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扬子板块北缘中元古代晚期地层年代学研究进展
陈知1,2,3，杨传2，朱茂炎2,3，李献华1,3
2 中国科学院南京地质古生物研究所
3 中国科学院大学
第一作者：陈知，博士研究生，主要从事同位素地质年代学和地球化学研究工作。
中元古代晚期，地球在板块构造、生物演化和环境演变等方面发生了一系列重大事件，引起了地学界的广泛关注。扬子板块北缘出露了较为完整的中元古代晚期地层，为研究全球中元古代晚期重大事件提供了基础。近年来，围绕这套地层开展的综合地层学、古生物学和沉积地球化学等研究取得了一系列进展，但它们的沉积时代和年代地层格架仍未形成共识。
文章总结了扬子板块北缘中元古代晚期神农架群、马槽园群（神农架地区）以及打鼓石群（大洪山地区）的地质年代学研究成果，梳理了其中与地层关系吻合的年龄数据，并讨论了与地层关系存在矛盾的年龄数据，在此基础上提出了初步的年代地层格架和区域对比方案：神农架群底界缺乏年龄约束，顶界年龄约为1.1Ga；部分马槽园群对应于神农架群的上部，并可能延续到新元古代；打鼓石群中部对应于神农架群的上部，其“下部”的太阳寺组和韩家洼组沉积于新元古代早期，比上覆罗汉岭组年轻，说明打鼓石群局部发生了地层倒转。
基金项目：中国科学院南京地质古生物研究所“高精度地质年代学研究及能力建设（编号：E221110015）”项目资助。距今1.85~0.85Ga的元古宙中期被认为是地球历史长河中"枯燥的十亿年”（BoringBillion）（BrasierandLindsay，1998）。但近年来越来越多的研究表明，地球在所谓的“枯燥的十亿年”期间仍发生了不少地质环境和生物演变事件，尤其在中元古代晚期，全球板块构造格局和生物-环境演变都发生了较大变化。在板块构造方面，从努纳（也被称为哥伦比亚）超大陆开始裂解（发生于1.3Ga）到罗迪尼亚超大陆完成聚合（主体发生于1.0〜0.9Ga），均发生在中元古代晚期。在生物演化方面，早期多细胞真核生物红藻化石Bangiomorpha pubescens出现在1.05Ga的地层中，华北板块中元古代中晚期的地层中还保存了丰富的真核生物化石。在环境变化方面，中元古代发生了显著的增氧事件，且海洋碳酸盐岩的碳同位素组成在中元古代晚期也频繁波动。这些重大事件使中元古代晚期地球-生命系统的演化得到了越来越多研究者的关注。扬子板块保存了较完整的中元古代晚期地层，主要分布在其西南缘和北缘（图1）。扬子板块西南缘的中元古代晚期地层主要为东川群上部和昆阳群及其相当的地层，北缘主要为神农架群、马槽园群和打鼓石群。前人开展了扬子板块北缘中元古代晚期地层的碳酸盐岩碳同位素和微体化石研究以及地质年代学研究，但是它们的沉积层序、年代和对比关系仍然存在争议或不确定性（表1）。比如，一些学者认为马槽园群不整合于神农架群之上，而另一些学者将马槽园群改为马槽园组，置于神农架群的顶部或下部。神农架群是全球该时期保存最好、层序最完整的沉积记录，其所在区域已经成为研究中元古界上部延展系和狭带系全球界线层型剖面和点位的热点地区。因此，进一步厘定扬子板块北缘中元古代晚期地层的沉积时代，对区域地层对比和年代地层格架的建立均具有重要意义。图1 扬子板块北缘和西南缘的中元古代地层分布图
在中元古代，扬子板块尚未与华夏板块碰撞拼贴构成华南板块，通常被当作一个统一的板块参与到新元古代之前的古地理重建中。然而，一些学者认为统一的扬子板块直到新元古代早期才形成。此外，在古元古代晚期的努纳超大陆期间，扬子板块的古地理位置也存在位于劳伦大陆北—西北缘、西缘或西南缘等不同观点。扬子板块在新元古代早期的罗迪尼亚超大陆中的古地理位置也有位于劳伦大陆与澳大利亚之间或印度板块的北侧之争。因此，处于努纳—罗迪尼亚超大陆转换期的中元古代晚期，扬子板块的古地理位置演化轨迹尚不清楚。扬子板块太古宙基底主要出露于鄂西黄陵地区的崆岭杂岩，年龄主要为3.45~2.60Ga，少量零星出露于板块北缘。扬子板块北缘中元古代晚期地层主要包括神农架地区的神农架群、马槽园群以及大洪山地区的打鼓石群，它们被新元古代莲沱组、南沱组或花山群不整合覆盖(图2)。神农架群的地层层序存在较大争议，本文暂以李怀坤等(2013)的划分方案进行讨论(表1，图2)，将神农架群自下而上分为鹰窝洞组、大岩坪组、乱石沟组、大窝坑组、矿石山组、台子组、野马河组、温水河组、石槽河组、送子园组、瓦岗溪组和郑家垭组，并以矿石山组和台子组之间的平行不整合为界，将神农架群分为下亚群和上亚群。马槽园群自下而上分为八里垭组和火烧尖组；打鼓石群自下而上分为太阳寺组、韩家洼组、罗汉岭组、陈家冲组、李家咀组和垱铺岭组，各组之间被认为是呈整合接触关系的。 图2 扬子板块北缘中元古代晚期地层年代学格架图(年代学数据均为锆石U-Pb年龄数据)
随着放射性同位素地质年代学方法的迅速发展，近年来学者对扬子板块北缘中元古代晚期地层开展了大量的地质年代学研究工作。为厘定这套地层的年代学格架奠定了基础，但部分年代学数据与地层的上、下关系存在相互矛盾。在下文总结已发表的相关年代学数据中，单点分析数据误差为1σ，其他分析数据的误差为2σ。神农架群的地质年代学数据主要来源于大岩坪组、台子组、野马河组、石槽河组和郑家垭组，其底部的鹰窝洞组岩性以白云岩为主，未见底，目前没有同位素年龄数据的报道，因此神农架群底界时代尚无法确定。大岩坪组与下伏鹰窝洞组呈整合接触，岩性主要为白云质粉砂岩、砂屑白云岩、泥质白云岩和瘤状灰岩，其上部最年轻的碎屑锆石年龄峰值为1440Ma，采用IsoplotR计算的最大可能年龄为1336±19Ma，代表了大岩坪组上部的最大沉积年龄（图3）。台子组以碎屑岩为主，含少量碳酸盐，最年轻的碎屑锆石年龄峰值为1340Ma，采用IsoplotR计算的最大可能年龄为1427±30Ma，早于大岩坪组碎屑锆石的最大可能年龄（图3），其对地层年龄的约束力有限。野马河组岩性以白云岩为主，中部凝灰岩的岩浆锆石分两次进行了U-Pb定年分析，上交点年龄分别为1215.8±2.4Ma和1223.5±7.2Ma，代表了野马河组中部的沉积年龄。石槽河组岩性以白云岩为主，下部亚碱性玄武质凝灰岩中锆石的206Pb/238U加权平均年龄为1180±15Ma。由于玄武质岩浆具有硅不饱和等特征，结晶出的自生锆石较少，因此玄武质岩石中锆石的U-Pb年龄可解释为岩石的最大形成年龄。侵入于石槽河组的辉长辉绿岩的锆石206Pb/238U加权平均年龄为1083.2±4.6Ma，斜锆石207Pb/206Pb加权平均年龄为1111±9Ma，约束了石槽河组的最小沉积年龄（图2）。另外，对矿石山组和野马河组开展了LA-ICP-MS碳酸盐岩U-Pb定年分析，分别获得1286±67Ma和1223±152Ma的年龄数据（Jiang et al.，2024）。
郑家垭组分布局限，是否单独建组并作为神农架群的一部分还存在争议。郑家垭组岩性以砂岩和粉砂岩为主，顶部安山质熔结凝灰岩的锆石207Pb严pb加权平均年龄为1103±8Ma，玄武岩的锆石U-Pb上交点年龄为1063±16Ma，207Pb/206Pb加权平均年龄为1078±22Ma（图2）。值得注意的是，郑家垭组下部和中部均含有年龄约为1000Ma的少量碎屑锆石，且顶部玄武岩中最年轻的、谐和的锆石U-Pb年龄为956Ma。因此，郑家垭组可能在1100Ma左右发生了沉积，表面年龄偏年轻的锆石可能遭受了铅丢失，也可能沉积于新元古代早期，中基性火山岩中的锆石主要为捕获锆石。如果郑家垭组沉积于新元古代早期，其下部和中部也可能捕获年龄约为1100Ma的碎屑锆石，但该推论没有得到已发表年龄数据的支持（图3）。因此，本文倾向于郑家垭组沉积于中元古代晚期，少量表面年龄年轻的锆石遭受了铅丢失。
图3 神农架群、马槽园群和打鼓石群的碎屑锆石年龄谱图
马槽园群为一套白云质砾岩、复成分砾岩、含砾杂砂岩、白云岩和白云质粉砂岩沉积。其中，八里垭组上部火山灰的锆石206Pb/238U加权平均年龄为1157±19Ma，顶部碎屑锆石最年轻的年龄峰值为1180Ma，IsoplotR最大可能年龄为1188±48Ma（图2）。马槽园群中部变玄武岩中两颗锆石的206Pb/238U加权平均年龄为1139±29Ma（邱艳生等，2013），但由于其中还含有较多的显生宙锆石，因此关于该组数据的解释具有较大的不确定性。火烧尖组暂无公开发表的地质年代学数据，田辉和李怀坤（2022）未发表的数据显示火烧尖组上部硅质凝灰岩的锆石U-Pb年龄为963±12Ma。打鼓石群底部的太阳寺组岩性以陆源碎屑岩为主。刘浩等（2017）对太阳寺组底部砂岩中的碎屑锆石开展U-Pb年龄分析，仅获得两粒207Pb/206Pb表面年龄分别为1124±78Ma和1169±46Ma的锆石，锆石U-Pb数据谐和但误差较大（图4）。杨振宁（2017）对太阳寺组开展了类似的碎屑锆石年代学研究，获得2个206Pb/238U表面年龄为新元古代的数据（912±11Ma和919±10Ma）和4个207Pb/206Pb表面年龄为中元古代的数据（1237±35Ma、1276±54Ma、1298±51Ma和1454±48Ma）。韩家洼组主要由泥质板岩、砂岩、白云岩和泥质白云岩组成，Huang et al.（2021，2023）对韩家洼组白云岩和页岩中的碎屑锆石开展LA-ICP-MS锆石U-Pb分析，得到的最大沉积年龄为995±6Ma。罗汉岭组岩性以白云岩为主，夹多层陆源碎屑岩，其中部两层凝灰岩的锆石206Pb/238U加权平均年龄分别为1225±19Ma和1239±23Ma。这些锆石自形，长宽比较大，CL图像呈现弱岩浆振荡环带或者无环带，具有比较典型的火山灰锆石的特征，因此，它们的锆石U-Pb年龄可代表该组的沉积年龄。通过对砂岩中碎屑锆石的U-Pb年龄进行分析，发现罗汉岭组中部最年轻的碎屑锆石年龄峰值为1600Ma，上部最年轻的碎屑锆石年龄峰值为1126Ma，IsoplotR最大可能年龄为1128±30Ma（图2）。孔令耀等（2017）对李家咀组中上部砂岩中的碎屑锆石开展U-Pb分析，获得唯一的207Pb/206Pb表面年龄为中元古代的数据（1250±64Ma）（图2），年龄数据误差较大，其他数据均＞1.8Ga。Xie et al.（2021）对垱铺岭组下部砂岩中的碎屑锆石开展U-Pb分析，获得的年龄数据均老于1.8Ga，对地层沉积年龄的约束力有限。
图4 打鼓石群太阳寺组和韩家洼组碎屑锆石U-Pb年龄谐和图
在扬子板块北缘中元古代晚期地层的区域划分对比中，以下两个主要问题是关注的焦点：一是神农架地区的马槽园群与神农架群的地层关系，不同学者具有截然不同的观点（表1），主要原因是两者的地层接触关系不明。例如，一些学者认为马槽园群整合或不整合覆盖于神农架群之上，另一些学者发现马槽园群周围的岩层是神农架群大岩坪组，因此将马槽园群降为马槽园组，作为神农架群下部的一个岩石地层单元（表1）。二是大洪山地区打鼓石群与神农架地区的神农架群之间的区域对比，这两套地层分布在不同区域，地层关系不清楚。因此，地质年代学研究有助于解决上述争议问题。总结已发表的扬子板块北缘中元古代晚期地层年代学数据（图2），可知马槽园群八里垭组可与神农架群上亚群中上部进行对比，火烧尖组暂无年代学数据，可能对应于神农架群顶部及部分上覆地层。八里垭组和打鼓石群垱铺岭组具有相似的太古宙碎屑锆石年龄峰值（约2.65Ga和约2.85Ga，图3），暗示它们可能具有相似的物源区。此外，马槽园群凝灰岩夹层和碎屑锆石U-Pb年龄数据（图2）均不支持“将马槽园群置于神农架群下亚群的大岩坪组和乱石沟组之间”的结论。大洪山地区打鼓石群年代学数据较少，无法与神农架地区的神农架群进行准确的年代地层对比。已有的凝灰岩锆石U-Pb年龄数据表明，打鼓石群罗汉岭组中部对应于神农架群上亚群的下部（图2），这也得到了罗汉岭组和台子组均含有年龄约为1.6Ga的碎屑锆石年龄峰值的支持（图3）。打鼓石群和神农架群底部均缺乏年代学约束，推断打鼓石群可能对应于神农架群的上亚群。值得注意的是，打鼓石群上部的李家咀组和垱铺岭组都含有古老的锆石颗粒，而打鼓石群下部的太阳寺组、韩家洼组和罗汉岭组却含有一些中元古代晚期—新元古代早期的锆石颗粒（图3），暗示打鼓石群存在整体或部分地层倒转的可能性。特别是太阳寺组和韩家洼组含有较多的0.9~1.0Ga碎屑锆石，其时代晚于罗汉岭组中部凝灰岩1.22~1.24Ga的沉积年龄，因此太阳寺组和韩家洼组应该比罗汉岭组年轻，沉积于新元古代早期。与之相反，罗汉岭组中部1.22~1.24Ga的沉积年龄和罗汉岭组上部约1.13Ga的最大沉积年龄与地层层序相吻合，不支持罗汉岭组地层倒转的观点。因此，推断打鼓石群局部发生了地层倒转，太阳寺组和韩家洼组与罗汉岭组可能呈构造接触关系，打鼓石群的地层序列和年代学格架仍需进一步研究。综上所述，神农架群上亚群、马槽园群和打鼓石群中部的沉积时代得到了较可靠的锆石U-Pb年龄数据的约束（图2），下一步需要针对神农架群下亚群加强高精度碎屑锆石U-Pb年龄和碳酸盐岩U-Pb年龄分析研究，进而对神农架群下部的年代学格架进行约束。对于已获得年轻锆石U-Pb年龄的打鼓石群“下部”的太阳寺组和韩家洼组，可开展高精度的CA-ID-TIMS锆石U-Pb定年工作，进一步验证其沉积时代，进而确定打鼓石群“下部”的地层序列。对于年代学研究较少的打鼓石群上部，需进一步开展其凝灰岩和碎屑锆石U-Pb年代学工作，厘定其地层层序并与神农架群区域进行对比。（1）神农架群可靠的年代学数据主要集中在其上部。顶部的沉积时代约为1.1Ga，下部缺乏年龄约束，有待进一步研究。（2）根据年代学数据，可将马槽园群部分对应于神农架群的上部，马槽园群顶部的沉积时代可能延续至新元古代。（3）打鼓石群“下部”的太阳寺组和韩家洼组沉积于新元古代早期，打鼓石群“中部”的罗汉岭组沉积于中元古代晚期，暗示打鼓石群局部可能发生了地层倒转。原文来源：陈知，杨传，朱茂炎，李献华.2024.扬子板块北缘中元古代晚期地层年代学研究进展[J]•华东地质，45(4)：1-10. 导读评论和排版整理等：《覆盖区找矿》公众号.
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