1000 0569/2020/036(02) 0469 83ActaPetrologicaSinica 岩石学报doi:10 18654/1000 0569/2020 02 09滇西保山地块早古生代碎屑锆石U Pb Hf同位素研究及其对冈瓦纳大陆重建的制约
周美玲1,2 夏小平1   彭头平1,3 徐健1,2 马鹏飞1,2
ZHOUMeiLing1,2,XIAXiaoPing1  ,PENGTouPing1,3,XuJian1,2andMAPengFei1,2
1 中国科学院广州地球化学研究所,同位素地球化学国家重点实验室,广州 510640
2 中国科学院大学,北京 10049
3 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心,北京 100101
1 StateKeyLaboratoryofIsotopeGeochemistry,GuangzhouInstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China
2 UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China
3 CenterforExcellenceinTibetanPlateauEarthSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China
2019 06 01收稿,2019 11 29改回
ZhouML,XiaXP,PengTP,XuJianandMaPF 2020 DetritalzirconU Pb HfisotopestudiesforthePaleozoicsandstones
fromtheBaoshanBlock,westernYunnan,andtheirconstraintsontheGondwanacontinentalreconstruction ActaPetrologicaSinica,36(2):469-483,doi:10 18654/1000 0569/2020 02 09
Abstract  ThePaleozoicGongyangheandMengdingjiegroups,outcroppedinthewestandeastoftheBaoshanBlock,respectively,inthewesternYunnan,arethekeyforunderstandingthepaleogeographyoftheEarly
PaleozoicGondwana Inthisstudy,weconductedU PbdatingandLu HfisotopeanalysisfordetritalzircongrainsfromsandstoneandmetasandstonesamplesfromtheGongyangheandMengdingjiegroups TheagesofdetritalzirconsfromtheGongyangheGroupinwesternBaoshanBlockrangefrom3862Mato533Mawithε
Hf
(t)valuesfrom-37 8to+11 0 Theminimumagepeakisat549~533Ma,indicatingthatthemaximumsedimentaryageofthisgroupisnoearlythantheearlyEarlyCambrian So,weinferthattheGongyangheGroupisoftheCambrianindepositionalage
TheagesofdetritalzirconsfromtheMengdingjieGroupintheeasternpartofBaoshanBlockrangefrom3097Mato542Mawithε
Hf
(t)valuefrom-39 5to+10 5 Theminimumagepeakperiod(at576~458Ma)constraintsthesedimentaryageoftheMengdingjieGrouptonoearlythantheLateOrdovician IncombinationwiththedetritalzircondatafromotherPaleozoicstrataintheBaoshanBlock,wesuggestthattheblockwaslocatedinthenorthernmarginofGondwanainthePaleozoicandthesedimentarydetritusmainlycamefromIndia However,thepresenceofaminoragepeakof~1 17GaforthosedetritalzirconsfromtheMengdingjieGroupsuggeststhattheeasternpartoftheBaoshanBlockmayhavereceivedacertainpercentageofsedimentdetritusfromWesternAustralia TheseresultsindicatethatthelocationoftheBaoshanBlockinthereconstructionoftheGondwanashouldbeclosetotheIndianmainland,whileitseasternmarginispossiblyadjacenttoAustralia
Keywords  BaoshanBlock;GongyangheGroup;MengdingjieGroup;DetritalzirconU Pb Hfisotope;Gondwanareconstruction摘 要  滇西地区出露的古生界公养河和孟定街分别位于保山地块的西部和东部,其沉积时代、构造归属、碎屑物质来源及在早古生代冈瓦纳大陆重建中的古地理位置具有重要研究意义。本文对公养河2个砂岩样品和孟定街的4个变
质砂岩样品的碎屑锆石进行U Pb定年和Lu Hf同位素分析。其中,公养河的碎屑锆石年龄谱范围是3862~533Ma,ε
Hf
(t)值的范围是-37 8~+11 0,最小年龄峰期为549~533Ma,表明该的最大沉积年龄为早寒武世早期,该可能为寒武系地
层。孟定街的碎屑锆石年龄谱范围是3097~542Ma,ε
Hf
(t)值的范围是-39 5~+10 5,其最小年龄峰期(576~458Ma)将该的沉积下限时代限制在晚奥陶世。结合保山地块的其他古生代地层的碎屑锆石研究,我们认为保山地块在早古生代
本研究受国家重点研发计划专项(2016YFC0600407)资助
第一作者简介:周美玲,女,1993年生,硕士生,地球化学专业,E mail:zhouml1727@163 com
通讯作者:夏小平,男,1977年生,博士,研究员,主要从事同位素地球化学研究,E mail:xpxia@gig ac cn
于冈瓦纳大陆北缘,物源主要来自印度大陆,但~1 17Ga年龄峰的出现说明其东部可能接受了一定比例来自西澳大利亚的沉积物质。这一结果表明保山地块在冈瓦纳大陆北缘重建中的位置应该靠近印度大陆,而其东缘接近澳大利亚大陆。
关键词  保山地块;公养河;孟定街;碎屑锆石U Pb Hf同位素;冈瓦纳大陆重建
中图法分类号  P542;P597 3
  滇西地区由多个微陆块和多条构造带组成,从东到西包括思茅地块、昌宁 孟连构造带、保山地块、高黎贡韧性剪切带、龙陵 瑞丽断裂带和腾冲地块等(图1),是青藏高原构造带的东南延伸,是东特提斯
构造域的重要组成部分(陈福坤等,2006;储著银等,2009;Dongetal ,2013;Dengetal ,2014;李三忠等,2016;Xingetal ,2017;Zhuetal ,2018)。以昌宁 孟连构造带为界,向西一侧的腾冲、保山地块的早二叠统地层底部均发现了与冰川作用有关的杂砾岩和冷水 冷温水动物,而冈瓦纳大陆早二叠世早期位于南半球的高纬度地区且被大陆冰川覆盖,表明腾冲、保山地块具有冈瓦纳大陆亲缘性;而向东一侧的思茅地块二叠系地层呈带状的强烈活动沉积与稳定沉积相间展布,前者主要是类复理石或复理石建造,并发育火山岩,后者以碳酸盐岩和砂岩、泥岩为主,这些地层内保存的生物化石类型为具有扬子地块特征的温水动物(李兴振等,1990;云南省地质矿产局,1990;邢晓婉和张玉芝,2016),被认为具有扬子地块的亲缘性。
保山地块被普遍认为是滇缅泰马(Sibumasu)陆块的向北延伸部分(钟大赉,1998;姜朝松等,2000;Metcalfe,2013),而滇缅泰陆块寒武纪 下二叠统地层中含有的冈瓦纳特征古动物化石与西澳大利亚发现的化石类型具有十分显著的相似性,说明滇缅泰马陆块早古生代可能起源于澳大利亚大陆(Metcalfe,2013),因此保山地块作为滇缅泰陆块的一部分,在早古生代冈瓦纳大陆恢复中一直被认为位于澳大利亚大陆的北缘,陆块呈东西向延伸,经喜山期印度与欧亚大陆碰撞挤压,形成现在的南北走向(Metcalfe,2013;Zhaoetal ,2017;Zhangetal ,2018)。
沉积岩或变质沉积岩的碎屑锆石U Pb年代学分析是限定地层沉积时代和追溯地体亲缘性的重要手段(Fedoetal ,2003;Andersen,2005;Leieretal ,2007;Wangetal ,2007;Gehrelsetal ,2011;Zhuetal ,2011;Cawoodetal ,2012)。最新的碎屑锆石物源示踪研究表明保山地块早古生代地层如西盟、勐统和澜沧的沉积盆地主要接受了具有印度大陆,而非澳大利亚大陆物源特征的碎屑沉积物(Lietal ,2015;邢晓婉和张玉芝,2016;王舫等,2017)。邢晓婉和张玉芝(2016)、王舫等(2017)分别对西盟和澜沧的变质砂岩和石英岩样品进行碎屑锆石U Pb年代学分析,这些样品的年龄谱中既没有显示扬子地体特有的870~730Ma峰期(Duanetal ,2011;Chenetal ,2016,2018),也没有澳大利亚大陆的~1170Ma碎屑锆石年龄峰(Veeversetal ,2005),而均显示了980~910Ma年龄峰,证明西盟和澜沧的物源更有可能是印度大陆。Zhaoetal (2017)
图1 滇西保山地块构造地质简图
Fig.1 SimplifiedtectonicmapoftheBaoshanBlockin
westernYunnanProvince
勐统、孟定街和澜沧的(变质)沉积岩的碎屑锆石U Pb年代学研究发现,除了~960Ma的主特征峰之外,保山地块早古生代地层还显示了一期1200~1060Ma的明显峰期年龄,由此推测保山地块沉积盆地的沉积物同时具有印度和西澳大利亚的物源特征。因此保山地块在早古生代冈瓦纳大陆中的位置仍未有定论,且相关的碎屑锆石的研究工作集中于东部地层(如澜沧、西盟、勐统等),对位于西部的公养河的研究较少,其沉积时代仍存在较多争论。耿马地区出露的孟定街于2003年首次从勐统中解体出来成为新的地层单元(云南省地质调查院,2003①),其研究程度较浅,仍需更多的工作对其沉积时代、物源特征等问题进行深入研究。
4ActaPetrologicaSinica 岩石学报2020,36(2)
①云南省地质调查院 2003 1 25万临沧县幅、滚龙幅区域地质
调查报告
图2 公养河(a)及孟定街(b)地层柱状图
Fig.2 ThestratigraphiccolumnsoftheGongyangheGroup(a)andtheMengdingjieGroup(b)
本文以保山孟定街和公养河的砂岩样品为研究对象进行碎屑锆石U Pb年龄和Hf同位素研究,公养河可以提供西部的早古生代物源信息,为保山地块的整体认识提供重要证据。我们的研究结果表明,保山地块早古生代地层来自印度大陆的碎屑物质占有统治地位,因此我们认为保山地块在冈瓦纳大陆重建中的位置应该是在印度大陆的北缘,但是其东侧孟定街可能也接受了部分来自澳大利亚大陆的碎屑物质,因此其东侧应该靠近澳大利亚大陆。
1 地质背景和样品
保山地块位于滇西地区昌宁 孟连构造带和龙陵 瑞丽断裂带之间(图1)。保山地块的沉积地层连续性
较好,最古老的地层是出露于该地块西部的龙陵县桃子寨、公养河一带的震旦系 寒武系公养河,变质程度普遍较低,是一套巨厚的、具类复理石韵律的浊流至半深海相沉积,由浅变质的砂岩和泥板岩组成,夹少量灰岩和硅质岩,少见生物化石。该可分为上段和下段,其上段分为三部分(图2a),上部含有韵律状板岩夹石英砂岩,具有少量硅质岩和泥质条带状灰岩;中部为板岩夹韵律状板岩、石英砂岩及杂砂岩;下部是板岩夹硅质岩和细粒的长石石英砂岩。其下段分为两部分,上部为变质含长石石英砂岩、云母细砂岩夹板岩;下部为韵律状板岩夹含长石细砂岩。公养河顶部含化石,在平达街剖面可见含海绵骨针Protospongiasp ,在酒房街一带可获得微古生物Asperatopsophosphaerabavlensis、Baltisphaeridium和Lophosphaeridium等,与其上覆的含晚寒武世三叶虫的上寒核桃坪组为整合接触关系。
前寒武纪 早古生代变质地层还包括澜沧、西盟、勐统和孟定街,其中澜沧位于云县 勐海一带,紧邻二叠纪澜沧花岗岩基,呈南北向展布,其主体为一套中元古界 奥陶系低绿片岩相变质沉积岩和基性火山岩,其原岩是一套浅海陆缘环境下沉积的粉砂质泥岩和长石石英砂岩等,并伴有火山活动(云南省地质矿产局,1990;翟明国等,1990;钟大赉,1998;王舫等,2017;毕丽莎等,2018)。西盟位于澜沧江深断裂、柯街断裂及南汀河断裂之间,是一套连续的火山碎屑、陆源碎屑和碳酸盐岩,厚度>1200m,与周围古生代浅变质岩系之间呈断层接触,其变质程度较高,古生物化石较少(云南省地质矿产局,1990;邢晓婉和张玉芝,2016)。勐统出露于昌宁、
耿马一带,为一套轻变质的类复理石建造,厚度大于3000m,其岩石组成为千枚岩、板岩、结晶灰岩和绢云母石英片岩,并含有变质长英质 镁铁质火山岩(云南省地质矿产局,1990)。
2003年1 250000滚龙幅和临沧幅区域地质调查(云南省地质调查院,2003)首次将孟定街从原来的“勐统”中解体出来,成为新的地层单位。该以变质程度较低的变质砂岩、杂砂岩和千枚状板岩及板岩为主,夹硅质岩、碳酸盐岩
周美玲等:滇西保山地块早古生代碎屑锆石U Pb Hf同位素研究及其对冈瓦纳大陆重建的制约
及基性火山岩(毛晓长,2016)。按其岩石组合可以划分为两段:上段以变质石英砂岩为主,夹少量砂岩、含砾砂岩和绢云母板岩;下段的上部为硅质绢云母千枚状板岩和绢云母板岩,并夹基性火山岩,
中部以斜长绢云片岩和石英砂岩为主,下部为斜长绢云母板岩,夹石英砂岩(图2b)。毛晓长(2016)根据南望河剖面的古生物化石资料将孟定街划分为奥陶 志留系地层。其上部砂岩碎屑锆石中的最小谐和年龄482Ma,暗示孟定街的最大沉积年龄可能是早奥陶世(Zhaoetal ,2017)。
保山地块晚寒武世 中侏罗世逐渐转变为以浅海碎屑岩和碳酸盐岩沉积为主,晚寒武世 中奥陶世发生了明显的差异抬升,西部隆起较早,龙陵一带缺失晚寒武世 早奥陶世沉积,而东部施甸区仅缺失早奥陶世沉积。奥陶纪至泥盆纪,保山地块西部发育粗碎屑和镁质碳酸盐岩,东部发育潮坪 浅海相泥岩、粉砂岩、砂岩和石英砂岩等,含丰富的生物化石,由西向东水体逐渐变深(毛晓长,2016)。缺失中石炭统、上二叠统和下三叠统,在石炭系的顶部出现含冰川漂砾的碎屑岩,并有玄武岩、安山玄武岩的喷溢。中生界地层超覆不整合于不同时代的老地层之上,以碎屑岩沉积为主,夹中基性和中酸性火山岩,东、西两侧的顶部发育红磨拉石。新生界地层为上新统砂砾岩和含煤碎屑岩。
本文样品采自保山地块西部的公养河的上段和东部的孟定街的上段,共6件沉积岩样品。其中,公养河的10DX93A和10DX94样品为石英砂岩,呈灰块状构造,主要矿物为次棱角状石英,含少量黑云母,局部矿物颗粒间隙内填充黏土矿物(图3)。孟定街的4个变质石英砂岩样品(10DX108、10DX110B、10DX111B和10DX111F)的主要矿物为次棱角状石英、少量黑云母和黏土矿物,层理清晰,并有与层理平行的暗条带。采样位置见图1和图2。
2 分析方法
野外采集的新鲜岩石样品在河北廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司进行碎屑锆石分选,每个样品分选出的锆石均多于2000粒,然后在北京锆年领航科技有限公司进行制靶并拍摄CL图像。在双目镜下随机挑选200粒晶形完好、透明干净、裂隙少的锆石颗粒,用双面胶将锆石固定在玻璃板上,用环氧树脂填充固结制成锆石靶,并进行抛光、镀碳。随后使用扫描电镜进行锆石阴极发光图像(CL)分析,揭示锆石的内部形态结构,并以此为选择分析点的依据,选点时避开破裂或者含有包裹体等可能影响测试结果的位置。碎屑锆石的U Pb定年和Hf同位素分析均在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室的激光剥蚀 多接收等电感耦合离子体质谱(LA MC ICP MS)仪器上完成。该仪器配备了美国Resonetics公司生产的RESOlutionM 50193nm激光剥蚀系统和Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱仪。激光剥蚀以He作为载气,
束斑
图3 滇西保山地块部分公养河和孟定街样品
Q 石英;Bi 黑云母;CL 黏土矿物
Fig.3 SamplesfromtheGongyangheandMengdingjie
groupsintheBaoshanBlock
Q quartz;Bi biotite;CL claymineral
为24μm或44μm,脉冲频率为4~5Hz,脉冲能量为80mJ/cm2,每个分析点的气体背景采集时间为30s,信号采集时间为30s。
锆石U Pb定年采用国际标样91500(Wiedenbecketal ,1995)进行U Th Pb比值和U含量分馏校正,每隔10个样品点测定两次标样,保证样品和标样的测试条件一致。锆石Plesovice(Slámaetal ,2008)被用作监控标样,所有标样测定的年龄值均在其推荐的3%以内,分析及计算的误差均为1σ。
锆石Lu Hf同位素分析采用175Lu/176Lu=0 02655和176Yb/173Yb=0 7963(Vervoortetal ,2004)进行干扰校
正,176Hf/177Hf的比值用179Hf/177Hf=0 7325进行校正。用标准锆石Penglai(Lietal ,2010)与样品交叉分析,每隔8个样品测试点测定两次Penglai,以监控分析流程的可靠性,标样的测试结果在其推荐的±1 5ε
Hf
之内。计算初始176Hf/177Hf采用176Lu的衰变常数为1 867×10-11/a(Schereret
pg one 万磁王al ,2001),计算ε
Hf
(t)值所使用的球粒陨石标准值为Bouvieretal (2008)报道的176Hf/177Hf=0 282785和
176Lu/177Hf=0 0336。锆石单阶段模式年龄(t
DM1
)采用现今亏损地幔值176Lu/177Hf(0 0384)和176Hf/177Hf(0 28325)
(Griffinetal ,2000)进行计算,两阶段模式年龄(t
DM2
)使用平均大陆地壳的176Lu/177Hf值为0 015(Griffinetal ,2000)。
3 分析结果
本文样品的U Pb和Hf同位素测试结果分别见电子版
4ActaPetrologicaSinica 岩石学报2020,36(2)
表1 滇西保山地块碎屑锆石研究的数据汇总
Table1 SummaryofdataondetritalzirconsoftheBaoshanBlock
样品号GPS岩性地层年龄(Ma)εHf(t)参考文献
10DX93AN24°18 18′、E98°56 42′砂岩公养河3522~541-22 6~+11 0本文10DX94N24°18 18′、E98°56 42′砂岩公养河3863~533-37 8~+6 1本文15NDG1变质砂岩澜沧2543~494-22 97~+9 35Zhaoetal (2017)15NDG2变质砂岩澜沧2809~504Zhaoetal (2017)15F16石英岩澜沧2794~475王舫等(2017)YJ06石英岩澜沧3446~418王舫等(2017)YJ08石英岩澜沧3433~509王舫等(2017)YJ09石英砂岩澜沧3401~508王舫等(2017)11ML 72N22°40 56′、E99°29 01′变质砂岩西盟2755~529-21 28~+7 57邢晓婉和张玉芝(2016)11ML 80N22°43 79′、E99°24 96′变质砂岩西盟2440~531-19 85~+7 21邢晓婉和张玉芝(2016)11ML 81N22°37 28′、E99°26 48′变质砂岩西盟3311~514邢晓婉和张玉芝(2016)CJ1301粉砂岩勐统3134~563-37 21~+3 51Li
etal (2015)CN1301粉砂岩勐统3517~568-15 0~+5 1Lietal (2015)
15NDG21石英片岩勐统3744~487-13 07~+8 56Zhaoetal (2017)10DX108N23°30 90′、E99°07 97′变质砂岩孟定街2800~468-13 2~+9 3本文
10DX110BN23°39 02′、E99°19 26′变质砂岩孟定街3097~547-39 5~+10 5本文
10DX111BN23°39 18′、E99°19 88′变质砂岩孟定街2519~458-34 0~+8 2本文
10DX111FN23°39 18′、E99°19 89′变质砂岩孟定街2848~543-28 5~+10 5本文
15NDG10砂岩孟定街3058~482Zhaoetal (2017)15NDG12砂岩孟定街2870~528Zhaoetal (2017)
附表1和附表2。因为207Pb和206Pb化学性质极相似,丢失率较一致,因此对于放射成因P
b积累较多的古老锆石(多存在不同程度的Pb丢失)207Pb/206Pb年龄更为可靠。在实际分析测试中207Pb的分析精度较差,而年轻矿物颗粒中206Pb含量远远多于207Pb含量会造成207Pb/206Pb相当大的分析误差,且年轻锆石遭受Pb丢失的可能性比较小,故而年轻锆石使用更加可靠的206Pb/238U年龄。Spenceretal (2016)收集了~38000个LA ICP MS(Voiceetal ,2011)和约5000个SIMS(Wingateetal ,2015)锆石U Pb年龄分析结果,表明使用1500Ma作为选择206Pb/238U年龄或207Pb/206Pb年龄的交叉值更为合适。因此,本文中对于206Pb/238U年龄大于1500Ma的老锆石颗粒以207Pb/206Pb年龄为准,对于206Pb/238U年龄小于1500Ma的年轻锆石颗粒以206Pb/238U年龄为准。
在碎屑锆石U Pb年龄研究中,通常以谐和年龄数据作为讨论的依据,但对于“谐和”的定义,不同学者往往有不同的标准。通常以U Pb年龄谐和度70%~95%作为最低谐和度,其中谐和度大于90%是最常见的标准,这取决于不同的数据的处理技术和对数据可靠度的要求。如使用精度较差的定年仪器,如四级杆等电感耦合离子体质谱(QuadrupoleICP MS),更容易获得谐和度高的数据(Spenceretal ,2016),这种对谐和度选择的任意性将会对数据的解释造成显著的不确定性。本文采用Spenceretal (2016)推荐的一个更为严苛的方法,其原则是较大限度的减少Pb丢失造成的误差对碎屑锆石U Pb年龄数据解释的影响。该方法是以207Pb/20
6Pb年龄值为横坐标,以206Pb/238U年龄值为纵坐标,做碎屑锆石的207Pb/206Pb 206Pb/238U年龄图解。在该图解中,1 1线表示207Pb/206Pb年龄和206Pb/238U年龄完全吻合,样品不存在Pb丢失。当测试点的误差椭圆与1 1线相交,表示其207Pb/206Pb年龄和206Pb/238U年龄在误差范围内吻合,样品Pb丢失程度较小,该结果视为“谐和年龄”,否则视为“不谐和年龄”,不谐和年龄不在本文讨论范围之内。本文的样品数据中所有按此规则认定的“谐和年龄”的207Pb/206Pb年龄和206Pb/238U年龄接近程度(即一般所谓的谐和度)均大于93%。所有颗粒的Th/U值均大于0 1,阴极发光图像均显示其具有明显的环带状,可以确认它们均为岩浆成因锆石(HoskinandSchaltegger,2003)。样品中也可见无岩浆环带的疑似变质锆石,但本文的物源分析中未有采用,一是因为变质锆石数量少,不足以进行统计分析和构筑年龄频谱图,二是因为一般源区的岩浆事件更具有容易区别的年龄谱。
本文中使用IsoplotR软件(Vermeesch,2018)绘制碎屑锆石的207Pb/206Pb 206Pb/238U年龄图解和年龄分布KD频谱图(Vermeesch,2012;Spenceretal ,2016)。KD频谱图是指在概率频谱图的基础上,用核密度估计值(Kerneldensityestimates,KDE)平滑处理反映密度的曲线。其基本原则是在样品分布的峰值附近使用较窄的频带,并在样品分布稀疏的波谷中使用较宽的频带(Vermeesch,
2012,2018),对数据的有效性进行优化。本节参考的所有标准均适用于本文实验所得的数据和本文所引用的文献数据。
3 1 公养河样品
样品10DX93A:碎屑锆石颗粒直径范围是60~130μm,
周美玲等:滇西保山地块早古生代碎屑锆石U Pb Hf同位素研究及其对冈瓦纳大陆重建的制约