燕山地區(qū)板內造山作用的構造屬性

燕山地區(qū)板內造山作用的構造屬性

造山帶通常被理解為地殼中一個強烈變化的線性區(qū)域，它反映了地殼中相對活躍的構造單元。地形通常是造山帶的地形特征。板塊構造學說注重于板塊之間的相對運動,因而,以森格為代表,強調造山運動是一個用以表征會聚板塊邊緣所有地質過程的集合名詞,所有造山帶都是會聚板塊邊界的產物。顯然,板緣是地殼塊體間相互作用最強烈的場所。然而,在板塊內部并不像早期板塊構造理論所簡化的是一個統(tǒng)一的剛性塊體。大陸巖石圈板塊內部也存在著以復雜的構造變動和巖漿作用等為特征的地殼不穩(wěn)定地帶。我國燕山山脈的中生代演化情況可以作為這種板內造山帶的典型之一。燕山山脈西連大青山,呈近東西向延展于內蒙古南部、河北北部和北京。在大地構造上,位于華北地臺北部,內蒙地軸之南。北距二連浩特—賀根山海西—印支期板塊縫合帶約400km,距西伯利亞板塊與華北板塊的燕山期縫合帶——蒙古—鄂霍茨克縫合帶達800~1000km。東距日本海的西海岸約1500km。在中生代是一個典型的板內構造環(huán)境。燕山地區(qū)最遲在呂梁運動前(1800Ma)形成了角閃巖相到麻粒巖相的結晶基底,成為穩(wěn)定的克拉通。從中元古代開始形成以薊縣為中心的燕遼裂陷槽。古生代時,本區(qū)為典型的地臺型蓋層發(fā)育階段。直到三疊紀末期,本區(qū)地殼重新活化,至侏羅—白堊紀達到了高潮,巖漿的多期噴發(fā)和侵入,陸相火山—沉積盆地的巨厚沉積所指示的古地形的強烈分異,局部較強的變質作用和構造變形作用等,使本區(qū)成為一個典型的板內(陸內)造山帶。它具有與板緣的俯沖或碰撞造山帶不同的特色。本文擬對其基本特征及動力學機制作一探討。自1926年翁文灝首次提出“燕山運動”以來的70余年中,我國的許多知名學者相繼對燕山運動和燕山地區(qū)的構造屬性進行過許多探討,比較一致的意見認為,燕山地區(qū)是地臺內部不同于地臺概念所包含的構造特征的一個強烈變形的特殊地區(qū)。因而,曾被命名為“燕山褶皺帶”、“燕山沉陷帶”、“燕山臺褶帶”等,陳國達則把燕山山脈作為“地洼型造山”的典型。這都說明人們已認識到這一板內造山帶的特殊性。隨著對板塊構造理論的應用,不少學者自覺或不自覺的都企圖用發(fā)生于板塊邊緣的碰撞或俯沖作用的遠程效應來解釋這種板內強烈變形的現(xiàn)象,但都面臨了許多難以解釋的矛盾。本文試圖從對燕山的典型構造特征解析出發(fā),探討板內造山帶的一些基本問題。1克拉通結晶基底及中元古—燕山地區(qū)地殼的基本流變學特征根據已出露的地殼剖面,燕山的地殼組成可分為三大構造層:克拉通的結晶基底、中元古—古生界地臺型蓋層和中生界的陸相盆嶺型火山-沉積層,各有其流變學特征。它們組成了一幅復雜而有規(guī)律的圖像,在一定程度上反映了陸內造山帶的特色。1.1層間變形及變質作用太古宇及可能部分古元古界的表殼巖系和侵入其中的TTG巖系,在中元古代前經受了麻粒巖相到角閃巖相的變質和強烈變形,形成了華北克拉通的基底,與上覆的蓋層在變形及變質方面有明顯的差異。在其后的變形中其流變學特征具雙重性。其整體作為克拉通的剛性基底,表現(xiàn)為脆性的斷塊式運動。在中元古代發(fā)生斷裂而拉開,形成薊縣裂陷槽,既控制了中-新元古界的巨厚沉積和巖漿活動,又控制了其后的蓋層變形。另一方面,在大斷裂的附近見有陡傾的韌性剪切變形帶;在高地熱異常區(qū)(如房山和密懷變質核雜巖周圍),發(fā)育有與蓋層底面大致平行的低角度韌性剪切帶。因此,據基底和蓋層在變形中的關系,可分出基底卷入型和蓋層滑脫型兩種構造類型。1.2地熱變形作用燕山地區(qū)的中-新元古界為裂陷槽沉積,在薊縣厚達萬米。其上為古生界的地臺型沉積,厚約千米。這些巖層在中生代前大致保持水平狀態(tài),也許已有差異性的斷塊升降。在中生代變形時,其流變學特征亦具兩種類型。其總體表現(xiàn)為脆-韌性行為,層內變形微弱,以彎曲作用和脆性斷裂為主,只在擠壓緊閉的向斜核部可發(fā)育軸面劈理,反映了一定程度的壓扁作用。即使在薊縣剖面的下部,上覆巖層厚達萬米,其中的石英砂巖也未發(fā)生明顯的塑性變形,說明當時的地溫沒有超過300℃,反映其地熱梯度小于正常值,可謂之冷地殼。另一方面,在某些高地熱異常區(qū),它們受到印支期綠片巖相的變質作用,巖石發(fā)生了強烈的韌性變形,形成了層狀巖系在近水平的剪切作用下的典型構造--順層固態(tài)流變構造及石英質和碳酸鹽質的糜棱巖,組成了大陸地殼的中間流變層。根據對巖石的變質相分析、礦物地質溫度計和同構造脈中的石英的包裹體的測溫,發(fā)現(xiàn)印支期大于300℃的古地溫區(qū)較好地與層狀巖系中的固態(tài)流變構造的發(fā)育范圍相吻合。這說明正是由于異常高的地熱,使巖石的溫度高達300℃以上,超過了主要造巖礦物(方解石和石英)的流變限,從而可以在小應力作用下發(fā)生顯著的變形。在中生代晚期的燕山運動中,它們作為侏羅系巖層的侏羅山式褶皺的基底,起到了相對剛性基底的作用。1.3層厚抑制下的沉積相作為中生界中上部的火山-沉積巖系,其突出特點是一些山間盆地沉積,沒有在全區(qū)形成統(tǒng)一的蓋層。其流變學特征由于巖性和層厚而使上侏羅統(tǒng)的髫髻山組火山巖系與下中侏羅統(tǒng)的沉積巖系有明顯的差異。后者形成軸向NE-NNE的典型的侏羅山式褶皺和沖斷系,在古生界基底上滑脫。這種孤立盆地中的滑脫構造,引起蓋層的NW向收縮而不影響其下的基底,因而,很難用作用于整個地殼的邊界力來解釋。髫髻山組火山巖系屬能干層,其中主要為脆性斷裂和寬緩的彎褶皺,以形成大型的沖斷構造為特征。2不同構造帶的復合意義燕山地區(qū)自結晶基底固結以來,經歷了多期多體制和不同方向的構造變形,形成了一幅錯綜復雜的圖像,使在地質圖上看,不像一般的板緣造山帶,如阿爾卑斯或科迪勒拉造山帶,有清晰的分帶性、構造線的方向性和運動的極性。從而使不同的調查者對其構造格局獲得不同的認識,強調不同方面的特征。近東西向的燕山山脈和NNE向太行山脈的疊加,是許多人的共識。早在本世紀30年代,李四光在論述東亞構造型式時就明確提出了陰山緯向構造帶和太行山華夏系的復合。任紀舜等(1990)在總結中國東部大陸巖石圈構造演化中,提出了古亞洲體系和古太平洋體系(P-J)及新太平洋體系的疊加。葛肖虹把東西向的燕山構造歸之于華北古板塊北緣造山帶的影響,而把NE-NEE向構造帶視作庫拉板塊向NNW方向對大陸東部俯沖的結果。但實際圖像遠比簡單的EW和NNE向兩組構造網格交錯的模式要復雜得多。如果我們考慮到不同方向構造帶的活動時期、新老構造間的相互關系,就可以把燕山地區(qū)構造格局解析為三種要素的組合:在早期陰山—燕山緯向構造帶之上疊加了中生代晚期新生的NNE向太行山構造巖漿帶,又疊加了許多以結晶基底和中酸性侵入巖為核的垂向隆升構造。此外,緯向斷裂帶在后期復活時形成的次一級東西向和北東向的構造、從隆起向兩側盆地逆沖的重力擴展構造、盆地蓋層在體力作用下在基底上滑脫的構造和深層次近水平剪切的順層流變構造等組合在一起,形成了燕山中生代板內造山帶的復雜構造圖像,而明顯區(qū)別于一般板緣的線性造山帶。2.1在中生代，對剖面構造類型的控制是由代理教派帶的非常復雜統(tǒng)治引起的2.1.1燕遼斷裂體系板內造山帶的特色之一是在新的造山作用以前,已經歷了一個克拉通化的過程,具有一個相對剛性的基底,在后期構造變形中起著不可忽視的作用。燕山地區(qū)的基底作為整體第一次顯著的變形發(fā)生于中元古代,形成了近東西向的燕遼裂陷槽,槽內巨厚的中-新元古界沉積反映了基底斷裂的存在。比較確切的斷裂從北到南共有四條:豐寧—隆化斷裂、大廟—娘娘廟斷裂、赤城—古北口斷裂,三者向西歸并為尚義—赤城斷裂,成為內蒙地軸南緣的密云—興隆斷裂。沿這些斷裂分布著一系列陡傾的侵入體,具有與世界上的元古宙非造山裂谷作用相關的拉帕克維(Rapakivi)花崗巖-斜長巖/輝長巖組合十分相似的年齡、巖石組合、地球化學及構造背景等特點,反映了克拉通基底在呂梁運動期固結之后,在拉張體制下深切了上地幔的近東西向(按現(xiàn)在的方向論)深斷裂。同時使克拉通表殼被拉張變薄,形成地表的裂陷槽,因而曾被稱為燕山沉陷帶。這些斷裂造成了基底在力學性質上的不均一性。2.1.2園-后城斷裂帶的地質特征當中生代構造活化時,沿基底斷裂的復活,不僅控制了中生代盆地及其相分布,而且在很大程度上控制了蓋層的構造型式,主要表現(xiàn)為:①在近南北向伸展體制時期,斷裂帶控制了沉積盆地的展布。以尚義盆地為典型,下花園組(J1x)和后城組(J3h)的巖相和厚度分布,反映其為以北緣尚義—赤城斷裂為邊界的箕狀斷陷。②在近南北向的擠壓體制時期,此斷裂帶北部的結晶基底及其上的蓋層向南逆沖于中生代盆地沉積之上。根據后城組不整合覆于早期的逆沖斷層之上而又被晚期的逆沖斷層所掩,說明從下花園組沉積到后城組的被逆掩,經歷了兩張兩壓的過程,組成了不對稱的正、負花狀構造。③在基底或蓋層中的脆性斷裂,可有兩種型式:在平面上形成P形排列的右行右列陡傾正斷層組,反映其近NW-SE向的斜滑運動;在兩條斷裂之間的疊接帶,在蓋層中形成一系列近NE向的褶皺、逆沖斷層和盆地,與主斷裂組成平面上的大型S-C構造,也示右行斜滑的運動特點。2.2與前陸褶沖斷的對比逆沖推覆構造是造山帶中的一種重要構造型式。典型的是發(fā)育于板緣造山帶前陸的褶皺-沖斷帶,如北美西部的中生代科迪勒拉前陸褶沖帶、阿爾卑斯的新生代赫爾維推覆帶,以薄皮構造為特色,其發(fā)展與板塊間的俯沖進程相一致,具明顯的向克拉通方向的仰沖和向前陸方向的遷移性,在其前沿形成磨拉石沉積。燕山地區(qū)發(fā)育著許多著名的中生代逆沖推覆構造,它們與經典的穩(wěn)定的地臺概念相矛盾,這早就引起了我國地質學家的重視,如南大寨斷層(陳凱、熊永先,1935;萬天豐,1981)、十三陵斷層(張之一等,1983)、鷹手營子斷層(孫殿卿等,1965)和雞鳴山斷層(何鏡宇,1957)等。它們與上述前陸褶皺-沖斷帶有明顯的不同,張長厚等對其做了較系統(tǒng)的對比,其特點概括如下:①空間分布的散在性。它們零散地分布于造山帶的不同部位,具有面狀散布的特征,且不發(fā)育與逆沖斷層伴生的大型線性褶皺。常發(fā)育于局部隆起(或背斜)的翼部,向盆地(或向斜)逆沖。或發(fā)育于大型走滑斷裂的旁側向盆地逆沖,形成正花狀構造的組成部分。②發(fā)育時間和運動方向的非極性。正是由于斷層分布的散在性,不成組或帶,與板緣造山帶前陸褶沖帶的推覆方向及各斷層有規(guī)律地依次的向一個方向發(fā)展的極性不同,因而燕山地區(qū)的逆掩斷層的發(fā)展沒有一定的極性。斷層的發(fā)展具多期性和階段性。有發(fā)育于中生代早期的,如北京西山的霞云嶺斷層;也有發(fā)育于燕山早期的,如鷹手營子斷層發(fā)生在髫髻山組現(xiàn)狀(148Ma)之前;多數形成于巨厚的髫髻山組火山巖和后城組沉積之后,常被早白堊世的中酸性巖所侵入,如南大寨斷層與房山巖體(128~132Ma)、十三陵斷層與薛家石梁巖體(127Ma)。在斷層運動方向上,同期的斷層并非都向一個方向逆沖,雖然總體的運動方向為NNW-SSE向,但既可以由NNW向SSE逆沖,也有從SSE向NNW逆沖,即無運動方向的極性。③薄皮構造與厚皮構造并存。燕山地區(qū)的逆沖斷層多數為上盤的中-新元古界蓋層逆沖于古生界-中生界之上,伴生脆性碎裂巖。表明其發(fā)育于淺層次,其斷層面可呈鏟形,在基底面上滑脫,如南大寨斷層;更多的是上部平緩而向下變陡,切入基底,成為基底卷入型沖斷層,如鷹手營子斷層,是基底塊斷運動在蓋層的表現(xiàn)。④與缺少巖漿活動的前陸褶沖帶相反,本區(qū)的斷層與巖漿活動密切相關,也說明了其與前陸薄皮構造的不同。⑤由于斷層分布的散在性,因而沒有統(tǒng)一的前陸磨拉石盆地。⑥運動方式的多次伸縮交替或反轉,也不同于前陸褶沖帶的單一性。2.3板內造山作用已穩(wěn)定地殼的重新活化,是板內造山作用的基本特點。燕山地區(qū)從中生代開始顯示出地殼的活化,于燕山運動達到高潮。其中深源引起的垂向運動是板內造山作用的重要因素。它主要表現(xiàn)在兩方面。2.3.1巖漿源區(qū)的演巖漿活動是殼內物質垂向調整的重要表現(xiàn)。燕山地區(qū)中生代造山作用以十分強烈的巖漿活動為特征。以北京山區(qū)為例,中生代巖漿巖出露的面積占山區(qū)基巖出露面積的1/3以上。從巖漿的演化看,早期以幔源的基性巖(早侏羅世的南大嶺組玄武巖)為先導,然后,巖漿源區(qū)逐漸變淺,從殼-?；旌闲?如燕山早期的閃長巖和安山巖類)演化到以殼源為主的白堊紀初的大規(guī)模的酸性巖的活動。這可能反映了一種以幔源熱活動為主導,向地表擴展的地殼垂向加熱過程。燕山地區(qū)巖漿侵入作用的另一特點是許多巖體呈底辟式強力侵位,使圍巖形成穹隆或環(huán)狀構造,使圍巖圍繞巖體陡傾,或發(fā)育環(huán)狀的片理和小褶皺,從而使蓋層的構造復雜化,如著名的河北盤山巖體、北京的房山花崗閃長巖體和云蒙山花崗雜巖體。2.3.2半殼熱-殼內雜巖組巖燕山地區(qū)分布著許多大大小小出露的或隱伏的變質核雜巖構造。已有較深入研究的如房山和密懷(或稱云蒙山)變質核雜巖。其突出特點是在變質核中,都有一個同構造的早白堊世的花崗巖類侵入體,如房山巖體和云蒙山巖體。這是一種強力的膨脹氣球式多次侵入的雜巖體,其巖性可從閃長巖到花崗巖,反映其殼-?；旌稀⒁詺ば蜑橹鞯某梢?可能說明了幔源熱和熔體的上升促使地殼的局部熔融,造成了深部物質的重力上浮,同時,被加熱的核雜巖本身也具一定的熱隆作用,兩者的聯(lián)合作用導致了變質核雜巖的最終成型和隆升出地表。此外,還有許多零星分布于蓋層中的小塊結晶基底出露,以及蓋層中的穹狀(如上葦店)和半穹狀(如青白口)構造,也經常伴有燕山晚期的中酸性巖體。其中有的可能具變質核雜巖的特點,有的可能是基底斷塊運動造成的隆升斷塊,或沿走滑斷層擠出的正花狀構造。這都反映出燕山地區(qū)基底表面十分崎嶇不平,也從另一方面說明了垂向構造是區(qū)域構造的重要組成部分。3地殼變形的構造屬性(1)關于地球演化的非均衡性。地球從其形成發(fā)展到現(xiàn)在,遠沒有達到均衡狀態(tài),地球內部物質的調整尚未完成。雖然已經調整而形成了地球內部的分層,但各層間仍不斷發(fā)生著物質的垂向調整。因而各層間的界面宏觀上是平坦的,其實是崎嶇不平的。熱界面也是如此,不僅有大型的地幔羽,也有許多小的地幔熱流,表現(xiàn)為地殼中的局部熱異常。在大陸地殼固結以后,厚的陸殼阻止了地內熱的向外發(fā)散,熱流積累到一定程度,就會使已固結的上地殼被加熱而弱化或破裂,導致地殼的活化,發(fā)生構造變形。這就是陸內造山帶產生的必然性。規(guī)模巨大的地幔羽可引起地殼的大尺度伸展,以至大陸的裂解。小規(guī)模的地幔熱流,只能引起地殼的局部熱異常和弱化,并可引起表層地殼的伸展和下沉而接受沉積,隨著熱的發(fā)散和冷卻,引起地殼的收縮。燕山造山帶中生代的多次伸縮交替的地殼變動,以及巖漿巖的多次周期性和漸進性的侵入和噴發(fā),就反映了這種幔源熱的到達和發(fā)散。(2)關于地殼的不均一性。地殼在垂向上的不均一性表現(xiàn)為地殼的分層性:下、中地殼、結晶基底、淺變質蓋層和沉積蓋層。由于其組成及所處的溫壓條件的差異,各層在力學性質上存在明顯的差異,決定著地殼的分層滑動性和不同層次的構造差異。地殼在橫向上的不均一性,不僅表現(xiàn)為物質組成的不均一,更主要表現(xiàn)為地殼熱狀態(tài)的不均一性。地熱梯度的高低決定了地殼力學性質上的差異。在統(tǒng)一的應力場作用下,應變首先在弱化的地區(qū)開始,這就決定了陸內造山帶的局部化。(3)關于地殼變動的力源。地球表層,如果沒有外來的突發(fā)事件(如天體的碰撞),一個統(tǒng)一的應力場是一直在作用的,主要控制應力場的不僅是地球的旋轉所產生的切向力,而且垂向調整產生的力也不可忽視。正如恩格斯所說的:“一切運動的基本形式都是接近和分離、收縮和膨脹--一句話,是吸引和排