地质通报  2019, Vol. 38 Issue (10): 1718-1725  
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叶飞, 潘文, 左勇, 尹廷龙, 蒋天锐, 杨胜堂, 杨光龙, 周灵, 刘健, 占朋才, 周宁, 覃智贵. 扬子地台东南缘上奥陶统五峰组斑脱岩锆石U-Pb年龄及其地质意义[J]. 地质通报, 2019, 38(10): 1718-1725.
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Ye F, Pan W, Zuo Y, Yin T L, Jiang T R, Yang S T, Yang G L, Zhou L, Liu J, Zhan P C, Zhou N, Qin Z G. Zircon U-Pb age of bertonite of Upper Ordovician Wufeng Formation in Southeast Yangtze platform and its geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(10): 1718-1725.
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基金项目

中国地质调查局项目《贵州1:5万大坝场等2幅区域地质调查》(编号:1212201010000150011-12)、贵州省地矿局重大科研项目《黔东北若干超大型锰矿床三维地质建模与数据挖掘》(编号:黔地矿科合[2017]2号)和贵州省科技支撑项目《锰矿勘查与开发大数据管理与智能处理系统研发应用》(编号:黔科技支撑[2017]2951)

作者简介

叶飞(1984-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事矿产地质勘查、区域地质调查工作。E-mail:282252163@qq.com

通讯作者

潘文(1970-), 男, 在读博士生, 研究员, 从事矿产地质勘查、区域地质调查工作。E-mail:345704348@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-01-10
修订日期: 2019-05-10
扬子地台东南缘上奥陶统五峰组斑脱岩锆石U-Pb年龄及其地质意义
叶飞1 , 潘文1,2 , 左勇1 , 尹廷龙1 , 蒋天锐1 , 杨胜堂1 , 杨光龙3 , 周灵1 , 刘健1 , 占朋才1 , 周宁1 , 覃智贵1     
1. 贵州省地矿局一〇三地质大队, 贵州 铜仁 554300;
2. 中国地质大学(武汉), 湖北 武汉 430074;
3. 贵州省地矿局一〇六地质大队, 贵州 遵义 563000
摘要: 扬子板块东南缘思南地区上奥陶统顶部-下志留统底部地层中普遍发育一层斑脱岩。选取思南县罗湾沱上奥陶统五峰组剖面进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,获得其年龄加权平均值为449±11Ma,限定了该区域奥陶系-志留系地层沉积年龄,为扬子板块东南缘思南地区奥陶系-志留系界线附近的火山喷发事件、地层年代学研究提供了较可靠的证据。449±11Ma的年龄与扬子板块北西大巴山一带的年龄数据高度吻合,但略晚于华北克拉通西南缘奥陶系顶部斑脱岩的年龄(449.0~465.8Ma)。其所代表的火山活动可能与华夏板块向扬子板块俯冲有关。晚奥陶世-早志留世晚期,多期次的火山喷发事件影响了当时的海洋化学条件、生态圈环境,造成中-晚奥陶世以来的生物灭绝事件及冰川启动。
关键词: 扬子板块东南缘    斑脱岩    锆石U-Pb年龄    火山喷发事件    生物灭绝    
Zircon U-Pb age of bertonite of Upper Ordovician Wufeng Formation in Southeast Yangtze platform and its geological significance
YE Fei1, PAN Wen1,2, ZUO Yong1, YIN Tinglong1, JIANG Tianrui1, YANG Shengtang1, YANG Guanglong3, ZHOU Ling1, LIU Jian1, ZHAN Pengcai1, ZHOU Ning1, QIN Zhigui1     
1. Geological Party 103 Guizhou Bureau of Geologoy and Minerals, Tongren 554300, Guizhou, China;
2. China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China;
3. Geological Party 106 Guizhou bureau of Geologoy and Minerals, Zunyi 563000, Guizhou, China
Abstract: A layer of bentonite is usually developed in upper Ordovician and lower Silurian strata of southeast Yangtze platform in Sinan area. Sampling was done in Wufeng Formation of upper Ordovician and Longmaxi Formation of lower Silurian in Luowantuo of Sinan, high precision U-Pb dating was conducted and as a result, the stratigraphic sedimentary age of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in this area were constrained. The data obtained provide reliable evidence for volcanic eruption and stratigraphic chronology near Ordovician and Silurian boundary of southeast Yangtze platform in Sinan area. The age data are correlated well with the data obtained in Dabashan of northwest China, which is a little later than the age of Ordovician bentonite in southeast of the North China Craton (449.0~465.8Ma). The volcanic activity was probably related to the subduction of Cathaysian plate to Yangtze plate. During Middle-Late Ordovician and late Early Silurian, many volcanic eruptions influenced the chemical condition and ecological environment of the ocean in that period and caused the extinction and glacier initiation since middle-late Ordovician.
Key words: Southeast Yangtze platform    bentonite    zircon U-Pb age    volcanic eruption    extinction    

斑脱岩由火山喷发物质原地蚀变生成,是一种具有等时性的事件标志层[1],常用于较远距离的事件地层对比,其中所含锆石可获得较准确的绝对同位素年龄,对限定地层年龄、开展地层年代学研究具有非常重要的意义[2]。同时,由于斑脱岩本身属于火山活动产物,其喷发物质所富含粉尘、挥发分等物质,对当时沉积环境、生态环境均具有重要影响,故亦可作为古气候及地质灾变事件研究的良好载体[3]

本次对扬子陆块东南缘(图 1-A)的黔中隆起东侧,贵州思南县罗湾沱上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组精细剖面(图 1-B)的斑脱岩采样,开展锆石U-Pb同位素测年,获得了较精确的同位素年龄(449±11Ma),弥补了该区域奥陶系—志留系之交的同位素年龄空白。同时,鉴于奥陶纪末发生了重大的生物灭绝事件(自显生宙以来第二大的生物灭绝事件)[4],笔者认为,对奥陶纪—志留纪之交形成的斑脱岩的研究,有助于了解该时期生物灭绝事件与火山喷发事件之间的关系。

图 1 研究区大地构造位置图(A)及采样位置示意图(B) Fig.1 The tectonic setting of the study area(A)and location of samples (B) 1—构造单元界线;2—相区界线;3—平移断层;4—剖面位置;5—研究区位置
1 地质背景 1.1 大地构造背景

研究区大地构造位置位于上扬子地台东南,黔中隆起东侧,属黔东北侏罗山式褶皱带,属雪峰山造山带[5],介于南东向梵净山-走马穹隆构造带与北西向齐岳山断裂之间[6],属川黔隔槽逆冲构造带的重要组成部分[7]

1.2 地层

研究区主要出露晚、早古生代地层,从老到新出露地层依次为奥陶系(O)、志留系(S)、二叠系中上统(P2-3)、三叠系(T)(其间缺失中上志留统(S2-3)、泥盆系(D)、石炭系(C)、下二叠统(P1))及第四系。累计最大出露厚度逾2700m。其面上展布受地形、构造控制较明显,奥陶系、志留系主要呈北东—南西向片状分布于许家坝向斜、民家坝-鲁家坝向斜(原邵家桥向斜)西翼。二叠系主要分布于野猪池-催家寨向斜轴部及许家坝向斜、民家坝-陆家坝向斜两翼。三叠系广泛分布于研究区,出露面积最广,主要集中分布于许家坝向斜、野猪池-催家寨向斜及民家坝-陆家坝向斜轴部。地层间接触关系类型较全,二叠系与下伏志留系、二叠系上统与中统之间为平行不整合接触,其余地层之间为整合接触关系。第四系为角度不整合覆于区内各地层之上,其余地层之间为整合接触关系(图 2)。

图 2 研究区地质简图及采样位置 Fig.2 Simplified geological map and sampling location in the study area 1—三叠系;2—二叠系;3—志留系;4—奥陶系;5—寒武系;6—整合界线;7—平行不整合界线;8—断层;9—背斜轴部;10—向斜轴部;11—取样位置
1.3 地质演化

区域上,加里东运动导致雪峰山以西褶皱样式从紧闭型阿尔卑斯式褶皱到开阔式阿尔卑斯式褶皱再到箱状褶皱的变形[8],形成一系列逆冲断层和韧性剪切带[9],以及滇黔桂古陆[9],是南华裂谷洋盆消亡过程的体现[2]。此次区域性运动事件,使研究区乃至整个上扬子地区北东向构造逐渐壮大,志留纪已经取代了奥陶纪的东西向构造,成为该时期沉积-古地理发育的主控构造[9]。燕山运动是整个贵州最强烈的构造运动,奠定了现今主要的构造面貌。构造变形体现为隔槽式、隔挡式、穹盆构造等构造组合[10],使加里东运动形成的北东向构造活化,继承了冲断方向,从而使其进一步发展壮大[9]。受燕山运动影响,研究区及区域上普遍隆起,缺失下白垩统[11-12]

综合上述研究成果,研究区所属黔东北地区侏罗山式褶皱带位于上扬子地台侏罗山式褶皱带,属马文璞所称川黔湘褶皱冲断系黔北箱状背斜褶皱冲断带的一部分[13]。研究区发育加里东构造旋回期的奥陶系、志留系,以及燕山-喜马拉雅构造旋回期的二叠系、三叠系,缺失泥盆系和石炭系。加里东期发育北东向褶皱冲断带,并受到早期燕山运动的进一步加强及燕山运动晚期的斜跨叠加。

2 样品及测试

罗湾沱剖面位于贵州省思南县塘头镇西北约10km罗湾沱村附近,地层层序正常。五峰组底部与临湘组顶部泥质瘤状灰岩整合接触,五峰组总体厚约25cm;下部为浅灰色-灰色条纹状粉砂质粘土岩,上部为斑脱岩,呈透镜状,单层厚3~8cm。五峰组之上为龙马溪组灰色-灰黑色含炭质、粉砂质粘土岩(图 3),厚约20cm。取样点位于五峰组顶部-龙马溪组底部(采样点GPS坐标X:19211136,Y: 3066462)。露头上,该套斑脱岩分布较广泛,区内北起八宝关,南抵拖船沟,西起香坝,东至缠溪均有分布。该套斑脱岩表层易吸水膨胀,风化干燥后呈松散铝白色-浅土黄色土状原地堆积(图 4),手光滑感极强。镜下鉴定发现,样品具斑杂状结构,主要矿物成分为黄白色、黄绿色蒙脱石,含少量石英、长石、贝得石、方解石及火山碎屑物(图 4),主要化学成分为SiO2、Al2O3及少量Fe2O3、MgO、CaO。

图 3 五峰组-龙马溪组地层序列及采样层位 Fig.3 Stratigraphic sequences and sampling horizons in the Wufeng and Longmaxi Formations
图 4 罗湾沱剖面五峰组-龙马溪组沉积特征及斑脱岩宏微观照片 Fig.4 Macroscopic photos Sedimentary characteristics of the Wufeng and Longmaxi Formations and Macro, microscopicphoto of the bentonites in the Luowantuo section a、b—罗湾沱剖面五峰组-龙马溪组沉积特征及斑脱岩宏观照片;c、d—思南县罗湾沱剖面斑脱岩镜下特征;c—正交偏光+石膏试板;d—单偏光

鉴于斑脱岩表面风化严重,取样时将风化层及明显非斑脱岩层剔除,以保证样品新鲜、分析结果有效。采集样品重3kg,前期由廊坊区调队进行锆石分选。运用双目镜将分离出的锆石根据不同晶形、颜色进行挑选和制靶。在开始锆石U-Pb分析前,先进行阴极发光(CL)分析,以确定锆石颗粒内部结构。本次锆石阴极发光在北京科荟测试技术有限公司利用Cameca电子探针仪器完成。

3 测试方法

本次锆石U-Pb同位素定年由北京科荟测试技术有限公司利用LA-ICP-MS分析完成。通过Y型混合接头,将作为载气的氦气、作为补偿气的氩气输入ICP,以调节光剥蚀过程中的灵敏度。在经过15~20s的空白信号和45s的样品信号的数据包分辨时间后,对待分析数据利用ICP-MS DataCal进行离线处理完成。

锆石微量元素含量利用SRM610为外标、Si为内标进行定量计算[14-16]。玻璃SRM610中元素含量的推荐值据GeoReM数据库(http://georem.mpchmainz.gwdg.de)。采用锆石标准GJ-1作为U-Pb同位素定年中同位素分馏校正外标,即每分析5~10个点,进行2次GJ-1分析。对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移,利用GJ-1的变化采用线性内插的方式进行校正[14]。利用Isoplot软件计算锆石样品的U-Pb年龄并绘制对应图表及计算年龄加权平均值。

4 测试结果

样品阴极发光图像显示,锆石多呈半透明-透明,大多数锆石呈柱状、近等轴状,且具有岩浆环带,晶形完整,少数具有暗色增生边;部分锆石遭受一定的磨蚀,但多保持较好的晶形,岩浆锆石特征明显[17]图 5)。

图 5 部分锆石阴极发光图像 Fig.5 Cathodoluminescence images for part of the zircon

在剖面PM24所取BH-15样品中,挑选颗粒较大、生长环带清晰的锆石31颗,进行锆石U-Pb分析,数据谐和度较高,谐和度超过93%以上测点17个,单个分析值误差为1σ。测点锆石的Pb、Th、U元素含量、同位素比值、表面年龄及和谐和度见表 1

表 1 贵州思南罗湾沱斑脱岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical data of the bentonites from the Luowantuo section in Sinan, Guizhou

样品Th/U值介于0.62~2.44之间,均大于0.5,平均值1.43,Th、U呈明显正相关。相关系数平方达0.5055(图 6),显示出岩浆锆石的Th/U值特点[18]

图 6 斑脱岩锆石Th、U含量相关性 Fig.6 Concordia diagram of Th and U content in the entonites

锆石测年结果见表 1,多个测点的谐和度低于90%;谐和度超过93%的测点8个。本文选取谐和度超过93%以上的测点进行锆石年龄分析。锆石206Pb/238U年龄加权平均值为449±11Ma(图 7)。

图 7 斑脱岩锆石U-Pb谐和图 Fig.7 Concordia plots of zircon U-Pb in the bentonites the Luowantuo section in Sinan
5 地质意义 5.1 火山活动时间及沉积年龄的限定

罗湾沱剖面所测定的斑脱岩锆石U-Pb年龄为449±11Ma。该锆石年龄值是在扬子陆块东南缘获取的高精度锆石U-Pb年龄,填补了该区域奥陶纪—志留纪锆石年龄值的空白。同时该年龄值与2012年国际地层表所发布的443.4±1.5Ma[19]和2014年中国地层表发布的443.8Ma[20]年龄值在误差范围内一致。同时与华南其他地区奥陶纪晚期—志留纪早期斑脱岩年龄值大体一致[21-23]与熊国庆等[1]在华南扬子地台北西缘大巴山所测年龄值445.1±3.5Ma、446.1±7.2Ma高度吻合。该年龄值不仅是斑脱岩的原始沉积年龄值,也间接限定了区内奥陶系五峰组—志留系龙马溪组沉积年龄,为扬子地台东南缘思南地区奥陶系—志留系界线附近的火山喷发、地层年代学研究提供了证据。

5.2 年龄对比意义

扬子板块周缘五峰组-龙马溪组斑脱岩广泛分布,层位众多,其原岩主要产于岛弧环境[24]。在扬子地台北西,其形成斑脱岩的火山物质可能与古秦岭洋壳向北俯冲有关[1]。在研究区可能与扬子板块与华夏板块的汇聚碰撞有关[25]。表明在奥陶纪末期,扬子地台同时受到来自北西、南东的挤压碰撞,该碰撞事件可与全球性太康运动密切相关。该运动或可作为黔中隆起的诱因。一定程度上奠定了扬子地台晚古生代—早古生代的地理格局,结束了奥陶纪大规模海相沉积环境向志留系陆相沉积环境转换[1]

5.3 生物灭绝事件

奥陶纪—志留纪之交,地质事件频发,主要表现为火山事件[17]、缺氧事件、冰川事件、洋流事件[26]、生物灭绝事件等。其中的火山事件和生物灭绝事件尤为重要[17]

奥陶纪—志留纪之交的生物灭绝事件,历来有冰川作用、高频火山事件等多种解释[1]。本文获得的年龄与熊国庆等[1]在扬子地台北西大巴山西段(445Ma)、东段(450Ma)与华北克拉通鄂尔多斯盆地南缘、西南缘所获得年龄值接近,表明整个扬子地台奥陶纪[1]、志留纪之交存在多期次火山喷发事件。该事件可能是诱发当时海洋化学条件变化、碳循环波动、气候变冷和生物辐射脉动的重要因素,其复杂的相互作用可能是奥陶纪末生物灭绝事件的直接导因。

6 结论

(1)扬子地台东南缘五峰组-龙马溪组中发育一套未见记录的斑脱岩,本次在该斑脱岩中获得了锆石U-Pb年龄,限定了区内五峰组-龙马溪组的沉积年龄,有助于在该区域进行奥陶纪—志留纪之交的高分辨率地层对比研究。

(2)本次所获得的斑脱岩中锆石U-Pb年龄与扬子地台北西大巴山西段、东段斑脱岩中锆石UPb年龄高度吻合,与秦岭-大别山造山带中奥陶纪岩浆湖形成时间同步,略晚于华北克拉通西南缘斑脱岩(449.0~465.8Ma),其形成可能与华夏板块向扬子板块俯冲有关。

(3)晚奥陶世末期—早志留世的火山喷发事件引起了当时生态环境的剧烈改变,该变化可能是奥陶纪末生物灭绝事件的直接导因。

致谢: 感谢审稿专家的宝贵意见,感谢参加野外考察及取样工作的所有专家、同志,感谢中国地质大学(北京)杨宗峰、由学莲教授、李典博士的精心指导和帮助。

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