碎屑鋯石U?Pb定年地層劃分對比應用探討

關鍵詞 前寒武紀；碎屑鋯石；U-Pb定年；梵凈山群；地層對比

第一作者簡介 代雅然，女，1991年出生，碩士研究生，高級工程師，前寒武紀地質調查及研究，E-mail： 1127390989@qq.com

通信作者 陳建書，男，研究員，E-mail： chenjianshu@yeah.net

中圖分類號 P597 文獻標志碼 A

0引言

顯生宙地層劃分對比方法有巖石地層、層序地層、年代地層、旋回地層、生物地層、化學地層和磁性地層等。巖石地層是地層學的基礎，是自然第一性的；層序地層是由不整合面及其相對應的整合面劃分內部相對統(tǒng)一且成因有關聯(lián)的地層層序[1]；年代地層界線通過全球標準層型剖面和點確定；旋回地層是識別地層中的米蘭科維奇旋回信號確定各地質事件發(fā)生的時代和持續(xù)時間[2?3]；生物地層依據關鍵屬種的初次或末次出現(xiàn)作為地層劃分的依據[4]；化學地層是利用巖層中化學元素、化合物及元素比值的含量分布和變化規(guī)律建立地層框架[5]；磁性地層是基于地球磁場倒轉的全球等時性建立年代地層框架[6?7]。目前已經建立起了全球標準層型剖面，為全球地層對比提供標準。

前寒武紀地層是地球演化歷史中極為重要的組成部分，蘊藏地球歷史近90%的發(fā)展演化信息，包含最老的巖石、地層、構造演化及重要礦產資源，其沉積厚度大、無生物化石（啞地層）、形成時代久遠且地質構造復雜，一直是地質界研究較為薄弱的部分，但前寒武紀地質演化時間漫長，在地質歷史中具特殊而重要的地位，因此一直是地質學家們關注與研究的重點。20世紀80年代初國際地層委員會曾專門研究國際晚前寒武紀地層對比方法的有效性，然后又設計了“疊層”“冰漬礫巖”等專題研究。然而，巖石地層因形成環(huán)境的異同、縱橫向展布的差異及穿時性，加之多期構造—巖漿事件的改造，使地層記錄表現(xiàn)為多樣而復雜，導致在地層單位劃分對比與地層序列建立時出現(xiàn)偏差甚至錯誤。

旋回地層在前寒武紀地層中的應用目前處于初級階段，至今尚未取得高質量的研究成果[8]。前寒武紀地層生物化石記錄異常稀少，種類低級且單一，演化替代速度慢，很難利用標準生物化石來準確界定地層單位[9]。中新元古代化學地層的研究程度低，已有地球化學數據極少，而且已建立化學地層的區(qū)域分辨率也不高[10]。磁性地層主要針對連續(xù)沉積的地層序列，對于經過長時間各種地質作用改造且非連續(xù)沉積的地層會有干擾[11]。2004年3月國際地層委員會確定了前寒武紀地層中唯一一個全球標準層型剖面，位于埃迪卡拉紀底部，年齡為635 Ma[12]。有人認為前寒武紀地層界線的標定應以全球層型剖面為依據[13]，但是全球標準層型剖面的概念和方法以生物演化記錄為核心，在前寒武紀階段基本無法滿足建立標準，如果沿用原有的方法，很可能存在巨大的缺陷和風險[14]。上述方法均有局限性，而同位素年代學研究是目前進行前寒武紀啞地層劃分對比最有效的方法。

近年來，鋯石U-Pb定年技術被廣泛應用于年代學研究中，為華南大陸前寒武紀地層提供了大量精確的年齡數據[15?24]，研究主要聚焦在火山（碎屑）巖對沉積年齡的限定，以及巖漿巖對最小沉積年齡的限定，從而對地層進行區(qū)域劃分對比[25]。由于前寒武紀地層標志層相對缺少，變形程度普遍較強，加上火山巖通常是零星出露，接觸關系不明，在缺乏其他因素制約的情況下，很難做到更細致的地層劃分對比與客觀地層序列的建立。有研究表明，即便是酸性巖的鋯石U-Pb 年齡也可能不能精確代表其侵位年齡[26]，針對火山灰所獲得的鋯石諧和年齡，也可能存在得到小于地層沉積時代的特殊情況[27]。因此，地層年代學研究應該充分建立在明晰的野外接觸關系之上，而這個要求對于變質變形復雜的前寒武紀地層來說，又是較為困難的。重要的是，碎屑鋯石U-Pb定年為前寒武紀地層年代學研究提供了另一個對比證據[28?30]，鋯石年齡圖譜越相似，說明經歷的構造巖漿事件相似，其關系就越近[31?35]。通過對相互接觸的層位開展碎屑鋯石特征及U-Pb年齡對比，能夠充分考慮地質體的野外接觸關系和地層的形成時代；碎屑鋯石研究所需的大量數據，能夠有效地將定年方法中的特殊異常所稀釋，為前寒武紀地層的劃分對比及序列的確定提供多元信息與方法手段。

目前華南大陸江南造山帶內新元古代中期地層在群的劃分和橫向上的對比基本無異議，均以武陵造山運動形成的區(qū)域性角度不整合面為界，結合高精度巖漿鋯石U-Pb定年，將不整合面之下的褶皺基底和不整合面之上的沉積蓋層劃分為兩個群，如浙西地區(qū)劃分為雙溪塢群和河上鎮(zhèn)群、皖南地區(qū)劃分為溪口群和歷口群、贛西北地區(qū)劃分為雙橋山群和登山群、湘西北地區(qū)劃分為冷家溪群和下江群、黔東北地區(qū)劃分為梵凈山群和板溪群、桂北地區(qū)劃分為四堡群和丹州群[16?17，36?42]。在褶皺基底內部的劃分中，又以其中部廣泛發(fā)育的鈣堿性枕狀熔巖[43]作為標志層進行組級地層單位的劃分。例如，桂北地區(qū)四堡群中將枕狀熔巖出現(xiàn)的層位劃分為文通組，枕狀熔巖之上地層為魚西組，其下為九小組；而相鄰的湖南省和貴州省卻將枕狀熔巖上下的地層劃分了多個組，例如黔東北地區(qū)將梵凈山群枕狀熔巖產出層位回香坪組劃為中部序列，其上部序列劃分為銅廠、洼溪和獨巖塘三個組，下部序列劃分為淘金河、余家溝和肖家河三個組。由于組級巖石地層單位區(qū)域性劃分對比的顯著標志層相對缺乏，加之巖石變形程度較強，與周圍地層的接觸關系也存在多種類型，導致相當的群內組、段的精細劃分對比較困難，給地層序列的客觀建立帶來干擾甚或錯誤。例如，皖南地區(qū)有學者將武陵（皖南）造山運動角度不整合面之下地層劃分為盆地邊緣環(huán)境的上溪群和盆地中心環(huán)境的溪口群，二者在時代上可對比，屬于同時異相地層，認為其物源為下伏井潭組。溪口群底部由下至上為漳前組、板橋組、木坑組和牛屋組[44?45]；但也有學者認為溪口群底部地層應該倒置[46]。滇東昆陽群“倒八”與“正八”及昆陽群與東川群的劃分對比[47]，湖北神農架地區(qū)神農架群與馬槽園群及內部組段的劃分對比[48]等，均存在地層劃分對比的不客觀與地層序列建立的錯誤。

基于上述問題，選取梵凈山群最古老的淘金河組砂巖作為研究對象，對淘金河組進行碎屑鋯石UPb年代學研究，利用鋯石的顯微結構和微量元素特征對鋯石的形成環(huán)境進行限定，客觀解釋不同地層所具有的不同年齡組合[49]。將梵凈山群不同層位的鋯石年齡圖譜進行對比，分析物源，限定地層格架，再通過鋯石年齡圖譜進行多維定標分析，實現(xiàn)多個樣品間的定量對比，直觀地表現(xiàn)出各層位之間的相似度，以提升地層劃分對比與客觀地層序列確定的客觀性，為華南前寒武紀地層對比提供重要的實踐案例。

1地質概況

江南造山帶位于揚子地塊和華夏地塊之間（圖1）[50?51]，在835～820 Ma[52]碰撞形成華南大陸，經浙、皖、贛、湘、黔、桂等省區(qū)，長約1 500 km，寬約120km[53]。造山帶內新元古代地層由中新元古代淺變質巖系及巖漿巖組成，被一區(qū)域性角度不整合面分開，該不整合構造事件稱為武陵造山運動[54]。下伏基底序列為雙溪塢群、溪口群、雙橋山群、冷家溪群、梵凈山群和四堡群，形成于870～825 Ma[52]，以變質砂巖、粉砂巖、板巖和千枚巖為主；上覆蓋層序列為河上鎮(zhèn)群、歷口群、登山群、下江群、板溪群和丹洲群[55?60]，形成于820～716 Ma[61?62]，由變質礫巖、砂巖、泥灰?guī)r和少量碳酸鹽巖組成。根據新元古代火成巖的成分和分布，把江南造山帶分為東北段、中段和西南段三段[61]，東北段以變質火山巖為主，中段和西南段以變質碎屑巖為主。巖漿活動主要有基性火山巖、堿性火山巖、凝灰?guī)r、基性—超基性侵入巖以及I型、S型和A型花崗巖組合，這些巖石大多分布于武陵造山運動角度不整合面下的梵凈山群和其上的板溪群及相當地層序列中，年齡范圍約1 000 Ma（以贛東北蛇綠巖為代表[63?64]）至715 Ma（以丹州群頂部凝灰?guī)r為代表[62]），大多數年齡集中在850～760 Ma[65?67]。

梵凈山群出露于新元古代江南造山帶西南段的梵凈山地區(qū)，面積約270 km2，位于大型穹狀背斜核部，未見底，上覆地層為板溪群，其間為武陵造山角度不整合面分隔，梵凈山群為一套淺變質陸源碎屑巖夾火山巖，發(fā)育武陵構造旋回期基性—超基性巖、酸性白云母花崗斑巖及脈狀花崗偉晶巖[68]。在黔東北地區(qū)，20世紀60年代將震旦系南沱組冰磧層（現(xiàn)今南華系）以下淺變質巖系統(tǒng)稱為板溪群，以武陵造山運動角度不整合面為界分成上板溪群和下板溪群兩個亞群[69]；70年代開展梵凈山區(qū)5萬區(qū)調后認為部分巖層倒轉產狀未查明，結合湖南省、廣西壯族自治區(qū)等區(qū)域新的資料成果，認為上板溪群和下板溪群兩套巖層應劃分為梵凈山群和板溪群更為合適，并將梵凈山群劃分為7個組、板溪群劃分為4個組，沿用至今[15?17，52，68，70?72]。因未見底的梵凈山群經歷了多期構造—巖漿事件，構造變形極為復雜，地層出露不連續(xù)，雖然實測了13條地層剖面（圖1c），并按地層巖性特征劃分對比建立了地層序列，但部分組級地層序列仍缺乏客觀的建立依據，給地層及盆地演化研究帶來困惑。已有資料成果將梵凈山群自下而上分為：淘金河組、余家溝組、肖家河組、回香坪組、銅廠組、洼溪組、獨巖塘組[68，70]，年齡介于870～720 Ma[52]，劃歸新元古界拉伸（青白口）系。其下部四個組巖性為淺變質砂泥巖、火山碎屑巖與細碧—石英角斑巖、席狀基性—超基性巖不定比互層，厚度大于6 200 m；其上部三組巖性為淺變質砂泥巖夾火山碎屑巖，殘留厚度大于3 200 m。梵凈山地區(qū)經歷了武陵、廣西（加里東）、印支、燕山和喜山等多期造山運動的疊加與改造影響，呈北東向構造穹窿狀展布，發(fā)育南北向及北東向斷裂，使地層出露不連續(xù)，局部出現(xiàn)地層倒轉，構造形跡極為復雜（圖1）[70]。主要巖漿活動有兩期，第一期為花崗巖（850 Ma）、玄武巖（840 Ma）、白云母花崗巖（834 Ma）、基性—超基性（831 Ma）演化時序，第二期是武陵運動之后的基性—超基性（814～805 Ma）巖漿活動[15]。

2樣品與方法

2.1樣品特征

本次采集10 kg新鮮巖石樣品（編號TJH）用于巖礦鑒定及年代學研究，采樣位置在梵凈山地區(qū)桃樹林一帶（27.991 905° N，108.689 145° E）。顯微觀察顯示TJH樣品為變質細粒巖屑砂巖，變余細粒砂狀結構，塊狀構造，巖石為發(fā)生淺變質的細粒長石砂巖，主要由碎屑顆粒和填隙物組成，碎屑顆粒主要為石英、長石和巖屑，碎屑顆粒多呈次棱角至次圓狀，大小一般為0.06～0.25 mm（圖2），分選性一般。填隙物主要為云母、硅質和鐵質，云母主要為絹云母和白云母，絹云母呈鱗片狀，片徑小于0.05 mm，白云母呈半自形片狀，片徑0.05～0.20 mm，硅質主要為微晶或隱晶的細小石英顆粒狀集合體，多呈填隙狀分布，鐵質主要為黑色鐵質，粒徑0.01～0.50 mm不等，多呈不規(guī)則狀，零星分布或呈填隙狀分布。TJH樣品中包含石英（50%～55%）、長石（2%～4%）、巖屑（5%～8%）。

2.2分析方法

TJH樣品的鋯石制靶、透射光、反射光和陰極發(fā)光圖像均在廊坊市宏信地質勘查技術服務有限公司完成，首先機械粉碎塊狀樣品，進行磁選及重力分選，然后在雙目顯微鏡下按隨機原則挑選鋯石至玻璃板，灌入環(huán)氧樹脂，制靶完成后進行透射光、反射光以及CL圖像拍攝，U-Pb年代學測試分析。U-Pb年代學分析在中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室進行，激光剝蝕電感耦合等離子質譜儀（Laser Ablation Inductively Coupled PlasmaMass Spectromery，LA-ICP-MS）由Coherent 193 nm 準分子激光剝蝕系統(tǒng)和Agilent7700x電感耦合等離子質譜儀構成，剝蝕物質載氣為氦氣，空白信號20 s、樣品信號50 s，激光束斑直徑為32 μm，采用91500作為外標進行校正，每10個測點加測兩次91500。采用ICP MS DataCal 軟件對實驗數據進行處理[73]，采用Isoplot[74]軟件完成鋯石U-Pb年齡諧和圖的繪制。在年齡選取時，小于1000 Ma的鋯石采用²⁰⁶Pb/²³⁸U的年齡；大于1000 Ma的鋯石采用²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb的年齡[75]。

3結果與討論

3.1結果

鋯石長度為70～220 μm，形狀不規(guī)則，棱角清晰，以自形—半自形、長—短柱狀為主。在陰極發(fā)光圖像中，絕大部分鋯石具密集振蕩環(huán)帶，顯示源自酸性火成巖鋯石結構特征。結合沉積巖碎屑物特點，推測鋯石僅經歷短距離搬運（圖3）。TJH樣品共分析測試點103個（圖3），其中有99個測點的U-Pb年齡在諧和線上，不存在明顯的鉛丟失現(xiàn)象，鋯石Th含量介于43×10^-6～1 315×10^-6，平均值為259×10^-6；U含量介于94×10^-6～2 661×10^-6，平均值為624×10^-6；Th/U 比值介于0.12～1.42，平均值為0.46，顯示巖漿鋯石特征（圖4）[76?77]。源巖為超鎂鐵質、鎂鐵質、中性巖和含石英中性長英質巖。鋯石年齡介于2605～791Ma，其中，68顆新元古代鋯石介于982～791Ma，占68.7%；6顆中元古代鋯石介于1 569～1032Ma，占6.1%；22顆古元古代鋯石介于2494～1654 Ma，占22.2%；3顆太古代鋯石介于2 605～2510Ma，占3.0%。碎屑鋯石U-Pb 年齡圖譜（圖5）表現(xiàn)出一個主要峰值875 Ma，另外少部分鋯石表現(xiàn)出1862 Ma和2513 Ma兩個次要峰值。

3.2討論

3.2.1梵凈山群地層劃分對比

梵凈山地區(qū)經歷了多期次構造運動的疊加與改造，武陵造山運動使梵凈山群褶皺斷裂隆升接受剝蝕，廣西造山運動使梵凈山地區(qū)又一次褶皺斷裂隆升接受剝蝕，缺失中晚志留紀、泥盆紀及石炭紀地層，印支運動結束研究區(qū)海相沉積歷程，燕山運動使早白堊紀地層褶皺斷裂、并再一次對早期地質構造形跡進行改造與疊加，使梵凈山群反映的地質構造特征極為復雜，故而對地層序列的客觀建立帶來不確定性與困難。

因多期次褶皺斷裂改造與破壞，梵凈山群目前建立的地層序列由實測的13條主干地層剖面（圖1c）[50?51]結合路線、淺表工程及鉆探資料，按大致粗略的巖石地層、巖石顏色特征劃分對比建立，并確立了淘金河組為梵凈山群出露最老的地層。建立巖石地層序列所測剖面均不是連續(xù)的，巖石層的建立僅依靠實測剖面的分析來劃分對比，由地層“標志層”相銜接，或是根據巖性對比而得，導致地層組、段的劃分與對比缺乏客觀實證的地質依據，可能存在偏差甚至錯誤。淘金河組巖性為淺變質砂泥巖、火山碎屑凝灰?guī)r夾3套席狀基性—超基性巖；余家溝組下部巖性為淺變質砂泥巖夾火山碎屑凝灰?guī)r，上部巖性為不等比互層的席狀基性—超基性巖與變質砂泥巖夾火山碎屑凝灰?guī)r；肖家河組巖性為淺變質砂泥巖夾火山碎屑凝灰?guī)r及3～6套席狀基性—超基性巖。淘金河組與余家溝組的劃分在淘金河剖面（1號，圖1c）[50?51]上以灰、深灰色與灰色淺變質砂巖分界，在大羅（2號，圖1c）[50?51]、保慶堂（13號，圖1c）[50?51]剖面上以深灰色粉砂質綠泥絹云板巖與灰色鈣質絹云板巖分界；余家溝組與肖家河組在大尖峰剖面（4 號，圖1c）[50?51]上以余家溝組頂部塊狀變質輝綠巖、肖家河組底部絹云板巖分界，在肖家河剖面（7號，圖1c）[50?51]上以余家溝組頂部絹云角閃石石英巖夾絹云板巖、肖家河組底部含砂質絹云板巖夾變余砂巖分界。三者巖性均為淺變質砂泥巖、火山碎屑凝灰?guī)r與席狀基性—超基性巖組合，三者的劃分主要依據接觸界面處顏色不同或席狀輝綠巖與板巖而確立[68，70，80?81]。本次取樣于“淘金河組”的樣品表現(xiàn)出與肖家河組相似的物源特征和構造背景[52，72]，地層的年齡數據與已建立的地層序列不符，反映以前的地層劃分對比可能有誤，或梵凈山群中出露最老的地層可能不是淘金河組而是余家溝組。

3.2.2碎屑鋯石綜合對比分析

根據筆者團隊之前的研究成果[52，72]，梵凈山群余家溝組物源為揚子板塊西南緣的大紅山群及相當層位，沉積余家溝組時盆地處于伸展背景?！疤越鸷咏M”作為余家溝組的下伏地層，無論是物源還是構造背景均應該表現(xiàn)出比上覆地層更老或者類似的特征，然而本次碎屑鋯石年代學研究和地球化學數據分析得到的結果卻與之矛盾，所以桃樹林一帶“淘金河組”并非是梵凈山群最老地層。理由如下：（1）“淘金河組”鋯石顆粒棱角清晰，磨圓度差（圖3），說明鋯石顆粒只是經過短距離搬運，余家溝組鋯石顆粒多呈橢圓形，部分呈次圓狀[52，72]，指示鋯石經歷了長距離搬運。（2）“淘金河組”碎屑鋯石U-Pb 年齡圖譜（圖5a）表現(xiàn)出三個峰值：875 Ma、1 862 Ma和2 513 Ma，其上覆地層余家溝組（圖5b）[52]顯示出兩個明顯的年齡峰值1 845 Ma和2 325 Ma，前者最大沉積年齡[82]比上覆余家溝組年輕。（3）“淘金河組”鋯石U/Nb值范圍是25～700（圖6a）[83]，1顆地幔源鋯石，98顆弧源鋯石，用U/Yb值與Hf進行對比（圖7a）[83]，鋯石全部在陸源范圍內，Sc（平均值385.1×10^-6）和Sc/Yb值（平均1.1；圖6b、圖7c）[83]同樣顯示出島弧巖漿特征。另一方面，鋯石表現(xiàn)出較高U/Nb 值（圖6a）[81]、Sc/Yb 值（圖6b）[83]和U/Yb 值（圖7b）[83]，相對低的Nb/Yb 值，且U/Nbgt;20（圖7b）[83]，說明鋯石在俯沖環(huán)境中形成[83?84]。也就是說“淘金河組”沉積于匯聚背景，而余家溝組沉積于伸展背景[52，72]。（4）根據鋯石微量元素源巖鑒別方式分析[85]得出“淘金河組”碎屑鋯石57.0%來自花崗巖，41.0%來自輝綠巖，1.0%來自正長巖/二長巖，1.0%來自玄武巖（圖8b），鋯石源巖與余家溝組（圖8c）不同，物質源區(qū)不同。上述證據充分證明桃樹林附近地層倒轉情況未查明，以前的地層劃分可能有誤，梵凈山桃樹林一帶出露最老地層可能為余家溝組。

將“淘金河組”碎屑鋯石年齡圖譜與梵凈山群其他地層進行對比（圖5）[52，78?79]，發(fā)現(xiàn)“淘金河組”與余家溝組上覆地層肖家河組相似。年齡峰值均顯示由大量870 Ma左右的鋯石與少量1 800 Ma和2 500 Ma左右的古老鋯石組成（圖5a，c）[78?79]。通過多維定標分析“淘金河組”表現(xiàn)出與回香坪組最為相似，與獨巖塘組為次相似，而回香坪組與銅廠組最為相似，與肖家河組為次相似（圖8a）?；叵闫航M中賦存玄武巖，厚可逾數百米，延長幾千米至十余千米[70，80]，但在“淘金河組”（實測剖面1號、2號、4號、13號，圖1c）[50?51]中沒有玄武巖的記錄，根據回香坪組鋯石源巖（圖8d）可以看出回香坪組與“淘金河組”（圖8b）并不是來自同一物源區(qū)。銅廠組中發(fā)現(xiàn)有微古植物Protosphaeridium" cf.densum Tim， Proleiosphaeridm sp.，Polyporata obsolete Sin et Liu， Po. aff， obsoleta Sin etLiu， Lignum？sp.，而在“淘金河組”（實測剖面4號，圖1c）[48?49]中沒有植物化石存在。獨巖塘組碎屑鋯石呈現(xiàn)出約835 Ma的單峰值年齡[52，72]，主要源巖為輝綠巖和花崗巖（圖8e），與“淘金河組”的鋯石峰值年齡不同，源巖也不同。并且梵凈山群銅廠組以上地層未見巖漿巖發(fā)育[70，80]，所以“淘金河組”不可能是銅廠組以上地層。由此推斷“淘金河組”與回香坪組、銅廠組、獨巖塘組不同，更不會是銅廠組以上地層，“淘金河組”和肖家河組可能為同一地層。

4結論

（1） 梵凈山群“淘金河組”砂巖碎屑鋯石表現(xiàn)出三個峰值（875 Ma、1862 Ma和2513 Ma），上覆地層余家溝組顯示出兩個明顯的年齡峰值（1845 Ma和2325 Ma）。

（2）“ 淘金河組”沉積于匯聚背景，碎屑鋯石棱角分明，意味著短距離搬運，余家溝組沉積于伸展背景，鋯石多呈橢圓形，意味著長距離搬運，二者源巖不同，代表物質源區(qū)不同，“淘金河組”的最大沉積年齡比余家溝組年輕，與區(qū)域地質調查劃分的地層層序不符，原本的地層劃分可能有誤，梵凈山桃樹林一帶出露最老地層可能為余家溝組。

（3） 梵凈山群各組碎屑鋯石年齡圖譜對比發(fā)現(xiàn)，“淘金河組”年齡峰值與余家溝組上覆地層肖家河組相似，結合多維定標分析和梵凈山群各組地層地質特征，認為“淘金河組”可能與肖家河組為同一地層單元。

致謝 野外工作得到貴州梵凈山國家級自然保護區(qū)管理局的支持。感謝陳建書研究員和張嘉瑋教授級高級工程師以及團隊成員對本文提供的幫助，感謝審稿專家提出的寶貴修改意見。