华北克拉通南部熊耳群火山岩形成时代的确定

华北克拉通南部熊耳群火山岩形成时代的确定

熊耳群火山岩广泛分布于中国北方克拉通南部。下伏层是中国古代和古元古代的结晶基础。它并覆盖着印古文中部和晚期的碎屑岩、碳酸盐岩和冰末岩。熊耳群基岩的出露面积约为7000km2，分布范围至少为60000km2。该层的大多数厚度为30007000米。这是中国北方克拉通结晶基底形成后规模最大、影响最大的岩浆活动产物（图1）。熊耳群的形成标志着中国北方克拉通南部盖层发育的开始，也可能比长城系的发育早。因此，正确划分熊耳群火山岩的形成时代，对于遏制华北克拉通盖层的发育，对华北克拉通古代的构造模式和发育历史具有重要意义。自锆石U-Pb定年法得到运用以来,已获得不少熊耳期岩浆岩的锆石U-Pb年龄,解释为熊耳期岩浆作用时代的范围从1650Ma到2450Ma[4~6].熊耳期岩浆作用是否持续8亿年?已有的锆石U-Pb年龄大多是上交点年龄,单颗粒落在谐和线上的年龄很少;问题或许不是测试精度而是所测试的锆石是何种成因以及如何正确分辨哪些是熊耳期的岩浆锆石.为此,我们应用SHRIMPU-Pb方法,确定熊耳期岩浆作用的时限问题.1锆石u-pb年龄我们从熊耳群地层发育完整的外方山地区和熊耳山地区,各穿越一条完整剖面,分别在河南省鲁山县西北和洛宁县西南(图1).在外方山地区的坐坡岭-疙瘩剖面中(该处地层厚度相对较薄),从底部的玄武安山岩和中部、顶部的流纹斑岩中取样(图1);另从熊耳山地区熊耳期的闪长岩和辉绿岩墙中各选取一个样品(图1,它们的岩石地球化学成分及岩相学特征和熊耳群火山岩一致,参见文献),分选出其中的锆石,作SHRIMPU-Pb分析.不同样品中锆石的数量、颗粒大小与形态有所差异.两个流纹斑岩样(W8、W15)中的锆石不仅数量多粒度也大,多在100µm以上;而辉绿岩(W21)和闪长岩(W24)中的粒度较小,多在50~80µm;玄武安山岩(W0)中的锆石不仅数量少,粒度也小,多在50µm左右.2分析点和方法锆石是在岩石粉碎后按常规的重液和磁选方法分选,最后在双目显微镜下挑纯.将锆石和数粒Temora锆石标样(417Ma)置于环氧树脂中,不同样品按粒度大小顺序排列,然后磨至约一半,使锆石内部暴露,用于阴极发光图像(Cathodoluminescence以下简称CL)研究及随后的SHRIMPU-Pb分析.锆石SHRIMP分析点的选择是结合锆石颗粒在显微镜透射光、反射光下的形貌特征和CL图像为依据的CL图像在中国地质科学院矿产研究所电子探针室JEOL扫描电子显微镜上完成.SHRIMPU-Pb分析是在中国地质科学院北京离子探针中心的SHRIMPⅡ上完成.分析流程和方法见文献.应用标准锆石Temora(417Ma)进行元素分馏校正,应用标准SL13(U含量238µg/g)标定样品的U,Th和Pb含量,应用实测的204Pb进行普通铅的校正.数据处理采用LudwigSQUID1.0及ISOPLOT程序.年龄计算常数采用IUGS(1977)推荐值.表1中所列单个数据点的误差为1σ,加权平均年龄具95%的置信度.3岩墙形成年龄W0是从熊耳群下部许山组玄武安山岩中分选出的锆石.所有分析点均显示继承锆石年龄.从结果看(图2(g)),有意义的是落在谐和线附近的5个分析点其中,一个分析点(W0-17)给出207Pb/206Pb年龄为1987±15Ma;另一个分析点(W0-10)给出2147±11Ma的207Pb/206Pb年龄(表1),而其余3个分析点(W0-1W0-7,W0-20)给出2237±86Ma加权平均年龄.至于其他落在谐和线下方的分析点,可能由于铅丢失,还不能指示明确的地质意义.W8为熊耳群中部鸡蛋坪组流纹斑岩中的锆石从分析结果看,年龄值有3组.207Pb/206Pb年龄小于1.80Ga的有10个点,大于2.0Ga的有10个点,另有两个颗粒显示1.86和1.91Ga的207Pb/206Pb年龄(表1,图2(a)).取3个最接近谐和线的分析点(W8-4W8-6,W8-15)207Pb/206Pb加权平均值1800±16Ma,解释为火山岩的形成年龄(图2(b)).虽然22点更接近谐和线,但与其他3个数据点年龄差异较大,使其平均值误差也增大(1791±29Ma,MSWD=1.5).实际上,两个年龄在误差范围内是一样的.而如果取6个点(W8-4,W8-6,W8-15,W8-3,W8-18,W8-23)拟合的不一致线与谐和线的上交点年龄为1820±23Ma,和前两个年龄在实验误差范围内也是一致的.W15为熊耳群顶部马家河组流纹斑岩中的锆石.有4个点的207Pb/206Pb年龄在2.2Ga左右(表1,图2(c)).此样品中W15-18和W15-19两个锆石颗粒均有两期生长,核部年龄均大于边部(图3).该样品的锆石至少分为两期:熊耳期的岩浆锆石,取9个点拟合的不一致线与谐和线的上交点年龄为1776+20/-19Ma(图2(d)),将此解释为火山岩的形成年龄;熊耳期以前的岩浆锆石拟合的不一致线与谐和线的上交点年龄约为2250Ma(图2(c)).W21是从侵入到太古宙太华群的辉绿岩岩墙分选出的锆石.取5个最接近谐和线的分析点(W21-2,W21-7,W21-9,W21-11,W21-12)的207Pb/206Pb加权平均值1773±37Ma(图2),解释为岩墙的形成年龄.从锆石晶形和CL图像特征看,W21-6点可能是熊耳期后的岩浆锆石,而其余4点可能是熊耳期以前的岩浆锆石,它们均受后期热事件的影响而发生了Pb丢失.W24是从侵入到熊耳群下部许山组的闪长岩分选出的锆石.所有测点的207Pb/206Pb年龄均小于1800Ma(表1,图2(e)),反映后期热事件的影响而发生了Pb丢失.取6个点拟合的不一致线与谐和线的上交点年龄为1789+26/-20Ma(图2(f)),将此解释为闪长岩的形成年龄.综观5个样品84个测试点的情况,锆石明显分为两组:一是熊耳期的岩浆锆石,它们的207Pb/206Pb年龄介于1750~1800Ma之间,有的因为Pb丢失致使207Pb/206Pb年龄小于1750Ma;另一类锆石的207Pb/206Pb年龄介于1850~2350Ma,且绝大多数集中在2200Ma左右.从继承性锆石的Th/U比值看,绝大多数在0.1~1之间,也有大于1的,这些锆石往往自型程度好、粒度大,不少发育岩浆环带,说明是继承性的岩浆锆石,只有少数是变质锆石或沉积物中的锆石(如W0-12,W8-29;这和本次工作的测试点基本上都是针对岩浆锆石很有关系).熊耳期的锆石Th/U比(多数大于1)总体上要比继承岩浆锆石的Th/U比高.从本次锆石SHRIMP年龄分析的实践看,熊耳期岩浆岩中的锆石十分复杂.既有晶体形态完好、棱角分明、呈长柱状的锆石,不少还具有岩浆结晶韵律环带结构(图3,W0-1,W0-19);也有明显显示两期生长的锆石,如浑圆状的核部和外部晶面发育的增生边(图3,W15-18,W15-19,W15-23),有的在CL图像上显示有比较薄的增生边(图3,W15-22).我们对分析点的选择起初是选择那些晶体形态好,判断为岩浆锆石的颗粒.然而,测试结果表明这些岩浆成因的锆石并不是熊耳期的,它们的207Pb/206Pb年龄多集中在2.2Ga左右(表1;图3,W0-1,W0-19,W15-23);而那些可能是熊耳期的岩浆锆石,几乎都是呈细小的长柱状、柱状(图3,W15-1,W15-2,W24-2,W24-3W24-6)或者是不规则的碎片状(图3,W8-4,W8-6W8-15,W15-9,W21-7,W24-7,W24-13).以往根据颗粒锆石U-Pb年龄化学法测试结果,将1650~2450Ma都解释为熊耳群的形成年龄,原因可能在于:(1)没有区分是熊耳期的岩浆锆石还是熊耳期岩浆继承的岩浆锆石.(2)多颗锆石的混合年龄、不一致线与谐和线的上交点年龄,很可能不是火山岩形成的真实年龄.(3)虽然都是岩浆锆石,但继承性锆石比熊耳期的锆石粒度更大、晶型发育更完好而易于分选出来而熊耳群形成期的岩浆锆石,因为生长时间短以至粒度细小、发育不够完善而难以分选出来;W0样几乎没有熊耳期的岩浆锆石,则和样品粒度细、基性程度高有关.本次工作实践,对于火山岩中锆石年龄的测试,特别是如何识别火山岩形成期的锆石与继承性岩浆锆石,提供了一些有益经验或教训.熊耳期岩浆岩中大量继承性岩浆锆石的存在究竟指示熊耳期岩浆主要来源于地壳还是幔源岩浆同化混染地壳物质所致,这有待进一步探讨.4岩石学和年代学测定结果熊耳期岩浆作用的上限年龄,已有3个次火山-侵入岩的单颗粒锆石U-Pb年龄数据,分别为1731±29,1750±65和1761±16Ma,和本次SHRIMPU-Pb年龄测试结果一致.因此,我们将熊耳期岩浆作用的上限年龄厘定为1750Ma.本次工作没有获得熊耳群底部样品的岩浆锆石年龄,而所获得的年龄误差范围又在20Ma左右.然而,结合以下两个紧邻熊耳群火山岩的结晶基底中的锆石SHRIMP资料(另文发表)可以推断,熊耳期岩浆作用的下限年龄为1800Ma.与我们合作开展野外工作的河南省区域地质调查大队,选取上太华群水滴沟组石墨夕线片麻岩和侵入上太华群雪花洞组的片麻状石榴花岗岩(取样位置在本次工作的外方山地区的坐坡岭-疙瘩剖面附近),对其中的锆石作了SHRIMP年龄测定,以制约熊耳期火山活动的底限.侵入到上太华群雪花洞组的片麻状石榴花岗岩的锆石SHRIMP年龄测定结果表明,2139±16Ma代表岩体的形成时代,锆石增生边1871Ma最接近真实的变质年龄.而上太华群水滴沟组石墨夕线片麻岩锆石SHRIMP年龄测定结果显示有两组残余锆石:一组为2.50~2.73Ga,是泥沙质物源区岩浆锆石年龄;另一组为2.25~2.31Ga,是变质沉积岩残余锆石的最小年龄.锆石变质增生边的年龄为1.84±0.07Ga,反映古元古代末期变质作用时代.这些测试结果使笔者获得如下认识:(1)上太华群形成于古元古代而不是太古宙;(2)上太华群表壳岩系和侵入其中的花岗质岩石都发生了强烈的达到角闪岩相的变质变形作用,其时限大致在1.84~1.87Ga,与表壳岩系形成和相应花岗质岩石侵入时代相比,约滞后了30Ma,显然为另一次热-构造事件的结果;(3)华北克拉通孔兹岩系形成于古元古代并在古元古代末期遭受吕梁运动强烈改造(1.85~1.80Ga)该次事件在华北克拉通南部也有地质记录.由此,我们将熊耳期岩浆作用的下限年龄确定为1.80Ga.熊耳群和长城系都是华北克拉通经吕梁运动完全克拉通化后最早的盖层沉积.它们的底界年龄的厘定及其先后关系的确立,对认识华北克拉通前寒武纪地壳演化历史十分重要,也有利于了解全球古元古代Columbia超大陆的形成过程.长城系在华北克拉通中部及北部广泛分布,其底界年龄一直存有争议.李增惠等人报道长城系底部常州沟组宇宙尘年龄为1670Ma.王松山等人根据长城系下伏变质岩系的变质年龄(角闪石、斜长石、黑云母的坪年龄分别为1794±1.7,1798±2,1782±3Ma),认为长城系的底界年龄划在1700±70Ma比较合理.万渝生等人通过对长城系常州沟组碎屑锆石SHRIMP年龄测定,认为长城系最大沉积年龄小于1.80Ga.因为熊耳群形成时代不是与长城系相当,而是早于长城系[2~4],由