龍首山地塊的歸屬問題:來自地殼結構和中—新元古代地層的證據

夏明哲,夏昭德,盧榮輝,姜常義

(1.長安大學地球科學與資源學院,陜西西安710054;2.長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,陜西西安710054;3.四川華源礦業勘查開發有限責任公司,四川成都610072)

0 引言

龍首山地塊位于中國西北部的甘肅省中部,該地塊以產出超大型金川鎳銅巖漿硫化物礦床而聞名。前人對該區的地質背景做了大量研究,湯中立等依據地層方面的資料,認為龍首山地塊在中—新元古宙期間與華北克拉通連為一體[1-3]。Li等依據金川巖體中斜鋯石U-Pb年齡((812±26)Ma),認為該巖體的形成與大約825 Ma的華南地幔柱有關,顯示了與揚子克拉通的構造親合性[4]。由此引發的問題是:龍首山地塊到底是歸屬于揚子克拉通,還是歸屬于華北克拉通?筆者擬從地殼結構和地層對比的角度,論證龍首山地塊的歸屬問題。

1 地質概況

龍首山地塊的平面形態為長條狀,呈北西西—南東東方向展布(圖1),其北部和東部以斷層為界與阿拉善地塊相鄰,后者屬華北克拉通西端;西部以斷層為界與塔里木克拉通相鄰,南部以龍首山斷裂為界與北祁連早古生代褶皺帶相鄰。

2 揚子克拉通地殼結構與中—新元古代地層

揚子克拉通包括云南省大部、貴州省大部、四川中東部、湖北西部及武漢以東之長江沿岸地區。揚子克拉通具有3層地殼結構:最下部為結晶基底,由太古界(大于2.5 Ga)和古元古界(2.5～1.8 Ga)組成[5],普遍經歷了以角閃巖相為主的區域變質作用;長城系(1.8～1.4 Ga)、薊縣系(1.4～1.0 Ga)和青白口系(1.0～0.8 Ga)構成褶皺基底;南華系(0.8～0.635 Ga)、震旦系(0.635～0.543 Ga)為蓋層沉積[6]。屬長城系—薊縣系的淺變質地層在湖北省、貴州省、四川省、云南省分別被稱為神農架群、梵凈山群、會理群、昆陽群等10個巖群[7-10],其中以神農架群的研究最詳細。下神農架亞群屬長城系,以碳酸鹽巖為主,夾板巖、凝灰巖,厚度達2 200 m。薊縣系下部為中神農架亞群,由碳酸鹽巖、硅質巖和砂泥質巖石組成;厚度近3 000 m,富含疊層石和微古植物。薊縣系上部為上神農架亞群,由含硅質碳質粉砂巖、鐵礦層和白云巖組成(圖2a)[11]。

圖1 區域地質構造Fig.1 Regional G eological Structure

上述淺變質巖群均與下伏的古元古代—太古代中深變質巖系呈明顯的角度不整合接觸。各淺變質巖群的原巖建造均屬槽型沉積,并經歷了低綠片巖相區域變質作用,地層緊閉褶皺,面理置換強烈,地層層理消失殆盡。上述淺變質巖群巖石的主要特征變質礦物為絹云母和綠泥石,變質級屬低綠片巖相。個別地段出現白云母、黑云母、石榴石、鈉長石、陽起石等變質礦物,變質級可達高綠片巖相,如會理群河口組、云南省會澤縣的昆陽群等(圖2a)。

青白口系在揚子克拉通的分布不如長城系、薊縣系廣泛,在湖北省、貴州省和四川省分別稱為馬槽園群、下江群/丹洲群/板溪群、板溪群。青白口系與薊縣系為角度不整合接觸。其中,馬槽園群由碳酸鹽質礫巖及砂巖組成,夾少量板巖,厚度約4 000 m,不整合于神龍架群之上,被震旦系不整合覆蓋,該群全巖Rb-Sr年齡為993.6 Ma[7]?！端拇ㄊ^域地質志》明確指出板溪群屬于基底的理由:板溪群普遍經歷了區域變質作用,與上覆的溶溪冰磧層、大塘坡組、南沱冰磧層等未變質沉積巖有明顯差別;構造線方向不一致,川東南一帶板溪群為北東向,而蓋層為北北東向[9]?！顿F州省區域地質志》也指出板溪群與之上的震旦系下統(震旦系解體后應屬南華系)兩界河組為不整合關系[8]。

圖2 華北克拉通、揚子克拉通及龍首山地塊地層柱狀圖Fig.2 Histograms of North China Craton,Yangtze Craton and Longshoushan Terrane Strata

南華系、震旦系以鄂西北的峽東剖面最具代表性。南華系與下伏青白口系、薊縣系等呈高角度不整合。南華系下部為長石石英砂巖、凝灰質砂巖及凝灰巖,南華系上部為冰磧層。震旦系下部以泥質巖為主,夾碳酸鹽巖,上部以白云巖為主夾硅質巖。南華系與震旦系均未經歷區域變質作用(圖2a)。

3 華北克拉通地殼結構與中—新元古代地層

華北克拉通地殼具有雙層結構:結晶基底和沉積蓋層。其中早—中太古代遷西群,晚太古代阜平群、單塔子群、五臺群及雙子山群,古元古代朱杖子群、甘陶河群及東焦群,構成了結晶基底,這些地層普遍經歷了角閃巖相-麻粒巖相的區域變質作用;長城系及其以上地層屬蓋層沉積,沒有或僅有埋藏變質作用。

華北克拉通的長城系、薊縣系和青白口系以薊縣剖面為代表,長城系以明顯的角度不整合覆于結晶基底遷西群之上,總厚度2 266 m[12]。長城系下部和中部以碎屑巖、黏土巖為主,上部以碳酸鹽巖為主。長城系上統分為大紅峪組和高于莊組,厚2 004 m。大紅峪組以碎屑巖為主,夾碳酸鹽巖,高于莊組以碳酸鹽巖為主。薊縣系與長城系為整合接觸,總厚4 507 m,主要由碳酸鹽巖組成。青白口系與薊縣系為平行不整合接觸,厚度為398 m,主要由碎屑巖、黏土巖和薄層灰巖組成(圖2b)[14]。上述3個系的地層被認為是臺型沉積,層理保存完整。長城系和薊縣系有一定程度的埋藏變質,主要表現為石英砂巖變為石英巖或石英巖狀砂巖。

華北克拉通普遍缺失南華系和震旦系大部分地層,僅有震旦系上部地層在克拉通邊緣零星分布。其中,在克拉通南緣河南—陜西地區的震旦系稱羅圈組[15],在賀蘭山地區稱正目關組[16]。羅圈組、正目關組的上巖段由陸源碎屑巖組成,下巖段為冰磧礫巖。其與上覆下寒武統呈平行不整合接觸,并總是與下寒武統中的含磷層相伴出現;與下伏地層呈平行不整合或角度不整合接觸。羅圈組之上東坡組海綠石Rb-Sr等時線年齡為503 Ma,碳質頁巖Rb-Sr等時線年齡為(527±23)Ma,下伏董家組海綠石砂巖 K-Ar年齡為(669±4)Ma,Rb-Sr表面年齡727 Ma,所以羅圈組的年齡為620～600 Ma[16-18],時代上屬震旦紀。鑒于羅圈組分布區的下伏結晶基底與華北克拉通主體部分并無深大斷裂相分割,所以該組地層應代表華北克拉通南緣的沉積建造,沒有證據顯示這套地層屬于外來地體。

4 龍首山地塊地殼結構與中—新元古代地層

龍首山地塊具有雙層結構:龍首山群形成于中太古代—古元古代,普遍經歷了角閃巖相區域變質作用,構成陸塊結晶基底[1];薊縣系、震旦系屬蓋層沉積。

龍首山群巖性主要為一套條帶狀、眼球狀混合巖夾斜長角閃巖、花崗質片麻巖、黑云斜長片麻巖等,而大理巖、石英巖、片巖、變粒巖類呈包體(透鏡體)產于其中,上部有變質流紋英安巖及結晶灰巖;它的原巖底部為中基性火山巖、海相陸源碎屑巖-富鎂碳酸鹽巖建造,中部為海相碳酸鹽巖-類復理石建造,上部則屬海相火山沉積巖-陸源碎屑巖建造[1]。

龍首山地塊缺失長城系、青白口系和南華系。龍首山地塊的薊縣系稱墩子溝群,根據巖性分為3個亞群,總厚度大于1 403 m。上亞群為灰綠色粉砂質千枚巖及條帶狀結晶灰巖;中亞群主要為硅質灰巖,底部含疊層石;下亞群為變質長石石英砂巖及變質礫巖。墩子溝群與上覆震旦系和下伏龍首山群均呈角度不整合接觸(圖2c)[13]。該群經歷了埋藏變質作用,粉砂巖具千枚狀構造,砂巖有一定程度的重結晶,地層層理保存完整。

龍首山地塊的震旦系僅有震旦系頂部的燒火筒溝組,它與上覆下寒武統呈平行不整合接觸,與下伏墩子溝群呈不整合接觸[13,19]。燒火筒溝組中上部為含礫千枚巖與粉砂質千枚巖,下部為冰磧礫巖。在含礫絹云石英千枚巖中可見到巨大漂礫、礫石表面有冰川擦痕。冰磧礫巖成分十分復雜,大小懸殊,礫徑一般1～4 cm,形態多樣,常見棱角狀,混雜無序,不顯層理,鈣質膠結,雜基支撐,有的角礫具刨蝕痕跡。代表性剖面如下。

上覆地層

上寒武統

平行不整合

燒火筒溝組 總厚度472.3～511.4 m

10.礫巖 0.3～5.4 m

9.含碳石英千枚巖 3.0～5.0 m

8.石英千枚巖 10.0～20.0 m

7.絹云石英千枚巖 120.0 m

6.含碳絹云千枚巖 5.0 m

5.白云巖 1.0 m

4、3.冰磧含礫絹云千枚巖 56～78 m

2.綠泥絹云千枚巖 203.0 m

1.冰磧礫巖 74.0 m

平行不整合

下伏地層

墩子溝群

5 討論

揚子克拉通與華北克拉通在地殼結構與中—新元古代地層屬性方面存在顯著差異。

(1)揚子克拉通的地殼結構表現為結晶基底-褶皺基底-沉積蓋層的3層結構,而華北克拉通為結晶基底-沉積蓋層雙層結構。

(2)揚子克拉通的長城系、薊縣系和青白口系屬槽型沉積,普遍經歷了低綠片巖相區域變質改造,構成褶皺基底,而華北克拉通的這3個系屬臺型沉積,僅在中、下部有埋藏變質,構成沉積蓋層。

(3)揚子克拉通存在從南華系底部至震旦系頂部的連續沉積剖面,而華北克拉通僅在其南緣和西緣存在震旦系頂部的沉積層。

(4)揚子克拉通的冰磧層存在于南華系上部南沱組內,而華北克拉通的冰磧層出現于震旦系頂部,并且總與寒武系底部的含磷層相伴出現[6,20-21]。據此,筆者認為龍首山地塊應該歸屬于華北克拉通,而不應歸屬于揚子克拉通。

6 結語

龍首山地塊具有雙層地殼結構,薊縣系墩子溝群屬蓋層沉積并且沒有經歷區域變質作用,缺失南華系和震旦系大部分地層,冰磧層出現于震旦系頂部;此外,無論是從地層層序、沉積層組合,還是從其與寒武系含磷層相伴出現等方面而論,燒火筒溝組可以與羅圈組、正目關組對比,這3個組是形成于同一環境的同一套地層。所以,無論是從地殼結構還是從中—新元古代地層屬性等方面來看,龍首山地塊都應該屬于華北克拉通。

[1] 湯中立,白云來,徐章華,等.華北古陸西南緣(龍首山—祁連山)成礦系統及成礦構造動力學[M].北京:地質出版社, 2002.

[2] 湯中立,錢壯志,姜常義,等.巖漿硫化物礦床勘查研究的趨勢與小巖體成礦系統[J].地球科學與環境學報,2011,33(1): 1-9.

[3] Lu S N,Zhao G C,Wang H C,et al.Precambrian Metamorphic Basement and Sedimentary Cover of the North China Craton:a Review[J].Precambrian Research,2008,160(1/2): 77-93.

[4] Li X H,Su L,Chung S L,et al.Formation of the Jinchuan Ultramafic Intrusion and the World's Third Largest Ni-Cu Sulfide Deposit:Associated with the～825 Ma South China Mantle Plume?[J].Geochemistry Geophysics Geosystems, 2005,6(Q11004).DOI:10.1029/2005GC001006.

[5] 程裕淇.中國區域地質概論[M].北京:地質出版社,1994.

[6] 陸松年,李懷坤,陳志宏,等.新元古時期中國古大陸與羅迪尼亞超大陸的關系[J].地學前緣,2004,11(2):515-523.

[7] 湖北省地質礦產局.湖北省區域地質志[M].北京:地質出版社,1990.

[8] 貴州省地質礦產局.貴州省區域地質志[M].北京:地質出版社,1987.

[9] 四川省地質礦產局.四川省區域地質志[M].北京:地質出版社,1991.

[10] 云南省地質礦產局.云南省區域地質志[M].北京:地質出版社,1990.

[11] 杜汝霖.前寒武紀古生物學及地史學[M].北京:地質出版社, 1992.

[12] 河北省地質礦產局.河北省區域地質志[M].北京:地質出版社,1989.

[13] 甘肅省地層表編寫組.西北地區區域地層表:甘肅省分冊[M].北京:地質出版社,1980.

[14] 陜西省地質礦產局.陜西省區域地質志[M].北京:地質出版社,1989.

[15] 《中國地層典》編委會.中國地層典:新元古界[M].北京:地質出版社,1996.

[16] 關保德,耿武辰,戎治國,等.河南省羅圈組冰磧巖時代探討[C]∥《前寒武紀地質》編輯委員會.前寒武紀地質第1號:中國晚前寒武紀冰成巖論文集.北京:地質出版社,1983:183-206.

[17] 關保德,耿武辰,戎治國,等.河南東秦嶺北坡中—上元古界[M].鄭州:河南科學技術出版社,1988.

[18] 張文治,李懷坤,王官福,等.中國東部晚元古冰成巖的古地磁及地質意義[J].前寒武紀研究進展,2001,24(1):35-57.

[19] 西安地質礦產研究所.中國地質科學院西安地質礦產研究所所刊:第8號,北山地區上前寒武系[M].西安:陜西科學技術出版社,1984.

[20] 趙祥生,張錄易,鄒湘華,等.西北地區震旦紀冰磧層及其地層意義[C]∥中國地質科學院天津地質礦產研究所.中國震旦亞界.天津:天津科學技術出版社,1980:25-30.

[21] 陸松年,李懷坤,陳志宏.塔里木與揚子新元古代熱-構造事件特征、序列和時代——揚子與塔里木連接(YZ-TAR)假設[J].地學前緣,2003,10(4):321-326.