华熊亚热柱-幔枝构造体系及其控矿作用

冯建之,孙卫志,牛树银,燕建设,王杏村,崔燮祥,陈 超

(1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质调查队,河南洛阳471023;2.石家庄经济学院,石家庄050031)

0 引言

亚热柱-幔枝构造是地幔热柱多级演化的第二、三级单元[1,2],犹如从树木的树干上生长出来的树杈与树枝。亚热柱沟通了核-幔源成矿物质,是重要的成矿物质运移通道,而幔枝构造则是非常重要的成矿储矿构造。

华熊矿聚区西起华山,向东经崤山、熊耳山、外方山,东到鲁山一带,其北界为潼关—三门峡—鲁山断裂;南界为栾川断裂。东西长约320 km,南北宽50～100 km,呈向北凸出的不规则长条形,控制着一系列大中型金矿、钼矿及银多金属矿床[3-7]。本文拟从幔枝构造的视角简要探讨该区的成矿控矿作用。

1 华熊亚热柱-幔枝构造的组成

华熊亚热柱泛指展布于潼关—三门峡断裂以南,栾川断裂以北的华山—熊耳山—鲁山一带的广大矿集区,其中展布有小秦岭、崤山、熊耳山、鲁山等多个幔枝构造,它们各有自己的地质特征,并分别控制着不同类型的内生金属矿床。

1.1 幔枝构造展布特征

由于幔枝构造隆升的幅度不同、外围盖层拆离滑脱的距离大小以及上叠构造盆地的切割程度不同,华熊亚热柱展布区有多个被分割为互不相连的弧立幔枝构造,它们多呈岛链状分布,由西向东依次为小秦岭幔枝构造、崤山幔枝构造、熊耳山幔枝构造、鲁山幔枝构造等,由于幔枝构造的强烈隆升,它们构成了豫西主要山脉的主脊(图1)。

幔枝构造呈两种基本构造形态,一种为等轴状,另一种为长轴状。可划分为穹隆型(崤山)、长垣型(熊耳山)和地垒型(小秦岭)变质核杂岩,它们分别代表了伸展构造活动演化初期、中期和晚期阶段所形成的构造样式[7]。胡正国等[8]曾归纳过小秦岭地区的变质核杂岩模式。牛树银等[9]用变质核杂岩的观点探讨过太行山区的构造演化与成矿作用。但是,从地球动力学上分析,变质核杂岩构造理论注重了形态分类及模式的建立,却没有与深部联系起来。 而幔枝构造是地幔热柱多级演化的第三级单元,幔枝构造形成的早期主要表现为一定范围的隆起;中期由于核部岩浆作用的强烈活动及其构造隆升,加之外围盖层发生大幅度正向滑脱拆离,在核部隆起部位产生揭顶式剥蚀作用,形成典型的变质核杂岩;晚期随着剥蚀程度的加剧,甚至可以把盖层剥蚀殆尽,成为隆升的变质杂岩区。虽然3个阶段不同,但他们是幔枝构造的不同演化阶段,其地球动力学机制均受幔枝构造控制,并且通过亚热柱-地幔热柱与深部机制联系起来。成矿作用也自然有了深部来源的支持。很显然,变质核杂岩仅仅是幔枝构造演化的中间阶段,尽管早期的隆起和晚期的大规模隆升之地球动力学机制并没有变化,但从构造形态来讲,已经不属于变质核杂岩系统。

华熊亚热柱展布区中的各幔枝构造形态有所不同,主要反映了幔枝构造的活动强度、规模及岩浆活动的强度有所不同,也会受到上地壳区域构造应力场的影响和主要剪切带活动特征的制约。如小秦岭幔枝构造中岩浆活动强烈,隆升幅度较大,相对剥蚀作用强烈,上覆盖层基本被剥蚀殆尽,仅在幔枝构造的外围尚存留有少量的盖层。而崤山幔枝构造、熊耳山幔枝构造、鲁山幔枝构造等幔枝构造相对上隆幅度较小,剥蚀程度稍弱一些,故均有中(上)元古界地层覆盖于拆离断裂之外,而且盖层厚度由北而南增厚,显示了不同幔枝构造隆升的差异以及不同幔枝构造的形态特征(图1)。

图1 华熊幔枝构造示意图Fig.1 Sketch map of Huaxiong mantle branch structrue

1.2 幔枝构造核部的岩浆-变质杂岩

区内4个幔枝构造的变质核杂岩具有相似性,也存在差异。小秦岭地区变质核杂岩分布于豫陕交界处,东西长 140 km,南北宽约 70 km,面积大于1 000 km2。该杂岩体西段呈 NE向,东段为近 EW向。其下部为一套以变质花岗岩为主的岩石组合,包括 TTG岩系和钾质花岗岩;上部为以沉积岩为主的副变质岩系。变质程度以角闪岩相为主,有部分绿片岩相和麻粒岩相。同时内部发育以中生代花岗岩为主的侵入体。其南北两侧为拆离断层构成的边界断裂。内部发育不同方向的脆韧性剪切带,以近EW向为主,剪切带中往往发育石英脉,成为小秦岭金矿的赋矿构造。

崤山地区变质核杂岩面积较小,呈穹窿状,面积约450 km2。由变质侵入岩和表壳岩残块组成;变质侵入岩包括 TTG岩系和变质二长花岗岩及变质辉长岩、辉绿岩,它们构成变质核杂岩的主体。表壳岩系则以变质沉积岩为主。同时存在有上基底,为古元古代的铁铜沟组(罗汉洞组),岩性为含砾石英岩。基底四周由拆离断层与中元古界熊耳群相邻, 总体变质程度达绿片岩相。变质核杂岩体内部存在近SN向的韧脆性剪切带,形成金矿床。

熊耳山变质核杂岩分布于熊耳山北麓,面积约573 km2,呈东宽西窄的长垣状,东、南部为中元古界熊耳群火山岩系覆盖,西侧拆离断层明显,北侧为山前断裂与洛宁盆地相邻。基底岩系由表壳岩系和变质侵入岩组成,表壳岩系为中基-中酸性火山-沉积岩建造;变质侵入岩由富钠的 TTG岩系和富钾的二长花岗岩组成,其中见有零星呈带状分布的超镁铁质岩,呈岩块式岩体,变质杂岩变质程度主体为角闪岩相。其间有NE向韧脆性剪切带,是金矿的赋矿构造。

鲁山变质核杂岩分布于鲁山背孜街一带,呈椭圆状NW向分布,北东侧为断层与寒武-奥陶系沉积建造相邻,南西侧为拆离断层与熊耳火山岩相邻。变质核杂岩由变质侵入岩和表壳岩系组成。总体研究程度低,其表壳岩系可与小秦岭、熊耳山地区表壳岩对比。

1.3 幔枝构造外围拆离滑脱层

华熊亚热柱构造的主拆离断裂位于各幔枝构造与上覆盖层之间。上覆地层主要为中元古界熊耳群、官道口群和栾川群。这些盖层均出现于亚热柱的南侧,除鲁山幔枝构造核部杂岩北部有上覆盖层之外,其他幔枝构造的北侧一般不出现盖层。这种不对称的分布特征,说明与华熊亚热柱形成的幔枝强烈隆升与存在向南的巨大推覆力有关。

小秦岭变质核杂岩北侧被巨大的区域断裂(三门峡—宝鸡断裂,即潼关—三门峡—鲁山断裂)破坏断错;其南缘可见到S倾的厚度很大的糜棱片麻岩、绿泥石角砾岩及微角砾岩构成的剪切带。其中糜棱片麻岩的拉伸线理倾向多为140°～160°,旋转应变标志显示上盘岩层向北西剪切,与区域上其他变质杂岩一致,即上盘岩层向西剪切。但局部可以见到相反的逆向剪切特征。熊耳山变质核杂岩中拆离断层不明显,仅在西北部见到拆离断层,其他地区拆离断层厚仅数米,主要为糜棱岩,出现于片麻岩与熊耳群之间。北侧的拆离断层向NWW缓倾,厚度小于100 m。按Lister等[10]的解释,糜棱片麻岩缺失或很薄可能意味着处于伸展地带的熊耳山核杂岩是从较浅部位抬升到地表的。

崤山变质核杂岩规模小,外形呈穹窿状,出露面积约20 km×25 km。其表壳构造岩基本上被保存下来。

崤山核杂岩体外缘为一拆离断层,围绕核杂岩体分布,总体上拆离断层为一向四周沿不同方向缓倾的正断层,倾角多小于30°(图2),拆离断层上盘多为熊耳群,仅东北部放牛山至唐山一带出露一套含砾石英岩、厚层状石英岩、云母石英片岩及白云质大理岩地层。多数人认为相当于陕西的古元古界铁铜沟组(河南称罗汉洞组)。

图2 崤山变质核杂岩地质构造略图[11]Fig.2 Geological structural sketch of Xiaoshan metamo rphic co re comp lex

图3 崤山变质核杂岩的A-A′示意剖面图[11]Fig.3 Sketch of A-A′Section in Xiaoshan metamorphic core comp lex

拆离断层将片麻岩与熊耳群隔离,但放牛山铁铜沟组拆离断层较复杂。本区糜棱片麻岩的流状构造显示面理方位变化较大,但其中拉伸线理较为稳定(图2),几乎均为向NW倾斜,仅在杂岩体北东缘相反。图3剖面表示糜棱片麻岩带从西向东可能出现的褶皱及糜棱岩前锋带以上的弱应变区。综上所述,从崤山核杂岩外缘的拆离断层向四周倾斜和片麻岩线理所显示的舒缓褶皱,均表明随着拆离伸展过程的进行,原始平面状的剪切带已发生弯曲上拱,这种褶皱通常被认为是由于构造拆离导致地壳减薄引起的均衡补偿,或者是深成岩体的侵入导致局部的均衡调整造成。由此推断小秦岭、熊耳山核杂岩同样发生了褶皱,致使原始向NW倾斜的构造带拱起弯曲。

1.4 外围上叠断陷-沉积盆地

华熊亚热柱外围发育一系列上叠断陷-沉积盆地,自西向东依次为灵宝—朱阳盆地、卢氏—洛宁盆地、潭头—嵩县盆地等。这些盆地中,潭头—嵩县盆地形成于晚白垩世末期,其他盆地形成于第三纪始新世。与华北其他地区幔枝构造上叠盆地存在最明显的差异是基本没有火山岩。

盆地的展布形态多呈长条状,其长轴方向与NW向的区域主构造方向一致;显然,盆地的形成与伸展体制控制下区域断裂发展演化有关。

这些盆地均为箕状盆地,其最大沉降出现于盆地南侧,向北逐步抬高,形成不对称形态。显示受到了北侧幔枝构造强烈抬升的影响。

这些盆地与幔枝构造形成典型的盆岭地貌形态,这种盆岭地貌几乎涵盖了整个华熊亚热柱构造区。说明本区为区域性伸展、岩石圈拉伸薄化作用而形成的盆-岭构造系统。

2 华熊幔枝构造的演化

华熊亚热柱构造在地质、地球物理、地球化学及遥感解释等方面均有明显特征。

2.1 大规模强烈隆升及岩浆演化

被栾川断裂和潼关—三门峡—鲁山断裂围限的华熊亚热柱,自古生代末就出现大规模隆升,燕山期达到高峰。

按照板块构造观点,本区构造演化可以表述为古-中元古代伸展拉张,新元古代—古生代俯冲碰撞,中生代伸展抬升的构造演化。

古-中元古代,华北太古宙克拉通开始裂解,在伸展机制作用下,形成被动大陆边缘裂谷。出现大量A型花岗岩(龙王撞、桂家峪)及双峰式火山岩(熊耳群),同时有基性岩墙群。

新元古代,秦岭现代体制板块构造开始,古秦岭洋扩张,出现板块俯冲,秦岭主造山阶段开始;在挤压走滑作用下,在主缝合线两侧出现双峰式火山岩(宽坪群)。

古生代,为秦岭主要造山变形期,在俯冲碰撞作用下,地壳加厚并垂向增生,壳幔交换发育。在区内广泛出现基性岩脉。

三叠纪,陆-陆碰撞,华北与扬子板块实现对接。主造山期结束,向板内构造体制转化,在区内仅形成磨沟碱性岩体(204 M a,U-Pb法)[12]。

图4 穿过栾川熊耳山南坡滑覆体的横剖面图[13]Fig.4 Cross sections through sliding nappes of Xiongershan south slope in Luanchuan area

侏罗-白垩纪,在伸展走滑机制下,华熊亚热柱 -幔枝构造体系开始形成。其表现是大量深源浅成型花岗岩(Ⅰ型:金堆城、南泥湖、花山、李铁沟、文峪、华山、老牛山、秋树湾等岩体),浅源深成型花岗岩(S型:伏牛山岩体等),A型花岗岩(太山庙、张世英等岩体);同时,随着岩浆侵入,地壳隆升、垮塌、岩石圈减薄,形成了小秦岭、崤山、熊耳山、鲁山等幔枝构造。

同时,由于幔枝构造的强烈隆升,拆离带上盘的地层由北向南大规模滑覆,从现今表现来看,主要是高山河组砂岩及官道口群碳酸盐岩产生了长距离滑动位移,在熊耳山南坡大面积熊耳群火山岩中部出现了2个不协调的滑块(图4)。滑动距离至少为3 km。

总之,小秦岭、熊耳山、崤山、鲁山等幔枝构造的变质核杂岩均为新太古代变质岩构成,这些变质岩为花岗岩-绿岩建造,即由花岗质片麻岩系(变质侵入岩系)和绿岩(变质表壳岩系)组成。

变质核杂岩多呈NE向展布,与中新生代构造线一致。仅东西端的小秦岭和东端的鲁山有所变化。在太古宙片麻岩中,分布有大面积不同时代的花岗岩,这些花岗岩基本被局限在片麻岩系中,没有见到岩体穿过片麻岩系边界的低角度正断层而侵入到上覆元古宇地层中的现象。由此判断岩体原始侵位并非现在出露的部位,而是深成侵入体同片麻岩一起从深部隆升到地表的产物。这一过程即A rmstrong(1972)[14]所说的构造拆离的过程,它是通过规模巨大的地壳内部的剪切带进行的。这类剪切带在深部表现为面状糜棱岩带,在浅部则表现为低角度正断层。华熊亚热柱上的幔枝构造是由上述剪切带拆离到地表的,因此它们是拆离地体。

2.2 地球物理特征

华熊幔枝构造在航磁、重力、地壳厚度等地球物理资料上有非常清楚的显示。

(1)上地幔凸起。华熊幔枝构造位于NNE向大兴安岭—太行山—武陵山梯级带与 NW向西安—南阳—信阳低值重力异常带交会部位(图5)。将重力场根据经验公式Hm=H0-ng来近似推断莫霍面起伏形态。其中,H0为重力零值所代表的莫霍面深度(km),n为相关系数(km/10-5m s-2)。

在布格重力异常图上,华熊幔枝构造为一个巨大的圈闭异常区,北界大体约在潼关—三门峡—鲁山断裂,南界跨过栾川断裂。北界陡南界缓,向西未封闭,显示不对称态势(图6)。

图5 区域重力异常图Fig.5 Regional gravity anomalousmap

(2)环状航磁异常。本区航磁异常总体形态与重力异常相似,为一个向西未封闭的异常带,北界在潼关—三门峡—鲁山断裂,南界跨过栾川断裂,其中在小秦岭、熊耳山地区形成闭合圈。其他部分显示受地貌及地质体分布影响而有变化。

3 华熊幔枝构造的控矿规律

本区矿产概略分为内生金属矿产和沉积矿产两大类。沉积矿产出现于断陷盆地中,主要有油页岩(潭头盆地)、褐煤(朱阳—灵宝盆地)、局部见有石膏。这些矿产规模小,分布零散,质量低,工业意义很小。

本区内生金属矿产均为幔枝热液型矿床,所有矿床在本质上具有极大的相似性。但是主要矿产存在一定差异(图7)。核部岩浆-变质杂岩分布区与熊耳群分布区主要矿床类型相近似,如果按主要矿产类型分带,则核部岩浆-变质杂岩区和熊耳群分布区为一个带,以形成金、银、钼矿为主。官道口群、栾川群、陶湾群则以钼钨和多金属为主(表1)。

区内的金矿在小秦岭地区为石英脉型,在熊耳山和崤山地区则为构造蚀变岩型。当金矿与多金属矿共生时形成斑岩型矿床(如银家沟)。在熊耳山地区以金、银为主的矿床均为构造蚀变岩型。钼矿和多金属矿共生则以斑岩型为主,个别为脉状矿床(如黄水庵)。当钼矿与金矿共生时也为脉状矿床(如大湖)。成矿时代为燕山期,成因类型为幔枝热液型。

图6 豫西地区重力异常图Fig.6 Regional gravity anomalousmap in western Henan province

表1 岩浆-变质杂岩区及盖层区的主要矿床Table 1 M ain deposits of magmatic-metamo rphic comp lex area and cover area

华熊幔枝构造的成矿作用可概略地表述为:在地幔热柱-地幔亚热柱-幔枝构造的演化过程中,来自核幔边界的含矿热液,由气态-气液混合相-液相随同地幔柱的演化向上运移,最后经区域剪切带-构造扩容带-矿田-矿床。矿床的形成是在一定的温度、压力条件下完成的,因此,矿床的分布具有一定的规律性和丛聚性,不但表现出与岩浆岩体和剪切带的密切关系,而且同类矿床集中分布,形成矿田,如小秦岭金 矿田、熊耳山金-银矿田、南泥湖钨-钼矿田等。由于不同地区围岩条件的差异,这些矿床也产生一定变化,但总体以金和钼为主的成矿特征未变,分别形成以Au-Ag-Mo-多金属为主的成矿系列和以Mo-W-Fe-Au-多金属为主的成矿系列。前者主要出现在幔枝构造的核部变质杂岩区,后者主要出现在幔枝构造盖层区。由于均为幔枝热液成矿,所以各类矿床的基本特征具有极大的相似性。

上述认识得到了矿床矿石中硫、铅、氧、氢、碳同位素组成以及成矿流体成分等地球化学特征的支持。

图7 华熊地区矿产略图Fig.7 Sketch of mineral deposits in Huaxiong area

图8 豫西南地区物探解译断裂及隐伏岩体Fig.8 The geophysically interp reted faults and buried intrusion of in the Southwest Henan

4 华熊幔枝构造的形成机制

三门峡—鲁山断裂下切深度达42～47 km,而本区地壳厚度东部为37 km,西部局部达40 km,这就表明三门峡—鲁山断裂切割了上地幔。当华北地幔亚热柱向外拆离滑脱被三门峡—鲁山断裂切割,便因减压释荷而发生深熔作用,深熔岩浆沿韧性剪切带大规模上侵,形成串珠状展布的岩体,同时造成区域性上隆。上隆主体在小秦岭—崤山—三门峡—鲁山一带。从而形成了岛链状分布的变质核杂岩及其中大量的花岗岩体。

上侵的岩浆在变质核杂岩区绝大多数侵位高,形成现今可见的岩基 或岩株,仅在熊耳山西段为隐伏岩体;在盖层区多为现今仍隐伏的产状,但在其中断裂构造交会部位形成出露的岩株(面积一般<1 km2)(图8)。

这些推断的隐伏岩体多为酸性岩体,中性和基性岩体形状受区域性断裂影响多为长或略方,面积为100～800 km2,岩体的埋深较浅。对找矿有意义的酸性岩体有:杜关隐伏岩体、康山—铁炉坪隐伏岩体、冷水隐伏岩体、付店隐伏岩体等。

由于岩浆大规模侵位及同时形成的负重力异常,导致岩体及其围岩一起上隆,上部盖层逐渐拆离滑脱,使核部岩浆-变质杂岩呈揭式裸露(如小秦岭)或部分裸露(如崤山、熊耳山、鲁山)。

岩浆的上侵使地幔热柱-地幔亚热柱-幔枝构造的通道被打通,核幔边界的含矿热液随着幔枝构造的形成在构造有利部位沉淀成矿。鲁山地区核杂岩没有燕山期花岗岩,尽管存在地壳抬升却没有成矿,说明燕山期岩浆活动对成矿作用的影响重大。

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