Spatio-temporal structure of Beishan orogenic belt and evolution of Paleo-Asian Ocean, Inner Mongolia
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摘要:
内蒙古北山造山带自北向南发育红石山－百合山、月牙山－洗肠井和帐房山－玉石山3条蛇绿构造混杂岩带。其中北部的2条蛇绿岩带揭示了北山造山带两阶段演化的历史：月牙山－洗肠井蛇绿混杂岩带洋壳形成于530~520 Ma，沿该带多处保存较完好的蛇绿岩洋壳残块（洋壳结构具向北变新特征），与北侧的早古生代公婆泉岩浆弧（由南向北岛弧成熟度变高）共同指示了北山洋向北俯冲消减的过程，即490 Ma初始俯冲，450~440 Ma为俯冲峰期，430~420 Ma为同碰撞阶段，400 Ma的双峰式岩浆岩组合指示了北山洋的消亡和后造山伸展的过程；红石山－百合山蛇绿混杂岩带是发育在雀儿山－圆包山岛弧基础上的SSZ型蛇绿岩，弧后开裂洋壳的形成与南侧最早发育的岛弧岩浆作用年龄接近（340~320 Ma），310~290 Ma俯冲峰期造成南侧白山岩浆弧大量的岩浆活动，早二叠世末期（275 Ma）的辉长岩和花岗岩侵位及早—中二叠世双堡塘组下部的角度不整合均反映了红石山洋盆的闭合。前人所划"石板井－小黄山蛇绿岩带"实为一条早古生代发育的深大断裂，沿带发育中基性侵入体及少量超基性岩，后期（志留纪末）叠加有较强的韧性剪切变形。中生代以来的走滑作用和逆冲推覆构造改造了古生代的构造格架，使红石山-百合山蛇绿混杂岩带向北左行切错了十余千米，北山南部的中—新元古界推覆至下古生界之上。对内蒙古北山造山带时空结构的厘定，有助于中亚造山带造山作用过程的理解及其对古生代地壳增生的深入研究，也对银额盆地晚古生代新层系油气资源勘查起到基础支撑。
Abstract:The Beishan orogenic belt is composed of Late Paleozoic Hongshishan-Baiheshan ophiolite mélange belt, Early Paleozoic Yueyashan-Xichangjing ophiolite mélange belt and late Paleozoic Zhangfangshan-Yushishan ophiolite mélange belt from north to south in Inner Mongolia.The "Shibanjing-Xiaohuangshan ophiolite belt" defined by previous researchers is actually an Early Paleozoic trans-crustal fault zone, across which there are intermediate-mafic rocks and minor ultramafic rocks. At the end of the Silurian, intense ductile shear deformation was superimposed upon it.The two ophiolite belts in the north reveal the two-stage evolution history of Beishan orogenic belt:The Yueyashan-Xichangjing ophiolite mélanges belt was formed from 530 Ma to 520 Ma, and there exist many intact ophiolite oceanic crust fragments along the belt(the oceanic crust structure has the characteristics of becoming younger from south to north), which, together with the Early Paleozoic Gonpoquan magmatic arc(the maturity of island arc increased from south to north), indicates the process of northward subduction of the Beishan Ocean, which included the initial subduction of 490 Ma, the peak period of subduction ranging from 450 Ma to 440 Ma, and the syn-collision stage ranging from 430 Ma to 420 Ma.The 400 Ma bimodal magmatic rock assemblage indicates the extinction of Beishan Ocean and the beginning of a new tectonic cycle.The Hongshishan-Baiheshanophiolite mélange belt is a SSZ-type ophiolite developed on the basis of the Quershan-Yuanbaoshan island arc.The formation time of the back arc cracked oceanic crust approached the earliest developed island arc magmatism in the south, which happened from 340 Ma to 320 Ma.The period of 310~290 Ma subduction caused a lot of magmatic activities that formed the Baishan magmatic arc.The existence of gabbro and granite bimodal intrusions at the end of Early Permian(275 Ma)and the Early-Middle Permian angular unconformity events of the Shuangbaotang Formation commonly reflect the closure of the Hongshishan Ocean basin.The strike-slip and thrust nappe structures since Mesozoic have transformed the Paleozoic tectonic framework, resulting in the northward left-lateral slipping of Hongshishan-Baiheshanophiolite mélange belt for more than 10 kilometers and the thrusting of Middle-Upper Proterozoic strata on the Early Paleozoic strata.The authors determined the spatial and temporal structure of the Beishan orogenic belt, which is helpful to the further research on the orogenesis and crustal accretion process of the Central Asian Orogenic Belt, and also provides research basis for the exploration of the Late Paleozoic hydrocarbon resources in the Yin'e basin.
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三水盆地是南海北部陆缘唯一具有大规模新生代火山喷发记录的沉积盆地。盆地新生代火山喷发组合以粗面岩、玄武岩和流纹岩为代表，总体体现板内的大陆裂谷环境[1-10]。根据前人研究，三水盆地存在13期火山喷发[1-2, 5-6, 8, 11]，其中大多数集中于古新世和始新世。时代最新的玄武岩年龄为38Ma[12]，这也是南海北部大陆边缘地区迄今获得的南海扩张之前最晚的火山喷发年龄。本文报道的西樵山独岗流纹岩和石头村玄武岩样品是新近采得，应用K-Ar法经过严格的测试和检验，分别测得28.25Ma和29.27Ma的同位素地质年龄。这一新的结果将三水盆地的火山喷发序列推迟至渐新世中期，也改变了长期以来关于南海扩张期间（32~ 16Ma）无陆上火山喷发活动的传统认识，对于区域构造环境的解读和南海扩张过程的研究具有重要意义。
1. 地质背景
三水盆地位于广东省南部，是中国华南大陆最贴近南海的内陆盆地。盆地主要断裂带是吴川-四会断裂带、西江断裂带和三水-西樵山断裂带，新生代地层自下而上有莘庄村组、㘵心组、宝月组和华涌组。
三水盆地是南海北部唯一存在早新生代大规模火山喷发的陆缘盆地，前人总结的13期火山喷发活动中绝大部分（10~11期）发生在古新世—中始新世（60.5~38Ma），喷发岩的主要种类为玄武岩、粗面岩和流纹岩，地表出露地点主要有紫洞、王借岗、走马营、西樵山、狮岭、黎边山等地，基性岩与中酸性岩呈近南北向双列线性展布。本文分析样品是采自石头村的玄武岩和独岗的流纹岩（图 1）。
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西樵山是三水盆地出露面积最大的火山喷发点，各类熔岩、集块岩、熔结凝灰岩、凝灰岩发育齐全。根据以往报道，该地粗面岩数量巨大，年龄一般为45Ma，是盆地火山活动最强烈的第10期喷发的主要代表。独岗贴近西樵山，可能是西樵山火山体系的一部分，也可能属于后期的独立喷发。独岗岩体呈灰黄色，柱状节理非常发育，化学分析结果表明其为典型的流纹岩。石头村位于三水盆地东北部，是盆地内玄武岩出露的主要地区之一，但随着当地经济建设的发展，露头已被挖掘殆尽，本文的分析样品来自某工程施工现场。
2. K-Ar年代测试
测试玄武岩选用剔除斑晶的基质，流纹岩选用透长石单矿物，测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成，K含量测量采用锂内标钠缓冲火焰光度计法，火焰光度计型号为6400，所用标样为房山花岗闪长岩体黑云母（编号ZBH-25）和腾冲芒棒玄武岩（编号TC-18）。Ar含量测量采用VSS-RGA-10质谱计，稀释法静态测量，标样为房山花岗闪长岩体黑云母（编号ZBH-25）。计算过程中的标准值据桑海清等[17]。计算所用衰变常数λ= 5.543×10-10/a，40K/∑K=1.167×10-4。
玄武岩测试年龄为29.27±1.52Ma，流纹岩测试结果为28.25±1.14Ma，均属渐新世，具体测试结果见表 1。测试过程中所选标样房山花岗闪长岩体黑云母（编号ZBH-25）K含量标准值为7.60%，实测值7.04%，腾冲芒棒玄武岩（编号TC-18）K含量标准值1.04%，实测值1.01%。Ar含量测量标样ZBH-25标准值为132.9±1.3Ma，实测值为132.47Ma。测试方法合理，数据可靠，笔者认为测试年龄可为后续科学研究提供可靠的年代学依据。
表 1 三水盆地火山岩K-Ar测年数据结果Table 1. The K-Ar isotopic dating results of the volcanic rocks in Sanshui Basin岩性 玄武岩 流纹岩 K含量/% 1.70±2.56 4.92±2.92 称样量/g 0.0211 0.0101 40Ar*/(mol·g-1) 8.70E-11 2.43E-10 40Ar*% 48.8661 54.64888 38Ar/mol 7.12E-12 7.15E-12 40/38Ar 0.527478±2.51E-05 0.628125±0.000384 36/38Ar 0.000932±2.01E-05 0.000984±7.39E-06 40Ar*/40K 0.001715±8.97E-05 0.001654±6.71E-05 年龄值/Ma 29.27±1.52 28.25±1.14 注：40Ar*代表放射性成因40Ar 3. 岩石矿物和地球化学特征
3.1 岩石矿物学特征
石头村玄武岩呈黑色，少见气孔，具斑状结构（图 2-a），斑晶为斜长石（15%）、橄榄石（10%）和辉石（5%）。基质为拉斑玄武结构，包含斜长石微晶（20%）和火山玻璃（30%），橄榄石形状不规则，晶体较大，有不规则裂纹且个别橄榄石有蛇纹石化现象（图 2-b）。辉石形状较规则，呈八边形，有裂纹，发育较弱的环带，且裂纹穿过环带（图 2-c）。斜长石形状规则，发育大量环带，且环带清晰、完整，无裂纹、无蚀变现象。
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图 2 三水盆地石头村玄武岩手标本（a）及显微照片（b、c）(b、c左为单偏光，右为正交光)b—橄榄石及蛇纹石化；c—辉石环带；Ol—橄榄石；Aug—辉石；Cl—斜长石；Srp—蛇纹石Figure 2. Hand specimen(a) and photomicrographs(b, c) of Shitoucun basalt in Sanshui Basin流纹岩呈灰色，少见气孔，斑状结构，块状构造（图 3-a），矿物组成为长石、石英、黑云母。斑晶主要为碱性长石（10%），偶见长石斑晶中包裹小颗粒长石（图 3-b），碱性长石斑晶呈自形-半自形，有不规则裂纹，大小为1~1.5mm，基质为微晶结构，碱性长石微晶半定向排列，其间充填有玻璃质成分。副矿物为菱铁矿（1%~2%）（图 3-c）。以上岩石矿物特征与前人研究的时代较老的同类岩石一致[5, 11, 18]。
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图 3 三水盆地独岗流纹岩手标本(a)及显微照片（b、c左为单偏光，右为正交光）b—长石；c—菱铁矿及辉石；Aug—辉石；Afs—碱性长石；Mgs—菱铁矿Figure 3. Hand specimen(a) and photomicrographs(b, c) of Dugang rhyolite in Sanshui Basin3.2 地球化学特征
石头村玄武岩和独岗流纹岩元素地球化学分析数据见表 2。石头村玄武岩(图 4)SiO2含量为47.57%，TiO2含量为2.78%（大于2%），K2O+Na2O含量为4.54%，且Na2O>K2O。该类岩石富集Nb、Ta、Zr、Hf等不相容元素，稀土元素总量为133.74×10-6，轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，La/Yb值为12.12，Ce/Yb值为25.1。在微量元素蛛网图上具有与OIB（洋岛玄武岩）相似的地球化学特征(图 5- a)。La/Nb值为0.45，Nb/Zr值为0.28，Th/Nb值为0.05，与地幔热柱玄武岩特征相似[19-20]。构造环境投图判别为板内玄武岩（图 6-a）。以上特征均与盆地时代较老的玄武岩一致（图 5-a），指示伸展拉张的陆内裂谷环境。
表 2 三水盆地火山岩地球化学数据分析结果Table 2. The major, trace and rare earth elements analysis data of the volcanic rocks in Sanshui Basin地名 石头村 独岗 样品编号 14SS004 14SS013 岩性 玄武岩 流纹岩 SiO2 47.57 70.43 TiO2 2.78 0.24 Al2O3 17.34 14.24 Fe2O3 12.07 3.28 MnO 0.15 0.09 MgO 5.06 0.18 CaO 9.67 0.17 Na20 2.82 5.47 K20 1.7 4.99 P2O5 0.49 0.01 总计 99.65 99.1 Be 1.25 7.74 Sc 24.3 1.42 V 240 1.4 Cr 67.3 1.68 Co 42 9.06 Ni 40.7 1.07 Cu 45.6 7.08 Zn 100 211 Ga 22.6 44.3 Rb 32.4 325 Sr 768 8.22 Y 24.2 159 Zr 187 1504 Nb 53.1 460 Cs 0.32 2.54 Ba 318 19 La 24 175 Ce 49.7 324 Pr 6.48 36.8 Nd 27.4 125 Sm 6.19 24.1 Eu 2.16 0.21 Gd 5.96 23.3 Tb 0.92 4.21 Dy 5.01 26 Ho 0.91 5.43 Er 2.4 16.2 Tm 0.34 2.64 Yb 1.98 16.4 Lu 0.29 2.46 Hf 4.56 37.4 Ta 3.13 26.5 Pb 2.57 37.6 Th 2.55 58 U 0.73 14.7 注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素为10-6 ![]()
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图 6 玄武岩（a）和流纹岩（b）构造环境判别图(a底图据参考文献[25]；数据据参考文献[6-7, 12, 15-16]）和流纹岩构造环境判别图；b底图据参考文献[26]；A型花岗岩数据据参考文献[27-28]；其他对比数据据参考文献[5-7, 12, 15-16, 18]）
A—岛弧拉斑玄武岩；B—MORB、岛弧拉斑玄武岩、钙碱玄武岩；C—钙碱性玄武岩；D—板内玄武岩；ORG—洋脊花岗岩；WPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；syn-COLG—同碰撞花岗岩Figure 6. The discrimination of tectonic setting of basalts (a) and rhyolites (b)独岗流纹岩（图 4）SiO2含量为70.43%，Na2O为5.47%，K2O为4.99%，Al2O3为14.24%，属高钾钙碱性；富集Nb、Ta、Zr、Hf、Th等不相容元素，亏损Ba、Sr、P、Ti、Eu等；稀土元素总量为781.75×10-6，轻稀土元素总量为708.41×10-6，La/Yb值为10.67，Ce/ Yb值为19.76，具有负Eu异常，构造环境判别图显示其产出于板内环境（图 6-b）。与A型花岗岩特征相似，在微量元素蛛网图上与红海Afar地幔柱流纹岩具有一致的分布曲线（图 5-b）。以上特征与盆地时代较老的流纹岩一致，属于板内拉张的陆内裂谷环境。
综上所述，石头村玄武岩和独岗流纹岩与三水盆地新生代基性岩和酸性岩的基本特征一致，均产自板内构造环境，表明它们与前人总结的研究区古、始新世双峰式火山喷发模式一脉相承[5-7, 15]，仍属于陆内裂谷体系[1-6]。
4. 讨论
三水盆地古新世—始新世发生大规模的火山喷发活动，有“三水热点”之称[5-8]。这种多期次、多旋回的激烈火山活动在华南地区同时期构造盆地中“一枝独秀”，没有类似的地域可供比拟。盆地基性和中酸性喷出岩分别与OIB和Afar地区同类型火山岩具有相似的地球化学特征，可能受控于地幔柱上涌[5-6]，代表大陆裂谷[1-6]，是大陆边缘发生破裂的产物。结合南海演化过程及北部陆域的区域地质特征，推测盆地火山活动的性质和时间（38~ 60Ma），大体相当于Afar于红海开裂，属于威尔逊旋回中洋盆扩张前的陆内裂谷阶段。
大西洋、红海的演化路径是体现威尔逊旋回的典型范例，即它们在发生扩张的同时，邻近陆域伴有长期的裂谷型火山喷发活动。北大西洋扩张始于早侏罗世末期，北美大陆边缘保存有至新生代早期的火山记录，红海扩张发生在渐新世初，其阿拉伯一侧的火山喷发活动至今未绝。南海被认为是大西洋式张裂形成的海盆[29-32]，但是根据以往资料，在南海扩张期间其周缘陆地鲜有岩浆活动记录，即使如三水盆地这类新生代早期具有陆内裂谷火山活动特征的火山喷发中心，也在南海扩张之前的始新世中晚期（38Ma）完全停止了岩浆活动。这一现象受到研究者的广泛关注[8-9, 33-38]，但迄今尚没有合理的解释。
在南海海域自始新世中晚期至南海开裂期间基本没有火山记录，洋岛火山岩年龄多集中在3.69~ 18.61Ma[39-43]，基本属于南海扩张停止以后的岩浆活动的产物，对理解南海早期开裂-扩张机制可能不具有太大意义。而本文火山岩喷发正值南海早期扩张阶段，玄武岩和流纹岩构成常见的双峰裂谷模式，与盆地之前的火山活动较一致，将伴随南海扩张的陆域火山活动记录拉长至渐新世中期，改变了南海扩张期间周边陆域无重要火山活动的传统认识。虽然仅从它们的发现还不足以构建南海早期的开裂-扩张模式，但是对传统认识已经形成突破，为正确理解南海早期演化提供了新的材料和视角。
5. 结论
三水盆地渐新世火山岩的发现修正了关于南海早期扩张过程中在其北部陆域缺乏火山喷发记录的传统认识，将双峰式陆内裂谷岩浆活动延续至渐新世中期，即南海早期扩张阶段。这一新的认识对于通过海陆对比进一步分析和总结南海的早期演化模式具有重要意义。
致谢: 中国地质大学(北京)王根厚教授、中国地质大学(武汉)张克信教授、内蒙古地质调查院邵积东教授级高工、中国地质调查局天津地质调查中心王惠初研究员与笔者在野外一同进行了调研；中国地质科学院李锦轶研究员与笔者就中亚大地构造问题进行了研讨；中国地质大学(武汉)张克信教授和中国地质科学院地质力学所胡健民研究员审阅了全文并提出了建设性修改意见；在此一并谨致谢忱。 -
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图 1 内蒙古北山造山带大地构造单元划分图
Ⅰ11—红柳园晚古生代裂谷；Ⅰ12(F5)—帐房山-玉石山晚古生代蛇绿混杂岩带；Ⅰ13—古硐井中-新元古代克拉通盆地；Ⅱ11(F4)—月牙山－洗肠井早古生代蛇绿混杂岩带；Ⅱ12—公婆泉早古生代岩浆弧；Ⅱ13—明水-旱山地块；Ⅱ14—白山晚古生代岩浆弧；Ⅱ15(F1)—红石山-百合山晚古生代蛇绿混杂岩带；Ⅱ21—黑鹰山晚古生代弧后盆地；Ⅱ22—雀儿山-圆包山早、中古生代岛弧带；F2—白梁-三个井构造带；F3—石板井-小黄山构造带；F6—星星峡走滑断裂；F7—清河沟走滑断裂；F8—红梁子走滑断裂
Figure 1. The tectonic units of the Beishan Orogenic Belt, Inner Mongolia
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图 2 内蒙古北山造山带古生代构造-地层建造图
①一帐房山-玉石山蛇绿混杂岩带; ②一月牙山-洗肠井蛇绿混杂岩带; ③--红石山-百合山蛇绿混杂岩带
Figure 2. The Paleozoic tectonostratigraphic units of the Beishan orogenic Belt, Inner Mongolia
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图 3 内蒙古北山造山带大地构造演化图
Figure 3. The tectonic evolution of the Beishan orogenic belt, Inner Mongolia
表 1 内蒙古北山地区构造单元划分
Table 1 The division of tectonic units for the Beishan Orogenic Belt, Inner Mongolia
一级构造单元 二级构造单元 三级构造单元 中亚造山带(北山造山带) 西伯利亚南缘陆缘增生带 雀儿山-圆包山早—中古生代岛弧带 黑鹰山晚古生代弧后盆地 红石山-百合山晚古生代蛇绿混杂岩带 马鬃山微陆块 白山晚古生代岩浆弧 明水-旱山地块 公婆泉早古生代岩浆弧 月牙山-洗肠井早古生代蛇绿混杂岩带 华北-塔里木板块 敦煌地块 西双鹰山早古生代被动陆缘盆地 古硐井中—新元古代克拉通盆地 账房山-玉石山晚古生代蛇绿混杂岩带 红柳园晚古生代裂谷 
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