貴州銅仁瓦屋牛蹄塘組下部凝灰?guī)r鋯石年齡及其地質(zhì)意義

牟 軍，強希潤，覃永軍，王安華，張厚松

(1.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550081；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，貴州 貴陽 550003；3.自然資源部基巖礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州 貴陽 550081)

1 引言

中國南方早寒武世早期牛蹄塘組黑色巖系，因富含眾多金屬、非金屬以及稀有元素等而被稱為“多元素富集層”，它不僅是研究成礦事件的重要層位，同時也是進行區(qū)域地層對比的良好標(biāo)志。

許多學(xué)者對貴州“多元素富集層”開展了不同領(lǐng)域的研究工作。一些學(xué)者(楊興蓮等，2007，2008；Steineret al.，2001)，通過研究貴州丹寨南皋、湘西三岔和貴州遵義地區(qū)牛蹄塘組中“多元素富集層”的微量元素和稀土元素地球化學(xué)，認(rèn)為“多元素富集層”形成于缺氧環(huán)境和具有明顯的多幕次熱水沉積作用特征。熱水提供了大量多金屬元素物質(zhì)來源(李勝榮等，1995，2002；彭軍等，1999a，1999b；Steiner et al.，2001；Jiang et al.，2003；曹雙林等，2004；楊劍等，2005a，2005b；楊興蓮等，2007，2008，2010)。魏懷瑞等(2006)認(rèn)為“多元素富集層”的形成受熱水沉積主導(dǎo)，同時受陸源強烈影響，是海水、生物和地球深部物質(zhì)共同作用下形成的。暢斌等(2008)對貴州遵義黃家灣下寒武統(tǒng)牛蹄塘組鎳-鉬富集層開展了礦物學(xué)研究。

有關(guān)牛蹄塘組地層年齡及其“多元素富集層”成礦年齡雖然也開展了一些研究工作。但極少的牛蹄塘組地層同位素年齡還存在較大的差異(Chen et al.，2003；周明忠等，2008)，而有關(guān)牛蹄塘組“多元素富集層”的成礦年齡數(shù)據(jù)也較少(毛景文等，2001；Jiang et al.，等，2003；李勝榮等)，一定程度上制約了寒武紀(jì)牛蹄塘組及其“多元素富集層”的研究深度。鑒于此，作者選取貴州銅仁瓦屋地區(qū)牛蹄塘組中與“多元素富集層”緊密相連的凝灰?guī)r為研究對象，開展巖石礦物學(xué)和鋯石U-Pb年代學(xué)研究，以期提供新的研究素材，豐富和深化對貴州牛蹄塘組及其“多元素富集層”的認(rèn)識。

2 地質(zhì)背景

圖1 貴州寒武紀(jì)梅樹村晚期-南皋期巖相古地理圖

向西至威寧一帶過渡到濱岸帶的筇竹寺組，巖性為灰-深灰色中厚層-厚層鈣泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖夾灰黑色有機質(zhì)粘土巖，由下向上砂質(zhì)減少泥質(zhì)增多，上部間夾粉砂質(zhì)鈣質(zhì)白云巖小透鏡體。底部為0.6 m有機質(zhì)粘土巖與下伏燈影組白云巖呈平行不整合接觸。

向東至三都一帶與盆地相的渣拉溝組中、下部相當(dāng)。渣拉溝組巖性為黑色炭質(zhì)頁巖或炭質(zhì)泥巖，含少量砂質(zhì)。在三都城北里略一帶渣拉溝組厚248 m，可分上、下兩部分，上部為灰、淺灰色粘土巖或頁巖，局部含硅質(zhì)，厚145 m，為杷榔組-烏訓(xùn)組的相變；下部為黑色炭質(zhì)粘土巖或頁巖，厚103 m，與丹寨南臯一帶的牛蹄塘組-變馬沖組大致相當(dāng)。由三都向北東至天柱圭寧溪-大河邊一帶，因九門沖組的灰?guī)r尖滅，牛蹄塘組-變馬沖組不能再分，均為炭質(zhì)粘土巖、炭質(zhì)粉砂巖。

牛蹄塘組在整個研究區(qū)含釩礦1～2層。

3 采樣信息及樣品特征

3.1 采樣剖面描述

剖面位于銅仁市萬山特區(qū)瓦屋鄉(xiāng)北部2.5 km的板栗坪，由下至上依次劃分為陡山沱組、老堡組、牛蹄塘組和變馬沖組(圖2)，地層連續(xù)(貴州1∶5萬漾頭司、萬山特區(qū)、瓦屋、新晃4幅區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查報告，2017)。

圖2 貴州銅仁瓦屋震旦-寒武系老堡組-寒武系變馬沖組實測地層剖面柱狀圖(比例尺1∶2000)

老堡組(3-6層)：為深灰色、灰黑色薄-中厚層硅質(zhì)巖夾薄-極薄層炭質(zhì)粘土巖、炭質(zhì)頁巖，由下至上硅質(zhì)巖逐漸變薄。與下伏陡山沱組之間以厚6.30 m的炭質(zhì)粘土巖結(jié)束、大套硅質(zhì)巖出現(xiàn)劃界，二者為整合接觸。老堡組總厚度為63.69 m。

牛蹄塘組(7-14層)：下部(7-11層)灰黑色、深灰色薄-中層及中厚-厚層碳質(zhì)粘土巖，普遍發(fā)育黃鐵礦；上部(12-14層)淺灰、淺黃灰色薄層夾中厚層粘土巖，夾灰黑色、深灰色薄-中厚層炭質(zhì)粘土巖，頂部出現(xiàn)棕灰色中厚層粉砂巖。與下伏老堡組之間以硅質(zhì)巖結(jié)束、大套炭質(zhì)粘土巖出現(xiàn)劃界，二者為整合接觸。厚78.60 m。

變馬沖組(15-19層)：灰色、淺灰色為主少量淺黃色、灰綠色薄層粘土巖、粉砂質(zhì)粘土巖與粉砂巖不等厚韻律互層，以底部(15層)灰色、棕灰色中厚層至塊狀粉-細(xì)砂巖出現(xiàn)與下伏牛蹄塘組劃界，二者整合接觸。厚103.49 m。

3.2 樣品采集層位及特征

圖3 凝灰?guī)r樣品產(chǎn)出特征

經(jīng)貴州省地質(zhì)調(diào)查院測試鑒定中心薄片鑒定，樣品定名為全蝕變凝灰?guī)r，主要由火山碎屑和少量黃鐵礦組成。

圖4 凝灰?guī)r樣品薄片顯微特征

黃鐵礦：約占樣品總量3%。零散分布于樣品中。粒度<5.00 mm，自形-半自形-它形，粒狀。

4 分析方法與結(jié)果

4.1 分析方法

野外采集2 kg巖石樣品(編號V09-10B1)挑選鋯石，將鋯石隨機制靶，拋光至約三分之一的鋯石核心出露后進行陰極發(fā)光照相和LA-ICP-MS測試。陰極發(fā)光及LA-ICP-MS測試在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成。詳細(xì)流程和原理依據(jù)Hu et al.(2008)。采用ICPMSDatacal 7.2軟件處理測試數(shù)據(jù)(Liu et al.，2008)。加權(quán)平均年齡計算及諧和圖繪制采用Isoplot(3.70版)，同位素比值誤差為2σ，年齡采用n(206Pb)/n(238U)比值年齡，n(206Pb)/n(238U)年齡的平均值具有90%置信度。

4.2 鋯石形態(tài)及陰極發(fā)光結(jié)果

晶型較好的鋯石中，形態(tài)棱角分明，顯示為未經(jīng)過搬運的典型巖漿碎屑鋯石。

鋯石陰極發(fā)光：陰極發(fā)光圖像揭示5種內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖5)：(1)整體上具發(fā)育良好的巖漿振蕩環(huán)帶；(2)巖漿振蕩環(huán)帶或幔邊包裹具有均一或振蕩環(huán)帶的核；(3)具有扇形巖漿振蕩環(huán)；(4)無明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(5)具有云霧狀、斑雜狀或冷杉葉狀結(jié)構(gòu)。其中前3類代表巖漿成因鋯石，第5類應(yīng)為加里東期形成的變質(zhì)鋯石，而第4類在地幔巖石中的鋯石或者是變質(zhì)鋯石均有發(fā)育(吳元保，2004)。本文測年鋯石主要是第1類巖漿鋯石。

4.3 鋯石U-Pb年齡結(jié)果

圖5 V09-10B1樣品中鋯石形態(tài)特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)陰極發(fā)光圖像

表1 貴州銅仁瓦屋地區(qū)寒武紀(jì)牛蹄塘組中凝灰?guī)r鋯石LA-ICP-MS U-Pb 定年結(jié)果

續(xù)表

圖6 研究區(qū)牛蹄塘組凝灰?guī)r中鋯石測試數(shù)據(jù)諧和年齡圖(左)和加權(quán)平均年齡圖(右)

5 討論

5.1 關(guān)于牛蹄塘組地層的形成時代

本文研究樣品經(jīng)薄片鑒定為全蝕變凝灰?guī)r，呈層狀產(chǎn)于炭質(zhì)粘土巖之間，與上、下炭質(zhì)粘土巖之間接觸界面較平整，產(chǎn)狀一致；采樣剖面牛蹄塘組總厚度為78.60 m，采樣處距離老堡組與牛蹄塘組地層分界位置21.38 m，與牛蹄塘組“多元素富集層”的產(chǎn)出層位緊密相連。挑選樣品中鋯石形態(tài)及內(nèi)部陰極發(fā)光圖像、鋯石Th、U元素含量及比值特征主體顯示為巖漿成因的鋯石，開展U-Pb定年測試，鋯石年齡結(jié)果數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，數(shù)據(jù)圖解獲得的下交點年齡、主峰值年齡和加權(quán)平均年齡在誤差范圍內(nèi)十分吻合，顯示鋯石年齡數(shù)據(jù)非常可靠，能代表凝灰?guī)r的形成年齡。本文取鋯石的加權(quán)平均年齡546.3±4.3 Ma(MSWD=0.69，n=34)為凝灰?guī)r的形成年齡，該年齡也間接給出了牛蹄塘組底部地層的沉積年齡。該年齡與Chen等(2003)運用Pb-Pb淋濾法獲得的遵義中南和織金牛蹄塘組黑色頁巖的沉積年齡(531±24 Ma)在誤差范圍內(nèi)一致。與卓皆文等(2009)在銅仁壩黃震旦系老堡組頂部晶屑凝灰?guī)r中測得的鋯石U-Pb年齡556±5 Ma比較，與牛蹄塘組覆蓋于老堡組之上的地質(zhì)事實高度一致，年齡跨度也很合理。但與周明忠等(2008)年在遵義松林牛蹄塘組底部凝灰?guī)r中獲得的鋯石U-Pb年齡518±5 Ma存在較大區(qū)別，如若不存在樣品代表性和測試方式的問題，可能反映了地質(zhì)歷史時期區(qū)域上存在多幕次火山事件，但需要更加豐富的資料來綜合分析判斷。

5.2 關(guān)于牛蹄塘組“多元素富集層”的成因機制

毛景文等(2001)獲得遵義黃家灣鎳鉬鉑族元素礦石的Re-Os同位素等時線年齡541.3±16 Ma(2σ)，Jiang等(2003)在綜合前人數(shù)據(jù)后給出了牛蹄塘組鎳鉬硫化物的形成年齡為537±10 Ma，李勝榮等獲得湘黔地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系“多元素富集層”中Re-Os同位素年齡為542±11 Ma，這些年齡顯示華南早寒武世早期“多元素富集層”的成礦年齡為537±10 Ma～542±11Ma，與本文獲得牛蹄塘中下部凝灰?guī)r的年齡(546.3±4.3 Ma)在誤差范圍內(nèi)高度一致，暗示貴州牛蹄塘組“多元素富集層” 的成礦物質(zhì)來源可能與這期火山作用密切相關(guān)。火山作用帶來了深部的眾多金屬、非金屬以及稀有元素，這些元素通過熱液帶入水體中沉積，形成了多元素富集層。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為“多元素富集層”形成于缺氧環(huán)境，深部熱液提供了大量多金屬元素(李勝榮等，1995，2002；彭軍等，1999a，1999b；Steineret al.，2001；Jianget al.，2003；曹雙林等，2004；楊劍等，2005；楊興蓮等，2007，2008，2010)。魏懷瑞等(2006)通過對麻江羊跳、銅仁、遵義中南、遵義松林小竹、天柱大公塘剖面實地考察與地球化學(xué)分析，認(rèn)為貴州早寒武世牛蹄塘組黑色巖系也是形成于缺氧環(huán)境，熱水沉積為主導(dǎo)，同時受陸源強烈影響，是海水、生物和地球深部物質(zhì)共同作用下形成的。楊興蓮等(2007，2008)研究貴州丹寨南皋剖面牛蹄塘組的微量元素和稀土元素地球化學(xué)特征均表現(xiàn)出缺氧環(huán)境和明顯的多幕次熱水沉積巖的地球化學(xué)特征，與湘西三岔剖面和貴州遵義牛蹄塘組的地球化學(xué)特征(Steineret al.，2001)相似。多幕次熱水作用可能是區(qū)域上存在多期火山作用的表現(xiàn)，多幕次火山作用最終導(dǎo)致“多元素富層”的成礦作用。

6 結(jié)論

(1)本文選取貴州銅仁瓦屋地區(qū)寒武紀(jì)牛蹄塘組中下部的凝灰?guī)r為研究對象，采取鋯石U-Pb年代學(xué)方法，獲得凝灰?guī)r的形成年齡為546.3±4.3 Ma，約束了寒武紀(jì)中下部的地層形成時間。

(2)貴州寒武紀(jì)牛蹄塘組“多元素富集層”的成礦年齡與地層中凝灰?guī)r的年齡基本一致，顯示二者之間具有密切的關(guān)系，多幕次的火山作用形成多幕次的熱水作用，最終導(dǎo)致了“多元素富集層”的成礦作用。