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  中国地质 2020, Vol. 47 Issue (3): 839-852  
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引用本文
詹骏彦, 覃小锋, 王宗起, 曹洁, 庞保成, 赵国英, 石浩, 王震. 2020. 桂南板城地区晚古生代硅质岩系砂岩夹层的碎屑锆石U-Pb年代学:对沉积物源的限定[J]. 中国地质, 47(3): 839-852.  
Zhan Junyan, Qin Xiaofeng, Wang Zongqi, Cao Jie, Pang Baocheng, Zhao Guoying, Shi Hao, Wang Zhen. 2020. Detrital zircon U-Pb geochronology of Late Paleozoic sandstone intercalations of siliceous rock sequences in Bancheng area, southern Guangxi: Constraint on depositional provenance[J]. Geology in China, 47(3): 839-852. (in Chinese with English abstract).  

桂南板城地区晚古生代硅质岩系砂岩夹层的碎屑锆石U-Pb年代学:对沉积物源的限定
詹骏彦1,2, 覃小锋1,2, 王宗起3, 曹洁4, 庞保成1,2, 赵国英1,2, 石浩1,2, 王震1,2    
1. 桂林理工大学地球科学学院, 广西 桂林 541004;
2. 桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 广西 桂林 541004;
3. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;
4. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100029
摘要:桂南板城地区位于钦—杭结合带的西南段,是研究华南地区古生代以来地质构造演化的关键地区。该区发育有一套上泥盆统至上二叠统连续沉积的硅质岩系,近年来经过笔者系统地野外地质调查发现,钦州市板城镇石梯水库一带出露的晚古生代硅质岩系中常夹有(粉)砂岩层。本文对晚古生代硅质岩系下部和上部两个粉砂岩夹层样品进行LA-MC-ICP-MS碎屑锆石U-Pb定年结果表明,碎屑锆石年龄频谱显示出407~573 Ma(早古生代)、644~954 Ma(新元古代)、1124~1636 Ma(中元古代)和2368~2548 Ma(古元古代早期—新太古代晚期)4个主要的年龄组(区间),记录了物源区可能存在4期主要的区域构造热事件,与华夏板块云开地区发育的相应时期岩浆岩时代基本吻合,说明云开地区是晚古生代硅质岩系中砂岩的主要沉积物源区。晚古生代硅质岩系下部岩石和上部岩石的物源区存在明显区别,由下往上其沉积物源越来越复杂、年龄相对更老的特征表明,钦—杭结合带西南段的云开地块在加里东期造山作用结束后经历了快速剥蚀、隆升过程。晚古生代硅质岩系砂岩夹层的碎屑锆石年龄频谱记录了钦防海盆在晚古生代时期处于拉伸的构造背景。
关键词晚古生代硅质岩系    砂岩夹层    碎屑锆石U-Pb定年    物源    地质调查工程    板城    广西    
中图分类号:P597.3            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2020)03-0839-14
Detrital zircon U-Pb geochronology of Late Paleozoic sandstone intercalations of siliceous rock sequences in Bancheng area, southern Guangxi: Constraint on depositional provenance
ZHAN Junyan1,2, QIN Xiaofeng1,2, WANG Zongqi3, CAO Jie4, PANG Baocheng1,2, ZHAO Guoying1,2, SHI Hao1,2, WANG Zhen1,2    
1. College of Earth Science, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China;
2. Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China;
3. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
4. Center of Oil & Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100029, China
Abstract: Situated in the southwestern segment of Qinzhou-Hangzhou joint belt, Bancheng area of southern Guangxi is a pivotal area in understanding the geological tectonic evolution history of South China since the Paleozoic. Late Devonian to late Permian siliceous rock sequences are outcropped in this area. In recent years, the authors conducted systematic field geological survey and found that there exist a series of siltstone intercalations in late Paleozoic siliceous rock sequences of the Shiti reservoir in Bancheng Town, Qinzhou City. In this paper, LA-MC-ICP-MS U-Pb isotopic dating was performed for detrital zircons from two siltstone intercalation samples of the lower and upper late Paleozoic siliceous rock sequences. Detrital zircon U-Pb age spectra shows that there are four main age groups of 407-573 Ma (early Paleozoic), 644-954 Ma (Neoproterozoic), 1124-1636 Ma (Mesoproterozoic) and 2368-2548 Ma (Early Paleoproterozoic-late Neoarchean), which recorded four major tectonic thermal events in this area. These four periods of tectonic thermal events are consistent with the ages of widely developed magmatic rocks in Yunkai area of the Cathaysia Block, indicating that Yunkai area might have been major depositional provenance for the siltstone intercalations of late Paleozoic siliceous rock sequences. The depositional provenances of the lower and upper late Paleozoic siliceous rock sequences are significantly different, and there is a general tendency toward increasing complex and relatively older age of detrital zircon from the lower to the upper of late Paleozoic siliceous rock sequences, indicating that the Yunkai Block has experienced rapidly erosion and uplift process after Caledonian orogeny in the southwestern segment of Qinzhou-Hangzhou joint belt. Detrital zircon U-Pb age spectra of the sandstone intercalations of late Paleozoic siliceous rock sequences imply that the Qinzhou-Fangchang Basin was in an extension tectonic setting in Late Paleozoic period.
Key words: Late Paleozoic siliceous rock sequences    sandstone intercalation    detrital zircon U-Pb dating    provenance    geological survey engineering    Bancheng    Guangxi    

1 引言

“钦防海槽”位于广西南部钦州—防城一带,是加里东期构造运动之后,扬子板块与华夏板块间的“残留海”受到东吴运动或印支运动的影响而形成的大陆边缘性质的造山带,其两侧被古隆起(地块)所夹持,其中东南侧为云开大山古隆起(地块),西北侧为大明山古隆起(微陆块)(广西壮族自治区地质矿产局,1985许效松等,2001吴浩若,2003)。该造山带传统上被认为是扬子板块与华夏板块结合带(称之为钦—杭结合带)的西南段(杨明桂和梅勇文,1997),属于中国19条重要成矿区带之一——钦杭成矿带的重要组成部分。该区作为华南地区唯一的上志留统至上二叠统深水相连续沉积的出露区,同时也是特提斯构造域和太平洋构造域叠加交汇的特殊地段,是研究扬子板块和华夏板块拼合造山过程及其相互关系的关键部位,历来受到中外地质学者所瞩目(覃小锋等, 2011, 2013)。

目前普遍认为钦防地区晚古生代地层由上、下两套形成于不同环境、呈角度不整合接触的沉积岩系组成,其中下部为深水相的硅质岩系,传统上根据区域地层对比、叠置关系和少量的古生物化石将其时代定为晚泥盆世—中二叠世,并将其划分为石夹组和板城组两个组,其中下部石夹组中产牙形类AncyrodellaalataMesotaxisasymmetricuPalmatolepis glabra pectinataSiphonodella duplicataS.cooperiSchaliognathus archolarisGnathdus sp.、Idiognathdus sp.和放射虫HeleniforelaticlaviumHoloeciscusforemanaeAlbaillellaparadoxaA.cartalla带,时限为晚泥盆世弗拉斯期至早石炭世维宪期;而上部板城组中产放射虫Albaillella sinuataA. xiaodongensisFollicucullus bipartitusF.charvetiPseudoalbaillella sp.、P. nodosaP.elegansP. lomentariaP. sakmarensisP. rhombothoracataP. rakmarensis和牙形类Mesogondollella sp.、Neogondolella sp.、Gnathodus bilineatus等化石,其时代为早石炭世末至中二叠世(广西壮族自治区地质矿产局,1997王玉净等,1998邝国敦等,1999)。将上部由砂、砾岩组成的一套磨拉石建造划分为彭久组,时代属晚二叠世(广西壮族自治区地质矿产局,1997邝国敦等,1999)。而近年来的研究表明,钦防地区晚古生代地层是受多期、多级褶皱、断层分割拼贴形成的极为复杂的岩层组合(王玉净等,1998),有人称之为“从外地漂移插入南海(华夏)古陆和扬子古陆间的外来地体” (吴诒等,1997)。

由于“钦防海槽”以深水相沉积为主,其中晚泥盆世至中二叠世以硅质岩、硅质泥岩为主,缺少碎屑岩沉积,前人对该地区的研究主要集中在硅质岩的成因上,主要通过对硅质岩岩石学、地层序列划分、地球化学以及微体古生物化石年代学等的研究来探讨其沉积演化和形成的构造背景,而对“钦防海槽”晚古生代时期盆地沉积物源的研究尚属空白。笔者近年来对钦州市板城镇石梯水库一带晚古生代硅质岩系的研究发现,硅质岩系中往往夹有少量呈薄—中层状产出的(粉)砂岩层。由于碎屑沉积岩可以很好地记录不同地区的沉积环境、沉积物源等信息,而碎屑锆石作为沉积岩中最稳定的矿物,其年龄频谱不仅可限定沉积物的最大沉积年龄和物源区性质,而且能够为探讨其盆山构造演化过程和古地理格局恢复提供约束。因而,近年来根据碎屑岩的物质组成,特别是碎屑锆石年代学的研究来限定沉积物源区性质、沉积时代和沉积环境已成为盆地形成及其物源区构造演化研究的重要手段(Dickinson and Suczek, 1979Carter and Steve, 1999Fedo et al., 2003Weltje and Eynatten, 2004Andersen,2005)。因此,本文拟对板城镇石梯水库一带晚古生代硅质岩系中粉砂岩夹层的碎屑锆石进行U−Pb年龄测定,分析其年龄频谱特征,探讨其沉积物源区性质,进而为研究钦—杭结合带西南段的构造演化提供重要的沉积学信息。

2 地质背景

桂南板城地区位于扬子板块与华夏板块结合带(称之为钦—杭结合带)的西南端(杨明桂等,1997)(图 1a),按《广西壮族自治区区域地质志》(广西壮族自治区地质矿产局,1985)的划分,则属于“钦州残余地槽”的重要组成部分。区内以出露一套古生代连续沉积的深水相地层和北东向展布的海西—印支期大容山—十万大山巨型S型花岗岩带而著称(图 1b)。其中下古生界和下—中泥盆统为一套以砂、泥岩及少量硅质岩和碳酸盐岩组成的复理石建造。晚古生代硅质岩系(包括上泥盆统—下石炭统石夹组和下石炭统—中二叠统板城组)主要岩性为薄层状硅质岩、放射虫硅质岩、泥质硅质岩夹硅质泥岩、含锰硅质岩、黑色泥岩,在板城镇榃车—高山岭一带夹有多层浅绿色条带状碧玉岩和凝灰岩,在石梯水库一带还夹有多层呈薄—中层状产出的(粉)砂岩。上二叠统彭久组为一套由砂、砾岩组成的磨拉石建造,其中下部为厚层砾岩、含砾不等粒岩屑砂岩、细砂岩夹泥岩;中部为薄—厚层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹少量细砂岩;上部为薄层泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹硅质岩、不等粒岩屑砂岩、含砾砂岩。下三叠统南洪组仅在小董镇—太平镇一带零星分布,岩性主要为薄层状钙质泥岩夹泥灰岩。北东向展布的海西—印支期巨型S型花岗岩带可划分为中三叠世细粒(含紫苏)石榴堇青黑云二长花岗岩、中三叠世中粒(含紫苏)石榴堇青黑云二长花岗岩、中三叠世连斑(含紫苏/堇青)花岗斑岩和中三叠世碎斑(含紫苏/堇青)花岗斑岩等不同类型的侵入岩。

图 1 桂南钦州板城区地质简图 (a图根据杨明桂和梅勇文,1997修改,b图根据广西地质调查研究院,2009修改
1—第四系;2—下三叠统南洪组;3—上二叠统彭久组;4—下—中泥盆统小董组;5—下泥盆统钦州组;6—上古生界硅质岩系;7—上—顶志留统防城组;8—中三叠世火山熔岩;9—晚二叠世火山熔岩;10—中三叠世碎斑(含紫苏/堇青)花岗斑岩;11—中三叠世连斑(含紫苏/堇青)花岗斑岩;12—中三叠世中粒石榴堇青黑云二长花岗岩;13—中三叠世细粒石榴堇青黑云二长花岗岩;14—性质不明断层;15—正断层;16—逆断层;17—采样位置及编号;18—镇/村
Fig. 1 Geological sketch map of Bancheng area in Qinzhou, southern Guangxi (a modified from Yang Minggui and Mei Yongwen 1997; b modified from Guangxi Geological Survey Research Institute, 2009)
1-Quaternary; 2-Lower Triassic Nanhong Formation; 3-Upper Permian Pengjiu Formation; 4-Lower-Middle Devonian Xiaodong Formation; 5-Lower Devonian Qinzhou Formation; 6-Upper Paleozoic siliceous rock sequences; 7-Upper Silurian Fangcheng Formation; 8-Middle Triassic volcanic lava; 9-Late Permian volcanic lava; 10-Middle Triassic porphyroclastic hypersthene/cordierite granite porphyry; 11-Middle Triassic multi porphyritic hypersthene/cordierite granite porphyry; 12-Middle Triassic medium-grained garnet-cordierite-biotite monzonite granite; 13-Middle Triassic fine-grained garnet-cordierite-biotite monzonite granite; 14-Unknown fault; 15-Normal fault and its attituide; 16-Thrust fault and its attitude; 17-Sampling location and its serial number; 18- Town/village
3 样品特征与分析方法 3.1 样品特征

本次研究在野外详细的宏观地质特征调查研究的基础上,在广西钦州市板城镇石梯水库边简易公路上的晚古生代硅质岩系剖面下部(10ST1-10)和上部(10ST1-13)分别采集粉砂岩夹层样品,具体采样位置见图 1b,每个样品重量约为5 kg。其中剖面下部(粉)砂岩夹层厚度相对较薄,一般厚度<35 cm,以薄层状为主,个别层达中层状,往延伸方向具变薄、尖灭现象(图 2a);而剖面上部(粉)砂岩夹层含量相对增多,厚度也相对较大,厚度较大者达45 cm(图 2b)。所采集的2个样品岩石风化均较强,风化面呈褐黄色,显微镜下观察,两个样品的矿物粒径均较细小,绝大部分颗粒<0.1 mm,且磨圆度较差,多呈棱角—次棱角状,其中剖面下部样品(10ST1-10)的碎屑成分主要为石英和岩屑及少量的云母和褐铁矿等,填隙物主要为泥质(图 2b);与剖面下部样品相比,剖面上部样品(10ST1-13)的碎屑成分中石英含量相对较多,岩屑含量较少,且泥质填隙物的含量也相对比剖面下部样品的少(图 2d)。

图 2 晚古生代硅质岩系中粉砂岩夹层野外露头(a,c)和显微镜下照片(b,d) Fig. 2 Outcrop (a, c) and microscopic photos of siltstone intercalations of Late Paleozoic siliceous rock sequences (b, d)
3.2 样品制备及分析方法

将野外采集到的2个测年岩石样品送广西区域地质调查研究院实验室进行锆石分选,首先采用常规方法将样品机械粉碎至60目左右,并采用常规的重力浮选和电磁法分选出重矿物后,在双目显微镜下手工挑选出具有代表性(晶形和透明度较好、无裂隙)的锆石颗粒作为测定对象,然后将选出的锆石送北京锆石领航科技有限公司进行锆石样品靶的制备。锆石靶制作完成后,送中国地质科学院地质研究所(北京离子探针中心)进行阴极发光(CL)成像观察,以确定锆石颗粒的内部结构及适合于LA-MC-ICP-MS测定分析的锆石颗粒与位置,阴极发光图像研究在HITACHI S3000-N型扫描电子显微镜并配有GATAN公司Chroma阴极发光探头分析仪器上完成。LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄测试在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成,分析仪器为Thermo Finningan Neptune型多接收等离子质谱仪,详细的分析流程、实验原理和仪器参数见侯可军等(2009)的描述。年龄数据处理及谐和图的绘制使用美国Berkeley地质年代中心Kenneth R. Ludwig编制的计算程序Isoplot(3.0版)(Ludwig,2003)完成,并采用204Pb法对普通铅进行校正。在具体年龄分析中,对于206Pb/238U年龄<1000 Ma的锆石采用206Pb/238U表面年龄做分析,而206Pb/238U年龄> 1000 Ma的锆石,则采用207Pb/206Pb表面年龄进行分析(Jordan,1988Anderson,2007)。测试结果见表 1表 2

表 1 晚古生代硅质岩系下部粉砂岩夹层样品(10ST1-10)碎屑锆石U-Pb年龄测试结果 Table 1 U-Pb dating results for the detrital zircons of siltstone intercalations in the lower part of Late Paleozoic siliceous rock sequences (Sample 10ST1-10)
表 2 晚古生代硅质岩系上部粉砂岩夹层样品(10ST1-13)碎屑锆石U-Pb年龄测定结果 Table 2 U−Pb dating results for the detrital zircons of siltstone intercalations in the upper part of the siliceous rock sequences (Sample 10ST1-13)
4 碎屑锆石特征及LA-MC-ICP-MSU-Pb测年结果 4.1 碎屑锆石特征

晚古生代硅质岩系粉砂岩夹层样品中含有大量的碎屑锆石,锆石在光学显微镜下大部分呈无色透明状,形态上多呈柱状晶体,宽多在50~150 μm,长宽比在1:1~3:1。在透射光下可见,2件样品中锆石颗粒的磨圆度均相差很大,从棱柱状至浑圆状均有出现,反映出粉砂岩夹层的物质来源较复杂,物源沉积过程或搬运距离具有较大差别;在锆石阴极发光图像(CL)(图 3)上,锆石的亮度也存在较大差异,多数颗粒内部具有较明显的振荡环带和不规则分带,部分颗粒内部还发育有包裹体,表明其以岩浆成因的锆石为主;个别颗粒结构较复杂,具有核边结构(具有残留的晶核,而边部出现亮白色的增生边),具有岩浆捕获锆石或变质锆石再沉积的特征。此外,从表 1表 2中可以看出,晚古生代硅质岩系下部粉砂岩夹层样品(10ST1-10)碎屑锆石的Th/U在0.15~4.60,上部粉砂岩夹层样品(10ST1- 13)碎屑锆石的Th/U在0.07~3.93,除样品10ST1- 13中的一个测点(52点Th/U=0.07)的Th/U小于0.1外,其他颗粒的Th/U比值均>0.1;2个样品共121个测点中有117个测点的Th/U比值>0.4,亦表明这些锆石主要以岩浆锆石为主(通常认为岩浆锆石的Th/U比值>0.4,而变质锆石的Th/U比值<0.1) (Belousova et al., 2002Corfu et al., 2003)。

图 3 晚古生代硅质岩系中粉砂岩夹层代表性阴极发光图像(a为10ST1-10;b为10ST1-13) Fig. 3 Cathodoluminescence (CL) images of selected zircons from siltstone intercalations of Late Paleozoic siliceous rock sequences
4.2 LA-MC-ICP-MS U-Pb测年结果 4.2.1 晚古生代硅质岩系下部粉砂岩夹层样品(10ST1-10)

本次研究中选择晚古生代硅质岩系下部粉砂岩夹层样品(10ST1-10)中69粒碎屑锆石进行了LA−MC−ICP−MS U−Pb年龄分析,测试结果见表 1。其碎屑锆石的谐和图和年龄频谱见图 4。从表 1图 4中可以看出,该样品的锆石年龄分布范围为(292±3)~(3176±6) Ma,大多数锆石的年龄分析数据点分布在谐和线上,部分点则位于谐和线之下(图 4a),表明有可能是Pb丢失或有少量普通Pb的存在。在年龄数据的频谱图(图 4b)上显示出,U−Pb有效年龄集中分布于3个主要的年龄组内。

图 4 晚古生代硅质岩系中粉砂岩夹层碎屑锆石U-Pb谐和曲线(a、c)和年龄频谱图(b、d) Fig. 4 U−Pb concordia diagrams (a, c) and age histograms (b, d) of the detrital zircon ages of siltstone intercalations of Late Paleozoic siliceous rock sequences

(1) 408~526 Ma年龄组:共有22颗锆石测点,占总有效数据的31.88%,其年龄加权平均值为432 Ma,峰值年龄为423 Ma。这些锆石的Th/U比值介于0.41~1.56,CL图像显示出强振荡环带特征,属于岩浆成因锆石。

(2) 690~954 Ma年龄组:有24颗锆石测点,占总有效数据的34.78%,可细分为690~810 Ma和842~954 Ma两个亚年龄组。① 690~810 Ma亚年龄组:共有16颗锆石测点,占总有效数据的23.19%,年龄加权平均值为742 Ma,峰值为732 Ma;其Th/U比值介于0.15~3.32,CL图像显示出弱-强振荡环带特征,为岩浆成因。② 42~954 Ma亚年龄组:共有8颗锆石测点,占总有效数据的11.59%,年龄加权平均值为907 Ma,峰值为908 Ma;其Th/U比值介于0.52~4.60,CL图像显示出弱振荡环带或面状分带,应多为岩浆成因。

(3) 2368~2548 Ma年龄组:共有8颗锆石测点,占总有效数据的11. 59%,年龄加权平均值为2463 Ma,峰值为2470 Ma;Th/U比值介于0.87~2.79,CL图像显示锆石呈均质无分带,个别具变质增生边。

此外,还有2颗锆石的U-Pb年龄为3009 Ma和3176 Ma,占总有效数据的2.90%,其Th/U比值分别为0.62~1.78,CL图像显示锆石无分带结构。其中最小的锆石U−Pb年龄值为(292±3) Ma,该年龄值应代表其沉积的下限年龄。

4.2.2 晚古生代硅质岩系上部粉砂岩夹层样品(10ST1-13)

本次对晚古生代硅质岩系上部粉砂岩夹层样品(10ST1-13)中52粒锆石进行了LA−MC−ICP− MS U−Pb年龄分析(表 2)。其年龄频谱见图 4。从表 2和碎屑锆石的谐和图(图 4c)可知,该样品的锆石U−Pb年龄值分布于(407±8)~(3367±3) Ma区间内。在年龄数据的频谱图(图 4d)上可以看出,其年龄分布比晚古生代硅质岩系下部粉砂岩夹层的锆石年龄更为复杂,U−Pb有效年龄集中分布于3个主要的年龄组内:

(1) 407~573 Ma年龄组:共有10颗锆石测点,占总有效数据的19.23%,年龄加权平均值为484 Ma,峰值为489 Ma;其Th/U比值介于0.79~3.93,锆石CL图像呈现出较清晰的振荡环带,为岩浆成因。

(2) 644~946 Ma年龄组:共有30颗锆石测点,占总有效数据的57.69%,可细分为644~776 Ma和820~946 Ma两个亚年龄组。① 644~776 Ma亚年龄组:共有20颗锆石测点,占总有效数据的38.46%,年龄加权平均值为737 Ma,峰值为772 Ma;其Th/U比值介于0.07~2.71,CL图像显示锆石呈明显的振荡环带特征,为岩浆成因。② 820~946 Ma亚年龄组:共有10颗锆石测点,占总有效数据的19.23%,年龄加权平均值为889 Ma,峰值为906 Ma;其Th/U比值介于0.53~2.51,CL图像显示锆石呈弱−强振荡环带或面状分带特征,属于岩浆成因。

(3) 1124~1636 Ma年龄组:共有10颗锆石测点,占总有效数据的19.23%,可细分为1124~1166 Ma和1367~1636 Ma两个亚年龄组。① 1124~1166 Ma亚年龄组:共有3颗锆石测点,占总有效数据的5.77%,年龄加权平均值为1164 Ma,峰值为1164 Ma;其Th/U比值介于1.30~2.45,CL图像显示锆石呈弱振荡环带,应多为岩浆成因,个别颗粒边部有薄的变质增生边。② 1367~1636 Ma亚年龄组:共有7颗锆石测点,占总有效数据的13.46%,年龄加权平均值为1501 Ma,没有明显的峰值;其Th/U比值介于0.49~1.36,呈弱振荡环带,部分锆石有继承锆石的残留核,应为岩浆成因。

该样品中还有1颗锆石的U−Pb年龄为3367 Ma,为样品中最老的年龄值,占总有效数据的1.92%,其Th/U比值为1.06,CL图像显示锆石无分带结构。

5 讨论 5.1 区域构造热事件及物源区分析

由于盆地物源的多样性、不同物源区贡献差异性以及碎屑物搬运过程中分异作用等的影响,使得通过岩石碎屑组成及地球化学组成判别物源变得非常困难,而同位素及其年代学的发展为这一问题的解决提供了新的可能,不仅促使物源分析向精细化方向发展,而且有效弥补其他判别方法的不足,使最终分析结果更为准确可信。由于不同来源的碎屑物具有不同的年龄组成,该层位中颗粒锆石必然具多个频率峰值,因此,盆地内沉积物颗粒锆石年龄谱系能有效地示踪源区背景和性质(Fedo et al., 2003)。

5.1.1 区域构造热事件

根据上述晚古生代硅质岩系下部(10ST1-10)和上部(10ST1-13) 2个粉砂岩夹层样品的测年结果综合研究分析表明,本次所获得121个有效定年数据的锆石中大多数为岩浆锆石,在年龄数据的频谱图(图 4bd)上可以识别出407~573 Ma(早古生代)、644~ 954 Ma(新元古代)、1124~1636 Ma(中元古代)和2368~2548 Ma (古元古代早期—新太古代晚期) 4个主要的年龄组(区间),记录了物源区(区域上)可能存在4期主要的区域构造热事件。其中以早古生代和新元古代最为突出,暗示这两期构造−岩浆活动较为活跃,为区内最重要的构造活动时期。

其中获得的407~573 Ma (早古生代)年龄组,在晚古生代硅质岩系砂岩夹层的2个样品中均占较大的比例(仅次于新元古代的年龄),总共有32组锆石年龄数据,约占总体(121颗锆石,下同)的26.45%,在2个样品中的峰值分别为423 Ma和489 Ma,分别对应于中—晚志留世和晚寒武世。早古生代花岗岩在华夏板块的云开地块中广泛发育(彭松柏等,2006Wang et al., 2007覃小锋等,2013);此外,覃小锋等(2017)在云开地块北缘岑溪市糯洞、白爽和安平一带获得(变质)中基性火山岩的一系列(441± 2)~(444±2)Ma的LA−ICP−MS锆石U−Pb年龄,这些年龄与碎屑锆石限定的岩浆活动时间基本相吻合,表明早古生代存在有大规模的岩浆活动。

本次获得690~954 Ma(新元古代)年龄组在2个样品中均占显著优势地位,共有54个锆石年龄数据,约占总体的44.63%,在两个样品中的峰值分别为732 Ma和772 Ma,并获得906 Ma和908 Ma小的峰值。最新的研究资料表明,华南地区前寒武纪四堡群/冷家溪群/梵净山群/天堂山岩群和丹洲群/板溪群/云开群之间存在的高角度不整合与Grenville造山运动无关,它反映的是发生于820 Ma左右的四堡运动的构造事件(高林志等,2015陈建书等,2016李利阳等,2016王敏等,2016)。由此表明,900 Ma左右和730~770 Ma的峰值可能分别代表华夏与扬子板块之间一次重要的拼合事件和拼合之后的一次裂解事件。华夏板块零星出露有新元古代的岩浆岩(Wan et al., 2010);在云开地块前寒武纪变质基底中还获得了一系列约850 Ma深熔事件的年龄(未发表数据),这些年龄与碎屑锆石限定的岩浆活动时间基本一致。因此,该年龄组应与华夏与扬子板块在四堡期(约820 Ma)发生拼合及之后发生裂解所伴随的构造岩浆活动有关。

1124~1636 Ma(中元古代)年龄组仅在晚古生代硅质岩系上部粉砂岩夹层样品中见有发育,只有10个锆石年龄数据,约占总体的8.26%,较为次要,可细分为1124~1166 Ma和1367~1636 Ma两个亚年龄组,峰值分别为1164 Ma和1501 Ma。云开地区发育有978~997 Ma与岛弧相关的镁铁质火山岩(Zhang et al., 2012),与Grenville期造山事件相对应,表明前者与Grenville期构造岩浆活动有关,但其所占比例极少,说明物源区(云开地区)不在Rodinia超级大陆中心,可能处于其边缘地区。

2368~2548 Ma (古元古代早期-新太古代晚期)年龄组占比例也较少,只有9个锆石年龄数据,约占总体的7.44%,主要见于晚古生代硅质岩系下部粉砂岩夹层样品中,上部的样品中只有1颗。其峰值为2470 Ma。由于在华夏地块至今没有真正的太古宙结晶基底的报道,且这些锆石大都呈它形,磨圆程度也较高,说明其应为经历了长距离的搬运再沉积的产物。

5.1.2 物源区

综上所述,广西钦州市板城镇石梯水库晚古生代硅质岩系粉砂岩夹层的两个样品记录的构造热事件中,具有明显优势的年龄均为早古生代(407~ 573 Ma)和新元古代(644~954 Ma),其分别与云开地块广泛发育的早古生代岩浆活动年龄以及新元古代岩浆活动和深熔作用年龄相当,说明碎屑锆石的主要年龄与云开地区的岩浆活动和深熔作用是匹配的。此外,从阴极发光图像(图 3)上看,两个年龄组的锆石形态均多呈自形−半自形柱状,显示其为从源区短距离搬运沉积的产物。由此推测,其主要沉积物源可能来自于离钦防海盆不远的华夏板块云开地区。

从年龄数据的频谱图(图 4bd)上可以看出,晚古生代硅质岩系下部(10ST1-10)和上部(10ST1- 13)两个粉砂岩夹层样品,虽然占明显优势的年龄均为407~573 Ma(早古生代)和644~954 Ma(新元古代),但下部样品(10ST1-10)的两组锆石占测试比例分别为31.88%和34.78%,二者大致相当,指示晚古生代硅质岩系下部岩石的源区物质主要以早古生代和新元古代地质体为主;而上部样品(10ST1-13)的两组锆石占测试比例分别为19.23%和57.69%,暗示早古生代物源所占比例已经显著下降,晚古生代硅质岩系上部岩石的源区物质主要以新元古代地质体为主,早古生代地质体成为次要的物源区。同时,在图 4bd中还可以看出,除了古元古代早期—新太古代晚期经历了长距离搬运再沉积的锆石外,晚古生代硅质岩系下部岩石(10ST1- 10)早古生代(407~573 Ma)和新元古代(644~954 Ma)两个年龄组的峰值(分别为423 Ma和732 Ma)均比上部岩石(10ST1-13)的峰值(分别为489 Ma和772 Ma)年轻;上部岩石(10ST1-13)源区物质中还出现较高比例(19.23%)1124~1636 Ma的地质体。此外,根据王玉净等(1998)邝国敦等(1999)对地层中牙形类和放射虫类等化石的研究资料表明,其地层时代为晚泥盆世—中二叠世;而前述碎屑锆石U−Pb年代学研究表明,其锆石的最小年龄值为(292±3) Ma(早二叠世),该年龄值应代表该样品沉积的下限年龄,和古生物化石的证据相吻合。结合晚古生代硅质岩系由下往上的沉积物源越来越复杂,年龄相对更老的特征表明,钦—杭结合带西南段的云开地块在早古生代造山作用结束后迅速而强烈地隆升成为剥蚀源区,在晚泥盆世—中二叠世时期随着隆升、剥蚀程度的加大,更深、更远的源区物质被剥蚀、搬运、沉积到钦—杭结合带西南段的钦防海盆中。

5.2 沉积盆地大地构造属性判别

利用碎屑沉积岩反演源区特征、盆地古地理格局以及盆地大地构造属性已成为沉积学研究的重要内容。近年来,Cawood et al.(2012)通过对各种类型沉积盆地的研究结果表明,聚合背景的沉积盆地(包括海沟盆地、弧后盆地和弧前盆地)由于主要接受同沉积时代岩浆活动的物源,在该类型沉积盆地的碎屑沉积岩中通常有超过50%的碎屑锆石年龄接近地层沉积的年龄;在碰撞背景的沉积盆地(包括同碰撞盆地和后碰撞盆地)中,由于主要接受了碰撞期岩浆、早期的岛弧和卷入造山带的克拉通古老物质三方面的物源,故在该类型沉积盆地中一般只有比较少的锆石接近地层沉积的年龄(通常只有10%~50%的碎屑锆石年龄与地层沉积年龄之差不超过150 Ma);而在拉伸环境下往往以发育基性岩浆活动为主,基性岩本身的岩浆锆石一般较少,所以在拉伸背景的沉积盆地(包括被动大陆边缘盆地和裂谷盆地等)中往往只有不超过5%的碎屑锆石的年龄与地层沉积年龄之差不超过150 Ma。因此,可以通过碎屑锆石所记录的年龄来判断沉积盆地的大地构造属性。从上述的测年结果看,晚古生代硅质岩系下部粉砂岩夹层样品(10ST1-10)中只有4颗晚古生代同沉积的碎屑锆石,占5.80%,而上部粉砂岩夹层样品(10ST1-13)中缺失晚古生代同沉积的碎屑锆石。根据Cawood et al.(2012)提出的沉积盆地大地构造属性类型判别方法,该盆地应属于拉伸背景的沉积盆地。

6 结论

(1) 采用LA−MC−ICP−MS锆石U−Pb定年方法,在广西钦州市板城镇石梯水库晚古生代硅质岩系下部和上部两个粉砂岩夹层样品中分别获得了69个和52个有效年龄。碎屑锆石年龄频谱显示出407~573 Ma(早古生代)、644~954 Ma(新元古代)、1124~1636 Ma (中元古代)和2368~2548 Ma (古元古代早期—新太古代晚期) 4个主要的年龄组(区间),记录了物源区存在4期主要的区域构造热事件。

(2) 对晚古生代硅质岩系中粉砂岩夹层碎屑锆石U−Pb年龄的综合分析认为,华夏板块的云开地区是晚古生代硅质岩系中粉砂岩的主要沉积物源区。晚古生代硅质岩系下部岩石和上部岩石的物源区存在明显区别,其中下部岩石的沉积物源主要以早古生代和新元古代地质体为主,而上部岩石的沉积物源主要来自新元古代地质体,早古生代和中元古代地质体成为次要的物源区。此外,晚古生代硅质岩系下部岩石早古生代和新元古代两个年龄组的峰值(分别为423 Ma和732 Ma)均比上部岩石相应年龄组的峰值(分别为489 Ma和772 Ma)年轻。晚古生代硅质岩系由下往上的沉积物源越来越复杂,年龄相对更老的特征表明,钦—杭结合带西南段的云开地块在早古生代造山作用结束后迅速而强烈地隆升成为剥蚀源区,在晚泥盆世—中二叠世时期随着隆升、剥蚀程度的加大,更深、更远的源区物质被剥蚀、搬运、沉积到钦—杭结合带西南段的钦防海盆中。

(3) 晚古生代硅质岩系粉砂岩夹层中含极少或缺少晚古生代同沉积的碎屑锆石,暗示钦—杭结合带西南段的钦防海盆在晚古生代时期应处于拉伸的构造背景,该盆地应属于拉伸背景的沉积盆地。

注释

❶广西地质调查研究院. 2009. 1:25万南宁幅、北海幅区域地质调查报告[R].

致谢: 感谢参加野外工作的宋炯、黄杰、杨文和朱安汉等,在LA-ICP-MS锆石U-Pb测年和数据分析过程中得到中国地质科学院矿产资源研究所侯可军博士的热心指导和帮助,在此一并致以衷心的感谢!

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