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论文重读 物源分析中再旋回锆石的几点思考

发布日期: 2021-12-31 阅读次数:
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徐杰

中国地质大学(北京)海洋学院

 

锆石是碎屑岩中常见的一种副矿物,在较强的风化和搬运条件下仍然能稳定的保存着最初的物源信息,因此锆石是物源分析的理想研究对象(徐杰和姜在兴,2019)。21世纪以来,碎屑锆石U-Pb 同位素年龄已被广泛的应用于分析各个时代的沉积盆地物源(例如Dickinson and Gehrels, 2009;Blum and Pecha, 2014;Gehrels,2014)。在《沉积之声》中也有多期相关报道,例如 “Are we done with detrital zircons?(杨江海,2019,沉积之声)”;“横跨大陆的碎屑物质搬运与沉积作用:西藏东南部郎杰学群研究实例”(孟中玙和王建刚,2020,沉积之声);碎屑单矿物多法定年重建长江晚新生代贯通过程(邓宾,2020,沉积之声)等。诸多珠玉在前,本文仅重点关注再旋碎屑锆石对沉积物源分析的影响及识别技术。 

1. 什么是锆石的再旋回?

碎屑锆石U/Pb年龄数据(或称为年龄谱)可以根据各个年龄峰的分布与潜在源区进行对比,并结合区域地质资料来判断碎屑物质的潜在源区和搬运路径(图1)。对于这种分析方法其中一个重要的假设是所有的碎屑锆石均直接来自先前产生锆石的岩浆岩或变质岩体。

图1 锆石U/Pb测年恢复古物源方法示意图。图中沉积盆地的碎屑锆石U-Pb年龄分布,可与潜在物源区的结晶基底年龄进行对比, 从而确定物源区,该图修改引自Romans等(2016)。

 

然而,由于锆石抗物理和化学风化能力极强,可以被反复埋藏、剥蚀,导致碎屑锆石可能来自于早期的沉积岩,而不是源自其年龄数据所指示的结晶基底。这些来自沉积岩中的碎屑锆石发生再剥蚀,沉积到研究的盆地中就被称为碎屑锆石的“再旋回”。单纯通过锆石年龄谱无法准确地区分再旋回的锆石和直接来自结晶基底的锆石,从而影响我们对物源区的甄别(Thomas et al., 2004; Lawton, 2014;郭佩, 2017)。因此在进行碎屑锆石物源分析时,碎屑锆石的再旋回是不得不考虑的一个重要因素(Campbell et al., 2005; Reiners et al., 2005; Saylor et al., 2012; Xu et al., 2017)。美国地质学家Thomas (2011)说过一句很有哲理的话“For provenance studies, the good news is once in the system, zircons stay in the system; and the bad news is once in the system, zircons stay in the system.”,即在物源研究中,一旦锆石进入沉积物的搬运系统之中,其强抗风化能力可以使得锆石一直保留原始的信号,但是缺点就是,一旦锆石进入系统,它将一直存在。 

2. 再旋回碎屑锆石的研究实例

美国著名地质学者Dickinson et al.(2009)在分析美国亚利桑那州下白垩统Bisbee Group河流相石英砂岩时,发现碎屑锆石年龄谱与科罗拉多高原东部中-上侏罗统San Rafael群的风成石英砂岩的碎屑锆石年龄谱几乎一致,综合区域的构造背景,认为下白垩统的直接物源可能为北部隆起裂谷两侧出露的侏罗系风成石英砂岩(图2)。

图2 据Dickinson et al. (2009) 修改

 

此外,Lawton等(2010)在对美国西部犹他州Cordilleran前陆盆地的下白垩统的碎屑锆石研究发现,该地区盆地内部的碎屑矿物基本都是同造山期周缘的沉积岩母岩风化剥蚀的产物。他们将下白垩统从下至上分出三个单元Chronofacies A, B 和C,其中底部Neocomian顶部–Aptian底部 的Chronofacies A沉积物源为逆冲推覆带上盘的晚石炭世到侏罗纪的沉积地层,中部Aptian–Albian的Chronofacies B沉积物源为早古生代沉积岩,而顶部Albian–Cenomanian下部的Chronofacies C单元的沉积物源为新元古代到寒武纪的沉积岩(图3)。

图3 Cordilleran前陆盆地下白垩统碎屑物源示意图,据Lawton et al. (2010)。该解释基于前陆盆地前渊沉积岩的碎屑锆石数据和逆冲推覆带的碎屑锆石年龄对比所得。

 

以上两个实例都表明,再旋回的锆石在沉积岩中非常普遍,简单的将锆石年龄谱与周缘的造山带基底岩石进行对比会忽略沉积岩对沉积物源的贡献。基于目前越来越多的碎屑锆石的研究和相关数据的发表,对于一个盆地内的碎屑锆石物源,如果能同时获得周缘隆起区的基岩的结晶年龄以及周缘潜在源区的沉积岩的碎屑锆石年龄数据,进行对比分析,综合区域的地质资料(例如构造演化史、古水流测量等),可以有效的帮助识别哪些是再旋回锆石,哪些是直接来自基岩。 

3. 锆石的U-Pb和(U-Th)/He双定年

单锆石U-Pb和(U-Th)/He双定年技术,顾名思义即对同一颗碎屑锆石获取U-Pb和(U-Th)/He年龄,从而达到双重的年龄约束(图4),对于该方法的具体介绍可以详见Reiners et al. (2005)。一些古老的造山带往往遭受了多期的构造运动和剥露历史,而在碎屑锆石的年龄分布中无法识别出阶段剥露信息,导致难以区分来自沉积岩(多期旋回)或基底(单旋回)的锆石。而单锆石U-Pb和(U-Th)/He双测年技术可以对此进一步甄别,因为该技术可以同时获取同一颗锆石的剥露年龄(即(U-Th)/He年龄)和结晶年龄(U-Pb年龄)。结合锆石的剥露年龄和沉积年龄,可计算源区-沉积区之间的滞留时间,L=tc-td. 其中tc是该锆石记录的冷却/剥蚀年龄,td是该锆石的沉积年龄。如果锆石的(U-Th)/He年龄与该样品所在的地层沉积年龄接近(即Lag time ≈0),则表明从源区剥蚀开始到进入沉积区堆积的时间间隔很短,基本可以确定为单旋回锆石。而当锆石的(U-Th)/He年龄与该样品所在的地层沉积年龄相差较大,即L= tc-td ≫ 0(例如数十百万年;具体情况需视研究区构造演化史而定),则可能指示该锆石于古老造山期(构造活动时期远老于沉积地层年龄)剥蚀,然后被埋藏,最终再次剥蚀进入现今研究的沉积地层。此外如果锆石的(U-Th)/He年龄与U-Pb年龄接近,则可基本判断是直接源火山岩(图4)。 

图4 碎屑锆石U/Pb和(U-Th)/He双测年技术分析物源原理示意图(引自Reiners et al., 2005)。

 

Rahl et al.(2003)在Geology杂志上发表了第一篇有关单颗粒碎屑锆石U/Pb和(U-Th)/He双测年技术应用于物源分析的文章。Rahl et al.(2003)通过对美国西部犹他州的侏罗系Navajo 砂岩分析发现,该砂岩中的大量碎屑锆石表现为Grenville造山期的结晶年龄(U/Pb年龄: 1300-950 Ma)和Appalachian造山期的冷却剥蚀年龄((U-Th)/He年龄: 500-300Ma)。该年龄组合强烈的指向了物源区来自于美国东部的Appalachian山脉(图5)。这是因为美国东部的Appalachian山脉的很大一部分基底即是Grenville时期形成的结晶基底,并在500-300 Ma Appalachian-Ouachita造山期间遭受构造隆起。该研究通过较少的数据量得出在Appalachian-Ouachita造山期之后,存在贯穿美国的自东向西的大型古水系。Xu et al.(2017)采用相同方法对墨西哥湾中新统地层进行物源分析, 发现存在源自Grenville造山期的锆石具有4种不同的U/Pb和(U-Th)/He年龄组合,代表了4种不同的源区(图6),而仅仅使用U-Pb数据只能识别出一种源区且存在误判的可能。根据碎屑锆石(U-Th)/He所反映的剥蚀年龄的不同, 可以分辨出经过多期沉积-搬运-再旋回的碎屑锆石和受最近一次造山运动遭受剥蚀进入沉积物搬运体系中的碎屑锆石。例如在墨西哥湾西部,中新统地层内发现存在大量碎屑锆石表现为Grenville造山期的结晶年龄(U/Pb年龄: 1300-950Ma)和Appalachian造山期的冷却剥蚀年龄((U-Th)/He年龄: 500-300Ma)。由于古新世以来密西西比河已经存在,这些最初源自Appalachian造山带的Grenville 年龄的碎屑锆石不可能跨过密西西比河进入墨西哥湾西部。更合理的锆石搬运历史解释是(1)在三叠纪-早白垩世期间从美国东部的Appalachian造山带搬运至美国西部科罗拉多高原一带(首次搬运),(2)并在此停留100-300Ma (中途存储);(3)在早中新世时期再次剥蚀从而最终沉积在墨西哥湾西部。

 

图5 美国犹他州的侏罗系Navajo 砂岩U/Pb和(U-Th)/He测年数据及其物源解释。该图引自Rahl et al. (2003)

 

图6 北美大陆古水系重建图, 修改自(Rahl et al. 2003; Xu et al., 2017)。

红色虚线部分代表晚古生代-早白垩世期间的古水系, 其特点是既具有记录来自新元古Grenville基底的碎屑锆石U/Pb年龄(1300-950Ma), 又具有记录古生代Appalachian构造剥蚀事件的(U-Th)/He年龄(500-300Ma), 强烈指示物源来自东部。实线部分代表墨西哥湾中新统样品中四种不同的碎屑锆石U/Pb和(U-Th)/He年龄组合, 分别代表不同的物源体系。

4. 结语

  除了上述的大量锆石数据的分析对比以外,另外有部分学者采用锆石的形态学特征(例如宋鹰等, 2018),或者对单颗碎屑锆石采用U/Pb测年和氧同位素, U/Pb测年和微量元素, 以及U/Pb测年和Hf同位素相结合的方法(Hawkesworth and Kemp, 2006; Iizuka et al., 2012; Gehrels and Pecha, 2014; Howard et al., 2015; Wang et al., 2015; Marsh and Stockli, 2015)来提供多重信息分析物源体系及源区的构造演化。锆石的再旋回问题目前仍然是碎屑锆石应用于沉积盆地物源分析中的一个挑战,上文中提到的诸多方法可以在一定程度上对再旋回锆石进行识别,提高最终分析结果的精确度,但也不能完全识别出锆石的完整的再旋回的历程。期待未来更多的数据资料和新方法手段的进步可以更好的解决这一问题。

 

本文第一作者系中国地质大学(北京)海洋学院副教授。本文属作者认识,相关问题交流可通过邮箱jiexu@cugb.edu.cn与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。


主要参考文献

[1]  宋鹰, 钱禛钰, 张俊霞, 等. 2018. 碎屑锆石形态学分类体系及其在物源分析中的应用: 以松辽盆地松科一井为例. 地球科学, 43(6): 1997-2006.

[2]  徐杰,姜在兴. 2019. 碎屑岩物源研究进展与展望. 古地理学报, 21(3): 379-396.

[3]  Blum, M., Pecha, M.E., 2014. Mid-Cretaceous to Paleocene North American drainage reorganization from detrital zircons. Geology, 42: 607-610.

[4]  Campbell, I.H., Reiners, P.W., Allen, C.M., Nicolescu, S., and Upadhyay, R., 2005, He-Pb double dating of detrital zircons from the Ganges and Indus Rivers: Implications for sediment recycling and provenance studies: Earth and Planetary Science Letters, 237: 402-432.

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[6]  Dickinson, W.R., Gehrels, G.E., 2009. U–Pb ages of detrital zircons in Jurassic eolian and associated sandstones of the Colorado Plateau: evidence for transcontinental dispersal and intraregional recycling of sediment. Geol. Soc. Am. Bull., 121: 408–433.

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[10] Rahl, J.M., Reiners, P.W., Campbell, I.H., Nicolescu, S., Allen, C.M., 2003. Combined single-grain (U–Th)/He and U/Pb dating of detrital zircons from the Navajo Sandstone, Utah. Geology, 31: 761-764.

[11] Reiners, P.W., Campbell, I.H., Nicolescu, S., Allen, C.M., Hourigan, J.K., Garver, J.I., Mat-tinson, J.M., Cowan, D.S., 2005. (U–Th)/(He–Pb) double dating of detrital zircons. Am. J. Sci., 305 (4), 259-311.

[12] Romans, B.W., Castelltort, S., Covault, J.A., Fildani, A., Walsh, J.P., 2016. Environmental signal propagation in sedimentary systems across timescales: Earth-Sci. Rev., 153: 7-29.

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[14] Thomas, W.A., 2011. Detrital-zircon geochronology and sedimentary provenance: Lithosphere, 3(4): 304-308.

[15] Wang, C., Liang, X., Xie, Y., Tong, C., Pei, J., Zhou, Y., Jiang, Y., Fu, J., Wen, S., 2015. Late Miocene provenance change on the eastern margin of the Yinggehai-Song Hong Basin, South China Sea: evidence from U–Pb dating and Hf isotope analyses of detrital zircons. Marine and Petroleum Geology, 61: 123-139.

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