桂北三江地区丹洲群的锆石U-Pb年龄及其地质意义

秦 亚, 冯佐海, 葛黎明, 邢全力, 吴 杰, 薛云峰

(桂林理工大学 a.广西有色隐伏金属矿产勘查与新材料开发协同创新中心; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541006)

桂北地区位于江南造山带西段, 其前寒武纪地层为一套浅变质陆源碎屑岩夹火山碎屑岩组合。由于该套岩石缺乏有效的生物化石, 其时代归属、 地层对比和年代学格架一直未能得到很好的限定。早期研究者根据侵入于四堡群而被丹洲群覆盖的花岗质岩石的年龄, 以及有限的同位素测年数据将四堡群置于中元古代, 丹洲群置于新元古代早期[1-5]。近年来, 部分研究者对江南造山带西段前震旦纪地层及其中的火山岩夹层、 火山碎屑岩及侵入于地层中的花岗岩进行锆石U-Pb定年, 获得了一批高精度的年代学数据[6-12], 为江南造山带西段前寒武纪地层格架的厘定提供了新的依据。

在江南造山带西段的湘黔桂地区, 四堡群及其相当地层(冷家溪群、 双桥山群、 上溪群、 梵净山群)中碎屑岩、 沉凝灰岩、 含凝灰质碎屑岩以及侵入其中的镁铁质-超镁铁质岩石和花岗质岩石的高精度年龄多集中在900～820 Ma[13-18]。随着四堡群沉积上限年龄认识的趋同, 以及丹洲群底部火山岩和火山碎屑岩年龄的报道, 丹洲群的沉积下限年龄已基本确定为～820 Ma[11, 17, 19-21]， 但丹洲群的沉积上限年龄及与上覆南华系冰期沉积的年代学格架还存在不同的认识, 主要的观点有: ① 780 Ma±[22-25]; ② 740 Ma±[13, 14, 26-28]; ③720 Ma±[29-35]。尽管区域上越来越多的证据支持丹洲群的上限年龄为720 Ma±, 但桂北地区相关的年龄报道仍较少。本文在野外地质调查的基础上, 结合前人的研究成果, 对桂北三江地区拱洞组顶部的凝灰质砂岩开展LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb定年, 限定丹洲群的地层时代, 为江南造山带西段前寒武纪地层的时代归属及年代学格架的建立提供新的依据和补充。

1 地质背景

扬子陆块和华夏陆块于新元古代沿江南造山带碰撞拼贴成统一的古华南大陆[36-38]。随着全球Rodinia超大陆的裂解, 古华南大陆开始裂解形成一系列的裂谷盆地[6, 35, 39]。裂解后的古华南大陆于加里东期陆内造山, 形成现今的构造格局[37-38, 40]。研究区位于江南造山带西段的桂北三江地区(图1a)。

区域岩浆活动强烈, 花岗质岩石和镁铁质-超镁铁质岩石均有出露[10, 42-43]。花岗质岩石主要为花岗岩类和花岗闪长岩类, 以三防岩体和元宝山岩体最为典型, 前人研究表明其侵位时代为820～840 Ma[18-19, 43]。镁铁质-超镁铁质岩石主要分布于四堡群和丹洲群中；而分布于丹洲群的镁铁质-超镁铁质岩石的侵位时代为780～760 Ma[10, 13]。尽管桂北地区岩浆岩广泛出露， 但桂北三江地区较为局限, 仅出露少量火山岩。区域构造线呈NNE向展布, 一系列NNE向断裂构造切割丹洲群、 南华系、 震旦系及下古生界(图1b)。研究表明, 研究区NNE向断裂多为韧性剪切带, 为加里东期陆内造山事件的产物, 可与扬子和华夏陆块的陆内造山事件相联系； 根据韧性剪切带中热液锆石年龄, 将其韧性变形时代限定为～440 Ma的加里东期[44-45]。

桂北地区的前寒武纪地层主要有四堡群、 丹洲群、 南华系和震旦系(图1b)。四堡群变形较强, 具线性紧闭褶皱, 但变质级别低, 被称为褶皱基底; 自下而上分为九小组、 文通组和鱼西组; 主体岩性为浅变质砂岩、 浅变质粉砂岩、 板岩、 千枚岩, 夹火山岩及火山碎屑岩。丹洲群为一套裂谷充填型沉积, 变质变形程度相对较弱, 具开阔宽缓褶皱, 被称为“盖层”; 自下而上分为白竹组、 合桐组、 三门街组和拱洞组(图1b)。丹洲群与下伏四堡群呈角度不整合接触, 与上覆南华系长安组呈整合接触, 局部呈假整合接触。南华系为冰期沉积, 主体岩性为砂泥岩。南华系上覆地层为震旦纪和古生代地层。

图1 研究区大地构造位置(a, 据文献[10])及地质简图(b, 据文献[41])

桂北三江地区出露的地层则相对局限, 主体为丹洲群、 南华系和寒武系, 以及少量分布的震旦系(图1b)。三江地区丹洲群自下而上由白竹组、 合桐组和拱洞组组成， 相较研究区东侧的龙胜地区, 缺少三门街组火山岩。三江地区的丹洲群沉积地层主体岩性为浅变质砂岩、 板岩及少量的大理岩和火山岩。

2 样品采集及岩相学特征

在野外地质调查的基础上, 本文对桂北三江地区拱洞组上部的浅变质凝灰质砂岩进行了碎屑锆石U-Pb测年样品(SJ19032)的采集。采样坐标为109°37′51.08″E、 25°44′56.62″N。

样品风化面呈红褐色, 新鲜面呈青灰色。岩石具有碎屑结构, 层理构造, 层理产状为273°∠53°(图2a)。碎屑颗粒主要为石英、 斜长石和少量的晶屑和岩屑, 含量占35%±。碎屑颗粒粒径为0.05～0.25 mm, 为砂状结构, 分选中等, 磨圆较差、 呈次棱角状, 具有近源沉积的特征。石英占碎屑颗粒的70%±, 部分颗粒具波状消光; 斜长石可见聚片双晶, 含量占碎屑颗粒的15%±; 棱角分明的晶屑主要为石英。填隙物主要为杂基、 黏土物质、 氧化铁和玻屑。杂基为细小的碎屑颗粒, 含量占20%±。火山碎屑物质主要为玻屑和棱角分明的石英晶屑, 含量占15%±。碎屑颗粒由隐晶质的黏土物质和氧化铁胶结(图2b)。

图2 样品野外露头照片(a)和显微照片(+)(b)

3 测试方法及分析结果

3.1 测试方法

对野外采集的新鲜样品进行单矿物分选, 5 kg样品共分选出200余粒锆石。随后对分选出的单颗粒锆石进行制靶, 反射光、 透射光及阴极发光照相和LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测试。

锆石单矿物的挑选、 制靶和照相委托北京锆年领航科技有限公司完成。单颗粒锆石的LA-ICP-MS U-Pb年龄测试在桂林理工大学广西隐伏金属矿床勘查重点实验室完成。单颗粒锆石年龄测试采用的激光束斑直径为32 μm, 利用标准矿物GJ-1和Plesovice作为外标物质进行同位素校正， 每间隔8个分析点加测2个标样， 各2次。测年原始数据采用ICPMSDataCal 10.7程序[46]进行计算。年龄谐和图及频谱图采用Isoplot 3.0程序完成[47]。锆石CL图像以及相关的年龄图解采用CorelDRAW X3进行完善。

3.2 分析结果

对拱洞组顶部的浅变质凝灰质砂岩进行42粒单颗粒锆石U-Pb测试, 取其中谐和度较高的41粒锆石U-Pb年龄进行数据分析。样品SJ19032的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析测试数据见表1。

表1 桂北三江地区丹洲群拱洞组凝灰质砂岩的锆石年代学数据

在锆石CL图像中(图3), 除测点19具有复杂的锆石形态和内部结构特征外, 其余所测锆石的自形程度较高, 几乎无磨圆, 呈长柱状、 短柱状的形态特点, 粒径为80～200 μm, 长宽比为2∶1～8∶1; 少量锆石颗粒具有熔蚀港湾状的形态特点。锆石阴极发光图像的明暗程度不一, 部分颗粒具有相对较低的Th、 U含量, 阴极发光图像较亮; 部分颗粒具有相对较高的Th、 U含量, 阴极发光图像较暗。阴极发光图像明暗程度的不同, 可能暗示其具有不同的成因或来源, 显示碎屑锆石的特征。阴极发光图像显示, 锆石内部环带特征清晰, 部分颗粒内部具有较暗的继承核, 为典型的岩浆振荡环带。锆石的Th、 U含量分别为(100.97～1 186.19)×10-6、 (129.36～3 489.69)×10-6, Th/U值在0.20～2.21, 均大于0.1(图4)。除测点19具有复杂的锆石成因外, 其余锆石均为岩浆成因的碎屑锆石。

图4 Th-U图解

锆石颗粒具有较高的自形程度和较差的磨圆度(图3), 与碎屑颗粒呈次棱角状的岩相学特征(图2b)一致, 暗示测年样品为近源沉积的产物。

图3 样品SJ19032的锆石阴极发光图像

在锆石U-Pb年龄谐和图解中(图5a), 41粒锆石的U-Pb年龄均位于谐和线上及其附近。在碎屑锆石年龄分布频谱图中(图5b), 41粒碎屑锆石包含1粒古元古代的锆石(2 399±28 Ma), 3粒新元古代的锆石(U-Pb年龄介于801～895 Ma), 其余37粒锆石的U-Pb年龄则相对集中,206Pb/238U加权平均年龄为723.9±3.6 Ma(MSWD=0.035)。

图5 锆石U-Pb年龄谐和图解(a)和碎屑锆石年龄分布频谱图(b)

4 讨 论

丹洲群属于成层有序的浅变质岩系, 其与下伏四堡群呈角度不整合接触, 与上覆南华系长安组呈平行不整合或整合接触[48]。前人研究认为四堡群和丹洲群之间的不整合界面是四堡运动的结果, 为扬子陆块和华夏陆块碰撞拼贴的产物[37-38]。四堡运动后, 桂北地区进入伸展裂陷阶段[6, 35, 39], 构成华南新元古代裂谷系的一部分。丹洲群作为四堡运动后的第一套裂谷充填型沉积, 由于缺乏古生物化石, 早期受限于实验方法和测年数据的稀少, 其地层时限及区域地层对比一直未能取得共识。

早期研究者根据侵入于四堡群而被丹洲群覆盖的花岗岩的年龄, 以及有限的同位素测年数据将四堡群置于中元古代末期[1-2], 上覆丹洲群置于新元古代初期, 并认为四堡运动可与全球格林威尔运动相对比[5, 49-50]。近年来, 随着江南造山带西段前寒武纪地层及其火山岩夹层、 火山碎屑岩和侵入其中的镁铁质-超镁铁质岩石及花岗质岩石等的高精度年龄数据的获取, 将四堡群的沉积时限约束在820 Ma之前的新元古代[7, 10, 12, 51-52]。随着四堡群沉积时限的重置, 丹洲群的沉积时限也需重新进行厘定。

4.1 丹洲群沉积下限

常采用以下方法来约束丹洲群的沉积下限:①根据四堡群沉积上限约束丹洲群的沉积下限; ②利用侵入四堡群顶部地层中的岩浆岩年龄; ③丹洲群沉积地层底部火山岩夹层的时代; ④裂谷期火成岩的年龄； ⑤丹洲群底部地层中最年轻的碎屑锆石年龄。

桂北地区侵入于四堡群而被丹洲群覆盖的花岗质岩石的高精度定年结果为～820 Ma[18, 52-54], 与Li等[55]曾获得侵入于四堡群的超基性-基性岩脉的锆石U-Pb年龄(828±7 Ma)在误差范围内一致； Wang等[51]也在桂北宝坛地区的四堡群基性岩中获得811.5±4.8 Ma的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄； Yang等[56]对桂北地区侵入于四堡群的岩浆岩年龄进行统计, 限定其沉积上限年龄为～824 Ma。上述测年结果不仅限定四堡群的沉积上限年龄为～820 Ma, 也约束四堡群上覆地层的沉积下限年龄为～820 Ma。

桂北地区虽暂未见丹洲群底部地层中火山岩的年龄报道, 但周汉文等[57]曾在桂东贺州下龙地区获得与丹洲群相当的鹰阳关群的浅变质基性火山岩的U-Pb年龄为819±11 Ma, 也暗示丹洲群的沉积下限年龄接近820 Ma。

通过沉积地层底部岩石的碎屑锆石年代学研究, 可以较好地约束地层的沉积起始时限。Wang等[58]通过碎屑锆石U-Pb年代学研究表明, 丹洲群白竹组的最大沉积时限为826±7 Ma。笔者近年来对采集自桂北罗城地区四堡-黄金剖面中丹洲群白竹组底砾岩进行碎屑锆石年代学研究, 其最年轻的一组碎屑锆石年龄集中在～820 Ma(待发表数据)。

近年来, 大量高精度的年代学资料表明～820 Ma的年龄界线不仅适用于桂北地区, 也适用于整个江南造山带。首先, 江南造山带早先用于限定四堡群时代的花岗质岩石均侵位于～820 Ma, 包括皖南的休宁、 许村和歙县岩体[6, 8, 18, 59-60], 赣西北和湘东北的九岭岩体[18, 59-63]。其次, 四堡群及其相当地层顶部的火山岩或火山碎屑岩的年龄也集中在～820 Ma, 如Zhou等[64]获得梵净山群回香坪组凝灰岩的年龄为814±15 Ma; 高林志等[65]获得岳阳冷家溪群顶部凝灰岩年龄为822±11 Ma。此外, 区域上丹洲群及其相当地层的底部火山岩夹层或火山碎屑岩的年龄也集中在～820 Ma, 如王剑等[20]获得湘北沧水铺组底部火山集块岩的年龄为814±12 Ma; 高林志等[11]在湖南芷江小鱼溪地区的板溪群新寨组凝灰岩中, 获得813.5±9.6 Ma的年龄； 张嘉玮等[66]对下江群及其相当地层底部火山岩的年龄进行统计加权平均计算, 获得板溪群及其相当层位底部年龄为822.1±2.6 Ma。因此, 推测整个江南造山带丹洲群及其相当层位的沉积下限基本一致, 时代为～820 Ma。

4.2 丹洲群沉积上限

关于丹洲群的沉积上限年龄, 主要根据其顶部地层中的火山岩夹层或镁铁质-超镁铁质侵入岩的年龄, 丹洲群拱洞组顶部地层的碎屑锆石年龄, 以及上覆南华系长安组的底界年龄来限定。目前关于丹洲群的沉积上限年龄的认识主要有如下观点: ①～780 Ma[22-25]; ②～740 Ma[13-14, 26-28]; ③～720 Ma[29-35]。

丹洲群沉积上限为～780 Ma的报道最早见于Yin等[22]和高林志等[25]的研究成果。张启锐[31]对该年龄数据进行了质疑, 首先认为测年锆石可能为继承锆石; 其次该年龄值与区域上拱洞组的测年数据及南华系长安组的测年结果存在矛盾。近年来, 越来越多的高精度测年数据不支持～780 Ma作为丹洲群的沉积上限(表2)。周继彬[67]在桂北龙胜地区获得三门街组英安质流纹岩的年龄为765±14 Ma, 亦不支持～780 Ma作为丹洲群的沉积上限。湘黔桂地区丹洲群合桐组常被镁铁质-超镁铁质岩石侵入, 镁铁质-超镁铁质岩石的高精度测年数据也不支持～780 Ma作为丹洲群的沉积上限, 如葛文春等[68]测得桂北龙胜地区塘头辉长辉绿岩的年龄为761±8 Ma; 周继彬[67]在湘西古丈地区测得辉绿岩的侵位年龄为768±28 Ma。近年来, Liu等[69]对桂北龙胜地区的金车、 金结、 乐江、 古桃山、 华美、 吊竹山等镁铁质-超镁铁质岩石的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果表明其成岩时代为～770 Ma。上述测年数据表明丹洲群的沉积上限年龄应晚于～780 Ma。

表2 丹洲群沉积上限的锆石U-Pb年龄统计

拱洞组作为丹洲群最上部的一个组级地层, 其顶部地层的时限可以很好地限定丹洲群的沉积上限。Wang等[70]在广西罗城地区拱洞组中获得丹洲群的沉积时限为731±4 Ma； Wang等[16]在广西融水县拱洞组中上部获得丹洲群的沉积时限为734.5±4.3 Ma； 汪正江等[29]在广西龙胜拱洞组顶部获得最年轻的碎屑锆石年龄为717±5 Ma。此外, 刘灏[71]在桂北斗江地区获得拱洞组顶部凝灰岩的年龄为716.8±6.8 Ma以及在桂北罗城地区获得拱洞组顶部砂质板岩的碎屑锆石年龄为728.3±5.3 Ma。上述锆石测年结果也不支持丹洲群沉积上限年龄为～740 Ma, 却与～720 Ma的沉积上限年龄接近。本文在丹洲群拱洞组凝灰质砂岩中获得723.9±3.6 Ma的锆石U-Pb年龄, 进一步支持丹洲群的沉积上限为～720 Ma。

区域上, 丹洲群及其相当地层(板溪群、 下江群和河上群等)的年代学研究均不支持沉积上限为～780 Ma和～740 Ma的认识, 如覃永军等[32]在黔东南地区获得平略组上部的凝灰质碎屑岩的年龄为733.9±8.8 Ma和隆里组中部的砂岩年龄为725±10 Ma; 伍皓等[72]在湖南省桂阳县获得大江边组上部的砂质泥岩的年龄为734±4 Ma; 汪正江等[29]在贵州锦屏敦寨地区获得隆里组顶部凝灰岩的年龄为733±18 Ma; Wang等[70]在湖南怀化地区获得板溪群岩门寨顶部凝灰质砂岩的最年轻锆石年龄719±10 Ma。

此外, 丹洲群之上为南华系长安组冰期沉积, 长安组与丹洲群之间呈平行不整合或整合接触关系, 目前多数学者认为黔东南锦屏至榕江一线以南东为整合接触[73-74], 因此桂北地区丹洲群的沉积上限应与长安组的下限年龄一致, 故利用长安组的沉积下限年龄能够较好地约束丹洲群的沉积上限。刘灏[71]在桂北三江地区获得长安组杂砂岩的碎屑锆石年龄为725.9±4.4 Ma, 在桂北罗城地区获得长安组砂岩的碎屑锆石年龄为743.6±8.3 Ma, 并在桂北龙胜地区获得长安组含砾砂岩的碎屑锆石年龄为732.0±6.7 Ma。桂北地区长安组的碎屑锆石年龄亦支持丹洲群的沉积上限为～720 Ma。区域上, 杜秋定等[75]测得湘中地区长安组碎屑锆石的最小年龄为～720 Ma, 亦支持丹洲群的沉积上限年龄为～720 Ma。

综合前人研究结果和本文所测桂北三江地区拱洞组顶部凝灰质砂岩的锆石U-Pb年龄, 将丹洲群的沉积上限限定为～720 Ma是合理的(表2)。

4.3 对长安冰期启动时限的约束

南华纪是与国际新元古代成冰纪相对应的地层单位, 以冰期和间冰期沉积为特征。华南地区南华纪地层分布广泛, 尤以扬子东南缘湘黔桂地区最为连续完整, 是国际成冰纪研究的热点地区之一[85]。长安组作为南华纪最底部地层, 其沉积的下限代表了新元古代冰期沉积的启动时限。然而, 长安冰期的启动时限长期存在争议[66]。由于采样层位及测试方法的限制, 先后出现了～780 Ma[22-25]、 ～740 Ma[13, 14, 26-28]和～720 Ma[29-35]等多种观点。

南华纪长安冰期沉积的启动时限主要利用长安组底部地层中最年轻的碎屑锆石年龄或火山碎屑岩的年龄, 以及下伏丹洲群及其相当地层的顶界年龄。前已述及, 桂北地区长安组碎屑锆石年龄集中在～720 Ma, 且丹洲群及其相当地层的顶界年龄也集中在～720 Ma(表2), 表明桂北地区长安(江口)冰期启动时限为～720 Ma。本文对桂北三江地区丹洲群拱洞组凝灰质砂岩的测年结果为～720 Ma, 亦支持南华纪长安冰期启动时限为～720 Ma。

此外, 前人研究表明, 长安冰期与国际Sturtian冰期相对应, 而Sturtian冰期启动年龄为～718 Ma[86-88], 进一步支持长安冰期的启动时限为～720 Ma的认识。

5 结 论

(1)本文在桂北三江地区丹洲群拱洞组顶部的凝灰质砂岩中获得723.9±3.6 Ma岩浆成因的碎屑锆石年龄, 结合前人研究成果, 将丹洲群的沉积时限限定为820～720 Ma。

(2)论文通过限定丹洲群的沉积上限, 约束长安冰期的启动时限为～720 Ma。

致谢: 桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室余红霞和李政林老师在锆石U-Pb年龄测试中提供了帮助, 在此表示感谢。