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郯庐断裂带晚中生代演化对华北克拉通破坏过程的指示

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 岩石学报 2016-05-02郯庐断裂带晚中生代演化对华北克拉通破坏过程的指示论文作者:朱光 王薇 顾承串 张帅 刘程,原文发表在《岩石学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 晚中生代 构造演化 华北克拉通破坏 动力学背景 郯庐断裂带
摘要: 郯庐断裂带晚中生代的演化历史是华北克拉通破坏过程的重要记录。中侏罗世末(燕山运动A幕),郯庐断裂带局部发生左行平移活动,而华北克拉通上出现了一系列北北东走向的缩短构造,指示了西太平洋伊泽奈崎板块俯冲的开始。晚侏罗世期间,郯庐断裂带没有发生活动,而华北克拉通出现局部伸展与岩浆活动及区域性隆升,应为弧后弱拉张背景。早白垩世初(燕山运动B幕),郯庐断裂带再次发生强烈的左行平移活动,华北克拉通北部与东部出现了一系列近南北向挤压产生的构造,应是鄂霍茨克洋最终关闭与伊泽奈崎板块高速俯冲双重作用的结果。随后的早白垩世期间,华北克拉通在弧后拉张背景下发生峰期破坏,郯庐断裂带呈现为强烈的伸展活动。早白垩世末的区域性挤压作用,结束了华北克拉通的峰期破坏,并使郯庐断裂带再次发生了一期左行平移活动。这期挤压作用出现在太平洋板块接替伊泽奈崎板块这一重大板块调整的背景之中。

朱光, 王薇, 顾承串, 张帅, 刘程
合肥工业大学资源与环境工程学院, 合肥 230009
2015-08-31 收稿, 2015-11-05 改回.
基金项目: 本文受国家自然科学基金项目(41472186、91414301、41072162)资助.
第一作者简介: 朱光,男,1959年生,博士,教授,构造地质专业

郯庐断裂带是中国东部规模最大的巨型断裂带。该断裂带南起长江北岸的湖北武穴,经安徽庐江、山东郯城、渤海,过沈阳后分为西支的依兰-伊通断裂和东支的敦化-密山断裂(也称为密山-抚顺断裂),总体呈北北东走向,在中国境内长达2400km。断裂带自南向北分别经过扬子板块、大别-苏鲁造山带、华北克拉通与中亚造山带东部的兴蒙造山带。前人的一系列研究表明(Okay and engör,1992; Yin and Nie,1993; Li,1994; Lin and Li,1995; Gilder et al.,1999; Wang et al.,2003; Zhang et al.,2007; Zhu et al.,2009),郯庐断裂带起源于印支期华北与华南板块的碰撞造山过程中,当时的断裂带仅出现在现今的渤海湾以南。在晚中生代期间,该断裂带多次活动,向北延伸进入东北地区,并记录了华北克拉通的破坏过程,从而成为理解华北克拉通破坏过程的重要构造之一。然而,由于该断裂带演化的多期性与复杂性,关于其晚中生代演化的诸多方面还存在着不同的认识,因而有必要开展更深入的研究与综合分析。

华北克拉通破坏是指晚中生代期间华北克拉通东部整体稳定性的丧失,表现为早期难熔、冷而刚性的岩石圈地幔转变为富集的、热而软的岩石圈地幔,从而出现了强烈的岩浆活动与广泛的伸展构造。华北克拉通破坏的峰期出现在早白垩世已被广泛接受(朱日祥等,2012)。然而,这一破坏峰期是如何突然出现的,并且又为何在早白垩世末突然中止,长期以来没有明确的认识。本文将通过对中国东部晚中生代(燕山运动)构造活动的综合分析,阐明郯庐断裂带在这一时期的构造表现及相关的动力学机制。结合华北克拉通破坏的研究成果,探讨华北克拉通东部峰期破坏前后的地质演化过程,进一步理解晚中生代郯庐断裂带的构造演化过程。

1 中-晚侏罗世地质过程

1.1 郯庐断裂带
郯庐断裂带在晚中生代期间呈现为左行平移活动已为一系列构造与年代学研究(Xu et al.,1987; Zhu et al.,2005,2010; Wang,2006)所证实。在大别造山带东缘,郯庐左行走滑韧性剪切带出现在造山带变质岩内(图 1)。该段剪切带产状陡立,矿物拉伸线理平缓,露头及显微构造均指示为左行剪切(Zhu et al.,2005,2010)。该处郯庐走滑剪切带还明显牵引、弯曲超高压变质带与晓天-磨子潭断裂(图 2),也明显指示造山带折返后发生过郯庐断裂带的左行平移活动。Wang(2006)和Zhu et al.(2010)通过对该段走滑韧性剪切带内白云母的40Ar/39Ar定年,获得了162~150Ma年龄值(图 1),并依此认为该断裂带在中侏罗世末至晚侏罗世初发生过一期左行平移活动。值得指出的是,大别造山带内部已有的大量年代学研究显示,并没有这一期的同位素年龄值,也没有这一期岩浆活动,因而大别造山带东缘郯庐剪切带内162~150Ma年龄值应代表了其本身的一期左行平移活动。然而,郯庐断裂带中-南段其它部位目前仍没有发现这期左行平移活动的记录。

图 1
Fig. 1
图 1 大别造山带东缘郯庐韧性剪切带构造图与定年结果

Fig. 1 Structural map for the Tan-Lu ductile shear zone along the eastern margin of the Dabie Orogen and dating results



图 2
Fig. 2
图 2 华北克拉通中侏罗世末(燕山运动A幕)构造简图

Fig. 2 Sketch map for structures in the North China Craton at the end of Middle Jurassic(episode A of the Yanshan Movement)

1.2 华北克拉通
华北克拉通北部的燕山构造带以发生过燕山运动而闻名。燕山运动是指侏罗-白垩纪期间区域挤压中发生的构造运动,最早由翁文灏先生提出(Wong,1926,1927),具体包括晚侏罗世髫髻山组分别与下伏和上覆地层之间两个角度不整合所代表的构造运动。随后,翁文灏先生(Wong,1929)将髫髻山组与下伏地层之间角度不整合、髫髻山组火山喷发期及其与上覆地层之间角度不整合分别命名为燕山运动A幕、中间幕和B幕。

由于后期燕山B幕变形的强烈叠加与改造,目前燕山构造带内被确认的燕山A幕构造较为有限。它们包括北东向的十三陵-红螺寺逆冲断层(Davis et al.,2001)、北东东向的兴隆逆冲断层(张长厚等,2011)、辽西北东向峪耳崖-雹神庙断层、窟 窿山断层以及建昌-朝阳逆冲断层(张长厚等,2004)等。这些燕山A幕构造显示当时阴山-燕山构造带主体上形成了一系列北东至北东东走向的逆冲断层(图 2)。Wang et al.(2011b)对北京西山地区详细的构造与年代学研究表明,该区在燕山运动A幕表现为NWW-SEE向挤压变形,其中的逆冲型韧性剪切带内给出了170~150Ma白云母40Ar/39Ar年龄(中侏罗世晚期至晚侏罗世中期)。前人通过对燕山运动A幕角度不整合上、下层位内火山岩的锆石定年,具体限定这期变形应发生在165Ma左右(赵越等,2004; 刘健等,2006; 李海龙等,2014)。

华北克拉通中部自东向西呈现为北北东走向的太行山冲断带、山西断褶带和吕梁山冲断带(图 2)。山西断褶带内以发育北北东向宽缓褶皱为特征,包括沁水向斜、宁静向斜、大同向斜及其间的一系列背斜构造(图 2)。华北克拉通中部卷入北北东向逆冲断层及褶皱的最新地层为中侏罗统(廖昌珍等,2007; 张岳桥等,2007),上侏罗统普遍缺失,指示这些北北东走向的挤压变形构造形成于中侏罗世末(张岳桥等,2007)。Wang and Li(2008)通过对太行山北北东向逆冲型韧性剪切带内一系列白云母、黑云母及钾长石的40Ar/39Ar定年,获得了170~150Ma的同位素年龄,也指示这期NWW-SEE向挤压变形发生于中-晚侏罗世之交。鄂尔多斯盆地西缘也发育了近南北向的晚中生代褶断带(Liu,1998; Darby and Ritts,2002; 张岳桥等,2007)。该带内出现了一系列北北东向至近南北向逆冲断层及其间的褶皱构造(图 2)。该褶断带卷入的最新地层、侏罗纪物源区的变化及晚侏罗世类前陆盆地的发育,皆指示近东西向的挤压变形发生在中侏罗世末(Liu,1998; Darby and Ritts,2002; 张岳桥等,2007),也属于燕山运动A幕的产物。

大量的资料表明,华北克拉通在晚侏罗世燕山运动中间幕期间(介于A幕与B幕之间)处于广泛的隆起状态,表现为晚侏罗世沉积的广泛缺失(张岳桥等,2007; 陈印等,2009)。上侏罗统在华北克拉通仅存在于鄂尔多斯盆地西缘(芬芳河组)与阴山-燕山构造带上(大青山组/髫髻山组/蓝旗组火山岩及其上覆的土城子组/后城组碎屑岩)。鄂尔多斯盆地西缘上侏罗统芬芳河组为一套砾岩层堆积,与下伏中侏罗统多为不整合接触,代表了一套鄂尔多斯盆地西缘逆冲构造带发育后的类前陆盆地沉积(张岳桥等,2007)。在阴山-燕山构造带上,燕山运动中间幕以大规模中酸性火山喷发为特色,显示了华北地块东部这个时期处于一个构造活跃期。这期岩浆活动同样也出现在辽东、胶北及苏鲁造山带的东北部,发育了一系列中酸性侵入岩,如著名的玲珑岩基。而在华北克拉通东部南缘零星出露了晚侏罗世荆山岩体、涂山岩体、蚂蚁山岩体及信阳火山岩等(宋利宏等,2016)。由此可见,燕山运动中间幕显示了华北克拉通东部区域性隆起与岩浆活动相伴生的现象。前人通过对晚侏罗世火山岩与侵入岩的岩石学与地球化学研究(Gao et al.,2004; Zhang et al.,2008; Jiang et al.,2010; Yang et al.,2010,2012),认为华北克拉通东部在此期间处于弱伸展环境。通过燕山构造带内晚侏罗世盆地构造研究,一些学者(马寅生等,2002a,b; 邵济安等,2003)也认为燕山运动中间幕处于伸展活动而控制发育了局部的断陷盆地。近年来,通过对医巫闾山变质核杂岩(Zhang et al.,2012)、喀喇沁变质核杂岩(林少泽等,2014)及玲珑伸展穹窿(Charles et al.,2011; 林少泽等,2013)的早期构造与年代学的详细研究,也显示了晚侏罗世伸展活动的构造证据。总之,在晚侏罗世燕山运动中间幕期间,华北克拉通在弱伸展背景下呈现为区域性隆升,克拉通东部出现了岩浆活动。

通过对比可见,大别造山带东缘郯庐断裂带在中侏罗世末至晚侏罗世初的左行走滑活动显然与上述燕山运动A幕相吻合,为该断裂带在燕山运动A幕中复活的结果,也进一步验证了燕山运动A幕这一挤压事件的存在。已有的研究成果显示,郯庐断裂带其它部位并没有发现中侏罗世末至晚侏罗世初的活动迹象。华北克拉通上燕山运动A幕构造指示当时为NWW-SEE向挤压。这一挤压方向基本上垂直于郯庐断裂带的走向,不利于走滑活动的发生,从而只是局部呈现为压扭性的左行平移活动。对该断裂带多年研究也没有发现晚中生代的逆冲活动现象及晚侏罗世的伸展活动。另外,在此近垂直的挤压应力作用下,也不利于郯庐断裂带的向北扩展,推断这期活动中该断裂带也没有发生向北的明显延伸。

2 早白垩世初构造事件

2.1 郯庐断裂带左行平移活动
郯庐断裂带早白垩世初的左行平移活动已在其渤海湾以南的中、南段被广泛发现(Zhu et al.,2005,2010; 张岳桥和董树文,2008)。在大别造山带东缘,郯庐左行走滑韧性剪切带糜棱岩给出的另一组白云母40Ar/39Ar年龄为139~121Ma(Zhu et al.,2005,2010),其最大值(139Ma)应接近该期左行平移时间(Zhu et al.,2005),而其它较小值应为不均匀的冷却时间。该段走滑韧性剪切带糜棱岩还给出了更年轻的、120~102Ma的黑云母40Ar/39Ar年龄值(Zhu et al.,2005,2010; 图 1),皆属于冷却年龄,并与大别造山带造山后伸展与隆升及强烈岩浆活动时间相吻合(Wang et al.,2011c),也与郯庐断裂带的伸展活动及上盘(造山带一侧)抬升时间相吻合,因而不能代表走滑活动时间。该段剪切带部分被不变形的早白垩世岩体(小于139Ma,Zhu et al.,2010)所侵入(图 1),显示左行韧性剪切活动发生在早白垩世岩浆活动之前的早白垩世初。

郯庐断裂带张八岭隆起段位于大别与苏鲁造山带之间的扬子板块西缘(图 2),其西侧为华北克拉通上的合肥盆地。张八岭隆起北段出露新元古代绿片岩相变质的张八岭群(赵田等,2014),其中保存着印支期韧性变形构造(Zhang et al.,2007)。张八岭隆起南段主要出露角闪岩相变质的新元古代肥东杂岩(石永红等,2009; 赵田等,2014),经历过印支期的韧性变形与变质(Lin et al.,2005)。张八岭隆起南段肥东杂岩内发育了北东走向的郯庐走滑韧性剪切带(图 3)。该段郯庐韧性剪切带最大出露宽度可达约10km,为多条剪切带构成的复合型剪切带。其北部因出露层次较深而呈现为透入性的韧性走滑组构,而出露层次相对较浅的南部在走滑剪切带之间仍保留有早期韧性组构(图 3)。张八岭隆起南段韧性剪切带主体向南东陡倾,其中的矿物拉伸线理多向南西缓顷(图 3)。露头与显微构造均指示该段剪切带为左行走滑,并具有逆冲分量(Zhu et al.,2005)。其中糜棱岩内角闪石给出了143Ma的40Ar/39Ar年龄,而黑云母给出了137~119Ma的40Ar/39Ar年龄值(Zhu et al.,2005; 图 3)。这些定年结果表明该段郯庐断裂带的左行平移活动发生在约143Ma的早白垩世初(Zhu et al.,2005)。而较年轻的黑云母年龄(137~119Ma)应为冷却年龄,可能分别记录了走滑隆升及随后伸展与岩浆活动导致的隆升时间。由此可见,郯庐断裂带张八岭隆起南段明显记录了早白垩世初的左行平移活动。

图 3
Fig. 3
图 3 郯庐断裂带张八张岭隆起南段构造图

Fig. 3 Structural map for the southern Zhangbaling part of the Tan-Lu Fault Zone

郯庐断裂带山东段(也称为沂沭断裂带)介于华北克拉通与苏鲁造山带之间(图 4)。其在苏鲁造山带西缘的造山带变质岩内发育了造山期(印支期)左行走滑韧性剪切带,其中糜棱岩内白云母给出了239~210Ma的40Ar/39Ar年龄值(Zhu et al.,2009; 图 4)。该段郯庐断裂带在白垩纪时呈现为伸展活动(Zhu et al.,2010,2012),自东向西发育了F1、F2、F3和F4正断层,控制发育了两个地堑与其间的地垒(图 4)。该地垒上变质基底内发育有北北东走向的郯庐走滑韧性剪切带。韧性剪切带向南东陡倾,矿物拉伸线理近水平,各类剪切指向构造均指示为左行剪切。该左行走滑韧性剪切带糜棱岩内角闪石给出了132Ma的40Ar/39Ar冷却年龄(Zhu et al.,2009; 图 4),也指示在早白垩世初发生过左行平移活动。

图 4
Fig. 4
图 4 苏鲁造山带西缘郯庐断裂带构造图(同位素年龄值据Zhu et al.,2009)

Fig. 4 Structural map for the Tan-Lu fault Zone along the western margin of the Sulu Orogen(the isotopic ages are from Zhu et al.,2009)

已有的研究表明(Xu et al.,1987; Xu and Zhu,1994; 张岳桥和董树文,2008),郯庐断裂带北段的依兰-伊通断裂和敦化-密山断裂可能也在早白垩世初发生了左行平移活动。正是该断裂带这期强烈的左行平移活动,使其中、南段向北延伸而扩展进入东北地区(Xu et al.,1987)。中国东部这期间还在郯庐断裂带旁侧出现了一系列NE-NNE向的左行平移断裂(Xu et al.,1987),整体呈现为压扭性活动。