四川北川地区中泥盆统养马坝组碎屑锆石U-Pb年代学特征及其构造意义

郭 涛，胡作维*，李 云，史 格，詹旗胜，李韶昱，管晋红

(1. 成都理工大学 沉积地质研究院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059)

0 引 言

在加里东旋回末期，扬子板块与华夏板块碰撞形成了统一的华南板块，其中扬子板块与冈瓦纳大陆的位置关系都是长期以来的研究热点[1-6]。中元古代，扬子板块长期处于全球超大陆聚合-离散和南北大陆离散-拼合的总体构造动力学背景之中；晚古生代，扬子板块长期处于特提斯构造域和太平洋构造域的交汇转接地带[7-10]。精准重建扬子板块在新元古代以来的板块运动过程以及与其他板块的古地理关系，对研究扬子板块构造演化、冈瓦纳大陆裂解、亚洲增生以及特提斯构造演化具有重要意义。前人针对泥盆纪扬子板块与冈瓦纳大陆的古地理位置关系进行了很多研究[11-18]，具体观点如表1所示。

表1 泥盆纪扬子板块与冈瓦纳大陆位置关系的不同观点总结

锆石富含U和Th，低普通铅，具有极强的稳定性，不易受搬运、沉积、成岩以及后生作用的影响而能够较大程度地保留其母岩所含的原始信息，且普遍存在于各类岩石中[19]。近年来，碎屑锆石U-Pb年代学的发展对沉积盆地物源分析具有重要意义。该方法可以追踪锆石来源以及母体岩浆信息，进而探讨地壳演化历史[20-22]，并进一步应用于古地理环境重建[23-24]、沉积盆地演化历史恢复[25-26]和物源区剥蚀速率确定[27]等；但在运用碎屑锆石U-Pb年代学方法进行物源示踪时，是否会有其他因素(如沉积再旋回、水力分选等)影响结果的准确性以及怎么影响都需要深入研究。

到目前为止，扬子板块与冈瓦纳大陆在中泥盆世是否存在亲缘性一直有较大的分歧。本文在四川北川地区中泥盆统养马坝组采集砂岩样品，通过碎屑锆石年龄谱对比、岩相古地理演化研究、沉积环境演化研究等，并结合前人研究成果，综合分析了养马坝组沉积时的古地理特征和陆源碎屑的可能来源，进一步探讨了扬子板块与冈瓦纳大陆在中泥盆世的古地理位置关系。

1 区域地质背景及采样层位

北川甘溪泥盆系标准剖面(简称为“甘溪剖面”)位于四川龙门山地区，其泥盆系地层发育齐全，厚度巨大，剖面全长约13 km，沿培江支流平通河两岸分布[28-29]。该剖面泥盆系地层旋回性变化规律明显，沉积构造和沉积相类型齐全，生物化石丰富，是中国研究泥盆系地层的经典地区之一[30]。甘溪剖面的大地构造位置隶属于燕山期—喜马拉雅期龙门山造山带，位于俗称龙门山构造带前山地带的广元—彭灌推覆体核部，属断裂、褶皱和推覆构造强烈复杂区域，北与米仓山台缘隆起带、松潘—甘孜地块相接，南以川西中新坳陷低陡带为界，东与川中古隆中斜平缓带紧靠[31-33]。研究区主要集中于龙门山逆冲推覆带的中部，构造上属于扬子板块西北缘的龙门山山前带(图1)。

图件引自文献[13],有所修改

泥盆系沉积与志留系陆棚相砂泥岩沉积呈微角度构造不整合接触，与上覆下石炭统呈连续沉积[28]。前人对龙门山地区地层的划分方案不同，本文采用的分类标准据郑荣才等的划分方案[34]修编，中泥盆统自下而上划分为养马坝组、金宝石组和观雾山组(图2)，发育以碎屑岩和碳酸盐岩为主的沉积。本次样品JBS-3采自甘溪剖面中泥盆统养马坝组，该组主要分布于北川—南坝断裂与通口—马角坝断裂之间的区域。

图件引自文献[34],有所修改

2 样品制备及分析方法

利用常规重力分选和显微镜下手工挑选的方法对锆石进行分选。首先将岩石样品JBS-3粉粹至60目左右，通过淘洗和使用重液等物理方法将锆石分离，之后在双目镜下进行精选、剔除杂质。将挑纯的锆石颗粒置于环氧树脂制作的靶圈中，待其固结后打磨抛光并使其露出中心部位，进行反射光、透射光和阴极发光显微照相。在实验开始和结束前对每个样品分别测试3个标准样品，每完成7个样品测试后再加测一次标准样品。锆石的挑选与制靶均在河北省地质测绘院完成，透射光、反射光和阴极发光显微照相均在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。锆石分析测试所用仪器为Agilent7700e型ICP-MS仪及与之配套的GeolasPro激光剥蚀系统。锆石选点位置均为随机选择，但避开包裹体和裂缝以保证实验数据的准确性。采用单外标-多内标方法进行锆石样品数据的校正，微量元素校正外标为人工合成有机玻璃NIST610，同位素比值校正外标为锆石91500，微量元素校正内标为GJ-1[35-36]，用以监测仪器运行稳定情况。锆石定年初始数据处理采用软件ICPMSDataCal 10.9完成，详细步骤和数据处理方法见文献[37]。在数据处理过程中，选择谐和度大于90%的数据进行制图；对于206Pb/238U年龄小于1 000 Ma的碎屑锆石选用206Pb/238U年龄，对于206Pb/238U年龄大于1 000 Ma的碎屑锆石选用207Pb/206Pb年龄[38]。由于氩气源中存在低信号和少量204Hg的干扰，使用这种技术无法精确测量204Pb同位素，所以使用Andersen描述的方法[39]进行204Pb校正。本研究中分析的年龄多数不需要校正，或者204Pb校正不显著。年龄计算及年龄谐和曲线的绘制采用Isoplot 3.00软件[40]完成。

3 结果分析

3.1 锆石形态学特征

碎屑锆石具有高稳定性，不同成因的锆石具有不同的显微结构，其能够反映锆石在形成、沉积及后期成岩作用等过程中经历的结晶、变质、蚀变等作用。在阴极发光图像中，四川北川地区中泥盆统养马坝组大部分碎屑锆石外形呈圆—次圆状，磨圆度较高，分选性较好，晶体形态不完整(图3)，为搬运中机械破碎造成，较高的结构成熟度更好地表明远源沉积或沉积再旋回特征。碎屑锆石粒度为20～120 μm，整体偏小。阴极发光图像可见多数锆石内部震荡环带明显(图3)，这表明碎屑锆石属岩浆成因；少数锆石震荡环带不明显或无环带，这表明其属于变质成因锆石。前人研究表明，不同成因锆石的Th/U值不同，Th/U值大于或等于0.4时为岩浆成因锆石，Th/U值为0.1～0.4时为不完全变质锆石，Th/U值小于0.1时为变质成因锆石[24,41]。四川北川地区中泥盆统养马坝组中68颗碎屑锆石的Th/U值为0.4～3.2；23颗碎屑锆石的Th/U值为0.1～0.4；3颗碎屑锆石的Th/U值小于0.1(图4)。Th/U值表明研究区养马坝组大多数碎屑锆石为岩浆成因，少数为变质成因。

图3 部分锆石阴极发光图像及其年龄

图4 锆石U-Pb年龄与Th/U值的关系

3.2 锆石稀土元素特征

母岩的成分演化、熔融源区性质等信息均可通过锆石中稀土元素特征来体现[42]。锆石的稀土元素原位分析点与锆石定年分析点相同，分析结果见表2。其中，个别数据可能由于测试精度的原因显示为0，但对整体数据分析的影响较小，可以忽略不计[43]。结果表明：四川北川地区中泥盆统养马坝组锆石稀土元素总含量(质量分数，下同)相对较高，为(224.39～5 397.87)×10-6，平均值为1 417.110×10-6；LREE/HREE值为0.01～1.74；锆石稀土元素具有强烈Ce正异常(1.09～134.85，平均值为27.981)以及较强的Eu负异常(0.02～1.03，平均值为0.223)。总体上，研究区养马坝组锆石显示出较高的稀土元素总含量、强烈Ce正异常和Eu负异常，表现出岩浆成因锆石的特点(图5)，即沉积岩中的碎屑锆石多具有轻稀土元素相对亏损、重稀土元素强烈富集的特征，有明显的Eu负异常和Ce正异常[42,44-45]。

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；同一图中相同线条对应不同样品

3.3 年代学特征

样品JBS-3中共选取了105颗碎屑锆石进行锆石U-Pb定年，分析结果如表3所示。其中，谐和度大于90%的分析点有94个，表明大部分锆石具有较好的谐和年龄(图6)。锆石U-Pb定年结果显示研究区养马坝组有3个主要年龄区间，分别为1 000～900、850～720和650～500 Ma，除此之外还存在少量但广泛分布的大于1 000 Ma的年龄(图7)。3个年龄组中存在一个主峰，约为981 Ma，2个副峰，分别为约824、约567 Ma。研究区养马坝组锆石年龄谱中有10个碎屑锆石年龄为830～750 Ma，其年龄峰值约为824 Ma；还有大量年龄为650～500和1 000～900 Ma的碎屑锆石，其中有7个碎屑锆石年龄为650～500 Ma，17个碎屑锆石年龄为1 000～900 Ma。

图6 碎屑锆石U-Pb年龄谐和曲线

图7 碎屑锆石U-Pb年龄概率分布直方图

续表3

续表3

4 讨 论

4.1 中泥盆世扬子板块与冈瓦纳大陆的位置关系

冈瓦纳大陆的古地理重建在地球演化中具有重要意义，并且吸引了许多学者关注[1-18,46-48]。Xian等的古地磁数据研究表明：早寒武世—晚志留世，华南板块与东冈瓦纳大陆相连；早泥盆世—中泥盆世晚期(400～385 Ma)，扬子板块已经与华夏板块拼合形成华南板块，此时华南板块与冈瓦纳大陆裂解，同时两者之间的古特提斯洋也逐渐打开；约385 Ma之后，其间的古特提斯洋不断扩张，冈瓦纳大陆向南半球高纬度地区运动，扬子板块依旧位于赤道附近(图8)，并且在约360 Ma时其纬向宽度越来越大[17]。同时，李学森通过四川北川地区上泥盆统灰岩的古地磁实验表明，晚泥盆世扬子板块相应的古纬度为26.1°N，位于北半球中纬度地区[15]，结合扬子板块在泥盆纪的运动速率，可推算出中泥盆世扬子板块位于赤道附近，甚至已经越过赤道，到达北半球。根据上述古地磁数据认为，中泥盆世扬子板块与冈瓦纳大陆在古地理位置上不相邻，两者在该时期不具有亲缘性。

图件引自文献[17],有所修改

4.2 沉积物再旋回的可能性

四川北川地区中泥盆统养马坝组碎屑锆石年龄谱主要区间为1 000～900、850～720和650～500 Ma。将扬子板块西北缘中泥盆统养马坝组(94组数据)、志留系(72组数据)、下泥盆统平驿铺组(98组数据)以及冈瓦纳大陆特提斯喜马拉雅地区(101组数据)和西澳大利亚地区(70组数据)的碎屑锆石年龄谱进行对比(图9)，发现它们具有相似的碎屑锆石特征，同时也显示出典型的冈瓦纳特征，即年龄峰值主要集中在约975 Ma和约552 Ma，大于1 000 Ma的年龄虽然贡献率小，但其分布较为广泛[13]。碎屑锆石年龄谱之间具有相似性，可能是因为物源相似，也可能是下伏地层提供再旋回物质[49]。由于扬子板块与冈瓦纳大陆在中泥盆世不相邻，排除物源相似的第一种可能性，接下来分析下伏地层沉积岩为养马坝组提供再旋回物质的可能。鉴于扬子板块在志留纪遭受加里东期最大的抬升与剥蚀，使除了扬子板块西北缘北川地区甘溪剖面泥盆系发育齐全外，其余大多数地区的泥盆系缺失，与下伏志留系呈假整合或不整合关系[50]，因此，北川地区中泥盆统养马坝组的沉积物可能来自扬子板块基底沉积物下伏地层的再旋回，符合第二种可能性。其中，养马坝组与平驿铺组以及志留系碎屑锆石均表现出典型的冈瓦纳特征，其可能原因是：扬子板块志留系沉积岩作为“中间沉积仓库”是泥盆系的直接物源，即志留纪扬子板块与东冈瓦纳大陆相邻，并接受了来自东冈瓦纳大陆的物源供给；泥盆纪扬子板块与冈瓦纳大陆分开，扬子板块由于广西运动遭受加里东期最大的抬升和剥蚀，使古老基底物质再旋回，为其泥盆系地层提供物源。通过碎屑锆石U-Pb年代学综合分析认为，研究区养马坝组的碎屑物质可能来自下伏地层志留系沉积岩的沉积再旋回。

扬子板块西北缘志留系数据引自文献[14]；扬子板块西北缘下泥盆统平驿铺组数据引自文献[11]、[12]；冈瓦纳大陆特提斯喜马拉雅地区数据引自文献[60]～[62]；冈瓦纳大陆西澳大利亚地区数据引自文献[26]

4.3 沉积环境演化

四川北川地区中泥盆统养马坝组混合沉积发育于滨岸和浅海陆棚环境，其混合沉积模式由陆地到海洋依次发育混积滨岸、碎屑混积陆棚和碳酸盐混积陆棚(图10)，主要混合机理为间断混合，即遭受到突发事件后使沉积物进行异地搬运而形成的混积过程[51]。养马坝组滨岸和浅海陆棚间断混合的主要驱动因素是风暴浪，风暴浪可将滨岸砂带到陆棚中，将陆源砂带入碳酸盐岩沉积中，形成碳酸盐混积陆棚沉积[52]。四川北川地区中泥盆统养马坝组周围的上扬子古陆遭受到剥蚀夷平，由于风暴浪，上扬子古陆的陆源碎屑物会间接性地注入养马坝组碳酸盐岩沉积中，形成频繁交替的滨外陆源沙滩、碳酸盐缓坡以及生物礁交替出现的复杂环境[53]，导致养马坝组以陆源碎屑岩和碳酸盐岩的混合沉积为主，其古地理图如图11所示。盆地的陆源碎屑物质能够很好地反映物源特征[54]。Dickinson等利用砂岩碎屑组分判别沉积物源区构造背景的研究，总结了典型地区的砂岩碎屑组分，将砂岩的碎屑组分进行了详细划分和定量统计[55-56]，即沉积盆地的碎屑物源分为5类：克拉通内部、陆缘弧、碰撞造山带、大陆岛弧以及大洋岛弧。其中，克拉通内部物源主要是再旋回沉积物，砂岩碎屑来自裸露的地盾区和临近的台地沉积序列，其结构成熟度和成分成熟度较高，且石英含量较高，一般在裂谷早期、陆内克拉通盆地和被动大陆边缘等环境中沉积[57]。扬子板块从南华纪开始进入克拉通演化盆地阶段，与秦岭微地块、松潘—甘孜地块一起组成了一个范围较大的古克拉通[58]。养马坝组的这种混合沉积模式一般代表了稳定克拉通的背景，同时养马坝旋回陆源碎屑和碳酸盐岩混合沉积旋回具有典型的海水波浪作用和潮汐作用的沉积构造特征，因而成分以磨圆度高、分选性好、成熟度高的石英砂岩为主[59]，与本文中锆石的形态相符(图3)，进一步表明这些陆源碎屑物质可能来自再旋回沉积物。

图件引自文献[49]

图件引自文献[63]、[64],有所修改

综上所述，中泥盆世扬子板块位于赤道附近的古地理位置，且养马坝组为混积滨岸、碎屑混积陆棚和碳酸盐混积陆棚沉积，代表稳定克拉通的构造背景，其碎屑物质可能来自下伏地层志留系沉积岩的沉积再旋回，中泥盆世扬子板块与冈瓦纳大陆不具有亲缘性。前人对中泥盆世扬子板块与冈瓦纳大陆的古地理位置关系的研究之所以存在分歧，是因为沉积再旋回因素可能会对碎屑锆石U-Pb年代学的研究产生一定影响，使其不能直接反映大陆源区岩石组成。因此，在运用碎屑锆石U-Pb年代学进行物源分析时，要重视沉积再旋回因素对物源的影响；同时应该从多方面对物源进行分析，例如结合当时的沉积环境、区域地质背景、岩相古地理、水流方向以及前人研究成果等信息，才可能得出更准确的结果。

5 结 语

(1)扬子板块西北缘四川北川地区中泥盆统养马坝组碎屑锆石阴极发光图像显示研究区内碎屑锆石多具有明显的震荡环带，且大部分碎屑锆石Th/U值大于0.1，表明碎屑锆石主要为岩浆成因，少数为变质成因。

(2)通过碎屑锆石U-Pb定年，发现扬子板块西北缘地层中的碎屑锆石U-Pb年龄谱主要集中在1 000～900、850～720和650～500 Ma等3个区间，与冈瓦纳大陆以及下伏地层志留系碎屑锆石年龄谱进行比较，发现它们具有相似性，均显示出典型的冈瓦纳特征。

(3)中泥盆世扬子板块位于赤道附近的古地理位置，且养马坝组为混积滨岸、碎屑混积陆棚和碳酸盐混积陆棚沉积，代表了稳定克拉通的构造背景，其碎屑物质可能来自下伏地层志留系沉积岩的沉积再旋回，中泥盆世时扬子板块与冈瓦纳大陆不具有亲缘性。