西藏冈底斯中段南缘叶巴岩群膝折构造及其地质意义

西洛郎杰王根厚曾庆高冯翼鹏次 旦韩 宁张培烈魏延嵩王伟屹

1.西藏自治区地质矿产开发勘查局,西藏 拉萨 850000;

2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083;

3.西藏自治区地质矿产开发勘查局第六地质大队,西藏 拉萨 851400

0 引言

由于新特提斯洋在60～50 Ma闭合导致印度-欧亚板块的碰撞事件引起了众多学者的关注(Tapponnier et al., 1982; Molnar et al., 1988;Najman et al.,2010)。冈底斯岩浆带长约2000km,宽30～100km,位于西藏南部拉萨地体的南缘。对冈底斯岩浆带的研究已有50多年的历史,涉及岩石学 (Debon et al.,1986; Chung et al.,2003;潘桂堂等,2006; Ji et al.,2009a, 2009b; 莫宣学,2011;宋晚郊等,2012;张浩韦等,2022)、地球化学(Zhu et al.,2008,2011)、地质年代学(赵珍等,2012;Wang et al.,2015;陈虹等,2021)和构造变形(Meng et al.,2016;陈虹等,2021;张浩韦等,2022)等多个领域。

叶巴岩群是出露在冈底斯弧东南部的一套侏罗系火山岩。它包含从玄武岩到安山岩和流纹岩的连续火山系列,被认为是典型的大陆弧岩石组合;受构造变形影响,大部分岩石形成片岩、千枚岩。在过去的 20 年里,随着驱龙、甲玛等大型矿床的发现,吸引了大量学者对叶巴岩群的关注。然而,以往的研究绝大多数集中在地球化学(董彦辉等,2006; Zhu et al.,2008;曾忠诚等,2009;黄丰等,2015; 熊秋伟等,2015)和年代学(耿全如等,2006;Zhu et al., 2008; 陈炜等,2009;魏友卿,2017;Ma et al., 2017)方面,对叶巴岩群构造地质学的研究较少。而在叶巴岩群内部发育着复杂的构造变形是典型的脆-韧性转换带,已有证据表明这些复杂的构造变形与发育在叶巴岩群中的驱龙、甲玛等大型矿床的形成密切相关(钟康惠等,2012,2013)。

脆-韧性转换带是位于地下一定深度范围内具有特定温压环境的区域带,也被称为弹性摩擦-准塑性 (EF/QP)转换带(Sibson, 1977)。学者们对于叶巴岩群脆-韧性转换带的研究,主要集中在韧性构造域,即发育在叶巴岩群中的叶巴韧性剪切带(钟康惠等,2013;马元,2017;马元等,2017;唐宇等,2022),对于脆-韧性构造域的关注较少。在叶巴岩群内部发育着大量的脆-韧性构造变形,膝折构造尤为典型。膝折带(kink band)是由具有尖棱的转折端和平直两翼构成的狭窄褶皱条带,是片岩等薄片状岩石在近平行于面理方向受挤压时发育的主要构造(Ramsay, 1987),是岩石脆-韧性变形的典型产物,也是岩石连续变形的重要记录方式。膝折的发育往往伴随着地层的扩容,成为良好的导矿、容矿构造。

此次以位于南冈底斯带达孜县—墨竹工卡县的叶巴岩群内部的膝折构造为主要研究对象,研究该区膝折构造产出特征、变形及扩容方式,分析其运动学特征及温度环境,结合构造变形时代探究其形成的大地构造背景,为该地区进一步找矿工作提供脆-韧性构造背景。

1 地质背景

冈底斯岩浆带夹持于南部的印度-雅鲁藏布江缝合带(IYZSZ)和北部的班公湖-怒江缝合带(BNSZ)之间,自南向北冈底斯岩浆带可划分为南冈底斯、中冈底斯和北冈底斯,其界线分别是狮泉河-纳木错蛇绿混杂岩带(SNMZ)和洛巴堆-米拉山断裂带 (LMF) (图1a;Zhu et al.,2011,2013;Pan et al.,2012;Xu et al., 2015)。文中研究的叶巴岩群主要位于南冈底斯岩浆带(图1a)。叶巴岩群位于雅鲁藏布江缝合带北侧,呈北西西—南东东向展布于中冈底斯岩浆带南缘、拉萨东南部,主要分布在叶巴—达孜地区,向东延伸至工布江达。长约200km,宽4～10km,被晚侏罗世多地沟组覆盖(图1a)。

图1 拉萨地体大地构造位置图及研究区地质图Fig.1 Simplified tectonic map of the Lhasa terrane and geologic map of the study area

研究区地层从侏罗纪到古近纪出露完整,主要以侏罗系和白垩系为主(图1b)。晚侏罗世多底沟组(J3d)主要为浅海相灰岩,与叶巴岩群为滑脱断层接触(唐宇等,2022)。晚侏罗世—早白垩世林布宗组(J3K1l)以板岩、钙质砂岩为主,与下伏多底沟组呈整合接触关系。楚木龙组(K1c)主要为滨海相石英砂岩、粉砂岩。塔克那组(K1t)主要为灰、灰绿、深灰色灰岩、泥灰岩等碳酸盐岩,与下伏楚木龙组和上覆设兴组为整合接触。设兴组(K1s)主要为砂岩、粉砂岩、泥岩等陆相碎屑岩沉积岩,与下伏塔克那组呈整合接触,上部被古新世典中组火山岩不整合覆盖,Mo et al.(2008)通过研究认为该不整合是印度—亚洲初始碰撞的界线标志。典中组(E1d)和帕那组(E2p)都为典型陆相火山沉积地层,两者呈喷发不整合接触(Mo et al., 2008)。唐宇等(2022)将叶巴岩群划分为三个岩组:①主要由千枚岩、变质火山碎屑岩构成的构造-地层单元——邦堆岩组(J1-2b);②由火山碎屑岩和火山熔岩共同组成的类似典型“糜棱结构”的构造-地层单元——叶巴岩组(J1-2y);③主要由英安岩及安山岩等形成的构造-地层单元——甲玛岩组(J1-2j)。大量的膝折构造发育于叶巴岩群的邦堆岩组。岩浆岩以中—酸性侵入岩和火山岩为主,基性岩脉出露极少(图1b)。中—酸性侵入岩均为新生代侵入体,包括古新世花岗岩、花岗闪长岩和始新世中细粒花岗闪长岩、二长花岗岩(董国臣等,2006;Ji et al., 2009a, 2009b)。主要构造行迹为东西向(拉萨市—达孜县)—近北西西—南东东向(达孜县—达西村),主要发育北西西—南东东向脆-韧性剪切带、挤压逆冲型断层和滑覆断层,以及北东—南西和北西—南东向伸展正断层。唐宇等(2022)将研究区内构造变形分为三期,即较为普遍存在于邦堆岩组、叶巴岩组以及甲玛岩组中的早期北西西—南东东向韧性剪切变形D1,研究区中透入性分布的轴向东西、面理大致向北的褶皱变形D2及其伴生的逆冲推覆断层,以及分布于研究区中南部的甲玛岩组的东西向展布的韧性剪切变形与叶巴岩群中广泛分布的膝折构造共同组成D3滑覆型韧性及脆韧性变形。文中主要研究对象即区内广泛发育的D3期膝折构造。

2 膝折变形特征

膝折构造在扎叶巴寺—达孜一带露头较好,在研究区内叶巴岩群中的各类岩性中均有不同程度的发育,主要发育在片岩、千枚岩(原岩为凝灰质火山碎屑岩)。主要表现为片理、千枚理褶皱形成的褶劈理的递进变形产物,反映主应力方向与先期面理平行。对典型露头的产状进行对比研究(图2),结果表明膝折构造的轴面产状普遍较缓,轴面产状为170°～190°∠15°～40°(南倾)及10°～20°∠20°～40°(北倾)。部分可见轴面北西向倾斜产状为280°～330°∠10°～40°;枢纽产状呈南东、北西向缓倾斜。

图2 叶巴岩群膝折轴面及枢纽产状图Fig.2 Attitudes in the axial surface and hinge of the kinks in the Yeba Group

在多底沟组灰岩中发育与膝折构造同期变形 形成的张裂脉(图3a),显示为主应力平行于先期面理的高角度滑覆剪切作用而在邦堆岩组中的二云母片岩中,可以观察到明显的膝折构造(图3b、3c),反映的主应力方向与灰岩中的张裂脉一致,即平行于先期面理的自上向下的剪切作用,说明张裂脉与膝折构造为同一构造事件的产物。

图3 膝折构造宏观特征Fig.3 Macroscopic characteristics of kinks

野外观测发现,膝折带常常呈现单斜或者共轭对产出,这取决于缩短方向与先期面理之间的夹角大小,当夹角在10°左右时形成不对称共轭膝折带,当缩短方向与先期面理交角大于30°时,一般不形成共轭膝折带(Johnson,1977)。共轭对之间的钝角为110°～120°,对应着主压应力方向,膝折带的边界与长翼之间的夹角约为55°(Ramsay,1980)。在叶巴岩群中的二云母片岩的露头尺度上,可以观察到共轭膝折带现象(图4a),根据郑亚东等(2007a, 2007b)最大有效力矩准则理论,可以判断膝折的主压应力方向为自上而下(图4b)。

图4 共轭膝折带及尖棱褶皱Fig.4 Conjugate kink-band and angular fold

研究表明,膝折系统的几何形态与面理发育程度及缩短方向与面理角度之间关系密切,近平行与先期面理的缩短方向,形成共轭膝折带(缩短量为10%),当缩短持续加剧(缩短量大于30%),膝折带会进一步发展为尖棱褶皱(图4c、4d;Paterson and Weiss,1966)。共轭膝折带转化为尖棱褶皱的现象,主要发育于片理极发育的千枚岩中,在研究区内偶可见到,反映了缩短量超过30%的晚期变形。

将野外采集的定向薄片沿平行线理,垂直面理方向切片,观察X-Z面上的变形。在显微构造尺度上同样可以观察到膝折构造,云母片岩显微尺度上可以观察到典型的右旋膝折构造(图5a),发育明显的膝折构造改造先期面理的现象(图5b—5e),同样表现为右行剪切现象。恢复定向薄片产状后,膝折运动学方向反映了自上向下的主压应力方向。值得注意的是,共轭膝折带递进变形为尖棱褶皱构造的现象较为普遍(图5f)。

图5 膝折构造显微构造特征(照片均为单偏光下X-Z面定向薄片)Fig.5 Microstructural characteristics of kinks (All photos are X-Z plane oriented slices under single polarized light)

对于膝折系统的生长类型的判断,有助于认识膝折形成的阶段,进而帮助分析含矿流体运移方式及矿物沉淀位置(程南南等,2018)。Verbeek(1978)提出使用膝折内外角大小关系进行识别膝折带生长类型的方法,理论情况下膝折生长模型中的内外膝折角大小相等(图6a),膝折带内总体积增大(图6b)内外膝折角度关系为β>α(图6b)。Stewart and Alvarez(1991) 进一步研究成果表明膝折带外部发生层间滑动时产生β>α的关系(图6b),膝折带内部发生层间活动,产生β<α的关系(图6c)。张波等(2010)提出膝折带形成早期(β>α;图6b),膝折带内部的扩容作用使其内部空间增大(张波等,2010,2012),此时带内形成负压空间,有利于含矿流体等富集于膝折带内部(程南南等,2018);当膝折发展至后期(β<α;图6c),岩层长度趋于加长、厚度趋于减薄,形成与层理近垂直的张裂脉,流体趋于流入这些低压空间和挤入膝折带旁侧形成鞍状矿脉或油气聚集。

图6 膝折带内外岩层顺层滑动对膝折带内、外角关系的效果图Fig.6 Diagram showing the bedding sliding of plane inside and outside the kink-band on the relationship between the inner and outer corners of the kinks

通过显微尺度的观察,可以看到膝折构造中赋存着磁铁矿,磁铁矿普遍发育于膝折带外侧,平行于先期面理(图7a)。赋存磁铁矿的膝折生长类型为层间滑动发生在膝折带内部的类型(β<α;图7b)。野外宏观露头同样显示内外膝折角度β<α的特征(图7c),反映了与显微尺度下同样的成长类型,即层间滑动发生在膝折带内(图7d)。该阶段为膝折发育的后期,由于膝折内部发生相对滑动,带内部产生高压空间,成矿流体等趋于流入膝折带旁侧低压空间聚集。

图7 膝折扩容类型Fig.7 Modes of kink expansion

3 温度环境

研究样品全部为叶巴岩群发生膝折变形的云母片岩的定向样品 (D2803-Db1、D2809-Db1、D3503-Db1及PM002-35-Db1)。通过显微尺度结合BSE视域下观察,大量定向排列的绿泥石发生膝折变形,可能为膝折构造的同构造变形的产物。样品中同样发育有大量新生方解石的e双晶,方解石也是低温变形中较为常见的一种同变形矿物。近来研究表明, 在低温(400℃以下)剪切变形过程中, 方解石e双晶纹形态与温度具有很好的相关性(Ferrillet al., 2004)。因此,此次选定发育膝折的绿泥石及方解石为研究对象,采用绿泥石温度计及方解石e双晶形态变化来确定膝折构造形成的温度环境。

3.1 实验方法

3.1.1 电子探针

电子探针实验在河北省区域地质勘察有限公司实验室完成,设备采用JEOL JXA-8230型电子探针分析测试,测试过程中,电子束斑直径小于1μm,加速电压为15 kV,电流约为20 nA左右;实测矿物中的Si、Ti、Al、FeOT、Mn、Mg、Ca、Na、K等元素含量,采用天然矿物和人工合成的化合物标样,如钾长石、黑云母等,通过JEOL提供的ZAF方法校正。

3.1.2 绿泥石温度计

Cathelineau and Nieva(1985)研究发现该地区绿泥石的AlIV与形成温度环境之间存在着正相关关系,并用线性回归的方法得出温度方程:

Cathelineau(1988)在之前的基础上,增加了Salton Sea地热系统的数据,对之前的公式进行了校正,校正公式为:

Kranidiotis and MacLean(1987)在考虑到Fe/(Fe+Mg)对温度计的影响的基础上,分别调整了公式(2):

其中AlIV为绿泥石中基于氧原子数14四次配位的Al原子数,T为摄氏温度。

3.1.3 方解石e双晶与温度的变化关系

方解石e双晶是一种应力双晶, 也是低温环境下方解石主要的变形机制。方解石e双晶在低温环境下受应力而变形,随着温度的增加, 呈现出窄的e双晶(Ⅰ型双晶)发展为直而宽的e双晶(Ⅱ型双晶),进一步发展为弯曲且宽的e双晶(Ⅲ型双晶),最终过渡到动态重结晶的e双晶(Ⅳ型双晶) 的变化过程 (图8;Ferrillet al., 2004;向必伟等,2007)。

图8 不同温度下方解石e双晶不同类型的显微示意图 (据Ferrill et al., 2004修改)Fig.8 Schematic diagram showing different types of calcite etwins at different temperatures (modified from Ferrill et al., 2004)

3.2 实验结果

3.2.1 绿泥石

绿泥石的电子探针分析及主要参数计算结果见表1。在绿泥石变种分类图解中(图9),根据绿泥石结构式中Si原子数与FM值(FM=(Fe+Mn)/(Fe+Mg+Mn))进行投点,从图中可以看出,研究区叶巴岩群变形绿泥石主要为斜绿泥石及鲕绿泥石(Melka,1965)。

表1 绿泥石电子探针数据和主要参数计算结果Table 1 Electron probe data of chlorite and calculation results of main parameters

图9 绿泥石变种分类图解Fig.9 Classification diagram of chlorite variants

3.2.2 绿泥石温度计

绿泥石是常见于叶巴岩群中的低温退变质脆-韧性转换带中的矿物,显微尺度下观察发育膝折构造的不同岩性的样品中绿泥石化程度为5%至50%之间。BES图像下可以观察到绿泥石多呈现浅灰色,受剪切作用发生膝折同构造变形,形成不对称膝折绿泥石条带(图10a、10b)。

样品D2089-Db1为斜绿泥石(图9),采用Cathelineau and Nieva(1985)提出的公式可以得到的温度范围为215～240℃;采用Kranidiotis and MacLean(1987)提出的公式得到温度范围为236～261℃;采用Cathelineau(1988)提出的公式得到的温度范围为237～276℃;采用Jowett(1991)提出的公式得到的温度范围为237～275℃(图10a、10c)。

样品PM002-35-Db1鲕绿泥石(图9),采用Cathelineau and Nieva(1985)提出的公式可以得到其温度范围为175～250℃;采用Kranidiotis and MacLean(1987)提出的公式得到温度范围为219～293℃;采用Cathelineau(1988)提出的公式得到的温度范围为176～291℃;采用Jowett(1991)提出的公式得到的温度范围为186～299℃(图10b、10d)。

图10 BSE视域及显微尺度下的电子探针点位图Fig.10 BSE-based images of electron probe point at a microscale

3.2.3 方解石e双晶

样品中方解石的e 双晶纹主要以Ⅰ型(图11a)和Ⅱ型(图11b)双晶纹为主,Ⅰ型e双晶边界直,单宽度较细,密度较大,代表着其形成温度低于170℃。Ⅱ型e双晶边界宽而且直,密度稍小,并伴随有方解石扭折现象,显示温度为170℃到200℃之间。样品主体以低于 200℃的粗、细双晶纹共存为主。

图11 方解石e双晶显微照片(正交偏光,X-Z面)Fig.11 Micrographs of calcite e-twins (Orthogonally polarized; X-Z plane)

3.2.4 温度环境

绿泥石温度计及方解石e双晶变化温度计的结果表明,两种方法得到的温度区间大致相同,在170℃到299℃之间。绿泥石温度计测得的温度稍高于方解石温度计得到的温度环境,可能代表着在膝折构造递进变形过程中绿泥石先于方解石形成于较高温环境之下,伴随着构造变形及抬升作用,方解石后形成于较低温度环境下。

4 讨论

中新世时,青藏高原经历印度-欧亚板块主期碰撞后地壳强烈缩短,进入碰撞晚期,青藏高原隆升,造山带垮塌,构造应力由以水平挤压为主的重压应力转变为垂向重力作用为主的重压应力,区域构造体制发生转换,藏南剥离断层(STDS)以下区域以挤压背景形成的剪切、重熔为特征,并且伴随着流体形成的隧道流构造,具有韧性特点;STDS以上为伸展背景形成的反转构造或伸展构造,自深部到浅地表展现为脆-韧性到脆性特点(高曦,2019),由大量近东西向正断层组成,形成时间为12～24Ma(张进江,2007;图12)。

图12 藏南碰撞带结构构造剖面图(据赵文津等,2016修改)Fig.12 Structural profile of the southern Tibet collision zone (modified from Zhao et al., 2016)

叶巴岩群内大量发育脆-韧性构造变形。受印度-欧亚板块俯冲、碰撞影响,发育若干北西西向的推覆构造系(吴珍汉等,2003;胡道功等,2004;赵文津,2016;高曦,2019),其中最南端为旁多逆冲推覆构造系,由中侏罗统—下白垩统构成了旁多逆冲推覆构造前缘南部的挤压滑脱构造带(叶培盛,2004)。钟康惠等(2012,2013)认为叶巴岩群经历过两期运动方向相反的韧性变形,第一期为上层面自南向北的剪切,第二期为上层面自北向南的剪切,第二期韧性剪切与随后的韧-脆性变形具多阶段递进特点,在向南推覆褶皱至较浅层次后还经历多期脆-韧性变形。此外,叶巴岩群还经历了多期韧-脆性变形,局部发育较浅层次的面理置换和膝折变形。Duan et al. (2014)认为叶巴岩群经历了两期构造变形,第一期(D1)发生在约50Ma,第二期(D2)晚于17 Ma。马士委等(2016)认为叶巴岩群自新生代以来,先后经历了两次区域变形事件,早期构造变形为叶巴岩群内部一系列同斜倒转褶皱和逆断层,这一阶段,早白垩世林布宗组与晚侏罗世多底沟组之间形成层间滑脱构造带;晚期构造变形形成了一系列轴面直立或斜歪褶皱,叠加改造D1期褶皱。马元将叶巴岩群构造变形划分为三期,第一期(D1)为冈底斯滑脱构造,形成于新特提斯洋俯冲的弧后背景下,时代约为 85～69Ma,具体表现为多底沟组和叶巴岩群之间的主滑脱带GD1以及多底沟组和林布宗组之间的主滑脱带GD2;第二期(D2)为冈底斯滑脱带受后来侵位岩体改造,与碰撞期花岗岩侵位有关,形成拉萨穹隆状构造,时代约为65～50Ma;第三期(D3)为驱龙-桑日-沃卡逆冲断裂带(T2)对叶巴岩群的改造,时代为～42Ma(马元,2017;马元等,2017)。唐宇等(2022)将叶巴岩群内部变形划分为三期:第一期(D1)变形为冈底斯南缘巨量增厚时期的转换挤压背景下形成的韧性构造,时代为～79Ma;第二期(D2)褶皱变形为碰撞造山背景下形成的南北向挤压的产物,时代为～50Ma;第三期(D3)为浅层次膝折构造和近东西向正断层为藏南拆离系(STDS)活动背景下的共同产物。众多学者研究表明,25Ma以来冈底斯南缘处于陆内伸展变形阶段(Zhang and Guo, 2007)。

露头尺度构造变形特征显示,叶巴岩群内部大量发育的膝折构造叠加改造了沃卡韧性剪切带的糜棱面理(谢通门-曲水-沃卡韧性剪切带),而沃卡韧性剪切带是形成于25Ma以来的GCT活动及冈底斯岩基隆升作用下的共同产物(丁林等,2006;孟元库等,2016),该时期构造应力转变为以垂向挤压的重力为主(高曦,2019),通过共轭膝折带几何结构研究,判断主压应力方向为自上而下的(铅直向下),这一以垂向挤压的重力为主的主应力方向与该时期的冈底斯南缘大规模南北向滑覆构造的主压应力一致(丁林等,2006;Duan et al., 2014;孟元库等,2016;孟元库和许志琴,2017;Feng et al., 2020;唐宇,2022)。因此,研究表明,大量发育于叶巴岩群内部的膝折构造是垂向主应力环境下、转换面(STDS)以上的伸展脆-韧性域构造产物。

5 结论

(1)膝折构造在叶巴岩群中的片岩、千枚岩中,是片理、千枚理褶皱形成的褶劈理的递进变形产物。产状统计工作表明,膝折构造的轴面产状普遍较缓,轴面产状为170°～190°∠15°～40°(南倾)及10°～20°∠20°～40°(北倾)。部分可见有轴面北西向倾斜产状为280°～330°∠10°～40°;枢纽产状呈南东、北西向缓倾斜。赋存磁铁矿的膝折生长类型为层间滑动发生在膝折带内部的类型(β<α),即层间滑动发生在膝折带内,为膝折发育的后期,由于膝折内部发生相对滑动,带内部产生高压空间,成矿流体等趋于流入膝折带旁侧低压空间聚集。

(2)绿泥石温度计及方解石e双晶温度计实验结果显示,研究区膝折构造形成温度环境在170～299℃之间,表明研究区膝折构造形成的过程伴随着构造抬升。

(3)根据宏观露头及显微视域下对于膝折构造的运动学特征分析,判断主压应力方向为自上而下(铅直向下),这一以垂向挤压的重力为主的主应力方向与该时期的冈底斯南缘大规模南北向滑覆构造的主压应力一致,此次研究工作认为发育于叶巴岩群内部的浅部膝折构造为25Ma以来,南拉萨地体伸展滑覆构造背景之下的脆-韧性变形作用的产物。

致谢:感谢野外工作中西藏地勘局地质六队的大力支持;感谢高曦博士、唐宇博士及李典博士在成文过程中的宝贵建议!感谢河北省区域地质勘查有限公司实验室在电子探针实验方面的帮助!