福建上杭红层盆地沙县组时代及盆地演化特征

陈淑华 徐维光 张开毕

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

近期在上杭盆地白垩纪红层中发现大量恐龙足迹群，这些恐龙足迹贮存于白垩纪沙县组的泥岩、粉砂岩中，这是福建境内在恐龙及其遗迹方面的首次发现，对福建的恐龙研究具有里程碑意义，从此结束了福建境内“没有恐龙”的历史。对于上杭盆地沙县组的时代，前人根据地层对比和生物化石资料将其归于晚白垩世[1-2]。但由于该盆地化石研究程度较低，且生物常存在穿时性，对该地层时代仍未有可靠的结论。因此要找到岩石记录中的沉积岩事件和古生物事件定年，关键在于找到夹在沉积岩地层中的火成岩，并进行定年，从而确定红层时代。在此次工作中，笔者在上杭盆地沙县组中找到火山岩夹层，并且通过对砂泥岩中的火山岩夹层进行年代学研究，精确厘定了红层时代，为该区域红层盆地的形成与演化，探讨白垩纪中晚期大地构造属性提供新的线索。

1 地质概况

1.1 地层

上杭盆地内地层较为简单，区内出露的最古老地层为新元古界楼子坝组、楼前组、南岩组变质砂岩和千枚岩，这些前寒武基底主要位于盆地北部，被泥盆—石炭系灰岩以及碎屑岩不整合覆盖。盆地内主要为白垩世杂色粗粒碎屑岩和火山岩，分别为黄坑组、寨下组、沙县组和崇安组。黄坑组和寨下组为一套杂色复成分砾岩、砂质砾岩夹粉砂岩，含有大量的火山岩。沙县组和崇安组为区内传统意义上的红层，为一套紫红色粗—细碎屑岩组合(图1)。

图1 福建省上杭红层盆地地质简图Fig.1 Brief geological map of Shanghang Red Formation Basin in Fujian province

沙县组：主要分布于上杭北部及东南部潭溪里、上浦滩、上杭县、毛桃寨等地，呈北西向带状展布。为一套紫红色碎屑岩组合，平行不整合于石帽山群或超覆在其他老地层之上，上浦滩一带层序分布较全。岩性以紫红色粉砂岩、粉砂质泥岩为主，间夹紫红色砂砾岩，岩屑杂砂岩及流纹质(含角砾)晶屑凝灰岩，产植物化石。

崇安组：在盆地西部沿梯子岭断层断续分布，各地岩性差异不大，为复成分砾岩组合，碎屑由下往上变粗。下部由砾岩、砂砾岩(含砾砂岩)组成旋回性基本层序。层序下部为厚-巨厚粗粒复成分砾岩、中细粒复成分砾岩，发育底冲刷、粒序层理，砾石叠瓦状排列；层序上部为复成分砂砾岩、含砾杂砂岩(杂砂岩)，发育粒序层理，槽状交错层理，砂岩常呈透镜体产出。上部由粗-卵砾复成分砾岩，中细砾复成分砾岩组成基本层序。粒序层理发育，砾石叠瓦状定向分布，砾径粗大(一般为20～80 mm，大者为150～400 mm)。

1.2 地质构造

上杭红层盆地位于闽西南坳陷西南部的上杭—云霄北西向断裂带与北东向宣和复式背斜的复合部位，基底构造复杂[3]。组成上杭—云霄断裂带的北西向断裂总体上显示张性特征，对断陷盆地有控制作用，盆地形状明显受该断裂控制而呈北西向带状展布[4]。盆地的主干断裂为西南侧的梯子岭断裂，表现为张扭性质，它的形成和长期继承性活动对该盆地的发展有着直接的内在联系。

2 样品特征与分析测试

2.1 样品采集

样品ShTW采自上杭盆地古石背，在沙县组薄层状紫红色粉砂岩、细砂岩中见夹紫红色中薄层状凝灰质粉砂岩，层厚为20～40 cm，向上层位逐渐变化为薄层状紫红色粉砂岩夹细砂岩。样品SHTW1采自上杭盆地中部李家坪公路壁，层位归属为沙县组，岩性为流纹质角砾岩屑凝灰岩，产于紫红色泥岩夹层中。

凝灰质粉砂岩，岩石呈凝灰质粉砂状结构，层理构造。岩石中物质组分有正常沉积物和火山碎屑物2部分(照片1)。层理构造由物质组分、碎屑粒径大小在垂向上的变化而显示。正常沉积物含量为40%～70%，物质组分有黏土矿物、陆源碎屑、氧化铁和钙质。其陆源碎屑分选性好，碎屑粒径为0.02～0.06 mm(粉砂级)，少部分粒径为0.1～0.2 mm，呈次滚圆状，长轴具定向排列，碎屑成分有石英、白云母、黑云母、泥岩、花岗斑岩、凝灰岩等。黏土矿物为水云母矿物，呈显微鳞片状，被氧化铁浸染。火山碎屑物含量为30%～60%，成分有晶屑、岩屑、玻屑、火山灰。其岩屑粒径为0.06～0.4 mm，成分有流纹岩、英安岩等。晶屑成分为石英、斜长石和钾长石。玻屑和火山灰已脱玻化被隐晶状长英质矿物取代。

照片1 上杭盆地古石背凝灰质粉砂岩及显微镜下特征 Photo.1 Characteristics of Gushibei tuff siltstone and those under the microscope in Shanghang Basin

流纹质角砾岩屑凝灰岩，岩石呈灰白色，角砾岩屑凝灰状结构(照片2)，块状构造。岩石的物质组分为火山碎屑物，主要由晶屑、岩屑(角砾)、玻屑、火山灰组成，杂乱排列。岩屑(角砾)占岩石总量的55%，直径为0.2～80 mm(手标本)，岩屑(角砾)成分有流纹岩、熔结凝灰岩等。晶屑含量占5%，均呈碎屑状，粒径为0.08～1 mm，成分为石英(3%)、钾长石(1%)、斜长石(1%)。其晶屑石英切面洁净。晶屑钾长石，轻微泥化。晶屑斜长石具聚片双晶，卡钠复合双晶，泥化。玻屑含量占25%，单偏光下形态轮廓较清晰，呈碎片状，已脱玻化被石英、隐晶状长英质矿物取代。火山灰呈胶结物，含量为15%，已脱玻化被隐晶状长英质矿物取代。

照片2 上杭盆地南端李家坪流纹质角砾凝灰岩及显微镜下特征 Photo.2 Characteristics of Lijiaping streamlined conglomerate tuff and those under the microscope in the south of the Shanghang Basin

2.2 测试方法

此次样品破碎和锆石分选由河北省廊坊市诚信地质公司完成，阴极发光(CL)照相和制靶由北京镐年领航科技有限公司完成。锆石微区原位U-Pb同位素年龄分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室的LA-ICP-MS仪器上用标准测定程序进行。分析仪器为Agilent 7500a型四极杆质谱仪和Geolas 200M型激光剥蚀系统，激光器为193 nm ArF准分子激光器。激光剥蚀斑束直径为20 μm，激光剥蚀样品的深度为20～40 μm。锆石年龄计算采用标准锆石91500作为外标，元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST SRM610作为外标，29Si作为内标元素进行校正。样品的同位素比值和元素含量数据处理采用GLITTER(ver4.0，Macquarie University)程序，并采用Andersen软件对测试数据进行普通铅校正，年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT(3.0版)软件完成[5]。详细的实验原理和流程及仪器参考文献[6-7]。

3 测试结果

3.1 阴极发光图像特征

从上杭古石背采集的样品(ShTW)共测24个点，所分析的锆石颗粒CL图像显示，测试的火山碎屑岩的锆石多以自形柱状为特征，粒径为50～200 μm，多数锆石具明显震荡环带结构(图2)。

上杭李家坪采集的样品(SHTW1)所分析的锆石颗粒CL图像显示，测试的火山碎屑岩的锆石多为柱状、板状，自形程度较高，粒径为80～200 μm，部分为300 μm，多数锆石可见明显密集的岩浆振荡生长环带或宽缓的岩浆生长环带(图3)。锆石的Th、U含量较高，且Th/U比值均大于0.4，显示为岩浆成因锆石的特征[8]。

图2 上杭盆地凝灰质粉砂岩(ShTW)锆石阴极发光图像Fig.2 Zircon cathode luminous image of tuff siltstone (ShTW) in Shanghang Basin

图3 上杭盆地李家坪流纹质角砾岩屑凝灰岩(SHTW1)锆石阴极发光图像Fig.3 Zircon cathode luminous images of Lijiaping stream brecate debris tuff (SHTW-1) in Shanghang Basin

3.2 锆石U-Pb年龄特征

凝灰岩粉砂岩样品ShTW测年结果显示(表1)，测得的24个数据206Pb/238U年龄为97.1～1 100 Ma，其中点9，10，11，15，20，21共6个点同位素数据偏大，其余18个数据的206Pb/238U年龄较为一致。但从凝灰质粉砂岩的锆石U-Pb谐和图(图4)中可看出，仅有5点落在谐和线上及附近，给出年龄的加权平均值为(101.1±1.3)Ma(n=5，MSWD=0.18)。笔者将这年龄解释为火山碎屑岩的成岩年龄。

表1 上杭盆地古石背凝灰岩(ShTW)LA-ICP-MS锆石U-Pb分析结果

流纹质角砾岩屑凝灰岩(样品SHTW1)测年结果显示(表2)，所测的24个数据206Pb/238U年龄为90.1～97.2 Ma，24点都落在谐和线上或附近(图5)，年龄值较为一致，所有年龄值的谐和度都在90%以上，年龄较为可靠，给出的年龄加权平均值为(93.69±0.82)Ma(n=24，MSWD=1.6)，代表了该火山岩的成岩年龄。

图4 上杭盆地沙县组凝灰质粉砂岩(ShTW)锆石U-Pb同位素加权平均年龄值图及谐和图Fig.4 The weighted average age value and the harmonic diagram of zircon U-Pb isotopes in the Shaxian group tuff siltstone (ShTW) in Shanghang Basin

图5 上杭盆地流纹质角砾岩屑凝灰岩(SHTW1)锆石U-Pb同位素加权平均年龄值图及谐和图Fig.5 The weighted average age value and the harmonic diagram of zircon U-Pb isotopes in the Streamlined conglomerate debris tuff(SHTW1) in Shanghang Basin

表2 上杭盆地李家坪流纹质角砾凝灰岩(SHTW1)LA-ICP-MS锆石U-Pb分析结果

续表2

4 讨论

4.1 沙县组沉积时代

福建省石油地质队(1)福建省石油地质队，福建省中新生代盆地石油地质普查工作总结，1978。在上杭盆地沙县组上部灰绿-灰黑色粉砂质泥岩中发现丰富的动、植物化石，主要动物化石为Tenuestheriatenuis(薄壳叶肢介)、Zhestherisnemestheriformia(线型浙江叶肢介)、Cyprissp.(金星虫)、Cyproissp.(花边虫)、Cyprinotussp.(美星虫)；植物化石为Frenelopsissp.(拟节柏)和Brachyphyllumsp.(短叶杉)，这些化石为早白垩世的属种。

与福建相邻的浙江，在金衢盆地白垩系中戴组和赖家组地层也先后发现恐龙骨骼化石和保存完好的恐龙脚印化石，与此次上杭红层盆地所产出的恐龙足迹群可以横向对比[9]。根据近年在金衢盆地龙游上圩头衢江群中戴组测得玄武岩K-Ar年龄为105 Ma和其中金衢盆地衢江群下部中戴组上部所产的Chilantaisauruszhejiangensis，将中戴组时代归为早白垩世晚期[10-11]。赖家组根据所测得的2组锆石U-Pb同位素年龄为114 Ma、101 Ma，也将其归为早白垩世晚期[12]。表明恐龙在早白垩世晚期就在这个地方活动，为该区域恐龙动物群的演化提供了时代依据。

此次研究同位素年龄测试结果显示，上杭红层盆地东北部的沙县组凝灰质粉砂岩的锆石所获的206Pb/238U表面年龄加权平均值为(101.1±1.3)Ma(n=5，MSWD=0.18)。依据中国地层年表[13]，早、晚白垩世的时代界线为100.5 Ma，因此该火山岩的时代归入早白垩世晚期。而盆地南部的沙县组流纹质角砾岩屑凝灰岩(SHTW1)，所获的206Pb/238U表面年龄加权平均值为(93.69±0.82)Ma(n=24，MSWD=1.6)，这2个年龄值都代表火山碎屑岩的成岩年龄。结合古生物化石资料，认为上杭红层盆地沙县组的时代为早白垩世晚期-晚白垩世早期。

4.2 盆地沉积构造演化

上杭盆地呈北西方向展布，主要受北西向的上杭—云霄断裂带的影响，这些断裂总体上显示张性特征，对断陷盆地有控制作用。盆地的主干断裂为西南侧的梯子岭断裂，沿330°方向延长达50公里，具宽数十米至百余米的破碎角砾岩带，并有石英脉充填，显示张性特征。而在破碎带西南侧花岗岩中有构造透镜体存在，显示压性特征，说明该断裂活动的长期性和复杂性。另外盆中还分布着北东向以张性为主的断裂，其形成属于老断层继承性活动所衍生出来的。

4.2.1 断裂对盆地的控制作用

盆地的东缘地层为石帽山群火山岩系，西为梯子岭断层所切，断层的西边为燕山中期花岗岩，盆地呈狭长形分布，中部较宽，向北、南两端逐渐收敛。由于西侧梯子岭断层的形成及其长期继承性活动，使盆地两翼不对称发展，盆地西部松山下、深陂一带，因长期急剧下沉接受沉积，为盆地的主要沉降带。由此带往北、往南和向东，基底逐渐抬起。因此潭溪以北，风云渡以东和大元角一带便没有沉积，使盆地形成了西深东浅、西厚东薄和西细东粗的不对称发展。在总的构造轮廓上也受这种不对称发育的影响，根据福建省区域地质调查队资料可知(2)福建省区域地质调查队，1∶5万武平县、上杭县、岩前、象洞幅区域地质调查报告，1995。，在上杭城关以北地层产状均向南西和南南西倾，且倾角由东向西增大，走向为北西280°～345°的方向，呈从东向西，由老至新呈叠瓦状分布。而在上杭城关以南则地层产状倾向北西及北东，即构成一个对称的向斜构造，至大肚石以南地层走向变为南北向，与盆地方向一致，倾向西。盆地北部上浦滩一带沉积最全，且岩性和厚度均较稳定，向南北两端很快就变薄或尖灭。表明沉积中心原在上浦滩一带，后期转移。

4.2.2 盆地沉积构造演化

上杭盆地处于上杭—云霄北西向构造带上，基底构造复杂，但盖层仅受北西向构造控制，呈单向箕状断陷盆地产出。主干断裂为梯子岭断裂，形成于燕山Ⅰ幕构造运动或更早，早期的断裂性质已很难考究。但当其形成断陷盆地时，断裂性质显示属张性正断层。且成为岩浆喷发和侵入的通道，使上杭一带的火山岩及大片的燕山期花岗岩呈北西向展布。到了早白垩世之后，发生了燕山Ⅲ幕构造运动，但表现并不强烈，主要是一些断裂的重新活动和进一步强化[14]。如北西向的上杭—云霄断裂带也得到进一步强化，造就了北西向的上杭盆地。

盆地发育初期，与其他盆地不同，一开始就沉积了一套含凝灰质较高较细的浅湖相为主的砂泥岩建造，后被紫红色砂、泥质岩覆盖。表现为盆地中心细、两端粗，分属于河流相、湖泊相沉积。两端粗碎屑岩继承了下部河流相沉积，其基本层序、层理构造等特征基本一致，表现为两端向中心流向的辫状河沉积环境。盆地中心为细碎屑岩组合，岩性以泥岩、粉砂岩为主，发育水平层理，产植物化石，显示为湖相沉积。中心湖泊水深积厚，在强氧化的大环境中也形成局部还原环境。后来火山活动增强，在盆中形成了一套火山碎屑岩，随后火山活动减弱，断块隆升，造成盆地东西两侧沉积环境的差异。晚白垩世时，盆地是继承前期的断陷盆地而发育的，随着盆地构造应力的转换，沉积作用转为侧向堆积为主，区内广泛发育山间盆地沉积，为一套成熟度低的红色粗复陆屑建造，并且盆地进一步萎缩，处于封闭、消亡阶段。

因此在沙县组初期沉积的岩性、岩相上，有别于一般断陷盆地发育的特征。一开始就沉积了一套含凝灰质较高较细的浅湖相为主的砂泥岩建造，甚至还有暗色泥质岩系的沉积，(杭二井下部见50余米灰-紫红色砂、泥质岩) 并不存在填平补齐的阶段，这是符合继承式盆地发展规律的。

5 结论

(1)对上杭红层盆地沙县组中含火山碎屑岩夹层样品进行了锆石U-Pb同位素测年，得出2组年龄分别为(101.1±1.3)Ma，(93.69±0.82)Ma，认为沙县组的时代为早白垩世晚期-晚白垩世早期。

(2)上杭红层盆地的形成主要受断裂的控制，其主干断裂为梯子岭断裂，盆地发育初期伴随有微弱的火山活动，沉积一套含凝灰质较高的砂泥岩建造。中期断陷活动加强，伴随较强烈的火山活动，覆盖了早期的沉积。晚期盆地继承了前期的断陷，构造应力转换，以粗复陆屑为主，盆地萎缩封闭。

(3)上杭盆地受北西向构造控制，与福建境内其他红层盆地明显不同，它的形成机理、应力作用的方式和方向还需要进一步分析研究，具体构造运动如何影响其成盆的时间及沉积分布，还需要做更多的工作进行考证。

致谢：文章主要依托“福建省白垩纪中晚期红层盆地形成与构造背景研究”项目编写而成，系项目组集体劳动成果。