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    北京周口店太平山南坡晚古生代碎屑锆石U-Pb年代学及其大地构造意义

    张航川 徐亚军 杜远生 王国庆 杨坤光

    张航川, 徐亚军, 杜远生, 王国庆, 杨坤光, 2018. 北京周口店太平山南坡晚古生代碎屑锆石U-Pb年代学及其大地构造意义. 地球科学, 43(6): 2100-2115. doi: 10.3799/dqkx.2018.548
    引用本文: 张航川, 徐亚军, 杜远生, 王国庆, 杨坤光, 2018. 北京周口店太平山南坡晚古生代碎屑锆石U-Pb年代学及其大地构造意义. 地球科学, 43(6): 2100-2115. doi: 10.3799/dqkx.2018.548
    Zhang Hangchuan, Xu Yajun, Du Yuansheng, Wang Guoqing, Yang Kunguang, 2018. Detrital Zircon Geochronology of Late Paleozoic Strata from Southern Hillside of Taiping Hill in Zhoukoudian Area, Beijing and Their Tectonic Implications. Earth Science, 43(6): 2100-2115. doi: 10.3799/dqkx.2018.548
    Citation: Zhang Hangchuan, Xu Yajun, Du Yuansheng, Wang Guoqing, Yang Kunguang, 2018. Detrital Zircon Geochronology of Late Paleozoic Strata from Southern Hillside of Taiping Hill in Zhoukoudian Area, Beijing and Their Tectonic Implications. Earth Science, 43(6): 2100-2115. doi: 10.3799/dqkx.2018.548

    北京周口店太平山南坡晚古生代碎屑锆石U-Pb年代学及其大地构造意义

    doi: 10.3799/dqkx.2018.548
    基金项目: 

    国家大学生创新创业项目 201610491005

    国家基础科学人才培养基金项目 J1310038

    详细信息
      作者简介:

      张航川(1995-), 男, 硕-博连读生, 主要从事大地构造学的研究工作

      通讯作者: 徐亚军
    • 中图分类号: P547

    Detrital Zircon Geochronology of Late Paleozoic Strata from Southern Hillside of Taiping Hill in Zhoukoudian Area, Beijing and Their Tectonic Implications

    • 摘要: 为了探讨华北板块北缘晚古生代的隆升历史和古亚洲洋的闭合过程,利用碎屑岩的锆石U-Pb年代学、Hf同位素和锆石微量元素组成对北京周口店太平山南坡晚石炭世-早二叠世地层进行物源分析,并判定源区的大地构造背景.5件样品的碎屑锆石U-Pb年龄主要分布在3个时代:显生宙(285~425 Ma)、古元古代(1 700~2 450 Ma)和新太古代(2 500~2 747 Ma).前寒武纪的锆石年龄主要集中在2.5 Ga和1.8 Ga,与华北克拉通的前寒武纪基底岩石相似.显生宙的锆石年龄主要集中在308~297 Ma,最年轻的峰值年龄在299~291 Ma,在误差范围内与地层沉积年龄相似,因此这些最年轻的碎屑锆石属于早二叠世同沉积锆石.29颗同沉积锆石的Hf同位素结果显示,原始176Hf/177Hf比值介于0.282 021~0.282 318,εHft)值介于-20.1~-9.6.显生宙锆石的年龄谱特征以及Hf同位素组成与内蒙古隆起同期的岩浆锆石特征十分相似,因此显生宙碎屑锆石可能来源于内蒙古隆起,并伴随有少量来自北侧兴蒙造山带南部的早古生代岛弧碎屑的输入.二叠纪同沉积锆石的微量元素特征表明锆石结晶的岩浆源区具有大陆岛弧的构造属性.上述数据表明:(1)华北板块北缘在晚石炭世-早二叠世为活动大陆边缘;(2)晚古生代古亚洲洋向华北北缘的持续俯冲消减导致了内蒙古隆起的快速隆升;(3)古亚洲洋闭合的时间应晚于早二叠世.
    • 图 1  (a) 研究区大地构造位置;(b)兴蒙造山带构造分区;(c)周口店区域地质图

      Figure 1.  (a)Tectonic framework of North China craton and Central Asian orogenic belt; (b) geological sketch map of Xing-Meng orogenic belt; (c) detailed geological map of Zhoukoudian area

      图a修改自Zhang et al.(2007a);图b修改自Jian et al.(2012);图c修改自周口店幅1: 50 000地质图

      图 2  太平山南坡实测剖面

      Figure 2.  Measured sectional mapping of the southern hillside of Taiping hill

      图 3  周口店晚生代碎屑岩部分锆石阴极发光照片

      Figure 3.  Respective CL images for analysed detrital zircons from Late Paleozoic strata in Zhoukoudian area

      图 4  周口店太平山南坡下二叠统碎屑锆石U-Pb谐和图

      Figure 4.  Zircon U-Pb concordia diagrams for detrital zircons from the studied samples

      年龄单位为Ma

      图 5  周口店太平山南坡下二叠统碎屑锆石年龄谱

      Figure 5.  U-Pb age distribution diagrams for detrital zircons from the Taiyuan, Shanxi and Yangjiatun Formations in the Zhoukoudian area

      图 6  杨家屯组早二叠世碎屑锆石的Hf同位素特征

      Figure 6.  Hf isotopic of detrital zircons from Yangjiatun Formation in Zhoukoudian area

      b图为a图红框区域放大部分.内蒙古隆起区域数据引用较多,如图b.兴蒙造山带数据来自Yang et al.(2006);北京西山凝灰岩数据来自Zhang et al.(2007c);孤山岩体数据来自Zhang et al.(2007b);内蒙古隆起数据来自Zhang et al.(2009a)

      图 7  锆石U-Pb年龄与邻区岩浆岩体对比

      Figure 7.  U-Pb age distribution diagram for detrital zircons

      图a,b,c分别为本文不同层位样品的锆石年龄数据;图a来自样品15ZKD-4、15ZKD-7;图b来自样品15ZKD-2、15ZKD-3;图c来自样品15ZKD-1;IMPU表示内蒙古隆起(图d),数据来自Zhang et al.(2007a, 2007b, 2009a);SAO表示南方造山带,NCC表示华北克拉通基底(图e),数据来自Rojas-Agramonte et al.(2011)

      图 8  构造背景判别

      Figure 8.  Tectonic background discrimination diagrams

      a~d.同沉积锆石微量元素构造背景判别图(a和b为太原组同沉积锆石,c和d为杨家屯组同沉积锆石,修改自Yang et al.(2012);e.积累曲线修改自Cawood et al.(2012)

      图 9  华北北缘中-晚古生代构造演化模式

      Figure 9.  Tectonic evolution of the northern margin of North China craton in Mid-Late Paleozoic

      表 1  锆石Lu-Hf同位素分析结果

      Table 1.  Lu-Hf isotope analysis of zircons from Zhoukoudian area (sample 15ZKD-7)

      编号 年龄 比值 εHf(t) tDM1(Ma) tDM2(Ma) fLu/Hf
      t(Ma) 176Yb/177Hf 1σ 176Lu/177Hf 1σ 176Hf/177Hf 1σ
      1 302 0.001 316 0.000 595 0.057 293 0.000 017 0.282 318 0.000 013 -9.66 1 329.11 1 722.30 -0.960 37
      2 301 0.001 251 0.000 962 0.045 521 0.000 028 0.282 053 0.000 013 -19.06 1 698.56 2 237.32 -0.962 31
      3 296 0.001 041 0.001 455 0.040 156 0.000 021 0.282 140 0.000 014 -16.04 1 568.00 2 068.1 -0.968 63
      4 313 0.002 051 0.002 842 0.094 317 0.000 081 0.282 216 0.000 018 -13.20 1 501.94 1 924.96 -0.938 23
      5 299 0.000 674 0.001 226 0.029 290 0.000 022 0.282 317 0.000 012 -9.64 1 308.02 1 718.60 -0.979 71
      6 304 0.000 945 0.000 467 0.035 241 0.000 011 0.282 145 0.000 015 -15.67 1 556.97 2 054.16 -0.971 52
      7 310 0.000 762 0.000 839 0.030 615 0.000 010 0.282 150 0.000 016 -15.32 1 542.59 2 039.93 -0.977 04
      8 299 0.001 274 0.001 385 0.047 786 0.000 037 0.282 143 0.000 017 -19.46 1 713.83 2 257.89 -0.961 64
      9 306 0.001 026 0.000 540 0.036 940 0.000 010 0.282 085 0.000 013 -17.76 1 643.50 2 170.10 -0.969 09
      10 303 0.001 495 0.001 805 0.057 087 0.000 029 0.282 075 0.000 014 -18.29 1 679.12 2 196.89 -0.954 96
      11 297 0.001 505 0.000 741 0.056 254 0.000 012 0.282 042 0.000 016 -19.58 1 725.60 2 262.63 -0.954 67
      12 299 0.000 675 0.001 047 0.025 713 0.000 019 0.282 146 0.000 015 -15.69 1 544.91 2 051.71 -0.979 68
      13 296 0.000 764 0.000 699 0.027 271 0.000 011 0.282 102 0.000 017 -17.33 1 609.44 2 139.31 -0.977 00
      14 309 0.001 399 0.001 796 0.049 840 0.000 062 0.282 108 0.000 016 -16.97 1 627.80 2 128.95 -0.957 87
      15 304 0.001 412 0.000 710 0.051 770 0.000 013 0.282 021 0.000 017 -20.14 1 750.13 2 298.92 -0.957 47
      16 295 0.000 924 0.000 995 0.035 976 0.000 025 0.282 120 0.000 016 -16.74 1 590.70 2 106.01 -0.972 18
      17 294 0.001 411 0.000 664 0.051 129 0.000 018 0.282 075 0.000 017 -18.46 1 675.16 2 199.21 -0.957 51
      18 297 0.001 118 0.000 582 0.039 416 0.000 024 0.282 127 0.000 012 -16.49 1 589.13 2 093.56 -0.966 33
      19 290 0.000 538 0.001 207 0.023 096 0.000 021 0.282 061 0.000 014 -18.86 1 655.72 2 218.18 -0.983 79
      20 290 0.000 757 0.001 457 0.027 270 0.000 033 0.282 124 0.000 015 -16.69 1 579.33 2 099.78 -0.977 18
      21 295 0.000 798 0.000 494 0.029 036 0.000 011 0.282 110 0.000 012 -17.10 1 600.37 2 125.50 -0.975 97
      22 300 0.000 729 0.000 309 0.025 178 0.000 002 0.282 151 0.000 014 -15.49 1 540.05 2 041.85 -0.978 04
      23 302 0.001 219 0.000 565 0.043 450 0.000 009 0.282 085 0.000 013 -17.88 1 652.10 2 173.98 -0.963 27
      24 299 0.002 103 0.000 716 0.076 302 0.000 027 0.282 090 0.000 017 -17.97 1 685.05 2 175.41 -0.936 65
      25 293 0.001 294 0.000 956 0.045 145 0.000 037 0.282 105 0.000 013 -17.40 1 627.83 2 140.15 -0.961 02
      26 290 0.000 891 0.000 658 0.031 924 0.000 021 0.282 118 0.000 012 -16.94 1 592.87 2 112.50 -0.973 16
      27 306 0.001 044 0.000 654 0.036 147 0.000 014 0.282 106 0.000 012 -17.04 1 615.84 2 130.71 -0.968 55
      28 313 0.000 613 0.000 188 0.024 631 0.000 004 0.282 092 0.000 013 -17.29 1 616.64 2 150.01 -0.981 52
      29 312 0.001 283 0.001 071 0.043 075 0.000 044 0.282 118 0.000 016 -16.55 1 609.33 2 107.9 -0.961 34
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      表 2  华北北缘内蒙古隆起和南方造山带的岩浆活动记录

      Table 2.  Data of magmatism in Inner Mongolia paleo-uplift and Xing-Meng orogenic belt

      岩体名 采样点 构造分区 岩性 锆石U-Pb t(Ma) εHf(t) 参考文献
      孤山岩体 承德 内蒙古隆起 石英闪长岩 390±4 Zhang et al., 2007b
      水泉沟岩体 赤城 内蒙古隆起 石英碱长岩 390±6 -11.8~-5.8 Zhang et al., 2007a
      隆化岩体 隆化 内蒙古隆起 石英闪长岩 311±2 -20.7~-13.2 Zhang et al., 2009a
      大光顶岩体 隆化 内蒙古隆起 石英闪长岩 324±6 -22.8~1.2 Zhang et al., 2009a
      波罗诺岩体 波罗诺 内蒙古隆起 石英闪长岩 302±4 -38.3~-20.1 Zhang et al., 2009a
      建平岩体 辽西 内蒙古隆起 闪长岩 304±2 Zhang et al., 2009a
      D315-1 建平 内蒙古隆起 石英闪长岩 252±4 Zhang et al., 2009a
      MT1-1 图灵凯蛇绿岩 南方造山带 石英闪长岩 454±2 Jian et al., 2008
      MT1-4 图灵凯蛇绿岩 南方造山带 奥长花岗岩 472±2 Jian et al., 2008
      MT1-8 图灵凯蛇绿岩 南方造山带 英云闪长岩 490±7 Jian et al., 2008
      DRAB01 巴图岛弧 南方造山带 英云闪长岩 417±2 Jian et al., 2008
      BYH01 巴图岛弧 南方造山带 石英闪长岩 440±2 Jian et al., 2008
      BYH02 巴图岛弧 南方造山带 闪长岩 452±3 Jian et al., 2008
      BNM04 白乃庙岛弧 南方造山带 流纹岩 474±7 Jian et al., 2008
      BNM09 白乃庙岛弧 南方造山带 伟晶岩 411±8 Zhang et al., 2013
      BNM01 白乃庙岛弧 南方造山带 英安岩 436±9 Zhang et al., 2013
      BNM05 白乃庙岛弧 南方造山带 闪长岩 419±10 Zhang et al., 2013
      T3S-1 北京西山 燕山构造带 凝灰岩 296±4 -15.9~-10.7 Zhang et al., 2007c
      YSH01-4 赤峰 赤峰-开原断裂带 流纹质凝灰岩 404±1 -22.0~-16.4 刘建峰等,2013
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-12-16
    • 刊出日期:  2018-06-01

    北京周口店太平山南坡晚古生代碎屑锆石U-Pb年代学及其大地构造意义

      通讯作者: 徐亚军, xuyajun19@163.com
      作者简介: 张航川(1995-), 男, 硕-博连读生, 主要从事大地构造学的研究工作
    • 中国地质大学地球科学学院, 湖北武汉 430074
    基金项目:  国家大学生创新创业项目 201610491005国家基础科学人才培养基金项目 J1310038

    摘要: 为了探讨华北板块北缘晚古生代的隆升历史和古亚洲洋的闭合过程,利用碎屑岩的锆石U-Pb年代学、Hf同位素和锆石微量元素组成对北京周口店太平山南坡晚石炭世-早二叠世地层进行物源分析,并判定源区的大地构造背景.5件样品的碎屑锆石U-Pb年龄主要分布在3个时代:显生宙(285~425 Ma)、古元古代(1 700~2 450 Ma)和新太古代(2 500~2 747 Ma).前寒武纪的锆石年龄主要集中在2.5 Ga和1.8 Ga,与华北克拉通的前寒武纪基底岩石相似.显生宙的锆石年龄主要集中在308~297 Ma,最年轻的峰值年龄在299~291 Ma,在误差范围内与地层沉积年龄相似,因此这些最年轻的碎屑锆石属于早二叠世同沉积锆石.29颗同沉积锆石的Hf同位素结果显示,原始176Hf/177Hf比值介于0.282 021~0.282 318,εHft)值介于-20.1~-9.6.显生宙锆石的年龄谱特征以及Hf同位素组成与内蒙古隆起同期的岩浆锆石特征十分相似,因此显生宙碎屑锆石可能来源于内蒙古隆起,并伴随有少量来自北侧兴蒙造山带南部的早古生代岛弧碎屑的输入.二叠纪同沉积锆石的微量元素特征表明锆石结晶的岩浆源区具有大陆岛弧的构造属性.上述数据表明:(1)华北板块北缘在晚石炭世-早二叠世为活动大陆边缘;(2)晚古生代古亚洲洋向华北北缘的持续俯冲消减导致了内蒙古隆起的快速隆升;(3)古亚洲洋闭合的时间应晚于早二叠世.

    English Abstract

      • 华北克拉通自早元古代吕梁运动形成基底之后,在中元古代到早三叠世发育盖层沉积(黄汲清等,1977Zhao et al., 2005Zhao and Cawood, 2012).在大部分地区的沉积盖层中缺失上奥陶统-下石炭统,表现为上石炭统的陆源碎屑岩直接不整合覆盖在下古生界海相碳酸盐岩之上,记录了晚古生代华北克拉通与周缘板块之间的相互作用.早期的研究认为华北北缘自克拉通形成后直到与西伯利亚克拉通拼合一直是稳定的被动大陆边缘(Cope et al., 2005Zhao and Cawood, 2012).近年来随着对古亚洲洋演化研究的不断深入,已经证实晚古生代华北克拉通北缘存在古亚洲洋南向的俯冲,导致了华北北缘构造性质的转换(Zhang et al., 2007aJian et al., 2008李益龙等,2012).然而,对于这一区域构造演化的研究仍然存在诸多争论,其中关于古亚洲洋最终关闭的时间一直是一个重要的议题.一部分学者认为古亚洲洋于泥盆纪-石炭纪之间沿着索伦缝合带关闭(图 1a)(Tang,1990Dobretsov et al., 1995Khain et al., 2002),而另一部分学者则认为该洋盆的关闭一直持续到中二叠世-早三叠世(Li,2006Windley et al., 2007Eizenhöfer et al., 2014).以往的认识主要是基于对兴蒙造山带内部出露在古亚洲洋关闭过程中出现的岩浆-变质作用的年代学和构造属性的研究.兴蒙造山带内部镶嵌着多个微陆块(如浑善达克地体和额尔古纳地块;图 1b),表明古亚洲洋属于一个多岛洋的性质(Li et al., 2015Safonova et al., 2017),而这些微陆块在古亚洲洋南向俯冲的过程中向华北克拉通北缘的碰撞-增生也会产生相应的岩浆-变质作用记录,如此易导致以微陆块与华北克拉通北缘之间的碰撞-增生时间来代表整个古亚洲洋的关闭时间.

        图  1  (a) 研究区大地构造位置;(b)兴蒙造山带构造分区;(c)周口店区域地质图

        Figure 1.  (a)Tectonic framework of North China craton and Central Asian orogenic belt; (b) geological sketch map of Xing-Meng orogenic belt; (c) detailed geological map of Zhoukoudian area

        同造山盆地内部保存的碎屑记录是研究造山运动的另一种重要手段,其中碎屑锆石的U-Pb年代学组成及其地球化学特征可以反映相邻造山带演化的阶段(Liu et al., 2001Cawood et al., 2003Xu et al., 2014).北京周口店地区地处中亚增生造山带南缘,盆地内部的碎屑岩能够清晰地记录古亚洲洋向华北北缘俯冲-增生的过程.本文系统地采集了周口店地区太平山南坡上石炭统-下二叠统的碎屑岩样品,通过碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成、锆石微量元素特征分析,确定了这套连续地层的物源,并根据物源特征探讨了晚古生代古亚洲洋南向俯冲作用控制下的华北克拉通北缘的盆山相互作用的过程.该研究对限制古亚洲洋的闭合时间以及华北克拉通北缘晚古生代的构造演化具有重要的意义.

      • 北京地区处于华北克拉通北缘,北部紧邻兴蒙造山带东段(图 1a).兴蒙造山带是古亚洲洋东部消减-闭合过程中与华北克拉通和西伯利亚克拉通相互作用的产物,带内出露大量的显生宙蛇绿岩套、增生杂岩以及相关的岩体(Jian et al., 2008Zhang et al., 2013).根据Eizenhöfer et al.(2014)的观点,兴蒙造山带由北向南可划分出北方造山带、索伦缝合带和南方造山带.古亚洲洋与华北克拉通北缘相互作用形成的南方造山带由北向南又可以依次厘定出图灵凯蛇绿岩带、温都尔庙增生杂岩带和白乃庙岛弧带.华北克拉通北缘分为内蒙古隆起和燕山构造带两部分,二者以平泉-古北口-赤城断裂带为界.东西向的内蒙古隆起内分布着大量的晚古生代侵入岩体,年龄集中介于330~275 Ma (Zhang et al., 2008, 2009a, 2009b),隆起区大部分区域缺失华北特征型的中元古代-早古生代海相地层.燕山板内构造带内是相对完整的华北型岩石地层.前寒武纪基底岩石主要是一些片麻岩、斜长角闪岩以及各类混合岩,片麻岩的U-Pb年龄主要集中在2.5 Ga和1.8 Ga(Zhao et al., 2005).这些基底岩石被中元古代-中奥陶世的碳酸盐岩和泥质岩覆盖,上覆为晚古生代-早中生代陆源碎屑岩(Li and Powell, 2001).研究区地处北京市房山区周口店镇(图 1c),大地构造位置隶属于燕山构造带(图 1a),出露最古老的岩石为2.5 Ga的官地杂岩(赵温霞等,2003颜丹平等,2005),盖层发育完整,晚古生代的碎屑岩以不整合的接触关系覆盖在奥陶系马家沟组灰岩之上,受侏罗纪房山岩体侵入的影响,研究区附近的岩石发生了不同程度的变质作用.

      • 研究剖面位于周口店镇太平山南坡(图 2;具体位置见图 1c).剖面出露了上石炭统-下二叠统的4个岩石地层单位,包括上石炭统本溪组、上石炭统-下二叠统太原组、下二叠统山西组和杨家屯组(区域上相当于下石盒子组).本溪组底部与下覆下奥陶统马家沟组灰岩平行不整合接触,岩性以角岩、板岩和砾岩为主.太原组由两个沉积旋回组成,第一个旋回为灰色中层变质细粒石英砂岩夹炭质板岩,部分层位夹煤层;第二个旋回主要为灰褐色板岩、粉砂岩.山西组也由两个沉积旋回组成,第一个旋回底部岩性为灰色中粗粒岩屑砂岩,与下覆太原组为冲刷接触关系,由下往上沉积粒度逐渐变小,局部可见交错层理;第二个旋回为黑色炭质板岩夹煤层,旋回底部是深灰色中细粒变质岩屑砂岩,顶部是板岩.该组旋回上部的炭质板岩与泥质岩对应潮湿环境下的湖泊相沉积,是华北板块的一个重要含煤层.杨家屯组由两个沉积旋回组成,第一个旋回的岩性主要为灰褐色中-粗粒变质岩屑砂岩;第二个旋回的岩性主要为灰色中-厚层细粒岩屑砂岩夹黑色炭质板岩.该组底部多为灰白色中-厚层砾岩,砾石呈白色、棱角状,砾径集中在5~10 mm,因砾石的颜色和外部形态特征,该套砾岩也被称为“豆腐块”砾岩(赵温霞等,2003).砾石经电子探针测试,成分主要为SiO2,结合显微镜下观察,砾石岩性为石英岩.层内发育明显的冲刷构造,结合角砾状砾石的形态,表明了其近源快速沉积的特点,与旋回底部的岩屑砂岩代表了辫状河流或山区河流的沉积环境.在实测剖面的基础上,笔者分别在太原组、山西组和杨家屯组砂岩粒度和成分变化较大的层位采集了5件样品(15ZKD-1、15ZKD-2、15ZKD-3、15ZKD-4和15ZKD-7)用于碎屑锆石U-Pb年代学研究,实测剖面图及具体采样层位见图 2.样品薄片镜下观察显示,岩石发生轻微变质,镜下具定向特征.碎屑颗粒中矿物成分均以石英为主,岩屑主要为变沉积岩岩屑,部分样品杂基含量较高.

        图  2  太平山南坡实测剖面

        Figure 2.  Measured sectional mapping of the southern hillside of Taiping hill

      • 锆石的分选在河北省廊坊市诚信地质服务有限公司完成,锆石的制靶和阴极发光(CL)照像在北京锆年领航科技有限公司完成.锆石微量元素含量测定和U-Pb同位素定年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室利用LA-ICP-MS完成.激光剥蚀系统为GeoLas 2005,ICP-MS为Agilent 7500a.激光剥蚀过程中采用氦气作载气,氩气为补偿气以调节灵敏度,另外输入少量氮气以提高仪器灵敏度、降低检出限和改善分析精密度(Hu et al., 2008).数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal9.0完成.U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正,每分析6个测试点分析2次91500.对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移,利用91500的变化采用线性内插的方式进行了校正(Liu et al., 2010).锆石样品加权平均年龄计算、谐和图与年龄谱的绘制采用Isoplot(3.27版)完成.本文将谐和度≥90%的分析点视为谐和年龄,加权平均年龄的计算和年龄谱的绘制只采用具有谐和年龄的锆石.在谐和年龄选取的过程中,小于1 000 Ma的年龄采用206Pb/238U年龄,大于1 000 Ma的年龄则采用207Pb/206Pb年龄.

        锆石Hf同位素的原位微区分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的多接受等离子质谱仪(Neptune Plus MC-ICP-MS)与Geolas2005基态原子ArF激光剥蚀系统联机的仪器上完成,激光剥蚀斑束的直径为44 μm,仪器测试条件、实验数据校正和分析流程详见Hu et al.(2012).锆石Hf同位素分析的测点选择在LA-ICP-MS年龄测试点的附近,或者通过CL照片选择同样成因的环带区域.在Hf同位素分析中,标准锆石91500和GJ-1被用来校正精确度,91500的平均176Hf/177Hf比值为0.282 284±0.000 007(n=10,1σ),建议的比值为0.282 303±0.000 021(Wu et al., 2006);GJ-1的比值为0.282 002±0.000 011(n =4,1σ),建议比值为0.282 015±0.000 019(Elhlou et al., 2006).分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、同位素质量分馏校正)采用软件ICPMSDataCal (Liu et al., 2010)完成.单阶段的Hf模式年龄(tDM)通过参照亏损地幔与现今的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf比率进行计算,比值分别为0.282 35和0.038 40.两阶段的Hf模式年龄tDM2通过大陆地壳的平均176Hf/177Hf值进行计算,平均值为0.015(Griffin et al., 2004).

      • 样品中挑选的锆石多数呈浅红-紫红色,颗粒以长柱状或者短柱状及其碎片为主,偶见不规则状,以自形-半自形锆石为主,也有部分他形颗粒.CL照片显示的形态主要有3类(图 3):(1)大部分发育清晰的振荡环带,表明了锆石主要起源于岩浆结晶;(2)一部分锆石的CL内部均一,无明显结构,颗粒大多数呈他形,属于变质成因的锆石;(3)少量锆石显示核-边结构,核部具均一或者振荡环带结构,被外部明亮的、狭窄的、无环带的边包裹,暗示了不同成因锆石的晚期生长(Xu et al., 2010).由于变质边很窄,所有具有核-边结构的锆石分析点位于颗粒的核部.

        图  3  周口店晚生代碎屑岩部分锆石阴极发光照片

        Figure 3.  Respective CL images for analysed detrital zircons from Late Paleozoic strata in Zhoukoudian area

        15ZKD-1样品是采自太原组上部的红柱石石英砂岩.共测试锆石71颗,大部分测点落在谐和曲线上或者附近(图 4a),获得60个谐和年龄,剩余11个测试点的数据谐和度低于90%.谐和的锆石颗粒CL图像主要为具振荡环带的岩浆锆石,少量为变质锆石,并且少部分具有被后期热事件改造的明亮的变质边(图 3a).60个谐和年龄分布介于289~2 727 Ma,可以分为6个年龄段:289~325 Ma(n=33)、343~409 Ma(n=5)、1 740~2 080 Ma(n=8)、2 258~2 369 Ma(n=2)、2 447~2 618 Ma(n=11)和2 727 Ma(n=1).在年龄谱中形成了3个年龄峰值:2 486±21 Ma(MSWD=0.83,n=9)、1 804±86 Ma(MSWD=1.5,n=4)和299±3 Ma(MSWD=2.0,n=19)(图 5a).19颗年轻的锆石给出的加权平均年龄299±3 Ma,限定了太原组沉积的下限年龄在早二叠世.

        图  4  周口店太平山南坡下二叠统碎屑锆石U-Pb谐和图

        Figure 4.  Zircon U-Pb concordia diagrams for detrital zircons from the studied samples

        图  5  周口店太平山南坡下二叠统碎屑锆石年龄谱

        Figure 5.  U-Pb age distribution diagrams for detrital zircons from the Taiyuan, Shanxi and Yangjiatun Formations in the Zhoukoudian area

        15ZKD-2样品是采自山西组下部的杂砂岩.对样品中的71颗锆石进行了71次分析,获得61个谐和年龄,10颗锆石年龄不谐和.谐和的锆石颗粒中,有两颗锆石的CL成像显示暗淡的均一结构,且Th/U比值<0.1,分别为0.015和0.075,与变质锆石的特征一致.其余具有谐和年龄的锆石CL照片显示典型的振荡环带,并且Th/U比值介于0.42~6.78,与岩浆锆石的特征一致.61个谐和年龄分布范围介于291~2 672 Ma,构成5个年龄段:291~320 Ma(n=8)、391~410 Ma(n=4)、1 750~2 109 Ma(n=18)、2 235~2 322 Ma(n=3)和2 433~2 672 Ma(n=28).在年龄谱中形成了4个明显的年龄峰,峰值分别为2 481±17 Ma(MSWD=0.4,n=14)、1 857±25 Ma(MSWD=1.2,n=12)、403±27 Ma(MSWD=2.7,n=12)和298±4 Ma(MSWD=1.5,n=6)(图 5b).

        15ZKD-3样品是采自山西组顶部的岩屑砂岩.测试的77颗锆石中获得了67个谐和的锆石年龄(图 4c).谐和锆石中绝大部分锆石的阴极发光照片显示明显的岩浆振荡环带(图 3j),少数颗粒发育明亮的变质边(图 3h).谐和年龄分布介于292~2 747 Ma,主要集中在4个年龄区间:292~309 Ma(n=4)、387~424 Ma(n=9)、1 526~2 044 Ma(n=15)和2 172~2 747 Ma(n=36).另有两颗锆石的谐和年龄分别为1 243±51 Ma和1 367±59 Ma,最老的锆石谐和年龄为2 809±36 Ma.在年龄谱中形成了4个年龄明显的峰,峰值加权平均年龄分别为2 526±19 Ma(MSWD=2.2,n=27)、1 932±40 Ma(MSWD=2.4,n=11)、394±8 Ma(MSWD=1.5,n=4)和299±4 Ma(MSWD=2.7,n=3)(图 5c).

        15ZKD-4样品采自杨家屯组底部的“豆腐块”砾岩.在79颗锆石上进行了79次分析(图 4d),获得55个谐和年龄.阴极发光照片显示谐和锆石具岩浆锆石的振荡环带(图 3k).55个谐和年龄分布介于285~2 506 Ma,主要集中在4个年龄段:285~329 Ma(n=47)、337~396 Ma(n=2)、1 887~1 889 Ma(n=2)、2 480~2 506 Ma(n=3).另有一颗锆石给出了2 161±51 Ma的谐和年龄.在年龄谱中形成了2个明显的年龄峰,峰值主要为2 497±38 Ma(MSWD=0.16,n=3)和308±2 Ma(MSWD=2.3,n=31)(图 5d),最年轻8颗谐和锆石给出的加权平均年龄为291±4 Ma(MSWD=2.5,n=8),限定了杨家屯组沉积的下限年龄为早二叠世早期.

        15ZKD-7样品为杨家屯组下部的岩屑砂岩.71个锆石测试点中获得53个谐和锆石年龄(图 4e).阴极发光照片显示谐和的锆石内部具明显的岩浆振荡环带(图 3n).谐和年龄分布介于289~2 695 Ma,主要集中在289~328 Ma(n=47)、398~412 Ma(n=3)和2 439~2 695 Ma(n=2)3个年龄区间,并在298±2 Ma(MSWD=2.1,n=33)形成了一个优势年龄峰.另有一颗锆石给出了1 769±42 Ma的谐和年龄(图 5e).

      • 本文测试了下二叠统杨家屯组样品(15ZKD-7)中最年龄的29颗锆石的Hf同位素组成,分析结果见表 1.获得的初始176Hf/177Hf比值范围为0.282 021~0.282 318;εHf(t)的值均为负值,集中介于-9.6~-20.1,两阶段模式年龄(tDM2)的范围介于1.71~2.29 Ga(图 6).

        编号 年龄 比值 εHf(t) tDM1(Ma) tDM2(Ma) fLu/Hf
        t(Ma) 176Yb/177Hf 1σ 176Lu/177Hf 1σ 176Hf/177Hf 1σ
        1 302 0.001 316 0.000 595 0.057 293 0.000 017 0.282 318 0.000 013 -9.66 1 329.11 1 722.30 -0.960 37
        2 301 0.001 251 0.000 962 0.045 521 0.000 028 0.282 053 0.000 013 -19.06 1 698.56 2 237.32 -0.962 31
        3 296 0.001 041 0.001 455 0.040 156 0.000 021 0.282 140 0.000 014 -16.04 1 568.00 2 068.1 -0.968 63
        4 313 0.002 051 0.002 842 0.094 317 0.000 081 0.282 216 0.000 018 -13.20 1 501.94 1 924.96 -0.938 23
        5 299 0.000 674 0.001 226 0.029 290 0.000 022 0.282 317 0.000 012 -9.64 1 308.02 1 718.60 -0.979 71
        6 304 0.000 945 0.000 467 0.035 241 0.000 011 0.282 145 0.000 015 -15.67 1 556.97 2 054.16 -0.971 52
        7 310 0.000 762 0.000 839 0.030 615 0.000 010 0.282 150 0.000 016 -15.32 1 542.59 2 039.93 -0.977 04
        8 299 0.001 274 0.001 385 0.047 786 0.000 037 0.282 143 0.000 017 -19.46 1 713.83 2 257.89 -0.961 64
        9 306 0.001 026 0.000 540 0.036 940 0.000 010 0.282 085 0.000 013 -17.76 1 643.50 2 170.10 -0.969 09
        10 303 0.001 495 0.001 805 0.057 087 0.000 029 0.282 075 0.000 014 -18.29 1 679.12 2 196.89 -0.954 96
        11 297 0.001 505 0.000 741 0.056 254 0.000 012 0.282 042 0.000 016 -19.58 1 725.60 2 262.63 -0.954 67
        12 299 0.000 675 0.001 047 0.025 713 0.000 019 0.282 146 0.000 015 -15.69 1 544.91 2 051.71 -0.979 68
        13 296 0.000 764 0.000 699 0.027 271 0.000 011 0.282 102 0.000 017 -17.33 1 609.44 2 139.31 -0.977 00
        14 309 0.001 399 0.001 796 0.049 840 0.000 062 0.282 108 0.000 016 -16.97 1 627.80 2 128.95 -0.957 87
        15 304 0.001 412 0.000 710 0.051 770 0.000 013 0.282 021 0.000 017 -20.14 1 750.13 2 298.92 -0.957 47
        16 295 0.000 924 0.000 995 0.035 976 0.000 025 0.282 120 0.000 016 -16.74 1 590.70 2 106.01 -0.972 18
        17 294 0.001 411 0.000 664 0.051 129 0.000 018 0.282 075 0.000 017 -18.46 1 675.16 2 199.21 -0.957 51
        18 297 0.001 118 0.000 582 0.039 416 0.000 024 0.282 127 0.000 012 -16.49 1 589.13 2 093.56 -0.966 33
        19 290 0.000 538 0.001 207 0.023 096 0.000 021 0.282 061 0.000 014 -18.86 1 655.72 2 218.18 -0.983 79
        20 290 0.000 757 0.001 457 0.027 270 0.000 033 0.282 124 0.000 015 -16.69 1 579.33 2 099.78 -0.977 18
        21 295 0.000 798 0.000 494 0.029 036 0.000 011 0.282 110 0.000 012 -17.10 1 600.37 2 125.50 -0.975 97
        22 300 0.000 729 0.000 309 0.025 178 0.000 002 0.282 151 0.000 014 -15.49 1 540.05 2 041.85 -0.978 04
        23 302 0.001 219 0.000 565 0.043 450 0.000 009 0.282 085 0.000 013 -17.88 1 652.10 2 173.98 -0.963 27
        24 299 0.002 103 0.000 716 0.076 302 0.000 027 0.282 090 0.000 017 -17.97 1 685.05 2 175.41 -0.936 65
        25 293 0.001 294 0.000 956 0.045 145 0.000 037 0.282 105 0.000 013 -17.40 1 627.83 2 140.15 -0.961 02
        26 290 0.000 891 0.000 658 0.031 924 0.000 021 0.282 118 0.000 012 -16.94 1 592.87 2 112.50 -0.973 16
        27 306 0.001 044 0.000 654 0.036 147 0.000 014 0.282 106 0.000 012 -17.04 1 615.84 2 130.71 -0.968 55
        28 313 0.000 613 0.000 188 0.024 631 0.000 004 0.282 092 0.000 013 -17.29 1 616.64 2 150.01 -0.981 52
        29 312 0.001 283 0.001 071 0.043 075 0.000 044 0.282 118 0.000 016 -16.55 1 609.33 2 107.9 -0.961 34

        表 1  锆石Lu-Hf同位素分析结果

        Table 1.  Lu-Hf isotope analysis of zircons from Zhoukoudian area (sample 15ZKD-7)

        图  6  杨家屯组早二叠世碎屑锆石的Hf同位素特征

        Figure 6.  Hf isotopic of detrital zircons from Yangjiatun Formation in Zhoukoudian area

      • 周口店太平山南坡下古生界本溪组、太原组、山西组、杨家屯组呈连续的整合接触关系(赵温霞等,2003).采自太原组底部的样品中(15ZKD-1)最年轻的11颗锆石的加权平均年龄为299±3 Ma,与国际地层年代学表中石炭纪和二叠纪的界限年龄一致.通常来讲,碎屑锆石是源区岩石经风化-剥蚀-搬运之后沉积下来的碎屑矿物,因而最年轻碎屑锆石的峰值年龄一般老于地层的沉积年龄,通常可以用于限定地层的下限年龄.但是如果源区存在剧烈的火山活动以及快速的隆升,那么沉积物经历的地表过程会大大缩减甚至会不经历这些过程而直接沉积在盆地之中,这时最年轻碎屑锆石的峰值年龄与地层的沉积年龄相当(Dickinson and Gehrels, 2009),这部分锆石也称为“同沉积锆石”,它们的U-Pb年龄可以用于标定地层的沉积年龄.太原组底部样品的最年轻碎屑锆石年龄峰值与前人利用古生物化石对地层限定的沉积时代年龄相似,比如太原组下部产属于晚石炭世的类Tr-ticites sp.和早二叠世的假希瓦格Pseudoschwagerina sp.(赵温霞等,2003),时代也处于晚石炭世-早二叠世转换阶段.因此本文推断,组成太原组底部最年轻峰值年龄的这部分碎屑锆石属于同沉积锆石,最年轻的峰值年龄限定了太原组底部的沉积年龄应为早二叠世早期.

        山西组底部样品(15ZKD-2)最年轻锆石峰值年龄为298±4 Ma,杨家屯组底部样品(15ZKD-4)最年轻的峰值年龄为291±4 Ma,上部样品(15ZKD-7)最年轻的峰值年龄为298±2 Ma,均为早二叠世.而古生物学资料表明,山西组和杨家屯组多产二叠纪的植物化石,如Lobatannularia sinensis(中华瓣轮叶)和Sphenophllum verticillatum(轮生楔叶)等(赵温霞,2003).因此最年轻的碎屑锆石年龄峰值与古生物资料限定的地层沉积时代在误差范围内是一致的.综合上述最年轻碎屑锆石的峰值年龄以及古生物资料推断,太原组、山西组和杨家屯组碎屑岩的沉积时代均应为早二叠世早期.

      • 北京周口店地区地处华北克拉通北部的燕山构造带内,华北北缘的内蒙古隆起、兴蒙造山带、华北内部以及南部北秦岭造山带均为潜在的物源区.本文将太平山南坡的碎屑锆石年龄谱与邻区(平泉地区、鄂尔多斯盆地、太行山南缘、静乐盆地和北京西山)同时代地层对比,发现这些位于华北内部的盆地石炭纪-二叠纪的碎屑锆石年龄分布区间基本一致,包括2.7~2.4 Ga、1.9~1.65 Ga和330.0~260.0 Ma.但是二叠纪同沉积锆石的含量明显有差异,而且从北往南呈规律变化,如在北部平泉地区的锆石含量约占30%(马收先等, 2011, 2014),北京西山地区(Yang et al., 2006)和本文数据显示锆石含量约为16%,而位于南部静乐盆地的锆石含量占8%(Li et al., 2009),最南边的太行山南缘的二叠纪锆石含量仅为6%(Li et al., 2010),这说明二叠纪同沉积锆石由北往南逐渐减少,暗示了物源区在研究区以北,结合南向的古流证据(王华等,2001),推断沉积物主要来自盆地北部.

        太平山南坡的碎屑锆石U-Pb年龄主要集中在2 747~2 433 Ma、2 080~1 740 Ma、424~387 Ma和329~285 Ma 4个区间.前寒武纪碎屑锆石年龄主要出现在太原组和山西组,杨家屯组有少量分布,并在2.5 Ga和1.9~1.8 Ga形成两个明显的年龄峰值(图 5).这两个年龄峰值与华北基底岩石大规模形成的两次岩浆事件年龄一致(图 7e)(Zhao et al., 2005),表明在太原组和山西组沉积期间,物源区存在大量华北基底岩石或者这些岩石的再循环沉积物.

        图  7  锆石U-Pb年龄与邻区岩浆岩体对比

        Figure 7.  U-Pb age distribution diagram for detrital zircons

        显生宙碎屑锆石的年龄范围与兴蒙造山带和内蒙古隆起报道的中-晚古生代岩浆活动时间范围一致.兴蒙造山带是在古亚洲洋的消减-关闭过程中形成的大型增生造山带,其内部结构包括主洋盆关闭形成的索伦缝合带、缝合带北侧增生在西伯利亚南缘的北方造山带和南侧增生在华北北缘的南方造山带(Eizenhöfer et al., 2014).南方造山带以及华北北缘出露的中-晚古生代侵入岩和火山碎屑岩的锆石U-Pb结晶年龄主要集中在490~390 Ma和325~252 Ma(Zhang et al., 2009aWang et al., 2016王健等,2016Zhu et al., 2016),如南方造山带内图灵凯蛇绿岩单元中长英质岩石的年龄集中在490~450 Ma,早古生代白乃庙岛弧和巴图岛弧地体中的长英质岩石年龄集中在480~410 Ma(Jian et al., 2008),华北北缘内蒙古隆起中部分长英质岩石的年龄在390 Ma左右(Zhang et al., 2007b表 2).本文样品中424~387 Ma的碎屑锆石年龄范围与南方造山带内早古生代岛弧地体以及华北北缘内蒙古隆起区内的岩石年龄范围一致,与图灵凯蛇绿岩中的长英质岩石年龄不一致.因此南方造山带中的早古生代岛弧地体和内蒙古隆起区中的部分泥盆纪侵入体可能是太平山南坡碎屑岩中424~387 Ma碎屑锆石的物源区.这一物源特征说明古亚洲洋体系中早古生代形成的岛弧地体在二叠纪之前已经增生到了华北克拉通的北缘,这与Zhang et al.(2007b)刘建峰等(2013)认为的在早泥盆世(410~390 Ma)该区存在弧-陆碰撞的认识是一致的.

        岩体名 采样点 构造分区 岩性 锆石U-Pb t(Ma) εHf(t) 参考文献
        孤山岩体 承德 内蒙古隆起 石英闪长岩 390±4 Zhang et al., 2007b
        水泉沟岩体 赤城 内蒙古隆起 石英碱长岩 390±6 -11.8~-5.8 Zhang et al., 2007a
        隆化岩体 隆化 内蒙古隆起 石英闪长岩 311±2 -20.7~-13.2 Zhang et al., 2009a
        大光顶岩体 隆化 内蒙古隆起 石英闪长岩 324±6 -22.8~1.2 Zhang et al., 2009a
        波罗诺岩体 波罗诺 内蒙古隆起 石英闪长岩 302±4 -38.3~-20.1 Zhang et al., 2009a
        建平岩体 辽西 内蒙古隆起 闪长岩 304±2 Zhang et al., 2009a
        D315-1 建平 内蒙古隆起 石英闪长岩 252±4 Zhang et al., 2009a
        MT1-1 图灵凯蛇绿岩 南方造山带 石英闪长岩 454±2 Jian et al., 2008
        MT1-4 图灵凯蛇绿岩 南方造山带 奥长花岗岩 472±2 Jian et al., 2008
        MT1-8 图灵凯蛇绿岩 南方造山带 英云闪长岩 490±7 Jian et al., 2008
        DRAB01 巴图岛弧 南方造山带 英云闪长岩 417±2 Jian et al., 2008
        BYH01 巴图岛弧 南方造山带 石英闪长岩 440±2 Jian et al., 2008
        BYH02 巴图岛弧 南方造山带 闪长岩 452±3 Jian et al., 2008
        BNM04 白乃庙岛弧 南方造山带 流纹岩 474±7 Jian et al., 2008
        BNM09 白乃庙岛弧 南方造山带 伟晶岩 411±8 Zhang et al., 2013
        BNM01 白乃庙岛弧 南方造山带 英安岩 436±9 Zhang et al., 2013
        BNM05 白乃庙岛弧 南方造山带 闪长岩 419±10 Zhang et al., 2013
        T3S-1 北京西山 燕山构造带 凝灰岩 296±4 -15.9~-10.7 Zhang et al., 2007c
        YSH01-4 赤峰 赤峰-开原断裂带 流纹质凝灰岩 404±1 -22.0~-16.4 刘建峰等,2013

        表 2  华北北缘内蒙古隆起和南方造山带的岩浆活动记录

        Table 2.  Data of magmatism in Inner Mongolia paleo-uplift and Xing-Meng orogenic belt

        内蒙古隆起区也出露有大量年龄分布介于330~255 Ma的长英质岩石(表 2),这些岩石中部分锆石的Hf同位素组成与样品中同期锆石的Hf同位素组成相似(图 6).尤其值得指出的是,北京西山一带发现有296 Ma左右的凝灰岩(Zhang et al., 2007c).其年龄峰值以及Hf同位素组成在误差范围内和本文样品中的二叠纪同沉积锆石年龄峰值完全一致(图 6).这一方面证明了样品中的显生宙碎屑锆石应主要源自盆地北部的内蒙古隆起区,另一方面也证明了二叠纪碎屑锆石源自活动火山的喷发事件,属于同沉积碎屑锆石的推断.

        区域地层资料显示(童金南等,2013),内蒙古隆起缺失了大量的中元古代-早古生代的沉积盖层,仅在隆化-丰宁断裂带附近出露少量该时间段内的沉积岩(Zhang et al., 2009a曹花花等,2012),下侏罗统直接覆盖在前寒武纪基底岩石之上,这样的地层接触关系表明华北北缘内蒙古隆起区在侏罗纪之前可能长期暴露,隆起区前寒武纪基底及中元古代-早古生代盖层中的部分岩石被剥蚀,这些可能是样品中变沉积岩岩屑的主要物源区.

        综合上述年代学和区域地层信息推断,周口店地区太平山南坡下古生界碎屑岩中的沉积物主要源自华北北缘内蒙古隆起区内的前寒武纪基底岩石、兴蒙造山带内南方造山带分布的早古生代岛弧地体以及华北北缘同沉积期的火山碎屑沉积物.

      • 对造山带演化研究极其重要的岩石记录经常会在后期的风化-剥蚀-搬运过程中从造山带内消失,而它们所形成的沉积物往往被沉积在相邻的盆地之中,是研究造山带构造演化的重要地质记录,这些碎屑物质的地球化学特征以及年代学特征对构造背景的限制作用已经被大量的研究证实(Belousova et al., 2002Cawood et al., 2012Yang et al., 2012).华北克拉通北缘二叠纪火山岩露头较少,可能是长期暴露遭受剥蚀作用的结果.周口店太平山南坡碎屑岩中保留的碎屑锆石年代学特征以及同沉积锆石的地球化学特征可以反映华北北缘二叠纪大地构造背景.

        Cawood et al.(2012)根据盆地周缘岩浆活动以及基底岩石卷入造山带的情况把盆地类型划分为3大类,每类盆地内充填的沉积物的碎屑锆石U-Pb锆石年代学特征不同:(1)汇聚背景下的沉积盆地(如弧前盆地、弧后盆地),大多伴随着同期的岛弧岩浆活动,因此沉积物中含有大量来自活动岛弧的火山碎屑物质,在弧后盆地靠近大陆一侧也会出现来自大陆的较老的沉积物;(2)同造山背景下的沉积盆地(如弧后前陆盆地、周缘前陆盆地)的沉积物主要来自上隆的造山带,因卷入造山带的岩石不仅有较老的基底岩石,而且伴有同造山岩浆活动,所以沉积物中除了有较多基底岩石碎屑外,也经常有新生的、年轻的岩浆岩碎屑;(3)离散背景下的沉积盆地(包括裂谷盆地、被动大陆边缘、稳定的克拉通盆地)中的沉积物主要以来自盆地周缘的大陆基底,与盆地开启时间相当的年轻沉积物较少.据此总结了3种沉积盆地内部碎屑锆石U-Pb年龄累积曲线特征(图 8e).根据碎屑锆石年龄的累积曲线特征,太平山南坡下古生界碎屑锆石U-Pb年龄数据中较多的来自内蒙古隆起的同沉积碎屑锆石,并且在太原组和山西组中还有大量的来自华北克拉通基底的碎屑物质.但是杨家屯组沉积时期,仅有来自内蒙古隆起的同期火山物质,没有来自华北克拉通基底的碎屑物质输入.根据碎屑锆石年龄的累积曲线特征及其物源区存在同期火山活动的物源特征,表明盆地处于汇聚型大陆边缘背景之下.

        图  8  构造背景判别

        Figure 8.  Tectonic background discrimination diagrams

        微量元素Hf、Nb、Th、U在不同成分的岩浆中的含量和地球化学行为是不同的,相应导致这些岩浆中结晶的锆石的Hf、Nb、Th、U含量和比值出现差异,而岩浆的成分又受控于岩浆形成的构造背景,因此Yang et al.(2012)总结出锆石的Nb/Hf-Th/U和Hf/Th-Th/Nb图解(图 8),用于判别盆地内部充填的某个时间段的碎屑锆石属于板内/非造山成因,还是岛弧/造山带背景下结晶的锆石.周口店太平山南坡晚古生代地层中早二叠世同沉积锆石的微量元素比值与岛弧/造山带背景下结晶的锆石一致(图 8a~8d),表明华北北缘在二叠纪早期存在活动的岛弧岩浆作用.二叠纪同沉积锆石的Hf同位素组成显示的两阶段模式年龄与华北克拉通基底岩石一致(图 6),说明岛弧岩浆作用起源于华北克拉通基底岩石在二叠纪的重融再造.这些活动的岛弧岩浆作用存在,表明古亚洲洋洋壳在二叠纪早期仍然存在南向的消减作用,古亚洲洋的关闭应该在早二叠世之后.这与前人对华北北缘侵入岩的研究结果一致(Windley et al., 2007Eizenhöfer et al., 2014).本次研究中获得的晚古生代碎屑锆石从330~285 Ma,具有连续、无间断的特征,与区域地质资料记载的华北北缘晚古生代岛弧岩浆活动在330~260 Ma长期活动的信息一致(Yang et al., 2006马收先等,2011).

        根据区域地质资料,内蒙古隆起的大规模上隆始于~330 Ma(马收先等,2011马千里等,2017),与华北北缘岛弧岩浆活动起始时间基本一致.时空上的耦合关系表明,内蒙古隆起的上隆与古亚洲洋南向俯冲导致的岛弧火山作用相关.从太平山南坡下古生界中保存的碎屑锆石年代学特征来看,前寒武纪沉积物在太原组-山西组中大量存在,而杨家屯组中缺失(图 5图 7a7b),物源在垂向上的变化反映了二叠纪岛弧属于发育在华北大陆北缘的大陆岛弧属性.在太原组-山西组沉积期,同沉积期的岛弧火山作用导致基底岩石与同期的火山碎屑物质一起被剥蚀到沉积盆地之中.杨家屯组沉积期火山作用持续不断,但是火山口附近的基底岩石已经被剥蚀殆尽或者被覆盖在火山碎屑之下,仅有同沉积期的火山碎屑进入沉积盆地.

        近来,Eizenhöfer et al.(2014)调查了兴蒙造山带南侧的西拉木伦-林西一带的二叠纪碎屑岩的物源,这套岩石的锆石U-Pb年代学特征与本文一致,说明上隆的内蒙古隆起不但向南侧华北内陆提供沉积物,同时也向北侧古亚洲洋方向的弧前盆地之中提供沉积物.

        综合上述研究结果以及区域地质资料,本文认为华北北缘石炭纪-二叠纪盆山相互作用受控于古亚洲洋南向俯冲导致的内蒙古隆起的快速上隆,其演化模型可总结如下:在330 Ma之前,由于古亚洲洋的南向消减导致早古生代形成的岛弧地体增生到华北克拉通的北缘(图 9a),从约330 Ma开始,古亚洲洋持续南向消减导致华北克拉通北缘及其早期增生的地体快速上隆,形成内蒙古隆起,上隆的基底以及同期的岛弧火山活动形成大量的沉积物向隆起两侧搬运,沉积在南部华北北缘弧后前陆盆地和北侧弧前盆地之中(图 9b).

        图  9  华北北缘中-晚古生代构造演化模式

        Figure 9.  Tectonic evolution of the northern margin of North China craton in Mid-Late Paleozoic

      • 北京周口店地区晚古生代碎屑锆石的U-Pb年代学和Hf同位素组成约束了华北克拉通北缘的盆山相互作用过程及古亚洲洋洋盆闭合的时间.碎屑锆石U-Pb年龄表明太原组-杨家屯组的年龄主要集中在2 747~2 433 Ma、2 080~1 740 Ma、424~387 Ma和329~285 Ma,分别源自盆地北部华北北缘内蒙古隆起区内的前寒武纪基底岩石、兴蒙造山带内南方造山带分布的早古生代岛弧地体以及华北北缘同沉积期的火山碎屑沉积物.早二叠世碎屑锆石属于同沉积锆石,限定了太原组-杨家屯组沉积时代在早二叠世早期.同沉积期的火山活动具有岛弧岩浆活动的地球化学特征,暗示该时期古亚洲洋并没有闭合,持续的南向消减作用导致了内蒙古隆起的快速上隆,并向隆起两侧提供了大量的沉积物.晚古生代华北北缘的盆山相互作用受控于古亚洲洋洋壳的南向俯冲作用.

    参考文献 (65)

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