樂山大佛白堊紀丹霞紅層物源分析：來自碎屑鋯石U-Pb年齡的制約

喬恒忠*，孫永興，侯詩雨，邱子鑫，李彤彤，張志清

(樂山師范學院 旅游學院，四川 樂山 614000)

0 引言

丹霞地貌是一種以赤壁丹崖為典型表征的特殊侵蝕地貌類型，其物質基礎主要為中生代至新生代(尤其是白堊紀)紅色陸相碎屑沉積巖[1-4]。1930年以來，我國丹霞地貌因具有較高的地質旅游價值而備受關注[5-8]。其中，四川盆地是我國丹霞地貌最具代表性的三個集中分布區之一[9-11](圖1a)。前人對四川盆地丹霞紅層的地貌特征、類型、分布與演化模式等方面的研究取得了重要進展[12-15]，然而目前這些丹霞紅層的碎屑物質來源問題還未得到足夠的重視，整體研究程度相對較低。鋯石是沉積巖中最穩定的副礦物之一，對碎屑鋯石進行U-Pb定年分析是確定沉積巖碎屑物質來源的重要方法[16-17]。本文對四川盆地西南部樂山地區白堊紀丹霞紅層開展碎屑鋯石U-Pb定年工作，為理解研究區碎屑物質來源及相關構造演化歷史提供重要的年代學制約。

圖1 (a)我國丹霞地貌的主要分布區(修改自文獻[11])，其中II區為四川盆地丹霞地貌集中出露區；(b-c)四川盆地西南部樂山地區地質簡圖及綜合地層柱狀剖面圖(修改自文獻[18] )

1 地質背景與樣品信息

四川盆地西南部樂山地區廣泛出露一系列白堊系地層，前人根據區域地層學、巖相古地理及古生物等綜合地質資料將其自下而上劃分為夾關組(K1-2j)、灌口組下段(K2g1)及上段(K2g2)[18](圖1b和1c)。其中，夾關組是一套以棕紅色厚層塊狀砂巖為主的地層，夾少量粉砂質泥巖，其底部發育有數米的礫巖[18]。該地層整體產狀近水平，通常平行不整合于上侏羅統蓬萊鎮組(J3P)之上，并與上覆的灌口組呈整合接觸關系?，F有資料表明，樂山地區夾關組紅色砂巖主要形成于干旱氣候條件下的沙漠環境，并受到了間歇性河流的影響[19-20]。值得注意的是，樂山地區夾關組地層以樂山大佛寺剖面最為典型，舉世聞名的樂山大佛正是雕刻于這套紅色砂巖之上(圖2a)。同時，這些丹霞紅層發育有“頂平，身陡，麓緩”的地貌特征(圖2b)，層內還常見大量規模不等的交錯層理(圖2c)。本次研究樣品19LS01來自樂山大佛寺剖面白堊系夾關組(K1-2j)，采樣點位于世界自然與文化遺產樂山大佛景區南側(圖1b；GPS:29°32′17″N,103°46′23″E)。樣品19LS01為棕紅色中粗粒巖屑石英砂巖(圖2d和2e)，主要礦物組成為石英(80%～85%)、巖屑(10%～15%)以及少量的長石(<5%)，這些礦物絕大多數粒徑<0.5 mm，整體分選程度較好，磨圓度一般，碎屑顆粒多呈次圓狀-次棱角狀(圖2f)。

圖2 (a)樂山大佛寺剖面白堊系夾關組紅層形成的赤壁丹崖；(b)樂山地區夾關組丹霞紅層發育有“頂平，身陡，麓緩”的地貌特征；(c-d)夾關組棕紅色近水平厚層塊狀砂巖及交錯層理；(e-f)巖屑石英砂巖樣品19LS01的手標本及顯微照片(單偏光)

2 鋯石U-Pb定年方法與結果

樣品19LS01經過粉碎、重選與磁選等常規方法分離出鋯石顆粒，并將其制成鋯石靶，然后對這些鋯石進行透、反射光及陰極發光(CL)等圖像分析，以便選擇適當的實驗測試點位。本次鋯石U-Th-Pb同位素實驗分析工作在廣州拓巖測試技術有限公司利用激光剝蝕-電感耦合等離子質譜儀(LA-ICP-MS)完成，分別使用標準鋯石91500和Ple?ovice[21]進行同位素比值校正與質量監控，激光剝蝕束斑直徑為30 μm。樣品19LS01實驗數據處理采用ICPMSDataCal軟件[22-23]，鋯石U-Pb年齡計算、諧和圖及頻率分布圖的繪制利用Isoplot程序[24]完成。本文中單個鋯石測試點年齡數據誤差為1σ，年輕鋯石(<1000 Ma)和古老鋯石(>1000 Ma)分別采用其206Pb/238U年齡與207Pb/206Pb年齡進行分析[25-26]。

圖3 樣品19LS01代表性碎屑鋯石陰極發光圖像及其U-Pb年齡Fig.3 Cathodoluminescence (CL) Images of Representative Detrital Zircons from Sample 19LS01 with their U-Pb Ages.

本次研究中巖屑石英砂巖樣品19LS01鋯石整體粒度約為80～200 μm，鋯石顆粒形態主要呈半自形至他形的短柱狀或橢圓狀，它們普遍經歷了不同程度的搬運磨圓。少數鋯石晶形保存相對完好，表明部分碎屑物質可能來自較近的源區。陰極發光(CL)圖像顯示(圖3)，樣品19LS01中的鋯石大多都發育明顯的振蕩環帶，指示了其巖漿成因。部分鋯石還具有無規律分帶的變質增生邊，另有少數鋯石則發育了復雜的核-幔-邊結構。這些碎屑鋯石特征暗示了樣品19LS01可能具有復雜的物源區。本次研究對樣品19LS01碎屑鋯石進行了59個數據點分析，其年齡變化范圍為211-2521 Ma，實驗測試結果詳見表1和圖4。這些數據點基本都分布于諧和線上或附近，其不諧和度均≤10%。除少數測試點外，絕大部分鋯石Th/U比值為0.40-2.00，說明它們可能主要來自巖漿巖物源區。同時，樣品19LS01碎屑鋯石U-Pb年齡數據主要可以分為：211～287 Ma(20%)、420～500 Ma(17%)、759～877 Ma(36%)、1817～1946 Ma(10%)與2432～2521 Ma(7%)5組，其峰值年齡分別集中于～218 Ma、～421 Ma、～778 Ma、～1848 Ma與～2497 Ma，另有6顆鋯石諧和年齡分別為323±3 Ma、613±5 Ma、656±7 Ma、1613±35 Ma與2050±32 Ma。

表1 樣品19LS01碎屑鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析結果

續表1

圖4 (a)樣品19LS01碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖與(b)頻率分布直方圖

3 討論

樂山地區白堊系夾關組(K1-2j)地層碎屑鋯石U-Pb年代學數據能夠為理解其物質源區特征提供重要的信息。前人曾報道過研究區西北部夾關組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡，認為其峰值主要集中于207～239 Ma(23.7%)、421～471 Ma(15.1%)、744～835 Ma(19.4%)與1704～2064 Ma(16.1%)，并另有130～170 Ma、548～613 Ma、946～1181 Ma及2309～2655 Ma等4組次要的年齡記錄[27]。本文對樂山大佛寺剖面夾關組丹霞紅層的U-Pb定年工作也獲得了相似的統計結果(表1和圖4)。樣品19LS01碎屑鋯石年齡譜圖中形成了211～287 Ma(20%)、420～500 Ma(17%)、759～877 Ma(36%)等3個強峰，其峰值分別為～218 Ma、～421 Ma與～778 Ma，同時還存在1817～1946 Ma(10%)和2432～2521 Ma(7%)等2個弱峰，峰值分布于～1848 Ma和～2497 Ma。這些數據說明樂山地區白堊系夾關組碎屑物質來源較為復雜，具有明顯的多元性，并以豐富的印支期、加里東期、新元古代及古元古代碎屑鋯石年齡信息為主要特征。

本次研究樣品19LS01中的759～877 Ma碎屑鋯石U-Pb年齡組所占比例相對較大，它們和揚子陸塊西緣廣泛發育的新元古代基性-酸性巖漿巖形成時代(740～860 Ma)[28-29]十分吻合，指示這些巖漿巖是樂山地區夾關組丹霞紅層主要的碎屑物質來源。樣品中的211～287 Ma年齡組則明顯與四川盆地西側松潘-甘孜地體與義敦地體等地區大量出露的印支期花崗質侵入體[30-32]對應，表明它們也是樂山地區夾關組地層重要的物源區之一。同時，本次研究發現了一組420～500 Ma的加里東期鋯石年齡記錄，然而目前四川盆地西南緣少有該時期構造熱事件的報道，部分學者認為這些碎屑鋯石可能來自四川盆地北側的秦嶺造山帶[27]。此外，樣品19LS01中還存在一些1817～1946 Ma與2432～2521 Ma的碎屑鋯石年齡信息，它們與揚子陸塊西南緣及北緣局部報道的早-中古元古代巖漿-變質事件時代[33-35]具有較好的相關性，推測這些早前寒武紀基底巖石的剝露也為樂山地區夾關組提供了部分物源。需要提出的是，本文樣品19LS01和四川盆地內的三疊系至侏羅系等地層的碎屑鋯石特征年齡峰值[27]相似，因此樂山地區夾關組丹霞紅層部分碎屑物質還可能來自四川盆地內更古老地層的沉積再循環。

4 結論

本文對四川盆地西南部樂山大佛寺剖面白堊系夾關組(K1-2j)丹霞紅層碎屑鋯石進行LA-ICP-MS U-Pb定年分析，研究結果顯示其年齡主要集中于211～287 Ma、420～500 Ma、759～877 Ma、1817～1946 Ma 與2432～2521 Ma，峰值年齡分別為～218 Ma、～421 Ma、～778 Ma、～1848 Ma與～2497 Ma。結合本文和前人研究成果，樂山地區白堊系夾關組丹霞紅層的碎屑物質可能主要來自揚子陸塊西緣新元古代基性-酸性巖漿巖，松潘-甘孜地體與義敦地體印支期花崗質侵入體以及四川盆地內更古老地層的再循環。