华北克拉通下马岭组与长龙山组之间的岩性转换及其古地理意义

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Provenance transition between the Xiamaling and Changlongshan formations in the North China Craton and its paleogeographic implications

古地理演化华北克拉通元古宙沉积碎屑岩物源构造事件

　　

孟中宇|任邦芳|田健|牛文超|李伟通|孙立新

中国地质调查局天津中心，天津 300170，中国

摘要

华北克拉通的中新元古代地层为了解前寒武纪主要地质事件和古地理重建提供了重要线索。本研究探讨了延辽裂谷中下马岭组和长龙山组的地层学、沉积学特征及其来源分析。我们发现了显著的来源变化及其与区域构造事件的相关性，从而重建了古地理演化过程。下马岭组主要由夹有粉砂岩和砂岩的陆棚页岩组成，而长龙山组则由海相石英砂岩构成。这两组地层之间存在不整合接触，这种不整合通过沉积相的突然变化得以体现，反映了区域构造环境的改变。下马岭组的砂岩中含有丰富的长英质火山岩碎屑，碎屑锆石的U-Pb年龄谱在古元古代（约18亿年前）和晚古元古代-早中元古代（约16亿年前）呈现双峰分布，ε_Hf(t)值分别为-8.6至+2.5和-8.7至+8.1。相比之下，长龙山组的砂岩以石英为主，显示出晚新太古代-早古元古代（约25亿年前）的单峰分布，ε_Hf(t)值介于-3.4至+5.5之间。约25亿年前的锆石年龄对应于大陆地壳的生长和克拉通化的初期阶段；约18亿年前的峰值反映了华北克拉通东西部块体的碰撞聚合，形成了统一的结晶基底；约16亿年前的峰值则代表了伸展环境下的岩浆活动。延辽裂谷的古地理演化可以划分为三个阶段：大陆内部伸展（约14.0–13.2亿年前）、构造抬升（约13.2–10.0亿年前）以及广泛的海洋侵入（约10.0亿年前至今）。

引言

华北克拉通（NCC）是中国最古老的克拉通之一。在其太古-古元古代结晶基底之上，中新元古代地层传统上被划分为长城系、冀县系、代建系和青白口系（Wang, 1985）。这些沉积地层主要分布在该克拉通及其周边裂谷盆地系统中，包括延辽裂谷、雄尔裂谷、焦辽裂谷和扎尔台-巴音奥博裂谷（Zhai等，2014；Li等，2020；Xiang等，2020；Kuang等，2023）。其中，延辽裂谷拥有最连续且保存完好的地层露头，受后期构造事件的影响最小，使其成为研究中新元古代地质的关键区域。

中新元古代标志着华北克拉通构造体制的关键转变。延辽裂谷的沉积记录完整保存了关于该克拉通构造变化的重要地质信息，对于理解前寒武纪的构造-沉积演化以及全球古地理重建具有重要意义。然而，目前关于延辽裂谷的构造性质、中新元古代古地理与构造演化、盆地-山脉耦合机制，以及从哥伦比亚超级大陆到罗迪尼亚超级大陆期间北部华北克拉通裂谷盆地的演化仍存在许多争议（Zhang等，2007；Wang等，2015a）。这些不确定性限制了进一步研究华北地块前寒武纪地质的工作。

下马岭组和长龙山组作为两个超级大陆周期之间的典型沉积地层，其沉积学特征和来源组成存在显著差异。它们是解读超级大陆分裂和聚合过程中华北克拉通内部构造响应的重要地质档案。通过系统的地层学、沉积学、岩石学、碎屑锆石U-Pb地质年代学和Hf同位素分析，本研究旨在揭示下马岭组到长龙山组沉积环境和来源的变化，探讨来源变化与克拉通构造事件之间的关系，并探索该盆地的构造-沉积演化及其古地理意义。

地质背景

华北克拉通（NCC）北邻中亚造山带，西接祁连造山带（将其与塔里木克拉通分隔开），南靠秦岭-大别-苏鲁造山带（图1a）。该克拉通下广泛分布着太古至古元古代的变质基底，包括大量太古TTG片麻岩、绿岩带和花岗岩（Zhai和Santosh，2011）。

地层与沉积相

本研究基于延辽裂谷中下马岭组和长龙山组的四个实测剖面（吴家沟、胡庄、赵家山和高家庄剖面）进行了地层描述和相分析（图1b）。其中，赵家山和高家庄剖面较为完整，暴露了下马岭组的全部四个层序以及其上的长龙山组；而吴家沟剖面仅暴露了下马岭组。

方法

为了研究砂岩的来源，本研究采集了新鲜样品用于制备标准薄片。通过显微镜观察分析了碎屑成分和颗粒形态特征。另外，选取了三个样品进行碎屑锆石U-Pb测年和Hf同位素分析。这些分析工作在中国地质调查局天津中心（华北地质科学中心）的实验室完成。

砂岩岩相

样品24ZL02主要由石英质碎屑组成，粒径范围为0.05毫米至0.4毫米，偶尔可达0.5毫米，具有中等分选性和亚圆至亚角状颗粒。岩石呈基质支撑结构，胶结物主要为粘土质、钙质和铁质。碎屑颗粒中，56%为酸性火山岩碎屑，其中部分含有明显的蚀变痕迹。

沉积年龄

沉积岩中最年轻的碎屑锆石年龄为沉积岩的最大年龄提供了关键约束（Nelson, 2001）。研究表明，下马岭组最年轻的碎屑锆石年龄为14.84±34百万年，而其上的长龙山组最年轻的碎屑锆石年龄为18.57±21百万年，表明这两组地层均形成于14.8亿年之后。结合下马岭组中K-bentonites的SHRIMP U-Pb年龄数据（13.6–13.8百万年；Gao等，2007年），可以进一步确定沉积时间。

结论

通过对华北克拉通延辽裂谷中下马岭组和长龙山组的综合地层学、沉积学和来源分析，得出以下关键发现：

(1) 下马岭组不整合地覆盖在铁岭组之上，可分为四个层序。该组由细粒砂岩、粉砂岩和页岩组成，指示其沉积环境为陆棚环境。不整合地覆盖在下马岭组之上的是长龙山组

作者贡献声明

孟中宇：研究指导、方法论设计、数据采集与处理、概念构思、撰写及审稿编辑、初稿撰写。任邦芳：方法论设计、研究实施。田健：研究实施、数据管理。牛文超：研究实施、方法论设计。李伟通：研究实施、方法论设计。孙立新：研究实施、概念构思。

未引用参考文献

Guo等，2005

Zhai，2019

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢贾润图、张永清、郝双和李国展在碎屑锆石U-Pb测年和Hf同位素分析方面提供的帮助。感谢编辑和三位匿名审稿人的宝贵意见与建议。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42302125）、中国地质调查局项目（项目编号：DD20242607、DD 20240027）以及深部地球探测与矿产资源勘探相关项目的共同支持。