江苏赣榆县石桥浅变质岩地球化学和锆石U-Pb年龄

袁亚娟, 夏 斌, 张玉泉, 夏连泽, 李 贺,3

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所, 广东 广州 510640; 2. 中山大学 海洋学院, 广东 广州 510275; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)

0 引 言

石桥浅变质岩, 处于苏北-胶南地块超高压变质带腹地(“东海群”或“胶南群”), 限于北界五连-烟台断裂、南界嘉山-响水断裂之间, 分布在赣榆县石桥镇南边(35°02.32′N, 119°10.32′E)和保存原始结构的浅变质沉积岩系。在“苏北变质岩”专题研究中, 将该套浅变质岩从深变质岩(东海群)中分出, 建立“石桥群”, 时代定为早元古代[1]。随后又定为晚元古代[2]、震旦纪[3]和晚元古代末期[4]等。董树文等把大片超高压变质带分布区的腹地, 赣榆县北苏鲁两省交界附近出露面积很小的浅变质沉积岩系厘定为“石桥构造窗”[5]。在后来的研究者又确认为“沉积盖层”[4]、“飞来峰”[6]、“加积楔”[7‒8]和来自华北板块的残片[9]等。本研究拟在前人工作的基础上, 开展石桥浅变质岩元素地球化学和锆石 U-Pb定年研究, 旨在对比其与苏鲁超高压带中超高压变质岩的地球化学特征, 从而进一步确定石桥浅变质岩的原岩成岩环境和时代。

1 地质简况

研究区位于华南板块与华北板块的结合部位,发育在五莲-威海断裂和沭阳-连云港断裂之间的超高压变质带中(图 1), 为典型的三叠纪高压-超高压变质岩组合, 宽约 160 km, 主要由深变质岩“东海群”和分布在东海群之内的浅变质岩“石桥群”组成。前者包括片麻岩、榴辉岩和混合岩, 其中榴辉岩中发育柯石英和金刚石, 代表了超高压变质(t = 740～840 ;℃p ＞ 2.8 GPa)[9‒11]。后者主要为灰-灰白色、深灰色的互层状浅变质碎屑岩: 变质砂砾岩、变质细砾岩、板岩、千枚岩、片岩、石英岩和变质火山碎屑岩等。从石桥镇南侧浅变质岩采石场(35°02.574′N, 119°10.542′E:145°3°)∠向西到朱官庄采石场(35°02.397′N,119°08.195′E: 105°12°),∠ 再向西到石桥镇西南片麻岩采石场(35°02.915′N, 119°07.595′E: 130°12°)∠等地,岩层平直, 产状平缓, 在采坑壁可见 20 cm厚的细砾岩层之上是0.8 cm厚的黑色板岩(图2a), 其中细砾岩中石英砾石磨圆度较好(图 2b)。从前述的采石场所见岩层产状, 说明石桥浅变质岩处在深变质岩(片麻岩)之上。石桥浅变质岩与周边超高压变质岩呈构造接触[12]。样品均采自石桥镇南侧采石场(35°02.574′N,119°10.542′E)。

图1 石桥地区地质简图(据董树文等[5]略加修改)Fig.1 Simplified geological map of Shiqiao area (modified after Dong et al.[5])

图2 石桥地区野外照片(a)和显微照片(b)Fig.2 Outcrop image and photomicrograph in the Shiqiao region

2 元素地球化学特征

岩石化学分析所用仪器为中国科学院广州地球化学研究所的Varian Vista-PRO型ICP-AES(CCD全谱直读 ICP-AES), 所有氧化物分析误差(RSD)小于5%。微量元素包括稀土元素, 在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室用PE-Elan 6000型ICP-MS测试, 元素误差小于10%。岩石化学和微量元素(含稀土元素)分析结果见表1。

2.1 岩石化学

石桥浅变质岩(板岩、片岩和千枚岩)岩石化学分析结果见表 1。表 1中本文分析结果与文献[8]基本一致。其主成分含量变化范围: SiO252.23%～75.70%,Al2O39.26%～20.56%, Na2O 0.26%～0.23%, K2O 6.08%～10.22%, CaO 0.21%～0.35%等, 表明石桥浅变质岩化学成分富碱(Na2O+K2O=6.39%～10.65%)、高钾、贫钠(Na2O/K2O=0.03～0.05)等, 不同于大别-苏鲁超高压变质带的副片麻岩, 该副片麻岩在岩石化学成分上富钠(Na2O 4.13%～5.30%)、低钾(Na2O/K2O= 1.42～2.86)等[14]。

2.2 微量元素(包括稀土元素)

在微量元素组成上, 本研究和文献[13]的样品均富集Rb、Ba、Th、U等大离子亲石元素和富Pb, 贫Sr。在原始地幔标准化蛛网图上(图 3), Sr呈现“V”型谷。稀土元素含量变化范围为130.89～232.80 μg/g,轻稀土元素比较富集(LREE/HREE为 7.92～14.84),Eu负异常不明显(δEu=0.73～0.91), 稀土元素分布模式为右倾斜(La/Yb=8～21)(图4)。与大别-苏鲁超高压变质带的副片麻岩明显不同[14]。

3 锆石U-Pb年龄

3.1 锆石分选

为了尽量排除交叉混样, 采用以下流程[16]分选锆石: 把0.5 kg左右的样品破碎成约1 cm3的小块,放入直径为20 cm的不锈钢钵中, 在XZW100型振动磨样机中研磨3～5 s后取出, 此过程反复进行到样品全部通过0.3 mm的孔径筛, 洗去粉尘, 用铝制淘沙盘富集重矿物, 再通过磁选和电磁选, 将剩余非电磁部分再淘洗获得锆石精矿, 最后在双目镜下挑选出用于定年的锆石。

3.2 分析方法和精度

锆石LA-ICPMS分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。将锆石与标样(TEM=417 Ma)置于玻璃板上, 用环氧树脂固定制成样品靶, 然后磨至约一半, 使锆石内部暴露,暴露出锆石的中心面, 喷碳沫照阴极(CL)发光相。再擦掉碳沫, 即可进行LA-ICPMS U、Pb含量测定, 采用单点剥蚀的方法(激光剥蚀斑束直径为 31 μm,频率为8 Hz)。详细的实验流程和数据处理见文献[17‒18]。用实测204Pb校正锆石中的普通Pb。单个数据点的误差均为 1σ, 年龄大于 800 Ma的数据点采用年龄为207Pb/206Pb年龄,年龄小于800 Ma的数据点采用年龄为206Pb/238U年龄, 其加权平均值为95%的置信度。

表1 石桥浅变质岩主元素(%)和微量元素(μg/g)分析结果Table 1 Representative composition of major and trace element contents in low-grade metamorphic rocks within the Shiqiao region

图3 石桥浅变质岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔标准化值据文献[15])Fig.3 Primitive mantle-normalized spider diagram for low-grade metamorphic rocks in the Shiqiao region (primitive mantle values from [15])

图4 石桥浅变质岩稀土元素球粒陨石标准化分布模式(球粒陨石标准化值据文献[15])Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns for low-grade metamorphic rocks in the Shiqiao region (Chondritic values from [15])

3.3 分析结果

石桥浅变质岩中锆石的 CL图像(图 5)显示: 既有发育韵律环带的岩浆锆石, 又有不发育韵律环带的变质锆石。在结构上有两层(核、壳)和三层(核、幔、壳)之分, 继承锆石既有岩浆碎屑锆石, 又有具有老核新壳的变质复合锆石, 其年龄测定结果(表2,图6)有如下特征: (1)岩浆碎屑锆石1个, Th含量为238 μg/g, U 含量为 438 μg/g, Th/U= 0.54, 年龄为3127 Ma, 相当于中太古代早期；(2)变质复合锆石的老核(继承锆石)10个, Th含量为31～380 μg/g, U含量为 45～647 μg/g, Th/U=0.10～1.13, 年龄值分别属于新太古代晚期(2577、2509、2509和 2502 Ma)和古元古代(2454、2425、2346、2144、2021和 1995 Ma)；(3)变质复合锆石的新壳5个, Th含量为73～433 μg/g,U 含量为 80～835 μg/g, Th/U=0.4 ～0.91, 其年龄值为2483、2370、2211、1772 和 1769 Ma(古元古代)、778 Ma(新元古代)和554 Ma(早寒武世)。

图5 石桥片岩锆石的CL图像及测点位置Fig.5 Cathodoluminescence images of zircons from Shiqiao schist and sites of points for analyses

4 结果讨论

4.1 赣榆县石桥浅变质岩的时代

图6 石桥片岩锆石U-Pb 谐和图Fig. 6 Concordia diagrams of U-Pb data for the zircon from schist in the Shiqiao region

有关石桥浅变质岩的原岩时代, 20世纪80年代初在赣榆幅(1/20万)区调时曾得到碎屑锆石U-Pb上交点年龄 1901 Ma[19]。随后又定为早元古代[1]、晚元古代[2]、震旦纪[3]、晚元古代末期[4]。另外, 包括石桥在内的浅变质岩中, 产有震旦-早寒武世藻类化石[20]。本研究中, 锆石LA-ICPMS U-Pb定年结果的16个测点中, 中太古代1个(3127 Ma), 新太古代4个(2577、2509、2509和 2502 Ma), 古元古代 9个(2483、2454、2425、2370、2346、2211、2144、2021和1995 Ma), 新元古代1个(778 Ma), 早古生代1个(554 Ma), 其中早古生代年龄相当早寒武世。这表明石桥浅变质岩的时代应该是寒武纪, 与该浅变质岩中产早寒武世藻类化石的特征吻合。

4.2 石桥浅变质岩成因可能性分析

有关石桥浅变质岩的成因, 在前文中提到的有“构造窗”[5]、“沉积盖层”[4]、“飞来峰”[6]、“加积楔”[7]和来自华北板块仰冲的残片[9]等。以上认识的区别在于原地和非原地之分。本研究结果表明, 石桥浅变质岩与大别-苏鲁超高压变质单元中片麻岩等岩石在主成分、锆石成因类型和时代等方面有明显不同: (1)在主成分上, 前者富钾(K2O)贫钠(Na2O), 后者富钠、低钾[14,21‒23]等, 暗示其原岩沉积环境的不同; (2)变质复合锆石老核“继承锆石”的时代, 前者多集中在中太古代、新太古代和古元古代, 后者多集中在新元古代; (3)变质复合锆石新壳的年龄, 前者是 2483、2370、2211 Ma(古元古代)和 554 Ma(寒武纪), 前述年龄并不是浅变质岩变质时间, 而是浅变质岩中“变质复合锆石”的原岩变质时间。后者多在 215 Ma左右[24‒25],为晚三叠世(退变质时间); (4)沉积盖层, 虽是原地, 但它在沉积的时间上应晚于苏鲁超高压变质带的退变质时间(211±4) Ma[25]。从本文获得浅变质岩中变质复合锆石的新壳最年轻的年龄554 Ma(寒武纪)。后者在石桥片麻岩中变质复合锆石老核“继承锆石”, 既有寒武纪(538 Ma)又有奥陶纪(454 Ma)和泥盆纪(401 Ma)。所以老地层(浅变质岩)不可能沉积覆盖在新地层之上。前述现象均表明石桥浅变质岩不是原地的, 而是来自异地。因此,用“飞来峰”解释石桥浅变质岩的成因还是可信的。

表2 石桥片岩锆石LA-ICPMS U-Pb年龄数据Table 2 LA-ICPMS U-Pb dating results of zircons from schist in Shiqiao area

5 结 论

(1)石桥浅变质岩富碱、高钾、贫钠。

(2)石桥浅变质岩的原岩时代, 属于早古生代(554 Ma), 相当于寒武纪。

(3)石桥浅变质岩中, “变质复合锆石”新壳的年龄, 反映其原岩时代的年龄。

(4)石桥浅变质岩的成因, 非原地, 而是异地(飞来峰)。

中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室孙卫东研究员、涂湘林副研究员等协助完成了U-Pb年龄的测定, 并提出了许多宝贵的意见, 在此表示衷心的感谢！

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