湖南桃源郝坪奧陶系五峰組頂部斑脫巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡

謝尚克，汪正江，王 劍，卓皆文

(成都地質礦產研究所，四川 成都 610081)

中國南方奧陶系分布廣泛，出露良好，層序發育完整。中奧陶世以來，揚子地塊構造運動加速，火山活動頻繁［1-6］。奧陶紀末發生了地球歷史上第二大規模的生物絕滅事件，引起國內外眾多研究人員的關注［7-11］。Sheehan認為這次生物絕滅事件可能與南極冰蓋擴張導致的氣候變冷和全球海平面下降事件有關［7］;汪嘯風等人認為在奧陶系-志留系的界線層中存在銥的正異常，這種正異常與地外事件有關，并認為是這次地外事件導致了奧陶紀末的生物大絕滅［8］;嚴德天認為冰期所影響的全球海平面和氧化還原環境的轉變是造成這次生物絕滅的主要因素［9-10］。揚子地臺內奧陶紀頂部的五峰組至志留紀底部的龍馬溪組之間存在著多個粘土巖層，野外剖面觀察和前人研究結果認為這些粘土巖層為鉀質斑脫巖，是火山噴發的凝灰質物質在海相環境沉積、蝕變的產物［12-14］。這些斑脫巖廣泛分布于揚子地臺周緣，對理解晚奧陶世的火山運動和奧陶紀-志留紀界線處年齡及生物絕滅事件具有重要的意義。

1 區域地質概況

揚子地臺在奧陶紀時位于岡瓦納大陸西北緣，與波羅的板塊、滇緬馬板塊和塔里木板塊等同處中低緯度地區［15］。“華夏”和“揚子”兩個地塊在晚奧陶世發生了強烈的板內構造運動［1］，隨著華南板塊向北的俯沖，使得中國南方洋盆處于擠壓狀態，揚子地區向下撓曲，“構造掀斜”效應造就了晚奧陶世上揚子地區深水陸棚的構造-沉積空間［6，16］。

筆者于2010年6月采集了位于湖南省桃源縣郝坪剖面的斑脫巖樣品HP-1，奧陶系-志留系界線附近處的 GPS 坐標為 N29°17.831′，E111°12.398′(圖1)，該剖面五峰組上部地層為灰黑色中厚層碳質硅質頁巖，厚為10m 左右，產狀為165°∠34°;龍馬溪組底部為灰黑色中厚層粉砂質頁巖，未見頂，產狀為160°∠35°，界線附近處為灰白色凝灰巖，厚約0.2m。

2 樣品采集與分析

圖1 采樣點位置及奧陶系-志留系界線剖面Fig.1 Location of the sampling sites and Ordovician-Silurian boundary section in Taoyuan，Hunan

對郝坪剖面奧陶系-志留系界線附近的斑脫巖進行認真采樣，先把表面已風化的斑脫巖巖剝去，以保證樣品新鮮、無污染，獲得重量約4kg的樣品，裝入干凈樣品袋中。通過人工重砂分選獲得了大量的顆粒鋯石，然后在雙目鏡下挑選出晶形和透明度較好的鋯石顆粒，將其粘貼在環氧樹脂表面，拋光后將待測鋯石進行陰極發光顯微照相，通過圖像分析選擇合適的區域進行U-Pb同位素年齡分析。鋯石U-Pb同位素分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室的LA-ICP-MS儀器上用標準測定程序完成，ICP-MS為Agilent 7500a，激光剝蝕系統為配備有193nm ArF準分子(Excimer)激光器的GeoLas 2005。分析中采用的激光斑束直徑為32 μm，以氦氣作為剝蝕物質的載氣，同位素組成用標準鋯石91500作為外標進行校正，元素含量采用美國國家標準物質局人工合成硅酸鹽玻璃NIST SRM610作外標、Zr作內標進行校正。鋯石測定點的Pb同位素比值、U-Pb表面年齡和微量元素含量采用ICPMS DataCal3.5程序計算［17］。鋯石加權平均年齡的計算及諧和圖的繪制采用 ISOPLOT 3.0程序［18］。詳細的實驗原理、流程和儀器參數見Yuan等［19］的文獻。

3 測試結果

對桃源郝坪地區樣品HP-1的15顆鋯石進行了陰極發光圖像研究及LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析，結果見表1、圖2，所有的U-Pb同位素分析數據均標定在圖3中。樣品鋯石在晶體形態和內部結構特征上十分相似，大部分鋯石為長柱狀自形-半自形透明晶體，大小200～400μm。陰極發光圖像顯示大多數鋯石均發育有很窄、很規則的振蕩生長環帶，具較典型的巖漿鋯石特征［20，21］。鋯石的 Th/U比值通常作為判斷巖漿鋯石與變質鋯石的標志，即巖漿鋯石Th/U比值一般大于0.4，變質鋯石一般小于 0.1［22，23］。樣品 HP-1 鋯石中 15 個測點的 Th/U比值介于0.14 ～1.11 之間，平均值 0.5，該比值高于變質成因鋯石而與巖漿成因鋯石一致。

本次鋯石測年結果表明，除兩個測點(測點1-7和測點1-13)以外，所有測點均沿諧和曲線分布，集中在(434～457)±7Ma之間，其諧和年齡值為442.2 ±8.1Ma。測點1-7 的年齡為274 ±5Ma，其年齡偏低，可能與測點靠近鋯石內部的裂紋，與鉛丟失有關;而測點1-13年齡為899±14Ma，其年齡過高，則可能由于測試的鋯石為殘留鋯石，且測點接近鋯石核心。我們將442.2±8.1Ma作為樣品HP-1的形成年齡，與國際地層委員會(ICS)2004年公布的地質年齡(443.7±1.5Ma)在誤差范圍內較為接近［24］，此年齡可作為奧陶系-志留系界線附近火山噴發事件的年齡。

圖2 樣品HP-1的鋯石CL圖像及其打點位置Fig.2 Cathodoluminescence images of the zircons from the sample HP-1 and location of the analysed spots

表1 樣品HP-1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb數據Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb ages for the sample HP-1

圖3 樣品HP-1的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.3 Concordia plots of LA-ICP-MS zircon U-Pb ages for the sample HP-1

4 討論與結論

從晚奧陶世起，南方的板塊構造運動就開始變得劇烈，揚子克拉通在晚奧陶世-早志留世時的構造古地理和沉積環境均發生了很大的變化。在廣西運動過程中，“華夏”古陸不斷向揚子克拉通靠近，位于二者間的華南洋逐漸閉合，成為殘余海槽，使揚子克拉通上的水域也逐漸成為閉塞性盆地［6，25］。蘇文博等于2002年在王家灣剖面五峰組頂部和龍馬溪組底部發現了多層鉀質斑脫巖，并與貴州桐梓的斑脫巖進行了生物地層、層序地層的綜合對比，表明奧陶紀-志留紀之交，至少在上揚子地臺附近曾經發生過大規模的火山噴發活動［12］。火山活動所形成的鉀質斑脫巖在揚子地臺周緣廣泛分布［26］，斑脫巖原巖主要為中酸性火山巖，包括安山巖-英安巖-流紋巖等。筆者認為絕大多數斑脫巖原巖的產出背景為火山弧環境［27］，有可能與早古生代秦嶺洋閉合過程中的板塊俯沖有關［14］，也可能是“華夏”地塊與“揚子”地塊碰撞擠壓的結果。因為從早古生代起，“華夏”地塊與“揚子”地塊構造擠壓加速［6］，進一步加大“掀斜效應”。表現為川中隆起、黔中隆起等正地形單元的擴大，揚子海域為古隆起所包圍的半局限-局限淺海環境，海域面積的明顯縮小及局部地區表現為欠補償的滯留盆地［1，6，28］，這都足以讓生物的生存空間大大縮小。晚奧陶世的生物滅絕事件，不僅僅是由海平面變化導致的環境因素有關，還可能與盆地演化相聯系的構造運動相關。此外，火山活動所噴發的揮發份物質和粉塵等也使生物生存環境更為惡劣，這可能是造成這次生物大絕滅的主要因素之一。

郝坪HP-1樣品的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡(442.2±8.1Ma)是奧陶系頂部一個比較可靠的同位素年齡，該年齡是奧陶紀末火山噴發的活動年齡，還為奧陶系-志留系界線處年齡提供了可靠的參考依據。晚奧陶世末的火山事件是制約當時沉積環境和生物興衰的關鍵因素之一。

致謝:在成文過程中，得到丘東洲研究員的耐心指導和熱心幫助，野外工作得到了劉家洪助理工程師、楊平工程師的幫助。此外與張娣助理工程師對論文進行了有益的探討，也感謝評審人提出的寶貴意見，在此一并致謝。

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