東天山康古爾構造帶紅丘陵段主期構造變形溫度及時代約束
——來自石英EBSD組構的證據

2021-12-24 09:18:04張海迪羅彥軍郭偉立張丹丹劉生榮任廣利

地質與勘探 2021年6期

關鍵詞：變形

張海迪，羅彥軍，郭偉立，張丹丹，康磊，劉生榮，任廣利

(中國地質調查局西安地質調查中心，中國地質調查局造山帶地質研究中心，陜西西安 710054)

0 引言

東天山覺羅塔格構造帶是中亞增生型造山帶的重要組成部分，保存了大量古亞洲洋板片的俯沖、消減，微陸塊的匯聚、拼合以及碰撞后伸展等多階段造山演化過程中的地質記錄(Xiao et al.，2004;李錦軼等,2006)。康古爾構造帶發育東天山地區規模最大的韌性剪切帶，其物質組成及構造變形豐富，是研究和構建中亞造山帶晚古生代增生造山過程的關鍵構造帶，長期受到中外地質學者關注(韓春明等，2002；Xiao et al.，2004;李錦軼等,2006;王京斌等,2006;王國燦等,2019)。姬金生等(1994)和楊興科等(1998)研究提出康古爾構造帶為準噶爾板塊與塔里木板塊之間縫合帶，發育中深層次的緊閉同斜褶皺、中深層次的順層韌性剪切作用、右行走滑脆-韌性剪切變形和中淺構造層次的擠壓膝折等4期構造變形。馬瑞士等(1997)、舒良樹等(1997)認為該區為與洋殼板塊俯沖相關的弧間盆地帶，早期發育由南向北逆沖推覆構造，晚期發育走滑剪切變形。馬天林等(1998)、徐興旺等(1998,2003)認為康古爾構造帶是吐哈地塊和中天山地塊陸內擠壓形成的南北向水平擠壓韌性變形帶，不存在剪切變形。已有構造熱年代學研究認為早期南北向擠壓形成于晚石炭-早二疊，晚期右行走滑時限為晚二疊紀-早三疊世(王瑜等,2002;陳文等,2005;王國燦等,2019)。綜上，前人對康古爾構造帶的空間展布、變形序列、熱年代學等做了大量研究，然而對構造變形樣式、變形溫壓條件研究相對薄弱，且對是否存在右行走滑變形尚存在分歧，直接制約了對康古爾構造帶構造背景的準確判定。因此，進一步開展構造變形過程和構造變形條件的研究，對限定深入認識康古爾斷裂帶的構造背景和動力學過程具有重要意義。

本文通過對康古爾構造帶紅丘陵段地質調查、剖面測制及構造解析工作，劃分了2期構造變形，并對韌性變形進行了詳細的顯微構造、石英c軸組構EBSD分析，約束其構造變形條件，進而結合已有熱年代學研究數據，探討了康古爾構造帶晚古生代構造背景和動力學過程。

1 區域地質背景

新疆東天山造山帶位于準噶爾-哈薩克斯坦和塔里木板塊的結合部位，由北往南依次劃分為博格達-哈爾里克構造帶、吐哈盆地、覺羅塔格構造帶和中天山地塊。覺羅塔格構造帶進一步以康古爾斷裂和雅滿蘇斷裂斷裂為界，劃分為大南湖-頭蘇泉島弧帶、康古爾構造帶和雅滿蘇島弧帶3個部分(圖1a)。

圖1 天山及鄰區構造單元劃分圖(a,據王京彬等,2006修改)、康古爾構造帶紅丘陵段構造綱要圖(b)

康古爾構造帶前人稱之為覺羅塔格韌性擠壓帶(徐興旺等,1998)、秋格明塔什-黃山韌性剪切帶(楊興科等,1999)和康古爾斷裂帶(曹銳等,2016)等，總體呈近東西向延伸，西起大熱泉子附近，向東經色爾特能、秋格明塔什、卡特恰爾塔格、康古爾塔格、夾白山、土屋、紅丘陵、黃山、鏡兒泉、甘肅北山再向東延伸甘蒙交界處，長度達600 km，寬約5～30 km(圖1a)。康古爾構造帶內卷入韌性變形的地層主要有下石炭統雅滿蘇組，巖性主要為中酸性火山巖及碳酸鹽巖，下石炭統干墩組碎屑巖和上石炭統梧桐窩子組，以基性火山巖及碎屑巖為主。此外，各類侵入巖體包括黃山超基性巖體和各類花崗巖體均卷入了不同程度的右旋走滑變形。康古爾構造帶總體上呈現出北窄南寬的不對稱正扇形，依據變形強弱，從北向南可劃分為北帶、中帶、南帶，北帶以脆性變形為主，且覆蓋嚴重，中帶發育中深層次韌性剪切變形，南帶為中淺層次脆-韌性剪切變形(楊興科等，1999)。康古爾構造帶東西方向上變形變質級別也存在明顯差別，東部苦水-黃山-鏡兒泉一帶可見變形和變質程度較高的綠片巖相或角閃巖相的動力變質巖，西部康古爾塔格一帶為綠片巖相或低綠片巖相的動力變質巖(曹銳等,2016)。

2 康古爾構造帶紅丘陵地區巖石地層單元

本文紅丘陵段位于康古爾構造帶東段，主干斷裂為呈近北西南東向展布的康古爾斷裂(F1)，此外還發育近東西向和南北向兩組斷裂，近東西向斷裂為早期韌性擠壓剪切帶邊界斷裂(F2～F5)，南北向斷裂(f)切割了東西向和北西南東向斷裂，為最晚期斷裂(圖1b)。區內地層受強烈的構造變形影響，主體為一套無序的構造巖石地層。通過區域綜合對比，根據巖石組合及變形變質特征，對區內的地層系統及巖漿巖序列進行了系統厘定劃分(圖2)。地層包括早石炭世干墩組、晚石炭世梧桐窩子組和企鵝山組，巖漿巖包括晚石炭世-早二疊世中酸性、基性、超基性巖體，從南往北具體特征如下：

圖2 康古爾構造帶紅丘陵段構造剖面圖

(1)干墩組，位于南部，細分為四個巖性段，一段為變碎屑巖、碳酸鹽巖，多發育寬緩褶皺、同斜褶皺，巖石劈理化發育；二段為灰黑色長英質糜棱巖、石英巖、二云母石英片巖等組成，韌性變形較強，發育緊閉褶皺、石英旋轉碎斑、礦物拉伸線理；三段由中酸性火山熔巖、火山碎屑巖組成，變形變質整體較弱；四段巖石變形變質較強，由黑云石英片巖、榴石二云石英片巖、變基性火山巖、變質砂巖等組成，局部發育重熔作用。沉積巖石組合序列顯示干墩組下部為半深海-深海環境，上部為海相火山噴發相環境，自下而上粒序變細，為退積型沉積序列特征。

(2)巖漿巖帶，發育晚石炭世早期和早二疊世二期巖漿活動，晚石炭世巖石組合為輝長巖、輝石巖、石英閃長巖，早二疊世由英云閃長巖和二長花崗巖組成。巖體內部劈理化發育，輝長巖體與南部干墩組接觸邊界，發育強糜棱巖化帶。

(3)梧桐窩子組，位于康古爾斷裂南側，主體為噴發相+深海平原相沉積巖石組合，一段主體由安山巖、英安巖、安山質火山碎屑巖等組成，劈理化發育，巖石較為破碎;二段由凝灰質粉砂質板巖夾砂巖組成，局部見水平層理、遞變層理；三段為糜棱巖化安山巖、英安巖、火山碎屑巖，受韌性變形影響內部石英旋轉碎斑、A型褶皺發育。

(4)企鵝山組，位于康古爾斷裂帶北側，野外露頭有限，大多被中新生代覆蓋，主體為一套淺海相-火山噴發相組合，形成于后碰撞裂谷環境(李向民等,2004;白建科等,2018)，分為三個巖性段，第一巖性段以碎屑巖-凝灰巖-碳酸鹽巖為主；第二巖性段以中基性火山巖為主，夾少量酸性火山巖；第三巖性段以碎屑巖為主，夾玄武巖-凝灰巖-火山角礫巖及生物碎屑灰巖。

3 康古爾構造帶紅丘陵段構造變形特征

由于經過多期構造作用影響，野外露頭尺度構造變形極為發育，區內出露的各類地層及中酸性侵入巖體均受明顯構造作用影響，強劈理化、片理化、糜棱巖化特征顯著，構造面理總體和區域構造面理方向一致，向北或向南陡傾。依據構造樣式及截切關系，劃分出2期構造變形。

D1期為近南北向擠壓變形，進一步分為兩個階段，第一階段為南北向擠壓形成的中深構造層次變形，僅在干墩組、梧桐窩子組內局部保留，以發育原始層理(S0)的揉流褶皺、緊閉同斜褶皺(圖3a，b)，褶皺軸面劈理置換明顯，形成東西走向陡傾的透入性劈理，與褶皺軸面劈理產狀一致(圖1b)。此外，在干墩組四段內局部發育重融作用、變質分異條帶(圖3c)等。第二階段為南北向擠壓形成的順層韌性剪切，該階段變形是上一階段變形的進一步強化，形成了間隔性的擠壓型韌性剪切帶，糜棱面理向南東、北西陡傾，與透入性劈理面、片理面產狀一致，剪切帶內層間石英脈剪切褶皺、石英旋轉碎斑(圖3d)、A型褶皺(圖3e)、礦物拉伸線理(圖3f)等發育，沿構造面理發育角閃石、石英、黑云母、石榴子石，整體為綠片巖相到低角閃巖相變質，礦物拉伸線理的傾伏向陡傾，為南東東或北西西(圖1b)。

圖3 D1期構宏觀變形特征

卷入韌性擠壓的巖石表現為強烈的糜棱巖化，韌性剪切帶由角閃黑云糜棱片巖(圖4a)、安山質糜棱巖、長英質糜棱巖(圖4b)、絹云母長英質千糜巖、二云母長英質千糜巖等組成。顯微鏡下，糜棱巖構造組構發育，主要由殘斑和基質兩部分組成，殘斑含量約5%～15%，少量殘斑達到60%～85%(圖4b)，主要由石英、長石、巖屑類等組成，呈渾圓狀，眼球狀，長軸定性排列，基質繞過其定性分布，基質主要由云母類、長英質、細粒碎屑物等組成，云母主要為絹云母和黑云母，呈條紋狀定向排列，部分發生炭化，巖石變形程度從初糜棱巖到超糜棱巖。

圖4 D1期韌性擠壓剪切帶內變形巖石顯微構造特征

顯微尺度觀察到石英脈緊閉同斜褶皺發育(圖4d)，指示D1期南北向擠壓構造變形，在韌性擠壓變形過程中，糜棱巖內常發育塑性剪切流變構造，流變體一般為長英質和云母類，在擠壓分層剪切應力作用下形成條帶狀構造(圖4e)。干墩組變質巖石沿構造面理發育的變質礦物組合黑云母+斜長石+綠泥石+綠簾石，石榴子石+黑云母+白云母+斜長石+石英，角閃石+黑云母+綠簾石+長英質組合。長石、石英殘斑均可見到晶內裂隙，大多被壓扁定向拉長(圖4b)。石英呈細條狀、矩形狀、竹節狀，塑性變形特征明顯(圖4e)，主要表現為亞顆粒、動態重結晶、塑性拉長、帶狀消光等變形特征，石英由于重結晶作用強烈細粒化，動態重結晶以顆粒邊界遷移重結晶和亞顆粒旋轉重結晶為主(圖4e，f)，顆粒邊界遷移重結晶形成的新生礦物晶粒多呈現石英多晶條帶存在顯著的定向性，并出現帶狀消光現象(圖4e)。長石呈表現為旋轉碎斑、石香腸構造(圖4g)，S-C組構(圖4h)、晶內破裂、機械雙晶等組構發育。此外，在較高的變形溫壓條件下，發育長石膨凸重結晶現象(圖4i)，長石大部分發生蝕變形成鈉長石、云母類礦物(圖4g，i)。綜合變質礦物組合及石英、長石顯微組構分析推測D1韌性擠壓糜棱巖化形成于綠片巖相或低角閃巖相變質環境，變形溫度在450～550℃(Stipp et al.，2002；向必偉等，2007；胡玲等，2009)。

D2期為右行走滑剪切，沿康古爾構造帶包括克孜爾塔格英云閃長巖、黃山超基性巖體等各類侵入巖體均卷入到不同程度的右旋走滑變形而呈現出不對稱的透鏡狀形態。紅丘陵地區宏觀尺度上右行剪切表現為D1期構造面理的牽引褶皺、英云閃長巖透鏡體，露頭上沿構造面理發育石英脈層間褶皺、旋轉碎斑(圖5a,b)，英云閃長巖體內剪切透鏡體等構造，顯微尺度糜棱巖化黑云石英片巖內見斜長石書斜構造(圖5c)，露頭及顯微尺度觀察到黑云母-絹云母-石英變質礦物組合，為低綠片巖相變質，此外，顯微鏡下糜棱巖內保留D2期右行剪切截切早期擠壓糜棱面理現象(圖5d)。

圖5 D2期宏觀和顯微構造變形特征

4 EBSD石英c軸組構特征

電子背散射(EBSD)技術通過晶體背散射衍射圖像來確定晶軸方向，進而確定晶體顆粒排列的取向性。該技術具有高分辨率、高晶向敏感度及精準的晶向分布與結構圖像。由于測試顆粒多，其更能客觀地反映樣品中礦物顆粒排列的優選方位定向(劉俊來等,2008;許志琴等,2009;黃學猛等,2016)。石英是自然界中最主要的造巖礦物之一，并且在韌性剪切帶中廣泛出現，且滑移系很多，是目前研究最為廣泛和充分的礦物。石英在不同的溫度條件下啟動的滑移系類型、應變型式和應變量等因素決定了變形巖石組構的基本型式。因此，對韌性剪切帶糜棱巖中石英c軸組構的測量可以為韌性剪切帶變形條件提供重要信息。

本次采集的EBSD實驗樣品的前期處理、實驗分析及測試數據處理均在中國地質科學院地質研究所大陸動力學國家重點實驗室完成。測試樣品選自康古爾構造帶紅丘陵剖面中不同位置變形較強的巖石，具體位置見圖2。首先依據手標本中礦物線理、面理，選取XZ面切制定向光學薄片，薄片厚度約為30 μm。測試樣品要先經過高度機械拋光及貼導電膠條，然后將樣品以70°左右傾斜置于SEM樣品室進行測定，測試過程中以人機交互模式手動控制分析的精度以及測量顆粒數量具體實驗原理、流程及判別方法參見(徐海軍等,2007;劉俊來,2008;許志琴等,2009;夏浩然等,2011)，分析結果見圖6。