藏南下侏罗统日当组地球化学和碎屑锆石U-Pb 年代学特征及构造意义

2024-01-05吕新彪曹华文

沉积与特提斯地质 2023年4期

喻晓，吕新彪，曹华文

（1.中国地质调查局军民融合地质调查中心，四川成都 610036；2.中国地质大学（武汉）地质探测与评估教育部重点实验室，湖北武汉 430074；3.中国地质大学（武汉）地质调查研究院，湖北武汉 430074；4.中国地质调查局成都地质调查中心（西南地质科技创新中心），四川成都 610218）

0 引言

沉积岩物源区与板块构造环境之间存在密切的关系，沉积岩的地球化学特征一定程度上可以反映地层成岩时的构造背景和古地理环境（徐亚军等,2007）。沉积盆地是沉积物堆积的主要场所，其形成过程与地壳运动和板块构造息息相关（Chen and Robertson,2020）。因此，对沉积岩的详细研究，可以反演盆山耦合和板块构造等（Leeder,2011）。

特提斯喜马拉雅中—新生代地层记录了新特提斯大洋的打开，拉萨板块和印度板块逐次从冈瓦纳大陆裂解向北漂移，以及印度板块和拉萨板块的碰撞拼合等事件（Jadoul et al.,1998），是研究东特提斯构造域演化、陆-陆碰撞以及古海洋沉积事件的理想地区（胡修棉,2015）。特提斯喜马拉雅东段中生界，尤其是下侏罗统地层研究较为薄弱（Han et al.,2021）。沉积岩碎屑锆石U-Pb 年龄是限定地层沉积时期和示踪沉积物来源的有效手段（张士贞等,2021）。结合全岩地球化学分析，可以准确地恢复古地理环境和大地构造背景（毛帆等,2021）。

日当组是印度被动大陆边缘沉积的下侏罗统深水—半深水相泥岩和砂质页岩等，是研究新特提斯洋早期沉积环境的重要载体。因此，本文采集西藏山南市错那县下侏罗统日当组页岩进行碎屑锆石年龄和全岩主微量元素分析，以期恢复特提斯喜马拉雅东段下侏罗统地层物质来源和构造背景。

1 区域地质特征

从北到南，青藏高原由松潘-甘孜，北羌塘、南羌塘、拉萨和喜马拉雅（印度）板块组成（潘桂棠等,2020）。这些板块之间分别由金沙江、龙木错-双湖、班公湖-怒江和印度河-雅鲁藏布江缝合带分割（图1）。青藏高原位于东北的欧亚板块和西南的印度板块之间，被认为是从冈瓦纳大陆裂离出来的微大陆块体的拼贴增生而成。中寒武世，由于原特提斯洋洋壳板片沿冈瓦纳超大陆北缘向南俯冲，古特提斯大洋打开。泥盆纪时期，古特提斯洋壳向东北方向俯冲，持续至三叠纪，形成龙木错-双湖、昌宁-孟连、金沙江、哀牢山缝合带。二叠世至晚白垩世，新特提斯大洋开始打开，拉萨和西缅甸板块从冈瓦纳大陆北缘（澳大利亚板块）裂解出来，中特提斯洋壳板片向东北俯冲于羌塘板块和滇缅泰马板块之下。早白垩世班公湖-怒江缝合带和密支那缝合带通过中特提斯大洋的闭合而形成。从三叠纪开始，新特提斯洋壳板片开始向东北方向俯冲到拉萨和西缅板块之下。晚白垩世至古近纪，印度被动边缘与拉萨地体的冈底斯弧碰撞后，新特提斯大洋闭合。这次碰撞的标志是印度河-雅鲁藏布江缝合带和印度-缅甸缝合带（Cao et al.,2019）。

图1 喜马拉雅研究区地质构造简图（据Cao et al.,2021 修改）Fig.1 Diagrams of geological structure of the eastern Himalayas (modified after the reference Cao et al.,2021)

在构造上，喜马拉雅造山带北与拉萨地块由印度河-雅鲁藏布江缝合带分割，南与印度板块由主前缘逆冲带分割（图1b）。喜马拉雅地体由北向南划分为四个主要构造单元：特提斯喜马拉雅、高喜马拉雅、低喜马拉雅和次喜马拉雅。这些构造单元分别被藏南拆离体系、主中央逆冲断层和主边界逆冲断层所分隔。特提斯喜马拉雅三叠系至白垩系沉积于印度被动大陆边缘，由一套低级变质的碎屑岩和碳酸盐岩组成。这些地层单元在地表从北向南，依次为巨厚的三叠系碎屑岩和侏罗系—白垩系的深海沉积岩和碳酸盐岩台地沉积。区域内中生界地层划分为上三叠统涅如组中-厚层砂岩、下侏罗统日当组中-薄层页岩、中—下侏罗统陆热组灰岩、上侏罗统维美组砂岩和砾岩以及上侏罗统—下白垩统桑秀组玄武质火山岩等。特提斯喜马拉雅的岩浆岩主要包括寒武—奥陶纪花岗质片麻岩，二叠纪和白垩纪火山岩和深成岩，以及始新世的二云母花岗岩和基性岩脉等（曹华文等,2020，2022）。此外，渐新世—中新世淡色花岗岩侵入特提斯喜马拉雅，形成一系列片麻岩穹窿（Cao et al.,2021）。

2 样品特征与分析方法

本次研究区域位于错那县曲卓木乡以南的洞嘎村和郭村之间。在原隆子县幅1:25 万区域地质调查划分的下白垩统拉康组地层中解体出一套下—中侏罗统地层。从郭村往北到洞嘎村一带，依次发育中新世淡色花岗岩，古生界片岩和大理岩，上三叠统板岩和片岩、下侏罗统日当组页岩（板岩）和中—下侏罗统陆热组的钙质砂岩和灰岩（图2）。综合分析认为该套地层分区为康马-隆子分区的拉轨岗日被动陆缘盆地，大地构造位于藏南拆离系以北的特提斯喜马拉雅（图1b）。日当组下部主要以深灰、浅灰绿色粉砂岩和页岩为主，同时部分地段发生区域变质形成板岩，在日当组地层中也广泛发育水平层理和钙泥质结核。中部主要以灰黑色薄层状介壳灰岩和细碎屑物组成。上部常见一套灰黄色中厚—厚层状含岩屑石英砂岩与深灰色粉砂质板岩互层（图3）。本次研究采集下侏罗统日当组灰黑色粉砂岩样品一件（样品号D1507，经纬度坐标91°47'6″，28°5'2″）做碎屑锆石U-Pb 定年分析，另采集6 件页岩样品做主微量元素含量测试。

图2 错那县曲卓木乡洞嘎村—郭村地质剖面和采样位置Fig.2 Geological section and sampling location of Dongga Village-Guo Village,Quzhuomu Township,Cuona County

图3 错那县下侏罗统日当组野外地质特征和镜下照片Fig.3 Field geological characteristics and microscopic photos of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County

日当组的碎屑锆石U-Pb 同位素定年利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS），在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193 nm 准分子激光器和MicroLas 光学系统组成，等离子体质谱仪（ICP-MS）型号为Agilent 7700e。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。本次分析的激光束斑和频率分别为24 µm 和5 Hz。锆石的U-Pb 同位素和微量元素分析采用91 500（锆石标准）和NIST610（玻璃标准）作外标分别进行同位素和微量元素校正。分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal 完成。锆石样品的U-Pb 年龄计算和绘图采用Isoplot/Ex_ver4.15 完成。日当组的全岩主量微量元素含量在核工业北京地质研究院利用AB104 L，Axios-mAX 波长色散X 射线荧光光谱仪和电感耦合等离子体质谱仪-DRC-E 分析完成。主量和微量元素分析精度分别优于1%和5%。锆石U-Pb 测年详细的分析流程和仪器参数见文献Cao et al.（2021）。本次测试的锆石U-Pb 年龄分析结果见附表1*数据资料联系编辑部或者登录本刊网站https://www.cjyttsdz.com.cn 获取。，主量和微量元素分析结果见附表2*。

3 测试分析结果

3.1 碎屑锆石U-Pb 年代学

日当组粉砂质板岩（D1507）碎屑锆石主要为它形—半自形结构，磨圆度较好，极少量呈半自形柱状（图4）。在阴极发光照片下，主要呈灰黑色，偶见灰白色，这可能是其Th 和U 含量较高导致的（附表1）。但是本次研究的锆石Th/U 值较高，平均值为0.5；表明这些锆石主要是岩浆成因，可以反映物源区岩浆岩的活动年龄。锆石U-Pb 年龄分析过程中随机测试100 点，其中3 个测试点由于Pb丢失，导致206Pb/238U 和207Pb/235U 年龄谐和度低于90%；2 个测试点的误差值较大，大于8%。这5 个测试点数据可信度较低，下文的年龄样品分析剔除了这5 个测试点。其余95 个碎屑锆石测试点年龄值的直方图和概率密度图显示有两个峰值区间，分别是546～496 Ma（n=12）和952～853 Ma（n=14），峰值年龄分别为516 Ma 和926 Ma（图4c）。最年轻的1 个年龄值为292.5±5.5 Ma。

图4 错那县下侏罗统日当组碎屑锆石U-Pb 年龄结果图Fig.4 U-Pb dating of detrital zircons of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County

3.2 地球化学特征

日当组灰黑色粉砂质页岩的SiO2含量较低，变化范围为57.1%～61.5%（附表2）平均值为60.0%。Al2O3含量较高，变化范围为18.5%～22.1%，平均值为20.8%。Fe2O3t含量中等，变化范围为5.1%～7.2%，平均值为6.3%，K2O 含量变化范围较小，为2.0%～3.8%，平均值为2.7%。因此，四个含量最高的主量元素的lg(SiO2/Al2O3)-lg(Fe2O3t/K2O)图解反映的日当组岩石类型为页岩（图5），这与日当组岩石的野外地质特征和镜下矿物学特征完全一致（图3）。其余的MgO、CaO、Na2O、MnO、TiO2和P2O5含量均较低，平均值分别为1.2%、1.7%、1.5%、0.06%、1.0%和0.1%。日当组稀土元素总量为234×10-6～295×10-6，平均值为266×10-6。其中，轻稀土元素相对重稀土元素更富集，两者含量的范围分别为217×10-6～276×10-6（平均值247×10-6）和17.3×10-6～23.1×10-6（平均值19.7×10-6），轻稀土/重稀土比值平均值为12.6（图6）。日当组稀土元素的Ce异常不明显，Eu 具有负异常（δEu=0.63～0.72），δEu平均值为0.68。日当组微量元素的高场强元素中Nb、Ta、Ti、Zr 和Hf 亏损，Th 富集；大离子亲石元素中Ba 和Sr 亏损，Rb 和K 富集，此外Pb 相对比较富集（图6）。

图5 错那县下侏罗统日当组岩石类型和风化程度图解（底图据Herron,1988,McLennan et al.,1993,Nesbitt and Young,1982）Fig.5 Diagrams of rock types and weathering degree of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County (modified after Herron,1988,McLennan et al.,1993,Nesbitt and Young,1982)

图6 错那县下侏罗统日当组稀土和微量元素标准化蛛网图（球粒陨石和原始地幔值引用自Sun and McDonough,1989）Fig.6 Chondrite and Primitive mantle normalized rare elements and trace elements spider char of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County (chondrites and primitive mantle values are quoted from Sun and McDonough,1989)

4 讨论

4.1 日当组地层特征和时代分析

李璞（1955）在江孜进行喜马拉雅地层调查和研究的工作中，将侏罗系地层统称为“江孜系”，岩性主要为页岩（板岩）和石英砂岩。王义刚等（1976）在隆子县日当镇向南至扎西康一带，发现一套下侏罗统地层，命名为“日当组”。岩性为灰色、灰黑色页岩、钙质页岩、页层状泥灰岩，含有硅质结核，厚度大于1 000 米，根据菊石化石，认为时代为早侏罗世赫塘阶—普林斯巴阶（201～183 Ma），与下伏的上三叠统涅如组整合接触。下侏罗统日当组建组命名之后，其地层时代和岩性特征基本固定（王乃文,1983）。1984 年的《西藏地层》（中国科学院青藏高原综合科学考察队,1984），1993 年的《西藏自治区区域地质志》（西藏自治区地质矿产局,1993）和1997 年的《西藏自治区岩石地层》（夏代祥和刘世坤,1997）等专著，以及后续的喜马拉雅东段的部分1∶25 万和1∶5 万区域地质调查等均沿用了王义刚等（1976）对日当组地层的划分和定义。本次调查的日当组岩性和上下地层接触关系与前人研究基本一致（图2）。但是，本次研究的日当组碎屑锆石最年轻的一颗年龄为292.5±5.5 Ma（图4），与前人通过化石和地层关系确认的早侏罗纪时代相差较大。这可能与冈瓦纳大陆北缘缺少早侏罗纪火山岩和岩浆岩有关（Liu and Einsele,1999）。也就是日当组沉积时期，其物源区缺少同期的岩浆岩活动，因此没有记录早侏罗世的锆石。当然，日当组地层的沉积时代还有待进一步研究和证实。

4.2 日当组物源分析和构造背景

日当组的岩性主要为一套页岩夹砂岩的深海-半深海相组合，部分地段发生区域浅变质形成板岩和千枚岩。利用主量元素计算日当组的成分变异指数（ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3）较低，变化范围为0.43～0.83（图5b），平均值为0.55，同时K2O/Al2O3值也较低，变化范围为0.11～0.17，平均值为0.13。这表明日当组页岩富含粘土矿物，且成分成熟度较高，代表沉积物的再循环以及构造静止期或者克拉通环境（Cox et al.,1995）。

化学蚀变指数（CIA=[Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+CaO*)]×100）（Nesbitt and Young,1982）可以表达岩石的风化的程度，CIA 值越高，表明其风化程度越高，粘土矿物越丰富（McLennan et al.,1993），比如未风化的花岗岩的CIA 值一般小等于50，风化花岗岩的残留粘土矿物的值接近100，典型页岩的平均值为70～75（图5c）。本次研究的日当组的CIA值为61.1～75.8，平均值为71.2，与典型页岩的值相似，表明风化程度较高。在化学蚀变指数（CIA）基础上，更简洁和准确的风化蚀变指数（CIW=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O)]×100）也可以表征岩石的风化情况。在岩浆岩风化蚀变过程中，Si，Mg，Ca 和Na 元素会优先丢失，Al 和Ti 元素在则风化残留物中保存，但是K 和Fe 元素的行为比较复杂，控制因素较多。因此，相对于CIA 指数，CIW 指数不使用K2O 的含量，只使用对风化过程敏感的元素，比如Al，Ca 和Na（Harnois,1988）。日当组的CIW 值较高（65.8～87.8），平均值为79.3。因此，日当组的CIW、CIA 和ICV 指数得出的结果均相似（图5），都表明日当组页岩物质来源于风化程度高的成熟物质源区。

日当组Co 含量较低，Th 含量较高，Co/Th 比值变化范围为0.2～0.6，平均值为0.4，La/Sc 值变化较小，平均值为3.5，因此在Co/Th-La/Sc 图解上，与酸性火山岩的范围接近（图7a）。Al2O3-CaO*+Na2O-K2O 图解（图5c）也反映日当组物源区岩石类型以中-酸性的岩浆岩为主。虽然在构造环境判别图解上，日当组落入大陆裂谷和大陆岛弧的范围，但是在Th-La-Sc 三角图上，靠近被动大陆边缘的范围（图7c）。

图7 错那县日当组源岩类型和构造背景判别图解（底图引用自Bhatia and Crook,1986,Verma and Armstrong-Altrin,2013,Wang et al.,2012）Fig.7 Discriminant diagrams of source rock type and tectonic setting of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County (modified after Bhatia and Crook,1986,Verma and Armstrong-Altrin,2013,Wang et al.,2012)

早侏罗世时期，特提斯喜马拉雅周缘的主要板块是印度和西澳大利亚板块，图8 总结了相关喜马拉雅周缘主要地质体的碎屑锆石年龄谱。特提斯喜马拉雅在275～225 Ma 和600～500 Ma 区间有两个主峰，在150～125 Ma 有个次要的年龄峰值，古元古代—新元古代年龄几乎是连续的，而1 200～800 Ma 和2 500～2 450 Ma 有两个不太明显的年龄群（图8b）。高喜马拉雅地层碎屑锆石年龄则以1 050～975 Ma 和2 550～2 450 Ma 为主，晚古元古代有个不太明显的峰值为1 800～1 600 Ma（图8c）。低喜马拉雅地层的碎屑锆石年龄主要峰值为1 950～1 850 Ma，次峰为2 575～2 500 Ma（图8d）。东喜马拉雅和印度克拉通东北具有古元古代到晚寒武世—早奥陶世的共同地质历史（Cao et al.,2018）。西澳大利亚的碎屑锆石年龄具有从古元古代至早中生代几乎连续的特征，但有三个主要的峰值区，聚集在250～200 Ma、600～500 Ma 和1 200～1 150 Ma（图8e）。

图8 研究区周缘板块和地体碎屑锆石U-Pb 年龄直方图（据Cao et al.,2018 修改）Fig.8 Histograms of detrital zircon U-Pb ages of plates and terranes around the study area (modified after the reference Cao et al.,2018)

下侏罗统日当组碎屑锆石年龄显示有两个峰值区间，分别是546～496 Ma 和952～853 Ma，最年轻的1 个年龄值为292.5±5.5 Ma（图8a）。日当组没有侏罗纪的锆石，表明日当组沉积时同期区域岩浆活动不明显，该时代的锆石在特提斯喜马拉雅白垩纪及其以后的地层中也同样缺失（Neupane et al.,2020）。并且目前尚未在喜马拉雅地区发现早侏罗世岩浆岩活动。日当组下伏的上三叠统涅如组地层含有丰富的晚三叠世锆石（Cao et al.,2018），但是日当组中缺少晚三叠世锆石，表明日当组沉积时，涅如组地层没有被抬升到地表，特提斯喜马拉雅整体属于持续的沉降埋深阶段（Jadoul et al.,1998）。特提斯喜马拉雅晚三叠世构造背景属于新特提斯洋打开初期的裂谷环境（Meng et al.,2021），涅如组和日当组地层为整合接触，所以日当组继承了涅如组沉积环境。日当组含有丰富的冈瓦纳大陆“泛非”事件（许志琴等,2005）的锆石（546～496 Ma，n=12），这与印度和澳大利亚板块记载的晚新元古代—早古生代的碰撞造山事件完全吻合，因此印度和澳大利亚板块均可能为下侏罗统日当组提供了大量的碎屑物源。

早侏罗世，北喜马拉雅地区沉积环境为浅海陆棚相（刘宝珺等,1993），印度和澳大利亚板块都位于冈瓦纳大陆北缘（图9）。直到晚侏罗世—早白垩世时期，凯尔盖朗（Kerguelen）地幔柱和措美大火成岩省形成，印度板块才与澳大利亚板块裂解开始向北漂移（Zhu et al.,2009）。因此，早侏罗世时期，特提斯喜马拉雅是典型的印度被动大陆边缘环境（Liu and Einsele,1999）。

图9 藏南早侏罗世古地理位置复原图（据Li et al.,2016 修改）Fig.9 Early Jurassic palaeogeographic reconstruction of southern Tibet (modified after the reference Li et al.,2016)