中国大陆“十字构造带”关键科学问题研究进展

董云鹏,赖绍聪,第五春荣,杨 钊,孙圣思,陈丹玲,龙晓平,朱韧之,李 玮,何登峰,孙娇鹏,苟龙龙,程 斌,史小辉,张菲菲,柳小明,惠 博

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

东亚大陆是由许多亲劳亚或亲冈瓦纳的中小陆块经过复杂拼合而成的最为复杂的大陆,而中国大陆地处东亚的核心位置,是研究东亚大陆形成演化的关键。控制中国大陆形成演化的最主要的构造格架是“十字构造带”,即东西向的中央造山系和南北向的贺兰—川滇南北构造带[1](见图1)。中央造山系自东而西包括秦岭造山带、祁连造山带和昆仑造山带,是南方和北陆块群历经古生代—早中生代拼合形成中国大陆主体的构造结合带,并遭受中新生代陆内造山改造,构成了中国大陆地质地理、生态环境、 人文经济等南北分野;

图1 中国大陆“十字构造带”示意图(据文献[1]修改)Fig.1 The sketch map of "Cross Tectonics" in China continent

贺兰—川滇南北构造带不同区段继承了前寒武纪板块构造记录,逐步转化为古亚洲洋或古特提斯构造域大陆边缘,尤其是新特提斯构造运动,形成青藏高原隆升扩展变形的东部边界,控制了晚中生代—新生代中国大陆东西反转演化。“十字构造带”不仅控制着中国大陆的形成演化,而且分隔了四象限不同的地质、地理、气候、环境、经济、人文等,因此,受到地球科学家日益增长的关注。本文拟通过对“十字构造带”东段、西段、北段、南段和交接区最新研究进展的介绍,为深化认识“十字构造带”的构造演化和动力学、重建中国大陆主体的拼合和演化过程提供依据。

1 中国中央造山系东段——秦岭造山带精细演化过程

1.1 华北板块南缘前寒武纪演化过程及与北秦岭地体格林威尔期造山事件

秦岭造山带(见图2)元古代构造演化是深入探讨华北与华南板块汇聚过程的关键。以往的研究表明北秦岭与华北板块具有明显不同的Pb-Sr-Nd同位素特征,指示两者不具有亲缘关系[2]。最新的研究显示华北板块通辉县西部的英云闪长质片麻岩侵位年龄为约2.71 Ga,锆石的Hf和O同位素指示其原岩可能起源于2.7 Ga新生地壳,具有与全球太古代TTG岩套和显生宙高硅埃达克岩石类似的地球化学特征,原始岩浆可能是由加厚的洋壳部分熔融而成[3]。最新的研究结果[4-5]认为:① 华北克拉通南部大陆最主要的地壳生长期为2.91～2.50 Ga;② 豫西鲁山和小秦岭太华杂岩具有明显的时代差别,前者的变质深成侵入岩形成于中太古代晚期—新太古代早期,而后者的形成时代为中太古代晚期—古元古代早期;③ 太华杂岩在全球陆壳生长“沉寂期”(2.45～2.20 Ga)岩浆活动异常发育,与华北克拉通南部太古宙陆块和其他陆块汇聚-碰撞相关;④ 太华杂岩在古元古代晚期普遍遭受了1.97～1.80 Ga的强烈变质变形,主体为高角闪岩相,局部可达麻粒岩相;⑤ 华北板块南部太古宙地块形成于约2.5 Ga,经历了5个构造演化阶段:冥古宙—始太古代初始陆核形成、中太古代—新太古代陆壳快速生长、约2.3 Ga岩浆活动异常活跃、2.30～1.97 Ga陆内拉伸-破裂及1.97～1.80 Ga陆块最终拼合。

图2 秦岭造山带及其邻区构造单元区划图(据文献[8]修改)Fig.2 Tectonic division of the Qinling Orogenic Belt and adjacent areas

北秦岭地体与华北板块之间广泛分布的宽坪蛇绿混杂岩为北秦岭地块与华北板块中—新元古代构造演化过程提供了重要的约束条件。宽坪蛇绿混杂岩主要由蛇绿岩和变质沉积岩组成,其中，蛇绿岩单元可以分为N-MORB和E-MORB两类,前者的特征是强烈亏损轻稀土元素和大离子亲石元素,且高场强元素未分异;后者则是少量富集轻稀土元素和大离子亲石元素,同时高场强元素发生分异,表明宽坪蛇绿岩应代表了北秦岭地块与华北板块之间的残余洋盆(称之为宽坪洋)。N-MORB样品的锆石U-Pb年龄为1 445 Ma,代表了宽坪洋壳的形成时代。综合区域资料,认为以宽坪蛇绿岩为代表的中元古代洋壳持续向南俯冲,导致了北秦岭地块和华北地块发生碰撞拼合[2]。

1.2 南秦岭—扬子北缘新元古代俯冲增生造山过程

南秦岭地区小磨岭蛇绿混杂岩主要由玄武岩、辉长/绿岩和闪长岩组成。辉长岩和闪长岩的形成时代分别为753 Ma和843 Ma，玄武岩具有与板块俯冲相关的弧后盆地环境，辉长岩和闪长岩形成于岛弧构造环境。上述岩石组合和地球化学特征均表明小磨岭杂岩可能形成于与板块俯冲相关的岛弧构造环境[6]。陡岭杂岩中花岗质岩体锆石U-Pb年龄为719～697 Ma,地球化学特征指示其来源于被俯冲物质交代的地幔源区。锆石Hf同位素显示这些新元古代岩浆岩的源区既包括中—新元古代的年轻地壳也包括新太古代—古元古代的地壳再造[7]。

南秦岭武当群(783～730 Ma)和随县群(770～740 Ma),包括岛弧火山岩、弧后双峰式火山岩-沉积岩,揭示其代表了增生杂岩;而耀岭河群及同时异相的基性岩墙(700～630 Ma)则具有早期岛弧火山岩加晚期弧内裂谷火山-沉积岩系组合特征[8]。综合南秦岭新元古代岩浆活动地球化学和同位素年代学,提出小磨岭岩浆杂岩代表了扬子板块北部新元古代俯冲增生带的最北缘,而其南侧的汉南—黄陵地区的新元古代岩浆杂岩则构成了该增生带的南部边界，二者之间分布了大量以武当群、随县群为代表的具有与板块俯冲成因相关的新元古代火成岩和火山-沉积岩系。扬子板块北缘新元古代存在一个较大范围的由于板块长期俯冲(850～700 Ma)作用形成的增生造山带[6,8]。

1.3 商丹缝合带早古生代洋-陆俯冲、晚古生代陆-陆俯冲造山的精细过程

松树沟基性-超基性岩体中,方辉橄榄岩为洋中脊地幔橄榄岩,代表了SSZ或者洋中脊部分熔融后的地幔残留,而粗粒和细粒纯橄岩可能是在SSZ环境中玻安质熔体和方辉橄榄岩反应的产物[9]。Re-Os年代学研究揭示最大的Re亏损模式年龄为805 Ma, 约束了方辉橄榄岩从大洋地幔中形成的最小年龄。全岩和铬尖晶石Re-Os等时线年龄为500 Ma,代表了熔-岩反应年龄。因此，松树沟超基性岩在805 Ma之前形成于洋中脊,于500 Ma在SSZ环境中被玻安质熔体改造[9-10]。方辉橄榄岩主要发育橄榄石C型组构,与板块俯冲过程中的高压作用有关,残存的A型组构代表了残留的商丹洋中脊大洋地幔岩的原始组构;粗粒橄榄岩显示B型组构,可能是SSZ环境中俯冲熔-岩反应和/或高水含量的结果。结合矿物组合温压计,揭示松树沟蛇绿岩经历了角闪岩相条件下的变质和变形改造。石榴角闪岩的锆石指示了约500 Ma的峰期及约492 Ma的退变质时代,指示了松树沟蛇绿岩的俯冲及折返时限[11]。

北秦岭喂子坪地区混合岩中浅色体、暗色体和条带状混合岩的年龄分别为408 Ma、403 Ma和400 Ma,限定了混合岩化时代。侵入混合岩的花岗岩墙锆石U-Pb年龄为396 Ma,约束了混合岩化的结束时间[12-14]。含石榴子石混合岩化片麻岩中暗色体峰期变质矿物组合稳定的温压条件为745～820℃和8.5～9.7 kbar,指示中压麻粒岩相变质作用,进变质阶段升温降压的特征指示了地壳增厚之后的热松弛导致了部分熔融和混合岩化[15]。结合已有研究,认为华南板块和华北板块沿商丹带的碰撞导致了北秦岭在约408～400 Ma的增厚和深熔作用[14]。

40Ar/39Ar年代学研究揭示了北秦岭和南秦岭构造带主要岩石构造单元不同的隆升剥露和冷却历史[16]:① 秦岭杂岩的隆升过程始于432 Ma之前,在432～405 Ma时期冷却至500 ℃,随后在389 Ma期间快速冷却至425℃以下,在333～330 Ma期间缓慢冷却至300℃;② 宽坪群具有相似的隆升历史,隆升过程开始于383 Ma左右,在365 Ma时期温度达到425℃以下,342 Ma时温度为300℃;③ 变质弧前沉积楔在322～311 Ma时期温度冷却至500℃,在306 Ma时期温度低于425℃,在250 Ma时期温度低于300℃;④ 刘岭群中白云母40Ar/39Ar年龄为349 Ma和363 Ma,限定了同构造变质事件的时代;⑤ 南秦岭南部武当群白云母40Ar/39Ar年龄228 Ma,代表了其缓慢的冷却过程或晚期低温事件的叠加改造过程。结合前人的冷却年龄数据和区域地质特征,提出了秦岭造山带早古生代安第斯型造山模式和随后的晚古生代大陆俯冲型构造模式。

1.4 勉略带志留纪初始裂谷的形成及印支期碰撞造山

南秦岭—大巴山辉绿岩标志着勉略洋初始裂谷形成,辉绿岩形成于456～446 Ma,具有低硅高钛、亏损Rb、K、Pb、Zr及Hf特征,岩浆起源于富角闪石的地幔源区。南秦岭早古生代辉绿岩脉是岩石圈的伸展作用导致的地幔内易熔组分的熔融所形成[17]。南秦岭不同时代地层古地磁研究工作显示,早泥盆世、早石炭世和早三叠世南秦岭的古纬度分别为9.4°N, 1.5°S 和 23.6°N。与华北板块和扬子板块同时代古地磁数据相比,显示晚古生代—早三叠世南秦岭与华北已经沿商丹缝合带碰撞拼接,而与扬子板块之间仍然存在勉略洋。结合区域地质资料,南秦岭构造带与华北板块沿商丹缝合带的缝合发生在早三叠世之前，但其与华南板块之间在早三叠世时期仍然存在着勉略洋,华北板块与华南板块的最终拼合应该发生在早三叠世之后[18]。

勉略带官地坪出露的含刚玉+石榴石矿物组合的片麻岩中,峰期矿物组合以石榴子石斑晶以及长板状的刚玉为代表,其峰期温压为850℃,11.6 kbar,经历了4个阶段的变质演化过程,构成一条顺时针变质P-T轨迹[19]。略阳长坝和勉县王家沟泥质麻粒岩均具有先升温升压、后降温降压的顺时针型P-T演化轨迹。年代学结果显示官地坪含刚玉片麻岩的近峰期变质年龄为227 Ma;长坝麻粒岩的峰期变质年龄为236 Ma；角闪岩相退变质年龄为208 Ma;王家沟麻粒岩的后期角闪岩相的退变质时代为208 Ma[19]。结合对区内其他麻粒岩等研究,上述变质岩石应是新元古代早中期的陆壳岩石在印支期至少俯冲至下地壳深部发生高压变质作用后折返的产物。

1.5 秦岭燕山期陆内造山以及新生代构造地貌过程

秦岭造山带在晚三叠世碰撞造山后,整个山脉演化为陆内构造过程,其演化史可分为3个阶段[20]:早侏罗世的走滑断裂作用,沿主要边界断裂的充填物表现为花状构造和拉分盆地,与晚三叠世南秦岭与华南沿勉略带碰撞后持续挤压有关;晚侏罗世—早白垩世南北挤压变形,表现为南北向挤压和逆掩作用从内秦岭造山带向外传递到华北和华南,与华北在秦岭造山带之下的向南陆内俯冲和华南的持续向北俯冲有关;晚白垩世—古近纪造山塌陷,沿主断裂形成了许多大型断陷盆地。

低温热年代学和河流地貌研究表明[21-23]:① 西秦岭地区的河流揭示了该区具有瞬时地貌特征,反映了西秦岭地区整体而又有差异的隆升;② 青藏高原向东扩展的构造应力通过太白断裂传递到东秦岭北缘,导致渭河地堑的进一步快速断陷;③ 大巴山地区的构造地貌形成与青藏高原向东扩展相关,靠近高原的大巴山西部以挤压缩短变形为主,中部沿城口断裂左行走滑,向东前缘受到黄陵地块的阻挡,浅表主要表现为垂向隆升。因此，现今秦岭造山带的构造地貌样式是晚新生代不同构造变形方式影响的产物,在青藏高原向北东、东向的扩展隆升驱动和外动力地质作用的综合塑造下形成。

1.6 秦岭造山带5阶段造山模式

秦岭造山带是在两侧块体(华北和扬子板块)前寒武纪各自独立演化的基础上,自古生代以来经历了长期的复杂演化过程[8, 13, 24-25]。

1)北秦岭地体和华北板块之间沿宽坪缝合带的格林威尔期造山作用(约1.0 Ga),导致北秦岭地体和华北板块拼合;

2)新元古代华南板块北部的俯冲/增生作用,代表了一个新元古代时期华南板块主体向南增生形成的广泛增生楔;

3)古生代北秦岭构造带和南秦岭构造带之间两个阶段的俯冲作用,包括早古生代时期的洋-陆北向俯冲过程及早泥盆世时期的陆-陆俯冲作用;

4)三叠纪南秦岭构造带和华南板块之间沿勉略缝合带的碰撞造山作用;

5)碰撞造山之后的陆内造山演化,包括早侏罗纪时期的差异构造、晚侏罗世至早白垩世期间的挤压和逆冲作用及晚白垩世至古近纪的造山带垮塌凹陷作用。

2 中国中央造山系西段昆仑—祁连—阿尔金构造关系

2.1 东昆仑造山带原-古特提斯连续的俯冲增生造山模型

中央造山系西段的东昆仑造山带,出露3条蛇绿混杂岩带(见图3)。北侧祁漫塔格—香日德蛇绿混杂岩带的鸭子大阪蛇绿混杂岩中,玄武岩具有E-MORB属性,辉绿岩及安山岩则形成于俯冲相关构造背景,代表了弧后盆地洋壳的俯冲;辉绿岩结晶年龄为422 Ma,指示弧后盆地洋壳俯冲时间。乌图美仁蛇绿混杂岩中,辉绿岩和玄武岩形成于E-MORB型地幔源的不同程度部分熔融;硅质岩具有典型的深海硅质岩地球化学组成。结合缝合带内其他蛇绿岩的研究,祁漫塔格弧后盆地于约505 Ma打开、约420 Ma闭合,是原特提斯洋壳早古生代向北俯冲的结果[26-27]。中部阿其克库勒湖—昆中缝合带塔妥蛇绿混杂岩中辉长岩的年龄为490 Ma、斜长岩为505 Ma;乌妥蛇绿岩的辉长岩年龄为243 Ma。野外地质及地球化学研究显示乌妥、塔妥等地区的蛇绿岩及俯冲相关岩石主要是SSZ型和少量E-MOR型蛇绿岩[25-26]。南侧木孜塔格—布青山—阿尼玛卿缝合带以典型的N-MORB蛇绿岩为主,并有少量SSZ型和OIB型蛇绿岩,代表了东昆仑特提斯洋壳及洋岛残片，不同类型蛇绿岩的形成时代变化为555～308 Ma[26]。埃达克型花岗闪长岩和闪长岩形成于俯冲洋壳部分熔融,形成年龄为454～402 Ma;加厚地壳熔融成因的类埃达克岩主要为二长花岗岩和黑云母花岗岩,结晶时代为448～447 Ma[26, 28]。

图3 东昆仑造山带及其邻区构造单元区划图(据文献[25]修改)Fig.3 Tectonic division of the East Kunlun Orogenic Belt and adjacent areas

昆中构造带基底岩系-金水口群的形成时代为2.2～1.8 Ga,变质程度达高角闪岩-麻粒岩相,遭受多期构造-热事件改造(变质及岩浆事件),包括新元古早期1.0～0.9 Ga和早古生代约400 Ma[29-31]。新元古代冰沟岩群的形成时代为0.9～1.0 Ga,主体为一套浅海相的碳酸盐岩夹细碎屑沉积,遭受约400 Ma的变质改造[29, 31]。昆南构造带为古-原特提斯古生代—早中生代长期俯冲过程中的增生杂岩带,由零星分布的不同构造属性的前寒武纪构造岩块及相互不整合接触的石炭、二叠、三叠系火山-沉积岩系组成,指示俯冲带增生杂岩挤压、逆冲、沉积相互叠置的过程[26]。

综合上述进展,东昆仑造山带是由古特提斯洋的分支——昆仑洋最终闭合而成;北侧祁漫塔格—香日德缝合带代表了祁漫塔格弧后盆地,阿其克库勒湖—昆中及木孜塔格—布青山—阿尼玛卿缝合带代表了古特提斯洋的分支——昆仑洋;昆南构造带为古生代—三叠纪的弧前增生带,与其两侧的蛇绿混杂岩共同组成一条增生杂岩带,该增生杂岩带代表了古特提斯洋的最终闭合;昆中构造带在奥陶纪—三叠纪时期为岛弧地体,由于祁漫塔格弧后盆地的打开,使其从柴达木地块裂解;东昆仑造山带存在海沟-岛弧-弧后盆地的构造体系,经历了古生代—三叠纪长期的北向俯冲-增生造山过程,且该地区原特提斯和古特提斯具有连续演化特征[26]。

2.2 柴北缘—欧龙布鲁克元古代—古生代构造演化格架

欧龙布鲁克1.78～1.6 Ga建造为典型的裂谷沉积层序,下部为裂谷早期的粗碎屑岩,上部则为裂谷巅峰期的碳酸盐岩潮坪沉积夹裂谷玄武岩。物源示踪表明,欧龙布鲁克地块经历了与华北南部、西部类似的太古代至元古代构造-热事件,以及1.78 Ga的裂谷事件[32]。新元古代—早古生代的沉积学和碎屑物源示踪研究显示,新元古代末期直至奥陶纪中期，欧龙布鲁克主要发育碳酸盐岩为主的浅水组合。新元古代末期碎屑岩物源为欧龙布鲁克地块基底,震旦纪—寒武纪的碎屑锆石年龄谱与华南、羌塘等近乎一致,指示欧龙布鲁克地块新元古代—奥陶纪长期处于冈瓦纳大陆的北缘[33]。

在柴北缘构造带鱼卡—落凤坡地区首次发现少量原岩形成时代为1 280～1 070 Ma的含硬柱石榴辉岩,全岩地球化学及锆石Hf同位素数据显示,该榴辉岩的原岩具有MORB属性;锆石O同位素揭示其原岩直接起源于地幔[34-36]。年代学研究表明榴辉岩相的变质时代为439～430 Ma,及角闪岩相变质作用的时代为新元古代(929～916 Ma),前者与区域大陆俯冲时代相似[34-36]。岩石学及相平衡模拟显示榴辉岩及石榴子石白云母片岩具有相似的早古生代顺时针P-T演化轨迹,峰期变质条件570 °C和2.7 GPa,达到柯石英稳定域,同时确定出新元古代峰期变质条件为0.5～0.7 GPa和616～669 °C[34-36]。

2.3 祁连造山带关键前寒武纪地质体的成因关系

祁连造山带(见图4)前寒武纪地块的亲缘关系研究显示,北祁连托赖群和中祁连皋兰岩群形成于中元古代晚期,中祁连湟源岩群和南祁连化隆岩群沉积时代可能为新元古代。不同样品的碎屑锆石年龄谱系特征与阿拉善和扬子板块类似,且1.6～1.2 Ga时期的Hf同位素明显更加亏损,在中元古代晚期Hf同位素几乎均为正值，而1.0～0.8 Ga岩石的Hf同位素组成主要为负值。揭示祁连造山带经历了Columbia超大陆1.6～1.2 Ga的裂解、罗迪尼亚超大陆1.0～0.8 Ga的聚合过程[37]。

图4 祁连造山带及其邻区构造单元区划图(据文献[1]修改)Fig.4 Tectonic division of the Qilian Orogenic Belt and adjacent areas

祁连造山带北祁连熬油沟和边马沟、 南祁连拉脊山和民和蛇绿岩， 超镁铁质单元的全岩和矿物元素及同位素研究结果显示[38-39]: ① 熬油沟蛇纹岩的原岩为原始地幔经部分熔融和熔体抽提之后的地幔残留体， 且受到了不同程度的地幔交代作用的影响， 形成于靠近俯冲带的弧前环境； ② 边马沟蛇纹岩残存橄榄石肯克带和尖晶石熔融残余的港湾状结构指示其原岩为地幔残留成因,形成于洋中脊环境, 是大洋岩石圈地幔经部分熔融后的地幔残留体; ③ 拉脊山变质橄榄岩辉石和橄榄石矿物化学成份、 肯克带和尖晶石的熔融残余结构指示其熔融残留成因, 橄榄石的化学组成指示其具有深海橄榄岩特征; ④ 民和蛇纹岩中尖晶石地球化学成份具有类似于地幔序列的特征表明其原岩可能为地幔残留体, 形成于与俯冲有关的弧前构造环境。 超基性岩的Re-Os年代学研究显示, 拉脊山蛇绿岩超基性岩样品的等时线年龄为495±9 Ma, 代表了拉脊山变质橄榄岩形成时间。

3 南北构造带北段(贺兰—六盘山)构造演化新进展

3.1 贺兰山构造带古元古代构造演化过程

贺兰构造带(见图5)苏峪口地区的S型花岗岩结晶时代为2 028 Ma,形成于俯冲相关的活动大陆边缘弧环境,来自富贫泥质、富砂屑的碎屑岩部分重熔,并有新生地幔物质的加入,指示在古元古代时期存在孔兹岩带东部的鄂尔多斯地块向西俯冲的事件[40]。宗别立地区的过铝质高钾钙碱性S型花岗岩的结晶时代约为2.0 Ga和1.95 Ga,是孔兹带中上地壳部分熔融的产物,在早期岩浆演化期间可能有少量镁铁质物质的混入,分别形成于阴山地块和鄂尔多斯地块俯冲和同碰撞的构造背景[40]。而石英二长闪长岩结晶时代为1 938～1 931 Ma,其岩浆源于地幔源岩浆分离结晶作用,形成于后碰撞环境,指示贺兰山1.95～1.93 Ga从碰撞向后碰撞转换[41]。安沟地区的A型花岗岩结晶年龄为1 819 Ma,源于古老的中下地壳英云闪长岩高温部分熔融,形成于地壳伸展减薄后碰撞环境,与华北克拉通南缘的熊耳群火山岩为同一伸展构造体系下的产物,揭示了华北克拉通西缘—南缘在古元古代末有大规模的伸展运动[42]。

图5 贺兰山及其邻区构造单元区划图(据文献[48]修改)Fig.5 Tectonic division of the Helanshan and adjacent areas

贺兰山孔兹岩带中的含尖晶石、 石榴子石、 矽线石、 泥质麻粒岩的峰期变质温压条件为960～1 030 ℃、 6.3～7.3 kbar, 记录了温度峰期前的降压和之后的近等压降温的顺时针的P-T演化轨迹。 孔兹岩带西段以发育高压和低压两类泥质麻粒岩为特征, 均记录了近等温降压和近等压降温的顺时针P-T轨迹, 其中， 高压麻粒岩的峰期稳压条件为10.1 kbar、 830℃。 独居石和锆石年代学研究显示, 中压麻粒岩的变质年龄为1 944～1 959 Ma， 超高温泥质麻粒岩的独居石年龄为1 931～1 934 Ma, 表明华北克拉通北缘孔兹岩带自东而西均经历了1.93 Ga的超高温变质作用。 鄂尔多斯盆地西北部钻孔泥质麻粒岩的峰期变质时代为1.96～1.94 Ga, 降压后缓慢冷却时代为1.90～1.88 Ga, 相平衡模拟研究确定其顺时针P-T演化轨迹。 结合区域已有的研究结果, 贺兰山中压和高压麻粒相变质作用与阴山和鄂尔多斯地块在大约1.95 Ga碰撞有关, 而超高温麻粒岩相变质作用与后碰撞伸展有关, 即贺兰山在1.95～1.93 Ga之间经历了由碰撞到伸展的转变过程[43-44], 这一认识也与上述岩浆岩研究结果一致。

3.2 贺兰山构造带古生代—早中生代沉积盆地性质及古地理构造格局

贺兰山及周缘地区的寒武纪地层中,碎屑物质源于东北部的伊盟隆起中前寒武纪基底的剥蚀,并发育蒸发台地-局限台地-开阔台地-台缘斜坡碳酸盐岩沉积体系,构成了一期完整的海侵-海退旋回。奥陶纪早期,鄂尔多斯盆地西北部古海盆向西倾斜,构造环境较为稳定,主要为水体向西加深的台地相碳酸盐岩沉积，该时期的沉积特征揭示贺兰山及周缘地区在寒武纪—早奥陶世时期为古亚洲洋南缘被动大陆边缘环境。至奥陶纪中晚期,贺兰山—鄂尔多斯西缘靠近活动大陆边缘岛弧位置,整体发育向上变粗的沉积序列,陆源碎屑沉积体系自西向东超覆趋势明显,盆地类型可能为弧后后陆盆地[45]。

石炭—二叠纪,由于古亚洲洋增生过程及其俯冲角度的变化,贺兰山—鄂尔多斯西缘演化为弧后后陆伸展盆地。贺兰构造带两侧石炭纪盆地具有完全一致的古生物群落、地层系统、沉积建造类型、沉积体系以及海侵-海退旋回,是统一盆地。及至三叠纪,该区发育向东加深的冲积扇-湖泊沉积体系,贺兰构造带是鄂尔多斯西北部河湖沉积体系一部分,盆地类型是断陷盆地,受控于中亚造山带形成后的伸展构造背景[46]。

3.3 贺兰山构造带晚三叠世地壳伸展事件及中新生代构造变形

贺兰构造带的孔兹岩系中发育大量基性岩墙,锆石U-Pb年代学工作确定了其侵入年龄主要为206 ± 2 Ma。元素地球化学特征显示,基性岩浆来自于富集的岩石圈地幔部分熔融,岩浆经历了橄榄石、辉石和长石的分离结晶作用,并受到少量的地壳混染。该基性岩墙形成于大陆伸展环境,与中亚造山带在晚三叠时的后碰撞垮塌有关。结合同时期的玄武岩以及鄂尔多斯西缘的沉积特征,推断贺兰山构造带在晚三叠世经历了明显的伸展减薄事件[47]。

贺兰山构造带北段自中新生代以来,至少经历了3期构造变形改造:① 晚侏罗世近NW向挤压作用;② 早白垩世近WNW向伸展作用;③ 晚中新世近NE向挤压作用。而南段则经历了显生宙—新生代的5期构造变形:① 寒武—奥陶纪构造变形,包括早期的近E-W向韧性挤压构造,晚期的近E-W向韧性挤压构造;② 晚泥盆世构造变形,以近E-W向宽缓褶皱构造为特征;③ 石炭系及其以下地层近WNW-ESE向的紧闭褶皱;④ 侏罗系及其下伏地层中的近NE-SW向褶皱及逆冲构造;⑤ 中新统及以下地层的近NW-SE向挤压构造[48-49]。

贺兰构造带南侧的六盘山弧形构造带是新生代以来形成的左行压扭性构造带。早白垩世时期,六盘山地区处于断陷盆地环境,堆积了具厚的下白垩统六盆山群红色砂砾岩,而到了晚白垩世—古新世,由于新特提斯构造域及青藏高原隆升的影响,该地区经历了北西—南东向挤压、始新世近东西向伸展、新近纪北西—南东向挤压3期构造演化过程,并最终形成现今之弧形构造带[50]。

4 南北构造带南段(龙门山—川滇构造带)研究进展

4.1 扬子西北缘新元古代板块俯冲增生演化过程

扬子西北缘碧口地块北缘鱼洞子杂岩是该区出露最古老的结晶基底(见图6),主要由TTG片麻岩、变质中基性火山岩及变质沉积岩组成。年代学结果显示TTG片麻岩、斜长角闪岩和黑云母斜长片麻岩分别形成于2 815 Ma、2 692 Ma和2 449 Ma,斜长角闪岩变质于约1.85 Ga。TTG片麻岩为新生地壳部分熔融的产物,斜长角闪岩的原岩形成过程中伴有陆壳物质的加入,黑云母斜长片麻岩则是古老地壳部分熔融的产物。这些结果表明,扬子西北缘碧口地块鱼洞子杂岩经历了约2.80 Ga新生地壳部分熔融、约2.70 Ga地壳生长和改造、约2.45 Ga古老地壳再循环和约1.85 Ga的区域变质作用改造[51-52]。

图6 华南板块前寒武纪岩浆岩及火山-沉积岩系分布图(据文献[58]修改)Fig.6 Distribution of the Precambrian magmatic and sedimentary-volcanic rocks in South China Block

碧口地块新元古代镁铁质侵入体的研究显示,花岩沟辉长岩和闪长岩来源于被板片熔体交代的岩石圈地幔橄榄岩部分熔融,形成于俯冲相关的环境;林后坝辉长岩和坪头山辉长岩形成于上涌的富集软流圈地幔物质与地幔楔之间的相互作用,可能与俯冲过程中消减板片回卷引起的岩浆活动有关。形成时代均为约880 Ma,指示碧口地块在约880 Ma已经处于持续俯冲的构造背景。而白雀寺、八海河和石林沟花岗质岩体的年龄均为约860 Ma,麻柳铺花岗闪长岩侵位时限为约825 Ma,亦显示出与俯冲相关的地球化学特征,表明碧口地块在860～825 Ma期间仍持续受控于俯冲相关的动力学体制[53]。碧口地块北部的新元古代横丹群,其碎屑锆石年代频谱具有显著的860～720 Ma的年龄峰值,与扬子板块西北缘碧口地块和汉南米仓山地区的岩浆活动时限相一致;且物源分析揭示横丹群的碎屑物质主要为中-酸性成分,并经历了快速的剥蚀、搬运及沉积,地球化学组成则表现出与活动大陆边缘构造背景相关[54-55]。

4.2 扬子板块西缘新元古代板块俯冲消减过程

扬子西缘晚中元古代S型花岗岩的形成时代为1 040 Ma,属高钾钙碱性过铝质到强过铝质S型花岗岩,岩浆起源于不均一的变沉积物源区[56]。米易地区水陆高Mg#闪长岩形成于850～835 Ma,属准铝质钙碱性岩石,来源于亏损的岩石圈地幔源区,经历了俯冲流体、沉积物熔体与板片熔体的交代作用。米易地区宽裕—茨达过铝质花岗岩具有类似于中上地壳岩石的地球化学特征,同位素地球化学指示其来源于不均一变沉积物的部分熔融,并结合前期研究,提出扬子板块西缘新元古代时期不仅经历了新生镁铁质下地壳的熔融,而且成熟大陆地壳组分也发生了重熔,时代为 840～835 Ma[57]。

攀枝花—盐边地区新元古代辉长闪长岩-黑云母花岗岩(埃达克花岗岩)-钾长花岗岩(A型花岗岩)组合中,辉长-闪长岩形成于 810 Ma,来源于俯冲流体交代的亏损地幔的部分熔融;黑云母花岗岩形成于810 Ma,具有类似于埃达克质花岗岩的特征,岩浆起源于增厚的新生镁铁质下地壳部分熔融;钾长花岗岩形成于750 Ma,具有类似于高分异A型花岗岩的地球化学特征。结合区域地质,扬子板块西缘攀枝花—盐边地区辉长闪长岩-埃达克花岗岩-A型花岗岩形成于俯冲背景下区域扩展的低压环境下酸性地壳岩石的部分熔融和分离结晶[59]。扬子西缘新元古代I型复式花岗闪长岩-花岗岩体形成于780 Ma,其中，I型花岗闪长岩属于钠质钙碱性、准铝质到轻微过铝质岩石,来源于新生镁铁质下地壳的部分熔融;I型花岗岩属于高钾钙碱性过铝质岩石，主要来源于镁铁质下地壳熔体引发的浅部地壳变质沉积物的部分熔融。结合二者的共生关系,提出大陆I型复式花岗岩体的地球化学多样性是由源区的差异性与部分熔融温度的差异所控制[60]。

4.3 龙门山—川滇构造带古生代—中生代深部动力学过程

峨眉山大火成岩省以溢流玄武岩为主体,同时包括大量的基性-超基性侵入体,是探讨大火成岩省内带地壳响应机制的良好载体。攀西地区白马铁橄榄石正长岩和花岗岩,与溢流玄武岩的时代相同(约259 Ma)。其中，铁橄榄石正长岩是由地幔柱底侵引起的富铁新生下地壳在贫水条件下高温熔融形成,而花岗岩则为A型花岗岩,是花岗闪长岩物质部分熔融的产物,推测铁橄榄石正长岩岩浆的上升造成了地壳较浅物质的低程度部分熔融,导致了白马A型花岗岩形成。陈家沟碱性杂岩体由含斜长石巨晶的角闪辉长岩单元和二长岩单元组成,二者具有相似的时代(约250 Ma)、εHf(t)值(+5～+13)、及富碱和OIB特征,表明杂岩体可能演化自于同一源区。初步认为陈家沟碱性杂岩体形成于由斜长石组成的“晶粥”岩浆系统,下层堆晶单元为含有斜长石巨晶的角闪辉长岩,而二长岩代表了上部的残余熔体[61]。

腾冲地块的石英闪长岩、二云母花岗岩、变辉长岩和黑云母花岗岩结晶时代为260～200 Ma,其中，石英闪长岩形成于玄武质下地壳高度部分熔融,二云母花岗岩源于变沉积物部分熔融,变辉长岩是亏损地幔物质受变沉积来源物质改造的结果,黑云母花岗岩是变沉积物部分熔融的产物。该期晚古生代至早中生代岩浆活动属于印支造山带岩浆活动的东南延伸,是拉萨—腾冲地块与澳大利亚、冈瓦纳大陆北缘之间的古特提斯洋发生俯冲碰撞的记录[62]。腾冲地块早白垩世岩浆作用以中酸性花岗质岩石为主,时代主要集中在130～111 Ma:① 130～122 Ma,包括高钾钙碱性花岗闪长岩及高分异I型花岗岩,形成于俯冲岩石圈与上覆地壳拆离作用;② 122～116 Ma的富Na钙碱性花岗质岩石及镁铁质暗色包体是地幔岩浆底侵下壳内物质熔融的产物;③ 114～111 Ma的石英闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩是镁铁质下地壳部分熔融的产物[63-64]。

5 “十字构造带”交接区深部结构动力学浅表构造地貌的联动机制

5.1 交接区地壳上地幔顶部三维速度结构

地震层析成像研究发现“十字构造带”交接区上地壳和上地幔顶部存在明显的残留东西向和南北向构造、以及向东北突出的弧形构造特征，而下地壳±30 km深度发育不均匀分布的低速流变层。P波各向异性和S波分裂显示,青藏高原东北角及其北部薄弱带以及阿拉善地块南缘深部变形方向一致,为NW-SE向,是青藏高原向被动方向扩展挤压变形所致,表明高原东北缘深部变形影响已越过现今地表边界,到达阿拉善地块内部和贺兰山南段,且深部变形改造主要沿阿拉善和鄂尔多斯地块之间的薄弱带进行。西秦岭“十字构造带”交接区上地壳约10 km存在明显的向北突出的弧形构造,而下地壳发育低速异常带,并一直延伸至秦岭蜂腰部位,指示下地壳塑性流变层及其分布范围。结合速度结构与地表变形、隆升及地貌推断,提出“十字构造带”控制着研究区地壳上地幔变形,尤其是限制了青藏高原的生长、扩展变形范围,使其主要局限于“第三象限”[65]。

祁连造山带地震层析成像结果表明,其地壳上地幔顶部三维速度结构具有显著的纵/横向不均一性。上地壳浅部速度结构与地表地质特征基本一致,总体表现为高、低速的分布与山脉和盆地分布相对应。祁连东部下地壳±30 km深度低速流变层非常明显,该低速异常代表了下地壳中因流体和部分熔融而造成的弱化带,其很可能与青藏高原的隆升与变形及其向北扩展有关。下地壳的弱化可使其在地质时间尺度发生塑性流动,而低速异常带的分布表明,塑性流动的规模并不大。北祁连和走廊过渡带地壳底部以及上地幔顶部内存在明显的高速异常,可能代表了向祁连造山带下方俯冲的阿拉善地块岩石圈,该俯冲作用很可能与新生代印度板块和欧亚板块的俯冲碰撞过程有关[66]。

5.2 交接区晚中生代深部动力学背景

西秦岭同仁泽库地区麦秀山中酸性火山岩以英安岩和安山岩为主,其源区为经历AFC过程的富集岩石圈地幔。多福屯的基性火山岩具有OIB型玄武岩特征,结合其(87Sr/86Sr)i初始值和正εNd(t)值,认为多福屯基性火山岩形成于软流圈地幔的低度部分熔融。40Ar/39Ar和锆石U-Pb年代学研究限定多福屯麦秀山火山岩形成于130～112 Ma期间。证明西秦岭地区存在晚中生代(130～112 Ma)加厚岩石圈拆沉、造山带垮塌事件及其诱发的地幔岩浆底侵作用[67-68]。

徽成盆地中发育的近东西向展布的辉绿岩墙与凤县太白断裂活动和徽成盆地的形成具有密切的时空关系,具有低SiO2和TiO2、高Fe2O3、Al2O3和K2O特征,富集LREE和LILE,亏损Rb、K、P和Ti元素,显示岩浆来自富集岩石圈地幔,上升过程中经历了橄榄石和辉石结晶分异作用;年代学研究揭示其侵位时代为107 Ma[69]。

5.3 交接区浅表隆升剥露和构造地貌演变过程

通过低温年代学研究解释了高原东北缘主要构造单元中新生代以来的构造剥露与地貌演化过程[70]:① 秦岭中生代向南侧前陆的扩展变形于100～90 Ma到达北大巴山、85～70 Ma到达南大巴山;② 秦岭造山带不同区段卷入高原东向扩展变形的程度不同,西秦岭和大巴山在15～13 Ma以来经历了快速的构造剥露,而东秦岭地区剥露幅度微弱,导致东、西秦岭地貌反转和大巴山具有年轻山脉特征;③ 青藏高原东缘龙门山经历了70～40 Ma、25～15Ma和<10 Ma的3期主要的构造剥露阶段;④ 四川盆地经历了两期快速剥蚀去顶过程,第1期起始于45 Ma,结束于中新世之前，第2期起始于12 Ma,广泛存在于盆内和其周缘山脉。

秦岭北缘河流沉积物样品的10Be浓度指示流域平均侵蚀速率为67～327 m/Ma-1。结合坡度、地势起伏度和河道陡峭指数进行综合分析,获得秦岭北部地形演化新认识:① 秦岭北部侵蚀速率的空间变化与平均坡度、5 km半径的地势起伏度和河道陡峭指数呈非线性关系,表明地形陡度控制着侵蚀速率的空间变化;② 局部侵蚀速率的比较表明,岩性和降水对侵蚀速率的影响有限;③ 侵蚀速率的空间变化主要受活动构造的控制;④ 黑河流域瞬时地貌的发育始于中新世晚期(约10 Ma),开始于秦岭北部的快速隆升和秦岭山前断裂的强烈活动;⑤ 秦岭北部的侵蚀速率低于活动断层的垂直滑移速率,表明至少从晚更新世以来,秦岭北部的地形就处于持续抬升和生长的过程中;⑥ 青藏高原向北东生长调节了秦岭北部的侵蚀,并形成了现代地形[71]。

6 结语

中国大陆“十字构造带”在中国地质演化上起着重要作用,是中国地质构造的纽带,是探讨中国大地构造演化的关键地区。东西向的中央造山系形成于分别归属于劳亚和冈瓦纳大陆的北方、南方陆块群古生代—早中生代俯冲碰撞造山作用,并遭受中新生代陆内构造改造,是中国南方与北方地质、地理、资源和生态环境的天然分界线。贺兰—川滇南北构造带是在前寒武纪不同构造演化基础上,分别叠加了古生代古亚洲洋和古特提斯洋大陆边缘演化,尤其是印度与欧亚板块碰撞、青藏高原形成及其东部边界的复合作用,最终形成现今南北构造带结构的构造样式,是中新生代中国大陆从地表系统到深部地质发生东、西部构造反转、差异演变的中轴和转换带,是分隔中国东部和西部地质、地理、资源能源、生态环境的天然界线。近年来对“十字构造带”的形成演化、动力学过程和构造地貌等研究取得了许多重要的进展,为进一步深刻理解中国大陆、乃至东亚大陆的复杂拼合过程奠定了基础。

致谢:特别感谢项目学术指导张国伟院士、翟明国院士以及项目组全体成员的有益讨论和建议。