天津薊州東水廠中元古代高于莊組凝灰?guī)r鋯石SHRIMPU－Pb年齡
——對(duì)中元古代生物-環(huán)境事件的制約

田輝 ，李懷坤 *，張健 ，蘇文博 ，劉歡 ，相振群 ，鐘焱

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局前寒武紀(jì)地質(zhì)研究中心，天津300170；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局華北科技創(chuàng)新中心，天津300170；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083）

作為中-新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面，薊縣剖面（原天津市薊縣行政區(qū)已改稱天津市薊州區(qū)，本文出于尊重傳統(tǒng)，仍將涉及地質(zhì)研究的剖面稱為“薊縣剖面”或“薊縣中-上元古界剖面”）位于天津市薊州城區(qū)以北，具有保存完好的中-新元古代地層，長(zhǎng)期以來一直作為我國(guó)中-新元古界的標(biāo)準(zhǔn)剖面[1-5]。命名于薊縣剖面的高于莊組最初稱為“高于莊灰?guī)r”，1959年第一次全國(guó)地層會(huì)議后改稱高于莊組[6]。高于莊組在燕遼裂陷槽廣為分布，其厚度和巖性均較穩(wěn)定，且均產(chǎn)出疊層石和微古植物，被認(rèn)為是一套中元古時(shí)期華北克拉通北緣第一次大規(guī)模海侵的產(chǎn)物[7-8]。20世紀(jì)80年代以來，學(xué)者對(duì)該組開展了一系列古生物學(xué)-地層學(xué)研究[9-15]。

近幾十年以來，以薊縣剖面為代表的燕遼裂陷槽涌現(xiàn)了一系列地層年代學(xué)、地球化學(xué)、古生物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的成果報(bào)道[16-21]：古海水碳同位素?cái)?shù)據(jù)顯示[22-26]燕遼裂陷槽沉積區(qū)在高于莊期首次出現(xiàn)了顯著的碳同位素負(fù)漂移事件；Zhu et al.[27]在高于莊組發(fā)現(xiàn)了宏觀多細(xì)胞真核生物群，將該類生物在地球上首次出現(xiàn)的時(shí)代由～600 Ma提前至～1 600 Ma；Zhang et al.[28]在高于莊組三段發(fā)現(xiàn)了大氣增氧事件，并認(rèn)為該事件促進(jìn)了全球海洋多細(xì)胞真核生物的演化。此外，薊縣剖面高于莊組以其巨大的沉積厚度（1 596 m）、復(fù)雜多樣的沉積環(huán)境、特征性古生物/礦物等在整個(gè)中-新元古界占有獨(dú)樹一幟的研究地位：自下向上硅-鈣質(zhì)沉積結(jié)核、含錳白云巖（錳方硼石礦）、“瘤狀灰?guī)r”、宏觀藻類化石、臼齒碳酸鹽巖、瀝青質(zhì)角礫、同心圓狀藻結(jié)核等獨(dú)特的沉積現(xiàn)象的成因仍存廣泛爭(zhēng)議。因此，高于莊組時(shí)代的確認(rèn)既是該時(shí)段沉積學(xué)研究的基礎(chǔ)，也是研究該時(shí)期全球生物-環(huán)境協(xié)同演化和對(duì)比的重要依據(jù)。

李懷坤等[29]首次在北京延慶地區(qū)高于莊組三段上部凝灰?guī)r中獲得的1 559±12 Ma的鋯石SHRIMP U-Pb年齡和1 560±5 Ma的LA-MC-ICP-MSU-Pb年齡之后，筆者等[30]在薊縣標(biāo)準(zhǔn)剖面高于莊組三段下部凝灰?guī)r中獲得了1 581±20（上交點(diǎn)年齡）Ma和1 577±12 Ma（加權(quán)平均年齡）的LA-MC-ICPMS U-Pb年齡數(shù)據(jù)，本研究在北京離子探針中心以SHRIMPU-Pb測(cè)試方法對(duì)上述高于莊組三段下部的凝灰?guī)r鋯石進(jìn)行了驗(yàn)證，以期獲得更加可靠和公認(rèn)的高于莊組沉積時(shí)代。

1 地質(zhì)概況

薊縣剖面位于燕山山脈南緣，西距北京中心城區(qū)90 km，南至天津市中心城區(qū)100 km，與北京和天津中心城區(qū)之間交通便利。從剖面底部長(zhǎng)城系常州溝組河流相的砂礫巖到青白口系景兒峪組濱海相泥質(zhì)微晶灰?guī)r，剖面總厚度9 197 m，幾乎未遭受變質(zhì)作用，變形微弱。自“呂梁運(yùn)動(dòng)”之后，華北克拉通結(jié)晶基底之上沿燕遼裂陷槽沉積了巨厚的中-新元古代地層，自下而上包括長(zhǎng)城系常州溝組、串嶺溝組、團(tuán)山子組、大紅峪組，薊縣系高于莊組、楊莊組、霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組和待建系下馬嶺組在內(nèi)的中元古代地層，青白口系駱駝嶺組和景兒峪組，以及下寒武統(tǒng)府君山組等地層單元[31]。

在中國(guó)地層表（2014）[31]中高于莊組位于薊縣系最下部，與下伏長(zhǎng)城系大紅峪組不整合接觸，與上覆薊縣系楊莊組呈整合接觸。高于莊組主體為一套碳酸鹽巖沉積序列，在標(biāo)準(zhǔn)剖面上，其總厚度1 596 m。傳統(tǒng)上，該組自下而上分為四個(gè)亞組（表1），分別相當(dāng)于現(xiàn)在的一段至四段?，F(xiàn)將其巖性特征概括如下：

本文所研究樣品（14JX03-2）為凝灰?guī)r，取樣點(diǎn)位于薊縣穿芳峪鄉(xiāng)東水廠村南的鄉(xiāng)村公路邊，其地理坐標(biāo)為 40°8′21″N；117°31′11″E（圖1、圖 2a）。該凝灰?guī)r樣品為張家峪亞組下部中-厚層灰質(zhì)白云巖中的夾層，外觀呈灰綠色，厚度約15 cm（圖2b）。層位位于張家峪亞組瘤狀灰?guī)r之上約55 m，緊鄰parachuariaglabra化石層。該凝灰?guī)r主要成分為玻屑（95%～97%）、晶屑及白云石（3%～5%）；玻屑呈彎曲線紋狀；晶屑可見石英，呈棱角狀，零星可見，少量晶屑被方解石交代呈假像，應(yīng)屬于玻屑凝灰?guī)r（圖2c）。該凝灰?guī)r相鄰地層特征詳見文獻(xiàn)[30]。

表1 薊縣系高于莊組劃分Tab.1 Subdivision of the Gaoyuzhuang Formation,Jixian system

自凝灰?guī)r中所選出的鋯石總體上呈短柱狀或厚板狀自形晶體（圖3），長(zhǎng)寬比為1.5/1～2/1，長(zhǎng)軸60～100μm，未見明顯的搬運(yùn)、磨蝕痕跡；鋯石內(nèi)部具有明顯的巖漿振蕩生長(zhǎng)環(huán)帶結(jié)構(gòu)，Th/U主要在0.5～1（表2），具有中酸性巖漿鋯石的基本特征。

2 測(cè)試方法

SHRIMP鋯石微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測(cè)定在北京離子探針中心完成（利用高靈敏度高分辨率離子探針質(zhì)譜儀SHRIMPⅡ），分析流程及原理見Compston et al.[32-33],Williamset al.[34]及宋彪等[35]。測(cè)試過程采用標(biāo)準(zhǔn)鋯石TEM[36]進(jìn)行同位素分餾校正，使用標(biāo)準(zhǔn)鋯石M257進(jìn)行待測(cè)樣品U、Th和Pb含量標(biāo)定[37]。用SQUID和Isoplot[38]程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用鋯石樣品中實(shí)際測(cè)得的204Pb進(jìn)行普通Pb校正，數(shù)據(jù)表中所列單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差為2σ，加權(quán)平均年齡為95%的置信度。在具體測(cè)試過程中，每測(cè)定四個(gè)樣品點(diǎn)進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)鋯石TEM測(cè)定，以監(jiān)測(cè)儀器的穩(wěn)定性。

3 測(cè)試結(jié)果

按上述方法，筆者對(duì)高于莊組凝灰?guī)r（14JX03-2）鋯石測(cè)定了24個(gè)U-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)17與華北克拉通基底～1 800 Ma年齡一致，應(yīng)屬于凝灰?guī)r中混入的鋯石，另外去掉不在諧和線上的2、22、23和24共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其他諧和度在95%以上的19個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的207Pb/206Pb表面年齡加權(quán)平均值為1 582±12 Ma（圖3）。因此，筆者認(rèn)為該數(shù)據(jù)可以代表薊縣高于莊組張家峪亞組的一次火山事件的年齡。詳細(xì)的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

4 討論

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch of the studied area

目前薊縣中-新元古界剖面的研究程度已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，在巖石學(xué)、年代學(xué)、地球化學(xué)、古生物、古地磁等方面都有了大量的成果報(bào)道，這在世界范圍內(nèi)的中元古界剖面都是獨(dú)一無二的。薊縣剖面最初被認(rèn)為保存了1.8～0.8 Ga的沉積記錄，繼陸松年和李惠民[39]首次將長(zhǎng)城系大紅峪組火山巖年齡標(biāo)定在～1 625 Ma之后，中元古代新的凝灰?guī)r/斑脫巖夾層不斷被發(fā)現(xiàn)并測(cè)得了精確的鋯石U-Pb同位素年齡，利用最新測(cè)年成果對(duì)薊縣剖面的中元古代地層-年代格架進(jìn)行了重新厘定[21-26]，不僅重新確定了薊縣剖面底界的年齡，大部分中元古代地層組/段也獲得了精確的年代學(xué)約束，顛覆了許多傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，這一系列成果在中國(guó)地層表（2014）中得到了體現(xiàn)。根據(jù)已有文獻(xiàn)資料[18-21，30，40-42]，重新確立的薊縣剖面中元古代地層格架：長(zhǎng)城系1 650～1 600 Ma、薊縣系1 600～1 400 Ma、待建系（1 400～1 000 Ma）下部下馬嶺組1 400～1 350 Ma。

高于莊組沉積現(xiàn)象豐富多樣，特別是其生物-環(huán)境的演化一直受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中官地亞組的硅-鈣質(zhì)沉積結(jié)核，桑樹庵亞組含錳白云巖（錳方硼石），張家峪亞組“瘤狀灰?guī)r”、宏觀藻類化石Parachuariaglabra.、臼齒碳酸鹽巖，環(huán)秀寺亞組瀝青質(zhì)角礫、同心圓狀藻結(jié)核等獨(dú)特的沉積現(xiàn)象的大部分仍屬未解之謎，除此之外，高于莊組的油氣成藏潛力也獲得了關(guān)注[43]。

圖2 采樣剖面和凝灰?guī)r微觀照片F(xiàn)ig.2 The sample－collecting cross－section of the Gaoyuzhuang Formation in Jixian area and the typical characteristics of the tuff

圖3 薊縣剖面東水廠村高于莊組凝灰?guī)r中鋯石分析點(diǎn)位及年齡Fig.3 The SHRIMP analysis spots and ages of zircons from the tuff of the Gaoyuzhuang Formation,Dongshuichang Village,Jixian section

1.6 ～1.0 Ga由于δ13C波動(dòng)幅度很小而被稱為地質(zhì)歷史中“最單調(diào)的時(shí)段”（The dullest time）[44]，而國(guó)際上形成該固有認(rèn)識(shí)的很大一部分原因是因?yàn)闃悠凡杉芏绕蚚45]導(dǎo)致的以偏概全。學(xué)者在薊縣剖面進(jìn)行了詳細(xì)的δ13C研究[22-24,30]，基于最新的地層年代格架，其中不乏波動(dòng)較大的時(shí)段，且部分可與其他大陸進(jìn)行對(duì)比（高于莊組、楊莊組等），中-新元古界巨厚的碳酸鹽巖地層中，首次δ13C負(fù)漂移即出現(xiàn)于高于莊組[22-24，30]。

對(duì)于高于莊組的年代學(xué)研究，張巧大等[46]曾利用碳酸鹽Pb-Pb法測(cè)得1 608±74 Ma的數(shù)據(jù)，但受測(cè)試方法的限制未被廣泛采納。李懷坤等[29]首次在北京延慶地區(qū)高于莊組三段上部凝灰?guī)r中獲得的1 559±12 Ma的鋯石SHRIMPU-Pb年齡和1 560±5 Ma的LA-MC-ICP-MSU-Pb年齡之后，燕遼裂陷槽高于莊組才真正具有了可靠的年齡約束。筆者等于2015[30]年在薊縣標(biāo)準(zhǔn)剖面高于莊組三段下部凝灰?guī)r中獲得了1 581±20（上交點(diǎn)年齡）Ma和1 577±12 Ma（加權(quán)平均年齡）的LA-MC-ICP-MSU-Pb年齡數(shù)據(jù)，首次在我國(guó)中-新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面高于莊組中獲得精確可靠的同位素年齡數(shù)據(jù)。本研究利用鋯石SHRIMP U-Pb測(cè)年技術(shù)再次對(duì)上述凝灰?guī)r年齡進(jìn)行了驗(yàn)證。目前華北克拉通中元古代高于莊組只在第三段（張家峪亞組）具有精確的年代學(xué)約束，高于莊組上部楊莊組迄今未獲得精確的年齡約束，根據(jù)最新的碳同位素演化曲線對(duì)比[26]，楊莊組頂部應(yīng)與全球～1 500 Ma的碳同位素正漂移相對(duì)應(yīng)，即高于莊組沉積上限應(yīng)早于～1 500 Ma；其沉積下限參考陸松年和李惠民[39]和張健等[47]獲得的長(zhǎng)城系頂部大紅峪組火山巖年齡數(shù)據(jù)，應(yīng)晚于～1 620 Ma，通常取整數(shù)值將大紅峪組的頂界年齡置于1 600 Ma，因此整個(gè)高于莊組的沉積時(shí)限應(yīng)介于1 600 Ma與1 500 Ma之間。

高于莊組從張家峪亞組開始進(jìn)入多細(xì)胞真核生物大發(fā)展階段，并開始出現(xiàn)明顯個(gè)體加大和細(xì)胞分異現(xiàn)象[13，17],與之前報(bào)道的串嶺溝、團(tuán)山子組小微生物化石[14]相比具有更重要的生物進(jìn)化意義。而且，臼齒碳酸鹽巖（Molar tooth）這一獨(dú)特的沉積現(xiàn)象也出現(xiàn)在張家峪亞組頂部，其成因也不乏生物成因解釋[48]。張家峪亞組至環(huán)秀寺亞組占據(jù)了高于莊組的絕大部分厚度，二者巖性特征顯示出明顯的潮下帶向潮間-潮上帶過渡的沉積特征，該海退過程對(duì)于海水氧含量及生物種類變化具有重要影響，這在地球化學(xué)和古生物學(xué)方面都得到了進(jìn)一步證實(shí)[13，17，28]。

高于莊組經(jīng)歷了多次大規(guī)模海侵-海退旋回，高密度取樣得到的碳同位素演化曲線顯示，在～1 580 Ma首次出現(xiàn)中元古代碳酸鹽巖的負(fù)漂移之后，緊接著又出現(xiàn)多次負(fù)漂移往復(fù)循環(huán)[26]，標(biāo)志著該時(shí)期沉積環(huán)境發(fā)生了多期次旋回變化?！? 580 Ma年齡的獲得同時(shí)也標(biāo)定了大氣氧含量增加、宏觀多細(xì)胞真核生物的首次爆發(fā)等一系列重大地質(zhì)事件[27-28，49]發(fā)生的時(shí)限，為哥倫比亞超大陸裂解過程中全球性生物-環(huán)境演化和地層對(duì)比研究提供了時(shí)間依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）獲得薊縣中-上元古界剖面高于莊組張家峪亞組凝灰?guī)r鋯石SHRIMPU-Pb年齡1 582±12 Ma，與其LA-MC-ICP-MSU-Pb年齡1 581±20 Ma相吻合，表明燕遼裂陷槽薊縣系高于莊組張家峪亞組下部沉積時(shí)代為～1 580 Ma。

（2）薊縣剖面高于莊組的沉積時(shí)代，應(yīng)介于1 600～1 500 Ma。

（3）薊縣剖面中元古代首次碳同位素負(fù)漂移、首次多細(xì)胞真核生物爆發(fā)、全球增氧事件等地質(zhì)事件出現(xiàn)在～1 580 Ma。

致謝：陸松年先生開創(chuàng)了薊縣中上元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面鋯石U-Pb同位素測(cè)年之先河，對(duì)近年來的凝灰?guī)r/斑脫巖U-Pb同位素定年工作起到了重要的引領(lǐng)和帶動(dòng)作用，謹(jǐn)以此文祝賀陸松年先生80壽辰！鋯石SHRIMPU-Pb同位素測(cè)年得到北京離子探針中心劉敦一研究員、宋彪研究員等的大力支持和幫助；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心陸松年研究員和朱士興研究員在薊縣剖面的研究工作中給予了一貫的指導(dǎo)和幫助；在此一并致以誠(chéng)摯的感謝。