山东济南下寒武统朱砂洞组软沉积变形中燧石的Sm-Nd年龄测定及其意义
田洪水, 吕明英, 张邦花, 桑忠喜
山东建筑大学土木工程学院,山东济南 250101

第一作者简介 田洪水,男,1956年生,教授,从事地质学、土力学与地震事件研究。E-mail: tianhongshui@126.com

摘要

在济南南部下寒武统朱砂洞组丁家庄段硅质白云岩中,发育地震引起的硅质触变脉、硅质触变沉陷构造和触变楔等软沉积变形构造。从同一地震触变沉陷构造中,采得一组灰黑色燧石样品。使用英国 VG354同位素质谱仪和同位素质谱分析方法,测得每个样品的 147Sm/144Nd 143Nd/144Nd 同位素值。采用 Sm-Nd 等时线法,对燧石进行了测年。获得燧石的成岩年龄为 530.8±6.1 Ma,由于软燧石(硅胶体)成岩至少经历了 0.1 Ma的时间,所以,地震沉积事件发生在 530.7±6.1 Ma,属早寒武世早期。由于测年结果与沧浪铺阶的下界年龄接近,山东朱砂洞组丁家庄段无化石且河南省标准地层剖面中的整个朱砂洞组属沧浪铺阶,这暗示济南地区朱砂洞组丁家庄段属沧浪铺阶。本次测年得到了鲁西地区第 1个下寒武统的同位素年龄值,这对确定该地区早寒武世地震沉积事件发生的时间具有参考价值和意义,也为深入研究鲁西地区寒武纪地层提供了新资料。

关键词: 燧石; Sm-Nd 同位素; 朱砂洞组; 地震沉积事件; 济南
中图分类号:P597.3 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)01-0045-06
Sm-Nd age dating and its significance of chert in soft sediment deformation structures from the Lower Cambrian Zhushadong Formation,Jinan of Shandong Province
Tian Hongshui, Lü Mingying, Zhang Banghua, Sang Zhongxi
School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,Shandong

About the first author Tian Hongshui,born in 1956,is a professor in Shandong Jianzhu University. Now he is mainly engaged in geology and seismic events. E-mail: tianhongshui@126.com.

Abstract

In southern Jinan area,some soft sediment deformation structures triggered by earthquake developed in siliceous dolostone layers of the Dingjiazhuang Member of the Lower Cambrian Zhushadong Formation,such as siliceous thixotropic veins,siliceous thixotropic subsidence and wedge, etc. A set of gray black cherts were sampled from the same soft-siliceous subsidence structure. Using the VG354 isotopic mass spectrometer(made in Britain)and the method of isotope mass spectrometry, the147Sm/144Nd and143Nd/144Nd isotope ratios of each samples were measured. By means of the Sm-Nd isochron,the cherts have been dating. The diagenetic ages of the 530.8±6.1 Ma were obtained for the set of gray black cherts,belonging to the early stage of the Early Cambrian. As the minimum time for a soft flint (colloidal silica) to form a lithified rock is 0.1 Ma, it can be inferred that the seismic sedimentary events occurred at 530.7±6.1 Ma. Since the dating result is close to the lower bound age of the Canglangpuan Stage,and there is exists no fossil in the Dingjiazhuang Member of the Zhushadong Formation of Shandong Province,and the whole Zhushadong Formation belongs to the Canglangpuan Stage in the key profile of the Zhushadong Formation of Henan Province. So it is implied that the Dingjiazhuang Member of the Zhushadong Formation belongs to the Canglangpuan Stage. Through dating,the first isotopic age of the Lower Cambrian of the western Shandong is got,which is possessed of some reference value and significance to define the time of seismic depositional events in the Early Cambrian,and also provides a new datum for the further study of the Cambrian strata in the area.

Key words: chert; Sm-Nd isotopes; Zhushadong Formation; seismic sedimentary event; Jinan

尽管因缺乏合适的测年对象, 沉积岩的同位素定年是个世界性的难题(陈文等, 2011); 然而, 从发育震积岩的地层中选择适宜测年的火山岩夹层及其他岩石, 通过同位素测年来确定地震沉积事件发生的时间仍是必不可少的方法。本文是采用同位素定年来确定沂沭断裂带近区地震沉积事件发生时间的具体成果之一。鉴于杨杰东等(2004)选择淮南群四顶山组的燧石作为测定对象, 应用Sm-Nd 等时线法进行定年, 取得了符合实际的硅质岩成岩年龄值, 并证明此法可靠, 因此, 笔者从济南南部山区下寒武统朱砂洞组的地震触变变形构造中, 采集了燧石样品, 送南京大学现代分析中心, 采用Sm-Nd等时线法, 测得了地震触变硅质岩的成岩年龄, 为深入研究鲁西地区寒武系提供了定量资料。

1 地震沉积事件研究回顾及样品采集与初步处理
1.1 研究回顾

早寒武世初, 受沂沭断裂带及其近区强地震活动的影响, 在该断裂带以西约200 km范围内的滨浅海、潟湖及陆表海沉积物中形成了各种各样的地震沉积构造(震积岩)(表 1), 它们不仅是那时地震事件的记录, 也是沂沭断裂带构造活动的响应(田洪水等, 2003, 2011; 张邦花等, 2012; Tian et al., 2013)。包括济南南部山区(图 1)在内, 鲁西地区下寒武统朱砂洞组中硅质条带或团块白云岩中的燧石是同生期生物化学成因的软沉积物(狄明信等, 1996; 田洪水等, 2011); 这种软沉积物被称为软燧石, 深井中可见到十分柔软的燧石, 其最初的化学成分是含水的二氧化硅(硅胶体, SiO2· nH2O), 软燧石经脱水形成玉髓和石英, 这一过程至少在10万年以上(刘宝珺, 1980)。在显微镜下观测济南的硅质岩脉主要由玉髓和微粒石英组成(图 2-D)。早寒武世朱砂洞组中的呈柔软状态软燧石(硅胶体)受强地震触动发生触变, 其结构被破坏, 黏度变小, 流塑性增强, 并被挤入围岩的震裂隙而形成软硅质触变脉(图 2-A, 2-D); 软硅质层在竖向地震应力作用下, 被断开后, 又沉入液化的碳酸盐沉积层中, 从而形成了软硅质触变沉陷构造(图 2-B, 2-E); 沉陷构造中软硅质层在较深处汇聚从而形成触变楔(图 2-C); 这些硅质触变变形构造还与同沉积微断裂(粒序断层; 图2-E, 2-F , 2-Ⅰ )、布丁构造(图 2-F, 2-H)及蘑菇状底劈(图 2-G)等地震沉积构造共生, 充分证明朱砂洞组是一个地震沉积事件层(田洪水等, 2011; 张邦花等, 2012; Tian et al., 2013)。有关软沉积物的触变变形, 乔秀夫等(2013)在冯增昭主编的《中国沉积岩》中列入原地或准原地震积岩类型, 并对其地震触动与形成机理做了简要论述。

表1 沂沭断裂带西侧(约200 km)发育地震沉积变形构造的下— 中寒武统地层划分对比 Table1 Division and correlation for the Lower-Middle Cambrian strata developed seismic sedimentary deformation structures in west side of Yishu Fault Zone(c.a. 200 km)

图1 济南南部地质略图及取样地点Fig.1 Geological sketch of southern Jinan area and sampling site

图2 济南南部朱砂洞组地震触变硅质变形的部分典型照片及取样位置Fig.2 Some typical photos for seismic thixotropic silica deformations of the Zhushadong Formation and sampling locations in southern Jinan area

1.2 样品的采集与初步处理

样品采集地点位于济南市张夏镇青杨东山, GPS坐标为:N36° 30'15.49″, E117° 09'15.07″; 高程为252 m(图 1); 其地形为高0.5~1.5 m的陡坎。岩层倾向35° , 倾角4° ~5° 。陡坎出露朱砂洞组丁家庄段底部的含燧石夹层的厚层白云岩, 单层燧石厚度为6~12 cm。沿走向追索, 燧石夹层被许多沉陷构造、触变楔及同沉积断层断开, 但总体上断续延伸。陡坎之下出露李官组砂岩夹泥云岩, 其厚度3.8 m。据山东省地质矿产局(1991, 1996), 朱砂洞组丁家庄段为无化石的哑地层, 在无测年数据前提下, 推测属龙王庙阶。

采样位置距李官组顶界仅1.2 m。选择陡坎高度较小处的触变沉陷构造(图 2-E), 并从其下弯部位, 用取样钎凿入燧石层约10 cm, 以获取未风化且封闭的燧石。燧石风化面呈灰褐色, 从燧石层内部凿下来的燧石呈灰黑色且半透明。挑选同源燧石较大的10块, 每块质量约150g, 装入样袋中, 分别编号, 从而获得了1组封闭的同源样品。送样前, 用纯净水清洗样块, 然后晒干。将这组样品磨细至200目。将磨细的10个样, 送南京大学现代分析中心, 测定Sm-Nd元素含量及相关同位素比值, 并进行同位素定年。

2 同位素分析与结果

检测设备为英国VG354同位素质谱仪, 检测依据为表面热电离同位素质谱方法通则与分析方法通则(JY/T004-1996)。将10个200目粉末状样品, 用混合酸溶解, 取清液上交换柱进行Sm-Nd分离纯化, 同位素含量及同位素比值均分开测定。有关本实验分析方法(含仪器, 分析流程, 本底等)见王银喜等(2007)Wang 等(2007)文献。分析检测结果见表2

表2 济南南部朱砂洞组燧石Sm-Nd同位素含量及比值分析结果 Table2 Analysis results for content and ratios of Sm-Nd isotopes from cherts in the Zhushadong Formation, southern Jinan area

表2中10个样品测试结果, 求得平均标准权重偏差MSWD=301(该值通常情况下小于10即认为可用, 小于2.5时即认为准确度较好), 线性度为0; 显然, 据此求得的等时线拟合程度极差, 其几率为零。当去掉离散度较大的3号和7号样的测试结果时, 求得MSWD=1.7(小于2.5), 线性度为0.11, 得到了拟合程度较好的Sm-Nd等时线(图 3)。年龄计算采用国际通用的ISOPLOT等时线法, 求得年龄值为530.8± 6.1 Ma, 对应的地质时代为早寒武世早期, 并与地震沉积事件发生的时间相近。

图3 济南南部朱砂洞组燧石Sm-Nd等时线Fig.3 Sm-Nd isochron of cherts from the Zhushadong Formation, southern Jinan area

3 讨论和意义

虽然济南地区乃至鲁西地区的寒武纪地层界线、化石带及沉积环境方面研究程度高且历史悠久, 但一直无公开发表的沉积岩同位素定年的成果资料。本次同位素年龄测定从采样到实验的全过程, 严格执行了有关技术操作规定和方法通则, 因此, 所获得同位素含量、比值参数的误差极小, 可信度较高。结合前述有关研究成果, 大致反映了在鲁西地区下寒武统朱砂洞组软硅质沉积物成岩和地震事件发生的时间。

由于山东临沂地区朱砂洞组的下灰岩段和李官组属沧浪铺阶, 而且是鲁西最老的寒武纪“ 阶” 级地层(山东省地质矿产局1991, 1996); 裴放等(2009)在河南平顶山市朱砂洞组标准剖面的顶层灰岩中, 采到了Redlichia sp., Redlichia, noetlingi, Redlichia meitaneois Lu 等属于沧浪铺阶的化石, 他们已把整个朱砂洞组划归为沧浪铺阶; 因此, 本次测年数据暗示朱砂洞丁家庄段硅质岩属寒武系沧浪铺阶(表 1), 即国际地层表中的第三阶(国际地层委员会, 2013)。鉴于郯庐断裂带北段东侧辽宁沧浪铺阶大林子组形成于520 Ma左右(乔秀夫等, 2001), 张邦花等(2012)认为济南地区朱砂洞丁家庄段中的古地震记录形成于520~525 Ma, 与辽宁大林子组中的古地震记录均是郯庐断裂带附近同一地震活跃期的产物。因此, 上述推定基本合理。显然, 济南地区下寒武统朱砂洞丁家庄段下伏的由砂岩、粉砂岩及云泥岩组成李官组也隶属于沧浪铺阶(表 1)。

本次对朱砂洞组地震触变软沉积变形构造中的燧石Sm-Nd年龄测定, 获得了鲁西地区第1个下寒武统沉积岩(震积岩)同位素年龄。由于在该地区发育地震记录的朱砂洞组丁家庄段中至今尚未发现化石, 所以, 这对确定早寒武世初期的地震沉积事件发生的具体时间具有参考价值和意义, 也为深入研究鲁西地区寒武纪地层提供了新资料。

致谢 Sm-Nd元素含量、同位素比值及年龄测定的所有工作由南京大学王银喜和李惠民教授完成; 本文完成后, 并请他们审阅。本文修改过程中, 得到了中国地质科学院万渝生研究员的帮助。山东省地质科学院张增奇研究员针对本次测年的意义与作者一起进行了讨论。谨此致谢!

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