西秦嶺碎屑沉積巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

西秦嶺碎屑沉積巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

秦嶺造山帶（中國中部造山帶）連接華北克拉通、揚子克拉通或華南地塊（揚子和中國地塊）。這是中國最重要的造山帶，引起了人們的注意。廣泛出露的獨特超高壓變質(zhì)巖已使東秦嶺—蘇魯—大別造山帶的主要地質(zhì)問題得到了較好的解決[7,8,9,10,11,12,13,9]。西秦嶺的東北邊緣由祁連山、西南由昆侖山圍繞(圖1)。南北向的賀蘭山位于其北部,松潘—甘孜地塊位于其南部。西秦嶺作為構(gòu)造結(jié),近年來成為眾多研究的焦點區(qū)。盡管取得了一些步結(jié)果,但仍然還有許多沒有解決的問題,如,西秦嶺是否有來自華北克拉通的物質(zhì)?揚子克拉通與華北克拉通究竟何時拼合?由于碎屑沉積巖含有源區(qū)信息,所以對這些巖石的研究有可能從另一角度對西秦嶺的關(guān)鍵地質(zhì)問題進(jìn)行解析,尤其是對碎屑沉積巖中鋯石U-Pb年齡與全巖Sm-Nd同位素組成所提供的獨特信息的研究。1區(qū)域地質(zhì)背景秦嶺造山帶從北向南由四個主要單元組成:寬坪、二郎坪—丹鳳—黑河、秦嶺、劉嶺(圖2)。Nd、Pb同位素組成與其他地球化學(xué)特征已證明這四個單元與揚子克拉通具親緣性。下秦嶺單元(即東秦嶺的基底)在西秦嶺分布具局限性。上奧陶統(tǒng)大堡超群由碎屑沉積巖組成,中奧陶統(tǒng)大草灘群(圖3中的DCT樣品)/舒家壩群(圖3中的SJB樣品)以紫色礫巖與粗到細(xì)粒碎屑沉積巖組合為特征(圖4)。石炭系從底到頂由界河街組、魚塘寨組、鐵廠鋪組組成,主要為灰?guī)r、頁巖、砂巖與礫巖(圖4)。二疊系大關(guān)山群與石關(guān)群及三疊系郡子河群由灰?guī)r與砂巖組成。秦嶺造山帶南部的太古宙—古元古代的陡嶺與崆嶺群由角閃巖、角閃混合巖與磁鐵石英巖組成(圖2),它們屬于揚子克拉通的結(jié)晶基底。中生代與古生代花崗巖在西秦嶺地區(qū)廣泛分布。樣品分布如圖3、4與表1所示。2分析方法及結(jié)果所有樣品在分析前進(jìn)行顯微鏡下礦物組成與結(jié)構(gòu)觀察,挑選未蝕變、風(fēng)化的樣品作進(jìn)一步分析。全巖手工粗碎至1～2cm,選出大約100g用無污染剛玉碎樣機粉碎至200目。每個樣品縮分出3份準(zhǔn)備進(jìn)行主量、微量與Sm-Nd同位素組成分析,全部分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。Sm-Nd同位素分析,稱樣0.1g于聚四氟乙烯溶樣罐,加入16mL的HF+HNO3+HClO4(10∶5∶1),密封后套上鋼套加熱溶解樣品。樣品完全溶解后,將溶液完全蒸干后用25mL的6mol/LHCl溶解樣品,每個樣品分成兩份,1份用于Nd同位素比值分析,另1份準(zhǔn)確加入Sm、Nd稀釋劑用于Sm、Nd含量測定。Sm-Nd含量測定時加入149Sm-150Nd混合稀釋劑,含量分析精度為2‰～5‰。質(zhì)譜分析由固體質(zhì)譜計MAT262完成,Nd同位素質(zhì)譜分析的分餾校正標(biāo)準(zhǔn)化至146Nd/144Nd=0.7219,標(biāo)樣JMC、BCR-1測定的143Nd/144Nd比值平均值分別為0.511937±10(2σ)、0.512594±10(2σ)。全巖主量元素由X射線熒光光譜(XRF)分析,二價鐵與三價鐵由化學(xué)法測定,分析誤差<5%。REE與其他微量元素分析樣品用帶鋼套的聚四氟乙烯密封溶樣罐溶解。樣品溶液用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)(VGPQII)分析,分析精度優(yōu)于5%～10%。鋯石的分離:先將樣品粉碎至適當(dāng)粒度,視樣品量分別用搖床或手淘將重礦物集中,然后用重液或結(jié)合電磁法進(jìn)一步富集后,在雙目鏡下挑純備測。每個樣品隨機挑出大約200個顆粒將其用環(huán)氧樹脂固定,而后拋光至鋯石晶體中部暴露在表面。拋光后的鋯石在光學(xué)顯微鏡下用透射、反射光觀察其形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu),而后在陰極發(fā)光下進(jìn)一步觀察其精細(xì)結(jié)構(gòu)(代表性圖解如圖5所示)。鋯石U-Pb同位素分析在西北大學(xué)由激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICPMS)分析,部分顆粒在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)用相同方法分析。激光剝蝕系統(tǒng)是裝有193nmArF準(zhǔn)分子激光器的均一化與圖像光學(xué)系統(tǒng)(GeoLas200M,德國哥廷根MicroLas)。分析是在帶有動力反應(yīng)池(DRC)的PerkinElmer/SCIEX的ELAN6100(加拿大安大略)上完成的,利用氦氣作為載氣以增強剝蝕物的傳輸效率。大剝蝕腔內(nèi),氦載氣與氬在進(jìn)入感應(yīng)耦合等離子體前充分混合以維持穩(wěn)定與最佳的激發(fā)條件。激光剝蝕坑的直徑大約為40μm,信號與背景測量時間分別為40s、30s。平均輸出功率大約為4W。均一化與激光束聚焦后在樣品表面的能量密度大于28J/cm2。在LA-ICPMS常規(guī)測定過程中,每個點的信號峰強度均進(jìn)行仔細(xì)監(jiān)測以識別出穿過不同結(jié)構(gòu)域的雙峰。對于40μm剝蝕坑1μg/g的U含量對應(yīng)的238U靈敏度大于800cps,背景低于5cps。分析的鋯石顆粒中多數(shù)238U含量大于50μg/g,相應(yīng)的238U強度通常大于40000cps。此靈敏度為鋯石U-Pb定年提供了良好的精確度與準(zhǔn)確度。在該儀器上對吉林永勝新生代霓霞正長巖中鋯石測定的206Pb/238U年齡的加權(quán)平均值為(30.8±0.2)Ma(2σ)。此結(jié)果與由靈敏高分辨離子探針(SHRIMP)測得的206Pb/238U年齡(31.6±1.3)Ma(2σ)是一致的。此次分析的儀器條件與永勝霓霞正長巖中鋯石U-Pb年齡測定條件相同。普通Pb的校正僅對普通206Pb>1%的點進(jìn)行,且采用加載在Excel上的ComPbCorr#3_151模板。鋯石91500用作年齡計算的外部校正標(biāo)準(zhǔn),NISTSRM610每10個樣品點分析后測定一次以計算樣品的U、Th、Pb含量。3結(jié)果3.1儲層巖石碎屑物特征本文研究的樣品包括從新元古代到三疊紀(jì)不同層位的巖石,一般為(變)碎屑沉積巖(表1)。多數(shù)碎屑沉積巖為灰到灰黑色,中到細(xì)粒。依據(jù)薄片點計數(shù)方法,對每個代表性樣品作500個點的統(tǒng)計,結(jié)果如表2所示。碎屑礦物為石英(28.5%～57.5%)、斜長石(8.3%～29.6%)、正長石(0～5.7%)、白云母(0～2.2%)、黑云母(0～3%)、巖屑(4.7%～26.3%)。巖屑主要為變質(zhì)巖與沉積巖。碳酸鹽與粘土膠結(jié)物基質(zhì)一般為0到4.8%。不透明礦物、磷灰石、鋯石是砂巖的主要副礦物。砂巖碎屑物的實際含量能提供盆地構(gòu)造環(huán)境、沉積作用與源區(qū)等方面的信息。表2所列數(shù)據(jù)與圖6中不同地層層位巖石在Qm-F-Lt三角圖上的投點都表明,多數(shù)樣品落在過渡大陸環(huán)境中。3.2泥盆紀(jì)砂巖特征主量元素與微量元素組成如表3所示。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布型式如圖7所示。泥盆紀(jì)砂巖以REE平均含量最高、Eu負(fù)異常與LREE/HREE比值中等為特征。志留紀(jì)砂巖以明顯的Eu負(fù)異常與輕、重稀土間的強烈分餾為特征。新元古代與石炭紀(jì)砂巖以最低的稀土總量與其他砂巖形成明顯的對比。3.3南大別南北方油氣巖的nd模式砂巖的Sm-Nd同位素組成如表4所示,Nd模式年齡直方圖如圖8所示。表4與圖8表明西秦嶺新元古代到石炭紀(jì)碎屑沉積巖的Nd模式年齡分布于1.98Ga與1.55Ga之間,平均為1.81Ga,與揚子克拉通、東秦嶺的花崗巖類-變沉積巖-碎屑沉積巖的Nd模式年齡一致。與西秦嶺年輕的Nd模式年齡不同的是,華北克拉通的Nd模式年齡直方圖主要集中于古元古代與太古宙。因此,據(jù)Nd模式推斷,西秦嶺元古宙到石炭紀(jì)的碎屑沉積巖物源主要來源于秦嶺和/或揚子克拉通。二疊紀(jì)到三疊紀(jì)的碎屑沉積巖表現(xiàn)出1.91Ga到2.39Ga的較老Nd模式年齡,平均為2.16Ga,與元古宙到石炭紀(jì)的碎屑沉積巖相比有不同,指示其物源上可能存在差異。3.4巖石學(xué)和年齡分布由LA-ICPMS分析各樣品鋯石顆粒720個(其中362個諧和點),年齡段分布如表5所示。所有諧和點數(shù)據(jù)在206Pb/238U-207Pb/235U協(xié)和圖上的分布如圖9所示。對諧和度為85%～115%的點,根據(jù)206Pb/238U與207Pb/206Pb年齡誤差(取誤差較小的年齡值),得到這些樣品點年齡直方圖與概率密度分布(圖10)。圖9、10說明泥盆紀(jì)砂巖含有年齡930～730Ma的碎屑鋯石顆粒,三疊紀(jì)砂巖明顯以更老的碎屑鋯石顆粒(>1600Ma)為主體。泥盆紀(jì)碎屑沉積巖中鋯石U-Pb年齡的分布與揚子克拉通中鋯石U-Pb年齡的概率密度分布基本是一致的,而三疊紀(jì)碎屑沉積巖中鋯石U-Pb年齡分布與華北克拉通中鋯石U-Pb年齡的概率密度分布相似。泥盆紀(jì)與三疊紀(jì)砂巖均有同時代的火成巖提供物質(zhì),然而,根據(jù)同時代鋯石顆粒的數(shù)量分布特點,這些同時代的火成巖對沉積巖的貢獻(xiàn)是相當(dāng)有限的。4基底巖石學(xué)和物源秦嶺構(gòu)造單元包括各類巖石。下部巖石單元由黑云母斜長片麻巖、角閃巖、鈣硅酸鹽、石榴子石矽線石片麻巖與大理巖組成。2.1Ga的Pb/Pb單顆粒鋯石年齡表明下秦嶺單元形成于古元古代中—晚期。下秦嶺單元原巖為陸內(nèi)裂谷盆地或弧后盆地組合。上秦嶺單元由大理巖、少量的角閃巖與石榴子石-矽線石片麻巖組成。上秦嶺單元中松樹溝蛇綠巖里的角閃巖全巖Sm-Nd法等時線年齡為1.1～1.0Ga。揚子克拉通西北緣存在大量的年齡為830～795Ma的花崗巖類與鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)侵入巖,它們可能形成于Rodinia超大陸裂解環(huán)境。在揚子克拉通西北緣也存在年齡為780～720Ma的花崗巖與閃長巖,這些巖石被解釋為新元古代島弧構(gòu)造環(huán)境的產(chǎn)物。在秦嶺造山帶中也存在年齡為847～660Ma擴張機制下形成的中性-鎂鐵質(zhì)、長英質(zhì)與堿性火山巖,下秦嶺單元中還存在年齡為793～659Ma的花崗巖類。因此,泥盆紀(jì)碎屑沉積巖中的年齡為900～700Ma的鋯石應(yīng)來自揚子克拉通和/或秦嶺造山帶。由于新生的洋殼在中奧陶世—志留紀(jì)時向北俯沖于北秦嶺之下,島弧巖漿巖與北秦嶺微板塊的基底物質(zhì)成為弧前與弧后盆地的物源。與泥盆紀(jì)碎屑沉積巖明顯不同的是,三疊紀(jì)碎屑沉積巖中的鋯石基本上沒有年齡為930～730Ma的顆粒。同時,二疊紀(jì)—三疊紀(jì)碎屑沉積巖的Nd虧損地幔模式年齡明顯較二疊紀(jì)以前的老。因此,我們認(rèn)為此時除了秦嶺造山帶與揚子克拉通以外,應(yīng)存在另外的物源。由于揚子克拉通與華北克拉通在中三疊世碰撞形成秦嶺造山帶,華北克拉通南緣的有關(guān)巖石最晚在二疊紀(jì)時就可以為西秦嶺的沉積巖提供物質(zhì)。華北克拉通南緣基底代表性的地層是太華群與登封群,它們形成于2841～2512Ma(鋯石U-Pb年齡與Sm-Nd等時線年齡)。因此,華北克拉通南緣的基底巖石是西秦嶺二疊紀(jì)—三疊紀(jì)碎屑沉積巖另外物源的最合適提供者。將太華群與登封群的形成年齡[70,71,72,70,71,72]與它們的εNd(t)值及我們研究樣品的層位與Sm-Nd同位素組成投于圖11,該圖展示了西秦嶺二疊紀(jì)—三疊紀(jì)碎屑沉積巖與源巖的關(guān)系。二疊紀(jì)—三疊紀(jì)明顯更老的Nd虧損地幔模式年齡表明這些巖石與二疊紀(jì)前的碎屑沉積巖物源上是不同的。較老的太華群與登封群巖石可能參與了二疊紀(jì)—三疊紀(jì)碎屑沉積巖的形成。如果元古宙到石炭紀(jì)的碎屑沉積巖的Sm-Nd同位素組成代表二疊紀(jì)以前的碎屑沉積巖源巖的平均組成,相應(yīng)端員的同位素組成表明二疊紀(jì)—三疊紀(jì)的碎屑沉積巖中太華群與登封群的物質(zhì)貢獻(xiàn)比例高達(dá)50%。三疊紀(jì)的碰撞花崗巖與噴出巖可能是三疊紀(jì)碎屑沉積巖最年輕鋯石所指示的源巖。由于二疊紀(jì)以前的碎屑沉積巖物源上是秦嶺造山帶和/或揚子克拉通,西秦嶺至少從二疊紀(jì)開始構(gòu)造體制上發(fā)生了改變。盡管揚子克拉通與華北克拉通到三疊紀(jì)時已由秦嶺造山帶連接在一起,但最晚至二疊紀(jì)時,兩克拉通在西秦嶺段就已存在物質(zhì)上的溝通。盡管華北克拉通為西秦嶺沉積盆地提供了物質(zhì),但其影響范圍僅限于造山帶,因為秦嶺造山帶以南的甘孜—松潘盆地中的三疊紀(jì)碎屑沉積巖Sm-Nd同位素組成并沒有找到華北克拉通來源的物質(zhì)蹤跡。無論測定碎屑鋯石的什么部位,它們的Th/U比值絕大部分大于0.1,在全部720點中只有23點的Th/U比值<0.1(表5),表明絕大多數(shù)鋯石為巖漿結(jié)晶產(chǎn)物。因此,碎屑鋯石U-Pb年齡譜反映了源區(qū)地殼形成、增生與殼內(nèi)巖漿作用事件。一些鋯石顆粒含有變質(zhì)增生邊,但這些邊太窄在現(xiàn)有儀器分辨水平下無法給出準(zhǔn)確的年齡。5北秦子克拉通南緣基底巖石對西秦嶺碎屑沉積巖中鋯石U-Pb年齡與Sm-Nd同位素組成的研究,得到以下結(jié)論:(1)根據(jù)泥盆紀(jì)碎屑沉積巖中存在年齡為930～730Ma的鋯石,西秦嶺的碎屑沉積巖直到石炭紀(jì)末其物源還是秦嶺造山帶和/或揚子克拉通。(2)二疊紀(jì)—三疊紀(jì)碎屑沉積巖源區(qū)發(fā)生了顯著改變,北秦嶺南緣的基底巖石