯示其未經(jīng)過(guò)明顯的搬運(yùn)及磨蝕。鋯石晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，振蕩環(huán)帶明顯，高Th/U比值(0.6～3.4)，具有典型的巖漿鋯石特征(Hoskin and Black, 2000; Corfuetal., 2003; Wu and Zheng, 2004)。

樣品JX321一共測(cè)定了32個(gè)鋯石U-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，除JX321-21外，其余均具有基本一致的U-Pb同位素年齡(表1)。其中JX321-21年齡值明顯偏大(2182Ma)，可能為碎屑或繼承鋯石，因此將其與另外8個(gè)諧和度小于90%的數(shù)據(jù)點(diǎn)一并剔除，剩余數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的不一致線與諧和線的上交點(diǎn)年齡為1452±20Ma (圖4a)(置信度95%；N=23)，207Pb/206Pb表面年齡加權(quán)平均值為1439±11Ma (圖4d)，二者在誤差范圍內(nèi)一致。以207Pb/206Pb年齡加權(quán)平均值(1439±11Ma)代表該鉀質(zhì)斑脫巖中鋯石結(jié)晶年齡。

表1 鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖鋯石LA-ICPMS U-Th-Pb 同位素分析結(jié)果

Table 1 LA-ICPMS zircon U-Th-Pb isotopic data of the K-bentonite samples from the Tieling Formation

測(cè)點(diǎn)號(hào)含量(×10-6)PbUTh/U同位素比值年齡(Ma)諧和度206Pb238U1σ207Pb235U1σ207Pb206Pb1σ206Pb238U1σ207Pb235U1σ207Pb206Pb1σ(%)JX3211843031.130.23890.00262.9440.0470.08940.00131381±151393±221412±28982411501.650.23900.00252.9840.0510.09050.00141382±141404±241437±29963652750.730.21020.00252.7240.0450.09400.00131230±151335±221509±27824642060.920.27040.00283.5640.0580.09560.00141543±161542±251539±281005953851.050.20710.00212.6740.0480.09360.00151213±121321±231501±318161053760.700.25200.00283.1520.0510.09070.00131449±161445±231441±281017712580.710.24930.00273.1070.0510.09040.00131435±161434±241434±281008843140.810.23160.00273.1110.0520.09740.00141343±151435±241575±27859521890.940.24680.00263.0760.0510.09040.00131422±151427±241434±289910561841.530.24320.00282.9760.0520.08870.00131403±161401±241398±2910011541990.820.24570.00273.0660.0510.09050.00141416±151424±231436±289912622111.020.25440.00293.2470.0520.09260.00131461±171469±241479±279913843140.910.23330.00262.8640.0480.08910.00131352±151373±231406±279614672380.820.24790.00263.1540.0510.09230.00131428±151446±231473±279715481700.670.25130.00273.1660.0520.09140.00141445±151449±241454±289916702450.830.24960.00273.1660.0510.09200.00141437±161449±231467±289817662350.850.25050.00263.1410.0510.09090.00131441±151443±231445±2810018401471.050.23950.00252.9930.0520.09060.00141384±141406±241439±309619441671.110.23630.00252.8750.0500.08830.00141367±141375±221388±299920582311.080.22630.00242.8120.0490.09010.00141315±141359±221428±289221811931.150.36420.00446.8490.1150.13640.00192002±242092±352182±249222832930.830.25110.00273.1590.0510.09120.00131444±151447±231451±2710023592130.780.25070.00263.1380.0510.09080.00131442±151442±231442±2810024792730.840.25710.00273.2880.0530.09280.00141475±161478±241483±289925792731.240.24240.00253.1530.0510.09440.00141399±141446±231515±279226642301.000.24680.00263.0790.0490.09050.00131422±151427±231436±289927854090.860.18620.00192.3090.0360.08990.00131101±111215±191424±277728632921.510.18690.00202.4440.0390.09490.00141105±121256±201525±277229934881.330.16280.00172.1340.0340.09500.0014972±101160±191529±276430522081.560.22070.00242.7550.0450.09050.00131285±141343±221437±288931712671.180.23150.00262.8780.0480.09020.00131342±151376±221429±279432541980.920.24300.00253.0450.0500.09090.00131402±151419±231444±2897JX3241361170.800.26510.00303.3340.0640.09120.00151516±171489±281451±321042431470.570.26410.00303.3280.0600.09140.00151511±171488±271455±31104328950.630.25900.00293.2700.0680.09160.00181485±161474±311458±371024762690.670.24560.00273.0600.0550.09040.00141416±161423±251433±30995441400.720.26710.00293.3370.0600.09060.00151526±171490±271438±321066512010.750.20760.00282.7170.0510.09490.00181216±161333±251527±36807561850.600.26600.00303.3330.0590.09090.00151520±171489±271444±301058391300.550.26660.00303.3920.0630.09230.00151524±171503±281473±311039541880.900.24180.00293.0070.0550.09020.00141396±171409±261430±309810782670.630.25060.00283.1670.0540.09170.00141442±161449±241460±309911622070.670.26020.00303.3300.0600.09280.00151491±171488±271484±3010012993260.760.25770.00313.2520.0540.09150.00141478±181470±251457±2910113912250.850.27170.00317.0720.1180.18870.00291550±182120±352731±255714682310.950.24790.00293.2310.0690.09450.00171428±171465±311519±339415501690.810.25800.00303.3210.0650.09340.00171480±171486±291495±339916963161.110.24250.00283.8560.0800.11530.00201400±161604±331885±327417732520.790.25620.00293.1900.0550.09030.00141470±161455±251432±29103181063790.930.24380.00272.9830.0530.08870.00151406±151403±251399±3210119441560.790.25590.00293.2190.0580.09120.00151469±171462±261451±3010120802760.850.25290.00283.1780.0530.09110.00141453±161452±241450±29100

續(xù)表1

Continued Table 1

注：表面年齡諧和度=(206Pb/238U)年齡/(207Pb/206Pb)年齡×100

圖4 鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖樣品鋯石U-Pb諧和圖Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams of the K-bentonites from the Tieling Formation

樣品JX324也測(cè)定了32個(gè)鋯石U-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)(表1)，絕大部分都具有基本一致的U-Pb同位素年齡，諧和度較高，71%的數(shù)據(jù)點(diǎn)諧和度大于90%。其中JX324-13、JX324-28 兩個(gè)點(diǎn)年齡值明顯偏大(分別為2731Ma和2176Ma)，可能為碎屑或繼承鋯石，因此將其與4個(gè)諧和度小于90%的數(shù)據(jù)點(diǎn)予以剔除，剩余數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的不一致線與諧和線的上交點(diǎn)年齡為1443±14Ma(圖4b)(置信度95%；N=26)，207Pb/206Pb表面年齡加權(quán)平均值為1445±12Ma(圖4e)，二者在誤差范圍內(nèi)一致。以207Pb/206Pb年齡加權(quán)平均值(1445±12Ma)代表該鉀質(zhì)斑脫巖中鋯石結(jié)晶年齡。

樣品JX325一共測(cè)定了40個(gè)鋯石U-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，絕大部分具有基本一致的U-Pb同位素年齡(表1)。其中諧和度較低(小于90%)，以及具有較大年齡值(2446Ma)，可能為碎屑鋯石的共11個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)予以剔除， 剩余數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的不一致線與諧和線的上交點(diǎn)年齡為1440±13Ma(圖4c)(置信度95%；N=29)，207Pb/206Pb表面年齡加權(quán)平均值為1442±10Ma(圖4f)，二者在誤差范圍內(nèi)一致。以207Pb/206Pb年齡加權(quán)平均值(1442±10Ma)代表該鉀質(zhì)斑脫巖中鋯石結(jié)晶年齡。

表2 鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖鋯石Lu-Hf同位素分析結(jié)果

Table 2 Zircon Lu-Hf isotopic data of the K-bentonite samples from the Tieling Formation

測(cè)點(diǎn)號(hào)Age(Ma)176Yb177Hf176Lu177Hf176Hf177Hf2σεHf(t)2σtDM1(Ma)tDM2(Ma)fLu/HfJX32167911121314151619222324263214390.0244770.0009030.2817030.000017-6.70.621662603-0.97 0.0213390.0008020.2817620.000028-4.51.020792467-0.98 0.0121780.0004890.2818030.000022-2.80.820072359-0.99 0.0178350.0006230.2817070.000019-6.30.721442577-0.98 0.0275830.0010170.2817440.000019-5.40.721152519-0.97 0.0293750.0010520.2817970.000028-3.51.020442404-0.97 0.0254100.0009630.2818190.000023-2.70.820102352-0.97 0.0137460.0004780.2817700.000021-3.90.720502429-0.99 0.0265260.0009480.2818350.000019-2.10.719872316-0.97 0.0206220.0007810.2817900.000019-3.50.720402405-0.98 0.0182820.0007020.2817920.000018-3.40.620332396-0.98 0.0189620.0006600.2817530.000024-4.70.820832478-0.98 0.0238490.0007970.2818510.000021-1.40.719572271-0.98 0.0254380.0008800.2817950.000018-3.40.620382399-0.97 0.0150250.0006000.2818320.000025-1.90.919732301-0.98 JX3241234578910111215171920212223242614450.0342560.0012590.2818080.000029-3.21.020402389-0.96 0.0166540.0005760.2817880.000022-3.20.820312392-0.98 0.0172240.0006470.2818750.000024-0.20.919152204-0.98 0.0218830.0007940.2817840.000027-3.61.020482414-0.98 0.0200410.0007330.2818090.000017-2.70.620112357-0.98 0.0162990.0005810.2818200.000020-2.10.719872322-0.98 0.0166000.0005710.2818540.000019-0.90.719412247-0.98 0.0205080.0006580.2817950.000016-3.10.620272383-0.98 0.0234960.0007770.2817580.000019-4.50.720832471-0.98 0.0223410.0007590.2818800.000021-0.20.719152200-0.98 0.0214250.0007580.2818510.000024-1.20.919552265-0.98 0.0184400.0007050.2818780.000019-0.20.719152203-0.98 0.0172460.0006180.2818380.000024-1.50.919652285-0.98 0.0157440.0005660.2818450.000023-1.20.819522265-0.98 0.0193500.0006960.2817750.000017-3.80.620552428-0.98 0.0177050.0006580.2818160.000016-2.30.619972336-0.98 0.0256720.0009160.2818490.000016-1.40.619652278-0.97 0.0208610.0007460.2817620.000021-4.30.720762460-0.98 0.0240450.0008390.2818210.000019-2.30.720002335-0.97 0.0193790.0006680.2818030.000031-2.81.120162366-0.98 JX325123789111213141517181442 0.0170590.0006160.2817960.000016-3.10.620222379-0.98 0.0246920.0008690.2818080.000021-2.90.720192368-0.97 0.0166590.0006160.2818300.000019-1.90.719762305-0.98 0.0295760.0010430.2818190.000021-2.70.720142355-0.97 0.0128170.0005040.2818210.000023-2.10.819832319-0.98 0.0181430.0007370.2817830.000021-3.70.720472415-0.98 0.0236210.0008040.2818400.000023-1.70.819722293-0.98 0.0314410.0010510.2818180.000018-2.70.620152357-0.97 0.0175620.0006090.2817580.000030-4.41.120752464-0.98 0.0190290.0006510.2817960.000025-3.10.920242381-0.98 0.0177760.0006430.2818420.000028-1.51.019612280-0.98 0.0208250.0007470.2818290.000024-2.00.919842314-0.98 0.0309060.0010490.2818410.000028-1.91.019832306-0.97

續(xù)表2

Continued Table 2

測(cè)點(diǎn)號(hào)Age(Ma)176Yb177Hf176Lu177Hf176Hf177Hf2σεHf(t)2σtDM1(Ma)tDM2(Ma)fLu/Hf1920222325261442 0.0258930.0008540.2818010.000028-3.11.020282383-0.97 0.0259810.0009260.2818240.000024-2.40.920002335-0.97 0.0192490.0007040.2817910.000043-3.41.520352397-0.98 0.0203410.0007520.2818470.000030-1.41.119602275-0.98 0.0176750.0005790.2818070.000027-2.71.020052353-0.98 0.0203740.0006820.2818310.000024-1.90.919782305-0.98

圖5 鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖樣品鋯石Lu-Hf同位素組成直方圖Fig.5 Histograms of zircon Lu-Hf isotopic compositions of the K-bentonite samples from the Tieling Formation

3.2.2 鋯石Lu-Hf同位素

在上述測(cè)年基礎(chǔ)上，在3件樣品測(cè)年的同巖漿期鋯石中一共選擇測(cè)定了54個(gè)Lu-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)(表2)。所有鋯石的176Lu/177Hf比值均小于0.002，表明鋯石形成后具有較低的放射性成因Hf的積累，其176Hf/177Hf比值能夠較好反映形成過(guò)程中Hf同位素組成特征。根據(jù)上述測(cè)年結(jié)果，分別取1439Ma、1445Ma和1442Ma作為年齡值對(duì)樣品JX321、JX324、JX325的Lu-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

樣品JX321測(cè)定了15個(gè)Lu-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn) (表2、圖5a, d)，數(shù)據(jù)點(diǎn)176Hf/177Hf比值為0.281703～0.281851，εHf(t)=-6.7～-1.4，兩階段Hf模式年齡tDM2為2271～2603Ma。

表3 華北克拉通鐵嶺組年代學(xué)研究沿革表

Table 3 Chronological researches of the Tieling Formation，NCC

鐵嶺組年齡采樣位置、層位及巖性測(cè)年方法測(cè)試材料測(cè)試者、測(cè)試時(shí)間及引文1042Ma河北平泉何杖子鐵嶺組第四組頁(yè)巖含錳層K-Ar海綠石Полевая Н. И. и Каэаков Г. А., 1961(轉(zhuǎn)引自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所絕對(duì)年齡實(shí)驗(yàn)室, 1965)1051Ma薊縣鐵嶺組上部K-Ar海綠石中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1964 (轉(zhuǎn)引自榮炳和張學(xué)祺, 1984)1050Ma薊縣駱駝嶺鐵嶺組上部灰?guī)rK-Ar海綠石中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所絕對(duì)年齡實(shí)驗(yàn)室, 19651146Ma (1197Ma)薊縣鐵嶺組上部灰?guī)rK-Ar海綠石中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1972 (轉(zhuǎn)引自榮炳和張學(xué)祺, 1984)1219Ma (1274Ma)薊縣鐵嶺組下部頁(yè)巖K-Ar海綠石中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1972 (轉(zhuǎn)引自榮炳和張學(xué)祺, 1984)1178Ma薊縣鐵嶺組上部灰?guī)rK-Ar海綠石中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1973 (轉(zhuǎn)引自榮炳和張學(xué)祺, 1984)1134Ma (1152Ma)薊縣水泥廠露天采石場(chǎng)鐵嶺組距離頂部5m灰?guī)r1205±18Ma薊縣南桃園村鐵嶺組下部海綠石頁(yè)巖K-Ar海綠石中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1973 (轉(zhuǎn)引自LIGKIGAS, 1977)1010Ma薊縣南桃園村鐵嶺組中部海綠石頁(yè)巖1128Ma薊縣鐵嶺子村鐵嶺組頂部疊層石灰?guī)rK-Ar海綠石王曰倫等, 19801082±13Ma薊縣剖面采石場(chǎng)鐵嶺組距離頂界40cm含海綠石疊層石1125±11Ma薊縣鐵嶺子村鐵嶺組上、下段界面含海綠石白云巖1171±11Ma薊縣鐵嶺子村東邊山坡鐵嶺組底部,距底界10cm含海綠石疊層石40Ar-39Ar海綠石李明榮等, 19961437±21Ma河北平泉雙洞劉家溝剖面鐵嶺組二段近底部灰?guī)r-白云巖夾斑脫巖SHRIMP U-Pb鋯石Su et al., 20101439±14Ma薊縣縣城西郊大喻山采石場(chǎng)鐵嶺組上亞組下部厚層灰?guī)r中斑脫巖SHRIMP U-Pb鋯石李懷坤等, 20141445±12Ma薊縣府君山東北大五尖剖面鐵嶺組二段底部灰?guī)r中斑脫巖LA-MC-ICPMS U-Pb鋯石本文1442±10Ma薊縣府君山東北大五尖剖面鐵嶺組二段底部灰?guī)r中斑脫巖LA-MC-ICPMS U-Pb鋯石本文1439±11Ma薊縣縣城西郊大喻山采石場(chǎng)鐵嶺組二段底部灰?guī)r中斑脫巖LA-MC-ICPMS U-Pb鋯石本文

圖6 鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖鋯石εHf(t)值-年齡比值圖Fig.6 Zircon εHf(t)vs. age diagram of the K-bentonite samples from the Tieling Formation

樣品JX324測(cè)定了20個(gè)Lu-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)(表2、圖5b, e)，數(shù)據(jù)點(diǎn)176Hf/177Hf比值為0.281758～0.281880，εHf(t)=-4.5～-0.2，兩階段Hf模式年齡tDM2為2200～2471Ma。

樣品JX325測(cè)定了19個(gè)Lu-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)(表2、圖5c, f)，數(shù)據(jù)點(diǎn)176Hf/177Hf比值為0.281758～0.281847，εHf(t)=-4.4～-1.4，兩階段Hf模式年齡tDM2為2275～2464Ma。

3件樣品鋯石的εHf(t)值(圖6)、兩階段Hf模式年齡tDM2變化范圍均相近，176Hf/177Hf=0.281703～0.281880，εHf(t)=-6.7～-0.2，tDM2=2200～2603Ma，高斯分布峰值為～2360Ma。這一結(jié)果顯示，這些鋯石樣品所代表的鉀質(zhì)斑脫巖夾層，應(yīng)來(lái)自時(shí)代和組分基本一致的巖漿源區(qū)。

4 討論

4.1 薊縣及華北克拉通鐵嶺組形成年齡的再次限定

如前所述，華北克拉通鐵嶺組年代地層學(xué)的研究始于20世紀(jì)60年代。早期研究者們給出的該組測(cè)年結(jié)果(1000～1200Ma)主要是通過(guò)K-Ar和40Ar-39Ar法測(cè)量灰?guī)r中自生海綠石得到的(中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所絕對(duì)年齡實(shí)驗(yàn)室, 1965; LIGKIGAS, 1977; 王曰倫等, 1980; 于榮炳和張學(xué)祺, 1984; 李明榮等, 1996)(表3)。

作為對(duì)Columbia超大陸裂解的響應(yīng)，華北克拉通、尤其是其北緣自中元古代初期開(kāi)始出現(xiàn)一系列裂陷槽盆地(翟明國(guó)和彭澎, 2007; Luetal., 2008; 翟明國(guó)等, 2014; Zhaietal., 2015; 陸松年等, 2016)，這使得該地區(qū)中元古界下部長(zhǎng)城群的火山活動(dòng)記錄相對(duì)上部更加明確(陳晉鑣等, 1980)，因而在華北北緣長(zhǎng)城群的各組中，研究者也已率先獲得了較多的鋯石U-Pb年齡支撐(陸松年和李惠民, 1991; 李懷坤等, 1995; Luetal., 2008; Lietal., 2013; 張拴宏等, 2013)。然而并非所有層位均發(fā)育適合鋯石測(cè)年的火山巖，研究者開(kāi)始尋找火山成因的沉積夾層，以期獲得新的突破。

一般認(rèn)為，鉀質(zhì)斑脫巖(K-bentonite)是中酸性火山噴發(fā)所產(chǎn)生的火山灰經(jīng)過(guò)沉降、水解和成巖作用，形成的粘土巖沉積夾層(Huffetal., 1992)。由于主要來(lái)自爆發(fā)式的火山成因背景，鉀質(zhì)斑脫巖具有天然的等時(shí)性和空間廣泛分布等優(yōu)勢(shì)(Huffetal., 1992; Kolataetal., 1996; Calargeetal., 2003; 蘇文博等, 2006; 周明忠等, 2007; Huff, 2008, 2016; Suetal., 2010)，這使其在前寒武紀(jì)研究、特別是針對(duì)缺乏顯生宙那樣實(shí)體化石約束的前寒武紀(jì)“啞地層”的年代框架的修正和完善工作中，可以發(fā)揮越來(lái)越重要的作用(陳曉雨, 2005; 楊紅梅, 2006; 高林志等, 2007; Gaoetal., 2008; Suetal., 2008; 王澤九, 2010)。正是基于華北中元古界上部的下馬嶺組三段所發(fā)現(xiàn)的鉀質(zhì)斑脫巖(陳曉雨, 2005; 楊紅梅, 2006)，研究者獲得其鋯石SHRIMP U-Pb年齡為～1380Ma(高林志等, 2007; Gaoetal., 2008; Suetal., 2008)，由此將下伏鐵嶺組的上限推定為1400Ma。稍后，筆者等在河北平泉?jiǎng)⒓覝掀拭骅F嶺組二段近底部發(fā)現(xiàn)鉀質(zhì)斑脫巖夾層，并獲得其巖漿型鋯石的SHRIMP U-Pb年齡為1437±21Ma，從而首次直接標(biāo)定了鐵嶺組的形成時(shí)代(Suetal., 2010)。而在薊縣剖面上，經(jīng)過(guò)近10年的不斷努力，筆者等終于在薊縣北西大喻山鐵嶺組二段底部以及附近的無(wú)名山北側(cè)霧迷山組四段底部均識(shí)別出質(zhì)地良好的鉀質(zhì)斑脫巖夾層，并分別獲得了1439±14Ma、1483±13Ma 和 1487±16Ma的鋯石SHRIMP U-Pb年齡(李懷坤等, 2014)。由此，薊縣剖面薊縣系上部、即華北克拉通中-新元古界上部碳酸鹽巖為主的代表性層段，也就第一次獲得了直接而精確的年代約束。顯然，大喻山剖面對(duì)于整個(gè)薊縣剖面而言，其重要性是不言而喻的。

本文對(duì)2件薊縣大五尖剖面鐵嶺組二段近底部的鉀質(zhì)斑脫巖樣品、1件原薊縣大喻山剖面(李懷坤等, 2014)的鉀質(zhì)斑脫巖樣品開(kāi)展了系統(tǒng)的鋯石LA-ICPMS U-Pb 同位素測(cè)年。研究表明，樣品鋯石具有典型的巖漿鋯石特征，所測(cè)得的鋯石結(jié)晶年齡可以代表其成巖年齡，并可限定其所在地層序列的形成時(shí)代。以上3件樣品分別獲得了1445±12Ma、1442±10Ma、1439±11Ma的精確年齡。這3個(gè)新測(cè)年結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)彼此是高度一致的，同時(shí)與筆者等早先在河北平泉?jiǎng)⒓覝掀拭?Suetal., 2010)和薊縣大喻山剖面(李懷坤等, 2014)的鐵嶺組二段鉀質(zhì)斑脫巖鋯石SHRIMP U-Pb測(cè)年結(jié)果(1437±21Ma、1439±14Ma)也均可對(duì)比。

與前人研究相一致的新測(cè)年，首先充分說(shuō)明了其高可信度。這既為鐵嶺組高精度年代約束提供了可靠的新依據(jù)，也再次肯定了之前筆者等提出的對(duì)華北克拉通北部鐵嶺組形成年齡的限定(～1440Ma)，同時(shí)也支持應(yīng)將該組由原對(duì)應(yīng)于國(guó)際地層委員會(huì)中元古代狹帶紀(jì)(Stenian Period，1200～1000Ma)劃歸為中元古代蓋層紀(jì)(Calymmian Period，1600～1400Ma)(Suetal., 2010; Lietal., 2013; 李懷坤等, 2014)的認(rèn)識(shí)。

其次，新的測(cè)年也表明，位于薊縣北東大五尖剖面的鐵嶺組與早先報(bào)道的薊縣北西大喻山剖面該組在層位上是完全一致的，并且也同樣獲得了精確可信的年代學(xué)約束，完全可以作為薊縣地區(qū)鐵嶺組新的研究剖面(關(guān)于大五尖剖面詳見(jiàn)下文)。這一進(jìn)展既為薊縣剖面及整個(gè)燕山地區(qū)鐵嶺組及年代地層格架厘定等增加了更多、更富有說(shuō)服力的年代學(xué)證據(jù)，同時(shí)也及時(shí)彌補(bǔ)了大喻山剖面被毀的缺憾，增強(qiáng)了薊縣剖面作為華北克拉通中-新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面的立典意義，進(jìn)一步地夯實(shí)了其科學(xué)性與代表性。

4.2 鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖源區(qū)的討論

關(guān)于鉀質(zhì)斑脫巖的源區(qū)實(shí)際包括了兩層含義：其一是指其所對(duì)應(yīng)的母巖巖漿來(lái)源，其二是指其對(duì)應(yīng)的火山噴發(fā)-巖漿活動(dòng)帶、即空間來(lái)源。對(duì)于前者，本文將結(jié)合鐵嶺組Hf同位素分析結(jié)果來(lái)加以討論；對(duì)于后者，限于本文的主要內(nèi)容和目前資料，這里僅做一個(gè)初步而粗略的探討。

研究表明，準(zhǔn)確的鋯石Hf同位素可作為巖漿源區(qū)判斷的重要依據(jù)(Patchettetal., 1982; Amelinetal., 1999; Griffinetal., 2000; 吳福元等, 2007)。一般來(lái)說(shuō)，Hf的模式年齡與形成年齡相近，表明巖漿源區(qū)為源自虧損地?；蛐律貧の镔|(zhì)；Hf模式年齡大于形成年齡，巖漿源區(qū)受地殼物質(zhì)混染或來(lái)自于富集型地幔(吳福元等, 2007)。原始地幔發(fā)生殼幔分異后，虧損地幔的εHf(t)值為正值，地殼的εHf(t)值為負(fù)值(Blichert-Toft and Albarède, 1997)。

當(dāng)前鐵嶺組新測(cè)年樣品的鋯石Lu-Hf同位素分析結(jié)果表明，其176Hf/177Hf=0.281703～0.281880，εHf(t)=-6.7～-0.2；其兩階段模式年齡變化范圍2200～2603Ma，年齡分布相對(duì)集中，高斯分布峰值約為2360Ma；在鋯石εHf(t)值-年齡比值圖(圖6)上，數(shù)據(jù)點(diǎn)也表現(xiàn)出明顯富集的特征。這些均表明，其巖漿源巖物質(zhì)主要來(lái)源于新太古代-古元古代早期地殼物質(zhì)部分熔融。

根據(jù)現(xiàn)有資料，在2500Ma前后，華北克拉通巖石圈地幔由太古宙的虧損狀態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)楦患偷蒯?任康緒等, 2006)，新太古代晚期至古元古代晚期，巖漿源區(qū)主要來(lái)自富集地幔的熔融(Wuetal., 2005a, b; Zhangetal., 2007; Yangetal., 2009; 翟明國(guó)等, 2014; 張健等, 2015)，古-中元古代的巖漿活動(dòng)主要為新太古代地殼物質(zhì)的循環(huán)和改造(任榮等, 2011; 陳岳龍等, 2012; Liuetal., 2014)。進(jìn)入中元古代薊縣群沉積時(shí)期，華北克拉通由裂陷槽背景盆地逐漸轉(zhuǎn)換為淺海相碳酸鹽盆地，且海侵范圍不斷擴(kuò)大，薊縣剖面所在的燕遼裂陷槽已相對(duì)穩(wěn)定，巖漿作用也明顯減弱(Luetal., 2008; Zhangetal., 2009; Mengetal., 2011; 喬秀夫和王彥斌, 2014; 陸松年等, 2016)。

顯然，根據(jù)鋯石Hf同位素分析所獲得的鐵嶺組二段近底部鉀質(zhì)斑脫巖的源巖特征，與目前有關(guān)該階段華北克拉通巖漿源區(qū)主要為地殼物質(zhì)循環(huán)改造的認(rèn)識(shí)是基本吻合的，但是其源巖產(chǎn)生的主要年代(峰值～2360Ma)，并非目前公認(rèn)的新太古代-古元古代階段華北克拉通巖漿活動(dòng)的兩個(gè)高峰期(～2500Ma及 ～1850Ma)。另一方面，雖然 ～2300Ma的巖漿活動(dòng)在華北克拉通中部及南北緣均有發(fā)育(耿元生等, 2006; 趙鳳清等, 2006; 第五春榮等, 2007; Dongetal., 2007; Wanetal., 2009; 黃道袤等, 2012; 包創(chuàng)等, 2013)，1440Ma前后的碎屑鋯石(陳岳龍等, 2012; Huetal., 2012; 王盟等, 2013)也頻見(jiàn)于華北克拉通不同時(shí)代地層中，但就整個(gè)華北克拉通本體而言，則普遍缺乏～1440Ma的巖漿侵入-噴發(fā)記錄。這使得鐵嶺組斑脫巖對(duì)應(yīng)火山-巖漿活動(dòng)帶的分析與探討，目前還存在著相當(dāng)大的不確定性。

如前所述，鉀質(zhì)斑脫巖往往來(lái)源于遠(yuǎn)離火山源頭的中酸性火山噴發(fā)所產(chǎn)生的火山灰降塵(Huffetal., 1992; Kolataetal., 1996; Calargeetal., 2003; 蘇文博等, 2006; 周明忠等, 2007; Huff, 2008, 2016; Suetal., 2010)，由此可以認(rèn)為，薊縣剖面及燕山地區(qū)鐵嶺組內(nèi)這些斑脫巖夾層，在很大程度上不大可能像該地區(qū)團(tuán)山子組-大紅峪組堿性火山巖那樣，來(lái)自于該組所沉積的燕山裂陷槽內(nèi)部。相反，它們很有可能來(lái)源于燕山裂陷槽之外，即華北克拉通其他區(qū)域的火山帶，甚至來(lái)自當(dāng)時(shí)與華北克拉通鄰近的古板塊及其邊緣的島弧巖漿帶。

如果說(shuō)產(chǎn)生該組斑脫巖的火山活動(dòng)來(lái)源于華北克拉通其他地區(qū)，那么目前來(lái)看，至少下面這兩方面信息是值得關(guān)注的：

首先，有學(xué)者(Heetal., 2009)在研究傳統(tǒng)的豫西南地區(qū)熊耳群火山巖過(guò)程中，曾在熊耳山地區(qū)熊耳群雞蛋坪組內(nèi)識(shí)別出少量1.45Ga左右的長(zhǎng)英質(zhì)巖漿記錄。從測(cè)年結(jié)果看，其與當(dāng)前鐵嶺組二段斑脫巖年齡是基本一致的，其位置則在華北克拉通南緣的熊耳裂陷槽內(nèi)。有趣的是，在該文這一樣品當(dāng)中，除去～1.45Ga巖漿鋯石群，同時(shí)還有少量2275～2352Ma的繼承鋯石(Heetal., 2009)，后者與當(dāng)前鐵嶺組斑脫巖Hf同位素所獲得的源巖峰值時(shí)代(～2360Ma)也非常接近。因此，不排除該地區(qū)在該時(shí)期曾發(fā)生較大規(guī)模的火山噴發(fā)，所產(chǎn)生的火山灰被季風(fēng)搬運(yùn)到華北北緣的燕山裂陷槽后，形成了當(dāng)前鐵嶺組二段近底部的這些斑脫巖夾層。當(dāng)然，要想真正驗(yàn)證這一推測(cè)，至少關(guān)于上述長(zhǎng)英質(zhì)巖漿記錄的性質(zhì)、組分、規(guī)模和區(qū)域分布等，都還有待更進(jìn)一步的研究；

其次，有學(xué)者(曾令君等, 2013)在位于華北克拉通南緣的河南盧氏潘河地區(qū)確認(rèn)了一組LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡為1469±8Ma的正長(zhǎng)巖巖脈，其巖石εHf(t)=-14.79～+8.16，Hf模式年齡為2.93～1.74Ga，指示其成巖物質(zhì)主要來(lái)源于富集巖石圈地幔的部分熔融并有地殼物質(zhì)的加入。雖然其Hf同位素揭示的源巖信息與本文鐵嶺組斑脫巖鋯石比較接近，但必須看到，這些巖脈規(guī)模非常有限、且侵位時(shí)代也較早，因此無(wú)論是推測(cè)它們屬于當(dāng)前鐵嶺組斑脫巖的源區(qū)所在，抑或僅推測(cè)與之相關(guān)，都還需要更多工作來(lái)加以驗(yàn)證。

然而，上述兩處巖漿活動(dòng)可能都無(wú)法圓滿解釋這一現(xiàn)象：為何在華北克拉通整體缺乏 ～1440Ma巖漿侵入-噴發(fā)記錄的同時(shí)，卻可以在華北不同地點(diǎn)的不同地層中頻頻見(jiàn)到這一年齡(但不一定同源)的碎屑鋯石(陳岳龍等, 2012; Huetal., 2012; 王盟等, 2013)？須知，僅僅依靠那么一點(diǎn)鐵嶺組斑脫巖夾層、以及上述有可能與之對(duì)應(yīng)的豫西南地區(qū)那么一點(diǎn)火山巖-侵入巖，是絕對(duì)無(wú)法讓整個(gè)華北克拉通后來(lái)的地層里幾乎都可以出現(xiàn)～1440Ma的碎屑鋯石的。相反，如果考慮鐵嶺組斑脫巖并非來(lái)自華北克拉通本身，而可能來(lái)自當(dāng)時(shí)其附近的某個(gè)地塊-克拉通板塊，包括附近曾經(jīng)存在過(guò)、但后期已被剝蝕了的島弧巖漿帶時(shí)，上述現(xiàn)象也許可以得到更為合理的解釋。

最近有中國(guó)學(xué)者(Yuanetal., 2019)提出，在亞洲中部造山帶南部(即塔里木-華北北緣)存在一條殘余的 1.45～1.36Ga的巖漿巖帶。其包括多個(gè)I型和A型花崗巖體，代表了從擠壓到拉張背景的連續(xù)變化。其中不乏與當(dāng)前鐵嶺組斑脫巖形成年代基本一致、形成于擠壓背景下的I型花崗巖體，被認(rèn)為屬于該時(shí)期主動(dòng)大陸邊緣的巖漿弧，并處于Nuna(Columbia)超大陸的邊緣。顯然，這一巖漿弧的存在，從空間上和時(shí)間上，為本文鐵嶺組斑脫巖及華北克拉通多個(gè)層位出現(xiàn)的～1440Ma碎屑鋯石，提供了一處可能的、緊鄰華北克拉通北緣的物源區(qū)。

值得注意的是，歐美學(xué)者曾提出，大約在1.45～1.35Ga期間，在勞倫古陸西南部存在一次特征尚不甚明確的造山事件(Nymanetal., 1994; Karlstrom and Humphreys, 1998; Williamsetal., 1999; Daniel and Pyle, 2006)，產(chǎn)生了相關(guān)的沉積及巖漿記錄。最近有學(xué)者(Doeetal., 2013)則認(rèn)為，這可能表明在此期間勞倫西南與澳大利亞?wèn)|部有著更為密切的關(guān)系。而一些學(xué)者(Karlstrometal., 2001)認(rèn)為，勞倫西南-東南緣曾經(jīng)存在過(guò)一個(gè)延續(xù)時(shí)限長(zhǎng)達(dá)1.0Ga(1.8～0.8Ga)匯聚型造山帶，其中包括了1.5～1.3Ga等四個(gè)階段。這個(gè)造山帶可與澳大利亞、波羅的等古陸周緣同時(shí)代造山帶相對(duì)比，表明這些古陸在此期間應(yīng)彼此相連，屬于同一個(gè)古陸群、即后來(lái)Rodinia的一部分。

近年來(lái)古地磁(Zhangetal., 2012)及大火成巖省LIP(Zhangetal., 2017)等方面的進(jìn)展表明，中元古代的華北克拉通與西伯利亞、勞倫、北澳大利亞及印度等克拉通板塊應(yīng)存在緊密的聯(lián)系。特別是基于燕遼地區(qū)1.33～1.30Ga基性巖墻群LIP與澳大利亞北部時(shí)代相同、巖性一致的Derim Derim-Galiwinku LIP，以及古元古代-中元古代階段燕遼地區(qū)與澳洲北部McArthur Basin 地層序列的相似性，最近張拴宏等學(xué)者(Zhangetal., 2017)明確提出，這兩個(gè)地區(qū)及所在克拉通實(shí)際上很可能在同一個(gè)LIP的影響范圍內(nèi)。

另一方面，筆者(蘇文博, 2016)曾指出，根據(jù)現(xiàn)有年代學(xué)研究(蘇文博等, 2012)等，華北克拉通南緣含有大型具刺疑源類Tappania-Shuiyousphaeridium-Valaria等真核生物組合(Xiaoetal., 1997; Yin, 1997)的層位——山西永濟(jì)北大尖組，其形成時(shí)代應(yīng)厘定為～1.65Ga。由于目前這一生物群在印度北部(～1.63Ga, Butterfield, 2015)、澳大利亞北部(～1.45Ga, Javauxetal., 2001)、西伯利亞(～1.1Ga, Nagovitsin, 2009)及勞倫西部(～1.5Ga, Adametal., 2014)等均有發(fā)現(xiàn)，這可能說(shuō)明，至少?gòu)摹?.65Ga開(kāi)始到稍后一個(gè)階段即中元古代早-中期，上述古陸彼此之間應(yīng)相距不遠(yuǎn)并有海域暢通(蘇文博, 2016)。

基于上述進(jìn)展和認(rèn)識(shí)，并考慮到鉀質(zhì)斑脫巖多來(lái)源于中酸性火山噴發(fā)、后者又多與島弧及板內(nèi)中酸性巖漿活動(dòng)相關(guān)，本文推測(cè)：目前來(lái)看，可能形成當(dāng)前鐵嶺組二段鉀質(zhì)斑脫巖的、非華北克拉通本體的火山源巖巖漿區(qū)，除了緊鄰華北克拉通北緣的亞洲造山帶南部 1.45～1.36Ga巖漿巖帶，還應(yīng)當(dāng)考慮來(lái)自北澳及勞倫古陸的同時(shí)代造山帶(但也不排除印度、西伯利亞等)，包括它們周緣或附近曾經(jīng)存在過(guò)的同時(shí)代的島弧巖漿帶。

顯然，關(guān)于鐵嶺組斑脫巖更具體而準(zhǔn)確的源區(qū)等信息，將是一個(gè)很有科學(xué)價(jià)值、并有待今后深入而系統(tǒng)工作的重要研究，它將有助于進(jìn)一步揭示中元古代階段華北克拉通大地構(gòu)造背景、及其與Columbia-Rodinia超大陸演化之間的內(nèi)在關(guān)系。

4.3 薊縣大五尖剖面的推介

前已述及，此前筆者等(李懷坤等, 2014)在薊縣大喻山剖面獲得并報(bào)道了鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖鋯石的精確測(cè)年結(jié)果，但是由于近年來(lái)的市政公路建設(shè)，剖面露頭遭受?chē)?yán)重破壞。這使得未來(lái)圍繞薊縣剖面鐵嶺組的其他相關(guān)研究無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，并會(huì)在相當(dāng)程度上影響薊縣剖面作為華北中-新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面的科學(xué)性和代表性。

顯然，本文新發(fā)現(xiàn)并獲得其鉀質(zhì)斑脫巖鋯石新測(cè)年齡的大五尖鐵嶺組剖面，可以作為一個(gè)新的替代剖面，適時(shí)彌補(bǔ)上述缺憾。概括而言，新剖面具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：

(1)本文研究表明，新發(fā)現(xiàn)的薊縣大五尖剖面的鐵嶺組同樣具備精確和可信的地質(zhì)年代學(xué)約束。其測(cè)年結(jié)果與早先報(bào)道的薊縣北西大喻山剖面以及河北平泉?jiǎng)⒓覝掀拭骅F嶺組斑脫巖鋯石測(cè)年在誤差范圍內(nèi)完全可比，均為～1440Ma。這充分說(shuō)明了其科學(xué)性和代表性；

(2)大五尖剖面位于府君山東北坡的大型灰?guī)r采石場(chǎng)，露頭良好。前已述及，由于該采石場(chǎng)主要采集鐵嶺組二段灰?guī)r，因此其實(shí)際露頭的主體沿北西-南東的地層走向橫向展布，其東西方向最寬處接近1500m，南北方向也接近500m，露頭資源相當(dāng)充裕(實(shí)際上，在該采石場(chǎng)最東端邊緣，也有一條近南北向、沿原采石場(chǎng)便道展布、層序比較連續(xù)、露頭新鮮的鐵嶺組剖面可供觀測(cè))。需要補(bǔ)充的是，除鐵嶺組外，沿剖面A(參見(jiàn)圖2)自北向南還依次出露有下馬嶺組、長(zhǎng)龍山組、景兒峪組等。由于早先的河谷沖蝕作用以及近年來(lái)“村村通”公路修筑等，這段剖面露頭良好而連續(xù)，上述各組間界線也非常明顯，相信該剖面在未來(lái)將會(huì)有很大的研究潛力；

(3)大五尖剖面采石場(chǎng)周邊交通便利。其東南和西北方向皆有新修建的可以連接薊縣市區(qū)環(huán)路的鄉(xiāng)村公路，可以很方便快捷地到達(dá)。同時(shí)，不像津(天津)-圍(圍場(chǎng))公路那樣處于交通要道，當(dāng)前鄉(xiāng)村公路車(chē)輛稀少，具有更為穩(wěn)妥安全的觀測(cè)空間；

(4)大五尖剖面地處府君山北坡，屬于薊縣北郊農(nóng)村及薊縣剖面核心區(qū)，遠(yuǎn)離城區(qū)、特別是其規(guī)劃的開(kāi)發(fā)區(qū)，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有望不會(huì)遭受城市未來(lái)建設(shè)的影響和破壞。特別是根據(jù)最新的環(huán)保要求，這個(gè)采石場(chǎng)目前已經(jīng)封礦，今后將不再進(jìn)行更大規(guī)模的開(kāi)采，適合持續(xù)的科研觀測(cè)及相關(guān)研究。因此，該剖面將為后續(xù)圍繞薊縣剖面及華北克拉通鐵嶺組等層位開(kāi)展相關(guān)工作，提供一個(gè)良好的、可供長(zhǎng)期觀測(cè)研究的剖面和平臺(tái)。

5 結(jié)論

(1)在薊縣府君山東北坡采石場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了新的大五尖鐵嶺組剖面，并在該組二段近底部再次確認(rèn)多層鉀質(zhì)斑脫巖，分別獲得了1445±12Ma和1442±10Ma的U-Pb年齡。同時(shí)對(duì)采自原大喻山剖面鐵嶺組二段的鉀質(zhì)斑脫巖樣品也開(kāi)展了LA-ICPMS鋯石測(cè)年，其U-Pb年齡為1439±11Ma。這三者在誤差范圍內(nèi)基本一致；

(2)大五尖剖面及原大喻山剖面鐵嶺組二段近底部鉀質(zhì)斑脫巖的LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡，與早先在河北平泉?jiǎng)⒓覝掀拭婕八E縣城北西大喻山剖面鐵嶺組二段近底部鉀質(zhì)斑脫巖夾層所獲SHRIMP 鋯石U-Pb年齡，也是完全可比的。這一新的結(jié)果再次確認(rèn)了薊縣剖面及華北北緣鐵嶺組年齡應(yīng)為～1440Ma，也進(jìn)一步表明了目前有關(guān)鐵嶺組鉀質(zhì)斑脫巖測(cè)年結(jié)果的可信性和科學(xué)性；

(3)薊縣系鐵嶺組二段底部鉀質(zhì)斑脫巖中鋯石的Hf同位素εHf(t)=-6.7～-0.2，兩階段模式年齡變化范圍2200～2603Ma，高斯分布峰值為2360Ma，說(shuō)明巖漿源巖主要來(lái)源于新太古代-古元古代早期地殼物質(zhì)部分熔融。這是首次報(bào)道華北中元古界鉀質(zhì)斑脫巖夾層中鋯石Lu-Hf同位素研究結(jié)果，為繼續(xù)深入探討類似沉積的巖漿來(lái)源及其它相關(guān)研究提供了新思路；

(4)大五尖剖面位于府君山東北坡的一個(gè)大型采石場(chǎng)，其鐵嶺組露頭良好并具備精確年齡限定，遠(yuǎn)離薊縣城區(qū)、交通便利，特別是因環(huán)保因素，今后將不再進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)采，因此將會(huì)成為一條非常有利于長(zhǎng)期開(kāi)展研究工作的新剖面。

致謝 樣品粉碎和鋯石挑選由河北廊坊宇能公司幫助完成。鋯石制靶由北京凱德正公司完成，鋯石樣品透射光與反射光照相、陰極發(fā)光(CL)掃描電鏡照相在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心同位素實(shí)驗(yàn)室完成。衷心感謝王建華、葉青、許雅雯、郭虎、耿建珍、肖志斌、崔玉榮、章敬若、李曉雙、張師語(yǔ)、古麗米拉等在實(shí)驗(yàn)及成文過(guò)程中的大力支持和幫助。在論文評(píng)審過(guò)程中，趙太平研究員、張拴宏研究員、祝禧艷博士和梁新權(quán)博士等學(xué)者對(duì)本文的認(rèn)真審讀和中肯意見(jiàn)，以及期間與王世炎高工、趙太平研究員等學(xué)者的深入討論，極大地提高了論文的質(zhì)量和水平。