东秦岭鮸鱼咀韧性剪切带构造变形特征及其年代学约束

陈龙耀 ， 李 勇 ， 刘晓春 ， 曲 玮 ， 胡 娟

1)中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100081；

2)自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室， 北京 100081；

3)青海省自然资源厅， 青海西宁 810001

秦岭造山带中分布于商丹断裂带以南的武关杂岩和刘岭群代表早古生代北秦岭和中生代南秦岭之间的晚古生代构造带 (任纪舜等， 1990， 1991；Chen et al.， 2014； Liu et al.， 2015)， 这一晚古生代构造带形成于从早古生代增生造山到中生代碰撞造山的构造转换时期， 对揭示秦岭造山带晚古生代构造演化过程具有重要的意义。现阶段， 对这两个构造单元的研究主要集中其基本地质特征、同位素年代学和地球化学等方面(于在平等； 1988； Yu and Meng，1995； 牛宏建， 1995； 裴先治等， 1997； 王宗起等，2002； 和政军等， 2005； Yan et al.， 2006， 2012， 2016；Dong et al.， 2013， 2018； Chen et al.， 2014； 陈龙耀等，2014； Liao et al.， 2017； 李宗耀等， 2017)， 而对其变质变形的研究则开展的较少(李加好等， 2011， 2013；杨源祯， 2015； Chen et al.， 2020)。与此同时， 作为武关杂岩和刘岭群重要分界线的鮸鱼咀韧性剪切带，研究程度明显较低， 一定程度上影响了对武关杂岩和刘岭群构造属性及联系的理解， 从而制约了秦岭造山带晚古生代构造演化的认识。

鮸鱼咀韧性剪切带的提出始于1：5万清油河幅区域地质调查报告(陕西地质矿产勘查开发局，1996)， 该报告对该剪切带的基本形态、几何学和运动学特征进行了详细的描述。随后， 韩庆军(1997)对该韧性剪切带进行了一些定性和定量的显微构造研究。相比较而言， 对该剪切带的物质组成和变形时代的研究涉及的较少。本文在对剪切带构造变形特征的野外观测、锆石U-Pb和白云母40Ar/39Ar年代学研究的基础上， 对其几何学、运动学特征以及物质组成的时代进行了总结， 并结合区域可利用的变质和变形时代资料， 对其变形历史及其反映的构造意义进行了讨论。

1 区域地质背景

秦岭造山带西连祁连造山带， 东接桐柏—大别造山带， 延伸超过 1500 km。该造山带北以洛南—栾川断裂为界， 南以勉略—巴山—襄广断裂带为界(图 1a)。根据板块构造模式， 一般以商丹断裂带为界将秦岭造山带的主体分为北秦岭和南秦岭两个构造带(Mattauer et al.， 1985； Hsü et al.， 1987； 许志琴等， 1988； 张国伟等， 1988； 王清晨等， 1989)。在东西方向上， 则以宝鸡—成都铁路线为界， 秦岭造山带又可分为西秦岭和东秦岭。随后， 考虑到秦岭造山带构造演化复杂性， 以山阳断裂为界将南秦岭细分为中秦岭构造带和南秦岭构造带(任纪舜等， 1990，1991)， 中秦岭代表早古生代北秦岭和中生代南秦岭之间的晚古生代构造带(图 1a)。同时， 基于系统的岩石学、地球化学、同位素年代学、地层古生物学和区域地质研究， 王宗起等(2009)将南秦岭总结为中秦岭弧前盆地系和南秦岭增生杂岩带。

北秦岭构造带北以洛南—栾川断裂为界与华北板块南缘相隔， 南以商丹断裂带与中秦岭构造带相隔。主要由前寒武纪基底(秦岭岩群)、新元古代变质沉积岩和变质火山岩(宽坪岩群)、早古生代变质火山岩系(二郎坪岩群和丹凤岩群)以及早古生代变质程度较低的沉积地层组成(Dong et al.， 2011；Dong and Santosh， 2016)， 此外还包含有新元古代早期(980～910 Ma)、早古生代(507～400 Ma)和中生代晚期(250～180 Ma)侵入的花岗岩(Wang et al.， 2013，2015)(图1b)。中秦岭构造带位于商丹断裂带与山阳—凤镇断裂之间， 主要由北侧武关杂岩和南侧刘岭群构成， 向东可与桐柏地区的信阳岩群(已解体为龟山杂岩和南湾复理石； 刘志刚等， 1992)和大别地区的佛子岭群相对比。武关杂岩分布于西部黑河地区和东部丹凤—商南地区， 由变质碎屑岩、变泥质岩及少量斜长角闪岩、大理岩和石英岩夹层组成，在黑河地区出露有典型的砾岩(Dong et al.， 2013；Chen et al.， 2014； Yan et al.， 2016)。刘岭群主要由遭受了绿片岩相-角闪岩相变质的泥盆纪砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和泥灰岩组成(陈龙耀等， 2014)。南秦岭构造带主要由零星出露的前寒武纪结晶基底(陡岭杂岩、佛坪群、武当群和耀岭河群)和大面积的未变质-浅变质早古生代—三叠纪沉积地层所组成(张国伟等， 2001； Dong et al.， 2011； Dong and Santosh，2016)， 此外还包含有呈带状分布的中生代岩体(Dong et al.， 2012； Wang et al.， 2015； Deng et al.，2016； Hu et al.， 2017， 2018)。

2 鮸鱼咀韧性剪切带的构造变形特征

鮸鱼咀韧性剪切带是中秦岭构造带中最重要的一条断裂带， 是北侧武关杂岩与南侧刘岭群的构造边界(图1b)。该带沿毛房沟—丹凤县南—桃花铺—武关—商南县南一带呈NWW向展布， 分布稳定，延伸很远。

图1 东秦岭造山带地质简图及在秦岭造山带的位置(a； 据Dong et al., 2013)和鮸鱼咀韧性剪切带的构造位置及带内糜棱面理和线理赤平投影图(b)Fig. 1 Simplified geological map of the eastern Qinling orogenic belt with inset showing its location in the Qinling orogenic zone (a； after Dong et al., 2013) and tectonic site of the Mianyuzui ductile shear belt and the stereographic projection of mylonitic foliation and stretch lineation of rocks in the Mianyuzui ductile shear zone (b)

野外调查自西向东选择不同的地区横穿鮸鱼咀韧性剪切带， 详细观测了不同部位剪切带的组成、结构及其几何学特征。卷入韧性剪切带的岩石主体为武关杂岩的最南侧部分， 主要由眼球状黑云长英质糜棱岩和眼球状含石榴二云构造片麻岩组成，在八里坡一带出现呈条带状的角闪长英质糜棱岩及黑云角闪长英质糜棱岩。剪切带一般宽(100～200) m，在西段八里坡一带宽度可达 500 m。剪切带走向NWW-SEE， 总体向南倾斜， 倾向及倾角沿走向变化较大(图 1b)。武关河以西向南倾斜， 倾角较大75°～85°， 向西至八里坡倾角变缓 60°～75°。武关河—鮸鱼咀一带向北倾斜， 倾角较大 75°～85°； 向东延伸仍为北倾， 倾角变缓55°～70°。剪切带主体以走向南东东—北西西的水平线理为主， 与韧性剪切带走向近乎一致， 倾伏角大部分为 2°～22°， 局部部位线理倾伏角为 28°～35°， 配套发育的旋转碎斑指示其运动方向为左行剪切(图 2a， b)。此外， 在铁峪铺南还发现有早期陡倾的北北东倾向线理， 并配套有南倒北倾的置换面理和紧闭褶皱(图 2c， e)。同时， 前人在武关杂岩中也发现了早期的倾向线理和紧密褶皱现象， 并通过S-C组构、斜列小褶皱和“Z”型褶皱等构造标志判断其具有由北向南逆冲剪切的运动学特征(李加好等， 2011， 2013； 杨源祯， 2015)。因此，鮸鱼咀韧性剪切带经历了明显两期的构造变形， 早期由北向南的逆冲剪切变形， 晚期左行走滑韧性剪切变形。

3 锆石U-Pb同位素测年

3.1 样品描述

为了限定鮸鱼咀韧性剪切带的物质组成及时代， 在剪切带的不同部位采集了两个眼球状长英质糜棱岩来进行锆石U-Pb同位素测年。样品DF01-7和THP02-1自西向东分别取自丹凤县南丹江镇江石(取样点坐标： 33°39'42"N， 110°20'12"E)和桃花铺(取样点坐标： 33°37'43"N， 110°31'36"E)(图 1b)。样品整体呈灰黑色， 显示眼球状构造， 眼球主要是钾长石和斜长石， 也有较大者是花岗质成分， 少数眼球是黑云母， 眼球体大小 1～10 mm， 个别达 1.5～3 cm，形态多呈圆形-椭圆形， 眼球沿层位多寡不均(图 2a，b， f)， 除眼球状矿物外， 基质矿物主要由黑云母、白云母、斜长石、石英和少量电气石和不透明矿物(图2f)。

3.2 分析方法

图2 鮸鱼咀韧性剪切带野外变形特征及显微照片Fig. 2 Field observations of deformation and photomicrographs of the Mianyuzui ductile shear zone

锆石的分选和挑纯由河北省区域地质矿产调查研究所岩矿分析实验室完成。将待测锆石颗粒制成环氧树脂样品靶， 待样品靶树胶固结干燥后打磨并抛光， 至大部分锆石颗粒可以保留约2/3。拍摄锆石颗粒的可见光和阴极发光(CL)显微图像， 然后根据图像所反映的锆石特点， 选取合适的颗粒进行U-Pb同位素测定。微区锆石U-Pb同位素测定在中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室的激光烧蚀多接收器电感耦合等离子体质谱仪上LA-MC-ICPMS完成。仪器性能、分析方法、测试过程参考李怀坤等(2009)的有关描述。激光束斑孔径为 35 μm， 频率 8～10 HZ， 激光器能量密度 13～14 J/cm2。以GJ-1标准锆石和NIST612标准玻璃样品为外标， 分别用于校正锆石的 U/Pb分馏和计算锆石Pb、U、Th含量。原始数据处理使用中国地质大学刘勇胜教授研发的 ICPMSDataCal程序， 使用208Pb校正法进行普通Pb校正。锆石年龄加权平均计算及U-Pb谐和图的绘制使用ISOPLOT 3.23版程序(Ludwig， 2003)完成。单个测点的误差为 1σ， 年龄加权平均值具95%置信度。

3.3 测试结果

两个长英质糜棱岩(DF01-7和THP02-1)中的锆石分别测定了29个和40个点， 分析结果列于附表1。将谐和度大于等于 95%的分析点作为有效数据统计， 其他数据舍去。对于≤1000 Ma的数据采用206Pb/238U 年龄， ＞1000 Ma的数据采用207Pb/206Pb年龄。

图3 鮸鱼咀韧性剪切带中长英质糜棱岩中锆石U-Pb年龄直方图和CL图像Fig. 3 Cathodoluminescence (CL) images and histograms of U-Pb data of zircons from the felsic mylonite in the Mianyuzui ductile shear zone

样品DF01-7中锆石形态多样， 呈浑圆形、卵形或柱状， 颗粒大小为 100～200 μm， 具有典型碎屑锆石的特征。锆石 CL图像(图 3a)显示大部分锆石颗粒发育韵律环带， 属于岩浆成因。所有进行分析的锆石均具有高的 Th/U比值(＞0.50)， 也验证了其岩浆成因。大部分锆石颗粒发育有很窄的暗色或灰色生长边， 但生长边均较窄无法进行测试分析。在29颗锆石上分析 29个点， 均位于韵律环带部位。29个分析点均符合要求， 其年龄范围为(2467±14) Ma(207Pb/206Pb)～(431±7) Ma(206Pb/238U)， 其中一个最重要峰值年龄约为 448 Ma， 另 1个次要峰值约为474 Ma(图 3a)。其他零星散布在 780～700 Ma和1800～1000 Ma之间， 此外还有3颗太古代的锆石分别为(2430±14) Ma、(2432±14) Ma 和(2467±14) Ma。

样品THP02-1中锆石形态多样， 呈浑圆形、卵形或柱状， 颗粒大小为 50～180 μm， 具有典型碎屑锆石的特征。锆石 CL图像(图 3b)显示大部分锆石颗粒发育韵律环带， 属于岩浆成因， 所有进行分析锆石点， 除点 23、25 和 28 的 Th/U 比值小于 0.1， 其他数据点的Th/U比值均大于0.1。几乎所有的锆石颗粒发育有很窄的暗色或灰色生长边， 但生长边均较窄无法进行测试分析。在40颗锆石上分析40个点， 均位于韵律环带部位。分析的40颗锆石获得的数据全部有效， 其年龄范围为(2522±30) Ma(207Pb/206Pb)～(389±3) Ma(206Pb/238U)， 其中一个最重要峰值年龄约为 448 Ma， 另 2个次要峰值约为922 Ma和390 Ma(图3b)。此外， 还有一些中元古代—太古代的锆石零星散布。

4 白云母40Ar/39Ar同位素测年

4.1 样品描述

为了限定鮸鱼咀韧性剪切带的变形时间， 在剪切带中变形较强的部位采集了眼球状含石榴二云母构造片麻岩来进行白云母40Ar/39Ar同位素测年。样品 TYP04-4取自铁峪铺镇八里坡沟(取样点坐标：N 33°36'44"， E 110°31'27")(图 1b)。样品主要组成矿物为石榴石、白云母、黑云母、斜长石、石英、电气石和不透明矿物。变形较强， 呈眼球状构造， 眼球主要为斑晶状的石榴石、斜长石和白云母， 基质由细小的石榴石、白云母、后成合晶的黑云母-斜长石和石英所构成， 这些基质矿物沿片理定向分布。石榴石斑晶一般呈浑圆状， 显示两阶段的生长， 内含斜长石和石英等包体。白云母斑晶保存完好， 个体一般为0.5～3 mm大小， 云母鱼构造指示左行剪切的特征(图4a)， 基质中细小的白云母一般小于0.2 mm。

4.2 分析方法和测试结果

白云母的分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成， 经常规粉碎、分选、磁选等流程后， 在双目镜下仔细挑选， 纯度＞99%。由于基质中的白云母非常细小， 所以挑选的对象主要是叶片较大的眼球状白云母。样品测试由中国地质科学院地质研究所40Ar/39Ar同位素实验室完成。选纯的矿物先用超声波清洗， 清洗后的样品被封进石英瓶中送核反应堆中接受中子照射。照射工作是在中国原子能科学研究院的“游泳池堆”中进行的， 使用 B4孔道， 中子流密度约为(2.60×1013) n cm-2·s-1。照射总时间为 2878 min， 积分中子通量为 4.49×1018n cm-2；同期接受中子照射的还有用做监控样的标准样：ZBH-25 黑云母标样， 其标准年龄为(132.7±1.2) Ma，K含量为7.6%。

图4 鮸鱼咀韧性剪切带中样品TYP04-4显微照片(a)和白云母的40Ar/39Ar年龄谱图(b)Fig. 4 Photomicrograph (a) and 40Ar/39Ar age spectra (b) of mucovites from the sample TYP04-4 in the Mianyuzui ductile shear zone

表1 鮸鱼咀韧性剪切带样品TYP04-4眼球状白云母40Ar/39Ar同位素分析及年龄Table 1 40Ar/39Ar isotopic analyses of flay-type muscovites in sample TYP04-4 from the Mianyuzui ductile shear zone

样品的阶段升温加热使用石墨炉， 每一个阶段加热30 min， 净化30 min。质谱分析是在多接收稀有气体质谱仪 Helix MC上进行的， 每个峰值均采集20组数据。所有的数据在回归到时间零点值后再进行质量歧视校正、大气氩校正、空白校正和干扰元素同位素校正。中子照射过程中所产生的干扰同位素校正系数通过分析照射过的 K2SO4和 CaF2来获得， 其值为： (36Ar/37Ar)Ca=0.000 238 9， (40Ar/39Ar)K=0.004 782， (39Ar/37Ar)Ca=0.000 806。37Ar经过放射性衰变校正；40K 衰变常数λ=5.543×10-10a-1； 使用ISOPLOT程序计算坪年龄， 其误差以 2σ给出。详细的实验流程参见陈文等(2006)和张彦等(2006)。样品TYP04-4中的白云母的40Ar/39Ar同位素分析结果见表 1。计算出的坪年龄为(263±2) Ma(MSWD=0.18)， 占39Ar释放量的 69.8%(图 4b)。

5 讨论

5.1 韧性剪切带物质组成

鮸鱼咀韧性剪切带发育在武关杂岩的最南侧，主要组成岩石为眼球状(黑云)长英质糜棱岩和眼球状含石榴二云构造片麻岩。该剪切带同武关杂岩一样， 经历了多期的变形和角闪岩相的变质作用， 缺乏古生物化石， 因此其组成岩石的形成时代未能得到很好的限定。基于地层的沉积时代比碎屑形成的时代年轻这一理论， 碎屑锆石的年龄常常被用来约束地层沉积时代的上限。本研究中两个眼球状长英质糜棱岩样品(DF01-7和THP02-1)的锆石均具有典型碎屑锆石的特征， 得到的年龄谱也相差不大， 主要峰值约为448 Ma， 次要峰值为922 Ma。它们的年龄谱与武关杂岩主体的变质沉积岩(480～440 Ma和920～780 Ma)(Chen et al.， 2014； Yan et al.， 2016)和南侧刘岭群的年龄谱(442 Ma、850～780 Ma、970～900 Ma和 2.5 Ga)(Dong et al.， 2013； 陈龙耀等， 2014；Liao et al.， 2017； 李宗耀等， 2017)基本相当。由此表明， 北秦岭志留纪—泥盆纪岩浆岩及其前寒武纪基底可能是其重要的物质来源。此外， 样品 THP02-1得到了最年龄的峰值年龄为390 Ma， 这一年龄与刘岭群变质沉积岩中获得的最年轻的峰值年龄392 Ma 相当(陈龙耀等， 2014)。同时， 武关杂岩中同沉积的变质安山岩的原岩时代为(368±3) Ma， 限定其沉积时代为晚泥盆世(Chen et al.， 2014)。因此， 构成鮸鱼咀韧性剪切带主体的长英质糜棱岩的原岩为沉积岩， 形成时代不早于390 Ma， 与武关杂岩主体的变质沉积岩和刘岭群属于同一时期沉积的产物，碎屑物质来源主要为北秦岭构造带。

5.2 变形时代及构造意义

武关杂岩和鮸鱼咀韧性剪切带经历了两期主要的构造变形， 早期表现为南北向挤压造成的逆冲剪切变形， 晚期叠加了左行走滑韧性剪切变形(李加好等， 2011， 2013； 杨源祯， 2015； 本次研究)。最新的研究表明， 武关杂岩还经历了两期角闪岩相的变质作用， 两期的变质反应结构广泛发育在石榴角闪岩和变质沉积岩中， 表现为石榴石具有明显两期的生长以及两种粒级的矿物分布(Chen et al.， 2020)。石榴角闪岩、变质安山岩和花岗岩脉中变质锆石的U-Pb 年龄为约 320 Ma(Chen et al.， 2014)。早期变质残留的角闪石变斑晶40Ar/39Ar年龄为 322～299 Ma(Dong et al.， 2018； Chen et al.， 2020)， 这些年龄将第一期角闪岩相变质的时间限定为石炭纪。结合武关杂岩早期变质 P-T条件和演化轨迹(Chen et al.， 2020)以及桐柏造山带石炭纪洋壳型熊店榴辉岩的研究(简平等， 2000； Li et al.， 2001； Sun et al.， 2002；Jahn et al.， 2005； Wu et al.， 2009； Liu et al.， 2011；Cheng et al.， 2016)， 武关杂岩和熊店榴辉岩石炭纪变质是在古秦岭洋壳向北俯冲的背景下形成的。在石炭纪洋壳向北俯冲过程中， 位于俯冲带上盘的武关杂岩发生了中压变质作用， 而位于俯冲带下盘的熊店榴辉岩则发生高压变质作用(Chen et al.，2020)。因此， 武关杂岩和鮸鱼咀韧性剪切带中早期由北向南的逆冲剪切变形可能也是石炭纪洋壳俯冲的结果。

鮸鱼嘴韧性剪切带中含石榴二云构造片麻岩样品(TYP04-4)基质中小颗粒的石榴石、白云母和黑云母-斜长石合成合晶沿片理定向分布， 说明这些矿物为剪切变形同构造变质矿物。在我们最新的研究中， 这些矿物被认为第二期变质的产物， 矿物温压计得到变质P-T条件为约580 °C和8.0 kbar(Chen et al.， 2020)， 因此韧性剪切带的形成温度约为580 °C。由于白云母的封闭温度((350±30) °C； Hames and Bowring， 1994)低于样品的变质温度(580 °C)， 所以本文得到的白云母40Ar/39Ar坪年龄((263±2) Ma)是韧性剪切带形成后冷却到白云母封闭温度的年龄，代表了韧性剪切变形时代的上限。同时， 在武关杂岩和刘岭群中也得到了相似的白云母和黑云母40Ar/39Ar年龄(254～249 Ma， Dong et al.， 2018； Chen et al.， 2020； 我们未发表数据)。因此， 秦岭造山带的中秦岭构造带遭受了晚二叠世构造热事件的广泛影响。与此同时， 这一晚二叠世的构造热事件也记录在桐柏造山带的龟山杂岩和南湾复理石、熊店榴辉岩带以及大别造山带的佛子岭群中(牛宝贵等 1994；Zhai et al.， 1998； 简平等， 2000； Sun et al.， 2002；Ratschbacher et al.， 2003； Wu et al.， 2009； Cheng et al.， 2016； 曲玮等， 2018)。现阶段的研究表明， 华北与扬子陆块最终的碰撞发生于晚二叠世—三叠纪(Ames et al.， 1993， 1996； Li et al.， 1993； Liu et al.，2008， 2010， 2013)。相较于大别造山带， 秦岭造山带发育大量早古生代的增生造山系统(Dong et al.，2011； Wu and Zheng， 2013； Dong and Santosh，2016)。在中生代陆-陆碰撞过程中， 东部大别造山带可能表现为两个古老陆块的“硬碰撞”， 西部秦岭造山带则表现为弧-陆“软碰撞”(Liu et al.， 2015)。这种“软碰撞”造成了不同的构造岩片叠置， 进而引起了武关杂岩再次埋深而发生第二期变质， 与此同时“软碰撞”之后不同构造岩片的调整可能是武关杂岩和鮸鱼咀韧性剪切带后期左行走滑剪切的构造响应。

6 结论

通过上述讨论分析， 可得出如下结论：

(1)构成鮸鱼咀韧性剪切带主体的长英质糜棱岩的形成时代应该不早于390 Ma， 其碎屑物质来源于北秦岭构造带。

(2)鮸鱼咀韧性剪切带经历了两期主要的构造变形， 早期表现为南北向挤压造成的由北向南的逆冲剪切变形， 与石炭纪大洋俯冲有关， 晚期表现为左行走滑韧性剪切变形， 是秦岭造山带晚二叠世“软碰撞”的构造响应。

致谢：LA-MC-ICPMS锆石U-Pb测年工作得到了中国地质调查局天津地质调查中心李怀坤研究员、耿建珍工程师的指导， 两位审稿人对本文提出了宝贵的修改意见， 在此一并致谢。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41872059 and 41472064)， and National Program on Key Basic Research Project (973 Program) (No. 2015CB856104).

本文附有增强材料(附表 1)， 请通过本文网络版阅读或下载。