北秦嶺二郎坪群抱樹坪組沉積時代與構造環境

翟文建,張永,唐國勝,趙煥,翟文芳

1)河南省地質研究院,鄭州,450016; 2)地質過程與礦產資源國家重點實驗室河南技術聯合研發和示范中心,鄭州,450016; 3)河南省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,鄭州,450001; 4)中國地質調查局天津地質調查中心,天津,300170

內容提要：二郎坪群抱樹坪組作為北秦嶺早古生代重要的沉積記錄,其研究程度較低。本文通過對抱樹坪組內火山巖夾層和花崗斑巖脈進行巖石學、地球化學和鋯石U-Pb測年研究,旨在進一步確定其沉積時代與構造環境。研究結果表明:豫西夏館地區抱樹坪組火山巖夾層已變質為(黑云)陽起鈉長片巖,常與黑云石英片巖呈“互層狀”產出;巖石原巖為安山質凝灰巖,具有相對低的SiO2(52.56%～62.04%)、較高的Al2O3(10.70%～18.55%)、低的MgO(4.06%～6.21%)和FeOT/MgO(1.23～1.81),富集輕稀土元素和大離子親石元素Rb、Th、U、K,相對虧損高場強元素Nb、Ta、P、Ti,具鎂安山質巖石的特點;結合地球化學特征及前人研究認為,抱樹坪組可能形成于活動陸緣弧后盆地。獲得黑云陽起鈉長片巖原巖的結晶鋯石U-Pb年齡為446.0±1.7 Ma,以及侵入其中花崗斑巖脈的成巖年齡為430.0±3.0 Ma,首次將抱樹坪組的形成時代準確地限定為晚奧陶世至早志留世。綜合區域研究成果認為,小寨組和抱樹坪組在地層層序和地層時代上符合廣義二郎坪群的劃分方案,但大廟組、火神廟組及由小寨組和抱樹坪組構成的整體三者在形成時代上表現為近于同時性,在空間上主體呈現近平行關系,可能主體屬時代大體相當的不同沉積環境的產物;在大地構造屬性方面,認為二郎坪群是在約470 Ma之前由于商丹洋向北俯沖而形成的火山島弧,在470～436 Ma轉化為弧后盆地,至約430 Ma之前最終完成消減閉合。

二郎坪群最初由金守文于1976年在西峽縣二郎坪鄉創名(李采一等,1990),原指西峽、盧氏一帶一套細碧—角斑巖系,根據地層層序自下而上劃分為二進溝組、大廟組和火神廟組,產Protoleiosphaeridiumsp.,Stenomarginatasp.,Pseudozonosphaerasp.,Lignumnematoideum,Zonosphaeridiumsp.,Asperatopsophosphaerabavlensis,Laminaritesantiquissimus等微古植物化石(河南省地質局區測隊?),時代歸屬為早震旦世(金守文,1985;李采一等,1990;安三元等,1993;姜常義等,1995)。1981年,河南省區域地質調查隊在《1∶50萬河南省地質圖說明書》中將其延伸為廣義二郎坪群,將二進溝組并入大廟組,將火神廟組之上的小寨組和抱樹坪組合稱小寨組,一起歸入二郎坪群,自下而上劃分為大廟組、火神廟組和小寨組,因大廟組內較為豐富的微古植物化石組合面貌相當于中元古界(金守文,1985),故將二郎坪群的時代歸屬中元古代。1993年,河南省區域地質調查隊在《河南1∶5萬寨根等四幅區調報告》中沿用廣義二郎坪群,將小寨組再次拆分為小寨組和抱樹坪組,自下而上劃分為大廟組、火神廟組、小寨組和抱樹坪組,在西峽二郎坪、內鄉湍源、夏館北、南召青山等地火神廟組、大廟組硅質巖和大理巖中首次采獲大量寒武紀—志留紀的硅放射蟲目、海百合綱、珊瑚綱、腹足綱、頭足綱等化石(Wang Naiwen, 1989; 李采一等,1990;勞子強,1991;安三元等,1993),將地層時代歸屬為早古生代。2002年,河南省地質調查院?在《1∶25萬內鄉縣幅區調報告)中沿用上述劃分方案,并認為從大廟組到抱樹坪組總體表現為沉積—噴發—沉積—噴發的連續演化特征;至此,該命名被廣泛接受 (河南省地質調查院?;高聯達等,2006;湯清龍等,2010;趙姣等,2012;楊士杰等,2015;歐偉程等,2022)。

自劉文榮等(1989)首次提出二郎坪蛇綠巖的認識后,眾多學者從不同側面否定二郎坪群具地層學“群”的含義,認為是一構造地層單元,并稱為二郎坪雜巖,是由不同剪切帶鏈接起來的由物質組成不同、變質級別各異的構造巖片堆垛而成 (孫勇等,1996;李亞林等,1998;張宏遠,2006;楊敏等,2016),主體由南、北部碎屑巖片和中部蛇綠巖片 (李亞林等,1998;楊敏等,2016) 或二進溝巖片、火神廟巖片和抱樹坪巖片 (閆全人等,2009;張宏遠,2006) 或大廟巖片、二郎坪蛇綠巖片和小寨組巖片 (孫勇等,1996) 組成。有關二郎坪群形成于早古生代的認識已趨于一致 (李采一等,1990;勞子強,1991;王學仁等,1995;陸松年等,2003;Dong Yunpeng et al., 2011a; 趙姣等,2012;楊敏等,2016),但依據中奧陶世珠角石和螺類 (李采一等,1990)、寒武紀—奧陶紀牙形石類和放射蟲類 (勞子強,1991;王學仁等,1995)、志留紀床板珊瑚 (勞子強,1991) 等化石資料和二郎坪群內火山巖(443～517 Ma)(陸松年等,2003;閆全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011a; 孫勇等,1996;趙姣,2012;蘇文等,2013) 及侵入其中的中基性至中酸性巖體(435～496 Ma)(王錦等,2012;蘇文等,2013;李名則等,2014;楊士杰等,2015;翟文建等,2020) 等的結晶鋯石U-Pb測年數據顯示其形成時代主體為寒武紀至志留紀,甚至延伸至晚古生代中泥盆世 (高聯達等,2006),時代跨度較大。且有關二郎坪群大地構造屬性方面的研究還存在分歧認識。前人依據二郎坪群內細碧巖—角斑巖系巖石組合(趙姣等,2012;胡畔,2016;楊敏等,2016)、N-MORB玄武巖和輝綠巖(孫勇等,1996)、E-MORB細碧巖(楊榮勇等,1995)和大陸—遠洋盆地硅質巖(馮勝斌等,2007) 等認為其形成于弧后盆地(張國偉等,1995;Dong Yunpeng et al., 2011a; 趙姣等,2012;胡畔,2016;楊敏等,2016);或發育具弧火山巖性質的鈣堿性玄武巖、玄武安山巖和安山巖,而將其歸屬為島弧環境成因 (Xue et al., 1996; 陸松年等,2003;Wang Hao et al., 2011; Wu Yuanbao et al., 2013);或火神廟組“雙層樓式”地層結構顯示其兼具島弧—弧后盆地演化特征 (翟文建等,2020)。由此可見,以上有關二郎坪群在地層劃分、時代歸屬和構造背景等方面的分歧認識可直接影響到北秦嶺造山帶早古生代時期的構造演化格局。

目前,二郎坪群的已有研究主要集中于火神廟組火山巖 (王銘生等,1997;陸松年等,2003;閆全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011b; 趙姣等,2012;李振強等,2021) 和少量碎屑巖 (王學仁等,1995;高聯達等,2006)、大廟組碳酸鹽巖 (Wang Naiwen, 1989; 李采一等,1990;勞子強,1991;安三元等,1993) 和碎屑巖 (勞子強,1991;王學仁等,1995)、小寨組碎屑巖 (劉文榮等,1989;劉國惠等,1993;楊敏等,2016),以及侵入各組的中基性 (蘇文等,2013;李名則等,2014;翟文建等,2020) 至酸性巖體 (郭彩蓮等,2011;李勝利等,2012;王錦等,2012;趙姣等,2012;蘇文等,2013;楊士杰等,2015;Hu Pan et al., 2019; 李振強等,2021) 等,而抱樹坪組主體為一套碎屑巖石組合,巖石組合較簡單 (河南省地質調查院?),對其關注相對較少。因此,本文選取抱樹坪組內火山巖夾層和侵入其中的花崗斑巖脈為研究對象,通過開展巖石學、地球化學及LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年分析,以期獲得抱樹坪組的形成時代及形成構造背景,為北秦嶺造山帶早古生代的構造演化提供新的約束資料。

1 區域地質背景

秦嶺造山帶系中國大陸中央造山帶(系)的主要組成部分,由兩個主縫合帶(商(南)—丹(鳳)縫合帶和勉(縣)—略(陽)縫合帶)和北秦嶺(及華北克拉通南緣)、揚子克拉通北緣及二者間的中秦嶺地塊組成(Meng Qingren et al., 2000; 張國偉等,2001)。其中北秦嶺造山帶位于商-丹斷裂帶與洛南—欒川斷裂帶之間(圖1a),是秦嶺造山帶中變形變質、巖漿活動最為強烈的地帶 (張國偉等,1995,2001;李運冬,2018),地層單元主要由秦嶺巖群、丹鳳巖群、寬坪巖群和二郎坪群組成,相鄰巖群之間以大型剪切帶或斷裂帶接觸,相互疊置呈NWW向展布 (趙姣等,2012),構成北秦嶺造山帶的主體構造線 (第五春榮等,2010)。寬坪巖群出露于北秦嶺造山帶的最北端,為一套高綠片巖相—角閃巖相的中淺變質巖系,由基性火山巖(綠片巖)—變質碎屑巖(各種片巖)—碳酸鹽巖夾碎屑巖(大理巖、片巖)組成,形成時代為元古代 (張宗清等,1995;李靠社,2002;何世平等,2007;高勝等,2014);但最新研究認為是由形成于不同時代、不同構造背景的巖石單元通過構造作用混雜疊置而成的混雜地層單位 (第五春榮等,2010;李承東等,2018),主體很可能形成于早古生代 (高勝等,2014;李承東等,2018)。秦嶺巖群構成北秦嶺造山帶的主體,是最古老的前寒武紀結晶基底,主要由各種片麻巖、石英(片)巖、斜長角閃巖、大理巖和鈣硅酸巖組成,形成于古元古代 (張宗清等,1994;王振東等,1995) 或中元古代—新元古代 (時毓等,2009;萬渝生等,2011;Wang Hao et al., 2013)。近30年來,基礎地質研究方面取得最突破的進展就是在秦嶺巖群中相繼發現呈面狀展布的諸如含柯石英/金剛石榴輝巖(胡能高等,1994;楊經綏等,2002;劉良等,2013)、榴閃巖(唐歡等,2017;翟文建等,2019)、石榴輝石巖(蘇犁等,2004)、含柯石英斜長角閃巖(宮相寬等,2016)、高壓麻粒巖(Liu Liang et al., 1994)等多種高壓—超高壓巖石 (陳丹玲等,2011;劉良等,2013),原巖形成于新元古代,后期經歷了～500 Ma的峰期變質作用及～450 Ma和/或～420 Ma的退變質過程(劉良等,2013)。丹鳳巖群發育于北秦嶺造山帶的最南端,主要由成生于古生代的N-MORB和E-MORB型蛇綠巖 (Dong Yunpeng et al., 2011a, 2011b) 和形成于洋內島弧的火山—沉積巖組成,普遍經歷綠片巖相—低角閃巖相變質作用,形成于新元古代—早古生代 (裴先治等,2001;Dong Yunpeng et al., 2011a)。

二郎坪群則夾持于秦嶺巖群和寬坪巖群之間(圖1a),區域上出露于河南的湯河、二郎坪鄉、夏館北、桐柏大河鎮、信陽和周黨一帶,向西延伸至陜西境內,分別與云架山群、斜峪關群及草灘溝群相連 (翟文建等,2020),空間上構成一呈東寬西窄的楔形體夾持于瓦穴子—喬端斷裂與朱陽關—夏館斷裂之間 (燕長海等,2008),上部被上三疊統五里川組不整合覆蓋。二郎坪群屬一套海相火山—沉積建造 (徐勇航等,2009),主體由變質火山巖、變質碎屑巖和大理巖等組成 (翟文建等,2020),總體以低壓連續變質為特色,普遍經歷了低綠片巖相—角閃巖相的變質作用 (趙姣等,2012)。地層單元自下而上劃分為大廟組、火神廟組、小寨組和抱樹坪組 (河南省地質調查院?;湯清龍等,2010)。其中大廟組為一套變質碎屑巖、碳酸鹽巖沉積建造,寒武紀至志留紀化石較豐富 (Wang Naiwen, 1989; 李采一等,1990;勞子強,1991;王學仁等,1995)?；鹕駨R組為一套變細碧—石英角斑巖建造,主要巖性以變細碧巖、變細碧玢巖、變石英角斑巖、角斑巖為主夾中酸性凝灰巖、凝灰質熔巖和變硅質巖,屬一套弧后盆地型的蛇綠巖組合或形成于洋內島弧環境 (孫衛東等,1996;孫勇等,1996;張國偉等,2001;趙姣等,2012)。最新成果顯示火神廟組具“雙層樓式”地層結構(翟文建等,2020),島弧型蛇綠巖發育在火神廟組的下部,由一套多具MORB型性質的變基性火山巖構成 (天津地質調查中心?),伴生大量輝石巖、橄輝巖等鎂鐵質堆積巖;而變細碧巖—石英角斑巖組合則發育在火神廟組的上部,主要巖性以變細碧(玢)巖、變石英角斑巖、變角斑巖為主,夾少量中酸性變凝灰巖、變凝灰質熔巖和變硅質巖,具雙峰式火山巖組合特點 (河南省地質調查院?;天津地質調查中心?),屬弧后盆地擴張的標志產物 (胡畔等,2016);先后獲得的火神廟組火山巖和侵入體的年齡資料將其形成時代限定為早古生代 (孫勇等,1996;孫衛東等,1996;王銘生等,1997;陸松年等,2003;閆全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011a; 趙姣等,2012)。小寨組和抱樹坪組為一套盆地邊緣沉積的類復理石建造,以泥質碎屑巖為主夾含中基性火山巖 (楊士杰等,2015;翟文建等,2020)。其中小寨組巖性由以發育石榴石、紅柱石、十字石和堇青石等富鋁變質礦物為特征的云母石英片巖、變長石石英砂巖和變粉砂質板巖組成 (劉文榮等,1989;劉國惠等,1993);抱樹坪組則為以強變形的 (石榴) 黑云 (少數為白云、絹云或二云) 石英片巖、黑云斜長片巖夾斜長角閃質條帶為主的低壓中溫變質巖系 (張宏遠等,2009),原巖表現為砂泥巖與沉凝灰巖組成的不等厚互層狀韻律性沉積組合 (湯清龍等,2010),其成熟度較低,顯示快速剝蝕、近距離搬運沉積的物源演化特征 (李亞林等,1998,1999)。區域上對小寨組和抱樹坪組的形成時代研究相對薄弱,部分學者認為是與火神廟組時代大體相當的不同構造環境的產物 (劉文榮等,1989),或局部或稍早于火神廟組,并獲得變泥質碎屑巖最大沉積年齡為500±7 Ma (楊敏等,2016)。

2 樣品特征及分析方法

2.1 樣品特征

本文分別在黑云陽起鈉長片巖和侵入其中的花崗斑巖巖脈中各采集了一個年齡樣品(樣號分別是Y1494/1和Y1494/3),在黑云陽起鈉長片巖中采集了5個地球化學樣品(樣號Y1494/1、Y1494/2、Y340/25-1、Y340/28-1和Y340/34-1)。Y1494/1樣品和Y1494/3樣品采集于內鄉縣夏館鎮陳家溝公路邊,地理坐標為33°25′2″N,111°46′26″E。其中Y1494/1樣品取自抱樹坪組(圖2a、b),巖性為黑云陽起鈉長片巖,與抱樹坪組灰色黑云石英片巖呈夾層狀賦存、“互層狀”產出,層理與片理近一致,即S0//S1(圖2c);黑云陽起鈉長片巖單層厚1～5 cm,局部達10～30 cm,分布不均勻,占抱樹坪組巖石總量的10%～30%。樣品呈灰綠色,具鱗片粒狀變晶結構,局部可見變余凝灰結構,層狀—片狀構造(圖2d),成分由鈉長石(50%±)、陽起石(25%±)、黑云母(15%±)、石英(10%±)及少量榍石組成,淺色礦物粒徑0.02～0.10 mm,暗色礦物粒徑0.1～0.3 mm;微觀下由于變質重結晶現象普遍發育,玻屑大多已脫?；纬晌⒘ｉL英質礦物集合體,但局部保留早期彎弓狀、樹杈狀和棒狀形態(圖2e);少量晶屑偶見,由鈉長石和石英組成(圖2f),粒徑0.1～0.2 mm,以次棱角狀為主。

Y1494/3樣品取自花崗斑巖脈(圖2a),該巖脈近東西走向,切割區域片理,侵入抱樹坪組一套黑云石英片巖夾(黑云)陽起鈉長片巖內,與圍巖接觸界面較截然,接觸面產狀S0為195°∠64°,脈寬約5m,延伸大于50m。巖石呈灰白色,組成礦物長石多被鱗片狀絹云母及片狀黑云母不完全交代,形成變余斑狀結構(圖2g),變余半自形粒狀結構,具弱片麻—塊狀構造。斑晶為鉀長石和石英,其中鉀長石斑晶呈半自形板柱狀,粒徑1.2～4.0mm,含量10%～15%;石英斑晶含量小于5%,粒狀,粒徑0.6～2.8mm,雜亂分布?；|礦物由微粒狀長石和石英組成,粒徑0.05～0.15mm,弱定向分布。

2.2 分析方法

主量、稀土和微量元素分析由湖北省地質實驗測試中心完成。挑選的樣品新鮮,但微弱蝕變,共計5件樣品(表1),巖性為(黑云)陽起鈉長片巖;主量元素分析采用Magix_pro2440型X熒光光譜儀玻璃熔片(XRF)法測定;稀土元素和微量元素分析分別采用X2型和ICAP6300型電感耦合等離子體質譜法測定。測試分析誤差一般小于5%,結果見表1。

表1 內鄉縣夏館鎮陳家溝抱樹坪組陽起鈉長片巖主量元素(%)和微量元素(10-6)分析結果Table 1 Major(%) and trace elements(×10-6) data for actinolite sodium schist of Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town, Neixiang County

鋯石的挑選由河北省廊坊區域地質調查研究所完成。在天津地質調查中心同位素實驗室內使用鋯石U-Pb同位素進行測試分析,所用激光燒蝕多接收器等離子質譜設備由美國ESI公司的NEW WAVE 193 nm FX激光器和美國賽默飛世爾公司的NEPTUNE多接收等離子質譜組成,激光束斑直徑為30 μm,激光剝蝕樣品的深度為 40 μm,能量密度為13～14 J/cm3,頻率為8～10 Hz。激光剝蝕物質以He為載氣送到Neptune(MC-ICP-SM)中。同位素比值和元素計算采用ICPMSDataCal [ver5.6,中國地質大學(武漢)]程序,以標準鋯石TEM為外標進行同位素比值校正;元素濃度采用 NIST610作外標,29Si 作內標來計算,年齡計算和諧和圖的繪制用Isoplot(ver2. 49)完成。本次對Y1494/1樣品和Y1494/3樣品分別選取100粒鋯石和27粒鋯石進行LA-ICP-MS U-Pb定年分析,分析結果見表2、3。

3 分析結果

3.1 火山巖夾層地球化學特征

5件(黑云)陽起鈉長片巖樣品的SiO2含量在52.56%～62.04%之間,平均值為56.95%;Al2O3含量在10.70%～18.55%之間,平均值為15.31%;FeOT含量在4.66%～8.43%之間,平均值為7.20%。樣品具有較高的K2O含量(0.32%～4.80%,均值2.67%)、MgO含量(4.06%～6.21%,均值4.98%)和Mg#值(49.69～59.19,均值55.28),以及較低的TiO2含量(0.72%～0.98%,均值0.85%)和FeOT/MgO(值在1.23～1.80);在Zr/TiO2—Nb/Y判別圖解中除1件樣品落入堿性玄武巖區,其余4件樣品均投入安山巖區(圖3);在Co—Th圖解中5件樣品均投入了高鉀鈣堿性系列和橄欖粗玄巖系列區域(圖4)。

圖3 夏館鎮陳家溝抱樹坪組陽起鈉長片巖Zr/TiO2—Nb/Y圖解(據Winchester et al., 1977)Fig.3 Zr/TiO2—Nb/Y diagram for actinolite sodium schist of Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town(after Winchester et al., 1977)

圖4 夏館鎮陳家溝抱樹坪組陽起鈉長片巖Th—Co圖解(據Hastie et al,2007)Fig.4 Th—Co diagram for actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town(after Hastie et al, 2007)

微量元素方面,樣品Ni含量為51.65×10-6～94.67×10-6, Cr含量為80.50×10-6～151.00×10-6,Sr含量為183.35×10-6～503.68×10-6,Y含量為20.40×10-6～30.46×10-6,Yb含量為1.96×10-6～3.29×10-6,Sr/Y值為7.94～15.20,La/Yb值為10.03～14.20,表現出高的Ni、Cr,中等的Y、Yb及低的Sr、Sr/Y和La/Yb值等特征?！芌EE為140.53×10-6～173.85×10-6,在球粒隕石標準化的稀土配分曲線顯示為右傾型,表現出輕稀土元素(LREE)相對富集、重稀土元素(HREE)相對平坦的特征(圖5a),LREE/HREE為6.22～8.54(平均值為7.46),(La/Yb)N=7.20～10.19(平均值為9.11)。樣品δEu為0.66～1.01,δCe為0.93～1.00,表現為Eu的負異常至微弱的正異常,以及Ce的負異常。在微量元素原始地幔標準化圖解中(圖5b),大離子親石元素Rb、Th、U、K相對富集,Nb、Ta、P、Ti等高場強元素相對虧損。

圖5 夏館鎮陳家溝抱樹坪組陽起鈉長片巖稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(a)(據Boynton, 1984)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b)(據Sun Xianshu et al.,1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) (after Boynton,1984) and primitive mantle-normalized spider diagram (b) (after Sun Xianshu et al., 1989) for actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation in Chenjiagou area, Xiaguan Town

3.2 鋯石特征和U-Pb定年結果

3.2.1火山巖夾層——樣品Y1494/1

樣品Y1494/1的鋯石顆粒粒徑為 80～120 μm,個別達到130～160 μm,外形規則,較自形,陰極發光(CL)特征顯示兩種不同類型鋯石(圖6):一類為巖漿結晶鋯石,鋯石晶體較完整,以短柱狀自形晶為主,長短軸比值為1∶1～2∶1,部分屬長柱狀自形晶,長短軸比值可達2.5∶1～3∶1,除極少量鋯石發育殘留的核部結構外,大部分鋯石結構單一,且所有鋯石內部普遍發育密集震蕩生長環帶,屬于巖漿鋯石結晶產物 (吳元保等,2004)。該類鋯石數量最多,本次共分析測試84顆鋯石,其中除鋯石69的Th/U值小于0.1外,其余鋯石的Th/U值變化于0.20～1.60之間,與206Pb/238U相關性整體較好(圖7),符合巖漿鋯石特征。鋯石U-Pb測年結果顯示,84顆鋯石的206Pb/238U表面年齡值介于429.2±7.0 Ma～514.0±7.7 Ma之間(表2),其中有72顆鋯石在諧和曲線圖上集中分布形成濃集中心(圖8a、b),獲得加權平均年齡為446.0±1.7 Ma(MSWD=0.26)(圖8c),代表了火山巖夾層的成巖年齡。

圖6 夏館鎮陳家溝Y1494/1樣品的鋯石陰極發光圖像Fig.6 Cathodoluminescence images for zircon of sample Y1494/1 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

圖7 夏館鎮陳家溝Y1494/1樣品巖漿鋯石、捕擄鋯石中Th/U和n(238U)/n(206Pb)或n(207Pb)/n(206Pb)關系Fig.7 Th/U ratios vs n(238U)/n(206Pb)or n(207Pb)/n(206Pb) ages diagram for magmatic and captured zircons of sample Y1494/1 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

圖8 夏館鎮陳家溝Y1494/1樣品鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖Fig.8 Concordia diagram for LA-ICP-MS U-Pb zircondata of sample Y1494/1 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

另一類鋯石占據少量,共計16顆(表2)。鋯石較自形,以短柱狀為主,個別為錐狀或長柱狀,約一半以上的鋯石不具有完整的晶形,在CL圖像上鋯石結構較前一類復雜。其中鋯石10、13、19、30、37、44等可能受一定程度的熱液作用疊加改造的影響致使其邊緣發育較窄的白色蝕變邊(趙林濤等,2019);鋯石44和61具有核幔結構,其核部保留了較老的巖漿活動信息;但絕大多數鋯石均發育指示巖漿結晶成因的震蕩環帶或條帶結構,且表現出不同程度的機械磨圓,形態多為次圓狀—次棱角狀,具有碎屑鋯石的基本外貌特征(李榮等,2020;徐多勛等,2020)。在分析的16顆鋯石中,鋯石Th/U值均大于0.1,介于0.14～1.55之間,但其Th/U與206Pb/238U或207Pb/206Pb的關系較隨機,不具相關性(圖7);且獲得的16顆鋯石諧和年齡跨度相對較大(圖8a),206Pb/238U表面年齡或207Pb/206Pb年齡介于759.9±22.1～1687.5±58.8 Ma之間,正好與本區變泥質碎屑巖圍巖的碎屑鋯石年齡(750～850 Ma、0.9～1.0 Ga、1.35～1.48 Ga、1.6～1.75 Ga)基本一致(楊敏等,2016),反映其具多種成因來源。與此同時,空間上抱樹坪組黑云陽起鈉長片巖與灰色黑云石英片巖雖呈“互層狀”產出,但以1～3 cm厚的薄夾層賦存黑云石英片巖中,因此,該類鋯石應該是黑云陽起鈉長片巖的原巖在就位過程中從圍巖中捕獲的鋯石,其206Pb/238U表面年齡或207Pb/206Pb年齡則代表了捕獲鋯石的結晶年齡。

3.2.2花崗斑巖脈——樣品Y1494/3

樣品Y1494/3的鋯石自形程度較高,顆粒以短柱狀為主(圖9),少數為長柱狀,長寬比為2∶1,最大可達4∶1,粒徑80～140 μm;鋯石內部結構單一,巖漿振蕩生長環帶清晰、密集,鋯石的Th/U值主體介于0.23～1.59之間(表3),顯示出巖漿鋯石成因特征。在鋯石U-Pb諧和年齡圖上(圖10),排除鋯石23明顯偏離諧和曲線外,有22粒鋯石206Pb/238U表面年齡集中于413.0±6.2 Ma～449.5±6.6 Ma之間,獲得206Pb/238U加權平均年齡為430.0±3.0 Ma(MSWD=0.71)(圖10),代表了脈體的侵位年齡。另外,剩余4顆鋯石中鋯石3、鋯石12和鋯石19為繼承性鋯石,內部殘留有早期鋯石核,鋯石16具有板狀環帶基性鋯石特征,均有別于其他22顆鋯石特征;且4顆鋯石的206Pb/238U年齡或207Pb/206Pb年齡明顯大于430.0±3.0 Ma,因此,可能反映圍巖捕擄鋯石年齡信息。

圖9 夏館鎮陳家溝Y1494/3樣品鋯石陰極發光圖像Fig.9 Cathodoluminescence images for zircon of sample Y1494/3 from Chenjiagou area, Xiaguan Town

圖10 夏館鎮陳家溝Y1494/3樣品鋯石U-Pb諧和年齡(a)和加權平均年齡圖(b)Fig.10 Zircon U-Pb concordia diagram (a) and average age (b) of sample Y1494/3 in Chenjiagou area,Xiaguan Town

4 討論

4.1 抱樹坪組形成時代的精確厘定及二郎坪群地層劃分討論

巖石學及地球化學特征顯示,抱樹坪組火山巖夾層——(黑云)陽起鈉長片巖的原巖為安山質凝灰巖,常以火山巖夾層的形式賦存于黑云石英片巖中,與黑云石英片巖呈“互層狀”產出。本文首次獲得黑云陽起鈉長片巖的原巖的成巖年齡為446.0±1.7 Ma,精確標定了該次火山事件的年齡,也由此標定了抱樹坪組的形成時代。由于樣品Y1494/1采集于抱樹坪組的內部,未見地層頂界,故其頂界應小于此年齡值。結合最近歐偉程等(2022)獲得抱樹坪組最年輕一組碎屑鋯石的年齡為420～440 Ma,揭示其地層時代最晚可能延續到志留紀—早泥盆世。本次野外調查還發現了大量晚期花崗斑巖脈體侵入穿插于抱樹坪組內部(圖2a),獲得其結晶鋯石U-Pb年齡為430.0±3.0 Ma,故該脈體的侵位年齡能很好地限定抱樹坪組的最小沉積年齡,也就是說,抱樹坪組的最小沉積年齡應大于430.0±3.0 Ma,即其形成時代不晚于早志留世。綜上認為,抱樹坪組的形成時代應為晚奧陶世—早志留世。

現階段,廣義二郎坪群的含義已被大多數學者接受(河南省地質調查院?;安三元等,1993;張健等,2019),并被公認為早古生代地質體 (李采一等,1990;勞子強,1991;王學仁等,1995;陸松年等,2003;趙姣等,2012;Dong Yunpeng et al., 2011a; 楊敏等,2016);但現在已有足夠的古生物學和年代學資料表明(表4),二郎坪群的形成時代跨度較長,為寒武紀—志留紀,甚至跨度至晚古生代泥盆紀 (高聯達等,2006),且群內各地層單元之間并非如年代地層學所表現出來的新、老關系 (河南省地質調查院?)。

由表4可知,現階段大廟組內普遍缺失最直接的年代學數據的支持,但化石資料顯示其內產早寒武世螺旋管狀藻類化石及其管狀微化石組合 (王學仁等,1995)、寒武紀放射蟲(勞子強,1991)、中奧陶世珠角石和螺類化石 (李采一等,1990),中晚奧陶世角石 (安三元等,1993)及志留紀床板珊瑚 (Wang Naiwen, 1989),故認為其形成時代為早寒武世—志留紀(表5)。有關火神廟組時代研究較多,資料較豐富。前人已在變硅質巖和砂板巖內先后發現早奧陶世—中奧陶世牙形石和放射蟲 (王學仁等,1995),以及中泥盆世早期孢子化石 (高聯達等,2006),并獲該套地層內不同類型火山巖的年齡介于517～443 Ma之間 (王銘生等,1997;陸松年等,2003;閆全人等,2007;Dong Yunpeng et al., 2011a; 趙姣等,2012;李振強等,2021),以及侵入火山巖的中基性、中酸性至堿性巖體的結晶年齡介于496～433.4 Ma之間 (郭彩蓮等,2010,2011;王錦等,2012;蘇文等,2013;李名則等,2014;楊士杰等,2015;翟文建等,2020),三者很好地將火神廟組的形成時代限定在早寒武世末—中泥盆世(表5)。小寨組和抱樹坪組共同發育于火神廟組的南部,區域上相當于前人所述二郎坪雜巖的南部變泥質碎屑巖片(楊敏等,2016)。楊敏等 (2016) 在南部變泥質碎屑巖片內原巖為長石石英砂巖中獲得最大沉積年齡為500±7 Ma,故代表了小寨組的最大沉積年齡;且侵入小寨組的古侵入體的結晶年齡為461～444 Ma(郭彩蓮等,2011;李勝利等,2012;蘇文等,2013),因此將其時代限定為晚寒武世—中奧陶世(表5)。

從地層層序上看,區域上抱樹坪組與下伏小寨組雖然主體為斷層接觸關系,但在內鄉縣板場鄉大栗樹村一帶卻表現為整合接觸(河南省地質調查院?);從地層時代上分析,小寨組形成于晚寒武世—中奧陶世,抱樹坪組形成于晚奧陶世—早志留世,二者之間存在明顯的新老關系;因此,小寨組和抱樹坪組二者是符合廣義二郎坪群地層單元劃分方案(河南省地質調查院?;湯清龍等,2010)。但是,由表5可知,雖然大廟組和火神廟組二者的最大沉積年齡均明顯早于小寨組和抱樹坪組,但通過對大廟組、火神廟組及由小寨組和抱樹坪組構成的整體的年代對比研究,三者的地層時代并非廣義二郎坪群劃分方案中所表現出的新老關系,而主體卻表現為近于同時性(表5);同時結合最新1∶5萬區調成果 (河南省地質調查院?),大廟組與火神廟組之間及火神廟組與小寨組之間均呈現為斷層接觸關系,并非屬相互疊置的上下層序關系;以上分析則反映出大廟組、火神廟組及由小寨組和抱樹坪組構成的整體三者時空上的近平行關系,揭示其可能主體屬時代大體相當的不同沉積環境的產物(河南省地質調查院?;劉文榮等,1989),這明顯有違于廣義二郎坪群的內涵(河南省地質調查院?;安三元等,1993;湯清龍等,2010),因此,后需加強對廣義二郎坪群的解體和重新厘定。

4.2 抱樹坪組構造環境分析及對二郎坪群大地構造屬性的制約

抱樹坪組火山巖夾層具有相對低的SiO2含量(均值為56.25%)、高的Al2O3含量(均值為15.17%)、高的MgO含量(均值為4.93%)和低的FeOT/MgO值(均值為1.46),在SiO2—MgO圖解中除Y1494/2樣品位于RS邊界位置外,其余4件樣品全部落入鎂安山巖(MA)區(圖11a),在SiO2—FeOT/ MgO圖解中5件樣品基本上全部落入低Fe鈣堿系列(LF—CA)區(圖11b),共同顯示出鎂安山質巖石的典型特征 (鄧晉福等,2010,2015)。鎂安山巖是與洋俯沖作用相關的典型的火成巖類型 (鄧晉福等,2010),又是識別島弧環境的一種特征巖類 (鄧晉福等,2007)。地球化學特征結果顯示,抱樹坪組火山巖夾層具有較高的Ni和Cr含量及稀土總量,相對富集LREE和大離子親石元素Rb、Th、U、K,相對虧損高場強元素Nb、Ta、Ti,普遍具有弱的負Eu異常和負Sr異常,Th/Ta值為4.9～16.1,基本與大陸邊緣環境Th/Ta值(6～20)相近 (GortonSchandl, 2000),且在Th/Ta—Yb圖解和Th/Yb—Ta/Yb圖解中5件樣品中有4件落入活動大陸邊緣環境(圖12),共同表明其形成于活動大陸邊緣俯沖環境。同時,鎂安山巖一般認為產于俯沖帶上面的弧、弧前和弧后 (鄧晉福等,2010),但在洋中脊和洋島環境中不存在 (鄧晉福等,2007)。抱樹坪組總體為一套原巖以泥質碎屑巖為主夾少量中基性火山巖的復理石沉積 (翟文建等,2020),原巖成熟度較低,具快速剝蝕、近距離搬運沉積特征 (李亞林等,1998,1999),其碎屑物源具雙源性特點(來自南側的秦嶺微陸塊和北側的華北陸塊),揭示抱樹坪組可能形成于弧后盆地環境 (楊敏等,2016;歐偉程等,2022)。結合北秦嶺微陸塊為活動大陸邊緣的構造格局 (張國偉等,1995;Dong Yunpeng et al., 2011a)及商丹洋在約400～450 Ma時的向北俯沖 (吳元保等,2013),以及本次厘定的抱樹坪組的形成時代,我們認為抱樹坪組可能形成于因商丹洋的北向俯沖而產生的弧后盆地構造背景 (孫勇等,1996;Dong Yunpeng et al., 2011b; 楊敏等,2016)。

圖11 抱樹坪組陽起鈉長片巖 SiO2—MgO圖解(a)和SiO2—FeOT/ MgO圖解(b)(據鄧晉福等,2010,2015):(a) 中實線 PQ 和RS 分別為HMA/MA與MA/非MA的邊界;(b) 中直線為鈣堿系列(CA)與拉斑系列(TH)分界線,點劃線為低Fe鈣堿系列(LF—CA)與中Fe鈣堿系列的邊界Fig.11 SiO2—MgO diagram (a) and SiO2—FeOT/ MgO diagram (b) of actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation (after Deng Jinfu et al., 2010, 2015):(a) the lines Q and S mean the boundary of HMA/MA and MA/non-MA respectively in (a); the straight line is the CA/TH boundary,and the dot line is the boundary between low Fe CA(LF—CA) and media Fe (CA) in the (b)

圖12 抱樹坪組陽起鈉長片巖Yb—Th/Ta圖解(a)和Ta/Yb—Th/Yb圖解(b)(據Gorton et al., 2000)Fig.12 Yb—Th/Ta diagram (a) and Ta/Yb—Th/Yb diagram (b) of actinolite sodium schist of the Baoshuping Formation (afer Gorton et al., 2000)

二郎坪群內發育有具E-MORB型和島弧巖漿巖(Dong Yunpeng et al., 2011a)的微量元素特征的變質火山巖,以及“雙層樓式”地層結構特點 (河南省地質調查院?;翟文建等,2020),表明其形成于島弧—弧后盆地環境,且大地構造屬性具有從島弧向弧后盆地演化的趨勢 (胡畔等,2017;翟文建等,2020)。早期島弧火山巖普遍被490～475 Ma的花崗質巖石穿插侵入(王錦等,2012;李名則等,2014;胡畔等,2017;李振強等,2021),巖石成巖年齡普遍大于472±11 Ma (閆全人等,2007;李振強等,2021),但具有弧后盆地性質的火山巖的形成時代則介于475～436 Ma之間 (Dong Yunpeng et al., 2011b; 趙姣等,2012;胡畔,2016;Hu Pan et al., 2019),兩者不同類型火山巖的成巖年齡則揭示約470 Ma是二郎坪群由島弧向弧后盆地轉化的初始時限。抱樹坪組內火山巖夾層的原巖為安山質凝灰巖,地球化學特征顯示出活動大陸邊緣俯沖環境,其結晶鋯石U-Pb年齡(446.0±1.7 Ma)正好介于475～435.7 Ma之間;同時,抱樹坪組可能形成于因商丹洋的北向俯沖而產生的弧后盆地構造背景 (孫勇等,1996;Dong Yunpeng et al., 2011b; 楊敏等,2016),表明弧后盆地俯沖作用的時間可能一直持續至晚奧陶世。另外,早志留世未變形的花崗斑巖脈與抱樹坪組侵入接觸關系明顯,并切穿區域性片理,而區域性面理則是二郎坪弧后盆地俯沖閉合過程的產物 (李振強等,2021),因此,花崗斑巖脈的成巖年齡可作為二郎坪盆地俯沖消減閉合的下限年齡,時間為430.0±3.0 Ma。綜合以上可知,二郎坪群是在約470 Ma之前由于商丹洋向北俯沖而形成的火山島弧,在470～436 Ma轉化為弧后盆地,至約430 Ma之前最終完成消減閉合。

5 結論

(1)二郎坪群抱樹坪組內(黑云)陽起鈉長片巖呈夾層狀賦存于黑云石英片巖中,與黑云石英片巖呈“互層狀”產出,原巖為安山質凝灰巖,具有鎂安山質巖石的地球化學特點;結合地球化學特征及前人研究認為抱樹坪組可能形成于活動陸緣弧后盆地。

(2)本文獲得黑云陽起鈉長片巖的原巖的結晶鋯石U-Pb年齡為446.0±1.7 Ma,以及侵入其中的花崗斑巖脈的成巖年齡為430.0±3.0 Ma,首次將抱樹坪組的形成時代準確地標定為晚奧陶世至早志留世。

(3)綜合前人研究成果,本文認為小寨組和抱樹坪組在地層層序及地層時代上符合廣義二郎坪群的劃分方案,但大廟組、火神廟組及由小寨組和抱樹坪組構成的整體三者在形成時代上表現為近于同時性,在空間上主體呈現近平行關系,可能主體屬時代大體相當的不同沉積環境的產物,這明顯有違于廣義二郎坪群的內涵。有關二郎坪群大地構造屬性,認為是在約470 Ma之前由于商丹洋向北俯沖而形成的火山島弧,在470～436 Ma轉化為弧后盆地,至約430 Ma之前最終完成消減閉合。

致謝：感謝評審專家提出的寶貴修改意見!野外考察得到河南省地質調查院楊俊峰教授級高級工程師、郭君功高級工程師、何凱工程師、李敏工程師等的協助,在此一并表示感謝。

注 釋 / Notes

? 河南省地質局區測隊.1973. 河南省西峽縣北部1∶5萬區域地質調查報告.

? 河南省地質調查院. 2002. 河南省1∶25萬內鄉縣幅區調修測報告.

? 河南省地質調查院. 2019.河南省1∶5萬小水幅、夏館幅、二郎坪幅區域地質調查聯測報告.

? 天津地質調查中心. 2019. 中條—熊耳山成礦區關鍵地區地質調查與成果集成報告.