青藏高原东北缘祁连山三叠系砂岩碎屑锆石U-Pb定年及其物源分析

吴 龙，柳长峰，刘文灿，张宏远

(1.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034；2.中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083；3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引 言

在20世纪70年代，关于祁连造山带的研究已取得很好的成果，特别是在关于北祁连加里东造山带的结构和构造演化等研究领域。王荃等先后分析了北祁连地区蛇绿岩套的岩石学、形成时代、地球化学及构造意义[1-2]，李春昱等[3]、左国朝等[4-5]、肖序常等[6]、冯益民等[7]从不同角度探讨了北祁连造山带的发展演化过程，吴汉泉等[8-9]、Song等[10]对祁连山发育的高压变质岩进行了矿物学、岩石学、同位素年代学及地球化学研究，夏林圻等[11-14]通过北祁连山造山带海相火山岩的岩石学特征、同位素年代学、地球化学特征和构造环境特征进行了较全面的分析研究。然而上述工作主要集中在北祁连造山带内的蛇绿岩、混杂堆积岩、火山岩以及超高压变质岩带的变质变形作用和大地构造意义上的研究，对沉积作用和沉积盆地演化的关系，尤其是对祁连山三叠纪以来的沉积演化研究甚少，仅有杜远生等[15-16]、徐亚军等[17-18]和宋志杰等[19]通过U-Pb测年和沉积岩石地球化学等手段对祁连山三叠纪之前的沉积演化进行了分析研究。本文通过对祁连山地区三叠系砂岩进行古水流统计、碎屑矿物统计和碎屑锆石U-Pb测年等方法对祁连山三叠系盆地的形成时代、物质来源和构造演化进行研究，进而恢复祁连山三叠纪的沉积古地理面貌，以期为整个青藏高原的研究提供有益资料。

1 区域地质概况

祁连造山带位于青藏高原东北缘，大地构造背景位于我国秦祁昆中央造山系中段，挟持于华北板块和柴达木板块之间，是柴达木微板块与华北板块多旋回碰撞形成的复合造山带。祁连造山带南部与西秦岭地块相邻，二者的边界发育有武山、临夏、青海湖南山等断裂；祁连造山带北部与华北古陆的阿拉善地块相邻，二者的边界断裂为龙首山大断裂；祁连山带的西北部与塔里木陆块的敦煌地块相邻，二者接触部位发育有北东东向的左行走滑阿尔金断裂；祁连山带的东部以左行走滑的海原断裂与鄂尔多斯地块相邻，在中国古陆块群中祁连造山带整体上表现为以北西西向展布的长菱形体。祁连地体传统上分为3个北西西向的构造单元：北祁连地体、中祁连地体和南祁连地体，其中祁连地体北边为河西走廊盆地，南边是柴北缘超高压变质岩带[20-22](图1)。

图1 青藏高原及其邻区构造简图(据文献[22]修改)Fig.1 Topographic map of the Tibetan Plateau and adjacent area showing major geologic structures(modified from reference [22])

研究区内出露的地层较全，主要包括古元古界拖赖岩群(Pt1T)黑云斜长片麻岩，下石炭统大黄组(C1dh)黄灰色含砾粗砂岩、灰黑色碳质粉砂岩，上二叠统忠什公组(P3z)紫红色中细粒岩屑长石砂岩，下三叠统下环仓组(T1x)青灰色中粗粒-细粒岩屑长石砂岩夹同色泥岩、粉砂质，中三叠统江河组(T2j)灰绿色厚层状长石砂岩，上三叠统阿塔寺组(T3a)灰白色长石砂岩与灰黑色粉砂质细粒长石砂岩互层，侏罗系窑街组(J1y)灰黑色长石砂岩、黑色炭质页岩煤线，新近系(N)河湖相碎屑沉积建造和第四系(Q)河流沉积物。其中研究区的三叠系地层在北边和中部以断层与元古代拖赖岩群接触[23](图2)。

图2 研究区地质简图与样品分布图(据文献[23]修改)Fig.2 Structural sketch map of the study area and location of sample(modified from reference [23])

2 样品特征及分析方法

2.1 样品特征

为了明确青藏高原东北缘祁连山三叠系砂岩物源方向及母岩性质，分别在下仁茨和希尔陇地区选取了上三叠统阿塔寺组、中三叠统江河组、下三叠统下环仓组砂岩进行系统野外调查及采样，共采集了5件样品(样品编号W821-1、W822-1、W823-1、W922-1、W923-1)，采样位置见图2。其中W822-1、W823-1、W922-1样品为中粗粒岩屑长石砂岩，具中粗粒砂状结构，分选磨圆中等，主要由石英、长石和岩屑组成，其中单晶石英含量约为35%，多晶石英约5%，长石的含量约35%，岩屑的含量约15%，岩屑以变质岩和酸性侵入岩为主。W821-1、W923-1样品为中细粒岩屑长石砂岩，分选磨圆较好，主要由石英、长石和岩屑组成，其中单晶石英含量约35%，多晶石英约5%，长石的含量约40%，岩屑的含量约20%，岩屑主要以变质岩和火山岩为主。

2.2 分析方法

2.2.1 古水流方向统计

沉积岩中的许多指向沉积构造都可作为古水流的标志。本次工作主要通过对研究区多个露头的砾石叠瓦构造、小型斜层理、波痕、槽膜进行产状测量统计，经水平校正后恢复沉积物沉积时的古流向。

2.2.2 物源区性质及大地构造背景判别

砂岩中碎屑矿物的特征及数量受成岩作用的影响较小，可以用来进行砂岩物源和大地构造背景分析。Dickinson等[26]根据大量统计数据建立了砂质碎屑、矿物成分与物源区之间的系统关系，并绘制了砂岩物源区的划分和判别图解。本次工作对5件三叠系砂岩薄片在双目镜下通过计点法统计碎屑颗粒成分，即把砂岩中岩屑、各种矿物成分严格按照相应的图解端元组分分别统计，然后投影到Dickinson三角图解中，分析其物源区性质及大地构造背景。

2.2.3 年代学分析

锆石的分选在河北廊坊区调所完成。先将样品粉碎至适当粒度,视样品量分别用摇床或手淘将重矿物集中,然后用重液或结合电磁法进一步富集后,每个样品随机挑出相当数目将其用环氧树脂固定制成靶，而后抛光至锆石晶体中部暴露在表面。锆石阴极发光(CL)图像的拍摄在北京中科科仪公司进行。具体操作步骤：将抛光后的锆石在光学显微镜下用透射、反射光观察其形态与内部结构,而后在阴极发光下进一步观察其精细结构。

锆石U-Pb年龄的测定在中科院青藏高原研究所进行,用LA-ICP-MS进行分析,激光剥蚀孔径30 μm,脉冲频率8 Hz,以He作为剥蚀物质的载气。样品分析流程为每测定10个样品点测定一次锆石标准91500[24]和测定一次NIST SRM610。每个样品的数据采集时间共100 s,其中前20 s为气体背景采集时间。离线数据处理采用GLITTER4.0程序进行,年龄计算以91500作外标进行同位素分馏校正;元素含量以NIST SRM610为外标、Si作内标进行计算[25]。

3 分析结果

3.1 地层古水流特征

本研究实测了不同地区露头上的砾石叠瓦构造和砂岩斜层理的数据(表1)，系统地测量野外交错层理的前积纹层产状Sc和地层产状So，经水平校正后投入玫瑰花图(图3)，古流向的玫瑰花图显示祁连山三叠系盆地的古流向主要有南东向、正南向、南西向，在野外从砾石的叠瓦状定向排列看古水流方向为正南向、南西向(图3)。

表1 三叠系砂岩古水流统计Table 1 Paleocurrent data of the Triassic sandstone

图3 祁连山三叠系地层古水流玫瑰花图Fig.3 Palaeocurrent rose maps of the Triassic Formation in Qilianshan

3.2 Dickinson三角图解

对三叠系5个砂岩进行薄片颗粒统计，并投影到Dickison Q-F-L(石英-长石-不稳定复晶岩屑)、Qm-F-Lt(单晶石英-长石-岩屑)三角图解(图4)。从三角图解可知：阿塔寺组落入了切割弧环境中，表示物源区的构造环境为已经受到了时间较长的剥蚀作用，相对较高的长石含量说明当时的北祁连岛弧已经隆升处于很高的地势，为三叠系盆地提供物源。江河组和下环仓组在Q-F-L三角图解中江河组砂岩样品投入循环造山带和切割弧之间的边界，说明物源来自岩浆弧和大规模褶皱造山作用的混合区，在Qm-F-Lt三角图中江河组砂岩样品投入切割弧与混合区的边界，也揭示了物源来自岩浆弧与碰撞造山带之间的混合区域。

图4 祁连山三叠系地层大地构造背景分析Q-F-L(a)和Qm-F-Lt(b)三角图(底图据文献 [26])Fig.4 Tectonic discrimination triangle diagrams of Q-F-L (a)and Qm-F-Lt (b)for the Triassic formation in Qilianshan(base map adapted from reference [26])

3.3 年代学特征

3.3.1 锆石特征

在双目镜的透射光和反射光照射下观察到三个样品锆石主要为灰白色和浅灰黄色，在全部的锆石颗粒中，有部分的锆石颗粒受到机械破碎作用而不完整，这些破碎的不完整锆石很有可能来自较远的物源区，其中保存形态较好的锆石主要为半自形-它形，极个别的锆石颗粒晶形完好，可以观察到四方双锥、复四方双锥的完整晶体形态，锆石颗粒形态总体表现为短柱状、粒状(图5)。从三个样品的对比可以看出，锆石颗粒的粒径变化较小，大小分布较为均匀，完整锆石颗粒的长轴在100～200 μm、短轴在50～150 μm间变化，表现出小的长宽比值特征。代表性锆石颗粒阴极发光图像见图5。本次观察的主要锆石类型有：椭圆状无环带或者弱环带结构的变质成因的锆石颗粒较少和大部分锆石都具有明显的岩浆环带，且大部分的锆石Th/U比值大于0.1，因此可进一步判定这些锆石大部分是岩浆成因。

图5 部分三叠系砂岩碎屑锆石阴极发光图像Fig.5 Partial zircon CL image of the Triassic sandstone

3.3.2 年龄分布特征

此次实验共测试300个样点，除去其中不谐和的测点，共测得268样点测试结果(表2)，所测得最年轻和最古老的锆石年龄分别为250 Ma和2 764 Ma，晚三叠世三个样品中锆石形成的年龄范围为250～2 764 Ma，主要峰值集中在250～290 Ma、360～460 Ma、1 600～2 000 Ma和2 200～2 600 Ma这4个年龄段里，从锆石U-Pb同位素年龄分布直方图可知三个样品中年龄相对较老的锆石颗粒数量所占的比例较多(图6)。

图6 祁连山三叠系砂岩碎屑锆石年龄布直方图Fig.6 Relative probability density diagram of the Triassic sandstone in Qilianshan

表2 祁连山三叠系砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年龄分析结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Triassic sandstone in Qilianshan

(续)表2 祁连山三叠系砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年龄分析结果(Continued)Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Triassic sandstone in Qilianshan

(续)表2 祁连山三叠系砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年龄分析结果(Continued)Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Triassic sandstone in Qilianshan

(续)表2 祁连山三叠系砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年龄分析结果(Continued)Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Triassic sandstone in Qilianshan

(续)表2 祁连山三叠系砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年龄分析结果(Continued)Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Triassic sandstone in Qilianshan

(续)表2 祁连山三叠系砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年龄分析结果(Continued)Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Triassic sandstone in Qilianshan

在W821-1的样品中，锆石形成的年龄范围为250～2 764 Ma，其中250～290 Ma这一阶段形成的锆石有5颗，360～460 Ma这一阶段形成的锆石有10颗，1 600～2 000 Ma这一阶段形成的锆石有53颗，2 200～ 2 600 Ma这一阶段形成的锆石有10颗，其中出现了3颗600～900 Ma年龄段的锆石。

在W822-1样品中，锆石形成的年龄范围为378～2 593 Ma，没有250～290 Ma这一阶段形成的锆石，360～460 Ma这一阶段形成的锆石有14颗，1 600～2 000 Ma这一阶段形成的锆石有64颗，2 200～2 600 Ma这一阶段形成的锆石有11颗，其中出现了3颗600～900 Ma年龄段的锆石。

在W823-1样品中，锆石形成年龄范围为255～2 620 Ma，其中250～290 Ma这一阶段形成的锆石有21颗，360～460 Ma这一阶段形成的锆石有4颗，1 600～2 000 Ma这一阶段形成的锆石有38颗，2 200～2 600 Ma这一阶段形成的锆石有25颗，没有出现600～900 Ma年龄段的锆石。

三个砂岩样品的锆石中250～290 Ma这一阶段形成的锆石颗粒总和为26颗，360～460 Ma这一阶段形成的锆石颗粒总和为28颗，1 600～2 000 Ma这一阶段形成的锆石颗粒总和为155颗，2 200～2 600 Ma这一阶段形成的锆石为47颗。可知其中小于500 Ma的年轻锆石共54颗，年龄大于1 000 Ma古老锆石共202颗，而形成年龄在600～1 000 Ma间的锆石数量则很少。从这些锆石的总体年龄分布特点及锆石的颗粒形态可以看出：中祁连地块晚三叠世的沉积物源区可能不单一，在这些砂岩沉积物的组合中，既有一部分来自同一个稳定的物源区(1 600～2 000 Ma阶段形成的锆石与之对应)，也有来自其它物源区沉积物源的改变(250～290 Ma和360～460 Ma这两个阶段形成的锆石颗粒数量变化与之对应)，而且碎屑锆石既有来自经历长距离搬运而呈现出浑圆状的锆石颗粒，也有来自近源的自形磨圆程度低的颗粒。

4 讨 论

4.1 砂岩形成时代

根据《青海省岩石地层》[27]定义，阿塔寺组在正层型刚察县阿塔斯沟剖面上，特征为一套灰色、灰绿色长石砂岩为主夹粉砂岩，下部夹石英砂岩组合而成的下粗向上逐渐变细的地层序列。产双壳类Elegantinaelegans和植物化石。本次研究的阿塔寺组砂岩中最年轻的锆石年龄为250 Ma，可以限定阿塔寺组砂岩样品所在地层的形成时代应晚于250 Ma，据此认为阿塔寺组砂岩形成时代属于晚三叠世。

4.2 物源区分析

本次研究的两组最古老锆石年龄峰值在2 200～2 600 Ma和1 600～2 000 Ma两个范围内，形成于这两个阶段内的锆石共有202颗，占了本次研究中锆石的主体部分，近年来对华北板块、秦岭地区、祁连地区变质基底的研究渐渐深入，区域内的基底为吕梁期或者早于吕梁期的基底的事实早已被广泛接受。在扬子板块内广泛发育750～860 Ma晋宁期岩浆岩和与岩浆作用有关的变质岩系，而此次研究只有6颗晋宁期的锆石。根据Kusky T M等[28-29]对华北克拉通基底锆石的研究可知这两组年龄的古老锆石来自华北板块。

根据李献华等[30]和Li等[31]对扬子板块的研究可知扬子板块在新元古代750～860 Ma这一阶段存在大规模的岩浆活动，扬子板块内部广泛发育有岩浆岩和与岩浆作用相关的变质岩系，例如扬子板块内部的广西本洞、三防、元宝山岩体，赣东北九岭岩体，云南峨山和格宗岩体，皖南许村岩体，扬子板块西北缘的松潘—甘孜东部康定杂岩和陕西汉南侵入杂岩等一系列的岩浆均形成于这个时期，可知新元古代750～860 Ma这一阶段的岩浆事件是扬子板块内部演化的一次标志事件，陆源碎屑砂岩中可否找到形成于新元古代750～860 Ma这一时期的锆石，可以有效地来判断是否存在来自于扬子板块内部的物源。由上可知此次研究中6颗形成于600～1 000 Ma这一阶段的锆石很可能来自扬子板块。

与360～460 Ma对应的加里东—海西期是祁连造山带地质演化的重要阶段，且这一阶段在北祁连造山带内有广泛的火山岛弧活动，本次研究这一阶段形成的锆石共28颗。本次研究三叠系砂岩Dickison Q-F-L和Qm-F-Lt三角图解，也表明物源来自岩浆弧和大规模褶皱造山作用的混合区域。同时吴才来等[32-33]对北祁连中段牛心山花岗岩锆石SHRIMP年龄为476 Ma，民乐窑花岗闪长岩年龄为463 Ma,金佛寺花岗岩年龄为424 Ma，何世平等[34]对中祁连马衔山岩群基性岩墙的LA-ICP-MS的U-Pb定年为(441.1±1.4)Ma和(434±1)Ma，宋忠宝[35]对北祁连山西段居里辉长岩所得出的锆石U-Pb年龄为(457.9±1.2)Ma，陈隽璐等[36]对中祁连构造带东部什川岩基中的二长花岗岩的锆石LA-ICP-MS 的U-Pb年龄为444.6 Ma及414.3 Ma，戚学祥等[37]认为北祁连南缘右行韧性剪切的原岩变质时间965～956 Ma，而钾长石和黑云母40Ar/39Ar的年龄为440～380 Ma，而且通过锆石的形态学研究知道360～460 Ma这一阶段的锆石磨圆差，而且锆石较完整，具有近物源的性质，因此这一阶段的物源应来自北祁连造山带。

从Harris等[38-39]在东昆仑地区的研究可知，该区域内240～260 Ma这一阶段发育有花岗闪长质火山弧，Gehrels[40]在文章中提到了在270 Ma有相对独立的昆仑岛弧岩体发育，与已知锆石的年龄一致，由此可知三叠纪祁连盆地形成于250～290 Ma这一阶段的锆石应该是来源于东昆仑火山岛弧。

4.3 构造演化分析

北秦岭和北祁连构造岩浆事件的对比研究表明北秦岭和北祁连造山带在新元古代末—早古生代可能为同一洋盆演化的产物，经历了大体相当的构造-热事件的改造，两者可能在统一的构造动力学机制下经历了相似的构造演化，形成了大体相当的古构造格局[41-43]。侯叶青等[44]系统研究了北祁连山玉石沟蛇绿岩单元内枕状玄武岩的元素与 Sr、Nd、Pb同位素地球化学特征，表明祁连洋属于古特提斯构造域的一部分。董国安等[45-46]对祁连地块前寒武纪基底锆石SHRIMP的U-Pb年代学的研究表明，祁连地块前寒武纪基底岩石的碎屑锆石年代广泛分布在元古代，明显与华北地块在新、中元古代时为一稳定地台有所不同，而与扬子地块前寒武纪基底岩石的年龄频谱相似。再加上钕同位素模式年龄(TDM)、地层学及古生物生态的证据，推论祁连地块并非由华北地块裂解出来再拼贴回去，而是与扬子地块有较强的亲缘性，在新元古代时同属冈瓦纳大陆的一部分，大约在震旦纪末从冈瓦纳大陆裂解出来，形成当时原特提斯大洋中的陆块，并于早古生代时随古祁连洋的闭合，与阿拉善地块聚合形成北祁连褶皱带。因此，认为古祁连洋其实就是原特提斯洋的一部分。

学者们[15-18]在北祁连地区对奥陶系、志留系、泥盆系地层中砂岩的碎屑锆石进行了U-Pb定年，其中上奥陶统4个砂岩碎屑锆石U-Pb定年测试分析结果得到2 500 Ma、1 600 Ma、1 000 Ma和470 Ma 4个年龄峰值[47]，泥盆系4个砂岩碎屑锆石U-Pb定年测试分析结果得到2 600 Ma、1 700 Ma、1 000 Ma和460 Ma 4个峰值[48]，志留系4个砂岩碎屑锆石的U-Pb定年分析结果得到2 500 Ma、1 600 Ma、1 200 Ma、980 Ma、700 Ma和450 Ma 6个峰值[49]。本文样品碎屑锆石年龄结果中2 200～2600 Ma和1 600～2000 Ma与北祁连奥陶系、志留系、泥盆系地层砂岩的碎屑锆石的源区具有一致性，来自华北板块，然而本文的测试样品中形成于600～ 1 000 Ma新元古代的锆石只有6颗，北祁连奥陶系、志留系、泥盆系地层砂岩的碎屑锆石在600～1 000 Ma年龄段的锆石却占据有相当多的数目，说明祁连地区在奥陶纪、志留纪、泥盆纪时期有大量的扬子板块的物质，然而运送这些物质的通道是当时的祁连洋，这也说明当时的祁连洋与古特提斯洋有可能相通，祁连洋很有可能属于古特提斯洋北侧的分支。到了晚三叠纪几乎很少发现扬子板块为祁连盆地提供的物质，这是由于在中三叠世扬子克拉通与华北克拉通发生碰撞，形成秦岭造山带，阻断了扬子克拉通为三叠纪祁连盆地提供的物源[50]，同时本次野外古水流流向主要有南东向、正南向、南西向，也表明祁连山三叠纪时期北高南低，没有来自南边提供的物源。

在西秦岭地区陈岳龙等[51]对中泥盆统、下三叠统、中三叠统、上三叠统地层中的碎屑砂岩进行了U-Pb定年分析，从样品的分析结果得知，在中泥盆纪的时候，大部分物质来自扬子克拉通。但是到了三叠纪，西秦岭地区的物源发生了改变，由于扬子克拉通与华北克拉通到三叠纪时已由秦岭造山带连接在一起，在下三叠统、中三叠统、上三叠统地层出现了大量的华北基底的物质，这也说明了在中三叠世扬子克拉通与华北克拉通发生碰撞，秦岭山在三叠纪时候是很高的山脉，西秦岭地区的物质由于秦岭山的阻断只能源于华北板块。

5 结 论

(1)阿塔寺组砂岩的锆石主要为短柱状、粒状和不规则形状颗粒，大小分布均匀，大部分锆石为Th/U比值大于0.1且具有明显的岩浆环带的岩浆锆石，其中1 600～2 000 Ma和2 200～2 600 Ma之间的锆石202颗，来源于自华北板块；360～460 Ma之间的锆石28颗，来源于北祁连岛弧和北祁连造山带；250～290 Ma之间的锆石26颗，来源于东昆仑火山岛弧；形成年龄在600～900 Ma间的锆石数量则很少，来源于扬子板块。

(2)阿塔寺组落入了切割弧环境中，表示物源区的构造环境为已经受到了时间较长的剥蚀作用，相对较高的长石含量说明当时的北祁连岛弧已经隆升处于很高的地势，为三叠系盆地提供物源。江河组和下环仓组在 Q-F-L三角图解中江河组砂岩样品投入循环造山带和切割弧之间的边界，说明物源来自岩浆弧和大规模褶皱造山作用的混合区，在 Qm-F-Lt三角图中江河组砂岩样品投入切割弧与混合区的边界，也揭示了物源来自岩浆弧与碰撞造山带之间的混合区域。

(3)祁连地区的大地构造属性属于古特提斯构造域，祁连洋属于古特提斯洋北侧分支，在三叠纪时期的古地理地貌上，古特提斯洋由于很多微陆块的碰撞形成完整沟-弧-盆体系的多岛洋体系，祁连洋三叠纪之前与松潘甘孜洋是联通的，在三叠纪时期扬子克拉通与华北克拉通发生碰撞，扬子板块与华北板块已经连接成一起形成秦岭褶皱造山带，秦岭地区已经是很高的山脉，阻断了扬子板块为其提供物源，祁连洋在三叠纪时期应该是封闭的海陆交互陆表海。