湖北随州逆冲推覆构造的基本特征及其化学地球动力学研究

2013-07-05江为民简玉兵曾小华刘忠明

资源环境与工程 2013年1期

江为民，简玉兵，曾小华，刘忠明

(1.湖北省地质调查院，湖北武汉 430034;2.湖北省地质科学研究所，湖北武汉 430034)

0 引言

逆冲推覆构造的研究始于19世纪中期，于19世纪晚期掀起了第一次研究高潮。20世纪70年代中期，由于COCORP(大陆反射剖面组织)在南阿巴拉契亚造山带前陆下发现大逆冲断层并延伸到兰岭之下，掀起了第二次研究高潮。近几十年来，随着板块在大陆造山带中的深入应用，人们越来越发现逆冲推覆构造的重要性。在随州市一带，广泛发育逆冲推覆构造，是桐柏—大别地区一项重要的构造热事件［1］。本文以随州市北部为例阐述随州逆冲推覆构造的基本特征，并探讨其元素的动力分异作用。

1 分带性

1.1 顺逆冲方向的分带

逆冲推覆构造在逆冲方向上可分为后缘带、根带、中带、锋带、外缘带等五部分❶❷;前两带已出研究区，后缘带可能在大洪山北坡。从印支期拉张形成阶梯地貌开始，直到形成白垩纪拉张盆地而定位。根据飞来峰岩性判断，逆冲推覆构造的根部可能反映为石榴子石带、蓝晶石—矽线石带逆冲到低绿片岩相之上。区内只能分出中带、锋带和前缘带(图1)。

图1 湖北省随州市北部地区地质略图Fig.1 Geological structuremap of Suizhou，Hubei province

中带:位于青苔、倒峡、高城一带。断层常分叉构成叠瓦扇，断面上陡下缓，交汇于逆冲推覆构造面上，倾向根带方向(图2)。韧性、韧脆性、脆性剪切带发育。强应变带与弱应变域相间排列，构成菱形网结状构造。斜歪—倒转褶皱为其典型构造样式。褶劈带发育，其产状为180°～210°∠20°～70°。根据变形的相对强弱，将中带分为三个亚带:中带-1，发育平缓、开阔、斜歪褶皱，以韧脆性剪切带、脆性剪切带(断层)为主，褶劈较为发育;中带-2，以斜歪—倒转褶皱为主，韧性剪切带、韧脆性剪切带、脆性剪切带发育，褶劈广为发育，存在许多褶劈带;中带-3，以平缓褶皱为主，脆性剪切带发育，菱形网结状构造不发育。

锋带:位于万和、江头店、殷店一带。由黑云母带变质岩组成。片理S1，产状变化大。褶皱多为平缓褶皱，翼间角150°～180°，见反冲断层，在王儿庄—詹家沟一带表现尤为明显，由一系列叠瓦式逆冲断层系组成。褶劈不发育，褶劈带稀疏且少。剪切带以脆性剪切带为主。

外缘带:位于解家河一带，新城—黄陂断裂以南［2，3］。具高角度逆断层，断层、节理发育。几乎不存在韧性剪切带或褶劈带。由于逆冲推覆构造晚期在外缘带的强烈挤压作用，造成应力释放，形成较宽的碎裂岩系列构造岩带。可以说，解家河—殷店断裂是脆性逆冲推覆构造的前缘断裂。褶皱多为平缓褶皱，翼间角160°～180°，变形微弱。

1.2 垂向分带

逆冲推覆构造在垂向上可分为外来系统、逆冲推覆剪切带和原地系统三部分。

外来系统:覆盖随北构造区的绝大部分。相对原地系统而言，总体变形强。斜歪—倒转褶皱是其主要的褶皱类型。韧性剪切带、褶劈带发育。由于强烈的挤压变形作用，变质地层褶皱加厚，甚至出现假单斜构造。变质地层层序常见倒转，佛山寨飞来峰由根带经逆冲推覆作用拖拽上来，由石榴子石带、蓝晶石—矽线石带变质岩石组成，发育斜歪—平卧褶皱，周缘与原地系统以断层相接触。

逆冲推覆剪切带:该主剪切带以过路湾组和柳林组间的构造过渡层为主剪切面，呈波浪起伏，在曹家庄以南，剪切面倾向南南西，老庄北倾向北北东，江头店一带又南倾，倾角10°～30°，发育石榴子石变斑晶与压力影构造。褶皱多为同斜褶皱、倒转褶皱、平卧褶皱。发育韧脆性剪切带和脆性推覆断层。由于后期剥蚀深度不一样，逆冲推覆面在大部分地区未显露出来，只是在万和、车店、佛山寨、沙河一带由于剥蚀深度大才露出地表。

原地系统:相对外来系统而言，变形较弱。大部分地区由于剥蚀深度小而未出露地表。只有通过万和—车店构造窗来研究原地系统。原地系统多发育平缓褶皱，褶劈稀疏且少。变质地层层序基本正常。煌斑岩脉发育，在石冠冲已发观三条6～8 m宽的煌斑岩脉，组成“X”形状。石英脉也较为发育。

2 运动特征

2.1 宏观标志

2.1.1 韧性剪切带、褶劈带、铲式断层的空间分布形态韧性剪切带、褶劈带、铲式断层在平面上呈向北北东突出的弧形分布，弧顶方向指示剪切运动方向。在剖面上，上陡下缓倾向南南西(图2)。

图2 逆冲推覆构造剖面Fig.2 Geologieal structure section of thrust nappe structure

2.1.2 褶皱轴迹及褶皱形态

区域褶皱轴迹反映主应力方向，早期褶皱轴总体呈北东东向，反映南南东—北北西的应力，晚期褶皱轴迹，总体呈北西西向，反映南南西—北北东向应力作用。

褶皱形态可反映运动方向。逆冲推覆构造中带中，普遍发育斜歪—倒转褶皱。褶皱轴面倒向北，倾向南西或南南西，显示由南向北的剪切作用。

2.2 微观标志

2.2.1 线理

早期拉伸线理倾向 127°～145°，倾角 0°～13°，晚期拉伸线理倾向187°～215°，倾角4°～42°。显示两次剪切作用方向的改变。

褶纹线理，与褶皱轴平行，早期褶纹线理密集，微褶皱轴面与片理面锐夹角指向南南西;晚期褶纹线理稀疏，微褶皱轴面与片理面锐夹角指向北，有时在同一露头上可见二期褶纹，这时S1可形成轴面陡立的尖棱状褶皱。

由北向南的剪切作用，可能与发生于逆冲推覆构造中晚期的应力反弹作用有关，其影响范围大致在黑龙潭以北。

2.2.2 矿物旋转标志

黄铁矿压力影、石榴子石压力影、石榴子石雪球构造、不对称眼球状构造、“S”形构造和白云母扭折带显示出研究区逆冲推覆构造主期剪切方向为由南南西向北北东。

3 褶皱作用

随州逆冲推覆构造的不同部位，具有不同的褶皱类型。在外来系统中，于近逆冲推覆剪切带处发育平卧褶皱;随着远离逆冲推覆剪切带，褶皱类型渐变为倒转、斜歪、平缓褶皱。相应的褶劈带产状也由缓变陡，由发育到不发育，以至完全消失(图3)。因此根据褶皱和褶劈的组合特征，可以大致估计外来系统的剥蚀程度。于逆冲推覆剪切带中，形成掩卧褶皱、无根钩状褶皱。在原地系统中以平缓褶皱为主。

图3 逆冲推覆构造上盘不同部位的褶皱类型与褶劈关系Fig.3 Relationship of thrust nappe structure in different parts of the upper fold types and pleat splits

4 褶劈

褶劈是一组切过先存流劈理的差异性平行滑动面。本区先存流劈理为岩石区域性片理，即S1。褶劈沿斜歪—倒转褶皱的轴面分布。褶劈将岩石分划成一系列微劈石，微劈石中的片理(S1)一般均发生弯曲和各种形状的揉皱;根据微劈石的特征，褶劈(S2)主要分为揉皱式和挠曲式。褶劈往往容易形成于非能干层中(图4)。白云母含量越高，褶劈越发育。石英脉(q)总体沿中元古代柳林组白云钠长片岩的片理分布，在局部平行褶劈分布。一系列褶劈组合成褶劈带。研究区中部褶劈带密集，规模巨大，且普遍叠加有脆性铲式断层，具有韧脆性剪切带特征，成为重要的控矿构造［4］。因此叠加有脆性铲式断层的褶劈带是本区最主要的控矿构造组合。

5 岩石有限应变及古应力

在定向薄片上统计石英在xy面上和xz面上的长短轴长度和x/y、y/z值，投入费林图解(图5)和应变椭球体主轴比对数图中，得k值和线应变值(表1)。

图4 逆冲推覆构造中的褶劈Fig.4 The fold cleavage in thrust nappe structure

图5 应变椭球体主轴比的对数图(wood)Fig.5 Strain ellipsoid axis ratio of logarithmic diagram(wood)

表1 岩石有限应变测量结果Table 1 Strain limited survey of rocks

由表1可见，逆冲推覆过程中岩石有限应变反映二向延长、一向缩短，但以x方向拉长为主，其应变椭球体为扁型，属压扁型。

用动态重结晶颗粒粒度法和自由位错密度法计算古应力值(表2)。由表2可知，逆冲推覆构造产生的古应力值平均为179 MPa，较顺层剪切作用期的古应力值大。

表2 古应力值计算Table 2 The values of palaostress

6 形成温度与形成压力

研究区22个变质岩中，主要岩石生成次序依次为:白云钠长片岩、绿泥钠长片岩形成较早;构造片岩、糜棱岩次之;黄铁绢英岩、绢云石英岩形成最晚。

矿物的形成次序是:钠长石、黑云母(绿泥石)、白云母形成较早;石英、绿泥石次之;黄铁矿、绢云母最晚。

上述22个变质岩中石英的包裹体均一温度统计表明，均一温度明显分为二期:一为230～340℃，平均270℃左右;另一为105～220℃，平均160℃左右。前者很可能是研究区由韧脆性变形向脆性变形的过渡温度，后者则为晚期热液温度。据矿物对温压计计算，邱家台条带状石英绿帘石糜棱岩形成温度为475℃，形成压力为870 MPa，估计研究区逆冲推覆构造早期韧性剪切阶段温度约为400～500℃;中期韧脆性变形阶段温度为300～490℃;晚期脆性阶段温度＜300℃。

根据最大水平主应力﹑最小水平主应力及垂直应力与深度间关系公式(Haimson，1977)，在5 000 m以上垂直应力介于最大和最小水平应力之间，5 000 m以下垂直应力大于最大水平应力，则在5 000 m以下，差异应力为垂直应力与最小水平应力之差。将上面通过石英自由位错密度法和石英动态重结晶颗粒粒度法求得的差异应力值代入，即可求得糜棱岩类和片岩形成的深度为15.9～22.9 km。按照 Ranalli等(1975)公式，其静压力为421～607 MPa，代表逆冲推覆构造早期韧性变形阶段及先期顺层韧性剪切阶段形成的压力。根据前述韧脆性变形下界温度，按3℃/100 m计算，形成深度约为10 km。所以估计逆冲推覆构造韧脆性变形深度在10～15 km，静压力约为265～400 MPa。脆性变形阶段的静压力则＜265 MPa。

逆冲推覆构造不同部位的古压力不一样，这可由脉石英比重反映出来，在逆冲推覆剪切带断坪部位及其上下，Ⅱ-2期石英脉比重为2.665 g/cm3;在逆冲推覆剪切带断坡部位(剪切带上切或下倾部)，Ⅱ-2期脉石英比重为2.670 g/cm3;在逆冲推覆剪切带前缘，Ⅱ-2期脉石英比重为2.695 g/cm3。由于根部未在区内出现，故缺乏该处资料。晚期石英脉比重为2.657 g/cm3，明显低于Ⅱ-2期脉石英，显示浅层次开放系统特征。值得一提的是，在新城一黄陂断裂带中，糜棱岩化石英脉的比重为2.672 g/cm3，与曹家庄断坡部位Ⅱ-2期脉石英比重(2.672 g/cm3)相近，说明新城—黄陂断裂带韧性走滑剪切作用和随北区顺层剪切作用发生的深度层次是相近的，反映了右行韧性剪切作用和顺层剪切作用在不同构造部位同时发生的可能性。

以温度400℃、古应力179 MPa代入岩石变形的稳态方程，可求出逆冲推覆型韧性—韧脆性剪切带形成的应变速率(ε)约为 6.13 ×10－12S－1。

根据逆冲推覆构造中韧性剪切带、褶劈带等为下白垩统胡岗组覆盖，其形成期当在印支期，可能延续到燕山早期;但逆冲推覆构造脆性活动，明显地推覆到胡岗组之上，且蚀变绢云母的K-Ar法年龄为133.7 Ma，说明发生于燕山晚期。整个逆冲推覆构造的发生、发展和消亡，基本可以确定为印支—燕山期。

7 逆冲推覆剪切状态下元素分布的动力学特征

7.1 构造分带与元素分带

7.1.1 水平分带

已有资料表明，逆冲推覆构造的主推覆剪切面大致呈20°～30°倾角向南缓倾，前缘变陡，可达50°～70°左右，向南则埋于地下，所以根部未见出露地表，因此仅对上逆掩体中的强弱应变带及前缘的元素组合进行探讨。大致以学堂屋为界，宏观反映出以南应变较强，以北则应变较弱，以图2剖面中浅色片岩为例，不同应变带浅色片岩中元素含量见表3。元素的统计按不同应变带进行，由表3可见:在逆冲推覆构造的外来系统中，Au在强应变带中较为浓集，尤其在褶劈带密集的黑龙潭—杨家湾一带浓度最高;Ag、Cu、Cr、Co、Tl与Au有相似浓集趋势，反映了Au亲硫和亲铁的双重特征;而Ba的变化趋势则与Au相反。按照元素浓度峰值看元素组合分带，由前缘向后，分别为Ba→W、Ni→Pb、Zn、As、Bi→Au、Ag、Cu、Cr、Tl、Co→Sb、Hg、Sr。这一水平分带，由于不是在同一推覆剪切面上统计的，实际受到了垂直分带的明显干扰，越到后部，剪切面埋深越大，致使最后形成Sb、Hg等低温远程元素组合。

表3 逆冲推覆构造元素水平分带(×10－6)Table 3 Horizontal belts of elements in thrust nappe(×10－6)

表4 邱家台逆冲推覆剪切带构造地球化学分带(单位:10－6)Table 4 The shear zone structure geochemical zonation in thrust nappe of Qiujiatai(×10－6)

由表 4 可见，Au、Cu、Zn、As、Bi、Cr、Ni、Co 在主剪切面上盘黄铁矿带中浓集，Ag、Sr、Tl在剪切带中心浓集，大多数元素具水平对称分带，而Sb、Hg则反映出由北向南逐渐降低趋势。其中对称分带的元素，反映了动力分异作用比较明显，而渐变趋势的元素反映了热液分异作用比较明显。

7.1.2 垂直分带

上述邱家台剪切带的例子，实际上也可作为一个垂直分带的例子，那么在邱家台剪切带中，Au并不在剪切带中心，而在其上盘约数十米范围内浓集。宏观上，我们根据目前夷平面上所见到的情况，也可以将整个逆冲推覆构造划分出几个带;根据其产状特征和应变特征，大致估算各带厚度和各带元素分布状况(表5)。

由表5可见，Au在区域性逆冲推覆构造主剪切面上下数百米范围内，会出现贫化带，其上盘约200 m以上开始逐渐浓集，约在0.8～1.4 km处最富集，在＞1.4 km部位，含量又明显下降。表列数据为蚀变褶劈带中元素含量，对于有脆性叠加地段，剔除脆性剪切带中的样品含量，以便对比。由表可见，按元素最高含量进行组合分带，从原地系统向外来系统，分别为Tl、Ni、Co→Zn→As、Sb、Hg、Bi→Ag、Cr→Au、Cu、Pb、Ba、Sr、W→(Sb、Hg)。与邱家台剪切带元素分带相比较，差异较大，但有二点是比较一致的:①Au在剪切面上盘中浓集，且常和Cu在同一带内达最大浓集，但其浓集位置则因剪切带规模和强度的变化而差异较大，其距主剪切面位置可由几十米至1.4 km;②Ag最高浓度带一般位于Au浓度带底板，而Sb、Hg浓度常对称分布于Au浓度带两侧，形成逆冲推覆构造最基本的构造地球化学分带。

表5 逆冲推覆构造元素垂直分带(单位:10－6)Table 5 The vertical zoning in thrust nappe structure(×10－6)

7.2 褶劈带(S2)形成与元素分配

褶劈带是逆冲推覆构造的产物，褶劈面理产状一般随距主剪切面的远近而不同，愈接近剪切面，其产状亦愈接近剪切面产状。可以说它是局部强应变带。研究区内，将没有明显破碎和蚀变的褶劈带样品单独统计，其Au含量为9.8×10－9，约为地层中 Au含量的2.2倍。尽管浓集度不高，但却十分明显。对于早期由南向北的逆冲推覆构造而言，褶劈带形成时，基本处于脆韧性变形阶段，由于大量大半径常量元素的迁出，导致Au的相对浓集，而很少有外部热液系统的带入。化学分析结果证明，由褶劈带边部向中心，Ca、Mg减少，而Si、Al增加，Au也升高。晚期由北向南的逆冲推覆构造，研究区基本处于韧脆性变形阶段，它一方面形成新的褶劈带(S2)，一方面对前期褶劈起着拉张改造作用，使一些活泼、易渗透的元素进入该部位，形成未破碎的蚀变，同时也带来了少量Au等成矿物质。统计结果表明，该类蚀变体中含Au达18×10－9，基本形成了Au的高背景带，为以后的富集成矿提供了前提。

7.3 温、压条件与矿化富集

包裹体测温、测压结果，基本反映脆性变形阶段的特征，测得的压力仅23～71 MPa，反映变形深度一般＜2 km，显然与褶劈形成的温压环境相差甚远。根据矿物对温压计估算现代夷平面上出露岩石形成的温压条件，温度425～575℃，压力440～700 MPa，黑龙潭矿区、王儿庄矿点等处，温度为525～540℃，压力为650～680 MPa。可以认为:矿物对温压计估算的温度和压力，代表元素早期浓集的温、压条件，石英中矿物包裹体测得的温度和压力，基本代表富集成矿时的温压条件。另据脉石英比重所反映的古压力，对于同一期脉石英而言，赋矿部位均位于低压带。