燕山地区团山子组层凝灰岩SHRIMP锆石U-Pb年龄及其地质意义.pdf
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1、书书书 ():岩石学报 :马驭舟,苏文博,祝禧艳等 燕山地区团山子组层凝灰岩 锆石 年龄及其地质意义 岩石学报,():,:燕山地区团山子组层凝灰岩 锆石 年龄及其地质意义马驭舟苏文博 祝禧艳刘书琪李惠民宋彪 ,中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究重点实验室,北京 中国地质调查局天津地质调查中心,天津 北京离子探针中心,中国地质科学院地质研究所,北京 ,收稿,改回 ,(),():,:,(),(),本文受国家重点研发计划项目()和国家自然科学基金项目(、)联合资助第一作者简介:马驭舟,男,年生,博士生,地质学专业,:通讯作者:苏文博,男,年生,教
2、授,主要从事地层学及沉积学工作,:,(),(),;()摘要燕辽地区长城群年代学工作一直是华北克拉通中元古代地质学研究的重点之一。由于团山子组与下伏串岭沟组界限年龄不明确,且此前的年龄都是来自于其中的火山熔岩锆石的年龄,亟待新的测年工作加以验证和完善。本文作者在北京市密云区、平谷区的团山子组下部发现了层凝灰岩,并对其开展了系统的 锆石 测年,获得两个高精度年龄 和 ,进一步精确限定了该组的形成年代。结合前人研究,燕辽地区团山子组的底界、也即下伏串岭沟组顶界年龄,可进一步限定为 。由此可对燕辽地区长城群地层格架进行更准确的年代学厘定,并进一步确认其整体处于持续拉张的裂谷 被动陆缘背景下的快速沉积特
3、征、以及长城群团山子组 大红峪组与华北克拉通南缘汝阳群洛峪口组等相关沉积更为精确的对比关系。结合其他资料还可推断,在团山子组 大红峪组及洛峪口组等形成时,华北克拉通南北两侧都开始被碳酸盐岩浅海覆盖,且最终还可能在其中部出现了南北联通的碳酸盐岩浅海通道。这显示出华北克拉通与早先所拼合克拉通之间已产生明显的拉张性疏离及新生海洋,应标志着华北克拉通从哥伦比亚超大陆裂解的新阶段。关键词 锆石 年龄;层凝灰岩;团山子组;长城群;华北克拉通;哥伦比亚(努纳)超大陆中图法分类号 ;华北克拉通燕辽地区的中元古界不仅出露连续、保存程度高,而且变质变形程度轻微,其中天津蓟县(现称蓟州区)剖面更是被选定为我国中 新
4、元古界的标准剖面(,;中国地质科学院天津地质矿产研究所,;邢裕盛等,;陈晋镳等,;李怀坤等,),以该地区长城群为基础所建立的长城系,则一直被视为华北及中国中元古界最底部的系级地层单元(,;王鸿祯,;王鸿祯和李光岑,;全国地层委员会,;赵太平等,;耿元生等,)。经过多年努力,目前燕辽地区中元古界各主要地层单元的年代地层格架已基本确立,其中长城群的沉积时间可限定在 之间,大体相当于目 前 国 际 地 层 划 分 方 案 当 中 的 古 元 古 代 固 结 纪(,)最 晚 期(,)。不过,根据中国学者们的长期研究,如果将全球古元古代 中元古代界线置于 前后,其实更为合理(,;王鸿祯,;王鸿祯和李光岑
5、,;全国地层委员会,;赵太平等,;耿元生等,),而且近年来也逐渐获得了许多国外学者的认可(,)。因此,当前燕辽地区长城群的沉积时限,应属于中国地层划分方案中的中元古代长城纪()最晚期(全国地层委员会,)。燕辽地区的长城群,自下而上包括常州沟组、串岭沟组、团山子组和大红峪组,主体是一套巨厚的碎屑岩 碳酸盐岩沉积(中国地质科学院天津地质矿产研究所,;王鸿祯,;陈晋镳等,;,)。区域上,团山子组的上覆层位为大红峪组。根据大红峪组集中于 的火山岩夹层锆石 年龄,同时参考上覆高于庄组凝灰岩的年龄(、,李怀坤等,;,田辉等,),该组的沉积时限目前大致可限定在 ;团山子组的下伏层位为串岭沟组。根据目前研究,
6、串岭沟组沉积时限大体为 之间(张拴宏等,;刘典波等,);根据团山子组火山熔岩夹层锆石年龄,目前学者将该组底界年龄大致约束在 (张拴宏等,;张健等,)。不难看出,关于团山子组的形成年龄,以及它与下伏的串岭沟组的界线年龄,目前还不够明确。这一问题的主要原因,便是团山子组年龄数据集中来自该组夹层状产出的火山熔岩锆石,而其锆石本身类型相对复杂多样(李怀坤等,;张拴宏等,;张健等,),目前还缺乏来自同组其他类型火山成因夹层(如层凝灰岩)的年龄与之印证。钾质斑脱岩()及层凝灰岩()夹层往往来源于爆发式的中酸性火山喷发所形成的火山灰物质,最终降落保存于较深水体、较平静海洋环境,因而其锆石类型通常较为单一,年
7、龄数据更为可信,是年代地层学等工作的良好研究对象;同时,这类夹层的锆石 年龄,与同层位获得的火山熔岩锆石 年龄互为补充和印证,可提高对应层位的测年精度和可信度(,;,;苏文博等,;周明忠等,;,)。肇始于下马岭组(陈晓雨,;苏文博等,)等相关地层序列中钾质斑脱岩或层凝灰岩的最初识别,通过开展其锆石等矿物 测年,来限定相关地层的形成时代,近年来已成为华北克拉通中元古代年代学研究的有效途径,并相继在一些关键层位获得了突破性的进展。这包括燕辽地区的下马岭组(高林志等,;,;,)、铁岭组(,;李怀坤等,;郭文琳等,)、雾迷山组(李怀坤等,)、串岭沟组(孙会一等,;刘典波等,),阴山地区的什那 岩石学报
8、 ,():干组(苏文博等,),以及华北克拉通南缘的洛峪口组、白术沟组、崔庄组等(苏文博等,;汪校锋,;李承东等,;张恒等,;祝禧艳等,;,)。显然,如能在团山子组识别出类似沉积并获得其锆石 测年,将会为前述问题的解决、燕辽地区长城群地层年代格架的进一步完善、以及整个华北克拉通中元古界划分与对比的厘定等,提供更为精确可信的年代学约束;同时,由于克拉通盆地的地层发育 盆地充填与相关克拉通大地构造演化过程之间存在着必然的成因联系,而中元古代早期则对应着哥伦比亚(努纳)超大陆的裂解阶段,因此,团山子组新测年基础上的燕辽地区长城群及整个华北克拉通该时期年代地层学格架的重新厘定,也将会为探讨该阶段华北克拉
9、通与哥伦比亚超大陆裂解等全球性重大地质事件之间关系等,提供来自地层学及沉积学方面的新依据。通过多次野外观测及室内分析,本文作者在邻近蓟县剖面的北京市密云区及平谷区等地点的团山子组下部(图 ),均发现并确认了层凝灰岩夹层,并最终在两地的相关样品中获得了高精度的锆石 年龄,精确厘定了团山子组的形成时代,并对下伏串岭沟组的顶界年龄也实现了新的约束。显然,这一新的进展具有十分重要的科学意义。区域地质背景及样品岩石学特征研究区分别位于北京市密云区东部大城子镇墙子路村、平谷区北部魏家湾村区域(图 )。区内长城群保存完整,自下而上划分为常州沟组、串岭沟组、团山子组及大红峪组,上覆高于庄组及其他蓟县群地层。墙
10、子路研究区内常州沟组角度不整合于太古宙密云群片麻岩之上,魏家湾村研究区则未见太古宙基底出露(图 )。结合在该地区的观察及相关资料可知,常州沟组两段岩性的变化反映了沉积环境从河流相向滨海相的转变;串岭沟组主要由灰黑色页岩及粉砂质页岩组成,在其底部还发育有一层砂岩夹层;团山子组主要岩性为白云岩及泥质白云岩,与下伏串岭沟组页岩呈渐变关系,与上覆大红峪组则连续过渡为砂质白云岩等;魏家湾村附近在该组中部还可见局部存在白云岩与砂岩互层的现象。团山子组白云岩中发育大量叠层石(丘)(图 ),在其中上部还可见砾屑白云岩的存在,研究区内该组下部还可见数层层凝灰岩夹层,上部则可见碱性火山岩夹层;大红峪组底部以石英砂
11、岩、长石石英砂岩与团山子组过渡,至上部则发育有富钾火山岩及白云岩。大红峪组之上由高于庄组白云岩覆盖,早期的地层划分方案曾将高于庄组划入长城群(北京市地质矿产局,;天津市地质矿产局,),但后续的研究发现,高于庄组与下伏大红峪组存在明显的沉积间断,且存在区域性的假整合接触界面,而与上覆杨庄组则呈连续沉积关系(,;朱士兴等,;李怀坤等,),高于庄组的微体古生物化石特征也更相似于蓟县群(,),因此目前的地层划分方案都已将高于庄组划归蓟县群。样品 采自北京市密云区大城子镇墙子路村东北剖面(图 、图 ;、),样品位于剖面内团山子组下部,距离该组底界约 。该样品野外观察呈较为纯净的青绿色,厚度约为 ,夹在中
12、厚层状白云岩之间(图 ,)。在岩石薄片中,该样品呈残余凝灰结构,主要由火山尘组成,含量达 以上,可见少量玻屑、晶屑夹杂于火山尘中,主要由斜长石和石英组成,呈棱角状或鸡骨状,因此将其定名为层凝灰岩(图 ,)。样品 采自北京市平谷区魏家湾村村东剖面(图 、图 ;,),位于团山子组下部,距离团山子组底界约 。该夹层呈纯净的淡灰青色,成层性好,所采样品为均匀块状,厚度约 。样品所在层位下部发育有叠层石丘,上为中薄层状白云岩(图 ,)。在显微镜下该样品也呈现出较典型的残余凝灰结构,主要由玻屑、少量晶屑及火山尘组成,三者相间分布,粒径均小于 。玻屑主要呈各种弧面棱角状和鱼骨状分布,已脱玻化形成隐晶 微粒长
13、英矿物集合体,部分具蒙脱石类粘土矿物蚀变;晶屑则主要为石英和斜长石,呈棱角状;火山尘充填玻屑、晶屑空隙,基本已重结晶为隐晶质。因其火山物质大于 ,且基本未见陆源碎屑物质,也应定名为层凝灰岩(图 ,)。由上可知,虽然当前两件样品都来自于团山子组的近底部,但其岩性特征还是存在着相当大的差异。相比而言,平谷魏家湾村东的层凝灰岩粒度较粗、晶屑 玻屑含量也较多,显示这层层凝灰岩沉积时,距离火山源头应更近一些;结合锆石阴极发光图像(图 )还可以看出,两件样品的锆石内部特征也存在较大区别。这可能说明,当前两层层凝灰岩并不一定是同一期喷发或同一层沉积,在团山子组沉积阶段,区域上应存在多期次的火山喷发活动。显然
14、,这些与早前燕辽地区团山子组 大红峪组火山喷发活动及其记录的相关认知也是基本一致的(中国地质科学院天津地质矿产研究所,;陈晋镳等,;张拴宏等,;张健等,)。测试方法野外采集新鲜露头的凝灰岩样品数件,每件约 。首先用自来水洗去原岩样品表面浮土,晾干后进行锆石分选工作,其大体流程为:将样品在无污染的条件下粉碎至 目,用自来水淘洗岩石粉末;得到含锆石的重砂后,再经过强磁分选、电磁分选和酒精细淘、烘干等工序,于实体显微镜下手工挑选出锆石。该工作在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。挑选样品中裂隙少、表面洁净的锆石颗粒,与锆石标样(、)一起制作环氧树脂样品靶,样品靶烘干变硬后打磨和抛光,至
15、锆石中心部位。之后拍摄锆石的透、反射光显微图像以及阴极荧光(,)图像。马驭舟等:燕山地区团山子组层凝灰岩 锆石 年龄及其地质意义图 研究区地质简图(据河北省地质局区域地质测量大队,修改)第四系;蓟县群;雾迷山组;杨庄组;高于庄组;长城群;大红峪组;团山子组;串岭沟组;常州沟组;太古宙基底;地层产状;断层线;不整合线;剖面位置;采样位置 岩石学报 ,():河北省地质局区域地质测量大队 万兴隆幅地质图 ;图 密云区墙子路村长城群剖面图()及野外露头照片()()团山子组下部叠层石白云岩;(、)样品 附近层位照片中箭头及数值为剖面走向 太古宙基底;常州沟组;串岭沟组;团山子组;大红峪组 ,()()()
16、;(,);锆石样靶制作及透反射显微图像拍摄工作在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心完成,阴极荧光图像的拍摄工作则是在北京中科矿研检测技术有限公司完成。锆石 同位素测定在北京离子探针中心使用高灵敏度高分辨率离子探针质谱仪()进行。详细的测定原理及流程见文献(,;,;宋彪等,)。测定过程中的一次离子流 强度为 ,束斑大小为 ,单个数据点由次扫描构成。测定过程中使用标准锆石 (含量 ,比值为 ,参考年龄为 )标定所测锆石的 的含量,每隔 个测定样品进行一次标准锆石 (参考年龄为 )测定以进行同位素分馏校正(,;,)。在本次测定中,也测定了一个已知的北京离子探针中心锆石参考样 (年龄 ,其特征数
17、据待发表),即在每个未知样品测定的首尾各测定一次标准锆石 之后,插入一次 测定,根据其被 校正后的结果与其推荐值的吻合程度,作为未知样品测定结果的可信程度的参考之一。数据处理使用 和 进 行(,;,),所有的测点均根据其实测的 含量来扣除普通 。同位素比值和年龄分别是 相对误差和 绝对误差,年龄与 年龄的加权平均值具 置信度。马驭舟等:燕山地区团山子组层凝灰岩 锆石 年龄及其地质意义图 团山子组层凝灰岩样品 (、)和样品 (、)镜下图像(、)为单偏光下照片;(、)为正交偏光下照片 石英;斜长石 (,)(,)(,);(,);测定结果锆石 图像显示,样品 (密云墙子路村北团山子组层凝灰岩)所测定锆
18、石粒度多在 ,多为长柱状自形 半自形晶,晶棱发育,多发育宽缓模糊的生长环带,总体表现为岩浆锆石特征(图 );样品 (平谷魏家湾村东团山子组层凝灰岩)所测定锆石粒度多为 ,少数为 。多呈长柱状,少数为短柱状。锆石多呈自形 半自形,晶棱发育,多发育有密集清晰的岩浆生长环带,也为典型的岩浆锆石特征(图 )。锆石 同位素测定得到 年龄和 年龄两组数据(表 )。一般情况下,对于年龄 的锆石样品,由于可能存在铅丢失及放射成因 含量 较 高,因 此 多 采 用 年 龄;而 对 于 年 龄 ,尤其是更年轻的锆石样品,则由于难以获得准确的 比值,加之往往铅丢失相对较少,因此多采用 年龄(宋彪,)。然而本次研究的
19、样品与上述一般情形有所不同。中锆石 含量普遍较低,的母体 子体能够保持同位素体系的封闭,积累少,导致单个测点的 年龄误差普遍大于 年龄的误差,因此采用 年龄更合理;锆石同样表现为 年龄误差远大于 年龄的误差,且前者 为 ,远小于后者()(图 ),同样反映了误差情况差异,因此该样品同样适合采用 年龄。样品 共测定了 个数据点(表 )。含量变化范围为 ,含量变化范围为 ,值变化范围为 (表 )。其中点 偏离谐和线,其他 个数据点均位于 谐和线或其附近,它们给出的 年龄加权平均值为 ,代表了该层凝灰岩的形成年龄(图 )。样品 共测定了 个数据点(表 )。含量变化范围为 ,含量变化范围为 ,值变化范围
20、为 (表 )。其中数据点 的 年龄较小,数据点 略偏离谐和线,其余 个数据点均落于谐和线及其附近区域。将 及 剔除后,剩余 个数据的 年龄加权平均值为 ,代表了该层凝灰岩的形成年龄(图 )。岩石学报 ,():图 平谷区魏家湾村团山子组剖面图()及野外露头照片(、)()样品下部大型叠层石丘;()样品 附近层位 照片 中箭头及数值为剖面走向 串岭沟组;团山子组 ,()(,)();();讨论 燕辽地区团山子组及长城群地层格架的进一步厘定本次 锆石 测年获得的团山子组层凝灰岩样品 和 的锆石年龄数据,测定点数量充足,谐和度高,且两者的 年龄加权平均值在误差范围内也完全一致,可以代表层凝灰岩夹层所对应火
21、山事件的喷发年龄以及团山子组的形成时代。新获得的 和 两组年龄,可对燕辽地区团山子组的形成时限进行更精确的约束,填补了该组层凝灰岩测年的研究空白。同时,这一测年成果也进一步验证了前人关于团山子组火山熔岩锆石年龄(、,张拴宏等,;张健等,)的可信性。另一方面,由于当前两年龄对应的样品 和 的点位之间仅相距大约 (图 ),且都位于同一相区的团山子组下部,层位也非常接近,因此,两样品年龄的简单算术平均值(,即约 ),可以进一步视为它们的形成年龄及该组底界年龄近似值。当然,考虑到测试误差、表达习惯以及具体层位等,当前团山子组的底界年龄也可进一步限定为 左右。与此同时,根据本文关于团山子组的层凝灰岩年龄
22、可进一步推断,燕辽地区串岭沟组主体的形成时代,应大于 ,即在 左右;而早先河北宽城串岭沟组黑色(泥)页岩中凝灰岩夹层稍偏年轻的锆石 年龄(约 ,孙会一等,;,刘典波等,),仍需进一步验证。由此,根据本次获得的团山子组层凝灰岩年龄,可对燕辽地区长城群地层格架,特别是串岭沟组 团山子组这一段,进行更进一步的精确厘定。结合目前其他各组已有年龄数据(表 )可知,常州沟组 串岭沟组的沉积时限应该为 ,团山子组大致为 ,大红峪组可能为 (需要补充说明的是,由于区域上该组与上覆高于庄组之间普遍发育有一个剥蚀面,因此本文认为,燕辽马驭舟等:燕山地区团山子组层凝灰岩 锆石 年龄及其地质意义图 团山子组层凝灰岩样
23、品 ()和样品 ()代表性锆石阴极发光图像虚线圆圈代表测试束斑位置,示 年龄 ()()图 团山子组层凝灰岩样品 ()及样品 ()锆石 谐和图 ()()岩石学报 ,():表 团山子组层凝灰岩 锆石 同位素测定结果 测点号 ()()同位素比值()误差相关系数年龄()谐和度 (),团山子组青绿色层凝灰岩 ,团山子组淡灰青色层凝灰岩 注:和 分别代表普通铅和放射成因铅的含量;误差相关系数 ()()()()()()()()(,)代表单个测点对应的同位素比值,代表样品全测点同位素比值的平均值地区大红峪组顶界的实际年龄,很可能应小于 )。至于常州沟组与串岭沟组的界线年龄,目前尚无相关的工作可以直接限定。考虑
24、到常州沟组主要是沉积速率很高的滨浅海相砂砾岩沉积,串岭沟组则主要是灰黑色泥页岩等细粒碎屑岩,水平层理发育,显示其沉积水体较深,沉积速率相对较低等特点,以及当前串岭沟组凝灰岩测年(,刘典波等,)仍略微偏小的可能性,本文推测,燕辽地区常州沟组与串岭沟组的分界年龄大体上可能在 左右(图 )。华北克拉通南北缘长城系的地层学对比关于华北南北缘中 新元古界地层对比,多年来已有很多不同的方案(中国地质科学院天津地质矿产研究所,;武铁山,;王鸿祯,;邢裕盛等,;马驭舟等:燕山地区团山子组层凝灰岩 锆石 年龄及其地质意义表 长城群相关年龄数据汇总 层位测年岩石类型测试方法、年龄及其来源蓟县群高于庄组凝灰岩 ()
25、、()(李怀坤等,)()(田辉等,)富钾安山粗面岩 (单颗粒锆石 )(陆松年和李惠民,)粗面玄武岩 ()(,)大红峪组富钾粗面岩 ()(高林志等,)碱性玄武岩 ()(张健等,)钾质火山岩 、()(张健等,)粗面安山岩 (单颗粒锆石 )(李怀坤等,)长城群团山子组粗面岩 ()(张拴宏等,)钾质火山岩 、()(张健等,)辉绿岩脉 ()(高林志等,)凝灰岩 ()(孙会一等,)串岭沟组闪长玢岩脉 ()(张拴宏等,)基性岩脉 ()(张健等,)凝灰岩 ()(刘典波等,)花岗斑岩岩脉 ()(李怀坤等,)常州沟组 ()(,)环斑花岗岩 ()(和政军等,)基性岩墙 ()(,)注:测定对象为斜锆石,其余皆为锆石陈
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