南秦嶺火山-沉積巖鋯石u-pb年代學研究

南秦嶺火山-沉積巖鋯石u-pb年代學研究

秦嶺-大別-蘇魯造山帶是揚子與華北地塊的交匯處。根據(jù)大別-蘇魯造山帶榴輝巖相變質巖系對大陸上陸塊深度傾斜和回歸過程的描述，地學家指出了這一大陸動力學的重要性。在對大別-蘇魯造山帶大陸深部彎曲動力學過程的研究中，揚子陸塊是確定陸塊性質最重要的標志。這是關于變質原巖中晉寧期巖漿鋯石的年代學記錄。金寧期巖漿事件作為確定揚子陸塊原始巖石的標志，主要基于揚子克拉通核或新元古代揚子克拉通邊緣的新元古代巖漿事件。然而，如果南秦嶺屬于新元古代揚子克拉通邊緣，目前的研究文獻無法清楚。秦嶺與大別造山帶被南陽盆地所分隔,兩造山帶在變質程度上存在顯著差異.因此,要了解發(fā)生高壓-超高壓變質前俯沖陸塊原巖的性質,秦嶺造山帶是理想的研究地區(qū).南秦嶺是組成秦嶺造山帶的重要構造單元,被認為是代表了揚子克拉通北緣卷入造山帶的部分.武當山群、侵入其內的基性巖群和耀嶺河群是南秦嶺內部出露規(guī)模最大的前寒武紀火山-沉積巖地層或巖漿巖單元.由于它們均與震旦紀地層直接接觸,受到了形成于元古宙晚期的地質接觸關系約束.因此,充分了解南秦嶺武當山群、耀嶺河群及基性侵入巖群的形成時代和構造背景,對認識南秦嶺早期地質演化歷史及其與揚子克拉通的相互關系,乃至揚子克拉通周邊新元古代巖漿作用與Rodinia超大陸裂解過程的關系具有重要的科學意義本文報道了南秦嶺武當山群、耀嶺河群及基性侵入巖群系統(tǒng)的鋯石U-Pb同位素年代學研究結果,對它們的形成時代重新進行了厘定,并對其所揭示的地質意義進行了討論.1耀嶺河群與基性探索南秦嶺武當山群主要分布于鄂西北隕西—十堰—丹江口至竹山—房縣一帶的廣泛區(qū)域,出露面積約8000km2(圖1).武當山群地層為綠片巖相變火山-沉積巖系組合,分別由楊坪組變沉積巖和雙臺組變火山-沉積巖組成.變沉積巖原巖巖性以長石石英質砂巖為主、夾粉砂質泥巖和泥質粉砂巖,而變火山巖巖性以中酸性為主、基性巖類次之.中酸性巖原巖主要為英安一流紋質巖和中酸性(晶屑、巖屑)凝灰?guī)r,基性巖原巖主要為玄武-安山質熔巖、火山碎屑巖或凝灰?guī)r.耀嶺河群分布于武當隆起區(qū)周緣,主要出露于區(qū)內北部隕西—隕縣和西部德勝鋪—竹溪縣等地.耀嶺河群與武當群之間的接觸關系存在韌性剪切帶或整合接觸兩種不同認識.與武當山群類似,耀嶺河群地層具綠片巖相變質,但巖性以變玄武質火山巖(熔巖、火山碎屑巖或凝灰?guī)r)為主,夾少量變酸性火山巖和變泥質巖.原巖為輝長-輝綠巖的基性巖群呈近順層或巖墻產(chǎn)狀侵入武當山群和耀嶺河群.侵入巖群個體規(guī)模變化較大,出露寬度多為數(shù)百米至小于1m不等,具綠片巖相變質.由于后期強烈的變形作用,它們與圍巖間的接觸界線多呈不規(guī)則狀,并與圍巖具相同的片理產(chǎn)狀.武當山群、耀嶺河群及基性侵入巖群受震旦系陡山沱組和燈影組覆蓋.2鋯石u-pb年齡由于武當山群巖系的區(qū)域出露面積較大,且前人曾提出區(qū)域南、北部武當山群火山巖可能形成于不同時代,為保證樣品的代表性,分別對出露于區(qū)域東部丹江口新河鎮(zhèn)、北部武當山鎮(zhèn)八仙觀、西部竹山縣三臺-南口和南部房縣榔口附近的武當山群雙臺組火山巖—火山碎屑巖進行了5件鋯石樣品的采集(圖1),并對區(qū)域北部隕縣桂花鄉(xiāng)、西部竹山縣德勝鋪耀嶺河群火山巖進行了2件年代學樣品采集.采集的2件基性侵入巖樣品位于竹山縣南口和丹江口新河鎮(zhèn)附近,但因后者僅分離出了2粒鋯石,且其U-Pb同位素組成不諧和(206Pb/238U表面年齡分別為(680±7)和(768±6)Ma),本文將不對此樣進行正式報道.用于分選鋯石的大樣野外采集重量為20～60kg在室內經(jīng)無污染碎樣后用淘盤進行重礦物富集,然后在雙目顯微鏡下進行人工挑純.對選好的鋯石晶體先進行陰極發(fā)光照像,以作為原位U-Pb同位素測量時位置選擇的依據(jù).鋯石U-Pb同位素組成分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成,采用激光剝蝕(LA)-等離子體質譜(ICP-MS)進行測量.分析采用的ICP-MS為美國Agilent公司生產(chǎn)的Agilent7500a,而LA系統(tǒng)為德國MicroLas公司生產(chǎn)的GeoLas200M,系統(tǒng)中組裝了德國LambdaPhysik公司的ComPex102ArF準分子激光器(波長193nm)和MicroLas公司的光學系統(tǒng).鋯石U-Pb同位素組成分析采用91500國際標準鋯石作為外標,采用NISTSRM610作為元素含量測定外標,29Si作為內標元素,剝蝕激光束直徑30μm.詳細的儀器參數(shù)與分析流程參見文獻.樣品的同位素比值及元素含量采用GLITTER(Ver4.0,MacyuarieUniversity)程序計算,U-Pb同位素年齡計算應用Isoplot(ver2.49)軟件完成.3巖群特征組成武當山群和耀嶺河群樣品為與變玄武質火山巖互層或玄武質火山巖夾層中的變流紋質火山熔巖或晶屑巖屑凝灰質火山碎屑巖巖層.變流紋質火山巖(WD05-50,WD06-06,WD05-34和WD06-04)具有明顯的火山流紋構造和隱晶質結構,主要造巖礦物為斜長石(25%～60%)、石英(30%～40%)、鉀長石(7%～30%)和少量磁鐵礦(<0.6%),其SiO2含量分別為75.37%77.55%,77.04%和77.72%(質量分數(shù),下同),相應的εNd(750Ma)分別為+6.01,+3.82,+0.71和+2.00(本文作者未發(fā)表數(shù)據(jù),下同).晶屑巖屑凝灰質火山碎屑巖(WD06-02,WD06-07和WD06-09)含30%～5%不等的晶屑和巖屑,主要礦物為石英和長石,大小為2～0.5mm,膠結物為隱晶質,主要礦物組成為斜長石40%～65%、石英25%～35%,鉀長石為4.5%～20%,含1%～3%以磁鐵礦為主的不透明礦物,其SiO2含量分別為72.18%,73.85%和73.45%,相應的εNd(750Ma)分別為-7.12,-0.27和-0.43.基性侵入巖群樣品為變輝長巖,具變余輝長結構(SiO2=47.20%,εNd=+3.75).8件樣品的鋯石U-Pb同位素組成列于表1.3.1諧和鋯石u-pb同位素組成的年齡樣品WD05-50采自區(qū)域南部房縣榔口附近(N32°02.699′,E111°02.600′),共測量了42粒鋯石,其中31粒鋯石的U-Pb同位素組成落于諧和曲線,11粒鋯石存在不同程度的Pb丟失.全部鋯石獲得了(757±5)Ma(MSWD=0.79,95%置信度,下同)的上交點年齡(圖2(a)),31粒諧和鋯石的206Pb/238U加權平均年齡為(755±3)Ma(MSWD=1.19),兩年齡值在分析誤差范圍內相互吻合,代表了火山巖的形成時間.樣品WD06-02出露于區(qū)域東部丹江口新河鎮(zhèn)(N32°28.339′,E111°26.317′),對39粒鋯石進行了分析,其中30粒鋯石獲得了諧和年齡,9粒不諧和鋯石表現(xiàn)為少量Pb丟失(圖2(b)).諧和鋯石在諧和曲線上分成2組,其206Pb/238U加權平均年齡分別為(757±2)(MSWD=1.13,n=23)和(817±11)Ma(MSWD=3.5,n=7).由23粒諧和鋯石獲得的年齡與樣品WD05-50相同,代表了巖漿作用的時間,而由7粒鋯石組成的第2組年齡代表了捕獲鋯石的年齡,它們的陰極發(fā)光圖像表現(xiàn)為暗色但晶形完整的內核,并存在細小的具振蕩環(huán)帶淺色外緣.第1組鋯石表現(xiàn)為振蕩環(huán)帶顯著、無內核的短柱狀鋯石.較大的MSWD值和加權平均年齡誤差表明,捕獲的7粒諧和鋯石可能實際上是由形成年齡有一定差異的鋯石組成,其206Pb/238U年齡分布范圍為(802±7)～(833±5)Ma.樣品WD06-06采自區(qū)域北部武當山景區(qū)內的八仙觀(N32°26.148′,E111°03.673′),對25粒鋯石進行了分析,其中20粒鋯石獲得了諧和年齡(圖2(c)).諧和鋯石同樣分成2組,其中18粒鋯石的206Pb/238U加權平均年齡為(752±3)Ma(MSWD=0.38),與前面的2件樣品相同,代表了火山巖的形成時間.另外2粒諧和鋯石的206Pb/238U年齡分別為(805±12)和(813±8)Ma,代表了捕獲鋯石的年齡.樣品WD06-07采自區(qū)域西部竹山縣三臺(N32°18.433′,E110°12.740′),對22粒鋯石進行了測量,但全部鋯石的U-Pb同位素組成均不諧和(圖2(d)).在諧和圖上,其構成的不一致線與諧和曲線的上交點獲得了(769±33)Ma(MSWD=0.22)的上交點年齡,在誤差范圍內,與前述樣品的形成年齡基本符合.樣品WD06-09采自區(qū)域西部竹山縣南口(N32°23.727′,E110°11.752′),對42粒鋯石進行了分析.去除Pb丟失較明顯的4粒鋯石后,由36粒鋯石構成的不一致線與諧和曲線的上交點獲得了(749±8)Ma(MSWD=0.93)上交點年齡(圖2(e)),且由其中11粒諧和鋯石獲得的206Pb/238U加權平均年齡為(752±4)Ma(MSWD=0.94).另外2?；局C和的捕獲鋯石的206Pb/238U年齡分別為(820±6)和(833±6)Ma.3.2鋯石u-pb同位素組成耀嶺河群2件火山巖樣品WD06-04和WD05-34分別采自區(qū)域北部隕縣桂花鄉(xiāng)小學附近(N32°54.571′,E110°49.833′)和西部竹山縣德勝鋪壇山村口(N32°28.581′,E109°51.352′).對樣品WD05-34中的47粒鋯石進行了分析(圖2(e)),其中22粒諧和鋯石獲得的206Pb/238U加權平均年齡為(686±3)Ma(MSWD=0.85).其余鋯石具有不同程度的Pb丟失,且其206Pb/238U表面年齡均小于680Ma.樣品WD06-04中僅分選出了7粒鋯石,其中6粒具諧和的U-Pb同位素組成(圖2(f)).除1粒諧和鋯石具有(800±5)Ma的206Pb/238U年齡外,其余5粒諧和鋯石組成相近,獲得了(682±6)Ma(MSWD=0.31)加權平均年齡.年齡(800±5)和(682±6)Ma分別被解釋為捕獲鋯石和耀嶺河群火山巖的形成年齡.3.3基性侵入巖的形成時代變輝長巖巖體WD05-26樣品采自竹山縣雙臺鄉(xiāng)桃園附近(N32°25.342′,E110°12.868′),對其中40粒鋯石進行了分析,其中29粒鋯石具有諧和的U-Pb同位素組成(圖2(g)).諧和鋯石中的18粒具有相近的同位素組成,給出的206Pb/238U加權平均年齡為(679±3)Ma(MSWD=1.6),由組成相近的另外3粒鋯石給出的206Pb/238U加權平均為(734±17)Ma(MSWD=1.4),另1粒諧和鋯石的206Pb/238U年齡為(822±8)Ma.由于基性侵入巖的圍巖約為755Ma的武當山群,因此年齡為(734±17)和(822±8)Ma的兩組鋯石應分別代表了被捕獲的武當山群巖漿鋯石和更早期的殘留鋯石.另一組組成相近的6粒諧和鋯石給出了(579±3)Ma(MSWD=0.46)的加權平均年齡,由于該年齡小于覆蓋于基性巖體之上的震旦紀地層的時代,顯然應代表了后期熱事件的年齡.因此,(679±3)Ma被解釋為基性侵入巖體的形成時代.另1粒206Pb/238U表面年齡為(635±4)Ma的諧和鋯石,可能代表了另一次較弱的熱事件.4鋯石u-pb定年結果對區(qū)域內武當山火山巖進行鋯石原位U-Pb同位素定年的結果表明,武當山群不同出露區(qū)的火山巖形成于(755±3)Ma的相同時間(對5件樣品的加權平均值,MSWD=0.47,95%置信度),而耀嶺河群火山巖(兩件樣品加權平均年齡值為(685±5)Ma,MSWD=0.36,95%置信度)與基性侵入巖群(679±3Ma)的年齡在誤差范圍內相同,這與耀嶺河群堿性玄武巖與武當輝長-輝綠巖群之間具相近的地球化學性質相符合.前人對武當山群火山巖的形成時代進行過長期研究,但僅常規(guī)法鋯石U-Pb年齡值就有2417～315Ma的變化范圍,而Rb-Sr,K-Ar(40Ar-39Ar)法年齡則更加分散.張宗清等人和周鼎武等人對耀嶺河群火山巖進行Sm-Nd同位素定年,分別獲得了(1005±122)和(782±164)Ma的等時年齡.張宗清等人在報道武當?shù)貐^(qū)巖漿巖定年研究時提出,武當山群火山巖系主體形成于約19億年的古元古代,武當山群中的部分火山巖(如房縣太子坡)的時代和同位素特征與耀嶺河群火山巖相似.由于位處南秦嶺造山帶的武當?shù)貐^(qū)經(jīng)歷了較強烈的多期變形和變質作用疊加,不僅會引起Rb-Sr,K-Ar,甚至Sm-Nd同位素體系不同程度的開放,而且也會導致鋯石不同程度地發(fā)生Pb的丟失現(xiàn)象(如在WD06-07,WD05-26中所觀察到的不諧和鋯石),加上多數(shù)巖漿巖中不同程度地含有捕獲鋯石,這些原因應是導致武當?shù)貐^(qū)早期同位素定年數(shù)據(jù)彼此間不能對比的主要原因.蔡志勇等人近期報道了房縣五谷廟楊坪組變沉積巖晶屑凝灰?guī)r夾層中的化學法鋯石U-Pb定年結果,在全部5粒鋯石中有3粒諧和鋯石給出的206Pb/238U加權平均年齡為(744±36)Ma,雖精度稍差但仍與本文結果在分析誤差范圍內相同.但該文作者將另1粒不諧和鋯石(1593±49)Ma的207Pb/206Pb表面年齡解釋為武當山群下部的年齡.基于早期同位素定年數(shù)據(jù),包括本文作者在內的多數(shù)研究者將武當山群和耀嶺河群火山巖及基性侵入巖群視為晉寧期(約830～780Ma)或更早期巖漿作用的產(chǎn)物.本文獲得的同位素定年結果表明,它們形成的時代明顯要晚.然而,晉寧期巖漿事件仍以捕獲鋯石的形式被記錄下來,指示武當?shù)貐^(qū)可能存在未出露的晉寧期基底巖系或下部的楊坪組沉積巖至少部分物源區(qū)來自揚子陸塊的晉寧期巖漿巖,表明南秦嶺武當?shù)貐^(qū)于新元古代早期應屬揚子克拉通現(xiàn)今北緣的組成部分.作者曾對位于揚子陸核的黃陵雜巖體進行了類似的鋯石原位U-Pb定年,其主要的巖漿作用發(fā)生于820～790Ma,但最晚的曉峰巖套雙峰式侵入巖系形成的時間為(744±22)Ma,與馬國干等人報道的峽東地區(qū)南華-震旦系標準剖面中蓮沱組底部凝灰質火山巖的鋯石SHRIMPU-Pb定年結果(748±12)Ma相同.本文數(shù)據(jù)表明,武當山群的形成時代與蓮沱組底部相當,但無論是火山巖還是沉積巖,其規(guī)模(構造地層厚度>2000m1))明顯大于峽東蓮沱組地層(70～50m).因此,武當?shù)貐^(qū)更完整地記錄了揚子克拉通南華紀(原震旦紀下部地層)初期的區(qū)域拉張-沉積事件.耀嶺河群玄武巖和基性侵入巖群屬同時代形成、源區(qū)性質相似的拉張背景深部幔源巖漿巖,其形成時代略早于峽東地層南沱組(663～635Ma).耀嶺河群地層的構造地層厚度大于1500m1),遠大于峽東剖面南沱組的150～90m.此外,峽東南沱組地層在巖性上以含礫冰磧泥巖為主,未見火山巖的報道.顯然,耀嶺河群與峽東南沱組并不能直接對比,可能代表了發(fā)生于揚子克拉通北部的另一次重要的構造-巖漿事件.晉寧期約830～745Ma的巖漿事件被認為是揚子克拉通對新元古代地幔柱作用在地表的反映,其中830～795和780～745Ma分別對應了Rodinia超大陸開始張裂和最終裂解兩個演化階段,其中830～790Ma的巖漿事件在揚子克拉通周邊地區(qū)和內部均被廣泛記錄,而～755Ma的巖漿事件在揚子克拉通西緣康滇裂谷(閃長-輝長質巖墻;埃達克質侵入雜巖;輝長質侵入體)和大別-蘇魯造山帶超高壓相變質巖中均有記錄.Zheng等人通過對大別-蘇魯造山帶超高壓變質巖系統(tǒng)的鋯石U-Pb定年,識別出時代為(758±15)Ma的雙峰式巖漿事件.通過鋯石U-Pb定年和Hf-O同位素分析,Zheng等人提出這些新元古代巖漿巖系代表了虧損地幔提取并快速再造的新生地殼,并指示了其形成環(huán)境可能代表了裂解大陸邊緣.武當山群、耀嶺河群變玄武巖和基性侵入巖群中均存在兩種巖性:拉斑玄武質和堿性玄武質.堿性玄武質巖系具有高Ti的地球化學特征,且除武當山群部分樣品具中等程度的Nb和Ta虧損外其余樣品均無明顯的HFSE虧損.其中武當山群堿性玄武巖的TiO2含量為2.3%～4.5%,εNd(750Ma)高達+6.6～+8.9,而拉斑玄武巖為+3.3～+5.5(本文作者未發(fā)表數(shù)據(jù),下同);耀嶺河群變堿性玄武巖TiO2含量為2.5%～6.6%,εNd(750Ma)為+3.5～+7.6;堿性輝長巖TiO2含量為1.6%～4.2%,εNd(750Ma)為+2.2～+5.1拉斑玄武質輝長巖為+3.0～+6.6,指示了于755～680Ma期間存在深源虧損地幔來源巖漿的加入和板內拉張的構造環(huán)境.根據(jù)Hf-Nd同位素的相關性特征本文報道的南秦嶺與大別造山帶～750Ma雙峰式巖漿巖的Nd-Hf同位素組成指示了虧損程度相當?shù)蒯Ｔ磪^(qū),表明～750Ma的巖漿事件可能由大別-蘇魯造山帶向西延伸至了南秦嶺地區(qū).此外,Li等人報道了澳大利亞西北部MundineWell輝長-輝綠巖墻群((755±3)Ma)的元素和Nd-Hf同位素地球化學特征認為其具有OIB的屬性,并與康滇裂谷拉斑質基性巖墻一起,代表了Rodinia超大陸裂解