中朝古大陆太古宙陆壳形成与演化阶段的划分
2020-01-16 · 技术研发知识服务融合发展。
中地数媒
国际地科联前寒武纪地层分会于1991年4月15至18日在英国爱丁堡召开的第九次工作会议，讨论的中心议题是太古宙时代的划分问题。通过讨论，前寒武纪地层分会对太古宙时代划分提出了三点初步建议（孙大中，1991）：1．太古宙划分为四个代，其年代界线由新到老分别为2500Ma,2800Ma,3200Ma和3600Ma。2．将太古宙的四个代分别命名为始太古代（EROARCHAEAN）,＞3600Ma，下界年龄未定，古太古代（PALAEOARCHAEAN）,3600～3200Ma、中太古代（MESOARCHAEAN）,3200～2800Ma；新太古代（NEO-AR-CHAEAN）,2800～2500Ma。3．目前对太古宙只划分到代，是否再分纪，暂不考虑。
国际地科联前寒武纪地层分会的上述建议，反映了近些年来国际地学工作者在太古宙地壳形成与演化阶段的研究方面取得的重要进展和阶段性成果。
在讨论太古宙地壳形成与演化时，我们主要基于这样的基本认识：太古宙地壳形成与演化过程是分阶段发展的，每一阶段有各自的沉积作用、岩浆作用、构造变形和变质作用等一系列的相关事件组合。它们在时间上均有连续性，在地区上具有同一性，在同一地区，在相同的连续时间区间内发生的相关地质事件组合的形成过程，代表了一个自然发展阶段，每一发展阶段之间具有明显的时间间隔。这一时间间隔代表前一自然发展阶段的结束，后一自然发展阶段的开始。在确定每一自然发展阶段的起止时标时，在很大程度上取决于客观地质体所提供的地质时间信息量的多少、同位素测年方法的精度，以及地质学家对相关地质事件组合的研究和认识程度。正是由于这些诸因素的影响，地质学家在讨论太古宙地壳形成与演化阶段划分时，常常会有种种不同意见和分歧。因此，国际地科联前寒武纪地层分会对太古宙时代划分只是作为初步建议提出来，供大家参考和讨论。还要通过不断的深入细致的研究，以求完善，使其更接近于地质客观实际。同时，国际地科联前寒武纪地层分会提出的建议方案，是在对比全球太古宙主要分布区的60个地层时间柱的基础上提出的，反映了全球范围内太古宙地壳演化阶段的规律，具有广泛的代表性，应予以足够重视。
近十年来，中国北方太古宙地质研究进展迅速。特别是近几年来，我国前寒武系地质工作者在太古宙地质和同位素地质年代学研究方面取得了一系列重要成果，为全面考虑中国北方太古宙地壳演化阶段的划分提供了若干重要的基础材料，为确定不同演化阶段的时限提出了较可靠的同位素年代学依据。目前，我国习惯使用的太古宙二分和三分方案，应根据新的成果进行修改，并逐步同国际建议方案接轨。为此，我们提出了对中国北方太古宙地壳形成与演化的四分建议，具体意见如下。
一、始太古代（＞3600Ma）
国际地科联前寒武纪地层分会将早于3600Ma的岩石划归始太古代，代表性地区的岩石主要为西格陵兰Amitsoq（阿米索克）片麻岩和Isua（依苏亚）沉积变质表壳岩，它们分别记录了始太古时期的沉积作用、岩浆活动、构造运动和变质作用等重大地质事件的发生发展过程，为我们认识和研究始太古代地壳的形成过程提供了一个典型实例。此外，还有加拿大Slave省西部的Acasta（阿卡斯塔）英云闪长质片麻岩（S.A.Bowrig et al．,1991），东南极恩德比的Napier杂岩（J.W.Sheraton et al．,1987）、南非巴布顿绿岩带基底的安特森片麻岩。国际地科联前寒武纪地层分会提出以3600Ma作为始太古代与古太古代分界年龄的依据是：（1）在全球内已发现有一定数量和规模的大于3600Ma的地质体，它们分别记录了3600Ma以前的沉积、火山沉积、岩浆、变质和变形等地质事件的演化过程。（2）在南非巴布顿绿岩带发现和确定了巴布顿绿岩带与下伏安特森片麻岩之间的不整合关系。绿岩带底部最大成岩年龄为3537Ma，安德森片麻岩侵位年龄为3640Ma。该不整合的时限限定在3640～3537Ma。因此，以3600Ma作为始太古代与古太古代的分界年龄是合适的，始太古代的下限年龄是多少？这是目前尚在探索的问题。地球上第一个原始陆壳在那儿，它起始于何时？如果认为康普斯顿等在西澳赖依尔山发现的4.2Ga的锆石是地球上最早陆壳岩石形成的残余物，似乎可以将始太古代的下限推至4200Ma，但缺乏必要的地质依据，至今尚未在地球上找到4.2～4.0Ga的地质记录。因此，始太古代的下限至今还难以确定。
我国已在辽宁省鞍山市东白家坟沟发现3804Ma的花岗质糜棱岩（刘敦一等，1991、1992）。根据花岗质糜棱岩中锆石特征（良好自形晶、部分晶体具密集的规则环带和包体），以及该岩石保留的变余花岗结构和岩石的主要元素、痕量元素及稀土元素特征，推测该花岗质糜棱岩的原岩为奥长花岗岩。锆石的U-Pb年龄代表原岩的结晶（或就位）年龄。因此，白家坟奥长花岗质糜棱岩属于中国北方始太古代岩石是毫无疑义的，它是始太古代一次重要的岩浆活动的代表。同西格陵兰地区始太古代岩石相比，鞍山地区仅发现了同Amitsoq片麻岩相当的花岗质糜棱岩，还未找到同Isua相当的表壳岩。这有待于今后去发现和研究。
如何确定始太古代的上界年龄？由于我国目前尚未找到始太古代与古太古代岩石间的沉积不整合关系，因此，难以对始太古代的上界年龄提出较准确的时标，只能从已知属于古太古代岩石（沉积、岩浆和变质）的时间记录中来限定古太古代的起始年龄，或始太古代的上界年龄。暂作如下讨论：
1．在鞍山陈台沟、冀东黄柏峪已发现古太古代的沉积变质表壳岩（3500～3400Ma）。这些表壳岩，除了原岩为基性火山岩之外，还有一定数量的陆源碎屑岩（石英岩）和少量化学沉积的碳酸盐岩、钙硅酸盐岩等。这些岩石的沉积过程无疑表明在这些沉积盆地附近已有一定规模的古陆存在，并为它们提供了物质来源。因此可以推断，在冀东、鞍山的古太古代表壳岩形成之前，已有部分始太古代的岩石出露于地表，为划分始太古代与古太古代提供了重要的地质依据。
2．冀东黄柏峪表壳岩中的铬云母石英岩中的碎屑锆石研究，提供了一些重要信息：（1）铬云母石英岩中碎屑锆石的U-Pb年龄几乎全部集中在3700～3800Ma内（刘敦一等，1992），这无疑表明这些碎屑锆石至少是来自3800Ma形成的硅铝质陆壳。（2）铬云母石英岩中的碎屑锆石呈浑圆及半浑圆状，表面具有明显的碰撞坑和断口、裂纹等，表明这些锆石从母岩分离后，经过了一定距离的水下搬运和磨蚀过程，最后赋存在铬云母石英岩中。（3）对铬云母石英岩中碎屑锆石的砂薄片观察发现，部分锆石具有密集的规则环带，普遍含有针状磷灰石包体。这些特征同花岗岩中锆石的内部结构十分相似。因此，可以推测，铬云母石英岩中的碎屑锆石来自3700～3800Ma的花岗岩。已知鞍山白家坟沟花岗质岩石，年龄为3804Ma，它与冀东黄柏峪铬云母石英岩是否有物源上的联系，有待进一步研究。
3．冀东黄柏峪、鞍山陈台沟沉积表壳岩形成年龄为限定始太古代上界或古太古代下界年龄提供了重要年龄依据。冀东黄柏峪表壳岩的形成年龄为3500Ma（江博明等，1983,1987；黄萱等，1986；乔广生等，1988；刘敦一等，1992）。鞍山陈台沟表壳岩形成年龄，经宋彪等（1993）研究，已测定出侵入于陈台沟表壳岩中花岗岩脉的锆石U-Pb年龄为3320Ma，从而限定了陈台沟表壳岩形成的最小年龄必定大于3320Ma。
从以上讨论中可以得出这样的认识，在中国北方存在3800Ma的古老硅铝质陆壳，它们至少在3500Ma前曾出露于地表，为3500Ma的表壳岩提供了部分物源。这一阶段应代表始太古代与古太古代间的重要转变。黄柏峪、陈台沟两处的古太古代表壳岩的沉积最大年龄应最接近于始太古代的上界年龄。如果参照国际前寒武纪地层分会提出的建议方案，以3600Ma作为中国北方始太古代与古太古代的分界年龄是可取的。
二、古太古代（3600～3200Ma）
目前在中国北方发现并确定为古太古代的岩石有冀东黄柏峪变质表壳岩、鞍山陈台沟变质表壳岩及陈台沟花岗岩。通过对两处古太古代岩石的岩石组合、原岩性质、变质作用及变形作用的初步研究，它们经历了陆源碎屑沉积及火山沉积的早期成岩阶段，随后又遭受了以角闪岩相为主的变质作用和强烈的构造变形作用，直至花岗岩、英云闪长岩的侵位，并包裹这些变质表壳岩。这些地质事件的发生、发展和演化阶段，代表了古太古代时期经历的一系列连续的、相互关联的地质事件组合。将这一连续的地质事件组合从开始至结束的时间区间，划为古太古代阶段是比较合理的。
如何确定古太古代的上、下界线年龄？由于至今尚未找到古太古代与始太古代、中太古代之间的不整合面，因此，难以准确厘定。目前，只能根据沉积事件、变质事件、变形事件及岩浆事件发生的时间信息，以及这些地质事件发生的先后关系来推断。
1．古太古代下界年龄，根据现有资料，冀东黄柏峪变质基性火山岩成岩年龄为3500Ma（江博明等，1983,1987，黄萱等，1986，乔广生，1988），以及陈台沟表壳岩沉积年龄以3376～3357Ma为依据，至少表明在3500Ma之后中国北方已有沉积岩生成，古太古代的下界不应小于3500Ma。为了同前寒武纪地层分会的建议方案一致，同时也不会因采纳建议方案而产生某些矛盾或不合理之处，将古太古代下界定于3600Ma是可以接受的。
2．古太古代上界年龄，在未找到古太古代与中太古代间的不整合面之前，通常以古太古代变质变形和岩浆事件来限定古太古代的上界。目前，已在冀东黄柏峪、辽宁鞍山陈台沟、辽阳弓长岭等地发现有英云闪长岩和花岗岩，其中以陈台沟一带的花岗岩规模最大，它是古太古代晚期一次重要的岩浆事件。它们都侵位于或包裹了与它相邻的古太古代变质表壳岩。它们的侵位年龄都在3300Ma左右。另外，在陈台沟还见一细粒花岗岩脉侵入于陈台沟黑云斜长片麻岩之中，明显切穿片麻岩的片麻理；同时，该岩脉侵位后又遭受到明显的变形作用，使岩脉发生褶曲。该岩脉的锆石U-Pb年龄为3334Ma，表明陈台沟表壳岩变质作用及主期变形作用结束时间应在3334Ma以前，为限定古太古代上界年龄提供了又一佐证。其次，我们还可以从中太古代岩石的成岩及变质年龄来限定古太古代上界年龄。目前，已在冀东迁西岩群、辽北小莱河斜长角闪岩、吉南白山镇岩群、山东沂水岩群中均测定出2900～3000Ma的变质年龄，推测古太古代表壳岩的沉积时间应大于3000Ma。以上讨论表明，古太古代上界年龄可在3300～3000Ma年间选择。如果认为3300Ma陈台沟花岗岩代表古太古代最晚期的岩浆事件的话，古太古代的上界应小于或接近于3300Ma左右。因此，目前国际地科联前寒武纪地层分会以3200Ma作为古太古代上界和中太古代下界的建议是可以接受的。
三、中太古代（3200～2800Ma）
中太古代地质体在中国北方分布较广，但多是零星分布。已知大于2800Ma的变质岩群或杂岩有冀东迁西群，辽北至吉南的龙岗岩群、白山镇岩群，山东中部的沂水岩群、东部的部分胶东岩群。这些岩群大都在3000Ma前经历了早期沉积和火山沉积成岩阶段，之后又经过了麻粒岩相或高角闪岩相的变质作用和强烈的变形作用。它们代表了中太古代早期阶段地质演化历史。以鞍山铁架山花岗岩杂岩（锆石U-Pb年龄2900～3100Ma）为代表的中太古代中晚期的酸性岩浆活动，为限定中太古代上界提供了重要依据。在这些中太古代地质体的分布区内，从中太古代的表壳岩的沉积或火山沉积作用、变质作用，直至强烈的酸性岩浆活动和构造变形作用，构成一个完整的地质事件组合，并以此同中太古代以前和以后的地质演化阶段而区分，作为讨论中国北方中太古代上、下界线的重要依据。
1．中太古代下界。中太古代的下界也就是古太古代的上界，在上面讨论古太古代上界时已有叙述，在此不重复。暂以3200Ma作为分界年龄是可行的。今后应从中太古代变质岩群的原岩生成年龄的研究方面多做工作。目前所测得的中太古代岩群的同位素年龄，由于它们经受了强烈的变质、变形改造，所得的年龄大都代表变质作用高峰或构造主期阶段的年龄，它们原岩形成年龄应大于3000Ma，或接近于3200Ma。
2．中太古代上界。正确确定中太古代上界年龄的最理想的证据是，寻找中太古代岩石与上覆新太古代早期沉积物之间的不整合关系，进而分别测定不整合面上下岩石的年龄。笔者等在鞍山市东鞍山铁矿采场南部新厘定的东鞍山不整合面，为确定中国北方中太古代上界与新太古代底界的时限提供了可靠的研究对象和地质依据。东鞍山铁矿采矿场南部东鞍山花岗岩被鞍山群条带状铁建造沉积不整合覆盖，铁建造的底部有断续分布的变质砾岩和含砾变质砂岩，砾石有下覆东鞍山花岗岩和外来石英岩等。砾岩和砂岩的胶结物大多为长英质碎屑。砾岩之下为花岗岩，受到轻微的风化和剥蚀作用（关于不整合面的详细情况，可见本书有关章节）。
同位素地质年代学研究表明，不整合面之下的东鞍山花岗岩锆石U-Pb年龄为2994Ma±8Ma（Nutman and Song,1993）。钟富道（1986）曾测得同东鞍山花岗岩为同期的铁架山花岗岩的全岩Rb-Sr和Pb-Pb年龄为2860Ma左右。不整合面之上的铁建造，虽未直接测得其年龄，但与东鞍山铁矿为同一时代的鞍山齐大山铁矿角闪质岩石的全岩Sm-Nd年龄为2729Ma（乔广生等，1990）。据此可以限定东鞍山不整合面的时代应在2994～2729Ma之间。一般认为，花岗岩中的锆石代表花岗岩成岩或侵位年龄。因此，东鞍山花岗岩的2994Ma只代表该岩体的就位年龄，而不代表该岩体抬升至地表的时间。因此，确定不整合面的下限年龄还应取该区铁架山花岗岩的全岩Rb-Sr年龄。可以推测，在铁架山花岗岩抬升至地表而开始遭受到剥蚀的年龄为2800Ma。进而可以认为，东鞍山不整合面的时限应在2860～2729Ma间。这一结果，同国际地科联前寒武纪地层分会提出的2800Ma作为中太古代与新太古代分界年龄是比较吻合的。
四、新太古代（2800～2500Ma）
新太古代岩群和花岗岩杂岩在中国北方广泛分布，成为太古宙陆壳主要组成部分。大量的地质资料表明，中朝古大陆的主体在新太古代末期已基本形成，许多重大地质事件的地质记录保存尚好，为较全面、合理确定新太古代的地质演化时限提供了较好的地质和同位素年代学方面的证据。
1.新太古代下界
在中朝古大陆的不同构造单元（详见本章第三节），代表新太古代不同构造环境的表壳岩广泛出现。这些不同环境、不同成因的表壳岩的初始形成时间，应代表新太古代的下界时限。通过有关的地质和同位素年代学研究，尽管它们具有不同成因，形成于不同环境，但都形成于大致相同的时期。以晋冀陆块内的阜平群为例，它是一套以正常沉积方式为主的古大陆边缘的沉积岩系，其底部岩层的沉积年龄，经多种方法（锆石U-Pb，全岩Rb-Sr及Sm-Nd）研究，大致限定在2800Ma左右（刘敦一等，1984；伍家善等，1989；张宗清等，1991）。又如胶辽陆块西南缘的泰山岩群的同位素年代的研究结果，变质基性火山岩的全岩Sm-Nd年龄为2840Ma±160Ma和2740Ma±74Ma（江博明等，1988）。采自泰山岩群柳杭组的变质中酸性火山岩中锆石U-Pb一致线年龄为2788Ma
2．新太古代上界
新太古代上界年龄可以从以下三方面来限定：
（1）新太古代岩层与上覆古元古代岩层的不整合面形成时间
在中朝古大陆内，古元古代岩层沉积不整合覆盖于新太古代岩层之上，已由许多中国地质学家指出。如太行山的五台群与阜平群、赞皇群的不整合面，吕梁山区的吕梁群与界河口群的不整合面，辽东地区辽河群与鞍山群的不整合面，胶东地区粉子山群与胶东岩群的不整合面，冀东地区青龙河群与双山子群的不整合面，河南蒿山地区嵩山群与登封群不整合面，内蒙古二道凹群与乌拉山群不整合面，这些不整合面几乎遍及中朝古大陆的东、西、南、北。详细地研究这些不整合面形成时间，是确定新太古代与古元古代分界时限的最好依据。遗憾的是，由于种种原因，目前对这些众多的不整合面的形成时间的同位素年龄的研究还很不够，还存在这样或那样的一些问题有待解决。但是，从全区来看，这些不整合面之上古元古代岩层的沉积时间大都在2500～2300Ma间，已为中国地质学家公认。如果以太行山区五台群底部板峪口组不整合沉积覆盖在侵入阜平群之上的龙泉关片麻岩的兰子山花岗岩的锆石U-Pb一致线年龄为依据，这一不整合面形成的时间应在2560Ma之后（刘敦一等，1984；伍家善等，1989；田永清等，1991）。
（2）新太古代岩群的变质年龄
目前，对中朝古大陆新太古代变质岩用不同测试方法（锆石U-Pb、全岩Rb-Sr、全岩Sm-Nd、全岩Pb-Pb、角闪石39Ar-40Ar）测试的数百件年龄数据的统计结果表明，2600～2500Ma为一明显的集中期（董申保等，1987），代表中朝古大陆新太古代变质岩的变质作用高峰期。区域变质作用常常同区域构造运动是相伴而生的，变质作用的高峰也常常是构造变形的强烈活动期，区域的退变质作用与地壳的抬升，回返互为因果。因此，将新太古代广泛的区域变质作用结束时间作为新太古代上界是合适的。
（3）新太古代花岗质岩浆活动从高潮到结束的时间
在新太古代中晚期，以TTG和花岗岩为主的构造岩浆热事件，形成了广泛分布的岩浆杂岩带。这些杂岩带的发生和发展过程，以及它们在空间的展布，记录了新太古代陆壳的增生和拼合过程。最引人瞩目的是分布于胶辽陆块西侧边缘的巨型岩浆杂岩带（伍家善等，1991）。根据大量的同位素年龄数据和不同岩石的相互关系（江博明等，1988；刘敦一等，1990；徐惠芬等，1992；曹国权等，1996），该岩浆杂岩带的形成时代可分为早期和晚期。早期以英云闪长岩、花岗闪长岩为主，伴有辉长岩、石英闪长岩，它们的侵位时间主要为2700～2500Ma；晚期以二长花岗岩和钾质花岗岩为主，侵位时间大多在2500Ma左右。秦皇岛、鲁西的钾质花岗岩的侵位时间可延续到2400Ma左右。我们认为，钾质花岗岩主要形成于陆－陆碰撞后期，属于后构造岩浆事件。如果以钾质花岗岩的最终侵位时间作为古元古代的上界，将会把不整合于新太古代之上的部分古元古代沉积岩层（2500～2400Ma）划归新太古代，这显然是不合适的。如果以岩浆杂岩的高峰期2500Ma为界，则可以避免这一矛盾，并且与全区古元古代与新太古代间的沉积不整合面的形成时间，以及全区区域变质作用结束时间均较一致。
我们认为，从不整合面的时限、区域变质作用及构造岩浆热事件的高峰来看，以2500Ma作为新太古代的上界是可行的，也同国际地科联前寒武纪地层分会提出的建议方案一致。
我们在讨论中朝古大陆太古宙陆壳形成与演化阶段时，从总体上试图同地科联前寒武纪分会的建议方案接轨，但是在确定某些界限的时限时常常遇到一些难于解决的问题。其中，感到最难的问题是古太古代的下限时间的确定。这是因为至今为止，在中朝古大陆内还未发现古太古代岩层与中太古代岩层之间的不整合接触关系，缺乏古太古代与中太古代存在明显的构造界面的地质依据。这是需要今后去重点进行研究的。此外，目前对中朝古大陆前寒武纪构造演化阶段的划分问题，已有许多地质学家提出过不同的划分意见。笔者只是作为一家之言，提出来供同行们讨论、批评，以促进这一重大地质问题的深入研究。
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