造山带伸展构造机制综述

第15卷　第3期1996年　　9月地质科技情报GeologicalScienceandTechnologyInformationVol.15　No.3Sep.　1996造山带伸展构造机制综述¹张进江　郑亚东(北京大学地质学系,北京,100871)总结了对伸展构造研究的进展和造山带伸展构造在地壳演化中的重要地质意义;从岩石圈抗拉强度方面阐述了伸展构造的发育位置和造山带伸展构造的普遍性;对造山带伸展构造的阶段性和多样性以及各阶段的特征进行了论述;概述了同收缩伸展构造的多种机制并从深部和浅部作用两方面对造山后(包括末期)伸展构造机制进行了综述。重点对造山带伸展构造的共轴与非共轴两种机制进行了探讨,确定了两种机制的不同特点,讨论了成因,并提出了判别共轴与非共轴机制的定量与定性方法。造山带　伸展构造　变形机制　共轴变形　非共轴变形　运动学涡度1　伸展构造的地质意义自70年代北美盆岭省大型伸展构造被认识以来〔1〕,造山带伸展构造就引起地质学界的极大关注并形成了一个研究热点。就目前研究现状,对伸展构造有以下几点重要认识:¹伸展构造的概念性变化。广泛的地质与地球物理研究结果表明,过去被公认的由高角度穿壳断层组成的对称裂堑式伸展构造只发育于局部特殊地区,而绝大多数伸展构造则以置根于中下地壳的铲式或低角度正断层为特征。º在全球范围内,伸展构造主要发育于造山带。因为造山带具有较厚的地壳、较大的重力势能差以及较弱的抗拉强度和构造不连续性,加之下部热动力作用,所以造山带是伸展构造发育的有利部位,这也是洋盆多次开合于同一位置的原因之一。»造山带伸展构造具有普遍意义,不同地区不同时代的造山带几乎都发育有伸展构造,如南非Barberton太古代花岗绿岩带、欧洲加里东和海西带、中国秦岭、北美科迪勒拉以及欧亚特提斯—喜马拉雅山系等。¼造山带伸展构造具有多阶段性和多样性。既有造山后(包括末期)伸展构造,也有同造山伸展构造;既有垂直于造山带的伸展,也存在大量平行于造山带的伸展。同时,伸展构造的发育机制也各不相同。½造山带的夷平作用过去认为以剥蚀为主,现认为伸展构造导致的构造剥蚀起着重要作用,甚至是主导作用。伸展构造与造山带岩浆活动密切相关,而且造山后伸展构造可能进一步演化为下一个构造旋回的开端,所以造山带伸展构造是造山带、甚至是岩石圈演化的一个重要方面。2　岩石圈伸展构造的发育位置伸展构造发育位置的首要控制因素是地球物质运移和板块运动导致的岩石圈应力场,它·26·¹国家自然科学基金资助项目(49472142)成果　　　收稿日期:1996-04-29　　　编辑:黄秉艳决定了以下几个伸展构造发育的有利位置:¹地幔上涌区,即洋中脊和大陆裂谷。º挤压应力减小或消失的大陆和地体边界即造山带。水平挤压应力的减小和消失导致应力三轴转换,产生水平拉伸应力场〔2〕。»活动大陆边缘,即弧后扩展区。图1　岩石圈抗拉强度与地热梯度和地壳厚度的变化关系〔3〕伸展构造发育位置的第二个控制因素是岩石圈的抗拉强度。大量的模拟实验和理论计算表明,岩石圈的抗拉强度是圈内各层强度的垂向积分,主要受地热梯度、物质组分和地壳厚度的影响,其中地壳厚度至关重要〔3,4〕(图1)。设岩石圈由石英蠕变机制的上地壳、长石蠕变机制的下地壳以及橄榄石蠕变机制的上地幔组成,则抗拉强度自上而下增强。地热梯度增高,岩石圈中接受应力的能干区域上移,抗拉强度降低,外加应力集中于强度小的上部地壳,使岩石圈破裂而形成伸展构造。在相同的地热梯度下,岩石圈的抗拉强度主要受地壳厚度的控制,地壳的增厚同样会使岩石圈能干区域上移,抗拉强度减小(图1)。大陆或地体碰撞形成造山带、俯冲板片拆沉、热的软流物质补充于造山带根部、形成热穹隆〔5〕,或造山带根带的热对流夷平作用〔6〕,都可能使造山带地热梯度增高。造山作用是岩石圈增厚的主要机制并以地壳增厚为主,故造山带具有较大厚度的地壳。以上两个因素,加之造山带本身具有构造不连续性,决定了造山带具有较弱的抗拉强度,利于伸展构造的发育,使造山带伸展构造具有普遍意义。3　造山带伸展构造的阶段性造山带伸展构造的阶段性首先由Coney〔7〕就北美盆岭省的伸展历史提出,并将其分为2个阶段,即第三纪中期法拉龙板块俯冲减速形成的以变质核杂岩拆离断层为特征的伸展阶段和第三纪后期东太平洋洋隆消失、安德烈斯转换断层形成所引起的盆岭式伸展阶段。90年代,伸展构造的阶段性指的是同收缩伸展阶段和造山后(包括造山末期)伸展阶段〔8,9〕。同收缩伸展构造与造山作用同期形成,其形式与机制多样,但以造山挤压导致的侧向挤出最为常见,伸展方向也多与造山带平行。该阶段持续时间与造山运动一致,可发生于造山运动的各阶段,但其规模不大且不造成地壳的显著减薄。另外,该阶段处于收敛期,使高压矿物与伸展构造伴生。造山后(包括末期)伸展构造是在碰撞挤压作用减弱或停止后,增厚的造山带楔体在重力势能差、下部动力作用及其它因素作用下形成的大规模伸展构造。其伸展方向总体与造山带走向垂直,持续时间约30Ma,但主要集中于前10Ma,之后呈衰减态势直至地壳恢复正常厚度〔8〕。由于下部热作用和构造剥蚀的绝热减压,使造山后伸展构造处于高温低压环境。·27·4　造山带伸展构造机制4.1该阶段伸展构造形式多样,机制也各不相同。侧向挤出最为普遍并形成平行于造山带的伸展构造,其机制为不平整大陆边缘的碰撞或斜向碰撞在局部形成较大的水平挤压应力和较大高差的楔体,从而使物质向侧向挤出形成伸展构造。不平整边界的碰撞还会改变板块运动的方向和构造应力场。第二种重要的同收缩伸展构造机制是断坡垮塌机制。造山运动形成大规模的断坪—断坡构造,多次叠置形成具有超过重力稳定临界边坡角的楔体,加之断坪—断坡的弯曲作用而形成正断层伸展构造〔10〕。如果断坪—断坡构造形成于不平整边界的突出部位,就会形成平行于造山带的侧向断坡垮塌伸展构造〔9〕。走滑拉分伸展是另一种同收缩伸展构造机制。大陆碰撞形成雁列式走滑断层体系,相邻断层末端产生正断层揭顶作用,使下部物质抬升,三者共同作用形成平行于造山带的伸展构造〔2〕。增生楔逆冲前锋迁移也是同收缩伸展构造的一种机制。俯冲边界形成增生楔及其后的伸展区,在俯冲前缘,低温、高压环境形成稳定的大厚度增生楔,但增生楔逆冲前锋不断向外迁移(俯冲带后退),使先前形成的增生楔进入伸展区形成与挤压同期的伸展构造〔11〕。4.2()造山后伸展构造较普遍,研究也较为深入,其成因机制可从深部和浅部机制两方面考虑。在深部机制方面,大陆碰撞形成造山带并在其下形成下凸的根带,根带通过拆沉〔5,12〕作用或对流夷平作用〔13〕而消失,导致造山带的浮力反弹。去根作用及热的软流物质的补充在造山带下部形成热穹隆,同时使地壳产生广泛的部分重熔,形成岩浆上涌,进一步加强了浮力反弹效应,从而导致造山带的拉伸应力场。Shemenda〔14〕提出了两种软流层超压机制,一种是地幔软流圈在大陆碰撞后形成软流圈透镜体超压机制,另一种是造山运动使地壳增厚并在下地壳形成楔状壳内软流层,进一步收缩造成类似于流体的超压作用,使造山带产生水平拉伸应力场。造山后伸展构造的上部机制主要是造山运动形成的造山带楔体与周围相比,存在较陡的压力梯度和较大的重力势能差,从而使楔体发生重力扩散以达到与周围的平衡。但这只是一种趋势,增厚不是一个足够的趋动力,还需诸多因素的促使作用〔15〕。首先,水平挤压应力的减小和消失,使增厚产生的巨大垂向压应力变成主压应力,形成利于重力扩散的应力场〔2〕。在造山增厚过程中,流变性质的弱化和水分的加入在造山带下部形成韧性软弱带,该带规模随增厚程度增大而增大并进一步弱化,形成造山带楔体的不稳定基底〔16〕。造山带上地壳的叠置在其内形成稳定性最差、强弱互层的三明治式结构〔17〕。造山带下部的热剥蚀、热穹隆和热松驰以及部分重熔使上述软弱层进一步弱化,使造山带楔体处于一种极不稳定状态,这种不稳定状态在造山带楔体向正常地壳的过渡区域最为明显〔18〕。另外,造山带中普遍发育的低角度逆冲断层是构造薄弱面,在失稳的重力作用下极易活化,促进伸展构造的形成。综上所述,在垂向压力梯度和重力势能差的作用下,在深部及壳内各种因素的影响下,造山带在挤压体制末期和期后发生大规模的伸展构造运动,使地壳减薄。但岩石圈上下层变形分布的不同会产生不同的伸展结果。下部变形广泛而上部集中产生拆离断层—变质核杂岩体系,上下部变形范围相同则形成裂谷系统,但以前者较为多见〔19〕。·28·5　造山带伸展构造的共轴与非共轴机制关于造山带伸展构造的变形机制,在伸展构造被重新认识以来一直存在着两种基本观点,即共轴伸展机制和非共轴伸展机制。所谓共轴与非共轴机制的概念有两个含义,一是指伸展区域内构造要素在地壳或岩石圈范围内是否对称,二是指中下地壳所受的应变是纯剪切还是简单剪切。最初的伸展变形机制有3种代表模式:¹近水平中地壳脱耦模式(图2-a),该模式认为脆韧性转换带为脱耦带,其上发生脆性伸展,其下以韧性流动和岩浆侵入为主,两者同时伸展,脱耦带上相对位移量很小。º透镜体模式(图2-b),认为上地壳以脆性断层接受伸展,下地壳以辫结状穿插于刚性透镜体间的韧性剪切带容纳拉伸。拆离断层为透镜体带最上部边缘的连续的剪切带。»穿壳剪切带模式(图2-c)。以上模式中,前两者为共轴机制,后者为非共轴机制。图2　早期的伸展模式a.近水平中地壳脱耦模式〔20〕;b.透镜体模式〔21〕;c.穿壳剪切带模式〔22〕图3　岩石圈伸展的共轴与非共轴混合模式〔27〕图4　壳内非共轴剪切带伸展模式〔25〕通过深入研究,对这些模式进行了重新认识并提出了新的模式。广泛的地质与地球物理研究,特别是北美COCORP剖面证明,拆离断层不具穿壳性,而是置根于中下地壳〔23,24〕。即使中下地壳以下存在剪切带,其和上地壳拆离断层也无对应关系(图3)。拆离断层上下盘变形的构造演化基本否认了中地壳脱耦模式〔25〕。新的伸展机制模式有共轴、非共轴混合模式(图3)、壳内非共轴剪切模式(图4)等。混合模式认为上地壳和上地幔发育数量不等且不相对应的铲式和反铲式断层或剪切带,且均置根于中下地壳。中下地壳为韧性变形带,在接受拉伸发生纯剪切的同时,还因调节上下层间运动的差异而发生简单剪切。Malavieille〔26〕总结欧洲与南美的伸展构造提出了共轴与非共轴两类机制(图5),即沿大致对称的变质核杂岩两侧发育两个倾向相反的低角度剪切带的共轴伸展机制,和一个剪切带作用于不对称变质核杂岩边界的非共·29·轴机制,在此基础上提出了5种伸展模式(图6)。图5　造山带伸展构造的两种端元机制〔26〕a.对称的变质核杂岩(S.MCC),共轴机制;b.不对称的变质核杂岩(A.MCC),非共轴机制关于共轴与非共轴机制,笔者认为其分别是由深部作用和浅部作用为主造成的。如果造山带下部热活动强烈,根带消失快且形成较广泛的部分重熔,则下部抬升作用较大并可能发生在上部垮塌之前。这种下部抬升为主的作用可能形成共轴伸展机制。上部的拆离为抬升所致,其岩浆源较深。相反,下部热活动弱而造山带楔体较大,一方面使造山根带不易消失,迟滞热穹隆的发展;另一方面,大楔体稳定性差,上部重力失稳可能发生于热穹隆之前,重力失稳发生构造剥蚀产生绝热减压,导致地壳部分重熔。这种浅部拆离占主导地位的作用可能导致非共轴伸展。其中地壳重熔是拆离引起,岩浆源较浅。但绝大多数造山带伸展构造是上、下机制共同作用的结果,故此伸展构造也多为共轴与非共轴机制相结合的产物。图6　造山带伸展构造的五种模式〔26〕õ伸展前的增厚地壳;¹岩石圈剪切带;º莫霍面剥离;»非均一不对称岩石圈伸展;¼均一纯剪切伸展;½不均一地壳变形和局部流动6　共轴与非共轴机制的确定确定共轴与非共轴机制最简便易行的方法是利用应变和组构分析,确定拆离断层下盘,即变质核杂岩内形成于中下地壳的糜棱状岩石的剪切作用类型。其对应关系是:纯剪切—共轴机制;简单剪切—非共轴机制;一般剪切—共轴与非共轴机制共同作用。例如:根据石英c轴组构及大组构分析,确定科迪勒拉内RaftRiverMts.,RubyMts.和SouthMts.伸展构造为纯剪切共