湖南桃源郝坪奧陶系五峰組頂部斑脫巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡

謝尚克，汪正江，王 劍，卓皆文

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，四川 成都 610081)

中國(guó)南方奧陶系分布廣泛，出露良好，層序發(fā)育完整。中奧陶世以來(lái)，揚(yáng)子地塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)加速，火山活動(dòng)頻繁［1-6］。奧陶紀(jì)末發(fā)生了地球歷史上第二大規(guī)模的生物絕滅事件，引起國(guó)內(nèi)外眾多研究人員的關(guān)注［7-11］。Sheehan認(rèn)為這次生物絕滅事件可能與南極冰蓋擴(kuò)張導(dǎo)致的氣候變冷和全球海平面下降事件有關(guān)［7］;汪嘯風(fēng)等人認(rèn)為在奧陶系-志留系的界線(xiàn)層中存在銥的正異常，這種正異常與地外事件有關(guān)，并認(rèn)為是這次地外事件導(dǎo)致了奧陶紀(jì)末的生物大絕滅［8］;嚴(yán)德天認(rèn)為冰期所影響的全球海平面和氧化還原環(huán)境的轉(zhuǎn)變是造成這次生物絕滅的主要因素［9-10］。揚(yáng)子地臺(tái)內(nèi)奧陶紀(jì)頂部的五峰組至志留紀(jì)底部的龍馬溪組之間存在著多個(gè)粘土巖層，野外剖面觀察和前人研究結(jié)果認(rèn)為這些粘土巖層為鉀質(zhì)斑脫巖，是火山噴發(fā)的凝灰質(zhì)物質(zhì)在海相環(huán)境沉積、蝕變的產(chǎn)物［12-14］。這些斑脫巖廣泛分布于揚(yáng)子地臺(tái)周緣，對(duì)理解晚奧陶世的火山運(yùn)動(dòng)和奧陶紀(jì)-志留紀(jì)界線(xiàn)處年齡及生物絕滅事件具有重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

揚(yáng)子地臺(tái)在奧陶紀(jì)時(shí)位于岡瓦納大陸西北緣，與波羅的板塊、滇緬?cǎi)R板塊和塔里木板塊等同處中低緯度地區(qū)［15］?！叭A夏”和“揚(yáng)子”兩個(gè)地塊在晚奧陶世發(fā)生了強(qiáng)烈的板內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)［1］，隨著華南板塊向北的俯沖，使得中國(guó)南方洋盆處于擠壓狀態(tài)，揚(yáng)子地區(qū)向下?lián)锨?，“?gòu)造掀斜”效應(yīng)造就了晚奧陶世上揚(yáng)子地區(qū)深水陸棚的構(gòu)造-沉積空間［6，16］。

筆者于2010年6月采集了位于湖南省桃源縣郝坪剖面的斑脫巖樣品HP-1，奧陶系-志留系界線(xiàn)附近處的 GPS 坐標(biāo)為 N29°17.831′，E111°12.398′(圖1)，該剖面五峰組上部地層為灰黑色中厚層碳質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖，厚為10m 左右，產(chǎn)狀為165°∠34°;龍馬溪組底部為灰黑色中厚層粉砂質(zhì)頁(yè)巖，未見(jiàn)頂，產(chǎn)狀為160°∠35°，界線(xiàn)附近處為灰白色凝灰?guī)r，厚約0.2m。

2 樣品采集與分析

圖1 采樣點(diǎn)位置及奧陶系-志留系界線(xiàn)剖面Fig.1 Location of the sampling sites and Ordovician-Silurian boundary section in Taoyuan，Hunan

對(duì)郝坪剖面奧陶系-志留系界線(xiàn)附近的斑脫巖進(jìn)行認(rèn)真采樣，先把表面已風(fēng)化的斑脫巖巖剝?nèi)ィ员ＷC樣品新鮮、無(wú)污染，獲得重量約4kg的樣品，裝入干凈樣品袋中。通過(guò)人工重砂分選獲得了大量的顆粒鋯石，然后在雙目鏡下挑選出晶形和透明度較好的鋯石顆粒，將其粘貼在環(huán)氧樹(shù)脂表面，拋光后將待測(cè)鋯石進(jìn)行陰極發(fā)光顯微照相，通過(guò)圖像分析選擇合適的區(qū)域進(jìn)行U-Pb同位素年齡分析。鋯石U-Pb同位素分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的LA-ICP-MS儀器上用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定程序完成，ICP-MS為Agilent 7500a，激光剝蝕系統(tǒng)為配備有193nm ArF準(zhǔn)分子(Excimer)激光器的GeoLas 2005。分析中采用的激光斑束直徑為32 μm，以氦氣作為剝蝕物質(zhì)的載氣，同位素組成用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)進(jìn)行校正，元素含量采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NIST SRM610作外標(biāo)、Zr作內(nèi)標(biāo)進(jìn)行校正。鋯石測(cè)定點(diǎn)的Pb同位素比值、U-Pb表面年齡和微量元素含量采用ICPMS DataCal3.5程序計(jì)算［17］。鋯石加權(quán)平均年齡的計(jì)算及諧和圖的繪制采用 ISOPLOT 3.0程序［18］。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理、流程和儀器參數(shù)見(jiàn)Yuan等［19］的文獻(xiàn)。

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)桃源郝坪地區(qū)樣品HP-1的15顆鋯石進(jìn)行了陰極發(fā)光圖像研究及LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析，結(jié)果見(jiàn)表1、圖2，所有的U-Pb同位素分析數(shù)據(jù)均標(biāo)定在圖3中。樣品鋯石在晶體形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征上十分相似，大部分鋯石為長(zhǎng)柱狀自形-半自形透明晶體，大小200～400μm。陰極發(fā)光圖像顯示大多數(shù)鋯石均發(fā)育有很窄、很規(guī)則的振蕩生長(zhǎng)環(huán)帶，具較典型的巖漿鋯石特征［20，21］。鋯石的 Th/U比值通常作為判斷巖漿鋯石與變質(zhì)鋯石的標(biāo)志，即巖漿鋯石Th/U比值一般大于0.4，變質(zhì)鋯石一般小于 0.1［22，23］。樣品 HP-1 鋯石中 15 個(gè)測(cè)點(diǎn)的 Th/U比值介于0.14 ～1.11 之間，平均值 0.5，該比值高于變質(zhì)成因鋯石而與巖漿成因鋯石一致。

本次鋯石測(cè)年結(jié)果表明，除兩個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1-7和測(cè)點(diǎn)1-13)以外，所有測(cè)點(diǎn)均沿諧和曲線(xiàn)分布，集中在(434～457)±7Ma之間，其諧和年齡值為442.2 ±8.1Ma。測(cè)點(diǎn)1-7 的年齡為274 ±5Ma，其年齡偏低，可能與測(cè)點(diǎn)靠近鋯石內(nèi)部的裂紋，與鉛丟失有關(guān);而測(cè)點(diǎn)1-13年齡為899±14Ma，其年齡過(guò)高，則可能由于測(cè)試的鋯石為殘留鋯石，且測(cè)點(diǎn)接近鋯石核心。我們將442.2±8.1Ma作為樣品HP-1的形成年齡，與國(guó)際地層委員會(huì)(ICS)2004年公布的地質(zhì)年齡(443.7±1.5Ma)在誤差范圍內(nèi)較為接近［24］，此年齡可作為奧陶系-志留系界線(xiàn)附近火山噴發(fā)事件的年齡。

圖2 樣品HP-1的鋯石CL圖像及其打點(diǎn)位置Fig.2 Cathodoluminescence images of the zircons from the sample HP-1 and location of the analysed spots

表1 樣品HP-1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb數(shù)據(jù)Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb ages for the sample HP-1

圖3 樣品HP-1的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.3 Concordia plots of LA-ICP-MS zircon U-Pb ages for the sample HP-1

4 討論與結(jié)論

從晚奧陶世起，南方的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)就開(kāi)始變得劇烈，揚(yáng)子克拉通在晚奧陶世-早志留世時(shí)的構(gòu)造古地理和沉積環(huán)境均發(fā)生了很大的變化。在廣西運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，“華夏”古陸不斷向揚(yáng)子克拉通靠近，位于二者間的華南洋逐漸閉合，成為殘余海槽，使揚(yáng)子克拉通上的水域也逐漸成為閉塞性盆地［6，25］。蘇文博等于2002年在王家灣剖面五峰組頂部和龍馬溪組底部發(fā)現(xiàn)了多層鉀質(zhì)斑脫巖，并與貴州桐梓的斑脫巖進(jìn)行了生物地層、層序地層的綜合對(duì)比，表明奧陶紀(jì)-志留紀(jì)之交，至少在上揚(yáng)子地臺(tái)附近曾經(jīng)發(fā)生過(guò)大規(guī)模的火山噴發(fā)活動(dòng)［12］?；鹕交顒?dòng)所形成的鉀質(zhì)斑脫巖在揚(yáng)子地臺(tái)周緣廣泛分布［26］，斑脫巖原巖主要為中酸性火山巖，包括安山巖-英安巖-流紋巖等。筆者認(rèn)為絕大多數(shù)斑脫巖原巖的產(chǎn)出背景為火山弧環(huán)境［27］，有可能與早古生代秦嶺洋閉合過(guò)程中的板塊俯沖有關(guān)［14］，也可能是“華夏”地塊與“揚(yáng)子”地塊碰撞擠壓的結(jié)果。因?yàn)閺脑绻派?，“華夏”地塊與“揚(yáng)子”地塊構(gòu)造擠壓加速［6］，進(jìn)一步加大“掀斜效應(yīng)”。表現(xiàn)為川中隆起、黔中隆起等正地形單元的擴(kuò)大，揚(yáng)子海域?yàn)楣怕∑鹚鼑陌刖窒?局限淺海環(huán)境，海域面積的明顯縮小及局部地區(qū)表現(xiàn)為欠補(bǔ)償?shù)臏襞璧兀?，6，28］，這都足以讓生物的生存空間大大縮小。晚奧陶世的生物滅絕事件，不僅僅是由海平面變化導(dǎo)致的環(huán)境因素有關(guān)，還可能與盆地演化相聯(lián)系的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)。此外，火山活動(dòng)所噴發(fā)的揮發(fā)份物質(zhì)和粉塵等也使生物生存環(huán)境更為惡劣，這可能是造成這次生物大絕滅的主要因素之一。

郝坪HP-1樣品的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡(442.2±8.1Ma)是奧陶系頂部一個(gè)比較可靠的同位素年齡，該年齡是奧陶紀(jì)末火山噴發(fā)的活動(dòng)年齡，還為奧陶系-志留系界線(xiàn)處年齡提供了可靠的參考依據(jù)。晚奧陶世末的火山事件是制約當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境和生物興衰的關(guān)鍵因素之一。

致謝:在成文過(guò)程中，得到丘東洲研究員的耐心指導(dǎo)和熱心幫助，野外工作得到了劉家洪助理工程師、楊平工程師的幫助。此外與張娣助理工程師對(duì)論文進(jìn)行了有益的探討，也感謝評(píng)審人提出的寶貴意見(jiàn)，在此一并致謝。

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