揚子陸塊北緣大洪山地區蓮沱組物源分析

關鍵詞 揚子陸塊；新元古代；蓮沱組；碎屑鋯石；古流向

第一作者簡介 李夔洲，男，1990年出生，博士后，沉積學與大地構造，E-mail： likuiz@cdut.edu.cn

中圖分類號 P597 文獻標志碼 A

0引言

物源分析是將沉積盆地與造山帶緊密結合在一起的紐帶，能夠反映沉積物物源、古地理格局、盆—山耦合關系、盆地性質和構造演化等信息[1?2]，也能夠反映超大陸旋回、板塊構造等地球內部動力學信息[3?4]。古流向及玫瑰花狀圖能夠有效提供物源方向，是物源分析的基礎方法之一[5]。另外，沉積物中的鋯石分布廣、穩定性極強，保存了大量的沉積盆地物源信息，在物源研究中也得到廣泛有效的運用[6]。

華南新元古代中期至晚期地層記錄了Rodinia超大陸聚合與裂解、雪球地球以及生物大爆發等一系列全球重大地質事件[7?9]。蓮沱組是華南新元古代中期重要的地層單元，其形成于Rodinia超大陸裂解過程中，又是第一次雪球地球Sturtian冰期啟動之前的最后一套沉積地層[10?11]。因此，其精確沉積時限、物源、沉積盆地性質等受到眾多學者的關注，也存在較多爭論。例如，在地層對比方面，基于巖石風化指數（CIA）地球化學或寒冷氣候的沉積標志的研究，前人認為蓮沱組等同于揚子陸塊東南緣渫水河組或長安組[12?14]；大量的鋯石年代學證據表明，蓮沱組與板溪群的上部、澄江組、開劍橋組、蘇雄組、休寧組等地層相當，其形成時間約為800～720 Ma [15?20]。由于蓮沱組與上覆地層不整合接觸，且沉積間斷時間未可知，因此揚子陸塊不同區域蓮沱組頂部年齡可能存在差異，從而地層對比存在差異。在物源研究方面，主要集中在碎屑鋯石年代學研究，并認為蓮沱組物源主要來自揚子陸塊太古代、古元代和新元古代巖漿巖[21?28]，然而碎屑鋯石可能不僅僅來自巖體，是否具有再循環的鋯石、其來源的方向等問題均需要進一步的研究。

本文對揚子陸塊北緣大洪山地區蓮沱組的碎屑鋯石U-Pb年代學進行了分析，并結合古流向及礫石成分，探討了該區域蓮沱組的沉積時限和物源，從而對揚子陸塊該時期的古地理格局提供約束。

1 地質背景

華南板塊由揚子陸塊和華夏陸塊沿江南造山帶拼合而成[29?31]。揚子陸塊位于華南的北部，其北緣經秦嶺—大別—蘇魯造山帶與華北板塊相鄰，西北經龍門山斷層與松潘—甘孜地塊和碧口地塊相接，西南鄰哀牢山—松馬斷裂，東南緣經江南造山帶與華夏陸塊相連[32]（圖1a）。

大洪山地區位于揚子陸塊北緣鄂北一帶，橫跨隨州市、京山市和鐘祥市。該區域出露中元古代打鼓石群，新元古代花山群、蓮沱組、隨縣群、南沱組、陡山沱組及燈影組。蓮沱組下伏地層包括打鼓石群、花山群的洪山寺組和六房咀組，其中，打鼓石群巖性主要為硅質條帶白云巖、板巖及礫巖，花山群的洪山寺組以礫巖、含礫砂巖及少量泥巖為特征，六房咀組則以玄武巖—砂、泥巖沉積序列為特征[33?34]。本次研究對象蓮沱組主要分布于黃草坡—娘娘寨—周關一帶，呈NW—SE向長條狀展布（圖1b）。地層總厚度約為570 m，與下伏地層花山群為角度不整合接觸（圖2a），與上覆地層南沱組呈平行不整合接觸（圖2b）。蓮沱組分為兩個巖性段，一段以紫紅色厚層—巨厚層雜色礫巖及粗粒巖屑長石砂巖為主；其中，礫石成分主要為砂巖、泥巖、白云巖、玄武巖、花崗巖、片麻巖等，分選和磨圓較差，粒徑介于0.2～20 cm（圖2c～e）。二段主要以紫紅色巨厚層砂巖、含礫長石巖屑砂巖、粗粒巖屑長石砂巖及含粉砂質泥巖為特征，發育板狀交錯層理、平行層理及沖刷面等沉積構造（圖2f～i）。前人根據蓮沱組沉積充填序列、沉積構造等認為研究區蓮沱組整體為沖積扇沉積，其中，底部為扇根泥石流沉積，中部為扇中河道沉積為主，而中上部為扇端河道沉積及片流沉積[27]。根據蓮沱組巖性粒度變化及充填序列，一段應為沖積扇的扇根— 扇中沉積，二段應為扇中— 扇端沉積。

2 樣品與方法

2.1樣品概述

本文蓮沱組樣品采自湖北京山大洪山地區肖家灣至廠河一帶（圖1b）。樣品（14LFL-N1）采自蓮沱組一段底部，肖家灣西南處約1 km，GPS 坐標點位為31°23′15″ N，113°00′42″ E；該樣品具砂狀結構，塊狀構造；碎屑顆粒由石英、斜長石、鉀長石及巖屑組成，大小介于0.15～0.90 mm；分選性和磨圓度差，顆粒支撐，接觸式膠結，膠結物為鐵質；雜基為黏土礦物、粉砂；斜長石大部分發育強烈絹云母化及黏土化；巖性為中粗粒鐵質長石砂巖（圖3a）。樣品（14SYL-N1）采自剖面蓮沱組一段中上部，GPS坐標點位為31°18′46.6″ N，113°04′24.4″ E；具有砂狀結構，塊狀構造；顆粒主要由石英、斜長石、鉀長石及巖屑組成，粒徑介于0.1～0.8 mm；分選性和磨圓度差，顆粒支撐，孔隙式—接觸式膠結；膠結物為鐵質，雜基為黏土礦物、粉砂為主；斜長石表面發育強烈黏土化；巖性為中粗粒鐵質巖屑長石砂巖（圖3b）。樣品（15LFL-3）采自蓮沱組二段頂部，GPS 坐標點位為31°23′2.87″ N，113°0′1.11″ E；具有變余砂狀結構，定向構造；顆粒主要由石英及斜長石組成，巖屑已基本轉變為新生礦物絹云母；基質礦物主要由絹云母、雛晶黑云母組成；整體發育強烈變質作用；巖性為變質長石石英砂巖（圖3c）。

2.2分析方法

本次所有樣品的鋯石分離在河北省廊坊區域地質礦產調查研究所完成。鋯石挑選和陰極發光照相在北京鋯年領航科技有限公司完成。樣品鋯石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LA-ICP-MS分析完成，具體實驗裝置及分析過程見文獻[37]。離線數據處理采用軟件ICPMSDataCal分析，處理方法同文獻[38]。最后，利用Isoplot/Ex_ver3[39]繪制樣品的U-Pb年齡諧和圖、年齡分布圖和年齡加權平均圖。

3結果

大洪山地區蓮沱組3件樣品中碎屑鋯石主要為自形—半自形，多數呈棱角—次圓狀、少量呈圓狀；長軸介于80～250 μm，長寬比值介于1.0～1.8；鋯石顆粒大多數具有振蕩環帶（圖4），Th/U比值介于0.23～2.67，為典型的巖漿成因鋯石[40]。本次研究將諧和度大于90%的數據視為有效數據。

蓮沱組底部樣品14LFL-N1 進行了96 顆鋯石的測試分析，所有數據的諧和度大于90%。相應的²⁰⁷Pb/²³⁵U-²⁰⁶Pb/²³⁸U諧和關系圖解和年齡頻率直方圖見圖5a，b所示，部分有鉛丟失，大部分在諧和線上。鋯石年齡范圍為2 832～821 Ma，主要年齡峰值為2 500 Ma、2 000 Ma、880 Ma和825 Ma。其中，最年輕的9顆鋯石的年齡范圍為831～821 Ma，加權平均年齡為828±6.4 Ma（MSWD=0.25，n=9）。

蓮沱組中部樣品14SYL-N1進行了75顆鋯石的測試分析。獲得73個諧和度大于90%的數據，而#11和#26諧和度分別為76%和87%。相應的²⁰⁷Pb/²³⁵U-²⁰⁶Pb/²³⁸U諧和關系圖解和年齡頻率直方圖見圖5c～d所示，絕大部分樣品在諧和線上。鋯石年齡范圍為3323～795Ma，主要年齡峰值為2490 Ma、2 000 Ma和890 Ma，次要年齡峰值為800 Ma。其中，最年輕的2顆鋯石的年齡范圍為802～795 Ma。

蓮沱組組頂部樣品15LFL-3 進行了60 顆鋯石的測試分析，獲得59 個諧和度大于90% 的數據，而#07 諧和度為78%。相應的207Pb/235U-206Pb/238U 諧和關系圖解和年齡頻率直方圖見（圖5e～f）所示，測點基本都在諧和線附近，部分有鉛丟失。鋯石年齡范圍為3 398～775 Ma，主要年齡峰值為2 500 Ma、2 000 Ma 和820 Ma，次要年齡峰值為870 Ma 和780 Ma。其中，最年輕的3 顆鋯石的年齡范圍為785～775 Ma，加權平均年齡為780±8.1 Ma（MSWD=0.42，n=3）。

4討論

4.1蓮沱組沉積時限

蓮沱組最初被歸為南沱組下部，并稱其為南沱組下部砂巖和底礫巖[41]，后來，劉鴻允等[42]將原“南沱砂巖”稱為蓮沱群，湖北省地質局三峽地層研究組[43]又將其改稱蓮沱組。

近年來，隨著碎屑鋯石U-Pb定年技術的廣泛應用，大量凝灰巖夾層限定的蓮沱組沉積時限得到了學術界的認可。其中，發表的年齡數據主要集中在鄂西地區，例如，Lan et al.[11]在宜昌王豐崗蓮沱組剖面中下部獲得凝灰巖層年齡為776 Ma、中上部的凝灰質粉砂巖層年齡為733 Ma；田家院子剖面下部凝灰質泥巖夾層年齡為767 Ma、上部凝灰質粉砂巖年齡為735 Ma，以及頂部凝灰質粉砂巖層年齡為714 Ma。高維等[44]報道了田家院子蓮沱組剖面頂部層凝灰巖年齡為724 Ma。另外，前人通過鄂西地區蓮沱組碎屑鋯石研究，對其頂部沉積年齡限制獲得了較為一致的認識。徐瓊等[45]在黃牛巖剖面距蓮沱組頂界5 cm處獲得最年輕碎屑鋯石年齡為724 Ma，Hofmann et al.[46]在花雞坡剖面蓮沱組砂巖碎屑鋯石中得到1個諧和年齡為727 Ma。鄂東南地區通山石門塘蓮沱組最大沉積年齡為784 Ma，中上部沉積年齡為727 Ma[28]。湘北石門楊家坪蓮沱組上部凝灰巖年齡為736 Ma[10]。綜上，揚子地區鄂西宜昌、鄂東南通山和湘北石門蓮沱組的沉積年齡可能為780～714 Ma。

目前，鄂北地區大洪山僅獲得了底部沉積時限。Du et al.[10]獲得蓮沱組底部沉積年齡為780 Ma；最近，寧括步等[47] 報道了大洪山地區底部沉積時限為800 Ma。而該區域頂部年齡未進行報道，研究區蓮沱組與上覆南沱組呈平行不整合接觸，缺失Sturtian冰期和大塘坡組的沉積記錄[20，33]。大量年代學及地層對比研究表明，華南Sturtian 冰期啟動時間約為714 Ma，Marinoan冰期啟動對應的南沱組底部沉積時限為650 Ma[48?50]，而蓮沱組中未見冰期特征的沉積記錄。因此，研究區蓮沱組沉積時限應不小于720 Ma。本次研究中在蓮沱組頂部獲得3顆最年輕鋯石的年齡范圍為785～775 Ma。結合鄰區蓮沱組沉積時限特征，大洪山地區蓮沱組的沉積時間上限年齡可能為714 Ma左右，因此其沉積時限可能為800～714 Ma。由于在大洪山頂部未發現可靠的凝灰巖年代學數據，且與上覆南沱組為平行不整合接觸，因此研究區頂部精確年齡還需進一步研究。

4.2蓮沱組物源分析

4.2.1古流向

古水流分析能夠指示沉積物搬運方向，是追溯物源區的直接證據之一[51]。古水流判別標志主要包括砂紋層理、波痕、斜層理、交錯層理、流線理、槽模、沖刷痕和礫石疊瓦狀構造等沉積構造[52]。本次研究主要根據蓮沱組交錯層理和礫石疊瓦狀構造進行分析，首先在野外結合地層產狀，對礫石最大扁平面和交錯層理產狀進行測量統計；然后根據地層產狀特征是否需要進行水平校正。由于本次研究對象地層傾角大于10°，因此古流向分析前需進行水平校正。將校正后的礫石傾向加減180°（斜層理除外），并制作玫瑰花圖。同時根據玫瑰花圖中尖端所指的方向為古水流流出方向的原理，得出研究區蓮沱組物源主要來自北東方向（圖6）。

從北東至南西蓮沱組沉積序列逐漸變細，北東為蓮沱組一段，以砂質礫巖及粗粒巖屑長石砂巖為主，南西為蓮沱組二段，以大套砂巖夾含礫砂巖為主，即北東至南西蓮沱組沉積序列逐漸變細。根據前人對揚子陸塊蓮沱組巖相古地理圖分析，大洪山地區主要為沖積扇沉積，而研究區至鄂中古陸之間（北東至南西向）由洪積扇逐漸過渡到河流相—三角洲平原沉積[53]。瓦爾特相律定義及沉積相分布規律也說明大洪山地區蓮沱組物源同樣應來自北東方向。

同時，通過野外地質調查發現蓮沱組發育大量的碳酸鹽巖礫石、砂巖及玄武巖等礫石，礫石磨圓度較差，主要為棱角—次棱角狀（圖2c，e），指示這些礫石主要為近距離物源。如前所述，研究區東北部近源發育打鼓石群和花山群，打鼓石群主要發育硅質條帶白云巖、板巖，花山群以碎屑巖—火山巖（玄武巖）為主[33]。因此，蓮沱組有大量礫石的物源應來自打鼓石群和花山群，同樣也指示蓮沱組物源應來自北東方向，這與古流向分析物源方向結果一致。綜上，大洪山地區蓮沱組沉積時的水流方向主體應為北東至南西方向。

4.2.2碎屑鋯石年代學特征

對大洪山地區蓮沱組3件樣品碎屑鋯石U-Pb年齡分析得出，蓮沱組碎屑鋯石U-Pb年齡介于3 398～775 Ma，顯著峰值為2 500 Ma、2 000 Ma、880 Ma和820 Ma，次要峰值為780 Ma，還有少量3 400～3 000 Ma的碎屑鋯石（圖7a）。另外，蓮沱組具有穩定的太古代和古元古代物源供給，新元古代物源從下至上逐漸變得年輕（圖5）。

揚子陸塊蓮沱組沉積時期古地理格局展布揭示，西南緣至蓮沱組沉積區域的北緣—東南緣，沉積相由陸棚相逐漸過渡至三角洲—沖積扇沉積[53]，因此揚子陸塊該時期水體主體表現為北淺南深，指示西緣未向北緣至東南緣蓮沱組提供物源。

揚子陸塊北緣—東南緣零星分布太古代和古元古代巖漿巖，而廣泛分布新元古代巖漿巖（圖7b）。太古代巖漿巖主要分布在揚子北緣，例如，揚子陸塊北緣崆嶺雜巖、鐘祥雜巖、陡嶺雜巖等發育大量3.4～3.1Ga、2.9～2.8Ga、2.7～2.6Ga 和2.5Ga 基性—酸性巖漿巖[24，62?67]。古元古代的巖漿巖同樣也主要分布在揚子陸塊北緣，例如，崆嶺2.1～1.80 Ga TTG片麻巖、S/A型花崗巖及基性巖脈[54?55]、鐘祥2.0～1.93Ga S/I型花崗巖[68?69]、黃土嶺2.03 Ga麻粒巖[70]、后河2.09～2.08Ga花崗質巖石[71?72]等。新元古代早期零星分布揚子陸塊周緣，例如，廟灣970 Ma輝長巖[56]、西鄉群玻安巖950 Ma[73]。新元古代中期廣泛分布于揚子陸塊周緣，花山群824 Ma 枕狀玄武巖[57]、鐵船山組820 Ma流紋巖[73]、三里崗870～860 Ma花崗巖[58]等；東南緣850～790 Ma 港邊雙峰式火山巖及侵入巖[59]和廬山雙橋山群840 Ma細碧巖等[60]。值得注意的是，在揚子陸塊蓮沱組沉積區域的北部—東北部一帶發育720～705 Ma花崗巖、玄武安山巖、流紋巖等[61，74?75]。這些太古代至新元古代巖漿巖為蓮沱組沉積充填序列的物源提供了物質基礎。

前人對蓮沱組碎屑鋯石研究表明，太古代—新元古代的碎屑鋯石來自揚子陸塊內部[21?28]。其中，鄂西地區的主要峰值包括2 660 Ma、2490 Ma、2000 Ma和810 Ma，次要峰值包括2 950 Ma、2 880 Ma、2780 Ma、1840 Ma、900 Ma、760Ma 和720 Ma（圖7c）；鄂東南至贛西北地區的主要峰值為2490 Ma、2040 Ma、850 Ma 和770 Ma，次要峰值為980 Ma 和2 700 Ma（圖7d）；鄂西南至湘北地區的主要峰值為2 480 Ma、2020 Ma和810 Ma（圖7e）；鄂北大洪山地區的主要峰值為2490 Ma、2010 Ma、880 Ma 和820 Ma，次要峰值為785 Ma和2670 Ma（圖7f）。通過對揚子各地區蓮沱組碎屑鋯石分析得出，揚子陸塊全區蓮沱組具有相似的太古代（2670Ma 和2500 Ma）和古元古代（2 040Ma和1 850 Ma）鋯石年齡峰值，上述已表明揚子陸塊太古代—古元古代的巖漿巖分布在北緣，這也指示了物源主體是由北向南搬運。蓮沱組具有新元古代早期（980～880 Ma）次要峰值和新元古代中期（850～780 Ma）主要峰值，可能與新元古代早期—中期揚子陸塊北緣—東南緣分布的巖漿巖有關。值得注意是，在鄂西地區蓮沱組中的碎屑鋯石還發育一個720 Ma的特殊次要峰值，目前揚子陸塊北緣至東南緣720 Ma的巖漿巖僅在蓮沱組沉積區的北部—東北部一帶分布[61，74?75]，進一步指示了720 Ma物源應來自北—北東向的巖漿巖。

同時，如前所述的礫石成分和古流向分析，大洪山地區蓮沱組部分物源來自東北部打鼓石群和花山群沉積的再旋回，在碎屑鋯石中也能得到印證。一方面，部分碎屑鋯石陰極發光的形態具有次圓狀—圓狀（圖4），說明可能來自沉積再旋回。另一方面，大洪山地區打鼓石群、花山群具有相似的太古代（2 670 Ma）和古元古代（2000 Ma）峰值，另外，蓮沱組與花山群還具有相似2490 Ma、835～820 Ma年齡峰值（圖7f～h）。這可能與研究區東北側的城口—廣濟斷裂活動將打鼓石群和花山群抬升造成剝蝕。

綜上，根據大洪山地區蓮沱組古流向及揚子陸塊不同區域蓮沱組碎屑鋯石年齡對比研究，均指示了蓮沱組具有北—北東向的物源供應；這與前人研究的蓮沱組及相應層位的古地理格局一致，呈現北高南低、北陡南緩的特點[25，45]。而揚子東南緣新元古代早期至中期的巖漿巖可能也提供了部分物源，但需要進一步定量的研究。

5結論

揚子陸塊大洪山地區蓮沱組沉積時限可能為800～714 Ma。該區蓮沱組碎屑鋯石主要峰值為2 500 Ma、2000 Ma、880 Ma 和820Ma，次要峰值為780 Ma；結合古流向、礫石成分和沉積相展布特征分析，研究區蓮沱組部分物源來自揚子陸塊北緣的太古代—新元古代巖漿巖，以及下伏地層打鼓石群和花山群沉積的再旋回，物源主體主要為研究區北東方向。同時，鄂西地區、鄂東南至贛西北地區、鄂西南至湘北地區和鄂北大洪山地區主體具有相似的年齡峰值，指示揚子陸塊區域上蓮沱組物源主體具有北—北東向供給，進而揭示該時期北高南低、北陡南緩的古地理格局。

致謝 衷心感謝審稿專家和編輯部老師審閱全文，并對文章提出寶貴的修改意見和建議！涉及的U?Pb 年齡數據（附表1，2） 可在期刊官網或國家冰川凍土沙漠科學數據中心下載。