晚中生代沂沭断裂带左旋韧性剪切与岩浆迁移规律

李 盛，倪金龙，张尚坤，申 颖

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院, 山东 青岛 266590；2.海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛海洋科学与技术国家实验室,山东 青岛 266237；3.山东省地质科学研究院,山东 济南 250013)

0 引 言

晚中生代华北克拉通岩石圈经历了强烈的减薄与破坏作用。作为岩石圈减薄中浅部的构造响应，华北克拉通分散发育了多个变质核杂岩[1-4]、断陷盆地[5-6]，经历了多期深大断裂的活动与岩浆的侵入[7]。沂沭断裂带作为切割华北克拉通岩石圈的深大断裂[8]，研究其岩浆活动的性质与规律，对于揭示华北克拉通岩石圈的深部作用过程具有重要的指导意义。

沂沭断裂带作为郯庐断裂带的一部分，一直以来受到地质学家的重视，诸多学者对其开展了大量的研究工作[5, 8-15]。前人研究表明，沂沭断裂带内部及东侧胶莱盆地主要以发育早白垩世安山岩为主，侵入岩较少发育[16-19]；沂沭断裂带西侧喷发岩较少发育，侵入岩体则主要分布于NW向断裂带中，以中、基性侵入岩为主[16-22]；大型的侵入岩体主要分布于沂沭断裂带北端，如玲珑岩体、郭家岭岩体[23]。

喷发岩与大型侵入岩体对于沂沭断裂带的构造活动研究具有重要的参考意义。相比沂沭断裂带外围的岩浆活动，断裂带内部的岩浆活动对于研究沂沭断裂带的构造背景具有更重要的指导意义。

区域调查表明，沂沭断裂带内部发育大量早白垩世火山岩和部分未知时代的侵入体与岩脉。为了精确了解侵入体的年龄及其构造意义，笔者考察了沂沭断裂带内部的莒县浮来山浅成侵入体以及东侧边缘的莒南官坊岩体，对所采集的样品进行了岩石学分析和锆石U-Pb定年，结合前人对沂沭断裂带外围侵入岩体年代学研究及五莲变质核杂岩的研究成果，总结区域晚中生代岩浆活动时代特征及其迁移规律，探讨晚中生代时期沂沭断裂带的构造背景与克拉通岩石圈减薄的时空关系。

1 区域地质背景和岩体特征

沂沭断裂带是中国大陆东部岩石圈尺度的构造边界带之巨型活动断裂带——郯庐断裂带的山东段，呈 NEE10°—NEE25°方向，沿着沂河、沭河及潍河展布，长约330 km，宽 20～60 km，纵贯山东中部，是鲁东和鲁西的分界断裂[12-13]。

沂沭断裂带从东向西由4条断裂构成，分别为昌邑—大店断裂(F1)、安丘—莒县断裂(F2)、沂水—汤头断裂(F3)、鄌郚—葛沟断裂(F4)，4条断裂构成了“两堑夹一垒”的构造格局(图1)，即安丘—莒县地堑、汞丹山地垒和马站—苏村地堑[9]。地垒上主要出露基底变质岩和局部的新元古界—古生界盖层，而地堑中充填着下白垩统青山组(K1q)火山岩与陆相白垩系地层，指示该断裂带经历过白垩纪的伸展活动[12]。

沂沭断裂带内、外中生代岩浆作用非常发育。断裂带内侵入岩体规模较小，以浅成侵入岩或辉绿岩脉为主[24]；喷出岩规模较大，以早白垩世(106～122 Ma)安山岩分布最广[5]，火山岩系呈长条状分布在各地堑中(图1)。断裂带以西的NW向断裂的附近发育小规模的基性侵入岩体及花岗岩体；喷发岩也仅发育于NW向断裂带内，规模较小，典型的火山岩分布区包括鲁西的邹平、蒙阴、费县—平邑盆地及临朐、沂源等地[11, 25-27]。鲁东地区发育大规模的酸性侵入岩体[28]，紧邻昌邑—大店断裂(F1)发育，如官坊岩体、玲珑岩体等；喷出岩的规模也较大，主要发育于胶莱盆地中(图1)。

图1 沂沭断裂带及其周边断裂和岩浆分布简图[11, 16-17, 21, 25, 29-30]Fig.1 Simplified geologic map of the Yishu fault zone and its surrounding areas, showing the distribution of major faults and magmatic bodies

研究区位于沂沭断裂带中段莒县浮来山以及莒南县官坊一带(图1)。浮来山岩体发育于断裂带内部，为正长玢岩，沿断裂带发育，侵入古生代灰岩中。野外露头显示岩体破碎，与古生代地层分别呈现断层接触与侵入接触关系。岩体形成后仍遭受断裂带的切割，在岩体边部的灰岩中可见“半花状”构造，显示岩体后期遭受了压扭性构造作用(图2(a)和(b))。

莒南官坊岩体紧邻沂沭断裂带东部的F1断裂，规模较大，为石英正长岩体。岩体内部断裂面非常发育，沿断裂面侵入闪长玢岩脉(图2(c))，闪长玢岩脉遭受明显的韧性变形，糜棱岩叶理面与钾长石拉伸线理均非常发育(图2(d))，镜下可见钾长石的旋转残斑(σ状，示左旋剪切作用)及石英的条带状构造(图2(e))。此次发现的韧性剪切带为首次发现，之前未见报道。

图2 采样点野外露头特征 Fig.2 Outcrop photos of the sampling site(a) (b) 18YS12采样点露头；(c)17JN15-1采样露头；(d)遭受韧性剪切的闪长玢岩脉(样品17JN15-2采样点)；(e)(d)图的薄片显微照片，钾长石构成σ状残斑，示左旋剪切

2 样品采集与岩石学特征

2.1 样品采集

样品采集于断裂边的正长玢岩体(35°35′21.5″N ,118°44′10.2″E)中，样品编号18YS12；官坊岩体(35°7′33.5″N,118°44′7″E)中，样品编号为17JN15-1和17JN15-2。将新鲜的岩石样品磨制成薄片，在偏光显微镜下进行岩性鉴定。

岩石样品破碎、锆石挑选由北京天和信矿业技术开发有限公司完成。锆石制靶与阴极发光(CL)显微图像采集在中国科学院地质与地球物理研究所JOEL JXA-8900RL上进行，具体流程参见Xie等[31]。锆石原位微区测试在中国冶金地质总局山东测试中心的激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)仪器上完成，激光束斑直径为24 μm，实验中采用He作为剥蚀物质的载气。

测年数据利用GLITTER4.0软件对锆石的同位素及元素含量进行计算，参考锆石91500(年龄为1 064 Ma)和NIST610进行元素分馏校正，具体方法见Jackson等[32]和Anderson等[33]。闪长玢岩的年龄数据采用206Pb/238U加权平均年龄(在ISOPLOT4.11上进行计算)，分析误差为1σ，加权平均年龄具有95%的置信度。

2.2 岩石学特征

正长玢岩(样品18YS12)为块状构造，较细结构，以灰白色为主；显微镜观察表明，样品无风化现象，岩石具有等粒结构，斑晶以正长石为主，少量(<5%)石英充填在蚀变的长石颗粒之间。方解石脉呈直线状切穿正长玢岩(图3(a)和(b))。

石英正长岩(样品17JN15)具有块状构造，中粗粒结构，以肉红色为主；粒度介于2～4 mm之间，主要矿物为石英(5%～10%)和正长石(>70%)，暗色矿物主要为角闪石，具有简单双晶，可见两组解理，含有少量黑云母，呈片状(图3(c)和(d))。

图3 定年岩石样品显微照片(正交偏光，(a)、(b)为样品18YS12，(c)、(d)为样品17JN15)Fig.3 Thin-section photomicrographs of the zircon U-Pb dated magmatic rock samples

闪长玢岩(样品17JN15-1)呈糜棱状构造，主要由肉红色的钾长石和暗色的角闪石矿物组成，钾长石呈现明显的塑性拉长，形成线理，角闪石等暗色矿物定向，构成面理(图2(d)和(e))；显微镜下钾长石旋转残斑发育(图2(e))。

3 年代学分析

本文对浮来山岩体正长玢岩(18YS12)以及官坊岩体侵入岩样品(17JN15-1、17JN15-2)进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析，测试结果如表1所示。锆石谐和图以及部分锆石阴极发光图像见图4。颗粒以短柱状和浑圆状为主，少量呈长柱状，粒径多集中于80～140 μm，长宽比多为1:1～2:1，锆石形状大多数为半自形到自形，还有部分不规则的形状，均发育清晰的岩浆振荡环带。

图4 沂沭断裂带浮来山岩体((a)和(d)，样品18YS12)以及官坊岩体((b)(e)，样品17JN15-1；(c)(f)17JN15-2)锆石阴极发光(CL)图像和锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Representative zircon CL images and concordia U-Pb diagrams for the Fulaishan pluton ((a) and (d), sample 18YS12) and Guanfang pluton ((b) and (e), sample 17JN15-1; (c) and (f), sample 17JN15-2) in the Yishu fault zone

表1 沂沭断裂带浮来山岩体(18YS12)以及官坊岩体(17JN15-1和17JN15-2)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果

样品18YS12、17JN15-1和17JN15-2的Th/U值(0.72～2.14、1.21～2.51和1.33～3.67)均明显高于典型的变质锆石(Th/U<0.1)，表明其属岩浆成因锆石[34]。

样品18YS12的19个分析点获得的206Pb/238U年龄变化于(111±12)～(142±8)Ma之间，加权平均年龄为(125.6±2.0)Ma(1σ，MSWD=0.41)，定年结果表明浮来山侵入岩体形成时代在125Ma左右，是早白垩世岩浆活动的产物。

样品17JN15-1的20个分析点获得的206Pb/238U年龄变化于(122±3)～(127±3)Ma之间，加权平均年龄为(125.1±1.7)Ma(1σ，MSWD=0.19)。侵入岩样品17JN15-2的19个分析点获得的206Pb/238U年龄变化于(120±2)～(125±7)Ma之间，加权平均年龄为(122.8±2.1)Ma(1σ，MSWD=0.27),以上定年结果表明官坊岩体是早白垩世岩浆活动的产物。

4 讨 论

沂沭断裂带内部及其两侧岩浆活动十分频繁，因而发育了大量的岩浆岩。岩浆岩的时期主要分为两大类，一类是太古宙的岩浆岩，包括部分前寒武纪岩浆岩[35]；第二类，主要为中生代的岩浆岩(图1)。前寒武纪岩浆岩出露于沂沭断裂带的西侧，它的出露可能与鲁西隆起的整体抬升密切相关，但前寒武纪的岩浆侵入与沂沭断裂带没有关联[36]，因此本文中主要讨论晚中生代发育的岩浆岩。

4.1 晚中生代岩浆活动特征

沂沭断裂带内部晚中生代岩浆活动频繁，综合本次测年结果与前人已发表的数据，晚中生代岩浆活动的年龄集中于118～128 Ma，在这一阶段内，有两个峰值：125 Ma、120 Ma(图5(a))。

图5 沂沭断裂带及周边地区岩浆年龄分布直方图[11, 16, 19-20, 23, 29-30, 41]Fig.5 Magmatic age histograms in/around the Yishu fault zone[11, 16, 19-20, 23, 29-30, 41]

125 Ma峰值与本次获得的两个岩体的年龄一致，与紧邻沂沭断裂带东侧的五莲变质核杂岩快速剥露的时期(123～128 Ma)相吻合[37]。众所周知，变质核杂岩的快速剥露与断陷盆地的发育是岩石圈减薄与破坏作用在中、上地壳的典型响应[38]。沂沭断裂带东侧紧邻诸城断陷盆地与五莲变质核杂岩，123～128 Ma五莲变质核杂岩快速剥露与隆升[37]，诸城盆地快速沉积了巨厚的莱阳群，这是华北克拉通岩石圈减薄与破坏作用的重要表现。沂沭断裂带发育该时期的岩浆作用，是华北克拉通岩石圈减薄作用在该断裂带内的地质响应，表明沂沭断裂带此时处于快速拉伸的状态。

(续)表1 沂沭断裂带浮来山岩体(18YS12)以及官坊岩体(17JN15-1和17JN15-2)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果

120 Ma年龄峰值与本次获得的侵入石英正长岩的闪长玢岩脉年龄(122 Ma)接近，与五莲变质核杂岩后构造岩体(坊子岩体、石场岩体)的时间(122 Ma)[39]相对应，该时期五莲变质核杂岩处于快速伸展之后的相对缓慢的伸展阶段[37]。与之对应的是，诸城盆地大量发育该时期青山群火山岩[40]，表明岩石圈整体已经减薄。沂沭断裂带发育此时的岩浆活动，可以理解为岩石圈缓慢伸展的地质响应。前人对发育于沂沭断裂带内中北部(安丘、高桥)、中南部(莒县、莒南)的喷发岩浆开展了岩石地球化学研究，获得其结晶年龄为125～127 Ma的岩浆的87Sr/86Sr比值为0.707 678～0.711 259，εNd(t)为-15.2～-11.0，εHf(t)为-19.5～-2.2；120～122 Ma的岩浆87Sr/86Sr比值为0.707 502～0.709 238，εNd(t)为-20.5～-16.1，εHf(t)为-24.6～-16.4。前者岩浆源区为富集的岩石圈地幔与下地壳的混合，后者主要为地壳源区[24]，说明125～127 Ma快速伸展期间，沂沭断裂带的岩浆来源较深；随着120～122 Ma区域伸展作用的减弱，岩浆来源变浅。

4.2 晚中生代岩浆迁移及区域构造内涵

沂沭断裂带作为切割岩石圈地幔的深大断裂，晚中生代的岩浆活动体现了断裂带自身的活动特征及切割深度。从区域构造的角度，沂沭断裂带的岩浆活动是胶东半岛岩浆活动的一部分。

从岩浆形成的年龄来看，晚中生代最早形成的岩浆岩(177±4 Ma)位于鲁西地区，该期岩浆发育于沂沭断裂带NW向分支断裂(图1)，此时胶东半岛没有明显的岩浆活动，因而该期岩浆可能是沂沭断裂带活动引发，是一次相对孤立的岩浆事件。该时期古太平洋板块裂解，大洋板块初始以快速低角度俯冲[42]，沂沭断裂带此时受到来自大洋板块较强的挤压力。

160～140 Ma期间，鲁东北部发生大规模的岩浆作用，岩浆的87Sr/86Sr比值为0.708 3～0.712 4，εNd(t)为-21.6～-17.6，εHf(t)为-28.7～-17.6；该期岩浆具有埃达克质岩的性质，可能来自加厚的下地壳的部分熔融[43](图6)。此时沂沭断裂带内部及鲁西地区没有明显的岩浆活动(图1，图5(a)和(b))，但鲁西地区发育了大量NNE轴向的箱状褶皱及盲冲断层[44]，显示强烈的构造挤压推动了此次岩浆与构造事件。该时期伊佐奈岐板块低角度向NW方向快速俯冲[45-46]，与鲁西地区构造线走向近垂直，与鲁东的岩浆岩时代一致，可能引起了胶东北部下地壳的增厚，并导致下地壳的部分熔融[43]。

135～130 Ma期间岩浆作用分布点较多，但单个岩体的规模不大，主要分布于鲁西地区，沿沂沭断裂带NW向分支断裂带发育(图1，图5(b))。该时期的岩浆岩以高Mg闪长岩(济南岩体、铁铜沟岩体、金岭岩体、上峪岩体)为主(图6)，岩浆的(87Sr/86Sr)t值介于0.704 75～0.711 74之间，εNd(t)值介于-3.75～-16.60之间，原始岩浆起源于受陆壳物质强烈改造的上地幔[19-20]。这些特征表明该时期沂沭断裂带的NW向分支断裂开始控制了岩体的侵入活动，但作为主干断裂的沂沭断裂带内部却缺少该时期的岩浆岩，可能与该时期沂沭断裂带的压扭性构造环境有关；该时期伊佐奈岐板块的运动方向由前期的NW向俯冲转为近N向俯冲[45-46]。

图6 沂沭断裂带及其两侧晚中生代岩浆岩Sr、Nd同位素比值对比(数据据文献[24, 39, 50])Fig.6 Diagram of εNd(t) vs.(87Sr/86Sr)t for the Late Mesozoic magmatic rocks in/around the Yishu fault zone (data after refs.[24, 39, 50])

125 Ma的岩浆作用，在鲁东、鲁西及沂沭断裂带内部均有发育，但总体以沂沭断裂带东侧边缘及鲁东地区岩体的规模较大(图1，图5)。大量的研究表明，该时期华北克拉通岩石圈经历了强烈的破坏与岩石圈减薄[47-48]，沂沭断裂带内部及两侧的岩浆作用可理解为华北克拉通岩石圈减薄在该地区的一种响应。

122 Ma的岩浆作用，是125 Ma岩浆作用的延续(图5)，它们具有类似的(87Sr/86Sr)t值，但122 Ma岩浆的εNd(t)明显小于125 Ma(图6)，体现了岩浆源区由壳幔混合向地壳过渡的特点。该期岩浆作用在鲁西地区少见，主要分布于鲁东东部地区，沂沭断裂带内部少量分布(图1，图5)。该时期伊佐奈岐板块再次向NWW向俯冲，并伴随着俯冲板块的回撤[8, 45-46]，一方面造成了华北克拉通岩石圈弧后拉张的伸展环境，另一方面导致了沂沭断裂带的左行走滑。这与本次发现闪长玢岩脉的左旋剪切及韧性变形相对应。

综上所述，沂沭断裂带内部及两侧晚中生代岩浆作用的特点(图7)，除了反映岩浆源区的变化规律，在平面上还存在着如下迁移规律：即岩浆作用率先在胶东半岛北部爆发，随后向鲁西地区迁移，再向鲁东东部转移，总体构成了逆时针迁移的特征(图7)。岩浆的这种迁移时间正好对应着伊佐奈岐板块的俯冲方向、速度变化及后撤时间，充分表明了沂沭断裂带及周边的岩浆作用受控于伊佐奈岐板块的运动过程。

5 结 论

本文通过对沂沭断裂带晚中生代侵入岩体，浮来山岩体以及官坊岩体详细的岩石学和年代学研究，得到以下认识：

(1)首次发现沂沭断裂带内岩浆岩的左行韧性剪切活动。韧性剪切作用于闪长玢岩脉，其锆石U-Pb加权平均年龄为(122.8±2.1) Ma。

(2)沂沭断裂带内浮来山正长玢岩体锆石U-Pb年龄为(125.1±1.7) Ma，官坊石英正长岩体锆石U-Pb年龄为(125.6±2.0) Ma。

(3)沂沭断裂带内部岩浆活动的高峰期为125 Ma、122 Ma，前者与沂沭断裂带东侧的五莲变质核杂岩快速剥露的时间(122～128 Ma)相吻合，表明沂沭断裂带在该时期处于岩石圈减薄与破坏强烈的时期；闪长玢岩脉122.8 Ma的结晶年龄，与五莲变质核杂岩后构造岩体(石场、坊子岩体等)的结晶年龄一致，表明该时期沂沭断裂带伸展作用明显减弱，同时也说明胶东半岛岩石圈减薄具有时间上的一致性。

(4)晚中生代时期，沂沭断裂带两侧岩浆活动具有逆时针迁移的规律，这一规律可能与伊佐奈岐板块向欧亚板块俯冲的方向、角度、速度的变换有关。