地质通报  2020, Vol. 39 Issue (6): 765-782  
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张克信, 李仰春, 王丽君, 王嘉轩, 徐亚东, 王永和, 辛后田, 赵小明, 尹福光, 李智佩, 谷永昌, 杨祝良, 付俊彧. 造山带混杂岩及相关术语[J]. 地质通报, 2020, 39(6): 765-782.
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Zhang K X, Li Y C, Wang L J, Wang J X, Xu Y D, Wang Y H, Xin H T, Zhao X M, Yin F G, Li Z P, Gu Y C, Yang Z L, Fu J Y. The division of mélanges in the orogenic belt and its associated terminologies[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(6): 765-782.
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基金项目

中国地质调查局项目《地质调查综合智能编图系统与应用》(编号:DD20190415)、《国家地质数据库建设与整合》(编号:DD20160351)、《全国陆域及海区地质图件更新与共享》(编号:DD20190370)、国家重点研发计划项目《中新元代中国古大陆重建与盆地演化及油气远景》(编号:2016YFC0601005)、国家自然科学基金项目《造山带洋板块地层沉积序列与构造环境研究》(批准号:41772107)

作者简介

张克信(1954-), 教授, 博士生导师, 从事地层学、沉积学、造山带地质和区域地质调查技术方法研究。E-mail:kx_zhang@cug.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2019-10-15
修订日期: 2020-02-22
造山带混杂岩及相关术语
张克信1,2, 李仰春3, 王丽君1,2, 王嘉轩1,2, 徐亚东2, 王永和4, 辛后田5, 赵小明6, 尹福光7, 李智佩4, 谷永昌5, 杨祝良8, 付俊彧9    
1. 中国地质大学(武汉)地质调查研究院, 湖北 武汉 430074;
2. 中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室, 湖北 武汉 430074;
3. 中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037;
4. 中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
5. 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 710054;
6. 中国地质调查局武汉地质调查中心, 湖北 武汉 430223;
7. 中国地质调查局成都地质调查中心, 四川 成都 610082;
8. 中国地质调查局南京地质调查中心, 江苏 南京 210016;
9. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110032
摘要: 中国造山带面积约占全国陆域面积的3/5。造山带区由于经历过复杂的多岛洋演化,陆缘增生与陆-陆碰撞等多期次强烈的构造活动,形成了类型多样的混杂岩。混杂岩的识别与分类是造山带地质编图的重点与难点。本文介绍国际国内对混杂岩概念的理解,对与混杂岩紧密相关的名词术语,如蛇绿岩和蛇绿混杂岩、俯冲增生杂岩、杂岩、岩片和超岩片、非史密斯地层、构造地层、洋板块地层、对接缝合带、叠接缝合带等的含义进行了阐述。针对中国造山带地质特征,中国造山带混杂岩可划分出沉积混杂、构造混杂、沉积-构造复合混杂三大类。沉积混杂主要发生在威尔逊旋回的早期阶段(洋拉张阶段),构造混杂和沉积-构造复合混杂主要发生在威尔逊旋回的晚期阶段(洋俯冲消减-碰撞阶段),俯冲增生杂岩是俯冲带由俯冲消减-碰撞作用形成的构造混杂岩。
关键词: 混杂岩    俯冲增生杂岩    构造混杂岩    造山带    中国    
The division of mélanges in the orogenic belt and its associated terminologies
ZHANG Kexin1,2, LI Yangchun3, WANG Lijun1,2, WANG Jiaxuan1,2, XU Yadong2, WANG Yonghe4, XIN Houtian5, ZHAO Xiaoming6, YIN Fuguang7, LI Zhipei4, GU Yongchang5, YANG Zhuliang8, FU Junyu9    
1. Institute of Geological Survey, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China;
2. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China;
3. Development and Research Center of China Geological Survey, Beijing 100037, China;
4. Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
5. Tianjin Center of Geological Survey, CGS, Tianjin 710054, China;
6. Wuhan Center of Geological Survey, CGS, Wuhan 430223, Hubei, China;
7. Chengdu Center of Geological Survey, CGS, Chengdu 610082, Sichuan, China;
8. Nanjing Center of Geological Survey, CGS, Nanjing 210016, Jiangsu, China;
9. Shenyang Center of Geological Survey, CGS, Shenyang 110032, Liaoning, China
Abstract: The area of orogenic belts in China covers nearly three-fifths of the land area.Multiple episodes of deformation during the tectonic evolution of orogenic belts, such as archipelagic ocean evolution, continental subduction-accretion and continental collision, caused diverse types of mélanges.Therefore, it is the key point and challenges to differentiate various types of mélanges and recognize the primary block-in-matrix fabric of the mélange on the basis of geological mapping.In this paper, the authors have made a brief introduction and exposition of the current concepts of mélange and mélange nomenclature, such as ophiolite, ophiolite mélange, subduction-accreation complex, complex, slice, superslice, non-Smith strata, tectonostratigraphy, ocean plate stratigraphy, subordinate suture zone and main suture zone.The authors divide the mélanges into three types:olistostrome(sedimentary mélange), tectonic mélange, and sedimentary-tectonic polygenetic mélange, based on the features of orogenic belts in China.Olistostrome(sedimentary mélange)was formed in an extensional environment during the early stage of the Wilson cycle.The other two were formed at the late stage in association with the evolution of oceanic crust subduction or continental collision.Subduction-accretion complex is the product of tectonic mélange as a result of subduction-accretion process in the subduction zone.
Key words: mélange    subduction-accretion complex    tectonic mélange    orogenic belt    China    

中国大陆自元古宙以来是由泛华夏陆块群、劳亚、冈瓦纳等大陆边缘与古亚洲洋、(原-新)特提斯洋、(古)太平洋、古泛大洋等古大洋洋陆转换逐渐增生而成的,形成了以华北、塔里木和扬子为核心的3个克拉通区,以及阿尔泰-兴蒙、天山-准噶尔-北山、秦岭-祁连-昆仑、羌塘-三江、班公湖-怒江-昌宁-孟连、冈底斯-喜马拉雅、华夏等多个造山带镶嵌组成的复式大陆[1-6]。中国造山带面积约占全国陆域面积的3/5(图 1)。造山带由于经历过复杂的多岛洋演化,陆缘增生与陆-陆碰撞等多期次强烈的构造活动,形成类型多样的混杂岩[3, 5, 7-8]。关于混杂岩的定义与分类国内外一直争议颇多[7, 9-14],目前无统一的方案。本文在系统梳理国内外对混杂岩识别与分类研究成果的基础上,针对中国造山带地质特征,提出适合中国造山带混杂岩的分类方案,并对与混杂岩紧密相关的一些名词术语进行介绍。

图 1 中国陆域克拉通、造山带和混杂岩分布(据参考文献[4-6]修改) Fig.1 The distribution of cratons, orogenic belts and mélange in China
1 混杂岩的概念

混杂岩(Mélange)术语是Greenly(1919)在英国威尔士Anglesey岛填图时提出的[15],定义为原始层序完全被破坏,坚硬的块体包裹于破碎的基质中。Reymond [16]对混杂岩定义为缺乏接触关系或地层的内部连续性,且在细粒的破碎基质中含有各种尺度的外来和原地碎块及岩块。1978年在美国加利福尼亚举行的混杂岩专题讨论会认为,混杂岩是一个描述可填图(1:25000或更小比例尺)的内部破碎混杂岩地质体的术语,包含通常处在透入性变形基质中的各种块体,且这种岩石混杂体由构造运动、沉积滑塌或这类作用复合形成[17]。按成因将混杂岩分为沉积混杂岩(sedimentary mélange或olistostrome)、构造混杂岩(tectonic mélange),以及由沉积和构造复合形成的复合混杂岩(polygenetic mélange) [7, 10]。造山带中的混杂岩是构造地层学、非史密斯地层学和洋板块地层学共同研究的主要对象[7, 18-19]

多数学者认为,最经典的混杂岩是分布在美国加利福尼亚海岸带的佛朗西斯科混杂岩[8-10, 20-29]。该混杂岩由一系列边界清晰、可填图的实体(边界清晰的推覆岩片或地体)组成,各混杂岩单元(推覆岩片)由包裹众多岩块的剪切的基质构成[29-33],被认为是在160 ~ 90 Ma由向东俯冲的板块在俯冲过程中,通过构造刮削拼贴和构造底垫(劈)作用形成的俯冲增生杂岩[29-32]。由此可见,板块沿海沟俯冲过程中的构造刮削拼贴和构造底垫(劈)作用是经典混杂岩(构造混杂岩)形成的主要机制[7-9, 29, 34-35]

混杂岩特征如下:①广泛出露于造山带的增生楔中,具有“基质中包含岩块”的典型结构,能以1:25000或更小比例尺填图的地质单元; ②基质普遍劈理化(脆韧性剪切),基质与各种类型的岩块间为脆-韧性断层接触,使洋板块地层体内部不连续; ③基质常遭受浅变质,原岩以浊积岩为主,包含远洋硅、灰、泥、炭和锰质建造; ④基质中包含各种粒径的岩块(如超基性岩、基性岩、灰岩块等) 7 29 36-37。

造山带经历了多期裂解与拼合的复杂演化过程,造山带地层体在造山带洋盆俯冲消亡、碰撞和陆内造山阶段发生了强烈的构造搬运和构造混杂过程,如俯冲带在消减板块下潜过程中,盆地中先前在重力机制下形成的原始浊积岩、远洋沉积(基质)、同沉积滑塌岩块,先前在热力机制下形成的蛇绿岩和火山弧,与早先裂解的陆壳碎片等最终一并带入俯冲带内遭受剪切,发生构造混杂。由这种混杂作用形成的地层体通常由经强烈构造剪切作用的基质(浊积岩和远洋沉积)和混入的多种外来岩块构成,是造山带混杂岩填图与编图的主体[7]

2 与混杂岩相关的一些名词术语 2.1 蛇绿岩(套)与蛇绿混杂岩

“蛇绿岩”一词,最早由法国矿物学家Alexandre Brongniart于1813年研究混杂岩中的蛇纹石时提出,随后将早前定义的蛇绿岩重新定义为出现在亚平宁地区的一套火成岩类岩石(超镁铁岩、辉长岩、辉绿岩和火山岩) [38]。德国地质学家Steinmann于1927年[39]发表了地中海山脉内蛇绿岩文章,把橄榄岩(蛇纹岩)、辉长岩、辉绿岩、细碧岩和有关的岩石都归属为最初形成于地槽轴部、原位侵入的一种有生成关系的岩石组合,该定义首次将蛇绿岩的不同组成部分看作具有紧密时空联系的组合,并指出蛇绿岩是构造移置体。Steinmann [39]对蛇绿岩的定义被Coleman [40]总结为Steinmann三位一体。

1972年彭罗斯会议将蛇绿岩定义为一种独特的基性-超基性岩石组合,从下向上包括构造岩化的橄榄岩、堆晶橄榄岩、由层状辉长岩覆盖的辉石岩、席状辉绿质岩墙、火山岩系和沉积盖层[41]。彭罗斯会议定义的基本主旨是一个理想的蛇绿岩具有类似蛋糕的水平层状的结构,并在横向上保持稳定。但Dilek等[42]指出,分隔地壳和上地幔岩石的岩相转变带的莫霍不连续面,具有地壳和上地幔岩石两者间的熔离和残留的成因关系,多次的岩浆事件和不同的地幔源区使它们表现出不同的地球化学特征,以及横向不连续和纵向不均一的地壳结构; 在一些蛇绿岩中莫霍面代表一个重要的构造不连续面(滑脱断层),而在另一些蛇绿岩中代表一个转变前锋带。蛇绿岩中观察到的多样结构和不同的地球化学特征反映,不同地球动力学背景下大洋地壳形成过程中的火成活动与构造过程,并非1972年彭罗斯会议给出的蛇绿岩各组分呈水平层状叠覆并在横向上保持稳定的理想状态。为此,Dilek等[42]对蛇绿岩给出了如下新定义:蛇绿岩为非原地的上地幔和大洋地壳岩石碎片,它们因板块汇聚,经构造作用从其原始位置运移而至; 这样的岩片从底至顶应该包括具备岩石成因和时代联系的橄榄岩和超基性至酸性地壳侵入岩及火山岩(席状岩墙可有可无); 其中一些单元可以在蛇绿岩中缺失; 蛇绿岩的侵位过程是从其原始地球动力学环境中的大洋岩石圈运移开始的,并在造山作用中以卷入造山带结束。在上述新定义的基础上,Dilek等[42]将全球分布的蛇绿岩划分为陆缘型(Continental margin type)、洋中脊型(Mid-ocean-ridge type)、地幔柱型(Plume type)、上俯冲带型(Suprasubduction- zone type)、火山-弧型(Volcanic-arc type)和增生型(Accretionary type)六大类。Pearce [43]也提出与Dilek等[42]的蛇绿岩分类略显不同的六大类划分方案:洋中脊蛇绿岩(Mid -ocean ridge ophiolite,简称N-MORB)、与地幔柱相关的蛇绿岩(Plume-related ophiolite,简称P-MORB)、陆缘蛇绿岩(Continental margin ophiolite,简称E-MORB)、初始消减带蛇绿岩(Subduction-initiation ophiolite,简称FAB)、弧后盆地蛇绿岩(Back -arc basin ophiolite,简称BABB)和洋脊消减蛇绿岩(Ridge- subduction ophiolite,简称C-MORB)(图 2)。

图 2 六类不同类型蛇绿岩示意图[43] Fig.2 Schematic representation of the genesis of six different types of ophiolite a—洋中脊蛇绿岩(N-MORB); b—与地幔柱相关的蛇绿岩(P-MORB); c—陆缘蛇绿岩(E-MORB); d—初始消减带蛇绿岩(FAB); e—弧后盆地蛇绿岩(BABB); f—洋脊消减蛇绿岩(C-MORB); OIB—洋岛玄武岩

中国开始对蛇绿岩的系统研究在1972年彭罗斯会议后逐步展开。20世纪70—90年代中国的工作主要是查明全国蛇绿岩分布情况44-50,并对蛇绿岩的分类做初步尝试[51-56]。从2000年至今,中国的蛇绿岩研究在年代学、岩石学、矿物学、地球化学、构造环境识别等方面不断深入,并进行了全国蛇绿岩的分类与研究现状总结[38, 57-59],识别出很多MORB型和SSZ型蛇绿岩[57, 59-88],并分别与源于大洋中脊还是源于活动陆缘俯冲带上盘相关联[89-91]。中国对蛇绿岩多样性研究的代表性学者主要有张旗、肖序常等。如张旗[53]根据玻安岩是否出现、地幔岩的亏损程度和玄武岩的类型将蛇绿岩划分为科迪勒拉型(北祁连型/西准噶尔型)、东地中海型(双沟型)和西地中海型(日喀则型)。肖序常[55]根据扩张速率将其分为快速扩张型、中速扩张型、中慢速扩张型和极慢速扩张型。

总之,多数学者认为蛇绿岩(套)代表了上地幔和大洋地壳的碎片[40, 92-93],并在陆陆碰撞和弧陆碰撞[94]、洋脊-海沟作用[95-96]、俯冲增生事件[8, 97]等过程中卷入陆缘系统中。蛇绿岩常沿碰撞型(如阿尔卑斯、喜马拉雅)和增生型(如北美科迪勒拉)造山带的缝合带分布,构成汇聚板块或增生地体之间的主要边界[98]

将包含大小不同的蛇绿岩岩块(古洋壳残片)的混杂岩称为“蛇绿混杂岩”或“蛇绿构造混杂岩”。实际上在造山带缝合带内保留的蛇绿岩,均以被构造强烈肢解的蛇绿岩残块形式存在,这些蛇绿岩残块通常被强烈剪切过的细粒浊积岩、远洋沉积、蛇纹岩等(统称为“基质”)包裹,即以蛇绿(构造)混杂岩的形式出现。

2.2 俯冲增生杂岩与俯冲增生杂岩带

俯冲增生杂岩(subduction-accreation complex)是在板块俯冲消减作用下形成的一套混杂岩,是典型的构造混杂岩,也称为消减杂岩[7-9, 29, 35]。俯冲增生杂岩不等同于杂岩,不能将杂岩与俯冲增生杂岩的概念混淆。有关杂岩的概念见本文的2.3节。

俯冲增生杂岩分布的区带称为俯冲增生杂岩带,也称增生楔、增生棱柱体或消减杂岩带,指保存在俯冲消减带中的洋盆消亡的残迹,是在洋板块俯冲过程中被刮削下来的海沟浊积岩、远洋沉积物和大洋板块残片,经构造搬运并堆叠在岛弧前的上覆板块前端形成的以逆冲断层为边界的楔形地质体8,是消减带的重要组成部分[3, 8, 89, 99]。它是由不同时代、不同构造环境、不同变质程度和不同变形样式的洋盆地层系统和陆(弧)缘斜坡地层系统混杂在一起,经强烈构造剪切形成的构造地层及岩石的组合体[7, 100]。洋盆地层系统通常可见洋壳残片、洋岛-海山、远洋沉积物、半深海-深海浊积扇等。增生杂岩带地层结构局部有序、总体无序[7, 19, 101]。增生杂岩带内普遍含被肢解的蛇绿岩岩块、巨大的韧性剪切带和高压超高压变质带[8, 102-103]

潘桂棠等[8]认为,“俯冲增生杂岩带”术语比“蛇绿岩带”或“蛇绿混杂岩带”表达板块缝合带更合理和准确,因为沿缝合带分布的蛇绿混杂岩的基质中包裹的坚硬岩块除蛇绿岩岩块外,还共生有海山玄武岩岩块、灰岩岩块、洋岛火山岩岩块、洋内弧岩块、裂离地块岩块、从深部构造折返的超高压-高压岩石的岩块等。在某些特定的构造环境中沿板块缝合带可能很难保存蛇绿岩岩块,但可见海山、洋岛、洋内弧等其他非蛇绿岩的岩块,这些岩块被包裹于基质中,亦以构造混杂岩的面貌呈现,同样可作为识别洋岩石圈消减贻尽最终成为板块缝合带的标志。

2.3 杂岩

杂岩(Complex)是一种特殊的中-高级变质岩的岩石地层单位名称,它不是岩石学术语,通常用于对混合岩化了的高级变质岩的岩石地层单位的划分与命名,如桑干杂岩、东海杂岩等[104]。英国的《地层学程序指南》 [105]认为杂岩是描述大陆基底区和地体区岩层的唯一正式单位。杂岩不等同于混杂岩,杂岩可作为正式岩石地层单位[106],而混杂岩只能做为非正式地层单位。1976年和1994年的《国际地层指南》将杂岩定义为由一种或几种不同类型的(沉积的、岩浆的、变质的)岩石组成的,并以其构造高度复杂、组分岩石的原始顺序模糊不清为特征的岩石地层单位[106]

2.4 岩片和超岩片

从强变形带限定、与相邻地质体不可对比的,且无正常连续叠复(沉积的、正常构造接触的)关系的单一岩层体或多个有原始成生联系的岩层组合体称为岩片(Slice) [107]。岩片之间必须是强变形带或被清晰的断层分割,且其中多数(逆冲推覆)岩片由包裹众多岩块的剪切的基质构成[29-35]。Howell [108]将造山带中的仰冲构造岩片(或推覆体)称为片体(flakes),把由逆冲断层分割的地壳碎片称为裂片(slivers),笔者认为它们都属于岩片(Slice)。Howell [108]指出,片体、岩块、裂片等都是定义不严格的词,但这些词用于描述地壳异地碎片时,都被证明是有用的。

张克信等[7]认为,岩片是以构造拼合边界分割的具有一定物质构成的地质体,在地质填图中具可填性,是非史密斯(混杂岩)地层基本单位之一,也是非史密斯(混杂岩)地质填图的基本单元,并针对岩片提出构造岩片四维裂拼复原填图法。岩片的厘定和划分可按如下原则进行:①必须是以构造拼合边界分割的地质体,即岩片四周均被断裂围限,该断裂多数是与不同地质体(地体)相拼合的构造界面; ②相邻岩片可能会在岩性、岩相、变形、变质程度和时代上具明显差异,尤其是被一条断裂带分割的2个相邻地质体,如在岩相上不连续、变质程度、变形样式和时代上有一项不同,即可区分为2个岩片[7]。国外对岩片划分的典型实例是对苏格兰北部阿普兰兹南部俯冲增生杂岩带的详细解剖(图 3) [109-110]。国内对岩片的划分实例见图 4 [111]

图 3 苏格兰北部阿普兰兹南部俯冲增生杂岩带内的岩片堆叠体 Fig.3 The accretion of the slices of the southern Uplands accretionary complex in northern Scotland a—苏格兰北部地质简图,表示阿普兰兹南部增生杂岩和它们向南变年轻的3个生长阶段,以及巴伦特雷蛇绿岩的位置[109]; b—由一系列逆冲断层分割的岩片拼贴形成的俯冲增生杂岩带剖面[110]; ①~ ⑩为构造岩片编号
图 4 江西新余神山地区由神山组和库里组构成的俯冲增生杂岩带[111] Fig.4 Subduction accretionary complex consisting of Shenshan Formation and Kuli Formation in Xinyu Shenshan area, Jiangxi Province a—新余神山地区地质图,褐黄色地质体为神山组和库里组,是由一系列近EW向断层分割的构造岩片拼贴体; b—a图中沿AB方向的实测地质剖面,是一系列由北向南逆冲的断层分割的岩片堆叠体,每个岩片内的浅变质强劈理化细粒浊积岩中同斜倒转褶皱十分发育,北部的一些岩片的浊积岩(基质)内包裹超基性和基性岩岩块; 图b中A~ P为构造岩片编码

必须注意,对混杂岩划分的岩片不完全等同于混杂岩中的“岩块”。混杂岩的岩片指混杂岩带中被清晰的构造强变形带或逆冲(推覆)断层分割的单个可填图的地质单元(图 3图 4),又称为“构造岩片”。岩块是构成混杂岩的2个基本组成部分(基质与岩块)之一:基质是混杂岩中经过强烈构造剪切、相对柔软的组成部分,通常由细粒的浊积岩与远洋沉积组成,或由强烈构造剪切的蛇纹岩或构造岩组成; 岩块是包裹于基质中的坚硬块体,通常由超基性-基性深成岩、基性熔岩、块状碳酸盐岩、坚硬的硅质岩、石英岩等组成。混杂岩的多数岩片中包含基质和岩块两部分。也有岩块等同于岩片的特例,如单个岩块足够大(可填图),也可以构造岩片形式存在。

由特征各异、归属(地层的、构造的)不明、相对独立而又具变质变形总体相似性而区别于相邻岩系的构造岩片拼合的变火山-沉积岩系称为超岩片(superslice) [107]。张克信等[7]认为,超岩片是在同一构造旋回期、亲源关系密切、大致经历了相似变形、变质历程的一套(构造)岩片组合体; 超岩片的大小一般宽为数千米,长达数十至数百千米。在造山带小比例尺地质图(1:50万、1 :100万、1:150万等),或中小比例尺的岩石构造组合图的编图中,采用超岩片进一步解剖混杂岩区较好[7],但对有特别重要意义的岩片(如蛇绿岩岩片、超高压含柯石英榴辉岩岩片、深海放射虫硅质岩岩片等)可在中小比例尺的地质图上夸大表示[4, 7]

2.5 陆块、地块与地体

陆块(landmass或craton)是地壳上相对稳定的地区,具有古老的刚性变质岩基底,多指由前寒武纪变质基底和沉积盖层构成的具双层结构的大陆块体。陆块具有厚度较大、密度较小、深插软流圈的岩石圈(大陆根),其出露范围可达数十万至数百万平方千米。被卷入造山带的陆块碎片称为地块(block),双层结构不完整或规模较小,有的具有古老的刚性变质岩基底和沉积盖层,有的仅残留刚性变质岩基底的大小不等的块体(也有文献称微陆块或微板块) [1, 3, 89, 91]。中国陆域的造山带中常拼合有众多的小地块[1, 3, 91, 102]。潘桂棠等[3]指出,地块通常是从母体大陆裂离、移置在大洋或大陆边缘多岛弧盆系中的陆壳块体。

地体(terrane)是地壳物质的碎块,或在一个板块上形成,或从一个板块上断裂而成,后来增生(或“结合”)到另一个板块之上,地体及其附着的地壳之间的结合线通常是条大型断层[108]。“地体”一词首次应用于北美科迪勒拉造山带的克拉马斯山区,研究者把克拉马斯山区划分为4个弧形带,每个带代表了一套特殊的岩石组合,其中一个弧形带被称为“地体”的亚带[112]。随后,地体概念在整个北美科迪勒拉山系被应用[113],并被赋于新的含义在全球广为流传[108, 114-116],即地体是构成增生造山带拼贴体内的“外来”块体,它与现今周围地质体的关系模糊不清[112]。Howell [108]还提出了“构造地层地体”的概念,将其定义为以断层为边界的岩石组合,具有标志特殊地质背景的有特色的地层; 一个构造地层地体是造山带的七巧板图式中独特的一片[108]。地体概念也被应用到中国造山带的研究,如青藏高原和秦祁昆造山带[117-118]。“地体”不等同于“微板块”。在板块构造理论描述的岩石圈模型中地体并不是一个独立的“微板块”,而是在一个较大的包含了其他地壳物质(通常是洋壳物质)的板块之上的地壳块体。当这个板块与其他类型的板块碰撞时,它上面的地体会增生到另一板块之上。增生地体可以是从其他板块上分裂下来的大陆地壳的一部分(可称为“大陆裂离碎块”); 或者是在距离很远的消减带形成的古岛弧残块; 也可以是另一板块洋壳上生长的巨大海山经长距离运移被增生到另一具陆壳的板块之上; 有时还会有第三个板块参与地体的运动,它通常是大洋型的,能把地体驮运很远的距离,并拼贴在另一个板块之上[108]

地体的概念是20世纪70年代对北美复杂的科迪勒拉造山带的研究中提出的。在板块构造理论出现以前,科迪勒拉造山带的复杂性难以解释。板块构造理论的提出,很好地说明了该造山带的形成实际上是一些地壳碎块远离它们的诞生地,“漂移”了数千千米之后,抵达并碰撞在一条异地海岸之上的结果,这样的地壳碎块被命名为增生地体。由此推论,现在的造山带本身是一幅不断增大的拼贴画,由起源于上千千米异地之外的为数众多的地体构成,它们现在都通过大型断层彼此“焊接”在一起。支持这一概念的不仅有构造学和岩石学的研究[116],还有生物古地理[119]和古地磁[120]的佐证。

国际上也有学者认为没有必要引入“地体”概念[112],主要疑点是把“地体”定义为“一套以断层为界的岩石集合体,…,具区域规模”是含糊不清的。如此定义,会把构造推覆体与地体混为一谈; 另外,“地体”概念具有“大口袋”的功能,会将造山带混杂岩区中所谓“来源不明的外来体”笼统地用“地体”称之。笔者认为,“地体”一词的概念中包含“外来的”、“来源不清的”等含义,如果通过地层学、古生物地理学、沉积学、岩石学、地球化学、岩石磁学等多学科的综合研究,已判定出某地体是来源于某大陆的裂离碎块(地块),或某古大洋的古岛弧或古海山,则可以称为“ ××裂离地块”、“ ××岛弧”、“ ××海山”等,因此在研究清楚其来源与性质后,可不必笼统地以“地体”称之。如Howell [108]将地体进一步划分为地层地体、破裂地体和变质地体三大类,并将地层地体进一步划分出大陆碎块、大陆边缘的碎块、火山弧的碎块和大洋盆地的碎块四小类。

2.6 史密斯地层与非史密斯地层

针对克拉通盖层(如华北、扬子),原始成层有序的地层序列建立的地层单元服从地层学的层序叠覆律、原始侧向连续律、原始水平律、化石层序律等基本定律,因英国的史密斯提出著名的“化石层序律”,被誉为“地层学之父”,这类地层被称为史密斯地层(Smith strata) [7, 121]。史密斯地层主要包括沉积、火山岩等,其形成的力学机制基本上是重力机制。根据国际地层指南对地层的定义,形成地层的机制不仅限于重力,还包括热力和构造力[106]; 这些非重力机制形成的地层不服从史密斯地层的基本定律,因而不属史密斯地层学的范畴,被称为非史密斯地层(non -Smith strata,简称NSS) [7, 34, 121]。非史密斯地层是针对造山带各类无序岩石体形成机制和特征,对造山带无序地层进行地层单位划分、地层序列重建与区域对比的地层学分支学科[7, 34-35]。无序的非史密斯地层主要源自造山带洋演化阶段的物质建造,以及地台基底变质的无序地层(古老造山带的物质建造) [7, 121-122]。非史密斯地层中很特殊的一类是热力机制形成的地层(如由蛇绿岩形成的序列),这类地层是由地心向外膨胀,露出地表以后,虽然局部有叠覆关系,但总体上仍是呈层状向外(两侧)膨胀扩展,因此它的新老关系不符合“叠覆律” [7, 18, 35]。构造力机制形成的非史密斯地层主要分布在汇聚板块的边界(如由蛇绿混杂岩形成的序列),以水平挤压力为主,而重力为次。它所形成的地层时-空顺序服从于机械力的主应力方向,亦不服从“叠覆律”,如在板块俯冲增生楔中形成的增生杂岩,基本上是侧向增长,逐个拼贴在俯-仰冲带上,往往是老的在侧上方,新的在侧下方[7, 18, 35]。非史密斯地层中还包括原始沉积成因的一类地层,如深海硅质岩、浊积岩等,被后来的变形、移位等作用切成多个构造岩片,并按构造力的作用拼贴到混杂带中; 这类构造岩片作为混杂地层的基本单位也不是按“叠覆律”就位的,但各岩片内部有时仍保留了原始沉积的史密斯层序,有时则被强烈剪切和褶皱变形、或被构造置换到其原始层序不可辨认[7, 18, 35, 121]。在非史密斯地层单位命名上,《中国地层指南》推荐使用“岩群”、“岩组”等概念; 张克信等[7, 18, 35]提出“岩片”和“超岩片”两级命名方法; 冯庆来[123]建议岩石地层单位使用2套命名术语,对于地层层序没有确定的混杂型非史密斯地层,应使用“岩组、岩群”命名,反映其无序的一面,适用于造山带地层研究初期或化石稀少以致层序无法恢复的地区。这种划分能够满足造山带地质填图和构造(尤其改造)单元研究的需要,但不能反映造山带的演化历史,不是造山带地层研究的最终结果。随着工作的深入,有条件的情况下,应该进行层序恢复研究。对于层序已经恢复的地层,应使用“组、群”命名,反映其有序的另一面。具有较深变质程度的非史密斯地层的岩石地层单位也应用“岩组”、“岩群”命名。

非史密斯地层学的思想是国际著名地质学家许靖华在研究佛朗西斯科混杂岩时产生,并口头介绍到国内的[121]。非史密斯地层正式见诸文献是1993年[123]。1996年原地质矿产部为大力加强中国西部造山带的基础地质调查,委托中国地质大学(武汉)、青海地质矿产勘查局、新疆地质矿产勘查局、甘肃地质矿产勘查局、四川地质矿产勘查局和云南地质矿产勘查局承担了青藏高原及周缘造山带区(青海东昆仑和西秦岭、新疆东准噶尔、甘肃北山、四川松潘甘孜和云南三江)的1 : 25万非史密斯地层试点填图与方法研究,提出了一套造山带非史密斯地层工作的理论方法体系[7, 18]。1999年以来,中国地质调查局全面部署了青藏高原造山带区1 : 25万地质填图,在造山带混杂岩区对非史密斯地层填图方法进行了全面推广与实践。2007年非史密斯地层学被编入教科书《地层学基础与前沿》 [124]

鉴于可能会将“非史密斯地层”、“大地构造地层”和“构造地层”三者混淆,殷鸿福等列表对比了这三者的特征(表 1) [121]

表 1 非史密斯地层、大地构造地层和构造地层特征及其对比(据参考文献[121]修改) Table 1 The contrast of non-Smith strata, tectono-strata and structure-strata
2.7 大地构造地层与构造地层

Wheeler [125]提出(大地)构造地层(tectostratigraphic)一词,指由构造条件和影响而确定的具有特征“相”的地层。“构造地层”术语开始广泛使用则是在20世纪“地体”提出后,由于相邻地体各以不同的地层系列为特征,并以此区分和识别,地体常又称为“构造地层地体” [108]。王鸿祯[126]提出大地构造地层学(Tectonostratigraphy)的概念,指出大地构造地层学是针对地层形成的大地构造环境与大地构造地层带区划、不同构造环境地层序列重建与对比研究的地层学的分支学科。吴浩若也作了一些介绍[127]。过去通常把Tectonostratigraphy译为构造地层学,但实际上应译为大地构造地层学(简称TTS)。国内外的大量文献研究表明,大地构造地层学研究目的是地层的构造环境意义,主要研究构造地层单元(Unit)和序列(Sequence)及其在构造演化中的意义。20世纪80年代至今,Tectonostratigraphy研究的对象包括造山带、变质岩区、裂谷、盆地及某个蛇绿岩带、杂岩、群等,这些研究大多归属大地构造和板块构造的研究范畴,是真正的大地构造地层学。

对构造地层还有另一种解释:构造地层是研究被构造(变形、变位)和变质作用破坏和改造后的地层———构造地层的类型、特征和属性,恢复原始地层空间格架和时间顺序,进而研究地层构造意义[128-130]。其研究方法主要是从构造形变(deformation)样式分析入手,通过构造解析恢复已失去的原生面理和变质岩地层层序,即利用变质岩系中变形样式的不同、变形期次的不同、变质建造,变质相系和变质过程的不同划分对比地(岩)层。原生层状地质体(包括沉积岩、火山岩及部分顺层侵入岩),经过多次构造转换和变质重建形成的中-高级变质岩系里,原生面理已遭到严重破坏,现今显示的成层性已丧失了原先的地层意义,而是由新生面理分割的不同的构造-岩石单元,据此划分的填图单位称为构造地层单位[128-130]。殷鸿福等[121]将此类构造地层称为“(形变)构造地层”,实际上是“ Structure - stratigraphy (简称STS)”,并非“Tectonostratigraphy”。

2.8 洋板块地层学

洋板块地层(Ocean Plate Stratigraphy,简称OPS)泛指发育在造山带中、洋板块从最初在洋中脊形成,一直到海沟发生俯冲作用,于洋盆(包括边缘海盆)形成与闭合过程中形成的(增生杂岩)地层[99] (图 5)。OPS是针对洋盆(包括边缘海盆)形成与闭合过程中形成的地层调查研究的地层学分支学科。

图 5 洋板块地层形成的构造环境、形成过程与不同部位岩石组合序列示意图 Fig.5 A model showing the tectonic settings and the formation-process of OPS a—洋板块地层形成环境示意图(据参考文献[5]修改); b—海山结构示意图[131]; c—俯冲增生楔构造混杂过程示意图[132]; d—洋岩石圈对洋岩石圈俯冲示意图[133]

洋板块地层最初通过对日本造山带增生杂岩的识别和研究命名[99],认为其是一个从玄武岩到浊积岩的序列,这个序列描绘了以下过程:在洋中脊大洋板块新生; 在洋中脊附近海山形成,并被碳酸盐岩礁体覆盖; 在海山周围沉积了灰岩、泥岩和放射虫硅质岩; 在远洋沉积放射虫骨架,在半远洋沉积由放射虫和碎屑颗粒混合而成的硅质页岩; 在汇聚板块边缘的海沟附近沉积粗砂岩和页岩[99] (图 5)。OPS重建后自下而上的序列为枕状玄武岩(MORB型或OIB型)、灰岩(礁灰岩为主)、硅质岩、硅质页岩和碎屑浊积岩(含大量粗粒砂岩) (图 5),而这个序列与洋中脊到海沟自远而近、自老而新的洋板块地层物质组成形成过程一致[132]。洋板块地层序列记录了洋底从其形成到消亡过程中的地质演化历史[99]。洋板块地层学是理解现今缝合带和造山带地区古环境和古海洋历史的重要手段,也是重建造山带破碎岩片至原始层序的有效方法[5],为蛇绿混杂岩地区区域地质填图与编图提供了理论基础。

Wakita等[132, 134]对洋板块地层进行了重新命名和界定,提出OPS包括洋盆基底和具洋壳盆地的各种构造环境(如边缘海盆地)(图 5)。Kusky等[19]系统总结了全球各时代造山带的洋板块地层调查研究现状,把洋板块地层定义为大洋岩石圈从洋中脊到海沟俯冲带之间形成的火成岩基底序列,以及沉淀在洋底基底序列之上的沉积岩和火山岩的盖层序列。张克信等[5-6]运用大地构造相研究分析法,将洋板块地层类型进一步划分为大洋中脊型、大洋盆地型、洋岛-海山型、洋内弧型、弧前俯冲增生楔型、弧前盆地型、边缘海小洋盆型(弧间和弧后盆地)等,对中国洋板块地层分布及构造演化特征进行了综合研究。

需要指出的是,OPS并不完全等同于NSS,OPS的含义比NSS宽泛。NSS是专门针对造山带中无序的混杂岩开展地层学研究的一门学科[7, 18, 34],而OPS是针对造山带洋盆演化中形成的所有物质建造从地层学角度开展研究的一门学科,既包含无序地层(蛇绿混杂岩、俯冲增生杂岩等),也包含洋盆发育中被保存下来的有序地层(如洋盆中洋岛-海山和裂离地块上保存的有序地层建造等)(图 5) [4-5, 19, 97, 99]

2.9 对接缝合带和叠接缝合带

王鸿祯等[135]将板块缝合带(suture zone)区分为对接缝合带(main suture zone,简称“对接带”)和叠接缝合带(subordinate suture zone,简称“叠接带”)。对接带指2个相对的古大陆边缘区相互接近,使其间的大洋地壳及过渡地壳陆续形成褶皱带,最后完全拼接时的结合带; 叠接带指古大陆边缘经过拉伸、张裂、地块移离,形成具有岛弧及边缘海的主动边缘,并向大陆俯冲消减,形成弧陆碰撞或弧弧碰撞的增生带。张克信等[91]认为,王鸿祯等[135]定义的对接带简言之就是大洋消亡的残迹,叠接带是弧后、弧间小洋盆消亡的残迹,并列表对比了对接带和叠接带的特征(表 2)。

表 2 对接带与叠接带的区别(据参考文献[91]修改) Table 2 The differentiation between main suture zone and subordinate suture zone
3 混杂岩分类

一些学者对混杂岩的形成持多成因论,因此他们对混杂岩采用了多成因分类方法,例如Raymond [10]按照成因将混杂岩分为构造混杂岩(Tectonic mélange)、底辟混杂岩(Diapiric mélange)、沉积滑乱体(Allolistostrome)和复合成因混杂岩(Polygenetic mélange)。Cowan [23]根据对北美科迪勒拉西部中、新生代混杂岩的研究,提出一种描述性的分类,将混杂岩分为4类。第一类由透镜状、不连续的细颈化或布丁状砂岩和泥质基质组成,不含外来岩块,总体仍呈层状,反映滑混岩开始形成阶段。第二类由块状泥质岩和各类薄层及不规则条带状、旋转状岩石(凝灰岩和细砂岩)组成。上述2类均为失稳状态下基质脱水和固结形成,显然早于构造作用。第三类是通常所指的构造混杂岩,含外来岩块,基质有不同程度的变质和变形,并有特征的鳞片状面理; 它们在一定深度被“预制”后经构造作用上升到很浅的层次。第四类是以泥岩为主的脆性断层带。Cowan还推断了各类混杂岩的构造产出位置。Festa [13]将混杂岩划分为沉积混杂岩、构造混杂岩和底辟混杂岩,认为三类混杂岩的形成机制分别为重力作用、构造作用和底辟作用。

张克信等[7, 34]基本采纳Raymond [10]的分类方案,将混杂岩按成因划分为沉积混杂岩(sedimentary mélange,或称滑混岩Olistostrome)、构造混杂岩(tectonic mélange)和复合混杂岩(Polygenetic mélange)三大类(表 3)。认为构成混杂岩的基本构件是各种不同来源、不同时代、不同大小的岩块和各种基质,无论是岩块和基质都在地质填图中具可填性。在造山带混杂岩区的地质填图和编图中,笔者建议使用的填图和编图单元列于表 4,并认为Raymond [10]和Festa [13]划分的底辟混杂岩,以及Festa [136]提出的由高压岩石折返形成的岩墙状混杂岩都可归入俯冲带的构造混杂岩。

表 3 造山带混杂岩类型划分(据参考文献[7, 14, 34, 136]修改) Table 3 The division of mélanges in the orogenic belt
表 4 造山带混杂岩地质填图和编图单元划分与代号 Table 4 The division of units and codes for the mélange mapping in the orogenic belt

另外,还有据混杂岩产出的特殊部位命名的,如弧前蛇绿混杂岩(forearc ophiolite mélange) [137]、俯冲隧道构造混杂岩和碰撞混杂岩(表 3) [136]。也有按据混杂岩基质类型分类命名的,如Wakabayashi据基质不同将佛朗西斯科混杂岩划分为页岩基质的混杂岩(shale matrix mélanges)和蛇纹石基质的混杂岩(serpentinite matrix mélanges) [29]。还有按混杂岩岩片的构造边界性质命名的,如走滑断层混杂岩[133] (表 3)和推覆边界围限的混杂岩(Nappe - Bounding Mélanges) [29]

关于沉积-构造复合混杂,近年研究有许多新发现,如对美国加利福尼亚海岸带佛朗西斯科混杂岩的研究发现,在其早期演化阶段沉积混杂很发育,并在后期俯冲增生阶段的构造混杂作用中伴随活跃的沉积混杂; 实际上现存的佛朗西斯科混杂岩是沉积与构造复合混杂的产物[29]。沉积与构造复合混杂的另一实例是,环太平洋构造域的日本岛弧及其东南和西南侧的俯冲增生杂岩带,保存有洋底海山最初在海沟向洋侧斜坡上的破裂与瓦解和向陆侧的滑塌增生(沉积混杂)、随后被构造刮削拼贴-底辟与逆冲推覆增生形成宏大的增生楔[8, 119]

4 结论

(1) 中国造山带面积约占全国陆域面积的3/5,造山带区由于经历过复杂的多岛洋演化,陆缘增生与陆-陆碰撞等多期次强烈的构造活动,形成了类型多样的混杂岩。

(2) 混杂岩是描述一个可填图(1:25000或更小比例尺)的内部破碎混杂岩地质体的术语,它包含通常处在透入性变形基质中的各种块体; 这种岩石混杂体由构造运动、沉积滑塌或任何这类作用的复合形成。

(3) 按成因将混杂岩分为沉积混杂岩、构造混杂岩,以及由沉积和构造复合形成的复合混杂岩。沉积混杂主要发生在威尔逊旋回的早期阶段(洋拉张阶段),构造混杂和沉积-构造复合混杂主要发生在威尔逊旋回的晚期阶段(洋俯冲消减-碰撞阶段)。

(4) 洋盆和活动陆缘原始形成的地层体在洋盆俯冲消亡、碰撞和陆内造山阶段发生过强烈的沉积-构造混杂过程和构造搬运,俯冲带在消减板块下潜过程中,盆地中先前形成的原始浊积岩和远洋沉积(基质)、同沉积滑塌岩块,与先前在热力机制下形成的蛇绿岩和火山弧,与早先裂解的陆壳碎片等最终一并被带入俯冲带内遭受剪切,发生构造混杂。因此,俯冲增生杂岩带是最典型的构造混杂岩或是蛇绿(构造)混杂岩形成并产出的部位。

(5) 开展造山带混杂岩调查与研究时,需正确理解和使用相关的名词术语,如蛇绿岩和蛇绿混杂岩、俯冲增生杂岩、杂岩、岩片和超岩片、地块和地体、对接缝合带和叠接缝合带、构造地层、非史密斯地层、洋板块地层等。造山带中的混杂岩是非史密斯地层学和洋板块地层学共同研究的主要对象。

(6) 对造山带混杂岩地质填图和编图单元,笔者建议划分为三级:一级为增生杂岩带,适用于全国1:250万编图; 二级为增生杂岩亚带(或岩片),划分出蛇绿岩增生亚带(岩片)、洋内弧增生亚带(岩片)、火山弧增生亚带(岩片)、洋岛-海山增生亚带(岩片)、弧前碳酸盐岩海台增生亚带(岩片)、裂离地块增生亚带(岩片)、超高压-高压变质岩片增生亚带(岩片)、远洋沉积增生亚带(岩片)和弧前和海沟斜坡浊积岩增生亚带(岩片)9类; 三级为各个岩片内的混杂岩基质和岩块,适用于1 :25万~ 1:2.5万区域地质填图。

致谢: 本文得到中国地质科学院地质研究所李廷栋院士、中国地质大学殷鸿福院士、中国地质调查局成都地质调查中心潘桂棠研究员、中国地质科学院地质研究所肖庆辉研究员、中国地质调查局天津地质调查中心陆松年研究员、中国地质大学邓晋福教授、中国地质调查局西安地质调查中心冯益民研究员、中国地质科学院地质研究所李锦轶、丁孝中、庄育勋、张进研究员等专家的悉心指导,在此深表感谢。

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