藏南下侏羅統日當組地球化學和碎屑鋯石U-Pb 年代學特征及構造意義

喻 曉，呂新彪，曹華文

（1.中國地質調查局軍民融合地質調查中心，四川 成都 610036；2.中國地質大學（武漢）地質探測與評估教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中國地質大學（武漢）地質調查研究院，湖北 武漢 430074；4.中國地質調查局成都地質調查中心（西南地質科技創新中心），四川 成都 610218）

0 引言

沉積巖物源區與板塊構造環境之間存在密切的關系，沉積巖的地球化學特征一定程度上可以反映地層成巖時的構造背景和古地理環境（徐亞軍等,2007）。沉積盆地是沉積物堆積的主要場所，其形成過程與地殼運動和板塊構造息息相關（Chen and Robertson,2020）。因此，對沉積巖的詳細研究，可以反演盆山耦合和板塊構造等（Leeder,2011）。

特提斯喜馬拉雅中—新生代地層記錄了新特提斯大洋的打開，拉薩板塊和印度板塊逐次從岡瓦納大陸裂解向北漂移，以及印度板塊和拉薩板塊的碰撞拼合等事件（Jadoul et al.,1998），是研究東特提斯構造域演化、陸-陸碰撞以及古海洋沉積事件的理想地區（胡修棉,2015）。特提斯喜馬拉雅東段中生界，尤其是下侏羅統地層研究較為薄弱（Han et al.,2021）。沉積巖碎屑鋯石U-Pb 年齡是限定地層沉積時期和示蹤沉積物來源的有效手段（張士貞等,2021）。結合全巖地球化學分析，可以準確地恢復古地理環境和大地構造背景（毛帆等,2021）。

日當組是印度被動大陸邊緣沉積的下侏羅統深水—半深水相泥巖和砂質頁巖等，是研究新特提斯洋早期沉積環境的重要載體。因此，本文采集西藏山南市錯那縣下侏羅統日當組頁巖進行碎屑鋯石年齡和全巖主微量元素分析，以期恢復特提斯喜馬拉雅東段下侏羅統地層物質來源和構造背景。

1 區域地質特征

從北到南，青藏高原由松潘-甘孜，北羌塘、南羌塘、拉薩和喜馬拉雅（印度）板塊組成（潘桂棠等,2020）。這些板塊之間分別由金沙江、龍木錯-雙湖、班公湖-怒江和印度河-雅魯藏布江縫合帶分割（圖1）。青藏高原位于東北的歐亞板塊和西南的印度板塊之間，被認為是從岡瓦納大陸裂離出來的微大陸塊體的拼貼增生而成。中寒武世，由于原特提斯洋洋殼板片沿岡瓦納超大陸北緣向南俯沖，古特提斯大洋打開。泥盆紀時期，古特提斯洋殼向東北方向俯沖，持續至三疊紀，形成龍木錯-雙湖、昌寧-孟連、金沙江、哀牢山縫合帶。二疊世至晚白堊世，新特提斯大洋開始打開，拉薩和西緬甸板塊從岡瓦納大陸北緣（澳大利亞板塊）裂解出來，中特提斯洋殼板片向東北俯沖于羌塘板塊和滇緬泰馬板塊之下。早白堊世班公湖-怒江縫合帶和密支那縫合帶通過中特提斯大洋的閉合而形成。從三疊紀開始，新特提斯洋殼板片開始向東北方向俯沖到拉薩和西緬板塊之下。晚白堊世至古近紀，印度被動邊緣與拉薩地體的岡底斯弧碰撞后，新特提斯大洋閉合。這次碰撞的標志是印度河-雅魯藏布江縫合帶和印度-緬甸縫合帶（Cao et al.,2019）。

圖1 喜馬拉雅研究區地質構造簡圖（據Cao et al.,2021 修改）Fig.1 Diagrams of geological structure of the eastern Himalayas (modified after the reference Cao et al.,2021)

在構造上，喜馬拉雅造山帶北與拉薩地塊由印度河-雅魯藏布江縫合帶分割，南與印度板塊由主前緣逆沖帶分割（圖1b）。喜馬拉雅地體由北向南劃分為四個主要構造單元：特提斯喜馬拉雅、高喜馬拉雅、低喜馬拉雅和次喜馬拉雅。這些構造單元分別被藏南拆離體系、主中央逆沖斷層和主邊界逆沖斷層所分隔。特提斯喜馬拉雅三疊系至白堊系沉積于印度被動大陸邊緣，由一套低級變質的碎屑巖和碳酸鹽巖組成。這些地層單元在地表從北向南，依次為巨厚的三疊系碎屑巖和侏羅系—白堊系的深海沉積巖和碳酸鹽巖臺地沉積。區域內中生界地層劃分為上三疊統涅如組中-厚層砂巖、下侏羅統日當組中-薄層頁巖、中—下侏羅統陸熱組灰巖、上侏羅統維美組砂巖和礫巖以及上侏羅統—下白堊統桑秀組玄武質火山巖等。特提斯喜馬拉雅的巖漿巖主要包括寒武—奧陶紀花崗質片麻巖，二疊紀和白堊紀火山巖和深成巖，以及始新世的二云母花崗巖和基性巖脈等（曹華文等,2020，2022）。此外，漸新世—中新世淡色花崗巖侵入特提斯喜馬拉雅，形成一系列片麻巖穹窿（Cao et al.,2021）。

2 樣品特征與分析方法

本次研究區域位于錯那縣曲卓木鄉以南的洞嘎村和郭村之間。在原隆子縣幅1:25 萬區域地質調查劃分的下白堊統拉康組地層中解體出一套下—中侏羅統地層。從郭村往北到洞嘎村一帶，依次發育中新世淡色花崗巖，古生界片巖和大理巖，上三疊統板巖和片巖、下侏羅統日當組頁巖（板巖）和中—下侏羅統陸熱組的鈣質砂巖和灰巖（圖2）。綜合分析認為該套地層分區為康馬-隆子分區的拉軌崗日被動陸緣盆地，大地構造位于藏南拆離系以北的特提斯喜馬拉雅（圖1b）。日當組下部主要以深灰、淺灰綠色粉砂巖和頁巖為主，同時部分地段發生區域變質形成板巖，在日當組地層中也廣泛發育水平層理和鈣泥質結核。中部主要以灰黑色薄層狀介殼灰巖和細碎屑物組成。上部常見一套灰黃色中厚—厚層狀含巖屑石英砂巖與深灰色粉砂質板巖互層（圖3）。本次研究采集下侏羅統日當組灰黑色粉砂巖樣品一件（樣品號D1507，經緯度坐標91°47'6″，28°5'2″）做碎屑鋯石U-Pb 定年分析，另采集6 件頁巖樣品做主微量元素含量測試。

圖2 錯那縣曲卓木鄉洞嘎村—郭村地質剖面和采樣位置Fig.2 Geological section and sampling location of Dongga Village-Guo Village,Quzhuomu Township,Cuona County

圖3 錯那縣下侏羅統日當組野外地質特征和鏡下照片Fig.3 Field geological characteristics and microscopic photos of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County

日當組的碎屑鋯石U-Pb 同位素定年利用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀（LA-ICP-MS），在武漢上譜分析科技有限責任公司完成。激光剝蝕系統由COMPexPro 102 ArF 193 nm 準分子激光器和MicroLas 光學系統組成，等離子體質譜儀（ICP-MS）型號為Agilent 7700e。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節靈敏度。本次分析的激光束斑和頻率分別為24 μm 和5 Hz。鋯石的U-Pb 同位素和微量元素分析采用91 500（鋯石標準）和NIST610（玻璃標準）作外標分別進行同位素和微量元素校正。分析數據的離線處理采用軟件ICPMSDataCal 完成。鋯石樣品的U-Pb 年齡計算和繪圖采用Isoplot/Ex_ver4.15 完成。日當組的全巖主量微量元素含量在核工業北京地質研究院利用AB104 L，Axios-mAX 波長色散X 射線熒光光譜儀和電感耦合等離子體質譜儀-DRC-E 分析完成。主量和微量元素分析精度分別優于1%和5%。鋯石U-Pb 測年詳細的分析流程和儀器參數見文獻Cao et al.（2021）。本次測試的鋯石U-Pb 年齡分析結果見附表1*數據資料聯系編輯部或者登錄本刊網站https://www.cjyttsdz.com.cn 獲取。，主量和微量元素分析結果見附表2*。

3 測試分析結果

3.1 碎屑鋯石U-Pb 年代學

日當組粉砂質板巖（D1507）碎屑鋯石主要為它形—半自形結構，磨圓度較好，極少量呈半自形柱狀（圖4）。在陰極發光照片下，主要呈灰黑色，偶見灰白色，這可能是其Th 和U 含量較高導致的（附表1）。但是本次研究的鋯石Th/U 值較高，平均值為0.5；表明這些鋯石主要是巖漿成因，可以反映物源區巖漿巖的活動年齡。鋯石U-Pb 年齡分析過程中隨機測試100 點，其中3 個測試點由于Pb丟失，導致206Pb/238U 和207Pb/235U 年齡諧和度低于90%；2 個測試點的誤差值較大，大于8%。這5 個測試點數據可信度較低，下文的年齡樣品分析剔除了這5 個測試點。其余95 個碎屑鋯石測試點年齡值的直方圖和概率密度圖顯示有兩個峰值區間，分別是546～496 Ma（n=12）和952～853 Ma（n=14），峰值年齡分別為516 Ma 和926 Ma（圖4c）。最年輕的1 個年齡值為292.5±5.5 Ma。

圖4 錯那縣下侏羅統日當組碎屑鋯石U-Pb 年齡結果圖Fig.4 U-Pb dating of detrital zircons of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County

3.2 地球化學特征

日當組灰黑色粉砂質頁巖的SiO2含量較低，變化范圍為57.1%～61.5%（附表2）平均值為60.0%。Al2O3含量較高，變化范圍為18.5%～22.1%，平均值為20.8%。Fe2O3t含量中等，變化范圍為5.1%～7.2%，平均值為6.3%，K2O 含量變化范圍較小，為2.0%～3.8%，平均值為2.7%。因此，四個含量最高的主量元素的lg(SiO2/Al2O3)-lg(Fe2O3t/K2O)圖解反映的日當組巖石類型為頁巖（圖5），這與日當組巖石的野外地質特征和鏡下礦物學特征完全一致（圖3）。其余的MgO、CaO、Na2O、MnO、TiO2和P2O5含量均較低，平均值分別為1.2%、1.7%、1.5%、0.06%、1.0%和0.1%。日當組稀土元素總量為234×10-6～295×10-6，平均值為266×10-6。其中，輕稀土元素相對重稀土元素更富集，兩者含量的范圍分別為217×10-6～276×10-6（平均值247×10-6）和17.3×10-6～23.1×10-6（平均值19.7×10-6），輕稀土/重稀土比值平均值為12.6（圖6）。日當組稀土元素的Ce異常不明顯，Eu 具有負異常（δEu=0.63～0.72），δEu平均值為0.68。日當組微量元素的高場強元素中Nb、Ta、Ti、Zr 和Hf 虧損，Th 富集；大離子親石元素中Ba 和Sr 虧損，Rb 和K 富集，此外Pb 相對比較富集（圖6）。

圖5 錯那縣下侏羅統日當組巖石類型和風化程度圖解（底圖據Herron,1988,McLennan et al.,1993,Nesbitt and Young,1982）Fig.5 Diagrams of rock types and weathering degree of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County (modified after Herron,1988,McLennan et al.,1993,Nesbitt and Young,1982)

圖6 錯那縣下侏羅統日當組稀土和微量元素標準化蛛網圖（球粒隕石和原始地幔值引用自Sun and McDonough,1989）Fig.6 Chondrite and Primitive mantle normalized rare elements and trace elements spider char of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County (chondrites and primitive mantle values are quoted from Sun and McDonough,1989)

4 討論

4.1 日當組地層特征和時代分析

李璞（1955）在江孜進行喜馬拉雅地層調查和研究的工作中，將侏羅系地層統稱為“江孜系”，巖性主要為頁巖（板巖）和石英砂巖。王義剛等（1976）在隆子縣日當鎮向南至扎西康一帶，發現一套下侏羅統地層，命名為“日當組”。巖性為灰色、灰黑色頁巖、鈣質頁巖、頁層狀泥灰巖，含有硅質結核，厚度大于1 000 米，根據菊石化石，認為時代為早侏羅世赫塘階—普林斯巴階（201～183 Ma），與下伏的上三疊統涅如組整合接觸。下侏羅統日當組建組命名之后，其地層時代和巖性特征基本固定（王乃文,1983）。1984 年的《西藏地層》（中國科學院青藏高原綜合科學考察隊,1984），1993 年的《西藏自治區區域地質志》（西藏自治區地質礦產局,1993）和1997 年的《西藏自治區巖石地層》（夏代祥和劉世坤,1997）等專著，以及后續的喜馬拉雅東段的部分1∶25 萬和1∶5 萬區域地質調查等均沿用了王義剛等（1976）對日當組地層的劃分和定義。本次調查的日當組巖性和上下地層接觸關系與前人研究基本一致（圖2）。但是，本次研究的日當組碎屑鋯石最年輕的一顆年齡為292.5±5.5 Ma（圖4），與前人通過化石和地層關系確認的早侏羅紀時代相差較大。這可能與岡瓦納大陸北緣缺少早侏羅紀火山巖和巖漿巖有關（Liu and Einsele,1999）。也就是日當組沉積時期，其物源區缺少同期的巖漿巖活動，因此沒有記錄早侏羅世的鋯石。當然，日當組地層的沉積時代還有待進一步研究和證實。

4.2 日當組物源分析和構造背景

日當組的巖性主要為一套頁巖夾砂巖的深海-半深海相組合，部分地段發生區域淺變質形成板巖和千枚巖。利用主量元素計算日當組的成分變異指數（ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3）較低，變化范圍為0.43～0.83（圖5b），平均值為0.55，同時K2O/Al2O3值也較低，變化范圍為0.11～0.17，平均值為0.13。這表明日當組頁巖富含粘土礦物，且成分成熟度較高，代表沉積物的再循環以及構造靜止期或者克拉通環境（Cox et al.,1995）。

化學蝕變指數（CIA=[Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+CaO*)]×100）（Nesbitt and Young,1982）可以表達巖石的風化的程度，CIA 值越高，表明其風化程度越高，粘土礦物越豐富（McLennan et al.,1993），比如未風化的花崗巖的CIA 值一般小等于50，風化花崗巖的殘留粘土礦物的值接近100，典型頁巖的平均值為70～75（圖5c）。本次研究的日當組的CIA值為61.1～75.8，平均值為71.2，與典型頁巖的值相似，表明風化程度較高。在化學蝕變指數（CIA）基礎上，更簡潔和準確的風化蝕變指數（CIW=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O)]×100）也可以表征巖石的風化情況。在巖漿巖風化蝕變過程中，Si，Mg，Ca 和Na 元素會優先丟失，Al 和Ti 元素在則風化殘留物中保存，但是K 和Fe 元素的行為比較復雜，控制因素較多。因此，相對于CIA 指數，CIW 指數不使用K2O 的含量，只使用對風化過程敏感的元素，比如Al，Ca 和Na（Harnois,1988）。日當組的CIW 值較高（65.8～87.8），平均值為79.3。因此，日當組的CIW、CIA 和ICV 指數得出的結果均相似（圖5），都表明日當組頁巖物質來源于風化程度高的成熟物質源區。

日當組Co 含量較低，Th 含量較高，Co/Th 比值變化范圍為0.2～0.6，平均值為0.4，La/Sc 值變化較小，平均值為3.5，因此在Co/Th-La/Sc 圖解上，與酸性火山巖的范圍接近（圖7a）。Al2O3-CaO*+Na2O-K2O 圖解（圖5c）也反映日當組物源區巖石類型以中-酸性的巖漿巖為主。雖然在構造環境判別圖解上，日當組落入大陸裂谷和大陸島弧的范圍，但是在Th-La-Sc 三角圖上，靠近被動大陸邊緣的范圍（圖7c）。

圖7 錯那縣日當組源巖類型和構造背景判別圖解（底圖引用自Bhatia and Crook,1986,Verma and Armstrong-Altrin,2013,Wang et al.,2012）Fig.7 Discriminant diagrams of source rock type and tectonic setting of the Lower Jurassic Ridang Formation in Cuona County (modified after Bhatia and Crook,1986,Verma and Armstrong-Altrin,2013,Wang et al.,2012)

早侏羅世時期，特提斯喜馬拉雅周緣的主要板塊是印度和西澳大利亞板塊，圖8 總結了相關喜馬拉雅周緣主要地質體的碎屑鋯石年齡譜。特提斯喜馬拉雅在275～225 Ma 和600～500 Ma 區間有兩個主峰，在150～125 Ma 有個次要的年齡峰值，古元古代—新元古代年齡幾乎是連續的，而1 200～800 Ma 和2 500～2 450 Ma 有兩個不太明顯的年齡群（圖8b）。高喜馬拉雅地層碎屑鋯石年齡則以1 050～975 Ma 和2 550～2 450 Ma 為主，晚古元古代有個不太明顯的峰值為1 800～1 600 Ma（圖8c）。低喜馬拉雅地層的碎屑鋯石年齡主要峰值為1 950～1 850 Ma，次峰為2 575～2 500 Ma（圖8d）。東喜馬拉雅和印度克拉通東北具有古元古代到晚寒武世—早奧陶世的共同地質歷史（Cao et al.,2018）。西澳大利亞的碎屑鋯石年齡具有從古元古代至早中生代幾乎連續的特征，但有三個主要的峰值區，聚集在250～200 Ma、600～500 Ma 和1 200～1 150 Ma（圖8e）。

圖8 研究區周緣板塊和地體碎屑鋯石U-Pb 年齡直方圖（據Cao et al.,2018 修改）Fig.8 Histograms of detrital zircon U-Pb ages of plates and terranes around the study area (modified after the reference Cao et al.,2018)

下侏羅統日當組碎屑鋯石年齡顯示有兩個峰值區間，分別是546～496 Ma 和952～853 Ma，最年輕的1 個年齡值為292.5±5.5 Ma（圖8a）。日當組沒有侏羅紀的鋯石，表明日當組沉積時同期區域巖漿活動不明顯，該時代的鋯石在特提斯喜馬拉雅白堊紀及其以后的地層中也同樣缺失（Neupane et al.,2020）。并且目前尚未在喜馬拉雅地區發現早侏羅世巖漿巖活動。日當組下伏的上三疊統涅如組地層含有豐富的晚三疊世鋯石（Cao et al.,2018），但是日當組中缺少晚三疊世鋯石，表明日當組沉積時，涅如組地層沒有被抬升到地表，特提斯喜馬拉雅整體屬于持續的沉降埋深階段（Jadoul et al.,1998）。特提斯喜馬拉雅晚三疊世構造背景屬于新特提斯洋打開初期的裂谷環境（Meng et al.,2021），涅如組和日當組地層為整合接觸，所以日當組繼承了涅如組沉積環境。日當組含有豐富的岡瓦納大陸“泛非”事件（許志琴等,2005）的鋯石（546～496 Ma，n=12），這與印度和澳大利亞板塊記載的晚新元古代—早古生代的碰撞造山事件完全吻合，因此印度和澳大利亞板塊均可能為下侏羅統日當組提供了大量的碎屑物源。

早侏羅世，北喜馬拉雅地區沉積環境為淺海陸棚相（劉寶珺等,1993），印度和澳大利亞板塊都位于岡瓦納大陸北緣（圖9）。直到晚侏羅世—早白堊世時期，凱爾蓋朗（Kerguelen）地幔柱和措美大火成巖省形成，印度板塊才與澳大利亞板塊裂解開始向北漂移（Zhu et al.,2009）。因此，早侏羅世時期，特提斯喜馬拉雅是典型的印度被動大陸邊緣環境（Liu and Einsele,1999）。

圖9 藏南早侏羅世古地理位置復原圖（據Li et al.,2016 修改）Fig.9 Early Jurassic palaeogeographic reconstruction of southern Tibet (modified after the reference Li et al.,2016)

5 結論

（1）下侏羅統日當組碎屑鋯石年齡有兩個峰值區間，分別是546～496 Ma 和952～853 Ma，峰值年齡分別為516 Ma 和926 Ma，最年輕的年齡為292.5±5.5 Ma。

（2）日當組的Al2O3含量較高，平均值為20.8%，而CaO、Na2O 和K2O 含量均較低（0.4%～4.0%），成分變異指數較低，而風化和化學蝕變指數較高，表明日當組富含粘土礦物，其物源區成分成熟度高，風化強，代表沉積物的再循環以及構造靜止期或者克拉通環境。

（3）日當組物質來源主要為岡瓦納大陸北緣的印度板塊和澳大利亞板塊，構造背景為穩定的被動大陸邊緣。