北大別造山后伸展變形特征及其深部動力學意義

向必偉, 陳 林, 張 強, 王志國, 高 成

北大別造山后伸展變形特征及其深部動力學意義

向必偉1, 陳 林2, 張 強2, 王志國2, 高 成3

(1. 東華理工大學 地球科學學院, 江西 南昌 330100; 2. 浙江省第七地質大隊, 浙江 麗水 323060; 3. 東華理工大學, 核資源與環境國家重點實驗室, 江西 南昌 330100)

大別造山帶位于華北板塊南緣, 其早白堊世伸展活動是華北克拉通伸展破壞活動的一部分。北大別穹隆是造山帶伸展構造主要分布區域, 其構造特征、巖石變形特征以及深部動力學對理解造山帶伸展活動以及華北克拉通破壞具有重要意義。北大別穹隆內變形組構的構造歸屬及其所指示的巖石變形方式是研究穹隆伸展過程及深部動力學機制的基礎。本次工作對北大別穹隆內發育不同傾伏方向拉伸線理的變形巖石開展了詳盡的構造觀察和鋯石U-Pb年代學分析。年代學結果顯示, 6個樣品的鋯石邊部給出了118～131 Ma的年齡。結合實際構造觀察與分析, 我們認為這一變質年齡代表了拉伸線理的形成時間。北大別穹隆從邊界剪切帶到中部的垂向剖面上, 變形組構分布指示邊界剪切帶以簡單剪切為主的平面應變; 隨著深度增大, 垂直剪切方向的主應變愈發顯著, 形成垂向上縮短, 平行于剪切方向(上盤向NW)和垂直于剪切方向的伸長都不可忽略的三維變形。巖石變形特征及構造組合特征揭示, 北大別穹隆總體上是以邊界剪切帶為拆離帶的變質核雜巖, 是古太平洋板塊后撤的結果; 拆離帶以下的中?下地殼巖石發生的伸展, 是加厚地殼受熱活化后重力垮塌的結果。

北大別穹隆; 造山后伸展; 重力垮塌; 構造年代學; 側向流變

0 引 言

大別造山帶在板塊碰撞與高壓?超高壓變質巖石折返之后, “平靜”了至少50 Ma甚至近100 Ma后, 于早白堊世發生了大規模的造山后伸展活動, 該伸展活動是包含華北克拉通破壞在內的中國東部廣泛伸展作用的結果。北大別區域伸展變形特征及深部動力過程不僅是造山帶動力學研究的主要內容, 也為揭示華北克拉通破壞及中國東部伸展活動深部動力學機制提供重要依據。

北大別構造單元是大別造山帶造山后伸展構造主要區域。北大別造山后伸展構造總體呈現為穹隆狀幾何外形, 其構造演化方式一直以來都存在較大爭議。早期研究者認為北大別穹隆為巖漿穹隆, 區域內變形構造是以穹隆為中心的重力滑塌的結果(鐘增球等, 1998; 索書田等, 2000)。這一模式雖然可以較好地解釋穹隆周邊的伸展斷層, 如北部的曉天?磨子潭剪切帶、西部的商城?麻城斷裂帶以及穹隆內部不同傾伏方向的拉伸線理, 然而以穹隆為中心的伸展變形總體應以放射狀呈現為上盤向下, 這與區域內一致的上盤向NW伸展剪切(Hacker et al., 2000; Faure et al., 2003; 林偉等, 2005; Lin et al., 2007; Wang et al., 2011; Ji et al., 2017)的地質事實相矛盾。變質核雜巖是較多學者認可的構造模式, 可以很好地解釋北大別穹隆邊界剪切帶(如曉天?磨子潭剪切帶和五河?水吼剪切帶)的構造屬性、幾何學與運動學特征, 但對穹隆內部隨著構造層次的加深, 中?下地殼巖石內發育變形組構缺乏合理解釋。為此, 也有學者認為北大別穹隆內部不同傾伏向的拉伸線理是多期次構造的結果, 記錄了造山帶俯沖碰撞、深俯沖物質折返以及造山后伸展活動的信息(林偉等, 2005)。但該解釋, 除了產狀上與早期的宏觀構造背景耦合外, 還缺少實質性的證據。我們早期提出北大別造山后伸展先在中?下地殼發生近水平的上盤向NW的流變, 隨后發生局部的巖漿穹隆(Wang et al., 2011), 這一模式似乎可以合理地解釋北大別穹隆內一致的上盤向NW的運動學特征和穹隆內宏觀尺度上產狀變化的拉伸線理(一致的NW-SE向原始拉伸線理被穹狀抬升后的結果), 但仍然與北大別穹隆內露頭尺度發育產狀變化的拉伸線理的現象相矛盾。

本文在構造觀察的基礎上, 對區域內發育不同傾伏向的變形巖石開展鋯石U-Pb年代學分析, 厘清變形組構的構造屬性, 從而探究北大別中?下地殼巖石流變特征及其空間展布和深部動力學機制。

1 地質背景

大別造山帶是世界上高壓?超高壓巖石產出最為廣泛的地區, 含柯石英和微粒金剛石的榴輝巖出露地表說明造山帶經歷了板塊深俯沖和折返等構造過程(Carswell and Compagnoni, 2003)。近二十年來大量的研究顯示, 中三疊世(約240～230 Ma)揚子板塊向華北板塊發生深俯沖(Ames et al., 1996; Rowley et al., 1997; Hacker et al., 2000; Li et al., 2000; Ayers et al., 2002), 早侏羅世之前超高壓巖石折返淺部地殼已基本結束(Hacker et al., 2000; Li et al., 2005)。此后相當長時間內, 大別造山帶處于相對穩定狀態, 并于早白堊世發生了大規模的造山后伸展活動(鐘增球等, 1998; Ratschbacher et al., 2000; 索書田等, 2000; Faure et al., 2003; Lin et al., 2007, 2009; Wang et al., 2007), 形成了北大別穹窿構造。

大別造山帶走向WWN-SEE, 東端以郯廬斷裂帶為界, 西端的商城?麻城斷裂帶將其與紅安大別分隔(圖1b)。大別造山帶由南至北可分為4個巖石構造單元(Okay, 1993; Zheng et al., 2003): 宿松雜巖帶、南大別高壓?超高壓變質帶、北大別穹窿雜巖帶和北淮陽淺變質帶。宿松雜巖帶位于大別造山帶南端, 界于襄樊?廣濟斷裂帶和太湖?馬廟斷裂之間。宿松雜巖帶主要由綠片巖?低角閃巖相變沉積巖和副片麻巖構成(Jiang et al., 2003)。南大別高壓?超高壓變質帶位于大別造山帶中部, 北側的五河?水吼剪切帶將其與北大別穹窿雜巖帶隔開。高壓?超高壓變質帶主要巖石組合為副片麻巖和呈透鏡狀分布其中的榴輝巖、硬玉石英巖、大理巖和含石榴子石輝巖。北大別穹窿雜巖帶位于大別造山帶北部, 曉天?磨子潭剪切帶將其與北側的北淮陽淺變質帶相分開。該雜巖帶主要由TTG片麻巖、早白堊世花崗質巖體以及少量基性?超基性巖體和零星分布于穹窿核部的下地殼麻粒巖組成(Chen et al., 1998)。北淮陽淺變質帶由金寨?舒城斷裂將其與造山帶前陸盆地——合肥盆地分隔開, 主要由佛子嶺群和廬鎮關群兩個淺變質單元組成。佛子嶺群主要是一套低級變質的變層積巖, 廬鎮關群為角閃巖相變質的正片麻巖。

北大別片麻巖在經歷了碰撞造山期深俯沖與折返過程后, 于早白堊世發生了大規模造山后伸展(Hacker et al., 2000; Ratschbacher et al., 2000; Wu et al., 2007; Xu et al., 2007; Wang et al., 2007), 呈現出為以羅田為中心的穹隆狀構造(鐘增球等, 1998; 索書田等, 2000)。黃土嶺地區麻粒巖及其變形構造的出露(Chen et al., 1998; 魏春景等, 2000; Shen et al., 2014; 劉貽燦等, 2015), 表明北大別下地殼巖石經歷了造山后伸展變形作用。構造觀察和分析揭示, 造山后伸展過程中, 北大別中?下地殼整體呈現為上盤向NW剪切運動(林偉等, 2005; Wang et al., 2013; Ji et al., 2017), 北大別穹隆構造是以邊界剪切帶為拆離帶的變質核雜巖, 是早白堊世中國東部廣泛伸展活動的一部分(Ji et al., 2017; Lin and Wei, 2020)?，F今的北大別構造單元從邊界剪切帶到中部連續出露了中地殼灰色片麻巖至下地殼麻粒巖及韌性變形構造。

2 構造觀察與分析

北大別區域內發育以羅田和岳西為中心的兩個穹隆狀構造(Ratschbacher et al., 2000; Faure et al., 2003; 林偉等, 2005; Wang et al., 2011)。其中, 西部的羅田穹隆較為完整, 從邊界剪切帶到穹隆中心, 連續出露角閃巖相長英質糜棱巖到塑性變形的混合巖化片麻巖再到下地殼麻粒巖, 總體上呈現為以NNW-SSE向為軸的背形幾何外形?；诔雎稐l件, 本次研究主要在西部的羅田穹隆內, 通過沿NNE-SSW向剖面開展詳盡的變形組構與運動學觀察(圖1b), 以探究北大別中?下地殼巖石流變特征及其空間展布。

北大別穹隆北邊界曉天?磨子潭剪切帶巖石變形強烈, 以花崗質糜棱巖、超糜棱巖為特征。糜棱巖面理傾向NNE-NE, 并普遍發育NW-SE向礦物拉伸線理。野外變形組構、顯微構造及石英C軸組構分析揭示, 剪切帶為一致的上盤向NW的剪切運動。構造熱年代學研究和構造變形分析認為, 曉天?磨子潭剪切帶為早白堊世北大別穹隆中?下地殼伸展流變的上邊界剪切帶, 穹隆中部抬升、剝蝕后呈現為現今構造格局(Wang et al., 2011)。石英C軸組構分析和運動學渦度測試揭示, 巖石變形運動學渦度大于0.9, 以簡單剪切變形為主(向必偉等, 2017)。

從曉天?磨子潭剪切帶向南至襄樊?廣濟剪切帶, 區域內巖石面理總體勾勒出穹隆狀幾何外形(圖1d)。鄰近曉天?磨子潭剪切帶主要分布糜棱巖化花崗質片麻巖, 或極低程度混合巖化的弱變形片麻巖以及花崗質巖體。初糜棱巖或糜棱巖化片麻巖面理傾向NNE, 傾角中等, 礦物拉伸線理以平緩角度向SE傾伏。穹隆中部為花崗巖體, 邊緣發育弱面理化流面構造, 內部未變形。巖體兩側巖石受巖漿侵位影響, 接觸帶附近面理較陡, 遠離接觸帶面理相對平緩, 呈現為變質核雜巖中部巖漿穹隆的幾何外形。巖體北側面理化混合巖或糜棱巖化片麻巖面理傾向NNE; 巖體南側面理化混合巖面理以中等角度傾向SSE, 遠離巖體接觸帶, 面理趨于平緩。在剖面AA′上, 跨越花崗巖體(圖1d), 巖石混合巖化作用有所增強, 糜棱巖化變形有所降低, 變形主要表現為片麻巖、初糜棱巖或局部發育的露頭尺度剪切條帶。片麻理或糜棱面理以中等?平緩角度傾向SSE, 礦物拉伸線理總體上向SE傾伏。麻粒巖出露的區域, 糜棱巖化程度進一步減弱, 混合巖化作用最強, 普遍出露面理化混合巖, 局部發育的不規則柔流褶皺(圖2a)。面理總體較為平緩, 礦物拉伸線理雖然仍以NW-SE向傾伏為主, 但向其他方向分散的現象更加顯著。麻粒巖出露區向南, 巖石混合巖化程度逐漸降低, 糜棱巖化變形逐漸增強, 至襄樊?廣濟剪切帶附近廣泛出露糜棱巖化粗?；◢徺|片麻巖或初糜棱巖。面理逐漸變緩, 南部呈現寬緩的波狀(圖1d); 礦物拉伸線理從核部總體分散向鄰近邊界剪切帶以NW-SE向傾伏為主。礦物拉伸線理赤平投影優選方位為NW-SE向, 伴有大圓環帶的分布格局(圖1c赤平投影圖)。在穹隆中部單一露頭上, 可見面理產狀較為一致, 但拉伸線理傾伏向優選方位不明確的現象, 表明區域內拉伸線理傾伏向的變化并不完全是面理穹隆狀抬升改造的結果。

(a) 華北克拉通及領域構造縮略圖; (b) 北大別構造及年代學采樣位置圖; (c) 北大別穹隆面理和拉伸線理赤平投影圖; (d) 北大別穹隆構造剖面圖。

巖石中非對稱的變形組構是露頭尺度至顯微尺度上判別巖石剪切變形指向的主要依據。北大別穹隆內巖石總體呈現了一致的上盤向NW剪切變形, 但變形組構的非對稱程度從邊界剪切帶到穹隆中部逐漸減弱。邊界剪切帶及靠近邊界區域內的糜棱巖和初糜棱巖石中, 在垂直面理且平行拉伸線理(NW-SE方向)切面上, 剪切指向組構呈現明顯的不對稱性, 從露頭上的布丁拖尾構造(圖2b)和非對稱剪切相關的褶皺(圖2c)再到顯微尺度的σ型旋轉殘斑(圖2d)、云母魚組構(圖2e)等均指示了上盤向NW的剪切變形。在穹隆中部面理化混合巖中, 總體上變形組構的剪切指向性不明確。在NW-SE方向垂直于面理的切面中, 變形組構非對稱性特征相對清晰, 總體上指示上盤向NW的剪切; 當線理與NW-SE方向大角度相交時, 垂直面理且平行線理方向切面上運動學指示標志不明顯(圖2f)。

3 組構發育時間

北大別穹隆內部發育傾伏分散的拉伸線理, 這些拉伸線理形成的時間對理解北大別穹隆構造乃至造山帶演化過程意義重大。如果拉伸線理是繼承造山帶碰撞和深俯沖巖石折返過程的變形組構, 則需要辨析其構造歸屬并進行解析(林偉等, 2005); 而如果它們是早白堊世造山后伸展變形的產物, 其形成機制對理解北大別區域乃至華北克拉通伸展活動及動力學機制具有重要的指示意義。為此, 本次對北大別穹隆內不同產狀拉伸線理的巖石開展了鋯石U-Pb年代學研究。

3.1 樣品及測試方法

從北大別穹隆內不同區域選取了8個樣品, 具體采樣位置見圖1b。樣品ND1、ND3和ND93采自臨近穹隆北部的邊界區域; 樣品ND106采自臨近穹隆南部的邊界區域; 樣品ND98、ND128、ND129和ND138采自穹隆中部, 其中ND98采自穹隆東部的中心附近區域, ND138采自穹隆西部的中心附近區域。樣品ND1、ND3、ND93和ND106巖石變形較為顯著, 為初糜棱巖至糜棱巖, 樣品ND98、ND128和ND129變形相對較弱, 為面理化混合巖, 拉伸線理產狀及樣品巖性鑒定見表1。

從野外采集的新鮮巖石樣品中分選出單顆粒鋯石制作成環氧樹脂樣品靶。樣品靶經過研磨、拋光, 使鋯石內部形態充分暴露, 然后進行陰極發光照相。鋯石U-Pb年代學和微量元素分析采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS), 測試工作在合肥工業大學完成。所使用的ICP-MS為Agilent 7500a, 激光剝蝕系統為配備有193 nm激光器的GeoLas 2005。分析所采用的激光剝蝕斑束直徑為32 μm, 以國際標樣91500作為外標, 元素含量采用NIST SRM 610作為外標,91Zr作為內標元素進行校正, 具體分析流程及儀器參數見Yuan et al. (2004)。鋯石年齡和元素含量計算采用ICP-MS DataCal 10.8程序(Liu et al., 2010), 并且采用Andersen (2002)的方法進行普通鉛校正, 鋯石諧和圖編制采用Isoplot(4.15版)。

分選的鋯石無色、透明, 呈短柱狀、渾圓或不規則狀。鋯石長約100～300 μm, 長寬比約為1.5∶1～ 3∶1. 陰極發光圖像顯示, 鋯石多具有核?邊或核?幔?邊構造(圖3)。繼承核陰極發光圖像多為灰暗至深暗色, 多發育振蕩環帶, 部分晶型完整, 具有巖漿鋯石的外形特征; 部分呈不規則狀與增生邊呈港灣狀接觸。圍繞鋯石繼承核發育典型的熔飾邊、增生殼以及暗化的環帶。增生的邊部呈現布丁狀、條帶狀及冷杉狀等構造, 陰極發光圖像明亮, 多呈云霧狀, 具有典型的變質鋯石形貌特征。

3.2 定年結果

8個樣品鋯石U-Pb年齡測試結果見表2。結果顯示, 樣品ND1中共獲得12個有效數據點, 其中核部5個有效年齡數據點的加權平均年齡為133±2 Ma (MSWD=0.22; 圖4a); 邊部7個有效年齡數據點的加權平均年齡為128±1 Ma(MSWD=0.13; 圖4b)。樣品ND3共獲得16個有效數據點, 其中, 核部11個點的加權平均年齡為141±1 Ma(MSWD=1.15;圖4c); 邊部5個點的加權平均年齡為130±1 Ma(MSWD=0.24; 圖4d)。其余6個樣品由于獲得的邊部有效數據點較少, 不足計算加權平均年齡, 但獲得的有效年齡均為早白堊世。其中, 樣品ND93鋯石獲得3個144 Ma和1個146 Ma的年齡數據; 樣品ND98獲得年齡為141 Ma和129 Ma; 樣品ND106獲得了2個143 Ma和1個131 Ma的年齡數據; 樣品ND128獲得4個年齡, 為118～129 Ma; 樣品ND129獲得年齡為134 Ma、132 Ma和127 Ma; 樣品ND138獲得141 Ma、131 Ma和129 Ma有效年齡數據。

(a) 穹隆混合巖化片麻巖柔皺; (b) 野外照片指示上盤向NW運動的σ塊體; (c) 野外照片指示上盤向NW運動的剪切褶皺; (d) 顯微照片指示上盤向NW運動的σ型旋轉殘斑; (e) 顯微照片指示上盤向NW運動的云母魚組構; (f) 野外照片指示穹隆中部近對稱的拉伸條帶。

4 討 論

4.1 北大別穹隆內變形組構構造屬性

確定變形組構的構造屬性是研究北大別造山后伸展形式與相應的深部動力學過程的前提。年代學結果顯示, 除了樣品ND93外, 其余7個樣品獲得鋯石年齡與前人獲得的北大別兩期混合巖化時間基本一致(Wu et al., 2007; Xu et al., 2007; Wang et al., 2007)。其中, 118～131 Ma的一組變質年齡與代表北大別邊界剪切帶變形的大量冷卻年齡一致(Wang et al., 2011),是北大別區域巖漿活動與伸展隆升的峰期年齡(Hacker et al., 2000; Li et al., 2000; 葛寧潔等, 2001; Faure et al., 2003; 吳元保等, 2004, 2007; Lin et al., 2007; 劉貽燦等, 2015), 與華北克拉通乃至中國東部伸展活動時間一致(Liu et al., 2008, 2013, 2019; Lin and Wei, 2020及參考文獻)。在此之后, 北大別區域未發生顯著的構造活動。盡管有學者統計, 北大別穹隆內變形花崗巖體的侵入時間多在132 Ma之前, 并依此將北大別造山后伸展時間鎖定在～132 Ma之前(Wang et al., 2011; Ji et al., 2017)。然而, 早期侵入的巖漿冷卻結晶后以固體狀態記錄后期的變形易于讓人接受, 而同變形侵入的流體狀態的巖漿能否記錄變形很值得商榷。因此, 以變形巖體的侵入時間來劃分構造變形階段的判斷標準有待深入探討。我們認為這一變質時間也是區域內巖石最后一次韌性變形時間, 巖石中的變形組構是北大別早白堊世伸展活動的產物。

表1 鋯石U-Pb測年樣品的巖性及變形組構產狀

圖3 部分鋯石陰極發光照片

表2 鋯石U-Pb年代學測試數據表

續表2:

續表2:

續表2:

續表2:

圖4 LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡諧和圖和加權平均年齡圖

理論上, 巖石中存在不同產狀拉伸線理組構主要有兩種可能: 其一是先存拉伸線理在后期構造變形中被不完全置換; 其二是同一構造活動中, 巖石在統一流變場內形成產狀不同的拉伸線理。對于北大別而言, 前者的可能性不大。一方面, 已有報道顯示, 大別造山帶早白堊世造山后伸展后沒有經歷大規模的構造活動, 區域內先存韌性變形組構不太可能在早白堊世之后的構造活動中被不完全置換。另一方面, 早白堊世之前造山帶構造活動中的拉伸線理很難在早白堊世強烈伸展活動中保留下來。變形組構置換過程幾何學分析(Williams and Jiang, 2005)與數值模擬變形組構疊加演化(高麗敏等, 2018)均表明, 韌性變形條件下早期已有的面理與拉伸線理組構容易在后期的變形中被完全置換。北大別穹隆內部混合巖化作用記錄變質溫度約為760 ℃(Wang et al., 2013; 胡昭平, 2016), 麻粒巖的出露表明穹隆核部變質溫度約為920 ℃(陳能松等, 2006), 在如此高溫條件下, 巖石如果只發生變質而不發生變形, 在礦物靜態重結晶作用下, 早期的變形組構也會因礦物的生長而難以保存。野外觀察顯示, 露頭尺度上, 除了局部強烈混合巖化區域流動狀態下的巖石中發育不規則面理外, 絕大多數區域面理穩定一致, 未見多期面理的疊加現象。這表明, 北大別穹隆內變形組構最大可能是在造山后伸展過程中發育。此外, 數值模擬研究表明, 在三維穩定流變場內, 由于不同流變強度的地質體中流變場的不均勻分配, 發育不同產狀的拉伸線理是十分正常的(Jiang and Bentely, 2012; Xiang and Jiang, 2013)。因此, 北大別穹隆內的變形組構只可能記錄早白堊世造山后伸展構造活動。

4.2 北大別穹窿中?下地殼變形方式

巖石學研究表明(魏春景等, 2000; 葛寧潔等, 2001; 劉貽燦等, 2015), 從邊界剪切帶到北大別穹隆核部的剖面, 實質上刻畫是北大別穹隆中?下地殼垂向剖面。如果去除北大別造山后伸展活動中垂向上的差異隆升, 北大別穹隆可以恢復為以邊界剪切帶為上邊界、以麻粒巖出露區為下邊界的中?下地殼水平變形帶。拉伸線理產狀格局與巖石變形機制在空間上的分布體現了變形帶內巖石變形方式隨深度的變化。

巖石中剪切指向變形組構發育的顯著程度能夠定性地判斷一般剪切條件下變形中簡單剪切分量的相對大小。本次野外露頭統計和顯微構造觀察表明, 從邊界剪切帶到穹隆中部, 巖石中剪切指向組構的非對稱性逐漸降低, 至穹隆中部巖石的剪切指向幾乎難以分辨。這表明, 從邊界剪切帶到穹隆中部巖石的變形中, 簡單剪切分量逐漸降低, 純剪切分量逐漸增大, 穹隆中部以純剪切變形為主。Godin et al. (2006)依據流體力學理論, 提出不同邊界條件下造山帶中?下地殼兩種基本流變型式, 即Couette流動(圖5a)和Poiseuille流動(圖5b)。Couette流動是邊界相對運動條件下發生的均勻透入性簡單剪切, 在垂向剖面上各處的運動學渦度都接近于1, 且剪切方向一致(圖5)。Poiseuille流動是在邊界相對靜止條件下, 壓力(重力)驅動的渠道流動速度梯度在邊界處最大, 在中心處最小; 運動學渦度在邊界處接近1, 在中心接近于0, 但剪切方向以中心軸對稱分布(圖5)。北大別穹隆內從邊界剪切帶到核部呈現了一致的上盤向NW的剪切, 指示中?下地殼流變帶具有Couette流的特征, 底部巖石圈呈現向SE運動的活動邊界性質。同時, 巖石變形機制明顯呈現出從淺部邊界的非共軸變形為主逐漸過渡到深部的共軸變形為主, 體現從淺部到深部運動學渦度遞減的特征, 指示中?下地殼流變帶具有重力驅動下的Poiseuille流的特征(圖5c)。

(a) Couette流動; (b) Poiseuille流動; (c) 北大別穹隆中?下地殼變形方式; λ1、λ2、λ3分別為最大、中間和最小主應變; γ為剪應變; G為重力。

理論上, 連續變形巖石中的礦物拉伸線理是變形巖石中流變場的主應變與剪應變共同作用的結果。變形組構的數值模擬揭示, 當最大主應變主軸與剪切方向一致, 巖石變形發育與剪切方向一致的拉伸線理, 如平面應變或剪切方向與最大主應變軸平行的單斜變形; 而當剪應變方向與最大主應變軸方向存在夾角時, 拉伸線理傾伏向會界于兩者之間, 如剪切方向與中間主應變軸平行的單斜變形或三斜變形(Tikoff and Greene 1997; Tikoff and Fossen 1999)。本次野外觀察結果顯示, 從北大別穹隆邊界剪切帶到中部, 拉伸線理傾伏向從一致的NW-SE向, 逐漸分散。相應地, 從北大別穹隆邊界到中部, 巖石變形方式從趨于平面應變逐漸轉變為剪切方向與中間應變主軸平行的單斜變形形式, 且最大主應變率與中間應變率相當。北大別穹隆內部傾伏向發散的拉伸線理指示, 其中?下地殼變形用簡單的平面應變難以解釋, 必須開展三維的構造解析。

如前文所述, 從北大別穹隆南、北邊界長英質韌性剪切帶至中部麻粒巖, 構成了中?下地殼垂向構造剖面。為了便于描述, 我們將北大別穹隆內巖石的應變在垂直方向、水平面上NW方向以及垂直NW方向三個相互垂直的方向上進行分解, 拉伸線理方向代表最大拉伸應變方向, 為水平面上兩個拉伸應變的矢量和。北大別穹隆邊界剪切帶發育一致的NW-SE向拉伸線理, 并展現一致的上盤向NW的剪切運動, 變形以簡單剪切為主(王勇生等, 2009)。這表明, 在邊界剪切帶最大拉伸應變平行剪切方向, 中間應變相對較小甚至為零, 變形可近似為平面應變。隨著垂向剖面上深度增加, 上盤向NW的剪切方向沒有變化, 但拉伸線理傾伏向逐漸呈現發散的趨勢, 這表明最大主應變方向不再平行于剪應變方向。因此, 垂直于剪切方向出現拉伸應變, 且隨著深度增加愈發顯著, 穹隆中部與NW方向的拉伸應變大小基本相當。

4.3 北大別穹窿造山后伸展動力學

北大別穹隆上總體呈現為以邊界韌性剪切帶為拆離帶, 發育一致的上盤向NW的剪切變形, 中部出露古老變質基底的變質核雜巖構造。同時, 核雜巖拆離帶下覆的中?下地殼巖石又展現出以純剪變形為主, 向四周擴散的伸展變形?？梢? 北大別穹隆早白堊世伸展的動力學機制在一定程度上有別于典型的變質核雜巖。

北大別早白堊世伸展活動在幾何學、運動學到總體構造格局方面與華北克拉通內部的伸展破壞活動高度契合, 是華北克拉通破壞的一部分(Lin and Wei, 2020及參考文獻)。盡管對華北克拉通破壞的動力學機制依然存在諸多爭議(Lin and Wei, 2020及參考文獻), 但是現在普遍認為是深俯沖的古太平洋板塊的“繞曲”產生了“后撤”效應(Zheng et al., 2001; Wu et al., 2005; Zhao et al., 2007; Zhu et al., 2010; Lin et al., 2013及參考文獻)。低角度俯沖至遠端的洋殼大規模下沉“繞曲”, 引發軟流圈對流與上覆巖石圈拆沉(Lin and Wei, 2020), 驅動深部巖石圈及中?下地殼形成NW-SE向伸展。在此動力學背景下, 北大別穹隆中?下地殼在NW向的伸展剪切作用下發育為變質核雜巖構造。然而, 僅僅在這一動力學背景下, 北大別穹隆內部中?下地殼無法發育接近純剪切(Poiseuille變形)的變形方式, 并產生傾伏向發散的拉伸線理組構。

作為典型的陸?陸碰撞造山帶, 大別造山帶在印支期(～240 Ma)揚子板塊向華北板塊的俯沖碰撞過程中, 碰撞帶巖石圈顯著加厚。與其他碰撞造山過程相似, 大別造山帶經歷了近平行造山帶(NW-SE)的后碰撞伸展, 高壓?超高壓變質巖得以快速折返。直至早白堊世早期(～140 Ma), 大別造山帶巖石圈處于相對穩定的狀態。此外, 埃達克質花崗巖的侵入表明, 直至早白堊世早期大別造山帶區域的地殼厚度大于50 km(Wang et al., 2007)。大量研究表明, 同一時期的華北克拉通地殼巖石圈厚度也顯著高于正常地殼(池際尚和路鳳香, 1996; Xu, 2001)。因此, 大別造山帶相對于南部正常厚度的揚子板塊地殼具有顯著的重力勢能。在重力驅動下(Rey et al., 2001), 熱活化的北大別中?下地殼向SW發生垮塌, 在區域上NW-SE向伸展剪切應變場的基礎上疊加了與之垂直的拉伸應變。隨著深度與溫度的增加, 中?下地殼巖石強度降低, 應變速率增大, 與同時發生SW向伸展應變疊加為發育傾伏向分散的拉伸線理提供了應變場條件。

5 結 論

北大別區域產狀復雜的變形組構均形成于造山帶早白堊世伸展變形; 北大別穹隆總體上呈現的變質核雜巖構造是早白堊世中國東部伸展活動的一部分, 其動力學機制與中國東部伸展及華北克拉通破壞一致, 是古太平洋板塊后撤引起的深部巖石圈活動; 北大別穹隆早白堊世的伸展是疊加了加厚中?下地殼向SW的重力垮塌作用的結果。

致謝: 中國科學院地質與地球物理研究所林偉研究員和中國地質大學(武漢)劉強副教授提出了寶貴的修改意見和建議, 在此致以特別感謝！

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Deformation Mechanism of Post-orogenic Extension and its Implications for Deep Dynamics in the Northern Dabie Orogenic Belt

XIANG Biwei1, CHEN Lin2, ZHANG Qiang2, WANG Zhiguo2, GAO Cheng1

(1. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330100,Jiangxi, China; 2. The 7thGeological Brigade of Zhejiang Province, Lishui 323060, Zhejiang, China; 3. State Key Laboratory Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330100,Jiangxi, China)

The Dabie orogenic belt, occurring along the southern margin of the North China Craton, experienced the Early Cretaceous extension triggered by the North China Craton thinning or destruction. The North Dabie Dome (NDD) is the major extensional structure in the Dabie orogenic belt. The tectonic processes, kinematics, and deep dynamics in the NDD are of great significance in understanding the extension of the orogenic belt and the destruction of the North China Craton. Field observations show that the plunging directions of the lineations near the center of the NDD are increasingly dispersive. When and how these lineations developed are critical issues for the study of the dome extension processes and deep dynamic mechanisms. In this contribution, zircon U-Pb dating was carried out on the deformed rocks. The rims of the zircon grains from six out of seven samples yield metamorphic ages of 118–131 Ma. Combined with the structures, we believe that these metamorphic ages represent the deformation time of the Early Cretaceous extension in the NDD. According to the distribution of the deformation fabrics, a pattern of the geology and kinematics of the extensional deformation in the middle-lower crust is established as follows. In the upper shear zone, the rock deformation was dominated by a simple shearing plane strain. With increasing depth, the principal strain perpendicular to NW (shear direction) increased and became mostly equivalent to the one along NW in the middle NDD. The structure assemblages of the NDD exhibit as a metamorphic core complex and a gravity collapse in the middle-lower crust. It can be inferred that the top to NW detachment of the metamorphic core complex was likely driven by the retreat of thePaleo-pacific plate, whereas the SE extension resulted from the gravity collapse because the thickened middle-lower crust was reheated.

North Dabie Dome; post-orogenic extension; gravity collapse; structural chronology; lateral flow

2021-01-30;

2022-04-27

國家自然科學基金項目(42162019、41472194、41002069)資助。

向必偉(1976–), 男, 副教授, 從事造山帶構造變形解析與數值模擬研究。E-mail: xbw1977@163.com

P542

A

1001-1552(2022)05-0867-017

10.16539/j.ddgzyckx.2022.05.003