西秦岭吴家山群地层时代及物源特征:来自碎屑锆石U-Pb年龄证据
2018-05-02丁振举文成雄国阿千牛广德王增祥刘志宇
丁振举,文成雄,2,国阿千,3,牛广德,4,王增祥,5,刘志宇
(1.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430074; 2.湖南省地质调查院,湖南 长沙 410116;3.云南省地质调查院,云南 昆明 650216; 4.甘肃省有色地质调查院,甘肃 兰州 730000;5.中国地质调查局国土资源实物地质资料中心,河北 三河 065201)
0 引 言
吴家山群为甘肃地质勘探公司在20世纪七八十年代开展西成铅锌矿田泥盆系地层专题研究时所建的地层单位,将其置于中泥盆统安家岔组、西汉水组之下,归入下泥盆统[1-2],主要分布于西秦岭泥盆系铅锌成矿带西成铅锌矿田吴家山背斜的核部,近期因在其中有新的铅锌矿化(点)发现而再次受到关注。根据吴家山群变形和变质程度均不同程度地高于中泥盆统安家岔组或西汉水组,前人推断其为早泥盆世或前泥盆纪,但由于缺少生物化石资料,其地层时代一直存在争议。甘肃省地质矿产勘查开发局将其划归上志留统,并命名为海酒山组、双碌礴组和林口组[3]。杨志华等根据黑云母石英片岩Sm-Nd全岩等时线年龄((1 224.26±28.99)Ma)将其归于新元古界[4],但由于该定年方法存在自身无法克服的缺陷,其Sm-Nd全岩等时线年龄所代表的地质含义并不明确,结论并不可靠。吴家山群作为西成铅锌矿田新的铅锌赋矿层位,准确认识其沉积时代及物源特征对进一步了解吴家山群铅锌成矿特征和探索西成铅锌矿田铅锌成矿规律具有重要意义。
碎屑锆石作为沉积岩中常见重矿物,具有抗风化和磨蚀能力强的特点,由于其具有较高的U-Pb同位素体系封闭温度,碎屑锆石U-Pb年代学通常被用于沉积物的源区示踪研究[5-9]。碎屑锆石U-Pb年龄可以反映源区重要的演化历史[6-7,10]。另外,可以利用碎屑锆石给出的最小年龄限制地层沉积的最大年龄[6,11]。鉴于吴家山群变质程度较高且缺少生物化石资料,地层时代仍未确定,本文选取碎屑锆石U-Pb定年方法,对吴家山群限定地层沉积时代并示踪其沉积物源。
1 区域地质概况
吴家山群出露于秦岭泥盆系铅锌成矿带西成铅锌矿田中部,构造上属于商丹构造混杂岩带和勉略构造混杂岩带夹持的南秦岭地体西延部分(西秦岭)(图1)。南秦岭地体北以商丹及西延的天水鸳鸯地区部分蛇绿构造岩带与北秦岭地体及祁连造山带相接,南以勉略蛇绿构造混杂岩带与扬子地块及松潘—甘孜地块为邻,处在周围复杂的构造动力学环境中。
图(b)引自文献[3],有所修改;图(c)引自文献[12]图1 西秦岭西成铅锌矿田区域地质简图及采样位置Fig.1 Regional Geological Maps of Xicheng Pb-Zn Orefield in West Qinling and the Sampling Positions
南秦岭地体夹持于商丹缝合带和勉略缝合带之间,具有双层前寒武纪基底(新太古代—古元古代结晶基底和中—新元古代过渡性变质变形基底)和多层构造盖层组合(震旦系—下古生界扩张时期的陆缘沉积-俯冲时期的被动陆缘沉积、上古生界—中三叠统南秦岭微板块内陆表海沉积,以及中生界—新生界陆相沉积)。其中,新太古代—古元古代结晶基底主要包括鱼洞子岩群、佛坪岩群及陡岭岩群等;中—新元古代过渡性变质变形基底自西向东广泛出露有碧口群、郧西群、耀岭河群以及武当群等;震旦系—下古生界陆缘沉积盖层主要包括震旦系陡山沱组和灯影组,普遍缺失南华系莲沱组和南沱组,下古生界被动陆缘沉积地层呈现基本连续、自北向南减薄、水体逐渐加深的特点;泥盆纪—中三叠世是南秦岭演化成为一个独立微板块最主要的时期,上古生界—中三叠统沉积主要包括南、北大陆边缘沉积(泥盆系—下石炭统)和微板块内陆表海沉积(上石炭统—中三叠统),前者主要包括商丹缝合带南侧的刘岭群、信阳群及舒家坝群等;中生界—新生界陆相沉积岩层均是一些陆相断陷盆地或河流-湖泊相沉积,且以构造不整合覆于下伏不同时代地层之上[13]。
吴家山群分布于西秦岭泥盆系地层西成铅锌矿田的吴家山背斜,背斜核部由吴家山群组成,两翼则分布中泥盆统安家岔组或西汉水组。印支期花岗岩侵入吴家山群或泥盆系中,出露的岩体主要有糜署岭花岗闪长岩体、黄渚关花岗闪长岩体、厂坝二长花岗岩体、沙坡里二长花岗岩体等,这些岩体未变形,表明岩浆侵位发生于主造山期之后。西成铅锌矿田矿床主要围绕吴家山背斜两翼分布,矿床主要赋存于安家岔组、西汉水组,少数赋存于洞山组和吴家山群(图1)。根据矿床的分布特征,该矿床分为南矿带和北矿带。北矿带赋存于安家岔组,主要包括厂坝—李家沟、向阳山等大型铅锌矿床;南矿带赋矿于西汉水组,主要包括洛坝、毕家山、邓家山、页水河等大型铅锌矿床。在吴家山群中仅发现一些铅锌矿点,如牛尾沟、老洞上等。厂坝—李家沟铅锌矿床矿石因保留明显沉积-喷流特征成为典型的热水沉积矿床,而赋存于西汉水组的铅锌矿床则以后期改造的脉状矿石为主,后生改造叠加现象明显,也被称为沉积改造型铅锌矿床。
吴家山群主要由黑云母石英片岩、二云母石英片岩及大理岩等组成(图1、2)。根据岩性,吴家山群大体可分为上、下两段。①下段(D1w2)包括上、下两层:下层(D1w1-1)分布于大柳坝一带,岩性主要为黑云母方解石石英片岩、二云母石英片岩,出露范围较小;上层(D1w1-2)分布于官子沟、茨坝一带,呈环带状分布,主要为条带状大理岩,含碳质较高,北部由于岩体的侵入活动而发生矽卡岩化,出现透闪石大理岩。②上段(D1w2)分布在袁家坪、官店、冉家河一带,出露范围较大,主要岩性为二云母石英片岩、黑云母石英片岩,其中西部以二云母石英片岩、变石英粉砂岩为主,中部以二云母石英片岩、砾状二云母石英片岩为主,东部由于变质程度深而出现阳起二云英片岩、黝帘石二云石英片岩(图2)。
图2 毕家庄—官子沟—茨坝—黄渚关地质剖面Fig.2 Geological Section of Bijiazhuang-Guanzigou-Ciba-Huangzhuguan
2 样品描述和分析方法
2.1 碎屑锆石样品特征
本次对吴家山群下段采集了4件样品,其中3件样品(WJSBIL、11CBHG-6和11CBHG-8-1)采自吴家山群下段下层,1件样品(11CBHG-4-4)采自吴家山群下段上层[图1(c)]。样品WJSBIL采样点位于大柳坝附近的吴家山主背斜核部吴家山群下段下层下部的石英云母片岩层。岩石呈灰色,具片状构造和鳞片变晶结构,石英、方解石及云母类矿物沿片理方向分布,镜下鉴定岩性为云母方解石石英片岩,由石英(体积分数约为45%)、方解石(约为40%)、黑云母(约为12%)、白云母(约为3%)组成,副矿物由锆石、榍石、磷灰石等组成[图3(a)、(b)]。样品11CBHG-6和11CBHG-8-1采自茨坝—后沟一带吴家山群下段下层下部的石英云母片岩层,两件样品采样点相距约200 m,其中前者更靠近吴家山群下段上层。样品11CBHG-6岩石呈灰色,具片状构造和鳞片变晶结构,云母、石英、方解石等矿物沿片理发育[图3(c)、(d)],岩性为黑云母石英片岩,主要矿物为石英(体积分数约为50%)、黑云母(约为35%),次要矿物为白云母(约为15%),副矿物为锆石、榍石等。样品11CBHG-8-1与样品11CBHG-6类似,岩石呈灰色,具片状构造和鳞片变晶结构,云母、石英、方解石等矿物沿片理发育[图3(e)、(f)],主要矿物为石英(体积分数约为60%)和黑云母(约为35%),石英与黑云母一起沿片理定向分布,次要矿物为方解石(约为4%)、白云母(约为1%),副矿物为锆石、榍石等。该层片岩中发育石英脉,总体为平行层理,呈不连续石香肠状分布。样品11CBHG-4-4采样点为茨坝—后沟尾矿坝附近吴家山群下段下层上部的条带状大理岩层,岩石呈灰色,具条带状构造和中细粒结构,塑性变形强烈[图3(g)、(h)],为泥灰岩变质而成,主要矿物为方解石(体积分数约为85%),其余为石英(约为7%)、白云母(约为7%)及少量绿帘石等。
图3 吴家山群地层野外露头及镜下显微图像Fig.3 Field Outcrops and Microscopical Photographs of Wujiashan Group
2.2 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年流程
用于定年的碎屑锆石先经过岩石破碎并利用电磁分离和重液浮悬等方法分选、提纯,经双目镜检查后,挑选晶形相对完好、有代表性的颗粒嵌入环氧树脂制靶,将其磨制并抛光到内部,进行阴极发光(CL)照相,最后选取晶形较好、无裂隙、无包体的锆石进行LA-ICP-MS U-Pb定年。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年与锆石树脂制靶在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室进行。阴极发光图像在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。激光剥蚀系统为GeoLas 2005,ICP-MS仪为Agilent7500a。激光剥蚀过程中,采用氦气作为载气,氩气作为补偿气,以调节灵敏度,二者在进入ICP仪之前通过一个T型接头混合。在等离子体中心气流(Ar+He)中加入少量氮气,以提高仪器灵敏度,降低检出限并改善分析精密度[14]。每个时间分辨分析数据包括20~30 s的背景信号时间和50 s的样品信号时间,激光束斑直径为32 μm和24 μm,剥蚀深度为20~40 μm,能量为32~36 MJ。样品测试过程以SRM610作为锆石元素含量测定的外标,以国际标准锆石91500作为校正标准,并在开始和结尾两次使用国际标准锆石GJ-1进行检测验证,每测定5组数据就进行两次国际标准锆石91500校正,以保证数据的稳定性和消除U-Pb同位素质量分馏及其比值的时间漂移。样品11CBHG-4-4和WJSBIL后18组数据的激光束斑直径为24 μm,其余数据激光束斑直径为32 μm。
数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移的校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄的计算)采用软件ICPMSDataCal完成,调试数据过程中所选激光束斑直径为32 μm和24 μm,对应样品信号时间分别采用35 s和30 s。首先调整外标样品,然后在外标样品和测定样品的信号积分区间(包括起始位置和时间长度)尽可能保持一致的前提下,尽量选择信号平直区间,以保证数据的准确校正。锆石微量元素校正采用MRMC-ISN多外标校正方法,用Zr做内标进行定量计算的方法可以消除激光能量在单点分析过程中以及分析点之间的飘移[15-16]。此次样品普通Pb的计数均很低,对数据影响不大,故未做普通Pb的校正。锆石U-Pb年龄谐和曲线和年龄加权平均值均采用程序Isoplot 3.00完成[17]。单个锆石分析点仪器测试误差为1σ。对于小于1 000 Ma锆石用206Pb/238U年龄代表成岩年龄,对于大于1 000 Ma锆石用207Pb/206Pb年龄代表成岩年龄[18]。通过反射光和透射光剔除凹坑、包体、裂隙较多的锆石,对4件样品中191颗碎屑锆石进行LA-ICP-MS U-Pb定年,剔除谐和度低于90%的数据,共获得175组有效数据(表1)。
3 结果分析
3.1 锆石特征
大多数锆石在镜下为透明状,极少数为半透明状、无色或浅黄—黄色,表面裂隙、凹坑较发育,大部分呈浑圆状、短柱状,长轴长度多介于50~100 μm,长宽比介于1∶1~3∶1。阴极发光图像显示锆石内部发育核幔、振荡环带、扇形以及复杂形态结构(图4、5),其中以振荡环带结构最为普遍,显示其以岩浆锆石为主。
火成锆石w(Th)/w(U)值通常大于0.5,而变质锆石通常小于0.01或更低[19]。吴家山群碎屑锆石U、Th含量(质量分数,下同)变化较大(表1),w(Th)/w(U)值多数大于0.5,指示其以岩浆锆石为主,少数w(Th)/w(U)值小于0.07,可能为变质锆石。样品WJSBIL碎屑锆石U含量介于(69.0~1 649.0)×10-6,Th含量介于(61.8~1 940.0)×10-6,w(Th)/w(U)值介于0.30~1.55,主要介于0.4~1.2,与火成锆石w(Th)/w(U)值特征类似。结合样品w(Th)/w(U)值及阴极发光图像特征[图4(a)],推断样品WJSBIL的碎屑锆石主要为岩浆锆石。样品11CBHG-6碎屑锆石U含量介于(94.0~1 609.0)×10-6,Th含量介于(17.0~859.0)×10-6,w(Th)/w(U)值介于0.04~1.03,除分析点11CBHG-6-10、17、33小于0.07外,其余主要介于0.4~1.0,推断样品11CBHG-6的碎屑锆石主要为岩浆锆石,少量为变质或复杂成因锆石[图4(b)]。样品11CBHG-8-1碎屑锆石U含量介于(49.0~1 465.0)×10-6,Th含量介于(19.8~1 198.0)×10-6,w(Th)/w(U)值介于0.05~2.16,除分析点11CBHG-8-1-26、34、42较小外,其余主要介于0.4~1.2,同样反映样品11CBHG-8-1的碎屑锆石以岩浆锆石为主,混有少量变质或其他成因锆石[图5(a)]。样品11CBHG-4-4碎屑锆石Th含量介于(5.5~791.7)×10-6,U含量介于(35.6~1 717.4)×10-6,w(Th)/w(U)值介于0.06~1.50,除分析点11CBHG-4-4-14较小外,其余主要介于0.4~1.0,指示样品11CBHG-4-4的碎屑锆石主要为岩浆锆石[图5(b)]。
综上所述,吴家山群4件样品的碎屑锆石主要来自蚀源区的岩浆锆石,少数锆石可能为变质或其他成因锆石,因此,本次测试的碎屑锆石年龄主要记录了源区岩浆活动的时限。
3.2 碎屑锆石U-Pb年龄谱
样品WJSBIL共54个分析点,获取45组有效年龄数据(表1)。除个别数据明显偏离年龄谐和曲线外,其余多在年龄谐和曲线上及附近分布[图6(a)、(b)],反映锆石U-Pb同位素体系总体保持封闭状态,未发生明显的U、Pb丢失。碎屑锆石U-Pb年龄为(399±3)~(2 858±43)Ma,其中0.45~0.50 Ga的锆石有17粒,占锆石总数的37.8%,峰值年龄为0.42 Ga,0.70~0.95 Ga的锆石有12粒,占锆石总数的26.7%,峰值年龄出现于0.74、0.82 Ga左右[图7(a)]。
样品11CBHG-6共36个分析点,得到有效年龄数据32组(表1)。在年龄谐和曲线中,除少数几个点由于Pb或U的丢失而稍微偏离年龄谐和曲线外,绝大多数年龄都在年龄谐和曲线上或附近[图6(c)、(d)],指示U、Pb总体保持不变。碎屑锆石U-Pb年龄为(426±7)~(2 565±52)Ma,集中出现于0.4~0.5 Ga(10粒)、0.75~1.00 Ga(8粒)两个年龄组,各占锆石总数的31.3%和22.2%,峰值年龄分别为0.45、0.79、0.99 Ga。另外,在1.1、1.7、2.4 Ga左右也出现锆石年龄相对集中的次峰[图7(b)]。其主要峰值年龄分布特点与样品WJSBIL碎屑锆石峰值年龄分布特征类似。
表1 吴家山群碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄分析结果Tab.1 Analysis Results of LA-ICP-MS Detrital Zircon U-Pb Ages of Wujiashan Group
续表1
续表1
注:分析点以WJSBIL、11CBHG-6、11CBHG-8-1和11CBHG-4-4开头的分别对应样品WJSBIL、11CBHG-6、11CBHG-8-1和11CBHG-4-4;w(·)为元素或化合物含量;N(·)/N(·)为同一元素同位素比值,N(·)为该元素的原子丰度;n(·)/n(·)为不同元素同位素比值,n(·)为元素的物质的量。
图4 样品WJSBIL和11CBHG-6碎屑锆石阴极发光图像Fig.4 CL Images of Detrital Zircons for Samples WJSBIL and 11CBHG-6
图5 样品11CBHG-8-1和11CBHG-4-4碎屑锆石阴极发光图像Fig.5 CL Images of Detrital Zircons for Samples 11CBHG-8-1 and 11CBHG-4-4
样品11CBHG-8-1共54个分析点,得到有效年龄数据52组(表1)。除个别数据由于Pb丢失而偏离年龄谐和曲线较远外,绝大多数年龄数据都位于年龄谐和曲线上或附近[图6(e)、(f)]。碎屑锆石U-Pb年龄为(446±9)~(2 605±63)Ma。其中,0.46 Ga左右集中分布8粒,占锆石总数的15.4%;0.75~1.05 Ga锆石有23粒,包含0.85 Ga和0.94 Ga两个峰值年龄,占锆石总数的44.2%;1.45~1.60 Ga锆石有6粒,占锆石总数的11.5%,峰值年龄为1.53 Ga。另外,少量锆石年龄在2.45 Ga左右集中[图7(c)]。与样品WJSBIL、11CBHG-6相比,样品11CBHG-8-1新元古代锆石比例明显增加。
图6 吴家山群碎屑锆石U-Pb年龄谐和曲线Fig.6 Concordia Diagrams of Detrital Zircon U-Pb Ages of Wujiashan Group
图7 吴家山群碎屑锆石U-Pb年龄直方图Fig.7 Histograms of Detrital Zircon U-Pb Ages of Wujiashan Group
样品11CBHG-4-4共54个分析点,得到有效年龄数据46组(表1)。从年龄谐和曲线可以看出,此样品的Pb丢失程度较前述样品稍强,但绝大多数分析点年龄都位于年龄谐和曲线上或附近,少数几个偏离年龄谐和曲线较远[图6(g)、(h)]。碎屑锆石U-Pb年龄为(401±8)~(2 683±68)Ma,主要集中分布于0.40~0.55 Ga(13粒)、0.80~1.00 Ga(12粒)两个年龄区间,峰值年龄分别为0.45、0.90 Ga,两者各占锆石总数的28.3%、26.1%;少数锆石在1.64、2.40 Ga左右出现少量集中的次峰[图7(d)]。
综上所述,吴家山群不同位置的4件样品碎屑锆石U-Pb年龄谱总体上具有类似的年龄谱结构,但相互之间也存在一定差异,其中底部的样品WJSBIL碎屑锆石仅具有两个年龄峰,低于1.0 Ga岩浆锆石占锆石总数的64.5%,缺少其他样品中大于1.0 Ga年龄峰结构,指示吴家山群底部碎屑锆石主要由源区低于1.0 Ga岩浆岩提供。而偏上部的样品年龄大于1.0 Ga的占比明显增加,尤以样品11CBHG-8-1最为显著,说明伴随吴家山群地层沉积,盆地周围的基底正发生不断隆升的过程。
4 讨 论
4.1 吴家山群地层沉积时代
吴家山群地层沉积时代包括早泥盆世[1]、晚志留世[3]和元古代[4]。杨志华等根据西汉水组之下的深变质岩系地层(吴家山群)7件黑云母石英片岩Sm-Nd全岩等时线年龄((1 224.68±28.99)Ma),并结合较高的变质程度,将吴家山群归于古元古界[4]。由于Sm-Nd等时线定年方法需要同时满足样品同源、同时和体系封闭3个条件,所以测试样品是否来自同一地质体或变质过程中是否达到了Sm-Nd同位素体系的均一化,是直接影响到等时线年龄可靠与否的关键。对原岩是沉积岩的变质岩系而言,同源条件很难满足,尽管有时样品可以构成等时线,但该等时线往往是假等时线(实际是不同来源样品的混合线),该等时线年龄无任何地质意义。另外,对等时线年龄代表地层变质作用时间还是沉积作用时间也不明确。因此,利用Sm-Nd等时线定年方法来限定地层沉积时代的可靠性值得怀疑。而锆石作为碎屑岩中常见的矿物,其抗风化和磨蚀能力强,能够较好地保持U-Pb同位素体系的封闭性,已成为限制地层沉积时代的重要方法之一。由于地层沉积物源来自盆地周缘的剥蚀区,其沉积时代自然要晚于源区地质体时间,可以利用碎屑锆石U-Pb定年得到的最小年龄来限定地层沉积时代的上限年龄。
从吴家山群下段下层下部样品11CBHG-6、11CBHG-8-1到靠近吴家山群下段上层不同位置样品WJSBIL、11CBHG-4-4的碎屑锆石U-Pb年龄谱特征来看,其均发育350~550 Ma年龄段的峰值(图7)。样品WJSBIL在该年龄段的峰值年龄主要集中于409~449 Ma,样品11CBHG-6的峰值年龄主要集中于439~459 Ma,样品11CBHG-8-1的峰值年龄主要集中于439~479 Ma,样品11CBHG-4-4的峰值年龄主要集中于409~469 Ma。根据该年龄段不同年龄范围锆石数量的统计(低于409 Ma有4颗,409~439 Ma有13颗,439~510 Ma有32颗),进一步指示吴家山群不可能是元古代地层,更不可能是古元古代地层。吴家山群地层变质程度普遍高于西汉水组,与印支期岩浆侵位相关的热变质有关,并非区域变质产物。由4件样品获得的最小锆石年龄分别为(399±3)、(426±7)、(446±9)、(401±8)Ma,其中的两粒锆石给出最小年龄为400 Ma,指示吴家山群地层沉积时代不会早于400 Ma,也就是说地层沉积时代在早泥盆世晚期或更晚。结合前人研究,将吴家山群划入早—中泥盆世较为合适。
4.2 吴家山群物源特征
吴家山群4件碎屑锆石年龄数据具有类似的年龄谱结构,年龄分布的综合统计特征见图7(e)。从图7(e)可以看出,吴家山群锆石年龄数据主要集中在0.40~0.50 Ga、0.70~1.05 Ga两个年龄段,少量集中在1.10~1.40、1.45~1.85、2.35~2.65 Ga等年龄区间。除个别锆石显示变质成因外,其余多为岩浆锆石,因此,上述信息应是源区岩浆活动在时间维度上的记录。
商丹缝合带划分秦岭造山带为北秦岭地体和南秦岭地体。近些年来,通过岩浆和碎屑锆石定年,一系列新元古代岩浆事件在南秦岭地体和华南地块被识别出来[20-28],指示两者在新元古代时期处于统一的构造背景中[13,22-25,29-30]。而北秦岭地体与华北地块或华南地块关系尚存争议,存在北秦岭地体为新元古代—早古生代华北地块南缘的活动大陆边缘[31-32],属于扬子地块[33-35]或区别于两者的独立块体[36-37]等不同认识。近年来越来越多的数据支持北秦岭地体不属于华北地块的结论。比如,北秦岭宽坪群与华北地块南缘盖层官道口群碎屑锆石U-Pb年龄谱对比研究认为,宽坪群变质沉积岩碎屑锆石的最小年龄在600~640 Ma范围内,峰值年龄出现在新元古代(0.9~1.0 Ga),而官道口群碎屑锆石U-Pb年龄则包含在华北地块普遍出现的1.85 Ga和2.50 Ga峰值年龄,地层最大的沉积年龄为1 850 Ma[38-39]。上述证据表明,至少在600~640 Ma范围之前北秦岭地体与华北地块尚未拼贴成一体,两者分别具有不同的演化轨迹。
北秦岭地体出露的秦岭岩群又被称为秦岭杂岩,沿北秦岭地体南缘分布,为一套历经多期变质变形和岩浆作用的中—深变质结晶基底杂岩系,变质程度普遍达角闪岩相、局部麻粒岩相,强烈发育深熔混合岩化作用,以深层塑性流变和韧性剪切带为主要变形特征[13]。这套变质杂岩主要以成熟度相对较低的陆缘碎屑岩(如杂砂岩)和碳酸盐岩沉积建造为主,中夹少量基性火山岩,主要由片麻岩、斜长角闪岩、钙硅酸岩及大理岩等组成。秦岭岩群早期多被认为形成于古元古代[40-43],而近期大量锆石原位微区U-Pb定年分析揭示出其中广泛出露的正片麻岩原岩形成年龄为843~971 Ma[35,44-45],副片麻岩碎屑锆石的最小年龄859 Ma[35]。由此可见,秦岭岩群应形成于新元古代。
除经历复杂的构造变形和变质作用改造之外,强烈的岩浆活动是北秦岭地体的又一重要特征。已有资料表明,北秦岭地体岩浆侵位事件至少存在中—新元古代、早古生代和早中生代等多期幕式岩浆活动。秦岭岩群花岗质正片麻岩锆石U-Pb年龄指示北秦岭地体存在中—新元古代花岗岩岩浆侵位事件[24,44,46-51],岩浆侵位时间主要集中在新元古代(850~980 Ma)和中元古代(1 400~1 600 Ma)[46-50,52-55]。而早古生代则是秦岭古洋盆俯冲到闭合的重要时期,是北秦岭地体岩浆-变质作用的重要阶段。早古生代花岗岩类锆石U-Pb年龄统计结果指示,早古生代存在约500、约450、约420 Ma等3个峰期花岗岩岩浆活动,分别对应该构造带约500 Ma高压—超高压变质作用、约450 Ma的中压麻粒岩相退变质作用和约420 Ma角闪岩相退变质作用[56]。另外,锆石U-Pb定年结果表明,与洋盆演化相关的蛇绿岩和火山岩同样记录了北秦岭地体450~500 Ma中—基性岩浆活动,如天水鸳鸯地区蛇绿岩中辉长岩SHRIMP锆石U-Pb年龄为(457±3)Ma[57],天水关子地区蛇绿岩中辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(471.0±1.4)Ma[58],草滩沟群变质中—基性火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(456.4±5)Ma[59]。李泽军等对西秦岭李子园群木其滩组3件变质火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,获得U-Pb年龄为487.5~507.0 Ma[60]。东秦岭二郎坪群弧后盆地火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年指示基性火山岩形成于463~475 Ma[61]。因此,北秦岭地体岩浆活动和变质作用记录了早古生代秦岭洋盆从发育到闭合及南秦岭地体和北秦岭地体拼合的完整历程。吴家山群碎屑锆石记录的0.40~0.50 Ga年龄信息同样出现在上泥盆统大草滩群[62-63]和中泥盆统舒家坝群[64]碎屑锆石U-Pb年龄谱中,说明该阶段的构造-岩浆热事件产物对商丹缝合带以南的泥盆系沉积有广泛影响。0.40~0.50 Ga是北秦岭地体岩浆活动和变质作用的重要阶段,而南秦岭地体显生宙以来岩浆活动主要发生于印支期。显然,吴家山群中该时限的碎屑锆石应主要来自北秦岭地体。
在晚古生代—早中生代勉略洋盆开裂之前,南秦岭地体是扬子地块的一部分,具有与扬子地块类似的基底。扬子地块的结晶基底岩石主要为峡东地区的崆岭岩群、后河杂岩,出露于南秦岭地体的鱼洞子岩群、佛坪岩群及陡岭岩群等,以及前寒武纪过渡性基底碧口群、郧西群、耀岭河群以及武当群等。SHRIMP锆石U-Pb定年确定了崆岭岩群最老的TTG片麻岩的结晶年龄为2.90~2.95 Ga[65];LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测得崆岭岩群黑云母斜长片麻岩的结晶年龄为(3 218±13)Ma[66];崆岭岩群奥长花岗质片麻岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(3 302±14)Ma[67];后河杂岩英云闪长质片麻岩锆石U-Pb年龄为2.08 Ga[68];鱼洞子岩群变形花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(2 703±26)Ma[69];陡岭岩群主体的条带状闪长质-花岗质片麻岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄为2 469~2 509 Ma[70];崆岭岩群的变质锆石年龄集中在1.9~2.0 Ga[65],榴线英岩LA-ICP-MS变质锆石U-Pb年龄为(1 964±12)Ma[71],闪长质片麻岩变质锆石增生边U-Pb年龄为(837±8)Ma[70]。这些年代学数据指示扬子地块发育新太古代—古元古代的岩浆活动,并经历了古元古代及新元古代变质改造。
南秦岭地体前寒武纪变质基底中的火山岩形成于新元古代。比如,武当群变质火山岩年龄为733~780 Ma[22,25];耀岭河群基性侵入岩年龄为(679±3)Ma[22];汉南杂岩体中五堵门岩体年龄为(789±10)Ma[21];碧口群火山岩SHRIMP锆石U-Pb年龄为776~840 Ma[72]。上述年龄证据指示南秦岭地体和扬子地块基底广泛发育新元古代岩浆活动。吴家山群0.70~1.05 Ga锆石记录了源区新元古代岩浆活动。新元古代是北秦岭地体和南秦岭地体岩浆活动期,由于该峰值年龄段出现了大量大于900 Ma的锆石,该年龄段在扬子地块北缘及南秦岭地体岩浆活动并不多见,而与北秦岭地体新元古代岩浆事件相对应。因此,这部分碎屑锆石可能来自北秦岭地体或南秦岭地体及扬子地块,但主体应来自北秦岭地体。
吴家山群少量锆石集中出现在1.10~1.40、1.45~1.85、2.35~2.65 Ga,前两个年龄区间主要对应北秦岭地体中—新元古代岩浆活动时间,2.35~2.65 Ga则主要对应扬子地块和南秦岭地体古元古代岩浆事件时间。新元古代之前,北秦岭地体、南秦岭地体和扬子地块尚未与华北地块对接,因此,南秦岭地体新元古代之前基底岩石的锆石不可能来自华北地块基底,而新元古代之后则随着北秦岭地体与华北地块的拼合,这两者可共同成为南秦岭地体新元古代及上覆地层的物源区。由此可以看出,吴家山群2.35~2.65 Ga碎屑锆石既可能来自扬子地块及南秦岭地体基底岩石,也可能来自华北地块南缘基底岩石。1.10~1.85 Ga明显早于南秦岭地体新元古代岩浆活动期,也不同于华北地块缺少中—新元古代岩浆活动特征。因此,该年龄段碎屑锆石不应来自南秦岭地体和扬子地块或华北地块,而应主要来源自北秦岭地体。
综上所述,吴家山群碎屑物质主要受早古生代北秦岭地体与南秦岭地体拼合作用控制,北秦岭地体作为源区提供了南侧吴家山群等泥盆纪沉积地层物质的主体,少量继承了南秦岭地体、扬子地块的基底物质。
4.3 秦岭洋盆闭合时间
秦岭造山带形成与演化模式存在3种不同的认识,分歧的焦点主要在于华北地块、扬子地块发生陆-陆碰撞的时间,即晚三叠世[13,73]或早中生代[74]、早古生代[75-77]和泥盆纪[78-79]。Dong等对东秦岭碎屑锆石的研究限定南秦岭地体与北秦岭地体碰撞发生于早泥盆世[80]。根据本次4件样品碎屑锆石U-Pb定年结果,吴家山群最小年龄约为400 Ma,沉积物源主要来自北秦岭地体。这些证据指示在西秦岭吴家山群地层沉积时,北秦岭地体已经成为南秦岭地体泥盆纪沉积盆地的物源提供者,南秦岭地体与北秦岭地体已拼合成一体,存在于南秦岭地体和北秦岭地体之间的商丹早古生代洋盆在吴家山群地层沉积时或之前已经闭合。因此,秦岭早古生代洋盆在西秦岭地区闭合时间可能在泥盆纪或之前。
5 结 语
(1)根据4件样品碎屑锆石最小年龄在399~446 Ma范围内,以及其中两粒锆石最小年龄分别为399 Ma和401 Ma,可以限定西秦岭吴家山群地层沉积的最大年龄约为400 Ma,地层可能属于中—下泥盆统。
(2)吴家山群碎屑锆石U-Pb年龄介于(399±3)~(2 858±43)Ma,主要集中在0.40~0.50、0.70~1.05 Ga两个年龄段,少量集中在1.10~1.40、1.45~1.85、2.35~2.65 Ga等年龄区间。其中,0.40~0.50 Ga锆石源区来自北秦岭地体;0.70~1.05 Ga锆石来自北秦岭地体和南秦岭地体或扬子地块,但主体应来自北秦岭地体;1.10~1.85 Ga锆石主要来自北秦岭地体;而2.35~2.65 Ga锆石主要来自南秦岭地体、扬子地块或华北地块。总体上看,吴家山群沉积物质主要来自北秦岭地体,少量继承了南秦岭地体的基底物质。
(3)根据吴家山群地层时代及陆源物质源区示踪结果,秦岭早古生代洋盆在西秦岭地区闭合时间应不晚于泥盆纪。
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