PDF《北祁连石灰沟奥陶纪碳酸盐岩—硅质岩形成的构造》

北祁连石灰沟奥陶纪碳酸盐岩―硅质岩形成的构造 环境 闫臻1 李继亮2 雍拥2 肖文交2 王宗起1 向永生3 Y A NZ h e n

1 ,L I J i L i a n g

2 ,Y O N GY o n g

2 ,X I A OWe n J i a o

2 ,WA N GZ o n g Q i

1 a n dX I A N GY o n g S h e n g

3 1 .

中国地质科学院地质研究所,北京

1 0

0 0

3 7

2 .中国科学院地质与地球物理研究所,北京

1 0

0 0

2 9

3 .中金黄金股份有限公司,北京

1 0

0 0

1 3

1 .I n s t i t u t e o f G e o l o g y ,C h i n e s e A c a d e m yo f G e o l o g i c a l S c i e n c e s ,B e i j i n g

1 0

0 0

3 7 ,C h i n a

2 .I n s t i t u t e o f G e o l o g ya n dG e o p h y s i c s ,C h i n e s e A c a d e m yo f S c i e n c e s ,B e i j i n g

1 0

0 0

2 9 ,C h i n a

3 .Z h o n g j i nG o l dC o m p a n y L i m i t e d ,B e i j j i n g

1 0

0 0

1 3 ,C h i n a

2 0

0 7

0 7

2 2收稿,

2 0

0 8

0 4

3 0改回. Y a nZ ,L i J L ,Y o n gY ,X i a oWJ ,Wa n gZ Qa n dX i a n gY S .

2 0

0 8 .T e c t o n i c e n v i r o n me n t o f O r d o v i c i a nc a r b o n a t e c h e r t s i n t h eS h i h u i g o ua r e a ,N o r t hQ i l i a no r o g e n .A c t aP e t r o l o g i c aS i n i c a ,

2 4 (

1 0 ) :

2 3

8 4-

2 3

9 4 A b s t r a c t O r d o v i c i a nc h e r t s ,m u d s t o n e ,g r e y w a c k e ,c a l c a r e n i t e ,b i o c l a s t i cl i m e s t o n e ,r e e fl i m e s t o n ea n da l k a l i n eb a s a l t s , i g n i m b r i t e ,p y r o c l a s t i cr o c k sr e p r e s e n tt h el i t h o l o g i c a la s s o c i a t i o n so fas e a m o u n t / o c e a n i ci s l a n di nt h eS h i h u i g o u ,N o r t hQ i l i a n o r o g e n i cb e l t .T h ec h e r t sc o n t a i na b u n d a n t e a r l y ―m i d d l eO r d o v i c i a nc o n o d o n t s ,a n dm u d s t o n ea n ds a n d s t o n ec o n t a i nm i d d l e l a t e O r d o v i c i a nT r i l o b i t aa n dg r a p t o l i t ef o s s i l s .G e o c h e m i c a la n a l y s i so ft h e s ec h e r ts a m p l e si n d i c a t e st h a tt h e yc o n t a i ns o m ed e t r i t a l c o m p o n e n t s f r o m s o u r c ea r e aw i t hd i s t i n c t i v ec h a r a c t e ro f L R E Ee n r i c h m e n t a n dn e g a t i v eE u C N a n o m a l o u s ;

t h e yd e p o s i t e di nt h e c o n t i n e n t a l m a r g i nr a t h e r t h a ni nt h eo p e ns e ao r n e a r t h es p r e a d i n gr i d g es e t t i n g . K e yw o r d s N o r t hQ i l i a no r o g e n i cb e l t ;

S h i h u i g o u ;

S e a m o u n t / o c e a n i ci s l a n d ;

C h e r t 摘要北祁连造山带石灰沟奥陶纪硅质岩与碱性玄武岩、 熔结凝灰岩、 火山碎屑岩、 泥岩、 杂砂岩、 砂屑灰岩、 生物碎屑灰 岩及生物礁共同构成了一个相对完整的海山组合序列.其中硅质岩中含有早―中奥陶世牙行刺化石, 泥岩和砂岩中含有 中―晚奥陶世三叶虫和笔石化石.硅质岩地球化学特征研究表明其源区为其形成提供了丰富的碎屑物质来源, 从而表现为 L R E E富集, E u C N负异常特征;

这些硅质岩形成于陆缘环境, 并非深海或洋中脊环境. 关键词 北祁连造山带;

石灰沟;

海山/ 洋岛;

硅质岩 中图法分类号 P

5 8

8 .

2 4

4 1 引言 造山带中, 硅质岩、 灰岩通常与大洋玄武岩结伴而存. 这些大洋玄武岩虽然分布较少, 但在造山带局部地段相对广 泛分布, 是增生型造山带的重要岩石类型之一( D o u b l e d a y e t a l . ,

1 9

9 4 ;

D o b r e t s o ve t a l . ,2

0 0

4 ) .它们常与深水沉积、 硅质岩以构造岩片或岩块的形式出现在造山带混杂带中. 研究表明, 增生楔中大洋玄武岩通常为三种来源: (

1 ) 洋中脊 ( M O R B ) 或洋岛( O I B ) 玄武岩, 其中前者形成于大洋板块洋 中脊位 置, 后者为洋壳之上的海山或洋岛残片(Isozakietal.,1990;

Macphersone t a l . ,

1 9

9 0 ) ;

(

2 ) 岛弧拉斑玄武岩 或钙碱性玄武岩( M a c p h e r s o ne t a l . ,1

9 9

0 ) ;

(

3 ) 洋壳残片 ( I s o z a k i e t a l . ,

1 9

9 0 ) .这些不同来源的玄武岩块与远洋沉 积物、 碳酸盐岩可出现在同一个增生楔中, 例如南极Alexander岛的 L e M a y 增生楔( D o u b l e d a ye t a l . ,1

9 9

4 ) 和南

1 0

0 0

0 5

6 9 /

2 0

0 8 /

0 2

4 (

1 0 )

2 3

8 4

9 4 A c t aP e t r o l o g i c aS i n i c a 岩石学报 中国地质科学院地质研究所所长基金 ( J

0 7

0 9 ) 、 国家重点基础研究发展规划项目 (

2 0

0 7 C B

4 1

1 3

0 7 ) 和国家自然科学基金委项目 (

4 0

3 3

4 0

4 4 ,

4 0

7 7

2 1

3 7 ,

4 0

7 2

5 0

0 9 ) 联合资助 第一作者简介:闫臻,男,

1 9

7 0年生,博士,沉积学专业,E m a i l :y a n z h e n @m a i l . i g c a s . a c . c n 图1永登地区地质简图( 插图据许志琴等,

1 9

9 4 ) F i g .

1 G e o l o g i c a l s k e t c hm a po f Y o n g d e n ga r e a( I n s e t f i g u r ef r o mX ue t a l ,

1 9

9 4 ) 西伯利亚 A l t a i S a l a i r 地区的 K u r a i 增生楔( D o b r e t s o ve t a l . ,

2 0

0 4 ) .D o u b l e d a ye t a l . (

1 9

9 4 ) 研究表明, 在LeMay增生楔 中, 枕状/ 块状玄武岩、 火山集块岩、 凝灰岩、 硅质岩、 硅质泥 岩和杂砂岩构成一个完整的洋岛组合序列.D o b r e t s o ve t a l . (

2 0

0 4 ) 对Kurai增生楔研究后表明, 该增生楔由海山、 复理 石及蛇绿岩、 榴辉岩块等共同构成, 其中海山是由 O I B型玄 武岩、 远洋沉积物、 硅质岩、 生物礁等岩石组合单元构成. 海山和洋岛通常以 岛链 形式存在于现代大洋盆地中, 如夏威夷 皇帝海山.同时, 这些 岛链 还分布于洋 陆边界 过渡位置( J u t e a ua n dM a u r y ,

1 9

9 7 ) .这些海山和洋岛主要由 玄武岩、 火山集块岩、 火山角砾岩、 火山凝灰岩以及上覆的硅 质岩、 泥岩、 浅水沉积碳酸盐岩、 生物礁共同组成( Wi l s o n ,

1 9

8 9 ) .玄武 岩通常为大洋拉斑玄武岩和碱性玄武岩(Wi l s o n ,

1 9

8 9 ;

J u t e a ua n dM a u r y ,

1 9

9 7 ) .大洋板块俯冲过 程中, 这些 岛链 随着大洋板块一起向海沟方向推进, 并在 上驮板块前端发生碰撞、 增生等地质作用, 该作用的强度受 洋壳厚度和海山/ 洋岛等洋隆起高度所影响( B e n A v r a h e m e t a l . ,1

9 8

1 ;

C l o o s ,1

9 9

3 ;

B o g d a n o va n dD o b r e t s o v ,2

0 0

2 ) . 当洋壳厚度小于

1 4 k m 、 洋隆起高度小于

2 k m时, 海山、 洋岛 及大洋高原等洋隆起几乎全部被消减, 仅有少部分残片被增 生到增生楔中( M a s s o ne t a l . ,1

9 9

0 ;

V o nH u e n ea n dS c h o l l ,

1 9

9 1 ) ;

洋壳厚度为

1 5 k m~

2 0 k m 、 洋隆起高度为

2 k m~

4 k m 时, 洋隆起可完整的在增生杂岩中得到保存( C l o o s ,

1 9

9 3 ) ;

洋壳厚度为

2 0 k m~

3 0 k m 、 洋隆起高度大于

4 k m时, 洋隆起在 俯冲过程中拼贴于上驮板块前端并构成一个岛弧或者部分/ 全部 滞留 在俯冲带中( K a n m e r aa n dS a n o ,1

9 9

1 ;

D o b r e t s o v e t a l . ,

2 0

0 4 ) .因此, 通过对古老造山带内大洋玄武岩及相 关沉积岩( 包括碳酸盐岩、 硅质岩) 的系统研究, 有利于进行 古海山、 洋岛和大洋高原的识别, 进而对古板块构造演化格 局的恢复具有重要意义. 位于青藏高原北部的北祁连造山带是中央造山带的重 要组成部分, 其中发育多条弧型火山岩和花岗岩带、 多条蛇 绿岩带、 弧前增生楔等大地构造单元, 具有典型增生型造山 带的特征( 许志琴等,

1 9

9 4 ;

李继亮,

2 0

0 4 ;

X i a o e t a l . ,

2 0

0 2 ,

2 0

0 5 ) .这些蛇绿岩大多数具有 M O R B特征, 且形成于弧后 和岛弧环境, 侵位于增生楔或活动大陆边缘之上( 张旗等,

1 9

9 7 ) .空间上, 大量碳酸盐岩、 硅质岩、 杂砂岩与蛇绿岩中 的火山岩紧密相伴( 张瑞林等,

1 9

9 7 ;

钱青,

1 9

9 9 ) .通过对 这些沉积岩的形成环境研究, 不仅为认识这些火山岩的构造 环境、 该区的构造演化特点以及蛇绿岩形成是十分重要的, 而且为特提斯洋演化提供依据. 出露于甘肃省永登县境内的石灰沟奥陶系, 位于北祁连 造山带的东段, 属于走廊南山增生杂岩带( 许志琴等,

1 9

9 4 ) 相连( 图1).前人对该套地层中的火山岩进行了详细研究, 认为其为岛弧或洋岛的重要组成( 夏林圻等,

1 9

9 1 ;

张瑞林 等,

1 9

9 7 ) , 但对于该区的碳酸盐岩―硅质岩的形成构造环境

5 8

3 2 闫臻等:北祁连石灰沟奥陶纪碳酸盐岩―硅质岩形成的构造环境 图2(a)石灰沟奥陶纪海山/ 洋岛组合序列和( b ) A k i y o s h i 地区洋岛组合( K a n m e r aa n dS a n o ,

1 9

9 1 ) F i g .

2 R o c ka s s o c i a t i o n so f ( a )O r d o v i c i a ns e a m o u n t / o c e a n i ci s l a n df r o m S h i h u i g o ua n d( b )A k i y o s h i ( K a n m e r aa n dS a n o ,

1 9

9 1 ) 缺乏系统研究.本文通过对石灰沟地区奥陶纪碳酸盐岩― 硅质岩的沉积环境、 岩石地球化学研究, 结合前人对火山岩 的研究资料, 综合探讨该区碳酸盐岩―硅质岩的形成大地构 造环境, 进而为造山带中该类岩石组合研究提供依据.

2 区域地质 奥陶系在石灰沟地区主要由枕状熔岩、 火山角砾岩、 滑 塌堆积、 凝灰岩、 碱性玄武岩、 硅质岩、 角砾灰岩、 生物灰岩组 成.其中滑塌堆积中的岩块主要由硅质岩、 火山角砾岩、 凝 灰岩等组成, 这些岩块长

3 m~

7 m ;

胶结物为凝灰岩.露头 上, 灰岩通常为巨厚块状, 以透镜状形式与上下岩层之间为 断层接触.硅质岩中的薄层灰岩夹层为砂屑灰岩.北侧志 留纪复理石与奥陶系断层接触.晚古生界泥盆系陆相沉积 不整合于其上. 根据火山岩与沉积岩组合关系, 可将奥陶系火山岩划分 为四个火山喷发旋回组合( 图2a),每个旋回结束均表现为 以沉积火山凝灰岩为特征, 并有灰岩形成;

自下而上表现为 火山集块岩、 枕状熔岩、 火山碎屑岩和硅质岩.其中第一个 旋回主要是由火山集块岩、 辉石玢岩、 凝灰岩、 火山角砾岩组 成;

第二个旋回露头上表现为由硅质岩、 辉石玢岩、 凝灰岩、 火山角砾岩、 火山集块岩、 火山角砾岩和凝灰岩构成的细 粗 细完整旋回;

火山集块岩中的集块可达

0 .

5 m .第三个旋回 主要由凝灰岩、 硅质岩和灰岩构成, 底部为火山集块岩.产 状相对混乱, 具有滑塌堆积特征, 其中岩块由硅质岩、 凝灰岩 和灰岩共同构成, 胶结物为凝灰质;

硅质岩块内部可见滑塌 褶曲( 图3a).硅质岩块新鲜面为灰色, 富含铁质成分, 风化 面呈褐色, 且在硅质岩层面上的硅质泥岩中可见直管状虫 迹.灰岩表现为厚层状砾状生物灰岩、 砂屑灰岩, 局部夹硅 化灰岩.中上部以紫色、 绿色和浅灰绿色放射虫硅质岩为

6 8

3 2 A c t aP e t r o l o g i c aS i n i c a 岩石学报

2 0

0 8 ,

2 4 (

1 0 ) 图3石灰沟奥陶纪硅质岩和灰岩露头照片 F i g .

3 P h o t o s o f O r d o v i c i a nc h e r t a n dl i m e s t o n ef r o mS h i h u i g o u 主, 其中紫色、 绿色硅质岩层面上可见到小型波痕, 浅灰绿色 硅质岩中常夹有厚

3 c m~

8 c m灰岩.第四个旋回由碱性玄武 质火山集块岩、 火山角砾岩、 火山凝灰岩、 熔岩及放射虫硅质 岩、 生物灰岩共同组成, 并与志留系之间断层接触. 区内断裂构造发育, 普遍分布于不同岩性层之间, 从而 使得石灰沟地区奥陶系表现为一系列构造岩片, 总体指示向 南逆冲特征.

3 碳酸盐岩―硅质岩沉积特征 石灰沟地区奥陶系中的灰岩, 露头上通常表现为透镜 状, 产状变化强烈, 与周围岩层多以断层接触为特征.这些 灰岩主要由砾屑灰岩、 砂屑灰岩、 泥质灰岩、 生物碎屑灰岩和 生物礁组成.其中砾屑灰岩通常表现为两类: 一类是砾屑为 扁平状, 大小不一, 具有定向排列, 具有同生砾岩特征;

另一 类是跨塌成因砾岩, 灰岩砾表现为棱角状 次棱角状, 不具定 向分布特征( 图3b,c).砂屑灰岩为厚层 巨厚层状, 发生了 明显重结晶作用, 靠近断层附近发生强烈的构造剪切作用, 镜下可见变余砂状结构.泥质灰岩表现为薄板状, 通常夹有 生物碎屑灰岩层( 图3d),发育波纹斜层理.同时, 可见发育 正粒序结构的砾屑灰岩、 具平行层理的红色硅质灰岩及发育 斜层理的砂屑灰岩的沉积组合, 表现为重力流和浊流沉积特 征( 图3e).浊流沉积表现为 B o u m a 序列组合 T b c d及Tcd,露头厚度为

3 0 m .该组合通常发育于砾屑灰岩之上.生物 碎屑灰岩含有少量有孔虫、 苔藓虫及三叶虫碎片, 以含有丰 富的海百合茎为特征.生物礁主要由斑点状、 藻团状和席状 三类蓝绿藻集合体构成.其中藻席多由微细斑点状隐藻组 成.生物礁主要分布于研究区北部, 表现为大小不等透镜 体.这些生物礁底部通常为凝灰岩, 顶部为硅质岩. 硅质岩通常表现为紫色、 绿色、 浅灰色为主, 多与凝灰岩 相伴生, 现以透镜体形式存在, 与周围岩层之间为断层接触 ( 图3a).这些硅质岩块内部发生强烈的构造变形.露头 上, 可见薄板状硅质岩中夹有生物碎屑灰岩透镜体, 而灰岩 透镜体中的原始层理发生明显褶曲, 这些特征显示硅质岩沉 积过程中, 早先沉积的灰岩曾发生了重力或构造滑动.同时, 硅质层岩中发育滑塌褶曲, 为重力作用所致, 表明这些硅 质岩沉积过程中存在有一定坡度的斜坡.

4 硅质岩中化石组合 研究区内的与火山岩、 灰岩相伴生的硅质岩, 张瑞林等 (

1 9

9 7 ) 曾在其中获得丰富的放射虫化石, 但因后期地质作用 的改造, 缺乏可靠的种属判别标志.该套地层在

1 2 0万《永登幅》 ( J

4 8 Ⅹ Ⅹ Ⅵ) 区域地质报告①中根据薄层灰岩、 粉沙岩和泥岩中的笔石、 三叶虫化石, 将以火山岩为 主体的时代 O

2 , 并称为 中堡群 ;

将以沉积岩为主的岩 石组合时代厘定为 O 2-

3 .本次研究采集的硅质岩样品主 要来自石 灰沟郑家庄北侧(地理坐标:

3 6 °

5 4 .

2 1 ′ ,

1 0

3 °

1 4 .

1 2 ′ ) , 位置见图 1和图

2 .其中化石分离工作由中国 科学院地质与地球物理研究所李红生工程师完成, 化石 鉴定由 中国科学院南京古生物研究所王成源研究员鉴定. 在所分析的 9件硅质岩样品中发现存在有丰富的牙行 刺化石( 图4):Periodonf l a b e l l u m , P a r o i s t o d u ss p . ,P e r i o d o n a c u l e a t u s H a d d i n g ,D r e p a n o i s t o d u s f o r c e p s ,O i s t o d ........