冀北承德盆地早白堊世火山-沉積地層地質(zhì)年代學(xué)研究:對(duì)熱河生物群時(shí)空演化的制約

俞志強(qiáng), 賀懷宇, 周忠和

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2 中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所, 中國(guó)科學(xué)院脊椎動(dòng)物演化與人類起源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 101400

0 引言

中國(guó)北方早白堊世裂谷盆地的火山沉積序列記錄了一系列地球動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)過(guò)程和生物演化事件,最為顯著的是華北克拉通的破壞和熱河生物群的演化(朱日祥等,2011,2012,2020;朱日祥和徐義剛,2019;Ma and Xu, 2021;Zhou et al., 2021;Meng et al., 2022).早白堊世熱河生物群是世界上最重要的陸相生物群之一,保存了大量特異埋藏的脊椎動(dòng)物、昆蟲、植物等化石門類,為研究許多關(guān)鍵類群的起源和分異提供了最重要的化石證據(jù),如鳥類、哺乳類和被子植物起源和早期演化(Zhou et al., 2003, 2021;徐星等,2019).但是,陸相地層的復(fù)雜性和陸地生物區(qū)域性以及化石保存的局限性,使得熱河生物群核心分布區(qū)(如冀北和遼西)的部分重要化石層位的準(zhǔn)確時(shí)代和地層對(duì)比仍存在爭(zhēng)議(Gao and Shubin, 2001;Zhang et al., 2009;Liao et al., 2020).地質(zhì)年代學(xué)數(shù)據(jù)為關(guān)鍵類群的演化模式、分異時(shí)間、生物演化和地層對(duì)比等研究提供絕對(duì)時(shí)間標(biāo)尺.

目前學(xué)界已經(jīng)普遍接受熱河生物群早、中、晚三階段劃分方案(陳丕基,1988;Pan et al., 2013; Zhou, 2014; Zhou et al., 2021),早期熱河生物群僅保存在河北豐寧森吉圖—四岔口盆地,其年齡被限定為135～129 Ma(He et al., 2006a; Yang et al., 2020);中期熱河生物群賦存于遼西義縣組內(nèi),學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可約125 Ma為其主要含化石層年齡(Swisher III et al., 1999, 2001;He et al., 2006b;Zhong et al., 2021;Li et al., 2022).顯然,早期和中期熱河生物群之間年齡相差約三百萬(wàn)年且分布于不同區(qū)域,在此暫將其稱為“熱河生物群早-中過(guò)渡期”.

承德—圍場(chǎng)地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的化石(高克勤等,1998;Gao and Shubin, 2001;Zhang et al., 2009;牛紹武等,2015;張立東等,2016;Rong, 2018;Wang et al., 2018;郭曉榮,2020;Liao et al., 2020;包彩鳳,2021),改變了我們對(duì)熱河生物群早-中過(guò)渡期的認(rèn)識(shí).該區(qū)含化石沉積地層的年代學(xué)工作仍然缺乏深入研究,依靠巖石地層和生物地層對(duì)比,承德—圍場(chǎng)地區(qū)含化石層的地層歸屬存在幾種完全不同的方案,如歸屬早白堊世大北溝組(Wang et al., 2018;Liao et al., 2020)或花吉營(yíng)組(Zhang et al., 2009)等,且并不能區(qū)分熱河生物群早期和中期的年齡差異,嚴(yán)重阻礙了區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)確的地層對(duì)比及其對(duì)熱河生物群時(shí)空分布的認(rèn)識(shí).

本研究對(duì)河北承德盆地袁家莊剖面火山沉積層序的3個(gè)安山巖樣品開(kāi)展了化學(xué)熔蝕-離子探針(CA-SIMS)鋯石U-Pb定年.結(jié)合已有的磁性地層學(xué)數(shù)據(jù)(蔡書慧等,2012),建立新的綜合年代學(xué)框架,對(duì)承德盆地早白堊世火山沉積序列提供了嚴(yán)格的約束,厘清了承德盆地的早白堊世火山-沉積序列與森吉圖—四岔口盆地、灤平盆地和遼西等地保存熱河生物群早、中期地層的精細(xì)對(duì)比關(guān)系,豐富了我們對(duì)于熱河生物群時(shí)空分布和演化的認(rèn)識(shí),為區(qū)域間地層對(duì)比及其對(duì)熱河生物群時(shí)空分布和演化的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

1 地質(zhì)背景與樣品采集

華北克拉通由太古代至古元古代變質(zhì)基底、中元古代海相地層至古生代沉積巖蓋層以及局部中生代至新生代陸相沉積組成.華北克拉通自中元古代(1.85 Ga)成為穩(wěn)定構(gòu)造單元后(Zhao et al., 2005;Zhai and Santosh, 2011),在之后的約1.2 Ga里保持穩(wěn)定狀態(tài);在晚中生代時(shí)期,華北克拉通西部仍表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài),而華北克拉通東部以巖石圈減薄和廣泛的巖漿作用為特征,發(fā)生了被認(rèn)為與古太平洋俯沖相關(guān)的“華北克拉通破壞”這一現(xiàn)象(朱日祥等,2011,2012;Wu et al., 2019).華北克拉通北緣在“破壞”期間發(fā)生了一系列強(qiáng)烈的伸展作用和巖漿活動(dòng),在此期間,同時(shí)存在短暫的地殼/巖石圈縮短為主的“燕山運(yùn)動(dòng)”(Davis et al., 2001),二者對(duì)該區(qū)表生地質(zhì)和陸地生物演化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.

河北承德—圍場(chǎng)地區(qū)位于冀北和遼西的過(guò)渡地帶(圖1b),發(fā)育較為完整的早白堊世地層(Qin et al., 2022;Yu et al., 2022),其中在灤平縣(Qin et al., 2018, 2021, 2022)、豐寧縣(Zhang and Zhou, 2000;金帆等,2008)、圍場(chǎng)縣(高克勤等,1998;Gao and Shubin, 2001;Zhang et al., 2009;牛紹武等,2015;Rong, 2018;Wang et al., 2018;郭曉榮,2020)和平泉縣(Qin et al., 2019)等地的早白堊世沉積地層中發(fā)現(xiàn)了大量化石,盡管不同地區(qū)巖石地層單位名稱不同,但這些沉積地層主要?dú)w屬為大北溝組、大店子組、西瓜園組、花吉營(yíng)組和義縣組范疇.

圖1 熱河生物群時(shí)空分布圖(據(jù)Pan et al., 2013;Zhou et al., 2021修改)(a)(b)經(jīng)典熱河生物群分布地及化石點(diǎn); (c) 冀北和遼西年代地層和巖石地層簡(jiǎn)圖(據(jù)席黨鵬等,2019;Gale et al., 2020;Yang et al., 2020;Yu et al., 2022),參考文獻(xiàn):(1)He et al., 2006a;(2)Yang et al., 2020;(3)Wang et al., 2018;(4)He et al., 2004;(5)Chang et al., 2009;(6)Yu et al., 2021;(7)Zhong et al., 2021;(8)Li et al., 2022.Fig.1 Spatio-temporal distribution of the Jehol Biota (modified after Pan et al., 2013; Zhou et al., 2021)(a)(b) Classical fossil localities of the Jehol Biota; (c) Chronolography of the northern Hebei and western Liaoning (modified after Xi et al., 2019; Gale et al., 2020; Yang et al., 2020; Yu et al., 2021). References: (1) He et al., 2006a; (2) Yang et al., 2020; (3) Wang et al., 2018; (4) He et al., 2004; (5) Chang et al., 2009; (6) Yu et al., 2021; (7) Zhong et al., 2021; (8) Li et al., 2022.

這些含化石地層的歸屬尚未達(dá)成一致,以承德—圍場(chǎng)地區(qū)化石點(diǎn)地層為例,圍場(chǎng)地區(qū)含化石層的層位下伏大套中酸性火山巖以及火山碎屑巖,對(duì)應(yīng)張家口組,上覆于這套火山巖為河湖相的雜色礫巖、砂礫巖、泥巖、頁(yè)巖的正粒序厚層河湖相沉積,在上部細(xì)粒沉積巖中出產(chǎn)了重要的熱河生物群化石(Wang et al., 2018),漢諾壩玄武巖(漢諾壩組)或者第四紀(jì)松散沉積物不整合覆蓋該套沉積巖之上.由此可見(jiàn)該區(qū)早白堊世地層大致可以分為3個(gè)部分,下部中酸性火山巖,中部粗粒河湖相沉積,上部產(chǎn)熱河生物群的沉積巖(大北溝組、西瓜園組或花吉營(yíng)組?)(圖1c).但在不同的研究中對(duì)該區(qū)域地層劃分對(duì)比的認(rèn)識(shí)不同(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989, 1996);相同“組”名的具體涵義并未有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),導(dǎo)致不同學(xué)者對(duì)于該區(qū)產(chǎn)熱河生物群化石層位的地層歸屬存在爭(zhēng)論,如Wang等(2018)認(rèn)為圍場(chǎng)地區(qū)石匣化石點(diǎn)產(chǎn)巾幗鳥的地層屬于大北溝組;道壩子梁化石點(diǎn)含化石層應(yīng)當(dāng)歸屬于大北溝組(Liao et al., 2020)或花吉營(yíng)組(Zhang et al., 2009);Gao和Shubin(2001)認(rèn)為圍場(chǎng)縣與承德市之間的炮仗溝化石點(diǎn)含化石層為張家口組之上的沉積層.

河北承德盆地(圖1b)位于華北克拉通北緣東部、燕山構(gòu)造帶中段,同時(shí)位于承德—圍場(chǎng)地區(qū)東南部,是中生代構(gòu)造變形強(qiáng)烈的地區(qū)(Davis et al., 2001; Davis, 2005),盆地的發(fā)育主要受控于西北部的紅石砬—雙峰寺斷層、中部的承德斷層和南部的承德縣逆沖褶皺帶.盆地出露太古宙片麻巖至第四紀(jì)松散沉積物,本研究主要涉及下白堊統(tǒng)火山-沉積序列,自下而上地層為土城子組、張家口組、大北溝組和西瓜園組.土城子組以河湖相的礫巖、砂巖以及薄層泥巖為主;張家口組不整合覆蓋于土城子組沉積之上,以中酸性火山巖為主,偶夾少量沉積巖;大北溝組和西瓜園組以沉積巖為主,在部分地區(qū)含有火山巖(Wei et al., 2012;蔡書慧等,2012).

本文以承德盆地袁家莊剖面為研究對(duì)象,巖石地層劃分方案據(jù)蔡書慧等(2012),針對(duì)剖面內(nèi)下部張家口組火山巖、大北溝組火山巖到上部西瓜園組沉積巖序列開(kāi)展年代學(xué)研究.廣義的“大北溝組”為張家口組火山巖和西瓜園組之間的河湖相沉積夾火山碎屑巖(王思恩和季強(qiáng),2009),依據(jù)巖石地層和生物地層的劃分將其分為下部(狹義的“大北溝組”)和上部(大店子組)(王思恩,1990;李佩賢等,2004),詳細(xì)的巖石地層單位定名有賴于巖石地層和生物地層的進(jìn)一步工作.該剖面張家口組巖性以紫紅色流紋巖、安山巖為主,大北溝組巖性以安山巖為主,上部西瓜園組沉積巖主要為泥巖、砂巖、礫巖等,西瓜園組沉積巖與大北溝組火山巖之間為一套礫巖(蔡書慧等,2012).在大北溝組共采集3個(gè)代表性層位安山巖樣品,進(jìn)行鋯石U-Pb定年,通過(guò)野外詳細(xì)對(duì)比該剖面之前發(fā)表的磁性地層學(xué)研究結(jié)果(蔡書慧等,2012),本次研究的同位素年代學(xué)樣品位置與之前的磁性地層學(xué)樣品位置能夠很好對(duì)應(yīng),樣品CD4、CD5和CD6,分別對(duì)應(yīng)于該套地層中磁性地層的5 m、30 m和47 m處,為袁家莊剖面下部火山巖.

2 實(shí)驗(yàn)方法

野外采集的樣品送去廊坊宇能宇恒公司進(jìn)行薄片、探針片制作和鋯石等單礦物的挑選.先將樣品進(jìn)行機(jī)械粉碎至60目.再進(jìn)行重力分選去除較輕的礦物,如長(zhǎng)石、石英、云母等,然后用礦物介電分選儀進(jìn)行磁選,去除有磁性的礦物,如云母、角閃石、輝石、石榴石等,最后用酒精燈烘干樣品,在顯微鏡下挑選鋯石.本研究使用的鋯石顆粒嘗試?yán)没瘜W(xué)前處理方式,CA-SIMS方法中的化學(xué)前處理(CA: Chemical Abrasion,化學(xué)熔蝕)(Krogh, 1973;Mundil et al., 2004;Mattinson, 2005;McKanna et al., 2023)可以有效的減輕Pb丟失對(duì)年齡準(zhǔn)確度帶來(lái)的影響(Kryza et al., 2012;Watts et al., 2016).前處理在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,化學(xué)前處理方法經(jīng)過(guò)清洗器皿、高溫淬火、化學(xué)剝蝕和鋯石洗滌四步,其實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及儀器條件參見(jiàn)儲(chǔ)著銀等(2016).首先,將所用到的氟塑料器皿均經(jīng)過(guò)超純水洗凈,然后依次采用6 mol/L鹽酸、22 mol/L氫氟酸和6 mol/L鹽酸120 ℃回流清洗3次,每次清洗12 h以上;接著,將挑選的鋯石顆粒轉(zhuǎn)入石英玻璃皿,放入馬弗爐900 ℃加熱60 h進(jìn)行淬火,使得鋯石放射性損傷得到愈合;再將淬火后的鋯石顆粒轉(zhuǎn)入溶樣器中,采用22 mol/L氫氟酸,180 ℃溶解12 h,溶解鋯石中遭受Pb丟失部分;最后,將經(jīng)過(guò)化學(xué)剝蝕的鋯石,采用3.5 mol/L硝酸和6 mol/L鹽酸在120 ℃下各回流1 h、超聲清洗1 h,最后再使用Milli-Q高純水洗滌1次(儲(chǔ)著銀等,2016).

將化學(xué)前處理好的鋯石顆粒,放進(jìn)烘箱烘干.化學(xué)前處理完的鋯石顆粒與鋯石標(biāo)樣(Ple?ovice、Qinghu和Penglai鋯石)一起鑲嵌在環(huán)氧樹(shù)脂靶上,并將其拋光露出晶體的內(nèi)部切面.制作好的樣品靶,采用偏光顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分別獲取鋯石顆粒的透射光和反射光、陰極發(fā)光(CL)圖像,以查明礦物的內(nèi)部結(jié)構(gòu),如裂隙和包裹體分布、成分環(huán)帶特征等,據(jù)此確定樣品最佳分析區(qū)域.鋯石靶制備在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所離子探針實(shí)驗(yàn)室完成,鋯石靶顯微圖像和CL圖像分析在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成.SIMS鋯石U-Pb定年在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所離子探針實(shí)驗(yàn)室完成,采用的是該實(shí)驗(yàn)室裝備的二次離子質(zhì)譜儀CAMECA IMS-1280HR,其實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及儀器條件詳見(jiàn)Li et al.(2009).數(shù)據(jù)結(jié)果處理采用Isoplot 3.75插件完成(Ludwig, 2012),鋯石U-Pb定年結(jié)果見(jiàn)表1.除特別說(shuō)明外,報(bào)道的單點(diǎn)分析不確定度為1σ.

表1 CA-SIMS鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)Table 1 CA-SIMS U-Pb zircon analysis

本文涉及前人發(fā)表的不同體系的年代學(xué)數(shù)據(jù),比如鋯石U-Pb和長(zhǎng)石Ar/Ar.以高精度鋯石U-Pb定年為例(Zhong et al., 2021),數(shù)據(jù)誤差以±X/Y/Z的形式表示,其中X表示內(nèi)部分析誤差,相同實(shí)驗(yàn)室內(nèi)數(shù)據(jù)可以對(duì)比,如本研究數(shù)據(jù)與之前發(fā)表的森吉圖—四岔口盆地(Yang et al., 2020)和灤平盆地(Yu et al., 2022)可以對(duì)比,Y表示內(nèi)部分析誤差加上U-Pb同位素稀釋劑帶來(lái)的誤差,Z為Y加上同位素稀釋劑和元素衰變常數(shù)帶來(lái)的誤差.當(dāng)采用不同稀釋劑的實(shí)驗(yàn)室間進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí),需要利用Y誤差進(jìn)行對(duì)比;采用Ar-Ar法測(cè)年的數(shù)據(jù)與U-Pb法測(cè)年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,需將數(shù)據(jù)的外部誤差(Z)考慮在內(nèi).

3 分析結(jié)果

承德盆地袁家莊剖面的3個(gè)安山巖中的鋯石樣品絕大部分為自形-半自形、無(wú)色或淺色透明,鋯石顆粒長(zhǎng)度變化范圍為60～270 μm,在陰極發(fā)光下可見(jiàn)清晰的振蕩環(huán)帶,解釋為巖漿成因鋯石;經(jīng)過(guò)化學(xué)處理后可以在顯微圖像和陰極發(fā)光圖像下觀察到沿晶體邊緣及其內(nèi)部較多不規(guī)則的蝕刻理(圖2a—2c),鋯石顆粒在陰極發(fā)光圖像下顏色更白,CA-SIMS鋯石U-Pb定年結(jié)果如下:

圖2 袁家莊剖面3個(gè)樣品CA-SIMS U-Pb定年代表性鋯石陰極發(fā)光圖像(a—c)和諧和年齡圖(d—f)圖(a—c)中圈圈表示U-Pb分析點(diǎn)位,約30 μm;分析的鋯石顆粒上的橢圓顯示了U-Pb分析點(diǎn)的位置,以及相應(yīng)的206Pb/238U年齡.圖(d—f)中數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差橢圓為2σ水平.Fig.2 Cathodoluminescence images of representative zircons (a—c) and concordia age plots (d—f) for in-situ CA-SIMS U-Pb dating from three samples of the Yuanjiazhuang section SIMS spots in panels (a—c) show the position of U-Pb analyses and are 30 μm in length for scale. Ellipses on the analyzed zircon grains show the positions of U-Pb analytical sites, with corresponding 206Pb/238U age. Data-point error ellipses in panels (d—f) are 2σ level.

樣品CD6總共分析了來(lái)自22顆鋯石的22個(gè)點(diǎn),其中,3個(gè)點(diǎn)由于異常高的普通Pb產(chǎn)出不諧和的結(jié)果,剩下19個(gè)分析點(diǎn)的獲得諧和年齡為129.5±1.0 Ma(MSWD=0.0075),206Pb/238U年齡在135.7±2.4 Ma到123.6±2.1 Ma之間(表1),206Pb/238U加權(quán)平均年齡為129.6±1.0 Ma(2σ,MSWD=1.4,N=19)(圖2d),這被解釋為樣品CD6的結(jié)晶年齡.

樣品CD5總共分析了來(lái)自21顆鋯石的21個(gè)點(diǎn),21個(gè)顆粒獲得諧和年齡為128.6±1.0 Ma(MSWD=0.69),206Pb/238U加權(quán)平均年齡128.7±0.9 Ma(2σ,MSWD=1.4,N=21)(圖2e),此結(jié)果可以代表樣品CD5的結(jié)晶年齡.

樣品CD4分析了27個(gè)鋯石顆粒,Th/U比值范圍為0.628～1.432.全部分析點(diǎn)206Pb/238U年齡在134.3±2.2 Ma到124.9±2.1 Ma之間(表1),27個(gè)顆粒獲得諧和年齡為129.1±1.0 Ma(平均標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重偏差MSWD=0.61),206Pb/238U加權(quán)平均年齡129.2±1.1 Ma(2σ,MSWD=1.7,N=27)(圖2f),代表了樣品CD4的結(jié)晶年齡.

4 討論

4.1 承德盆地早白堊世地層年代學(xué)結(jié)果

承德盆地早白堊世火山-沉積序列早期年代學(xué)研究主要集中于張家口組酸性火山巖,其時(shí)代主要為約135 Ma(牛寶貴等,2003;張宏等,2005),為上覆沉積地層提供了最大年齡制約.目前,上覆沉積地層的年代學(xué)工作仍然缺乏深入研究,袁家莊剖面大北溝組火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分布在123～114 Ma(Wang et al., 2007;南燕云等,2017),并不能區(qū)分熱河生物群早期和中期的年齡差異,不利于準(zhǔn)確的地層對(duì)比及其對(duì)熱河生物群演化的討論.

本次研究的袁家莊剖面3個(gè)安山巖樣品通過(guò)CA-SIMS鋯石U-Pb定年,樣品中的大多數(shù)鋯石顯示出明顯的振蕩環(huán)帶特征(圖2).樣品CD4、CD5、CD6的206Pb/238U加權(quán)平均年齡分別為129.2±1.1 Ma、128.7±0.9 Ma和129.6±1.0 Ma(圖2,3).考慮到SIMS鋯石U-Pb定年的準(zhǔn)確度為約1%(Ireland and Williams, 2003;李獻(xiàn)華等,2015)和承德盆地火山-沉積序列的厚度,3個(gè)安山巖樣品的U-Pb加權(quán)平均年齡略有區(qū)別但無(wú)法區(qū)分,67粒鋯石年齡結(jié)果一致,體現(xiàn)出較好的外部重現(xiàn)性,且與下伏張家口組酸性火山巖地層上下關(guān)系匹配.因此,采用3個(gè)樣品的加權(quán)平均年齡代表火山巖的最佳年齡估計(jì),承德盆地袁家莊剖面火山巖年齡為129.6～128.7 Ma.

此外,前人還嘗試了利用磁性地層學(xué)方法建立承德盆地早白堊世地層年代學(xué)框架(蔡書慧等,2012),由于國(guó)際地質(zhì)年表中早白堊世各階仍未確定,不同時(shí)期地質(zhì)年表之間相差較大,最明顯的是Aptian階和白堊紀(jì)底界年齡由原來(lái)的126.3 Ma和145.0 Ma(GTS2012)更新為121.4 Ma和143.1 Ma(GTS2020),極大的影響磁性地層學(xué)對(duì)比結(jié)果(蔡書慧等,2012).例如,先前詳細(xì)的磁地層學(xué)結(jié)果表明,袁家莊剖面記錄了3個(gè)磁極性段,分別為火山巖下部為正極性(N2),火山巖上部和中部底礫巖中的兩層凝灰?guī)r下層為負(fù)極性(R1),中部底礫巖中的兩層凝灰?guī)r上層和上部沉積巖全為正極性(N1),與GPTS2004(Ogg and Smith, 2004)進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為該剖面3個(gè)極性帶與M3n-M1n對(duì)比(圖3,蔡書慧等,2012).但是,采用更新后的GPTS2020(Ogg, 2020)對(duì)比方案和本次研究的年代學(xué)結(jié)果,考慮定年結(jié)果的分析誤差,認(rèn)為袁家莊剖面下部正極性段(N2)對(duì)應(yīng)于M8n,負(fù)極性段(R1)對(duì)應(yīng)于M7r,上部正極性段對(duì)應(yīng)于M7n(圖3).由此可見(jiàn),該剖面火山-沉積序列的時(shí)代應(yīng)在M8n-M7n范圍內(nèi),即129.282～128.294 Ma,承德盆地袁家莊剖面沉積巖和火山巖界線與M7r上部對(duì)應(yīng),將該剖面沉積作用的起始年齡限定為128.593 Ma.利用磁極性帶M8n和M7r的持續(xù)時(shí)間將該剖面下部火山巖噴發(fā)持續(xù)時(shí)間約束為0.689 Ma,這次較短的噴發(fā)歷史也由無(wú)法區(qū)分的SIMS U-Pb年齡得到進(jìn)一步證實(shí),同時(shí),承德盆地記錄的巖漿活動(dòng)具有強(qiáng)烈的拉張背景,這與地質(zhì)記錄和地球化學(xué)等證據(jù)一致(Wang et al., 2007;劉金菊等,2014;南燕云等,2017;Wu et al., 2019).依靠這些年齡數(shù)據(jù)建立的承德盆地早白堊世地層綜合年代學(xué)框架,為區(qū)域間地層對(duì)比及其對(duì)熱河生物群時(shí)空分布、演化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

圖3 承德盆地袁家莊剖面地層學(xué)、U-Pb年代學(xué)、磁性地層學(xué)(蔡書慧等,2012)和GPTS2020(Ogg, 2020)Fig.3 Stratigraphy, geochronology, magnetostratigraphy (Cai et al., 2012), and Geological Pority Time Scale 2020 (Ogg, 2020) of the Yuanjiazhuang section in the Chengde Basin

4.2 華北克拉通北緣早白堊世地層對(duì)比及其對(duì)熱河生物群時(shí)空演化的意義

華北克拉通北部(主要是冀北—遼西)分布了大量早白堊世裂谷盆地,在這些盆地沉積中保存了豐富的熱河生物群化石,為研究中生代許多類群起源和分異演化提供了重要材料.從埋藏學(xué)和化石組成將其分為三期,分別為保存于冀北花吉營(yíng)組的早期熱河生物群、保存于遼西義縣組、九佛堂組及其他地區(qū)相當(dāng)層位的中、晚期熱河生物群(Pan et al., 2013;Zhou et al., 2021).由于行政區(qū)劃等客觀原因,對(duì)于巖石地層單位的認(rèn)識(shí)和理解存在較大不同.如前所述,承德—圍場(chǎng)地區(qū)含化石層的地層歸屬存在幾種完全不同的方案,既有冀北早白堊世大北溝組(Wang et al., 2018; Liao et al., 2020),也有花吉營(yíng)組(Zhang et al., 2009),這需要綜合考慮陸相地層的“穿時(shí)”性及其對(duì)地層對(duì)比的意義(汪洋,2015;Zhou et al., 2021).

冀北承德—圍場(chǎng)地區(qū)介于早、中熱河生物群分布區(qū)之間的過(guò)渡帶,出產(chǎn)了基干鳥類等重要化石(高克勤等,1998;Gao and Shubin, 2001;Zhang et al., 2009;牛紹武等,2015;張立東等,2016;Rong, 2018;Wang et al., 2018;郭曉榮,2020;Liao et al., 2020;包彩鳳,2021).承德—圍場(chǎng)地區(qū)熱河生物群化石點(diǎn)一個(gè)含化石層的SIMS鋯石U-Pb年齡為127.0±1.1 Ma(Wang et al., 2018),結(jié)合本研究限定的承德盆地袁家莊剖面沉積作用的起始年齡,可初步將承德—圍場(chǎng)地區(qū)早白堊世熱河生物群生存時(shí)限限定為130～127 Ma.

冀北—遼西之間早白堊世地層精準(zhǔn)對(duì)比還存在不同方案,前人基于巖石地層和生物地層,將冀北大店子組與遼西義縣組對(duì)比(金帆等,2008;牛紹武等,2002,2010)、大店子組三段與義縣組(田樹(shù)剛等,2004)對(duì)比以及認(rèn)為其上覆西瓜園組與遼西義縣組對(duì)比(Qin et al., 2021).近年來(lái),該地區(qū)火山-沉積序列地質(zhì)年代學(xué)研究越來(lái)越多,為區(qū)域間地層對(duì)比提供了堅(jiān)實(shí)的年代學(xué)基礎(chǔ)(Yang et al., 2020; Yu et al., 2021, 2022; Zhong et al., 2021; Li et al., 2022).

冀北森吉圖—四岔口盆地和灤平盆地(圖4a,4b)因其保存了早期熱河生物群化石吸引了大量地球科學(xué)家們的關(guān)注,如最早的今鳥型類(Wang et al., 2015).隨著研究的不斷深入,這兩個(gè)盆地早白堊世地層年代框架業(yè)已建立,花吉營(yíng)組SIMS鋯石U-Pb年代學(xué)結(jié)果將該區(qū)域早期熱河生物群時(shí)代限定為135～129 Ma(He et al., 2006a;Yang et al., 2020);Yu等(2022)將灤平盆地大北溝組—大店子組時(shí)代限定為134～128 Ma,大北溝組—大店子組之間界線年齡為130.26 Ma,并認(rèn)為可以將灤平盆地大北溝—大店子組與四岔口盆地花吉營(yíng)組對(duì)比.本研究獲得承德盆地早白堊世年齡約為130 Ma,可以與森吉圖—四岔口盆地花吉營(yíng)組上部以及灤平盆地大店子組下部對(duì)比.

圖4 冀北灤平盆地(a)、森吉圖—四岔口盆地(b)、承德盆地(c)和遼西義縣組和九佛堂組(d)早白堊世火山-沉積地層年代地層對(duì)比圖參考文獻(xiàn):(1) Yu et al., 2022; (2) Yang et al., 2020; (3) He et al., 2006a; (4) He et al., 2004; (5) Chang et al., 2009;(6) Zhong et al., 2021; (7) Swisher III et al., 1999; (8) Yu et al., 2021; (9) Li et al., 2022.Fig.4 Chronostratigraphy of the Early Cretaceous volcano-sedimentary strata of Luanping Basin (a), Senjitu-Sichakou Basin (b), and Chengde Basin (c) in northern Hebei, and of the Yixian and Jiufotang formations in western Liaoning (d)References: (1) Yu et al., 2022; (2) Yang et al., 2020; (3) He et al., 2006a; (4) He et al., 2004; (5) Chang et al., 2009; (6) Zhong et al., 2021; (7) Swisher III et al., 1999; (8) Yu et al., 2021; (9) Li et al., 2022.

中期熱河生物群保存于遼西義縣組內(nèi)(圖4d),該組以中基性火山巖夾沉積巖為代表,含化石層自下而上為陸家屯層、尖山溝層、大王杖子層和金剛山層等,自20世紀(jì)90年代以來(lái),已有大量的年代學(xué)結(jié)果,目前對(duì)于義縣組為早白堊世已無(wú)異議,結(jié)果約為126～124 Ma(Swisher III et al., 1999;潘永信等,2001;He et al., 2006b;Wu et al., 2013;Zhong et al., 2021;Li et al., 2022).最近Zhong等(2021)對(duì)遼西義縣組開(kāi)展了高精度CA-ID-IRMS 鋯石U-Pb定年,他們?cè)诮鹧蚺璧亓x縣組標(biāo)準(zhǔn)層型剖面系統(tǒng)采集了義縣組頂部(黃花山層)和底部(即陸家屯層底部)、陸家屯層頂部、以及尖山溝層的凝灰?guī)r樣品,獲得義縣組頂部、底部U-Pb年齡分別為124.122±0.048 Ma和125.755±0.061 Ma,陸家屯層頂部年齡為125.684±0.060 Ma,尖山溝層的年齡為125.457±0.051 Ma.Li等(2022)對(duì)義縣組下部尖山溝和陸家屯化石層進(jìn)行高精度Ar-Ar定年,獲得尖山溝層年齡為125.37～125.41 Ma,陸家屯層年齡為125.54 Ma.由此可見(jiàn),本文研究的承德盆地火山-沉積序列時(shí)代老于義縣組底部.

綜上,基于本研究承德盆地新的CA-SIMS鋯石U-Pb定年結(jié)果和新的磁性地層學(xué)對(duì)比方案,以及以往冀北—遼西早白堊世地層的地質(zhì)年代學(xué)結(jié)果(Swisher III et al., 1999;He et al., 2006a,b;Yang et al., 2020;Yu et al., 2021;Zhong et al., 2021;Li et al., 2022),冀北承德—圍場(chǎng)地區(qū)早白堊世沉積序列保存了熱河生物群早-中期時(shí)空過(guò)渡區(qū)/段,為熱河生物群早-中期時(shí)空分布和演化奠定了年代學(xué)基礎(chǔ).這種現(xiàn)象可能與古太平洋板塊早白堊世時(shí)俯沖回撤在地表導(dǎo)致盆地-地層遷移現(xiàn)象有關(guān),為今后研究深部過(guò)程如何控制表生地質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(Zhu and Xu, 2019;Ma and Xu, 2021;Zhou et al., 2021;Meng et al., 2022).

5 結(jié)論

本研究對(duì)冀北承德盆地袁家莊剖面3個(gè)安山巖樣品進(jìn)行CA-SIMS鋯石U-Pb定年,在此基礎(chǔ)上結(jié)合前人發(fā)表的磁性地層學(xué)結(jié)果和最新的磁極性地層年表,將該剖面時(shí)代限定為129.3～128.3 Ma,沉積作用起始時(shí)間限定為128.6 Ma.

利用本研究獲得的承德盆地早白堊世地層綜合年代框架與鄰區(qū)地層進(jìn)行對(duì)比,該盆地早白堊世火山-沉積序列銜接了西部的森吉圖—四岔口盆地花吉營(yíng)組上部、灤平盆地大店子組上部和東部的遼西義縣組下部.

致謝感謝朱日祥研究員對(duì)本研究工作的指導(dǎo),感謝李仕虎副研究員在野外工作和樣品采集的幫助,感謝李秋立研究員、儲(chǔ)著銀研究員、凌瀟瀟高級(jí)工程師、李嬌高級(jí)實(shí)驗(yàn)師和許俊杰工程師在SIMS鋯石U-Pb定年和鋯石化學(xué)前處理方面的幫助.感謝鄧成龍研究員、路凱博士和Seung Choi在論文撰寫過(guò)程中提出的寶貴意見(jiàn),感謝審稿人和期刊編輯的建設(shè)性意見(jiàn).