扬子北缘西乡群大石沟组和三郎铺组凝灰岩锆石U-Pb年龄及其地质意义

2013-12-25 01:26汪正江江新胜杜秋定崔晓庄
关键词:西乡裂谷大石

邓 奇,王 剑,汪正江,江新胜,杜秋定,伍 皓,杨 菲,崔晓庄

1.中国地质调查局成都地质调查中心,成都 610081

2.中国地质科学院研究生院,北京 100037

0 引言

Rodinia超大陆的聚合和裂解一直是前寒武纪地质研究的热点问题[1-5],华南新元古代裂谷盆地是Rodinia超大陆分裂解体的重要产物之一[5],其形成演化伴随着大量的火山-火山沉积事件。近年来,随着研究工作的深入和锆石U-Pb定年技术的广泛应用,许多研究者通过对华南新元古代相关地层的火山-火山碎屑岩进行精确定年,获得了大量高精度同位素定年数据,为我国华南前寒武纪年代地层格架的重新厘定提供了重要依据。同时,盆地内部火山-火山碎屑岩的时空分布特征,是恢复盆地演化历史的重要方面。因此,开展火山-火山碎屑岩精细年代学的研究,对区域地层划分对比及解释盆地演化意义重大。

华南新元古代裂谷盆地的主裂谷系主要发育于扬子地块东南缘(南华裂谷)和西缘(康滇裂谷),而扬子北缘目前一般认为形成了一系列错综复杂的小型裂谷[6-7]。西乡群主要分布于扬子北缘西段陕西省汉中市西乡县城附近,是华南新元古代裂谷盆地的重要组成部分[8],因其分布范围内普遍发育了广泛而强烈的前寒武纪火山岩浆活动,长期以来受到地学界的高度重视,是扬子北缘乃至整个华南前寒武纪地质研究的重要载体。

早在20世纪30年代,黄懿先生将汉中一带出露的变质火山-沉积岩系及其中的侵入岩称为“汉南杂岩”。1959-1965年,陕西省地质局秦岭区测队进行1∶20万区域地质调查时,圈出了其中的各类侵入岩体,将余下的变质火山-沉积岩系命名为“西乡群”,因其被震旦系覆盖,将时代推定为前震旦纪古元古代。20世纪80年代,陶洪祥等[9]通过1∶5万区域地质调查和大量的剖面工作对原西乡群进行了较为详细的划分,自下而上为白勉峡组、三湾组、三花石组、孙家河组、大石沟组和三郎铺组(西乡群仅包括白勉峡组、三湾组和三花石组)。此后,不同研究者在这6个组的基础上,根据自己的研究成果及认识提出了不同的划分方案(包括西乡群范围及各个组顺序的改变)[8,10-14]。

特别指出的是,陕西省地质矿产局[10-11]根据其变质程度将分布于西乡-白勉峡断裂以北、变质程度较深的火山-沉积岩系定名为三花石群(即陶洪祥等[9]划分的白勉峡组、三湾组和三花石组),而将西乡-白勉峡断裂以南、变质程度较浅的火山-沉积岩系定名为西乡群(即陶洪祥等[9]划分的孙家河组、大石沟组和三郎铺组),这也是笔者所指的西乡群和三花石群。

关于西乡群的时代,前人的研究已有相当多的积累,特别是孙家河组和大石沟组大致的形成时代,已得到不同研究成果(包括本次研究)的相互验证。如:孙家河组火山岩的锆石U-Pb年龄分别为(833±5)Ma[8]、820~840Ma[13]和(815±5)Ma[14];大石沟组火山岩和火山碎屑岩的锆石 U-Pb年龄分别为(803±5)Ma[8]和(789.0±4.4)Ma(本次研究)。然而,三郎铺组的沉积时限还没有年龄数据给予约束。有些研究者认为三郎铺组与大石沟组是同期异相的关系,夏林圻等[8]就通过对大石沟组流纹斑岩和花岗斑岩的定年,将大石沟组(包含三郎铺组)限定在776~803Ma;而通过同位素定年,将西乡-白勉峡断裂以北、变质程度较深的白勉峡组((730±13)Ma)置于其上。虽然三郎铺组在岩石组合特征上与大石沟组相似,但称其为同期异相地层仍缺乏年代学的证据,且白勉峡组与它们之间的关系也值得进一步讨论。因此,有必要对西乡群各组的形成时代进行重新厘定,这不仅有助于建立和完善区域地层格架,而且对提高本地区构造演化史的认识可以起到重要的推动作用。

笔者报道了扬子北缘西乡群大石沟组和三郎铺组凝灰岩锆石U-Pb年龄,并系统收集了华南新元古代中期岩浆岩的年龄数据。目的在于:对大石沟组和三郎铺组凝灰岩进行精确定年,为扬子北缘乃至整个华南新元古代地层划分对比提供新的年代学证据;并结合前人研究成果,通过岩浆岩的时空分布特征,探讨华南新元古代裂谷盆地的演化阶段。

1 地质概况

西乡群位于扬子地块北缘向北凸出的米仓山系,其北与南秦岭造山带毗邻,东西两侧分别为龙门山和大巴山推覆构造带(图1)。汉中地区发育最古老的结晶基底为古元古代后河岩群,中新元古代三花石群不整合覆盖于其上,而西乡群则与三花石群为断层接触,并被南华系砂岩不整合覆盖。

西乡群分布于米仓山系东北部,如前所述,主要出露于西乡县城附近,出露范围比较有限,主体为一套火山-沉积岩系,火山-火山碎屑岩非常发育,由孙家河组、大石沟组和三郎铺组组成。其中:孙家河组中下部以灰绿色中基性-酸性火山碎屑岩为主,间夹玄武岩、玄武质安山岩,上部主要由中酸性凝灰岩和流纹岩组成;大石沟组下部为紫红色-杂色凝灰质碎屑岩、凝灰岩夹玄武岩、英安岩,中部发育紫红色-杂色火山角砾岩、角砾熔岩、凝灰岩、流纹岩和粗面岩,上部以紫红色凝灰质碎屑岩、凝灰岩、流纹岩和玄武岩居多;三郎铺组主要由紫红色凝灰质砾岩、砂砾岩和砂岩以及紫红色凝灰岩组成。

2 样品描述及分析方法

2.1 样品描述

三郎铺组凝灰岩样品(XX001-2)采自西乡县十里铺西南约3km处(图1b);采样层位之下为一层灰白色粗砂岩,之上被第四系掩盖;尽管野外采样剖面观察困难,出露不连续,但通过区域的岩石地层对比,基本可以确定采样层位位于三郎铺组的中上部;野外露头呈灰白色,已风化成松软土状(图2a),地理坐标为32°57′16″N,107°41′35″E。大石沟组凝灰岩样品(XX004)采自西乡县三郎铺至白勉峡的公路北侧(图1b);采样层位之下为一层灰紫色含砾粗砂岩,之上为一层紫红色细砂岩,采样层位位于大石沟组的下部;野外露头呈紫红色,块状(图2b);地理坐标为33°00′45″N,107°54′33″E。

显微镜下观察表明,样品XX001-2具凝灰结构,碎屑成分主要为晶屑和岩屑,含8%~10%的砾石。其中:晶屑体积分数大于55%,以长石、石英为主,含少量透辉石,偶见黑云母;岩屑体积分数为10%~15%,主要为火山熔岩和部分花岗质岩屑,与晶屑不均匀相间分布。砾石成分与晶屑、岩屑较为一致,主要由长石、石英巨晶和部分火山熔岩、少量花岗质岩石组成,磨圆较差,多呈次棱角状、分散状不均匀分布,应是同时同源的火山角砾。胶结物由黑色火山玻璃和少量粉状碎屑组成,不均匀地充填于碎屑间隙(图2c),薄片鉴定定名为含砾岩屑晶屑凝灰岩。

样品XX004具凝灰结构,碎屑成分主要为岩屑和晶屑,偶见火山熔岩砾石。其中:岩屑体积分数大于50%,全由火山熔岩屑组成,次圆-次棱角状,多已蚀变,但熔岩结构仍清楚,与晶屑不均匀相间分布;晶屑体积分数约为35%,主要由长石组成,可见石英和蚀变暗色矿物。胶结物为棕色火山物质,呈胶状土状,部分脱玻分解生成绿泥石、土状帘石和铁质微粒,较均匀地胶结碎屑,充填碎屑间隙(图2d),薄片鉴定定名为晶屑岩屑凝灰岩。

2.2 分析方法

岩石样品经破碎、淘洗、重液分离和电磁分离后,在双目镜下挑选晶形完好、具有代表性的锆石颗粒粘在树脂台上,打磨抛光,制成样靶,然后对锆石进行反射光、透射光显微照相和阴极发光(CL)图像分析,确定锆石的内部结构和成因,以选取最佳的待测锆石部位。锆石U-Pb同位素定年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室利用激光剥蚀(LA)-电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)分析完成。激光剥蚀系统为配有193nm激光器的GeoLas 2005,ICP-MS为Agilent 7700。本次实验所采用的激光束斑直径为32μm,以氦气作为剥蚀物质的载气。每个时间分辨分析数据包括20~25s的空白信号和50s的样品信号。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[15]完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法同文献[16]。U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正,每分析6个样品点,分析2次91500。对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移,利用91500的变化采用线性内插的方式进行了校正[17]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Ludwig博士编写的Isoplot程序完成。

图1 扬子北缘西乡地区地质简图及采样位置Fig.1 Simplified geological map and sample location in the Xixiang area

图2 样品 XX001-2和XX004野外宏观照片(a,b)与镜下显微照片(c,d)Fig.2 Macroscopic photographs(a,b)and microscopic photographs(c,d)of samples XX001-2and XX004

3 分析结果

样品XX001-2中的锆石主要为自形,短柱状,长150~300μm,无色透明,无裂缝(图3)。阴极发光(CL)图像中,锆石显示明显的岩浆成因振荡环带结构,形态非常一致。笔者对样品XX001-2中的28颗锆石进行了30个分析点的U-Pb同位素年龄测定,分析结果列于表1。所有分析点的U和Th质量分数的变化范围分别为(38~130)×10-6和(25~125)×10-6,Th/U值为0.65~1.22,符合岩浆锆石的特征。在一致曲线中(图4a):分析点10、12和13位于一致曲线下方,可能是少量放射成因Pb丢失的结果;08和11虽然落在一致曲线上,但明显偏离了其他分析点,可能包含了放射成因Pb丢失的区域;其余25个分析点均落在一致曲线上,其206Pb/238U年龄的加权平均值为(760.4±4.5)Ma(95%置信度,MSWD=0.43)(图4b),代表了该样品形成年龄的最佳估计值。

样品XX004中的锆石粒度较小(60~120μm),短柱状到长柱状,半自形到自形,无色透明,无裂缝(图3)。阴极发光(CL)图像中,锆石显示明显的振荡环带结构,为典型的岩浆成因锆石。对该样品30颗锆石进行了30个分析点的U-Pb同位素年龄测定(表1)。所分析锆石的U质量分数为(35~191)×10-6,Th质量分数为(19~187)×10-6,Th/U值为0.55~1.78,表明锆石属于岩浆成因。在一致曲线中(图4c):分析点01、10、29和30位于一致曲线下方,且其中01、10和29明显偏离了其他分析点,可能是少量放射成因Pb丢失的结果;其余26个分析点均落在一致曲线上,其206Pb/238U年龄的加权平均值为(789.0±4.4)Ma(95%置信度,MSWD=0.66)(图4d),代表该样品的形成时代。

图3 样品XX001-2与XX004典型锆石CL图像Fig.3 Cathodeluminescence(CL)images of typical zircon grains from tuff samples XX001-2and XX004

表1 样品XX001-2和XX004锆石U-Th-Pb同位素分析结果Table 1 Zircon U-Th-Pb isotope analyses of samples XX001-2and XX004

图4 样品XX001-2和XX004锆石U-Pb谐和图(a和c)与206Pb/238 U年龄图(b和d)Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams(a and c)and 206Pb/238 U age diagram(b and d)of samples XX001-2and XX004

4 讨论

4.1 地层划分方案及区域对比意义

西乡群不仅组间野外接触关系观察困难,而且早期缺乏可靠的定年数据,因此其地层划分,特别是区域对比问题未能得到很好的解决。

需要指出的是,前寒武纪地层划分对比主要是以重大地质事件(如构造-沉积旋回)为基础,并依据沉积建造、岩浆活动、变质作用和同位素年龄等方面进行综合分析[18-19]。众所周知,Rodinia超大陆的分裂解体是前寒武纪重大地质事件之一,标志着新一轮构造-沉积旋回的开始,华南新元古代裂谷盆地就是其重要产物,并被认为是保存了全球最完整的新元古代中期(850~720Ma)与Rodinia超大陆早期裂解相关的岩浆活动和沉积记录。王剑[20]从沉积盆地分析入手,提出华南裂谷盆地沉积了一套侧向延伸不连续、底界面不等时的“楔状地层”,其最低层位代表了华南晋宁造山运动不整合面之上新元古界新一轮沉积旋回的“起点”,并通过对这些最低层位的火山岩进行精确定年(如湘北沧水铺组火山集块岩和黔东南甲路组火山岩的锆石U-Pb年龄分别为(814±12)Ma[21]和(816±5)Ma[22]),认为这个底界年龄约为820Ma,是华南新元古代地层划分对比的一个重要年龄界线。近年来,许多研究成果都支持了这一观点,如桂北鹰扬关群基性火山岩的年龄为(819±11)Ma[23],闽西北马面山群碱性玄武岩的年龄为(818±9)Ma[24],扬子西缘苏雄组流纹岩和扬子北缘铁船山组流纹岩的年龄分别为(803±12)Ma[25]和(817±5)Ma[26]。

如前所述,西乡群是华南新元古代裂谷盆地的沉积产物,因此西乡群的沉积下限年龄应不早于820Ma。最近,崔建堂等[14]报道的孙家河组英安质熔岩的高精度SHRIMP锆石U-Pb年龄为(815±5)Ma,该样品取自孙家河组的中下部,所以其形成时间应该趋近于西乡群的底界年龄,在误差范围内,这也与夏林圻等[8]获得的火山岩年龄较为一致。因此,西乡群的底界年龄应为820Ma左右。在区域对比方面,根据江新胜等[27]最新报道的滇中澄江组底部年龄((797.8±8.2)Ma和(803.1±8.7)Ma),以及之前的学者对扬子西缘康滇裂谷底部火山岩的研究成果[25],扬子西缘可能缺失了与孙家河组相当的地层。而扬子东南缘湘北板溪群下段及其相当地层(如黔东南下江群下段、桂北丹洲群下段、浙北河上镇群下段等)、扬子北缘铁船山组和花山群的底部年龄均为820Ma左右[21-23,26](图5),因此,它们可与孙家河组进行对比,均代表了华南新元古代裂谷盆地开启的底部沉积。

目前,西乡群大石沟组和三郎铺组的关系存在争议。然而笔者报道的凝灰岩锆石U-Pb年龄显示,三郎铺组的形成时代((760.4±4.5)Ma)要晚于大石沟组((789.0±4.4)Ma),而且从地质简图中也可看出(图1),西乡群3个组的分布是很有规律的,它们构成了一个向斜,其中最年轻的三郎铺组位于向斜的核部,因此,大石沟组和三郎铺组应该是上下关系,而非前人认为的相变过渡关系。在区域上,根据近些年报道的高精度年龄数据(图5),大石沟组和三郎铺组大体上可与扬子东南缘板溪群上段及其相当地层、扬子北缘莲沱组以及扬子西缘澄江组、苏雄组和开建桥组进行对比(图5)。由于西乡群与上覆砂岩为不整合接触,且上覆砂岩是属于板溪期沉积还是冰期沉积尚有争议(图5),因此,西乡群的顶界年龄不会小于板溪期沉积的顶界年龄,但目前难以确定。

西乡群与三花石群(白勉峡组、三湾组和三花石组)虽然在野外没有明确的上下关系(为断层接触),但凌文黎等[12]获得的白勉峡组英安岩锆石U-Pb年龄((946±18)Ma)表明,三花石群应为其下伏地层。如前所述,夏林圻等[8]也对白勉峡组玄武岩进行了定年,但所获得的锆石 U-Pb年龄比较分散(431~1 144Ma),且仅将其中2粒谐和锆石的加权平均值((730±13)Ma)解释为玄武岩的形成年龄,因此,该解释是否合适,值得商榷。另外,西乡群与三花石群在岩石组合和变质程度上的较大差异,也从侧面支持了这种关系:西乡群主体为变质较浅的陆相火山-火山碎屑岩系,是晋宁运动不整合面之上的新一轮沉积;而三花石群则为变质较深的海相火山-沉积岩系,应是晋宁运动不整合面之下的沉积产物,其变质由造山运动所致,因而变质程度较深。

综上所述,笔者认为西乡群从老到新包括孙家河组、大石沟组和三郎铺组,其中,孙家河组大体上可与板溪群下段及其相当地层进行对比,而大石沟组和三郎铺组可与板溪群上段及其相当地层进行对比,为华南新元古代裂谷盆地的早期充填,其与下伏三花石群分别代表了上下2个不同的构造-沉积旋回。

4.2 新元古代幕式岩浆活动及其盆内响应

华南因广泛记录了新元古代中期与Rodinia超大陆早期裂解相关的岩浆活动和沉积记录而受到地学界的高度重视。近年来,越来越多的高精度同位素定年研究表明,华南新元古代中期(850~720 Ma)的火山岩浆活动显示多幕式特征[1,33-34],这些幕式岩浆活动与华南新元古代裂谷盆地阶段性的沉降与填充过程有很好的耦合关系[27]。

在尽量保证精度、避免重复的基础上,笔者系统收集了华南新元古代中期岩浆岩的年龄数据。从图6中可以看出,华南新元古代初步显示了3期幕式岩浆活动,它们的峰值年龄分别约为825、795和760Ma,其中以前两期最为明显,它们分别标志着裂谷盆地的开启和全面打开。第一幕岩浆活动的高峰期短(825~820Ma)、强度大,大量深源岩浆的侵入引起了地壳的快速抬升和去顶作用,并逐渐产生侧向拉伸作用形成裂谷盆地雏形。在第二幕高峰期到来之前,盆地的沉积范围非常局限,主要为扬子东南缘主裂谷系的底部沉积(板溪群下段及其相当地层),而扬子北缘仅有零星分布,如上文提到的西乡群下段孙家河组、铁船山组和花山群;第二幕岩浆活动的高峰期相对第一幕强度较弱,但时间较长(800~790Ma)。火山岩浆活动促使了华南裂谷盆地的全面打开,并发育了大量的火山岩和火山碎屑岩,如扬子西缘苏雄组(803±12)Ma双峰式火山岩[25]、扬子东南缘上墅组(792±5)Ma流纹岩[35]、虹赤村组(797±11)Ma中酸性火山岩[1]、张家湾组(803±8)Ma斑脱岩[36]、红子溪组(792±9)Ma凝灰岩[37]以及扬子北缘大石沟组(789.0±4.4)Ma凝灰岩(本次研究)和碧口群(790±15)Ma流纹岩质凝灰岩[38]等。在这期间,盆地的沉积范围快速扩大,各次级裂谷盆地均接受沉积。第三幕岩浆活动虽然在时间和强度上均不及前两幕,但这一幕岩浆活动使各次级盆地的连通性大大增加,为冰期之后华南大陆边缘海的形成奠定了重要基础。

图6 华南新元古代中期(850~720Ma)岩浆岩年龄分布直方图Fig.6 Age histogram of igneous rocks in South China between 850and 720Ma

应当指出,西乡群虽然是扬子北缘小型裂谷系的一部分,其沉积序列的演化特征不如华南主裂谷系那么明显,但其保留了相对完整的火山岩浆记录。笔者报道的大石沟组和三郎铺组凝灰岩不仅是华南新元古代795Ma和760Ma两期幕式岩浆活动的重要表现,也与华南新元古代裂谷盆地的形成密切相关,无疑具有不可忽视的地质意义。

5 结论

1)LA-ICP-MS锆石 U-Pb同位素分析结果表明,扬子北缘西乡群大石沟组和三郎铺组的凝灰岩年龄分别为(789.0±4.4)Ma和(760.4±4.5)Ma。结合前人研究结果得出,西乡群从老到新包括孙家河组、大石沟组和三郎铺组,其中,孙家河组大体上可与板溪群下段及其相当地层进行对比,而大石沟组和三郎铺组可与板溪群上段及其相当地层进行对比,为华南新元古代裂谷盆地的早期充填,其与下伏三花石群分别代表了上下2个不同的构造-沉积旋回。

2)华南新元古代中期岩浆岩年龄数据的统计研究显示,华南新元古代初步显示了3期幕式岩浆活动,这些幕式岩浆活动与华南新元古代裂谷盆地阶段性的沉降与填充过程有很好的耦合关系,大石沟组和三郎铺组凝灰岩分别代表了795、760Ma两期幕式岩浆活动,与华南新元古代裂谷盆地的形成密切相关。

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