伸展构造与变质核杂岩

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拆离断层是伸展构造区一种平缓产出的铲状 大型正断层。并且往往伴生变质核杂岩体。
一般产出于基底与盖层之间。其上为拆离上 盘,其下为拆离下盘。上拆离盘是一套浅层 次的正断层组合,下拆离盘为变质核杂岩 (体)。
其特征是水平拉伸,分层正向剪切
a-拆离作用的开始,沿拆离带形成糜棱岩; b-拆离断层引发低角度正断层;
拆沉作用
拆沉作用(delamination):大陆岩石圈地幔由于较 软流圈温度低、密度大,从而产生重力不稳,如有 合适条件,岩石圈地幔将沉陷入软流圈中,并使岩 石圈减薄;Houseman等认为岩石圈减薄是对流的 结果,由于密度较大的岩石圈地幔覆于密度较小的 软流圈地幔之上造成对流,导致岩石圈地幔沉入软 流圈中。这种造成岩石圈地幔沉入软流圈中的作用 即为拆沉作用。
造山后伸展构造 发生于碰撞挤压作用减弱或 消失后,增厚的造山带楔体在重力势能差、 拆沉作用以及其它因素影响下形成大规模伸 展构造,这类伸展构造更为普遍。其伸展方 向总体与造山带垂直,造成地壳减薄和中下 地壳抬升,形成拆离断层和变质核杂岩。持 续时间一般30 Ma,主要集中于前10Ma。由 于下部热作用和构造剥蚀,使该阶段伸展构 造处于高温低压环境。
全球不同地区不同时代的造山带几乎都发育 伸展构造,南非太古代巴比顿花岗绿岩带, 欧洲加里东和海西造山带,北美科迪勒拉, 欧亚特提斯-喜马拉雅造山带,中国天山- 兴蒙、昆仑山、祁连山、太行山、燕山、秦 岭、大别山等。
造山带伸展构造具有多阶段性和多样性:既 有同造山期的伸展构造,也有造山期后的伸 展构造;既有平行于造山带的伸展,也有垂 至于造山带的伸展。伸展构造发育的机制也 各不相同。
岩石圈的强度特性:实验和理论计算表明,岩石圈 的抗拉强度是圈内单个层强度的垂向积分,主要受 地热梯度、物质组分和地壳厚度的影响,其中地壳 厚度是关键。岩石圈变形由石英(上地壳)、长石(下 地壳)、橄榄石(上地幔)三个层次的蠕变机制构成, 所以其抗拉强度自上而下增强。
岩石圈强度影响因素:
1.物质构成 石英质-长石-橄榄石强度增强;
c-下盘向上拱弯;
d-下盘高处变质核杂岩构造形成
拆离断层的特征
1.将年轻的变质变形程度轻微的浅构造层次岩石叠 置于强烈变质变形的深构造层次岩石之上;
2. 规模巨大,一般具有区域性; 3. 位移量大,可达数10km; 4. 上盘以一期或多期正断层形式伸展,这些正断层
呈铲状或多米诺状,向下并入拆离断层; 5. 拆离断层具有特征的构造岩系,即糜棱岩、绿泥
第八章 伸展构造与变质核杂岩
伸展构造
伸展构造是在岩石圈拉伸变薄过程中形成的 构造组合型式。伸展构造与挤压构造是全球 构造中最为醒目的两大构造型式,具有同样 重要的意义,它们在时间和空间上有密切关 系。广义的伸展构造包括地堑和地垒、断陷 盆地、裂谷、拉分盆地等。
研究进展与现状
自70年代末Davis等在北美盆-岭区(Basin and Range province)确立大型伸展构造以来, 造山带伸展构造引起了地质界的极大关注并 形成了一个研究热点。
伸展构造发育的位置
•地幔物质上涌地区,即洋中脊和大陆裂谷区; •活动大陆边缘,即弧后扩展区; •挤压应力减小或消失的大陆或地体边界,即造
山带。造山作用使地壳增厚和垂向压力增大, 加之水平挤压力的减小甚至消失以及下部物 质上涌和拆沉作用导致应力三主轴的转换, 从而产生水平拉伸应力场。
控制因素
两个主控因素:板块运动和地球内部物质运移所造 成的应力场;岩石圈的强度。前者是关键。由此决 定了伸展构造发育的位置。
1. 空间上呈穹隆状或长垣状孤立隆起,通常具有一 翼陡一翼缓的特征;
2. 由深部隆升的中、下地壳古老的中深变质岩组成, 常见晚期的中酸性岩浆侵入体;
3. 核杂岩顶部和周缘为以糜棱岩状岩石为特征的韧 性剪切带,糜棱岩带的顶部被拆离断层切割,使早 期的糜棱岩发生脆性变形;
4. 拆离断层上盘为变形变质较轻的上地壳岩 石,以脆性变形为主;
过去公认的高角度正断层构成裂堑式伸展构 造只是局部的特殊地区,而大多数伸展构造 则是以上陡下缓的铲形(listric)低角度正断层 (low-angle normal fault)和拆离断层 (detachment fault)为特征。
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伸展构造主要发育于造山带:就全球范围而 言,造山带是伸展构造发育的主要地区。因 为造山带具有较厚的地壳和较大的重力势能 差以及较低的抗拉强度和构造不连续性,并 且下部热活动又比较强烈。这可能也是洋盆 多次开合于同一位置的重要原因之一。
2. 地热梯度 地热梯度增高岩石圈塑性软弱层 增厚,能干区域上移,整体抗拉强度降低,应 力集中于强度低的上部岩石圈使之破裂形成 伸展构造;
3. 地壳厚度 地壳增厚同样使岩石圈能干区域上 移,抗拉强度降低。
造山带的强度特点
地热梯度高 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以及热对流夷平 作用等造成地热梯度升高;
理论计算证明,岩石圈根带的拆沉作用可以产生水 平方向的张性差异应力50~100MPa,足以驱动大规 模伸展构造的发育。Ranalli(1997)认为岩石圈拆沉 作用是造山带构造演化的主要动力学过程,可导致 由挤压体制向伸展体制转换。
造山带大陆岩石圈拆沉作用机制
•深部机制:造山带根带由于拆沉作用或对流 夷平作用而逐渐消失(去根作用),导致造山带 的浮力反弹。去根作用和热软流物质的补充 在造山带下形成热穹隆,同时使地壳产生广 泛的部分熔融,形成岩浆上涌,进一步增加 反弹效应。导致造山带拉伸应力场。
造山带伸展构造是造山带地壳演化,乃至岩 石圈演化的重要阶段,对此的研究具有重要 意义。
几何模式
B. Wernicke和B.C. Burchfiel (1982)根据断层面几何形态和位移特点将 正断层分为两大类,即非旋转的高角度正断层和旋转的低角度拆离断层。
一 多米诺式正断作用(Domino-style normal faulting) 平面状正断层旋转逐渐变缓,并且在老的多米诺断层系统固定之后,又 发育一组新的多米诺断层系;形成拉伸盆地。 原来水平的地层发生旋转逐渐变陡。断层旋转,地层也旋转。
石化角砾岩(含假熔岩)、断层角砾和断层泥。它们 自下而上顺序产出,向上变新并且发生后者对前者 的叠加,各类构造岩的发育厚度也依次变薄。
二 铲形正断作用(Listric normal faulting): 断
层面呈凹面向上的铲形,伴随由坍塌 (collapse)引起的反向牵引(reverse drag).
三 叠瓦式铲形正断作用(Imbricate listric normal
faulting): 一系列铲形正断层呈叠瓦式产出,同样具有 反牵引。
岩石圈厚度大 造山作用大大增加了地壳特别 是上地壳的厚度。此外,造山带本身为一构 造薄弱带,具有构造不连续性。
造山带抗拉强度最弱 是发育伸展构造的有利 位置,从而决定了造山带伸展构造发育的普 遍性。
造山带伸展构造发育的阶段性
根据伸展构造与造山作用之间的时间关系可 分为:
同造山伸展构造 伸展构造与造山作用同期形 成,以造山挤压导致的侧向挤出和逃逸为主 要形式,伸展方向多与造山带平行。持续时 间与造山作用时间一致,可发生于造山过程 的各阶段,并可造成地壳减薄和深部物质的 隆升,形成伸展构造和变质核杂岩等。可能 产生高压变质与伸展构造伴生现象。
造山带的夷平作用:以往认为造山带的夷平 作用主要是剥蚀,研究发现,伸展构造造成 的构造剥蚀更为重要,甚至起主导作用。
伸展构造与岩浆活动密切相关:岩浆活动既 可以是伸展构造的起因和促成因素,也可以 是伸展构造的产物。
标志着造山旋回的结束:造山后的区域性伸 展构造运动标志着一个造山旋回的结束,进 一步发展可作为下一构造旋回的开端。
伸展构造区地壳结构模式
脆性拆离 韧性剪切 岩墙群
变质核杂岩和拆离断层
变质核杂岩(metamorphic core complex)和拆离断 层(detachment faults)是造山带伸展构造的特征产 物。
变质核杂岩 Davis (1977)首先提出了变质核杂岩概念; Coney (1980)给出定义“一组近圆形或椭圆形的由
(5)板内伸展区。如云蒙山变质核杂岩 (ZhengYadong et al.,1988,1989; Davis et al.,1988)、 中条山变质核杂岩(傅昭仁,1992)、武功山变质核杂 岩(Faure et al., 1996;舒良树等, 1998; Wang Dezi et al.,2001;楼法生等,2002a)等。
拆离断层
拆离断层(detachment fault) 最早 由Pierce于1963年提出,当时是指 叠瓦状逆冲断层的底板断层,即滑 脱面。Davis 1980年将其应用于伸 展构造,定义为“结晶变质基底杂 岩与上覆沉积盖层之间的大型低角 度正断层或伸展断层”。即分割变 质核杂岩与上盘岩石的并将这两种 构造层次相差很大的岩石单元叠置 于一起的大规模低角度正断层。
四 铲形正断作用限定的平面正断层(listric normal faulting bounding a family of planar normal faults): 铲形正断作用控制的多米诺式正断层。
力学模式
大陆伸展构造发育 的三种模式
Lister (1986)概括出 了大陆伸展构造发育 的三中模式,即纯剪 切模式、简单剪切模 式、分层剪切或滑动 模式。
(2)陆—陆碰撞带构造背景。如东阿尔卑斯的中新世 变质核杂岩(Ratschbacher et al.,1991)等。
(3)与雁行状板内走滑断层系相关的走滑伸展区。如 加州死谷的黑山上新世—全新世变质核杂岩(Davis 和郑亚东,2002)。
(4)海底扩张裂谷系向陆缘扩张部位。如D'Entrecasteaux岛变质核杂岩(Hill et al.,1992)。
上部机制:
1. 造山带与周围相比存在较陡的压力梯度和较 大的势能差,使造山带楔体有发生重力扩散 以达到与周围平衡的趋势;
2. 水平挤压应力的减小和消失,使增厚产生的 巨大垂向压力成为主压应力,形成有利于重 力扩散的应力场;
3. 造山带中普遍发育的低角度逆冲断层极易活 化形成拆离断层。
在垂向压力梯度和重力势能差的作用下,在深 部和壳内各种因素的影响下,造山后发生大规 模伸展构造运动,使地壳减薄,下部物质隆升。
强烈变形的变质岩石和深成岩组成的分散孤立的穹 状隆起,上覆以断层分割并远距离滑移的未变质盖 层岩石”; Sefert (1987) 进一步定义为“近圆形或椭圆形,由 强烈变形变质的岩石以及侵入其中的岩体组成,其 上为变形变质程度较轻的岩石覆盖,或者被覆以拆 离并远距离运移的岩石”。
变质核杂岩的特征
5. 上盘的脆性伸展方向、拆离断层的滑动方 向、下盘糜棱岩的运动方向具有一致性,反 映了统一的运动方式。
变质核杂岩形成的构造背景
(1)大洋板块俯冲后期的大陆边缘弧内背景及弧后背景。典型 的科迪勒拉变质核杂岩带位于北美克拉通西缘的大陆斜坡深 部。宽800~1600 km的科迪勒拉造山带是中生代—古新世太 平洋板块的俯冲增生与地体拼贴带或挤压推复带。当20 Ma 左右SanAndreas断层发生右旋走滑时,该区开始伸展。盆岭 省位于内华达州的Las Vegas,是一个受制于黄石地幔柱的新 近纪伸展构造区(Hill et al.,1992;Parsons et al.,1994),拉张高 峰发生在10~15 Ma,速率20~30 mm/a (Wernicke et al.,1988),为内部浮力和外部重力势能联合作用的结果(Jones et al.,1996)。我国则有扬子板块西缘的江浪及丹巴变质核杂 岩(宋鸿林,1995;Yan Danping et al.,2003a)、内蒙古亚干变 质核杂岩(郑亚东和张青,1993;郑亚东,1999a)等。
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