北秦嶺二郎坪群抱樹坪組碎屑鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年及物源特征

歐偉程，李承東，張永清，趙利剛，許 騰，許雅雯，孫烜燁

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；4.中鋼集團(tuán)天津地質(zhì)研究院有限公司，天津 300061)

0 引 言

秦嶺造山帶是我國華北板塊和揚(yáng)子板塊的重要拼合帶，經(jīng)歷多次構(gòu)造作用，是我國重要的成礦帶，受到地學(xué)界的長期關(guān)注和廣泛研究[1-5]。張國偉院士提出多時期、多構(gòu)造體制的多種類型造山作用復(fù)合等觀點(diǎn)，構(gòu)建了秦嶺造山帶的基本格局[3-4]，而張本仁團(tuán)隊(duì)從地球化學(xué)特征的角度對東秦嶺構(gòu)造格局進(jìn)行了論述[5]。北秦嶺構(gòu)造帶為商南—丹鳳斷裂帶和洛南—欒川斷裂帶所夾部分，從北到南依次出露寬坪群、二郎坪群、秦嶺群及丹鳳群。二郎坪群作為北秦嶺構(gòu)造帶的主要巖石地層之一，劃分為大廟組、火神廟組、小寨組和抱樹坪組，但形成時代及構(gòu)造屬性一直存在爭議。前人根據(jù)放射蟲(Liosphaeridaein det.)和微古生物等，判斷二郎坪群形成于晚寒武世或者早—中泥盆世[6-10]。二郎坪群西莊河花崗閃長巖的侵入年齡為461 Ma，間接限制了地層的形成時代[11]。前人利用Rb-Sr法測定小寨組變質(zhì)砂巖得到(344±32)Ma的沉積年齡[12]，但該方法容易受后期構(gòu)造事件的影響，可信度較低。目前一般將二郎坪群歸屬于早古生代或者寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)[13-14]，構(gòu)造屬性為島弧或者弧后盆地。其中抱樹坪組鮮有年代學(xué)研究成果的報(bào)道，形成時限沒有定論。

本文對二郎坪群抱樹坪組變沉積巖進(jìn)行LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡測試，獲得最新一組鋯石年齡為420～440 Ma，限定其原巖的最老沉積時代。利用碎屑鋯石年齡譜系與鄰區(qū)地質(zhì)體進(jìn)行對比，探討沉積物的物源性質(zhì)及形成時的構(gòu)造環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

二郎坪群為一套變質(zhì)的沉積-火山巖系，北以瓦穴子—喬端韌性剪切帶與寬坪巖群相鄰，南以朱陽關(guān)—五里川—夏館韌性剪切帶與秦嶺雜巖接壤，是北秦嶺造山帶中復(fù)雜的變火成巖區(qū)域之一(圖1)。1973年河南省區(qū)測隊(duì)創(chuàng)名抱樹坪組，之后金守文在西峽地區(qū)建立二郎坪群，1981年河南區(qū)調(diào)隊(duì)將火神廟之上的抱樹坪組和小寨組合并統(tǒng)稱小寨組，屬于二郎坪群。現(xiàn)在二郎坪群被定義為一套早古生代淺變質(zhì)中基性火山巖夾碎屑巖及碳酸鹽巖系，從下到上劃分為大廟組、火神廟組、小寨組和抱樹坪組，時代歸屬于早古生代。

大廟組的主體為一套變質(zhì)碎屑巖—碳酸鹽巖的沉積建造，巖性主要為大理巖、硅質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)砂巖、細(xì)碧巖及石英角斑巖。地層的出露由西向東加寬，厚度增大，火山夾層增多?；鹕駨R組主要為一套基性火山巖建造，巖性以變細(xì)碧巖、斜長角閃巖和鈉長陽起片巖為主，夾中酸性變凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)熔巖、石英角斑巖、富含放射蟲變硅質(zhì)巖及正常沉積碎屑巖。小寨組的巖性主要為黑云石英片巖、絹云片巖、二云片巖，其下部夾含碳硅質(zhì)巖、變粒巖、變質(zhì)砂巖。抱樹坪組出露于二郎坪群的最南側(cè)，緊鄰朱陽關(guān)—夏館斷裂帶，地層整體向南傾，呈北西西向展布。該組受朱陽關(guān)—夏館斷裂帶的影響，內(nèi)部發(fā)育多條次級逆沖斷裂，導(dǎo)致地層重復(fù)或缺失。巖性主要為云母石英片巖、黑云斜長片巖及黑云陽起斜長變粒巖，夾大量的斜長角閃質(zhì)條帶，局部含石榴子石、透閃石、透輝石等變質(zhì)礦物?；鹕轿镔|(zhì)的含量從西向東逐漸減少，西部巖石以火山碎屑巖為主，向東出現(xiàn)熔巖并逐漸增厚[15]。

侵入巖主要有早古生代閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖及白堊紀(jì)二長花崗巖，長軸均呈北西向，分布于二郎坪地區(qū)。區(qū)域構(gòu)造線方向?yàn)楸蔽魑飨?，主要為朱陽關(guān)—夏館斷裂帶，位于二郎坪群南部的米坪、軍馬河、小水一帶，斷裂在早期為韌性斷裂，晚期轉(zhuǎn)為脆性(圖1)。

2 樣品和分析方法

2.1 樣品特征

樣品18P3TW2和18P3TW3均取自抱樹坪組，巖性分別為斜長黑云石英巖和含透輝黑云陽起斜長變粒巖(圖2，圖3)。在野外剖面路線上，抱樹坪組與南側(cè)秦嶺巖群雁嶺溝組呈斷層接觸(F1為朱陽關(guān)—夏館斷裂帶)。抱樹坪組地層整體向南傾，但由于后期逆沖斷裂的影響，層序并不連續(xù)，被F2斷裂分割的兩部分地層的新老關(guān)系也很難確定。F1與F2斷裂之間的巖性主要為硅質(zhì)板巖—石英巖—硅質(zhì)板巖，斷層附近的巖石出現(xiàn)糜棱巖化，缺少凝灰?guī)r或凝灰物質(zhì)的夾層。F2斷裂至后河村方向的巖性主要為含凝灰質(zhì)條帶硅質(zhì)板巖和含透輝黑云陽起斜長變粒巖，野外最顯著的特點(diǎn)是夾有凝灰?guī)r層(或較多凝灰物質(zhì))，風(fēng)化后出現(xiàn)凹凸相間的巖貌。這種凝灰物質(zhì)是二郎坪地區(qū)大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)(主要在奧陶紀(jì))的響應(yīng)。

18P3TW2的取樣點(diǎn)位置為北緯33°32′49″，東經(jīng)111°30′00″，巖性為斜長黑云石英巖(圖2A、C)，巖性均勻，無明顯的條帶或形變特征，原巖為砂巖或凝灰質(zhì)砂巖。巖石具鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，平行粒狀構(gòu)造，主要由石英、斜長石、黑云母和少量白云母組成，粒徑多小于0.5 mm，個別石英的粒徑達(dá)0.58 mm。副礦物有磁鐵礦、磷灰石、電氣石、鋯石。黑云母呈褐色片狀、鱗片狀，略具定向排列，含量為20%～25%，白云母含量少于5%，無色片狀。斜長石呈它形粒狀，有的具絹云母化、碳酸鹽化，含量約15%。石英呈它形、齒形粒狀，粒內(nèi)具有波狀消光和亞顆粒，有的仍保留次棱角—次圓狀砂粒外形，含量約60%。

18P3TW3的取樣點(diǎn)位置為北緯33°34′00″，東經(jīng)111°30′17″，巖性為含透輝黑云陽起斜長變粒巖(圖2 B、D)，含較多的凝灰物質(zhì)，原巖為火山-沉積碎屑巖類。巖石具鱗片狀、柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)，變余層理構(gòu)造和平行粒狀構(gòu)造，主要由石英、斜長石、黑云母、陽起石、透輝石和少量方解石、透閃石組成。黑云母呈褐色片狀、鱗片狀，具定向排列，相對集中成層分布，長0.02～0.2 mm，含量約15%。斜長石呈它形細(xì)小粒狀，成堆不均勻分布，部分被絹云母、方解石交代，粒徑0.01～0.1 mm，含量為25%～30%。石英呈它形、齒形粒狀，粒內(nèi)具有波狀消光和亞顆粒，粒徑0.01～0.32 mm，含量約為20%。陽起石呈淺綠色—綠色柱狀或纖柱狀，少量透閃石呈無色纖柱狀，有的呈束狀排列，有的被綠泥石、方解石交代，柱長0.03～0.65 mm，具定向排列，含量達(dá)25%～30%。

2.2 分析方法

鋯石單礦物挑選在河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所完成，鋯石制靶在北京鋯年領(lǐng)航有限公司完成，透反射顯微照相、陰極發(fā)光照相及LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測年均在天津地質(zhì)調(diào)查中心完成。LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測試使用美國Thermo Fisher公司制造的Neptune儀器，激光剝蝕取樣系統(tǒng)為New wave UP 193 nm激光器。用GJ-1作為外部鋯石年齡標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行U-Pb同位素分餾校正，相關(guān)程序采用Liu等ICP-MS-DataCal程序[16]和Ludwig的Isoplot程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[17]，應(yīng)用208Pb對普通鉛進(jìn)行校正，利用NIST610玻璃標(biāo)樣作為外標(biāo)計(jì)算鋯石樣品的U、Th、Pb含量，具體儀器的配置參考前人描述[18]。

3 分析結(jié)果

樣品18P3TW2中的碎屑鋯石陰極發(fā)光圖像(圖4)顯示鋯石粒度大小不一，呈柱狀，長度為45～200 μm，結(jié)晶環(huán)帶寬度稍寬且清晰，總體顯示巖漿鋯石特征。U、Th含量較高，二者最高可達(dá)1 347×10-6和3 137×10-6，Th/U比值整體偏高(0.19～4.00)。隨機(jī)選取鋯石進(jìn)行LA-MC-ICP-MS定年分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1和圖5。年齡小于1.0 Ga的鋯石取206Pb/238U年齡，大于1.0 Ga的鋯石取207Pb/206Pb年齡，共獲得100個數(shù)據(jù)，其3個表面年齡值在誤差范圍內(nèi)基本一致，僅少量測點(diǎn)年齡稍偏離諧和線。挑選在諧和度范圍(90%～110%)的鋯石并排除Pb丟失的異常數(shù)據(jù)(點(diǎn)號為7、19、34、59、64、71、72、78、83、87、99，共11個)，共89個有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。鋯石的有效年齡分布范圍為493～3 223 Ma，其中900～1 000 Ma為鋯石的主要年齡段，鋯石數(shù)量為9個。次要年齡段為700～800 Ma、1 100～1 200 Ma、1 500～1 600 Ma、1 700～1 900 Ma、2 400～2 700 Ma的鋯石數(shù)量分別為6、6、5、9和19個。此外有6個年齡值在3 000 Ma以上，范圍在3 095～3 223 Ma，較年輕的一組鋯石年齡為493～972 Ma。

樣品18P3TW3的碎屑鋯石陰極發(fā)光圖像(圖4)粒度大小各異，長度為50～150 μm，見清晰密集的結(jié)晶環(huán)帶，寬度略窄，顯示為巖漿鋯石特征，Th/U比值高(0.78～1.09)。對鋯石隨機(jī)選取進(jìn)行LA-MC-ICP-MS定年分析，得到100個數(shù)據(jù)(表1，圖5)，3個表面年齡值在誤差范圍內(nèi)基本一致，排除Pb丟失所造成的稍偏離諧和線的測點(diǎn)年齡(點(diǎn)號61、65、77，共3個)，共97個有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。其有效的諧和年齡值應(yīng)代表碎屑鋯石的真實(shí)結(jié)晶年齡，介于420～1 863 Ma，年齡最小值為(420±4)Ma。鋯石的年齡值以400～500 Ma為主，數(shù)量共69個，其余的鋯石年齡集中在800～1 000 Ma、1 100～1 500 Ma、1 600～1 700 Ma及大于1 800 Ma，數(shù)量分別為6、11、5和2個。鋯石年齡400～500 Ma又可細(xì)分出420～440 Ma、450～460 Ma、470～500 Ma 3個年齡段，其中420～440 Ma的碎屑鋯石共27個，約占本樣品總數(shù)的27.8%，是2個樣品中最年輕的一組鋯石。450～460 Ma和470～500 Ma的鋯石數(shù)量分別為25個和17個，占25.8%和17.5%。

表1 鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb測年分析結(jié)果

4 討 論

4.1 抱樹坪組物源追溯及意義

為了追溯抱樹坪組鋯石的源區(qū)，將可能為源區(qū)的巖漿巖及地層所獲得的鋯石年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照不同構(gòu)造單元進(jìn)行分組(圖6)，鋯石年齡的組成呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。在圖6中，由上至下分為3組：第一組華北陸塊南緣，在1 600～1 900 Ma具有明顯峰值，1 300～1 500 Ma、2 000～2 600 Ma有較多的巖漿記錄，800～1 000 Ma和>2 800 Ma也有少量巖漿記錄；第二組為朱夏斷裂帶和欒川斷裂帶之間的地質(zhì)體，主要為寬坪群、二郎坪群及其早古生代侵入巖，顯示400～500 Ma的單年齡峰值及少量800～1 000 Ma的巖漿記錄，少見中—新元古代的巖漿記錄；第三組為秦嶺微陸塊，主要包括秦嶺巖群、丹鳳群及其中的侵入巖，年齡統(tǒng)計(jì)值的主峰為900～1 000 Ma，此外還有400～500 Ma、600～800 Ma、1 100～1 900 Ma等巖漿記錄。

本文的2個采樣點(diǎn)雖位置接近，但鋯石年齡的有效數(shù)據(jù)組成差異大(圖6)。18P3TW2中鋯石年齡譜具有多個峰值，表明存在多個物源區(qū)，同時也缺乏了400～500 Ma的巖漿鋯石。18P3TW3中鋯石年齡譜組成簡單，具有單峰值特征。18P3TW2中鋯石年齡譜的主峰為900～1 000 Ma，此外還有700～800 Ma、1 100～1 200 Ma、1 500～1 600 Ma、1 700～1 900 Ma、2 400～2 700 Ma和>3 000 Ma等多個峰。18P3TW3的鋯石年齡主峰為400～500 Ma，極少量鋯石的年齡為800～1 000 Ma、1 200～1 500 Ma和>1 800 Ma，2個樣品的具體物源分析如下。

18P3TW2中年齡在700～1 500 Ma的碎屑鋯石可能來自南側(cè)的秦嶺微陸塊及北側(cè)的寬坪群。二郎坪群南側(cè)秦嶺微陸塊發(fā)育中—新元古代花崗巖，如清油河退變榴輝巖的原巖形成于(655±9)Ma，松樹溝長英質(zhì)片麻巖的原巖形成時代上限為(832±25)Ma，西峽北榴閃巖的原巖形成于(843±7)Ma，而侵入秦嶺巖群的德河黑云母二長花崗巖、蔡凹及牛角山花崗巖等形成年齡為900～960 Ma[45-48]。秦嶺巖群中雁嶺溝組和郭莊組變沉積巖中碎屑鋯石(巖漿鋯石)年齡譜的主峰值為900～1 000 Ma，還存在1 340～1 830 Ma及2 300～2 500 Ma的年齡峰值[49]，北側(cè)的寬坪群廣東坪組綠片巖的形成時間為(943±6)Ma[50]。樣品中1 600～2 000 Ma的碎屑鋯石可能與華北克拉通在中元古代發(fā)生多期巖漿事件[51]有關(guān)，熊耳群中次火山巖、英安巖和基性巖墻及龍王石童堿性花崗巖等巖體形成于1 600～1 800 Ma[52-57]，洛峪口組的凝灰?guī)r形成于長城紀(jì)晚期[58]。華北克拉通廣泛發(fā)育2.7～2.9 Ga的巖漿活動[59]，北側(cè)中條山、小秦嶺、登封地區(qū)發(fā)育新太古代—古元古代侵入體[60-62]，年齡介于1 800～2 800 Ma。前人在西秦嶺的碎屑沉積物中獲得了730～930 Ma的鋯石年齡，推測物源區(qū)可能為秦嶺造山帶或揚(yáng)子克拉通，同時在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)的碎屑沉積巖中還發(fā)現(xiàn)了大量來自華北克拉通南緣的鋯石，年齡在2 500 Ma左右[70]。樣品中年齡為1 600～1 800 Ma、2 400～2 800 Ma和>3 000 Ma的鋯石主體可能源自北側(cè)的華北陸塊。18P3TW2的鋯石來自北側(cè)的華北陸塊南緣、朱夏斷裂帶和欒川斷裂帶之間的地質(zhì)體及南側(cè)的秦嶺微陸塊，具有多源性。

樣品18P3TW3中400～500 Ma年齡峰值的鋯石可能來源于北秦嶺地區(qū)的島弧侵入巖、火山巖或同時代爆發(fā)的凝灰物質(zhì)。草灘溝群火山巖年齡集中在400～500 Ma[63]，北秦嶺孤山坪基性輝長巖及西莊河巖體、板山坪巖體、南召巖體、看風(fēng)溝巖體等形成于440～496 Ma[11,64-66]。此外南側(cè)丹鳳蛇綠巖及玻安巖中獲得500～534 Ma的形成年齡[67]，北側(cè)寬坪群謝灣巖組和四岔口巖組的變質(zhì)沉積巖出現(xiàn)400～500 Ma、1 800～2 000 Ma及2 500 Ma的年齡譜峰值[68]。早古生代秦嶺造山帶存在3個階段花崗質(zhì)巖石年齡為470～507 Ma、422～460 Ma、400～415 Ma，如漂池巖體與灰池子巖體等分布在抱樹坪組的南北兩側(cè)[69]。18P3TW3中年齡分布在800～1 000 Ma、1 200～1 500 Ma和>1 800 Ma的鋯石與18P3TW2中相同年齡的鋯石具有相同的物源區(qū)。綜上所述，18P3TW3的鋯石主要來自二郎坪巖漿弧及同時代的火山爆發(fā)物質(zhì)，少量來自南側(cè)的秦嶺微陸塊及北側(cè)的華北陸塊，具有雙源性。

4.2 抱樹坪組的構(gòu)造環(huán)境與形成時代討論

北秦嶺造山帶以商丹斷裂為俯沖帶，北秦嶺微陸塊為活動大陸邊緣的構(gòu)造格局已得到多數(shù)人的認(rèn)可[3-4,23,71]。二郎坪出現(xiàn)弧后擴(kuò)張構(gòu)造背景的E-MORB型及島弧巖漿巖組合，主要形成于奧陶紀(jì)商丹洋向北俯沖所產(chǎn)生的弧后盆地[72]，該區(qū)域的其他研究也證實(shí)了二郎坪地區(qū)存在弧后盆地這一觀點(diǎn)[3-4,73-74]。

利用鋯石的組成特征、物源區(qū)與盆地的時空聯(lián)系，反推構(gòu)造環(huán)境的方法是有效的[75]。18P3TW2所處的盆地接受的鋯石多來自周圍較老的地體，缺乏北秦嶺早古生代巖漿記錄，鋯石的結(jié)晶年齡與沉積年齡相差較大，推測為早期拉張形成的初始盆地。18P3TW3的鋯石年齡譜組成簡單，表現(xiàn)為單峰值，地層經(jīng)歷了北秦嶺地區(qū)早古生代的巖漿活動，鋯石的結(jié)晶年齡與沉積年齡相近，具有巖漿弧環(huán)境的特征。結(jié)合區(qū)域研究進(jìn)展，推測18P3TW3所處的盆地為弧后盆地。

二郎坪群分布在瓦穴子—喬端韌性剪切帶與朱陽關(guān)—五里川—夏館韌性剪切帶之間，群內(nèi)各組之間為整合接觸[13]。據(jù)群內(nèi)發(fā)現(xiàn)的放射蟲、海綿骨針、Actinoceras等動植物化石，前人將其時代歸屬為早古生代[6-7,9]。在軍馬河、灣潭和湍河地區(qū)火神廟組的基性火山巖中獲得463～475 Ma的形成年齡，為二郎坪群歸屬于早古生代提供了年代學(xué)支撐[14]。根據(jù)抱樹坪組整合于小寨組(歸屬志留紀(jì))之上，將抱樹坪組時代歸屬于志留紀(jì)[13]，但缺乏時代依據(jù)。前人通過研究區(qū)內(nèi)地層整體向南傾的特征，認(rèn)為地層形成時代從南到北依次變老。但據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2個樣品所代表的地層之間存在逆沖斷層(圖3)，同時南側(cè)的18P3TW2獲得的鋯石年齡整體比北側(cè)的18P3TW3要老，最年輕一組鋯石年齡為547～972 Ma，表明在547 Ma以后沉積，又因缺乏400～500 Ma的鋯石年齡峰值，而這個時期正是二郎坪火山活動大爆發(fā)時期，所以沉積時代不會早于500 Ma，主體形成時代可能在寒武紀(jì)?？傊?，樣品18P3TW2鋯石的沉積年齡與結(jié)晶年齡相差較大，缺乏二郎坪主體的巖漿鋯石，推測形成于盆地初始時期，故18P3TW3的鋯石年齡才能代表抱樹坪組的主體沉積時代。18P3TW3中獲得抱樹坪組最小的鋯石年齡組為420～440 Ma，共27個數(shù)據(jù)，鋯石具有典型的巖漿鋯石特征，其特征表明絕大多數(shù)來自中酸性侵入巖的剝蝕或者爆發(fā)空落的中酸性凝灰物質(zhì)，推測抱樹坪組的主體沉積時代在奧陶紀(jì)—志留紀(jì)。綜上所述，由于2個樣品碎屑鋯石年齡譜的巨大差異，代表的構(gòu)造環(huán)境完全不同，且野外二者為斷層接觸，表明它們根本不屬于同一套地層。18P3TW2所代表的地層形成時間較早，而18P3TW3所代表的地層形成時間較晚。根據(jù)區(qū)域地層的發(fā)育特征，18P3TW3的鋯石年齡譜可以代表抱樹坪組的主體沉積時代。

5 結(jié) 論

(1)通過對二郎坪群抱樹坪組的斜長黑云石英巖和含透輝黑云陽起斜長變粒巖進(jìn)行LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb測年，樣品18P3TW2與18P3TW3的鋯石年齡譜的特征完全不同，前者為多源的初始盆地沉積，形成時代較早；后者為單峰年齡譜，形成于弧后盆地環(huán)境，形成時代晚，且野外二者為斷層接觸，表明它們不是同一套地層。根據(jù)區(qū)域特征，18P3TW3所代表的地層應(yīng)歸屬抱樹坪組，而18P3TW2所代表的地層不屬于抱樹坪組。

(2)樣品18P3TW3獲得的最年輕一組碎屑鋯石年齡為420～440 Ma，揭示抱樹坪組主體沉積時間為420～440 Ma，形成于奧陶紀(jì)—志留紀(jì)，最年輕的地層可延續(xù)到早泥盆世。

(3)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景資料分析，抱樹坪組碎屑的物源主要來自二郎坪巖漿弧，部分來自南側(cè)秦嶺微陸塊及北側(cè)華北陸塊，具有雙源性，其形成的構(gòu)造背景可能為早古生代商丹洋向北俯沖形成的弧后盆地。