西秦岭碎屑沉积岩锆石u-pb年代学研究

西秦岭碎屑沉积岩锆石u-pb年代学研究

秦岭造山带（中国中部造山带）连接华北克拉通、扬子克拉通或华南地块（扬子和中国地块）。这是中国最重要的造山带，引起了人们的注意。广泛出露的独特超高压变质岩已使东秦岭—苏鲁—大别造山带的主要地质问题得到了较好的解决[7,8,9,10,11,12,13,9]。西秦岭的东北边缘由祁连山、西南由昆仑山围绕(图1)。南北向的贺兰山位于其北部,松潘—甘孜地块位于其南部。西秦岭作为构造结,近年来成为众多研究的焦点区。尽管取得了一些步结果,但仍然还有许多没有解决的问题,如,西秦岭是否有来自华北克拉通的物质?扬子克拉通与华北克拉通究竟何时拼合?由于碎屑沉积岩含有源区信息,所以对这些岩石的研究有可能从另一角度对西秦岭的关键地质问题进行解析,尤其是对碎屑沉积岩中锆石U-Pb年龄与全岩Sm-Nd同位素组成所提供的独特信息的研究。1区域地质背景秦岭造山带从北向南由四个主要单元组成:宽坪、二郎坪—丹凤—黑河、秦岭、刘岭(图2)。Nd、Pb同位素组成与其他地球化学特征已证明这四个单元与扬子克拉通具亲缘性。下秦岭单元(即东秦岭的基底)在西秦岭分布具局限性。上奥陶统大堡超群由碎屑沉积岩组成,中奥陶统大草滩群(图3中的DCT样品)/舒家坝群(图3中的SJB样品)以紫色砾岩与粗到细粒碎屑沉积岩组合为特征(图4)。石炭系从底到顶由界河街组、鱼塘寨组、铁厂铺组组成,主要为灰岩、页岩、砂岩与砾岩(图4)。二叠系大关山群与石关群及三叠系郡子河群由灰岩与砂岩组成。秦岭造山带南部的太古宙—古元古代的陡岭与崆岭群由角闪岩、角闪混合岩与磁铁石英岩组成(图2),它们属于扬子克拉通的结晶基底。中生代与古生代花岗岩在西秦岭地区广泛分布。样品分布如图3、4与表1所示。2分析方法及结果所有样品在分析前进行显微镜下矿物组成与结构观察,挑选未蚀变、风化的样品作进一步分析。全岩手工粗碎至1～2cm,选出大约100g用无污染刚玉碎样机粉碎至200目。每个样品缩分出3份准备进行主量、微量与Sm-Nd同位素组成分析,全部分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成。Sm-Nd同位素分析,称样0.1g于聚四氟乙烯溶样罐,加入16mL的HF+HNO3+HClO4(10∶5∶1),密封后套上钢套加热溶解样品。样品完全溶解后,将溶液完全蒸干后用25mL的6mol/LHCl溶解样品,每个样品分成两份,1份用于Nd同位素比值分析,另1份准确加入Sm、Nd稀释剂用于Sm、Nd含量测定。Sm-Nd含量测定时加入149Sm-150Nd混合稀释剂,含量分析精度为2‰～5‰。质谱分析由固体质谱计MAT262完成,Nd同位素质谱分析的分馏校正标准化至146Nd/144Nd=0.7219,标样JMC、BCR-1测定的143Nd/144Nd比值平均值分别为0.511937±10(2σ)、0.512594±10(2σ)。全岩主量元素由X射线荧光光谱(XRF)分析,二价铁与三价铁由化学法测定,分析误差<5%。REE与其他微量元素分析样品用带钢套的聚四氟乙烯密封溶样罐溶解。样品溶液用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(VGPQII)分析,分析精度优于5%～10%。锆石的分离:先将样品粉碎至适当粒度,视样品量分别用摇床或手淘将重矿物集中,然后用重液或结合电磁法进一步富集后,在双目镜下挑纯备测。每个样品随机挑出大约200个颗粒将其用环氧树脂固定,而后抛光至锆石晶体中部暴露在表面。抛光后的锆石在光学显微镜下用透射、反射光观察其形态与内部结构,而后在阴极发光下进一步观察其精细结构(代表性图解如图5所示)。锆石U-Pb同位素分析在西北大学由激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICPMS)分析,部分颗粒在中国地质大学(武汉)用相同方法分析。激光剥蚀系统是装有193nmArF准分子激光器的均一化与图像光学系统(GeoLas200M,德国哥廷根MicroLas)。分析是在带有动力反应池(DRC)的PerkinElmer/SCIEX的ELAN6100(加拿大安大略)上完成的,利用氦气作为载气以增强剥蚀物的传输效率。大剥蚀腔内,氦载气与氩在进入感应耦合等离子体前充分混合以维持稳定与最佳的激发条件。激光剥蚀坑的直径大约为40μm,信号与背景测量时间分别为40s、30s。平均输出功率大约为4W。均一化与激光束聚焦后在样品表面的能量密度大于28J/cm2。在LA-ICPMS常规测定过程中,每个点的信号峰强度均进行仔细监测以识别出穿过不同结构域的双峰。对于40μm剥蚀坑1μg/g的U含量对应的238U灵敏度大于800cps,背景低于5cps。分析的锆石颗粒中多数238U含量大于50μg/g,相应的238U强度通常大于40000cps。此灵敏度为锆石U-Pb定年提供了良好的精确度与准确度。在该仪器上对吉林永胜新生代霓霞正长岩中锆石测定的206Pb/238U年龄的加权平均值为(30.8±0.2)Ma(2σ)。此结果与由灵敏高分辨离子探针(SHRIMP)测得的206Pb/238U年龄(31.6±1.3)Ma(2σ)是一致的。此次分析的仪器条件与永胜霓霞正长岩中锆石U-Pb年龄测定条件相同。普通Pb的校正仅对普通206Pb>1%的点进行,且采用加载在Excel上的ComPbCorr#3_151模板。锆石91500用作年龄计算的外部校正标准,NISTSRM610每10个样品点分析后测定一次以计算样品的U、Th、Pb含量。3结果3.1储层岩石碎屑物特征本文研究的样品包括从新元古代到三叠纪不同层位的岩石,一般为(变)碎屑沉积岩(表1)。多数碎屑沉积岩为灰到灰黑色,中到细粒。依据薄片点计数方法,对每个代表性样品作500个点的统计,结果如表2所示。碎屑矿物为石英(28.5%～57.5%)、斜长石(8.3%～29.6%)、正长石(0～5.7%)、白云母(0～2.2%)、黑云母(0～3%)、岩屑(4.7%～26.3%)。岩屑主要为变质岩与沉积岩。碳酸盐与粘土胶结物基质一般为0到4.8%。不透明矿物、磷灰石、锆石是砂岩的主要副矿物。砂岩碎屑物的实际含量能提供盆地构造环境、沉积作用与源区等方面的信息。表2所列数据与图6中不同地层层位岩石在Qm-F-Lt三角图上的投点都表明,多数样品落在过渡大陆环境中。3.2泥盆纪砂岩特征主量元素与微量元素组成如表3所示。稀土元素球粒陨石标准化分布型式如图7所示。泥盆纪砂岩以REE平均含量最高、Eu负异常与LREE/HREE比值中等为特征。志留纪砂岩以明显的Eu负异常与轻、重稀土间的强烈分馏为特征。新元古代与石炭纪砂岩以最低的稀土总量与其他砂岩形成明显的对比。3.3南大别南北方油气岩的nd模式砂岩的Sm-Nd同位素组成如表4所示,Nd模式年龄直方图如图8所示。表4与图8表明西秦岭新元古代到石炭纪碎屑沉积岩的Nd模式年龄分布于1.98Ga与1.55Ga之间,平均为1.81Ga,与扬子克拉通、东秦岭的花岗岩类-变沉积岩-碎屑沉积岩的Nd模式年龄一致。与西秦岭年轻的Nd模式年龄不同的是,华北克拉通的Nd模式年龄直方图主要集中于古元古代与太古宙。因此,据Nd模式推断,西秦岭元古宙到石炭纪的碎屑沉积岩物源主要来源于秦岭和/或扬子克拉通。二叠纪到三叠纪的碎屑沉积岩表现出1.91Ga到2.39Ga的较老Nd模式年龄,平均为2.16Ga,与元古宙到石炭纪的碎屑沉积岩相比有不同,指示其物源上可能存在差异。3.4岩石学和年龄分布由LA-ICPMS分析各样品锆石颗粒720个(其中362个谐和点),年龄段分布如表5所示。所有谐和点数据在206Pb/238U-207Pb/235U协和图上的分布如图9所示。对谐和度为85%～115%的点,根据206Pb/238U与207Pb/206Pb年龄误差(取误差较小的年龄值),得到这些样品点年龄直方图与概率密度分布(图10)。图9、10说明泥盆纪砂岩含有年龄930～730Ma的碎屑锆石颗粒,三叠纪砂岩明显以更老的碎屑锆石颗粒(>1600Ma)为主体。泥盆纪碎屑沉积岩中锆石U-Pb年龄的分布与扬子克拉通中锆石U-Pb年龄的概率密度分布基本是一致的,而三叠纪碎屑沉积岩中锆石U-Pb年龄分布与华北克拉通中锆石U-Pb年龄的概率密度分布相似。泥盆纪与三叠纪砂岩均有同时代的火成岩提供物质,然而,根据同时代锆石颗粒的数量分布特点,这些同时代的火成岩对沉积岩的贡献是相当有限的。4基底岩石学和物源秦岭构造单元包括各类岩石。下部岩石单元由黑云母斜长片麻岩、角闪岩、钙硅酸盐、石榴子石矽线石片麻岩与大理岩组成。2.1Ga的Pb/Pb单颗粒锆石年龄表明下秦岭单元形成于古元古代中—晚期。下秦岭单元原岩为陆内裂谷盆地或弧后盆地组合。上秦岭单元由大理岩、少量的角闪岩与石榴子石-矽线石片麻岩组成。上秦岭单元中松树沟蛇绿岩里的角闪岩全岩Sm-Nd法等时线年龄为1.1～1.0Ga。扬子克拉通西北缘存在大量的年龄为830～795Ma的花岗岩类与镁铁质—超镁铁质侵入岩,它们可能形成于Rodinia超大陆裂解环境。在扬子克拉通西北缘也存在年龄为780～720Ma的花岗岩与闪长岩,这些岩石被解释为新元古代岛弧构造环境的产物。在秦岭造山带中也存在年龄为847～660Ma扩张机制下形成的中性-镁铁质、长英质与碱性火山岩,下秦岭单元中还存在年龄为793～659Ma的花岗岩类。因此,泥盆纪碎屑沉积岩中的年龄为900～700Ma的锆石应来自扬子克拉通和/或秦岭造山带。由于新生的洋壳在中奥陶世—志留纪时向北俯冲于北秦岭之下,岛弧岩浆岩与北秦岭微板块的基底物质成为弧前与弧后盆地的物源。与泥盆纪碎屑沉积岩明显不同的是,三叠纪碎屑沉积岩中的锆石基本上没有年龄为930～730Ma的颗粒。同时,二叠纪—三叠纪碎屑沉积岩的Nd亏损地幔模式年龄明显较二叠纪以前的老。因此,我们认为此时除了秦岭造山带与扬子克拉通以外,应存在另外的物源。由于扬子克拉通与华北克拉通在中三叠世碰撞形成秦岭造山带,华北克拉通南缘的有关岩石最晚在二叠纪时就可以为西秦岭的沉积岩提供物质。华北克拉通南缘基底代表性的地层是太华群与登封群,它们形成于2841～2512Ma(锆石U-Pb年龄与Sm-Nd等时线年龄)。因此,华北克拉通南缘的基底岩石是西秦岭二叠纪—三叠纪碎屑沉积岩另外物源的最合适提供者。将太华群与登封群的形成年龄[70,71,72,70,71,72]与它们的εNd(t)值及我们研究样品的层位与Sm-Nd同位素组成投于图11,该图展示了西秦岭二叠纪—三叠纪碎屑沉积岩与源岩的关系。二叠纪—三叠纪明显更老的Nd亏损地幔模式年龄表明这些岩石与二叠纪前的碎屑沉积岩物源上是不同的。较老的太华群与登封群岩石可能参与了二叠纪—三叠纪碎屑沉积岩的形成。如果元古宙到石炭纪的碎屑沉积岩的Sm-Nd同位素组成代表二叠纪以前的碎屑沉积岩源岩的平均组成,相应端员的同位素组成表明二叠纪—三叠纪的碎屑沉积岩中太华群与登封群的物质贡献比例高达50%。三叠纪的碰撞花岗岩与喷出岩可能是三叠纪碎屑沉积岩最年轻锆石所指示的源岩。由于二叠纪以前的碎屑沉积岩物源上是秦岭造山带和/或扬子克拉通,西秦岭至少从二叠纪开始构造体制上发生了改变。尽管扬子克拉通与华北克拉通到三叠纪时已由秦岭造山带连接在一起,但最晚至二叠纪时,两克拉通在西秦岭段就已存在物质上的沟通。尽管华北克拉通为西秦岭沉积盆地提供了物质,但其影响范围仅限于造山带,因为秦岭造山带以南的甘孜—松潘盆地中的三叠纪碎屑沉积岩Sm-Nd同位素组成并没有找到华北克拉通来源的物质踪迹。无论测定碎屑锆石的什么部位,它们的Th/U比值绝大部分大于0.1,在全部720点中只有23点的Th/U比值<0.1(表5),表明绝大多数锆石为岩浆结晶产物。因此,碎屑锆石U-Pb年龄谱反映了源区地壳形成、增生与壳内岩浆作用事件。一些锆石颗粒含有变质增生边,但这些边太窄在现有仪器分辨水平下无法给出准确的年龄。5北秦子克拉通南缘基底岩石对西秦岭碎屑沉积岩中锆石U-Pb年龄与Sm-Nd同位素组成的研究,得到以下结论:(1)根据泥盆纪碎屑沉积岩中存在年龄为930～730Ma的锆石,西秦岭的碎屑沉积岩直到石炭纪末其物源还是秦岭造山带和/或扬子克拉通。(2)二叠纪—三叠纪碎屑沉积岩源区发生了显著改变,北秦岭南缘的基底岩石