中亚造山带作为世界上最大的显生宙造山带，夹持在西伯利亚克拉通与塔里木-华北克拉通之间，其复杂的构造演化过程被认为与古亚洲洋的构造运动密切相关(图 1-a)^[1-16]。古亚洲洋盆的形成、演化及增生造山与地体拼贴过程造就了现有的构造格架(图 1-a)^{[1, 15-22]}。

图  1  中亚造山带构造简图(a)和北山造山带蛇绿岩分布图(b)(据参考文献①修改，年龄数据据参考文献[2-14])

Figure  1.  Structural sketch map of the Central Asian orogenic belt(a) and temporal and spatial distribution of ophiolites in the Beishan orogenic belt(b)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

北山造山带分布于中亚造山带南缘(图 1-a)，经历了多阶段的俯冲拼贴过程，形成了从南向北依次出露的柳园-账房山、洗肠井-白云山-牛圈子-红柳河、小黄山-芨芨台子、红石山-百合山等多条蛇绿混杂岩带(图 1-b)，前人对不同的蛇绿混杂岩进行了研究，获得了丰富的年代学资料(图 1-b)^[2-14]。红柳河-牛圈子-白云山-洗肠井蛇绿岩带(简称红柳河-洗肠井蛇绿混杂岩带)呈近东西向展布于北山造山带中部，近年的资料表明，该蛇绿岩形成于寒武纪^{[3, 6-7, 17, 11-13]}、早志留世^[10]或晚志留世^[2]，蛇绿岩类型为MOR(大洋中脊)型^{[6, 23]}或SSZ(俯冲)型^{[2, 10, 14]}，由此可见，红柳河-洗肠井洋壳的形成时代、蛇绿岩类型有待进一步研究。另外，前人的研究集中在红柳河、牛圈子及洗肠井地区，对白云山地区的蛇绿混杂岩却鲜有报道^[13]，且更多的研究集中在蛇绿岩岩块的年代学及地球化学方面，缺少对蛇绿混杂岩带的全面认识。

本次通过内蒙古北山地区1:5万月牙山幅区域地质调查，查明了白云山蛇绿混杂岩的物质组成、构造变形及年代学、Hf同位素等特征，结合前人研究的该区不同类型蛇绿岩岩块的地球化学特征，探讨红柳河-洗肠井洋的演化历史。

1.   区域地质概况

北山造山带位于中亚造山带南缘，向东与兴蒙造山带相连，向西与天山造山带相连，由前寒武纪地体、蛇绿混杂岩、增生杂岩及沟弧盆沉积-岩浆岩组成^[3]。

研究区位于北山造山带中部，内蒙古额济纳旗白云山地区，白云山蛇绿混杂岩带出露于研究区中部，向东延伸至月牙山-洗肠井蛇绿混杂岩带，向西延伸至牛圈子-红柳园蛇绿混杂岩带(图 1-b)。孙立新等^[13]获得辉长岩的锆石U-Pb年龄为496.4± 2.2 Ma，显示白云山蛇绿岩形成于晚寒武世(图 2)。蛇绿混杂岩带北部为上奥陶统白云山组，为大洋俯冲的弧前盆地沉积建造^[24]。蛇绿混杂岩带南部为增生杂岩带，岩石强片理化，其中可见蛇绿岩、玄武岩、大理岩等岩块(图 2)。泥盆系三个井组及墩墩山组发育较好的层理构造，反映了蛇绿混杂岩就位后的沉积建造^[24]，这些泥盆系在牛圈子一带同样发育^[25-27]。蛇绿岩带北侧发育的晚泥盆世花岗闪长岩为晚泥盆世陆缘岩浆弧的产物^[28-29]。

图  2  白云山蛇绿混杂岩带地质简图(据参考文献①修改)

Figure  2.  Simplified geological map of Baiyunshan ophiolite mélanges belt

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   白云山蛇绿混杂岩带地质特征和岩石学特征

白云山蛇绿混杂岩带出露宽2~6 km，出露长度大于26 km，呈北西西向带状展布(图 2)，总体表现为岩块与基质的强烈混杂(图 3-a)，岩块变形较弱、显示“无根”地质体；基质围绕岩块分布，具有强变形、强片理化特征。在野外调查各岩块、基质接触关系及原岩恢复的基础上，划分了洋壳岩块及外来岩块、洋壳基质及砂板岩基质。结合室内岩相学、地球化学数据、同位素年龄、地层时代等，区分了不同时代、不同岩石类型的岩块(表 1)。

图  3  白云山蛇绿混杂岩带三期构造变形特征

a—蛇绿混杂岩带构造-岩性实测剖面(据PM018修改)；b—俯冲期的糜棱面理变形及S-C组构(第一期变形)；c、d—拼贴期的逆冲断层系及玄武岩新生面理褶皱(第二期变形); e—隆升期的走滑断层系(第三期变形)

Figure  3.  The characteristics of three stages of structural deformation for the ophiolitic mélanges belt in Baiyunshan

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  白云山蛇绿混杂岩构造岩石单元划分

Table  1.  The partition scheme of different types of block and matrix in the Baiyunshan ophiolite mélanges belt

蛇绿混 杂岩带	构造地质体类型			岩性	年龄/Ma
白云山 蛇绿混 杂岩带	基 质	洋壳基质	绿泥片岩基质	绿泥钠长片岩
		砂板岩基质	蛇纹岩基质	蛇纹岩
			砂板岩基质	强片理化 变质砂岩
		洋壳岩块	超镁铁质 岩岩块	橄榄岩、辉石岩、橄 辉岩、辉橄岩、碳酸 盐化蚀变超基性岩
	岩 块
			辉长岩岩块	蚀变辉长岩、 堆晶辉长岩	496.4± 2.2[13]
			(MORB)玄武 岩岩块	变质玄武岩
			(OIB)玄武 岩岩块	变质玄武岩
			斜长花岗 岩岩块	斜长花岗岩	519.8± 2.1②
			硅质岩岩块	纹层状硅质岩
		外来岩块	碎屑岩岩块 碳酸盐岩岩块	砂岩 灰岩

下载: 导出CSV 

| 显示表格

在蛇绿混杂岩中识别出3期构造变形，第一期为深层次韧性变形(D₀)，形成原始透入性北倾糜棱面理，是研究区可识别的第一期变形，表现为强糜棱岩化的基质与相对刚性的岩块(图 3-a)。在强糜棱岩化的蛇纹岩基质中，发育S-C组构与不对称剪切残斑(图 3-b)，总体糜棱面理优选方位为北西向(S₁a), 反映了同俯冲构造变形的特征。第二期变形为近东西展布的压剪性变形，为脆-韧性变形(D₁)，在南北向剖面上表现为各外来岩块与岩片的拼贴(图 3-a)，北部碳酸岩岩块逆冲至混杂带之上(图 3-c)，指示南北向的缩短；该期变形是强烈挤压背景下的挤压剪切变形，并在混杂岩带内部的玄武岩、辉长岩岩片形成透入性片理(图 3-d)，伴随低绿片岩相变质，反映拼贴作用下强烈挤压变形的特征。第三期变形为北东—南北向走滑剪切变形(D₂)，表现为蛇绿混杂带边界被右行错动(图 2)，发育北东向右行走滑断层(图 3-e)。引起带状展布的黄褐色碳酸盐化蚀变超基性岩、玄武岩等岩块发生牵引褶皱变形，断层附近糜棱面理亦顺断层展布，平面旋转效应显著。

蛇绿混杂岩由不同类型的岩块与基质组成(表 1)，岩块类型包括纯橄岩(图版Ⅰ-b)、辉橄岩(图版Ⅰ-c)、橄辉岩(图版Ⅰ-d)、辉石岩(图版Ⅰ-e)、碳酸盐化蚀变超基性岩(图版Ⅰ-f)、玄武岩(图版Ⅰ-g)、辉长岩(图版Ⅰ-h)、斜长花岗岩(图Ⅰ-i)等蛇绿岩岩块及硅质岩(图Ⅰ-j、k)、灰岩、砂岩岩块(图Ⅰ-l)，基质主要为蛇纹岩(图Ⅰ-a)、绿泥片岩及砂板岩(图Ⅰ-a、l)。纯橄岩岩块表现出强烈的蛇纹石化(图版Ⅰ-b)，碳酸盐化蚀变超基性岩保留了岩块与基质的特征(图版Ⅰ-f)，玄武岩表现为强变形的特征(图版Ⅰ-g)，局部保留硅质、碳酸盐岩的杏仁体(图版Ⅱ-g)。

  图版 Ⅰ 

a.不同类型岩块分布的宏观特征；b.蛇纹石化纯橄岩野外特征；c.蛇纹石化辉橄岩野外特征；d.灰绿色橄辉岩野外特征；e.灰黑色辉石岩野外特征；f.碳酸盐化蚀变超基性岩显示的岩块与基质特征；g.玄武岩强变形特征；h.辉长岩野外特征及韧性剪切变形; i.斜长花岗岩野外特征；j、k.紫红色硅质岩宏观特征及纹层状构造；l.砂岩及灰岩岩块宏观特征

  图版 Ⅰ. 

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在混杂岩带中部发育保存完整的洋壳残片，显示了典型的蛇绿岩“三位一体”岩石组合(图 2)。由南向北依次出露堆晶超镁铁质岩(图 4-a、b)、堆晶辉长岩(图 4-c)及玄武岩，堆晶超镁铁质岩由纯橄岩与橄辉岩构成(图 4-b)，堆晶辉长岩由灰白色及灰绿色辉长岩组成(图 4-c)，玄武岩以强变形变质玄武岩为主(图 4-d)。

图  4  白云山蛇绿混杂岩带岩块与基质的混杂特征及不同岩块的野外特征

a、b—堆晶超基性岩特征；c—堆晶辉长岩特征; d—变质玄武岩宏观特征

Figure  4.  The characteristics of blocks and matrix and the fabric characteristics of different blocks in Baiyunshan ophiolite mélanges belt

下载: 全尺寸图片 幻灯片

纯橄岩：呈灰绿色、灰黑色，主要由橄榄石(约95%)和单斜辉石(约5%)组成，发育残留网格结构(图版Ⅱ-a)。橄榄石呈柱状、粒状，被鳞片状、纤状蛇纹石、鳞片状蛇纹石交代呈假象。单斜辉石为柱状或半自形粒状。

  图版 Ⅱ 

a.纯橄岩残余网状结构(+)；b.强蛇纹石化辉橄岩镜下特征(+); c.蛇纹石化橄辉岩镜下特征(+); d.辉石岩矿物分布及蚀变特征(-); e.碳酸盐化蚀变超基性岩镜下特征(+); f.中细粒辉长岩镜下特征(+); g.玄武岩斜长石斑晶及硅质-钙质杏仁体; h.斜长花岗岩镜下特征(+); i.硅质岩隐晶质结构(+)；Ol—橄榄石; Cpx—单斜辉石; Opx—斜方辉石; Hb—角闪石；Tc—滑石；Pl—斜长石；Q—石英；Dol—白云石；Cc—方解石

  图版 Ⅱ. 

下载: 全尺寸图片 幻灯片

蛇纹石化二辉橄榄岩：呈灰绿色，交代残余结构，块状构造，岩石主要由橄榄石假象(约60%)、单斜辉石(约35%)、斜方辉石(约5%)组成(图版Ⅱ-b)。橄榄石呈柱状、粒状，杂乱状排列，被鳞片状、纤状蛇纹石交代呈假象，残留网格结构。辉石呈柱状、粒状，多呈堆状聚集，零散分布，有的填隙于橄榄石粒间，主要为单斜辉石。

强蛇纹石化橄榄辉石岩：呈灰褐色，交代残余结构，块状构造，由单斜辉石(约90%)和橄榄石(约10%)组成(图版Ⅱ-c)。单斜辉石为半自形粒状，可见角闪石反应边；橄榄石分布在单斜辉石之间。纤状蛇纹石、鳞片状蛇纹石交代明显。

辉石岩：呈灰黑色，交代残余结构，块状构造，岩石由单斜辉石(约95%)、角闪石假象(约5%)组成(图版Ⅱ-d)。单斜辉石呈半自形粒状，杂乱分布，构成岩石主体，常见晶体弯曲变形及波状消光现象，少见角闪石反应边。

碳酸盐化蚀变超基性岩：呈黄褐色，交代残余结构，块状构造，岩石由碳酸盐(65%~70%)、硅质(约30%)及少量滑石(2%~3%)组成(图版Ⅱ-e)。碳酸盐主要为白云石，少部分为方解石、菱镁矿，集合体状产出，网眼内被硅质交代。硅质由隐晶状、纤维状玉髓组成，集合体状产出，显半自形柱粒状晶形，多具定向、拉长特征。滑石呈鳞片状，片径一般小于0.05 mm，多相对富集，似沿矿物边缘及裂纹分布。

蚀变中细粒辉长岩：呈灰绿色、灰白色，中细粒结构，块状构造，岩石主要由斜长石假象(约65%)、单斜辉石(约25%)、斜方辉石(约10%)组成(图版Ⅱ-f)。斜长石被黝帘石交代呈假象，定向分布。辉石呈柱状、粒径，直径多小于2.0 mm，较少量2~3 mm，零散状或集合体呈条纹状聚集定向分布。包括斜方辉石假象及单斜辉石2种，斜方辉石被次闪石、石英等交代呈假象。

变质玄武岩：呈灰绿色，鳞片微粒变晶结构，似板状构造。岩石主要由变斑晶钠长石(3%~5%)，基质(95%~97%)绿泥石、阳起石、绿帘石等组成(图版Ⅱ-g)。各矿物多呈混杂状定向分布，部分钠长石略显线纹状、近板条状等聚集，粒径一般小于0.1 mm。钠长石呈微粒状，绿泥石呈鳞片状，阳起石呈纤柱状，绿帘石呈微粒状。不透明矿物呈黑色微粒状，部分已转变为白钛石。岩内见部分方解石、硅质等充填的杏仁体(图版Ⅱ-g)。

中细粒斜长花岗岩：呈灰白色，中细粒结构，块状构造。岩石主要由斜长石(70%~75%)、钾长石(0%~5%)、石英(20%~25%)、暗色矿物假象(约2%)组成(图版Ⅱ-h)。斜长石呈半自形-近半自形板状，粒径大部分2~3.5 mm，少部分0.2~2.0 mm，杂乱状分布，具绢云母化、高岭土化，根据垂直{010}晶带最大消光角法测得An=3，为钠长石。钾长石少见，呈他形粒状，填隙状分布，粒径小于0.7 mm，为歪长石，轻高岭土化。石英呈他形粒状，填隙状分布，具拉长变形特征，粒内显波状、带状消光、亚颗粒、变形纹发育，局部已细粒化重结晶。暗色矿物零散可见，直径小于1.0 mm。

变质硅质岩：呈浅灰色、红褐色，变余隐晶质结构，块状构造。岩石主要由硅质(约95%)、绢云母(少量)、不透明矿物(少量)组成(图版Ⅱ-i)。硅质由隐晶状玉髓构成，粒径小于0.01 mm，显拉长定向特征，岩内分布均匀，为构成岩石的主体矿物。绢云母呈微细鳞片状，直径一般小于0.05 mm，与硅质混杂定向分布，判断为粘土质经轻微重结晶作用的产物。不透明矿物呈深红褐色、黑色微粒状、尘点状等，多相对显条纹状、线纹状聚集定向分布。

3.   讨论

3.1   白云山蛇绿混杂岩的形成时代及构造环境

白云山蛇绿混杂岩带分布于北山造山带中部，向东延伸至月牙山-洗肠井蛇绿混杂岩带，向西延伸至牛圈子-红柳园蛇绿混杂岩带，构成北山造山带近东西向延伸跨越新甘蒙的一条重要的早古生代蛇绿混杂岩带。对于红柳河-洗肠井蛇绿混杂岩的形成时代，前人做了大量的工作。红柳河地区蛇绿混杂岩的时代包括寒武纪(528~516 Ma)^{[3, 14]}或晚志留世(425 Ma)^[2]，牛圈子地区蛇绿混杂岩时代主要为晚奥陶世—早志留世(447~435 Ma)^{[5, 10]}，洗肠井地区的蛇绿混杂岩集中在早寒武世(536~530 Ma)^[6]，白云山蛇绿混杂岩时代为寒武纪(520~496 Ma)^[13]。由此可见，不同地区蛇绿混杂岩的时代不同，可能反映洋盆不同演化阶段的产物。白云山蛇绿混杂岩与洗肠井蛇绿混杂岩的时代均为寒武纪，代表了洋盆早期演化的物质记录。

对于该区蛇绿混杂岩形成的构造环境类型，前人的认识主要为SSZ型蛇绿岩^{[2, 10-11, 14]}。通过大量蛇绿岩岩块地球化学的研究，Shi等^[14]认为红柳河地区寒武纪蛇绿混杂岩为SSZ型蛇绿岩，Ao等^[9]和Shi等^[14]认为洗肠井地区寒武纪蛇绿混杂岩为SSZ型蛇绿岩，Tian等^[10]认为牛圈子地区晚奥陶世—早志留世蛇绿混杂岩为SSZ型蛇绿岩，于福生等^[2]认为红柳河地区晚志留世蛇绿混杂岩为SSZ型蛇绿岩，侯青叶等^[14]认为洗肠井地区寒武纪蛇绿混杂岩为MOR型蛇绿岩。分析前人的研究结果，发现寒武纪蛇绿岩大部分属于SSZ型蛇绿岩^{[1, 9, 14, 30]}，少量MOR型蛇绿岩^[6]。晚奥陶世—早志留世和晚志留世蛇绿岩均属SSZ型蛇绿岩^{[2, 10]}。大量研究表明，由于大洋板块的俯冲作用，缝合带中很少保存MOR型蛇绿岩，保存较好的大多为SSZ型蛇绿岩^[31-33]。另外，洗肠井地区寒武纪蛇绿混杂岩可能包括SSZ型和MOR型蛇绿岩2种，即同一地区同一时代可能存在不同构造环境的蛇绿岩。

这一现象与白云山蛇绿混杂岩一致，在白云山地区，孙立新等^[13]报道的辉长岩具有岛弧钙碱性辉长岩的特征，主要表现为岩石系列为钙碱性系列(图 5-a、b)，微量元素蛛网图显示Nb-Ta-P-Ti负异常及Sr正异常，Nb-Ta负异常多与弧岩浆岩有关^[34-35]。构造判别TiO₂-MnO₂×10-P₂O₅×10图解(图 5-e)中，投点落在岛弧钙碱性玄武岩范围；Hf/3-Th- Nb/16图解(图 5-f)中，投点落在岛弧玄武岩范围。由此可见，晚寒武世辉长岩显示了SSZ蛇绿岩的特征。区内出露的变质玄武岩同样显示了类似大洋中脊玄武岩的特征，即岩石系列为拉斑玄武岩系列(图 5-a、b)；微量元素蛛网图显示整体分异很弱的特征，与N-MORB的曲线相近(图 5-c)；稀土元素配分曲线同样展示了轻、重稀土元素未分异的特征，与N-MORB的曲线一致(图 5-d)；构造判别图解TiO₂-MnO₂×10-P₂O₅×10中，投点落在岛弧拉斑玄武岩范围(图 5-e)，Hf/3-Th- Nb/16图解(图 5-f)中，投点落在正常洋中脊玄武岩与岛弧玄武岩的界线附近，因此，认为该玄武岩具有类似MORB的特征。另外，在研究区还发现零星的洋岛玄武岩，主要表现为岩石系列为碱性系列(图 5-a)；微量元素蛛网图及稀土元素配分曲线均显示了分异的特征，且与典型的OIB曲线一致(图 5-c、d)；TiO₂-MnO₂×10-P₂O₅×10及Hf/3-Th- Nb/16图解中，投点均落在典型的碱性玄武岩范围(图 5-e、f)。

图  5  白云山地区不同类型蛇绿混杂岩地球化学系列图解

a—TAS图解^[36]；b—TFeO/MgO-SiO₂图解^[37]；c—微量元素原始地幔标准化蛛网图；d—稀土元素球粒陨石标准化配分曲线^[38]；e—TiO₂-MnO₂×10-P₂O₅×10图解^[39]；f—Hf/3-Th-Nb/16^[40]；CAB—岛弧钙碱性玄武岩；IAT—岛弧拉斑玄武岩；OIT—洋岛拉斑玄武岩；OIA—洋岛碱性玄武岩；MORB—洋中脊玄武岩；OIB—洋岛玄武岩；N-MORB—正常洋中脊玄武岩；A—正常型洋脊拉斑玄武岩；B—异常型洋脊拉斑玄武岩；C—板内碱性玄武岩；D—岛弧玄武岩(钙碱性系列-拉斑玄武岩系列)

Figure  5.  Discriminant diagrams of ophiolite mélanges for different genetic types in Baiyunshan area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

综上所述，白云山蛇绿混杂岩形成于寒武纪，发育MOR型、OIB型、SSZ型等不同构造环境的蛇绿岩岩块。

3.2   红柳河-洗肠井洋的演化过程

大量的研究表明，红柳河-洗肠井蛇绿混杂岩的时代分布在寒武纪—晚志留世(536~425 Ma)^{[3, 6-7, 9, 11-13]}。有意义的是，蛇绿岩北侧的公婆泉岩浆弧的时代也集中在寒武纪—晚志留世(526~421 Ma)^{[12, 30, 41-42]}，其时代与蛇绿岩时代能够很好地匹配。在蛇绿混杂岩与公婆泉岩浆弧之间出露的上奥陶统白云山组显示了弧前盆地的沉积建造^[24]，由此可见，在蛇绿岩带北侧形成了弧前盆地-岛弧的沉积-岩浆组合，反映了红柳河-洗肠井洋的向北俯冲作用。而在蛇绿混杂岩带的南侧，主要出露寒武系西双鹰山组、下奥陶统罗雅楚山组及锡林柯博组，其沉积环境稳定、泥砂质沉积岩发育而火山岩罕见的特征与塔里木克拉通稳定早古生代沉积地层的特征一致^[43]。在蛇绿岩带南侧至今未发现寒武纪—早奥陶世岩浆岩年龄记录，晚奥陶世—中志留世发育的花牛山-双鹰山岛弧岩浆岩(453~424 Ma)被认为与柳园蛇绿岩有关^[44-45]。综上所述，红柳河-洗肠井洋具有向北的俯冲极性。

野外调查和研究发现，白云山地区及洗肠井地区寒武纪蛇绿混杂岩包含不同构造环境类型的蛇绿岩岩块^{[6, 9, 12, 14]}，反映了洋盆裂解、俯冲等复杂的演化过程。结合在牛圈子地区及红柳河地区报道的晚奥陶世—早志留世及晚志留世SSZ蛇绿岩^{[2, 10]}，笔者认为，红柳河-洗肠井洋具有如下的演化过程(图 6)：寒武纪洋盆打开，形成MOR型蛇绿岩, 由于洋盆的向北俯冲作用，在俯冲带形成寒武纪SSZ蛇绿岩及北侧同时代的弧岩浆岩，由于俯冲洋壳的熔体/流体改造地幔，形成具有富集地幔源区的OIB；晚奥陶世—晚志留世，洋盆持续向北俯冲，在俯冲带形成白云山弧前盆地、晚奥陶世—晚志留世的SSZ蛇绿岩及北侧同时代的弧岩浆岩。

图  6  早古生代红柳河-洗肠井洋盆的演化过程

Figure  6.  The evolution process of Hongliuhe-Xichangjing Ocean in the Early Paleozoic

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   结论

(1) 内蒙古北山地区白云山蛇绿混杂岩由纯橄岩、辉橄岩、橄辉岩、辉石岩、碳酸盐化蚀变超基性岩、辉长岩、玄武岩、斜长花岗岩等蛇绿岩岩块及硅质岩、灰岩、砂岩岩块和蛇纹岩基质、绿泥片岩基质及砂板岩基质组成。在蛇绿混杂岩带中部发育较完整的洋壳残片，岩石类型为堆晶超镁铁质岩、堆晶辉长岩及玄武岩、硅质岩。蛇绿混杂岩中发育俯冲期的糜棱面理褶皱、拼贴期逆冲断层系及隆升期走滑断层系3期构造变形。

(2) 白云山蛇绿混杂岩带寒武纪发育MOR型、OIB型、SZZ型等不同构造环境的蛇绿岩岩块，红柳河-洗肠井洋俯冲作用持续至晚志留世。