Question

南华系年代地层再划分与区域对比综合研究报告

Answer 1

尹崇玉 刘鹏举 唐 烽 高林志 王自强 邢裕盛

(中国地质科学院地质研究所，北京 100037)

本专题通过前阶段的研究工作，先后考察了湖北宜昌王丰岗、长阳古城、湖南石门杨家坪和广西三江富禄等多条南华系剖面。经过研究对比，推荐湖南石门杨家坪剖面作为南华系的候选层型剖面。同时，针对震旦系—南华系同位素年代学研究相对薄弱的问题，加强了对华南地区震旦系和南华系火山灰凝灰岩夹层的寻找和进行同位素年代学研究。在湖北峡东地区黄陵背斜西翼秭归九曲脑震旦系剖面，贵州松桃黑水溪锰矿南华系剖面，湖南石门杨家坪震旦系—南华系剖面，浙江建德下涯埠震旦系—南华系剖面，浙江江山石龙岗震旦系—南华系剖面，新疆库尔勒西山口震旦系—南华系剖面，贵州瓮安北斗山磷矿震旦系剖面，以及开阳金中镇化工厂附近南华系剖面进行了考察和采样，发现了南华系和震旦系火山灰凝灰岩夹层或含碎屑锆石的黏土岩夹层，经过选样发现火山灰锆石，通过 SHRIMP锆石 U － Pb 测年研究，获得了大量南华系和震旦系的 SHRIMP 锆石 U － Pb 年龄数据，基本解决了扬子地层分区内部南华系的划分和对比问题(全国地层委员会，2008)。但是，如何与江南地层分区对比，以及南华系冰期的划分成为当务之急。

华南南华系的下部地层大致可划分为 3 个不同的沉积组合带。①北带以黄陵背斜周边地区为代表，下部以滨岸带的辫状河之砂砾岩沉积为主。向上过渡为含凝灰质的粉砂岩和泥岩夹砂岩及凝灰岩薄层。② 中带的范围较宽，以湖北长阳 － 湖南石门，大庸 － 沅陵地区为代表。特征是下部以辫状河 － 河口湾坝的砂砾岩为主，向上随海水加深出现少量(数米厚)碎屑流至深浅海含锰粉砂岩和页岩及硅质岩沉积，代表以陆相 － 坡折 － 陆坡的沉积组合特征。③ 南带以湖南安化一线以南 － 怀化 － 广西三江等地区为代表，下部以大陆斜坡碎屑流沉积为主，上部为含锰粉砂岩、页岩、硅质泥岩及含锰白云岩透镜体(富禄组)，含锰粉砂岩和泥岩代表南华系的最大海泛期的沉积物。课题组本阶段的工作重点是解决南带与北、中带的地层对比问题。

1 主要研究剖面和研究内容

课题组重点考察了广西三江冠洞和贵州黎平肇兴等地的南华系剖面，采集了相关地层的古生物、岩石学、地球化学等方面的研究样品。同时还系统采集了峡东地区莲沱组至南沱组下部细碎屑样品，进行了化学蚀变指数研究。在前一阶段研究工作的基础上，采用野外地质调查和室内研究密切结合的多学科综合研究方法。集中精力对江南分区典型南华系地层剖面进行以同位素年代地层学为主的多学科综合研究，重点研究南华系下统冰期、间冰期的沉积特征、地层格架以及关键层位的同位素年龄测定。进一步完善华南地区南华系的划分对比问题。研究目标是，通过系统野外考察和室内综合研究，提出江南分区与扬子分区南华系划分对比方案，为进一步完善我国南华系年代地层系统，为逐步与国际接轨奠定基础。

2 主要研究进展和成果

2.1 南华系富禄组 SHRIMP 锆石 U － Pb 新年龄

富禄组凝灰岩样品采自贵州省黎平县肇兴镇龙水岔剖面的南华系富禄组下部。该剖面地处江南地层分区，代表华南地区南华系—震旦系的斜坡至盆地相沉积类型。该类型主要分布在湖南安化—贵州铜仁一线以南地区，南华系自下而上分为长安组、富禄组和南沱组。长安组为一套冰成混积岩沉积，既有冰水浊积岩沉积又含典型冰积杂砾岩沉积(图 2a)。一般认为，富禄组由温湿气候条件下的含 Fe、Mn 质碎屑岩及白云岩组成，底部为含 Fe 砂岩。南沱组与其他地区相同，为一套稳定的冰碛岩沉积。样品 T06117 －1 采自肇兴龙水岔南华系富禄组中—下部剖面的底部。该剖面富禄组下部为灰褐色粉砂质长石石英砂岩，近底部夹一层 7 ～10 cm 厚的黄绿色凝灰岩夹层(图 1，图 2b)。

图 1 贵州黎平肇兴龙水岔南华系富禄组中—下部剖面和采样点位置

图 2 贵州省黎平肇兴龙水岔南华系剖面

2.1.1 锆石特征及 SHRIMP 定年结果

样品 T06117 －1 为黄绿色凝灰岩厚约 7 ～10 cm，经常规方法粉碎，直接手工淘洗，最后镜下挑出100% 纯的锆石。锆石显微镜下观察，明显呈无色或微粉色透明状，等轴状或者短柱状的自形晶，晶面保存完好，晶面平整，未见溶蚀和磨损痕迹，属岩浆锆石。锆石的长轴多为 100 ～150 μm，所有锆石的阴极发光图像均可见清晰的环带状构造(图 3)。另外，有些锆石阴极发光的图像显示明显的核部和边缘增生的环带(图 3，f)，个别锆石还显示 2 个核拼接后再增生边缘环带现象(图 3，g)。

图 3 肇兴富禄组部分锆石的阴极发光图像显示明显的核部和边缘环带

笔者对该样品的58粒锆石进行了58个测点的年龄测定。分析结果除一粒最大的年龄由于Pb丢失与一致曲线稍不谐和外，其他测点的结果全部落在一致谐和曲线上。57个测点结果明显分为新、老两组年龄(图4，表1)，年轻的一组51个测点年龄结果主要集中在660～820Ma之间，并出现三个峰值(图4b)。最小峰值的4个测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄加权平均值为(669±13)Ma(MSWD=0.95)，该年龄值应代表富禄组底部凝灰岩的形成年龄(图5)。

图4 肇兴富禄组底部凝灰岩样品T06117－1的锆石U－Pb一致线图

图3为样品T06117－1的部分锆石阴极发光图像和测点位置图。照片a—d显示最小峰值的4粒锆石的阴极发光图像和测点位置，可以看出它们均为晶形较好，无明显核部，且边缘具有明显环带的锆石，且测点位置均位于边部的环带上。测定结果²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄①测点L061107－3.1为(659.1±9.8)Ma;②测点L261107－3.1为(689.0±15.6)Ma;③测点L261107－11.1为(668.5±19.5)Ma;④测点L261107－13.1为(675.0±14.8)Ma(表1)。图3的e—h发育明显的核部，并向外具有增生的环带，其中图g中间显示2个清晰的核拼接在一起，向外具有增生环带。它们的测定结果分别为⑤测点061107－12.1为(718.7±11.9)Ma;⑥测点L061107－5.1为(710.1±11.3)Ma;⑦测点L061107－14.1为(834.1±8.8)Ma，可以看出它们明显大于无明显核部的锆石。图h显示近20亿年的一组锆石的形态，⑧测点0023－22.1为(2060.9±24.9)Ma。

图5 肇兴富禄组底部凝灰岩样品T06117－1的锆石U－Pb一致线图

表1 样品T06117－1锆石SHRIMPU－Pb年龄测定结果

续表

注:误差为1σ，Pb_c和Pb^*分别为普通Pb和放射成因Pb;用普通Pb校正²⁰⁴P。

2.1.2 地质意义

广西北部三江和黔东南地区，富禄组下部常含条带状含铁砂岩，中部偶见薄层含砾的可疑冰碛砾岩，上部为含锰页岩及粉砂岩。根据岩性对比，有些研究者认为富禄组上部含锰页岩及粉砂岩可与黔北地区的大塘坡组对比，中部的含砾似冰碛岩可与湘西的东山峰组或黔北的铁丝坳组对比，下部条带状含铁砂岩为间冰期与其下长安组冰碛岩分隔; 并认为华南南华系有 3 个冰期，即自下而上为长安冰期、古城(或铁丝坳)冰期和南沱冰期(薛耀松等，2001; Zhou et al.，2004)。由于近年来在黔北松桃县寨郎沟剖面和黑水溪锰矿剖面分别获得大塘坡组下部凝灰岩锆石 U － Pb 年龄(662.9 ± 4.3)Ma(MSWD =1.24，Zhou et al.，2004)和(667 ± 9.9)Ma(MSWD = 1.6，尹崇玉等，2006)，表明黔北地区大塘坡间冰期的下界年龄应小于 670 Ma。本次在黔东南黎平县肇兴龙水岔剖面南华系富禄组底部获得(669 ±13)Ma(MSWD =0.95)的年龄值与上述大塘坡间冰期的下界年龄基本一致，证明黔东南地区南华系富禄组尽管岩性和厚度与黔北地区大塘坡组存在一定差异，但是底界年龄是一致的，同为间冰期温湿环境的产物。富禄组和大塘坡组的底界年龄基本一致的结果也证明，在大陆斜坡至盆地相沉积区的南华系同为两套冰期夹一套间冰期的沉积结构(图 6)。

图 6 黎平肇兴南华系剖面与湖南石门杨家坪和湖北宜昌南华系剖面的对比

同时，黔东南黎平县肇兴龙水岔剖面南华系富禄组底部锆石 U － Pb 年龄结果可进一步限定我国南华系大塘坡(富禄)间冰期的下限年龄，证明该间冰期以下的冰川寒冷事件记录随各地所处的古地理位置不同，发育程度有所不同。最完整且沉积厚度最大的下冰期发育在江南地层分区的盆地相区，如黔东南和桂北等地区的长安组。从东南部江南地层分区向西北方向下冰期的发育程度依次变化(图 6)，至湖北峡东地区大塘坡组和下冰期完全缺失被莲沱组所取代(Jiang et al.，2003; Zhou et al.，2004)。综合近年来获得的锆石 U －Pb 年龄资料和本课题所获得的同位素年龄新结果，进一步证明我国华南南华系的南沱冰期与国际广泛发育的新元古代马雷诺(Marinoan)冰期相当，时限大致在660 ～635 Ma 之间。南华系下冰期(长安或古城冰期)与斯图特(Sturtian)冰期相当，时限大致在750 ～670 Ma 之间。

2.2 峡东地区南华系莲沱组化学蚀变指数变化与环境意义

2.2.1 样品采集及分析处理

在峡东地区，南华系仅发育下统莲沱组(厚50 ～246m)和上统南沱组(厚35 ～180m)。南沱组由冰成沉积物组成，包括典型冰碛砾岩和冰水沉积物。莲沱组底部不整合于黄陵花岗岩之上，为紫色砾岩、砂砾岩，发育中、小规模的斜层理和槽状层理; 中部为灰紫色和灰绿色中—细粒长石石英砂岩、砂质粉砂岩、粉砂岩及少量页岩;上部由灰绿色夹紫灰色砂质粉砂岩、粉砂岩夹页岩及少量紫色中—细粒砂岩组成(赵自强等，1985;邢裕盛等，1996;刘鸿允，1991)。莲沱组化学蚀变指数样品取自三斗坪以南的石板溪桥东至花鸡坡的公路切割剖面(样品号R041016－1～17)，南沱组样品(含莲沱组最顶部样品)取自三斗坪东南的九龙湾－头顶石实测剖面(样品号R041104－1～11)，共计28件。其中4件样品因达不到质量标准，剔除没有参与分析计算。

全部样品均选择为较新鲜的细屑岩，首先将样品切出新鲜面后，用手钻在3～5mm范围内取岩粉200mg，进行化学全分析(中国地质大学化学分析实验室)。主要元素的分析精度优于6%，分析中已取得H₂O⁺和H₂O^－，故表2中的烧失量可基本代表CO₂的含量，并参与取得n(CaO^*)的计算，样品岩性及分析结果见表2。

2.2.2 沉积物的沉积环境分析

分析结果显示，南华系上统南沱组的CIA值主要介于60～65范围内(顶部2个样品除外)。下统莲沱组CIA值的分布情况较为复杂，其最顶部接近于南沱组的2个样品(R041016－1～2)CIA值介于55～60之间;其下莲沱组上部的8个样品(R041016－3～5，7～8，10～12)CIA值则介于65～75的范围内;而最下部的5个样品(R041016－13～17)CIA值又回落到50～65的范围内。从A－CN－K三角图解判断可以看出南华系不同层位的样品较明显集中于3个紧凑稳定区域。研究表明，三斗坪地区南沱组样品CIA值大致相当于更新世冰川粘土的CIA值，为冰成沉积物成因。该组最顶部的两个样品(R041104－11，R041104－10)CIA值达70，则预示由南沱组寒冷气候向陡山沱组温暖气候的转化已初见端倪(王自强等，2006a)。

莲沱组除底部为厚达数十米的河流相砂砾岩沉积外，向上逐渐发育为近海曲流河－网状河的砂岩－粉砂岩沉积。莲沱组顶部两个样品(R0411016－1～2)CIA值分别为61和58的，表明该组顶部已出现干燥寒冷气候的低等化学风化沉积;莲沱组上部样品的ClA值在65～75之间，则显示温暖湿润气候条件的中等化学风化程度的沉积;该组下部样品的CIA值再次降至55～65之间，表明为寒冷干燥气候条件的低等化学风化程度的沉积。这些变化说明莲沱组的沉积开始于寒冷干燥气候低等化学风化程度的环境下，然后转入温暖湿润气候中等化学风化程度的环境，顶部再次出现寒冷干燥气候的低等化学风化程度的环境，并延续至南沱组稳定冰成沉积物的出现。

上述变化在图7中表现得十分清楚，图7a、b、c分别显示3个相对密集区，图7(a)表示南沱组样品点分布，其中可再分为两个次级小区。小区Ⅰ共有5个点，其CIA值分布于60～65范围内。小区x包含了代表南沱组顶部的两个样品点，可能预示了气候开始转暖的迹象。图7b表示莲沱组顶部和下部样品点的相对密集区。样品点全部位于CIA值50～65的低值区。图7c则表示莲沱组上部的样品点，所有点都落于三角图偏上位置的CIA值65～75范围内。上述3个相对密集区分别表示了南华纪沉积演化过程中3个不同的相对稳定阶段。但就整个南华系A－CN－K三角图来看，样品点的分布又相当分散，且不同阶段的CIA值跳动较大。这种特点反映了南华纪(成冰纪Cryogenian)处于古大陆裂解时期，在各大陆块就位前无论从沉积物特征和岩相变化都反映了扬子古陆的构造环境及气候条件与古生代时期相比都表现出总体的不稳定状态(王自强等，2006b)。

2.3 黔南、桂北南华系化学蚀变指数变化与环境分析

黔南和桂北地区的南华系自下而上划分为3个组，下部长安组、中部富禄组、上部南沱组。长安组假整合或不整合于新元古界丹洲群之上，该组成因虽然存在不同认识，但是多数研究者倾向该组为冰海相的沉积。长安组之上富禄组为含Fe、Mn质的碎屑岩沉积，为间冰期产物。上部南沱组则代表再一次冰期的沉积。课题组试图通过该区化学地层研究，进一步探讨黔桂地区南华系与扬子地区南华系对比问题。该区南华系化学蚀变指数样品主要取自广西三江冠洞－枫木剖面的富禄组，贵州黎平的水口以东及肇兴剖面的丹洲群顶部、长安组及南沱组下部(图8)。由于肇兴地区的富禄组岩性过粗，不宜进行CIA研究，故未采用。但该区富禄组中、下部见有斑脱岩夹层，获得锆石U－Pb年龄(669±13)Ma，为南华系的划分、对比提供了有力的依据。

表2 摇宜昌三斗坪南华系样品全岩化学分析及CLA、ICV 值

图7 宜昌三斗坪南华系分解A－CN－K三角图解

图8 广西三江冠洞及贵州黎平水口、肇兴实测剖面图

上述剖面的化学蚀变指数研究样品均采自粉砂岩、砂质粉砂岩和冰成砾岩的胶结物。样品全岩化学分析、ICV 及 CIA 的分析结果见表 3。

表 3 广西三江、贵州黎平南华系样品全岩化学分析及 ICV，CIA 值

注: 1106 －1 ～5 为拱洞组样品，1106 －6 ～24 为长安组样品，1104 －9 ～12(冠洞)，1107 －5，7(肇兴)为富禄组样品，1107 －8 ～ 13 为南沱组样品。

由于贵州黎平肇兴剖面的富禄组岩性偏粗，不宜作为化学蚀变指数的研究对象，仅在该剖面富禄组的顶部取样品 1107 －5 和 1107 －7。其余富禄组样品(1104 －9 ～12)取自广西三江冠洞剖面的富禄组下部。冠洞剖面富禄组下部的样品全部为极薄层页岩和泥岩，其 CIA 值均在 85 ～95 之间，反映其源于炎热、潮湿气候的强化学风化程度沉积，特别是上述样品的 ICV 值均大于 1 说明这些样品有可能为构造相对活动的大陆边缘的首次沉积。样品 1107 －5 和 1107 －7 的 CIA 分别为 69 和 70，表明在接近“南沱冰期”到来之前已出现气候变冷的征兆。

样品 1107 －8 ～13 取自黎平肇兴南沱组的下部，6 个样品 CIA 值数据除 1107 －13 为 66.31 外，其余 5 个 CIA 值都在 60 ～65 之间(表 3)，相当于更新世冰川粘土 CIA 值的范围。其与前述宜昌峡东地区南沱组所获得的 CIA 值基本一致。表明再次转化为寒冷、干燥气候的低等化学风化程度环境的沉积。

3 华南地区新元古界划分与区域对比

我国华南地区新元古界的划分和对比问题长期存在不同认识，但有两个方面已基本取得共识。一是新元古界以晋宁运动界面为底界，最下部的一个地层单元为青白口系(即相当国际地层表的拉伸系Tonian)，应包含沧浪铺群和板溪群以及与它们相当的地层(全国地层委员会，2001，2002; 陆松年，2002; 郑永飞，2003)。二是我国震旦系已获得很好的界定(马国干等，1984; Yin et al.，2005)。当前的焦点问题是南华系莲沱组的认识及其在南华系中的位置。

华南地区南华系大体可概括为 3 种类型: 类型Ⅰ分布于湘、黔、桂三省交界地区，以广西三江剖面为代表。南华系包括 3 个组，上部南沱组(冰成岩); 中部富禄组(含 Fe、Mn 的粉砂岩、页岩夹含Mn 白云岩透镜体); 下部长安组(冰海沉积的杂砾岩)。类型Ⅱ主要分布于黔东北 － 湘西北地区，以湖南石门杨家坪剖面为代表，南华系由 4 个组所组成。顶部为南沱组冰成沉积; 上部为大塘坡组(湖南称为湖锰组)为含 Mn 黑色、紫褐色细屑岩，在黔东北和湖南的部分地区形成可采 Mn 矿; 中部东山峰组为厚度不大的冰成沉积杂砾岩; 下部渫水河组，由紫灰色、灰绿色砂砾岩、砂岩及粉砂岩组成，夹页岩和少量斑脱岩薄层。类型Ⅰ和类型Ⅱ的南华系底界均不整合于板溪群及与其层位相当的地层之上。类型Ⅲ的南华系主要分布于鄂西及下扬子中 － 北部地区。以宜昌峡东剖面为代表，包括两个组，上部南沱组为冰成沉积杂砾岩，下部莲沱组由紫红色砂砾岩、砂岩、灰绿色砂岩、粉砂岩夹页岩组成，区别在于该剖面沉积不整合于黄陵花岗岩之上。如果仅依据岩石地层学原则进行划分和对比，显然可以认为峡东地区缺失南沱组之下的含 Mn 地层及更下的冰成混积岩(包括贵州的铁丝坳组、湖南的东山峰组及其他地区所称的 “小冰”，以及将湘、黔、桂交界地区的长安组)，同时将湖南石门的渫水河组与莲沱组对比，并认为长安组之下缺失莲沱组。甚至把属于不同构造阶段产物，由普遍片理化的浅变质岩组成的板溪群与莲沱组进行对比(刘鸿允，1991)。

图 9 华南新元古界南华系不同类型沉积相带剖面示意图

冯连君等(2001)通过化学蚀变指数研究，提出石门杨家坪的渫水河组上部及东山峰组的 CIA 值分别为60 ～65 和60 ～70，与更新世冰川粘土的 CIA 值大体一致。认为该地区渫水河组同为寒冷干燥气候的低等化学风化条件下的产物。而渫水河组下伏的板溪群老山崖组上部 CIA 为 70 ～75，应该为温湿气候、中等化学风化作用的产物。当前，笔者对湖北宜昌三斗坪南华系化学蚀变指数的研究表明，南沱组之下的莲沱组同样经历了由寒冷干燥—温暖湿润—寒冷干燥气候变化所控制的沉积过程，故此作者提出南华系不同相区的划分对比方案(图 9)。

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