2003年2月
第33卷第1期西北大学学报(自然科学版)
Jo urnal of N or thw est U niver sity (N atur al Science Editio n) Feb. 2003V ol. 33N o. 1
造山运动与秦岭造山
于在平, 崔海峰
(西北大学地质学系/大陆动力学教育部重点实验室, 陕西西安 710069)
摘要:对造山运动概念的演变进行了讨论, 提出了分析秦岭造山作用的现实原则基础。根据秦岭造山带区域地质构造演化和不同时期、不同类型造山作用的研究, 划分出俯冲、碰撞和陆内造山作用3个主要阶段。其中碰撞造山作用可进一步分为弧-陆碰撞和陆-陆碰撞阶段。研究认为:秦岭地区古生代以来随着板块构造体制向陆内构造体制的复杂转化, 经历了多次、多种类型造山作用的复合叠加, 仅仅根据经典板块造山模式不能对秦岭演化历史作出完整解释; 受古特提斯东部构造域独特的构造背景控制, 即使在古生代—早中生代板块构造体制阶段, 秦岭造山作用的细节过程也表现出与传统板块作用明显不同的特征。
关 键 词:造山带; 造山运动; 秦岭; 板块碰撞; 构造演化
中图分类号:P542 文献标识码:A 文章编号:1000-274Ⅹ(2003) 01-0065-05 秦岭造山带横亘中国中部, 东延桐柏、大别, 西接祁连、昆仑, 位处中国“中央造山系”腹部, 是分隔南北中国人文、地理、地质和气候的重要分界线。
秦岭造山带基础地质研究近年来取得了很大进展, 然而对造山作用的时期、类型等一直存在不同的看法。这主要是由于秦岭造山作用特殊, 并且经历多次构造运动的叠加所致。本文主要根据华北板块(北秦岭) 与扬子板块(南秦岭) 的结合带——商丹缝合带及邻区研究, 讨论秦岭造山作用。
两个要点:一是强调不整合分隔的两套岩层具有不同的构造特征; 二是造山运动具有幕式特征和全球一致性。与此对立的是以Gilluly 为代表的均变论观点, 认为造山运动通常持续时间长(几个世到几个纪) , 幕式特征只是一种地区性现象, 造山运动反映了自然的内在不规则性, 而并非是按照确定法则规律变化的。这两种观点的争论, 可上溯到19世纪20年代至30年代Lyell 与Beaumont 对角度不整合及其时间含义的著名论战。
板块构造学和造山运动”中对造Seng or 在“
山运动概念的起源、含义的演变进行了讨论, 提出一个造山运动的定义:造山运动是一个用以表征会聚
对“造山运动”一词的内涵, 迄今为止仍然存在较大歧议, 因此在讨论秦岭造山作用之前, 有必要对“造山运动”概念及含义作一简要讨论和限定。
造山运动(oro geny ) 一词最早出现于19世纪中叶, 20世纪初开始广泛使用, 其早期含义与褶皱带类似。20世纪中叶, 人们逐渐认识到褶皱作用以外的构造作用在造山作用中的重要性, 从而逐渐摈弃
了把造山运动与褶皱作用等同起来的用法。
板块构造出现之前, 对“造山运动”的理解基本上是遵循了施蒂勒1919年提出的定义, 即造山运动是一个改变岩石组构的幕式过程。这个定义包含了
收稿日期:2002-11-20
, , [1]
1 关于造山运动
板块边缘所有地质过程的集合名词。在这个定义中, 把离散型和走滑型板块边缘排除在外。对此, 他的解释是为了不使概念中包含的内容过于庞大, 同时由于对板底垫托在地壳增生中的作用难以把握。与前人相比, 这个定义限定了造山运动发生的场所(会聚板块边缘) , 对会聚边缘岩浆作用和变质作用给予充分的注意(不仅是构造变形作用) , 具有鲜明的板块构造的观点。
Seng or 的造山作用定义完全排除了拉张环境
和陆内造山作用是有待商榷的。越来越多的资料表明, 当板块碰撞造山结束后, 会聚板块边界在其后的
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相当长时间内, 构造作用(挤压、拉张和走滑) 仍在持续。广泛的板内变形和板块内部沿着早期会聚边界继发的造山作用, 已被证明是板内变形的一种重要机制。如果说大规模的形成宏伟山脉的板内构造作用不是造山运动, 那么又会是其他的什么呢? 这个定义在这一点上是难以接受的。
如何给造山运动下一个合适的定义, 可谓是见仁见智。笔者无意对此进行详细讨论, 而只是在此提出一个可用于讨论秦岭造山作用的现实原则基础。这个原则包括3个方面: 在构造意义上, 与大规模的岩石圈运动相联系; 包括导致山脉形成的各
种地质作用; 在自然地理意义上, 作为构造作用的结果, 应该导致山脉的形成。
2 秦岭造山作用的类型及其演变
现代秦岭山脉主要是中新生代陆内造山的产物, 而秦岭造山带的历史则至少可以追溯到早元古代。在长期演化过程中, 秦岭岩石圈经历了多种构造体制的转换和多次造山运动的影响, 因此必须筛分消除晚期构造影响, 追溯恢复早期造山作用遗迹, 重
建秦岭造山历史。
图1 秦岭地质略图
F ig. 1 Geo lo gical sketch map o f the Q inling or o genic belt N CP 华北板块 NQ 北秦岭 SQ 南秦岭 Y P 扬子板块
秦岭造山带内部次级构造单元可划分为华北板块(NCP ) 南缘、北秦岭(N Q ) 、南秦岭(SQ ) 、扬子板块(YP ) 北缘, 分别以洛南(F 1) 、二郎坪(F 2) 、商丹(F3) 和勉略(F4) 断裂带为界(见图1) 。其中, 南秦岭在泥盆纪之前属扬子板块北缘, 后裂离成为独立微型板块。商丹断裂带至少自震旦纪以来一直是分隔华北与扬子板块的主要界线, 印支期经碰撞造山成为秦岭主缝合带。
根据前文提出的限定造山运动概念的原则, 秦岭造山作用可分为以下几种主要类型:与板块俯冲内造山作用(以下分别简称为俯冲造山作用、碰撞造山作用和陆内造山作用) 。其中, 碰撞造山作用可进一步分为弧-陆碰撞和陆-陆碰撞作用。
2. 1 俯冲造山作用
秦岭地区俯冲造山作用以扬子板块向北俯冲, 导致北秦岭南缘发生造山为代表。扬子板块向北俯冲的时代主要发生在奥陶-志留纪, 俯冲作用的时间上限应当不晚于泥盆纪晚期—早石炭世。这种认识得到以下几方面的限定: 丹凤蛇绿岩的主体为洋壳基底上发育的岛弧蛇绿岩, 其中夹有奥陶-志留纪
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年龄值为388M a ±8M a [3]; 侵入于北秦岭变质基底中的俯冲型岛弧花岗岩的年龄集中在452～382Ma , 与俯冲有关的苏长辉长-闪长岩杂岩体的侵入年龄为402Ma ±17. 4Ma ; M attauer 等在商南县获黑云母39Ar -40Ar 坪年龄314M a ±6M a , 在此解释为与初始碰撞后与板缘走滑作用有关的变质年龄; 丹凤蛇绿岩、弧前沉积岩系和南秦岭北缘的中上泥盆统的早期变形样式相似, 反映碰撞发生在中晚泥盆世之后, 弧前沉积岩系中的早期变形(D 1和D 2) 与早中石炭世弧前区的俯冲-仰冲转化有关, 反映北秦岭与南秦岭之间的初始碰撞事件[6]; 商丹缝合带南缘石炭纪地层与下伏泥盆系渐变过渡, 下部层序急剧变深, 向上逐渐变浅, 顶部以陆相含煤地层的出现结束, 其中的砂岩成分反映明显具有南北两个物源区, 解释为与初始点碰撞有关的板缘拉分盆地, 可作为俯冲结束的标志。
俯冲造山形成了具有陆缘弧性质的丹凤岛弧。其主要表现如下。
1) 商丹带北侧秦岭杂岩中分布的同位素年龄为452～382M a 的俯冲型岛弧花岗岩多为幔壳混源的I 型, 少数属典型壳源S 型。在SiO 2含量相似时显示其K 2O , K 2O +Na 2O , REE , Th 含量和K 2O/Na 2O 比值自南向北的规律增长, 反映岩浆岩具有穿弧极性, 指示俯冲方向是由南向北的。这些花岗岩与丹凤岛弧火山活动应该具有成生上的联系。
2) 岛弧南侧弧前沉积岩系中含有来自秦岭杂岩的碎屑(矿物碎屑和片麻岩岩屑) , 砂岩地球化学性质受到基性火山岩(丹凤蛇绿岩) 和云斜片麻岩(秦岭杂岩的主要岩性) 的双重控制, 反映丹凤蛇绿岩/岛弧火山岩和秦岭杂岩同为其沉积源岩, 是同一岛弧的不同组分。丹凤岛弧的构造性质与现代张性弧比较接近, 主要表现为发育二郎坪弧后盆地, 弧前缺乏大型加积楔, 造山带相对狭窄。但是, 应该指出的是, 上驮板块的应变状态在岛弧发育的不同阶段(尤其在俯冲-碰撞的转化阶段) 是变化的。丹凤岛弧在早古生代末处于岛弧发育的晚期阶段, 此时洋壳的大规模俯冲作用即将结束, 区域应力状态发生明显变化, 具有强烈的挤压性质。
俯冲造山的发育程度与洋盆的大小, 一般呈正相关关系。秦岭南部勉略小洋盆和北部二郎坪弧后盆地的关闭虽然伴随一定程度的俯冲作用, 但由于, [8]
[7]
[6]
[5]
[4]
2. 2 碰撞造山作用
2. 2. 1 弧-陆碰撞造山 秦岭弧-陆碰撞造山, 以二郎坪弧后盆地的关闭及北秦岭岛弧与华北板块的碰撞造山为代表。
二郎坪弧后盆地由火山-沉积岩系组成, 总体反映有限小洋盆的特征。其下部为蛇绿岩, 主要岩石类型为基性火山岩, 上覆少量硅质岩和碎屑岩。火山岩为具有M ORB 性质的拉斑玄武岩, 底部发育基性岩墙群。硅质岩中产奥陶-志留纪放射虫。蛇绿岩以上为巨厚的碎屑岩及少量砾岩。
蛇绿岩主要见于豫西一带。向西到陕西境内, 相应岩系中的火山岩以钙碱性系列为主, 沉积岩比重明显增加, 无基性岩墙群。火山岩系的横向变化反映二郎坪弧后盆地仅具有有限扩张, 最大扩张期也只是局部出现洋壳, 而非大洋盆地。
二郎坪火山-沉积岩系上覆层位产层孔虫(D -C 2) 等海相化石, 石炭-早二叠世发育煤系地层, 晚二叠世开始出现磨拉石, 晚三叠世-白垩纪磨拉石全面发育。这些资料反映二郎坪弧后盆地的扩张在中志留世已经停止, 在有限俯冲之后于泥盆纪转为残余边缘海。自晚二叠世开始, 海水撤出, 弧后盆地完全封闭, 陆相地层开始发育, 但并未发生实质性的弧-陆碰撞造山。真正具有碰撞造山性质的变形和变质作用发生在中三叠世末。此时, 二郎坪弧后盆地与整个秦岭一起卷入与全面碰撞造山有关的变形变质, 标志着整个秦岭在中三叠世末全面隆升成山。北秦岭与华北板块弧-陆碰撞造山的类型, 由于迄今没有发现与弧-陆碰撞有关的大型推覆仰冲构造, 考虑到二郎坪小洋盆封闭后残余海盆的长期发育, 大量充填的沉积物可能起到一种能够有效吸收应变能量的缓冲垫的作用, 因此该带具有非上驮型碰撞造山带的特征。
2. 2. 2 陆-陆碰撞造山 包括属于华北板块南缘的北秦岭与南秦岭板块沿着商丹缝合带一线的碰撞造山、南秦岭板块与扬子板块沿着勉略带的碰撞造山。本文主要讨论前者碰撞的时代、方式、过程和碰撞造山带类型。
北秦岭/华北板块与南秦岭/扬子板块之间的碰撞造山时代, 即秦岭造山带的主造山期一直存在争议。一种意见认为秦岭洋于志留纪已经关闭, 并于早古生代末完成碰撞造山, 主要的证据包括: 南秦岭泥盆系与下伏地层呈角度不整合, 底部砾岩为造山期磨拉石建造, 并且可以与祁连山地区的泥盆[5]
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种意见认为秦岭地区存在印支期大洋, 碰撞造山发生在中生代[9], 主要依据是蛇绿岩的年龄为中生代, 南秦岭泥盆纪化石产于外来岩块中, 所谓“泥盆纪”的时代为三叠纪。
确定碰撞时代通常根据俯冲-增生杂岩体中包含的最年轻的大洋物质(蛇绿岩和深海沉积) 的年代。这种推断的正确性依赖于对大洋物质来源、性质的确定, 还与碰撞造山的具体过程有关。
秦岭碰撞造山的一个突出特点是, 从洋盆的初始闭合/局部碰撞到残余洋盆的完全闭合/全面碰撞造山, 经历了长期演化。对秦岭大地构造研究来说, 更具有现实意义的是了解碰撞造山的全过程。对“碰撞”的理解应强调发生碰撞的一段时间内多种地质作用的集合, 而非瞬间突发事件。
南、北秦岭沿商丹带从洋盆的初始闭合到最终全面碰撞成山, 经历了3个主要时期。
1) 秦岭洋的初始闭合/点接触碰撞(晚泥盆世-中石炭世) 。南秦岭志留-泥盆系沉积岩具二元混源特点, 南秦岭古生代末俯冲板块发生弯曲上拱和裂陷, 丹凤岛弧火山岩、俯冲型花岗岩年龄的上限值(约380M a) 、泥盆纪末与初始碰撞有关的弧前沉积岩系变形和板缘走滑年龄(314, 279Ma) 、石炭纪板缘拉分盆地的发育等[6], 反映早古生代末—晚古生代初南、北秦岭之间的突出地段发生局部小规模碰撞。
初始接触碰撞使秦岭洋盆逐渐转化为残余海盆并趋于消失, 但没有引发实质性的碰撞造山, 而是转入了以局部反复作用的走滑、拉张和挤压变形为特征的板缘变形和残余海盆的发育时期。
2) 秦岭洋的全面闭合——残余海盆/面接触碰撞。初始碰撞后, 北秦岭南缘和内部自石炭纪开始逐渐出现煤系或河流相地层, 而南秦岭则以浅海相地层的连续发育为特征, 并且一直延续至中三叠世。二郎坪弧后盆地的海相沉积也持续到早三叠世。因此, 沉积记录一致反映残余海盆的缓慢充填过程, 而不是初始碰撞后即相继发生强烈的挤压-隆升。秦岭地区这一时期花岗岩岩浆活动微弱, 没有与全面碰撞造山对应的强烈变形变质作用, 也反映这一时期的构造活动相对微弱。
造成上述构造态势的区域构造背景是, 古特提斯在石炭-二叠纪达到最大扩张期。南秦岭板内拉张型碱性岩浆活动此时加剧(355～251M a) , 勉略带达到最大扩张时期, 并出现洋壳。在总体扩张的背景下, 度, 导致了残余海的长期发育。
3) 残余海盆的最终闭合/整体隆升成山。秦岭地区残余海盆的完全封闭和全面碰撞造山发生在中三叠世末至晚三叠世。其主要依据包括: 南秦岭
震旦纪-中三叠世沉积地层为基本连续的海相沉积, 其变形协调一致, 变质程度均为低绿片岩相, 晚三叠世以上全部转为陆相沉积, 出现磨拉石建造, 变形显著减弱; 震旦—中三叠统地层卷入统一的变形变质, 印支期碰撞型花岗岩(245～211M a ) [10, 11]普遍发育; 横切缝合带、完全未变形的沙河湾奥长环斑花岗岩锆石U -Pb 年龄194. 5, 195. 5M a,
39
Ar-Ar 年龄213Ma ±2. 9M a 山运动的结束。
40[11]
, 标志着碰撞造
秦岭地壳横剖面总体为以商丹缝合带为界的不对称扇状结构, 缝合带则为倾角很大的陡立带。虽然在南秦岭和北秦岭内部发育多重逆冲推覆体系, 但南北秦岭之间并未出现明显的岩石圈尺度的地壳叠置, 因此与Seng or 定义的NCOB(非大陆上驮) 型碰撞造山带类似。2. 3 陆内造山作用
碰撞造山使华北板块、北秦岭、南秦岭和扬子板块结合成为一个整体。然而, 秦岭地区并未由此向着稳定克拉通的方向发展, 而是转入了陆内造山作用演化阶段, 可分为以下两个主要阶段。
1) 晚三叠世—早白垩世, 秦岭地区发育一系列小型箕状山间断陷盆地和拉分盆地, 其中的后造山磨拉石普遍遭受低绿片岩相变质作用和较强的变形。这些盆地的发育与主造山期后持续的会聚作用(陆内俯冲) 引起的岩石圈浅-表层的塌陷和平行造山带的走滑有关, 反映碰撞期后持续的南北向挤压。进一步的挤压导致上部岩石圈由拉张状态转为收缩状态, 形成了一系列的逆冲推覆构造, 使基底变质岩系叠覆于晚三叠—早白垩世地层之上。这一时期深部岩石圈处于持续的挤压状态, 而浅部地壳则经历了挤压→拉张+平移→挤压的递进变形和应力转换。
2) 中生代晚期, 秦岭岩石圈整体转入强烈伸展状态, 沿着秦岭内部主要的断裂带发生广泛的近南北向拉张作用, 形成了一系列具拉张性质的晚白垩—第三系断陷盆地堆积。这些盆地比晚三叠世—早白垩世山间盆地的规模大, 分布广, 未变质, 变形弱。岩石圈的伸展同时伴随着秦岭北部—大别山一线的大规模花岗岩侵入和有关的成矿作用。在地貌上, 秦,
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雏形, 使现代秦岭主峰自中白垩世以来相对隆升幅度达12km 以上。
纵观秦岭地区造山类型和造山演化史可以看出, 秦岭地区自古生代以来随着由板块构造体制到陆内构造体制的复杂转化, 经历了多次、多种类型造山作用的复合叠加, 仅仅根据板块理论, 用单一造山作用不能对秦岭的演化历史做出完整的解释。与经典板块构造的造山理论相比, 即使在古生代—早中生代板块构造体制阶段, 秦岭造山作用的总体框架虽然就总体而言可以在板块构造的造山模型中得到解释, 但在造山细节过程和特征上也存在很大差异。这是与古特提斯东部构造域独特的构造背景有关的。
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(编 辑 张银玲)
Orogeny and orogenic types and process of the Qinling Mountians
Y U Zai -ping , CU I Hai -feng
(D epar tment o f Geo lo gy /T he K ey Labo rato r y of Co ntinental D ynamics, M inistr y o f Education, N o rthw est U niv ersit y, Xi ′an 710069, China )
Abstract :A realistic foundatio n w as established for the Qinling o rogeny based on the historical chang e of oro geny. Acco rding to the resear ch of tectonic evolution and v ar io us ty pes o f oro geny during different peri-ods in the Qinling area , three major kinds o f or ogeny w ere reco gnized , that is or ogeny of subductio n , colli-sion and intra-co ntinent. Collisional oro geny can be carv ed up into arc-continental and continent-continent
oro geny in detail . T he Qinling underg one superposed orog enies resulted fro m com plex transform fro m plate tectonic system to intr a-continental sy stem since Paleozo ic. T raditio nal or ogenic model can hardly ex -plain tecto nic evo lution of the Qinling as a whole . Controlled by eastern Tethys detail Qinling o rog enic pro-cess developed under plate tectonics sy stem w hich repr esents m uch difference with oro geny of typical plate tectonic .
Key words :orog en; orog eny ; Qinling ; collisio n; tectonic evolution