西准噶尔达尔布特蛇绿岩带萨尔托海岩体深部结构、构造特征: 地质与地球物理证据

李 海, 李永军, 2*, 徐学义, 3, 万 阈, 赵 强, 杨高学, 2, 王祚鹏

西准噶尔达尔布特蛇绿岩带萨尔托海岩体深部结构、构造特征: 地质与地球物理证据

李 海1, 李永军1, 2*, 徐学义1, 3, 万 阈4, 赵 强4, 杨高学1, 2, 王祚鹏1

(1.长安大学 地球科学与资源学院, 陕西 西安 710054; 2.国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 陕西 西安 710054; 3.中国自然资源航空物探遥感中心, 北京 100083; 4.新疆地矿局第七地质大队, 新疆 乌苏 833000)

西准噶尔地区分布多条蛇绿混杂岩带, 地表地质已有大量研究成果, 但蛇绿岩深部结构构造研究相对薄弱, 一定程度上制约了该地区地质构造演化的深入认识。为此, 本文选取达尔布特蛇绿混杂岩带萨尔托海段开展了大比例尺地质填图配套地面重力、磁法和可控源音频大地电磁测深(CSAMT)等综合测量, 获得了该蛇绿岩体地表分布、接触关系以及深部的磁性、密度结构和电性特征, 精细刻画了蛇绿岩的深部结构与构造, 并进一步分析了其侵位机制和动力学过程。萨尔托海蛇绿岩具有低重力、高磁性和变化范围较宽的电阻率值, 岩体整体以构造岩块状产出, 表现出挤压逆冲、走滑剪切、破碎蚀变等变形变质。本文及前人研究成果表明, 萨尔托海岩体是在近东西向挤压兼走滑应力作用下以斜向楔冲形式构造就位, 并进一步受到后期左行走滑和岩浆作用的叠加改造。结合区域构造演化, 西准噶尔蛇绿岩的构造侵位与晚石炭世板块汇聚背景下残余洋盆的收缩有关, 持续的挤压兼走滑应力使残余洋盆下伏基底蛇绿岩沿断裂构造侵位于上覆沉积地层。

蛇绿混杂岩; 深部结构与构造; 地球物理; 萨尔托海岩体; 西准噶尔

0 引 言

蛇绿岩是古大洋岩石圈的残余, 保存了古洋盆形成和演化的印记, 在恢复古大洋岩石圈属性、重建古板块格局等方面具有重要意义(Dilek and Furnes, 2011, 2014)。造山带中的蛇绿岩经历了俯冲增生、碰撞造山以及碰撞后改造等多期构造作用, 蛇绿混杂岩带的岩石组合、变形和变质记录了与之相关的一系列构造事件(Coleman, 2014)。对蛇绿岩体构造样式、变形特征、侵位过程的深入研究, 能够为解决古洋盆闭合过程和区域大地构造演化等科学问题提供依据。

西准噶尔地区位于中亚造山带西南缘(Xiao and Santosh, 2014; Yang et al., 2015, 2019)(图1a), 区内发育了唐巴勒、玛依勒、达尔布特和克拉玛依等多条蛇绿混杂岩带(Feng et al., 1989; Yang et al., 2012; Liu et al., 2014; Zhang et al., 2019)(图1b), 以这些蛇绿混杂岩带为代表的古准噶尔洋盆是古亚洲洋的重要分支。因此, 西准噶尔地区是窥探古亚洲洋南段性质与演化的理想窗口(雷敏等, 2008; 刘希军等, 2009), 前人在西准噶尔蛇绿岩的时空分布、岩石学特征、元素地球化学、同位素年代学、蛇绿岩型铬铁矿成矿理论等方面做了大量研究工作, 取得了丰富的成果(朱宝清等, 1987; 鲍佩声, 1990; 辜平阳等, 2009; 陈石和郭召杰, 2010; Chen et al., 2013; Liu et al., 2014; Yang et al., 2015, 2019; 田亚洲和杨经绥, 2016; Qiu and Zhu, 2018; 田亚洲等, 2019)。在蛇绿岩结构、构造方面, 研究者们通过地表地质填图和构造解析等方法, 从不同的角度对蛇绿岩的产出状态、深部展布形态、构造侵位方式等展开详细研究(Choulet et al., 2012; Chen et al., 2014; 陈石等, 2016; 杨高学等, 2017; Zhang et al., 2018a; 王国灿和张攀, 2019)。这些基于地表地质调查的研究多带有间接推断性, 缺乏精细的深部地质结构等约束, 导致人们对西准噶尔蛇绿岩赋存状态、侵位和变形机制的认识存在分歧, 在一定程度上制约了区域大地构造演化的深入研究。

地区标注: NE. 北东部地区; NW. 北西部地区; C. 中部地区; SE. 南东部地区。

针对萨尔托海蛇绿岩及其伴生的铬铁矿床, 已完成大量钻探工程和勘探线剖面, 尽管这些点、线工程在垂向和横向上具有高的分辨率, 但基于钻井资料的研究往往受限于钻孔深度, 并且钻探工程主要部署于萨尔托海岩体北东部铬铁矿产区, 缺乏对整个岩体的控制。地球物理是探测深部地质结构的有效手段, 具有探测深度大、精度高等优点(吕庆田等, 2015; 朱卫平等, 2017), 并且具备一定的空间约束(赵文津, 2016), 可以提供深部结构构造的直接证据, 弥补地面地质调查和钻探工程在深度和广度上控制不足的缺点(袁桂琴等, 2011)。Xu et al. (2016)在西准噶尔地区部署了长182 km的大地电磁剖面, 利用剖面三维反演成果揭示了这一地区深部地壳结构, 并认为西克拉玛依地区的基底主要为蛇绿岩, 可能存在一个北西向古俯冲带(Xu et al., 2020)。Zhang et al. (2018a)利用横穿准噶尔盆地西北缘后山地区的布格重力异常剖面揭示了达尔布特蛇绿混杂岩带下部为高角度赋存的高密度地质体, 向下延伸至6～8 km逐渐变宽, 并与克拉玛依蛇绿混杂岩带下部的高密度地质体有连通趋势, 暗示在西准噶尔地区石炭纪地层之下存在一个连续的混杂岩带或残留洋壳基底。Bao et al. (2015)获得的深部剪切波速资料显示, 准噶尔盆地及邻区5.0 km深度具有低波速特征(s<2.9 km/s), 而西准噶尔地区在22.5、32.5、52.5 km深度均具有显著的高波速性质(s>3.5 km/s), 二者可能分别对应于上地壳厚层盆地沉积和中‒下地壳镁铁质物质。此外, 还有诸多研究者在西准噶尔及邻区开展了不同程度的地球物理工作(程怀蒙和张胜业, 2015; 刘文才等, 2015; 许顺芳等, 2015; 张壹等, 2015; Yang et al., 2016; Zhang et al., 2017; 王奡等, 2017; Wu et al., 2018; Liu et al., 2019)。然而, 针对西准噶尔蛇绿岩体的大比例尺地球物理研究却未见报道。

本文在详细的野外地质调查基础上, 结合钻探资料综合分析了达尔布特蛇绿混杂岩带萨尔托海地区平面及剖面地质构造特征。进一步在该地区开展了有针对性的地面重力、磁法和可控源音频大地电磁测深(CSAMT)等综合地球物理测量, 在地表地质信息和钻探资料的约束下, 对所获得的地球物理数据进行了处理与反演。通过浅表地质构造分析与深部地球物理成果联合解译, 精细刻画了研究区蛇绿岩的深部地质结构和构造特征, 进而探讨了其侵位机制以及动力学过程。

1 地质背景

西准噶尔地区位于西伯利亚板块、哈萨克斯坦‒准噶尔板块和塔里木板块之间的聚合带中, 主要由一系列古生代地层、岛弧、蛇绿混杂岩等组成(Windley et al., 2007; Xiao et al., 2008; Xiao and Santosh, 2014; Yang et al., 2015), 是中亚造山带的重要组成部分(Jahn, 2004)。区内主要出露早古生代以来的沉积地层, 并以石炭系地层分布最为广泛, 为一套半深海‒大陆坡相火山‒碎屑沉积岩建造, 岩性主要为凝灰岩、凝灰质粉砂岩、硅质岩和火山角砾岩等(李永军等, 2010; 龚一鸣和纵瑞文, 2015), 并发育了早石炭世末形成的褶皱带(张继恩等, 2009)。区域岩浆活动频繁, 出现大量晚石炭世‒早二叠世时期的后碰撞花岗岩和中基性岩墙群, 为西准噶尔地区的造山后伸展背景下的产物(韩宝福等, 2006; Geng et al., 2009)。石炭纪以来, 西准噶尔地区经历了大规模的构造变形, 发育大量的褶皱和断裂构造。由东向西近平行分布有达尔布特、玛依勒、巴尔雷克等多条NE-SW向左行走滑断裂, 控制着西准噶尔地区现今的构造格局(Choulet et al. 2012; 陈宣华等, 2014; 林伟等, 2017)。

沿西准噶尔地区断裂构造线方向断续出露唐巴勒、玛依勒、巴尔雷克、达尔布特、克拉玛依等多条古生代蛇绿混杂岩带(Feng et al., 1989; Buckman and Aitchison, 2004)(图1b)。前人对西准蛇绿岩生成的大地构造背景存在大洋盆(白文吉等, 1995)、小洋盆或残余洋盆(朱宝清等, 1987)、洋脊(雷敏等, 2008)、弧前盆地(Feng et al., 1989)、弧后盆地(张弛和黄萱, 1992; Yang et al., 2012; 田亚洲等, 2015)等争议。然而, 西准噶尔蛇绿混杂岩带在区域上总体呈弥散状分布, 与围岩地层呈不协调的断层接触, 两侧围岩地层岩性可对比, 构造样式基本一致, 变形变质相对较弱, 因此, 目前普遍认为西准噶尔蛇绿混杂岩带均不具备构造单元的分隔意义(Xu et al., 2013; Liu et al., 2014; 王国灿和张攀, 2019)。

达尔布特蛇绿混杂岩带为西准噶尔地区最大的蛇绿混杂岩带(图1b), 在达尔布特断裂的西北盘呈串珠状依次分布有木哈塔依、萨尔托海、达尔布特、苏鲁乔克等蛇绿岩体。整个蛇绿混杂岩带总体上为呈NE-SW向延伸的断层带, 并表现出典型的走滑剪切带特征(Choulet et al., 2012; 陈石等, 2016; 林伟等, 2017; 王国灿和张攀, 2019), 蛇绿混杂岩带内发生了强烈的构造混杂作用, 发育岩块‒基质(block-in- matrix)构造, 由韧性剪切变形的蛇纹岩基质和变形相对较弱的构造岩块组成(朱宝清等, 1987)。蛇绿岩与两侧石炭纪火山‒沉积地层呈断层接触, 并被晚石炭世‒早二叠世花岗岩和闪长岩侵入(苏玉平等, 2006)。年代学和地球化学研究表明, 达尔布特蛇绿岩形成于早‒中泥盆纪期间的弧后盆地环境(张弛和黄萱1992; 辜平阳等, 2009; Yang et al., 2012), 近年来也有与地幔柱有关的洋岛、海山组分相继发现(Yang et al., 2012, 2015, 2019; Zhang et al., 2018b)。

2 萨尔托海地质构造特征

2.1 平面地质构造

萨尔托海岩体为达尔布特蛇绿混杂岩带最具代表性的岩体之一, 出露于蛇绿混杂岩带的中段, 沿NE-SW向延伸超过20 km。平面上北东部较窄, 由中部向西南逐渐变宽, 过渡为3个分支, 西南部有也格孜卡拉花岗岩侵入其中(图1c)。石炭系成吉思汗山组、包古图组地层分布于蛇绿混杂岩两侧, 岩性为凝灰岩、凝灰质粉砂岩夹紫红色玄武岩、火山角砾岩和硅质岩等。蛇绿岩与两侧地层的断层接触部位常有变形非常强烈的构造破碎带。

蛇绿混杂岩内部组构比较复杂, 基质以蛇纹岩、蛇纹石化橄榄岩为主, 其次为中基性凝灰岩, 岩块为斜辉辉榄岩、纯橄岩、少量二辉橄榄岩、杏仁玄武岩、辉长岩、辉长辉绿岩、碎裂岩化硅质岩、滑石菱镁岩, 以及卷入蛇绿混杂岩中的围岩块体等(图2a), 均属于被构造肢解的蛇绿混杂岩的组成部分。

构造作用不但破坏了蛇绿岩套原有的层序, 也导致岩体产生复杂的构造变形和变质作用。蛇绿混杂岩中的超基性岩普遍发生蛇纹石化、碳酸盐化、磁铁矿化, 次有绿帘石化及绿泥石化等, 橄榄石基本被蛇纹石、滑石和磁铁矿交代(朱永峰等, 2008; Qiu and Zhu, 2018), 变质程度达绿片岩相。蛇绿混杂岩带内各岩块强烈破碎, 走滑剪切特征明显, 发育强片理化和局部糜棱岩化。变质橄榄岩和凝灰岩基质中多发育密集而陡立的劈理(图2b), 走向为NE-SW,与蛇绿混杂带延伸方向基本一致, 倾向NW, 倾角75°～90°, 与劈理面上的橄榄石碎斑长轴线理产状一致(杨高学, 2012), 可能是与蛇绿混杂岩就位相关的劈理(李理等, 2015)。探槽工程揭示, 超基性岩块内走向NE近直立的次级走滑断裂面上发育水平擦痕, 指示明显的右行走滑(图2c、d)。蛇绿混杂岩带内变形相对较弱的玄武岩、辉长岩等基性岩块和凝灰岩块体多以透镜状、逆冲状分布于基质内(图2a、e), 各岩块大小悬殊, 岩块与基质接触部位多呈0.5～2 m的韧性剪切带, 带内往往发育构造透镜体(图2f), 显示岩块的运动沿剪切带进行, 显示右旋逆冲特征。另外, 蛇绿混杂岩内可见被走滑错断的硅质岩(图2g)和被剪切拉伸为透镜状凝灰岩透镜体(图2h)等脆韧性构造变形, 显示左旋或右旋运动形式。局部可见玄武岩和凝灰岩发生强烈的韧性剪切变形, S形劈理化的凝灰岩夹玄武岩透镜体, 指示右旋运动(图2i), 可能为蛇绿混杂岩构造侵位过程中的低温塑性变形。总体而言, 蛇绿混杂岩带与两侧地层边界断层及内部构造面理多呈高角度倾向北西或近直立产出, 并显示晚期左旋走滑运动对早期右旋活动的叠加改造(Zhang et al., 2018a)。

钻井岩芯也揭示了萨尔托海地区深部超基性岩体的构造变形特征。蛇绿岩体与围岩凝灰岩接触处见厚度达数米的碳酸盐化超基性岩, 并有变形非常强烈的剪切破碎现象(图2j), 同样, 岩体内也发育斜向断裂滑动面, 并被碳酸盐交代(图2k), 表明岩体曾受到逆冲剪切作用。还有大量钻孔显示, 深部蛇绿岩体变形强烈, 破碎严重, 普遍发育蛇纹石化、碳酸盐化等(图2l), 以及在构造应力作用下, 蛇绿混杂岩基质发生强烈劈理化, 局部发育轴面不规则的小型揉皱(图2l、m), 均指示强烈的挤压变形。

(a) 萨尔托海蛇绿混杂岩野外宏观分布; (b) 劈理发育的变质橄榄岩; (c) 超基性岩体走滑断裂面及擦痕; (d) 擦痕局部放大; (e) 橄榄岩基质内分布的逆冲状玄武岩、凝灰岩块体; (f) 韧性剪切带内发育构造透镜体; (g) 被走滑错断的硅质岩透镜体; (h) 被剪切拉伸的凝灰岩透镜体; (i) 凝灰岩S形劈理弯曲及玄武岩透镜体; (j) 超基性岩体发育斜向剪切滑动, 并严重碳酸盐化; (k) 超基性岩体内的斜向剪切滑动面, 并被碳酸盐交代; (l、m) 碳酸盐化超基性岩发育小型揉皱; (n) 凝灰岩中破劈理面发生褶曲; (o) 褶皱变形的硅质岩。

地表地质及钻孔岩芯资料揭示, 萨尔托海蛇绿混杂岩构造变形强烈、破碎蚀变严重, 具走滑剪切特征, 尤其北东部和中部蛇绿混杂岩表现出高角度斜向逆冲的构造变形特征, 岩体边界和内部的构造形迹, 均是挤压及走滑应力作用结果。围岩凝灰岩在剪切作用下发育破劈理, 后期的构造作用进一步使破劈理面发生褶曲(图2n); 硅质岩中发育不同尺度褶皱变形(图2o), 褶皱样式丰富, 轴迹一般为NE向; 总体上围岩中的变形弱于蛇绿混杂岩带(李永军等, 2010; Chen et al., 2014)。

2.2 勘探线剖面特征

钻孔勘探线剖面是揭示深部地质构造和变质变形最直接有效的手段。布设于萨尔托海地区北东部的两条勘探线剖面显示, 蛇绿岩体整体形态表现为倾向NW的岩体。岩体内部及岩体与围岩接触边界发育倾向NW的高角度断层, 倾角大于50°, 均为压扭性质的逆断层(图3)。一系列高角度逆断层将蛇绿岩体分割为似叠瓦状的冲断岩片, 其内部由倾向为NW的逆冲构造岩块和地幔橄榄岩基质组成(图3), 岩块与基质接触部位呈现强烈的韧性剪切变形。蛇绿岩体内发育构造破碎带, 带内岩体有片理化、蛇纹石化等构造变形和蚀变作用, 是岩体构造侵位过程中或后期构造作用的结果(鲍佩声等, 1992)。总体上, 除纯橄岩的分布在深部明显多于地表之外, 勘探线剖面揭露的蛇绿岩体的岩石组合、构造样式、变质作用与地表出露基本一致。

图3 萨尔托海蛇绿混杂岩带E1勘探线剖面(a)及E2勘探线剖面(b)(据鲍佩声等, 1992修改)

蛇绿岩体与围岩间为断层接触, 接触面为构造破碎带或劈理化带。特别是岩体的底界面, 发育厚约数米至数十米不等的碳酸盐化碎裂带, 带内橄榄石被滑石、菱镁矿完全交代(图3)。岩体底部变质橄榄岩与围岩凝灰岩接触面往往可见厚约1 m的糜棱岩, 表明岩体与围岩之间发生了强烈的剪切作用, 接触面应是蛇绿岩体侵位的主构造面(张弛等, 1995)。

地表地质及勘探线剖面揭示的深部结构构造表明, 萨尔托海地区蛇绿混杂岩受构造作用控制明显。构造事件使蛇绿岩体整体楔冲到石炭系内, 岩体内部各组成单元也发育小规模逆冲构造, 挤压应力为W-E(Zhang et al., 2018a)。在构造作用下, 蛇绿岩套层序被强烈构造破坏, 岩体内部发育构造破碎带, 岩体与围岩之间为构造接触, 接触带内碎裂岩化、韧性变形及碳酸盐化等变形变质强烈。

平面及剖面地质构造研究表明, 萨尔托海蛇绿岩体边界和内部复杂的构造样式, 均为其构造侵位过程中以及后期脆韧性‒脆性变形的产物。北东部蛇绿岩体构造变形以逆冲走滑为主导。而在岩体中部和南部则只开展了地面地质调查和单孔钻井工作, 无勘探线剖面控制; 仅从地表地质构造及钻孔资料分析, 其构造变形和所受应力体系与岩体北东部相似。而在更大的空间范围内, 整个蛇绿岩体的结构、构造特征究竟怎样？则依赖于进一步的地球物理工作。

3 萨尔托海地球物理特征

3.1 物性特征

岩石物性参数是地球物理工作的基础, 能够为合理选择地球物理方法以及测量数据的反演与解释提供依据(袁桂琴等, 2011)。采集研究区地表和钻孔岩石样品进行物性参数测定, 获得了萨尔托海地区主要岩石类型的密度、磁性和电性参数(表1)。

岩石物性分析结果表明, 研究区岩石物性存在较大差异, 斜辉辉橄岩具有较高的磁化率, 中等的电阻率、极化率和密度值。相比而言, 蛇纹石化斜辉辉橄岩则具有更高的磁化率, 低的电阻率、极化率和密度值。前人研究表明, 超基性岩的蛇纹石化能够显著改变岩石物性, 蛇纹石化所形成的磁铁矿和岩体生成时剩余磁化是蛇绿岩表现为高磁性的主要原因(姜枚等, 2013)。何兰芳(2014)分析了超基性岩的化学特征对岩石物理电磁学属性的影响, 认为岩体电性异常特征主要受岩体变质程度和内部构造的影响, 岩体的蛇纹石化是导致低阻的主要原因。而充填于岩体断裂破碎带中的流体也可能极大的降低其电阻率(肖晓等, 2014)。此外, 超基性岩的蛇纹石化同时会导致岩石松散和密度减小(Smith and Woodcock, 1976; 汪小妹等, 2010)。围岩凝灰岩、凝灰质粉砂岩的岩石物性变化较大, 总体表现为中‒高密度、弱磁性和较高电阻率的特征; 酸性花岗岩具有显著的弱磁化率和高电阻率而区别于其他岩类。

表1 达尔布特蛇绿混杂岩带萨尔托海地区岩石物性特征表

3.2 重磁特征

萨尔托海地区重磁测量的观测网度为250 m× 50 m, 实测重磁数据经各项改正后分别得到布格重力异常和Δ磁异常。布格重力异常剔除区域异常后, 得到了反映浅层密度分布的剩余重力异常(图4a)。对Δ磁异常数据进行化极处理(图4b), 消除了斜磁化影响, 进一步对Δ化极磁异常进行向上延拓处理(图4c), 结果反映了磁性地质体平面和空间分布特征。

该区剩余重力异常表现为西南高而东北低。蛇绿岩体与东北部−1.5×10−5m/s2等值线所围限的低重力区域大致对应, 与蛇纹石化超基性岩的低密度特征一致; 西南部显著的高重力异常可能与高密度围岩地层有关。

Δ化极磁异常形态总体呈团块状(图4b), 但不同部位的异常强度差异明显, 大致可分为北东、北西部低异常区(NE、NW区)和中部、南东部高异常区(C、SE区)。其中低异常区Δ化极磁异场值变化为450～1100 nT, 磁异常形态平缓, 梯度低; 反之, 高异常区(>1100 nT), 等值线密集, 异常梯度大。

进一步对比发现, Δ化极磁异常(>450 nT)与地表地质调查所圈定的蛇绿岩体分布基本吻合(图4b)。如前所述, 蛇绿岩体的磁性可能是超基性岩的蛇纹石化或岩体生成时剩余磁化所致。萨尔托海超基性岩体普遍蛇纹石化, 岩体及其围岩多被构造破坏, 在岩体内部的破碎带以及岩体与围岩接触部位蚀变更为严重。相反, 在围岩凝灰岩和酸性侵入岩分布区域, 未形成与岩体可比的磁异常, 表明这些岩性均不具有明显磁性, 与岩石物性测定结果一致。因此, 可以确认萨尔托海地区磁异常主要是由蛇绿岩体内的超基性岩、蛇纹石化超基性岩引起, 利用磁异常能够准确识别蛇绿岩体边界。Δ化极磁异常向上延拓结果表明, 随延拓高度增加, 北东部磁异常逐渐减弱并趋于消失(图4c), 说明这些部位的超基性岩体相对较薄, 规模(延伸)有限; 北西部尽管磁异常强度较弱, 但向上延拓结果显示, 该异常并未减弱或消失, 表明可能存在隐伏磁性地质体; 中部和南东部磁异常随延拓高度增加逐渐变为两个形态完整的磁异常(图4c), 表明这一部位超基性岩体具有较大厚度和较好的连续性, 岩体在地表以下一定深度归于2个中心, 其范围与上延后的磁异常范围吻合。

3.3 电性特征

在萨尔托海岩体北东部、中部及南东部等重磁异常显示蛇绿岩体较厚的部位布设了18条NW向大地电磁剖面(图1c), 长度600～1000 m不等, 点距为20 m, 有效探测深度约700～2000 m, CSAMT数据反演的深部电阻率剖面如图4d所示。

图4 萨尔托海地区剩余重力异常(a)、ΔT化极磁异常(b)、ΔT化极磁异常向上延拓结果(c)及CSAMT剖面分布的三维展示(d)

蛇绿岩体与围岩具有一定的电性差异, 并且构造蚀变和流体作用均能使岩体和岩体内的构造破碎带电阻率值显著降低。因此, 电性剖面能够有效判断蛇绿岩体和构造破碎带空间展布形态, 电阻率剖面的梯度带、错断带和畸变带也是断裂或地质体边界等构造要素的重要指示。

北东部K1、K2剖面具有相似的电性结构(图5)。2条剖面最明显的特征是具有双层电性结构, 大约在−1300 m处均存在一个不协调面, 界面上、下电性结构样式迥异。上层表现为低阻带(<500 Ω∙m)和高阻团块(>500 Ω∙m)相间分布的电性结构, 表明垂直主要构造走向上, 地质结构复杂, 电性连续性差。电性剖面所对应的勘探线剖面显示, 这样的电性特征是一系列叠瓦状高角度逆冲构造的反映, 指示在构造作用下, 岩体及围岩被破坏为大小不等的块体, 岩石破碎蚀变严重, 电阻率剖面上高阻团块为弱蚀变的超基性岩块或围岩块体, 而普遍分布的低阻带即为构造破碎带的反映, 高‒低阻过渡带可能为断裂位置或构造破碎带边界。下层则为完整的高阻体(>850 Ω∙m), 推断仍然为超基性岩体的反映, 深部超基性岩由于蚀变作用较弱, 岩体相对新鲜、完整, 所以表现为高阻特征。当然也不能完全排除其为正常地层或蛇绿岩下底围岩的可能。

岩体中部L1电阻率剖面总体为中‒低电阻率(<850 Ω∙m)(图6a), 剖面位置与地表地质、重磁异常所圈定的蛇绿岩体对应。L1剖面未达低阻体底部, 反映了这一部位超基性岩体厚度较大, 向下延伸超过1000 m, 与磁异常延拓结果一致; 1060～1460测点重磁曲线表现为相对高磁和中‒低重力异常, 钻探资料表明, CSAMT剖面上该段中‒低阻体与蛇纹石化超基性岩体相对应, 局部零星分布的小规模中高阻体(>500 Ω∙m)为相对新鲜的超基性岩块或捕获的围岩块体; 1460～2060点存在一产状近直立的低阻带(<120 Ω∙m), 对应高磁和低重力异常曲线, 该段岩性复杂, 超基性岩蛇纹石化强烈, 超基性岩内发育较多的透镜状纯橄岩、辉长岩和橄长岩, 为横穿超基性岩体的破碎带。勘探线剖面揭示, 2160～2660测点蛇绿岩体中夹杂了较多的凝灰岩、凝灰质砂岩等围岩块体, 并且深部超基性岩发生强烈的碳酸盐化, 存在较厚的滑石菱镁岩, 这些特征可能是造成该段低磁、高重力的主要原因。L4电阻率剖面平行于L1剖面北西端(图6b), 钻探资料表明, 1400～1600点深度约−150～−600 m的高阻异常(1000～2500 Ω∙m)为弱蛇纹石化、碎裂岩化斜辉辉橄岩, 夹少量辉长岩、辉石橄榄岩和凝灰岩块体等; 南段(1150～1400点)中‒低阻体为蛇纹石化超基性岩, 深部串珠状中‒高阻异常(200～600 Ω∙m)与北西侧高阻体相连, 为弱蛇纹石化超基性岩块的电性反映; 剖面南端(1050～1150点)近直立的低阻带推断为蛇绿岩体内的破碎带。L5、L6剖面电性特征与L4剖面类似(图6c、d), 总体显示中‒低阻异常, 均为蛇纹石化超基性岩, 岩体内发育较多低阻破碎带。L7剖面表现为“两高夹一低”的电性结构特征(图6e), 剖面南段(400点以南)磁异常延拓结果显示具有较厚的超基性岩体, 重磁曲线上也表现为中‒高磁、低重力异常, 钻孔资料显示, 深部岩性总体为碎裂岩化、碳酸盐化斜辉辉橄岩夹少量纯橄岩、辉长岩, 超基性岩蛇纹石化程度较弱, 是导致中等‒偏高电阻率(850～3000 Ω∙m)的主要原因。剖面北端深度约−100～−600 m不完整的中‒高阻体对应高重力、低磁性曲线, 地表分布为围岩凝灰质粉砂岩, 因此推测深部高阻体也是围岩块体的反映。200～400点产状近直立的低阻体(<400 Ω∙m)与低磁力异常和重力梯度带对应, 推断是蛇绿岩体与围岩之间较大的破碎带, 向下延伸可达1200 m, 并且带内岩性可能以低磁性的围岩为主。

图5 萨尔托海地区北东部K1 CSAMT剖面(a)及K2 CSAMT剖面(b)

图6 萨尔托海地区中部L1电阻率和地面重磁叠合剖面(a)、L4电阻率剖面(b)、L6电阻率剖面(c)、L5电阻率剖面(d)及L7电阻率和地面重磁叠合剖面(e)

南东部H1、H2剖面电性结构相似(图7a、b), 剖面南东段存在明显的中‒低阻体(<850 Ω∙m), 显示为较宽的高磁低重力异常, 均为蛇纹石化蛇绿岩体的反映, 岩体底界深约750～950 m; 低电阻率特征同样反映了蛇绿岩体可能遭受过强烈的构造蚀变作用; 两条剖面0～400点高阻体(>850 Ω∙m)为花岗岩类侵入岩的反映, 同时显示花岗岩体有向下有逐渐膨大趋势, 与之对应为高重力低磁性曲线。电阻率剖面上的高低阻过渡带、等值线突变带在重磁曲线上显示为梯度带或者锯齿状变化, 是花岗岩与超基性岩体的侵入接触带或次级断裂位置; 1200 m以下的深部高阻体可能为弱蚀变的超基性岩体或围岩凝灰岩。

总体而言, 电阻率剖面显示电性结构无论是在水平方向还是垂向上都表现出一定程度的不均一性, 反映了地质结构经历了复杂的演化过程。

图7 萨尔托海地区南东部H1电阻率及地面重磁叠合剖面(a)及H2电阻率及地面重磁叠合剖面(b)

4 讨 论

4.1 深部结构构造

萨尔托海地区重力、磁法和大地电磁等地球物理特征明显、规律性强, 蛇绿岩具低重力、高磁性和随变质程度而变化的电阻率值, 围岩一般具有高重力、低磁性以及高电阻率特性, 构造破碎带为明显的低电阻率特征。密度、磁性和电性结构特征与地表地质构造、已知的地下地质体产出均高度吻合, 很好的揭示了岩性变化引起的物性差异, 故地质、地球物理综合分析能够准确刻画萨尔托海蛇绿岩体深部结构构造。

低密度和高磁性的蛇绿岩体在剩余重力异常图上表现为负异常(图4a), 由Δ化极磁异常也能够准确识别出蛇绿岩体平面分布范围(图4b), 地面磁测和剩余重力异常共同反映在萨尔托海地区中部和南东部第四系覆盖区之下仍存在大片隐伏超基性岩体(图1c)。Δ化极磁异常向上延拓分析结果表明, 研究区中部和南东部有较厚的蛇绿岩分布, 并在地表以下一定深度归于2个中心; 在北西部也可能存在埋藏较深的隐伏超基性岩体, 而北东部的岩体厚度较薄(图4c)。

大地电磁剖面显示, 地下电性分布清晰地反映了蛇绿岩体及其围岩的空间展布形态(图4d), 并且不同部位深部结构、构造存在一定差异。北东部表现为垂向分层的电性结构特征(图5), 上层为高阻团块和低阻带相间分布、相互叠置, 反映了蛇绿岩体和围岩被改造为大小不等的块体, 岩块和破碎带相间分布的地质结构。中部岩体以低‒中等电阻率为特征(图6), 广泛分布的低阻破碎带暗示这一部位蛇绿岩体遭受过强烈变质。萨尔托海地区北东及中部蛇绿混杂岩中的岩块在地表多呈逆冲状(图2e), 岩体内部及边界广泛发育倾向北西的高角度逆冲断层系(图2j、k, 图3), 并伴有宽约0.4～1.5 m的韧性剪切带和(或)变质带(图2f、g), 指示挤压应力作用下蛇绿岩体及围岩由下向上楔冲的构造特征, 蛇绿混杂岩及内部各岩块的运动沿与其伴生的韧性剪切带(变质带)进行。岩体内部及岩体与围岩接触带强片理化和普遍的蛇纹石化、碳酸盐化等现象与广泛发育的构造破碎带相吻合(图2l)。

南东部大地电磁剖面具有横向分块的电性结构特征(图7)。剖面上蛇纹石化蛇绿岩体为显著的低电阻率, 围岩凝灰岩和酸性侵入岩则为高阻特征, 低阻蛇绿岩总体呈挤压态夹持于两侧高阻围岩中(图7), 等值线密集的高低阻过渡带为岩体与围岩的接触面, 其产状近直立; 蛇绿岩体内部构造面理多呈高角度或近直立状产出, 兼具走滑变形特征(图2h、 i); 表明南东部蛇绿岩体在走滑挤压应力下构造就位后, 可能进一步受后期花岗岩侵位挤压与抬升, 蛇绿岩体整体发生了缩短变形(图2m)。

此外, 朱宝清等(1987)指出蛇绿混杂岩内各类岩块上具有不同方向的擦痕和滑动镜面; 郁军建等(2015)同样认为包括达尔布特蛇绿混杂岩在内的俯冲增生杂岩系统, 通过右旋走滑构造楔入较年轻的石炭纪地层中; 而Chen et al. (2014)却从混杂带中识别出大量指示左行水平剪切的运动学指向标志, 并认为蛇绿混杂岩通过左旋走滑侵位。本次研究在蛇绿混杂岩内部及边界广泛发育NE向劈理、断面擦痕、构造透镜体等走滑构造, 推断萨尔托海岩体可能经历了不同方向的走滑剪切, 可能是多次构造作用的产物。Zhang et al. (2018a)对克拉玛依后山地区包括达尔布特蛇绿岩在内的蛇绿混杂岩及其围岩进行系统的构造解析、年代学分析等, 揭示了北东向蛇混杂岩带内部及边界的构造性质均以早期右旋走滑变形叠加晚期左行走滑变形为特点, 并认为蛇绿混杂岩主要是通过右旋转换压缩变形构造就位于石炭系中。

本文及前人大量的地质构造解析与深部地球物理成果综合分析表明, 萨尔托海蛇绿岩体为无根岩体, 向下延伸有限, 整体呈构造岩块状产出, 并表现出斜向逆冲、横向挤压、侧向走滑等构造特征。蛇绿岩的构造侵位受控于统一的应力场, 在总体为东西向挤压应力作用下, 通过右旋走滑挤压, 以斜向楔冲方式构造就位于两侧地层中(图8a); 在区域构造作用下, 后期进一步受到左行走滑改造, 尤其萨尔托海南东部岩体还叠加了花岗岩侵入作用的影响, 发生了强烈的构造破碎、蚀变变质和缩短变形(图8b)。

4.2 动力学过程

侵入于萨尔托海蛇绿岩中的铆钉岩体也格孜卡拉花岗岩锆石SHRIMP U-Pb年龄为308 Ma(陈石和郭召杰, 2010), 蛇绿混杂岩带两侧石炭系上部碎屑锆石峰值年龄为322 Ma(Choulet et al., 2012), 二者限定了达尔布特蛇绿混杂岩侵位时限大致为晚石炭世早中期。达尔布特蛇绿混杂岩带两侧可对比的石炭系火山‒沉积地层系统, 表明该蛇绿混杂岩带非板块缝合带(陈石和郭召杰, 2010)。研究表明, 达尔布特蛇绿岩主体生成于泥盆纪的弧后盆地(Zhang et al., 1993; Yang et al., 2012; 辜平阳等, 2009), 其侵位过程可能与准噶尔弧后小洋盆的闭合过程密切相关, 晚古生代古亚洲洋构造域哈萨克斯坦板块与准噶尔陆块的汇聚拼合是准噶尔洋盆闭合的重要背景(Yang et al., 2012; Yin et al., 2017)。

西准噶尔地区岛弧性质的岩浆活动在晚泥盆世‒早石炭世仍然比较强烈, 表明这一时期准噶尔洋盆仍在持续俯冲(Gao et al., 2014)。受哈萨克斯坦山弯构造的约束(Chen et al., 2014)或者洋内岛弧、洋岛、海山和洋底高原在俯冲过程中的阻滞(张继恩等, 2018; Yang et al., 2015, 2019), 准噶尔弧后小洋盆逐渐演化成一个相对局限、缓慢收缩的残余洋盆(Chen et al., 2013, 2014)(图9a), 并在西准噶尔南部地区沉积了一套斜坡相深海‒半深海相碎屑浊积岩(纵瑞文等, 2014; Zhang et al., 2018a)。早期形成的包括洋岛、海山在内的大洋岩石圈物质下伏于碎屑浊积岩之下, 构成了西准噶尔残余洋盆基底的主要成分(Chen et al., 2014)。与此同时, 哈萨克斯坦板块与准噶尔陆块的相向运动仍在持续进行, 近W-E向挤压应力作用下残余洋盆经历了缓慢收缩, 浅层的变形被大规模的褶皱吸收的同时(李江海等, 2009)(图2n、o), 下伏蛇绿岩基底则可能被构造肢解。晚石炭世, 板块间的相向运动和板块位置的调整运动并未停息, 局部应力集中导致残余洋盆内产生大规模走滑断裂, 构成了下伏洋壳基底的上升通道。在持续挤压兼右行走滑剪切应力作用下, 下伏蛇绿岩沿断裂通道构造侵位于上覆年代较新的石炭系沉积岩系中(图9b)。

图8 萨尔托海地区蛇绿混杂岩的侵位模式(a)及后期改造作用(b)(据王国灿等, 2015修改)

图9 晚泥盆世‒早石炭世西准噶尔弧后小洋盆收缩演化为残余洋盆(a)及晚石炭世挤压兼走滑应力作用使基底蛇绿岩沿断裂侵位于上覆沉积地层(b)(据Chen et al., 2014修改)

从更大空间范围来看, 西准噶尔地区发育的唐巴勒、玛依勒、巴尔雷克等蛇绿混杂岩带与达尔布特蛇绿混杂岩带具有类似的结构、构造和产出状态(Xiao and Santosh, 2014; Yang et al., 2019), 在区域上呈弥散状分布, 均不具有板块缝合带的特征。因此, 这些蛇绿混杂岩都是西准噶尔残余洋盆闭合收缩过程中的产物(Chen et al., 2014; 王国灿和张攀, 2019)。晚石炭世晚期具有陆相磨拉石特点的粗碎屑堆积标志着西准噶尔残余洋盆的闭合(李永军等, 2016)。随后的晚石炭世‒早二叠世陆内应力体系的转换, 在西准噶尔地区发育了包括达尔布特断裂在内的NE-SW向左行走滑断裂系, 以及广泛的中酸性岩浆作用, 不同程度的叠加改造了早期的构造行迹(Choulet et al., 2012; Wang et al., 2003; 陈宣华等, 2014; 李理等, 2015), 改变了岩体形态, 并可能使构造带内蛇绿岩体进一步破裂而产生断裂破碎带。

5 结 论

(1) 达尔布特蛇绿混杂岩带萨尔托海岩体普遍发育走滑剪切、挤压逆冲、破碎蚀变等变质变形构造。超基性岩体在地球物理上表现为低重力、高磁性和变化的电阻率, 岩体内的断层破碎带低电阻率显著, 而围岩则表现为高重力、低磁或无磁性以及高电阻率特征; 重磁异常能够准确识别岩体的空间分布与展布。

(2) 萨尔托海蛇绿岩体中部和南东部包括第四系覆盖之下有较厚的蛇绿岩分布, 并在地表以下一定深度归于2个中心, 北西部可能存在深部隐伏超基性岩体, 而北东部的岩体厚度较薄。萨尔托海地区北东部表现为垂向分层的电性结构特征, 中部以中‒低电阻率为特征, 南东部具有横向分块的电性结构特征。不同部位的蛇绿岩总体呈无根的构造岩块产出, 表现有斜向逆冲、横向挤压、侧向走滑等地质构造特征。

(3) 萨尔托海蛇绿岩体在近东西向挤压应力作用下, 通过右旋走滑以斜向楔冲方式构造就位, 并受后期左行走滑和岩浆作用的叠加改造。蛇绿混杂岩的构造侵位与准噶尔残余洋盆的收缩有关, 持续的挤压兼走滑应力使基底蛇绿岩沿断裂构造侵位于上覆沉积地层。晚石炭世哈萨克斯坦板块与准噶尔陆块的汇聚拼合是这一动力学过程的重要背景。

致谢:野外工作得到新疆地矿局第七地质大队彭方洪、任毅、谭行德、张亚辉和巴文斌等同仁的大力支持和帮助; 中国地质大学(武汉)王国灿教授和另一位匿名审稿专家认真审阅了本文, 并提出了建设性修改意见, 极大地提高了本文的质量, 在此一并谨致谢忱。

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Deep Structure and Texture of the Sartohay Ophiolite in West Junggar, Xinjiang: New Geological and Geophysical Evidence

LI Hai1, LI Yongjun1, 2*, XU Xueyi1, 3, WAN Yu4, ZHAO Qiang4, YANG Gaoxue1, 2and WANG Zuopeng1

(1. School of Earth Science and Resources, Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China; 2. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, MLR, Xi'an 710054, Shaanxi, China; 3. China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China; 4. Seventh Geological Survey Team, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resource Exploration, Wusu 833000, Xinjiang, China)

The West Junggar located in the southwest margin of the Central Asia Orogenic Belt (CAOB) has several Paleozoic ophiolitic mélanges. These ophiolitic mélanges record the Paleo-Asian Ocean evolution which are critical for the understanding of the components, tectonic evolution and crust-mantle interaction of the CAOB. Surface researches have achieved lots of results, however, the deep structure of the ophiolitic mélanges is still unclear. Previous researches are mainly based on geological mapping and structural analysis, however, lack constraints on deep information. Based on detailed geological survey of the Darbut ophiolitic mélange in the Sartohay area, comprehensive geophysical measurements including ground gravity, magnetic and controlled-source audio-frequency magnetotelluric (CSAMT) measurements were conducted. The surface distribution, contact relationship and gravity, magnetic, CSAMT data of the Sartohay ophiolite were recorded. Constrained by surface geology and drilling information, the obtained geophysical data were inverted and interpreted, and the deep structure and texture of the Sartohay ophiolite were interpreted. The comprehensive analysis of geology and geophysics shows that the Sartohay ophiolite consists of rootless tectonic blocks which are characterized by oblique thrust, transverse extrusion and lateral strike slip. Controlled by W-E compressive stress with strike-slip component, the ophiolites were emplaced in the form of oblique wedge-thrusting, and further reformed by sinistral strike-slip and magmatism in the later stage, Their emplacement is closely linked to the shrinkage of remnant ocean basin, whereas the convergence of the Kazakhstan and the Junggar terranes in Late Carboniferous is the important background of this dynamic process.

ophiolitic mélange; deep structure and texture; geophysics; Sartohay ophiolite; West Junggar

2020-02-19;

2020-08-26;

2020-09-17

国家自然科学基金项目(41273033)、国家重点研发计划专项子课题“天山–阿尔泰大宗矿产分布规律研究与深部资源潜力评价” (2018YFC0604001)和中央高校专项基金(300102279209)联合资助。

李海(1989–), 男, 博士研究生, 构造地质学专业。Email: lihai@chd.edu.cn

李永军(1961–), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事区域地质和构造地质学研究。Email: yongjunl@chd.edu.cn

P54

A

1001-1552(2021)04-0634-017

10.16539/j.ddgzyckx.2020.04.020