鄂西黄陵背斜南部超镁铁鄂西黄陵背斜南部元古宙庙湾蛇绿岩的发现及其构造意义

鄂西黄陵背斜南部超镁铁鄂西黄陵背斜南部元古宙庙湾蛇绿岩的发现及其构造意义

鄂西黄陵背斜带是扬子克拉通内前华南系多元岩系的重要窗口，以其古南系湖南最古老的变质起源而闻名。这是扬子克拉通前华南系构造发育的研究领域。前人对黄陵背斜地区前南华纪变质杂岩系的研究主要集中在北部,但黄陵背斜南部宜昌太平溪、邓村之间呈北西西向带状展布的崆岭岩群庙湾岩组超镁铁—镁铁质岩岩石组合、成因、时代及构造演化意义一直未引起足够的重视。最近,笔者对黄陵背斜南部元古宙庙湾岩组超镁铁—镁铁质岩进行了野外地质调查和岩石学、地球化学研究,发现黄陵背斜南部崆岭岩群中的元古宙庙湾岩组实际上为一套被构造肢解的古大洋蛇绿岩残片,其形成时代可能为中元古代。1黄陵背斜南部吾家山岛黄陵地区前南华纪变质杂岩分布于著名的黄陵背斜的核部,主体为一套太古宙—元古宙中深变质TTG灰色片麻岩和变质表壳岩系,后被新元古代黄陵花岗杂岩侵入,分为南、北2个区,并被南华系不整合覆盖。黄陵背斜南部的崆岭岩群大致可分为3套岩系:下部古村坪杂岩以太古宙TTG灰色片麻岩为主,夹少量斜长角闪岩、变粒岩构成的表壳岩系;中部小渔村岩组为一套孔兹岩系,其下段以含石墨和富铝矿物的片麻岩为主,夹云英片岩、大理岩、石英岩,上段以黑云变粒岩、浅粒岩为主;上部庙湾岩组主体为层状细粒斜长角闪岩,其间夹有少量薄层大理岩和石英岩,蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩、辉长岩、辉绿岩等呈独立岩片或岩块沿北西西向断续出露于庙湾岩组内。早在20世纪60—70年代,湖北省第十地质队(1966、1971、1973)就对黄陵背斜南部崆岭岩群庙湾岩组的太平溪超基性岩体进行了铬铁矿矿产的普查和详查工作。宜昌地质矿产研究所(1975)对太平溪超基性岩的岩石学、矿物学特征进行了初步研究,但研究多限于找矿勘查过程中涉及的地质问题和将其作为独立岩体进行的区域地质调查。90年代后,鄂西地质大队(1991)在1∶5万区域地质调查中,比照花岗岩岩石谱系单元填图方法,对黄陵背斜南部崆岭岩群的超镁铁—镁铁质岩进行了分解,将其划为中元古代梅子厂序列,并利用Sm-Nd全岩等时线法在庙湾组获得斜长角闪岩的形成年龄1608Ma±81Ma。之后,徐云鹏等对宜昌太平溪一带蛇纹石化橄榄岩的矿物学特征进行了研究。王岳军等对太平溪梅子厂超镁铁质岩的地球化学特征进行了初步研究,认为其属阿尔卑斯型残留地幔岩,但对其成因及构造意义未作进一步研究。彭松柏等(2007)在《中南地区基础地质综合研究总结》报告中认为,崆岭岩群中庙湾岩组斜长角闪岩具大洋玄武岩的地球化学特征,推测黄陵地区前南华纪可能存在中元古代洋盆。黄陵背斜南部崆岭岩群庙湾岩组(即庙湾蛇绿岩)的超镁铁—镁铁质岩主要分布于宜昌太平溪、邓村一带,总体呈北西西向带状展布(图1)。蛇纹石化超镁铁质岩连续出露的最大长度达13km,宽度近2km,似层状镁铁质岩及变沉积岩则分布于蛇纹石化超镁铁质岩南北两侧。超镁铁质岩以蛇纹岩、蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩为主。镁铁质岩以似层状细粒斜长角闪岩为主,层状、块状变辉长岩岩体、岩脉和辉绿岩岩脉则分布于似层状细粒斜长角闪岩和蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩之间。与超镁铁—镁铁质岩空间上紧密相伴的变沉积岩主要为一套透镜状的薄层大理岩、石英岩。蛇纹石化超镁铁质岩,变形变质层状、块状变辉长岩和似层状细粒斜长角闪岩之间呈构造接触,并被新元古代黄陵花岗岩侵入和肢解,最后为南华系所覆盖,总体构成一套呈北西西向展布的构造蛇绿混杂岩系(图2)。超镁铁—镁铁质岩均经历了强烈韧性和脆性变形变质作用的改造。超镁铁质岩早期的韧性构造变形面理走向北西西向,倾角近直立,倾向变化较大,总体以向北倾斜为主,而晚期脆性变形断裂面产状变化较大。镁铁质岩总体呈面状出露,韧性变形强烈,叠加褶皱发育,产状变化复杂。2岩石岩石学特征本次重点对小溪口-梅子厂、薄刀岭-茅垭剖面进行了野外地质调查和分析测试研究。研究表明,黄陵背斜南部崆岭岩群庙湾蛇绿岩中的超镁铁—镁铁质岩普遍遭受了韧性变形变质作用的改造,超镁铁质岩主要为蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩,镁铁质岩主要为似层状斜长角闪岩,以及呈岩体、岩脉互相穿插的变形变质层状和块状辉长岩、辉绿岩。尽管这些岩石大都遭受了强烈变形变质作用的改造,但在一些变形较弱的地段主要岩石类型的结构构造和矿物组合特征仍能清楚地观察到。下面对庙湾蛇绿岩超镁铁—镁铁质岩主要岩石单元的地质特征作简要的描述。(1)蛇纹石化方辉橄榄岩主要见于古村坪—薄刀岭—梅子厂一线,与蛇纹石化纯橄岩紧密共生,呈透镜状岩块、岩片产出。岩石深灰黑色、灰绿色,他形—半自形柱状结构、包橄结构、反应边结构、网状结构,蛇纹石化强烈,矿物具定向排列,糜棱面理发育,块状构造(图版Ⅰ-a)。主要矿物为:辉石45%~50%、橄榄石35%~45%、角闪石3%~5%、磁铁矿1%~2%,蚀变矿物主要为滑石、蛇纹石和绿泥石。橄榄石呈半自形—自形柱状,粒径3~5mm,多已被蛇纹石、滑石所取代,并常见包橄结构(图版Ⅱ-a)。辉石主要为斜方辉石,常蚀变为透辉石,角闪石主要由辉石退变而成,呈半自形柱—粒状,粒径5~10mm,长轴具定向分布特征。(2)蛇纹石化纯橄岩主要见于古村坪—薄刀岭—梅子厂一线,与蛇纹石化方辉橄榄岩紧密共生,呈透镜状岩块、岩片产出。岩石为深灰黑色、灰绿色,他形粒状结构、网状结构(图版Ⅱ-b)、填隙结构,蛇纹石化强烈,矿物具定向排列,糜棱面理发育,并见有豆荚状铬铁矿(图版Ⅰ-b、c,图版Ⅱ-c、d),块状构造。主要矿物为:橄榄石30%~40%、蛇纹石50%~60%、斜方辉石2%~3%、铬铁矿1%~3%。橄榄石呈他形粒状,晶体较粗,粒径可达3~5mm,沿网状裂隙大多橄榄石蚀变为蛇纹石、滑石,呈残余孤岛状,蚀变较弱的部位可见橄榄石呈线状排列。斜方辉石为半自形—他形粒状,粒径大小1~3mm,几乎全被蛇纹石、透闪石、绿泥石交代呈假象,偶见柱状辉石被叶蛇纹石置换成绢石,局部可见透辉石穿插、包裹橄榄石。随交代变质作用增强,橄榄石向透辉石、蛇纹石、斜硅镁石、菱镁矿,特别是滑石转化,岩石颜色明显由深绿色变为灰黑色、灰绿色。(3)变辉长岩主要见于古村坪—薄刀岭—梅子厂一线,分布于蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩南侧,呈岩体、岩脉产出。岩石呈深灰色,变余堆晶结构,层状韵律构造(图版Ⅰ-e、f)、块状构造,部分强烈韧性变形的岩石具条带—眼球状构造。显微镜下可见变余辉长结构(图版Ⅱ-e、f)。主要矿物为:普通辉石35%~40%、基性斜长石40%~45%、普通角闪石5%~10%、磁铁矿1%~2%。普通辉石一般为自形板柱状—板状,粒径一般为5~8mm,多退变为角闪石、纤闪石、绿帘石、绿泥石等,少数呈孤岛状残留,常包嵌自形柱状斜长石,有的呈半包嵌结构或熔蚀港湾结构。斜长石呈柱状,自形程度较高,粒径比辉石略小,一般为3~5mm,斜长石主要为拉长石。角闪石主要由辉石退变而成,呈半自形柱粒状,粒径一般为2~3mm。(4)变辉绿岩主要见于古村坪—薄刀岭—梅子厂一线,分布于蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩的南侧,与变辉长岩密切共生,呈岩脉或岩墙产出。岩石为深灰绿色,变余辉长-辉绿结构,块状构造,部分强烈韧性变形的岩石具条纹状构造。主要矿物为:普通辉石35%~40%、基性斜长石40%~45%、普通角闪石5%~10%、磁铁矿1%~2%。普通辉石一般为他形不规则状,粒径一般为1~2mm,多退变为角闪石、绿帘石、绿泥石等,少数呈孤岛状残留。斜长石呈柱—粒状、自形—半自形,粒径一般为0.5~1mm,主要为拉长石。(5)斜长角闪岩主要分布于古村坪—薄刀岭—梅子厂蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩、变辉长岩和变辉绿岩的南、北两侧,似层状产出。岩石为深灰色,变余斑状结构,条纹—条带状构造,普遍经历了韧性变形变质作用(图版Ⅰ-g、h)。变余斑晶斜长石的粒度一般为2~4mm,部分变余斑晶表现为角闪石斑晶、角闪石矿物集合体,但仍保留有橄榄石和辉石的形态特征(图版Ⅱ-g、h)。基质为阳起石、钠—更长石、绢云母,粒径一般0.1~0.3mm。基质主要矿物为:普通角闪石40%~45%、长石35%~40%、透辉石1%~2%、石英5%~10%、绢云母2%~3%、磁铁矿2%~3%。普通角闪石呈短柱状,颗粒边缘多呈圆滑状,波状消光明显,偶见透辉石交代残晶保留短柱状辉石的外形。斜长石呈板状,多被钠—更长石、绢云母、绿泥石呈假象交代。石英常呈透镜状和扁豆状,具定向排列,玻状消光明显,亚晶粒发育。钠—更长石则呈微粒状、透镜状集合体相间分布,定向排列,显示斜长角闪岩经历了强烈的韧性剪切变形。3分析方法及结果庙湾蛇绿岩岩石单元样品采自黄陵背斜南部太平溪至邓村公路薄刀岭-茅垭地质构造剖面的崆岭岩群庙湾岩组。岩石主量元素测试在武汉综合岩矿测试中心完成;微量元素测试由中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室LA-ICP-MS分析实验室完成,分析精度优于1%~3%。蛇绿岩岩石单元样品的主量元素、微量元素和稀土元素分析结果列于表1,数据处理采用路远发的地球化学工具软件包GeoKit程序。由于样品经历了角闪岩相变质,因此,本文主要用变质变形作用过程中不易迁移的高场强元素(HFSE)Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、Th,稀土元素(REE)和过渡金属元素(Sc、V、Cr、Ni)进行岩石分类、成因和形成环境的判别。3.1斜长石角闪岩的地球化学特征3.1.1feo型的玄武系列黄陵背斜南部崆岭岩群庙湾蛇绿岩中的似层状镁铁质岩主要为细粒斜长角闪岩,在Winchester等的火山岩Zr/TiO2-Nb/Y岩石化学分类图上,细粒斜长角闪岩的样品点落入亚碱性玄武岩范围(图3-a),Nb/Y比值较低(0.13~0.15),故其原岩属亚碱性玄武岩。在Irvine等的玄武岩系列FeO*-(Na2O+K2O)-MgO分类判别图中,样品点落入拉斑玄武岩系列范围(图3-b)。从主量元素分析结果可以看出,细粒斜长角闪岩MgO含量中等(MgO=7.22%~8.65%,Mg#=47~57),CaO/Al2O3=0.75~0.88,TiO2=1.01%~1.48%,TiO2含量中等(平均1.24%),这与洋中脊拉斑玄武岩(MORB)的TiO2含量(平均1.5%)非常接近。Al2O3和MgO呈负相关关系,表明没有明显的斜长石分离结晶。因此,细粒斜长角闪岩的原岩为亚碱性拉斑玄武岩。在Pearce等的TiO2-K2O-P2O5判别图(图4-a)上,斜长角闪岩的样品点均落入OT范围。在Glassley的TFeO/Mg-TiO2图解(图4-b)上,样品点落入MORB范围。因此,从主量元素构造环境判别图中可以看出,这些镁铁质岩总体上应属大洋中脊(MOR)构造环境形成的拉斑玄武岩。3.1.2细粒斜长角闪岩地球化学特征从黄陵背斜南部庙湾蛇绿岩中似层状细粒斜长角闪岩样品的稀土元素配分型式(图5-a)可以看出,细粒斜长角闪岩的稀土元素配分型式为轻稀土元素略亏损平坦型。稀土元素总量为36.50×10-6~49.05×10-6,LREE/HREE=1.57~1.91,(La/Yb)N=0.87~1.12,(La/Sm)N=1.22~1.56,La/Nb=0.86~1.19(平均1.04),Ce/Zr=0.13~0.17(平均0.15),Zr/Nb=17.31~20.41(平均18.78),Zr/Y=2.42~2.64(平均2.53),Ti/Y=283.89~300.00(平均290.51),无明显的Eu负异常(δEu=0.94~1.06),显示其稀土元素配分特征与N-MORB相似。这表明细粒斜长角闪岩形成于亏损型大洋中脊(N-MOR)的构造环境。在Pearce的洋中脊玄武岩(MORB)归一化微量元素分布图(图5-b)上,斜长角闪岩中LIL(Sr至Ba)相对于MORB明显富集,由于LIL元素(除Th外)在蚀变和变质过程中是活动元素,对变质火山岩往往没有明确的构造背景意义,而不活泼元素(Th、HFSE和REE)基本上与标准MORB分布型式类似,表明它们很可能来源于N-MORB或类似N-MORB的地幔源区玄武岩,基本上没有受到地壳物质的混染。斜长角闪岩样品具有比较一致的Ti/V比值(20.00~22.20),落入MORB范围。在Wood的Hf-Ta-Nd-判别图(图6-a)中,样品点落入亏损型地幔洋中脊玄武岩(N-MORB)区。在Pearce等的Ti-Zr-Sr判别图(图6-b)上,落入洋中脊拉斑玄武岩(ORTB)区。在Meschede的Nb-Zr-Y判别图上,样品点落入N-MORB和俯冲带上火山岛弧玄武岩(IAB)区,但在Jenner等的Nb/Th-Y火山弧和非火山弧环境判别图中,斜长角闪岩的Nb/Th=9.12~10.61(平均9.88),Nb/Th比值大于7.4,与原始地幔相比均显示正异常,即Th明显比Nb亏损,显示其为大洋中脊构造环境形成的拉斑玄武岩。上述结果表明,黄陵背斜南部庙湾蛇绿岩中似层状细粒斜长角闪岩的主量、微量和稀土元素地球化学特征与N-MORB型大洋中脊构造环境形成的拉斑玄武岩相似。因此,庙湾岩组中似层状细粒斜长角闪岩的原岩属略亏损地幔源区形成的大洋中脊拉斑玄武岩。3.2稀土元素地球化学黄陵背斜南部庙湾岩组镁铁质侵入岩主要以层状和块状变辉长岩岩体、岩脉及辉绿岩岩脉产出,并经历了强烈的变形和变质作用,但一些地段仍可见有典型的层状堆晶结构,以及辉长岩与辉绿岩互相侵入穿插的关系,表明变辉长岩、变辉绿岩的形成时代基本一致,反映它们是同一地质事件的产物。在Middlemost的火成岩SiO2-(Na2O+K2O)和Zr/TiO2-Nb/Y岩石化学分类图上,变辉长岩Nb/Y比值很低(0.06~0.07),样品点落入亚碱性辉长岩区。从变辉长岩样品的稀土元素配分型式可以看出,稀土元素配分型式呈平坦分布(图5-a)。稀土元素总量为5.43×10-6~8.69×10-6,LREE/HREE=1.85~2.03,(La/Yb)N=1.48-1.49,(La/Sm)N=1.88~1.89;La/Nb=0.86~1.19(平均1.04),Ce/Zr=0.13~0.17(平均0.15),Zr/Nb=17.31~20.41(平均18.78),Zr/Y=2.42~2.64(平均2.53),Ti/Y=218.62~255.32(平均236.97),Th/Yb=0.19~0.28(平均0.24),Nb/Yb=0.67~0.81(平均0.74)。轻、重稀土元素分异较弱,具明显的Eu正异常(δEu=2.08~2.93),表明有明显的斜长石堆晶作用存在,这与大洋地幔部分熔融形成的层状堆晶辉长岩一致。上述特征表明,庙湾岩组中的层状、块状辉长岩实际上是地幔部分熔融形成的堆晶岩浆岩[16,17,18,26,27,28,29,30]。3.3镁铁比值mg#黄陵背斜南部庙湾蛇绿岩中的超镁铁质岩以岩块、岩片产出的蛇纹石化纯橄岩、方辉橄榄岩和蛇纹岩最为常见。蛇纹石化程度一般可达50%~60%。蛇纹石化纯橄岩中的橄榄石属镁橄榄石,Fo=91.38~92.00。蛇纹石化纯橄岩主量元素的平均含量SiO2为40.27%、Al2O3为1.43%、Fe2O3为7.07%、FeO为1.75%、MgO为36.17%、CaO为0.15%、Na2O为0.03%、MnO为0.11%、TiO2为0.03%、P2O5为0.01%,镁铁比值Mg#=MgO/(MgO+TFeO)介于87~90之间,与洋壳底部变质地幔橄榄岩的特征一致,为弱亏损的地幔橄榄岩,暗示可能与N-MORB的成因有关。蛇纹石化纯橄岩稀土元素(REE)总量较低(1.77×10-6),(La/Yb)N=4.17,(La/Sm)N=3.04~6.40,显示轻稀土元素略富集,δEu=0.92,呈不明显的弱负异常,稀土元素配分型式表现为中稀土元素略亏损的U形特征(图5-a),这与造山带蛇绿岩中变质地幔橄榄岩(包括二辉橄榄岩、方辉橄榄岩和纯橄岩)的特征相似。蛇纹石化橄榄岩REE总量比地幔岩的稍高,轻稀土元素略富集,可能是后期强烈蛇纹石化蚀变吸附较多轻稀土元素(LREE)的结果。4黄陵背斜南部吾区中元古代岩组超镁铁—构造意义黄陵背斜南部太平溪—邓村一带前南华纪崆岭岩群中的庙湾蛇绿岩位于扬子克拉通北部边缘,出露的超镁铁—镁铁质岩、玄武岩及硅质岩、大理岩岩石组合与典型的蛇绿岩岩石单元组合一致,而且各岩石单元之间为构造接触关系,表明为一套具密切成因关系的构造蛇绿混杂岩系。似层状细粒斜长角闪岩具大洋中脊拉斑玄武岩的岩石地球化学特征,明显不同于板内玄武岩,也不同于许多元古宙具俯冲带岛弧特征的低Ti的钙碱性玄武岩,这种情况通常出现在大洋中脊构造环境[17,36,37,38,39,40,41]。变辉长岩具典型的层状堆晶结构和明显的Eu正异常,变辉长岩、变辉绿岩呈岩脉状互相穿插,指示辉长岩和辉绿岩的形成时代一致,显示地幔部分熔融形成的堆晶岩浆岩的特征。蛇纹石化纯橄岩的稀土元素配分型式具典型的U形特征,与洋壳底部地幔橄榄岩的稀土元素配分型式相似,而与层状、块状变辉长岩和细粒斜长角闪岩的稀土元素配分型式明显不同,表明蛇纹石化纯橄岩很可能是经历了地幔部分熔融的地幔岩。超镁铁—镁铁质岩的上述特征表明,黄陵背斜南部太平溪—邓村一带前南华纪崆岭岩群庙湾岩组的超镁铁—镁铁质岩,实际上是由变质地幔岩(蛇纹石化橄榄岩、方辉橄榄岩)、地幔岩部分熔融聚集形成的堆晶岩浆岩(变辉长岩、辉绿岩)和大洋中脊构造环境形成的拉斑玄武岩(斜长角闪岩)所构成的蛇绿岩岩石组合,经