地质通报  2020, Vol. 39 Issue (6): 818-826  
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赵小明, 姚华舟, 裴毅俊, 胡在龙, 袁海军, 汪洋, 张仁杰, 何金兰, 龙文国, 吴年文. 海南儋州兰洋地区发现泥盆纪地层:来自锆石U-Pb年龄的证据[J]. 地质通报, 2020, 39(6): 818-826.
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Zhao X M, Yao H Z, Pei Y J, Hu Z L, Yuan H J, Wang Y, Zhang R J, He J L, Long WG, Wu N W. The discovery of Devonian strata in Lanyang area, Danzhou, Hainan Province: Evidence from the zircon U-Pb ages[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(6): 818-826.
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基金项目

中国地质调查局项目《地质调查综合智能编图系统与应用》(编号:DD20190415)、《国家地质数据库建设与整合》(编号:DD20160351)、国家自然科学基金项目《海南岛古特提斯洋壳的地层古生物判据及海西期构造演化》(批准号:41672030)、《早三叠世海、陆相地层对比及生物-环境演变过程》(批准号:41530104)

作者简介

赵小明(1970-), 男, 博士, 研究员, 从事地层古生物学调查和科研工作。E-mail:zxm20040021@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-10-22
修订日期: 2020-02-21
海南儋州兰洋地区发现泥盆纪地层:来自锆石U-Pb年龄的证据
赵小明1, 姚华舟1, 裴毅俊2, 胡在龙3, 袁海军3, 汪洋4, 张仁杰1, 何金兰1, 龙文国1, 吴年文1    
1. 中国地质调查局武汉地质调查中心(中南地质科技创新中心), 湖北 武汉 430223;
2. 中国地质大学(武汉)地质调查院, 湖北 武汉 430074;
3. 海南省地质调查院, 海南 海口 460100;
4. 湖北省地质局, 湖北 武汉 430022
摘要: 在海南岛中部儋州兰洋镇上番开村附近,发育一套灰绿色变细砂岩、变粉砂岩与深灰色板岩互层的岩石组合,其整合于灰色变细砂岩夹浅灰色中厚层状结晶灰岩或白云质灰岩组合的地层之上,伏于灰黑色炭质板岩、千枚岩与灰色变细砂岩互层,夹薄层硅质岩的地层之下。前人将该套岩石组合划归石炭纪青天峡组。本次在该组合下部新发现了2层沉凝灰岩夹层,对该凝灰岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测试,60颗锆石206Pb/238U年龄分成4组,其中年龄最小的一组为349~375 Ma,年龄加权平均值为365±3 Ma,代表了火山喷发的时限,也指示地层的沉积时代为晚泥盆世晚期,这是海南岛首次报道的泥盆系绝对年龄。结合在相邻的上番开村青天峡组结晶灰岩中新采获的泥盆纪弗拉期竹节石Polycylindrites鉴定结果,可以确定海南岛存在中晚泥盆世沉积。据此对海南岛中北部晚古生代地层序列进行了重新厘定,为研究古特提斯洋东延及构造演化等问题提供了新的思路和证据。
关键词: 沉凝灰岩    锆石U-Pb年龄    泥盆纪    竹节石    海南岛    
The discovery of Devonian strata in Lanyang area, Danzhou, Hainan Province: Evidence from the zircon U-Pb ages
ZHAO Xiaoming1, YAO Huazhou1, PEI Yijun2, HU Zailong3, YUN Haijun3, WANG Yang4, ZHANG Renjie1, HE Jinlan1, LONG Wenguo1, WU Nianwen1    
1. Wuhan Center of China Geological Survey(Central South China Innovation Center for Geosciences), Wuhan 430223, Hubei, China;
2. Institute of Geological Survey, China University of Geoscicences, Wuhan 430074, Hubei, China;
3. Hainan Institute of Geological Survey, Haikou 460100, Hainan, China;
4. Hubei Geological Bureau, Wuhan 430022, Hubei, China
Abstract: The interbedded rock assemblage of grayish green metamorphic fine-grained sandstone, metasiltstone and dark gray slate is developed near Shangfankai Village, Lanyang Town, Danzhou City in the middle of Hainan Island.This rock assemblage overlies the gray metamorphic fine-grained sandstone intercalated with light gray medium-thick bedded crystalline limestone and dolomitic limestone, and underlies the interbedded strata of grayish-black carbonaceous slate, phyllite, and gray metamorphic fine-grained sandstone intercalated with thin bedded chert.Previously, this rock association was classified as Carboniferous Qingtianxia Formation.In this study, two sedimentary tuff beds were discovered in the lower part of this rock association.According to the zircon U-Pb age dating by LA-ICP-MS, 60 zircon of 206Pb /238U age are divided into four groups.The youngest group is 349~375 Ma, and the weighted average age of 365±3 Ma represents the time of the eruption.Therefore, the strata should be deposited in the Late Devonian.This is the first absolute age of Devonian on Hainan island.The tentaculitoid Polycylindrites, obtained in the crystalline limestone of Qingtianxia Formation near Shangfankai Village, indicate that the Middle-Late Devonian deposition existed in the Hainan Island.The stratigraphic sequence of the Late Paleozoic in the northern part of central Hainan Island was reclassified, which provides new ideas and evidence for the study of eastward extension of the Paleo-Tethys Ocean and tectonic evolution.
Key words: sedimentary tuff    zircon U-Pb age    Devonian    tentaculitoid    Hainan Island    

海南岛是中国东南陆缘海域中最大的岛屿,位于太平洋板块、印度-澳大利亚板块和欧亚板块结合部位。海南岛地层(含火山岩地层)总出露面积约12240 km2,占全岛面积的36%。前人认为最老地层为中元古界,中元古代以来,除缺失中志留统—泥盆系、侏罗系外,其他时代地层均有出露[1]。但受露头条件限制,海南岛前中生代地层的研究相当薄弱,以致于它们的形成时代和沉积大地构造环境未能得到充分制约,造成海南岛至今在构造地层划分、大地构造属性、演化格局等方面仍存在显著分歧[2-13]。最近笔者在海南岛中部儋州市兰洋镇一带地质调查中,在原划归石炭纪青天峡组的变砂岩与板岩组合中,发现2层沉凝灰岩夹层(图 1),在上番开村青天峡组结晶灰岩中采获竹节石化石。本文应用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法,对青天峡组凝灰岩进行锆石同位素年代学研究,旨在确定青天峡沉积时代,并结合竹节石化石鉴定结果[14],重新厘定海南岛中北部晚古生代地层序列。

图 1 研究区地质简图(据参考文献[1]修改) Fig.1 Geological map of the study area 1—第四系;2—白垩系;3—二叠系;4—石炭系;5—志留系;6—二叠纪闪长岩;7—二叠纪二长花岗岩;8—断层;9—化石采集点;10—本次实测剖面位置;11—龙文图等[15]剖面
1 地质概况

本次调查剖面PM01位于儋州南洋镇上番开村(图 1),起点坐标:北纬19°24′45″、东经109°41′20″,前人将其划归石炭纪青天峡组[1],主要岩性组合为变石英砂岩、变粉砂岩和板岩、粉砂质板岩不等厚互层(图 2-a),下部夹透镜状大理岩,未见底,顶部与二叠纪峨查组炭质泥岩、千枚岩、变粉砂岩、变细砂岩组合呈断层接触(图 3),此处二叠系由龙文国等[15]通过剖面PM02测制(北纬19°24′13″、东经109°41′09″)和化石鉴定,从前人划归的石炭系中解体而出(图 1),但海南省区域地质志在地质图中将其划归为志留纪陀烈组[1]

图 2 凝灰岩野外露头与镜下特征 Fig.2 Field outcrop and microscopic features of tuff a—变细砂岩与板岩组合中的沉凝灰岩层;b—沉凝灰岩样品SF-4-3产出特征;c—样品SF-4-3岩石薄片中晶屑、玻屑镜下特征
图 3 PM01剖面岩性柱状图 Fig.3 Lithologic histogram of PM01 section

PM01剖面下部发现2层沉凝灰岩夹层,二者在垂向厚度上相距约4 m(图 3)。灰白色,厚20~35 cm,风化外貌疏松、粗糙,质轻(图 2-b),镜下呈凝灰结构,晶屑含量约5%,由长石及少量暗色矿物组成;玻屑含量8%~10%,玻璃质,基质含量逾85%(图 2-c)。

2 锆石测年结果对沉积时代的限定 2.1 分析方法

锆石单矿物分选由河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。锆石阴极发光(CL)图像在北京锆石科技领航有限公司拍摄完成。锆石U-Pb定年分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室进行,测试仪器为准分子激光剥蚀系统193 nm GeoLas 2005和电感耦合等离子体质谱仪Agilent 7500a,激光剥蚀束斑直径为32 μm,采用标准锆石91500为外标进行同位素分馏校正。元素含量采用美国国家标准物质局研制的人工合成硅酸盐玻璃NIST 610为外标,29Si为内标元素进行校正。数据处理采用软件ICP MS DataCal(ver 8.3)完成,年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot 2.7软件完成。在讨论中,对于206Pb/238U年龄小于1 Ga的颗粒采用206Pb/238U年龄;对于206Pb/238U年龄大于1 Ga的颗粒采用 207Pb/206Pb年龄。不谐和度大于5%的数据不参加讨论。

2.2 分析结果及年代约束

2个样品的锆石主要呈无色或浅黄色自形、半自形晶体,部分受到破碎作用而晶形不完整。形态多呈柱状,少数呈椭圆状,粒径一般为50~110 μm,长宽比1:1~2:1,少量锆石长宽比达3:1。多数锆石无磨圆,少量存在一定程度的磨圆,并呈现出碎屑锆石的形貌特征。锆石CL图像呈灰色、灰白色和白色,亮度强弱不等,可能反映不同锆石颗粒间Th、U等元素含量差异。锆石内部结构较简单,多具有明显的振荡环带,显示岩浆锆石特征,少部分锆石具有残留核或均质结构,个别锆石具薄的变质亮边或溶蚀边,表明样品中锆石来源较复杂(图 4)。

图 4 青天峡组代表性锆石阴极发光(CL)图像及其U-Pb年龄 Fig.4 Typical CL images with U-Pb ages for zircons from Qingtianxia Formation

对样品SF-4-4的40粒锆石进行年代学测试,其中谐和度大于95%的点为30个,其Th/U值介于0.71~10.11之间,均大于0.4,显示为岩浆成因锆石。其谐和锆石的年龄组成大致分为4组(表 1),由老至新依次为1110~1333 Ma(5粒)、807~1002 Ma(4粒)、403~523 Ma(7粒)、349~374Ma(13粒)、另有1粒锆石为2212 Ma(图 5-a)。

表 1 兰洋地区青天峡组沉凝灰岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb年龄测定结果 Table 1 Zircon U-Th-Pb isotope data obtained by LA-ICP-MS from Qingtianxia Formation tuff in Lanyang area
图 5 兰洋地区青天峡组凝灰岩锆石U-Pb谐和图和年龄直方图 Fig.5 U-Pb concordia diagrams and age histogram of zircons from Qingtianxia Formation tuff in Lanyang area

对样品SF-4-3的40粒锆石进行年代学测试,其中谐和度大于95%的点为30个,其Th/U值介于1.34~6.54之间,同样为岩浆成因。年龄结果(表 1)表明,样品中谐和的锆石年龄大致分为5组,由老至新依次为1790~1834 Ma(2粒)、967~1245 Ma(5粒)、674 Ma(1粒)、395~471 Ma(10粒)和359~375 Ma(12粒)(图 5-b)。

2件样品锆石年龄谱特征一致,所以综合讨论。3粒1790~2212 Ma锆石指示海南岛或其邻区可能发育古元古代的古老基底,与哥伦比亚超大陆汇聚有关[16-20];10粒967~1333 Ma锆石记录了海南岛经历了中元古代与格林威尔造山运动相当的构造-热事件[9, 16-22];17粒395~523 Ma锆石表明海南岛可能为华夏陆块群的一部分,经历了奥陶纪—志留纪扬子与华夏间的碰撞造山或陆内造山事件[11-12, 23-24],许德如等[10]解释为寒武纪—奥陶纪因Ross-Delamerian造山事件而叠加于澳大利亚东部边缘的增生棱,Wang等[18]解释为早中奥陶世海南、云开等地区的快速隆升去顶作用导致Ross-Delamerian和Bhimphedian造山带为研究区提供物源,丁式江等[23]、龙文国等[24]获得屯昌地区粗安-安山岩和流纹岩组合527 Ma年龄,认为其形成于与俯冲有关的岛弧环境;25粒349~375 Ma锆石年龄非常集中,锆石呈柱状自形,CL图像表现出典型的岩浆生长韵律环带结构,其谐和图如图 5-c所示,206Pb/238U年龄加权平均值为365±3 Ma(MSWD=1.5,n=25),该数据被解释为火山喷发或沉积的年龄,也表明青天峡组下部沉积时代为晚泥盆世。这是海南岛首次报道的有关泥盆纪地层的绝对年龄。值得注意的是,来自碎屑锆石和岩浆岩的泥盆纪年龄信息最近也有报道,如张立敏等[16]在儋州—屯昌地区原划归志留纪陀烈组变砂岩中获得了350~370 Ma的年龄信息;丁式江等[25]获得顺层侵位于抱板群变质地层中的深熔花岗岩SHRIMP锆石年龄368±3.5 Ma。

3 化石对沉积时代的限定

在儋州兰洋镇上番开村PM01剖面北东约5 km,本次研究对前人划归的青天峡组结晶灰岩进行了微体化石采集与分析处理,发现若干保存极其完好的竹节石化石[14]。这些化石个体较小,壳体长度0.8~1.8 mm,端刺保存良好,初房稍膨大,顶端明显弯曲,全壳呈阶梯状扩大,具明显的横环和不明显的纵纹,为等环节石目Homoctenida Boucek,1955,等环节石科Homoctenidae Ljaschenko,1955的多筒节石属Polycyrindrites Ljaschenko,1955,属于厚壳竹节石类。多筒节石属Polycylindrites最早见于俄罗斯的弗拉斯阶[26-27]Polycylindrites menneri为俄罗斯地台、提曼和乌拉尔地区泥盆纪弗拉斯阶中部的第二个竹节石带化石。该属在中国为首次发现,也是海南岛首次发现的竹节石化石,对含化石地层时代的厘定具有重要意义。根据所含的多筒节石,儋州兰洋上番开村附近的青天峡组灰岩段时代应为晚泥盆世弗拉斯期,而不是早石炭世杜内期—韦宪期[14, 28-29]

4 海南岛晚古生代地层序列厘定

一直以来,海南岛被广泛认为缺失中志留世—晚泥盆世早期沉积记录,海南省岩石地层[28]、海南省区域地质志[1]及中南地区构造地层区划[29]将海南岛晚古生代地层序列划分为泥盆纪—石炭纪南好组、石炭纪青天峡组和二叠纪峨查组、鹅顶组、南龙组。对于海南中北部儋州—兰洋—新兴一带出露的变质碎屑岩组合,海南省区域地质志[1]划归为志留纪陀烈组。龙文国等[15]根据1:25万琼海县幅区域地质调查成果,将该套组合解体为二叠系峨查组、鹅顶组和石炭系南好组、青天峡组。张立敏等[16]在儋州—屯昌地区原划归志留纪陀烈组变砂岩及昌江地区原划归奥陶纪南碧沟组变砂岩中获得了350~370 Ma的年龄信息,表明研究区原划归为早古生代的地层需要进一步解体。本次沉凝灰岩年龄测试结果和竹节石化石的发现进一步表明,海南岛中部儋州—屯昌地区出露的石炭纪南好组、青天峡组时代归属需重新考虑。据此,笔者对海南岛中北部晚古生代地层序列提出新的划分方案建议,将南好组时代归属中泥盆世,与下伏志留系角度不整合接触;将青天峡组时代归属中泥盆世—石炭纪,与上覆二叠系连续沉积。青天峡组按岩性可分为三段,下部砂板岩段归属中晚泥盆世、中部灰岩段归属晚泥盆世、上部砂板岩段归属晚泥盆世—石炭纪。二叠纪峨查组、鹅顶组、南龙组归属不变(表 2)。

表 2 海南岛晚古生代地层划分方案 Table 2 Stratigraphic division of Late Paleozoic in Hainan Island

南好组依据腕足类Dictyoclostus cf.PinguisD.semirticulatusD.cf.SemireticulatusD.cf.CranfordsvilensisLinoproductus tenuistriatusPtychomaletoechia sp.,Tenticopiriter cf.supervilis等,双壳类Palaeoneilo anthraconeiloidesStreblopteria sp.等,确定为下石炭统,但不排除包含有上泥盆统的可能性[1, 28]。青天峡组依据腕足类Dictyoclostus semireticlatus, D.cf.SemireticulatusOrthotetes cf.KeokukLinoporoductusPunctospioiterMartinia等,双壳类Nuculopsis yuaniN.cf.BreviseptusSeleni Myalina dottiS.melinitormisMyalina (Orthomyalina)shilngensisM.(Myalinella)cf.Exsprata等,牙形石Streptognathodus elegantutulusS.oppletupS.parvusS.qingtianxiaensisNeognathodus detlexusN.bassleri等,定为上石炭统[1, 28, 30]。本次提出的划分方案与此不同,但并不是对化石的采集和鉴定结果质疑[1, 28, 30-32],而是基于三点:①这些化石大多产于中国北方、欧州和北美泥盆纪—石炭纪地层,且化石产出地点较少;②海南岛地层出露零星、构造发育,多处地区接触关系不清;③晚古生代地层岩性单一,南好组与青天峡组在没有发现灰岩或砾岩的情况下不易区分。所以,笔者认为,现有地层序列和地质图面表达的地层归属可能不完全正确,根据岩性组合和变质变形特征对比确定的古生代地层需要解体。下一步将采用造山带调查方法,进行更广泛、更深入的古生物、地层和构造调查研究,对提出的海南岛中北部晚古生代划分方案加以验证与完善。

5 结论

(1) 海南儋州兰洋地区,发育一套灰绿色变细砂岩、变粉砂岩与深灰色板岩互层的岩石组合,前人将该套岩石组合划归石炭纪青天峡组(上部砂板岩段)。对该套岩石组合下部沉凝灰岩的锆石形态学研究和LA-ICP-MS锆石U-Pb测年表明,火山喷发的时间为365 Ma,相应赋存地层的沉积时代为晚泥盆世晚期。也就是说,兰洋地区青天峡组应归入晚泥盆世—石炭纪,而不是石炭纪。

(2) 兰洋镇上番开村青天峡组结晶灰岩中(中部灰岩段)采获泥盆纪弗拉期竹节石Polycylindrites,确定青天峡组灰岩段时代为晚泥盆世弗拉斯期,而不是传统认识的早石炭世杜内期—韦宪期。

(3) 根据锆石年代学研究和化石鉴定结果,对海南岛中北部晚古生代地层序列进行重新厘定,主要变化是泥盆纪、石炭纪的划分对比方案:将南好组时代归属中泥盆世,与下伏志留系角度不整合接触;将青天峡组下部砂板岩段归属中—晚泥盆世、中部灰岩段归属晚泥盆世、上部砂板岩段归属晚泥盆世—石炭纪,与上覆二叠系连续沉积。二叠系划分方案不变,与上覆三叠系角度不整合接触。

致谢: 感谢海南省地质调查院李孙雄、云平、周进波、林仪华高级工程师野外调查期间的帮助;感谢中国地质调查局武汉地质调查中心邱啸飞、江拓博士在锆石处理和结果讨论中给予的帮助。

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