华北北缘泥盆纪查干哈布组物源特征及其构造意义

Provenance Characteristic of Devonian Chaganhabu Formation in the Northern Margin of the North China Craton and Its Tectonic Significance

摘要

白乃庙岛弧带位于华北克拉通北缘，其与华北克拉通北缘的拼贴时限，是理解华北克拉通北缘增生过程的关键. 为了限定弧‒陆碰撞的时限，对白乃庙岛弧与华北克拉通拼合带的早古生代沉积地层——查干哈布组开展了锆石U-Pb定年和锆石Lu-Hf同位素测试. 结果显示，查干哈布组中3颗最年轻锆石的加权平均年龄为393.5± 4.9 Ma. 综合锆石年龄和前人化石资料，限定查干哈布组最大沉积年龄为早泥盆世晚期. 碎屑锆石U-Pb年龄谱和Hf同位素组成显示查干哈布组的物源为白乃庙岛弧带，基本没有来自华北克拉通的物源. 研究结果结合区域资料表明，白乃庙岛弧带与华北克拉通北缘在早泥盆世可能仍未发生弧‒陆碰撞.

关键词

白乃庙岛弧带 / 查干哈布组 / 锆石U-Pb年龄 / 锆石Hf同位素 / 物源特征 / 构造地质

Key words

Bainaimiao arc belt / Chaganhabu Formation / zircon U-Pb age / zircon Hf isotope / provenance characteristic / tectonics

0 引言

大陆地壳的增生机制一直是地学界研究的热点（Jahn et al.， 2004； Xiao et al.， 2020）. 在增生型造山带中，岩浆弧系统对大陆地壳的生长和矿产的富集具有重要作用（Zhang et al.， 2014）. 大量新生的岩浆弧通过弧‒陆碰撞的方式拼贴到大陆边缘，造成大陆地壳的生长（Rocchi et al.， 2011）. 中亚造山带位于东欧克拉通、西伯利亚克拉通、塔里木克拉通和华北克拉通之间（图1a），是全球显生宙以来最大的增生型造山带（Jahn et al.， 2004），被认为是古亚洲洋长期俯冲消减的产物（Dobretsov et al.， 2010）. 古亚洲洋的长期俯冲形成了大量增生杂岩和岛弧岩浆岩，使得亚洲大陆的面积在显生宙期间增加了5.3×10⁶ km²（Şengör et al.， 1993），最终古亚洲洋在晚古生代至三叠纪闭合于南天山‒北山‒索伦一带（Şengör et al.， 1993； Xiao et al.， 2003； Xiao et al.， 2015； Song et al.， 2021）.

白乃庙岛弧带位于中亚造山带的南缘东段（图1b），记录了中亚造山带南缘的增生. 它西起白云鄂博，经达茂旗、白乃庙、赤峰，东至吉林省南部的四平和伊通地区，延伸约1 300 km （Zhang et al.， 2014）. 前人对白乃庙岛弧带的研究由来已久，不同学者对其基底亲缘性和构造属性存在不同的认识. 早期有学者认为白乃庙岛弧带的基底为华北克拉通，白乃庙岛弧带为古亚洲洋向华北克拉通北缘俯冲所形成的大陆边缘弧（Xiao et al.， 2003； Xu et al.， 2013； Wu et al.， 2016； Wang et al.， 2016）. 近年来，大量高精度的锆石U-Pb年代学和锆石Lu-Hf同位素研究表明，白乃庙岛弧带的基底并非是华北克拉通，而是塔里木或扬子克拉通，且在白乃庙岛弧带与华北克拉通北缘之间存在一个次级洋盆——南白乃庙洋，南白乃庙洋向北俯冲至前寒武纪微陆块之下，形成白乃庙岛弧带（Zhang et al.， 2014； Zhou et al.， 2018a； Ma et al.， 2019； Tang et al.， 2021）.

对于白乃庙岛弧带与华北克拉通北缘的拼贴时限，张允平等（2010）认为在白乃庙岛弧带内广泛发育的晚志留世西别河组为一套浅海相磨拉石沉积， 并将其作为弧‒陆碰撞的标志. 此后的学者也大多以西别河组为标志，认为弧‒陆碰撞发生在晚志留世（Zhang et al.， 2014； Chen et al.， 2016； Liu et al.， 2020； Tang et al.， 2021）. 然而，运用磨拉石限定碰撞的时限是存在边界条件的，造山带的许多部位都可以发育磨拉石（侯泉林等， 2018），但只有在下行克拉通板块之上，位于造山带变形前缘与克拉通边界之间的原前陆盆地内发育的最老的磨拉石可以用来限定碰撞的上限（李继亮等， 1999； Naylor and Sinclair， 2008）. 造山带内沉积盆地完整记录了板块边缘的动力学过程，其中沉积盆地的物源变化可以用来限定碰撞发生的时限（陈艺超等， 2021）. 笔者在内蒙古白云鄂博地区北侧开展地质调查过程中，发现在西别河组之上的查干哈布组内发育有大套碳酸盐岩夹砂岩，通过对查干哈布组进行锆石U-Pb年代学和物源分析，并结合区域资料探讨其构造意义，可为解释白乃庙岛弧带与华北克拉通北缘的拼贴过程提供新的证据.

1 地质背景

研究区位于华北克拉通北缘，以呈近东西向展布的白云鄂博‒赤峰断裂为界，研究区的南部为华北克拉通，北部为白乃庙岛弧带（图1b； Xiao et al.， 2003； Jian et al.， 2008）.

华北克拉通北缘发育以太古代到古元古代的高级变质岩为特征的克拉通基底（Zhao et al.， 2012），克拉通基底之上发育了以白云鄂博群为代表的与中‒新元古代裂谷相关的变质沉积岩和岩浆岩（Zhang et al.， 2017），记录了华北克拉通北缘中新元古代渣尔泰‒白云鄂博裂谷活动. 在古元古代晚期到新元古代的裂谷相关沉积和岩浆岩之上，华北克拉通北缘还不整合了寒武纪到奥陶纪的海相碎屑岩及碳酸盐岩台地沉积物，中石炭世到三叠纪河流和三角洲相沉积物以及侏罗纪至白垩纪乃至新生代以来的火山和陆缘碎屑沉积物，除此之外，华北北缘还发育石炭纪到三叠纪的中酸性岩浆岩（Zhang et al.， 2014）.

白乃庙岛弧带发育在亲塔里木克拉通的前寒武纪基底之上（Zhang et al.， 2014； Zhou et al.， 2021），具有520~420 Ma的弧岩浆记录（Zhang et al.， 2014）. 早古生代的弧岩浆记录主要为白乃庙岛弧带内北侧的包尔汉图群火山沉积地层和岛弧带内广泛发育的花岗岩和花岗闪长岩（图2）. 在早古生代弧岩浆记录之上，白乃庙岛弧带内还发育有早古生代至晚古生代的沉积地层，主要有：奥陶纪呼和艾力更组细粒石英岩、结晶灰岩和二云片岩，志留纪西别河组砾岩、细晶灰岩和长石石英砂岩，泥盆纪查干哈布组生物礁灰岩、石英砂岩和粗粒岩屑砂岩以及石炭纪阿木山组泥晶灰岩、泥页岩、长石石英砂岩等（内蒙古自治区地质调查院， 2003，内蒙古1∶25万白云鄂博幅（K49C003002）区域地质调查报告）. 此外，在白乃庙岛弧带和华北克拉通北缘之间，保存有少量晚奥陶世到中志留世的构造混杂岩带（图2），例如，乌德构造混杂岩带和车根达来构造混杂岩带（贾和义等， 2003； 肖庆辉等， 2020）.

2 样品描述及测试方法

2.1　样品描述

研究区内发育前寒武纪白云鄂博群、早古生代火山地层、早古生代至晚古生代沉积地层以及早古生代侵入体，本次研究共采集2个沉积岩样品.

样品20BY04为华北克拉通北缘白云鄂博群内石英砂岩（图3a），采集自白云鄂博主矿区以北7 km处，野外可见平行层理发育，该砂岩主要由石英（90%）、长石（5%）和岩屑（5%）组成，石英磨圆较好（图3c）. 样品20BY12为采自白乃庙岛弧带内的泥盆纪查干哈布组长石石英砂岩，野外可见砂岩层南北两侧为大套灰岩地层（图3b），该砂岩主要由石英（80%）、长石（15%）和岩屑（5%）构成（图3d）.

2.2　测试方法

2.2.1　锆石U-Pb定年

野外采集新鲜的岩石样品，经淘洗、磁选和重液分选，在双目镜下挑选出晶形、透明度较好，且无明显裂痕的锆石颗粒用于年龄测定. 锆石制靶在北京锆石领航公司进行，阴极发光（CL）图像的采集在中科院地质与地球物理研究所电子探针与扫描电镜实验室进行，采用Nova NanoSEM 450场发射扫描电子显微镜进行拍摄.

锆石U-Pb测年在中科院地质与地球物理研究所多接收‒电感耦合等离子体质谱实验室（MC-ICP-MS）完成. 利用193nmFX激光器对锆石进行剥蚀，激光斑束直径32 µm，频率4.0 Hz，采用He作为激光剥蚀物质的载气，送入Neptune（MC- ICP-MS），利用动态变焦扩大色散使质量数相差很大的U-Pb同位素可以同时接收，进而进行U-Pb同位素测定. 采用91500标准钻石进行U-Pb同位素分饰校正，数据处理采用GLITTER 4.0程序（Jackson et al.， 2004），加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot 4.15程序，采用²⁰⁴Pb对普通铅进行校正（Andersen， 2002），利用NIST 610玻璃标样计算锆石样品的放射成因Pb*、²³²Th、²³⁸U含量. 具体实验流程参照Wu et al. （2007）.

2.2.2　锆石Hf同位素测定

锆石原位Hf同位素分析通过激光剥蚀‒多接收‒电感耦合等离子体质谱仪完成. 激光进样系统为NWR 213nm固体激光器，分析系统为多接受等离子体质谱仪（NEPTUNE plus）. 本次研究选用的Hf衰变常数为1.865×10^-11 a^-1（Scherer et al.， 2001）采用¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf=0.033 2，¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf=0.282 772（Blichert-Toft and Albarède， 1998）的球粒陨石值计算样品的ε _Hf（t）；亏损地幔现今的分析数值为¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf=0.283 25，¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf=0.038 4 （Vervoort and Blichert-Toft， 1999）.

3 结果

3.1　锆石U-Pb年龄

从华北克拉通北缘白云鄂博群石英砂岩（20BY04）中选取90颗锆石用于U-Pb年龄测试，结果见附表1. 样品的锆石大多为自形、半自形结构，其长宽比介于（1∶1）~（1.5∶1），阴极发光图像（图4a）显示多数锆石具有典型的振荡环带结构，说明其为岩浆成因锆石；少数锆石环带不明显. 样品的90个测点年龄全部谐和，且分布集中（图5a）；峰值年龄为1 859 Ma和2 512 Ma（图5b）. 样品的单颗最年轻锆石的年龄为1 621±12 Ma.

从白乃庙岛弧带内查干哈布组长石石英砂岩样品（20BY12）中选取90颗锆石用于U-Pb年龄测试，结果见附表1. 样品的锆石大多为自形、半自形结构，其长宽比介于（1∶1）~（1.5∶1），阴极发光图像（图4b）显示多数锆石具有典型的振荡环带结构，说明其为岩浆成因锆石；少数锆石环带不明显. 样品的90个测点年龄全部谐和，且分布集中（图5c）. 3颗最年轻锆石年龄在误差范围内一致，加权平均年龄为393.5±4.9 Ma （MSWD=0.56）. 除去4颗年龄分别为2 126± 15 Ma、1 834 ±18 Ma、946±7 Ma、610±11 Ma的前寒武纪锆石和3颗年龄分别为397.8±4.8 Ma、391.9±4.9 Ma、391.8±3.7 Ma的晚古生代锆石外，其余锆石的年龄均为早古生代. 其余83颗锆石的年龄均介于480~408 Ma，峰值年龄为431 Ma（图5d）.

3.2　锆石Lu-Hf同位素

从华北克拉通北缘石英砂岩（20BY04）样品中选取35个具有谐和年龄的锆石进行Lu-Hf同位素分析，结果见附表2. 其中，2.0~1.6 Ga碎屑锆石的ε _Hf（t）介于-8.7~+3.6，并以正值为主；一阶段Hf模式年龄T _DM为2 585~2 173 Ma；二阶段Hf模式年龄 T_{DM}^C为2 991~2 269 Ma. 2.8~2.0 Ga碎屑锆石的ε _Hf（t）介于-8.2~+10.5（图6）；一阶段Hf模式年龄T _DM为3 159~2 428 Ma；二阶段Hf模式年龄 T_{DM}^C为3 281~2 336 Ma.

从长石石英砂岩（20BY12）样品中选取39个具有谐和年龄的锆石颗粒进行Lu-Hf同位素分析，结果见附表2. 中奥陶世‒中泥盆世碎屑锆石的ε _Hf（t）为-9.0~+9.5；一阶段Hf模式年龄T _DM为1 446~682 Ma；二阶段Hf模式年龄 T_{DM}^C为1 973~759 Ma. 前寒武纪锆石包括两颗新元古代和两颗古元古代锆石，两颗新元古代锆石的ε _Hf（t）分别为-3.1和-6.2（图6）；一阶段Hf模式年龄T _DM分别为 1 321 Ma和1 722 Ma；二阶段Hf模式年龄 T_{DM}^C分别为1 727 Ma和2 166 Ma. 两颗古元古代锆石的ε _Hf（t）分别为-2.4和-3.8（图6）；一阶段Hf模式年龄T _DM分别为2 339 Ma和2 646 Ma；二阶段Hf模式年龄 T_{DM}^C分别为2 550 Ma和2 828 Ma.

4 讨论

4.1　查干哈布组沉积时限

前人对查干哈布组沉积时代的限定主要依靠古生物. 查干哈布组内发育有丰富的泥盆纪标准化石，包括：牙形刺Ozarkodina remscheidensis remscheidensis（西欧早泥盆世Gedinnian阶的标准化石），层孔虫Gerronostroma af. Concentricum，苔藓虫变口目的Paralioclema和大量珊瑚，例如， cf.扎晃孔珊瑚cf. Saporipora sp.（D），勺板珊瑚Spongophyllum sp.（D₁），剌壁珊瑚Tryplasma sp.（D₁），厚巢珊瑚cf. Crassialveolites sp.（D₁）， 拟颉颃珊瑚cf. Zelophyllia sp.（D₁）和新短壁珊瑚Neobrachyella sp.（D₁）等. 因此，前人将该套地层的沉积时代划分为早泥盆世（内蒙古自治区地质调查院，2003，内蒙古1∶25万白云鄂博幅（K49C003002）区域地质调查报告）.

随着锆石U-Pb定年技术的发展， 沉积岩中的碎屑锆石可以很好地限定地层沉积时代. 沉积地层中最年轻的碎屑锆石U-Pb年龄可以用来限定地层的最大沉积年龄（Dickinson and Gehrels， 2009）. 本次研究的样品20BY12中3颗最年轻碎屑锆石的加权平均年龄为393.5±4.9 Ma（MSWD=0.5），结合前人古生物数据，可确定查干哈布组最大沉积时限为早泥盆世晚期，其沉积时代晚于该时期.

4.2　查干哈布组物源分析

查干哈布组样品20BY12主要包含古元古代至新元古代和奥陶纪至早泥盆世的锆石. 奥陶纪至早泥盆世锆石年龄主要集中在480~410 Ma，具有 431 Ma的峰值年龄；白乃庙岛弧带内具有520~420 Ma的岩浆活动记录（Zhang et al.， 2014），而华北克拉通北缘内缺乏早古生代岩浆活动纪录，因此从碎屑年龄分析，样品20BY12内奥陶纪至早泥盆世的碎屑锆石来自白乃庙岛弧带（图7）. 此外，奥陶纪至早泥盆世锆石的ε _Hf（t）为-9.0~+9.5，并以正值为主，表明主要来自新生地壳并有少量古老陆壳物质的加入，且ε _Hf（t）值主要落在古生代白乃庙岛弧带的分区内（图6）. 因此，查干哈布组内奥陶纪至早泥盆世的碎屑锆石来自白乃庙岛弧带内早古生代岩浆岩.

新元古代两颗锆石年龄为946±7 Ma和610±11 Ma；ε _Hf（t）分别为-3.1和-6.2，显示有古老陆壳物质的加入. 新元古代锆石在白乃庙岛弧带内广泛发育，而华北克拉通内缺失新元古代锆石（图7）；因此，样品20BY12内新元古代锆石来自白乃庙岛弧带的基底.

古元古代两颗锆石年龄分别为1 834±18 Ma和2 126±15 Ma；ε _Hf（t）值分别为-2.4和-3.8，显示有古老陆壳物质的加入，可能来自白乃庙岛弧带的基底或华北克拉通的基底. 华北克拉通内样品20BY04具有大量古元古代锆石，且具有1 859 Ma和2 512 Ma的峰值（图7）；而样品20BY12内的 1 834±18 Ma的锆石年龄虽然与华北克拉通内样品20BY04的1 859 Ma的峰值年龄相对应，但样品20BY12中缺少另一个峰值2 512 Ma的锆石；此外，白乃庙岛弧带的基底也具有1 800 Ma的锆石（Zhou et al.， 2021）（图7），且样品20BY12中1 834± 18 Ma的锆石的ε _Hf（t）值也落在白乃庙岛弧带基底区域内（图6）. 因此样品20BY12的古元古代锆石更可能来自白乃庙岛弧带的基底.

综上所述，查干哈布组内锆石年龄主要为早古生代，少量为新元古代和古元古代. 早古生代碎屑锆石来源于白乃庙岛弧带内早古生代岩浆活动，新元古代和古元古代碎屑锆石来自白乃庙岛弧带的基底；因此，查干哈布组物源为白乃庙岛弧带，基本没有华北克拉通的物源加入.

4.3　构造意义

前人对白乃庙岛弧带的基底进行了系统的碎屑锆石U-Pb年龄和锆石Hf同位素分析，发现其前寒武纪锆石年龄主要集中在2.0~1.3 Ga和1.2~0.6 Ga，晚古元古代碎屑锆石年龄具有1.94 Ga和1.80 Ga~1.87 Ga的特征峰，与塔里木克拉通同时期内2.00~1.91 Ga和1.82 Ga的特征峰相似，而与华北克拉通2.0 Ga、1.90 Ga和1.85 Ga的特征峰有所不同（Zhang et al.， 2014； Zhou et al.， 2021）；此外，白乃庙岛弧带基底的ε _Hf（t）值在2.00~1.95 Ga快速减小，而这一趋势也发生在同期的塔里木克拉通内，但在华北克拉通北缘其发生在1.95~ 1.85 Ga，晚于白乃庙岛弧带基底（Zhou et al.， 2021）. 因此，通过总结碎屑锆石U-Pb年龄谱和 ε _Hf（t）的变化特征，Zhang et al. （2014）和Zhou et al. （2021）认为白乃庙岛弧带的基底并不具有华北克拉通的特征， 而与塔里木克拉通具有亲缘性；此外，在白乃庙岛弧带的南侧存在一个次级洋盆——南白乃庙洋，南白乃庙洋的北向俯冲使白乃庙岛弧带拼贴到华北克拉通北缘之上（Zhang et al.， 2014； Ma et al.， 2019； Liu et al.， 2020）.

白乃庙岛弧带内广泛发育一套粗碎屑沉积（志留纪西别河组），该地层底部的紫红色粗碎屑沉积不整合覆盖于早古生代岩体之上. 西别河组被认为是白乃庙岛带与华北克拉通北缘碰撞形成的磨拉石沉积，其沉积时限代表了弧‒陆碰撞的时限（张允平等，2010）. 然而，使用磨拉石沉积限定弧‒陆碰撞的时限是存在边界条件的，造山带的许多部位都可以发育磨拉石，但只有原前陆盆地内最早的磨拉石沉积的时限可以作为弧‒陆碰撞发生的上限（李继亮等， 1999）. 因此，使用磨拉石限定碰撞时限应先厘定磨拉石发育的构造位置. 西别河组现今广泛出露于白云鄂博‒赤峰断裂北侧的白乃庙岛弧带内，假设其为原前陆盆地内磨拉石沉积，那么其应该具有华北克拉通和白乃庙岛弧带的双向物源；然而碎屑锆石年龄谱显示，西别河组缺少华北克拉通的1 800 Ma和2 500 Ma的特征峰，故西别河组并没有华北克拉通的物源加入（图7）.

此外，闫臻等（2018）指出，磨拉石可形成于俯冲造山阶段弧前盆地以及碰撞造山阶段的残余洋盆和原前陆盆地，且不整合面并不能被全部用来指示碰撞或构造事件，如弧前盆地填充物与火山弧和增生楔之间也存在角度不整合面. 因此，综合区域地质资料和碎屑锆石年龄谱，白乃庙岛弧带内的西别河组并非是碰撞造山阶段原前陆盆地内的磨拉石沉积，而是俯冲阶段弧前盆地内的粗碎屑沉积，也就不能用其沉积时代来限定弧‒陆碰撞的时限.

造山带内沉积盆地的物源变化可以很好地限定弧‒陆碰撞发生的时间. Ma et al. （2019）在内蒙古赤峰地区发现具有白乃庙岛弧带和华北克拉通双向物源的沉积地层，其沉积时限晚于419± 13 Ma，标志着在早泥盆世弧‒陆碰撞已发生在内蒙古赤峰地区. 研究区查干哈布组内发育有大套碎屑岩、碳酸盐岩沉积，富含珊瑚、层孔虫、苔藓和腕足等化石（内蒙古自治区地质调查院， 2003，内蒙古1∶25万白云鄂博幅（K49C003002）区域地质调查报告）；此外，本次研究的锆石U-Pb年龄显示其沉积时限晚于393.5±4.9 Ma，锆石U-Pb年龄谱和Hf同位素数据显示其只接受北侧白乃庙岛弧带的物源. 结合本次研究结果和前人区域地质资料，表明查干哈布组沉积时的地理位置与华北克拉通北缘仍相隔一定距离，其可能形成于斜坡盆地或弧前盆地的构造环境中. 因此，南白乃庙洋的北向俯冲在查干哈布组沉积时仍在进行，弧‒陆碰撞仍未发生（图8）.

综上所述，白乃庙岛弧带与华北克拉通北缘的碰撞可能在东侧内蒙古赤峰地区先发生，在白云鄂博地区的弧‒陆碰撞应晚于393.5±4.9 Ma.

5 结论

本次研究通过对白乃庙岛弧带内查干哈布组沉积时代和物源特征的分析，得到以下几点认识：

（1）白乃庙岛弧带内查干哈布组的最大沉积年龄为393.5±4.9 Ma，表明其沉积时代为早泥盆世晚期之后.

（2）查干哈布组的碎屑锆石年龄谱特征和Hf同位素数据表明，其物源主要来自北侧的白乃庙岛弧带，南侧的华北克拉通基本不对其提供物源；其为白乃庙岛弧带内弧前盆地或斜坡盆地内的沉积.

（3）白乃庙岛弧与华北克拉通北缘在早泥盆世晚期可能仍未发生拼贴，南白乃庙洋的北向俯冲仍在进行.

附表见本刊官网（http://www.earth-science.net）.

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基金资助

国家自然科学基金项目(41730210;41672219)