柴达木北缘超高压变质带形成的构造背景

柴达木北缘超高压变质带形成的构造背景

青藏高原东北部的加里造山带向东南延伸，有nww-揭示，长800公里，宽400公里。北邻河西走廊,南接柴达木盆地,东连西秦岭山脉,西被阿尔金断裂所截切。祁连山加里东造山带的形成为阿拉善板块(北中国板块西段)、祁连微板块与柴达木—东昆仑板块(扬子板块西段)在加里东期间汇聚、碰撞及造山的结果。三板块之间分别有北祁连俯冲-碰撞杂岩带及柴达木北缘(简称柴北缘)俯冲-碰撞杂岩带相隔(Zhiqin位于阿拉善及祁连微板块之间的北祁连俯冲-碰撞杂岩带由蛇绿岩、混杂堆积和高压变质岩组成(近年来,在柴北缘发现了绿梁山石榴子石橄榄岩(本文主要结合祁连微板块加里东板块体制深入研究,进一步确认地体边界的存在及性质,揭示柴北缘超高压变质带形成机制,通过超高压变质带折返过程中形成的构造样式和几何学运动学特征及其年代学研究,解析柴北缘超高变质带的折返机制及时限,提出柴北缘超高压变质带形成与折返模式。1祁连微板块的加里东板块体系以及柴北缘超高压变质带的形成1.1祁连微板块的组成位于阿拉善板块与柴达木—东昆仑板块之间的祁连微板块,宽240km,长600km,祁连微板块的南北边界分别为柴北缘俯冲碰撞杂岩带和北祁连俯冲碰撞杂岩带。祁连微板块的加里东构造单元自北向南可以划分为4部分:①中祁连变质基底;②南祁连加里东褶皱构造带;③欧龙布鲁克地块;④柴北缘加里东火山岛弧带(图1)。1.1.1高角闪岩相变质岩系“中祁连变质基底单元”主要分布在祁连微板块北部的野马南山—疏勒南山—煌源一带,由0.9～1.0Ga形成的高角闪岩相变质岩系及其上的绿片岩相变质岩系组成。研究表明祁连微板块的变质基底与柴北缘、柴达木—东昆仑板块及扬子板块的变质基底类似,是晋宁期0.9～1.0GaRodinia超大陆形成时发育起来的基底(1.1.2深水—南祁连加里东褶皱构造带“南祁连加里东褶皱构造带”位于祁连微板块中部,广泛分布寒武系—奥陶系的地层,主要由厚度变化很大(>3000m)的砂板岩、千枚岩和中基性火山岩组成,代表深水—半深水型的复理石沉积,含有大量“华南型”古生物分子及南北“混合型”动物群,祁连微板块的志留系复理石沉积类型及笔石动物群均为“华南型”(1.1.3奥隆布鲁克地块祁连微板块南部的“欧龙布鲁克地块”由前震旦纪达肯达坂群的高级变质岩系——麻粒岩相(1.1.4锡铁山—柴北缘加里东火山岛弧带在祁连微板块南缘,早古生代的滩涧山群及沙柳河群绿片岩相的火山和火山沉积岩系沿小塞什腾山—塞什腾山—锡铁山—都兰断续分布,延伸约400km,宽度仅10余千米,十分狭窄。沿柴北缘傲崂山—绿梁山一带还发现与火山岩伴随的钙碱系列的I型花岗岩,其岩石组合为二长闪长岩-石英二长闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩,具有明显的Nb和Th负异常,同时还具有P、Ti、Ba正异常,显示出岛弧Ⅰ型花岗岩的特征(1.2柴北缘超高压变质带根据祁连微板块的组成,可以看出祁连微板块在加里东期是由若干小陆块组成的裂解的微板块,北面是被陆间裂谷裂解的中祁连变质基底陆块,南面是由变质基底及下古生代“华北型”地台相沉积岩组成的欧龙布鲁克陆块,中间为下古生代(寒武纪—志留纪)复理石沉积组成的深水—半深水海盆,含“华南型”生物分子。在祁连微板块与柴达木—东昆仑板块汇聚边界,发育了宽度十分狭窄的柴北缘加里东俯冲碰撞杂岩带,由蛇绿岩及超高压变质岩组成,狭窄的岛弧火山岩块体位于超高压变质地体的两侧,与北祁连加里东俯冲碰撞杂岩带与连续、整齐又较宽的北祁连火山岛弧带明显分开显然不同。柴北缘蛇绿岩由橄榄岩、辉长岩、堆晶岩及辉绿辉长岩墙群组成(断续延伸350km的柴北缘超高压变质带是柴北缘加里东俯冲碰撞杂岩带最主要的组分,超高压变质带由榴辉岩、含柯石英的片麻岩及石榴子石橄榄岩组成。pt轨迹研究表明,西段大柴旦榴辉岩形成于t=620～730℃,p=2.3～2.8GPa;锡铁山榴辉岩形成于t=770～810℃,p>1.4GPa;东段都兰北带榴辉岩形成于t=610～680℃,p=2.6GPa以及大柴旦石榴子石橄榄岩形成于t=837℃,p=2.2GPa(根据以上研究成果分析,我们可以对祁连微板块加里东期板块体制及柴北缘超高压变质带的形成作如下初步的重塑:(1)南祁连洋盆形成时代为早寒武世,与北祁连洋盆形成时代相近,祁连微板块是一个裂解的微陆块,因此推测南北祁连洋盆可能相连,洋盆中间存在微陆块。(2)祁连微板块南部存在岛弧火山岩浆带,形成时代为晚寒武世—早奥陶世,推测它们的形成与南祁连洋盆的向北俯冲作用有关,是俯冲的增生岛弧地体。(3)在都兰含榴辉岩的围岩——石榴子石白云母片麻岩中发现了柯石英((4)祁连微板块中南部下古生代地层的加里东期构造变形表现出具向南造山的极性特征:自北向南由直立褶皱→向南倒伏的同斜褶皱→平卧褶皱的变化,伴随剪切指向向南的韧性逆冲断裂。为柴达木—东昆仑板块的向北俯冲于祁连微板块之下提供了依据。2质作用的发挥一般说来,在超高压变质带中显示的主体构造为折返构造,早期俯冲阶段的构造经过后期折返改造及退变质作用已很少保存。为了研究柴北缘超高压变质带的折返事件,现就折返构造样式和机制以及折返时限进行讨论。柴北缘超高压变质带可分为西段(鱼卡—绿梁山—锡铁山超高压变质地体)和东段(都兰北超高压变质地体)两部分。西段呈NW-SE走向,宽度3～5km,东段渐变为EW走向,宽度超过15km。2.1都兰超高压变质地体的岩石组合东段都兰超高压变质地体位于都兰以北野马滩—沙柳河一带,地体外侧及内部出露晚寒武世—早奥陶世岛弧火山岩系,并被晚加里东期花岗岩侵入。在地体南部的前陆部位,晚泥盆世红色磨拉石沉积不整合覆盖在岛弧火山岩上(图2a)。都兰超高压变质地体东部由于北北西向温泉右行走滑断裂的切错,向东延展情况不详。都兰超高压变质地体的主要岩石组合为二长片麻岩,黑云二长片麻岩、二长斜长片麻岩、花岗质片麻岩、含柯石英的石榴子石白云斜长片麻岩、角闪岩、二长片岩、长英质黑云片岩及含十字石石榴子石黑云斜长片麻岩,含蓝晶石黑云斜长片麻岩,含蓝晶石二云石英片岩,二云石英片岩和大理岩,岩石部分发生糜棱岩化。大量的辉长岩、辉绿岩、蛇纹石化辉橄岩、纯橄岩、榴辉岩及石榴子石角闪岩呈团块状及透镜状产于围岩中。在折返事件中,岩石遭受退变质作用,表现为:①Omp→Cpx+Pl(Ab>75%);②Omp+H都兰超高压变质地体折返构造由北面的野马滩倒转背斜及南面的沙柳河右行韧性挤压转换剪切带两部分组成。2.1.1地体拉伸变形特征都兰超高压变质地体的变质面理总体呈东西走向,面理重褶皱形成一个倒转背斜——野马滩倒转背斜。图2b显示了倒转背斜的面理自北向南的如下变化:由向北的陡倾面理渐变为向北缓倾及近水平面理,又转为向北陡倾的面理(图2a,b)。面理上发育纵向近水平的韧性拉伸线理是超高压变质地体最显著的特征,即拉伸线理平行于变质地体的走向和山链的方向。韧性拉伸线理形式多样,表现为榴辉岩条带的拉伸截断及矿物纤维的充填、蓝晶石矿物的拉伸及定向、长英质矿物的拉伸以及花岗质与硅质条带的布丁化等。根据变质地体中面理和拉伸线理的数据测量,表明无论面理的产状如何变化,拉伸线理均为EW方向。在陡倾的面理上还发现被水平拉伸线理所切割的垂向拉伸线理,垂向的拉伸线理可能代表折返早期位于深部的运动矢量。在野马滩倒转背斜的各部位中,剪切应变都十分明显,表现为σ型和δ型碎斑体系、S-C构造、不对称拖曳褶皱、多米诺骨牌构造及石榴子石中包体旋转等。在大范围缓倾(10°～30°)面理组成的倒转背斜顶部,在垂直面理及平行拉伸线理的XZ面上,可见到上盘向东滑移的剪切应变(图3a);在倒转背斜北翼和南翼均发育向北陡倾的面理带,XZ面上的剪切应变表现为北翼具韧性左型走滑、南翼具韧性右行走滑特征(图3c),剪切应变指向可通过石英的晶格优选方位来确定。对野马滩倒转背斜中部近水平及缓倾的糜棱面理带中3类石英——拉伸石英,石英条带中矩形石英及糜棱质石英(<0.1mm)分别进行了优选方位测定(图3b):①拉伸石英的优选方位:在XZ面上可见石英拉伸X:Z达10:1和20:1,具明显的波状消光及亚晶结构,石英的优选方位由具{0001}<a>滑移系的底面组构,2.1.2韧性剪切带的韧性化在野马滩倒转背斜南翼,发育由近直立的糜棱面理带组成的沙柳河韧性剪切带,由花岗质糜棱岩、糜棱岩化片麻岩、碳酸盐岩糜棱岩以及具强烈的剪切应变的角闪片岩和石英片岩组成,发育“A”型褶皱,在XZ面上剪切应变标志指示右行平移特征(图3c)。同时在YZ面上发育自北向南逆冲的剪切应变,因此,沙柳河韧性剪切带具韧性右行挤压转换带的性质。花岗质糜棱岩中的拉伸石英,石英条带中矩形石英及糜棱质石英具有3种优选方位:2.2构造背景及剪切带特征依据NW-SE向的大柴旦超高压变质地体包括锡铁山、绿梁山和鱼卡3个小地体,宽度约3～5km。围岩由大肯达坂群花岗片麻岩及副片麻岩组成,榴辉岩、石榴子石橄榄岩及蛇绿岩团块被包含其中。虽然,在大柴旦超高压变质地体中没有发现柯石英,但榴辉岩的温压条件及柯石英假象等提供了超高压变质的证据。变质地体与寒武纪—奥陶纪火山岩、火山碎屑岩及大理岩接触。与都兰超高压变质地体一样,锡铁山超高压变质地体变形构造主体显示角闪岩相及绿片岩相条件下的变形作用,没有保留榴辉岩相的变形构造。区域面理总体走向NNW-SSE向,地体两侧均向NE方向陡倾,中间部位面理缓倾及近水平,总体呈一个面理重褶皱的倒转背斜构造。在面理上以硅线石、长石及长英质脉等拉伸所表示的近水平拉伸线理,呈NW-SE向平行地体方向展布,和都兰变质地体一样为纵向水平拉伸线理(图4)。在锡铁山倒转背斜顶部近水平或缓倾面理上,剪切应变指示物质由NW向SE方向运动,糜棱岩化片麻岩中的糜棱质石英和重结晶矩形石英的优选方位表现为从中高温(>600～450℃)组构在锡铁山超高压变质地体与晚寒武世一早奥陶世火山岩接触的西南边界,发育一条NW-SE走向面理向北陡倾的韧性剪切带,由花岗质糜棱岩及火山质糜棱岩组成,近水平拉伸线理向SE缓倾,侧伏角20°～30°,糜棱质石英和重结晶矩形石英的优选方位也显示了中高温到中低温的转化过程,剪切应变指示右行走滑特征(图5c)。在垂直面理和线理的截面(YZ)上,同样发现挤压逆冲的变形特征,表明具右行挤压转换的特征,和都兰的情况一样。因此,锡铁山倒转背斜与野马滩倒转背斜相类比,锡铁山右行韧性挤压转换剪切带可与沙柳河右行韧性挤压转换剪切带相连。鱼卡超高压变质地体研究较少,但可能也是一个NW-SE轴向的倒转背斜构造,沿倒转背斜北东翼的NW-SE向陡倾面理上发育向NW缓倾的拉伸线理,显示了左行正滑的特点。3柴北缘超高压变质带的返回期为了解决超高压变质带折返构造的变形期次及成因机制,我们分别选择了东段都兰北带近水平糜棱面理及南带近直立糜棱面理上的白云母进行3.1构造地面理北倾、内倾白云母、白云母样品为含柯石英糜棱岩化花岗质片麻岩(99Y117),面理北倾,倾角20°,白云母形成于糜棱岩化后期阶段,剪切应变显示自西向东的滑移特征。该样品有一个很好的坪年龄,7个升温阶段包括90%以上的3.2拉伸及等时线年龄样品为锡铁山超高压变质地体SW侧韧性右行挤压转换剪切带中的花岗质糜棱化片麻岩中的白云母(ST18M),糜棱面理走向145°,倾向北东,倾角80°,拉伸线理产状145°<30°。经12个升温阶段,所得的坪年龄为405.7±0.9Ma(表5),等时线年龄为404.66±4.3Ma,与坪年龄相似(表2,图6c,d)。上述测年数据表明,超高压变质地体的两类折返构造大致在同一时间(400～406Ma)形成,另外根据侵入都兰北带超高压变质地体野马滩花岗岩的锆石的SHRIMP测年获得397±4Ma4“斜向挤出”的二维模型关于超高压变质带如何从地幔深处返回地壳浅部的难题至今尚未真正解决,不同的折返模式应运而生,其中具代表性的观点归纳有:①剥蚀及浮力作用(柴北缘超高压变质带最显著的折返构造特征表现为变质面理的重褶皱,形成倒转背形构造。在背形顶部近水平的面理上发育纵向近水平的拉伸线理,剪切应变显示了自西向东的滑移特征。而倒转背斜构造的北侧及南侧分别发育左行和右行挤压转换韧性剪切带。根据向东的滑移和右行挤压转换构造的同位素年代数据(400～406Ma),笔者认为它们的形成可能是同时的,是两种机制的集成:(1)垂向挤出机制:在板块碰撞陆壳深俯冲过程中,超高压变质带在深部破裂,板块汇聚使大陆俯冲板片很快在浮力下折返上隆,造成垂向挤出机制。由于软性物质在刚性壁中向上挤出,因而造成俯冲板片上部面理拱起及拉伸线理水平的构造,这种情况与单纯的水平挤压作用不同,因为单纯水平挤压通常形成直立面理及垂直拉伸线理。(2)挤压转换:柴北缘超高压变质地体的倒转背斜向SE及E方向滑移的同时,背斜两翼分别形成左行挤压转换和右行挤压转换剪切带,而且南侧右行挤压转换剪切带的规模比北侧左行挤压转换剪切带大得多。这种构造组合样式的产生说明俯冲过程的驱动力并非是板块的正向汇聚力,而是斜向汇聚力。因此,斜向俯冲造成了两种变形分解作用:即“垂向挤出”与“挤压转换”,我们把这种集成称为“斜向挤出”。值得注意的是,在其他一些变质地体中也发现与地体走向平行的纵向拉伸线理,如法国华力西造山带南部黑山变质穹窿带及高喜马拉雅变质带(笔者考察所见)。法国华力西造山带南部黑山是由前寒武系片麻岩组成的圆锥形变质穹窿,面理褶皱成背形构造以及发育纵向(近东西向)拉伸线理的基本特征与柴北缘超高压变质带十分相似。但两者不同之处在于黑山变质穹窿之东西两侧剪切指向刚好相反,东侧向东,西侧向西,为双向剪切;而柴北缘超高压变质带是长条形背形构造,剪切应变均朝东,为单向剪切。Matte等(1998)提出,黑山变质穹窿是一种与南北向同轴挤压及纵向(东西向)拉伸有关的机制(图7a)。柴北缘超高压变质带的斜向挤出的机制比黑山要复杂得多,这种机制为垂向挤出和挤压转换集成的非同轴挤压的“斜向挤出”。图7b,c为假设的“斜向挤出”的三维模型,超高压变质岩片是在板块斜向汇聚的主应力作用(pp)下,产生“斜向挤出”(Oe),它可分解为向东滑移分量(L)、垂向挤出分量(Ve)、左行挤压转换分量(Ss)及右行挤压转换分量(Sd)。左行挤压转换分量比右行挤压转换分量小得多。在超高压变质地体折返机制的研究中,“斜向挤出”折返机制的提出尚为首次。柴北缘400Ma期间超高压变质地体“斜向挤出”折返机制的产生意味着祁连微板块相对柴达木东昆仑板块曾发生向右的运动。无独有偶,阿拉善板块相对祁连微板块的右行运动也发生在400Ma(5山东冲淤-碰撞柴北缘UHP变质带形成于490～440Ma,开始折返年龄为470～460Ma,最后折返时间为406～400Ma,这是祁连山加里东俯冲-碰撞过程中最重要的地质事件。我们大致可将超高压变质地体的形成-折返历史分为以下阶段(图8):5.1岛弧岩浆带型岩石圈南祁连小洋盆形成时间大约为晚寒武世-早奥陶世开始洋盆向北俯冲于祁连地体之下,促使俯冲岩石圈与软流圈在两地体之间的地幔楔中相互作用,造成仰冲(祁连)地体边缘一侧的弱化及扩张,形成柴北缘岛弧岩浆带(火山岩及Ⅰ型花岗岩,图8a)。5.2南祁连洋壳冲刷及超高压变质作用柴达木—昆仑板块的陆壳岩石(包括0.9～1.1Ga成形的变质基底)随着南祁连洋壳俯冲继而插入100km的地幔深处,经历了大陆深俯冲及超高压变质作用;在470～460Ma继续深俯冲,同时深部破裂的岩片开始折返(图8b)。5.3全面折返阶段斜向挤出机制随着板块由正向俯冲转向斜向俯冲,造成岛弧岩浆带深部的破裂,在440～400Ma超高压变质岩片在斜向挤出机制下全面折返,