吉林省石頭口門地區(qū)早二疊世砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡及其地質(zhì)意義

宋志剛,叢文爽,張?zhí)煊?高麗華,馬啟合,韓作振

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院,山東 青島 266590;2.山東科技大學 山東省沉積成礦與沉積礦產(chǎn)重點實驗室,山東 青島 266590;3.中國冶金地質(zhì)總局青島地質(zhì)勘查院,山東 青島 266109)

研究區(qū)吉林省石頭口門地區(qū)位于長春市以東50 km處,興蒙造山帶東南緣,古亞洲洋晚古生代對接帶上。20世紀90年代,該地區(qū)晚古生代地層中因識別出硅質(zhì)巖以及錳結(jié)核而成為地質(zhì)學家關(guān)注的焦點[1]。然而,對其形成時代和構(gòu)造背景具有不同的認識:①Zhu等[1]根據(jù)生物碎屑灰?guī)r中識別出的晚石炭世威寧期蟲筳類化石以及巖石組合特征,認為該地層是一套形成于大陸邊緣的晚石炭世裂陷槽沉積物;②蝕變中基性火山巖的鋯石U-Pb定年結(jié)果進一步顯示,該地層剖面中還發(fā)育早石炭世構(gòu)造巖片[2];③Gehrels等[3]對該地層中新識別出的流紋質(zhì)凝灰?guī)r開展鋯石U-Pb測年,獲得的加權(quán)平均年齡為276±3 Ma,表明火山作用發(fā)生在早二疊世;④Cai等[4]新近報道的碎屑鋯石U-Pb年齡表明上述地層的部分沉積巖形成時代不早于早二疊世。由此可見,有關(guān)石頭口門地區(qū)地層的形成時代及其構(gòu)造指示意義尚需進一步研究。

本研究在重新梳理前人資料基礎(chǔ)上,對石頭口門地區(qū)晚古生代地層開展了詳細野外地質(zhì)調(diào)查,采集其中兩件砂巖樣品開展碎屑鋯石U-Pb年代學和鋯石微量元素分析,為限定其形成時代、揭示沉積碎屑物質(zhì)來源,探討其沉積時的大地構(gòu)造背景提供線索和依據(jù)。

1 地質(zhì)背景與樣品描述

吉林省石頭口門地區(qū)位于長春-延吉古亞洲洋晚古生代縫合帶上(圖1),早古生代經(jīng)歷了古亞洲洋溝弧體系的演化,并于早古生代晚期發(fā)生了弧-陸碰撞。晚石炭世—二疊紀,在古亞洲洋板片南向俯沖作用的驅(qū)動下,華北板塊北緣轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒哟箨戇吘塠3],俯沖作用持續(xù)至二疊紀末—三疊紀[5]。

(a)東北地區(qū)大地構(gòu)造略圖及研究區(qū)位置,修改自Song等[5];(b)石頭口門地區(qū)地質(zhì)簡圖,修改自Shi等[3]

研究區(qū)古生代地層主要包括早石炭世地層、晚石炭世地層、早二疊世地層(圖2)。其中,早石炭世地層以巖塊形式零星出露于石頭口門水庫西北岸,巖性以蝕變玄武安山巖和蝕變玄武粗安巖為主[2];晚石炭世地層是前文所述位于石頭口門水庫西岸的含晚石炭世威寧期蟲筳類化石的生物碎屑灰?guī)r[1];早二疊世地層在研究區(qū)出露相對較多,在石頭口門水庫西岸、辛家窯和后劉家屯等均有出露,是一套夾少量鈣堿性火山巖的海相沉積地層,巖性自下而上主要有結(jié)晶灰?guī)r、粉砂巖、硅質(zhì)泥巖、含礫雜砂巖、安山巖、復成分礫巖和含礫長石雜砂巖,另有部分結(jié)晶灰?guī)r透鏡體。

(a)九臺泵站角礫狀結(jié)晶灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r;(b)石頭口門水庫大壩地層露頭及采樣點;(c)石頭口門水庫大壩北側(cè)砂巖中的錳結(jié)核;(d)石頭口門水庫地層剖面圖,修改自鄭春子等[1]和宋晨[4]

此外,石頭口門-波泥河一帶還被視為長春-延吉縫合帶內(nèi)蛇綠混雜巖出露的關(guān)鍵地區(qū),該地區(qū)的一套雜巖組合主要為鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)雜巖、基性熔巖、輝綠巖墻、深海相放射蟲硅質(zhì)巖和少量安山質(zhì)-英安質(zhì)海相火山巖巖塊雜亂鑲嵌在雜砂巖之中,保留了“巖塊在基質(zhì)中”的特征。劉永江等[6]認為該混雜巖與開山屯、機房溝-水曲柳和小綏河-新華村共同構(gòu)成一條蛇綠混雜巖帶,代表二疊紀具有一定規(guī)模的古亞洲洋洋盆的殘留。

研究樣品為采自石頭口門水庫大壩西端附近的長石巖屑雜砂巖(SH-10和19STKM-1),巖石新鮮面呈灰色,塊狀構(gòu)造,中粒碎屑結(jié)構(gòu),碎屑顆粒以巖屑和長石為主(圖3(a)～3(c)),其中巖屑顆粒約占碎屑顆粒的60%,主要為中酸性火山巖碎屑,其次為硅質(zhì)巖碎屑,長石約占碎屑顆粒的40%,以斜長石為主,局部發(fā)生黏土化。巖石整體為顆粒支撐,局部可見雜基支撐,填隙物主要為泥質(zhì)和少量鐵質(zhì)膠結(jié)物,在碎屑顆粒之間不均勻分布。碎屑顆粒的分選性和磨圓度均較差,結(jié)合巖屑和長石成分的復雜性,反映了物源多樣性和近源快速堆積的特征。此外,在樣品SH-10中還觀察到重結(jié)晶的蟲筳化石(圖3(d))。

(a)～(c)巖屑雜砂巖中的巖屑及長石,正交偏光;(d)巖屑雜砂巖中的蟲筳化石,重結(jié)晶嚴重,單偏光;L-巖屑,Fsp-長石

2 分析測試方法

樣品SH-10的鋯石分選工作由河北省廊坊市廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院完成,碎屑鋯石的制靶和陰極發(fā)光(cathodoluminescence,CL)圖像拍攝均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成;樣品19STKM-1的鋯石分選、制靶和CL圖像拍攝均由廊坊市地巖礦物分選有限公司完成。樣品SH-10和19STKM-1的碎屑鋯石U-Pb測年和鋯石微量元素測試工作分別在西北大學大陸動力學國家重點實驗室和山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室完成,采用的方法均為激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法(laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry,LA-ICP-MS)。

西北大學大陸動力學國家重點實驗室的實驗儀器為搭載GeoLas 200M型激光剝蝕系統(tǒng)的Agilient 7500a型ICP-MS,測試過程中采用單點剝蝕,激光剝蝕頻率為6 Hz,束斑直徑32 μm,剝蝕物質(zhì)載氣為He,鋯石標樣采用91500和GJ-1,成分標樣采用人造硅酸鹽玻璃NIST SRM 610。利用Glitter 4.0軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理并計算同位素比值和元素含量。山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室的實驗儀器為搭載GeoLas HD型激光剝蝕系統(tǒng)的Agilient 7900 ICP-MS,原始數(shù)據(jù)的處理采用ICPMSDataCal 10.9軟件。

3 碎屑鋯石U-Pb年齡及稀土元素特征

3.1 碎屑鋯石特征和U-Pb年齡

2個樣品的碎屑鋯石特征一致,均為透明的黃粉色,呈自形至半自形的柱狀或斷柱狀;鋯石粒徑一般在50～150 μm,個別可達250～350 μm,長寬比介于1∶1～3∶1;CL圖像顯示,2個樣品中的鋯石普遍發(fā)育清晰的巖漿振蕩環(huán)帶(圖4)。

圖4 石頭口門地區(qū)巖屑雜砂巖代表性鋯石CL圖像

對樣品SH-10中的42顆鋯石進行U-Pb年齡分析,所獲42個測點結(jié)果均為諧和年齡(圖5(a)),其Th、U含量和Th/U比值分別為31×10-6～492×10-6、60×10-6～649×10-6和0.13～0.97。42顆鋯石的206Pb/238U年齡跨度較小,介于450～279 Ma,其中35顆鋯石的年齡在306～279 Ma之間連續(xù)分布,形成了285 Ma的主要年齡峰值,6顆鋯石的年齡分布在349～320 Ma,形成345 Ma的次要年齡峰值,另有1顆鋯石的年齡為450 Ma(圖5(b))。

(a)樣品SH-10碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖;(b)樣品19STKM-1碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖;(c)樣品SH-10碎屑鋯石U-Pb年齡概率密度圖;(d)樣品19STKM-1碎屑鋯石U-Pb年齡概率密度圖;(e)樣品SH-10碎屑鋯石球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖;(f)樣品19STKM-1碎屑鋯石球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖;球粒隕石數(shù)據(jù)引自文獻[7]

對樣品19STKM-1中的72顆鋯石進行U-Pb分析,所獲72個測點結(jié)果均為諧和年齡(圖5(d)),它們的Th、U含量和Th/U比值分別為19×10-6～485×10-6、47×10-6～1 031×10-6和0.32～1.50。72顆鋯石的206Pb/238U年齡介于480～276 Ma,其中69顆鋯石的年齡在306～279 Ma連續(xù)分布,形成了302 Ma的主要年齡峰值,剩余3顆鋯石的年齡分別為480、457和391 Ma(圖5(e))。

3.2 碎屑鋯石稀土元素特征

測試結(jié)果顯示,樣品SH-10和樣品19STKM-1中的碎屑鋯石具有相似的稀土元素特征,具有較高的稀土元素(rare earth element,REE)總量(237×10-6～2 724×10-6)和相對較低的Hf/Y比值(2.04～36.13)。在球粒隕石標準化稀土元素模式配分圖中,所有碎屑鋯石均表現(xiàn)出虧損輕稀土元素和富集重稀土元素的左傾型特征((Dy/Yb)N=0.07～0.29),并顯示出明顯的Ce正異常(Ce/Ce*=1.13～252.19)和Eu負異常(Eu/Eu*=0.03～0.75)(圖5(c)、圖5(f))。

4 討論

4.1 沉積時限約束

1978年,吉林省地質(zhì)局區(qū)調(diào)大隊開展長春市幅1∶20萬區(qū)調(diào)工作時,確認了研究區(qū)早二疊世地層的存在。1992年,長春地質(zhì)學校開展泉眼幅1∶5萬區(qū)調(diào)工作時,在石頭口門水庫西北岸晚古生代地層中首次發(fā)現(xiàn)的硅質(zhì)巖以及后續(xù)彭玉鯨發(fā)現(xiàn)的與細碧角斑巖組合共生的錳結(jié)核受到了地質(zhì)學界的廣泛關(guān)注[1]。遺憾的是,當時并未獲得具有時代意義的古生物化石和同位素依據(jù),僅通過區(qū)域地層對比將硅質(zhì)巖所屬地層劃歸范家屯組,其精確形成時代仍是一個懸而未決的問題。后來,鄭春子等[1]報道了該套地層灰?guī)r中鑒定出的晚石炭世威寧期蟲筳類化石,并主張將該地層新建為晚石炭世“石頭口門組”,定義為一套海底火山噴發(fā)沉積巖系。2001年,吉林省地質(zhì)調(diào)查院將該區(qū)域的地層劃歸為石炭紀余富屯組。

然而,近年來的同位素年代學數(shù)據(jù)表明,僅僅依靠有限的化石證據(jù)就將上述整套巖石地層單元視為某一時代的產(chǎn)物顯然低估了該地區(qū)的構(gòu)造復雜程度。例如,焦驥[2]對石頭口門水庫西北岸的蝕變玄武安山巖-蝕變玄武粗安巖進行了二次離子質(zhì)譜鋯石U-Pb定年,結(jié)果表明火山巖的形成時代為早石炭世(359～351 Ma);Shi等[3]在該套地層的一件流紋質(zhì)凝灰?guī)r樣品中獲得了276±3 Ma的火山作用年齡;宋晨[4]則利用“石頭口門組”沉積巖和流紋質(zhì)凝灰?guī)r樣品中的最年輕諧和鋯石年齡(分別為270和276 Ma)將沉積巖的沉積時代限定在早二疊世。這些新近報道的年齡數(shù)據(jù)說明石頭口門水庫西北岸這套火山沉積巖可能是一套不具有史密斯地層特征的構(gòu)造混雜巖。

本研究碎屑鋯石U-Pb年代學結(jié)果為進一步厘清石頭口門地層單元的年代學特征提供了新的證據(jù)。截止目前,地質(zhì)學家已提出了多種利用碎屑鋯石數(shù)據(jù)限定地層最大沉積年齡的方法,如最年輕的單顆粒鋯石年齡、最年輕的年齡峰值或加權(quán)平均年齡(至少3顆或6顆最年輕碎屑鋯石年齡)等[8]。就本次研究的2個樣品而言,利用最年輕年齡峰值來限定最大沉積年齡的方法顯然是不適用的,這是由于樣品19STKM中石炭紀碎屑鋯石的比例相對較高,導致其最年輕年齡峰值明顯老于樣品SH-10(圖5)。因此,本研究選擇利用最年輕單顆粒鋯石年齡和3顆最年輕碎屑鋯石的加權(quán)平均年齡兩種方法對沉積年齡進行制約。樣品SH-10和19STKM-1中最年輕的碎屑鋯石年齡分別為279±9 Ma(測點SH-10-3)和276±4 Ma(測點19STKM-1-12),2個樣品中3顆最年輕碎屑鋯石的加權(quán)平均年齡分別為280±7 Ma(MSWD=0.01)和279±6 Ma(MSWD=0.58)。采用上述兩種方法獲得的最大沉積年齡在誤差范圍內(nèi)一致,表明本次研究的長石巖屑雜砂巖的沉積時限不早于早二疊世,至少不早于276 Ma。這一結(jié)果與宋晨[4]報道的4個碎屑鋯石年齡以及Shi等[3]報道的火山巖年齡一致,上述證據(jù)表明出露在石頭口門水庫西北岸的晚古生代火山沉積巖系的主體應(yīng)形成于早二疊世。此外,該地區(qū)報道的早石炭世變質(zhì)火山巖也是不可忽視的重要組成部分,結(jié)合早期研究報道的晚石炭世含蟲筳類化石灰?guī)r,本研究認為前人劃分的“石頭口門組”應(yīng)是主體為早二疊世的火山沉積巖系和少量早石炭世以及晚石炭世等構(gòu)造巖片或巖塊以構(gòu)造接觸的方式混雜堆積而成。因此,該剖面不同位置地質(zhì)體的時代歸屬仍值得進一步研究。

4.2 物源分析

鋯石具有極強的耐磨和耐風化特性,是沉積巖中廣泛分布且最穩(wěn)定的礦物之一,利用碎屑鋯石的外形特征、年齡譜系特征和微量元素特征可以有效推測沉積巖的碎屑物質(zhì)來源[9]。本研究2個巖屑雜砂巖樣品中的碎屑鋯石自形程度好且磨圓度較差,顯示出近源沉積的特征,這一認識也與巖相學觀察結(jié)果一致:巖屑雜砂巖中的碎屑顆粒多為不規(guī)則的棱角-次棱角狀(圖3),磨圓度和分選性均較差;石頭口門剖面局部見含礫或角礫的層狀砂巖、粉砂巖或硅質(zhì)巖,其中礫石的磨圓度和分選性極差,棱角明顯[1]。上述證據(jù)均指示了快速近源堆積的特征。在CL圖像中,大多數(shù)碎屑鋯石具有清晰的韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu),結(jié)合高的Th/U比值(除1顆鋯石為0.13,其余均為0.32～1.50)以及具有明顯Ce正異常和Eu負異常的稀土配分模型,表明樣品中的碎屑鋯石大多為巖漿成因[10]。此外,在鋯石成因判別圖解中(圖6),本次研究的碎屑鋯石均落入陸殼成因鋯石和弧相關(guān)/造山帶區(qū)域內(nèi),表明碎屑巖物源主要為與弧或造山背景相關(guān)的陸殼巖石[11-12]。因此,石頭口門早二疊世巖屑雜砂巖碎屑物質(zhì)的可能來源以近源的與弧或造山作用相關(guān)的陸殼巖漿巖為主。

(a)Nb/Hf-Th/U鋯石成因判別圖;(b)Hf/Th-Th/Nb鋯石成因判別圖;(c)U/Yb-Hf鋯石成因判別圖;(d)U/Yb-Y鋯石成因判別圖;底圖引自文獻[11-12]

從碎屑鋯石年齡組成來看,石頭口門早二疊世巖屑雜砂巖的物源并不復雜,本研究2個樣品114顆碎屑鋯石的年齡全部為古生代:

1) 3顆鋯石的年齡為奧陶紀(480、457和450 Ma),1顆鋯石的年齡為中泥盆世(391 Ma)。前人研究表明,早古生代在華北板塊北緣曾存在一條近東西向延伸的巖漿弧帶,位于研究區(qū)附近的早古生代巖漿巖有晚寒武世—早志留世(486～444 Ma)張家屯變質(zhì)火成雜巖(斜長角閃巖-角閃輝長巖-變輝綠巖-石英閃長巖-英云閃長巖)[13-15]、晚寒武世—中奧陶世(492～460 Ma)頭道溝變質(zhì)火成雜巖(蛇紋石化橄欖巖-透閃石化輝石巖-變輝長巖-變輝綠巖-變輝綠玢巖-變閃長巖-斜長角閃巖-斜長陽起石巖-變玄武巖)[15-16]、中奧陶世(467 Ma)小綏河輝石安山巖[13]、晚奧陶世—晚志留世(446～420 Ma)西蟒仗巖體(石英閃長巖-英云閃長巖)[13,17]、早志留世慶豐火山巖(安山巖-流紋巖)[18]、伊通縣中—晚志留世(426～419 Ma)放牛溝火山巖和桃山組火山巖(變安山巖-流紋英安巖-流紋巖)[13,19]以及法庫地區(qū)晚奧陶世方家屯巖組火山巖和早志留世花崗閃長巖[20]。此外,華北板塊北緣加里東期巖漿巖與上覆西別河組之間存在區(qū)域上的角度不整合接觸,結(jié)合早泥盆世磨拉石沉積建造的存在,認為上述早古生代巖漿弧與華北板塊在晚志留世—中泥盆世發(fā)生碰撞,期間形成了一系列陸殼增厚型埃達克質(zhì)巖漿巖[21]。因此,推測石頭口門巖屑雜砂巖中少量的早古生代和中泥盆世碎屑鋯石來源于華北板塊北緣早古生代巖漿弧以及與晚志留世—中泥盆世弧-陸碰撞相關(guān)的巖漿巖。

2) 19顆鋯石的年齡為早石炭世(349～323 Ma)。研究區(qū)及周邊地區(qū)的早石炭世巖漿巖并不多見,目前僅在4個地區(qū)有零星的地質(zhì)體出露:焦驥[2]在研究區(qū)“石頭口門組”地層中識別出早石炭世(359～355 Ma)變玄武質(zhì)粗面安山巖和變粗面安山巖,同時在永吉縣附近原“南樓山組”地層中識別出了早石炭世(357 Ma)流紋質(zhì)凝灰?guī)r和流紋巖;Wang等[22]在長春市九臺區(qū)四愣山巖體中識別出了早石炭世堿性花崗巖;遼寧省北部昌圖縣下二臺鎮(zhèn)盤嶺一帶出露一套早石炭世變質(zhì)火山巖,其巖性主要包括角閃變粒巖、變玄武安山巖、變英安巖和變流紋巖,原巖形成年齡介于348～341 Ma[23-24]。上述結(jié)果表明,吉林省長春市周邊至遼寧省北部昌圖縣存在較為廣泛的早石炭世巖漿活動,該時期形成的巖漿巖是石頭口門巖屑雜砂巖中早石炭世碎屑鋯石的主要來源。

3) 91顆鋯石的年齡為晚石炭世—早二疊世(322～276 Ma)。近年來的研究表明,由于古亞洲洋板塊南向俯沖作用,華北板塊北緣在晚石炭世—早二疊世為活動大陸邊緣[5],并廣泛存在與上述俯沖作用相關(guān)的巖漿事件:遼寧北部法庫一帶出露一系列早二疊世(283～274 Ma)巖漿巖,如原“盤嶺組”火山巖、哈戶碩巖體和何屯巖體等[20,25];位于本研究區(qū)東側(cè)和東南側(cè)的樺甸至蛟河一帶發(fā)育一套早二疊世地層——大河深組,該地層中廣泛分布的火山巖具有石炭紀末—早二疊世(302～279 Ma)的形成年齡[26];位于本研究區(qū)西南側(cè)的伊通縣放牛溝一帶亦有早二疊世火山巖的相關(guān)報道[27-28];如前所述,Shi等[3]在石頭口門地區(qū)同樣報道了早二疊世(276 Ma)流紋質(zhì)凝灰?guī)r的存在。因此,推測石頭口門巖屑雜砂巖中322～276 Ma的碎屑鋯石來源于上述與古亞洲洋板塊南向俯沖相關(guān)的晚石炭世—早二疊世巖漿巖。

綜合上述分析,本研究認為石頭口門地區(qū)早二疊世沉積巖的碎屑物質(zhì)主要來自研究區(qū)附近的晚石炭世—早二疊世活動陸緣型巖漿巖,少量碎屑物質(zhì)來自近源的早石炭世巖漿巖,另有極少量碎屑物質(zhì)來自華北板塊北緣早古生代巖漿弧以及與晚志留世—中泥盆世弧-陸碰撞相關(guān)的巖漿巖(圖7)。需要注意的是,宋晨[4]在石頭口門早二疊世沉積巖中還發(fā)現(xiàn)4顆磨圓度相對較高的新太古代—中元古代鋯石,表明有極少量來自華北板塊前寒武紀變質(zhì)基底的碎屑物質(zhì)。

(a)石頭口門早二疊世碎屑巖,鋯石年齡數(shù)據(jù)來自文獻[4]和本研究數(shù)據(jù);(b)遼北-吉中地區(qū)寒武紀—早二疊世巖漿巖,鋯石年齡數(shù)據(jù)來自文獻[2-3,13-20,22-24,25-28]

4.3 沉積構(gòu)造背景分析

前已述及,針對石頭口門地區(qū)古生代地層的沉積構(gòu)造背景,已有不少學者開展了研究工作,并提出了不同觀點,主要包括大陸邊緣裂陷槽、開闊洋盆和弧后盆地等[29],但這些早期觀點的提出缺乏系統(tǒng)年代學格架的支撐。前人提出的所謂“石頭口門組”不具有典型意義上的地層屬性,將其視為同一時期的地質(zhì)產(chǎn)物進行沉積構(gòu)造背景分析顯然是不合適的。從現(xiàn)有研究成果來看,石頭口門地區(qū)的早石炭世變質(zhì)火山巖(早期認為的細碧角斑巖系)和晚石炭世含蟲筳類化石灰?guī)r均是規(guī)模極小且延伸有限的構(gòu)造巖塊或巖片,石頭口門剖面主要地質(zhì)體的沉積時代為早二疊世,本研究僅對早二疊世沉積巖系進行沉積構(gòu)造背景分析。

沉積盆地的構(gòu)造屬性主要受控于構(gòu)造變動,區(qū)域上的構(gòu)造演化必然導致沉積盆地的沉積作用變化。作為地質(zhì)事件的良好記錄載體,沉積巖中的碎屑鋯石是揭示物源變化、火山活動和古地理格局變遷的重要工具。前人研究發(fā)現(xiàn),不同構(gòu)造背景下的沉積盆地具有明顯不同的碎屑物質(zhì)來源,進而表現(xiàn)出具有明顯差異的碎屑鋯石年齡譜系特征:形成于匯聚型板塊邊緣的沉積巖往往富含大量與沉積時代接近的碎屑物質(zhì),表現(xiàn)出單峰的碎屑鋯石U-Pb年齡頻譜特征;形成于伸展或碰撞構(gòu)造背景下的沉積巖中往往含有更高比例的古老碎屑物質(zhì),表現(xiàn)出雙峰乃至多峰的碎屑鋯石U-Pb年齡頻譜特征[9]。而石頭口門巖屑雜砂巖的沉積年齡為早二疊世,在本研究樣品和前人研究的早二疊世碎屑沉積巖樣品中均含有大量的早二疊世碎屑鋯石以及與之時代相近的石炭紀碎屑鋯石[4],而相對古老的碎屑鋯石極為稀少,這表明與沉積作用同時期的巖漿活動頻繁,指示沉積構(gòu)造背景可能為活動大陸邊緣[9]。

蟲筳類通常生活在相對溫暖的海域,二疊紀早期西拉木倫-長春-延吉以北的海域因水溫較低主要發(fā)育北方生物群(如厚殼腕足類和小型單體珊瑚等冷水動物群),以南則因海水溫度適中主要發(fā)育特提斯型生物群(如特提斯型蟲筳和群體珊瑚等暖水動物群)[20],石頭口門早二疊世砂巖中蟲筳類化石的存在表明其沉積地點可能相對靠近華北板塊而非東北地塊群。少量新太古代—中元古代碎屑鋯石的存在進一步驗證了石頭口門早二疊世碎屑巖應(yīng)形成于華北板塊北緣。大量巖漿巖的證據(jù)表明華北板塊北緣在晚石炭世—二疊紀為活動大陸邊緣,受控于古亞洲洋板塊的南向俯沖[5],前文提及的早二疊世遼北法庫火山巖和吉林省中部大河深組火山巖均屬于鈣堿性安山巖-英安巖-流紋巖組合,與典型的活動大陸邊緣火山弧巖漿巖組合一致[25-26]。這些火山巖與伊通縣放牛溝地區(qū)的早二疊世火山巖以及法庫地區(qū)的同時代哈戶碩和何屯花崗質(zhì)巖體均表現(xiàn)出與俯沖作用相關(guān)巖漿巖類似的地球化學特征,進一步指示了活動大陸邊緣的構(gòu)造背景[20,28]。此外,本次識別出的早二疊世沉積巖與前述大河深組以及伊通地區(qū)含早二疊世火山巖地層(原石縫組)為一套含中酸性火山巖的陸源碎屑巖-碳酸鹽巖建造,亦符合活動大陸邊緣沉積環(huán)境的特征[28]。前人曾對研究區(qū)的硅質(zhì)巖進行地球化學分析,結(jié)果亦表明硅質(zhì)巖的形成環(huán)境與大陸邊緣具有親緣性[29]。從沉積特征講,石頭口門地區(qū)早二疊世沉積巖中發(fā)育重力滑塌構(gòu)造以及小型鮑馬序列,與濁積扇沉積序列特征類似,局部出現(xiàn)的逆粒序?qū)永怼⑸皫r透鏡體以及分選和磨圓較差的含礫砂巖同樣反映了高能的水動力條件。此外,該地層中蟲筳類化石、硅質(zhì)巖及錳結(jié)核的存在,可以確定其為海相沉積無疑。綜上分析,認為石頭口門早二疊世砂巖可能是華北板塊北緣海底扇沉積序列的組成部分,研究區(qū)內(nèi)蛇綠巖殘片和不同時代構(gòu)造巖片的存在表明,該砂巖所屬的沉積巖系在古亞洲洋閉合過程中作為基質(zhì)與一系列不同規(guī)模、成分和時代的巖塊共同構(gòu)成了蛇綠混雜巖。

5 結(jié)論

1) 碎屑鋯石U-Pb定年結(jié)果表明,長石巖屑雜砂巖的沉積時限至少不早于276 Ma,即早二疊世。

2) 物源分析表明,石頭口門長石巖屑雜砂巖的碎屑物質(zhì)主體來自吉林省中部地區(qū)的晚石炭世—早二疊世活動陸緣型巖漿巖,少量碎屑物質(zhì)來自研究區(qū)附近的早石炭世巖漿巖,另有極少量碎屑物質(zhì)來自華北板塊北緣早古生代巖漿弧、晚志留世—中泥盆世弧-陸碰撞相關(guān)的巖漿巖以及華北板塊前寒武紀變質(zhì)基底。

3) 石頭口門早二疊世長石巖屑雜砂巖應(yīng)是古亞洲洋板塊俯沖作用下華北板塊北緣海底扇沉積序列的組成部分,并在古亞洲洋閉合過程中成為蛇綠混雜巖的基質(zhì)。

本研究區(qū)巖屑雜砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡及微量元素組成數(shù)據(jù)可通過出版平臺下載獲取。