遼北法庫韌性剪切帶變形及其區域構造意義

2021-02-02 13:40:10王雷劉俊來滕超常玉巧

地質論評 2021年1期

關鍵詞：板塊變形

王雷,劉俊來,滕超,常玉巧

1)中國地質大學(北京)地質過程與礦產資源國家重點實驗室,北京,100083;

2)遼寧省地礦集團地質有限責任公司,沈陽,110032;

3)遼寧省地質礦產研究院有限責任公司,沈陽,110032;

4)遼寧有色勘察研究院有限責任公司,沈陽,110013; 5)云南省地震局,昆明, 650224

內容提要:晚古生代—早中生代古亞洲洋板塊俯沖華北板塊在遼北法庫地區形成大型產狀近水平的韌性剪切帶。剪切帶發展伴隨著多期幔源及殼源的巖漿侵入,侵入巖在韌性剪切作用下發生韌性變形,記錄了韌性剪切帶變形歷史。詳細的野外地質調查結合巖石的宏觀變形、顯微構造及石英c軸組構特征分析,揭示了法庫韌性剪切帶內五龍山雜巖、高麗溝雜巖、早期十間房超單元變形處于上盤向北的剪切作用之下,晚期十間房超單元巖石變形指示構造運動轉變為上盤向南剪切。 LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 分析結果顯示高麗溝雜巖變形時間為264.7±3.6 Ma(MSWD = 1.3),早期十間房超單變形時間為253.9±4.3 Ma(MSWD = 3.3),晚期十間房超單元244.0±3.0 Ma(MSWD = 1.9)。巖石地球化學特征表明早期十間房超單元及小房申巖體中部分巖石來源于部分熔融的巖石圈地幔。結合前人研究成果,我們認為華北板塊北緣東段(遼北地區)晚二疊世(264.7～253.9 Ma)處于古亞洲洋板塊俯沖華北板塊作用之下;晚二疊世至早三疊世(253.9～244.0 Ma)構造體制轉變為碰撞后伸展且逐漸停止,244.0±3.0 Ma 碰撞后伸展逐漸結束;構造體制轉變并逐漸結束的過程是殼幔共同作用的結果,暗示了古亞洲洋板塊的俯沖板片斷離、重力失衡,這標志著遼北地區古亞洲洋構造域演化結束。

興蒙造山帶是位于西伯利亞板塊和華北板塊之間的一條古生代巨型造山帶,即中亞造山帶東段。興蒙造山帶形成之前,華北板塊與西伯利亞板塊之間是古亞洲洋板塊及分布其上的諸多微陸塊,晚古生代開始微陸塊發生拼合(李雙林等,1998;張興洲等,2008; Yu Jiejiang et al., 2012;邵濟安等,2018),在華北板塊北緣東段形成松嫩—張廣才嶺地塊。華北板塊北緣位于興蒙造山帶之南部,晚古生代—早中生代期間,隨著古亞洲洋板塊向華北板塊俯沖消減,古亞洲洋板塊、松嫩—張廣才嶺地塊、華北板塊之間發生復雜的相互作用,在華北板塊北緣發生復雜的增生造山作用,形成陸緣增生帶(王瑜,1996;邵濟安等,1997;李雙林等,1998; Xiao Wenjiao et al., 2003;葛肖虹等,2009; 呂洪波等,2018),造山作用具有“軟碰撞、弱造山”的特點(吳福元等,1995;任紀舜等,1999)。古亞洲洋板塊俯沖消減及隨后的碰撞造山、造山后伸展等一系列構造過程控制了該時期華北板塊北緣的演化(李錦軼,1998;Li Jinyi,2006;曹花花等,2012;潘桂棠等,2016)。

作為連接華北板塊與興蒙造山帶的樞紐,華北板塊北緣是研究古亞洲洋閉合問題的重要構造單元,也是認識增生造山作用的重要實驗室。盡管開展了大量研究工作,但目前對于華北板塊北緣東段古亞洲洋最終閉合時間的認識尚不統一(崔玉良等,2019; 王金芳等, 2020),有學者認為是早古生代—晚古生代初(唐克東,1989; Yu Qian et al.,2014),也有學者認為是早二疊世或者晚二疊世末—早三疊世(李錦軼,1998,2004; Jia Dacheng et al.,2004;Cao Huahua et al.,2013;汪相, 2018),甚至有學者認為是在白堊紀才最后閉合(呂洪波等,2018)。任何一個地質單元的發展演化過程都受到其所處的大地構造位置及深部過程的制約(牛樹銀等,1996)。古亞洲洋板塊演化也是巖石圈深部構造過程的響應,因此對于古亞洲洋板塊的演化研究需要對巖石圈深部構造過程進行揭示。

法庫韌性剪切帶是古亞洲洋板塊演化在華北板塊北緣東段形成的大型高應變帶(遼寧省地質礦產局區調隊?)。本次工作以該韌性剪切帶為研究對象,通過詳細的野外地質調查,結合剪切帶宏觀變形特征、顯微構造、石英c軸組構分析以及年代學等方面的綜合研究,揭示韌性剪切帶變形過程,探討晚古生代—早中生代期間古亞洲洋板塊演化經歷及巖石圈深部構造過程,為古亞洲洋在華北板塊北緣東段(遼北地區)的最終閉合時間以及巖石圈深部構造過程問題的研究提供參考。

1 區域構造背景

法庫韌性剪切帶大地構造位置上處于華北板塊北緣東段,南鄰赤峰—開原深大斷裂(圖1a)。區域地層主要有古生界、中生界以及新生界第四系。大型產狀平緩的韌性剪切帶構成了區域主要構造格架,控制了總體構造樣式,巖石線理及槽中脊型擦痕指示剪切運動方向集中于NNE—SSW 方向(圖1b)。前人工作將該韌性剪切帶稱為法庫韌性剪切帶,如今剪切帶上盤已被剝蝕殆盡,出露于地表的是主剪切面之下的部分(楊曉波等,1996)。區域上巖漿巖按形成時代及巖石組合特征可劃分為中二疊世五龍山雜巖、高麗溝雜巖,早—中三疊世十間房超單元、小房申巖體、梨樹溝單元,晚三疊世花匠溝單元,中侏羅世紅土墻子單元以及晚侏羅世石景山單元。除了紅土墻子單元和石景山單元外,其余單元巖石均遭受韌性剪切作用,發生糜棱巖化。

2 韌性剪切帶變形特征

法庫韌性剪切帶發展過程伴隨著多期巖漿侵入,侵入巖記錄了韌性剪切帶的變形特征。韌性剪切帶內發生韌性變形的侵入巖主要有五龍山雜巖、高麗溝雜巖、十間房超單元、小房申巖體、梨樹溝單元和花匠溝單元。其中除了花匠溝單元巖外,其余巖石單元在巖體形態、總體變形特征、巖體邊部構造形態、變形機制、顯微構造等方面符合同構造侵入巖特征(張進江,1999;謝才富,2002)。不同階段形成的同構造侵入巖記錄了法庫韌性剪切帶發展的歷史。

2.1 宏觀變形特征

五龍山雜巖(Wγ):巖性主要為花崗閃長巖、閃長巖、二長花崗巖等,侵入古生界,接觸處可見有大型窗欞構造(圖2a)。巖石糜棱巖化強烈,形成超糜巖,礦物顆粒細小,甚至難以分辨,偶見粒徑約為5 mm 的長石旋轉碎斑,指示上盤向北剪切(圖2b)。面理發育程度好于線理(S>L),線理邊界較模糊,傾伏向總體與韌性剪切方向相同。

高麗溝雜巖(Gδc):巖性主要為閃長巖、石英閃長巖等。巖石均遭受韌性剪切作而發生強烈的糜棱巖化,糜棱巖面理發育好于線理(S>L)。巖石中礦物顆粒多細小,石英被拉長,長石以脆性變形為主,角閃石不規則狀,云母呈細小片狀且分布不均。XZ面上偶見粒徑約為5 ～10 mm 的長石σ 旋轉碎斑、S—C 組構、長石書斜構造等,指示剪切帶的上盤向北運動(圖2c)。XY面上云母分布較集中,且解理面均平行于糜棱葉理。

十間房超單元(T1S):巖體呈帶狀分布,巖體長軸方向與韌性剪切方向近平行。巖性主要為花崗巖、二長花崗巖、花崗閃長巖等。巖石糜棱巖化較強,石英被強烈拉長呈條狀;長石呈粒狀或不規則狀,集合體定向分布呈條帶狀,偶見長石旋轉碎斑;黑云母呈細小鱗片狀,在XZ面上呈細條帶狀沿面理分布,云母解理面大多平行于XY面。拉長的石英條帶、長石集合體、黑云母定向排列等構成的線理延伸方向與韌性剪切方向平行。該單元由三期侵入巖組成,自西向東年齡逐漸變老(遼寧省地質礦產局區調隊?)。野外調查沿A—B 剖面,西側年齡較新的巖石趨向于形成SL 型構造,東側年齡較老的巖石趨向于形成L 型構造巖。石英S—C 組構及長石旋轉碎斑系指示上盤向南剪切為主(圖2d),局部上盤向北剪切。侵入高麗溝雜巖中的十間房超單元巖石邊部變形強,向中部變形逐漸減弱直至消失(圖2e),表現出明顯的同剪切特征,暗示了巖石經歷了剪切作用逐漸減弱直至消失的過程。

小房申巖體(T2X):巖性主要為輝長巖、閃長輝長巖。巖體規模較小,呈巖株狀產出。巖石XY面上角閃石及輝石呈粒狀或柱狀定向分布,斜長石呈細?；灰巹t狀,局部見有少量平行于線理的石英條帶狀(圖2f),YZ面上角閃石及輝石呈近圓形粒狀,局部面理不清晰(圖2g)。巖石中線理發育程度好于面理(L>S),線理傾伏向總體平行于韌性剪切方向。

梨樹溝單元(T2L):巖性主要為粗粒二長花崗巖。巖石中礦物無韌性變形,鉀長石呈自行長板狀,長軸一般為1.5～2.2 cm,定向分布,形成原生流線、流面構造(圖2h),流面產狀與上覆十間房超單元面理基本一致,表明此時礦物結晶處于韌性剪切作用之下。

圖1 華北板塊北緣東段法庫地區大地構造位置(a) 和地質圖(b,據遼寧省地質礦產局?修改)Fig.1 Tectonic map (a) and geological sketch map(b, from Regional Geological Survey Team of Liaoning Geology and Mineral Resources Bureau, 1996#) of Faku area, eastern section of the northern margin of the North China Plate

圖2 華北板塊北緣東段法庫地區侵入巖宏觀變形特征Fig. 2 Deformation features of intrusive rocks in Faku sheer zone, the eastern section of the northern margin of the North China Plate

花匠溝單元(T3H):巖性以黑云斜長花崗巖為主。侵入十間房超單元,變形較弱,石英呈粒狀、拉長的條狀或不規則狀,長石呈粒狀,粒徑一般約為10 mm,黑云母沿面理定向分布。線理傾伏向總體上近東西,傾角平緩。 S—C 組構、長石σ 旋轉碎斑等指示上盤向南東運動(圖2i),與區域韌性剪切方向明顯不同。

總體看來,法庫韌性剪切帶變形具有階段性特征,中二疊世韌性剪切帶發生上盤向北的剪切變形,早—中三疊世期間剪切方向由上盤向北剪切逐漸轉變為上盤向南剪切,十間房超單元記錄了這一過程。晚三疊世研究區處于南東—北西方向擠壓作用之下,暗示此時太平洋構造域演化在研究區內占主導地位。

2.2 顯微構造特征

五龍山雜巖(Wγ):礦物強烈的細?；?粒徑一般在50 μm 左右,少量長石碎斑粒徑>500 μm。石英重結晶方式以顆粒邊界遷移為主(圖3a),重結晶新顆粒粒徑一般大于100 μm。長石發生波狀消光,部分發生扭折,膨凸重結晶作用形成核幔構造(圖3b),偶見δ 旋轉碎斑系。黑云母呈細小片狀零散分布于基質中,或者沿礦物邊緣及先存裂隙定向分布,局部可見云母魚構造。長石δ 旋轉碎斑系、云母魚等指示上盤向北剪切。顯微構造總體顯示出中級糜棱巖(Medium-Grade Mylonites)的特征,巖石變形溫度條件約為500～650 ℃(Trouw et al., 2009)。

圖3 華北板塊北緣東段法庫地區變形侵入巖顯微構造照片(CPL)Fig. 3 Microstructure photos of deformed intrusive rocks from Faku area, the eastern section of the northern margin of the North China Plate(CPL)

高麗溝雜巖:石英多呈條帶狀、樹枝狀,石英條帶中亞顆?；蛑亟Y晶新顆粒粒徑一般大于200 μm,具有穩定的三聯點結構;斜長石發生膨凸重結晶作用,偶見長石旋轉碎斑(圖3c),指示上盤向北運動。顯微構造特征顯示該單元總體具有高級糜棱巖(High-Grade Mylonites)特征(Trouw et al., 2009)。

十間房超單元:XZ面上,石英呈拉長的條帶狀,重結晶方式以顆粒邊界遷移重結晶為主,兼有亞顆粒旋轉重結晶,石英亞顆粒(及新顆粒)粒徑一般為150～200 μm;斜長石多呈微細粒狀,偶有渾圓的碎斑,碎斑邊緣可見膨凸重結晶,發育晶內微破裂;云母集中分布于石英條帶兩側,解理面多垂直與XZ面(圖3d)。YZ面上,礦物動態重結晶方式與XZ面上的一致,石英集合體呈不規則的橢圓狀,亞顆粒具有一定的定向性;長石碎斑邊緣棱角分明;云母解理面多垂直于YZ面,難以觀察到(圖3e)。顯微構造顯示該單元總體具有中級糜棱巖(Medium-Grade Mylonites)的特征,變形溫度范圍約約為500 ～650℃(Trouw et al., 2009)。

小房申巖體:薄片中礦物顆粒一般較大(>1000 μm),斜長石發育有蠕英結構(圖3f),石英含量較少且分布不均,顆粒之間具有穩定的三聯點結構,粒徑一般大于200 μm。鉀長石泥化現象普遍,發育卡式雙晶,部分斜長石發交代作用。總體顯示出巖石變形處于較高溫度條件。

梨樹溝單元:鏡下表現為全晶質結構,鉀長石呈自形狀,粒徑巨大,超過整個視域,卡式雙晶發育,具有一定泥化現象。斜長石含量較少,發育有后期形成的穿晶破裂(圖3g)。

花匠溝單元:石英重結晶方式以膨凸重結晶及亞顆粒旋轉重結晶為主,S—C 組構發育,長石顆粒較大,粒徑300～2000 μm,脆性變形為主,σ 旋轉碎斑發育,云母定向分布,發育云母魚構造(圖3h)。石英S—C 組構、長石σ 旋轉碎斑、云母魚等顯微構造均指示上盤向南東運動。顯微構造顯示出低級糜棱巖(Low-grade mylonites)特征,巖石變形處于中低溫(約250～550℃)環境。