始新世华北克拉通东西部地形差异：来自太行山北部地区多方法地质年代学研究的启示

《Tectonophysics》：Eocene topography differentiation between the western and eastern North China Craton: Insights from multi-method chronometry in the northern Taihangshan Mountains

该研究通过采集太行山北部NNE向花岗岩体的同位素年代学数据，揭示北中国克拉通东西部地形分异机制。发现早白垩世岩浆侵入后经历多期次抬升剥蚀，始新世（约55-35Ma）剥蚀事件与渤海湾盆地裂陷相关，受伊扎基太平洋板块俯冲主导，形成现代东西部高差差异。早期白垩世（100-80Ma）和新生代（10-6Ma）另见两次剥蚀事件，分别对应构造挤压和基底伸展阶段。

　　

冯丽霞|李萍萍|王增珍|任蓉|吴琳|郑波|刘波|纪建清|韩宝福

中国成都西华大学应急科学学院，邮编610039

摘要

华北克拉通（NCC）呈现出明显的东西向地形分异特征，但其形成时间及其背后的地质动力学机制仍存在争议。北部的太行山脉呈北东-南西走向，作为该分界的自然边界，然而古近纪时期这里的快速冷却过程的空间分布尚不清楚。本研究系统地采集了太行山脉北部花岗岩岩体的样本，获得了九个新的锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄数据（135.8±1.5至128.6±1.1 Ma），七个新的角闪石、黑云母和钾长石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄数据（131.3±0.8至119.7±0.9 Ma），以及三十个新的磷灰石裂变径迹年龄数据（99.4±9.2至21.5±2.2 Ma）。锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U和⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄结果表明这些岩体形成于浅层环境，暗示了早白垩世时期的伸展作用。磷灰石裂变径迹热历史建模揭示了多个岩体形成后的剥露/冷却阶段：始新世（约55–35 Ma）的剥露/冷却过程与渤海湾盆地的新生代裂谷作用有关，这一过程受到太行山前缘断层的控制。不同岩体之间的热历史变化显示，从太行山脉北部（华北克拉通东部）到大青山山脉东部（华北克拉通西部），剥露/冷却强度呈现出由西北向东南逐渐减弱的趋势。这一现象表明华北克拉通东西部之间的现代地形差异始于始新世，主要地质驱动力是伊扎纳吉-太平洋板块的俯冲作用。更早的冷却事件发生在晚白垩世（约100–80 Ma和约75–60 Ma），分别与晚白垩世的压缩作用和侧向夷平作用相关。最后，自中新世晚期（约10–6 Ma）以来，再次出现了剥露/冷却过程，这与渤海湾盆地的加速伸展沉降相吻合。本研究为华北克拉通的构造变形及相关地质动力学过程提供了重要的热年代学证据。

引言

东亚的华北克拉通（NCC）呈现出明显的东西向地形分异，这种分异体现在地形、地壳和岩石圈厚度、陆地热流以及重力异常的对比上，其边界由北东-南西走向的太行山脉构成（图1a；Xu, 2007）。从地形上看，西部华北克拉通以黄土高原为主（奥尔多斯盆地为其构造核心），属于第二级地形台阶，海拔高度为1000–2000米；而东部华北克拉通则主要被低洼的华北平原覆盖（下方为渤海湾盆地），属于第三级地形台阶，海拔高度低于200米（图1a）。这种显著的地形差异不仅仅是表面的地貌特征，而是中新生代大陆内部变形及其相关地质动力过程的直接记录（Xu, 2007），因此确定其形成时间具有重要意义。

过去几十年中，针对华北克拉通进行了大量的地貌学、构造学、地球化学和热年代学研究，以及盆地分析（例如，SSB, 1998; Xu et al., 2001; Zhang et al., 2003a, Zhang et al., 2006; Wu, 2008; Chang et al., 2018; Shi et al., 2020; Zhu et al., 2021）。这些研究共同表明，华北克拉通现今的东西向高-低地形格局是在中侏罗世至早白垩世期间从东高-西低的古地形格局转变而来的，这一转变经历了三个关键演化阶段。具体来说，中侏罗世至早白垩世期间，东部华北克拉通主要由一个高海拔、厚地壳的高原构成（称为东部高原；参见Zhang et al., 2008a），这一时期有快速剥露的记录（Cao et al., 2015），以及矽卡岩石榴石氧同位素组成的时空变化（Wang et al., 2024）。而西部华北克拉通的奥尔多斯盆地则是一个大规模的沉积盆地，在同一时期经历了最后一次沉降（例如，Ritts et al., 2009）。这种东西向的古地形差异表明，从中侏罗世到早白垩世，华北克拉通经历了显著的构造演化。东部高原的沉降始于早白垩世，与东部华北克拉通的破坏同时发生（Wang et al., 2024），随后在晚白垩世期间整个克拉通形成了广阔的准平原（Xu et al., 2001; Wu, 2008）。此后，新生代的多次伸展作用引发了华北克拉通不同盆地单元之间的差异性抬升和沉降（图1b；例如，Zhang et al., 2002; Wu and Wu, 2003a, Wu and Wu, 2003b; Zhang et al., 2003a; Zhao et al., 2007; Shi et al., 2019; Fu et al., 2018; Fan et al., 2020; Liu et al., 2020; Zhu et al., 2021），最终形成了当前的东西向地形分异。尽管取得了这些进展，但仍有一些关键问题尚未解决。本研究重点关注华北克拉通的形成时间及其相关的地质动力学机制。一方面，越来越多的热年代学证据表明，东部和西部华北克拉通的盆地范围构造在始新世期间开始了伸展变形（Cao et al., 2015; Zhao et al., 2015; Cui et al., 2018; Huang et al., 2018, Huang et al., 2022; Yang, 2018; Clinkscales et al., 2020, Clinkscales et al., 2021; Wu et al., 2020; Su et al., 2021; Zhou et al., 2021; Zhang et al., 2022; Feng et al., 2023）。这引发了一个关键问题：华北克拉通在始新世时是否仍保持统一的地貌特征，还是已经转变为现今的东西向高-低地形格局？另一方面，关于盆地范围构造的驱动力存在很大争议，主要涉及两种地质过程：（1）伊扎纳吉-太平洋板块的俯冲；（2）印度-亚洲板块的碰撞（例如，Liu et al., 2004; Xu, 2007; Shi et al., 2020; Clinkscales et al., 2021; Su et al., 2021）。通过比较东部和西部盆地单元之间的抬升-剥露事件（包括它们的时间和强度），有助于更好地解答这些问题。

作为划分东部和西部华北克拉通的构造地貌边界（图1a），北东-南西走向的太行山脉经历了新生代的抬升-剥露过程，这一过程与渤海湾盆地的沉降密切相关（Xu et al., 2001），使其成为研究东西向华北克拉通地形差异时空演化的理想天然实验室。然而，现有针对太行山脉北部地区的热年代学研究在古近纪快速冷却开始时间上得出了不一致的结果（Qing et al., 2008; Chang et al., 2019; Wu et al., 2020）：始新世（50–40 Ma）或渐新世（38–30 Ma）。这种差异是方法学限制（例如，单个岩体采样、不同的热年代学方法、数据解释不一致）所致，还是反映了古近纪冷却开始时间的真实沿走向变化？为了解决这个问题，本研究对太行山脉北部的五个北东-南西走向花岗岩岩体进行了系统的区域采样。通过整合多种地质/热年代学方法（包括锆石U-Pb定年、⁴⁰Ar/³⁹Ar和磷灰石裂变径迹（AFT）定年以及空间对比分析），本研究旨在：（1）详细了解太行山脉的抬升-剥露历史；（2）比较太行山脉（东部华北克拉通）与大青山山脉（西部华北克拉通）之间的古近纪剥露事件，以确定是否在始新世时期已经形成了东西向高-低的地形格局；（3）为长期存在的地质动力学争议提供新的热年代学证据。

章节片段

华北克拉通的构造地貌演化

东亚的华北克拉通是由太古宙时期的地块沿南北走向的北华北造山带碰撞和聚合形成的，形成时间约为18–19亿年前（Zhao et al., 2001）。根据这一造山带，华北克拉通大致分为三个部分：东部、中部和西部。在其形成之后，华北克拉通经历了漫长而复杂的演化过程，尤其是在中生代和新生代（Wang et al., 2018）。

采样

为了明确太行山脉北部的剥露空间分布，收集了上述北东-南西走向的中酸性岩体的花岗岩样本。具体而言，从大海头岩体中采集了五个样本用于AFT分析，其中每个岩体的内部和外部相各采集了一个样本，并进一步进行了锆石U-Pb和钾长石⁴⁰Ar/³⁹Ar定年。大河南岩体提供了四个具有不同蚀变/风化程度的样本用于AFT分析。

定年结果

获得了九个锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄数据、一个角闪石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄数据、两个黑云母⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄数据、四个钾长石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄数据，以及三十个磷灰石裂变径迹年龄数据，其中二十二个样本的径迹长度在249–58纳米之间（图3、图4、图5、图6、图7、图8）。每个岩体的多组年龄数据见表1。需要注意的是，由于样本质量和实际分析限制，并非所有岩体都获得了完整的地质/热年代学数据。

热历史建模结果

除了 Taiyu 岩体外，所有岩体的 AFT 热历史建模结果均已获得（图6、图7、图8）。需要注意的是，样本 10LY10（图7a）和 10LY43（图7h）的热历史结果仅用于参考，因为它们的径迹长度分别为58和62纳米。热历史主要基于最佳拟合路径进行解释，同时也会考虑拟合良好的路径趋势。

岩体的侵位及其构造意义

大海头、大河南、王安镇、邹梅义、 Taiyu 和 Mapeng 岩体的九个新的加权平均锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为135.8±1.5至128.6±1.1 Ma，反映了岩体的侵位时间。这些年龄与研究区域的岩浆活动时期一致（补充文件A中的表S5；例如，Davis et al., 1998; Chen et al., 2005; Liu et al., 2010a, Liu et al., 2010b; Li et al., 2012, Li et al., 2013b; Xue, 2020; Zhang, 2025）。特别是锆石U-Pb

结论

太行山脉是划分华北克拉通东西向分异的地质和构造边界。本研究获得了北东-南西走向的大海头、大河南、王安镇、 Taiyua、 Chiwawu 和 Mapeng 岩体的九个新的加权平均锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄（135.8±1.5至128.6±1.1 Ma）、七个新的⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄（131.3±0.8至119.7±0.9 Ma）以及三十个新的磷灰石裂变径迹年龄（99.4±9.2至21.5±2.2 Ma）。

锆石²⁰⁶Pb/²³⁸

CRediT作者贡献声明

冯丽霞：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件应用、方法论研究、资金获取、数据管理、概念构思。李萍萍：可视化、验证、软件应用、方法论研究、数据管理。王增珍：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。任蓉：研究工作、资金获取、正式分析。吴琳：研究工作、资金获取。刘波：研究工作。

资金支持

本研究得到了四川省科技计划（项目编号：2025ZNSFSC1183）、中国石油天然气集团有限公司（项目编号：2023ZZ0202）和国家自然科学基金（项目编号：42102131）的财政支持。

未引用的参考文献

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢庞建章教授、徐彦教授和甘宝平教授在AFT数据和锆石U-Pb数据分析与解释方面提供的宝贵支持。