贵州菌株老堡组钾质斑脱岩shrimpu-pb年代学研究及其地质意义

贵州菌株老堡组钾质斑脱岩shrimpu-pb年代学研究及其地质意义

开阔河湖的原始寒武层（相当于新的冷武系和第二系冷武系）保存并显示在开阔河的亚层（科学问题，如原始生物学研究领域取得的最显著成就）。目前，冷武系研究的重要成果[6.9]和重要成因[10.17]也取得了很大进展。然而，关于华南早冷河层的研究仍存在许多重要的科学问题，主要体现在以下几个方面：（1）中国南方冷武系和冷武系的边界尚未确定，因此形成了一个完整的边界方案[6、18、19、20、21、22、23、24、25、26]。（2）研究人员通常接受的时间框架尚未建立。在此范围内，一些重要科学问题的解决需要进一步的研究数据。其中，钾质脱硅岩的发现及其研究可提供直接的绝对年龄信息和层的重要科学意义。钾质斑脱岩(K-bentonite)为火山凝灰物质在海相环境沉积后经水解作用形成的斑脱岩(Bentonite)再经过进一步的蚀变作用、成岩作用甚至低级变质作用而形成的一种特殊的火山成因粘土岩.前人[34~37]关于扬子地台下寒武统钾质斑脱岩的发现和研究主要集中于内部台地浅水区域,而较深水区钾质斑脱岩却鲜见报道.最近,我们于处于扬子地台较深水区的贵州江口平引剖面老堡组硅质岩顶部发现一层厚15cm的钾质斑脱岩,对其中的锆石进行了SHRIMPU-Pb定年研究.本文的目的首先在于报道这一新发现的钾质斑脱岩锆石SHRIMPU-Pb年龄数据,进一步地论述该钾质斑脱岩在更大范围(尤其是与云南晋宁梅树村剖面)的区域地层对比及构建华南下寒武统时间框架方面的意义,以期为前述华南下寒武统相关重要科学问题研究提供新的地质信息.1地质背景及地层序列据前人研究成果显示,在新元古代末期至早寒武世这一时期华南扬子地台可能处于一NE-SW向延伸的被动大陆边缘环境,海水深度具有自西北向东南加深的总体变化趋势.据此,华南扬子地台的古地理可划分为三个带,即自西北向东南依次为内部台地带、过渡带和斜坡至深水盆地带,它们之间的界线沿NE-SW向延伸.由于存在不同海水深度的沉积环境差异,扬子地台保存的前寒武系-寒武系过渡地层在不同区域间存在相变,内部台地浅水相区普遍发育以碳酸盐岩为主的地层,过渡带和斜坡至深水盆地带的较深水至深水相区则以碳质硅质沉积为特征.同时,不同相区地层中古生物化石的分布特征也明显不一致,浅水台地相地层保存较为丰富的化石记录,较深水至深水相地层中的化石则较为稀缺.贵州江口平引剖面位于江口县桃映镇东南约2km,距发现八臂仙母虫的翁会剖面3km.平引剖面在早寒武世的古地理位置处于华南扬子地台东南缘的过渡带(图1(a)),介于内部台地与深水盆地之间的较深水区.研究区内出露的最老的地层为元古宇板溪群变质岩,最新的地层为第四系,其间缺失泥盆系、石炭系、侏罗系及白垩系.该区的地质构造表现为一系列呈NNE向展布的褶皱构造,平引剖面即位于其中的偏岩背斜东翼(图1(b)).研究剖面的地层序列由老至新依次为陡山沱组、老堡组和牛蹄塘组.陡山沱组下部主要由白云岩及白云岩与黑色页岩互层组成,上部岩性主要为黑色页岩,最新发现的翁会生物群即保存于此层位中.老堡组厚约40m,其下部由中厚层灰黑色硅质岩组成,上部岩性基本相似,但硅质岩的层厚变薄,且于顶部出现薄层黑色页岩夹层.最近,我们于老堡组顶界之下约2m处发现一层厚15cm的灰白色钾质斑脱岩(图2(a)).牛蹄塘组整合上覆于老堡组,其底界以约0.5m的灰黑色磷块岩为标志,该磷块岩层之上保存一层厚5cm的浅灰色钾质斑脱岩,钾质斑脱岩的上覆地层以黑色页岩为主,其中产出厚约2cm的Ni-Mo多金属富集层(距牛蹄塘组底界2.5m).从岩性特征变化的角度,平引剖面的牛蹄塘组与黔北地区的遵义松林、金沙岩孔等剖面可以进行完全的对比.2锆石u-pb年代学钾质斑脱岩样品采集于贵州江口平引剖面老堡组顶界之下2m处(图2(a)).在样品采集过程中,严格避免围岩碎块对其污染.钾质斑脱岩样品(编号为PY-13)经常规重液分选及磁选富集锆石,随后在双目镜下挑选出锆石1000余粒.将待测锆石与标准锆石TEM(417Ma)用环氧树脂一起固定在玻璃板上制成样品靶,然后对其抛光直至锆石内部暴露之后,对锆石进行反射光、透射光显微照相及阴极发光(CL)照相.通过对所获上述3种图像进行观察分析,充分揭示锆石的晶形,裂隙、包裹体的发育程度,以及内部结构,以帮助选定锆石的最佳待测位置.最后,将经照相后的样品靶在真空下镀金以备SHRIMP分析.锆石SHRIMPU-Pb定年实验在北京离子探针中心的SHRIMPII上按标准流程完成.仪器测试过程中,交叉分析样品锆石与标准锆石TEM(417Ma)实验数据采用Squidv.1.02和Isoplot/Exv.2.49程序进行处理,普通铅据直接测定的204Pb进行校正同位素比值误差为1σ,加权平均年龄具97%的置信度钾质斑脱岩样品的主量元素含量在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室采用X荧光光谱法(XRF)进行分析,分析过程使用平行样和标准参考物质进行数据质量监控,分析精度优于3%.微量元素含量分析在同一实验室采用ELAN6000ICP-MS完成,使用标准参考物质OU-6和GB-PG-1进行数据质量监控,分析精度优于5%,具体分析流程见文献.3钾质斑脱岩pb年龄平引剖面老堡组顶部不同岩性样品主量元素分析结果见表1.从表1可以看出,钾质斑脱岩与其附近的硅质岩、黑色页岩及磷块岩的主量元素特征差别明显.其中,钾质斑脱岩样品(PY-13)的K2O含量为6.99wt%,明显高于剖面上的其他岩性样品,具有典型钾质斑脱岩的富钾特征(K2O含量一般大于3wt%).钾质斑脱岩样品PY-13的锆石粒度普遍较小,多为柱状、半截柱状自形晶,晶体长度范围为91~391uf06dm,宽介于43~88uf06dm,长宽比介于1:1~7:1之间,绝大多数大于2:1(图2(b)).据CL图像揭示的锆石内部结构能够较好地显示钾质斑脱岩主要含两种锆石类型,其中之一为占绝大多数的具结晶环带的柱状锆石,另一类型为少数颗粒较小、长宽比近于1:1的他形锆石.显然,前者属于火山成因锆石,后者为碎屑锆石.对钾质斑脱岩样品PY-13中17粒锆石的17个点位进行了SHRIMPU-Pb同位素测年分析,分析结果见表2.分析数据显示所测锆石的U含量范围为110~674ppm,Th含量介于90~502ppm之间,Th/U比值均大于0.1,在0.27~1.84之间变化,表明了锆石的岩浆成因.在207Pb/235U-206Pb/238U谐和图解上,数据投点落在一致线上或其附近(图3).从表2可以看出,17个分析点经204Pb校正后的206Pb/238U年龄范围为(470±15)~(778±11)Ma.在进行206Pb/238U年龄加权平均计算时,我们删除其中5个不谐和分析点的数据是基于如下理由:(1)分析点PY-13.9的年龄值((778±11)Ma)明显偏老,其所在锆石颗粒大小为84uf06dm×64uf06dm,长宽比接近1:1,为他形晶,明显不同于样品PY-13中普遍存在的自形柱状火山成因锆石.因此,我们认为该粒锆石为碎屑成因其年龄与扬子板块中广泛存在的0.75~0.83Ga新元古代岩浆岩年龄一致,推测其可能源于该时期岩浆岩(2)分析点PY-13.11((502.8±8.2)Ma),PY-13.13((523.7±8.8)Ma)具异常高的206Pbc百分含量(表2).(3)分析点PY-13.12((512.6±7.5)Ma)位于锆石CL图像为浅色的位置,不利于获得精确年龄.(4)分析点PY-13.14((470±15)Ma)明显具有高Th,U含量及Th/U比值(表2),存在Pb丢失的可能.因此,根据锆石的形态、CL图像特征以及Th,U含量,我们对12个分析点的206Pb/238U年龄进行加权平均统计,将其206Pb/238U加权平均年龄(536±5)Ma(MSWD=0.75)解释为钾质斑脱岩PY-13中锆石的结晶年龄(图3),也即是钾质斑脱岩PY-13就位(沉积)年龄的最佳估计值.4讨论4.1地质年代学及区域地质老堡组最先创名于广西三江县老堡乡,定义为整合于上覆清溪组与下伏陡山沱组之间的一套灰黑色中厚层-厚层状硅质岩.在贵州地区,老堡组为整合于下伏陡山沱组与上覆牛蹄塘组或其相当层位的一套硅质沉积.于扬子地台范围内,与老堡组层位相当且同处较深水区沉积环境的地层亦被称为留茶坡组或皮园村组,而与其层位大致相当的浅水台地相区的地层单元则称为灯影组.老堡组作为前寒武纪-寒武纪过渡时期沉积的一套以硅质岩为主的较深水相-深水相地层,相对于该时期扬子地台浅水台地以碳酸盐岩沉积为主的地层而言,具有地层连续的优势,这对于揭示前寒武纪-寒武纪这一重大地史转折时期的古海洋环境变化、生命演化及硅质岩成因等科学问题具有重要意义.学者们[7,47,48,49,50,51]已从古生物学、微量元素地球化学、有机碳同位素等方面对老堡组进行研究.然而,对其进行地质年代学的研究却开展得相对较晚.卓皆文等对贵州铜仁坝黄剖面老堡组顶界之下0.8m的晶屑凝灰岩(钾质斑脱岩)中的锆石开展了SHRIMPU-Pb定年研究,获得(556±5)Ma的研究成果.随后,Chen等对湖南张家界(大庸)柑子坪剖面留茶坡组顶部的凝灰岩(钾质斑脱岩)进行了SHRIMPU-Pb年代学研究,结果为(536.3±5.5)Ma.上述研究表明,老堡组(留茶坡组)顶部锆石SHRIMPU-Pb年代学研究结果即使在误差范围内亦颇为不一致,值得进一步深入研究.我们对贵州江口平引剖面老堡组顶界之下2m处钾质斑脱岩锆石开展了SHRIMPU-Pb定年研究,结果为(536±5)Ma.这一年龄数据与Chen等报道的留茶坡组顶部凝灰岩锆石U-Pb年龄((536.3±5.5)Ma)相一致,与卓皆文等获得的老堡组顶部凝灰岩锆石U-Pb年龄差距很大.地层序列上,老堡组介于牛蹄塘组与陡山沱组之间,因此,我们可以结合已有的关于陡山沱组和牛蹄塘组的U-Pb年龄数据来讨论老堡组顶部钾质斑脱岩年龄数据的合理性.Condon等报道了湖北三峡地区陡山沱组火山灰层高精度的锆石U-Pb年龄数据,将陡山沱组顶部地层年龄估计为(551.1±0.7)Ma,这也是目前陡山沱组与其上覆灯影组界线年龄的最佳估计值.Zhou等提供贵州遵义松林地区牛蹄塘组底部凝灰岩锆石的SHRIMPU-Pb年龄数据为(518±5)Ma.综合前人研究数据,目前老堡组的绝对年龄基本上可以约束在(551.1±0.7)~(518±5)Ma之间.因此,本研究所获老堡组顶部钾质斑脱岩锆石年龄((536±5)Ma)与前人研究成果对老堡组绝对年龄的这一制约是一致的.再者,学者们的区域地质及古生物学研究认为老堡组为一跨新元古界与古生界的岩石地层单元,其中必然存在一部分地层属于下寒武统.国际上关于前寒武系-寒武系的界线年龄研究结果(541Ma)已普遍被地质学家们所公认,那么,老堡组属于下寒武统的部分地层的绝对年龄应年轻于541Ma.因此我们所报道的老堡组顶部钾质斑脱岩锆石的SHRIMPU-Pb年龄((536±5)Ma)与这一地质事实相吻合,从而进一步显示这一年龄数据的可靠性,同时,从地质年代学的角度表明老堡组的上部为早寒武世沉积的地层.4.2比较区域地层的重要性4.2.1钾质斑脱岩年龄及与东南角区域的对比迄今,华南扬子地台早寒武世地层中已发现代表多期火山活动的钾质斑脱岩.其中,厚度较大且分布较广的钾质斑脱岩主要产出于两个层位.(1)云南晋宁梅树村剖面朱家菁组中谊村段中部(第5层)及其相当层位,这一层位的钾质斑脱岩在云南东部地区广泛分布,在多个剖面间可以进行对比,厚度一般大于20cm,局部地区(如梅树村剖面)可大于1m.(2)梅树村剖面石岩头组底部(第9层)及其相当层位,该层位的钾质斑脱岩于扬子地台范围内广泛分布,厚度为10~20cm,从云南东部地区往东经贵州延伸至湖南,往北至四川、陕西及湖北均有出露,为早寒武世华南地区大规模的火山活动物质记录.目前,研究者们主要对这两个层位的钾质斑脱岩(或称凝灰岩)开展锆石U-Pb年代学研究[8,20,23,27,28,29,30,31].Compston等首次报道的梅树村剖面第5层钾质斑脱岩的锆石SHRIMPU-Pb年龄为(525±7)Ma,随后,Sambridge和Compston采用混合模型对该年龄进行了重新计算,获得(530±5)Ma的研究结果.Jenkins等继续对该钾质斑脱岩的年龄进行修正,得到的年龄结果为(538.2±1.5)Ma.近来,Sawaki等对这一钾质斑脱岩中的锆石开展了U-Pb定年研究,其结果为(536.5±2.5)Ma.几乎与此同时,Compston等将该层位钾质斑脱岩年龄修订为(539.4±2.9)Ma.最近,Zhu等对该钾质斑脱岩中的锆石开展SIMSU-Pb年代学研究,在优选其13个谐和分析点年龄数据的基础上,与Sawaki等所测的4个nano-SIMS分析点年龄数据进行加权平均计算,获得该层位年龄的最佳估计值为(535.2±1.7)Ma.综合上述研究成果表明,学者们对这一重要层位的绝对年龄估计在误差范围内已趋于一致,目前梅树层剖面第5层钾质斑脱岩的同位素年龄被较好地控制在(535.2±1.7)~(539.4±2.9)Ma之间.钾质斑脱岩的重要价值之一在于将其提供的地质信息应用于大范围的地层对比研究.梅树村剖面中谊村段中部(第5层)的钾质斑脱岩的厚度较大,且在云南东部大范围地分布,可能也代表一次早寒武世华南扬子地台范围内大规模的火山活动.然而,除云南东部地区之外,扬子地台的其他地区的相当层位至今却鲜有钾质斑脱岩发现的报道,这是一个令地质学家们困惑的科学问题.最近,卓皆文等和Chen等分别报道了铜仁坝黄剖面老堡组顶部和湖南柑子坪剖面留茶坡组顶部存在的火山活动记录我们也于江口平引剖面老堡组顶部发现一层钾质斑脱岩,它们均沉积于华南扬子地台的较深水环境.通过SHRIMPU-Pb定年研究,结果显示Chen等发现的留茶坡组顶部凝灰岩与我们发现的老堡组顶部钾质斑脱岩的锆石形态特征及SHRIMPU-Pb年龄信息一致,二者可以进行区域对比.由于较深水区这一层位的火山活动记录的绝对年龄可以较好地约束在(536±5)Ma,与云南东部地区朱家菁组中谊村段中部的钾质斑脱岩的U-Pb年龄相当.因此,我们根据同位素年龄信息初步认为云南东部地区朱家菁组中谊村段中部(第5层)的钾质斑脱岩与扬子地台较深水区老堡组(或留茶坡组)顶部的钾质斑脱岩可以进行对比,它可能代表扬子地台早寒武世时期较早的一期大规模火山活动沉积记录.此外,微量元素分布特征亦为钾质斑脱岩进行区域对比的有力工具,老堡组顶部钾质斑脱岩的稀土元素配分曲线与梅树村剖面中谊村段中部的钾质斑脱岩相似,而与梅树村剖面石岩头组底部钾质斑脱岩具有明显的差异(图4),这进一步支持了前述年代学对比结果.4.2.2ni-mo多金属层的re-os等时线年龄华南扬子地台下寒武统产出一层高度富集Ni,MoPGE和Au等多种金属元素的硫化物层,其延伸长度可达1600km,学者们认为可将其作为华南下寒武统划分与对比的一个重要的地球化学标志层(图5).因此,对其进行绝对年龄的精确制约具有极为重要的科学意义.20世纪90年代,Horan等首次对扬子地台下寒武统Ni-Mo多金属层开展Re-Os定年研究,获得了(560±50)Ma的年龄结果.21世纪伊始,不同学者相继对该Ni-Mo多金属层进行了Re-Os定年,Mao等获得Re-Os等时线年龄为(541±16)Ma,Li等和Jiang等分别获得的Re-Os等时线年龄为(542±11)和(537±10)Ma.早期的Ni-Mo多金属层Re-Os同位素年龄数据在误差范围内是一致的,然而,它们的精度相对较低.最近,Xu等报道的Ni-Mo多金属层Re-Os等时线年龄为(521±5)Ma,这一结果也是至今获得的精度最高的Re-Os等时线年龄.江口平引剖面牛蹄塘组底部Ni-Mo多金属层位于老堡组顶界之上2.5m,与老堡组顶部钾质斑脱岩相距4.5m.基于直接的地层层序控制,牛蹄塘组Ni-Mo多金属层的绝对年龄应年轻于老堡组顶部钾质斑脱岩.因此通过平引剖面老堡组顶部钾质斑脱岩锆石SHRIMPU-Pb定年研究,结果表明Ni-Mo多金属层的同位素年龄应年轻于(536±5)Ma,这与Xu等对Ni-Mo多金属层进行的最新Re-Os定年研究结果((521±5)Ma)是相一致的.对于缺乏古生物化石及无机C同位素数据的下寒武统黑色岩系,其全球对比最为直接可行的途径是借助于这些地层的绝对年龄数据进行对比.Wille等通过华南扬子地台下寒武统牛蹄塘组底部Ni-Mo多金属层的Re-Os等时线年龄((541±16)Ma)信息,将该标志层视为前寒武系-寒武系界线,并与阿曼的Ara群底部A4层碳酸盐岩中的火山灰层(U-Pb年龄为(541±0.13)Ma)即国际上公认的前寒武系-寒武系界线层位进行对比,以探讨前寒武纪-寒武纪这一重大地史过渡时期的全球海洋环境变化.随后,Jiang等和Wen等分别通过牛蹄塘组底部火山灰层锆石SHRIMPU-Pb年龄数据和区域地层对比研究结果对Wille等的全球对比方案进行了质疑.通过对江口平引剖面牛蹄塘组底部Ni-Mo多金属层之下4.5m处(老堡组顶部)的钾质斑脱岩进行SHRIMPU-Pb定年研究所获得的结果((536±5)Ma),我们赞同前述学者们对Wille等提出的全球地层对比方案的质疑,认为Ni-Mo多金属层的绝对年龄至少应年轻于(536±5)Ma,将其作为前寒武系-寒武系界线是不恰当的(图5).4.3分析方法及年龄约束Zhou等已提出了华南扬子地台下寒武统的以高精度同位素年龄构建的时间框架雏形,然而,随着扬子地台下寒武统重要层位地质年代学研究的不断深入,这一时间框架的内容得到了进一步的补充与完善.迄今,扬子地台下寒武统的时间框架可以通过三个分布广泛且易于进行区域对比的重要层位的绝对年龄进行构建.(1)朱家菁组中谊村段中部及其相当层位钾质斑脱岩的锆石U-Pb年龄.目前,该层位的锆石U-Pb年龄被约束在(535.2±1.7)~(539.4±2.9)Ma之间.曾经,该层位的钾质斑脱岩仅发现于地台的浅水台地相区,我们的研究结果初步表明在较深水区亦有分布,这扩展了该钾质斑脱岩层在扬子地台的直接对比范围,同时增进其对华南下寒武统的时间制约意义.(2)石岩头组底部及其相当层位钾质斑脱岩的锆石U-Pb年龄.至今,该层位钾质斑脱岩已积累三个锆石SHRIMPU-Pb年龄数据.Compston等对云南晋宁梅树村剖面石岩头组底部及其四川乐山范店剖面相当层位(九老洞组底部)的钾质斑脱岩锆石进行了SHRIMPU-Pb定年研究,得到的锆石年龄为(526.5±1.1)Ma.Zhou等报道的遵义松林尖坡顶剖面牛蹄塘组底部钾质斑脱岩的锆石SHRIMPU-Pb年龄为(518±5)Ma.之后,Jiang等对该钾质斑脱岩层的锆石进行SHRIMPU-Pb定年研究,获得(532.3±0.7)Ma的年龄结果,这一数据是至今为止华南下寒武统中最精确的SHRIMPU-Pb年龄.尽管对于这一层位钾质斑脱岩的U-Pb年代学研究取得了前述进展,然而,上述数据显示该层位钾质斑脱岩的绝对年龄在误差范围内依然不一致.前人对云南东部下寒武统的碳同位素地层学研究成果表明,下覆于石岩头组的朱家菁组大海段碳酸盐岩记录了早寒武世海洋的一次显著的uf06413C正漂移,学者们[18,22,56,62,63,64,65]认为这一uf06413C正漂移事件具有全球对比意义,可以与西伯利亚、蒙古、摩洛哥和阿曼等地下寒武统中最大幅度uf06413C正漂移进行对比.最近,Maloof等报道了约束摩洛哥下寒武统这一uf06413C正漂移的高精度凝灰岩锆石U-Pb年龄,其结果为(525.34±0.09)Ma如果这一uf06413C正漂移全球对比符合地质事实,那么根据华南扬子地台下寒武统的地层层序,石岩头组底部及其相当层位钾质斑脱岩的绝对年龄应年轻于525Ma(图5).卓皆文等质疑了Zhou等提供的牛蹄塘