桐柏造山带两侧剪切带构造关系讨论及地质意义

2023-01-06霍海东

华东地质 2022年4期

刘欢,霍海东

(中国地质调查局南京地质调查中心,江苏南京 210016)

作为中国秦岭—桐柏—大别—苏鲁造山带的一部分,桐柏—大别造山带是扬子板块与华北板块碰撞拼合的产物,带内广泛发育高压-超高压岩石,变质变形强烈,构造样式复杂多样,对其进行造山过程恢复和构造演化推演一直是造山带内研究的热点及难点之一[1-9]。桐柏—大别造山带整体呈近NW向—SE向楔状的空间展布(图1),南、北两侧被一系列平行造山带走向的韧性剪切带围限,平行造山带走向的线状构造是造山带内最为典型的变形特征。前人[10-13]对桐柏—大别造山带的构造演化模式有不同的认识,比如超高压折返模式、侧向挤出构造模式、水平挤出构造、斜向挤出构造、垂向挤出构造模式等。无论哪种模式,都难以绕开对造山带两侧剪切带的特征与形成演化的构造解析。

图1 桐柏造山带大地构造位置简图(a)及EBSD样品采样位置(b)Fig. 1 Geotectonic location (a)and EBSD sampling location(b) of the Tongbai orogenic belt

桐柏造山带北侧发育的一系列断裂中,鸿仪河—桐柏剪切带分割了北侧的含榴辉岩的高压岩石单元和桐柏杂岩[14],作为桐柏造山带中高压岩石单元的折返边界已经得到大部分地质学者的认同[15-19],但对于剪切活动的时间有争议:一种观点认为剪切活动的时间发生于早白垩世135～119 Ma[20-22];另一种观点认为剪切活动的时间为100～80 Ma[14, 23]。桐柏造山带南侧发育的殷店—马垅剪切带作为造山带内部发育的一条岩石单元界限[2-3, 24],分隔了桐柏杂岩和南侧的含榴辉岩的高压岩石单元[25-27],被认为是桐柏—大别造山带内部发育的一条大型走滑断裂。前人的研究工作[24]显示该剪切带具有由北向南逆冲兼右行走滑剪切的运动学特征。年代学资料显示两组年龄：一组为220～180 Ma,被解释为由北向南逆冲活动的时间;另一组为140～130 Ma,被解释为发生右行走滑活动的时间[24]。

上述两条剪切带均在白垩纪(140～80 Ma)发生过剪切活动,但对其年代学意义存在不同解释:一种观点认为两条剪切带是桐柏杂岩白垩纪挤出构造的边界,140～130 Ma是变形时间,两个活动具有同时性[6,19,22]；另一种观点认为鸿仪河—桐柏断裂和殷店—马垅剪切带共同构成了桐柏造山带隆升的拆离断层,并将二者视作隆升的滑脱面,用于解释桐柏杂岩于105～85 Ma期间的挤出机制[14]。上述两种不同的观点反射出对这两条剪切带的构造关系的不同认识[8]:第一种观点认为两条剪切带是独自演化、毫无关系的,构造变形具有各自的特征,只是在早白垩世发生了变形时间上的重叠;第二种观点是将这两条剪切带视为同一条剪切带,二者具有一致的构造演化关系,然而其105～85 Ma的变形时间是否统一尚待进一步确定。

为了解决上述问题,本文对桐柏造山带中间桐柏杂岩及两侧剪切带进行了较为详细的野外工作,结合野外地质观察与矿物的变形实验以及相关的年代学数据,以期重新认识两条剪切带的时空关系及桐柏—大别造山带的构造演化。

1 地质背景

桐柏造山带的主体主要呈NW—SE向展布,延伸100 km以上,南北出露宽度最窄处约5 km,最宽处可达20 km,平均宽约10 km(图1(a)、图1(b))。桐柏地区的构造单元以桐柏杂岩为核心,向南依次是南部含榴辉岩高压变质带、蓝片岩带和绿片岩带,向北则为北部含榴辉岩高压变质带、构造混杂带、南湾复理石以及古生代的秦岭岩群、二郎坪群和宽坪群。桐柏杂岩南北两侧的地质体分别向SSW和NNE倾斜,各岩石构造单元大多呈NWW—SEE走向,其间均为韧性剪切带所分隔。构造形态为枢纽近EW向延伸的宽缓背形(图2)[28-29],背形核部为传统意义的桐柏杂岩。

传统认为的桐柏杂岩主要由3部分组成[12-14,21],主体部分是已强烈糜棱岩化的花岗质片麻岩,占桐柏杂岩变形岩石总量的75%～80%。其次是花岗质片麻岩侵位时裹入的大量变质岩包体,岩性包括以英云闪长质片麻岩为主的长英质片麻岩、副片麻岩、斜长角闪岩、大理岩和钙硅酸盐岩等。糜棱岩化花岗质片麻岩与包体发生了韧性变形。第三部分是未变形的白垩纪花岗岩,主要分布在桐柏杂岩的东北部。

桐柏杂岩与北侧榴辉岩高压变质岩石单元之间是鸿仪河—桐柏韧性剪切带,与南侧榴辉岩高压变质岩石单元之间是殷店—马垅剪切带。两条韧性剪切带围限而成的楔状桐柏杂岩普遍发生强烈塑性变形,具有一套典型的线理发育、面理不发育的L型构造岩(L tectonites),反映了桐柏造山带内部岩石单元近EW向运动的构造变形特征。

(a).殷店—马垅剪切带;(b).太白顶水平剪切带;(c).鸿仪河—桐柏剪切带图2 桐柏造山带太白顶地区(A-B-C-D)地质剖面示意图Fig. 2 Schematic cross section of the Taibaiding area in the Tongbai orogenic belt (A-B-C-D)

2 剪切带和桐柏杂岩的地质特征

2.1 殷店—马垅剪切带的构造特征

桐柏造山带南侧的殷店—马垅剪切带整体走向NW—SE,剪切面地表露头倾向SW,大多约为210°,倾角30°～50°。物探资料显示地下1 000～2 000 m剪切面产状表现出变陡的特征,倾向NE,整体的包络面比较陡立[30]。剪切带出露宽250～3 200 m,中心部位广泛发育糜棱岩系列和碎裂岩系列构造岩。野外观察发现初糜棱岩、糜棱岩、超糜棱岩呈交替互层式,矿物拉伸线理发育明显,线理主要由拉长的石英颗粒和定向排列的长石颗粒构成,线理倾伏向为130°～140°,倾伏角为8°～20°,与桐柏造山带延伸方向平行(图2(a))。矿物残斑指示,剪切带运动学指向表现出明显的右旋走滑的剪切特征,即上盘向NWW方向剪切(图3(a))。

2.2 桐柏杂岩的重新分解及其特征

桐柏杂岩作为两侧剪切带的重要纽带,对解析剪切带的时空关系不可或缺。如前所述,传统认为桐柏杂岩从岩石学角度分为花岗质片麻岩、变质岩包体和未变形的白垩纪花岗岩3部分。本文为讨论桐柏杂岩的变形强弱及其与两侧剪切带的时空关系,从构造变形的角度,将其划分为两种构造岩类型:一类为LS型构造岩;另一类为L型构造岩。

LS型构造岩主要出露于桐柏杂岩顶部(图2),为一套初糜棱岩化的花岗质片麻岩,构成了桐柏杂岩顶部的一条近水平的剪切带——太白顶水平剪切带[8-9]。太白顶水平剪切带整体走向与桐柏造山带走向平行,与下伏的L型构造岩呈过渡关系。剪切带面理近水平,面理上发育的矿物拉伸线理主体呈NW—SE向(图2(b)),倾伏角为2°～15°,S-C面理组构指示出该剪切带具有上盘向NW剪切运动的特征(图3(c))。

L型构造岩占桐柏杂岩组成的90%以上[9](图3(b)、图3(g)),呈造山带规模,典型特征是发育拉伸线理,面理完全不发育或发育较弱。原岩为花岗岩,在经受韧性伸展变形之后,原岩中的碎屑颗粒、斑晶和大颗粒矿物,均只在X轴方向上拉长, Y轴和Z轴则是近于圆形压缩,故矿物或碎屑颗粒多是形成杆状或长透镜状。野外露头上L型构造岩具典型杆状构造,伴生发育大量的鞘褶皱,杆状构造长轴和鞘褶皱枢纽方向与造山带的走向一致,线状构造的产状向SEE120°～130°倾伏,倾伏角为1°～20°(图3(b)—图3(e))。

2.3 鸿仪河—桐柏剪切带的构造特征

桐柏造山带北侧的鸿仪河—桐柏剪切带整体走向NW—SE,倾向NNE20°,剪切面理的产状基本一致,主体上倾角>40°。韧性剪切宽度最大可达2 km,带内出露大量的糜棱岩、超糜棱岩。带内拉伸线理发育一致,主要由拉长的石英颗粒和定向排列的长石颗粒构成,线理倾伏方向与造山带延伸方向平行,为120°～140°,倾伏角近水平,多为10°左右(图2(c))。野外运动学标志表明该剪切带具有明显的左旋走滑运动学特征,即上盘向NWW方向剪切(图3(f)),前人[21]认为该剪切带兼有正断层的性质。

(a).石英残斑指示右旋剪切;(b).桐柏杂岩中发育的L型构造岩;(c).太白顶水平剪切带中发育的S-C组构指示上盘NWW向运动;(d).太白顶水平剪切带中发育的近水平线理;(e).桐柏杂岩中发育枢纽方向近EW向的鞘褶皱;(f).石英残斑和S-C组构指示左旋剪切;(g).桐柏地区构造形态图图3 桐柏造山带中各地质要素野外照片及背形构造形态示意图Fig. 3 Field photos and schematic diagram showing antiformal structure in Tongbai orogenic belt

3 显微组构分析

本文采集了桐柏造山带桐柏杂岩和两侧剪切带内的岩石样品,采样位置位于图1中剖面A-B和C-D以及殷店以北区域,地理坐标见表1。沿样品XZ切面制成薄片XX1-6a、XX3-2、XX25-1、XX26-1、XX31-1和XX32-1(图4)。显微镜下可以观察到以下特征。

(1)鸿仪河—桐柏剪切带(样品XX1-6a和XX3-2)，为糜棱岩系列岩石,残斑主要为长石,可见少量石英(表1),基质则主要为动态重结晶的长石和石英以及少量云母。长石可见核幔构造,发生广泛的膨凸重结晶(BLG)和亚颗粒旋转重结晶(SGR)。石英亚颗粒明显可见,主要发生颗粒边界迁移动态重结晶(GBM)。根据长石和石英的重结晶特征,估计变形温度在650 ℃左右。云母鱼构造指示剪切带具有明显的左旋运动的性质。

表1 桐柏造山带内桐柏杂岩和两侧剪切带内岩石样品薄片镜下特征

(2)桐柏杂岩。① 样品XX26-1采自于太白顶水平剪切带,岩石类型为初糜棱岩,残斑以长石为主,含量约为70%,基质为长石、石英和云母。长石发生广泛的膨凸重结晶(BLG)和一定程度的亚颗粒旋转重结晶(SGR);石英主要发生颗粒边界迁移动态重结晶(GBM)。根据长石和石英的重结晶特征,估计变形温度为650 ℃左右;多米诺碎斑构造(图4)指示太白顶水平剪切带具有上盘向NWW方向剪切运动的性质。② 样品XX25-1为L型构造岩,残斑主要是长石和石英,含量约50%,基质为石英、长石和云母;长石发生一定程度的膨凸重结晶(BLG),石英则为颗粒边界迁移动态重结晶(GBM)。根据长石和石英的重结晶特征,估计变形温度为550℃左右。

(3)殷店—马垅剪切带(样品XX31-1和XX32-1)。糜棱岩化程度较高,矿物残斑以长石为主,含有一定量的石英,基质为动态重结晶的石英和长石,含量超过90%。长石发育广泛的膨凸重结晶(BLG)和亚颗粒旋转重结晶(SGR);石英主要发生颗粒边界迁移动态重结晶(GBM)。根据长石和石英的重结晶特征,估计变形温度为650℃左右。σ型残斑指示殷店—马垅剪切带具有明显的右旋剪切运动性质(图4)。

Qz.石英;Pl.斜长石;Mca.云母;Mcc.微斜长石(薄片切面为XZ面, 正交偏光)图4 桐柏造山带内桐柏杂岩和两侧剪切带内岩石样品显微构造照片Fig. 4 Micrographs of rock samples from the Tongbai complex and shear zones in the Tongbai orogenic belt

4 岩石石英C轴组构分析

石英C轴组构的测定可以确定矿物晶格优选方位定向、有效判别物质运动的剪切指向以及变形的温压条件[31-34],对于研究剪切带的运动学和动力学机制有非常重要的作用,有助于更好的建立区域构造框架和认识区域演化历史。石英常见的滑移系有底面、菱面、柱面和柱面(图5)。不同温度和不同应变类型条件下,石英发育不同的滑移系,具体对应关系见图5和图6。