地质通报  2020, Vol. 39 Issue (9): 1389-1403  
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张正平, 辛后田, 程海峰, 张永, 梁国庆, 提振海, 朱炜, 苏朋涛, 杜金利, 王猛, 赵麒寓. 内蒙古北山造山带发现额勒根蛇绿岩——红石山-百合山蛇绿岩带东延的证据[J]. 地质通报, 2020, 39(9): 1389-1403.
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Zhang Z P, Xin H T, Cheng H F, Zhang Y, Liang G Q, Ti Z H, Zhu W, Su P T, Du J L, Wang M, Zhao Q Y. The discovery of the Elegen ophiolite in Beishan orogenic belt, Inner Mongolia: Evidence for the east extension of the Hongshishan-Baiheshan ophiolite belt[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(9): 1389-1403.
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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)

作者简介

张正平(1983-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事区域地质矿产调查工作。E-mail:52695249@qq.com

通讯作者

辛后田(1969-), 男, 博士, 研究员, 从事岩石大地构造研究工作。E-mail:2680452804@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-05-29
修订日期: 2020-04-16
内蒙古北山造山带发现额勒根蛇绿岩——红石山-百合山蛇绿岩带东延的证据
张正平1, 辛后田2,3, 程海峰1, 张永2,3, 梁国庆1, 提振海1, 朱炜1, 苏朋涛1, 杜金利1, 王猛1, 赵麒寓1    
1. 河北省区域地质调查院, 河北 廊坊 065000;
2. 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170;
3. 华北地质科技创新中心, 天津 300170
摘要: 通过1:5万黑红山幅区调工作,在内蒙古北山造山带的额勒根地区新发现并详细填绘出一套由玄武岩、斜长花岗岩、硅质岩和砂板岩构成的蛇绿构造混杂岩组合,该蛇绿混杂岩带呈NWW向带状展布,宽2.5~8 km,延伸约25 km。其中,玄武岩具富Na2O(3.02%~6.04%)、MgO(4.29%~5.46%)而贫K2O(0.03%~0.23%)、TiO2(0.44%~0.59%),轻稀土元素球粒陨石标准化配分模式为平坦型;微量元素富集大离子亲石元素Ba、U,明显亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti,兼具洋中脊玄武岩和岛弧玄武岩特征。斜长花岗岩与蛇绿岩中的玄武岩具相似的岩石地球化学特征,形成于玄武质岩浆部分熔融,稀土元素配分模式显示弱负Eu异常的似平坦型曲线。在斜长花岗岩中获得LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为342±4.7 Ma,推测古洋壳形成于早石炭世。结合蛇绿岩两侧不同时代火山岩构造环境的分析,认为额勒根蛇绿混杂岩为古亚洲洋向南俯冲过程中弧后扩张形成的SSZ型蛇绿岩。晚中生代一系列北东向左行走滑断裂,使红石山-百合山蛇绿岩带向北错移至额勒根一带通过。该蛇绿岩带的发现,解决了区域上红石山-百合山蛇绿岩带的东延问题,为北山乃至中亚造山带古生代构造演化提供了重要信息。
关键词: 北山造山带    额勒根蛇绿岩    斜长花岗岩    弧后扩张    红石山-百合山蛇绿岩带    
The discovery of the Elegen ophiolite in Beishan orogenic belt, Inner Mongolia: Evidence for the east extension of the Hongshishan-Baiheshan ophiolite belt
ZHANG Zhengping1, XIN Houtian2,3, CHENG Haifeng1, ZHANG Yong2,3, LIANG Guoqing1, TI Zhenhai1, ZHU Wei1, SU Pengtao1, DU Jinli1, WANG Meng1, ZHAO Qiyu1    
1. Institute of Regional Geological Survey of Hebei Province, Langfang 065000, Hebei, China;
2. Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China;
3. North China Center for Geoscience Innovation, Tianjin 300170, China
Abstract: There is a set of ophiolite tectonic melange belt composed of basalt, plagiogranite, siliceous rock and sand slate which was discovered in the Elegen area of the Beishan orogenic belt in Inner Mongolia, based on the project of 1: 50000 Heihongshan Sheet regional geological survey.The ophiolitic melange belt is in NWW stripe-shaped distribution, with a width of about 2.5 to 8 km and an extension of about 25 km.The basalts in the Elegen ophiolite are rich in Na2O(3.02%~6.04%), MgO(4.29%~5.46%)and poor in K2O(0.03%~0.23%)and TiO2(0.44%~0.59%), and chondrite-normalized LREE patterns are flat.The primitive mantle normalized trace element patterns are characterized by the enrichment of the LILE(Ba, U)and depletion of the HFSE(Nd, Ta, P, Ti), which also have the characteristics of MORB and IAB, showing the lava characteristics of the SSZ-type tectonic background.The trace elements are enriched in the large ion lithophile elements Ba and U, while the high field strength elements Nb, Ta, P and Ti are obviously depleted, and have the characteristics of MORB and IAB, showing the lava characteristics of the SSZ-type tectonic background.The basalts in the the ophiolite and plagiogranite have similar rock geochemical characteristics, suggesting that they were formed in the partial melting of the basaltic magma, and the REE patterns show a flat-like curve with weak negative Eu anomalies.The LA-ICP-MS zircon U-Pb age of 342±4.7 Ma was obtained in the plagiogranite, and it is determined that the Elegen ophiolite was formed in the Early Carboniferous.Through the analysis of the tectonic setting of the ophiolite and the volcanic rocks in different ages around this area, the authors believe that the Elegen ophiolite might have been formed in the expansion stage of the post-arc basin in the Hongshishan-Baiheshan area during the southward reduction of the Paleo-Asian Ocean.In the Late Mesozoic, a series of NE-striking sinistral strike-slip faults caused the Hongshishan-Baiheshan tectonic belt to move northward to the area of Elegen.The discovery of the ophiolite explains the east extension of the Hongshishan-Baiheshan ophiolite belt, thus providing important information for the Paleozoic tectonic evolution of the Beishan area and even the whole Central Asian Orogenic Belt(CAOB).
Key words: Beishan orogenic belt    Elegen ophiolite    plagiogranite    back-arc spreading    ophiolite belt of Hongshishan-Baiheshan    

北山造山带位于甘-新-蒙三省交汇处,地质构造复杂但露头较好,是中亚构造域研究的关键部位。该造山带自北向南分布4条近东西向展布的蛇绿岩带,分别为红石山-百合山带、芨芨台子-小黄山带、红柳河-月牙山-洗肠井带和辉铜山-账房山带[1](图 1)。随着近年对北山地区研究的不断深入,早古生代以红柳河-月牙山-洗肠井蛇绿岩带作为古板块一级构造分区的缝合带已得到诸多专家学者的认可[2-7]。但是对北山北带晚古生代红石山-百合山蛇绿岩带的构造属性、延伸及形成时代仍存在较大分歧,目前主要有3种认识:①红石山-百合山蛇绿岩形成于洋中脊环境,为早古生代洋-陆转化结束后于晚古生代重新裂解形成洋盆的地质记录,而蛇绿混杂岩带是哈萨克斯坦板块与塔里木板块的最终缝合带[8-12];②红石山-百合山蛇绿岩是古亚洲洋自早古生代持续演化至晚古生代的残余洋壳的地质记录,以红石山-百合山缝合带为界,北属西伯利亚板块,南为哈萨克斯坦板块[13-15];③红石山-百合山蛇绿岩并不具有缝合带的性质,形成于裂谷小洋盆环境[1, 16-19]

图 1 额勒根蛇绿岩区域构造简图 Fig.1 Simplified regional tectonic map of Elegen ophiolite

近几年,天津地质调查中心在北山北部地区开展新的一轮区调,大大提高了北山北部地区的基础地质研究程度。红石山、百合山两地的蛇绿岩组合出露较好,研究程度较高[18-23],而蓬勃山一带前人填绘的蛇绿岩[1]中,辉长岩实为基性岩脉,玄武岩为具有岛弧性质的玄武安山岩,并不是蛇绿岩的组成,换言之,前人所划红石山-百合山-蓬勃山构造带在蓬勃山地区并不存在。

本次新发现的额勒根乌兰乌拉(以下简称额勒根)蛇绿岩,位于蓬勃山西北部约20 km,北距中蒙边境约15 km,应为红石山-百合山构造带的东延部分。晚中生代北山地区存在的一系列北东向左行走滑断裂使红石山-百合山蛇绿岩带向北错移12~15 km(图 1)。额勒根蛇绿岩向西与红石山、百合山一带断续出露的蛇绿岩相连,向东延至额济纳旗境内的居延海凹陷之下[20-23],呈北西西向弧形弯曲展布。笔者在野外查明这套蛇绿混杂岩物质和构造组成的基础上,对其中的玄武岩、斜长花岗岩开展了系统的岩石学、地球化学及年代学研究,进一步探讨了蛇绿岩形成的构造环境,为北山乃至中亚造山带古生代构造演化提供了重要的基础资料。

1 地质背景

研究区位于内蒙古自治区额济纳旗西北部中蒙边境地区,大地构造位置位于北山造山带北部,马鬃山微陆块北缘陆缘增生带[15]。区内古生代火山-沉积地层较发育,跨度较大,主要包括中奥陶统咸水湖组、下石炭统绿条山组、石炭系白山组、中二叠统金塔组。其中咸水湖组、白山组中火山岩均显示岛弧火山岩特征,而金塔组玄武岩为非造山玄武岩,形成于板内裂谷环境。绿条山组主要为一套浅变质细碎屑岩夹少量岛弧火山熔岩,局部被“卷入”到构造混杂岩中构成泥砂质基质。此外区内华力西晚期花岗岩浆活动强烈,断裂构造发育,主构造线方向为北西西—南东东向,晚期(晚中生代)被北东向左行走滑断裂错移。

本次研究的额勒根蛇绿岩位于内蒙古蓬勃山西北部,呈北西西向弧形弯曲展布,出露宽2.5~8 km,断续延伸约25 km(图 2)。其北侧与中奥陶统咸水湖组,南侧与下石炭统绿条山组、石炭系白山组为断层接触,北西、南东侧均被新生代地层覆盖。区内蛇绿岩组合出露不完整,缺失超基性岩类,但在同一构造混杂岩带上的红石山、百合山两地蛇绿岩组合出露相对齐全。该带蛇绿岩的主要岩性为强绿泥石化玄武岩、杏仁状玄武岩、白色斜长花岗岩等,以及上覆岩系层状硅质岩,各岩性间(岩块与基质)多为断层接触。额勒根蛇绿岩中以玄武岩最发育,出露面积最大,约占总出露面积的80%,大部分玄武岩挤压破碎明显,发育构造劈理化、糜棱岩化,强变形带内玄武岩多已变成绿泥板岩,弱变形域为块状玄武岩,呈透镜状分布于绿泥板岩中(图版Ⅰ-a),局部为孤零岩块混杂堆积于泥砂质基质中,在平面上多呈北西西向展布。斜长花岗岩呈透镜状发育于玄武岩岩片中(图版Ⅰ-b),空间上与玄武岩紧密共生,受后期构造改造,多呈北东向展布,局部呈北西向;硅质岩以紫红色为主(图版Ⅰ-c),少量青灰色,呈透镜状分布于泥砂质基质中,北西西向展布,层理及褶皱构造较发育。

图 2 研究区地质简图 Fig.2 Geological sketch map of the research area 1—第四系;2—中二叠统金塔组;3—石炭系白山组;4—下石炭统绿条山组;5—中奥陶统咸水湖组;6—晚石炭世花岗岩;7—泥砂质基质(下石炭统);8—绿泥板岩(强劈理化玄武岩);9—块状玄武岩;10—斜长花岗岩;11—硅质岩;12—区域性边界断裂;13—断层;14—走滑断层;15—糜棱岩化带;16—角度不整合界线;17—同位素样品位置
图版Ⅰ   PlateⅠ   a.块状玄武岩与强劈理化玄武岩野外露头;b.透镜状斜长花岗岩野外照片;c.紫红色层状硅质岩野外照片;d.玄武岩显微镜下照片;e.斜长花岗岩显微镜下照片;f.含放射虫硅质岩显微镜下照片;Q—石英;Pl—斜长石;Kf—钾长石;Bi—黑云母
2 样品采集及分析方法

本次选择额勒根蛇绿构造混杂岩带西段的玄武岩、斜长花岗岩为研究对象,进行岩石地球化学分析及LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年。该段玄武岩、斜长花岗岩规模较大,基岩裸露较好,岩石较新鲜,蚀变较弱。同位素采样位置地理坐标为北纬42°25′15″、东经99°07′53″(图 2)。

岩石地球化学分析由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,主量元素采用碱熔法制备样品,使用X射线荧光光谱仪(AxiosmaxX)完成分析测试,烧失量、H2O-、H2O+采用电子分析天平(P1245)测试完成,分析精度高于5%。稀土、微量元素分析采用酸溶法制备样品,使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(X Serise 2)完成分析测试,Zr、Ti、K等元素在X射线荧光光谱仪(Axiosmax X)上完成测试,分析精度优于5%。

锆石制靶及阴极发光(CL)照相由北京锆年领航科技有限公司完成,样品粉碎至80~100 μm,再用电磁分离和重液浮选方法进行分选,在双目显微镜下,根据锆石自形程度、形态等特征进行初步分类,挑选出具有代表性的锆石放入环氧树脂中,并对其进行抛光,然后进行锆石阴极发光显微照相。同位素测试点的选取首先根据锆石反射光和透射光照片进行初选,再与CL图像反复对比,避开内部裂隙和包裹体,以获得较准确的年龄信息。

锆石U-Pb同位素分析在中国冶金地质总局山东局测试中心进行,采用激光烧蚀多接受器等离子质谱仪(LA-ICP-MS)进行微区原位U-Pb同位素测定。采用GJ-1为外部锆石年龄标准进行U-Pb同位素分馏校正[24],并用中国地质大学研发的ICPMSDataCal程序和Isoplot(Version3.0)标准程序进行数据处理并成图,应用208Pb校正法对普通铅进行校正,利用NIST610玻璃标样为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量[25]

3 岩石学特征 3.1 玄武岩

玄武岩在额勒根蛇绿岩中出露面积最大,主要分布于蛇绿岩带的西南部。大部分玄武岩挤压破碎明显,发生了强劈理化、糜棱岩化,发育强绿泥石化、绿帘石化等蚀变,多已变成绿泥板岩。弱变形的块状玄武岩呈透镜状分布于绿泥板岩中,呈北北东—近南北向展布,而在泥砂质基质中分布的孤零凸起的块状玄武岩多呈北西西向展布。本次采集的玄武岩(图版Ⅰ-d)呈灰绿色,镜下呈斑状结构-基质似间粒结构,块状构造。岩石由斑晶、基质组成,斑晶由斜长石组成,含量约10%,多呈长条状,少数为半自形板状,粒径一般0.5~1.6 mm,杂乱分布,强绢云母化、碳酸盐化。基质由斜长石(70%~75%)、暗色矿物假像(15%~20%)组成,斜长石呈半自形板条状,长径一般0.03~0.4 mm,杂乱状、似格架状分布,轻绢云母化,局部绿泥石化、绿帘石化、碳酸盐化;暗色矿物呈半自形-他形柱粒状,粒径一般小于0.1 mm,似填隙状分布于斜长石间,被碳酸盐、绿帘石、绿泥石交代,呈假象产出,似辉石假象。岩石内裂隙较发育,多呈不规则状外形,大小一般1.5~4 mm,杂乱分布,被碳酸盐、硅质、绿泥石充填。

3.2 斜长花岗岩

斜长花岗岩野外呈透镜状分布于绿泥板岩(蚀变玄武岩)中(图版Ⅰ-b),空间上与玄武岩紧密共生,多呈北东向展布,局部北西西向,其内局部可见残留玄武岩。岩石(图版Ⅰ-e)为浅灰白色,似斑状结构,基质为微晶结构,块状构造,斑晶由斜长石、石英组成,粒度2~5 mm。斜长石多呈半自形板状,杂乱分布,具轻微绢云母化、高岭土化、碳酸盐化,局部隐约可见环带构造,个别斜长石边缘见斑边文象结构,少量可见聚片双晶,含量15%~20%。基质由斜长石(约50%)、钾长石(约5%)、石英(20%~25%)、黑云母(10%~15%)组成,粒度一般为0.2~1.5 mm,斜长石呈半自形板状,杂乱分布,局部隐约可见环带构造,偶见双晶弯曲、错位现象;钾长石呈半自形板状-他形粒状,星散或填隙状分布于斜长石粒间,具高岭土化,局部交代斜长石;石英呈他形粒状,单晶或集合体填隙状分布于长石粒间,少量粒内具波状消光现象,局部与斜长石呈文象交生体;黑云母呈鳞片状、叶片状,零散分布,绿泥石化呈假象。

3.3 上覆岩系

额勒根蛇绿岩上覆岩系为层状硅质岩和硅质泥岩,二者多互层状产出。纹层状硅质岩多呈紫红色,局部为青色,隐晶状结构、轻碎裂状结构,层状构造。岩石由硅质(90%)、放射虫(5%)、绢云母(5%)组成(图版Ⅰ-f)。硅质由隐晶状玉髓组成,均匀分布,略显定性排列,构成岩石主体;放射虫呈近圆形、椭圆形,大小一般为0.05~0.3 mm,星散分布,具方向性排列,充填硅质。绢云母呈微鳞片状,片径一般小于0.05 mm,星散分布,略显方向性排列。岩内见后期石英、钠长石、碳酸盐、铁质等充填的网状裂隙,把岩石切割成轻碎裂状。

4 地球化学特征 4.1 主量元素

额勒根蛇绿岩中玄武岩、斜长花岗岩的主量、微量元素分析结果见表 1。其中玄武岩SiO2含量为42.52%~53.57%,平均值为51.10%;Al2O3含量为14.37%~17.29%,平均值为15.56%,与洋中脊玄武岩平均含量[26](SiO2为48.77%,Al2O3为15.90%)相当;TiO2含量为0.44%~0.59%,平均值为0.52%,明显低于洋中脊玄武岩平均含量[26](1.5%),而与岛弧区火山岩[27](0.58%~0.85%)相似;Na2O含量较高,介于3.02%~6.04%之间,平均值为4.73%;K2O含量极低,多数介于0.03%~0.23%之间,其中1个为0.76%,平均值为0.21%,Na2O/K2O值为22.71,属富钠质基性火山岩,Na2O+ K2O总量高于洋中脊玄武岩平均含量(2.15%)[26];P2O5含量较低,介于0.04%~0.11%之间;FeO、CaO含量较高,分别为5.02%~7.18%、3.36%~12.35%;MgO含量为4.29%~5.46%,Mg#值为0.51~0.62,说明总体较富镁,略低于MORB(洋中脊玄武岩)原生玄武岩浆(Mg#>0.7)[28]。在Nb/Y-Zr/TiO2图解(图 3-a)中,样品点落在亚碱性玄武岩和玄武安山岩区,在TFeO/MgO-SiO2图解(图 3-b)中,样品点均落在拉斑系列区域。综上所述,额勒根蛇绿岩中的玄武岩为低钾拉斑系列岩石,具富Na、Mg,贫K、Ti的特点。

表 1 额勒根蛇绿岩中玄武岩和斜长花岗岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 1 Major, trace elements and REE analyses of the basalt and plagioclase granite in the Elegen ophiolite
图 3 玄武岩Nb/Y-Zr/TiO2(a)[29]和SiO2-TFeO/MgO图解[30](b) Fig.3 Nb/Y-Zr/TiO2 (a)and SiO2-TFeO/MgO (b)diagrams of basalt

斜长花岗岩SiO2含量较高,介于72.02%~77.91%之间,Al2O3含量为11.85%~13.52%;Na2O含量为4.37%~6.33%,K2O含量为0.15%~1.07%,Na2O/K2O值为4.78~12.42,其中1个为41.60,具极低钾高钠的特征。TiO2含量为0.22%~0.35%,MgO含量为0.82%~1.42%,Mg#值为0.49~0.60,低于原生岩浆范围(Mg#大于0.7)[28],说明岩石经历了一定程度的结晶分离作用。里特曼指数σ为0.8~ 1.34,属钙性岩石系列,铝饱和指数A/CNK值为1.02~ 1.35,属弱过铝质岩石。分异指数DI为84.02~ 89.98。固结指数SI为9.00~15.49,反映出岩浆结晶分异程度较高。在R1-R2图解(图 4-a)中,样品点落入地幔分异斜长花岗岩区及其边部,在标准矿物An-Ab-Or图解(图 4-b)中,所有样品点均落入奥长花岗岩区,与岩石学特征一致。综上所述,额勒根斜长花岗岩表现为极富Na、低K、低Ti、高Mg#等特征,与上述玄武岩一致,说明二者存在一定的亲缘性。

图 4 斜长花岗岩R1-R2(a)[31]和An-Ab-Or图解(b)[32] Fig.4 R1-R2(a)and An-Ab-Or (b)diagrams of plagiogranite
4.2 稀土和微量元素

额勒根蛇绿岩中的玄武岩稀土元素总量较低,∑REE=18.30×10-6~25.34×10-6;LREE/HREE=1.73~2.38,(La/Yb)N=0.92~1.54,平均值为1.18,轻、重稀土元素分馏不明显,轻稀土元素相对重稀土元素轻微富集;δEu=0.89~1.18,平均值1.05,Eu无异常;δCe=0.98~1.07,平均值1.01,Ce无异常。稀土元素配分曲线整体较一致,均为平坦型(图 5-a),与N-MORB(正常洋中脊玄武岩)特征一致。斜长花岗岩与上述玄武质岩浆稀土元素特征相似(图 6-a),均为似平坦型,具较低的稀土元素总量(ΣREE=42.11×10-6~57.11×10-6),轻、重稀土元素分馏不明显,轻稀土元素相对重稀土元素轻微富集(LREE/HREE=1.65~3.04,(La/Yb)N=0.81~1.35)。仅Eu具中等负异常(δEu=0.53~0.70),说明岩浆作用过程中斜长石分离结晶程度较高。上述特征不仅表明两类岩石在成因上具有共同之处,且进一步说明斜长花岗岩是蛇绿岩套的组成部分。

图 5 玄武岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)[33] Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b)of basalt
图 6 斜长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)[33] Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b)of plagiogranite

在微量元素原始地幔标准化蛛网图中,玄武岩曲线整体相似(图 5-b),前半部呈锯齿状,后半部较平缓。全部样品大离子亲石元素Ba、U较富集,部分样品Rb、K也显示一定程度富集,可能与样品遭受不同程度的热液蚀变有关。高场强元素Nb、Ta、Th亏损明显,P、Ti弱亏损,与岛弧玄武岩(IAB)曲线特征相似,其形成与俯冲消减作用关系密切。Nb含量为0.38×10-6~1.45×10-6,低于N-MORB(4.35×10-6),而与IAB(1.26×10-6)一致[34]。Nb/Ta值为0.20~0.55,平均值为0.32,La/Ta值为27~61,平均值为46.50,Th/Ta值为3.29~8.00,平均值5.65,明显不同于N-MORB(0.8 < Nb/Ta < 1、La/Ta=10~20、Th/Ta=0.75~2)[35],而与IAB(Nb/Ta < 0.3)[36]相似。

斜长花岗岩微量元素蛛网图整体相似(图 6-b),富集大离子亲石元素Ba、U而明显亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti,具有岛弧岩浆岩特点。Sr、Y、Yb的含量分别为68.97×10-6~115.34×10-6、23.40×10-6~ 36.90×10-6、2.71×10-6~4.01×10-6,呈现出明显低Sr高Yb的特点,这些地球化学特征与张旗等总结的与蛇绿岩相伴生的斜长花岗岩一致[37](中等至低的负Eu异常,Sr<100×10-6,Yb>2×10-6)。

5 年代学特征

采用LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb法对斜长花岗岩进行同位素测年,分析结果见表 2。锆石CL图像(图 7-a)显示,斜长花岗岩(TW48)中的锆石多数较完整,以短柱状为主,少量受破碎影响呈粒状、不规则状,粒径多介于20~80 μm之间,长宽比主要集中在1:1~1.5:1。锆石内部发育较明显的振荡环带,34个锆石测点的Th/U值介于0.34~1.37之间,平均值为0.64,绝大多数测点大于0.4[38],显示岩浆锆石的特征,但环带多宽窄不一,反映其结晶过程中外部温压条件变化不均。

表 2 额勒根蛇绿岩中的斜长花岗岩(TW48)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb测试分析结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotope analytical results of plagiogranite(TW48) in the Elegen ophiolite
图 7 斜长花岗岩(TW48)阴极发光(CL)图像(a)和U-Pb谐和图(b) Fig.7 CL images of selected zircons(a)and U-Pb concordia diagram(b)of plagiogranite(TW48)

在U-Pb谐和图上(图 7-b),单颗粒锆石年龄较集中,年龄谱大致可分为3组,其中1、3、4、7、10、15号测点206Pb/238U年龄变化范围为391~403 Ma,年龄加权平均值为400±5.4 Ma(MSWD=0.34),可能为早期捕获锆石或继承锆石的结晶年龄,这与额勒根构造带北侧大面积分布早古生代弧火山-沉积地层的地质事实一致;2、6、8、11、12、14号测点的206Pb/238U年龄变化范围为337~348 Ma,年龄加权平均值为342±4.7 Ma(MSWD=0.69);剩余3个测点的年龄变化范围302~304 Ma,考虑到侵入斜长花岗岩中的弧花岗闪长岩年龄为306~310 Ma,该组年龄应为后期侵入锆石年龄。据此认为,斜长花岗岩的形成年龄应为342±4.7 Ma,说明额勒根蛇绿岩的形成时代为早石炭世。

6 讨论 6.1 岩石成因及构造环境 6.1.1 玄武岩

额勒根蛇绿岩中的玄武岩总体表现出富Na、Mg、Fe,贫K、Ti的特点,稀土元素配分曲线呈平坦型,微量元素富集Ba、U而亏损Nb、Ta、Th、Ti。其较低的Ti、Zr含量及整体较低的Ce/Y值(0.41~0.6),说明其源岩部分熔融程度较高[39]。Nb(0.41×10-6~1.45×10-6)、Ta(0.03×10-6~0.08×10-6)含量、Lu/Y值(0.015~0.023)远低于大陆地壳的分布范围(Nb=8×10-6、Ta=0.7×10-6、Lu/Y=0.16~0.18)[40],以及较低的LREE、Th等亲壳元素,说明源区岩浆在上升过程中受壳源物质混染有限[41]。Rb/Sr值为0.005~0.019,平均值为0.010,均低于原始地幔(0.037),接近于N-MORB的Rb/Sr平均值(0.006)[34];Lu/Yb值基本不受结晶分离和部分熔融过程的影响,区内玄武岩Lu/Yb值为0.15~0.16,与幔源岩浆(0.14~0.15)一致;Th/La(0.08~0.19)、Th/Y(0.01~0.03)、Ti/Y(224.47~373.07)值总体较低,而Zr/Nb(23.13~74.55)、Y/Nb(7.93~28.42)值较高,这些特征与亏损地幔源区相似[37],说明岩浆源区可能来自于亏损地幔。

在2Nb-Zr/4-Y(图 8-a)构造环境判别图解中,玄武岩样品点均落入岛弧玄武岩(IAB)区和正常洋中脊玄武岩(N-MORB)区,在Hf/3-Th-Ta (图 8-b)、V-Ti/1000(图 8-c)、Ta/Yb-Th/Yb(图 8-d)图解中,样品点多落在岛弧拉斑系列区(IAT),表明额勒根蛇绿岩产在俯冲消减带之上的环境,属SSZ型(俯冲带型)蛇绿岩。

图 8 额勒根玄武岩构造环境判别图 Fig.8 Discriminant diagrams of tectonic setting of the Elegen basalt a—2Nb-Zr/4-Y图解[42];b—Hf/3-Th-Ta图解[43];c—V-Ti/1000图解[44];d—Ta/Yb-Th/Yb图解[45];N-MORB—正常洋中脊玄武岩;E-MORB—富集洋中脊玄武岩;IAT—岛弧拉斑玄武岩;IAB—岛弧玄武岩;CAB—钙碱性玄武岩;WPA—板内碱性玄武岩;ICA—岛弧钙碱系列;SHO—岛弧橄榄玄粗岩系列;WPB—板内玄武岩;TH—拉斑玄武岩;TR—过渡玄武岩;ALK—碱性玄武岩;OIB—洋岛玄武岩;CFB—大陆溢流玄武岩;AB—碱性玄武岩

越来越多的资料表明,在俯冲消减带上,产于弧前和弧内环境的蛇绿岩其基性熔岩具IAB特征,产于弧后盆地的蛇绿岩其基性熔岩兼具IAB和MORB的特征[46]。额勒根蛇绿岩中的玄武岩地球化学特征表现出兼具N-MORB和IAB特征,据此推断,其应产于弧后盆地环境。

6.1.2 斜长花岗岩

斜长花岗岩野外呈透镜状产出于蚀变玄武岩中,空间上与玄武岩紧密共生,其内局部残存有玄武岩,暗示其成因为洋壳部分熔融。研究表明,随着SiO2含量的升高,部分熔融成因的斜长花岗岩,La和Yb的含量基本保持不变[47]。额勒根蛇绿岩中的斜长花岗岩La(4.41×10-6~7.98×10-6)和Yb(2.68×10-6~4.02×10-6)含量较低,与蛇绿岩中的玄武岩接近,在图 9中,La和Yb含量并没有随SiO2含量升高而变化,符合部分熔融成因斜长花岗岩的特点。

图 9 斜长花岗岩SiO2-La(a)和SiO2-Yb(b)判别图解[47] Fig.9 SiO2-La(a) and SiO2-Yb(b) diagrams of plagiogranite

此外,不同成因的大洋斜长花岗岩中TiO2含量与其形成过程中的氧逸度和温度有密切的联系[48],TiO2的含量可以作为判别斜长花岗岩由洋壳部分熔融形成的重要因子。本区斜长花岗岩TiO2含量较低(0.22%~0.35%),明显低于玄武质岩浆结晶分异和岩浆不混熔的底线,在实验熔体SiO2-TiO2关系图(图 10-a)中,样品点均落入含水条件下辉长岩部分熔融范围,这种特征通常被认为是镁铁质洋壳部分熔融的指示[48]。Sr、Ba是斜长石的相容元素,Rb为不相容元素,因此可以利用Rb/Sr-Rb/Ba比例推论源岩的性质[49]。区内斜长花岗岩的Rb/Sr为0.03~0.16,Rb/Ba为0.03~0.09,在Rb/Sr-Rb/Ba(图 10-b)图解中,样品点均落入玄武岩产生的熔体附近。

图 10 斜长花岗岩SiO2-TiO2(a)图解[48]和Rb/Sr-Rb/Ba(b)图解[49] Fig.10 SiO2-TiO2(a) and Rb/Sr-Rb/Ba(b) diagrams of plagiogranite

研究表明,不同的不相容元素在洋壳俯冲的有关流体和洋盆沉积物部分熔融过程中的元素迁移特性不同。在俯冲流体中Ba元素活动性较高,而Th元素活动性较弱,Ba/Th值较高,在洋盆沉积物部分熔融过程中Ba和Th的活动性则相反[50-51],据此可判断俯冲消减作用对岩浆的影响程度。在Th-Ba/Th图解(图 11-a)中,额勒根蛇绿岩中的斜长花岗岩演化位于洋壳俯冲流体的演化趋势线上,明显与洋盆沉积物部分熔融不同。在(Y+Nb)-Rb图解(图 11-b)中,样品点均落入火山弧环境。因此,区内斜长花岗岩的形成与俯冲消减作用密切相关。

图 11 斜长花岗岩Th-Ba/Th(a)图解[52]和(Y+Nb)-Rb(b)图解[45] Fig.11 Th-Ba/Th(a) and (Y+Nb)-Rb (b) diagrams of plagiogranite ORG—洋中脊玄武岩;VAG—火山弧花岗岩;WPG—板内花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩

综上所述,额勒根蛇绿岩中的斜长花岗岩从野外地质产状和岩石、地球化学特征看,都与大洋斜长花岗岩岩石地球化学指标具有高度相似性。其形成于与俯冲消减作用有关的弧后裂解环境,为镁铁质岩石的部分熔融成因。

6.2 构造演化及意义

新发现的额勒根蛇绿岩与红石山-百合山构造带的对比研究,对于北山地区乃至中亚造山带构造演化起着重要的制约作用。甘肃境内的红石山蛇绿岩是该构造带的重要组成部分和典型代表。王国强等[19]在红石山一带辉长岩中获得精确的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为346.6±2.8 Ma,表明红石山蛇绿岩形成于早石炭世。蛇绿岩中的玄武岩地球化学显示近似于MORB特征,稀土元素配分曲线为平坦型,微量元素富集Rb、K而弱亏损Nb,形成于大陆裂谷向大洋转化的构造环境。近几年1:5万区域地质调查在与红石山同一构造带上的大红山、百合山清河沟两地新填绘出蛇绿岩[53]。天津地质调查中心在百合山清河沟蛇绿岩中的辉长岩和斜长花岗岩中获得LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为344.6±1.8 Ma和297.3±1.5 Ma。山西地调院在大红山变质玄武岩中获得锆石U-Pb年龄为314±4 Ma。大红山、百合山清河沟两地基性火山熔岩(玄武岩)地球化学特征均兼具MORB和IAB特征,稀土元素配分曲线为平坦型,微量元素富集Rb、Ba、K而亏损Nb、Ta。本次获得额勒根蛇绿岩中的斜长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为342±4.7 Ma,代表额勒根蛇绿岩的形成年龄,该蛇绿岩的空间展布、岩石组合、岩石地球化学特征及构造带两侧地质单元,都可以与西侧的大红山、百合山清河沟及大红山一带蛇绿岩类比,说明额勒根蛇绿岩与百合山、大红山、红石山等地的蛇绿岩在成因上具有相似性,应属于同一构造带不同部位的产物,形成于早石炭世。

至晚中生代,受阿尔金东段北东向断裂影响,北山地区发育一系列北东向左行走滑断裂,控制了该地区中、新生代盆地的展布方向,尤以敦煌—瓜州—黑鹰山一线北东向左行走滑断裂规模最大。北山地区4条蛇绿岩带(图 1-b)均不同程度向北发生错移,致使红石山-百合山构造带向北错移约15 km,从额勒根一带通过。

额勒根蛇绿混杂岩带在空间展布上位于马鬃山微陆块北缘,分割南部2个不同构造属性的岩浆弧(图 1-a)。该带北侧分布的中奥陶统咸水湖组(452~508 Ma)火山岩(安山玄武岩、安山岩)为低-中钾钙碱性系列岩石,展示早期发育在消减带上的不成熟岛弧火山岩特征[30],说明其北侧的古亚洲洋在中奥陶世之前开始向南俯冲。早石炭世早期,受南北向伸展拉张和深部动力学机制作用,北山北部地区进入裂谷拉张阶段[39, 54-55]。在此伸展背景下,混杂岩带北侧早期(O)岛弧向北发生裂解,诱发弧后扩张,随后弧后盆地开始发育,接受了来自岛弧的大量碎屑物沉积,进而形成了早石炭世绿条山组。随着弧盆进一步扩张,富集LILE的软流圈地幔上涌,在额勒根乌兰乌拉一带形成蛇绿岩(玄武岩、斜长花岗岩、硅质岩等)。蛇绿岩组合的物质组成,均显示与俯冲消减作用的相关性,不同于N-MORB,同时蛇绿岩或多或少显示早期弧作用的痕迹,说明额勒根蛇绿岩是在古亚洲洋向南消减过程中弧后扩张的基础上演化而来的新生洋壳,属SSZ型蛇绿岩。而混杂岩带南侧分布大面积石炭系白山组陆缘弧火山岩[56](301~330 Ma)及晚石炭世陆缘弧岩浆岩[57-62](石英闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩,306~315 Ma),为红石山-百合山洋向南俯冲时形成的一套弧火成岩组合(明水岩浆弧),据该带南侧火成岩中的同位素年龄信息可知,额勒根蛇绿岩所代表的洋盆在早石炭世末(330 Ma之前)就已开始向南俯冲。

地层缺失或主要地层单元的接触关系是研究构造演化的重要证据之一,在北山地区,部分学者认为“下石炭统与中泥盆统的角度不整合”是古亚洲洋在中泥盆统之前闭合的主要依据[63-64];还有一部分学者认为“下二叠统与下石炭统的平行不整合”,古亚洲洋在早石炭世末期闭合[64-65]。研究区缺失下二叠统,存有记录的中二叠统金塔组火山岩地球化学特征显示其形成于板内裂谷环境,不整合于石炭纪火山-沉积地层之上。据此,笔者认为红石山—百合山—额勒根一带的洋盆在中二叠世之前已闭合。

7 结论

(1) 在内蒙古北山造山带的额勒根地区新识别出一套蛇绿岩组合,岩石类型主要为玄武岩、斜长花岗岩及上覆岩系层状硅质岩。玄武岩、斜长花岗岩地球化学兼具IAB和MORB特征,表明其为SSZ型蛇绿岩组合,形成于弧后盆地环境。

(2) 斜长花岗岩的锆石U-Pb年龄为342±4.7 Ma,表明红石山洋盆拉张的时代为早石炭世,与明水岩浆弧的形成时代相当,也从另一个方面印证了北山北带石炭纪处于弧盆构造体系的演化阶段。

(3) 额勒根蛇绿蛇绿岩的组成、构造属性及时代与红石山-百合山蛇绿岩极相似,表明红石山-百合山蛇绿岩带向东延伸到额勒根地区,二者空间上的错位很可能与晚中生代北东向左行走滑断裂造成的位移有关。

致谢: 河北省区域地质调查院胡醒民教授级高级工程师,中国地质科学院地质力学研究所胡健民研究员和河北地质大学李英杰教授给本文提出了宝贵的修改意见,在此表示感谢。

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