长江中下游构造带成因与燕山期的大洋俯冲

杨文采

浙江大学,杭州,310058

内容提要:位于扬子克拉通内部的长江中下游构造带是一个特别的岩石圈构造带,它的成因一直是个谜。前人认为这与晚侏罗世伊佐奈琦洋向亚欧大陆的俯冲有关,但是为什么伊佐奈琦洋俯冲只在长江中下游构造带局部形成深入内陆的铁铜和多金属成矿带?为了解这个问题,必须从华南地区的地球物理数据来分析研究区的岩石圈和软流圈的属性特征,并进行类似构造的全球对比。根据地球物理调查结果可知,长江中下游构造带的地壳主要体现地堑的特征;岩石圈呈现低S波速与高密度,此类浅地幔动力学构造系统与洋中脊向大陆的俯冲模式接近。根据太平洋区域侏罗纪—白垩纪大洋磁异常条带与古地磁研究可以推测,长江中下游构造带与铁铜多金属成矿带的形成原因,应该是伊佐奈琦洋的洋中脊与洋脊三叉连向下扬子克拉通地幔的俯冲。当然,证明这个推测还需要更多的调查数据。

长江中下游成矿带是众所周知的铁铜和多金属成矿带,它位于扬子克拉通内部,从太湖之西一直插入到湖北大冶(程裕祺,1994; 马丽芳等,2006)。百年来长江中下游成矿带的成因一直是个谜,仅仅从地表地质资料很难解破。本文试图根据华南地区的浅地幔地球物理数据来分析研究区浅地幔系统的属性特征,探索长江中下游构造带的成因。

1 长江中下游构造带

根据舒良树等(2006),周新民(2007), 徐先兵等(2009)学者的研究,长江中下游成矿带(分布略图见图1a)铁铜和多金属矿沿长江中下游两侧分布,与燕山期花岗岩和火山岩共生。根据长江中下游成矿带的形状与属性可以推测,这个带是一个特别的岩石圈构造带,笔者称为长江中下游构造带。以下引用的地球物理数据也可以证明,它的确是一个特别的岩石圈构造带。

根据李献华(Li Xianhua et al.,2014)的同位素年龄数据(图1b)可知,中国南方地区火成岩形成的高峰期在150～110 Ma期间,即晚侏罗世到早白垩世。晚侏罗世是伊佐奈琦洋向亚欧大陆俯冲的后期,太平洋也从萌芽到开始扩张 (Müller et al., 2007)。在早白垩世,伊佐奈琦洋的俯冲已经移到亚欧大陆的北部,而太平洋也已经扩张到中国大陆的边缘,但是还没有俯冲。因此,长江中下游构造带的上地壳花岗岩体与金属矿(图1a)的形成应该与伊佐奈琦洋的俯冲密切有关,早白垩世的火山岩和潜火山岩体的形成也应该与伊佐奈琦板块俯冲到软流圈后的熔融作用有关(舒良树等,2006;徐先兵等,2009)。现在的问题是,晚侏罗世是伊佐奈琦洋向亚欧大陆的俯冲在空间上涉及整个中国东部(Hall,2012),为什么仅仅在长江中下游构造带形成深入内陆的铁铜和多金属矿带?为了解这个问题,必须从华南地区的地球物理数据来分析研究区的岩石圈和软流圈的属性特征,并进行全球对比。

2 岩石圈的波速与密度特征

多位学者对华南地区进行了地震层析成像研究。Luo Song 等(2019)对长江中下游成矿带的地壳进行了地震S波层析成像研究,认为此成矿带的下方地壳有V形高速体,是古太平洋俯冲造成的岩石圈部分熔融与岩浆侵入地壳的产物。吴珊珊等(2018)通过布设流动台站,利用背景噪声成像得到了合肥至金华地壳地震S波速度剖面及径向各向异性的差异剖面(图2a)。由图可见,长江中下游成矿带的中—上地壳有边界鲜明的梯形低速体,反映出地堑存在的特征。

图2 (a)过长江地震S波速与各向异性系数剖面图,剖面位置见图(b1)黑线:(a1) S 波速, (a2)各向异性系数; (b)(c)华南地区地震层析成像平面图,(b) 深度50 km, (c)深度100 km; (b1)(c1) S波速度扰动, (b2)(c2) P波速度扰动, (b3)(c3) 泊松比Fig.2 (a) S-wave seismic velocity and anisotropy profiles across Yangtze River; profile position is marked by dark line in Fig. b1: (b) (c) the seismic wave velocity map of South China, (b) on depth of 50 km; (c) on depth of 100 km; (b1)(c1) disturbance of S-wave, (b2)(c2) disturbance of P-wave, (b3)(c3) poisson’s ratio(a1, a2 据吴珊珊等,2018: b1、b2、b3,c1、c2、c3据张昌榕等,2018) (al, a2 from Wu Sansan et al., 2018&; bl,b2,b3, cl,c2,c3 from Zhang Changrong et al., 2018&)

地壳物质运动的动力来源在地壳下方,还必须看岩石圈和软流圈的地震波速结构。张昌榕等(2018)对下扬子及周边地区浅地幔波速和泊松比结构进行层析成像,深度达到300 km,结果示于图2b,c和图3。先来看看对流体反映最敏感的S波速度扰动,从深度50 km到200 km(图2b1,c1),即从岩石圈地幔到软流圈上部,长江中下游构造带的S波速度扰动都在-1.0% ～ -1.5%范围内,但是空间尺度在增加。从深度300 km以下(即软流圈下部),S波速度负异常的空间尺度大大缩小了(图3a1,b1)。由此可以认为,长江中下游构造带是浅地幔系统流体活动带,流体活动的根源在软流圈;不过流体活动的高峰期早已经过去,现在软流圈下部的流体活动已经大大萎缩了。长江中下游构造带的S波速度负异常,反映晚侏罗世—早白垩世软流圈流体物质上涌的残留(杨文采,2019, 2020a,2020b)。

图3 华南地区地震层析成像平面图(据张昌榕等,2018): (a) 深度200 km; (b) 300 km; (a1)(b1) S波速度扰动; (a2)(b2)P波速度扰动; (a3)(b3)泊松比Fig.3 The seismic wave velocity map of South China(from Zhang Changrong et al.,2018&): (a) on depth of 200 km; (b) on depth of 300 km; (a1)(b1) disturbance of S-wave ;(a2)(b2) disturbance of P-wave;(a3)(b3) poisson’s ratio

再来看对岩性反映比较敏感的P波速度扰动(图2b、c和图3a2、b2)。由图可见,长江中下游构造带区域有P波速度负异常出现,但是空间尺度比S波小,主要出现在长三角地区和深度200 km的平面图上。长江中下游构造带位于扬子克拉通内部;在正常的情况下,克拉通地区的岩石圈P波波速是偏高的。因此,长江中下游构造带P波速度负异常比S波负异常空间尺度小很多,是可以预料的;泊松比成像的结果也证明了这一点。从深度50 km到200 km,即从岩石圈地幔到软流圈上部,泊松比都在2.2 ～ 2.8范围内变化,属正常情况下克拉通地区浅地幔泊松比的变化范围。从深度300 km的图像看,长江中下游构造带软流圈下部的泊松比也减小到正常范围。

地面重力观测反映了岩石圈密度属性的变化。原地质矿产部早在1990年代就完成了中国南方地区高精度的地面重力测量(杨文采等,2017;杨文采,2018),结果示如图4。由图可见,长江中下游构造带对应一条高布格重力异常带(图中用H—H—H标明),异常幅度达20～30 mGal,表明它的岩石圈密度高于华南其它地区。据此,我们认知,长江中下游构造带岩石圈是一条高密度、低S波速的地壳—浅地幔动力学构造带,反映晚侏罗世—早白垩世软流圈物质上涌的残留(杨文采,2022a,b)。这种高密度、低S波速的浅地幔动力学构造系统是不多见的,常见的大陆裂谷带多数表现为低密度、低S波速的地壳—浅地幔动力学构造系统。

图4 华南地区地面布格重力异常平面图(据杨文采等,2017;杨文采,2018)Fig.4 The ground Bouguer gravity map of South China(from Yang Wencai et al.,2017&;Yang Wencai,2018&)

3 关于伊佐奈琦洋的俯冲

现在,回到我们探讨的问题:晚侏罗世是伊佐奈琦洋向亚欧大陆的俯冲在空间上涉及整个中国东部,为什么仅仅在长江中下游构造带形成深入内陆的铁铜和多金属矿带?上节的讨论使我们否定了大陆裂谷的成因,大洋板块俯冲的一般模式也不能使我们满意。在讨论图2a时就说过,长江中下游成矿带的中上地壳有边界鲜明的梯形低速体,反映出地堑存在的特征。由此可以设想,大洋俯冲时洋中脊的俯冲也可以在大陆地壳产生地堑构造。那么,大洋俯冲时洋中脊的俯冲是不是有可能形成长江中下游构造带?

现今大洋洋中脊的俯冲的典型地区位于北美大陆的西部,已经有充分的研究结果(Robert& Roger, 1988)。根据古地磁和海洋岩石圈调查,18 Ma前太平洋东北部构造的态势见图5a。由图可见,当时太平洋东北部存在法拉仑和库拉两个大洋板块,它们大部分都已经俯冲到了北美大陆的下方。在旧金山北边,法拉仑板块开了一个口子,是原来洋中脊的俯冲下去后太平洋板块推进的前沿。1980年圣海伦斯火山的大爆发,正是位于这个口子的区域。黄石公园的温泉群也与此洋脊俯冲关联。Robert &Roger的教科书把法拉仑板块洋脊俯冲演化的模式示意于图5b。

图5 (a)18 Ma前太平洋东北部构造态势图;(b)法拉仑大洋板块洋脊俯冲演化剖面图(据Robert &Roger, 1988)Fig.5 (a) The simplified structure map of northeast Pacific Ocean at 18 Ma. (b) The structural evolution profiles of the Farrllon Plate (from Robert &Roger, 1988)

从这个洋脊俯冲演化的模式可见,在洋脊俯冲到接近大陆之前,大洋的俯冲已经造成俯冲前方大陆边缘岩石圈的强烈变形,即安第斯型大陆边缘的造山作用。当洋脊俯冲到大陆地壳下方之后,由于大洋中脊下方软流圈流体融体仍然在上涌,大陆边缘岩石圈的火山活动变得更加强烈,地壳受挤压隆升。注意此时俯冲的大洋板块在中脊处是有断口的,由于没有大洋岩石圈的阻挡,因此地壳内岩浆活动要比非洋中脊的其他地区强烈得多。洋脊俯冲的同时还在其上方的地壳造成拉张力,形成了上中地壳的地堑构造。当洋脊俯冲进入大陆下方软流圈之后,软流圈流体融体的上涌不会马上停下来,大陆边缘岩石圈的岩浆活动变得扩散开来,并随俯冲作用向大陆方向推进,这种洋脊对上方岩石圈的瓦解作用在俯冲作用完全结束后才可能慢慢停止。当软流圈上涌的融流体中的挥发分逸入大气、固体成分在岩石圈结晶后,由于它们含有较多的金属元素,就会在中下地壳生成基性岩,在地壳生成高密度的金属矿体。同时,由于它们严重的变形带有大量存水的裂隙,使构造带地震S波速度降低。反映晚侏罗世—早白垩世软流圈流体物质上涌的长江中下游构造带,也是一条类似的高密度、低S波速的地壳—浅地幔动力学构造带。这种动力学构造系统的形成应该与大洋俯冲时洋中脊的俯冲有密切关系。

4 长江中下游构造带成因的探讨

最后一个问题是,在中—晚侏罗世伊佐奈琦洋向亚欧大陆俯冲时,有没有洋中脊向中国东部俯冲?是什么类型的洋中脊俯冲?大洋磁异常条带与古地磁研究得出肯定的答案(Müller et al., 2007; Choi Taejin et al., 2011)。图6a、b为140 Ma前太平洋地区构造态势和伊佐奈琦—法拉仑大洋板块运动方向平面图。由图可见,在中—晚侏罗世太平洋打开后,法拉仑板块与伊佐奈琦洋板块的边界是一条由洋脊和转换断层组成的构造线,正在随伊佐奈琦洋板块向亚欧大陆俯冲。此构造线中有两段短洋脊,在图6中用字母“H1”和“H2”标明。“H1”和“H2”的俯冲方向正是亚欧大陆北纬30°～40°的位置,时段为140～120 Ma范围内。这些数据与长江中下游构造带的地质调查数据都是比较符合的,因此可以推测,长江中下游构造带与铁铜多金属成矿带的形成原因,应该对应伊佐奈琦洋北边的洋中脊与转换断层,向亚欧大陆的俯冲。不过,在图6中 “H1”和“H2”标明的两段短洋脊的俯冲,会造成空间尺度那么大的长江中下游构造带吗?

图6 (a)140 Ma前太平洋地区构造态势图(Müller et al., 2007);(b)伊佐奈琦—法拉仑大洋板块运动方向平面图;(c)关于太平洋三叉连俯冲的图解(Whittaker et al., 2011)Fig.6 (a) The plate structure map of West Pacific Ocean at 140 Ma (from Müller et al., 2007); (b) The plate motion of the Izanagi and Farrllon Plates; (c) Locations of the triple ridge junction in Pacific Ocean from 150～90 Ma (from Whittaker et al., 2011)

进一步的研究表明,在两段短洋脊的俯冲之后,还有太平洋三叉连的俯冲。太平洋起源于伊佐奈琦、库拉和菲尼克斯三板块洋脊的三叉连(Seton and Müller,2007; Whittaker et al., 2011),这个洋脊三叉连随太平洋板块扩张向西运动(图6c),在120 Ma接近了现在东海的位置。洋脊三叉连向下扬子克拉通浅地幔的俯冲,可以触发比短洋脊俯冲更加猛烈的软流圈物质上涌,形成空间尺度更大的特殊构造带。此时,伊佐奈琦洋在向北运动,洋中脊向大陆俯冲的位置也在向北运动。在90 Ma前时段大洋板块洋脊俯冲运动到了日本本州岛,这时与长江下游构造的形成已经没有关系了。在图7a表示140 Ma洋脊向华南俯冲的位置,到100 Ma期间,大洋板块的洋脊系已经俯冲入华南大陆地幔,中国东部沿海构造态势见图7b,这时长江中下游构造带已经基本形成。原来大洋板块洋脊俯冲在大陆边缘海域滑动的断裂面,就转变为黄海与东海的分界面。它向西连接到长江中下游构造带的北边界,也成为扬子克拉通与华北克拉通之间新的动力学边界。因此,苏北和南黄海虽然是下扬子的结晶基底,但是在燕山期以后就不再与华南的构造运动同步了。

5 结论

位于扬子克拉通内部的长江中下游构造带是一个特别的岩石圈构造带,为什么只在长江中下游构造带局部形成深入内陆的铁铜和多金属成矿带?为了解这个问题,必须从华南地区的地球物理数据来分析研究区的岩石圈和软流圈的属性特征,并进行类似构造的全球对比。根据地球物理调查结果可知,长江中下游构造带的地壳主要体现地堑的特征;岩石圈呈现低S波速与高密度,此类浅地幔动力学构造系统与洋中脊向大陆的俯冲的模式接近。根据太平洋区域侏罗纪—白垩纪大洋磁异常条带和古地磁研究可以推测,长江中下游构造带与铁铜多金属成矿带的形成原因,应该是伊佐奈琦洋北边的洋中脊与洋脊三叉连向下扬子克拉通地幔的俯冲。当然,证明这个推测还需要更多的调查数据。

致谢:笔者感谢章雨旭研究员对本文稿和图解的中肯的修改意见。