地质科学  2016, Vol. 51 Issue (4): 1040-1058   PDF    
郯庐断裂带肥东桃源韧性剪切带构造分析及时限探究*

王微, 宋传中, 李加好, 任升莲, 张妍, 冯腊梅, 李振伟, 王阳阳     
( 合肥工业大学资源与环境工程学院 合肥 230009 )
王 微, 女, 1989年4月生, 博士研究生, 构造地质学专业。E-mail: w_wang123@126.com
2016-03-10 收稿, 2016-06-20 改回。
基金项目: 国家自然科学基金项目(编号: 41272222, 41072161)、 博士点基金项目和安徽省科技项目(编号: 2014-K-02)资助
通讯作者: 宋传中, 男, 1954年12月生, 博士, 教授, 构造地质学专业。本文通讯作者。E-mail: czsong69@163.com
摘要: 郯庐断裂带在肥东桃源地区为一混合杂岩带, 温压数据显示区域内变形变质环境为中下地壳构造环境。本文对剪切带的应变大小、 应变速率、 涡度以及应力场等构造特征进行分析测量, 结果显示该剪切带所受应力方向为170°左右, 夹角为40°~50°, 并以简单剪切为主, 其变形矿物被拉长。此外, 带内发育的长英质糜棱岩流体以及伟晶岩流体均发生同构造变形, 本文结合前期年代学研究结果, 整合出了3种不同流体之间的关系, 并有效限定出带内韧性剪切活动发生在140~124 Ma之间。同时, 通过对郯庐断裂带中南段年代学数据统计, 发现郯庐断裂带肥东段主要记录了早白垩世的剪切活动, 而大别造山带东缘、 苏鲁西缘分别记录了同造山年代学数据, 断裂带中南段在年代学分布上呈现出明显的空间差异性, 反映出郯庐断裂带递进变形的特征。
关键词: 郯庐断裂带      构造解析      同构造变形流体      锆石U-Pb      年代学分布     

中图分类号:P542    doi: 10.12017/dzkx.2016.046

郯庐断裂带呈北北东-南南西向展布, 绵延近2 500 km, 位于东亚大陆和太平洋板块的接触带上, 区域内连接了大别、 苏鲁造山带, 且为华北、 扬子两大板块的接触界线。郯庐断裂带内的韧性剪切构造特征及其演化一直是构造地质学领域的热点, 也是研究该区域内地球动力学机制的关键问题。作为一条巨型断裂带并受多期次构造活动的影响, 郯庐断裂带内韧性构造特征在整体及局部均显示出明显的非均一性(陈宣华等, 2000; 宋传中等, 2003; 朱光等, 2004a, 2004b, 2005a, 2006; Wang, 2006)。北段, 主要韧性剪切带为知一镇韧性剪切带, 带内主要矿物为长石+石英+云母, 变形温度在450 ℃~650 ℃之间; 苏鲁造山带西端韧性剪切带变形温度较高, 为高角闪岩相; 大别东端剪切带主要形成于中绿片岩相变质-变形环境; 而张八岭隆起南段剪切带的变质-变形相以绿片岩相为主(刘德良等, 1996; 王勇生等, 2005a; 朱光等, 2006; 孙晓猛等, 2008, 2010)。肥东地区是张八岭隆起南段重要组成部分, 也是郯庐断裂带内韧性剪切带出露较好的区段。近年发现的肥东地区桃源韧性剪切带(以下简称桃源韧性剪切带), 构造变质变形程度较前人所分析的剪切作用要强。王微等(2016)对该区的变形环境进行过分析, 认为剪切温压分别为: P=~0.5 GPa, T=550 ℃~650 ℃, 为角闪岩相构造变形环境, 对应深度为中下地壳。本文在此基础上, 采集桃源韧性剪切带内大量样品及数据, 对其变形参数, 包括应变大小、 差应力、 应变速率、 涡度进行了测量和计算, 并通过模拟脆性断层应力场的分析方法, 对韧性剪切带形成时的应力场进行了测量分析。为恢复该期剪切活动提供了重要数据。

此外, 构造年代学数据的获得也是地质学者们一直努力的方向。如上所述, 笔者所得桃源韧性剪切带的剪切温度为550 ℃~650 ℃, 这一温度已经达到了锆石局部重结晶的温度, 且王微等(2015, 且2016)已经从长英质超糜棱岩及伟晶岩流体中获得了与之相关的变质锆石年代学数据。除此之外, 桃源韧性剪切带内还发育一条鲜明的穿层同构造变形长英质糜棱岩流体, 宏观上与前二者分别表现为剪切活动不同时期的产物。本文通过完善三者的年代学分析, 有效限定出了桃源韧性剪切带的剪切年限, 并且认为区内测得的中生代变质年龄很有可能是剪切作用直接记录的。同时, 桃源韧性剪切带位于张八岭南部, 是郯庐断裂带上连接大别与苏鲁造山带的重要部位。在限定出肥东桃源韧性剪切带剪切年限的基础上, 结合郯庐断裂带内整体年代学分布规律, 本文对这三者间的关系进行了讨论, 并为郯庐断裂带的运动形式提供了重要线索。

1 区域地质概况

郯庐断裂带是中国东部的一条巨型韧性剪切带, 南起湖北广济, 经安徽庐江、 江苏宿迁、 山东郯城和渤海, 经沈阳后分为西支的依兰-伊通断裂带和东支的密山-抚顺断裂带。纵观郯庐断裂带, 其展布形态为一大型缓S。断裂带南部(皖、 苏和鲁南)的东北、 西南侧分别为苏鲁、 大别造山带, 二者中间为张八岭隆起带。两大造山带与张八岭隆起带的特征研究, 以及他们之间的关系对于郯庐断裂带的演化历史研究有非常重要的意义。

桃源韧性剪切带是位于张八岭隆起南段的肥东群岩体内, 是该地区韧性构造发育极其完善的一条剪切带。带内岩石主要组成包括斜长角闪质岩(片麻岩和糜棱岩)及长英质岩, 主要矿物包括长石、 石英及角闪石, 含少量帘石、 绿泥石等, 石英、 长石、 角闪石均有变形, 且三者变形强度逐渐递减。剪切带内发育有大量透入性面线理, 面理总体走向北北东向, 倾向北西(约300°)或南东(约120°), 矿物生长线理及大量发育的a型褶皱枢纽均呈北北东走向(20°~30°)(图 1, 图 2)。同时, 桃源韧性剪切带内发育有不同时期形成的构造流体。以上为研究剪切带的构造特征及年代学信息提供了有利条件。

图1 郯庐断裂带肥东地区构造略图 Fig.1 Structural image of Feidong in Tan-Lu fault zone

图2 肥东桃源韧性剪切带应力场图 Fig.2 Stress field figure of Feidong Taoyuan ductile shear zone
2 桃源韧性剪切带构造变形特征 2.1 有限应变测量

有限应变测量的方法很多, 本次实验我们采用长短轴法(郑亚东等, 1985)对桃源构造剖面的长石颗粒和集合体进行有限应变测量, 选取编号TH6、 TH8、 TH10、 TH12、 TH23和TH25等6个样, 对其XY面、 XZ面进行有限应变测量分析, 分别得到其e1e2e1e3的比值, 从而得到三轴比e1e2e3(表 1), 并做出弗林图(图 3), 其中参数k是指不同类型的长石椭球体形态, 对应不同的应变特征。可见, 剪切带内长石矿物变形主要为单轴雪茄型。同时通过应变椭球也可以看出一套糜棱岩系列的应变强度变化, 即靠近主剪切面应变较强, 远离主剪切面应变逐渐减弱。

表 1 长石有限应变测量数据 Table 1 Feldspar finite strain measurement datas

图3 桃源韧性剪切带弗林图解 Fig.3 Fu Lin graphic of Taoyuan ductile shear belt
2.2 差应力及应变速率

一条剪切带往往是由多个次级小剪切带组成, 剪切作用强的次级带内矿物变形就会相对较强, 应变速率大。本文以石英为测量对象, 利用Twiss(1986)提出的石英动态重结晶颗粒粒径计算差异应力, 公式如下:

${{\sigma }_{1}}-{{\sigma }_{3}}=A\cdot {{D}^{-m}}=6.1\times {{D}^{-0.68}}$

其中D为石英动态重结晶颗粒粒径/mm; σ1-σ3为差异应力/MPa。将平均粒径代入, 可得到差异应力值(表 2)。再利用Parrish et al.(1976)的湿石英流变速率公式计算应变速率, 温度采用王微等(2016)得到的变形温度平均值600 ℃, 即873.15 K。

表 2 桃源韧性剪切带差异应力及应变速率 Table 2 Differential stress and strain rate

计算结果显示: 桃源地区的差应力值为23.353~40.637 MPa, 应变速率为5.22E-12~7.46E-11。通过对比剪切带内应变大小和应变速率可以发现, 二者呈现出一定的正相关性, 但是个别样品(如TH8)由于刚性矿物(角闪石等)含量的不同, 会出现局部非正相关现象(图 4)。

图4 应变大小、 速率对比图 Fig.4 Comprison chart of strain strength and strain rate
2.3 桃源韧性剪切带性质判断: 涡度分析

自然界中的剪切变形通常具有纯剪切变形和简单剪切变形两个端元, 通过常规方法很难获得纯剪切和简单剪切在剪切变形中相对大小的信息, 运动学涡度(Wk)是目前分析、 验证剪切属性有效的重要参数, 通常表示应变中纯剪切与简单剪切的比率, 两种剪切之间是非线性相关的, 当Wk=0.5时并不意味着两种剪切方式等量, 等量时Wk=0.75, 剪切带为纯剪切时Wk=0, 剪切带为简单剪切时Wk=1(Tikoff and Fossen, 1995)。目前, 运动学的涡度测量已经成为国内重要的构造研究方法, 并取得了很好的预期效果。涡度测量的方法很多, 较实用的方法有石英C轴组构及主应变比值法和斜列颗粒法等(郑亚东等, 2008)。

本文采用了主应变比值的方法进行研究, 选取桃源韧性剪切带7个具有代表性的糜棱岩样品, 对其XZ面的长石颗粒进行镜下观察并拍摄显微照片, 随后通过Photoshop软件测量长石长短轴及长轴与剪切带方向的夹角, 进而得到Rxzθ值, 每个样品测量颗粒数30~40。最终根据以下公式(郑亚东等, 2008)求得Wk的数值(表 3)。

${{\rm{W}}_{\rm{k}}}{\rm{ = sin}}{{{{\rm{R}}_{{\rm{xz}}}} + {\rm{1}}} \over {{{\rm{R}}_{{\rm{xz}}}}{\rm{ - 1}}}}\phi {\rm{ = ta}}{{\rm{n}}^{{\rm{ - 1}}}}\left( {{{{\rm{sin2}}\theta } \over {{{{{\rm{R}}_{{\rm{xz}}}} + {\rm{1}}} \over {{{\rm{R}}_{{\rm{xz}}}}{\rm{ - 1}}}}{\rm{ - cos2}}\theta }}} \right)$
表 3 桃源韧性剪切带涡度分析数据 Table 3 Vorticity analysis datas of Taoyuan ductile shear belt

从表中的数据我们可以看出, 郯庐断裂带南段桃源地区构造剖面中糜棱岩的Wk值约为0.83~0.92, 均大于0.75、 小于1, 说明该剪切带以简单剪切为主, 并存在一个较小的纯剪分量。这也说明该期剪切活动的驱动力并非平行于剪切带走向, 而是与剪切带具有一定夹角。

2.4 古应力场

由构造作用造成的应力场为构造应力场, 它可以直观地反映地质体所受外力作用的状态(包括应力大小和方向等), 并帮助推导构造作用力的来源以及构造演化。郯庐断裂带作为中国东部一条主要的构造带, 在不同时期分别受到特提斯与环太平洋两大构造体制的作用力的作用。根据已有的剪切年代学数据分析, 桃源韧性剪切带形成于晚燕山期, 主要受环太平洋构造控制(徐嘉炜等, 1992; 张宏, 1994; Grimmer et al., 2002; 朱光等, 2004b)。通过对该地区的应力场分析, 研究郯庐断裂带的构造应力性质可以有更直观的了解。

韧性剪切带与脆性断层同作为断裂构造, 是在相同动力机制下不同构造域变形特征的反映。本次以剪切面模拟断层面, 剪切面上矿物生长线理模拟擦痕线理。进而运用Angelier古应力分析软件对该区应力场进行了分析。精细统计了40多个观察点, 测量了150余个剪切面产状、 1 000余个韧性擦痕数据, 研究了郯庐断裂带肥东段主要活动时期的古应力场状态, 进行区域大地构造背景与动力学分析。结果显示, 郯庐断裂带肥东段主变形期的主压应力方向(σ1)极为稳定, 主要是在160°~170°, 显示构造体主要受到近南北方向的挤压(图 2), 进而判断太平洋西侧在该时期呈近南北向欧亚大陆挤压。此外, 郯庐断裂带的走向大致在30°左右, 由此也可以看出该时期的应力方向与剪切带成40°~50°的夹角, 这一结果与以上所得涡度结论一致。

3 桃源韧性剪切带内流体年代学分析

纵观剪切带内3种长英质构造流体: 1)穿层糜棱岩流体(图 5a)长约为10 m, 最宽处达20 cm, 截切剪切带, 且被左行拉伸, 边界平行于剪切带, 且横穿剪切带部分呈现出纵弯A型褶皱特征, 镜下特征显示矿物亚颗粒化, 有一定的定向性, 但明显较超糜棱岩内矿物定向性弱(图 5b图 5d), 由此推断, 该流体更有可能是早期灌入, 后期以固相形态叠加了剪切活动, 以致其变形透入性较弱; 2)超糜棱岩(图 5c)整体顺层发育, 经历了最强烈的左行剪切变形, 镜下观察可见矿物呈条带状, 平行于剪切带展布, 多被亚颗粒化, 矿物残斑较少且颗粒细小(图 5d), 判断为同构造剪切活动期形成的流体; 3)穿层伟晶岩流体呈S型展布, 拉伸边界平行于剪切带, 与剪切边界构成S-C组构(图 5e), 流体内矿物颗粒粗大, 基本上无定向(图 5f), 应为剪切作用衰减期形成, 即该流体形成时期仍进行着左行剪切活动, 但剪切作用力已大幅减弱。由于此前已经对超糜棱岩及伟晶岩流体进行过分析, 此次构造年代学分析主要针对同构造变形长英质流体。该流体拉伸方向与剪切带方向一致, 流体内发育的矿物线理与剪切面内的矿物拉伸线理产状一致, 说明其经历了同构造的剪切活动。流体截切围岩, 说明其在斜长角闪岩形成之后灌入, 无疑流体有可能记录剪切带的活动年龄。

图5 桃源韧性剪切带各流体样品野外、 显微照片Qz. 石英; Pl. 斜长石 Fig.5 Field photo, micrograph of Taoyuan ductile shear belt

锆石单矿物挑选由河北省地勘局廊坊实验室完成。锆石制靶及阴极发光(CL)照相由重庆宇劲科技有限公司完成, 仪器型号为JXA-8230。锆石U-Pb定年分析由合肥工业大学LA-ICPMS实验室完成, 实验条件为: 束斑为32 μm, 并用国际标样91500作为外标, 元素含量采用NISTSRM610作为外标, 每测试分析5个样品点测两次标准锆石91500。锆石数据的处理采用ICPMSDateCal9.0软件, 所得结果如 表 4所示。

表 4 样品FA7锆石年龄一览表 Table 4 The zircon U-Pb date of sample FA7

此次从长英质糜棱岩流体中分离出的锆石绝大多数为变质锆石, CL图像显示(FA7年龄), 这些锆石经历了2~3期变质事件(图 6)。ICPMAS数据处理获得了近30个180~130 Ma的变质锆石年龄, 但是谐和度普遍较差。即便如此, 为数不多的几颗锆石仍旧较好地记录了中生代的变质年龄(图 6)。此外, 实验还获得了两组约为2.5 Ga和约为2.0 Ga的谐和年龄。其中, 两个约2.5 Ga年龄为锆石结晶年龄, 约2.0 Ga即有结晶也有变质年龄。综合对桃源地区各类流体的年代学分析(王微等, 2015, 2016)可以进一步确定, 桃源剪切作用基底来源于古元古代。而剪切带内3种构造流体年代学数据结果-长英质穿层糜棱岩流体(140~124 Ma)→超糜棱岩(133 Ma)→伟晶岩流体(129 Ma)与野外宏观判断的先后次序基本一致。进而限定出该期剪切作用发生在140~124 Ma期间。

图6 桃源韧性剪切带锆石年龄谐和图 Fig.6 Concordia plots of zircons from Taoyuan ductile shear belt

值得注意的是: 锆石变质重结晶作用多发生在锆石结构不稳定的部位, 在一定温压条件下(一般温度>400 ℃, 现在一般认为, 在600 ℃~650 ℃温度下, 最容易发生锆石的重结晶作用), 锆石晶格进行重新愈合和调整, 使锆石在结构上更加稳定(吴元宝等, 2004; 李长民等, 2009)。晶格愈合的过程中锆石会把放射成因铅随着空隙流体一起排除在晶格之外, 导致铅丢失。因此部分重结晶作用同时也会造成锆石产生不一致年龄的现象。

桃源韧性剪切带内记录约130 Ma的锆石均含U量较高(CL图显色暗), 震荡环带弱或无, 半自形-自形, 弱分带或斑杂状, Th/U比值小于0.1, 为典型的变质重结晶锆石。虽然在实验过程中测量了大量数据, 但所得年龄多为不谐和年龄。这可能与变质锆石未完全重结晶有很大关系。

4 讨论 4.1 桃源韧性剪切带的构造变形解析

桃源韧性剪切带有限应变测量得出糜棱岩内变形矿物为拉长的应变椭球, 涡度分析显示该剪切带为以简单剪切为主的剪切带, 这些都是导致带内发育大量a型线理的关键因素。剪切带应变速率为2.43E-12~1.02E-11, 较吴小奇等(2006)在肥东地区所得速率要高, 主要是由桃源韧性剪切带变形温度高所导致的。此外, 运用韧性构造分析构造应力场是一种新尝试, 而其结果与区域构造背景、 本文涡度分析的一致, 说明了该方法的可行性。进而得出在140~124 Ma期间, 环太平洋板块的俯冲角度在170°左右, 与郯庐断裂带大致走向成40°~50°交角。

4.2 郯庐断裂带年代学数据的启迪

在对肥东地区年代学特征进行了一定研究的基础上, 本文将郯庐断裂带内的年代学数据进行了统计并发现(表 5): 带内岩体年龄在128~60 Ma范围内, 反映了郯庐断裂带在白垩纪不同阶段所伴随的岩浆活动; 重点是郯庐断裂带内的糜棱岩年龄: 肥东地区, 即张八岭南部, 所得相关剪切年龄在143~95 Ma范围内; 安徽南段-大别造山带东侧, 包括桐城和庐江等地, 所得相关剪切年龄在238~92 Ma; 张八岭北段, 包括滁州、 嘉山等地获得白云母 40 Ar-39 Ar 年龄为245~204 Ma。

表 5 郯庐断裂带年代学数据统计 Table 5 Geochronology statistics of Tanlu fault belt

整体看来, 郯庐断裂带相关年代学数据有两个特征: 1)岩体年龄与郯庐断裂带剪切年龄有近30 Ma的交叉(128~95 Ma), 说明早白垩世同剪切岩浆活动的存在, 晚期岩体才是伸展背景下的岩浆活动形成, 研究区内发育的伟晶岩脉(129±3.3 Ma)应属于前者; 2)安徽省南部(即大别造山带的东端)和苏鲁造山带的西端, 记录有同造山的剪切活动年龄, 而肥东段主要记录了白垩纪以来的剪切活动。即同造山年代学数据只有在两条被错开的造山带边缘有被发现, 且大别造山带东端的年龄数据主要集中在5个区段(110~92 Ma、 140~120 Ma、 170~150 Ma、 190~180 Ma、 240~200 Ma)(表 5, 图 7a), 反映了郯庐断裂带的递进剪切变形特征。而两大造山带之间的肥东地区只记录了最新的两期剪切活动。

图7 郯庐断裂带年龄分布(a)及递进变形模式(b) Fig.7 Chronology distribution(a)and progressive deformation model(b)of Tanlu fault belt

针对这一现象, 本文认为在大规模的左行剪切活动中, 同造山的物质不断被错开, 而位于中间部位的肥东地区的剪切带形成时代稍晚, 并作为连接区段, 经历了比两端更为强烈的剪切活动, 这是一种由两端向中间变形年代逐渐变新, 变形强度逐渐增大的剪切带的递进变形规律。在此规律下, 剪切带内早期的物质不断被错离, 进而导致早期剪切活动证据多保留在剪切带的两端; 同时, 位于郯庐断裂带中段的肥东地区的剪切带则发育为相对狭长、 年轻的状态(图 7b)。以上递进变形的活动方式似乎更加符合郯庐断裂带的撕裂模式(Li, 1994)。

5 结论

(1)本文成功通过同构造变形流体限定了肥东地区一期剪切活动年限。锆石U-Pb测年结果显示, 郯庐断裂带肥东段在140~124 Ma期间仍以左行剪切活动为主, 区域上仍为挤压作用下的剪切活动背景。

(2)桃源韧性剪切带矿物变形以拉长为主, 应变速率在2.43E-12~1.02E-11 之间, 二者呈现出一定的正相关性; 剪切带涡度值Wk介于0.83~0.92, 显示其为一条以简单剪切为主并含纯剪分量的压扭性韧性剪切带; 剪切带主压应力方向为北北西-南南东, 由于该时期内中国东部构造主要受到环太平洋构造控制, 进而判断环太平洋此时期内呈近南北向俯冲, 与断裂带走向成40°~50°交角。

(3)根据郯庐断裂带中南段既得年代学数据分布可看出, 由肥东地区到大别造山带的东端, 剪切年代有逐渐变老的趋势, 由此推断出郯庐断裂带的递进式发展模式。该模式以肥东地区为连接点, 该地区多记录了最新的剪切活动的现象, 是郯庐断裂带撕裂进程中, 区内块体被强烈剪切, 物质被不断带离, 进而早期剪切活动证据多位于两端的结果。

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Structural and geochronology characteristics of Taoyuan ductile shear zone in Tanlu fault belt and their significance

Wang Wei, Song Chuanzhong, Li Jiahao, Ren Shenglian, Zhang Yan, Feng Lamei, Li Zhenwei, Wang Yangyang     
( School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 23009 )
Abstract: The outcrop in Feidong Taoyuan, Anhui Province, shows a migmatitic complex belt. The estimated P-T conditions shows the deformation and metamorphic environment is like that in the mid-lower crust. We calculated the strain strength, strain rate, vorticity, stress field of the ductile shear belt, and results indicate that the stress direction is about 170°, 40°~50°to the strike direction of the shear belt; simple shear takes advantage in the deformation of it and the deformation mineral is stretched. The felsic mylonite fluid, pegmatitie fluid all deformed during different periods of the shearing. Based on our former work results, we analysis three different fluids on their structural relationships and the timing they deformed, with which we calculated that Taoyuan ductile shear belt sheared during 140~124 Ma. Furthermore, synthesizing the relevant chronology data along the Tanlu fault belt, it's easy to find that the Feidong segment just record shearing during Early Cretaceous, while synorogenic ages can just be found on the edges of Dabie and Sulu orogenic belts. These demonstrate the spacial difference of chronology distribution in Tanlu fault belt.
Key words: The Tanlu fault belt     Structure analysis     Syntectonic deformation fluid     Zircon U-Pb     Chronology distribution