伸展构造与变质核杂岩

1、第八章第八章 伸展构造与变质核杂岩伸展构造与变质核杂岩 伸展构造是在岩石圈拉伸变薄过程中形成的 构造组合型式。伸展构造与挤压构造是全球 构造中最为醒目的两大构造型式，具有同样 重要的意义，它们在时间和空间上有密切关 系。广义的伸展构造包括地堑和地垒、断陷 盆地、裂谷、拉分盆地等。 伸展构造伸展构造 研究进展与现状 自70年代末Davis等在北美盆岭区(Basin and Range province)确立大型伸展构造以来， 造山带伸展构造引起了地质界的极大关注并 形成了一个研究热点。 过去公认的高角度正断层构成裂堑式伸展构 造只是局部的特殊地区，而大多数伸展构造 则是以上陡下缓的铲形(list

2、ric)低角度正断层 (low-angle normal fault)和拆离断层 (detachment fault)为特征。 伸展构造主要发育于造山带：就全球范围而 言，造山带是伸展构造发育的主要地区。因 为造山带具有较厚的地壳和较大的重力势能造山带具有较厚的地壳和较大的重力势能 差差以及较低的抗拉强度和构造不连续性较低的抗拉强度和构造不连续性，并 且下部热活动又比较强烈。这可能也是洋盆 多次开合于同一位置的重要原因之一。 全球不同地区不同时代的造山带几乎都发育 伸展构造，南非太古代巴比顿花岗绿岩带， 欧洲加里东和海西造山带，北美科迪勒拉， 欧亚特提斯喜马拉雅造山带，中国天山 兴蒙、昆仑山、

3、祁连山、太行山、燕山、秦 岭、大别山等。 造山带伸展构造具有多阶段性和多样性：既 有同造山期的伸展构造，也有造山期后的伸 展构造；既有平行于造山带的伸展，也有垂 至于造山带的伸展。伸展构造发育的机制也 各不相同。 造山带的夷平作用：以往认为造山带的夷平 作用主要是剥蚀，研究发现，伸展构造造成 的构造剥蚀更为重要，甚至起主导作用。 伸展构造与岩浆活动密切相关：岩浆活动既 可以是伸展构造的起因和促成因素，也可以 是伸展构造的产物。 标志着造山旋回的结束：造山后的区域性伸 展构造运动标志着一个造山旋回的结束，进 一步发展可作为下一构造旋回的开端。 造山带伸展构造是造山带地壳演化，乃至岩 石圈演化的重

4、要阶段，对此的研究具有重要 意义。 几几 何何 模模 式式 B. Wernicke和B.C. Burchfiel (1982)根据断层面几何形态和位移特点将 正断层分为两大类，即非旋转的高角度正断层和旋转的低角度拆离断层。 一一 多米诺式正断作用(Domino-style normal faulting) 平面状正断层旋转逐渐变缓，并且在老的多米诺断层系统固定之后，又 发育一组新的多米诺断层系；形成拉伸盆地。 原来水平的地层发生旋转逐渐变陡。断层旋转，地层也旋转。 二 铲形正断作用(Listric normal faulting): 断 层面呈凹面向上的铲形，伴随由坍塌 (collapse)引

5、起的反向牵引(reverse drag). 三三 叠瓦式铲形正断作用(Imbricate listric normal faulting): 一系列铲形正断层呈叠瓦式产出，同样具有 反牵引。 四四 铲形正断作用限定的平面正断层(listric normal faulting bounding a family of planar normal faults): 铲形正断作用控制的多米诺式正断层。 力学模式力学模式 大陆伸展构造发育大陆伸展构造发育 的三种模式的三种模式 Lister (1986)概括出 了大陆伸展构造发育 的三中模式，即纯剪 切模式、简单剪切模 式、分层剪切或滑动 模式。 伸展

6、构造发育的位置伸展构造发育的位置 地幔物质上涌地区，即洋中脊和大陆裂谷区； 活动大陆边缘，即弧后扩展区； 挤压应力减小或消失的大陆或地体边界，即造 山带。造山作用使地壳增厚和垂向压力增大， 加之水平挤压力的减小甚至消失以及下部物 质上涌和拆沉作用导致应力三主轴的转换， 从而产生水平拉伸应力场。 控制因素 两个主控因素：板块运动和地球内部物质运移所造 成的应力场；岩石圈的强度。前者是关键。由此决 定了伸展构造发育的位置。 岩石圈的强度特性：实验和理论计算表明，岩石圈 的抗拉强度是圈内单个层强度的垂向积分，主要受 地热梯度、物质组分和地壳厚度的影响，其中地壳 厚度是关键。岩石圈变形由石英(上地壳)

7、、长石(下 地壳)、橄榄石(上地幔)三个层次的蠕变机制构成， 所以其抗拉强度自上而下增强。 岩石圈强度影响因素： 1.物质构成物质构成 石英质长石橄榄石强度增强； 2. 地热梯度地热梯度 地热梯度增高岩石圈塑性软弱层 增厚，能干区域上移，整体抗拉强度降低,应 力集中于强度低的上部岩石圈使之破裂形成 伸展构造； 3. 地壳厚度地壳厚度 地壳增厚同样使岩石圈能干区域上 移，抗拉强度降低。 造山带的强度特点造山带的强度特点 地热梯度高地热梯度高 俯冲板片拆沉、热的软流物质补 充于造山带根部形成热穹隆以及热对流夷平 作用等造成地热梯度升高； 岩石圈厚度大岩石圈厚度大 造山作用大大增加了地壳特别 是上地

8、壳的厚度。此外，造山带本身为一构 造薄弱带，具有构造不连续性。 造山带抗拉强度最弱造山带抗拉强度最弱 是发育伸展构造的有利 位置，从而决定了造山带伸展构造发育的普 遍性。 造山带伸展构造发育的阶段性造山带伸展构造发育的阶段性 根据伸展构造与造山作用之间的时间关系可 分为： 同造山伸展构造同造山伸展构造 伸展构造与造山作用同期形 成，以造山挤压导致的侧向挤出和逃逸为主 要形式，伸展方向多与造山带平行。持续时 间与造山作用时间一致，可发生于造山过程 的各阶段，并可造成地壳减薄和深部物质的 隆升，形成伸展构造和变质核杂岩等。可能 产生高压变质与伸展构造伴生现象。 造山后伸展构造造山后伸展构造 发生于

9、碰撞挤压作用减弱或 消失后，增厚的造山带楔体在重力势能差、 拆沉作用以及其它因素影响下形成大规模伸 展构造，这类伸展构造更为普遍。其伸展方 向总体与造山带垂直，造成地壳减薄和中下 地壳抬升，形成拆离断层和变质核杂岩。持 续时间一般30 Ma，主要集中于前10Ma。由 于下部热作用和构造剥蚀，使该阶段伸展构 造处于高温低压环境。 拆拆 沉沉 作作 用用 拆沉作用拆沉作用(delamination)：大陆岩石圈地幔由于较 软流圈温度低、密度大，从而产生重力不稳，如有 合适条件，岩石圈地幔将沉陷入软流圈中，并使岩 石圈减薄；Houseman等认为岩石圈减薄是对流的 结果，由于密度较大的岩石圈地幔覆于

10、密度较小的 软流圈地幔之上造成对流，导致岩石圈地幔沉入软 流圈中。这种造成岩石圈地幔沉入软流圈中的作用 即为拆沉作用。 理论计算证明，岩石圈根带的拆沉作用可以产生水 平方向的张性差异应力50100MPa，足以驱动大规 模伸展构造的发育。Ranalli(1997)认为岩石圈拆沉 作用是造山带构造演化的主要动力学过程，可导致 由挤压体制向伸展体制转换。 造山带大陆岩石圈拆沉作用机制造山带大陆岩石圈拆沉作用机制 深部机制深部机制：造山带根带由于拆沉作用或对流 夷平作用而逐渐消失(去根作用)，导致造山带 的浮力反弹。去根作用和热软流物质的补充 在造山带下形成热穹隆，同时使地壳产生广 泛的部分熔融，形成

11、岩浆上涌，进一步增加 反弹效应。导致造山带拉伸应力场。 上部机制：上部机制： 1. 造山带与周围相比存在较陡的压力梯度和较 大的势能差，使造山带楔体有发生重力扩散 以达到与周围平衡的趋势； 2. 水平挤压应力的减小和消失，使增厚产生的 巨大垂向压力成为主压应力，形成有利于重 力扩散的应力场； 3. 造山带中普遍发育的低角度逆冲断层极易活 化形成拆离断层。 在垂向压力梯度和重力势能差的作用下，在深 部和壳内各种因素的影响下，造山后发生大规 模伸展构造运动，使地壳减薄，下部物质隆升。 伸展构造区地壳结构模式伸展构造区地壳结构模式 脆性拆离 韧性剪切 岩墙群 变质核杂岩和拆离断层变质核杂岩和拆离断层

12、 变质核杂岩(metamorphic core complex)和拆离断 层(detachment faults)是造山带伸展构造的特征产 物。 变质核杂岩变质核杂岩 Davis (1977)首先提出了变质核杂岩概念； Coney (1980)给出定义“一组近圆形或椭圆形的由 强烈变形的变质岩石和深成岩组成的分散孤立的穹 状隆起，上覆以断层分割并远距离滑移的未变质盖 层岩石”； Sefert (1987) 进一步定义为“近圆形或椭圆形，由 强烈变形变质的岩石以及侵入其中的岩体组成，其 上为变形变质程度较轻的岩石覆盖，或者被覆以拆 离并远距离运移的岩石”。 变质核杂岩的特征 1. 空间上呈穹隆状

13、或长垣状孤立隆起，通常具有一 翼陡一翼缓的特征； 2. 由深部隆升的中、下地壳古老的中深变质岩组成， 常见晚期的中酸性岩浆侵入体； 3. 核杂岩顶部和周缘为以糜棱岩状岩石为特征的韧 性剪切带，糜棱岩带的顶部被拆离断层切割，使早 期的糜棱岩发生脆性变形； 4. 拆离断层上盘为变形变质较轻的上地壳岩 石，以脆性变形为主； 5. 上盘的脆性伸展方向、拆离断层的滑动方 向、下盘糜棱岩的运动方向具有一致性，反 映了统一的运动方式。 变质核杂岩形成的构造背景变质核杂岩形成的构造背景 (1)大洋板块俯冲后期的大陆边缘弧内背景及弧后背景。典型 的科迪勒拉变质核杂岩带位于北美克拉通西缘的大陆斜坡深 部。宽800

14、1600 km的科迪勒拉造山带是中生代中生代古新世古新世太 平洋板块的俯冲增生与地体拼贴带或挤压推复带。当20 Ma 左右SanAndreas断层发生右旋走滑时,该区开始伸展。盆岭 省位于内华达州的Las Vegas,是一个受制于黄石地幔柱的新 近纪伸展构造区(Hill et al.,1992;Parsons et al.,1994),拉张高 峰发生在1015 Ma,速率2030 mm/a (Wernicke et al.,1988),为内部浮力和外部重力势能联合作用的结果(Jones et al.,1996)。我国则有扬子板块西缘的江浪及丹巴变质核杂 岩(宋鸿林,1995;Yan Danpi

15、ng et al.,2003a)、内蒙古亚干变 质核杂岩(郑亚东和张青,1993;郑亚东,1999a)等。 (2)陆陆碰撞带构造背景。如东阿尔卑斯的中新世 变质核杂岩(Ratschbacher et al.,1991)等。 (3)与雁行状板内走滑断层系相关的走滑伸展区。如 加州死谷的黑山上新世全新世变质核杂岩(Davis 和郑亚东,2002)。 (4)海底扩张裂谷系向陆缘扩张部位。如DEn- trecasteaux岛变质核杂岩(Hill et al.,1992)。 (5)板内伸展区。如云蒙山变质核杂岩 (ZhengYadong et al.,1988,1989; Davis et al.,19

16、88)、 中条山变质核杂岩(傅昭仁,1992)、武功山变质核杂 岩(Faure et al., 1996;舒良树等, 1998; Wang Dezi et al.,2001;楼法生等,2002a)等。 拆拆 离离 断断 层层 拆离断层拆离断层(detachment fault) 最早 由Pierce于1963年提出，当时是指 叠瓦状逆冲断层的底板断层，即滑 脱面。Davis 1980年将其应用于伸 展构造，定义为“结晶变质基底杂 岩与上覆沉积盖层之间的大型低角 度正断层或伸展断层”。即分割变 质核杂岩与上盘岩石的并将这两种 构造层次相差很大的岩石单元叠置 于一起的大规模低角度正断层。 拆离断层

17、是伸展构造区一种平缓产出的铲状拆离断层是伸展构造区一种平缓产出的铲状 大型正断层。并且往往伴生变质核杂岩体。大型正断层。并且往往伴生变质核杂岩体。 一般产出于基底与盖层之间。其上为拆离上一般产出于基底与盖层之间。其上为拆离上 盘，其下为拆离下盘。上拆离盘是一套浅层盘，其下为拆离下盘。上拆离盘是一套浅层 次的正断层组合，下拆离盘为变质核杂岩次的正断层组合，下拆离盘为变质核杂岩 （体）。（体）。 其特征是水平拉伸，分层正向剪切其特征是水平拉伸，分层正向剪切 a-拆离作用的开始，沿拆离带形成糜棱岩； b-拆离断层引发低角度正断层； c-下盘向上拱弯； d-下盘高处变质核杂岩构造形成 拆离断层的特征拆

18、离断层的特征 1.将年轻的变质变形程度轻微的浅构造层次岩石叠 置于强烈变质变形的深构造层次岩石之上; 2. 规模巨大，一般具有区域性； 3. 位移量大，可达数10km； 4. 上盘以一期或多期正断层形式伸展，这些正断层 呈铲状或多米诺状，向下并入拆离断层； 5. 拆离断层具有特征的构造岩系，即糜棱岩、绿泥 石化角砾岩(含假熔岩)、断层角砾和断层泥。它们 自下而上顺序产出，向上变新并且发生后者对前者 的叠加，各类构造岩的发育厚度也依次变薄。 Davis和Lister (1988)认为， 拆离断层置根于中地壳，其 前缘或分支断层向高构造层 位扩展并切出地表。 在核杂岩隆升过程中，拆离 断层某点所处

19、的构造层次逐 渐升高，断层带随之变窄， 后期形成的浅层次构造叠加 于先期形成的深层次构造之 上，形成变质核杂岩特有的 拆离断层边界。 沿拆离断层的不同构造层次， 自下而上分别形成糜棱岩状 岩石、绿泥石化角砾岩、微 角砾岩和假熔岩、断层角砾 和断层泥。 岩浆作用与伸展作用的关系岩浆作用与伸展作用的关系 在造山带伸展构造成因机制方面，岩浆作用 与伸展构造的关系一直为众多地质学家所关 注，其中何者为主动因素和伸展作用过程中 岩浆的生成规模存在较大争议，因此，岩浆 侵入作用与变质核杂岩以及伸展构造的关系 成为一个比较前沿的研究课题。 两种观点： 岩浆作用是伸展作用的结果； 伸展构造是岩浆作用诱发形成的

20、。 目前的总体认识：区域的水平拉伸应力场为 伸展构造和岩浆作用提供了条件，但未必是 先决条件，也不一定是伸展构造发育的直接 原因，而岩浆作用则更可能是伸展构造的必 要因素，并且可能是产生拉伸应力场的原因 之一。 认识趋势：以前倾向于伸展构造为主导，但 越来越多的研究表明岩浆侵位在变质核杂岩 的形成过程中起着决定作用。 确定岩浆作用与伸展作用何者为主动的方法 有三种： 1. 时间顺序，即何者在先即为主动； 2. 岩浆岩的岩性和岩石地球化学； 3. 岩石有限应变测量。 一一 伸展作用导致岩浆的产生伸展作用导致岩浆的产生 伸展断层早于岩浆的形成；或两者同时形成， 但岩浆活动受控于伸展构造。 北美西部

21、岩石圈伸展断层早于岩浆作用， Hooperet al.(1995)和Brooks et al. (1995)认 为是伸展作用岩石圈地幔减压部分熔融所致； 美国内华达东南部的伸展作用与岩浆活动同 时发生，但前者控制后者，Scott et al. (1995) 提出岩浆形成于岩石圈韧性伸展，即岩石圈 韧性伸展是软流圈上涌，导致地幔和地壳的 部分熔融。 二二 岩浆作用是伸展构造的诱因岩浆作用是伸展构造的诱因 主要论点：造山带根带的拆沉作用和热对流 夷平作用在地壳均衡反弹的同时，热松弛和 热物质补充形成大规模重熔，重熔物质的上 升进一步加强浮力反弹，加之侵位侧向应力， 形成拉伸应力场(Vissers

22、et al., 1993; Platt et al., 1993). 合理解释：在各种因素导致的拉伸应力场作 用下，岩石圈地幔和地壳通过减压或深部热 活动发生部分熔融而形成岩浆，岩浆的上涌 和对地壳的弱化作用触发伸展构造的发生。 岩浆来源岩浆来源：地幔楔、软流圈、地壳 地幔楔 富集的地幔楔可能是最主要的岩浆来源。北 美盆岭区岩浆地球化学分析表明，与伸展构造有关 的基性岩来源于伸展期岩石圈地幔的减压部分熔融， 因大离子亲石元素(LIL)极度富集、高场强元素 (HFSE，小半径的高电荷离子的元素，包括REE、 Sc、Y、Th、U、Pb、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta等。 其 离子势2 )亏损、Sr初

23、始比高、Nd低，不相容元素 的富集程度比地幔柱岩浆高，与俯冲性岩浆的化学 性质相似。 软流圈 科勒拉多高原西部的基性岩地球化学性质与 洋岛玄武岩(OIB)相似，Wenrich等(1995)认为是来源 于软流圈。 地壳 壳源岩浆主要是指下部熔体上升过程中的地壳 混染和地壳受来自地幔热影响产生的部分熔融，如 我国小秦岭变质核杂岩中的壳幔混熔型岩浆，加拿 大Shuswap变质核杂岩中的高铝花岗岩。 伸展构造带中岩浆成因机制：伸展构造的减压 作用；岩石圈下部和软流圈的热活动。后者 最为流行，尤其在造山带伸展构造中。 部分熔融方式 增厚松弛熔融垮塌过程：造山作用形 成富集根带，在随后的热松弛过程中必然产

24、 生部分熔融； 拆沉和软流物质的补充：造山带根带的拆沉 作用和软流圈物质的补充而形成热穹隆。 岩浆作用是主因的依据岩浆作用是主因的依据 时间关系：岩浆作用多发生于拆离断层活动之前或 断层活动的早期； 变质作用：有的变质核杂岩在岩体周围形成构造前 和同构造的高温接触变质，PTt轨迹表明高温变质 后的减压过程； 构造关系：不是构造控制岩浆而是岩浆控制构造。 如果构造控制岩浆岩浆将沿着拆离断层形成很长的 背形，但变质核杂岩内的岩体多为穹隆状，而且呈 底辟状。尤其拆离断层糜棱岩前锋带，空间上严格 受岩体的控制，时间上与岩体一致，变形和变质程 度与岩浆的性质密切相关，证明岩浆熔化地壳，触 发拆离断层的观

25、点。许多变质核杂岩的地壳厚度比 周边厚，也是岩浆注入所致。 需要进一步解决的问题需要进一步解决的问题 精确定年 包括岩体成岩和上升年龄、拆离断层的活 动年龄，尤其是后者。准确的时间关系是进一步确 定岩浆与拆离关系的关键； 地球化学和同位素分析 以解释伸展作用中岩浆的形 成过程和地幔的作用，从而探讨岩浆的成因机制及 其与伸展的关系； 地球物理研究 高分辨的地球物理资料有助于研究岩 体与伸展构造的深部关系； 拆离断层变形机制的精细研究 运用岩石有限应变测 量等方法和手段，进行精细的定量化的构造变形机 制分析，确定拆离断层的变形过程，进而其与岩浆 作用的关系。 应用实例应用实例 变质核杂岩构造流体系统示意图变质核杂岩构造流体系统示意图 多期岩浆活动中心（高热流梯度、环境）多期岩浆活动中心（高热流梯度、环境） 两种流体交汇两种流体交汇 氧化与还原氧化与还原 流体运移、聚集空间流体运移、聚集空间 矿源层矿源层(岩岩) 大云山变质核杂岩构造 中的拆离断层带发生多 次拆 离，在不同的拆离 断层中都有矿