巴顏喀拉地區(qū)中二疊世古火山巖巖石特征及成因

1疊紀火山巖塊體巴彥卡拉地區(qū)的中、疊世古伯格位于扎陵湖地區(qū)（圖1）。該區(qū)域主要由三疊紀砂質板巖組成。在三疊紀砂質板巖中，中、疊紀石灰?guī)r塊分布均勻，構成了該區(qū)域地形的特征。這片石灰?guī)r塊不僅分布在巴彥卡拉地區(qū)，而且分布在巴彥卡拉北部的阿尼瑪以西和東昆侖南坂。關于這些石灰?guī)r塊的起源一直是一個有爭議的問題。一些科學家認為這些石灰?guī)r是外部的庇護所，而另一些學者認為這些石灰?guī)r塊是三疊紀盆地中沉積的二疊紀石灰?guī)r的碎片，其他人則認為兩者兼而有之。由于灰?guī)r與砂板巖之間存在差異風化,這些二疊紀灰?guī)r塊體零星地點綴在山坡或山頂上,地勢上很凸出,而其周圍則多為三疊紀的砂板巖或綠色的草地.遠遠地看去,很象是白色的二疊紀灰?guī)r塊體被推覆在三疊紀的砂板巖之上.但經(jīng)作者幾年來的實地考察,發(fā)現(xiàn)這些孤立的灰?guī)r塊體之下不是三疊紀的砂板巖,而是玄武質熔巖或火山碎屑巖基座.火山巖中存在灰?guī)r捕入體或灰?guī)r角礫,其中產(chǎn)豐富的中二疊世類化石.玄武巖及火山碎屑巖基座與上部的二疊紀灰?guī)r之間界線清楚,未見任何滑動構造.界線處還有一層紫紅色的中層狀鈣質泥巖(圖2(a)),可見明顯的交錯層理和平行層理,其產(chǎn)狀與上覆的灰?guī)r完全一致.據(jù)此,作者認為本區(qū)二疊紀灰?guī)r塊體不應是推覆體,而應是二疊紀的古海山.這種由火山巖基座和碳酸鹽巖頂蓋組成的古代海山在國內外許多文獻中均有報道.2巴顏喀拉及阿尼瑪卿地區(qū)古探索由于所處的古地理位置及演化歷史上的不同,所以不同地區(qū)古海山在組成結構上也存在一些差異.巴顏喀拉地區(qū)中二疊世古海山由下部的火山巖基座、上部的碳酸鹽巖建造及介于兩者之間的紫紅色鈣質泥巖所組成;而阿尼瑪卿地區(qū)古海山中除下部的火山巖基座和上部的碳酸鹽巖建造外,至今尚未發(fā)現(xiàn)紫紅色鈣質泥巖.根據(jù)古海山結構及演化歷史的不同,可將巴顏喀拉及阿尼瑪卿地區(qū)古海山具體分為以下三種類型:塊狀熔巖-紫紅色鈣質泥巖-碳酸鹽巖頂蓋;塊狀熔巖-角礫巖-層狀熔巖-紫紅色鈣質泥巖-碳酸鹽巖頂蓋;枕狀熔巖-碳酸鹽巖頂蓋.有關海山的主要野外露頭特征見圖2.2.1結構分析方法這類古海山以哈江鹽池北部的海山A為代表(圖1及圖2(b)).海山A的結構比較復雜,自下而上由塊狀玄武質熔巖、復成分角礫巖、層狀玄武安山巖、紫紅色鈣質泥巖及最頂部的碳酸鹽建造所組成.此外,所有這幾套巖石又被最后一期玄武安山質熔巖所沖破(圖2(c)).這類古海山的下部玄武質熔巖特征與古海山B,C和D的基本一致,但野外未見灰?guī)r捕入體.圖3是根據(jù)古海山A中巖石、地層建造序列和相互關系建立起來的海山結構模式圖.在古海山A的玄武質熔巖之上為一套厚約2～4m的復成分角礫巖,這是與海山B,C和D的主要區(qū)別之一.角礫巖中產(chǎn)有玄武質火山角礫及灰白色灰?guī)r角礫.角礫分選磨圓極差,大小為0.2～15cm不等.灰?guī)r角礫呈乳白色,有被烘烤的跡象,但仍可見大量的大型蜓類化石.有些蜓類化石產(chǎn)在灰?guī)r角礫中,也有不少蜓類化石呈游離狀態(tài)直接產(chǎn)在火山碎屑之間.復成分角礫巖之上即為一套厚約25m的溢流相層狀玄武安山質熔巖,熔巖中可見層內流動構造.層狀熔巖之上為一厚約8～15cm的紫紅色鈣質泥巖.海山南坡鈣質泥巖中CaCO3的含量相對較低,海山頂部鈣質泥巖中CaCO3的含量較高,而且還可見平行層理和交錯層理.紫紅鈣質泥巖之上即為厚約48m的碳酸鹽建造,構成古海山A的碳酸鹽頂蓋.碳酸鹽建造下部厚約1～2m范圍內含少量紅色泥質,同時產(chǎn)豐富的蜓類化石.向上灰?guī)r逐漸變純,為灰白色塊狀生物碎屑灰?guī)r,近海山頂部出現(xiàn)少量串管海綿骨架巖,但含量很少.與海山B,C和D相比,海山A中生物礁灰?guī)r明顯不發(fā)育.2.2礦石結構及沉積相這類古海山包括哈江鹽池以東及以南的三座古海山(圖1中的B,C和D),其中圖2(d)為海山B北坡的野外露頭.這些古海山自下而上由以下幾部分所組成:含灰?guī)r捕入體的塊狀玄武質熔巖、紫紅色鈣質泥巖、灰白色碳酸鹽巖(圖4).這些古海山的基座火山巖由深灰綠色塊狀玄武質熔巖所組成.玄武質熔巖中普遍發(fā)育氣孔構造,氣孔大小一般為1～3mm,被后期白色方解石所充填而形成杏仁構造.玄武質熔巖中可見大量灰白色灰?guī)r角礫,呈捕入體產(chǎn)出(圖2(e)).灰?guī)r角礫被烘烤后多呈灰白或乳白色,大小一般在5～15cm左右,但有一捕入體很大,長可達4m以上,寬約60cm.捕入體主要分布在火山巖基座的邊緣部位,含量約為5%～15%.由于烘烤作用,灰?guī)r角礫均發(fā)生不同程度的重結晶現(xiàn)象,但灰?guī)r角礫中仍可見大量的蜓類化石.蜓類化石個體很大,而且結構較清晰,這可能與玄武巖在水下噴發(fā)有關.水下噴出的玄武質巖漿在海水中比在陸地上能更快地被冷卻,從而使捕入體中的化石沒有被徹底破壞.紫紅色鈣質泥巖分布在玄武巖基座之上,層厚約為6～15cm,覆蓋著錐形火山巖基座的頂部及四周.不同部位的鈣質泥巖中CaCO3的含量有較大的差別.總體上看,玄武巖基座頂部地勢較高的地方CaCO3的含量也較高.四周地勢較低處CaCO3的含量相對較低.這可能與碳酸鹽更適合在淺水中沉淀有關.紫紅色鈣質泥巖之上即為灰白色碳酸鹽建造.碳酸鹽巖均呈塊狀,現(xiàn)存厚度約為20～40m.由于青藏高原經(jīng)歷了后期大規(guī)模的造山、隆升和剝蝕,所以現(xiàn)存的碳酸鹽巖厚度并不能代表原始碳酸鹽建造的厚度.碳酸鹽建造可分為兩種,一種為灰白色的生物碎屑灰?guī)r,另一種為生物礁灰?guī)r.生物碎屑灰?guī)r中主要生物化石有蜓、非蜓有孔蟲、鈣藻、海百合莖及腕足等.生物碎屑灰?guī)r在碳酸鹽建造的下部最為發(fā)育,局部形成蜓灰?guī)r.生物礁灰?guī)r一般在碳酸鹽建造的上部層位產(chǎn)出.在海山B,C和D中,礁灰?guī)r主要分布在海山的北側,南坡相對不發(fā)育.這可能與當時大洋(阿尼瑪卿洋)位于巴顏喀拉北側有關.生物礁灰?guī)r中主要造礁生物有大型串管海綿、纖維海綿、水螅、苔蘚蟲、Tabulozoa.在海山C和D中還可見3～8cm大小的黑色管孔藻,內部放射狀構造十分明顯.據(jù)野外肉眼統(tǒng)計,大型造礁生物含量一般在30%～45%左右,構成礁骨架灰?guī)r.巴顏喀拉中二疊世海山礁灰?guī)r中造礁生物總體面貌與北邊的東昆侖南坡及華南地區(qū)二疊紀造礁生物基本一致,但藻粘結灰?guī)r不發(fā)育.2.3玄武質玄武巖質巖這類古海山位于巴顏喀拉以北的阿尼瑪卿地區(qū),主要分布在布青山一帶.這一帶古海山組成上比較特殊,海山基座幾乎全由灰綠色枕狀玄武巖所組成(圖2(f)),頂部出現(xiàn)一些灰綠色玄武質熔巖角礫巖.玄武巖之上即為灰白色塊狀碳酸鹽建造(圖5).玄武巖枕狀體大小一般在15～60cm左右,氣孔不發(fā)育,但在枕的表面常發(fā)育有球粒.玄武質熔巖角礫巖多由一些灰綠色尖棱狀角礫所組成,大小多在2～15mm左右,呈碎碴狀.在有些地方,灰白色碳酸鹽建造之上又覆蓋了一層玄武質熔巖,反映了灰?guī)r建造后玄武質巖漿的再次噴發(fā).枕狀玄武巖基座與碳酸鹽建造之間未發(fā)現(xiàn)紫紅色鈣質泥巖,因此碳酸鹽建造直接覆蓋在玄武巖之上.阿尼瑪卿古海山碳酸鹽建造與巴顏喀拉地區(qū)的古海山總體上較一致,而且也發(fā)現(xiàn)一些海綿骨架巖及四射珊瑚Waagenophyllum(圖6(h)),但與巴顏喀拉地區(qū)最明顯的區(qū)別在于缺乏蜓類化石.阿尼瑪卿地區(qū)古海山周圍發(fā)育大面積的早、中二疊世紫紅色深海軟泥及放射蟲硅質巖,說明當時古海山周圍為深海洋盆,深水洋盆對營底棲生活的蜓類來說是一不可逾越的鴻溝.3巴顏喀拉地區(qū)古探索古海山的演化歷史主要是根據(jù)海山內部巖石、地層序列關系及具有時代意義的生物化石(主要是蜓類化石)來確定的.通過野外調查和室內鑒定,發(fā)現(xiàn)在古海山碳酸鹽頂蓋、火山巖基座中的灰?guī)r捕入體及灰?guī)r角礫中均發(fā)現(xiàn)了中二疊世蜓類化石,據(jù)此認為巴顏喀拉地區(qū)古海山的形成及演化歷史均局限在中二疊世茅口期時間范圍內.目前已鑒定出來的蜓類化石有:Schwagerinasp.,SchwagerinapinguisSkinneretWilde,Schwagerinacf.granum-avenaeRoemer,Neoschwagerinasp.,NeoschwagerinacraticuliferaSchwager,NeoschwagerinamultcircumvolutaDepartetKhabakov,Neoschwagerinacf.haydeniDatkevichetKhabakov,SchubetellasimplexLange,Pseudodoliolinasp.,Yangchieniacf.haydeniThompson,PolydixodinasparsaChen,Eoverbeekinasp.,Verbeekinasp.(圖6為部分蜓類及珊瑚化石代表).盡管古海山的存在時間相對較短,但從古海山的結構分析,這些古海山在這樣一段時間間隔內卻發(fā)生了多次活動.其中巴顏喀拉古海山A可分出六個階段:早期火山巖基座的誕生、第一期碳酸鹽巖頂蓋的形成、古海山的活化及早期碳酸鹽巖頂蓋的破壞、紫紅色泥巖及鈣質泥巖的沉積、古海山頂蓋的再造、古海山的再次活化.海山B,C和D則僅發(fā)育前五個階段.地處阿尼瑪卿的布青山地區(qū)的古海山目前只能劃分出三個演化階段:枕狀玄武巖的噴發(fā)、碳酸鹽建造及古海山的再次噴發(fā).巴顏喀拉及阿尼瑪卿地區(qū)古海山在茅口期這樣一個時期內就發(fā)生了多次火山活動,反映了造山帶地區(qū)古洋殼的高度不穩(wěn)定性.以下為巴顏喀拉地區(qū)古海山演化的綜合歷史.3.1玄武質火山巖基礎前文已經(jīng)提到,在巴顏喀拉古海山B,C和D的玄武質熔巖基座中含有一些中二疊世的灰?guī)r捕入體,灰?guī)r捕入體中產(chǎn)大量化石.有些灰?guī)r捕入體很大,長達4m以上,因此應為近原地的產(chǎn)物.另一方面,在古海山之間地區(qū)發(fā)現(xiàn)大面積的紫紅色深海泥巖及放射蟲硅質巖,已是深海環(huán)境.在這樣一種深海環(huán)境中,要沉積這些含灰?guī)r必須要有一個海底高地作為襯托,因此推斷這些含灰?guī)r沉積時本地區(qū)已有早期火山巖基座的存在.這一推斷也得到了其它方面證據(jù)的支持.在野外觀察來看,玄武質熔巖基座中除含有灰?guī)r捕入體外,尚含有一些早期的玄武質熔巖角礫.這些玄武巖角礫棱角較分明,顏色偏灰暗,結晶差,而后期作為基質的玄武質熔巖則明顯偏灰綠色,而且結晶較好.因此,作者認為古海山B,C和D的巖漿作用應該有兩期.早期形成的玄武質熔巖被后期的噴發(fā)作用所破壞,并與沉積在早期玄武巖基座之上的含蜓灰?guī)r一起成了后期巖漿作用的捕入體.3.2第一階段的碳酸鹽巖蓋的形成3.3火山角礫及火山角礫巖巴顏喀拉地區(qū)古海山基座中早期火山巖角礫、灰?guī)r角礫及含蜓灰?guī)r捕入體的存在說明在第一期碳酸鹽巖沉積之后,本區(qū)古海山曾經(jīng)歷過第二期巖漿活動.當古海山重新噴發(fā)時,將早期形成的火山巖基座及生物碎屑灰?guī)r頂蓋沖破,同時形成大量的火山角礫及灰?guī)r角礫.這些角礫有的直接被火山熔巖所捕獲而成為捕入體(如古海山B,C和D),也有的在經(jīng)初步改造后再次沉積而形成復成分角礫巖(如古海山A).值得一提的是,古海山A的結構較為復雜,在復成分角礫巖之上還有一套層狀熔巖,可見流動構造.一種可能的解釋是:復成分角礫巖很可能是靠近火山噴口附近的爆發(fā)相火山角礫堆積,其上的層狀熔巖則可能是火山口被打開后巖漿溢流的產(chǎn)物—溢流相.從爆發(fā)相到溢流相的火山地層序列在許多火山堆積中十分常見.3.4泥質及落實巖石學特征第二期玄武巖噴發(fā)后,巴顏喀拉地區(qū)古海山的基座得到了最后確定.之后在海山A～D的火山巖基座之上沉積了一套紫紅色的泥質巖及鈣質泥巖.泥巖及鈣質泥巖中未見任何生物化石,可能反映火山噴發(fā)后的相當一段時間內海洋環(huán)境尚不利于生物的生長.總體看,在海山頂部及北側面向阿尼瑪卿洋方向地帶的沉積物中鈣質含量高,而海山四周地勢較低的坡下地帶及南側沉積物中鈣質含量較低.在鈣質含量較高的泥巖中還發(fā)育有平行層理和交錯層,反映出淺水動蕩的濱淺海沉積環(huán)境.3.5造礁生物的出現(xiàn)和非織造運隨著古海山噴發(fā)作用的停止和紫紅色鈣、泥質沉積的結束,古海洋環(huán)境又逐漸恢復到正常狀態(tài),碳酸鹽沉積物和各種生物又開始再次沉積和生長.但紫紅色鈣質泥巖之上首先沉積的是略帶灰紅色的厚層至塊狀生物碎屑灰?guī)r,之后才變?yōu)榛野咨?、青灰色的塊狀生物灰?guī)r.與此同時,隨著水體深度的變淺和古海洋條件的改善,使得造礁生物的生長成為可能.在古海山B,C和D的第二期碳酸鹽頂蓋中普遍發(fā)育了由海綿、水螅、苔蘚蟲、管殼石及藻類等所形成的生物礁,而在古海山A中礁灰?guī)r則很不發(fā)育.圖7為部分造礁生物化石代表.3.6晚期碳酸鹽巖頂蓋在古海山A的頂部,明顯可見有灰黑綠色的玄武巖沖破了第二期碳酸鹽巖頂蓋(圖2(c)).這說明此海山在第二期碳酸鹽頂蓋沉積過程中或沉積后又出現(xiàn)了一次火山噴發(fā).這種現(xiàn)象在阿尼瑪卿布青山地區(qū)古海山中也有發(fā)現(xiàn).4巴顏喀拉地區(qū)紅色鈣巖通過大量的區(qū)域調查及專題研究,發(fā)現(xiàn)巴顏喀拉、阿尼瑪卿地區(qū)為一種多島洋環(huán)境.寬闊的深水洋盆及零星點綴的海山或洋島是本區(qū)中二疊世古地理上的一大特色.但由于這些海山分屬于不同的大地構造單元,因此它們所反映出來的古地理、古環(huán)境特征也不盡相同.雖然巴顏喀拉與阿尼瑪卿地區(qū)古海山基座均由玄武質巖石所組成,但巖石在結構構造上存在明顯的區(qū)別.巴顏喀拉地區(qū)海山基座以富含氣孔的玄武質熔巖及角礫巖為主要特征,同時氣孔中充填白色方解石,形成杏仁構造.阿尼瑪卿古海山基座則以枕狀玄武巖為特征,幾乎不含氣孔,也無杏仁構造,但枕狀玄武巖表面常發(fā)育大量球粒.球粒是產(chǎn)生于基性火成巖中豆粒大小的球體,被認為是在玄武巖巖漿噴發(fā)時由液體的不混溶性形成的.這些球粒在深水條件(1600～5000m)下形成的枕狀熔巖中常有發(fā)現(xiàn),而在陸上噴發(fā)玄武巖中還沒有發(fā)現(xiàn)過.具球粒的玄武巖中很少或沒有氣穴或氣孔,這種缺失性也暗示出它生成于深水.相比之下,巴顏喀拉地區(qū)玄武質熔巖中富含氣孔和杏仁構造,其產(chǎn)出水深則相對較淺.除了巖石宏觀結構構造不同外,巴顏喀拉與阿尼瑪卿地區(qū)海山基座玄武巖在巖石地球化學所反映的大地構造背景上也存在明顯的差異.楊經(jīng)綏對布青山段玄武巖的研究認為該區(qū)玄武巖稀土特征與典型未經(jīng)分異的洋脊玄武巖的REE模式相似,應屬洋脊環(huán)境下的噴出產(chǎn)物.侯光久等、朱云海等對東昆侖及布青山一帶玄武巖的地球化學的研究也得出了類似的結果.而巴顏喀拉地區(qū)海山玄武巖的地球化學特征則與洋島玄武巖的特征十分相似(圖8).巴顏喀拉地區(qū)古海山玄武巖基座之上普遍發(fā)育紫紅色鈣質泥巖.現(xiàn)代太平洋深水海山頂上常常發(fā)育具有經(jīng)濟價值的紫紅色多金屬結殼,因此巴顏色喀拉地區(qū)古海山這套紅色鈣質泥巖的地球化學組成也引起了我們的重視.然而,測試結果發(fā)現(xiàn)這些泥巖中的重要金屬元素(如Cu,Co,Ni和Mn等)的含量均很低,因此沒有什么經(jīng)濟價值.當然,這只是一點嘗試,有關本地區(qū)古海山頂上、海山周圍及海山之間深海軟泥中金屬元素的含量及分布方面仍有很多工作要做.另一方面,由于紫紅色鈣質泥巖產(chǎn)在玄武巖基座與碳酸鹽建造之間,因此它在一定程度上反映了海山基座形成之后至碳酸鹽建造開始之前這段時間內古海山的沉積環(huán)境.從目前的測試分析來看,巴顏喀拉地區(qū)紫紅色泥巖可分兩種類型,一種富含鈣(CaO含量一般在10%以上),但SiO2含量較低(19.80%～39.48%);另一種中鈣含量偏低(0.65%),但SiO2含量較高(大于60%)(表1).其中后者在宏觀特征上與研究區(qū)廣泛分布的紫紅色深海泥巖(經(jīng)變質后常成板巖)及放射蟲硅泥質巖有些類似.但通過地球化學分析,發(fā)現(xiàn)它們之間存在明顯的差別(表2).在本研究中,巴顏喀拉古海山鈣質泥巖及泥質巖樣品中的MnO/TiO2均小于0.522,而海山周邊深海盆地相硅泥質巖樣品(除樣品Huz-E外)中的MnO/TiO2比值多在1.7647～5.2879之間.樣品Huz-E中的MnO/TiO2比值偏低(為0.3219),可能與巖石中混雜有較多的火山灰物質有關,因為該樣品內部略呈灰綠色.海洋泥質沉積物的地球化學組成往往能很好地反映水深等環(huán)境因子.RyuichiSugisaki等曾對采自大陸陸棚、陸緣海及洋底等不同環(huán)境中700多個泥質沉積物的樣品進行