4.1.1 蛇绿岩或蛇绿杂岩
北祁连蛇绿岩以玉石沟岩石组合发育较全，除了发育席状岩墙群之外，蛇绿岩套的各岩石单元也均有发育（张旗等，2001）。而北祁连的其他蛇绿岩，大多缺失或不发育超镁铁质堆积岩，以变质橄榄岩、辉长岩和枕状熔岩出露较多，且常与岛弧增生楔及消减杂岩相伴产出，构成蛇绿混杂岩。
北祁连蛇绿杂岩带中，除出露前寒武系基底地层之外，主要出露古生界地层。下寒武统沉积在北祁连缺失，中寒武统在走廊南山一带为黑茨沟群，昌马镜铁山一带为格尔莫沟群。上寒武统沿昌马、玉石沟川刺沟一带零星分布，统称香毛山群。中寒武统的火山岩主要为基性和酸性组分，构成了典型双峰式裂谷火山岩组合。上寒武统主要为杂砂岩、板岩和结晶灰岩，火山岩缺失，说明是一稳定的大陆边缘沉积环境。奥陶系在北祁连广泛发育。下奥陶统称阴沟群，中奥陶统为中堡群和车轮沟群，上奥陶统在肃南主峰一带下部为妖魔山群、上部南石门子组，在天祝、古浪一带下部称古浪组、上部抠门自组。奥陶系主要为火山沉积建造，为蛇绿岩套发育的层位。志留系主要出露在走廊南山北坡，由厚层灰绿紫红色源于岛弧和增生杂岩的砾岩、砂岩、粉砂岩和页岩组成的复理石建造，代表残余海盆的浊积相沉积。志留系主要为厚层残余海相复理石建造。泥盆系散布于整个北祁连山之中，是强烈造山作用形成的非海相磨拉石。
图4-1 北祁连构造带西段地质构造图
（据李文渊，2006修改）
1﹒石炭系及以上盖层；2﹒泥盆系磨拉石建造；3﹒中上志留统复理石建造；4﹒中上奥陶统沉积岩系；5﹒俯冲杂岩体；
6﹒弧后火山岩；7﹒大陆或岛弧火山岩；8﹒大洋火山岩；9﹒花岗岩类；10﹒新元古界；11﹒中新元古界；12﹒断层；13﹒超基性岩
早先认为北祁连存在新元古代、中寒武世和早中奥陶世3个时代的蛇绿岩（肖序常等，1978；夏林圻等，1991）。已有的蛇绿岩同位素年代学数据主要集中在早古生代：大岔大坂蛇绿岩495Ma（张旗等，2001）；玉石沟蛇绿岩550Ma（史仁灯等，2004）；东草河蛇绿岩497Ma（曾建元等，2007）；老虎山蛇绿岩453Ma（夏林圻等，1996）；百经寺蛇绿岩502Ma（Zhangetal，2007）；熬油沟蛇绿岩（503．7±6．4）Ma（相振群等，2007）、（422±20）Ma（Smith＆Yang，2006）；塔敦沟蛇绿岩409—412Ma（吴汉泉等，1994；Smithetal，1997）；清水沟蛇绿岩442—449Ma（吴汉泉等，1994；Smithetal，1997）。熬油沟蛇绿岩时代存在较大争议，除早古生代年龄外，也有1783—1840Ma年龄数据报道（单颗粒锆石U-Pb，毛景文，1997）。目前多数人认为北祁连蛇绿岩形成时间主要在晚寒武世奥陶纪（夏林圻等，1996；冯益民等，1996；张旗等，2001）。
北祁连构造带自北而南依次可识别出以玉石沟川刺沟蛇绿岩为代表的洋中脊型蛇绿岩，以大岔大坂蛇绿岩为代表的岛弧扩张脊型蛇绿岩，以塔敦沟蛇绿岩、老虎山蛇绿岩为代表的弧后扩张脊型蛇绿岩（冯益民和何世平，1996），以及分布于岛弧扩张型蛇绿岩和洋脊型蛇绿岩带之间的俯冲杂岩带（冯益民和何世平，1996；宋述光，1997）。因此，北祁连在加里东期发育了完整的沟弧盆构造体系。
4．1．1．1 洋中脊型蛇绿岩与火山岩
洋中脊蛇绿岩主要分布于托莱山，即所称的托莱山蛇绿岩带，该带呈4个构造岩片沿中祁连地块北缘分布，主要由沉积岩系和蛇绿岩块组成。沉积岩为含早奥陶世化石的硬砂岩、粉砂岩、板岩、硅质岩、灰岩和滑塌堆积，反映为深海复理石建造。在这些岩片中蛇绿岩极为发育，以玉石沟川刺沟一带序列最为齐全，除大面积出露斜辉橄榄岩之外，还有与之相伴的堆积辉长岩、辉长辉绿岩，与火山岩一起构成蛇绿岩，其中以玉石沟蛇绿岩和新近报道的东草河蛇绿岩最具代表性，其余多为经构造肢解的蛇绿混杂岩。
玉石沟蛇绿岩主要由构造侵位的地幔橄榄岩、堆晶辉长岩、辉绿岩、枕状熔岩以及夹杂在其中的硅质岩组成。国内许多学者对其进行了包括岩石学、地球化学和同位素定年等方面的研究工作（肖序常等，1978；冯益民等，1995；夏林圻等，1996；宋述光，1997；史仁灯等，2004；侯青叶等，2005）。肖序常等（1978）根据覆盖在基性熔岩之上板岩夹层灰岩之中的化石，确认该蛇绿岩套形成于寒武纪；夏林圻等（1998）在基性熔岩Sm-Nd等时线年龄（521．48±23．79）—（495．11±13．78）Ma，以及托莱山蛇绿岩带发育的早奥陶世三叶虫、笔石和腕足类化石，认为属于晚寒武世早奥陶世。史仁灯等（2004）对该蛇绿岩中的堆晶辉长岩的SHRIMP锆石U-Pb定年获得（550±17）Ma年龄数据，推断该蛇绿岩形成时间应早于晚震旦世。
蛇绿岩的地幔橄榄岩主要为方辉橄榄岩，稀土配分曲线具LREE富集、Eu亏损的U型配分样式，堆晶辉长岩具有明显的Eu正异常［图4-2（a）］，枕状熔岩具有MORB特征（冯益民等，1995；夏林圻等，1996；宋述光，1997）。枕状熔岩的微量元素蜘蛛网图上，显示大离子亲石元素（LILE）弱亏损，高场强元素（HFSE）相对富集，总体相对平坦的分异形式。除一些活泼元素Ba、K和Sr显示可变的正或负异常外，NbTa、ZrHf不显示亏损，也不显示Ti的负异常［图4-2（b）］，基本上可以排除其形成岛弧环境的可能性。在构造判别图解中，枕状熔岩全部落在NMORB和EMORB区域内（图4-3），以及以MORB为主的区域内，表明其形成于洋中脊或成熟弧后盆地环境。
由于Rb、Ba、Th、Nb、Ta、La等强不相容元素的元素对比值，对部分熔融或低度分异结晶过程不敏感，不会导致对元素比值的明显分异，因此这些元素对比值可以像同位素一样用于示踪岩浆源区化学组成特征（Wilson，1993）。表4-1列出了玉石沟玄武岩强不相容元素对比值。考虑到Ba、Rb、K易受到蚀变或变质作用的影响而导致岩石的上述含量发生变化，故本次只选择不活泼元素对比值与原始地幔（PM）、亏损地幔（DM）、大陆地壳（CC）以及富集地幔（OIB）相对应的比值进行对比。从表中列出的数据可以看得出：玄武岩的Zr／Nb比值平均为18．17，高于大陆地壳、OIB地幔比值，小于亏损地幔的比值；La／Nb比值1．36，高于亏损地幔，与OIB地幔EMI上限接近；Th／Nb比值0．25，高于亏损地幔、OIB地幔比值上限，小于大陆地壳比值；Th／La比值0．15明显高于亏损地幔比值，而与OIB地幔比值接近。这些元素对的比值特征反映了玉石沟玄武岩源区既不同于典型的NMORB型的亏损地幔，也不同于典型的OIB地幔，而是可能介于二者之间的过渡型地幔。该种认识可从玉石沟枕状熔岩、地幔橄榄岩的SrNdPb同位素组成得到进一步证实（侯青叶等，2005）。
图4-2 玉石沟玄武岩稀土和微量元素标准化配分曲线
（数据＊据史仁灯等，2004；其他据侯青叶等，2005）
图4-3 玉石沟枕状玄武岩构造环境判别图解
（数据据史仁灯等，2004；侯青叶等，2005）
（a）2NbZr／4Y构造环境判别图解（据Meschede，1986）：AI﹒板内碱性玄武岩；AⅡ﹒板内碱性玄武岩，板内拉斑玄武岩；B﹒EMORB；C﹒板内拉斑玄武岩，岛弧玄武岩；D﹒NMORB；（b）Ti／100Zr3Y构造判别图解（据Pearce＆Cann，1973）：A﹒岛弧拉斑玄武岩；B﹒MORB；C﹒钙碱性玄武岩；D﹒板内玄武岩
表4-1 玉石沟玄武岩微量元素组成特征
地幔、地壳端元数值据Weaver（1991）
玉石沟蛇绿岩套枕状熔岩同位素组成见表4-2。其中枕状熔岩143Nd／144Nd、87Sr／86Sr同位素比值分别介于0．512955～0．512978和0．70509～0．70600之间，岩石同位素初始比值（143Nd／144Nd）t＝550Ma、（87Sr／86Sr）t＝550Ma分别为0．512249～0．512275和0．70501～0．70568，εNd（t）介于6．3～6．8之间。Nd同位素组成特征显示玉石沟玄武岩源于亏损地幔源区。岩石Sr同位素初始比值要大于亏损地幔550Ma时的对应比值0．7022，显示相对富Sr特征。考虑到岩石喷发到海底后，与海水的水岩交换反应会导致岩石Sr同位素相对富集，因此岩石Sr同位素富集特征，除源区可能富Sr外，海水的影响不容忽视。火山岩初始Nd与550Ma时亏损地幔的对应比值［（143Nd／144Nd）t＝0．512381，εNd（t）＝8．8］相比，前者相对典型的亏损地幔源区具有不相容元素亏损程度相对较低的特征，这与前述火山岩不相容元素对所得出的结论相符。因此，岩浆源区具有亏损地幔与富集地幔过渡特征，蛇绿岩应属于洋脊型蛇绿岩。
另一代表洋脊型的蛇绿岩东草河蛇绿岩为夹在早古生代沉积火山岩系中的构造移置岩块。根据岩石组合东草河蛇绿岩可分为3个单元（曾建元等，2007）：①堆晶纯橄岩橄长岩斜长岩斜长辉长岩辉长岩系列，明显由多期次侵入的岩床组合而成，底部由堆晶纯橄岩橄长岩所组成，往上则为具有堆晶条带的斜长质辉长岩。堆晶岩系中经常见到大小不一的不整合的纯橄榄岩辉长岩侵入体。②均质辉长岩系列，主要由辉长岩苏长辉长岩构成，辉绿岩脉经常穿插其中。③顶部主要由辉绿岩墙与玄武岩熔岩构成。曾建元等（2007）对其中苏长质辉长岩的锆石SHRIMPU-Pb定年工作，获得锆石206Pb／238U加权平均年龄为（497±7）Ma。对该年龄所代表的含义，作者基于亏损地幔Zr不饱和而没有能力结晶出锆石这一假设，并未将其视为蛇绿岩形成时间，而将其作为构造侵位过程出现部分熔融事件的时代，进一步推断东草河蛇绿岩代表的古洋盆应该存在于该年代之前的中晚寒武世甚至更早。
表4-2 玉石沟蛇绿岩套枕状熔岩SrNdPb同位素组成（t＝550Ma）
图4-4为东草河堆晶橄长岩、钙长质辉长岩、辉长岩、均质苏长质辉长岩、玄武岩和辉绿岩的稀土元素配分模式和微量元素蜘蛛网图。玄武岩、辉绿岩具有LREE亏损、HREE平坦的分布样式，与典型洋中脊玄武岩稀土配分模式类似。微量元素除Rb、Ba、K、Sr等化学性质活泼元素表现为相对富集或亏损外，随着元素不相容程度降低而显示逐步富集，总体上具有强不相容元素亏损、相容元素富集的分配特征，与MORB类似，同时无明显的NbTa、Ti的负异常，表明其形成于类似MORB的环境。堆积岩系列稀土配分样式类似，均具有明显的Eu正异常，可能与富Eu斜长石晶出有关。堆积岩的微量元素分配曲线具有明显的K、Sr富集，Nb负异常，反映前两者主要受斜长石结晶作用控制，而后者则反映岩浆缺乏含Nb的矿物相。
以玉石沟、东草河所代表的洋脊型蛇绿岩和川刺沟蛇绿岩、小八宝蛇绿岩共同构成了北祁连洋脊型蛇绿岩带，反映在北祁连的确曾存在一分隔古陆的北祁连洋洋盆，该带蛇绿岩主要形成于早古生代，因此该蛇绿岩带主要为早古生代早期洋盆的产物。
图4-4 东草河蛇绿岩岩石稀土配分曲线图（a）与微量元素蜘蛛网图（b）
（数据据曾建元等，2007）
4．1．1．2 岛弧或弧后盆地型蛇绿岩及火山岩
属于该类型的蛇绿岩主要包括大岔大坂、九个泉（塔敦沟）、老虎山等，主要分布在北祁连俯冲杂岩带北侧。前人的研究认为其主要形成于与岛弧有关的环境（Wuetal，1993；冯益民等，1995；许志琴等，1997；宋述光，1997；张旗等，1997，2001）。
大岔大坂蛇绿岩位于甘肃省肃南县西南与青海省接壤的分水岭大岔垭口以北，由变质橄榄岩、辉长辉绿岩和枕状熔岩三部分组成，以发育玻安岩为特征。张旗等（1998）对其进行了较为系统的研究，枕状熔岩按化学成分可分为MORB和玻安岩两类，前者出露范围较窄，位于辉长辉绿岩单元之上，其上为具玻安岩成分的枕状熔岩。玻安岩按地球化学性质可以进一步分为两组：第一组为典型的玻安岩，以富Si、Mg，贫Ti、HREE和HFSE为特征；第二组Ti、HREE和HFSE略高，Mg′值变化大，为玻安岩岩浆演化产物。在微量元素判别图解中，玻安岩主要显示岛弧火山岩属性，而拉斑玄武岩则与EMORB类似，不发育明显的Ti负异常（图4-5）。表4-3列出了枕状熔岩的Nd同位素组成：143Nd／144Nd比值在0．51200～0．513087之间，对应奥陶纪εNd（t）为1．8～8．9之间，岩浆源区变化较大，源区组成从相对亏损到典型亏损地幔均有之。在图4-6中除一个样品具有明显偏低的Sr同位素比值外，其余样品显示粗略的负线性关系，具有亏损地幔二元混合特征。其中一个端元靠近MORB地幔源区，另一个端元靠近EMII源区。综合同位素、微量元素特征，大岔大坂蛇绿岩可能形成于岛弧或弧后盆地环境（张旗等，1997）或具有扩张脊的岛弧环境（弧间盆地）（冯益民等，1995）。
塔墩沟蛇绿岩处在大岔大板蛇绿岩的北侧，也称为九个泉蛇绿岩。剖面出露于肃南九个泉地区的塔墩沟，位于肃南县城西北约30km处。剖面北部为志留系巨厚的残留海盆相磨拉石和复理石建造，南部为泥盆系石炭系山间盆地沉积。蛇绿岩套由蛇纹岩、堆积辉长岩、枕状熔岩和团块状放射虫硅质岩组成，并与低级蓝片岩构成浅层俯冲杂岩（宋书光，1997）。对其形成的构造环境主要有两种不同的见解：一种将其作为弧后盆地扩张脊的产物（冯益民等，1995；夏林圻等，1996；张旗等，1997）或形成于弧后盆地的海山环境（钱青等，2001）；另一种则认为其代表向南俯冲的消亡大洋的残余洋壳（宋述光，）。蛇绿岩的产出时间目前尚未有直接的1997
图4-5 大岔大坂蛇绿岩枕状玄武岩原始地慢标准化微量元素蛛网图
（数据据侯青叶等，2006）
表4-3 大岔大板蛇绿岩枕状熔岩SrNd同位素组成（t＝500Ma）
前3个数据据侯青叶等（2006），其余数据据张旗等（1998）
年代数据。据夏林圻等（1996，1998）对同处一带老虎山、扁都口、白泉门熔岩Sm-Nd同位素测年数据（453．56±4．44）Ma、（464．59±21．89）Ma、（468．87±4．63）Ma，相当于中晚奥陶世。在Zr／YZr、Zr／4Y2Nb微量元素判别图解中，玄武岩主要落在洋脊到岛弧玄武岩区（钱青等，2001）。玄武岩稀土配分与N-MORB类似，微量元素除一些活泼元素显示相对富集或亏损外，大离子亲石元素（LILE）较高场强元素（HS‐FE）显示相对富集，发育Nb负异常，总体上与NMORB类似（图47）。
图4-6 大岔大坂蛇绿岩SrNd同位素组成协变关系图
（底图据张旗等，1997）
图4-7 九个泉蛇绿岩单元玄武岩稀土、微量元素配分曲线图
（数据据侯青叶等，2006）
表4-4列出了不同学者获得九个泉、塔敦沟火山岩和蛇纹岩的同位素组成，并将其按照t＝457Ma进行了放射性同位素校正。由4件火山岩Sr同位素初始比值（87Sr／86Sr）t可以看出，其比值介于0．70344～0．70527之间，均明显高于同时代亏损地幔的Sr同位素比值0．70230，显示其明显富放射性Sr特征。火山岩εNd（t）介于2．72～8．12之间，相对于同时代亏损地幔εNd（t）值9．0明显偏小，说明火山岩源区较典型亏损地幔不相容元素亏损程度要低。在SrNd同位素组成协变关系图4-8中，九个泉火山岩靠近MORB源区，Nd同位素组成与MORB接近，而Sr则明显偏离MORB源区。由于Nd同位素比值并未随Sr同位素比值同步变化，因此其Sr的富集特征可能与火山岩在海底遭受海水的蚀变有关。
表4-4 九个泉塔敦沟蛇绿岩单元岩石SrNd同位素组成（t＝457Ma）
＊数据据钱青等（2001），＊＊数据据SmithAD＆YangHY（2006），其余数据据侯青叶等（2006）
图4-8 九个泉老虎山蛇绿岩单元火山岩SrNd同位素协变关系
（数据据侯青叶，2006）
●为老虎山，○为九个泉
老虎山蛇绿岩位于北祁连造山带东端，其中猪嘴哑巴剖面研究较详细。该蛇绿岩剖面由下部蛇绿岩、枕状熔岩和上覆岩系组成。蛇绿岩原岩为方辉橄榄岩，已大部分蛇纹石化。蛇绿岩上覆岩系由枕状熔岩和沉积岩组成。蛇绿岩中的枕状熔岩与上覆岩系的枕状熔岩具有类似地球化学特征，但前者LREE亏损，后者LREE略富集，分别相当于NMORB和EMORB（张旗和周国庆，2001）。从侯青叶所获得3件枕状熔岩稀土和微量元素组成特征来看，其LREE富集，更接近于EMORB（图4-9）。微量元素组成具有LILE元素相对富集、HFSL相对亏损特征，显示明显的Nb、Ti负异常，指示岩浆源区受到壳源物质的混染。在图4-8中，老虎山火山岩SrNd同位素组成接近EMII端元，也说明其源区受到了来自壳源物质影响。因此，老虎山蛇绿岩可能形成于俯冲有关的岛弧构造环境。
图4-9 老虎山蛇绿岩单元玄武岩稀土、微量元素配分曲线图
（数据据侯青叶等，2006）
4．1．1．3 俯冲杂岩带中的蛇绿岩块
俯冲杂岩带分布于洋脊型蛇绿岩带和岛弧或弧后蛇绿岩带之间，由边马沟蛇绿岩、清水沟蛇绿岩、百经寺蛇绿岩和蓝闪片岩等组成。
边马沟（也称作扁麻沟、边麻沟或扁马沟）蛇绿岩出露在边马沟南端，北部发育双峰式火山岩。蛇绿岩主要由变质橄榄岩、辉长岩（少量堆晶岩）组成，并有辉绿岩墙侵入，受塑性变形变质作用影响，岩墙多被拉断。枕状熔岩受构造压扁已很难识别，主要以块状构造为主。变质橄榄岩贫Al和Ca，主要由方辉橄榄岩和纯橄榄岩组成。玄武岩和辉绿岩富Ti、Fe，贫Mg、K，Mg＃值小（0．47～0．52），为明显分离的岩石。在TaThHf图解中，大多落在NMORB区域，少数落在EMORB区域。在Th／YbTa／Yb图解中，均落在地幔范围之内，接近亏损地幔源区，指示为亏损地幔部分熔融形成的（张旗等，1997）。辉长岩REE总量低，LREE亏损，玄武岩和辉绿岩也主要是LREE亏损。变质橄榄岩中的辉绿岩墙在前述的微量元素图解中主要落在岛弧区，显示与辉绿岩和玄武岩不同的地球化学特征。双峰式火山岩基性岩部分在地球化学图解中主要落在岛弧区范围，酸性岩部分也主要显示岛弧成分属性。
表4-5列出了边马沟蛇绿岩和双峰式火山岩的Sr、Nd同位素数据，其协变关系见图4-10。从图中可见，无论是组成蛇绿岩的玄武岩、辉绿岩或辉长岩，还是双峰式火山岩均表现为Nd同位素组成变化范围小、Sr同位素组成变化大的特点，前者相对后者源区更接近亏损地幔源区，后者来自更富集源区。Sr同位素较大的变化范围，与Nd同位素变化不具相关性，其富集可能与海水蚀变有关。无论是边马沟蛇绿岩还是火山岩，其εNd（t）值均指示岩浆源区来自亏损的地幔。
表4-5 边马沟蛇绿岩及双峰式火山岩SrNd同位素组成
据张旗等（1997）
综合边马沟蛇绿岩和火山岩的微量元素特征和Nd同位素组成特点，边马沟蛇绿岩和火山岩应主要形成于岛弧构造环境（图4-10）。
根据前面对北祁连不同类型的蛇绿岩和火山岩源区和形成环境的讨论可以看出，早古生代早期是北祁连洋盆发育的重要时期，组成北祁连组成洋壳的蛇绿岩组分既有洋脊型，又有岛弧或弧后型，因此北祁连洋盆应是发育俯冲机制的古洋盆。结合侯青叶等（2006）对北祁连蛇绿单元枕状玄武岩NdPb同位素结果，即北祁连古洋盆海底玄武岩源区具有现今印度洋MORB和OIB型玄武岩源区特征，因此可以推断早古生代的北祁连洋盆很可能是古特提斯洋盆的一个分支。
图4-10 边马沟蛇绿岩与双峰式火山岩SrNd同位素协变关系
（数据据张旗等，1997）
╋为蛇绿岩，●为双峰式火山岩
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