川西须家河组火山岩夹层时代及其地质意义

冉 波, 刘树根, 李智武, 董 军, 王自剑,

叶玥豪1, 田 庆1, 黄 瑞1, 何 鲤2

(1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室(成都理工大学), 成都 610059;



川西须家河组火山岩夹层时代及其地质意义

冉 波1, 刘树根1, 李智武1, 董 军2, 王自剑1,

叶玥豪1, 田 庆1, 黄 瑞1, 何 鲤2

(1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室(成都理工大学), 成都 610059;

2.中国石化西南油气分公司 勘探开发研究院, 成都 610081)

四川盆地西部的上三叠统须家河组作为反演前陆盆地构造演化的物质基础，因缺少精确的同位素地层年龄阻碍了对盆山演化的进一步理解。作者在四川盆地西部须家河组中发现了一套火山(碎屑)岩夹层，通过LA-ICP-MS U-Pb同位素定量分析，获得1件凝灰岩样品中岩浆锆石的结晶年龄，其加权平均值为(214.7±1.6) Ma，属于晚三叠世诺利期。该年龄结果对四川盆地西部须家河组岩石地层单元的划分与对比可提供重要参考，同时为进一步约束龙门山隆升与川西前陆盆地的演化、古特提斯洋关闭等重大事件时限提供了新证据。基于四川盆地及周缘的区域火山活动对比结果，表明诺利期中期(210～222 Ma B.P.)是中国西部地区一次强烈的区域火山喷发阶段，其范围从羌塘地体延伸到东昆仑地体，所对应的构造事件并非传统的印支运动作用。

锆石U-Pb年龄；凝灰岩；须家河组；晚三叠世；四川盆地

晚三叠世(237～201 Ma B.P.)华南与华北板块的碰撞拼合是中国古大陆形成与演化过程中一次重要的地质事件[1]，不仅产生了东西向展布的秦岭-大别造山带，也导致了南北向延伸的龙门山的隆升[2]，对中国西部地区的地理与油气资源产生了深远影响[3-4]。位于这2个巨大造山带交界三角区的四川盆地，是晚三叠世以来中生代-新生代沉积地层发育和保存较为完整的地区之一[4]，特别是上三叠统须家河组沉积的碎屑物质完整记录了众多地质学者关注的几个重要地质问题的相关信息：(1)古特提斯洋的消亡历程[5-6]；(2)松潘-甘孜高原与川西前陆盆地的耦合关系[7-12]；(3)须家河组天然气的成藏机理[13-14]。但以上几个重大地质问题却一直受制于须家河组缺乏精确年代地层格架的影响，仍无法获得较为统一的认识[15]。前人虽已通过古生物化石组合、岩性组合、测井和地震等多种方法对须家河组年代地层进行研究[16-18]，但仅能大致约束须家河组的沉积时代范围从诺利阶到瑞替阶[16,19-22]，其搭建的格架不仅受国际年代地层表不断修订的影响[23-24]，同时因缺乏对碰撞造山过程中火山喷发产物精确的同位素年龄约束，以至于对以上几个地质问题的研究并无实质性进展。

本研究在对四川盆地西部上三叠统须家河组火山碎屑岩夹层中的锆石用LA-ICP-MS进行U-Pb同位素年龄测定的基础之上，对须家河组的沉积时间提供了直接年龄约束，为该组相关次一级岩石地层的划分和对比提供依据，也为龙门山隆升和古特提斯洋的关闭时限提供了新的证据。

1 地质背景

扬子板块北侧为秦岭造山带，西侧为龙门山造山带和松潘-甘孜褶皱带，西南部为义敦岛弧和羌塘地块。四川盆地位于扬子板块西部，周缘受西部龙门山、北缘米仓山-大巴山、东部齐岳山、南部大娄山和大凉山围限(图1)[4]。须家河组主要为四川盆地广泛分布的晚三叠世中晚期(诺利阶-瑞替阶)一套海陆交互相至陆相含煤地层。石油部门通常依据岩性组合将须家河组统一分为5段或6段，其中须家河组第一段(简称“须一段”)代表海湾相或海陆交互相的地层(也称马鞍塘组和小塘子组)，而第二、第四、第六段为砂岩夹页岩、煤线，第三、第五段为含煤泥页岩夹砂岩[15,25]。除底部的小塘子组中保留有较好的海相双壳类和瓣鳃类化石可确定为诺利阶[18,26]，对上部须二-须六段沉积时代仍存在不同看法：(1)诺利阶，(2)诺利阶-瑞替阶，(3)瑞替阶，(4)下侏罗统(表1)。

位于四川省崇州市西北的鸡冠山乡的须家河组剖面，主体出露须家河组第三、第四、第五和第六段，底部受断层作用破坏，顶部与下侏罗统白田坝组呈假整合接触关系，须家河组的地层厚度>1.3 km。

图1 四川盆地区域地质图及采样位置分布[12]Fig.1 Sketch showing tectonics of the Sichuan Basin and adjacent regionsa.岩浆岩;b.前人须家河组砂岩碎屑锆石采样点;c.本次须家河组凝灰岩采样点; d.四川盆地构造区带划分线; e.四川盆地构造区带[34]; f.彭州海窝子剖面[27]。构造分区：Ⅰ.川西拗陷带;Ⅱ.川中低缓构造带; Ⅲ.川东高陡构造带; Ⅳ.川北褶皱带; Ⅴ.川南低缓构造带。图中须家河组碎屑锆石采样点与样品编号：1.TQ06; 2.PJ01; 3.DY5; 4.MR; 5.JS5; 6.JG03; 7.GN-1b; 8.CM05; 9.CX2; 10.WC02; 11.CM04; 12.SS6; 13.CX03-06; 14.WY05; 15.CM01-03; 16.2114; 17.2126; 18.HY02; 19.FL04; 20.NX03; 21.XW04

Table 1 Stratigraphic correlation of the Xujiahe Formation

层位时代确定依据文献来源须四段早侏罗世植物化石组合文献[27]须五段瑞替阶瑞替阶瑞替阶诺利阶瓣鳃类化石组合孢粉化石组合辐鳍鱼类化石组合文献[28]文献[21]文献[22]文献[29]须五-须六段诺利阶晚期-瑞替阶双壳类化石组合、植物化石组合文献[30]须二-须六段瑞替阶植物-孢粉化石组合、有机碳同位素文献[31]诺利阶-瑞替阶植物化石组合文献[16，19-20]诺利阶晚期-瑞替阶多门类化石组合文献[32]诺利阶-瑞替阶大孢子化石组合文献[33]

2 样品采集和测试方法

本次研究采用的样品来自于四川盆地西部崇州市鸡冠山剖面须家河组的上部(传统意义上的须五段，采样位置距离须家河组顶部330 m处，GPS：N:30°47′20.0″，E103°23′59.7″，海拔高度869 m；图1)，其岩性为细砂岩与含植物碎片的黑色泥岩互层，砂岩中夹有一层3 cm厚的凝灰岩层。野外凝灰岩未见较好的块状样品，因凝灰岩的岩性主体为黏土，其松软性质导致后期无法进行薄片制样；其主要矿物由高岭石组成，样品具体出露位置见图2。

本次采集的凝灰岩野外样品质量为9.25 kg，经手工破碎、淘洗、电磁选、重液分离等进行单矿物提纯以后，在双目镜下挑选，提取含包裹体少、无明显裂隙且晶型完好的锆石单矿物。将锆石晶体制作成环氧树脂靶，经打磨和抛光使得锆石中心暴露，然后拍摄阴极发光和透、反射光图像，观察锆石内部结构，便于U-Pb年龄测定时避开裂纹和包裹体[35-36]以选择合适的点位。锆石的阴极发光(CL)图像分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室用配有MonoCL3+型阴极荧光探头的Quanta 400 FEG扫描电镜完成，分析电压为15 kV，电流为19 nA。锆石的U-Pb年龄测定分析在同一实验室进行。本实验的激光剥蚀系统为GeoLas 200M，仪器的具体型号和相关参数，以及激光剥蚀的相关方法和过程详见Yuan等[37]和张辉等[38]文章中的介绍。本次实验的数据处理采用Glitter(4.0版)软件，年龄计算时以标准锆石91500为外标进行仪器漂移及同位素比值分馏校正。元素浓度计算采用NIST610作外标，29Si作内标。所得数据用Andersen的方法[39]进行普通铅校正，然后用Isoplot/Ex 3.0[40]获得加权平均年龄和谐和图。

3 U-Pb锆石年代学分析结果

须家河组凝灰岩中锆石的Th、U含量较高且变化大，Th的质量分数(wTh)为(963.20～340.78)×10-6，wU为(79.85～460.80)×10-6，wTh/wU比值为0.38～1.04(平均为0.55)，显示出岩浆锆石的特点[41]。凝灰岩样品中的锆石自形程度较好，无色透明的长柱或短柱状，长宽比值为3∶1～1∶1，长度一般为75～160 μm，发育明显的岩浆型锆石振荡环带(图3)。本次研究共测定了37个锆石颗粒的37个测点，所有测点均位于锆石边部振荡环带处。37颗岩浆锆石中，4、15、17、29、30和35号等6个点的测试不谐和(已删去，图3-B)，剩余30个测点均投影于谐和线上或谐和线附近，其中28个点具有非常一致的谐和年龄(图4-A)，206Pb/238U年龄为208～221 Ma，206Pb/238U年龄的加权平均值为(214.7±1.6) Ma(MSWD=1.0)。锆石阴极发光图像清晰，晶形完整，内部结构较均匀，环带明显，具较高的wTh/wU比值，野外岩石地层无明显变形与变质特征，应为岩浆结晶锆石，因此，该206Pb/238U加权平均年龄代表须家河组凝灰岩的岩浆结晶年龄。测点31和32的年龄主要分别位于古生代(206Pb/238U年龄为451 Ma)和元古代(206Pb/238U年龄为805 Ma)(图3-C，图4-A)，这些年龄与上扬子地块2次主要的岩浆作用事件一致(奥陶-志留纪及元古代)[9,42]。

图2 崇州鸡冠山剖面须家河组中的凝灰岩夹层野外产出关系Fig.2 Field photos showing the tuff interbed within the Xujiahe Formation from the Jiguanshan section, Chongzhou, Sichuan黄色箭头指示凝灰岩层

4 讨 论

4.1 须家河组沉积年龄约束

古生物化石在地层年代确定中发挥了重要的作用，但仍存在3个主要的局限性：(1)大部分的古生物化石往往仅能精确到阶，无法精确到某一个时间节点[16]；(2)很多古生物化石常具有明显的穿时性，进一步降低了确定年龄的精度；(3)来自不同剖面的不同种类的古生物化石，在划分时代时常产生困难和分歧[33]。上述3方面的局限也直接导致前人利用古生物对四川盆地须家河组的沉积年代开展的研究一直存在多解性，其时代跨度从晚三叠世诺利阶到早侏罗世(表1)。此外，古生物化石所确定的阶的具体时限受到地层年代表的控制，随着国际地层年代表的不断修正，2008版与2015版本存在显著的差异，瑞替阶和诺利阶的时限：(1)2008版，诺利阶-瑞替阶的顶底年龄分别为(216.5±2.0)～(203.6±1.5)～(199.6±0.6) Ma[23]；(2)2015版，诺利阶-瑞替阶的顶底年龄分别为227～208.5～(201.3±0.2) Ma[24]。国际地层年代表关于晚三叠世的年代学约束就明显出现了改进，因此利用古生物化石确定年龄存在显著的局限性。

图3 样品锆石阴极发光图像及激光剥蚀U-Pb同位素测点Fig.3 CL images of the measured zircons and the positions of laser ablation for zircon U-Pb isotope analysis圆圈及数字编号分别示激光剥蚀位置和编号，邻近的数字为年龄，单位Ma。1.实际得到数据的岩浆锆石；2.不谐和的岩浆锆石；3.较老年龄的岩浆锆石

图4 锆石U-Pb谐和图及加权平均年龄图Fig.4 Concordia diagram for Zircon U-Pb dating age of the tuff sample

国际上常用火山凝灰岩中岩浆锆石的同位素年代学结果约束沉积地层的精确时代[43-45]。如与四川盆地相邻的鄂尔多斯盆地延长组第7段的沉积时限虽一直存在争议[46-47]，但前人研究通过对凝灰岩中岩浆锆石进行年龄测定，确定其具体沉积时限为(215.7±2.3) Ma[48]，有效地约束其沉积时代。李祥辉等[1]在四川盆地西部西秦岭地区的上三叠统中发现了凝灰岩(具体年龄为212.3±1.5 Ma)，并重新定义了松潘-甘孜地区海相沉积消失的时限。本次研究则首次在四川盆地西部的须家河组(须五段)中发现了凝灰岩，通过锆石LA-ICP-MS U-Pb法测定其沉积年龄为213.1～216.3 Ma。

本次研究所获得的凝灰岩沉积年龄明显比前人通过古生物组合约束的须家河组沉积年龄要老，前人研究中仅辐鳍鱼类化石组合表明须家河组的沉积年代为诺利阶[29]，其余的植物、瓣鳃、孢粉、双壳等化石组合均表明须家河组的沉积时代为瑞替阶(表1)。鉴于上述不同方法获得的须家河组不同的沉积年龄，本次在四川盆地西部获得的年龄结果还不能全部推广到整个盆地。

针对上述这一古生物与凝灰岩中岩浆锆石的同位素年龄结果的偏差，将前人在四川盆地须家河组中所测试的砂岩中碎屑锆石的U-Pb年代学结果进行初步统计[12]，并初步分析了不同区域的须家河组中最年轻的碎屑锆石年龄。利用碎屑锆石的U-Pb年龄最小峰值约束陆相地层最大的沉积年龄已有效地应用在美国落基山新生代河流相沉积地层年龄分析中[49]。先将前人采集的须家河组砂岩的碎屑锆石样品点与四川盆地构造分区进行匹配，基于此再统计四川盆地西部(川西)的7个碎屑锆石样品(图1)，结果表明川西地区前人研究的7个样品中均未找到<230 Ma的碎屑锆石，川中唯一的样品(SS6)中最年轻的锆石年龄>210 Ma，而北部(川北)、东部(川东)和南部(川南)地区则明显接受了<210 Ma的碎屑锆石输入(图5)。从地理位置来看，如果参考前人的须家河组沉积模式，松潘-甘孜地区在须家河组沉积时期已经隆升成为物源区[8]，为何离物源区最近的川西拗陷地区并未接收松潘-甘孜地区广泛发育的230～200 Ma B.P.岩浆岩的岩浆锆石供给[50-51]，反倒是局部存在地层缺失[15,25,27]。同时在本次研究的鸡冠山剖面上，凝灰岩层距离须家河组顶部仅330 m，参考Sadler[52]获得的河流相沉积速率范围(5～100 cm/ka，平均为10 cm/ka)，按照平均沉积速率需要3.3 Ma沉积结束(范围为0.33～6.6 Ma)，故本次研究剖面上须家河组顶部的沉积年龄应>210 Ma。故可大致判断，本次研究在川西拗陷中获得的唯一凝灰岩年龄测定数据并不能代表整个盆地须家河组的沉积年龄。从碎屑锆石的年代学分布来看，四川盆地须家河组应该具有显著的穿时性，这一穿时直接导致前人在川西拗陷地区进行层序地层划分过程中无法解决区域性差异的影响[25]。如果本次获得须家河组凝灰岩的年龄值可靠，但仍无法解释川西拗陷从诺利期到侏罗纪之间将近10 Ma的时间间隔，后续研究工作将通过更精确的同位素年龄测定方法再进一步确认。

图5 四川盆地须家河组砂岩最年轻的碎屑锆石年龄与物源区的对比约束Fig.5 Comparison of clastic zircon ages with provenance sources of Xujiahe Formation in the Sichuan Basin

4.2 区域地质意义

虽然本次研究首次在四川盆地发现了晚三叠世的凝灰岩，但在四川盆地周缘地区，前人已在西南部的羌塘地体的那底岗日组发现了流纹质的凝灰岩(年龄为216.1±4.5 Ma)[53]，西部南秦岭西侧的西康群中也寻找到了凝灰岩(年龄为212.3±1.5 Ma)[1]，西北部的东昆仑鄂拉山组中也沉积流纹质的凝灰岩(年龄为219.5±1.9 Ma)[54]，北部的鄂尔多斯盆地延长组中也出现多层流纹质凝灰岩(年龄为215.7±2.3 Ma)[48]。前人研究均表明在212～222 Ma B.P.期间四川盆地周缘广泛分布凝灰岩，支持四川盆地中发现的凝灰岩并非局限的地质作用，而应具有显著区域特性(图6)。

图6 四川盆地及周缘区域晚三叠世火山作用的时空分布Fig.6 Spatial and temporal distribution of the late Triassic volcanic events in the Sichuan Basin and its periphery1.据Hu等[54]; 2.据王剑等[53]; 3.据Qiu等[48]; 4.据李祥辉等[1]; 5.据丁烁等[55]; 6.据徐学义等[59]; 7.据蔡宏明等[50]; 8.据Leng等[57]; 9.据Fu等[56]

由于凝灰岩是来自火山喷发产生的火山灰[48]，中国西部在诺利阶广泛分布的凝灰岩应具有相对应的火山岩供给。进一步寻找四川盆地及周缘地区同时代的火山岩，分别在西北部的东昆仑出露了流纹岩(年龄为214±1 Ma、212±2 Ma)[55]，西南部的义敦岛弧和羌塘地体上均广泛保留流纹岩(年龄范围为208～222 Ma)[53,56-57]。基于最南端的羌塘地体，古地磁已经定量约束了晚三叠世的古纬度为(31.7 ± 3.0)°N[58]，与现今的地理纬度34°N非常接近；再考虑到中纬度地区的古风向主要来自西南方向，因此羌塘地体及其北缘的义敦岛弧应该是很好的火山灰物源供给区。但在南秦岭西部和松潘-甘孜地区只出露了年龄<210 Ma的流纹岩和安山岩[1,50,59]，不仅年龄上较凝灰岩要年轻，同时从野外观察表明松潘-甘孜地区的火山岩(阿坝安山岩年龄为210±3 Ma，洼赛安山岩年龄为205±1 Ma)与上三叠统西康群呈明显的侵入接触关系[50]，这较好地约束松潘-甘孜地区西康群应在212 Ma B.P.之后就已经结束沉积，进入了褶皱造山阶段[50]。如果这一观点成立，那么对于松潘-甘孜地区残留的古特提斯洋也就应该在212 Ma B.P.之后就彻底关闭，导致松潘-甘孜地区隆升并成为四川盆地须家河组的物源供给区[8-9]。为此，东特提斯地区的晚三叠世构造演化将要重新谱画。

5 结 论

本次研究工作在四川盆地西部崇州的上三叠统须家河组中发现了一套火山碎屑岩夹层，并对这件凝灰岩样品的锆石进行了U-Pb同位素年龄测定，初步获得如下认识。

a.凝灰岩样品中的锆石形成年龄加权平均值为(214.7±1.6) Ma，属于晚三叠世诺利期中期。

b.此次工作系初次报道四川盆地须家河组火山岩夹层及其可能代表的较为精准的火山喷发年龄。

c.结合四川盆地及周缘区域同时代凝灰岩和火山岩的时空研究，表明四川盆地西侧松潘-甘孜古特提斯洋的残留海盆终结可能发生在瑞替期。

这些火山碎屑岩夹层对四川盆地须家河组的岩石地层单元的划分与对比可提供重要参考，同时为进一步约束印支期中国西部地区的碰撞-造山事件时限提供了新证据。

感谢中国科学院大学曾璐博士对实验数据测试和分析过程中给予的大力帮助，感谢香港大学王俊博士、南京大学的李祥辉教授对文章提出的建设性意见。

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Chronology of the pyroclastic layer from Xujiahe Formaton in the western Sichuan Basin and its geological significance

RAN Bo1, LIU Shu-gen1, LI Zhi-wu1, DONG Jun2, WANG Zi-jian1, YE Yue-hao1, TIAN Qing1, HUANG Rui1, HE Li2

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,SouthwestBranchCompanyofSINOPEC,Chengdu610081,China

Dating by LA-ICP-MS is carried out on the newly found interbed of pyroclastic rocks in the Upper Triassic Xujiahe Formation in the western Sichuan Basin. The U-Pb isotope measurement yields (214.7±1.6) Ma age, indicating that the pyroclastic rock belongs to Norian age of the late Triassic. This age represents the volcanic eruptions during the Xujiahe Formation accumulation and indicates that the deposition might have stopped before the Rhaetian. The dated age of pyroclastic rocks not only provide important evidence for stratigraphic classification and correlation of the Xujiahe Formation in the western Sichuan Basin, but also provide evidence and age constraints for the evolution of the western Sichuan foreland basin and the closure of the paleo-Tethys ocean. The correlation of volcanic activity between the Sichuan Basin and its periphery indicates that there was one intense volcanic eruption in the western China in the Norian age (210～220 Ma) from the Qiangtang terrane to east Kunlun terrane.

U-Pb chronology of zircon; tuff; Xujiahe Formation; Triassic; Sichuan Basin

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.06.11

1671-9727(2016)06-0727-10

2016-03-07。 [基金项目] 国家自然科学重点基金项目(41230313)；国家自然科学基金青年基金项目(41102064)。 [第一作者] 冉波(1980-)，男，博士，讲师，研究方向：沉积盆地分析, E-mail:ranbo08@cdut.cn。

P597; P534.51

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