新元古代两次主要冰期事件

新元古代两次主要冰期事件

新元古代全球冰期事件引起了人们的注意。Kirschvink根据古地磁资料提出了“雪球地球”假说,即新元古代冰期期间海洋全部结冰,地球变成一个巨大的雪球。Hoffman等通过对非洲纳米比亚、其他大陆的冰期前后碳酸盐岩层序的碳同位素对比,重申“雪球地球”事件的存在。尽管“雪球地球”假说存在很大的争议,但它为低纬度、低海拔冰川的分布,BIF铁矿的再次出现等一系列地质现象提供了合理的解释。新元古代冰期发生的次数、年龄、分布范围,以及其成因机制等问题还存在着很大的争议,所以设立了IGCP-512国际对比计划,协调各国的研究。新元古代冰期的国际对比,不仅涉及冰期地层的对比,精确的同位素地质年代测定可能是更重要的手段,决定着对比的成败。这不仅是由于新元古代冰期地层缺乏对比的标志,如缺乏古生物化石、岩性(冰碛岩或杂砾岩)单调等,而且冰川的剥蚀作用致使不少地区出露的冰期沉积记录不完全,地层有缺失,造成对比困难。此外,全球新元古代冰川的同时性是检验“雪球地球”假说的证据,各地冰川的起始和结束年龄是主要依据。不过,沉积地层定年是一个老大难的问题。可喜的是,国内外重视对有争议的新元古代冰期地层的同位素地质年代学研究,取得了显著的进展。本文将结合我们的工作对新元古代冰期地质年代的研究进展进行评介。1第一,碳酸盐岩地层序的底界问题全国地层委员会(2001)重新定制了中国的新元古界,将其三分,把与冰期有关的地层单元划出,设为“南华系”。新的南华系与国际地层委员会命名的成冰系(Cryogenian)对应,其顶界为陡山沱组与南沱组之间的界线。2004年3月,国际地科联(IUGS)批准设立了埃迪卡拉系(Ediacaran),其GSSP定在澳大利亚南部沿EnoramaCreek出露的Elatina冰成杂砾岩之上的Nuccaleena组帽碳酸岩的底部。如此,Ediacaran系就相当于我国新修订的震旦系。此前,国际地层委员会将成冰系的上下时限分别放在650Ma和850Ma,而我国将南华系的上下时限也放在680Ma和800Ma。但是,根据最近的研究结果,这个上限被锁定在635Ma,而南华系的下限还暂放在800Ma。成冰系的下限年龄取决于底界如何划定。现在看来,无论成冰系还是南华系,它们的底界还没有定义,下限年龄也不确定。新元古代冰期前后的碳酸盐岩地层层序的碳同位素组成具有一定的变化规律:冰期前碳同位素组成普遍为正值,冰期发生前夕直到冰期结束后发生大的负漂移,并且有碳酸盐岩(称为帽碳酸盐岩,即capcarbonate)直接覆盖在冰成杂砾岩之上。许多大陆的新元古界地层层序含有两层冰碛岩,它们被厚厚的非冰地层分开,表明至少有两期冰期。在我国新疆的库鲁克塔革地区的新元古界地层中还发现了三期冰期沉积的记录。Kaufman等根据新元古代碳酸盐岩层序的碳同位素变化曲线提出了大陆冰川至少经历了4次活动。但是,Kennedy等指出全球各大陆普遍具有两套冰碛岩,且下层冰碛岩总是被暗色的泥质白云岩覆盖,而上层冰碛岩被沉积构造发育的、淡粉色白云岩所覆盖,说明新元古代只有两次全球性的冰期。Knoll倾向认为新元古代有两次主要的全球性冰期,即Sturtian和Marinoan冰期。不过也有证据表明,至少在Marinoan冰期之后还有一次局部的冰期事件,可能在非洲在Sturtian冰期事件之前还有一次或者数次的小冰期。两次全球性的冰期——Sturtian和Marinoan冰期的年代一直存在着争议,有些已经取得共识。例如,对Marinoan冰期的起始时间先是认为在650Ma左右,后又说在600～565Ma及610～590Ma;还有590～570Ma和635～600Ma之争。近两年,人们才确定Marinoan冰期结束在(635±5)Ma,并获得共识。对Sturtian冰期的年代争议更多。Wingate等认为发生在760～720Ma;Preiss等又提出是700～690Ma;而Lund等给出685Ma的年龄。根据纳米比亚和阿曼的年龄资料,郑永飞认为成冰纪局部冰成岩石的沉积至少在740Ma左右已经开始。但是,一些新的资料显示,Sturtian冰期可能发生在710～720Ma。不过,争论还依然存在。2南病相的冰期南华系地层在华南出露广泛,新元古代冰期在华南又被称为“南华大冰期”,南华系因此得名。按全国地层委员会2003年在湖南石门县杨家坪剖面召开的现场会来看,把南华系的冰期地层单元分为下面的古城组和上面的南沱组,分别称为古城冰期和南沱冰期。南华大冰期的下冰实际上要复杂些,不可能被古城组沉积所涵盖,我们认为称为江口冰期更准确。湖南地质区域地质调查院原来命名的江口组实际包括了富禄和长安两个组,古城组只是富禄组的上段。因此,在华南新元古代冰期实际上是由较早的江口冰期和后来的南沱冰期构成的。国际上,长期以来有一种不正确的看法,将华南的南沱冰期对比于Sturtian冰期,其主要依据是峡东剖面的南沱冰碛岩直接覆盖在大约740Ma的莲沱组之上,因此推断南沱冰期相当于澳大利亚的Sturtian冰期。到2004年,一些发表的陡山沱组底部火山灰夹层的锆石U-Pb年龄确证南沱冰期对应于国际上的Marinoan冰期,而江口冰期才与Sturtian冰期对应。2.1热质及杂砾岩中的年代学Barfod等分别用Lu-Hf和Pb-Pb法测定了南沱组之上的陡山沱组中部的磷块岩的年龄,其中Lu-Hf年龄为(584±26)Ma,Pb-Pb年龄为(599.3±4.2)Ma。通过对结果和误差的分析,确定(599.3±4.2)Ma是陡山沱组上磷块岩的沉积年龄。Chen等同样用Pb-Pb法测定了陡山沱组的上部磷块岩的年龄为(576±14)Ma。同一时期,Kendall等利用Re-Os法测定了加拿大西部Windermere超群中OldFortPoint(OFP)组上部黑色页岩的沉积年龄,得到结果是(607.8±4.7)Ma。在深海相,OFP组上部黑色页岩相当于第二次Windermere冰期的帽碳酸盐岩,也与Marinoan冰期之上的帽碳酸盐岩相当。由此推断,Marinoan冰期的结束年龄应该大于600Ma。Hoffmann等利用U-Pb法测定了纳米比亚Ghaub组冰成杂砾岩顶部火山灰层中的锆石年龄,为(635.5±1.2)Ma。Ghaub组为Marinoan冰期沉积的产物,该层火山灰接近杂砾岩层的顶部,所以这个年龄直接限制了Marinoan冰期的结束时间,具有重要的地质意义。可是,还是有一些不同的看法。Schaefer等利用Re-Os法测定了澳大利亚中部Amadeus盆地Aralka组中富含有机质页岩的年龄,为(592±14)Ma。Aralka组之上的Olympic组被认为等同于Marinoan冰期,所以Schaefer等认为Marinoan冰期应该早于(592±14)Ma。Calver利用锆石U-Pb法测定了澳大利亚KingIsland的Grassy群中一个分别侵入了相当于Elatina杂砾岩(Cottons角砾岩)、帽碳酸岩和后期沉积页岩的岩体,得到年龄为(574.7±3.0)Ma。他们还测定了澳大利亚塔斯马尼亚岛西北部的Togari群中CrolesHill杂砾岩之上的流纹英安岩的年龄为(582.1±4.1)Ma。Cottons角砾岩在层位上与Elatina冰期(Marinoan)单元相当,而CrolesHill杂砾岩与Cottons角砾岩相当,所以Calver等认为把(574.7±3.0)Ma和(582.1±4.1)Ma作为Marinoan冰期的上下年龄限制。更多新的年龄数据支持Marinoan冰期结束于635Ma,而且得到了广泛的认可。Condon等利用锆石U-Pb法获得了三峡地区陡山沱组底部的两组年龄,一组来自雾河—高家溪剖面中位于陡山沱底部上方2.3m处约1cm厚的富粘土质火山灰,所得年龄是(635.23±0.57)Ma;另一组来自计家湾剖面中位于陡山沱底部上方9.5m处的火山灰,所得年龄是(632.50±0.48)Ma。储雪蕾等通过对江西上饶附近吴坞剖面的南沱组顶部直接覆盖沉凝灰岩层中分选出的锆石进行TIMS的U-Pb年龄测定,获得了(635.3±5.4)Ma的火山年龄。Yin等从三峡地区的陡山沱底部的凝灰岩中分选出的锆石进行U-Pb年龄定年,获得(628.3±5.8)Ma。Zhang等在三峡地区的九曲脑剖面测定了陡山沱组底部帽碳酸岩上2.5m处的火山灰夹层的年龄,为(621±7)Ma。这些结果都确认南沱冰期与Marinoan冰期对比,而且南沱冰期与国际上Marinoan冰期都结束于635Ma,这也是成冰系(Cryogenian)的顶界年龄。2.2地层单元的年龄Lund等利用锆石U-Pb法测定了美国爱达荷中部Edwardsburg组杂砾岩中火山岩夹层的锆石年龄,作为Sturtian冰期中的年龄它们是(685±7)Ma和(684±4)Ma,说明Sturtian冰期开始于685Ma以前,结束于685Ma之后。Zhou等利用U-Pb法测定了我国贵州东部寨郎沟剖面大塘坡组底部的凝灰岩夹层的锆石年龄,得到年龄为(663±4)Ma,从而限定了Sturtian冰期的结束时间。但是Fanning等利用锆石U-Pb法测定美国爱达荷南部Pocatello组距ScoutMountain段杂砾岩顶部帽碳酸岩之上20m凝灰岩夹层的锆石年龄为(667±5)Ma,也支持Sturtian冰期结束于667Ma之前。这些年数据表明Sturtian冰期发生在大约670Ma之前,670Ma可能是这次冰期的上限年龄。Ross等利用U-Pb法测出了加拿大西北部Rapitan杂砾岩中花岗岩碎屑中锆石的年龄,给出Rapitan冰期的下限年龄应小于(755±18)Ma。Park则给出了加拿大西北部岩墙的年龄为(723+4/-2)Ma,并指出其相当于Rapitan冰期沉积物的下部,Rapitan冰期的最大年龄是在720Ma附近。Allen等利用U-Pb法测定了阿曼Huqf超群的Ghubrah组中凝灰质砂岩的年龄,结果是(711.8±1.6)Ma。而Ghubrah组相当于Sturtian冰期,故(711.8±1.6)Ma可以作为Sturtian冰期的年龄。后来,Brasier等也在此处测得年龄为(723+16/-10)Ma。Fanning等利用U-Pb法分别测出了美国爱达南部Pocatello组ScoutMountain段杂砾岩上部的流纹斑岩的碎屑年龄是(717±4)Ma,下面凝灰质角砾岩的年龄是(709±5)Ma。上述年龄数据表明Sturtian冰期在710～720Ma前已经开始。在华南,尹崇玉等在湖南石门杨家坪剖面的华南系下统的渫水河组上部凝灰岩夹层中得到的5个锆石SHRIMPU-Pb年龄范围从(726±27)Ma到(788±23)Ma,加权平均为(758±23)Ma。他们又对青白口系上统老山崖组上部的凝灰岩层中12粒锆石进行SHRIMPU-Pb年龄测定,得到的范围在(756±26)Ma至(858±28)Ma之间,加权平均的年龄为(809±16)Ma。葛文春等对入侵三门街组但不穿过拱洞组的龙胜镁铁质侵入体进行单颗粒锆石的U-Pb定年,其中两个颗粒给出了一致年龄(761±8)Ma。加上马国干等得到的峡东莲沱组凝灰岩夹层测定的锆石SHRIMPU-Pb年龄为(748±12)Ma。因此,我们认为南华系底界的年龄显然应小于800Ma。南华系底界的年龄一方面取决于它的定义,即以什么原则来划定;另一方面取决于最早的冰期事件的年龄。不管对南华大冰期下冰如何取名,像华南代表性的下冰沉积地层单元——古城组、铁丝坳组、长安组和江口组都没有取得直接的同位素年龄数据。这些地层单元的对比在国内还存在不小的分歧,国际上相当于Sturtian冰期的相互对比也存分歧。原因是仅有的年龄数据分散,不少这一时期的冰期地层单元还没有可靠的年龄数据。在我国西北地区,Xu等给出的库鲁克塔革地区贝义西组下部火成岩的锆石U-Pb年龄为(755±15)Ma,从而限定了贝义西组的年龄要年轻于755Ma。而根据Xiao等的研究库鲁克塔革地区新元古界有三层杂砾岩,自下而上分别是贝义西—阿勒通沟组、特瑞爱肯组和汉格尔乔克组。通过地层学的研究,特瑞爱肯组和汉格尔乔克组分别相对于Marinoan冰期和后Marinoan冰期(即Gaskiers冰期)。由此可见,贝义西组是老于Marinoan冰期,应相当于Sturtian冰期。这也提出一个问题,Sturtian冰期的下限年龄难道在755Ma附近吗?Sturtian冰期会持续很长时间吗?上面发表的年龄数据给出,Sturtian冰期的年龄范围大致是760～670Ma。尽管国际上相当一部分人认为Sturtian冰期发生在大约720～710Ma,但是685Ma、755Ma和其他时段附近是否出现冰河?它们与Sturtian冰期究竟是什么关系?这些问题没有解决。我们认为国内古城冰期与长安冰期之争可能也属这种性质。这表明Marinoan冰期之前的新元古代冰期是复杂的,如果以Sturtian命名其性质远比Marinoan冰期复杂。2.3gask1s杂砾岩的年龄Bowring等在Newfoundland的Avalon半岛上Gaskiers组杂砾岩上部凝灰岩层测得的锆石U-Pb年龄是580Ma,其上出现后生生物化石的层位的年龄是575Ma,所以Gaskiers冰期的顶界为580Ma。他在2005年6月Halifax举行的NAPC会议上报告的Newfoundland的Gaskiers杂砾岩起始沉积的年龄为(583.3±0.5)Ma,结束的年龄是(582.1±0.4)Ma。此外,Bingen等利用挪威东南部的Hedmark群中Rendalen组中的碎屑锆石获得U-Pb年龄是(620±14)Ma。Rendalen组位于Moelv杂砾岩的下部,Moelv杂砾岩被认为相当于Gaskiers冰期地层,所以Gaskiers冰期一定小于620Ma。还有,Boston的Squantum冰碛岩年龄小于(596±2)Ma;法国北部Granvill组小于(584±4)Ma;Saxo-Thuringia地层中Windemere冰期杂砾岩的碎屑锆石年龄大约为570Ma;以及前面提到的澳大利亚一些原以为是Marinoan冰期沉积的地层的年龄都小于600Ma,这些都表明Gaskiers冰期在一些大陆确实存在,其年龄在580～590Ma。但是,在我国华南目前还没有发现任何可能的Gaskiers冰期的沉积记录,所以与前两次冰期不同Gaskiers冰期可能没有达到全球范围。3地层及热质考Marinoan冰期结束于(635±5)Ma。这与前面提到的Schaefer等和Calver等的看法矛盾。Schaefer等根据碳同位素的漂移将Aralka组与TapleyHill组对比,把Olympic组视为Marinoan冰期。在缺少沉积学、生物地层学的证据情况下,他们仅仅依靠不完整的碳同位素地层学资料对比是靠不住的。一般来讲,冰期后都会出现碳酸盐岩的碳同位素负漂移。但是,出现碳同位素负漂移不一定是冰期。仅根据碳同位素负漂移是造成他们地层对比的错位。况且,沉积相的不同也会造成同时期沉积的碳酸盐岩的碳同位素组成有所不同。凭碳同位素对比将Olympic组对应于Marinoan冰期是靠不住的。另外,Calver等人的地层对比也存在疑问。首先,塔斯马尼亚岛西北部的Kanunnah超群缺失帽碳酸盐岩,而KingIsland的Grassy群具有一定的帽碳酸盐岩。两处在地理位置接近,差别却那么大。两处的杂砾岩层是否能对比还是个问题。此外,该地区冰期后的岩石地层与其他大陆的Marinoan冰期后沉积的地层也有较大的差异。根据年代学数据,这两组杂砾岩的年龄都在580Ma左右,应对比于Gaskiers冰期。Zhang等人的文章对此也提出质疑。我国相当于Sturtian冰期的江口冰期可能发育着不只一次的冰(河)阶段。Zhang等认为华南从南到北(即从深水盆地至近岸)地层逐渐缺失,而且越来越严重(见表1)。Feng等通过对石门杨家坪剖面的渫水河组碎屑岩层序的研究表明,渫水河组与其上覆的古城组(东山峰组)和南沱组的冰成杂砾岩具有相似的CIA(化学蚀变指数)和CIW(化学风化指数)值,并依此认为渫水河组和南沱组、古城组的沉积岩在其源区具有相近的低等化学风化程度,所以渫水河组应该属于寒冷气候的产物,即冰期沉积记录的一部分。同样,在莲沱组上部红色砂岩的CIA值也属于低等化学风化程度,意味着冰期将至。由已发表的渫水河组上部、莲沱组顶部和大塘坡组底部的年龄数据来看,江口冰期持续了大约80～90Ma,与报道的Sturtian冰期年龄数据和分散程度相似。我们之所