福建上杭紅層盆地沙縣組時(shí)代及盆地演化特征

陳淑華 徐維光 張開畢

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

近期在上杭盆地白堊紀(jì)紅層中發(fā)現(xiàn)大量恐龍足跡群，這些恐龍足跡貯存于白堊紀(jì)沙縣組的泥巖、粉砂巖中，這是福建境內(nèi)在恐龍及其遺跡方面的首次發(fā)現(xiàn)，對福建的恐龍研究具有里程碑意義，從此結(jié)束了福建境內(nèi)“沒有恐龍”的歷史。對于上杭盆地沙縣組的時(shí)代，前人根據(jù)地層對比和生物化石資料將其歸于晚白堊世[1-2]。但由于該盆地化石研究程度較低，且生物常存在穿時(shí)性，對該地層時(shí)代仍未有可靠的結(jié)論。因此要找到巖石記錄中的沉積巖事件和古生物事件定年，關(guān)鍵在于找到夾在沉積巖地層中的火成巖，并進(jìn)行定年，從而確定紅層時(shí)代。在此次工作中，筆者在上杭盆地沙縣組中找到火山巖夾層，并且通過對砂泥巖中的火山巖夾層進(jìn)行年代學(xué)研究，精確厘定了紅層時(shí)代，為該區(qū)域紅層盆地的形成與演化，探討白堊紀(jì)中晚期大地構(gòu)造屬性提供新的線索。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

上杭盆地內(nèi)地層較為簡單，區(qū)內(nèi)出露的最古老地層為新元古界樓子壩組、樓前組、南巖組變質(zhì)砂巖和千枚巖，這些前寒武基底主要位于盆地北部，被泥盆—石炭系灰?guī)r以及碎屑巖不整合覆蓋。盆地內(nèi)主要為白堊世雜色粗粒碎屑巖和火山巖，分別為黃坑組、寨下組、沙縣組和崇安組。黃坑組和寨下組為一套雜色復(fù)成分礫巖、砂質(zhì)礫巖夾粉砂巖，含有大量的火山巖。沙縣組和崇安組為區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)意義上的紅層，為一套紫紅色粗—細(xì)碎屑巖組合(圖1)。

圖1 福建省上杭紅層盆地地質(zhì)簡圖Fig.1 Brief geological map of Shanghang Red Formation Basin in Fujian province

沙縣組：主要分布于上杭北部及東南部潭溪里、上浦灘、上杭縣、毛桃寨等地，呈北西向帶狀展布。為一套紫紅色碎屑巖組合，平行不整合于石帽山群或超覆在其他老地層之上，上浦灘一帶層序分布較全。巖性以紫紅色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，間夾紫紅色砂礫巖，巖屑雜砂巖及流紋質(zhì)(含角礫)晶屑凝灰?guī)r，產(chǎn)植物化石。

崇安組：在盆地西部沿梯子嶺斷層斷續(xù)分布，各地巖性差異不大，為復(fù)成分礫巖組合，碎屑由下往上變粗。下部由礫巖、砂礫巖(含礫砂巖)組成旋回性基本層序。層序下部為厚-巨厚粗粒復(fù)成分礫巖、中細(xì)粒復(fù)成分礫巖，發(fā)育底沖刷、粒序?qū)永?，礫石疊瓦狀排列；層序上部為復(fù)成分砂礫巖、含礫雜砂巖(雜砂巖)，發(fā)育粒序?qū)永?，槽狀交錯(cuò)層理，砂巖常呈透鏡體產(chǎn)出。上部由粗-卵礫復(fù)成分礫巖，中細(xì)礫復(fù)成分礫巖組成基本層序。粒序?qū)永戆l(fā)育，礫石疊瓦狀定向分布，礫徑粗大(一般為20～80 mm，大者為150～400 mm)。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

上杭紅層盆地位于閩西南坳陷西南部的上杭—云霄北西向斷裂帶與北東向宣和復(fù)式背斜的復(fù)合部位，基底構(gòu)造復(fù)雜[3]。組成上杭—云霄斷裂帶的北西向斷裂總體上顯示張性特征，對斷陷盆地有控制作用，盆地形狀明顯受該斷裂控制而呈北西向帶狀展布[4]。盆地的主干斷裂為西南側(cè)的梯子嶺斷裂，表現(xiàn)為張扭性質(zhì)，它的形成和長期繼承性活動(dòng)對該盆地的發(fā)展有著直接的內(nèi)在聯(lián)系。

2 樣品特征與分析測試

2.1 樣品采集

樣品ShTW采自上杭盆地古石背，在沙縣組薄層狀紫紅色粉砂巖、細(xì)砂巖中見夾紫紅色中薄層狀凝灰質(zhì)粉砂巖，層厚為20～40 cm，向上層位逐漸變化為薄層狀紫紅色粉砂巖夾細(xì)砂巖。樣品SHTW1采自上杭盆地中部李家坪公路壁，層位歸屬為沙縣組，巖性為流紋質(zhì)角礫巖屑凝灰?guī)r，產(chǎn)于紫紅色泥巖夾層中。

凝灰質(zhì)粉砂巖，巖石呈凝灰質(zhì)粉砂狀結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造。巖石中物質(zhì)組分有正常沉積物和火山碎屑物2部分(照片1)。層理構(gòu)造由物質(zhì)組分、碎屑粒徑大小在垂向上的變化而顯示。正常沉積物含量為40%～70%，物質(zhì)組分有黏土礦物、陸源碎屑、氧化鐵和鈣質(zhì)。其陸源碎屑分選性好，碎屑粒徑為0.02～0.06 mm(粉砂級)，少部分粒徑為0.1～0.2 mm，呈次滾圓狀，長軸具定向排列，碎屑成分有石英、白云母、黑云母、泥巖、花崗斑巖、凝灰?guī)r等。黏土礦物為水云母礦物，呈顯微鱗片狀，被氧化鐵浸染?；鹕剿樾嘉锖繛?0%～60%，成分有晶屑、巖屑、玻屑、火山灰。其巖屑粒徑為0.06～0.4 mm，成分有流紋巖、英安巖等。晶屑成分為石英、斜長石和鉀長石。玻屑和火山灰已脫?；浑[晶狀長英質(zhì)礦物取代。

照片1 上杭盆地古石背凝灰質(zhì)粉砂巖及顯微鏡下特征 Photo.1 Characteristics of Gushibei tuff siltstone and those under the microscope in Shanghang Basin

流紋質(zhì)角礫巖屑凝灰?guī)r，巖石呈灰白色，角礫巖屑凝灰狀結(jié)構(gòu)(照片2)，塊狀構(gòu)造。巖石的物質(zhì)組分為火山碎屑物，主要由晶屑、巖屑(角礫)、玻屑、火山灰組成，雜亂排列。巖屑(角礫)占巖石總量的55%，直徑為0.2～80 mm(手標(biāo)本)，巖屑(角礫)成分有流紋巖、熔結(jié)凝灰?guī)r等。晶屑含量占5%，均呈碎屑狀，粒徑為0.08～1 mm，成分為石英(3%)、鉀長石(1%)、斜長石(1%)。其晶屑石英切面潔凈。晶屑鉀長石，輕微泥化。晶屑斜長石具聚片雙晶，卡鈉復(fù)合雙晶，泥化。玻屑含量占25%，單偏光下形態(tài)輪廓較清晰，呈碎片狀，已脫?；皇ⅰ㈦[晶狀長英質(zhì)礦物取代。火山灰呈膠結(jié)物，含量為15%，已脫?；浑[晶狀長英質(zhì)礦物取代。

照片2 上杭盆地南端李家坪流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r及顯微鏡下特征 Photo.2 Characteristics of Lijiaping streamlined conglomerate tuff and those under the microscope in the south of the Shanghang Basin

2.2 測試方法

此次樣品破碎和鋯石分選由河北省廊坊市誠信地質(zhì)公司完成，陰極發(fā)光(CL)照相和制靶由北京鎬年領(lǐng)航科技有限公司完成。鋯石微區(qū)原位U-Pb同位素年齡分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的LA-ICP-MS儀器上用標(biāo)準(zhǔn)測定程序進(jìn)行。分析儀器為Agilent 7500a型四極桿質(zhì)譜儀和Geolas 200M型激光剝蝕系統(tǒng)，激光器為193 nm ArF準(zhǔn)分子激光器。激光剝蝕斑束直徑為20 μm，激光剝蝕樣品的深度為20～40 μm。鋯石年齡計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)，元素含量采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NIST SRM610作為外標(biāo)，29Si作為內(nèi)標(biāo)元素進(jìn)行校正。樣品的同位素比值和元素含量數(shù)據(jù)處理采用GLITTER(ver4.0，Macquarie University)程序，并采用Andersen軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行普通鉛校正，年齡計(jì)算及諧和圖繪制采用ISOPLOT(3.0版)軟件完成[5]。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理和流程及儀器參考文獻(xiàn)[6-7]。

3 測試結(jié)果

3.1 陰極發(fā)光圖像特征

從上杭古石背采集的樣品(ShTW)共測24個(gè)點(diǎn)，所分析的鋯石顆粒CL圖像顯示，測試的火山碎屑巖的鋯石多以自形柱狀為特征，粒徑為50～200 μm，多數(shù)鋯石具明顯震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖2)。

上杭李家坪采集的樣品(SHTW1)所分析的鋯石顆粒CL圖像顯示，測試的火山碎屑巖的鋯石多為柱狀、板狀，自形程度較高，粒徑為80～200 μm，部分為300 μm，多數(shù)鋯石可見明顯密集的巖漿振蕩生長環(huán)帶或?qū)捑彽膸r漿生長環(huán)帶(圖3)。鋯石的Th、U含量較高，且Th/U比值均大于0.4，顯示為巖漿成因鋯石的特征[8]。

圖2 上杭盆地凝灰質(zhì)粉砂巖(ShTW)鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.2 Zircon cathode luminous image of tuff siltstone (ShTW) in Shanghang Basin

圖3 上杭盆地李家坪流紋質(zhì)角礫巖屑凝灰?guī)r(SHTW1)鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Zircon cathode luminous images of Lijiaping stream brecate debris tuff (SHTW-1) in Shanghang Basin

3.2 鋯石U-Pb年齡特征

凝灰?guī)r粉砂巖樣品ShTW測年結(jié)果顯示(表1)，測得的24個(gè)數(shù)據(jù)206Pb/238U年齡為97.1～1 100 Ma，其中點(diǎn)9，10，11，15，20，21共6個(gè)點(diǎn)同位素?cái)?shù)據(jù)偏大，其余18個(gè)數(shù)據(jù)的206Pb/238U年齡較為一致。但從凝灰質(zhì)粉砂巖的鋯石U-Pb諧和圖(圖4)中可看出，僅有5點(diǎn)落在諧和線上及附近，給出年齡的加權(quán)平均值為(101.1±1.3)Ma(n=5，MSWD=0.18)。筆者將這年齡解釋為火山碎屑巖的成巖年齡。

表1 上杭盆地古石背凝灰?guī)r(ShTW)LA-ICP-MS鋯石U-Pb分析結(jié)果

流紋質(zhì)角礫巖屑凝灰?guī)r(樣品SHTW1)測年結(jié)果顯示(表2)，所測的24個(gè)數(shù)據(jù)206Pb/238U年齡為90.1～97.2 Ma，24點(diǎn)都落在諧和線上或附近(圖5)，年齡值較為一致，所有年齡值的諧和度都在90%以上，年齡較為可靠，給出的年齡加權(quán)平均值為(93.69±0.82)Ma(n=24，MSWD=1.6)，代表了該火山巖的成巖年齡。

圖4 上杭盆地沙縣組凝灰質(zhì)粉砂巖(ShTW)鋯石U-Pb同位素加權(quán)平均年齡值圖及諧和圖Fig.4 The weighted average age value and the harmonic diagram of zircon U-Pb isotopes in the Shaxian group tuff siltstone (ShTW) in Shanghang Basin

圖5 上杭盆地流紋質(zhì)角礫巖屑凝灰?guī)r(SHTW1)鋯石U-Pb同位素加權(quán)平均年齡值圖及諧和圖Fig.5 The weighted average age value and the harmonic diagram of zircon U-Pb isotopes in the Streamlined conglomerate debris tuff(SHTW1) in Shanghang Basin

表2 上杭盆地李家坪流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r(SHTW1)LA-ICP-MS鋯石U-Pb分析結(jié)果

續(xù)表2

4 討論

4.1 沙縣組沉積時(shí)代

福建省石油地質(zhì)隊(duì)(1)福建省石油地質(zhì)隊(duì)，福建省中新生代盆地石油地質(zhì)普查工作總結(jié)，1978。在上杭盆地沙縣組上部灰綠-灰黑色粉砂質(zhì)泥巖中發(fā)現(xiàn)豐富的動(dòng)、植物化石，主要?jiǎng)游锘癁門enuestheriatenuis(薄殼葉肢介)、Zhestherisnemestheriformia(線型浙江葉肢介)、Cyprissp.(金星蟲)、Cyproissp.(花邊蟲)、Cyprinotussp.(美星蟲)；植物化石為Frenelopsissp.(擬節(jié)柏)和Brachyphyllumsp.(短葉杉)，這些化石為早白堊世的屬種。

與福建相鄰的浙江，在金衢盆地白堊系中戴組和賴家組地層也先后發(fā)現(xiàn)恐龍骨骼化石和保存完好的恐龍腳印化石，與此次上杭紅層盆地所產(chǎn)出的恐龍足跡群可以橫向?qū)Ρ萚9]。根據(jù)近年在金衢盆地龍游上圩頭衢江群中戴組測得玄武巖K-Ar年齡為105 Ma和其中金衢盆地衢江群下部中戴組上部所產(chǎn)的Chilantaisauruszhejiangensis，將中戴組時(shí)代歸為早白堊世晚期[10-11]。賴家組根據(jù)所測得的2組鋯石U-Pb同位素年齡為114 Ma、101 Ma，也將其歸為早白堊世晚期[12]。表明恐龍?jiān)谠绨讏资劳砥诰驮谶@個(gè)地方活動(dòng)，為該區(qū)域恐龍動(dòng)物群的演化提供了時(shí)代依據(jù)。

此次研究同位素年齡測試結(jié)果顯示，上杭紅層盆地東北部的沙縣組凝灰質(zhì)粉砂巖的鋯石所獲的206Pb/238U表面年齡加權(quán)平均值為(101.1±1.3)Ma(n=5，MSWD=0.18)。依據(jù)中國地層年表[13]，早、晚白堊世的時(shí)代界線為100.5 Ma，因此該火山巖的時(shí)代歸入早白堊世晚期。而盆地南部的沙縣組流紋質(zhì)角礫巖屑凝灰?guī)r(SHTW1)，所獲的206Pb/238U表面年齡加權(quán)平均值為(93.69±0.82)Ma(n=24，MSWD=1.6)，這2個(gè)年齡值都代表火山碎屑巖的成巖年齡。結(jié)合古生物化石資料，認(rèn)為上杭紅層盆地沙縣組的時(shí)代為早白堊世晚期-晚白堊世早期。

4.2 盆地沉積構(gòu)造演化

上杭盆地呈北西方向展布，主要受北西向的上杭—云霄斷裂帶的影響，這些斷裂總體上顯示張性特征，對斷陷盆地有控制作用。盆地的主干斷裂為西南側(cè)的梯子嶺斷裂，沿330°方向延長達(dá)50公里，具寬數(shù)十米至百余米的破碎角礫巖帶，并有石英脈充填，顯示張性特征。而在破碎帶西南側(cè)花崗巖中有構(gòu)造透鏡體存在，顯示壓性特征，說明該斷裂活動(dòng)的長期性和復(fù)雜性。另外盆中還分布著北東向以張性為主的斷裂，其形成屬于老斷層繼承性活動(dòng)所衍生出來的。

4.2.1 斷裂對盆地的控制作用

盆地的東緣地層為石帽山群火山巖系，西為梯子嶺斷層所切，斷層的西邊為燕山中期花崗巖，盆地呈狹長形分布，中部較寬，向北、南兩端逐漸收斂。由于西側(cè)梯子嶺斷層的形成及其長期繼承性活動(dòng)，使盆地兩翼不對稱發(fā)展，盆地西部松山下、深陂一帶，因長期急劇下沉接受沉積，為盆地的主要沉降帶。由此帶往北、往南和向東，基底逐漸抬起。因此潭溪以北，風(fēng)云渡以東和大元角一帶便沒有沉積，使盆地形成了西深東淺、西厚東薄和西細(xì)東粗的不對稱發(fā)展。在總的構(gòu)造輪廓上也受這種不對稱發(fā)育的影響，根據(jù)福建省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)資料可知(2)福建省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)，1∶5萬武平縣、上杭縣、巖前、象洞幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，1995。，在上杭城關(guān)以北地層產(chǎn)狀均向南西和南南西傾，且傾角由東向西增大，走向?yàn)楸蔽?80°～345°的方向，呈從東向西，由老至新呈疊瓦狀分布。而在上杭城關(guān)以南則地層產(chǎn)狀傾向北西及北東，即構(gòu)成一個(gè)對稱的向斜構(gòu)造，至大肚石以南地層走向變?yōu)槟媳毕?，與盆地方向一致，傾向西。盆地北部上浦灘一帶沉積最全，且?guī)r性和厚度均較穩(wěn)定，向南北兩端很快就變薄或尖滅。表明沉積中心原在上浦灘一帶，后期轉(zhuǎn)移。

4.2.2 盆地沉積構(gòu)造演化

上杭盆地處于上杭—云霄北西向構(gòu)造帶上，基底構(gòu)造復(fù)雜，但蓋層僅受北西向構(gòu)造控制，呈單向箕狀斷陷盆地產(chǎn)出。主干斷裂為梯子嶺斷裂，形成于燕山Ⅰ幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或更早，早期的斷裂性質(zhì)已很難考究。但當(dāng)其形成斷陷盆地時(shí)，斷裂性質(zhì)顯示屬張性正斷層。且成為巖漿噴發(fā)和侵入的通道，使上杭一帶的火山巖及大片的燕山期花崗巖呈北西向展布。到了早白堊世之后，發(fā)生了燕山Ⅲ幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但表現(xiàn)并不強(qiáng)烈，主要是一些斷裂的重新活動(dòng)和進(jìn)一步強(qiáng)化[14]。如北西向的上杭—云霄斷裂帶也得到進(jìn)一步強(qiáng)化，造就了北西向的上杭盆地。

盆地發(fā)育初期，與其他盆地不同，一開始就沉積了一套含凝灰質(zhì)較高較細(xì)的淺湖相為主的砂泥巖建造，后被紫紅色砂、泥質(zhì)巖覆蓋。表現(xiàn)為盆地中心細(xì)、兩端粗，分屬于河流相、湖泊相沉積。兩端粗碎屑巖繼承了下部河流相沉積，其基本層序、層理構(gòu)造等特征基本一致，表現(xiàn)為兩端向中心流向的辮狀河沉積環(huán)境。盆地中心為細(xì)碎屑巖組合，巖性以泥巖、粉砂巖為主，發(fā)育水平層理，產(chǎn)植物化石，顯示為湖相沉積。中心湖泊水深積厚，在強(qiáng)氧化的大環(huán)境中也形成局部還原環(huán)境。后來火山活動(dòng)增強(qiáng)，在盆中形成了一套火山碎屑巖，隨后火山活動(dòng)減弱，斷塊隆升，造成盆地東西兩側(cè)沉積環(huán)境的差異。晚白堊世時(shí)，盆地是繼承前期的斷陷盆地而發(fā)育的，隨著盆地構(gòu)造應(yīng)力的轉(zhuǎn)換，沉積作用轉(zhuǎn)為側(cè)向堆積為主，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育山間盆地沉積，為一套成熟度低的紅色粗復(fù)陸屑建造，并且盆地進(jìn)一步萎縮，處于封閉、消亡階段。

因此在沙縣組初期沉積的巖性、巖相上，有別于一般斷陷盆地發(fā)育的特征。一開始就沉積了一套含凝灰質(zhì)較高較細(xì)的淺湖相為主的砂泥巖建造，甚至還有暗色泥質(zhì)巖系的沉積，(杭二井下部見50余米灰-紫紅色砂、泥質(zhì)巖) 并不存在填平補(bǔ)齊的階段，這是符合繼承式盆地發(fā)展規(guī)律的。

5 結(jié)論

(1)對上杭紅層盆地沙縣組中含火山碎屑巖夾層樣品進(jìn)行了鋯石U-Pb同位素測年，得出2組年齡分別為(101.1±1.3)Ma，(93.69±0.82)Ma，認(rèn)為沙縣組的時(shí)代為早白堊世晚期-晚白堊世早期。

(2)上杭紅層盆地的形成主要受斷裂的控制，其主干斷裂為梯子嶺斷裂，盆地發(fā)育初期伴隨有微弱的火山活動(dòng)，沉積一套含凝灰質(zhì)較高的砂泥巖建造。中期斷陷活動(dòng)加強(qiáng)，伴隨較強(qiáng)烈的火山活動(dòng)，覆蓋了早期的沉積。晚期盆地繼承了前期的斷陷，構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)換，以粗復(fù)陸屑為主，盆地萎縮封閉。

(3)上杭盆地受北西向構(gòu)造控制，與福建境內(nèi)其他紅層盆地明顯不同，它的形成機(jī)理、應(yīng)力作用的方式和方向還需要進(jìn)一步分析研究，具體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)如何影響其成盆的時(shí)間及沉積分布，還需要做更多的工作進(jìn)行考證。

致謝：文章主要依托“福建省白堊紀(jì)中晚期紅層盆地形成與構(gòu)造背景研究”項(xiàng)目編寫而成，系項(xiàng)目組集體勞動(dòng)成果。