岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (6): 1847-1861   PDF    
西藏札达地区上白垩统-下始新统达机翁组:对冈底斯弧前盆地演化的制约
孙高远1 , 王建刚2 , 胡修棉3 , Marcelle K BOUDAGHER-FADAL4     
1. 河海大学海洋学院, 南京 210098;
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室, 南京大学地球科学与工程学院, 南京 210023;
4. Department of Earth Sciences, University College London, London WC1H 0BT
摘要:冈底斯弧前区域地层沉积记录,对新特提斯洋消亡和印度-亚洲碰撞过程的研究具有十分重要的意义。位于西藏南部札达地区的达机翁组,北邻冈底斯岩浆弧,南靠雅鲁藏布江缝合带。岩石组成主要包括砾岩、岩屑砂岩、泥页岩和灰岩等。沉积环境分析认为达机翁组形成于扇三角洲相环境。火山灰锆石U-Pb定年、碎屑锆石最年轻年龄以及底栖有孔虫化石组合共同约束达机翁组的形成时代为晚白垩世-始新世早期(即ca.73~49Ma)。物源区分析结果表明达机翁组物源类似于区域上分布的日喀则弧前盆地沉积,直接以北侧冈底斯岩浆弧为主要物质源区。通过与区域弧前沉积对比,为冈底斯弧前盆地海相地层时代提供制约,结果显示新特提斯洋在亚洲大陆南缘的弧前海退存在东西方向上的穿时性,即海水自东向西逐渐退出,并最终在~49Ma退出冈底斯-拉达克弧前区域。
关键词: 始新世     沉积记录     锆石U-Pb和Hf     弧前海退     弧前盆地    
Upper Cretaceous-Lower Eocene Dajiweng Formation in the Zhada area, southern Tibet: Implications for the Trans-Himalayan forearc baisn evolution
SUN GaoYuan1, WANG JianGang2, HU XiuMian3, Marcelle K BOUDAGHER-FADAL4     
1. College of Oceanography, Hohai University, Nanjing 210098 China;
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. State Key Laboratory of Mineral Deposits Research, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China;
4. Department of Earth Sciences, University College London, London WC1H 0BT, UK
Abstract: The marine strata in the Gangdese forearc area play a significant role in the study of the closure of Neo-Tethyan Ocean and the subsequent India-Asia collision. The Dajiweng Formation exposed in the Zhada area, southern Tibet, is bounded by the southern Gangdese magmatic arc to the north and the Indus-Yarlung Zangbo suture zone to the south. It is mainly composed of conglomerate, sandstone, mudstone and limestone. Sedimentary analysis revealed that the Dajiweng Formation had been deposited in the fan-delta environment. A combination of the tuff zircon U-Pb dating, youngest detrital zircon ages and large benthic foraminiferal assemblage yielded that the Dajiweng Formation formed during the Late Cretaceous-Early Eocene period (i.e., ca.73~49Ma). The provenance data showed that the Dajiweng Formation is similar to that of the Xigaze forearc basin sediments, which were mostly derived directly from the Gangdese magmatic arc. In contrast to the Gangdese-Ladakh forearc deposits, the forearc marine regression was diachronous along the strike, i.e. the sea water regressing gradually from east to west and disappearing at ~49Ma in the western Gangdese-Ladakh forearc area.
Key words: Eocene     Sedimentary records     Zircon U-Pb and Hf     Forearc marine regression     Forearc basin    

印度-亚洲大陆碰撞是新生代以来地球上最重要的地质事件之一(Dewey et al., 1988; Yin and Harrison, 2000),形成了世界上最宏伟、最典型的喜马拉雅陆陆碰撞造山带,从而改变了亚洲乃至全球的气候-环境变化(Raymo and Ruddiman, 1992; An et al., 2001)。通过对印度-亚洲大陆汇聚过程和新特提斯洋消亡的研究,可以为构建新生代喜马拉雅造山作用模型提供重要的理论基础。

弧前盆地是位于增生楔和岩浆弧之间的沉积区域,因很少受到洋壳俯冲引起的构造变形和岩浆作用而导致的热变质事件影响,其沉积地层是研究洋壳俯冲和弧前海退过程的重要记录(Einsele et al., 1994; Henderson et al., 2011; Hu et al., 2016)。位于拉萨地体南缘冈底斯岩浆弧以及拉达克岩浆弧的弧前区域,形成了巨厚的弧前盆地沉积。过去几十年,通过对冈底斯-拉达克弧前盆地的研究获得了大量的相关信息,然而,这些研究主要集中在印度河-雅鲁藏布江缝合带中段日喀则弧前盆地(如桑桑-日喀则地区、仲巴错江顶地区和冈仁波齐地区等,DeCelles et al., 2014; Orme et al., 2014; Wang et al., 2015; Hu et al., 2016),以及西段赞斯卡(Zanskar)地区的印度河弧前盆地(Henderson et al., 2010, 2011),而位于日喀则和赞斯卡弧前盆地之间的区域,由于缺少详细的沉积记录研究,一直没有足够的资料来限制弧前盆地在该区域的存在与演化。

藏南札达县北侧达机翁和日康巴地区,位于冈底斯岩浆弧和混杂岩带之间出露一套海陆过渡相地层-达机翁组,可能是冈底斯弧前盆地的沉积记录,本研究以该套地层为研究对象,开展详细的沉积学、砂岩岩石学、生物化石年代学、碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素等研究,限定该套地层形成于晚白垩世-始新世早期的弧前盆地构造背景。结合前人研究,本文对冈底斯-拉达克弧前盆地的分布和新特提斯洋在弧前区域的最终消退过程提供了新的依据。

1 地质背景

喜马拉雅-青藏高原造山带是由一系列东西向的地体拼贴而成(Dewey et al., 1988; Yin and Harrison, 2000)。雅鲁藏布江缝合带作为印度-亚洲大陆碰撞缝合区域,其组成主要包括蛇绿岩带、混杂岩带和古近纪磨拉石带(西藏地质局区调大队, 1987; Hodges, 2000; Yin and Harrison, 2000; 孙高远等, 2011; Wang et al., 2010, 2013a; DeCelles et al., 2014)。雅鲁藏布江缝合带南侧为特提斯喜马拉雅带(图 1a),是一套稳定的被动大陆边缘和碰撞相关的前陆盆地沉积,包括古生代-始新世碎屑岩和碳酸盐岩沉积,偶见火山岩(Liu and Einsele, 1994; Jadoul et al., 1998; 朱弟成等, 2004; Hu et al., 2010)。

①  西藏地质局区调大队. 1987. 1 100万嘎达克幅(H-45)区域地质调查报告

图 1 藏南(a, 据潘桂棠等, 2004修改)和研究区(b, 据河北省地质调查院, 2004修改)地质简图 Fig. 1 Simplified geological map of the southern Tibet (a, modified after Pan et al., 2004) and the study area (b)

①  河北省地质调查院. 2004. 1 25万区域地质填图札达幅及报告

紧邻雅鲁藏布江缝合带北侧分布的是冈底斯岩浆弧和日喀则弧前盆地沉积。冈底斯岩浆弧以广泛出露晚三叠世-古近纪花岗岩为特征,并大量侵入到古生界和中生界地层之中(Chu et al., 2006; Wen et al., 2008; Mo et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2011),中生界地层之上被大规模古近纪林子宗火山岩角度不整合覆盖(Mo et al., 2008; Zhu et al., 2013)。冈底斯岩浆弧的形成与新特提斯洋壳向北俯冲于拉萨地体之下紧密相关,类似于现今的安第斯型岩浆弧(Chu et al., 2006; Wen et al., 2008; Ji et al., 2009)。冈底斯岩浆弧与雅鲁藏布江缝合带之间为日喀则弧前盆地沉积区域,研究认为其主要出露于日喀则-仲巴一带,仁布以东地区未见弧前沉积物,主要原因可能是冈底斯断裂向南逆冲和仁布-泽当断层向北逆冲,导致相关沉积物均被覆盖(Yin et al., 1994)。而仲巴以西地区,目前报道可能零星存在部分弧前盆地的残留。沉积主体为深海硅质岩、巨厚层页岩和砂岩组成的深海浊流沉积,局部含砾岩和泥灰岩夹层,地层自下而上依次包括冲堆组、昂仁组、帕达那组、曲贝亚组、曲下组和加拉孜组(Einsele et al., 1994; Dürr, 1996;王成善和刘志飞, 1999; An et al., 2014; Orme et al., 2015; Orme and Laskowski, 2016; Hu et al., 2016)。冈底斯岩浆弧北侧为中拉萨地体,发育大量的白垩纪岩浆岩(丁林和来庆洲, 2003; 朱弟成等, 2008; 周长勇等, 2008; Zhu et al., 2009, 2011, 2013),而沉积地层在中拉萨地体主要包含石炭纪变沉积岩、二叠纪灰岩、少量侏罗纪地层以及厚层白垩纪沉积(刘登忠等, 2004)。

②  刘登忠, 陶晓风, 马润则, 石和, 朱利东, 胡新伟. 2004. 1 25万措勤县幅(H45C001001)区域地质调查报告

印度河-雅鲁藏布江缝合带西段的印度河盆地,与日喀则弧前盆地类似,记录了巨厚的源自拉达克岩浆弧的沉积体系,地层统称为塔尔群(Tar Group),时代约束其为晚白垩世-始新世,沉积环境为外陆架-浅海碳酸盐台地-三角洲(Garzanti and Van Haver, 1988; Searle et al. 1990; Henderson et al., 2011)。

本文研究对象达机翁组,出露于西藏阿里地区札达县的达机翁和日康巴地区(图 1b,那不如至札达公路附近)。该套地层最早在《1 100万噶大克幅区域地质报告》(西藏地质局区调大队, 1987)中建组命名,描述为一套成熟度较低的碎屑岩夹碳酸盐岩沉积,平行不整合覆盖于冈底斯花岗岩体之上。《西藏自治区岩石地层》(西藏自治区地质矿产局, 1997)将该套地层与区域上日喀则地层分区的错江顶群进行对比,遂将其细分为达机翁组和日康巴组。1 25万札达幅地质填图中(河北省地质调查院, 2004),沿用了《西藏自治区岩石地层》的划分方法。达机翁组为一套砂岩、含砾砂岩、粉砂岩夹灰岩沉积组合,日康巴组整合于达机翁组之上,为砂砾岩、页岩夹灰岩沉积组合,其上与雅鲁藏布江缝合带混杂岩断层接触(河北省地质调查院, 2004)。本研究基于达机翁组与日康巴组在野外出露相似的岩性特征,因而采用建组名称达机翁组,其与北侧冈底斯弧岩浆岩断层接触,南侧与雅鲁藏布江缝合带内的混杂岩断层接触,其组成包括砾岩、含砾粗砂岩、砂岩和泥页岩夹灰岩的岩石组合。

2 研究方法

野外对出露良好的碎屑岩剖面进行详细描述,观察其岩石组成、岩相变化、结构构造等特征,并采集相关岩石样品制作薄片用于室内岩相分析。部分出露较差的剖面,本研究采用多段拼接的方式,试图恢复原始沉积的层序,并对其沉积环境加以识别。

本研究对于地层时代的限定,主要采用三种方法。第一种是凝灰岩的锆石U-Pb定年,该年龄可以准确限定凝灰岩和地层的形成时代;第二种是最年轻碎屑锆石年龄,该年龄可以提供沉积地层的最大沉积年龄;第三种是生物化石鉴定,通过对含有孔虫的灰岩样品进行鉴定,进而准确限定地层的时代。

本研究采用的物源分析方法主要包括砂岩碎屑组分分析、碎屑锆石U-Pb年龄以及Hf同位素分析法。碎屑组分分析采用最常用的Gazzi-Dickinson法对砂岩的碎屑颗粒进行统计(Ingersoll et al., 1984)。对于岩石中所有砂级(大于62.5μm)矿物颗粒进行统计,每个样品统计400颗以上的颗粒。将统计结果投点于Dickinson三角图解中,用以分析其构造背景(Dickinson et al., 1983; Garzanti et al., 2007)。

碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素分析结果可以与潜在物源区进行对比,从而确定可能的沉积物质来源。碎屑锆石U-Pb年龄测定是在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。所用仪器为连接New Wave UP213固体激光剥蚀系统(LA)的Agilent 7500a型等离子质谱仪(ICP-MS)。激光剥蚀的锆石粉末经过氦气(He)输出与氩气(Ar)混合后,导入ICP-MS系统进行测试,详细实验方法可参见Liu et al. (2013)。LA-ICP-MS分析结果由即时分析软件GLITTER(Van Achterbergh et al., 2001)输出。普通铅校正采用Andersen (2002)方法(ComPbCorr#3-151程序)。锆石年龄计算、谐和图和年龄分布图均由Isoplot宏程序(version 4.15, Ludwig, 2011)计算完成。

碎屑锆石Hf同位素分析是使用南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的激光剥蚀多接收等离子质谱(LA-MC-ICPMS)完成测试,其中激光剥蚀系统采用193nm的气体准分子激光源的UP193FX(New Wave, USA),质谱使用Thermo Fisher公司的Neptune Plus型多接收等离子质谱。分析时激光束直径50μm,激光脉冲频率为8Hz,信号采集次数200次,采集时间1分钟左右。更详细的实验条件和步骤参见Wang et al. (2013b)176Lu的衰变常数采用1.865×10-11y-1(Soderlund et al., 2004),εHf(t)的计算采用Bouvier et al. (2008)推荐的球粒陨石Hf同位素值,176Lu/177Hf=0.0336,176Hf/177Hf=0.282785。

3 研究结果 3.1 地层

本次工作对达机翁组两条野外剖面(达机翁剖面和日康巴剖面)开展工作(图 1b),该两条剖面均位于那不如-札达公路北侧,其中日康巴剖面出露良好且较为连续,出露总厚度达~230m,野外对其进行了详细的描述和测制(图 2)。达机翁剖面由于受构造破坏以影响使得出露断续,但通过与日康巴剖面对比可以识别恢复相应沉积层序。本研究通过对该两条剖面进行详细岩相观察,包括岩石组成、结构构造、层序变化等,从而将达机翁组大体划分为三种岩相类型,即砾岩相、砂岩相和泥页岩夹薄层灰岩相。各岩相特征描述及相应沉积环境解释如下。

图 2 达机翁组地层剖面 Fig. 2 Stratigraphic log of the Dajiweng Formation

砾岩相主要为灰绿色中-厚层砾岩夹粗砂岩层,块状构造。砾岩层侧向延伸不远,部分呈透镜状产出。砾石主要为火山岩和花岗岩砾石(图 3b),砾石磨圆较好但分选较差,粒径最大可达15cm以上,小至1~2cm。该砾岩相主要为砾石支撑结构类型(图 3b),局部可见少量砂质充填于砾石支撑砾岩的颗粒之间。砾岩层之间夹杂多层侧向不连续的粗砂岩或含砾砂岩层,粗砂岩层通常会呈透镜状或楔状产出。本研究认为主体以砾石支撑的砾岩相主要由富含碎屑颗粒的重力流搬运体系沉积而成(Miall, 1978),结合垂向上岩相特征,认为该中-厚层砾岩相为形成于扇三角洲平原上的辫状河道中的下部单元,其中主要以砾石支撑,少量砂质基质反映了底部冲刷和河道充填的层序(Wescott and Ethridge, 1980)。

图 3 达机翁组野外露头照片 (a)达机翁剖面远观照;(b)砾石支撑型的砾岩;主要为岩浆岩砾石;(c)砂-泥岩互层;(d)中层状砂岩层;(e)砂屑灰岩层;(f)凝灰岩夹层 Fig. 3 Photograph for Dajiweng Formation in the field (a) panoramic photograph for Dajiweng section; (b) clast-supported conglomerate, mainly composed of magmatic pebbles; (c) sandstone interbedded with the mudstone; (d) moderate-thick sandstone bed; (e) sandy limestone bed; (f) tuff bed

砂岩相为达机翁组的重要组成单元,主要为灰绿色中-薄层中-细粒岩屑砂岩(图 3c),局部产出厚层状中-粗粒含砾砂岩(图 3d),沉积结构构造发育较少,发育块状构造,平行层理可见。受构造风化影响,使得砂岩层沿着平行层理风化破碎。砂岩体侧向延伸稳定。常见深灰色薄层粉砂岩-泥页岩与砂岩互层。部分层位可见含砾粗砂岩-中粒砂岩-泥页岩的正粒序(图 2)。该砂岩相沉积单元中大套砂岩层代表了富含砂质成分的流体沉积而成,局部可见砂-泥岩正粒序代表了水道体系侧向加积的结果(Miall, 1996; Bridge, 2009)。因而本研究认为该岩相中宽平板状、多侧向延伸的砂岩层可能记录了扇三角洲平原上的辫状河道中的上部单元,且与上文砾岩相共同构成了完整河道沉积单元(Wescott and Ethridge, 1980)。

泥页岩夹薄层灰岩相主要分布于剖面的顶部,总厚约80m,以灰绿色大套页岩为特征,夹薄层状、透镜状砂屑灰岩层,局部夹厚层的岩屑砂岩层。砂屑灰岩层厚度较薄,20~30cm左右(图 3e),其成分主要为泥晶灰岩,并含有陆源粉砂物质,底栖有孔虫化石在该灰岩层中常见。该岩相中富含海相有孔虫化石,反映了海相的沉积环境。多层泥页岩、局部夹岩屑砂岩层代表了水下悬浮沉积体系,同时受到水下碎屑流搬运影响。因而分析该岩相可能记录了扇三角洲扇远端并被海水淹没背景下的沉积产物(Wescott and Ethridge, 1980; Ghibaudo, 1992),其沉积物质受到陆源碎屑和海相沉积双重影响,因而多为细粒粉砂-泥质陆缘碎屑岩和砂屑灰岩层。

3.2 砂岩碎屑组分

对两条剖面采集的11件样品开展砂岩岩石学研究,这些砂岩整体上分选性和磨圆度均较差,碎屑颗粒多呈棱角状-次圆状,颗粒支撑结构(图 4a, b)。碎屑组分统计结果显示其主要矿物成分石英(Qt)、长石(F)和岩屑(L)三者含量为Qt F L=19 29 52(表 1)。其中岩屑成分主要以中-酸性火山岩岩屑为主,含量占总碎屑颗粒~37.5%(图 4b-d),并有少量沉积岩和变质岩岩屑。钾长石和斜长石较为常见,可见钾长石特征的卡氏双晶和斜长石聚片、卡钠复合双晶等,但这些长石许多已经发生不同程度的泥化蚀变,统计结果显示钾长石和斜长石分别占总碎屑颗粒比为~19.4%和~9.4%。石英组分主要为单晶石英,多呈棱角状和次棱角状,颗粒表面干净且内部具有一致的消光性,含量占碎屑总颗粒~18.8%(图 4a, b)。副矿物组分包括锆石、磷灰石、磁铁矿等。碎屑模式组分投图结果显示,达机翁组砂岩样品在Qt-F-L和Lm-Lv-Ls图解中全部指示岩浆弧的物源区特征(图 5)。

图 4 达机翁组砂岩正交偏光下显微照片 Q-石英;Pl-斜长石;Lv-火山岩岩屑;Lu-超基性岩岩屑 Fig. 4 Petrographic microphotos of sandstone from the Dajiweng Formation under CPL Q-quartz; Pl-plagioclase feldspar; Lv-volcanic lithic grains; Lu-ultra-basic lithic grains

图 5 达机翁组砂岩样品碎屑组分三角图解(据Dickinson et al., 1983) Qm-单晶石英;Qp-多晶石英;Lv-火山岩岩屑;Ls-沉积岩岩屑;Lm-变质岩岩屑;Qt-总石英(Qm+Qp);L-总岩屑(Lv+Ls+Lm);F-长石.错江顶群砂岩数据来自Hu et al., 2016 Fig. 5 Ternary diagrams of sandstone framework compositions from the Dajiweng Formation (after Dickinson et al., 1983) Qm-monocrystalline quartz; Qp-polycrystalline quartz; Lv-total volcanic lithic grains; Ls-total sedimentary lithic grains; Lm-total metamorphic lithic grains; Qt-total quartz (Qm+Qp); L-total lithic grains (Lv+Ls+Lm); F-feldspar. Data of the Cuojiangding sandstones from Hu et al., 2016

表 1 达机翁组砂岩碎屑组分 Table 1 Sandstone framework compositions from the Dajiweng Formation
3.3 锆石U-Pb年龄和Hf同位素

本研究在达机翁组底部(达机翁剖面)采集1件凝灰岩样品(12DJW05,图 3f),对其进行锆石U-Pb年龄测试(见电子版附表 1),共测试20颗锆石并均获得较为谐和的年龄(图 6),加权平均年龄显示为73.3±0.9Ma(图 6)

图 6 达机翁组底部火山灰的锆石CL图像、协和图和加权平均年龄 Fig. 6 CL image, concordia plot and weighted mean age plot of a tuff sample from the base of the Dajiweng Formation

附表 1 达机翁组锆石U-Pb年龄表 Appendix Table 1 Zircon U-Pb ages of the sandstones from Dajiweng Formation

对达机翁组底部至顶部碎屑砂岩样品开展锆石U-Pb年代学测试,其测试的3件样品年龄分布较为相似(附表 1图 7),具体为:样品12DJW08,共测试59颗碎屑锆石。结果显示这些锆石年龄分布于51~117Ma之间,峰值为~93Ma,其中最年轻锆石为51±2Ma和66±4Ma;样品12DJW15,共获得60颗碎屑锆石年龄,其年龄均分布于49~109Ma之间,峰值为~90Ma,其中最年轻锆石为49±2Ma和54±2Ma;样品12DJW23,同样测试了60颗碎屑锆石,测试结果显示其中59颗分布于78~136Ma之间,峰值为~98Ma,其中最年轻锆石为78±6Ma和80±11Ma。另有1颗碎屑锆石获得了较老的年龄,年龄值为2906±38Ma。

图 7 达机翁组碎屑锆石年龄和Hf同位素及与冈底斯岩浆弧、中拉萨和日喀则弧前盆地锆石数据对比图 DM-亏损地幔;CHUR-球粒陨石.数据来源:Chu et al., 2006; Wen et al., 2008; Ji et al., 2009; Meng et al., 2010; Zhu et al., 2011; Wu et al., 2010; An et al., 2014; Orme et al., 2015, 2016 Fig. 7 Comparisons of age probability density diagrams and Hf isotopic data of detrital zircons of Dajiweng Formation to the zircon data from the Gangdeses magmatic arc, central Lhasa terrane and Xigaze forearc basin

本研究还对上述获得U-Pb年龄的锆石随机挑选一定数量,开展了Hf同位素测试。上文3件样品中共计测试的141个Hf同位素数据,其结果较为相似(见电子版附表 2图 7),即176Hf/177Hf的初始比值范围为0.282120~0.283138,对应的εHf(t)值均为正值,分布于+1.3~+15.4之间(均值为+9.1,图 7)。

附表 2 达机翁组锆石Hf同位素数据 Appendix Table 2 Zircon Hf isotopic data of the sandstones from Dajiweng Formation
4 讨论 4.1 地层时代约束

对于达机翁组的地层时代限定,在1 25万区调填图中作了一定的研究工作,研究表明在达机翁组中发现Miscellanea-DaviesinaAlveolina-Nummulites有孔虫化石组合,同时伴生有瓣鳃类Spondylus sp.,septifer sp.,腹足类Syrnoia sp.,velates tibeticus DouvilleConocezithum sp.,Crommium sp.等化石组合,这些化石表明达机翁组形成时代为古新世-始新世早期(河北省地质调查院, 2004)。潘桂棠等(2004)在《青藏高原及邻区地质图》上,将该套地层与仲巴地区的错江顶群进行对比,并简单将其归之于错江顶群的地层。

本研究分别采用三种方法对该套地层进行时代限定:1)在达机翁剖面底部采集凝灰岩样品,对其进行锆石LA-ICPMS的U-Pb定年,结果显示其加权平均年龄为73.3±0.9Ma(图 6),该火山灰年龄对达机翁组的沉积下限时代作了限定;2)通过对达机翁组中3件砂岩碎屑锆石进行U-Pb定年,获得最年轻锆石年龄分别为49±2Ma、51±2Ma和54±2Ma。这些碎屑锆石最年轻年龄可以限定沉积地层的最大沉积年龄(Dickinson and Gehrels, 2009);3)达机翁组中出现多层含底栖有孔虫(如货币虫、峰巢虫等)灰岩,对其进行化石时代鉴定分析(见图版),结果显示在这些样品中发现大量始新世底栖大有孔虫,其中具有时代意义的如Alveolina globosa, Alveolina aragonensis, Alveolina agerensis, Alveolina moussoulensis, Alveolina trempina, Alveolina schwageri, Alveolina oblonga, Nummulites globulus, Nummulites burdigalensis, Nummulites atacicus等。这些底栖有孔虫化石对应于SBZ8-10化石带(i.e., 最晚时间为~49Ma, Serra-Kiel et al., 1998; Wade et al., 2011),该时代可以更精确限定达机翁组中这些灰岩的形成时代至少可以延续至始新世时期(~49Ma),这与碎屑锆石得到的最年轻年龄较为一致。

图版Ⅰ 达机翁组灰岩的底栖有孔虫化石, 图中各标尺为1mm (a) Alveolina moussoulensis Hottinger, 始新世早期, SBZ8, TP6b, 样品12DJW07.
(b) a:Discocyclina sella (Archiac), b:Assilina laminosa Gill, 始新世早期, SBZ8, TP6b, 样品12DJW07
(c) Nummulites burdigalensis cf kuepperi Schaub, 始新世早期, SBZ10, TP7a, 样品12DJW11
(d) a:Assilina laminosa Gill, b:Discocyclina ranikotensis Davies, 始新世早期, SBZ8, TP6b, 样品12DJW07
(e) Assilina subspinosa Davies & Pinfold, 始新世早期, SBZ8, TP6b, 样品12DJW07
(f) Lockhartia conditi (Nuttall)始新世早期, SBZ8, TP6b, 样品12DJW07
(g) Ranikothalia sindensis (Davies), 始新世早期, SBZ8, TP6b, 样品12DJW07
(h) Alveolina oblonga d’Orbigny, 始新世早期, SBZ10, TP7a, 样品12DJW11
(i) Alveolina trempina Hottinger, 始新世早期, SBZ9, TP6c, 样品12DJW09

虽然限于地层出露不连续,或者后期构造破坏严重,使得精确限定达机翁组的沉积时代较为困难。但是本研究通过以上三种方法综合对达机翁组的形成时代作出限定,获得结果指示达机翁组的形成时间跨度为晚白垩世末期-始新世早期,即其沉积至少可以延续到~49Ma。

4.2 物源分析

达机翁组砂岩碎屑组分显示含有大量的中-酸性火山岩岩屑、钾长石和斜长石(表 1),与仲巴地区错江顶群的帕达那组和曲下组碎屑组分相似。在碎屑模式Qt-F-L三角图解中均投于岩浆弧区域(图 5),指示存在一岩浆弧为达机翁组碎屑岩提供沉积物质来源。碎屑锆石U-Pb年龄结果显示年龄区间主要分布于135~50Ma之间,峰值为~90Ma(图 7)。锆石Hf同位素特征显示,达机翁组均以高的176Hf/177Hf同位素比值以及正的εHf(t)值为特征(图 7)。整个拉萨地体在白垩纪-古新世时期均广泛发育岩浆作用(Chu et al., 2006; Zhu et al., 2011),但是受构造背景和岩浆源区的区别,使得拉萨地体南缘的冈底斯岩浆弧锆石与中部拉萨地体岩浆锆石具有不同的特征。冈底斯岩浆弧具有三个主要的年龄峰值:即70~39Ma(峰值为~50Ma)、110~80Ma(峰值为~90Ma)和210~180Ma(峰值为~190Ma)(图 7, Chu et al., 2006; Wen et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2011),并且,这些年龄的锆石具有高的176Hf/177Hf同位素比值和正的εHf(t)值(图 7, Chu et al., 2006; Ji et al., 2009);而中拉萨地体上的岩浆锆石年龄显示其年龄主要分布于140~100Ma(峰值为~110Ma,图 7),且以低的176Hf/177Hf同位素比值和负的εHf(t)值为特征(图 7, Chu et al., 2006; Meng et al., 2010; Zhu et al., 2011)。将达机翁组碎屑锆石与该两个潜在源区对比发现,其特征与冈底斯岩浆弧非常类似,而明显区别于中拉萨地体(图 7)。

此外,将达机翁组碎屑锆石特征与区域上同时代的日喀则弧前盆地内的碎屑锆石对比发现,日喀则弧前盆地具有两个特征性的锆石年龄区间,分别为75~125Ma(峰值为~90Ma)和150~160Ma(峰值为~160Ma)(图 7, Wu et al., 2010; An et al., 2014; Orme et al., 2015; Orme and Laskowski, 2016),且Hf同位素也主要表现为高的176Hf/177Hf同位素比值和正的εHf(t)值(Wu et al., 2010; An et al., 2014),因而两者在锆石年龄谱特征以及Hf同位素特征均具有很高的相似性(图 7)。大量已发表数据表明日喀则弧前盆地的碎屑物质主要是来自拉萨地体南缘的冈底斯岩浆弧(Dürr, 1996; Wang et al., 2012; An et al., 2014; Wu et al., 2010)。因此,通过砂岩碎屑模式和碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素分析,并类比日喀则弧前盆地的碎屑沉积特征,本文认为达机翁组可能与日喀则弧前盆地一样,是形成于冈底斯岩浆弧前,并以之为主要物质来源的一套沉积体系。

4.3 达机翁组形成的构造背景

分析达机翁组形成的构造背景,则必须综合考虑其形成的时代和所处的大地构造位置。达机翁组南侧为雅鲁藏布江缝合带,北侧紧邻冈底斯岩浆弧(潘桂棠等, 2004),代表了拉萨地体最南缘的沉积地层。地层时代约束显示达机翁组形成于晚白垩世-始新世早期。基于该时代与构造位置特征,并与区域上同时代地层对比,认为达机翁组的形成背景可能为弧前盆地属性(西藏自治区地质矿产局, 1993; 潘桂棠等, 2004)。相应的证据主要有以下几点:1)生物化石组合特征,达机翁组灰岩层内的底栖有孔虫(如货币虫、峰巢虫等)化石组合,与拉萨地体南缘弧前区域内的化石组合类似。如研究区东侧仲巴地区错江顶群上部曲下组-加拉孜组,以及冈仁波齐地区的达金组,均以出现Miscellanea-DaviesinaAlveolina-Nummulites生物化石组合为特征(Wang et al., 2015; Hu et al., 2016);2)沉积环境特征,达机翁组主要形成于扇三角洲相沉积环境之中。同样的沉积环境也发育在仲巴地区错江顶群的曲下组-加拉孜组以及冈仁波齐地区的达金组。这两个地区均是以砾岩、砂岩和灰岩岩石组合为特征,形成于扇三角洲环境之下(Orme et al., 2015; Wang et al., 2015; Hu et al., 2016);3)物源区特征,达机翁组中的砂岩碎屑成分中大量出现中酸性岩浆岩岩屑、斜长石和钾长石,这反映了岩浆弧的源区特征。同时结合碎屑锆石年龄和Hf同位素特征,指示了达机翁组的沉积物质是直接来源于冈底斯岩浆弧,这与冈底斯岩浆弧的弧前盆地物源区特征较为一致(即日喀则弧前盆地, 图 7, Dürr, 1996; Wang et al., 2012; An et al., 2014; Wu et al., 2010; Orme et al., 2015; Hu et al., 2016)。

达机翁组作为冈底斯岩浆弧弧前盆地的沉积记录,对区域上冈底斯-拉达克岩浆弧的弧前盆地研究具有重要指示意义。目前关于该弧前盆地研究,受出露条件和研究程度限制,大部分主要集中在日喀则弧前盆地(Wang et al., 2012; An et al., 2014; Orme et al., 2015; Orme and Laskowski, 2016; Wang et al., 2017)和西部赞斯卡地区的印度河弧前盆地(Henderson et al., 2010a, b),并分别对该东西两个弧前盆地在盆地发育时间、构造演化以及动力学机制作了较为详细的工作(Henderson et al., 2010a; Wang et al., 2017)。然而一直以来,由于在这两者之间区域缺乏弧前盆地沉积的相关研究,使得有研究认为冈底斯-拉达克弧前盆地的形成是在圈闭的洋壳上形成,沿着缝合带走向上并不连续(Einsele et al., 1994)。本研究区达机翁组即是位于日喀则弧前盆地与印度河弧前盆地之间,虽然其出露是直接以断层方式覆于冈底斯岩浆弧之上,而缺少传统认为的弧前盆地发育的洋壳或过渡地壳的基底(Einsele et al., 1994)。但通过地层时代、沉积特征以及物源区分析,认为达机翁组同样可能是记录了冈底斯岩浆弧的弧前沉积记录。虽然研究区内达机翁组的出露情况断续,且相关地层还可能受到后期新特提斯洋闭合和青藏高原隆升影响,部分地层被后期风化剥蚀,使得保存的弧前盆地沉积较少且连续性较差。但该套地层的发现,至少认为在日喀则弧前盆地和西部印度河盆地之间同样存在弧前盆地沉积记录,从而对东西方向上弧前盆地的对比提供新的资料。

4.4 冈底斯-拉达克弧前地层对比及对海退时间的约束

在藏南地区,晚白垩世-古近纪地层研究更多是集中在特提斯喜马拉雅北缘,利用该时期的沉积演化、物源变化等来反演特提斯洋壳俯冲以及随后的印度-亚洲大陆碰撞过程。如定日-岗巴地区的始新统恩巴-扎果组;萨嘎地区桑单林组和者雅组、江孜地区甲查拉组等(万晓樵, 1987; Willems and Zhang, 1993a, b; Wang et al., 2002; 李国彪和万晓樵, 2003; DeCelles et al., 2014; Jiang et al., 2016; Hu et al., 2016, 2017)。然而对于亚洲大陆南缘,即冈底斯弧前区域的地层对比研究相对较少,目前主要集中在桑桑-日喀则地区弧前盆地、仲巴错江顶地区和冈仁波齐地区有相关研究报道(An et al., 2014; Wang et al., 2015; Orme et al., 2015; Orme and Laskowski, 2016; Hu et al., 2016)。

亚洲大陆南缘的桑桑-日喀则地区,保存了日喀则弧前盆地的主体沉积,出露地层主要为昂仁组和帕达那组,其底部发育于弧前蛇绿岩之上,顶部与雅鲁藏布江缝合带的蛇绿岩套或冈底斯岩浆弧呈断层接触关系(An et al., 2014; Wang et al., 2017)。研究显示该地区弧前盆地在桑桑地区最晚发育的是帕达那组顶部三角洲相沉积,时代大约为76Ma(An et al., 2014)。仲巴地区错江顶群,出露晚白垩世-始新世帕达那组、曲贝亚组、曲下组和加拉孜组(Ding et al., 2005; Wang et al., 2012; Orme et al., 2015; Hu et al., 2016),其沉积环境自下而上依次为三角洲-内陆架-扇三角洲等环境,其沉积物源主要来自北侧冈底斯岩浆弧(Orme et al., 2015; Hu et al., 2016)。地层时代研究揭示该地区地层顶部的曲下组和加拉孜组的形成时间可以延续到~58-54Ma(Hu et al., 2016)。在冈仁波齐地区仅出露古新世达金组,Wang et al. (2015)通过对其研究,认为是一套形成于ca.56~54Ma,主要由砂-砾岩夹泥岩组成的扇三角洲沉积,沉积物源为再旋回自冈底斯岩浆弧。当然对于达金组的构造背景,目前还存在争议,有研究认为其属于冈底斯砾岩,并非弧前盆地的产物(李顺等, 2016)。

拉达克弧前区域,赞斯卡地区发育的印度河弧前盆地,其沉积厚度达5km巨厚层的塔尔群,岩石组成包括泥岩、砂岩和灰岩等,沉积环境自下而上依次出现海水逐渐变浅的深海-浅海-三角洲环境(Garzanti and Van Haver, 1988; Searle et al., 1990; Henderson et al., 2010)。通过碎屑锆石和有孔虫组合分析其时代最晚可以延续到~49Ma(Henderson et al., 2010, 2011)。

本研究达机翁组与东部桑桑-日喀则地区帕达那组和仲巴地区错江顶群(An et al., 2014; Hu et al., 2016),以及最西部的印度河盆地塔尔群(Henderson et al., 2010)类似,具有相似的沉积环境、物源区特征。这些特征表明该沉积地层形成于相同的沉积盆地背景之下,即弧前盆地体系。然而通过对这些地层的时代约束,即最终海相地层的消亡时间,可以有效约束在弧前区域海退的过程。达机翁组所代表的海相层在亚洲大陆南缘的消亡过程在东西方向上可能存在一定的差异性(图 8)。从桑桑-日喀则地区的弧前盆地海相地层为帕达那组顶部的三角洲相沉积,其大致可延续到约76Ma(An et al., 2014; Orme and Laskowski, 2016);向西到仲巴地区的错江顶群和冈仁波齐地区的达金组(Wang et al., 2015; Hu et al., 2016),这两个地区海相地层消失时间大致约54Ma;而本研究札达地区的达机翁组,乃至更西部印度河弧前盆地顶部塔尔群地层,海相地层的时间最晚可延续到~49Ma(Henderson et al., 2010, 2011)。由此可见,在冈底斯-拉达克弧前区域,海相层的时代,即弧前海水最终在该区域的退出呈现东西向的穿时性,即自东向西逐渐退出,并最终在~49Ma从札达地区和赞斯卡的印度河区域退出(图 8;Willems et a., 1996; Najman et a., 2017)。

图 8 冈底斯-拉达克弧前区域沉积地层对比图 数据来自Henderson et al., 2010, 2011; Wang et al., 2015; Hu et al., 2016; An et al., 2014; Orme et al., 2015 Fig. 8 Comparisons of the sedimentary strata in the Gangdese-Ladakh forearc area

虽然对于达机翁组以及同时代地层的形成背景可以从区域上作出对比限定,但是对于达机翁组垂向上沉积特征以及物源的变化,还需要更深入的工作来加以验证,尤其是关于这些地层的沉积基底还需要未来更多的工作。

5 结论

基于藏南西部札达地区达机翁组地层年代学、沉积学、物源区分析等研究,主要得出以下几点认识:

(1) 藏南札达地区达机翁组为一套形成于晚白垩世-始新世早期(ca.73~49Ma)的扇三角洲沉积,其物质源区为北侧冈底斯岩浆弧。

(2) 达机翁组代表了亚洲大陆南缘冈底斯岩浆弧西段弧前区域海相沉积。通过区域上冈底斯-拉达克弧前海相地层对比发现,冈底斯-拉达克弧前海退过程存在东西向的穿时性,即海水自东向西逐渐退出,并最终在~49Ma完全退出弧前区域。

致谢 感谢南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室武兵和孙盼对锆石U-Pb年龄和Hf同位素测试的支持和帮助。感谢编辑以及两名匿名审稿人对本文的修改建议。
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