矿物岩石地球化学通报  2016, Vol. 35 Issue (5): 936-948   PDF    
滇西南西盟群帕可组沉积时代厘定及构造意义:锆石U-Pb年代学及Lu-Hf同位素证据
邢晓婉1,2 , 张玉芝1     
1. 中山大学 地球科学与地质工程学院, 广州 510275;
2. 广州生产力促进中心, 创新基金服务部, 广州 510091
摘要: 研究滇西南地区出露的西盟群碎屑岩沉积时限及其古地理属性对了解冈瓦纳大陆东缘的构造演化及其古地理重建具有重要意义。本文对西盟群帕可组3个变质砂岩样品中的碎屑锆石进行了LA-ICP-MS U-Pb测年和原位Lu-Hf同位素组成分析,获得样品的最小年龄峰值分别为568 Ma、541 Ma和560 Ma,εHft)值为-24.0~26.3。结合前人对帕可组内片麻状花岗岩的研究成果,推测西盟群帕可组沉积于早寒武世-中奥陶世(541~460 Ma),而非以往所认为的前寒武纪地层。Lu-Hf同位素组成则表明西盟群帕可组物源为古老地壳物质的再循环并混入新生地壳组分,结合其他区域地质资料推断西盟群物源类似东印度板块,与东冈瓦纳大陆具有亲缘性。
关键词: 西盟群帕可组      变沉积岩      早古生代      冈瓦纳大陆      锆石U-Pb年代学      Lu-Hf同位素     
Depositional Age of the Pake Formation of Ximeng Group and Its Tectonic Implications: Constraints from Zircon U-Pb Geochronology and Lu-Hf Isotopes
XING Xiao-wan1,2, ZHANG Yu-zhi1     
1. School of Earth Science and Geological Engineering Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China;
2. Guangzhou Productivity Promotion Center, Guangzhou 510091, China
Abstract: Depositional age, provenance and paleogeography characteristics of the Ximeng metasedimentary sequence is key for better understanding the tectonic evolution and paleogeographic reconstruction of East Gondwana Continent. This paper presented the zircon U-Pb geochronology and Lu-Hf isotope for three metamorphic sandstone samples from the Pake Formation of Ximeng Group in SW Yunnan. The group has been traditionally considered as the Precambrian metamorphic basement of the Shan-Thai Block. The detrital zircons from three samples yielded the youngest age peaks at 568 Ma, 541 Ma and 560 Ma, respectively, and the εHf(t)values change from -24.0 to+26.3. In combination with other data, it is inferred that the Pake Formation deposited at 541-460 Ma, equivalent to Late Cambrian to early-middle Ordovician period, different from previous proposed Precambrian strata. Their εHf(t)values indicate that their source rocks might originate from the mixing of recycled ancient continental material with juvenile crustal component. Our results, along with other geological data, suggest that the source rocks of the Ximeng Group have an affinity of Tethys-Himalaya and from East India of East Gondwana.
Key words: Pake Formation     metasedimentary rock     Early Paleozoic sequence     Gondwana     zircon U-Pb dating     Lu-Hf isotope    

滇西南地区位于喜马拉雅特提斯构造带的东南部,是东特提斯构造带的重要组成部分之一(图 1a)。本区由多个微陆块和陆块相间的造山带组成,包括腾冲地块、保山地块、思茅地块、昌宁-孟连缝合带及高黎贡山碰撞带等(Wu et al., 1995钟大赉,1998陈福坤等,2006李再会等, 2012a, 2012b)。近年有学者陆续在滇西地区识别出了早古生代花岗岩、中基性岩及变质岩(590~560 Ma;邢晓婉等,2015)。研究表明,滇西南片麻状花岗岩及高镁火山岩形成于晚奥陶世岛弧背景,与原特提斯洋向泛华夏大陆的俯冲相关,滇西南微陆块早古生代时期可能是冈瓦纳大陆的一部分(Wang et al., 2013Nie et al., 2015邢晓婉等,2015)。然而,从沉积岩角度获取早古生代构造信息的研究相对较少,特别是对西盟群的时代归属、地壳演化及其在冈瓦纳大陆重建中的意义等缺乏深入探讨。基于此,本文以西盟群帕可组碎屑岩为研究对象,对其代表性样品进行了锆石U-Pb年代学和Lu-Hf同位素测试,旨在剖析西盟群沉积时限及其构造属性,从而为阐明本区大地构造演化提供依据。

图 1 青藏高原及滇西南构造简图(a)、西盟地区地质简图(b)及西盟群地层柱状图(c) Figure 1 Simplified geological map showing tectonic frame of the Tibetan Plateau and SW Yunnan Province(a), Geological map of the Ximeng Area, SW Yunnan Province(b) and the stratigraphic column of Ximeng Group(c)
1 区域地质背景

研究区域位于三江地区西南缘的西盟地区(图 1a)。西盟地区位于特提斯喜马拉雅构造域的东南部,滇缅泰马地块东部。它东界澜沧江深断裂,西界柯街断裂及南汀河断裂,而与保山地块相邻(范承钧,1982),昌宁-孟连古特提斯地壳缝合带位于其西侧,是禅泰地块在中国境内唯一的变质岩系出露地区(图 1b)。西盟变质岩系以往被认为是前泥盆纪或元古代变质岩,统称为西盟群,为一套连续的火山碎屑、陆源碎屑和碳酸盐岩组成,出露面积约150 km2,其主体构造格架为一南北走向的短轴背斜(张传恒等,1997),向北延入缅甸。本群与周围古生代浅变质岩系呈断层接触,未见顶底(云南省地质矿产部, 1982a, 1982b)。

前人研究将西盟群划分为4组(图 1c),自下而上依次为:①老街子组,主要岩性为云母斜长变粒岩与云母石英片岩互层,其中上部为黑云白云斜长变粒岩、含电气石长英变粒岩等,下部为混合岩、碱长片麻岩等,岩石普遍发生混合岩化,其厚度大于622 m;②帕可组,以大理岩、白云质结晶灰岩、云母斜长变粒岩、二云母变粒岩、云母石英片岩、片麻岩和混合岩等岩石类型为主,其厚度为220~640 m;③王雅组,主体为绢云母片岩夹碳质绢云母片岩;④允沟组,以灰质白云大理岩、条带状大理岩、绿泥绢云微晶片岩、千枚岩为主,可分为上下2个岩性段,零星出露于研究区域,其厚度普遍较大。王雅组和允沟组为一套浅变质岩,云南省区域地质志(1982a)将其划分为古生界,而老街子组和帕可组划分为元古界地层,其中的片麻岩和混合岩作为地层单元划入帕可组(图 1c云南省地质矿产局,1986)。由于西盟群属于哑地层,即缺乏古生物化石(云南省地质矿产局,1982b),目前对其时代归属仍存在争议。

本次研究的3个变质砂岩样品(11ML-72/80/81)均采自帕可组,采样位置见图 1b1c。样品呈红褐色-灰色渐变,板状,矿物颗粒多为砾状、角砾状,多夹有方解石脉,具有微晶矿物条带。样品变形较为强烈,矿物多呈条带状分布,含大量的石英、方解石和绢云母,同时含有黑云母、斜长石、绿泥石、阳起石及白云石等(图 2)。

(a)11ML-72;(b)11ML-80;(c)11ML-81 图 2 西盟群帕可组变质砂岩显微岩相图 Figure 2 Microscope photos of metasandstones from the Pake Formation, Ximeng Group
2 分析方法

锆石分选及制靶由河北廊坊诚信地质有限公司完成。新鲜的全岩样品通过人工重砂法分选出锆石,然后在双目镜下观察,挑选出晶型好、无裂缝、透明干净的自形锆石颗粒,用双面胶将锆石固定在玻璃板上,再用模具浇筑环氧树脂而固定成环氧树脂样品靶,之后抛光。锆石阴极发光成像(CL)分析在中国科学院地质与地球物理研究所的扫描电镜上完成。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年和Lu-Hf同位素组成分析均在香港大学完成。所使用的仪器为Nu Plasma HR MC-ICPMS,装备了ArF-193 nm的激光剥蚀系统,束斑直径约为40~50 μm。每个分析点的气体背景采集时间为30 s,信号采集时间为40 s。

锆石U-Pb定年采用GJ-1和91500进行仪器最佳化校正。锆石年龄采用国际标准锆石91500进行外标校正,每隔5个样品分析点测2次91500标样,以保证标样和样品的仪器条件完全一致。每10次锆石分析前后及每个样品测试前后各测2次GJ-1。详细的实验流程和仪器参数详见Geng等(2014)。锆石U-Pb年龄计算统一使用软件ICPMSDat Cal 7.2计算处理(Liu et al., 2008),加权平均年龄及协和图的绘制使用Isoplot/Ex_2.49(Ludwig,2001)完成。锆石原位Lu-Hf同位素测定使用176Lu/175Lu=0.02669(De Biévre and Taylor, 1993)和176Yb/172Yb=0.5886(Chu et al., 2002)进行同量异位干扰校正样品的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf值。具体详见张爱梅等(2010)。本次研究对3个样品的代表性锆石进行了激光定年分析(117颗)和锆石原位Lu-Hf同位素分析(77颗),结果列于表 1

表 1 西盟群帕可组变质砂岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data of metasandstones of the Pake Formation, Ximeng Group
3 分析测试结果 3.1 锆石形态及稀土元素组成

样品的锆石具有相似的外形及内部结构,以半透明至透明,长柱状和短柱状为主,长宽比为2~4;大部分锆石具有典型的韵律环带,为典型岩浆成因锆石。代表性锆石的阴极发光图像见图 3

图 3 西盟群帕可组变质砂岩样品代表性锆石阴极发光图像 Figure 3 Representative zircon CL images of metasanstones from the Pake Formation, Ximeng Group

锆石中的稀土元素(REE)丰度,尤其是重稀土元素(HREE)富集程度是区分不同成因锆石(如岩浆锆石、变质锆石和热液锆石等)的重要指标。研究认为,岩浆锆石具有较高的REE含量和陡立的HREE配分模式(Buick et al., 1995),具有Ce和Eu异常。由于变质重结晶锆石中的轻稀土元素(LREE)比HREE的离子半径大,因而更容易在变质重结晶过程中从锆石晶格中晶出(Geisler et al., 2003),以致变质重结晶锆石比岩浆锆石具有更为陡直的HREE配分模式。而变质增生锆石HREE的富集程度较低(Dempster et al., 2004)。3个样品的锆石微量元素配分型式(图 4)表明帕可组变质砂岩中的绝大部分碎屑锆石是岩浆成因。

图 4 西盟群帕可组碎屑锆石REE配分图 Figure 4 CI-normalized REE patterns of detrital zircon from the Pake Formation, Ximeng Group
3.2 锆石U-Pb年龄及Lu-Hf同位素分析

本文参与年龄计算的锆石颗粒的协和度均高于90%,大于1000 Ma的锆石点选择207 Pb/206 Pb年龄,小于1000 Ma则选择206 Pb/238U年龄(Xu et al., 2007Wang et al., 2010)。3个样品的测试结果见表 1表 2

表 2 西盟群帕可组变质砂岩原位锆石Lu-Hf同位素测试结果 Table 2 Lu-Hf isotope of detrital zircons from the Pake Formation, Ximeng Group
3.2.1 11ML-72砂岩

所分析的39颗代表性锆石的Th/U值均大于0.1(0.11~1.45;点11ML-72-05除外)。表观年龄值为529~2755 Ma,最小及最老年龄分别为529±19 Ma(11ML-72-42)和2755±62 Ma(11ML-72-16),年龄区间分别集中于2755~2284 Ma、1924~1687 Ma、1083~920 Ma和670~529 Ma(图 5a),前两组较老年龄无明显峰值,后两组对应峰值分别为981 Ma和568 Ma(图 5b)。样品相应锆石的原位Lu-Hf同位素组成表明,其εHf(t)值为-21.2~+24.6,二阶段模式年龄(tDM2)为0.97~3.56 Ga(表 2)。

图 5 西盟群帕可组碎屑锆石U-Pb年龄协和图(a、c和e)和年龄频谱图(b、d和f) Figure 5 Concordia diagrams of zircon U-Pb data(a, c and e) and the age spectrum distributions(b, d and f) of detrital zircons from the Pake Formation, Ximeng Group
3.2.2 11ML-80砂岩

38颗碎屑锆石颗粒的U-Pb分析结果显示,所有点的Th/U值大于0.1。最小年龄为531±13 Ma(11ML-80-33),最老年龄为2618±45 Ma(11ML-80-20;图 5c)。年龄集中在2618~2161 Ma,1087~830 Ma和680~531 Ma,主要年龄峰值分别为944 Ma、583 Ma和541 Ma(图 5d)。

3.2.3 11ML-81砂岩

40颗代表性锆石的定年分析结果显示其Th/U值均较高(均值为0.43)。分析点11ML-81-15给出的206 Pb/238U最小年龄值为514±14 Ma,最老的锆石年龄为3316±45 Ma(11ML-81-40),主要年龄分别集中于1154~814 Ma和666~514 Ma(图 5e),对应的峰值分别为974 Ma和560 Ma(图 5f)。其中,38颗锆石的原位Lu-Hf同位素测试得到176Hf/177Hf值为0.28059~0.28249,加权平均值为0.28193±0.00020(1δ),对应的εHf(t)值为-21.8~10.3,二阶段模式年龄为1.26~3.94 Ga。

4 讨论 4.1 西盟群帕可组的沉积时代

锆石的外形、内部结构、Th/U值及稀土元素分布特征均表明,帕可组碎屑岩中的碎屑锆石为岩浆成因锆石,代表了碎屑源区物质形成时的年龄。以往的研究认为,西盟地区出露地层为奥陶-志留纪地层(云南省地质矿产局,1986);云南省区域地质志(1982b)将西盟群老街子组和帕可组划为中元古界地层,而将王雅组和允沟组归为早古生代地层,并认为两者均受到不同程度的混合岩化作用,其中前者的变质程度较深,而后者的变质程度较浅。张传恒等(1997)则认为该地层属于前寒武纪基底;Wang等(2013)邢晓婉等(2015)对侵入于西盟群帕可组的花岗片麻岩研究认为西盟群内至少有一部分属于中奥陶世,而不是以往所认为的统归为中元古代岩石,原西盟群可能需要重新认识或者解体。

本次研究结果表明,禅泰地块西盟群帕可组碎屑锆石年龄变化范围为3311~514 Ma(图 5图 6);样品11ML-72、11ML-80和11ML-81给出的最小年龄峰值分别为568 Ma、541 Ma和560 Ma(图 5),表明西盟群帕可组最早沉积在541 Ma之后。最新的研究结果表明侵入帕可组碎屑岩的花岗岩形成时代为~460 Ma(Wang et al., 2013),暗示其最小沉积时代为中奥陶系晚期(~460 Ma)。因此,西盟群帕可组应该沉积于541~460 Ma之间的早寒武世-中奥陶世,而不是元古代基底岩系。

图 6 帕可组碎屑锆石年龄频谱图 Figure 6 Detrital zircon U-Pb age spectra of metasandstones of the Pake Formation
4.2 物源分析及构造意义

77颗代表性锆石的Lu-Hf同位素分析测试结果列于表 2。锆石的176Yb/177Hf值为0.00382~0.06255,176Hf/177Hf值为0.28059~0.28256,176Lu/177Hf值为0.00014~0.00259,且大部分176Lu/177Hf值都小于0.002,表明锆石在形成后放射性成因的Hf积累很少(Griffin et al., 2000)。因此,原始的176Hf/177Hf值可以代表锆石形成时的176Hf/177Hf的值(Wu et al., 2007)。

研究结果表明,西盟群帕可组的最老锆石年龄为3.3 Ga,其εHf(t)和二阶段模式年龄分别为-4.7 Ga和3.95 Ga,暗示源区包含有古老地壳组分。新太古代到古元古代碎屑锆石年龄集中于2.7~2.2 Ga(9颗),εHf(t)值为-5.0~3.0(表 2),表明源区既有来自新生地壳组分,也有古老地壳组分的参与。年龄在1983~1622 Ma之间的锆石(8颗),其εHf(t)值为-11.2~0.2(图 7),其中大部分锆石颗粒(7颗)的εHf(t)值小于0,暗示它们主要来源于古老地壳物质的改造或再循环。2个主要年龄峰值964 Ma和569 Ma(图 6)的碎屑锆石年龄变化于1057~889 Ma和614~514 Ma,εHf(t)值分别变化于-19.7~13.6和-21.8~2.0,其中超过64%的颗粒为负值,表明在新元古代时期源区新生组分参与明显。

图 7 帕可组碎屑岩锆石εHf(t)-t图解 Figure 7 U-Pb age(Ma)-εHf(t)diagram of the metasandstones in the Pake Formation, Ximeng Group

西盟群帕可组古元古代碎屑锆石(2740~1631 Ma)共17粒,占所有测点的14%,无明显年龄峰值。新元古代主要年龄峰值为964 Ma(图 6),早古生代初期峰值年龄为569 Ma。对西澳大利亚古生代Perth盆地(Cawood and Nemchin, 2000)及特提斯喜马拉雅带寒武纪-中奥陶世(Myrow et al., 2010Dong et al., 2011)和扬子地块新元古代-早古生代(Zheng et al., 2006Zhang et al., 2006Li et al., 2008Duan et al., 2011)碎屑锆石统计年龄频谱表明(图 8),扬子地块给出最主要年龄峰值为788 Ma,与西盟群帕可组碎屑锆石年龄分布差异较大,故而排除物源区来自扬子地块的可能性。西澳大利亚存在一个1108 Ma年龄峰值,与西盟地区显著不同。而特提斯喜马拉雅带年龄峰值主要集中在新元古代(1000~900 Ma)和泛非期(650~500 Ma),与西盟群帕可组碎屑锆石给出的年龄峰值有一定的相似性。研究显示,澳大利亚西南部的Albany-Fraser带内出露大量~1170 Ma的岩浆岩,晚新元古代-古生代时期为Perth盆地提供丰富沉积物质(Cawood and Nemchin, 2000Zhu et al., 2011)。印度雷纳-东高止山脉(Rayner-Eastern Ghats)以及东南极发育大量990~900 Ma岩浆事件(Metcalfe,2013Usuki et al., 2013Burrett et al., 2014)。因此,西盟群帕可组碎屑锆石可能主要来自冈瓦纳大陆东缘特提斯喜马拉雅构造带的印度板块。

图 8 西盟群帕可组碎屑岩(a)与扬子地块(b)(Zheng et al., 2006Zhang et al., 2006Li et al., 2008Duan et al., 2011)、特提斯-喜马拉雅构造带(c)(Myrow et al., 2010Dong et al., 2011)及西澳大利亚珀斯盆地(d)(Cawood and Nemchin, 2000)碎屑岩中碎屑锆石年龄谱系图 Figure 8 Relative U-Pb age probability for detrital zircons of different area including the Pake Formation(a), Yangtze Block(b), Tethyan Himalaya(c) and Perth Basin in West Australia, 2000(d)

750~600 Ma期间罗迪尼亚超大陆发生裂解形成2个重要的构造带:一个是以中压麻粒岩带为重要标志、位于东、西冈瓦纳之间的莫桑比克带,另一条位于东、西非之间并延至南美东部(Acharyya,2000)。600~500 Ma期间的莫桑比克和刚果-巴西的泛非造山带(Acharyya,2000)造就了东、西冈瓦纳大陆块体联合。喜马拉雅-特提斯构造带、贡山、腾冲-保山及禅泰地块等均存在大量的早古生代时期岩浆活动,主要集中于525~460 Ma(邢晓婉等,2015及其参考文献)。西盟群帕可组碎屑锆石记录的2个最主要年龄峰值为964 Ma和569 Ma。表明滇西南地区存在丰富的格林维尔期和泛非期地质信息,这些更支持前述帕可组砂岩中碎屑锆石来源于特提斯喜马拉雅带。

近年来,学者们陆续在滇西地区识别出了早古生代(462~454 Ma)花岗岩、中基性岩及变质岩(陈福坤等,2006Song et al., 2007, 2010Liu et al., 2009李再会等, 2012a, 2012b杨学俊等,2012Wang et al., 2013Nie et al., 2015邢晓婉等,2015),认为腾冲、保山及禅泰地块在早古生代时期可能是冈瓦纳大陆的一部分,提出了原特提斯洋沿冈瓦纳大陆北缘穿时俯冲的观点(Wang et al., 2013)。在冈瓦纳大陆古地理重建图中,有关腾冲、保山及禅泰地块的位置一直存在争议,朱弟成等(2012)认为它们应该同拉萨地块相同起源于西澳大利亚,而Wang等(2013)则将相关陆块置于印度板块东缘。侵入西盟群帕可组的花岗片麻岩形成于462~461 Ma,被认为是冈瓦纳大陆拼合之后原特提斯洋在其边缘形成的安第斯型造山作用产物(邢晓婉等,2015)。本区及其周缘地区的保山、腾冲和拉萨地块以及喜马拉雅等地区也发育早古生代岩浆活动,主要集中为~525~460 Ma(邢晓婉等,2015及其参考文献)。本次对西盟群帕可组的碎屑锆石的研究认为禅泰地块具有东冈瓦纳亲缘性,通过与邻区块体的碎屑锆石年龄谱系对比,推断西盟群帕可组的物源更趋东印度陆块。

5 结论

(1)西盟群帕可组变质砂岩样品中碎屑锆石U-Pb年龄变化于2740~495 Ma,最小峰值年龄分别为568 Ma、541 Ma和560 Ma。结合已有研究成果认为西盟群帕可组沉积于早寒武世-中奥陶世(541~460 Ma),而非以往所认为的元古代地层。

(2)西盟群帕可组碎屑岩样品给出2个主要年龄区间分别为1057~889 Ma和614~514 Ma,相应的εHf(t)值分别-19.7~13.6和-21.8~2.0。表明这2个阶段源区物质既有来源于古老地壳物质的重熔和再循环,也有部分新生地壳组分的参与。

(3)西盟群帕可组的物源区为东冈瓦纳大陆北缘的特提斯喜马拉雅构造带,主要来自东印度板块。

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