北大别造山后伸展变形特征及其深部动力学意义

向必伟, 陈 林, 张 强, 王志国, 高 成

北大别造山后伸展变形特征及其深部动力学意义

向必伟1, 陈 林2, 张 强2, 王志国2, 高 成3

(1. 东华理工大学 地球科学学院, 江西 南昌 330100; 2. 浙江省第七地质大队, 浙江 丽水 323060; 3. 东华理工大学, 核资源与环境国家重点实验室, 江西 南昌 330100)

大别造山带位于华北板块南缘, 其早白垩世伸展活动是华北克拉通伸展破坏活动的一部分。北大别穹隆是造山带伸展构造主要分布区域, 其构造特征、岩石变形特征以及深部动力学对理解造山带伸展活动以及华北克拉通破坏具有重要意义。北大别穹隆内变形组构的构造归属及其所指示的岩石变形方式是研究穹隆伸展过程及深部动力学机制的基础。本次工作对北大别穹隆内发育不同倾伏方向拉伸线理的变形岩石开展了详尽的构造观察和锆石U-Pb年代学分析。年代学结果显示, 6个样品的锆石边部给出了118～131 Ma的年龄。结合实际构造观察与分析, 我们认为这一变质年龄代表了拉伸线理的形成时间。北大别穹隆从边界剪切带到中部的垂向剖面上, 变形组构分布指示边界剪切带以简单剪切为主的平面应变; 随着深度增大, 垂直剪切方向的主应变愈发显著, 形成垂向上缩短, 平行于剪切方向(上盘向NW)和垂直于剪切方向的伸长都不可忽略的三维变形。岩石变形特征及构造组合特征揭示, 北大别穹隆总体上是以边界剪切带为拆离带的变质核杂岩, 是古太平洋板块后撤的结果; 拆离带以下的中‒下地壳岩石发生的伸展, 是加厚地壳受热活化后重力垮塌的结果。

北大别穹隆; 造山后伸展; 重力垮塌; 构造年代学; 侧向流变

0 引 言

大别造山带在板块碰撞与高压‒超高压变质岩石折返之后, “平静”了至少50 Ma甚至近100 Ma后, 于早白垩世发生了大规模的造山后伸展活动, 该伸展活动是包含华北克拉通破坏在内的中国东部广泛伸展作用的结果。北大别区域伸展变形特征及深部动力过程不仅是造山带动力学研究的主要内容, 也为揭示华北克拉通破坏及中国东部伸展活动深部动力学机制提供重要依据。

北大别构造单元是大别造山带造山后伸展构造主要区域。北大别造山后伸展构造总体呈现为穹隆状几何外形, 其构造演化方式一直以来都存在较大争议。早期研究者认为北大别穹隆为岩浆穹隆, 区域内变形构造是以穹隆为中心的重力滑塌的结果(钟增球等, 1998; 索书田等, 2000)。这一模式虽然可以较好地解释穹隆周边的伸展断层, 如北部的晓天‒磨子潭剪切带、西部的商城‒麻城断裂带以及穹隆内部不同倾伏方向的拉伸线理, 然而以穹隆为中心的伸展变形总体应以放射状呈现为上盘向下, 这与区域内一致的上盘向NW伸展剪切(Hacker et al., 2000; Faure et al., 2003; 林伟等, 2005; Lin et al., 2007; Wang et al., 2011; Ji et al., 2017)的地质事实相矛盾。变质核杂岩是较多学者认可的构造模式, 可以很好地解释北大别穹隆边界剪切带(如晓天‒磨子潭剪切带和五河‒水吼剪切带)的构造属性、几何学与运动学特征, 但对穹隆内部随着构造层次的加深, 中‒下地壳岩石内发育变形组构缺乏合理解释。为此, 也有学者认为北大别穹隆内部不同倾伏向的拉伸线理是多期次构造的结果, 记录了造山带俯冲碰撞、深俯冲物质折返以及造山后伸展活动的信息(林伟等, 2005)。但该解释, 除了产状上与早期的宏观构造背景耦合外, 还缺少实质性的证据。我们早期提出北大别造山后伸展先在中‒下地壳发生近水平的上盘向NW的流变, 随后发生局部的岩浆穹隆(Wang et al., 2011), 这一模式似乎可以合理地解释北大别穹隆内一致的上盘向NW的运动学特征和穹隆内宏观尺度上产状变化的拉伸线理(一致的NW-SE向原始拉伸线理被穹状抬升后的结果), 但仍然与北大别穹隆内露头尺度发育产状变化的拉伸线理的现象相矛盾。

本文在构造观察的基础上, 对区域内发育不同倾伏向的变形岩石开展锆石U-Pb年代学分析, 厘清变形组构的构造属性, 从而探究北大别中‒下地壳岩石流变特征及其空间展布和深部动力学机制。

1 地质背景

大别造山带是世界上高压‒超高压岩石产出最为广泛的地区, 含柯石英和微粒金刚石的榴辉岩出露地表说明造山带经历了板块深俯冲和折返等构造过程(Carswell and Compagnoni, 2003)。近二十年来大量的研究显示, 中三叠世(约240～230 Ma)扬子板块向华北板块发生深俯冲(Ames et al., 1996; Rowley et al., 1997; Hacker et al., 2000; Li et al., 2000; Ayers et al., 2002), 早侏罗世之前超高压岩石折返浅部地壳已基本结束(Hacker et al., 2000; Li et al., 2005)。此后相当长时间内, 大别造山带处于相对稳定状态, 并于早白垩世发生了大规模的造山后伸展活动(钟增球等, 1998; Ratschbacher et al., 2000; 索书田等, 2000; Faure et al., 2003; Lin et al., 2007, 2009; Wang et al., 2007), 形成了北大别穹窿构造。

大别造山带走向WWN-SEE, 东端以郯庐断裂带为界, 西端的商城‒麻城断裂带将其与红安大别分隔(图1b)。大别造山带由南至北可分为4个岩石构造单元(Okay, 1993; Zheng et al., 2003): 宿松杂岩带、南大别高压‒超高压变质带、北大别穹窿杂岩带和北淮阳浅变质带。宿松杂岩带位于大别造山带南端, 界于襄樊‒广济断裂带和太湖‒马庙断裂之间。宿松杂岩带主要由绿片岩‒低角闪岩相变沉积岩和副片麻岩构成(Jiang et al., 2003)。南大别高压‒超高压变质带位于大别造山带中部, 北侧的五河‒水吼剪切带将其与北大别穹窿杂岩带隔开。高压‒超高压变质带主要岩石组合为副片麻岩和呈透镜状分布其中的榴辉岩、硬玉石英岩、大理岩和含石榴子石辉岩。北大别穹窿杂岩带位于大别造山带北部, 晓天‒磨子潭剪切带将其与北侧的北淮阳浅变质带相分开。该杂岩带主要由TTG片麻岩、早白垩世花岗质岩体以及少量基性‒超基性岩体和零星分布于穹窿核部的下地壳麻粒岩组成(Chen et al., 1998)。北淮阳浅变质带由金寨‒舒城断裂将其与造山带前陆盆地——合肥盆地分隔开, 主要由佛子岭群和庐镇关群两个浅变质单元组成。佛子岭群主要是一套低级变质的变层积岩, 庐镇关群为角闪岩相变质的正片麻岩。

北大别片麻岩在经历了碰撞造山期深俯冲与折返过程后, 于早白垩世发生了大规模造山后伸展(Hacker et al., 2000; Ratschbacher et al., 2000; Wu et al., 2007; Xu et al., 2007; Wang et al., 2007), 呈现出为以罗田为中心的穹隆状构造(钟增球等, 1998; 索书田等, 2000)。黄土岭地区麻粒岩及其变形构造的出露(Chen et al., 1998; 魏春景等, 2000; Shen et al., 2014; 刘贻灿等, 2015), 表明北大别下地壳岩石经历了造山后伸展变形作用。构造观察和分析揭示, 造山后伸展过程中, 北大别中‒下地壳整体呈现为上盘向NW剪切运动(林伟等, 2005; Wang et al., 2013; Ji et al., 2017), 北大别穹隆构造是以边界剪切带为拆离带的变质核杂岩, 是早白垩世中国东部广泛伸展活动的一部分(Ji et al., 2017; Lin and Wei, 2020)。现今的北大别构造单元从边界剪切带到中部连续出露了中地壳灰色片麻岩至下地壳麻粒岩及韧性变形构造。

2 构造观察与分析

北大别区域内发育以罗田和岳西为中心的两个穹隆状构造(Ratschbacher et al., 2000; Faure et al., 2003; 林伟等, 2005; Wang et al., 2011)。其中, 西部的罗田穹隆较为完整, 从边界剪切带到穹隆中心, 连续出露角闪岩相长英质糜棱岩到塑性变形的混合岩化片麻岩再到下地壳麻粒岩, 总体上呈现为以NNW-SSE向为轴的背形几何外形。基于出露条件, 本次研究主要在西部的罗田穹隆内, 通过沿NNE-SSW向剖面开展详尽的变形组构与运动学观察(图1b), 以探究北大别中‒下地壳岩石流变特征及其空间展布。

北大别穹隆北边界晓天‒磨子潭剪切带岩石变形强烈, 以花岗质糜棱岩、超糜棱岩为特征。糜棱岩面理倾向NNE-NE, 并普遍发育NW-SE向矿物拉伸线理。野外变形组构、显微构造及石英C轴组构分析揭示, 剪切带为一致的上盘向NW的剪切运动。构造热年代学研究和构造变形分析认为, 晓天‒磨子潭剪切带为早白垩世北大别穹隆中‒下地壳伸展流变的上边界剪切带, 穹隆中部抬升、剥蚀后呈现为现今构造格局(Wang et al., 2011)。石英C轴组构分析和运动学涡度测试揭示, 岩石变形运动学涡度大于0.9, 以简单剪切变形为主(向必伟等, 2017)。

从晓天‒磨子潭剪切带向南至襄樊‒广济剪切带, 区域内岩石面理总体勾勒出穹隆状几何外形(图1d)。邻近晓天‒磨子潭剪切带主要分布糜棱岩化花岗质片麻岩, 或极低程度混合岩化的弱变形片麻岩以及花岗质岩体。初糜棱岩或糜棱岩化片麻岩面理倾向NNE, 倾角中等, 矿物拉伸线理以平缓角度向SE倾伏。穹隆中部为花岗岩体, 边缘发育弱面理化流面构造, 内部未变形。岩体两侧岩石受岩浆侵位影响, 接触带附近面理较陡, 远离接触带面理相对平缓, 呈现为变质核杂岩中部岩浆穹隆的几何外形。岩体北侧面理化混合岩或糜棱岩化片麻岩面理倾向NNE; 岩体南侧面理化混合岩面理以中等角度倾向SSE, 远离岩体接触带, 面理趋于平缓。在剖面AA′上, 跨越花岗岩体(图1d), 岩石混合岩化作用有所增强, 糜棱岩化变形有所降低, 变形主要表现为片麻岩、初糜棱岩或局部发育的露头尺度剪切条带。片麻理或糜棱面理以中等‒平缓角度倾向SSE, 矿物拉伸线理总体上向SE倾伏。麻粒岩出露的区域, 糜棱岩化程度进一步减弱, 混合岩化作用最强, 普遍出露面理化混合岩, 局部发育的不规则柔流褶皱(图2a)。面理总体较为平缓, 矿物拉伸线理虽然仍以NW-SE向倾伏为主, 但向其他方向分散的现象更加显著。麻粒岩出露区向南, 岩石混合岩化程度逐渐降低, 糜棱岩化变形逐渐增强, 至襄樊‒广济剪切带附近广泛出露糜棱岩化粗粒花岗质片麻岩或初糜棱岩。面理逐渐变缓, 南部呈现宽缓的波状(图1d); 矿物拉伸线理从核部总体分散向邻近边界剪切带以NW-SE向倾伏为主。矿物拉伸线理赤平投影优选方位为NW-SE向, 伴有大圆环带的分布格局(图1c赤平投影图)。在穹隆中部单一露头上, 可见面理产状较为一致, 但拉伸线理倾伏向优选方位不明确的现象, 表明区域内拉伸线理倾伏向的变化并不完全是面理穹隆状抬升改造的结果。

(a) 华北克拉通及领域构造缩略图; (b) 北大别构造及年代学采样位置图; (c) 北大别穹隆面理和拉伸线理赤平投影图; (d) 北大别穹隆构造剖面图。

岩石中非对称的变形组构是露头尺度至显微尺度上判别岩石剪切变形指向的主要依据。北大别穹隆内岩石总体呈现了一致的上盘向NW剪切变形, 但变形组构的非对称程度从边界剪切带到穹隆中部逐渐减弱。边界剪切带及靠近边界区域内的糜棱岩和初糜棱岩石中, 在垂直面理且平行拉伸线理(NW-SE方向)切面上, 剪切指向组构呈现明显的不对称性, 从露头上的布丁拖尾构造(图2b)和非对称剪切相关的褶皱(图2c)再到显微尺度的σ型旋转残斑(图2d)、云母鱼组构(图2e)等均指示了上盘向NW的剪切变形。在穹隆中部面理化混合岩中, 总体上变形组构的剪切指向性不明确。在NW-SE方向垂直于面理的切面中, 变形组构非对称性特征相对清晰, 总体上指示上盘向NW的剪切; 当线理与NW-SE方向大角度相交时, 垂直面理且平行线理方向切面上运动学指示标志不明显(图2f)。

3 组构发育时间

北大别穹隆内部发育倾伏分散的拉伸线理, 这些拉伸线理形成的时间对理解北大别穹隆构造乃至造山带演化过程意义重大。如果拉伸线理是继承造山带碰撞和深俯冲岩石折返过程的变形组构, 则需要辨析其构造归属并进行解析(林伟等, 2005); 而如果它们是早白垩世造山后伸展变形的产物, 其形成机制对理解北大别区域乃至华北克拉通伸展活动及动力学机制具有重要的指示意义。为此, 本次对北大别穹隆内不同产状拉伸线理的岩石开展了锆石U-Pb年代学研究。

3.1 样品及测试方法

从北大别穹隆内不同区域选取了8个样品, 具体采样位置见图1b。样品ND1、ND3和ND93采自临近穹隆北部的边界区域; 样品ND106采自临近穹隆南部的边界区域; 样品ND98、ND128、ND129和ND138采自穹隆中部, 其中ND98采自穹隆东部的中心附近区域, ND138采自穹隆西部的中心附近区域。样品ND1、ND3、ND93和ND106岩石变形较为显著, 为初糜棱岩至糜棱岩, 样品ND98、ND128和ND129变形相对较弱, 为面理化混合岩, 拉伸线理产状及样品岩性鉴定见表1。

从野外采集的新鲜岩石样品中分选出单颗粒锆石制作成环氧树脂样品靶。样品靶经过研磨、抛光, 使锆石内部形态充分暴露, 然后进行阴极发光照相。锆石U-Pb年代学和微量元素分析采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS), 测试工作在合肥工业大学完成。所使用的ICP-MS为Agilent 7500a, 激光剥蚀系统为配备有193 nm激光器的GeoLas 2005。分析所采用的激光剥蚀斑束直径为32 μm, 以国际标样91500作为外标, 元素含量采用NIST SRM 610作为外标,91Zr作为内标元素进行校正, 具体分析流程及仪器参数见Yuan et al. (2004)。锆石年龄和元素含量计算采用ICP-MS DataCal 10.8程序(Liu et al., 2010), 并且采用Andersen (2002)的方法进行普通铅校正, 锆石谐和图编制采用Isoplot(4.15版)。

分选的锆石无色、透明, 呈短柱状、浑圆或不规则状。锆石长约100～300 μm, 长宽比约为1.5∶1～ 3∶1. 阴极发光图像显示, 锆石多具有核‒边或核‒幔‒边构造(图3)。继承核阴极发光图像多为灰暗至深暗色, 多发育振荡环带, 部分晶型完整, 具有岩浆锆石的外形特征; 部分呈不规则状与增生边呈港湾状接触。围绕锆石继承核发育典型的熔饰边、增生壳以及暗化的环带。增生的边部呈现布丁状、条带状及冷杉状等构造, 阴极发光图像明亮, 多呈云雾状, 具有典型的变质锆石形貌特征。

3.2 定年结果

8个样品锆石U-Pb年龄测试结果见表2。结果显示, 样品ND1中共获得12个有效数据点, 其中核部5个有效年龄数据点的加权平均年龄为133±2 Ma (MSWD=0.22; 图4a); 边部7个有效年龄数据点的加权平均年龄为128±1 Ma(MSWD=0.13; 图4b)。样品ND3共获得16个有效数据点, 其中, 核部11个点的加权平均年龄为141±1 Ma(MSWD=1.15;图4c); 边部5个点的加权平均年龄为130±1 Ma(MSWD=0.24; 图4d)。其余6个样品由于获得的边部有效数据点较少, 不足计算加权平均年龄, 但获得的有效年龄均为早白垩世。其中, 样品ND93锆石获得3个144 Ma和1个146 Ma的年龄数据; 样品ND98获得年龄为141 Ma和129 Ma; 样品ND106获得了2个143 Ma和1个131 Ma的年龄数据; 样品ND128获得4个年龄, 为118～129 Ma; 样品ND129获得年龄为134 Ma、132 Ma和127 Ma; 样品ND138获得141 Ma、131 Ma和129 Ma有效年龄数据。

(a) 穹隆混合岩化片麻岩柔皱; (b) 野外照片指示上盘向NW运动的σ块体; (c) 野外照片指示上盘向NW运动的剪切褶皱; (d) 显微照片指示上盘向NW运动的σ型旋转残斑; (e) 显微照片指示上盘向NW运动的云母鱼组构; (f) 野外照片指示穹隆中部近对称的拉伸条带。

4 讨 论

4.1 北大别穹隆内变形组构构造属性

确定变形组构的构造属性是研究北大别造山后伸展形式与相应的深部动力学过程的前提。年代学结果显示, 除了样品ND93外, 其余7个样品获得锆石年龄与前人获得的北大别两期混合岩化时间基本一致(Wu et al., 2007; Xu et al., 2007; Wang et al., 2007)。其中, 118～131 Ma的一组变质年龄与代表北大别边界剪切带变形的大量冷却年龄一致(Wang et al., 2011),是北大别区域岩浆活动与伸展隆升的峰期年龄(Hacker et al., 2000; Li et al., 2000; 葛宁洁等, 2001; Faure et al., 2003; 吴元保等, 2004, 2007; Lin et al., 2007; 刘贻灿等, 2015), 与华北克拉通乃至中国东部伸展活动时间一致(Liu et al., 2008, 2013, 2019; Lin and Wei, 2020及参考文献)。在此之后, 北大别区域未发生显著的构造活动。尽管有学者统计, 北大别穹隆内变形花岗岩体的侵入时间多在132 Ma之前, 并依此将北大别造山后伸展时间锁定在～132 Ma之前(Wang et al., 2011; Ji et al., 2017)。然而, 早期侵入的岩浆冷却结晶后以固体状态记录后期的变形易于让人接受, 而同变形侵入的流体状态的岩浆能否记录变形很值得商榷。因此, 以变形岩体的侵入时间来划分构造变形阶段的判断标准有待深入探讨。我们认为这一变质时间也是区域内岩石最后一次韧性变形时间, 岩石中的变形组构是北大别早白垩世伸展活动的产物。

表1 锆石U-Pb测年样品的岩性及变形组构产状

图3 部分锆石阴极发光照片

表2 锆石U-Pb年代学测试数据表

续表2:

续表2:

续表2:

续表2:

图4 LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄谐和图和加权平均年龄图

理论上, 岩石中存在不同产状拉伸线理组构主要有两种可能: 其一是先存拉伸线理在后期构造变形中被不完全置换; 其二是同一构造活动中, 岩石在统一流变场内形成产状不同的拉伸线理。对于北大别而言, 前者的可能性不大。一方面, 已有报道显示, 大别造山带早白垩世造山后伸展后没有经历大规模的构造活动, 区域内先存韧性变形组构不太可能在早白垩世之后的构造活动中被不完全置换。另一方面, 早白垩世之前造山带构造活动中的拉伸线理很难在早白垩世强烈伸展活动中保留下来。变形组构置换过程几何学分析(Williams and Jiang, 2005)与数值模拟变形组构叠加演化(高丽敏等, 2018)均表明, 韧性变形条件下早期已有的面理与拉伸线理组构容易在后期的变形中被完全置换。北大别穹隆内部混合岩化作用记录变质温度约为760 ℃(Wang et al., 2013; 胡昭平, 2016), 麻粒岩的出露表明穹隆核部变质温度约为920 ℃(陈能松等, 2006), 在如此高温条件下, 岩石如果只发生变质而不发生变形, 在矿物静态重结晶作用下, 早期的变形组构也会因矿物的生长而难以保存。野外观察显示, 露头尺度上, 除了局部强烈混合岩化区域流动状态下的岩石中发育不规则面理外, 绝大多数区域面理稳定一致, 未见多期面理的叠加现象。这表明, 北大别穹隆内变形组构最大可能是在造山后伸展过程中发育。此外, 数值模拟研究表明, 在三维稳定流变场内, 由于不同流变强度的地质体中流变场的不均匀分配, 发育不同产状的拉伸线理是十分正常的(Jiang and Bentely, 2012; Xiang and Jiang, 2013)。因此, 北大别穹隆内的变形组构只可能记录早白垩世造山后伸展构造活动。

4.2 北大别穹窿中‒下地壳变形方式

岩石学研究表明(魏春景等, 2000; 葛宁洁等, 2001; 刘贻灿等, 2015), 从边界剪切带到北大别穹隆核部的剖面, 实质上刻画是北大别穹隆中‒下地壳垂向剖面。如果去除北大别造山后伸展活动中垂向上的差异隆升, 北大别穹隆可以恢复为以边界剪切带为上边界、以麻粒岩出露区为下边界的中‒下地壳水平变形带。拉伸线理产状格局与岩石变形机制在空间上的分布体现了变形带内岩石变形方式随深度的变化。

岩石中剪切指向变形组构发育的显著程度能够定性地判断一般剪切条件下变形中简单剪切分量的相对大小。本次野外露头统计和显微构造观察表明, 从边界剪切带到穹隆中部, 岩石中剪切指向组构的非对称性逐渐降低, 至穹隆中部岩石的剪切指向几乎难以分辨。这表明, 从边界剪切带到穹隆中部岩石的变形中, 简单剪切分量逐渐降低, 纯剪切分量逐渐增大, 穹隆中部以纯剪切变形为主。Godin et al. (2006)依据流体力学理论, 提出不同边界条件下造山带中‒下地壳两种基本流变型式, 即Couette流动(图5a)和Poiseuille流动(图5b)。Couette流动是边界相对运动条件下发生的均匀透入性简单剪切, 在垂向剖面上各处的运动学涡度都接近于1, 且剪切方向一致(图5)。Poiseuille流动是在边界相对静止条件下, 压力(重力)驱动的渠道流动速度梯度在边界处最大, 在中心处最小; 运动学涡度在边界处接近1, 在中心接近于0, 但剪切方向以中心轴对称分布(图5)。北大别穹隆内从边界剪切带到核部呈现了一致的上盘向NW的剪切, 指示中‒下地壳流变带具有Couette流的特征, 底部岩石圈呈现向SE运动的活动边界性质。同时, 岩石变形机制明显呈现出从浅部边界的非共轴变形为主逐渐过渡到深部的共轴变形为主, 体现从浅部到深部运动学涡度递减的特征, 指示中‒下地壳流变带具有重力驱动下的Poiseuille流的特征(图5c)。

(a) Couette流动; (b) Poiseuille流动; (c) 北大别穹隆中‒下地壳变形方式; λ1、λ2、λ3分别为最大、中间和最小主应变; γ为剪应变; G为重力。

理论上, 连续变形岩石中的矿物拉伸线理是变形岩石中流变场的主应变与剪应变共同作用的结果。变形组构的数值模拟揭示, 当最大主应变主轴与剪切方向一致, 岩石变形发育与剪切方向一致的拉伸线理, 如平面应变或剪切方向与最大主应变轴平行的单斜变形; 而当剪应变方向与最大主应变轴方向存在夹角时, 拉伸线理倾伏向会界于两者之间, 如剪切方向与中间主应变轴平行的单斜变形或三斜变形(Tikoff and Greene 1997; Tikoff and Fossen 1999)。本次野外观察结果显示, 从北大别穹隆边界剪切带到中部, 拉伸线理倾伏向从一致的NW-SE向, 逐渐分散。相应地, 从北大别穹隆边界到中部, 岩石变形方式从趋于平面应变逐渐转变为剪切方向与中间应变主轴平行的单斜变形形式, 且最大主应变率与中间应变率相当。北大别穹隆内部倾伏向发散的拉伸线理指示, 其中‒下地壳变形用简单的平面应变难以解释, 必须开展三维的构造解析。

如前文所述, 从北大别穹隆南、北边界长英质韧性剪切带至中部麻粒岩, 构成了中‒下地壳垂向构造剖面。为了便于描述, 我们将北大别穹隆内岩石的应变在垂直方向、水平面上NW方向以及垂直NW方向三个相互垂直的方向上进行分解, 拉伸线理方向代表最大拉伸应变方向, 为水平面上两个拉伸应变的矢量和。北大别穹隆边界剪切带发育一致的NW-SE向拉伸线理, 并展现一致的上盘向NW的剪切运动, 变形以简单剪切为主(王勇生等, 2009)。这表明, 在边界剪切带最大拉伸应变平行剪切方向, 中间应变相对较小甚至为零, 变形可近似为平面应变。随着垂向剖面上深度增加, 上盘向NW的剪切方向没有变化, 但拉伸线理倾伏向逐渐呈现发散的趋势, 这表明最大主应变方向不再平行于剪应变方向。因此, 垂直于剪切方向出现拉伸应变, 且随着深度增加愈发显著, 穹隆中部与NW方向的拉伸应变大小基本相当。

4.3 北大别穹窿造山后伸展动力学

北大别穹隆上总体呈现为以边界韧性剪切带为拆离带, 发育一致的上盘向NW的剪切变形, 中部出露古老变质基底的变质核杂岩构造。同时, 核杂岩拆离带下覆的中‒下地壳岩石又展现出以纯剪变形为主, 向四周扩散的伸展变形。可见, 北大别穹隆早白垩世伸展的动力学机制在一定程度上有别于典型的变质核杂岩。

北大别早白垩世伸展活动在几何学、运动学到总体构造格局方面与华北克拉通内部的伸展破坏活动高度契合, 是华北克拉通破坏的一部分(Lin and Wei, 2020及参考文献)。尽管对华北克拉通破坏的动力学机制依然存在诸多争议(Lin and Wei, 2020及参考文献), 但是现在普遍认为是深俯冲的古太平洋板块的“绕曲”产生了“后撤”效应(Zheng et al., 2001; Wu et al., 2005; Zhao et al., 2007; Zhu et al., 2010; Lin et al., 2013及参考文献)。低角度俯冲至远端的洋壳大规模下沉“绕曲”, 引发软流圈对流与上覆岩石圈拆沉(Lin and Wei, 2020), 驱动深部岩石圈及中‒下地壳形成NW-SE向伸展。在此动力学背景下, 北大别穹隆中‒下地壳在NW向的伸展剪切作用下发育为变质核杂岩构造。然而, 仅仅在这一动力学背景下, 北大别穹隆内部中‒下地壳无法发育接近纯剪切(Poiseuille变形)的变形方式, 并产生倾伏向发散的拉伸线理组构。

作为典型的陆‒陆碰撞造山带, 大别造山带在印支期(～240 Ma)扬子板块向华北板块的俯冲碰撞过程中, 碰撞带岩石圈显著加厚。与其他碰撞造山过程相似, 大别造山带经历了近平行造山带(NW-SE)的后碰撞伸展, 高压‒超高压变质岩得以快速折返。直至早白垩世早期(～140 Ma), 大别造山带岩石圈处于相对稳定的状态。此外, 埃达克质花岗岩的侵入表明, 直至早白垩世早期大别造山带区域的地壳厚度大于50 km(Wang et al., 2007)。大量研究表明, 同一时期的华北克拉通地壳岩石圈厚度也显著高于正常地壳(池际尚和路凤香, 1996; Xu, 2001)。因此, 大别造山带相对于南部正常厚度的扬子板块地壳具有显著的重力势能。在重力驱动下(Rey et al., 2001), 热活化的北大别中‒下地壳向SW发生垮塌, 在区域上NW-SE向伸展剪切应变场的基础上叠加了与之垂直的拉伸应变。随着深度与温度的增加, 中‒下地壳岩石强度降低, 应变速率增大, 与同时发生SW向伸展应变叠加为发育倾伏向分散的拉伸线理提供了应变场条件。

5 结 论

北大别区域产状复杂的变形组构均形成于造山带早白垩世伸展变形; 北大别穹隆总体上呈现的变质核杂岩构造是早白垩世中国东部伸展活动的一部分, 其动力学机制与中国东部伸展及华北克拉通破坏一致, 是古太平洋板块后撤引起的深部岩石圈活动; 北大别穹隆早白垩世的伸展是叠加了加厚中‒下地壳向SW的重力垮塌作用的结果。

致谢: 中国科学院地质与地球物理研究所林伟研究员和中国地质大学(武汉)刘强副教授提出了宝贵的修改意见和建议, 在此致以特别感谢！

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Deformation Mechanism of Post-orogenic Extension and its Implications for Deep Dynamics in the Northern Dabie Orogenic Belt

XIANG Biwei1, CHEN Lin2, ZHANG Qiang2, WANG Zhiguo2, GAO Cheng1

(1. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330100,Jiangxi, China; 2. The 7thGeological Brigade of Zhejiang Province, Lishui 323060, Zhejiang, China; 3. State Key Laboratory Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330100,Jiangxi, China)

The Dabie orogenic belt, occurring along the southern margin of the North China Craton, experienced the Early Cretaceous extension triggered by the North China Craton thinning or destruction. The North Dabie Dome (NDD) is the major extensional structure in the Dabie orogenic belt. The tectonic processes, kinematics, and deep dynamics in the NDD are of great significance in understanding the extension of the orogenic belt and the destruction of the North China Craton. Field observations show that the plunging directions of the lineations near the center of the NDD are increasingly dispersive. When and how these lineations developed are critical issues for the study of the dome extension processes and deep dynamic mechanisms. In this contribution, zircon U-Pb dating was carried out on the deformed rocks. The rims of the zircon grains from six out of seven samples yield metamorphic ages of 118–131 Ma. Combined with the structures, we believe that these metamorphic ages represent the deformation time of the Early Cretaceous extension in the NDD. According to the distribution of the deformation fabrics, a pattern of the geology and kinematics of the extensional deformation in the middle-lower crust is established as follows. In the upper shear zone, the rock deformation was dominated by a simple shearing plane strain. With increasing depth, the principal strain perpendicular to NW (shear direction) increased and became mostly equivalent to the one along NW in the middle NDD. The structure assemblages of the NDD exhibit as a metamorphic core complex and a gravity collapse in the middle-lower crust. It can be inferred that the top to NW detachment of the metamorphic core complex was likely driven by the retreat of thePaleo-pacific plate, whereas the SE extension resulted from the gravity collapse because the thickened middle-lower crust was reheated.

North Dabie Dome; post-orogenic extension; gravity collapse; structural chronology; lateral flow

2021-01-30;

2022-04-27

国家自然科学基金项目(42162019、41472194、41002069)资助。

向必伟(1976–), 男, 副教授, 从事造山带构造变形解析与数值模拟研究。E-mail: xbw1977@163.com

P542

A

1001-1552(2022)05-0867-017

10.16539/j.ddgzyckx.2022.05.003