柴达木古陆北缘中元古代俯冲作用的证据：熬油沟组蛇绿岩及混杂堆积

前面叙述了华北板块西南缘的构造沉积史，与此同时，柴达木古陆北缘则是另一幅与之完全不同的历史画卷。

柴达木北缘长城纪广泛发生祁连洋的俯冲作用，祁连山（属柴达木北缘组成部分）东段兴隆山群，西段熬油沟组均是这次俯冲作用的产物。俞伯达将祁连山东西两段的长城系作了对比（表3-4），从中不难看出，二者具很强的相似性。现仅以西段熬油沟组为例，来说明这种俯冲作用的存在。熬油沟蛇绿岩是中国报道最早的蛇绿岩，王荃（1976）首先在造山带中寻找海洋，撰文指出祁连山有蛇绿岩产出，其中包括现在所述的熬油沟蛇绿岩；肖序常院士（1978）深入祁连山，对蛇绿岩作了实质性野外调研工作，他指出：熬油沟蛇绿岩是祁连最老的蛇绿岩，蛇绿岩中的火山熔岩属岛弧拉斑玄武岩，其成果富有开创意义。嗣后，冯益民（1996）、毛景文、张招崇（1997）也对该蛇绿岩作了不同程度的研究工作，但张旗最近认为熬油沟火山岩构不成蛇绿岩组合，否认其蛇绿岩性质（与白云来的私人交谈，1998）。

表3-4　祁连—北秦岭长城纪地层划分、特征对比表

据俞伯达，1997，有修改。

一、熬油沟蛇绿岩的分布（图1-2）

熬油沟蛇绿岩是作为长城纪朱龙关群（Chzl）下部岩石地层出现的，连同混杂堆积一起，称之为熬油沟组（Cha），朱龙关群上部地层称为桦树沟组（

熬油沟蛇绿岩主要分布肃南县祁青乡熬油沟一带，镜铁山矿区东南约32km处（图3-3）。

图3-3　北祁连造山带西段区域地质简图

（据甘肃省区域地质志修改）

1—古元古代北大河群；2—中元古代朱龙关群；3—中元古代托莱南山群；4—新元古代龚岔群；5—震旦系白杨沟群：6—奥陶系；7—泥盆系、石灰系、二叠系和侏罗系；8—白垩系；9—第三系—第四系；10—加里东期花岗闪长岩；11—加里东期碱性岩；12—超基性岩；13—雪山区；14—不整合面；15—断裂

二、熬油沟蛇绿岩剖面及岩石学

熬油沟蛇绿岩呈NWW-SEE向分布，青白口纪龚岔群白云质大理岩等外来岩片推覆到熬油沟蛇绿岩各岩片之上或呈叠瓦逆冲岩片夹杂于蛇绿岩片之间，蛇绿岩各岩片也呈叠瓦状自南而北叠置产出（图3-4），其主要单元如下：

图3-4　北祁连山西段熬油沟蛇绿岩剖面图

1—砂质页岩夹碳质页岩；2—硅化白云质大理岩；3—枕状基性熔岩；4—硅质岩；5—辉绿岩墙；6—超镁铁质岩；J1-2—中—下侏罗统；Qn—青白口系龚岔群；Q—第四系（据张招崇，1998）

1.变质橄榄岩单元

橄榄岩全已蚀变为蛇纹岩，蛇纹石含量约70%～85%，其次可见绢石（15%～30%）呈斜方辉石假象，甚至还保留辉石式解理。部分辉石形态呈港湾状，这应是部分熔融残余的表征（鲍佩声等，1992）。此外，可见到少量铬铁矿及磁铁矿，前者具局部富集特点，有的构成扁豆状矿体，这种矿体一般长1.6m，宽0.25m，走向南北。磁铁矿呈星点状沿矿物裂理产出，是蛇纹石化的析出物。偶见黄铁矿，系后期蚀变作用的产物。据原岩变余结构（定向结构）和M/F值（10.1～12.1），推测原岩可能为方辉橄榄岩。

2.堆积单元

主要由辉长岩及辉石闪长岩组成，这些不同的岩石有一个共同的特征是具典型的堆积结构，表明它们均是岩浆房里结晶分异的产物。辉长岩由辉石和基性斜长石组成；辉石闪长岩主要由辉石、角闪石及斜长石组成，三种矿物含量近于相等。堆积岩单元除上述两种岩石类型外，还见数条辉绿岩脉呈岩墙状平行排列分布于变质橄榄岩中。岩墙宽5～10m，产状200°∠70°，具辉绿结构。

3.基性熔岩单元

包括细碧岩和拉斑玄武岩，具枕状构造，岩枕一般长20～30cm，宽10～20cm，保存较好，其间分布有红色硅质岩条带和燧石结核。岩枕边部为玻基斑状玄武岩，斜长石呈板条状，杂乱分布，其空隙中充填有玻璃质，具间隐结构，有的除充填火山玻璃质外，还充填有磁铁矿、粒状辉石，从而具有间粒间隐结构和拉斑玄武结构。熔岩中的杏仁构造也很发育，杏仁体主要由方解石组成，部分为绿泥石。细碧岩中的斑晶为钠长石，而拉斑玄武岩的斑晶为基性斜长石。各段熔岩总厚达1500m。

三、蛇绿岩的地球化学特征

熬油沟蛇绿岩各类岩石的主量元素、微量元素及稀土元素分别见表3-5～3-7，从表中可得出如下信息：

表3-5　熬油沟蛇绿岩主要元素化学成分（w_B/%）

注：1～6据张招崇（1998）；7～14据肖序常（1978）；15～18据1∶200000祁连山幅区域地质调查报告。

表3-6　北祁连山熬油沟蛇绿岩微量元素分析结果（w_B/10－）和某些参数

注：岩石名称同表3-5的相应序号；据张招崇（1998）。

表3-7　北祁连山熬油沟蛇绿岩稀土元素丰度（w_B/10^-6）

注：岩石名称同表3-5的相应序号；据张招崇（1998）。

主量元素方面，蛇纹岩MgO质量分数可达36.90%，在剔出水含量之后，MgO的质量分数可达42.51%，相当于方辉橄榄岩的MgO含量。蛇纹岩CaO和Al₂O₃含量极低，表明缺乏斜长石和单斜辉石，在Al₂O₃-CaO-MgO投影图（图略）上，蛇纹岩投在了变质橄榄岩区，三组分计算表明，MgO占95%,CaO仅占1%,Al₂O₃仅占4%，也表明原岩为方辉橄榄岩。

辉绿岩和熔岩的SiO₂含量为45.61%～52.83%,TiO₂含量较高，高达1.42%～3.22%，显示其具有洋中脊玄武岩（MORB）及洋岛玄武岩（OIB）特点，MgO同与之组合在一起的蛇纹岩相比，急剧降低至4.06%～7.18%,Mg/（Mg+∑Fe）也随之降低，为0.23～0.320

微量元素方面，熔岩的Cr、Ni含量明显降低，这与前述TiO₂含量高所反映的环境是相反的，它反映的是一种活动型岛弧环境。Cr、Ni含量偏低说明它具有非原始岩浆性质（原始岩浆w（Ni）＞400×10^-6,w（Cr）＞1000×10^-2,w（Mg）/[w（Mg）+∑w（Fe）]＞0.7,Wil-son,1989），说明熔岩是地幔岩浆在岩浆房中经过充分分异结晶演化的产物。

由于蛇绿岩的时代较老，故经历也较复杂一些，因此现仅用惰性元素来讨论蛇绿岩的岩浆系列。Winchester和Floyd（1997）发现Nb/Y几乎只受碱度影响，而与分异作用无关，从图3-5中，可看出本区蛇绿岩中的玄武岩属非碱系系列（图3-5a）及拉斑系列（图3-5b）。张招崇（1998）对该熔岩利用Miyashiro（1975）的TiO₂－∑FeO/MgO图解和Mullen E D（1983）TiO₂-MnO-P₂O₅图解（图3-6）进行投影，发现大多数样品投到了洋中脊玄武岩（MORB）和洋岛玄武岩（OIB）区，在（La/Sm）_N-Zr/Nb变异图（图3-7）上，玄武岩样品落在了P-MORB区，这与微量元素配分图（图3-8）所反映的情形吻合，后者表现为洋岛或者说是富集型洋中脊玄武岩（OIB或E-MORB）特征，K、Rb、Ba、Th、Nb、Ce、P、Zr、Sm富集，相对于裂谷拉斑玄武岩的“大隆起”特征，笔者称此种隆起为“小隆起”。按常理讲，洋中脊玄武岩经过分异作用之后，成为亏损地幔（DM），上述所谓“小隆起”特征是很难存在的。那么，究竟是什么原因使它又具有这种特征呢？此种现象可以用洋壳下双层地幔组分混合模式（Hamelin et al.,1984；Zindleetal,1986）加以解释，一种组分为上部的亏损软流圈地幔，它是正常洋中脊（N-MORB）的源，具有较低的放射性Sr及较高的放射性Nd同位素，通常称之为亏损地幔（DM），另一种组分为通过亏损软流圈上升的深部地幔物质，接近于地球原始的成分（Bulk Earth Composition）为洋岛玄武岩（OIB）及富集型洋中脊玄武岩（E-MORB）的源，具有较高的放射性Sr及较低的放射性Nd同位素，通常称之为富集地幔（EM）。底辟上涌的地幔柱物质一般携带有分布不均匀富含挥发性组分的地幔流体，在幔源流体的参与下，上涌的地幔柱物质和被拖曳的经洋中脊分异过的亏损软流圈地幔组分，一道由于绝热降压而发生部分熔融，形成地幔柱流，地幔柱流中各种源组分部分溶融体所占比例决定了喷发火山岩浆的基本类型，从图3-7可看出，本区地幔柱物质加入较多，可能起主导作用。另外，上述微量元素配分形式仅具“小隆起”特征，表明地壳物质混染程度不高，说明上述各种特征可能表明基性熔岩形成于洋岛环境，一般岛弧拉斑玄武岩w（TiO₂）最低，小于1%，而大陆裂谷拉斑玄武岩一般为2.2%，洋脊玄武岩w（TiO₂）为1.5%（Condie,1982），本区熬油沟基性熔岩TiO₂属于大陆裂谷和洋中脊玄武岩间的过渡类型。研究表明：洋岛玄武岩就具这种过渡特点。

图3-5　玄武岩的SiO₂-Nb/Y与∑FeO－∑FeO/MgO图解（据Winchesters,1977）

a—SiO₂-Nb/Y图解；b—∑FeO－∑FeO/MgO图解；CA—钙碱性火山岩系列；TH—拉斑玄武岩系列

图3-6　玄武岩的TiO₂－∑FeO/MgO与玄武岩的TiO₂-MnO-P₂O₅图解

（据Miyashiro.A.1975.Mullen,E.O.1983）

MORB—洋中脊拉斑玄武岩；IAT—岛弧拉斑玄武岩；OIA—洋岛碱性玄武岩；CAB—岛弧钙碱性玄武岩；OIB—洋岛玄武岩

图3-7　熬油沟蛇绿岩中玄武质岩石的（La/Sm）_N-Zr/Nb变异图（据Wilsonm,1977）

图3-8　北祁连山熬油沟蛇绿岩中辉绿岩和玄武岩的微量元素MORB标准化分配型式

在稀土元素方面（图3-9），无论是变质橄榄岩还是堆积岩，特别是基性熔岩，均显示LREE略富集的特征，并有Eu负异常。橄榄岩具LREE富集这在我国并非只此一处，秦岭造山带中的商南松树沟岩体便是一例。这有3种原因需要考虑：一是蚀变作用的影响，但王希斌（1995）通过对我国蛇绿岩中橄榄岩稀土特征的研究，认为蛇纹石化与稀土丰度之间没有明显的相关性，它们的分布型式反映了蚀变前的稀土分布特征。李昌年（1992）也认为蛇纹石化难以较大程度地改变岩石的稀土性质；二是地幔交代作用的结果；三是低度部分熔融岩浆未抽取部分再结晶，造成LREE富集。从本区变质橄榄岩到堆积岩再到基性熔岩M/f值变化极大，w（MgO）从36.9%降至4.06%，降低8倍之多。Eu负异常明显，表明它是一个熔融程度较高且结晶分离作用明显的岩浆演化序列，故上述第三种可能性不大。考虑到前述洋壳下双层地幔组份混合模式，第2种可能性最大，即本区地幔交代作用引起橄榄岩LREE富集。另外，基性熔岩的稀土配分形式和P型（REE富集型）洋中脊玄武岩（P-MORB）或者和夏威夷碱性玄武岩相近，进一步说明了该基性熔岩源区与洋岛玄武岩（OIB）的富集地幔区相似。

图3-9　北祁连山熬油沟蛇绿岩稀土元素配分模式（a）、不同洋中脊玄武岩的稀土分配型式（b，据Lercex等，1983）及大洋玄武岩的稀土配分型式（c，据Frey等，1968）

（a）图中的号码同表3-7的序号；（b）1—N－型，2—P－型，3—T－型；（c）1—岛弧拉斑玄武岩，2—正常洋中脊拉斑玄武岩.3—洋岛（夏威夷）拉斑玄武岩，4—洋岛（夏威夷）碱性玄武岩，5—洋岛碱性玄武岩

四、蛇绿岩的形成机制

通过上述分析，可知熬油沟蛇绿岩属洋岛型蛇绿岩，它的形成与地幔柱作用于拖曳的亏损型大洋地幔有关。在造山带中，这种洋岛型蛇绿岩绝非个别。事实上，现代大洋盆中就分布着许多洋岛和海山，如太平洋中的夏威夷群岛等。这些洋底高原山区，约占海洋面积的10%（周祖翼，1997），它们可能是异常洋脊段，也可以是泄露转换断层或热点（马瑞士，1995），它们随大洋板块一起运移至俯冲带位置。一般体积较小，比重较大的洋岛可能随洋壳一起俯冲下去，而另外一些规模较大的海底高原或海山，由于体积大以及地壳的浮力较大，相对俯冲洋壳而言，起到了一个阻止的作用，当俯冲作用继续进行时，由于板块运动强大的惯力以及地幔软流圈的拖曳力必然使得洋岛岩石圈沿某些软弱面与下伏继续俯冲的部分发生拆离，并拼贴增长于大陆边缘成为增生地体或成为蛇绿混杂岩中的外来岩块，洋壳的其它部分则继续俯冲到地幔中，如北美的科迪勒拉蛇绿混杂岩地体，就是以洋岛型蛇绿岩作为基质的，这些蛇绿岩中的基性熔岩与洋中脊玄武岩有着本质的不同，绝非是洋中脊下部亏损地幔部分熔融的产物。地质事实告诉我们，北美科迪勒拉造山带中的蛇绿岩中没有一块可以被认为曾是太平洋板块或法拉隆板块的组成部分（Coleman,1994）。太平洋深海钻探和地球物理资料表明：远离太平洋中隆，洋壳变冷变强，密度加大，在俯冲时将被深深地拖曳到地幔深处而绝少有机会出露于大陆边缘，只有那些小洋盆、弧后洋盆或者是岛弧型蛇绿岩易于保存于造山带中，再就是上述的大洋中的洋岛，洋底高原以及洋中陆块也易于保留下来，我们认为本区蛇绿岩就具这种成因（图3-10），它的形成时代为长城纪（1740～1783Ma，蛇绿岩锆石单矿物U-Pb年龄，张招崇，1998）。

图3-10　洋底高原（地体）拼贴机制简图

（马瑞士（1993）依Yoshibumi Tomoda修改）

A—易于俯冲的洋壳型海山；B—不易俯冲的洋壳型海山；C—不能俯冲的陆壳型洋底高原

还需指出：洋岛型蛇绿岩的地幔亏损程度要略逊于弧后盆地或岛弧型蛇绿岩（张旗，1990）。最后我们将马瑞士（1993）所划分的3种蛇绿岩特征列入表3.8，以供参考，同时这也是我们研究划分古生代蛇绿岩的原则。

表3-8　蛇绿岩的3种主要类型及特征

前已述及，熬油沟蛇绿岩是作为长城纪朱龙关群熬油沟组的下部岩石单元出现的，除此之外，熬油沟组还分布有大量的暗绿色强蚀变基性火山熔岩，变质火山碎屑岩，夹凝灰质板岩及碳酸盐岩，蛇绿岩只是一部分。沿朱龙关河两侧也有蛇绿杂岩带分布，在吊大板—大东沟一带以及托莱峡谷和小龙口、小柳沟—斑赛尔一带，还见有岛弧火山岩带（毛景文、张招崇，1997），岛弧火山岩主要由安山岩及安山质角砾岩组成，常见碳酸盐岩及碎屑岩组合；托莱南山峡谷和小龙口主要由中基性火山熔岩组成。上述中基性火山岩及爆发相安山质火山岩是岛弧火山作用的特点之一，这里的玄武岩TiO₂含量较低，多为1%左右（0.89%～1.44%）,Al₂O₃含量高（13.35%～15.53%），显示了以陆缘为基底岛弧玄武岩的特点，进一步地球化学判别，大部分属钙碱性玄武岩，仅有少量拉斑系列玄武岩（毛景文，张招崇，1998）。杨雨（1997）曾测得大泉一带玄武岩的Sm-Nd全岩等时线年龄为1529Ma，这应是岛弧形成的最早时间，略晚于前述熬油沟蛇绿岩的形成时间。另外考虑到与熬油沟蛇绿岩相伴的还有一套长城纪浅变质砂泥质碎屑岩夹铁矿层（桦树沟组Chh）在青海天峻苏里乡南白水河一带，还见有一套与之时代相近的杂色砂岩，局部夹碳酸盐岩层（南白水河组Chn），这可能属弧后盆地或裂谷沉积。综上所述，长城纪本区应是活动大陆边缘，与美国西部活动大陆边缘相似（图3-11），这种局面一直维持到震旦纪，在震旦纪，本区还存在着激烈的火山活动。

图3-11　朱龙关群形成过程示意图

1—朱龙关群；2—熬油沟组；3—桦树沟组；4—南白水河组；5—蛇绿混杂岩；6—安山质岩石；7—玄武岩；8—碳酸盐岩；9—碎屑岩；10—洋底山；11—洋底高原；12—中基性岩浆活动；13—混杂堆积