鄂北大洪山晉寧期島弧火山巖和增生雜巖的厘定及地質意義

胡正祥，陳 超，毛新武，鄧乾忠，楊金香，李琳靜，孔令耀

(湖北省地質調查院，湖北武漢 430034)

秦嶺造山帶作為中央造山帶的重要組成部分、華北和揚子板塊之間的結合帶而備受關注，不同學者先后在秦嶺造山帶中提出了商丹和勉略兩條結合帶［1-6］。自李春昱提出勉略結合帶［1］，其向東延伸一直存在疑問，有許多學者認為可以延伸到湖北隨州南部的大洪山地區(qū)［7-10］。但是受漢江流域影響使勉略結合帶東延物質組成上發(fā)生錯斷，且鄂北大洪山地區(qū)長期缺少可靠、完整的結合帶的證據，使勉略結合帶向東與鄂北大洪山地區(qū)相連的觀點或多或少受到了質疑。

大洪山地區(qū)的調查、研究工作可以追溯到上世紀七八十年代，1∶20萬宜城幅、隨縣幅定義“花山群”為一套不整合于打鼓石群之上的新元古界沉積巖—火山巖組合［11-12］。在后來的研究中“花山群”被不斷解體出了島弧、洋盆、被動陸緣等不同環(huán)境的巖石建造組合，并認為其可能代表一條與勉略帶相連的結合帶［13-23］。對于大洪山地區(qū)存在結合帶的觀點逐漸被部分學者認可，但是對于此結合帶的形成時間方面還存在著多種看法，不同的同位素分析方法(包括Sm-Nd、Rb-Sr、40Ar-39Ar、U-Pb 法)得出 422 ～1 736 Ma 的結合帶形成時間［20-23］。長期以來，對于大洪山地區(qū)的結合帶缺乏可靠、系統(tǒng)且較為統(tǒng)一的同位素年代學證據。

本文在詳細野外地質調查基礎上，結合室內獲得的地球化學、同位素測年資料以及前人的研究成果，主要報道大洪山地區(qū)火山弧和增生雜巖的物質組成、產出特點和地球化學方面的特性，重點是最新獲得的兩個晉寧期年代學證據;提出大洪山地區(qū)存在晉寧期結合帶的觀點，供討論。

1 地質概況

圖1 鄂北大洪山地區(qū)地質簡圖Fig．1 Geological sketch map of the Dahongshan region

圖2 鄂北大洪山島弧火山巖和蛇綠混雜巖照片Fig．2 Photographs for island-arc volcanic rocks and ophiolitic melange

研究區(qū)位于秦嶺造山帶南側、勉略—大巴山—青峰—襄廣斷裂東段、南秦嶺微板塊與揚子板塊的結合部位(圖1)。北側受三里崗—三陽斷裂(襄樊—廣濟斷裂一部分)控制，南側被南華紀蓮沱組紫紅色砂質礫巖呈角度不整合覆蓋(部分位置被后期斷層改造)。研究區(qū)南部主要出露中元古界打鼓石群陸緣斜坡—陸棚環(huán)境的碳酸鹽巖—碎屑巖沉積組合，代表一套被動陸緣沉積［24］。研究區(qū)北部沿著土門—周家灣—小阜—園潭一帶發(fā)育大量玄武巖—安山巖—英安巖—流紋巖和碎屑巖組合，前人對其中的基性玄武巖和中性安山巖作過詳細的地球化學研究，認為其形成于島弧環(huán)境［15-16］。中酸性英安巖呈紫紅色，中—細粒結構，塊狀構造，少數可見氣孔、杏仁構造(圖2-a)，酸性流紋巖呈灰白色，可見較好流紋構造。不同巖性的火山巖呈互層形式產出，且常與砂巖、板巖伴生(圖2-b)，巖石均受后期構造改造，內部結構和成分發(fā)生了不同程度的變化。三里崗鎮(zhèn)南出露的中—酸性侵入巖體主要由二長花崗巖、英云閃長巖和石英閃長巖組成，前人在二長花崗巖中獲得876 Ma的U-Pb同位素年齡，且認為其為一套島弧型侵入巖組合［23］。因此，土門—園潭一帶的火山巖、碎屑巖組合與三里崗中—酸性侵入巖體可能代表一個殘余的古巖漿弧。在“被動陸緣”和“巖漿弧”之間主要以一套礫巖、砂巖、泥巖、凝灰?guī)r為主碎屑巖組合為基質，中間夾有大量規(guī)模不等、形態(tài)各異、不同巖石類型的巖片，這些巖片包括輝綠巖、輝長巖、玄武巖、枕狀熔巖、遠洋硅質巖和泥質巖、白云質角礫巖、凝灰質角礫巖等多種來自不同成巖環(huán)境的巖石組合，具有構造混雜的特點，經調查研究認為其可能為一套俯沖增生雜巖(張克信野外指導，2014)。

自1972年彭羅斯會議以來，對蛇綠巖成因和分類的研究一直是國內外地質工作的熱點［25-31］，典型的洋中脊蛇綠巖由底至頂為:超鎂鐵質堆晶巖和變形橄欖巖、席狀巖墻雜巖(包括輝長巖巖席和輝綠巖巖脈)、枕狀熔巖、遠洋硅質巖和泥巖［32］。在大洪山地區(qū)增生雜巖中，關口埡、六里沖、楊家棚、綠林和廠河等地廣泛出露輝綠巖、輝長巖、玄武巖、枕狀熔巖、遠洋硅質巖和泥質巖組合，物質組成上與典型的洋中脊蛇綠巖相似(暫時缺少超基性巖)，這些巖石組合多以巖片的形式混雜于一套弧前碎屑巖(基質)中，不同巖片之間也多以構造接觸，具有典型蛇綠混雜巖的特征。楊家棚一帶的公路邊主要出露洋中脊輝長巖和玄武巖［22］以及灰黑色硅質巖，巖片之間表現為構造接觸關系(圖2-c);關口埡北可見一大小為3 m×5 m玄武巖巖塊夾在一套碳質、凝灰質砂巖、板巖中，砂、板巖發(fā)生了強烈的構造變形(圖2-d);六里沖附近碎屑中主要出露玄武巖、輝長巖(圖2-e)、輝綠巖巖片，局部可見枕狀熔巖，鏡下可觀察到輝長巖主要由自形程度相當的斜長石和輝石組成，且發(fā)生一定變質(圖2-f);廠河一帶的公路邊發(fā)育一套枕狀玄武巖(圖2-g)，呈巖片的形式構造混雜于砂巖、粉砂巖中(圖2-h)，單個熔巖枕大小在30 cm左右，巖石表面可見氣孔和杏仁構造，鏡下可觀察到斑狀結構，斑晶主要由斜長石和輝石組成(圖2-i)。在巖片內部、巖片之間及巖片與基質間廣泛發(fā)育規(guī)模不等的斷層，碎屑巖中普遍發(fā)育褶皺，斷層面和褶皺軸面基本向北—北東傾斜，共同指示由北向南的逆沖推覆作用。

2 實驗方法

地球化學方面，前人在研究區(qū)獲得了大量地球化學數據，本次研究在收集前人數據的基礎上，只采集了少量地球化學樣品進行驗證。2件玄武巖和1件輝長巖樣品均采自六里沖附近(113°01'E，31°29'N)，三件中—酸性火山巖樣品分別為園潭公路邊的英安巖(113°09'E，31°23'N)、土門小路旁的流紋巖(113°03'E，31°30'N)、土門南約 2．5 km 路旁的英安巖(113°02'E，31°29'N)，具體采樣位置見圖1。主量元素、微量元素分析均在武漢巖礦綜合測試中心化學分析研究室完成。主量元素采用X熒光光譜法(XRF)分析，微量元素的分析則采用電感耦合等離子質譜(ICP-MS)分析方法，具體實驗方法和步驟見馬天芳等2011年發(fā)表的文章［33］，獲得的數據見表1，實驗所得數據采用Geokit軟件處理［34］，主量元素數據已換算成干體系。

表1 鄂北大洪山鎂鐵質巖和中—酸性火山巖主量元素、微量元素分析結果Table 1 Major and trace elements for the mafic rocks from Liulichong and volcanics from Tumen，Yuantan

鋯石測年樣品一個采自土門鄉(xiāng)南約2．5 km小路旁(113°02'E，31°29'N)的英安巖，一個采自綠林一帶(113°05'E，31°21'N)的輝綠巖巖墻中。透射光、反射光和陰極發(fā)光圖(CL)的拍攝、LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測年和微量元素分析均在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成。所使用的ICP-MS儀器型號為Elan6100DRC，激光剝蝕系統(tǒng)是德國Lamda Physik公司的Geolas200M深紫外(DUV)193nm ArF準分子(excimer)激光剝蝕系統(tǒng)。激光束斑直徑為32 μm。實驗中采用He作為剝蝕物質的載氣，哈佛大學標準鋯石91500作為外標，29Si作為內標。采用ICPMSDataCal(V3．7)軟件對同位素比值數據進行處理，具體操作和實驗方法在前人發(fā)表的文章里有詳細說明［35］。對實驗測得的數據用 ISOPLOT程序［36］進行諧和圖的繪制和加權平均年齡計算。

3 地球化學特征

3．1 主量元素

土門、園潭三件中—酸性火山巖樣品 SiO2含量72．97% ～76．65%，K2O 含量 1．75% ～4．46%，Na2O含量0．34% ～5．50%，K2O+Na2O 含量在 3．98 ～7．99之間，里特曼指數 δ=0．53 ～1．91(＜3．3)，為鈣堿性巖。FeOT(1．78% ～2．06%)和 MgO(0．23% ～1．00%)含量較低，CaO 含量 0．16% ～0．51%，鋁飽和指數 A/CNK 值為1．08 ～3．75，平均1．98，表現為準鋁質—過鋁質巖的特征，這些特點與典型巖漿弧酸性火山巖相似［37-38］。

圖3 鄂北大洪山鎂鐵質巖Nb/Y-Zr/TiO2*0．000 1圖［40］Fig．3 Nb/Y-Zr/TiO2*0．0001 diagram［40］

六里沖2件玄武巖和1件輝長巖樣品的地球化學特征和楊家棚、花山、廠河的38件鎂鐵質巖樣品基本一致［15，20，22，39］，SiO2含量變化范圍為 50．35% ～ 53．08% ，TiO2含量 1．58% ～2．10%，Al2O3含量在 15．57% ～16．87%之間，低 K2O(0．13% ～0．63%)、富 Na2O(3．01% ～4．80%)，具有較高的 Mg#，在 Nb/Y-Zr/TiO2*0．000 1圖解中(圖3)，所有樣品落入亞堿性的玄武巖里，進一步用SiO2-FeOT/MgO投圖(圖4)，樣品全部落在拉斑玄武巖系列內。

3．2 微量元素

在球粒隕石標準化的稀土元素配分圖上(圖5-a)，土門、園潭中—酸性火山巖表現出輕稀土元素(LREE)相對富集，重稀土元素(HREE)相對虧損的特點，具有較明顯的 Eu 負異常(δEu=0．39 ～0．56)。在MORB標準化的蛛網圖上(圖5-b)，大洪山酸性火山巖表現出富集大離子親石元素(LILE)K、Rb、Ba和Th，虧損高場強元素(HFSE)Nb、Ta和Ti的特征。稀土元素和微量元素方面的特點與西太平洋日本Chayano島弧流紋巖［37］和美國阿拉斯加Katmai-Novarupta陸緣弧酸性火山巖［38］非常相似(圖5)。

六里沖鎂鐵質巖稀土元素方面，樣品具有較低的稀土元素含量(ΣREE=69．22×10-6～80．98×10-6μg/g)，輕稀土元素(LREE)含量為 48．76 ×10-6～58．02 ×10-6μg/g，重稀土元素(HREE)含量為 20．46× 10-6～24．35 ×10-6μg/g，LREE/HREE=2．38 ～2．81，LaN/YbN=2．00 ～2．59，輕、重稀土分異度較低，整體表現為LREE虧損到“平坦”的稀土配分模式，δEu=0．82～0．97，具有非常弱的負Eu異常，少數無Eu虧損(圖6-a)。在原始地幔標準化的蛛網圖上(圖6-b)，樣品整體顯示大離子親石元素(LILE)Rb、Ba、K、Sr等虧損，高場強元素(HFSE)Zr、Hf、Ti等富集，Nb、Ta 未見明顯虧損甚至部分樣品相對于K顯示富集狀態(tài)。

圖4 鄂北大洪山鎂鐵質巖SiO2-FeOT/MgO圖［41］Fig．4 SiO2-FeOT/MgO diagram［41］

注:六里沖2件玄武巖、1件輝長巖實驗數據為本文實測，廠河9件枕狀玄武巖［39］、楊家棚4件玄武巖［20］和2件輝長巖［22］、花山19件玄武巖和4件輝長巖［15］數據來源于前人報道，具體采樣位置見圖1，后文不重復說明。

圖5 鄂北大洪山中—酸性火山巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(a)和MORB標準化蛛網圖(b)［37-38，42］Fig．5 Chondrite-normalized REE patterns(a)and MORB normalized spider diagram(b)for intermediate-acid volcanic of Tumen，Yuantan［37-38，42］

圖6 鄂北大洪山鎂鐵質巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(a)和原始地幔標準化的蛛網圖(b)［42］Fig．6 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a)and mantle-normalized spider diagram(b)for the mafic rocks［42］

4 鋯石U-Pb測年

土門英安巖樣品(D2047-1)中的鋯石呈自形—半自形柱狀，粒徑50～100 μm，有較好的振蕩環(huán)帶結構發(fā)育(圖7-a)，24個分析點中有23個點Th含量33．2×10-6～129×10-6，U 含量82．4×10-6～195×10-6，Th/U值在0．40～0．68之間，這些都是一般巖漿鋯石的特點［43］。鋯石U-Pb測年結果見表2和圖8-a，23個分析點諧和度都＞90%，206Pb/238U年齡范圍在779～915Ma之間，在U-Pb年齡諧和圖上比較集中，這23個點的加權平均年齡為(841±12)Ma(MSWD=8．6)，代表英安巖的形成時間。

綠林輝綠巖樣品(D3005-1)中的鋯石呈自形—半自形渾圓或者短柱狀，粒徑在80～120 μm之間，振蕩環(huán)帶結構發(fā)育，顯示巖漿鋯石的特點(圖7-b)。分析結果中(表 2)，7個點 Th含量 95．6×10-6～363×10-6，U 含量113 ×10-6～325 ×10-6，Th/U 值在 0．63～1．00之間。這些都與巖漿鋯石微量元素特點相符。鋯石U-Pb測年結果見表2和圖8-b，7個點206Pb/238U年齡范圍為793～856 Ma，所有點諧和度都＞90%，在U-Pb年齡諧和圖上比較集中，這7個點的加權平均年齡為(820±17)Ma(MSWD=5．5)，代表輝綠巖的形成時間。

圖7 土門英安巖(a)和綠林輝綠巖(b)鋯石陰極發(fā)光圖Fig．7 The cathodoluminescence images for dacite of Tumen(a)and diabase of Lulin(b)

5 討論

5．1 形成環(huán)境

土門—園潭的中—酸性火山巖與董云鵬早期厘定的中—基性島弧火山巖伴生［15-16，18］;地球化學方面具有鈣堿性、準鋁質—過鋁質、REE富集、Eu負異常、富集 LILE(K、Rb、Ba和 Th)、虧損 HFSE(Nb、Ta和 Ti)的特點，可以與西太平洋日本Shayano和美國阿拉斯加

Katmai-Novarupta典型的島弧酸性火山巖對比［38-39］，充分說明大洪山地區(qū)沿著土門—園潭一帶的中—酸性火山巖為島弧環(huán)境下的產物。

表2 土門英安巖(D2047-1)和綠林輝綠巖(D3005-1)鋯石U-Pb測年分析數據Table 2 U-Pb zircon data for the dacite of Tumen(D2047-1)and diabase of Lulin(D3005-1)

圖8 土門英安巖(a)和綠林輝綠巖(b)鋯石U-Pb諧和年齡圖Fig．8 U-Pb concordia diagrams of analyzed zircons for dacite of Tumen(a)and diabase of Lulin(b)

前人對廠河地區(qū)原“六房咀組”砂質、泥質碎屑巖中的玄武巖夾層進行地球化學和鋯石Hf同位素研究，認為其成巖巖漿來源于富集的巖石圈地幔，形成于與羅迪尼亞超大陸裂解有關、地幔柱成因的大陸溢流環(huán)境。但是最新野外地質調查發(fā)現，出露于土門—園潭島弧火山巖帶南側的鎂鐵質巖、硅質巖、泥質巖、碎屑巖、濁積巖組合，可能是一套俯沖增生雜巖(張克信野外指導，2014)。其主要由:①弧前碎屑巖組合;②遠洋硅、泥質巖組合;③洋殼殘片，輝綠巖、輝長巖、玄武巖、枕狀熔巖組合;④海山碳酸鹽巖—玄武巖組合和海山坡底碳酸鹽巖重力流沉積組合;⑤碰撞期淺水碎屑巖組合等5套來自不同環(huán)境的物質組成。

圖9 鄂北大洪山鎂鐵質巖構造環(huán)境判別圖解Fig．9 Discrimination diagrams for the tectonic interpretation of mafic rocks

六里沖、廠河、楊家棚和花山等地的鎂鐵質巖樣品低K2O、高 Na2O/K2O值、高 Mg#、低 TiO2的特點與典型的洋中脊玄武巖相似［44］，而拉斑玄武巖系列的特點可以區(qū)別于島弧鈣堿性玄武巖和大陸裂谷堿性玄武巖，輕稀土元素(LREE)虧損到“平坦”的稀土配分模式，無明顯負 Eu 異常，LILE(Rb、Ba、K、Sr等)虧損，HFSE(Zr、Hf、Ti等)富集，Nb、Ta 未見明顯虧損都顯示為洋中脊玄武巖的特征，而不同于洋島堿性玄武巖(LREE和LILE富集、HREE虧損)、島弧鈣堿性玄武巖(Nb、Ta明顯虧損)，且在玄武巖的環(huán)境判別圖解中，幾乎所有樣品都落在洋中脊玄武巖的區(qū)域內(圖9)。這些可能都是洋殼殘片的代表。而南風埡西和綠林北公路邊硅泥質巖、碳酸鹽巖和玄武巖互層產出，玄武巖呈堿性，強烈富集輕稀土元素，大離子親石元素Rb、Ba和高場強元素Nb、Ta等，虧損重稀土元素，表現為洋島玄武巖的地球化學特征(數據另文發(fā)表)，其可能都是洋島、海山巖石組合的代表。這些洋殼殘片和海山巖石組合與遠洋硅、泥質巖組合和碰撞期淺水碎屑巖組合都以巖片的形式賦存于一套以砂巖、粉砂巖、泥巖、泥質板巖為主的碎屑巖基質中，巖片與基質多呈構造接觸，且碎屑巖基質發(fā)生強烈變形，多發(fā)育軸面北東傾向的疊瓦狀同斜、倒轉、緊閉褶皺。

5．2 形成時代

早期董云鵬等在花山地區(qū)厘定了一套蛇綠構造混雜巖，根據區(qū)域上地層的構造、新老關系初步判斷蛇綠巖的形成時間在海西—早印支期，而北側代表島弧的巖漿弧形成時間為石炭紀—早三疊世;石玉若曾經在小阜火山巖樣品獲得1 197 Ma的全巖Sm-Nd等時線年齡［20］，在三里崗巖體中獲得的422 Ma全巖Rb-Sr等時線年齡［21］，其可信度有待進一步商榷。而后對楊家鵬洋中脊輝長巖進行SHRIMP鋯石U-Pb定年，獲得947 Ma成巖年齡［23］，另外鄧奇在廠河獲得824 Ma的枕狀玄武巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡。

近年來，鋯石U-Pb測年作為一種相對較可靠定年技術而被廣泛運用。此次研究中，通過系統(tǒng)的野外地質調查，在大洪山地區(qū)采集了一定量鋯石U-Pb同位素測年樣品，結果顯示，代表洋中脊的輝綠巖形成時間為820 Ma，綠林洋島玄武巖年齡為817 Ma(另文發(fā)表)，加上鄧奇在廠河取得的824 Ma的玄武巖U-Pb年齡，表明研究區(qū)應存在820 Ma左右的古洋盆。而石玉若獲得的947 Ma楊家棚洋中脊輝長巖U-Pb年齡可能是早期洋盆的形成時間，由此可以推測大洪山地區(qū)至少存在947～817 Ma的洋盆。另外，代表島弧的英安巖形成時間為841 Ma，而可能形成于島弧環(huán)境的三里崗巖體英云閃長巖成巖年齡為876 Ma(另文發(fā)表)，推測至少在876～841 Ma沿著土門—園潭一帶發(fā)生過北東向(以現在磁北方向為標準)的洋—陸俯沖作用。

5．3 構造意義

以往對大洪山結合帶的研究集中在土門—周家灣—小阜—園潭一帶，在此次調查中，筆者大體上確定了大洪山巖漿弧和增生雜巖的分布范圍和展布情況(圖1)。增生雜巖和巖漿弧的厘定說明在大洪山地區(qū)系統(tǒng)地鑒別出了海溝—島弧體系，為鄂北大洪山地區(qū)存在結合帶的觀點提供了強有力的證據。而大量且系統(tǒng)的晉寧期鋯石U-Pb年代學證據說明大洪山地區(qū)存在一條區(qū)別于勉略帶(晚古生代—早中生代)的晉寧期結合帶。

6 結論

(1)野外地質調查和地球化學數據分析證明，土門—周家灣—小阜—園潭一帶出露的玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖、砂巖、板巖等多種巖石的組合是島弧環(huán)境下的產物。六里沖、廠河、楊家棚和花山等地的鎂鐵質巖為蛇綠巖的組成部分，其與海山巖石組合和遠洋硅、泥質巖組合等以巖片的形式賦存于一套碎屑巖基質中，構成典型的俯沖增生雜巖。

(2)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結果顯示，綠林輝綠巖的形成時間為(820±17)Ma(MSWD=5．5)，結合947 Ma的輝長巖年齡，認為大洪山地區(qū)至少存在947～820 Ma的洋盆。土門英安巖的形成時間為(841±12)Ma(MSWD=8．6)，結合876 Ma的三里崗英云閃長巖年齡，推測至少在876～841 Ma發(fā)生洋—陸俯沖。大洪山地區(qū)晉寧期島弧火山巖和增生雜巖的厘定說明該區(qū)可能存在一條區(qū)別于勉略帶(晚古生代—早中生代)的另一結合帶。

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