Recognition of the sedimentation age of a series of purple-red colored glutenite sedimentary rocks in Dahong Mountain area, northern Hubei Province: Detrital zircon U-Pb geochronology and its geological significance
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摘要:
湖北大洪山地区花山群六房咀组之上不整合覆盖了一套紫红色砂-砾岩。这套岩石的沉积时代存在争议，一种观点认为是南华纪早期；另一种观点认为是晚侏罗世。利用LA-ICP-MS分析技术，对这套碎屑沉积岩进行了碎屑锆石U-Pb测年，获得有效年龄数据125组，年龄值变化范围较大（3223～771Ma），主要集中于新太古代末-古元古代早期（约2500Ma）、古元古代（约2000Ma）和新元古代（约800Ma）3个时间段。对比鄂东南地区和三峡地区莲沱组岩石学特征和碎屑锆石年龄分布特征，认为其具有相似的物源，这套岩系沉积时代应该为南华纪早期而非晚侏罗世。综合分析扬子地块的前寒武纪年龄，认为扬子地块可能存在大量未岀露的新太古代末-古元古代早期（约2500Ma）基底，约2500Ma的岩石应该是扬子地块深部基底的重要组成部分。扬子地块存在广泛的古元古代（约2000Ma）岩浆活动，这期岩浆活动可能是Columbia超大陆聚合在扬子地块的响应。新元古代（约800Ma）扬子地块北缘存在Rodinia超大陆裂解同期裂谷，裂谷内基性岩可能为大洪山地区南华纪地层中基性岩砾石的物源。
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关键词:
- 莲沱组 /
- 碎屑锆石 /
- LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄 /
- 扬子地块 /
- 大洪山
Abstract:The sedimentary age of a series of purple-red colored glutenite sedimentary rocks in Dahong Mountain area of northern Hubei Province is controversial. Some researchers hold that it is of late Jurassic period, while others believe it is of early Nanhua peri-od. In this paper, the authors studied detrital zircon geochronology of this layer and obtained 125 groups of effective age data which range from 3223Ma to 771Ma, and the age data are focused on three periods:late Neo-Archean to early Paleoproterozoic (~2500Ma), Paleoproterozoic (~2000Ma), and Neoproterozoic (~800Ma). The authors compared the petrological features and the detri-tal zircon age distribution of Liantuo Formation in southeastern Hubei, Three Gorges area, and the purple-red colored glutenite. It is considered that the Liantuo Formation in southeastern Hubei, Three Gorges area and the purple-red colored glutenite have similar sources. The sedimentary age of this series of purple-red colored glutenite sedimentary rocks in Dahong Mountain area of northern Hubei Province is early Nanhua period rather than the late Jurassic period. Based on a comprehensive analysis of the Precambrian age of Yangtze block, the authors hold that there may exist lots of Neo-Archean to early Paleoproterozoic concealed rocks, and the rocks around 2500Ma may be an important part of the basement of Yangtze block. There existed a magmatic activity around 2000Ma in Yangtze block, and it may be connect to the aggregate event of Columbia supercontinent. There is a Neoproterozoic rift on the northern margin of Yangtze block, which might be connected to the breakup of Rodinia supercontinent, and the basic rock was probably the source of the mafic gravel in the purple-red colored glutenite sedimentary rocks.
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Keywords:
- Liantuo Formation /
- LA-ICP-MS zircon U-Pb ages /
- Yangtze block /
- Dahong Mountain
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三水盆地是南海北部陆缘唯一具有大规模新生代火山喷发记录的沉积盆地。盆地新生代火山喷发组合以粗面岩、玄武岩和流纹岩为代表，总体体现板内的大陆裂谷环境[1-10]。根据前人研究，三水盆地存在13期火山喷发[1-2, 5-6, 8, 11]，其中大多数集中于古新世和始新世。时代最新的玄武岩年龄为38Ma[12]，这也是南海北部大陆边缘地区迄今获得的南海扩张之前最晚的火山喷发年龄。本文报道的西樵山独岗流纹岩和石头村玄武岩样品是新近采得，应用K-Ar法经过严格的测试和检验，分别测得28.25Ma和29.27Ma的同位素地质年龄。这一新的结果将三水盆地的火山喷发序列推迟至渐新世中期，也改变了长期以来关于南海扩张期间（32~ 16Ma）无陆上火山喷发活动的传统认识，对于区域构造环境的解读和南海扩张过程的研究具有重要意义。
1. 地质背景
三水盆地位于广东省南部，是中国华南大陆最贴近南海的内陆盆地。盆地主要断裂带是吴川-四会断裂带、西江断裂带和三水-西樵山断裂带，新生代地层自下而上有莘庄村组、㘵心组、宝月组和华涌组。
三水盆地是南海北部唯一存在早新生代大规模火山喷发的陆缘盆地，前人总结的13期火山喷发活动中绝大部分（10~11期）发生在古新世—中始新世（60.5~38Ma），喷发岩的主要种类为玄武岩、粗面岩和流纹岩，地表出露地点主要有紫洞、王借岗、走马营、西樵山、狮岭、黎边山等地，基性岩与中酸性岩呈近南北向双列线性展布。本文分析样品是采自石头村的玄武岩和独岗的流纹岩（图 1）。
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西樵山是三水盆地出露面积最大的火山喷发点，各类熔岩、集块岩、熔结凝灰岩、凝灰岩发育齐全。根据以往报道，该地粗面岩数量巨大，年龄一般为45Ma，是盆地火山活动最强烈的第10期喷发的主要代表。独岗贴近西樵山，可能是西樵山火山体系的一部分，也可能属于后期的独立喷发。独岗岩体呈灰黄色，柱状节理非常发育，化学分析结果表明其为典型的流纹岩。石头村位于三水盆地东北部，是盆地内玄武岩出露的主要地区之一，但随着当地经济建设的发展，露头已被挖掘殆尽，本文的分析样品来自某工程施工现场。
2. K-Ar年代测试
测试玄武岩选用剔除斑晶的基质，流纹岩选用透长石单矿物，测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成，K含量测量采用锂内标钠缓冲火焰光度计法，火焰光度计型号为6400，所用标样为房山花岗闪长岩体黑云母（编号ZBH-25）和腾冲芒棒玄武岩（编号TC-18）。Ar含量测量采用VSS-RGA-10质谱计，稀释法静态测量，标样为房山花岗闪长岩体黑云母（编号ZBH-25）。计算过程中的标准值据桑海清等[17]。计算所用衰变常数λ= 5.543×10-10/a，40K/∑K=1.167×10-4。
玄武岩测试年龄为29.27±1.52Ma，流纹岩测试结果为28.25±1.14Ma，均属渐新世，具体测试结果见表 1。测试过程中所选标样房山花岗闪长岩体黑云母（编号ZBH-25）K含量标准值为7.60%，实测值7.04%，腾冲芒棒玄武岩（编号TC-18）K含量标准值1.04%，实测值1.01%。Ar含量测量标样ZBH-25标准值为132.9±1.3Ma，实测值为132.47Ma。测试方法合理，数据可靠，笔者认为测试年龄可为后续科学研究提供可靠的年代学依据。
表 1 三水盆地火山岩K-Ar测年数据结果Table 1. The K-Ar isotopic dating results of the volcanic rocks in Sanshui Basin岩性 玄武岩 流纹岩 K含量/% 1.70±2.56 4.92±2.92 称样量/g 0.0211 0.0101 40Ar*/(mol·g-1) 8.70E-11 2.43E-10 40Ar*% 48.8661 54.64888 38Ar/mol 7.12E-12 7.15E-12 40/38Ar 0.527478±2.51E-05 0.628125±0.000384 36/38Ar 0.000932±2.01E-05 0.000984±7.39E-06 40Ar*/40K 0.001715±8.97E-05 0.001654±6.71E-05 年龄值/Ma 29.27±1.52 28.25±1.14 注：40Ar*代表放射性成因40Ar 3. 岩石矿物和地球化学特征
3.1 岩石矿物学特征
石头村玄武岩呈黑色，少见气孔，具斑状结构（图 2-a），斑晶为斜长石（15%）、橄榄石（10%）和辉石（5%）。基质为拉斑玄武结构，包含斜长石微晶（20%）和火山玻璃（30%），橄榄石形状不规则，晶体较大，有不规则裂纹且个别橄榄石有蛇纹石化现象（图 2-b）。辉石形状较规则，呈八边形，有裂纹，发育较弱的环带，且裂纹穿过环带（图 2-c）。斜长石形状规则，发育大量环带，且环带清晰、完整，无裂纹、无蚀变现象。
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图 2 三水盆地石头村玄武岩手标本（a）及显微照片（b、c）(b、c左为单偏光，右为正交光)b—橄榄石及蛇纹石化；c—辉石环带；Ol—橄榄石；Aug—辉石；Cl—斜长石；Srp—蛇纹石Figure 2. Hand specimen(a) and photomicrographs(b, c) of Shitoucun basalt in Sanshui Basin流纹岩呈灰色，少见气孔，斑状结构，块状构造（图 3-a），矿物组成为长石、石英、黑云母。斑晶主要为碱性长石（10%），偶见长石斑晶中包裹小颗粒长石（图 3-b），碱性长石斑晶呈自形-半自形，有不规则裂纹，大小为1~1.5mm，基质为微晶结构，碱性长石微晶半定向排列，其间充填有玻璃质成分。副矿物为菱铁矿（1%~2%）（图 3-c）。以上岩石矿物特征与前人研究的时代较老的同类岩石一致[5, 11, 18]。
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图 3 三水盆地独岗流纹岩手标本(a)及显微照片（b、c左为单偏光，右为正交光）b—长石；c—菱铁矿及辉石；Aug—辉石；Afs—碱性长石；Mgs—菱铁矿Figure 3. Hand specimen(a) and photomicrographs(b, c) of Dugang rhyolite in Sanshui Basin3.2 地球化学特征
石头村玄武岩和独岗流纹岩元素地球化学分析数据见表 2。石头村玄武岩(图 4)SiO2含量为47.57%，TiO2含量为2.78%（大于2%），K2O+Na2O含量为4.54%，且Na2O>K2O。该类岩石富集Nb、Ta、Zr、Hf等不相容元素，稀土元素总量为133.74×10-6，轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，La/Yb值为12.12，Ce/Yb值为25.1。在微量元素蛛网图上具有与OIB（洋岛玄武岩）相似的地球化学特征(图 5- a)。La/Nb值为0.45，Nb/Zr值为0.28，Th/Nb值为0.05，与地幔热柱玄武岩特征相似[19-20]。构造环境投图判别为板内玄武岩（图 6-a）。以上特征均与盆地时代较老的玄武岩一致（图 5-a），指示伸展拉张的陆内裂谷环境。
表 2 三水盆地火山岩地球化学数据分析结果Table 2. The major, trace and rare earth elements analysis data of the volcanic rocks in Sanshui Basin地名 石头村 独岗 样品编号 14SS004 14SS013 岩性 玄武岩 流纹岩 SiO2 47.57 70.43 TiO2 2.78 0.24 Al2O3 17.34 14.24 Fe2O3 12.07 3.28 MnO 0.15 0.09 MgO 5.06 0.18 CaO 9.67 0.17 Na20 2.82 5.47 K20 1.7 4.99 P2O5 0.49 0.01 总计 99.65 99.1 Be 1.25 7.74 Sc 24.3 1.42 V 240 1.4 Cr 67.3 1.68 Co 42 9.06 Ni 40.7 1.07 Cu 45.6 7.08 Zn 100 211 Ga 22.6 44.3 Rb 32.4 325 Sr 768 8.22 Y 24.2 159 Zr 187 1504 Nb 53.1 460 Cs 0.32 2.54 Ba 318 19 La 24 175 Ce 49.7 324 Pr 6.48 36.8 Nd 27.4 125 Sm 6.19 24.1 Eu 2.16 0.21 Gd 5.96 23.3 Tb 0.92 4.21 Dy 5.01 26 Ho 0.91 5.43 Er 2.4 16.2 Tm 0.34 2.64 Yb 1.98 16.4 Lu 0.29 2.46 Hf 4.56 37.4 Ta 3.13 26.5 Pb 2.57 37.6 Th 2.55 58 U 0.73 14.7 注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素为10-6 ![]()
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图 6 玄武岩（a）和流纹岩（b）构造环境判别图(a底图据参考文献[25]；数据据参考文献[6-7, 12, 15-16]）和流纹岩构造环境判别图；b底图据参考文献[26]；A型花岗岩数据据参考文献[27-28]；其他对比数据据参考文献[5-7, 12, 15-16, 18]）
A—岛弧拉斑玄武岩；B—MORB、岛弧拉斑玄武岩、钙碱玄武岩；C—钙碱性玄武岩；D—板内玄武岩；ORG—洋脊花岗岩；WPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；syn-COLG—同碰撞花岗岩Figure 6. The discrimination of tectonic setting of basalts (a) and rhyolites (b)独岗流纹岩（图 4）SiO2含量为70.43%，Na2O为5.47%，K2O为4.99%，Al2O3为14.24%，属高钾钙碱性；富集Nb、Ta、Zr、Hf、Th等不相容元素，亏损Ba、Sr、P、Ti、Eu等；稀土元素总量为781.75×10-6，轻稀土元素总量为708.41×10-6，La/Yb值为10.67，Ce/ Yb值为19.76，具有负Eu异常，构造环境判别图显示其产出于板内环境（图 6-b）。与A型花岗岩特征相似，在微量元素蛛网图上与红海Afar地幔柱流纹岩具有一致的分布曲线（图 5-b）。以上特征与盆地时代较老的流纹岩一致，属于板内拉张的陆内裂谷环境。
综上所述，石头村玄武岩和独岗流纹岩与三水盆地新生代基性岩和酸性岩的基本特征一致，均产自板内构造环境，表明它们与前人总结的研究区古、始新世双峰式火山喷发模式一脉相承[5-7, 15]，仍属于陆内裂谷体系[1-6]。
4. 讨论
三水盆地古新世—始新世发生大规模的火山喷发活动，有“三水热点”之称[5-8]。这种多期次、多旋回的激烈火山活动在华南地区同时期构造盆地中“一枝独秀”，没有类似的地域可供比拟。盆地基性和中酸性喷出岩分别与OIB和Afar地区同类型火山岩具有相似的地球化学特征，可能受控于地幔柱上涌[5-6]，代表大陆裂谷[1-6]，是大陆边缘发生破裂的产物。结合南海演化过程及北部陆域的区域地质特征，推测盆地火山活动的性质和时间（38~ 60Ma），大体相当于Afar于红海开裂，属于威尔逊旋回中洋盆扩张前的陆内裂谷阶段。
大西洋、红海的演化路径是体现威尔逊旋回的典型范例，即它们在发生扩张的同时，邻近陆域伴有长期的裂谷型火山喷发活动。北大西洋扩张始于早侏罗世末期，北美大陆边缘保存有至新生代早期的火山记录，红海扩张发生在渐新世初，其阿拉伯一侧的火山喷发活动至今未绝。南海被认为是大西洋式张裂形成的海盆[29-32]，但是根据以往资料，在南海扩张期间其周缘陆地鲜有岩浆活动记录，即使如三水盆地这类新生代早期具有陆内裂谷火山活动特征的火山喷发中心，也在南海扩张之前的始新世中晚期（38Ma）完全停止了岩浆活动。这一现象受到研究者的广泛关注[8-9, 33-38]，但迄今尚没有合理的解释。
在南海海域自始新世中晚期至南海开裂期间基本没有火山记录，洋岛火山岩年龄多集中在3.69~ 18.61Ma[39-43]，基本属于南海扩张停止以后的岩浆活动的产物，对理解南海早期开裂-扩张机制可能不具有太大意义。而本文火山岩喷发正值南海早期扩张阶段，玄武岩和流纹岩构成常见的双峰裂谷模式，与盆地之前的火山活动较一致，将伴随南海扩张的陆域火山活动记录拉长至渐新世中期，改变了南海扩张期间周边陆域无重要火山活动的传统认识。虽然仅从它们的发现还不足以构建南海早期的开裂-扩张模式，但是对传统认识已经形成突破，为正确理解南海早期演化提供了新的材料和视角。
5. 结论
三水盆地渐新世火山岩的发现修正了关于南海早期扩张过程中在其北部陆域缺乏火山喷发记录的传统认识，将双峰式陆内裂谷岩浆活动延续至渐新世中期，即南海早期扩张阶段。这一新的认识对于通过海陆对比进一步分析和总结南海的早期演化模式具有重要意义。
致谢: 中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室相关工作人员在锆石分析方面给予协助，王人镜老师在岩石薄片鉴定方面给予宝贵建议，审稿人提出的建设性意见对本文的修改很有帮助，在此一并表示衷心的感谢。 -
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图 1 湖北大洪山地区地质简图(a)和大地构造位置图(b)（a据参考文献[①]；b据参考文献[45]修改）
1—紫红色砂-砾岩系；2—地层界线；3—不整合界线；4—逆断层；5—剖面线；K—白垩系；D-P—泥盆系-二叠系；S—志留系；∈-O—寒武系-奥陶系；Z—震旦系；Nh—南华系；QbW—青白口系武当群；Qbl—青白口系六房咀组；Qbh—青白口系洪山寺组；Pt2D—中元古界打鼓石群；Pt3βμ—新元古界辉绿岩
Figure 1. Simplified geological map (a) and tectonic location (b) of Dahong Mountain area, northern Hubei Province
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图 2 大洪山地区紫红色砂-砾岩系剖面及采样位置
Z1d—陡山沱组；Qb1l—六房咀组；D27-1、D27-2—采样点位置
Figure 2. Stratigraphic section and sampling locations of purple-red colored glutenite in Dahong Mountain area
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图 3 紫红色砂-砾岩野外照片（a、b）及镜下鉴定照片（c、d）
a—地层中发育的斜层理；b—地层中的粒序层理；c、d—紫红色砂岩呈孔隙式胶结（正交偏光）
Figure 3. Field(a, b)and microscopic(c, d)photographs of the purple-red colored glutenite sedimentary rocks
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图 4 湖北大洪山地区紫红色砂-砾岩系中砂岩样品部分锆石阴极发光（CL）图像及对应年龄（比例尺长度为50μm）
Figure 4. Features of zircons (CL) of the sandstone samples in purple-red colored glutenite sedimentary rocks from Dahong Mountain area
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图 5 大洪山地区紫红色砂-砾岩系中砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谐和图及年龄直方图
Figure 5. U-Pb concordia diagrams and age histogram of the zircons in the sandstone samples in purple-red colored glutenite sedimentary rocks in Dahong Mountain area
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表 1 湖北大洪山地区紫红色砂-砾岩系中砂岩碎屑锆石U-Th-Pb同位素分析结果
Table 1 U-Th-Pb isotopic analyses of the detrital zircons of the sandstone samples in purple-red colored glutenite sedimentary rocks in Dahong Mountain area
分析点号 Pb/10-6 Th/10-6 U/10-6 Th/U 同位素比值 年龄/Ma 谐和度/% 207Pb/206 Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206pb/238U 1σ 207pb/206 pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206pb/238U 1σ D27-1灰紫色变质中砂岩 1 164.29 109.11 94.13 1.16 0.16 0.003 10.40 0.212 0.47 0.005 2450 33 2472 19 2480 20 99 2 199.38 121.65 127.57 0.95 0.16 0.003 10.72 0.210 0.47 0.006 2481 30 2499 18 2505 25 99 3 88.95 98.27 59.56 1.65 0.12 0.003 6.23 0.159 0.37 0.004 1998 44 2009 22 2008 18 99 4 563.63 317.06 353.89 0.90 0.18 0.003 13.12 0.216 0.52 0.004 2676 27 2688 16 2687 18 99 5 100.78 266.17 129.34 2.06 0.07 0.003 1.41 0.056 0.15 0.002 900 78 895 24 892 10 99 6 107.31 102.48 71.18 1.44 0.12 0.003 6.19 0.149 0.36 0.005 1998 43 2003 21 2004 21 99 7 230.20 244.07 128.40 1.90 0.12 0.003 6.28 0.152 0.37 0.005 1998 41 2016 21 2026 24 99 8 124.36 103.22 103.37 1.00 0.12 0.003 6.35 0.163 0.37 0.004 2000 44 2025 23 2036 21 99 9 77.70 73.04 52.87 1.38 0.13 0.004 6.58 0.194 0.38 0.005 2035 53 2056 26 2072 22 99 10 82.10 77.40 59.95 1.29 0.12 0.003 6.32 0.154 0.37 0.004 2013 43 2021 21 2025 20 99 11 269.92 261.06 220.53 1.18 0.12 0.002 6.28 0.132 0.37 0.005 2007 31 2016 18 2017 25 99 12 329.36 224.39 235.26 0.95 0.16 0.003 10.78 0.188 0.47 0.004 2495 28 2504 16 2503 18 99 13 71.39 60.68 61.38 0.99 0.12 0.003 5.86 0.138 0.35 0.005 1954 43 1956 20 1958 21 99 14 264.09 220.18 220.79 1.00 0.13 0.002 6.59 0.121 0.37 0.004 2065 31 2059 16 2047 19 99 15 55.60 44.50 49.20 0.90 0.12 0.003 6.29 0.173 0.37 0.004 2013 48 2017 24 2018 18 99 16 279.26 299.98 134.10 2.24 0.13 0.003 6.40 0.138 0.37 0.004 2043 39 2032 19 2020 16 99 17 411.19 377.22 297.15 1.27 0.12 0.003 6.21 0.125 0.36 0.003 2002 37 2006 18 2004 15 99 18 49.02 43.51 35.29 1.23 0.12 0.003 6.02 0.158 0.36 0.005 1983 49 1978 23 1984 24 99 19 34.87 67.54 80.98 0.83 0.07 0.003 1.32 0.052 0.14 0.002 878 82 853 23 854 10 99 20 73.33 162.89 131.93 1.23 0.07 0.002 1.38 0.044 0.15 0.002 880 65 882 19 882 8 99 21 160.52 155.85 102.63 1.52 0.12 0.003 6.10 0.132 0.36 0.004 1989 37 1990 19 1995 17 99 22 78.15 69.65 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