鄂北大洪山晋宁期岛弧火山岩和增生杂岩的厘定及地质意义

胡正祥，陈 超，毛新武，邓乾忠，杨金香，李琳静，孔令耀

(湖北省地质调查院，湖北武汉 430034)

秦岭造山带作为中央造山带的重要组成部分、华北和扬子板块之间的结合带而备受关注，不同学者先后在秦岭造山带中提出了商丹和勉略两条结合带［1-6］。自李春昱提出勉略结合带［1］，其向东延伸一直存在疑问，有许多学者认为可以延伸到湖北随州南部的大洪山地区［7-10］。但是受汉江流域影响使勉略结合带东延物质组成上发生错断，且鄂北大洪山地区长期缺少可靠、完整的结合带的证据，使勉略结合带向东与鄂北大洪山地区相连的观点或多或少受到了质疑。

大洪山地区的调查、研究工作可以追溯到上世纪七八十年代，1∶20万宜城幅、随县幅定义“花山群”为一套不整合于打鼓石群之上的新元古界沉积岩—火山岩组合［11-12］。在后来的研究中“花山群”被不断解体出了岛弧、洋盆、被动陆缘等不同环境的岩石建造组合，并认为其可能代表一条与勉略带相连的结合带［13-23］。对于大洪山地区存在结合带的观点逐渐被部分学者认可，但是对于此结合带的形成时间方面还存在着多种看法，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 的结合带形成时间［20-23］。长期以来，对于大洪山地区的结合带缺乏可靠、系统且较为统一的同位素年代学证据。

本文在详细野外地质调查基础上，结合室内获得的地球化学、同位素测年资料以及前人的研究成果，主要报道大洪山地区火山弧和增生杂岩的物质组成、产出特点和地球化学方面的特性，重点是最新获得的两个晋宁期年代学证据;提出大洪山地区存在晋宁期结合带的观点，供讨论。

1 地质概况

图1 鄂北大洪山地区地质简图Fig．1 Geological sketch map of the Dahongshan region

图2 鄂北大洪山岛弧火山岩和蛇绿混杂岩照片Fig．2 Photographs for island-arc volcanic rocks and ophiolitic melange

研究区位于秦岭造山带南侧、勉略—大巴山—青峰—襄广断裂东段、南秦岭微板块与扬子板块的结合部位(图1)。北侧受三里岗—三阳断裂(襄樊—广济断裂一部分)控制，南侧被南华纪莲沱组紫红色砂质砾岩呈角度不整合覆盖(部分位置被后期断层改造)。研究区南部主要出露中元古界打鼓石群陆缘斜坡—陆棚环境的碳酸盐岩—碎屑岩沉积组合，代表一套被动陆缘沉积［24］。研究区北部沿着土门—周家湾—小阜—园潭一带发育大量玄武岩—安山岩—英安岩—流纹岩和碎屑岩组合，前人对其中的基性玄武岩和中性安山岩作过详细的地球化学研究，认为其形成于岛弧环境［15-16］。中酸性英安岩呈紫红色，中—细粒结构，块状构造，少数可见气孔、杏仁构造(图2-a)，酸性流纹岩呈灰白色，可见较好流纹构造。不同岩性的火山岩呈互层形式产出，且常与砂岩、板岩伴生(图2-b)，岩石均受后期构造改造，内部结构和成分发生了不同程度的变化。三里岗镇南出露的中—酸性侵入岩体主要由二长花岗岩、英云闪长岩和石英闪长岩组成，前人在二长花岗岩中获得876 Ma的U-Pb同位素年龄，且认为其为一套岛弧型侵入岩组合［23］。因此，土门—园潭一带的火山岩、碎屑岩组合与三里岗中—酸性侵入岩体可能代表一个残余的古岩浆弧。在“被动陆缘”和“岩浆弧”之间主要以一套砾岩、砂岩、泥岩、凝灰岩为主碎屑岩组合为基质，中间夹有大量规模不等、形态各异、不同岩石类型的岩片，这些岩片包括辉绿岩、辉长岩、玄武岩、枕状熔岩、远洋硅质岩和泥质岩、白云质角砾岩、凝灰质角砾岩等多种来自不同成岩环境的岩石组合，具有构造混杂的特点，经调查研究认为其可能为一套俯冲增生杂岩(张克信野外指导，2014)。

自1972年彭罗斯会议以来，对蛇绿岩成因和分类的研究一直是国内外地质工作的热点［25-31］，典型的洋中脊蛇绿岩由底至顶为:超镁铁质堆晶岩和变形橄榄岩、席状岩墙杂岩(包括辉长岩岩席和辉绿岩岩脉)、枕状熔岩、远洋硅质岩和泥岩［32］。在大洪山地区增生杂岩中，关口垭、六里冲、杨家棚、绿林和厂河等地广泛出露辉绿岩、辉长岩、玄武岩、枕状熔岩、远洋硅质岩和泥质岩组合，物质组成上与典型的洋中脊蛇绿岩相似(暂时缺少超基性岩)，这些岩石组合多以岩片的形式混杂于一套弧前碎屑岩(基质)中，不同岩片之间也多以构造接触，具有典型蛇绿混杂岩的特征。杨家棚一带的公路边主要出露洋中脊辉长岩和玄武岩［22］以及灰黑色硅质岩，岩片之间表现为构造接触关系(图2-c);关口垭北可见一大小为3 m×5 m玄武岩岩块夹在一套碳质、凝灰质砂岩、板岩中，砂、板岩发生了强烈的构造变形(图2-d);六里冲附近碎屑中主要出露玄武岩、辉长岩(图2-e)、辉绿岩岩片，局部可见枕状熔岩，镜下可观察到辉长岩主要由自形程度相当的斜长石和辉石组成，且发生一定变质(图2-f);厂河一带的公路边发育一套枕状玄武岩(图2-g)，呈岩片的形式构造混杂于砂岩、粉砂岩中(图2-h)，单个熔岩枕大小在30 cm左右，岩石表面可见气孔和杏仁构造，镜下可观察到斑状结构，斑晶主要由斜长石和辉石组成(图2-i)。在岩片内部、岩片之间及岩片与基质间广泛发育规模不等的断层，碎屑岩中普遍发育褶皱，断层面和褶皱轴面基本向北—北东倾斜，共同指示由北向南的逆冲推覆作用。

2 实验方法

地球化学方面，前人在研究区获得了大量地球化学数据，本次研究在收集前人数据的基础上，只采集了少量地球化学样品进行验证。2件玄武岩和1件辉长岩样品均采自六里冲附近(113°01'E，31°29'N)，三件中—酸性火山岩样品分别为园潭公路边的英安岩(113°09'E，31°23'N)、土门小路旁的流纹岩(113°03'E，31°30'N)、土门南约 2．5 km 路旁的英安岩(113°02'E，31°29'N)，具体采样位置见图1。主量元素、微量元素分析均在武汉岩矿综合测试中心化学分析研究室完成。主量元素采用X荧光光谱法(XRF)分析，微量元素的分析则采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)分析方法，具体实验方法和步骤见马天芳等2011年发表的文章［33］，获得的数据见表1，实验所得数据采用Geokit软件处理［34］，主量元素数据已换算成干体系。

表1 鄂北大洪山镁铁质岩和中—酸性火山岩主量元素、微量元素分析结果Table 1 Major and trace elements for the mafic rocks from Liulichong and volcanics from Tumen，Yuantan

锆石测年样品一个采自土门乡南约2．5 km小路旁(113°02'E，31°29'N)的英安岩，一个采自绿林一带(113°05'E，31°21'N)的辉绿岩岩墙中。透射光、反射光和阴极发光图(CL)的拍摄、LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年和微量元素分析均在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。所使用的ICP-MS仪器型号为Elan6100DRC，激光剥蚀系统是德国Lamda Physik公司的Geolas200M深紫外(DUV)193nm ArF准分子(excimer)激光剥蚀系统。激光束斑直径为32 μm。实验中采用He作为剥蚀物质的载气，哈佛大学标准锆石91500作为外标，29Si作为内标。采用ICPMSDataCal(V3．7)软件对同位素比值数据进行处理，具体操作和实验方法在前人发表的文章里有详细说明［35］。对实验测得的数据用 ISOPLOT程序［36］进行谐和图的绘制和加权平均年龄计算。

3 地球化学特征

3．1 主量元素

土门、园潭三件中—酸性火山岩样品 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之间，里特曼指数 δ=0．53 ～1．91(＜3．3)，为钙碱性岩。FeOT(1．78% ～2．06%)和 MgO(0．23% ～1．00%)含量较低，CaO 含量 0．16% ～0．51%，铝饱和指数 A/CNK 值为1．08 ～3．75，平均1．98，表现为准铝质—过铝质岩的特征，这些特点与典型岩浆弧酸性火山岩相似［37-38］。

图3 鄂北大洪山镁铁质岩Nb/Y-Zr/TiO2*0．000 1图［40］Fig．3 Nb/Y-Zr/TiO2*0．0001 diagram［40］

六里冲2件玄武岩和1件辉长岩样品的地球化学特征和杨家棚、花山、厂河的38件镁铁质岩样品基本一致［15，20，22，39］，SiO2含量变化范围为 50．35% ～ 53．08% ，TiO2含量 1．58% ～2．10%，Al2O3含量在 15．57% ～16．87%之间，低 K2O(0．13% ～0．63%)、富 Na2O(3．01% ～4．80%)，具有较高的 Mg#，在 Nb/Y-Zr/TiO2*0．000 1图解中(图3)，所有样品落入亚碱性的玄武岩里，进一步用SiO2-FeOT/MgO投图(图4)，样品全部落在拉斑玄武岩系列内。

3．2 微量元素

在球粒陨石标准化的稀土元素配分图上(图5-a)，土门、园潭中—酸性火山岩表现出轻稀土元素(LREE)相对富集，重稀土元素(HREE)相对亏损的特点，具有较明显的 Eu 负异常(δEu=0．39 ～0．56)。在MORB标准化的蛛网图上(图5-b)，大洪山酸性火山岩表现出富集大离子亲石元素(LILE)K、Rb、Ba和Th，亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta和Ti的特征。稀土元素和微量元素方面的特点与西太平洋日本Chayano岛弧流纹岩［37］和美国阿拉斯加Katmai-Novarupta陆缘弧酸性火山岩［38］非常相似(图5)。

六里冲镁铁质岩稀土元素方面，样品具有较低的稀土元素含量(ΣREE=69．22×10-6～80．98×10-6μg/g)，轻稀土元素(LREE)含量为 48．76 ×10-6～58．02 ×10-6μg/g，重稀土元素(HREE)含量为 20．46× 10-6～24．35 ×10-6μg/g，LREE/HREE=2．38 ～2．81，LaN/YbN=2．00 ～2．59，轻、重稀土分异度较低，整体表现为LREE亏损到“平坦”的稀土配分模式，δEu=0．82～0．97，具有非常弱的负Eu异常，少数无Eu亏损(图6-a)。在原始地幔标准化的蛛网图上(图6-b)，样品整体显示大离子亲石元素(LILE)Rb、Ba、K、Sr等亏损，高场强元素(HFSE)Zr、Hf、Ti等富集，Nb、Ta 未见明显亏损甚至部分样品相对于K显示富集状态。

图4 鄂北大洪山镁铁质岩SiO2-FeOT/MgO图［41］Fig．4 SiO2-FeOT/MgO diagram［41］

注:六里冲2件玄武岩、1件辉长岩实验数据为本文实测，厂河9件枕状玄武岩［39］、杨家棚4件玄武岩［20］和2件辉长岩［22］、花山19件玄武岩和4件辉长岩［15］数据来源于前人报道，具体采样位置见图1，后文不重复说明。

图5 鄂北大洪山中—酸性火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和MORB标准化蛛网图(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］

图6 鄂北大洪山镁铁质岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化的蛛网图(b)［42］Fig．6 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a)and mantle-normalized spider diagram(b)for the mafic rocks［42］

4 锆石U-Pb测年

土门英安岩样品(D2047-1)中的锆石呈自形—半自形柱状，粒径50～100 μm，有较好的振荡环带结构发育(图7-a)，24个分析点中有23个点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之间，这些都是一般岩浆锆石的特点［43］。锆石U-Pb测年结果见表2和图8-a，23个分析点谐和度都＞90%，206Pb/238U年龄范围在779～915Ma之间，在U-Pb年龄谐和图上比较集中，这23个点的加权平均年龄为(841±12)Ma(MSWD=8．6)，代表英安岩的形成时间。

绿林辉绿岩样品(D3005-1)中的锆石呈自形—半自形浑圆或者短柱状，粒径在80～120 μm之间，振荡环带结构发育，显示岩浆锆石的特点(图7-b)。分析结果中(表 2)，7个点 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之间。这些都与岩浆锆石微量元素特点相符。锆石U-Pb测年结果见表2和图8-b，7个点206Pb/238U年龄范围为793～856 Ma，所有点谐和度都＞90%，在U-Pb年龄谐和图上比较集中，这7个点的加权平均年龄为(820±17)Ma(MSWD=5．5)，代表辉绿岩的形成时间。

图7 土门英安岩(a)和绿林辉绿岩(b)锆石阴极发光图Fig．7 The cathodoluminescence images for dacite of Tumen(a)and diabase of Lulin(b)

5 讨论

5．1 形成环境

土门—园潭的中—酸性火山岩与董云鹏早期厘定的中—基性岛弧火山岩伴生［15-16，18］;地球化学方面具有钙碱性、准铝质—过铝质、REE富集、Eu负异常、富集 LILE(K、Rb、Ba和 Th)、亏损 HFSE(Nb、Ta和 Ti)的特点，可以与西太平洋日本Shayano和美国阿拉斯加

Katmai-Novarupta典型的岛弧酸性火山岩对比［38-39］，充分说明大洪山地区沿着土门—园潭一带的中—酸性火山岩为岛弧环境下的产物。

表2 土门英安岩(D2047-1)和绿林辉绿岩(D3005-1)锆石U-Pb测年分析数据Table 2 U-Pb zircon data for the dacite of Tumen(D2047-1)and diabase of Lulin(D3005-1)

图8 土门英安岩(a)和绿林辉绿岩(b)锆石U-Pb谐和年龄图Fig．8 U-Pb concordia diagrams of analyzed zircons for dacite of Tumen(a)and diabase of Lulin(b)

前人对厂河地区原“六房咀组”砂质、泥质碎屑岩中的玄武岩夹层进行地球化学和锆石Hf同位素研究，认为其成岩岩浆来源于富集的岩石圈地幔，形成于与罗迪尼亚超大陆裂解有关、地幔柱成因的大陆溢流环境。但是最新野外地质调查发现，出露于土门—园潭岛弧火山岩带南侧的镁铁质岩、硅质岩、泥质岩、碎屑岩、浊积岩组合，可能是一套俯冲增生杂岩(张克信野外指导，2014)。其主要由:①弧前碎屑岩组合;②远洋硅、泥质岩组合;③洋壳残片，辉绿岩、辉长岩、玄武岩、枕状熔岩组合;④海山碳酸盐岩—玄武岩组合和海山坡底碳酸盐岩重力流沉积组合;⑤碰撞期浅水碎屑岩组合等5套来自不同环境的物质组成。

图9 鄂北大洪山镁铁质岩构造环境判别图解Fig．9 Discrimination diagrams for the tectonic interpretation of mafic rocks

六里冲、厂河、杨家棚和花山等地的镁铁质岩样品低K2O、高 Na2O/K2O值、高 Mg#、低 TiO2的特点与典型的洋中脊玄武岩相似［44］，而拉斑玄武岩系列的特点可以区别于岛弧钙碱性玄武岩和大陆裂谷碱性玄武岩，轻稀土元素(LREE)亏损到“平坦”的稀土配分模式，无明显负 Eu 异常，LILE(Rb、Ba、K、Sr等)亏损，HFSE(Zr、Hf、Ti等)富集，Nb、Ta 未见明显亏损都显示为洋中脊玄武岩的特征，而不同于洋岛碱性玄武岩(LREE和LILE富集、HREE亏损)、岛弧钙碱性玄武岩(Nb、Ta明显亏损)，且在玄武岩的环境判别图解中，几乎所有样品都落在洋中脊玄武岩的区域内(图9)。这些可能都是洋壳残片的代表。而南风垭西和绿林北公路边硅泥质岩、碳酸盐岩和玄武岩互层产出，玄武岩呈碱性，强烈富集轻稀土元素，大离子亲石元素Rb、Ba和高场强元素Nb、Ta等，亏损重稀土元素，表现为洋岛玄武岩的地球化学特征(数据另文发表)，其可能都是洋岛、海山岩石组合的代表。这些洋壳残片和海山岩石组合与远洋硅、泥质岩组合和碰撞期浅水碎屑岩组合都以岩片的形式赋存于一套以砂岩、粉砂岩、泥岩、泥质板岩为主的碎屑岩基质中，岩片与基质多呈构造接触，且碎屑岩基质发生强烈变形，多发育轴面北东倾向的叠瓦状同斜、倒转、紧闭褶皱。

5．2 形成时代

早期董云鹏等在花山地区厘定了一套蛇绿构造混杂岩，根据区域上地层的构造、新老关系初步判断蛇绿岩的形成时间在海西—早印支期，而北侧代表岛弧的岩浆弧形成时间为石炭纪—早三叠世;石玉若曾经在小阜火山岩样品获得1 197 Ma的全岩Sm-Nd等时线年龄［20］，在三里岗岩体中获得的422 Ma全岩Rb-Sr等时线年龄［21］，其可信度有待进一步商榷。而后对杨家鹏洋中脊辉长岩进行SHRIMP锆石U-Pb定年，获得947 Ma成岩年龄［23］，另外邓奇在厂河获得824 Ma的枕状玄武岩SHRIMP锆石U-Pb年龄。

近年来，锆石U-Pb测年作为一种相对较可靠定年技术而被广泛运用。此次研究中，通过系统的野外地质调查，在大洪山地区采集了一定量锆石U-Pb同位素测年样品，结果显示，代表洋中脊的辉绿岩形成时间为820 Ma，绿林洋岛玄武岩年龄为817 Ma(另文发表)，加上邓奇在厂河取得的824 Ma的玄武岩U-Pb年龄，表明研究区应存在820 Ma左右的古洋盆。而石玉若获得的947 Ma杨家棚洋中脊辉长岩U-Pb年龄可能是早期洋盆的形成时间，由此可以推测大洪山地区至少存在947～817 Ma的洋盆。另外，代表岛弧的英安岩形成时间为841 Ma，而可能形成于岛弧环境的三里岗岩体英云闪长岩成岩年龄为876 Ma(另文发表)，推测至少在876～841 Ma沿着土门—园潭一带发生过北东向(以现在磁北方向为标准)的洋—陆俯冲作用。

5．3 构造意义

以往对大洪山结合带的研究集中在土门—周家湾—小阜—园潭一带，在此次调查中，笔者大体上确定了大洪山岩浆弧和增生杂岩的分布范围和展布情况(图1)。增生杂岩和岩浆弧的厘定说明在大洪山地区系统地鉴别出了海沟—岛弧体系，为鄂北大洪山地区存在结合带的观点提供了强有力的证据。而大量且系统的晋宁期锆石U-Pb年代学证据说明大洪山地区存在一条区别于勉略带(晚古生代—早中生代)的晋宁期结合带。

6 结论

(1)野外地质调查和地球化学数据分析证明，土门—周家湾—小阜—园潭一带出露的玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩、砂岩、板岩等多种岩石的组合是岛弧环境下的产物。六里冲、厂河、杨家棚和花山等地的镁铁质岩为蛇绿岩的组成部分，其与海山岩石组合和远洋硅、泥质岩组合等以岩片的形式赋存于一套碎屑岩基质中，构成典型的俯冲增生杂岩。

(2)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果显示，绿林辉绿岩的形成时间为(820±17)Ma(MSWD=5．5)，结合947 Ma的辉长岩年龄，认为大洪山地区至少存在947～820 Ma的洋盆。土门英安岩的形成时间为(841±12)Ma(MSWD=8．6)，结合876 Ma的三里岗英云闪长岩年龄，推测至少在876～841 Ma发生洋—陆俯冲。大洪山地区晋宁期岛弧火山岩和增生杂岩的厘定说明该区可能存在一条区别于勉略带(晚古生代—早中生代)的另一结合带。

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