华北板块中部晚二叠世-早三叠世砂岩碎屑锆石U-Pb定年及物源判别

Detrial Zircon U-Pb Dating and Provenance Analysis for Late Permian-Early Triassic Sandstone in Central North China Craton

摘要

华北板块陆内盆地晚二叠世-早三叠世地层沉积物的物源一直存在较大争议.对华北板块中部鄂尔多斯盆地东缘（山西柳林县）上二叠统孙家沟组（2个）和下三叠统刘家沟组（2个）以及沁水盆地（山西沁水县）上二叠统孙家沟组（1个）地层砂岩样品进行了全岩地球化学分析和碎屑锆石LA-MC-ICPMS U-Pb年龄测定.364个单颗粒锆石中，古生代碎屑锆石约占21%，具有~275 Ma（218~333 Ma，65颗）和~431 Ma的两个峰值年龄（368~442 Ma，10颗）；前寒武纪碎屑锆石约占79%，具有明显的~1 888 Ma （1 562~2 222 Ma，178颗）和~2 529 Ma（2 253~3 167 Ma，111颗）两个峰值年龄.在前人研究基础上，采用最年轻单颗粒年龄（YSG）和最年轻的碎屑锆石加权平均年龄（TuffZirc）限定地层最大沉积年龄的方法，确定刘家沟组的2个样品沉积下限年龄为253±7 Ma和250±7 Ma，孙家沟组3个样品沉积下限分别为256±7 Ma（MSWD=1.1，n=31）、264±11 Ma（MSWD=4.3，n=7）、250±6 Ma（MSWD=3.6，n=6），与二叠系-三叠系沉积界限年龄251.0±0.4 Ma相接近，其中研究区刘家沟组砂岩的地质时代应归属于早三叠世，孙家沟组砂岩应归属于晚二叠世，并进一步推测华北山西地区孙家沟组沉积时代北部早于南部.根据研究区晚二叠世-早三叠世沉积环境和构造背景分析，以及潜在物源区年龄图谱对比，结合古水流野外分析结果，判别刘家沟组和孙家沟组砂岩中的前寒武纪碎屑锆石物源区为华北板块的变质基底，早古生代碎屑锆石主要来源于兴蒙造山带南缘的早古生代侵入岩，晚古生代碎屑锆石主要来源于内蒙古隆起的晚古生代侵入岩.

关键词

华北中部 / 山西 / 晚二叠世-早三叠世 / 碎屑锆石U-Pb定年 / 物源分析 / 构造地质学

Key words

central North China / Shanxi Province / Late Permian-Early Triassic / detrital zircon U-Pb dating / provenance analysis / structural geology

0 引言

碎屑锆石是沉积岩中常见的副矿物，记录了地壳演化的岩浆与变质事件，因其具有耐腐蚀和抗风化的特点，其碎屑锆石的年龄分布以及Hf同位素组成常被广泛用于判别沉积物的源区性质、限定沉积岩形成时代、探讨区域构造演化以及古气候与古环境等，是地质学家研究沉积盆地与周缘造山带及盆山耦合的重要手段（Fralick and Kronberg，1997；Zhang et al.，2007；Li et al.，2010， 2022；Ju et al.，2021）.华北板块北接中亚造山带，南临秦岭-大别造山带（图1a），自形成稳定的克拉通以来，其周缘构造主要受板块俯冲与挤压作用所控制，陆内盆地则以垂直升降为主，并长期接受稳定的沉积，这些沉积作用不仅记录了华北板块陆内盆地的形成过程，还保存了周缘造山带重要的构造演化信息，因而受到众多学者的关注（Zhai and Santosh，2011；Zhao and Cawood，2012；Li et al.，2017；Wu et al.，2021）.

近年来，多数学者通过碎屑锆石U-Pb年代学等手段对华北地区及其周缘造山带进行了研究，初步厘定了华北板块古生代以来的构造演化特征.虽然大量数据显示华北板块南北部的碎屑锆石年龄组成以及峰值存在明显差异，但对其沉积物源区的性质仍存在较大争议（Zhu et al.，2014；Zhou et al.，2019；王艳鹏，2019；郑伟等，2021；Wu et al.，2021）.首先是华北板块内部晚古生代沉积地层的物源区仍未取得统一的认识，部分学者认为晚古生代地层物源区主要来自华北板块北部的内蒙古隆起，少量来自中亚造山带或兴蒙造山带（Li et al.，2010；Ma et al.，2014；Zhou et al.，2019）；而另一种观点认为主要来自华北板块南部的北秦岭造山带（Zhu et al.，2014；王艳鹏，2019）.其次，多数学者在沉积物源区的研究中仅对晚古生代碎屑锆石物源进行了初步分析（于兴河等，1994；刘锐娥等，2003；曹高社等，2019），而对晚古生代沉积地层中少量的早古生代（~420 Ma）碎屑锆石源区性质却鲜有讨论.

因此，为了探究华北板块陆内盆地沉积物物源性质以及晚古生代构造演化，本文选择华北板块中部鄂尔多斯盆地东缘柳林地区上二叠统孙家沟组与下三叠统刘家沟组砂岩，以及沁水盆地上二叠统孙家沟组凝灰质砂岩进行锆石U-Pb年代学及地球化学分析，通过与潜在物源区的锆石年龄峰值进行对比，判别研究区晚二叠世-早三叠世砂岩物源区性质，为探讨华北板块中部晚古生代构造演化提供有力证据.

1 区域地质背景

华北板块构造演化复杂，~2 500 Ma的板块聚合拼贴构成了华北板块的统一基底，此后又相继经历了裂解、消减和碰撞拼合，于~1 850 Ma最终成为稳定的克拉通（Zhai，2003；Zhao et al.，2005， 2012；Zhai and Santosh，2011）.华北板块的拼合与克拉通化以及中元古代基底隆升与陆内裂谷作用使其保存了大量的前寒武纪变质基底（Wan et al.，2006；Zhai and Santosh，2011）.古生代以来由于受到南部秦岭造山带以及北部中亚造山带的影响形成了现今的构造格局（图1a）.根据基底出露情况自西向东分为西部地块、中部地块和东部地块（Zhao et al.，2005）.

研究区主要位于华北板块陆内盆地中部的鄂尔多斯盆地东缘柳林和沁水盆地沁水地区（图1b）.柳林地区横跨华北中部陆块和西部陆块，东临吕梁山，西部为鄂尔多斯盆地，区内从前寒武纪至新生代地层均有出露（耿元生等，2000；张建中，2007）.柳林地区晚古生代至早中生代沉积地层由老到新为上石炭统太原组、二叠系山西组、石盒子组、孙家沟组以及三叠系刘家沟组（图2），其中太原组与山西组为海陆交互相含煤沉积，孙家沟组含有著名的锯齿龙类化石.自晚二叠世以来，由于华北板块北缘的不断抬升，研究区逐渐转化为陆相拗陷盆地沉积体系，气候也转为大陆性干旱气候，上石盒子组和孙家沟组主要为砖红色泥岩、灰绿色中细粒长石砂岩以及岩屑长石砂岩，三叠系刘家沟组以紫红色中-细粒岩屑长石砂岩为主（张建中，2007）.

沁水地区位于华北板块中部（图1b），区内前寒武纪至新生代地层均有出露，其中早古生代地层主要包括寒武系与奥陶系，寒武系主要由下部的紫色泥页岩、中部的薄层灰岩、细粒灰岩及上部的竹叶状灰岩、白云岩组成，地层厚度自东向西逐渐减薄，沉积环境为典型的陆表海.下奥陶统地层主要以白云岩为主.晚古生代地层与柳林地区基本一致（图2），主要包括上石炭统太原组、下二叠统山西组、中-上二叠统下石盒子组、上石盒子组及孙家沟组.同时中生代和新生代地层也均有出露（Zhai and Santosh，2011；卫彦升等，2021）.

2 样品采集及岩相学

本文研究的砂岩样品分别取自柳林县东和沁水县端氏镇（图1b和图2），且取样位置均明显可见刘家沟组和孙家沟组整合接触关系，其中柳林地区样品分别取去自郝家津（19SJG01和19LJG01）和薛村（19SJG02和19LJG02）；沁水县端氏镇样品取自孙家沟组上部（4419RZ）.由于黄土覆盖严重，鄂尔多斯盆地东缘柳林孙家沟组地层仅在郝家津、薛村镇、长峪一带冲沟中有少量出露（图3a~3f），底界以出现砖红色、灰红色泥岩、粉砂岩与下石盒子组分界，两者为整合接触关系.孙家沟组下部砂岩夹层较多，以灰红、灰绿色为主，上部砂岩夹层较少，为灰红色（图3a~3f），砂岩中发育典型平行和交错层理（图3g），多含泥砾，其中泥岩、粉砂质泥岩中含钙质结核及灰绿色淡水灰岩条带、团块夹层.刘家沟组岩性主要为紫红色、浅红色、灰红色薄-中厚-厚层状中-细粒岩屑长石砂岩、长石砂岩、以及粉砂岩夹较不稳定的紫红色、砖红色泥岩、粉砂质泥岩.砂岩中发育平行层理、斜层理、板状交错层理、大型楔状交错层理.

刘家沟组砂岩样品（19LJG01和19LJG02），为中、细粒岩屑长石砂岩，分选性和磨圆度中等，颗粒成分主要为岩屑、长石、石英及少量白云母、黑云母.其中岩屑成分复杂，粒径主要集中在0.15~0.40 mm之间，含量约10%~25%；石英含量约30%~50%，粒径0.05~0.30 mm；长石以斜长石为主，含量约35%~45%，粒状或长板状，表面粗糙，粒径在0.05~0.30 mm.少数样品中含有白云母颗粒，含量<10%（图4a~4b）.

孙家沟中砂岩样品（19SJG01和19SJG02）为中、细粒长石岩屑砂岩、碎屑颗粒分选中等，磨圆度较差，多为棱角-次棱角状，颗粒支撑，胶结物很少.颗粒成分主要为石英、长石、岩屑、及少量白云母组成.石英颗粒不规则，表面较为干净，含量25%~35%.长石以斜长石为主，粒状或长板状，表面粗糙，多见有聚片双晶，含量约20%~25%.岩屑粒径变化也较大，主要集中0.15~0.25 mm 之间，含量约40%~45%（图4c~4d）.

沁水盆地沁水县地区孙家沟组砂岩样品（4419RZ），主要为含火山碎屑沉积岩夹层，岩性为中细粒凝灰质长石岩屑杂砂岩（图3h~3i），为灰紫红色，中细粒砂状结构，块状构造.岩石主要由石英、长石、岩屑和方解石胶结物、凝灰质杂基等组成，其中岩屑以中酸性火山岩为主，含量在30%~40%之间，碎屑大小0.05~1.00 mm，呈棱角状-次磨圆状、不规则状，磨圆度中等-较差，分选性中等，碎屑间呈点状接触，颗粒支撑，孔隙式胶结.碎屑间局部由亮晶方解石胶结物胶结，多充填污浊的凝灰质（图4e~4f）.

3 测试方法及分析结果

3.1　测试方法

本文样品测年锆石的分选和制靶在河北廊坊地质调查院完成，LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年在吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室（长春）完成.具体操作流程详见郝宇杰等（2020），①激光剥蚀系统（COMPEx Pro型）为193nm ArF准分子激光器，与激光器联用的是Agilent 7900 型ICP-MS仪器；②采用He作为剥蚀物质的载气，仪器最佳化采用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃参考物质（NIST610），然后采用标准锆石（91500）外部校正法进行锆石原位U-Pb分析；③采用直径为32 μm、频率为7 Hz的激光束斑进行样品分析；④利用ICPMASDATACALL软件计算同位素比值及相应²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb、²⁰⁶Pb/²³⁸U和²⁰⁷Pb/²³⁵U的年龄值；⑤根据Andersen（2002）计算方法，对结果进行普通铅校正，然后采用Isoplot程序计算其年龄，详见附表1.

选择新鲜样品经过无污染碎样后在核工业北京地质研究院（北京）完成主量、微量和稀土元素分析.其中主量元素采用熔片法X-射线荧光光谱法（XRF）测定，分析准确度和精度优于2%~3%；微量元素和稀土元素是用Teflon熔样罐进行熔样，然后采用Finnigan MAT公司生产的双聚焦高分辨等离子体质谱仪ICP-MS进行测定，准确度和精度优于10%，Fe₂O₃、FeO采用容量法（VOL）测定，详见附表2.

3.2　碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb结果

样品19LJG01：该样品中的碎屑锆石CL图像（图5a），显示锆石颗粒粒径分布于50~120 μm之间，普遍具有晶棱圆化，多以半自形-他形为主，绝大部分锆石不同程度地保留明显的岩浆振荡环带，极少部分具有扇形或面状分带结构特征.82个测点结果显示，Th/U比值主体为0.04~1.56，仅一颗锆石Th/U小于0.01，可能代表锆石为变质锆石成因.U-Pb年龄集中分布在253~2 599 Ma之间（图6a~6b），可分为253~314 Ma，427~442 Ma，1 569~2 018 Ma三组，对应年龄峰值分别为279 Ma（MSWD=2.3，n=16），432 Ma（MSWD=0.079，n=4），1 889 Ma（MSWD=0.34，n=27），2 528 Ma（MSWD=0.14，n=35），其中最年轻碎屑锆石年龄为253±7 Ma，指示砂岩沉积时代应晚于253 Ma.

样品19LJG02：CL图像揭示锆石大小在80~150 μm之间，长短轴比接近2∶1，锆石颗粒具有明显晶棱圆化，呈半自形-他形结构，多数锆石具有一定的核边结构，边部发育明显岩浆成因的振荡生长环带，少部分内部结构均匀（图5b）.对样品19LJG02进行了82颗锆石U-Pb同位素测年结果显示，U-Pb年龄范围在250~2 697 Ma，Th/U比值为0.01~1.72，其中仅有2颗碎屑锆石为古生代，分别为250±7 Ma和368±10 Ma，其余80颗均为前寒武纪，介于1 625~2 697 Ma，峰值年龄为1 889 Ma（n=49）与2 406 Ma （n=31）.其中最年轻碎屑锆石年龄为250±7 Ma（图6c~6d）.

样品19SJG01：该样品中的碎屑锆石CL图像显示锆石颗粒粒径介于80~200 μm，锆石多呈短柱状或浑圆状，以发育不同程度的核边结构特征为主，边部发育有明显岩浆成因的振荡生长环带（图5c）.82颗测点的锆石Th/U比值为0.01~1.16，U-Pb年龄范围在251~3 167 Ma，可分为251~318 Ma，400~434 Ma，1 683~1 985 Ma，2 002~3 160 Ma四组，对应年龄峰值分别为273 Ma（MSWD=1.1；n=31），423 Ma （MSWD=8.1；n=4），1 887 Ma （MSWD=54；n=11），2 406 Ma（n=36），其中最年轻锆石加权平均年龄为261±4 Ma（MSWD=0.82；n=12）（图6e~6f）.

样品19SJG02：CL图像揭示锆石大小在70~120 μm之间，长短轴比介于1∶1~2∶1，锆石以晶棱圆化为显著特征，呈半自形-他形结构并且不同程度地保留有岩浆结晶成因特征的振荡环带（图5d）.对19SJG02进行了82颗锆石U-Pb同位素测年结果显示，U-Pb年龄范围在258~2 588 Ma，Th/U比值为0.04~1.56，可分为258~323 Ma，1 676~2 010 Ma，2 032~2 588 Ma三组，对应年龄峰值分别为264 Ma（MSWD=4.2，n=4），1 897 Ma（n=50）和2 483 Ma（n=16），其中最年轻碎屑锆石加权平均年龄为264±11 Ma（MSWD=4.3；n=7）（图6g~6h）.

样品4419RZ-1中锆石为无色至深褐色，多为短柱状，长短轴比接近2∶1，CL图像中绝大部分发育明显的岩浆振荡环带，Th/U比值介于0.3~2.1，为岩浆锆石成因（图5e）.样品4419RZ-1共获得36颗锆石测年有效数据，其中有4个明显的峰值年龄段，分别为250~259 Ma，303~333 Ma，1 600~1 800 Ma，2 438~2 587 Ma，其中最小年龄为218 Ma的样品由于其Pb丢失极为严重（含量仅为1×10^-6），且锆石表面裂纹较多，因其U-Pb封闭系统可能被后期破坏故删除.该样品最年轻锆石加权平均年龄为250±6 Ma（MSWD=3.6；n=6）（图6i~6j）.

总体看来，刘家沟组砂岩（19LJG01和19LJG02）最年轻锆石年龄应该介于250~253 Ma，结合古生物地层学研究，可以限定其沉积下限为早三叠世；孙家沟组砂岩样品（19SJG01、19SJG02和4419RZ-1）最年轻锆石年龄介于250~264 Ma，结合野外孙家沟组和刘家沟组的接触关系，以及其中发现的锯齿龙类化石，可以限定孙家沟组砂岩的沉积下限为晚二叠世.值得注意的是，在早古生代碎屑锆石分布中，柳林地区孙家沟组样品中锆石>400 Ma的锆石有3颗427±11 Ma，432±12 Ma和434±11 Ma；刘家沟组中锆石年龄其中>400 Ma的有4颗，分别为427±11 Ma，429±11 Ma，430±11 Ma，442±11 Ma.而沁水地区中的孙家沟组锆石样品中未发现早古生代锆石年龄.

3.3　岩石地球化学特征

3.3.1　主量元素

刘家沟组砂岩测得SiO₂含量为75.13%~59.86%，平均68.47%；Al₂O₃含量为15.22%~11.43%，平均12.65%.孙家沟组砂岩测得SiO₂和Al₂O₃与刘家沟组基本相似，分别介于73.05%~53.98%（平均为61.58%）和15.33%~11.89%（平均为14.29%）.岩石中的SiO₂/Al₂O₃比值是沉积岩成熟度的重要指标，Fe₂O₃/K₂O比值可以反映岩石风化过程中砂岩中铁、镁矿物的稳定程度（Taylor and McLennan，1985）.刘家沟组与孙家沟组的砂岩SiO₂/Al₂O₃比值基本一致，前者介于6.14~4.34，平均值为5.45，后者比值范围为6.14~3.54，都显示出成熟度中等的特征.刘家沟组的Fe₂O₃/K₂O比值范围为2.64~0.85，平均值1.44，而孙家沟组的Fe₂O₃/K₂O略低于刘家沟组，介于1.69~0.85，平均值1.41，总体反映出本次采集样品都经历了不同程度的风化林滤作用，造成砂岩中镁铁矿物的分解、流失.

3.3.2　稀土元素和微量元素

刘家沟组和孙家沟组砂岩稀土范围分别介于216.13×10^-6~86.36×10^-6（平均155.44×10^-6）和232.45×10^-6~96.27×10^-6（平均158.69×10^-6），稀土元素含量变化范围较大.在稀土元素球粒陨石标准化图解上（图7a），刘家沟组和孙家沟组的砂岩稀土元素表现出一致的趋势，暗示它们可能具有相同的物源，均呈现一定程度的轻、重稀土元素分馏，总体表现为轻稀土富集、重稀土亏损的特征.刘家沟组砂岩LREE/HREE平均值为9.29，Eu/Eu*比值范围为0.98~0.71，平均值为0.82，具负Eu异常特征，（La/Yb）_N=16.69~8.11，无明显的Ce异常.孙家沟组砂岩LREE/HREE平均值为8.38，Eu/Eu*比值范围为0.89~0.65，平均值为0.77，具负Eu异常特征，（La/Yb）_N=10.91~8.27，也无明显的Ce异常.在稀土元素大陆上地壳（UCC）标准化图解上（图7b），刘家沟组和孙家沟组的测试样品也具有一致的趋势，曲线较为平缓，总体表现出轻微的轻稀土富集以及弱的Eu负异常特征，与全球平均大陆上地壳的稀土元素含量非常接近.特征微量元素原始地幔标准化微量元素蛛网图中规律明显（图7c），整体而言，刘家沟组和孙家沟组砂岩样品亏损高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf和富集大离子亲石元素Rb、U.

4 讨论

4.1　刘家沟组与孙家沟组地层时代讨论

孙家沟组由刘鸿允（1991）创名于宁武县化北屯乡孙家沟，时代置于晚二叠世.早期的区调工作中称为石千峰组一段，后称为石千峰组（即狭义的石千峰）；刘家沟组系刘鸿允（1991）创名于山西宁武县化北屯乡刘家沟，是石千峰群的第2个组，时代置于早三叠世.2020年《山西省区域地质志》仍沿用这两个组，时代厘定依据前人结果.尽管地层沉积时限的确定有地层对比和古生物化石相对年代学证据，但一直缺乏最新同位素年代学佐证，而且对于其沉积物源也尚不清楚.本文试图采用沉积岩中碎屑锆石的U-Pb年龄来限定地层的最大沉积年龄及物源.目前，主要有7种方法（Dickinson and Gehrels，2009；Tucker et al.，2013）：①最年轻单颗粒年龄（YSG）；②最年轻图像碎屑锆石年龄（YPP）；③最年轻碎屑锆石年龄（YDZ）；④加权平均年龄（YC1σ）（+3）；⑤加权平均年龄（YC2σ）（+3）；⑥算术平均年龄（WA）；⑦Tuffzirc年龄（+6），即需要至少6颗最年轻的碎屑锆石做加权平均年龄.目前大部分学者选择其中第1种和第7种，本文也沿用这两种方法.

4.1.1　刘家沟组沉积时限的限定

本文利用砂岩碎屑锆石最小年龄或最年轻碎屑锆石加权平均年龄来进一步限定地层的沉积时代.虽然由于Pb丢失或者数据分析误差会导致计算出的最小年龄会有些偏差，但是运用最小年龄组的加权平均年龄能有效地减少误差（Dickinson and Gehrels，2009；曹高社等，2019）.基于这一原则，限定刘家沟组样品LJG01和LJG02的最小年龄分别为253±7 Ma和 250±7 Ma，与二叠系-三叠系沉积界线251.0±0.4 Ma较一致.结合以上研究可以发现，研究区刘家沟组形成时代应属于早三叠世.

4.1.2　孙家沟组沉积时限的限定

以往的研究表明，华北地区山西孙家沟组岩性整体表现为北部岩石粒度较粗，南部较细，并且具有穿时地层的特点，南部为早三叠世，中部和北部因海退较晚而为晚二叠世（张抗，1991）.李兴文和刘俊（2013）在柳林县薛村镇孙家沟组发现了锯齿龙类颌齿化石，认为其与柳林黄河龙时代一致，据此推断孙家沟组为二叠世晚期.欧阳舒和王红农（1985）通过对孢粉化石研究认为华北南部的平顶山砂岩段与山西孙家沟组层位相当，结合在山西保德孙家沟组顶部发现的脊椎动物化石，将孙家沟组归属于晚二叠世，但登封地区孙家沟组顶部孢粉的时代研究显示要比山西孙家沟组年轻.另外，近年来部分学者通过碎屑锆石U-Pb年代学研究发现，华北南部宜阳地区孙家沟组底部最小年龄为248±7 Ma，年代上属于早三叠世（曹高社等，2019），这一认识与太原西山石千峰组下部砂岩碎屑锆石年龄（<250 Ma）基本一致（Wu et al.，2021）.本文在鄂尔多斯盆地东缘柳林和沁水地区孙家沟组中获得3个砂岩碎屑锆石的最小年龄组加权平均值为255±7 Ma（n=6），结合在孙家沟组上部发现的锯齿龙类古生物化石（图3d~3e），认为孙家沟的沉积下限为晚二叠世.

4.2　物源分析

4.2.1　Dickinson 三角图解

沉积岩的物质来源是一个复杂的问题，盆地形成的构造背景往往决定着沉积物最终的结构和化学特征，因此可以通过对母岩的特性分析来确定源区的构造背景（Han et al.，2011）.根据砂岩碎屑成分的统计结果，运用Dickinson分析理论做出Q-F-L、Qm -F-Lt三角形图解（图8）.Q-F-L图解中孙家沟组与刘家沟组砂岩样品主要落在切割型岛弧区，少量落在过渡型岛弧及再旋回造山带中（图8a）；Qm-F-Lt图解中孙家沟组与刘家沟组砂岩样品落在切割型岛弧区且靠近于过渡型岛弧区，揭示了沉积物源来自岩浆弧与碰撞造山带之间的混合区域（图8b）.

4.2.2　地层古水流特征

本次系统实测了研究区孙家沟组砂岩斜层理及交错层理的地层产状，经水平校正后投入玫瑰花图，古流向的玫瑰花图显示柳林和沁水地区孙家沟组的古流向主要为南西向、正南向和南东向（图9）.

4.2.3　上二叠统-下三叠统物源示踪

沉积物物源分析是研究大地构造背景的重要内容之一，是再现沉积盆地演化、恢复古环境的重要依据，其具体分析方法包括岩石学、地球化学、重矿物和同位素年代学等（陈龙等，2022）.稀土元素（REE）受后期的风化、成岩及变质作用的影响相对较弱，可用作指示源岩及鉴别砂岩物源的重要参数（Rollinson，1999；王远超等，2020），例如源自基性岩石的稀土元素具有低的LREE/HREE比值，无Eu，而长英质岩石通常具有较高的LREE/HREE比值，且具Eu负异常.酸性侵入岩和火山岩、长英质变质岩，以及来自大陆源区的沉积岩等Eu多显示负异常.刘家沟组和孙家沟组砂岩的稀土元素球粒陨石配分曲线表现为轻稀土元素相对富集，重稀土相对亏损的特征，LREE/HREE平均比值分别9.29和8.38，Eu/Eu*平均比值分别为0.82和0.77，具有明显的负Eu异常.总体而言，稀土特征表明刘家沟组和孙家沟组沉积物物源主要来自上地壳.在样品全球平均大陆上地壳成分（UCC）标准化稀土元素配分曲线中（图7b），刘家沟组和孙家沟组砂岩样品稀土元素总体表现平缓，略微呈现出轻稀土元素富集，（La/Yb）_UCC平均值分别为1.30和0.99，表现为不同程度的Eu正异常，说明在不同时代的刘家沟组和孙家沟组沉积物物源发生了变化，可能有来自下地壳和幔源深部物质的加入.另外，在F ₁’-F ₂’物源区分析图上（图10a），绝大部分样品落入P4区域，只有3个样品落入P2区域，说明刘家沟组和孙家沟组砂岩的沉积物源绝大部分来自古老的沉积体系或克拉通或者再旋回造山带，极少部分为中性火成岩物源区.砂岩宏观物质组成分析表明（图10b），刘家沟组和孙家沟组沉积物源岩性质主要代表了上地壳物质来源，也可能含有少量中基性物质.在La-Th-Hf源岩属性判别图解（图10c），绝大部分样品落入长英质物源区，个别样品落入安山质物源区至下地壳之间.综合以上分析，刘家沟组和孙家沟组物源主要为成熟大陆石英物源区，混有少量安山质或下地壳深部物质.

研究区附近均发育有大量古老上地壳长英质岩石，因此仅靠地球化学特征无法详细确定各个时代的源区，是北部的兴蒙造山带，还是南部的秦岭造山带，还是盆地基底，亦或兼而有之.锆石是组成沉积岩的重要副矿物，因锆石具有较高的U-Pb同位素封闭温度体系，逐渐成为众多地质工作研究沉积岩物源区特点、探讨其区域构造演化必不可少的手段之一（Han et al.，2011；Liu et al.，2021；孔令耀等，2022）.

因此，利用沉积物中的碎屑锆石年龄谱反演源区并进行亲缘性对比是近年来流行的有效方法之一.从研究区二叠系-三叠系砂岩碎屑锆石U-Pb年龄分布图（图11a~11b）可以看出，其主要有2 500 Ma，1 800 Ma以及晚古生代年龄主峰（图11c）以及早古生代（~420 Ma）的次级峰值.

（1）前寒武纪碎屑锆石的物源区.本文在华北中部刘家沟组和孙家沟组砂岩中共获得364颗碎屑锆石U-Pb谐和年龄，其中含有大量的前寒武纪碎屑锆石，占所有碎屑锆石的79%，具有~1 888 Ma（年龄范围为1 562~2 222 Ma）和~2 534 Ma（年龄范围为2 253~3 167 Ma）两个明显的峰值（图11c），尤其以~2 528 Ma的峰值最为显著，最老碎屑锆石年龄为3 167±19 Ma.

已有研究显示，华北板块古老基底具有特征鲜明的~1 888 Ma和~2 534 Ma两个年龄峰值（Zhao et al.，2005；Zhai et al.，2011；图11c），年龄介于1 600~3 800 Ma且分布广泛，为华北板块基底演化的两个重要阶段.~2 700 Ma，华北板块基底围绕古陆核发育大量新生地壳，并形成多个微陆块（沈其韩和钱祥麟，1995；Zhai et al.， 2011）.~2 500 Ma，这些微陆块发育麻粒岩相的变质作用并伴有大量花岗岩侵入，同时微陆块拼贴聚合完成（Zhao et al.，2005），如华北中部恒山、五台以及登封等地发现的2 800~2 700 Ma的片麻岩（翟明国和彭澎，2007；Zhai et al.，2011）.2 300~1 900 Ma期间，已形成的拼贴陆块经历了拉伸-破裂事件，典型代表为晋豫和胶辽裂陷盆地，而后~1 900 Ma，区域上超高温麻粒岩的发现标志这些裂陷盆地的最终拼合与焊接（Zhai et al.，2011；Zhao et al.，2012；Li et al.，2017）.~1 800 Ma，华北板块广泛发育面状的强烈变质作用以及花岗岩的侵入，记录了华北板块基底的整体隆升或最终形成（Zhao et al.，2000），同时，华北板块沉积盖层中也含有大量的1 700~2 900 Ma的碎屑锆石（曹高社等，2019）.本文研究区刘家沟组和孙家沟组砂岩中的前寒武纪锆石以棱角状，磨圆度较差为主，可能不具有沉积盖层中碎屑锆石的再循环产物特征，而是寄宿于碎屑沉积物中被搬运迁移的，其砂岩中峰值~1 888 Ma和~2 534 Ma的碎屑锆石主要来源于华北板块基底的中高级变质岩.

（2）早古生代碎屑锆石的物源区. 研究区刘家沟组和孙家沟组砂岩中的显生宙锆石CL图像表现出典型的振荡环带结构，为岩浆锆石的典型特征，主要锆石年龄峰值为~275 Ma（图6和图11d），含少量早古生代锆石（~430 Ma）.由于华北板块内部早古生代（420~440 Ma）岩浆记录及部分早古生代地层缺失（Yang et al.，2006；Ma et al.，2014），这些早古生代碎屑锆石不应来自华北板块内部.因此，华北板块北部的内蒙古隆起、兴蒙造山带，以及华北南部的北秦岭造山带和南秦岭造山带均有可能成为华北板块上古生界的沉积物源区.

研究表明，华北板块北缘兴蒙造山带内早古生代岩浆记录分布较为广泛（Liu et al.，2021），形成了一条东西走向的早古生代岛弧岩浆带，形成时间主要集中于428~458 Ma，如图古日格地区包尔汉图群及侵入岩（453~425 Ma；徐备等，2014）、达茂旗北部岛弧闪长岩-花岗闪长岩-英云闪长岩（452~446 Ma；张维和简平，2008）、白乃庙群及侵入岩（437~474 Ma；Zhang et al.，2021）、正镶白旗二长花岗岩（~457 Ma；秦亚等，2013）、敖汉旗八当山群火山岩、吉中放牛沟火山岩（444~476 Ma；裴福萍等，2014）和延吉地区侵入岩（~422 Ma；Wang et al.，2016）.多数学者认为这条岛弧岩浆带记录了华北北缘早古生代期间发生过弧-陆碰撞，为华北板块早古生代碎屑锆石提供了潜在物源.

另外，华北南部北秦岭造山带的早古生代岩浆岩也广泛分布（Dong et al.，2021），并构成了北秦岭岩浆岩带的主体，岩石类型以中-酸性花岗质侵入岩为主（386~499 Ma），如板山坪、四棵树、西庄河、灰池子等岩体，其构造环境与早古生代期间商丹洋壳向北的俯冲和闭合有关（Dong and Santosh，2016）.虽然有部分研究将华北板块早古生代碎屑锆石归源于北秦岭造山带，但是这与华北板块下古生界砂岩古水流由南至北方向的认识相悖（图9）.因此，结合本文研究区砂岩骨架及古水流分析，将刘家沟组和孙家沟组中少量早古生代碎屑锆石物源归属于华北北缘的兴蒙造山带.

（3）晚古生代碎屑锆石的物源区.华北板块北部的内蒙古隆起主要由华北板块基底新太古界和元古界组成，零星分布有华北板块的沉积盖层中-新元古界和古生界.由于受到北侧兴蒙造山带构造活动的影响，内蒙古隆起广泛分布晚古生代侵入岩体.本文研究的华北板块中部刘家沟组和孙家沟组砂岩晚古生代碎屑锆石主要为岩浆锆石，峰值年龄为~247 Ma，~370 Ma，~273 Ma，~329 Ma，~396 Ma，与大同及北京西山地区砂岩的晚古生代碎屑锆石年龄峰值（270~280 Ma）相似（图12），基本与内蒙古隆起晚古生代的两次重要岩浆活动期次吻合（~250 Ma和~320 Ma）.多数学者认为这两期岩浆活动和古亚洲洋洋壳向南俯冲有关，进而导致内蒙古隆升并接受剥蚀，为华北板块陆内盆地沉积提供物源（Yang et al.，2006， 2017； Li et al.，2010， 2011； Ma et al.，2014；Zhu et al.，2014； Zhou et al.，2019）.此外，部分学者研究发现柳林地区晚古生代地层砂岩中的碎屑锆石ε_Hf（t）值多为负值（-17.5~-7.2），与内蒙古隆起晚古生代侵入岩的ε_Hf（t）值范围基本一致（Zhu et al.，2014；曹高社等，2019）.本文对华北板块地区晚古生代-早中生代砂岩碎屑锆石峰值统计发现（图12），华北板块北部北京西山、燕山及云冈-平鲁地区碎屑锆石年龄以晚古生代峰值为主，几乎很少有早古生代锆石出现；中部柳林、延安及宁武-静乐盆地含有少量早古生代碎屑锆石年龄，而南部济源，沁水盆地及洛阳登封地区早古生代锆石年龄较多，整体来看，华北板块晚古生代碎屑锆石显示出由南向东北逐渐减少的趋势（图12）.

根据以上碎屑锆石的物源区分析，本文刘家沟组和孙家沟组砂岩的沉积物中前寒武纪碎屑锆石来源于华北板块基底，早古生代碎屑锆石主要来源于兴蒙造山带，晚古生代碎屑锆石主要来源于内蒙古隆起.

5 结论

（1）华北山西鄂尔多斯盆地东缘（柳林县）和沁水盆地（沁水县）地区的刘家沟组和孙家沟组砂岩主要为岩屑长石砂岩，碎屑锆石以岩浆成因为主，测得364个谐和年龄数据显示出250~396 Ma，400~442 Ma，1 562~2 222 Ma，2 253~3 167 Ma共4个主要峰值区间，其中尤以2 253~3 167 Ma峰值最为显著.

（2）刘家沟组的2个砂岩样品沉积下限年龄为250±7 Ma和253±7 Ma；孙家沟组3个砂岩样品沉积下限年龄分别为256±7 Ma（MSWD=1.1，n=31）、264±11 Ma（MSWD=4.3，n=7）、250±6 Ma（MSWD=3.6，n=6），与二叠系-三叠系沉积界限年龄251.0±0.4 Ma相接近，结合前人古生物地层学研究，研究区刘家沟组砂岩的地质时代归属于早三叠世，孙家沟组砂岩应归属于晚二叠世.

（3）刘家沟组和孙家沟组砂岩沉积物主要形成于3个时期：前寒武纪碎屑锆石具有明显~1 888 Ma和~2 534 Ma的两个峰值年龄，说明其主要来自华北板块古老基底；早古生代碎屑锆石具有较弱的~431 Ma的峰值年龄且占比较小，主要源于兴蒙造山带南缘的岛弧侵入体；晚古生代碎屑锆石具有显著的~275 Ma峰值年龄，其沉积物主要与华北板块北部的内蒙古隆起有关.

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基金资助

中国地质调查局项目(121201102000150012-05;HXCT01-2018F005)

山西省自然科学基金(2019L0126;2019L0054)

山西地质博物馆地勘基金18-19年古生物化石调查项目(ZDF03-FC190802)

山西省优秀博士来晋工作奖励基金(SXYBKY2019032)

山西农业大学科技创新基金项目(2020BQ47)