華北地臺的形成與演化

華北地臺的形成與演化

中國北方的克拉通（可簡稱華北地臺）從一個不為人所知的“中古代”中解放出來，放棄了層不是自己的特色，更明確地揭示了自己的內(nèi)在品質(zhì)。按另文《中朝古陸解體及重新厘定的華北克拉通》所描述的諸多特征,以及與其相鄰地體的比較,人們已清楚地看到華北克拉通是中國版圖內(nèi)獨(dú)具特色的大地構(gòu)造單元。它既不同于新建立的華泰克拉通,也明顯有別于南方的揚(yáng)子地臺和西部的塔里木地臺。為了追溯華北地臺的形成和演化歷程,必須擴(kuò)大視野,將全球作為一個整體,在世界范圍內(nèi)尋找與其類同的地體,只有如此才能查清華北地臺的來龍去脈。經(jīng)過研究和探索,發(fā)現(xiàn)全球至少有2個規(guī)模更大的克拉通可以與之對比,一個是安加拉克拉通,又稱西伯利亞地臺,另一個是北美的加拿大地盾,又稱勞倫古陸。為了在全球構(gòu)造中正確地為華北地臺定位,本文將就華北地臺與西伯利亞地臺、加拿大地盾之間的關(guān)系,進(jìn)行深入的對比,并全面揭示其演化歷程。1地質(zhì)dna的發(fā)現(xiàn)眾所周知,生物學(xué)領(lǐng)域中的遺傳基因(DNA)是鑒別不同個體是否存在血緣關(guān)系的有效手段。同樣,一個古老的陸殼塊體也有許多原生的標(biāo)志,在母體分裂解體和漂離之后被保留在離散的子體之中。筆者將這些獨(dú)特的標(biāo)志稱為地質(zhì)DNA,可以以此為依據(jù)追尋散布世界各地的克拉通碎塊,復(fù)原其母體的規(guī)模、輪廓和古地理位置。這是當(dāng)前地球動力學(xué)研究的重要課題之一。現(xiàn)將當(dāng)前國內(nèi)外常用的方法簡介如下。1.1地層組合和巖相發(fā)生于地史時期的任何重要地質(zhì)事件,毫無疑問都將在作為地質(zhì)編年史的地層學(xué)中留下遺跡。如果在此項研究中,再配合近年所產(chǎn)生的精確的定年方法,那將使成果更加確切或可信。地層學(xué)的方法在時間上具有連續(xù)性的特點,只要地層連續(xù)就不會在時間上留下空白。當(dāng)前,不同地質(zhì)體之間是否具有親緣關(guān)系,首選的鑒別方法仍然是地層對比和年代學(xué)成果的對比。地層對比中,以古生物群落的對比最為重要。古生物群落既具有時間上的限定性,又具有空間即地理上的限定性。地層對比中的另一個重要手段是特征性巖石組合和巖相的對比。本文經(jīng)常采用的有:瀝青質(zhì)白云巖,冰磧巖,含有U、V、Ni、Co、P等組分的炭質(zhì)頁巖,同生的層控含礦層,紅層,藻礁及疊層石灰?guī)r(即中國的渦卷狀灰?guī)r),竹頁狀灰?guī)r,濁積巖等。這些極富特征性的層位同樣具有時間上和空間上的限定性,而且觀察時異常醒目、難忘?，F(xiàn)今,地層學(xué)的對比大多用于克拉通初始蓋層的相互比較。1.2克拉通結(jié)晶基底的變質(zhì)巖漿巖組合巖漿活動是巖石圈中熱事件的產(chǎn)物,包括深部的巖基、中-淺部位的侵入巖體和噴出地面的火山巖系。按照巖石組分和巖漿源,可分為幔源、殼源和二者的混合等類型。根據(jù)巖漿活動的成因,又可以區(qū)分為造山型和非造山型。所有這些活動在空間上都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)?；蚍秶?而且在時間上具有一個特定的時限。如今在鑒別不同克拉通是否存在類似的熱事件時,常用的巖漿巖組合主要有:新太古代結(jié)晶基底中的英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖巖套(又稱TTG巖石)、新太古代與古元古代之間的TTGG巖套、新太古代的綠巖帶、結(jié)晶基底固結(jié)后形成的輝綠巖巖墻群、AMCG巖套(斜長巖-紋長二長巖-紫蘇花崗巖-環(huán)斑花崗巖)、花崗巖-流紋巖套、雙模式火山巖套、堿性巖套、金伯利巖等。巖石的變質(zhì)、變形通常與地球的熱動力條件有關(guān),其產(chǎn)出幾乎遍及所有克拉通的結(jié)晶基底,以及后期的造山帶和裂谷帶。單純的熱變質(zhì)和單純的動力變質(zhì)因產(chǎn)出局限,不具有重要的對比意義。而熱動力變質(zhì)即所謂的區(qū)域變質(zhì)往往涉及范圍巨大,在時間上具有明確的跨度。按成因的壓力類型,區(qū)域變質(zhì)首先被分為高壓變質(zhì)和低壓變質(zhì)2個相系。在造山帶中,這2個相系平行并成對產(chǎn)出,人們稱之為雙變質(zhì)帶。不同地體和克拉通之間變質(zhì)、變形的對比中,最重要的是其時限、期次、原巖的組合及性質(zhì)、變質(zhì)類型及其變質(zhì)程度。1.3大型克拉通的構(gòu)造格局和構(gòu)造環(huán)境全球性的重大構(gòu)造事件通常是指聯(lián)合古陸的聚集和成長,古陸的分裂解體,大型洋盆的形成及陸緣帶的板塊俯沖,洋盆的封閉等。這些事件所留下的遺跡就是人們現(xiàn)在看到的分布于世界各處的造山帶、裂谷帶和大型的走滑斷層。在追蹤和復(fù)原這些事件的研究中,首要的是確定各克拉通或地體固結(jié)的時限。為此,除了要對結(jié)晶基底或褶皺基底進(jìn)行精確定年之外,還要十分注意超覆巖系下部初始地臺型蓋層的建造性質(zhì)和時代。可以說,此二者之間的不整合面及其所限定的時段,將構(gòu)成該克拉通或地體具有標(biāo)志性的特征。在判斷不同克拉通是否具有淵源關(guān)系時,如果在這一點上存有重大差異,那就可以肯定它們不具有同一母體。就一些大型克拉通而言,構(gòu)造格局和地體構(gòu)成往往具有重要意義。加拿大地盾由7個古老陸殼塊體集合而成,各塊體間被古元古代碰撞型造山帶焊接在一起。西伯利亞地臺由5個相互分隔的陸殼塊體組成,古元古代介于各塊體間的洋盆陸續(xù)封閉,1.9~1.8Ga由Akitkan造山帶的焊合使西伯利亞成為一個整體。中國的華北地臺同樣是由燕遼陸塊、蒙陜陸塊及其間的晉冀縱向造山帶聚合而成的。顯而易見,構(gòu)造格局確定之后將更有助于各大陸的對比。造山帶的研究,對于復(fù)原全球性重大構(gòu)造事件具有重要意義。Rodinia超級大陸概念的形成,就是源于對Grenville期造山帶或構(gòu)造活動帶(1.3~1.0Ga)的確認(rèn),并以它為鏈條將一些陸塊匯集在一起的。造山帶無例外地均形成于擠壓型的聚斂環(huán)境,它往往導(dǎo)致洋盆的封閉和不同陸殼塊體的對接。裂谷帶則恰恰相反,它多形成于引張型的伸展環(huán)境,并經(jīng)常導(dǎo)致古陸的分裂解體和新洋盆的生成。應(yīng)該特別注意,不少具有裂谷性質(zhì)的坳拉槽最終并未引起古陸的分裂,也無新洋盆的形成。不論是造山帶還是裂谷帶,都屬于重大構(gòu)造事件的范疇,其延伸范圍巨大,在時間上也有一定的跨度?，F(xiàn)今,人們在世界各地所見到的造山帶和裂谷帶大多是其原生體的某些片斷。例如,中國的祁連山脈是一早古生代造山帶,長約1200km,它東起天水附近,西至當(dāng)今山口為阿爾金斷裂所截斷,在新疆和中亞再也見不到其蹤跡。所以,造山帶和裂谷帶同樣存在其原生體的復(fù)原問題。大型走滑斷層是全球構(gòu)造中不可忽視的重要地質(zhì)現(xiàn)象,它經(jīng)常構(gòu)成不同大地構(gòu)造單元之間的邊界。例如,北美內(nèi)陸地臺與落基山帶之間的路易斯斷層,中國華北克拉通與華泰克拉通之間的樺甸-開封、新鄉(xiāng)-寶雞等斷裂。據(jù)研究,縫合西岡瓦納大陸的所有活動帶,都含有形成于克拉通聚斂晚期的巨大剪切帶。大陸內(nèi)部一些剪切帶的相互關(guān)系表明,它們對大地構(gòu)造逃逸過程和年輕的熱地殼與冷卻而堅硬的克拉通之間的調(diào)整具有重要意義。1.4文創(chuàng)重建的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前,在追蹤世界各克拉通的淵源關(guān)系方面,古地磁學(xué)是唯一采用物理學(xué)手段并能直接提供出重要約束性條件的方法。由于古地磁的研究確實能為任何超級大陸的存在及復(fù)原提供確切的證據(jù),故而備受地質(zhì)學(xué)家們的重視。然而也應(yīng)當(dāng)看到,由于自身的某些局限性,其成果也具有諸多的不確定性。首先,古地磁只能提供出測試點的古緯度信息,對于經(jīng)度則無法控制。其次是其極性的不確定性,例如,它給出某測試點位于高緯度地區(qū),但不能確定是靠近北極還是南極,中緯度區(qū)亦然如此,即不知是南半球還是北半球。因此,地質(zhì)學(xué)家應(yīng)用這些成果時受到許多限制。此外,古地磁成果尚有3種屬于方法方面的不確定性。其一是與古地磁數(shù)據(jù)有關(guān)的實驗方面的不確定性,地質(zhì)學(xué)家要求的是原始磁化,為此必須將初始的磁化與后期的磁化嚴(yán)格地區(qū)分開來,這是一項有相當(dāng)難度的過程。其二是與古地極年代有關(guān)的不確定性,古地磁測試必須與精確的年代測定同步進(jìn)行,要求年代誤差越小越好,最大不能超過100Ma。其三是與構(gòu)造校正有關(guān)的不確定性。這些不確定的因素具有累進(jìn)的特點,可謂失之分毫差之千里?；谝陨侠碛?對過去已出版的古地磁成果,在使用時必須進(jìn)行其可信性的評估。以上列舉了地質(zhì)DNA的地層學(xué)和年代學(xué)、巖漿活動和變質(zhì)作用、重大構(gòu)造事件、古地磁學(xué)等方面的基本內(nèi)容。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào),這些要素不宜獨(dú)立地使用,而應(yīng)該全盤考慮,缺一不可。不同克拉通之間具有淵源關(guān)系的正確結(jié)論,只有在所有要素一致的條件下才能得出。這也正是本文立論的基礎(chǔ)。2美、日、pb法綠巖帶的基本特征西伯利亞地臺是歐亞大陸最大的構(gòu)造單元,其主體位于葉尼塞河和維爾霍揚(yáng)山脈之間的廣大地域。太古宙和古元古代的結(jié)晶基底主要出露于阿納巴爾和阿爾丹2個地盾區(qū),以及貝加爾、東薩彥嶺、葉尼塞-下安加拉等地。其中的阿爾丹地盾和斯塔諾夫地塊均位于地臺南部,直接面對著中國華北(圖1)。阿爾丹地盾的整體走向為EW向,西段轉(zhuǎn)為NE向。然而地盾內(nèi)部各類巖石組合的走向卻呈SN向。阿爾丹地盾由西向東被劃分為4個呈南北走向的塊體,依次為恰拉-奧廖克馬、中央阿爾丹、季木托-烏丘爾、巴托木格。地盾所屬各塊體均由2套巖石構(gòu)成,即古—中太古代含麻粒巖的花崗片麻巖基底和新太古代的綠巖帶。花崗片麻巖基底由高硅鋁片麻巖、各種結(jié)晶片巖、紫蘇片麻巖、紫蘇花崗巖、麻粒巖等組成,總稱灰色片麻巖類。其年齡時限主要為3.2~3.3Ga,最老的達(dá)4.0Ga,最新的為2.6Ga,俄國地質(zhì)學(xué)家稱之為茵格爾巖系或阿爾丹群。綠巖帶分布于地盾的中、西部和斯塔諾夫山脈的中段,計有30余條,寬3~15km,長數(shù)十千米,有時達(dá)100~150km。綠巖帶由變質(zhì)火山巖組成,另有少量沉積巖夾層,包括變質(zhì)砂巖、黑云片巖、含鐵石英巖、大理巖、變質(zhì)礫巖等。綠巖帶的年齡時限有2組數(shù)據(jù),一組為2100~2600Ma,另一組為2820~2960Ma,后者是奧隆金綠巖帶的U-Pb法數(shù)據(jù)。綠巖的時代應(yīng)屬新太古代。地盾結(jié)晶基底中的古元古代地層由變質(zhì)火山-沉積巖構(gòu)成,稱烏古依群或烏多坎群,它們僅分布在地盾的東西兩端,而數(shù)量遠(yuǎn)不及太古宙。烏多坎群的組成巖石主要為碎屑巖、白云巖、鐵質(zhì)綠泥片巖、泥質(zhì)板巖等,部分地域曾受到藍(lán)晶石-夕線石相變質(zhì)作用。其中碎屑巖系的最大特點是組分的單一性,大部分為高成熟度的石英砂巖。烏多坎群以直接的不整合關(guān)系覆于結(jié)晶的太古宇之上,最厚可達(dá)10000~12000m。烏多坎群的上限年齡為1850~1950Ma,侵入其中的奧長環(huán)斑花崗巖的年齡為2000Ma,故而該群的時代已被可靠地確定為古元古代。將阿爾丹地盾的結(jié)晶基底與中國華北加以對比,顯而易見,茵格爾巖系相當(dāng)于中國的曹莊巖組和遷西群;西伯利亞的綠巖帶則相當(dāng)于中國的遵化和澗溝河的綠巖;阿爾丹地盾區(qū)的烏多坎群,其時代、層位關(guān)系、巖石組合等均酷似華北的滹沱群。以角度不整合覆于結(jié)晶基底之上的中—新元古代沉積蓋層,是西伯利亞地臺頗具標(biāo)志性的特征之一。這套蓋層在俄羅斯被稱為里菲系和文德系,已有的同位素年齡數(shù)據(jù)表明其時限在1700~570Ma之間。當(dāng)時整個西伯利亞除地盾區(qū)高出海平面外,大部分地域被淺海所覆蓋,形成的沉積物自下而上被分為烏丘爾群、阿依姆昌群、凱彼爾群、拉汗達(dá)群、烏依群、尤多馬群等,總厚達(dá)14000m,其中以地臺的東南緣出露最完整。下里菲系的烏丘爾群由粗砂巖、白云巖、粉砂巖等組成,其中海綠石的年齡為1520~1360Ma,頂部尚含有疊層石。烏丘爾群中時代最晚的碎屑鋯石年齡為1725Ma。中里菲系的阿依姆昌群,其自身構(gòu)成一個完整的沉積旋回,下部由潮緣相碎屑巖組成,上部則由潮下碳酸鹽巖組成。該群下部海綠石的K-Ar年齡為1210~1230Ma。上里菲系的凱彼爾群構(gòu)成另一個海進(jìn)旋回,組成巖石主要為粗砂巖、砂巖、粉砂巖、頁巖、灰?guī)r、白云巖等,后二者中常含瀝青質(zhì)。砂巖中海綠石的K-Ar年齡介于1170~860Ma之間;中部的瑪勒金組(MalginaF.)灰?guī)r中最新一個Pb-Pb年齡數(shù)據(jù)為1043Ma±14Ma。覆于凱彼爾群之上的拉汗達(dá)群,由下部的硅質(zhì)碎屑巖-碳酸鹽巖和上部的石灰?guī)r、白云巖組成,后者明顯地形成于潮下帶上部的沉積環(huán)境。該群的海綠石K-Ar年齡多在970~870Ma之間,下部的涅柳延組(NeryuenF.)中含有瀝青質(zhì)灰?guī)r,其Pb-Pb年齡為1025Ma±40Ma。據(jù)報道,侵入于拉汗達(dá)群上部層位的鎂鐵質(zhì)巖床,其斜鋯石的U-Pb年齡為974Ma±7Ma,可視為該群的上限年齡。整合覆于拉汗達(dá)群之上的是上里菲期的最上部層位的烏依群(UyGroup),主要由碎屑巖組成,向上粉砂質(zhì)和泥質(zhì)的比率增高,侵入于烏依群的鎂鐵質(zhì)巖床中的斜鋯石U-Pb年齡為1005Ma±4Ma;沉積巖全巖Sm-Nd年齡為942Ma±19Ma;據(jù)此推測烏依群沉積的時代上限應(yīng)為942Ma。烏依群的上部被尤多馬群不整合覆蓋,后者屬文德期,其下限通常被確定為645Ma。西伯利亞地臺的里菲期蓋層中有幾個關(guān)鍵性的層位是不能忽視的。其一,烏丘爾群及其相當(dāng)層位中,含有鐵礦層或含鐵地層;中里菲期地層的底部見有錳礦層或含錳地層。其二,瀝青質(zhì)灰?guī)r和白云巖主要見于中、上里菲系中。其三,富含疊層石的層位主要賦存于中里菲期地層中,但也見于烏丘爾群上部和上里菲期的朱亞組(ZhuyaF.)中。此外,在阿爾丹地盾的東端及南側(cè)出露近10處里菲期板內(nèi)型巖漿巖體,其中包括超基性-堿性巖體、基性巖體、碳酸巖體等(圖1)。過去,中國地質(zhì)學(xué)家在確定華北與西伯利亞中、新元古界的關(guān)系時,常將里菲期上、中、下3套地層分別對應(yīng)于青白口系、薊縣系、長城系。筆者不贊成如此籠統(tǒng)的對比,實際上能與長城系對比的只有烏丘爾群,可與青白口系對比的也只有里菲系頂部的烏依群,其余的阿依姆昌、凱彼爾、拉汗達(dá)3個群均相當(dāng)于華北的薊縣系。不整合于里菲系之上的是文德系尤多馬群,后者之上常以假整合關(guān)系覆以寒武系。西伯利亞地臺的尤多馬群、下寒武統(tǒng)廣泛分布于阿納巴爾地盾周邊和阿爾丹地盾北側(cè)的廣大地域。尤多馬群含眾多的花紋石,屬埃迪卡拉動物群的分子,但卻不見有冰磧層的記錄。西伯利亞的下寒武統(tǒng)被劃分為托莫特(Tommotian)和阿特達(dá)班(Atdabanian)2個階,前者屬前三葉蟲帶,后者含三葉蟲Profallotaspis和Fallotaspis。西伯利亞地臺寒武系的另一重要特點是,中寒武世的礁灰?guī)r和瀝青頁巖(油頁巖層),并有膏鹽及有機(jī)質(zhì)沉積。將西伯利亞地臺與華北地臺加以比較,發(fā)現(xiàn)二者具有多方面的一致性特點。(1)華北地臺北部與西伯利亞地臺南部的阿爾丹地盾,都有最古老的結(jié)晶巖系出露,它們均由麻粒巖、片麻巖的基底巖系和花崗巖-綠巖構(gòu)成,其原巖組合、變質(zhì)程度、時代等皆相類似。2個地臺的形成和最終固結(jié)也均在1.7~2.0Ga之間。前已述及,阿爾丹地盾的整體走向為EW向,但其基底巖系則為SN向。華北地臺北緣古老基底出露區(qū)的陰山和燕山山脈的走向也是EW向的,而基底巖系同樣多呈SN向。這一特點表明,二者的古老基底都曾被后期斷層幾乎垂直截斷。劉長安等在1979年就曾注意到,西伯利亞地臺南緣的邊緣形態(tài)與華北地臺北緣是一致的,若將二者拼接在一起可謂“天衣無縫”。(2)華北地臺北緣存在有以白云鄂博群、渣爾泰山群和一系列基性或堿性巖體為標(biāo)志的古裂古帶。西伯利亞地臺南緣同樣有一古裂古帶,其主要遺跡是:沿斯塔諾夫山脈發(fā)育一系列近EW向的斷裂;西起穆亞,東至馬亞河上游,斷續(xù)產(chǎn)有板內(nèi)型超鎂鐵—鎂鐵巖、堿性巖,局部尚有碳酸巖;馬亞河上游出露里菲期澙湖相和淺海相裂谷型沉積,夾堿性火山巖。這2條裂谷帶的斷陷、沉積和相伴的深成巖漿作用在時間上是一致的。所以有理由判斷,它們原來就是一條裂谷。(3)西伯利亞地臺超覆組合的下部巖系,即中—新元古代的蓋層沉積同華北地臺驚人地相似。長城系的常州溝組和大紅峪組中產(chǎn)有高成熟度的石英砂巖,里菲系的下部巖系同樣產(chǎn)有厚層、分選良好、單一組分的高成熟度石英砂巖。貝加爾湖以北與烏丘爾群相當(dāng)?shù)腡eptogora群中,含有鐵礦層,中國的長城系也有含鐵層位,并形成著名的宣龍式赤鐵礦床。阿爾丹地盾東段的烏丘爾河和馬亞河流域,一套產(chǎn)狀平緩甚至近于水平的地層以角度不整合覆于結(jié)晶基底之上,蓋層下部夾有火山巖,其K-Ar年齡為1615~1850Ma,與華北長城系大紅峪組火山巖用相同方法測定的年齡值(1677Ma)完全一致。長城系的高于莊組有含錳頁巖、含錳白云巖,局部可形成錳礦層,西伯利亞地臺邊部中里菲期地層的底部也存在錳礦層或含錳層位。華北地臺的薊縣系霧迷山組中含有炭質(zhì)及瀝青質(zhì)白云巖,西伯利亞地臺南部及東南部的凱彼爾群瑪勒金組和拉汗達(dá)群涅柳延組中也含有類似的瀝青質(zhì)灰?guī)r或白云巖。華北與西伯利亞2個地臺的這些具有標(biāo)志性的層位出現(xiàn)一致性的特點,讓人相信當(dāng)時它們很可能是同一個古陸。(4)古地磁學(xué)研究表明,華北地臺的長城系和薊縣系沉積時地處中、低緯度區(qū),這與同期西伯利亞地臺的古緯度大體一致。令人遺憾的是,迄今華北仍缺乏具有可信精度的中—新元古代古地磁資料,所以無法與西伯利亞進(jìn)行此領(lǐng)域的深入對比。據(jù)Pisarevsky等的研究,西伯利亞地臺與勞倫古陸1015~1000Ma之間的極移路線顯著地一致,并由此確信當(dāng)時2個古陸為同一整體。李春昱教授25年前在亞洲大地構(gòu)造圖編圖組的一次討論會上的一段講話至今令人難忘。他說:“長城系和薊縣系在很早以前都被稱為‘震旦系’,這是1874年首先由李?；舴颐?。1904年美國地質(zhì)學(xué)家維理士和1931~1934年中國地質(zhì)學(xué)家高振西又作了進(jìn)一步的研究和劃分。這些成果在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初期在國際地學(xué)界產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)挠绊憽：髞?俄羅斯地質(zhì)學(xué)家調(diào)查西伯利亞時,將地臺蓋層中的相當(dāng)層位也稱之為‘震旦系’,這個名稱一直被沿用到20世紀(jì)中期,后來才改用里菲一詞。由此看來,華北地臺的這套原稱為‘震旦系’的蓋層,確有與西伯利亞的同期地層相類似之處”。李春昱教授的這段話,對于后來筆者等決心將這2套地層進(jìn)行深入對比,并進(jìn)而對2個地臺在元古宙曾是一個整體的概念的建立,有重要的啟示。在關(guān)注華北與西伯利亞2個地臺的諸多共同點之后,還應(yīng)注意到它們之間的差異,尤其重視二者產(chǎn)生差異的起始時間。西伯利亞地臺下寒武統(tǒng)的阿特達(dá)班階出現(xiàn)三葉蟲Profallotaspis和Fallotaspis,在華北地臺迄今未發(fā)現(xiàn)此類三葉蟲。西伯利亞地臺中寒武統(tǒng)的重要特點是存在礁灰?guī)r和油頁巖層,而華北的同期地層中卻從未發(fā)現(xiàn)有油頁巖。中、上寒武統(tǒng)的三葉蟲帶化石,華北與西伯利亞兩地也完全不同。以上情況表明,華北與西伯利亞2個地臺在600Ma之前具有多方面的相似性,然而到寒武紀(jì)二者所處的地質(zhì)環(huán)境和繁殖的生物種群卻已出現(xiàn)明顯的差異。據(jù)研究,華北與西伯利亞之間的地域,發(fā)現(xiàn)有600Ma及更晚期的蛇綠巖套,它標(biāo)志在古生代時2個克拉通之間已形成為大洋所分隔的古地理格局。3加拿大的前3.5ga構(gòu)造加拿大地盾是北美大陸最古老的核心,其南側(cè)和西側(cè)是北美的內(nèi)陸地臺(interiorplatform)。地盾和地臺的周邊為造山帶所環(huán)繞,東南側(cè)為古生代的阿巴拉契亞造山帶,西側(cè)為中生代—近紀(jì)的科迪勒拉造山帶,北側(cè)尚有茵紐特古生代造山帶(圖2)。加拿大地盾由7個太古宙原生陸殼塊體組成,它們分別被命名為:上湖、懷俄明、大奴、瑞伊(Rae)、赫阿奈(Hearne)、納茵(Nain)和布維爾(Burwell)。已知其中的上湖、大奴、納茵3個陸塊均含有少量前3.5Ga的古老地殼。屬于納茵陸塊的格陵蘭西南海岸的依蘇阿地區(qū),發(fā)現(xiàn)有被認(rèn)為世界最古老的表殼巖,它被3760Ma±70Ma的正片麻巖侵入。然而,這些陸塊的主體部分都由2.6~2.8Ga的原生地殼構(gòu)成。上述7個太古宙陸殼塊體之間,通常被古元古代的碰撞型造山帶所分隔,并發(fā)現(xiàn)有年齡為2.0Ga的蛇綠巖帶。此類造山帶的特征性標(biāo)志是:被動陸緣沉積物的變形,前陸逆沖褶皺帶的形成,陸緣安地斯型巖漿弧的產(chǎn)生,陸塊基底巖石的再度活化,剪切帶的發(fā)育等。加拿大地盾各古老陸殼塊體的碰撞與拼接,大多發(fā)生于2000~1780Ma之間。基于對比的需要,筆者將注意力集中于2個方面:其一是地盾結(jié)晶基底的組成和性質(zhì),其二是地盾及周邊地域的蓋層,尤其關(guān)注中、新元古界和下古生界。在探討這些問題時,筆者最感興趣的是面向太平洋一側(cè)的北美洲的中、西部地區(qū)。3.1加拿大地盾的巖石學(xué)特征加拿大地盾的各陸殼塊體均由相當(dāng)龐大的太古宙雜巖體構(gòu)成,習(xí)慣上統(tǒng)稱基瓦丁系。其巖石組成主要有3套:一為中、基性火山巖和長英質(zhì)火山碎屑巖;二為沉積巖,包括碧玉條帶狀含鐵建造;三為鎂鐵質(zhì)和長英質(zhì)侵入巖。這些巖石組合曾受到不同程度的變質(zhì)作用,有的達(dá)角閃巖相,個別的可達(dá)麻粒巖相,一般為綠片巖相,也有未變質(zhì)的。近20年來,人們常以“綠巖帶”來表述,稱之為花崗巖-綠巖-片麻巖(±麻粒巖)地體。上湖陸塊具有保存完整的綠巖帶,自下而上為:玄武巖流、安山巖流,中間夾火山碎屑巖層,頂部為流紋巖及同性火山碎屑巖。火山噴發(fā)的間隙期有正常的沉積巖系形成。綠巖帶中各巖類常保存原始構(gòu)造,如火山成因的枕狀構(gòu)造、冷凝邊、杏仁狀構(gòu)造、流紋構(gòu)造,沉積巖中則保留有層理、交錯層理、波痕、濁積層理、海底滑動揉皺等(1)。必須指出,組成加拿大地盾的所有太古宙的巖石系列,在2.8~2.6Ga之間都受到強(qiáng)應(yīng)力變形,同時伴隨深成巖漿活動和變質(zhì)作用。北美洲的太古宙原生地殼約占前寒武紀(jì)地盾的84%,其余的16%主要為古元古代的初生地殼。加拿大地盾的初生地殼,大多分布于上述7個陸殼塊體之間的地域及地盾周邊(圖3)。人們推測,北美內(nèi)陸地臺區(qū)潛伏于蓋層之下的仍是古元古代初生地殼。作為加拿大地盾結(jié)晶基底的組成部分,古元古代地層被命名為阿非賓(Aphebian)系,它與下伏的太古宙地層之間呈明顯的不整合接觸。阿非賓系的巖石組成主要為礫巖、長石砂巖、硬砂巖、石英巖、灰?guī)r、白云巖、頁巖、燧石角礫巖、含鐵建造等,以及這些巖石的變質(zhì)產(chǎn)物。該系的上部和下部有時夾中基性火山巖層。在橫貫哈德孫初生地體(Trans-Hudsonjuvenileterranes)中,這套地層稱為休倫超群,它西起蘇圣瑪麗,向東北延伸至魁北克的奧蒂什山,全長1000km以上,最寬達(dá)70km(1)。橫貫哈德孫初生地體的造山U-Pb年齡為1910~1790Ma,休倫超群的沉積時代主要為2500~2160Ma。上湖西北岸的阿非賓系稱安尼米克(Animikie)群,其分布東起勞恩湖,向西南延伸至美國的明尼蘇達(dá)州,全長達(dá)500km。該群賦存世界聞名的加拿大上湖型碧玉條帶狀鐵礦床和美國的米薩比礦帶。加拿大地盾及其邊緣出露的太古宙原生地殼和古元古代初生地殼,在巖石組合、巖性、層序、形成時代、變質(zhì)程度、所含礦產(chǎn)等各方面,均可與中國的華北地臺對比。前者與華北的曹莊巖組、遷西巖群、五臺群等相當(dāng),后者則與滹沱群、甘陶河群、朱杖子群類似。尤其應(yīng)當(dāng)指出的是,華北地臺古元古界中含有的疊層石組合,與加拿大的阿非賓系、美國的安尼米克群相類似并可對比。3.2加拿大的層群t加拿大地盾及其西、南兩側(cè)的內(nèi)陸地臺,自固結(jié)和聚合之后曾長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。所以,其地臺型蓋層從1.8Ga前后開始,一直持續(xù)到中生代。筆者感興趣的只是其中的一部分地層,即中、新元古界和下古生界。北美的中、新元古界通常被劃分為A、B、C3個層群。層群A的時限為1700~1200Ma,層群B為1200~770Ma,層群C為770~570Ma。與中國華北相應(yīng)的地層比較,層群A相當(dāng)于長城系和薊縣系下部;層群B相當(dāng)于薊縣系上部和青白口系;層群C則相當(dāng)于南華系和震旦系。加拿大的層群A分布在6個地區(qū),其中的阿薩巴斯卡盆地、塞隆盆地和大熊湖-科珀曼3個地區(qū),層群A以明顯的不整合關(guān)系超覆于地盾結(jié)晶基底之上,屬于蓋層沉積。層群B分布于落基山脈北段和馬更些地臺區(qū)。層群C連續(xù)分布在科迪勒拉山系東北側(cè)的落基山脈中,它與北美地臺之間隔以巨大的邊界斷裂(圖4)。從3個層群的空間分布不難發(fā)現(xiàn),在地盾區(qū)的結(jié)晶基底之上只有層群A,而不見有層群C;在落基山區(qū)只見有作為褶皺基底的層群A,而不存在蓋層的層群A,而層群C卻連綿不斷。3.2.1疊層石礁體上層序?qū)尤篈形成于中元古代,是擬與華北地臺以薊縣剖面為代表的長城系和薊縣系進(jìn)行對比的地層,故而十分重要。由于出露地域不同,此層群有各種地方性名稱。加拿大地盾西北部大熊湖區(qū)的達(dá)克盆地的中元古界稱埃普渥思(Epworth)群,科珀曼附近的同期地層稱赫恩拜灣-迪斯馬爾湖(HornbyBayDismalLakes)群。埃普渥思群被劃分為5個地層組,自下而上敘述如下(1)。(1)奧季克組(OdjickFm.):厚約1500m,不整合于太古宙結(jié)晶基底之上,主要由河流三角洲相碎屑巖,即中厚層石英砂巖構(gòu)成,有些地區(qū)尚含有白云巖、鈣質(zhì)頁巖等,常見交錯層理和波痕。其特點頗類似于中國長城系的常州溝組。(2)洛克尼斯特組(RocknestFm.):厚達(dá)1000m,整合覆于奧季克組之上,由淺灰色白云巖,夾磚紅色白云巖,向上則含有團(tuán)塊狀硅質(zhì)白云巖,含泥或含砂白云巖、頁巖等組成,常見沉積韻律。上部疊層石礁體發(fā)育,主要有Pseudogymnosolenf.,Scyphusf.,Colleniaf.,Straticolumna,Omachtoniaf.,Stratiforaf.,Colonnella等,向上疊層石個體甚大,有Baicaliaf.,Tungusiaf.等。與華北的楊莊組和霧迷山組十分相似,屬淺海沉積。(3)麗克魯斯組(RecluseFm.):厚約1500m,整合于洛克尼斯特組之上,為深水沉積,以黑色、暗灰色薄層砂巖、頁巖互層為主,夾粉砂巖、灰?guī)r透鏡體,局部具有硬砂巖或含礫硬砂巖。(4)柯利斯湖組(CowlesLakeFm.):厚約1000m,層紋狀泥質(zhì)灰?guī)r,常見同生小褶皺。(5)達(dá)克約克組(TakiyuakFm.):厚約800m,為陸相紅色砂巖,含鹽晶粒和石膏。本組為輝綠巖床所侵入,巖床年齡為1200Ma。赫恩拜灣-迪斯馬爾湖群不整合覆于古元古代(Aphebian期)的深成巖、火山巖和沉積巖之上。該群的沉積始于1660Ma之前,科珀曼玄武巖噴發(fā)期1270Ma前結(jié)束?，F(xiàn)按自下而上的順序簡述如下。赫恩拜灣群:厚2000m,底部為礫巖,其上為白色和淺灰色石英砂巖,交錯層理和波痕均很發(fā)育,頂部為疊層石白云巖和厚層白云巖。含有:Col-leniaf.,Paraconophytonf.,Collonnellaf.,Kussiellaf.等化石。迪斯馬爾湖群:厚度在1000m以上,整合或假整合于赫恩拜灣群之上,主要沉積在面向北或西北的陸棚區(qū),組成巖石1/3的為河流相石英質(zhì)碎屑巖,其上主要為海相碳酸鹽層。頂部有1層礁體白云巖,含:Conophytonf.,Pseudoconophytonf.,OculovoidesLiangetTsao等化石。加拿大大熊湖區(qū)中元古界的分布,僅限于里阿得線(LiardLine)與諾曼堡(FortNorman)斷層之間的地域(圖4)。里阿得線呈NE-SW向分布在里阿得河上游至大熊湖的東南岸一帶,其東南側(cè)是加拿大地盾所屬的大奴陸塊結(jié)晶基底出露區(qū)。諾曼堡斷層也呈NE向分布在諾曼韋爾斯至科珀曼一線,其西北側(cè)是馬更些地臺所屬的馬更些山超群(層群B)分布區(qū)。1979年,中國地質(zhì)科學(xué)院與加拿大地質(zhì)調(diào)查所有一合作項目,雙方地質(zhì)學(xué)家共同考察了中國的薊縣剖面和加拿大西北部的中元古界。大熊湖區(qū)正是中國地質(zhì)學(xué)家邢裕盛等實地考察的地區(qū)。此次考察后中加雙方的共同結(jié)論是,上述各層組在地層層序、巖石組合及巖性、沉積環(huán)境及生物群落等多方面,皆與華北的長城系和薊縣系具有明顯的相似性(1)。3.2.2馬更一部分山體系層群B主要分布于加拿大的西北和育空2個地區(qū),在構(gòu)造上屬馬更些地臺。后者與加拿大地盾的差別主要在于它未出露古老的結(jié)晶基底,而全部為蓋層所覆蓋。層群B的時限跨中元古代晚期至新元古代早期,代表性的地層稱為馬更些山超群(MackenzieMtsSupergroup)(圖4)。在科珀曼地區(qū),馬更些山超群覆蓋于銅礦山熔巖層之上,后者的年齡被確定為1270Ma;在馬更些山,該超群被全巖Rb-Sr年齡為770~780Ma的基性巖體侵入。在該段時限內(nèi),形成了層群B總厚達(dá)4000m的沉積巖及少量火山巖層。加拿大的科迪勒拉山和落基山南段,都沒有此超群的記錄。雖然人們已經(jīng)觀察到橫穿馬更些地臺,由東北向西南有增厚的趨勢,但巖相的一致性則是馬更些山超群的重要特征之一,而且從區(qū)域全貌來看,此超群的各層組均具有地臺型蓋層的特點。據(jù)Aitken的研究,馬更些山超群的層序和主要特征自下至上如下。(1)赫里克(Helikian)未分層:已知從厚層石英砂巖和泥質(zhì)巖開始,向上則出現(xiàn)淺黃色白云巖、含燧石的疊層石白云巖等,馬更些山區(qū)此白云巖層厚400m,見有晶洞并含焦瀝青。(2)蔡卓廷組(TsezoteneFm.):厚750~1500m,由泥質(zhì)巖、砂巖、碳酸鹽巖等組成,含疊層石:Stratifera,Conophyton,Jacutophyton,Svetliella等。(3)凱瑟倫群(KatherineG.):厚700~1300m,由黑色頁巖、白云巖、泥灰?guī)r、石英巖、疊層石白云巖、礁狀白云巖等組成,含Stratifera,Baicalia,Jurusinia,Palmania,Inzeria,Patawia等。(4)小達(dá)爾組(LitlleDalF.):厚800~1250m,由厚層塊狀白云巖、頁巖與白云巖互層、疊層石白云巖、礁體白云巖等組成,局部含焦瀝青、厚層硬石膏和石膏,頂部有時見玄武巖流。本組含痕跡化石和疊層石:Boxonia,Collonnella,Gymnosolen,Inzeria,Anabaria,Baicalia,Palmania,Tungussia,Scopulimorpha,Churiasp.,Tawuiasp.,Morania,Beltina等。馬更些山超群的時限、巖石組合及巖性、所含之生物群落,與華北的薊縣系霧迷山組至青白口系景兒峪組相當(dāng)。3.3落基山帶中saum亞群基于與華北、西伯利亞2個地臺對比的需要,筆者主要關(guān)注的是北美西部的寒武系與奧陶系。這個階段的沉積記錄即是Sloss所確立的Sauk層群。依據(jù)各層組的接觸關(guān)系,Sauk層群可再分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個亞群。SaukⅠ相當(dāng)于下寒武統(tǒng);SaukⅡ相當(dāng)于中寒武統(tǒng)和上寒武統(tǒng)的Dresbachian階;SaukⅢ相當(dāng)于上寒武統(tǒng)上部和下奧陶統(tǒng)的Canadian階。SaukⅠ亞群分布在2個地域,一為馬更些地臺,呈片狀產(chǎn)出,二為落基山帶,呈條帶狀產(chǎn)出,二者之間為一同期的馬更些隆起帶分隔(圖5)。馬更些地臺上的SaukⅠ亞群主要出露于馬更些山和富蘭克林山,它不整合覆于馬更些山超群之上。其層序自上而下如下。HessRiver組:厚0~2500m,暗色泥巖、粉砂質(zhì)灰?guī)r與暗色鈣質(zhì)頁巖互層,含少量重晶石及磷塊巖,屬Bonnia-Olenellus帶。Sekwi組:厚150~900m,白云巖、灰?guī)r及泥質(zhì)條帶灰?guī)r,含軟舌螺及三葉蟲化石。頂部屬BonniaOlenellus帶,底部屬Fallotaspis帶。Vampire組:厚0~930m,暗色細(xì)粒碎屑巖。上部曾發(fā)現(xiàn)疑源類化石,具有濃重的東方色彩,可與西伯利亞的托莫特階對比;下部含節(jié)肢動物門的痕跡化石及小殼化石。BackboneRanges組:厚50~2200m,石英砂巖,少量泥巖及碳酸鹽巖。含痕跡化石,層位在Protohertzinacf.(原赫茨牙形石屬),P.anabarica之上,近于寒武系的底部。落基山帶中SaukⅠ亞群發(fā)育最完整的剖面位于羅布森山附近,其層序和主要特點列于表1。將馬更些地臺與落基山帶兩地的SaukⅠ亞群進(jìn)行比較,就會發(fā)現(xiàn)其間的重大差異。首先是二者的下伏基底地層不同,前者是中元古代晚期至新元古代早期的馬更些山超群(層群B),而后者則是含有2期冰磧層的溫德米爾超群(層群C)。其次是含有Fallotaspis帶化石的Sekwi組只存在于馬更些地臺,而落基山帶則從無此項地層記錄。如果說北美的SaukⅠ亞群與西伯利亞的相應(yīng)地層確有相似之處,那也只限于馬更些地臺,而并不涉及落基山帶。明確這一點,對于正確認(rèn)識該區(qū)的大地構(gòu)造性質(zhì)和寒武紀(jì)時加拿大地盾與西伯利亞地臺的關(guān)系都十分重要。前文中已述,中國的華北與華泰2個克拉通自中寒武世早期起已拼接為一個整體。從這一時限起,在研究地層的洲際對比時已將二者一并考慮在內(nèi)。將北美的SaukⅡ和SaukⅢ2個亞群與華北的中、上寒武統(tǒng)和下、中奧陶統(tǒng)進(jìn)行比較,就會發(fā)現(xiàn)它們之間有許多共同之處,其中包括古生物群落、帶化石、地層的建造性質(zhì)、特征的巖相等。北美與華北之間的這種彼此相似的狀況一直持續(xù)到中奧陶世,即458Ma前后。因此,有理由設(shè)想,在1850~458Ma這段時限內(nèi),華北與北美曾是統(tǒng)一的整體(詳細(xì)的對比資料將另文發(fā)表)。4區(qū)域構(gòu)造格局的內(nèi)地臺、影響在社會主義的古陸背景和內(nèi)近10余年來,地球動力學(xué)與前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)探討的核心問題是:太古宙的初始大陸地殼如何從地幔的演變中形成?在后續(xù)的時間里大陸地殼的演化過程中經(jīng)歷了哪些重大事件?從太古宙晚期到寒武紀(jì)近20億年的時限內(nèi),全球的大洋和大陸是怎樣一個構(gòu)造格局?客觀地講,按現(xiàn)有的研究程度針對上述問題要拿出確切的結(jié)論性成果,可以說相去甚遠(yuǎn)。盡管已有各種超級古陸的再造方案出臺,但迄今沒有一個能在地球科學(xué)各分支學(xué)科或?qū)I(yè)中取得共識。所以,在這個領(lǐng)域目前仍處于確認(rèn)事實、積累資料的階段?，F(xiàn)將華北地臺、西伯利亞地臺、加拿大地盾太古宙—早寒武世各層群的組成和對比關(guān)系示于圖6。綜合以上論述,明顯看出三者在太古宙—早寒武世具有完全一致的地質(zhì)演化歷程。4.1古元古代造山帶的焊接形成時代西伯利亞地臺和加拿大地盾是北半球2個規(guī)模最大,而且時代最古老的陸殼塊體。這是地學(xué)界公認(rèn)的事實,實際上僅此一項特點就足以確立它們在全球構(gòu)造中的重要地位。中國的華北地臺就其產(chǎn)出的空間范圍來看,顯而易見不能與之相比。然而自從地球動力學(xué)和大地構(gòu)造領(lǐng)域中采用構(gòu)造地層地體的概念之后,人們看重的不單是構(gòu)造單元規(guī)模的大小,而且更加關(guān)注的是其性質(zhì)。前已述及,加拿大地盾由7個年齡為2.7~3.6Ga、彼此分離的原生陸殼塊體,于1.79~2.02Ga期間通過古元古代造山帶的焊接而形成。西伯利亞地臺同樣由阿納巴爾、貝加爾-東薩彥嶺、阿爾丹、斯塔諾夫、葉尼塞-下安加拉5個相互分隔的太古宙地體,在1.7Ga之前通過古元古代造山帶碰撞聚合在一起。阿爾丹地盾與阿納巴爾碰撞之前,曾向北運(yùn)移了1000km以上。華北地臺現(xiàn)已識別出燕遼和蒙陜2個原生陸塊,其間為古元古代陸緣增生楔和島弧巖石組合的變質(zhì)巖系,即晉冀縱向造山帶所分隔。它們的聚合主要發(fā)生于2.0~2.2Ga,部分地域可能延續(xù)到1.8Ga。此類古元古代的后生地殼,包括燕山山脈的朱杖子群、太行山的滹沱群和甘陶河群、呂梁山的呂梁巖群、陰山的色爾騰山群和二道凹群等。華北地臺、西伯利亞地臺和加拿大地盾,如今地處世界的不同地域,而且相距遙遠(yuǎn),但它們在太古宙末即2.5~2.6Ga期間普遍遭受一次角閃巖相-麻粒巖相的變質(zhì)作用,同時伴隨深成TTG巖漿活動。在1.79~2.2Ga期間又經(jīng)歷了彼此相似的淺變質(zhì),同時導(dǎo)致克拉通的最終固結(jié)。從三者結(jié)晶基底的物質(zhì)組成來看,最古老的均為片麻巖(包括麻粒巖在內(nèi)),相當(dāng)于通常所稱的灰色片麻巖類,新太古代時期大多由花崗巖(片麻巖)-綠巖構(gòu)成。以上事實都分別通過年代地層學(xué)、巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等多方面確認(rèn),因而結(jié)論是可信的。現(xiàn)將華北地臺、加拿大地盾和西伯利亞地臺自太古宙至寒武紀(jì),由聚合到離散的過程示于圖7。4.2關(guān)于古勞亞大陸的地質(zhì)特征直接以明顯的角度不整合覆于華北地臺、西伯利亞地臺和加拿大地盾結(jié)晶基底之上的初始蓋層,均為中元古界的沉積巖系,其中并夾有堿性和基性火山巖層。這套地層在中國華北,就是以薊縣剖面為代表的長城系和薊縣系;在西伯利亞則是里菲期的烏丘爾群、阿依姆昌群、凱彼爾群、拉汗達(dá)群;在北美通常統(tǒng)稱為層群A和層群B,包括埃普渥思群、赫恩拜灣-迪斯馬爾湖群、馬更些山超群等。時限被確定為1800~1000Ma。經(jīng)過研究現(xiàn)在有理由確認(rèn),分別保留于上述3個地域內(nèi)的這些地臺型蓋層,在時代、層序、巖石組合、巖性、形成環(huán)境、生物群落、礦產(chǎn)等多方面具有很強(qiáng)的可比性,甚至連巖石的顏色和微細(xì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造都很相似。如果說在中元古代確有聯(lián)合古陸的話,那么它就是古勞亞大陸,華北地臺、西伯利亞地臺和加拿大地盾則是其主體(圖7)。古勞亞大陸的最重要的地質(zhì)標(biāo)志就是這3個地域統(tǒng)一的中元古界蓋層。后者大多形成于伸展型盆地和坳拉槽中,并有板內(nèi)型火山巖和巖漿巖與之相伴。此類非造山型巖漿活動,在1.7~1.6Ga時限內(nèi)多屬堿性長英質(zhì),至1