吉林中部地区小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石U-Pb年代学研究及其地质意义

韩作振，钟文建，宋志刚，韩 超，HANS-PETER Schertl3，任 祥，高丽华

(1. 山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2. 海洋矿产资源实验室，青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266071；3.波鸿鲁尔大学 地质矿产地球物理研究所，德国 北莱茵-威斯特法伦州 波鸿 44780)

吉林中部地区在大地构造位置上处于兴蒙造山带东段，古生代经历多个微陆块的拼合以及古亚洲洋演化过程[1-3]。吉林中部地区晚志留世—早泥盆世地层出露于吉林市永吉县张家屯、二道沟和小绥河等地(图1)，原称为张家屯组、二道沟组和小绥河组。前人[4-5]将张家屯组、二道沟组和小绥河组与黑龙江黑龙宫组和内蒙古西别河组进行对比，其岩性和岩相自下而上存在相同的变化规律，遂将吉林省中部晚志留世—早泥盆世地层称为西别河组。吉林中部地区张家屯组、二道沟组和小绥河组形成确切时代及地层层序一直是众多地质科学家积极探讨的问题之一。一直以来，地质学家对张家屯组的认识异议不大，并将其形成年代定在晚志留世，而对于二道沟组和小绥河组的认识提出了不同的意见。二道沟组可分为两段，下部是以砂页岩为主的“砂页岩段”，上部是以灰岩为主的“灰岩段”，对于两段的上、下关系存在两种观点，刘发等[6]认为二道沟组为一套整合单斜岩层，“灰岩段”应在下、“砂页岩段”应在上；彭玉鲸等[7]认为其为一倒转层序，“砂页岩段”应在下，“灰岩段”应在上。基于此，对出露于大绥河镇小绥河水库旁小绥河组粉砂岩进行了岩相学、碎屑锆石U-Pb年代学和全岩地球化学研究，结合其野外地质特征，限定了小绥河组形成时代，并在此基础上讨论小绥河组的物源及其形成的构造背景。

图1 研究区地质简图

1 地质背景及样品描述

研究区位于吉林省中部地区大绥河镇境内，大地构造位置上处于华北板块北缘的东段，向西邻近松辽盆地，南东部以敦密断裂带为线与华北板块相隔，是古亚洲洋和古太平洋两大构造域交汇的部位(图1(a))。吉林中部地区晚志留世—早泥盆世地层即西别河组出露于吉林市永吉县张家屯、小绥河和二道沟等地，原称为张家屯组、二道沟组和小绥河组。张家屯组地质年代定为晚志留世，以粉砂岩、砂岩、含砾砂岩和底砾岩为主夹有灰岩透镜体。二道沟组可分为两段，一段是以砂页岩为主的“砂页岩段”，另一段是以灰岩为主的“灰岩段”，对于两段的上、下关系尚存在歧义。

变质粉砂岩样品采自吉林中部大绥河镇小绥河水库小绥河组，采样点坐标(N43°51′41″, E126°20′48″)(图1(b))。变质粉砂岩新鲜面呈灰绿色，块状构造(图2(a),(b))；显微镜下可以看出岩石杂基支撑(杂基含量约50%)，颗粒分选度差，多呈棱角状，点接触，颗粒类型以石英(～25%)、斜长石(～20%)、岩屑为主，局部见泥岩砾屑。碎屑颗粒间的泥质杂基具有微弱层状构造，纹层间偶见黑色条带漂浮状分布，可能为泥质吸附的有机质。斜长石内部蚀变严重，疑似云母化。泥质条带干涉色较高，出现绢云母化变质作用(图2(c),2(d))。

(a)研究区；(b)采样点；(c)正交偏光；(d)单偏光;Q—石英；Pl—斜长石

2 分析方法

2.1 年代学分析

样品(XS-1)的碎样及碎屑锆石分选工作由河北省廊坊市廊坊区域地质调查所利用重液分选和磁选法完成。碎屑锆石制靶、阴极发光(CL)图像拍摄、碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb测年以及碎屑锆石多接收电感耦合等离子体质谱(multi-receiver inductively coupled plasma mass spectrometry,MC-ICP-MS)Lu-Hf同位素测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。

碎屑锆石U-Pb测年及碎屑锆石微量元素分析是在ICP-MS和紫外准分子激光剥蚀系统联机上进行的。实验原理和流程详见参考文献[8-10]。测试采用单点剥蚀，剥蚀物质运载气体为He，激光工作波长为193 nm，频率为6 Hz，激光束斑直径为32 μm，剥蚀深度为20～40 μm。所测单点的同位素比值及元素含量利用GLITTER(ver.4.0 Macquarie University)程序进行计算。年龄计算以91500作为外标进行校正，元素含量则采用NIST SRM610为外标以及29Si作为内标进行校正。锆石年龄谐和图采用Isoplot(2.6)软件进行绘制。

2.2 主量元素和微量元素分析

主量元素和微量元素分析在山东省国土资源部济南矿产资源监督检测中心完成，在主量元素分析中，SiO2含量分析采用动物胶凝聚重量法测得，Al2O3含量分析采用二甲酚橙法测得，其余主量元素含量分析采用全谱直读光谱仪测得。对微量元素含量分析采用IRIS-Intrepid2型等离子体光谱仪、双道原子荧光光谱仪(AFS-820)和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS XSeries2)进行测定。

2.3 锆石Lu-Hf同位素分析

碎屑锆石Lu-Hf同位素测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，是在配有193 nm激光取样系统的Neptune MC-ICP-MS上进行测定的，仪器的运行条件和分析流程详见文献[11]。测定采用锆石国际标样91500作为外标，激光束直径为44 μm，所用激光脉冲速率为6～8 Hz，激光束脉冲能量为90 mJ。

3 分析结果

3.1 年代学

小绥河组变质粉砂岩锆石CL图像如图3所示，锆石呈半自形双锥柱状，次滚圆—滚圆柱状、粒状，个别锆石具核边结构，大多数锆石具有清晰的内部结构和典型岩浆振荡环带，结合其较高的Th与U比值(0.5～1.1)，表明其为岩浆成因锆石。如表1所示，该样品中81个碎屑锆石年龄数据集中在417～497 Ma。总体上，碎屑锆石年龄数据可划分为3个组(图4)：第1组年龄集中在417～426 Ma，峰值年龄为421 Ma；第2组年龄集中在441～446 Ma，峰值年龄为442 Ma；第3组年龄集中在459～474 Ma，峰值年龄为470 Ma。

图中大圈代表锆石Hf同位素分析位置，小圈及内部数字代表锆石年龄的分析位置及点号

表1 小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb 年龄数据表

Tab. 1 LA-ICP-MS detrital zircon U-Pb dating of the metamorphic siltstone from Xiaosuihe Formation

测点号同位素比值Pb207/Pb2061σPb207/U2351σPb206/U2381σPb208/Th2321σTh/U年龄/MaPb207/Pb2061σPb207/U2351σPb206/U2381σPb208/Th2321σXS-1-010.056 250.002 430.581 210.019 990.074 930.001 350.025 670.000 500.844619446513466851210XS-1-020.055 830.002 180.547 770.016 040.071 150.001 240.022 310.000 410.70445854441144374468XS-1-040.055 100.002 430.511 230.018 120.067 280.001 220.021 080.000 430.78416954191242074228XS-1-050.057 890.004 120.567 730.037 130.071 110.001 620.025 090.001 020.47525149457244431050120XS-1-060.056 240.003 190.519 580.025 860.067 000.001 350.021 210.000 580.7246112242517418842411XS-1-080.055 600.004 520.547 000.041 470.071 340.001 770.020 870.000 810.82436172443274441141816XS-1-100.057 360.003 060.534 130.024 640.067 530.001 320.021 530.000 580.6450511443516421843111XS-1-110.055 010.001 970.511 210.012 660.067 380.001 140.021 160.000 370.5141377419942074237XS-1-120.055 330.001 980.514 400.012 800.067 410.001 140.021 250.000 370.5642578421942174257XS-1-130.054 970.002 280.510 870.016 420.067 380.001 180.021 710.000 400.81411904191142074348XS-1-140.056 890.002 200.594 510.017 070.075 770.001 310.021 140.000 370.94487844741147184237XS-1-150.057 110.004 050.535 600.034 750.068 000.001 560.019 890.000 630.9549515043623424939813XS-1-160.055 970.003 140.553 130.027 170.071 650.001 430.022 740.000 670.5845112044718446945413XS-1-170.059 230.002 610.550 190.019 410.067 360.001 220.021 110.000 440.75576934451342074229XS-1-180.055 950.002 210.548 220.016 210.071 050.001 230.023 160.000 410.81450854441144374638XS-1-190.055 370.002 690.513 470.020 870.067 240.001 260.020 980.000 570.4642710542114420842011XS-1-200.059 880.003 760.555 050.031 210.067 210.001 450.020 670.000 640.7659913044820419941413XS-1-220.056 050.002 530.520 940.018 990.067 390.001 230.021 360.000 421.02454974261342074278XS-1-230.055 770.003 100.518 060.025 110.067 350.001 330.021 80.000 630.5744311942417420843613XS-1-240.054 940.002 840.509 660.022 510.067 260.001 290.020 420.000 460.984101124181542084099XS-1-250.055 840.002 440.550 650.019 220.071 500.001 280.022 670.000 500.594469444513445845310XS-1-260.054 920.004 610.508 540.039 850.067 140.001 700.021 860.000 761.02409177418274191043715XS-1-270.056 400.002 390.554 360.018 440.071 270.001 260.022 600.000 470.62467924481244484529XS-1-280.056 640.003 230.555 710.027 790.071 140.001 430.021 640.000 660.5847712244918443943313XS-1-290.055 270.002 050.516 270.013 670.067 730.001 150.020 890.000 360.7542381423942274187XS-1-300.056 770.002 110.560 500.014 790.071 580.001 210.022 640.000 380.82482814521044674538XS-1-310.055 300.002 420.513 380.017 890.067 320.001 200.020 950.000 480.524249542112420741910XS-1-320.055 940.002 150.550 660.015 470.071 370.001 220.022 170.000 390.78450834451044474438XS-1-330.055 800.002 850.548 140.023 740.071 220.001 350.023 520.000 530.8844411044416444847010XS-1-340.057 110.004 560.529 170.039 220.067 180.001 650.022 350.000 980.54495167431264191044719XS-1-350.056 600.002 910.526 380.023 030.067 430.001 290.020 600.000 480.94751114291542184129XS-1-370.055 590.003 670.517 630.030 930.067 510.001 460.020 830.000 680.6843614142421421941714XS-1-380.055 260.003 920.512 370.033 280.067 220.001 520.020 510.000 680.842315142022419941013XS-1-390.055 870.002 430.520 850.017 900.067 590.001 200.022 450.000 490.534479342612422744910XS-1-400.058 100.003 590.537 420.029 650.067 070.001 410.021 360.000 650.6953313043720419942713XS-1-410.056 690.004 270.592 460.041 140.075 780.001 800.027 770.001 070.57479159472264711155421XS-1-420.056 640.002 820.522 520.021 910.066 880.001 250.020 440.000 431.14771074271541784098XS-1-430.055 000.004 310.514 890.037 390.067 880.001 620.021 710.000 830.69412166422254231043416XS-1-440.056 340.002 520.585 080.020 990.075 290.001 350.024 670.000 500.824659746813468849310XS-1-450.055 080.005 100.512 510.044 790.067 460.001 780.023 090.001 110.55415195420304211146122

续表1

测点号同位素比值Pb207/Pb2061σPb207/U2351σPb206/U2381σPb208/Th2321σTh/U年龄/MaPb207/Pb2061σPb207/U2351σPb206/U2381σPb208/Th2321σXS-1-460.055 170.003 560.508 460.029 550.066 830.001 430.022 280.000 680.7141913841720417944513XS-1-470.058 090.003 440.542 970.028 350.067 780.001 390.021 490.000 640.6553312544019423843013XS-1-480.060 160.003 400.558 470.027 540.067 310.001 350.020 130.000 560.7460911845118420840311XS-1-490.056 190.005 390.548 810.049 760.070 820.001 990.021 640.001 080.66459200444334411243321XS-1-500.056 720.006 530.525 860.057 910.067 220.002 160.023 060.001 350.62480237429394191346127XS-1-510.058 980.004 790.551 090.041 660.067 760.001 720.021 420.000 910.65566168446274231042818XS-1-520.055 820.005 140.516 130.044 760.067 040.001 810.023 040.001 020.69445193423304181146120XS-1-530.055 230.002 840.514 480.022 520.067 550.001 300.021 900.000 610.5142111142215421843812XS-1-540.056 950.002 480.528 200.018 320.067 260.001 220.021 290.000 470.59489944311242074269XS-1-560.056 190.004 360.522 330.037 570.067 400.001 610.021 890.000 920.54459164427254211043818XS-1-570.056 380.003 530.525 760.029 500.067 610.001 440.020 180.000 640.6946713442920422940413XS-1-580.055 480.002 070.520 600.013 820.068 040.001 160.021 460.000 380.6743281426942474297XS-1-590.055 290.004 980.518 920.044 000.068 060.001 790.021 160.001 000.61424190424294251142320XS-1-600.056 350.002 910.552 830.024 340.071 140.001 370.023 900.000 610.6246511144716443847812XS-1-610.056 570.002 250.594 810.017 800.076 240.001 330.025 930.000 470.81474864741147485189XS-1-620.055 190.003 260.517 280.026 990.067 960.001 390.021 310.000 650.5942012742318424842613XS-1-630.055 200.002 140.513 030.014 660.067 400.001 160.020 980.000 370.89420844211042074207XS-1-640.059 330.005 380.582 300.049 660.071 170.001 950.022 010.001 010.72579186466324431244020XS-1-650.055 220.002 620.512 130.020 070.067 250.001 240.021 500.000 500.6242110342013420743010XS-1-670.055 160.003 230.515 080.026 660.067 710.001 370.021 600.000 660.5641912642218422843213XS-1-680.058 530.006 730.647 550.071 200.080 220.002 650.025 660.001 430.77550233507444971651228XS-1-690.056 050.002 050.519 620.013 260.067 220.001 140.020 400.000 360.645479425941974087XS-1-700.055 140.002 450.511 020.018 140.067 200.001 210.020 240.000 410.87418964191241974058XS-1-710.055 290.002 110.513 640.014 170.067 360.001 150.020 250.000 331.15424834211042074057XS-1-720.055 300.002 800.512 810.021 990.067 240.001 280.020 540.000 460.934241094201542084119XS-1-730.055 410.002 710.516 310.021 050.067 570.001 260.021 690.000 460.974281054231442284349XS-1-750.060 800.004 320.560 860.036 390.066 890.001 560.021 530.000 720.8263214645224417943114XS-1-760.055 560.002 990.579 460.026 840.075 620.001 470.024 960.000 640.743511646417470949813XS-1-770.056 300.003 350.552 280.029 100.071 130.001 460.024 190.000 690.6846412844719443948314XS-1-780.056 130.003 020.571 120.026 440.073 780.001 440.025 420.000 670.6345711545917459950813XS-1-790.055 410.005 570.519 220.049 450.067 920.001 740.021 880.001 150.64429210425334241143923XS-1-800.056 710.002 290.555 290.016 920.071 000.001 230.024 340.000 500.494808844911442748610XS-1-810.055 960.002 980.549 150.025 090.071 160.001 360.022 520.000 590.6445011444416443845012XS-1-820.055 910.003 310.519 660.027 190.067 390.001 370.020 530.000 511.0444912742518420841110XS-1-830.055 380.003 000.521 220.024 390.068 250.001 330.021 170.000 530.7742711742616426842311XS-1-840.055 330.002 480.515 920.018 510.067 600.001 210.021 100.000 480.554269742212422742210XS-1-860.056 970.002 660.559 830.021 340.071 260.001 300.023 570.000 550.649010045114444847111XS-1-870.054 810.006 200.507 570.054 850.067 150.002 070.020 600.000 990.95405235417374191341220XS-1-880.052 780.005 230.489 800.046 030.067 290.001 880.020 370.001 040.63319210405314201140821XS-1-890.056 250.002 850.552 180.023 620.071 180.001 340.022 940.000 580.6146110944615443845811XS-1-900.052 780.004 090.488 110.035 000.067 050.001 580.021 900.000 870.58320166404244181043817

图4 小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石U-Pb谐和图

3.2 地球化学

小绥河组变质粉砂岩主量元素特征：小绥河组变质粉砂岩的Al2O3、SiO2含量及其相关比值如表2所示。Al2O3、SiO2含量与长石砂岩和裂谷砂岩特征一致，而与典型的杂砂岩明显不同[12-13]。富含钾长石和钾含量高是典型的大陆裂谷盆地长石砂岩的特征，其K2O/Na2O比值明显高于1，通常为1.5～15，小绥河组变质粉砂岩K2O/Na2O比值为1.65，反映其长石砂岩和裂谷砂岩的特征。由图5(a) Pettijohn等[12]的砂岩岩石化学分类图可见，样品投点在长石砂岩区。

小绥河组变质粉砂岩微量元素特征：如表3所示，小绥河组变质粉砂岩稀土元素总量为178.4 μg·g-1，LREE/HREE比值为8.47，Eu/Eu*比值为0.60。由图5(b)可见，小绥河组变质粉砂岩球粒陨石标准化REE分布曲线为轻稀土元素中等富集型。

图5 小绥河组变质粉砂岩地球化学分类(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分图(b)

%

表3 小绥河组变质粉砂岩稀土和微量元素组成

3.3 锆石Hf同位素

小绥河组变质粉砂岩锆石Hf同位素分析结果见表4，样品的176Lu/177Hf值介于0.000 934～0.002 559，176Hf/177Hf值介于0.282 574～0.282 787，εHf (t)值介于1.53～9.04。其单阶段亏损地幔模式年龄介于667～951 Ma，两阶段亏损地幔模式年龄介于852～1 283 Ma。所有显生宙碎屑锆石εHf (t)值介于1.53～9.04，这与华北克拉通碎屑锆石组成及其锆石Hf同位素特征不同，因此，小绥河组变质粉砂岩物源来自于兴蒙造山带东段新增生的地壳物质。

表4 小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石Hf同位素分析结果

4 讨论

4.1 吉中小绥河组变质粉砂岩形成时代

样品中81颗碎屑锆石的 LA-ICP-MS年龄显示如图4、图6所示，小绥河组变质粉砂岩共有459～474 Ma、441～446 Ma和417～426 Ma 3组年龄。其中，417～426 Ma年龄组的加权平均年龄420.6±2.2 Ma为小绥河组形成时代的下限，小绥河组形成于晚志留世之后。结合廖卫华等[14]报道的小绥河组中晚志留世末至早泥盆世初珊瑚和腕足动物化石的存在，因此，小绥河组形成于晚志留世至早泥盆世，并非前人报道的早志留世[15]。

图6 小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石年龄相对频率图

4.2 吉中小绥河组变质粉砂岩的物源

锆石以高硬度及较高的封闭温度为特点得以在经历各种地质过程后仍然保持稳定的U-Pb同位素体系。因此，根据碎屑锆石的年龄组成和区域对比，可以判断砂岩的碎屑物源。

从小绥河组变质粉砂岩中的碎屑锆石形态、内部结构(图3)及Th/U比值(0.5～1.1)可以看出，小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石为岩浆成因，且其物源较近。由图6中可以看出小绥河组变质粉砂岩未见新太古代、古元古代和新元古代碎屑锆石，并且所有显生宙碎屑锆石εHf (t)值介于1.53～9.04(图7)，这与华北克拉通碎屑锆石组成及其锆石Hf同位素特征不同，因此，小绥河组变质粉砂岩物源来自于兴蒙造山带东段新增生的地壳物质。小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石年龄集中在晚寒武世至早泥盆世，且存在470、 442和421 Ma 3组峰值年龄(图6)。3组峰值年龄在吉林中部地区和张广才岭地块均有报道：Liu等[18]测得伊春张广才岭东部地区的碱长花岗岩年龄为471 Ma； 裴福萍等[19]报道的永吉张家屯英云闪长岩443 Ma；Wang等[20]报道的张广才岭地区早古生代花岗岩443～451 Ma；姜正龙等[21]报道的吉林省放牛沟桃山地区火成岩420 Ma；Pei等[22]报道的吉林中部地区存在中奥陶世、晚奥陶世至早志留世和晚志留世至早泥盆世的岩浆事件；Han等[23]报道的吉林省放牛沟地区存在晚志留世(～425 Ma)的岩浆事件；Han等[24]测得吉林省东部江域组存在428、455和476 Ma峰值年龄的碎屑锆石；Zhou等[25]测得延边开山屯地区大蒜沟组和庙岭组也存在419、443和473 Ma峰值年龄的碎屑锆石。

图(a)兴蒙造山带东段，燕山褶皱带范围引自文献[16]；图(b)华北板块北缘增生带火成岩范围引自文献[17]图7 小绥河组变质粉砂岩锆石Hf同位素特征

综上所述，小绥河组变质粉砂岩的物源主要来自于兴蒙造山带东段中奥陶世至早泥盆世的火成岩，并且吉林中部地区存在中奥陶世、晚奥陶世至早志留世和晚志留世至早泥盆世的岩浆事件。

4.3 吉林中部地区小绥河组变质粉砂岩的构造背景

从前文年龄分析可以看出(图4)，441～446 Ma和417～426 Ma两组年龄的碎屑锆石占小绥河组变质粉砂岩碎屑锆石的73%，因此，小绥河组变质粉砂岩的物源主要来自兴蒙造山带东段晚奥陶世至早泥盆世的火成岩。在La/Sc-Ti/Zr和Th-Sc-Zr/10构造背景判别图上(图8(a),(b))，小绥河组变质粉砂岩的物源均落在大陆岛弧区。裴福萍等[19,22]对吉林中部地区张家屯英云闪长岩进行年代学和岩石地球化学研究表明，形成时代为443 Ma的张家屯英云闪长岩形成于岛弧环境，并且研究区在晚奥陶世—早志留世可能存在大洋板块的俯冲作用。前人[22,26]对吉林中部地区420～440 Ma火成岩岩石地球化学研究认为其形成于成熟的岛弧环境。结合与张家屯英云闪长岩呈沉积接触关系的晚志留世—早泥盆世张家屯组具有磨拉石建造的沉积特征，及张家屯组、二道沟组和小绥河组中的珊瑚和腕足动物化石的存在[16,27]，证明华北板块北缘东段早古生代陆缘增生带是存在的，晚奥陶世—早志留世研究区处于岛弧环境(图9(a))，晚志留世—早泥盆世可能发生了弧陆碰撞(图9(b))，形成了具磨拉石建造特点的张家屯组沉积。张家屯组、二道沟组和小绥河组沉积建造特征及古生物特征可与内蒙古中部的西别河组对比，西别河组与下伏加里东期花岗岩间区域性角度不整合接触关系是加里东运动在华北板块北缘的体现[5]。

因此，吉林中部地区小绥河组变质粉砂岩形成于弧陆碰撞的造山环境，其中晚奥陶世—早志留世处于岛弧构造环境，而晚志留世—早泥盆世则为弧陆碰撞构造环境。

OIA-大洋岛弧；CIA-大陆岛弧；ACM-活动大陆边缘；PM-被动大陆边缘图8 小绥河组变质粉砂岩构造环境判别图

图9 吉林中部地区晚奥陶世至早泥盆世构造演化简易模式图

5 结论

根据小绥河组变质粉砂岩的碎屑锆石U-Pb定年结果、全岩主量和微量元素以及锆石Hf同位素特征，结合前人研究成果，得出以下结论：

1) 吉林中部地区小绥河组变质粉砂岩应该形成于晚志留世至早泥盆世，并非前人报道的早志留世；

2) 吉林中部地区小绥河组变质粉砂岩的物源主要来自于兴蒙造山带东段中奥陶世至早泥盆世的火成岩，并且在吉林中部地区存在中奥陶世、晚奥陶世至早志留世和晚志留世至早泥盆世的岩浆事件；

3) 吉林中部地区小绥河组变质粉砂岩可能形成于弧陆碰撞的造山环境，研究区于晚奥陶世—早志留世处于岛弧环境，晚志留世—早泥盆世可能发生了弧陆碰撞。