华北地台的形成与演化

华北地台的形成与演化

中国北方的克拉通（可简称华北地台）从一个不为人所知的“中古代”中解放出来，放弃了层不是自己的特色，更明确地揭示了自己的内在品质。按另文《中朝古陆解体及重新厘定的华北克拉通》所描述的诸多特征,以及与其相邻地体的比较,人们已清楚地看到华北克拉通是中国版图内独具特色的大地构造单元。它既不同于新建立的华泰克拉通,也明显有别于南方的扬子地台和西部的塔里木地台。为了追溯华北地台的形成和演化历程,必须扩大视野,将全球作为一个整体,在世界范围内寻找与其类同的地体,只有如此才能查清华北地台的来龙去脉。经过研究和探索,发现全球至少有2个规模更大的克拉通可以与之对比,一个是安加拉克拉通,又称西伯利亚地台,另一个是北美的加拿大地盾,又称劳伦古陆。为了在全球构造中正确地为华北地台定位,本文将就华北地台与西伯利亚地台、加拿大地盾之间的关系,进行深入的对比,并全面揭示其演化历程。1地质dna的发现众所周知,生物学领域中的遗传基因(DNA)是鉴别不同个体是否存在血缘关系的有效手段。同样,一个古老的陆壳块体也有许多原生的标志,在母体分裂解体和漂离之后被保留在离散的子体之中。笔者将这些独特的标志称为地质DNA,可以以此为依据追寻散布世界各地的克拉通碎块,复原其母体的规模、轮廓和古地理位置。这是当前地球动力学研究的重要课题之一。现将当前国内外常用的方法简介如下。1.1地层组合和岩相发生于地史时期的任何重要地质事件,毫无疑问都将在作为地质编年史的地层学中留下遗迹。如果在此项研究中,再配合近年所产生的精确的定年方法,那将使成果更加确切或可信。地层学的方法在时间上具有连续性的特点,只要地层连续就不会在时间上留下空白。当前,不同地质体之间是否具有亲缘关系,首选的鉴别方法仍然是地层对比和年代学成果的对比。地层对比中,以古生物群落的对比最为重要。古生物群落既具有时间上的限定性,又具有空间即地理上的限定性。地层对比中的另一个重要手段是特征性岩石组合和岩相的对比。本文经常采用的有:沥青质白云岩,冰碛岩,含有U、V、Ni、Co、P等组分的炭质页岩,同生的层控含矿层,红层,藻礁及叠层石灰岩(即中国的涡卷状灰岩),竹页状灰岩,浊积岩等。这些极富特征性的层位同样具有时间上和空间上的限定性,而且观察时异常醒目、难忘。现今,地层学的对比大多用于克拉通初始盖层的相互比较。1.2克拉通结晶基底的变质岩浆岩组合岩浆活动是岩石圈中热事件的产物,包括深部的岩基、中-浅部位的侵入岩体和喷出地面的火山岩系。按照岩石组分和岩浆源,可分为幔源、壳源和二者的混合等类型。根据岩浆活动的成因,又可以区分为造山型和非造山型。所有这些活动在空间上都具有相当的规模或范围,而且在时间上具有一个特定的时限。如今在鉴别不同克拉通是否存在类似的热事件时,常用的岩浆岩组合主要有:新太古代结晶基底中的英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩岩套(又称TTG岩石)、新太古代与古元古代之间的TTGG岩套、新太古代的绿岩带、结晶基底固结后形成的辉绿岩岩墙群、AMCG岩套(斜长岩-纹长二长岩-紫苏花岗岩-环斑花岗岩)、花岗岩-流纹岩套、双模式火山岩套、碱性岩套、金伯利岩等。岩石的变质、变形通常与地球的热动力条件有关,其产出几乎遍及所有克拉通的结晶基底,以及后期的造山带和裂谷带。单纯的热变质和单纯的动力变质因产出局限,不具有重要的对比意义。而热动力变质即所谓的区域变质往往涉及范围巨大,在时间上具有明确的跨度。按成因的压力类型,区域变质首先被分为高压变质和低压变质2个相系。在造山带中,这2个相系平行并成对产出,人们称之为双变质带。不同地体和克拉通之间变质、变形的对比中,最重要的是其时限、期次、原岩的组合及性质、变质类型及其变质程度。1.3大型克拉通的构造格局和构造环境全球性的重大构造事件通常是指联合古陆的聚集和成长,古陆的分裂解体,大型洋盆的形成及陆缘带的板块俯冲,洋盆的封闭等。这些事件所留下的遗迹就是人们现在看到的分布于世界各处的造山带、裂谷带和大型的走滑断层。在追踪和复原这些事件的研究中,首要的是确定各克拉通或地体固结的时限。为此,除了要对结晶基底或褶皱基底进行精确定年之外,还要十分注意超覆岩系下部初始地台型盖层的建造性质和时代。可以说,此二者之间的不整合面及其所限定的时段,将构成该克拉通或地体具有标志性的特征。在判断不同克拉通是否具有渊源关系时,如果在这一点上存有重大差异,那就可以肯定它们不具有同一母体。就一些大型克拉通而言,构造格局和地体构成往往具有重要意义。加拿大地盾由7个古老陆壳块体集合而成,各块体间被古元古代碰撞型造山带焊接在一起。西伯利亚地台由5个相互分隔的陆壳块体组成,古元古代介于各块体间的洋盆陆续封闭,1.9~1.8Ga由Akitkan造山带的焊合使西伯利亚成为一个整体。中国的华北地台同样是由燕辽陆块、蒙陕陆块及其间的晋冀纵向造山带聚合而成的。显而易见,构造格局确定之后将更有助于各大陆的对比。造山带的研究,对于复原全球性重大构造事件具有重要意义。Rodinia超级大陆概念的形成,就是源于对Grenville期造山带或构造活动带(1.3~1.0Ga)的确认,并以它为链条将一些陆块汇集在一起的。造山带无例外地均形成于挤压型的聚敛环境,它往往导致洋盆的封闭和不同陆壳块体的对接。裂谷带则恰恰相反,它多形成于引张型的伸展环境,并经常导致古陆的分裂解体和新洋盆的生成。应该特别注意,不少具有裂谷性质的坳拉槽最终并未引起古陆的分裂,也无新洋盆的形成。不论是造山带还是裂谷带,都属于重大构造事件的范畴,其延伸范围巨大,在时间上也有一定的跨度。现今,人们在世界各地所见到的造山带和裂谷带大多是其原生体的某些片断。例如,中国的祁连山脉是一早古生代造山带,长约1200km,它东起天水附近,西至当今山口为阿尔金断裂所截断,在新疆和中亚再也见不到其踪迹。所以,造山带和裂谷带同样存在其原生体的复原问题。大型走滑断层是全球构造中不可忽视的重要地质现象,它经常构成不同大地构造单元之间的边界。例如,北美内陆地台与落基山带之间的路易斯断层,中国华北克拉通与华泰克拉通之间的桦甸-开封、新乡-宝鸡等断裂。据研究,缝合西冈瓦纳大陆的所有活动带,都含有形成于克拉通聚敛晚期的巨大剪切带。大陆内部一些剪切带的相互关系表明,它们对大地构造逃逸过程和年轻的热地壳与冷却而坚硬的克拉通之间的调整具有重要意义。1.4文创重建的标准当前,在追踪世界各克拉通的渊源关系方面,古地磁学是唯一采用物理学手段并能直接提供出重要约束性条件的方法。由于古地磁的研究确实能为任何超级大陆的存在及复原提供确切的证据,故而备受地质学家们的重视。然而也应当看到,由于自身的某些局限性,其成果也具有诸多的不确定性。首先,古地磁只能提供出测试点的古纬度信息,对于经度则无法控制。其次是其极性的不确定性,例如,它给出某测试点位于高纬度地区,但不能确定是靠近北极还是南极,中纬度区亦然如此,即不知是南半球还是北半球。因此,地质学家应用这些成果时受到许多限制。此外,古地磁成果尚有3种属于方法方面的不确定性。其一是与古地磁数据有关的实验方面的不确定性,地质学家要求的是原始磁化,为此必须将初始的磁化与后期的磁化严格地区分开来,这是一项有相当难度的过程。其二是与古地极年代有关的不确定性,古地磁测试必须与精确的年代测定同步进行,要求年代误差越小越好,最大不能超过100Ma。其三是与构造校正有关的不确定性。这些不确定的因素具有累进的特点,可谓失之分毫差之千里。基于以上理由,对过去已出版的古地磁成果,在使用时必须进行其可信性的评估。以上列举了地质DNA的地层学和年代学、岩浆活动和变质作用、重大构造事件、古地磁学等方面的基本内容。应当强调,这些要素不宜独立地使用,而应该全盘考虑,缺一不可。不同克拉通之间具有渊源关系的正确结论,只有在所有要素一致的条件下才能得出。这也正是本文立论的基础。2美、日、pb法绿岩带的基本特征西伯利亚地台是欧亚大陆最大的构造单元,其主体位于叶尼塞河和维尔霍扬山脉之间的广大地域。太古宙和古元古代的结晶基底主要出露于阿纳巴尔和阿尔丹2个地盾区,以及贝加尔、东萨彦岭、叶尼塞-下安加拉等地。其中的阿尔丹地盾和斯塔诺夫地块均位于地台南部,直接面对着中国华北(图1)。阿尔丹地盾的整体走向为EW向,西段转为NE向。然而地盾内部各类岩石组合的走向却呈SN向。阿尔丹地盾由西向东被划分为4个呈南北走向的块体,依次为恰拉-奥廖克马、中央阿尔丹、季木托-乌丘尔、巴托木格。地盾所属各块体均由2套岩石构成,即古—中太古代含麻粒岩的花岗片麻岩基底和新太古代的绿岩带。花岗片麻岩基底由高硅铝片麻岩、各种结晶片岩、紫苏片麻岩、紫苏花岗岩、麻粒岩等组成,总称灰色片麻岩类。其年龄时限主要为3.2~3.3Ga,最老的达4.0Ga,最新的为2.6Ga,俄国地质学家称之为茵格尔岩系或阿尔丹群。绿岩带分布于地盾的中、西部和斯塔诺夫山脉的中段,计有30余条,宽3~15km,长数十千米,有时达100~150km。绿岩带由变质火山岩组成,另有少量沉积岩夹层,包括变质砂岩、黑云片岩、含铁石英岩、大理岩、变质砾岩等。绿岩带的年龄时限有2组数据,一组为2100~2600Ma,另一组为2820~2960Ma,后者是奥隆金绿岩带的U-Pb法数据。绿岩的时代应属新太古代。地盾结晶基底中的古元古代地层由变质火山-沉积岩构成,称乌古依群或乌多坎群,它们仅分布在地盾的东西两端,而数量远不及太古宙。乌多坎群的组成岩石主要为碎屑岩、白云岩、铁质绿泥片岩、泥质板岩等,部分地域曾受到蓝晶石-夕线石相变质作用。其中碎屑岩系的最大特点是组分的单一性,大部分为高成熟度的石英砂岩。乌多坎群以直接的不整合关系覆于结晶的太古宇之上,最厚可达10000~12000m。乌多坎群的上限年龄为1850~1950Ma,侵入其中的奥长环斑花岗岩的年龄为2000Ma,故而该群的时代已被可靠地确定为古元古代。将阿尔丹地盾的结晶基底与中国华北加以对比,显而易见,茵格尔岩系相当于中国的曹庄岩组和迁西群;西伯利亚的绿岩带则相当于中国的遵化和涧沟河的绿岩;阿尔丹地盾区的乌多坎群,其时代、层位关系、岩石组合等均酷似华北的滹沱群。以角度不整合覆于结晶基底之上的中—新元古代沉积盖层,是西伯利亚地台颇具标志性的特征之一。这套盖层在俄罗斯被称为里菲系和文德系,已有的同位素年龄数据表明其时限在1700~570Ma之间。当时整个西伯利亚除地盾区高出海平面外,大部分地域被浅海所覆盖,形成的沉积物自下而上被分为乌丘尔群、阿依姆昌群、凯彼尔群、拉汗达群、乌依群、尤多马群等,总厚达14000m,其中以地台的东南缘出露最完整。下里菲系的乌丘尔群由粗砂岩、白云岩、粉砂岩等组成,其中海绿石的年龄为1520~1360Ma,顶部尚含有叠层石。乌丘尔群中时代最晚的碎屑锆石年龄为1725Ma。中里菲系的阿依姆昌群,其自身构成一个完整的沉积旋回,下部由潮缘相碎屑岩组成,上部则由潮下碳酸盐岩组成。该群下部海绿石的K-Ar年龄为1210~1230Ma。上里菲系的凯彼尔群构成另一个海进旋回,组成岩石主要为粗砂岩、砂岩、粉砂岩、页岩、灰岩、白云岩等,后二者中常含沥青质。砂岩中海绿石的K-Ar年龄介于1170~860Ma之间;中部的玛勒金组(MalginaF.)灰岩中最新一个Pb-Pb年龄数据为1043Ma±14Ma。覆于凯彼尔群之上的拉汗达群,由下部的硅质碎屑岩-碳酸盐岩和上部的石灰岩、白云岩组成,后者明显地形成于潮下带上部的沉积环境。该群的海绿石K-Ar年龄多在970~870Ma之间,下部的涅柳延组(NeryuenF.)中含有沥青质灰岩,其Pb-Pb年龄为1025Ma±40Ma。据报道,侵入于拉汗达群上部层位的镁铁质岩床,其斜锆石的U-Pb年龄为974Ma±7Ma,可视为该群的上限年龄。整合覆于拉汗达群之上的是上里菲期的最上部层位的乌依群(UyGroup),主要由碎屑岩组成,向上粉砂质和泥质的比率增高,侵入于乌依群的镁铁质岩床中的斜锆石U-Pb年龄为1005Ma±4Ma;沉积岩全岩Sm-Nd年龄为942Ma±19Ma;据此推测乌依群沉积的时代上限应为942Ma。乌依群的上部被尤多马群不整合覆盖,后者属文德期,其下限通常被确定为645Ma。西伯利亚地台的里菲期盖层中有几个关键性的层位是不能忽视的。其一,乌丘尔群及其相当层位中,含有铁矿层或含铁地层;中里菲期地层的底部见有锰矿层或含锰地层。其二,沥青质灰岩和白云岩主要见于中、上里菲系中。其三,富含叠层石的层位主要赋存于中里菲期地层中,但也见于乌丘尔群上部和上里菲期的朱亚组(ZhuyaF.)中。此外,在阿尔丹地盾的东端及南侧出露近10处里菲期板内型岩浆岩体,其中包括超基性-碱性岩体、基性岩体、碳酸岩体等(图1)。过去,中国地质学家在确定华北与西伯利亚中、新元古界的关系时,常将里菲期上、中、下3套地层分别对应于青白口系、蓟县系、长城系。笔者不赞成如此笼统的对比,实际上能与长城系对比的只有乌丘尔群,可与青白口系对比的也只有里菲系顶部的乌依群,其余的阿依姆昌、凯彼尔、拉汗达3个群均相当于华北的蓟县系。不整合于里菲系之上的是文德系尤多马群,后者之上常以假整合关系覆以寒武系。西伯利亚地台的尤多马群、下寒武统广泛分布于阿纳巴尔地盾周边和阿尔丹地盾北侧的广大地域。尤多马群含众多的花纹石,属埃迪卡拉动物群的分子,但却不见有冰碛层的记录。西伯利亚的下寒武统被划分为托莫特(Tommotian)和阿特达班(Atdabanian)2个阶,前者属前三叶虫带,后者含三叶虫Profallotaspis和Fallotaspis。西伯利亚地台寒武系的另一重要特点是,中寒武世的礁灰岩和沥青页岩(油页岩层),并有膏盐及有机质沉积。将西伯利亚地台与华北地台加以比较,发现二者具有多方面的一致性特点。(1)华北地台北部与西伯利亚地台南部的阿尔丹地盾,都有最古老的结晶岩系出露,它们均由麻粒岩、片麻岩的基底岩系和花岗岩-绿岩构成,其原岩组合、变质程度、时代等皆相类似。2个地台的形成和最终固结也均在1.7~2.0Ga之间。前已述及,阿尔丹地盾的整体走向为EW向,但其基底岩系则为SN向。华北地台北缘古老基底出露区的阴山和燕山山脉的走向也是EW向的,而基底岩系同样多呈SN向。这一特点表明,二者的古老基底都曾被后期断层几乎垂直截断。刘长安等在1979年就曾注意到,西伯利亚地台南缘的边缘形态与华北地台北缘是一致的,若将二者拼接在一起可谓“天衣无缝”。(2)华北地台北缘存在有以白云鄂博群、渣尔泰山群和一系列基性或碱性岩体为标志的古裂古带。西伯利亚地台南缘同样有一古裂古带,其主要遗迹是:沿斯塔诺夫山脉发育一系列近EW向的断裂;西起穆亚,东至马亚河上游,断续产有板内型超镁铁—镁铁岩、碱性岩,局部尚有碳酸岩;马亚河上游出露里菲期澙湖相和浅海相裂谷型沉积,夹碱性火山岩。这2条裂谷带的断陷、沉积和相伴的深成岩浆作用在时间上是一致的。所以有理由判断,它们原来就是一条裂谷。(3)西伯利亚地台超覆组合的下部岩系,即中—新元古代的盖层沉积同华北地台惊人地相似。长城系的常州沟组和大红峪组中产有高成熟度的石英砂岩,里菲系的下部岩系同样产有厚层、分选良好、单一组分的高成熟度石英砂岩。贝加尔湖以北与乌丘尔群相当的Teptogora群中,含有铁矿层,中国的长城系也有含铁层位,并形成著名的宣龙式赤铁矿床。阿尔丹地盾东段的乌丘尔河和马亚河流域,一套产状平缓甚至近于水平的地层以角度不整合覆于结晶基底之上,盖层下部夹有火山岩,其K-Ar年龄为1615~1850Ma,与华北长城系大红峪组火山岩用相同方法测定的年龄值(1677Ma)完全一致。长城系的高于庄组有含锰页岩、含锰白云岩,局部可形成锰矿层,西伯利亚地台边部中里菲期地层的底部也存在锰矿层或含锰层位。华北地台的蓟县系雾迷山组中含有炭质及沥青质白云岩,西伯利亚地台南部及东南部的凯彼尔群玛勒金组和拉汗达群涅柳延组中也含有类似的沥青质灰岩或白云岩。华北与西伯利亚2个地台的这些具有标志性的层位出现一致性的特点,让人相信当时它们很可能是同一个古陆。(4)古地磁学研究表明,华北地台的长城系和蓟县系沉积时地处中、低纬度区,这与同期西伯利亚地台的古纬度大体一致。令人遗憾的是,迄今华北仍缺乏具有可信精度的中—新元古代古地磁资料,所以无法与西伯利亚进行此领域的深入对比。据Pisarevsky等的研究,西伯利亚地台与劳伦古陆1015~1000Ma之间的极移路线显著地一致,并由此确信当时2个古陆为同一整体。李春昱教授25年前在亚洲大地构造图编图组的一次讨论会上的一段讲话至今令人难忘。他说:“长城系和蓟县系在很早以前都被称为‘震旦系’,这是1874年首先由李希霍芬命名的。1904年美国地质学家维理士和1931~1934年中国地质学家高振西又作了进一步的研究和划分。这些成果在19世纪末和20世纪初期在国际地学界产生了相当的影响。后来,俄罗斯地质学家调查西伯利亚时,将地台盖层中的相当层位也称之为‘震旦系’,这个名称一直被沿用到20世纪中期,后来才改用里菲一词。由此看来,华北地台的这套原称为‘震旦系’的盖层,确有与西伯利亚的同期地层相类似之处”。李春昱教授的这段话,对于后来笔者等决心将这2套地层进行深入对比,并进而对2个地台在元古宙曾是一个整体的概念的建立,有重要的启示。在关注华北与西伯利亚2个地台的诸多共同点之后,还应注意到它们之间的差异,尤其重视二者产生差异的起始时间。西伯利亚地台下寒武统的阿特达班阶出现三叶虫Profallotaspis和Fallotaspis,在华北地台迄今未发现此类三叶虫。西伯利亚地台中寒武统的重要特点是存在礁灰岩和油页岩层,而华北的同期地层中却从未发现有油页岩。中、上寒武统的三叶虫带化石,华北与西伯利亚两地也完全不同。以上情况表明,华北与西伯利亚2个地台在600Ma之前具有多方面的相似性,然而到寒武纪二者所处的地质环境和繁殖的生物种群却已出现明显的差异。据研究,华北与西伯利亚之间的地域,发现有600Ma及更晚期的蛇绿岩套,它标志在古生代时2个克拉通之间已形成为大洋所分隔的古地理格局。3加拿大的前3.5ga构造加拿大地盾是北美大陆最古老的核心,其南侧和西侧是北美的内陆地台(interiorplatform)。地盾和地台的周边为造山带所环绕,东南侧为古生代的阿巴拉契亚造山带,西侧为中生代—近纪的科迪勒拉造山带,北侧尚有茵纽特古生代造山带(图2)。加拿大地盾由7个太古宙原生陆壳块体组成,它们分别被命名为:上湖、怀俄明、大奴、瑞伊(Rae)、赫阿奈(Hearne)、纳茵(Nain)和布维尔(Burwell)。已知其中的上湖、大奴、纳茵3个陆块均含有少量前3.5Ga的古老地壳。属于纳茵陆块的格陵兰西南海岸的依苏阿地区,发现有被认为世界最古老的表壳岩,它被3760Ma±70Ma的正片麻岩侵入。然而,这些陆块的主体部分都由2.6~2.8Ga的原生地壳构成。上述7个太古宙陆壳块体之间,通常被古元古代的碰撞型造山带所分隔,并发现有年龄为2.0Ga的蛇绿岩带。此类造山带的特征性标志是:被动陆缘沉积物的变形,前陆逆冲褶皱带的形成,陆缘安地斯型岩浆弧的产生,陆块基底岩石的再度活化,剪切带的发育等。加拿大地盾各古老陆壳块体的碰撞与拼接,大多发生于2000~1780Ma之间。基于对比的需要,笔者将注意力集中于2个方面:其一是地盾结晶基底的组成和性质,其二是地盾及周边地域的盖层,尤其关注中、新元古界和下古生界。在探讨这些问题时,笔者最感兴趣的是面向太平洋一侧的北美洲的中、西部地区。3.1加拿大地盾的岩石学特征加拿大地盾的各陆壳块体均由相当庞大的太古宙杂岩体构成,习惯上统称基瓦丁系。其岩石组成主要有3套:一为中、基性火山岩和长英质火山碎屑岩;二为沉积岩,包括碧玉条带状含铁建造;三为镁铁质和长英质侵入岩。这些岩石组合曾受到不同程度的变质作用,有的达角闪岩相,个别的可达麻粒岩相,一般为绿片岩相,也有未变质的。近20年来,人们常以“绿岩带”来表述,称之为花岗岩-绿岩-片麻岩(±麻粒岩)地体。上湖陆块具有保存完整的绿岩带,自下而上为:玄武岩流、安山岩流,中间夹火山碎屑岩层,顶部为流纹岩及同性火山碎屑岩。火山喷发的间隙期有正常的沉积岩系形成。绿岩带中各岩类常保存原始构造,如火山成因的枕状构造、冷凝边、杏仁状构造、流纹构造,沉积岩中则保留有层理、交错层理、波痕、浊积层理、海底滑动揉皱等(1)。必须指出,组成加拿大地盾的所有太古宙的岩石系列,在2.8~2.6Ga之间都受到强应力变形,同时伴随深成岩浆活动和变质作用。北美洲的太古宙原生地壳约占前寒武纪地盾的84%,其余的16%主要为古元古代的初生地壳。加拿大地盾的初生地壳,大多分布于上述7个陆壳块体之间的地域及地盾周边(图3)。人们推测,北美内陆地台区潜伏于盖层之下的仍是古元古代初生地壳。作为加拿大地盾结晶基底的组成部分,古元古代地层被命名为阿非宾(Aphebian)系,它与下伏的太古宙地层之间呈明显的不整合接触。阿非宾系的岩石组成主要为砾岩、长石砂岩、硬砂岩、石英岩、灰岩、白云岩、页岩、燧石角砾岩、含铁建造等,以及这些岩石的变质产物。该系的上部和下部有时夹中基性火山岩层。在横贯哈德孙初生地体(Trans-Hudsonjuvenileterranes)中,这套地层称为休伦超群,它西起苏圣玛丽,向东北延伸至魁北克的奥蒂什山,全长1000km以上,最宽达70km(1)。横贯哈德孙初生地体的造山U-Pb年龄为1910~1790Ma,休伦超群的沉积时代主要为2500~2160Ma。上湖西北岸的阿非宾系称安尼米克(Animikie)群,其分布东起劳恩湖,向西南延伸至美国的明尼苏达州,全长达500km。该群赋存世界闻名的加拿大上湖型碧玉条带状铁矿床和美国的米萨比矿带。加拿大地盾及其边缘出露的太古宙原生地壳和古元古代初生地壳,在岩石组合、岩性、层序、形成时代、变质程度、所含矿产等各方面,均可与中国的华北地台对比。前者与华北的曹庄岩组、迁西岩群、五台群等相当,后者则与滹沱群、甘陶河群、朱杖子群类似。尤其应当指出的是,华北地台古元古界中含有的叠层石组合,与加拿大的阿非宾系、美国的安尼米克群相类似并可对比。3.2加拿大的层群t加拿大地盾及其西、南两侧的内陆地台,自固结和聚合之后曾长期处于稳定状态。所以,其地台型盖层从1.8Ga前后开始,一直持续到中生代。笔者感兴趣的只是其中的一部分地层,即中、新元古界和下古生界。北美的中、新元古界通常被划分为A、B、C3个层群。层群A的时限为1700~1200Ma,层群B为1200~770Ma,层群C为770~570Ma。与中国华北相应的地层比较,层群A相当于长城系和蓟县系下部;层群B相当于蓟县系上部和青白口系;层群C则相当于南华系和震旦系。加拿大的层群A分布在6个地区,其中的阿萨巴斯卡盆地、塞隆盆地和大熊湖-科珀曼3个地区,层群A以明显的不整合关系超覆于地盾结晶基底之上,属于盖层沉积。层群B分布于落基山脉北段和马更些地台区。层群C连续分布在科迪勒拉山系东北侧的落基山脉中,它与北美地台之间隔以巨大的边界断裂(图4)。从3个层群的空间分布不难发现,在地盾区的结晶基底之上只有层群A,而不见有层群C;在落基山区只见有作为褶皱基底的层群A,而不存在盖层的层群A,而层群C却连绵不断。3.2.1叠层石礁体上层序层群A形成于中元古代,是拟与华北地台以蓟县剖面为代表的长城系和蓟县系进行对比的地层,故而十分重要。由于出露地域不同,此层群有各种地方性名称。加拿大地盾西北部大熊湖区的达克盆地的中元古界称埃普渥思(Epworth)群,科珀曼附近的同期地层称赫恩拜湾-迪斯马尔湖(HornbyBayDismalLakes)群。埃普渥思群被划分为5个地层组,自下而上叙述如下(1)。(1)奥季克组(OdjickFm.):厚约1500m,不整合于太古宙结晶基底之上,主要由河流三角洲相碎屑岩,即中厚层石英砂岩构成,有些地区尚含有白云岩、钙质页岩等,常见交错层理和波痕。其特点颇类似于中国长城系的常州沟组。(2)洛克尼斯特组(RocknestFm.):厚达1000m,整合覆于奥季克组之上,由浅灰色白云岩,夹砖红色白云岩,向上则含有团块状硅质白云岩,含泥或含砂白云岩、页岩等组成,常见沉积韵律。上部叠层石礁体发育,主要有Pseudogymnosolenf.,Scyphusf.,Colleniaf.,Straticolumna,Omachtoniaf.,Stratiforaf.,Colonnella等,向上叠层石个体甚大,有Baicaliaf.,Tungusiaf.等。与华北的杨庄组和雾迷山组十分相似,属浅海沉积。(3)丽克鲁斯组(RecluseFm.):厚约1500m,整合于洛克尼斯特组之上,为深水沉积,以黑色、暗灰色薄层砂岩、页岩互层为主,夹粉砂岩、灰岩透镜体,局部具有硬砂岩或含砾硬砂岩。(4)柯利斯湖组(CowlesLakeFm.):厚约1000m,层纹状泥质灰岩,常见同生小褶皱。(5)达克约克组(TakiyuakFm.):厚约800m,为陆相红色砂岩,含盐晶粒和石膏。本组为辉绿岩床所侵入,岩床年龄为1200Ma。赫恩拜湾-迪斯马尔湖群不整合覆于古元古代(Aphebian期)的深成岩、火山岩和沉积岩之上。该群的沉积始于1660Ma之前,科珀曼玄武岩喷发期1270Ma前结束。现按自下而上的顺序简述如下。赫恩拜湾群:厚2000m,底部为砾岩,其上为白色和浅灰色石英砂岩,交错层理和波痕均很发育,顶部为叠层石白云岩和厚层白云岩。含有:Col-leniaf.,Paraconophytonf.,Collonnellaf.,Kussiellaf.等化石。迪斯马尔湖群:厚度在1000m以上,整合或假整合于赫恩拜湾群之上,主要沉积在面向北或西北的陆棚区,组成岩石1/3的为河流相石英质碎屑岩,其上主要为海相碳酸盐层。顶部有1层礁体白云岩,含:Conophytonf.,Pseudoconophytonf.,OculovoidesLiangetTsao等化石。加拿大大熊湖区中元古界的分布,仅限于里阿得线(LiardLine)与诺曼堡(FortNorman)断层之间的地域(图4)。里阿得线呈NE-SW向分布在里阿得河上游至大熊湖的东南岸一带,其东南侧是加拿大地盾所属的大奴陆块结晶基底出露区。诺曼堡断层也呈NE向分布在诺曼韦尔斯至科珀曼一线,其西北侧是马更些地台所属的马更些山超群(层群B)分布区。1979年,中国地质科学院与加拿大地质调查所有一合作项目,双方地质学家共同考察了中国的蓟县剖面和加拿大西北部的中元古界。大熊湖区正是中国地质学家邢裕盛等实地考察的地区。此次考察后中加双方的共同结论是,上述各层组在地层层序、岩石组合及岩性、沉积环境及生物群落等多方面,皆与华北的长城系和蓟县系具有明显的相似性(1)。3.2.2马更一部分山体系层群B主要分布于加拿大的西北和育空2个地区,在构造上属马更些地台。后者与加拿大地盾的差别主要在于它未出露古老的结晶基底,而全部为盖层所覆盖。层群B的时限跨中元古代晚期至新元古代早期,代表性的地层称为马更些山超群(MackenzieMtsSupergroup)(图4)。在科珀曼地区,马更些山超群覆盖于铜矿山熔岩层之上,后者的年龄被确定为1270Ma;在马更些山,该超群被全岩Rb-Sr年龄为770~780Ma的基性岩体侵入。在该段时限内,形成了层群B总厚达4000m的沉积岩及少量火山岩层。加拿大的科迪勒拉山和落基山南段,都没有此超群的记录。虽然人们已经观察到横穿马更些地台,由东北向西南有增厚的趋势,但岩相的一致性则是马更些山超群的重要特征之一,而且从区域全貌来看,此超群的各层组均具有地台型盖层的特点。据Aitken的研究,马更些山超群的层序和主要特征自下至上如下。(1)赫里克(Helikian)未分层:已知从厚层石英砂岩和泥质岩开始,向上则出现浅黄色白云岩、含燧石的叠层石白云岩等,马更些山区此白云岩层厚400m,见有晶洞并含焦沥青。(2)蔡卓廷组(TsezoteneFm.):厚750~1500m,由泥质岩、砂岩、碳酸盐岩等组成,含叠层石:Stratifera,Conophyton,Jacutophyton,Svetliella等。(3)凯瑟伦群(KatherineG.):厚700~1300m,由黑色页岩、白云岩、泥灰岩、石英岩、叠层石白云岩、礁状白云岩等组成,含Stratifera,Baicalia,Jurusinia,Palmania,Inzeria,Patawia等。(4)小达尔组(LitlleDalF.):厚800~1250m,由厚层块状白云岩、页岩与白云岩互层、叠层石白云岩、礁体白云岩等组成,局部含焦沥青、厚层硬石膏和石膏,顶部有时见玄武岩流。本组含痕迹化石和叠层石:Boxonia,Collonnella,Gymnosolen,Inzeria,Anabaria,Baicalia,Palmania,Tungussia,Scopulimorpha,Churiasp.,Tawuiasp.,Morania,Beltina等。马更些山超群的时限、岩石组合及岩性、所含之生物群落,与华北的蓟县系雾迷山组至青白口系景儿峪组相当。3.3落基山带中saum亚群基于与华北、西伯利亚2个地台对比的需要,笔者主要关注的是北美西部的寒武系与奥陶系。这个阶段的沉积记录即是Sloss所确立的Sauk层群。依据各层组的接触关系,Sauk层群可再分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个亚群。SaukⅠ相当于下寒武统;SaukⅡ相当于中寒武统和上寒武统的Dresbachian阶;SaukⅢ相当于上寒武统上部和下奥陶统的Canadian阶。SaukⅠ亚群分布在2个地域,一为马更些地台,呈片状产出,二为落基山带,呈条带状产出,二者之间为一同期的马更些隆起带分隔(图5)。马更些地台上的SaukⅠ亚群主要出露于马更些山和富兰克林山,它不整合覆于马更些山超群之上。其层序自上而下如下。HessRiver组:厚0~2500m,暗色泥岩、粉砂质灰岩与暗色钙质页岩互层,含少量重晶石及磷块岩,属Bonnia-Olenellus带。Sekwi组:厚150~900m,白云岩、灰岩及泥质条带灰岩,含软舌螺及三叶虫化石。顶部属BonniaOlenellus带,底部属Fallotaspis带。Vampire组:厚0~930m,暗色细粒碎屑岩。上部曾发现疑源类化石,具有浓重的东方色彩,可与西伯利亚的托莫特阶对比;下部含节肢动物门的痕迹化石及小壳化石。BackboneRanges组:厚50~2200m,石英砂岩,少量泥岩及碳酸盐岩。含痕迹化石,层位在Protohertzinacf.(原赫茨牙形石属),P.anabarica之上,近于寒武系的底部。落基山带中SaukⅠ亚群发育最完整的剖面位于罗布森山附近,其层序和主要特点列于表1。将马更些地台与落基山带两地的SaukⅠ亚群进行比较,就会发现其间的重大差异。首先是二者的下伏基底地层不同,前者是中元古代晚期至新元古代早期的马更些山超群(层群B),而后者则是含有2期冰碛层的温德米尔超群(层群C)。其次是含有Fallotaspis带化石的Sekwi组只存在于马更些地台,而落基山带则从无此项地层记录。如果说北美的SaukⅠ亚群与西伯利亚的相应地层确有相似之处,那也只限于马更些地台,而并不涉及落基山带。明确这一点,对于正确认识该区的大地构造性质和寒武纪时加拿大地盾与西伯利亚地台的关系都十分重要。前文中已述,中国的华北与华泰2个克拉通自中寒武世早期起已拼接为一个整体。从这一时限起,在研究地层的洲际对比时已将二者一并考虑在内。将北美的SaukⅡ和SaukⅢ2个亚群与华北的中、上寒武统和下、中奥陶统进行比较,就会发现它们之间有许多共同之处,其中包括古生物群落、带化石、地层的建造性质、特征的岩相等。北美与华北之间的这种彼此相似的状况一直持续到中奥陶世,即458Ma前后。因此,有理由设想,在1850~458Ma这段时限内,华北与北美曾是统一的整体(详细的对比资料将另文发表)。4区域构造格局的内地台、影响在社会主义的古陆背景和内近10余年来,地球动力学与前寒武纪地质学探讨的核心问题是:太古宙的初始大陆地壳如何从地幔的演变中形成?在后续的时间里大陆地壳的演化过程中经历了哪些重大事件?从太古宙晚期到寒武纪近20亿年的时限内,全球的大洋和大陆是怎样一个构造格局?客观地讲,按现有的研究程度针对上述问题要拿出确切的结论性成果,可以说相去甚远。尽管已有各种超级古陆的再造方案出台,但迄今没有一个能在地球科学各分支学科或专业中取得共识。所以,在这个领域目前仍处于确认事实、积累资料的阶段。现将华北地台、西伯利亚地台、加拿大地盾太古宙—早寒武世各层群的组成和对比关系示于图6。综合以上论述,明显看出三者在太古宙—早寒武世具有完全一致的地质演化历程。4.1古元古代造山带的焊接形成时代西伯利亚地台和加拿大地盾是北半球2个规模最大,而且时代最古老的陆壳块体。这是地学界公认的事实,实际上仅此一项特点就足以确立它们在全球构造中的重要地位。中国的华北地台就其产出的空间范围来看,显而易见不能与之相比。然而自从地球动力学和大地构造领域中采用构造地层地体的概念之后,人们看重的不单是构造单元规模的大小,而且更加关注的是其性质。前已述及,加拿大地盾由7个年龄为2.7~3.6Ga、彼此分离的原生陆壳块体,于1.79~2.02Ga期间通过古元古代造山带的焊接而形成。西伯利亚地台同样由阿纳巴尔、贝加尔-东萨彦岭、阿尔丹、斯塔诺夫、叶尼塞-下安加拉5个相互分隔的太古宙地体,在1.7Ga之前通过古元古代造山带碰撞聚合在一起。阿尔丹地盾与阿纳巴尔碰撞之前,曾向北运移了1000km以上。华北地台现已识别出燕辽和蒙陕2个原生陆块,其间为古元古代陆缘增生楔和岛弧岩石组合的变质岩系,即晋冀纵向造山带所分隔。它们的聚合主要发生于2.0~2.2Ga,部分地域可能延续到1.8Ga。此类古元古代的后生地壳,包括燕山山脉的朱杖子群、太行山的滹沱群和甘陶河群、吕梁山的吕梁岩群、阴山的色尔腾山群和二道凹群等。华北地台、西伯利亚地台和加拿大地盾,如今地处世界的不同地域,而且相距遥远,但它们在太古宙末即2.5~2.6Ga期间普遍遭受一次角闪岩相-麻粒岩相的变质作用,同时伴随深成TTG岩浆活动。在1.79~2.2Ga期间又经历了彼此相似的浅变质,同时导致克拉通的最终固结。从三者结晶基底的物质组成来看,最古老的均为片麻岩(包括麻粒岩在内),相当于通常所称的灰色片麻岩类,新太古代时期大多由花岗岩(片麻岩)-绿岩构成。以上事实都分别通过年代地层学、岩石学、构造地质学等多方面确认,因而结论是可信的。现将华北地台、加拿大地盾和西伯利亚地台自太古宙至寒武纪,由聚合到离散的过程示于图7。4.2关于古劳亚大陆的地质特征直接以明显的角度不整合覆于华北地台、西伯利亚地台和加拿大地盾结晶基底之上的初始盖层,均为中元古界的沉积岩系,其中并夹有碱性和基性火山岩层。这套地层在中国华北,就是以蓟县剖面为代表的长城系和蓟县系;在西伯利亚则是里菲期的乌丘尔群、阿依姆昌群、凯彼尔群、拉汗达群;在北美通常统称为层群A和层群B,包括埃普渥思群、赫恩拜湾-迪斯马尔湖群、马更些山超群等。时限被确定为1800~1000Ma。经过研究现在有理由确认,分别保留于上述3个地域内的这些地台型盖层,在时代、层序、岩石组合、岩性、形成环境、生物群落、矿产等多方面具有很强的可比性,甚至连岩石的颜色和微细的结构构造都很相似。如果说在中元古代确有联合古陆的话,那么它就是古劳亚大陆,华北地台、西伯利亚地台和加拿大地盾则是其主体(图7)。古劳亚大陆的最重要的地质标志就是这3个地域统一的中元古界盖层。后者大多形成于伸展型盆地和坳拉槽中,并有板内型火山岩和岩浆岩与之相伴。此类非造山型岩浆活动,在1.7~1.6Ga时限内多属碱性长英质,至1