柴達木北緣超高壓變質(zhì)帶形成的構(gòu)造背景

柴達木北緣超高壓變質(zhì)帶形成的構(gòu)造背景

青藏高原東北部的加里造山帶向東南延伸，有nww-揭示，長800公里，寬400公里。北鄰河西走廊,南接柴達木盆地,東連西秦嶺山脈,西被阿爾金斷裂所截切。祁連山加里東造山帶的形成為阿拉善板塊(北中國板塊西段)、祁連微板塊與柴達木—東昆侖板塊(揚子板塊西段)在加里東期間匯聚、碰撞及造山的結(jié)果。三板塊之間分別有北祁連俯沖-碰撞雜巖帶及柴達木北緣(簡稱柴北緣)俯沖-碰撞雜巖帶相隔(Zhiqin位于阿拉善及祁連微板塊之間的北祁連俯沖-碰撞雜巖帶由蛇綠巖、混雜堆積和高壓變質(zhì)巖組成(近年來,在柴北緣發(fā)現(xiàn)了綠梁山石榴子石橄欖巖(本文主要結(jié)合祁連微板塊加里東板塊體制深入研究,進一步確認地體邊界的存在及性質(zhì),揭示柴北緣超高壓變質(zhì)帶形成機制,通過超高壓變質(zhì)帶折返過程中形成的構(gòu)造樣式和幾何學運動學特征及其年代學研究,解析柴北緣超高變質(zhì)帶的折返機制及時限,提出柴北緣超高壓變質(zhì)帶形成與折返模式。1祁連微板塊的加里東板塊體系以及柴北緣超高壓變質(zhì)帶的形成1.1祁連微板塊的組成位于阿拉善板塊與柴達木—東昆侖板塊之間的祁連微板塊,寬240km,長600km,祁連微板塊的南北邊界分別為柴北緣俯沖碰撞雜巖帶和北祁連俯沖碰撞雜巖帶。祁連微板塊的加里東構(gòu)造單元自北向南可以劃分為4部分:①中祁連變質(zhì)基底;②南祁連加里東褶皺構(gòu)造帶;③歐龍布魯克地塊;④柴北緣加里東火山島弧帶(圖1)。1.1.1高角閃巖相變質(zhì)巖系“中祁連變質(zhì)基底單元”主要分布在祁連微板塊北部的野馬南山—疏勒南山—煌源一帶,由0.9～1.0Ga形成的高角閃巖相變質(zhì)巖系及其上的綠片巖相變質(zhì)巖系組成。研究表明祁連微板塊的變質(zhì)基底與柴北緣、柴達木—東昆侖板塊及揚子板塊的變質(zhì)基底類似,是晉寧期0.9～1.0GaRodinia超大陸形成時發(fā)育起來的基底(1.1.2深水—南祁連加里東褶皺構(gòu)造帶“南祁連加里東褶皺構(gòu)造帶”位于祁連微板塊中部,廣泛分布寒武系—奧陶系的地層,主要由厚度變化很大(>3000m)的砂板巖、千枚巖和中基性火山巖組成,代表深水—半深水型的復理石沉積,含有大量“華南型”古生物分子及南北“混合型”動物群,祁連微板塊的志留系復理石沉積類型及筆石動物群均為“華南型”(1.1.3奧隆布魯克地塊祁連微板塊南部的“歐龍布魯克地塊”由前震旦紀達肯達坂群的高級變質(zhì)巖系——麻粒巖相(1.1.4錫鐵山—柴北緣加里東火山島弧帶在祁連微板塊南緣,早古生代的灘澗山群及沙柳河群綠片巖相的火山和火山沉積巖系沿小塞什騰山—塞什騰山—錫鐵山—都蘭斷續(xù)分布,延伸約400km,寬度僅10余千米,十分狹窄。沿柴北緣傲嶗山—綠梁山一帶還發(fā)現(xiàn)與火山巖伴隨的鈣堿系列的I型花崗巖,其巖石組合為二長閃長巖-石英二長閃長巖-花崗閃長巖-二長花崗巖,具有明顯的Nb和Th負異常,同時還具有P、Ti、Ba正異常,顯示出島?、裥突◢弾r的特征(1.2柴北緣超高壓變質(zhì)帶根據(jù)祁連微板塊的組成,可以看出祁連微板塊在加里東期是由若干小陸塊組成的裂解的微板塊,北面是被陸間裂谷裂解的中祁連變質(zhì)基底陸塊,南面是由變質(zhì)基底及下古生代“華北型”地臺相沉積巖組成的歐龍布魯克陸塊,中間為下古生代(寒武紀—志留紀)復理石沉積組成的深水—半深水海盆,含“華南型”生物分子。在祁連微板塊與柴達木—東昆侖板塊匯聚邊界,發(fā)育了寬度十分狹窄的柴北緣加里東俯沖碰撞雜巖帶,由蛇綠巖及超高壓變質(zhì)巖組成,狹窄的島弧火山巖塊體位于超高壓變質(zhì)地體的兩側(cè),與北祁連加里東俯沖碰撞雜巖帶與連續(xù)、整齊又較寬的北祁連火山島弧帶明顯分開顯然不同。柴北緣蛇綠巖由橄欖巖、輝長巖、堆晶巖及輝綠輝長巖墻群組成(斷續(xù)延伸350km的柴北緣超高壓變質(zhì)帶是柴北緣加里東俯沖碰撞雜巖帶最主要的組分,超高壓變質(zhì)帶由榴輝巖、含柯石英的片麻巖及石榴子石橄欖巖組成。pt軌跡研究表明,西段大柴旦榴輝巖形成于t=620～730℃,p=2.3～2.8GPa;錫鐵山榴輝巖形成于t=770～810℃,p>1.4GPa;東段都蘭北帶榴輝巖形成于t=610～680℃,p=2.6GPa以及大柴旦石榴子石橄欖巖形成于t=837℃,p=2.2GPa(根據(jù)以上研究成果分析,我們可以對祁連微板塊加里東期板塊體制及柴北緣超高壓變質(zhì)帶的形成作如下初步的重塑:(1)南祁連洋盆形成時代為早寒武世,與北祁連洋盆形成時代相近,祁連微板塊是一個裂解的微陸塊,因此推測南北祁連洋盆可能相連,洋盆中間存在微陸塊。(2)祁連微板塊南部存在島弧火山巖漿帶,形成時代為晚寒武世—早奧陶世,推測它們的形成與南祁連洋盆的向北俯沖作用有關(guān),是俯沖的增生島弧地體。(3)在都蘭含榴輝巖的圍巖——石榴子石白云母片麻巖中發(fā)現(xiàn)了柯石英((4)祁連微板塊中南部下古生代地層的加里東期構(gòu)造變形表現(xiàn)出具向南造山的極性特征:自北向南由直立褶皺→向南倒伏的同斜褶皺→平臥褶皺的變化,伴隨剪切指向向南的韌性逆沖斷裂。為柴達木—東昆侖板塊的向北俯沖于祁連微板塊之下提供了依據(jù)。2質(zhì)作用的發(fā)揮一般說來,在超高壓變質(zhì)帶中顯示的主體構(gòu)造為折返構(gòu)造,早期俯沖階段的構(gòu)造經(jīng)過后期折返改造及退變質(zhì)作用已很少保存。為了研究柴北緣超高壓變質(zhì)帶的折返事件,現(xiàn)就折返構(gòu)造樣式和機制以及折返時限進行討論。柴北緣超高壓變質(zhì)帶可分為西段(魚卡—綠梁山—錫鐵山超高壓變質(zhì)地體)和東段(都蘭北超高壓變質(zhì)地體)兩部分。西段呈NW-SE走向,寬度3～5km,東段漸變?yōu)镋W走向,寬度超過15km。2.1都蘭超高壓變質(zhì)地體的巖石組合東段都蘭超高壓變質(zhì)地體位于都蘭以北野馬灘—沙柳河一帶,地體外側(cè)及內(nèi)部出露晚寒武世—早奧陶世島弧火山巖系,并被晚加里東期花崗巖侵入。在地體南部的前陸部位,晚泥盆世紅色磨拉石沉積不整合覆蓋在島弧火山巖上(圖2a)。都蘭超高壓變質(zhì)地體東部由于北北西向溫泉右行走滑斷裂的切錯,向東延展情況不詳。都蘭超高壓變質(zhì)地體的主要巖石組合為二長片麻巖,黑云二長片麻巖、二長斜長片麻巖、花崗質(zhì)片麻巖、含柯石英的石榴子石白云斜長片麻巖、角閃巖、二長片巖、長英質(zhì)黑云片巖及含十字石石榴子石黑云斜長片麻巖,含藍晶石黑云斜長片麻巖,含藍晶石二云石英片巖,二云石英片巖和大理巖,巖石部分發(fā)生糜棱巖化。大量的輝長巖、輝綠巖、蛇紋石化輝橄巖、純橄巖、榴輝巖及石榴子石角閃巖呈團塊狀及透鏡狀產(chǎn)于圍巖中。在折返事件中,巖石遭受退變質(zhì)作用,表現(xiàn)為:①Omp→Cpx+Pl(Ab>75%);②Omp+H都蘭超高壓變質(zhì)地體折返構(gòu)造由北面的野馬灘倒轉(zhuǎn)背斜及南面的沙柳河右行韌性擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶兩部分組成。2.1.1地體拉伸變形特征都蘭超高壓變質(zhì)地體的變質(zhì)面理總體呈東西走向,面理重褶皺形成一個倒轉(zhuǎn)背斜——野馬灘倒轉(zhuǎn)背斜。圖2b顯示了倒轉(zhuǎn)背斜的面理自北向南的如下變化:由向北的陡傾面理漸變?yōu)橄虮本弮A及近水平面理,又轉(zhuǎn)為向北陡傾的面理(圖2a,b)。面理上發(fā)育縱向近水平的韌性拉伸線理是超高壓變質(zhì)地體最顯著的特征,即拉伸線理平行于變質(zhì)地體的走向和山鏈的方向。韌性拉伸線理形式多樣,表現(xiàn)為榴輝巖條帶的拉伸截斷及礦物纖維的充填、藍晶石礦物的拉伸及定向、長英質(zhì)礦物的拉伸以及花崗質(zhì)與硅質(zhì)條帶的布丁化等。根據(jù)變質(zhì)地體中面理和拉伸線理的數(shù)據(jù)測量,表明無論面理的產(chǎn)狀如何變化,拉伸線理均為EW方向。在陡傾的面理上還發(fā)現(xiàn)被水平拉伸線理所切割的垂向拉伸線理,垂向的拉伸線理可能代表折返早期位于深部的運動矢量。在野馬灘倒轉(zhuǎn)背斜的各部位中,剪切應(yīng)變都十分明顯,表現(xiàn)為σ型和δ型碎斑體系、S-C構(gòu)造、不對稱拖曳褶皺、多米諾骨牌構(gòu)造及石榴子石中包體旋轉(zhuǎn)等。在大范圍緩傾(10°～30°)面理組成的倒轉(zhuǎn)背斜頂部,在垂直面理及平行拉伸線理的XZ面上,可見到上盤向東滑移的剪切應(yīng)變(圖3a);在倒轉(zhuǎn)背斜北翼和南翼均發(fā)育向北陡傾的面理帶,XZ面上的剪切應(yīng)變表現(xiàn)為北翼具韌性左型走滑、南翼具韌性右行走滑特征(圖3c),剪切應(yīng)變指向可通過石英的晶格優(yōu)選方位來確定。對野馬灘倒轉(zhuǎn)背斜中部近水平及緩傾的糜棱面理帶中3類石英——拉伸石英,石英條帶中矩形石英及糜棱質(zhì)石英(<0.1mm)分別進行了優(yōu)選方位測定(圖3b):①拉伸石英的優(yōu)選方位:在XZ面上可見石英拉伸X:Z達10:1和20:1,具明顯的波狀消光及亞晶結(jié)構(gòu),石英的優(yōu)選方位由具{0001}<a>滑移系的底面組構(gòu),2.1.2韌性剪切帶的韌性化在野馬灘倒轉(zhuǎn)背斜南翼,發(fā)育由近直立的糜棱面理帶組成的沙柳河韌性剪切帶,由花崗質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化片麻巖、碳酸鹽巖糜棱巖以及具強烈的剪切應(yīng)變的角閃片巖和石英片巖組成,發(fā)育“A”型褶皺,在XZ面上剪切應(yīng)變標志指示右行平移特征(圖3c)。同時在YZ面上發(fā)育自北向南逆沖的剪切應(yīng)變,因此,沙柳河韌性剪切帶具韌性右行擠壓轉(zhuǎn)換帶的性質(zhì)?；◢徺|(zhì)糜棱巖中的拉伸石英,石英條帶中矩形石英及糜棱質(zhì)石英具有3種優(yōu)選方位:2.2構(gòu)造背景及剪切帶特征依據(jù)NW-SE向的大柴旦超高壓變質(zhì)地體包括錫鐵山、綠梁山和魚卡3個小地體,寬度約3～5km。圍巖由大肯達坂群花崗片麻巖及副片麻巖組成,榴輝巖、石榴子石橄欖巖及蛇綠巖團塊被包含其中。雖然,在大柴旦超高壓變質(zhì)地體中沒有發(fā)現(xiàn)柯石英,但榴輝巖的溫壓條件及柯石英假象等提供了超高壓變質(zhì)的證據(jù)。變質(zhì)地體與寒武紀—奧陶紀火山巖、火山碎屑巖及大理巖接觸。與都蘭超高壓變質(zhì)地體一樣,錫鐵山超高壓變質(zhì)地體變形構(gòu)造主體顯示角閃巖相及綠片巖相條件下的變形作用,沒有保留榴輝巖相的變形構(gòu)造。區(qū)域面理總體走向NNW-SSE向,地體兩側(cè)均向NE方向陡傾,中間部位面理緩傾及近水平,總體呈一個面理重褶皺的倒轉(zhuǎn)背斜構(gòu)造。在面理上以硅線石、長石及長英質(zhì)脈等拉伸所表示的近水平拉伸線理,呈NW-SE向平行地體方向展布,和都蘭變質(zhì)地體一樣為縱向水平拉伸線理(圖4)。在錫鐵山倒轉(zhuǎn)背斜頂部近水平或緩傾面理上,剪切應(yīng)變指示物質(zhì)由NW向SE方向運動,糜棱巖化片麻巖中的糜棱質(zhì)石英和重結(jié)晶矩形石英的優(yōu)選方位表現(xiàn)為從中高溫(>600～450℃)組構(gòu)在錫鐵山超高壓變質(zhì)地體與晚寒武世一早奧陶世火山巖接觸的西南邊界,發(fā)育一條NW-SE走向面理向北陡傾的韌性剪切帶,由花崗質(zhì)糜棱巖及火山質(zhì)糜棱巖組成,近水平拉伸線理向SE緩傾,側(cè)伏角20°～30°,糜棱質(zhì)石英和重結(jié)晶矩形石英的優(yōu)選方位也顯示了中高溫到中低溫的轉(zhuǎn)化過程,剪切應(yīng)變指示右行走滑特征(圖5c)。在垂直面理和線理的截面(YZ)上,同樣發(fā)現(xiàn)擠壓逆沖的變形特征,表明具右行擠壓轉(zhuǎn)換的特征,和都蘭的情況一樣。因此,錫鐵山倒轉(zhuǎn)背斜與野馬灘倒轉(zhuǎn)背斜相類比,錫鐵山右行韌性擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶可與沙柳河右行韌性擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶相連。魚卡超高壓變質(zhì)地體研究較少,但可能也是一個NW-SE軸向的倒轉(zhuǎn)背斜構(gòu)造,沿倒轉(zhuǎn)背斜北東翼的NW-SE向陡傾面理上發(fā)育向NW緩傾的拉伸線理,顯示了左行正滑的特點。3柴北緣超高壓變質(zhì)帶的返回期為了解決超高壓變質(zhì)帶折返構(gòu)造的變形期次及成因機制,我們分別選擇了東段都蘭北帶近水平糜棱面理及南帶近直立糜棱面理上的白云母進行3.1構(gòu)造地面理北傾、內(nèi)傾白云母、白云母樣品為含柯石英糜棱巖化花崗質(zhì)片麻巖(99Y117),面理北傾,傾角20°,白云母形成于糜棱巖化后期階段,剪切應(yīng)變顯示自西向東的滑移特征。該樣品有一個很好的坪年齡,7個升溫階段包括90%以上的3.2拉伸及等時線年齡樣品為錫鐵山超高壓變質(zhì)地體SW側(cè)韌性右行擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶中的花崗質(zhì)糜棱化片麻巖中的白云母(ST18M),糜棱面理走向145°,傾向北東,傾角80°,拉伸線理產(chǎn)狀145°<30°。經(jīng)12個升溫階段,所得的坪年齡為405.7±0.9Ma(表5),等時線年齡為404.66±4.3Ma,與坪年齡相似(表2,圖6c,d)。上述測年數(shù)據(jù)表明,超高壓變質(zhì)地體的兩類折返構(gòu)造大致在同一時間(400～406Ma)形成,另外根據(jù)侵入都蘭北帶超高壓變質(zhì)地體野馬灘花崗巖的鋯石的SHRIMP測年獲得397±4Ma4“斜向擠出”的二維模型關(guān)于超高壓變質(zhì)帶如何從地幔深處返回地殼淺部的難題至今尚未真正解決,不同的折返模式應(yīng)運而生,其中具代表性的觀點歸納有:①剝蝕及浮力作用(柴北緣超高壓變質(zhì)帶最顯著的折返構(gòu)造特征表現(xiàn)為變質(zhì)面理的重褶皺,形成倒轉(zhuǎn)背形構(gòu)造。在背形頂部近水平的面理上發(fā)育縱向近水平的拉伸線理,剪切應(yīng)變顯示了自西向東的滑移特征。而倒轉(zhuǎn)背斜構(gòu)造的北側(cè)及南側(cè)分別發(fā)育左行和右行擠壓轉(zhuǎn)換韌性剪切帶。根據(jù)向東的滑移和右行擠壓轉(zhuǎn)換構(gòu)造的同位素年代數(shù)據(jù)(400～406Ma),筆者認為它們的形成可能是同時的,是兩種機制的集成:(1)垂向擠出機制:在板塊碰撞陸殼深俯沖過程中,超高壓變質(zhì)帶在深部破裂,板塊匯聚使大陸俯沖板片很快在浮力下折返上隆,造成垂向擠出機制。由于軟性物質(zhì)在剛性壁中向上擠出,因而造成俯沖板片上部面理拱起及拉伸線理水平的構(gòu)造,這種情況與單純的水平擠壓作用不同,因為單純水平擠壓通常形成直立面理及垂直拉伸線理。(2)擠壓轉(zhuǎn)換:柴北緣超高壓變質(zhì)地體的倒轉(zhuǎn)背斜向SE及E方向滑移的同時,背斜兩翼分別形成左行擠壓轉(zhuǎn)換和右行擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶,而且南側(cè)右行擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶的規(guī)模比北側(cè)左行擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶大得多。這種構(gòu)造組合樣式的產(chǎn)生說明俯沖過程的驅(qū)動力并非是板塊的正向匯聚力,而是斜向匯聚力。因此,斜向俯沖造成了兩種變形分解作用:即“垂向擠出”與“擠壓轉(zhuǎn)換”,我們把這種集成稱為“斜向擠出”。值得注意的是,在其他一些變質(zhì)地體中也發(fā)現(xiàn)與地體走向平行的縱向拉伸線理,如法國華力西造山帶南部黑山變質(zhì)穹窿帶及高喜馬拉雅變質(zhì)帶(筆者考察所見)。法國華力西造山帶南部黑山是由前寒武系片麻巖組成的圓錐形變質(zhì)穹窿,面理褶皺成背形構(gòu)造以及發(fā)育縱向(近東西向)拉伸線理的基本特征與柴北緣超高壓變質(zhì)帶十分相似。但兩者不同之處在于黑山變質(zhì)穹窿之東西兩側(cè)剪切指向剛好相反,東側(cè)向東,西側(cè)向西,為雙向剪切;而柴北緣超高壓變質(zhì)帶是長條形背形構(gòu)造,剪切應(yīng)變均朝東,為單向剪切。Matte等(1998)提出,黑山變質(zhì)穹窿是一種與南北向同軸擠壓及縱向(東西向)拉伸有關(guān)的機制(圖7a)。柴北緣超高壓變質(zhì)帶的斜向擠出的機制比黑山要復雜得多,這種機制為垂向擠出和擠壓轉(zhuǎn)換集成的非同軸擠壓的“斜向擠出”。圖7b,c為假設(shè)的“斜向擠出”的三維模型,超高壓變質(zhì)巖片是在板塊斜向匯聚的主應(yīng)力作用(pp)下,產(chǎn)生“斜向擠出”(Oe),它可分解為向東滑移分量(L)、垂向擠出分量(Ve)、左行擠壓轉(zhuǎn)換分量(Ss)及右行擠壓轉(zhuǎn)換分量(Sd)。左行擠壓轉(zhuǎn)換分量比右行擠壓轉(zhuǎn)換分量小得多。在超高壓變質(zhì)地體折返機制的研究中,“斜向擠出”折返機制的提出尚為首次。柴北緣400Ma期間超高壓變質(zhì)地體“斜向擠出”折返機制的產(chǎn)生意味著祁連微板塊相對柴達木東昆侖板塊曾發(fā)生向右的運動。無獨有偶,阿拉善板塊相對祁連微板塊的右行運動也發(fā)生在400Ma(5山東沖淤-碰撞柴北緣UHP變質(zhì)帶形成于490～440Ma,開始折返年齡為470～460Ma,最后折返時間為406～400Ma,這是祁連山加里東俯沖-碰撞過程中最重要的地質(zhì)事件。我們大致可將超高壓變質(zhì)地體的形成-折返歷史分為以下階段(圖8):5.1島弧巖漿帶型巖石圈南祁連小洋盆形成時間大約為晚寒武世-早奧陶世開始洋盆向北俯沖于祁連地體之下,促使俯沖巖石圈與軟流圈在兩地體之間的地幔楔中相互作用,造成仰沖(祁連)地體邊緣一側(cè)的弱化及擴張,形成柴北緣島弧巖漿帶(火山巖及Ⅰ型花崗巖,圖8a)。5.2南祁連洋殼沖刷及超高壓變質(zhì)作用柴達木—昆侖板塊的陸殼巖石(包括0.9～1.1Ga成形的變質(zhì)基底)隨著南祁連洋殼俯沖繼而插入100km的地幔深處,經(jīng)歷了大陸深俯沖及超高壓變質(zhì)作用;在470～460Ma繼續(xù)深俯沖,同時深部破裂的巖片開始折返(圖8b)。5.3全面折返階段斜向擠出機制隨著板塊由正向俯沖轉(zhuǎn)向斜向俯沖,造成島弧巖漿帶深部的破裂,在440～400Ma超高壓變質(zhì)巖片在斜向擠出機制下全面折返,