內(nèi)蒙古北山小紅山巖組變形特征及地質(zhì)意義

張兆琪， 潘永勝， 衛(wèi)彥升， 段春森， 劉 暢， 李奎芳

(山西省地質(zhì)調(diào)查院，太原 030001)

0 引言

近年來在內(nèi)蒙古自治區(qū)與甘肅省交界的北山地區(qū)，發(fā)現(xiàn)了豐富的礦產(chǎn)資源。隨即開展了多項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查與研究，對(duì)北山造山帶構(gòu)造演化存在不同的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)紅石山—百合山—蓬勃山古生代構(gòu)造帶(蛇綠巖帶)構(gòu)造屬性及形成時(shí)代等認(rèn)識(shí)存在很大分歧[1-16]。通過“內(nèi)蒙古1∶5萬額勒斯圖渾迪等幅區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查”項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了大紅山南出露一套變質(zhì)基底，該套巖石無底無頂，變形變質(zhì)強(qiáng)烈，分不出層序，故稱之為小紅山巖組。本文針對(duì)小紅山巖組開展討論，為紅石山—百合山—蓬勃山古生代構(gòu)造帶(蛇綠巖帶)的研究提供了新素材。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)與甘肅省交界的北山地區(qū),哈薩克斯坦板塊[17](馬鬃山微陸塊)北緣增生帶上(圖1)。區(qū)內(nèi)古生代地層隸屬于塔里木—南疆地層大區(qū)，中南天山—北天山地層區(qū)的覺羅塔格—黑鷹山地層分區(qū)。中新生代地層屬天山地層區(qū)的北天山地層分區(qū)[18]。紅石山—百合山—蓬勃山古生代構(gòu)造帶(蛇綠巖帶)從區(qū)內(nèi)通過。區(qū)內(nèi)該構(gòu)造帶南、大紅山東出露一套變質(zhì)基底，無底無頂，被稱為小紅山巖組，是此次研究新厘定的地質(zhì)體。該巖組為一套海相細(xì)碎屑巖夾中基性火山巖及磁鐵石英巖組合，以含硅鐵建造及變質(zhì)基性火山巖為特征，變形變質(zhì)強(qiáng)烈。

1.大南湖—雀兒山—狐貍山早古生代活動(dòng)陸緣帶； 2.雅滿蘇—紅石山—黑鷹山晚古生代陸內(nèi)裂谷帶; 3.星星陜—明水—旱山地塊; 4.公婆泉—東山七—山早古生代活動(dòng)陸緣帶; 5.敦煌微板塊

2 地層特征

巖石組合主要為一套淺變質(zhì)細(xì)碎屑巖夾少量硅質(zhì)巖、變質(zhì)基性火山巖組合。巖性為灰色、灰黑色變質(zhì)細(xì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖、絹云千枚巖、粉砂質(zhì)千枚巖、絹云母石英片巖、二云石英片巖夾深灰色含榴粉砂質(zhì)千枚巖、灰黑色斜長角閃巖、灰綠色安山質(zhì)糜棱巖、灰黑色磁鐵石英巖及少量硅質(zhì)巖等。其下部以發(fā)育斜長角閃巖、變質(zhì)中基性火山巖及磁鐵石英巖為特征，上部則主要為一套碎屑巖組合，二者無明顯界線。野外宏觀觀測巖石變形強(qiáng)烈，普遍糜棱巖化，可見多期面理，經(jīng)歷多期次構(gòu)造活動(dòng)，發(fā)育大型塑性褶皺。上述各類中低級(jí)變質(zhì)巖說明變質(zhì)作用達(dá)到了高綠片巖—低角閃巖相。該組北部被上石炭統(tǒng)白山組角度不整合覆蓋，南部被早泥盆世、晚石炭世侵入巖侵入(圖2)。區(qū)內(nèi)未見頂?shù)祝雎睹娣e約140 km2，厚約2 890 m。

1.地質(zhì)界線； 2.角度不整合界線； 3.巖性界線； 4.巖相界線； 5.線理； 6.含鐵層； 7.玄武巖； 8.脆性斷層； 9.韌性剪切帶； 10.糜棱面理趨勢線； 11.層理產(chǎn)狀； 12.片理產(chǎn)狀； 13.糜棱面理產(chǎn)狀； 14.流面理產(chǎn)狀； 15.節(jié)理產(chǎn)狀； 16.千枚理產(chǎn)狀； 17.剖面位置; S3x.小紅山巖組； C2b1.白山組一段； N2k.苦泉組； Qhal.全新統(tǒng)松散狀沖積砂礫； γδzcC2.中粗粒花崗閃長巖； γδzxC2.中細(xì)?；◢忛W長巖； γδοzxC2.中細(xì)粒英云閃長巖； δοC2.石英閃長巖； ηγβzxC2.中細(xì)粒黑云二長花崗巖； γοzx C2.中細(xì)粒奧長花崗巖； γδxD1.細(xì)?；◢忛W長質(zhì)糜棱巖； γπ.花崗斑巖脈； γδ.花崗閃長巖脈； ξπ.正長斑巖脈； ηοπ.石英二長斑巖脈； γδπ.花崗閃長斑巖脈； ηπ.二長斑巖脈； γ.花崗巖脈； ν.輝長巖脈； δ.閃長巖脈； πδ.斑狀閃長巖脈； πηδο.石英二長閃長斑巖脈； δο.石英閃長巖脈

該套地層巖石組合橫向變化較大，研究區(qū)西部小紅山北一帶，發(fā)育變質(zhì)玄武巖及磁鐵石英巖組合，且南部多以灰黑色斜長角閃巖為主，而北側(cè)則以灰綠色安山質(zhì)糜棱巖、玄武安山質(zhì)糜棱巖為主； 研究區(qū)東部大紅山南及其以東則以一套細(xì)碎屑巖為主，可見少量透鏡狀產(chǎn)出的變質(zhì)中基性火山巖夾層和串珠狀斷續(xù)分布的薄層磁鐵石英巖。橫向上自東向西呈基性、中基性火山巖及磁鐵石英巖組合減少、碎屑巖增多的趨勢。

該套地層在研究區(qū)西南部大紅山南一帶，被早泥盆世細(xì)粒花崗閃長巖((399±3) Ma)、晚泥盆世花崗閃長巖脈((376±2.5) Ma)、早石炭世石英閃長巖((337±1) Ma)侵入，侵入巖中可見包體分布，限定該地層的上限為早泥盆世； 對(duì)該組中含榴長石石英巖先后取了3個(gè)樣品進(jìn)行碎屑鋯石測年，分別獲得碎屑鋯石年齡為(464±2) Ma、(463.9±2.2) Ma和(436.5±1.4) Ma。綜合分析確定該巖組時(shí)代為晚志留世[19]。

3 構(gòu)造變形特征

根據(jù)小紅山巖組及相鄰地質(zhì)體新生面理發(fā)育程度、交切關(guān)系、面理褶皺等因素，將小紅山巖組所經(jīng)受的變形分為4次： 野外小紅山巖組先存面理(S1)非常發(fā)育，表明經(jīng)歷第一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)； 這些先存面理(S1)被褶皺了，說明有第二次運(yùn)動(dòng)； 這些褶皺又被帶狀的剪切帶改造，表明有第三次運(yùn)動(dòng)的疊加； 最后被脆性斷層斷開，說明有第四次運(yùn)動(dòng)。

3.1 第一次變形構(gòu)造形跡

泥盆紀(jì)末期板塊強(qiáng)烈俯沖，使小紅山巖組受到順層韌性剪切的作用。該構(gòu)造形跡包括普遍發(fā)育一組透入性糜棱面理、片理或片麻理(S1)、近EW向的L構(gòu)造巖和A型褶皺等。

(1)片理(糜棱面理) S1。在野外露頭尺度上，新生片理S1一般與層理S0基本一致。小紅山巖組中大面積發(fā)育的片理和片麻理(糜棱面理)(圖3)等都是此次運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造行跡。小紅山巖組斜長角閃巖強(qiáng)片理化，并有淺色長英質(zhì)脈體順片理貫入。脈體發(fā)育微小褶皺，常表現(xiàn)為腸狀褶皺、鉤狀褶皺等。

圖3 小紅山巖組中普遍發(fā)育的片理(糜棱面理)

(2)L構(gòu)造巖。在全區(qū)都可見到石英砂巖、粉砂巖強(qiáng)烈定向，形成針狀L構(gòu)造巖(圖4左)和桿狀L構(gòu)造巖，以及砂質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化砂巖、糜棱巖化粉砂巖等。構(gòu)造巖基性火山巖及基性侵入巖中表現(xiàn)強(qiáng)烈，形成玄武質(zhì)安山質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化輝長巖。這些糜棱巖礦物強(qiáng)烈定向排列。

圖4 小紅山巖組針狀L構(gòu)造巖(左)和石英巖小型褶皺(右)

(3)A型褶皺。此類小型褶皺全區(qū)可見。規(guī)模不大，僅為露頭尺度。產(chǎn)在強(qiáng)韌性變形帶中，褶皺樞紐與L構(gòu)造巖中線理、A型線理等平行一致(圖4右)。

L構(gòu)造巖和A型線理的形成均與線狀力[20]作用有關(guān)。當(dāng)密集的、彼此平行的線狀力作用于礦物或礦物集合體時(shí)，礦物或礦物集合體長軸平行于線狀力的方向排列，所以A型線理代表力的作用方向。新生片理S1的形成與面狀力作用有關(guān)。

3.2 第二次變形構(gòu)造形跡

第二次變形構(gòu)造形跡是石炭紀(jì)時(shí)期板塊強(qiáng)烈俯沖階段作用的產(chǎn)物。該期構(gòu)造形跡以大規(guī)模褶皺構(gòu)造為主，其影響范圍大，但不均一。小紅山巖組先存面理(S1)形成的褶皺較為緊閉，而在侵入巖中形成的褶皺較為開闊，這可能與巖石的均一性、能干性有關(guān)。

衛(wèi)片影像反映小紅山巖組褶皺比較清楚(圖5)，參與褶皺的面理為華力西早期形成的先成糜棱面理(大部分地區(qū)與層理一致)，褶皺規(guī)模較大，單個(gè)褶皺長3 km，寬1～2 km，其軸向近EW向，褶皺西端為揚(yáng)起端，樞紐產(chǎn)狀80°～120°∠30°～40°。長 6～7 km，寬1.5～2.5 km。

褶皺南北分別被晚期的小紅山韌性剪切帶和大紅山韌性剪切帶分隔，西端延伸出圖，東端被晚期斷裂切割。褶皺平面上呈平臥的“M”形褶皺群落，受褶皺影響，中基性火山巖及磁鐵石英巖多次重復(fù)出現(xiàn)(圖2)。褶皺樣式以軸面直立、對(duì)稱為主。無論是背斜還是向斜(圖6,圖7)均能反映出此特點(diǎn)。

圖5 衛(wèi)片影像反映小紅山巖組發(fā)生大規(guī)模褶皺

1.玄武安山巖； 2.粉砂質(zhì)板巖+硅質(zhì)板巖； 3.絹英片巖； 4.粉砂質(zhì)千枚巖； 5.絹云千枚巖； 6.變質(zhì)砂巖； 7.石英巖；8.輝長巖； 9.閃長巖； 10.花崗閃長巖； 11.石英閃長巖； 12.含榴二云母變粒巖； 13.糜棱巖化； 14.韌性強(qiáng)變形帶

圖7 小紅山巖組片理褶皺

小型褶皺樣式差異較大，也是因?yàn)椴煌瑤r性、不同能干性，形成的褶皺或開闊或緊閉。比如小紅山巖組斜長角閃巖能干性強(qiáng)，形成的褶皺比較開闊。石英片巖能干性弱，形成的褶皺比較緊閉。石英巖能干性介于兩者之間，形成的褶皺緊閉程度也介于兩者之間。南部后期侵入體的侵入破壞了褶皺的完整性，但從殘存的形跡分析，褶皺形態(tài)不規(guī)則，總體形成一復(fù)式的開闊褶皺，但其次級(jí)褶皺較為緊閉，軸向近EW向，軸面直立、對(duì)稱為主。

3.3 第三次變形構(gòu)造形跡

第三次變形構(gòu)造普遍發(fā)育糜棱巖化作用，韌性變形強(qiáng)烈。主要形成不同規(guī)模、強(qiáng)弱各異的韌性剪切帶。受該期構(gòu)造的影響，在區(qū)內(nèi)已確定2條規(guī)模較大的韌性剪切帶。

3.3.1 大紅山韌性剪切帶

大紅山韌性剪切帶位于研究區(qū)中南部，EW向展布，長約26 km，寬0.4～1.1 km,向西延伸出圖,向東被晚期NW向斷裂截切而終止。該剪切帶西部發(fā)育于小紅山巖組中，寬300～500 m，剪切帶明顯錯(cuò)斷了華力西中期形成的褶皺構(gòu)造。東部發(fā)育于志留系小紅山巖組與石炭系白山組之間，但受影響最大的地層為志留系小紅山巖組含鐵建造，少部分為石炭系白山組火山巖。剪切帶巖石變形顯著增強(qiáng)，向南北兩側(cè)減弱。帶內(nèi)巖石主要有千糜巖、安山質(zhì)糜棱巖、長英質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化砂巖等。主糜棱面產(chǎn)狀以170°～220° ∠60°～75°為主。帶內(nèi)礦物均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的定向性，形成針狀L構(gòu)造巖和桿狀L構(gòu)造巖。多呈近EW向排列。構(gòu)造巖以石英巖質(zhì)糜棱巖為主，石英顆粒強(qiáng)烈定向。糜棱面理可見礦物拉伸線理，微小褶皺發(fā)育，常表現(xiàn)為腸狀褶皺、鉤狀褶皺，新生長英質(zhì)脈也發(fā)生褶皺。白山組火山巖受韌性剪切影響，形成安山質(zhì)糜棱巖。拉伸線理、旋轉(zhuǎn)碎斑等構(gòu)造也較為常見，旋轉(zhuǎn)碎斑核以長石斑晶為主，尾由重結(jié)晶的石英、長石、黑云母等微粒組成，以“σ”旋轉(zhuǎn)碎斑較為常見。顯微構(gòu)造顯示，石英具定向拉長、波狀消光。常見石香腸構(gòu)造、“δ” 旋轉(zhuǎn)斑、“σ”旋轉(zhuǎn)斑、不對(duì)稱褶皺等。

3.3.2 小紅山韌性剪切帶

小紅山韌性剪切帶位于研究區(qū)的南部，平面上呈近EW—NW向弧形展布，長約17 km，寬0.3～1.5 km不等。該帶向西延伸出圖，向南東延伸糜棱巖化作用減弱，并被第四系覆蓋。主糜棱面理傾向北或北西，傾角50°～80°。韌性剪切帶北側(cè)為小紅山巖組、早泥盆世細(xì)粒變質(zhì)花崗閃長巖，南側(cè)為晚石炭世黑云母二長花崗巖、奧長花崗巖、花崗閃長巖等。剪切帶內(nèi)巖石組合為英云閃長質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化英云閃長巖、糜棱巖化黑云母二長花崗巖、糜棱巖化黑云母花崗巖、長英質(zhì)糜棱巖、斜長角閃質(zhì)糜棱巖、長英質(zhì)千糜巖等。糜棱面理發(fā)育一組礦物拉抻線理，線理傾伏角18°～35°。英云閃長質(zhì)糜棱巖發(fā)育桿狀L構(gòu)造巖，閃長質(zhì)糜棱巖中發(fā)育的糜棱面理及條帶發(fā)生了褶皺，英云閃長質(zhì)糜棱巖中發(fā)育礦物拉伸線理，黑云二長花崗質(zhì)糜棱巖礦物定向排列，發(fā)育糜棱面理花崗質(zhì)巖石，主要由碎斑和糜棱基質(zhì)兩部分組成，碎斑部分礦物顆粒相對(duì)粗大，礦物大小0.5～4.5 mm，長石呈透鏡狀、壓扁狀，石英呈拔絲狀、條帶狀，碎斑內(nèi)礦物有少量裂隙紋，裂隙紋內(nèi)充填少量糜棱基質(zhì)?；|(zhì)成分以微—細(xì)粒長英糜棱質(zhì)和鱗片狀黑云母為主，礦物大小0.02～0.5 mm，多數(shù)為0.05～0.2 mm ，黑云母呈現(xiàn)細(xì)條紋狀或壓力影，顯示流動(dòng)構(gòu)造特征。

需要特別注意的是，在紅山鐵礦北側(cè)發(fā)現(xiàn)糜棱面理(S1)2期褶皺的疊加(圖8)。早期褶皺D0，樞紐方向NE30°走向，被晚期EW走向D5、D6褶皺疊加改造。西邊2條花崗閃長巖脈也隨之發(fā)生褶皺。

1.糜棱面理趨勢線； 2.韌性剪切帶； 3.巖性界線； 4.混雜帶內(nèi)部界線； 5.片理； 6.糜棱面理產(chǎn)狀； 7.層理； 8.線理； 9.一期褶皺樞紐(D0)； 10.二期褶皺樞紐(D5、D6)； S3x.小紅山巖組； N2k.苦泉組； (myl+Ph)S3.強(qiáng)片理化糜棱巖+千枚巖； SSS3.強(qiáng)片理化砂巖； βC1.變玄武巖； γπ.花崗斑巖脈； δo.石英閃長巖脈； γδ.花崗閃長巖脈； γδπ.花崗閃長斑巖脈； δ.閃長巖脈

3.4 第四次變形構(gòu)造形跡

此次變形以脆性變形為主，發(fā)育多條脆性斷層，其中以大紅山山前斷裂帶為代表。大紅山山前斷裂帶橫貫研究區(qū)東西，長約41 km。主斷裂北側(cè)主體為石炭系地質(zhì)體，南側(cè)主體為志留系小紅山巖組。主斷裂兩側(cè)地質(zhì)體在20 m范圍內(nèi)強(qiáng)變形，而后向兩側(cè)減弱。帶內(nèi)巖石主要有千糜巖、安山質(zhì)糜棱巖、長英質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化砂巖等破碎角礫。斷裂西段表現(xiàn)為脆性特征，斷裂北側(cè)為具有塊狀構(gòu)造的白山組安山巖，斷裂南側(cè)為糜棱巖化的小紅山巖組。斷裂通過處發(fā)育沖溝等負(fù)地形，斷面特征不清； 斷裂中段斷面清楚，斷面產(chǎn)狀為168°∠66°； 斷裂南側(cè)巖性為小紅山巖組安山質(zhì)糜棱巖(圖9)，糜棱面理產(chǎn)狀為157°∠63°，北側(cè)巖性為白山組糜棱巖化安山巖，層理產(chǎn)狀為330°∠35°，劈理產(chǎn)狀為155°∠73°，兩期面理的產(chǎn)狀為315°∠73°和2°∠75°； 斷裂東段表現(xiàn)為脆韌性特征，主斷裂兩側(cè)具有寬10～30 m的糜棱巖化帶，北側(cè)為綠條山組糜棱巖化砂巖，南側(cè)為圓錐山組糜棱巖化玄武安山巖，斷面產(chǎn)狀為145°∠56°。這些構(gòu)造行跡的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征相匹配，顯示華力西期構(gòu)造變形十分強(qiáng)烈。

S3x.小紅山巖組； C2b.白山組

4 地質(zhì)意義

1∶20萬紅石山幅[21]將小紅山巖組劃歸為石炭系白山群上亞群。但在《內(nèi)蒙古自治區(qū)巖石地層》[18]中，將白山組定義為一套火山巖的巖石組合。研究區(qū)內(nèi)小紅山巖組中雖然含基性火山巖，但含量較少，且呈夾層產(chǎn)出,故不能定為白山組。1∶25萬紅寶石幅[22]將小紅山巖組劃歸為石炭系掃子山組，也同樣與石炭系掃子山組原始定義不符。故本次調(diào)查新定為晚志留世小紅山巖組，并對(duì)其構(gòu)造變形特征進(jìn)行了分析討論。

(1)解決了研究區(qū)內(nèi)原來的石炭系白山組巖性和變形、變質(zhì)不統(tǒng)一的問題。以前大紅山以北白山組巖性以火山巖為主，變形與變質(zhì)很弱； 而大紅山以南白山組巖性為一套海相細(xì)碎屑巖，夾中基性火山巖以及磁鐵石英巖組合，且能分出4期變形和2期變質(zhì)。

(2)確定了該地區(qū)最古老的地層是晚志留世，而且經(jīng)歷多期次變形變質(zhì)。因?yàn)槭悄挲g最老的填圖單位，多期次的變形與變質(zhì)在其中留有信息，所以對(duì)鋯石的研究很重要。所得各組鋯石年齡信息是建立構(gòu)造演化序列的依據(jù)。

(3)該套地層緊鄰或產(chǎn)于紅石山—百合山—蓬勃山古生代構(gòu)造帶中，是研究北山造山帶的熱點(diǎn)地區(qū)之一。小紅山巖組的確立及構(gòu)造變形的研究，特別是小紅山巖組多期次變形變質(zhì)，證明了紅石山—百合山—蓬勃山古生代構(gòu)造帶(蛇綠巖帶)的存在，其形成時(shí)代也是構(gòu)造帶活動(dòng)的下限，為北山地區(qū)早古生代的研究提供了新的實(shí)際素材。

(4)該套地層中所含硅鐵建造也是進(jìn)行鐵礦勘查的有利地段。

5 結(jié)論

該巖組明顯經(jīng)歷4次變形： 前3次變形為韌性變形，形成了透入性面理S1、大型褶皺、韌性剪切帶等構(gòu)造形跡； 后一次變形以脆性變形為特色，形成了較大規(guī)模的斷層帶。

(1)第一次構(gòu)造變形，發(fā)生于泥盆紀(jì)末期板塊強(qiáng)烈俯沖，小紅山巖組受到順層韌性剪切的作用。該構(gòu)造形跡包括普遍發(fā)育一組透入性糜棱面理、片理或片麻理(S1)和發(fā)育近EW走向的L構(gòu)造巖和A型褶皺等。L構(gòu)造巖和A型線理均為線狀力作用的結(jié)果。伴隨此次變形發(fā)生了低角閃巖相區(qū)域變質(zhì)作用。

(2)第二次構(gòu)造變形，是石炭紀(jì)時(shí)期板塊強(qiáng)烈俯沖階段作用的產(chǎn)物，使小紅山巖組先存面理(S1)發(fā)生褶皺。該期構(gòu)造形跡以大規(guī)模褶皺構(gòu)造為主，其影響范圍大，但不均一。

(3)第三次構(gòu)造變形，發(fā)生于早石炭世末期，區(qū)內(nèi)進(jìn)入陸弧碰撞階段。普遍發(fā)育糜棱巖化作用，韌性變形強(qiáng)烈，主要形成不同規(guī)模、強(qiáng)弱各異的韌性剪切帶。區(qū)內(nèi)業(yè)已確定的2條規(guī)模較大的韌性剪切帶為大紅山韌性剪切帶和小紅山韌性剪切帶。

(4)第四次構(gòu)造變形以脆性變形為主，是早二疊世晚期強(qiáng)烈造山作用產(chǎn)物。發(fā)育多條脆性斷層，以大紅山山前斷裂帶為代表。

致謝： 參加項(xiàng)目工作的還有山西省地質(zhì)調(diào)查院劉成如、武俊高、楊耀華、楊五寶高級(jí)工程師及吳仲華、閆濤、張超、李猛興、王志強(qiáng)工程師等，以上成果是集體智慧結(jié)晶。文中英文摘要由山西省地質(zhì)調(diào)查院王童工程師翻譯，特此表示感謝。