四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)特征及其構(gòu)造意義

郭 濤，胡作維*，李 云，史 格，詹旗勝，李韶昱，管晉紅

(1. 成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引 言

在加里東旋回末期，揚(yáng)子板塊與華夏板塊碰撞形成了統(tǒng)一的華南板塊，其中揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸的位置關(guān)系都是長(zhǎng)期以來(lái)的研究熱點(diǎn)[1-6]。中元古代，揚(yáng)子板塊長(zhǎng)期處于全球超大陸聚合-離散和南北大陸離散-拼合的總體構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景之中；晚古生代，揚(yáng)子板塊長(zhǎng)期處于特提斯構(gòu)造域和太平洋構(gòu)造域的交匯轉(zhuǎn)接地帶[7-10]。精準(zhǔn)重建揚(yáng)子板塊在新元古代以來(lái)的板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及與其他板塊的古地理關(guān)系，對(duì)研究揚(yáng)子板塊構(gòu)造演化、岡瓦納大陸裂解、亞洲增生以及特提斯構(gòu)造演化具有重要意義。前人針對(duì)泥盆紀(jì)揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸的古地理位置關(guān)系進(jìn)行了很多研究[11-18]，具體觀點(diǎn)如表1所示。

表1 泥盆紀(jì)揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸位置關(guān)系的不同觀點(diǎn)總結(jié)

鋯石富含U和Th，低普通鉛，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，不易受搬運(yùn)、沉積、成巖以及后生作用的影響而能夠較大程度地保留其母巖所含的原始信息，且普遍存在于各類巖石中[19]。近年來(lái)，碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)的發(fā)展對(duì)沉積盆地物源分析具有重要意義。該方法可以追蹤鋯石來(lái)源以及母體巖漿信息，進(jìn)而探討地殼演化歷史[20-22]，并進(jìn)一步應(yīng)用于古地理環(huán)境重建[23-24]、沉積盆地演化歷史恢復(fù)[25-26]和物源區(qū)剝蝕速率確定[27]等；但在運(yùn)用碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)方法進(jìn)行物源示蹤時(shí)，是否會(huì)有其他因素(如沉積再旋回、水力分選等)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性以及怎么影響都需要深入研究。

到目前為止，揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸在中泥盆世是否存在親緣性一直有較大的分歧。本文在四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組采集砂巖樣品，通過(guò)碎屑鋯石年齡譜對(duì)比、巖相古地理演化研究、沉積環(huán)境演化研究等，并結(jié)合前人研究成果，綜合分析了養(yǎng)馬壩組沉積時(shí)的古地理特征和陸源碎屑的可能來(lái)源，進(jìn)一步探討了揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸在中泥盆世的古地理位置關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及采樣層位

北川甘溪泥盆系標(biāo)準(zhǔn)剖面(簡(jiǎn)稱為“甘溪剖面”)位于四川龍門山地區(qū)，其泥盆系地層發(fā)育齊全，厚度巨大，剖面全長(zhǎng)約13 km，沿培江支流平通河兩岸分布[28-29]。該剖面泥盆系地層旋回性變化規(guī)律明顯，沉積構(gòu)造和沉積相類型齊全，生物化石豐富，是中國(guó)研究泥盆系地層的經(jīng)典地區(qū)之一[30]。甘溪剖面的大地構(gòu)造位置隸屬于燕山期—喜馬拉雅期龍門山造山帶，位于俗稱龍門山構(gòu)造帶前山地帶的廣元—彭灌推覆體核部，屬斷裂、褶皺和推覆構(gòu)造強(qiáng)烈復(fù)雜區(qū)域，北與米倉(cāng)山臺(tái)緣隆起帶、松潘—甘孜地塊相接，南以川西中新坳陷低陡帶為界，東與川中古隆中斜平緩帶緊靠[31-33]。研究區(qū)主要集中于龍門山逆沖推覆帶的中部，構(gòu)造上屬于揚(yáng)子板塊西北緣的龍門山山前帶(圖1)。

圖件引自文獻(xiàn)[13],有所修改

泥盆系沉積與志留系陸棚相砂泥巖沉積呈微角度構(gòu)造不整合接觸，與上覆下石炭統(tǒng)呈連續(xù)沉積[28]。前人對(duì)龍門山地區(qū)地層的劃分方案不同，本文采用的分類標(biāo)準(zhǔn)據(jù)鄭榮才等的劃分方案[34]修編，中泥盆統(tǒng)自下而上劃分為養(yǎng)馬壩組、金寶石組和觀霧山組(圖2)，發(fā)育以碎屑巖和碳酸鹽巖為主的沉積。本次樣品JBS-3采自甘溪剖面中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組，該組主要分布于北川—南壩斷裂與通口—馬角壩斷裂之間的區(qū)域。

圖件引自文獻(xiàn)[34],有所修改

2 樣品制備及分析方法

利用常規(guī)重力分選和顯微鏡下手工挑選的方法對(duì)鋯石進(jìn)行分選。首先將巖石樣品JBS-3粉粹至60目左右，通過(guò)淘洗和使用重液等物理方法將鋯石分離，之后在雙目鏡下進(jìn)行精選、剔除雜質(zhì)。將挑純的鋯石顆粒置于環(huán)氧樹脂制作的靶圈中，待其固結(jié)后打磨拋光并使其露出中心部位，進(jìn)行反射光、透射光和陰極發(fā)光顯微照相。在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束前對(duì)每個(gè)樣品分別測(cè)試3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，每完成7個(gè)樣品測(cè)試后再加測(cè)一次標(biāo)準(zhǔn)樣品。鋯石的挑選與制靶均在河北省地質(zhì)測(cè)繪院完成，透射光、反射光和陰極發(fā)光顯微照相均在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。鋯石分析測(cè)試所用儀器為Agilent7700e型ICP-MS儀及與之配套的GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)。鋯石選點(diǎn)位置均為隨機(jī)選擇，但避開包裹體和裂縫以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用單外標(biāo)-多內(nèi)標(biāo)方法進(jìn)行鋯石樣品數(shù)據(jù)的校正，微量元素校正外標(biāo)為人工合成有機(jī)玻璃NIST610，同位素比值校正外標(biāo)為鋯石91500，微量元素校正內(nèi)標(biāo)為GJ-1[35-36]，用以監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行穩(wěn)定情況。鋯石定年初始數(shù)據(jù)處理采用軟件ICPMSDataCal 10.9完成，詳細(xì)步驟和數(shù)據(jù)處理方法見文獻(xiàn)[37]。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，選擇諧和度大于90%的數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖；對(duì)于206Pb/238U年齡小于1 000 Ma的碎屑鋯石選用206Pb/238U年齡，對(duì)于206Pb/238U年齡大于1 000 Ma的碎屑鋯石選用207Pb/206Pb年齡[38]。由于氬氣源中存在低信號(hào)和少量204Hg的干擾，使用這種技術(shù)無(wú)法精確測(cè)量204Pb同位素，所以使用Andersen描述的方法[39]進(jìn)行204Pb校正。本研究中分析的年齡多數(shù)不需要校正，或者204Pb校正不顯著。年齡計(jì)算及年齡諧和曲線的繪制采用Isoplot 3.00軟件[40]完成。

3 結(jié)果分析

3.1 鋯石形態(tài)學(xué)特征

碎屑鋯石具有高穩(wěn)定性，不同成因的鋯石具有不同的顯微結(jié)構(gòu)，其能夠反映鋯石在形成、沉積及后期成巖作用等過(guò)程中經(jīng)歷的結(jié)晶、變質(zhì)、蝕變等作用。在陰極發(fā)光圖像中，四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組大部分碎屑鋯石外形呈圓—次圓狀，磨圓度較高，分選性較好，晶體形態(tài)不完整(圖3)，為搬運(yùn)中機(jī)械破碎造成，較高的結(jié)構(gòu)成熟度更好地表明遠(yuǎn)源沉積或沉積再旋回特征。碎屑鋯石粒度為20～120 μm，整體偏小。陰極發(fā)光圖像可見多數(shù)鋯石內(nèi)部震蕩環(huán)帶明顯(圖3)，這表明碎屑鋯石屬巖漿成因；少數(shù)鋯石震蕩環(huán)帶不明顯或無(wú)環(huán)帶，這表明其屬于變質(zhì)成因鋯石。前人研究表明，不同成因鋯石的Th/U值不同，Th/U值大于或等于0.4時(shí)為巖漿成因鋯石，Th/U值為0.1～0.4時(shí)為不完全變質(zhì)鋯石，Th/U值小于0.1時(shí)為變質(zhì)成因鋯石[24,41]。四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組中68顆碎屑鋯石的Th/U值為0.4～3.2；23顆碎屑鋯石的Th/U值為0.1～0.4；3顆碎屑鋯石的Th/U值小于0.1(圖4)。Th/U值表明研究區(qū)養(yǎng)馬壩組大多數(shù)碎屑鋯石為巖漿成因，少數(shù)為變質(zhì)成因。

圖3 部分鋯石陰極發(fā)光圖像及其年齡

圖4 鋯石U-Pb年齡與Th/U值的關(guān)系

3.2 鋯石稀土元素特征

母巖的成分演化、熔融源區(qū)性質(zhì)等信息均可通過(guò)鋯石中稀土元素特征來(lái)體現(xiàn)[42]。鋯石的稀土元素原位分析點(diǎn)與鋯石定年分析點(diǎn)相同，分析結(jié)果見表2。其中，個(gè)別數(shù)據(jù)可能由于測(cè)試精度的原因顯示為0，但對(duì)整體數(shù)據(jù)分析的影響較小，可以忽略不計(jì)[43]。結(jié)果表明：四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組鋯石稀土元素總含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)相對(duì)較高，為(224.39～5 397.87)×10-6，平均值為1 417.110×10-6；LREE/HREE值為0.01～1.74；鋯石稀土元素具有強(qiáng)烈Ce正異常(1.09～134.85，平均值為27.981)以及較強(qiáng)的Eu負(fù)異常(0.02～1.03，平均值為0.223)?？傮w上，研究區(qū)養(yǎng)馬壩組鋯石顯示出較高的稀土元素總含量、強(qiáng)烈Ce正異常和Eu負(fù)異常，表現(xiàn)出巖漿成因鋯石的特點(diǎn)(圖5)，即沉積巖中的碎屑鋯石多具有輕稀土元素相對(duì)虧損、重稀土元素強(qiáng)烈富集的特征，有明顯的Eu負(fù)異常和Ce正異常[42,44-45]。

ws為樣品含量；wc為球粒隕石含量；同一圖中相同線條對(duì)應(yīng)不同樣品

3.3 年代學(xué)特征

樣品JBS-3中共選取了105顆碎屑鋯石進(jìn)行鋯石U-Pb定年，分析結(jié)果如表3所示。其中，諧和度大于90%的分析點(diǎn)有94個(gè)，表明大部分鋯石具有較好的諧和年齡(圖6)。鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示研究區(qū)養(yǎng)馬壩組有3個(gè)主要年齡區(qū)間，分別為1 000～900、850～720和650～500 Ma，除此之外還存在少量但廣泛分布的大于1 000 Ma的年齡(圖7)。3個(gè)年齡組中存在一個(gè)主峰，約為981 Ma，2個(gè)副峰，分別為約824、約567 Ma。研究區(qū)養(yǎng)馬壩組鋯石年齡譜中有10個(gè)碎屑鋯石年齡為830～750 Ma，其年齡峰值約為824 Ma；還有大量年齡為650～500和1 000～900 Ma的碎屑鋯石，其中有7個(gè)碎屑鋯石年齡為650～500 Ma，17個(gè)碎屑鋯石年齡為1 000～900 Ma。

圖6 碎屑鋯石U-Pb年齡諧和曲線

圖7 碎屑鋯石U-Pb年齡概率分布直方圖

續(xù)表3

續(xù)表3

4 討 論

4.1 中泥盆世揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸的位置關(guān)系

岡瓦納大陸的古地理重建在地球演化中具有重要意義，并且吸引了許多學(xué)者關(guān)注[1-18,46-48]。Xian等的古地磁數(shù)據(jù)研究表明：早寒武世—晚志留世，華南板塊與東岡瓦納大陸相連；早泥盆世—中泥盆世晚期(400～385 Ma)，揚(yáng)子板塊已經(jīng)與華夏板塊拼合形成華南板塊，此時(shí)華南板塊與岡瓦納大陸裂解，同時(shí)兩者之間的古特提斯洋也逐漸打開；約385 Ma之后，其間的古特提斯洋不斷擴(kuò)張，岡瓦納大陸向南半球高緯度地區(qū)運(yùn)動(dòng)，揚(yáng)子板塊依舊位于赤道附近(圖8)，并且在約360 Ma時(shí)其緯向?qū)挾仍絹?lái)越大[17]。同時(shí)，李學(xué)森通過(guò)四川北川地區(qū)上泥盆統(tǒng)灰?guī)r的古地磁實(shí)驗(yàn)表明，晚泥盆世揚(yáng)子板塊相應(yīng)的古緯度為26.1°N，位于北半球中緯度地區(qū)[15]，結(jié)合揚(yáng)子板塊在泥盆紀(jì)的運(yùn)動(dòng)速率，可推算出中泥盆世揚(yáng)子板塊位于赤道附近，甚至已經(jīng)越過(guò)赤道，到達(dá)北半球。根據(jù)上述古地磁數(shù)據(jù)認(rèn)為，中泥盆世揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸在古地理位置上不相鄰，兩者在該時(shí)期不具有親緣性。

圖件引自文獻(xiàn)[17],有所修改

4.2 沉積物再旋回的可能性

四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組碎屑鋯石年齡譜主要區(qū)間為1 000～900、850～720和650～500 Ma。將揚(yáng)子板塊西北緣中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組(94組數(shù)據(jù))、志留系(72組數(shù)據(jù))、下泥盆統(tǒng)平驛鋪組(98組數(shù)據(jù))以及岡瓦納大陸特提斯喜馬拉雅地區(qū)(101組數(shù)據(jù))和西澳大利亞地區(qū)(70組數(shù)據(jù))的碎屑鋯石年齡譜進(jìn)行對(duì)比(圖9)，發(fā)現(xiàn)它們具有相似的碎屑鋯石特征，同時(shí)也顯示出典型的岡瓦納特征，即年齡峰值主要集中在約975 Ma和約552 Ma，大于1 000 Ma的年齡雖然貢獻(xiàn)率小，但其分布較為廣泛[13]。碎屑鋯石年齡譜之間具有相似性，可能是因?yàn)槲镌聪嗨?，也可能是下伏地層提供再旋回物質(zhì)[49]。由于揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸在中泥盆世不相鄰，排除物源相似的第一種可能性，接下來(lái)分析下伏地層沉積巖為養(yǎng)馬壩組提供再旋回物質(zhì)的可能。鑒于揚(yáng)子板塊在志留紀(jì)遭受加里東期最大的抬升與剝蝕，使除了揚(yáng)子板塊西北緣北川地區(qū)甘溪剖面泥盆系發(fā)育齊全外，其余大多數(shù)地區(qū)的泥盆系缺失，與下伏志留系呈假整合或不整合關(guān)系[50]，因此，北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組的沉積物可能來(lái)自揚(yáng)子板塊基底沉積物下伏地層的再旋回，符合第二種可能性。其中，養(yǎng)馬壩組與平驛鋪組以及志留系碎屑鋯石均表現(xiàn)出典型的岡瓦納特征，其可能原因是：揚(yáng)子板塊志留系沉積巖作為“中間沉積倉(cāng)庫(kù)”是泥盆系的直接物源，即志留紀(jì)揚(yáng)子板塊與東岡瓦納大陸相鄰，并接受了來(lái)自東岡瓦納大陸的物源供給；泥盆紀(jì)揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸分開，揚(yáng)子板塊由于廣西運(yùn)動(dòng)遭受加里東期最大的抬升和剝蝕，使古老基底物質(zhì)再旋回，為其泥盆系地層提供物源。通過(guò)碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)養(yǎng)馬壩組的碎屑物質(zhì)可能來(lái)自下伏地層志留系沉積巖的沉積再旋回。

揚(yáng)子板塊西北緣志留系數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[14]；揚(yáng)子板塊西北緣下泥盆統(tǒng)平驛鋪組數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]、[12]；岡瓦納大陸特提斯喜馬拉雅地區(qū)數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[60]～[62]；岡瓦納大陸西澳大利亞地區(qū)數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[26]

4.3 沉積環(huán)境演化

四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組混合沉積發(fā)育于濱岸和淺海陸棚環(huán)境，其混合沉積模式由陸地到海洋依次發(fā)育混積濱岸、碎屑混積陸棚和碳酸鹽混積陸棚(圖10)，主要混合機(jī)理為間斷混合，即遭受到突發(fā)事件后使沉積物進(jìn)行異地搬運(yùn)而形成的混積過(guò)程[51]。養(yǎng)馬壩組濱岸和淺海陸棚間斷混合的主要驅(qū)動(dòng)因素是風(fēng)暴浪，風(fēng)暴浪可將濱岸砂帶到陸棚中，將陸源砂帶入碳酸鹽巖沉積中，形成碳酸鹽混積陸棚沉積[52]。四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組周圍的上揚(yáng)子古陸遭受到剝蝕夷平，由于風(fēng)暴浪，上揚(yáng)子古陸的陸源碎屑物會(huì)間接性地注入養(yǎng)馬壩組碳酸鹽巖沉積中，形成頻繁交替的濱外陸源沙灘、碳酸鹽緩坡以及生物礁交替出現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境[53]，導(dǎo)致養(yǎng)馬壩組以陸源碎屑巖和碳酸鹽巖的混合沉積為主，其古地理圖如圖11所示。盆地的陸源碎屑物質(zhì)能夠很好地反映物源特征[54]。Dickinson等利用砂巖碎屑組分判別沉積物源區(qū)構(gòu)造背景的研究，總結(jié)了典型地區(qū)的砂巖碎屑組分，將砂巖的碎屑組分進(jìn)行了詳細(xì)劃分和定量統(tǒng)計(jì)[55-56]，即沉積盆地的碎屑物源分為5類：克拉通內(nèi)部、陸緣弧、碰撞造山帶、大陸島弧以及大洋島弧。其中，克拉通內(nèi)部物源主要是再旋回沉積物，砂巖碎屑來(lái)自裸露的地盾區(qū)和臨近的臺(tái)地沉積序列，其結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度較高，且石英含量較高，一般在裂谷早期、陸內(nèi)克拉通盆地和被動(dòng)大陸邊緣等環(huán)境中沉積[57]。揚(yáng)子板塊從南華紀(jì)開始進(jìn)入克拉通演化盆地階段，與秦嶺微地塊、松潘—甘孜地塊一起組成了一個(gè)范圍較大的古克拉通[58]。養(yǎng)馬壩組的這種混合沉積模式一般代表了穩(wěn)定克拉通的背景，同時(shí)養(yǎng)馬壩旋回陸源碎屑和碳酸鹽巖混合沉積旋回具有典型的海水波浪作用和潮汐作用的沉積構(gòu)造特征，因而成分以磨圓度高、分選性好、成熟度高的石英砂巖為主[59]，與本文中鋯石的形態(tài)相符(圖3)，進(jìn)一步表明這些陸源碎屑物質(zhì)可能來(lái)自再旋回沉積物。

圖件引自文獻(xiàn)[49]

圖件引自文獻(xiàn)[63]、[64],有所修改

綜上所述，中泥盆世揚(yáng)子板塊位于赤道附近的古地理位置，且養(yǎng)馬壩組為混積濱岸、碎屑混積陸棚和碳酸鹽混積陸棚沉積，代表穩(wěn)定克拉通的構(gòu)造背景，其碎屑物質(zhì)可能來(lái)自下伏地層志留系沉積巖的沉積再旋回，中泥盆世揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸不具有親緣性。前人對(duì)中泥盆世揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸的古地理位置關(guān)系的研究之所以存在分歧，是因?yàn)槌练e再旋回因素可能會(huì)對(duì)碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)的研究產(chǎn)生一定影響，使其不能直接反映大陸源區(qū)巖石組成。因此，在運(yùn)用碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)進(jìn)行物源分析時(shí)，要重視沉積再旋回因素對(duì)物源的影響；同時(shí)應(yīng)該從多方面對(duì)物源進(jìn)行分析，例如結(jié)合當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境、區(qū)域地質(zhì)背景、巖相古地理、水流方向以及前人研究成果等信息，才可能得出更準(zhǔn)確的結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)揚(yáng)子板塊西北緣四川北川地區(qū)中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組碎屑鋯石陰極發(fā)光圖像顯示研究區(qū)內(nèi)碎屑鋯石多具有明顯的震蕩環(huán)帶，且大部分碎屑鋯石Th/U值大于0.1，表明碎屑鋯石主要為巖漿成因，少數(shù)為變質(zhì)成因。

(2)通過(guò)碎屑鋯石U-Pb定年，發(fā)現(xiàn)揚(yáng)子板塊西北緣地層中的碎屑鋯石U-Pb年齡譜主要集中在1 000～900、850～720和650～500 Ma等3個(gè)區(qū)間，與岡瓦納大陸以及下伏地層志留系碎屑鋯石年齡譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們具有相似性，均顯示出典型的岡瓦納特征。

(3)中泥盆世揚(yáng)子板塊位于赤道附近的古地理位置，且養(yǎng)馬壩組為混積濱岸、碎屑混積陸棚和碳酸鹽混積陸棚沉積，代表了穩(wěn)定克拉通的構(gòu)造背景，其碎屑物質(zhì)可能來(lái)自下伏地層志留系沉積巖的沉積再旋回，中泥盆世時(shí)揚(yáng)子板塊與岡瓦納大陸不具有親緣性。