白云鄂博地區(qū)好沁-尖山北逆沖推覆構(gòu)造及其對碳酸巖深部延伸的制約*

趙育龍 張繼恩 范宏瑞 徐亞 王建 趙永崗 王其偉 譚肖博

稀土是現(xiàn)代工業(yè)的維生素,是關(guān)鍵的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源。白云鄂博作為世界上最大的稀土礦,其資源儲量影響著全球稀土資源配置的格局(范宏瑞等, 2020, 2022)。越來越多研究支持白云鄂博賦存稀土礦的碳酸巖為中元古代幔源巖漿成因的觀點(Zhangetal., 2017; Yangetal., 2019; Tangetal., 2021; 范宏瑞等, 2022)。當(dāng)?shù)V床品位一定時,對該礦床深部延伸特征的認識將影響著稀土資源儲量的評估(柯昌輝等, 2021a, b)。理論上,碳酸巖在深部有巖漿通道,可以往深部延伸(Zhangetal., 2017; Wangetal., 2018; Yangetal., 2019)。礦區(qū)淺部位置的高速剪切波速度體對應(yīng)于含稀土礦和磁鐵礦的碳酸巖,如果碳酸巖持續(xù)向深部延伸,剪切波速度應(yīng)該保持不變。但近年來剪切波速度結(jié)構(gòu)研究結(jié)果顯示:礦區(qū)在2.5km深度處速度有快速的突變,從2.8～3.2km/s降低到<2.6km/s (Zhuetal., 2023),顯示出與理論預(yù)測的、有巖漿通道的碳酸巖的形態(tài)有所不同。然而,現(xiàn)有鉆孔尚無法達到該深度,不能獲取該界面處的巖石樣品和構(gòu)造信息,不能限定該異常的意義及碳酸巖深部的延伸情況。本研究把剖面上的界面巖性問題轉(zhuǎn)換為解析礦區(qū)及其鄰區(qū)地質(zhì)體在地表的接觸關(guān)系問題,將剖面上與平面上的構(gòu)造樣式進行對比,從而探討碳酸巖在深部的延伸。

前人認為白云鄂博北部發(fā)育的寬溝斷裂是礦區(qū)最重要的斷層(圖1b、圖2)(郝梓國等, 2002),然其南北地層并無明顯的區(qū)別,均有碳酸巖和變石英砂巖,碎屑鋯石具相似的1.9Ga和2.5Ga的年齡峰值(楊奎鋒等, 2012; Zhouetal., 2018; Lai and Yang, 2019; 鐘焱等, 2019)。已有研究資料顯示:白云鄂博礦區(qū)及周緣地層出露古-中元古代變石英砂巖和1.3Ga的賦礦碳酸巖(范宏瑞等, 2002; 王凱怡等, 2012; Zhangetal., 2017)。而礦區(qū)北部到烏蘭寶力格斷層之間出露砂巖和灰?guī)r(圖1b),零星地報道有形態(tài)保存較差的古生代珊瑚-三葉蟲化石產(chǎn)出(孫淑芬, 1992; 張鵬遠等, 1993; 章雨旭等, 2012),因此它們的沉積時代仍然存在著爭議:到底是屬于古-中元古代(內(nèi)蒙古自治區(qū)第一區(qū)域地質(zhì)研究院第一、二分隊, 1996(1)內(nèi)蒙古自治區(qū)第一區(qū)域地質(zhì)研究院第一、二分隊. 1996. 中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查圖, 白云鄂博幅(1:50000)及說明書)、還是古生代(地質(zhì)部內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局, 1966(2)地質(zhì)部內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局. 1966. K-49-20白云鄂博幅1:200000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告)?不過,以上資料足以表明白云鄂博地區(qū)可能存在著兩個時期的地層。然而,它們的邊界位置與寬溝斷裂并不重疊(圖1b、圖2),兩個時期的地層是以何種關(guān)系接觸、對白云鄂博碳酸巖的深部延伸有怎樣的可能影響等問題尚未開展相關(guān)研究。本文通過巖性-構(gòu)造填圖(圖2)、構(gòu)造解析和年齡分析測試,識別出兩時期地層之間存在著一條大型逆沖斷層,本文將其命名為“好沁-尖山北逆沖斷層”;通過解析該逆沖斷層,探討了它對于白云鄂博地區(qū)地質(zhì)體深部延伸的影響與控制,為評估白云鄂博賦稀土礦碳酸巖深部延伸提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 白云鄂博及鄰區(qū)地質(zhì)圖(a)華北克拉通北緣與中亞造山帶南緣示意圖,顯示白云鄂博礦區(qū)和侏羅紀逆沖斷層發(fā)育點;(b)白云鄂博區(qū)域地質(zhì)圖及(c)剖面圖(據(jù)地質(zhì)部內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局, 1966改繪),顯示白堊紀礫巖和砂巖不整合覆蓋在老的巖石單元和好沁-尖山北逆沖斷層之上, 值得注意的,好沁-尖山北逆沖斷層與寬溝斷裂并不重疊. Q-第四系;K-白堊系;J-侏羅系;C-石炭系;-O-寒武系-奧陶系;Pt-古元古界Fig.1 Geological map of the Bayan Obo and adjacent areas(a) schematic map of northern margin of the North China Craton and southern margin of the Central Asian Orogenic Belt, showing location of the Bayan Obo mine and those preserving Jurassic thrust faults; (b) geological map and (c) cross section of the Bayan Obo and surrounding areas, showing widespread Cretaceous conglomerate and sandstone unconformably overlay all older rock units and the Haoqin-North Jianshan Thrust Fault. Note the different locations of the Haoqin-North Jianshan Thrust Fault defined in this paper and previously defined Kuangou fault. Q-Quaternary; K-Cretaceous; J-Jurassic; C-Carboniferous; -Cambrian; Pt-Paleoproterozoic

圖2 白云鄂博礦區(qū)及北部巖性-構(gòu)造地質(zhì)圖

1 區(qū)域地質(zhì)背景

白云鄂博位于華北克拉通北緣,與北側(cè)的中亞造山帶相接(圖1a)(Tianetal., 2021);部分研究者認為克拉通與造山帶的界線沿烏蘭寶力格斷裂帶發(fā)育(李普慶等, 2023)。白云鄂博到水源頭區(qū)域內(nèi)出露片麻巖、沉積巖、賦稀土礦的碳酸巖和巖漿巖。片麻巖出露于區(qū)域的中部和南部,形成于太古代和古元古代,被認為是白云鄂博地區(qū)的基底巖石(圖1b)(范宏瑞等, 2010)。沉積巖包括古元古代、古生代和白堊紀地層, 1:5萬地質(zhì)圖認為區(qū)域內(nèi)全部發(fā)育元古代地層,屬于白云鄂博群(內(nèi)蒙古自治區(qū)第一區(qū)域地質(zhì)研究院第一、二分隊,1996;郝梓國等,2002; Sunetal., 2014),主體為變石英砂巖和板巖,碎屑鋯石以1.9Ga和2.5Ga為峰值(楊奎鋒等, 2012; Zhouetal., 2018; Lai and Yang, 2019; 鐘焱等, 2019);而在之前的1:20萬地質(zhì)圖中則認為區(qū)域內(nèi)全部發(fā)育古生代地層,產(chǎn)出有珊瑚和微體化石(地質(zhì)部內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局,1966);通過分析已有化石證據(jù)(孫淑芬,1992;張鵬遠等,1993; 章雨旭等, 2012)以及本次研究成果,本文厘定了白云鄂博地區(qū)古元古代和古生代地層的分布范圍,將在章節(jié)3詳細介紹它們的特征。

白云鄂博賦稀土礦碳酸巖侵位于古元古代地層之中(范宏瑞等, 2009; Zhangetal., 2017),被認為產(chǎn)出于中元古代狼山-渣尓泰-白云鄂博裂谷帶內(nèi)(楊奎鋒等, 2012),副礦物同位素年齡顯示其形成于1.3Ga,為幔源巖漿成因的碳酸巖(Zhangetal., 2017; Yang and Yang, 2019; Tangetal., 2021)。白云鄂博礦床被認為屬于原位地質(zhì)體,理論上其可有深部延伸;然近年來剪切波速度結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果顯示礦區(qū)2.5km深度處有明顯的速度突變(Zhuetal., 2023)。烏蘭寶力格斷裂以南到礦區(qū)附近大面積出露花崗巖,侵位于260～280Ma(范宏瑞等, 2009; 裘愉卓等, 2011),遠晚于碳酸巖的形成時代。區(qū)域內(nèi)廣泛出露的白堊紀地層不整合在其他地層和巖漿巖之上(內(nèi)蒙古自治區(qū)第一區(qū)域地質(zhì)研究院第一、二分隊, 1996)。

白云鄂博北部的尖山東北側(cè)出露有灰?guī)r,發(fā)育豐富的早寒武世的微古植物,以刺球藻群為主要特征,其中Baltisphaeridium和Micrhystridium屬的分子占絕對優(yōu)勢(孫淑芬, 1992)。賽烏蘇東南側(cè)黑色板巖中的硅質(zhì)巖,保存完好的多門類早寒武世微體動物化石,其中以軟舌螺類Hyolithellussp.、齒形類Bayanodusminus(gen. et sp. nov.)和海綿骨針占優(yōu)勢。比魯特東南側(cè)厚層灰?guī)r中發(fā)育早、中奧陶世的群體床板珊瑚,其中主要產(chǎn)出塊狀群體Lichenariasp.和叢狀群體Rhabdotetradiymsp.(張鵬遠等, 1993)(圖1b)。

華北克拉通北緣在侏羅紀時期廣泛發(fā)育逆沖斷層,如包頭北、大青山、呼和浩特和白乃廟地區(qū),元古代和古生代地層逆沖到晚期地層之上,其中卷入的最年輕地層為侏羅紀地層(圖1a) (鄭亞東等, 1998; 陳志勇等, 2000, 2002)。白云鄂博區(qū)域內(nèi)構(gòu)造包括褶皺和斷層,其中斷層最為發(fā)育。北西-南東走向的烏蘭寶力格-哥舍斷裂被認為是華北克拉通與中亞造山帶的邊界斷層(李普慶等, 2023);寬溝斷裂被認為是礦區(qū)最為重要的斷層,形成于裂谷時期,呈東西走向(張鵬遠等, 1993; 郝梓國等, 2002;周建波等, 2002;柯昌輝等, 2021b),然其南北兩側(cè)地層相同,均產(chǎn)出有碳酸巖和變石英砂巖。

2 年齡測試方法及結(jié)果

2.1 分析方法

鋯石U-Pb年代學(xué)測試在北京快科賽默科技有限公司完成,實驗儀器為安捷倫公司串聯(lián)四級桿電感耦合等離子體質(zhì)譜(Agilent ICP-MS/MS 8900),搭載ESI公司準分子激光剝蝕系統(tǒng)New Wave NWR 193UC。激光采樣為單點剝蝕,束斑和頻率分別為20μm和5Hz,能量密度為3.5J/cm2,載氣為高純He氣,流速為700ml/min。待激光剝蝕系統(tǒng)和ICP-MS/MS都開機預(yù)熱完畢后利用NIST SRM610調(diào)諧使儀器的各項指標(biāo)正常。測試樣品時使用91500鋯石進行同位素分餾校正,監(jiān)控標(biāo)樣為Pleovice鋯石。

離線數(shù)據(jù)處理采用澳大利亞墨爾本大學(xué)同位素研究組開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件Iolite (Patonetal., 2010),該軟件優(yōu)化了剝蝕孔下分餾模型,同時可調(diào)用激光日志文件,數(shù)據(jù)處理更加快捷與專業(yè)。鋯石U-Pb年齡協(xié)和圖與206Pb/238U加權(quán)平均年齡繪圖計算使用IsoPlot 4.15。監(jiān)控標(biāo)樣測試年齡值與推薦值在誤差范圍內(nèi)一致。

磷灰石微量元素含量和U-Pb年齡分析在北京快科賽默科技有限公司完成,實驗儀器為安捷倫公司串聯(lián)四級桿電感耦合等離子體質(zhì)譜(Agilent ICP-MS/MS 8900),搭載ESI公司準分子激光剝蝕系統(tǒng)New Wave NWR 193UC。磷灰石單顆粒(在環(huán)氧樹脂中固定和拋光)的剝蝕物質(zhì)在進入ICP-QQQ之前,先與He、N2和Ar混合。在ICP-QQQ和激光剝蝕系統(tǒng)預(yù)熱之后,利用NIST SRM612調(diào)諧使儀器的各項指標(biāo)正常(232Th16O+/232Th+比值≤0.2%;238U+/232Th+比值在0.95～1.05之間)。

使用磷灰石Madagascar為U-Pb年齡測定的參考標(biāo)樣進行同位素分餾校正,磷灰石McClure Mountain為監(jiān)控標(biāo)樣(Schoene and Bowring, 2006; Thomsonetal., 2012)。以NIST SRM 612為標(biāo)樣利用內(nèi)標(biāo)法(主量元素Ca)對微量元素進行校正。這些參考標(biāo)樣在分析8個未知樣品點前后進行兩次分析。在10s背景采集后,以直徑為35μm或40μm束斑、能量為 ～3J/cm2、頻率為5Hz對選定的顆粒和參考標(biāo)樣進行30s的剝蝕,具體實驗流程參考Xiangetal. (2021)。離線數(shù)據(jù)處理采用數(shù)據(jù)處理軟件Iolite (Patonetal., 2011)。由于磷灰石U-Pb標(biāo)樣都含有一定量(通常是可變的)的普通鉛,因此在對井下分餾和儀器漂移進行校正之前,需要對標(biāo)樣進行普通鉛校正。利用VizualAge-UcomPbine數(shù)據(jù)簡化方法進行數(shù)據(jù)簡化(Chewetal., 2014),該方法可以去除參考標(biāo)樣中存在的普通鉛,使用Isoplot 4.15繪圖。

2.2 年齡結(jié)果

本文開展了從水源頭至礦區(qū)的巖性-構(gòu)造填圖,厘定出好沁-尖山北逆沖斷層,沿好沁、尖山北和西礦北部發(fā)育(圖1b、圖2),本研究采集了斷層上盤和下盤的巖石(圖3)進行年代學(xué)分析。在百流園(N41°43′38″、E110°10′17″)采集斷層上盤元古代變石英砂巖(22BYZ04)(圖3a),在好沁東北側(cè)(N41°50′15″、E110°5′44″)采集斷層下盤早古生代與灰?guī)r互層的砂巖(22BYZ76),進行碎屑鋯石U-Pb年齡測試;在比魯特南部(N41°49′7″、E109°55′19″)采集斷層下盤古生代與灰?guī)r互層的粗砂巖(22BYZ17)(圖3c),進行碎屑磷灰石U-Pb年齡測試(圖1b)。相關(guān)碎屑礦物年齡數(shù)據(jù)見附表1-3。

百流園變石英砂巖(22BYZ04)碎屑鋯石粒徑主體為100～200μm,長寬比1:1～3:1,以渾圓狀為主,總體表現(xiàn)為磨蝕程度較高的橢圓形特征;CL圖像顯示巖漿型鋯石內(nèi)部具有震蕩環(huán)帶特征,變質(zhì)型鋯石為扇狀和均一狀的內(nèi)部結(jié)構(gòu),部分鋯石還具有明顯核-邊結(jié)構(gòu)。40顆碎屑鋯石的207Pb/206Pb年齡分布區(qū)間為1902～2721Ma(附表1),存在1.94Ga和2.55Ga的2個峰值(圖4a),與前人在尖山處變石英砂巖碎屑鋯石年齡譜特征相似(鐘焱等, 2019)。

圖4 白云鄂博地區(qū)好沁-尖山北逆沖斷層上下盤巖石的碎屑礦物年齡(a)來自主逆沖斷層上盤的百流園、尖山處變石英砂巖的碎屑鋯石年齡協(xié)和圖與頻譜圖; (b)來自主逆沖斷層下盤的比魯特處南部粗砂巖碎屑磷灰石U-Pb年齡協(xié)和圖、頻譜圖、最年輕的年齡組加權(quán)平均值圖,以及水源頭砂巖的碎屑鋯石頻率直方圖; (c)來自主逆沖斷層下盤的好沁處與灰?guī)r互層的砂巖中碎屑鋯石U-Pb年齡協(xié)和圖與頻譜圖,及最年輕的年齡組加權(quán)平均值圖. 注意這些變石英砂巖與(粗)砂巖的碎屑礦物具有不同的年齡組份,表明它們來自于不同的源區(qū). 年齡頻譜圖中黃色曲線代表前人發(fā)表數(shù)據(jù)(鐘焱等, 2019)

比魯特南部粗砂巖(22BYZ17)碎屑磷灰石進行了97個測點年齡分析(附表2)。經(jīng)過207Pb校正后,年齡值介于1070～2304Ma。207Pb/206Pb初始值為0.588±0.073,下交點最年輕群組的年齡為1284±104Ma,與最年輕累計年齡組(1308±9Ma, MSWD=2)一致(圖4b)。碎屑磷灰石年齡譜特征與水源頭處和好沁東北側(cè)砂巖的碎屑鋯石年齡譜基本一致(圖4b, c)。該粗砂巖(22BYZ17)鏡下特征顯示顆粒完整,未受到變形和變質(zhì)作用影響(圖3d),即后期熱改造的可能性較小。由于磷灰石U-Pb年齡封閉溫度為550～450℃,該粗砂巖即使經(jīng)歷過埋深,但未超過磷灰石的封閉溫度,可用于限定沉積年齡的下限。

好沁東北側(cè)砂巖(22BYZ76)碎屑鋯石粒徑以50～80μm為主,長寬比2:1～3:1,以次圓狀為主,渾圓狀顆粒少見。CL圖像顯示巖漿型鋯石具震蕩環(huán)帶,變質(zhì)型鋯石內(nèi)部見扇狀和均一狀等特征,部分鋯石具有明顯核、邊結(jié)構(gòu)。41顆碎屑鋯石207Pb/206Pb年齡分布區(qū)間為276～1724Ma (附表3)。其中276Ma、436Ma和887Ma各自僅一顆鋯石,此處不做討論;碎屑鋯石存在1.22Ga、1.49Ga和1.61Ga的3個峰值;最年輕鋯石組年齡在1179±8Ma (MSWD=11) (圖4c)。

3 好沁-尖山北逆沖斷層相關(guān)地層特征

前人在白云鄂博地區(qū)的填圖結(jié)果存在顯著的矛盾:1:20萬白云鄂博地質(zhì)圖認為礦區(qū)及其北部30km范圍內(nèi)的地層年代均為古生代(地質(zhì)部內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局, 1966),而1:5萬地質(zhì)圖的結(jié)果則認為它們均為早-中元古代(內(nèi)蒙古自治區(qū)第一區(qū)域地質(zhì)研究院第一、二分隊, 1996)。其中變石英砂巖和板巖的碎屑鋯石以1.9Ga和2.5Ga為峰值(楊奎鋒等, 2012; Zhouetal., 2018; Laietal., 2019; 鐘焱等, 2019)。而古生代化石證據(jù)時有報道(孫淑芬, 1992; 張鵬遠等, 1993; 章雨旭等, 2012),為此本文厘定了白云鄂博地區(qū)古元古代和古生代地層的分布范圍。下面將詳細介紹它們的巖性特征。

3.1 逆沖斷層上盤的地層特征

斷層上盤位于好沁-尖山北逆沖斷層以南,出露古元古代陸源碎屑沉積巖和賦稀土礦碳酸巖。碎屑沉積巖包括粗砂礫巖、變石英砂巖、板巖(粉砂巖和泥巖),以及霓長巖化形成的片巖,不整合在太古代片巖和花崗質(zhì)片麻巖之上,為一套濱海相沉積地層。碎屑沉積巖經(jīng)歷了強烈的塑性變形,礫巖發(fā)育餅狀構(gòu)造,變石英砂巖發(fā)育糜棱狀構(gòu)造(圖3a),石英顆粒發(fā)生動態(tài)重結(jié)晶,石英顆粒發(fā)育120°粒間角(圖3b);板巖主體被構(gòu)造置換為構(gòu)造面理,局部殘留有褶皺及轉(zhuǎn)折端(鉤狀褶皺)。構(gòu)造面理以E-W向走向為主,傾角～80°(圖2)。變石英砂巖中最年輕碎屑鋯石U-Pb年齡主要為1682Ma,年齡譜存在1.9Ga和2.5Ga兩個峰值(楊奎鋒等, 2012; Zhouetal., 2018; Lai and Yang, 2019; 鐘焱等, 2019),與本研究的變石英砂巖(22BYZ04)特征相似(圖4a),為古元古代地層沉積于華北克拉通太古代基底之上,其2.5Ga的年齡記錄了華北克拉通最重要的陸殼(活動陸緣、島弧)增生、克拉通化峰期(范宏瑞等, 2010)。這些變石英砂巖被ca. 1.3Ga碳酸巖(Zhangetal., 2017; Songetal., 2018; Wangetal., 2018; 李曉春等, 2022)侵入,限定變石英砂巖等碎屑沉積巖沉積于古元古代。

3.2 逆沖斷層下盤的地層特征

斷層下盤位于好沁-尖山北逆沖斷層以北,出露古生代陸源碎屑巖,包括互層的粗砂巖和灰?guī)r(圖3c)、板巖(局部因接觸熱變質(zhì)而含有紅柱石)(圖2)。粗砂巖的主要組份有石英及鈣質(zhì)膠結(jié)物(圖3d);石英碎屑從圓球狀到次圓狀,粒度在0.5～1mm之間,主體為重結(jié)晶石英,可見120°粒間角(圖3d),與逆沖斷層上盤的古元古代變石英砂巖特征相似(圖3b),表明古元古代變石英砂巖可能是古生代地層的一個物源。粗砂巖中最年輕碎屑鋯石和碎屑磷灰石為1.2～1.3Ga(圖4b, c),與逆沖斷層上盤賦稀土礦碳酸巖年齡相當(dāng)或更年輕。與粗砂巖互層的灰?guī)r中產(chǎn)出有珊瑚和貝殼類化石(張鵬遠等, 1993; 章雨旭等, 2012)、板巖中有微體化石(孫淑芬, 1992; 張鵬遠等, 1993; 章雨旭等, 2012),它們共同限定了斷層下盤的這些地層形成于古生代。

斷層下盤板巖的原生層理被改造形成構(gòu)造面理,走向為E-W向,傾角20°～80°(圖2)?；拥拇稚皫r和灰?guī)r發(fā)育兩期褶皺,早期褶皺(F1)樞紐呈E-W向,兩翼傾角相當(dāng),為30°～60°;晚期褶皺(F2)改造早期褶皺,樞紐呈NW-SW向(圖2)。

4 好沁-尖山北逆沖斷層的構(gòu)造特征

好沁-尖山北逆沖斷層是白云鄂博地區(qū)大型的逆沖斷層,廣泛發(fā)育斷層泥和斷層角礫。由于斷層面上難以觀察到運動學(xué)標(biāo)志,本研究除了沿斷層帶選取了四個點(好沁附近、東礦區(qū)東北部、尖山北及西礦西側(cè)(圖1b))進行觀察研究,還觀察了其北部的水源頭飛來峰,用以限定逆沖斷層的運動方向。

4.1 好沁斷層面

好沁處的斷層面特征明顯(圖1b),古元古代變石英砂巖逆沖到古生代黑色泥巖與砂巖之上(圖5a, b)。斷面產(chǎn)狀為南傾187°,傾角39°,沿主逆沖斷層的斷層面發(fā)育了～1m厚的斷層泥,產(chǎn)出大量的赤鐵礦,表明沿斷層面有受流體灌入而發(fā)生鐵礦化(圖5c)。主逆沖斷層面北側(cè)約100m處產(chǎn)出小的飛來峰,變石英砂巖在斷層面處發(fā)生脆性破裂,形成斷層角礫,與破碎的泥巖混雜在一起,泥巖的面理傾向為北西325°,傾角78°;斷層面發(fā)育～30cm厚的黃色斷層泥(圖5d)。距主斷層面約1m以外的、上盤的元古代變石英砂巖和下盤的古生代泥巖中均無鐵礦化現(xiàn)象,其中上盤的變石英砂巖的構(gòu)造面理為北傾10°,傾角47°。

圖5 好沁逆沖斷層特征(a)構(gòu)造剖面顯示斷面及飛來峰; (b、c)好沁元古代變石英砂巖與古生代泥巖、砂巖; (d)逆沖斷層面上出露黃色斷層泥、以及斷面切過的條帶狀元古代變石英砂巖面理. qs-變石英砂巖; ms-泥巖; lm-灰?guī)r; ss-砂巖; Pz-下古生界Fig.5 Features of the thrust fault at Haoqin(a) cross section shows thrust-related klippe and fault surface at Haoqin; (b, c) Proterozoic meta-quartz sandstone thrust over Paleozoic black mudstone and sandstone; (d) fault surface of the thrust occurs yellow fault gouge and it cuts the banded Proterozoic meta-quartz sandstone foliation. qs-meta-quartz sandstone; ms-mudstone; lm-limestone; ss-sandstone; Pz-Lower Paleozoic

好沁西側(cè)還可觀察到逆沖斷層切穿二疊紀花崗巖和古生代泥巖(圖6a)(范宏瑞等, 2009; 裘愉卓等, 2011)。沿主斷面發(fā)育4～5m厚的白色、黃色與黑色混合的斷層泥,為花崗巖經(jīng)碎裂、碾磨和粘土礦化、并混合古生代泥巖而形成(圖6c)。斷層面附近的花崗巖則發(fā)生脆性破裂,形成斷層角礫(圖6b)。

4.2 東礦區(qū)東北部斷層面

東礦區(qū)東北部發(fā)育主逆沖斷層(南部)和飛來峰(北部)(圖7a, b)。南部的主逆沖斷層上盤為古元古代糜棱巖化暗色變石英砂巖,下盤為古生代黑色泥巖和灰?guī)r,泥巖產(chǎn)狀為南傾185°,傾角30°;主斷面保存完好,斷層帶內(nèi)由黃色斷層泥、白色與暗色斷層角礫組成,并灌入有石英脈(圖7c, d);斷層帶厚～7m,斷面產(chǎn)狀傾向為南東159°,傾角71°。北部的飛來峰分隔了上盤的古元古代白色變石英砂巖和下盤的古生代灰?guī)r,灰?guī)r產(chǎn)狀傾向為北西345°,傾角34°;斷層面發(fā)育～6m厚黃色斷層泥(圖7b, e),斷面傾向為北東方向43°,傾角36°。

圖7 東礦區(qū)東北部逆沖斷層特征(a)構(gòu)造剖面及(b)露頭特征,展示了元古代變石英砂巖逆沖到古生代泥巖和灰?guī)r之上的主逆沖斷層面和飛來峰; (c)高角度斷層面分隔元古代變石英砂巖與古生代黑色泥巖; (d)斷層泥與斷層角礫; (e)元古代變石英砂巖低角度逆沖于古生代灰?guī)r之上,斷層泥～6m厚Fig.7 Features of the thrust fault to northeast of the East Bayan Obo deposit(a) cross section and (b) outcrop features show klippes and the main thrust fault, which transporting Proterozoic meta-quartz sandstone over Paleozoic mudstone and limestone; (c) the steep-dipping fault juxtaposes Proterozoic meta-quartz sandstone over Paleozoic black mudstone with development of (d) fault gouge and fault breccia intruded by quartz vein; (e) the low-angle thrust displaces Proterozoic meta-quartz sandstone over the Paleozoic limestone as a klippe. Note the up to ～6m thick fault gouge on fault surface

4.3 尖山北斷層面

尖山北主逆沖斷層位于南部,北部為飛來峰;逆沖斷層將古元古代變石英砂巖逆沖于古生代黑色泥巖、粗砂巖和灰?guī)r之上(圖8a)。該飛來峰北側(cè)斷面分隔了上盤的古元古代變石英砂巖,其構(gòu)造面理傾向為北西348°,傾角61°,下盤為古生代泥巖,層理傾向為北東18°,傾角42°;斷層面發(fā)育厚～2m的黑色、黃色斷層泥,被石英脈灌入其中(圖8b, c);斷層面近直立,走向為128°。飛來峰南側(cè)斷層面發(fā)育～5m厚的黃色、白色斷層泥與斷層角礫,產(chǎn)狀傾向為北西345°,傾角41°(圖8d, e)。飛來峰南北兩側(cè)的斷面傾向不一致,傾角也存在較大差別,表明逆沖斷層可能受到后期構(gòu)造改造而發(fā)生過褶皺(圖8a)。

圖8 尖山北側(cè)逆沖斷層特征(a)構(gòu)造剖面展示了元古代變石英砂巖逆沖到古生代泥巖和灰?guī)r之上的主逆沖斷層面和飛來峰; (b)飛來峰北側(cè)元古代變石英砂巖高角度逆沖于古生代泥巖上;(c)斷層面處破碎的元古代變石英砂巖和灰黑色斷層泥;(d)飛來峰南側(cè)元古代變石英砂巖低角度逆沖于古生代泥巖上; (e)斷層泥、斷層角礫,以及斷層帶下盤的古生代黑色泥巖Fig.8 Features of the thrust fault north of Jianshan(a) cross section shows klippes and the main thrust fault displacing Proterozoic meta-quartz sandstone over Paleozoic mudstone; (b) Proterozoic meta-quartz sandstone thrust over Paleozoic mudstone on the north fringe of a klippe developing a sub-vertical-dipping fault surface with (c) development of fractured Proterozoic meta-quartz sandstone and black-grey fault gouge; (d) on the south fringe of this klippe Proterozoic meta-quartz sandstone thrust over Paleozoic mudstone at shallow-dipping angle, and (e) on the fault surface fault gouge and fault breccia of Proterozoic meta-quartz sandstone overlain Paleozoic black mudstone in footwall

4.4 西礦西側(cè)斷層面

西礦西側(cè)逆沖斷層將古元古代變石英砂巖逆沖到古生代灰?guī)r之上,形成小規(guī)模飛來峰(圖9a)。下盤古生代灰?guī)r層理明顯,產(chǎn)狀為南傾193°,傾角68°(圖9b)。逆沖斷層面處發(fā)育～20cm厚的黃色斷層泥,產(chǎn)狀傾向為北東42°,傾角為23°(圖9c);緊靠斷面的灰?guī)r發(fā)生脆性破碎,斷層角礫棱角分明,大小不一,無定向排列;斷層角礫的空隙被斷層泥和鈣質(zhì)膠結(jié)物充填(圖9d)。

圖9 西礦西側(cè)逆沖斷層特征(a)構(gòu)造剖面和(b)野外露頭展示了元古代變石英砂巖逆沖到古生代灰?guī)r之上的主逆沖斷層面和飛來峰;(c)斷層面處的斷層泥及斷層帶上盤的變石英砂巖和(d)斷層帶下盤靠近斷面處的灰?guī)r斷層角礫Fig.9 Features of the thrust fault to west of the West Orebody(a) cross section and (b) outcrop features of thrust fault and klippes showing that Proterozoic meta-quartz sandstone thrusts over the Paleozoic limestone; (c) fault gouge on the fault surface and fractured meta-quartz sandstone in the hanging wall, and (d) fault breccia of limestone in the footwall near the fault surface

4.5 水源頭飛來峰

好沁-尖山北逆沖斷層主斷面以北約8km的水源頭處出露一飛來峰,長約3km,寬約0.25km(圖1b、圖2、圖10a)。飛來峰上盤為古元古代變石英砂巖,發(fā)育糜棱巖化構(gòu)造,構(gòu)造面理清晰;下盤為古生代泥巖,構(gòu)造面理明顯,層理傾向為北東18°,傾角為14°(圖10b)。距離斷層面～3m以外的變石英砂巖無明顯的破碎現(xiàn)象,斷層面出露～30cm厚黃色斷層泥(圖10c);靠近斷面的變石英砂巖強烈破碎,發(fā)育斷層角礫,棱角分明,大小不一,無定向性,被硅質(zhì)膠結(jié);斷層角礫間還有大量的赤鐵礦,為含鐵質(zhì)熱液灌入的產(chǎn)物(圖10d, e)。水源頭飛來峰的斷層面產(chǎn)狀近水平。

圖10 水源頭飛來峰特征(a)水源頭元古代變石英砂巖逆沖于古生代泥巖上形成飛來峰; (b、c)元古代變石英砂巖與層理為18°∠14°的古生代泥巖被斷層錯斷,斷層面近水平;(d)斷層面上變石英砂巖斷層角礫的野外及(e)顯微結(jié)構(gòu)特征.注意斷層角礫之間為赤鐵礦所充填,與圖6b花崗巖角礫之間的填充物相似Fig.10 Features of the Shuiyuantou klippe(a) the Shuiyuantou klippe thrust Proterozoic meta-quartz sandstone over the Paleozoic mudstone, and (b, c) cut the Paleozoic mudstone with bedding of 18°∠14° to juxtapose the Proterozoic meta-quartz sandstone in the hanging wall. The fault plane of this klippe is near horizontal. (d) outcrop and (e) microscopic features of fault breccia of meta-quartz sandstone. Note sharp angle of fault breccia, and hematite filling in interstice of breccias that is similar to those in the fractured granite in Fig.6b

5 討論

5.1 好沁-尖山北逆沖斷層活動時間

好沁-尖山北逆沖斷層是本次研究新厘定的逆沖斷層,卷入了白云鄂博地區(qū)所有的元古代和古生代地質(zhì)體,是白云鄂博地區(qū)重要的逆沖斷層。好沁-尖山北逆沖斷層主斷面及相關(guān)的飛來峰穿切了下盤的早古生代地層與花崗巖;地層的粗砂巖的最年輕碎屑鋯石和碎屑磷灰石年齡為1.2～1.3Ga(圖4b, c)、并產(chǎn)出有寒武-志留紀的化石(孫淑芬, 1992; 張鵬遠等, 1993; 章雨旭等, 2012),表明它們沉積于早古生代;花崗巖鋯石U-Pb年齡為263～281Ma(范宏瑞等, 2009; 裘愉卓等, 2011),為二疊紀侵入巖;以上證據(jù)進一步限定逆沖推覆構(gòu)造發(fā)生于263Ma之后。白云鄂博地區(qū)廣泛發(fā)育白堊紀地層,它不整合覆蓋在元古代地層和碳酸巖、古生代地層和花崗巖、以及好沁-尖山北逆沖斷層之上,表明逆沖推覆構(gòu)造發(fā)生于白堊紀之前(圖1c、圖11)。

圖11 白云鄂博各區(qū)域的地層柱狀圖展示了好沁-尖山北逆沖斷層的特征,顯示古元古代地層被推覆至下古生界之上、切穿二疊紀花崗巖,之后它們一起被白堊紀礫巖不整合覆蓋Fig.11 Column diagrams at different locations in the Bayan Obo area shows features of the Haoqin-North Jianshan Thrust Fault that transported the Paleoproterozoic meta-quartz sandstone and Mesoproterozoic carbonatiteThe meta-quartz sandstone transported over the Early Paleozoic sediment, and cut the Permian granite, and they together are covered by the Cretaceous conglomerate

區(qū)域上,內(nèi)蒙古自四子王旗北東的十二臺向東經(jīng)白乃廟、博日和延至化德地區(qū),元古代白云鄂博群向北逆沖于白乃廟群及其弧后盆地的上志留統(tǒng)之上(周志廣等, 2018),150～90Ma發(fā)生快速剝露(呂釗等, 2023)。包頭-呼和浩特北部發(fā)育大型逆沖構(gòu)造,尤以中侏羅世末-晚侏羅世最強烈(陳志勇等, 2002),色爾騰山-大青山地區(qū)推覆構(gòu)造活動時間為中侏羅世末和早白堊世末(葉俊林等, 1987; 鄭亞東等, 1998; 陳志勇等, 2000; 劉正宏等, 2003),鄂爾多斯西緣北段大型陸緣逆沖推覆體系,侏羅紀-白堊紀為主要發(fā)展階段(張家聲等, 2008) (圖1a)。

綜合前人在區(qū)域上的研究成果、以及本文白云鄂博資料,本文認為白云鄂博地區(qū)推覆構(gòu)造斷層活動時間下限為二疊紀,上限為白堊紀,最可能在侏羅紀-白堊紀。它可能是侏羅紀-白堊紀期間,古亞洲洋在華北克拉通與西伯利亞板塊之間發(fā)生關(guān)閉和碰撞(Davisetal., 2002),并產(chǎn)生板內(nèi)擠壓變形的結(jié)果。

5.2 好沁-尖山北逆沖斷層推覆距離

好沁-尖山北逆沖斷層作為區(qū)域內(nèi)最為重要的斷層之一,它的推覆距離對于認識白云鄂博地區(qū)地質(zhì)體的深部延伸情況至關(guān)重要。推覆距離的判別取決于標(biāo)志層的選取,本文以飛來峰和航磁異常帶為對比標(biāo)志。

(1)逆沖斷層上盤的古元古代變沉積巖,尤其是變石英砂巖,發(fā)育有糜棱巖化變形特征,在區(qū)域上可進行對比。好沁-尖山北逆沖斷層為主逆沖斷層帶,依據(jù)距離它最遠的飛來峰可限定其推覆距離;水源頭飛來峰是白云鄂博地區(qū)最北部的飛來峰,其上盤為變石英砂巖,與主逆沖斷層帶上盤巖性一致,限定該逆沖斷層的最小推覆距離為:從主逆沖斷層帶到水源頭飛來峰處的距離,即約為8km(圖2)。理論上,大型逆沖斷層傾角一般為30°左右;然而斷層面產(chǎn)狀顯示,在不同部位其傾角差異較大,如從尖山北近直立的斷層面到局部斷面傾角～70°,以及水源頭飛來峰處的近水平斷層面,表明斷層形成后可能進一步受到褶皺作用影響;斷層的推覆距離被壓縮了,其距離應(yīng)大于8km。

(2)白云鄂博礦區(qū)及鄰區(qū)發(fā)育4條NE-SW走向、雁列式右階排列的高航磁異常帶(航磁△T值>100nT, 圖12) (數(shù)據(jù)源自中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心,2021),而礦區(qū)南部約30km處的圐圙點力素東西一線也有4條相似的高磁異常區(qū),推測白云鄂博礦區(qū)及鄰區(qū)與南部圐圙點力素東西一線可能為被斷層錯開的同一地質(zhì)體,表明白云鄂博礦區(qū)的逆沖斷層是從南部約30km處推覆而來的(圖12)。依據(jù)飛來峰和航磁異常帶的對比,限定白云鄂博逆沖推覆構(gòu)造的推覆位移量應(yīng)為>8～30km。由于白云鄂博礦區(qū)碳酸巖中富含磁鐵礦,具有高航磁異常特征,與它對應(yīng)的逆沖斷層下盤的碳酸巖根部理應(yīng)具有高航磁異常特征;然而,白云鄂博礦區(qū)南部8km處并無高航磁異常特征(圖12);因此,本文依據(jù)高航磁異常特征,限定該逆沖斷層的推覆距離約為30km。

圖12 白云鄂博地區(qū)航磁△T等值線平面圖(據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心2021年實測數(shù)據(jù)編繪)注意白云鄂博地區(qū)與南部圐圙點力素東西一帶分別發(fā)育4條相似的、NE-SW展布的高航磁異常帶,表明白云鄂博與南部磁異常帶具有可對比性Fig.12 Aeromagnetic △T contour map of the Bayan Obo areaNote the four NE-SW-striking en echelon high aeromagnetic anomaly zones near the Bayan Obo region can correlate those along the Kuluedianlisu belt, 30km south, demonstrating that the southern belt would be the root of the northern one

5.3 好沁-尖山北逆沖斷層與寬溝斷裂對比

通過巖性-構(gòu)造填圖、構(gòu)造解析和年代學(xué)分析,本研究識別出白云鄂博地區(qū)沿好沁、尖山北、西礦西側(cè)一帶發(fā)育好沁-尖山北逆沖斷層,分隔了元古代和古生代兩個時期的地質(zhì)體(圖1b、圖2),斷層上盤為早-中元古代變沉積巖和賦稀土礦碳酸巖,斷層下盤為古生代地層。白云鄂博礦區(qū)所在的元古代變沉積巖和賦稀土礦碳酸巖為斷層上盤的推覆體。

雖然前人認為寬溝斷裂帶是白云鄂博地區(qū)最為重要的斷裂帶(張鵬遠等, 1993; 郝梓國等, 2002; 周建波等, 2002;柯昌輝等, 2021b),其展布方向大致為近東西向,平面上、剖面上斷裂面均呈波紋狀,斷層面北傾,傾角小于45°,一般為10°～30°(張鵬遠等, 1993; 柯昌輝等, 2021b)(圖2),但該斷裂主要發(fā)育于元古代地層中,其南北兩側(cè)巖性并無明顯的區(qū)別(張鵬遠等, 1993; 郝梓國等, 2002),均出露有碳酸巖和變石英砂巖(圖2),碎屑沉積巖中的碎屑鋯石峰值也相似,具1.9Ga和2.5Ga的年齡峰值(楊奎鋒等, 2012; Zhouetal., 2018; Lai and Yang, 2019; 鐘焱等, 2019)。因此,本文認為寬溝斷裂并不具備分隔不同地質(zhì)體的能力。好沁-尖山北逆沖斷層是白云鄂博地區(qū)的主要斷層,將元古代和古生代地層疊置在一起,而寬溝斷裂只是前者逆沖推覆體內(nèi)的一條斷層,可能形成于元古代裂谷時期。

5.4 好沁-尖山北逆沖斷層對白云鄂博地區(qū)碳酸巖深部延伸形態(tài)的制約

白云鄂博東部、西部和南部等地區(qū)均發(fā)育了侏羅紀-白堊紀的逆沖推覆構(gòu)造,好沁-尖山北逆沖斷層穿切過下盤二疊紀花崗巖,并被白堊紀地層不整合覆蓋,表明好沁-尖山北逆沖斷層可能也是該時期的產(chǎn)物。它遠遠晚于白云鄂博賦稀土礦碳酸巖的形成年齡(1.3Ga),表明好沁-尖山北逆沖斷層是晚期構(gòu)造活動的產(chǎn)物,錯斷了白云鄂博賦礦碳酸巖的深部通道。

依據(jù)白云鄂博一帶和圐圙點力素東西一線可對比的、4條NE-SW走向的雁列式排列的高航磁異常帶特征,推測該推覆體將元古代地層向北推覆了約30km,地層中侵入的白云鄂博賦稀土礦碳酸巖也向北推覆了相應(yīng)的距離,遠離了碳酸巖的根部位置,意味著白云鄂博礦區(qū)深部無碳酸巖的根部(圖13),逆沖斷層下盤可能為古生代地層或花崗巖。這些古生代地層的剪切波速度結(jié)構(gòu)不同于斷層帶上盤的賦礦碳酸巖,該推論被地球物理資料所證實:在白云鄂博礦區(qū)2.5km深度處剪切波速度結(jié)構(gòu)有明顯的速度突變,從斷層帶上盤的2.8～3.2km/s降低到下盤的<2.6km/s (圖13)(Zhuetal., 2023)。

圖13 白云鄂博地區(qū)好沁-尖山北逆沖斷層模型圖顯示該逆沖斷層將元古代地層和賦稀土礦的碳酸巖向北推覆到古生代地層之上. 白云鄂博賦稀土礦的碳酸巖向北推覆了約30km,使其遠離碳酸巖巖漿通道的根部位置;逆沖斷層的發(fā)育使得礦區(qū)深部與淺部的巖石有所不同,可能造成剪切波速度在斷層帶處突然降低. 剪切波速度據(jù)Zhu et al. (2023)Fig.13 Tectonic model of the Haoqin-North Jianshan Thrust Fault in the Bayan Obo areaThis thrust fault transports Proterozoic sediment and ore-bearing carbonatite ～30km northward over Paleozoic sediments and Permian granite, making ore-bearing carbonatite in the Bayan Obo mine be far from its root of magmatic vent. The different rock units (maybe Paleozoic sediment) at the footwall beneath the Bayan Obo mine further demonstrates that it should have a lower S-wave velocity compared to the ore-bearing carbonatite. S-wave velocity is based on Zhu et al. (2023)

本文通過解析好沁-尖山北逆沖斷層,厘定了白云鄂博地區(qū)發(fā)育有推覆體,使得元古代變沉積巖和賦稀土礦碳酸巖發(fā)生了約30km的長距離推覆,遠離其根部位置。推覆體的發(fā)育表明白云鄂博地區(qū)賦稀土礦碳酸巖在深部受斷層制約,只能在逆沖斷層面上盤有延伸,不能向斷層下盤的深處延伸(圖13)(Yangetal., 2019)。此外,本文建立的推覆體模型(圖13)還意味著推覆體根部可能也有對應(yīng)的碳酸巖產(chǎn)出,并賦存有稀土礦和磁鐵礦等,可為礦區(qū)外圍找礦提供科學(xué)依據(jù)。

6 結(jié)論

依據(jù)巖性-構(gòu)造填圖、構(gòu)造解析和年代學(xué)分析,結(jié)合前人已發(fā)表的數(shù)據(jù),得到如下結(jié)論:

(1)在好沁-尖山北部-西礦北部一帶發(fā)育好沁-尖山北逆沖斷層,分隔了上盤的元古代變沉積巖和碳酸巖,及下盤的古生代沉積巖和花崗巖。元古代變沉積巖包括變礫巖、變石英砂巖和板巖,發(fā)育糜棱巖狀構(gòu)造。古生代沉積巖包括互層的粗砂巖和灰?guī)r以及板巖,粗砂巖的碎屑組份來自于元古代變石英砂巖。

(2)逆沖斷層上盤變石英砂巖的碎屑鋯石具有1.94Ga和2.55Ga峰值,與前人碎屑鋯石年齡譜特征相似,為古元古代沉積巖。下盤粗砂巖中碎屑鋯石和碎屑磷灰石最年輕組份年齡為1.18～1.28Ga,結(jié)合互層灰?guī)r中的寒武-奧陶紀化石證據(jù),限定下盤地層為早古生代。

(3)好沁-尖山北逆沖斷層斷面發(fā)育,斷裂帶內(nèi)發(fā)育斷層泥與斷層角礫,厚度自20cm至7m不等,沿斷層面有含鐵質(zhì)流體灌入而形成赤鐵礦。斷層面傾角變化大,從近直立,到局部傾角為～70°,甚至近水平,可能是受后期褶皺影響的結(jié)果。

(4)區(qū)域上廣泛發(fā)育侏羅-白堊紀逆沖推覆構(gòu)造,好沁-尖山北逆沖斷層切割最年輕地質(zhì)體為二疊紀花崗巖,并被白堊紀地層不整合覆蓋,推測該逆沖斷層也形成于該時期。依據(jù)最北側(cè)的水源頭飛來峰和可對比的高磁異常帶,限定推覆位移量約為30km。推覆體的發(fā)育使得白云鄂博碳酸巖發(fā)生了長距離推覆,遠離其根部位置;白云鄂博地區(qū)元古代變沉積巖和賦稀土礦碳酸巖受斷層制約,只能在斷層面以上的深度有延伸。

致謝本文的碎屑鋯石和碎屑磷灰石U-Pb年齡測試得到了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所張志勇副研究員的大力支持,在此表示感謝。同時感謝兩位評審人對本文提出的寶貴修改意見和建議,使文章得以完善。