唐王陵礫巖的物源組成及其構(gòu)造古地理意義

唐王陵遺跡巖出露于鄂爾多斯盆地南緣。東連接陜西禮泉唐王陵，西經(jīng)永壽磨子溝至岐山洞涼山。它是一組巖石、蠟燭角礫巖和上部雜礫巖（狹義唐王嶺礫石巖）的主要聯(lián)合特征。其時代歸屬、沉積物源及構(gòu)造古地理環(huán)境一直存在較多爭議，很大程度上影響和制約著人們對鄂爾多斯地塊南緣及其相鄰北秦嶺地區(qū)晚前寒武紀或奧陶紀沉積構(gòu)造環(huán)境及其相關(guān)海相油氣地質(zhì)條件的認識。早期多數(shù)學者認為，唐王陵礫巖的沉積建造組合類似于鄂爾多斯地塊西南緣震旦系正目觀組或羅圈組，屬于前寒武紀晚期陸緣濱淺海冰磧礫巖或重力流沉積(1中下侏羅統(tǒng)沉積型鄂爾多斯(地塊)盆地南緣位于鄂爾多斯地塊穩(wěn)定區(qū)與(祁連-)北秦嶺活動造山帶之間(圖1a)，構(gòu)造隸屬于顯生宙以來卷入北秦嶺多旋回造山作用的華北克拉通(陸塊)南緣構(gòu)造帶之西段(已有研究表明，鄂爾多斯盆地南緣現(xiàn)今殘存出露的海相沉積巖系主要有中元古界長城系砂巖和薊縣系白云巖、新元古界震旦系羅圈組礫巖和下古生界寒武系及奧陶系碳酸鹽巖夾碎屑巖，并被上古生界二疊系下統(tǒng)的太原組或山西組濱海沼澤相含煤碎屑巖系以角度不整合關(guān)系覆蓋，其間普遍缺失志留系、泥盆系和石炭系。二疊系頂部平行不整合上覆的中生界三疊系至中下侏羅統(tǒng)則主要為內(nèi)陸河湖相(含煤)砂泥巖沉積層系，其上大多被下白堊統(tǒng)內(nèi)陸河湖相碎屑巖系以角度不整合關(guān)系覆蓋。奧陶系頂面和中下侏羅統(tǒng)頂面這兩個具有山前帶構(gòu)造變形性質(zhì)的不整合界面特征表明，鄂爾多斯盆地南緣顯生宙以來至少經(jīng)歷了與(祁連-)北秦嶺加里東晚期碰撞造山事件和燕山中期陸內(nèi)造山事件相關(guān)的山前帶沖斷構(gòu)造變形作用(唐王陵礫巖呈近東西走向的狹長帶狀、多期次逆沖抬升剝露于鄂爾多斯盆地南緣的渭北隆起中西段(圖1)，主體以未變質(zhì)或甚低級變質(zhì)沉積層系強、弱變形交疊的構(gòu)造逆沖斷塊形式(圖1a)，向南沿(窟山溝-)莊河溝斷層(ZHF)逆沖于弱變形的(東段)中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2樣品和測試測試2.1昭陵組上段砂巖巖粒砂巖zls鄂爾多斯盆地南緣渭北隆起中段唐王陵西側(cè)的柳樹溝剖面是唐王陵礫巖研究關(guān)注最多、各組段巖層出露較好的層型剖面。長期以來，唐王陵礫巖的時代歸屬雖然存在晚前寒武紀與奧陶紀之爭，但多數(shù)學者對其沉積建造組合及其典型巖性段或?qū)咏M劃分則基本一致?？睖y剖面中下部層段的莊河溝組和昭陵組下段泥頁巖軟弱層構(gòu)造變形較強，發(fā)育緊閉褶皺及軸面劈理;莊河溝組主要為灰綠色、深灰色頁巖或泥頁巖夾中薄層細粒石英砂巖;昭陵組下段以深灰色鈣質(zhì)泥頁巖夾中薄層細粒巖屑石英砂巖和大套泥質(zhì)支撐的副礫巖為主，礫石大小混雜、分選磨圓較差，其中的大型滑塌塊體或直徑大于5cm的“漂礫”主要為藻紋層白云巖和含燧石角礫或條帶的白云巖，直徑1～5cm者多為燧石和白云巖礫石，以及少量千枚巖、石英巖、花崗巖、片麻狀花崗巖或片麻巖礫石。昭陵組上段以正礫巖為主的強硬層構(gòu)造變形較弱，底部礫石大小混雜，向上則顯示出一定的分選粒序，砂質(zhì)雜基和礫石或顆粒支撐為主，礫徑3～16cm者居多，礫石成分以白云巖為主、燧石次之，石英巖、千枚巖和片麻狀花崗巖礫石含量接近8%～17%。三個組段5件砂巖樣品的薄片鑒定結(jié)果顯示，莊河溝組細粒石英砂巖樣品(ZHS)的碎屑顆粒多呈次圓-次棱角狀，主要以石英為主，約占80%，含少量微斜長石(8%)和白云母碎片(2%)，以及砂質(zhì)板巖、千枚巖和硅質(zhì)巖巖屑(2%～3%)。昭陵組下段細粒巖屑石英砂巖樣品(ZLS)的碎屑顆粒多呈次圓-次棱角狀，礦物顆粒主要以石英為主(45%～50%)，含少量鉀長石(3%);巖屑顆粒以硅質(zhì)巖為主(20%～25%)，含少量白云巖、大理巖、石英巖、千枚巖和(片麻狀)花崗巖巖屑(5%～6%)。昭陵組上段中粗粒巖屑砂巖樣品(TWS)的碎屑顆粒多呈次棱角-次圓狀，礦物顆粒以石英為主(20%～25%)，含少量微斜長石(5%);巖屑顆粒以大理巖、白云巖或結(jié)晶云灰?guī)r為主(30%)，硅質(zhì)巖次之(20%)，含少量砂質(zhì)板巖、千枚巖、變基性巖和片麻狀花崗巖巖屑(6%～9%)。2.2純鋯石顆粒的制備砂巖樣品的鋯石單礦物分選在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成，采用常規(guī)重液和電磁分選并結(jié)合雙目鏡下手工挑選的方法獲取每件樣品足量(>1000粒)的純凈鋯石顆粒。砂巖樣品的碎屑鋯石U-Pb定年和砂、泥巖樣品的全巖主、微量元素分析均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。2.2.1鋯石u-pb年齡測定將人工重砂分選出的鋯石顆粒隨機固定在透明的環(huán)氧樹脂表面制成樣品靶，并進行拋光處理，直至露出鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以適合LA-ICP-MS分析。之后對待測鋯石分別進行透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)拍照，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征并幫助選定最佳的鋯石測定部位。鋯石CL圖像在裝有MonoCL3+陰極發(fā)光探頭分析儀的Quanta400FEG電子顯微鏡下拍攝。鋯石原位微量元素分析和U-Pb定年在連接GeoLas200M型193nmArF準分子激光剝蝕系統(tǒng)的Agilent7500a型等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)上同時進行;激光采樣方式為單點剝蝕，激光束斑直徑一般為30μm，頻率為10Hz，剝蝕深度為20～30μm，詳細的儀器參數(shù)設置及分析技術(shù)見LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年的已有研究表明，年輕鋯石(<0.1Ga)的2.2.2全巖測試方法geopt全巖主量元素分析采用玻璃溶片法制樣和X射線熒光光譜法(XRFRigakuRIX2100)測定完成，分析過程中采用標準樣品GBW07105和BCR-2進行曲線校正，以便達到高精度的測試結(jié)果，滿足GeoPT全巖分析測試能力驗證的分析期望(3分析的結(jié)果3.1la-icp-ms鋯石u-pb定年將唐王陵礫巖莊河溝組細粒石英砂巖(ZHS)、昭陵組下段中細粒巖屑石英砂巖(ZLS-1、ZLS-2)和上段中粗粒巖屑雜砂巖(TWS-1、TWS-2)等樣品的碎屑鋯石，分別進行了碎屑鋯石的樣品制靶、陰極發(fā)光CL圖像分析(圖2)和LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年。鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)見表1、表2、表3。3.1.1鋯石cl圖像特征唐王陵礫巖三個組段共計5件砂巖樣品的碎屑鋯石均為顏色相對偏深的棕色，透明或半透明、長柱狀和次圓柱狀居多，粒徑多分布在15～200μm。陰極發(fā)光CL圖像顯示，絕大多數(shù)鋯石的外部和核部具有比較清楚的韻律成分環(huán)帶(圖2)，少數(shù)鋯石的CL發(fā)光性較差，無明顯的成分振蕩環(huán)帶，可能受到了后期熱液變質(zhì)作用的影響。樣品鋯石的Th、U含量及其Th/U比值變化較大，Th、U含量分別為0.80×103.1.2高頻煤粉粒徑結(jié)構(gòu)及年齡分布莊河溝組砂巖樣品(ZHS)的75顆碎屑鋯石U-Pb測年結(jié)果如表1所示，獲得了滿足諧和度要求的71個鋯石U-Pb年齡。測年數(shù)據(jù)分布在2955～820Ma范圍，主要集中分布在1935～1688Ma(n=23)、1650～1553Ma(n=11)、1487～1449Ma(n=5)、1397～1041Ma(n=22)和995～825Ma(n=8)等5個年齡區(qū)間，相應的峰值年齡分別為1869Maa、1586Ma、1311Ma、1112Ma和852Ma(圖4a)。其中，高頻主峰年齡顯著集中在古元古代晚期的1.87Ga左右，年輕的低頻峰值年齡接近新元古代青白口紀晚期的0.85Ga，最小單顆粒鋯石U-Pb年齡為820±17Ma。樣品測年數(shù)據(jù)明顯缺少太古代至古元古代早中期的峰值年齡記錄，僅包含2顆最古老的單顆粒鋯石，其3.1.3主值年齡區(qū)間昭陵組下段ZLS-1和ZLS-2砂巖樣品的165顆碎屑鋯石U-Pb測年結(jié)果如表2所示，共獲得滿足諧和度要求的164個鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)。測年數(shù)據(jù)介于2688～744Ma之間，主要包含2531～2274Ma(n=25)、1989～1618Ma(n=127)和890～744Ma(n=4)等3個主值年齡區(qū)間，相應的峰值年齡分別為2400Ma、1810Ma和810Ma(圖4b)。其中，高頻峰值年齡顯著集中在古元古代末期的1.81Ga左右，更古老的年齡組分由2.44Ga和2.31Ga兩個非常接近和近乎連續(xù)的低頻峰值年齡構(gòu)成;年輕年齡組分主要集中在新元古代晚期0.81Ga左右，最年輕的單顆粒鋯石U-Pb年齡為744±8Ma。與莊河溝組砂巖樣品的碎屑鋯石U-Pb測年結(jié)果相比，昭陵組下段砂巖樣品的碎屑鋯石年齡組分相對偏年輕一些，但中元古代晚期1.4～1.0Ga的碎屑鋯石組分明顯偏少。3.1.4昭陵組上段樣品的u-pb年齡分布昭陵組上段TWS-1和TWS-2砂巖樣品的172顆碎屑鋯石U-Pb測年結(jié)果如表3所示，共獲得滿足諧和度要求的161個鋯石U-Pb年齡。測年數(shù)據(jù)分布在2588～829Ma范圍，主要包含2588～2366Ma(n=16)、1930～1697Ma(n=102)和1185～1005Ma(n=10)等3個主值年齡區(qū)間，相應的峰值年齡分別為2457Ma、1803Ma和1098Ma(圖4c)。顯然，昭陵組上段與其下段樣品的碎屑鋯石U-Pb年齡分布特征基本相似，高頻峰值年齡都顯著集中在古元古代末期的1.8Ga左右;但昭陵組上段TWS樣品的低頻年輕年齡組分對應的峰值年齡(1098Ma)要比昭陵組下段ZLS樣品接近810Ma的峰值年齡相對偏大，最年輕的單顆粒鋯石U-Pb年齡接近829±11Ma，暗示昭陵組上段碎屑鋯石物源區(qū)的抬升剝露巖石地層單元相對偏老。3.2測試樣品及樣品唐王陵礫巖的砂泥巖地球化學分析樣品與砂巖鋯石U-Pb定年樣品的采樣層段及位置基本相同(砂巖)或相近(泥巖)，測試樣品主要包括莊河溝組石英砂巖樣品ZHS及其上覆泥頁巖樣品ZHN、昭陵組下段(副礫巖段)巖屑石英砂巖樣品ZLS-2及其下伏泥巖樣品ZLN，以及昭陵組上段(正礫巖段)巖屑砂巖樣品TWS-1和TWS-2。三個組段共計6件砂泥巖樣品的主、微量及稀土元素分析結(jié)果見表4。3.2.1主量元素含量唐王陵礫巖各組段砂巖樣品的SiO與砂巖相比，莊河溝組和昭陵組下段泥頁巖樣品(ZHN和ZLN)的主量元素含量則差別不大，均具有較高含量的SiO3.2.2微量元素地球化學唐王陵礫巖三個組段砂巖樣品的微量元素含量和稀土總量比較接近，但各組段樣品之間仍然存在部分差異，總體表現(xiàn)出中下部組段樣品(ZHS和ZLS)相對偏高、上部層段樣品(TWS)相對偏低的變化特點(表4)。這種規(guī)律性變化可能受到了上部正礫巖段砂巖樣品的硅質(zhì)巖和碳酸鹽巖巖屑含量相對偏高的影響，但也可能暗示碎屑巖沉積過程經(jīng)歷了水體逐漸變淺、環(huán)境漸趨動蕩的演變。一般認為，不活潑的微量元素(如Sc、V、Co、Ni、Zr、Nb、Hf、Th、La和Ce等)對于示蹤碎屑沉積物源環(huán)境較為適用(唐王陵礫巖中下部莊河溝組和昭陵組副礫巖段泥頁巖樣品的微量元素含量和稀土總量都比砂巖樣品相對偏高，顯示了海相泥頁巖微量元素相對富集的特點。已有研究表明，海相泥頁巖相對高豐度和高穩(wěn)定性的微量元素攜帶有更多的物源環(huán)境信息，即使沉積成巖過程中發(fā)生了部分遷移或分異，但元素之間的比值一般變化不大，因而對于示蹤盆地沉積環(huán)境具有較高的靈敏度。4碎屑鋯石u-pb年齡譜鋯石是沉積碎屑物中最為穩(wěn)定的礦物，碎屑鋯石U-Pb年齡譜及其最小年齡不僅可以示蹤沉積物源的碎屑物質(zhì)組成，限定鋯石宿主地層的最大沉積年齡(4.1中低頻宏觀年齡長期以來，唐王陵礫巖的時代歸屬問題一直存在新元古代晚期(震旦紀)和早古生代晚期(中晚奧陶世)兩種主要爭議。本次采自唐王陵礫巖三個組段的5件砂巖樣品基本未變質(zhì)，測試獲得的396個碎屑鋯石U-Pb年齡基本落在諧和線上，較為充分地代表了唐王陵礫巖沉積的碎屑鋯石組成(圖4d)。全部樣品與不同組段樣品的碎屑鋯石U-Pb年齡譜基本相似，顯示其高頻主峰年齡顯著集中在1.8Ga左右，相應的主值年齡區(qū)間集中在接近古、中元古代之交的2020～1618Ma(n=268);中低頻峰值年齡主要分布在太古代與古元古代之交的2531～2364Ma(n=25)、中新元古代之交的1230～940Ma(n=29)和新元古代中晚期的905～744Ma(n=10)。最年輕的年齡組分峰值為810Ma，其中包含820±17Ma、744±8Ma和829±11Ma等分別來自三個組段測試樣品的最小單顆粒鋯石U-Pb年齡，主體接近新元古代青白口紀與(南華-)震旦紀之間的分界年齡(近鄰區(qū)域，唐王陵礫巖與洛南羅圈組和賀蘭山正目觀組的震旦系礫巖或“冰磧巖”共同殘存出露于鄂爾多斯盆地西南緣的統(tǒng)一構(gòu)造地層單元(唐王陵礫巖與近鄰剖面的上奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M相比，雖然二者相互毗鄰出露在鄂爾多斯盆地南緣的渭北隆起中西段，但它們的碎屑鋯石U-Pb年齡譜卻存在較大差異。盆地南緣岐山交街剖面平?jīng)鼋M砂巖的碎屑鋯石U-Pb年齡(圖5c)顯著集中在477～443Ma(n=43)，主峰年齡接近454Ma(4.2巖石地層單元唐王陵礫巖沉積環(huán)境認識一直存在兩種不同觀點:陸緣海冰磧巖或重力流兼有“冰筏”沉積(唐王陵柳樹溝剖面地質(zhì)勘查和沉積巖相研究表明，唐王陵礫巖自下而上發(fā)育沉積建造特征明顯差異的三套巖石地層單元(圖1c)。下部頁巖段(莊和溝組)主要由相對穩(wěn)定的陸緣淺海相灰綠色、深灰色泥頁巖夾薄層泥灰?guī)r和細粒石英砂巖組成，中部白云巖段(皇坪組)主要由陸緣濱淺海潮坪相疊層石生物礁、礁前崩塌夾碎屑流沉積的燧石角礫白云巖組成，上部礫巖段(昭陵組)則為一套陸緣濱淺海復雜動蕩環(huán)境下重力流為主的沉積。其中，昭陵組下段主要為陸緣濱淺海水下泥石流堆積扇為主的副礫巖沉積，底部深灰色鈣質(zhì)泥頁巖中發(fā)育類似野復理石沉積的燧石條帶白云巖大型滑塌塊體(4.3沉積物起源與古代地理環(huán)境的結(jié)構(gòu)4.3.1唐王陵礫巖的古環(huán)境鄂爾多斯地塊所在的華北克拉通區(qū)域普遍存在鋯石U-Pb峰值年齡分別接近2.5Ga和1.85Ga的構(gòu)造巖漿熱變質(zhì)事件(圖7a)，以及華北南緣1.80～1.75Ga的熊耳群火山巖活動事件(唐王陵礫巖的碎屑鋯石U-Pb年齡譜存在1.8Ga的高頻主峰年齡，以及相對偏低頻的2.44Ga古老峰值年齡和1.09Ga、0.81Ga的年輕峰值年齡(圖7b)。鋯石U-Pb年齡譜的區(qū)域?qū)Ρ冉Y(jié)果(圖7)表明，唐王陵礫巖峰值年齡接近1.8Ga和2.44Ga的古老碎屑鋯石應該主要來自(華北)鄂爾多斯陸塊變質(zhì)結(jié)晶基底巖系，但其1.8Ga的主峰年齡略小于華北陸塊1.85Ga的峰值年齡，因而不排除部分來自華北南緣熊耳群1.80～1.75Ga火山巖和(或)北秦嶺(雜巖)地體峰值年齡接近1.6Ga的碎屑巖漿鋯石參與和影響;唐王陵礫巖峰值年齡接近0.81Ga的新元古代碎屑鋯石顯然應該主要來自祁連東段-北秦嶺的新元古代中酸性巖漿巖，露頭剖面和砂巖薄片觀察所見的(片麻狀)花崗巖和淺變質(zhì)基性巖礫石或巖屑等可為其例證。此外，唐王陵礫巖中還存在少量的峰值年齡接近1.09Ga的中元古代晚期碎屑鋯石，考慮到華北陸塊低頻峰值年齡接近1.2Ga的鋯石年齡組分主要見于距離研究區(qū)較遠的華北陸塊東北部邊緣(上述表明，鄂爾多斯地塊南緣唐王陵礫巖沉積具有來自華北(鄂爾多斯)陸塊與祁連-北秦嶺(雜巖)地體的雙向混合物源特征，說明新元古代晚期的唐王陵礫巖沉積地區(qū)并不存在分隔其南、北物源的深水海槽或洋盆，指示這一沉積期或之前較早時期的北秦嶺地體可能已經(jīng)拼貼并隸屬于(華北)鄂爾多斯陸塊南部拼合增生型大陸邊緣的重要組成部分，隨后演化形成了(華北)鄂爾多斯陸塊南緣新元古代晚期或震旦紀的被動大陸邊緣伸展斷陷或裂陷環(huán)境，并由此控制了唐王陵礫巖和包括其近鄰洛南羅圈組等在內(nèi)的陸緣斷陷濱淺海沉積。4.3.2雙向混合物源的地質(zhì)特征Rodinia大陸聚合事件的重要標志是峰期接近1.2～0.9Ga的格林威爾造山事件的全球性分布，以及新元古代900～700Ma逐漸開始的Rodinia大陸裂解過程及其相應的構(gòu)造巖漿活動(前述碎屑鋯石U-Pb年齡譜的區(qū)域?qū)Ρ冉Y(jié)果，顯示了鄂爾多斯地塊南緣新元古代晚期唐王陵礫巖沉積具有來自華北與北秦嶺的雙向混合物源特征，表明這一沉積期或其開始沉積之前已經(jīng)不存在分隔(華北)鄂爾多斯陸塊與北秦嶺地體的洋盆。唐王陵礫巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜記錄了來自祁連東段-北秦嶺物源區(qū)峰值年齡接近1.09Ga和0.81Ga的構(gòu)造巖漿活動事件(圖7)，前者與格林威爾造山事件的峰期年齡基本一致，并大致逼近北秦嶺S型花崗巖979～911Ma的峰期年齡(5唐王陵礫巖的地球化學特征(1)唐王陵礫巖夾層砂巖的碎屑鋯