贵州铜仁瓦屋牛蹄塘组下部凝灰岩锆石年龄及其地质意义

牟 军，强希润，覃永军，王安华，张厚松

(1.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550081；2.贵州省地质矿产勘查开发局，贵州 贵阳 550003；3.自然资源部基岩矿产资源勘查工程技术创新中心，贵州 贵阳 550081)

1 引言

中国南方早寒武世早期牛蹄塘组黑色岩系，因富含众多金属、非金属以及稀有元素等而被称为“多元素富集层”，它不仅是研究成矿事件的重要层位，同时也是进行区域地层对比的良好标志。

许多学者对贵州“多元素富集层”开展了不同领域的研究工作。一些学者(杨兴莲等，2007，2008；Steineret al.，2001)，通过研究贵州丹寨南皋、湘西三岔和贵州遵义地区牛蹄塘组中“多元素富集层”的微量元素和稀土元素地球化学，认为“多元素富集层”形成于缺氧环境和具有明显的多幕次热水沉积作用特征。热水提供了大量多金属元素物质来源(李胜荣等，1995，2002；彭军等，1999a，1999b；Steiner et al.，2001；Jiang et al.，2003；曹双林等，2004；杨剑等，2005a，2005b；杨兴莲等，2007，2008，2010)。魏怀瑞等(2006)认为“多元素富集层”的形成受热水沉积主导，同时受陆源强烈影响，是海水、生物和地球深部物质共同作用下形成的。畅斌等(2008)对贵州遵义黄家湾下寒武统牛蹄塘组镍-钼富集层开展了矿物学研究。

有关牛蹄塘组地层年龄及其“多元素富集层”成矿年龄虽然也开展了一些研究工作。但极少的牛蹄塘组地层同位素年龄还存在较大的差异(Chen et al.，2003；周明忠等，2008)，而有关牛蹄塘组“多元素富集层”的成矿年龄数据也较少(毛景文等，2001；Jiang et al.，等，2003；李胜荣等)，一定程度上制约了寒武纪牛蹄塘组及其“多元素富集层”的研究深度。鉴于此，作者选取贵州铜仁瓦屋地区牛蹄塘组中与“多元素富集层”紧密相连的凝灰岩为研究对象，开展岩石矿物学和锆石U-Pb年代学研究，以期提供新的研究素材，丰富和深化对贵州牛蹄塘组及其“多元素富集层”的认识。

2 地质背景

图1 贵州寒武纪梅树村晚期-南皋期岩相古地理图

向西至威宁一带过渡到滨岸带的筇竹寺组，岩性为灰-深灰色中厚层-厚层钙泥质粉砂岩、细砂岩夹灰黑色有机质粘土岩，由下向上砂质减少泥质增多，上部间夹粉砂质钙质白云岩小透镜体。底部为0.6 m有机质粘土岩与下伏灯影组白云岩呈平行不整合接触。

向东至三都一带与盆地相的渣拉沟组中、下部相当。渣拉沟组岩性为黑色炭质页岩或炭质泥岩，含少量砂质。在三都城北里略一带渣拉沟组厚248 m，可分上、下两部分，上部为灰、浅灰色粘土岩或页岩，局部含硅质，厚145 m，为杷榔组-乌训组的相变；下部为黑色炭质粘土岩或页岩，厚103 m，与丹寨南臯一带的牛蹄塘组-变马冲组大致相当。由三都向北东至天柱圭宁溪-大河边一带，因九门冲组的灰岩尖灭，牛蹄塘组-变马冲组不能再分，均为炭质粘土岩、炭质粉砂岩。

牛蹄塘组在整个研究区含钒矿1～2层。

3 采样信息及样品特征

3.1 采样剖面描述

剖面位于铜仁市万山特区瓦屋乡北部2.5 km的板栗坪，由下至上依次划分为陡山沱组、老堡组、牛蹄塘组和变马冲组(图2)，地层连续(贵州1∶5万漾头司、万山特区、瓦屋、新晃4幅区域地质矿产调查报告，2017)。

图2 贵州铜仁瓦屋震旦-寒武系老堡组-寒武系变马冲组实测地层剖面柱状图(比例尺1∶2000)

老堡组(3-6层)：为深灰色、灰黑色薄-中厚层硅质岩夹薄-极薄层炭质粘土岩、炭质页岩，由下至上硅质岩逐渐变薄。与下伏陡山沱组之间以厚6.30 m的炭质粘土岩结束、大套硅质岩出现划界，二者为整合接触。老堡组总厚度为63.69 m。

牛蹄塘组(7-14层)：下部(7-11层)灰黑色、深灰色薄-中层及中厚-厚层碳质粘土岩，普遍发育黄铁矿；上部(12-14层)浅灰、浅黄灰色薄层夹中厚层粘土岩，夹灰黑色、深灰色薄-中厚层炭质粘土岩，顶部出现棕灰色中厚层粉砂岩。与下伏老堡组之间以硅质岩结束、大套炭质粘土岩出现划界，二者为整合接触。厚78.60 m。

变马冲组(15-19层)：灰色、浅灰色为主少量浅黄色、灰绿色薄层粘土岩、粉砂质粘土岩与粉砂岩不等厚韵律互层，以底部(15层)灰色、棕灰色中厚层至块状粉-细砂岩出现与下伏牛蹄塘组划界，二者整合接触。厚103.49 m。

3.2 样品采集层位及特征

图3 凝灰岩样品产出特征

经贵州省地质调查院测试鉴定中心薄片鉴定，样品定名为全蚀变凝灰岩，主要由火山碎屑和少量黄铁矿组成。

图4 凝灰岩样品薄片显微特征

黄铁矿：约占样品总量3%。零散分布于样品中。粒度<5.00 mm，自形-半自形-它形，粒状。

4 分析方法与结果

4.1 分析方法

野外采集2 kg岩石样品(编号V09-10B1)挑选锆石，将锆石随机制靶，抛光至约三分之一的锆石核心出露后进行阴极发光照相和LA-ICP-MS测试。阴极发光及LA-ICP-MS测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。详细流程和原理依据Hu et al.(2008)。采用ICPMSDatacal 7.2软件处理测试数据(Liu et al.，2008)。加权平均年龄计算及谐和图绘制采用Isoplot(3.70版)，同位素比值误差为2σ，年龄采用n(206Pb)/n(238U)比值年龄，n(206Pb)/n(238U)年龄的平均值具有90%置信度。

4.2 锆石形态及阴极发光结果

晶型较好的锆石中，形态棱角分明，显示为未经过搬运的典型岩浆碎屑锆石。

锆石阴极发光：阴极发光图像揭示5种内部结构(图5)：(1)整体上具发育良好的岩浆振荡环带；(2)岩浆振荡环带或幔边包裹具有均一或振荡环带的核；(3)具有扇形岩浆振荡环；(4)无明显的内部结构；(5)具有云雾状、斑杂状或冷杉叶状结构。其中前3类代表岩浆成因锆石，第5类应为加里东期形成的变质锆石，而第4类在地幔岩石中的锆石或者是变质锆石均有发育(吴元保，2004)。本文测年锆石主要是第1类岩浆锆石。

4.3 锆石U-Pb年龄结果

图5 V09-10B1样品中锆石形态特征及内部结构阴极发光图像

表1 贵州铜仁瓦屋地区寒武纪牛蹄塘组中凝灰岩锆石LA-ICP-MS U-Pb 定年结果

续表

图6 研究区牛蹄塘组凝灰岩中锆石测试数据谐和年龄图(左)和加权平均年龄图(右)

5 讨论

5.1 关于牛蹄塘组地层的形成时代

本文研究样品经薄片鉴定为全蚀变凝灰岩，呈层状产于炭质粘土岩之间，与上、下炭质粘土岩之间接触界面较平整，产状一致；采样剖面牛蹄塘组总厚度为78.60 m，采样处距离老堡组与牛蹄塘组地层分界位置21.38 m，与牛蹄塘组“多元素富集层”的产出层位紧密相连。挑选样品中锆石形态及内部阴极发光图像、锆石Th、U元素含量及比值特征主体显示为岩浆成因的锆石，开展U-Pb定年测试，锆石年龄结果数据呈正态分布，数据图解获得的下交点年龄、主峰值年龄和加权平均年龄在误差范围内十分吻合，显示锆石年龄数据非常可靠，能代表凝灰岩的形成年龄。本文取锆石的加权平均年龄546.3±4.3 Ma(MSWD=0.69，n=34)为凝灰岩的形成年龄，该年龄也间接给出了牛蹄塘组底部地层的沉积年龄。该年龄与Chen等(2003)运用Pb-Pb淋滤法获得的遵义中南和织金牛蹄塘组黑色页岩的沉积年龄(531±24 Ma)在误差范围内一致。与卓皆文等(2009)在铜仁坝黄震旦系老堡组顶部晶屑凝灰岩中测得的锆石U-Pb年龄556±5 Ma比较，与牛蹄塘组覆盖于老堡组之上的地质事实高度一致，年龄跨度也很合理。但与周明忠等(2008)年在遵义松林牛蹄塘组底部凝灰岩中获得的锆石U-Pb年龄518±5 Ma存在较大区别，如若不存在样品代表性和测试方式的问题，可能反映了地质历史时期区域上存在多幕次火山事件，但需要更加丰富的资料来综合分析判断。

5.2 关于牛蹄塘组“多元素富集层”的成因机制

毛景文等(2001)获得遵义黄家湾镍钼铂族元素矿石的Re-Os同位素等时线年龄541.3±16 Ma(2σ)，Jiang等(2003)在综合前人数据后给出了牛蹄塘组镍钼硫化物的形成年龄为537±10 Ma，李胜荣等获得湘黔地区下寒武统黑色岩系“多元素富集层”中Re-Os同位素年龄为542±11 Ma，这些年龄显示华南早寒武世早期“多元素富集层”的成矿年龄为537±10 Ma～542±11Ma，与本文获得牛蹄塘中下部凝灰岩的年龄(546.3±4.3 Ma)在误差范围内高度一致，暗示贵州牛蹄塘组“多元素富集层” 的成矿物质来源可能与这期火山作用密切相关。火山作用带来了深部的众多金属、非金属以及稀有元素，这些元素通过热液带入水体中沉积，形成了多元素富集层。

多数学者认为“多元素富集层”形成于缺氧环境，深部热液提供了大量多金属元素(李胜荣等，1995，2002；彭军等，1999a，1999b；Steineret al.，2001；Jianget al.，2003；曹双林等，2004；杨剑等，2005；杨兴莲等，2007，2008，2010)。魏怀瑞等(2006)通过对麻江羊跳、铜仁、遵义中南、遵义松林小竹、天柱大公塘剖面实地考察与地球化学分析，认为贵州早寒武世牛蹄塘组黑色岩系也是形成于缺氧环境，热水沉积为主导，同时受陆源强烈影响，是海水、生物和地球深部物质共同作用下形成的。杨兴莲等(2007，2008)研究贵州丹寨南皋剖面牛蹄塘组的微量元素和稀土元素地球化学特征均表现出缺氧环境和明显的多幕次热水沉积岩的地球化学特征，与湘西三岔剖面和贵州遵义牛蹄塘组的地球化学特征(Steineret al.，2001)相似。多幕次热水作用可能是区域上存在多期火山作用的表现，多幕次火山作用最终导致“多元素富层”的成矿作用。

6 结论

(1)本文选取贵州铜仁瓦屋地区寒武纪牛蹄塘组中下部的凝灰岩为研究对象，采取锆石U-Pb年代学方法，获得凝灰岩的形成年龄为546.3±4.3 Ma，约束了寒武纪中下部的地层形成时间。

(2)贵州寒武纪牛蹄塘组“多元素富集层”的成矿年龄与地层中凝灰岩的年龄基本一致，显示二者之间具有密切的关系，多幕次的火山作用形成多幕次的热水作用，最终导致了“多元素富集层”的成矿作用。