太古宙的洋－陸與古地理問題*

翟明國(guó)

1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，陜西西安710069

2中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

3中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京100049

1 概述

為了祝賀西北大學(xué)建校120周年，北京校友會(huì)地質(zhì)分會(huì)決定在 《古地理學(xué)報(bào)》出版一個(gè)專輯，并給我命題作文 “太古宙的古地理問題”。這是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。因?yàn)榈厍蚴窍扔醒筮€是先有陸、什么時(shí)期起海水宏量存在、什么時(shí)候有露出海面的陸地、太古宙時(shí)期的洋陸狀態(tài)等等都還沒有定論。古地理學(xué)研究地質(zhì)歷史時(shí)期地球表面的自然地理，既描述地球過去的大陸輪廓、緯度、地形起伏、氣候、生物等，也對(duì)巖石圈、大氣圈、生物圈和水圈歷史面貌進(jìn)行綜合研究（圖1－a），涉及古生態(tài)、古環(huán)境、古氣候、古海洋以及古生物等方面，是一門綜合性的地球科學(xué)（王鴻禎，1985；崔克信，1986；馮增昭等，1988；馮增昭，2016；陳洪德等，2017）。古地理學(xué)是地質(zhì)學(xué)中與地理學(xué)結(jié)合最緊密的學(xué)科。除了地表環(huán)境的作用，如水、風(fēng)、光照、溫度等因素外，地質(zhì)作用是造成地質(zhì)歷史時(shí)期地理環(huán)境變換的根本原因（圖1－b），因此，古地理學(xué)的本質(zhì)是研究地質(zhì)時(shí)期自然環(huán)境的形成和發(fā)展演變的學(xué)科。主要研究?jī)?nèi)容有：重建古代地理環(huán)境面貌和古地理環(huán)境的演變，又可分為巖相古地理學(xué)和構(gòu)造古地理學(xué)（馮增昭，2003）。先秦的古詩(shī)文有 “高岸為谷，深谷為陵”，講到了地形起伏和大陸輪廓；東晉葛洪在 《神仙傳》中寫道：“東海三為桑田”，“天柱折，地傾東南”，講到了地理環(huán)境變化是有 “力”來推動(dòng)的，已經(jīng)暗含了巖相古地理學(xué)和構(gòu)造古地理學(xué)的雛形。而現(xiàn)代古地理學(xué)是地質(zhì)學(xué)的支柱性學(xué)科，其交叉性和互補(bǔ)性很強(qiáng)，是研究地表過程、深部過程、資源和環(huán)境的基礎(chǔ)。

圖1 地表與圈層的地貌變化的表層環(huán)境（a）和洋陸匯聚過程的地質(zhì)環(huán)境（b）（據(jù)Frisch et al.，2011；有修改）Fig.1 Geomorphic changes in the surface and deep layers（a）and geological setting of ocean-continent convergence（b）（modified from Frisch et al.，2011）

王成善等（2010）和何登發(fā)等（2020）強(qiáng)調(diào)在研究中的時(shí)間尺度（地質(zhì)時(shí)代）和動(dòng)態(tài)的應(yīng)力變化（包括內(nèi)、外動(dòng)力以至深部的力）的綜合結(jié)果。因此自然地理單元的演變就放在了區(qū)域構(gòu)造和大地構(gòu)造演變的框架內(nèi)?；顒?dòng)論構(gòu)造古地理思想是在地球系統(tǒng)科學(xué)的活動(dòng)論、演化論、階段論與轉(zhuǎn)換論觀念下的自然延伸。整體、動(dòng)態(tài)、綜合分析是活動(dòng)論構(gòu)造古地理研究的基本方法（Copeet al.，1992；Csontosa and V?r?s，2004；Davidson and North，2009；劉少峰和王成善，2016）。這種研究思想在中國(guó)的古地理研究中已經(jīng)有了很好的總結(jié)和實(shí)踐（孫樞，2005a，2005b；邵龍義等，2019）。

地球的演化歷史長(zhǎng)達(dá)4.6 Ga，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以往古地理學(xué)研究的時(shí)間尺度。地球是太陽系目前所知唯一有花崗巖陸殼的行星（白瑾等，1993；趙宗溥等，1993；Rudnick，1995；Taylor and McLennan，2009；Sleep，2015；Hawkesworthet al.，2020）。我們所知最早的陸殼巖石形成在～4.5－4.4 Ga之前（Wildeet al.，2001），它們目前只有推斷來自陸殼巖石的碎屑鋯石給予旁證。地球保留的陸殼巖石最古老的例子是來自加拿大奧卡斯塔的英云閃長(zhǎng)質(zhì)花崗巖，年齡大概在4.1－4.0 Ga（Harrisonet al.，2006；Harrison 2009）。在不少古陸塊（克拉通）中能夠見到的最古老的陸殼巖石是3.9－3.7 Ga（Nutmanet al.，1993，2007；Wanet al.，2005；O'Neilet al.，2007；Windley，2007），說明那個(gè)時(shí)期已經(jīng)有一定規(guī)模的陸殼，并且由于出現(xiàn)含條帶狀硅鐵建造和石英砂巖，還說明那時(shí)已經(jīng)有宏觀水的存在。此后陸殼發(fā)展到可能存在一個(gè)與現(xiàn)今大小近似的古老大陸（超級(jí)克拉通），時(shí)間大概在2.5 Ga，這就是太古宙和元古宙的界限。這篇文章

只能概括地介紹一下太古宙的大陸演化的概況，作為研究古老時(shí)期古地理的前期知識(shí)。

2 地球的圈層與陸殼

2.1 地球的陸殼

地球和其他類地行星一樣是具有圈層的。但是作為地殼層，各個(gè)行星有所不同。離地球最近的月球被認(rèn)為是一個(gè)與火星大小相似的星球曾與地球相撞，后來拋出的物質(zhì)在地球的軌道上反復(fù)積累增生，從 而 形 成 月 球（Hartmann，1975；Sheareret al.，2006）。月球可以分為年齡約為4.5 Ga的斜長(zhǎng)巖質(zhì)月陸，和～4.0－2.0 Ga的玄武巖質(zhì)的月洋，后者形成時(shí)代晚于月陸，是隕石撞擊形成的大的隕石坑，被撞擊后月幔部分熔融的巖漿形成了玄武巖海。早期的硅酸鹽巖漿洋模式（圖2）可以通過巖漿分異形成斜長(zhǎng)巖質(zhì)的月陸殼和超鎂鐵質(zhì)上地幔（O'Neill，1991；Woodet al.，2006）。

圖2 巖漿洋示意圖（a）和模式圖（b）Fig.2 Schematic diagram of magmatic ocean（a）and model（b）

然而這個(gè)模式對(duì)于地球并不適用。因?yàn)榈厍蛩钤绲年憵こ煞质歉哜c的花崗質(zhì)巖石（TTG）而不是斜長(zhǎng)巖質(zhì)巖石。目前根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)和計(jì)算模擬的結(jié)果，似乎最早形成的地殼是玄武質(zhì)才合理，這就造成理論和實(shí)際觀察之間的矛盾，即著名的先有洋殼還是先有陸殼的 “洋陸之爭(zhēng)”（翟明國(guó)，2012；沈其韓等，2016；趙國(guó)春和張國(guó)偉，2021）。

根據(jù)地球早期分異理論（Jordan，1975；Boydet al.，1985；Pollack，1986；Rudnick and Fountain，1995；King，2005），初始地殼（玄武巖殼）是原始地幔經(jīng)過高程度部分熔融形成的，其易熔組分（硅、鋁、鈣、鐵、全堿）噴出地表形成了地殼，而其難熔的橄欖巖部分就構(gòu)成了巖石圈地幔。因此，前寒武紀(jì)大陸克拉通型巖石圈地幔應(yīng)具有如下特征：①巖石圈年齡老、厚度大，通常大于200 km；②主要由難熔的金剛石－石榴石－尖晶石相方輝橄欖巖和貧單斜輝石的二輝橄欖巖組成，其中橄欖石具有高的鎂橄欖石分子，故巖石圈地幔（約3.0 g／cm3）相對(duì)于下伏軟流圈（約3.35 g／cm3）輕，這就是古老克拉通型巖石圈能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的根本原因；③地溫梯度低，即具有典型前寒武紀(jì)地盾區(qū)地溫曲線；④在地球物理特征上具有高的波速Vp；⑤在同位素組成上具有相對(duì)富集的Sr-Nd同位素組成（Pearson，1999；Pearsonet al.，2002）。前寒武紀(jì)大陸巖石圈地幔通常都遭受過多期不同來源熔體交代作用的影響，這就是其同位素組成相對(duì)富集的主要原因，地幔交代作用主要發(fā)生在80～100 km深度。相反，典型大洋巖石圈地幔則具有完全不同的地質(zhì)地球物理特征：①年齡新、厚度小，通常小于80 km；②主要由飽滿的尖晶石相二輝橄欖巖組成，其中橄欖石具有低的鎂橄欖石分子；③地溫梯度高；④在地球物理特征上具有低的波速Vp；⑤在同位素組成上具有虧損的Sr-Nd同位素組成。

然而令人困惑的是，地球上發(fā)現(xiàn)最早的巖石都是TTG片麻巖而不是玄武質(zhì)巖石，凡是認(rèn)為有古老的洋殼巖石的報(bào)道和研究，都被質(zhì)疑者提出了無法圓滿回答的難題。TTG是英云閃長(zhǎng)巖－奧長(zhǎng)花崗巖－花崗閃長(zhǎng)巖（Tonalite-Trondhejmite-Granodior-ite）這3種中酸性巖英文名字的首字母縮寫。TTG片麻巖組合是指主要由英云閃長(zhǎng)巖、奧長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖類巖石經(jīng)過變質(zhì)變形后形成的片麻巖。TTG主要以富鈉的斜長(zhǎng)石（鈉長(zhǎng)石／奧長(zhǎng)石）和石英組成，含有少量的角閃石、黑云母和鉀長(zhǎng)石等。其巖石化學(xué)特征是75wt%＞SiO2＞64wt%；CaO的含量變化較大（1.5～4.5）wt%；K2O／Na2O＜0.5；mg＃＜45（mg＃＝Mg2＋／（Mg2＋＋Fe2＋）×100）（Barker，1979）。進(jìn)一步區(qū)分時(shí)，可按照Al2O3的含量分為高鋁Al2O3（＞15wt%）和低鋁（＜15wt%）2種類型（Barker and Arth，1976）。TTG具有微量元素高的（La／Yb）N（＞15）、Sr／Y（＞20）值，高的Sr含量（＞300μg／g），低的重稀土含量（Yb＜2μg／g），Eu／Eu*、Sr／Sr*值無異?；蛘惓?，具有富集大離子親石元素（Rb、Ba、Sr）和虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素（如Nb、Ta、Ti）（Moyen and Martin，2012）。絕大多數(shù)太古宙的TTG片麻巖都具有正的εNd和εHf值（Kapyahoet al.，2006；Poucletet al.，2007；Liuet al.，2009；Guitreauet al.，2012）以及略高于地幔的δ18O同位素特征（Whalenet al.，2002；Binde-manet al.，2005）。這說明TTG片麻巖代表由地幔物質(zhì)再生長(zhǎng)出來的陸殼。因此，大陸地殼生長(zhǎng)問題在很大程度上也就是TTG片麻巖地體的成因問題。

對(duì)早前寒武紀(jì)TTG片麻巖（又稱灰色片麻巖）的研究有半個(gè)世紀(jì)的歷史。全球出露的太古宙克拉通主要由TTG組成（圖3），可以占到太古宙地殼體積的三分之二以上（Condie，1981；Jahn and Zhang，1984；Martin，1994；Windley，1995）。太古宙TTG片麻巖的成分不僅有一定的變化范圍（Moyen，2011），而且隨著時(shí)間的演化有一定的演變趨勢(shì)（Zhai，2014）。從太古宙早期到晚期，TTG片麻巖的SiO2含量有降低的趨勢(shì)，但CaO＋Na2O，MgO，mg＃，Sr，Ni，Cr和REE都有升高的特征，許多研究者都觀察到了這樣的演化 趨 勢(shì)（Smithies，2000；Martin and Moyen，2002；Condie，2005；Martinet al.，2005，2010；Foley，2008）。

圖3 地球大陸克拉通與造山帶分布圖（據(jù)翟明國(guó)等，2020；有修改）Fig.3 Distribution of cratones and orogenies（modified from Zhai et al.，2020）

2.2 陸殼的形成模式

實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)已經(jīng)證明TTG巖漿是不能直接從地幔中熔出，也很難從地幔熔出的科馬提巖漿或玄武巖漿中分異出這么大體積的TTG成分的巖石。地幔橄欖巖的部分熔融只能形成玄武巖或者玄武安山質(zhì)的巖石，即使是極低的部分熔融產(chǎn)生少量的長(zhǎng)英質(zhì)熔體，也很難獲得TTG一樣的微量元素特征（Jahn and Zhang，1984；Martin，1987）。因此唯一的可能是基性巖漿巖的二次熔融（Caroet al.，2003；Boyet and Carlson，2005；Kempet al.，2010）。這就必須假設(shè)地球是先存基性地殼，或者說是先有大洋，當(dāng)然最初是沒有水的 “干枯”大洋。這里放置的爭(zhēng)論就是地球至今沒有找到古老的大洋巖石，即使把存在爭(zhēng)議的Isua表殼巖視為洋殼，它的年齡也只有3.8 Ga（Windley，2007；Kuskyet al.，2013），遠(yuǎn)比最古老的TTG巖石年輕。

對(duì)太古宙TTG片麻巖的巖石成因提出了許多模式，歸納起來主要有3種：（1）富水玄武巖漿的分離結(jié)晶（Arthet al.，1978；Barker，1979）；（2）太古宙硬砂巖的部分熔融（Arth and Hanson，1975）；（3）玄武質(zhì)巖石在高壓條件下有石榴子石作為殘留相發(fā)生部分熔融（Drummond and Defant，1990；Rappet al.，1991；Wolf and Wyllie，1994；Xiong，2006；Nair and Chacko，2008）。玄武巖漿的分離結(jié)晶，不可能形成巨量的TTG片麻巖，也沒有發(fā)現(xiàn)存在的相對(duì)數(shù)量比例的、由同一巖漿分異形成的其他類型的巖石（如：閃長(zhǎng)質(zhì)的巖石）；而且，如果是簡(jiǎn)單的分離結(jié)晶的話，那么應(yīng)該會(huì)有比TTG片麻巖體積更大的超鎂鐵質(zhì)殘留相存在，這些都沒有被發(fā)現(xiàn)。再假設(shè)這些殘留相都以拆沉方式“沉入”地幔，但是地幔的演化曲線沒有顯示在地殼暴增階段的地幔突變現(xiàn)象。對(duì)于硬砂巖等的部分熔融模式，雖然TTG的氧同位素（Whalenet al.，2002；Bindemanet al.，2005）以及流體活潑元素（Kamberet al.，2002；Kleinhannset al.，2003）顯示出TTG有經(jīng)過低溫?zé)崴^程，但是僅僅是沉積物硬砂巖的部分熔融，很難產(chǎn)生TTG這么富鈉的巖石類型。因此玄武質(zhì)巖石在高壓條件下部分熔融形成TTG是目前較為廣泛接受的成因解釋，例如，先存洋殼最初向洋底高原的俯沖，可能是形成最初的陸核的機(jī)制（圖4），當(dāng)陸殼長(zhǎng)到足夠大、至少是微陸塊時(shí)，可能可以產(chǎn)生深達(dá)下地殼或殼－幔邊界的洋殼俯沖。

圖4 洋殼俯沖的TTG形成模式Fig.4 Model of TTG with oceanic crust subduction

2.3 高級(jí)區(qū)與綠巖帶

玄武質(zhì)巖石在高壓條件下部分熔融形成TTG巖石的假說仍存在很大困難。主要包括：在各個(gè)克拉通都未找見能與TTG年齡相當(dāng)或更古老的洋殼玄武巖、在TTG內(nèi)或附近未找見基性巖高壓下部分熔融的殘留、未見到與俯沖帶相關(guān)的高壓變質(zhì)巖石（藍(lán)片巖－榴輝巖相）、未見到與可能的俯沖帶相關(guān)的混雜巖和增生楔等（翟明國(guó)，2012）。一些研究者將太古宙時(shí)期的高級(jí)片麻巖區(qū)－綠巖帶視為古老的洋－陸格局（Kusky and Zhai，2012），那么綠巖帶就可以代表洋殼及其相關(guān)的巖石組合（圖5）。

圖5 高級(jí)區(qū)－綠巖帶出露模式（據(jù)翟明國(guó)，2012；有修改）Fig.5 Pattern of high-grade regions and greenstone belts（modified from Zhai，2012）

高級(jí)片麻巖區(qū)是前寒武紀(jì)早期地殼的重要單元，成穹隆狀，與綠巖－花崗巖帶（低級(jí)區(qū)）一起，組成了克拉通的基底。高級(jí)區(qū)以發(fā)育高級(jí)區(qū)域變質(zhì)巖石為特征，變質(zhì)級(jí)別以麻粒巖相為主，部分為高角閃巖相。主要巖石單元包括：（1）高級(jí)變質(zhì)表殼巖系，主要是基性－中酸性變質(zhì)火山巖，砂質(zhì)巖石、泥質(zhì)巖石和碳酸鹽巖石形成的片麻巖和大理巖，也包括一些高級(jí)變質(zhì)的輝長(zhǎng)巖－蘇長(zhǎng)巖巖床等；（2）變質(zhì)侵入巖，主要是中酸性長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖，典型組合是TTG 片麻巖，它們占高級(jí)區(qū)的～70%～80%，以及少量侵入其中的基性和超基性巖變質(zhì)形成的麻粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖、石英閃長(zhǎng)巖等（Windley，1995）。高級(jí)區(qū)的研究，是認(rèn)識(shí)早期陸殼形成機(jī)理與過程的鑰匙。過去30年來，其研究主要集中在對(duì)高級(jí)區(qū)形成構(gòu)造背景及其與綠巖帶的關(guān)系、高級(jí)區(qū)抬升出露機(jī)制、陸殼生長(zhǎng)模式以及高級(jí)區(qū)中TTG質(zhì)巖石和高級(jí)變質(zhì)表殼巖的成因等方面的研究。

綠巖帶由未變質(zhì)或淺變質(zhì)的火山－沉積巖系組成，它們常以向斜（形）出現(xiàn)在穹窿狀高級(jí)區(qū)的周邊。綠巖帶與高級(jí)區(qū)之間的關(guān)系經(jīng)常因強(qiáng)烈變形而難以確定，有些綠巖帶以高級(jí)區(qū)為基底，因此通常認(rèn)為綠巖帶不代表原始地殼，下面還應(yīng)有更古老的陸殼。綠巖帶的地層序列可以分3段，自下而上為：（1）超鎂鐵質(zhì)火山巖組合，底部為科馬提巖和玄武巖，頂部為雙峰式火山巖；（2）玄武巖－安山巖－流紋巖鈣堿性火山巖組合；（3）沉積巖組合，底部為雜砂巖－條帶狀石英（硅）鐵建造（BIF）－硅質(zhì)巖－少量火山巖，頂部為頁巖－碳酸鹽巖。典型代表有南非巴伯頓綠巖帶和津巴布韋綠巖帶（圖6），但二者BIF的發(fā)育程度不盡相同，前者BIF主要出現(xiàn)于綠巖帶層序的上部沉積巖系中，而后者BIF廣泛發(fā)育，既可出現(xiàn)在中下部火山巖系，也可發(fā)育于火山巖與沉積巖的過渡帶和沉積巖系中。由此可見，綠巖帶并不代表洋殼，和顯生宙的蛇綠巖套也沒有可比性。Zhai和Peng（2020）提出，太古宙特別是晚太古代，涉及到微陸塊拼合和綠巖帶俯沖，有微陸塊、綠巖帶和條帶狀鐵建造3種地質(zhì)體。微陸塊是由洋底高原通過其周緣的洋殼俯沖形成的，綠巖帶是微陸塊周圍邊緣海的沉積殼（洋殼），與大洋中脊洋殼的組成和結(jié)構(gòu)都不同。其上沉積的含條帶狀鐵礦的火山－沉積巖建造。由于條帶狀石英－鐵建造有較高的密度和負(fù)浮力，可以造成作為綠巖帶的洋殼下沉并俯沖到洋底高原和微陸塊之下的 “動(dòng)力”，經(jīng)歷低級(jí)和中級(jí)變質(zhì)作用，產(chǎn)生大規(guī)模的地殼部分熔融，進(jìn)而導(dǎo)致洋底高原演化為單個(gè)的微陸塊，以及單個(gè)微陸塊相互拼貼并焊接形成的超級(jí)克拉通或克拉通群。

圖6 南非巴伯頓綠巖帶地層綜合柱狀圖（據(jù)翟明國(guó)，2012；有修改）Fig.6 Comprehensive stratigraphic histogram of Barboton Greenstone Belt，South Africa（modified from Zhai，2012）

3 大陸生長(zhǎng)與太古宙末的穩(wěn)定大陸

3.1 陸殼多階段生長(zhǎng)

最早的基性地殼是如何形成的，是否有過全球性的基性地殼階段查無實(shí)據(jù)。通過探測(cè)木衛(wèi)一（Io）的資料表明，其表面存在十分活躍的火山活動(dòng)，甚至存在超基性巖漿活動(dòng)的跡象（McEwenet al.，1998；Williamset al.，2000），其地幔因強(qiáng)烈的潮汐加熱而發(fā)生了大規(guī)模熔融并可能形成了全球性的淺部 “巖漿洋”（Khuranaet al.，2011；Schein-berget al.，2018），這種吸積過程控制了類地天體內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的形成，形成了早期基性地殼（圖7），稱為熱管構(gòu)造（Moore and Webb，2013；Kan-kanamge and Moore，2016，2019；章清文和劉耘，2020）。基于熱管構(gòu)造的一個(gè)陸殼形成的新模型（Zhanget al.，2022），認(rèn)為長(zhǎng)英質(zhì)陸殼形成于一個(gè)冷的、巨厚的、全球范圍的、鎂鐵質(zhì)的前驅(qū)體，這可能是冥古宙或原太古代最早的TTG巖石或陸殼的成因。雖然宏觀水的存在，有利于TTG的熔出，但是什么時(shí)候有大量海水以及最初的陸殼什么時(shí)候出露海面，幾乎沒有證據(jù)（Dhuimeet al.，2015）。對(duì)于早期的地殼層認(rèn)識(shí)，大致限于停滯蓋層（如水星、金星、火星 和 月球等）（Baratouxet al.，2011；Sternet al.，2018；O′Neill and Zhang，2019）和活動(dòng)蓋層（如地球板塊構(gòu)造）兩類。滯蓋構(gòu)造理論模式則認(rèn)為（Piper，2013；Bèdard，2018），當(dāng)在地表堆積的表殼巖石有一定厚度時(shí)，可促成地幔循環(huán)冷卻并影響到上地幔，擾亂地球熱產(chǎn)生／消耗的平衡，最后引起地幔反轉(zhuǎn)，這個(gè)地幔熱異常的帶叫做地幔上涌反轉(zhuǎn)帶（overturn upwelling zones，OUZONES）。玄武巖、科馬提巖等表殼巖石都可能被帶到地幔深度，經(jīng)歷變化和發(fā)生拆沉，可以解釋TTG的形成和造成陸殼及大陸巖石圈地幔的局部與暫時(shí)的耦合。板塊構(gòu)造什么時(shí)候起作用是一直爭(zhēng)論的問題（Abbottet al.，1994；Anderson，2001；Condie and Kr?ner，2008；Yin，2012）。

圖7 假想的最初巖漿洋階段出現(xiàn)的基性地殼Fig.7 Mafic crust of the hypothetical initial magmatic ocean stage

陸殼的多階段生長(zhǎng)（Genget al.，2012；N?raaet al.，2012；Condie and Kr?ner，2013；Nanceet al.，2013），大致可以分為下面幾個(gè)階段：零星的TTG巖石、古陸核、微陸塊、大陸塊、超級(jí)克拉通，它們大致對(duì)應(yīng)的主要年代是：＞4.0 Ga；3.9－3.6 Ga；3.3－3.0 Ga；2.9－2.7 Ga；2.6－2.45 Ga（Wanet al.，2005；Zhai and Santosh，2011，2013；Zhai，2014），其中新太古代是陸殼的巨量生長(zhǎng)期。

除了上文對(duì)最早的TTG巖石和古陸核形成的假說外，對(duì)于微陸塊和大陸塊的生長(zhǎng)，構(gòu)造研究多認(rèn)為是圍繞陸核環(huán)狀增生的（Condie，1981，2005；Windley，1995），但增生機(jī)制的爭(zhēng)論很大，洋殼俯沖與地幔柱模式是主要的假說（Gerya and St?ckhert，2006；Zhaoet al.，2006；Smartet al.，2016；Greberet al.，2017），其他構(gòu)造，如重力沉降構(gòu)造（sagduction）也引起關(guān)注（Lin，2005；Linet al.，2013；魏春景，2018）。從TTG巖石形成開始起，殼幔的物質(zhì)循環(huán)以及早期TTG的重熔和交代作用就沒有停止過，表現(xiàn)為富鈉的片麻巖有鉀質(zhì)的交代以及局部變成富鉀的花崗巖質(zhì)巖石，它們的這種現(xiàn)象一般解釋為活化或混合巖化。每一個(gè)階段的陸殼增生事件，都有更多的鉀質(zhì)花崗巖的成分添加，它們的εNd和εHf值也由正值變?yōu)樨?fù)值，這說明了有早期的陸殼巖石參與到殼慢的物質(zhì)交換中。

3.2 板塊構(gòu)造的起始

地球是類地行星中唯一有板塊構(gòu)造的（Sleep，2000；Taylor and McLennan，2009；Hawkesworthet al.，2020）。板塊構(gòu)造何時(shí)啟動(dòng)，主要有以下幾種認(rèn)識(shí)。第1種觀點(diǎn)認(rèn)為從地球或陸殼形成起，即冥古宙，就存在板塊構(gòu)造。第2種觀點(diǎn)認(rèn)為板塊構(gòu)造始于太古宙的某一時(shí)間如3.8 Ga、3.3－3.0 Ga或2.9－2.7 Ga，對(duì)應(yīng)于陸殼多階段生長(zhǎng)；或者認(rèn)為起始于2.5 Ga（太古宙末期），對(duì)應(yīng)于全球克拉通化。第3種觀點(diǎn)認(rèn)為板塊構(gòu)造始于2.0－1.8 Ga（古元古代中期），對(duì)應(yīng)于古元古代全球大規(guī)模發(fā)育的造山系；或者起始于800－600 Ma的新元古代末期，對(duì)應(yīng)于全球新元古代以來大大小小的 “冷俯沖”造山帶。第4種觀點(diǎn)認(rèn)為板塊構(gòu)造并不是在地球的某一時(shí)刻突然啟動(dòng)的（突變論），也不是從弱到強(qiáng)逐漸演化形成的（均變論），而是隨著地球的降溫過程發(fā)生階段性地演化。具體可分為3個(gè)演化階段：初始板塊構(gòu)造（Ⅰ階 段，～2.7－2.5 Ga）、早期板塊構(gòu)造（Ⅱ階段，～2.0－1.9 Ga）和現(xiàn)代板塊構(gòu)造（Ⅲ階段，新元古代冰期之后）（Zhai and Peng，2020），這是受地球演化特別是巖石圈的階段性演化控制的。

回顧一下地球的構(gòu)造演化及其可能的板塊起始時(shí)間的爭(zhēng)論。（1）地球上很少有冥古宙的巖石記錄，在西澳Jack Hills一些太古宙沉積巖中的碎屑鋯石，得到了約4.4 Ga的U－Pb年齡。大陸地殼的標(biāo)志性巖石是花崗巖類，它也是鋯石最主要的寄主巖石。因此，Harrison（2009）結(jié)合鋯石年代學(xué)、Lu-Hf同位素和氧同位素組成特征，提出Jack Hills的冥古宙碎屑鋯石正是來自花崗巖，并認(rèn)為地球在冥古宙早期就已經(jīng)開啟了板塊構(gòu)造并形成了長(zhǎng)英質(zhì)大陸地殼。Yin（2012）論述了火星原始的板塊構(gòu)造，認(rèn)為它局部地區(qū)（約占總面積的25%范圍內(nèi)）發(fā)生了板片回捲（rollback），其原因是太陽系內(nèi)部的巨大撞擊造成厚層火山堆積物載荷，使得火星上主要走滑斷層以50 mm／Ma的速度移動(dòng)；但這并非全星球的構(gòu)造，因?yàn)槠溆嗟貐^(qū)保持了不動(dòng)或缺乏板塊構(gòu)造活動(dòng)，由此推測(cè)，地球早期或許發(fā)生了類似的演化過程。多數(shù)研究者把目光放在陸殼巖石大規(guī)模出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上。3.8 Ga左右的奧長(zhǎng)花崗巖－英云閃長(zhǎng)巖－花崗閃長(zhǎng)巖（TTG片麻巖）在全球幾個(gè)主要的克拉通都有保存（O'Neilet al.，2007；Windley，2007；Condie and Kr?ner，2008；Nanceet al.，2013；Geet al.，2018；Denget al.，2019）。特別是西格陵蘭的古老地盾區(qū)，還存在約3.8－3.7 Ga的條帶狀石英鐵建造（BIF）的沉積巖（Nutmanet al.，2007），至少表明該時(shí)期海水沉積、陸殼物質(zhì)的形成和洋殼物質(zhì)的循環(huán)已經(jīng)開始。很多研究者認(rèn)為此時(shí)板塊構(gòu)造已經(jīng)以某種形式開始作用，或者與地幔柱構(gòu)造、滯蓋／慢蓋構(gòu)造（stagnant lid／sluggish lid tectonic）等共同作用。特殊礦物如南非金剛石的辨識(shí)（Smartet al.，2016）、3.5 Ga古老頁巖的代表性同位素（如C-N）或元素（如Ti）指標(biāo)（Greberet al.，2017）等都指示在當(dāng)時(shí)已發(fā)生陸殼的下沉或存在大規(guī)模陸殼。N?raa等（2012）分析了格林蘭島西南部基底巖石的鋯石Hf-O同位素組成，發(fā)現(xiàn)3.2 Ga之前，鋯石的εHf（t）值非常接近球粒隕石，而從3.2 Ga開始，鋯石εHf（t）值開始強(qiáng)烈偏離并表現(xiàn)為顯著的負(fù)漂。因此，他們推測(cè)地殼再循環(huán)起始于約3.2 Ga。

3.0－2.5 Ga特別是2.7－2.5 Ga時(shí)期，是陸殼增生速度最快和體積增加最多的時(shí)段（Zhai and Satosh，2011；Genget al.，2012；Condie and Kr?ner，2013；Wanet al.，2014a；Zhai，2014）。Dhuime等（2015）通過分析火成巖Sr-Nd同位素大數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)約3.0 Ga前，地殼成分為鎂鐵質(zhì)，3.0 Ga之后，長(zhǎng)英質(zhì)地殼逐漸形成，一些研究者以此作為俯沖構(gòu)造作用開始的依據(jù)。Tang等（2016）根據(jù)太古宙和后太古宙細(xì)粒沉積物Ni／Co值、Cr／Zn值的變化受控于陸殼從3.0 Ga前的鎂鐵質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)?.5 Ga的長(zhǎng)英質(zhì)，推測(cè)全球板塊構(gòu)造應(yīng)在3.0 Ga啟動(dòng)。李三忠等（2015）以同時(shí)滿足剛性巖石圈出現(xiàn)、不對(duì)稱地幔對(duì)流與俯沖作用的出現(xiàn)為準(zhǔn)，認(rèn)為全球板塊構(gòu)造機(jī)制啟動(dòng)應(yīng)在27～25億年，完全意義上的現(xiàn)代板塊俯沖體制應(yīng)在19～10億年期間某個(gè)階段。2.5 Ga是地質(zhì)年代表中太古宙與元古宙的分界，本質(zhì)上以重大地質(zhì)事件的劃分為依據(jù)，這和顯生宙地質(zhì)時(shí)代的 “金釘子”界限的含義明顯不同。2.5 Ga前后的地球發(fā)生巨變，最重要的事情是大陸穩(wěn)定化即克拉通化，隨即進(jìn)入構(gòu)造靜寂期（tectonic quiescence／unconformity）。一些學(xué)者認(rèn)為2.5 Ga是板塊構(gòu)造最可能的啟動(dòng)時(shí)間（Zhao and Zhai，2013），或者代表了地球歷史上某個(gè)構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換的時(shí)期。Brown等（2020）認(rèn)為這個(gè)轉(zhuǎn)換期可能從新太古代延續(xù)到古元古代（約2.3 Ga），具體表現(xiàn)在早期以非板塊構(gòu)造的熱構(gòu)造體制為主，在大面積的陸殼形成和穩(wěn)定之后逐漸變涼，全球發(fā)育以狹窄邊界帶分離的多個(gè)板塊，從而啟動(dòng)了由地幔柱引發(fā)的大規(guī)模俯沖作用。古元古代帶的高壓麻粒巖－超高溫麻粒巖相變質(zhì)帶是討論板塊起始的主要科學(xué)問題，其變質(zhì)壓力指示表殼巖石從地表最深下沉到～45－50 km的下地殼或殼幔邊界，而后又抬升到上部地殼，但是它們的溫壓梯度顯著高于顯生宙碰撞造山帶，暗含的動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚有繼續(xù)研究的待解之謎。

3.3 克拉通化與太古宙／元古宙界限的內(nèi)涵

大陸演化歷史上一個(gè)非常重要的事件是克拉通化，即穩(wěn)定大陸的形成過程。雖然各個(gè)大陸的克拉通化時(shí)間有差別，但大都發(fā)生在新太古代末，這就是太古宙與元古宙分界的本質(zhì)?？梢哉f，克拉通化是地球演化歷史上最偉大的事件，甚至沒有 “之一”?！翱死ɑ睒?biāo)志著大部分地臺(tái)的基底內(nèi)部的最終形成期，即地臺(tái)體制的最終形成期。Nesbitt等（1982）把克拉通化解釋為導(dǎo)致硅鋁化地殼均一化、固結(jié)和加厚的過程，是一種把不成熟地殼變?yōu)槌墒斓貧さ倪^程。上述對(duì)克拉通和克拉通化的解釋都強(qiáng)調(diào)了地殼的形成、固化、分層及穩(wěn)定化。趙宗溥等（1993）進(jìn)一步明確了克拉通化過程中地殼發(fā)生的事情。他說，克拉通化包括由地幔派生的原地殼，發(fā)展為虧損最低熔組分而富難熔組分的麻粒巖相下地殼和富鉀及放射性元素的花崗質(zhì)上地殼的地質(zhì)過程。這個(gè)論述告訴我們，最早的陸殼是由地幔派生的原地殼發(fā)展來的，并分成了麻粒巖相下地殼和花崗巖上地殼，完成了物質(zhì)和結(jié)構(gòu)分層，在地球化學(xué)上它們分別虧損最低熔組分／富難熔組分，以及富鉀及放射性元素?？死ɑ牡刭|(zhì)過程包括變質(zhì)、深熔、殼－幔相互作用和構(gòu)造應(yīng)力的轉(zhuǎn)變等，內(nèi)涵十分豐富。Windley（1995）論述克拉通化時(shí)指出：在太古宙末期的一個(gè)特定時(shí)期，不存在造山帶活動(dòng)，但是特征地存在穩(wěn)定的和寬廣的大陸，有巖墻群侵入和地臺(tái)型、克拉通邊緣型或被動(dòng)陸緣型盆地沉積，代表大陸生長(zhǎng)速率和面積、浮力都達(dá)到峰期。翟明國(guó)（2006，2011）明確定義“克拉通化就是穩(wěn)定大陸形成的過程”，并總結(jié)了克拉通的3個(gè)地質(zhì)標(biāo)志：形成古陸接受地臺(tái)蓋層型沉積；出現(xiàn)廣泛的基性巖墻群；廣泛的基底活化和鉀質(zhì)花崗巖侵入。這些地質(zhì)標(biāo)志還有一個(gè)含義，就是克拉通化形成穩(wěn)定的大陸之后，地球的演化進(jìn)入長(zhǎng)達(dá)200－300 Ma之久的靜止期或間斷期（uncon-formity：Condie，2004；Condie and Kr?ner，2008），從熱體制和演化的角度告訴我們克拉通化有深厚的內(nèi)涵需要挖掘。它的內(nèi)涵是固體地球穩(wěn)定的圈層基本形成、地殼與地幔耦合并在地殼內(nèi)也出現(xiàn)了上下地殼的分層、固體圈層與大氣和水圈層基本耦合（翟明國(guó)，2011），代表一個(gè)時(shí)代的結(jié)束和另一個(gè)時(shí)代的開啟?？死ɑ录€被推測(cè)是超級(jí)克拉通或克拉通群的形成（Rogers and Santosh，2003），這約束的是超級(jí)克拉通大陸的規(guī)模。據(jù)研究新太古代末超級(jí)克拉通的規(guī)模與Pangea超大陸相當(dāng)（圖8）。當(dāng)然，超級(jí)克拉通與現(xiàn)在大陸仍有差別，由于當(dāng)時(shí)的地幔和地殼的地?zé)崽荻缺痊F(xiàn)代高，地殼或巖石圈的厚度比現(xiàn)代厚（Moyen and van，2012），它們?cè)诤髞淼难莼袝?huì)再進(jìn)一步調(diào)整。

圖8 ～2.5 Ga時(shí)期的新太古代末期超級(jí)克拉通（據(jù)Rogers and Santosh，2003；有修改）Fig.8 Super craton of the late Neoarchean in～2.5 Ga（modified from Rogers and Santosh，2003）

3.4 巖石圈演化關(guān)鍵期與地球環(huán)境

在大陸形成和演化中有2個(gè)關(guān)鍵期，即新太古代末—古元古代初和中元古代—新元古代早期，都表現(xiàn)地質(zhì)活動(dòng)的相對(duì) “靜寂”，期間殼幔進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到更加穩(wěn)固和平衡（翟明國(guó)，2019；翟明國(guó)等，2020，2021）。國(guó)外一些研究者也已經(jīng)關(guān)注到，如Brown等（2020）稱它們?yōu)閹r漿－構(gòu)造轉(zhuǎn)折期（HL）和超大陸支配期，Cawood（2020）稱它們?yōu)?個(gè)過渡期（transit periods）。

3.4.1 新太古代末—古元古代初的巖石圈關(guān)鍵期

大陸的主要生長(zhǎng)期在新太古代，幾乎大陸的一半或更多以上是在2.8－2.7 Ga之間形成，并在～2.5 Ga停止（Condie and Kr?ner，2008），這就是新太古代末—古元古代初的巖石圈關(guān)鍵期。這個(gè)時(shí)期綠巖帶的活動(dòng)也很活躍，有大量的科馬提巖噴出，其中玄武質(zhì)科馬提巖數(shù)量很多，也有相當(dāng)多的鈣堿性火山巖，不是典型的雙峰式建造，與古太古代的橄欖質(zhì)科馬提巖—重稀土虧損型（F1）英安巖雙峰式火山巖建造有很大差別。新太古代玄武質(zhì)科馬提巖指示地幔溫度仍較高，但比橄欖質(zhì)科馬提熔出的溫度略低，鈣堿性的中酸性火山巖表明源區(qū)地殼的深度不需要那么大、成分也不需要是鎂鐵質(zhì)，有明顯的陸殼物質(zhì)參與熔融，明確地展現(xiàn)了從鈉質(zhì)陸殼向鉀質(zhì)陸殼的演化趨勢(shì)。但是科馬提巖作為綠巖帶的主要火山巖類型，仍說明地幔巖漿的溫度達(dá)到 1500～1600℃，比現(xiàn)代高 150～250℃（Herzberget al.，2010）。早期的TTG巖石在新太古代演化中出現(xiàn)活化和部分熔融的現(xiàn)象，出現(xiàn)獨(dú)立的黑云母花崗巖巖席和巖體。Moyen和van（2012）從地?zé)崽荻瓤紤]認(rèn)為此時(shí)新太古代末巖石圈厚度和現(xiàn)代相比是巨大的。多數(shù)學(xué)者將此期的構(gòu)造機(jī)制解釋為地幔柱（如 Zhaoet al.，2006；Moyen and Laurent，2018）。從物質(zhì)成分來看，～2.5 Ga廣泛的基底重熔和鉀質(zhì)花崗巖（屬鈣堿性花崗巖系）侵入，形成全球的成熟化花崗質(zhì)上地殼（Genget al.，2012；Wanet al.，2014a；Liuet al.，2019a）。華北早期陸殼巖石主要由TTG巖石組成，它們?cè)诤笃谘莼谐霈F(xiàn)活化和部分熔融的現(xiàn)象，鉀長(zhǎng)石交代并形成不同類型混合巖的現(xiàn)象普遍存在，黑云母花崗巖成為標(biāo)志性巖石，有人用 “白（～2.7 Ga，TTG）紅（～2.5 Ga，鉀質(zhì)花崗巖）分明”描述這個(gè)變化（Jahn，1990）。華北克拉通南緣和東緣的研究表明（Shanet al.，2018；Zhouet al.，2018；Jiaet al.，2019），與2.7－2.8 Ga以及之前相比，～2.5 Ga的TTG片麻巖明顯減少，鉀質(zhì)花崗巖明顯增多，不僅侵入到高級(jí)區(qū)片麻巖中，也侵入到綠巖帶地層中，混合巖化強(qiáng)烈，偉晶巖和細(xì)晶巖脈與圍巖共同經(jīng)受韌性變形，形成穿透性片麻理和片理以及不同類型的褶皺構(gòu)造和穹隆構(gòu)造。

3.4.2 地球的靜寂期與大氧化事件

從全球構(gòu)造來看，2.5－2.30 Ga之間是一個(gè)靜寂期，即太古宙末超級(jí)克拉通形成之后，地球圈層間曾有一個(gè)短暫的平衡，沒有強(qiáng)烈的地質(zhì)記錄。此后，在超級(jí)克拉通上發(fā)生有全球規(guī)模的裂谷活動(dòng)即休倫裂谷。＞2.2 Ga的某個(gè)時(shí)候起，發(fā)生了氧的急劇升高，在2.2－1.9 Ga時(shí)達(dá)到與現(xiàn)代相近的富氧狀態(tài)。Liou和Gou（2019）統(tǒng)計(jì)的～24億年前的巖漿巖中Th／U值大幅降低可能是全球氧化事件的反映。大氣自由氧含量從之前的＜1%PAL增至＞15%PAL（PAL＝Present Atmosphere Level；Chen and Tang，2016；Karhu and Holland，1996），可見充氧量之大、速度之快是空前的。大氧化事件（Great Oxidation Event，簡(jiǎn)為GOE）的概念強(qiáng)調(diào)這次事件的重要性，即23億年左右大氣成分由缺氧變?yōu)楦谎?。水－氣系統(tǒng)充氧事件及相關(guān)變化表現(xiàn)出短時(shí)性、劇烈性和系統(tǒng)性，各大陸出現(xiàn)紅層、蒸發(fā)巖（石膏、硼酸鹽等）、磷塊巖、冰磧巖，特別是大量發(fā)育蘇必利爾湖型BIF鐵礦（Huston and Log-an，2004），以及含疊層石的厚層碳酸鹽和菱鎂礦（Tang and Chen，2013），有機(jī)碳大量堆埋并形成石墨礦床。沉積物出現(xiàn)Eu虧損，并形成稀土－Nb－鐵建造，碳酸鹽碳同位素普遍正向漂移，以及S、N、Mo等同位素顯著分餾（Schidlowski，1988）。毫無疑問，GOE是地球演化歷史上最重大的地質(zhì)事件之一，它是地球環(huán)境巨變的里程碑。關(guān)于GOE起因，有超級(jí)地幔柱－冰期活動(dòng)或超級(jí)大陸裂解以及隕石撞擊等認(rèn)識(shí)。大氧化事件在地球上有許多表現(xiàn)。主要有：（1）全球性的水體和大氣的氧逸度增高；（2）導(dǎo)致水圈中離子的價(jià)態(tài)、種類、活度的變化，也勢(shì)必引起沉積物類型與性質(zhì)的變化，如海水中二價(jià)鐵離子的價(jià)態(tài)改變，形成大量的條帶狀硅鐵建造沉積，以及沉積物中REE形式的改變等；（3）氧逸度的改變導(dǎo)致溫度的改變；（4）促進(jìn)生命的形成演化和生物圈的變化等。此外，還有一些問題需要繼續(xù)研究，如（1）同位素示蹤方法的研究和解析，特別是C，S，N，Mo，Cr，F(xiàn)e等（Anbaret al.，2007）；（2）各種環(huán)境變化指標(biāo)所揭示的不同現(xiàn)象出現(xiàn)的順序、條件及其內(nèi)在聯(lián)系或因果關(guān)系；（3）生命爆發(fā)與GOE之間的因果關(guān)系；（4）成礦大爆發(fā)與GOE之間的內(nèi)在聯(lián)系，特別是元素在GOE期間及其前后的地球化學(xué)行為、源運(yùn)儲(chǔ)條件的變化；（5）后期構(gòu)造熱事件中GOE現(xiàn)象的變化程度，受控于變質(zhì)地層的地質(zhì)地球化學(xué)特征對(duì)GOE的記憶能力等。這些事件都導(dǎo)致一些重要的成礦作用（Tang and Chen，2013）。

4 華北的基底與克拉通蓋層

華北克拉通的基底一般就是指古老的變質(zhì)巖，它們經(jīng)過強(qiáng)烈的地殼活化（花崗巖化）并被基性巖墻群侵入后趨于穩(wěn)定，形成結(jié)晶基底（趙宗溥等，1993）。而蓋層——我們?cè)诘貧ぱ莼慕嵌榷裕侵概c克拉通化事件相關(guān)的沉積巖系，它們蓋在經(jīng)過強(qiáng)烈變形和變質(zhì)的基底之上，標(biāo)志著克拉通化構(gòu)造旋回的結(jié)束。世界上大多數(shù)古陸在新太古代的克拉通化之后，帶著新太古代末的沉積蓋層并靜寂至今。而華北克拉通多災(zāi)多難，強(qiáng)烈疊加了古元古代變質(zhì)作用（滹沱運(yùn)動(dòng)或呂梁運(yùn)動(dòng)，翟明國(guó)和彭澎，2007），因而有研究者提出華北古元古代活化（趙宗溥等，1993）或2次克拉通化（翟明國(guó)，2011）。第1次克拉通化是新太古代末的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，然后被新太古代最晚期的沉積巖（青龍群等）覆蓋；第2次克拉通化是古元古代的變質(zhì)和巖漿活動(dòng)，之后覆蓋了長(zhǎng)城系為代表的未變質(zhì)的沉積巖系。它們?cè)趪?guó)際地層表中是古元古代末期地層，在中國(guó)地層表是中元古代地層。本文說的基底和蓋層是第1種情況，指新太古代末的巖石地層單元。

4.1 華北克拉通的基底

華北克拉通最早期的陸殼記錄是南緣的北秦嶺草灘溝奧陶紀(jì)火山巖中發(fā)現(xiàn)了被捕獲的冥古宙鋯石（王洪亮等，2007；Diwuet al.，2013）。鋯石核部年齡為40.8億年，邊部年齡37－38億年，Hf模式年齡44億年，表明鋯石的形成年齡是44億年，這些為理解早期陸殼形成提供了重要信息。鞍山地區(qū)發(fā)現(xiàn)有38億年古老的片麻巖（Liuet al.，1992），它們還經(jīng)歷了后期的活化和改造（Wuet al.，2008），33－31億年的改造是值得關(guān)注的。最近在冀東地區(qū)發(fā)現(xiàn)～3.8 Ga TTG巖石和冥古宙—始太古代最早期（4.02－3.9 Ga）碎屑鋯石（萬渝生等，2021a，2021b）。此外在華北南緣信陽附近的火山巖中發(fā)現(xiàn)酸性麻粒巖的包體，年齡為約36億年（Zhenget al.，2004），說明華北比較多的存在冥古宙－原太古代的陸殼巖石（Liouet al.，2022）。

雖然華北的2.9－2.7 Ga的巖石露頭有限，它們大多數(shù)都是TTG或花崗質(zhì)片麻巖，而且經(jīng)常表現(xiàn)為活化或混合巖化的巖石中的殘留（Zhuet al.，2013；Wanet al.，2014b；Jiaet al.，2019；Liuet al.，2019b；Liou and Guo，2019）。鑒于華北克拉通（包括朝鮮半島）的古老片麻巖中鋯石的Hf同位素模式年齡的峰值在～2.7 Ga，鞍山等地區(qū)的BIF及共生的表殼巖受到～2.5 Ga的變質(zhì)作用，并經(jīng)受了～2.5 Ga的花崗巖的侵入和切割（萬渝生等，2018），因此中國(guó)的BIF有多期，除～2.5 Ga的1期外，2.7 Ga也是重要的陸殼增生期和成礦期（Zhaiet al.，2020）。華北克拉通2.5 Ga的克拉通化事件非常典型，可以說是驚心動(dòng)魄，不少作者都有深刻描述（如沈其韓，1992；白瑾等，1993；趙宗溥 等，1993；錢祥麟 等，2005；Zhaoet al.，2005；Wanet al.，2011；Genget al.，2012；萬渝生等，2018）。華北克拉通化的地質(zhì)現(xiàn)象可以總結(jié)如下：（1）在～2.6－2.5 Ga期間華北發(fā)育多條含BIF的綠巖帶，它們圍繞6個(gè)微陸塊（高級(jí)區(qū)）分布；（2）有與綠巖帶同期的深成片麻巖形成，多為花崗質(zhì)，少量TTG質(zhì)，說明有陸殼和洋殼物質(zhì)的熔融；（3）所有的前寒武紀(jì)巖石包括新太古代的綠巖帶，都經(jīng)歷了～2.52－2.51 Ga的變質(zhì)作用；（4）大量的殼熔的花崗巖形成，它們廣泛侵入古老的巖石中，年齡與變質(zhì)時(shí)代相似；（5）基性巖墻群廣泛發(fā)育（大多數(shù)在后期的變形中成為石香腸或透鏡體群）；（6）蓋層沉積巖系形成。作者已將該期克拉通化的構(gòu)造體制解釋為微陸塊的拼合（翟明國(guó)，2011；Zhai，2014；Zhaiet al.，2020，2021），形成了統(tǒng)一的華北克拉通。

4.2 華北克拉通的蓋層

4.2.1 太古代末克拉通蓋層

克拉通化的標(biāo)志是基底固結(jié)后發(fā)育廣泛的沉積蓋層。由于華北克拉通在古元古代以及顯生宙都有強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，因此很難得到保存或識(shí)別。研究表明華北還局部保留淺變質(zhì)的～2.5 Ga的沉積蓋層，如在冀東出露的青龍群和在京北—冀北出露的部分原稱為單塔子—紅旗營(yíng)子群的低級(jí)變質(zhì)巖，可達(dá)綠片巖相－綠簾角閃巖相。它們的形成年代是2.51－2.49 Ga，晚于該區(qū)的新太古代末變質(zhì)作用（Lüet al.，2012；Geet al.，2015）。青龍群是一套沉積火山巖系，底部是一套微弱混合巖化的變沉積砂頁巖，經(jīng)斜長(zhǎng)角閃巖墻相隔后，是礫巖砂巖、雙峰式火山巖夾變泥質(zhì)巖互層，再向上是磁鐵石英巖、變質(zhì)砂頁巖（變粒巖），此后被長(zhǎng)城系不整合覆蓋?；鹕綆r包括低鉀高鈉拉斑玄武巖、英安巖或流紋巖。研究認(rèn)為青龍群形成于克拉通化后的陸內(nèi)裂谷。

4.2.2 古元古代沉積巖

全球的古元古代沉積巖發(fā)育于克拉通化之后的靜寂期，即成鐵紀(jì)和層侵紀(jì)，是與冰期和大氧化事件有關(guān)的全球裂谷事件（休倫裂谷）（Konhauseret al.，2009）。Chen和Tang（2016）總結(jié)了華北克拉通約2.3 Ga的環(huán)境突變事件，先后對(duì)華北南緣、遼吉、五臺(tái)、中條等地區(qū)進(jìn)行了沉積物稀土地球化學(xué)和元素地球化學(xué)研究，通過沉積物稀土地球化學(xué)氧化—還原模型以及軟硬酸堿理論，提出除源巖的影響外，沉積環(huán)境是影響沉積物稀土特征的重要因素。遼東關(guān)門山組、五臺(tái)滹沱群大石嶺組、膠東含菱鎂礦大石橋組、萊州含菱鎂礦粉子山群張格莊組、南墅石墨礦荊山群、安徽霍邱鐵礦以及河南嵩山群五指嶺組的碳酸鹽巖中，都得到碳酸鹽巖碳同位素正異常。2.3 Ga前的沉積物形成于還原環(huán)境，之后的形成于較氧化環(huán)境，因此地球環(huán)境在2.3 Ga時(shí)由還原轉(zhuǎn)化為氧化。華北地區(qū)在2.3 Ga后出現(xiàn)大量的碳酸鹽類沉積、紅層、磷塊巖、石墨、疊層石等，是大氧化事件的物質(zhì)表現(xiàn)，但是華北明顯缺少BIF，山西的袁家村是一個(gè)可能的實(shí)例。Zhai等（2020）在解釋 “為什么華北克拉通在古元古代大氧化事件的環(huán)境下，蘇必利爾型的BIF鐵礦相對(duì)較少，而菱鎂礦等卻特別富集”時(shí)，提出，華北在古元古代時(shí)期，處于相對(duì)較淺的海盆－湖環(huán)境，出現(xiàn)巨大的碳酸鹽沉積（如菱鎂礦）和含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)巖（石墨），但是相對(duì)缺少BIFs，因?yàn)楹笳咭话阈枰恋碓?00～600 m的相對(duì)較深的洋盆中。

圖9 青龍群剖面圖（a）和綜合柱狀圖（b）（據(jù)Lüet al.，2012）Fig.9 Qinglong Group profile（a）and comprehensive histogram（b）（after Lüet al.，2012）

中國(guó)該期的以厚層富鋁質(zhì)泥巖為特征的沉積巖由于發(fā)生高級(jí)變質(zhì)，富含石榴子石和夕線石并有石墨片麻巖夾層，它們經(jīng)常與特定的巖石共存，成為一個(gè)典型巖群出現(xiàn)，被稱為孔茲巖套（khondalite suite）。又由于它常與紫蘇花崗巖類共生，也被稱為紫蘇花崗巖－孔茲巖 套（charnokite-khobdalite suite）。華北的孔茲巖套主要分布在山西北部和內(nèi)蒙古，雖然變質(zhì)變形強(qiáng)烈，仍可自下而上劃分為：含夕線石和石榴石片麻巖－變粒巖段、石墨或黑云（透輝）斜長(zhǎng)片麻巖段和大理巖－鈣鎂硅酸鹽段（徐仲元等，2002；楊振升等，2008）。大青山群和集寧群的含孔茲巖的變質(zhì)沉積巖的層序和地層對(duì)比格架（鐘焱等，2016；Zhonget al.，2019）。其原巖序列可劃分為3個(gè)沉積層序（S1—S3）（圖10）。以賀蘭山群為例，地層由完整的海平面升降旋回組成：沉積層序S1的第1－3層主體為高潮泥坪－潮間坪相，原巖序列中的泥質(zhì)含量波動(dòng)較大，對(duì)應(yīng)相對(duì)海平面的上升階段；第4層為原巖泥質(zhì)含量較高的陸棚相，應(yīng)視為最大海侵階段沉積；第5－8層的泥質(zhì)含量逐漸降低，為海平面下降階段產(chǎn)物。沉積層序S2也可識(shí)別出完整的海平面升降旋回，其中第12、13層泥質(zhì)含量最高，為最大海侵階段產(chǎn)物；第18層的條帶狀混合巖是后期變質(zhì)深熔—混合巖化的結(jié)果。沉積層序S2顯示出海平面下降相對(duì)于上升階段較為緩慢的特征。沉積層序S3由第22－28層組成，本層序的海平面下降階段記錄未能完好保存。S3的最大海泛面階段由第25－28層組成，其中各層對(duì)應(yīng)的沉積相在陸棚和潮下帶之間波動(dòng)，指示在此期間頻繁的相對(duì)海平面升降變化。自西向東分布于賀蘭山、大青山和集寧地區(qū)的孔茲巖系均由3個(gè)沉積層序S1、S2、S3組成，其中S1和S2代表了2個(gè)完整的海平面升降旋回，S3作為一個(gè)不完整的旋回記錄在這3個(gè)地區(qū)的保存則略有差異。S1階段早期，賀蘭山地區(qū)應(yīng)處于低潮坪—潮間帶的過渡環(huán)境，大青山地區(qū)為低潮坪，而集寧地區(qū)則位于潮間帶—高潮泥坪的過渡帶中；在最大海侵階段，上述地區(qū)則分別處于陸棚—潮下帶過渡環(huán)境、潮下帶以及低潮坪環(huán)境；在S1沉積過程的后期，隨著海平面下降過程的持續(xù)，這些地區(qū)則分別位于低潮坪—潮間帶過渡環(huán)境、潮間帶—高潮泥坪過渡環(huán)境和高潮泥坪。S2的早期階段的沉積記錄僅在賀蘭山地區(qū)保存，為潮間帶—高潮泥坪環(huán)境，而大青山地區(qū)和集寧地區(qū)此時(shí)仍位于沉積基準(zhǔn)面之上；在最大海侵階段，集寧地區(qū)應(yīng)為低潮坪—潮間帶環(huán)境，大青山地區(qū)水體相對(duì)較深，位于潮下帶內(nèi)，而賀蘭山地區(qū)則屬于陸棚環(huán)境；在S2的后期，海平面下降使得上述地區(qū)分別處于潮間帶、潮間帶—低潮坪及低潮坪沉積環(huán)境。S3早期階段，集寧及大青山地區(qū)仍為剝蝕區(qū)，賀蘭山地區(qū)則位于潮間帶—高潮泥坪環(huán)境；在最大海侵階段，上述地區(qū)分別為潮下帶、陸棚—潮下帶以及陸棚環(huán)境；S3后期階段，集寧地區(qū)為低潮坪—潮間帶環(huán)境，大青山地區(qū)處于潮下帶—低潮坪環(huán)境中，賀蘭山地區(qū)則為水體最深的潮下帶環(huán)境。綜上所述，華北克拉通西部地區(qū)的古地理演化過程可以初步概括為：在S1—S3的沉積時(shí)期，自賀蘭山地區(qū)、途經(jīng)大青山地區(qū)，最終至集寧地區(qū)，沉積環(huán)境的水體深度呈逐漸變淺的趨勢(shì)，指示了海侵方向。賀蘭山地區(qū)的沉積記錄保存的最為完整，是可能的沉降中心。

圖10 賀蘭山群（a1）、烏拉山群（a2）、集寧群（a3）變質(zhì)沉積巖層位的沉積層序劃分（S1、S2、S3）和地層對(duì)比格架（a）及其典型剖面地理位置（b）（據(jù)鐘焱等，2016）Fig.10 Depositional sequence subdivisions（S1，S2，S3）and stratigraphic correlating frame of the Helanshan（a1），Wulashan（a2）and Jining（a3）Groups（a）and present locations of the typical sections（b）（after Zhong et al.，2016）

孔茲巖套的沉積時(shí)代大致限定在2.3－2.0 Ga，這個(gè)時(shí)期應(yīng)在全球～2.5 Ga的克拉通化完成后、又經(jīng)歷了長(zhǎng) 約2.0－1.5 Ga的靜寂期（翟明國(guó)，2021）。這樣漫長(zhǎng)的時(shí)間幾乎等于整個(gè)中生代，使得克拉通化的陸殼有足夠長(zhǎng)的時(shí)間經(jīng)受風(fēng)化。此外，新太古代的克拉通化的實(shí)質(zhì)就是形成了穩(wěn)定的下地殼／上地殼的分層，以及實(shí)現(xiàn)了地幔／地殼的耦合。這時(shí)在超級(jí)克拉通上分布著以長(zhǎng)英質(zhì)（花崗質(zhì)）為主的成熟陸殼巖石，它們的長(zhǎng)期風(fēng)化提供了相對(duì)單一的富硅鋁質(zhì)物質(zhì)。最后，含孔茲巖的沉積巖系的形成時(shí)代長(zhǎng)達(dá)約0.3 Ga（～2.3－2.0 Ga），在如此長(zhǎng)的時(shí)間段沒有發(fā)生大的地質(zhì)活動(dòng)，很少火山巖噴發(fā)。穩(wěn)定沉積構(gòu)造環(huán)境有利于搬運(yùn)和分選，必然導(dǎo)致沉積物有很好的成熟度（圖11，據(jù)翟明國(guó)，2022）。

圖11 古元古代孔茲巖系沉積巖形成模式（據(jù)翟明國(guó)，2022）Fig.11 Schematic diagram showing how Paleoprotero-zoic sedimentary rocks in kondalite suite were formed （after Zhai，2022）

5 華北克拉通的前寒武紀(jì)古地理研究

華北的古地理已經(jīng)開展了很好的研究，如王鴻禎等（1990）《中國(guó)及鄰區(qū)古生代生物古地理及全球古大陸再造》、馮增昭等（1990）《華北地臺(tái)早古生代巖相古地理》和其他一些古地理、生物古地理、巖相古地理內(nèi)容（鄭和榮和胡宗全，2010；邵東波等，2019），它們系統(tǒng)地表達(dá)了對(duì)中國(guó)地殼在地質(zhì)歷史中的地理發(fā)展和構(gòu)造演變基本過程的認(rèn)識(shí)。華北對(duì)于前寒武紀(jì)巖相古地理的研究基本是集中在上新元古界的震旦系（埃迪卡拉系）。較早時(shí)很著名的研究是劉鴻允（1955a，1955b）的 “震旦亞界”古地理研究。他編制的中國(guó)古地理圖，列有中國(guó)早震旦世、晚震旦世南華大冰期、陡山沱期及燈影期古地理巖相圖各1幅，共計(jì)4幅，另還有1幅中國(guó)震旦紀(jì)古構(gòu)造圖。這幾幅古地理圖是在中國(guó)震旦系區(qū)域地層、震旦系劃分與對(duì)比、地質(zhì)年代、沉積物與沉積礦產(chǎn)、巖漿巖、冰川作用、古生物及古構(gòu)造諸多方面系統(tǒng)而全面地研究的基礎(chǔ)上完成的，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)研究中最為詳盡的。在相應(yīng)的震旦系古構(gòu)造－古地理巖相的說明中，論述了造山運(yùn)動(dòng)對(duì)構(gòu)造古地理格局形成的關(guān)系，具體劃分了不同的古地理相帶，從時(shí)間上討論了古地理變化，分析了古地理變化的原因。

華北的中—新元古代的研究有豐富的積累，特別是地層對(duì)比與地層柱的建立、層序地層學(xué)的進(jìn)展（陳晉鑣等，1980；李懷坤等，1995；邢裕盛等，1999；周洪瑞等，1999；柳永清等，2005；喬秀夫等，2007；尹崇玉等，2007；高林志等，2008；Penget al.，2010）。例如最重要的進(jìn)展在下馬嶺組地層中發(fā)現(xiàn)北京西山下馬嶺組中部斑脫凝灰?guī)r中，獲得鋯石SHRIMP加權(quán)平均年齡為（1370±11）Ma，并且在相關(guān)的地層中發(fā)現(xiàn)了巖床群，其年齡給地層厘定以佐證，使得下馬嶺組這個(gè)青白口群的關(guān)鍵地層單位明確劃歸為中元古界，暫定為待建系。在華北克拉通西北部的狼山—渣爾泰地區(qū)發(fā)現(xiàn)820－880 Ma的雙峰式火山巖，并在山西、徐淮和朝鮮半島的平南盆地的巖墻群，以及遼東半島的沉積巖的礦物原位定年中得到驗(yàn)證，證實(shí)華北較普遍地存在新元古代拉伸系以及成冰系早期的地層，時(shí)代可能老于南緣的羅圈組。構(gòu)造的研究表明，華北的中新元古代處于 “一拉到底”的伸展環(huán)境（蘇文博，2014；翟明國(guó)等，2014），甚至提出1400－1300 Ma期間有地幔柱事件，推測(cè)對(duì)應(yīng)于哥倫比亞大陸裂解（張拴宏和趙越，2018）。趙太平等（2019）總結(jié)了華北的中新元古代的地質(zhì)構(gòu)造、巖漿活動(dòng)，特別是沉積層序、沉積間斷、年代與地球化學(xué)等，提出建議將全球的古元古代和中元古代的界限放在18億年。Zhang等（2016，2019）和王曉梅等（2021）認(rèn)為燕遼盆地中元古界下馬嶺組有厚達(dá)250 m的富有機(jī)質(zhì)烴源巖，主要形成于硫化厭氧和最小含氧帶（OMZ）水體環(huán)境，沉積時(shí)限約為1400－1360 Ma。黑色頁巖的研究結(jié)果表明，14億年前富有機(jī)質(zhì)頁巖的生油氣潛力與顯生宙優(yōu)質(zhì)烴源巖相當(dāng)，且明顯受控于沉積時(shí)的海洋水體環(huán)境；硫化厭氧環(huán)境的沉積有機(jī)質(zhì)，雖豐度略低（TOC為5%），但生油能力明顯高于OMZ環(huán)境下的沉積有機(jī)質(zhì)（TOC達(dá)12%），這說明厭氧環(huán)境不但有利于有機(jī)質(zhì)富集，同時(shí)保存了對(duì)生油更加有效的富氫脂肪結(jié)構(gòu)；盡管OMZ海洋初級(jí)生產(chǎn)力很高，在底層水有氧環(huán)境下也能夠沉積高豐度的有機(jī)碳，但氧化作用使其生油潛力明顯降低。研究證實(shí)，中元古代海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)演化對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的母源構(gòu)成、生烴潛力和產(chǎn)物組成具有重要影響，為深入了解并探索中新元古界的烴源巖發(fā)育機(jī)制和油氣資源潛力提供了一個(gè)重要窗口（賈承造，2017）。

上述研究說明，華北的中新元古代的沉積學(xué)和古地理學(xué)研究處于突破的前夜，而且它的進(jìn)展，對(duì)于進(jìn)一步理解全球的構(gòu)造演化、地球環(huán)境演化及其二者相互依存的內(nèi)在聯(lián)系，會(huì)起到意想不到的重要作用。而對(duì)于古元古代的研究，則因?yàn)閺?qiáng)烈的構(gòu)造變動(dòng)和變質(zhì)作用，難度很大。但是古元古代是地球環(huán)境發(fā)生大變革的時(shí)期，是大氧化事件發(fā)生的時(shí)期，最令人關(guān)注的廣泛區(qū)域性甚至全球意義的巨厚富鋁泥巖—泥砂巖、白云巖與碳酸鹽巖微生物（巖）、紅層與黑色頁巖、元素（同位素）漂移等地球化學(xué)異常事件和特殊的礦產(chǎn)等在此時(shí)期出現(xiàn)（陳衍景等，1996；趙振華，2010），它們?cè)谌蚬糯箨懼亟ê凸诺乩砘謴?fù)方面的重要作用日漸凸顯，是在早期大陸發(fā)展過程中最需要關(guān)注的時(shí)段。

太古宙時(shí)期的古地理研究是不具備條件的，至少在華北克拉通不具備條件。南美以及西澳大利亞，有完好的新太古代綠巖帶出露，特別在西澳，發(fā)育很好的新太古代末—古元古代初的古風(fēng)化面，是形成著名的 “紅礦”的地區(qū)。印度的前寒武紀(jì)地區(qū)也有新太古代末的不整合面報(bào)道。因此在早期大陸演化的學(xué)術(shù)思想指導(dǎo)下，對(duì)早期洋－陸狀態(tài)、大洋的水和大氣氧的形成和狀態(tài)研究，也會(huì)在將來的古氣候、古海洋、古微生物、古生態(tài)以及古老的圈層構(gòu)造的研究中放出異彩。

致謝本文是在西北大學(xué)校友會(huì)的指導(dǎo)下寫成的。在成文過程中得到編輯部鄭秀娟編審、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）何登發(fā)教授的鼓勵(lì)和支持，以及我在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的學(xué)科組同行的幫助，特致謝意。我衷心祝賀西北大學(xué)建校120周年。地質(zhì)學(xué)系創(chuàng)建于1939年，是全國(guó)最早的綜合性大學(xué)地質(zhì)學(xué)系之一，為國(guó)家培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才。我在這里感謝母校的培養(yǎng)，并祝西北大學(xué)以及地質(zhì)學(xué)系越辦越好。