華北克拉通始太古代演化
——來自冀東38億年片麻巖鋯石Hf-O同位素的記錄*

呂暢 王浩 楊進輝 冉靜 周寶全 吳亞東

地球是太陽系中唯一發育大規模陸殼的星球,也是地球區別于其他行星的最主要地質學標志,揭示陸殼的成因對了解地球演化的特殊性及宜居性具有重要意義(Rudnick and Gao, 2003; Cawoodetal., 2022; Zhuetal., 2023)。陸殼成因研究中一個非常重要的科學問題是揭示最早期陸殼的物質組成和性質,這是闡述地球殼幔分異和構造演化的邏輯起點(萬渝生等, 2023),然而地球早期陸殼的成因研究非常薄弱,直接原因是古老陸殼巖石的出露非常有限(Wanetal., 2019)。目前已知的最古老陸殼物質記錄是來自西澳大利亞Jack Hills的冥古宙碎屑鋯石,其U-Pb年齡大于4.35Ga(Wildeetal., 2001; Valleyetal., 2014),最古老的巖石記錄則出現在冥古宙末期到始太古代初期(Bowring and Williams, 1999; Reiminketal., 2016),全球范圍內發現的這一時期的巖石記錄僅十余處,且多以構造透鏡體或部分熔融殘留體形式產出,出露面積總和不超過1000km2(萬渝生等, 2023),因此任何一個新的始太古代巖石記錄的發現無疑都是對地球早期陸殼演化研究的重大貢獻。

華北克拉通是全球少數幾個發育始太古代巖石記錄的古老克拉通之一,研究歷史悠久(Liuetal., 1992; Zhengetal., 2004; Wuetal., 2008; Wanetal., 2012)。早在20世紀90年代初,在東北鞍山的白家墳地區就發現了38億年花崗質糜棱巖,引起了國際前寒武紀地質學界的廣泛關注(Liuetal., 1992)。隨后又在華北克拉通南緣的信陽地區報道有>36億年的下地殼包體(Zhengetal., 2004),進一步詳細的離子探針(SIMS)分析揭示這些下地殼包體的形成時代可能為38億年(Maetal., 2020),暗示華北克拉通南北兩側早期演化的年代學記錄可以對比。但是值得注意的是,華北克拉通南北兩側的始太古代巖石記錄了截然不同的鋯石Hf-O同位素組成。鞍山雜巖中始太古代奧長花崗質片麻巖具有高于正常地幔鋯石的O同位素組成以及異常高的εHf(t)值,這被解釋為該地區在始太古代時可能具有超虧損的地幔源區(Wuetal., 2008; Wangetal., 2015)。而信陽的始太古代下地殼包體具有與地幔鋯石一致的O同位素組成以及負的εHf(t)值,暗示存在更古老的地殼物質或異常富集的地幔源區(Zhengetal., 2004; Maetal., 2020)。與華北克拉通不同,全球其他地區的始太古代記錄多顯示與球粒隕石均一巖漿庫類似的Hf同位素組成以及與地幔鋯石一致的O同位素組成,這一特征被解釋為在始太古代之前缺乏大規模殼幔分異作用(Fisher and Vervoort, 2018; Mulderetal., 2021)。是何種原因造成了華北克拉通與全球其他主要克拉通的差異值得關注。華北克拉通兩處始太古代巖石記錄是僅代表小區域范圍內的地殼成分特殊性,還是反映了華北克拉通內部的整體情況也需要深入研究,但華北克拉通內部始太古代巖石記錄的缺失卻使這樣的研究無的放矢。近期,萬渝生等(2021a)在冀東地區報道了一處新的始太古代巖石記錄,為理解上述問題提供了極為重要的對象,不過目前還缺乏對該巖石的詳細鋯石Hf-O同位素結果報道,妨礙了對華北克拉通始太古代地殼屬性的討論?；诖?本文對冀東約38億年片麻巖開展了詳細的鋯石U-Pb年代學和Hf-O同位素分析,并結合已發表的鞍山雜巖和信陽下地殼包體的鋯石Hf-O同位素數據以及區域內的始太古代碎屑鋯石結果,探討華北克拉通的早期演化歷史及其與全球其他克拉通的差異性。

圖1 冀東盧龍-遷安地區地質簡圖(據初航等, 2016修改)Fig.1 Simplified geological map of the Lulong-Qian’an area, eastern Hebei Province (modified after Chu et al., 2016)

1 地質背景與樣品巖石學特征

華北克拉通是中國三大克拉通之一,也是中國最早發現始太古代巖石記錄的克拉通,在國際早前寒武紀地質演化研究方面發揮著重要作用(Liuetal., 1992; Zhengetal., 2004; Maetal., 2020)。已有的結果表明,華北克拉通初始陸核形成在38億年前,之后分別在34.5億年、33億年、31億年、30億年、29億年和27～25億年等時期經歷了幾次較為強烈的陸殼增生和改造事件(Dongetal., 2017; Wanetal., 2012; Wangetal., 2015, 2019, 2020; Liouetal., 2019, 2022a; 第五春榮, 2021),其中太古宙最晚期的這次造陸事件形成了遍布整個克拉通的英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖(TTG)巖石組合,構建了現今華北克拉通基底的最主要組成部分(Liouetal., 2022a; 第五春榮, 2021)。盡管目前對于華北克拉通內部構造單元的劃分方案還沒有形成統一的認識(Zhaoetal., 2005; Zhaietal., 2005; Diwuetal., 2016),但多數學者認為華北克拉通在古元古代經歷了多塊體拼合后開始具備了克拉通屬性,并接受了自中元古代到古生代長期穩定的沉積作用。在中生代時期,華北克拉通經歷了強烈的去克拉通化,表現為華北東部陸塊發育大面積的花崗質巖漿活動以及廣泛的拉分盆地,可能與古太平洋板塊的向西俯沖作用有關(Wuetal., 2019; Yangetal., 2008, 2021)。

華北克拉通報道的始太古代巖石記錄主要分布在鞍山、信陽和冀東三個地區,其中冀東地區的始太古代巖石記錄是最晚發現的,由萬渝生等(2021a)率先報道。冀東地區是華北克拉通早前寒武紀巖石的重要出露區,發育有華北克拉通內典型的變質基底巖石組合,主要有鉻云母石英巖、長石石英巖、石榴云母片巖、黑云斜長片麻巖、基性麻粒巖、斜長角閃巖、大理巖、變質超基性巖團塊和大量產出的花崗質片麻巖等,變質等級可達高角閃巖相到麻粒巖相(Huangetal., 1986; Jahnetal., 1987; Liuetal., 1992; Cuietal., 2018; Liouetal., 2020; 吳福元等, 2005)。前人將區內的太古宙巖石劃分為古太古代曹莊巖組、新太古代遷西巖群和灤縣巖群等三個主要的巖石地層單元(圖1)。這三個巖石單元之間多以構造斷層形式接觸,并且都被新太古代晚期的鉀質花崗巖和輝綠巖脈侵入。

圖2 冀東盧龍喇叭山地區38億年花崗閃長質片麻巖野外產狀照片(a)及相關巖石接觸關系素描圖(b)Fig.2 Photograph (a) and sketch map (b) of the 3.8Ga granodioritic gneiss from the Labashan area, Lulong City, eastern Hebei Province

圖3 冀東盧龍喇叭山地區38億年花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)顯微照片(a)單偏光;(b)正交偏光. Qz-石英;Bt-黑云母;Kfs-鉀長石;Pl-斜長石Fig.3 microphotographs of granodioritic gneiss (Sample 21BQ05) from the Labashan area, Lulong City, eastern Hebei Province(a) plane polarized light; (b) cross-polarized light. Qz-quartz; Bt-biotite; Kfs-K-feldspar; Pl-plagioclase

曹莊巖組主要出露于遷安黃柏峪地區,由石英巖、斜長角閃巖和副片麻巖等三大類巖石組成。針對斜長角閃巖的年代學研究給出了36～35億年的Sm-Nd等時線年齡,該年齡被解釋為斜長角閃巖原巖的形成時代(Huangetal., 1986; Jahnetal., 1987; Cuietal., 2018)。石英巖中產出有大量始太古代碎屑鋯石,給出的沉積時代下限年齡約為35.5億年。由于缺乏變質鋯石記錄,這些石英巖的沉積上限年齡缺乏有效約束(Liuetal., 1992; Liouetal., 2020; 吳福元等, 2005)。曹莊巖組副片麻巖中含有新生變質鋯石,其形成時代為25億年,而碎屑鋯石給出的諧和年齡多在34～38億年之間,因此約束副片麻巖的沉積時代為34～25億年(Liuetal., 2013)。初航等(2016)在盧龍的喇叭山地區也發現了含大量始太古代碎屑鋯石的鉻云母石英巖,認為其可以與遷安黃柏峪地區的石英巖對比,應歸屬于曹莊巖組。萬渝生等(2021a, b)在與喇叭山鉻云母石英巖伴生的長石石英巖中發現了冥古宙碎屑鋯石以及約38億年的花崗閃長質片麻巖,引起了國內外學術界的廣泛關注。這些約38億年的花崗閃長質片麻巖出露非常有限(<1.5m2),與鉻云母石英巖和云母片巖等一起分布在25億年正長花崗巖周圍,后者呈透鏡狀產出,但變形變質程度較低(圖2)?；◢忛W長質片麻巖與鉻云母石英巖和云母片巖的原始接觸關系被后期構造運動所破壞,很難判斷其最初接觸形態。本文選擇一塊分布在云母片巖帶西側的花崗閃長質片麻巖(21BQ05, 39°46′36.58″N、118°51′29.28″E)開展研究。樣品外觀呈灰色,風化面上偏土黃色,整體呈現出片麻狀構造,內部為不等粒變晶結構。巖石主要由斜長石(45%)、石英(35%)、鉀長石(12%)、黑云母(5%)和絹云母(2%)等組成,副礦物(1%)有鋯石、金紅石和磷灰石等(圖3)。斜長石呈半自形板狀,粒度在0.2～0.5mm之間,無色透明,部分遭受蝕變,可見聚片雙晶結構。鉀長石呈半自形寬板狀,粒度在0.3～0.5mm之間,干涉色較石英偏暗且表面比較渾濁。石英呈粒狀,粒度為0.1～0.4mm,無色透明,多呈集合體形式出現。黑云母為片狀,呈淡黃色-棕色,平均長度為0.2mm,多呈斷續定向分布。絹云母為鱗片狀,微粒級,無色透明,多呈集合體分布在長石解理縫中。

2 分析方法

鋯石的分選工作在廊坊市峰澤源巖礦檢測技術有限公司完成,其余的所有分析工作都在中國科學院地質與地球物理研究所完成。將5kg樣品粉碎后進行重力分選和磁選,之后在雙目鏡下經過人工挑純得到鋯石單礦物。從分選得到的單礦物中隨機選擇其中約200顆鋯石與鋯石標樣Qinghu、Plesovice和Penglai等一起制成一英寸樹脂靶。樹脂靶經過打磨剖光后暴露出鋯石中心部位,隨后在透射光和反射光條件下對鋯石顆粒進行顯微照相以揭示鋯石內部包裹體、表面平整度和裂隙等的發育情況。完成透反射光照相的樣品靶需要在掃描電子顯微鏡下完成陰極發光(CL)顯微圖像拍攝以揭示鋯石內部結構。獲取CL圖像所使用儀器為Nova NanoSEM 450掃描電子顯微鏡,配備有Gatan公司陰極發光光譜儀(型號MonoCL4)。

在透反射光和CL圖像的指導下,首先對鋯石開展了氧同位素分析,使用的儀器是型號為CAMECA IMS-1280的二次離子質譜儀(SIMS)。Cs+一次離子束在10keV加速電壓下轟擊樣品表面,一次離子束轟擊的束斑大小為20×20μm,產生的二次氧離子被-10kV電壓加速,最后用法拉第杯來接收氧離子。詳細分析流程參見Tangetal.(2015)。測得的18O/16O比值以維也納標準平均海水(V-SMOW)O同位素值進行標準化(18O/16O=0.0020052)。實驗過程中引起的同位素分餾利用標準鋯石Penglai進行校正,其δ18O推薦值為5.31±0.10‰(Lietal., 2010)。標準鋯石Qinghu作為未知樣與樣品同時進行分析,21次測量的加權平均δ18O值為5.50±0.06‰。這與推薦值(5.4±0.2‰)在分析誤差內一致(Lietal., 2013)。單次分析的不確定度按2s表示。

在完成氧同位素分析后對鋯石靶進行重新剖光,然后進行U-Pb年代學分析,使用的儀器為CAMECA IMS-1280HR型二次離子質譜儀。分析點束斑大小為20×30μm,初始離子束強度約10nA。分析過程中使用標準鋯石Ple?ovice (206Pb/238U年齡為337.13±0.37Ma,Slámaetal., 2008)對未知樣品進行U和Pb的分餾校正。通過實測的204Pb信號并結合現代大陸地殼平均Pb同位素組成對測試數據進行普通鉛校正,詳細分析流程可參考Lietal.(2009)。為檢測測試結果的準確性,把標準鋯石Qinghu作為未知樣品進行了同步分析,獲得的加權平均206Pb/238U年齡為159.0±2.2Ma(2s,n=5, MSWD=1.4),與前人報道的推薦值(159.45±0.16Ma)在誤差范圍內一致(Lietal., 2009)。單個分析的不確定度以1s表示,加權平均年齡以2s表示。

最后對已定年鋯石顆粒開展微區Lu-Hf同位素分析,所采用的儀器為Analyte G2型193nm激光剝蝕系統和Thermo Finnigan Neptune型MC-ICPMS。分析過程中激光頻率為6Hz,能量密度為5J/cm2,光束直徑為50μm,詳細分析流程見Wuetal.(2006)。所獲得數據的同質異位素干擾校正和同位素內部歸一化校正采用如下參數并假設元素Yb和Lu具有相同的質量分餾校正因子:179Hf/177Hf=0.7325(Patchett and Tatsumoto, 1981),173Yb/172Yb=0.73925(Vervoortetal., 2004),176Yb/172Yb=0.5887(Vervoortetal., 2004),176Lu/175Lu=0.02655(Vervoortetal., 2004)。為監控Hf同位素比值測量的準確性,對鋯石標樣91500,SA01和MUNZirc進行了同步分析,其加權平均176Hf/177Hf值分別為0.282294±0.000016(n=14),0.282295±0.000015(n=7)和0.282145±0.000008(n=29),這些分析結果在誤差范圍內與前人報道的推薦值一致(Wuetal., 2006; Fisheretal., 2011; Huangetal., 2020)。由于研究對象的形成時代較老,準確獲得176Lu/177Hf比值對計算初始Hf同位素比值尤為重要,然而目前國際通用的鋯石標樣還缺乏系統的176Lu/177Hf比值均一性檢驗以及準確定值工作。所分析的3件鋯石標樣中,91500的176Lu/177Hf比值相對均一,14次測量的統計平均值為0.000323±0.000022,與前人基于同位素稀釋法獲得結果在誤差范圍內一致(0.000314±0.000026, Fisheretal., 2014)。為進一步檢驗176Lu/177Hf測量的準確性,本次測試過程對NIST610標準玻璃進行了同步測量,所獲得的176Lu/177Hf比值為0.1429±0.0002(n=10),與基于微量元素含量計算的176Lu/177Hf比值在誤差范圍內一致(0.1433±0.0047, Jochumetal., 2011)。以上這些分析結果均表明本次測量的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值準確可靠。在計算εHf(t)值和兩階段Hf模式年齡時用到的參數如下:176Lu/177HfCHUR=0.0336(Bouvieretal., 2008),176Hf/177HfCHUR=0.282785(Bouvieretal., 2008),176Lu/177HfDM=0.03933(Blichert-Toft and Puchtel, 2010),176Hf/177HfDM=0.283294(Blichert-Toft and Puchtel, 2010),176Lu/177HfCC=0.01(Kr?neretal., 2014),λ176Lu=1.867×10-11/yr(S?derlundetal., 2004)。下標CHUR、DM、CC分別指球粒隕石均一巖漿儲庫,虧損地幔和大陸地殼。需要指出的是,前人報道的現今大陸地殼的176Lu/177Hf比值有一定變化范圍(0.006～0.015)(Rudnick and Gao, 2003; Chauveletal., 2014及其所引文獻)。Kr?neretal.(2014)提出用176Lu/177Hf=0.01代表太古宙大陸地殼平均值時可以讓Hf和Nd同位素更加耦合,因此本文選擇這一推薦值來計算兩階段Hf模式年齡。

3 分析結果

樣品21BQ05中的鋯石呈透明、淡黃色、自形-半自形棱柱狀晶形,粒徑在100～250μm之間,長寬比為1:1～3:1。CL圖像顯示所研究的鋯石普遍具有振蕩環帶,部分鋯石發育陰極發光非常弱的變質邊,寬度通常小于10μm(圖4)。本項研究過程中選擇了25粒干凈透明、內部無包裹體且表面無裂隙的鋯石開展了詳細的U-Pb年齡和Hf-O同位素分析。

圖4 冀東盧龍喇叭山地區始太古代花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)中代表性鋯石陰極發光(CL)圖像小圓圈代表O同位素分析的分析點位,橢圓代表U-Pb年齡分析點位;大圓圈代表Lu-Hf同位素分析點位Fig.4 Cathodoluminescence (CL) images of representative zircons from granodioritic gneiss (Sample 21BQ05) from the Labashan area, Lulong City, eastern Hebei ProvinceThe small and large circles represent the spots of SIMS O isotope and LA-MC-ICPMS Hf isotope analyses, respectively, and the ellipses represent the spots of SIMS U-Pb age analyses

圖5 冀東盧龍喇叭山地區花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)中鋯石SIMS U-Pb年齡諧和圖Fig.5 Concordia diagram of SIMS zircon U-Pb ages for granodioritic gneiss (Sample 21BQ05) from the Labashan area, Lulong City, eastern Hebei Province

圖6 冀東盧龍喇叭山地區花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)中鋯石δ18O值分布直方圖正常地幔鋯石δ18O值(5.3±0.6‰)來自Valley et al. (1998)Fig.6 Histogram of zircon δ18O values for granodioritic gneiss (Sample 21BQ05) from the Labashan area, Lulong city, eastern Hebei ProvinceThe δ18O value of 5.3±0.6‰ for mantle zircon from Valley et al. (1998)

分析結果顯示這些鋯石U含量為175×10-6～878×10-6,Th含量為98.0×10-6～553×10-6,Th/U比值為0.36～0.81,207Pb/206Pb年齡范圍在3467.2～3792.7Ma之間(表1)。在諧和圖上,數據點大都位于諧和曲線下且沿不一致線分布,說明這些鋯石顆粒有著同一結晶年齡,但經歷了不同程度Pb丟失(圖5)。不一致線的上交點年齡為3775±17Ma,下交點年齡為892±140Ma。207Pb/206Pb年齡最老的7個分析點給出的加權平均年齡為3776±11Ma(MSWD=3.1),與不一致線的上交點年齡在誤差范圍內一致。

25粒鋯石的δ18O范圍在4.97‰～6.32‰ (表2),除1個分析點偏低外,其余24個分析點給出的加權平均值為5.81±0.13‰(圖6),落在地幔鋯石氧同位素范圍的上限(5.3±0.6‰, 2s)(Valleyetal., 1998)。這些鋯石的O同位素變化范圍較小,且與U和Th含量不存在相關性,諧和鋯石(年齡諧和度大于95%)的O同位素組成與不諧和鋯石不存在顯著差異,表明O同位素未受到蛻晶化作用等的明顯改造(Wangetal., 2016),可以代表原始巖漿信息。LA-MC-ICPMS鋯石Lu-Hf同位素分析給出的176Lu/177Hf比值為0.000593～0.001569,176Hf/177Hf比值為0.280358～0.280489。設定鋯石形成年齡t=3776Ma,由此計算得出的εHf(t)值為-1.2～+1.6,加權平均值為0.09±0.31(MSWD=0.65)(圖7)。鋯石單階段Hf模式年齡tDM1為3837～3937Ma,鋯石兩階段Hf模式年齡tDM2的加權平均值為3925±15Ma(MSWD=0.66)。

表1 冀東始太古代花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)中鋯石 SIMS U-Pb 測年結果

表2 冀東始太古代花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)中鋯石Hf-O同位素分析結果

圖7 冀東盧龍喇叭山地區花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)中鋯石εHf(t)值分布直方圖灰色條帶表示球粒隕石均一儲庫εHf(t)參考值±0.5和±1單位范圍Fig.7 Histogram of zircon εHf(t) values for granodioritic gneiss (Sample 21BQ05) from the Labashan area, Lulong City, eastern Hebei ProvinceGrey bars show chondritic reference values with ±0.5 and ±1 εHf(t) unit ranges, respectively

4 討論

4.1 形成時代

花崗閃長質片麻巖(樣品21BQ05)中的鋯石具自形-半自形棱柱狀晶形,在CL圖像中顯示出明顯的振蕩環帶,并且具有比較高的U(175×10-6～878×10-6)和Th(98.0×10-6～553×10-6)含量以及Th/U(0.36～0.81)和176Lu/177Hf(0.000593～0.001569)比值。這些特征共同指示所研究的鋯石為巖漿鋯石(Wu and Zheng, 2004)。所分析的25粒鋯石中,7粒鋯石給出了最為古老且在誤差范圍內一致的207Pb/206Pb年齡,其加權平均值為3776±11Ma,與所有分析點構筑的不一致線上交點年齡(3775±17Ma)一致,也與萬渝生等(2021a)報道的年齡(3773±6Ma和3786±4Ma)在誤差范圍內一致,這些年齡應解釋為花崗閃長質片麻巖原巖的形成年齡,共同指示了華北克拉通冀東地區存在始太古代結晶基底,這為研究地球始太古代演化過程提供了新的重要對象。

圖8 華北克拉通曹莊始太古代碎屑鋯石和始太古代巖石中巖漿鋯石εHf(t)值與年齡關系圖碎屑鋯石數據來自Liu et al. (2013), Liou et al. (2020, 2022b) 和吳福元等(2005);巖漿鋯石數據來自Ma et al. (2020), Zheng et al. (2004), Wu et al. (2008), Liu et al. (2008), Wan et al. (2012, 2015, 2023), Wang et al. (2015), 萬渝生等(2007)以及本文研究結果. 所選數據的年齡諧和度均>95%Fig.8 Plot of zircon εHf(t) value vs. U-Pb age for Eoarchean magmatic and detrital zircons from the North China CratonThe detrital zircon data from Wu et al. (2005), Liu et al. (2013) and Liou et al. (2020, 2022b); and the magmatic zircon data from Ma et al. (2020), Zheng et al. (2004), Wu et al. (2008), Liu et al. (2008), Wang et al. (2015), Wan et al. (2007, 2012, 2015, 2023) and this study. All the data with age concordance >95% were selected

圖9 華北克拉通曹莊始太古代碎屑鋯石和始太古代巖石中巖漿鋯石δ18O值與年齡關系圖碎屑鋯石數據來自Wilde et al. (2008)和Liou et al. (2022b);巖漿鋯石數據來自Ma et al. (2020), Wang et al. (2015), Wan et al. (2013)以及本文研究結果.所選數據的年齡諧和度均 >95%Fig.9 Plot of zircon δ18O value vs. U-Pb age for Eoarchean magmatic and detrital zircons from the North China CratonThe detrital zircon data from Wilde et al. (2008) and Liou et al. (2022b) and the magmatic zircon data from Ma et al. (2020), Wang et al. (2015), Wan et al. (2013) and this study. All the data with age concordance >95% were selected

4.2 對冀東地區始太古代碎屑鋯石物源的啟示

冀東黃柏峪地區的石英巖中最早發現有大量始太古代碎屑鋯石(3.89～3.55Ga)(Liuetal., 1992; Liouetal., 2020; 吳福元等, 2005),而后在該地的副片麻巖以及喇叭山地區的石英巖中也發現了大量始太古代甚至是冥古宙碎屑鋯石(Liuetal., 2013; 初航等, 2016; 萬渝生等, 2021b),這些巖石共同構建了曹莊巖組中的變沉積巖系。目前已發表的資料均顯示冀東地區的始太古代碎屑鋯石多具有自形-半自形晶形,暗示其為近源沉積的產物,然而究竟是哪些基底巖石產出了這些始太古代碎屑鋯石受到了國內外同行的廣泛關注。尋找確定的源區對判斷華北克拉通始太古代基底規模具有重要意義,但是目前卻沒有形成統一的認識。目前已報道的距離冀東地區較近的3個可能的始太古代巖石出露區分別為鞍山、信陽和冀東地區。本文對這3個地區的鋯石U-Pb年齡和Hf-O同位素數據進行了梳理,篩選出諧和度大于95%的鋯石顆粒并利用其表觀207Pb/206Pb年齡重新計算單個分析點εHf(t)值以更好地與碎屑鋯石進行對比。冀東地區曹莊巖組中的始太古代碎屑鋯石多具有與球粒隕石一致的εHf(t)值(圖8),與本文報道的冀東花崗閃長質片麻巖中鋯石Hf同位素組成類似,但是其具有明顯高于地幔鋯石的δ18O值(6.54±0.52‰, 圖9),與該地區的始太古代片麻巖不一致(5.81±0.13‰,本文),因此冀東目前發現的始太古代花崗閃長質片麻巖可能不是曹莊巖組碎屑鋯石的源區,這不同于萬渝生等(2021a)提出的冀東38億年古老陸殼基底既是曹莊巖系的物源區又是沉積區的認識。冀東地區的始太古代花崗閃長質片麻巖與曹莊表殼巖系應為構造接觸,而非原始的基底-蓋層沉積接觸關系。信陽地區始太古代麻粒巖具有變化較大的δ18O值以及明顯負的εHf(t)值(-9.0～-0.5)(Maetal., 2020),這些特征也與冀東始太古代碎屑鋯石不一致,不可能作為曹莊巖組古老碎屑鋯石的來源。鞍山地區是目前華北克拉通內始太古代巖石出露最廣泛的地區,已在至少5個露頭上發現有始太古代巖石,包括深溝寺、白家墳、東山、鍋底山和胡家廟剖面(Liuetal., 1992, 2008; Songetal., 1996; Wanetal., 2013, 2015, 2023; Wangetal., 2015; Wuetal., 2008)。除鍋底山地區始太古代鋯石具有明顯高正的εHf(t)值外(Wangetal., 2015),其他4個地區巖漿鋯石的εHf(t)值多在0附近,與曹莊巖組中的碎屑鋯石Hf同位素特征一致。另外鞍山地區始太古代鋯石O同位素組成也基本能覆蓋曹莊巖組碎屑鋯石變化范圍,從這個意義上講,鞍山地區的始太古代巖石更可能是曹莊巖組的源巖,指示冀東地區和鞍山地區在始太古代時可能是統一的整體。

圖10 全球主要克拉通始太古代巖石中巖漿鋯石εHf(t)值與年齡關系圖圖中每點代表每次分析數據,粗橫線代表同一克拉通內數據的加權平均值,短柱為該值的誤差范圍;水平灰色條帶表示球粒隕石均一儲庫εHf(t)參考值±0.5和±1單位范圍. 數據來自Petersson et al. (2019), Wang et al. (2023), Reimink et al. (2016), Hiess et al. (2009), Ge et al. (2020), Zeh et al. (2011), Oliveira et al. (2020)以及本次研究結果. 所選數據的年齡諧和度均>95%Fig.10 Plot of zircon εHf(t) value vs. U-Pb age for Eoarchean magmatic zircons from the main cratons of the worldEach point shows individual analyses, the thick horizontal lines show the mean values, and the short columns show the analytical uncertainties; Horizontal grey bars show chondritic reference values with ±0.5 and ±1 εHf(t) unit ranges, respectively. The magmatic zircon data are from Petersson et al. (2019), Wang et al. (2023), Reimink et al. (2016), Hiess et al. (2009), Ge et al. (2020), Zeh et al. (2011), Oliveira et al. (2020) and this study. All the data with age concordance >95% were selected

4.3 華北克拉通始太古代基底屬性與全球對比

如前文所述,確定克拉通內部最古老巖石的形成時代和性質是揭示該克拉通演化歷史的邏輯起點。華北克拉通內在信陽、鞍山和冀東三個地區報道有～38億年巖石,是目前華北克拉通最古老的巖石記錄。但是這三處的始太古代巖石卻有著截然不同的性質。信陽地區的始太古代巖石主要以麻粒巖包體形式產出在侏羅紀火山巖中,具有明顯負的鋯石εHf(t)值以及變化較大的δ18O值,指示其源巖經受過表殼水巖相互作用的影響,是古老巖石重熔再造的產物,可以作為進一步尋找更古老巖石的潛在靶區,但信陽地區始太古代巖石的潛在規模和范圍無法準確評估。另外,華北克拉通南緣在三疊紀時經歷了與揚子克拉通北緣的碰撞造山作用,揚子克拉通北緣部分陸殼俯沖至華北克拉通南緣之下(Wangetal., 2013; 路鳳香等, 2003),因此,信陽地區侏羅紀火山巖中的麻粒巖包體代表的是華北克拉通古老下地殼還是俯沖的揚子克拉通地殼還尚無定論。值得注意的是,在揚子克拉通北緣的紅安地區最近發現了38億年始太古代片麻巖(Wangetal., 2023),其形成時代以及鋯石Hf同位素組成均與信陽地區的38億年下地殼包體一致,暗示信陽侏羅紀火山巖中的38億年的麻粒巖包體更可能是俯沖的揚子克拉通古老陸殼,而非華北克拉通本身古老基底。鞍山地區的所有始太古代巖石露頭中鍋底山地區的38億年奧長花崗巖格外引人注意。Wangetal.(2015)通過微區鋯石Lu-Hf同位素分析揭示該奧長花崗巖具有高于始太古代早期虧損地幔的εHf(t)值(高達6.8),暗示超虧損地幔的存在。此外這些始太古代鋯石顯示出高于正常地幔鋯石的δ18O值,指示其源巖也經歷了表殼水巖相互作用。綜合Hf-O同位素信息表明鍋底山地區38億年奧長花崗巖是超虧損地幔來源物質在經歷低溫水巖相互作用后快速重熔再造的產物。需要特別指出的是這項研究是目前全球唯一一例通過花崗巖類鋯石微區Hf同位素分析揭示始太古代時存在超虧損地幔的研究實例,其可靠性值得深入研究加以確認,因為在進行古老鋯石εHf(t)值計算時可能會出現U-Pb年齡與Hf同位素的錯配問題(Sietal., 2023)。古老巖石中鋯石通常會存在多期生長,而當微區Lu-Hf同位素分析所剝蝕的范圍涵蓋多個未知年齡區域而僅使用最古老年齡計算εHf(t)值時就會出現異常高的εHf(t)值,這在Jack Hills鋯石的研究中已經得到證實(Harrisonetal., 2005)。另外之前的研究也多忽視了在微區分析過程中對176Lu/177Hf比值準確度的監控。當年齡較為年輕時(如小于1.0Ga),176Lu/177Hf比值測量的偏差不會對εHf(t)值的準確計算產生較大影響,然而當年齡>3.5Ga時,176Lu/177Hf比值測量不確定度對εHf(t)值計算的影響將不可忽視?？傊?當古老鋯石中出現異常高的εHf(t)值時應當特別注意。鞍山地區內白家墳、東山、深溝寺和胡家廟四處的38億年巖石中鋯石的εHf(t)值多在-2～+2之間,在分析誤差范圍內與球粒隕石Hf同位素組成一致,指示這些38億年地殼可能源自一個未發生明顯分異的地幔源區。這些特征也與本文揭示的冀東地區38億年巖石的鋯石Hf同位素特征一致。此外,冀東地區38億年鋯石的δ18O值也在誤差范圍內與正常地幔鋯石一致,表明其源區未明顯受到地表水巖相互作用的影響,共同指示了一個相對原始的地幔源區。

與全球始太古代巖石記錄對比發現,華北克拉通主體與North Atlantic克拉通、Pilbara克拉通、塔里木克拉通等主要克拉通類似(圖10)(Mulderetal., 2021),其內部目前發現最古老的巖石都具有與球粒隕石一致的鋯石Hf同位素組成,指示大部分始太古代地殼源自一個未發生明顯分異的相對原始地幔源區。而以Slave克拉通、S?o Francisco克拉通、Kaapvaal克拉通和揚子克拉通等為代表的克拉通其內部目前發現最古老巖石都具有顯著負的εHf(t)值,暗示其可能還有未發現的更古老巖石,值得進一步挖掘。需要說明的是這些同位素特征并不意味著38億年前不存在虧損地幔(Fisher and Vervoort, 2018)。一方面,高正εHf(t)值古老巖石的缺失可能是保存性偏差,虧損地幔來源的物質可能更難形成富集鋯石的酸性巖而被保存下來。另一方面,依據地球和月球形成的巖漿洋模型,虧損地幔的形成是地球形成早期(>4.4Ga)巖漿洋結晶分異的必然結果,不需要大規模陸殼的抽提。缺乏陸殼的月球上產出有Sr-Nd同位素顯示高度虧損特征的玄武巖即是這一模型的有力證據(Tianetal., 2021)。

5 結論

(1)冀東喇叭山地區的花崗閃長質片麻巖中巖漿鋯石給出的SIMS U-Pb年齡為3776±11Ma,與前人所報道的年齡結果在誤差范圍內一致,共同指示了華北克拉通冀東地區存在始太古代結晶基底,這為研究地球早期演化過程提供了新的重要對象。

(2)花崗閃長質片麻巖中的鋯石具有在分析誤差范圍內與地幔鋯石一致的O同位素組成(δ18O=5.81±0.13‰)以及與球粒隕石均一巖漿庫類似的Hf同位素組成(εHf(t)=0.09±0.31)。這些Hf-O同位素特征顯著不同于冀東地區曹莊巖組中大量產出的始太古代碎屑鋯石,說明其不可能作為曹莊巖組變沉積巖的物源區。鞍山地區始太古代巖石中的巖漿鋯石與冀東曹莊巖組中的始太古代碎屑鋯石在Hf-O同位素特征上最為類似,因此冀東始太古代碎屑鋯石可能源自鞍山雜巖,暗示冀東地區和鞍山地區在始太古代時可能是統一的整體。

(3)華北克拉通主體與North Atlantic克拉通、Pilbara克拉通和塔里木克拉通等主要克拉通類似,其內部目前發現最古老的巖石都具有與球粒隕石均一巖漿庫一致的鋯石Hf同位素組成,指示大部分始太古代陸殼可能源自一個未發生明顯分異的相對原始地幔源區。

致謝感謝王孝磊教授和王強研究員組織的評審工作。長安大學地球科學與資源學院陳璟元副教授以及兩名匿名專家在成文過程中提供了諸多寶貴意見;編輯部俞良軍老師對本文文字進行了仔細校對;中國科學院地質與地球物理研究所SIMS和LA-MC-ICPMS實驗室工程師在樣品測試過程中給予了很大的幫助;特此一并表示感謝。