北山中部古硐井群物源區(qū)性質(zhì)與構(gòu)造意義*

霍寧 郭謙謙 陳藝超 宋東方

1.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049 2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室,北京 100029 3.中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029

增生造山作用是多種性質(zhì)的板塊邊緣沿一個或者多個大陸邊緣最終發(fā)生復(fù)雜相互作用的大地構(gòu)造過程的總和，增生型造山帶以各種不同性質(zhì)的巖石圈板塊及其邊界發(fā)生復(fù)雜相互作用為基本特征(肖文交等, 2019)。增生型造山帶具有和典型碰撞造山帶截然不同的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，最突出的特點是發(fā)育寬廣的增生楔(李繼亮，2004, 2009)，對其進(jìn)行詳細(xì)解析是探討造山帶形成過程和動力學(xué)機(jī)制的重要依據(jù)(Windleyetal., 1990, 2007;eng?retal.，1993；Xiaoetal., 2010, 2020)。

增生造山作用過程中發(fā)育了大量不同階段、不同類型的沉積盆地，如弧前(forearc)盆地、弧內(nèi)(intra-arc)盆地、弧間(interarc)盆地和弧后(backarc)盆地以及弧背(retroarc)前陸盆地，增生造山帶中上述沉積盆地可能同時或者相互穿時進(jìn)行過構(gòu)造、沉積、變質(zhì)以及巖漿活動(肖文交等, 2019)，這些板塊邊緣的動力學(xué)演化過程可以被盆地中的陸源碎屑巖保存下來(Dickinson and Suczek, 1979；李繼亮, 2004；閆臻等, 2018)。如Enkelmannetal.(2019)通過對阿拉斯加中南部 Cook Intel弧前盆地新生代沉積物的研究，識別出洋中脊俯沖及平板俯沖等地質(zhì)過程及其對弧前盆地物源的影響。因此增生造山帶中陸源碎屑巖沉積時代、物源區(qū)特征的研究可為解剖造山帶結(jié)構(gòu)甚至大陸地殼的形成和演化提供關(guān)鍵證據(jù)(Cawoodetal., 2012; Ingersoll, 2012)。

北山位于世界上規(guī)模最大的增生型造山帶——中亞造山帶的南緣，西鄰天山造山帶，東接興蒙造山帶，由多個微陸塊或弧地質(zhì)體在古生代碰撞拼貼而成 (圖1a；Xiaoetal., 2010)，是研究增生型造山帶的重要窗口。前人研究認(rèn)為，北山存在不同時期從塔里木克拉通裂解出來的微陸塊，如馬鬃山地塊、雙鷹山地塊等，并認(rèn)為該地區(qū)出露的大量古老變質(zhì)巖是該地區(qū)前寒武紀(jì)結(jié)晶基底存在的重要依據(jù)，而古硐井群則被視作前寒武紀(jì)結(jié)晶基底之上的穩(wěn)定沉積蓋層 (甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989; 左國朝等, 1990；左國朝和李茂松, 1996；龔全勝等, 2003；周海等，2018)。但是，最近一系列的研究結(jié)果并不支持北山存在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底這一認(rèn)識，如Songetal.(2013, 2014, 2016)的研究表明，北山地區(qū)大量的中高級變質(zhì)的片巖-片麻巖主要受新元古晚期至晚石炭世早期持續(xù)巖漿作用的影響而成，并非古老地塊的基底。由此可見，古硐井群的構(gòu)造環(huán)境對于認(rèn)識北山造山帶的結(jié)構(gòu)顯得極為關(guān)鍵。

本文以北山雙鷹山島弧中原來劃分為元古代的“古硐井群”陸源碎屑巖為研究對象，對其碎屑顆粒和重礦物進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)合碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)和Hf同位素特征，分析其物源區(qū)性質(zhì)、限定其沉積時限，進(jìn)而推斷其形成的構(gòu)造環(huán)境，為認(rèn)識北山造山帶早期增生構(gòu)造演化提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

北山位于中亞造山帶的南緣，西鄰天山造山帶，東接興蒙造山帶(圖1a)。北山造山帶構(gòu)造單元從北往南依次為雀兒山島弧、紅石山蛇綠混雜帶、黑鷹山島弧、旱山島弧、石板井-星星峽蛇綠混雜帶、馬鬃山島弧、洗腸井-紅柳河蛇綠混雜帶、雙鷹山島弧、花牛山島弧帶、柳園蛇綠混雜帶、石板山島弧(Xiaoetal., 2010; 圖1b)。本文研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于雙鷹山島弧、洗腸井-紅柳河蛇綠混雜帶和馬鬃山島弧的的相接部位(圖1b, c)。

前人研究認(rèn)為北山地區(qū)地層較為連續(xù)，從前寒武紀(jì)至中新生界均有出露。研究區(qū)主要出露有“新元古代”、寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、少量志留紀(jì)地層。其中“新元古代”地層主要出露于研究區(qū)中部和西北部，為一套變砂巖、石英巖、板巖、頁巖、大理巖、白云質(zhì)大理巖、硅質(zhì)巖、副片麻巖等(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989；左國朝和何國琦, 1990; 左國朝等, 1991; 甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，2001(1)甘肅省地質(zhì)調(diào)查院. 2001. 1:25萬馬鬃山幅地質(zhì)圖；聶鳳軍等, 2002)(圖1c)。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示不同時期對該套沉積巖的命名有所不同：趙慶林等(1958)根據(jù)區(qū)域?qū)Ρ?，最早將該套沉積巖劃為“震旦系”古硐井群；陸青與高振家等(1965，1966, 1967，1968)將其稱為前寒武系玉石山組(轉(zhuǎn)引自甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989)；隨后，由于疊層石的發(fā)現(xiàn)以及地層間角度不整合關(guān)系的確定，北山地區(qū)的“震旦系”被劃分為白湖群、平頭山群和大豁落山群；隨著越來越多疊層石的發(fā)現(xiàn)，該套變質(zhì)沉積巖被進(jìn)一步劃分為長城系“白湖群”、薊縣系“平頭山群”和青白口系“大豁落山群”(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989)?？傊?，雖然不同時期該套碎屑沉積巖的命名不盡相同，但長期以來學(xué)界一致認(rèn)為它是古元古代-新太古代結(jié)晶基底之上的穩(wěn)定沉積蓋層，形成時代為中新元古代(左國朝和李茂松，1996)。本文樣品采集位置如圖1c，為了避免引起歧義，下文統(tǒng)一以“古硐井群”來表示這套碎屑巖樣品所在的區(qū)域地層。

圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)圖

2 野外與巖相學(xué)特征

雙鷹山島弧帶古硐井群的巖性組合主要是大理巖、泥質(zhì)板巖、雜砂巖、中厚層灰?guī)r、薄層結(jié)晶灰?guī)r、變砂巖、千枚巖，在牛圈子南側(cè)古硐井群可見大量輝綠巖脈發(fā)育(圖2a-f)。古硐井群普遍遭受不同程度的變形，局部變形作用較強(qiáng)烈。本文在研究區(qū)中西部采集了大理巖、結(jié)晶灰?guī)r及砂巖樣品，并對其中的砂巖樣品進(jìn)行了重點研究，采樣點位見圖1c。

圖2 北山古硐井群野外露頭照片F(xiàn)ig.2 Photos of the outcrops of the Gudongjing Group in Beishan area

表1 雙鷹山地區(qū)樣品碎屑顆粒統(tǒng)計表

樣品17072508采自牛圈子西側(cè)約30km處點170725N5(41°31′52.43″N、 96°04′23.34″E)，是紅柳河與牛圈子之間的古硐井群砂巖(圖1c)，樣品風(fēng)化后呈灰白色，新鮮面呈青灰色，塊狀構(gòu)造，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，層理不明顯。巖石主要由巖石碎屑、礦物碎屑和填隙物組成(圖3a)，分選差。其中，礦物碎屑約占87%左右，以長石(43%)、石英(43%)為主，另外含少量黑云母，粒度0.1～0.6mm；巖屑以硅質(zhì)巖巖屑為主，含侵入巖、火山巖和變質(zhì)巖巖屑(表1)，呈棱角狀-次棱角狀，粒度0.1～0.8mm。填隙物以泥質(zhì)雜基為主，含量約為1%。

17072543-17072547等5件樣品采自牛圈子西南側(cè)25km處點170725N15(41°22′55.96″N、 96°06′50.39″E)。野外可見古硐井群的砂巖與千枚巖混雜堆積，砂巖呈楔狀、透鏡體狀產(chǎn)出于千枚巖中(圖2)。鏡下特征顯示，該點位樣品主要為巖屑質(zhì)長石砂巖和長石雜砂巖，塊狀構(gòu)造，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)。巖石主要由巖石碎屑、礦物巖屑，填隙物及膠結(jié)物組成。巖屑由硅質(zhì)巖、侵入巖、火山巖和變質(zhì)巖巖屑為主，含少量灰?guī)r巖屑，以硅質(zhì)巖屑為主(58%～70%)，火山巖巖屑可占巖屑總量的8%～13%，此外，還可見較多的變質(zhì)沉積巖巖屑。巖屑整體上呈棱角狀-次棱角狀，粒度0.1～2mm，分選差。礦物碎屑以石英、長石、白云母、黑云母為主，粒度0.05～0.6mm，含量85%左右。其中長石占巖石總量的15%～27%，石英占42%～58%。填隙物以泥質(zhì)雜基為主，含量4%～18%，膠結(jié)物含量約3%～7%。整體上來說，沉積顆粒長軸方向具有明顯的定向性(圖3b-f)。

樣品17072606-17072610采自位于牛圈子南側(cè)8km處點170726N3(41°27′37.27″N、96°37′40.63″E)，該點可見古硐井群的中厚層砂巖中被輝綠巖巖脈侵入，露頭風(fēng)化嚴(yán)重(圖1c、圖2f)。樣品為長石質(zhì)巖屑砂巖，塊狀構(gòu)造，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)。巖石主要由巖屑、礦物碎屑、膠結(jié)物及填隙物組成。巖屑主要由硅質(zhì)巖、侵入巖、火山巖、變質(zhì)巖和沉積巖巖屑組成，含少量灰?guī)r巖屑，呈棱角狀-次棱角狀，粒度0.2～1.2mm，分選差，含量約11%～21%。礦物碎屑以石英、長石為主，含少量黑云母，粒度0.1～0.9mm，其中長石占43%～55%，石英占23%～38%。膠結(jié)物含量約3%～7%，填隙物為泥質(zhì)雜基，含量約3%～8%(圖3g，h)。

圖3 北山古硐井群碎屑巖樣品鏡下特征

整體上，碎屑巖的骨架顆粒呈現(xiàn)棱角狀-次棱角狀，分選差，主要成分為巖屑、石英、長石、云母等，前者主要有硅質(zhì)巖碎屑、火山巖巖屑、變質(zhì)巖巖屑等，其中硅質(zhì)巖碎屑可占碎屑總量的6%～14%(表1)。

圖4 代表性鋯石 CL圖像實線圓圈為年齡測試點位置，虛線圓圈為Hf同位素測試點Fig.4 CL images of representative zirconsSolid circles denote U-Pb analysis spot and dashed circles denote Lu-Hf analysis spots

3 研究方法

本文對所采集的碎屑巖樣品進(jìn)行了全巖地球化學(xué)主微量元素分析、重礦物組合分析和碎屑顆粒統(tǒng)計，并選擇樣品17072508和17072536進(jìn)行了碎屑鋯石年代學(xué)和Hf同位素測試分析。

3.1 碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)和Hf同位素測試

將新鮮樣品粉碎后進(jìn)行重力分選和磁力分選，在顯微鏡下挑出透明干凈、晶型較好的鋯石，選好的鋯石顆粒固定在無色環(huán)氧樹脂上制成鋯石靶。鋯石的陰極發(fā)光圖(CL圖)在南京宏創(chuàng)勘察技術(shù)服務(wù)有限公司完成，隨后通過陰極發(fā)光圖來觀察鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造并選擇合適的測試點位，本文鋯石的代表性測試點位如圖4所示。

鋯石原位U-Pb同位素和Hf同位素測試在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院礦床成因與勘查技術(shù)研究中心(OEDC)礦物微區(qū)分析實驗室利用LA-MC-ICP-MS方法分析完成。該系統(tǒng)由Cetac Analyte HE激光剝蝕系統(tǒng)與ThermoFisher Neptune Plus MC-ICP-MS聯(lián)合組成。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補(bǔ)償氣以調(diào)節(jié)靈敏度，二者在進(jìn)入MC-ICP-MS之前通過一個T型接頭混合。

本文樣品的U-Pb同位素測試采用直徑為30μm的束斑，每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約20s的空白信號和40～50s的樣品信號。數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器ICPMSDataCal使用說明靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算)采用軟件ICPMSDataCal (Liuetal., 2008)完成。詳細(xì)的儀器操作條件和數(shù)據(jù)處理方法見寧思遠(yuǎn)等(2017)和汪方躍等(2017)。U-Pb同位素定年中采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500 作外標(biāo)進(jìn)行同位素分餾校正，每分析5 個樣品點，分析2 次91500。分析期間，用Plesovice鋯石作為質(zhì)量監(jiān)控樣。對于與分析時間有關(guān)的U-Th-Pb同位素比值漂移，利用91500 的變化采用線性內(nèi)插的方式進(jìn)行了校正(Liuetal., 2008)。鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500 的U-Th-Pb同位素比值推薦值據(jù)Wiedenbecketal.(1995)。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡權(quán)重平均計算均采用Isoplot/Ex_ver3 (Ludwig, 2003)完成。

Hf同位素測試采用直徑為40μm的束斑，每個分析數(shù)據(jù)包括15s的空白信號、30s的樣品信號(～200個數(shù)據(jù))以及10s的空白吹掃信號。對分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、同位素比值計算)采用LAZrnHf-Calculator@HFUT 按照Guetal.(2019) 所提出的校正模型完成。分析時，每分析10個樣品點，分析2個標(biāo)準(zhǔn)樣品(包括Penglai、Qinghu、91500、GJ-1、Plesovice)作為監(jiān)控樣品。同質(zhì)異位素干擾扣除以及儀器分餾校正方法見Guetal.(2019)。

3.2 主、微量元素含量分析

全巖主量元素分析儀器使用日本理學(xué)(Rigaku)生產(chǎn)的 ZSX Primus Ⅱ型波長色散X射線熒光光譜儀(XRF)，4.0kW端窗銠靶X射線光管，測試條件為電壓：50kV，電流：60mA，主量各元素分析譜線均為Kα，標(biāo)準(zhǔn)曲線使用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)巖石系列GBW07101-14建立。數(shù)據(jù)校正采用理論α系數(shù)法，測試相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)<2%。

全巖微量元素含量分析利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成。用于ICP-MS分析的樣品處理如下：(1)將200目樣品置于105℃烘箱中烘干12h； (2)準(zhǔn)確稱取粉末樣品50mg置于Teflon溶樣彈中；(3)先后依次緩慢加入1mL高純HNO3和1mL高純HF；(4)將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190℃烘箱中加熱24h以上；(5)待溶樣彈冷卻，開蓋后置于140℃電熱板上蒸干，然后加入1mL HNO3并再次蒸干；(6)加入1mL高純HNO3、1mL MQ水和1mL內(nèi)標(biāo)In(濃度為1×10-6)，再次將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190℃烘箱中加熱12h以上；(7)將溶液轉(zhuǎn)入聚乙烯料瓶中，并用2% HNO3稀釋至100g以備ICP-MS測試。本文樣品的全巖主量元素和微量元素分析在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。

圖5 雙鷹山地區(qū)碎屑鋯石U-Pb及Hf同位素測試結(jié)果

3.3 碎屑顆粒統(tǒng)計及重礦物分析

重礦物分析 首先將樣品進(jìn)行破碎，經(jīng)多次篩分、縮分、淘洗和重液分離、磁選、電磁選獲得重礦物；然后，在顯微鏡下進(jìn)行礦物鑒定并通過顆粒統(tǒng)計得出不同礦物所占重量百分含量。

碎屑顆粒統(tǒng)計 將碎屑巖樣品制成薄片后，在顯微鏡下用Grazzi-Dickinson柵格結(jié)點計數(shù)法統(tǒng)計其中的石英(Q)、長石(F)、巖屑(L)顆粒的數(shù)量，并區(qū)分不同類型的石英和巖屑；計算其相對含量并投圖，根據(jù)點的分布情況，區(qū)分出物源區(qū)是來源于穩(wěn)定陸塊、活動火山弧還是再旋回造山帶。每個樣品薄片鏡下統(tǒng)計顆粒數(shù)為500顆。

4 分析結(jié)果

4.1 鋯石年代學(xué)特征

樣品17072508鋯石主要為自形-半自形，呈柱狀或不規(guī)則狀，大多數(shù)顆粒直徑在100～120μm，少數(shù)顆粒直徑可達(dá)180μm；少數(shù)鋯石呈現(xiàn)環(huán)帶 (圖4a)。對該樣品進(jìn)行ICP-MS U-Pb同位素測試，117個測試點中獲得了104個協(xié)和年齡(表2)，范圍為443～2701Ma，其中最年輕的單顆粒鋯石年齡(YSG)為443.9±13Ma(1σ)。碎屑鋯石年齡絕大部分集中在443～550Ma(圖5a，c)，年齡峰值(YPP)470Ma。對34個年齡點進(jìn)行了Lu-Hf 同位素的測試(表3)。所有樣品碎屑鋯石的Th/U比值大部分介于0.4～1之間，極少部分小于0.1(圖5e)，顯示了鋯石具有以巖漿成因為主的特征。εHf(t)值分布范圍為-16.09～8.83(圖5f)。206Pb/238U年齡范圍在444～630Ma的鋯石對應(yīng)εHf(t)值均為正值。

樣品17072546鋯石主要為半自形，呈柱狀或次圓狀，大多數(shù)顆粒直徑在150～180μm，少數(shù)顆粒直徑可達(dá)220μm；可見少數(shù)鋯石發(fā)育環(huán)帶(圖4b)。對該樣品進(jìn)行U-Pb同位素的測試，118個測點中獲得了105個協(xié)和年齡(表2)。樣品年齡范圍較為分散，在539Ma至3336Ma均有分布，其中最年輕的單顆粒鋯石年齡(YSG)539.6±9Ma。碎屑鋯石年齡主要集中在三個年齡段：539～1339Ma、1339～2339Ma和2339～3336Ma(圖5b, d)，每個年齡段對應(yīng)的峰值年齡分別為943Ma、1698Ma和2524Ma。選取了23個年齡點進(jìn)行了Lu-Hf 同位素的測試(表3)。該樣品εHf(t)有效值分布范圍為-35.60～+18.20(圖5f)，14個測點具有正的εHf(t)值。206Pb/238U年齡范圍在539～1339Ma和2339～3336Ma的鋯石對應(yīng)的εHf(t)正負(fù)值均存在，而1672～2339Ma年齡范圍內(nèi)對應(yīng)的εHf(t)均為正值。

4.2 全巖主量元素

古硐井群碎屑巖的主量元素分析結(jié)果列于表4。樣品的SiO2含量較高(69.60%～80.05%)；Al2O3含量介于7.97%～13.77%之間，平均值10.01%。樣品Fe2O3T含量(2.03%～5.21%)和MgO含量(0.57%～2.64%)均較低。CaO含量變化較大，介于0.23%～3.11%之間，其中點位170726N3樣品的CaO含量(1.43%～3.11%)明顯高于其余兩個點位樣品。測試獲得的K2O+Na2O值范圍介于3.07%～5.21%之間，K2O/Na2O值介于0.79～2.01之間。古硐井群碎屑巖樣品以高硅高鋁富堿、低錳(MnO=0.01%～0.08%)為特征。

4.3 全巖稀土和微量元素

古硐井群碎屑巖樣品的稀土和微量元素分析結(jié)果列于表4。樣品的微量元素特征相對一致，總體虧損Sr、Cs等大離子親石元素，富集Zr、Nb、Ta等高場強(qiáng)元素(圖6a)。在大離子親石元素中，Rb、Sr相對Ba 更虧損：Ba的含量為367.0×10-6～1707×10-6，平均值為741.8×10-6；Rb的含量為55.0×10-6～149.0×10-6, 平均值為82.0×10-6；Sr的含量為43.5×10-6～194.0×10-6, 平均值為96.3×10-6。Zr相對其他高場強(qiáng)元素(如Th、Nb、Hf、Ta和U等)含量較高，其中Zr含量為138.0×10-6～505.0×10-6，平均值為266.3×10-6。

樣品的澳大利亞后太古代頁巖(PAAS)標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素圖解顯示(圖6b)，配分曲線整體趨勢平穩(wěn)；球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素圖解中，所有樣品均呈現(xiàn)出明顯的右傾型配分模式，輕稀土元素富集(La/Yb)N=7.06～17.68(平均值15.17)，重稀土元素平坦(Gd/Yb)N=1.80～2.51(平均值2.38)，且均具有明顯的Eu負(fù)異常(Eu/Eu*=0.27～0.37，平均值0.30)(圖6c)。

4.4 重礦物特征

本文樣品中共鑒定出24種重礦物，主要有鋯石、磷灰石、金紅石、白鈦石、尖晶石、褐鐵礦、銳鈦礦、磁鐵礦、輝石、石榴石、電氣石等，多為次棱角-次圓狀(圖7、表5)。所有樣品的褐鐵礦、鋯石、白鈦石、尖晶石含量普遍較高，角閃石、電氣石、輝石等礦物含量相對較低(圖7)。

表2 雙鷹山樣品碎屑鋯石測年數(shù)據(jù)

表3 雙鷹山地區(qū)碎屑鋯石Lu-Hf同位素分析結(jié)果

續(xù)表3

表4 雙鷹山地區(qū)樣品主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析結(jié)果

續(xù)表4

表6 不同計算方法下的最大沉積年齡(MDA)對比

三個點位的樣品均出現(xiàn)了尖晶石、輝石，其中研究區(qū)東部點170726N3的樣品中尖晶石和輝石的含量略高于另外兩個點位樣品。點170725N5中的樣品含有較多的獨居石、磷灰石和重晶石。相對于其他點位，點170725N6樣品中尖晶石、石榴石的含量很高，其中尖晶石可達(dá)重礦物總量的19%以上，石榴石含量最高者可達(dá)重礦物總量的41%。此外，本文碎屑巖樣品中均含有金紅石，其中樣品17072544 金紅石含量較少(1～50粒)。

5 討論

5.1 沉積時限

造山帶中的沉積巖在長期的俯沖、碰撞過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造肢解和混雜過程，多以整體混雜局部有序的構(gòu)造巖片呈現(xiàn)(肖文交等, 2019)，所以通過區(qū)域地層對比來確定沉積時代的方法在造山帶中并不適用(單文瑯和傅昭仁, 1987；Isozakietal., 1990; 馮慶來, 1993; 閆臻等, 2021)。沉積巖中含有大量的碎屑鋯石，鋯石因自身抗風(fēng)化能力強(qiáng)而能很好的保留源巖信息(吳元保和鄭永飛，2004)。隨著LA-ICP-MS微區(qū)分析技術(shù)的不斷成熟，用碎屑鋯石中最年輕的U-Pb年齡來限定地層的最大沉積年齡(Dickinson and Gehrels，2009；Tuckeretal.，2013；Couttsetal., 2019)已經(jīng)成為一種成熟可靠的研究方法，并且得到了廣泛的應(yīng)用(Brown and Gehrels, 2007；劉超等，2014)。據(jù)Dickinson and Gehrels(2009)和Tuckeretal.(2013)，最大沉積年齡(MDA)主要有以下4種類型：最年輕的單顆粒鋯石年齡 (YSG)、最年輕的圖解碎屑鋯石年齡峰值(YPP)、最年輕碎屑鋯石年齡的子集(YDZ)、YC1σ(2+)和YC2σ(3+)(在1σ和2σ范圍內(nèi)的最年輕鋯石的加權(quán)平均年齡，其中2+表示n≥2, 3+表示n≥3)。Couttsetal.(2019)通過模擬演算得出，YSG和YDZ年齡最接近沉積年齡。

圖6 雙鷹山地區(qū)樣品上地殼標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(a, 據(jù)Taylor and McLennan, 1985)、 PAAS標(biāo)準(zhǔn)化(b, 據(jù) Sun and McDonough, 1989) 及球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解(c，據(jù) Taylor and McLennan, 1985)稀土元素配分圖

圖7 雙鷹山地區(qū)樣品重礦物百分含量圖解Fig.7 Graphic diagrams of the mass percentage of heavy minerals in the samples from Shuangyingshan area

圖8 北山雙鷹山地區(qū)構(gòu)造單元時空關(guān)系柱狀圖(據(jù)Xiao et al., 2010修改)Fig.8 Space-time diagram demonstrating the spatial and tectonic relationships among the tectonostratigraphic units of the Shuangyingshan (modified fter Xiao et al., 2010)

本文通過對雙鷹山地區(qū)古硐井群的碎屑鋯石年代學(xué)測試，共獲得具有良好協(xié)和度的碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)共209個(表2)，計算獲得2個樣品的YSG、YDZ、YPP、YC1σ(2+)和YC2σ(3+)年齡(表6)。其中，樣品17072508的YSG為443.9±13Ma，YDZ為441.67+5.2/-3.5Ma，二者在誤差范圍內(nèi)一致；此外，該樣品的YPP年齡為470Ma，與YC1σ(2+)和YC2σ(3+)年齡(477.9Ma)相近。因此，取位于第一個峰值區(qū)間內(nèi)的YSG年齡443.9Ma作為該樣品所代表最大沉積時限是可信的(Dickinson and Gehrels, 2009)。樣品17072546最年輕的鋯石年齡(YSG)為539.6±9Ma，YDZ年齡541.25+19/-22Ma，YPP年齡550Ma，YC1σ(2+)和YC2σ(3+)年齡分別為611±71Ma和673±65Ma。上述兩個樣品的最年輕鋯石對應(yīng)的Th/U值都較高(0.83和1.01)，屬于巖漿成因鋯石。本文將兩個樣品所在地層的最大沉積年齡定為443.9±13Ma和539.6±9Ma。

由于未發(fā)現(xiàn)具年代學(xué)意義的生物化石，前人根據(jù)巖性特征劃分了古硐井群及其展布范圍(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989)。近年來，很多學(xué)者都對北山造山帶不同地區(qū)的古硐井群進(jìn)行了碎屑鋯石年齡研究。如Songetal.(2013)認(rèn)為牛圈子西南約15km處古硐井群云母石英片巖的最大沉積年齡為1220Ma，平頭山群中石英砂巖的最大沉積年齡為580Ma，盤陀山地區(qū)的古硐井群變石英砂巖最大沉積年齡為1190Ma； Aoetal.(2012)提出盤陀山地區(qū)的古硐井群變石英砂巖最大沉積年齡為1229Ma；余吉遠(yuǎn)等(2018)對黑山井南部古硐井群的石英巖進(jìn)行碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)測試，最年輕的碎屑鋯石年齡為1213Ma。宋東方(2013)在研究區(qū)中南部同屬于古硐井群的雙鷹山區(qū)域還發(fā)現(xiàn)有更為年輕(276Ma)的碎屑沉積巖年齡(圖1c、圖8)。由此，本文古硐井群兩個代表性樣品所獲得的年齡僅代表采樣點附近古硐井群的最大沉積時限。

圖9 北山古硐井群樣品碎屑顆粒統(tǒng)計(底圖據(jù)Dickinson et al., 1983)Q-石英(包括單晶石英和多晶石英)；F-長石；L-巖屑；Qm-單晶石英；Lt-巖屑總量(包括多晶石英)Fig.9 Q-F-L and Qm-F-Lt diagrams for discriminating the tectonic backgrounds of sandstones(base map after Dickinson et al., 1983)

5.2 物源區(qū)特征和構(gòu)造背景

碎屑巖的成分會受到風(fēng)化作用、搬運(yùn)機(jī)制、沉積環(huán)境和成巖作用等多種因素的影響，然而，物源區(qū)的物質(zhì)組成和構(gòu)造環(huán)境始終是最重要的控制因素。碎屑巖中的巖屑和礦物碎屑是物源區(qū)各類巖石經(jīng)機(jī)械破碎形成的顆粒，是判斷物源區(qū)性質(zhì)、巖石類型最直接有效的標(biāo)志。本文重點根據(jù)碎屑統(tǒng)計特征、重礦物組合特征，結(jié)合地球化學(xué)特征、同位素特征推測研究區(qū)古硐井群的物源區(qū)特征，進(jìn)一步推測形成的構(gòu)造環(huán)境。

樣品中巖屑以硅質(zhì)巖碎屑為主(平均值可達(dá)總量的10.4%)，火山巖碎屑次之(圖3c、f-h，表1)，說明其物源區(qū)存在大量硅質(zhì)巖和火山巖。此外，樣品中的特殊組分及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，如白云母的定向排列(圖3e)、具有軟沉積變形特征的巖屑(圖3h)等，表明該套沉積巖為構(gòu)造變動強(qiáng)烈地區(qū)近源快速堆積的產(chǎn)物。

前人根據(jù)砂巖碎屑成分統(tǒng)計建立的判別圖解至今仍然被廣泛應(yīng)用于物源區(qū)分析(Dickinson and Suczek 1979；Dickinson and Valloni 1980；Dickinsonetal., 1983)。在砂巖碎屑顆粒Q-F-L圖上(圖9a)，本文位于170725N15點位的樣品落在了造山帶物源區(qū)，其他兩個點位的樣品則落于切割弧區(qū)，在砂巖碎屑顆粒Qm-F-Lt圖上(圖9b)，170725N15點位樣品散落于混合源區(qū)和切割弧區(qū)，其余點位樣品落在了切割弧區(qū)與過渡弧區(qū)，大部分位于過渡弧區(qū)。這表明，古硐井群碎屑巖的物源區(qū)可能含有大量島弧相關(guān)巖石。

圖10 北山古硐井群樣品的A-CN-K圖解(據(jù)Nesbitt and Young, 1982)Fig.10 A-CN-K diagram for evaluating sandstones weathering process of the Beishan Godongjing Group (after Nesbitt and Young, 1982)

圖11 島弧造山帶中的沉積盆地(據(jù)李繼亮等，2013a修改)Fig.11 Sedimentary basins in the arc orogenic belt system (modified after Li et al., 2013a)

尖晶石、輝石主要產(chǎn)出于基性-超基性巖漿巖，石榴石和金紅石可用于指示物源中的高級變質(zhì)巖。本文樣品除中酸性巖漿巖常出現(xiàn)的鋯石、獨居石等重礦物，普遍存在尖晶石、石榴石和金紅石等重礦物(圖7)，說明其源區(qū)存在酸性、中性到基性-超基性各類巖漿巖、變質(zhì)巖。此外，主要來源于基性-超基性巖漿巖的不穩(wěn)定重礦物輝石是本套地層中的常見重礦物(圖7、圖9f)，表明該碎屑巖可能為近源沉積。由此，增生雜巖、洋殼物質(zhì)可能也是古硐井群碎屑巖的主要物源之一。

自從Nesbitt and Young(1982)提出利用化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)以及A-CN-K(Al2O3-(CaO+Na2O)-K2O)模型來判別砂巖的化學(xué)蝕變程度，借此反映物源區(qū)特征以來，該方法得到了廣泛的應(yīng)用。本文對所有樣品進(jìn)行了CIA指數(shù)及A-CN-K模型分析，可以看出，點位170725N5和170726N3的樣品投圖后大致平行于A-CN線，落在斜長石-伊利石風(fēng)化線附近，其CIA指數(shù)范圍為50～66(圖10)，指示其經(jīng)受了低到中等程度的風(fēng)化作用。

全巖微量元素分析表明，古硐井群碎屑巖虧損Sr、Cs等大離子親石元素，富集Zr、Nb、Ta等高場強(qiáng)元素。Zr的富集可能與樣品中含有較多的鋯石有關(guān)，而Nb、Ta的富集可能受金紅石、榍石的控制。REE、Cr、Co、Sc和Th等惰性元素在風(fēng)化搬運(yùn)過程中較為穩(wěn)定，Th和La在長英質(zhì)火山巖中的含量明顯高于基性火山巖，而Co，Sc和Cr則主要富集于基性火山巖，因此陸源碎屑巖的La/Sc、Th/Sc、La/Co、Th/Co、Th/Cr隨物源區(qū)成分變化較為明顯(Taylor and McLennan, 1985)。據(jù)Bhatia(1983，1985)物源區(qū)判斷方法，本文樣品的La/Sc、Th/Sc、La/Co、Th/Co和Th/Cr值較好地指向了長英質(zhì)物源區(qū)(表4)。

碎屑鋯石年齡頻譜是用于物源分析的重要手段。樣品17072508年齡高度集中于430～550Ma，呈現(xiàn)單一峰值的特點(圖5a，c)，表明物源區(qū)相對單一且?guī)r漿活動頻繁；對應(yīng)的鋯石εHf(t) 多呈現(xiàn)出正值，只有一個樣品峰值對應(yīng)的部分εHf(t)值小于零，表明其源區(qū)新生地殼的貢獻(xiàn)較多。樣品17072546的年齡頻譜主要集中在三個年齡段，三個年齡段中對應(yīng)的鋯石εHf(t)值正負(fù)均有，說明其源區(qū)形成既有老陸殼存在，也有新生地殼的貢獻(xiàn)。北山地區(qū)從中元古代至晚古生代末發(fā)生過多期特征、成因和構(gòu)造環(huán)境各不相同的構(gòu)造-巖漿事件(圖1c、圖8)，對應(yīng)年齡在兩件樣品的碎屑鋯石中均有所體現(xiàn)，如研究區(qū)北側(cè)馬鬃山區(qū)域花崗巖年齡360～435Ma(鄭榮國等，2012；李小菲，2013；Yuetal., 2016)，片麻巖年齡300～471Ma(宋東方，2013)，研究區(qū)中部屬于紅柳河-洗腸井混雜帶的蛇綠巖年齡報道有435Ma (Tianetal., 2014)、463Ma (任秉琛等，2001)、530Ma(胡新茁等，2015)。

綜上，本文的古硐井群碎屑巖樣品的物源分析顯示其具有明顯的島弧和洋殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)。定向排列的白云母、具有軟沉積變形特征的巖屑、重礦物輝石的出現(xiàn)以及碎屑巖的CIA指數(shù)均指向近源沉積。島弧附近的盆地，從弧后到弧前依次可以有弧后盆地、弧背前陸盆地、弧內(nèi)盆地、弧前盆地、增生楔楔頂盆地和弧前海溝盆地?；∏?、弧內(nèi)盆地的物源以島弧為主，弧后盆地在弧背前陸盆地不發(fā)育的時候也可以直接接收到島弧物質(zhì)的供給，增生楔楔頂盆地和海溝盆地在弧前盆地不發(fā)育的時候也有可能直接接收到島弧物質(zhì)的供給(圖11；李繼亮等，2013a，b)。因此，增生楔楔頂盆地既能夠承接來自島弧巖漿活動的貢獻(xiàn)(通過河流搬運(yùn)或火山灰直接沉降)，又能夠承接來自增生雜巖的近源物質(zhì)輸送，可以更好地解釋本套地層中同時出現(xiàn)的島弧式碎屑鋯石頻譜特征以及增生楔相關(guān)的巖屑、重礦物貢獻(xiàn)。因此，本文推測研究區(qū)古硐井群可能為在增生楔楔頂盆地內(nèi)的碎屑沉積。

5.3 大地構(gòu)造意義

北山古硐井群的構(gòu)造位置決定了其物源區(qū)特征和構(gòu)造演化的復(fù)雜性。從區(qū)域上來看，北山處于塔里木克拉通、華北克拉通和中亞造山帶的相接部位，且長期以來，有人認(rèn)為北山發(fā)育新元古代從塔里木克拉通裂解出來的微陸塊(左國朝等，1990，1991，2003)，而古硐井群被認(rèn)為是其變質(zhì)結(jié)晶基底之上的穩(wěn)定沉積蓋層(左國朝和李茂松，1996；周海等，2018)。然而本文兩個樣品均顯示了與塔里木克拉通明顯不同的碎屑鋯石頻譜特征(圖5g)：樣品17072508在443Ma具有極為突出的峰值，樣品17072546在943Ma有突出的峰值，在539Ma、621Ma有小峰值，且最大沉積年齡為539Ma；塔里木克拉通的碎屑巖樣品在819Ma具有突出的峰值，在741Ma和800Ma具有小峰值，且最大沉積年齡為741Ma。古硐井群碎屑巖與塔里木克拉通不同的年齡譜特征表明塔里木克拉通不太可能是北山地區(qū)碎屑巖的主要源區(qū)，這些沉積巖更不可能是塔里木克拉通裂解出來的微陸塊上的沉積蓋層。

物源區(qū)特征和構(gòu)造環(huán)境分析表明，古硐井群碎屑巖可能形成于增生楔楔頂盆地。在北山造山帶南緣識別出不早于晚奧陶世的增生楔楔頂盆地沉積組合，證明在此時間段時該地區(qū)的俯沖-增生體系已經(jīng)成熟。這為進(jìn)一步研究該地區(qū)俯沖起始時間、增生過程等重要構(gòu)造問題提供了關(guān)鍵依據(jù)。

6 結(jié)論

本文通過對北山造山帶雙鷹山島弧帶 “古硐井群”碎屑鋯石 U-Pb 年代學(xué)和原位 Hf 同位素分析，探討了其沉積時限和物源區(qū)，得出以下結(jié)論：

(1)該套碎屑巖最大沉積時限為晚奧陶世，具近源快速沉積的特點，物源區(qū)主要為長英質(zhì)，大量硅質(zhì)巖巖屑、尖晶石等重礦物指示了一部分弧前增生雜巖的貢獻(xiàn)，εHf(t)值亦指示物源區(qū)發(fā)育大量新生地殼。

(2)和塔里木克拉通碎屑鋯石年齡譜的對比表明，北山古硐井群具有與塔里木克拉通完全不同的頻譜特征，不能代表塔里木克拉通裂解出來的微陸塊上的沉積蓋層，古硐井群碎屑巖可能形成于增生楔楔頂盆地。本文的研究結(jié)果支持北山造山帶是古生代持續(xù)增生造山的產(chǎn)物這一認(rèn)識。

致謝侯泉林和閆全人教授對本論文給予了悉心指導(dǎo)并提出了啟發(fā)性意見；李舢和朱俊賓老師指導(dǎo)了野外工作；數(shù)據(jù)分析過程中張吉衡和孫金鳳老師提出了寶貴的建議；閆方超、吉琛、鄧?yán)?、劉祥林等同學(xué)在實驗中給予了幫助和支持；劉宏偉、劉鐵翊、郭東海、孫靜嫻等參與了本項目的野外工作；三位評審專家及本刊編輯對論文的修改提出了建設(shè)性意見；在此一并表示衷心的感謝！