熊耳裂陷槽云夢山組LAICPMS碎屑巖鋯石UPb年代學特征及其地質意義

耿軍陽， 劉麗萍， 羅順社,3， 張 嚴， 呂奇奇， 王銅山

(1. 長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100； 2. 中國石油長慶油田分公司 第七采油廠，陜西 西安 710200； 3. 非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100； 4. 中國石油勘探開發研究院，北京 100083 )

0 引言

華北克拉通大約在2.50 Ga完成克拉通化，隨后經歷新太古代末期超級克拉通形成之后的一次全球大規模裂解事件[1-2]，最終于1.85 Ga由微陸塊拼合為穩定的克拉通[3-4]，進入沉積蓋層演化階段。在拉伸的構造背景下，發育南、北裂陷槽和北緣、東緣裂谷帶，分別對應熊耳裂陷槽、燕遼裂陷槽、渣爾泰—白云鄂博—化德裂谷帶和徐淮—旅大—平南裂谷帶[2,5]。南緣熊耳裂陷槽大致呈“三角形”，其中一角以NNE—SN向楔入華北克拉通，底部發育巖漿巖，往上發育濱—淺海沉積，中間夾新元古界羅圈組及同時期的冰磧巖，巖性變化大，構造復雜，地質現象豐富，是華北克拉通開展中—新元古界研究的焦點。

目前，對熊耳裂陷槽地層年代歸屬存有爭議，文獻[6]、邢裕盛等[7]將由兵馬溝組—北大尖組組成的汝陽群歸入中元古界薊縣系，將由崔莊組—洛峪口組組成的洛峪群歸入新元古界青白口系；陳晉鑣等[8]將兵馬溝組—洛峪口組統稱為“汝陽群”，統一歸入中元古界薊縣系。為限定地層年代，文獻[6]在三教堂組和崔莊組獲得海綠石K-Ar測年數據，分別為1 071～1 089、1 138～1 159 Ma，作為將洛峪群劃歸青白口系的依據；胡國輝等[9]對嵩山地區五佛山群底部馬鞍山組開展LA-ICP-MS碎屑巖鋯石U-Pb 年齡測定，最年輕的碎屑巖鋯石年齡分別為(1 732±11)、(1 655±22)Ma，認為五佛山群沉積時代晚于1 655 Ma；HU Guohui等[10]在汝陽群底部獲得最年輕的碎屑巖鋯石年齡((1 744±22)Ma)，認為汝陽群沉積時代晚于1 744 Ma。這些研究結果為確定熊耳裂陷槽的地層年代歸屬提供重要證據，但研究區汝陽—魯山一帶的碎屑巖鋯石研究比較薄弱，汝陽群云夢山組年代地層歸屬有待進一步確定。

筆者對河南新安黛眉山地區汝陽群云夢山組開展LA-ICP-MS碎屑巖鋯石U-Pb測年，對比華北克拉通南緣不同地區同時期碎屑巖鋯石年齡，探討云夢山組沉積時代和物質來源，揭示華北克拉通南緣結晶基底及熊耳裂陷槽的演化特征，為該地區的地層對比和年代地層格架建立提供地質依據。

1 區域地質背景

熊耳裂陷槽主要分布于豫、晉、陜三省交界處，以“豫西”地區為主[11]。熊耳裂陷槽中—新元古界主要由下部熊耳群巨厚(最厚達7.0 km)的中性夾酸性火山巖基底，以及上部碎屑巖、碳酸鹽巖沉積蓋層組成[1]。根據區域巖性組合和沉積特征，將熊耳裂陷槽中—新元古代地層劃分為中條山—王屋山地層小區(Ⅰ)、澠池—確山地層小區(Ⅱ)、小秦嶺—欒川地層小區(Ⅲ)、嵩山—箕山地層小區(Ⅳ)(見圖1(a))[12-15]。其中，中條山—王屋山地層小區位于裂谷盆地西北緣，整體以碎屑巖為主，部分地區略有差異；澠池—確山地層小區位于裂谷盆地中部，為NW—SE向條帶狀展布的地層分區，以碎屑巖—碳酸鹽巖過渡產物為主；小秦嶺—欒川地層小區位于裂谷盆的南緣，以碳酸鹽巖為主；嵩山—箕山地層小區位于裂谷盆地北東緣，以硅質碎屑巖為主。

研究區主要位于澠池—確山地層小區，長城系分布較為廣泛。研究區長城系主要發育熊耳群、汝陽群和洛峪群，其中汝陽群自下而上分為小溝背組、云夢山組、白草坪組和北大尖組，總厚度為1.0～1.6 km，主要分布于河南省澠池、宜陽、汝陽、汝州、魯山、臨汝等地。小溝背組以礫巖、(含礫)粗砂巖及中—細砂巖為主，下部礫石含量高，多呈次棱角狀，局部呈疊瓦狀分布，中上部粒度變細，巖性為中—粗粒長石砂巖及巖屑長石砂巖，發育大型交錯層理、透鏡狀層理、平行層理及沖刷面等構造，為扇三角洲沉積；在汝陽地區沉積厚度約為900.00 m，在萬安山地區沉積厚度為527.12 m，在黛眉山地區沉積厚度為88.00 m。云夢山組主要發育一套紫紅色砂礫巖、不等粒石英砂巖夾紫紅色泥巖組合，研究區底部為礫巖層，發育赤鐵礦層，沉積厚度區域性變化較大，分布范圍較為廣泛，一般為161.00～1 008.00 m。白草坪組主要為一套紫紅色和紫灰色頁巖、砂巖互層組合，在中條山地區超覆不整合于熊耳群之上，沉積厚度一般為72.00～214.00 m。北大尖組與下伏白草坪組呈整合接觸，為一套石英砂巖夾頁巖，頂部可見砂礫屑白云巖或疊層石白云巖，主要分布于豫西、中條山、王屋山等地區，沉積厚度一般為186.00～420.00 m(見圖1(b))。

圖1 熊耳裂陷槽地層分布及采樣位置Fig.1 The stratigraphic distribution and sampling position of Xionger Aulacogen

2 樣品采集及數據處理

樣品采集于河南省洛陽市新安縣黛眉山地區(見圖1(a))，采樣點坐標為北緯 35°2′1.72″、東經111°57′44.26″。

樣品粉碎及鋯石挑選由廊坊市科大巖石礦物分選技術股份有限公司協作完成。首先，采用浮選法和電磁法進行分選，在雙目鏡下挑選晶體形態較完好、大小不同的單顆粒鋯石進行制靶；然后，對鋯石樣品進行透射光、反射光、陰極發光(CL)照相等，制靶和透射光、反射光、陰極發光照相由武漢上譜分析科技有限責任公司協作完成；最后，利用透射光、反射光、陰極發光照片觀察鋯石晶體的完整性，以及包裹體、環帶、晶形等特征，反復對比，選擇晶形完好、無包裹體、環帶外緣的點作為激光剝蝕點進行下一步測試[16-17]。

鋯石微區U-Pb測年由武漢上譜分析科技有限責任公司協作完成。采用美國Coherent相干激光公司193 nm準分子激光剝蝕系統(GeoLas-HD)和安捷倫7900電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)；使用國際標準鋯石91500作為外標進行校正，微量元素校正標準樣品為NIST 610，同位素比值監控標準樣品為GJ-1。每完成5個測點加測兩次標準鋯石91500。

對大于1 000 Ma的古老鋯石，由于存在鉛丟失現象，一般采用207Pb/206Pb年齡更為可靠[18-19]。實驗數據應用ICPMSDataCal軟件[20]和Isoplot程序[21](3.0版本)進行分析處理，計算加權平均年齡，繪制諧和圖。

3 同位素年齡分析

共采集碎屑巖樣品51塊，其中云夢山組碎屑巖樣品為33塊。碎屑巖樣品DMS-17為紫紅色石英砂巖，在研究區分布較為廣泛，具有代表性，且風化程度較低，因此選取該樣品進行LA-ICP-MS碎屑巖鋯石U-Pb同位素年齡分析。陰極發光圖像(見圖2)顯示，碎屑巖樣品DMS-17中鋯石顆粒形狀以長柱狀、等軸狀居多，偶見紡錘形；鋯石內部特征差異明顯，大部分鋯石具有明顯的巖漿生長振蕩環帶結構，其中多數結晶環帶較窄，顯示為巖漿成因鋯石；個別鋯石可見較薄的灰白色增生邊(見圖2(c-d))，表明可能經歷后期熱事件或變質事件改造。碎屑巖鋯石粒徑介于50～150 μm，長寬比多為2∶1，以次圓狀、次棱角狀為主，偶見渾圓狀顆粒，表明可能離物源區較近，遭受搬運和磨蝕的時間較短。

圖2 云夢山組石英砂巖(DMS-17)碎屑鋯石陰極發光圖像Fig.2 CL images of detrital zircons in the quartz sandstone(DMS-17) from Yunmengshan Formation

碎屑巖鋯石(樣品DMS-17)的Th和U質量分數分別為(8.76～161.70)×10-6、(12.60～189.00)×10-6，Th/U介于0.26～1.79，多集中在0.40～0.80之間，表明鋯石具有巖漿成因的特征(見表1)。

云夢山組碎屑巖樣品DMS-17獲得80個有效數據點(見表1)，對樣品的有效數據作諧和曲線圖和年齡分布柱狀圖，可見多數數據點分布于諧和線附近(見圖3(a))，諧和度大于90%。按分布頻率特征大致可分為3組(見圖3(b))：

(1)碎屑巖鋯石207Pb/206Pb年齡集中在1 700～1 906 Ma之間，加權平均年齡為1 789 Ma(n=22，MSWD=1.20)，峰值年齡為1 771 Ma；

(2)碎屑巖鋯石207Pb/206Pb年齡集中在1 921～2 400 Ma之間，加權平均年齡為2 105 Ma(n=46，MSWD=6.00)，峰值年齡為2 083 Ma；

(3)碎屑巖鋯石207Pb/206Pb年齡集中在2 435～2 724 Ma之間，加權平均年齡為2 541 Ma(n=12，MSWD=4.40)，峰值年齡為2 512 Ma。

云夢山組碎屑巖鋯石的年齡分布在1 700～2 724 Ma之間，年齡跨度較大，反映云夢山組物源較為復雜。

表1 云夢山組石英砂巖(DMS17)碎屑鋯石樣品LAICPMS UPb分析結果

續表1

圖3 云夢山組石英砂巖(DMS-17)碎屑鋯石U-Pb諧和曲線及年齡分布Fig.3 Detrital zircon U-Pb concordia diagrams and age dictribution of quartz sandstone(DMS-17) in Yunmengshan Formation

4 地質意義

4.1 云夢山組沉積時限

有關云夢山組下伏地層熊耳群的研究集中于將熊耳群的形成時間限定在1.80～1.75 Ga之間，高峰期為1.78 Ga[22-23]。汪校鋒[24]對河南省澠池以北汝陽群云夢山組底部礫巖及石英砂巖、魯山縣冷風口地區汝陽群云夢山組底部礫巖、舞鋼市尹集地區汝陽群云夢山組底部礫巖開展碎屑巖鋯石測年，分別獲得最年輕的鋯石年齡為(1 711±37)、(1 730±27)、(1 774±32)、(1 763±51)Ma，認為(1 711±37)Ma為云夢山組最古老的沉積時代。

云夢山組80顆鋯石測試點年齡的多數數據點沿諧和線及其附近分布，為有效年齡。年齡分布在1 700～2 724 Ma之間，靠近諧和線的最年輕的碎屑鋯石年齡為(1 700±55)Ma，表明云夢山組最大的沉積年限約為1 700 Ma。

4.2 物源區分析

根據鋯石年齡分布柱狀圖(見圖3(b))，云夢山組年齡分布可分為3組，分別為2.75～2.40 Ga(峰值為2 512 Ma)、2.40～1.95 Ga(峰值為2 083 Ma)、1.95～1.70 Ga(峰值為1 771 Ma)，所占比例分別為15.00%、57.50%、27.50%(見表1)，推測云夢山組物源主要來自于中元古代早期或古元古代的巖石。

在河南省魯山、山東省西部發現2.80～2.70 Ga的巖石[25-26]，在河南省嵩山發現較多2.65～2.50 Ga的巖石，巖性主要為TTG片麻巖和表殼巖[27-29]，以及少量約為2.50 Ga的富鉀花崗巖[30]，云夢山組2.75～2.40 Ga的碎屑巖鋯石年齡是對古老巖石的反映。由于云夢山組2.75～2.40 Ga的碎屑巖鋯石所占比例較低(為15.00%)，表明云夢山組的物源并非主要來自于新太古代巖石。

云夢山組樣品分布較多的年齡范圍為2.40～1.95 Ga(峰值為2 083 Ma)，所占比例為57.50%，指示物源以約為2.10 Ga的巖石為主，來自于古元古代中期的巖石主要為太華群變質火山—沉積巖[31]、魯山—中條山地區的花崗質巖及嵩山群石英巖(2.45～2.00 Ga)[32]。

云夢山組樣品的碎屑巖鋯石中還有部分1.95～1.70 Ga的鋯石年齡，所占比例為27.50%，指示物源來自于中元古代早期的熊耳群火山巖(1.80～1.75 Ga)[33]、富鉀花崗巖((1 797±4)、(1 743±4)Ma)，以及鎂鐵質巖墻群[34]，部分年齡約為1.85 Ga的鋯石與古元古代末期的華北克拉通拼合相關。

4.3 碎屑巖鋯石與大地構造演化

云夢山組物源分析對揭示熊耳裂陷槽及華北克拉通的構造演化特征具有重要意義。云夢山組碎屑巖鋯石記錄約為2.50 Ga的峰值年齡及少數約為2.70 Ga的年齡分布，2.90～2.70 Ga被認為是華北克拉通大規模陸殼生長時期[36]，巖體證據主要有魯西地區的綠巖帶和TTG片麻巖，以及來自膠東、中條山、河南省和內蒙古自治區等地的TTG片麻巖[28-30,37]。同時，克拉通內部片麻巖、TTG和花崗質片麻巖的鋯石原位U-Pb、Hf同位素及Sr-Nd同位素分析發現，具有2.90～2.70 Ga的Hf和Nd模式年齡，形成時代或從地幔抽取時代為2.90～2.70 Ga，反映華北克拉通有大規模陸殼形成過程[28-30,38-39]。

云夢山組碎屑鋯石U-Pb年齡分布顯示存在大量2.40～1.95 Ga的年齡分布，峰值約為2.10 Ga。2.30～2.00 Ga期間，華北克拉通可能經歷一次基底陸塊的斷裂—拉伸事件，在華北北緣、東緣及中部地區形成豐鎮、膠遼和晉豫三個裂谷帶，從而形成豐鎮、膠遼和晉豫三個克拉通內部凹陷盆地(或裂谷帶)。已發現的同期的基性巖墻、裂谷型火山巖及A型花崗巖[40-43]等具有伸展性質，可以有效論證這一觀點。

云夢山組碎屑巖鋯石U-Pb年齡還有部分分布在1.95～1.70 Ga之間，峰值年齡約為1.80 Ga。華北克拉通在1.95～1.82 Ga之間發生大規模變質事件，與變質作用有關的花崗巖和偉晶巖脈侵入，可能與1.95～1.80 Ga豐鎮、膠遼和晉豫三個裂谷帶的造山活動相關[3,40]。1.80～1.75 Ga年齡分布的碎屑巖鋯石對應熊耳裂陷槽的發育，伴隨1.78 Ga基性巖墻群的侵入[43]。

5 結論

(1)熊耳裂陷槽汝陽群下部云夢山組最年輕的一組碎屑巖鋯石年齡為1.95～1.70 Ga，峰值年齡為1 771 Ma，地層沉積時限不晚于1 771 Ma，認為云夢山組時代下限約為1.70 Ga。

(2)云夢山組碎屑巖鋯石的年齡分布特征表明，云夢組物源區可能來自于中元古代早期或古元古代的巖石，其中來自2.40～1.95 Ga的物源較多。

(3)云夢山組碎屑巖鋯石年齡峰值與華北克拉通前寒武地質事件具有較好的響應關系，2.90～2.70 Ga的碎屑巖鋯石年齡分布主要反映克拉通盆地的大規模生長；約為2.50 Ga的峰值年齡反映華北克拉通化的主要過程；1. 95～1. 80 Ga的年齡分布主要與豐鎮、膠遼和晉豫三個裂谷帶的造山活動相關；1.80～1.75 Ga的年齡分布對應熊耳裂陷槽的發育。