內蒙古北山造山帶白云山地區上泥盆統墩墩山組火山巖的厘定及其構造意義*

田健 辛后田 滕學建 段霄龍 程先鈺 張永 任邦方

中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170

中亞造山帶作為世界上最大的顯生宙造山帶，夾持在西伯利亞克拉通與塔里木-華北克拉通之間(圖1a)，其復雜的構造演化過程被認為與古亞洲洋的構造運動密切相關(Windleyetal.，1990，2007；Xiaoetal.，2010)。古亞洲洋盆的形成、演化以及增生造山與地體拼貼過程造就了中亞造山帶現有的構造格架(圖1a)(Coleman，1989；Allenetal.，1993，1995；eng?retal.，1993；Jahnetal.，2000； Xiaoetal.，2004，2010；Windleyetal.，2007；Zhengetal., 2013，2018)。

圖1 中亞造山帶構造簡圖(a)及北山造山帶蛇綠巖時空分布(b)(據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)

內蒙古北山造山帶分布于中亞造山帶南緣，經歷了多階段的俯沖拼貼過程，形成了從南向北依次出露的柳園-賬房山、洗腸井-白云山-牛圈子-紅柳河、小黃山-芨芨臺子及紅石山-百合山等多條蛇綠混雜巖帶(圖1b)。前人對上述不同的蛇綠巖進行了研究，獲得了豐富的資料(于福生等，2006；張元元和郭召杰，2008；Wuetal.，2011；李向民等，2012；侯青葉等，2012；余吉遠等，2012; Tianetal.，2014；王國強等，2014；孫立新等，2017)。其中，小黃山-芨芨臺子及紅石山-百合山蛇綠巖帶為晚古生代SSZ型蛇綠巖帶，具有弧后盆地蛇綠巖的特征(楊合群等，2010；王國強等，2014)；柳園-賬房山蛇綠巖帶作為中亞造山帶與敦煌地塊的重要界線(Xiaoetal.，2010)，存在早古生代及晚古生代復合增生的認識(Maoetal., 2012b；余吉遠等，2012； Guoetal.，2014，2017)；洗腸井-白云山-牛圈子-紅柳河蛇綠巖帶作為古亞洲洋分支早古生代俯沖消減的遺跡(Zuoetal.，1991；Xiaoetal.，2010；楊合群等，2010)，近年來的年代學資料進一步表明，該蛇綠巖最早形成于寒武紀(張元元和郭召杰，2008；侯青葉等，2012；胡新茁等，2015)，在奧陶紀-志留紀發生俯沖作用(Songetal.，2013a, b，2014)。

隨著研究的深入，北山地區中部發育的泥盆紀巖漿巖成為了研究古生代洋陸轉化的重要載體之一，受到了較為廣泛的關注，也存在很多不同認識：如對于廣泛發育的晚泥盆世巖漿作用，前人提出了小黃山蛇綠巖向南俯沖(Zhangetal.，2012)、牛圈子-洗腸井蛇綠巖向北俯沖(Songetal.，2015)、柳園蛇綠巖向北俯沖(Guoetal.，2014，2017)及造山后伸展(李向民等，2011；Yuetal.，2016；Niuetal.，2018)等多種觀點；具有明顯正εHf(t)值的花崗巖類所反映的陸殼增生機制也存在伸展背景下的年輕地殼(Yuanetal.，2018)及俯沖背景下的復雜弧增生物 (eng?retal.，1993；Guoetal.，2014，2017；Xiao and Santosh，2014)兩種認識。另外，前人的研究大多集中在花崗巖類，而對與其同時代地層的研究很少。事實上，該地區并不缺乏上泥盆統地層，如在牛圈子地區就報道了上泥盆統墩墩山群(李向民等，2011；Guoetal.，2014，2017)，該地層呈東西向延伸，但其區域對比亟需進一步研究，這些資料對于研究北山地區中部晚泥盆世構造屬性及陸殼增生事件具有重要的意義。

圖2 白云山地區墩墩山組區域地質背景及火山巖采樣點位置(據天津地質調查中心，2018(1)天津地質調查中心. 2018. 內蒙古1:5萬月牙山、兒駝山幅地質圖，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區月牙山等兩幅1:5萬區域地質調查的基礎上，在白云山蛇綠混雜巖帶兩側首次填繪出上泥盆統墩墩山組(圖2)，通過對其中火山巖的巖石學、鋯石年代學、地球化學、Hf同位素等特征的綜合研究，對比牛圈子地區墩墩山群火山巖的特征，探討該期巖漿作用的巖石成因及構造背景，為中亞造山帶南緣晚古生代洋陸轉化及地殼增生提供可靠的證據。

1 地質概況及巖相學特征

1.1 區域地質概況

北山造山帶，位于中亞造山帶南緣，向東與興蒙造山帶相連，向西與天山造山帶相連，由前寒武紀地體、蛇綠混雜巖、增生雜巖及溝弧盆沉積-巖漿巖組成(Xiaoetal.，2010)。

研究區位于北山造山帶中部，內蒙古額濟納旗白云山地區。區內蛇綠混雜巖帶呈北西西向帶狀展布，向東延伸至月牙山-洗腸井地區，向西延伸至牛圈子-紅柳園地區(圖1b)?；祀s帶中斜長花崗巖的鋯石U-Pb年齡(519.8±2.3Ma，天津地質調查中心，2018)顯示該蛇綠巖形成于早寒武世(圖2)。蛇綠巖混雜帶北部為上奧陶統白云山組，為一套大洋俯沖的弧前盆地沉積建造，與蛇綠混雜巖之間為斷層接觸；增生雜巖由構造混雜巖及強變形的砂板巖組成，其南側與墩墩山組呈斷層接觸，北側與蛇綠混雜巖呈斷層接觸。下泥盆統三個井組主要為一套凝灰質細砂巖、粉砂巖夾晶屑凝灰巖、枕狀玄武巖、灰巖透鏡體，與紅柳園及牛圈子地區發育的三個井組巖石組合一致(李向民等，2011；Guoetal.，2017)。本次研究的上泥盆統墩墩山組分布于蛇綠巖帶兩側，平行不整合在下泥盆統三個井組之上(圖3a)，與上奧陶統白云山組或錫林柯博組呈斷層接觸。墩墩山組總體呈近東西向展布，蛇綠巖帶北側為褐紅色巖屑砂巖(圖3b)、灰綠色安山巖、灰紫色英安巖(圖3b)及英安質含角礫熔結凝灰巖，被東西向展布的早石炭世花崗閃長斑巖(325.9±1.5Ma，天津地質調查中心，2018)侵入(圖2)； 蛇綠巖帶南側底部為一套灰紫色底礫巖(圖3c)、中部為英安巖、英安質角礫熔巖及含角礫晶屑凝灰巖，頂部為英安巖(圖4)，礫巖中礫石(圖3c，d)呈橢圓狀-圓狀，大者可達15～20cm，礫石成分主要為三個井組玄武巖。蛇綠巖帶北側發育大面積的晚泥盆世花崗閃長巖，這一巖石類型在區域上廣泛發育(Wangetal.，2018)。

圖3 上泥盆統墩墩山組火山巖野外特征 (a)三個井組與墩墩山組平行不整合接觸關系；(b)巖屑砂巖與英安巖的整合接觸關系；(c、d)墩墩山組底部底礫巖礫石特征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

圖4 白云山南側上泥盆統墩墩山組實測剖面(Pm04)Fig.4 Measured section of the Upper Devonian Dundushan Formation on the south of Baiyun Mountain (Pm04)

圖5 墩墩山組火山巖巖石學、巖相學特征 (a、b)灰綠色安山巖的野外宏觀及鏡下特征；(c、d)灰紫色英安巖組構特征及鏡下特征；(e、f)灰紫色英安質角礫熔巖組構特征及鏡下特征；(g、h)紫紅色英安質含角礫凝灰巖組構特征及鏡下特征. Pl-斜長石; Am-角閃石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 巖相學特征

安山巖：淺灰色-灰綠色，巖石為塊狀構造(圖5a)，巖石由斑晶(5%～10%)、基質(90%～95%)組成(圖5b)。斑晶主要由斜長石、角閃石組成，粒徑一般為0.2～1.5mm。斜長石呈半自形板狀，強絹云母化，多呈假像產出，僅可見其半自形板狀外形。角閃石呈半自形-他形柱粒狀，強綠泥石化、黝簾石化、碳酸鹽化?；|主要由長英質組成，粒徑一般為<0.1mm。

英安巖：灰紫色，巖石為塊狀構造，斑狀結構(圖5c)，由斑晶(10%～20%)和基質(80%～85%)組成(圖5d)?；|包括斜長石(70%～75%)和火山玻璃(10%±)。斑晶由斜長石組成，半自形板狀，粒徑一般0.2～2.5mm，輕度高嶺土化、絹云母化，少量碳酸鹽化，可見聚片雙晶?；|由斜長石及少量火山玻璃組成，斜長石呈半自形板條狀，長徑一般<0.1mm，少數0.1～0.2mm，似交織狀排列；火山玻璃暗褐色，與鐵質混雜，似填隙狀分布于斜長石間。

英安質角礫熔巖：灰紫色-灰紅色(圖5e)，巖石為塊狀構造，角礫狀結構，由火山碎屑物、熔巖膠結物組成(圖5f)?；鹕浇堑[：30%±；凝灰質：10%±；熔巖膠結物60%±(斑晶：10%～15%；基質：45%～50%)?；鹕剿樾嘉餅閹r屑，以2～12mm的火山角礫為主，0.2～2mm的凝灰質成分次之，二者雜亂分布，為英安巖，具斑狀結構，斑晶由斜長石組成，半自形板狀，粒徑一般0.2～0.8mm，可見聚片雙晶?；|似玻晶交織結構，由斜長石、火山玻璃組成，斜長石呈半自形板條狀，長徑一般<0.1mm，半定向排列，輕高嶺土化、絹云母化，局部碳酸鹽化；火山玻璃暗褐色，含大量鐵質，似填隙狀分布于斜長石間。熔巖膠結物為英安巖，具斑狀結構，基質似玻晶交織結構，斑晶由斜長石組成，基質由斜長石、火山玻璃組成。

英安質含角礫凝灰巖：灰紅色，巖石為塊狀構造(圖5g)，具熔結凝灰結構，假流紋構造(圖5h)，由晶屑(35%～40%)、巖屑(10%±)、玻屑(40%～45%)組成(圖5h)，以<2mm的凝灰物為主，2～5mm的火山角礫次之(10%±)。晶屑由斜長石組成，棱角狀、次棱角狀外形，大小一般02～1.5mm，雜亂分布。巖屑主為剛性，團塊狀外形，大小一般以0.2～2mm的凝灰物為主，2～5mm的火山角礫次之，雜亂分布，成分主為英安巖，局部碳酸鹽化、褐鐵礦化。玻屑隱約可見雞骨狀、弧面棱角狀等外形，已脫玻為隱晶-霏細狀長英質。

2 分析方法

2.1 全巖分析

主量、微量和稀土元素分析在中國地質調查局天津地質調查中心元素分析實驗室完成。將樣品熔制成玻璃餅，然后采用X射線熒光光譜儀XRF-1500進行主元素測定，分析精度優于l%。稱取40mg樣品于Tenon罐中，加人HNO3和HF充分溶解后，用l%的HNO3稀釋后，在Finigan MAT公司生產的雙聚焦電感藕合等離子質譜儀(ICP-MS)ELEMENT上測定微量和稀土元素，分析精度優于5%。分析結果見表1。

2.2 鋯石挑選、LA-ICP-MS年齡測定及鋯石原位Hf同位素分析

樣品無污染碎樣和鋯石的挑選工作由在河北省廊坊區域地質礦產調查研究所實驗室完成的。并由北京鋯年領航科技有限公司制靶，鋯石粘貼制成環氧樹脂樣品靶，經過打磨拋光使鋯石露出中心后進行透射光、反射光和陰極發光(CL) 顯微照相。

鋯石U-Pb 年代學和Lu-Hf 同位素分析在中國地質調查局天津地質調查中心實驗室的193nm激光剝蝕系統(New Wave)和多接收器電感耦合等離子體質譜儀(MC-ICP-MS，Neptune) 上完成。U-Pb年代學測試方法見(李懷坤等，2009)。采用GJ-1作為外部標準校正鋯石的U、Th和Pb同位素分餾：采用NIST610 玻璃作為標樣計算鋯石中U、Th和Pb含量：利用ICPMSDataCal 程序(Liuetal.，2011)和Isoplot 程序(Ludwig，2003)進行數據處理，分析結果見表2。Lu-Hf同位素實驗過程中，91500的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf測定結果分別為0.282303±37(2σ，n=35)和0.00030，虧損地幔模式年齡(tDM)計算采用Griffinetal. (2000)的推薦值，等離子體質譜實驗室方法和同位素分餾校正參考文獻Wuetal.(2006)，分析結果見表3。

3 分析結果

3.1 年代學特征

本次工作對測區內墩墩山組采集的英安質熔結凝灰巖(Tw4001.1)、英安質角礫熔巖(Tw4013.1)進行了鋯石U-Pb同位素年齡測試(圖2)，鋯石CL圖像中，多呈半自形長柱狀，長寬比在2:1～1:1之間，生長環帶清晰(圖6a，b)，屬典型酸性巖巖漿鋯石。Tw4001.1樣品共測試24個數據點(全部位于諧和線上)，比較集中的16個數據點(1，4～7，9～13，15～18，21，22)給出的206Pb/238U加權平均年齡為368.1±1.8Ma(圖6c)；7個點顯示了446～451Ma、500～501Ma、1716～1864Ma的捕獲鋯石年齡信息；1個點年齡偏小，為279Ma。Tw4013.1共測試24個數據點(22個點在諧和線上)，其中21個集中的數據點(1～5，7～14，16～20，22～24)給出的206Pb/238U加權平均年齡為363.5±2.5Ma(圖6d)；1個點年齡偏小，為321Ma。由此可見，墩墩山組頂部火山巖的成巖年齡為368.1±1.8Ma～363.5±2.5Ma，屬晚泥盆世。

3.2 主量元素特征

在野外巖石定名和室內巖礦鑒定的基礎上，對所采集樣品使用TAS火山巖分類命名圖解進行判別，樣品點投點落在亞堿性區域的安山巖、英安巖或者粗面英安巖范圍內(圖7a)。安山巖類SiO2含量為58.05%，Na2O為3.92%，K2O為0.71%；英安巖類SiO2含量在63.87%～71.53 %之間，Na2O為4.08%～8.11%，K2O為0.97%～1.36 %。在(Na2O+K2O-CaO)-SiO2圖解中，多數投點投在鈣堿性范圍內，少數為鈣性或堿鈣性(圖7b)。牛圈子地區墩墩山群的巖石類型以流紋巖類為主，少量的英安巖類及安山巖類(圖7a)；巖漿系列多為鈣堿性-堿鈣性，少量為堿性系列或鈣性系列(圖7b)。

3.3 微量元素、稀土元素地球化學特征

墩墩山組火山巖微量元素蛛網圖顯示，所有樣品曲線型式總體顯示Nb、Ta、P、Ti虧損的弧巖漿巖特征(圖8a)。大致可以分為兩類：一類具有Sr負異常，K、Rb正異常，顯示了源區具有明顯的陸殼成分(圖8a)；另一類具有K、Rb負異常，Sr正異常，與洋殼熔融的特征相似(圖8a)。

稀土元素配分曲線顯示一類為輕稀土富集、重稀土平坦、輕重稀土分餾一般、Eu負異常中等的配分曲線(圖8b)；另一類顯示輕稀土富集、重稀土虧損、輕重稀土分餾較強、Eu異常不明顯的配分曲線(圖8b)。

表1白云山地區墩墩山組火山巖的全巖主量元素(wt%)、微量元素和稀土元素(×10-6)數據

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

樣品號YQ4200-1YQ4013-1PM06YQ40-1PM06YQ41-1Pm15YQ35-1Pm15YQ35-2PM04YQ05-1PM04YQ07-1Pm15YQ34-1Pm15YQ34-2YQ4001-1巖石類型安山巖英安質角礫熔巖英安巖英安質凝灰巖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白云山地區墩墩山組火山巖鋯石U-Pb定年數據

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

測點號同位素比值年齡(Ma)206Pb238U1σerr%207Pb235U1σerr%232Th238U1σerr%206Pb238U1σ207Pb235U1σTw4001.1英安質熔結凝灰巖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英安質角礫熔巖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

表3白云山地區墩墩山組火山巖的Hf同位素特征

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

測點號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

圖6 英安質含角礫熔結凝灰巖和英安質角礫熔巖的鋯石CL圖像與206Pb/238U年齡特征(a、b)及其U-Pb年齡諧和圖與其加權平均年齡(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

圖7 晚泥盆世墩墩山組火山巖TAS圖解(a，據Le Maitre et al.，1989)和(Na2O+K2O-CaO)-SiO2圖解(b，據Frost et al.，2001)Fig.7 TAS diagram (a, after Le Maitreet al., 1989) and (Na2O+K2O-CaO) vs. SiO2 diagram (b, after Frost et al., 2001) of the volcanic rocks of Late Devonian Dundunshan Formation

圖8 晚泥盆世墩墩山組火山巖原始地幔標準化微量元素蛛網圖(a)及球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(b)(標準化值據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

本次工作對英安質含角礫熔結凝灰巖、英安質角礫熔巖進行了鋯石Hf同位素分析，凝灰巖鋯石εHf(t)值為+4.6～+13.1，鋯石tDM2為534～1073Ma；角礫熔巖鋯石εHf(t)值為 +3.0～+7.8，鋯石tDM2為865～1172Ma，總體顯示了源區以中-新元古代地殼熔融為主、具有幔源屬性的特點。

4 討論

4.1 火山巖巖石組合及區域對比

沿著洗腸井-白云山-牛圈子-紅柳河這一蛇綠混雜巖帶，在牛圈子地區發育上泥盆統墩墩山群。對比肅北縣墩墩山一帶墩墩山群層型剖面(圖9)(楊雨，1997)，底部的巨礫巖可以對比，與下覆三個井組呈不整合接觸；中部的英安巖、英安質角礫熔巖、英安質含角礫晶屑凝灰巖與層型剖面下-中部的英安巖、英安質火山角礫巖、英安質角礫凝灰巖、英安質凝灰巖、安山質火山角礫巖、安山質角礫凝灰巖、安山質凝灰巖可以對比，白云山蛇綠巖帶北側可見安山巖零星出露(圖5a，b)；上部的英安巖與層型剖面上部的流紋巖、英安巖、流紋斑巖、英安斑巖可以對比，缺少流紋質火山巖。從西到東，底礫巖普遍發育，火山巖厚度變化大，在墩墩山一帶巖性較復雜，巖石組合由安山巖-英安巖-流紋巖及相應的火山碎屑巖組成，白云山南巖石組合由安山巖-英安巖及相應的火山碎屑巖組成，以英安質火山巖為主。近年來一些學者對墩墩山一帶墩墩山群做了大量的研究工作，李向民等(2011)認為墩墩山群主要由一套英安斑巖、英安熔巖角礫巖、流紋斑巖、流紋質凝灰角礫巖組成，其底部為一層中基性凝灰巨礫巖，測得火山巖的鋯石206Pb/U238加權平均年齡為367±10Ma；Guoetal.(2014，2017)報道了墩墩山組火山巖巖石組合包括安山質凝灰巖、安山巖、英安質凝灰巖、流紋巖及流紋斑巖、流紋質凝灰角礫巖等，測得火山巖的鋯石206Pb/238U加權平均年齡為368.8±3.1Ma～370.9±1.3Ma。本次工作在白云山地區厘定的墩墩山組火山巖主要為安山巖、英安巖、英安質含角礫熔結凝灰巖、英安質角礫熔巖，獲得的火山巖鋯石206Pb/238U加權平均年齡為368.1±1.8Ma～363.5±2.5Ma。

圖9 白云山南與墩墩山一帶上泥盆統墩墩山組柱狀圖對比Fig.9 Comparison of stratigraphic columns of the Devonian Dundushan Formation between south of Baiyunshan and the area of Dundun Mountain

由此可見，本次工作填繪的墩墩山組與墩墩山一帶墩墩山群的巖石組合及年代學特征一致，結合兩者產出的大地構造位置相同，因此，北山造山帶中部上泥盆統墩墩山組火山巖的巖石組合為安山巖、英安巖、流紋巖及相應的火山碎屑巖、潛火山巖，具有陸緣弧火山巖的巖石組合特征。

圖10 晚泥盆世墩墩山組火山巖及花崗巖類Hf同位素特征(底圖據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 火山巖巖石成因及陸殼增生機制

北山造山帶中部發育大面積的晚泥盆世花崗巖類及零星的酸性火山巖，其εHf(t)為明顯的正值(圖10)，反映了顯著的陸殼增生事件。對于晚古生代陸殼增生機制，主要由兩種認識：(1) 伸展背景下的年輕地殼(Yuanetal.，2018)；(2) 俯沖背景下的復雜弧增生物 (eng?retal.，1993；Guoetal.，2014，2017；Xiao and Santosh，2014)，不同的認識反映了不同的洋陸轉化過程。本次工作將通過鋯石Hf同位素及巖石地球化學對晚泥盆世火山巖的巖石成因進行研究，結合前期發表的花崗巖類鋯石Hf同位素數據，探討晚泥盆世陸殼增生事件。

圖11 墩墩山組火山巖巖石成因系列判別圖解 (a)Sr/Y-Y圖解(據Defant and Drummond, 1990)；(b)MgO-SiO2圖解(據Defant and Drummond, 1990；Rapp et al., 1999)；(c)La/Yb-Yb圖解和(d) Tb/Yb-Yb圖解(據Allègre and Minster，1978).樣品圖例同圖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圖顯示(圖10)，墩墩山組酸性火山巖的鋯石εHf(t)值分布在+1.4～+16.4之間，顯示了幔源物質的貢獻；tDM2分布在520～1280Ma之間，反映了中-新元古代地殼熔融的特點。然而，不同樣品的εHf(t)值變化范圍較大(圖10)，部分接近虧損地幔演化線，部分接近原始地幔演化線，可能反映了不同的源區屬性。墩墩山組火山巖微量元素蛛網圖及稀土元素配分曲線明顯的分類性也反映了源區可能具有不同屬性。

Sr/Y-Y圖解顯示了部分樣品具有埃達克巖的特征，可能源于石榴石子角閃巖的部分熔融(圖11a)，主量元素特征表現為富Na2O(3.92%～8.11 %)、低K2O(0.08%～1.43%)、高Na2O/K2O(3.70～97.8)，與俯沖洋殼形成的埃達克巖特征一致(Defant and Drummond，1990；Defantetal.，2002)，而區別于增厚的下地殼熔融形成的埃達克巖所具有的富K2O、富Na2O+K2O的特點(Peacocketal.，1994；張旗等，2001)；強烈虧損高場強元素(Nb和Ta)、Sr正異常、重稀土虧損、不明顯的Eu異常等特征，表明源區斜長石消失及石榴子石作為殘留相，這與俯沖洋殼形成埃達克巖的源區特征一致(Rapp and Watson，1995；續海金和馬昌前，2003；熊小林等，2005)；MgO-SiO2圖解(圖11b)同樣顯示部分樣品投點落在源區為俯沖洋殼的范圍內；較高的Mg#(59.7～62.5)及Cr含量(42.8×10-6～82.7×10-6)顯示了與地幔的相互作用(Sen and Dumn，1994)，多為巖漿上升過程中受到地幔楔橄欖巖的混染(Rappetal., 1999；Defantetal.，2002)。

Sr/Y-Y圖解顯示另一部分樣品具典型島弧巖石的特點，其稀土元素顯示Nb、Ta、P、Ti，顯示了弧巖漿巖的源區特征，Sr虧損及重稀土平坦的稀土配分曲線與埃達克巖的特征明顯不同(Defant and Drummond，1990)；MgO-SiO2圖解顯示典型島弧巖石主要為變質玄武巖(1～4GPa)的熔融，實驗研究表明，在1～4GPa 的壓力條件下，玄武質源巖部分熔融形成的巖石Mg#<45(Rapp and Watson，1995)，然而，當熔體被地?；烊竞笃?Mg#迅速增加，可大于 50 (Peacocketal.，1994)，多數落在典型島弧巖石范圍內的樣品Mg#<45，但個別樣品Mg#偏高(46.6～52.8)，反映了熔體受到了幔源巖漿的混染，即發生了殼?；旌献饔?，這與蛇綠巖帶北側晚泥盆世花崗閃長巖中廣泛發育閃長質包體的特征相符，考慮其具有弧巖漿巖的微量元素地球化學特征，推測其源區應為復雜的弧增生物。La/Yb-Yb及Tb/Yb-Yb圖解反映了源區物質的不均一性(圖11c，d)，投點落在典型島弧巖石范圍內的安山巖-英安巖-流紋巖系列巖石中(圖11a)，分離結晶作用在巖漿演化中具有重要的作用(圖11c，d)。

由此可見，北山造山帶中部晚泥盆世酸性火山巖的源區包括了俯沖洋殼+地幔楔、弧增生物(變質玄武巖為主)，這與陸緣弧復雜的源區特征一致。另外，北山造山帶中部晚泥盆世花崗巖類的鋯石εHf(t)值分布在+2.0～+11.6之間，tDM2分布在632～1239Ma之間，反映了與本次研究的酸性火山巖相似的Hf同位素特點。由此可見，俯沖洋殼及弧增生物的部分熔融為晚泥盆世陸殼增生的方式之一。

4.3 構造背景及區域構造演化

泥盆紀巖漿作用對于認識中亞造山帶南緣古亞洲洋的演化過程具有重要的意義(Wangetal.，2018；Yuanetal.，2018)。對于測區晚泥盆世的構造背景，存在小黃山蛇綠巖向南俯沖(Zhangetal.，2012)、牛圈子-洗腸井蛇綠巖向北俯沖(Songetal.，2015)、柳園蛇綠巖向北俯沖(Maoetal.，2012a；Zhengetal.，2013；Guoetal.，2014，2017)及造山后伸展(李向民等，2011；Yuetal.，2016；Niuetal.，2018)等多種認識。

從本文研究的火山巖及牛圈子地區的火山巖巖石組合來看，其巖石組合以英安巖類+流紋巖類為主，少量的安山巖類，反映了大陸邊緣弧的巖石組合特征；巖石地球化學特征顯示了俯沖洋殼+地幔楔及弧增生物(變質玄武巖為主)的源區屬性，這與陸緣弧復雜的源區特征相吻合；微量元素蛛網圖中Nb-Ta負異常多與弧巖漿巖有關(Hackeretal.，2011；Castroetal.，2013)；Th/Yb-Nb/Yb構造判別圖解顯示了所有樣品落在弧演化線上，且落在大陸邊緣弧的范圍內(圖12)，因此，墩墩山組火山巖的形成可能與巖漿弧的構造背景有關。這一認識得到了區域地質資料的支持，在柳園蛇綠巖帶北側發育372Ma 的富Nb玄武巖及埃達克巖(Maoetal., 2012a)；石板井-小黃山地區發育近東西向帶狀展布的晚泥盆世花崗巖及埃達克巖(Zhangetal., 2012；Songetal., 2013b；Wangetal., 2018)，其正的εHf(t)值與本次研究的墩墩山組火山巖虧損的鋯石Hf同位素特征一致(圖10)；另外，越來越多的研究表明，北山造山帶中南部存在中-新元古代的前寒武紀基底(Kuznetsovetal., 2010；葉曉峰等，2013；姜洪穎等，2013；賀振宇等, 2015)，即發育古老陸塊，由此可見，北山造山帶中部晚泥盆世處于陸緣弧的構造背景。

圖12 Th/Yb-Nb/Yb構造判別圖解(據Pearce， 2008) 大洋島弧、陸緣弧、大火成巖省長英質巖石范圍據Condie and Kr?ner (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 Kr?ner (2013) and Draut et al. (2009)

圖13 北山造山帶中部奧陶紀-晚泥盆世地質演化史及晚泥盆世巖漿成因示意圖Fig.13 Geological evolution history in Ordovician-Late Devonian and Late Devonian magma genesis of the central Beishan orogenic belt

那么，該陸緣弧是怎么形成的呢？首先，白云山蛇綠巖的向北俯沖從奧陶紀一直持續到中志留世(Songetal.2015; Yuanetal.，2018)，顯示了陸緣弧的構造背景。由此可見，白云山蛇綠巖就位在中志留世之后，通過詳細的1:5萬區域地質調查發現，蛇綠混雜巖在北側的弧前盆地及增生雜巖中均有出露，然而，在泥盆紀三個井組及墩墩山組之中均未發育，顯示了白云山蛇綠巖在泥盆紀之前已經就位，很可能在晚志留世就位；另外，白云山蛇綠巖帶兩側均發育晚泥盆世花崗巖類及墩墩山組，因此，該期巖漿作用為牛圈子-洗腸井蛇綠巖向北俯沖的認識不符合地質事實。其次，最新的研究表明，芨芨臺子-小黃山-東七一山蛇綠巖的鋯石U-Pb同位素年齡為356～321Ma(Wuetal.，2011；Zhangetal.，2012；李向民等，2012)，而晚泥盆世巖漿巖年齡集中在384～354Ma(Zhangetal.，2012；楊岳清等，2013；Yuetal.，2016；Wangetal.，2018)，因此，該巖漿巖帶的形成與小黃山蛇綠巖無關。那么，該巖漿弧的形成是否與南側的柳園蛇綠巖有關呢？柳園蛇綠巖北側中-晚奧陶世榴輝巖、富Nb玄武巖類顯示了島弧的構造背景(Liuetal.，2011；Maoetal.，2012a)，而且，越來越多的研究發現早泥盆世北山造山帶中南部存在柳園洋的向北俯沖(Guoetal.， 2014，2017；Zhuetal.，2016)，零星報道的A型花崗巖(李舢等，2009)反映了局部伸展作用。晚泥盆世則主要為一套花崗閃長巖(英安巖)、二長花崗巖(流紋巖)為主的巖石組合，顯示了典型的陸緣弧巖石組合特征。重要的是，在柳園蛇綠巖帶中獲得輝長巖巖塊的年齡為446Ma(余吉遠等，2012)，反映了洋盆在早古生代已經存在，Maoetal.(2012b)對柳園蛇綠混雜巖的研究表明柳園蛇綠巖的演化持續到石炭紀；在賬房山蛇綠巖帶中獲得斜長花崗巖巖塊的年齡為350.6±2.0Ma(未發表數據)及輝長巖巖塊的年齡為362Ma(余吉遠等，2012)，反映了洋盆閉合時間在351Ma之后，由此可見，柳園洋的演化持續到早石炭世之后。因此，筆者認為，北山造山帶中部晚泥盆世陸緣弧的形成與柳園洋的向北俯沖有關。

綜上所述，中亞造山帶南緣北山造山帶中部經歷了多階段的俯沖增生過程(圖13)：白云山-洗腸井洋在奧陶紀-中志留世向北俯沖，晚志留世蛇綠混雜巖就位；南側的柳園洋在晚奧陶世-泥盆紀向北俯沖，早泥盆世總體為俯沖擠壓的弧演化階段，晚泥盆世則主要為一套花崗閃長巖(英安巖)、二長花崗巖(流紋巖)為主的陸緣弧巖石組合，柳園洋的俯沖作用持續到早石炭世。

5 結論

(1)白云山地區墩墩山組巖石類型為安山巖、英安巖、英安質角礫熔巖及英安質凝灰巖，火山巖206Pb/238U加權平均年齡為368.1±1.8Ma～363.5±2.5Ma。

(2)北山造山帶中部墩墩山組火山巖形成于陸緣弧構造背景，與柳園洋的向北俯沖有關。

(3)俯沖洋殼、弧增生物的部分熔融是北山造山帶中部晚泥盆世陸殼增生的方式之一。

致謝感謝兩位匿名審稿人及本刊編輯提出的寶貴意見及建議。在野外調查及寫作過程中與中國地質調查局天津地質調查中心王惠初、李承東研究員進行了深入的討論，受益匪淺。