塔西南奧陶系瑪列茲肯群碎屑巖年代學研究

錢一雄，王亮，康志宏，陳躍，賈存善，田蜜，張永東

(1.中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214151;2.中國石化西北油氣分公司石油勘探開發研究院，新疆 烏魯木齊 830011;3.中國地質大學(北京),北京 100083)

瑪列茲肯群由瑪列茲肯巖系演化而來，由地質部十三大隊創名，并分上、下兩個巖系；新疆地質二大隊汪玉珍等進一步劃分為恰特組、坎地里克組、博塔干組、庫維希組，并將其頂部細碎屑巖段劃歸志留系買熱孜干群，后又全部合并統稱瑪列茲肯群[1]。因在買熱孜干群下部泥頁巖中采到大量筆石化石，新建了上奧陶統秋久博依那克組，并據此劃分出中、下統[1-3]。

瑪列茲肯群在鐵克里克南緣斷續分布，在葉爾羌河上游的坎地里克一帶呈NNE向展布，厚度達1 980 m，不整合超覆于元古宇之上。由于交通不便，研究程度較低(圖1)。塔西南下古生界是否存在類似于塔東北的被動陸緣盆地、巖相古地理環境是否與塔西南下古生代盆地有緊密聯系仍是一個重要的基礎地質問題[4]。

運用沉積巖中碎屑鋯石年齡譜資料對地層時代、構造背景進行制約，并探討蝕源區的特征已獲得地學界普遍認可[5-11]。其原理是對缺少確切古生物、同位素、古地磁等年代學資料的碎屑巖構成的地層，根據碎屑鋯石年齡譜，勾劃出蝕源區鋯石的年代格架，而將最年輕碎屑鋯石來限定地層的上限，即可能最老的地質時代。本文通過奧陶系瑪列茲肯群中原定為下奧陶統恰特組、坎地里克組的含礫石英粗砂巖中重砂礦物中56顆鋯石微區U-Pb測齡，提出了原定為下奧陶統恰特組及坎地里克組應為上奧陶統。

1 區域地質

奧陶系瑪列茲肯群主要以斷裂或不整合超覆接觸于中元古界的庫浪那古巖群、上元古界的薊縣系桑茲塔格組及中元古的大套二長花崗巖、閃長巖和英云閃長巖體上，但遭受加里東中晚期超基性巖、輝長巖、二長花崗巖等侵入，同時又被石炭系、侏羅系的葉爾羌群以斷裂接觸或不整合超覆接觸(圖1，2)。本次研究工作位于莎車縣庫斯拉甫幅，路途從薩車-庫斯拉甫-炮江溝-煤礦-向南翻越侏羅系巨礫溝-恰特-丘久博依納克。詳勘的路線剖面的起點為，北緯37°47’55.8”，東經76°21’50.4”，終點為北緯37°48’21.4”，東經76°20’19.3”。

瑪列茲肯群下奧陶統恰特組為一套下粗上細的粗碎屑巖沉積。下部為灰色、灰白色及紫紅色石英質礫巖、含礫石英粗砂巖，厚層狀不等粒石英砂巖互層，發育大型交錯層理；上部為灰綠色厚層狀含礫石英粗砂巖與薄層狀石英中-細砂巖互層。坎地里克組為一套深灰色碳酸鹽巖與灰白色中細粒碎屑巖沉積(圖2)[12]。其中，恰特組為第2～14層；坎地里克組為第15～21層。

2 分析方法與數據

圖1 研究區地質簡圖、剖面位置圖(a)及地層柱狀圖(b)Fig.1 Simplified geological map of Kusilafu area，location of geological section and depositional succession

圖2 恰特剖面中的第5層淺灰-灰綠色中厚層含礫石英砂巖(a)及礫巖(b)(O1q)第19層淺灰-黃灰色中厚層石英砂巖(c)(O1k)Fig.2 The diagrams showing the rock features of sandstones:(a)gravel-bearing quartz sandstone;(b)conglomerate in Qiate Formation;(c)Quartz sandstone in Kandilike Formation,Malieziken Gropes

本次研究中重砂礦物分選由河北省地礦局廊坊實驗室完成，用常規的人工淘洗和電磁選方法富集鋯石，再在雙目顯微鏡下手工逐個精選鋯石顆粒。鋯石樣品的制靶作由中國地質科學院礦產資源所完成。先對鋯石顆粒進行縮分，靶上粘制約250個顆粒。鋯石陰極發光圖像在中國地質科學院的HITACHIS3000-N型掃描電子顯微鏡、并配有GATAN公司Chroma陰極發光探頭分析儀器上完成。鋯石U-Pb年齡測定采用離子探針微區微量分析技術，在北京離子探針中心的SHRIMPⅡ儀器上進行。具體方法是：在雙目鏡下挑選出晶體完好、具代表性鋯石顆粒與工作標準鋯石TEM(417 Ma)一起粘在環氧樹脂表面，然后拋光并鍍金，定年開始前采用Sri Lanka偉晶巖中鋯石SL13(572 Ma)進行工作標準校定。對待測鋯石進行透射光、反射光顯微和陰極發光觀察照相，以區分不同成因鋯石，有助于選定最佳的待測年齡的鋯石樣品及其部位和數據的解釋。利用數據處理程序ICPMSData-Ca1，Pb校正采用Anderson提供的方法[13]，鋯石年齡諧和圖由Isoplot 3.0程序完成[14]。對于鋯石年齡大于1 000 Ma的數據，采用207Pb/206Pb年齡，而對于小于1 000 Ma的數據，采用206Pb/238U年齡[15-16]。

3 鋯石特征與年代學

3.1 鋯石特征

鏡下觀察表明：恰特組(QT-O1q-5)和坎地里克組(QT-O1k-19)中含礫砂巖中的鋯石為中等磨圓度的鋯石。粉-淺粉色，次滾圓、柱狀、棱角狀及不規則狀，透明-半透明，弱金剛-毛玻璃光澤，表面相對粗糙至較光滑；斷面溶磨、磨蝕及裂紋均見，伸長系數1.0～3.5，個別達4～5，粒徑0.05～0.30 mm，一般0.1～0.20 mm；分選較好，磨圓度較高、具較明顯搬運痕跡的顆粒相對較多(圖3，4)。

圖3 恰特組中粗粒石英砂巖中不同類型鋯石Fig.3 Typical Zircon CLstructures for different origin and SHRIMPU-Pb Concordia plots with spot for quartz sandstones of Qiate Formation

圖4 坎地里克組的中粗粒石英砂巖碎屑鋯石Fig.4 Typical Zircon CLstructures for different origin and SHRIMPU-Pb Concordia plots with spot locations In quartz sandstones of Kandilike Formation

研究表明：古生代碎屑巖中鋯石來源及年齡譜較復雜，既有來自元古或太古的結晶或變質基底，又有再沉積前的多期構造-巖漿等熱事件產物。對不同源區的不同類型鋯石的研究統計，可進一步幫助推斷亞地層的構造屬性及時代，而陰極發光、掃描電鏡圖像分析是區分不同成因鋯石的常見方法。另外，巖漿鋯石往往具振蕩環帶或扇形分帶；而變質鋯石較復雜，有無分帶、弱分帶、云霧狀、扇形、面狀分帶、海綿狀、流動狀、冷杉葉狀和斑雜狀等不同的結構形態特征[9，17-21]。

在此，①將具有典型六方環帶結構歸為巖漿巖來源；②將具核幔邊結構歸為變質巖來源。在變質巖鋯石中，可見核-幔-邊結構，或核-邊結構；③將具有陰極發光特征或無環帶認為是再沉積循環來源，但需排除邊緣有晶棱圓化、港灣狀結構、且無明顯分帶和較強的陰極發光的熱液蝕變的變質鋯石。

由圖3、4可見，中粗粒石英砂巖中的來自巖漿、變質與再沉積的鋯石特征明確，存在一定比例的過渡型。其中，巖漿鋯石具典型的短柱-長柱狀、六方環帶、部分核部有熔蝕現象，基本不發光等特征，伸長系數1.0～3.0，約占1/10的可達4～4.5，主要來源于中酸性和堿性巖，少量來自于基性巖；而變質巖鋯石中，常見核-幔-邊結構、或核-邊結構、四方或假六方環帶，初始鋯石一般位于顆粒核部，受變質鋯石則位于幔-邊。1/3～1/4的顆粒發中強熒光；再沉積鋯石除了較渾圓、粗糙表面邊緣外、部分還發育裂紋。陰極發光相對普遍。

圖5 恰特組(a)和坎地里克組(b)中粗粒石英砂巖中鋯石類型統計圖Fig.5 Diagram showing the statistics of typical Zircon grains of quartz sandstones of Qiate Formation(a)and Kandilike Formation(b)

對恰特組中和坎地里克組中的2件樣品中445顆內部結構或陰極發光鋯石的統計結果(圖5-a)：①具陰極發光的樣品分別占61.09%(QT-O1q-5，n=270)和51.18%(QT-Q1k-19，n=175)；② 核-幔-邊結構或核-邊結構分別占18.55%和20.36%(QT-O1q-5)和23.54%和25.29%(QT-O1k-19)；637顆發育或不發育環帶的鋯石統計(圖5-b)：①無環帶樣品分別占77.25%(QT-O1q-5，n=378)和66.41%(QT-O1k-19，n=259)；②六方環帶結構或四邊環或異形結構分別占11.11%和11.64%(QT-O1q-5)和18.53%和15.06%(QT-O1k-19)。綜上所述，二件樣品中，再沉積的鋯石占來源的大部分，恰特組中的再沉積鋯石比例高于坎地里克組，而來自巖漿來源的鋯石比例則反之，反映兩者物源區的差異。

3.2 鋯石成因判斷

在鋯石離子探針分析中(表1,2)，鋯石中的U，Th，Pb含量及Th/U比值及變化對于判斷其成因和鋯石的年齡含義有重要的示蹤意義[21]。不同成因鋯石的U，Th和Pb含量以及Th/U具一定差別。

表2 坎地里克組中粗粒石英砂巖中鋯石同位素數據Table 2 U,Th and Pb contents and206Pb/238U ages of Zircon for the quartz sandstones of Kandilike Formation

由表1可見，在QT-O1q-5樣品中：①巖漿成因鋯石(n=9)：U 含量為 204×10-6～982×10-6，平均為570.4×10-6；Th為22×10-6～457×10-6，平均171.1×10-6；Pb為14.3×10-6～143.3×10-6，平均74.01×10-6，Th/U為0.02～0.58，平均 0.40；②變質成因鋯石(n=6)：U 為113×10-6～658×10-6，平均218.5×10-6；Th為44×10-6～173×10-6，平均77.3×10-6；Pb為20.6×10-6～100.0×10-6，平均37.4×10-6，Th/U為0.27～0.72，平均為0.43；③再沉積循環鋯石(n=9)：U含量41×10-6～305×10-6，平均為118.7×10-6；Th為21×10-6～233×10-6，平均為61.4×10-6；Pb為12.2×10-6～47.7×10-6，平均22.94×10-6，Th/U為0.32～0.79，平均為0.48。

綜上所述，巖漿型鋯石U，Th和Pb含量最高，次為變質型(除Th/U外)、再沉積型最低(除U含量外)，這主要受年代與地質作用過程影響。這是由于作為不相容微量元素在巖漿結晶分異和部分熔融富集，在變質過程中U，Th在固相重結晶中被逐出晶格而降低所造成的，再沉積型鋯石隨巖石年齡越高，衰變的Th含量降低。

在QT-O1k-19中(表2)，巖漿成因鋯石(n=23)：U含量為218×10-6～1911×10-6，平均941.0×10-6；Th含量為 99×10-6～5113×10-6，平均 550.4×10-6；Pb 含量為14.6×10-6～114.9×10-6，平均60.73×10-6，Th/U為0.16～2.76，平均0.54；變質成因的鋯石(n=5)：U為91×10-6～256×10-6，平均171.4×10-6；Th為31×10-6～164×10-6，平均80.0×10-6；Pb為12.5×10-6～97.7×10-6，平均61.91×10-6，Th/U為0.23～0.66，平均0.45；再沉積循環來源鋯石(n=4)：U 含量為 124×10-6～436×10-6，平均為271.5×10-6；Th為67×10-6～218×10-6，平均138.0×10-6；Pb 為20.1×10-6～71.8×10-6，平均42.5×10-6，Th/U為0.16～1.56，平均為0.71。總的來看，同前述的變化規律類似，即巖漿型U、Th和Pb含量最高，次為再沉積型(除U含量外)，最低是變質型(除U含量外)。

3.3 鋯石年代學

巖漿型鋯石主要有3個年齡區間：①490.3～500.6 Ma，相當于晚寒武世；②459.6～477.2 Ma，相當于中(晚)奧陶世；③1 252.2～1 486 Ma，相當于中元古界薊縣系至延展系。變質型鋯石自下而上主要有3個區間：①1 786.9 Ma，相當于中元古界長城系；②1 206.2～1 244.9 Ma，相當于中元古界薊縣系；③1 040.6～1 047.5 Ma，相當于中元古界狹帶系。再沉積循環鋯石也有3個：①1 807.4～2 105.7 Ma，相當于元古宙滹沱紀；②1 325.4～1 387.9 Ma，相當于中元古界延展系；③1 066.1～1 208.4 Ma，相當于中元古界延展系至狹帶系(表1)。

由表2、圖6可見，巖漿型鋯石中有2件和諧和度較低的樣品，其中1件樣品落入早石炭世范圍內(340.2 Ma)，1件樣品落入早志留世(433.1 Ma)，其它可分為3個年齡區間：①490.3～499.9 Ma(相當于晚寒武世，n=4)、②487.9～473.4 Ma(相當于早奧陶世，n=14)和③465.9～466.9 Ma ，相當于中奧陶世，n=2。變質型鋯石自下而上分為4個區間：①2 263.8 Ma，相當于元古宙滹沱紀；②1 480.6 Ma，相當于中元古界薊縣系；③1 322.2～1 336.7 Ma，相當于中元古界延展系；④515 Ma，相當于早寒武世；再沉積循環鋯石主要為1 011.3～1 128.2 Ma，相當于中元古界狹帶系。

4 討論

4.1 地質時代

碎屑鋯石U-Pb年齡信息為碎屑巖的形成時代提供信息[22-23]，可用來判斷地層時代的下限。根據恰特組中粗粒石英砂巖碎屑鋯石的最年輕的巖漿鋯石年齡為(459.6±9)Ma、次為(477.2±9.2)Ma；坎地里克組碎屑鋯石的最年輕的巖漿鋯石年齡為(465.9±9.1)Ma，其占巖漿型鋯石優勢的諧和年齡為(482.3±5.5)Ma(465.9～499.9 Ma，樣品數為20件，諧和度為95%)。根據國際地質年代校驗項目(IGCP410)研究成果：將全球奧陶紀分為早(489～472 Ma)、中 (472～460.5 Ma)和 晚 奧 陶 世 (460.5～443 Ma)來判斷，瑪列茲肯群的恰特組及坎地里克組的地層年代最早的地質時代為晚奧陶世或中晚奧陶世。

另外，從新疆維吾爾自治區區域地質志可知[24]，瑪列茲肯群可建立頭足類Wutinoceras-Armenoceras組合帶(特馬豆克期)，腕足類Productarthis-Rafinesquin組合帶(早奧陶世晚期—中奧陶世早期)，筆石類Glyptograptus teretiusculus帶(蘭代洛期)，綜合判斷瑪列茲肯群恰特組及坎地里克組應為中、上奧陶統沉積。

4.2 沉積物源區

對比下統恰特組和坎地里克組上部中粗粒石英砂巖鋯石特征發現：①恰特組中巖漿型鋯石來源以晚寒武—早奧陶世、中元古界中元古界薊縣系至延展系為主，較分散；而坎地里克組卻以早奧陶世為主，且相對集中；②兩者的變質型鋯石來源略具差異，除了均有中元古界延展系外，前者還有中元古界狹帶系；后者見到元古宙滹沱紀稍早期及早寒武世的物源；③再沉積循環鋯石的年齡譜與變質型的呈相反的趨勢，即除了均有中元古界狹帶系外，前者還出現元古宙滹沱紀、中元古界延展系。綜合考慮變質與再沉積型鋯石的年齡譜，恰特組和坎地里克組的物源區可能基本相同，但后者加里東中期巖漿活動影響較明顯，構造環境有所差異。

4.3 巖漿活動期及構造背景

圖6 恰特剖面中坎地里克組中粗粒石英砂巖碎屑鋯石年齡值統計圖Fig.6 Zircons U-Pb Concordia diagrams of quartz sandstone of Kandilike Formation

前人研究表明：塔里木盆地及周緣的巖漿活動可劃分出：太古宙TTG、古元古代早期A型花崗巖-基性巖墻、新元古代花崗巖-大規模基性巖墻-多階段超鎂鐵-鎂鐵巖發育階段及二疊紀大火成巖省發育階段[25]。塔西南昆侖北帶新元古代815 Ma左右的A型片麻狀花崗巖[26]，志留—泥盆系碎屑巖中巖漿巖鋯石中的0.84 Ga新元古、0.78～0.635 Ga南華紀及0.78～0.635 Ga震旦紀的年齡譜較常見，尤其是0.84 Ga較集中[17，19]。據此，0.8 Ga左右可作為塔西南的大陸板內裂解年齡。庫地超鎂鐵巖體中侵入于橄欖巖中的偉晶輝長巖中的鋯石SHRIMP年齡為(525±2.9)Ma[26]，與本次檢出的寒武紀巖漿活動的記錄相吻合，恰特組與坎地里克組砂巖中巖漿型鋯石諧和年齡為(482.3±5.5)Ma(465.9～499.9 Ma)，比塔東北庫魯克塔格地區峰值為463 Ma稍早[19]，反映瑪列茲肯群砂巖沉積與早古生代庫地洋形成與演化密切相關。

近期研究表明：庫斯拉甫一帶寒武紀中酸性巖漿主要發生早、晚兩序次侵位[27]。早期大規模I型花崗巖中的似斑狀石英(二長)閃長巖，鋯石U-Pb年齡為(512±4)Ma；晚期S型花崗巖的似斑狀(二長)花崗巖、其構造環境均為島弧。對西側阿喀孜一帶侵位于長城系賽圖拉巖群和下寒武統庫地巖組的分別確定了侵位時代[28]。即石英閃長巖→英云閃長巖→石英二長閃長巖(499.3±1.9 Ma)→花崗閃長巖→二長花崗巖(449.8±1.8 Ma)。黑云母二長花崗巖(411.3±1.4 Ma)→黑云母鉀長花崗巖→堿長花崗巖的碰撞花崗巖，標志著古昆侖洋最終消亡時間為晚志留世。

5 結論

(1)恰特組和坎地里克組石英中粗粒砂巖中的鋯石為中等磨圓度的鋯石，分選較好，磨圓度較高、具有較明顯長距離搬運痕跡，再沉積的鋯石是主要來源，且恰特組中的再沉積鋯石的比例要高于坎地里克組的對應值，而來自巖漿來源的鋯石比例則反之，反映后者受巖漿活動的影響較明顯；

(2)瑪列茲肯群恰特組及坎地里克組地層年代應為晚奧陶世，主要來自于中元古界延展—狹帶系變質基底的物源；

(3)塔里木盆地的南、北緣在早—中奧陶世均有大規模的巖漿活動；具“手風琴”構造運動模式，恰特組和坎地里克組物源區主要來源于火山島弧，可能與塔西南早古生代為統一的溝弧(后)盆地。

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