地质通报  2021, Vol. 40 Issue (1): 31-40  
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付长垒, 闫臻, 王秉璋, 牛漫兰. 造山带中古海山残片的识别——以拉脊山缝合带青沙山和东沟地质填图为例[J]. 地质通报, 2021, 40(1): 31-40.
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Fu C L, Yan Z, Wang B Z, Niu M L. Identification of the relics of paleo-seamount in orogens: A case study from the geological mapping in Qingshashan and Donggou areas within the Lajishan suture zone[J]. Geological Bulletin of China, 2021, 40(1): 31-40.
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基金项目

国家自然科学基金项目《拉脊山古洋盆初始俯冲的地质记录和时限研究》(批准号: 42072266)、《拉脊山增生楔结构、组成与古洋盆重建研究》(批准号: 41872241)、中国地质调查局项目《中央山系都兰、天水等地区基础地质调查》(编号: DD20190006)和中国地质科学院地质研究所统筹科研项目《共和盆地沉积-构造演化》(编号: S2007)

作者简介

付长垒(1988-), 男, 博士, 副研究员, 从事蛇绿岩与古板块构造研究。E-mail: fucl815@126.com

文章历史

收稿日期: 2020-06-12
修订日期: 2020-10-15
造山带中古海山残片的识别——以拉脊山缝合带青沙山和东沟地质填图为例
付长垒1,2, 闫臻1, 王秉璋2, 牛漫兰3    
1. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
2. 青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室/青海省地质调查院, 青海 西宁 810012;
3. 合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009
摘要: 造山带内海山/洋岛残片的识别是确定古缝合带和古洋盆存在的直接地质证据。祁连造山带被普遍认为是原特提斯洋盆俯冲和闭合的产物,然而南祁连地区是否存在古洋盆长期存在争议。通过对拉脊山关键地段早古生代岩石开展大比例尺地质填图和室内综合研究,在青沙山和东沟地区识别出连续的由洋岛型枕状玄武岩、火山碎屑岩、泥岩、凝灰岩和灰岩组成的火山-沉积组合序列,它们分别呈构造窗和构造残片产出,是拉脊山增生杂岩的重要组成部分,代表中寒武世—早奥陶世原特提斯洋内海山残片。这些海山残片的识别不仅表明拉脊山地区存在早古生代洋盆和缝合带,同时为造山带古洋盆构造演化研究提供了新思路。
关键词: 海山    缝合带    古洋盆    大比例尺地质填图    拉脊山    
Identification of the relics of paleo-seamount in orogens: A case study from the geological mapping in Qingshashan and Donggou areas within the Lajishan suture zone
FU Changlei1,2, YAN Zhen1, WANG Bingzhang2, NIU Manlan3    
1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. Key Laboratory of the Northern Qinghai-Tibet Plateau Geological Processes and Mineral Resources/Qinghai Geological Survey Institute, Xining 810012, Qinghai, China;
3. Department of Resources and Environment, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China
Abstract: Identification of the relics of seamount/oceanic island in orogens can provide critical geological evidence for the presence of the suture zone and paleo-ocean basin.The Qilian Orogen is widely considered as the product of subduction and closure of the Proto-Tethyan Ocean.However, whether there exists a paleo-ocean basin in the South Qilian is still hotly debated.Based on large-scale geological mapping and comprehensive study on the Early Paleozoic rocks in the key area of Lajishan, a successive volcanic-sedimentary sequence composed of OIB-type pillow basalt, pyroclastic rock, mudstone, tuff, and limestone was recognized in the Qingshashan and Donggou areas.The rocks are outcropped as the tectonic slice and tectonic window respectively.The volcanic-sedimentary sequence is the major components of the accretionary complex within Lajishan, and represents the relics of Middle Cambrian to Early Ordovician seamounts within the Proto-Tethyan Ocean.The identification of these relics of seamount not only indicates that there exist Early Paleozoic ocean basin and suture zone in the Lajishan area but also provides a new idea for the study of tectonic evolution of the paleo-ocean basin in orogens.
Key words: seamount    suture zone    paleo-ocean basin    large-scale geological mapping    Lajishan    

海山/洋岛是大洋板块内孤立散布且高出洋底1000 m以上的水下平顶山或露出海面的岛屿[1-2],它们是大洋板块地层(OPS)的重要组成部分[3-6],通常呈链状分布于大洋盆地中(如夏威夷-皇帝海山链、路易维尔海山链、东经90°海岭等),记录了板块运动和洋盆扩张历史[7]。随着大洋板块在消减板块边缘的俯冲,海山与少量洋中脊玄武岩、深海硅质岩及海沟浊积岩共同保留在增生楔中,构成造山带增生杂岩的重要组成部分[6, 8-10],成为确定古缝合带和古洋盆存在的直接地质证据。

海山通常被认为是“热点”岩浆作用的产物[11],主要由洋岛型玄武岩(OIB)、碳酸盐岩(生物礁灰岩)盖层、斜坡相角砾状碳酸盐岩-火山碎屑岩组合,以及斜坡前端深海硅质页岩和硅质岩共同组成[12-13]。海山在仰冲板块前端容易遭受俯冲刮削或底垫托等作用[14-16],部分海山残片以“构造岩片”形式保留在增生杂岩中,其内部独特的岩石组合序列成为识别古海山的基本地质依据。据此,地质学者通过野外详细研究和大比例尺地质填图,在日本增生杂岩中识别并重建了多个古海山序列[3-4, 17-18]。因此,大比例尺地质填图成为造山带中识别古海山残片的有效手段。

祁连造山带是中央造山带的重要组成部分(图 1-a),被认为是早古生代原特提斯洋闭合和微陆块聚合的产物[19-25],以发育包含大量早古生代蛇绿岩、高压低温变质岩、增生杂岩、岛弧火山岩、弧前/弧后盆地及俯冲-碰撞相关侵入岩的北祁连缝合带为典型特征[21, 23, 26-32]。这些岩石构造单元是原特提斯洋盆演化过程的重要证据,备受广大地质学者的关注。已有地质资料表明,在南祁连拉脊山地区也发育一条长约200 km的孤立蛇绿岩带(图 1-b)。多数研究者认为,该蛇绿岩形成于裂陷槽或裂谷环境,不发育早古生代洋盆[33-37],而部分学者根据区域构造和地球化学分析结果提出弧后盆地、大洋高原、构造窗等不同认识[38-41]。由此可见,拉脊山地区是否存在古洋盆仍存在争议,严重制约了对南祁连乃至祁连造山带结构组成及早古生代构造演化的认识。

图 1 中央造山系大地构造格架(a)、秦岭-祁连-阿尔金-东昆仑造山带构造分区和晚新元古代—早古生代蛇绿岩分布图 Fig.1 Tectonic framework of the Chinese Central Orogenic Belts (a) and tectonic framework of the Qinling-Qilian-Altun-East Kunlun orogenic belts showing the spatial distribution of the Late Neoproterozoic-Early Paleozoic ophiolite(b) (b,据参考文献[26]修改)

为此,笔者对拉脊山蛇绿岩及相关岩石进行了大比例尺填图,并在青沙山和东沟识别出一套连续的由枕状玄武岩、火山碎屑岩、泥岩、凝灰岩和灰岩组成的火山-沉积组合序列,与古海山组成一致。本文在介绍拉脊山古海山残片岩石组合特征和室内研究的基础上,进一步探讨古海山与增生杂岩和岛弧火山岩的相互关系,以及空间展布特征,揭示拉脊山地区古缝合带和古洋盆存在的证据,为南祁连洋早古生代板块构造格局研究提供新思路和新证据。

1 拉脊山地质概况

拉脊山位于祁连造山带南部,是一条呈NNW—SEE向展布并向NE凸出的弧形山脉(图 1-b)。拉脊山长期以来被认为是中祁连内部的裂谷[33-35],南北两侧分别与代表前寒武纪基底的化隆岩群和湟源群呈断层接触[22, 42]。已有地质资料显示,拉脊山地区主要发育寒武纪—奥陶纪火山岩和沉积岩,其中寒武系以中基性熔岩为主,夹大量火山碎屑岩、硅质岩和碳酸盐岩透镜体,以及不同规模的超基性岩块,奥陶系为中基性熔岩、凝灰岩和碎屑岩组合。另外,在寒武系和奥陶系之上不整合覆盖一套由砾岩、含砾粗砂岩和砂岩构成的晚奥陶世—志留纪陆相碎屑岩[43]

为深入研究拉脊山地区的岩石组合类型、结构特征及其时空分布特征,对拉脊山中部早古生代地层和蛇绿岩出露齐全的地段开展大比例尺地质填图(1:2.5万),结合各类与俯冲相关的大地构造相单元特征,在系统分析填图区不同地段出露的岩石组合、构造变形、空间分布、形成时代等的基础上,将寒武纪—早奥陶世岩石划分为4个构造单元:早—中寒武世蛇绿岩、寒武纪岛弧、中寒武世—早奥陶世增生杂岩和晚寒武世弧前盆地[24, 43](图 2)。其中,早—中寒武世蛇绿岩由地幔橄榄岩、蛇纹岩、辉石岩、辉长岩、斜长花岗岩、辉绿岩和枕状熔岩组成[24, 44];寒武纪岛弧由辉石岩、辉长岩、辉绿岩、枕状和块状熔岩、火山角砾岩、凝灰岩、安山岩、英安岩和流纹岩组成[24, 43];中寒武世—早奥陶世增生杂岩由玄武岩、硅质岩、泥岩、凝灰岩和灰岩组成[24, 43, 45];晚寒武世弧前盆地由砾岩、砂岩和凝灰岩组成[43]。蛇绿岩、岛弧和增生杂岩相互之间为断层接触,弧前盆地不整合覆盖于增生杂岩和岛弧之上(图 2)。蛇绿岩主要分布于元石山、六台、药水泉、野牛圈滩、西沟、东沟等地区,岛弧总体位于拉脊山南侧,自西向东沿青沙山、花石岩和马阴山连续分布,增生杂岩主要位于岛弧北侧,连续出露于元石山、石灰窑、东沟等地区,局部被晚奥陶世—早志留世沉积岩覆盖,另外在填图区南侧的青沙山和泥旦山地区也有发育。

图 2 拉脊山缝合带中部地区地质图(据参考文献[24, 43]修改) Fig.2 Geological map of the central part of the Lajishan suture
2 青沙山和东沟海山地质特征

地质填图结果显示,拉脊山增生杂岩发生了强烈的构造变形,以发育大量双重逆冲构造为典型的构造特征,不同岩石之间主要表现为断层接触,部分地段保留相对连续,主要为玄武岩和灰岩组成的岩石序列。详细的地质剖面观察表明,青沙山地区发育连续的玄武岩、火山碎屑岩、硅质泥岩和凝灰岩组合(图 3-abc)。其中玄武岩保留较好的枕状构造,单个岩枕长轴最大可达60 cm,小者为10 cm,一般为50 cm(图 3-d),内部气孔和杏仁构造较发育。显微结构显示,玄武岩呈间粒-间隐结构(图 3-d),发育大量针状斜长石(50%~60%),长度较均一,多为0.5 mm;颗粒间镁铁矿物已蚀变为绿泥石等,未见镁铁矿物残余;杏仁体多为椭球-球形,大小不等,粒径小者为0.2×0.4 mm,大者可达1×4 mm,充填物为方解石和玉髓。火山碎屑岩中发育大量棱角状玄武岩角砾;凝灰岩夹于枕状玄武岩中(图 3-b),可见原始沉积层理。剖面南侧可见断层接触的灰岩与枕状玄武岩(图 3-a),灰岩发生明显的重结晶作用(图 3-d)。青沙山枕状玄武岩-灰岩组合展布较广,向东西两侧尖灭,与寒武纪岛弧火山岩呈断层接触。

图 3 青沙山海山岩石组成特征 Fig.3 The rock assemblage of the Qingshashan seamount a—青沙山海山地质剖面;b—枕状玄武岩夹凝灰岩;c—枕状玄武岩、火山碎屑岩和硅质泥岩野外关系;d—枕状玄武岩;e—灰岩

东沟地区发育宽约60 m的连续玄武岩、钙质泥岩、泥岩、凝灰岩和灰岩组合(图 4-a),其中玄武岩呈残余枕状构造(图 4-b);薄层紫红色钙质泥岩、泥岩和灰绿色凝灰岩呈互层产出(图 4-c),局部夹大量灰岩透镜体,灰岩透镜呈角砾状(图 4-d),显微结构显示灰岩中含大量玄武岩岩屑和长石晶屑(图 4-e)。上述玄武岩-灰岩组合变形较弱,不同岩石间为连续整合接触,与典型的海山岩石组合一致。

图 4 东沟海山岩石组成特征 Fig.4 The rock assemblage of the Donggou seamount a—东沟海山地质剖面;b—枕状玄武岩;c—泥岩与凝灰岩互层;d—角砾状灰岩;e—含玄武岩和长石碎屑灰岩
3 玄武岩地球化学特征

为进一步限定玄武岩的形成构造背景,对青沙山玄武岩进行了全岩主量、微量和Sr-Nd同位素组成分析。分析工作分别在中国地质科学院国家测试中心和中国科学技术大学固体同位素地球化学实验室完成。主量元素利用Phillips 4400 X-荧光光谱仪进行测试,分析结果精度优于1%,误差小于5%;微量和稀土元素采用等离子体质谱仪(ICP-MS)测定,分析误差为5%~10%;Sr-Nd同位素比值测试在MAT-262热电离质谱计上完成。

7件青沙山玄武岩主量、微量和稀土元素分析结果见表 1。枕状玄武岩的SiO2含量为39.9%~44.6%,MgO为3.99%~6.14%,TFeO为11.3%~12.6%,TiO2含量较高,为1.80%~2.24%,Mg#值为36.0~46.7,烧失量较高,为6.12%~9.51%。Nb/Y-Zr/Ti图解显示它们属于碱性系列(图 5-a)。青沙山玄武岩稀土元素总量较高,为124.0×10-6~163.6×10-6。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线为右倾型(图 5-b),具明显的轻、重稀土元素分馏特征,LREE/HREE值为7.38~9.07,(La/Yb)N值为9.68~15.10,δEu值为0.95~0.98,基本无Eu异常,总体呈现出与OIB型碱性玄武岩一致的稀土元素配分模式[46]。在Nb/Yb-TiO2/Yb图解中,青沙山玄武岩也落在碱性OIB范围(图 5-c)。

表 1 青沙山枕状玄武岩全岩主量、微量和稀土元素组成 Table 1 Major, trace and rare earth elements compositions of the pillow basalts in the Qingshashan area
图 5 青沙山玄武岩地球化学组成特征 Fig.5 Geochemical compositions of the Qingshashan basalts a—Nb/Y-Zr/Ti图解;b—球粒陨石标准化稀土元素配分曲线;c—Nb/Yb-TiO2/Yb图解;d—ISr-εNd(510 Ma);MORB—洋中脊玄武岩;N-MORB—正常型洋中脊玄武岩;E-MORB—富集型洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩

青沙山2件枕状玄武岩Sr-Nd同位素分析结果见表 2。按照510 Ma计算(灰岩时代为中—晚寒武世[47]),初始87Sr/86Sr值为0.70482~0.70492,初始143Nd/144Nd值为0.512050~0.512069,εNd(t)值介于+1.10~+1.47之间,位于地幔演化线范围,具有类似OIB的富集地幔源区特征[48](图 5-d)。

表 2 青沙山枕状玄武岩全岩Rb-Sr和Sm-Nd同位素组成 Table 2 Rb-Sr and Sm-Nd isotopic compositions of the pillow basalts in the Qingshashan area
4 讨论 4.1 拉脊山海山残片组成和分布特征

当以海山/洋岛为代表的洋底凸起地质体进入俯冲带后,它们容易发生错断进入增生楔中[16, 49]。由于“负浮力”的影响,海山难以发生深俯冲并保留在增生楔中下部,而较大的海山俯冲甚至会阻塞俯冲带,引起俯冲带形态和变形特征的重大变化[49-50]。这些已有研究为深入分析造山带中海山及增生杂岩分布特征提供了重要的理论依据。

野外地质填图和室内研究结果表明,拉脊山增生杂岩主要由寒武纪海山OPS和深海OPS两部分组成(图 2)。其中,青沙山海山残片在野外露头上表现为OIB型枕状玄武岩、火山碎屑岩、硅质泥岩、凝灰岩和灰岩“盖层”组合序列,东沟海山残片表现为连续的玄武岩、钙质泥岩、泥岩、凝灰岩和灰岩组合。东沟海山呈小型“构造残片”夹于强烈剪切变形的页岩、硅质岩和凝灰岩中,与其他OPS共同构成了EW向展布的东沟-石灰窑-元石山增生杂岩,而青沙山海山面积较大且呈孤立出露于寒武纪岛弧火山岩中。岛弧火山岩与青沙山海山OPS的断层接触关系表明,该海山残片也是北侧东沟-石灰窑-元石山增生杂岩的重要组成部分,代表俯冲至增生楔下部并出露于岛弧火山岩内部的海山“构造窗”(图 2)。

4.2 拉脊山海山形成时代

玄武岩-灰岩组合是海山OPS的重要组成和识别标志[3-4, 6, 17],海山上部生物碎屑灰岩中的古生物成为限定海山形成时代的最佳对象。周志强等[51]和林天瑞等[47, 52]对拉脊山生物碎屑灰岩中三叶虫的属、种及其归类进行了系统研究,认为该地区存在多节类、球接子类等三叶虫,时代为寒武纪后半期(中—晚寒武世)。另外,拉脊山增生杂岩被470~450 Ma的花岗岩侵入[24](图 2),因此该增生杂岩及内部的海山时代上限应为早奥陶世[45]。这些地质资料进一步表明,拉脊山海山形成于中寒武世—早奥陶世。

4.3 构造意义

海山/洋岛是大洋板内“热点”岩浆作用和大洋盆地演化的最重要地质记录[3, 11]。不同于具有多解性的蛇绿岩,海山OPS鲜明的岩石组合特征无疑成为识别海山残片和确定古洋盆存在的最有效媒介。

本文从大比例尺地质填图和详细的地质剖面观察入手,在青沙山和东沟地区识别出连续的海山OPS组合,证明拉脊山地区存在中寒武世—早奥陶世海山,这些海山发育于原特提斯洋内并在洋盆俯冲过程中就位于增生杂岩中。上述研究结果不仅表明拉脊山地区存在早古生代洋盆和缝合带,而且充分证明大比例尺地质填图是解决复杂造山带关键地质问题的有效手段。

5 结论

(1) 拉脊山关键地段大比例尺地质填图表明,青沙山和东沟地区发育一套连续的由枕状玄武岩、火山碎屑岩、泥岩、凝灰岩和灰岩组成的火山-沉积组合序列,与典型海山岩石组合一致。

(2) 青沙山枕状玄武岩含较高的TiO2和稀土元素,具有与OIB型碱性玄武岩一致的右倾稀土元素配分曲线和Sr-Nd同位素组成,表明其形成于海山/洋岛构造环境。

(3) 东沟和青沙山海山分别呈构造岩片和构造窗产出,是拉脊山增生杂岩的重要组成部分,代表中寒武世—早奥陶世原特提斯洋内的海山残片。

致谢: 中国科学院地质与地球物理研究所钱青研究员对本文提出了建设性修改意见,在此表示感谢。

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