本次大型變形構造研究和編圖的技術標準,涉及的大型變形構造及相關巖石的名稱,除了本章介紹外,以《地球科學大詞典》(基礎科學卷)的定義為準。所涉及和使用的圖例,以國家標準為準。
常見主要大型變形構造類型定義如下:
(壹)逆掩推覆構造
逆掩推覆構造是地殼廣泛發育的重要構造,是由逆沖斷層及其上盤推覆體或逆沖巖席組合而成的大型至巨型的構造,是擠壓作用的結果。斷裂上盤地質體沿斷裂面可以有數十乃至數百千米的逆沖位移。這類大型變形構造壹般發育在匯聚板塊邊緣的造山帶範圍內,以碰撞造山帶邊緣前陸地區比較常見,但在陸內擠壓環境中也可以形成類似的構造。卷入變形的地質體可以是蓋層沈積巖系,也可以包括結晶基底巖系。這類大型變形構造通常可以劃分為前緣帶(或前鋒帶)、中帶和根帶等主帶以及後緣帶和外緣帶等不同構造變形帶,前鋒帶和根帶的推覆構造面傾角比較陡,在二者之間的中帶地區推覆構造面傾角平緩(壹般小於5°)(圖7-4)。
圖7-4 逆掩推覆構造剖面分帶(據Bucher,1956)
後緣帶位於根帶後側,外緣帶位於鋒帶前側,這兩帶也受逆沖推覆作用的影響,留下逆沖作用的變形烙印。根帶是逆沖作用起始發育部位。根帶的研究對確定逆沖推覆構造在區域構造中的地位、活動和運移規律、變形性狀及形成作用上具有重要意義。由於大型逆掩推覆構造的根帶常被隱蔽,或位於壹條寬闊的多期變形帶中,具體位置常不明顯。根帶壹般表現為強烈擠壓,面理、小褶皺軸面和小斷層等構造產狀陡峻以至直立;變形性狀上塑性增高,有時出現韌性剪切帶;劈理尤其是流劈理和褶劈理相對發育;結構上常出現菱形體與擠壓面構成的網結式結構。自根帶向中帶斷層開始出現分叉且產狀變緩。自根帶進入中帶,斷層常常分叉構成疊瓦扇和雙沖構造;應力狀態以單剪為主;次級斷裂和褶皺產狀相對穩定,傾向根帶。在整個中帶內,近根帶變形強,中部變形稍弱,趨向鋒帶而再度增強,其中中帶的斷坡處變形又較斷坪處變形復雜。在變形性狀上,自根帶向鋒帶塑性降低而脆性提高,劈理化減弱而愈稀疏,進而以密集節理為主,該帶中定向性構造發育,如倒向與逆沖方向壹致的中小型褶皺系、褶皺式窗棱構造(或窗欞構造)、膝折、旋卷構造、構造透鏡體和小型雙沖構造等。鋒帶上擠壓作用再度增強。巖層傾角增大,包括鄰近斷層面的下伏巖系常形成兩翼緊閉軸面陡立的小褶皺;巖石破裂,有時形成破碎帶;構造定向性或高或低,並較根帶的明顯;次級斷層發育並強烈變形(朱誌澄,1991)。
後期地質作用使大型推覆構造上盤被不同程度的剝蝕。在較輕微剝蝕的情況下,下盤巖石局部出露,形成了構造窗;如果上盤巖石嚴重乃至大部分被剝蝕,僅呈殘丘存在,被稱之為飛來峰(圖7-5)。
圖7-5 逆掩推覆構造剝蝕形成的構造窗和飛來峰示意圖(據vanderPlujimandMarshak,2003)
(二)逆沖疊瓦構造
是由壹組逆沖斷裂以及相關褶皺組成的大型變形構造,通常發生在擠壓型造山帶的外緣(圖7-6),根據產出構造背景,可以將其進壹步劃分為弧前增生楔逆沖疊瓦構造、前陸褶皺沖斷帶和山前沖斷帶等不同亞類。
圖7-6 逆沖疊瓦構造示意圖(據van der Pluijm and Marshak,2003)
1.前陸褶皺沖斷帶
前陸褶皺沖斷帶形成於碰撞造山帶的前陸地帶,在我國有比較廣泛的分布。前陸褶皺沖斷帶主要表現為前陸盆地沈積物變形形成的褶皺沖斷推覆體,壹般遵循薄皮構造變形規律,與造山帶內帶(主要是基底褶皺推覆體,呈現厚皮構造變形規律)結晶逆沖推覆構造的幾何學、運動學等存在較大差異,二者形成機制不相同,但其間仍有緊密的聯系(圖7-7)。
前陸褶皺沖斷帶以薄皮構造為主要變形方式,該類變形是前陸沈積蓋層基底上滑脫,基底沒有同時變形,蓋層變形的褶皺壹逆沖帶終止於壹條巨大的滑脫面上,蓋層變形與基底構成顯著的不協調關系(圖7-8)。與此對應,如果基底與其蓋層同時變形,則稱厚皮構造。薄皮構造是壹種規模巨大的滑脫構造,展布範圍可以超越前陸帶,其規模甚至達到小板塊尺度,活動時間長可以超過壹個造山期,並且拆離層可以從前壹次造山時間中繼承下來,在不同構造環境中重新活動。
圖7-7 大型推覆構造剖面特征(北美Appalachian造山帶)(據SchaerandRodgers,1987)
薄皮構造底部總有壹個大型順層滑脫面,該滑脫面可以位於基底與蓋層之間,也可以不局限於這個界面之上,或者是幾個主要滑脫面***同組成的壹個滑脫帶;滑脫層位壹般是塑性層,或者是巖性差異很大的兩套巖系的界面;褶皺造山帶前陸上的薄皮構造,變形前的巖系或變形後的褶皺逆沖帶,均表現為後端厚前端薄的楔形,逆沖自後端向前端,後部常強烈縮短加厚。薄皮構造的褶皺主要為侏羅山式或類侏羅山式(圖7-8)。與褶皺伴生的逆沖斷層壹般自背斜核部起始向前切過陡翼或倒轉翼,斷層向下匯到主滑脫面上,構成帚狀。
圖7-8 侏羅山式薄皮構造特征(法國侏羅山)(據eLonW.Colet,1964)
作為前陸褶皺沖斷帶主要變形樣式的侏羅山式褶皺(圖7-8)可分為五種型式:①隔擋式和隔槽式褶皺,隔擋式褶皺以背斜緊閉形象完整而向斜開闊寬緩形象不完整為特色,隔槽式褶皺以向斜緊閉形象完整而背斜開闊寬緩形象不完整為特色;②疏密波式褶皺,表現為寬緩開闊的褶皺與緊閉密集的褶皺—斷層帶相交替;③類隔檔式和類隔槽式褶皺,類隔檔式褶皺以背斜緊閉形象不完整而向斜開闊寬緩形象完整為特色,類隔槽式褶皺以向斜緊閉但形象不完整而背斜開闊寬緩但形象完整為特色;④箱狀背斜或箱屜式褶皺;⑤底辟式褶皺,以含有塑性巖石在背斜核部聚積、上拱、刺穿上覆背斜為特征。壹般而言,薄皮構造***同特征是:變形中等或較弱,背向斜發育不均等,壹般不成正弦曲線式連續彎曲,屬於淺層次平行褶皺,褶皺向深部壹般終止於滑脫面上,常顯示相對壹致的構造運移等(朱誌澄,1991)。
前陸褶皺沖斷帶由壹系列的逆沖斷層及其所控制的褶皺所組成,寬度可達數百千米,長度可達2000km。卷入變形的通常是沈積蓋層,基底很少參與變形,變形通常向所控制的前陸盆地推進。平面上,前陸逆沖褶皺帶可呈現多種構造樣式,代表著不同因素控制下形成的構造帶(圖7-9)。斷層相關褶皺(斷層傳播褶皺、斷層轉折褶皺,滑脫褶皺以及它們之間的過渡類型)是前陸帶地層變形的主要形式(Allen et al.,1986;DeCellesandMitra,1995)。向前陸方向,前陸褶皺沖斷帶由逆沖褶皺變形帶和前陸盆地組成,具有變形強度逐漸降低的特征。
2.山前褶皺沖斷帶
是陸內造山帶外緣的大型變形構造帶,其組成巖層壹般是新生陸內山脈前身古生代沒有成因聯系的陸內山前壓陷盆地或該盆地形成以前的古老沈積物組成。這是山前褶皺沖斷帶與前陸沖斷帶的本質區別。
3.弧前增生楔中的逆沖疊瓦構造
由大洋巖石圈板塊俯沖,在海溝靠陸壹側形成的構造面與俯沖帶大體平行,向深部收斂的壹組逆沖斷裂及相關褶皺組成,卷入變形的巖石構成弧前增生楔,其中可以含有數量不等的蛇綠巖殘片。
(三)逆沖走滑構造
圖7-9 世界主要前陸褶皺沖斷帶平面展布特征(據Macedo and Marshak,1999)
由陡立密集劈理組成的具有區域規模的強烈構造變形帶,位於兩個陸塊或島弧之間,卷入這類大型變形構造的巖石包括弧相關建造、含有蛇綠巖碎塊的增生雜巖和不含蛇綠巖碎片的被動陸緣沈積巖系等,有時還可能包括數量不等的古陸陸塊的殘片。根據卷入變形的地質體類型,可以將其進壹步劃分為弧雜巖變形亞帶、含蛇綠巖殘片變形亞帶和不含蛇綠巖殘片變形亞帶。這類大型變形構造是在碰撞構造背景下形成的,壹般發育在碰撞造山帶的核心部位。沿這類大型變形構造的構造變形,以早期的擠壓變形為主,後期可以疊加有明顯的走滑變形。中國大陸內部造山帶中的這類大型變形構造的構造變形,壹般都由中等深度的構造層次和淺表構造層次的構造變形組成,個別造山帶中則出露曾經位於數十千米乃至數百千米深部的構造變形,反映深剝蝕的構造特征。在核心地帶,變形巖石中沈積巖的層理多數情況下被劈理強烈置換而難以識別,卷入變形的巖石可以發生低級或極低級變質作用,也可以發生高壓乃至超高壓變質作用。在壹些構造滑動面上可以發育由同構造變質礦物定向生長構成的拉伸線理,但是多數情況下,指示運動方向的線理屬於滑動線理。
這類大型變形構造的寬度從數千米到數十千米不等,其邊界壹般是漸變過渡的,有些情況下是後期逆沖斷裂。在剖面上,這類構造常呈現為不對稱的正花狀構造樣式(圖7-10)。
圖7-10 逆沖—走滑構造示意圖(據van der Pluijm and Marshak,2003)
由於兩側構造單元各有壹部分卷入到這類大型變形構造中,所以這類大型變形構造不等同於構造單元的分界線。蛇綠混雜巖帶是這類大型變形構造的組成部分,通常位於這類大型變形構造的核心部位。壹般說來,不同板塊之間的縫合線位於這類大型變形構造內部。結合帶大相構成這類大型變形構造的壹部分,但是壹般說來,其寬度要小於這類大型變形構造的寬度。
這類大型變形構造的變形多數屬於脆性—韌性或韌性—脆性過渡變形,以密集劈理為突出特征,可以局部發育拉伸線理和旋轉變形,但以不發育透入性拉伸線理,區別於深層次的韌性剪切帶;以層理難於識別,區別於淺層次的逆沖疊瓦構造。在有些情況下,這類變形帶主要由深部構造層次變形的地質體組成,以廣泛發育韌性變形為特征。
這類大型變形構造遍布全國,是最為發育的大型變形構造之壹。這類大型變形構造壹般對增生雜巖中的鉻鐵礦礦床和塊狀硫化物礦床、弧後盆地中的塊狀硫化物礦床、被動陸緣沈積巖系中的各種層控礦床等,有不同程度的破壞和改造,同時也是剪切帶石英脈型金礦的成礦有利地帶。
(四)大型逆沖斷裂構造
高角度逆沖型大型變形構造多發育在基底隆起區中(如北美落基山前陸地區),斷層近地表(或蓋層與基底界面處)傾角大於45°(圖7-11c),但在深部,這些斷層往往逐漸變為水平。這類構造分布範圍廣,但沒有很明顯的構造方向,這主要是由於基底中的先存構造所控制。它們往往造成盆地的剛性基底直接出露或造成上覆蓋層的褶皺,可形成很多大型的強制褶皺(單斜地層)。實質上這類變形屬於厚皮構造範疇。
基底變形的主要方式有如下幾種:①變形集中在壹個斷層(帶)上;②變形分散在眾多相互平行的斷層上(圖7-11b);③變形集中在斷層頂端的三角帶中(圖7-11a),即Trishear模型;④類似蓋層的層狀變質巖石的彎滑作用;⑤基底褶皺。而基底斷層的主要活動方式以碎裂巖化(cataclasis)作用和早期面狀組構(斷層、破裂和節理等)的再活動為主。
圖7-11 高角度逆沖型大型變形構造主要剖面特征(據Mitra and Mount,1998)
雖然斷層淺部陡傾,但地球物理勘探證實該類構造是基底水平運動造成,因而水平應力造成厚皮構造成為***識。這些機制主要與板塊俯沖或碰撞有關,也就是發育於板塊邊緣。但在壹些遠離板塊邊界的基底隆起區也可能發育類似構造,壹些斷塊山的形成可能與這類構造活動有關。這類構造可控制壹些基底中的金屬礦產,也有部分油田發育在這類構造中。
(五)地塹-地壘構造
地塹:主要由兩組走向近平行且相向傾斜的高角度正斷層構成(50°~70°)(圖7-12)。兩條斷層之間的***同上盤下降,時有玄武巖等火成巖分布。
地壘:由兩組走向平行相背傾斜的高角度正斷層構成(50°~70°)(圖7-12),斷層間的***同下盤上升,兩側的斷層上盤下降。
地塹-地壘構造壹般伴生在壹起,通常發育於背斜與穹窿的頂部及地殼受區域應力拉伸區,也可以發育在大斷裂帶上(郯廬斷裂北段)。其規模大小不等,大型面狀地塹—地壘構造長度可達數百公裏,面積可達數十萬平方公裏。關於它們的成因現在還沒有定論。地殼尺度的簡單剪切(圖7-13)以及地幔柱都可能形成類似面狀伸展構造。而線性地塹—地壘構造面積就小得多。由地塹-地壘構造構成的盆地沈積層厚可達數千米、甚至可達上萬米,它們的形成則主要與所屬斷裂的伸展活動有關。
美國西部盆嶺地區是典型的地塹-地壘構造區,該構造區由不對稱的縱列單面山、山嶺及其間列的盆地組成的構造-地貌單元(圖7-12)。盆嶺構造是在區域性伸展作用下形成的,由地塹、地壘、掀斜式階梯斷層構成,是伸展區典型性的構造-地貌形式。我國的華北新生代盆地也具有典型的盆嶺構造特征。
地塹-地壘構造在我國非常發育,尤其是中、新生代以來在我國東部廣泛分布,是我國最重要的油氣、鹽類賦存地區。
圖7-12 地塹-地壘構造剖面特征(據Giacomo et al.,2003)
(六)大型拆離構造
拆離斷層是壹條分隔蓋層與變質基底或變質核雜巖之間的平緩正斷層(圖7-13)。拆離斷層和變質核雜巖相伴產出,組成統壹的構造,成為區域性伸展構造的重要型式之壹。主拆離斷層(帶)是壹條巖石強烈破碎帶,與其接觸的糜棱巖帶的頂部可卷入碎裂巖化而形成綠泥石微角礫巖(超碎裂巖);隨著順拆離斷層傾斜向下趨近塑性域,碎裂帶逐漸轉變為狹窄的網狀韌性剪切帶,進而匯入糜棱巖構成的韌性剪切帶。該斷層原始產狀近於水平,在伸展拆離中變成犁式,其上盤以發育多米諾式斷層為特征,也有次級斷層並使地層拆離減薄或缺失,使得地層柱中的上部地層直接覆於基底變質巖之上,拆離斷層上盤變形屬脆性域,蓋層也可因侵入作用而變質。原始拆離斷層可因均衡作用而呈穹狀,在長期發展中可形成不止壹條拆離斷層所組成的斷層帶。
圖7-13 拆離構造示意圖(據Giacomo et al.,2003)
如果伸展活動不只壹次,各次產出的拆離斷層不壹定重合而會變位。從而使早期拆離下盤轉變為另壹期拆離斷層的上盤,反之亦然。即使在同壹伸展活動期,滑動面也不壹定只是壹個,加之伴生的次級斷裂面,所以整個拆離斷層(帶)的結構復雜,但其平緩的正斷層性質仍保持不變。拆離斷層上的次級正斷層壹般成階梯狀,斷層面成弧形,構成帚狀,亦可成平面狀產出,並構成地塹、地壘式組合。
變質核雜巖是大陸高應變伸展環境中發育的壹套構造和獨特巖石的組合(圖7-14)。該組合具有3個不可缺少的或必要的構造要素:①壹條主拆離斷層-大規模位移(幾十千米)的準區域至區域性的低(傾)角度(典型情況下小於35°~40°)正斷層;②下盤-與斷層相關的糜棱狀片巖、片麻巖和可能出露的更深層次的非糜棱狀結晶巖;如果存在原位於韌脆性轉化帶以上的下盤巖石,拆離斷層上段之下則無糜棱巖;③上盤-含多世代正斷層的上地殼基底巖和/或表殼巖層。變質核雜巖不僅是指拆離斷層(有些情況下為多重拆離斷層)下的糜棱巖和變質巖組合,而且也包括拆離斷層本身和位移其上盤的巖石以及上盤的伸展構造。變質核雜巖其實質就是大規模地殼伸展和地殼沿主拆離斷層切除(缺失)的結果。斷層位移量可達數十千米,出露面積可達幾千平方千米以上。下盤糜棱狀巖石(典型情況下為高綠片巖或角閃巖相變質程度,大約400°~550°)與上盤表殼巖石及其結晶基底的並置要求這些斷層具有很大的位移。
圖7-14 變質核雜巖重要特征和結構(據Davis和鄭亞東,2002)
壹般而言,變質核雜巖主體外形近圓形或橢圓形,對徑壹般數十公裏,呈分散孤立的穹窿狀產出。
從成因的角度看,變質核雜巖是拆離構造的壹種類型,是拆離構造發展到在核心部位出露拆離界面的結果(見圖7-15)。典型的變質核雜巖發育在美國西部的科迪勒拉山脈,在我國,陸續發現了壹些規模大小不等的變質核雜巖,根據其出露規模,基本都可以歸入大型變形構造之列。