内蒙古北山造山带白云山地区上泥盆统墩墩山组火山岩的厘定及其构造意义*

2020-04-01田健辛后田滕学建段霄龙程先钰张永任邦方

岩石学报 2020年2期

田健辛后田滕学建段霄龙程先钰张永任邦方

中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170

中亚造山带作为世界上最大的显生宙造山带，夹持在西伯利亚克拉通与塔里木-华北克拉通之间(图1a)，其复杂的构造演化过程被认为与古亚洲洋的构造运动密切相关(Windleyetal.，1990，2007；Xiaoetal.，2010)。古亚洲洋盆的形成、演化以及增生造山与地体拼贴过程造就了中亚造山带现有的构造格架(图1a)(Coleman，1989；Allenetal.，1993，1995；engöretal.，1993；Jahnetal.，2000； Xiaoetal.，2004，2010；Windleyetal.，2007；Zhengetal., 2013，2018)。

图1 中亚造山带构造简图(a)及北山造山带蛇绿岩时空分布(b)(据Xiao et al., 2010，略有修改)Fig.1 Structural sketch of the Central Asian orogenic belt (a) and the temporal and spatial distribution of ophiolites in the Beishan orogenic belt (b) (modified after Xiao et al., 2010)

内蒙古北山造山带分布于中亚造山带南缘，经历了多阶段的俯冲拼贴过程，形成了从南向北依次出露的柳园-账房山、洗肠井-白云山-牛圈子-红柳河、小黄山-芨芨台子及红石山-百合山等多条蛇绿混杂岩带(图1b)。前人对上述不同的蛇绿岩进行了研究，获得了丰富的资料(于福生等，2006；张元元和郭召杰，2008；Wuetal.，2011；李向民等，2012；侯青叶等，2012；余吉远等，2012; Tianetal.，2014；王国强等，2014；孙立新等，2017)。其中，小黄山-芨芨台子及红石山-百合山蛇绿岩带为晚古生代SSZ型蛇绿岩带，具有弧后盆地蛇绿岩的特征(杨合群等，2010；王国强等，2014)；柳园-账房山蛇绿岩带作为中亚造山带与敦煌地块的重要界线(Xiaoetal.，2010)，存在早古生代及晚古生代复合增生的认识(Maoetal., 2012b；余吉远等，2012； Guoetal.，2014，2017)；洗肠井-白云山-牛圈子-红柳河蛇绿岩带作为古亚洲洋分支早古生代俯冲消减的遗迹(Zuoetal.，1991；Xiaoetal.，2010；杨合群等，2010)，近年来的年代学资料进一步表明，该蛇绿岩最早形成于寒武纪(张元元和郭召杰，2008；侯青叶等，2012；胡新茁等，2015)，在奥陶纪-志留纪发生俯冲作用(Songetal.，2013a, b，2014)。

随着研究的深入，北山地区中部发育的泥盆纪岩浆岩成为了研究古生代洋陆转化的重要载体之一，受到了较为广泛的关注，也存在很多不同认识：如对于广泛发育的晚泥盆世岩浆作用，前人提出了小黄山蛇绿岩向南俯冲(Zhangetal.，2012)、牛圈子-洗肠井蛇绿岩向北俯冲(Songetal.，2015)、柳园蛇绿岩向北俯冲(Guoetal.，2014，2017)及造山后伸展(李向民等，2011；Yuetal.，2016；Niuetal.，2018)等多种观点；具有明显正εHf(t)值的花岗岩类所反映的陆壳增生机制也存在伸展背景下的年轻地壳(Yuanetal.，2018)及俯冲背景下的复杂弧增生物 (engöretal.，1993；Guoetal.，2014，2017；Xiao and Santosh，2014)两种认识。另外，前人的研究大多集中在花岗岩类，而对与其同时代地层的研究很少。事实上，该地区并不缺乏上泥盆统地层，如在牛圈子地区就报道了上泥盆统墩墩山群(李向民等，2011；Guoetal.，2014，2017)，该地层呈东西向延伸，但其区域对比亟需进一步研究，这些资料对于研究北山地区中部晚泥盆世构造属性及陆壳增生事件具有重要的意义。

图2 白云山地区墩墩山组区域地质背景及火山岩采样点位置(据天津地质调查中心，2018(1)天津地质调查中心. 2018. 内蒙古1:5万月牙山、儿驼山幅地质图，略修改)

Fig.2 Regional geological background and volcanic sampling point location of Dundunshan Formation in Baiyunshan area

本次工作基于北山地区月牙山等两幅1:5万区域地质调查的基础上，在白云山蛇绿混杂岩带两侧首次填绘出上泥盆统墩墩山组(图2)，通过对其中火山岩的岩石学、锆石年代学、地球化学、Hf同位素等特征的综合研究，对比牛圈子地区墩墩山群火山岩的特征，探讨该期岩浆作用的岩石成因及构造背景，为中亚造山带南缘晚古生代洋陆转化及地壳增生提供可靠的证据。

1 地质概况及岩相学特征

1.1 区域地质概况

北山造山带，位于中亚造山带南缘，向东与兴蒙造山带相连，向西与天山造山带相连，由前寒武纪地体、蛇绿混杂岩、增生杂岩及沟弧盆沉积-岩浆岩组成(Xiaoetal.，2010)。

研究区位于北山造山带中部，内蒙古额济纳旗白云山地区。区内蛇绿混杂岩带呈北西西向带状展布，向东延伸至月牙山-洗肠井地区，向西延伸至牛圈子-红柳园地区(图1b)。混杂带中斜长花岗岩的锆石U-Pb年龄(519.8±2.3Ma，天津地质调查中心，2018)显示该蛇绿岩形成于早寒武世(图2)。蛇绿岩混杂带北部为上奥陶统白云山组，为一套大洋俯冲的弧前盆地沉积建造，与蛇绿混杂岩之间为断层接触；增生杂岩由构造混杂岩及强变形的砂板岩组成，其南侧与墩墩山组呈断层接触，北侧与蛇绿混杂岩呈断层接触。下泥盆统三个井组主要为一套凝灰质细砂岩、粉砂岩夹晶屑凝灰岩、枕状玄武岩、灰岩透镜体，与红柳园及牛圈子地区发育的三个井组岩石组合一致(李向民等，2011；Guoetal.，2017)。本次研究的上泥盆统墩墩山组分布于蛇绿岩带两侧，平行不整合在下泥盆统三个井组之上(图3a)，与上奥陶统白云山组或锡林柯博组呈断层接触。墩墩山组总体呈近东西向展布，蛇绿岩带北侧为褐红色岩屑砂岩(图3b)、灰绿色安山岩、灰紫色英安岩(图3b)及英安质含角砾熔结凝灰岩，被东西向展布的早石炭世花岗闪长斑岩(325.9±1.5Ma，天津地质调查中心，2018)侵入(图2)；蛇绿岩带南侧底部为一套灰紫色底砾岩(图3c)、中部为英安岩、英安质角砾熔岩及含角砾晶屑凝灰岩，顶部为英安岩(图4)，砾岩中砾石(图3c，d)呈椭圆状-圆状，大者可达15～20cm，砾石成分主要为三个井组玄武岩。蛇绿岩带北侧发育大面积的晚泥盆世花岗闪长岩，这一岩石类型在区域上广泛发育(Wangetal.，2018)。

图3 上泥盆统墩墩山组火山岩野外特征(a)三个井组与墩墩山组平行不整合接触关系；(b)岩屑砂岩与英安岩的整合接触关系；(c、d)墩墩山组底部底砾岩砾石特征Fig.3 Field characteristics of the volcanic rocks of the Upper Devonian Dundunshan Formation(a) parallel unconformity contact relationship between Sangejing and Dundunshan Formation; (b) conformable contact relationship between lithic sandstone and dacite; (c, d) gravel characteristics of basal conglomerate of Dundunshan Formation

图4 白云山南侧上泥盆统墩墩山组实测剖面(Pm04)Fig.4 Measured section of the Upper Devonian Dundushan Formation on the south of Baiyun Mountain (Pm04)

图5 墩墩山组火山岩岩石学、岩相学特征(a、b)灰绿色安山岩的野外宏观及镜下特征；(c、d)灰紫色英安岩组构特征及镜下特征；(e、f)灰紫色英安质角砾熔岩组构特征及镜下特征；(g、h)紫红色英安质含角砾凝灰岩组构特征及镜下特征. Pl-斜长石; Am-角闪石Fig.5 Petrological and petrographic characteristics of the volcanic rocks of Dudunshan Formation(a, b) field macroscopic and microscopic characteristics of grey-green andesite; (c, d) fabric characteristics and microscopic characteristics of gray-purple dacite; (e, f) fabric characteristics and microscopic characteristics of gray-purple dacitic breccia lava; (g, h) fabric characteristics and microscopic characteristics of purple dacitic breccia tuff. Pl-plagioclase; Am-amphibolite

1.2 岩相学特征

安山岩：浅灰色-灰绿色，岩石为块状构造(图5a)，岩石由斑晶(5%～10%)、基质(90%～95%)组成(图5b)。斑晶主要由斜长石、角闪石组成，粒径一般为0.2～1.5mm。斜长石呈半自形板状，强绢云母化，多呈假像产出，仅可见其半自形板状外形。角闪石呈半自形-他形柱粒状，强绿泥石化、黝帘石化、碳酸盐化。基质主要由长英质组成，粒径一般为<0.1mm。

英安岩：灰紫色，岩石为块状构造，斑状结构(图5c)，由斑晶(10%～20%)和基质(80%～85%)组成(图5d)。基质包括斜长石(70%～75%)和火山玻璃(10%±)。斑晶由斜长石组成，半自形板状，粒径一般0.2～2.5mm，轻度高岭土化、绢云母化，少量碳酸盐化，可见聚片双晶。基质由斜长石及少量火山玻璃组成，斜长石呈半自形板条状，长径一般<0.1mm，少数0.1～0.2mm，似交织状排列；火山玻璃暗褐色，与铁质混杂，似填隙状分布于斜长石间。

英安质角砾熔岩：灰紫色-灰红色(图5e)，岩石为块状构造，角砾状结构，由火山碎屑物、熔岩胶结物组成(图5f)。火山角砾：30%±；凝灰质：10%±；熔岩胶结物60%±(斑晶：10%～15%；基质：45%～50%)。火山碎屑物为岩屑，以2～12mm的火山角砾为主，0.2～2mm的凝灰质成分次之，二者杂乱分布，为英安岩，具斑状结构，斑晶由斜长石组成，半自形板状，粒径一般0.2～0.8mm，可见聚片双晶。基质似玻晶交织结构，由斜长石、火山玻璃组成，斜长石呈半自形板条状，长径一般<0.1mm，半定向排列，轻高岭土化、绢云母化，局部碳酸盐化；火山玻璃暗褐色，含大量铁质，似填隙状分布于斜长石间。熔岩胶结物为英安岩，具斑状结构，基质似玻晶交织结构，斑晶由斜长石组成，基质由斜长石、火山玻璃组成。

英安质含角砾凝灰岩：灰红色，岩石为块状构造(图5g)，具熔结凝灰结构，假流纹构造(图5h)，由晶屑(35%～40%)、岩屑(10%±)、玻屑(40%～45%)组成(图5h)，以<2mm的凝灰物为主，2～5mm的火山角砾次之(10%±)。晶屑由斜长石组成，棱角状、次棱角状外形，大小一般02～1.5mm，杂乱分布。岩屑主为刚性，团块状外形，大小一般以0.2～2mm的凝灰物为主，2～5mm的火山角砾次之，杂乱分布，成分主为英安岩，局部碳酸盐化、褐铁矿化。玻屑隐约可见鸡骨状、弧面棱角状等外形，已脱玻为隐晶-霏细状长英质。

2 分析方法

2.1 全岩分析

主量、微量和稀土元素分析在中国地质调查局天津地质调查中心元素分析实验室完成。将样品熔制成玻璃饼，然后采用X射线荧光光谱仪XRF-1500进行主元素测定，分析精度优于l%。称取40mg样品于Tenon罐中，加人HNO3和HF充分溶解后，用l%的HNO3稀释后，在Finigan MAT公司生产的双聚焦电感藕合等离子质谱仪(ICP-MS)ELEMENT上测定微量和稀土元素，分析精度优于5%。分析结果见表1。

2.2 锆石挑选、LA-ICP-MS年龄测定及锆石原位Hf同位素分析

样品无污染碎样和锆石的挑选工作由在河北省廊坊区域地质矿产调查研究所实验室完成的。并由北京锆年领航科技有限公司制靶，锆石粘贴制成环氧树脂样品靶，经过打磨抛光使锆石露出中心后进行透射光、反射光和阴极发光(CL) 显微照相。

锆石U-Pb 年代学和Lu-Hf 同位素分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验室的193nm激光剥蚀系统(New Wave)和多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS，Neptune) 上完成。U-Pb年代学测试方法见(李怀坤等，2009)。采用GJ-1作为外部标准校正锆石的U、Th和Pb同位素分馏：采用NIST610 玻璃作为标样计算锆石中U、Th和Pb含量：利用ICPMSDataCal 程序(Liuetal.，2011)和Isoplot 程序(Ludwig，2003)进行数据处理，分析结果见表2。Lu-Hf同位素实验过程中，91500的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf测定结果分别为0.282303±37(2σ，n=35)和0.00030，亏损地幔模式年龄(tDM)计算采用Griffinetal. (2000)的推荐值，等离子体质谱实验室方法和同位素分馏校正参考文献Wuetal.(2006)，分析结果见表3。

3 分析结果

3.1 年代学特征

本次工作对测区内墩墩山组采集的英安质熔结凝灰岩(Tw4001.1)、英安质角砾熔岩(Tw4013.1)进行了锆石U-Pb同位素年龄测试(图2)，锆石CL图像中，多呈半自形长柱状，长宽比在2:1～1:1之间，生长环带清晰(图6a，b)，属典型酸性岩岩浆锆石。Tw4001.1样品共测试24个数据点(全部位于谐和线上)，比较集中的16个数据点(1，4～7，9～13，15～18，21，22)给出的206Pb/238U加权平均年龄为368.1±1.8Ma(图6c)；7个点显示了446～451Ma、500～501Ma、1716～1864Ma的捕获锆石年龄信息；1个点年龄偏小，为279Ma。Tw4013.1共测试24个数据点(22个点在谐和线上)，其中21个集中的数据点(1～5，7～14，16～20，22～24)给出的206Pb/238U加权平均年龄为363.5±2.5Ma(图6d)；1个点年龄偏小，为321Ma。由此可见，墩墩山组顶部火山岩的成岩年龄为368.1±1.8Ma～363.5±2.5Ma，属晚泥盆世。

3.2 主量元素特征

在野外岩石定名和室内岩矿鉴定的基础上，对所采集样品使用TAS火山岩分类命名图解进行判别，样品点投点落在亚碱性区域的安山岩、英安岩或者粗面英安岩范围内(图7a)。安山岩类SiO2含量为58.05%，Na2O为3.92%，K2O为0.71%；英安岩类SiO2含量在63.87%～71.53 %之间，Na2O为4.08%～8.11%，K2O为0.97%～1.36 %。在(Na2O+K2O-CaO)-SiO2图解中，多数投点投在钙碱性范围内，少数为钙性或碱钙性(图7b)。牛圈子地区墩墩山群的岩石类型以流纹岩类为主，少量的英安岩类及安山岩类(图7a)；岩浆系列多为钙碱性-碱钙性，少量为碱性系列或钙性系列(图7b)。

3.3 微量元素、稀土元素地球化学特征

墩墩山组火山岩微量元素蛛网图显示，所有样品曲线型式总体显示Nb、Ta、P、Ti亏损的弧岩浆岩特征(图8a)。大致可以分为两类：一类具有Sr负异常，K、Rb正异常，显示了源区具有明显的陆壳成分(图8a)；另一类具有K、Rb负异常，Sr正异常，与洋壳熔融的特征相似(图8a)。

稀土元素配分曲线显示一类为轻稀土富集、重稀土平坦、轻重稀土分馏一般、Eu负异常中等的配分曲线(图8b)；另一类显示轻稀土富集、重稀土亏损、轻重稀土分馏较强、Eu异常不明显的配分曲线(图8b)。

表1白云山地区墩墩山组火山岩的全岩主量元素(wt%)、微量元素和稀土元素(×10-6)数据

Table 1 Whole-rock major element (wt%) and trace element (×10-6) compositions for the volcanic rocks from Dundunshan Formation in Baiyunshan area

样品号YQ4200-1YQ4013-1PM06YQ40-1PM06YQ41-1Pm15YQ35-1Pm15YQ35-2PM04YQ05-1PM04YQ07-1Pm15YQ34-1Pm15YQ34-2YQ4001-1岩石类型安山岩英安质角砾熔岩英安岩英安质凝灰岩SiO258.0571.5367.6565.7264.9865.7068.5767.9667.0463.8768.37Al2O316.1312.5414.5415.0716.4716.9015.9516.4413.6515.8013.13Fe2O32.294.134.095.102.242.573.902.784.655.296.09FeO2.790.330.200.281.851.590.691.700.270.230.59CaO4.363.063.323.992.812.903.552.163.493.772.69MgO3.860.411.211.913.012.761.461.791.851.601.42K2O0.710.090.080.360.171.430.910.890.220.971.36Na2O3.927.188.116.717.585.294.085.577.737.274.79TiO20.780.540.610.650.650.630.670.560.730.841.17P2O50.220.130.150.150.170.170.180.100.210.210.31MnO0.070.130.150.150.170.170.180.100.210.210.31Total93.18100.08100.09100.08100.09100.10100.12100.04100.04100.05100.24Cu17.38.0710.211.18.059.169.22134.565.038.56Pb7.167.367.166.65.059.989.726.086.4711.69.36Zn50.420.330.639.666.364.253.46382.163.262.1Cr84.74630.335.746.142.83924.48.7215.633.6Ni5118.823.410.123.121.521.715.33.257.9318Co17.25.96.8814.113.312.57.598.55.115.6111.8Li44.50.0545.561.37.1818.21.970.760.140.20.6Rb17.72.440.984.834.3222.419.9243.7117.329.8Cs5.230.510.210.430.631.76136.20.210.511.72Bi0.0350.030.0190.0740.0270.050.0230.0730.0190.0670.015Sr4683384281000415478501843216221216Ba21079.469.5163747187171368196181246V90.133.555.658.365.977.850.986.316.631.353.4Sc11.43.4575.395.756.43.713.444.165.1212.2Nb5.894.224.14.094.995.525.44.367.758.889.38Ta0.360.320.330.340.410.440.40.330.620.720.68Zr13076.310599.8141152125113324365314Hf3.863.053.093.184.244.523.753.358.139.159.34Be1.210.61.10.960.81.380.971.530.931.531.58Ga19710.911.515.618.814.113.29.8812.715.8U0.961.030.950.61.111.210.811.892.752.16Th2.833.593.433.094.064.533.022.428.9210.610.2La16.910.914.410.915.717.8129.4122.931.628.8Ce37.320.724.523.132.934.834.62352.369.463.2Pr5.13.043.793.24.34.814.032.626.6108.56Nd21.112.415.213.417.71916.910.926.742.734.8Sm4.392.642.932.823.493.663.442.265.988.977.66Eu1.20.690.840.791.090.920.860.821.441.771.46Gd4.422.192.972.853.563.642.791.937.158.266.66Tb0.550.360.40.420.460.510.370.271.221.281.18Dy2.852.142.192.432.482.82.091.587.327.47.3Ho0.530.430.430.490.480.530.370.291.421.451.48Er1.381.191.121.31.331.470.960.723.783.884.14Tm0.20.190.160.190.190.220.140.110.550.580.65Yb1.341.271.111.321.321.490.960.783.633.894.36Lu0.210.20.180.210.210.230.140.120.550.60.66Y13.710.710.811.712.213.69.447.8136.836.229.6FeOT5.394.043.874.873.863.904.204.214.454.996.08Mg#62.5 17.6 39.6 45.1 62.0 59.7 42.1 47.2 46.6 40.1 32.9 K58.1 776 689 3016 1378 11873 7540 7363 1832 8022 11261 Ti4.63 3263 3667 3920 3919 3754 4021 3338 4347 5036 7005 P0.27 583 633 634 725 729 766 423 917 917 1366

表2白云山地区墩墩山组火山岩锆石U-Pb定年数据

Table 2 Zircon LA-ICP-MS U-Pb data for the volcanic rocks from Dundunshan Formation in Baiyunshan area

测点号同位素比值年龄(Ma)206Pb238U1σerr%207Pb235U1σerr%232Th238U1σerr%206Pb238U1σ207Pb235U1σTw4001.1英安质熔结凝灰岩010.0593 0.0007 1.18 0.4434 0.0063 1.43 0.7245 0.010 1.40 371 4 373 5 020.0806 0.0008 1.03 0.6298 0.0087 1.38 0.4582 0.006 1.34 500 5 496 7 030.2833 0.0030 1.07 4.1059 0.0557 1.36 0.3599 0.003 0.97 1608 17 1655 22 040.0592 0.0006 0.99 0.4524 0.0074 1.63 0.7069 0.005 0.76 370 4 379 6 050.0590 0.0006 0.99 0.4439 0.0065 1.47 0.7668 0.006 0.76 370 4 373 5 060.0599 0.0006 1.02 0.4421 0.0070 1.58 0.7073 0.011 1.54 375 4 372 6 070.0590 0.0006 1.00 0.4455 0.0061 1.36 0.4636 0.010 2.08 369 4 374 5 080.0443 0.0004 0.99 0.3138 0.0072 2.30 0.3109 0.003 1.09 279 3 277 6 090.0585 0.0006 1.01 0.4318 0.0110 2.56 0.5919 0.002 0.26 366 4 364 9 100.0583 0.0006 1.00 0.4410 0.0066 1.50 0.7452 0.005 0.68 365 4 371 6 110.0582 0.0006 1.01 0.4338 0.0077 1.78 0.6793 0.006 0.82 364 4 366 7 120.0589 0.0006 0.99 0.4373 0.0061 1.40 0.4475 0.002 0.35 369 4 368 5 130.0605 0.0006 0.99 0.4430 0.0131 2.97 0.5582 0.006 1.07 379 4 372 11 140.0724 0.0010 1.42 0.5627 0.0103 1.83 0.5027 0.018 3.51 451 6 453 8 150.0597 0.0006 1.03 0.4458 0.0065 1.46 0.3033 0.005 1.76 374 4 374 5 160.0598 0.0006 1.03 0.4427 0.0128 2.89 0.2908 0.002 0.54 374 4 372 11 170.0587 0.0006 1.00 0.4397 0.0063 1.44 0.3867 0.001 0.28 368 4 370 5 180.0590 0.0006 1.00 0.4422 0.0068 1.53 0.4452 0.004 0.87 370 4 372 6 190.0716 0.0007 1.00 0.5569 0.0075 1.35 0.6185 0.004 0.62 446 4 450 6 200.0725 0.0007 1.02 0.5622 0.0085 1.51 0.7211 0.007 0.98 451 5 453 7 210.0592 0.0006 1.01 0.4419 0.0076 1.72 0.7670 0.007 0.90 371 4 372 6 220.0599 0.0006 0.99 0.4408 0.0136 3.10 0.5304 0.007 1.40 375 4 371 11 230.3269 0.0039 1.18 5.1389 0.0771 1.50 0.4384 0.003 0.72 1823 22 1843 28 240.0808 0.0008 1.02 0.6400 0.0097 1.51 0.5704 0.006 0.98 501 5 502 8 Tw4013.1英安质角砾熔岩010.0578 0.0006 0.99 0.4403 0.0064 1.46 0.5668 0.007 1.15 362 4 370 5 020.0568 0.0006 0.98 0.4253 0.0057 1.34 0.4913 0.003 0.70 356 4 360 5 030.0569 0.0006 0.99 0.4336 0.0060 1.38 0.3208 0.001 0.38 356 4 366 5 040.0576 0.0006 1.08 0.4275 0.0062 1.45 0.6281 0.007 1.09 361 4 361 5 050.0561 0.0006 1.08 0.4268 0.0128 3.00 0.5191 0.009 1.74 352 4 361 11 060.0515 0.0005 1.03 0.7603 0.0137 1.80 0.7087 0.003 0.36 324 3 574 10 070.0567 0.0006 0.98 0.4305 0.0064 1.48 0.5414 0.005 0.88 355 3 364 5 080.0573 0.0006 0.98 0.4331 0.0060 1.38 0.3412 0.001 0.33 359 4 365 5 090.0576 0.0006 1.00 0.4316 0.0064 1.48 0.5545 0.005 0.91 361 4 364 5 100.0574 0.0006 1.01 0.4323 0.0075 1.72 0.4439 0.001 0.33 360 4 365 6 110.0575 0.0006 1.01 0.4335 0.0069 1.59 0.4514 0.002 0.52 360 4 366 6 120.0567 0.0006 0.98 0.4280 0.0062 1.45 0.5746 0.003 0.53 356 4 362 5 130.0564 0.0006 0.98 0.4305 0.0099 2.31 0.4724 0.003 0.68 354 3 364 8 140.0568 0.0006 0.98 0.4402 0.0064 1.46 0.8136 0.003 0.31 356 3 370 5 150.0511 0.0006 1.10 0.3852 0.0156 4.04 0.5424 0.002 0.43 321 4 331 13 160.0557 0.0006 1.05 0.4176 0.0073 1.74 0.5047 0.012 2.45 349 4 354 6 170.0577 0.0006 0.98 0.4200 0.0066 1.57 0.5014 0.004 0.80 361 4 356 6 180.0580 0.0006 1.00 0.4320 0.0061 1.42 0.5491 0.004 0.81 364 4 365 5 190.0569 0.0006 0.98 0.4227 0.0059 1.39 0.6871 0.007 0.95 357 4 358 5 200.0575 0.0006 0.99 0.4263 0.0062 1.45 0.4338 0.005 1.21 360 4 361 5 210.0511 0.0005 1.00 0.4821 0.0078 1.62 0.7304 0.017 2.30 321 3 400 6 220.0573 0.0006 0.98 0.4229 0.0064 1.50 0.5163 0.006 1.08 359 4 358 5 230.0578 0.0006 1.01 0.4296 0.0061 1.43 0.7027 0.008 1.15 362 4 363 5 240.0580 0.0006 0.99 0.4249 0.0059 1.39 0.4680 0.004 0.77 363 4 360 5

表3白云山地区墩墩山组火山岩的Hf同位素特征

Table 3 Hf isotopic compositions of the volcanic rocks from Dundunshan Formation in Baiyunshan area

测点号Age(Ma)176Yb177Hf(corr)2σ176Lu177Hf(corr)2σ176Hf177Hf(corr)2σεHf(0)εHf(t)2stDM1(Ma)2sfLu/HftDM2 (Ma)4001.1.24001.1.34001.1.44001.1.54001.1.74001.1.94001.1.104001.1.124001.1.134001.1.144001.1.15368 0.0334 0.0002 0.001273 0.000005 0.282740 0.000027 (1.1)6.61.073278-0.969430.0167 0.0001 0.000687 0.000003 0.282917 0.000022 5.1 13.10.847162-0.985340.0123 0.0001 0.000491 0.000005 0.282845 0.000023 2.6 10.60.856964-0.996920.0431 0.0001 0.001779 0.000002 0.282685 0.000022 (3.1)4.60.882063-0.9510730.0326 0.0003 0.001238 0.000012 0.282856 0.000024 3.0 10.80.856668-0.966810.0526 0.0003 0.002132 0.000011 0.282855 0.000035 2.9 10.51.2581103-0.946960.0539 0.0004 0.002194 0.000018 0.282876 0.000027 3.7 11.20.955178-0.936500.0180 0.0000 0.000711 0.000002 0.282873 0.000028 3.6 11.51.053479-0.986340.0550 0.0001 0.002236 0.000004 0.282871 0.000042 3.5 11.11.5559124-0.936620.0290 0.0002 0.001104 0.000005 0.282788 0.000028 0.6 8.41.066078-0.978320.0511 0.0003 0.002125 0.000012 0.282747 0.000034 (0.9)6.71.273899-0.949394013.1.14013.1.24013.1.34013.1.44013.1.54013.1.64013.1.74013.1.84013.1.94013.1.104013.1.114013.1.124013.1.134013.1.144013.1.153640.0148 0.0003 0.000712 0.000017 0.282635 0.000024 (4.8)3.00.886867-0.9811720.0204 0.0006 0.000919 0.000025 0.282680 0.000023 (3.2)4.50.880966-0.9710740.0148 0.0003 0.000721 0.000012 0.282675 0.000022 (3.4)4.40.881261-0.9810820.0284 0.0010 0.001315 0.000045 0.282696 0.000024 (2.7)5.00.979469-0.9610430.0399 0.0002 0.001638 0.000009 0.282749 0.000020 (0.8)6.80.772557-0.959290.0166 0.0004 0.000786 0.000019 0.282715 0.000022 (2.0)5.80.875763-0.989930.0186 0.0006 0.000860 0.000026 0.282699 0.000022 (2.6)5.20.878161-0.9710300.0268 0.0009 0.001204 0.000039 0.282670 0.000025 (3.6)4.10.982970-0.9611000.0153 0.0002 0.000735 0.000011 0.282723 0.000019 (1.7)6.10.774554-0.989740.0297 0.0006 0.001329 0.000025 0.282664 0.000023 (3.8)3.90.884165-0.9611160.0228 0.0003 0.001083 0.000016 0.282746 0.000022 (0.9)6.80.871961-0.979270.0205 0.0001 0.000939 0.000005 0.282726 0.000019 (1.6)6.20.774453-0.979700.0212 0.0003 0.001005 0.000011 0.282699 0.000024 (2.6)5.20.978568-0.9710330.0145 0.0002 0.000688 0.000009 0.282771 0.000020 (0.0)7.80.767656-0.988650.0137 0.0003 0.000647 0.000013 0.282673 0.000020 (3.5)4.30.781456-0.981086

图6 英安质含角砾熔结凝灰岩和英安质角砾熔岩的锆石CL图像与206Pb/238U年龄特征(a、b)及其U-Pb年龄谐和图与其加权平均年龄(c、d)Fig.6 Zircon CL images and 206Pb/238U age characteristics (a, b) and U-Pb age concordia diagrams and weighted average ages (c, d) of dacitic breccia-bearing fused tuff and dacitic breccia lava

图8 晚泥盆世墩墩山组火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)及球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) for the volcanic rocks of Late Devonian Dundunshan Formation (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989)

3.4 Hf同位素特征

本次工作对英安质含角砾熔结凝灰岩、英安质角砾熔岩进行了锆石Hf同位素分析，凝灰岩锆石εHf(t)值为+4.6～+13.1，锆石tDM2为534～1073Ma；角砾熔岩锆石εHf(t)值为 +3.0～+7.8，锆石tDM2为865～1172Ma，总体显示了源区以中-新元古代地壳熔融为主、具有幔源属性的特点。

4 讨论

4.1 火山岩岩石组合及区域对比

沿着洗肠井-白云山-牛圈子-红柳河这一蛇绿混杂岩带，在牛圈子地区发育上泥盆统墩墩山群。对比肃北县墩墩山一带墩墩山群层型剖面(图9)(杨雨，1997)，底部的巨砾岩可以对比，与下覆三个井组呈不整合接触；中部的英安岩、英安质角砾熔岩、英安质含角砾晶屑凝灰岩与层型剖面下-中部的英安岩、英安质火山角砾岩、英安质角砾凝灰岩、英安质凝灰岩、安山质火山角砾岩、安山质角砾凝灰岩、安山质凝灰岩可以对比，白云山蛇绿岩带北侧可见安山岩零星出露(图5a，b)；上部的英安岩与层型剖面上部的流纹岩、英安岩、流纹斑岩、英安斑岩可以对比，缺少流纹质火山岩。从西到东，底砾岩普遍发育，火山岩厚度变化大，在墩墩山一带岩性较复杂，岩石组合由安山岩-英安岩-流纹岩及相应的火山碎屑岩组成，白云山南岩石组合由安山岩-英安岩及相应的火山碎屑岩组成，以英安质火山岩为主。近年来一些学者对墩墩山一带墩墩山群做了大量的研究工作，李向民等(2011)认为墩墩山群主要由一套英安斑岩、英安熔岩角砾岩、流纹斑岩、流纹质凝灰角砾岩组成，其底部为一层中基性凝灰巨砾岩，测得火山岩的锆石206Pb/U238加权平均年龄为367±10Ma；Guoetal.(2014，2017)报道了墩墩山组火山岩岩石组合包括安山质凝灰岩、安山岩、英安质凝灰岩、流纹岩及流纹斑岩、流纹质凝灰角砾岩等，测得火山岩的锆石206Pb/238U加权平均年龄为368.8±3.1Ma～370.9±1.3Ma。本次工作在白云山地区厘定的墩墩山组火山岩主要为安山岩、英安岩、英安质含角砾熔结凝灰岩、英安质角砾熔岩，获得的火山岩锆石206Pb/238U加权平均年龄为368.1±1.8Ma～363.5±2.5Ma。

图9 白云山南与墩墩山一带上泥盆统墩墩山组柱状图对比Fig.9 Comparison of stratigraphic columns of the Devonian Dundushan Formation between south of Baiyunshan and the area of Dundun Mountain

由此可见，本次工作填绘的墩墩山组与墩墩山一带墩墩山群的岩石组合及年代学特征一致，结合两者产出的大地构造位置相同，因此，北山造山带中部上泥盆统墩墩山组火山岩的岩石组合为安山岩、英安岩、流纹岩及相应的火山碎屑岩、潜火山岩，具有陆缘弧火山岩的岩石组合特征。

图10 晚泥盆世墩墩山组火山岩及花岗岩类Hf同位素特征(底图据Guo et al.，2017)Fig.10 Hf isotopic characteristics of the volcanic rocks and granitoids of Late Devonian Dundunshan Formation (base map after Guo et al., 2017)

4.2 火山岩岩石成因及陆壳增生机制

北山造山带中部发育大面积的晚泥盆世花岗岩类及零星的酸性火山岩，其εHf(t)为明显的正值(图10)，反映了显著的陆壳增生事件。对于晚古生代陆壳增生机制，主要由两种认识：(1) 伸展背景下的年轻地壳(Yuanetal.，2018)；(2) 俯冲背景下的复杂弧增生物 (engöretal.，1993；Guoetal.，2014，2017；Xiao and Santosh，2014)，不同的认识反映了不同的洋陆转化过程。本次工作将通过锆石Hf同位素及岩石地球化学对晚泥盆世火山岩的岩石成因进行研究，结合前期发表的花岗岩类锆石Hf同位素数据，探讨晚泥盆世陆壳增生事件。

图11 墩墩山组火山岩岩石成因系列判别图解(a)Sr/Y-Y图解(据Defant and Drummond, 1990)；(b)MgO-SiO2图解(据Defant and Drummond, 1990；Rapp et al., 1999)；(c)La/Yb-Yb图解和(d) Tb/Yb-Yb图解(据Allègre and Minster，1978).样品图例同图10Fig.11 Discriminant diagram of petrogenesis of volcanic rocks from Dundunshan Formation(a) Sr/Y vs. Y diagram for the Devonian volcanic rocks (after Defant and Drummond, 1990)；(b) MgO vs. SiO2 diagram (adakites derived from slab melting after Defant and Drummond，1990; experimental metabasalt and eclogite melts after Rapp et al.，1999); (c，d) La/Yb and Tb/Yb vs. Yb diagram for the Devonian volcanic rocks (after Allègre and Minster，1978)

εHf(t)-t图显示(图10)，墩墩山组酸性火山岩的锆石εHf(t)值分布在+1.4～+16.4之间，显示了幔源物质的贡献；tDM2分布在520～1280Ma之间，反映了中-新元古代地壳熔融的特点。然而，不同样品的εHf(t)值变化范围较大(图10)，部分接近亏损地幔演化线，部分接近原始地幔演化线，可能反映了不同的源区属性。墩墩山组火山岩微量元素蛛网图及稀土元素配分曲线明显的分类性也反映了源区可能具有不同属性。

Sr/Y-Y图解显示了部分样品具有埃达克岩的特征，可能源于石榴石子角闪岩的部分熔融(图11a)，主量元素特征表现为富Na2O(3.92%～8.11 %)、低K2O(0.08%～1.43%)、高Na2O/K2O(3.70～97.8)，与俯冲洋壳形成的埃达克岩特征一致(Defant and Drummond，1990；Defantetal.，2002)，而区别于增厚的下地壳熔融形成的埃达克岩所具有的富K2O、富Na2O+K2O的特点(Peacocketal.，1994；张旗等，2001)；强烈亏损高场强元素(Nb和Ta)、Sr正异常、重稀土亏损、不明显的Eu异常等特征，表明源区斜长石消失及石榴子石作为残留相，这与俯冲洋壳形成埃达克岩的源区特征一致(Rapp and Watson，1995；续海金和马昌前，2003；熊小林等，2005)；MgO-SiO2图解(图11b)同样显示部分样品投点落在源区为俯冲洋壳的范围内；较高的Mg#(59.7～62.5)及Cr含量(42.8×10-6～82.7×10-6)显示了与地幔的相互作用(Sen and Dumn，1994)，多为岩浆上升过程中受到地幔楔橄榄岩的混染(Rappetal., 1999；Defantetal.，2002)。

Sr/Y-Y图解显示另一部分样品具典型岛弧岩石的特点，其稀土元素显示Nb、Ta、P、Ti，显示了弧岩浆岩的源区特征，Sr亏损及重稀土平坦的稀土配分曲线与埃达克岩的特征明显不同(Defant and Drummond，1990)；MgO-SiO2图解显示典型岛弧岩石主要为变质玄武岩(1～4GPa)的熔融，实验研究表明，在1～4GPa 的压力条件下，玄武质源岩部分熔融形成的岩石Mg#<45(Rapp and Watson，1995)，然而，当熔体被地幔混染后其 Mg#迅速增加，可大于 50 (Peacocketal.，1994)，多数落在典型岛弧岩石范围内的样品Mg#<45，但个别样品Mg#偏高(46.6～52.8)，反映了熔体受到了幔源岩浆的混染，即发生了壳幔混合作用，这与蛇绿岩带北侧晚泥盆世花岗闪长岩中广泛发育闪长质包体的特征相符，考虑其具有弧岩浆岩的微量元素地球化学特征，推测其源区应为复杂的弧增生物。La/Yb-Yb及Tb/Yb-Yb图解反映了源区物质的不均一性(图11c，d)，投点落在典型岛弧岩石范围内的安山岩-英安岩-流纹岩系列岩石中(图11a)，分离结晶作用在岩浆演化中具有重要的作用(图11c，d)。

由此可见，北山造山带中部晚泥盆世酸性火山岩的源区包括了俯冲洋壳+地幔楔、弧增生物(变质玄武岩为主)，这与陆缘弧复杂的源区特征一致。另外，北山造山带中部晚泥盆世花岗岩类的锆石εHf(t)值分布在+2.0～+11.6之间，tDM2分布在632～1239Ma之间，反映了与本次研究的酸性火山岩相似的Hf同位素特点。由此可见，俯冲洋壳及弧增生物的部分熔融为晚泥盆世陆壳增生的方式之一。

4.3 构造背景及区域构造演化

泥盆纪岩浆作用对于认识中亚造山带南缘古亚洲洋的演化过程具有重要的意义(Wangetal.，2018；Yuanetal.，2018)。对于测区晚泥盆世的构造背景，存在小黄山蛇绿岩向南俯冲(Zhangetal.，2012)、牛圈子-洗肠井蛇绿岩向北俯冲(Songetal.，2015)、柳园蛇绿岩向北俯冲(Maoetal.，2012a；Zhengetal.，2013；Guoetal.，2014，2017)及造山后伸展(李向民等，2011；Yuetal.，2016；Niuetal.，2018)等多种认识。

从本文研究的火山岩及牛圈子地区的火山岩岩石组合来看，其岩石组合以英安岩类+流纹岩类为主，少量的安山岩类，反映了大陆边缘弧的岩石组合特征；岩石地球化学特征显示了俯冲洋壳+地幔楔及弧增生物(变质玄武岩为主)的源区属性，这与陆缘弧复杂的源区特征相吻合；微量元素蛛网图中Nb-Ta负异常多与弧岩浆岩有关(Hackeretal.，2011；Castroetal.，2013)；Th/Yb-Nb/Yb构造判别图解显示了所有样品落在弧演化线上，且落在大陆边缘弧的范围内(图12)，因此，墩墩山组火山岩的形成可能与岩浆弧的构造背景有关。这一认识得到了区域地质资料的支持，在柳园蛇绿岩带北侧发育372Ma 的富Nb玄武岩及埃达克岩(Maoetal., 2012a)；石板井-小黄山地区发育近东西向带状展布的晚泥盆世花岗岩及埃达克岩(Zhangetal., 2012；Songetal., 2013b；Wangetal., 2018)，其正的εHf(t)值与本次研究的墩墩山组火山岩亏损的锆石Hf同位素特征一致(图10)；另外，越来越多的研究表明，北山造山带中南部存在中-新元古代的前寒武纪基底(Kuznetsovetal., 2010；叶晓峰等，2013；姜洪颖等，2013；贺振宇等, 2015)，即发育古老陆块，由此可见，北山造山带中部晚泥盆世处于陆缘弧的构造背景。

图12 Th/Yb-Nb/Yb构造判别图解(据Pearce， 2008)大洋岛弧、陆缘弧、大火成岩省长英质岩石范围据Condie and Kröner (2013)和Draut et al. (2009)Fig.12 Th/Yb vs. Nb/Yb diagrams for the Devonian volcanic rocks (after Pearce, 2008)The fields for continental and oceanic arcs and LIP (large igneous province) are from Condie and Kröner (2013) and Draut et al. (2009)

图13 北山造山带中部奥陶纪-晚泥盆世地质演化史及晚泥盆世岩浆成因示意图Fig.13 Geological evolution history in Ordovician-Late Devonian and Late Devonian magma genesis of the central Beishan orogenic belt

那么，该陆缘弧是怎么形成的呢？首先，白云山蛇绿岩的向北俯冲从奥陶纪一直持续到中志留世(Songetal.2015; Yuanetal.，2018)，显示了陆缘弧的构造背景。由此可见，白云山蛇绿岩就位在中志留世之后，通过详细的1:5万区域地质调查发现，蛇绿混杂岩在北侧的弧前盆地及增生杂岩中均有出露，然而，在泥盆纪三个井组及墩墩山组之中均未发育，显示了白云山蛇绿岩在泥盆纪之前已经就位，很可能在晚志留世就位；另外，白云山蛇绿岩带两侧均发育晚泥盆世花岗岩类及墩墩山组，因此，该期岩浆作用为牛圈子-洗肠井蛇绿岩向北俯冲的认识不符合地质事实。其次，最新的研究表明，芨芨台子-小黄山-东七一山蛇绿岩的锆石U-Pb同位素年龄为356～321Ma(Wuetal.，2011；Zhangetal.，2012；李向民等，2012)，而晚泥盆世岩浆岩年龄集中在384～354Ma(Zhangetal.，2012；杨岳清等，2013；Yuetal.，2016；Wangetal.，2018)，因此，该岩浆岩带的形成与小黄山蛇绿岩无关。那么，该岩浆弧的形成是否与南侧的柳园蛇绿岩有关呢？柳园蛇绿岩北侧中-晚奥陶世榴辉岩、富Nb玄武岩类显示了岛弧的构造背景(Liuetal.，2011；Maoetal.，2012a)，而且，越来越多的研究发现早泥盆世北山造山带中南部存在柳园洋的向北俯冲(Guoetal.， 2014，2017；Zhuetal.，2016)，零星报道的A型花岗岩(李舢等，2009)反映了局部伸展作用。晚泥盆世则主要为一套花岗闪长岩(英安岩)、二长花岗岩(流纹岩)为主的岩石组合，显示了典型的陆缘弧岩石组合特征。重要的是，在柳园蛇绿岩带中获得辉长岩岩块的年龄为446Ma(余吉远等，2012)，反映了洋盆在早古生代已经存在，Maoetal.(2012b)对柳园蛇绿混杂岩的研究表明柳园蛇绿岩的演化持续到石炭纪；在账房山蛇绿岩带中获得斜长花岗岩岩块的年龄为350.6±2.0Ma(未发表数据)及辉长岩岩块的年龄为362Ma(余吉远等，2012)，反映了洋盆闭合时间在351Ma之后，由此可见，柳园洋的演化持续到早石炭世之后。因此，笔者认为，北山造山带中部晚泥盆世陆缘弧的形成与柳园洋的向北俯冲有关。

综上所述，中亚造山带南缘北山造山带中部经历了多阶段的俯冲增生过程(图13)：白云山-洗肠井洋在奥陶纪-中志留世向北俯冲，晚志留世蛇绿混杂岩就位；南侧的柳园洋在晚奥陶世-泥盆纪向北俯冲，早泥盆世总体为俯冲挤压的弧演化阶段，晚泥盆世则主要为一套花岗闪长岩(英安岩)、二长花岗岩(流纹岩)为主的陆缘弧岩石组合，柳园洋的俯冲作用持续到早石炭世。