鐘焱 ，田輝 ，張健 ，張闊 ，李懷坤 ，相振群

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；2.中國地質(zhì)調(diào)查局前寒武紀地質(zhì)研究中心，天津300170；3.中國地質(zhì)調(diào)查局華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津300170）

在1991年刊發(fā)的《Episodes》雜志上，Plumb正式闡述了以絕對年齡為界的前寒武紀地質(zhì)年表[1]，該表將新元古代地球經(jīng)歷大規(guī)模冰川作用的時期稱為“成冰紀（Cryogenian Period）”[2]，作為新元古代的第二個“紀”級年代地層單元，與下部拉伸紀（Tonian Period）、上部埃迪卡拉紀（其時被暫稱為“Neoproterozoic IIIPeriod”）的年代界限被暫時限定在850 Ma和650 Ma[1]。然而，這種“武斷的、嚴格按照時間刻度的、以絕對時代作為界限的”地質(zhì)年表，脫離了“唯一重要且客觀的，記錄了行星演化過程的現(xiàn)存巖石記錄”[3]。因而，得益于研究手段的進步和認識水平的提高，國際地層委員會開始倡議以類似于顯生宙地層研究所采用的“金釘子”方法-即以現(xiàn)存的巖石記錄-標定前寒武紀地層界線的工作方法[4,5]。

回溯近三十年來的研究進程，成冰紀各次冰期事件啟動、消融時代研究的精準程度，直接決定著新元古代年代地層劃分的精細水平：例如成冰紀的上限是以Marinoan冰期的消融時代（即蓋帽碳酸鹽巖的沉積時代）為界，從最初的650 Ma被厘定到目前的635 Ma，這一修訂是以海量的巖石地層學、年代地層學和化學地層學研究資料作為堅實基礎(chǔ)的[6]；與上限時代的研究進度不同，成冰紀的下限是直到2015年以后才被修訂為720 Ma的，其依據(jù)是能夠在世界范圍內(nèi)確認存在的、最早的全球性冰川作用，是啟動時間大致在719～714 Ma之間的Sturtian冰期事件[7]。眾所周知，作為一種普遍且精確的語言，地質(zhì)年代表是地質(zhì)學家討論、刻畫地球演變歷史的通用工具[8]，而前寒武紀地質(zhì)年表更是對地球特定時期內(nèi)不同圈層相互耦合的過程和結(jié)果的高度概括。對于新元古代而言，可以大致地分為劇烈?guī)r漿活動、極端氣候變化和早期生命的迅速分化并繁盛等3個階段，而以全球廣泛分布冰川作用記錄的成冰系地層，作為劃分拉伸紀Rodinia超大陸裂解和埃迪卡拉紀生物演化的時間刻度，是相對客觀、且更為有效的解決方案。也正因于此，查明新元古代是否存在、以及存在幾次“全球冰凍和快速解凍”的極端氣候事件，一直是地球科學領(lǐng)域近三十年來的熱點和難點問題。

1 新元古代冰期事件研究進展

1.1 新元古代極端氣候事件及其成因

以各大洲的新元古代冰磧巖古地磁觀測結(jié)果為基礎(chǔ)，Harland提出了“泛赤道冰川作用”[9]的設(shè)想。其后，Budyko建立了描述冰蓋面積、地表反射率、太陽輻射流入量與古氣候波動的計算模型[10]，該模型描述了一種不可逆的冰川漫延狀態(tài)，即“冰川災變事件[11]”。然而，由于不能理解全球范圍內(nèi)的冰蓋消融機制，同時“極端環(huán)境下生命無法存活”的觀念在當時深入人心，全球冰凍模型一直未被認同[12]。直至1992年，Kirschvink將充分驗證后的古地磁測量結(jié)果和冰磧巖中存在碳酸鹽巖礫石、碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖中發(fā)育落石構(gòu)造等證據(jù)相結(jié)合，提出“新元古代的低緯度地區(qū)廣泛發(fā)育海相冰川作用，整個地球都處于雪球狀態(tài)”的設(shè)想。Kirschvink認為，“雪球地球”假說成立與否可從三個方面驗證，即冰磧巖的全球等時性、指示冰室-溫室氣候擺動的巖石組合和條帶狀鐵建造的局部重現(xiàn)[13]。在此基礎(chǔ)上，Hoffman等人[14，15]進一步將板塊運動、火山作用、化學風化強度等因素相互關(guān)聯(lián)，從地球系統(tǒng)的視角闡述了大氣CO2含量對誘發(fā)新元古代極端氣候事件（地球氣候系統(tǒng)從超級冰室迅速演變?yōu)槌墱厥遥碞eoproterozoic Climatic Paradox[16]）的決定性作用。

時至今日，無論是來自現(xiàn)代黑煙囪和活火山口附近的樣品觀測結(jié)果[12]，還是對新元古代化石組合多樣性和演化趨勢的對比分析[17]，都表明原始/早期生命能夠存活于極端惡劣的生態(tài)環(huán)境中。事實上，近年來的地球化學資料顯示，拉伸紀末期（約800～700 Ma）的地球經(jīng)歷過一次顯著的大氣增氧事件（Neoproterozoic Oxygenation Event,“NOE”[18]）；分子鐘的估算結(jié)果也表明，早期動物的趨異進程同樣發(fā)端于拉伸紀[17]，這些證據(jù)說明早期生命（乃至早期動物）的演化和進化，至少在拉伸紀時期就已經(jīng)開始與生態(tài)環(huán)境的劇變（對應地球表生系統(tǒng)的顯著變化）進程緊密耦合。如果“雪球地球”假說所描述的極端氣候事件確實存在，那么這個罕見的“環(huán)境過濾器[12]”勢必強烈干預了早期生命的演化過程。例如，最新的研究顯示，在成冰紀海洋整體處于缺氧環(huán)境的大背景下，冰川刨蝕帶底部含大氣冰川融水的運移，可以在濱淺海浮冰之下的缺氧水體中生成一個楔狀的含氧帶，這些廣泛分布于陸架周緣的局部富氧環(huán)境，很可能是條帶狀鐵建造和需氧型真核生物（化石記錄）呈孤島型重現(xiàn)和保存的原因[19]。

被不斷修正、完善的“雪球地球”假說現(xiàn)在認為，新元古代地球的極端氣候事件，是由長期的全球冰凍狀態(tài)和短暫的極度溫室狀態(tài)兩部分所組成。盡管有大量的古地磁證據(jù)顯示新元古代的低緯度地區(qū)確實存在冰川作用，并且“雪球地球”假說的三個核心預測也已被各類研究資料不斷證實[6,20-23]，但也有不利于“全球冰凍”狀態(tài)的諸多證據(jù)被持續(xù)的發(fā)現(xiàn)[24]，此外還有其他在某些方面更加合理的理論模型[25]被提出，如泥球地球假說[26]、地軸高度傾斜假說[27]等?？傮w而言，這些模型及其相關(guān)研究基本存在兩個重點的論證方向：其一是成因方面，以氣候波動的起因為核心，主要針對大氣CO2分壓的升降過程展開；其二是規(guī)模方面，以驗證全球冰凍狀態(tài)是否存在為核心，具體圍繞冰磧巖的全球等時性展開。

如前所述，“雪球地球”假說在其建立伊始，就將新元古代極端氣候事件與大氣圈的溫室氣體含量演化模型建立了緊密的成因聯(lián)系[13]。時下的主流觀點認為，新元古代高效的硅酸巖化學風化作用[28-30]、較高初級生產(chǎn)力帶來的大規(guī)模固碳作用[31]和減弱的火山去氣作用[32]，都會造成大氣CO2含量的顯著下降，最終使地球進入“雪球”狀態(tài)；其后，進入冰期階段的地球表層，各類活動強度顯著降低，如水循環(huán)基本停滯、大氣環(huán)流急劇減弱等[12，33]，與之密切相關(guān)的初級生產(chǎn)力和化學風化強度降至極低水平，對CO2的消耗趨近于零，使得大氣CO2持續(xù)累積到地球歷史上的最高水平[15，34]，最終實現(xiàn)全球冰蓋的瞬時消融[15，35]。

在驗證冰川作用的規(guī)模方面，研究成果更為豐碩、爭議也始終不斷。例如，通過對比C、Sr同位素變化曲線，Kaufman等[36]認為新元古代至少存在4次全球冰期事件；其他研究者則認為可全球?qū)Ρ鹊谋谑录挥?次，另在約570 Ma存在1次區(qū)域性的冰期事件[37，38]。由于全巖地球化學組分易受后期地質(zhì)作用影響，并且不同地區(qū)冰期前后沉積記錄的保存潛力存在巨大差異，眾多研究者開始通過直接限定全球各地冰磧巖的沉積時代，間接判斷同期冰川作用的分布規(guī)模。累積至今的研究資料已經(jīng)揭示出4次冰期事件，自老而新包括：Kaigas冰期（約740～735 Ma[39-42]）、Sturtian冰期（約716～665 Ma[43-49]）、Marinoan冰期（約639～635 Ma[7，46，50-52]）和Gaskiers冰期（約583.7～582.1 Ma[53]）；其中，成冰紀的Sturtian冰期和Marinoan冰期屬于全球冰期事件，而埃迪卡拉紀的Gaskiers冰期是僅在中、高緯度帶發(fā)育的地域性冰川作用[54,55]。盡管在數(shù)個地區(qū)（包括南非Kalahari克拉通、贊比亞西北部、納米比亞西南部和塔里木陸塊東北緣等）的拉伸系地層中都有冰川沉積作用記錄的報道，且各地的冰川作用時代也近乎等時，但以此為依據(jù)所建立的拉伸紀Kaigas冰期，近來受到一些學者的質(zhì)疑，如Rooney等人就認為，上述地區(qū)的雜礫巖或者對其成巖時代的約束有誤，或者缺乏典型的冰川成因標志，因而不可以視為是一次比Sturtian冰期更早的大規(guī)模冰川作用[47]。

1.2 雜礫巖、冰磧巖與塊狀冰磧巖的地質(zhì)意義

沉積巖中的碎屑物質(zhì)在堆積過程中，如果存在冰川或冰川融水的作用，都可以被稱為廣義的冰磧巖，這一定義范圍除了冰川冰沉積外，還包括了明顯存在水營力參與的冰川接觸沉積、冰水沉積和冰湖沉積等類型。在諸多類型的冰磧巖中，不發(fā)育層狀構(gòu)造和粒序?qū)永淼膲K狀冰磧巖，一般只與冰川消融造成的快速混雜堆積有關(guān)，冰川攜帶的沉積物在被剝蝕、搬運和堆積的過程中，基本可忽略水營力的參與。雜礫巖，是單純的巖石學概念，一般僅指示快速混雜堆積的沉積過程，不具備成因含義和環(huán)境屬性[56]。

典型的冰川成因標志包括冰溜面、冰川擦痕、漂礫和落石構(gòu)造、“泥包礫”結(jié)構(gòu)等[57，58]。然而這些結(jié)構(gòu)和構(gòu)造在大部分雜礫巖地層中十分少見，因此通常難以判斷一套雜礫巖及其相關(guān)沉積體系的成因是與重力流或是冰川作用有關(guān)[56]。前人研究所揭示的地史規(guī)律顯示，冰磧巖在伸展背景盆地的保存潛力更高[59]，而這種環(huán)境通常也是重力流高發(fā)的地區(qū)，進一步增加了識別雜礫巖成因的難度。與早期研究視非構(gòu)造成因雜礫巖為冰磧巖的不當認識不同，近年來，識別雜礫巖的重力流或冰川成因問題已經(jīng)得到部分學者的重視，其核心驅(qū)動力正如Le Heron等所描述的，“混淆重力流與冰川成因的雜礫巖會導致冰期旋回的誤判，由此建立的冰期對比格架可能存在本質(zhì)上的錯誤”[60]。因而，在典型地區(qū)，如可能是世界上唯一一處保存了4期新元古代冰川作用記錄的塔里木陸塊[61,62]，開展冰磧巖與塊狀冰磧巖的期次與成因研究，是對現(xiàn)有研究資料和認識的檢驗和修正，也是對極端氣候事件成因模型的補充和完善。

2 塔里木陸塊北緣的新元古代冰期事件研究進展

位于我國西北地區(qū)的塔里木陸塊，在其周緣和相鄰微地塊的南華-震旦系中，保存了大量發(fā)育雜礫巖層位的沉積記錄（圖1）。早期曾認為這些雜礫巖均屬冰川成因[57，58，63-65]，但僅在部分剖面發(fā)現(xiàn)了典型的冰川作用標志（如塔里木陸塊東北緣的庫魯克塔格地區(qū)[57，66]，全吉地塊德令哈一帶的全吉山、大煤溝地區(qū)[67，68]）。前人已對這些地區(qū)開展了較充分的冰期事件研究，目前以塔里木陸塊的北緣地區(qū)研究程度最高，分別在阿克蘇-柯坪-烏什和庫魯克塔格等地積累了豐富的研究資料。與國際上的新元古代雜礫巖和冰期事件研究進程類似，塔里木北緣地區(qū)的相關(guān)研究進展也可大致分為兩個方面：

2.1 雜礫巖的成因和巖相劃分

圖1 塔里木陸塊及鄰區(qū)前寒武紀地質(zhì)簡圖[69]Fig.1 Sketch map of the Precambrian units outcropped in the Tarim Block and its ajacent terranes

（1）東北緣庫魯克塔格地區(qū)：庫魯克塔格群與下伏地層呈角度不整合接觸關(guān)系、其上被寒武系平行不整合覆蓋，自下而上包括貝義西組、照壁山組、阿勒通溝組、黃羊溝組、特瑞愛肯組、扎摩克提組、育肯溝組、水泉組和漢格（戈）爾喬克組[57，58]。通過沉積特征和“泥包礫”、壓裂、刻蝕紋、冰溜面等冰川作用標志，早期研究將該區(qū)的新元古代冰期事件厘定為：第一冰期—貝義西組冰海相沉積；第二冰期—阿勒通溝組、特瑞愛肯組冰海相沉積；第三冰期—漢格爾喬克組大陸冰川沉積[57，58，64，66]。此后，曹仁關(guān)建議在阿勒通溝組和特瑞愛肯組之間建立濱淺海相黃羊溝組[70]，這種劃分方案得到了高振家和陳克強的支持[71]，并被后續(xù)的化學蝕變指數(shù)[72]和C同位素異常[73]等研究證實。根據(jù)這些資料，高林志提出塔里木陸塊的東北緣可能存在4次新元古代冰期事件：即貝義西冰期、阿勒通溝冰期、特瑞愛肯冰期和漢格爾喬克冰期[62]。然而，也有觀點認為貝義西組、阿勒通溝組的雜礫巖中缺少明確的冰川作用標志，因此這兩期冰期事件的真實性仍需考證[41，74]。

（2）阿克蘇-柯坪-烏什地區(qū)：不整合于阿克蘇群藍片巖之上的南華-震旦系，包括巧恩布拉克組、尤爾美那克組、蘇蓋特布拉克組和奇格布拉克組。高振家等人的早期研究曾認為，巧恩布拉克組中雖無厚層雜礫巖產(chǎn)出，但存在含漂礫碎屑巖夾層以及指示寒冷氣候的棱角狀雜砂巖，屬于廣義的“冰成巖”，因此判斷該組為冰筏海洋相沉積；尤爾美那克組的雜礫巖則代表大陸冰蓋型沉積[75]。然而，陸松年等通過系統(tǒng)的沉積學研究，證明巧恩布拉克組雜礫巖及其相關(guān)沉積體系代表的是碎屑流沉積事件，與冰川作用無關(guān)[63，76]。因此，塔里木陸塊的西北緣地區(qū)只存在1次新元古代冰期事件，即尤爾美那克組冰期[71]。

2.2 塔里木陸塊的新元古代冰期格架

根據(jù)沉積相序、巖石組合特征和古地理重建結(jié)果，早期研究曾給出塔里木陸塊的新元古代冰期對比方案[64，75]。隨著全球冰川作用等時性與期次問題的重要意義日益凸顯[11]，塔里木陸塊雜礫巖研究的重心逐漸轉(zhuǎn)移到限定其地層時代的方面。依據(jù)鋯石UPb 同位素年代學[41，42，61，77-83]、C-O-S 同位素地球化學[74，84-86]、主量元素化學地層學[72，87，88]、層序地層學[89]等分析結(jié)果，現(xiàn)行的塔里木陸塊新元古代冰期的劃分是以東北緣的庫魯克塔格群為標準，對應的冰期對比方案為：貝義西冰期（約740～725 Ma，對比Kaigas冰期）、阿勒通溝冰期（晚于740 Ma、早于655 Ma，對比Sturtian冰期）、特瑞愛肯-尤爾美那克冰期（晚于655 Ma、早于615 Ma，對比Marinoan冰期）和漢格爾喬克冰期（對比Gaskiers冰期）。

3 塔里木陸塊西南緣的新元古代冰磧巖研究現(xiàn)狀

保存于塔里木陸塊西南緣的南華-震旦系沉積蓋層，主要出露于喀什地區(qū)葉城縣南部的蘇庫里克-雨塘-艾瑪硝克一帶，自下而上包括絲路群[90]、恰克馬克力克群和震旦系庫爾卡克組-克孜蘇胡木組。其中，雜礫巖主要發(fā)育在恰克馬克力克群的波龍組和雨塘組?；谶@兩層雜礫巖及其相關(guān)沉積體系的沉積學特征，馬世鵬等[65]首次提出塔里木陸塊西南緣存在兩套新元古代冰磧巖的觀點，并將該群的沉積相序自下而上依次劃分為：牙拉古孜組類磨拉石建造，波龍組火山-沉積建造、濱海冰川建造，克里西組間冰期陸緣碎屑建造，雨塘組火山-沉積建造、濱海冰川建造、間冰期陸緣碎屑建造。其后，馬世鵬等“兩期冰期事件”的認識得到了粒度分析[91]和化學蝕變指數(shù)分析[92]結(jié)果的支持。然而最近的沉積學和地層學研究提出，較新的雨塘組冰磧巖，可能代表裂谷發(fā)育過程中的冰湖環(huán)境[93]，而非海相冰川記錄。

雖然目前一致認為塔里木陸塊的西南緣經(jīng)歷了兩次新元古代冰期事件[62]，但對這兩次冰期事件的時代與對比問題，目前仍無統(tǒng)一認識（圖2）。宗文明等將波龍組冰期、雨塘組冰期分別與貝義西冰期和阿勒通溝-特瑞愛肯冰期對比[91]；高林志等認為它們應分別對比于阿勒通溝冰期和特瑞愛肯冰期對比[62]；而童勤龍等則將其分別與特瑞愛肯冰期和漢格爾喬克冰期對比[92]。由于缺乏來自巖漿事件年齡的有效約束，目前的碎屑鋯石年代學研究也有較大分歧，存在將恰克馬克力克群歸屬為埃迪卡拉紀/震旦紀[94-96]或成冰紀/南華紀[62，97，98]兩種截然不同的觀點。

4 結(jié)語

圖2 塔里木陸塊西南緣南華-震旦系巖石地層劃分與對比方案的歷史沿革Fig.2 Evolution of the subdividing and correlating schemes of the Nanhuaan-Sinian in the southwestern part of the Tarim Block

地球在新元古代經(jīng)歷的兩次全球性極端氣候事件，是厘定成冰紀頂、底界線，繼而劃分新元古代地球各圈層演化階段的主要依據(jù)。針對極端氣候事件的成因機制，目前已經(jīng)提出了一系列假說和模型，如“雪球地球”、“泥球地球”、“帶狀開放水體”等，這些相悖的假說可以在各自的理論框架內(nèi)合理解釋一些客觀存在的地質(zhì)現(xiàn)象，如低緯度冰川作用記錄、條帶狀鐵建造重現(xiàn)、碳同位素比值劇烈變化與未冰凍流動水體成因的沉積構(gòu)造等。但是，與極端氣候事件觸發(fā)機制有關(guān)的討論，則鮮有例外的歸因于大氣溫室氣體含量/分壓的變化。由于地球表層物質(zhì)（指地表和地殼淺層）在被冰川刨蝕、搬運和堆積的過程中，基本沒有經(jīng)歷因水營力參與導致的化學風化和分選作用，因此冰磧巖較好地繼承了源區(qū)物質(zhì)的化學組成，可用于恢復特定時期的上地殼平均物質(zhì)組分特征、推測陸表化學風化強度等[99,100]。有鑒于此，對現(xiàn)存的新元古代冰磧巖、特別是最接近源區(qū)物質(zhì)組成的塊狀雜礫巖，系統(tǒng)開展全巖化學元素分析和地球化學特征的對比研究，可以最大限度的模擬冰期階段或冰前陸殼表層的平均化學組成，為驗證目前被反復論證的“雪球地球”觸發(fā)機制—即“適宜的陸殼表層物質(zhì)、通過一種或多種方式造成大氣CO2的巨量消耗、最終引發(fā)大規(guī)模冰川作用”—提供直接依據(jù)。與華南、勞倫古陸、澳大利亞、剛果和蒙古等地區(qū)相比，塔里木陸塊新元古代冰磧巖的研究資料亟待充實，而與北緣的烏什和庫魯克塔格地區(qū)相比，西南緣葉城一帶的研究資料更顯薄弱。因此，在后續(xù)的研究工作中，筆者將以葉城地區(qū)的恰克馬克力克群為主要對象，以期建立恰克馬克力克群的年代地層格架、獲取該群波龍組和雨塘組塊狀冰磧巖記錄的源區(qū)物質(zhì)平均化學組成，最終通過與全球同期塊狀冰磧巖的對比研究和綜合分析，恢復相應時期地殼表層物質(zhì)的基本組成特征，為理解新元古代極端氣候事件的觸發(fā)機制提供直接依據(jù)。

致謝：筆者曾就塔里木陸塊的冰磧巖問題，與張啟銳研究員進行過深入討論；文中擬定的以塊狀冰磧巖反演冰期/冰前地球表層物質(zhì)組成的設(shè)想，受到儲雪蕾、李獻華和翟明國研究員的啟發(fā)，在此，一并向諸位師長表示感謝。特別感謝趙鳳清、王惠初研究員組織本輯。陸松年先生早年曾在塔里木陸塊開展了系統(tǒng)的前寒武紀地質(zhì)調(diào)查與研究工作，建立了塔里木陸塊前寒武紀地質(zhì)演化過程的基本構(gòu)架，后學謹以此文慶賀陸松年先生80壽辰。