王國強,李向民,徐學義,余吉遠,武 鵬
1.長安大學地球科學與資源學院,西安 710064 2.西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,西安 710054
北山位于中亞造山帶的中東段,其大地構(gòu)造位置位于哈薩克斯坦、塔里木和中朝三大板塊的結(jié)合部位(圖1)[1-2]。北山古生代火山巖的研究作為中亞造山帶構(gòu)造演化研究的一部分,受到眾多學者的關注。其中,對北山二疊紀多條鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)雜巖侵入體[3-4]和以玄武巖為主的大規(guī)?;鹕阶饔茫?-9]的進行了相關研究,焦點集中于晚古生代火山巖,研究認為晚古生代二疊紀是中亞造山帶的一個重要動力學轉(zhuǎn)換 階 段[4,8,10-13],這 些 研 究 成 果 為 北 山 地 區(qū)晚古生代的構(gòu)造演化研究奠定了基礎。然而,該區(qū)早古生代北山構(gòu)造演化極其重要的奧陶紀火山巖研究甚少。90年代以來,前人研究涉及到了局部與蛇綠巖相關的火山巖,認為北山南部花牛山奧陶紀火山巖形成于陸緣裂谷環(huán)境,而北山北部希熱哈達一帶奧陶紀火山巖的研究卻存在陸緣裂谷與島弧之爭[5,14]。此外,基于測試方法的限制,指示構(gòu)造環(huán)境和巖石成因的相關研究涉及較少[5]①何世平.甘肅內(nèi)蒙古北山地區(qū)構(gòu)造單元劃分及古生代地殼演化研究報告.西安:西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,1999.,即使是最新火山巖研究[14]也僅引用了1∶25萬紅寶石幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告②魏志軍,黃增保,張國英,等.1∶25萬紅寶石幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(K47C002001).蘭州:甘肅省地質(zhì)調(diào)查院,2004.中為數(shù)不多的地球化學數(shù)據(jù)。總體來看:對北山整個區(qū)域尺度上的北山奧陶紀火山巖,尤其是對構(gòu)造環(huán)境有重要指示意義的基性火山巖缺乏系統(tǒng)深入的研究;對花牛山和洗腸井奧陶紀基性火山巖,以及北山北側(cè)伊哈托里和希熱哈達一帶出露的奧陶紀火山巖構(gòu)造背景的對比研究,更是缺乏深入的討論。因此,筆者擬以北山南部花牛山、洗腸井和北山北部伊哈托里、希熱哈達奧陶紀基性火山巖為研究對象,通過火山巖巖石地球化學特征研究進而探討北山的構(gòu)造演化背景,為北山乃至中亞地區(qū)的構(gòu)造演化及地球動力學機制研究提供重要的參考依據(jù)。
北山古生代地層發(fā)育較齊全,從寒武系到二疊系均有出露,主要分布于區(qū)內(nèi)南部和北部。奧陶系包括的地層單元有羅雅楚山組、錫林柯博組、白云山組、花牛山群及咸水湖組等。奧陶系在北山范圍內(nèi)主要分布于2個區(qū)域內(nèi),即南部花牛山、牛圈子、馬鬃山、洗腸井一帶,北部伊哈托里、碧玉山-蓬勃山一線以北的烏珠爾噶順地區(qū)及周邊地區(qū)。其中分布于花牛山、洗腸井、伊哈托里及希熱哈達等地的花牛山群、白云山組、錫林柯博組及咸水湖組含有一定規(guī)模的火山巖(火山巖分布位置見圖1),現(xiàn)對各含火山巖系地層特征簡述如下:
花牛山群:僅分布于花牛山地區(qū),為一套淺變質(zhì)碎屑巖、碳酸鹽巖、基性-酸性火山巖建造。巖性為砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、板巖、灰?guī)r(結(jié)晶灰?guī)r、大理巖),以及玄武巖、安山玄武巖等。局部受巖漿活動影響,發(fā)生角巖化、混合巖化。該層位產(chǎn)出的腕足類(Basiliella、Stropheodontasp.)、珊瑚(Heliolites)及頭足類(Discoceras)化石,將其時代籠統(tǒng)置于奧陶紀③甘肅省地質(zhì)局第一區(qū)域地質(zhì)測量隊.安北幅(K-47-25)1∶20區(qū)域地質(zhì)測量報告.蘭州:甘肅省地質(zhì)局,1967.。上下接觸界限不清。
白云山組:主要分布于內(nèi)蒙古額濟納旗白云山、石板井、希熱哈達一帶,為一套碎屑巖、粗碎屑巖夾碳酸鹽巖及少量火山巖和碧玉巖沉積。巖性有雜色粉砂巖、石英砂巖、砂質(zhì)頁巖、含礫砂巖、礫巖、礫狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)板巖、安山玄武巖、英安巖、碧玉巖等。該套地層中富含三葉蟲(Nankinolithus)和腕足類(Hammatocnemis)等標準化石,時代應為晚奧陶世④甘肅省地質(zhì)局第二區(qū)域地質(zhì)測量隊.石板井幅(K-47-21)1∶20區(qū)域地質(zhì)測量報告.蘭州:甘肅省地質(zhì)局,1972.。下部以含礫砂巖與錫林柯博組為界,二者整合接觸,與上覆地層為斷層接觸。
咸水湖組:分布于伊哈托里——雀兒山-英安山一帶的近中部,為一套中-基酸性火山巖、同質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰角礫巖與富含火山成分的含礫砂巖、砂礫巖構(gòu)成的火山巖沉積地層?;鹕綆r以安山巖、英安巖為主,次為安山玄武巖、變余流紋巖。在四頂黑山西以中性-中酸性火山巖為主,以東碎屑成分增多,并夾中酸性火山巖和凝灰?guī)r,與上覆志留統(tǒng)公婆泉群為斷層接觸,地層中產(chǎn)頭足類(Ormocerassp.和Cyclocerassp.等)等標準化石,時代為中奧陶世①魏志軍,黃增保,張國英,等.1∶25萬紅寶石幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(K47C002001).蘭州:甘肅省地質(zhì)調(diào)查院,2004.。
本次研究在花牛山、洗腸井、伊哈托里及希熱哈達等地采集到較好的基性火山巖進行巖石地球化學分析,采樣點具體位置見圖1。其中:花牛山火山巖屬奧陶紀花牛山群;洗腸井火山巖為奧陶紀蛇綠混雜巖帶中玄武巖;伊哈托里和希熱哈達火山巖分別屬于中奧陶世咸水湖組和晚奧陶世白云山組。研究所選樣品是經(jīng)過顯微鏡觀察后挑選有代表性且蝕變相對較弱的樣品進行測試分析。主量元素、微量元素分析均在西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實驗測試中心進行。主量元素采用X熒光光譜分析(XRF),儀器為荷蘭Panalytical公司Axios 4.0kW波長色散X射線熒光光譜儀,精密度RSD≤0.134,穩(wěn)定性RMS Rel≤0.050%。微量元素和稀土元素采用Thermo Fisher公司X-SeriesⅡ型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定,檢測限優(yōu)于5×10-9,相對標準偏差優(yōu)于5%。分析測試結(jié)果見表1。
本次所采集的基性火山巖以玄武巖為主,2件樣品BS047b和BS048b石英微晶體積分數(shù)約1%,將其定名為安山玄武巖(圖2a)。其余樣品為玄武巖,巖石手標本呈綠色、暗灰綠色斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。玄武巖樣品共同顯微特征見圖2b,玄武巖的斑晶由數(shù)量不等的半自形-自形柱狀、短柱狀斜長石和極少量的輝石組成;基質(zhì)具間粒-間隱結(jié)構(gòu),主要由斜長石、輝石、玻璃質(zhì)及隱晶質(zhì)組成并充填于長石斑晶之間。部分樣品中可見少量磁鐵礦。樣品普遍遭受輕微的綠泥石化、綠簾石化、絹云母化及碳酸鹽化等蝕變。
甘蒙北山地區(qū)火山巖主量、微量及稀土分析結(jié)果見表1。該區(qū)奧陶紀玄武巖w(SiO2)變化范圍為47.85%~54.57%,平均值為50.58%;w(Al2O3)為13.38% ~17.04%,w(TiO2)為 0.72% ~2.02%,Mg#值總體較低,變化范圍為35.25~65.87??紤]到北山奧陶紀玄武巖部分巖石化學分析的燒失量偏高,表明巖石經(jīng)歷了一定的蝕變作用,一些活動性強的不相容元素(如Rb、Ba、K、Na等)的濃度可能會在蝕變作用過程中發(fā)生改變。因此,不能利用常規(guī)的TAS圖解,而采用Zr/TiO2-Nb/Y圖解和TFeO/Mg-w(SiO2)圖解進行巖石分類和巖漿系列判別。在Zr/TiO2-Nb/Y圖解(圖3a)中,樣品點主要落入安山玄武巖區(qū)或安山玄武巖與拉斑玄武巖交界范圍內(nèi);樣品點Nb/Y值均小于0.8,屬于亞堿性系列[15]。在 TFeO/MgO-w(SiO2)圖解中,樣品主要落入拉斑系列(圖3b)。
本區(qū)火山巖微量元素分析結(jié)果見表1。從表中可見,北山地區(qū)火山巖稀土總量總體較小,范圍為(19.83~51.65)×10-6。花牛山玄武巖的 LREE/HREE值變化范圍為0.86~2.39,δEu為0.91~1.04;洗腸井玄武巖的LREE/HREE值變化范圍為0.69~0.98,δEu為0.76~0.93。在配分圖解(圖4a)中,花牛山和洗腸井玄武巖顯示出的弱的輕稀土虧損-平坦、重稀土略為富集模式,反映出其與蛇綠巖(N-MORB)環(huán)境下的稀土配分特征具有一定的親緣性,這與前人[18-20]認為花牛山與洗腸井火山巖屬蛇綠巖組成的部分認識一致。伊哈托里玄武巖的LREE/HREE值變化范圍為1.46~4.13,δEu為0.93~1.08;希熱哈達玄武巖的LREE/HREE值變化范圍為1.16~1.46,δEu為0.91~0.96。在稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖中(圖4b),伊哈托里和希熱哈達地區(qū)火山巖表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土平坦、銪異常不明顯的特征。
從原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖4c,d)中可見,研究區(qū)火山巖均呈現(xiàn)出大離子親石元素K、Ba等一定程度的富集,這表明巖石可能遭受了后期的蝕變作用。其中:洗腸井和花牛山火山巖中高場強元素Nb相對虧損,其余高場強元素(Zr、Hf、Ti等)變化相對穩(wěn)定,且從Nb向右各樣品的標準化模式基本相似,配分曲線較為平坦(圖4c);伊哈托里和希熱哈達火山巖中Nb、Ta、Ti等高場強元素顯示不同程度的虧損,具有類似于島弧火山巖的特征(圖4d)。
圖1 甘蒙北山地區(qū)蛇綠巖帶及火山巖分布圖(據(jù)腳注① 何世平.甘肅內(nèi)蒙古北山地區(qū)構(gòu)造單元劃分及古生代地殼演化研究報告.西安:西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,1999.修編)Fig.1 Sketch map showing the distribution of ophiolite belts and the volcanic rocks in Beishan area(after footnote①)
圖2 北山奧陶紀火山巖顯微照片F(xiàn)ig.2 Microphotograph of ordovician volcanic rocks in Beishan
表1 北山奧陶紀火山巖主量、微量及稀土元素分析結(jié)果Table 1 Analytical results of major element,trace element and REE of Ordovician volcanic rocks from Beishan area
表1(續(xù))
表1(續(xù))
表1(續(xù))
圖3 北山奧陶紀火山巖Zr/TiO2-Nb/Y圖解(a)(底圖據(jù)文獻[15])及TFeO/MgO-w(SiO2)圖解(b)(底圖據(jù)文獻[16])Fig.3 Zr/TiO2-Nb/Y diagram(base map after reference[15])and TFeO/MgO-w(SiO2)diagram (base map after reference[16])for Ordovician volcanic rocks in in Beishan area
圖4 北山奧陶紀洗腸井和花牛山(a,c)、伊哈托里和希熱哈達(b,d)火山巖稀土元素配分模式圖及微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized spidergrams of Ordovician volcanic rocks from Xichangjing and Huaniushan(a,c),Yihatuoli and Xirehada(b,d),Beishan area
火山巖的Zr/Nb值可分為2組:花牛山火山巖的Zr/Nb值為13.54~18.66,介于 N-MORB與EMORB之間;洗腸井、伊哈托里及希熱哈達火山巖的Zr/Nb值均大于30.00,類似于 N-MORB(NMORB的Zr/Nb>30.00,E-MORB的Zr/Nb比值約為10[21])。位于北山北部地區(qū)的伊哈托里、希熱哈達基性火山巖Nb/La值均小于或等于0.3,與島弧火山巖相類似(Nb/La<0.3[22]);而花牛山、洗腸井火山巖的 Nb/La值(分別為0.72~1.06,平均值0.90;0.39~0.54,平均值0.45)均大于0.3,可與N-MORB類比,明顯不同于E-MORB(1?Nb/La<2[23])。洗腸井、花牛山基性火山巖 Ha/Th平均值(19.48,8.15)與 Condie[23]給出的 N-MORB(Ha/Th≥8.00)相一致;而伊哈托里、希熱哈達基性火山巖 Ha/Th平均值(2.38,1.85)則與其給出的島弧玄武巖(Ha/Th<8.00)相類似。
高場強元素(HFSE)如 Zr、Hf、Nb、Ta,以及REE和Ti、Y等元素活動性小,是研究火山巖形成環(huán)境、巖漿成因的可靠指標[24]。本文的微量元素研究表明,洗腸井、花牛山火山巖總體來看顯示出類似洋中脊火山巖的地球化學特征,伊哈托里和希熱哈達火山巖的微量元素特征則顯示類似島弧玄武巖的特征;在 Th-Hf/3-Nb/16玄武巖類構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖5)中,北山洗腸井、花牛山一帶火山巖投點主要落入洋中脊玄武巖區(qū),這與花牛山玄武巖被認為是北山南部輝銅山-花牛山蛇綠巖帶的組成部分,洗腸井玄武巖為紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖的組成部分的認識一致(前已述及);而希熱哈達和伊哈托里火山巖則主要顯示火山弧玄武巖特征。在Th-Hf/3-Nb/16玄武巖類構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖5)中,盡管花牛山部分點落入正常洋中脊環(huán)境,部分點落入富集型洋中脊玄武巖和板內(nèi)堿性玄武巖投點區(qū),這從構(gòu)造環(huán)境的角度是可以解釋的。因為北山從震旦紀開始地球動力學環(huán)境顯示拉張?zhí)卣?,北山早古生代蛇綠巖的出現(xiàn)代表了拉張裂解最為強烈階段即洋殼的出現(xiàn),因此花牛山玄武巖部分投點有可能落入板內(nèi)環(huán)境,花牛山玄武巖的判別圖可能反映了大陸裂谷環(huán)境向大洋環(huán)境的轉(zhuǎn)化;洗腸井火山巖在Th-Hf/3-Nb/16玄武巖類構(gòu)造環(huán)境判別圖解中總體則顯示出正常洋中脊火山巖的地球化學特征,與目前認為該處火山巖屬紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖的組成部分的認識一致;伊哈托里、希熱哈達火山巖在 Th-Hf/3-Nb/16玄武巖類構(gòu)造環(huán)境判別圖解中則顯示島弧玄武巖特征。
圖5 北山奧陶紀火山巖Th-Hf/3-Nb/16構(gòu)造環(huán)境判別圖(底圖據(jù)文獻[25])Fig.5 Th-Hf/3-Nb/16tectonic setting discrimination diagram for Ordovician volcanic rocks in Beishan area(base map from reference[25])
Ernst等[26]認為由于大陸地殼或巖石圈的混染作用可以給出似消減帶型號,從而會導致將大陸玄武巖誤判成島弧玄武巖。通常很高的原始地幔標準化 Th/Nb值(?1.00)[27]、低 Nb/La值(<1.00)[28]是大陸玄武巖受到地殼混染的可靠判定指標。那么本區(qū)伊哈托里、希熱哈達顯示島弧特征地區(qū)的玄武巖樣品是真正島弧巖漿作用形成還是遭受了地殼混染作用?伊哈托里玄武巖ThN/NbN值變化范圍為1.83~5.99,平均值為4.20,Nb/La值變化范圍為0.28~0.42,平均值為0.33;希熱哈達玄武巖ThN/NbN值變化范圍為4.59~5.26,平均值為4.80,Nb/La值變化范圍為0.25~0.30,平均值為0.27。2處樣品均顯示了原始地幔標準化Th/Nb值(?1.00)和低 Nb/La值(<1.00)的特征。大陸伸展環(huán)境下源自于陸下富集地幔部分熔融作用形成的火成巖,在受到較為強烈的地殼混染作用后,也能表現(xiàn)出高場強元素Nb、Ta負異常等島弧火山巖的特征[21,29]。因此,對于那些具有消減帶型號的基性熔巖,可根據(jù)受混染作用影響較小的元素Zr質(zhì)量分數(shù)和Zr/Y 值或利用 Zr/Y-w(Zr)的圖解進行判別[29]。盡管伊哈托里、希熱哈達2處火山巖在Zr/Y-w(Zr)圖解中的投點位于板內(nèi)玄武巖區(qū)內(nèi)或偏移至板內(nèi)玄武巖區(qū)左側(cè)(圖6);但伊哈托里、希熱哈達2處火山巖Zr質(zhì)量分數(shù)平均值分別為92.70×10-6和88.55×10-6,Zr/Y平均值分別為6.16、3.73,這均與大陸玄武巖的Zr質(zhì)量分數(shù)及Zr/Y值一致(Zr質(zhì)量分數(shù)>70.00×10-6,Zr/Y>3.00[26]);此外,2處樣品均具原始地幔標準化Th/Nb值(?1.00)、低 Nb/La值(<1.00)、Zr/Nb值類似于 N-MORB及原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖中缺乏明顯的Nb、Ta、Ti負異常“隆起”的特征。以上證據(jù)暗示了本區(qū)伊哈托里、希熱哈達地區(qū)火山巖巖漿在上升過程中遭受了一定程度的地殼混染作用,該區(qū)火山巖(板內(nèi)玄武巖)由此表現(xiàn)出了島弧火山巖的特征。
圖6 北山奧陶紀伊哈托里、希熱哈達火山巖Zr/Y-w(Zr)構(gòu)造環(huán)境判別圖(底圖據(jù)文獻[30])Fig.6 Zr/Y-w (Zr)tectonic setting discrimination diagram for Ordovician volcanic rocks in Yihatuoli and Xirehada in Beishan area(base map from reference[30])
北山存在4條蛇綠巖(蛇綠混雜巖)帶(紅石山-百合山-蓬勃山、芨芨臺子山-小黃山、紅柳河-牛圈子-洗腸井、輝銅山-帳房山,圖1)。前人以蛇綠巖研究為基礎,對于北山地區(qū)早古生代構(gòu)造演化主要存在以下認識:一種觀點認為石板井-小黃山蛇綠巖帶為早古生代縫合帶[5,31-32];另一種觀點將紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖帶作為早古生代縫合帶[18,33]。蛇綠巖的化石年代及同位素年代學研究表明[5,19,34-38],北山僅 有 紅 柳 河 - 牛 圈 子 - 洗腸井蛇綠巖帶(紅柳河蛇綠巖的時代也存在早寒武世[34]與早志留世[39]的認識)及輝銅山蛇綠巖屬早古生代(奧陶紀)蛇綠巖,兩者可能同為一個洋殼的殘余;芨芨臺子山-小黃山蛇綠巖的形成時代為早石炭世[38,40],其與北山早古生代洋盆演化沒有關系,它是晚古生代(石炭紀-二疊紀)碰撞造山期后陸內(nèi)伸展作用的產(chǎn)物[38];那么位于其北部的伊哈托里和希熱哈達火山巖,則不可能為前人[5]所認為的芨芨臺子山-小黃山蛇綠巖所代表的洋盆俯沖-消減所引發(fā)的島弧火山-巖漿作用下形成的火山巖。從紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖所代表的洋盆的形成時代來看,北部伊哈托里、希熱哈達火山巖最有可能是紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖代表的洋盆向北俯沖-消減所引發(fā)的島弧火山-巖漿作用的地質(zhì)記錄。以紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖帶作為早古生代縫合帶的學者們認為古洋盆自南向北俯沖[18,33,41-43],俯沖開始時間為志留紀;因此北山 北部伊哈托里、希熱哈達火山巖也不可能為其俯沖-消減所形成的島弧火山巖,因為兩者在時空關系上并不配套。
北山從震旦紀開始地球動力學環(huán)境顯示拉張?zhí)卣?,至奧陶紀時拉張強烈地段出現(xiàn)洋殼,現(xiàn)今表現(xiàn)為北山早古生代代表洋殼殘余的蛇綠巖,如北山南部洗腸井和花牛山等地火山巖均為奧陶紀蛇綠巖的組成部分;北山北部在奧陶紀時處于伸展作用的構(gòu)造背景之下,具體表現(xiàn)為伊哈托里和希熱哈達等地的火山巖微量元素具板內(nèi)火山巖的特征。伊哈托里和希熱哈達位于明水-旱山微陸塊北緣,自中奧陶世開始出現(xiàn)陸緣火山活動和碎屑巖沉積相伴,一直持續(xù)到晚奧陶世,形成伊哈托里-希熱哈達陸緣火山活動帶,火山活動從中奧陶世早期由微量的火山噴發(fā)開始,經(jīng)中期中性、中基性噴發(fā),至晚奧陶世早期該區(qū)的基性火山巖活動結(jié)束。結(jié)合構(gòu)造演化分析,筆者認為在奧陶紀時伊哈托里、希熱哈達處于伸展拉張的背景之下,該區(qū)火山巖應屬明水-旱山微陸塊北緣裂谷火山巖,并非古亞洲洋向南俯沖而形成的島弧火山巖[5,14]。
1)北山花牛山和洗腸井奧陶紀火山巖的稀土元素特征與N-MORB具有親緣性,微量元素呈NMORB特征,總體反映其形成環(huán)境為洋中脊環(huán)境,洋中脊火山巖主要與蛇綠巖的形成關系密切。
2)伊哈托里和希熱哈達火山巖的稀土及微量元素呈現(xiàn)出島弧火山巖的信息,經(jīng)原始地幔標準化Th/Nb值(?1.00)和低 Nb/La值(<1.00)判定后,認為伊哈托里和希熱哈達火山巖遭受地殼混染作用,Zr含量、Zr/Y值顯示其板內(nèi)玄武巖的特征。
3)結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化分析,認為北山南部花牛山和洗腸井奧陶紀火山巖應形成于洋中脊環(huán)境,北山北部伊哈托里和希熱哈達火山巖則分別為中、晚奧陶世時形成于伸展裂解環(huán)境下的產(chǎn)物。
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