江蘇贛榆縣石橋淺變質(zhì)巖地球化學(xué)和鋯石U-Pb年齡

袁亞娟, 夏 斌, 張玉泉, 夏連澤, 李 賀,3

(1. 中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 廣東 廣州 510640; 2. 中山大學(xué) 海洋學(xué)院, 廣東 廣州 510275; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

0 引 言

石橋淺變質(zhì)巖, 處于蘇北-膠南地塊超高壓變質(zhì)帶腹地(“東海群”或“膠南群”), 限于北界五連-煙臺(tái)斷裂、南界嘉山-響水?dāng)嗔阎g, 分布在贛榆縣石橋鎮(zhèn)南邊(35°02.32′N(xiāo), 119°10.32′E)和保存原始結(jié)構(gòu)的淺變質(zhì)沉積巖系。在“蘇北變質(zhì)巖”專(zhuān)題研究中, 將該套淺變質(zhì)巖從深變質(zhì)巖(東海群)中分出, 建立“石橋群”, 時(shí)代定為早元古代[1]。隨后又定為晚元古代[2]、震旦紀(jì)[3]和晚元古代末期[4]等。董樹(shù)文等把大片超高壓變質(zhì)帶分布區(qū)的腹地, 贛榆縣北蘇魯兩省交界附近出露面積很小的淺變質(zhì)沉積巖系厘定為“石橋構(gòu)造窗”[5]。在后來(lái)的研究者又確認(rèn)為“沉積蓋層”[4]、“飛來(lái)峰”[6]、“加積楔”[7?8]和來(lái)自華北板塊的殘片[9]等。本研究擬在前人工作的基礎(chǔ)上, 開(kāi)展石橋淺變質(zhì)巖元素地球化學(xué)和鋯石 U-Pb定年研究, 旨在對(duì)比其與蘇魯超高壓帶中超高壓變質(zhì)巖的地球化學(xué)特征, 從而進(jìn)一步確定石橋淺變質(zhì)巖的原巖成巖環(huán)境和時(shí)代。

1 地質(zhì)簡(jiǎn)況

研究區(qū)位于華南板塊與華北板塊的結(jié)合部位,發(fā)育在五蓮-威海斷裂和沭陽(yáng)-連云港斷裂之間的超高壓變質(zhì)帶中(圖 1), 為典型的三疊紀(jì)高壓-超高壓變質(zhì)巖組合, 寬約 160 km, 主要由深變質(zhì)巖“東海群”和分布在東海群之內(nèi)的淺變質(zhì)巖“石橋群”組成。前者包括片麻巖、榴輝巖和混合巖, 其中榴輝巖中發(fā)育柯石英和金剛石, 代表了超高壓變質(zhì)(t = 740～840 ;℃p ＞ 2.8 GPa)[9?11]。后者主要為灰-灰白色、深灰色的互層狀淺變質(zhì)碎屑巖: 變質(zhì)砂礫巖、變質(zhì)細(xì)礫巖、板巖、千枚巖、片巖、石英巖和變質(zhì)火山碎屑巖等。從石橋鎮(zhèn)南側(cè)淺變質(zhì)巖采石場(chǎng)(35°02.574′N(xiāo), 119°10.542′E:145°3°)∠向西到朱官莊采石場(chǎng)(35°02.397′N(xiāo),119°08.195′E: 105°12°),∠ 再向西到石橋鎮(zhèn)西南片麻巖采石場(chǎng)(35°02.915′N(xiāo), 119°07.595′E: 130°12°)∠等地,巖層平直, 產(chǎn)狀平緩, 在采坑壁可見(jiàn) 20 cm厚的細(xì)礫巖層之上是0.8 cm厚的黑色板巖(圖2a), 其中細(xì)礫巖中石英礫石磨圓度較好(圖 2b)。從前述的采石場(chǎng)所見(jiàn)巖層產(chǎn)狀, 說(shuō)明石橋淺變質(zhì)巖處在深變質(zhì)巖(片麻巖)之上。石橋淺變質(zhì)巖與周邊超高壓變質(zhì)巖呈構(gòu)造接觸[12]。樣品均采自石橋鎮(zhèn)南側(cè)采石場(chǎng)(35°02.574′N(xiāo),119°10.542′E)。

圖1 石橋地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)董樹(shù)文等[5]略加修改)Fig.1 Simplified geological map of Shiqiao area (modified after Dong et al.[5])

圖2 石橋地區(qū)野外照片(a)和顯微照片(b)Fig.2 Outcrop image and photomicrograph in the Shiqiao region

2 元素地球化學(xué)特征

巖石化學(xué)分析所用儀器為中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的Varian Vista-PRO型ICP-AES(CCD全譜直讀 ICP-AES), 所有氧化物分析誤差(RSD)小于5%。微量元素包括稀土元素, 在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用PE-Elan 6000型ICP-MS測(cè)試, 元素誤差小于10%。巖石化學(xué)和微量元素(含稀土元素)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

2.1 巖石化學(xué)

石橋淺變質(zhì)巖(板巖、片巖和千枚巖)巖石化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表 1。表 1中本文分析結(jié)果與文獻(xiàn)[8]基本一致。其主成分含量變化范圍: SiO252.23%～75.70%,Al2O39.26%～20.56%, Na2O 0.26%～0.23%, K2O 6.08%～10.22%, CaO 0.21%～0.35%等, 表明石橋淺變質(zhì)巖化學(xué)成分富堿(Na2O+K2O=6.39%～10.65%)、高鉀、貧鈉(Na2O/K2O=0.03～0.05)等, 不同于大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶的副片麻巖, 該副片麻巖在巖石化學(xué)成分上富鈉(Na2O 4.13%～5.30%)、低鉀(Na2O/K2O= 1.42～2.86)等[14]。

2.2 微量元素(包括稀土元素)

在微量元素組成上, 本研究和文獻(xiàn)[13]的樣品均富集Rb、Ba、Th、U等大離子親石元素和富Pb, 貧Sr。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上(圖 3), Sr呈現(xiàn)“V”型谷。稀土元素含量變化范圍為130.89～232.80 μg/g,輕稀土元素比較富集(LREE/HREE為 7.92～14.84),Eu負(fù)異常不明顯(δEu=0.73～0.91), 稀土元素分布模式為右傾斜(La/Yb=8～21)(圖4)。與大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶的副片麻巖明顯不同[14]。

3 鋯石U-Pb年齡

3.1 鋯石分選

為了盡量排除交叉混樣, 采用以下流程[16]分選鋯石: 把0.5 kg左右的樣品破碎成約1 cm3的小塊,放入直徑為20 cm的不銹鋼缽中, 在XZW100型振動(dòng)磨樣機(jī)中研磨3～5 s后取出, 此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行到樣品全部通過(guò)0.3 mm的孔徑篩, 洗去粉塵, 用鋁制淘沙盤(pán)富集重礦物, 再通過(guò)磁選和電磁選, 將剩余非電磁部分再淘洗獲得鋯石精礦, 最后在雙目鏡下挑選出用于定年的鋯石。

3.2 分析方法和精度

鋯石LA-ICPMS分析在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。將鋯石與標(biāo)樣(TEM=417 Ma)置于玻璃板上, 用環(huán)氧樹(shù)脂固定制成樣品靶, 然后磨至約一半, 使鋯石內(nèi)部暴露,暴露出鋯石的中心面, 噴碳沫照陰極(CL)發(fā)光相。再擦掉碳沫, 即可進(jìn)行LA-ICPMS U、Pb含量測(cè)定, 采用單點(diǎn)剝蝕的方法(激光剝蝕斑束直徑為 31 μm,頻率為8 Hz)。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)流程和數(shù)據(jù)處理見(jiàn)文獻(xiàn)[17?18]。用實(shí)測(cè)204Pb校正鋯石中的普通Pb。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差均為 1σ, 年齡大于 800 Ma的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用年齡為207Pb/206Pb年齡,年齡小于800 Ma的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用年齡為206Pb/238U年齡, 其加權(quán)平均值為95%的置信度。

表1 石橋淺變質(zhì)巖主元素(%)和微量元素(μg/g)分析結(jié)果Table 1 Representative composition of major and trace element contents in low-grade metamorphic rocks within the Shiqiao region

圖3 石橋淺變質(zhì)巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)文獻(xiàn)[15])Fig.3 Primitive mantle-normalized spider diagram for low-grade metamorphic rocks in the Shiqiao region (primitive mantle values from [15])

圖4 石橋淺變質(zhì)巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)文獻(xiàn)[15])Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns for low-grade metamorphic rocks in the Shiqiao region (Chondritic values from [15])

3.3 分析結(jié)果

石橋淺變質(zhì)巖中鋯石的 CL圖像(圖 5)顯示: 既有發(fā)育韻律環(huán)帶的巖漿鋯石, 又有不發(fā)育韻律環(huán)帶的變質(zhì)鋯石。在結(jié)構(gòu)上有兩層(核、殼)和三層(核、幔、殼)之分, 繼承鋯石既有巖漿碎屑鋯石, 又有具有老核新殼的變質(zhì)復(fù)合鋯石, 其年齡測(cè)定結(jié)果(表2,圖6)有如下特征: (1)巖漿碎屑鋯石1個(gè), Th含量為238 μg/g, U 含量為 438 μg/g, Th/U= 0.54, 年齡為3127 Ma, 相當(dāng)于中太古代早期；(2)變質(zhì)復(fù)合鋯石的老核(繼承鋯石)10個(gè), Th含量為31～380 μg/g, U含量為 45～647 μg/g, Th/U=0.10～1.13, 年齡值分別屬于新太古代晚期(2577、2509、2509和 2502 Ma)和古元古代(2454、2425、2346、2144、2021和 1995 Ma)；(3)變質(zhì)復(fù)合鋯石的新殼5個(gè), Th含量為73～433 μg/g,U 含量為 80～835 μg/g, Th/U=0.4 ～0.91, 其年齡值為2483、2370、2211、1772 和 1769 Ma(古元古代)、778 Ma(新元古代)和554 Ma(早寒武世)。

圖5 石橋片巖鋯石的CL圖像及測(cè)點(diǎn)位置Fig.5 Cathodoluminescence images of zircons from Shiqiao schist and sites of points for analyses

4 結(jié)果討論

4.1 贛榆縣石橋淺變質(zhì)巖的時(shí)代

圖6 石橋片巖鋯石U-Pb 諧和圖Fig. 6 Concordia diagrams of U-Pb data for the zircon from schist in the Shiqiao region

有關(guān)石橋淺變質(zhì)巖的原巖時(shí)代, 20世紀(jì)80年代初在贛榆幅(1/20萬(wàn))區(qū)調(diào)時(shí)曾得到碎屑鋯石U-Pb上交點(diǎn)年齡 1901 Ma[19]。隨后又定為早元古代[1]、晚元古代[2]、震旦紀(jì)[3]、晚元古代末期[4]。另外, 包括石橋在內(nèi)的淺變質(zhì)巖中, 產(chǎn)有震旦-早寒武世藻類(lèi)化石[20]。本研究中, 鋯石LA-ICPMS U-Pb定年結(jié)果的16個(gè)測(cè)點(diǎn)中, 中太古代1個(gè)(3127 Ma), 新太古代4個(gè)(2577、2509、2509和 2502 Ma), 古元古代 9個(gè)(2483、2454、2425、2370、2346、2211、2144、2021和1995 Ma), 新元古代1個(gè)(778 Ma), 早古生代1個(gè)(554 Ma), 其中早古生代年齡相當(dāng)早寒武世。這表明石橋淺變質(zhì)巖的時(shí)代應(yīng)該是寒武紀(jì), 與該淺變質(zhì)巖中產(chǎn)早寒武世藻類(lèi)化石的特征吻合。

4.2 石橋淺變質(zhì)巖成因可能性分析

有關(guān)石橋淺變質(zhì)巖的成因, 在前文中提到的有“構(gòu)造窗”[5]、“沉積蓋層”[4]、“飛來(lái)峰”[6]、“加積楔”[7]和來(lái)自華北板塊仰沖的殘片[9]等。以上認(rèn)識(shí)的區(qū)別在于原地和非原地之分。本研究結(jié)果表明, 石橋淺變質(zhì)巖與大別-蘇魯超高壓變質(zhì)單元中片麻巖等巖石在主成分、鋯石成因類(lèi)型和時(shí)代等方面有明顯不同: (1)在主成分上, 前者富鉀(K2O)貧鈉(Na2O), 后者富鈉、低鉀[14,21?23]等, 暗示其原巖沉積環(huán)境的不同; (2)變質(zhì)復(fù)合鋯石老核“繼承鋯石”的時(shí)代, 前者多集中在中太古代、新太古代和古元古代, 后者多集中在新元古代; (3)變質(zhì)復(fù)合鋯石新殼的年齡, 前者是 2483、2370、2211 Ma(古元古代)和 554 Ma(寒武紀(jì)), 前述年齡并不是淺變質(zhì)巖變質(zhì)時(shí)間, 而是淺變質(zhì)巖中“變質(zhì)復(fù)合鋯石”的原巖變質(zhì)時(shí)間。后者多在 215 Ma左右[24?25],為晚三疊世(退變質(zhì)時(shí)間); (4)沉積蓋層, 雖是原地, 但它在沉積的時(shí)間上應(yīng)晚于蘇魯超高壓變質(zhì)帶的退變質(zhì)時(shí)間(211±4) Ma[25]。從本文獲得淺變質(zhì)巖中變質(zhì)復(fù)合鋯石的新殼最年輕的年齡554 Ma(寒武紀(jì))。后者在石橋片麻巖中變質(zhì)復(fù)合鋯石老核“繼承鋯石”, 既有寒武紀(jì)(538 Ma)又有奧陶紀(jì)(454 Ma)和泥盆紀(jì)(401 Ma)。所以老地層(淺變質(zhì)巖)不可能沉積覆蓋在新地層之上。前述現(xiàn)象均表明石橋淺變質(zhì)巖不是原地的, 而是來(lái)自異地。因此,用“飛來(lái)峰”解釋石橋淺變質(zhì)巖的成因還是可信的。

表2 石橋片巖鋯石LA-ICPMS U-Pb年齡數(shù)據(jù)Table 2 LA-ICPMS U-Pb dating results of zircons from schist in Shiqiao area

5 結(jié) 論

(1)石橋淺變質(zhì)巖富堿、高鉀、貧鈉。

(2)石橋淺變質(zhì)巖的原巖時(shí)代, 屬于早古生代(554 Ma), 相當(dāng)于寒武紀(jì)。

(3)石橋淺變質(zhì)巖中, “變質(zhì)復(fù)合鋯石”新殼的年齡, 反映其原巖時(shí)代的年齡。

(4)石橋淺變質(zhì)巖的成因, 非原地, 而是異地(飛來(lái)峰)。

中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫衛(wèi)東研究員、涂湘林副研究員等協(xié)助完成了U-Pb年齡的測(cè)定, 并提出了許多寶貴的意見(jiàn), 在此表示衷心的感謝！

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