本次研究将置信度不小于90%的锆石年龄数据视为有效数据。通过对这3个砂岩样品进行锆石U-Pb年龄测定, 共获得了298个有效年龄数据(表 1)。从图 2中可以看出, 锆石点几乎都落在谐和曲线上或靠近谐和曲线, 这表明锆石几乎都没有明显的铅丢失即没有遭到明显的后期热事件改造。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石样品位置、岩性及最小沉积年龄(YSG) Table 1 Locations, petrology and YSG ages of detrital zircons from the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province 编号 地层 岩性 位置 GPS定位 有效点数 YSG/Ma QW101 五通组 粉砂岩 宿松坐山 N30° 10'08.44″; E116° 13'24.64″ 104 431.6 QW84 茅山组 细砂岩 N30° 09'59.57″; E116° 12'53.37″ 84 425.1 QW78 坟头组 细砂岩 N30° 10'04.21″; E116° 13'02.33″ 110 445.6

表 1 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石样品位置、岩性及最小沉积年龄(YSG) Table 1 Locations, petrology and YSG ages of detrital zircons from the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province

图 2

Fig.2

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	图 2 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石U-Pb年龄谐和图Fig.2 U-Pb concordia plot of detrital zircons age from the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province

本次研究所选五通组样品共1个, 为样品QW101, 共获得104个有效年龄数据, 分布在324.6~2513.9 Ma范围内(图3-a), 主要分布在4个年龄组中, 分别为431.6~550.5 Ma、758.5~1083.3 Ma、1621.3~1800.0 Ma和2073.1~2513.9 Ma。这4个年龄组分别占有效年龄总数的8.7%、53.8%、12.5%和10.6%。最高峰值年龄为972.8 Ma, 有2个次要峰值年龄: 872 Ma、801.6 Ma。

本次研究所选志留系样品共计2个, 分别为: 茅山组QW84以及坟头组QW78。茅山组样品QW84具有84个有效年龄数据, 分布在413.5~2694.4 Ma之间(图 3-b), 集中分布于425.1~463.9 Ma、672.0~1044.1 Ma、1233~1492.3 Ma和2347.2~2507.1 Ma这4个年龄组, 它们分别占总数的10.7%、47.6%、11.9%和8.3%。其最高峰值年龄为829.5 Ma, 次要峰值年龄为433.5 Ma。

图 3

Fig.3

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	图 3 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石年龄频谱图Fig.3 Spectra of detrital zircons age from the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province

坟头组样品QW78共获得了110个有效年龄数据, 分布在445.6~3265.7 Ma范围内(图 3-c), 主要分布于4个年龄组中, 分别为 455.6~604.9 Ma、740.9~1264.8 Ma、1729.3~2002.2 Ma、2361.4~2754.6 Ma。这4个年龄组分别占有效年龄总数的13.6%、54.5%、7.3%和17.3%。其主要峰值年龄为820.8 Ma, 次要峰值年龄为974.8 Ma。

碎屑锆石的Th、U含量以及Th/U值常被作为判断其成因来源的重要指标。通常认为, 锆石Th/U值大于或等于0.4, 锆石就属于岩浆成因, 若Th/U值小于0.1, 锆石则是变质成因的(吴元保和郑永飞, 2004)。

宿松地区泥盆纪样品锆石颗粒中, Th、U的平均含量分别为: 195.00μ g/g(3.82~1335 μ g/g)、276.00 μ g/g(27.4~741 μ g/g), Th/U的平均值为0.76(0.0202~2.7141)。志留纪样品锆石颗粒中, Th、U的平均含量分别为: 194.18 μ g/g(6.45~1301.22 μ g/g)、291.52 μ g/g(31.4~1142.81 μ g/g), Th/U的平均值为0.72(0.0164~2.7333)。其中茅山组样品的Tu、U平均含量分别为: 244.88 μ g/g(21.68~1301.22 μ g/g)、325.56 μ g/g(35.10~1142.81 μ g/g), Th/U平均值为0.77(0.037~2.7333)。坟头组样品的Th、U平均含量分别为143.47 μ g/g(6.45~576.81 μ g/g)、257.48 μ g/g(31.4~910.8 μ g/g), Th/U平均值为0.67(0.0164~2.2124)(表 2)。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石Th、U平均含量及其比值 Table 2 Detrital zircon Th and U contents and Th/U of the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province 样号 地层 Th/μ g· g-1 U/μ g· g-1 Th/U QW101 五通组 195.00 276.00 0.76 QW84 茅山组 244.88 325.56 0.77 QW78 坟头组 143.47 257.48 0.67

表 2 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石Th、U平均含量及其比值 Table 2 Detrital zircon Th and U contents and Th/U of the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province

从图 4可以看出, 样品Th/U值大部分都大于0.4, 而小于0.1的仅有5个。五通组锆石Th/U值大于0.4的占75%, 小于0.1的仅占2.9%; 茅山组样品的Th/U值仅有1个小于0.1, 而大于0.4的占86.9%; 坟头组锆石的Th/U值绝大多数也大于0.4, 约占75%, 小于0.1的也仅有1个。因此可以判定样品中的锆石几乎为岩浆成因的。

图 4

Fig.4

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	图 4 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石Th/U值分布Fig.4 Detrital zircon Th/U of the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province

不同成因的锆石具有各自不同的特征, 通常表现在锆石颗粒的外部形态、内部结构以及Th/U值的不同上。在碎屑物质的搬运过程中因锆石能够很好地抵抗物理以及化学风化作用, 所以其可以保留较完整的形态和结构特征。通常认为岩浆锆石呈半自形到自形, 形态多呈针状或长柱状, 粒径在20~250 μm范围内, 具有较大的长宽比值(通常是岩浆锆石所特有, 长宽比最高可达12)。对于变质锆石来说其外部形态多样, 晶形从自形到他形都有。从原岩继承而来的低级变质岩中的锆石, 可能具有变质增生或者被圆化的特征。因为不同成因的锆石有其各自的内部结构特征, 所以在CL图像上能够直观看到锆石的结构特征并将它们进行区分。振荡环带一般是岩浆锆石所特有, 而变质锆石往往具有很复杂的内部结构特征, 主要包括无分带、弱分带、云雾状分带、扇形分带和面状分带等(吴元保和郑永飞, 2004)。

透射光照片显示, 宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石大多呈粉色或淡黄褐色, 部分为无色, 透明—半透明, 锆石表面大多有裂隙发育。形态上锆石呈滚圆状、次圆状和长柱状, 自形到半自形, 粒径分布在35~170 μm范围内, 其长宽比为1︰1到4.5︰1。CL图像显示(图 5), 绝大多数锆石颗粒的振荡环带具有规则的韵律生长特征。个别颗粒整体看上去较明亮, 这是其内部成分较为均一的表现。结合锆石的形态和结构特征及Th/U值, 可以确定研究地层锆石样品主要为岩浆成因。

图 5

Fig.5

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	图 5 安徽宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石阴极发光图像 锆石照片上方数字为锆石编号; 下方数字为年龄值, 单位:MaFig.5 CL images of detrital zircons of the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province

近年来由于碎屑锆石U-Pb定年技术的不断突破, 碎屑锆石年龄成为了一个重要工具被更多地应用到沉积盆地物源追踪的相关研究中(Li et al., 2010; Wang et al., 2012, 2013)。根据宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石U-Pb年龄频谱图(图 3), 五通组与茅山组、坟头组的年龄频谱相似度极高, 这表明从志留纪到晚泥盆世一直是相同的源区向研究区提供物源。研究区从早志留世早期一直到晚志留世中期都处于下扬子海区(安徽省地质矿产局区域地质调查队, 1990), 因此物源的供给只能来自周边古陆或古隆起。当时研究区周缘的古隆起或古陆主要为南边的江南造山带及周缘区域, 所以, 研究区志留系—泥盆系的物源主要来自这个区域。

碎屑锆石主要源自花岗质岩石(Yusuke et al., 2017), 判别碎屑锆石源自何种花岗岩即可确定锆石母岩, 进而就可圈定可能源区。因此Yusuke等(2017)通过锆石与母岩间微量元素的相关性绘制出了花岗岩中锆石的判别图。我们将所有的锆石分为了5个年龄段: 早古生代、新元古代、中元古代、古元古代和太古代, 应用Yusuke等(2017)提出的花岗岩中锆石的判别图对这5个年龄段的锆石进行了判别分析。结果显示, 每个年龄段的锆石大多数都不是来自M型花岗岩, 且大部分落在Ⅰ 型和S型花岗岩区域(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 安徽宿松志留系—泥盆系M型花岗岩锆石判别图(底图据Yusuke et al., 2017)Fig.6 Discrimination diagrams for zircon in M-type granite in the Silurian-Devonian in Susong area, Anhui Province (Base map is from Yusuke et al., 2017)

在志留纪, 虽然华北和华南陆块均位于北半球的较低纬度区并游离于古特提斯洋中, 但由于秦岭洋横亘在两者之间(王洪浩等, 2016), 所以物源只可能来自华南陆块内部。从宿松地区志留系—泥盆系碎屑锆石U-Pb年龄频谱图(图 3)中可以看到, 碎屑锆石样品都给出了一个大约450 Ma的最年轻峰值年龄。420~450 Ma年龄范围内的锆石因具有棱角状—次棱角状、自形晶—半自形晶的特征, 表明其具近源沉积特征。华南地区拥有大量的加里东期花岗岩类已经是当今地质界的一个共识。研究显示, 华南地区加里东期花岗岩的一个重要出露地段为江西省中—南部(张芳容, 2011), 有关该地区花岗岩的研究结果表明, 华南东段早古生代的花岗岩类形成时代大约在410~460 Ma。该地区的花岗岩类绝大多数为S型花岗岩, 并含少量因幔源物质参与而具有Ⅰ 型花岗岩特征的加里东晚期花岗岩类(张芳容等, 2009)。研究区早古生代锆石全部落在Ⅰ 型和S型花岗岩区域(图 6-a)且该年龄段的锆石显示出近源沉积的特征, 所以研究地层中早古生代锆石很大可能来源于江西中南部华南加里东期花岗岩。

此外, 样品均含有1个约820 Ma和约970 Ma的峰值年龄, 而且新元古代年龄段的锆石占锆石总量的48%, 说明该时期的碎屑物质是宿松地区志留系—泥盆系的一个主要组成。研究区新元古代锆石几乎也显示出非M型花岗岩锆石来源。在江南造山带范围内广泛发育了新元古代的岩浆岩, 800~1000 Ma的锆石年龄数据也被广泛报道于江南造山带的有关研究中(Wan et al., 2007; Wang et al., 2011)。如在双溪坞群下部的基性—中性火山岩套中获得了952± 5 Ma、954± 8 Ma、904± 8 Ma以及906± 10 Ma的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄(Chen et al., 1991, 2016), 该群的石英闪长岩—花岗闪长岩深层岩体也获得了大约907 Ma和854 Ma的年龄(Ye et al., 2007; Yao et al., 2016); 河上镇群下部火山岩层给出了824± 5 Ma的年龄(SHRIMP zircon U-Pb, Zhang et al., 2015); 上溪群、双桥山群以及冷家溪群中的变质砂岩、变质粉砂岩、板岩以及变凝灰岩得到了822± 10 Ma的锆石U-Pb年龄(SHRIMP zircon U-Pb; Gao et al., 2011)和825± 7 Ma的锆石年龄(LA-ICP-MS zircon U-Pb; Yin et al., 2013); 在赣东北的蛇绿混杂岩中的基性斜长花岗岩获得了970± 21 Ma的锆石年龄(SHRIMP zircon U-Pb, Li and Li, 2003; Gao et al., 2009); 江南造山带东北区域东南边的Ⅰ 型花岗岩给出了大约910~850 Ma的年龄(Ye et al., 2007; Yao et al., 2016); 此外, 江南造山带中部区域(许村、休宁及九岭岩体)和西南区域(梵净山、元宝山及三防岩体)出露近7000 km²的大量S型花岗岩中也分别获得了大约845~815 Ma和835~820 Ma的侵位年龄(Li et al., 1999, 2003a, 2003b; Wang et al., 2006, 2007, Wan et al., 2010; Xue et al., 2010; Zhao and Zhou, 2013; Wei et al., 2018; Deng et al., 2019)。另外江南造山带780~800 Ma的花岗类岩体主要分布于东段, 这些花岗岩的10 000 Ga/Al值和Zr+Nb+Ce+Y值基本上分别大于2.6 μ g/g和350 μ g/g, 表明了这些花岗岩是A型花岗岩(邓奇等, 2016)。在M型花岗岩锆石判别图(图 6-a)中, 新元古代锆石数据部分落在I型、S型花岗岩区域的边界, 部分数据在该区域之外。上述A型花岗岩的存在可能正好对应I型、S型花岗岩区域外的锆石数据。综上, 我们认为江南造山带范围内的岩浆岩可能是研究区新元古代锆石的主要来源。

除了上述2个峰值群年龄特征以外, 样品还显示了1.6~1.8 Ga和2.3~2.5 Ga的年龄群信息。近年来的研究表明扬子板块西南缘在古—中元古代时期有较为强烈的岩浆活动, 主要集中于1750~1650 Ma(王伟等, 2019)。另外, 对华夏地块的浙西南—闽西北的片麻状花岗岩进行了LA-ICP-MS定年, 获得了1888~1855 Ma的年龄。所以1.6~1.8 Ga年龄段的锆石可能记录了扬子和华夏板块内古—中元古代岩浆事件。

由于扬子地块主体的形成时代为2500 Ma、2000 Ma和800 Ma, 而缺少1800~1900 Ma的年龄(周健等, 2018), 因此1.6~1.8 Ga年龄段的锆石不可能来自扬子地块结晶基底。2.3~2.5 Ga年龄段锆石与扬子地块基底主体形成时代(2500 Ma)较为吻合, 所以该年龄段锆石可能是新太古代扬子地块结晶基底及周边古老地层再循环的产物。

向磊和舒良树(2010)对华南东段赣南地区泥盆纪和奥陶纪的粗碎屑岩进行了碎屑锆石的U--Pb年代学研究。获得了大量的碎屑锆石U--Pb年龄, 主要集中在5个年龄段: 400~450 Ma、520~650 Ma、700~900 Ma、900~1100 Ma和2300~2600 Ma(图 7-b)。将研究区碎屑锆石年龄频谱与他们研究获得的碎屑锆石年龄频谱进行对比可以发现(图 7), 二者间具有极高的相似性, 这进一步说明了研究区志留系—泥盆系的物源主要来源于华南地区内部的江南造山带及周边区域。

图 7

Fig.7

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	图 7 安徽宿松地区(a)与华南地区(b)碎屑锆石年龄频谱对比Fig.7 Spectrum comparison of detrital zircons age from Susong area, Anhui Province(a) and South China(b)

Cawood等(2012)通过建立具有不同年龄分布模式的碎屑锆石谱图, 来反映碎屑锆石所在沉积盆地的构造背景。在盆地的原始性质或与物源的联系不再保存的情况下, 这种方法的应用可以限制沉积物所沉积的构造环境。据统计, 一些海沟盆地和弧前盆地的碎屑锆石年龄谱以具有1个同沉积年龄相近的单峰年龄为特征, 而弧后盆地与其相邻克拉通的距离远近则会影响其碎屑锆石年龄谱的特征。在汇聚型边缘盆地中通常一半以上的碎屑锆石结晶年龄与地层沉积年龄相近。

通常情况下, 含少量(10%~50%)沉积年龄与结晶年龄接近的碎屑锆石(滞后时间介于100~150 Ma之间)存在于碰撞背景下形成的盆地中; 因为以铁镁质为主的岩浆岩主体是在伸展背景下形成的, 所以在伸展背景下形成的沉积盆地碎屑锆石具有最长的滞后时间, 滞后时间小于150 Ma的锆石颗粒不到5%(郭佩等, 2017)。应用该方法, 认为宿松地区志留系—泥盆系形成的大地构造背景为碰撞背景(图 8)。

图 8

Fig.8

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	图 8 不同构造背景下锆石结晶年龄与沉积年龄差异模式Fig.8 Model of differences between crystallization and depositional ages of zircons in different tectonic settings

安徽宿松地区早、中泥盆世地层缺失, 所以在此期间研究区整体处于一个上升剥蚀的阶段, 而导致其抬升的原因正是扬子和华夏地块的逐渐靠近。这使得研究区和周边区域整体处于一个碰撞压缩的环境, 而研究区乃至赣东北和皖南地区正好处于两块体最靠近的突出部位, 二者汇聚时自然首先碰撞, 随着不断碰撞挤压进而抬升遭受剥蚀。到早泥盆世华南出现新的海侵, 海水从滇桂一路向北逐渐推进, 直到晚泥盆世才到达长江中下游地区(吴浩若, 2005)。