鄂北耿集板橋地區新元古代變火山巖系地層歸屬

摘要：揚子克拉通北緣、鄂北棗陽市耿集板橋地區震旦系—奧陶系中相間出露兩套變火山巖系，其地層歸屬存在武當群和花山群的爭議且長期缺乏深入研究。耿集板橋地區野外調查、變火山巖系LAICPMS鋯石UPb測年、LuHf同位素分析結果表明：耿集地區變火山巖系主要為淺灰色、灰白色變酸性含礫晶屑巖屑凝灰巖、晶屑凝灰巖、玻屑凝灰巖、粉砂巖，與打鼓石群硅質條帶疊層石白云巖共生，其中變酸性晶屑凝灰巖鋯石年齡為821.7 Ma、εHf（t）值為-2.44～9.70，其可能是揚子克拉通前南華紀基底青白口系花山群組成部分；板橋地區變火山巖系主要由灰白色變酸性晶屑巖屑凝灰巖、火山凝灰巖、酸性火山巖、粉砂巖組成，內部發育大量基性侵入巖，其中變酸性火山巖鋯石年齡為741.2 Ma，εHf（t）值為4.62～9.56，其應歸屬為南秦嶺造山帶南華系武當群，可能是印支期逆沖到揚子克拉通蓋層上的殘塊。

關鍵詞：揚子克拉通；新元古代；花山群；武當群；鋯石UPb測年；LuHf同位素

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220199

中圖分類號：P588.1；P597

文獻標志碼：A

0引言

鄂北花山群、武當群、隨縣群是揚子克拉通北緣重要的新元古代含火山巖地層4]，它們對研究揚子克拉通新元古代大地構造演化及其與羅迪尼亞超大陸關系等具有重要意義9]。花山群最早由北京地質學院與北京大學于1959年創建，原指鄂北大洪山地區南華系蓮沱組和中元古界打鼓石群之間的一套淺變質的沉積碎屑巖。20世紀90年代的1∶20萬、1∶5萬區域地質調查將花山群由下至上分為洪山寺組礫巖砂巖板巖組合、六房咀組細碧巖石英角斑巖板巖粉砂巖組合，形成時代為新元古代青白口紀11]，此后關于花山群的研究基本都以此為基礎14]。武當群、隨縣群原分屬鄂西北武當山地區、鄂北隨州—棗陽地區，均指一套原巖以酸性火山巖、酸性火山碎屑巖、泥砂質沉積巖為主的中、淺變質巖系17]，并廣泛遭受晚期基性巖脈侵位22]。近年大量的鋯石UPb測年證明武當群、隨縣群主體形成于早南華世25]，且二者巖性組合、巖石序列、變質程度、形成時間均可對比，新一代湖北省區域地質志將它們統稱為武當群。

鄂北耿集板橋地區出露一套淺變質火山巖系，早期區域地質調查根據巖性組合將其歸為花山群。董云鵬等29]通過研究認為早期定義的花山群應進行解體，大洪山地區部分花山群具有“構造混雜巖”的特點，而耿集板橋一帶的變火山沉積巖組合與隨縣群相似，應將其歸為隨縣群（即武當群）。自此之后相當長一段時間內揚子克拉通北緣桐柏—大別段新元古代地質研究相對薄弱，加上該區出露條件較差，一直缺乏系統深入的研究，鄂北耿集板橋地區淺變質火山巖系的地層歸屬問題長期懸而未解。本文在系統野外地質調查的基礎上，對耿集板橋地區變酸性火山碎屑巖進行了LAICPMS鋯石UPb測年、鋯石LuHf同位素分析，通過對比區域上花山群和武當群巖石組合、鋯石年代學、Hf同位素組成特點，對區內變火山巖系地層歸屬提出新的認識。

1地質特征

1.1區域地質背景

耿集板橋地區位于大洪山地區北西約40 km處，大地構造位置同屬于揚子克拉通與秦嶺—大別造山帶的接觸部位（圖1a），二者邊界襄樊—廣濟斷裂大體呈北西—南東向橫穿研究區，局部被KQ掩蓋（圖1b）。襄樊—廣濟斷裂是桐柏—大別造山帶中生代碰撞造山、深俯沖—折返等地質過程的南界32]，斷裂兩側地質體中廣泛記錄與該斷裂伴生的褶皺和次級斷層。斷裂北部秦嶺—大別造山帶區內主體為南華系武當群，伴生少量震旦系—泥盆系，以及巖漿巖。其中，巖漿巖大致可以分為中—晚南華世和早古生代兩期，早期主要以基性火山巖和侵入巖為主，晚期主要為堿性基性、中性火山巖和侵入巖36]，可能為秦嶺—大別造山帶南緣南華紀、早古生代兩期陸緣裂谷事件的產物25， 35]。受華北和華南之間中生代強烈造山作用的影響，斷裂北部地層和巖漿巖均發生強烈變形和不同程度的變質。斷裂南部揚子克拉通區以南華系蓮沱組—三疊系穩定沉積蓋層為主，少量前南華紀建造出露于大洪山地區長崗—三陽一帶，主要為中耿集板橋地區變火山巖系的地層歸屬參考本次研究。

元古界打鼓石群和新元古界花山群，局部發育志留紀基性侵入巖，說明揚子克拉通北緣一定程度上卷入了南秦嶺早古生代裂谷作用，斷裂南側整體表現為強變形、弱變質（大部分顯生宙地層幾乎未發生變質）的特點，屬于桐柏－大別造山帶的前陸褶沖帶。

1.2耿集板橋變火山巖系

耿集板橋地區主體為揚子克拉通區震旦系—下三疊統（ZT1）以碳酸鹽巖為主體的穩定陸緣沉積地層，在ZT1地層中間分別于耿集、板橋一帶相間出露兩套變中酸性火山巖火山碎屑巖組合（圖2中的武當群和花山群）。耿集地區主要以淺灰色、灰白色變酸性含礫晶屑巖屑凝灰巖、晶屑凝灰巖、玻屑凝灰巖、粉砂巖為主，在過風埡伴生一套硅質條帶疊層石白云巖，這套白云巖大致可歸到中元古界打鼓石群陳家沖組，耿集地區變火山巖系與圍巖呈正斷層接觸（圖2）。板橋地區主體為灰白色變酸性晶屑巖屑凝灰巖、火山凝灰巖、酸性火山巖、粉砂巖，在冒山頂附近可見到多個基性侵入巖（圖2）。耿集、板橋地區的變火山巖系均發生強烈變形，片理較為發育，并發育綠片巖相變質作用，鏡下可觀察到長石、云母礦物定向排列。

2樣品描述及測試方法

分別在耿集、板橋地區采集變酸性火山（碎屑）巖進行鋯石UPb測年和LuHf同位素分析。耿集地區樣品巖性為白云石英二長片巖（編號D60242），變余晶屑凝灰結構，片狀構造（圖3a），主要礦物組合為鉀長石（26%）、鈉長石（20%）、石英（25%）和云母（25%），副礦物為磁鐵礦（褐鐵礦）、綠簾石。其中，長英礦物多數粒度細小，可能是火山凝灰質重結晶所致，少數殘余晶屑狀，大量的白云母定向排列形成片狀構造，局部可見微彎曲變形，是受后期構造應力作用所致（圖3b），原巖應為酸性晶屑凝灰巖，伴生一套疊層石白云巖（圖3c）。板橋地區樣品巖性為白云鈉長變粒巖（編號D60302），鱗片花崗變晶結構，塊狀構造（圖3d），主要礦物組合為鈉長石（42%）、石英（28%）、白云母（15%），少量鉀長石（7%），副礦物包括綠簾石、磷灰石、方解石等。其中，長英礦物成分以鈉長石為主，次為石英，含少量的鉀長石，石英粒度細小且呈他形齒狀常與鈉長石伴生，片狀礦物較少，白云母沿長英礦物之間定向分布，略具片理化，綠簾石和褐鐵礦呈微粒狀集合體常與云母伴生，方解石和磷灰石多與長英礦物伴生，磷灰石呈細小柱粒狀稀散分布（圖3e），恢復其原巖為酸性火山巖。

鋯石單礦物挑選、制靶、透反射和陰極發光照相都在南京宏創地質勘查技術服務有限公司完成。首先將樣品粉碎到0.180～0.154 mm（80～100目），然后利用常規的浮選和電磁法分離出鋯石，最后在雙目鏡下挑選出晶型較好的鋯石制靶。陰極發光（CL）采用TESCAN MIRA3場發射掃描電鏡和TESCAN公司陰極發光探頭進行鋯石內部結構分析研究。LAICPMS 鋯石UThPb同位素和微量元素微區分析在湖北省地質試驗測試中心完成，測試儀器采用美國Coherent Inc 公司生產的GeoLasPro 全自動版193 nm ArF準分子激光剝蝕系統（LA）和美國Agilent公司生產的7700X型電感耦合等離子質譜儀（ICPMS） 聯用構成的激光剝蝕電感耦合等離子體質譜分析系統（LAICPMS），激光束斑直徑為32 μm，用He作為剝蝕物質的載氣，哈佛大學標準鋯石91500作為外標，GJ1或者Pleovic為監控標樣。鋯石LuHf同位素分析在中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成，實驗室采用德國MicroLas公司生產的GeoLasPro2005激光剝燭系統作為進樣的采集系統，測試儀器為Neptune Plus型MCICPMS。分析斑束為44 μm，頻率為10 Hz，以標準鋯石91500作為外標，TEMORA以及GJ1進行數據質量監控。分別用ICPMSDataCal （V10.1）、ICPMSDataCal（V8.6）軟件對鋯石UThPb測年、LuHf同位素分析結果進行分析，用Isoplot 3.0程序進行諧和圖繪制和加權平均年齡計算[44]。

3測試結果

3.1LAICPMS鋯石UPb測年

樣品D60242和D60302中的鋯石均以長柱狀為主，大小集中在100～150 μm之間，自形程度較高，裂紋較少，發育較好的振蕩環帶（圖4），且Th/U值分布在0.37～1.76之間（表1），大部分顯示為巖漿鋯石的特點。耿集地區變酸性火山凝灰巖（D60242）18個分析點中，12、13、14號分析點207Pb/206Pb年齡分別為2 521、2 483、2 457 Ma，可能為捕獲鋯石，另15個分析點除3個點（05、07、10號）相對分散，剩余12個分析點在206Pb/238U207Pb/235U諧和年齡圖（圖5a）上比較集中，206Pb/238U加權平均年齡為（821.7±7.9）Ma （MSWD=2.1），代表原巖成巖年齡。

板橋地區變酸性火山巖（D60302）18個分析點中，05號分析點因諧和度較差而舍棄，另17個分析點除02、07、14、17號點相對分散，其余13個相對集中的分析點206Pb/238U加權平均年齡為（741.2±4.5）Ma （MSWD=1.04），代表原巖成巖年齡（圖5b）。

3.2鋯石LuHf同位素

對兩個樣品分別選擇了6個點進行LuHf同位素分析，分析結果見表2。耿集變火山凝灰巖（D60242）兩顆太古宙末期的捕獲鋯石（分析點12、13）176Hf/177Hf值分別為0.281 254和0.281 229，εHf（t）值分別為1.01和-0.47；分析點06和09的176Hf/177Hf值分別為0.282 218和0.282 209，εHf（t）值分別為-1.51和-2.44，TDM2分別為1 695和1 724 Ma；而分析點08和11的176Hf/177Hf值分別為0.282 550和0.282 541，εHf（t）值分別為9.58和9.70，一階模式年齡TDM1分別為1 016和1 002 Ma。板橋變酸性火山巖（D60302）176Hf/177Hf值為0.282 454～0.282 608，εHf（t）值為4.62～ 9.56，一階模式年齡TDM1為937～ 1 123 Ma。

4討論

鄂北耿集、板橋地區的變火山碎屑巖沉積巖組合的地層歸屬主要存在花山群和武當群的爭議。1∶20萬宜城幅、隨縣幅區域地質調查報告認為，這套火山巖系與下伏中元古界打鼓石群呈角度不整合接觸，與上覆陡山沱組呈平行不整合接觸，另在火山巖中獲得973 Ma的同位素年齡，巖性組合和年代學證據都與湖北大洪山地區花山群相似。而董云鵬等認為耿集、板橋地區主要巖性為灰色、灰白色絹云石英鈉長片巖、絹云母千枚巖、鈉長淺粒巖，原巖以酸性火山碎屑巖為主，其巖性組合與隨縣群（現為武當群）更相似。

花山群主要出露于湖北大洪山地區（圖1），與中元古界打鼓石群共同構成揚子克拉通北緣南華系蓮沱組之下的基底2， 46]。耿集地區變火山巖系主要由變酸性火山碎屑巖組成，相似的巖性組合在大洪山地區花山群也發育；且在耿集過風埡一帶發育一套疊層石白云巖（圖2、圖3c），這套疊層石白云巖可與大洪山地區中元古界打鼓石群陳家沖組對比，據此將耿集變火山巖系歸為花山群更為合適。武當群出露于南秦嶺造山帶武當—桐柏一帶，為一套以變酸性火山巖、火山碎屑巖為主的早南華世裂谷火山巖系，內部可見大量南華紀晚期的鎂鐵質侵入巖。板橋地區變火山巖系相對獨立產出，未見打鼓石群白云巖，而在冒山頂一帶可見多個基性巖脈、巖株侵入（圖2），這一特征與武當—桐柏地區武當群相似22， 25]，據此將板橋變火山巖系歸為武當群更為合適。

不難發現，耿集、板橋地區變火山巖系均以變酸性火山巖、火山碎屑巖為主，對應的巖性組合在花山群、武當群中都發育，僅從巖性組合方面判別地層歸屬難免片面。年代學方面，20世紀80年代獲得的同位素年齡973 Ma不確定因素較多，本次分別獲得耿集變火山凝灰巖、板橋變酸性火山巖鋯石UPb成巖年齡分別為821.7、741.2 Ma，為探討耿集、板橋地區的兩套淺變質巖系形成時代及屬性提供了重要依據。近年對鄂北武當隨棗地區武當群、花山群鋯石UPb測年結果顯示，武當群中的火山巖形成年齡集中在776～703 Ma之間48]，而花山群中的火山巖形成年齡集中在841～814 Ma之間2， 14， 46， 49]，本次獲得的耿集變火山凝灰巖的形成年齡落在花山群范圍內，板橋變酸性火山巖的形成年齡落在武當群范圍內（圖6a）。

巖漿巖鋯石Hf同位素數據研究時發現，εHf（t）值在gt;850 Ma和750～600 Ma以大于0為主，主體表現為陸殼增生的特點，而850～750 Ma的εHf（t）值以小于0為主，表現為以陸殼物質再循環為主的特點（圖6b）。筆者通過收集、分析前人對花山群、武當群火山巖鋯石Hf同位素測試的數據，發現武當群εHf（t）值分布與Wang等總結的規律高度相似，而花山群εHf（t）值分布與此規律有著較大的出入，具體表現為花山群出現部分鋯石分析點εHf（t）值大于0（圖6b）。本次獲得的板橋變酸性火山巖與武當群火山巖Hf同位素相似，以εHf（t）值大于0的新生地殼為主；耿集變火山凝灰巖與花山群火山巖Hf同位素相似，εHf（t）值既有正值也有負值，說明它們既有新生地殼的形成，也有古老地殼的循環作用。

綜合對比鋯石年代學、LuHf同位素、巖性組合和巖石產出等方面的特點，結合桐柏—大別造山帶區域地質背景，本文認為耿集地區變火山巖系應屬于花山群組成部分，與打鼓石群疊層石白云巖同作為揚子陸塊基底呈穹窿產出；而板橋地區變火山巖系與基性侵入巖共生，其應屬于武當群組成部分，為南秦嶺造山帶印支期造山過程中逆沖到揚子克拉通寒武系—奧陶系之上的殘塊（圖2剖面AB所示）。耿集板橋地區變火山巖系的清理為鄂北新元古代地層劃分獲得了新的依據，也為揚子克拉通北緣新元古代地質研究提供了新的線索。

5結論

1）鄂北耿集地區變火山巖系鋯石UPb成巖年齡為821.7 Ma，鋯石Hf同位素εHf（t）值為-2.44～9.70，綜合其形成時間、Hf同位素組成和巖性組合特點，建議將其歸為青白口系花山群，是揚子克拉通前南華紀基底組成部分。

2）鄂北板橋地區變火山巖系鋯石UPb成巖年齡為741.2 Ma，鋯石Hf同位素εHf（t）值（4.62～9.56）大于0，綜合其形成時間、Hf同位素組成和巖性組合特點，其應歸為南華系武當群，是印支期造山過程逆沖到揚子克拉通蓋層上的殘塊。

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