湘西北古丈地區板溪群五強溪組凝灰巖鋯石u-pb年代學及其地質意義

近年來，人們對新元古代冰期事件與羅迪尼亞超大陸解體過程之間的成因關系有了完全不同的認識。在許多大陸，stoti期的冰層巖直接覆蓋了裂谷層，而冰層巖下通常缺乏強烈的層缺陷[1.3]。在雪晶地球模型中，褶皺的作用與大陸上寒冷的發育之間沒有必然聯系。然而，另一種認識（以eyles和紀茨克族為代表）強調了冷杉巖的形成與裂谷作用本身有關。這意味著裂谷底部的強烈浮力超過該區域的雪線高度，因此形成了冰川。由于新元古代末年裂谷的作用全球最大，因此也可以擁有世界規模的冰谷，但它們不需要假設和不存在世界。換句話說，這不是雪球模型。在此基礎模型中，強烈缺失的層位變窄被解釋為與冰川同時存在的裂谷伸展和擾動活動的證據。直接證實這兩種對立的差異非常困難，需要多學科的分析。然而，冰科學家巖和裂谷活動之間的時間和原因關系已成為一個值得關注的重要問題。華南提供了一個很好的例子.在揚子克拉通地區,長安期冰磧巖(一般對比為Sturtian冰期)直接覆蓋在板溪群火山碎屑巖地層之上,但板溪群、特別是板溪群上部的五強溪組厚度變化很大.五強溪組薄的地方不到100m,而厚的地方超過2000m.五強溪組厚度變化的原因有兩種可能,第一種可能是五強溪組沉積受古地貌或者同沉積斷層控制,在這種情況下,其厚度和長安期冰川作用沒有直接聯系;第二種情況是五強溪組在沉積后遭到不同程度的剝蝕本文重點報道在湘西古丈地區五強溪組底部新獲得的~809Ma的SHRIMP鋯石U-Pb年齡,該結果為板溪群與湘西北-湖北峽東地區的地層對比提供了一個錨點.另一方面,結合已報道的板溪群頂部~725MaSHRIMP年齡和區域地層對比,推測古丈地區在約725Ma之后發生了大約2000m厚的地層剝蝕,地層剝蝕可能發生在長安冰期開始的階段,而且至少部分與裂谷活動導致的地塊升降有關.1地質背景和采樣材料一般文獻中的“華南板塊”由兩個主要的前寒武紀構造單元組成,即西北部的揚子克拉通和東南部的華夏地塊(圖1(b)),它們在~900Ma時通過四堡造山運動拼接為一個構造整體.但之后不久,南華裂谷盆地在~820Ma時期開始擴張,盆地中心(或至少是裂谷系統中主要的一支)大致仍沿四堡期縫合帶分布.新元古代板溪群沉積于揚子克拉通東南緣,主要出露于湖南省北部,以碎屑巖-火山碎屑巖為主.靠近裂谷盆地中心其厚度超過3500m,往北在克拉通內部減薄到小于500m.盡管早期文獻對板溪群的含義用法有所不同,但1980年代后期之后漸趨于統一[15~18].通常認為,板溪群可劃分為下部的馬底驛組和上部的五強溪組,并以角度不整合覆蓋于冷家溪群之上.冷家溪群被認為是南華裂谷的基底,近期的研究認為其沉積年齡也不老于(862±11)Ma.通過對板溪群底部局部分布的滄水浦火山巖的SHRIMP鋯石U-Pb測年表明,板溪群開始沉積的年齡約為(814±12)Ma.最近在湖南芷江地區報道的板溪群頂部凝灰巖層SHRIMP鋯石U-Pb年齡為(725±10)Ma.這些數據說明板溪群地層沉積持續了近90Ma.更多的年代學證據對板溪群內部劃分、區域地層對比以及了解南華裂谷演化過程顯然是必要的.取樣剖面位于湘西古丈縣城南~15km處,張家界至吉首高速公路旁(圖1).這一地區新元古代地層出露很好.板溪群下部的馬底驛組主要為紅色、紫紅色粉砂巖和砂巖,其上覆五強溪組主要為灰色、褐色砂巖和含礫砂巖以及綠色凝灰質粉砂巖.兩個組的界線被解釋為可進行區域對比的層序界面.五強溪組地層厚度變化強烈,在本研究剖面只有~152m,而在距離此剖面~90km的芷江地區,其厚度超過2000m.五強溪組之上覆蓋著厚僅~6m的長安期(Sturtian期)冰磧巖(在本區則稱為東山峰組(圖1(a)))東山峰組的厚度在區域上也常常從幾米到幾百米范圍內變化,但一些文獻中報道的某些剖面雜礫巖厚度很大,其冰成性質有待進一步核實.東山峰組之上覆蓋著10m厚的湘錳組,可與貴州省的大塘坡組對比,在華南有些地方厚度超過250m.湘錳組以及與其對應的大塘坡組接近底部的年齡為(663±4)Ma其頂部被南沱組冰磧巖覆蓋,年齡不大于(654.5±3.8)Ma.在古丈剖面,南沱組厚~130m,最近報道的底部年齡約為(636.3±4.9)Ma,南沱組頂界年齡為~635Ma,在華南已得到多項研究的相互印證[21~24].本次研究采集的火山灰巖層位于五強溪組/馬底驛組界線之上92m,東山峰組/五強溪組界線之下58.8m處(圖1(a),28°33.224′N,109°52.657′E).火山灰層呈翠綠色,厚約20cm,夾在粉砂巖地層中.火山灰樣品主要由黏土、長石和石英等礦物組成,在顯微鏡下容易觀察到玻屑.2衰變常數和年代學火山灰樣品經破碎、重液分選后在雙目顯微鏡下挑選出鋯石顆粒.將有代表性的鋯石樣品與標準鋯石TEMORA1(417Ma,Black等)置于環氧樹脂內,研磨拋光至鋯石內部暴露,制成樣品靶,并進行透、反射光和陰極發光照相.樣品靶表面鍍金.U,Th和Pb同位素組成分析在中國地質科學院北京離子探針中心SHRIMPⅡ上完成,分析流程依照文獻.標準操作條件包括:每個年齡數據由5組掃描獲得、一次離子流O2-強度為2nA、分析束斑為25~30μm、質量分辨率約為5000.用于年齡計算的衰變常數使用Steiger和J?ger的推薦值.數據處理采用SQUID和ISOPLOT程序.標準鋯石和鋯石樣品均采用204Pb做普通鉛校正,Pb同位素比值采用Stacey等的推薦值:208Pb/206Pb=2.097,207Pb/206Pb=0.864,206Pb/204Pb=18.052.樣品04SC11中的鋯石多為棱柱狀自形晶,長100~200μm,寬50~100μm,另有少量棱角狀晶體碎片.鋯石均呈無色或淺粉紅色,CL圖像顯示很好的巖漿成因振蕩環帶(圖2).共分析21個鋯石顆粒,每個顆粒做1個測點.樣品的U含量為33~122ppm(1ppm=1μg/g,下同),Th/U比值為0.57~1.74.在U-Pb諧和圖上,20個測點較為集中,1個明顯離群的測點(表1中的測點5.1)206Pb/238U表面年齡為(914±15)Ma,大于變質基底的最大沉積年齡(~(860±11)Ma),這一鋯石可能是捕獲晶,因此不參與年齡統計.其余20個測點的206Pb/238U加權平均年齡為(809.3±8.4)Ma(MSWD=2.4)(圖3),解釋為該火山灰層的形成年齡.這一結果與板溪群底部的滄水鋪火山巖的形成年齡(814±12)Ma相符合,與侵入五強溪組并被長安冰磧巖所覆蓋的輝綠巖脈的年齡(768±28)Ma也相符合.3板溪群頂部年齡及構造格架近年來,在華南板溪群及其相關的地層中發表了多項鋯石U-Pb年齡,為南華裂谷盆地早期沉積的碎屑巖-火山碎屑巖地層對比提供了重要約束(表2)五強溪組底部是板溪群內部最重要的一個層序界面,在湘西地區很容易識別和對比.最近,Zhang等在芷江地區的牛牯坪組距頂部約300m處的火山灰層中獲得了(725±10)Ma的SHRIMP鋯石U-Pb年齡.芷江地區的牛牯坪組是后來劃分出來的組一級的地層單位,曾經是五強溪組最上部的一個巖性段(在不做特殊說明的情況下,本文使用的五強溪組內涵同《湖南省地質志》).因此,可以用(725±10)Ma代表板溪群頂部年齡或(傳統的)五強溪組頂部的年齡.在以往的文獻中,一種認識是將五強溪組和湘西北的渫水河組以及湖北峽東地區的蓮沱組對比另一種認識是將蓮沱組-渫水河組以及南華裂谷盆地相的富祿組對比為相同時代的地層置于整個板溪群之上,但兩者均一直缺少年代學證據.芷江地區最近發表的牛牯坪火山灰的年齡排除了蓮沱組置于板溪群之上的對比方案,其作者建議將蓮沱組對比到板溪群中部,本文的結果支持這一結論并可進一步將五強溪組下部對比到楊家坪地區的老山崖組((809±16)Ma,表2),五強溪組中上部對比到渫水河組-蓮沱組(~760~750Ma,表2).新的年齡較好地限制了五強溪組沉積的地質時代和沉積持續的時間,即沉積開始于~810Ma,結束于~725Ma,證實老山崖組和渫水河組-蓮沱組與板溪群五強溪組為同時異地地層.板溪群下部相當于馬底驛組以及更早一些的裂谷火山巖地層所代表的地質時間很短,而且在湘西北以及湖北峽東大部分地區缺失.板溪群總體構成了一個從南部盆地邊緣向北到克拉通內部逐步超覆的構造地層格架(圖4(a)).4巖性地層特征在湘西地區,五強溪組地層厚度可以從幾十米到數千米之間變化.在古丈剖面上該組只有152m厚,上下界線分別由長安期冰磧巖和馬底驛組紫紅色粉砂巖、砂巖限定.年齡為~809Ma的凝灰巖層距長安期冰磧巖與五強溪組砂巖的界線僅58.8m.但在剖面以北~60km的大庸地區,五強溪組的厚度達到1198m,在古丈剖面以南~90km的芷江地區五強溪組的厚度為2214m.通過巖性地層的追溯和對比,我們認為古丈剖面的五強溪組僅相當于其相鄰地區五強溪組地層的下部(即五強溪組一段,《湖南省地質志》)而上部地層的缺失極有可能是被剝蝕的結果.理由是:(1)在研究剖面上,五強溪組頂部發育有明顯的侵蝕不整合;(2)古丈剖面保留的五強溪組一段地層和芷江、大庸地區五強溪組一段在巖性地層特征及沉積相特征方面沒有明顯差異,該段底部數米為含礫砂巖,下部為不等粒長石石英砂巖和砂板巖互層,含較多凝灰質板巖夾層,自下而上顯示穩定的海進沉積特征.芷江、大庸地區保存的2~4段地層則以砂板巖為主,多發育水平層理,總體應形成于前濱及濱外陸棚環境.這些特點說明古丈地區并不是五強溪組沉積早期就已經存在的明顯的古高地;(3)芷江地區是五強溪組保存最完整的地區之一,盡管后來的地層劃分將其自下而上分解為五強溪組(狹義)、多益塘組、百合壟組和牛牯坪組(漁溪口剖面,湖南省地質礦產局),但這些地層單位之間均為整合接觸關系.在芷江-大庸地區以及附近的剖面沒有觀察到明顯的巖相變化或同沉積斷層活動的標志.如果古丈地區在五強溪組沉積期間隆起或遭受剝蝕,附近的五強溪組中應該出現明顯的淺水相、陸相地層,但目前沒有這種證據.據此推測古丈地區在五強溪組地層沉積之后(<~725Ma)才遭受剝蝕,隨后又被東山峰組(長安期冰磧巖)覆蓋(圖4).根據鄰區地層剖面比較,估計古丈剖面被剝蝕的地層約有2000m,剝蝕時間已和Sturtian冰期地層的年齡很接近(ca.710Ma),這一剝蝕厚度遠超過了僅由冰期海平面變化造成的蝕源區與盆地沉積區之間的高差,所以可以推測,在長安冰期或接近于長安冰期開始時,裂谷伸展斷層活動至少是造成古丈地區五強溪組地層大規模剝蝕的主要因素之一,而芷江、大庸地區相對保存完整的剖面可能位于斷塊旋轉相對下降的構造部位,避免了大規模剝蝕(構造模式見圖4(b)).蓮沱組-長安冰期期間華南處在約37°的中緯度地區,所以不排除由于強烈的裂谷活動造成過局部的地貌高差,并由此導致華南較早地出現過高原冰川的可能性.需要指出的是,如果在長安冰期發生了強烈的裂谷伸展斷層活動,犁式斷層的下盤將由于卸載作用而旋轉,上覆的冰磧巖沉積會有很大的厚度差異.事實上,在南華裂谷盆地中部(圖1(b)),長安期冰磧巖有些地方發育厚度超過3000m,但在揚子克拉通大部分地區(例如圖1(b)所示的研究剖面所在地區)一般只有數米厚,已報道的幾個厚愈數百米的長安期冰磧巖的剖面還需要進行深入的冰磧巖沉積學分析和確認.進一步的研究應致力于尋找南華裂谷盆地同生長斷層的位置,厘定斷層系統并研究其控制沉積的過程,進而才能深入了解Sturtian期裂谷作用與冰磧巖發育