劉帥 巫建華 楊東光 黃美化 馬樹松 張山
1. 東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室,南昌 330013 2. 東華理工大學地球科學學院,南昌 330013
龍頭寨群一名系廣東地質局761隊4分隊創名于曲江縣靈溪的龍頭寨山,原指粵北地區中上奧陶統的砂頁巖、石灰巖及部分硅質巖,并以中部石灰巖為標志劃分為下、中、上三個亞群。廣東省地質礦產局(1996)在清理巖石地層單位時,將原龍頭寨群下亞群上部、中亞群和上亞群分別引用江西南部的半坑組、古亭組、黃竹洞組;丁輝等(2017)在粵北始興司前-贛南全南南逕一帶創建南逕組,并將其歸入龍頭寨群,作為龍頭寨群頂部的一個組。至此,龍頭寨群自下而上進一步劃分為半坑組、古亭組、黃竹洞組和南逕組。半坑組未見化石,廣東省地質礦產局(1996)根據整合于其下的長坑水組含中奧陶世筆石化石(南頤, 1995),推測其地質時代屬中晚奧陶世。古亭組在粵北含牙形刺化石Cornuodus longibsis、Paltodus inconstans、Oistodus sp.等,指示的地質時代屬早-中奧陶世(安太庠, 1987);在贛南含珊瑚化石Palaeophyllum sp.、腕足類化石Ancistorhyncha sp.和腹足類化石Donaldiella sp.等,指示的地質時代屬晚奧陶世(江西省地質礦產廳, 1997)。黃竹洞組在粵北未見化石,廣東省地質礦產局(1996)推測其地質時代為晚奧陶世;贛南黃竹洞組下段產晚奧陶世筆石化石,上段近2000m厚的沉積碎屑巖層也未見化石,江西省地質礦產廳(1997)將黃竹洞組下段歸于晚奧陶世,并推測黃竹洞組上段可能還包括早志留世沉積。南逕組為火山巖系,贛南南逕盆地安山巖和英安巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡分別為442.1±3.9Ma和439.9±3.7Ma(丁輝等, 2017),粵北河口盆地碎斑熔巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡為443.6±5.4Ma,指示的地質時代屬晚奧陶世末期-早志留世初期(巫建華等, 2012; 丁輝等, 2017; 劉帥等, 2018)。可見,粵北黃竹洞組及贛南黃竹洞組上段的地質時代歸屬及其與南逕組的時代關系還缺乏有效的制約。
另一方面,欽(州灣)-杭(州灣)結合帶是揚子古板塊與華夏微古板塊的巨型構造結合帶,經歷了不同性質與規模的構造運動(張國偉等, 2013),因地質構造復雜,分岐較大,特別是早古生代結合帶兩側的大陸邊緣屬性存在不同的認識。欽-杭結合帶中段由半坑組、古亭組和黃竹洞組組成的原龍頭寨群,為一套細粒長石石英砂巖、絹云板巖、粉砂質板巖或千枚巖夾碳酸鹽巖,上部夾含凸鏡狀礫巖的沉積組合,似乎顯示被動大陸邊緣的沉積特征。但粵北始興-贛南全南一帶南逕組火山巖晚奧陶世末期-早志留世初期的地質時代厘定(巫建華等, 2012; 丁輝等, 2017; 劉帥等, 2018)和島弧火山巖的地球化學特征確認(丁輝, 2016; 勞玉軍, 2017; 劉帥等, 2018; 馬樹松等, 2019),說明欽-杭結合帶中段晚奧陶世末期-早志留世初期可能屬活動大陸邊緣。可見,黃竹洞組地質時代以及與南逕組的接觸關系的確認,是解決龍頭寨群沉積構造屬性和欽-杭結合帶中段早古生代構造背景的關鍵。為此,本文以欽-杭結合帶中段粵北始興河口一帶龍頭寨群黃竹洞組頂部首次發現的火山巖夾層研究對象,通過野外考察、代表性地層剖面測制、火山巖巖相學研究和SHRIMP鋯石U-Pb測年測定,確定黃竹洞組的地質時代,再結合上覆南逕組火山巖鋯石U-Pb年齡確定黃竹洞組與南逕組的時代關系,并探討欽-杭結合帶中段早古生代的構造背景。
粵北位于揚子古板塊與華夏微古板塊之間的欽-杭巨型構造結合帶中段(周永章等, 2012)以東,華夏微古板塊西部邊緣(圖1a)。欽-杭結合帶自早元古代,經中、新元古代至早古生代大致經歷了“三合、兩開”(楊明桂和梅勇文, 1997)的構造演化。早元古代,隨著全球哥倫比亞超級大陸的形成,揚子陸塊與華夏陸塊連為一體,形成統一的華南原始陸殼;中元古代早期,隨著哥倫比亞超級大陸裂解,華南原始陸殼開始分離為以古華南洋相隔的揚子始板塊和華夏微始板塊(胡雄健等, 1991; 邢鳳鳴等, 1992; 甘曉春等, 1995, 1996; 楊明桂和梅勇文, 1997; 李獻華等, 1994, 1998; 劉銳等, 2009; 于津海等, 2009; 劉潛, 2013; 梁錦等, 2015);新元古代早期,隨著羅迪尼亞超級大陸形成,古華南洋閉合,揚子始板塊與華夏微始板塊拼合成統一的華南始板塊 (Lietal., 2007, 2008c);南華紀-早古生代早期,隨著羅迪尼亞(Rodinia)超級大陸的裂解,華南始板塊沿欽杭構造帶再次裂解為以洋盆相隔的揚子古板塊和華夏微古板塊(彭松柏等, 2006; 王鶴年和周麗婭, 2006; Yanetal., 2006; Yuetal., 2008; 何衛紅等, 2014);早古生代晚期,華南洋再次關閉形成欽杭加里東期結合帶,揚子古板塊與華夏微古板塊再次拼合,地殼隆升遭受剝蝕,沿拼合帶多數地區缺失志留紀地層,發育奧陶紀-志留紀島弧型花崗巖、火山巖和區域綠片巖相-低角閃巖相變質作用(楊樹鋒等, 1995; 張芳榮等, 2009; 邢光福等, 2013; 何衛紅等, 2014; 易立文等, 2014; 曾長育等, 2015; 勞玉軍, 2017; 馬樹松等, 2019)。

圖1 欽杭帶基本構造格架(a,據陳毓川等, 2013)和贛南-粵北地區地質簡圖(b) 1-第四系;2-泥盆系;3-上奧陶統-下志留統火山巖;4-寒武系-上奧陶統變質砂巖;5-燕山中期花崗巖;6-印支晚期花崗巖;7-印支早期花崗巖;8-加里東期花崗巖;9-地質界線;10-角度不整合接觸;11-區域深大斷裂和主要斷裂;12-剖面位置Fig.1 The basic tectonic framework of Qin-Hang joint zone (a, after Chen et al., 2013) and geological sketch map of the South Jiangxi-North Guangdong (b)1-Quaternary; 2-Devonian; 3-Upper Ordovician-Lower Silurian volcanic rocks; 4-Cambrian-Upper Ordovician metamorphic sandstone; 5-Middle Yanshanian granite; 6-Late Indosinian granites; 7-Early Indosinan granites; 8-Caledonian granites; 9-geological boundary; 10-angular unconformity contact; 11-regional abyssal faults and major faults; 12-section position
粵北黃竹洞組地層出露局限,植被茂密,天然露頭較少,為進一步確定黃竹洞組類復理石沉積層序,在粵北河口地區選擇一段巖性出露較好的地段,測制了剖面A-A′(圖1b、圖2、圖3),剖面起點坐標為24°45′39″N、114°05′12″E,終點坐標為24°44′03″N、114°04′58″E,剖面層序描述如下:

圖2 黃竹洞組碳質板巖與火山巖夾層(a)碳質板巖與火山巖互層剖面;(b)碳質板巖局部放大;(c)夾層火山巖局部放大Fig.2 Carbonaceous slate and volcanic interbedded of Huangzhudong Formation(a) interbedded profile of carbonaceous slate and volcanic rock; (b) fractionated gain of carbonaceous slate; (c) fractionated gain of interbedded volcanic rocks

圖3 粵北黃竹洞組實測地層剖面圖(A-A′)Fig.3 Geological section of the Huangzhudong Formation in northern Guangdong Province (A-A′)
上覆地層:南逕組碎斑熔巖、流紋巖、流紋質凝灰巖(未及頂) >69.12m
----------------整合----------------
黃竹洞組(O3hz)
>430.04m
(18)淺黃色細粒石英砂巖夾火山巖及薄層粉砂巖
98.04m
(17)灰色碳質板巖
0.51m
(16)流紋質
0.51m
(15)灰色碳質板巖
0.45m
(14)流紋巖
4.30m
(13)灰色碳質板巖
0.85m
(12)流紋巖、流紋質凝灰巖
4.71m
(11)灰色碳質板巖
0.28m
(10)碎斑熔巖、流紋巖
4.32m
(9)灰色碳質板巖
0.34m
(8)碎斑熔巖
2.28m
(7)灰色碳質板巖
0.28m
(6)透鏡狀流紋巖
0.27m
(5)片理化灰色碳質板巖夾薄層灰褐色硅化粉砂巖
67.96m
(4)淺灰色粉砂巖夾紫紅色砂巖夾少量灰色碳質板巖
101.28m
(3)黃褐色石英砂巖與淺灰色粉砂質板巖互層
57.04m
(2)紫紅色細粒砂巖和灰綠色條帶狀粉砂巖互層
23.10m
(1)紫紅色細粒石英砂巖(未及底)
45.08m
在實測剖面A-A′上,黃竹洞組底部主要為紫紅色細粒石英砂巖、紫色細粒砂巖與灰綠色條帶狀粉砂巖互層、黃褐色石英砂巖與淺灰色粉砂質板巖互層、淺灰色粉砂巖夾紫紅色砂巖互層為主(圖2a),厚21.3~101.28m;中部主要為灰色碳質板巖與火山巖互層(圖2b, c),碳質板巖厚度不大,火山巖厚度從下到上厚度有逐增趨勢;頂部主要為火山巖與片理化灰色碳質板巖互層、片理化灰色碳質板巖夾薄層灰褐色硅化粉砂巖組合,局部可見透鏡狀火山巖,夾層火山巖與淺變質巖組合的產狀一致(圖3)。黃竹洞組與上覆南逕組凝灰巖為整合接觸。
粵北黃竹洞組流紋巖遭受了變質變形改造,但變質程度低,僅達低級綠片巖相,原始結構基本保存,容易識別。顯微鏡下觀察發現,流紋巖變質作用明顯,可見絹云母定向排列充填在基質中(圖4);樣品具斑狀結構(圖4a);斑晶含量約占45%,主要為石英(30%)、長石(5%)和云母(10%);石英斑晶晶形整體較差,半自形-他形,干涉色一級白至一級黃白,波狀消光,具有熔蝕現象,呈不規則港灣狀(圖4a, b, f, g);黑云母呈條帶狀,正交偏光下呈棕黃色和藍色(圖4b, d);大部分長石斑晶發生了蝕變作用,絹云母化比較明顯(圖4c, d, f);局部可見保存較好的斜長石,具聚片雙晶(圖4c, d, h),可見少量鉀長石(圖4a);基質為隱晶質(55%),由石英、長石微晶和絹云母(白云母)定向排列組成。

圖4 粵北黃竹洞組流紋巖顯微照片(a)斑狀結構;(b)條帶狀黑云母;(c)長石絹云母化;(d、h)長石聚片雙晶;(e、g)石英斑晶熔蝕;(f)長石蝕變. Q-石英;Pl-斜長石;Bt-黑云母;Ms-白云母;Ser-絹云母;Kfs-鉀長石Fig.4 Rhyolitic micrographs of Huangzhudong Formation in northern Guangdong Province(a) porphyritic texture; (b) stripped biotite; (c) sericitization of feldspar; (d, h) polycrystalline twin of feldspar; (e, g) corrosion of quartz porphyry; (f) corrosion of feldspar. Q-quartz; Pl-plagioclase; Bt-biotite; Ms-muscovite; Ser-sericite; Kfs-k-feldspar
為確定黃竹洞組夾層火山巖的地質時代,在剖面上選取火山巖新鮮樣品HK101和HK102各10kg,碎樣至80~120目,由南昌華地科技有限公司利用重力法、電磁法分選出鋯石,在雙目鏡下挑選晶形和透明度較好的鋯石顆粒;將樣品鋯石與標樣鋯石一起制靶固結后,用環氧樹脂固定、拋光,在光學顯微鏡下進行鋯石樣品的反射光和透射光觀察,在掃描電鏡下拍攝陰極發光圖像。透射光、反射光和陰極發光成像SHRIMP鋯石U-Th-Pb同位素測定在中國地質科學院地質研究所(北京離子探針中心)完成。測試儀器為澳大利亞科學儀器公司制造的SHRIMP-Ⅱ型。詳細分析流程及計算原理見宋彪等(2002)。使用Ludwig博士編寫的Squid 1.0及Isopolt程序對分析數據進行處理及年齡計算。測試結果見表1。
樣品HK101和HK102流紋巖中鋯石均呈自形長柱狀或雙錐狀,晶形較好,可見清晰地韻律環帶(圖5);大部分鋯石長度位于120~245μm之間。樣品HK101中15顆測試鋯石的U含量為148×10-6~886×10-6(均值為488×10-6),Th含量為60×10-6~284×10-6(均值為159×10-6),Th/U值為0.28~0.46(均值0.35);樣品HK102中15顆鋯石(16個測點),U含量為142×10-6~633×10-6(均值365×10-6),Th含量為60×10-6~349×10-6(均值為166×10-6),Th/U值為0.33~0.63(均值為0.47);具有巖漿成因鋯石的成分特征(Williams and Claesson, 1987; Rubatto, 2002; 吳元保和鄭永飛, 2004)。樣品HK101的15個測試點的206Pb/238U年齡變化范圍為444~427Ma,在U-Pb協和曲線上集中分布(圖6),加權平均值為436.2±2.1Ma (MSWD=1.6);樣品HK102的16個測試點的206Pb/238U年齡變化范圍為452~429Ma,在U-Pb協和圖中集中分布(圖6),加權平均年齡值為438.7±2.1Ma (MSWD=1.17)。可見,2個樣品的鋯石U-Pb年齡為439~436Ma,代表流紋巖的形成年齡。

表1 黃竹洞組流紋巖SHRIMP鋯石U-Pb分析結果

圖5 粵北黃竹洞組流紋巖鋯石陰極發光圖像Fig.5 Cathodoluminescence photos (CL) images of zircons from rhyolites of Huangzhudong Formation in northern Guangdong Province

圖6 粵北黃竹洞組流紋巖鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.6 U-Pb concordia diagrams of zircons from rhyolites of Huangzhudong Formation in northern Guangdong Province
本文獲得的龍頭寨群黃竹洞組頂部流紋巖的SHRIMP鋯石206Pb/238U年齡為439~436Ma,根據《國際年代地層表》(2018/08版),中志留統/下志留統、下志留統/上奧陶統和上奧陶統/中奧陶統的界限分別劃在433.4±0.8Ma、443.8±1.5Ma和458.4±0.9Ma(樊雋軒等, 2018),指示流紋巖的地質時代屬早志留世早期。考慮到黃竹洞組頂部流紋巖之下的變質沉積巖層厚約2000m,且在贛南的黃竹洞組底部產有五峰期筆石化石(江西省區域地質調查隊, 1988(1)江西省區調地質調查隊. 1988. 江西省崇義地區“下關群”時代的研究報告)以及下伏的古亭組產有晚奧陶世的牙形刺化石(安太庠, 1987),將龍頭寨群黃竹洞組的地質時代歸于晚奧陶世-早志留世早期是可靠的。
丁輝等(2017)將贛南全南一帶火山巖創建南逕組時,依據南逕組以安山巖-英安巖為主夾板巖、千枚巖,而龍頭寨群半坑組、古亭組和黃竹洞組以砂頁巖、石灰巖及部分硅質巖為主頂部夾火山巖,且半坑組、古亭組和黃竹洞組的化石資料指示的地質時代與南逕組同位素年齡數據指示的地質時代吻合,認為黃竹洞組與南逕組為整合接觸,并將南逕組歸入龍頭寨群。本文獲得的黃竹洞組頂部火山巖夾層流紋巖SHRIMP鋯石加權平均值年齡分別為436.2±2.1Ma(n=15,MSWD=1.60)和438.7±2.1Ma(n=16,MSWD=1.17),與上覆南逕組碎斑熔巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡(443.6±5.4Ma;巫建華等, 2012)在誤差范圍內一致,屬同期火山活動的產物,說明黃竹洞組變質巖系與南逕組的時代連續,進一步證明兩者為整合接觸關系。
龍頭寨群半坑組、古亭組和黃竹洞組淺變質巖系主要為一套深灰色、灰色、灰綠色細粒長石石英砂巖、絹云板巖、粉砂質板巖或千枚巖夾碳酸鹽巖,上部夾含凸鏡狀礫巖的沉積組合,由于以前未發現火山巖,似乎顯示出被動大陸邊緣的巖石組合特征。隨著贛南全南-粵北始興一帶厚度超過500m的南逕組碎斑熔巖、英安巖、安山巖(巫建華等, 2012; 伍靜等, 2014; 丁輝等, 2017)的并入,龍頭寨群成為厚度超過800m的變質火山巖-沉積巖組合,顯示出活動大陸邊緣的巖石組合特征。特別是贛南-粵北南逕組英安巖、安山巖(丁輝, 2016; 勞玉軍, 2018)和同期花崗巖(馬樹松等, 2019)具有島弧巖漿巖地球化學特征的確認,更有利地證實南逕組火山巖和同期花崗巖屬活動大陸邊緣的產物。本文確認龍頭寨群黃竹洞組流紋巖與南逕組火山巖屬同期火山作用的產物,進一步證實龍頭寨群具有活動大陸邊緣的巖石組合特征。
欽杭結合帶加里東期是否存在洋盆,一直是地質界關注和爭論的焦點,并引發了欽杭結合帶加里東期是俯沖-碰撞造山帶還是板內造山造山帶的爭論。盡管很多地質工作者從沉積地層、巖漿巖、變質巖及構造方面提供了加里東期俯沖-碰撞造山的地質證據 (Guoetal., 1989; 李曰俊等, 1993; 劉寶珺等, 1993; 殷鴻福等, 1999; 曾勇等, 1999; 吳浩若, 2000; 郭令智, 2001; 尹福光等, 2001; 馬瑞士, 2006; 彭松柏等, 2006; 劉運黎等, 2009; 潘桂棠等, 2009; 許效松等, 2012; Zhao and Cawood, 2012; 覃小鋒等, 2013, 2015; 陳相艷等, 2015; Zhangetal., 2015),但因缺少與區域上廣泛分布的加里東期花崗巖(樓法生等, 2005; 伍光英等, 2008; Lietal., 2010; Wangetal., 2011, 2013; Zhangetal., 2012; 王磊等, 2013)同期的島弧火山巖或與洋殼俯沖相關的早古生代蛇綠巖證據,不具備洋-陸俯沖活動大陸邊緣特征,有學者認為其屬板內造山(周新民, 2003; 王德滋, 2004; 舒良樹, 2006; 柏道遠等, 2007; 徐夕生, 2008; 張愛梅等, 2010; 郝義等, 2010; Wangetal., 2010; Shuetal., 2011; Wangetal., 2011, 2012; Xuetal., 2011; 陳旭等, 2012; 杜遠生和徐亞軍, 2012)。
綜合前人研究成果,欽杭結合帶西南段晚奧陶世-早志留世應處于活動大陸邊緣環境,存在俯沖-碰撞造山作用。蛇綠巖或島弧火山巖作為判別洋殼俯沖-碰撞造山作用的關鍵性證據,云開隆起地區西北緣桂東南糯垌蛇綠巖,大爽一帶形成于俯沖島弧的弧前構造環境下的高鎂-鎂質玄武安山巖-安山巖(430~441Ma)(彭松柏等, 1999, 2016a, b)和俯沖-碰撞構造環境下具TTG特征的深熔花崗雜巖(443Ma)(彭松柏等, 2006; 覃小鋒等, 2013)等,證實欽杭結合帶西南段存在加里東期洋殼俯沖-碰撞造山作用。另一方面,在欽杭結合帶東段,江西橫峰、金溪出露早古生代花崗巖,由于缺少相匹配的同期火山巖系,則不具備洋陸俯沖活動大陸邊緣特征(孫濤, 2006; 舒良樹等, 2008),江西弋陽、浙江龍游、閩中等地雖然發現了經歷早古生代高壓高溫變質麻粒巖(于津海等, 2014)和高壓變質石榴石角閃巖(周國慶等, 1989; 邢光福等, 2013; Zhangetal., 2015; 陳相艷等, 2015),但高壓高溫變質麻粒巖和高壓榴輝巖的出現并不能說明洋殼一定存在,高壓高溫變質麻粒巖和高壓榴輝巖不限出現于俯沖造山帶,且與大洋板塊俯沖有關的造山帶往往發育雙變質帶,特別是低溫高壓變質作用。
欽杭結合帶中段雖然沒有發現蛇綠巖,但存在與洋殼俯沖有關的島弧火山巖和花崗巖。如,覃小鋒等(2015)在廣西桂東鷹揚關地區發現識別的早古生代志留世(415Ma)與俯沖-消減作用有關的細碧巖、石英角斑巖及相關火山碎屑巖;易立文等(2014)在粵北河口-上洞發現的早古生代晚奧陶世鈣堿性英安巖(449Ma);粵北始興-贛南全南發現的早古生代英安巖(439Ma)、安山巖(442Ma)(丁輝, 2016; 勞玉軍, 2017)、花崗巖(442Ma)(馬樹松等, 2019);粵北一帶和貓兒山-越嶺高鎂玄武巖-安山巖-英安巖和輝長巖(Yaoetal., 2012; Wangetal., 2013);湘東板杉鋪埃達克質花崗閃長巖(423Ma)(許德如等, 2006);永州-衡陽-新余發現的TTG-GG組合(何衛紅等, 2014; 鄧晉福等, 2016; 許華等, 2016)等均表現與活動大陸邊緣的島弧巖漿特征,揭示欽杭結合帶中段存在加里東期洋殼俯沖。本文研究的欽杭結合帶中段粵北始興一帶龍頭寨群具有活動大陸邊緣的沉積組合特征,進一步說明晚奧陶世-早志留世早期的洋盆已延伸到了欽杭結合帶中段。可見,在南華紀-早古生代Rodinia大陸裂解背景下,揚子與華夏板塊可能沿欽杭結合帶自南西向北東方向呈剪刀叉式裂解,至少在晚奧陶世晚期-早志留世早期欽杭結合帶西南段和中段已裂解形成洋盆,中-晚志留世西南段和中段發生洋殼俯沖,晚志留世末洋盆閉合形成加里東造山帶。
綜上所述,可得出以下結論:
(1)龍頭寨群黃竹洞組頂部流紋巖夾層2個樣品的SHRIMP鋯石206Pb/238U年齡分別為438.7±2.1Ma(n=15,MSWD=1.6)和436.2±2.1Ma(n=16,MSWD=1.2),指示流紋巖的鋯石U-Pb年齡為439~436Ma,地質時代屬晚奧陶世末期-早志留世早期;
(2)黃竹洞組頂部流紋巖的鋯石U-Pb年齡與上覆南逕組安山巖、英安巖、流紋巖和碎斑熔巖的鋯石U-Pb年齡在誤差范圍內一致,指示它們是同期火山活動的產物,為黃竹洞組和南逕組呈整合接觸提供了年齡證據。
(3)龍頭寨群黃竹洞組頂部流紋巖及南逕組火山巖系晚奧陶世末期-早志留世早期的地質時代厘定,為龍頭寨群屬含有大量火山巖的活動大陸邊緣沉積組合提供了依據,支持欽杭結合帶中段加里東期屬俯沖-碰撞造山帶。
致謝東華理工大學2016級資源勘查專業本科生黃志成和涂傳輝參加了野外地層剖面測制工作;北京離子探針中心包澤民博士、孫會一博士在鋯石陰極發光照相和鋯石U-Pb同位素測試過程中給予了指導和幫助;匿名審稿人提出了寶貴意見;在此一并致以誠摯的感謝。