岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (7): 2087-2098   PDF    
北山中部增生造山过程:构造变形和40Ar-39Ar年代学制约
宋东方1,2 , 肖文交1,2,3,4 , 韩春明1,2,3 , 田忠华5 , 李咏晨1,2     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
3. 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100029;
4. 中国科学院新疆生态与地理研究所, 新疆矿产资源研究中心, 乌鲁木齐 830011;
5. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
摘要:北山造山带是诠释中亚造山带南缘增生构造过程的关键区域之一。北山中部变质杂岩及相关侵入岩经历了复杂变质变形作用,是解剖北山增生构造演化过程的关键。本文在详细野外观察基础上,结合显微构造变形和黑云母40Ar-39Ar年代学研究,厘定北山中部相关岩石的变质变形时限。北山中部岩石普遍经历了韧性剪切变形。4个样品的黑云母40Ar-39Ar坪年龄分别为323.1±3.6Ma、296.0±3.7Ma、261.2±3.1Ma和209.2±4.0Ma,具有自北向南逐渐变年轻的特征。结合区域上岩石大地构造单元的展布特征,这些年龄反映了北山中部地区古生代至早中生代古洋壳(牛圈子洋盆)向北俯冲、造山带往南增生的过程。北山最晚的增生造山事件可能延续到三叠纪。
关键词: 北山造山带     构造变形     40Ar-39Ar年代学     晚古生代-早中生代     俯冲增生极性    
Accretionary processes of the central segment of Beishan: Constraints from structural deformation and 40Ar-39Ar geochronology
SONG DongFang1,2, XIAO WenJiao1,2,3,4, HAN ChunMing1,2,3, TIAN ZhongHua5, LI YongChen1,2     
1. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. Institutions of Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Xinjiang Research Center for Mineral Resources, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;
5. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: The Beishan Orogenic Belt is a key area for understanding the accretionary tectonics of the southern Central Asian Orogenic Belt. The pervasively deformed metamorphic complexes and associated intrusive rocks from the central segment of Beishan are keys to illuminating the accretionary history of Beishan Orogenic Belt. In order to put constraints on the timing of metamorphism-deformation for the rocks in the central Beishan, this study carried out field geological, microstructural and 40Ar-39Ar geochronological studies on these rocks. The rocks from the central Beishan have undergone widespread ductile shearing deformation. Biotite 40Ar-39Ar dating on four samples yield respective plateau ages of 323.1±3.6Ma, 296.0±3.7Ma, 261.2±3.1Ma and 209.2±4.0Ma, which are younging from the north to the south. Combined with the spatial-temporal distribution of major litho-tectonic units, these data reveal a northward subduction of oceanic plate (Niujuanzi Ocean) and southward accretion of the orogen during the Paleozoic-Early Mesozoic in the central segment of Beishan. The last orogenic pulse of the Beishan may have extended to the Triassic.
Key words: Beishan     Deformation     40Ar-39Ar chronology     Late Paleozoic-early Mesozoic     Subduction-accretion polarity    

增生型造山带是由于俯冲洋壳的持续消减作用,造成俯冲带之上包括外来地体、海山、增生杂岩、蛇绿混杂岩、岩浆弧在内的诸多来源和性质不同的地质体汇聚拼合而成,如现今环太平洋的科迪勒拉、日本列岛和东南亚多岛洋增生体系(Cawood et al., 2009)。中亚造山带(或称阿尔泰造山带)位于东欧克拉通、西伯利亚克拉通和卡拉库姆-塔里木-华北克拉通之间(图 1a),是世界上最大的显生宙增生型造山带之一,被认为是古亚洲洋在新元古代至晚古生代(或中生代早期)长期俯冲消减的产物(Șengör et al., 1993; Jahn et al., 2000; Windley et al., 2007; Xiao et al., 2015)。中亚造山带长期复杂的拼贴增生历史记录了古亚洲洋从初始俯冲到最后闭合的完整过程,为研究大陆增生机制、壳幔相互作用过程和成矿作用提供了天然实验室(肖文交等2008; Schulmann and Paterson, 2011)。近年来的研究表明,受控于板块俯冲-碰撞作用的远程效应,中亚造山带在中新生代期间经历了多阶段的陆内造山过程(Glorie and De Grave, 2016)。

图 1 北山造山带大地构造位置(a)及地质简图(b)(据Song et al., 2013b, 2015修改) Fig. 1 Simplified geological map showing the tectonic location (a) and major lithologies of the Beishan Orogenic Belt (b) (modified after Song et al., 2013b, 2015)

北山造山带位于中亚造山带南缘,西接天山造山带,东接阿拉善–索伦构造带,是解剖中亚造山带南缘增生大地构造过程的重要区域之一(图 1)。对于北山造山带的研究由来已久,不同学者对该造山带的大地构造演化过程,尤其是造山作用的方式和时限存在不同的认识。早期以左国朝为代表的学者对北山地区的岩浆岩、蛇绿混杂岩、变质岩进行了较为详细的研究,初步划分了大地构造单元,并对大地构造演化过程进行了阐述。其主要观点认为北山地区经历了前寒武纪陆块形成、裂解,早古生代洋壳俯冲、微陆块碰撞造山及晚古生代造山后板内活动阶段(左国朝等,1990)。基于新一轮的填图与地质调查研究,龚全胜等(2002)认为北山造山带经历了多期次、多阶段的板块裂解、俯冲、碰撞拼合,属于陆-增生弧碰撞的多旋回造山带。近年来,大量的野外地质工作、岩石地球化学和高精度锆石U-Pb年代学研究表明,北山造山带从寒武纪至二叠纪经历了长期的俯冲-拼贴造山过程,是典型的增生型造山带(Xiao et al., 2010; Ao et al., 2012; Song et al., 2015)。

北山地区自南而北出露有多条蛇绿混杂岩带,包括柳园混杂带、红柳河-牛圈子-洗肠井混杂带、石板井-小黄山蛇绿混杂带和红石山蛇绿混杂带(Xiao et al., 2010; 杨合群等2010)。此外,北山地区分布有大量的变质杂岩和古生代花岗岩(图 1b)。北山中部地区,位于牛圈子蛇绿混杂带和红石山蛇绿混杂带之间,出露有大量的绿片岩相至角闪岩相的变质岩和多期侵入杂岩,该地区是北山地区岩性和构造变形最为复杂的地区,保存了大量的与俯冲-增生造山相关的岩石和变质-变形记录。这些岩石的形成过程、变形特征和时限是限定北山地区造山方式和时限的关键。对于北山中部地区造山过程的方式和时限,目前尚存在较大争议。本文在北山中部地区详细的野外研究基础上,结合相关岩石的显微构造变形特征及40Ar-39Ar年代学结果,试图探讨北山中部地区增生造山的时空过程。

1 区域地质背景

北山造山带南邻敦煌地块,北接蒙古南部造山带,西连天山造山带,向东淹没于巴丹吉林沙漠之下。北山中部地区自南向北出露的岩石单元依次为牛圈子蛇绿岩、勒巴泉群变质杂岩、公婆泉群火山岩及相关侵入杂岩(图 2)。红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩是北山地区的一条重要混杂岩带。尽管目前对于该蛇绿岩带形成的大地构造背景存在不同的认识,大量的年代学研究表明该蛇绿岩中的基性岩(辉长岩)形成于早古生代,表明其为北山地区最古老的一条蛇绿混杂带(任秉琛等, 2001; Ao et al., 2012; Tian et al., 2014)。在牛圈子地区,根据混杂岩中最年轻的基质形成于晚石炭世以及晚二叠世的不整合现象,Tian et al. (2014)认为该蛇绿岩的就位时代为二叠纪晚期。

图 2 北山中部地区地质简图(据Song et al., 2015修改) Fig. 2 Simplified geological map of the central segment of Beishan (modified after Song et al., 2015)

勒巴泉群是对北山中部广泛分布的一套变质杂岩的统称(甘肃省地质局第二区域地质测量队, 1971),变质程度主体为绿片岩相,局部可达角闪岩相。该岩群包括的岩性主要有长英质片麻岩、(石榴石)云母石英片岩、角闪片岩、绿泥石英片岩,有少量的变质硅质岩和大理岩。对于该岩群的形成时代和大地构造属性,长期以来存在很大争议。二十世纪七十年代的1:20万填图结果显示,勒巴泉群为一套志留纪的区域变质岩,但对于其大地构造意义尚未明确。基于岩相学特征以及全岩Sm-Nd等时线和锆石U-Pb上交点年龄资料,代文军和龚全胜(2000)魏学平等(1999, 2000)认为勒巴泉群大部分属于前寒武纪的前造山基底,称为敦煌岩群或北山杂岩,并被认为与塔里木或敦煌地块的前寒武纪结晶基底可以类比。基于高精度的LA-ICP-MS锆石U-Pb原位微区定年,勒巴泉群的原岩形成于寒武纪至早泥盆世,是牛圈子蛇绿岩代表的古洋壳向北俯冲增生的产物(Song et al., 2015)。

① 甘肃省地质局第二区域地质测量队.1971.中华人民共和国1:20万公婆泉幅地质图(K-47-XX)

造山作用过程伴随的物质运移和能量交换可以引发区域性的变质-变形作用,因此,岩石的变形样式和时限是限定造山作用时空过程的关键。目前的研究虽然基本厘定勒巴泉群原岩主体形成于古生代而非前寒武纪(Song et al., 2013b, 2015),然而对于该变质杂岩及相关侵入岩是何时发生变质变形的,目前尚无确切的年代学制约。本文对这些变质变形岩石进行40Ar-39Ar年代学分析,以期进一步限定北山造山带的造山方式和时限。

2 构造变形特征与样品采集

详细的野外研究表明,北山中部变质杂岩及其相关侵入杂岩普遍经历了多期构造变形,但在不同区域存在不同的变形样式。

勒巴泉北变质杂岩该变质杂岩主要包括花岗质片麻岩、花岗质糜棱岩、角闪片岩、石英岩、云母石英片岩,以及后期侵入的淡色花岗岩脉。构造变形样式主要为破劈理、糜棱面理以及变质沉积岩中局部发育顺层小褶皱(图 3a, b)。面理倾向南或北,倾角变化较大,从中等至陡立,线理不明显。花岗质糜棱岩中σ型钾长石旋转斑晶和S-C组构指示东西向的右行剪切变形(图 3b)。本次研究采集该糜棱岩化花岗岩(12LBQ07),对其中的黑云母进行40Ar-39Ar定年,以限定其剪切变形的时限。该样品的锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为398±3Ma,表明其侵位时代为早泥盆世(Song et al., 2015)。

图 3 勒巴泉及邻区变质杂岩及相关侵入杂岩的野外构造特征 (a)勒巴泉北片麻状花岗岩中的劈理构造;(b)勒巴泉北花岗质糜棱岩中σ型钾长石旋斑指示右行剪切变形;(c)勒巴泉云母石英片岩中第二期褶劈理对第一期面理的改造;(d)勒巴泉云母石英片岩右行剪切变形 Fig. 3 Field structural characteristics for the metamorphic and associated intrusive rocks in the Lebaquan and adjacent areas (a) spaced cleavage in the gneissic granite; (b) σ type K-feldspar indicating dextral shearing; (c) crenulation cleavage (S2) overprinting S1 foliation; (d) dextral shearing in the mica-quartz schist in the Lebaquan complex

勒巴泉变质杂岩勒巴泉地区变质杂岩(图 2中黄色奥陶系地层)包括石榴石云母石英片岩、云母石英片岩、斜长角闪片麻岩、变质硅质岩和变砂岩,夹少量大理岩,多期岩浆作用(花岗岩、伟晶岩及中基性岩脉)侵入该变质杂岩之中。该地区是北山中部变形最为强烈的地区。多期次构造变形的叠加现象保存良好,详细的构造解析识别出四期构造变形(Song et al., 2014)。第一期为区域上分布的面理,主要表现为南北向陡倾的片理和片麻理;第二期变形为第一期面理发生褶皱形成褶劈理及区域上分布的紧闭皱褶和宽缓褶皱(图 3c);第三期变形为东西向的右行走滑剪切作用,发育S-C组构,不对称旋转碎斑和不对称褶皱(图 3d);第四期变形表现为后期伟晶岩中发育的宽缓褶皱,叠加于第二期较为紧闭的褶皱之上,为较浅层次的构造变形(Song et al., 2014)。根据野外构造变形的叠加和岩脉的穿切关系,Song et al. (2014)用锆石U-Pb法确定云母石英片岩原岩沉积年龄和未变形中性岩脉的年龄从而将该地区的变形时限限定在424~280Ma之间。本次研究采集了面理发育的石榴石云母石英片岩(11LBQ34),对其中定向排列的黑云母进行40Ar-39Ar定年,以限定区域变形和变质作用的时代。该样品主要组成矿物为石英和黑云母,其次为白云母、斜长石和石榴子石。样品的显微特征显示云母发生强烈的定向形成面理,石英颗粒较为均匀显示静态重结晶的现象(见后文)。

草呼勒哈德变质杂岩该变质杂岩以云母石英片岩、斜长角闪片岩、长英质片麻岩、石英岩为主,少量大理岩,存在大量顺面理方向侵入的同构造淡色花岗岩脉。不同时代(寒武纪-志留纪-泥盆纪)侵入的岩石均发生了较为强烈的构造变形(Song et al., 2013b, 2015)。从野外构造叠加现象分析,至少存在两期韧性变形作用。第一期为区域上发育的面理和线理构造,面理由片岩中的云母、绿泥石等片状矿物以及片麻岩中的黑云母、角闪石等矿物定向排列构成(图 4a);线理则由细小的云母定向拉伸构成或者表现为大型的石英杆状构造(图 4b)。面理倾向北东方向,倾角介于30°~50°之间;线理向北东方向倾伏,倾伏角在25°~45°之间(图 5)。第二期变形为露头尺度的褶皱变形和韧性剪切构造。同时,淡色花岗岩脉也发生褶皱和韧性剪切变形,表明淡色花岗岩为同构造的产物。褶皱轴面倾向北东,倾角为25°~50°,枢纽倾伏向为北东方向,倾伏角为10°~40°(图 5)。第一期和第二期变形在构造要素上显示相似的特征,指示它们可能发生于相似的构造应力作用之下,即上部向南的逆冲兼走滑作用(图 4c图 5)。在该变质杂岩中采集了2个同构造淡色花岗岩的样品(11CH13和11CH10)(图 4d)进行40Ar-39Ar年代测定。在野外,2个样品均发生褶皱变形和韧性剪切变形现象。在显微镜下,淡色花岗岩主要由斜长石和石英组成,少量黑云母、白云母和石榴子石,显示了强烈变形现象。斜长石剪切旋转形成不对称眼球构造,指示右行剪切变形,黑云母形成云母鱼构造(图 6a),两个样品中的斜长石、石英均显示亚颗粒和波状消光等动态重结晶的现象(图 6b, c)。

图 4 草呼勒哈德变质杂岩的野外变形特征 (a)变质杂岩中的片麻理构造;(b)片岩中的拉伸线理和石英杆状构造;(c)变质石英砂岩中不对称褶皱指示上部向南西的逆冲;(d)变质杂岩中顺面理侵入的同构造淡色花岗岩脉 Fig. 4 Field deformation for the Caohulehade metamorphic complexes (a) foliation defined by the gneissic schistosity; (b) stretching lineation and quartz rodding structure in the schist; (c) asymmetric fold in the metasandstone indicating southwestward thrusting; (d) syn-tectonic leucogranite intruding the metamorphic rocks

图 5 草呼勒哈德地区岩性-构造剖面图(据Song et al., 2015修改) Fig. 5 Cross-section of the Caohulehade area (modified from Song et al., 2015)

图 6 北山中部变形岩石的显微特征 (a)石榴子石云母石英片岩(样品11LBQ34),黑云母定向排列形成面理(单偏光);(b)同构造淡色花岗岩(样品11CH13)斜长石旋斑指示右行剪切变形(正交偏光);(c)同构造淡色花岗岩(样品11CH10)中斜长石周围的石英具有亚颗粒结构(正交偏光) Fig. 6 Photomicrograph of the deformed rocks from the central Beishan (a) foliation defined by the preferred-oriented biotite in the garnet-mica-quartz schist; (b) dextral shearing in the leucogranite; (c) quartz subgrain structure in the leucogranite
3 黑云母40Ar-39Ar年代学

黑云母单矿物的分选在河北省区调院廊坊地质服务有限公司完成。40Ar-39Ar同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所40Ar/39Ar与(U-Th)-He年代学实验室完成。至少连续三个升温阶段置信区间95%范围内年龄一致,39Ar释放量>50%时可定义为坪年龄。年龄误差为内部误差,包括分析误差以及本底、矫正参数、质量歧视以及J值误差,不包括衰变常数的误差。所有数据的不确定度为95%置信区间(2σ)。

本次研究共获得4个样品的黑云母40Ar-39Ar年龄,测试结果见表 1,坪年龄结果如图 7所示。花岗质糜棱岩(样品12LBQ07)的坪年龄为323.1±3.6Ma (MSWD=1.87),反等时线年龄为313.3±10.1Ma,略小于其坪年龄,但二者在误差范围内一致; 石榴石云母石英片岩(样品11LBQ34)的坪年龄为296.0±3.7Ma (MSWD=2.3); 2个同构造淡色花岗岩(11CH13和11CH10)给出的坪年龄分别为261.2±3.1Ma (MSWD=0.25)和209.2±4Ma (MSWD=3.86),反等时线年龄分别为262.7±5.8 Ma和213.7±4.4Ma,略老于其各自的坪年龄但在误差范围内一致。除样品11CH10外,其它样品的数据点都较为集中,因此反等时线年龄仅作为参考,样品11LBQ34未给出反等时线年龄。

表 1 北山中部变质变形岩石的40Ar-39Ar同位素测试结果 Table 1 40Ar-39Ar analytical results for metamorphic and deformed rocks from the central Beishan

图 7 北山中部变质-变形岩石的黑云母40Ar-39Ar坪年龄 Fig. 7 40Ar-39Ar plateau age for metamorphic-deformed rocks from the central Beishan
4 讨论 4.1 北山中部古洋壳俯冲及造山带增生极性

洋壳俯冲极性是理解造山带构造演化过程的关键,厘定古洋壳俯冲极性是造山带研究的重点和难点之一。北山中部地区古洋壳俯冲极性存在较大争议。与北山中部地区构造演化密切相关的两条蛇绿岩带,分别是北部的明水(芨芨台子)-小黄山蛇绿岩带和南部的牛圈子-洗肠井蛇绿岩带。左国朝等(1990)Zhang et al. (2012a)Zheng et al.(2013)认为明水-小黄山蛇绿岩带为北山地区的主缝合带,古洋壳向南俯冲,而杨合群等(2010)则认为牛圈子-洗肠井蛇绿混杂带为主缝合带,古洋壳向北俯冲。

近年来,对这些蛇绿岩的研究取得了大量的研究成果,获得了一批高精度的年代学和地球化学数据。芨芨台子蛇绿岩中堆晶辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为321±6Ma(李向民等,2012),指示存在早石炭世的洋壳。小黄山蛇绿岩中辉长岩和玄武岩的锆石SHRIMP U-Pb年龄分别为345±14Ma和336±4Ma,表明洋壳形成时代为早石炭世(Zheng et al., 2013)。基性岩的地球化学特征显示小黄山该蛇绿岩可能形成于与俯冲相关的构造环境。杨合群等(2010)认为芨芨台子-小黄山蛇绿岩形成于弧后盆地。牛圈子蛇绿岩中火山熔岩的Rb-Sr等时线年龄为463±18Ma(任秉琛等,2001),辉长岩的锆石U-Pb年龄为ca.444~446Ma (武鹏等2012; Tian et al., 2014),表明牛圈子蛇绿岩代表的洋壳形成于奥陶纪。根据蛇绿岩中熔岩的地球化学特征,牛圈子蛇绿岩被认为形成于大洋中脊(任秉琛等,2001)或俯冲相关的构造环境(Tian et al., 2014)。在北山中部的东端,洗肠井蛇绿岩中辉长岩的锆石U-Pb年龄为533±2Ma,表明该蛇绿岩形成于寒武纪(Ao et al., 2012)。

要限定造山带中古洋壳的俯冲极性,需要对造山带中相关构造单元的大地构造属性及其时空配置过程进行厘定。从蛇绿岩的属性和年代学特征显示,研究区南部的牛圈子-洗肠井蛇绿岩主体形成于早古生代,为北山地区最老的蛇绿岩,代表了古亚洲洋的洋壳残片。牛圈子蛇绿岩北边的勒巴泉地区的变质杂岩由石榴石云母石英片岩、斜长角闪岩、变质硅质岩及少量大理岩等组成,不仅发育多期构造变形的叠加,还存在“基质”夹“岩块”构造混杂现象。物质组成和结构构造均指示该变质杂岩具有弧前增生杂岩的构造属性(Song et al., 2014)。增生杂岩中两个变质碎屑岩的碎屑锆石最年轻的U-Pb年龄峰值分别为424Ma和446Ma (Song et al., 2014, 2015),限定该增生变质杂岩形成时代为晚奥陶世至晚志留世。位于牛圈子蛇绿岩和勒巴泉之间的草呼勒哈德变质杂岩发育区域性倾向北-北东方向的面理和轴面倾向北-北东的褶皱变形,不同时代的变质杂岩之间以断层的形式叠置(图 5),发育上部指向南西方向的逆冲构造(图 4c) (Song et al., 2015)。勒巴泉北边的晚奥陶世-早志留世公婆泉群由玄武安山岩、安山岩、流纹岩及相关火山碎屑岩组成,为典型的岩浆弧的岩石组合。这些玄武安山岩微量元素也显示出弧火山岩的地球化学属性(Song et al., 2015)。公婆泉群中火山碎屑岩形成时代为~441Ma (Song et al., 2015)。因此北山中部由南往北分别分布有洋壳残片、弧前增生杂岩和岩浆弧,并且它们的形成时代大体是一致的(442~446Ma)。这些构造单元的时空分布特征显示北山中部地区在古生代期间洋壳是由南往北俯冲的。而北边的芨芨台子-小黄山蛇绿混杂岩可能代表了石炭纪时期洋壳北向俯冲形成的弧后盆地(杨合群等, 2010; Song et al., 2015)。

野外地质特征和显微构造变形均显示北山中部变质杂岩及相关侵入岩经历了强烈变形。本次研究样品中石英在显微镜下观察具有静态重结晶或动态重结晶的特征(图 6),指示岩石变形发生于350~500℃的温度环境下(Passchier and Trouw, 2005)。黑云母40Ar-39Ar系统的封闭温度为350~375℃ (Mcdougall and Harrison, 1999)。本研究中样品经历的变形温度高于或接近黑云母的40Ar-39Ar体系的封闭温度,使其同位素体系发生重置,因此其年龄可以代表或略小于该样品的韧性剪切变形或变质作用年龄。本文获得的勒巴泉北变质杂岩中花岗质糜棱岩东西方向的右行剪切变形时代为323.1±3.6Ma,勒巴泉石榴石云母石英片岩变质变形时代为296.0±3.7Ma,草呼勒哈德变质杂岩中两个同构造淡色花岗岩40Ar-39Ar年龄分别为261.2±3.1Ma和209.2±4.0Ma,代表两期三叠纪期间的韧性变形事件。这些年龄具有从北向南逐渐变年轻的特征,指示了北山中部变质杂岩及其相关侵入岩的变形时代从北往南依次变年轻(图 2)。增生造山带中的多期变形往往与地体(如岛弧,微陆块,增生楔)陆续拼贴或蛇绿岩的多次就位导致的变质变形作用有关。北山中部地区变形作用从北往南变年轻的现象反映了地体依次向北拼贴,造山带由北向南逐渐增生的特征。这与由南向北的洋壳俯冲极性是相吻合的,佐证了北山中部地区洋壳的俯冲极性是由南向北的(Song et al., 2015)。

4.2 对北山造山带拼合时限的制约

增生造山带在最终拼合之前往往经历长期的大洋岩石圈俯冲作用,造成俯冲板片上盘多期次地体拼贴增生和构造变形事件,如科迪勒拉造山带从早古生代开始至现在一直存在(古)太平洋板块的俯冲作用。已有研究表明,古亚洲洋在北山地区至少从早寒武世开始就发生俯冲作用(Ao et al., 2012),在奥陶纪到志留纪期间形成大量的弧火山岩和中酸性侵入岩(Song et al., 2013a)。然而,对于北山造山带是何时拼合的,尤其是最终拼合时限,一直以来存在重大争议。左国朝等(1995)把分布于北山南带墩墩山-碱泉子一带和北山北带雀儿山-大红山一带的泥盆系火山碎屑岩夹砂砾岩沉积建造定义为碰撞相关的磨拉石堆积,从而认为北山地区在泥盆纪发生碰撞造山作用,之后进入板内活动阶段;余吉远等(2012)根据中泥盆统三个井组不整合覆盖于寒武系和奥陶系地层之上,认为早泥盆世为北山地区古生代洋盆闭合时限上限;Zhang et al.(2012b, 2015)根据花岗岩的年代学和地球化学研究认为北山地区在晚石炭世晚期至二叠纪期间为后碰撞构造背景。然而,近年来的大量基于沉积作用、构造变形及年代学的研究显示,北山地区的俯冲-增生造山过程可能一直持续到二叠纪甚至早-中三叠世(Xiao et al., 2010; Guo et al., 2012; Tian et al., 2015; Song et al., 2016)。

本文在北山中部地区获得的变质-变形杂岩的40Ar-39Ar年代学数据表明北山中部地区韧性变形从早石炭世一直持续到晚三叠世。虽然目前尚不能完全排除中生代期间古特提斯洋闭合过程中板块之间相互作用的远程效应对本区构造变形的影响(即三叠纪以来陆内变形过程),这种持续性的、由北往南依次变年轻的变形特征最合理的解释应该是造山带由北往南持续的拼贴增生作用。这表明,北山中部地区的造山作用可能一直持续到三叠纪。这可以得到区域上晚古生代-早中生代构造事件的印证。如牛圈子蛇绿混杂岩中早中三叠世碎屑岩不整合覆盖于晚二叠世的砂岩之上(Tian et al., 2014),表明存在早三叠世的构造事件;研究区西北约50km的红岩井盆地二叠纪至三叠纪与弧相关的沉积物在晚二叠世至晚三叠世期间(ca.250~219Ma)发生两期褶皱变形(Tian et al., 2015)。这些地质记录表明三叠纪期间北山中部地区仍然处于活动陆缘相关的构造活动时期,可能代表了北山中部地区增生造山过程的最终拼合事件。本区泥盆纪的磨拉石和不整合可能代表了长期拼贴-增生造山过程中的一个幕式构造事件,这在长期演化的增生型造山带中是常见的现象。墩墩山地区所谓的“磨拉石”沉积中除含有砾岩、砂岩等粗碎屑沉积外,还含有大量的安山岩、英安岩和流纹岩等与火山弧相似的岩石组合。高精度年代学和全岩地球化学的研究显示这些火山岩具有岛弧相关的地球化学属性(Guo et al., 2014),因此墩墩山地区泥盆纪岩石组合实际上形成于活动大陆边缘的岩浆弧而非真正的与碰撞相关的磨拉石建造。实际上,在现今的活动大陆边缘增生造山带中与弧相关的盆地(弧前、弧后或弧间)中存在大量的以砾岩和砂岩等粗碎屑沉积为特征的沉积物,并不属于碰撞相关的磨拉石沉积,而是与洋壳斜向汇聚导致的走滑或逆冲构造引起的地壳抬升过程有关(Bassett and Busby, 2005)。北山南带柳园地区二叠纪深水浊积岩、枕状玄武岩和变质硬砂岩的存在表明二叠纪时北山地区尚属于活动大陆边缘的环境(Guo et al., 2012; Mao et al., 2012; Song et al., 2016)。根据区域上岩浆岩和变质岩的K-Ar年代学资料,350~250Ma是北山地区岩浆活动和变质作用最强烈的时期,并在275~250Ma达到顶峰(穆治国等, 1992)。由此可见,北山地区二叠纪时期仍发生广泛的与俯冲-增生造山过程相关的沉积、岩浆和变质变形作用,并延续至三叠纪。

4.3 与相邻造山带的对比

与北山造山带同属中亚造山带南缘的天山造山带和阿拉善-索伦克尔造山带研究程度较高,近年来有大量40Ar-39Ar年代学资料的报道。在西南天山,洋壳型高压变质岩的蓝闪石和白云母40Ar-39Ar坪年龄为ca.310~345Ma,被解释为高压变质岩折返到绿片岩相构造层次的时间,代表碰撞过程晚期或碰撞向后碰撞转换的时期(高俊等, 2006)。北天山赛里木湖地区右行走滑剪切变形时代为~289Ma (Wang et al., 2011)。40Ar-39Ar年代学显示东天山秋格明塔什-黄山韧性剪切带早期挤压推覆剪切作用发生时代为ca.300~280Ma,晚期右行剪切变形时代为ca.263~243Ma,这两期变形分别解释为俯冲-碰撞过程和碰撞后陆内变形过程(陈文等, 2005)。整个天山在250~245Ma左右发生区域性的右行剪切变形(Laurent-Charvet et al., 2003)。北东走向的星星峡断裂穿切了东西走向的天山造山带和北山造山带,其左行剪切变形发生于ca.240~235Ma,晚于东天山ca.270~245Ma的右行剪切作用(Wang et al., 2010),同时也晚于北山地区的右行剪切时代(ca.323~260Ma,本文)。很多学者把天山地区二叠纪时期东西向的走滑剪切变形解释为中亚造山带完全拼合之后南部塔里木地块向北楔入或准噶尔地块构造旋转导致的陆内走滑变形事件(Laurent-Charvet et al., 2002; Wang et al., 2011蔡志慧等2012)。然而三叠纪高压-超高压变质作用在南天山的发现表明塔里木陆块与中天山弧的碰撞可能发生于中晚三叠世,而二叠纪时尚处于洋壳的俯冲阶段(Zhang et al., 2007)。晚二叠世放射虫化石的存在及三叠纪前陆盆地的出现表明南天山碰撞造山作用发生于二叠纪末-三叠纪初期(李曰俊等,2010)。

在阿拉善地区,(黑云)斜长角闪岩中角闪石的40Ar-39Ar坪年龄为ca.277~288Ma,被认为是与中亚造山带二叠纪的造山过程相关(耿元生和周喜文, 2012)。Zhang et al. (2013)在巴彦乌拉山-狼山地区报道了~351Ma(黑云母40Ar-39Ar)上部向西的逆冲变形和~250Ma(黑云母和白云母40Ar-39Ar年龄)北东方向的左行剪切变形,分别解释为华北陆块与阿拉善地块的拼合事件和华北陆块与华南陆块的拼合事件的远程效应。在索伦缝合带东段南缘的燕山地区,丰宁-隆化断裂和赤峰断裂右行走滑兼向南逆冲变形的时代为241~255Ma(角闪石和黑云母40Ar-39Ar结果),被认为是与晚二叠世-早三叠世中亚造山带南缘拼合过程引起的转换挤压作用有关(Wang and Wan, 2014)。

综上所述,整个中亚造山带南缘,从天山、北山到阿拉善-索伦地区,晚石炭世-三叠纪期间都经历了强烈的变质或变形作用,发育广泛的走滑剪切变形。如此大区域的构造-热事件很可能与中亚造山带南缘的最终拼合过程有关(Xiao et al., 2009)。实际上,俯冲-增生造山过程中由于洋壳的斜向俯冲和地体的斜向汇聚往往可以形成大量的走滑挤压或走滑伸展构造,如太平洋东侧的科迪勒拉造山带(Viruete et al., 2006; Oldow, 2015)。中亚造山带南缘的大规模二叠纪-三叠纪走滑构造变形可能形成于类似的地球动力学背景。

5 主要认识

北山造山带中部变质杂岩及其相关侵入杂岩经历了强烈变质变形作用,普遍经历了韧性剪切变形。40Ar-39Ar年代学结果显示变形作用发生于早石炭世至晚三叠世,并且具有自北往南构造变形时代逐渐变年轻的特征。结合北山中部地区岩浆弧、弧前增生杂岩及蛇绿混杂带等岩石-构造单元的时空展布,北山中部在古生代期间发育向北的洋壳俯冲,造山带逐步向南增生。北山中部地区增生造山过程可能一直持续到三叠纪。

致谢      感谢中国科学院地质与地球物理研究所氩-氩与铀-钍-氦年代学实验室王非研究员和师文贝工程师在40Ar-39Ar年代测定过程中的帮助。特别感谢本刊编辑和两位审稿专家高俊研究员、侯泉林教授对本文的认真审阅,并提出了宝贵的修改意见。

谨以此文祝贺李继亮先生八十寿辰,对先生在造山带大地构造学领域的学术造诣和杰出贡献致以崇高敬意。

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