武夷山群碎屑锆石u-pb年代学特征及其地质意义

武夷山群碎屑锆石u-pb年代学特征及其地质意义

秦岭-大别-苏鲁造山事件对中国东部大陆结构的形成和发展具有显著影响，不仅导致华北与华南地块的整合，而且对中国东部中生代岩石圈的重要构造转变起到了重要作用。然而，对造山带的了解仍然相对有限，包括秦岭-大别-苏鲁段大陆边缘的冲突关系。这两个造山带的构造单元之间的关系应该是第二个造山带的古缝的位置。几个主要地质问题的重要原因之一是对秦岭造山带不同结构单元的了解。例如，北秦岭和南秦岭是华北或南秦岭造山带的一部分，还是独立的微陆块。南秦岭地块北缘有许多新元古代（1.0.08g）弧岛和地表径流岩浆岩系，但没有报告附近南秦岭的情况。此外，在大别-苏鲁造山带的印支时期，在新元古代锆中识别的新元古代锆作为南秦岭地块向北陆地块作出深穿孔、快速提取的重要证据之一，但该结论存在两个未澄清的因素。（1）如果秦岭和大别-苏鲁段属于同一个造山带，南秦岭代表南秦岭地块参与造山带的一部分，那么吸入的陆坝应该是南秦岭的统一，南秦岭单元（包括北秦岭单元）与南秦岭地块北缘的新元古代锆的关系应该不清楚。（2）在大别-苏鲁造山带，从榴辉相变质岩中识别的新元古代锆石的相当年龄为750m680ma，但这些年龄在南秦岭附近的南秦岭村北缘很少见。因此，我们必须了解秦岭造山带主要构造单元的性质，尤其是前寒武纪地质构造的历史，对理解中国的主要生态系统以及东部发育阶段的重大构造演化事件具有重要意义。武当山地区是南秦岭前寒武纪岩系出露规模最大的地区.武当山群是南秦岭构造单元变形基底重要的组成部分,长期受到关注并积累了大量的研究成果[11~14].武当山群岩石经历了低绿片岩相-高绿片岩相变质,变形作用导致区内变质单元发育了北西向紧密褶皱和断裂.早期的研究工作对武当山群的年代学报道存在明显的差异,甚至提出了南、北区域火山岩形成时代存在>10亿年差别的认识.近期本文作者对区域内该群火山岩各主要剖面进行了系统的锆石U-Pb定年,较高精度地获得了武当山群中火山岩的形成时代为~755Ma.但由于武当山群火山岩层位于地层层序的中上部,目前的研究对其下部地层的形成时代仍缺乏有效的约束.本文报道了武当山群地层碎屑锆石的U-Pb同位素年代学研究工作.样品分别采自位于地层下部的杨坪组和中上部的双台组砂岩,并对分别流经杨坪组和双台组水系中的河砂进行了碎屑锆石定年.研究工作拟达到以下目的:(1)确定武当山群碎屑锆石U-Pb年代学特征,约束该地层的最早形成时代;(2)根据新元古代锆石年代学记录与华南陆块北缘新元古代事件进行对比,分析两构造单元于新元古代的相互关系及演化历史的差异;(3)探讨南秦岭新元古代构造-岩浆事件与华南陆块同期演化的关系.1区域地质特征秦岭-大别-苏鲁造山带沿近E-W向分隔华北与华南陆块,其中南阳盆地将该造山带分隔成西部的秦岭造山带和东部的大别-苏鲁造山带.秦岭造山带的形成被认为是古特提斯洋东端发生闭合的结果,且由北向南可划分出4个构造单元:华北陆块南缘、北秦岭、南秦岭和华南陆块北缘(图1).南秦岭构造单元的北界和南界分别以商丹断裂和勉略断裂与北秦岭和华南陆块北缘相邻.两断裂分别代表了古生代中期南、北秦岭间的碰撞缝合线以及南秦岭与华南陆块间于晚三叠纪的碰撞缝合线.武当山地区位于南秦岭的东端,其区域地质特征为典型的隆升构造,即武当山群出露于抬升区域的核部,其四周受新元古代南华-震旦纪和显生宙地层环绕(图1).武当山群为区域最老地层,也是南秦岭构造单元中出露面积(~8000km2)最大的前寒武纪地质单元,其地层划分由下至上分别为杨坪组、双台组和拦鱼河组.杨坪组在岩性上主要由石英砂岩、长石石英砂岩、长石砂岩、粉砂岩、绢云(-石英)片岩组成并夹少量大理岩层;双台组由双峰式基性和酸性火山岩以及与之互层的细粒碎屑岩组成;而拦鱼河组主要岩性层为硬砂岩、长石石英砂岩和细粒碎屑岩组成.南华纪耀岭河群以不整合关系与武当山群接触,主要由玄武质火山岩和少量互层的酸性火山岩及细粒碎屑岩组成.武当山群和耀岭河群均受到基性岩席群的侵入,三者均发生了绿片岩相变质.耀岭河群与上覆新元古代晚期地层呈整合接触关系.系统的锆石U-Pb同位素年代学研究表明,武当山群和耀岭河群火山岩的形成年龄分别为(755±3)和(685±5)Ma(95%置信度),而侵入其中的基性岩席群为(679±3)Ma.2锆石的分离和整理本次研究的碎屑锆石来源于两类样品,第1类为岩石样品,分别采自区域南部杨坪组底部的2件石英砂岩(WD05-64和WD05-65)和双台组位于火山岩层之上的1件长石石英砂岩(WD05-14);第2类为河砂样品,分别代表了主要切割双台组(WD05-S1)和杨坪组地层(WD05-S2)水系的河流沉积物.样品中锆石的分选采用传统的比重和磁性方法进行淘选,并在双目显微镜下对获取的重矿物进行人工挑纯.将挑选的锆石颗粒与标准锆石91500和硅酸盐玻璃标准样品NIST610一起用环氧树脂进行固定;对固结后的样品台进行表面抛光,并进行阴极发光照相(西北大学,Quanta400FEG),以观察各锆石颗粒内部的核、边和包裹体结构以用于进行锆石原位U-Pb同位素分析时选择测量点的依据.锆石U-Pb同位素测量采用激光剥蚀-等离子体质谱(LA-ICPMS)原位分析方法,于西北大学大陆动力学国家重点实验室完成激光剥蚀系统为GeoLas200M,配置193nm的ArF准分子激光器,测量系统为Agilent7500aICP-MS.测量时采用的激光斑束为30μm,测量过程包括~30s的背景信号采集和~80s的样品信号采集.原始数据应用软件GLITTER(Rev.4.0)处理,而表面年龄和不一致年龄计算采用软件ISOPLOT(Rev.2.49).年龄数据处理采用91500标样作为外部标准,其206Pb/238U年龄为(1065.4±0.6)Ma,而锆石U,Th和Pb含量采用NIST610作为外部标准计算.详细的分析和数据处理流程参见文献.3锆u-pb是同一代对179粒来自砂岩样品和183粒来自河砂样品的碎屑锆石进行了分析(分析结果列于网络版附表1).3.1样品表面的年龄对样品WD05-64进行了59粒锆石分析,获得了2.55Ga~780Ma的年龄范围(图2(a)).除两粒锆石具略不谐和组成外(207Pb/206Pb和206Pb/238U表面年龄分别为(1975±32),(2022±33)Ma和(1741±14),(1828±15)Ma),其余锆石均具谐和-基本谐和组成.5粒锆石给出了2555~2380Ma的较老年龄(206Pb/238U表面年龄下同),这些锆石呈磨圆状、以具较弱的CL强度和较窄的增生边为特征(图3a1,a2);第2组年龄为2071~2032Ma,由8粒锆石组成,形态上呈具凹坑的磨圆状,但其CL图像具有与典型的岩浆成因锆石相似的震荡环带或扇形结构(图3a3~a5).其余锆石均为新元古代年龄,可分为1045~855(15粒)和830~780Ma(24粒)两组,前者为半自形-近圆形的短柱状,具较暗的成份环带和细小包体(图3a6~a8),而后者为较自形的长柱状,环带结构清晰(图3a9~a11),指示近源沉积的特征.对样品WD05-65进行了68粒锆石分析,获得了2.6Ga~780Ma的年龄范围(图2(b)).其中1粒太古宙锆石((2631±13)Ma)呈磨圆长柱状、其浅色的CL图像中核、边结构相对模糊(图3b1).另有3粒锆石的年龄为2023~2003Ma,与WD05-54中的第2组锆石相同,且具有相似的CL和晶形特点(图3b2).绝大多数锆石为新元古代,同样可分为903~841(10粒)和831~777Ma(51粒)两组.前者多呈具磨圆表面的短柱至长柱状以及发育斑点的环带结构(图3b3~b4),而后者则呈柱棱完整-具磨圆表面的长柱状,震荡环带或扇形结构清晰(图3b5~b7).3.2晶体结构演化的时代对采自双台组定名剖面、火山岩层之上的长石石英砂岩进行了52粒锆石分析.相对于杨坪组砂岩,样品WD05-14中的锆石粒度较小(多数<100μm).两粒锆石分别给出了(1781±22)和(861±11)Ma的年龄(图2(c)),前者为中等不谐和锆石(207Pb/206Pb年龄为(1915±54)Ma),晶体表面具磨圆但内部环带结构清晰、发育较宽的增生边(图3c1);而后者为半自形,CL图像中振荡环带明显且发育较窄的增生边.其余颗粒均为不谐和锆石,表面年龄为732~453Ma,但其组成均沿上交点为(763±33)Ma的不一致线分布(图2(c)).该年龄与武当山群火山岩的形成年龄在误差范围内相同.这些锆石呈自形晶、内部环带结构清晰.3.3锆石的mswd图像虽然河砂样品可能含有早期被剥蚀地质体中的物质组成,但其中的碎屑锆石仍可对更大范围内出露的武当山群的锆石组成进行约束.样品WD05-S1采自切割双台组及其盖层的水系沉积物,对其中105粒锆石进行了分析(图2(d)).其中1粒锆石核部和边部分别给出了(1748±12)和(1724±12)Ma的谐和年龄,该锆石呈半自形、CL发暗但仍可识别其内部环带(图3d1).另1粒谐和锆石给出了(869±8)Ma的年龄,锆石具磨圆表面和浅色的环带结构(图3d2).其余的谐和锆石可分为4组,其加权平均年龄分别为(792±4)(95%置信度,n=12,MSWD=2.3),(748±3)(n=55,MSWD=6.8),(680±5)(n=19,MSWD=6.0)和(582±3)Ma(n=3,MSWD=1.1).这些锆石均为短柱至长柱状自形晶,CL图像中振荡环带发育(~792Ma,图3d3d4;~748Ma,图3d5,d6;~680Ma,图3d8;~582Ma图3d9).这些年龄组结构表明,碎屑锆石主要来源于剥蚀的武当山群火山岩(~750Ma)和耀岭河群-基性岩席岩浆岩(~680Ma),而~790Ma组锆石应来自这些岩浆岩中的捕获锆石.值得注意的是,~580Ma的锆石在本地区为首次发现,其所代表的构造-岩浆事件意义值得在今后的工作中加以重视.样品WD05-S2代表了主要切割杨坪组的水系沉积物.选择了78粒锆石进行分析.分析结果表明,这些碎屑锆石的年代学特征与杨坪组砂岩样品WD05-54十分相似(图2(e)).其中两粒谐和锆石给出了(2378±16)和(2376±31)Ma的年龄,其形态具磨圆表面,环带结构发育并具暗色增生边(图3e1,e2).第2组年龄由18粒锆石组成,其年龄范围和加权平均年龄分别2056~1971和(2011±14)Ma(MSWD=9.7).这些锆石多为大晶体的碎片,形态从自形晶至磨圆状不等,发育清晰至模糊内部环带结构(图3e3,e4).3粒谐和锆石分别给出了(1867±11),(1839±12)和(1690±19)Ma的年龄,其形态和CL特征与前一组锆石相似.另一组年龄由11粒锆石组成,其年龄值分布于971~881Ma之间,锆石具磨圆表面和清晰的振荡环带或扇形(图3e5,e6).其余的39粒锆石构成了最主要的年龄组,为835~773Ma.这些锆石为磨圆短柱状至自形长柱状,发育清晰的内部环带结构.河砂样品碎屑锆石U-Pb年代学特征表明,砂岩样品中的锆石对武当山群地层中碎屑锆石的组成具足够的代表性.4讨论4.1火山岩地层的性质武当山群是否包含了不同时代的火山-沉积地层(是否存在中元古代和新元古代的不同火山岩地层)以及杨坪组地层代表武当山群的底部还是顶部(地层层序是否正常)是南秦岭研究中长期存有争议的部分热点问题.通过对区域内武当山群火山岩进行的系统定年研究表明,各剖面火山岩均为~755Ma的同时代产物,而本次工作对杨坪组和双台组砂岩开展碎屑锆石定年的结果显示,杨坪组和双台组砂岩中最年轻碎屑锆石的年龄分别为~780和~755Ma,且位于双台组火山岩层之上的沉积岩中出现了与火山岩年龄相同的碎屑锆石,即源于火山岩的再循环沉积碎屑锆石,表明该组地层的层序是正常的,据此空间关系说明杨坪组地层应位于双台组之下,其构成了武当山群地层的底部.该年代学特征也表明,武当山群的时代为新元古代(<780Ma).4.2南秦代南秦岩石群形成时代探讨关于两构造单元间的相互关系存在不同认识:南秦岭是华南陆块卷入造山带的部分以及独立的微陆块(板块).本次研究所获碎屑锆石年龄的统计直方图示于图4,图中同时显示了武当山群、耀岭河群火山岩和基性岩席群定年研究中的捕获锆石年龄组成.由图可见,锆石的年龄可分4组:~2.4,2.0~2.2,1.7~1.8和0.78~1.0Ga.现有的研究表明,古元古代至中元古代岩浆事件在华北[22~26]和华南陆块[27~30]均不同程度地存有记录,故难以据此确定武当山群的陆源沉积物源.组成年龄谱中最大碎屑锆石群体的年龄组约为1.0~0.78Ga新元古代,而该组年龄对应了在华南陆块及至整个华南陆块大规模发育的构造-岩浆活动,也是区分扬子与华北陆块元古宙演化事件的重要标志.一种观点认为,1.0~0.9和0.83~0.78Ga年龄组分别代表了与岛弧岩浆作用和陆内裂解作用有关的岩浆事件[33~35].但是,无论对前者还是后者的形成时间和构造机制上仍存在认识分歧[36~38].另一种观点认为,岛弧岩浆作用发生在1.3~1.0Ga,0.97~0.86Ga代表Rodinia超大陆聚合过程中弧陆碰撞岩浆作用的年龄,而0.83~0.74Ga年龄组为岩石圈拉张引起弧陆碰撞造山带塌陷形成的碰撞后岩浆作用的时间.事实上,华南陆块较完整地记录了约1.0~0.78Ga岩浆事件的地区为华南陆块北缘和东南缘-江南造山带,其中只有华南陆块西缘和北缘(大别造山带)~750Ma的岩浆作用代表了裂解事件,而扬子东南缘同期事件代表了拉张塌陷形成的碰撞后岩浆作用.因