冀北滦平盆地大北沟组—大店子组磁性地层综合研究报告

裴军令1 杨振宇2 刘 静1 仝亚博2 徐彦龙2 赵 越1 田树刚3

（1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081； 2.南京大学地球科学系，南京 210093；

3.中国地质科学院地质研究所，北京 100037）

磁性地层学是利用岩石磁性特征解决地层问题的一门技术。 由于地磁场具有其独特的全球性变化特点，能够为地层的划分对比提供可靠的保证，它是现代地层对比与划分必不可少的研究方法之一（杨振宇，2002）。

冀北滦平盆地沉积连续的剖面和前人在该地区已经取得的大量成果为在该地区剖面开展磁性地层学研究提供了良好的前提条件（田树刚等，2003，2004； 牛绍武等，2002； 庞其清等，2002； 柳永清等，2003； 季强等，2004）。 因此，对冀北滦平盆地大北沟组—大店子组—西瓜园组地层开展系统的高分辨率的磁性地层学调查研究，建立该地层剖面沉积的磁极性序列具有重大意义。冀北滦平盆地三道沟剖面的磁性地层学研究首次获得了大北沟组—大店子组—西瓜园组高精度的磁极性序列，为划分和确定地层的时代，进而探讨热河生物群的时代归属和中国陆相侏罗系—白垩系界线的划分对比提供了基础资料。

目前国际侏罗系—白垩系界线层型（GSSP）尚未确定（Gradstein et al.，2004），国际中生代地磁极性年表也没能得到完全统一。 表1列出了具有代表性的4个极性年表中中生代极性时、年代及期的对应关系，总体上，这些年表的基本结构相同，而各年表的年代标定由于是基于洋底扩张速率进行线性内插外推而得，表现出较大的差异。 近年来有关M0反极性时的同位素年龄研究有了重大进展，目前主要存在116 Ma左右的年龄是代表了M0还是代表了发生在超静磁带期间的一个反极性事件ISEA的分歧（Gilder et al.，2002； Zhu Rixiang et al.，2004；史瑞萍等，2004）。 2004年公布的地质年表中M0年龄为（125±1）Ma，而最近从欧特里沃期到阿尔布期多个海绿石的K-Ar年龄，建议阿普特期/巴列姆期年龄为（113.7±0.4）Ma、巴列姆期/欧特里沃期年龄为（118.8±0.4）Ma、欧特里沃期/凡兰吟期年龄为（124.1±0.4）Ma（Fiet et al.，2006）。 显然早白垩世的绝对年龄现在争议非常大，因此，涉及这一时期的磁极性序列的对比难度更大。 由于各门类对该地层时代划分的不统一以及同一门类不同学者认识的不一致，关于冀北-辽西地区含热河生物群地层的对比长期以来一直是被广泛关注和讨论的热点。 古生物研究趋向于将大北沟组—大店子组界线作为陆相侏罗系—白垩系界线（牛绍武等，2002；田树刚等，2003）。 近年来中国侏罗系—白垩系的研究取得了很大进展，特别是在生物地层方面取得了新的突破，将黑龙江海陆交互相地层龙爪沟群和鸡西群全部归为早白垩世（Sha J G，2007）。 辽西带羽毛恐龙和原始鸟类等大量珍稀化石的新发现则带动了有关地层的同位素年代学等研究（季强，2004）。

表1 早白垩世不同地磁极性年表对比

辽西义县组时代相当于龙爪沟群裴德组和鸡西群滴道组的认识已趋于一致，属于欧特里沃期—凡兰吟期。最近三道沟剖面大店子组与西瓜园组的生物地层研究认为大店子组的上部或西瓜园组下部相当于辽西义县组底部（庞其清等，2006）。而相关地层的同位素年龄却认为大店子组顶部的时代与辽西北票-义县地区的义县组底部基本相当（陈文等，2004；张宏等，2005），无论国际侏罗系—白垩系界线的年龄值将来确定为135Ma左右还是145Ma左右，根据同位素年龄大北沟组与大店子组都属于早白垩世（季强等，2006）。

图1 三道沟剖面磁极性序列与标准磁性柱对比方案Ⅰ

因此，在将所建立的大北沟组—大店子组磁极性序列与国际极性年表确切对比时，既要仔细分析极性条带分布的总体特征和细微结构，又要考虑地层剖面岩性的变化。 因为地层的磁极性序列是以地层厚度为标尺，而国际地层极性年表则是以时间为标尺，地层沉积厚度的影响因素很多，如古气候、沉积物物源、构造运动、沉积速率、沉积时间等，这就增加了地层的磁极性序列与国际地磁极性年表对比的难度。因此首先必须结合相关地层的古生物和同位素年龄资料，把握住特点突出的层段与地磁极性年表对比。

由于国际地质年表中早白垩世的特殊性，同位素年龄在磁性地层对比中的 “钉子” 作用被削弱，目前的磁极性序列没有到达白垩系超静磁带，使得对比难度增大。 如果仅依据Gradstein（2004）年表中的年龄作为标准进行磁极性序列的对比，则对比方案如图1所示。 虽然本次研究所获得的磁极性序列是以厚度为标尺的，与以时间为标尺的国际磁性地层年表对比不能完全凭借表面的正反极性特征来判断，但是显然这一方案所对应的标准地磁极性年表中是以反极性为主的，尤其是M3反极性时的对比，约1.5 Ma的M3反极性时仅仅对应了约2m的地层厚度。从沉积速率和磁极性序列的特征上来说这一对比方案值得商榷。 另外，取得的古生物学成果无论是叶肢介还是介形类等都不支持这种方案（牛绍武等，2002；庞其清等，2006）。

图2 三道沟剖面磁极性序列与标准磁性柱对比方案Ⅱ

Fiet（2006）关于早白垩世晚期的研究成果与Lowrie（1986）的地质年表中的推断年龄非常一致，其中Aptian底部的年龄与Gilder（2002）于新疆的研究相互印证。如果仅仅根据大店子组顶部的约131Ma的年龄为准星与Lowrie（1986）的地质年表中的时间序列厘定的Gradstein（2004）中生代极性年表进行对比，从上至下依次对应极性时，则对比方案如图2所示。方案Ⅱ的对比中，大北沟组底部对应至M21极性带，大店子组下部也对应于晚侏罗世。 此方案中侏罗系—白垩系的界线年龄肯定不会是145 Ma，甚至136 Ma或135 Ma的年龄也显得偏老，因为大北沟组下伏张家口组的年龄目前已确定为135 Ma。磁极性特征上来看对应方案中部分极性带存在不和谐，例如持续了约2 Ma的M17反极性带仅对应了大店子组中第56层顶部约2 m的泥岩沉积。

考虑到三道沟剖面磁极性序列以正极性为主，大店子组下部有一段以反极性为主的特征，再加上张家口组约135Ma的年龄和大店子组顶部约131Ma的年龄限定了此段地层的沉积时间应该在4Ma以内，初步得出了图3所示的对比方案。

该方案的对比从同位素年代学角度看，无论是Gradstein（2004）地质年表还是Lowrie（1986）地质年表都不一致，查阅大量已有相关地质年表资料说明凡是参考并使用了海绿石年龄的地质年表（Kennedy ＆ Odin，1982； Hallam，1985； Odin ＆ Odin，1990）中各期界线年龄都比没有使用海绿石年龄的各地质年表（Harl and et al.，1990； Gradstein et al.，1994； Kent，1985）的年龄偏新（表2）。其中Harl and（1982）、Kent ＆ Gradstein（1985）、Gradstein（1994）地质年表中的Hauterivian/Valanginian界线年龄在130～132 Ma之间，与对比方案Ⅲ中大店子组顶部的年龄比较一致。

图3 三道沟剖面磁极性序列与标准磁性柱对比方案Ⅲ

表2 不同年表早白垩世各期界线年龄

近年关于极性带M0和反极性事件ISEA年龄的研究在我国辽西的火山岩序列中取得了突破，认为116 Ma的年龄很可能是代表了ISEA反极性事件，并且推测M0反极性带的年龄约为120 Ma。 这一研究成果支持了上述地质年表中阿普特期底界（M0反极性带底）的年龄。依据方案Ⅲ的分析，根据文献（Fiet et al，2006）中研究所得的各期持续时间（巴列姆期为5.1 Ma，欧特里沃期为5.3 Ma），本文给出了一个初步的年龄建议：阿普特期/巴列姆期年龄为120 Ma、巴列姆期/欧特里沃期年龄为125.1Ma、欧特里沃期/凡兰吟期年龄为130.4 Ma。对比方案Ⅲ中提出大北沟组属于凡兰吟期早期，大店子组主体上属于凡兰吟期中晚期，西瓜园组下部则对应凡兰吟期/欧特里沃期界线附近。

当然，由于早白垩世的特殊性，同位素年龄在磁性地层对比中的 “钉子” 作用被削弱，目前的研究还没有到达白垩系超静磁带，使对比难度增大。 因此，本文的对比方案还需要在滦平盆地大店子组之上的西瓜园组开展更深入的工作来进行修订。

致 谢 参加本项工作的还有石家庄经济学院庞其清教授、天津地质矿产研究所牛绍武研究员，在此一并表示感谢。

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袁杰等-NSR：印度-亚洲大陆碰撞新模型

印度-亚洲大陆碰撞是地质 历史 时期最重大的构造事件之一，形成“世界屋脊”青藏高原和雄伟的喜马拉雅山脉（图1），对亚洲乃至全球的海陆分布格局、气候环境和生物多样性都产生了深远的影响。青藏高原作为研究陆-陆碰撞最为理想的天然实验室，对印度-亚洲大陆初始碰撞时间和碰撞动力学过程的研究长期以来一直是固体地球科学领域的前沿和热点。印度-亚洲大陆初始碰撞时间是理解喜马拉雅造山作用的起点，而印度-亚洲大陆碰撞动力学过程则是重建大陆碰撞造山带和青藏高原演化过程的关键。近年来自沉积物源方面的证据表明，约60 Ma亚洲碎屑物质首次沉积到印度北缘被动大陆边缘（DeCelles等, 2014; Wu等, 2014; Hu等, 2015），标志着印度-亚洲大陆初始碰撞，该初始碰撞时间被国内外广泛接受（丁林等, 2017; 胡修棉等, 2017; Kapp and DeCelles, 2019; van Hinsbergen等, 2019; Parsons等, 2020）。

然而，对印度-亚洲大陆碰撞动力学过程的理解还存在诸多不同看法，学界提出了多个模型，可归结为单阶段碰撞模型和双阶段碰撞模型两大类。其中，单阶段碰撞模型以大印度大陆模型（Greater India model）为代表，又被称为continental Greater India model （Westerweel等, 2019）。双阶段碰撞模型包括大印度洋盆假说（Greater India Basin hypothesis）（van Hinsbergen等, 2012）和弧陆碰撞模型（the island arc-continent collision model）（Aitchison等, 2007）。最近，Kapp and DeCelles（2019）提出了新版的双阶段弧陆碰撞模型（the India-arc collision with the Xigaze backarcocean basin），这里称之为日喀则弧后洋盆模型。这些模型各有优点，但都只能或多或少地解释目前已观察到的部分地质事实。

为准确限定印度-亚洲大陆碰撞的时间、位置和动力学过程，在国家自然科学基金和中科院国际合作伙伴计划项目的资助下，中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生袁杰、邓成龙研究员、朱日祥院士、郭正堂院士、贺怀宇研究员、李仕虎博士、沈中山博士研究生、秦华峰副研究员，以及首都师范大学杨振宇教授，荷兰乌特勒支大学Wout Krijgsman教授，南京大学胡修棉教授、安慰博士，中国科学院青藏高原研究所丁林院士共同合作，对藏南特提斯喜马拉雅地块江孜地区的上白垩统床得组大洋红层和萨嘎地区的古新统桑单林组深水红色硅质页岩（图1）开展构造古地磁学、岩石磁学、磁性地层学和岩相学（图2，图3）等综合研究，获得了可靠的古地磁数据，揭示了特提斯喜马拉雅地块在白垩纪晚期-古近纪初期快速向北漂移的特征，提出了“北印度海”（North India Sea）假说，并在此基础上构建了两阶段的印度-亚洲大陆碰撞动力学新模型（图4，图5）。

图1 研究区地质与地形。（a）青藏高原及其周边地形图；（b）印度与亚洲大陆碰撞带地质简图，修改自Yin（2006）；（c）江孜地区地质简图，修改自Chen等（2006）；（d）萨嘎地区地质简图

首先，本研究从江孜地区床得组白垩纪大洋红层中获得了通过倒转检验、并由碎屑赤铁矿携带的原生剩磁，应用E/I法（Tauxe and Kent, 2004）和等温剩磁（IRM）各向异性法（Hodych and Buchan, 1994）进行了磁倾角校正，从而将特提斯喜马拉雅地块中东部约75 Ma的古地磁极确定为40.8°N/256.3°E，A95 = 1.8°，古纬度为19.4°± 1.8°S，而此时亚洲大陆南缘的拉萨地块位于约13.7°N。因此，约75 Ma时，特提斯喜马拉雅地块和拉萨地块仍然被纬向宽度为3600 km左右的新特提斯洋所分隔（图4，图5）。其次，从萨嘎地区桑单林组深水红色硅质页岩中获得了通过倒转检验和褶皱检验、并由碎屑赤铁矿携带的原生剩磁，应用IRM各向异性法（Hodych and Buchan, 1994）进行了磁倾角校正，从而获得特提斯喜马拉雅地块中东部约61 Ma的古地磁极为74.0°N/278.5°E，A95 = 2.5°，古纬度为13.7°± 2.5°N。

图2 代表性样品岩相学与岩石磁学分析。CL043-1、SE12-1和MB4-8分别来自才狼把剖面、桑单林剖面和木巴拉 剖面。（a-c）扫描电子显微镜；（d-f）磁滞回线；（g-i）矫顽力谱分析

图3 古地磁结果。（a-i）代表性样品系统热退磁正交投影图、等面积投影图及剩磁衰减图；（j-l）高温剩磁分量（HTC）分别在地理坐标和地层坐标下的等面积投影图

图4 印度-亚洲大陆碰撞动力学演化，分别示意（a）约75 Ma、（b）约61 Ma、（c）约53 Ma和（d）约48 Ma的古地理模式。BNSZ为班公湖-怒江缝合带，WZFZ为Wallaby-Zenith断裂带。黑色星号表示计算大印度延伸尺寸的参考（29.3°N, 85.3°E）。

上述高质量的古地磁结果准确限定了特提斯喜马拉雅地块的位置，即在约75 Ma位于19.4°± 1.8°S，而在约61 Ma已经向北快速移动到13.7°± 2.5°N。因此，75～61 Ma期间，特提斯喜马拉雅地块的北向漂移速率为260.1 mm/year。而通过印度大陆的视极移曲线等方法计算得到印度克拉通在80～60 Ma期间的北向漂移速率仅为99.6 mm/year。特提斯喜马拉雅地块与印度克拉通存在明显的漂移速率差异，意味着在约75 Ma后特提斯喜马拉雅地块裂解并离开印度大陆，在两者之间形成一个拉分盆地，本研究称之为“北印度海”（North India Sea）（图4，图5）。本研究进一步探讨了特提斯喜马拉雅地块的裂解机制，认为Reunion地幔柱上涌对印度被动大陆边缘岩石圈减薄和新特提斯洋壳岩石圈长时间俯冲产生的拖拽力等过程的共同作用下，导致特提斯喜马拉雅地块裂解并张开形成“北印度海”。特提斯喜马拉雅地块快速向北漂移，在约61 Ma与亚洲大陆南缘的拉萨地块发生初始碰撞，碰撞位置位于约14°N。随后，印度与特提斯喜马拉雅地块在约53～48 Ma发生第二阶段碰撞，该碰撞自西向东穿时性发生，导致“北印度海”自西向东逐渐关闭（图4）。

沿低喜马拉雅带在巴基斯坦、印度、尼泊尔等地和喜马拉雅东部地区广泛发育了上白垩统-始新统或古新统-始新统浅海相地层，本研究认为是“北印度海”存在的证据。根据区域大地构造分析，本研究推测，主中央逆冲断裂带很可能是第二阶段洋壳俯冲的古地理位置。

图5 晚白垩世以来印度-亚洲大陆碰撞过程的阶段划分（a）及其与印度-亚洲大陆汇聚速率变化 历史 （b）的关联。图b的数据来自Cande and Stegman（2011）

本研究提出的“北印度海”假说及两阶段的印度-亚洲大陆碰撞动力学新模型与印度-亚洲的汇聚速率变化 历史 可以完美匹配（图5）。例如，从70 Ma到63 Ma，汇聚速率从约80 mm/year快速增加到约180 mm/year，本研究认为与Reunion地幔柱的推动作用有关；在63－61 Ma期间汇聚速率从约180 mm/year急剧下降到约110 mm/year，特提斯喜马拉雅地块和拉萨地块在61Ma发生的碰撞可很好地解释该汇聚速率变化；在61－53 Ma期间汇聚速率由约110 mm/year缓慢上升到约130 mm/year，对应于“北印度海”的逐步收缩；在53～48 Ma期间汇聚速率显著降低，则与特提斯喜马拉雅地块和印度在此期间发生穿时性碰撞导致北印度海自西向东逐步关闭的过程相符。

上述假说和模型还协调了一系列地质证据。本研究的古地磁结果表明，特提斯喜马拉雅地块与拉萨地块在61 Ma发生第一阶段的大陆碰撞，碰撞位置约为14°N，该碰撞最为直接的地质证据就是亚洲碎屑物质在60 Ma左右首次到达印度北缘被动大陆边缘（DeCelles等, 2014; Wu等, 2014; Hu等, 2015）。

同时，对于第二阶段的印度-亚洲大陆碰撞，即53～48 Ma期间特提斯喜马拉雅地块和印度之间的穿时性碰撞，也得到大量地质证据的支持。例如：

（1）亚洲来源的碎屑锆石在始新世早期（约55 Ma）已经沉积到印度大陆小喜马拉雅（sub-Himalaya）巴基斯坦Balakot地区（Ding等, 2016），而低喜马拉雅带（Lesser Himalaya）中部尼泊尔地区获得特提斯喜马拉雅冲断带碎屑的年代不晚于45 Ma （DeCelles等, 2004; Najman等, 2005），可支持本次研究提出的53～48 Ma期间发生的第二阶段穿时性大陆碰撞。

（2）近年来的研究显示，特提斯喜马拉雅海相地层自西向东穿时性消失，在西部Zanskar地区消失时间为52～50 Ma，在中-东部的定日-岗巴地区为43～41 Ma，在东部的堆纳地区为35 Ma （Rowley, 1996; 胡修棉等, 2017），这些地质现象也支持53～48 Ma期间发生的第二阶段穿时性大陆碰撞。

（3）藏东贡觉盆地在52～48 Ma发生约30°的顺时针旋转（Li等, 2020），同时贡觉盆地和可可西里盆地共同记录了54～52 Ma期间急剧增加的沉积速率变化特征（Li等, 2020; Jin等, 2018）。

（4）孟加拉盆地在始新世中期来自喜马拉雅的碎屑也急剧增加（Alam等, 2003），也是对53～48 Ma期间发生的第二阶段大陆碰撞的响应。

（5）特提斯喜马拉雅带、高喜马拉雅带和低喜马拉雅带都记录了各种独立的证据，例如，特提斯喜马拉雅带在始新世-渐新世记录了地壳缩短、快速折返和岩浆作用，高喜马拉雅带记录了同期构造埋藏作用、高级变质作用和深熔作用以及印度克拉通发育同期前陆盆地（DeCelles等, 2014; 丁林等, 2017）。以上地质证据都表明特提斯喜马拉雅地块和印度大陆在48 Ma已经完成碰撞。

本研究提出的“北印度海”假说及两阶段的印度-亚洲大陆碰撞动力学新模型对印度-亚洲大陆碰撞过程、青藏高原隆升和变形、亚洲古地理和生物多样性格局演化都提供了重要制约，还为喜马拉雅造山作用与全球气候变化关联的构造-气候关系研究及古气候数值模拟提供了关键的边界条件。

研究成果发表于National Science Review。（Yuan J, Yang Z Y*, Deng C L*, Krijgsman W, Hu XM, Li S H, Shen Z S, Qin H F, An W, He H Y, Ding L, Guo Z T, Zhu R X. Rapiddrift of the Tethyan Himalaya terrane before two-stage India-Asia collision[J].National Science Review, 2020: nwaa173. DOI: 10.1093/nsr/nwaa173）

校对：覃华清

1、南京大学长江学者特聘教授。聘任岗位：构造地质学。研究方向：大地构造学，古地磁学，磁性地层学，岩石磁学。博士生导师。

2、杨振宇，男，1963年2月生, 博士。 1980年获长春地质学院地质系地质学专业学士学位，1984年获中国地质科学院研究生部地质力学专业硕士学位，1989年在法国居里大学地质系通过博士前教育，同年10月考入法国巴黎第七大学地球物理系深部地球物理专业，1992年10月获得博士学位。先后多次在法国巴黎地球物理研究所和日本神户大学从事研究工作。3、1995年初回国，1996年入选人事部、教育部等七部委百千万人才工程。1997年享受国务院政府特殊津贴，任中国地质科学院地质力学研究所室副主任。2000年，任全国地层委员会磁性地层分委员会主席,浙江大学兼职教授；同年当选联合国教育科学文化组织国际地球科学计划委员会委员；

2002年任《地质学报》英文版（SCI收录）副主编。4、2003年任长江学者奖励计划南京大学特聘教授。 主要从事大地构造和古地磁学等相关领域的研究工作。近几年来，在古地磁学及其在大地构造研究中的应用，特别是对亚洲东部和东南亚三大地块（中国华北、华南地块、印度支那地块）的古地理和构造迁移、碰撞和拼合过程作了一些较系统的研究工作。

5、此外，还从早侏罗世磁性地层的研究入手，建立起早侏罗世可供全球性地层对比的地磁极性地层序列，并有助于分析古地磁场倒转频率，倒转频率的周期性等。

6、近年承担了科技部、国家自然科学基金委员会各类科研项目多项。获得原地矿部科技成果三等奖。发表学术论文66篇，SCI收录33篇。SCI他人引用达230余次。2002年，获中国地质学会首届黄汲清地质科技奖。