海南岛是中国东南陆缘海域中的最大岛屿，位于太平洋板块、印度-澳大利亚板块和欧亚板块三叉结合部位。受露头条件限制，加上遭受多次变质变形，海南岛前寒武系的研究相当薄弱，以致于它们的物质组成、形成时代和沉积大地构造环境未能得到充分制约，争议极大，造成海南岛前寒武纪构造地层划分、大地构造属性，以及在超大陆演化中的位置等方面认识存在显著分歧^[1-11]。最近，笔者在海南三亚市吉阳区三郎岭一带的地质调查过程中，对原划归奥陶系干沟村组的一套变质砾岩，采用LA-ICP-MS方法对其碎屑锆石U-Pb同位素进行了测定，旨在确定该套变砾岩的沉积时限，并通过变质砾岩沉积学和U-Pb年龄谱对比研究，探讨其沉积大地构造环境。

1.   地质概况

海南岛前寒武系包括中元古界长城系戈枕村组、长城系—蓟县系峨文岭组，新元古界青白口系石碌群、南华系—震旦系石灰顶组^{[5, 12-13]}，主要分布于琼西东方抱板—戈枕村和昌江叉河—红林农场、琼南红五、琼中长征农场—乘坡、屯昌中建农场、琼东烟塘等地区，少量见于西沙群岛永兴岛和琼北雷琼裂陷钻孔中(图 1-a)。

图  1  研究区地质简图(据参考文献[13]修改)

Figure  1.  Geological map of the study area

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戈枕村组和峨文岭组属于海南岛的基底地层，由于后期受到多期次的变质变形和构造改造作用，总体呈“残留体状”产出。戈枕村组为一套经过混合岩化作用改造的深变质岩，以混合岩和片麻岩组合为特征，年龄限于1430~1800 Ma之间^{[7, 10, 14-16]}；峨文岭组整合于戈枕村组之上，以云母石英片岩、石英云母片岩、石英岩为主，夹石墨矿层，年龄限于1300~1450 Ma之间^{[10-11, 13, 16]}。

海南岛新元古界为一套浅变质岩系，自下而上分为石碌群和石灰顶组2套含铁岩系。石碌群主要由绢云石英片岩、石英绢云片岩、结晶灰岩、白云岩夹石英岩、凝灰岩、富铁矿层组成，为一套高-低绿片岩相浅变质岩，产孢粉、宏观藻类化石Chuaria circlaris Walcott，Shouhsienia shouhsienensis Xing，Tawuia dalensis Hofmann，T.sinansis Duan等^[17]。许德如等^[18-19]利用锆石SHRIMP U-Pb定年，推断石碌群沉积上限年龄约为960 Ma、下限年龄约为1300 Ma。Wang等^[9]获得石碌群最上部层位中碎屑锆石2000~900 Ma的年龄谱，存在2700 Ma、2500 Ma、1466~1359 Ma、1073 Ma年龄峰值，最小年龄值1073 Ma可以解释为石碌群上部层位沉积的初始时间。石灰顶组以石英砂岩、石英岩为主，夹泥岩、硅质岩、赤铁矿粉砂岩，为一套未变质的陆源碎屑沉积。Li等^[20]采用SHRIMP锆石U-Pb法在石灰顶组中获得了大量1200~2660 Ma的碎屑锆石年龄，与下伏石碌群碎屑锆石年龄一致。Wang等^[9]通过碎屑锆石限定石灰顶组沉积不早于1070~970 Ma。石碌群未见底，与下伏地层断层接触，与上覆石灰顶组为角度不整合接触，石灰顶组未见顶，与上履下古生界接触关系不清。

本次调查的变质砾岩出露于三亚市吉阳区三郎岭村一带，出露面积约4 km²，前人将其归属奥陶系干沟村组，与奥陶系尖岭组接触关系不清，推测为断层接触，遭三叠纪二长花岗岩侵入(图 1-b)。变质砾岩野外露头上呈灰白色厚层-块状，产状变化较大(图版Ⅰ-a)；砾径0.5~25 cm，以2~10 cm为主；砾石分选性较好，以硅质砾石占优势(图版Ⅰ-c)，另有少量片麻岩、片岩砾石(图版Ⅰ-b)；砾石磨圆度中等，呈次棱角状-次圆状，长短轴比例1:1~2.5:1；颗粒支撑，硅质胶结(图版Ⅰ-b、c)。岩石薄片中，部分石英呈次圆-次棱角状，重结晶明显，但碎屑外形仍保留，另一部分呈显微变晶粒状；粘土矿物重结晶形成绢云母，显微鳞片状，镶嵌于石英颗粒间，部分绢云母呈弱定向排列(图版Ⅰ-d、e)。

  图版Ⅰ 

a.块状产出的变质砾岩；b.以硅质砾石为主，含少量片麻岩、片岩砾石的砾岩；c.几乎全部为硅质砾石的砾岩；d、e.重结晶石英颗粒镜下特征(地质锤柄长28 cm，锤头宽17 cm)

  图版Ⅰ. 

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2.   锆石测年结果对沉积时代的限定

2.1   分析方法

采样点坐标为北纬18°22′28″、东经109°37′09″，岩性为变质中粗砾岩(图 1-b)，编号SL-1Y。锆石单矿物分选工作由河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成，样品初碎后尽量选择砾径小、杂基多的碎块进行细碎分选。锆石阴极发光(CL)图像在北京锆石科技领航有限公司拍摄完成。锆石U-Pb定年分析在湖北地质实验研究所进行，测试仪器为准分子激光剥蚀系统193 nm GeoLas 2005和电感耦合等离子体质谱仪Agilent 7500a，激光剥蚀束斑直径为32 μm，采用标准锆石91500为外标进行同位素分馏校正。元素含量采用美国国家标准物质局研制的人工合成硅酸盐玻璃NIST 610为外标，²⁹Si为内标元素进行校正。数据处理采用软件ICP MS DataCal(ver 8.3)完成，年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot 2.7软件完成。在讨论中，因²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄均大于1 Ga，采用 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄，谐和度大于95%的数据参与讨论。

2.2   分析结果及年龄约束

样品中所分选出的锆石主要呈无色或浅黄色自形、半自形晶体，部分受到破碎作用晶型不完整。形态上多呈短柱状-柱状、少数呈椭圆状，粒径一般为50~100 μm，长宽比为1:1~2:1。多数锆石存在一定程度的磨圆，呈现出碎屑锆石的形貌特征。锆石CL图像呈灰色、灰白色和白色，亮度强弱不等，可能反映不同锆石颗粒间Th、U等元素含量差异。锆石内部结构较简单，多具有明显的振荡环带，显示岩浆锆石特征，少部分锆石具有残留核，个别锆石具薄的变质亮边或溶蚀边(图 2)。

图  2  变质砾岩代表性锆石阴极发光(CL)图像及其U-Pb年龄

Figure  2.  Typical CL images and U-Pb ages of zircons from metaconglomerate

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对样品SL-1Y的70粒锆石进行年龄测试，其中谐和度大于95%的有65粒，其Th/U值介于0.12~0.75之间，结合CL图像，表明这些锆石多为岩浆成因(表 1)。其谐和锆石的年龄组成大致分为3组，由老至新依次为2691~2444 Ma(4粒)、1838~1632 Ma(48粒)、1540~1350 Ma(13粒)，存在约1699 Ma和约1440 Ma两个主要峰值，以及约2461 Ma的次要峰值(表 1；图 3)。结合前人的研究，笔者认为，约1699 Ma的峰值可能记录了Columbia超大陆裂解早期的构造热事件，而约1440 Ma的峰值可能记录了哥伦比亚超大陆裂解后期的构造热事件^{[7-9, 11, 16]}。2691~2461 Ma年龄表明海南岛也许存在新太古代古老结晶基底^{[3, 16, 21-23]}。本次获得的最年轻锆石年龄值为1350 Ma，且未出现海南岛碎屑锆石研究中常见的1250~1100 Ma和1000~900 Ma年龄值^{[9-11, 18, 21, 24-25]}，认为该套变质砾岩的沉积时限应为1350~1250 Ma(图 4)。

表  1  海南三亚三郎岭地区变质砾岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果

Table  1.  LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotope data of metaconglomerate in Sanlangling area, Sanya city, Hainan

测点	含量/10-6			Th/U	同位素比值							同位素年龄/Ma						谐和度
	Pb	Th	U		207Pb/206Pb	1σ	207Pb/235U	1σ	206Pb/238U	1σ		207Pb/206Pb	1σ	207Pb/235U	1σ	206Pb/238U	1σ
01	272.8	150.7	665.7	0.226	0.095	0.002	3.159	0.096	0.249	0.009		1521	45	1447	23	1435	47	99%
02	82.1	60.6	107.7	0.563	0.089	0.002	3.032	0.083	0.247	0.004		1398	32	1416	21	1426	21	99%
03	96.7	48.3	150.7	0.321	0.105	0.002	4.583	0.141	0.314	0.006		1721	25	1746	26	1762	27	99%
04	176.5	104.6	262.8	0.398	0.108	0.002	4.161	0.164	0.279	0.008		1766	40	1666	32	1588	38	95%
05	91.2	66.5	130.9	0.508	0.087	0.002	2.976	0.113	0.248	0.004		1367	44	1401	29	1430	23	98%
06	92.0	58.9	110.6	0.533	0.101	0.002	3.903	0.163	0.281	0.006		1635	45	1614	34	1598	30	98%
07	374.1	271.0	897.7	0.302	0.087	0.002	2.592	0.104	0.216	0.004		1350	41	1299	29	1262	22	97%
08	80.1	46.2	119.3	0.388	0.100	0.002	4.072	0.138	0.293	0.005		1632	38	1649	28	1658	25	99%
09	209.7	76.9	105.4	0.730	0.184	0.003	12.308	0.356	0.484	0.008		2691	31	2628	27	2544	34	96%
10	168.2	82.8	321.7	0.257	0.109	0.002	4.516	0.107	0.300	0.005		1787	24	1734	20	1691	24	97%
11	62.9	32.6	99.7	0.327	0.104	0.002	4.388	0.098	0.305	0.005		1698	23	1710	19	1717	25	99%
12	146.5	53.6	436.5	0.123	0.109	0.001	4.730	0.096	0.312	0.005		1791	26	1773	17	1752	25	98%
13	171.1	90.1	309.7	0.291	0.106	0.001	4.331	0.063	0.296	0.004		1800	25	1699	12	1671	22	98%
14	207.9	96.2	446.5	0.215	0.107	0.001	4.474	0.074	0.303	0.005		1750	20	1726	14	1708	26	98%
15	87.1	52.3	104.6	0.500	0.112	0.001	4.727	0.093	0.305	0.007		1839	22	1772	16	1718	33	96%
16	81.0	46.2	117.5	0.393	0.106	0.001	4.576	0.077	0.313	0.005		1728	22	1745	14	1758	23	99%
17	271.7	177.3	430.0	0.412	0.108	0.001	4.640	0.096	0.313	0.007		1765	23	1757	17	1755	36	99%
18	158.5	109.0	290.5	0.375	0.095	0.001	3.426	0.064	0.262	0.005		1520	22	1510	15	1502	24	99%
19	84.2	59.8	149.9	0.399	0.091	0.001	3.225	0.063	0.256	0.004		1452	25	1463	15	1468	21	99%
20	108.1	81.1	151.0	0.537	0.092	0.001	3.121	0.053	0.245	0.004		1473	29	1438	13	1414	19	98%
21	177.9	103.1	216.6	0.476	0.109	0.001	4.868	0.071	0.324	0.005		1780	26	1797	12	1811	23	99%
22	80.1	39.4	173.2	0.228	0.104	0.001	4.386	0.065	0.306	0.005		1700	20	1710	12	1719	24	99%
23	139.2	48.6	142.5	0.341	0.159	0.002	10.281	0.163	0.468	0.007		2444	18	2460	15	2477	30	99%
24	101.5	35.7	276.0	0.129	0.102	0.001	4.523	0.069	0.321	0.005		1665	22	1735	13	1793	22	96%
25	236.1	172.9	428.6	0.403	0.089	0.001	3.103	0.049	0.252	0.005		1414	24	1433	12	1451	24	98%
26	88.4	44.0	153.5	0.287	0.103	0.001	4.628	0.068	0.327	0.006		1676	22	1754	12	1824	27	96%
27	124.4	65.6	218.6	0.300	0.104	0.001	4.351	0.075	0.303	0.006		1703	24	1703	14	1707	28	99%
28	146.6	102.4	330.6	0.310	0.087	0.001	2.876	0.052	0.240	0.005		1361	8	1376	14	1388	24	99%
29	184.2	115.1	253.0	0.455	0.102	0.001	4.164	0.069	0.296	0.004		1661	24	1667	14	1670	22	99%
30	180.8	98.0	322.5	0.304	0.103	0.001	4.236	0.068	0.297	0.005		1683	22	1681	13	1675	24	99%
31	141.7	49.3	410.4	0.120	0.103	0.001	4.300	0.067	0.301	0.004		1687	22	1693	13	1697	22	99%
32	143.0	108.5	215.2	0.504	0.089	0.001	3.049	0.053	0.248	0.004		1406	25	1420	13	1429	21	99%
33	185.3	107.5	256.6	0.419	0.102	0.001	4.273	0.062	0.305	0.004		1655	24	1688	12	1716	22	98%
34	74.5	32.4	183.2	0.177	0.101	0.001	4.186	0.063	0.302	0.004		1635	19	1671	12	1699	21	98%
35	470.3	214.8	856.6	0.251	0.108	0.001	4.920	0.071	0.332	0.005		1761	19	1806	12	1848	26	97%
36	97.0	46.8	199.8	0.234	0.106	0.001	4.432	0.068	0.305	0.005		1727	24	1718	13	1716	22	99%
37	322.7	178.4	453.0	0.394	0.111	0.001	5.147	0.084	0.335	0.005		1833	20	1844	14	1863	24	98%
38	114.4	49.1	280.5	0.175	0.104	0.001	4.285	0.062	0.300	0.004		1700	16	1690	12	1693	20	99%
39	94.9	43.0	249.6	0.172	0.105	0.001	3.986	0.060	0.276	0.004		1706	19	1631	12	1572	18	96%
40	232.2	125.3	516.4	0.243	0.107	0.001	3.980	0.072	0.269	0.004		1754	22	1630	15	1535	20	93%
41	86.3	50.8	93.5	0.544	0.108	0.001	4.798	0.076	0.321	0.004		1770	24	1785	13	1796	19	99%
42	96.9	48.1	199.1	0.241	0.108	0.003	4.479	0.104	0.302	0.005		1766	46	1727	19	1703	25	98%
43	393.1	345.2	517.8	0.667	0.091	0.001	2.871	0.042	0.228	0.003		1457	20	1374	11	1323	17	96%
44	222.9	136.8	373.2	0.367	0.111	0.002	4.123	0.075	0.270	0.004		1814	29	1659	15	1539	19	92%
45	368.6	119.9	412.7	0.290	0.160	0.002	10.179	0.126	0.463	0.006		2454	17	2451	11	2453	27	99%
46	84.1	39.0	170.5	0.229	0.106	0.001	4.707	0.070	0.322	0.004		1729	20	1768	12	1801	21	98%
47	292.8	263.6	297.2	0.887	0.089	0.001	2.852	0.042	0.233	0.004		1411	30	1369	11	1353	19	98%
48	102.4	48.2	200.0	0.241	0.107	0.001	4.783	0.068	0.324	0.004		1747	19	1782	12	1809	21	98%
49	109.5	51.1	224.9	0.227	0.106	0.002	4.669	0.069	0.328	0.012		1800	34	1762	12	1831	56	96%
50	136.6	72.3	264.8	0.273	0.103	0.001	4.397	0.059	0.308	0.004		1684	19	1712	11	1733	20	98%
51	169.9	88.3	312.5	0.283	0.104	0.001	4.622	0.065	0.321	0.005		1703	17	1753	12	1795	23	97%
52	103.9	71.4	188.5	0.379	0.090	0.001	3.184	0.050	0.257	0.004		1433	18	1453	12	1474	21	98%
53	95.3	42.4	221.8	0.191	0.105	0.001	4.479	0.059	0.311	0.004		1706	20	1727	11	1746	21	98%
54	181.8	86.9	391.3	0.222	0.107	0.001	4.630	0.064	0.316	0.005		1746	23	1755	12	1768	25	99%
55	276.9	96.6	269.3	0.359	0.161	0.002	10.667	0.172	0.480	0.008		2468	18	2495	15	2528	35	98%
56	95.8	56.1	161.3	0.348	0.105	0.002	4.338	0.103	0.300	0.004		1706	37	1701	20	1693	20	99%
57	273.1	159.1	341.9	0.465	0.108	0.001	4.807	0.058	0.322	0.004		1769	18	1786	10	1799	19	99%
58	152.8	75.2	251.3	0.299	0.107	0.001	4.844	0.074	0.327	0.005		1767	20	1793	13	1824	25	98%
59	126.1	74.4	164.6	0.452	0.105	0.001	4.565	0.066	0.316	0.005		1710	21	1743	12	1771	23	98%
60	165.3	85.9	272.2	0.315	0.104	0.001	4.609	0.061	0.321	0.005		1698	20	1751	11	1795	22	97%
61	179.8	83.9	405.5	0.207	0.102	0.001	4.309	0.066	0.306	0.004		1661	19	1695	13	1719	22	98%
62	215.2	100.7	444.1	0.227	0.107	0.001	4.648	0.064	0.316	0.004		1743	19	1758	12	1769	20	99%
63	285.6	161.0	474.9	0.339	0.104	0.001	4.274	0.055	0.299	0.004		1689	17	1688	11	1686	19	99%
64	149.9	86.4	226.8	0.381	0.103	0.001	4.376	0.054	0.310	0.004		1673	19	1708	10	1739	21	98%
65	106.9	76.8	102.0	0.753	0.096	0.001	3.754	0.055	0.285	0.003	1540	22	1583	12	1614	17	98%

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图  3  三亚三郎岭地区变质砾岩碎屑锆石U-Pb年龄谐和图和直方图

Figure  3.  Detrial zircons U-Pb concordia diagrams and histogram of metaconglomerate in Shanlangling area, Sanya

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图  4  海南岛前寒武纪碎屑锆石U-Pb年龄谱

a—石灰顶组^[9]；b—石碌群^[9]；c—变质砾岩；d—峨文岭组^[11]；e—戈枕村组^[11]

Figure  4.  U-Pb age spectra for Precambrian detrital zircons in Hainan Island

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3.   中元古代沉积大地构造背景

海南岛已发现的中元古界分为下部戈枕村组和上部峨文岭组。戈枕村组岩性以混合岩和片麻岩为主，原岩以中酸性火山岩为主，夹杂砂岩类、泥岩等；峨文岭组以云母石英片岩、石英云母片岩、石英岩为主，夹石墨矿层，原岩为泥岩、砂质泥岩、砂岩，夹火山岩或炭质泥岩等^{[13, 26]}。有关海南岛中元古代构造背景存在2种观点：Zhang等^[27]基于变基性岩和同时代A型花岗岩的出露，认为抱板杂岩可能形成于裂谷环境；与之相反，许德如等^[26]依据区域上中元古代长英质岩石的S型花岗岩属性，认为海南岛中元古代为活动大陆边缘环境。本次新发现的变质砾岩单层厚、砾石大小混杂、少量硅质泥砂杂基填隙、成分成熟度高、结构成熟度中等，指示物源区岩性相对单一、高差大、剥蚀快，表现为裂谷盆地高密度的碎屑流沉积物特征，此类沉积常发育在裂谷带陡倾一侧砾质洪积扇或浊积扇内^[28-30]，是海南岛中元古代一种新的沉积建造类型。该套裂谷相关沉积建造的发现，为探讨海南岛中元古代构造背景提供了新的约束。结合海南岛缺乏中元古代同期俯冲-碰撞相关的岩浆-变质记录(如高镁安山岩、埃达克岩、钙碱性玄武岩等)，笔者认为，海南岛中元古代可能为裂谷相关的伸展构造背景，而不支持与俯冲相关的挤压环境。

从变质砾岩碎屑锆石年龄谱与戈枕村组、峨文岭组、石碌群、石灰项组碎屑锆石年龄谱对比结果(图 4)看，戈枕村组、峨文岭组与变质砾岩具有相似的年龄区间(1400~1580 Ma、1700~1800 Ma、2400~2700 Ma)和主要峰值；石灰顶组和石碌群除与戈枕村组、峨文岭组及本次新解体出来的变质砾岩具有3个相似的年龄区间和主要峰值外，还具有900~1150 Ma年龄区间和970 Ma、1070 Ma峰值。这些年龄谱特征，结合变质砾岩中的砾石组成以硅质砾石占绝对优势，仅见少量片麻岩和片岩砾石，表明该套变质砾岩物源可能为峨文岭组和同时期的岩浆岩，以及更古老的基底物质，这个古老基底也是戈枕村组、峨文岭组的物源区。而石灰顶组和石碌群中的碎屑锆石可能来自古老基底、戈枕村组与峨文岭组再循环、中元古代晚期的新生岩浆岩。值得注意的是，变质砾岩的沉积时限稍晚于峨文岭组，说明峨文岭组成岩后经构造运动变质变形，快速出露至地表并遭风化侵蚀，成为变质砾岩的物源区，这一复杂的过程发生在1440~1350 Ma相对短的时间内，说明1440~1350 Ma期间海南岛发生了强烈的构造活动^{[7-8, 25]}，该期地质事件可能与Columbia超大陆的裂解相关。需要指出的是，变质砾岩中1699 Ma、1440 Ma和2461 Ma的年龄峰值与劳伦大陆西部的Belt-Purcell超群下部沉积地层中的碎屑锆石年龄组成接近^{[11, 31]}，这种相似性可能暗示了在中元古代海南岛南部与劳伦西部靠近。

4.   结论

(1) 海南三亚三郎岭地区变质砾岩锆石年龄集中分布在2691~2444 Ma，1838~1632 Ma，1540~1350 Ma三个区间，最年轻锆石年龄值为1350 Ma，限定该变质砾岩沉积时限为1350~1250 Ma，属中元古代，应该从原归属的奥陶系中解体出来。该套变质砾岩不同于海南岛已报道的中元古界戈枕村组片麻岩、混合岩和峨文岭组石英片岩、石英岩等岩石类型，是一种新的中元古代沉积建造类型。

(2) 该套变质砾岩具有与戈枕村组、峨文岭组相似的年龄区间和主要峰值，而缺乏石灰顶组和石碌群具有的900~1150 Ma年龄区间和970 Ma、1070 Ma峰值，结合其砾石成分单一、大小混杂、颗粒支撑，成分成熟度高、结构成熟度一般等岩石学、沉积学特征，推断该套变质砾岩为1350~1250 Ma Columbia超大陆裂解晚期的裂谷建造。

(3) 变质砾岩与劳伦大陆西部的Belt-Purcell超群下部沉积地层具有相似的碎屑锆石年龄组成和年龄谱特征，暗示中元古代Columbia超大陆中，海南岛与劳伦西部靠近。