地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 613-641
引用本文
张岳桥, 董树文. 晚中生代东亚多板块汇聚与大陆构造体系的发展[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 613-641.
ZHANG Yueqiao, DONG Shuwen. EAST ASIA MULTI-PLATE CONVERGENCE IN LATE MESOZOIC AND THE DEVELOPMENT OF CONTINENTAL TECTONIC SYSTEMS[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 613-641.
晚中生代东亚多板块汇聚与大陆构造体系的发展
张岳桥1,2 , 董树文1,3     
1. 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210023;
2. 南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室, 江苏 南京 210023;
3. 中国地质科学院地球深部探测中心, 北京 100037
摘要:东亚大陆原型形成于三叠纪印支造山运动旋回,其周邻环绕的三大洋(古太平洋、蒙古-鄂霍茨克洋、中特提斯洋)于早侏罗世初期几乎同时向东亚大陆俯冲,开启了东亚多板块汇聚历史。文章通过总结东亚大陆晚中生代构造变形和构造岩浆事件的新近研究成果,简述了东亚多板块汇聚产生的三个陆缘汇聚构造系统(北部蒙古-鄂霍次克碰撞造山带、东部与俯冲有关的增生造山系统、西南部班公湖-怒江缝合构造带)、陆内汇聚构造变形体系和大陆伸展构造体系。在此基础上,重新构建了东亚多板块汇聚大陆构造-岩浆演化的时间框架,将其划分为三个阶段:早侏罗世(200~170 Ma)周邻大洋板块初始俯冲阶段和陆缘裂解事件,中晚侏罗世-早白垩世早期(170~135 Ma)周邻陆缘碰撞造山或俯冲增生造山作用、陆内再生造山作用和汇聚构造体系的形成;中晚白垩世(135~80 Ma)大陆岩石圈的减薄作用和大陆伸展构造体系的发育。研究认为,晚中生代东亚多板块汇聚在时空上的有序演化和深浅构造的复合叠加,不仅产生了东亚大陆复杂的陆缘和陆内构造体系,同时控制了中国东部燕山期爆发式岩浆-成矿作用,也使东亚构造地貌发生东西翘变,早期陆缘汇聚产生的东部高原因晚期大陆岩石圈的减薄和伸展而垮塌。东亚大陆构造体系的形成和演化与联合古大陆的裂解同步,晚中生代东亚多板块汇聚完成了从东亚到欧亚大陆的演替,以东亚大陆为核心的多板块汇聚格局一直延续至新生代,可能成为未来超大陆形成的起点。
关键词晚中生代    东亚大陆    多板块汇聚    大陆汇聚构造体系    大陆伸展构造体系    郯庐左旋走滑断裂体系    燕山陆内再生造山作用    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.059     文章编号:1006-6616(2019)05-0613-29
EAST ASIA MULTI-PLATE CONVERGENCE IN LATE MESOZOIC AND THE DEVELOPMENT OF CONTINENTAL TECTONIC SYSTEMS
ZHANG Yueqiao1,2 , DONG Shuwen1,3     
1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;
2. State Key Laboratory for Mineral Deposits Research, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;
3. Sino-Probe Center, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: The proto-East Asia continent was build up through Triassic Indosinian orogenesis. Its surrounding three oceans, the Paleo-Pacific ocean to the east, the Mongolian-Okhstk ocean to the north, and the Meso Tethys to the southwest, were quasi-simultaneously subducted under this continent in the earliest Jurassic, which marked the beginning of a new tectonic era called East Asia multi-plate convergence history or for short East Asia convergence. In this paper, by integrating the recent research results of tectono-magmatic studies, we briefly describe the basic features of the three marginal tectonic belts generated by the East Asia convergence, i.e., the Mongolia-Okhstk collisional orogen along its northern margin, the subduction-related accretional orogens along its eastern margin, and the Bangonghu-Nujiang suturing zone along its SW margin, together with widely developed compressional and extensional structures and magmatism produced in the interior of the East Asia continent. A new chronology of the tectonic evolution history was established in which three distinct stages were separated. The Early Jurassic (200~170 Ma) was dominated by coeval landward subduction of the oceanic plates and the development of active continental margins and magmatic activity along the marginal zones. The Middle-Late Jurassic to Early Cretaceous (170~135 Ma) was characterized by the structural development of three marginal orogenic belts (subduction-related accretional and continent-continent collisional orogenesis) and intra-continental orogenic zones, which, as a whole, formed the East Asia convergent tectonic system. The Middle-Late Cretaceous (135~80 Ma) was predominated by crustal extension and lithospheric thinning, with the development of continental extensional tectonic system in East Asia, due in part to the demise of the Mongolia-Okhstk orogeny, and in part to the retreat and/or break off of subducted oceanic slabs of the paleo Pacific Plate. We consider that the sequential evolution and deep-seated processes of Late Mesozoic multi-plate convergence in East Asia not only created complex marginal and intracontinental orogenic tectonic systems, but also controlled the explosive magmatism and mineralization in east China, meanwhile it caused seesaw change of landform in east-west direction. High plateaus possibly generated in East Asia during the middle-Late Jurassic to early Cretaceous convergent orogenesis may have been collapsed during the late-stage extensional tectonism. Coeval with the break-up of the Pangean supercontinent, the East Asia convergence evolved stepwisely from East Asia to Eurasia, then on the way to a future supercontinent.
Key words: Late Mesozoic    East Asia continent    multi-plate convergence    continental convergent tectonic system    continental extensional tectonic system    sinistral strike-slip Tan-Lu fault system    Yanshanian intracontinental rejuvenated orogeny    
0 引言

东亚是一个神奇的大陆,中国老一辈地质学家在非常有限的地质资料和调查工作的基础上,提出了众多的大地构造学说或流派,指导着中国大地构造的研究进程。黄汲清先生[1-3]在古典槽台学说和Still褶皱造山理论的基础上,系统概括了东亚多旋回构造发展历史,总结了中新生代发生的印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动等构造运动及其构造幕,刻画了中国大地构造基本单元和演化历史的时间演化框架。李四光先生[4]将地质构造分析和构造力学分析相结合,创立了地质力学理论,以大陆地壳构造变形形迹的力学分析和组合类型为主线,阐述了构造体系的内涵,识别了纬向构造体系、经向构造体系、华夏-新华夏构造体系、旋扭构造体系等,极大地丰富了大陆构造理论,并有效地指导找油、找矿的实践。张文佑先生[5]从中国东部基底构造出发,提出了断块构造学说,将断块作为大陆构造的一级大地构造单元,从其活动的角度论述中国东部大地构造历史。陈国达先生[6-7]敏锐地观察到中国东部中新生代地台的活化特征,提出了地洼构造学说,将地洼作为第三个大地构造单元,并对中国东部陆缘中新生代构造进行了深入分析。张伯声先生[8]从构造运动传播角度,提出了波浪镶嵌构造学说,来解释中国大陆波浪运动和镶嵌状构造特征。上个世纪70年代,随着板块构造理论的引入[9-10]和大陆边缘构造重建工作的深入,用活动论观点开展中国大地构造分区[11-12],东亚大陆板块构造研究获得了快速的发展,用板块构造理论编制东亚大地构造图取得了突破性进展[13-16]

不可否认,上述大地构造理论或学说都是基于某些地质构造现象的总结和归纳,有其合理性,也有其局限性,但它们对中国大地构造地质学发展做出了非常重要的贡献,至今仍然深刻影响着中国地质调查研究工作者,有些大地构造术语或概念,如印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动、构造体系、断块构造、地台活化等,已深入到不同的地学研究领域。自板块构造诞生以来,板块构造理论完好地解释了全球一级大地构造问题、尤其是洋陆转换、大洋扩张与俯冲循环、板块汇聚产生的增生造山和碰撞造山作用等,但板块登陆面临的大陆构造问题仍然困扰着全球地学科学工作者。自从美国基金委提出大陆动力学研究计划以来,大陆构造研究突飞猛进,尤其随着重大研究计划的实施,如深部探测与实验(Sino-Probe)[17-18]、深地资源勘查开发、克拉通破坏等,围绕大陆地壳的再造、克拉通破坏、远离板块边缘的大陆内部持续的陆内造山作用及其深部动力学问题、燕山期爆发式成矿等方面的研究取得了重大进展[19-21]。而如何将传统的大陆构造理论与板块构造理论有机结合,发展并深化大陆构造学理论,重新诠释东亚大陆构造演化历史,仍是中国地质学家所肩负的重任,也是东亚大陆构造和大陆动力学研究的核心科学问题之一。

“东亚多板块汇聚”以全新视角诠释了晚中生代在东亚大陆发生的一次变革性地质构造事件——燕山运动发生的板块动力学背景,以及由此产生的地质构造效应和东亚岩石圈巨变过程,提出了大陆汇聚构造体系及其与克拉通活化、大规模爆发性岩浆成矿作用之间的关系,梳理出从中国东部的燕山运动到东亚大陆多板块汇聚再到欧亚大陆和未来超大陆形成演化历史的研究新思路[22-25],从而提升了燕山运动的全球意义[26-27]。文章在此基础上,从东亚多板块汇聚角度出发,试图阐述晚中生代东亚多板块汇聚产生的陆缘和陆内构造系统,明确多板块汇聚的起始时间和演化阶段、多板块汇聚形成的大陆汇聚构造体系和大陆伸展构造体系、多板块汇聚深部过程和构造体制的重大转折、以及东亚晚中生代多板块汇聚所刻画的大陆运动程式及其全球构造意义。

1 大地构造背景

东亚大陆处于欧亚大陆的东部近陆缘地区(图 1),位于三个构造域的交汇地区:东部环太平洋构造域,北部古亚洲构造域或中亚造山带;南部和西南部为特提斯构造域。这个大陆由一些中小地块及其环绕的造山带组成,如:华北地块、塔里木地块、华南地块、印支地块、羌塘地块、兴蒙造山带、中央造山带、松潘-甘孜造山带等[15-16]。这些地块的拼合碰撞历史记录了从东亚大陆到欧亚大陆的形成演化历史。研究表示,三叠纪时期,随着联合古大陆的裂解和全球板块构造运动学格局的重组,在全球三大洋(大西洋、印度洋和太平洋)快速扩张的同时,特提斯洋快速消减、冈瓦纳大陆的裂解及其与欧亚大陆的拼贴、古太平洋板块的俯冲消减等,开启了全新一轮超大陆的形成演化历史。东亚大陆中生代构造演化历史是对联合古大陆裂解过程的响应。

(左下角插图为东亚大陆周邻三个构造域分布简图) (Inset at low left shows three tectonic realms and the location of East Asia) 图 1 东亚大陆晚中生代陆缘及陆内构造刚要图 Fig. 1 Outline map showing Late Mesozoic marginal convergent belts and intracontinental deformation zones in East Asia

在联合古大陆裂解早期阶段(三叠纪),东亚中小地块或碰撞造山、或俯冲增生造山,尤其是华南—华北地块的碰撞和金沙江洋向北的俯冲增生作用,形成了著名的东昆仑—秦岭中央造山带和松潘—甘孜俯冲增生型造山带,大陆深俯冲产生了全球出露面积最大的大别—苏鲁超高压变质带。在中亚增生型造山带中,西拉木伦洋的关闭使华北地块与兴蒙造山带最终拼合在一起,由此产生了东亚大陆的雏形。这个阶段的构造事件称为印支运动,持续时间约50 Ma。

古地理古构造复原结果显示,早、中侏罗世时期,东亚大陆被周邻三大洋所包围:东部古太平洋、北部蒙古—鄂霍次克洋、南部中特提斯洋(或班公湖—怒江洋)[28]。这个时期东亚大陆处于相对稳定阶段,印支运动时期形成的造山带普遍发生夷平作用,在大陆内部克拉通盆地和山间盆地中堆积了一套河湖相、近海平原相含煤地层序列,北部陆缘发育与俯冲有关的火山岩,东部陆缘发生大陆裂谷型火山作用和A型岩浆侵入活动;朝鲜半岛发育活动陆缘型岩浆作用;西部陆缘羌塘地区有钙碱性英安岩、碱性玄武岩喷发。这些岩浆作用时代在200~170 Ma,记录了东亚陆缘洋-陆俯冲的初始阶段,持续时间约30 Ma。

自中侏罗世以来,东亚大陆周邻洋-陆俯冲汇聚格局发生重大变化,开启了全新的东亚多板块汇聚构造格局。或洋-陆俯冲增生作用,形成了东部安第斯型的陆缘俯冲造山系统,或陆-陆碰撞,形成了北缘蒙古—鄂霍次克碰撞造山系统和西南缘班公湖—怒江缝合构造带[25]。在这个多板块汇聚构造体制下,东亚大陆岩石圈结构发生巨变,强烈的陆缘造山和陆内再生造山作用引发了大规模爆发式的岩浆成矿作用,形成了新的盆山构造体系。这个重大地质事件称为燕山运动,持续时间约100 Ma。该事件奠定了东亚大陆构造体系和构造地貌的基本格架。

2 东亚多板块汇聚形成的陆缘构造系统 2.1 北部陆缘蒙古—鄂霍次克碰撞造山系统

古地磁研究显示,在晚三叠世—早侏罗世时期,蒙古—鄂霍次克洋宽度约3000 km,到晚侏罗世快速关闭[29-31],至早白垩世,西伯利亚板块的磁极移动轨迹与欧亚大陆其它地区已十分一致,表明此时蒙古—鄂霍次克洋两侧各地块的拼贴已经完成[32-34]。研究认为,这个时期,蒙古—鄂霍次克洋同时向北和向南俯冲,向北俯冲形成了中蒙古和外贝加尔地区早侏罗世碱性熔岩和A型花岗岩(约195~178 Ma)[35-37],而向南俯冲在额尔古那地块发育晚三叠世—早侏罗世火山岩以及钼铜成矿作用[38]

地质学证据显示,蒙古—鄂霍次克洋由西南向北东方向呈剪刀状关闭,西南段于晚侏罗世关闭,而东北段于早白垩世关闭。大洋的关闭使北部的跨贝加尔地体与南部的蒙古—华北地块最终拼合,并发生强烈碰撞造山,形成蒙古—鄂霍次克碰撞造山带[39-40]。这期碰撞造山作用在外贝加尔地区广泛发育陆相磨拉石建造,不整合覆盖于之前的海相复理石建造之上[41-42]。在东段南侧,发育漠河前陆盆地[43]

由于蒙古—鄂霍茨克碰撞造山带主要位于蒙古国和俄罗斯境内,对这个造山过程、变形特征、造山作用时间及其岩浆活动等,目前研究程度较低。造山带全长约3000 km, 宽约300 km,其西南段呈北东走向,由杭盖、杭爱山、艾伦达瓦和懊侬等逆冲推覆构造带组成。根据造山带内同构造期花岗岩锆石U-Pb年龄(173~153 Ma),指示造山作用主要发生在中晚侏罗世[44]。构造研究发现,西南段杭盖地区,跨贝加尔褶皱带的岩石逆掩到了中蒙古基底之上,推覆距离达150 km[45]。在懊侬地体,志留纪—泥盆纪变质地体向东逆冲推覆在晚二叠世—早侏罗世地层之上,推测水平推覆位移达200 km[37, 39]。这些构造变形迹象显示了跨贝加尔湖褶皱地体向南及南东方向的逆冲推覆运动。通过艾伦达瓦逆冲剪切带中大洋残留岩体和后期侵入的未变形伟晶岩脉的年代学研究结果,表明蒙古—鄂霍次克西南段大洋闭合时间为182~174 Ma,碰撞作用峰期在170~160 Ma。

造山带的东段呈西—东走向,漠河前陆盆地的沉积地层序列记录了鄂霍次克碰撞造山带东段的形成时间。基于物源分析和火山岩夹层的锆石U-Pb测年结果[46],发现在Berriasian-early Valanginian期间(145~135 Ma), 漠河盆地北缘隆升,开始向盆地提供沉积物,指示造山作用发生于早白垩世早期。在Valanginian晚期(~135~130 Ma), 漠河盆地北缘的区域隆升使该盆地转换成一个压性的山间盆地,物源来自南部地区,指示造山作用基本结束。

2.2 东部陆缘俯冲增生造山系统 2.2.1 东北东部地区晚中生代2期俯冲增生事件

东北东部地区的佳木斯地块西缘发育一套混杂岩,文献上称为黑龙江群或黑龙江混杂岩或吉黑混杂岩,代表了佳木斯地块和松嫩地块之间的一个古洋盆,或称古牡丹江洋,其增生沉积和高温高压变质作用记录了该洋盆的闭合和松嫩地块与佳木斯地块的碰撞历史。但对这套混杂岩原岩时代、古洋盆关闭的时代和碰撞时间等,存在不同的认识。鹤岗地区的黑龙江混杂岩由下部的幔源碱性玄武岩及岛弧钙碱性玄武岩和上部的二云母片岩、石榴白云钠长片岩、方解白云钠长片岩、石榴白云钠长石英片岩组成,下部玄武岩系的最年轻锆石U-Pb年龄为207 Ma[47]。吴福元等[48]基于蓝闪石和多硅白云母的40Ar/39A测年结果(184 Ma、174 Ma), 认为这是一个早侏罗世增生造山带。而Li W等[49]基于2个地区蓝片岩和泥质片岩中的多硅白云母40Ar/39A坪年龄结果(165 Ma、145 Ma),认为与俯冲有关的高温高压变质作用主要发生在中晚侏罗世,并可能延续到早白垩世早期。Zhu et al.[50]在依兰地区蓝片岩中识别了2套岩浆岩群,锆石U-Pb测年结果发现,早期为~275 Ma拉斑玄武岩、晚期为140 Ma的碱性岩,由此推断古牡丹江洋是一个二叠纪的开阔的大洋盆,但其关闭时间晚于140 Ma。研究认为[51],蓝片岩的原岩为早侏罗世(186 Ma)的OIB亲缘洋壳,而角闪岩的原岩为早侏罗世(~188 Ma)的与俯冲有关的岩浆弧,蓝片岩相的变质作用发生在中侏罗世(175~158 Ma)。另外,牡丹江地区最年轻的碎屑锆石年龄为~231 Ma, 依兰地区最年轻碎屑锆石年龄为~199 Ma[49, 52],暗示古洋盆在晚三叠纪—早侏罗世时期接受来自松嫩地块的物源沉积, 或在中侏罗世以来(~170 Ma)[51],仍然在接受碎屑沉积。根据现有资料,可以推断古牡丹江洋是一个二叠纪大洋,大洋俯冲碰撞作用可能主要发生在早中侏罗世时期,并持续到中晚侏罗世,在张广才岭一带发育的早侏罗世岩浆作用可能与这次大洋俯冲作用有关[48, 53]

位于佳木斯东缘的那丹哈达地体或称完达山造山带,为典型的因古太平洋板块俯冲而形成的增生杂岩带[54-55], 与日本岛上美浓地体(Mino terrane)完全可以对比[56],它们与西锡霍特阿林一起,组成了一个统一的增生体。饶河地区增生杂岩主要由石炭—二叠纪的大理岩和绿岩、三叠纪层状燧石、中侏罗世硅质页岩组成,它们均包卷在年轻的碎屑岩中,未变形沉积岩、剪切变形沉积岩、剪切变形火山岩、浊积岩、变形硅质岩、灰岩团块和基性-超基性岩等岩石单元记录了相关洋壳在海沟处从它的诞生到死亡的旅程。未变形沉积岩主要由弱变形粉砂岩和泥岩组成,局部含锰,代表了深海沉积环境。沉积岩和火山岩均发生强烈剪切变形,为增生楔主要组成物质。基性-超基性岩由橄榄岩、辉石岩、堆晶辉长岩、层状辉长岩、辉绿岩和枕状玄武岩等组成,具有蛇绿岩典型特征,代表了洋壳残片,而玄武岩、硅质岩和灰岩则组成了洋岛/海山。锆石年代学研究结果显示,大岱南山洋岛带永幸村辉长岩结晶年龄为165±1 Ma、156±2 Ma;比金带饶河县城小南山辉绿岩结晶年龄为181±6 Ma。这些锆石年龄指示该带残留洋壳形成于早中侏罗世时期。程瑞玉等[57]对饶河杂岩的年代学研究发现,这套由含放射虫深海沉积岩以及镁铁质的熔岩和侵入岩等洋壳残片组成的杂岩,被早白垩世蛤蚂河和太平村花岗岩侵入(131、124和~115 Ma)。根据饶河杂岩中辉长岩的锆石U-Pb年龄166±1 Ma、深海沉积岩中最晚出现的放射虫的时代160~150 Ma,指示饶河杂岩的增生就位应发生在149~132 Ma的早白垩世时期。

2.2.2 西南日本增生造山构造带

日本岛在东亚陆缘生长历史中具有极其重要的地位,尤其是西南日本不同时期增生地体中的增生物质是精确估计俯冲板片的关键,而其变质变形过程记录了东亚陆缘与俯冲相关的增生造山事件[58-60]。目前具有确切年代记录的增生地体包括:早古生代(420 Ma) Oeyama HP/HT变质增生带, 晚古生代Renge HP/HT变质增生带(c.a. 340 Ma), 早中生代Akiyoshi增生带(260 Ma), Suo HP/HT变质增生带(230~160 Ma), Ultra-Tanba增生带(220 Ma), 晚中生代Mino-Tanba增生带(包含Chichibu外带)(160~125 Ma),Sanbagawa HP/HT变质增生带(120 Ma),北Shimanto增生带(80~60 Ma)和HP/HT变质带,以及古近纪—中新世南Shimanto增生带[61-64]。Aoki et al.[65]研究认为,著名的Sanbagawa增生地体东西向延伸长800 km,传统认为这是一个典型的与俯冲相关的高压变质带,增生时间在140~130 Ma, 而高温高压变质变形事件发生在中白垩世(120~110 Ma)。有些地段新增生体形成于c.a. 90~80 Ma之后,并遭受了70~60 Ma蓝片岩相变质作用。总体上,这些学者在日本岛识别出了4期增生作用或增生造山事件,分别发生在c.a. 450~300 Ma,300~220 Ma,220~75 Ma, 以及目前正在进行的新时代增生过程。日本西南中生代增生造山事件称为Miyashiro造山运动[66],形成了Mino-Tanba增生带及其Chichibu外带、Suo高温高压变质带、Sanbagawa-Shimanto高压变质带[67-68]。这些中生代因洋壳俯冲产生的增生作用和变质-变形事件均可在东亚陆缘其它地段找到相应的地质构造记录。

2.2.3 朝鲜半岛活动陆缘构造带及其北北东向右旋走滑剪切变形

沿朝鲜半岛,广泛发育三叠世—白垩纪花岗岩。三叠纪花岗岩体积小,被岩基规模的侏罗纪岩体侵入。三叠纪岩体的锆石U-Pb测年结果均为248~210 Ma[69],岩性主要为正长岩—二长岩—花岗岩—辉长岩系列,具有高钾钙碱性和钾玄质亲缘性,指示了碰撞造山后的岩浆作用。侏罗纪岩体时代197~158 Ma,缺乏晚侏罗世—早白垩世岩浆活动。早侏罗世早期(200~190 Ma)主要发育在Yeongnam massif,为碱性花岗岩或A型花岗岩[70-71],指示大陆伸展构造环境或与俯冲有关的岩浆弧。早侏罗世岩体大面积分布,时代184~170 Ma,主要为偏铝质或高铝质、高钾、钙碱性云母花岗岩,指示了活动大陆边缘构造环境[69]

尽管在朝鲜半岛没有发现晚中生代与俯冲相关的增生造山带,但其陆缘走滑剪切变形非常发育。花岗岩年代学和运动学分析结果显示[72],沿北东向Honam剪切带发育中侏罗世右旋走滑剪切变形,通过对糜稜化的角闪黑云母花岗岩锆石增生边的U-Pb测年结果,指示花岗岩剪切变形起始于178 Ma,而未变形的花岗岩结晶时代165 Ma,再结合变形的前寒武纪岩石和叶理化花岗岩的白云母和黑云母的K-Ar年龄为162~168 Ma, 148~155 Ma和136 Ma,暗示Honam剪切带的右旋剪切变形主要形成于中侏罗世的大宝运动,并可能持续到早白垩世[73]。这期右旋走滑剪切活动与Izanagi板块的向西俯冲有关。中白垩世以来构造变形以左旋走滑剪切作用为主,与太平洋板块斜向俯冲作用有关。

2.2.4 华南东部陆缘平潭—东乡造山带

沿华南东部沿海一带,出露一套角闪岩相的变质岩带,称为平潭—东乡变质带,其西缘为长乐—南澳断裂带,变质带主要由混合岩、片麻岩、混合片麻岩、片麻状花岗岩等组成,已强烈变形,发育A型褶皱、平行造山带的拉伸线理、L型线理等,指示了中下地壳的流动变形特征[74]。对这套变形岩石的淡色体和暗色体条带进行锆石U-Pb测年分析,结果显示其中的锆石主要为岩浆成因,环状结构清楚,U-Pb年龄集中在150~160 Ma、137~147 Ma[75-77],指示混合岩化作用时代为中晚侏罗世至早白垩世。侵入其中的未变形花岗质岩体年龄在133~118 Ma[78],限定了平潭—东乡变质带变质变形作用时代上限。这期变质变形作用与东北地区那丹哈达增生作用发生的时间大致同时,暗示在华南东部陆缘也存在一期晚侏罗世—早白垩世与俯冲增生有关的陆缘造山事件。

2.3 西南陆缘班公湖—怒江缝合构造带

班公湖—怒江缝合带在青藏高原延伸长约2000 km,是拉萨块体和羌塘地体的拼合带,韧性剪切变形发育[79]。该带代表了消减的中特提斯洋[80],但对其俯冲消减历史、俯冲极性以及陆块之间的拼合碰撞过程等, 一直存在争论。拉萨块体作为几梅里亚带状板片的组成部分,自从冈瓦纳大陆分裂出来以后,一直向北漂移,于晚中生代时期陆续拼合到东亚大陆。残留的洋壳沿缝合带断续出露,沿着日土—狮泉河一线、多不杂—改则一线发育辉长岩及辉绿岩,其锆石年龄约181~184 Ma, 代表了班公湖—怒江洋的时代[81]。目前研究认为,班公湖—怒江既有向南俯冲的岛弧,如班戈带火山岩[82],也有向北俯冲的岩浆岩证据[83-85]。在羌塘地体北部,早侏罗世钙碱性英安岩(177.21±1.69 Ma)和碱性玄武岩(179.19±2.88 Ma)代表了班公湖—怒江洋洋壳向北俯冲时出现的弧后扩张和地幔部分熔融的结果[86]。沿班公湖—怒江带中段出露的片麻岩U-Pb测年结果揭示出早侏罗世(185~170 Ma)花岗质岩浆侵位事件[87]。西段阿里地区发现的蛇绿岩带[88], 可能与晚侏罗世推覆侵位有关[83, 89],其中同构造新生云母的40Ar-39Ar年龄为151~153 Ma。岩石证据表明,班公湖—怒江洋壳于中、晚侏罗世开始向北俯冲于羌塘地块之下,在地块南缘发育了与俯冲有关的岛弧类岩石, 包括流纹岩、安山岩和闪长岩、斜长花岗岩等,它们的锆石U-Pb年龄为~167 Ma[90]。这期俯冲事件也记录在羌塘地块中央隆起带北缘玛依岗日地区的俄久卖高级变质岩中, 晚三叠世火山岩(207±2 Ma)遭受强烈的变质作用,其锆石增生边的年龄(161~197 Ma)指示侏罗纪的变形[91]。关于两个地块的碰撞时间, 存在不同的认识,在安多附近羌塘地块碰撞事件发生于晚侏罗世[92], 而在喀喇昆仑北部地块, 则发生在中白垩世[88, 93]。根据沉积碎屑锆石年龄谱分析和物源对比,Ma等[94]认为海沟—火山弧系统结束于早侏罗世(183~170 Ma),两个地块的碰撞作用发生于晚中侏罗世(166±1 Ma)。

3 东亚多板块汇聚产生的陆内构造体系

前已述及,东亚大陆雏形形成于三叠纪印支造山运动时期,并于早侏罗世初期开始了洋壳的初始俯冲。于中、晚侏罗世,大约自170 Ma以来,多板块的汇聚格局发生了变化,或俯冲汇聚,或碰撞汇聚,形成了三个巨型陆缘造山构造带,而陆缘汇聚构造作用同时向陆内传播扩展,使东亚大陆地壳或岩石圈发生强烈的陆内造山作用,形成了复杂的陆内构造变形系统,成为东亚大陆汇聚构造体系的有机组成部分[24, 27]。这些挤压缩短构造变形系统主要形成于中晚侏罗世至早白垩世早期(170~135 Ma),在时间演化上,与中国东部燕山运动同时,并呈幕式发展,在构造形迹上,组成复杂,由不同方向的褶皱断裂和构造—岩浆岩带组成,涵盖了纬向构造体系、经向构造体系、华夏和新华夏构造体系等[95-96]

随着深部地球物理探测实验的实施[18],进一步揭示了东亚大陆岩石圈深部结构构造的复杂性。将这些成果与地表构造变形和岩浆岩的精确测年结果相结合,帮助我们深刻理解和客观刻画东亚多板块汇聚形成的大陆构造体系。

3.1 华南地区与俯冲相关的弧后逆冲系统与岩浆成矿构造带

华南位于东亚大陆和古太平洋板块的汇聚部位,是研究与俯冲相关的大陆岩浆弧和弧后逆冲变形系统、沉积和岩浆事件内在联系的天然实验室[97-99],已有学者做了大量的调查研究工作,对华南中生代大地构造演化提出了众多深部构造模型[100]。该次研究基于构造、岩浆岩和火山岩的编图工作并结合深部地球物探测资料,初步建立了由大陆构造岩浆弧、弧后冲断系统和弧前造山带等组成的安第斯型俯冲陆缘构造系统(图 2)。在大陆构造岩浆弧带中,进一步划分出早期陆缘窄火山岩带(Ⅰ,火山喷发时代170~150 Ma)和晚期宽火山岩带(火山喷发时代150~100 Ma),宽火山岩西线位于广东清远、江西吉安、德兴一线,而大陆岩浆弧西线位于雪峰山隆起东侧。岩浆岩分布不完全受先存构造线的控制。根据陆缘侵入岩与火山岩时空分布特征,我们推断华南燕山早期陆缘岩浆弧在160 Ma之前发生强烈的地壳挤压增厚作用,不同基底性质的大陆地块卷入了这期俯冲陆缘造山系统。160~140 Ma的岩浆作用分布在整个华南地块东部地区[101],表明华南东部地区地壳的增厚主要发生在这个时期。但东部陆缘弧前带造山作用一直持续到早白垩世中期(132 Ma之前)[74-75, 78]

Ⅰ—长乐—南澳断裂带; Ⅱ—晚侏罗世火山岩西界; Ⅲ—晚中生代火山岩西界; Ⅳ—晚中生代侵入岩西界 (Ⅰ:Changle-Nanao Fault; Ⅱ:western boundary of late Jurassic volcanism; Ⅲ:western boundary of late Mesozoic vocanism; Ⅳ:western boundary of late Mesozoic intrusion) 图 2 华南大陆晚中生代构造纲要图与陆缘早侏罗世岩浆弧和中晚侏罗世—早白垩世陆缘造山带根据文献[75, 101-103]编制)。 Fig. 2 Outline map of Late Mesozoic tectonics in South China, delination of Early Jurassic marginal magmatic arc and Middle-Late Jurassic and Earth Cretaceous marginal orogeny (compiled from references [75, 101-103])

基于横穿华南大陆西北部长约~600 km的两条SinoProbe深反射地震剖面进行了解译,刻画了与俯冲有关的华南弧后逆冲变形系统的精细地壳结构(图 3)。据深反射地震剖面结果揭示:①扬子褶皱带的上地壳以发生褶皱和冲断的强反射层为主,对应显生宙盖层和前寒武纪基底分别卷入变形的薄皮和厚皮叠瓦式冲断—褶皱构造,记录了地壳缩短变形;②扬子褶皱带发育一条地壳尺度的主逆冲拆离构造带,具断坪—断坡—断坪几何学,它代表了中—上地壳中的应力集中和应变协调构造层,协调了薄皮和厚皮冲断—褶皱构造的变形差异,并提供了物质运移通道;③四川盆地周缘强缩短变形,而盆地内部中—上地壳以平缓的反射层为主,代表了弱变形的盆地沉积中心[101-102]

图 3 四川盆地东部侏罗山式褶皱带和武陵山箱状褶皱带深部结构特征和底部滑脱断层(根据文献[101]修改) Fig. 3 Interpreted seismic profile showing structural section of the Jura-type folds across east Sichuan and box-type folds across Wuling Shan and the main sole decollement (modified after reference [101])

从四川盆地至扬子褶皱带,卷入变形的地壳层次逐渐变深,构造变形呈现由南东向北西逆冲扩展的规律。继续向南东至华夏地块,结合区域资料,前寒武纪基底卷入逆冲推覆,暗示华夏地壳曾发生明显缩短加厚。这一早期加厚地壳,可能为晚期重力失稳、岩石圈根垮塌、幔源岩浆物质上涌,在华夏地区形成大规模岩浆岩的关键诱因。与之对比,扬子薄皮滑脱系统并未将基底卷入变形,其地壳未发生明显加厚,因此比较稳定,岩浆活动不发育。扬子和华夏地区中侏罗世截然不同的地壳变形样式和加厚程度,可能为导致晚侏罗世岩浆岩差异分布的关键原因。综合四川盆地、扬子褶皱带和华夏地区的构造变形式样和岩浆证据,可推测华南大陆存在一个侏罗纪安第斯型弧后盆地系统(Retroarc foreland basin system)。这个弧后盆地系统的构造—沉积—岩浆事件,包括岛弧岩浆喷发、弧后盆地沉积、缩短变形扩展、加厚岩石圈根拆沉和板内伸展相关的岩浆活动等,在成因上是相互关联的,它们的共同循环,主导了地壳变形过程中物质的运移。这一弧后盆地系统的形成演化可能与古太平洋板块俯冲过程中的动力学调整作用有关。早侏罗世,古太平洋板块向西俯冲导致华南形成岛弧岩浆岩带[103],华南大陆内部伸展裂陷,形成一套裂谷型岩浆岩。中、晚侏罗世,古太平洋板块持续低角度俯冲,弧后盆地系统发生缩短变形,并由南东逐渐向北西扩展[101],并在华南地区发育一套S型、I型花岗岩,是最重要的W、Sn成矿时期[20]。中晚白垩世,弧后前陆盆地系统遭受强烈伸展改造,华夏地区加厚岩石圈根发生伸展坍塌,幔源岩浆物质上涌,诱发大规模岩浆活动[102]

3.2 华北地块陆内逆冲褶皱变形系统

华北作为一个稳定的克拉通地块,在晚中生代东亚多板块汇聚过程中,发生了不同程度的破坏,其南、北陆缘卷入了强烈的陆内汇聚造山作用,地块内部也发生了逆冲褶皱变形和岩浆成矿作用[104]。根据构造形迹排列方式和构造变形样式,我们划分出三个主要变形构造带:东部胶—辽构造带、中部燕山—太行山构造带、西部大青山—贺兰山弧形构造带(图 4)。

图 4 华北地块晚中生代逆冲褶皱变形系统构造纲要图 Fig. 4 Outline map showing Late Mesozoic thrust-and-fold zones in North China

胶—辽构造带位于郯庐断裂带东部地区,这里主要出露华北地块的太古宙变质基底。有大型的晚侏罗世S型花岗岩侵位其中,其锆石U-Pb年龄在160~150 Ma,表明该地带在中晚侏罗世发生显著的地壳增厚[105-107]

燕山—太行山逆冲褶皱构造带呈反S型展布,由辽西地区的北东—北北东向逆冲褶皱带、燕山地区近东—西向逆冲褶皱带和京西太行山地区北东—北北东向逆冲褶皱带组成。这些褶皱构造带卷入的最新地层为侏罗纪,侏罗纪地层残留在向斜的核部地带,是华北重要的含煤盆地。著名的燕山运动及其幕次的划分正是起源于这个地区的地层接触关系的研究。大量的野外观察发现,该地区褶皱—逆冲作用具有多期次演化历史[108]。目前可以确定时代的挤压事件有:中侏罗世(165~161 Ma)、晚侏罗世(157~146 Ma)和早白垩世(142~135 Ma)等[109-111]。尤其是位于北京北部的东西向四合堂剪切带,剪切指向指示由北向南的逆冲运动,根据逆冲韧性剪切带中脉体锆石的U-Pb同位素测年分析,确定的剪切变形时代为170~150 Ma[112], 或者143~138 Ma[113]。侏罗纪盆地变形特征与生长地层的研究发现,中晚侏罗世至早白垩世时期(165~130 Ma),该地区处于持续的构造挤压环境之下,多幕式挤压事件可能与东缘俯冲增生造山作用有关的弧后挤压逆冲构造系统[114]

通过位于太行山北部的云冈盆地和吕梁山中部的静乐盆地的生长地层和火山凝灰岩夹层的年代学测试分析,确定了太行山逆冲褶皱构造带的形成时代[115]。这两个盆地均是残留的侏罗纪含煤盆地。古构造应力场反演指示北西—南东向构造挤压。盆地褶皱构造的生长地层非常典型,其中含煤地层中所夹的薄层凝灰岩锆石U-Pb同位素测年分析确结果表面这些逆冲褶皱构造起始于中、晚侏罗世之交(~170 Ma),并持续到晚侏罗世(~160 Ma)。

大青山逆冲褶皱构造带和贺兰山逆冲褶皱构造带看起来是两个独立的构造带,分别位于鄂尔多斯盆地的西缘和北缘[116-118],它们被新生代河套断陷盆地所分隔。研究发现,这两个不同方向的逆冲褶皱构造带具有相同的晚中生代构造演化历史,它们可能属于同一个弧形褶皱构造带,其中大部分隐伏于河套—吉兰泰地堑盆地和银川地堑盆地新生代沉积物之下。鄂尔多斯北缘断裂和黄河断裂构成了该褶皱构造带与鄂尔多斯地块的分界断层,而狼山东麓断层和大青山北麓断层可能为其西界和北界。目前,对这两个逆冲褶皱带的构造变形特征和运动学历史进行了详细的调查研究。

贺兰山逆冲褶皱构造带是鄂尔多斯西缘逆冲褶皱带的重要组成部分。早中侏罗世煤系地层卷入到挤压逆冲褶皱变形,西缘小松山断层将奥陶纪灰岩由西向东逆冲推覆在中生代褶皱地层之上,指示褶皱变形时代发生在中晚侏罗世[119]。北缘东西向断裂显示右旋走滑活动,东缘黄河断裂推测为左旋走滑[120]。石油勘探资料显示,在鄂尔多斯西缘逆冲褶皱带的根带位于西部吉兰泰盆地深部,在其东部的前陆地带,堆积了一套晚侏罗世—早白垩世砾岩层,记录了该逆冲褶皱构造带的形成演化历史。

大量的野外调查研究表明[117, 120],大青山逆冲推覆构造带的运动方向由南向北,前寒武纪变质岩逆冲推覆在侏罗纪含煤地层之上,根带位于河套地堑盆地深部。大青山石拐盆地处于大青山褶皱—逆冲系统变形前锋, 是阴山带内保留较为完整的侏罗纪盆地。盆地下部为富含煤层的早—中侏罗世五当沟组和召沟组陆源碎屑沉积[121];中部为中侏罗世晚期长汉沟组, 该组在垂向上可清楚地分为向上变细再变粗的两大岩性旋回, 盆地上部为晚侏罗世大青山组砾质冲积扇及辫状河道沉积。王永超等[122]对该盆地中下侏罗统煤系地层的同构造楔状沉积体和生长地层进行了研究, 并结合生长地层长汉沟组上部火山灰夹层的锆石U-Pb年龄(163.7±1.0 Ma)和区域地层对比, 证实大青山陆内挤压变形起始于中侏罗世(~170±5 Ma)[123], 其代表了阴山构造带逆冲变形的起始时间。

3.3 秦岭—大别陆内再生造山系统

秦岭是一个复合型造山带,经历了早古生代古特提斯大洋板块向北俯冲增生、三叠纪扬子地块与华北地块的俯冲碰撞、晚侏罗—早白垩世陆内造山等三个主要造山过程,分别形成了北秦岭早古生代俯冲增生型造山带、中秦岭碰撞造山带和扬子地块北缘米仓山—大巴山晚中生代造山带[124]。学者们对前两个造山带及其造山大地过程进行了大量的构造地质学、岩石学和地球化学研究,明确了造山带古板块构造或缝合线的位置、碰撞造山作用类型、造山带的变质变形历史等,但对于晚中生代燕山期陆内造山作用的深部过程及其地球动力学背景的研究则相对薄弱。而秦岭带燕山期陆内造山作用恰恰又是中国规模最大钼金成矿带形成时期,钼金矿床主要发育在华北地块南缘和北秦岭构造带,岩浆成矿作用主要与晚中生代(J3-K1)燕山期陆内造山过程密切相关[125]。为了揭示“秦岭式”陆内造山作用和岩浆成矿事件的深部过程,我们基于横穿东秦岭造山带的深反射地震剖面构造解释,结合地表地质调查和年代学测试分析结果、岩石圈S波反演结果,揭示了秦岭造山带晚中生代(燕山期)陆内造山作用的构造样式和岩石圈尺度的陆内造山深部过程(图 5)。

图 5 秦岭构造带印支期碰撞造山作用与燕山期陆内造山作用构造模式 Fig. 5 Tectonic evolutional model of Indosinian collisional and Yanshannian intracontinental oorgenesis across the Qinling belt

深反射地震剖面解释结果揭示了秦岭造山带深部一个大型的滑脱构造系统,该系统主滑脱面位于~10 km深部,近水平状延伸,在安康断裂以南的大巴山逆冲推覆构造带和大巴山前陆弧形褶皱构造带组成了该滑脱构造的前陆带,并逐渐消失在四川盆地的基底地层之中[126-127](图 5b)。该逆冲褶皱构造带是该滑脱系统在地表的最明显地貌特征。在安康断裂以北的南秦岭地区,该滑脱面呈断坪—断坡方式向北变陡并消失于下地壳中,南秦岭和北秦岭的地壳中,可见强反射层,可能与印支期造山作用形成的中下地壳的混合岩浆构造作用有关。根据大巴山前陆弧形带卷入的最新地层时代[128-129]和北大巴山韧性变形的40Ar-39Ar年龄[130],推断该滑脱构造系统主要形成于晚侏罗世—早白垩世,是扬子地块和华北地块持续碰撞引起的秦岭构造带陆内造山作用的结果[131]

3.4 郯庐左旋走滑断裂系统

狭义的郯庐断裂带是指华北地块东缘与扬子子地块接合带,大别山和苏鲁超高压变质带被左旋似错位了~600 km。事实上,郯庐断裂系斜贯整个东亚大陆东北陆缘,全长~3000 km,由多条平行或斜列的断裂带组成,在东北地区包含三条主要断裂:敦化—密山断裂、伊兰—伊通断裂和长春—哈尔滨断裂;除此之外,东部还有一条断裂带,其南段为烟台—日照断裂,斜切苏鲁造山带,中段穿过北黄海,北段对应中朝边境的鸭绿江断裂。这些断裂带向南延伸,并汇合到大别山东缘,终止在大别山南缘的襄樊—广济断裂带,没有切穿长江而延伸到华南地块(图 6)。

图 6 郯庐断裂系及其中国北方晚中生代构造纲要图 Fig. 6 The Tan-Lu fault system and late Mesozoic contractional structural map in northern China

郯庐断裂系最主要的构造变形特征是走滑剪切带的发育,在大别山东缘及其北延的苏皖段和苏鲁段尤其清楚,在伊兰—伊通断裂、敦化—密山断裂和鸭绿江断裂带等也有报道。对这些走滑剪切变形特征和变形时代,已有学者做了详细的野外调查和实验室测试分析工作,包括:大别造山带东缘走滑韧性剪切带、肥东走滑韧性剪切带[132-138]、张八岭走滑韧性剪切带[139]等。在苏鲁超高压变质带西缘也发现了平行郯庐断裂带的韧性剪切变形[137-138]。对这些韧性剪切带内全岩和单矿物的Ar-Ar年代学测试分析结果表明, 这些韧性剪切带经历了多期隆升冷却历史:晚三叠—早侏罗世(180~200 Ma)、晚侏罗世(155~165 Ma)和早白垩世(140~125 Ma)。由于受到白垩纪强烈构造—岩浆热事件的影响, 剪切带中云母等矿物的Ar-Ar系统遭受部分重置, 统计结果显示, 大部分单矿物40Ar-39Ar坪年龄与岩浆侵位年龄一致[140]。通过对卷入剪切变形和未变形岩体的锆石U-Pb测年, 可以帮助确定剪切带变形的时限。王微等[141]对肥东桃源地区剪切带带内发生同构造变形的长英质糜棱岩以及伟晶岩开展了锆石U-Pb测年, 有效限定了带内韧性剪切作用时间在140~124 Ma。Zhang等[142]对东北鸭绿江剪切带开展了详细的几何学、运动学和年代学研究,通过对剪切带中卷入剪切变形和未变形的岩体的锆石U-Pb测年结果,制约了剪切变形发生的时间在146~131 Ma。

3.5 北山—亚干逆冲推覆构造带

位于天山造山带和阴山构造带之间的北山构造带,其东西延伸达1200 km,是一个典型的晚中生代大型逆冲推覆构造带。以北东向弱水断裂为界,分为东、西两段。西段即北山构造带,由一系列南倾的逆冲断层组成,前寒武纪和古生代地层由南向北逆冲推覆在中生代地层之上,早中侏罗世煤系地层卷入逆冲推覆变形。该逆冲推覆构造带夹于阿尔金断裂带,与阿尔金地块向北东方向推挤有关,动力可能来自特提斯构造域。东段为亚干特大型推覆构造带,上盘中元古代白云质灰岩由北向南逆冲推覆在中生代地层之上,卷入变形的最新地层为中下侏罗统煤系地层,推覆距离超过120~180 km[143]。这是迄今为止发现的亚洲最大的侏罗纪推覆体,构造动力来自北缘蒙古—鄂霍次克碰撞造山带。而亚干变质核杂岩构造是推覆构造引张反转的结果[143],变质核杂岩下盘低角度剪切带中糜棱岩的40Ar-39Ar坪年龄为129~126 Ma[144],代表了区域地壳大规模伸展作用和变质核杂岩形成的时代在中白垩世。

4 东亚多板块汇聚晚期形成的大陆伸展构造系统

在早白垩世中期(c.a.135~130 Ma),东亚多板块汇聚深部过程和构造体制发生了重大的变化。一方面,蒙古—鄂霍次克碰撞造山作用使蒙古—华北地块与西伯利亚地块最终拼合在一起,完成了东亚大陆向欧亚大陆的构造演化历史,而该碰撞造山作用的停止也终结了东亚陆缘与陆内的再生造山作用历史。另一方面,东亚大陆东缘安第斯型俯冲带或海沟发生后撤,或者俯冲板片的回撤或断离,使东亚大陆东部岩石圈深部结构发生深刻的变化,软流圈上涌对流以及弧后扩张作用占据主导地位,由此产生的大地幔楔异常活动,致使已增厚的东亚大陆岩石圈发生拆沉或伸展减薄,岩浆底侵产生的壳幔相互作用诱发了大规模的岩浆活动和流体成矿作用。多板块汇聚深部构造过程和构造体制的重大转折在东亚大陆东部地区形成了广泛发育的大陆伸展构造系统,主要表现为伸展断陷盆地系统、火山喷发活动、岩浆底辟穹隆或变质核杂岩构造等[145]。华南晚中生代火山活动也指示了不等时的古太平洋俯冲板块的回撤过程[146]

在蒙古—鄂霍次克碰撞造山带两侧的跨贝加尔—蒙古地区,白垩纪裂谷盆地非常发育[147-148],包括松辽盆地深部的裂谷断陷盆地。这些裂谷盆地同时伴随岩浆底辟和变质核杂岩构造,分布地域宽而广,是典型的宽裂谷型伸展构造[149-150]。松辽盆地深部断陷盆地的火山岩(营城组、火石岭组)的U-Pb锆石时代在130~110 Ma[151-152]

沿郯庐断裂系发育一系列狭长展布的白垩纪伸展裂谷盆地,也称为郯庐裂谷系,这是典型的窄裂谷型伸展构造[153]。在郯庐断裂苏鲁段,受四条正断层控制的两堑夹一垒的构造地貌格局非常明显,盆地中堆积了一套数百米厚的中、晚白垩世河湖相沉积地层,并有火山喷发,锆石U-Pb测年结果给出的火山岩时代为118~120 Ma,~106 Ma[154-155]。表明断裂系在晚中生代经历了早期左旋走滑变形和晚期引张伸展变形的转换历史。郯庐断裂带以东的辽东半岛、胶东半岛发育白垩纪伸展断陷盆地和变质核杂岩构造[156-158];以西的燕辽地区,发育断陷盆地和岩浆穹窿构造[159]

沿秦岭—大别山及其两侧地带,狭长展布的白垩纪伸展断陷盆地沿断裂带发育,如含恐龙蛋化石的西峡盆地,组成了秦岭裂谷盆地系。磁性地层学结果证实这些断陷盆地主要形成于中晚白垩世时期(130~70 Ma)[160],在西秦岭的白垩纪断陷盆地中尚有少量幔源基性岩脉的侵入,时代在110~105 Ma[161]。在东秦岭以及桐柏地区,伸展断陷作用伴随着强烈的岩浆活动和钼金等多金属成矿作用。大别山热穹隆构造于白垩纪中期(~130 Ma)快速隆升,受控于北缘晓天—磨子潭拆离断层和西缘商麻拆离断层,中部地区有大量的花岗岩侵入[162]

在华南地区,白垩纪裂谷盆地主要沿江南隆起带、雪峰山隆起带以及华夏逆冲褶皱构造区发育[163-165]。这些不对称断陷盆地主要受控于西倾的低角度正断层,断层下盘发育剪切糜棱岩和微角砾岩带。长英质热液沿正断层灌入,一方面加强了低角度正断的剪切变形,同时形成了富纳英质岩脉矿体,如衡山盆地[166]。这些脉体中锆石U-Pb测年和云母40Ar/39Ar测年结果揭示低角度正断剪切作用起始于135~130 Ma,并于100~90 Ma发生快速抬升,伸展断陷盆地形成并接受沉积[166]。在江西、福建和广东地区,北东—北北东向展布的断陷盆地中往往有火山岩夹层,时代在~100~95 Ma。在浙江地区,地表断陷作用发生于磨石山群火山大规模喷发之后,而伴随断陷作用的火山喷发活动有两期:早期集中在125~110 Ma、晚期集中在100~90 Ma[164]

5 讨论 5.1 大洋板块的初始俯冲与东亚大陆早侏罗世活动陆缘

前已提到,三叠纪印支运动时期,通过中小地块的拼合、碰撞或增生造山作用,形成了东亚大陆雏形,周邻被三个大洋所环绕。于早侏罗世时期(200~175 Ma),东亚大陆进入稳定演化阶段,发育伸展断陷盆地。在陆缘地带,发生了不同程度的裂解和伸展断陷作用,伴随着双峰式火山喷发和A型花岗岩以及活动性陆缘岩浆活动[167-168](图 7)。

图 7 东亚大陆早侏罗世岩浆岩分布图 Fig. 7 Early Jurassic magmatic rock distribution in East Asia

在中国东北地区,松嫩地块北缘大面积分布的早侏罗世玄武安山岩(~200 Ma)为典型的大陆弧火山岩[169],与鄂尔古纳地块北部的大陆弧火山岩(210~190)一起,组成了与蒙古—鄂霍茨克洋向南俯冲形成的活动陆缘。而中蒙古和外贝加尔地区早侏罗世火碱性熔岩和A型花岗岩(约195~180 Ma)指示蒙古—鄂霍茨克洋在早侏罗世初期同时向北俯冲[35-37, 42]。在东部小兴安岭—张广才岭,呈带状展布的早侏罗世帽儿山组钙碱性系列火山岩(184~179 Ma)具有基性—酸性双峰式组合特点,包括玄武岩、玄武安山岩、玄武质粗面安山岩、粗面安山岩、粗面岩和流纹岩等[170-172],与早侏罗世A型花岗岩(186~182 Ma)和其它镁铁质—超镁铁质侵入岩一起,组成了与俯冲有关的弧后伸展型活动陆缘[170, 173-174]。黑龙江混杂岩中碎屑锆石的年龄谱限定了古牡丹洋洋盆沉积的时代为早于晚三叠世至早侏罗世[175-176]

在华北克拉通北缘,早侏罗世处于伸展构造环境,发育基性-超基性岩[177-180]。在朝鲜半岛,晚三叠世—早侏罗世(205~170 Ma)钙碱性系列的岩浆岩明显不同于中三叠世碰撞型岩浆岩(240~220 Ma),其岩石类型和地球化学特征指示了大陆伸展和活动陆缘构造环境,与古太平洋板块向东亚大陆之下俯冲作用密切相关。华北胶辽隆起带局部发育的早侏罗世幔源型岩体(~185 Ma)同样指示了东部陆缘地带与俯冲有关的大陆伸展环境。

在华南东部南岭地区,早侏罗世岩浆作用集中在190~180 Ma,火山岩具有双峰式组合特征,发育A型花岗岩,指示了大陆伸展构造环境[99]。在东部陆缘现今大陆架之下,Xu et al.[103]在钻孔岩芯中发现了早侏罗世初期(198~195 Ma)镁质花岗岩和闪长岩,这些岩浆岩起源于地幔,富含俯冲洋壳板片的活动流体元素,如Cs-K和Pb,表明古太平洋板块于早侏罗世初期就开始向华南大陆俯冲。

在西部的羌塘地块,广泛发育晚三叠世那底岗日组火山岩(225~205 Ma),和早侏罗世钙碱性英安岩(~177 Ma)和碱性玄武岩(~180 Ma)[86],指示晚三叠世—早侏罗世时期,班公湖—怒江洋洋壳向北俯冲导致羌塘地块的弧后扩张和地幔部分熔融。

上述分析可知,东亚大陆于早侏罗世时期处于大陆伸展构造环境,周邻大洋洋壳板块向东亚大陆之下的初始俯冲作用使陆缘发生局部裂解,出现活动陆缘型岩浆弧。该阶段岩浆-成矿作用构成了一个独立的系统,标志了早侏罗世东亚大陆多板块汇聚的初期演化阶段。

5.2 晚中生代东亚汇聚与燕山运动

燕山运动最早由中国地质学家翁文灏先生[181-183]在燕山地区识别并命名,将其划分为A、B幕和中间火山作用幕,是中国东部重要的一次地壳运动。经过几代人的努力,基本确定了这些构造幕发生的时限和构造运动性质[184-185]。详细的沉积-火山地层序列和火山岩年代学研究结果表明,北京西山和燕山地区的燕山运动A、B幕分别对应两个地层角度不整合面:髫髻山不整合面和张家口不整合面,前者发生时间为175~160 Ma,后者发生时间在156~135 Ma[186-192]。构造变形研究表明,燕山构造带最主要的挤压变形发生在晚侏罗世—早白垩世时期[109-111, 114],已经识别的构造事件包括向北至北西向逆冲的承德推覆体, 时代为161~148 Ma,十三陵逆冲带时代为161~141 Ma,云蒙山褶皱和变质时代为143~141 Ma, 向南倾的四合堂和古北口逆冲推覆构造时代起始于148~143 Ma,并持续到132~127 Ma。

前已述及,燕山运动产生的构造形迹不仅仅限于燕山地区,同时广布于东亚大陆,如:华南地区~1300 km宽的逆冲褶皱构造带、秦岭再生造山带、华北地块东部的胶辽构造带、中部太行山逆冲褶皱构造带和西部的贺兰山—大青山逆冲褶皱构造带、北山—亚干逆冲推覆构造带等。从发生时间上看,这些陆内构造变形系统主要发生在中晚侏罗世至早白垩世(170~135 Ma),与燕山地区的燕山运动A、B幕和中间幕的发生时间一致。这些构造事件与东亚大陆汇聚陆缘存在密切的动力学联系。这里重点讨论东部陆缘两期俯冲增生事件与燕山运动之间的关系。

东亚东部陆缘发生两期洋壳俯冲增生事件。早期俯冲增生事件与燕山运动A幕相当。这次事件不仅形成了东北东部黑龙江高温高压变质带,其中蓝片岩中蓝闪石的39Ar-40Ar同位素测年结果指示变质时间为早中侏罗世(184~165 Ma),同时伴随陆缘广泛的早中侏罗世钙碱性岩浆活动(包括东北地区183~170 Ma、朝鲜半岛180~165 Ma、华南武夷山地区175~160 Ma)。俯冲增生作用也使东部陆缘大陆地壳发生挤压缩短构造变形,形迹主体呈北北东—南南西向展布,包括:朝鲜半岛北北东向Honam右旋走滑剪切带(>170~165 Ma)、华南东部北东—南西向褶皱构造带等。在华南地区,雪峰山以东的大部分北东—北北东向褶皱构造被晚侏罗世花岗岩体(160~152 Ma)所侵入,如湘中的骑田岭岩体、福建河田岩体等,侏罗纪河湖相地层卷入褶皱构造,表明褶皱变形时代为中侏罗世。

晚期俯冲增生事件发生在早白垩世早期(150~131 Ma),在时间上与燕山运动B幕相当。这次俯冲增生引起的挤压变形广布于整个东部陆缘地带,包括东北东部的那丹哈达增生体、日本西南的美浓增生体、华南沿海的长乐—南澳变形变质带和台湾东部造山带的澳角群变质岩带等。与这次俯冲增生事件大致相当的其它陆内构造变形有:燕山地区北东向逆冲褶皱构造带、华北地块北东—北北东向逆冲-褶皱构造带、华南雪峰山以西武陵褶皱带、川东褶皱带、郯庐断裂带左旋走滑剪切带、中央造山带东段的桐柏—大别山块体向东挤出等。值得指出的是,用单一的古太平洋板块俯冲模式难以解释东亚大陆陆内多方向的汇聚构造体系,尤其是北北东向的郯庐断裂系和西—东向的秦岭—大别陆内再生造山系统,而多板块的综合效应起到重要的作用。

5.3 郯庐左旋走滑断裂系在东亚多板块汇聚中的应变传导作用

通常认为,东亚陆缘巨型郯庐断裂系晚中生代左旋走滑活动是Izanagi板块向东亚大陆斜向俯冲作用的结果,其走滑位移调节了洋壳板块斜向俯冲引起的上骑板块的应变。但我们注意到,郯庐走滑断裂系并非横贯整个东亚陆缘,而是突然终止在大别山南缘的广济断裂带,在华南东部地区找不到对应的走滑断裂。这种几何展布特征难以用斜向俯冲模式来解释。另外,在更靠近俯冲带的朝鲜半岛,北北东向Honam断裂带的运动学证据指示中侏罗世右旋走滑剪切活动,根据卷入剪切带变形的和未变形的花岗岩体锆石U-Pb测年结果,确定其变形时代在180~170 Ma,该右旋走滑活动与Izanagi板块向西俯冲有关。从构造变形时代上来看,郯庐断裂带晚中生代左旋走滑剪切变形主要发生在160~133 Ma,与秦岭—大别构造带晚中生代陆内再生造山作用同时,表明这两个构造带存在动力学成因联系。

东亚多板块汇聚模式给出了郯庐断裂系晚中生代左旋走滑活动的全新视角(图 8)。该构造动力学模型认为,除了古太平洋板块向东亚大陆的西向俯冲作用以外,西伯利亚板块南向运动、蒙古—鄂霍次克洋的剪刀状闭合以及与蒙古—华北地块的碰撞造山作用,是中国北方地区纬向造山系统和郯庐断裂系左旋走滑运动的主要动力来源。可以想象,受到碰撞造山作用及其向南推挤,蒙古—华北地块发生顺时针旋转运动,其东缘的郯庐断裂系的左旋走滑位移恰好调节了该地块的旋转运动,同时走滑位移的向南传播进一步推动华北地块的向南运动,受到华南地块的阻挡,华北地块与扬子地块发生陆内碰撞汇聚,导致秦岭—大别造山带的再生造山作用,从而产生了南秦岭和扬子地块北缘深部大型地壳滑脱构造(图 5)。因此,郯庐走滑断裂系在蒙古—鄂霍次克碰撞造山过程中扮演着极其重要的应变传播和位移扩展角色,其左旋走滑位移与秦岭—大别构造带岩石圈缩短作用紧密联系在一起,两者不可割裂。

图 8 郯庐左旋走滑断裂系及其与蒙古—鄂霍次克碰撞造山带和秦岭—大别陆内造山带之间的运动学联系 Fig. 8 The Tan-Lu sinistral strike-slip fault system in East Asia and its kinematic link between the Mongolia-Okhst collisional orogen and the Qinling-Dabie intracontinental orogen
5.4 晚中生代东亚多板块汇聚深部过程和构造体制的重大转折

自从“中国东部构造体制重大转折”提出以来,有关构造体制转折的概念、内涵、转折的时间及其深部动力学和板块构造背景等方面,出现了大量的探讨[193-195],不同学者有不同的理解,或与特提斯构造域向西太平洋构造域转换有关,或与挤压构造应力体制向伸展构造应力体制的转换有关,或与岩石圈减薄和克拉通破坏作用有关,等等。实际上,东亚大陆中生代构造体制发生过多次重大转折,从三叠纪印支造山运动和东亚大陆的形成到早侏罗世的周邻大洋板块的俯冲汇聚和活动陆缘的出现、再到东亚多板块汇聚和陆缘和陆内汇聚构造体系的形成(170~135 Ma)、再演化到中晚白垩世(130~70 Ma)岩石圈减薄和大陆伸展构造体系的发育等。在这个构造演化历史进程中,发生在早白垩世(135~130 Ma)的构造应力体制转折对于东亚多板块汇聚历史具有特别的意义。我们的研究认为,这个构造应力体制转折的动力学机制可能与汇聚深部过程的突变密切相关。一方面,东亚大陆北缘蒙古—鄂霍次克碰撞造山作用在~135 Ma前后结束,东亚大陆完全与西伯利亚板块拼合,进入了欧亚大陆的演化历史。而北部陆缘板碰撞汇聚作用的停止也直接影响了东亚大陆内部岩石圈构造应力场,终结了陆内再生造山作用。另一方面,俯冲于东亚大陆岩石圈之下的古太平洋板片开始向东回撤,或深部断离,或俯冲角度变陡,引发了东亚大陆之下软流圈的局部对流、大陆岩石圈的减薄和大陆地壳的伸展拆离,并伴随着广泛的岩浆成矿作用。这两个板块汇聚深部的突然变化,共同主导了东亚大陆构造体制的重大转折,发育了新的大陆伸展构造体系。

这个汇聚构造体制转折在东亚东部形成了特征构造地貌组合和深浅构造叠合。早期阶段形成的大陆多板块汇聚构造系统被晚期阶段形成的大陆伸展构造系统所叠置,大陆岩石圈呈现立交桥式的结构特征。大兴安岭—太行山—雪峰山南北向重力梯度带正是这2个不同大陆构造体系在不同层次上叠加作用的结果。在地壳和岩石圈层次上,新生的东西向造山带横贯东亚大陆东部地区,但大陆伸展作用主要发生在该南北带的东部地区,在地表形成了一级地形梯度带。地震波层析成像结果证实,该南北梯度带主要受控于深部俯冲板片的滞留形态,东部减薄的岩石圈与滞留在地幔过渡带中的俯冲洋壳板片有直接关系[196]

5.5 晚中生代东亚汇聚与东部陆缘高原形成与垮塌

高原形成往往与两类板块构造作用有关。一类是大陆楔入作用(indentation),并由此产生的陆-陆碰撞造山、大陆地壳的增厚和高原地貌的形成,如新生代印欧碰撞、喜马拉雅造山作用和青藏高原的崛起。另一类是大洋板块向大陆之下低角度或平俯冲导致上骑大陆地壳增厚和基底地块的隆升,与此产生高原地貌,如北美西部Cordillera山脉中科罗拉多高原、南美安第斯山脉中Altiplano高原等,是这类与俯冲有关的高原的典型代表。另外,地幔上涌也可以引起地表的隆升和高原的形成,如东非大裂谷地区。

中国东部在晚中生代多板块汇聚过程中可能产生类似这样的高原,尤其在中晚侏罗世—早白垩世时期,东亚北缘的陆-陆碰撞造山作用、东缘的俯冲增生造山作用,以及东亚大陆内部的陆内造山作用,使东亚大陆地壳或岩石圈发生增厚,形成了蒙古高原、中国东部高原等。地壳的增厚诱发下地壳重熔,形成一套埃达克质或S型岩浆岩。由于中白垩世构造体制的转折,特别是古太平洋俯冲板片的回撤诱发弧后伸展作用以及新生代沟—弧—盆系统的发育,导致东亚大陆东部发生多期次岩石圈减薄、地壳垮塌和伸展、断陷等“去根”作用,使早期多板块汇聚形成的高原地壳结构和高原地貌不复存在,取而代之的是中晚白垩世、新生代伸展断陷盆地和盆—山构造地貌[149, 153, 197],因此难以从现今的岩石圈结构和构造地貌去恢复当时的高原形貌。但晚中生代埃达克质岩浆岩记录了大陆地壳增厚引起的下地壳局部熔融,为恢复古高原的分布范围提供了可靠的岩石学依据[198-199]

华北地块东部高原最典型的岩石记录是胶东半岛玲珑岩体,这是一套典型的S型花岗岩,与古元古代—太古代变质岩层的局部熔融有关。锆石U-Pb测年结果显示这类S型花岗岩侵位时代在160~150 Ma[105-107],表明华北东部陆缘带地壳在中侏罗世就已经显著增厚。同类型的岩体也出露在辽东半岛、郯庐断裂西侧的蚌埠隆起[200-201]。在郯庐断裂带以西的燕山、北京西山一带,发育同时代的髫髻山组火山岩。路凤香等[202]根据燕山带该组火山喷发岩的矿物压力计分析,估算晚侏罗世之前地壳厚度已经达到40~45 km。张旗[199]基于埃达克质岩浆岩的研究,推测当时地壳厚度达到50~60 km。

在东北的小兴安岭、松辽盆地基底发育的一套165~160 Ma片麻状花岗岩,记录了松嫩—张广才岭地块中侏罗世时期加厚地壳的部分熔融作用[203-205],表明松嫩—张广才岭地块在中侏罗世发生了强烈的地壳增厚。

华南中下扬子地区普遍发育早白垩世埃达克质花岗岩[206],东部武夷山带和东海陆架区也出露少量的中侏罗世早期(170~160 Ma)花岗岩。这些岩石指示华南东部陆缘在中侏罗世早期已经存在类似于安第斯型的陆缘高原。但在南岭中北部地区,大量的花岗岩活动和钨锡成矿作用发生在晚侏罗世(160~150 Ma),往往发育大型的花岗质岩基(如佛冈岩体出露面积达5000 km2),构成南岭及邻区晚中生代花岗岩的主体,表明华南东部地区在晚侏罗世已经发生地壳垮塌。

从上述分析可知,中国东部陆缘在中侏罗世早期已经发生了显著的地壳增厚,可能出现了类似安第斯型的陆缘高原地貌。在华南东部陆缘,高原地貌的形成同时伴随火山喷发作用。从古太平洋板块早侏罗世的初始俯冲(~200 Ma)到陆缘岩浆弧的出现(170~160 Ma),大致经历了>30 Ma时间,这个过程与印欧碰撞到青藏高原的快速隆升时间基本一致。

5.6 东亚多板块汇聚刻画的大陆运动程式

东亚大陆的形成演化历史与联合古大陆的裂解作用基本同步,经历了三叠纪印支运动和东亚大陆雏形形成阶段、晚中生代燕山期多板块汇聚阶段,后一个演化阶段完成了东亚大陆与西伯利亚板块的最终拼合,形成了欧亚大陆。古地磁资料显示,自东亚多板块汇聚以来,华北和扬子地块的古地理位置几乎不再变化,处在大陆汇聚的核心地位。与此同时,在太平洋彼岸的美洲大陆,古太平洋板块(法拉隆板块)的向东俯冲产生了北美大陆西部陆缘的增生造山作用,相继经历了中晚侏罗世—早白垩世的Nevada或Columbia造山作用和晚白垩世—古新世的Laramide造山运动,形成了宏伟的科迪勒拉山脉和落基山前陆褶皱构造带。然而,自新生代以来,东亚板块汇聚格局发生了显著的变化。一方面,太平洋板块持续的西向俯冲,在欧亚大陆东缘形成了一系列边缘海盆地和沟—弧—盆系统,俯冲海沟向东后撤达几百公里。另一方面,随着新特堤斯洋的闭合和印度大陆的快速北上,新生代印欧碰撞产生了强烈的喜马拉雅—青藏造山运动,成为特堤斯构造域最重要的碰撞造山事件,中国大陆构造地貌发生了彻底的由东高西低向西高东低的东西翘边。

尤其值得关注的是,这个板块汇聚仍在继续:印度洋以40~50 mm/a的速度向北俯冲消减,澳大利亚大陆向北运动,与印度尼西亚东部小巽他群岛和巴布亚几内亚岛正在发生碰撞,同时使中国南海和南部其它边缘海发生快速俯冲消减;太平洋板块和菲律宾板块快速向西运动,并俯冲消减在东亚大陆之下。北冰洋的扩张推动了欧亚大陆向南运动。在这个现今板块汇聚图像中,华南、华北地块似乎处于这个多板块汇聚中心。可以想象,随着大西洋的进一步快速扩张和太平洋板块的快速俯冲消减,一个全新的未来超大陆正在聚合之中,即美亚超大陆(Amasia supercontinent)[207]。按照这个超大陆的设想模式,早中生代东亚大陆的拼合形成和晚中生代多板块汇聚成为了这个未来超大陆形成的起点,迄今已经历了250 Ma,而东亚大陆将处在这个未来超大陆的中心位置。自联合古大陆裂解以来,我们的地球正处在向未来超大陆形成的半途中。

6 总结与认识

(1) 三叠纪印支造山运动造就的东亚大陆雏形,被周邻三个大洋板块所环绕,于早侏罗世早期同时向东亚大陆俯冲汇聚,开启了东亚多板块汇聚历史。经历了三个演化阶段:早侏罗世(200~170 Ma)大洋板块的初始俯冲,导致东亚陆缘不同程度的裂解,诱发大陆伸展型或活动陆缘型岩浆成矿事件。中晚侏罗世—早白垩世早期(170~135 Ma)多板块汇聚形成了复杂的东亚汇聚构造体系,由三个陆缘造山系统组成:东缘古太平洋板块的西向俯冲形成的安第斯型俯冲增生造山带及其陆缘华夏—新华夏式弧后逆冲褶皱构造系统、北缘蒙古—鄂霍次克碰撞造山带和陆内纬向再生造山带、西南缘班公湖—怒江增生—碰撞造山系统等。这三个汇聚陆缘造山系统在东亚大陆内部相互作用,产生了复杂的构造变形叠加样式和环形褶皱系统。北北东向郯庐断裂系左旋走滑运动调节了中国北方大陆的顺时针旋转。中晚白垩世(135~80 Ma)东亚多板块汇聚深部过程和构造应力体制发生重大转折,北缘蒙古—鄂霍次克碰撞造山作用停止终结了陆内再生造山作用,而东缘古太平洋俯冲板片的回撤或断离,使地幔上涌和大陆岩石圈减薄,发育了东亚大陆伸展构造体系和南北向重力梯度带,岩石圈深浅构造的复合叠加呈现出立交桥式的结构特征。

(2) 晚中生代东亚多板块汇聚在时空上的有序演化,不仅在东亚大陆形成了复杂的陆缘和陆内构造-岩浆成矿体系,同时使东亚构造地貌发生东西翘变,早期陆缘汇聚产生的东部高原因晚期大陆岩石圈的减薄和伸展而垮塌。

(3) 东亚大陆的形成和演化与联合古大陆的裂解同步,晚中生代东亚多板块汇聚完成了从东亚到欧亚大陆的演替,以东亚大陆为核心的多板块汇聚格局一直延续至新生代,可能成为未来超大陆形成的起点。

致谢: 感谢中国地质科学院地质力学研究所所长、《地质力学学报》主编邢树文研究员、“纪念李四光诞辰130周年,传承学科发展”专辑责任主编胡健民研究员的邀请,特撰写此文纪念中国现代地质学奠基人、著名地质学家,地质力学理论创始人李四光先生诞辰130周年。

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