晚元古代全球气候变化的重要特征是晚元古代冰期的发育, 有科学家提出“雪球地球”(Snowball Earth)的假说^[1-3]。该假说涉及晚元古代时期地球大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的演变, 试图揭示Rodinia超大陆裂解与晚前寒武纪全球环境、气候变化及生命发展之间的时间和空间关系, 是晚前寒武纪研究中亟待验证的关键科学问题^[4-8]。

我国塔里木板块发育世界罕见、中国唯一的晚元古代连续沉积剖面, 是开展“雪球地球”研究的理想地区。该区上元古界已划分出4次冰期沉积, 由下至上以贝义西组、特瑞爱肯组和阿勒通沟组、汉克尔乔克组为代表^[9-12]。这4个冰期的发育时代尚待进一步研究。徐备等^[13-15]通过对库鲁克塔格地区上元古界3层火山岩SHRIMP的定年结果, 将上述4个冰期限定在3个时间段内, 即740~725 Ma的贝义西期、725~615 Ma之间的阿勒通沟期和特瑞爱肯期以及615~542 Ma之间的汉格尔乔克期, 从而证明库鲁克塔格地区晚元古代至少有过4次独立的冰期。但是, 由于在冰碛岩上、下层位缺乏足够的可以直接限定冰期时代的火山岩层, 使得冰期的精确定年受到限制。在这种情况下, 利用冰碛岩中沉积岩的碎屑锆石年龄限定冰碛岩的形成时代, 推测冰期的发育时期, 不失为有效的冰期时代研究方法。

本文利用ICP-MS定年方法, 对采自特瑞艾肯冰碛岩顶部沉积岩中的碎屑锆石进行年龄分析, 并据此推定特瑞艾肯冰期的结束时间。

1 区域地质及地层层序

库鲁克塔格地区位于塔里木地块东北部, 区内上元古界分布广泛, 见于赛马山、辛格尔、兴地、西山口等地。上元古界不整合于中元古宙变质岩系之上, 并被寒武系平行不整合覆盖(图 1)。高振家等^[9]与曹仁关^[11]最早建立了上元古界的基本剖面, 自下而上划分为贝义西组、照壁山组、阿勒通沟组、黄洋沟组、特瑞爱肯组、扎莫克提组、育肯沟组、水泉组和汉格尔乔克组(图 2)。

贝义西组    底部和顶部为火山岩, 后者的SHRIMP定年结果为732±7 Ma, 中部以冰碛岩和砂砾岩沉积为主。

照壁山组    下部为石英砂岩、粉砂岩沉积, 上部以页岩、砂页互层沉积为主。

阿勒通沟组    主要为含冰碛岩建造的砂岩、粉砂岩和泥岩。

黄羊沟组    主要为以页岩、砂岩为主要组分的碎屑岩。

特瑞爱肯组    巨厚层冰碛岩(图 3(b)), 顶部为含小砾石的灰色粉砂岩(图 3(d))。其上连续沉积厚3~5 m的浅褐色白云岩, 即“盖帽碳酸盐”(图 3(a)中褐色岩层, 图 3(c))。

扎莫克提组    整合于特瑞爱肯组之上, 下部为巨厚复理石沉积(图 3(a)的上部), 发育鲍马序列; 上部为厚层火山岩, 其SHRIMP锆石U-Pb年龄为615±6 Ma^[14]。

育肯沟组    岩性较单一, 由灰绿色的粉砂质泥岩及泥页岩组成。

水泉组    以薄层状白云岩、灰岩沉积为主, 上部夹银灰色粉砂岩和泥岩, 顶部含厚数米的火山岩。

汉格尔乔克组    位于层序顶部, 为巨厚的浅褐色到灰绿色冰碛砾岩, 以厚约4 m的灰色“盖帽碳酸盐”结束。

上述层序中, 贝义西组、阿勒通沟组、特瑞爱肯组和汉格尔乔克组均为冰期沉积, 并分别被命名为贝义西冰期、阿勒通沟冰期、特瑞爱肯冰期和汉格尔乔克冰期^[11-12]。

2 样品采集和测试方法

样品62445为特瑞爱肯组巨厚冰碛岩顶部的灰色粉砂岩, 采样点的GPS地理坐标为41°27′02″N, 87°48′45″E。对样品采用常规方法进行破碎, 经浮选和磁选后, 再在双目显微镜下挑选出晶型和透明度较好的锆石颗粒制成样品靶。锆石样品靶的制备与SHRIMP定年锆石样品制备方法^[16]基本上相同。锆石的阴极发光(CL)显微照相(图 4)在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。

锆石LA-ICP-MS原位U-Pb同位素年龄分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7500c)与准分子激光剥蚀系统(COMPExPro102)联机, 激光器为ArF准分子激光器。激光剥蚀束斑直径为32 μm, 激光能量密度为10 J/cm², 剥蚀频率为5 Hz。实验中采用He作为剥蚀物质的载气, Ar为辅助气。锆石年龄计算采用标准锆石Plesovice (337 Ma)作为外标^[17], 标准锆石91500为监控盲样^[18]。元素含量采用国际标样NIST610作为外标, 对为内标元素进行校正。剥蚀样品前, 先进行15次激光脉冲的预剥蚀, 采集20秒的空白, 随后进行60秒的样品剥蚀, 剥蚀完成后进行2分钟的样品池冲洗。采样方式为单点剥蚀, 每完成5个测点的样品测定, 加测标样一次。在15个锆石样品点前、后各测2次NIST610。样品的同位素比值和元素含量数据处理采用GLITTER4.4.2程序计算, 普通铅校正使用Anderson^[19]2002年给出的程序计算, 加权平均年龄及谐和图的绘制使用Isoplot/Ex (3.0)^[20]完成。分析数据及锆石U-Pb谐和图误差为2σ, 95%的置信度。

3 测试结果

随机选取75颗锆石进行测试, 结果见表 1。13, 31, 68和72号锆石因误差大于10%, 因此不参加讨论。较年轻的3颗锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄分别为629±8 Ma (60号锆石)、645±8 Ma (46号锆石)和668±8 Ma (38号锆石), 另有两颗锆石的²⁰⁷Pb/²⁰⁶U年龄分别为1140±72 Ma (71号锆石)和1370±19 Ma (12号锆石), 其余66颗锆石形成3个点群, 分别为718~887 Ma (n=44, 峰值为807 Ma)、1822~2092 Ma (n=15)和2345~2613 Ma (n=7)。锆石年龄频率分布见图 5。

4 讨论

本研究样品中最年轻锆石年龄为629±8 Ma, 代表特瑞爱肯组冰碛岩的沉积上限, 即该冰期的结束时期。徐备等^[15]对贝义西组顶部火山岩的SHRIMP定年结果为732±7 Ma, 扎莫克提组上部厚层火山岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄为615±6 Ma^[14], 将阿勒通沟冰期和特瑞爱肯冰期的形成限定于725~615 Ma之间。本次碎屑锆石测定结果进一步将特瑞爱肯冰碛岩的结束时期限定为629±8 Ma之后和615±6 Ma之前, 为特瑞爱肯冰期的结束时代提供了进一步的年代学制约。

本文碎屑锆石年龄测定结果也为特瑞爱肯冰碛岩上限时代的对比提供了依据。关于这次冰期上限的研究结果是全球一致的, 如Hoffmann等^[21]从纳米比亚Ghaub冰碛岩顶部获得635.5±1.2 Ma的年龄, Condon等^[22]从我国三峡地区陡山沱组底部获得635.4±1.3 Ma的年龄, 储雪蕾等^[23]在江西上饶南沱组之上的火山灰层获得635.5±5.4 Ma的年龄, Yin等^[24]在湖北九曲脑剖面南沱组之上的火山灰层获得628.3±5.8 Ma的年龄。这些来自不同板块的年龄数据揭示以南沱冰碛岩和Ghaub冰碛岩为代表的冰期不仅是全球性的, 而且是同时结束的^[15]。本文获得特瑞爱肯冰期的结束时代为629±8 Ma之后, 说明冰期开始于此年龄之前, 这间接地表明塔里木板块的特瑞爱肯冰期可以大致与扬子板块的南沱冰期以及全球范围的Elatina冰期或Marinoan冰期进行对比。

测试样品中时代较老的3个点群代表碎屑锆石年龄分布的集中范围, 表明研究区碎屑来源主要为相应的3个时期岩浆岩的剥蚀, 也暗示了库鲁克塔格地区的主要岩浆活动时期。这与已有的研究一致, 例如Shu等^[25]和Zhang等^[26]均指出塔里木板块东缘存在2.36~2.55 Ga, 1.80~2.02 Ga和0.80 Ga的3次岩浆事件。

5 结论

取自特瑞爱肯冰碛岩组顶部沉积岩中最年轻锆石的年龄为629±8 Ma, 代表其沉积时代上限。该年龄限定了特瑞爱肯冰期的结束时代, 并可与扬子板块的南沱冰期以及全球范围的Elatina冰期或Marinoan冰期相对比。样品中较老锆石年龄的3个点群分别为718~887 Ma, 1822~2092 Ma和2345~2613 Ma, 揭示了库鲁克塔格地区前寒武纪的主要岩浆活动时期。