中上揚子區(qū)上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)巖沉積終結(jié)年齡

關(guān)鍵詞 U-Pb定年；島弧火山；大隆組；晚二疊世；四川盆地；海槽消亡

第一作者簡介 韋恒葉，男，1980年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，沉積學(xué)與地球化學(xué)，E-mail： hy.wei@swpu.edu.cn

中圖分類號 P595 文獻標志碼 A

0 引言

我國華南地區(qū)上二疊統(tǒng)上部地層普遍發(fā)育一套黑色層狀硅質(zhì)巖（也稱為硅巖）沉積，統(tǒng)稱為大隆組。在中上揚子區(qū)，這套硅質(zhì)巖形成于臺內(nèi)盆地環(huán)境，例如廣旺海槽和鄂西海槽等[1?2]。在廣旺海槽沉積盆地，由東部的燕兒洞至西部的劍閣上寺，大隆組硅質(zhì)巖沉積厚度逐漸減薄，在斜坡環(huán)境相變?yōu)楣栀|(zhì)灰?guī)r（圖1），盆地環(huán)境的沉積厚度約10 m；在鄂西盆地如恩施地區(qū)，大隆組硅質(zhì)巖也具有類似的沉積厚度（圖1）。大隆組硅質(zhì)巖的下部地層為吳家坪組碳酸鹽巖，地層過渡段由硅質(zhì)灰?guī)r突變或漸變?yōu)楣栀|(zhì)巖，發(fā)育密集的火山灰層（圖1）。因此，雖然大隆組硅質(zhì)巖從巖相證據(jù)上指示為放射蟲、硅質(zhì)海綿等生物成因[5?8]，但地球化學(xué)信號反映硅具有生物、熱液以及火山噴發(fā)物質(zhì)的混合來源[7，9?10]。這些熱液和火山作用與峨眉山地幔柱（亦稱峨眉地裂）活動、特提斯洋裂離以以及秦嶺勉略洋的裂陷有關(guān)[5，11]，說明吳家坪淺水臺地沉積之后形成的大隆組臺內(nèi)盆地硅質(zhì)巖沉積是在伸展構(gòu)造背景下形成的斷陷盆地[12]，是東吳運動在中上揚子區(qū)的伸展裂陷作用產(chǎn)物[11]。大隆組硅質(zhì)巖沉積的結(jié)束時間指示中上揚子區(qū)東吳運動裂陷活動的結(jié)束時代，盡管大隆組硅質(zhì)巖開始沉積的年齡已經(jīng)明確（258.77±0.67 Ma[4]），但目前仍缺乏相應(yīng)的絕對年齡的約束。因此，選擇廣旺海槽的旺蒼燕兒洞剖面大隆組硅質(zhì)巖的火山灰夾層斑脫巖為研究對象，開展鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡分析，研究大隆組硅質(zhì)巖沉積結(jié)束的年齡，約束大隆組富有機質(zhì)黑色巖系的沉積年齡，為華南二疊系頁巖氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

晚二疊世早期，揚子區(qū)發(fā)生東吳運動，在我國西南地區(qū)噴發(fā)了大量的玄武巖，構(gòu)成了峨眉山大火成巖省。峨眉山溢流玄武巖的分布西至理塘，東至桂西，南至越北，北至川東北達州（圖2a），分布面積為0.25×106 km2，體積為0.5×106 km3[14?15，17]。近年來，四川盆地油氣勘探發(fā)現(xiàn)在開江、梁平以及忠縣一帶的DY-1、FT1 等鉆井在中—上二疊統(tǒng)界線鉆遇玄武巖[16，18]，同時在廣元西北鄉(xiāng)野外剖面的茅口組一段發(fā)育輝綠巖巖墻侵入體。峨眉山溢流玄武巖已被證實與地幔柱活動有關(guān)，稱為峨眉山地幔柱[15，19?21]。地幔柱隆升活動過程包括地幔巖漿上涌、到達并撞擊巖石圈底部、地殼抬升、火山噴發(fā)、地殼沉降等五個過程[22]。地幔柱頭部到達巖石圈之后，發(fā)生側(cè)向擴張延展，由原來的400 km直徑拓展2倍至800～1 000 km，分別對應(yīng)著內(nèi)帶和中帶的范圍[23]。在峨眉山大火成巖省主噴發(fā)之前和之后分別發(fā)育了中二疊統(tǒng)孤峰組和上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)巖沉積。

由于東吳運動，華南晚二疊世時期古地理發(fā)生了根本性的變化，在原來中二疊世巨型碳酸鹽巖臺地基礎(chǔ)上形成了隆凹格局的古地理面貌（圖2b）。在西昌—攀枝花—昆明一帶形成南北向的康滇古陸，古陸周圍向外分布帶狀的海陸過渡相、淺海碳酸鹽巖臺地相和深水盆地相，總體展示穹狀隆起的古地理特征[23?24]。位于外帶的深水盆地相沉積了大隆組黑色硅質(zhì)巖，例如位于川北的廣元至梁平的廣旺—開江梁平海槽以及湖北西部的鄂西海槽發(fā)育大量的富有機質(zhì)硅質(zhì)巖夾頁巖。該套頁巖和硅質(zhì)巖目前是四川盆地及其周緣二疊系頁巖氣勘探目的層，近年來更是取得了突破性的進展，獲得了可觀的工業(yè)氣流，是非常規(guī)油氣勘探的新層位和新領(lǐng)域[25?26]。

2樣品與實驗方法

在燕兒洞剖面采集大隆組上部硅質(zhì)巖夾層中斑脫巖樣品約1 kg（圖3）。斑脫巖夾層為黃白色，夾于黑色頁巖和黑色硅質(zhì)巖之間，遇水黏手。該類斑脫巖在大隆組黑色硅質(zhì)巖和頁巖中發(fā)育多層，本次選擇大隆組硅質(zhì)巖段頂部的斑脫巖夾層作為研究對象（圖1）。樣品烘干后，采用傳統(tǒng)鋯石分選方法，經(jīng)過磁選和重液分選后在雙目鏡下挑選晶形規(guī)則、顆粒較大的鋯石。將挑選好的鋯石切割并拋光以便露出鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用環(huán)氧樹脂包埋固定，在掃描電子顯微鏡以及光學(xué)顯微鏡下進行觀察并拍照陰極發(fā)光和透反射相片。鋯石原位U-Pb年齡的測定采用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（Laser Ablation InductivelyCoupled Plasma mass Spectrometry，LA-ICP-MS）技術(shù)，在武漢上譜分析公司實驗室完成。激光剝蝕系統(tǒng)為COMPexPro 102 ArF 193 nm 準分子激光剝蝕系統(tǒng)（GeoLas HD），ICP-MS型號為Agilent 7900，激光束斑和頻率分別為32 μm和5 Hz，鋯石U-Pb同位素定年和微量元素含量處理采用鋯石標準91500和玻璃標準物質(zhì)NIST610作外標進行同位素和微量元素分餾校正。

3 結(jié)果與討論

3.1鋯石年齡

斑脫巖樣品中含豐富的鋯石顆粒，用于鈾鉛LAICP-MS測年的鋯石顆粒為自形棱角狀，發(fā)育清楚的震蕩生長環(huán)帶，是典型的巖漿鋯石（圖4）。樣品測定了17個數(shù)據(jù)點，測定的鋯石年齡與同位素比值見表1。鋯石中Th和U的含量一般較高，分析樣品的U介于（236～479）×10^-6，平均值為337×10^-6，Th含量介于（109～305）×10^-6，平均值為184×10^-6，Th/U 比值介于0.46～0.64，平均值為0.54，均大于0.46，同樣指示巖漿成因性質(zhì)[27]，這是因為巖漿鋯石的Th/U比一般大于或等于0.5[28]。鋯石分析點的206Pb/238U年齡介于249～258 Ma，加權(quán)平均年齡為253.0±1.3 Ma（95%置信度，MSWD=1.12）（圖5），代表了火山噴發(fā)時棱角狀鋯石結(jié)晶年齡。由于該樣品火山灰夾層正好位于大隆組硅質(zhì)巖段的頂部，因此，大隆組硅質(zhì)巖沉積的結(jié)束年齡約為253.0±1.3 Ma，屬于長興期中期年齡，晚于廣元上寺剖面硅質(zhì)灰?guī)r上部年齡253.7 Ma[3]，代表大隆組硅質(zhì)巖終結(jié)年齡，也意味著二疊紀—三疊紀過渡期“硅質(zhì)巖缺口”的開始。

3.2鋯石微量元素指示的構(gòu)造背景

鋯石稀土元素（Rare Earth Element，REE）總量ΣREE 介于（626～985）×10^-6，Hf 含量介于（8 032～9 170）×10^-6（表2）。鋯石稀土元素球粒隕石標準化的配分模式反映重稀土富集、輕稀土虧損、Ce的正異常以及Eu的負異常的特征，輕稀土一般小于100倍的球粒隕石值，重稀土一般大于10000倍的球粒隕石值，總體表現(xiàn)為從輕稀土向重稀土逐漸爬升的左傾曲線趨勢，（圖6），這是未發(fā)生蝕變的巖漿鋯石的特征[27]。鋯石Ce正異常說明鋯石是在氧化條件下結(jié)晶的，這與樣品為噴發(fā)火山灰性質(zhì)一致，而Eu的負異常可能是鋯石結(jié)晶過程中或結(jié)晶之前長石從巖漿中分餾導(dǎo)致巖漿Eu的虧損所致[29]。

鋯石的微量元素能夠反映巖漿母源組成并指示巖漿宿主的構(gòu)造背景特征[30?31]。Hf離子半徑與Zr相似，因而鋯石中含豐富的Hf，樣品鋯石Hf含量介于（8 032～9 170）×10^-6，平均值達8472×10^-6（表2）。樣品鋯石中Nb含量很低，介于（1.31～3.42）×10^-6，平均為2.30×10^-6，與大陸島弧和洋中脊來源的鋯石Nb含量相似，而不同于板內(nèi)背景下巖漿鋯石較高的Nb含量[32?33]。Nb一般與巖漿熔融過程中的不相容元素Th為正相關(guān)關(guān)系，島弧鋯石的Th/Nb比值一般大于10，而板內(nèi)和洋中脊鋯石Th/Nb比值一般小于20[31]，同時島弧巖漿比板內(nèi)巖漿鋯石具有更低的Nb/Hf和更高的Th/U比值[34?35]。由于富Th礦物優(yōu)先結(jié)晶，島弧巖漿鋯石具有低Th/Nb和高Hf/Th比值的特征[35?37]，因此可以利用這些參數(shù)來識別鋯石巖漿母源的構(gòu)造背景。Th/Nb與Hf/Th交會圖以及Th/U與Nb/Hf交會圖中，燕兒洞剖面大隆組頂部和上部火山灰鋯石樣品落在島弧巖漿范圍內(nèi)，而不是落在板內(nèi)造山范圍（圖7）。其他地區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組以及大隆組的火山灰鋯石構(gòu)造背景的分析也表明[4，38]：湖北西部以及四川劍閣上寺吳家坪階的火山灰鋯石性質(zhì)為板內(nèi)造山背景，與峨眉山大火成巖省關(guān)系密切[4]，而長興階的火山灰鋯石性質(zhì)卻為島弧性質(zhì)。這表明廣元旺蒼縣燕兒洞大隆組沉積晚期的火山噴發(fā)可能是周圍島弧性質(zhì)火山噴發(fā)所致，屬于匯聚型板塊邊界的巖漿島弧性質(zhì)[38]，而不是板內(nèi)性質(zhì)峨眉山地幔柱活動的結(jié)果。

3.3大隆組硅質(zhì)巖年齡的意義

四川盆地廣旺海槽及其周緣鄂西盆地大隆組硅質(zhì)巖含多層火山灰夾層，大隆組下部吳家坪階的硅質(zhì)巖內(nèi)火山灰夾層鋯石指示板內(nèi)造山性質(zhì)[4]，說明該期火山噴發(fā)與板內(nèi)造山性質(zhì)的峨眉山大火成巖?。ɑ虻蒯Ｖ┗顒佑嘘P(guān)。地幔柱形成過程中，地殼抬升之后發(fā)生裂谷或地塹地壘式臺內(nèi)盆地[22，39]，誘發(fā)海底活躍的熱液活動[40]。峨眉山大火成巖?。ǖ蒯Ｖ┲行奈挥谂手ǖ貐^(qū)，地幔柱頭部在到達巖石圈之前約400 km，碰撞巖石圈底部之后側(cè)向擴展為800～1000 km，也即峨眉山大火成巖省中帶與外帶的分界面[17，41]。而廣旺海槽以及鄂西海槽位于外帶邊緣（圖1），遠離峨眉山地幔柱頭部巖漿的影響范圍。但是，近年來四川盆地油氣勘探鉆井發(fā)現(xiàn)，在廣旺海槽鉆遇大量的峨眉山玄武巖[16，18]以及部分野外輝綠巖巖墻，地幔柱巖漿在側(cè)向上可以通過巖墻和巖石圈底部軟流圈進行遠距離擴張[42?43]。峨眉山地幔柱巖漿的影響范圍可能包括廣旺海槽、開江—梁平海槽以及鄂西海槽的外帶。峨眉山大火成巖?。ǖ蒯Ｖ┰谥小矶B世過渡期大規(guī)模噴發(fā)之后，可能形成多個裂谷性質(zhì)（地塹地壘）斷陷盆地或海槽，海底頻繁的熱液活動以及陸地噴發(fā)的玄武巖風(fēng)化帶來的硅質(zhì)在海洋較深水盆地中富集形成大隆組硅質(zhì)巖。

然而，大隆組上部和頂部長興階硅質(zhì)巖內(nèi)火山灰夾層鋯石與二疊紀末期火山灰鋯石一樣，屬于島弧造山構(gòu)造背景[4，38]，說明大隆組沉積晚期火山噴發(fā)與峨眉山大火成巖省活動無關(guān)，而與揚子板塊周圍的島弧火山的活動有關(guān)[43]。推測長興期揚子板塊北部出現(xiàn)明顯的巖漿島弧活動，該活動可能與大隆組硅質(zhì)巖盆地環(huán)境萎縮滅亡密切相關(guān)。

4結(jié)論

四川盆地廣旺海槽上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)巖上部火山灰夾層鋯石的鈾鉛LA-ICP-MS測年表明，大隆組硅質(zhì)巖沉積結(jié)束于253.0±1.3 Ma，屬于長興期中期。鋯石稀土元素展示重稀土富集、輕稀土虧損、Ce正異常和Eu負異常的左傾配分曲線特征，痕量元素Th/U比絕大部分大于0.5，指示巖漿鋯石的特征。鋯石Th/Nb與Hf/Th以及Th/U與Nb/Hf交會圖反映鋯石巖漿母源為島弧造山構(gòu)造背景，與二疊紀末期揚子板塊周圍巖漿島弧活動有關(guān)，而與板內(nèi)造山成因的峨眉山大火成巖省無關(guān)。晚二疊世長興中期的島弧火山活動可能與揚子北緣多個海槽在二疊紀末期萎縮消失密切相關(guān)。

致謝 感謝兩名審稿專家提出的建設(shè)性建議，論文成果過程得到了蘭中伍研究員以及陶繼華副教授的指導(dǎo)，在此致以感謝。