樂山大佛白堊紀丹霞紅層物源分析：來自碎屑鋯石U-Pb年齡的制約

喬恒忠*，孫永興，侯詩雨，邱子鑫，李彤彤，張志清

(樂山師范學院 旅游學院，四川 樂山 614000)

0 引言

丹霞地貌是一種以赤壁丹崖為典型表征的特殊侵蝕地貌類型，其物質(zhì)基礎(chǔ)主要為中生代至新生代(尤其是白堊紀)紅色陸相碎屑沉積巖[1-4]。1930年以來，我國丹霞地貌因具有較高的地質(zhì)旅游價值而備受關(guān)注[5-8]。其中，四川盆地是我國丹霞地貌最具代表性的三個集中分布區(qū)之一[9-11](圖1a)。前人對四川盆地丹霞紅層的地貌特征、類型、分布與演化模式等方面的研究取得了重要進展[12-15]，然而目前這些丹霞紅層的碎屑物質(zhì)來源問題還未得到足夠的重視，整體研究程度相對較低。鋯石是沉積巖中最穩(wěn)定的副礦物之一，對碎屑鋯石進行U-Pb定年分析是確定沉積巖碎屑物質(zhì)來源的重要方法[16-17]。本文對四川盆地西南部樂山地區(qū)白堊紀丹霞紅層開展碎屑鋯石U-Pb定年工作，為理解研究區(qū)碎屑物質(zhì)來源及相關(guān)構(gòu)造演化歷史提供重要的年代學制約。

圖1 (a)我國丹霞地貌的主要分布區(qū)(修改自文獻[11])，其中II區(qū)為四川盆地丹霞地貌集中出露區(qū)；(b-c)四川盆地西南部樂山地區(qū)地質(zhì)簡圖及綜合地層柱狀剖面圖(修改自文獻[18] )

1 地質(zhì)背景與樣品信息

四川盆地西南部樂山地區(qū)廣泛出露一系列白堊系地層，前人根據(jù)區(qū)域地層學、巖相古地理及古生物等綜合地質(zhì)資料將其自下而上劃分為夾關(guān)組(K1-2j)、灌口組下段(K2g1)及上段(K2g2)[18](圖1b和1c)。其中，夾關(guān)組是一套以棕紅色厚層塊狀砂巖為主的地層，夾少量粉砂質(zhì)泥巖，其底部發(fā)育有數(shù)米的礫巖[18]。該地層整體產(chǎn)狀近水平，通常平行不整合于上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3P)之上，并與上覆的灌口組呈整合接觸關(guān)系?，F(xiàn)有資料表明，樂山地區(qū)夾關(guān)組紅色砂巖主要形成于干旱氣候條件下的沙漠環(huán)境，并受到了間歇性河流的影響[19-20]。值得注意的是，樂山地區(qū)夾關(guān)組地層以樂山大佛寺剖面最為典型，舉世聞名的樂山大佛正是雕刻于這套紅色砂巖之上(圖2a)。同時，這些丹霞紅層發(fā)育有“頂平，身陡，麓緩”的地貌特征(圖2b)，層內(nèi)還常見大量規(guī)模不等的交錯層理(圖2c)。本次研究樣品19LS01來自樂山大佛寺剖面白堊系夾關(guān)組(K1-2j)，采樣點位于世界自然與文化遺產(chǎn)樂山大佛景區(qū)南側(cè)(圖1b；GPS:29°32′17″N,103°46′23″E)。樣品19LS01為棕紅色中粗粒巖屑石英砂巖(圖2d和2e)，主要礦物組成為石英(80%～85%)、巖屑(10%～15%)以及少量的長石(<5%)，這些礦物絕大多數(shù)粒徑<0.5 mm，整體分選程度較好，磨圓度一般，碎屑顆粒多呈次圓狀-次棱角狀(圖2f)。

圖2 (a)樂山大佛寺剖面白堊系夾關(guān)組紅層形成的赤壁丹崖；(b)樂山地區(qū)夾關(guān)組丹霞紅層發(fā)育有“頂平，身陡，麓緩”的地貌特征；(c-d)夾關(guān)組棕紅色近水平厚層塊狀砂巖及交錯層理；(e-f)巖屑石英砂巖樣品19LS01的手標本及顯微照片(單偏光)

2 鋯石U-Pb定年方法與結(jié)果

樣品19LS01經(jīng)過粉碎、重選與磁選等常規(guī)方法分離出鋯石顆粒，并將其制成鋯石靶，然后對這些鋯石進行透、反射光及陰極發(fā)光(CL)等圖像分析，以便選擇適當?shù)膶嶒灉y試點位。本次鋯石U-Th-Pb同位素實驗分析工作在廣州拓巖測試技術(shù)有限公司利用激光剝蝕-電感耦合等離子質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)完成，分別使用標準鋯石91500和Ple?ovice[21]進行同位素比值校正與質(zhì)量監(jiān)控，激光剝蝕束斑直徑為30 μm。樣品19LS01實驗數(shù)據(jù)處理采用ICPMSDataCal軟件[22-23]，鋯石U-Pb年齡計算、諧和圖及頻率分布圖的繪制利用Isoplot程序[24]完成。本文中單個鋯石測試點年齡數(shù)據(jù)誤差為1σ，年輕鋯石(<1000 Ma)和古老鋯石(>1000 Ma)分別采用其206Pb/238U年齡與207Pb/206Pb年齡進行分析[25-26]。

圖3 樣品19LS01代表性碎屑鋯石陰極發(fā)光圖像及其U-Pb年齡Fig.3 Cathodoluminescence (CL) Images of Representative Detrital Zircons from Sample 19LS01 with their U-Pb Ages.

本次研究中巖屑石英砂巖樣品19LS01鋯石整體粒度約為80～200 μm，鋯石顆粒形態(tài)主要呈半自形至他形的短柱狀或橢圓狀，它們普遍經(jīng)歷了不同程度的搬運磨圓。少數(shù)鋯石晶形保存相對完好，表明部分碎屑物質(zhì)可能來自較近的源區(qū)。陰極發(fā)光(CL)圖像顯示(圖3)，樣品19LS01中的鋯石大多都發(fā)育明顯的振蕩環(huán)帶，指示了其巖漿成因。部分鋯石還具有無規(guī)律分帶的變質(zhì)增生邊，另有少數(shù)鋯石則發(fā)育了復雜的核-幔-邊結(jié)構(gòu)。這些碎屑鋯石特征暗示了樣品19LS01可能具有復雜的物源區(qū)。本次研究對樣品19LS01碎屑鋯石進行了59個數(shù)據(jù)點分析，其年齡變化范圍為211-2521 Ma，實驗測試結(jié)果詳見表1和圖4。這些數(shù)據(jù)點基本都分布于諧和線上或附近，其不諧和度均≤10%。除少數(shù)測試點外，絕大部分鋯石Th/U比值為0.40-2.00，說明它們可能主要來自巖漿巖物源區(qū)。同時，樣品19LS01碎屑鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)主要可以分為：211～287 Ma(20%)、420～500 Ma(17%)、759～877 Ma(36%)、1817～1946 Ma(10%)與2432～2521 Ma(7%)5組，其峰值年齡分別集中于～218 Ma、～421 Ma、～778 Ma、～1848 Ma與～2497 Ma，另有6顆鋯石諧和年齡分別為323±3 Ma、613±5 Ma、656±7 Ma、1613±35 Ma與2050±32 Ma。

表1 樣品19LS01碎屑鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析結(jié)果

續(xù)表1

圖4 (a)樣品19LS01碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖與(b)頻率分布直方圖

3 討論

樂山地區(qū)白堊系夾關(guān)組(K1-2j)地層碎屑鋯石U-Pb年代學數(shù)據(jù)能夠為理解其物質(zhì)源區(qū)特征提供重要的信息。前人曾報道過研究區(qū)西北部夾關(guān)組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡，認為其峰值主要集中于207～239 Ma(23.7%)、421～471 Ma(15.1%)、744～835 Ma(19.4%)與1704～2064 Ma(16.1%)，并另有130～170 Ma、548～613 Ma、946～1181 Ma及2309～2655 Ma等4組次要的年齡記錄[27]。本文對樂山大佛寺剖面夾關(guān)組丹霞紅層的U-Pb定年工作也獲得了相似的統(tǒng)計結(jié)果(表1和圖4)。樣品19LS01碎屑鋯石年齡譜圖中形成了211～287 Ma(20%)、420～500 Ma(17%)、759～877 Ma(36%)等3個強峰，其峰值分別為～218 Ma、～421 Ma與～778 Ma，同時還存在1817～1946 Ma(10%)和2432～2521 Ma(7%)等2個弱峰，峰值分布于～1848 Ma和～2497 Ma。這些數(shù)據(jù)說明樂山地區(qū)白堊系夾關(guān)組碎屑物質(zhì)來源較為復雜，具有明顯的多元性，并以豐富的印支期、加里東期、新元古代及古元古代碎屑鋯石年齡信息為主要特征。

本次研究樣品19LS01中的759～877 Ma碎屑鋯石U-Pb年齡組所占比例相對較大，它們和揚子陸塊西緣廣泛發(fā)育的新元古代基性-酸性巖漿巖形成時代(740～860 Ma)[28-29]十分吻合，指示這些巖漿巖是樂山地區(qū)夾關(guān)組丹霞紅層主要的碎屑物質(zhì)來源。樣品中的211～287 Ma年齡組則明顯與四川盆地西側(cè)松潘-甘孜地體與義敦地體等地區(qū)大量出露的印支期花崗質(zhì)侵入體[30-32]對應，表明它們也是樂山地區(qū)夾關(guān)組地層重要的物源區(qū)之一。同時，本次研究發(fā)現(xiàn)了一組420～500 Ma的加里東期鋯石年齡記錄，然而目前四川盆地西南緣少有該時期構(gòu)造熱事件的報道，部分學者認為這些碎屑鋯石可能來自四川盆地北側(cè)的秦嶺造山帶[27]。此外，樣品19LS01中還存在一些1817～1946 Ma與2432～2521 Ma的碎屑鋯石年齡信息，它們與揚子陸塊西南緣及北緣局部報道的早-中古元古代巖漿-變質(zhì)事件時代[33-35]具有較好的相關(guān)性，推測這些早前寒武紀基底巖石的剝露也為樂山地區(qū)夾關(guān)組提供了部分物源。需要提出的是，本文樣品19LS01和四川盆地內(nèi)的三疊系至侏羅系等地層的碎屑鋯石特征年齡峰值[27]相似，因此樂山地區(qū)夾關(guān)組丹霞紅層部分碎屑物質(zhì)還可能來自四川盆地內(nèi)更古老地層的沉積再循環(huán)。

4 結(jié)論

本文對四川盆地西南部樂山大佛寺剖面白堊系夾關(guān)組(K1-2j)丹霞紅層碎屑鋯石進行LA-ICP-MS U-Pb定年分析，研究結(jié)果顯示其年齡主要集中于211～287 Ma、420～500 Ma、759～877 Ma、1817～1946 Ma 與2432～2521 Ma，峰值年齡分別為～218 Ma、～421 Ma、～778 Ma、～1848 Ma與～2497 Ma。結(jié)合本文和前人研究成果，樂山地區(qū)白堊系夾關(guān)組丹霞紅層的碎屑物質(zhì)可能主要來自揚子陸塊西緣新元古代基性-酸性巖漿巖，松潘-甘孜地體與義敦地體印支期花崗質(zhì)侵入體以及四川盆地內(nèi)更古老地層的再循環(huán)。