吉林省石头口门地区早二叠世砂岩碎屑锆石U-Pb年龄及其地质意义

2024-03-04宋志刚丛文爽张天宇高丽华马启合韩作振

山东科技大学学报(自然科学版) 2024年1期

宋志刚,丛文爽,张天宇,高丽华,马启合,韩作振

(1.山东科技大学地球科学与工程学院,山东青岛 266590;2.山东科技大学山东省沉积成矿与沉积矿产重点实验室,山东青岛 266590;3.中国冶金地质总局青岛地质勘查院,山东青岛 266109)

研究区吉林省石头口门地区位于长春市以东50 km处,兴蒙造山带东南缘,古亚洲洋晚古生代对接带上。20世纪90年代,该地区晚古生代地层中因识别出硅质岩以及锰结核而成为地质学家关注的焦点[1]。然而,对其形成时代和构造背景具有不同的认识:①Zhu等[1]根据生物碎屑灰岩中识别出的晚石炭世威宁期虫筳类化石以及岩石组合特征,认为该地层是一套形成于大陆边缘的晚石炭世裂陷槽沉积物;②蚀变中基性火山岩的锆石U-Pb定年结果进一步显示,该地层剖面中还发育早石炭世构造岩片[2];③Gehrels等[3]对该地层中新识别出的流纹质凝灰岩开展锆石U-Pb测年,获得的加权平均年龄为276±3 Ma,表明火山作用发生在早二叠世;④Cai等[4]新近报道的碎屑锆石U-Pb年龄表明上述地层的部分沉积岩形成时代不早于早二叠世。由此可见,有关石头口门地区地层的形成时代及其构造指示意义尚需进一步研究。

本研究在重新梳理前人资料基础上,对石头口门地区晚古生代地层开展了详细野外地质调查,采集其中两件砂岩样品开展碎屑锆石U-Pb年代学和锆石微量元素分析,为限定其形成时代、揭示沉积碎屑物质来源,探讨其沉积时的大地构造背景提供线索和依据。

1 地质背景与样品描述

吉林省石头口门地区位于长春-延吉古亚洲洋晚古生代缝合带上(图1),早古生代经历了古亚洲洋沟弧体系的演化,并于早古生代晚期发生了弧-陆碰撞。晚石炭世—二叠纪,在古亚洲洋板片南向俯冲作用的驱动下,华北板块北缘转变为活动大陆边缘[3],俯冲作用持续至二叠纪末—三叠纪[5]。

(a)东北地区大地构造略图及研究区位置,修改自Song等[5];(b)石头口门地区地质简图,修改自Shi等[3]

研究区古生代地层主要包括早石炭世地层、晚石炭世地层、早二叠世地层(图2)。其中,早石炭世地层以岩块形式零星出露于石头口门水库西北岸,岩性以蚀变玄武安山岩和蚀变玄武粗安岩为主[2];晚石炭世地层是前文所述位于石头口门水库西岸的含晚石炭世威宁期虫筳类化石的生物碎屑灰岩[1];早二叠世地层在研究区出露相对较多,在石头口门水库西岸、辛家窑和后刘家屯等均有出露,是一套夹少量钙碱性火山岩的海相沉积地层,岩性自下而上主要有结晶灰岩、粉砂岩、硅质泥岩、含砾杂砂岩、安山岩、复成分砾岩和含砾长石杂砂岩,另有部分结晶灰岩透镜体。

(a)九台泵站角砾状结晶灰岩及生物碎屑灰岩;(b)石头口门水库大坝地层露头及采样点;(c)石头口门水库大坝北侧砂岩中的锰结核;(d)石头口门水库地层剖面图,修改自郑春子等[1]和宋晨[4]

此外,石头口门-波泥河一带还被视为长春-延吉缝合带内蛇绿混杂岩出露的关键地区,该地区的一套杂岩组合主要为镁铁质-超镁铁质杂岩、基性熔岩、辉绿岩墙、深海相放射虫硅质岩和少量安山质-英安质海相火山岩岩块杂乱镶嵌在杂砂岩之中,保留了“岩块在基质中”的特征。刘永江等[6]认为该混杂岩与开山屯、机房沟-水曲柳和小绥河-新华村共同构成一条蛇绿混杂岩带,代表二叠纪具有一定规模的古亚洲洋洋盆的残留。

研究样品为采自石头口门水库大坝西端附近的长石岩屑杂砂岩(SH-10和19STKM-1),岩石新鲜面呈灰色,块状构造,中粒碎屑结构,碎屑颗粒以岩屑和长石为主(图3(a)～3(c)),其中岩屑颗粒约占碎屑颗粒的60%,主要为中酸性火山岩碎屑,其次为硅质岩碎屑,长石约占碎屑颗粒的40%,以斜长石为主,局部发生黏土化。岩石整体为颗粒支撑,局部可见杂基支撑,填隙物主要为泥质和少量铁质胶结物,在碎屑颗粒之间不均匀分布。碎屑颗粒的分选性和磨圆度均较差,结合岩屑和长石成分的复杂性,反映了物源多样性和近源快速堆积的特征。此外,在样品SH-10中还观察到重结晶的虫筳化石(图3(d))。

(a)～(c)岩屑杂砂岩中的岩屑及长石,正交偏光;(d)岩屑杂砂岩中的虫筳化石,重结晶严重,单偏光;L-岩屑,Fsp-长石

2 分析测试方法

样品SH-10的锆石分选工作由河北省廊坊市廊坊区域地质调查院完成,碎屑锆石的制靶和阴极发光(cathodoluminescence,CL)图像拍摄均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成;样品19STKM-1的锆石分选、制靶和CL图像拍摄均由廊坊市地岩矿物分选有限公司完成。样品SH-10和19STKM-1的碎屑锆石U-Pb测年和锆石微量元素测试工作分别在西北大学大陆动力学国家重点实验室和山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室完成,采用的方法均为激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法(laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry,LA-ICP-MS)。

西北大学大陆动力学国家重点实验室的实验仪器为搭载GeoLas 200M型激光剥蚀系统的Agilient 7500a型ICP-MS,测试过程中采用单点剥蚀,激光剥蚀频率为6 Hz,束斑直径32 μm,剥蚀物质载气为He,锆石标样采用91500和GJ-1,成分标样采用人造硅酸盐玻璃NIST SRM 610。利用Glitter 4.0软件对原始数据进行处理并计算同位素比值和元素含量。山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室的实验仪器为搭载GeoLas HD型激光剥蚀系统的Agilient 7900 ICP-MS,原始数据的处理采用ICPMSDataCal 10.9软件。

3 碎屑锆石U-Pb年龄及稀土元素特征

3.1 碎屑锆石特征和U-Pb年龄

2个样品的碎屑锆石特征一致,均为透明的黄粉色,呈自形至半自形的柱状或断柱状;锆石粒径一般在50～150 μm,个别可达250～350 μm,长宽比介于1∶1～3∶1;CL图像显示,2个样品中的锆石普遍发育清晰的岩浆振荡环带(图4)。

图4 石头口门地区岩屑杂砂岩代表性锆石CL图像

对样品SH-10中的42颗锆石进行U-Pb年龄分析,所获42个测点结果均为谐和年龄(图5(a)),其Th、U含量和Th/U比值分别为31×10-6～492×10-6、60×10-6～649×10-6和0.13～0.97。42颗锆石的206Pb/238U年龄跨度较小,介于450～279 Ma,其中35颗锆石的年龄在306～279 Ma之间连续分布,形成了285 Ma的主要年龄峰值,6颗锆石的年龄分布在349～320 Ma,形成345 Ma的次要年龄峰值,另有1颗锆石的年龄为450 Ma(图5(b))。

(a)样品SH-10碎屑锆石U-Pb年龄谐和图;(b)样品19STKM-1碎屑锆石U-Pb年龄谐和图;(c)样品SH-10碎屑锆石U-Pb年龄概率密度图;(d)样品19STKM-1碎屑锆石U-Pb年龄概率密度图;(e)样品SH-10碎屑锆石球粒陨石标准化稀土元素配分模式图;(f)样品19STKM-1碎屑锆石球粒陨石标准化稀土元素配分模式图;球粒陨石数据引自文献[7]

对样品19STKM-1中的72颗锆石进行U-Pb分析,所获72个测点结果均为谐和年龄(图5(d)),它们的Th、U含量和Th/U比值分别为19×10-6～485×10-6、47×10-6～1 031×10-6和0.32～1.50。72颗锆石的206Pb/238U年龄介于480～276 Ma,其中69颗锆石的年龄在306～279 Ma连续分布,形成了302 Ma的主要年龄峰值,剩余3颗锆石的年龄分别为480、457和391 Ma(图5(e))。

3.2 碎屑锆石稀土元素特征

测试结果显示,样品SH-10和样品19STKM-1中的碎屑锆石具有相似的稀土元素特征,具有较高的稀土元素(rare earth element,REE)总量(237×10-6～2 724×10-6)和相对较低的Hf/Y比值(2.04～36.13)。在球粒陨石标准化稀土元素模式配分图中,所有碎屑锆石均表现出亏损轻稀土元素和富集重稀土元素的左倾型特征((Dy/Yb)N=0.07～0.29),并显示出明显的Ce正异常(Ce/Ce*=1.13～252.19)和Eu负异常(Eu/Eu*=0.03～0.75)(图5(c)、图5(f))。

4 讨论

4.1 沉积时限约束

1978年,吉林省地质局区调大队开展长春市幅1∶20万区调工作时,确认了研究区早二叠世地层的存在。1992年,长春地质学校开展泉眼幅1∶5万区调工作时,在石头口门水库西北岸晚古生代地层中首次发现的硅质岩以及后续彭玉鲸发现的与细碧角斑岩组合共生的锰结核受到了地质学界的广泛关注[1]。遗憾的是,当时并未获得具有时代意义的古生物化石和同位素依据,仅通过区域地层对比将硅质岩所属地层划归范家屯组,其精确形成时代仍是一个悬而未决的问题。后来,郑春子等[1]报道了该套地层灰岩中鉴定出的晚石炭世威宁期虫筳类化石,并主张将该地层新建为晚石炭世“石头口门组”,定义为一套海底火山喷发沉积岩系。2001年,吉林省地质调查院将该区域的地层划归为石炭纪余富屯组。

然而,近年来的同位素年代学数据表明,仅仅依靠有限的化石证据就将上述整套岩石地层单元视为某一时代的产物显然低估了该地区的构造复杂程度。例如,焦骥[2]对石头口门水库西北岸的蚀变玄武安山岩-蚀变玄武粗安岩进行了二次离子质谱锆石U-Pb定年,结果表明火山岩的形成时代为早石炭世(359～351 Ma);Shi等[3]在该套地层的一件流纹质凝灰岩样品中获得了276±3 Ma的火山作用年龄;宋晨[4]则利用“石头口门组”沉积岩和流纹质凝灰岩样品中的最年轻谐和锆石年龄(分别为270和276 Ma)将沉积岩的沉积时代限定在早二叠世。这些新近报道的年龄数据说明石头口门水库西北岸这套火山沉积岩可能是一套不具有史密斯地层特征的构造混杂岩。

本研究碎屑锆石U-Pb年代学结果为进一步厘清石头口门地层单元的年代学特征提供了新的证据。截止目前,地质学家已提出了多种利用碎屑锆石数据限定地层最大沉积年龄的方法,如最年轻的单颗粒锆石年龄、最年轻的年龄峰值或加权平均年龄(至少3颗或6颗最年轻碎屑锆石年龄)等[8]。就本次研究的2个样品而言,利用最年轻年龄峰值来限定最大沉积年龄的方法显然是不适用的,这是由于样品19STKM中石炭纪碎屑锆石的比例相对较高,导致其最年轻年龄峰值明显老于样品SH-10(图5)。因此,本研究选择利用最年轻单颗粒锆石年龄和3颗最年轻碎屑锆石的加权平均年龄两种方法对沉积年龄进行制约。样品SH-10和19STKM-1中最年轻的碎屑锆石年龄分别为279±9 Ma(测点SH-10-3)和276±4 Ma(测点19STKM-1-12),2个样品中3颗最年轻碎屑锆石的加权平均年龄分别为280±7 Ma(MSWD=0.01)和279±6 Ma(MSWD=0.58)。采用上述两种方法获得的最大沉积年龄在误差范围内一致,表明本次研究的长石岩屑杂砂岩的沉积时限不早于早二叠世,至少不早于276 Ma。这一结果与宋晨[4]报道的4个碎屑锆石年龄以及Shi等[3]报道的火山岩年龄一致,上述证据表明出露在石头口门水库西北岸的晚古生代火山沉积岩系的主体应形成于早二叠世。此外,该地区报道的早石炭世变质火山岩也是不可忽视的重要组成部分,结合早期研究报道的晚石炭世含虫筳类化石灰岩,本研究认为前人划分的“石头口门组”应是主体为早二叠世的火山沉积岩系和少量早石炭世以及晚石炭世等构造岩片或岩块以构造接触的方式混杂堆积而成。因此,该剖面不同位置地质体的时代归属仍值得进一步研究。

4.2 物源分析

锆石具有极强的耐磨和耐风化特性,是沉积岩中广泛分布且最稳定的矿物之一,利用碎屑锆石的外形特征、年龄谱系特征和微量元素特征可以有效推测沉积岩的碎屑物质来源[9]。本研究2个岩屑杂砂岩样品中的碎屑锆石自形程度好且磨圆度较差,显示出近源沉积的特征,这一认识也与岩相学观察结果一致:岩屑杂砂岩中的碎屑颗粒多为不规则的棱角-次棱角状(图3),磨圆度和分选性均较差;石头口门剖面局部见含砾或角砾的层状砂岩、粉砂岩或硅质岩,其中砾石的磨圆度和分选性极差,棱角明显[1]。上述证据均指示了快速近源堆积的特征。在CL图像中,大多数碎屑锆石具有清晰的韵律环带结构,结合高的Th/U比值(除1颗锆石为0.13,其余均为0.32～1.50)以及具有明显Ce正异常和Eu负异常的稀土配分模型,表明样品中的碎屑锆石大多为岩浆成因[10]。此外,在锆石成因判别图解中(图6),本次研究的碎屑锆石均落入陆壳成因锆石和弧相关/造山带区域内,表明碎屑岩物源主要为与弧或造山背景相关的陆壳岩石[11-12]。因此,石头口门早二叠世岩屑杂砂岩碎屑物质的可能来源以近源的与弧或造山作用相关的陆壳岩浆岩为主。

(a)Nb/Hf-Th/U锆石成因判别图;(b)Hf/Th-Th/Nb锆石成因判别图;(c)U/Yb-Hf锆石成因判别图;(d)U/Yb-Y锆石成因判别图;底图引自文献[11-12]

从碎屑锆石年龄组成来看,石头口门早二叠世岩屑杂砂岩的物源并不复杂,本研究2个样品114颗碎屑锆石的年龄全部为古生代:

1) 3颗锆石的年龄为奥陶纪(480、457和450 Ma),1颗锆石的年龄为中泥盆世(391 Ma)。前人研究表明,早古生代在华北板块北缘曾存在一条近东西向延伸的岩浆弧带,位于研究区附近的早古生代岩浆岩有晚寒武世—早志留世(486～444 Ma)张家屯变质火成杂岩(斜长角闪岩-角闪辉长岩-变辉绿岩-石英闪长岩-英云闪长岩)[13-15]、晚寒武世—中奥陶世(492～460 Ma)头道沟变质火成杂岩(蛇纹石化橄榄岩-透闪石化辉石岩-变辉长岩-变辉绿岩-变辉绿玢岩-变闪长岩-斜长角闪岩-斜长阳起石岩-变玄武岩)[15-16]、中奥陶世(467 Ma)小绥河辉石安山岩[13]、晚奥陶世—晚志留世(446～420 Ma)西蟒仗岩体(石英闪长岩-英云闪长岩)[13,17]、早志留世庆丰火山岩(安山岩-流纹岩)[18]、伊通县中—晚志留世(426～419 Ma)放牛沟火山岩和桃山组火山岩(变安山岩-流纹英安岩-流纹岩)[13,19]以及法库地区晚奥陶世方家屯岩组火山岩和早志留世花岗闪长岩[20]。此外,华北板块北缘加里东期岩浆岩与上覆西别河组之间存在区域上的角度不整合接触,结合早泥盆世磨拉石沉积建造的存在,认为上述早古生代岩浆弧与华北板块在晚志留世—中泥盆世发生碰撞,期间形成了一系列陆壳增厚型埃达克质岩浆岩[21]。因此,推测石头口门岩屑杂砂岩中少量的早古生代和中泥盆世碎屑锆石来源于华北板块北缘早古生代岩浆弧以及与晚志留世—中泥盆世弧-陆碰撞相关的岩浆岩。

2) 19颗锆石的年龄为早石炭世(349～323 Ma)。研究区及周边地区的早石炭世岩浆岩并不多见,目前仅在4个地区有零星的地质体出露:焦骥[2]在研究区“石头口门组”地层中识别出早石炭世(359～355 Ma)变玄武质粗面安山岩和变粗面安山岩,同时在永吉县附近原“南楼山组”地层中识别出了早石炭世(357 Ma)流纹质凝灰岩和流纹岩;Wang等[22]在长春市九台区四愣山岩体中识别出了早石炭世碱性花岗岩;辽宁省北部昌图县下二台镇盘岭一带出露一套早石炭世变质火山岩,其岩性主要包括角闪变粒岩、变玄武安山岩、变英安岩和变流纹岩,原岩形成年龄介于348～341 Ma[23-24]。上述结果表明,吉林省长春市周边至辽宁省北部昌图县存在较为广泛的早石炭世岩浆活动,该时期形成的岩浆岩是石头口门岩屑杂砂岩中早石炭世碎屑锆石的主要来源。

3) 91颗锆石的年龄为晚石炭世—早二叠世(322～276 Ma)。近年来的研究表明,由于古亚洲洋板块南向俯冲作用,华北板块北缘在晚石炭世—早二叠世为活动大陆边缘[5],并广泛存在与上述俯冲作用相关的岩浆事件:辽宁北部法库一带出露一系列早二叠世(283～274 Ma)岩浆岩,如原“盘岭组”火山岩、哈户硕岩体和何屯岩体等[20,25];位于本研究区东侧和东南侧的桦甸至蛟河一带发育一套早二叠世地层——大河深组,该地层中广泛分布的火山岩具有石炭纪末—早二叠世(302～279 Ma)的形成年龄[26];位于本研究区西南侧的伊通县放牛沟一带亦有早二叠世火山岩的相关报道[27-28];如前所述,Shi等[3]在石头口门地区同样报道了早二叠世(276 Ma)流纹质凝灰岩的存在。因此,推测石头口门岩屑杂砂岩中322～276 Ma的碎屑锆石来源于上述与古亚洲洋板块南向俯冲相关的晚石炭世—早二叠世岩浆岩。

综合上述分析,本研究认为石头口门地区早二叠世沉积岩的碎屑物质主要来自研究区附近的晚石炭世—早二叠世活动陆缘型岩浆岩,少量碎屑物质来自近源的早石炭世岩浆岩,另有极少量碎屑物质来自华北板块北缘早古生代岩浆弧以及与晚志留世—中泥盆世弧-陆碰撞相关的岩浆岩(图7)。需要注意的是,宋晨[4]在石头口门早二叠世沉积岩中还发现4颗磨圆度相对较高的新太古代—中元古代锆石,表明有极少量来自华北板块前寒武纪变质基底的碎屑物质。

(a)石头口门早二叠世碎屑岩,锆石年龄数据来自文献[4]和本研究数据;(b)辽北-吉中地区寒武纪—早二叠世岩浆岩,锆石年龄数据来自文献[2-3,13-20,22-24,25-28]

4.3 沉积构造背景分析

前已述及,针对石头口门地区古生代地层的沉积构造背景,已有不少学者开展了研究工作,并提出了不同观点,主要包括大陆边缘裂陷槽、开阔洋盆和弧后盆地等[29],但这些早期观点的提出缺乏系统年代学格架的支撑。前人提出的所谓“石头口门组”不具有典型意义上的地层属性,将其视为同一时期的地质产物进行沉积构造背景分析显然是不合适的。从现有研究成果来看,石头口门地区的早石炭世变质火山岩(早期认为的细碧角斑岩系)和晚石炭世含虫筳类化石灰岩均是规模极小且延伸有限的构造岩块或岩片,石头口门剖面主要地质体的沉积时代为早二叠世,本研究仅对早二叠世沉积岩系进行沉积构造背景分析。

沉积盆地的构造属性主要受控于构造变动,区域上的构造演化必然导致沉积盆地的沉积作用变化。作为地质事件的良好记录载体,沉积岩中的碎屑锆石是揭示物源变化、火山活动和古地理格局变迁的重要工具。前人研究发现,不同构造背景下的沉积盆地具有明显不同的碎屑物质来源,进而表现出具有明显差异的碎屑锆石年龄谱系特征:形成于汇聚型板块边缘的沉积岩往往富含大量与沉积时代接近的碎屑物质,表现出单峰的碎屑锆石U-Pb年龄频谱特征;形成于伸展或碰撞构造背景下的沉积岩中往往含有更高比例的古老碎屑物质,表现出双峰乃至多峰的碎屑锆石U-Pb年龄频谱特征[9]。而石头口门岩屑杂砂岩的沉积年龄为早二叠世,在本研究样品和前人研究的早二叠世碎屑沉积岩样品中均含有大量的早二叠世碎屑锆石以及与之时代相近的石炭纪碎屑锆石[4],而相对古老的碎屑锆石极为稀少,这表明与沉积作用同时期的岩浆活动频繁,指示沉积构造背景可能为活动大陆边缘[9]。

虫筳类通常生活在相对温暖的海域,二叠纪早期西拉木伦-长春-延吉以北的海域因水温较低主要发育北方生物群(如厚壳腕足类和小型单体珊瑚等冷水动物群),以南则因海水温度适中主要发育特提斯型生物群(如特提斯型虫筳和群体珊瑚等暖水动物群)[20],石头口门早二叠世砂岩中虫筳类化石的存在表明其沉积地点可能相对靠近华北板块而非东北地块群。少量新太古代—中元古代碎屑锆石的存在进一步验证了石头口门早二叠世碎屑岩应形成于华北板块北缘。大量岩浆岩的证据表明华北板块北缘在晚石炭世—二叠纪为活动大陆边缘,受控于古亚洲洋板块的南向俯冲[5],前文提及的早二叠世辽北法库火山岩和吉林省中部大河深组火山岩均属于钙碱性安山岩-英安岩-流纹岩组合,与典型的活动大陆边缘火山弧岩浆岩组合一致[25-26]。这些火山岩与伊通县放牛沟地区的早二叠世火山岩以及法库地区的同时代哈户硕和何屯花岗质岩体均表现出与俯冲作用相关岩浆岩类似的地球化学特征,进一步指示了活动大陆边缘的构造背景[20,28]。此外,本次识别出的早二叠世沉积岩与前述大河深组以及伊通地区含早二叠世火山岩地层(原石缝组)为一套含中酸性火山岩的陆源碎屑岩-碳酸盐岩建造,亦符合活动大陆边缘沉积环境的特征[28]。前人曾对研究区的硅质岩进行地球化学分析,结果亦表明硅质岩的形成环境与大陆边缘具有亲缘性[29]。从沉积特征讲,石头口门地区早二叠世沉积岩中发育重力滑塌构造以及小型鲍马序列,与浊积扇沉积序列特征类似,局部出现的逆粒序层理、砂岩透镜体以及分选和磨圆较差的含砾砂岩同样反映了高能的水动力条件。此外,该地层中虫筳类化石、硅质岩及锰结核的存在,可以确定其为海相沉积无疑。综上分析,认为石头口门早二叠世砂岩可能是华北板块北缘海底扇沉积序列的组成部分,研究区内蛇绿岩残片和不同时代构造岩片的存在表明,该砂岩所属的沉积岩系在古亚洲洋闭合过程中作为基质与一系列不同规模、成分和时代的岩块共同构成了蛇绿混杂岩。