北秦岭二郎坪群抱树坪组沉积时代与构造环境

翟文建,张永,唐国胜,赵焕,翟文芳

1)河南省地质研究院,郑州,450016; 2)地质过程与矿产资源国家重点实验室河南技术联合研发和示范中心,郑州,450016; 3)河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,郑州,450001; 4)中国地质调查局天津地质调查中心,天津,300170

内容提要：二郎坪群抱树坪组作为北秦岭早古生代重要的沉积记录,其研究程度较低。本文通过对抱树坪组内火山岩夹层和花岗斑岩脉进行岩石学、地球化学和锆石U-Pb测年研究,旨在进一步确定其沉积时代与构造环境。研究结果表明:豫西夏馆地区抱树坪组火山岩夹层已变质为(黑云)阳起钠长片岩,常与黑云石英片岩呈“互层状”产出;岩石原岩为安山质凝灰岩,具有相对低的SiO2(52.56%～62.04%)、较高的Al2O3(10.70%～18.55%)、低的MgO(4.06%～6.21%)和FeOT/MgO(1.23～1.81),富集轻稀土元素和大离子亲石元素Rb、Th、U、K,相对亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti,具镁安山质岩石的特点;结合地球化学特征及前人研究认为,抱树坪组可能形成于活动陆缘弧后盆地。获得黑云阳起钠长片岩原岩的结晶锆石U-Pb年龄为446.0±1.7 Ma,以及侵入其中花岗斑岩脉的成岩年龄为430.0±3.0 Ma,首次将抱树坪组的形成时代准确地限定为晚奥陶世至早志留世。综合区域研究成果认为,小寨组和抱树坪组在地层层序和地层时代上符合广义二郎坪群的划分方案,但大庙组、火神庙组及由小寨组和抱树坪组构成的整体三者在形成时代上表现为近于同时性,在空间上主体呈现近平行关系,可能主体属时代大体相当的不同沉积环境的产物;在大地构造属性方面,认为二郎坪群是在约470 Ma之前由于商丹洋向北俯冲而形成的火山岛弧,在470～436 Ma转化为弧后盆地,至约430 Ma之前最终完成消减闭合。

二郎坪群最初由金守文于1976年在西峡县二郎坪乡创名(李采一等,1990),原指西峡、卢氏一带一套细碧—角斑岩系,根据地层层序自下而上划分为二进沟组、大庙组和火神庙组,产Protoleiosphaeridiumsp.,Stenomarginatasp.,Pseudozonosphaerasp.,Lignumnematoideum,Zonosphaeridiumsp.,Asperatopsophosphaerabavlensis,Laminaritesantiquissimus等微古植物化石(河南省地质局区测队❶),时代归属为早震旦世(金守文,1985;李采一等,1990;安三元等,1993;姜常义等,1995)。1981年,河南省区域地质调查队在《1∶50万河南省地质图说明书》中将其延伸为广义二郎坪群,将二进沟组并入大庙组,将火神庙组之上的小寨组和抱树坪组合称小寨组,一起归入二郎坪群,自下而上划分为大庙组、火神庙组和小寨组,因大庙组内较为丰富的微古植物化石组合面貌相当于中元古界(金守文,1985),故将二郎坪群的时代归属中元古代。1993年,河南省区域地质调查队在《河南1∶5万寨根等四幅区调报告》中沿用广义二郎坪群,将小寨组再次拆分为小寨组和抱树坪组,自下而上划分为大庙组、火神庙组、小寨组和抱树坪组,在西峡二郎坪、内乡湍源、夏馆北、南召青山等地火神庙组、大庙组硅质岩和大理岩中首次采获大量寒武纪—志留纪的硅放射虫目、海百合纲、珊瑚纲、腹足纲、头足纲等化石(Wang Naiwen, 1989; 李采一等,1990;劳子强,1991;安三元等,1993),将地层时代归属为早古生代。2002年,河南省地质调查院❷在《1∶25万内乡县幅区调报告)中沿用上述划分方案,并认为从大庙组到抱树坪组总体表现为沉积—喷发—沉积—喷发的连续演化特征;至此,该命名被广泛接受 (河南省地质调查院❸;高联达等,2006;汤清龙等,2010;赵姣等,2012;杨士杰等,2015;欧伟程等,2022)。

自刘文荣等(1989)首次提出二郎坪蛇绿岩的认识后,众多学者从不同侧面否定二郎坪群具地层学“群”的含义,认为是一构造地层单元,并称为二郎坪杂岩,是由不同剪切带链接起来的由物质组成不同、变质级别各异的构造岩片堆垛而成 (孙勇等,1996;李亚林等,1998;张宏远,2006;杨敏等,2016),主体由南、北部碎屑岩片和中部蛇绿岩片 (李亚林等,1998;杨敏等,2016) 或二进沟岩片、火神庙岩片和抱树坪岩片 (闫全人等,2009;张宏远,2006) 或大庙岩片、二郎坪蛇绿岩片和小寨组岩片 (孙勇等,1996) 组成。有关二郎坪群形成于早古生代的认识已趋于一致 (李采一等,1990;劳子强,1991;王学仁等,1995;陆松年等,2003;Dong Yunpeng et al., 2011a; 赵姣等,2012;杨敏等,2016),但依据中奥陶世珠角石和螺类 (李采一等,1990)、寒武纪—奥陶纪牙形石类和放射虫类 (劳子强,1991;王学仁等,1995)、志留纪床板珊瑚 (劳子强,1991) 等化石资料和二郎坪群内火山岩(443～517 Ma)(陆松年等,2003;闫全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011a; 孙勇等,1996;赵姣,2012;苏文等,2013) 及侵入其中的中基性至中酸性岩体(435～496 Ma)(王锦等,2012;苏文等,2013;李名则等,2014;杨士杰等,2015;翟文建等,2020) 等的结晶锆石U-Pb测年数据显示其形成时代主体为寒武纪至志留纪,甚至延伸至晚古生代中泥盆世 (高联达等,2006),时代跨度较大。且有关二郎坪群大地构造属性方面的研究还存在分歧认识。前人依据二郎坪群内细碧岩—角斑岩系岩石组合(赵姣等,2012;胡畔,2016;杨敏等,2016)、N-MORB玄武岩和辉绿岩(孙勇等,1996)、E-MORB细碧岩(杨荣勇等,1995)和大陆—远洋盆地硅质岩(冯胜斌等,2007) 等认为其形成于弧后盆地(张国伟等,1995;Dong Yunpeng et al., 2011a; 赵姣等,2012;胡畔,2016;杨敏等,2016);或发育具弧火山岩性质的钙碱性玄武岩、玄武安山岩和安山岩,而将其归属为岛弧环境成因 (Xue et al., 1996; 陆松年等,2003;Wang Hao et al., 2011; Wu Yuanbao et al., 2013);或火神庙组“双层楼式”地层结构显示其兼具岛弧—弧后盆地演化特征 (翟文建等,2020)。由此可见,以上有关二郎坪群在地层划分、时代归属和构造背景等方面的分歧认识可直接影响到北秦岭造山带早古生代时期的构造演化格局。

目前,二郎坪群的已有研究主要集中于火神庙组火山岩 (王铭生等,1997;陆松年等,2003;闫全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011b; 赵姣等,2012;李振强等,2021) 和少量碎屑岩 (王学仁等,1995;高联达等,2006)、大庙组碳酸盐岩 (Wang Naiwen, 1989; 李采一等,1990;劳子强,1991;安三元等,1993) 和碎屑岩 (劳子强,1991;王学仁等,1995)、小寨组碎屑岩 (刘文荣等,1989;刘国惠等,1993;杨敏等,2016),以及侵入各组的中基性 (苏文等,2013;李名则等,2014;翟文建等,2020) 至酸性岩体 (郭彩莲等,2011;李胜利等,2012;王锦等,2012;赵姣等,2012;苏文等,2013;杨士杰等,2015;Hu Pan et al., 2019; 李振强等,2021) 等,而抱树坪组主体为一套碎屑岩石组合,岩石组合较简单 (河南省地质调查院❷),对其关注相对较少。因此,本文选取抱树坪组内火山岩夹层和侵入其中的花岗斑岩脉为研究对象,通过开展岩石学、地球化学及LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析,以期获得抱树坪组的形成时代及形成构造背景,为北秦岭造山带早古生代的构造演化提供新的约束资料。

1 区域地质背景

秦岭造山带系中国大陆中央造山带(系)的主要组成部分,由两个主缝合带(商(南)—丹(凤)缝合带和勉(县)—略(阳)缝合带)和北秦岭(及华北克拉通南缘)、扬子克拉通北缘及二者间的中秦岭地块组成(Meng Qingren et al., 2000; 张国伟等,2001)。其中北秦岭造山带位于商-丹断裂带与洛南—栾川断裂带之间(图1a),是秦岭造山带中变形变质、岩浆活动最为强烈的地带 (张国伟等,1995,2001;李运冬,2018),地层单元主要由秦岭岩群、丹凤岩群、宽坪岩群和二郎坪群组成,相邻岩群之间以大型剪切带或断裂带接触,相互叠置呈NWW向展布 (赵姣等,2012),构成北秦岭造山带的主体构造线 (第五春荣等,2010)。宽坪岩群出露于北秦岭造山带的最北端,为一套高绿片岩相—角闪岩相的中浅变质岩系,由基性火山岩(绿片岩)—变质碎屑岩(各种片岩)—碳酸盐岩夹碎屑岩(大理岩、片岩)组成,形成时代为元古代 (张宗清等,1995;李靠社,2002;何世平等,2007;高胜等,2014);但最新研究认为是由形成于不同时代、不同构造背景的岩石单元通过构造作用混杂叠置而成的混杂地层单位 (第五春荣等,2010;李承东等,2018),主体很可能形成于早古生代 (高胜等,2014;李承东等,2018)。秦岭岩群构成北秦岭造山带的主体,是最古老的前寒武纪结晶基底,主要由各种片麻岩、石英(片)岩、斜长角闪岩、大理岩和钙硅酸岩组成,形成于古元古代 (张宗清等,1994;王振东等,1995) 或中元古代—新元古代 (时毓等,2009;万渝生等,2011;Wang Hao et al., 2013)。近30年来,基础地质研究方面取得最突破的进展就是在秦岭岩群中相继发现呈面状展布的诸如含柯石英/金刚石榴辉岩(胡能高等,1994;杨经绥等,2002;刘良等,2013)、榴闪岩(唐欢等,2017;翟文建等,2019)、石榴辉石岩(苏犁等,2004)、含柯石英斜长角闪岩(宫相宽等,2016)、高压麻粒岩(Liu Liang et al., 1994)等多种高压—超高压岩石 (陈丹玲等,2011;刘良等,2013),原岩形成于新元古代,后期经历了～500 Ma的峰期变质作用及～450 Ma和/或～420 Ma的退变质过程(刘良等,2013)。丹凤岩群发育于北秦岭造山带的最南端,主要由成生于古生代的N-MORB和E-MORB型蛇绿岩 (Dong Yunpeng et al., 2011a, 2011b) 和形成于洋内岛弧的火山—沉积岩组成,普遍经历绿片岩相—低角闪岩相变质作用,形成于新元古代—早古生代 (裴先治等,2001;Dong Yunpeng et al., 2011a)。

二郎坪群则夹持于秦岭岩群和宽坪岩群之间(图1a),区域上出露于河南的汤河、二郎坪乡、夏馆北、桐柏大河镇、信阳和周党一带,向西延伸至陕西境内,分别与云架山群、斜峪关群及草滩沟群相连 (翟文建等,2020),空间上构成一呈东宽西窄的楔形体夹持于瓦穴子—乔端断裂与朱阳关—夏馆断裂之间 (燕长海等,2008),上部被上三叠统五里川组不整合覆盖。二郎坪群属一套海相火山—沉积建造 (徐勇航等,2009),主体由变质火山岩、变质碎屑岩和大理岩等组成 (翟文建等,2020),总体以低压连续变质为特色,普遍经历了低绿片岩相—角闪岩相的变质作用 (赵姣等,2012)。地层单元自下而上划分为大庙组、火神庙组、小寨组和抱树坪组 (河南省地质调查院❷;汤清龙等,2010)。其中大庙组为一套变质碎屑岩、碳酸盐岩沉积建造,寒武纪至志留纪化石较丰富 (Wang Naiwen, 1989; 李采一等,1990;劳子强,1991;王学仁等,1995)。火神庙组为一套变细碧—石英角斑岩建造,主要岩性以变细碧岩、变细碧玢岩、变石英角斑岩、角斑岩为主夹中酸性凝灰岩、凝灰质熔岩和变硅质岩,属一套弧后盆地型的蛇绿岩组合或形成于洋内岛弧环境 (孙卫东等,1996;孙勇等,1996;张国伟等,2001;赵姣等,2012)。最新成果显示火神庙组具“双层楼式”地层结构(翟文建等,2020),岛弧型蛇绿岩发育在火神庙组的下部,由一套多具MORB型性质的变基性火山岩构成 (天津地质调查中心❹),伴生大量辉石岩、橄辉岩等镁铁质堆积岩;而变细碧岩—石英角斑岩组合则发育在火神庙组的上部,主要岩性以变细碧(玢)岩、变石英角斑岩、变角斑岩为主,夹少量中酸性变凝灰岩、变凝灰质熔岩和变硅质岩,具双峰式火山岩组合特点 (河南省地质调查院❸;天津地质调查中心❹),属弧后盆地扩张的标志产物 (胡畔等,2016);先后获得的火神庙组火山岩和侵入体的年龄资料将其形成时代限定为早古生代 (孙勇等,1996;孙卫东等,1996;王铭生等,1997;陆松年等,2003;闫全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011a; 赵姣等,2012)。小寨组和抱树坪组为一套盆地边缘沉积的类复理石建造,以泥质碎屑岩为主夹含中基性火山岩 (杨士杰等,2015;翟文建等,2020)。其中小寨组岩性由以发育石榴石、红柱石、十字石和堇青石等富铝变质矿物为特征的云母石英片岩、变长石石英砂岩和变粉砂质板岩组成 (刘文荣等,1989;刘国惠等,1993);抱树坪组则为以强变形的 (石榴) 黑云 (少数为白云、绢云或二云) 石英片岩、黑云斜长片岩夹斜长角闪质条带为主的低压中温变质岩系 (张宏远等,2009),原岩表现为砂泥岩与沉凝灰岩组成的不等厚互层状韵律性沉积组合 (汤清龙等,2010),其成熟度较低,显示快速剥蚀、近距离搬运沉积的物源演化特征 (李亚林等,1998,1999)。区域上对小寨组和抱树坪组的形成时代研究相对薄弱,部分学者认为是与火神庙组时代大体相当的不同构造环境的产物 (刘文荣等,1989),或局部或稍早于火神庙组,并获得变泥质碎屑岩最大沉积年龄为500±7 Ma (杨敏等,2016)。

2 样品特征及分析方法

2.1 样品特征

本文分别在黑云阳起钠长片岩和侵入其中的花岗斑岩岩脉中各采集了一个年龄样品(样号分别是Y1494/1和Y1494/3),在黑云阳起钠长片岩中采集了5个地球化学样品(样号Y1494/1、Y1494/2、Y340/25-1、Y340/28-1和Y340/34-1)。Y1494/1样品和Y1494/3样品采集于内乡县夏馆镇陈家沟公路边,地理坐标为33°25′2″N,111°46′26″E。其中Y1494/1样品取自抱树坪组(图2a、b),岩性为黑云阳起钠长片岩,与抱树坪组灰色黑云石英片岩呈夹层状赋存、“互层状”产出,层理与片理近一致,即S0//S1(图2c);黑云阳起钠长片岩单层厚1～5 cm,局部达10～30 cm,分布不均匀,占抱树坪组岩石总量的10%～30%。样品呈灰绿色,具鳞片粒状变晶结构,局部可见变余凝灰结构,层状—片状构造(图2d),成分由钠长石(50%±)、阳起石(25%±)、黑云母(15%±)、石英(10%±)及少量榍石组成,浅色矿物粒径0.02～0.10 mm,暗色矿物粒径0.1～0.3 mm;微观下由于变质重结晶现象普遍发育,玻屑大多已脱玻化形成微粒长英质矿物集合体,但局部保留早期弯弓状、树杈状和棒状形态(图2e);少量晶屑偶见,由钠长石和石英组成(图2f),粒径0.1～0.2 mm,以次棱角状为主。

Y1494/3样品取自花岗斑岩脉(图2a),该岩脉近东西走向,切割区域片理,侵入抱树坪组一套黑云石英片岩夹(黑云)阳起钠长片岩内,与围岩接触界面较截然,接触面产状S0为195°∠64°,脉宽约5m,延伸大于50m。岩石呈灰白色,组成矿物长石多被鳞片状绢云母及片状黑云母不完全交代,形成变余斑状结构(图2g),变余半自形粒状结构,具弱片麻—块状构造。斑晶为钾长石和石英,其中钾长石斑晶呈半自形板柱状,粒径1.2～4.0mm,含量10%～15%;石英斑晶含量小于5%,粒状,粒径0.6～2.8mm,杂乱分布。基质矿物由微粒状长石和石英组成,粒径0.05～0.15mm,弱定向分布。

2.2 分析方法

主量、稀土和微量元素分析由湖北省地质实验测试中心完成。挑选的样品新鲜,但微弱蚀变,共计5件样品(表1),岩性为(黑云)阳起钠长片岩;主量元素分析采用Magix_pro2440型X荧光光谱仪玻璃熔片(XRF)法测定;稀土元素和微量元素分析分别采用X2型和ICAP6300型电感耦合等离子体质谱法测定。测试分析误差一般小于5%,结果见表1。

表1 内乡县夏馆镇陈家沟抱树坪组阳起钠长片岩主量元素(%)和微量元素(10-6)分析结果Table 1 Major(%) and trace elements(×10-6) data for actinolite sodium schist of Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town, Neixiang County

锆石的挑选由河北省廊坊区域地质调查研究所完成。在天津地质调查中心同位素实验室内使用锆石U-Pb同位素进行测试分析,所用激光烧蚀多接收器等离子质谱设备由美国ESI公司的NEW WAVE 193 nm FX激光器和美国赛默飞世尔公司的NEPTUNE多接收等离子质谱组成,激光束斑直径为30 μm,激光剥蚀样品的深度为 40 μm,能量密度为13～14 J/cm3,频率为8～10 Hz。激光剥蚀物质以He为载气送到Neptune(MC-ICP-SM)中。同位素比值和元素计算采用ICPMSDataCal [ver5.6,中国地质大学(武汉)]程序,以标准锆石TEM为外标进行同位素比值校正;元素浓度采用 NIST610作外标,29Si 作内标来计算,年龄计算和谐和图的绘制用Isoplot(ver2. 49)完成。本次对Y1494/1样品和Y1494/3样品分别选取100粒锆石和27粒锆石进行LA-ICP-MS U-Pb定年分析,分析结果见表2、3。

3 分析结果

3.1 火山岩夹层地球化学特征

5件(黑云)阳起钠长片岩样品的SiO2含量在52.56%～62.04%之间,平均值为56.95%;Al2O3含量在10.70%～18.55%之间,平均值为15.31%;FeOT含量在4.66%～8.43%之间,平均值为7.20%。样品具有较高的K2O含量(0.32%～4.80%,均值2.67%)、MgO含量(4.06%～6.21%,均值4.98%)和Mg#值(49.69～59.19,均值55.28),以及较低的TiO2含量(0.72%～0.98%,均值0.85%)和FeOT/MgO(值在1.23～1.80);在Zr/TiO2—Nb/Y判别图解中除1件样品落入碱性玄武岩区,其余4件样品均投入安山岩区(图3);在Co—Th图解中5件样品均投入了高钾钙碱性系列和橄榄粗玄岩系列区域(图4)。

图3 夏馆镇陈家沟抱树坪组阳起钠长片岩Zr/TiO2—Nb/Y图解(据Winchester et al., 1977)Fig.3 Zr/TiO2—Nb/Y diagram for actinolite sodium schist of Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town(after Winchester et al., 1977)

图4 夏馆镇陈家沟抱树坪组阳起钠长片岩Th—Co图解(据Hastie et al,2007)Fig.4 Th—Co diagram for actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town(after Hastie et al, 2007)

微量元素方面,样品Ni含量为51.65×10-6～94.67×10-6, Cr含量为80.50×10-6～151.00×10-6,Sr含量为183.35×10-6～503.68×10-6,Y含量为20.40×10-6～30.46×10-6,Yb含量为1.96×10-6～3.29×10-6,Sr/Y值为7.94～15.20,La/Yb值为10.03～14.20,表现出高的Ni、Cr,中等的Y、Yb及低的Sr、Sr/Y和La/Yb值等特征。∑REE为140.53×10-6～173.85×10-6,在球粒陨石标准化的稀土配分曲线显示为右倾型,表现出轻稀土元素(LREE)相对富集、重稀土元素(HREE)相对平坦的特征(图5a),LREE/HREE为6.22～8.54(平均值为7.46),(La/Yb)N=7.20～10.19(平均值为9.11)。样品δEu为0.66～1.01,δCe为0.93～1.00,表现为Eu的负异常至微弱的正异常,以及Ce的负异常。在微量元素原始地幔标准化图解中(图5b),大离子亲石元素Rb、Th、U、K相对富集,Nb、Ta、P、Ti等高场强元素相对亏损。

图5 夏馆镇陈家沟抱树坪组阳起钠长片岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)(据Boynton, 1984)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(据Sun Xianshu et al.,1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) (after Boynton,1984) and primitive mantle-normalized spider diagram (b) (after Sun Xianshu et al., 1989) for actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town

3.2 锆石特征和U-Pb定年结果

3.2.1火山岩夹层——样品Y1494/1

样品Y1494/1的锆石颗粒粒径为 80～120 μm,个别达到130～160 μm,外形规则,较自形,阴极发光(CL)特征显示两种不同类型锆石(图6):一类为岩浆结晶锆石,锆石晶体较完整,以短柱状自形晶为主,长短轴比值为1∶1～2∶1,部分属长柱状自形晶,长短轴比值可达2.5∶1～3∶1,除极少量锆石发育残留的核部结构外,大部分锆石结构单一,且所有锆石内部普遍发育密集震荡生长环带,属于岩浆锆石结晶产物 (吴元保等,2004)。该类锆石数量最多,本次共分析测试84颗锆石,其中除锆石69的Th/U值小于0.1外,其余锆石的Th/U值变化于0.20～1.60之间,与206Pb/238U相关性整体较好(图7),符合岩浆锆石特征。锆石U-Pb测年结果显示,84颗锆石的206Pb/238U表面年龄值介于429.2±7.0 Ma～514.0±7.7 Ma之间(表2),其中有72颗锆石在谐和曲线图上集中分布形成浓集中心(图8a、b),获得加权平均年龄为446.0±1.7 Ma(MSWD=0.26)(图8c),代表了火山岩夹层的成岩年龄。

图6 夏馆镇陈家沟Y1494/1样品的锆石阴极发光图像Fig.6 Cathodoluminescence images for zircon of sample Y1494/1 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

图7 夏馆镇陈家沟Y1494/1样品岩浆锆石、捕掳锆石中Th/U和n(238U)/n(206Pb)或n(207Pb)/n(206Pb)关系Fig.7 Th/U ratios vs n(238U)/n(206Pb)or n(207Pb)/n(206Pb) ages diagram for magmatic and captured zircons of sample Y1494/1 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

图8 夏馆镇陈家沟Y1494/1样品锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Fig.8 Concordia diagram for LA-ICP-MS U-Pb zircondata of sample Y1494/1 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

另一类锆石占据少量,共计16颗(表2)。锆石较自形,以短柱状为主,个别为锥状或长柱状,约一半以上的锆石不具有完整的晶形,在CL图像上锆石结构较前一类复杂。其中锆石10、13、19、30、37、44等可能受一定程度的热液作用叠加改造的影响致使其边缘发育较窄的白色蚀变边(赵林涛等,2019);锆石44和61具有核幔结构,其核部保留了较老的岩浆活动信息;但绝大多数锆石均发育指示岩浆结晶成因的震荡环带或条带结构,且表现出不同程度的机械磨圆,形态多为次圆状—次棱角状,具有碎屑锆石的基本外貌特征(李荣等,2020;徐多勋等,2020)。在分析的16颗锆石中,锆石Th/U值均大于0.1,介于0.14～1.55之间,但其Th/U与206Pb/238U或207Pb/206Pb的关系较随机,不具相关性(图7);且获得的16颗锆石谐和年龄跨度相对较大(图8a),206Pb/238U表面年龄或207Pb/206Pb年龄介于759.9±22.1～1687.5±58.8 Ma之间,正好与本区变泥质碎屑岩围岩的碎屑锆石年龄(750～850 Ma、0.9～1.0 Ga、1.35～1.48 Ga、1.6～1.75 Ga)基本一致(杨敏等,2016),反映其具多种成因来源。与此同时,空间上抱树坪组黑云阳起钠长片岩与灰色黑云石英片岩虽呈“互层状”产出,但以1～3 cm厚的薄夹层赋存黑云石英片岩中,因此,该类锆石应该是黑云阳起钠长片岩的原岩在就位过程中从围岩中捕获的锆石,其206Pb/238U表面年龄或207Pb/206Pb年龄则代表了捕获锆石的结晶年龄。

3.2.2花岗斑岩脉——样品Y1494/3

样品Y1494/3的锆石自形程度较高,颗粒以短柱状为主(图9),少数为长柱状,长宽比为2∶1,最大可达4∶1,粒径80～140 μm;锆石内部结构单一,岩浆振荡生长环带清晰、密集,锆石的Th/U值主体介于0.23～1.59之间(表3),显示出岩浆锆石成因特征。在锆石U-Pb谐和年龄图上(图10),排除锆石23明显偏离谐和曲线外,有22粒锆石206Pb/238U表面年龄集中于413.0±6.2 Ma～449.5±6.6 Ma之间,获得206Pb/238U加权平均年龄为430.0±3.0 Ma(MSWD=0.71)(图10),代表了脉体的侵位年龄。另外,剩余4颗锆石中锆石3、锆石12和锆石19为继承性锆石,内部残留有早期锆石核,锆石16具有板状环带基性锆石特征,均有别于其他22颗锆石特征;且4颗锆石的206Pb/238U年龄或207Pb/206Pb年龄明显大于430.0±3.0 Ma,因此,可能反映围岩捕掳锆石年龄信息。

图9 夏馆镇陈家沟Y1494/3样品锆石阴极发光图像Fig.9 Cathodoluminescence images for zircon of sample Y1494/3 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

图10 夏馆镇陈家沟Y1494/3样品锆石U-Pb谐和年龄(a)和加权平均年龄图(b)Fig.10 Zircon U-Pb concordia diagram (a) and average age (b) of sample Y1494/3 in Chenjiagou area,Xiaguan Town

4 讨论

4.1 抱树坪组形成时代的精确厘定及二郎坪群地层划分讨论

岩石学及地球化学特征显示,抱树坪组火山岩夹层——(黑云)阳起钠长片岩的原岩为安山质凝灰岩,常以火山岩夹层的形式赋存于黑云石英片岩中,与黑云石英片岩呈“互层状”产出。本文首次获得黑云阳起钠长片岩的原岩的成岩年龄为446.0±1.7 Ma,精确标定了该次火山事件的年龄,也由此标定了抱树坪组的形成时代。由于样品Y1494/1采集于抱树坪组的内部,未见地层顶界,故其顶界应小于此年龄值。结合最近欧伟程等(2022)获得抱树坪组最年轻一组碎屑锆石的年龄为420～440 Ma,揭示其地层时代最晚可能延续到志留纪—早泥盆世。本次野外调查还发现了大量晚期花岗斑岩脉体侵入穿插于抱树坪组内部(图2a),获得其结晶锆石U-Pb年龄为430.0±3.0 Ma,故该脉体的侵位年龄能很好地限定抱树坪组的最小沉积年龄,也就是说,抱树坪组的最小沉积年龄应大于430.0±3.0 Ma,即其形成时代不晚于早志留世。综上认为,抱树坪组的形成时代应为晚奥陶世—早志留世。

现阶段,广义二郎坪群的含义已被大多数学者接受(河南省地质调查院❷;安三元等,1993;张健等,2019),并被公认为早古生代地质体 (李采一等,1990;劳子强,1991;王学仁等,1995;陆松年等,2003;赵姣等,2012;Dong Yunpeng et al., 2011a; 杨敏等,2016);但现在已有足够的古生物学和年代学资料表明(表4),二郎坪群的形成时代跨度较长,为寒武纪—志留纪,甚至跨度至晚古生代泥盆纪 (高联达等,2006),且群内各地层单元之间并非如年代地层学所表现出来的新、老关系 (河南省地质调查院❸)。

由表4可知,现阶段大庙组内普遍缺失最直接的年代学数据的支持,但化石资料显示其内产早寒武世螺旋管状藻类化石及其管状微化石组合 (王学仁等,1995)、寒武纪放射虫(劳子强,1991)、中奥陶世珠角石和螺类化石 (李采一等,1990),中晚奥陶世角石 (安三元等,1993)及志留纪床板珊瑚 (Wang Naiwen, 1989),故认为其形成时代为早寒武世—志留纪(表5)。有关火神庙组时代研究较多,资料较丰富。前人已在变硅质岩和砂板岩内先后发现早奥陶世—中奥陶世牙形石和放射虫 (王学仁等,1995),以及中泥盆世早期孢子化石 (高联达等,2006),并获该套地层内不同类型火山岩的年龄介于517～443 Ma之间 (王铭生等,1997;陆松年等,2003;闫全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011a; 赵姣等,2012;李振强等,2021),以及侵入火山岩的中基性、中酸性至碱性岩体的结晶年龄介于496～433.4 Ma之间 (郭彩莲等,2010,2011;王锦等,2012;苏文等,2013;李名则等,2014;杨士杰等,2015;翟文建等,2020),三者很好地将火神庙组的形成时代限定在早寒武世末—中泥盆世(表5)。小寨组和抱树坪组共同发育于火神庙组的南部,区域上相当于前人所述二郎坪杂岩的南部变泥质碎屑岩片(杨敏等,2016)。杨敏等 (2016) 在南部变泥质碎屑岩片内原岩为长石石英砂岩中获得最大沉积年龄为500±7 Ma,故代表了小寨组的最大沉积年龄;且侵入小寨组的古侵入体的结晶年龄为461～444 Ma(郭彩莲等,2011;李胜利等,2012;苏文等,2013),因此将其时代限定为晚寒武世—中奥陶世(表5)。

从地层层序上看,区域上抱树坪组与下伏小寨组虽然主体为断层接触关系,但在内乡县板场乡大栗树村一带却表现为整合接触(河南省地质调查院❸);从地层时代上分析,小寨组形成于晚寒武世—中奥陶世,抱树坪组形成于晚奥陶世—早志留世,二者之间存在明显的新老关系;因此,小寨组和抱树坪组二者是符合广义二郎坪群地层单元划分方案(河南省地质调查院❷;汤清龙等,2010)。但是,由表5可知,虽然大庙组和火神庙组二者的最大沉积年龄均明显早于小寨组和抱树坪组,但通过对大庙组、火神庙组及由小寨组和抱树坪组构成的整体的年代对比研究,三者的地层时代并非广义二郎坪群划分方案中所表现出的新老关系,而主体却表现为近于同时性(表5);同时结合最新1∶5万区调成果 (河南省地质调查院❸),大庙组与火神庙组之间及火神庙组与小寨组之间均呈现为断层接触关系,并非属相互叠置的上下层序关系;以上分析则反映出大庙组、火神庙组及由小寨组和抱树坪组构成的整体三者时空上的近平行关系,揭示其可能主体属时代大体相当的不同沉积环境的产物(河南省地质调查院❸;刘文荣等,1989),这明显有违于广义二郎坪群的内涵(河南省地质调查院❷;安三元等,1993;汤清龙等,2010),因此,后需加强对广义二郎坪群的解体和重新厘定。

4.2 抱树坪组构造环境分析及对二郎坪群大地构造属性的制约

抱树坪组火山岩夹层具有相对低的SiO2含量(均值为56.25%)、高的Al2O3含量(均值为15.17%)、高的MgO含量(均值为4.93%)和低的FeOT/MgO值(均值为1.46),在SiO2—MgO图解中除Y1494/2样品位于RS边界位置外,其余4件样品全部落入镁安山岩(MA)区(图11a),在SiO2—FeOT/ MgO图解中5件样品基本上全部落入低Fe钙碱系列(LF—CA)区(图11b),共同显示出镁安山质岩石的典型特征 (邓晋福等,2010,2015)。镁安山岩是与洋俯冲作用相关的典型的火成岩类型 (邓晋福等,2010),又是识别岛弧环境的一种特征岩类 (邓晋福等,2007)。地球化学特征结果显示,抱树坪组火山岩夹层具有较高的Ni和Cr含量及稀土总量,相对富集LREE和大离子亲石元素Rb、Th、U、K,相对亏损高场强元素Nb、Ta、Ti,普遍具有弱的负Eu异常和负Sr异常,Th/Ta值为4.9～16.1,基本与大陆边缘环境Th/Ta值(6～20)相近 (GortonSchandl, 2000),且在Th/Ta—Yb图解和Th/Yb—Ta/Yb图解中5件样品中有4件落入活动大陆边缘环境(图12),共同表明其形成于活动大陆边缘俯冲环境。同时,镁安山岩一般认为产于俯冲带上面的弧、弧前和弧后 (邓晋福等,2010),但在洋中脊和洋岛环境中不存在 (邓晋福等,2007)。抱树坪组总体为一套原岩以泥质碎屑岩为主夹少量中基性火山岩的复理石沉积 (翟文建等,2020),原岩成熟度较低,具快速剥蚀、近距离搬运沉积特征 (李亚林等,1998,1999),其碎屑物源具双源性特点(来自南侧的秦岭微陆块和北侧的华北陆块),揭示抱树坪组可能形成于弧后盆地环境 (杨敏等,2016;欧伟程等,2022)。结合北秦岭微陆块为活动大陆边缘的构造格局 (张国伟等,1995;Dong Yunpeng et al., 2011a)及商丹洋在约400～450 Ma时的向北俯冲 (吴元保等,2013),以及本次厘定的抱树坪组的形成时代,我们认为抱树坪组可能形成于因商丹洋的北向俯冲而产生的弧后盆地构造背景 (孙勇等,1996;Dong Yunpeng et al., 2011b; 杨敏等,2016)。

图11 抱树坪组阳起钠长片岩 SiO2—MgO图解(a)和SiO2—FeOT/ MgO图解(b)(据邓晋福等,2010,2015):(a) 中实线 PQ 和RS 分别为HMA/MA与MA/非MA的边界;(b) 中直线为钙碱系列(CA)与拉斑系列(TH)分界线,点划线为低Fe钙碱系列(LF—CA)与中Fe钙碱系列的边界Fig.11 SiO2—MgO diagram (a) and SiO2—FeOT/ MgO diagram (b) of actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation (after Deng Jinfu et al., 2010, 2015):(a) the lines Q and S mean the boundary of HMA/MA and MA/non-MA respectively in (a); the straight line is the CA/TH boundary,and the dot line is the boundary between low Fe CA(LF—CA) and media Fe (CA) in the (b)

图12 抱树坪组阳起钠长片岩Yb—Th/Ta图解(a)和Ta/Yb—Th/Yb图解(b)(据Gorton et al., 2000)Fig.12 Yb—Th/Ta diagram (a) and Ta/Yb—Th/Yb diagram (b) of actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation (afer Gorton et al., 2000)

二郎坪群内发育有具E-MORB型和岛弧岩浆岩(Dong Yunpeng et al., 2011a)的微量元素特征的变质火山岩,以及“双层楼式”地层结构特点 (河南省地质调查院❸;翟文建等,2020),表明其形成于岛弧—弧后盆地环境,且大地构造属性具有从岛弧向弧后盆地演化的趋势 (胡畔等,2017;翟文建等,2020)。早期岛弧火山岩普遍被490～475 Ma的花岗质岩石穿插侵入(王锦等,2012;李名则等,2014;胡畔等,2017;李振强等,2021),岩石成岩年龄普遍大于472±11 Ma (闫全人等,2007;李振强等,2021),但具有弧后盆地性质的火山岩的形成时代则介于475～436 Ma之间 (Dong Yunpeng et al., 2011b; 赵姣等,2012;胡畔,2016;Hu Pan et al., 2019),两者不同类型火山岩的成岩年龄则揭示约470 Ma是二郎坪群由岛弧向弧后盆地转化的初始时限。抱树坪组内火山岩夹层的原岩为安山质凝灰岩,地球化学特征显示出活动大陆边缘俯冲环境,其结晶锆石U-Pb年龄(446.0±1.7 Ma)正好介于475～435.7 Ma之间;同时,抱树坪组可能形成于因商丹洋的北向俯冲而产生的弧后盆地构造背景 (孙勇等,1996;Dong Yunpeng et al., 2011b; 杨敏等,2016),表明弧后盆地俯冲作用的时间可能一直持续至晚奥陶世。另外,早志留世未变形的花岗斑岩脉与抱树坪组侵入接触关系明显,并切穿区域性片理,而区域性面理则是二郎坪弧后盆地俯冲闭合过程的产物 (李振强等,2021),因此,花岗斑岩脉的成岩年龄可作为二郎坪盆地俯冲消减闭合的下限年龄,时间为430.0±3.0 Ma。综合以上可知,二郎坪群是在约470 Ma之前由于商丹洋向北俯冲而形成的火山岛弧,在470～436 Ma转化为弧后盆地,至约430 Ma之前最终完成消减闭合。

5 结论

(1)二郎坪群抱树坪组内(黑云)阳起钠长片岩呈夹层状赋存于黑云石英片岩中,与黑云石英片岩呈“互层状”产出,原岩为安山质凝灰岩,具有镁安山质岩石的地球化学特点;结合地球化学特征及前人研究认为抱树坪组可能形成于活动陆缘弧后盆地。

(2)本文获得黑云阳起钠长片岩的原岩的结晶锆石U-Pb年龄为446.0±1.7 Ma,以及侵入其中的花岗斑岩脉的成岩年龄为430.0±3.0 Ma,首次将抱树坪组的形成时代准确地标定为晚奥陶世至早志留世。

(3)综合前人研究成果,本文认为小寨组和抱树坪组在地层层序及地层时代上符合广义二郎坪群的划分方案,但大庙组、火神庙组及由小寨组和抱树坪组构成的整体三者在形成时代上表现为近于同时性,在空间上主体呈现近平行关系,可能主体属时代大体相当的不同沉积环境的产物,这明显有违于广义二郎坪群的内涵。有关二郎坪群大地构造属性,认为是在约470 Ma之前由于商丹洋向北俯冲而形成的火山岛弧,在470～436 Ma转化为弧后盆地,至约430 Ma之前最终完成消减闭合。

致谢：感谢评审专家提出的宝贵修改意见!野外考察得到河南省地质调查院杨俊峰教授级高级工程师、郭君功高级工程师、何凯工程师、李敏工程师等的协助,在此一并表示感谢。

注 释 / Notes

❶ 河南省地质局区测队.1973. 河南省西峡县北部1∶5万区域地质调查报告.

❷ 河南省地质调查院. 2002. 河南省1∶25万内乡县幅区调修测报告.

❸ 河南省地质调查院. 2019.河南省1∶5万小水幅、夏馆幅、二郎坪幅区域地质调查联测报告.

❹ 天津地质调查中心. 2019. 中条—熊耳山成矿区关键地区地质调查与成果集成报告.