华北克拉通新元古代-寒武纪过渡期的沉积记录：火山组的年代地层学与物质来源

《Precambrian Research》：Sedimentary records of the Neoproterozoic-Cambrian transition on the North China Craton: Chronostratigraphy and provenance of the Huoshan Formation

华北克拉通霍山组沉积环境与碎屑锆石U-Pb年代学证据显示，该组作为前寒武-显生宙过渡期关键硅质碎屑岩系，属于长期稳定的陆表侵蚀毯沉积，而非早寒武世短暂海侵产物，其 provenance 来源于前寒武纪基底岩系及秦岭造山带远程输入，为研究克拉通内部构造演化提供新证据。

　　

邓世琦|何登发|黄汉宇|卢国|苟俊义|徐彦华|程长宇|邹松|刘池月

摘要

霍山组是一套关键的硅质碎屑岩地层，它横跨华北克拉通（NCC）的前寒武纪-显生宙过渡期，被广泛认为是东亚地区与“大不整合”相关的沉积作用的表现。然而，其年代地层学位置和沉积环境仍存在争议。本研究整合了鄂尔多斯盆地东部及跨华北造山带（TNCO）多个剖面的地层关系、沉积学观察结果以及碎屑锆石U-Pb地质年代数据，以约束该地层的构造-沉积演化过程。碎屑锆石年龄谱以约18亿年前的古元古代成分为主，其次为约21亿年和约25亿年的成分，还有少量超过27亿年的太古代成分，以及约8亿年前的新元古代成分。这些年龄分布表明该地层具有多循环、多源性的特征，主要来源于华北克拉通的太古代-古元古代基底，同时也有来自中元古代岩浆岩及与秦岭造山带相关的远距离新元古代来源的贡献。缺乏寒武纪至最早古生代碎屑锆石的存在表明，霍山组并非形成于寒武纪硅质碎屑沉积的主要时期。从地层学上看，霍山组不整合地覆盖在高级结晶基底之上，并被寒武纪浅海碳酸盐岩不整合地覆盖，记录了早古生代海侵之前的明显沉积间断。结合其独特的成分和结构成熟度特征，这些证据支持将霍山组解释为形成于构造稳定的大陆表面的长期侵蚀层，而非短暂的寒武纪海侵沉积物。霍山组的来源结构和地层演化对华北克拉通南部边缘的新元古代晚期源-汇系统提供了重要约束，并揭示了克拉通内部对长期大陆剥露、边缘重新激活以及随后寒武纪海侵的构造-沉积响应。

引言

“大不整合”是全球克拉通地区广泛存在的重要地层界面，其特征是显生宙富含化石的沉积层直接覆盖在前寒武纪基底岩石之上（Flowers等人，2020年；Li等人，2020a、2020b年）。这一界面记录了地层记录中的重大时间间断，表明由于侵蚀或未沉积作用，缺失了数亿年的地层。大不整合的形成与构造活动密切相关（He等人，2017年；Le Heron等人，2018年；Li等人，2020a、2020b年；Tang等人，2015年；Wan等人，2019年），其形成通常由多种耦合过程驱动，包括造山抬升引发的区域剥露、新元古代冰川作用塑造的夷平面，以及与超级大陆解体相关的海洋退缩（Flowers等人，2020年）。因此，形成于这一不整合面上的地层的岩性、空间分布和来源为研究前寒武纪-显生宙过渡期的深时地表环境、克拉通稳定性和地球系统演化提供了重要约束。

在华北克拉通（NCC）中，霍山组是形成于大不整合面上的重要硅质碎屑岩单元（图1a）。"霍山砂岩"这一名称最初由Yamane于1924年提出，并由Yamane（1925年）正式描述，该以砂岩为主的单元分布广泛，富含石英，不整合地覆盖在太古代-古元古代变质基底（石英片麻岩和混合岩）之上，上方为寒武纪海洋地层（图1b）。尽管其地层位置明确，但其沉积年龄和沉积来源仍存在争议，这主要是由于暴露程度有限、不整合关系复杂，以及难以在整个NCC范围内对比无化石的富石英砂岩所致。

早期研究者（Yamane，1931年；Li，1939年；Wang，1955年；Wang，1956年；Zhao，1956年；Ma和Wei，1956年；Ma等人，1957年；Gong，1978年）根据以下理由将霍山组归入震旦纪（埃迪卡拉纪）：（i）其与太古代-古元古代基底的角度不整合关系；（ii）其下方覆盖的寒武纪地层为侵蚀面；（iii）其中发现的微化石与北京地区的泾峪组相似。相反，另一学派（Teilhard de Chardin，1937年；Zhang，1959年；Shen，1959年；Liang，1960年；Wu和Xu，1982年）将霍山组解释为寒武纪地层，认为它是华北克拉通海侵过程中的基底硅质碎屑沉积物。

随后，Wu等人（1985年）提出霍山组是异时的，代表了一个记录了渐进式寒武纪海侵过程的基底砂层，而非时间上平行的地层层位。Mei（1993年）认为霍山组是最古老的寒武纪地层，由前震旦纪变质岩的长期风化和侵蚀形成，并在寒武纪海侵期间被海水改造。最近，Liu等人（2021b年）基于碎屑锆石地质年代学和区域对比，提出它属于最下部的寒武纪地层。然而，与其他克拉通地层类似，关键未解决的问题不仅仅是其地层年龄，还包括砂岩本身的沉积性质和来源。

在本研究中，我们从四个代表性剖面（吴家村、玉二泉、于定小镇和西魏口；图2b）采集了8个石英砂岩样本。我们采用了结合沉积学、地层学和碎屑锆石U-Pb地质年代学的综合方法，来评估霍山组在大不整合框架内的沉积环境，并约束其来源和沉积物循环历史。

地质背景

华北克拉通（NCC）保留了长达约38亿年的长期构造历史，记录了早期大陆地壳的形成、克拉通化及后续的重新激活过程（Zhai，2019年；Wan等人，2022年）。该地区包含重要的地质档案，包括太古代绿岩带、古元古代碰撞造山带、中元古代裂谷相关地层以及显生宙的陆内变形（Zhai和Santosh，2013年；Zhai等人，2020年；图1a）。位于……的鄂尔多斯盆地……

微观特征

对所有砂岩样本制备的标准抛光薄片进行了岩石学观察。按照Folk（1980年，Boggs，2014年）的标准，描述了颗粒大小、分选程度、圆度、骨架组成、胶结物和基质特征、颗粒接触关系、成岩作用特征以及副矿物成分。

这些砂岩富含石英，具有以点状到线状颗粒接触为主的骨架结构（图5）。

锆石U-Pb地质年代学

从四个代表性地层剖面（吴家村、玉二泉、于定小镇和西魏口）共获得了696个锆石U-Pb年龄数据。经过一致性筛选（≥90%）后，保留了635个用于解释的年龄数据。八个代表性样本的核密度估计（KDE）图（图7）显示出了明显的多峰年龄分布。

锆石Th/U比值和U-Pb年龄谱的综合分析（图8a-c）为……提供了约束。

霍山组作为大不整合侵蚀层

仅凭碎屑锆石U-Pb地质年代学数据无法精确确定霍山组的沉积年龄。因此，我们结合地层关系、古风化特征、沉积学特征和成分证据来更好地约束其沉积环境。在此，“海侵前侵蚀层”这一术语被用作一个遗传-地层学概念，而非等同于海岸面的相学术语，用来描述在……形成的石英质沉积层。

结论

（1）沉积环境和年龄约束：综合地层关系、古风化特征、岩石学特征和碎屑锆石U-Pb数据表明，霍山组形成于寒武纪主要海侵之前。缺乏寒武纪至最早古生代的碎屑锆石，加上其上方寒武纪地层下发育良好的古风化壳，反对将其解释为短暂存在的沉积物。

CRediT作者贡献声明

邓世琦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，资源获取，方法学研究，调查，数据分析，概念构建。何登发：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目统筹，方法学研究，资金获取，概念构建。黄汉宇：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学研究，概念构建。卢国：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法学研究。苟俊义：资源获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号 U19B6003]的支持。