胶莱盆地早白垩世瓦屋夼组砂岩中碎屑锆石U-Pb-Hf同位素组成及其构造意义

霍腾飞, 杨德彬, 许文良, 王 枫, 刘海彬, 师江朋

(吉林大学 地球科学学院, 吉林 长春 130061)

胶莱盆地早白垩世瓦屋夼组砂岩中碎屑锆石U-Pb-Hf同位素组成及其构造意义

霍腾飞, 杨德彬, 许文良, 王 枫, 刘海彬, 师江朋

(吉林大学 地球科学学院, 吉林 长春 130061)

本文报道了胶莱盆地莱阳群最底部瓦屋夼组长石石英砂岩中碎屑锆石的LA-ICP-MS U-Pb年代学和原位Hf同位素分析结果, 进而约束了瓦屋夼组砂岩的沉积时代和物源及其构造意义。碎屑锆石多数呈自形–半自形晶, 发育岩浆生长环带, 暗示它们为岩浆成因; 少数晚三叠世锆石呈均匀无结构的阴极发光特点, 缺乏岩浆环带, 暗示它们为变质锆石。82个谐和年龄的峰值分别为129 Ma、158 Ma、224 Ma、253 Ma、461 Ma、724 Ma、1851 Ma和2456 Ma。上述定年结果结合原位Hf同位素分析表明: (1) 瓦屋夼组的沉积时代为早白垩世(129～106 Ma); (2) 1851 Ma、2456 Ma年龄的锆石主要来源于华北克拉通前寒武纪基底岩石; 新元古代(729～721 Ma)岩浆锆石和晚三叠世(226～216 Ma)变质锆石来源于苏鲁造山带; 晚古生代锆石记录了华北克拉通北缘同时代的岩浆事件; 晚三叠世(231～223 Ma)岩浆锆石和158～129 Ma锆石则与胶北、胶东同时期的岩浆事件相对应; (3) 胶莱盆地与合肥盆地具有不同的沉积时代和物源属性; (4) 瓦屋夼组中苏鲁造山带物源的存在, 暗示苏鲁高压–超高压变质岩石至少在早白垩世时期已经出露地表。

碎屑锆石; U-Pb-Hf同位素; 物源; 瓦屋夼组; 胶莱盆地; 苏鲁造山带

0 引 言

造山带的沉积盖层经历构造隆升和风化剥蚀作用将其移除后, 由造山带本身隆升–剥蚀形成的碎屑物可以记录其隆升和折返历史(Cuthbert, 1991; Colombo, 1994)。对紧邻造山带的盆地内碎屑成分的岩石学、同位素年代学和地球化学以及矿物化学的研究, 有利于探讨盆地演化、造山带隆升–剥蚀历史以及陆壳俯冲折返过程(顾德林等, 1996; Grimmer et al., 2003; Li et al., 2003, 2005; 李双应等, 2008; Wang et al., 2009; Xie et al., 2012; 杨宗永和何斌, 2013; 刘兵等, 2014)。大别–苏鲁造山带是全球最大规模的高压–超高压变质岩的出露地区之一, 是国内、外地球科学领域开展大陆动力学研究的天然实验室。Li et al. (2003, 2005)对大别造山带北缘合肥盆地侏罗纪沉积物的研究发现, 该组中存在碎屑成因多硅白云母和晚三叠世含柯石英的变质锆石, 暗示大别山高压–超高压变质岩是合肥盆地的重要物源,进而认为大别造山带于早侏罗世时期已经出露地表并遭受剥蚀。Grimmer et al. (2003)对大别山东南缘前陆盆地中侏罗统象山群研究发现, 该地层中含有三叠纪变质锆石和高含量的碎屑成因多硅白云母,进而认为大别山是该沉积盆地的重要物源, 其高压–超高压变质岩至少在中侏罗世已经出露地表。Wang et al. (2009)对大别造山带南缘江汉盆地内晚三叠世、早侏罗世和中侏罗世沉积岩中碎屑锆石的年代学和碎屑白云母的成分研究认为, 大别造山带隆升–剥蚀应开始于早侏罗世。

胶莱(胶州–莱阳)盆地位于郯庐断裂带东侧, 南与苏鲁造山带相邻(图1)(山东省地质矿产局, 1991)。多数学者认为苏鲁造山带是大别造山带的东延部分,胶莱盆地可以与合肥盆地进行对比, 它们被郯庐断裂带左行平移断开而到达现今的位置(Xu and Zhu, 1994; Zhai et al., 2000), 也有学者则认为郯庐断裂带没有发生巨大的左行平移, 苏鲁造山带形成时已经位于当前的位置(Yang et al., 2013)。那么, 胶莱盆地是否与合肥盆地具有相同的演化历史, 苏鲁造山带变质岩石何时抬升到地表, 并遭受剥蚀成为周边盆地的物源, 目前仍存在争论。尽管关于胶莱盆地沉积物源的研究已经取得了一些成果, 如顾德林等(1996)根据胶莱盆地内沉积相的研究认为, 其碎屑沉积物主要来源于苏鲁造山带。李双应等(2008)根据胶莱盆地内早白垩世莱阳群沉积物的组成特征和砂岩的地球化学属性研究认为, 莱阳群砂岩的源区也主要来自苏鲁造山带。然而对于胶莱盆地沉积时代和物源属性的判定, 长期以来缺乏精确同位素年代学的制约。最近, Xie et al.(2012)对胶莱盆地北部和南部的莱阳群砂岩中碎屑锆石进行了U-Pb年代学研究, 认为在早白垩世莱阳群沉积时, 苏鲁造山带已经出露地表并向胶莱盆地提供物源。莱阳群自下而上包括瓦屋夼组、林寺山组、止凤庄组、水南组、龙旺庄组和曲格庄组(山东省地质矿产局, 1991), 那么在莱阳群最底部的瓦屋夼组沉积时是否已经存在苏鲁造山带的物源,并没有得到证实。鉴于此, 本文选择胶莱盆地内最底部的沉积地层——莱阳群瓦屋夼组作为研究对象, 对瓦屋夼组长石石英砂岩中的碎屑锆石进行LA-ICP-MS U-Pb年代学和原位Hf同位素分析, 探讨了瓦屋夼组的沉积时代和物源及其构造意义。

图1 胶莱盆地大地构造简图(a)和瓦屋夼组采样位置(b)Fig.1 Tectonic sketch (a) and geological map showing the locations of the samples from the Wawukuang Formation (b) in the Jiaolai Basin

1 地质概况与样品描述

胶莱盆地位于华北克拉通东南缘, 南与苏鲁造山带相邻, 北侧为胶北隆起, 西以郯庐断裂带分界(图1a)。胶莱盆地的基底为元古界荆山群, 基底之上为白垩系, 主要为断陷盆地控制下的一套陆相火山–沉积岩建造, 白垩系自下而上分为莱阳群、青山群和王氏群(图1b)(山东省地质矿产局, 1991)。莱阳群为一套陆相碎屑沉积, 包括砾岩、砂岩和页岩, 以及少量泥灰岩、白云岩和凝灰岩, 标准剖面位于莱阳市瓦屋夼村至修家沟一带。莱阳群自下而上分别为:瓦屋夼组、林寺山组、止凤庄组、水南组、龙旺庄组和曲格庄组, 它们之间为整合接触关系, 上部被青山群后夼组覆盖(图2)。瓦屋夼组主要由灰色、灰黄色粉砂岩夹长石石英砂岩和底部少量砾岩组成。本文研究样品为瓦屋夼组长石石英砂岩(样号SLW4-1)(图2、3a), 采自莱阳市瓦屋夼村北1 km处(N 36°58′15″, E 120°52′36″)。样品呈灰黄色, 碎屑结构、块状构造, 主要由石英和长石组成, 粒度为0.05～0.25 mm, 矿物呈次棱角状–次圆状, 磨圆差,分选好, 硅质胶结、颗粒支撑(图3b)。

2 分析方法

锆石分选在河北廊坊市宇能服务公司完成。首先将样品粉碎至80～100目, 并用淘选和电磁选方法进行分离。将双目镜下提纯的锆石粘贴在环氧树脂表面, 抛光后对其进行透射光、反射光和阴极发光(CL)图像的采集。锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄和微量元素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。采用的激光剥蚀系统为GeoLas 2005, ICP-MS为Agilent 7500a。激光剥蚀过程中采用He作载气、Ar为补偿气以调节灵敏度(Hu et al., 2008)。U-Pb定年中采用锆石标样91500作为外标进行同位素分馏校正, 锆石微量元素采用多个USGS 参考玻璃(BCR-2G、BIR-1G)作为多外标、Si作内标的方法进行定量计算(Liu et al., 2010)。U-Th-Pb同位素比值和年龄以及元素含量处理采用软件ICPMSDataCal(Liu et al., 2010)完成。详细的实验条件和数据处理方法见Liu et al.(2010)。锆石U-Pb年龄谐和图和加权平均年龄计算均采用Isoplot/ Ex_ver 3(Ludwig, 2003)完成。

图2 胶莱盆地莱阳群地层柱状图和采样位置Fig.2 Stratigraphic column showing the locations of sample SLW4-1 from the Laiyang Group in the Jiaolai Basin

锆石原位Hf同位素的测试在中国科学院地质与地球物理研究所193 nm激光取样系统的Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)上进行, 分析时激光束直径为63 μm, 激光剥蚀时间为26 s。测定时用锆石标样91500作外标, 所用的激光脉冲速率为6～8 Hz, 激光束脉冲能量为100 mJ。仪器的运行条件和详细的分析流程见文献Wu et al. (2006)。分析过程中需要对176Yb的干扰进行校正,校正时采用新的TIMS测定值176Yb/172Yb＝0.5886,而对每个分析点的βYb和βHf则利用对该分析点实测得出的平均值进行校正所测, 锆石标样91500的176Hf/177Hf=0.2822934±24。

3 分析结果

胶莱盆地瓦屋夼组长石石英砂岩中锆石多数为自形–半自形晶, 呈浑圆状到短柱状。在CL图像上,多数锆石发育震荡生长环带和条痕状吸收(图4), 具有相对高的Th/U比值(0.24～2.35, 多数＞0.5), 暗示它们为岩浆锆石; 少量锆石呈无结构或补丁状特点(点39、50、77)(图4), 暗示它们为变质锆石, 同时具有相对低的Th/U比值(0.54、0.74、0.95)。在球粒陨石标准化的稀土元素配分图解中(图5), 岩浆锆石与变质锆石具有相似的配分型式, 均显示出富集重稀土元素, 亏损轻稀土元素的特点。多数锆石显示出Eu的负异常和Ce的正异常以及重稀土元素相对轻稀土元素富集的特点。

图3 样品的野外产状(a)和碎屑结构(b)Fig.3 Field photo (a) and micrograph (b) of sample SLW4-1

图4 代表性碎屑锆石的阴极发光图像Fig.4 Cathodoluminescence images of the detrital zircons

图5 瓦屋夼组中碎屑锆石稀土元素球粒陨石标准化配分图Fig.5 Chondrite–normalized REE patterns of the detrital zircons from the Wawukuang Formation

瓦屋夼组长石石英砂岩中82颗锆石测定了82个点, 分析结果见表1。对于较老的锆石(>1000 Ma)采用207Pb/206Pb年龄, 而对于年轻锆石(<1000 Ma)采用206Pb/238U年龄。82个谐和年龄(不谐和度小于10%)介于2797～124 Ma之间(图6a), 它们可以分为8个主要年龄段: 2544～2319 Ma、134～124 Ma、729～721 Ma、462～459 Ma、258～251 Ma、231～216 Ma和159～155 Ma, 其峰期年龄分别为2456 Ma(n=8)、1851 Ma(n=16)、461 Ma(n=3)、253 Ma(n=8)、224 Ma (n=7)、158 Ma(n=3)和129 Ma(n=29)。最年轻的一组谐和年龄是129±1 Ma(图6b)。晚三叠世变质锆石的206Pb/238U年龄介于226～216 Ma之间, 而晚三叠世岩浆锆石的206Pb/238U年龄介于231～223 Ma之间。

图6 瓦屋夼组中碎屑锆石U-Pb年龄谐和图Fig.6 U-Pb concordia diagrams of the detrital zircons from the Wawukuang Formation

表1 胶莱盆地瓦屋夼组中碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素结果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb isotopic dating resutls for the detrital zircons from the Wawukuang Formation in the Jiaolai Basin

续表1:

锆石原位Hf同位素分析结果见表2。早白垩世(134～124 Ma)锆石具有低的εHf(t)值(–26.8～–10.5) (图7a), 平均地壳二阶段模式年龄(tCDM2)变化于2859～ 1846 Ma之间; 晚侏罗世(159～155 Ma)锆石的εHf(t)值分别为–14.8、–31.8和–39.5, 它们均落在了胶北花岗岩的Hf同位素组成范围内(Zhang et al., 2010; Jiang et al., 2012); 晚三叠世变质锆石除了一个点外(εHf(t)=–11.4), 具有相对高的εHf(t)值(–4.1、–2.5), 投影在苏鲁造山带变质锆石Hf同位素组成附近(Zhang et al., 2009a; Liu et al., 2012), 而晚三叠世岩浆锆石的εHf(t)值为–6.0和–6.1; 258～251 Ma锆石主要为负的εHf(t)值(–18.4～–4.6), 同时存在一个正的εHf(t)值为+5.3; 两颗中奥陶世锆石的εHf(t)值均为正值(+0.2、+6.7); 新元古代(725～721 Ma)锆石的εHf(t)值变化于–20.2～–4.1之间,它们投影在苏鲁带内岩浆和碎屑锆石范围内(李向辉等, 2007; Zhou et al., 2012); 1848～1723 Ma锆石的εHf(t)=–7.1～–0.9; 2544～2388 Ma锆石既存在负的εHf(t)值(–1.2、–3.6), 同时也具有正的εHf(t)值(+2.7～+7.2),它们与华北克拉通基底岩浆和碎屑锆石的Hf同位素组成一致(Sun et al., 2012; Yang et al., 2012)(图7a)。

表2 胶莱盆地瓦屋夼组中碎屑锆石Hf同位素结果Table 2 Hf isotopic compositions of the detrital zircons from the Wawukuang Formation in the Jiaolai Basin

图7 瓦屋夼组中碎屑锆石εHf(t)值与U-Pb年龄变异图(图中Hf同位素组成范围来源于Yang et al.(2013)及其中文献, b为a图局部放大)Fig.7 Plots of εHf(t) versus U-Pb ages of the detrital zircons from the Wawukuang Formation

4 讨 论

4.1 沉积时代

胶莱盆地莱阳群从老到新分别由瓦屋夼组、林寺山组、止凤庄组、水南组、龙旺庄组和曲格庄组组成(山东省地质矿产局, 1991)。由于火山岩主要发育在青山群, 而对于莱阳群沉积时代的确定主要是通过化石和岩石组合的对比, 长期以来缺乏精确同位素年代学和火山岩夹层的限定而存在诸多争议。早期李守军和谢传礼(1997)对莱阳群中植物和动物化石的对比研究认为, 其沉积时代为晚侏罗世或早白垩世。近年来, 根据化石和岩石组合的对比以及综合前人的研究成果认为, 胶莱盆地莱阳群的沉积时代应为早白垩世, 这也得到了多数学者的支持(顾德林等, 1996; 李双应等, 2008)。

沉积岩中最小的谐和年龄可以限定地层的沉积下限, 胶莱盆地莱阳群最底部的瓦屋夼组长石石英砂岩中最年轻的一组锆石发育震荡生长环带, 表明它们为岩浆成因, 29个点的206Pb/238U加权平均谐和年龄为129 Ma, 暗示瓦屋夼组的沉积下限应为早白垩世中期。这与Xie et al.(2012)对胶莱盆地莱阳群砂岩中碎屑锆石的最小谐和年龄(130 Ma)一致, 同时与瓦屋夼组上部水南组粉砂岩和泥岩中薄层状玄武质火山岩的角闪石40Ar-39Ar和锆石SHRIMP U-Pb定年结果(129～131 Ma)相吻合(张岳桥等, 2008)。结合凌文黎等(2006)对青山群最底部后夼组火山岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果(106 Ma), 表明胶莱盆地莱阳群最底部瓦屋夼组的沉积时代为早白垩世(129～106 Ma)。

4.2 物源属性

胶莱盆地莱阳群瓦屋夼组长石石英砂岩中82颗锆石给出了82个点的谐和年龄, 它们可分为四组:新太古代–古元古代(2544～1609 Ma, 峰期年龄为2456 Ma和1851 Ma)、新元古代(729～721 Ma, 峰期年龄为724 Ma)、古生代(462～251 Ma, 峰期年龄为461 Ma和253 Ma)、中生代(231～124 Ma, 峰期年龄为224 Ma、158 Ma和129 Ma)(图8)。

图8 瓦屋夼组中碎屑锆石U-Pb年龄分布频率图Fig.8 Relative probability of the U-Pb age for detrital zircons from the Wawukuang Formation

4.2.1 新太古代–古元古代

华北克拉通基底以发育新太古代(～2500 Ma)花岗岩、TTG片麻岩和镁铁质火山岩以及古元古代(～1850 Ma)碱性花岗岩和环斑花岗岩等构造–岩浆–热事件为特征(Zhao et al., 2001, 2005; Kröner et al., 2005; Sun et al., 2012; Yang et al., 2012), 虽然在扬子克拉通也有新太古代和古元古代岩浆事件年龄的报道(如崆岭杂岩), 但与华北克拉通相比, 扬子克拉通则以新元古代双峰式岩浆活动为典型代表(Liu et al., 2008)。胶莱盆地瓦屋夼组长石石英砂岩中新太古代–古元古代碎屑锆石年龄的存在, 暗示它们主要来源于华北克拉通基底物质。这也得到了锆石Hf同位素的支持, ～2500 Ma锆石的εHf(t)值介于–3.6～ +7.2之间, 而～1850 Ma锆石的εHf(t)值均为负值, 变化于–7.1～–0.9之间, 它们与华北克拉通早前寒武纪的岩浆和碎屑锆石的Hf同位素组成相一致(Sun et al., 2012; Yang et al., 2012)(图7a)。因此, 我们认为新太古代–古元古代(2500～1850 Ma)的碎屑锆石主要来源于华北克拉通早前寒武纪再循环的古老基底物质和新生的年轻地壳物质。

4.2.2 新元古代

扬子克拉通以发育广泛的与Rodinia超大陆裂解相关的新元古代(850～700 Ma)双峰式岩浆作用为特点, 而与大量分布新太古代–古元古代构造–岩浆–热事件为特征的华北克拉通相区别(Liu et al., 2008),尽管在华北克拉通局部存在非常少量的新元古代岩浆事件(主要为1000～850 Ma)(Peng et al., 2011; Wang et al., 2012; Yang et al., 2012)。此外, 苏鲁造山带以发育新元古代源岩年龄和少量的三叠纪变质年龄为特点(Tang et al., 2008; Liu and Liou, 2011), 这些新元古代年龄同时具有扬子克拉通的亲缘性。胶莱盆地瓦屋夼组中存在新元古代年龄锆石(729～721 Ma),它们发育震荡生长环带, 具有岩浆成因特征, 这些新元古代锆石的εHf(t)值介于–20.2～–4.1之间, 与苏鲁造山带内岩浆锆石和碎屑锆石的Hf同位素组成相类似(李向辉等, 2007; Zhou et al., 2012)(图7a), 上述结果暗示它们与扬子克拉通具有亲缘性, 主要来源于苏鲁造山带。

4.2.3 古生代

瓦屋夼组长石石英砂岩中253 Ma锆石具有岩浆成因特征, 代表了一次岩浆事件, 该年龄与华北克拉通北缘(内蒙古隆起)和兴蒙造山带发育的晚古生代(300～245 Ma)岩浆事件相一致(Yang et al., 2006; Zhang et al., 2009b; Cao et al., 2013), 而在华北克拉通东部没有该期岩浆事件的报道。253 Ma锆石的εHf(t)值变化于–18.4～–4.6之间, 这与华北克拉通北缘(内蒙古隆起)晚古生代岩浆锆石的εHf(t)值(–22～–3.8)相似, 而明显区别于兴蒙造山带晚古生代火成岩的初始Hf同位素组成(多介于–4.2～+16之间)(Zhang et al., 2009b; Yang et al., 2006; 2012; Cao et al., 2013)。此外, 山东沭河裂谷带内早白垩世古水流方向也显示为南流水系, 基本上都是由北向西南或东南方向, 这为华北克拉通北缘(内蒙古隆起)向胶莱盆地输入物源提供了有利证据(旷红伟等, 2013)。早古生代(462 Ma、461 Ma和459 Ma)岩浆锆石的年龄与辽东新生代玄武岩中底侵成因捕获锆石的年龄(～465 Ma)相吻合(Zhang et al., 2011)。因此, 我们认为古生代锆石主要来源于华北克拉通的北缘。

4.2.4 中生代

中生代碎屑锆石主要记录了224 Ma、158 Ma和129 Ma三个年龄峰。其中, 一组晚三叠世碎屑锆石年龄介于231～223 Ma之间, 它们发育典型的震荡生长环带(图4), 暗示其为岩浆成因, 这与苏鲁造山带中石岛杂岩的侵位时间(225～205 Ma)(林景仟等, 1992; Yang et al., 2005; Zhao et al., 2012)相类似。另一组晚三叠世(226～216 Ma)碎屑锆石不发育岩浆环带, 在CL图像上呈均匀无结构的补丁状(图4), 暗示其为变质锆石。在稀土元素配分图解上变质锆石也显示出富集重稀土元素, 亏损轻稀土元素的特点(图5)。该年龄与大别–苏鲁造山带内花岗片麻岩和榴辉岩中获得的变质锆石的年龄相一致(Tang et al., 2008; Liu and Liou, 2011)。在Hf同位素组成上, 晚三叠世变质锆石具有相对偏高的εHf(t)值, 多数投影在苏鲁造山带变质锆石区域内(Zhang et al., 2009a; Liu et al., 2012), 而晚三叠世岩浆锆石则具有相对低的εHf(t)值, 与苏鲁造山带内岩浆锆石的Hf同位素组成相类似(Zhao et al., 2012)(图7b)。上述结果表明, 晚三叠世锆石来源于苏鲁造山带内高压–超高压变质岩和晚三叠世火成岩。晚侏罗世(158 Ma)和早白垩世(129 Ma)碎屑锆石年龄与胶北、胶东地体上广泛发育的花岗岩的时代相对应(Zhang et al., 2010), 结合它们与胶北花岗岩具有相类似的εHf(t)值(Zhang et al., 2010; Jiang et al., 2012)表明, 它们的源区为胶北、胶东同时期的火成岩。

综上所述, 新太古代–古元古代锆石主要来源于华北克拉通前寒武纪基底岩石; 新元古代和晚三叠世变质锆石来源于苏鲁造山带; 晚古生代锆石记录了华北克拉通北缘晚古生代岩浆事件; 晚三叠世岩浆锆石和晚侏罗世–早白垩世锆石则与胶北、胶东同时期的岩浆事件相对应。

4.3 与合肥盆地物源性质的对比

合肥盆地位于大别造山带的北缘, 郯庐断裂带的西段, 是一个侏罗纪的沉积盆地, 盆地中部侏罗系沉积自下而上包括防虎山组、圆筒山组和周公山组。合肥盆地侏罗纪沉积岩中碎屑锆石SHRIMPU-Pb定年结果介于3000～200 Ma之间(Li et al., 2003, 2005), 主要分为四个阶段: 3000～1700 Ma、936～627 Ma、514～405 Ma和241～200 Ma, 其峰期年龄为2500 Ma、2000 Ma、750 Ma、442 Ma和226 Ma(图9a)。新元古代锆石主要来源于大别造山带折返的扬子克拉通基底物质; 古生代年龄的碎屑锆石被认为来源于秦岭岩浆弧或者该岩浆弧的东延部分(Li et al., 2005; Yang et al., 2009); 含柯石英的三叠纪变质锆石年龄与大别–苏鲁超高压变质事件的年龄(245～220 Ma)相吻合(Liu and Liou, 2011)。基于上述研究, Li et al.(2003, 2005)认为合肥盆地形成于早侏罗世晚期,其碎屑沉积物的源区主要为大别造山带。

胶莱盆地是一个白垩纪沉积盆地, 位于郯庐断裂带东部, 苏鲁造山带的北缘。盆地自下而上包括莱阳群、青山群和王氏群, 莱阳群从底到顶又可以分为: 瓦屋夼组、林寺山组、止凤庄组、水南组、龙旺庄组和曲格庄组。本文对莱阳群最底部瓦屋夼组砂岩和Xie et al.(2012)对莱阳群砂岩中碎屑锆石的年代学研究表明, 其年龄主要变化于3303～124 Ma之间, 峰期年龄为2456 Ma、1851 Ma、750 Ma、229 Ma和129 Ma(图9b)。其中新太古代–古元古代, 特别是新元古代和三叠纪年龄的存在, 具有与合肥盆地相类似的年龄组成, 后者与大别–苏鲁造山带三叠纪高压–超高压变质及其原岩的年龄相一致, 具有扬子克拉通的亲缘性(Tang et al., 2008; Liu and Liou, 2011; Xie et al., 2012)。那么, 它们同样起源于大别造山带还是苏鲁造山带。大量的早古生代(～445 Ma)年龄信息的出现是判别北秦岭造山带物源的重要标志之一(Li et al., 2005; Yang et al., 2009; Xie et al., 2012), 在苏鲁造山带很少有早古生代岩浆事件的记录, 而早古生代岩浆事件在合肥盆地碎屑锆石中非常发育。因此, 是否存在早古生代岩浆事件的记录可以用来区分其源区是大别造山带还是苏鲁造山带的关键。胶莱盆地莱阳群砂岩中246个年龄分析中只存在非常少量的锆石具有早古生代年龄信息, 这与合肥盆地广泛发育早古生代年龄组成完全不同。因此, 我们认为胶莱盆地的主要物源应来自于苏鲁造山带而非大别造山带, 这与胶莱盆地内碎屑沉积物的物质组成、沉积相和地球化学属性的研究结果相一致(顾德林等, 1996; 李双应等, 2008)。综合合肥盆地和胶莱盆地的化石对比研究以及其中最年轻的碎屑锆石谐和年龄,表明它们的沉积时代分别为早侏罗世和早白垩世。综上所述, 位于郯庐断裂带东西两侧的胶莱盆地和合肥盆地具有不同的沉积时代和源区属性。

图9 合肥盆地(a)与胶莱盆地(b)中碎屑锆石组成柱状图Fig.9 Histograms of the U-Pb ages for the detrital zircons from the Hefei Basin (a) and Jiaolai Basin (b)

4.4 构造意义

由于造山带隆升后遭受强烈剥蚀, 使得其本身无法记录完整的构造演化信息, 单纯研究造山带本身并不能给出其复杂的地质历史过程。相反, 以造山带为物源区的周缘盆地中的碎屑沉积物却能比较准确地记录物源区的成分特征, 进而反演造山带的演化历史(Cuthbert, 1991; Colombo, 1994; Li et al., 2003; 李双应等, 2008)。合肥盆地位于大别造山带北缘, 盆地内侏罗纪沉积岩中碎屑成因多硅白云母和三叠纪含柯石英变质锆石的存在表明, 大别山高压–超高压变质岩是合肥盆地的重要物源, 进而认为大别造山带隆升–剥蚀的时间至少在早侏罗世(Li et al., 2003, 2005)。Wang et al.(2009)对大别造山带南缘江汉盆地内晚三叠世、早侏罗世和中侏罗世沉积岩中碎屑锆石的U-Pb年代学和碎屑白云母的成分研究也认为, 大别造山带隆升–剥蚀开始于早侏罗世。那么, 苏鲁造山带的隆升–剥蚀时限如何？

苏鲁造山带内高压–超高压变质岩的U-Pb年代学和P-T轨迹的研究表明, 苏鲁造山带在中–晚三叠世时期(240～225 Ma)经历了扬子克拉通向华北克拉通的俯冲、碰撞和高压–超高压变质作用, 而相继发生的造山带快速折返的时间为晚三叠世–中侏罗世(220～175 Ma)(Ames et al., 1993; Li et al., 1996)。胶莱盆地位于苏鲁造山带的北缘, 虽然Xie et al.(2012)对胶莱盆地莱阳群中碎屑锆石的U-Pb年代学研究表明, 在莱阳群沉积时苏鲁造山带变质岩石已出露地表, 但在莱阳群最底部的瓦屋夼组沉积时是否已经存在苏鲁造山带变质岩石的物源, 这对于限定苏鲁造山带最早的隆升–剥蚀时间具有重要意义。

胶莱盆地最底部瓦屋夼组长石石英砂岩中碎屑锆石的U-Pb年代学和Hf同位素研究表明, 样品中存在新元古代岩浆锆石和晚三叠世变质锆石, 后者与大别–苏鲁造山带超高压变质事件的时间相一致,而前者与超高压变质岩石源岩的年龄相吻合, 这些锆石的存在暗示它们来源于苏鲁造山带的变质岩石。瓦屋夼组沉积物中苏鲁造山带变质岩石物源的存在表明, 在胶莱盆地最底部瓦屋夼组沉积时苏鲁高压–超高压变质岩已经出露地表, 并为胶莱盆地的沉积提供物源。这也得到了胶莱盆地内莱阳群砾石成分变化的支持, 后者也认为莱阳群沉积之前,苏鲁造山带已经遭受了强烈的隆升和剥蚀(李双应等, 2008)。张华锋等(2006)基于胶东半岛花岗岩和金矿形成深度的研究认为, 早白垩世时期(140～110 Ma)苏鲁造山带地壳隆升并被剥露了约7 km。由于早白垩世时期的强烈隆升–剥蚀作用, 使苏鲁造山带基底的主体遭受了强烈的剥蚀并为胶莱盆地白垩系沉积提供物源。苏鲁造山带周缘发育中生代不同时期的沉积盆地, 以郯庐断裂带为界, 鲁东地区只发育早白垩世的胶莱盆地, 而鲁西地区中生代沉积盆地中发育早三叠世和侏罗纪–白垩纪沉积地层(山东省地质矿产局, 1991)。Yang et al.(2013)对鲁西地区侏罗纪坊子组(～175 Ma)的物源研究表明, 在坊子组内存在新元古代和晚三叠世岩浆成因的碎屑锆石, 但是没有变质锆石的记录, 暗示苏鲁造山带是鲁西坊子组的物源之一。综上所述, 苏鲁高压–超高压变质岩石至少在胶莱盆地最底部瓦屋夼组沉积时已经出露地表。

5 结 论

(1) 胶莱盆地莱阳群最底部瓦屋夼组的沉积时代为早白垩世(129～106 Ma)。

(2) 瓦屋夼组砂岩的物源主要包括华北克拉通前寒武纪基底岩石、苏鲁造山带和华北克拉通北缘晚古生代火成岩以及胶北、胶东晚三叠世和晚侏罗世–早白垩世火成岩。

(3) 胶莱盆地与合肥盆地具有不同的沉积时代和源区属性。

(4) 苏鲁高压–超高压变质岩石至少在胶莱盆地最底部瓦屋夼组沉积时已经出露地表。

致谢: 样品分析得到中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室和中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室的大力支持, 胡兆初教授和杨岳衡研究员给予了热情帮助,两位匿名审稿专家提供了建设性的意见, 谨此表示感谢。

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U-Pb Ages and Hf Isotope Compositions of Detrital Zircons from the Sandstone in the Early Cretaceous Wawukuang Formation in the Jiaolai Basin, Shandong Province and its Tectonic Implications

HUO Tengfei, YANG Debin, XU Wenliang, WANG Feng, LIU Haibin and SHI Jiangpeng
(College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China)

LA-ICP-MS U-Pb dating and in situ Hf isotope analysis were carried out for the detrital zircons to constrain the depositional age and provenance of the Wawukuang Formation, which is believed as the earliest unit of the Laiyang Group in the Jiaolai Basin, and its implications. Most of these detrital zircons from the feldspar quartz sandstone in the Wawukuang Formation are magmatic in origin, which are euhedral-subhedral and display oscillatory zoning in CL images; whereas few Late Triassic detrital zircons are metamorphic in origin and structureless in CL images. U-Pb isotopic dating of 82 zircon grains yields age populations at ca. 129 Ma, 158 Ma, 224 Ma, 253 Ma, 461 Ma, 724 Ma, 1851 Ma and 2456 Ma. U-Pb dating and Hf isotopic results indicate that: 1) the Wawukuang Formation deposited during the Early Cretaceous (129–106 Ma); 2) the detrital zircons with the ages of 1851 Ma and 2456 Ma mainly sourced from the Precambrian basement rocks of the North China Craton; the Neoproterozoic (729–721 Ma) magmatic zircons and the Late Triassic (226–216 Ma) metamorphic zircons sourced from the Su-Lu terrane; The Late Paleozoic detrital zircons could source from the Late Paleozoic igneous rocks in the northern margin of the North China Craton; the Late Triassic (231–223 Ma) magmatic zircons and the 158–129 Ma zircons sourced from the coeval igneous rocks in the Jiaobei and Jiaodong; 3) the deposition age and provenance of the Jiaolai Basin are different from those of the Hefei Basin; 4) the recognition of clastic sediments from the Su-Lu terrane in the Wawukuang Formation suggests that the Su-Lu terrane was under denudation in the Early Cretaceous.

detrital zircon; U-Pb-Hf isotope; provenance; Wawukuang Formation; Jiaolai Basin; Su-Lu terrane

P597

A

1001-1552(2015)02-0355-014

2013-12-30; 改回日期: 2014-06-10

项目资助: 新世纪优秀人才支持计划(编号: NCET-12-0237), 国家自然科学基金(批准号: 41472052)和中央高校基本科研业务费专项资金联合资助。

霍腾飞(1988–), 男, 硕士研究生, 火成岩石学专业。Email: 75031631@qq.com

杨德彬(1979–), 男, 副教授, 岩石学专业。Email: yangdb@jlu.edu.cn