熊耳裂陷槽云夢(mèng)山組LAICPMS碎屑巖鋯石UPb年代學(xué)特征及其地質(zhì)意義

耿軍陽， 劉麗萍， 羅順社,3， 張 嚴(yán)， 呂奇奇， 王銅山

(1. 長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 中國石油長慶油田分公司 第七采油廠，陜西 西安 710200； 3. 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100； 4. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083 )

0 引言

華北克拉通大約在2.50 Ga完成克拉通化，隨后經(jīng)歷新太古代末期超級(jí)克拉通形成之后的一次全球大規(guī)模裂解事件[1-2]，最終于1.85 Ga由微陸塊拼合為穩(wěn)定的克拉通[3-4]，進(jìn)入沉積蓋層演化階段。在拉伸的構(gòu)造背景下，發(fā)育南、北裂陷槽和北緣、東緣裂谷帶，分別對(duì)應(yīng)熊耳裂陷槽、燕遼裂陷槽、渣爾泰—白云鄂博—化德裂谷帶和徐淮—旅大—平南裂谷帶[2,5]。南緣熊耳裂陷槽大致呈“三角形”，其中一角以NNE—SN向楔入華北克拉通，底部發(fā)育巖漿巖，往上發(fā)育濱—淺海沉積，中間夾新元古界羅圈組及同時(shí)期的冰磧巖，巖性變化大，構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)現(xiàn)象豐富，是華北克拉通開展中—新元古界研究的焦點(diǎn)。

目前，對(duì)熊耳裂陷槽地層年代歸屬存有爭(zhēng)議，文獻(xiàn)[6]、邢裕盛等[7]將由兵馬溝組—北大尖組組成的汝陽群歸入中元古界薊縣系，將由崔莊組—洛峪口組組成的洛峪群歸入新元古界青白口系；陳晉鑣等[8]將兵馬溝組—洛峪口組統(tǒng)稱為“汝陽群”，統(tǒng)一歸入中元古界薊縣系。為限定地層年代，文獻(xiàn)[6]在三教堂組和崔莊組獲得海綠石K-Ar測(cè)年數(shù)據(jù)，分別為1 071～1 089、1 138～1 159 Ma，作為將洛峪群劃歸青白口系的依據(jù)；胡國輝等[9]對(duì)嵩山地區(qū)五佛山群底部馬鞍山組開展LA-ICP-MS碎屑巖鋯石U-Pb 年齡測(cè)定，最年輕的碎屑巖鋯石年齡分別為(1 732±11)、(1 655±22)Ma，認(rèn)為五佛山群沉積時(shí)代晚于1 655 Ma；HU Guohui等[10]在汝陽群底部獲得最年輕的碎屑巖鋯石年齡((1 744±22)Ma)，認(rèn)為汝陽群沉積時(shí)代晚于1 744 Ma。這些研究結(jié)果為確定熊耳裂陷槽的地層年代歸屬提供重要證據(jù)，但研究區(qū)汝陽—魯山一帶的碎屑巖鋯石研究比較薄弱，汝陽群云夢(mèng)山組年代地層歸屬有待進(jìn)一步確定。

筆者對(duì)河南新安黛眉山地區(qū)汝陽群云夢(mèng)山組開展LA-ICP-MS碎屑巖鋯石U-Pb測(cè)年，對(duì)比華北克拉通南緣不同地區(qū)同時(shí)期碎屑巖鋯石年齡，探討云夢(mèng)山組沉積時(shí)代和物質(zhì)來源，揭示華北克拉通南緣結(jié)晶基底及熊耳裂陷槽的演化特征，為該地區(qū)的地層對(duì)比和年代地層格架建立提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

熊耳裂陷槽主要分布于豫、晉、陜?nèi)〗唤缣帲浴霸ノ鳌钡貐^(qū)為主[11]。熊耳裂陷槽中—新元古界主要由下部熊耳群巨厚(最厚達(dá)7.0 km)的中性夾酸性火山巖基底，以及上部碎屑巖、碳酸鹽巖沉積蓋層組成[1]。根據(jù)區(qū)域巖性組合和沉積特征，將熊耳裂陷槽中—新元古代地層劃分為中條山—王屋山地層小區(qū)(Ⅰ)、澠池—確山地層小區(qū)(Ⅱ)、小秦嶺—欒川地層小區(qū)(Ⅲ)、嵩山—箕山地層小區(qū)(Ⅳ)(見圖1(a))[12-15]。其中，中條山—王屋山地層小區(qū)位于裂谷盆地西北緣，整體以碎屑巖為主，部分地區(qū)略有差異；澠池—確山地層小區(qū)位于裂谷盆地中部，為NW—SE向條帶狀展布的地層分區(qū)，以碎屑巖—碳酸鹽巖過渡產(chǎn)物為主；小秦嶺—欒川地層小區(qū)位于裂谷盆的南緣，以碳酸鹽巖為主；嵩山—箕山地層小區(qū)位于裂谷盆地北東緣，以硅質(zhì)碎屑巖為主。

研究區(qū)主要位于澠池—確山地層小區(qū)，長城系分布較為廣泛。研究區(qū)長城系主要發(fā)育熊耳群、汝陽群和洛峪群，其中汝陽群自下而上分為小溝背組、云夢(mèng)山組、白草坪組和北大尖組，總厚度為1.0～1.6 km，主要分布于河南省澠池、宜陽、汝陽、汝州、魯山、臨汝等地。小溝背組以礫巖、(含礫)粗砂巖及中—細(xì)砂巖為主，下部礫石含量高，多呈次棱角狀，局部呈疊瓦狀分布，中上部粒度變細(xì)，巖性為中—粗粒長石砂巖及巖屑長石砂巖，發(fā)育大型交錯(cuò)層理、透鏡狀層理、平行層理及沖刷面等構(gòu)造，為扇三角洲沉積；在汝陽地區(qū)沉積厚度約為900.00 m，在萬安山地區(qū)沉積厚度為527.12 m，在黛眉山地區(qū)沉積厚度為88.00 m。云夢(mèng)山組主要發(fā)育一套紫紅色砂礫巖、不等粒石英砂巖夾紫紅色泥巖組合，研究區(qū)底部為礫巖層，發(fā)育赤鐵礦層，沉積厚度區(qū)域性變化較大，分布范圍較為廣泛，一般為161.00～1 008.00 m。白草坪組主要為一套紫紅色和紫灰色頁巖、砂巖互層組合，在中條山地區(qū)超覆不整合于熊耳群之上，沉積厚度一般為72.00～214.00 m。北大尖組與下伏白草坪組呈整合接觸，為一套石英砂巖夾頁巖，頂部可見砂礫屑白云巖或疊層石白云巖，主要分布于豫西、中條山、王屋山等地區(qū)，沉積厚度一般為186.00～420.00 m(見圖1(b))。

圖1 熊耳裂陷槽地層分布及采樣位置Fig.1 The stratigraphic distribution and sampling position of Xionger Aulacogen

2 樣品采集及數(shù)據(jù)處理

樣品采集于河南省洛陽市新安縣黛眉山地區(qū)(見圖1(a))，采樣點(diǎn)坐標(biāo)為北緯 35°2′1.72″、東經(jīng)111°57′44.26″。

樣品粉碎及鋯石挑選由廊坊市科大巖石礦物分選技術(shù)股份有限公司協(xié)作完成。首先，采用浮選法和電磁法進(jìn)行分選，在雙目鏡下挑選晶體形態(tài)較完好、大小不同的單顆粒鋯石進(jìn)行制靶；然后，對(duì)鋯石樣品進(jìn)行透射光、反射光、陰極發(fā)光(CL)照相等，制靶和透射光、反射光、陰極發(fā)光照相由武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司協(xié)作完成；最后，利用透射光、反射光、陰極發(fā)光照片觀察鋯石晶體的完整性，以及包裹體、環(huán)帶、晶形等特征，反復(fù)對(duì)比，選擇晶形完好、無包裹體、環(huán)帶外緣的點(diǎn)作為激光剝蝕點(diǎn)進(jìn)行下一步測(cè)試[16-17]。

鋯石微區(qū)U-Pb測(cè)年由武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司協(xié)作完成。采用美國Coherent相干激光公司193 nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)(GeoLas-HD)和安捷倫7900電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)；使用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)進(jìn)行校正，微量元素校正標(biāo)準(zhǔn)樣品為NIST 610，同位素比值監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)樣品為GJ-1。每完成5個(gè)測(cè)點(diǎn)加測(cè)兩次標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500。

對(duì)大于1 000 Ma的古老鋯石，由于存在鉛丟失現(xiàn)象，一般采用207Pb/206Pb年齡更為可靠[18-19]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用ICPMSDataCal軟件[20]和Isoplot程序[21](3.0版本)進(jìn)行分析處理，計(jì)算加權(quán)平均年齡，繪制諧和圖。

3 同位素年齡分析

共采集碎屑巖樣品51塊，其中云夢(mèng)山組碎屑巖樣品為33塊。碎屑巖樣品DMS-17為紫紅色石英砂巖，在研究區(qū)分布較為廣泛，具有代表性，且風(fēng)化程度較低，因此選取該樣品進(jìn)行LA-ICP-MS碎屑巖鋯石U-Pb同位素年齡分析。陰極發(fā)光圖像(見圖2)顯示，碎屑巖樣品DMS-17中鋯石顆粒形狀以長柱狀、等軸狀居多，偶見紡錘形；鋯石內(nèi)部特征差異明顯，大部分鋯石具有明顯的巖漿生長振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中多數(shù)結(jié)晶環(huán)帶較窄，顯示為巖漿成因鋯石；個(gè)別鋯石可見較薄的灰白色增生邊(見圖2(c-d))，表明可能經(jīng)歷后期熱事件或變質(zhì)事件改造。碎屑巖鋯石粒徑介于50～150 μm，長寬比多為2∶1，以次圓狀、次棱角狀為主，偶見渾圓狀顆粒，表明可能離物源區(qū)較近，遭受搬運(yùn)和磨蝕的時(shí)間較短。

圖2 云夢(mèng)山組石英砂巖(DMS-17)碎屑鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.2 CL images of detrital zircons in the quartz sandstone(DMS-17) from Yunmengshan Formation

碎屑巖鋯石(樣品DMS-17)的Th和U質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(8.76～161.70)×10-6、(12.60～189.00)×10-6，Th/U介于0.26～1.79，多集中在0.40～0.80之間，表明鋯石具有巖漿成因的特征(見表1)。

云夢(mèng)山組碎屑巖樣品DMS-17獲得80個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)(見表1)，對(duì)樣品的有效數(shù)據(jù)作諧和曲線圖和年齡分布柱狀圖，可見多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于諧和線附近(見圖3(a))，諧和度大于90%。按分布頻率特征大致可分為3組(見圖3(b))：

(1)碎屑巖鋯石207Pb/206Pb年齡集中在1 700～1 906 Ma之間，加權(quán)平均年齡為1 789 Ma(n=22，MSWD=1.20)，峰值年齡為1 771 Ma；

(2)碎屑巖鋯石207Pb/206Pb年齡集中在1 921～2 400 Ma之間，加權(quán)平均年齡為2 105 Ma(n=46，MSWD=6.00)，峰值年齡為2 083 Ma；

(3)碎屑巖鋯石207Pb/206Pb年齡集中在2 435～2 724 Ma之間，加權(quán)平均年齡為2 541 Ma(n=12，MSWD=4.40)，峰值年齡為2 512 Ma。

云夢(mèng)山組碎屑巖鋯石的年齡分布在1 700～2 724 Ma之間，年齡跨度較大，反映云夢(mèng)山組物源較為復(fù)雜。

表1 云夢(mèng)山組石英砂巖(DMS17)碎屑鋯石樣品LAICPMS UPb分析結(jié)果

續(xù)表1

圖3 云夢(mèng)山組石英砂巖(DMS-17)碎屑鋯石U-Pb諧和曲線及年齡分布Fig.3 Detrital zircon U-Pb concordia diagrams and age dictribution of quartz sandstone(DMS-17) in Yunmengshan Formation

4 地質(zhì)意義

4.1 云夢(mèng)山組沉積時(shí)限

有關(guān)云夢(mèng)山組下伏地層熊耳群的研究集中于將熊耳群的形成時(shí)間限定在1.80～1.75 Ga之間，高峰期為1.78 Ga[22-23]。汪校鋒[24]對(duì)河南省澠池以北汝陽群云夢(mèng)山組底部礫巖及石英砂巖、魯山縣冷風(fēng)口地區(qū)汝陽群云夢(mèng)山組底部礫巖、舞鋼市尹集地區(qū)汝陽群云夢(mèng)山組底部礫巖開展碎屑巖鋯石測(cè)年，分別獲得最年輕的鋯石年齡為(1 711±37)、(1 730±27)、(1 774±32)、(1 763±51)Ma，認(rèn)為(1 711±37)Ma為云夢(mèng)山組最古老的沉積時(shí)代。

云夢(mèng)山組80顆鋯石測(cè)試點(diǎn)年齡的多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)沿諧和線及其附近分布，為有效年齡。年齡分布在1 700～2 724 Ma之間，靠近諧和線的最年輕的碎屑鋯石年齡為(1 700±55)Ma，表明云夢(mèng)山組最大的沉積年限約為1 700 Ma。

4.2 物源區(qū)分析

根據(jù)鋯石年齡分布柱狀圖(見圖3(b))，云夢(mèng)山組年齡分布可分為3組，分別為2.75～2.40 Ga(峰值為2 512 Ma)、2.40～1.95 Ga(峰值為2 083 Ma)、1.95～1.70 Ga(峰值為1 771 Ma)，所占比例分別為15.00%、57.50%、27.50%(見表1)，推測(cè)云夢(mèng)山組物源主要來自于中元古代早期或古元古代的巖石。

在河南省魯山、山東省西部發(fā)現(xiàn)2.80～2.70 Ga的巖石[25-26]，在河南省嵩山發(fā)現(xiàn)較多2.65～2.50 Ga的巖石，巖性主要為TTG片麻巖和表殼巖[27-29]，以及少量約為2.50 Ga的富鉀花崗巖[30]，云夢(mèng)山組2.75～2.40 Ga的碎屑巖鋯石年齡是對(duì)古老巖石的反映。由于云夢(mèng)山組2.75～2.40 Ga的碎屑巖鋯石所占比例較低(為15.00%)，表明云夢(mèng)山組的物源并非主要來自于新太古代巖石。

云夢(mèng)山組樣品分布較多的年齡范圍為2.40～1.95 Ga(峰值為2 083 Ma)，所占比例為57.50%，指示物源以約為2.10 Ga的巖石為主，來自于古元古代中期的巖石主要為太華群變質(zhì)火山—沉積巖[31]、魯山—中條山地區(qū)的花崗質(zhì)巖及嵩山群石英巖(2.45～2.00 Ga)[32]。

云夢(mèng)山組樣品的碎屑巖鋯石中還有部分1.95～1.70 Ga的鋯石年齡，所占比例為27.50%，指示物源來自于中元古代早期的熊耳群火山巖(1.80～1.75 Ga)[33]、富鉀花崗巖((1 797±4)、(1 743±4)Ma)，以及鎂鐵質(zhì)巖墻群[34]，部分年齡約為1.85 Ga的鋯石與古元古代末期的華北克拉通拼合相關(guān)。

4.3 碎屑巖鋯石與大地構(gòu)造演化

云夢(mèng)山組物源分析對(duì)揭示熊耳裂陷槽及華北克拉通的構(gòu)造演化特征具有重要意義。云夢(mèng)山組碎屑巖鋯石記錄約為2.50 Ga的峰值年齡及少數(shù)約為2.70 Ga的年齡分布，2.90～2.70 Ga被認(rèn)為是華北克拉通大規(guī)模陸殼生長時(shí)期[36]，巖體證據(jù)主要有魯西地區(qū)的綠巖帶和TTG片麻巖，以及來自膠東、中條山、河南省和內(nèi)蒙古自治區(qū)等地的TTG片麻巖[28-30,37]。同時(shí)，克拉通內(nèi)部片麻巖、TTG和花崗質(zhì)片麻巖的鋯石原位U-Pb、Hf同位素及Sr-Nd同位素分析發(fā)現(xiàn)，具有2.90～2.70 Ga的Hf和Nd模式年齡，形成時(shí)代或從地幔抽取時(shí)代為2.90～2.70 Ga，反映華北克拉通有大規(guī)模陸殼形成過程[28-30,38-39]。

云夢(mèng)山組碎屑鋯石U-Pb年齡分布顯示存在大量2.40～1.95 Ga的年齡分布，峰值約為2.10 Ga。2.30～2.00 Ga期間，華北克拉通可能經(jīng)歷一次基底陸塊的斷裂—拉伸事件，在華北北緣、東緣及中部地區(qū)形成豐鎮(zhèn)、膠遼和晉豫三個(gè)裂谷帶，從而形成豐鎮(zhèn)、膠遼和晉豫三個(gè)克拉通內(nèi)部凹陷盆地(或裂谷帶)。已發(fā)現(xiàn)的同期的基性巖墻、裂谷型火山巖及A型花崗巖[40-43]等具有伸展性質(zhì)，可以有效論證這一觀點(diǎn)。

云夢(mèng)山組碎屑巖鋯石U-Pb年齡還有部分分布在1.95～1.70 Ga之間，峰值年齡約為1.80 Ga。華北克拉通在1.95～1.82 Ga之間發(fā)生大規(guī)模變質(zhì)事件，與變質(zhì)作用有關(guān)的花崗巖和偉晶巖脈侵入，可能與1.95～1.80 Ga豐鎮(zhèn)、膠遼和晉豫三個(gè)裂谷帶的造山活動(dòng)相關(guān)[3,40]。1.80～1.75 Ga年齡分布的碎屑巖鋯石對(duì)應(yīng)熊耳裂陷槽的發(fā)育，伴隨1.78 Ga基性巖墻群的侵入[43]。

5 結(jié)論

(1)熊耳裂陷槽汝陽群下部云夢(mèng)山組最年輕的一組碎屑巖鋯石年齡為1.95～1.70 Ga，峰值年齡為1 771 Ma，地層沉積時(shí)限不晚于1 771 Ma，認(rèn)為云夢(mèng)山組時(shí)代下限約為1.70 Ga。

(2)云夢(mèng)山組碎屑巖鋯石的年齡分布特征表明，云夢(mèng)組物源區(qū)可能來自于中元古代早期或古元古代的巖石，其中來自2.40～1.95 Ga的物源較多。

(3)云夢(mèng)山組碎屑巖鋯石年齡峰值與華北克拉通前寒武地質(zhì)事件具有較好的響應(yīng)關(guān)系，2.90～2.70 Ga的碎屑巖鋯石年齡分布主要反映克拉通盆地的大規(guī)模生長；約為2.50 Ga的峰值年齡反映華北克拉通化的主要過程；1. 95～1. 80 Ga的年齡分布主要與豐鎮(zhèn)、膠遼和晉豫三個(gè)裂谷帶的造山活動(dòng)相關(guān)；1.80～1.75 Ga的年齡分布對(duì)應(yīng)熊耳裂陷槽的發(fā)育。