广西西大明山隆起带寒武-泥盆系碎屑锆石年龄谱系及其地质意义

冯洋洋, 付 伟, 冯佐海, 李赛赛, 庞崇进, 万宏宇,3, 张润泽, 李泽民,4

(1.北部湾大学 资源与环境学院， 广西 钦州 535011; 2.桂林理工大学 a.地球科学学院; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541006; 3.重庆南江工程勘察设计集团有限公司, 重庆 401120; 4.长沙迪迈数码科技股份有限公司, 长沙 410083)

碎屑锆石广泛存在于各种碎屑沉积物中, 是由岩浆活动或者变质作用产生的原生岩浆锆石或者变质锆石经过风化剥蚀、搬运、堆积而来[1]。 碎屑锆石的年龄谱不仅可以限定沉积盆地最大的沉积年龄,而且还对源区属性、沉积环境以及沉积盆地构造演化等多方面的信息有重要的指示意义[2-8]。近年来,通过对沉积碎屑岩锆石年龄谱的差别来判断区域构造事件的年代并追溯碎屑物质来源方面取得了丰硕成果。

华南地块地处欧亚大陆东南缘, 濒临西太平洋, 北邻秦岭-大别造山带, 西接滇藏造山系松潘-甘孜造山带和三江造山带[9], 是我国重要的地质单元。 它主要由扬子地块和华夏地块组成, 并且有着不同的前寒武纪地壳演化历史[10-16]。 两地块聚合的界线一直备受争议, 其中, 界线的东南段为江山-绍兴断裂带的观点已被大多数学者所接受, 而西南段因盖层覆盖严重, 其界线划分仍存在很大的分歧, 概括起来如下: ①师宗-弥勒-罗甸断裂[17-18]; ②凭祥-南宁-柳州-荔浦-恭城断裂[19-20]; ③郴州-临武断裂[21]; ④吴川-四会断裂[22], 等。 两地块缝合线位置的不确定性对于理解华南板块形成过程有着一定的制约。

广西西大明山地区地处华南大地构造演化的关键位置[23], 受“加里东运动”的影响, 使得区内寒武纪末至泥盆纪早期之间出现沉积间断, 在间断面上下发育了一系列厚度巨大的碎屑沉积岩地层, 是研究华南地块演化过程和源区属性的关键地区之一。 本文对西大明山地区寒武系顶部黄洞口组和泥盆系底部莲花山组中的碎屑岩进行系统的LA-ICP-MS 锆石U-Pb年代学研究。 根据碎屑锆石年龄谱的组成特征,对研究区沉积源区特征和沉积时代上限进行限定,为判断研究区基底组成与扬子地块或华夏地块的亲缘性以及两地块西南端的缝合界线提供重要依据和约束。

1 区域地质背景

广西西大明山地区位于大瑶山-西大明山隆起带的西南部, 大地构造位置上地处华夏地块和扬子地块结合处(图1)。 在长期的地史演化中,研究区遭受了强烈的剥蚀、变质作用,造成寒武系与上覆泥盆系之间的角度不整合,缺失奥陶系与志留系, 形成了寒武系和泥盆系为主的地层,局部分布有少量石炭系, 第四系星散分布于沟谷和地势低洼地带。 其中寒武系是由小内冲组和黄洞口组组成的沉积碎屑岩系, 属于半深海相沉积;岩性主要为长石石英砂岩、长石石英杂砂岩、含泥粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩等, 构成了西大明山复式背斜的基底; 而泥盆系主要沿寒武系周边分布, 构成了西大明山复式背斜的两翼, 由下至上分别为莲花山组、那高岭组、郁江组、东岗岭组和融县组, 其中下部的莲花山组至郁江组为一套紫红色-灰绿色-灰黄色的石英砂岩、长石石英砂岩、泥质岩和粉砂岩组成的沉积碎屑岩, 而上部的东岗岭组至融县组为中厚层状—厚层状的白云岩、白云质灰岩、灰岩等碳酸盐岩。下泥盆统莲花山组与下伏寒武系呈角度不整合接触(图2), 与上覆那高岭组、郁江组成整合连续接触沉积。区域构造复杂, 地层褶皱强烈, 主要经历了震旦纪—志留纪的基底构造演化,泥盆纪—中三叠世区域伸展裂陷以及晚三叠世—新生代挤压构造变形和隆升剥蚀3个阶段[24]。断裂错综分布,主要断裂呈NE-NEE向,对本区影响较大的断裂主要有荔浦断裂带、凭祥-大黎断裂带、灵山断裂带、博白-岑溪断裂断等。研究区岩浆活动虽然频繁,但出露规模相对有限, 仅有少量酸性岩脉和辉绿岩脉分布在西大明山复式背斜的核部及两翼;另外,深部存在隐伏岩体多处,主要以酸性岩为主,包括黑云母花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、石英斑岩、闪长玢岩等。

图1 华南前寒武变质基底分布图(a)和西大明山地区地质简图(b)(a引自文献[21，24]; b据文献[25-26], 有修改)Fig.1 Simplified distribution map of Precambrian basement metamorphic rock in South China (a) and geologic map of Xidamingshan district(b)Q—第四系;C—石炭系;D3r—泥盆系融县组;D2d—泥盆系东岗岭组;D1l-D1y—泥盆系莲花山组-郁江组;∈h-x—寒武系黄洞口组-小内冲组;①师宗-弥勒断裂;②茶陵-柳州-南宁-凭祥断裂;③郴州-临武-北海断裂;④吴川-四会断裂;⑤江山-绍兴断裂

图2 寒武系与泥盆系之间的角度不整合野外照片Fig.2 Field outcrops of angular unconformity between Cambrian and Devonian

2 采样位置及分析方法

本次以广西西大明山地区的中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组为分析对象(图1、图2), 分别对位于不整合面上下地层单元中的碎屑岩系进行碎屑锆石U-Pb年代学研究。 从采样位置处(N 22°54′30″, E 107°34′50″)可观察到： 不整合面下部为中寒武统黄洞口组中薄层状泥岩夹砂岩(样品号17006-N1), 岩层产状为15°∠67°, 局部可见明显的泥岩板岩化; 上部为泥盆系莲花山组厚层含砾砂岩(样品号17006-N2), 砾石成分为石英, 砾径3～5 mm, 岩层产状为340°∠18°。

样品的破碎及锆石分选在河北省区域地质调查院实验室完成;锆石的制靶、抛光、阴极发光(CL)显微成像、背散射照像在重庆宇劲科技公司完成;锆石U-Pb年龄测定在广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成,仪器为美国Agilient 7500cx电感耦合等离子体质谱仪和美国ESI的NWR-193(193 nm)激光器。在测试前先结合锆石阴极发光图像、透射光和背散射图像,标定合适的锆石颗粒;分析测试过程中采用标准锆石GJ-1和TEM作为外标准物质进行校正,每隔5个分析点,加测两个标样各一次。原始数据采用ICP-MSDataCal软件[27]处理,普通铅校正根据实测的204Pb进行, 同位素比值误差为1σ, 锆石年龄谐和图采用Isoplot 3.0完成[28]。 对于锆石年龄大于1 000 Ma的数据,采用207Pb/206Pb年龄; 而对于小于1 000 Ma的数据, 采用206Pb/238U年龄。

3 分析结果

3.1 中寒武统黄洞口组

用于测试分析的样品17006-N1中,锆石颗粒多为透明状或浅黄色,表面裂隙、凹坑较发育,大多数锆石颗粒表面形态呈磨圆状,且颗粒磨圆度相差很大,从长柱状到椭圆状均有出现,反映了物源搬运距离或沉积期次有很大差别,长轴长度多在80～150 μm,长宽比在1∶1～2∶1。锆石阴极发光(CL)图像显示(图3a),大多数锆石不同程度地保留着岩浆结晶成因特征的振荡环带,Th/U值范围在0.03～2.89,多大于0.1,与岩浆成因锆石特征相吻合[1,29],显示其蚀源区锆石以岩浆成因为主。

图3 部分代表性锆石的阴极发光图像Fig.3 Typical CL images of zircons in samples

对该样品进行了72粒锆石分析,去掉谐和度较差的数据,获得了69个有效数据(谐和度大于90%), 测试结果见表1。 从相应的谐和关系图(图4a)和年龄频率分布直方图(图5a)可知, 黄洞口组砂岩中主要为前寒武纪锆石,指示了沉积物来自前寒武纪不同时代的大陆源区和(或)再循环的陆源物质, 其中一粒锆石的207Pb/206Pb表面年龄为3 264 ± 36 Ma(测点16), 可能代表了最古老的古太古代地壳源区物质。 另有5粒谐和锆石构成了新太古代早期年龄组,其值为2 507～2 984 Ma。除此之外,1粒谐和锆石显示出中元古代早期年龄,而另外19粒谐和锆石构成了中元古代晚期年龄组,其范围为1 102～1 656 Ma。新元古代谐和锆石可分为2组,分别由6粒和26粒锆石组成,相应的年龄为750 Ma和843～1 033 Ma。样品中还存在6粒早寒武世锆石, 其206Pb/238U表面年龄为550 Ma。 由此可见, 碎屑锆石年龄主要峰值为550、750、1 000 Ma和1 400～1 500 Ma。 此外, 有1粒年轻锆石的206Pb/238U年龄为450±9 Ma, 但该锆石U含量相对较高(>1 000×10-6), 同时CL图像显示的颜色较暗, 暗示该年龄值可信度较低, 所以不作考虑。

图4锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.4 Diagrams of U-Pb concordia from the Xidamingshan district of Guangxi

图5 碎屑锆石统计年龄频率直方图(c、d根据张雄等[30]修改)Fig.5 Detrital zircon age frequency histograms

表1 西大明山地区中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb 年龄分析结果Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb analyses of sandstones from the Cambrian Huangdongkou Formation (Sample 17006-N1)and Devonian Lianhuashan Formation(Sample 17006-N2) from the Xidamingshan district of Guangxi

续表1

3.2 下泥盆统莲花山组

样品17006-N2中碎屑锆石颗粒大多呈近圆状、椭圆状,与黄洞口组锆石基本相近。对应的CL图像大部分显示出震荡环带,颜色呈灰白色、灰黑色(图3b)。锆石的Th/U值范围在0.02～2.67(表1),除测点23、36和37外, 其余Th/U值均大于0.1, 为岩浆成因锆石。 对该样品进行了72个测点的分析,有56个点的年龄谐和度≥90%, 相应的谐和关系图和年龄频率分布直方图见图4b和图5b。 多数分析数据点在谐和线附近(图4b), 其中最年轻的1颗锆石谐和年龄为499.9±7 Ma(测点10, Th/U=0.38,谐和度=98%), 其余测试数据在510 ～3 534 Ma,将其分为3组:第1组年龄是510～515 Ma,有7颗锆石,占全部测点的13%,峰值为515 Ma; 第2组580～785 Ma, 有8颗锆石,占全部测点的14%, 此区间内峰值为750 Ma; 第3组年龄830～984 Ma, 有18颗锆石, 占全部测点的 32%, 其峰值为950 Ma。 以上这些碎屑锆石年龄图谱以515和950 Ma峰值最为明显, 指示碎屑物质可能主要来源于～515、750和～950 Ma的源区、并以～950 Ma 的源区为主。 除了以上这些锆石颗粒外, 还有一些弱小的峰值, 其中,207Pb/206U年龄大于3 Ga的锆石有4颗, 年龄介于3 364～3 534 Ma, 分别是测点4、8、26、59, 这些较老的锆石Th/U值分别为0.54～1.22, CL图像显示韵律环带并有显著的磨圆,指示这些锆石为岩浆成因锆石,并且经历了搬运、沉积等地质过程。

4 讨 论

4.1 沉积时代的限定

沉积岩中的碎屑锆石是来自剥蚀源区经历了风化、剥蚀作用的岩石。一般而言,利用碎屑锆石年龄谱来限定沉积岩的形成时代,所遵循的原理是在寄主岩石中锆石的U-Pb同位素体系封闭条件下,地层的沉积时代一定小于所分析样品中最年轻碎屑锆石的年龄,此年龄可作为原岩的最大沉积年龄考虑[31]。前人对中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组的沉积时代的研究虽有涉及,但未深入,仅李青等[32]对大瑶山地区寒武系黄洞口组砂岩和泥盆系莲花山组石英砂岩进行锆石的U-Pb同位素分析,获得了最年轻的显生宙年龄(74～104、105、251 Ma)。此外结合CL图像特征分析,揭示这些锆石都是经过燕山期岩浆热改造事件而发生溶解和重结晶作用的热液锆石。近年来,邹和平等[33]对大明山两侧的黄洞口组粉砂岩进行了碎屑锆石研究,获得了最年轻碎屑锆石年龄为535±5 Ma和538±5 Ma。本次获得最小的年龄峰值为550 Ma， 与邹和平等的结果较为一致。因此,根据本文最新数据结合前人报道,可暂将寒武系黄洞口组的最大沉积时代限定为535～550 Ma。

对于泥盆系莲花山组的沉积时代, 乔龙[34]对右江盆地大明山地区莲花山组砂岩样品进行碎屑锆石年代学研究,取得了454、550、646、782、966～996、1 772、2 472、3 584 Ma的主要年龄峰值,以及一些介于其间显示为436、522、918 Ma的次要峰值。本文分析得到的莲花山组砂岩中年轻的碎屑锆石年龄为499～515 Ma,其加权平均值为511±5 Ma(n=8),这些年轻年龄的碎屑锆石也具有岩浆成因的韵律环带。综合以上结果,发现该莲花山组中都有加里东期锆石的出现。造成这种现象的原因可能是研究区曾受华南加里东事件的影响, 在寒武纪晚期到泥盆纪早期(或志留纪晚期)之间出现沉积间断,导致泥盆系直接覆盖在寒武系之上,从而使得泥盆纪地层中会遗留有加里东期的岩浆锆石。在泥盆纪时期,西大明山地区所在的右江盆地呈现出浅海台地与深海水沉积相隔的构造格局[35]。早泥盆世早-中期右江盆地碎屑沉积以莲花山组、大瑶山组砂岩、粉砂岩等为主,到了中晚泥盆世才得以碳酸盐沉积为主[34]。所以莲花山组物源区碎屑沉积物来自于早古生代被剥蚀的沉积岩和岩浆岩的再循环,所获得最年轻的碎屑锆石年龄为寒武纪。

4.2 物源分析

利用沉积物中碎屑锆石年龄谱是揭示源区和进行亲缘性对比的有效研究方法之一[22,36-38]。本次研究采集的西大明山样品中包含中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组样品各一件样品,共测得125个谐和度≥90%的年龄数据。碎屑锆石的U-Pb年龄频率直方图(图5)可以看出,中寒武统黄洞口组碎屑锆石共有5个峰值,分别是550、750、1 000、1 400～1 500、2 470～2 600 Ma,其中1 000 Ma年龄峰值最为显著且均为岩浆成因锆石,指示黄洞口组碎屑物主要来源于约1 000 Ma岩浆岩,其次也有550和750 Ma的岩浆岩。下泥盆统莲花山组碎屑锆石年龄除了515、750、950 Ma 峰值外,还有几个次要峰值。对比两组碎屑锆石年龄组成,发现除2 600～2 470 Ma和1 500～1 400 Ma这两峰值外,两者表现出相似的锆石年龄谱,年龄分布主要在515～750、800～1 100和>1 200 Ma,分别对应着泛非构造岩浆热事件、格林威尔-晋宁构造岩浆热事件和变质基底早期年龄记录。具体分析如下:

515～750 Ma:在年龄频率直方图上(图5a、b),可以见到550 Ma,到目前为止,华南还未报到有该年龄段的地质体,这一年龄段对应于全球性的泛非事件(550～600 Ma)[39-41]。 “泛非事件”是在莫桑比克洋闭合时,东、西冈瓦纳逐步聚合,并最终形成冈瓦纳大陆的过程[42]。同时代的岩浆活动和变质作用主要发育在印度、澳大利亚、非洲等块体[43-46]。说明泛非事件对该物源区的影响是比较显著的,在一定程度上响应了全球Gondwana大陆汇聚演化事件。而在黄洞口组和莲花山组沉积碎屑岩中均发现有750 Ma年龄峰值,该年龄区间位于晋宁运动与泛非运动之间。这部分锆石都具有明显的环带特征且磨圆度较好,表明这些锆石经历了长距离的搬运过程,这可能与Rodinia超大陆的裂解密切相关[47-50]。在此期间,扬子地块和华夏地块的东南部发生了强烈的岩浆活动,产生了大规模的花岗岩和酸性火山岩,以及一系列大陆裂谷型镁铁-超镁铁岩、双峰式岩墙群[11,51-53]。本文记录的750 Ma年龄峰值的碎屑锆石可能来源于此。

800～1 100 Ma: 根据资料显示, 粤中、赣南、闽北、湘中等地区, 沉积岩碎屑锆石中均发现大量Grenville造山期年龄, 例如, 粤中和平县古寨花岗闪长岩中发现大量910～1 070 Ma的继承锆石[39]; 粤中增城和赣南鹤仔3件基底变质岩测年获得了900～1 000 Ma的变质年龄[54]; 闽北建瓯叶坑变石英角斑岩中发现(1 100±19)Ma的岩浆锆石[55]; 桂东南云开群变质岩中获得的锆石年龄值变化于900～1 035 Ma[56]; 湘中大乘山地区长安组发现842～1 005 Ma的碎屑锆石[57]。 本次沉积岩样品获得的碎屑锆石年龄谱图中分别存在950和1 000 Ma年龄峰值, 对应于Grenville造山期年龄, 揭示物源区可能曾是Grenville期造山带的一部分。

>1 200 Ma: 中寒武统黄洞口组有两个不同于下泥盆统莲花山组的碎屑锆石年龄峰值(图5a、b), 其中1 400～1 500 Ma出现的较宽的年龄谱对应于Columbia大陆的裂谷期,指示其源区物质可能与Columbia大陆的裂谷作用相关。而另一个在2 470～2 600 Ma碎屑锆石年龄区间与全球新太古代末-古元古代古陆核生长事件相对应,指示物源区可能在太古代就已形成,它对深入开展华夏古陆的演化具有重要的借鉴价值。值得注意的是,在测试的所有数据中,207Pb/206U年龄大于3.0 Ga且谐和性大于90%的有5颗,分别为黄洞口组 3 264±35 Ma， 莲花山组 3 334±43、3 363±49、3 391±40和3 460±35 Ma。 这些锆石呈现出很好的磨圆度,指示很可能经历了一次或多次搬运和再循环过程,记录到了源自太古代剥蚀区遗留下来的物质信息。

“广西运动”被认为是扬子地块与华夏地块在古生代发生碰撞的代表性事件, 受“广西运动”的影响, 研究区所在的华南地壳在奥陶纪晚期(460 Ma左右)开始缩短、抬升, 在这过程中地壳逐渐抬升、加厚, 形成的大量花岗质岩浆也在地壳抬升过程中不断被暴露剥蚀。 与此同时, 形成了下泥盆统莲花山组与中寒武统黄洞口组的不整合界面, 以及界面上覆的奥陶系、寒武系等碎屑岩一起抬升、剥蚀、沉积再循环, 为该地区志留系提供了大量沉积物。 直至泥盆纪时期, 随着“广西运动”的结束, 古特提斯洋打开,使得早古生代沉积岩和岩浆岩被剥蚀,沉积在乃至整个华南地块之上,由此可以推断出,研究区泥盆系直接覆盖在寒武系之上的地层接触关系,可能是两期造山事件叠加的结果,以及泥盆纪时期物源部分来自于下伏寒武纪地层的再循环。

4.3 扬子地块和华夏地块的西南界线初步探讨

扬子地块与华夏地块西南端界线问题一直存在争议,众多地质学家分别通过多岛洋体系[58]、地层学方面[59]、火山岩和花岗岩研究[18]、地壳地震波分析[22]、深部地球物理资料[60]、古地理特征[61]等方法给出了不同的界线划分。由于华夏地块和扬子地块具有不同的前寒武纪演化历史,所以在新元古代之前,两地块之间在岩石组成、时代组合、地球化学以及后期地质演化等都存在明显差异。本文依据两地块前寒武纪锆石年龄具有不同的特征,通过对西大明山地区碎屑锆石年龄谱系的研究,为扬子地块和华夏地块西南段界线的界定提供了新的证据[12-16,62]。其中,华夏地块新元古代沉积岩以包含大量的Grenville期(～1.0 Ga)和新太古代(～2.5 Ga)碎屑锆石为特征(图5d)[11,22,38,63-64], 而且在华夏地块的南缘很可能曾经存在一个Grenville 期造山带[40]。 而扬子地块则以大量的新元古代(740～840 Ma)岩浆事件为标志, 这期岩浆活动广泛分布于扬子地块的周缘,但在华夏地块却很弱,仅限于东华夏的北武夷地区[65]。本次沉积岩样品获得的碎屑锆石年龄谱图与邹和平等[33]报道的广西东部大瑶山-大明山地区寒武系碎屑锆石中存在950～1 020 Ma的年龄峰值一致。本文将其与扬子地块和华夏地块碎屑锆石年龄谱系分别进行对比(图5),发现本次样品特征与华夏地块的年龄组成非常相似,而明显区别于扬子地块的年龄组成,表明中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组都与华夏地块具有亲缘性,暗示了其剥蚀源区可能曾是华夏地块Grenville期造山带的一部分,进而指示扬子与华夏地块之间的西南段界线应位于西大明山地区以北,与陈凌云等[20]推测的扬子与华夏地块在广西境内的分界线一致，即可能是以凭祥-南宁-柳州-荔浦-恭城断裂带为界。

此外, 中寒统黄洞口组和下泥盆统莲花山组碎屑锆石年龄谱系中, 均存在750 Ma的年龄峰值, 正如前文所说, 扬子地块以大量 Rodinia裂解期(840～740 Ma)岩浆事件为标志, 而这期事件在华夏地块反映不明显, 推测研究区可能接受来自前寒武纪时期扬子地块的物质沉积, 也就是说华夏地块与扬子地块在Rodinia裂解时期已经完成了碰撞, 从而使得研究区的构造基底发生了物质转换。

5 结 论

(1)对西大明山地区中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组中的2件砂岩样品进行了碎屑锆石的LA-ICP-MS U-Pb年代学测试, 结果显示: 黄洞口组谐和年龄数据显示出550、750、1 000、1 400～1 500、2 470～2 600 Ma 5个主要峰值区;莲花山组碎屑锆石年龄主要呈现出3个比较明显的峰值,分别是515、750、950 Ma。

(2)中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组碎屑锆石年龄谱系表现出基本相似的分布特征,说明两组碎屑锆石在某种程度呈现出沉积再循环作用,其中750 Ma与Rodinia超大陆的裂解事件相关;而950～1 000 Ma则揭示物源区曾是Grenville期造山带的一部分。

(3)将本次获得的中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组碎屑锆石年龄图谱分别与扬子地块和华夏地块碎屑锆石年龄谱系进行对比,可发现本次样品与华夏地块的年龄组成非常相似,而明显区别于扬子地块的年龄组成,表明了西大明山地区中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组都与华夏地块具有亲缘性,揭示扬子与华夏地块之间的西南段界线应位于西大明山地区以北。