华北克拉通始太古代演化
——来自冀东38亿年片麻岩锆石Hf-O同位素的记录*

吕畅 王浩 杨进辉 冉静 周宝全 吴亚东

地球是太阳系中唯一发育大规模陆壳的星球,也是地球区别于其他行星的最主要地质学标志,揭示陆壳的成因对了解地球演化的特殊性及宜居性具有重要意义(Rudnick and Gao, 2003; Cawoodetal., 2022; Zhuetal., 2023)。陆壳成因研究中一个非常重要的科学问题是揭示最早期陆壳的物质组成和性质,这是阐述地球壳幔分异和构造演化的逻辑起点(万渝生等, 2023),然而地球早期陆壳的成因研究非常薄弱,直接原因是古老陆壳岩石的出露非常有限(Wanetal., 2019)。目前已知的最古老陆壳物质记录是来自西澳大利亚Jack Hills的冥古宙碎屑锆石,其U-Pb年龄大于4.35Ga(Wildeetal., 2001; Valleyetal., 2014),最古老的岩石记录则出现在冥古宙末期到始太古代初期(Bowring and Williams, 1999; Reiminketal., 2016),全球范围内发现的这一时期的岩石记录仅十余处,且多以构造透镜体或部分熔融残留体形式产出,出露面积总和不超过1000km2(万渝生等, 2023),因此任何一个新的始太古代岩石记录的发现无疑都是对地球早期陆壳演化研究的重大贡献。

华北克拉通是全球少数几个发育始太古代岩石记录的古老克拉通之一,研究历史悠久(Liuetal., 1992; Zhengetal., 2004; Wuetal., 2008; Wanetal., 2012)。早在20世纪90年代初,在东北鞍山的白家坟地区就发现了38亿年花岗质糜棱岩,引起了国际前寒武纪地质学界的广泛关注(Liuetal., 1992)。随后又在华北克拉通南缘的信阳地区报道有>36亿年的下地壳包体(Zhengetal., 2004),进一步详细的离子探针(SIMS)分析揭示这些下地壳包体的形成时代可能为38亿年(Maetal., 2020),暗示华北克拉通南北两侧早期演化的年代学记录可以对比。但是值得注意的是,华北克拉通南北两侧的始太古代岩石记录了截然不同的锆石Hf-O同位素组成。鞍山杂岩中始太古代奥长花岗质片麻岩具有高于正常地幔锆石的O同位素组成以及异常高的εHf(t)值,这被解释为该地区在始太古代时可能具有超亏损的地幔源区(Wuetal., 2008; Wangetal., 2015)。而信阳的始太古代下地壳包体具有与地幔锆石一致的O同位素组成以及负的εHf(t)值,暗示存在更古老的地壳物质或异常富集的地幔源区(Zhengetal., 2004; Maetal., 2020)。与华北克拉通不同,全球其他地区的始太古代记录多显示与球粒陨石均一岩浆库类似的Hf同位素组成以及与地幔锆石一致的O同位素组成,这一特征被解释为在始太古代之前缺乏大规模壳幔分异作用(Fisher and Vervoort, 2018; Mulderetal., 2021)。是何种原因造成了华北克拉通与全球其他主要克拉通的差异值得关注。华北克拉通两处始太古代岩石记录是仅代表小区域范围内的地壳成分特殊性,还是反映了华北克拉通内部的整体情况也需要深入研究,但华北克拉通内部始太古代岩石记录的缺失却使这样的研究无的放矢。近期,万渝生等(2021a)在冀东地区报道了一处新的始太古代岩石记录,为理解上述问题提供了极为重要的对象,不过目前还缺乏对该岩石的详细锆石Hf-O同位素结果报道,妨碍了对华北克拉通始太古代地壳属性的讨论。基于此,本文对冀东约38亿年片麻岩开展了详细的锆石U-Pb年代学和Hf-O同位素分析,并结合已发表的鞍山杂岩和信阳下地壳包体的锆石Hf-O同位素数据以及区域内的始太古代碎屑锆石结果,探讨华北克拉通的早期演化历史及其与全球其他克拉通的差异性。

图1 冀东卢龙-迁安地区地质简图(据初航等, 2016修改)Fig.1 Simplified geological map of the Lulong-Qian’an area, eastern Hebei Province (modified after Chu et al., 2016)

1 地质背景与样品岩石学特征

华北克拉通是中国三大克拉通之一,也是中国最早发现始太古代岩石记录的克拉通,在国际早前寒武纪地质演化研究方面发挥着重要作用(Liuetal., 1992; Zhengetal., 2004; Maetal., 2020)。已有的结果表明,华北克拉通初始陆核形成在38亿年前,之后分别在34.5亿年、33亿年、31亿年、30亿年、29亿年和27～25亿年等时期经历了几次较为强烈的陆壳增生和改造事件(Dongetal., 2017; Wanetal., 2012; Wangetal., 2015, 2019, 2020; Liouetal., 2019, 2022a; 第五春荣, 2021),其中太古宙最晚期的这次造陆事件形成了遍布整个克拉通的英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)岩石组合,构建了现今华北克拉通基底的最主要组成部分(Liouetal., 2022a; 第五春荣, 2021)。尽管目前对于华北克拉通内部构造单元的划分方案还没有形成统一的认识(Zhaoetal., 2005; Zhaietal., 2005; Diwuetal., 2016),但多数学者认为华北克拉通在古元古代经历了多块体拼合后开始具备了克拉通属性,并接受了自中元古代到古生代长期稳定的沉积作用。在中生代时期,华北克拉通经历了强烈的去克拉通化,表现为华北东部陆块发育大面积的花岗质岩浆活动以及广泛的拉分盆地,可能与古太平洋板块的向西俯冲作用有关(Wuetal., 2019; Yangetal., 2008, 2021)。

华北克拉通报道的始太古代岩石记录主要分布在鞍山、信阳和冀东三个地区,其中冀东地区的始太古代岩石记录是最晚发现的,由万渝生等(2021a)率先报道。冀东地区是华北克拉通早前寒武纪岩石的重要出露区,发育有华北克拉通内典型的变质基底岩石组合,主要有铬云母石英岩、长石石英岩、石榴云母片岩、黑云斜长片麻岩、基性麻粒岩、斜长角闪岩、大理岩、变质超基性岩团块和大量产出的花岗质片麻岩等,变质等级可达高角闪岩相到麻粒岩相(Huangetal., 1986; Jahnetal., 1987; Liuetal., 1992; Cuietal., 2018; Liouetal., 2020; 吴福元等, 2005)。前人将区内的太古宙岩石划分为古太古代曹庄岩组、新太古代迁西岩群和滦县岩群等三个主要的岩石地层单元(图1)。这三个岩石单元之间多以构造断层形式接触,并且都被新太古代晚期的钾质花岗岩和辉绿岩脉侵入。

图2 冀东卢龙喇叭山地区38亿年花岗闪长质片麻岩野外产状照片(a)及相关岩石接触关系素描图(b)Fig.2 Photograph (a) and sketch map (b) of the 3.8Ga granodioritic gneiss from the Labashan area, Lulong City, eastern Hebei Province

图3 冀东卢龙喇叭山地区38亿年花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)显微照片(a)单偏光;(b)正交偏光. Qz-石英;Bt-黑云母;Kfs-钾长石;Pl-斜长石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

曹庄岩组主要出露于迁安黄柏峪地区,由石英岩、斜长角闪岩和副片麻岩等三大类岩石组成。针对斜长角闪岩的年代学研究给出了36～35亿年的Sm-Nd等时线年龄,该年龄被解释为斜长角闪岩原岩的形成时代(Huangetal., 1986; Jahnetal., 1987; Cuietal., 2018)。石英岩中产出有大量始太古代碎屑锆石,给出的沉积时代下限年龄约为35.5亿年。由于缺乏变质锆石记录,这些石英岩的沉积上限年龄缺乏有效约束(Liuetal., 1992; Liouetal., 2020; 吴福元等, 2005)。曹庄岩组副片麻岩中含有新生变质锆石,其形成时代为25亿年,而碎屑锆石给出的谐和年龄多在34～38亿年之间,因此约束副片麻岩的沉积时代为34～25亿年(Liuetal., 2013)。初航等(2016)在卢龙的喇叭山地区也发现了含大量始太古代碎屑锆石的铬云母石英岩,认为其可以与迁安黄柏峪地区的石英岩对比,应归属于曹庄岩组。万渝生等(2021a, b)在与喇叭山铬云母石英岩伴生的长石石英岩中发现了冥古宙碎屑锆石以及约38亿年的花岗闪长质片麻岩,引起了国内外学术界的广泛关注。这些约38亿年的花岗闪长质片麻岩出露非常有限(<1.5m2),与铬云母石英岩和云母片岩等一起分布在25亿年正长花岗岩周围,后者呈透镜状产出,但变形变质程度较低(图2)。花岗闪长质片麻岩与铬云母石英岩和云母片岩的原始接触关系被后期构造运动所破坏,很难判断其最初接触形态。本文选择一块分布在云母片岩带西侧的花岗闪长质片麻岩(21BQ05, 39°46′36.58″N、118°51′29.28″E)开展研究。样品外观呈灰色,风化面上偏土黄色,整体呈现出片麻状构造,内部为不等粒变晶结构。岩石主要由斜长石(45%)、石英(35%)、钾长石(12%)、黑云母(5%)和绢云母(2%)等组成,副矿物(1%)有锆石、金红石和磷灰石等(图3)。斜长石呈半自形板状,粒度在0.2～0.5mm之间,无色透明,部分遭受蚀变,可见聚片双晶结构。钾长石呈半自形宽板状,粒度在0.3～0.5mm之间,干涉色较石英偏暗且表面比较浑浊。石英呈粒状,粒度为0.1～0.4mm,无色透明,多呈集合体形式出现。黑云母为片状,呈淡黄色-棕色,平均长度为0.2mm,多呈断续定向分布。绢云母为鳞片状,微粒级,无色透明,多呈集合体分布在长石解理缝中。

2 分析方法

锆石的分选工作在廊坊市峰泽源岩矿检测技术有限公司完成,其余的所有分析工作都在中国科学院地质与地球物理研究所完成。将5kg样品粉碎后进行重力分选和磁选,之后在双目镜下经过人工挑纯得到锆石单矿物。从分选得到的单矿物中随机选择其中约200颗锆石与锆石标样Qinghu、Plesovice和Penglai等一起制成一英寸树脂靶。树脂靶经过打磨剖光后暴露出锆石中心部位,随后在透射光和反射光条件下对锆石颗粒进行显微照相以揭示锆石内部包裹体、表面平整度和裂隙等的发育情况。完成透反射光照相的样品靶需要在扫描电子显微镜下完成阴极发光(CL)显微图像拍摄以揭示锆石内部结构。获取CL图像所使用仪器为Nova NanoSEM 450扫描电子显微镜,配备有Gatan公司阴极发光光谱仪(型号MonoCL4)。

在透反射光和CL图像的指导下,首先对锆石开展了氧同位素分析,使用的仪器是型号为CAMECA IMS-1280的二次离子质谱仪(SIMS)。Cs+一次离子束在10keV加速电压下轰击样品表面,一次离子束轰击的束斑大小为20×20μm,产生的二次氧离子被-10kV电压加速,最后用法拉第杯来接收氧离子。详细分析流程参见Tangetal.(2015)。测得的18O/16O比值以维也纳标准平均海水(V-SMOW)O同位素值进行标准化(18O/16O=0.0020052)。实验过程中引起的同位素分馏利用标准锆石Penglai进行校正,其δ18O推荐值为5.31±0.10‰(Lietal., 2010)。标准锆石Qinghu作为未知样与样品同时进行分析,21次测量的加权平均δ18O值为5.50±0.06‰。这与推荐值(5.4±0.2‰)在分析误差内一致(Lietal., 2013)。单次分析的不确定度按2s表示。

在完成氧同位素分析后对锆石靶进行重新剖光,然后进行U-Pb年代学分析,使用的仪器为CAMECA IMS-1280HR型二次离子质谱仪。分析点束斑大小为20×30μm,初始离子束强度约10nA。分析过程中使用标准锆石Plešovice (206Pb/238U年龄为337.13±0.37Ma,Slámaetal., 2008)对未知样品进行U和Pb的分馏校正。通过实测的204Pb信号并结合现代大陆地壳平均Pb同位素组成对测试数据进行普通铅校正,详细分析流程可参考Lietal.(2009)。为检测测试结果的准确性,把标准锆石Qinghu作为未知样品进行了同步分析,获得的加权平均206Pb/238U年龄为159.0±2.2Ma(2s,n=5, MSWD=1.4),与前人报道的推荐值(159.45±0.16Ma)在误差范围内一致(Lietal., 2009)。单个分析的不确定度以1s表示,加权平均年龄以2s表示。

最后对已定年锆石颗粒开展微区Lu-Hf同位素分析,所采用的仪器为Analyte G2型193nm激光剥蚀系统和Thermo Finnigan Neptune型MC-ICPMS。分析过程中激光频率为6Hz,能量密度为5J/cm2,光束直径为50μm,详细分析流程见Wuetal.(2006)。所获得数据的同质异位素干扰校正和同位素内部归一化校正采用如下参数并假设元素Yb和Lu具有相同的质量分馏校正因子: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)。为监控Hf同位素比值测量的准确性,对锆石标样91500,SA01和MUNZirc进行了同步分析,其加权平均176Hf/177Hf值分别为0.282294±0.000016(n=14),0.282295±0.000015(n=7)和0.282145±0.000008(n=29),这些分析结果在误差范围内与前人报道的推荐值一致(Wuetal., 2006; Fisheretal., 2011; Huangetal., 2020)。由于研究对象的形成时代较老,准确获得176Lu/177Hf比值对计算初始Hf同位素比值尤为重要,然而目前国际通用的锆石标样还缺乏系统的176Lu/177Hf比值均一性检验以及准确定值工作。所分析的3件锆石标样中,91500的176Lu/177Hf比值相对均一,14次测量的统计平均值为0.000323±0.000022,与前人基于同位素稀释法获得结果在误差范围内一致(0.000314±0.000026, Fisheretal., 2014)。为进一步检验176Lu/177Hf测量的准确性,本次测试过程对NIST610标准玻璃进行了同步测量,所获得的176Lu/177Hf比值为0.1429±0.0002(n=10),与基于微量元素含量计算的176Lu/177Hf比值在误差范围内一致(0.1433±0.0047, Jochumetal., 2011)。以上这些分析结果均表明本次测量的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值准确可靠。在计算εHf(t)值和两阶段Hf模式年龄时用到的参数如下: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(Kröneretal., 2014),λ176Lu=1.867×10-11/yr(Söderlundetal., 2004)。下标CHUR、DM、CC分别指球粒陨石均一岩浆储库,亏损地幔和大陆地壳。需要指出的是,前人报道的现今大陆地壳的176Lu/177Hf比值有一定变化范围(0.006～0.015)(Rudnick and Gao, 2003; Chauveletal., 2014及其所引文献)。Kröneretal.(2014)提出用176Lu/177Hf=0.01代表太古宙大陆地壳平均值时可以让Hf和Nd同位素更加耦合,因此本文选择这一推荐值来计算两阶段Hf模式年龄。

3 分析结果

样品21BQ05中的锆石呈透明、淡黄色、自形-半自形棱柱状晶形,粒径在100～250μm之间,长宽比为1:1～3:1。CL图像显示所研究的锆石普遍具有振荡环带,部分锆石发育阴极发光非常弱的变质边,宽度通常小于10μm(图4)。本项研究过程中选择了25粒干净透明、内部无包裹体且表面无裂隙的锆石开展了详细的U-Pb年龄和Hf-O同位素分析。

图4 冀东卢龙喇叭山地区始太古代花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)中代表性锆石阴极发光(CL)图像小圆圈代表O同位素分析的分析点位,椭圆代表U-Pb年龄分析点位;大圆圈代表Lu-Hf同位素分析点位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

图5 冀东卢龙喇叭山地区花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)中锆石SIMS U-Pb年龄谐和图Fig.5 Concordia diagram of SIMS zircon U-Pb ages for granodioritic gneiss (Sample 21BQ05) from the Labashan area, Lulong City, eastern Hebei Province

图6 冀东卢龙喇叭山地区花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)中锆石δ18O值分布直方图正常地幔锆石δ18O值(5.3±0.6‰)来自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)

分析结果显示这些锆石U含量为175×10-6～878×10-6,Th含量为98.0×10-6～553×10-6,Th/U比值为0.36～0.81,207Pb/206Pb年龄范围在3467.2～3792.7Ma之间(表1)。在谐和图上,数据点大都位于谐和曲线下且沿不一致线分布,说明这些锆石颗粒有着同一结晶年龄,但经历了不同程度Pb丢失(图5)。不一致线的上交点年龄为3775±17Ma,下交点年龄为892±140Ma。207Pb/206Pb年龄最老的7个分析点给出的加权平均年龄为3776±11Ma(MSWD=3.1),与不一致线的上交点年龄在误差范围内一致。

25粒锆石的δ18O范围在4.97‰～6.32‰ (表2),除1个分析点偏低外,其余24个分析点给出的加权平均值为5.81±0.13‰(图6),落在地幔锆石氧同位素范围的上限(5.3±0.6‰, 2s)(Valleyetal., 1998)。这些锆石的O同位素变化范围较小,且与U和Th含量不存在相关性,谐和锆石(年龄谐和度大于95%)的O同位素组成与不谐和锆石不存在显著差异,表明O同位素未受到蜕晶化作用等的明显改造(Wangetal., 2016),可以代表原始岩浆信息。LA-MC-ICPMS锆石Lu-Hf同位素分析给出的176Lu/177Hf比值为0.000593～0.001569,176Hf/177Hf比值为0.280358～0.280489。设定锆石形成年龄t=3776Ma,由此计算得出的εHf(t)值为-1.2～+1.6,加权平均值为0.09±0.31(MSWD=0.65)(图7)。锆石单阶段Hf模式年龄tDM1为3837～3937Ma,锆石两阶段Hf模式年龄tDM2的加权平均值为3925±15Ma(MSWD=0.66)。

表1 冀东始太古代花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)中锆石 SIMS U-Pb 测年结果

表2 冀东始太古代花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)中锆石Hf-O同位素分析结果

图7 冀东卢龙喇叭山地区花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)中锆石εHf(t)值分布直方图灰色条带表示球粒陨石均一储库εHf(t)参考值±0.5和±1单位范围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 讨论

4.1 形成时代

花岗闪长质片麻岩(样品21BQ05)中的锆石具自形-半自形棱柱状晶形,在CL图像中显示出明显的振荡环带,并且具有比较高的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。这些特征共同指示所研究的锆石为岩浆锆石(Wu and Zheng, 2004)。所分析的25粒锆石中,7粒锆石给出了最为古老且在误差范围内一致的207Pb/206Pb年龄,其加权平均值为3776±11Ma,与所有分析点构筑的不一致线上交点年龄(3775±17Ma)一致,也与万渝生等(2021a)报道的年龄(3773±6Ma和3786±4Ma)在误差范围内一致,这些年龄应解释为花岗闪长质片麻岩原岩的形成年龄,共同指示了华北克拉通冀东地区存在始太古代结晶基底,这为研究地球始太古代演化过程提供了新的重要对象。

图8 华北克拉通曹庄始太古代碎屑锆石和始太古代岩石中岩浆锆石εHf(t)值与年龄关系图碎屑锆石数据来自Liu et al. (2013), Liou et al. (2020, 2022b) 和吴福元等(2005);岩浆锆石数据来自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), 万渝生等(2007)以及本文研究结果. 所选数据的年龄谐和度均>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

图9 华北克拉通曹庄始太古代碎屑锆石和始太古代岩石中岩浆锆石δ18O值与年龄关系图碎屑锆石数据来自Wilde et al. (2008)和Liou et al. (2022b);岩浆锆石数据来自Ma et al. (2020), Wang et al. (2015), Wan et al. (2013)以及本文研究结果.所选数据的年龄谐和度均 >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 对冀东地区始太古代碎屑锆石物源的启示

冀东黄柏峪地区的石英岩中最早发现有大量始太古代碎屑锆石(3.89～3.55Ga)(Liuetal., 1992; Liouetal., 2020; 吴福元等, 2005),而后在该地的副片麻岩以及喇叭山地区的石英岩中也发现了大量始太古代甚至是冥古宙碎屑锆石(Liuetal., 2013; 初航等, 2016; 万渝生等, 2021b),这些岩石共同构建了曹庄岩组中的变沉积岩系。目前已发表的资料均显示冀东地区的始太古代碎屑锆石多具有自形-半自形晶形,暗示其为近源沉积的产物,然而究竟是哪些基底岩石产出了这些始太古代碎屑锆石受到了国内外同行的广泛关注。寻找确定的源区对判断华北克拉通始太古代基底规模具有重要意义,但是目前却没有形成统一的认识。目前已报道的距离冀东地区较近的3个可能的始太古代岩石出露区分别为鞍山、信阳和冀东地区。本文对这3个地区的锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素数据进行了梳理,筛选出谐和度大于95%的锆石颗粒并利用其表观207Pb/206Pb年龄重新计算单个分析点εHf(t)值以更好地与碎屑锆石进行对比。冀东地区曹庄岩组中的始太古代碎屑锆石多具有与球粒陨石一致的εHf(t)值(图8),与本文报道的冀东花岗闪长质片麻岩中锆石Hf同位素组成类似,但是其具有明显高于地幔锆石的δ18O值(6.54±0.52‰, 图9),与该地区的始太古代片麻岩不一致(5.81±0.13‰,本文),因此冀东目前发现的始太古代花岗闪长质片麻岩可能不是曹庄岩组碎屑锆石的源区,这不同于万渝生等(2021a)提出的冀东38亿年古老陆壳基底既是曹庄岩系的物源区又是沉积区的认识。冀东地区的始太古代花岗闪长质片麻岩与曹庄表壳岩系应为构造接触,而非原始的基底-盖层沉积接触关系。信阳地区始太古代麻粒岩具有变化较大的δ18O值以及明显负的εHf(t)值(-9.0～-0.5)(Maetal., 2020),这些特征也与冀东始太古代碎屑锆石不一致,不可能作为曹庄岩组古老碎屑锆石的来源。鞍山地区是目前华北克拉通内始太古代岩石出露最广泛的地区,已在至少5个露头上发现有始太古代岩石,包括深沟寺、白家坟、东山、锅底山和胡家庙剖面(Liuetal., 1992, 2008; Songetal., 1996; Wanetal., 2013, 2015, 2023; Wangetal., 2015; Wuetal., 2008)。除锅底山地区始太古代锆石具有明显高正的εHf(t)值外(Wangetal., 2015),其他4个地区岩浆锆石的εHf(t)值多在0附近,与曹庄岩组中的碎屑锆石Hf同位素特征一致。另外鞍山地区始太古代锆石O同位素组成也基本能覆盖曹庄岩组碎屑锆石变化范围,从这个意义上讲,鞍山地区的始太古代岩石更可能是曹庄岩组的源岩,指示冀东地区和鞍山地区在始太古代时可能是统一的整体。

图10 全球主要克拉通始太古代岩石中岩浆锆石εHf(t)值与年龄关系图图中每点代表每次分析数据,粗横线代表同一克拉通内数据的加权平均值,短柱为该值的误差范围;水平灰色条带表示球粒陨石均一储库εHf(t)参考值±0.5和±1单位范围. 数据来自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)以及本次研究结果. 所选数据的年龄谐和度均>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 华北克拉通始太古代基底属性与全球对比

如前文所述,确定克拉通内部最古老岩石的形成时代和性质是揭示该克拉通演化历史的逻辑起点。华北克拉通内在信阳、鞍山和冀东三个地区报道有～38亿年岩石,是目前华北克拉通最古老的岩石记录。但是这三处的始太古代岩石却有着截然不同的性质。信阳地区的始太古代岩石主要以麻粒岩包体形式产出在侏罗纪火山岩中,具有明显负的锆石εHf(t)值以及变化较大的δ18O值,指示其源岩经受过表壳水岩相互作用的影响,是古老岩石重熔再造的产物,可以作为进一步寻找更古老岩石的潜在靶区,但信阳地区始太古代岩石的潜在规模和范围无法准确评估。另外,华北克拉通南缘在三叠纪时经历了与扬子克拉通北缘的碰撞造山作用,扬子克拉通北缘部分陆壳俯冲至华北克拉通南缘之下(Wangetal., 2013; 路凤香等, 2003),因此,信阳地区侏罗纪火山岩中的麻粒岩包体代表的是华北克拉通古老下地壳还是俯冲的扬子克拉通地壳还尚无定论。值得注意的是,在扬子克拉通北缘的红安地区最近发现了38亿年始太古代片麻岩(Wangetal., 2023),其形成时代以及锆石Hf同位素组成均与信阳地区的38亿年下地壳包体一致,暗示信阳侏罗纪火山岩中的38亿年的麻粒岩包体更可能是俯冲的扬子克拉通古老陆壳,而非华北克拉通本身古老基底。鞍山地区的所有始太古代岩石露头中锅底山地区的38亿年奥长花岗岩格外引人注意。Wangetal.(2015)通过微区锆石Lu-Hf同位素分析揭示该奥长花岗岩具有高于始太古代早期亏损地幔的εHf(t)值(高达6.8),暗示超亏损地幔的存在。此外这些始太古代锆石显示出高于正常地幔锆石的δ18O值,指示其源岩也经历了表壳水岩相互作用。综合Hf-O同位素信息表明锅底山地区38亿年奥长花岗岩是超亏损地幔来源物质在经历低温水岩相互作用后快速重熔再造的产物。需要特别指出的是这项研究是目前全球唯一一例通过花岗岩类锆石微区Hf同位素分析揭示始太古代时存在超亏损地幔的研究实例,其可靠性值得深入研究加以确认,因为在进行古老锆石εHf(t)值计算时可能会出现U-Pb年龄与Hf同位素的错配问题(Sietal., 2023)。古老岩石中锆石通常会存在多期生长,而当微区Lu-Hf同位素分析所剥蚀的范围涵盖多个未知年龄区域而仅使用最古老年龄计算εHf(t)值时就会出现异常高的εHf(t)值,这在Jack Hills锆石的研究中已经得到证实(Harrisonetal., 2005)。另外之前的研究也多忽视了在微区分析过程中对176Lu/177Hf比值准确度的监控。当年龄较为年轻时(如小于1.0Ga),176Lu/177Hf比值测量的偏差不会对εHf(t)值的准确计算产生较大影响,然而当年龄>3.5Ga时,176Lu/177Hf比值测量不确定度对εHf(t)值计算的影响将不可忽视。总之,当古老锆石中出现异常高的εHf(t)值时应当特别注意。鞍山地区内白家坟、东山、深沟寺和胡家庙四处的38亿年岩石中锆石的εHf(t)值多在-2～+2之间,在分析误差范围内与球粒陨石Hf同位素组成一致,指示这些38亿年地壳可能源自一个未发生明显分异的地幔源区。这些特征也与本文揭示的冀东地区38亿年岩石的锆石Hf同位素特征一致。此外,冀东地区38亿年锆石的δ18O值也在误差范围内与正常地幔锆石一致,表明其源区未明显受到地表水岩相互作用的影响,共同指示了一个相对原始的地幔源区。

与全球始太古代岩石记录对比发现,华北克拉通主体与North Atlantic克拉通、Pilbara克拉通、塔里木克拉通等主要克拉通类似(图10)(Mulderetal., 2021),其内部目前发现最古老的岩石都具有与球粒陨石一致的锆石Hf同位素组成,指示大部分始太古代地壳源自一个未发生明显分异的相对原始地幔源区。而以Slave克拉通、Säo Francisco克拉通、Kaapvaal克拉通和扬子克拉通等为代表的克拉通其内部目前发现最古老岩石都具有显著负的εHf(t)值,暗示其可能还有未发现的更古老岩石,值得进一步挖掘。需要说明的是这些同位素特征并不意味着38亿年前不存在亏损地幔(Fisher and Vervoort, 2018)。一方面,高正εHf(t)值古老岩石的缺失可能是保存性偏差,亏损地幔来源的物质可能更难形成富集锆石的酸性岩而被保存下来。另一方面,依据地球和月球形成的岩浆洋模型,亏损地幔的形成是地球形成早期(>4.4Ga)岩浆洋结晶分异的必然结果,不需要大规模陆壳的抽提。缺乏陆壳的月球上产出有Sr-Nd同位素显示高度亏损特征的玄武岩即是这一模型的有力证据(Tianetal., 2021)。

5 结论

(1)冀东喇叭山地区的花岗闪长质片麻岩中岩浆锆石给出的SIMS U-Pb年龄为3776±11Ma,与前人所报道的年龄结果在误差范围内一致,共同指示了华北克拉通冀东地区存在始太古代结晶基底,这为研究地球早期演化过程提供了新的重要对象。

(2)花岗闪长质片麻岩中的锆石具有在分析误差范围内与地幔锆石一致的O同位素组成(δ18O=5.81±0.13‰)以及与球粒陨石均一岩浆库类似的Hf同位素组成(εHf(t)=0.09±0.31)。这些Hf-O同位素特征显著不同于冀东地区曹庄岩组中大量产出的始太古代碎屑锆石,说明其不可能作为曹庄岩组变沉积岩的物源区。鞍山地区始太古代岩石中的岩浆锆石与冀东曹庄岩组中的始太古代碎屑锆石在Hf-O同位素特征上最为类似,因此冀东始太古代碎屑锆石可能源自鞍山杂岩,暗示冀东地区和鞍山地区在始太古代时可能是统一的整体。

(3)华北克拉通主体与North Atlantic克拉通、Pilbara克拉通和塔里木克拉通等主要克拉通类似,其内部目前发现最古老的岩石都具有与球粒陨石均一岩浆库一致的锆石Hf同位素组成,指示大部分始太古代陆壳可能源自一个未发生明显分异的相对原始地幔源区。

致谢感谢王孝磊教授和王强研究员组织的评审工作。长安大学地球科学与资源学院陈璟元副教授以及两名匿名专家在成文过程中提供了诸多宝贵意见;编辑部俞良军老师对本文文字进行了仔细校对;中国科学院地质与地球物理研究所SIMS和LA-MC-ICPMS实验室工程师在样品测试过程中给予了很大的帮助;特此一并表示感谢。