北大别造山后伸展过程构造热年代学与变形模拟研究

论文摘要

大别造山带位于中国东部,是印支期扬子板块俯冲于华北板块之下形成的陆—陆碰撞造山带。该造山带北部区域又经过造山后穹隆作用,最终形成了大别造山带现今的构造格局。北大别穹隆构造主要由混合岩化片麻岩和大量早白垩世岩体组成,南、北边界分别为五河-水吼剪切带与晓天-磨子潭剪切带。野外观察显示,北大别穹隆北部边界晓天-磨子潭剪切带总体走向NWW-SEE,倾向NNE或NE,糜棱面理倾角多为20～40°,矿物拉伸线理呈现一致的NWW-SEE向。野外S-C组构、旋转残斑,显微构造（S-C组构、残斑拖尾、“云母鱼”构造）以及石英C轴组构均指示了该剪切带一致的上盘向NWW的剪切指向。穹隆南部边界五河-水吼剪切带东段走向NWW-SEE,倾向SEE-SE,糜棱面理倾角多为60°左右,矿物拉伸线理陡倾,侧伏角约为60°S甚至倾向。野外和显微构造观察以及糜棱岩中石英C轴组构均指示五河—水吼剪切带与晓天-磨子潭剪切带具有一致的上盘向NW-NWW的剪切指向。北大别穹隆南、北边界剪切带内糜棱面理和矿物拉伸线理与其相邻的灰色片麻岩面理和拉伸线理产状协调,糜棱岩与片麻岩的变形连续。南—北方向上横切北大别穹隆的构造剖面上,穹隆北部边界临近区域片麻岩面理倾向NE-NNE,倾角20～40°左右;腹部片麻理倾角逐渐变缓多在10°左右,且倾向不稳定;继续向南片麻理逐渐转变为高角度南倾,至南部边界区域倾角为50～60°。片麻岩内S-C组构、旋转残斑以及石英C轴组构测量均指示了上盘向NWW的运动特征。北大别穹隆内片麻岩与其边界剪切带糜棱岩连续、协调的变形组构产状及岩石变形特征,均指示片麻岩与糜棱岩一起经历了同一流动变形过程。依据片麻理产状在穹隆内的分布特征,推测北大别穹隆内片麻岩与边界剪切带糜棱岩形成于穹隆作用早期的近水平状态,遭受造山后隆升作用改造后呈现为中部上拱的“背形”形态。北大别穹隆内南—北方向上混合岩化片麻岩多分布于穹隆构造腹部,东—西方向上西部较东部分布广泛,指示北大别穹隆的隆升幅度中部较南、北两侧大,西部隆升幅度较东部大。对晓天-磨子潭剪切带和五河-水吼剪切带内糜棱岩矿物变形的显微观察表明,糜棱岩中石英普遍动态重结晶,重结晶型式以颗粒边界迁移（GBM）为主,甚至出现高温条件下颗粒边界缩减动态重结晶型式。糜棱岩中长石也发生了广泛的动态重结晶,主要以鼓胀式重结晶型式（BLG）与颗粒边界旋转重结晶型式（SR）共存。利用矿物动态重结晶型式与变形温度直接的关系,这两条剪切带糜棱岩变形温度均在600～650°之间。按早白垩世大别造山带地温梯度（>30°）计算,两剪切带均形成于中地壳深度。尝试用角闪石Al压力计算表明,晓天—磨子潭剪切带变形平均压力为5.21 Kba,也指示了18.3 km的中地壳变形深度。野外对晓天-磨子潭剪切带与其相邻岩体及火山岩接触关系的观察表明,剪切带的形成至少不晚于早白垩世岩浆活动时间。位于磨子潭镇南部的早白垩世火山岩直接覆盖于剪切带糜棱岩之上,说明原本处于地壳深部的韧性剪切带被抬升至地表之后,火山岩喷发至地表,表明剪切带应形成于该期岩浆活动之前。本次工作通过对受控于晓天-磨子潭剪切带发育的未变形岩体的U-Pb锆石年代学的测试也证实,剪切带至少在130 Ma时已停止活动。从晓天—磨子潭剪切带糜棱岩中选取了角闪石和黑云母矿物进行了40Ar/39Ar年代学研究,获得的年龄结果介于120-142 Ma之间,皆被解释为冷却年龄。剪切带糜棱岩所记录的年龄在空间上表现出明显的东早西晚的规律,揭示了晓天-磨子潭剪切带西段的平均抬升速度小于东段。剪切带中段的XM31-2糜棱岩中角闪石给出了142 Ma的坪年龄,记录剪切带活动的开始时间应早于142 Ma,同时也揭示了北大别穹隆活动早期中部首先冷却抬升。北大别穹隆内早白垩世变形（片麻状）岩体都给出了早于132 Ma的年代学数据,沿晓天—磨子潭剪切带东段分布的未变形岩体给出了130 Ma结晶年龄,指示下地壳流动的截止时间为132 Ma。本次测试样品XM24-3和52-1都分别给出了界于132127 Ma之间的十分相近的角闪石和黑云母冷却年龄,表明在此期间北大别穹隆经历了十分快速的抬升和冷却。前人从五河-水吼剪切带中获得的40Ar/39Ar年龄数据（130 Ma）与晓天-磨子潭剪切带冷却时间相近。这些年代学研究指示了晓天-磨子潭与五河-水吼剪切带形成于同一时代,共同经历了早白垩世北大别穹隆作用的改造。北大别的下地壳流动与水平拆离剪切带的活动发生在145-132Ma期间,132 - 127 Ma期间发生了快速抬升与穹隆形成,这时早期的剪切带被动抬升而不再发生活动。本次研究利用原始水平剪切带模型,通过变形模拟进一步定量计算了晓天-磨子潭与五河-水吼剪切带受北大别穹隆改造详细过程,并揭示了穹隆构造的几何学、运动特征。模拟计算获得了原始水平剪切带剪切方向为上盘向NWW（280°）运动,运动学涡度为0.95。通过将理论水平剪切带绕各自不同的空间轴旋转适当角度,理论计算所获得的剪切带面理、拉伸线理产状在赤平投影上很好拟合了晓天-磨子潭剪切带东段的晓天剖面、中断的磨子潭剖面、西段的丁铺剖面和五河-水吼剪切带的水吼剖面上实测剪切带糜棱面理与线理产状分布特征,指示了两边界剪切带早期为同一韧性剪切带,也表明晓天-磨子潭剪切带各段内产状与运动学的现今不协调特征是遭受后期不均一改造的结果。理论计算的面、线组构产状与晓天-磨子潭剪切带实测面、线组构产状的拟合,需要绕东—西向水平轴将理论水平模型南部向上旋转,而拟合五河-水吼剪切带时需要绕东—西向水平轴将理论模型北部向上旋转,指示了北大别穹隆是中部上拱的运动过程,证实了穹状隆升的“背形”构造形态。模拟晓天-磨子潭剪切带西段剖面的产状时,理论模型绕东—西向轴南部向上旋转的角度大于东段,并且模拟剪切带中段剖面的产状分布时,需绕南—北向水平轴将理论模型西部向上旋转,表明北大别穹隆过程中西部抬升幅度大于东部。北大别穹隆的运动学性质体现了典型的下地壳韧性流动的特征。大别造山带印支期陆—陆碰撞以及高压-超高压折返过程使得造山带地壳显著加厚。相对于造山带东部的扬子克拉通,北大别穹窿区域“储存”巨量侧向重力势能。在中国东部岩石圈减薄背景下,随着北大别区域下地壳的逐渐升温、软化,造山带内下地壳物质韧性流动性增强,北大别下地壳岩石在重力的驱动下发生了重力跨塌,产生了下地壳物质向南东东流动,并在韧性流动的上部边界产生了近水平的、上盘向北西西的韧性剪切带。在重力均衡作用下,下地壳物质的流出是北大别穹隆区域发生了“背形”隆升的动力来源之一。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 前言
• 第二章 研究概况
• 2.1 大别造山带区域地质概况
• 2.1.1 大别造山带岩石构造单元
• 2.1.2 大别造山带超高压岩石俯冲－折返过程
• 2.1.3 大别造山带陆—陆碰撞缝合线的位置的争议
• 2.2 北大别穹隆地质概况
• 2.2.1 北大别穹隆内变质作用与超高压－高压岩石的折返过程
• 2.2.2 北大别岩浆作用
• 2.2.3 造山后伸展作用
• 2.2.4 北大别穹隆边界剪切带
• 第三章 北大别穹隆构造变形特征
• 3.1 北大别穹隆片麻岩构造特征
• 3.1.1 片麻岩混合岩化程度空间变化
• 3.1.2 片麻岩构造变形特征
• 3.1.3 片麻岩显微构造分析
• 3.2 晓天－磨子潭剪切带构造变形特征
• 3.2.1 断裂带构造特征
• 3.2.2 剪切带显微构造特征
• 3.2.3 晓天-磨子潭剪切带运动学涡度分析
• 3.3 五河－水吼剪切带构造特征
• 3.3.1 剪切带野外构造特征
• 3.3.2 剪切带显微构造特征
• 第四章 北大别穹隆剪切带变形温压环境
• 4.1 糜棱岩矿物变形温度计
• 4.1.1 石英变形与温度的关系
• 4.1.2 长石变形与温度的关系
• 4.2 北大别穹隆边界剪切带变形温度估计
• 4.2.1 晓天—磨子潭剪切带变形温度估计
• 4.2.2 五河—水吼剪切带变形温度估计
• 4.3 晓天—磨子潭剪切带变形压力估计尝试
• 4.3.1 多硅白云母压力计
• 4.3.2 角闪石Al 压力计
• 第五章 北大别穹隆构造热年代学研究
• 5.1 北大别穹隆年代学前人研究概况
• 5.1.1 北大别穹隆内片麻岩年代学研究
• 5.1.2 北大别穹隆内早白垩世岩浆活动
• 5.2 晓天—磨子潭剪切带构造热年代学研究
• 5.2.1 晓天—磨子潭剪切带40Ar-39Ar 年代学研究
• 5.2.2 剪切带内未变形岩体U-Pb 锆石定年
• 5.2.3 晓天—磨子潭剪切带差异性冷却过程及其指示意义
• 第六章 北大别穹隆边界剪切带变形模拟
• 6.1 强应变形带模拟理论研究现状
• 6.1.1 岩石变形二维（平面应变）分析理论
• 6.1.2 三维应变分析理论
• 6.2 北大别边界剪切带理论模拟研究
• 6.2.1 剪切带糜棱面理、线理组构产状特征
• 6.2.2 理论模型
• 6.2.3 模拟计算及结果
• 6.2.4 地质意义
• 第七章 北大别造山后伸展隆升过程与机制
• 7.1 北大别造山后伸展隆升过程
• 7.1.1 北大别穹隆的抬升过程
• 7.1.2 北大别穹隆形成的构造模式
• 7.1.3 北大别穹隆的隆升机制
• 7.2 北大别早白垩世穹隆活动的动力学机制探讨
• 7.2.1 重力垮塌机制
• 7.2.2 北大别穹隆区域重力垮塌过程与区域构造背景
• 7.2.3 北大别穹隆动力学机制
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要研究经历和已发表论文