基于碎屑锆石U-Pb定年的长江中游阳逻砾石层物源示踪应用探讨

2016-06-07 10:30李启文毛新武杨青雄
资源环境与工程 2016年1期
关键词:物源砾石碎屑

李启文, 毛新武, 杨青雄, 霍 炬

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

基于碎屑锆石U-Pb定年的长江中游阳逻砾石层物源示踪应用探讨

李启文, 毛新武, 杨青雄, 霍 炬

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

阳逻砾石层是长江中下游新生代的一个重要的岩石地层单位,其物源信息对长江中下游古地理和古环境研究具有重要科学价值,但目前学术上对于阳逻砾石层的物源研究还存在较大争议。通过对阳逻砾石层潜在源区表壳岩系时空分布特征的总结,认为大别源区基岩同位素年龄主要以新元古代、晚三叠纪以及早白垩纪的年龄谱峰值为主,并且可能含有较多的变质成因锆石,这与以现代长江河流沉积物为代表的更为广阔的物源信息具有明显差异,后者出现新太古代—古元古代等老的年龄峰值,而缺少白垩纪时期的年龄峰值,主要由岩浆成因锆石组成。旨在探讨运用沉积物碎屑锆石U-Pb定年手段,结合传统的地貌学及沉积学理论,来示踪阳逻砾石层的物质来源以及从源到汇的过程,并对开展此项研究提出新的思路。

阳逻砾石层;碎屑锆石;U-Pb定年;物源示踪

1 阳逻砾石层物源研究现状及意义

阳逻砾石层主要分布于大别山南麓、长江北岸,位于武汉市阳逻经济开发区及其周边地区,地貌上构成海拔50~90 m的基座阶地,面积约200 km2[1]。作为江汉盆地东缘丘陵区白垩—古近系红层沉积之后最早的堆积物,是江汉盆地露头区第四系下更新统一个重要的岩石地层单位,具有重要的地层学研究意义。

前人对阳逻砾石层的研究,主要集中在阳逻化石木[2-4]、砾石层的时代[5-7]及沉积环境分析[1,8-9]等方面。关于阳逻砾石层的物源研究程度低且存在较大争议,目前主要有大别源[3,7],长江源[9-11],大别与长江混合源[1,5,12]三种说法。邓建如等[3]、黄宁生等[7]基于砾石层分布的区域地质地貌特征及沉积学特征研究,表明阳逻砾石层和其中硅化木是由大别山南坡冲积至此,且主要与滠水、倒水有关。杨怀仁等[13]认为包括阳逻砾石层在内的长江中下游广泛发育一套砂砾石层与长江演化有关,因此形象的称之为“长江砾石层”,且多数学者运用这套砾石层来进行长江的演化研究。近年来,李长安等[5]、张玉芬等[12]通过对长江宜昌以下高阶地砾石层的系统追踪调查及磁性特征研究,认为阳逻砾石层的物源既有来自长江上游的物质组分,也有来自江汉平原周围河流的物质组分,指示阳逻砾石层物源的多源性特点。

研究长江中下游河流基座阶地沉积物的物源就绕不开对长江演化这一科学问题的探讨。关于长江何时贯通三峡,学术界一直存在争议[13-18]。基于江汉盆地第四纪沉积物的三峡贯通时限的研究表明[13-14]在1.1—1.2 Ma之间江汉平原的沉积环境和物质成分均发生了重大改变,可能指示早更新世中晚期长江才贯通三峡。而近年,有人也认为在前第四纪时期,现代意义上的长江已经形成[15-18]。因此,阳逻砾石层的来源是否与长江有关,或是否曾经受到长江的改造,研究形成于早更新世时期的阳逻砾石层物源为探讨古长江演化历史具有重要意义。与此同时,大别山南麓作为阳逻砾石层碎屑沉积物的潜在源区,对其开展物源研究将有助于正确认识鄂东地区晚新生代以来的地质演化历史。

2 运用碎屑锆石U-Pb定年研究阳逻砾石层物源的构想

针对碎屑沉积物的物源研究及从源到汇的过程探讨是近年来科学研究的热点[19-28]。碎屑锆石U-Pb 定年是当前沉积物物源示踪较为成熟的手段之一,最近此方法在长江流域[29-33]及江汉平原地区[34-35,19-20]碎屑沉积物的物源研究中被广泛运用且成效显著。因此,本文旨在探讨运用沉积物碎屑锆石U-Pb定年的方法,为阳逻砾石层的物源示踪研究提供新的思路。

2.1 研究的可行性分析

2.1.1 大别地区源岩时空分布特征

为弄清阳逻砾石层物质的潜在源区物质组成特征,本文收集了大别造山带表壳岩系的基础地质调查资料。大别地区主要的侵入岩为新元古代的花岗质片麻岩、片岩和白垩纪中酸性侵入岩,出露面积分别为1 300 km2和1 800 km2,统计的年龄值为700—824 Ma[21-23]和80—137 Ma[20],其中白垩纪时期的中酸性岩体主要分布于大别造山带东部。该地区尚报道有古元古代及更老的岩体年龄,其中大别山东部出露面积300 km2的古元古代年龄为2 010—2 147 Ma花岗质片麻岩[23]和约10 km2年龄为2 741—2 811 Ma的变基性岩[24]。

本文根据最新的1∶50万湖北省地质图11∶50万湖北省地质图,湖北省地质调查院,2015。编制了大别山地区府河、滠水、倒水、举水流域地质简图(图1),基岩出露格局为:东部及北部出露古元古代“大别岩群”,为一套遭受中、深区域变质作用及强烈混合岩化作用形成的各种片麻岩、角闪岩等;中部及北部主要为新元古代“红安岩群”,由一套经浅—中区域变质作用而形成的花岗质片麻岩、片岩等组成;南部主要为新元古代“武当岩群”变质沉积岩岩组及变质火山岩岩组,上覆角度不整合接触的震旦纪陡山沱组碳酸盐岩。该区不仅东部表壳岩系中出露新元古代二长花岗岩及花岗闪长岩侵入体,还广泛出露有早白垩纪中酸性侵入岩体以及白垩纪—新近纪公安寨组紫红色碎屑岩。作为阳逻地区早更新世砾石层潜在物源区的滠水、倒水、举水流域,其表壳岩系主要为 “红安岩群”、“武当岩群”以及震旦纪地层构成,少量“大别岩群”及早白垩纪时期的中酸性侵入岩体。

2.1.2 潜在源区表壳岩系同位素年龄谱特征对比

碎屑锆石年龄谱系特征可直接反映沉积物源区表壳岩系的年龄组成[25],从而能揭示潜在源区的构造岩浆事件及物质组成。因此,本文收集了大别地区已报道的主要岩体同位素年龄数据(包括不同矿物的Ar-Ar、K-Ar、U-Pb、Rb-Sr等同位素测年数据)[28-29,33-36]以及长江中游流域河流碎屑锆石U-Pb年龄数据[21-23,26],分析其作为阳逻砾石层潜在源区的物质特征。

图1 大别地区府河、滠水、倒水及举水流域地质简图Fig.1 The geological map of Fuhe,Seshui,Daoshui,Jushui basins in Dabie region1.全新世松散沉积物;2.更新世松散沉积物;3.公安寨组;4.陡山沱组;5.武当岩群;6.红安岩群;7.大别岩群;8.白垩纪中酸性侵入岩体;9.新元古代中酸性侵入岩体;10.断层;11.水体;12.长江流域边界;13.地名。

由图2所示,汉江流域现代河流沉积物碎屑锆石的年龄谱峰值主要有768—759 Ma、444—434 Ma、220—212 Ma和124 Ma,分别记录了南秦岭和扬子克拉通北部新元古代、早古生代、晚三叠纪和早白垩纪时期的岩浆活动或构造事件[26]。长江中游流域宜昌段、岳阳段与武汉段的现代河流沉积物碎屑锆石年龄谱具有相似性,且与支流汉江流域碎屑锆石存在显著差别,都具有230—260 Ma、780—820 Ma、1 827—1 878 Ma和2 477—2 528 Ma四个主要年龄峰值[21],说明长江河流沉积物并未受汉江水系沉积物的明显影响。受长江中上游流域地区的义敦岛弧、崆岭地体及松潘—甘孜盆地中古老基底的影响,长江流域中游段均出现新太古代—古元古代的较大年龄峰值。大别山是印支期华北板块和扬子板块之间的碰撞造山带,这可能记录了三叠纪的超高压变质事件和发生于125—135 Ma的强烈而广泛的燕山期岩浆活动[29,33-36],而受麻城—团风断裂带控制,新洲盆地及以西地区的举水、倒水以及滠水流域表壳岩系主要为新元古代“红安岩群”,古老的“大别岩群”分布较少,主要出露于大别造山带北部及东部(见图1)。因此,图2所示的大别造山带表壳岩系同位素年龄出现了新元古代、晚三叠纪和早白垩纪时期的年龄峰值,但新太古代—古元古代等老的年龄峰值不明显。通过以上分析,能直接反映物源区构造岩浆事件的大别山地区表壳岩系同位素年龄谱特征与代表长江中上游流域原岩特征的河流碎屑锆石U-Pb年龄谱特征存在明显差别,并且大别造山带地区受古老变质基底及印支期的区域变质作用改造,可能存在较多的变质成因锆石;而有证据表明代表更广阔古长江水系控制的源区物质,则以岩浆成因的锆石占主导[19-20]。因此,对阳逻砾石层开展沉积物碎屑锆石U-Pb年代学研究可以有效区别其物源到底是单一的大别源还是叠加了长江中上游流域物质的混合源。

图2 大别造山带主要岩体同位素年龄及长江流域中游段河流碎屑锆石U-Pb年龄相对概率分布图(大别造山带地区同位素年龄数据引自文献[28-29,33-36];河流碎屑锆石U-Pb年龄数据引自文献[21-23,26])Fig.2 The relative probability distribution of isotope age data in Dabie orogenic belt and detrital zircon U-Pb age data in the middle Yangtze River basin

2.2 物源示踪研究思路

2.2.1 地貌及沉积学特征分析

阳逻地区早更新世砾石层的地貌及沉积学特征是其物源研究的基础。前人认为阳逻地区北部早更新世砾石层为冲积扇的地貌特点,而南部靠近长江河道一侧则构成长江的基座阶地。因此,开展此项研究首先应进行大比例尺路线地质调查,具体为在大致垂直长江河流阶地延伸方向上布置2~3条地质调查路线,从淘金山以北基岩出露区往南穿越长江北岸阳逻地区主要早更新世沉积物分布区,运用第四纪地质学及地貌学理论,分析阳逻砾石层所处的地貌位置,揭示该套砾石层在地貌上由北至南的空间展布特征。

图3 阳逻地区早更新世砾石层剖面砾石AB面倾向玫瑰花图Fig.3 The AB face tendency rose figures of early Pleistocene gravel layer sections in Yangluo regionA.半边山剖面(据文献[1]);B.阳逻电厂剖面(据文献[1]);C.阳逻地区12个代表性剖面(据文献[7])。

梅慧等[1,8]通过露头剖面的岩性和沉积结构分析,表明阳逻砾石层为砾质辫状河沉积,测得的阳逻半边山剖面砾石AB面倾向优势方向为南西,阳逻电厂剖面则为北西和南东(如图3);黄宁生等认为阳逻地区早更新世砾石层不是洪流堆积,而是源于大别山南麓的古河流冲积物,在阳逻地区所测12个阳逻组砾石AB面倾向也不尽一致,指示的古水流来水方向主要为北西、北北西向(如图3),这指示其物源具有复杂性。本次工作拟重新对阳逻地区早更新世砾石层开展广泛的砾石统计分析,选择阳逻电厂、香炉山、半边山、淘金山、马安山、锦屏山、龙口、凤凰山等地区的典型露头剖面,且对一个剖面的不同层位详细研究,利用数学统计方法分析各项砾石组构的特征,绘制各剖面各层位的砾石成分柱状图和砾石AB面倾向玫瑰花图,研究沉积物古流向的特点以及砾石岩性组成与潜在源区表壳岩系的对应关系,为阳逻地区早更新世砾石层的物源研究提供证据。再者,运用沉积地层学理论,结合阳逻地区砾石层分布的地貌特点,重点对该区北部的淘金山剖面(30°44′N,114°35′E)、中部的半边山剖面(30°43′N,114°32′E)和阳逻香炉山附近的电厂剖面(30°43′N,114°32′E)以及南部的阳逻镇剖面(30°40′N,114°33′E)进行详细的岩性、沉积构造及剖面岩相分析,探讨阳逻砾石层形成的沉积环境。

2.2.2 碎屑锆石U-Pb定年研究

田望学等[37]对武汉地区开展1∶5万区域地质调查时,认为阳逻组砾石层宏观特征上分为两层:下部砾石以浅紫红、灰白色为主,粒径大,分选、磨圆稍好,砾石表面洁净;上部砾石颜色较深,为棕红、棕黄色,磨圆次圆,分选中—差,砾石表面混染有黄褐色花纹。上下两层砾石成分差异明显,由下至上,中浅变质岩砾石减少,深变质岩砾石增多。该岩性特征分析与黄宁生等对阳逻电厂剖面的研究结果一致,表明阳逻砾石上下两层物质成分变化可能受物源迁移影响。

本次研究将在前人工作的基础上,选择研究程度高,测年资料丰富,处于长江北岸河流基座阶地上的阳逻电厂剖面(30°40′N,114°32′E)进行。拟在阳逻电厂剖面的下层砾石层顶部及上层砾石层的砂质透镜体或砂层中各采集一件碎屑锆石U-Pb测年样品(如图4所示),分析上下两套砾石层的物质来源和变化特点。与阳逻电厂剖面所不同的是,北部的淘金山剖面(如图3所示)处于由北至南发育的冲积扇地貌单元内,笔者在野外考察时也发现其砾石的砾径、砾向、砾态、砾性均与阳逻电厂剖面砾石层有所不同。因此,为探讨空间上古水系对阳逻砾石层的物源贡献,在北部的淘金山剖面的砂层中采集一件砂质碎屑锆石样进行U-Pb测年分析(如图4所示)。并且阳逻砾石层北部典型剖面尚缺乏年代学数据,本次工作也拟对淘金山剖面开展沉积物ESR测年研究,具体采样位置见图4。最后将测试结果与潜在的大别山物质源区的表壳岩系同位素年龄谱以及代表更为广阔源区的现代长江河流沉积物锆石U-Pb年龄谱进行对比,分析阳逻砾石层沉积物碎屑锆石年龄谱特征指示的源岩区岩浆构造事件,结合砾石层的沉积学特征和ESR测年数据,从空间上和时间上探讨阳逻砾石层碎屑沉积物的物质来源和变化特点。

3 结语

阳逻砾石层潜在物源地大别山地区表壳岩系同位素年龄谱特征与代表长江中上游流域源岩特征的河流碎屑锆石U-Pb年龄谱特征存在明显差别。大别山南麓滠水、倒水、举水流域表壳物质主要具有新元古代、晚三叠纪及早白垩纪时期的同位素年龄峰值,可能含有较多的变质成因锆石;而后者提供的物源信息则出现新太古代—古元古代等老的年龄峰值,且没有白垩纪时期的年龄峰值,主要以岩浆成因锆石组成。因此,利用碎屑锆石U-Pb定年示踪阳逻砾石层物源是一种可行手段。

图4 阳逻砾石层碎屑锆石及ESR测年样品采集位置示意图Fig.4 Schematic diagram of collection place of detrital zircon and ESR dating samples in Yangluo gravel layersA.淘金山剖面;B.阳逻电厂剖面;1.砾石层;2.砂砾石层;3.砂层;4.网纹化砾石层;5.紫红色厚层砂岩;6.铁壳;7.ESR年龄(数据引自文献[6]);8.拟开展的碎屑锆石采样点;9.拟开展的ESR测年采样点。

本次研究拟在淘金山剖面和阳逻电厂剖面的砂质透镜体或砂层中共采集3个碎屑锆石U-Pb年龄样进行测试分析,并在多个剖面露头开展砾石层宏观沉积学特征研究,再结合典型剖面的ESR测年结果,探讨阳逻地区砾石层的物源以及从源到汇的过程。以期恢复鄂东地区第四纪早更新世时期的古地理环境演化格局,并可能为大别地区广泛出露的“红安岩群”及“大别岩群”的年代学研究提供重要参考。

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(责任编辑:于继红)

Discussion on the Application of Provenance of Yangluo Gravel Layer in the MiddleReach of Yangtze River Based on the Detrital Zircon U-Pb Dating

LI Qiwen, MAO Xinwu, YANG Qingxiong, HUO Ju

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Yangluo gravel layer is an important Cenozoic stratigraphic unit in the lower Yangtze River,whose provenance is of great scientific valuable to the research of paleo-geography and paleo-environment of lower Yangtze River. However,there is a hot debate about the provenance of Yangluo gravel. This paper summarizes the temporal and spatial distribution characteristics of the surface rock in the potential provenance field,and comes to the conclusions:the isotope dating age of Dabie bedrock mainly contains three major peaks of the age spectrum,which appears in the Neoproterozoic,late Triassic and early Cretaceous,besides,the bedrock may contain many metamorphic zircons;the modern sediments in Yangtze river has a vast provenance information,which is obvious different from Dabie. It has a peak age as old as Neoarchaean to Paleoproterozoic and without the young peak of Cretaceous. The sediments may contain many magmatic zircons. The authors held a discussion about the application of tracing the provenance and the process from source to sink of Yangluo gravel by using U-Pb dating of detrital zircons and the theory of geomorphology and sedimentary in this paper,and put forward a new idea to carry out this study.

Yangluo gravel layer; detrital zircon; U-Pb dating; provenance

2015-05-13;改回日期:2015-07-06

李启文(1988-),男,助理工程师,第四纪地质学专业,从事第四纪地质相关研究。E-mail:liqiwen1237@sina.com

P58

A

1671-1211(2016)01-0001-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601001

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.022.html 数字出版日期:2015-12-17 13:33

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