地质通报  2020, Vol. 39 Issue (9): 1317-1329  
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牛文超, 辛后田, 段连峰, 赵泽霖, 张国震, 任邦方, 张永. 内蒙古北山造山带百合山SSZ型蛇绿岩地球化学特征、锆石U-Pb年龄及其对古亚洲洋演化的指示[J]. 地质通报, 2020, 39(9): 1317-1329.
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Niu W C, Xin H T, Duan L F, Zhao Z L, Zhang G Z, Ren B F, Zhang Y. Geochemical characteristics, zircon U-Pb age of SSZ ophiolite in the Baiheshan area of the Beishan orogenic belt, Inner Mongolia, and its indication for the evolution of the Paleo-Asian Ocean[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(9): 1317-1329.
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基金项目

中国地质调查局项目《阴山成矿带小狐狸山和雅布赖地区地质矿产调查》(编号:DD20160039)和《内蒙古1:5万清河沟、红柳峡等两幅区域地质调查》(编号:DD20160039-17)

作者简介

牛文超(1986-), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质调查和造山带构造研究。E-mail:billynu2003@163.com

通讯作者

辛后田(1969-), 男, 博士, 教授级高级工程师, 从事岩石大地构造方面的研究。E-mail:2680452804@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-09-10
修订日期: 2019-11-15
内蒙古北山造山带百合山SSZ型蛇绿岩地球化学特征、锆石U-Pb年龄及其对古亚洲洋演化的指示
牛文超1,2, 辛后田1,2, 段连峰1,2, 赵泽霖1,2, 张国震1,2, 任邦方1,2, 张永1,2    
1. 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170;
2. 华北地质科技创新中心, 天津 300170
摘要: 红石山-百合山蛇绿混杂岩带是北山造山带最北部的一条蛇绿混杂岩带,前人对百合山蛇绿岩的研究很少涉及。百合山蛇绿岩主要由变质橄榄岩、辉石橄榄岩、堆晶辉石岩、辉长岩、玄武岩等组成,对其中的辉长岩进行地球化学和锆石U-Pb年龄测试,以了解洋盆性质和形成时间。研究结果显示:辉长岩具有Al2O3、MgO含量高,P2O5含量低,富集大离子亲石元素、亏损高场强元素的特征,岩石初始87Sr/86Sr值为0.70418~0.70711,(143Nd/144Nd)i为0.512392~0.512568,εNd(t)值为+4.61~+7.28,反映岩浆物质来源于亏损地幔源区,形成过程受到俯冲消减流体的影响。辉长岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年结果为344.6±1.8 Ma,岩石地球化学分析显示其属SSZ型(俯冲带型)蛇绿岩,形成于俯冲板片之上的不成熟弧后盆地环境,应为北侧雀儿山-圆包山岛弧基础上发育的早石炭世有限洋盆,代表了古亚洲洋在北山北部的分支洋盆。结合区域上广泛分布于百合山蛇绿混杂岩带南侧的晚石炭世—早二叠世白山岩浆弧特征,指示古亚洲洋在北山北部的演化至少持续到晚古生代晚期。
关键词: 红石山-百合山    蛇绿混杂岩带    辉长岩    SSZ型蛇绿岩    锆石U-Pb年龄    弧后盆地    
Geochemical characteristics, zircon U-Pb age of SSZ ophiolite in the Baiheshan area of the Beishan orogenic belt, Inner Mongolia, and its indication for the evolution of the Paleo-Asian Ocean
NIU Wenchao1,2, XIN Houtian1,2, DUAN Lianfeng1,2, ZHAO Zelin1,2, ZHANG Guozhen1,2, REN Bangfang1,2, ZHANG Yong1,2    
1. Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China;
2. Notth China Center for Geoscience Innovation, Tianjin 300170, China
Abstract: The Hongshishan-Baiheshan ophiolite mélanges belt is the northernmost ophiolite mélanges belt in the Beishan area.However, most of the researchers have been focused on the Hongshishan ophiolite mélanges but paid very insufficient attention to the Baiheshan ophiolite.The authors analyzed geochemistry and zircon U-Pb chronology of gabbros in order to understand the ocean basin tectonic environment and formation time.The results show that gabbro has high content of Al2O3, MgO and LILE but poor content of P2O5 and HFSE.Meanwhile, the gabbro have bulk Sr-Nd isotope composition of (87Sr/86Sr)i=0.70418~0.70711, (143Nd/144Nd)i=0.512392~0.512568, and εNd(t)=+ 4.61~+ 7.28.These data show that the magma of gabbro might have come from depleted mantle source area and the formation process of gabbro was affected by the subduction fluid.The LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb dating yielded a 206Pb/238U age of 344.6±1.8 Ma for the Baiheshan ophiolite.The petrogeochemical analysis shows that gabbro formed SSZ type ophiolites in the subducting plate above the immature back-arc basin.The result suggests that Baiheshan ophiolite mélanges belt might have been a Carboniferous limited ocean formed in the Queershan-Yuanbaoshan arc and may have been the branch ocean basin of the Paleo-Asian Ocean in the Beishan area.According to the studies of the Late Carboniferous-Early Permian Baishan magmatic arc located in the southern part of the Hongshishan-Baiheshan ophiolite mélanges belt, the authors hold that the evolution of the Paleo-Asian Ocean lasted at least to the end of the Late Paleozoic.
Key words: Hongshishan-Baiheshan    ophiolite belt    gabbro    SSZ ophiolites    zircon U-Pb ages    back-arc basin    

北山造山带作为中亚巨型复合型造山系的重要组成部分,西部与天山造山带相连,东部与索伦造山带相连,南部与敦煌地块(塔里木克拉通)相邻,北部与蒙古地块相接,是多个微陆块、岛弧、蛇绿混杂岩和增生杂岩经历复杂的俯冲、碰撞作用而形成的增生型造山带[1-6]。在长期的洋陆演化过程中,北山造山带自北向南共形成了4条蛇绿混杂岩带,分别为红石山-百合山蛇绿混杂岩带、石板井-小黄山蛇绿混杂岩带、红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿混杂岩带和辉铜山-帐房山蛇绿混杂岩带[7-14]

以往的研究认为,石板井-小黄山蛇绿混杂岩带形成于早古生代,并被认为是塔里木板块与哈萨克斯坦板块的主缝合带[5-6]。最新的研究则显示,石板井-小黄山蛇绿混杂岩带形成时代为早石炭世,可能形成于弧后盆地环境[7]。目前,将红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿混杂岩带作为早古生代塔里木和哈萨克斯坦两大板块的缝合带已基本达成共识[12-16],最南侧的辉铜山-帐房山蛇绿混杂岩带则被认为是北山地区早古生代洋盆陆缘裂谷环境的产物[17]

红石山-百合山蛇绿混杂岩带为北山地区4条蛇绿混杂岩带中最北侧的一条,其主要由西段甘肃省红石山地区的蛇绿混杂岩和东段内蒙古百合山地区的蛇绿混杂岩组成,断续出露超过100 km。该蛇绿(混杂)岩带最早由左国朝等[5]发现并命名,后来众多地质学者对红石山-百合山蛇绿混杂岩带开展了岩石学、地球化学及构造地质学方面的研究,并取得了大量研究成果,归纳起来主要有以下认识:①古亚洲洋从早古生代持续演化到晚古生代的地质记录,代表了哈萨克斯坦板块与西伯利亚板块的最终缝合带[18-19];②形成于洋中脊环境,为哈萨克斯坦板块与塔里木板块之间晚古生代大洋的地质记录,代表了两者的最终缝合带[20-23];③该蛇绿(混杂)岩带不具有板块边界意义,形成于大陆裂谷向大洋转化下的初始小洋盆环境[10]。此外,也有学者认为,红石山-百合山超基性岩并非蛇绿岩类型的变质橄榄岩残块,而是形成于俯冲背景下的超基性侵入岩体[12, 24]

左国朝等[5]根据产于红石山蛇绿(混杂)岩带中的复理石沉积组合时代(下石炭统)将其厘定为早石炭世。随后有学者根据红石山一带玄武岩中碎屑岩夹层的孢粉化石年龄推断蛇绿岩的形成时代为早石炭世[21]。近年来在红石山蛇绿混杂岩的辉长岩中分别获得了344.6±1.8 Ma的LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄[8]和357± 4 Ma的SHRIMP锆石U-Pb年龄[10],为该蛇绿岩形成于早石炭世提供了新的佐证。虽然目前对于红石山地区蛇绿(混杂)岩的形成时代已有较多的精确测年证据,但是对其构造属性仍存在较大争议。同时,以往前人对红石山-百合山蛇绿混杂岩带的研究主要集中于西段红石山地区,而对于与其相连的百合山地区蛇绿岩的地球化学性质及其形成时代至今鲜有报道。笔者在1:5万清河沟幅区调过程中系统采集了百合山蛇绿岩的岩石样品,通过对其中辉长岩高精度的同位素年代学、地球化学研究,为北山造山带特别是红石山-百合山蛇绿混杂岩带的演化提供新的资料支持。

1 地质概况

北山造山带位于甘新蒙三省交界处,构造位置处于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木三大板块的交汇部位,属古亚洲构造域的重要组成部分[12, 22]。研究区位于北山造山带北部,红石山-百合山蛇绿混杂岩带从区内经过(图 1-a)。区内出露地层主要有早—中奥陶世咸水湖组、晚志留世碎石山组、早石炭世绿条山组和晚石炭世白山组,咸水湖组和碎石山组主要分布于百合山蛇绿混杂岩带北侧(图 1-b)。早—中奥陶世咸水湖组包括2个岩性段,一段为中基性火山熔岩和火山碎屑岩段,岩性包括玄武安山岩、安山岩、少量英安岩和同成分的火山碎屑岩;二段为火山-碎屑岩段,岩性主要为凝灰质砾岩、凝灰质砂岩、中细粒长石岩屑砂岩等。晚志留世碎石山组为一套碎屑岩夹火山岩组合,岩性包括中粗粒、中细粒变质岩屑砂岩、砂砾岩夹生物碎屑灰岩及少量英安岩,灰岩中见珊瑚化石。早石炭世绿条山组为一套深灰色复理石沉积建造,下部粗碎屑岩段以中粗粒、中细粒砂岩为主,见砾岩夹层,发育粒序层理和鲍马序列;上部细碎屑岩段以中细粒砂岩和粉砂岩为主。晚石炭世白山组整合于绿条山组之上,为一套岛弧火山岩组合,下部中基性火山岩段主要由安山岩和安山质火山碎屑岩组成;上部中酸性火山岩段以灰白色流纹岩、浅灰色英安岩、浅灰绿色英安质晶屑凝灰岩、英安质含角砾火山碎屑岩和英安质熔结凝灰岩为主。此外,研究区南部大面积分布石炭纪—二叠纪侵入岩,岩性包括石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩和辉长岩。

图 1 北山造山带(a、b)及研究区地质简图(c) Fig.1 Simplified geological map of Beishan orogenic belt(a, b)and the study area(c) (b底图据参考文献[1]修改;c据参考文献修改)

百合山蛇绿混杂岩带呈北西向带状展布,与区域构造线方向一致,向西延伸至甘肃省红石山一带,向东与额勒根乌兰乌拉一带的蛇绿混杂岩带相连,断续出露超100 km(图 1-b)。百合山蛇绿混杂岩带在区内出露最大宽度为7 km,延伸超过20 km,边界受主干断裂控制,其北界和南界分别以逆冲断层与早—中奥陶世咸水湖组和晚石炭世白山组接触,东西两侧均被第四系覆盖。该蛇绿混杂岩带主要由岩块和基质组成,两者之间为构造接触。根据基质成分差异可分为蛇绿混杂岩和增生杂岩两部分,前者基质主要为蛇纹岩和绿帘绿泥片岩,后者基质主要为砂板岩。岩块在平面上呈透镜状产出,包括变质超镁铁质岩、堆晶超镁铁质岩、辉长岩、玄武岩、斜长花岗岩、硅质岩等洋壳残块,以及灰岩、奥陶纪火山岩等外来岩块。在蛇绿混杂岩带西侧存在3条逆冲叠置的洋壳残片,自下而上依次为超镁铁-镁铁质岩、辉长岩、玄武岩和硅质岩,构成了较完整的蛇绿岩套组合。变质超镁铁质岩块有纯橄岩(蛇纹石化橄榄岩)、辉石橄榄岩,普遍发育蛇纹石化、透闪石化和滑石化,内部可见铬尖晶石和铬铁矿。堆晶超镁铁质岩主要为异剥辉石岩,发育蛇纹石化、阳起石化、绿泥石化、绿帘石化等蚀变。辉长岩包括浅灰色中粒辉长岩和灰黑色细粒辉长岩,常发育绿泥石化、绿帘石化和黝帘石化。玄武岩普遍蚀变强烈,多发生阳起石化、绿泥石化和绿帘石化,糜棱面理发育。斜长花岗岩呈小的岩块产出,灰白色,透镜状,基本不含暗色矿物,常与超镁铁质岩相伴产出。硅质岩可识别出红色和灰黑色-青灰色两类,后者出露面积更大,属深海远洋沉积物,受构造应力作用内部多发育石英出溶条带和“σ”碎斑。

2 辉长岩岩相学特征

辉长岩在蛇绿混杂岩和增生杂岩中均有分布,包括细粒辉长岩和中粒辉长岩2种(图 2-a),两者之间多为构造接触,呈岩块产出,围绕其产出的基质主要为绿泥绿帘片岩和砂板岩,少量蛇纹岩。辉长岩露头在野外多呈孤立的小山包,碎块沿山包杂乱散布,平面上呈透镜状,局部地方可见蛇纹岩或绿泥绿帘片岩基质环绕辉长岩岩块,混杂特征明显。岩石整体变形较弱,部分发育弱变形面理,蚀变较强烈,细粒辉长岩和中粒辉长岩野外颜色差异明显(图 2-a),易于区分,其中中粒辉长岩颜色较浅,多呈浅灰色-灰白色,斜长石含量较高。本文研究对象为中粒辉长岩,共采集7件样品,其中蛇绿混杂岩中采集6件,增生杂岩中采集1件,具体采样位置如图 1所示。中粒辉长岩新鲜面呈浅灰色-灰绿色(图 2-b),辉长结构,块状构造,主要组成矿物为斜长石和辉石(图 2-cd),斜长石半自形板状,粒度一般为2~3 mm,少数粒度为0.5~2 mm,杂乱分布,多见聚片双晶(图 2-c),绿帘石化明显,含量在50%~60%之间,其中20%~30%发生绿帘石化;单斜辉石以异剥辉石为主,半自形柱状,解理发育(图 2-d),粒度2~5 mm,少数粒度为0.5~1 mm,多发生黝帘石化,部分被纤闪石沿颗粒边缘交代,含量40%~50%。

图 2 百合山蛇绿混杂岩带中辉长岩宏观(a、b)及显微(c、d)结构照片 Fig.2 Field outcrop(a, b) and microphotographs(c, d) of the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges belt a—两类辉长岩野外产状;b—中粒辉长岩岩石特征;c、d—镜下照片,正交偏光;Pl—斜长石;Cpx—单斜辉石;Ep—绿帘石
3 分析方法

本文样品均采自内蒙古额济纳旗百合山蛇绿混杂岩带内,选取7件辉长岩样品进行全岩测试分析,1件样品进行同位素年龄分析。辉长岩样品碎样工作在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,首先对新鲜样品去除风化壳,然后用破碎机粉碎,再用球磨仪研磨至粉末状(>200目),用于主量和微量元素分析。实验测试工作在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成,在测试前,先用酸溶液对样品进行处理,主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)测定,仪器型号为Axios 4.0 kw顺序式X射线荧光光谱仪,FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法,分析误差优于2%;微量元素使用ICP-MS测试,分析误差优于5%。

辉长岩单矿物锆石分选工作由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。样品按照常规粉碎淘洗后,经磁选和重液分离,然后在双目镜下人工挑选纯度在99%以上的锆石。锆石的制靶和透射光、反射光、阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成。样品测年工作在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成,采用LA-MC-ICP-MS进行锆石U-Pb同位素测年,激光烧蚀多接收器等离子质谱仪由美国ESI公司NEW WAVE 193 nm FX激光器和美国赛默飞世尔公司NEPTUNE多接收等离子质谱组成,型号为Agilent 7500a,分析中采用的激光束斑直径为35 μm,以氦气作为剥蚀物质的载气,分析流程和测试数据的计算处理采用Isoplot 3.0程序完成[25]

4 分析结果 4.1 锆石U-Pb年龄

用于测年的辉长岩采自百合山蛇绿混杂岩带中,样品编号TW2005-3(坐标:东经98°03′47″、北纬42°28′23″)。辉长岩锆石多呈板柱状,无色透明,阴极发光图像也显示出明显的板条状特征,锆石颗粒大多在60~120 μm,长宽比在1~3之间,部分锆石内部可见少量的裂隙(图 3-a)。已有研究表明,岩浆锆石和变质锆石具有截然不同的Th、U含量和Th/U值[26]。通常,岩浆锆石的Th/U值大于0.4,而变质锆石的Th/U值多小于0.07[27]。本次测年样品辉长岩的锆石Th/U值集中在0.06~1.55之间,只有2个测点的Th/U值小于0.4,可能是经历了后期的热事件改造,锆石平均Th/U值为0.63,整体属于岩浆锆石[28]。本次测试共采集了32个数据点,锆石U-Th-Pb数据结果见表 1。32个测点中,有4个测点的年龄集中在232~277 Ma之间,可能代表了后期变质事件的年龄,剩余22个测点的年龄集中在299~350 Ma之间。获得其中18个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为344.6±1.8 Ma(图 3-b),代表了辉长岩的成岩年龄。

图 3 百合山辉长岩锆石阴极发光(CL)图像(a)和锆石U-Pb年龄谐和图(b) Fig.3 CL images(a) and U-Pb concordia diagrams(b) of the zircons from the gabbro within Baiheshan ophiolite mélanges
表 1 百合山辉长岩(TW2005-3)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating results of the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges(TW2005-3)
4.2 地球化学特征

辉长岩样品的主量、微量和稀土元素分析结果如表 2所示。从分析结果可知,辉长岩的SiO2含量在47.1%~51.28%之间,平均为48.74%,与MORB(大洋中脊玄武岩)中的SiO2含量基本一致(48.77%),岩石m/f平均值为0.3,属铁质-富铁质基性岩类;MgO含量变化范围较大,在5.6%~10.72%之间,Mg#值范围在71.78~83.39之间,平均为76.91,与原始岩浆基本相近(Mg#=68~75);TiO2含量介于0.18%~0.26%之间,低于MORB(1.0%~1.5%);Al2O3含量在16.77%~23.53%之间,平均为18.74%,略高于N-MORB(正常洋中脊玄武岩)(15.9%)。CaO含量在11.27%~14.95%之间,P2O5平均为0.01%,Na2O为1.65%~3.3%,K2O含量平均为0.27%,百合山辉长岩整体上具有Al2O3、MgO含量高,P2O5和TiO2含量低,富钠贫钾的特点。在硅碱图(图 4-a)上,7个样品点全部落在亚碱性辉长岩区域;利用TFeO/MgO-SiO2图解进一步划分,7个样品点全部落在钙碱性系列区域(图 4-b)。

表 2 百合山辉长岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace elements and REE analyses for the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges
图 4 百合山辉长岩TAS[30](a)及SiO2-TFeO/MgO判别图解[31](b) Fig.4 TAS (a)and SiO2-TFeO/MgO diagrams(b)for the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges

辉长岩中稀土元素总量较低,平均为6.61×10-6,轻-重稀土元素分异不明显(LREE/HREE平均为0.89)。样品的δEu平均值为1.57,结合镜下特征,暗示可能发生了斜长石的堆晶。δCe=0.98,基本未见异常。在辉长岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图 5)上,曲线呈现轻稀土元素弱亏损,重稀土元素未发生明显分馏的平坦图谱。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 5-a)上,辉长岩表现出富集大离子亲石元素(LILE)Rb、Ba、K、Sr,亏损高场强元素(HFSE)Zr、Nb、Ti的特征,具Nb、Ti的负异常,明显有别于大洋中脊玄武岩,而表现出与岛弧玄武岩(IAB)近似的特征。

图 5 百合山辉长岩稀土元素球粒陨石标准化模式图(a)及微量元素原始地幔标准化模式图(b) Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized trace element patterns(b) of the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges
4.3 全岩Sr-Nd同位素

百合山蛇绿混杂岩中辉长岩的Sr-Nd同位素组成见表 3。样品的87Rb/86Sr值为0.0500~0.2721,87Sr/86Sr值为0.704502~0.708445,平均为0.705284;147Sm/144Nd值为0.3841~0.4386,143Nd/144Nd值为0.513264~0.513519,87Sr/86Sr和147Sm/144Nd值均高于原始地幔现代值(87Sr/86Sr = 0.7045,143Nd/144Nd=0.512638[32],具有高Sr、高Nd的特征。结合辉长岩锆石U-Pb年龄344.6 Ma,计算所得辉长岩(87Sr/86Sr)i值为0.70418~ 0.70711,(143Nd/144Nd)i为0.512392~0.512568,εNd(t)值为+4.61~+7.28,Tchur二阶段模式年龄集中于468~607 Ma之间。在(87Sr/86Sr)i-εNd(t)四象限图中,大部分样品点落入洋岛玄武岩(OIB)与洋中脊玄武岩的过渡区域(图 6-a),与西藏班公湖-怒江缝合带西段的洞错SSZ型蛇绿岩相似[34]

表 3 百合山辉长岩全岩Sr-Nd同位素分析结果 Table 3 Sr-Nd dating results of the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges
图 6 百合山辉长岩ISr-εNd(t)[35](a)和La/Sm-Sm/Yb图解[38](b) Fig.6 ISr-εNd(t)(a)and La/Sm-Sm/Yb (b)diagrams for the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges DM—亏损地幔;PM—原始地幔;HIMU—高U/Pb值地幔;EMⅠ—Ⅰ型富集地幔;EMⅡ—Ⅱ型富集地幔;MORB—大洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩
5 讨论 5.1 岩石成因及源区特征

通常情况下,Mg#值可以粗略地指示岩浆结晶分异的程度,未分异的初始岩浆Mg#值介于60~71之间[35-36],本区辉长岩Mg#值平均为76.17,略高于原生岩浆Mg#值(68~75),反映原始岩浆具幔源原生岩浆的特征。前人研究认为,亏损地幔的Zr/Nb值通常大于18,富集地幔则与之相反[37]。本区辉长岩的Zr/Nb值在12.64~52.67之间,平均为27.13,具有亏损地幔的特征;在La/Sm-Sm/Yb图解中,样品点也落在亏损地幔源区区域(图 6-b)。一般认为,Sr-Nd同位素组成可以有效揭示岩浆物质来源和地幔源区性质,来源于亏损地幔源区的岩石通常具有正且高εNd值和低的87Sr/86Sr初始比值[38-41]。本区辉长岩具有正且高的εNd(t)值(+4.61~+7.28)和低的初始Sr同位素比值(0.704502~0.708445),进一步指示岩浆物质来源于亏损地幔源区。

蛇绿岩根据其形成构造环境的不同通常可以分为洋中脊型(MOR型)和俯冲带型(Supra-Subduction Zone:SSZ型)2种类型,且多数蛇绿岩主要形成于俯冲带环境[42-44]。百合山辉长岩具有较低的P2O5含量(0.006%~0.013%)、富集LILE(如Rb、Ba、K等)和亏损HFSE(如Zr、Nb、Ti等)特征,反映辉长岩的源区可能受到来自俯冲板片流体交代作用的改造[28]。通常认为,受俯冲板块流体交代作用改造的蛇绿岩往往表现出岛弧岩浆岩的特征[45],百合山蛇绿岩中辉长岩具有较低的Zr含量(0.91×10-6~10.5×10-6)和Zr/Y值(小于4),显示出岛弧玄武岩的特征[46]。此外,岩石中高的Sr/Nd值一般被认为与板片流体的交代作用有关,高的Th/Yb值则是由于俯冲沉积物的带入[33]。百合山辉长岩除1个样品的Sr/Nd值较小外(38.03),其余样品的Sr/Nd值在101.8~453.8之间,平均为209.7,远高于N-MORB(12.33)及上地壳(11.85),而Th/Yb值仅为0.02~0.18,表明百合山辉长岩的形成受到强烈的俯冲板片流体的影响,属SSZ型蛇绿岩。

5.2 大地构造环境及地质意义

红石山-百合山蛇绿混杂岩带作为北山造山带4条蛇绿混杂岩带中最北侧的一条,其形成时代和构造属性一直以来都是地质学界关注的焦点[7-16]。左国朝等[5]最早根据产于红石山蛇绿(混杂)岩中的复理石沉积组合时代将其厘定为早石炭世;而后黄增保等[23]根据红石山蛇绿(混杂)岩赋存碎屑岩夹层中孢粉化石年龄推断,蛇绿岩的形成时代为早石炭世,并认为其应产于大洋中脊环境;王国强等[10]测得红石山地区辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为346.6±2.8 Ma,认为其形成于大陆裂谷向大洋裂谷转化的环境,类似于现今的“红海”构造环境;Shi等[12]测得红石山蛇绿(混杂)岩中辉长岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄为357±4 Ma,认为蛇绿岩具有阿拉斯加型岩体的地球化学特征,应为形成于俯冲背景下的镁铁-超镁铁质侵入岩。

前人研究结果显示,蛇绿岩既可以形成于洋中脊环境,也可以形成于岛弧、弧前或弧后盆地环境[41-44]。百合山蛇绿岩具有SSZ型蛇绿岩的特征,可能形成于俯冲板片之上的弧前或弧后盆地环境。而Y/15-La/10-Nb/8(图 7-a)和Th/Yb-Nb/Yb(图 7-b)构造环境判别图解也显示,其可能形成于与岛弧相关的环境。百合山蛇绿混杂岩带北侧为雀儿山-圆包山岩浆弧[49],其中的奥陶纪咸水湖组为一套形成于岛弧-陆缘弧背景下的火山岩、火山碎屑岩和碎屑岩组合[50-51]。本次工作项目组在奥陶纪咸水湖组中发现侵入其中的晚志留世(416.2± 1.7 Ma)埃达克质花岗岩,加之百合山蛇绿混杂岩带北侧广泛分布的泥盆纪雀儿山群岛弧火山岩[52-53]和与之同期的侵入岩组合(花岗闪长岩、石英闪长岩和英云闪长岩),指示本区在晚志留世—泥盆纪处于与俯冲相关的环境。红石山-百合山蛇绿岩的形成时代集中在340~360 Ma[4, 10],而南侧的白山岩浆弧形成时代则主要为320~290 Ma[54-60],很显然其不可能是在南侧白山岩浆弧基础上发育的洋盆,而更可能是在北侧志留纪—泥盆纪雀儿山-圆包山岛弧基础上发育的洋盆。此外,百合山蛇绿混杂岩所赋存的地层(绿条山组)主要由中细粒长石岩屑砂岩、粉砂岩和砾岩组成,具典型的鲍马序列沉积特征,代表的是弧后盆地的复理石建造,因此认为百合山蛇绿岩应形成于俯冲板片之上的弧后盆地环境,代表了志留纪—泥盆纪岛弧(雀儿山-圆包山岛弧)基础上裂解的早石炭世有限洋盆。

图 7 百合山辉长岩Y/15-La/10-Nb/8[47](a)和Nb/Yb-Th/Yb图解[48](b) Fig.7 Y/15-La/10-Nb/8(a)and Nb/Yb-Th/Yb(b) diagrams for the gabbro from Baiheshan ophiolite mélanges N-MORB—正常洋中脊玄武岩;E-MORB—富集洋中脊玄武岩;SSZ—俯冲带型;OIB—洋岛玄武岩

北山造山带作为古亚洲构造域的重要组成部分,其洋陆转换进程对于了解古亚洲洋演化具有至关重要的意义。以往的研究认为,古亚洲洋在北山地区的演化结束于中—晚泥盆世,泥盆纪以后该区进入板内演化阶段[5, 8, 10, 61],红石山蛇绿岩应形成于裂谷环境[10]。本次在百合山蛇绿混杂岩中获得了344.6±1.8 Ma锆石U-Pb年龄,且地球化学性质和两侧的地质体特征均显示其可能形成于弧后盆地环境,暗示古亚洲洋或其分支洋盆在早石炭世依然存在。与此同时,百合山蛇绿混杂岩带南侧广泛分布的晚石炭世—早二叠世白山组火山岩和同期的侵入岩类形成时代集中在290~325 Ma之间,被认为是红石山-百合山洋盆向南侧明水-旱山地块俯冲消减形成的陆缘弧岩浆岩[57-60]。以上证据表明,古亚洲洋或其分支洋盆在北山北部的演化至少持续到早二叠世。结合红石山-百合山蛇绿混杂岩带以北的蒙古国境内存在早寒武世蛇绿混杂岩(Zoolen蛇绿混杂岩)[62-64]的地质事实,笔者认为,古亚洲洋在北山及其以北地区的演化从早寒武世已开始,且持续演化至早二叠世,红石山-百合山蛇绿混杂岩带即为其在晚古生代(早二叠世中晚期)消亡后的地质记录。

6 结论

(1) 百合山蛇绿混杂岩中辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为344.6±1.8 Ma,显示其形成于早石炭世。

(2) 辉长岩具有Al2O3、MgO含量高,P2O5和TiO2含量低,富钠贫钾的特点,稀土和微量元素兼具有N-MORB(相对平坦的REE配分曲线)和IAT(亏损Nb、Ti)的地球化学特征,暗示其形成过程受到了俯冲消减流体的影响;辉长岩具有正且高的εNd(t)值(+4.61~+7.28),表明岩浆来源于亏损地幔源区。

(3) 岩石地球化学特征显示百合山蛇绿岩属SSZ型蛇绿岩,可能形成于俯冲板片之上的不成熟弧后盆地环境,应为雀儿山-圆包山岛弧基础上发育的早石炭世有限洋盆,并于晚石炭世—早二叠世向南侧的明水-旱山地块俯冲,指示了古亚洲洋在北山北部的演化至少持续到晚古生代晚期。

致谢: 审稿专家对本文提出了许多建设性的修改意见,使文章得到了极大的提升;山西省地质调查院张超和李奎芳工程师参加了部分野外工作,在此一并致以感谢。

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