甘蒙北山地区奥陶纪火山岩地球化学特征及形成环境探讨

王国强，李向民，徐学义，余吉远，武 鹏

1.长安大学地球科学与资源学院，西安 710064 2.西安地质矿产研究所，西安 710054

0 引言

北山位于中亚造山带的中东段，其大地构造位置位于哈萨克斯坦、塔里木和中朝三大板块的结合部位（图1）［1－2］。北山古生代火山岩的研究作为中亚造山带构造演化研究的一部分，受到众多学者的关注。其中，对北山二叠纪多条镁铁－超镁铁质杂岩侵入体［3－4］和以玄武岩为主的大规模火山作用［5－9］的进行了相关研究，焦点集中于晚古生代火山岩，研究认为晚古生代二叠纪是中亚造山带的一个重要动力学转换 阶 段［4，8，10－13］，这 些 研 究 成 果 为 北 山 地 区晚古生代的构造演化研究奠定了基础。然而，该区早古生代北山构造演化极其重要的奥陶纪火山岩研究甚少。90年代以来，前人研究涉及到了局部与蛇绿岩相关的火山岩，认为北山南部花牛山奥陶纪火山岩形成于陆缘裂谷环境，而北山北部希热哈达一带奥陶纪火山岩的研究却存在陆缘裂谷与岛弧之争［5，14］。此外，基于测试方法的限制，指示构造环境和岩石成因的相关研究涉及较少［5］①何世平.甘肃内蒙古北山地区构造单元划分及古生代地壳演化研究报告.西安：西安地质矿产研究所，1999.，即使是最新火山岩研究［14］也仅引用了1∶25万红宝石幅区域地质调查报告②魏志军，黄增保，张国英，等.1∶25万红宝石幅区域地质调查报告（K47C002001）.兰州：甘肃省地质调查院，2004.中为数不多的地球化学数据。总体来看：对北山整个区域尺度上的北山奥陶纪火山岩，尤其是对构造环境有重要指示意义的基性火山岩缺乏系统深入的研究；对花牛山和洗肠井奥陶纪基性火山岩，以及北山北侧伊哈托里和希热哈达一带出露的奥陶纪火山岩构造背景的对比研究，更是缺乏深入的讨论。因此，笔者拟以北山南部花牛山、洗肠井和北山北部伊哈托里、希热哈达奥陶纪基性火山岩为研究对象，通过火山岩岩石地球化学特征研究进而探讨北山的构造演化背景，为北山乃至中亚地区的构造演化及地球动力学机制研究提供重要的参考依据。

1 地质概况

北山古生代地层发育较齐全，从寒武系到二叠系均有出露，主要分布于区内南部和北部。奥陶系包括的地层单元有罗雅楚山组、锡林柯博组、白云山组、花牛山群及咸水湖组等。奥陶系在北山范围内主要分布于2个区域内，即南部花牛山、牛圈子、马鬃山、洗肠井一带，北部伊哈托里、碧玉山－蓬勃山一线以北的乌珠尔噶顺地区及周边地区。其中分布于花牛山、洗肠井、伊哈托里及希热哈达等地的花牛山群、白云山组、锡林柯博组及咸水湖组含有一定规模的火山岩（火山岩分布位置见图1），现对各含火山岩系地层特征简述如下：

花牛山群：仅分布于花牛山地区，为一套浅变质碎屑岩、碳酸盐岩、基性－酸性火山岩建造。岩性为砂岩、凝灰质砂岩、板岩、灰岩（结晶灰岩、大理岩），以及玄武岩、安山玄武岩等。局部受岩浆活动影响，发生角岩化、混合岩化。该层位产出的腕足类（Basiliella、Stropheodontasp.）、珊瑚（Heliolites）及头足类（Discoceras）化石，将其时代笼统置于奥陶纪③甘肃省地质局第一区域地质测量队.安北幅（K-47-25）1∶20区域地质测量报告.兰州：甘肃省地质局，1967.。上下接触界限不清。

白云山组：主要分布于内蒙古额济纳旗白云山、石板井、希热哈达一带，为一套碎屑岩、粗碎屑岩夹碳酸盐岩及少量火山岩和碧玉岩沉积。岩性有杂色粉砂岩、石英砂岩、砂质页岩、含砾砂岩、砾岩、砾状灰岩、竹叶状灰岩、硅质灰岩、硅质板岩、安山玄武岩、英安岩、碧玉岩等。该套地层中富含三叶虫（Nankinolithus）和腕足类（Hammatocnemis）等标准化石，时代应为晚奥陶世④甘肃省地质局第二区域地质测量队.石板井幅（K-47-21）1∶20区域地质测量报告.兰州：甘肃省地质局，1972.。下部以含砾砂岩与锡林柯博组为界，二者整合接触，与上覆地层为断层接触。

咸水湖组：分布于伊哈托里——雀儿山－英安山一带的近中部，为一套中－基酸性火山岩、同质凝灰岩、凝灰角砾岩与富含火山成分的含砾砂岩、砂砾岩构成的火山岩沉积地层。火山岩以安山岩、英安岩为主，次为安山玄武岩、变余流纹岩。在四顶黑山西以中性－中酸性火山岩为主，以东碎屑成分增多，并夹中酸性火山岩和凝灰岩，与上覆志留统公婆泉群为断层接触，地层中产头足类（Ormocerassp.和Cyclocerassp.等）等标准化石，时代为中奥陶世①魏志军，黄增保，张国英，等.1∶25万红宝石幅区域地质调查报告（K47C002001）.兰州：甘肃省地质调查院，2004.。

2 样品采集与分析

本次研究在花牛山、洗肠井、伊哈托里及希热哈达等地采集到较好的基性火山岩进行岩石地球化学分析，采样点具体位置见图1。其中：花牛山火山岩属奥陶纪花牛山群；洗肠井火山岩为奥陶纪蛇绿混杂岩带中玄武岩；伊哈托里和希热哈达火山岩分别属于中奥陶世咸水湖组和晚奥陶世白云山组。研究所选样品是经过显微镜观察后挑选有代表性且蚀变相对较弱的样品进行测试分析。主量元素、微量元素分析均在西安地质矿产研究所实验测试中心进行。主量元素采用X荧光光谱分析（XRF），仪器为荷兰Panalytical公司Axios 4.0kW波长色散X射线荧光光谱仪，精密度RSD≤0.134，稳定性RMS Rel≤0.050%。微量元素和稀土元素采用Thermo Fisher公司X-SeriesⅡ型电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）测定，检测限优于5×10－9，相对标准偏差优于5%。分析测试结果见表1。

3 岩相学特征

本次所采集的基性火山岩以玄武岩为主，2件样品BS047b和BS048b石英微晶体积分数约1%，将其定名为安山玄武岩（图2a）。其余样品为玄武岩，岩石手标本呈绿色、暗灰绿色斑状结构，块状构造。玄武岩样品共同显微特征见图2b，玄武岩的斑晶由数量不等的半自形－自形柱状、短柱状斜长石和极少量的辉石组成；基质具间粒－间隐结构，主要由斜长石、辉石、玻璃质及隐晶质组成并充填于长石斑晶之间。部分样品中可见少量磁铁矿。样品普遍遭受轻微的绿泥石化、绿帘石化、绢云母化及碳酸盐化等蚀变。

4 岩石地球化学特征

4.1 主元素及岩石分类

甘蒙北山地区火山岩主量、微量及稀土分析结果见表1。该区奥陶纪玄武岩w（SiO2）变化范围为47.85%～54.57%，平均值为50.58%；w（Al2O3）为13.38% ～17.04%，w（TiO2）为 0.72% ～2.02%，Mg＃值总体较低，变化范围为35.25～65.87。考虑到北山奥陶纪玄武岩部分岩石化学分析的烧失量偏高，表明岩石经历了一定的蚀变作用，一些活动性强的不相容元素（如Rb、Ba、K、Na等）的浓度可能会在蚀变作用过程中发生改变。因此，不能利用常规的TAS图解，而采用Zr/TiO2－Nb/Y图解和TFeO/Mg-w（SiO2）图解进行岩石分类和岩浆系列判别。在Zr/TiO2－Nb/Y图解（图3a）中，样品点主要落入安山玄武岩区或安山玄武岩与拉斑玄武岩交界范围内；样品点Nb/Y值均小于0.8，属于亚碱性系列［15］。在 TFeO/MgO-w（SiO2）图解中，样品主要落入拉斑系列（图3b）。

4.2 微量元素

本区火山岩微量元素分析结果见表1。从表中可见，北山地区火山岩稀土总量总体较小，范围为（19.83～51.65）×10－6。花牛山玄武岩的 LREE/HREE值变化范围为0.86～2.39，δEu为0.91～1.04；洗肠井玄武岩的LREE/HREE值变化范围为0.69～0.98，δEu为0.76～0.93。在配分图解（图4a）中，花牛山和洗肠井玄武岩显示出的弱的轻稀土亏损－平坦、重稀土略为富集模式，反映出其与蛇绿岩（N-MORB）环境下的稀土配分特征具有一定的亲缘性，这与前人［18－20］认为花牛山与洗肠井火山岩属蛇绿岩组成的部分认识一致。伊哈托里玄武岩的LREE/HREE值变化范围为1.46～4.13，δEu为0.93～1.08；希热哈达玄武岩的LREE/HREE值变化范围为1.16～1.46，δEu为0.91～0.96。在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图中（图4b），伊哈托里和希热哈达地区火山岩表现为轻稀土富集、重稀土平坦、铕异常不明显的特征。

从原始地幔标准化微量元素蛛网图（图4c，d）中可见，研究区火山岩均呈现出大离子亲石元素K、Ba等一定程度的富集，这表明岩石可能遭受了后期的蚀变作用。其中：洗肠井和花牛山火山岩中高场强元素Nb相对亏损，其余高场强元素（Zr、Hf、Ti等）变化相对稳定，且从Nb向右各样品的标准化模式基本相似，配分曲线较为平坦（图4c）；伊哈托里和希热哈达火山岩中Nb、Ta、Ti等高场强元素显示不同程度的亏损，具有类似于岛弧火山岩的特征（图4d）。

图1 甘蒙北山地区蛇绿岩带及火山岩分布图（据脚注① 何世平.甘肃内蒙古北山地区构造单元划分及古生代地壳演化研究报告.西安：西安地质矿产研究所，1999.修编）Fig.1 Sketch map showing the distribution of ophiolite belts and the volcanic rocks in Beishan area（after footnote①）

图2 北山奥陶纪火山岩显微照片Fig.2 Microphotograph of ordovician volcanic rocks in Beishan

表1 北山奥陶纪火山岩主量、微量及稀土元素分析结果Table 1 Analytical results of major element，trace element and REE of Ordovician volcanic rocks from Beishan area

表1（续）

表1（续）

表1（续）

图3 北山奥陶纪火山岩Zr/TiO2－Nb/Y图解（a）（底图据文献［15］）及TFeO/MgO-w（SiO2）图解（b）（底图据文献［16］）Fig.3 Zr/TiO2－Nb/Y diagram（base map after reference［15］）and TFeO/MgO-w（SiO2）diagram （base map after reference［16］）for Ordovician volcanic rocks in in Beishan area

图4 北山奥陶纪洗肠井和花牛山（a，c）、伊哈托里和希热哈达（b，d）火山岩稀土元素配分模式图及微量元素蛛网图Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized spidergrams of Ordovician volcanic rocks from Xichangjing and Huaniushan（a，c），Yihatuoli and Xirehada（b，d），Beishan area

火山岩的Zr/Nb值可分为2组：花牛山火山岩的Zr/Nb值为13.54～18.66，介于 N-MORB与EMORB之间；洗肠井、伊哈托里及希热哈达火山岩的Zr/Nb值均大于30.00，类似于 N-MORB（NMORB的Zr/Nb＞30.00，E-MORB的Zr/Nb比值约为10［21］）。位于北山北部地区的伊哈托里、希热哈达基性火山岩Nb/La值均小于或等于0.3，与岛弧火山岩相类似（Nb/La＜0.3［22］）；而花牛山、洗肠井火山岩的 Nb/La值（分别为0.72～1.06，平均值0.90；0.39～0.54，平均值0.45）均大于0.3，可与N-MORB类比，明显不同于E-MORB（1≪Nb/La＜2［23］）。洗肠井、花牛山基性火山岩 Ha/Th平均值（19.48，8.15）与 Condie［23］给出的 N-MORB（Ha/Th≥8.00）相一致；而伊哈托里、希热哈达基性火山岩 Ha/Th平均值（2.38，1.85）则与其给出的岛弧玄武岩（Ha/Th＜8.00）相类似。

5 讨论

5.1 形成环境

高场强元素（HFSE）如 Zr、Hf、Nb、Ta，以及REE和Ti、Y等元素活动性小，是研究火山岩形成环境、岩浆成因的可靠指标［24］。本文的微量元素研究表明，洗肠井、花牛山火山岩总体来看显示出类似洋中脊火山岩的地球化学特征，伊哈托里和希热哈达火山岩的微量元素特征则显示类似岛弧玄武岩的特征；在 Th-Hf/3-Nb/16玄武岩类构造环境判别图解（图5）中，北山洗肠井、花牛山一带火山岩投点主要落入洋中脊玄武岩区，这与花牛山玄武岩被认为是北山南部辉铜山－花牛山蛇绿岩带的组成部分，洗肠井玄武岩为红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿岩的组成部分的认识一致（前已述及）；而希热哈达和伊哈托里火山岩则主要显示火山弧玄武岩特征。在Th-Hf/3-Nb/16玄武岩类构造环境判别图解（图5）中，尽管花牛山部分点落入正常洋中脊环境，部分点落入富集型洋中脊玄武岩和板内碱性玄武岩投点区，这从构造环境的角度是可以解释的。因为北山从震旦纪开始地球动力学环境显示拉张特征，北山早古生代蛇绿岩的出现代表了拉张裂解最为强烈阶段即洋壳的出现，因此花牛山玄武岩部分投点有可能落入板内环境，花牛山玄武岩的判别图可能反映了大陆裂谷环境向大洋环境的转化；洗肠井火山岩在Th-Hf/3-Nb/16玄武岩类构造环境判别图解中总体则显示出正常洋中脊火山岩的地球化学特征，与目前认为该处火山岩属红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿岩的组成部分的认识一致；伊哈托里、希热哈达火山岩在 Th-Hf/3-Nb/16玄武岩类构造环境判别图解中则显示岛弧玄武岩特征。

图5 北山奥陶纪火山岩Th-Hf/3-Nb/16构造环境判别图（底图据文献［25］）Fig.5 Th-Hf/3-Nb/16tectonic setting discrimination diagram for Ordovician volcanic rocks in Beishan area（base map from reference［25］）

Ernst等［26］认为由于大陆地壳或岩石圈的混染作用可以给出似消减带型号，从而会导致将大陆玄武岩误判成岛弧玄武岩。通常很高的原始地幔标准化 Th/Nb值（≫1.00）［27］、低 Nb/La值（＜1.00）［28］是大陆玄武岩受到地壳混染的可靠判定指标。那么本区伊哈托里、希热哈达显示岛弧特征地区的玄武岩样品是真正岛弧岩浆作用形成还是遭受了地壳混染作用？伊哈托里玄武岩ThN/NbN值变化范围为1.83～5.99，平均值为4.20，Nb/La值变化范围为0.28～0.42，平均值为0.33；希热哈达玄武岩ThN/NbN值变化范围为4.59～5.26，平均值为4.80，Nb/La值变化范围为0.25～0.30，平均值为0.27。2处样品均显示了原始地幔标准化Th/Nb值（≫1.00）和低 Nb/La值（＜1.00）的特征。大陆伸展环境下源自于陆下富集地幔部分熔融作用形成的火成岩，在受到较为强烈的地壳混染作用后，也能表现出高场强元素Nb、Ta负异常等岛弧火山岩的特征［21，29］。因此，对于那些具有消减带型号的基性熔岩，可根据受混染作用影响较小的元素Zr质量分数和Zr/Y 值或利用 Zr/Y-w（Zr）的图解进行判别［29］。尽管伊哈托里、希热哈达2处火山岩在Zr/Y-w（Zr）图解中的投点位于板内玄武岩区内或偏移至板内玄武岩区左侧（图6）；但伊哈托里、希热哈达2处火山岩Zr质量分数平均值分别为92.70×10－6和88.55×10－6，Zr/Y平均值分别为6.16、3.73，这均与大陆玄武岩的Zr质量分数及Zr/Y值一致（Zr质量分数＞70.00×10－6，Zr/Y＞3.00［26］）；此外，2处样品均具原始地幔标准化Th/Nb值（≫1.00）、低 Nb/La值（＜1.00）、Zr/Nb值类似于 N-MORB及原始地幔标准化蛛网图中缺乏明显的Nb、Ta、Ti负异常“隆起”的特征。以上证据暗示了本区伊哈托里、希热哈达地区火山岩岩浆在上升过程中遭受了一定程度的地壳混染作用，该区火山岩（板内玄武岩）由此表现出了岛弧火山岩的特征。

图6 北山奥陶纪伊哈托里、希热哈达火山岩Zr/Y-w（Zr）构造环境判别图（底图据文献［30］）Fig.6 Zr/Y-w （Zr）tectonic setting discrimination diagram for Ordovician volcanic rocks in Yihatuoli and Xirehada in Beishan area（base map from reference［30］）

5.2 区域构造演化对形成环境的约束

北山存在4条蛇绿岩（蛇绿混杂岩）带（红石山－百合山－蓬勃山、芨芨台子山－小黄山、红柳河－牛圈子－洗肠井、辉铜山－帐房山，图1）。前人以蛇绿岩研究为基础，对于北山地区早古生代构造演化主要存在以下认识：一种观点认为石板井－小黄山蛇绿岩带为早古生代缝合带［5，31－32］；另一种观点将红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿岩带作为早古生代缝合带［18，33］。蛇绿岩的化石年代及同位素年代学研究表明［5，19，34－38］，北山仅 有 红 柳 河 － 牛 圈 子 － 洗肠井蛇绿岩带（红柳河蛇绿岩的时代也存在早寒武世［34］与早志留世［39］的认识）及辉铜山蛇绿岩属早古生代（奥陶纪）蛇绿岩，两者可能同为一个洋壳的残余；芨芨台子山－小黄山蛇绿岩的形成时代为早石炭世［38，40］，其与北山早古生代洋盆演化没有关系，它是晚古生代（石炭纪－二叠纪）碰撞造山期后陆内伸展作用的产物［38］；那么位于其北部的伊哈托里和希热哈达火山岩，则不可能为前人［5］所认为的芨芨台子山－小黄山蛇绿岩所代表的洋盆俯冲－消减所引发的岛弧火山－岩浆作用下形成的火山岩。从红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿岩所代表的洋盆的形成时代来看，北部伊哈托里、希热哈达火山岩最有可能是红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿岩代表的洋盆向北俯冲－消减所引发的岛弧火山－岩浆作用的地质记录。以红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿岩带作为早古生代缝合带的学者们认为古洋盆自南向北俯冲［18，33，41－43］，俯冲开始时间为志留纪；因此北山 北部伊哈托里、希热哈达火山岩也不可能为其俯冲－消减所形成的岛弧火山岩，因为两者在时空关系上并不配套。

北山从震旦纪开始地球动力学环境显示拉张特征，至奥陶纪时拉张强烈地段出现洋壳，现今表现为北山早古生代代表洋壳残余的蛇绿岩，如北山南部洗肠井和花牛山等地火山岩均为奥陶纪蛇绿岩的组成部分；北山北部在奥陶纪时处于伸展作用的构造背景之下，具体表现为伊哈托里和希热哈达等地的火山岩微量元素具板内火山岩的特征。伊哈托里和希热哈达位于明水－旱山微陆块北缘，自中奥陶世开始出现陆缘火山活动和碎屑岩沉积相伴，一直持续到晚奥陶世，形成伊哈托里－希热哈达陆缘火山活动带，火山活动从中奥陶世早期由微量的火山喷发开始，经中期中性、中基性喷发，至晚奥陶世早期该区的基性火山岩活动结束。结合构造演化分析，笔者认为在奥陶纪时伊哈托里、希热哈达处于伸展拉张的背景之下，该区火山岩应属明水－旱山微陆块北缘裂谷火山岩，并非古亚洲洋向南俯冲而形成的岛弧火山岩［5，14］。

6 结论

1）北山花牛山和洗肠井奥陶纪火山岩的稀土元素特征与N-MORB具有亲缘性，微量元素呈NMORB特征，总体反映其形成环境为洋中脊环境，洋中脊火山岩主要与蛇绿岩的形成关系密切。

2）伊哈托里和希热哈达火山岩的稀土及微量元素呈现出岛弧火山岩的信息，经原始地幔标准化Th/Nb值（≫1.00）和低 Nb/La值（＜1.00）判定后，认为伊哈托里和希热哈达火山岩遭受地壳混染作用，Zr含量、Zr/Y值显示其板内玄武岩的特征。

3）结合区域构造演化分析，认为北山南部花牛山和洗肠井奥陶纪火山岩应形成于洋中脊环境，北山北部伊哈托里和希热哈达火山岩则分别为中、晚奥陶世时形成于伸展裂解环境下的产物。

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