揚子北緣西鄉群大石溝組和三郎鋪組凝灰巖鋯石U－Pb年齡及其地質意義

鄧 奇，王 劍，汪正江，江新勝，杜秋定，伍 皓，楊 菲，崔曉莊

1.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081

2.中國地質科學院研究生院，北京 100037

0 引言

Rodinia超大陸的聚合和裂解一直是前寒武紀地質研究的熱點問題［1－5］，華南新元古代裂谷盆地是Rodinia超大陸分裂解體的重要產物之一［5］，其形成演化伴隨著大量的火山－火山沉積事件。近年來，隨著研究工作的深入和鋯石U－Pb定年技術的廣泛應用，許多研究者通過對華南新元古代相關地層的火山－火山碎屑巖進行精確定年，獲得了大量高精度同位素定年數據，為我國華南前寒武紀年代地層格架的重新厘定提供了重要依據。同時，盆地內部火山－火山碎屑巖的時空分布特征，是恢復盆地演化歷史的重要方面。因此，開展火山－火山碎屑巖精細年代學的研究，對區域地層劃分對比及解釋盆地演化意義重大。

華南新元古代裂谷盆地的主裂谷系主要發育于揚子地塊東南緣（南華裂谷）和西緣（康滇裂谷），而揚子北緣目前一般認為形成了一系列錯綜復雜的小型裂谷［6－7］。西鄉群主要分布于揚子北緣西段陜西省漢中市西鄉縣城附近，是華南新元古代裂谷盆地的重要組成部分［8］，因其分布范圍內普遍發育了廣泛而強烈的前寒武紀火山巖漿活動，長期以來受到地學界的高度重視，是揚子北緣乃至整個華南前寒武紀地質研究的重要載體。

早在20世紀30年代，黃懿先生將漢中一帶出露的變質火山－沉積巖系及其中的侵入巖稱為“漢南雜巖”。1959－1965年，陜西省地質局秦嶺區測隊進行1∶20萬區域地質調查時，圈出了其中的各類侵入巖體，將余下的變質火山－沉積巖系命名為“西鄉群”，因其被震旦系覆蓋，將時代推定為前震旦紀古元古代。20世紀80年代，陶洪祥等［9］通過1∶5萬區域地質調查和大量的剖面工作對原西鄉群進行了較為詳細的劃分，自下而上為白勉峽組、三灣組、三花石組、孫家河組、大石溝組和三郎鋪組（西鄉群僅包括白勉峽組、三灣組和三花石組）。此后，不同研究者在這6個組的基礎上，根據自己的研究成果及認識提出了不同的劃分方案（包括西鄉群范圍及各個組順序的改變）［8，10－14］。

特別指出的是，陜西省地質礦產局［10－11］根據其變質程度將分布于西鄉－白勉峽斷裂以北、變質程度較深的火山－沉積巖系定名為三花石群（即陶洪祥等［9］劃分的白勉峽組、三灣組和三花石組），而將西鄉－白勉峽斷裂以南、變質程度較淺的火山－沉積巖系定名為西鄉群（即陶洪祥等［9］劃分的孫家河組、大石溝組和三郎鋪組），這也是筆者所指的西鄉群和三花石群。

關于西鄉群的時代，前人的研究已有相當多的積累，特別是孫家河組和大石溝組大致的形成時代，已得到不同研究成果（包括本次研究）的相互驗證。如：孫家河組火山巖的鋯石U－Pb年齡分別為（833±5）Ma［8］、820～840Ma［13］和（815±5）Ma［14］；大石溝組火山巖和火山碎屑巖的鋯石 U－Pb年齡分別為（803±5）Ma［8］和（789.0±4.4）Ma（本次研究）。然而，三郎鋪組的沉積時限還沒有年齡數據給予約束。有些研究者認為三郎鋪組與大石溝組是同期異相的關系，夏林圻等［8］就通過對大石溝組流紋斑巖和花崗斑巖的定年，將大石溝組（包含三郎鋪組）限定在776～803Ma；而通過同位素定年，將西鄉－白勉峽斷裂以北、變質程度較深的白勉峽組（（730±13）Ma）置于其上。雖然三郎鋪組在巖石組合特征上與大石溝組相似，但稱其為同期異相地層仍缺乏年代學的證據，且白勉峽組與它們之間的關系也值得進一步討論。因此，有必要對西鄉群各組的形成時代進行重新厘定，這不僅有助于建立和完善區域地層格架，而且對提高本地區構造演化史的認識可以起到重要的推動作用。

筆者報道了揚子北緣西鄉群大石溝組和三郎鋪組凝灰巖鋯石U－Pb年齡，并系統收集了華南新元古代中期巖漿巖的年齡數據。目的在于：對大石溝組和三郎鋪組凝灰巖進行精確定年，為揚子北緣乃至整個華南新元古代地層劃分對比提供新的年代學證據；并結合前人研究成果，通過巖漿巖的時空分布特征，探討華南新元古代裂谷盆地的演化階段。

1 地質概況

西鄉群位于揚子地塊北緣向北凸出的米倉山系，其北與南秦嶺造山帶毗鄰，東西兩側分別為龍門山和大巴山推覆構造帶（圖1）。漢中地區發育最古老的結晶基底為古元古代后河巖群，中新元古代三花石群不整合覆蓋于其上，而西鄉群則與三花石群為斷層接觸，并被南華系砂巖不整合覆蓋。

西鄉群分布于米倉山系東北部，如前所述，主要出露于西鄉縣城附近，出露范圍比較有限，主體為一套火山－沉積巖系，火山－火山碎屑巖非常發育，由孫家河組、大石溝組和三郎鋪組組成。其中：孫家河組中下部以灰綠色中基性－酸性火山碎屑巖為主，間夾玄武巖、玄武質安山巖，上部主要由中酸性凝灰巖和流紋巖組成；大石溝組下部為紫紅色－雜色凝灰質碎屑巖、凝灰巖夾玄武巖、英安巖，中部發育紫紅色－雜色火山角礫巖、角礫熔巖、凝灰巖、流紋巖和粗面巖，上部以紫紅色凝灰質碎屑巖、凝灰巖、流紋巖和玄武巖居多；三郎鋪組主要由紫紅色凝灰質礫巖、砂礫巖和砂巖以及紫紅色凝灰巖組成。

2 樣品描述及分析方法

2.1 樣品描述

三郎鋪組凝灰巖樣品（XX001－2）采自西鄉縣十里鋪西南約3km處（圖1b）；采樣層位之下為一層灰白色粗砂巖，之上被第四系掩蓋；盡管野外采樣剖面觀察困難，出露不連續，但通過區域的巖石地層對比，基本可以確定采樣層位位于三郎鋪組的中上部；野外露頭呈灰白色，已風化成松軟土狀（圖2a），地理坐標為32°57′16″N，107°41′35″E。大石溝組凝灰巖樣品（XX004）采自西鄉縣三郎鋪至白勉峽的公路北側（圖1b）；采樣層位之下為一層灰紫色含礫粗砂巖，之上為一層紫紅色細砂巖，采樣層位位于大石溝組的下部；野外露頭呈紫紅色，塊狀（圖2b）；地理坐標為33°00′45″N，107°54′33″E。

顯微鏡下觀察表明，樣品XX001－2具凝灰結構，碎屑成分主要為晶屑和巖屑，含8%～10%的礫石。其中：晶屑體積分數大于55%，以長石、石英為主，含少量透輝石，偶見黑云母；巖屑體積分數為10%～15%，主要為火山熔巖和部分花崗質巖屑，與晶屑不均勻相間分布。礫石成分與晶屑、巖屑較為一致，主要由長石、石英巨晶和部分火山熔巖、少量花崗質巖石組成，磨圓較差，多呈次棱角狀、分散狀不均勻分布，應是同時同源的火山角礫。膠結物由黑色火山玻璃和少量粉狀碎屑組成，不均勻地充填于碎屑間隙（圖2c），薄片鑒定定名為含礫巖屑晶屑凝灰巖。

樣品XX004具凝灰結構，碎屑成分主要為巖屑和晶屑，偶見火山熔巖礫石。其中：巖屑體積分數大于50%，全由火山熔巖屑組成，次圓－次棱角狀，多已蝕變，但熔巖結構仍清楚，與晶屑不均勻相間分布；晶屑體積分數約為35%，主要由長石組成，可見石英和蝕變暗色礦物。膠結物為棕色火山物質，呈膠狀土狀，部分脫玻分解生成綠泥石、土狀簾石和鐵質微粒，較均勻地膠結碎屑，充填碎屑間隙（圖2d），薄片鑒定定名為晶屑巖屑凝灰巖。

2.2 分析方法

巖石樣品經破碎、淘洗、重液分離和電磁分離后，在雙目鏡下挑選晶形完好、具有代表性的鋯石顆粒粘在樹脂臺上，打磨拋光，制成樣靶，然后對鋯石進行反射光、透射光顯微照相和陰極發光（CL）圖像分析，確定鋯石的內部結構和成因，以選取最佳的待測鋯石部位。鋯石U－Pb同位素定年在中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室利用激光剝蝕（LA）－電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS）分析完成。激光剝蝕系統為配有193nm激光器的GeoLas 2005，ICP－MS為Agilent 7700。本次實驗所采用的激光束斑直徑為32μm，以氦氣作為剝蝕物質的載氣。每個時間分辨分析數據包括20～25s的空白信號和50s的樣品信號。對分析數據的離線處理采用軟件ICPMSDataCal［15］完成。詳細的儀器操作條件和數據處理方法同文獻［16］。U－Pb同位素定年中采用鋯石標準91500作外標進行同位素分餾校正，每分析6個樣品點，分析2次91500。對于與分析時間有關的U－Th－Pb同位素比值漂移，利用91500的變化采用線性內插的方式進行了校正［17］。鋯石樣品的U－Pb年齡諧和圖繪制和年齡權重平均計算均采用Ludwig博士編寫的Isoplot程序完成。

圖1 揚子北緣西鄉地區地質簡圖及采樣位置Fig.1 Simplified geological map and sample location in the Xixiang area

圖2 樣品 XX001－2和XX004野外宏觀照片（a，b）與鏡下顯微照片（c，d）Fig.2 Macroscopic photographs（a，b）and microscopic photographs（c，d）of samples XX001－2and XX004

3 分析結果

樣品XX001－2中的鋯石主要為自形，短柱狀，長150～300μm，無色透明，無裂縫（圖3）。陰極發光（CL）圖像中，鋯石顯示明顯的巖漿成因振蕩環帶結構，形態非常一致。筆者對樣品XX001－2中的28顆鋯石進行了30個分析點的U－Pb同位素年齡測定，分析結果列于表1。所有分析點的U和Th質量分數的變化范圍分別為（38～130）×10－6和（25～125）×10－6，Th／U值為0.65～1.22，符合巖漿鋯石的特征。在一致曲線中（圖4a）：分析點10、12和13位于一致曲線下方，可能是少量放射成因Pb丟失的結果；08和11雖然落在一致曲線上，但明顯偏離了其他分析點，可能包含了放射成因Pb丟失的區域；其余25個分析點均落在一致曲線上，其206Pb／238U年齡的加權平均值為（760.4±4.5）Ma（95%置信度，MSWD＝0.43）（圖4b），代表了該樣品形成年齡的最佳估計值。

樣品XX004中的鋯石粒度較小（60～120μm），短柱狀到長柱狀，半自形到自形，無色透明，無裂縫（圖3）。陰極發光（CL）圖像中，鋯石顯示明顯的振蕩環帶結構，為典型的巖漿成因鋯石。對該樣品30顆鋯石進行了30個分析點的U－Pb同位素年齡測定（表1）。所分析鋯石的U質量分數為（35～191）×10－6，Th質量分數為（19～187）×10－6，Th／U值為0.55～1.78，表明鋯石屬于巖漿成因。在一致曲線中（圖4c）：分析點01、10、29和30位于一致曲線下方，且其中01、10和29明顯偏離了其他分析點，可能是少量放射成因Pb丟失的結果；其余26個分析點均落在一致曲線上，其206Pb／238U年齡的加權平均值為（789.0±4.4）Ma（95%置信度，MSWD＝0.66）（圖4d），代表該樣品的形成時代。

圖3 樣品XX001－2與XX004典型鋯石CL圖像Fig.3 Cathodeluminescence（CL）images of typical zircon grains from tuff samples XX001－2and XX004

表1 樣品XX001－2和XX004鋯石U－Th－Pb同位素分析結果Table 1 Zircon U－Th－Pb isotope analyses of samples XX001－2and XX004

圖4 樣品XX001－2和XX004鋯石U－Pb諧和圖（a和c）與206Pb／238 U年齡圖（b和d）Fig.4 Zircon U－Pb concordia diagrams（a and c）and 206Pb／238 U age diagram（b and d）of samples XX001－2and XX004

4 討論

4.1 地層劃分方案及區域對比意義

西鄉群不僅組間野外接觸關系觀察困難，而且早期缺乏可靠的定年數據，因此其地層劃分，特別是區域對比問題未能得到很好的解決。

需要指出的是，前寒武紀地層劃分對比主要是以重大地質事件（如構造－沉積旋回）為基礎，并依據沉積建造、巖漿活動、變質作用和同位素年齡等方面進行綜合分析［18－19］。眾所周知，Rodinia超大陸的分裂解體是前寒武紀重大地質事件之一，標志著新一輪構造－沉積旋回的開始，華南新元古代裂谷盆地就是其重要產物，并被認為是保存了全球最完整的新元古代中期（850～720Ma）與Rodinia超大陸早期裂解相關的巖漿活動和沉積記錄。王劍［20］從沉積盆地分析入手，提出華南裂谷盆地沉積了一套側向延伸不連續、底界面不等時的“楔狀地層”，其最低層位代表了華南晉寧造山運動不整合面之上新元古界新一輪沉積旋回的“起點”，并通過對這些最低層位的火山巖進行精確定年（如湘北滄水鋪組火山集塊巖和黔東南甲路組火山巖的鋯石U－Pb年齡分別為（814±12）Ma［21］和（816±5）Ma［22］），認為這個底界年齡約為820Ma，是華南新元古代地層劃分對比的一個重要年齡界線。近年來，許多研究成果都支持了這一觀點，如桂北鷹揚關群基性火山巖的年齡為（819±11）Ma［23］，閩西北馬面山群堿性玄武巖的年齡為（818±9）Ma［24］，揚子西緣蘇雄組流紋巖和揚子北緣鐵船山組流紋巖的年齡分別為（803±12）Ma［25］和（817±5）Ma［26］。

如前所述，西鄉群是華南新元古代裂谷盆地的沉積產物，因此西鄉群的沉積下限年齡應不早于820Ma。最近，崔建堂等［14］報道的孫家河組英安質熔巖的高精度SHRIMP鋯石U－Pb年齡為（815±5）Ma，該樣品取自孫家河組的中下部，所以其形成時間應該趨近于西鄉群的底界年齡，在誤差范圍內，這也與夏林圻等［8］獲得的火山巖年齡較為一致。因此，西鄉群的底界年齡應為820Ma左右。在區域對比方面，根據江新勝等［27］最新報道的滇中澄江組底部年齡（（797.8±8.2）Ma和（803.1±8.7）Ma），以及之前的學者對揚子西緣康滇裂谷底部火山巖的研究成果［25］，揚子西緣可能缺失了與孫家河組相當的地層。而揚子東南緣湘北板溪群下段及其相當地層（如黔東南下江群下段、桂北丹洲群下段、浙北河上鎮群下段等）、揚子北緣鐵船山組和花山群的底部年齡均為820Ma左右［21－23，26］（圖5），因此，它們可與孫家河組進行對比，均代表了華南新元古代裂谷盆地開啟的底部沉積。

目前，西鄉群大石溝組和三郎鋪組的關系存在爭議。然而筆者報道的凝灰巖鋯石U－Pb年齡顯示，三郎鋪組的形成時代（（760.4±4.5）Ma）要晚于大石溝組（（789.0±4.4）Ma），而且從地質簡圖中也可看出（圖1），西鄉群3個組的分布是很有規律的，它們構成了一個向斜，其中最年輕的三郎鋪組位于向斜的核部，因此，大石溝組和三郎鋪組應該是上下關系，而非前人認為的相變過渡關系。在區域上，根據近些年報道的高精度年齡數據（圖5），大石溝組和三郎鋪組大體上可與揚子東南緣板溪群上段及其相當地層、揚子北緣蓮沱組以及揚子西緣澄江組、蘇雄組和開建橋組進行對比（圖5）。由于西鄉群與上覆砂巖為不整合接觸，且上覆砂巖是屬于板溪期沉積還是冰期沉積尚有爭議（圖5），因此，西鄉群的頂界年齡不會小于板溪期沉積的頂界年齡，但目前難以確定。

西鄉群與三花石群（白勉峽組、三灣組和三花石組）雖然在野外沒有明確的上下關系（為斷層接觸），但凌文黎等［12］獲得的白勉峽組英安巖鋯石U－Pb年齡（（946±18）Ma）表明，三花石群應為其下伏地層。如前所述，夏林圻等［8］也對白勉峽組玄武巖進行了定年，但所獲得的鋯石 U－Pb年齡比較分散（431～1 144Ma），且僅將其中2粒諧和鋯石的加權平均值（（730±13）Ma）解釋為玄武巖的形成年齡，因此，該解釋是否合適，值得商榷。另外，西鄉群與三花石群在巖石組合和變質程度上的較大差異，也從側面支持了這種關系：西鄉群主體為變質較淺的陸相火山－火山碎屑巖系，是晉寧運動不整合面之上的新一輪沉積；而三花石群則為變質較深的海相火山－沉積巖系，應是晉寧運動不整合面之下的沉積產物，其變質由造山運動所致，因而變質程度較深。

綜上所述，筆者認為西鄉群從老到新包括孫家河組、大石溝組和三郎鋪組，其中，孫家河組大體上可與板溪群下段及其相當地層進行對比，而大石溝組和三郎鋪組可與板溪群上段及其相當地層進行對比，為華南新元古代裂谷盆地的早期充填，其與下伏三花石群分別代表了上下2個不同的構造－沉積旋回。

4.2 新元古代幕式巖漿活動及其盆內響應

華南因廣泛記錄了新元古代中期與Rodinia超大陸早期裂解相關的巖漿活動和沉積記錄而受到地學界的高度重視。近年來，越來越多的高精度同位素定年研究表明，華南新元古代中期（850～720 Ma）的火山巖漿活動顯示多幕式特征［1，33－34］，這些幕式巖漿活動與華南新元古代裂谷盆地階段性的沉降與填充過程有很好的耦合關系［27］。

在盡量保證精度、避免重復的基礎上，筆者系統收集了華南新元古代中期巖漿巖的年齡數據。從圖6中可以看出，華南新元古代初步顯示了3期幕式巖漿活動，它們的峰值年齡分別約為825、795和760Ma，其中以前兩期最為明顯，它們分別標志著裂谷盆地的開啟和全面打開。第一幕巖漿活動的高峰期短（825～820Ma）、強度大，大量深源巖漿的侵入引起了地殼的快速抬升和去頂作用，并逐漸產生側向拉伸作用形成裂谷盆地雛形。在第二幕高峰期到來之前，盆地的沉積范圍非常局限，主要為揚子東南緣主裂谷系的底部沉積（板溪群下段及其相當地層），而揚子北緣僅有零星分布，如上文提到的西鄉群下段孫家河組、鐵船山組和花山群；第二幕巖漿活動的高峰期相對第一幕強度較弱，但時間較長（800～790Ma）。火山巖漿活動促使了華南裂谷盆地的全面打開，并發育了大量的火山巖和火山碎屑巖，如揚子西緣蘇雄組（803±12）Ma雙峰式火山巖［25］、揚子東南緣上墅組（792±5）Ma流紋巖［35］、虹赤村組（797±11）Ma中酸性火山巖［1］、張家灣組（803±8）Ma斑脫巖［36］、紅子溪組（792±9）Ma凝灰巖［37］以及揚子北緣大石溝組（789.0±4.4）Ma凝灰巖（本次研究）和碧口群（790±15）Ma流紋巖質凝灰巖［38］等。在這期間，盆地的沉積范圍快速擴大，各次級裂谷盆地均接受沉積。第三幕巖漿活動雖然在時間和強度上均不及前兩幕，但這一幕巖漿活動使各次級盆地的連通性大大增加，為冰期之后華南大陸邊緣海的形成奠定了重要基礎。

圖6 華南新元古代中期（850～720Ma）巖漿巖年齡分布直方圖Fig.6 Age histogram of igneous rocks in South China between 850and 720Ma

應當指出，西鄉群雖然是揚子北緣小型裂谷系的一部分，其沉積序列的演化特征不如華南主裂谷系那么明顯，但其保留了相對完整的火山巖漿記錄。筆者報道的大石溝組和三郎鋪組凝灰巖不僅是華南新元古代795Ma和760Ma兩期幕式巖漿活動的重要表現，也與華南新元古代裂谷盆地的形成密切相關，無疑具有不可忽視的地質意義。

5 結論

1）LA－ICP－MS鋯石 U－Pb同位素分析結果表明，揚子北緣西鄉群大石溝組和三郎鋪組的凝灰巖年齡分別為（789.0±4.4）Ma和（760.4±4.5）Ma。結合前人研究結果得出，西鄉群從老到新包括孫家河組、大石溝組和三郎鋪組，其中，孫家河組大體上可與板溪群下段及其相當地層進行對比，而大石溝組和三郎鋪組可與板溪群上段及其相當地層進行對比，為華南新元古代裂谷盆地的早期充填，其與下伏三花石群分別代表了上下2個不同的構造－沉積旋回。

2）華南新元古代中期巖漿巖年齡數據的統計研究顯示，華南新元古代初步顯示了3期幕式巖漿活動，這些幕式巖漿活動與華南新元古代裂谷盆地階段性的沉降與填充過程有很好的耦合關系，大石溝組和三郎鋪組凝灰巖分別代表了795、760Ma兩期幕式巖漿活動，與華南新元古代裂谷盆地的形成密切相關。

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