關(guān)鍵詞 U-Pb定年；島弧火山；大隆組；晚二疊世；四川盆地；海槽消亡

第一作者簡介 韋恒葉，男，1980年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，沉積學(xué)與地球化學(xué)，E-mail： hy.wei@swpu.edu.cn

中圖分類號(hào) P595 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

我國華南地區(qū)上二疊統(tǒng)上部地層普遍發(fā)育一套黑色層狀硅質(zhì)巖（也稱為硅巖）沉積，統(tǒng)稱為大隆組。在中上揚(yáng)子區(qū)，這套硅質(zhì)巖形成于臺(tái)內(nèi)盆地環(huán)境，例如廣旺海槽和鄂西海槽等[1?2]。在廣旺海槽沉積盆地，由東部的燕兒洞至西部的劍閣上寺，大隆組硅質(zhì)巖沉積厚度逐漸減薄，在斜坡環(huán)境相變?yōu)楣栀|(zhì)灰?guī)r（圖1），盆地環(huán)境的沉積厚度約10 m；在鄂西盆地如恩施地區(qū)，大隆組硅質(zhì)巖也具有類似的沉積厚度（圖1）。大隆組硅質(zhì)巖的下部地層為吳家坪組碳酸鹽巖，地層過渡段由硅質(zhì)灰?guī)r突變或漸變?yōu)楣栀|(zhì)巖，發(fā)育密集的火山灰層（圖1）。因此，雖然大隆組硅質(zhì)巖從巖相證據(jù)上指示為放射蟲、硅質(zhì)海綿等生物成因[5?8]，但地球化學(xué)信號(hào)反映硅具有生物、熱液以及火山噴發(fā)物質(zhì)的混合來源[7，9?10]。這些熱液和火山作用與峨眉山地幔柱（亦稱峨眉地裂）活動(dòng)、特提斯洋裂離以以及秦嶺勉略洋的裂陷有關(guān)[5，11]，說明吳家坪淺水臺(tái)地沉積之后形成的大隆組臺(tái)內(nèi)盆地硅質(zhì)巖沉積是在伸展構(gòu)造背景下形成的斷陷盆地[12]，是東吳運(yùn)動(dòng)在中上揚(yáng)子區(qū)的伸展裂陷作用產(chǎn)物[11]。大隆組硅質(zhì)巖沉積的結(jié)束時(shí)間指示中上揚(yáng)子區(qū)東吳運(yùn)動(dòng)裂陷活動(dòng)的結(jié)束時(shí)代，盡管大隆組硅質(zhì)巖開始沉積的年齡已經(jīng)明確（258.77±0.67 Ma[4]），但目前仍缺乏相應(yīng)的絕對(duì)年齡的約束。因此，選擇廣旺海槽的旺蒼燕兒洞剖面大隆組硅質(zhì)巖的火山灰夾層斑脫巖為研究對(duì)象，開展鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡分析，研究大隆組硅質(zhì)巖沉積結(jié)束的年齡，約束大隆組富有機(jī)質(zhì)黑色巖系的沉積年齡，為華南二疊系頁巖氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

晚二疊世早期，揚(yáng)子區(qū)發(fā)生東吳運(yùn)動(dòng)，在我國西南地區(qū)噴發(fā)了大量的玄武巖，構(gòu)成了峨眉山大火成巖省。峨眉山溢流玄武巖的分布西至理塘，東至桂西，南至越北，北至川東北達(dá)州（圖2a），分布面積為0.25×106 km2，體積為0.5×106 km3[14?15，17]。近年來，四川盆地油氣勘探發(fā)現(xiàn)在開江、梁平以及忠縣一帶的DY-1、FT1 等鉆井在中—上二疊統(tǒng)界線鉆遇玄武巖[16，18]，同時(shí)在廣元西北鄉(xiāng)野外剖面的茅口組一段發(fā)育輝綠巖巖墻侵入體。峨眉山溢流玄武巖已被證實(shí)與地幔柱活動(dòng)有關(guān)，稱為峨眉山地幔柱[15，19?21]。地幔柱隆升活動(dòng)過程包括地幔巖漿上涌、到達(dá)并撞擊巖石圈底部、地殼抬升、火山噴發(fā)、地殼沉降等五個(gè)過程[22]。地幔柱頭部到達(dá)巖石圈之后，發(fā)生側(cè)向擴(kuò)張延展，由原來的400 km直徑拓展2倍至800～1 000 km，分別對(duì)應(yīng)著內(nèi)帶和中帶的范圍[23]。在峨眉山大火成巖省主噴發(fā)之前和之后分別發(fā)育了中二疊統(tǒng)孤峰組和上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)巖沉積。

由于東吳運(yùn)動(dòng)，華南晚二疊世時(shí)期古地理發(fā)生了根本性的變化，在原來中二疊世巨型碳酸鹽巖臺(tái)地基礎(chǔ)上形成了隆凹格局的古地理面貌（圖2b）。在西昌—攀枝花—昆明一帶形成南北向的康滇古陸，古陸周圍向外分布帶狀的海陸過渡相、淺海碳酸鹽巖臺(tái)地相和深水盆地相，總體展示穹狀隆起的古地理特征[23?24]。位于外帶的深水盆地相沉積了大隆組黑色硅質(zhì)巖，例如位于川北的廣元至梁平的廣旺—開江梁平海槽以及湖北西部的鄂西海槽發(fā)育大量的富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)巖夾頁巖。該套頁巖和硅質(zhì)巖目前是四川盆地及其周緣二疊系頁巖氣勘探目的層，近年來更是取得了突破性的進(jìn)展，獲得了可觀的工業(yè)氣流，是非常規(guī)油氣勘探的新層位和新領(lǐng)域[25?26]。

2樣品與實(shí)驗(yàn)方法

在燕兒洞剖面采集大隆組上部硅質(zhì)巖夾層中斑脫巖樣品約1 kg（圖3）。斑脫巖夾層為黃白色，夾于黑色頁巖和黑色硅質(zhì)巖之間，遇水黏手。該類斑脫巖在大隆組黑色硅質(zhì)巖和頁巖中發(fā)育多層，本次選擇大隆組硅質(zhì)巖段頂部的斑脫巖夾層作為研究對(duì)象（圖1）。樣品烘干后，采用傳統(tǒng)鋯石分選方法，經(jīng)過磁選和重液分選后在雙目鏡下挑選晶形規(guī)則、顆粒較大的鋯石。將挑選好的鋯石切割并拋光以便露出鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用環(huán)氧樹脂包埋固定，在掃描電子顯微鏡以及光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察并拍照陰極發(fā)光和透反射相片。鋯石原位U-Pb年齡的測(cè)定采用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（Laser Ablation InductivelyCoupled Plasma mass Spectrometry，LA-ICP-MS）技術(shù)，在武漢上譜分析公司實(shí)驗(yàn)室完成。激光剝蝕系統(tǒng)為COMPexPro 102 ArF 193 nm 準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)（GeoLas HD），ICP-MS型號(hào)為Agilent 7900，激光束斑和頻率分別為32 μm和5 Hz，鋯石U-Pb同位素定年和微量元素含量處理采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500和玻璃標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST610作外標(biāo)進(jìn)行同位素和微量元素分餾校正。

3 結(jié)果與討論

3.1鋯石年齡

斑脫巖樣品中含豐富的鋯石顆粒，用于鈾鉛LAICP-MS測(cè)年的鋯石顆粒為自形棱角狀，發(fā)育清楚的震蕩生長環(huán)帶，是典型的巖漿鋯石（圖4）。樣品測(cè)定了17個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)定的鋯石年齡與同位素比值見表1。鋯石中Th和U的含量一般較高，分析樣品的U介于（236～479）×10^-6，平均值為337×10^-6，Th含量介于（109～305）×10^-6，平均值為184×10^-6，Th/U 比值介于0.46～0.64，平均值為0.54，均大于0.46，同樣指示巖漿成因性質(zhì)[27]，這是因?yàn)閹r漿鋯石的Th/U比一般大于或等于0.5[28]。鋯石分析點(diǎn)的206Pb/238U年齡介于249～258 Ma，加權(quán)平均年齡為253.0±1.3 Ma（95%置信度，MSWD=1.12）（圖5），代表了火山噴發(fā)時(shí)棱角狀鋯石結(jié)晶年齡。由于該樣品火山灰夾層正好位于大隆組硅質(zhì)巖段的頂部，因此，大隆組硅質(zhì)巖沉積的結(jié)束年齡約為253.0±1.3 Ma，屬于長興期中期年齡，晚于廣元上寺剖面硅質(zhì)灰?guī)r上部年齡253.7 Ma[3]，代表大隆組硅質(zhì)巖終結(jié)年齡，也意味著二疊紀(jì)—三疊紀(jì)過渡期“硅質(zhì)巖缺口”的開始。

3.2鋯石微量元素指示的構(gòu)造背景

鋯石稀土元素（Rare Earth Element，REE）總量ΣREE 介于（626～985）×10^-6，Hf 含量介于（8 032～9 170）×10^-6（表2）。鋯石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的配分模式反映重稀土富集、輕稀土虧損、Ce的正異常以及Eu的負(fù)異常的特征，輕稀土一般小于100倍的球粒隕石值，重稀土一般大于10000倍的球粒隕石值，總體表現(xiàn)為從輕稀土向重稀土逐漸爬升的左傾曲線趨勢(shì)，（圖6），這是未發(fā)生蝕變的巖漿鋯石的特征[27]。鋯石Ce正異常說明鋯石是在氧化條件下結(jié)晶的，這與樣品為噴發(fā)火山灰性質(zhì)一致，而Eu的負(fù)異?？赡苁卿喪Y(jié)晶過程中或結(jié)晶之前長石從巖漿中分餾導(dǎo)致巖漿Eu的虧損所致[29]。

鋯石的微量元素能夠反映巖漿母源組成并指示巖漿宿主的構(gòu)造背景特征[30?31]。Hf離子半徑與Zr相似，因而鋯石中含豐富的Hf，樣品鋯石Hf含量介于（8 032～9 170）×10^-6，平均值達(dá)8472×10^-6（表2）。樣品鋯石中Nb含量很低，介于（1.31～3.42）×10^-6，平均為2.30×10^-6，與大陸島弧和洋中脊來源的鋯石Nb含量相似，而不同于板內(nèi)背景下巖漿鋯石較高的Nb含量[32?33]。Nb一般與巖漿熔融過程中的不相容元素Th為正相關(guān)關(guān)系，島弧鋯石的Th/Nb比值一般大于10，而板內(nèi)和洋中脊鋯石Th/Nb比值一般小于20[31]，同時(shí)島弧巖漿比板內(nèi)巖漿鋯石具有更低的Nb/Hf和更高的Th/U比值[34?35]。由于富Th礦物優(yōu)先結(jié)晶，島弧巖漿鋯石具有低Th/Nb和高Hf/Th比值的特征[35?37]，因此可以利用這些參數(shù)來識(shí)別鋯石巖漿母源的構(gòu)造背景。Th/Nb與Hf/Th交會(huì)圖以及Th/U與Nb/Hf交會(huì)圖中，燕兒洞剖面大隆組頂部和上部火山灰鋯石樣品落在島弧巖漿范圍內(nèi)，而不是落在板內(nèi)造山范圍（圖7）。其他地區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組以及大隆組的火山灰鋯石構(gòu)造背景的分析也表明[4，38]：湖北西部以及四川劍閣上寺吳家坪階的火山灰鋯石性質(zhì)為板內(nèi)造山背景，與峨眉山大火成巖省關(guān)系密切[4]，而長興階的火山灰鋯石性質(zhì)卻為島弧性質(zhì)。這表明廣元旺蒼縣燕兒洞大隆組沉積晚期的火山噴發(fā)可能是周圍島弧性質(zhì)火山噴發(fā)所致，屬于匯聚型板塊邊界的巖漿島弧性質(zhì)[38]，而不是板內(nèi)性質(zhì)峨眉山地幔柱活動(dòng)的結(jié)果。

3.3大隆組硅質(zhì)巖年齡的意義

四川盆地廣旺海槽及其周緣鄂西盆地大隆組硅質(zhì)巖含多層火山灰夾層，大隆組下部吳家坪階的硅質(zhì)巖內(nèi)火山灰夾層鋯石指示板內(nèi)造山性質(zhì)[4]，說明該期火山噴發(fā)與板內(nèi)造山性質(zhì)的峨眉山大火成巖?。ɑ虻蒯Ｖ┗顒?dòng)有關(guān)。地幔柱形成過程中，地殼抬升之后發(fā)生裂谷或地塹地壘式臺(tái)內(nèi)盆地[22，39]，誘發(fā)海底活躍的熱液活動(dòng)[40]。峨眉山大火成巖?。ǖ蒯Ｖ┲行奈挥谂手ǖ貐^(qū)，地幔柱頭部在到達(dá)巖石圈之前約400 km，碰撞巖石圈底部之后側(cè)向擴(kuò)展為800～1000 km，也即峨眉山大火成巖省中帶與外帶的分界面[17，41]。而廣旺海槽以及鄂西海槽位于外帶邊緣（圖1），遠(yuǎn)離峨眉山地幔柱頭部巖漿的影響范圍。但是，近年來四川盆地油氣勘探鉆井發(fā)現(xiàn)，在廣旺海槽鉆遇大量的峨眉山玄武巖[16，18]以及部分野外輝綠巖巖墻，地幔柱巖漿在側(cè)向上可以通過巖墻和巖石圈底部軟流圈進(jìn)行遠(yuǎn)距離擴(kuò)張[42?43]。峨眉山地幔柱巖漿的影響范圍可能包括廣旺海槽、開江—梁平海槽以及鄂西海槽的外帶。峨眉山大火成巖省（地幔柱）在中—晚二疊世過渡期大規(guī)模噴發(fā)之后，可能形成多個(gè)裂谷性質(zhì)（地塹地壘）斷陷盆地或海槽，海底頻繁的熱液活動(dòng)以及陸地噴發(fā)的玄武巖風(fēng)化帶來的硅質(zhì)在海洋較深水盆地中富集形成大隆組硅質(zhì)巖。

然而，大隆組上部和頂部長興階硅質(zhì)巖內(nèi)火山灰夾層鋯石與二疊紀(jì)末期火山灰鋯石一樣，屬于島弧造山構(gòu)造背景[4，38]，說明大隆組沉積晚期火山噴發(fā)與峨眉山大火成巖省活動(dòng)無關(guān)，而與揚(yáng)子板塊周圍的島弧火山的活動(dòng)有關(guān)[43]。推測(cè)長興期揚(yáng)子板塊北部出現(xiàn)明顯的巖漿島弧活動(dòng)，該活動(dòng)可能與大隆組硅質(zhì)巖盆地環(huán)境萎縮滅亡密切相關(guān)。

4結(jié)論

四川盆地廣旺海槽上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)巖上部火山灰夾層鋯石的鈾鉛LA-ICP-MS測(cè)年表明，大隆組硅質(zhì)巖沉積結(jié)束于253.0±1.3 Ma，屬于長興期中期。鋯石稀土元素展示重稀土富集、輕稀土虧損、Ce正異常和Eu負(fù)異常的左傾配分曲線特征，痕量元素Th/U比絕大部分大于0.5，指示巖漿鋯石的特征。鋯石Th/Nb與Hf/Th以及Th/U與Nb/Hf交會(huì)圖反映鋯石巖漿母源為島弧造山構(gòu)造背景，與二疊紀(jì)末期揚(yáng)子板塊周圍巖漿島弧活動(dòng)有關(guān)，而與板內(nèi)造山成因的峨眉山大火成巖省無關(guān)。晚二疊世長興中期的島弧火山活動(dòng)可能與揚(yáng)子北緣多個(gè)海槽在二疊紀(jì)末期萎縮消失密切相關(guān)。

致謝 感謝兩名審稿專家提出的建設(shè)性建議，論文成果過程得到了蘭中伍研究員以及陶繼華副教授的指導(dǎo)，在此致以感謝。