蒙古-鄂霍茨克造山带山弯构造形成的动力学机制探讨

朱明帅 罗晔 贾朝媛 苗来成 张福勤 SANCHIR Dorjgochoo 于剑峰

1. 中国科学院矿产资源研究重点实验室,中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029 2. 中国科学院地球科学研究院,北京 100029 3. 中国科学院大学,北京 100049 4. 山东省第三地质矿产勘查院,烟台 264000

山弯构造(Orocline)亦称马蹄形山系,是造山带内常见的一类构造样式。一方面,山弯构造的形成演化受控于汇聚板块边缘的动力学过程;另一方面,山弯构造的发育将改变汇聚边缘俯冲板块与上覆板块的3D几何形态,进而对俯冲动力学(Capitanioetal.,2011)、地幔流(Loiseletetal.,2009)、岩浆作用(Gutiérrez-Alonsoetal.,2011)以及地形地貌变化(Bendick and Ehlers,2014)等产生重要影响。因此,山弯构造是造山带研究的热点与前沿,开展山弯构造解析与地球动力学模拟对认识与理解造山带地壳演化及大陆聚合生长机理具有重要价值。蒙古-鄂霍茨克造山带具有典型的山弯构造格架,其“对折”的两翼发生了强烈的“自碰撞”造山作用。关于蒙古-鄂霍茨克山弯构造形成动力学机制,前人将其归因于古亚洲洋俯冲板片不断的后撤、西伯利亚与华北-阿穆尔陆块之间的挤压缩短、西伯利亚与华北的相向旋转等动力学过程,忽视了蒙古-鄂霍茨克洋俯冲作用对马蹄形弯曲过程的影响(Lehmannetal.,2010;Van der Vooetal.,2015;Xiaoetal.,2018)。最近,蒙古-鄂霍茨克洋两侧弧岩浆活动向大洋方向的迁移以及蒙古山弯构造转折端构造变形解析工作暗示蒙古-鄂霍茨克洋俯冲板片后撤可能在山弯构造形成过程中扮演着重要角色(Lietal.,2022; Wangetal.,2022)。然而,这一新的解释模式还缺乏地质证据的支持和验证,尤其是大规模俯冲板片后撤往往伴随着弧后盆地的拉张(Heuret and Lallemand,2005;Nakakuki and Mura,2013),尚未得到应有的重视。蒙古-鄂霍茨克洋二叠纪-三叠纪弧后盆地和大规模板片后撤的厘定对蒙古-鄂霍茨克山弯构造形成的动力学机制提供了新的约束,对深入理解马蹄形造山带形成机理、大陆聚合生长方式及地壳演化过程有重要意义。

1 山弯构造(Orocline)

山弯构造最早由Carey(1955)提出,是指初始相对线性的造山带围绕直立轴发生再次旋转弯曲所形成的马蹄形或弧形构造。由于造山带的初始形态和变形期次难以判定(Eldredgeetal.,1985),其后的某段时期内,山弯构造又被作为一个几何学术语指代任何呈弧形展布的造山带或构造带,而不考虑其初始形态(Eldredgeetal.,1985);加之那时板块构造尚未问世,虽然Carey (1955)对全球大多数山弯构造的动力学机制都做出了一定的解释,但主要基于水平运动的思想,山弯构造形成的运动学与动力学机制未得到很好的理解(Rosenbaum,2014)。

随着板块构造理论的确立,尤其是古地磁、应变测量、数值模拟、地震层析成像等技术的不断完善,学者对山弯构造的理解与研究进入了一个新阶段,即由早期的定性描述发展到现今的物理模拟和运动学、动力学机制分析。首先,大量古地磁研究(Van der Voo and Channell,1980;Eldredgeetal.,1985;Scheepersetal.,1994;Weil,2006;Weiletal.,2010;Zhaoetal.,2020)证实了Carey(1955)的猜想,即大多数弧形造山带都经历了后期的绕直立轴的“对折”弯曲作用;其次,地质学家通过对弧形构造的几何学、运动学分析,指出切向应变是调节弧形山系内部物质均衡的重要变形机制(Hindle and Burkhard,1999;Kwon and Mitra,2004);构造物理、数值模拟及地球物理测深结果表明,刚性块体楔入或阻挡、汇聚板块边界沿走向不均匀运动、变形层厚度、区域滑脱层展布、岩石圈板块深部结构等均可能是控制形成山弯构造的重要因素(Davy and Cobbold,1988;Marshaketal.,1992;Macedo and Marshak,1999;Arnoldetal.,2001;李岩峰等,2007;胡健民等,2009;张岳桥等,2010;王瑞瑞等,2013;Muetal., 2018;Kryzaetal.,2021)。同时,通过对比总结,前人提出了弧形构造的几何学与运动学分类方案:(1)以内部构造线理趋势线与弧形构造边界之间关系,将弧形构造分为平行(parallel)、汇聚(convergent)、发散(divergent)、截切(truncated)和杂乱(chaotic)等5种类型(Ries and Shackleton,1976;Marshak,1988;Macedo,1997;Macedo and Marshak,1999);(2)依据运动学特征及是否发生弯曲旋转,将弧形构造分为三类:原始弧(primary)、渐进弧(progressive)和次生弧(secondary)(Weil and Sussman,2004;Yonkee and Weil,2010;de Sarkaretal.,2013)。原始弧是指初始形态即为弧形的,在构造运动中弧形保持不变;渐进弧是指在形成过程中曲度不断增大的弧形构造带;次生弧则指完全是后期绕直立轴再弯曲而形成的弧形构造带/造山带。可以看出,上述运动学分类中的渐进弧和次生弧与Carey(1955)的“Orocline”相当(Sussman and Weil,2004;Johnstonetal.,2013)。

渐进型与次生型山弯构造在规模、形成背景与成因等方面明显有别。Johnstonetal.(2013)对此进了系统的总结。渐进型山弯构造在规模和构造背景上主要局限于逆冲推覆岩片、褶皱或褶皱-逆断带,即规模相对较小,属局限于逆冲断层或拆离断层以上的“薄皮”构造,其弯曲旋转作用发育在地壳缩短和逆冲岩片侵位的进程中,是同一挤压应力场作用的结果。因此,形成渐进型山弯构造的主压应力方向与平分弯曲弧的轴面方向平行。相反,次生型山弯构造通常较宽阔,且常达造山带规模,弯曲作用涉及整个岩石圈,其马蹄形弯曲作用尽管常发生在造山带地壳加厚作用后不久,但明显晚于造山作用,是平行或近于平行先形成造山带的挤压应力作用的结果。所以,次生型山弯构造的形成需要主应力场的巨大转变,即由垂直造山带的挤压应力场转变为平行造山带的挤压应力场,前者引起造山带的形成,而后者导致已形成的造山带直立轴的马蹄形弯曲。

山弯构造多具有成对耦合发育的特征。成对耦合的山弯构造表现为凸出方向相反、共用一翼的两个弧形构造,平面上常呈S型、反S型或复杂的形状。欧洲西部华力西造山带中伊比利亚-华力西(Shawetal.,2015)、阿尔卑斯造山带中喀尔巴阡-巴尔干(Shawetal.,2012)、北美西部科迪勒拉造山带中的阿拉斯加(Johnston and Gutierrez-Alonso,2010;Xiaoetal.,2018)、南美安第斯造山中秘鲁-玻利维亚(Lamb,2001;Allmendingeretal.,2005)等均属成对耦合的山弯构造。此外,新近研究表明中亚造山带中东段也存在蒙古-中国东北耦合山弯构造(Yarmolyuketal.,2008;Kryzaetal.,2021;Liuetal.,2021)。

目前,山弯构造形成的动力学机制主要有以下几种模型:(1)刚性块体楔入(indentation)模型:如青藏高原东、西构造结(Tapponnieretal.,2001;Keep,2000)和阿尔卑斯亚德利亚(Rosenbaum,2014)等山弯构造;(2)俯冲板片不均匀后撤模型:常伴随板片撕裂与弧后盆地的扩张(Spakman and Hall,2010;Rosenbaum,2014;Xiaoetal.,2018;Lietal.,2021;Wangetal.,2022);(3)陆块汇聚平行造山带方向的压缩模型:如欧洲华力西造山带和中亚造山带的等山弯构造(Pastor-Galánetal.,2012;Johnstonetal.,2013;Kryzaetal.,2021);(4)走向不均匀逆冲推覆模型:形成前陆逆冲带的山弯构造如大巴山弧形构造带和阿尔卑斯前陆弧形构造(Marshak and Wilkerson,1992;Wangetal.,2019)。

不同规模和不同曲度的山弯构造可能受控于不同的动力学过程或多个动力学过程的联合作用。Rosenbaum(2014)根据几何学特征,将地中海地区阿尔卑斯造山带的马蹄形山系划分为4个级别,并认为第一级(被命名为“亚德里亚”)山弯构造主要受控于亚德里亚陆块向北(现今方位)的挤入作用;第二、第三级别山弯构造分别叠加于各自上一级山弯构造的翼部,主要受控于海沟后撤及与之相关的板片撕裂(tearing)、弧后伸展等过程;而第四级别的山弯构造则可能是上述机制的任何一种或它们中两个或多个过程的联合作用。

由于山弯构造形成过程与背景的多期性、多样性与复杂性,不同造山带中的山弯构造形成的主控动力机制并不相同。实际上,我们可以将前述山弯构造形成的4种动力学机制视为4个“端元”,即某一山弯构造可能是这些“端元”机制中的一个或多个共同作用结果。尽管在各类机制的贡献量、地壳缩短量、造山作用与马蹄形弯曲之间时间差等定量化方面尚需进一步研究,但山弯构造研究的上述进展,无疑对认识理解造山带地壳演化与大陆聚合生长方式及其动力学机制具有重要的理论意义。

2 蒙古-鄂霍茨克造山带具有山弯构造格架

蒙古-鄂霍茨克造山带从蒙古中部杭盖山地区呈NE-NNE向延伸至俄罗斯远东乌地湾(Uda Gulf),长度超过3000km,被认为是蒙古-鄂霍茨克洋消减闭合的产物(图1;李锦轶,1988;Zorin,1999;Parfenovetal.,2001;Kovalenko and Chernov,2008)。该造山带位于西伯利亚克拉通与阿穆尔超地体之间(Zonenshainetal.,1990;赵越等,1994;Bussienetal.,2011),是中亚造山带(CAOB)最年轻的碰撞造山带,对于探讨东北亚区域大地构造演化以及欧亚大陆中生代的聚合作用都具有重要意义。同时,该造山带发育造山带尺度的马蹄形弯曲(Lehmannetal.,2010;Guyetal.,2014;Xiaoetal.,2015;Lietal.,2021;Wangetal.,2022),是探究增生造山环境下山弯构造弯曲动力学机制的理想地区。现将蒙古-鄂霍茨克造山带构造演化的研究进展简述如下:

(1)蒙古-鄂霍茨克洋的性质及形成时间 主要有三种观点:(i)中蒙古地块与西伯利亚地块在碰撞聚合以后,蒙古-鄂霍茨克洋是杭盖地区晚石炭世-早二叠世之前形成的古太平洋的巨大港湾(Zonenshainetal.,1990;Zorin,1999);(ii)蒙古-鄂霍茨克洋形成与古亚洲洋北向俯冲弧后大规模走滑相关,形成于晚奥陶世-早志留世(Parfenovetal.,2001;Bussienetal.,2011);(iii)蒙古-鄂霍茨克洋(也称为杭盖-肯特洋)形成于晚元古代-寒武纪的、分割西伯利亚板块和图瓦-蒙古地块的独立洋盆(engöretal.,1993)。

(2)蒙古-鄂霍茨克造山带在古生代期间受两个古大洋的影响:即古亚洲洋和蒙古-鄂霍茨克洋,两个古大洋之间被图瓦-蒙古等微陆块条带分开(engöretal.,1993;Sengör and Natal’in,1996;Miaoetal.,2016,2017;Xiaoetal.,2018;Zhouetal.,2018a;Zhaoetal.,2020;Kryzaetal.,2021;Wangetal.,2022),其中古亚洲洋在微陆块条带一侧边缘自新元古代晚期至二叠纪的增生带构成蒙古-鄂霍茨克山弯构造的外带,而蒙古-鄂霍茨克洋在另一侧的俯冲增生杂岩带则构成山弯构造的内带/核部(Sengör and Natal’in,1996;Zorin,1999;Lehmannetal.,2010;Xiaoetal.,2018)。

(3)蒙古-鄂霍茨克洋存在向北与向南的双向俯冲作用:蒙古-鄂霍茨克洋向北俯冲于西伯利亚克拉通之下,形成外贝加尔-蒙古北部晚古生代-中生代弧岩浆岩带(Zorin,1999;Mazukabzovetal.,2010;Donskayaetal.,2013;Tsukadaetal.,2018);这一向北的俯冲作用得到地震层析成像结果和杭盖-肯特盆地中物源研究结果的证实(Van der Vooetal.,1999;Keltyetal.,2008;Bussienetal.,2011);对于向南俯冲,原认为蒙古-鄂霍茨克洋自晚二叠世之后并未发生南向俯冲,中朝-蒙古板块北缘在此期间应为被动大陆边缘(Van der Vooetal.,1999;Zorin,1999),但近年在蒙古东南部与我国北兴安岭地区识别出大量石炭/二叠纪-侏罗纪弧岩浆岩及伴生的斑岩铜钼矿床(陈志广等,2010;江思宏等,2010;Xuetal.,2013;Tangetal.,2016;Deng and Li,2019;Sheldricketal.,2020;Ganbatetal.,2021;Zhuetal.,2023b,2023d),认为是蒙古-鄂霍茨克洋南向俯冲作用的产物。另外,蒙古中部阿达察格(Adaatsag)蛇绿岩的地质年代学和地球化学分析,表明玄武岩单元具有弧前玄武岩(FAB)的地球化学特征,并发现高镁安山岩,与马里亚纳初始俯冲记录类似,暗示蒙古-鄂霍茨克洋南向洋内初始俯冲的时间为晚石炭世早期(319～317Ma;Zhuetal.,2023a)。因此,蒙古-鄂霍茨克洋在二叠纪-侏罗纪时期存在双向俯冲作用,其两侧均为活动大陆边缘。

(4)蒙古-鄂霍茨克造山带是中亚造山带内最年轻的造山带:关于蒙古-鄂霍茨克洋闭合方式,学者认为主要与西伯利亚克拉通相对中朝-蒙古板块按顺时针方向旋转有关,导致蒙古-鄂霍茨克洋自西向东呈剪刀式闭合(Zorin,1999;Metelinetal.,2007),证据是缝合带自西向东侵入体的时代逐渐变年轻(Kravchinskyetal.,2002;Wangetal.,2022)。对蒙古-鄂霍茨克洋东段最终封闭时间的认识较为一致,主要观点是形成于晚侏罗世-早白垩世(Sengör and Natal’in,1996;Kravchinskyetal.,2002;Cognéetal.,2005;Guoetal.,2017;Renetal.,2018;Deng and Li,2019;Sorokinetal.,2020;Yi and Meert,2020)。但对其西段的闭合时间却争议颇大,主要观点有:石炭纪-早二叠世(Jahnetal.,2009;Reichowetal.,2010;Gordienkoetal.,2018)、三叠纪(Maruyamaetal.,1997;Zhaoetal.,2023)、西早东晚的三叠纪-晚侏罗世(Zonenshainetal.,1990)和早-中侏罗世(Zorin,1999;Parfenovetal.,2001;Donskayaetal.,2013)。但是最近的研究表明沿着缝合带自西向东俯冲相关的岩浆岩的年龄并没有明显的变年轻趋势(Zhuetal.,2023b),西部晚三叠世弧岩浆岩和弧后伸展相关的双峰式火山岩(Zhuetal.,2016b;Ganbatetal.,2021;Zhuetal.,2023b)和侏罗纪岩浆活动的明显减弱(Donskayaetal.,2013)暗示蒙古-鄂霍茨克洋西段闭合时间也在侏罗纪时期,东西两侧洋盆闭合时间相近,蒙古-鄂霍茨克洋可能并非传统认为那样呈剪刀式闭合。

(5)蒙古-鄂霍茨克造山带具有山弯构造格架:主要证据包括:(i)塔巴格泰(Tarvagatay)-图瓦-蒙古(Tuva-Mongolia)-扎巴汉(Zavkhan)-白卓格(Baydrag)-伊德莫格(Idermeg)等前寒武纪微陆块及其上或边缘新元古代-寒武纪岛弧构成的大陆条带大体呈“马蹄形”或U形展布(图1;Van der Vooetal.,1999;Lietal.,2022);(ii)与蒙古-鄂霍茨克洋俯冲相关二叠纪-侏罗纪弧岩浆岩带(包括色楞格、杭盖山和中戈壁)及弧后伸展盆地带均围绕俯冲增生杂岩带呈马蹄形展布(见图1),且弧岩浆作用前锋有随时间向内核侧迁移的特征(Xiaoetal.,2018;Liuetal.,2021;Wangetal.,2022);(iii)系统的构造地质学工作表明区域性面理围绕着山弯构造转折端逐渐发生弯曲(Lietal.,2022);(iv)与古微陆块条带相似,区域航磁异常条带连续延伸并也大体以杭盖山为枢纽发生马蹄形或U形弯曲(Lietal.,2022);(v)古地磁资料证明该条带状微陆块在晚石炭世之前呈南北向线性或近线性展布,古地磁、构造变形和地质年代学研究表明山弯构造弯曲发育时间为二叠纪-侏罗纪(Lehmannetal.,2010;Edeletal.,2014;Guyetal.,2014,2021;Lietal.,2022)。此外,新近的综合分析与物理模拟表明,在我国东北地区可能还发育有“中国东北山弯构造”(Liuetal.,2021),并可能与蒙古山弯构造成对耦合,即蒙古-中国东北山弯构造(Kryzaetal.,2021)。

蒙古-鄂霍茨克造山带山弯构造弯曲发生时间为二叠纪-侏罗纪(Lehmannetal.,2010;Edeletal.,2014;Guyetal.,2014,2021;Van der Vooetal.,2015;Lietal.,2022),该时期正好对应蒙古-鄂霍茨克洋的俯冲消减(Munkhtsengel,2007;Donskayaetal.,2013;Ganbatetal.,2021),暗示山弯构造的形成演化与蒙古-鄂霍茨克洋俯冲具有成因上的联系。

3 蒙古-鄂霍茨克洋二叠-三叠纪大规模弧后伸展的厘定

前人对蒙古-鄂霍茨克洋活动大陆边缘构造演化做了大量的研究工作,但是主要针对俯冲带弧岩浆作用的研究,而对其活动大陆边缘构造体制存在较大争议,主要有以下两类观点:(1)安第斯型活动大陆边缘模型:多数学者认为大洋两侧均发育安第斯型活动大陆边缘(Tomurtogooetal.,2005;Orolmaaetal.,2008;Yarmolyuketal.,2008; Reichowetal.,2010;Tangetal.,2016;Lietal.,2017)。(2)不对称活动大陆边缘模型:有的学者认为其南侧发育西太平洋型活动大陆边缘,北侧为安第斯型活动大陆边缘(Wangetal.,2022)。也有学者提出北侧发育晚石炭世-三叠纪弧后伸展,暗示其北侧为西太平洋型活动大陆边缘(Donskayaetal.,2013)。西太平洋型和安第斯型活动大陆边缘重要区别之一是,前者发育伸展型弧后盆地,尤其是弧后边缘海(洋壳)的出现;后者则发育挤压型弧后盆地(Stern,2002;Lietal.,2012;Allen and Allen,2013;Zhengetal.,2015;Miall and Catuneanu,2019)。弧后拉张盆地作为活动大陆边缘沟-弧-盆体系的重要组成部分,可以以陆基裂谷作用的形式存在,如中国东部的松辽盆地、东海陆架盆地等(Satoetal.,2020),也可在陆壳基础上通过弧后洋盆扩张形成弧后洋盆,如冲绳海槽、日本海等(Van Hornetal.,2017;Tsaietal.,2021)。在西太平洋地区,洋内俯冲也可以在古老洋壳基础上通过弧后扩张形成时代较新的弧后洋盆,如菲律宾海四国盆地(Ishizukaetal.,2009;Yanetal.,2022)。作为增生造山带的重要组成部分,弧后盆地与岩浆弧带的区域时空关系往往比较复杂,特别对于长期存活的活动大陆边缘俯冲构造来说,因俯冲带倾角的调整,弧后盆地与岩浆弧可以构成复杂的时空交错关系和迁移排列次序,是增生型造山带大地构造演化的重要方面,并体现出增生型造山带在其宽阔的构造后缘带地壳构造动力学演化分析的重要内涵,为汇聚板块边界壳幔相互作用、弯曲变形、地壳增生以及洋陆转换等地球内部动力学过程的研究提供重要信息(Pearce and Stern,2006; Rosenbaum,2014;Safonovaetal.,2016;Van Horneetal.,2017)。

3.1 蒙古-鄂霍茨克洋南侧活动大陆边缘弧后伸展

中蒙古地块与南侧古亚洲洋构造域古生代增生杂岩带之间的交界部位(大致与所谓“蒙古主中央构造线(MML)”吻合)(A-蒙汉地区;B-阿拉坦希尔地区;C-温都尔希尔地区;D-乌尔兹特地区;图2),断续分布有一条总长度近1000km向东南弧形凸出构造带,其内部组成包括时代划分混乱、划分依据不足但建造性质可以对比的碎屑岩-碳酸盐岩建造、深海-半深海浊积岩系及其远端沉积的砂泥硅质页岩建造、二叠纪碱性侵入体和三叠纪双峰式火山岩建造(自东南向西北,图2),构成一条独特的岩石大地构造单元。

图2 蒙古中戈壁弧后盆地带岩石大地构造解析图Fig.2 Petrotectonics map of the back-arc basin belt in the Middle Gobi, Mongolia

蒙古中戈壁乌尔兹特(Olzit)地区出露一套晚三叠世(210～207Ma)双峰式火山岩及伴生的A型花岗岩(图2)。地球化学数据表明双峰式火山岩中的镁铁质单元来源于受俯冲物质交代富集地幔的部分熔融,并表现为岛弧玄武岩和板内碱性玄武岩的过渡性质,而长英质单元和钾质花岗岩来源于地壳的部分熔融,具有A型花岗岩的地球化学特征。已有的研究表明位于蒙古中部地区的蒙古-鄂霍茨克洋盆在中-晚三叠世尚未闭合,仍然存在洋盆的俯冲(Munkhtsengel,2007;Donskayaetal.,2013;Ganbatetal.,2021;Wangetal.,2022),因此,该双峰式火山岩和伴生A型花岗岩形成于蒙古-鄂霍茨克洋南缘活动大陆边缘弧后伸展的构造背景(Zhuetal.,2016b)。裂谷带双峰式火山岩带南侧发育有一套沉积岩,但其形成时代、存活的时间范围和大地构造属性并不清楚。初步的野外调查发现这套沉积地层具有明显的岩相分带,靠近北侧弧沉积带主要为构造片理化的凝灰质砂岩,向南跨越中生代盆地覆盖区主要变为砂板岩和砂页岩夹少量的灰岩,火山物质逐渐减少,沉积地层的中心位置出露硅质岩和泥质页岩的薄互层(图3)。这套沉积岩具有复理石特征,产状近直立,明显区别于蒙古南部地区中亚造山带古生代俯冲增生杂岩,应代表与北部的双峰式火山岩配套的弧后盆地沉积。

图3 蒙古中戈壁乌尔兹特双峰式火山岩带南侧轴部近直立的弧后远端沉积Fig.3 The nearly vertical back-arc sediments to the south of Olzit bimodal volcanic belt in the Middle Gobi, Mongolia

最近,蒙古中戈壁蒙汉(Monhhaan)地区原划为前寒武纪地层中新发现一套蛇绿岩岩石组合(图2),岩石类型主要包括碳酸盐化的变质橄榄岩、玄武岩、辉长岩。同位素年代学数据显示辉长岩形成时代为253±2Ma(MSWD=1.9),表明该蛇绿岩形成于晚二叠世(Zhuetal.,2023c)。地球化学分析数据显示蛇绿岩中的玄武岩单元具有弧后盆地玄武岩的地球化学特征,暗示蛇绿岩形成于弧后伸展的构造背景。蛇绿岩中的侵入的花岗岩脉形成时代为255±2Ma,具有S型花岗岩的地球化学特征,与区域上出露的S型花岗岩形成时代相近(273～254Ma;Zhaoetal.,2017)。地球化学数据表明该地区S型花岗岩形成于俯冲带的构造背景(Zhaoetal.,2017;Zhuetal.,2023c)。与俯冲有关的S型花岗岩主要有两种成因:弧后伸展导致沉积物熔融(Collins and Richards,2008; Xuetal.,2022)或者弧前增生楔的部分熔融(Lytwynetal.,2000; Cole and Stewart,2009)。中戈壁S型花岗岩位于蒙古-鄂霍茨克洋南缘中戈壁岛弧带的后缘位置,暗示其与弧前的增生楔的深熔作用无关,而很可能形成于蒙古-鄂霍茨克洋南缘弧后伸展的构造背景,类似于环太平洋的弧后S型花岗岩(Collins and Richards,2008)。与蛇绿岩构造接触的是由灰岩、砂岩、粉砂质页岩和泥质粉砂岩组成的呼呼敖包组(Khukh Ovoot Formation)地层,粉砂质页岩碎屑锆石U-Pb年龄显示这套地层形成于三叠纪,可能代表弧后盆地沉积岩单元。

前人研究表明位于蒙古中南部地区的中亚造山带在晚石炭-早二叠世就进入造山后的伸展阶段(Blightetal.,2010;Guyetal.,2014),双峰式火山岩、蛇绿岩、S型花岗岩和弧后沉积岩产出的构造位置表明其形成于蒙古-鄂霍茨克洋南缘弧后盆地的构造背景,而与中亚造山带的索伦缝合带 (Xiaoetal.,2003;Jianetal.,2010)相距超1000km,暗示其与古亚洲洋构造演化无关(Zhuetal.,2016a,2023c)。该弧后伸展带向东北方向可能延伸到中国东北地区的额尔古纳-兴安地区,表现为双峰式火山岩(225Ma)和A型花岗岩(216Ma)(Tangetal.,2016;Liuetal.,2018)。

戈壁-阿尔泰裂谷带(图4),沿戈壁-阿尔泰山脉北侧延伸800多千米,由一系列线性裂谷盆地组成,裂谷盆地中发育双峰火山套和相关的碱性花岗岩(Yarmolyuketal.,2013,2014)。盆地沉积岩中发现的生物化石和火山岩同位素年龄(293～269Ma)表明戈壁-阿尔泰裂谷带形成于早-晚二叠世(Izokhetal.,2011;Yarmolyuketal.,2014;Kozlovskyetal.,2015)。前人研究认为,戈壁-阿尔泰二叠纪-三叠纪裂谷相关的岩浆活动与地幔柱的活动有关,岩浆活动的东北方向迁移是西伯利亚大陆和中亚造山带在地幔热点上方运动的结果(Kuzminetal.,2010;Yarmolyuketal.,2014)。然而,戈壁-阿尔泰裂谷带与同期塔里木地幔柱之间的距离超过1600km,这个距离即使对于地幔柱的远场效应而言也太大(Kozlovskyetal.,2015)。此外,裂谷带中的基性岩石具有Nb、Ta和Ti的亏损,大离子亲石元素的富集,暗示它们受到了俯冲作用的影响,构造判别图解中它们位于俯冲带构造环境,而非地幔柱的构造背景(Zhuetal.,2023c)。A 型花岗岩因其特殊的构造背景受到广泛关注,目前报道的A型花岗岩几乎都形成于伸展环境(Eby,1990;Frostetal.,2007;Zhao and Zhou,2009;张旗等,2012)。Eby(1992)根据地球化学特征将A 型花岗岩分为A1型和A2型两个亚类,A1型主要形成于非造山的大陆裂谷或者板内的构造环境,A2型则具有岛弧火山的地球化学特征,主要形成于后碰撞或者弧后伸展环境。戈壁阿尔泰裂谷带的A型花岗岩在判别图解中落在A2 型区域,蒙古-鄂霍茨克造山带西部出露的晚三叠世的弧岩浆岩(Zhuetal.,2016b;Lietal.,2018;Ganbatetal.,2021)和古地磁数据(Cognéetal.,2005;Renetal.,2018;Yi and Meert,2020)表明蒙古-鄂霍茨克洋闭合时间为侏罗纪-白垩纪。因此,戈壁阿尔泰裂谷带中的A2型花岗岩形成于蒙古-鄂霍茨克洋弧后伸展的构造背景,而非造山后伸展构造背景。

3.2 蒙古-鄂霍茨克洋北侧活动大陆边缘的弧后伸展

蒙古-鄂霍茨克洋北侧活动大陆边缘的弧后伸展表现为平行于岛弧带的三条裂谷带:北蒙古(Northern Mongolian)、乌地-维提姆(Uda-Vitim)和西外贝加尔(Western Trans-Baikalian)裂谷带(图4)。北蒙古裂谷带沿杭盖花岗岩基北部边界延伸约600km,东部主要为碱性花岗岩,西部主要是裂谷盆地(Vorontsovetal.,2007;Yarmolyuketal.,2013)。其中规模最大的是鄂尔浑(Orkhon)裂谷盆地,下部主要为砾岩、砂岩和粉砂岩,上部为玄武岩质粗面安山岩、玄武岩、粗面安山岩和粗面岩,其中裂谷中带有透明碎屑胶结物的枕状熔岩表明其可能形成于海底喷发环境(Vorontsovetal.,2007)。古植物化石和地质年代学数据表明该裂谷带形成于早-晚二叠世(249～269Ma) (Yarmolyuketal.,2013,2014)。西外贝加尔(Western Trans-Baikalian)裂谷带延伸1000多千米,裂谷岩浆岩主要由双峰式火山岩和碱性花岗岩侵入体构成(Kovalenkoetal.,2003;Vorontsovetal.,2007)。地质年代学数据表明这些岩浆岩形成于230～210Ma(Jahn et al,2009;Yarmolyuketal.,2014)。乌地-维提姆(Uda-Vitim)裂谷区内发育辉长二长岩、碱性花岗岩、正长岩和双峰式火山岩,年龄范围为298～275Ma(Jahnetal.,2009;Reichowetal.,2010)。

关于三条裂谷带的成因主要有三种观点:(1)裂谷带形成与地幔柱活动有关(Kuzminetal.,2010;Yarmolyuketal.,2014),但是其二叠纪-三叠纪长时间岩浆作用显然与地幔柱短时间脉冲岩浆活动时间(1～5Myr)不相符(Bryan and Ernst,2008);另外,裂谷带近平行的空间展布状态与地幔柱放射状裂谷系也不一致。(2)认为早二叠世(298～275Ma)乌地-维提姆和晚三叠世(230～210Ma)西外贝加尔裂谷带分别形成于中亚造山带和蒙古-鄂霍茨克造山带碰撞后的大陆裂谷环境(Jahnetal.,2009;Reichowetal.,2010)。然而,中亚造山带北部洋盆闭合时间为奥陶纪,由前寒武纪微大陆与新元古代到早古生代俯冲-增生杂岩俯冲增生到西伯利亚克拉通南缘(Windleyetal.,2007;Gladkochubetal.,2008;Rytsketal.,2009),因此,二叠纪-三叠纪的裂谷带的形成与中亚造山带的构造演化无关。如前所述,蒙古-鄂霍茨克洋闭合时间为侏罗纪-白垩纪(Cognéetal.,2005;Renetal.,2018;Yi and Meert,2020),因此,二叠纪-三叠纪裂谷系不太可能形成于蒙古-鄂霍茨克造山带的碰撞后的构造背景。(3)裂谷带的碱性花岗岩和双峰式岩浆作用形成于蒙古-鄂霍茨克洋弧后伸展的构造环境(Donskayaetal.,2013)。这一观点得到裂谷带岩浆岩的地球化学数据的支持,在构造判别图解中,基性岩浆岩主要落在火山弧构造背景。平行裂谷带的南侧为蒙古-鄂霍茨克洋北侧活动大陆边缘的色楞格二叠纪-侏罗纪岛弧岩浆岩带,以安山岩为主,夹少量流纹岩,被认为是蒙古-鄂霍茨克洋北向俯冲的产物(Yarmolyuketal.,2002;Matsumoto and Tomurtogoo,2003;Lietal.,2013;Tsukadaetal.,2018),并发现二叠纪-三叠纪埃达克岩和同时期斑岩铜钼矿床(Morozumi,2003;Munkhtsengel,2007;Tsukadaetal.,2018)。杭盖-肯特(Khangay-Khentey)弧前增生带、二叠纪-三叠纪色楞格弧岩浆岩带和弧后伸展的裂谷带构成了是典型的西太平洋型的沟-弧-盆体系(Zhuetal.,2023c)。

裂谷带和弧后伸展盆地围绕蒙古-鄂霍茨克构造带的弧形空间展布形态以及与弧岩浆岩的同时代发育特征,进一步证明其与蒙古-鄂霍茨克洋弧后伸展有关(图4)。蒙古-鄂霍茨克洋西南部发育大规模的二叠纪-三叠纪多期弧后伸展,延伸规模超过5000km。虽然目前只在蒙古中戈壁地区发现弧后盆地蛇绿岩能证明弧后洋盆(洋壳)的打开,而蒙古-鄂霍茨克洋其他地区弧后盆地是否裂解形成弧后洋盆尚不清楚,还需要进一步加强裂谷带构造和沉积方面的研究。蒙古-鄂霍茨克洋延伸超5000km的多期弧后伸展的确定,暗示蒙古-鄂霍茨克洋很可能发育西太平洋型活动大陆边缘,而非安第斯型活动大陆边缘(Zhuetal.,2023c)。对于弧后盆地的形成机理,目前主流观点认为俯冲板片后撤导致俯冲带上盘应力改变,同时引发弧后地区的地幔对流,导致岩石圈地幔熔融,多种条件共同作用最终形成了弧后伸展盆地(Heuret and Lallemand,2005;Nakakuki and Mura,2013;Magnietal.,2014)。因此,蒙古-鄂霍茨克洋超过5000km多期弧后盆地带的厘定暗示其二叠纪-三叠纪存在大规模俯冲板片后撤。

4 蒙古-鄂霍茨克造山带山弯构造形成机制的认识

前已述及,研究已证实蒙古-鄂霍茨克造山带具有典型的山弯构造格架,但对该山弯构造形成的动力机制仍存争议。主要有以下三种观点:(1)平行造山带方向的压缩模型:认为蒙古-鄂霍茨克造山带马蹄形弯曲受控于西伯利亚与华北-阿穆尔克拉通在二叠至三叠纪相向汇聚期间平行于相对平直大陆边缘的水平挤压应力场(Lehmannetal.,2010;Van der Vooetal.,2015;Kryzaetal.,2021),该模式推测蒙古-鄂霍茨克山弯构造弯曲过程中经历了大规模平行造山带的压缩,导致平行山弯构造轴面的面理及褶皱构造的广泛产出,然而,蒙古-鄂霍茨克山弯构造转折端详细的变形构造解析工作发现区域性面理围绕着该山弯构造转折端逐渐发生弯曲,并无平行山弯构造轴面的大规模压缩构造产出(Lietal.,2022)。另外,古地磁资料表明早二叠世阿穆尔地块与西伯利亚克拉通存在较大(～30°)的纬向差异,并在晚二叠世由于西伯利亚克拉通的北向漂移而距离变大(Torsviketal.,2012;Zhaoetal.,2020),晚三叠世-早侏罗世,两个大陆块体的纬度差基本保持不变(～32.5°;Renetal.,2018),表明西伯利亚与华北-阿穆尔克拉通在二叠至三叠纪不存在大规模相向汇聚。(2)古亚洲洋俯冲板片后撤+西伯利亚与华北的相向旋转模型:认为蒙古-鄂霍茨克造山带山弯构造的形成归因于古亚洲洋(PAO)俯冲板片不断回卷(roll-back)及海沟不断后撤(retreat)的动力学模式(Xiaoetal.,2018)。然而,已有证据表明环绕蒙古-鄂霍茨克造山带的古亚洲洋主体在早二叠世以前已闭合 (Blightetal.,2010;Xuetal.,2013;Zhaoetal.,2013,2020),因此二叠纪-侏罗纪期间可能并不存在古亚洲洋大规模的俯冲板片后撤作用。(3)蒙古-鄂霍茨克洋俯冲板片后撤+西伯利亚与华北的相向旋转模型:通过对蒙古山弯构造转折端构造变形解析工作和蒙古-鄂霍茨克洋两侧弧岩浆活动迁移研究,认为蒙古-鄂霍茨克洋俯冲板片后撤可能在山弯构造形成的动力过程中起着重要作用(Lietal., 2022; Wangetal.,2022)。然而,这一新的解释模式尚缺乏地质证据的支持和验证,尤其是大规模俯冲板片后撤通常伴随着弧后盆地的形成(Heuret and Lallemand,2005;Nakakuki and Mura, 2013),尚未得到应有的重视。蒙古-鄂霍茨克洋延伸超过5000km的二叠纪-三叠纪多期弧后盆地带的形成时间与蒙古-鄂霍茨克山弯构造弯曲时间一致,进一步证实蒙古-鄂霍茨克洋俯冲板片后撤过程可能在MOB山弯构造形成过程中扮演着重要角色。俯冲过程中,俯冲板片的负浮力将其拉向与俯冲相反的方向,产生板片后撤相关的地幔流,从而导致板块边界几何形状的快速变化,以及与之伴生的上覆板块弧后拉张(Garfunkeletal.,1986;Schellart,2004;Heuretetal.,2007;Schellart and Moresi,2013;Rosenbaum,2014)。构造变形和地质年代学数据表明,早石炭世时期塔巴格泰-扎巴汉-白卓格-伊德莫格微陆块组成的大陆条带和发育的岩浆弧在东西向的挤压作用下呈现北-南走向(Lehmannetal.,2010;Edeletal.,2014;图5b)。晚石炭世-早二叠世(～300Ma),与蒙古-鄂霍茨克洋邻近的蒙古南部地区,发育的造山后伸展的双峰式火山岩和碱性花岗岩标志着古亚洲洋的最终闭合(Blightetal.,2010;Zhouetal.,2021;图5c)。二叠纪-三叠纪时期,蒙古-鄂霍茨克洋的大规模板片后撤形成山弯构造,同时产生了环绕蒙古-鄂霍茨克洋的弧后盆地(图5d),类似于马里亚纳岛弧、Seram-Timor 俯冲带、地中海洋内弧山弯构造和澳洲东部的新英格兰山弯构造(Spakman and Hall,2010;Rosenbaum and Mo,2011;Lietal.,2012;Rosenbaum,2014)。另外,蒙古-鄂霍茨克造山带山弯构造的形成可能同时受控于西伯利亚与华北的相向旋转(Xiaoetal.,2018;Lietal., 2022;Wangetal., 2022),但是蒙古-鄂霍茨克洋俯冲板片后撤和西伯利亚与华北的相向旋转两种动力学机制的耦合关系和在山弯构造形成中的相对贡献尚需进一步研究。蒙古-鄂霍茨克洋的侏罗纪-白垩纪的最终闭合导致的西伯利亚和阿穆尔地体的碰撞可能进一步增加了蒙古-鄂霍茨克山弯构造的弯曲程度。

图5 蒙古-鄂霍茨克造山带山弯构造成因模式图(据Lehmann et al.,2010修改)Fig.5 Tectonic evolution model for the Mongol-Okhotsk orocline (modified after Lehmann et al.,2010)

5 结论

蒙古-鄂霍茨克造山带具有典型的山弯构造格架,但是其形成的动力学机制一直存在争议。根据近年来对蒙古的研究发现,蒙古-鄂霍茨克造山带岩浆弧外侧断续/连续发育一条马蹄形分布的弧后伸展带,包括中戈壁、戈壁阿尔泰、北蒙古、乌地-维提姆和西外贝加尔裂谷带。带内发育的弧后盆地蛇绿岩、双峰式火山岩、A2型花岗岩、S型花岗岩和伴生的沉积岩等地质记录,表明蒙古-鄂霍茨克洋在二叠纪-三叠纪发育大规模弧后伸展,暗示蒙古-鄂霍茨克洋在此期间很可能发育西太平洋型活动大陆边缘,而非安第斯型活动大陆边缘。该弧后盆地带形成时间与蒙古-鄂霍茨克造山带岩浆弧时间匹配,同时也与蒙古-鄂霍茨克造山带马蹄形弯曲时间重叠,暗示蒙古-鄂霍茨克洋的大规模板片后撤可能在山弯构造的形成动力学过程中起着重要作用。

致谢感谢蒙古科技大学的Munkhtsengel Baatar和Chimedtseren Anaad对野外工作的大力支持。感谢匿名审稿人提出的宝贵意见,受益匪浅。