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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (10): 1750-1759  
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肖爱芳, 黎敦朋. 闽西南下古生界东坑口组与魏坊组地层层序与物源区特征——来自碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb测年的约束[J]. 地质通报, 2017, 36(10): 1750-1759.
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Xiao A F, Li D P. Stratigraphic sequence and characteristics of the source area of Lower Paleozoic Weifang Formation and Dongkengkou Formation in southwestern Fujian:Constraints from detrital zircon LA-ICP-MS U-Pb dating[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(10): 1750-1759.
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基金项目

福建省自然科学基金项目《福建西部早古生代地层层序的碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb测年的约束》(编号:2014J01157)

作者简介

肖爱芳(1969-), 女, 硕士, 副教授, 从事地理信息系统教学与年代学等研究。E-mail:xaf@fzu.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2016-07-16
修订日期: 2017-06-12
闽西南下古生界东坑口组与魏坊组地层层序与物源区特征——来自碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb测年的约束
肖爱芳, 黎敦朋    
福州大学紫金矿业学院, 福建 福州 350108
摘要: 闽西南地区下古生界魏坊组与东坑口组地层层序长期以来一直存在争议。应用LA-ICP-MS U-Pb测年,对闽西南地区下古生界魏坊组与东坑口组进行了120颗碎屑锆石的U-Pb测年,获得锆石年龄范围为506~3431Ma,主要分布于511~2796Ma之间,主要峰值年龄为964Ma,次要峰值年龄为514Ma,并存在813Ma、1231Ma、2483Ma的次级峰。年龄谱特征显示,魏坊组沉积早于东坑口组,东坑口组时代不属于中上寒武世。下古生界物源以964Ma峰值为代表,反映Grenville构造热事件的物源最显著。还获得了较丰富的峰值年龄为514Ma的泛非期构造热事件年龄,以及古太古代锆石年龄记录,为闽西南地区下古生界地层层序的确立和物源研究提供了重要新资料。
关键词: 地层层序    魏坊组    东坑口组    碎屑锆石    LA-ICP-MS U-Pb测年    
Stratigraphic sequence and characteristics of the source area of Lower Paleozoic Weifang Formation and Dongkengkou Formation in southwestern Fujian:Constraints from detrital zircon LA-ICP-MS U-Pb dating
XIAO Aifang, LI Dunpeng     
College of Zijin Mining, Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China
Abstract: The stratigraphic sequence of Lower Paleozoic Weifang Formation and Dongkengkou Formation in southwestern Fujian has long been a problem of controversy. In this paper, the authors studied geochronology of 120 detrital zircon samples from the Lower Paleozoic Weifang Formation and Dongkengkou Formation sedimentary rocks in southwestern Fujian by LA-ICP-MS U-Pb dating, and obtained zircon ages ranging from 506Ma to 3431Ma, with most of the data from 511Ma to 2796Ma, the main peak value 964Ma, a secondary peak value 514Ma, and secondary peak values 813Ma, 1231Ma, 2483Ma. Characteristics of the age spectrum suggest that Weifang Formation was deposited earlier than Dongkengkou Formation. Age of Dongkengkou Formation does not belong to MiddleUpper Cambrian. Lower Paleozoic source with peak value at 964Ma most significantly reflects the Grenville tectonic event. The authors also received peak value age of 514Ma of Pan-African tectonic event. In addition, the authors found Paleoarchean zircon ages record. Important new information is thus provided for the establishment of Lower Paleozoic stratigraphic sequence; source studies.
Key words: stratigraphic sequence    Weifang Formation    Dongkengkou Formation    detrital zircon    LA-ICP-MS U-Pb dating    

LA-ICP-MS锆石U-Pb测年是确定地质体形成时代的重要方法之一。目前对缺少生物化石和火山岩的地层,尚无其他更好的方法来定年,但碎屑锆石U-Pb测年的年龄谱特征,为确定地层形成的顺序和地层时代提供了新的途径。

福建省下古生界分布于政和-大埔断裂以西地区(图 1-a),包括震旦系楼子坝群之上和上泥盆统天瓦岽组之下的林田组、东坑口组、魏坊组和罗峰溪组4个地层单位[1-4],除下部的林田组外,其他地层单位均在永安地区创名,其中东坑口组和魏坊组层型剖面就位于永安市西北不到20km的魏坊村一带[3]。目前对东坑口组和魏坊组的地层层序有不同的认识:一种观点认为东坑口组位于魏坊组之下[1-4],另一种观点认为魏坊组位于东坑口组之下[5]。由于魏坊组中发现了早奥陶世笔石化石,其时代一般认为是早奥陶世[6]。东坑口组除含少量微古化石外,并未发现具有确定时代意义的大化石,其时代根据魏坊组的时代和地层层序推算,持前述第一种观点的学者认为东坑口组时代可能为中晚寒武世[1-4],持第二种观点的学者认为东坑口组时代可能为中奥陶世[5]。因此,对东坑口组和魏坊组地层层序认识的分歧,严重影响了闽西南地区下古生界的研究。为确定东坑口组和魏坊组的地层层序,本文通过碎屑锆石LA-ICPMS U-Pb测年,约束东坑口组和魏坊组的时代下限,分析魏坊组和东坑口组的地层层序关系,探讨物源区构造热事件的时代。

图 1 闽西南区域地质简图与样品位置 Fig.1 Regional geological map and sampling sites in southwestern Fujian a-研究区构造位置简图;b-永安地区区域地质图②;c-魏坊地区区域地质图③。①-长乐-南澳断裂;②-政和-大埔断裂;③-宁化-南平断裂;④-邵武-海丰断裂;1-上白垩统沙县组-崇安组;2-上侏罗统南园组;3-上泥盆统桃子坑组-下三叠统溪口组;4-上奥陶统罗峰溪组;5-中奥陶统东坑口组;6-下奥陶统魏坊组;7-中-古生代花岗岩;8-断层;9-角度不整合接触;10-笔石化石产地;11-锆石U-Pb测年采样位置;12-中上奥陶统罗峰溪群;13-下奥陶统魏坊组;14-上寒武统东坑口组;15-下中寒武统林田组
1 下古生界地层划分沿革

福建省位于华夏陆块东南部,以政和-大埔断裂为界,划分为闽东构造带和闽西构造带,闽西构造带以宁化-南平断裂为界划分为闽西北构造带和闽西南构造带(图 1-a)[1]。闽西南下古生界主要分布于龙岩-永安-三明地区。下古生界这一断代地层最早由王绍文[7]创立罗峰溪千枚岩,时代归属中晚奥陶世;1: 20万永安幅区域地质调查将该地层命名为罗峰溪群,时代为寒武纪-志留纪;1982年福建区调队在福建省早古生代地层调查研究中,由下至上建立了下中寒武统林田群、上寒武统东坑口群、下奥陶统魏坊群和中上奥陶统罗峰溪群,认为福建省下古生界缺失志留系(图 1-b)[1-4];1988年闽西地质大队在1: 5万安砂幅、贡川幅区域地质调查中,由下至上建立了寒武系林田群、下奥陶统魏坊群、中奥陶统东坑口群和上奥陶统罗峰溪群(图 1-c)[5];1995年福建省岩石地层清理将闽西地区的楼子坝群之上和天瓦岽组之下的地层由下至上划分为下中寒武统林田组、上寒武统东坑口组、下奥陶统魏坊组和中上奥陶统罗峰溪组[3-4];《福建省区域地质志》[1]对福建省西部下古生界的划分仍维持1997年福建省岩石地层单位清理的划分方案(表 1)。

表 1 福建下古生界地层划分沿革 Table 1 Lower Paleozoic strata division history of Fujian
2 样品特征与分析方法 2.1 样品特征

用于测年的2个锆石样品采自大湖-李坊的简易公路边,采样位置见图 1-b。样品S401采自魏坊村以南约1km的公路边,距离魏坊组层型剖面北约1km,地理坐标为北纬26°05.21′、东经117°18.03′,岩性为灰黄色中厚层变质石英细砂岩,地层层位属于魏坊组中下部,样品位于背斜的西翼,地层向西南倾斜,倾角中等;样品S402采自增布村西南约500m的公路边,距离东坑口组层型剖面西南约1.5km,地理坐标为北纬26° 06.48′、东经117° 16.14′,岩性为灰黑色中层变质石英细砂岩,地层层位属于东坑口组中部,样品位于倒转背斜核部,发育西倾的轴面劈理。

2.2 分析方法

锆石的精选在河北省区域地质调查队实验室完成,锆石显微结构、阴极发光(CL)和LA-ICP-MS U-Pb分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。

野外采集约2kg样品,粉碎至80~120目,洗去粉尘,淘洗后使重矿物富集,经过电磁选,去除电磁性部分,保留非电磁性部分,再经淘洗获得锆石精矿,在双目镜下挑选出无裂隙、透明的锆石单矿物制成胶饼,抛光后进行锆石光学研究和阴极发光照相,最后进行LA-ICP-MS U-Pb分析。其中,阴极发光仪为加载于扫描电镜上的英国Gatan公司的Mono CL3+型阴极荧光探头,LA-ICP-MS分析在Hewlett Packard公司生产的Agilient 7500a ICP-MS和德国Lambda Physik公司的ComPex102 Excimer激光器工作物ArF(波长193nm)、MicroLas公司的GeoLas 200 M光学系统的联机上进行。激光束斑直径约为30μm,激光剥蚀样品的深度为20~ 40μm。实验中采用氦气作为剥蚀物质的载气,用人工合成的硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化。锆石年龄测定采用标准锆石91500作为外标标准物质,元素含量测定采用NIST SRM610作为外标,29Si作为内标,详细分析步骤和数据处理方法见参考文献[8]。同位素比值数据处理采用GLITTER(4.0版)软件,年龄计算及成图采用Isoplot (3.0版)软件进行。

3 分析结果

用于测年的锆石一般呈黄褐色,晶形以半自形短柱状和椭圆状为主,少数呈圆状,部分锆石形态破碎;锆石长度一般为80~300μm,绝大部分颗粒长度为100~150μm,长宽比在1: 1~2.5: 1之间。锆石CL图像表明,大部分锆石内部呈现振荡环带结构,暗示为岩浆成因锆石[9];少数锆石内部结构比较均一,无明显环带构造,可能为变质锆石;未见具有核幔构造的锆石(图 2)。

图 2 碎屑锆石阴极发光图像及年龄 Fig.2 Detrital zircons cathodoluminescence photos and ages
3.1 魏坊组碎屑锆石测年结果

对魏坊组样品S401中的60颗锆石进行LAICP-MS U-Pb测年分析,结果如表 2图 3-a图 4-a所示。锆石232Th含量为43.1×10-6~811.2×10-6,238U含量为49.8×10-6~1401.3×10-6,Th/U值为0.11~ 1.85,大部分Th/U值为0.32~0.98。60颗锆石均获得谐和年龄(对年龄值小于1Ga的锆石取其206Pb/238U年龄,对年龄值大于1Ga的锆石取其207Pb/206Pb年龄,谐和度=100×年龄(207Pb/235Pb)/年龄(206Pb/238U),谐和度在90~110之间的年龄为谐和年龄,下同)。由年龄直方图(图 4-a)可以看出,形成500~550Ma和950~1000Ma的主要年龄峰,以及600~650Ma、750~800Ma、950~1000Ma和2450~2500Ma的次级年龄峰;由碎屑锆石年龄谱(图 4-a)可以看出,形成514Ma的主要年龄峰,以及620Ma、784Ma、983Ma和2502Ma的次级年龄峰。年龄最小的1颗锆石206Pb/238U年龄为511.5±6.5Ma;5颗锆石206Pb/238U年龄为511.5±6.5~516.2±10.9Ma,年龄加权平均值为513.9±5.7Ma;年龄大于3Ga的锆石有2颗,最老的锆石207Pb/206Pb年龄为3431.9±39.3Ma。碎屑锆石的最小年龄511.5±6.5Ma属于中寒武世,早于魏坊组的沉积时代早奥陶世,并显示碎屑锆石的主要年龄峰集中在514Ma和983Ma,暗示物源主要为泛非构造层和罗迪尼亚构造层。

表 2 魏坊组碎屑锆石(S401)U-Th-Pb测年结果 Table 2 U-Th-Pb dating results of detrital zircons from Weifang Formation (S401)
图 3 测年结果谐和图 Fig.3 Concordia diagrams of dating results
图 4 测年结果频率直方图与年龄谱图 Fig.4 Frequency histograms and age spectrum of U-Pb dating results
3.2 东坑口组碎屑锆石测年结果

对东坑口组样品S402中的60颗锆石进行了LA-ICP-MS U-Pb测年分析,结果如表 3图 3-b图 4-b所示。锆石232Th含量为21.5×10-6~609.9× 10-6,238U含量为49.7×10-6~1659.6×10-6,Th/U值为0.02~1.54,一般Th/U值为0.31~0.99。60颗锆石均获得谐和年龄。由年龄直方图(图 4-b)可以看出,形成了900~1050Ma的主要年龄峰,以及1150~ 1300Ma的次级年龄峰;由碎屑锆石年龄谱(图 4-b)可以看出,形成了964Ma的主要年龄峰,以及912Ma、1231Ma、1862Ma和2449Ma的次级年峰。年龄最小的1颗锆石206Pb/238U年龄为506.7±4.3Ma,3颗锆石206Pb/238U年龄为506.7 ± 4.3Ma、541.1 ± 5.0Ma、561.0±5.0Ma,最老的锆石207Pb/206Pb年龄为2671.7±33.4Ma。碎屑锆石的最小年龄为506.7± 4.3Ma,属于中寒武世[10],大于东坑口组的沉积年龄,并显示碎屑锆石的主要年龄峰集中在964Ma,暗示物源主要为罗迪尼亚构造层。

表 3 东坑口组碎屑锆石(S402)U-Th-Pb测年结果 Table 3 U-Th-Pb dating results of detrital zircons from Dongkengkou Formation (S402)
4 讨论 4.1 魏坊组与东坑口组形成时限与地层层序

沉积盆地中碎屑锆石的沉积序列与物源区的剥蚀序列呈镜像关系,依据锆石年龄谱的峰值年龄,可以确定地层形成的先后顺序。根据上述碎屑锆石沉积序列与物源区地层的剥蚀关系,比较魏坊组和东坑口组碎屑锆石的年龄谱(图 4-ab)可以看出,魏坊组中有5颗锆石年龄在500~550Ma之间,形成514Ma的主要年龄峰,并形成620Ma、784Ma、983Ma和2502Ma的次级年龄峰,显示魏坊组的主要物源为泛非构造层,次要物源为罗迪尼亚构造层。东坑口组中只有2颗锆石的年龄介于500~550Ma之间,并形成964Ma的主要年龄峰,以及912Ma、1231Ma、1862Ma和2449Ma的次级年龄峰,显示东坑口组的主要物源来自格林威尔构造层,次要物源为泛非构造层。由上述碎屑锆石年龄及年龄谱特征,可以约束魏坊组和东坑口组形成时限在506.7±4.3Ma的中寒武世以后,魏坊组的物源以泛非构造层为主,东坑口组的物源主要来自罗迪尼亚构造层,表明魏坊组沉积早于东坑口组的沉积,即魏坊组层序位于东坑口组之下,而不是东坑口组位于魏坊组之下,支持朱玉磷等[5]对下古生界魏坊组与东坑口组的划分方案。因骆金锭等[6]在魏坊组发现了早奥陶世的笔石化石,所以东坑口组时代应在早奥陶世以后,笔者认为,朱玉磷等[5]将东坑口组对比为中奥陶世是合适的。

4.2 下古生界物源区特征

S401样品与S402样品共120颗碎屑锆石年龄合并形成的年龄谱如图 4-c所示。由图 4-c可以发现,存在964Ma的主要年龄峰,并形成514Ma、686Ma、813Ma、1231Ma、2483Ma的次要年龄峰,最年轻的锆石206Pb/238U年龄是506.7±4.3Ma,最老的锆石207Pb/206Pb年龄是3431.9±39.3Ma,暗示物源区存在太古宙构造热事件,并以罗迪尼亚构造热事件为最主要的构造热事件,此外泛非构造热事件、哥伦比亚构造热事件和格林威尔构造热事件年龄在样品中均有反映。

前人[11-16]对华夏陆块中部的中上奥陶统碎屑锆石进行测年,获得的年龄谱最主要的年龄峰是964Ma,以538Ma、612Ma为2个次要年龄峰,同时存在764Ma、1036Ma、2456Ma的次要年龄峰值。前人对中上奥陶统碎屑锆石测年获得的主要年龄峰与本次测试结果完全吻合,538Ma、2456Ma次要年龄峰与本次获得的514Ma、2483Ma的次要年龄峰有一定的偏离,可能是样品数量差异或是构造热事件的时差引起的。

因此,闽西南地区下古生界物源主体为泛非构造层和罗迪尼亚构造层,并存在约3431.9±39.3Ma的太古宙构造热事件的年龄记录,该区下古生界碎屑锆石的年龄记录整体与华南构造演化一致[17]

5 结论

(1) 根据碎屑锆石年龄谱特征,确定闽西南下古生界魏坊组沉积早于东坑口组。

(2) 闽西南地区下古生界的物源主体来自泛非构造层和罗迪尼亚构造层。

(3) 闽西南地区下古生界的物源区存在约3431.9±39.3Ma的太古宙构造热事件的年龄纪录。

致谢: 感谢审稿专家对本文提出的宝贵修改建议,感谢西北大学大陆动力学国家重点实验室在锆石电镜、CL照相及测年过程中给予的大力帮助与支持。

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