郭景林,米廣堯,范林森,魏俊浩
(1.山西省煤炭工業(yè)廳資源地質局,太原 030045;2.山西省地質調查院,山西榆次 030600;3.中國地質大學(武漢)資源學院,武漢 430074)
晉北早前寒武紀變質巖區(qū)構造相研究
郭景林1,米廣堯2,范林森1,魏俊浩3
(1.山西省煤炭工業(yè)廳資源地質局,太原 030045;2.山西省地質調查院,山西榆次 030600;3.中國地質大學(武漢)資源學院,武漢 430074)
晉北地區(qū)出露有不同層次的地殼,是研究構造相最理想的地區(qū)之一。本文以構造分析為主線,結合當前地殼流變學研究進展,對該區(qū)早前寒武紀構造特征進行了分析,初步建立了早前寒武紀地質事件序列。提出了該區(qū)北部(大同-集寧)麻粒巖相變質巖代表下地殼的物質組成,中部(恒山)中深變質巖代表典型的中下地殼過渡帶的特征(早前寒武紀一個重要的軟弱層),南部(五臺山)角閃巖相變質的五臺巖群具中地殼構造特點,而綠片巖相變質的滹沱群代表上地殼構造特征的觀點。根據不同層次的褶皺、斷裂、布丁化巖石及同構造分泌結晶脈的宏觀地質特征和與其相關的微組構特征,結合當前實驗研究成果,提出了變質巖構造相新的劃分方案,對該區(qū)進行了構造相的劃分。在此基礎上對該區(qū)構造相相變進行了探討。
構造相;構造相相變;流變學分層;前寒武紀變質巖;晉北地區(qū)
晉北地區(qū)是指山西五臺山、恒山及以北山區(qū)。這一地區(qū)的主要構造特點是:①區(qū)內早前寒武紀地層、巖體發(fā)育齊全,由南向北,從五臺山-恒山-大同-內蒙集寧,變質地層由新至老,構造層次由淺到深,從而形成了不同的構造相。這一淺變質巖區(qū)至中深變質巖區(qū)的剖面,是代表我國早前寒武紀中、下地殼的典型剖面。②本區(qū)經歷了多次強烈的構造變形,是研究面理置換、構造疊加和世代劃分的典型地區(qū)。本區(qū)不僅有露頭尺度上的疊加關系,亦有顯微尺度上和區(qū)域尺度上的疊加形式。③既有在同一變形環(huán)境中,由于參與變形巖石的變形習性不同,而造成不同類型、不同樣式的構造(同相異樣)。也有同類巖石或地層在不同的構造變形環(huán)境和不同的構造事件中由于巖石變形習性隨環(huán)境因素的改變而變化,所產生的不同構造相的構造形跡(同物異相)。因此,構造相變十分發(fā)育,既有垂向上的構造相變,也有橫向上的構造相變。正是這些特點,使該區(qū)成為我國早前寒武紀地質研究的經典地區(qū),也是研究構造相最理想的地區(qū)。正確合理地建立區(qū)內構造序列,就必須從空間上來研究構造形跡與形成環(huán)境之間的關系,即研究構造相。
根據地質單元的野外地質關系、變形變質特征和最新的同位素年代學資料[1],結合鄰區(qū)最新研究成果將晉北地區(qū)的地質事件序列歸納如下:
(1)古老表殼巖(BIF),形成時代>2 800 Ma,高角閃巖相-麻粒巖相變質。
(2)五臺巖群,形成于2 600~2 530 Ma;鎂鐵質-超鎂鐵質巖侵入,為裂谷-海底擴展期。
(3)五臺期構造熱事件,2 530~2 500 Ma,高凡巖群沉積,花崗巖侵位,綠片巖相-角閃巖相變質,恒山地區(qū)為高角閃巖相-麻粒巖相變質。主碰撞期造山事件(五臺運動)。
(4)滹沱群(碎屑巖、碳酸巖鹽和基性火山巖),2 500~2 200 Ma。
(5)滹沱期構造熱事件,2 200~1 800 Ma,花崗巖侵位,低綠片巖相-角閃巖相變質,陸內造山事件(呂梁運動)。
(6)NW向基性巖墻群,非造山花崗巖及環(huán)斑花崗巖,1 800~1 600 Ma,陸內裂谷沉積(長城系、薊縣系、青白口系)。
(7)切穿長城系,被寒武系覆蓋的基性巖墻事件(晉寧運動)。
自從“構造相”概念提出之后,有不少學者進行了研究。從各自研究范圍又提出了構造層次[2~3]、構造相[4]、變形相[5]等概念。這些概念大同小異,都旨在闡明在同一次構造變形中,不同深度的各帶的變形各具特點和規(guī)律,形成特征性構造。
目前對構造相、構造層次的認識尚未統(tǒng)一,大體可歸結為表、淺、中、深等四個層次(相)。構造相的劃分準則、層次概念的研究尚未成熟,還沒有一個公認的方案。此外,上述劃分過分地強調了面理的作用。面理在劃分表層構造相和淺層構造相時效果明顯,劃分其它構造相時不十分敏感,片理在低綠片巖相至高角閃巖相都會存在,片麻理也然。片理與劈理在淺層構造相中常常共存,泥質巖中表現為片理,而在能干性較強的粉砂巖、砂巖中表現為劈理,有時劈理與片理難以區(qū)分。
因此,我們在討論構造相標志中,采用多方位、多尺度的研究方法,強調宏觀與微觀相結合。具體的操作方法是以參與不同構造層次變形巖石中的造巖礦物的脆韌性轉換溫壓條件作為定量標志,將參與不同構造層次變形具特定物質組成的褶皺、斷裂作為主要宏觀標志,將面理類型、同構造分泌結晶脈、巖石布丁化作為輔助標志。并結合變質相的研究,力求二者相互統(tǒng)一。
構造相既反映在褶皺變形方面,也反映在斷層及其構造巖石類型上,還反映在受構造作用而形成的如巖石的布丁化、礦物晶體的塑性變形及變質構造分異等諸多方面,因此它不是單一的一種構造變形,而是有許多地質特征(指相標志)共同反映的構造形跡群[4]。
1.1.1 不同構造層次的褶皺
本文將褶皺分為γ、β、α、δ四種類型。γ褶皺是不產生軸面片理的褶皺,是非變質條件下,巖石處于脆性環(huán)境中形成的褶皺,即沉積蓋層中的褶皺;β褶皺是軸面片理處處與層理相交的褶皺,因為在巖石垂直壓力的面理上已產生片狀礦物的面狀定向,也即進入到區(qū)域變質范疇。它主要發(fā)生在相當于以低綠片巖相-綠片巖相變質為主的滹沱群中的褶皺;α褶皺是指褶皺軸面片理在翼部與層理平行(S0∥S1),在轉折部位表現為層理與片理斜交的那類褶皺,它主要發(fā)生在五臺巖群地層中,其變質程度主要在綠片巖相到角閃巖相范圍;δ褶皺是在流體狀態(tài)下發(fā)生的變形,它基本上超出了固態(tài)變形的特點,而進入流體力學范疇,是形成于高角閃巖相-麻粒巖相的變質環(huán)境中。在這一環(huán)境中巖石的熔融、分異、交代,乃至局部運移等十分發(fā)育。在平行葉理的擴張空間,長英質組分遷移充填或成核生長形成眼球狀、條帶狀巖石,形成柔流褶皺。在中深變質巖區(qū)發(fā)育有大量的δ褶皺,它們呈旋渦狀、腸狀、不規(guī)則彎曲狀等,無法用三軸橢球體作應力分析,也不能以剪切、擠壓、引張三種力學狀態(tài)來判斷運動方向、主應力方位。
當然γ、β、α、δ四類褶皺其實都有一定的形成機理,γ褶皺相當于彎曲褶皺或彎滑褶皺;β褶皺相當于剪切褶皺;而α褶皺相當于彎流褶皺;δ褶皺相當于柔流褶皺。本文之所以不用成因劃分褶皺的原因是:γ、β、α、δ褶皺的劃分是揭示了從構造層次這一角度出發(fā)的分類含義,而彎曲(滑)褶皺、剪切褶皺、彎流褶皺、柔流褶皺這樣排列,顯示不出剪切褶皺是介于彎曲(滑)與彎流之間過渡關系。而且還牽涉到縱彎、橫彎都可以形成γ、α褶皺,唯獨剪切褶皺必須是縱彎褶皺才能形成,顯然成因機制是不協調的。
本文將γ、β、α、δ褶皺分別作為由表層構造相-深層構造相不同層次的褶皺指相標志,這一標志便于實際工作中直接應用。只需注意,β褶皺和α褶皺的轉折部位表現均是層片處處相交,因此區(qū)別這兩種褶皺需在翼部找依據。同時針對不同能干性巖層對褶皺反映的敏感性差別較大,一般要以柔性較大的泥沙質、泥質、基性火山質及薄層巖石這些敏感性巖石所表現的褶皺為代表。
1.1.2 不同構造層次的斷裂
斷裂構造由淺到深,其變形由脆性-韌性-超塑性流變變化,產狀由陡-緩-水平剪切。在地殼表部表現為脆性變形,其形成的構造巖是角礫巖、構造透鏡體、斷層泥及碎裂巖系。地殼淺中部為脆韌性至韌性變形,巖石主要以礦物晶體的塑性變形為主要表現形式;礦物顯著壓扁、拉長而具定向組構,如長石、石英呈透鏡狀、眼球狀、拔絲狀等;變形產物為糜棱巖系及構造片巖類。斷裂進入到地殼中深部時,巖石以超塑性剪切流變、變質構造分異為主要特征,而形成條紋狀、條帶狀巖石。
作為地殼常見礦物的石英和長石,分別在300℃、11 km深和450℃、22 km深由脆性變形轉變?yōu)轫g性變形[6]。顯然巖石在300~450℃區(qū)間石英為塑性變形,長石為脆性變形。所以該區(qū)間內形成的糜棱巖中,石英被壓扁、拉長而顯著定向,長石則發(fā)生破碎呈碎斑出現。在450~600℃區(qū)間,長石、石英均已塑性變形,而角閃石仍處于脆性變形狀態(tài),由于角閃石出現退變質,由鏈狀結構向層狀結構的黑云母轉化來釋放應力,野外一般看不到角閃石的碎斑。五臺山區(qū)韌性剪切帶由低綠片巖相區(qū)進入到高綠片巖相區(qū)、低角閃巖相區(qū),長英質糜棱巖由所謂的“線糜巖”向“片糜巖”轉變,即由單一的石英韌性變形向石英、長石一起韌性變形轉變。反映其構造位置由上地殼進入到中地殼,即由淺層構造相向中層構造相轉變。但溫度>600℃時,角閃石處于韌性變形狀態(tài),600~750℃產生扭折帶,800℃觀察到(100)面的滑移[1]。中酸性巖石開始部分熔融(溫度630℃、壓力5 kbar、H2O 5%)[7],巖石變形以超塑性剪切流變?yōu)橹?,平行葉理的長英質脈體的廣泛發(fā)育成為重要的指相標志。此時輝石(紫蘇輝石、透輝石)明顯為脆性變形,表現為粒化定向,構成常見的輝石鏈結構。據White和Mawer研究成果[8],在麻粒巖相變形環(huán)境下,當長石和石英等其它礦物發(fā)生重結晶時,角閃石則分解為細小的黑云母、鈦鐵礦和碳酸巖,說明變形中有少量流體的存在。恒山變質鎂鐵質侵入巖中強變形的部位角閃石出現明顯的動態(tài)重結晶現象和擴散蠕變機制及超塑性流動變形機制,說明恒山中深變質巖曾經處于中下地殼的過渡轉換帶。
因此,我們可以用石英、長石和角閃石塑性變形起始溫度及中酸性巖初熔溫度,將斷層性質劃分為脆性、脆韌性、韌性和超塑性流變四個相。
1.1.3 不同構造層次巖石的布丁化
布丁化是變質巖區(qū)常見的構造現象,在綠片巖相地區(qū),常見石英脈、石英巖、花崗巖脈形成的布丁,附加條件是周圍巖層應是柔軟的泥砂質或玄武質變質巖石。角閃巖相條件下,斜長角閃巖可發(fā)生布丁化[9],尤其是當圍巖為長英質巖石時,布丁化更加容易產生。在高角閃巖相-麻粒巖相條件下,基性麻粒巖的布丁化十分普遍,并多呈可確定剪切指向的圓柱狀旋轉體,構成露頭尺度上的旋轉碎斑系,如渾源香水寺一帶。由于熔融、分異作用,常??梢钥吹竭@些旋轉的布丁體周圍有白色的長英質眼圈。
據此,我們可以把石英脈、石英巖、花崗巖脈形成的布丁化,作為淺層構造相的輔助指相標志;而將斜長角閃巖的布丁化作為中層構造相的指相標志之一;將基性麻粒巖的布丁化作為深層構造相的輔助標志。
1.1.4 不同構造層次的同構造分泌結晶脈
不同礦物的脆-韌性轉換溫度或深度是不同的。單文瑯等將主要礦物的固流限由低到高排列為:粘土類礦物、方解石、石英、鉀長石、斜長石、角閃石[5]。在晉北早前寒武紀變質巖中觀察到鉀長石和斜長石的順序正好相反[9]。
在表層構造相相當于亞綠片巖相-低綠片巖相條件下的強變形帶中,石英作為碎斑存在,不發(fā)生晶體塑性變形。方解石發(fā)生塑性變形,局部溶解,充填于張裂隙中,形成同構造分泌結晶脈——方解石脈。
在淺層構造相,即相當于低綠片巖相-綠片巖相條件下的強變形帶中,石英發(fā)生塑性變形,長石在變形中以脆性破裂為主,成為碎斑。石英易于溶解,充填于張裂隙中,形成同構造分泌結晶脈——石英脈。
在中層構造相,即相當于高綠片巖相-角閃巖相變質條件下的強變形帶中,石英、長石均呈塑性變形。長英質巖石發(fā)生顯著的靜態(tài)重結晶,形成多晶石英條帶;暗色礦物由鏈狀結構向層狀結構轉化而在強變形帶中得以保留,長石、石英發(fā)生溶解,并攜帶角閃石轉變?yōu)楹谠颇笗r析出的鈣質向張性環(huán)境的遷移,形成同構造分泌結晶脈——綠簾石石英脈。
在深層構造相,即相當于高角閃巖相-麻粒巖相條件下,角閃石為塑性變形,并主動定向。中酸性巖石開始部分熔融,巖石中條帶狀構造發(fā)育,出現了大量平行剪切面理的淺紅色長英質條帶、灰白色長英質條帶。
我們可以把不同條件下形成的同構造分泌結晶脈作為輔助指相標志。即把方解石脈、石英脈作為淺層構造相的標志,綠簾石石英脈作為中層構造相的標志,透入性的淺紅色長英質條帶、灰白色長英質條帶作為深層構造相的標志。
1.2.1 劃分構造相的溫度條件
本文根據不同層次的褶皺、斷裂、布丁化巖石及同構造分泌結晶脈的宏觀地質特征和與其相關的微組構特征,結合當前實驗研究成果,將構造相自上而下劃分為:表層構造相、淺層構造相、中層構造相和深層構造相(表1)。
在褶皺構造中,表層構造相應當以成巖作用的頂界180~230℃為標志。而斷裂構造中,以石英發(fā)生塑性變形臨界點300℃為標志。兩者相差約100℃,這是客觀存在的,因此,將表層構造相與淺層構造相的分界溫度定于200~300℃之間。
淺層構造相與中層構造相,以褶皺而論,到高綠片巖相環(huán)境中,泥質巖已形成α褶皺,但大理巖與厚層石英巖尚處于β褶皺階段,到了低角閃巖相環(huán)境β褶皺才完全消失。所以β與α褶皺界限涉及兩者并存的區(qū)間,其溫度范圍大約在400~500℃之間。糜棱巖中長石由脆性向韌性轉換溫度為450℃。故將450℃作為淺層構造相與中層構造相的分界。
中層構造相與深層構造相,褶皺以類型劃分,δ褶皺(柔流褶皺)必須在巖石處于超塑性的流體狀態(tài)下產生,因此溫度起碼需要達到中酸性巖的部分熔融起點溫度630℃。巖石在超塑性剪切流變過程中,發(fā)生構造分異作用形成淺暗色條帶相間的條帶狀構造,角閃石已發(fā)生塑性變形,而角閃石發(fā)生塑性變形的溫度需在600℃以上,與中酸性巖的部分熔融的初始溫度基本吻合。故將630℃作為中層構造相與深層構造相分界溫度。
1.2.2 劃分構造相的宏觀標志
(1)褶皺:不產生片(劈)理的褶皺屬表層構造相,層理與片理處處斜交的褶皺為淺層構造相,層理與片理幾乎處處平行的(轉折端除外)褶皺屬中層構造相,柔流褶皺的出現則屬于深層構造相。
(2)斷裂:脆性斷裂,構造角礫巖,斷層泥均屬表層構造相的產物;斷層泥中出現絲絹光澤,指示進入淺層構造相,韌性剪切帶及韌性斷裂的出現則表明已達淺層構造相,石英發(fā)生塑性變形,長石仍屬碎斑;韌性剪切帶及韌性斷裂中的長石也發(fā)生塑性變形時,則進入到中層構造相;深層構造相的強變形帶則表現為超塑性流變和部分融熔,條帶狀構造、腸狀構造發(fā)育。
(3)布丁化:表層構造相中極少見布丁化巖石,偶而也有砂質、粉砂質薄層巖石呈布丁而隔于泥巖中,但它不變質,很容易識別它屬表層構造相的產物;石英巖、石英脈的布丁化,在淺變質巖區(qū)應屬淺層構造相;花崗巖脈、斜長角閃巖的布丁化則屬于中層構造相;而斜長角閃巖四周包繞白色長英質條帶的布丁體則屬于深層構造相的特點。
(4)同構造分泌脈:在強變形帶中同構造分泌出的方解石、石英細脈,它們常平行片理面分布,或在其附近的張性空間充填,此類脈體屬淺層構造相的產物;順片理分布的綠簾石石英脈則屬于中層構造相的產物;透入性的長英質條帶及部分融熔物的出現則表明已達深層構造相。
大陸巖石圈流變學分層性的認識是二十世紀八十年代以來地質學和地球物理學在應用流變學理論方面的重大進展之一[10]。Meissner(1967)在德國南部的地球物理工作揭示出地殼內低速層和高速層多呈互層狀,提出了復雜的地殼結構模式[1]。Percival通過對出露的深部地殼剖面的研究,提出陸殼結構的三分模式,下部地殼為麻粒巖相巖石,中部地殼為角閃巖相巖石,上部地殼為綠片巖相巖石[11~13]。不同構造環(huán)境陸殼的物質組成和結構有所不同,在裂谷區(qū)中地殼波速偏低,可能與近水平剪切和部分熔融有關,下地殼高速體的存在暗示著是地幔底侵作用的結果。大同-集寧麻粒巖區(qū)是下地殼的代表,恒山角閃麻粒巖相高級區(qū)可能是中-下地殼的過渡帶,五臺山角閃巖相變質的五臺巖群可能代表中地殼,五臺山低綠片巖相變質為主的滹沱群是上地殼的代表。
表1 構造相分類表Table 1Classification of tectonic facies
大同-集寧麻粒巖區(qū)(深層構造相),以一套麻粒巖相變質的紫蘇斜長片麻巖為主體(葛胡窯片麻巖),其物質組成以中基性巖石和添加的地幔物質(紫蘇透輝斜長角閃巖、石榴斜長二輝巖)為主。近水平韌性剪切構造發(fā)育,平行片麻理的長英質條帶、構造透鏡體、布丁體十分發(fā)育。構造形式與傳統(tǒng)的太古宙片麻巖區(qū)熱底辟狀巨型尖圓褶皺模式比較類似,認為是固體狀態(tài)的熱底劈上升形成的構造形式,可能代表華北克拉通早前寒武紀下地殼的物質組成和構造樣式。
近年來一些學者研究表明,康氏面性質和存在狀態(tài)是比較復雜的,在許多地區(qū)不存在康氏面。Percival和Fountain通過對加拿大Kapuskasing抬升區(qū)出露的深變質巖石研究表明,康氏面在該區(qū)是可能存在的,但不是一種突變截然的地質界面,而是一個寬度大、巖性復雜的過渡帶,它既與來自深部的麻粒巖相變質地體中含水的長英質巖漿上升遷移造成的巖石密度差有關,也可能是由于下地殼墊托了較多的基性、超基性巖漿所致[14]。恒山角閃麻粒巖相高級區(qū)這一中-下地殼的過渡帶可能暗示著康氏面曾存在過。恒山角閃麻粒巖相高級區(qū)(深層構造相)的土嶺片麻巖、義興寨片麻巖,以閃長質巖石和橫向添加的地幔物質為主,表殼巖(主要為角閃巖相)以鎂鐵質火山巖及沉積巖為代表。即便是以構造巖片產于片麻巖中的五臺巖群金剛庫巖組也以基性、中基性巖層為主,而在五臺山區(qū)金剛庫巖組廣泛分布的中酸性變粒巖則在恒山角閃麻粒巖相高級區(qū)分布很少。片麻巖中有熔融程度不同而呈不同色調的地層殘留體,又有暗色礦物集合成的渣體,尚有順層侵位被強烈改造成具滾動、旋轉構造并以包體形式產出的超鎂鐵質-鎂鐵質巖。巖體中條帶結構發(fā)育,這些長英質條帶,反映出片麻巖深層構造相的深熔流動層次[5]-超塑性剪切流動層次特征。該層次中的低熔組分熔融、分異、交代、反應與超塑性順層剪切流動現象很普遍。構造面貌復雜,δ褶皺發(fā)育是其最大特征。恒山角閃麻粒巖相高級區(qū)代表中-下地殼的過渡帶、拆離帶,其典型的構造樣式、物質組成、變質作用及深融作用對于研究中下地殼的流變習性、地殼分異作用、早期大陸裂解事件具有十分重要的意義。
近代地殼拉張區(qū)的深反射地震模式,呈現出相對透明的上地殼(鎂鐵質巖墻是陡立的)和上地幔,下地殼充滿了致密、重疊和近似水平的反射體,即近似水平的“強反射層”,局部有網結狀的特點,認為是下地殼在拉張作用下的近水平剪切,鎂鐵質-超鎂鐵質巖漿發(fā)生底侵,沿橫向貫入并發(fā)生變質作用的結果。比較而言,恒山近水平韌性剪切作用,也伴隨著鎂鐵質-超鎂鐵質巖漿的底侵作用,沿橫向貫入并發(fā)生麻粒巖相變質作用,具有十分相近的特征。
該區(qū)1∶5萬區(qū)調取得重要成果:①將含水-東跑池一帶的斜長角閃巖、變粒巖夾磁鐵石英巖的一套變質火山巖(朱家坊表殼巖)劃歸五臺群金崗庫組。②前莊旺表殼巖是五臺群遭受深層次變形變質和重熔的結果。③麻粒巖相事件也涉及了五臺群。這些成果的取得使人們對晉北地區(qū)由南向北地殼層次加深的區(qū)域構造輪廓更加清晰(圖1)。
由五臺山北坡至恒山北麓,具有兩大宏觀特征,其一是由南向北地層與片麻巖互為消長。金剛庫巖組逐漸減少至消失,片麻巖則增多。由地層(金剛庫巖組)向原地片麻巖(土嶺片麻巖)和異地片麻巖(義興寨片麻巖)漸變過渡[15]。其二是南部呈NEE -近EW向線性構造帶,北部則以復雜的卵形構造區(qū)為主。
五臺山北坡代縣的西田一帶,五臺巖群金崗庫巖組底部為一套富鋁巖系,表明五臺巖群金崗庫巖組是沉積在古老基底之上的一套以變質鎂鐵質火山巖為主,含少量BIF和碎屑巖的沉積組合,屬中層構造相,地層褶皺呈同斜α褶皺,變質程度為低角閃巖相。向北過滹沱河至牛星堡進入深層構造相。在牛星堡剖面上,金崗庫巖組自南向北變質程度遞增,出現矽線石帶,斜長角閃巖具變余杏仁構造,淺紅色條帶、條紋發(fā)育。再向北進入前莊旺表殼巖中,條帶狀變粒巖、層狀片麻巖或條紋狀、條帶狀斜長角閃巖、片麻巖呈互層狀產出,界線是過渡的。再向北則依次過渡為層狀片麻巖與條帶狀變粒巖互層至以片麻巖為主夾較多的黑云變粒巖、斜長角閃巖殘體,亦相應出現二輝石帶,灰白色長英質條帶及柔流褶皺十分發(fā)育。顯示了由層狀至不連續(xù)似層狀,由地層至片麻巖過渡的特征。變質作用由角閃巖相至高角閃巖相、麻粒巖相漸變過渡,部分熔融程度遞增的趨勢。地層殘體中所采集的標本中出熔結構發(fā)育,能反映斜長石熔出低熔的鈉長石的過程。由渣體-變質地層-原地片麻巖(土嶺片麻巖)-異地(侵位)片麻巖(義興寨片麻巖)的長石牌號An為50-40-32-31,這一變化規(guī)律反映了部分熔融使地層中低熔組分向巖體遷移,難熔組分在渣體中富集的規(guī)律[15~16]。與金崗庫巖組殘留地層呈漸變過渡關系的土嶺片麻巖有一系列不同于常見侵入成因的片麻巖體的地質特征。①巖體宏觀地質面貌復雜,巖體中既有新生的花崗質熔體,又含有大量大小不等、形態(tài)各異的包體(圖2-a、b、d),可謂“四世同堂”。其中有熔融程度不同而呈不同色調的地層殘留體、有由暗色礦物集合成的渣體,尚有順層侵位被強烈改造成具滾動、旋轉構造并以包體形式產出的超鎂鐵質-鎂鐵質巖(圖2-a、b、d)。有的基性包體為高壓麻粒巖。②巖體中條帶發(fā)育(圖2-c),這些長英質條帶,早期階段發(fā)育淡色長英質條帶(2 480±12 Ma),晚期階段為肉紅色花崗質條帶(2 415±3 Ma)[1],肉紅色花崗質條帶切穿淡色長英質條帶的現象常見,反映出片麻巖由深層構造相的深熔流動層次-超塑性剪切流動層次向中層構造相變化的過程。在此過程中低熔組分的熔融、分異、交代、反應與超塑性順層剪切流動同行。伸展抬升的后期,在平行葉理的擴張空間,長英質礦物成核,生長形成鉀質眼球狀、強直片麻巖(混合巖)。其形成過程中,熔融、交代、分異,乃至局部運移(甚至注入)均不同程度發(fā)生過。在恒山灰色片麻巖和金崗庫巖組的局部底部層位(大川嶺、牛還和太和嶺口等強烈變形的表殼巖單元),發(fā)育眼球狀、條紋狀、條帶狀片麻巖,均是回返抬升過程中在高級變質作用條件下強烈剪切流變,遞進變形的產物。主要巖性無論區(qū)域規(guī)模還是露頭尺度,均由片麻狀英云閃長巖,至眼球狀黑云斜長片麻巖、條紋(條痕)狀黑云斜長片麻巖,到條帶狀黑云斜長片麻巖(強直片麻巖)。眼球狀片麻巖是在中細粒片麻巖中出現較大顆粒的堿性長石斑晶的巖石,斑晶往往呈φ、δ型碎斑系,反映剪切變形過程中長英質組分類似變斑晶成核、生長形成的運動學標志體。暗色礦物條帶主要由輝石、角閃石和黑云母組成,輝石?;瘶嫵奢x石鏈結構,角閃石和黑云母顯著定向。脈體的布丁化由早階段發(fā)育灰白色條帶片麻巖中斜長角閃巖細脈的布丁化向晚階段發(fā)育淺紅色條帶片麻巖中花崗質細脈的布丁化轉化。③構造面貌復雜,δ褶皺發(fā)育是其最大特征(圖3-a、b、c)。在靠近地層的地方條帶往往強直、細密,往往是以旋轉碎斑系來指示運動方向。各種運動學標志表明上盤總體向SEE向運移,屬右旋剪切特征。稍遠離地層,褶皺構造是十分復雜的,可見流褶層、順層掩臥褶皺及無規(guī)律不協調褶皺(δ褶皺)。
五臺山花崗綠巖帶,為呈NEE向展布的線狀構造帶,分布在五臺山區(qū)和恒山南部。綠巖帶下部為五臺巖群,原巖以基性火山巖為主體夾中酸性火山沉積的含鐵建造;綠巖帶上部為高凡巖群濁積巖復理石建造。五臺巖群地層基本上屬中層構造相(圖1),褶皺以α褶皺為主(圖3-d),向南西逐漸出現β褶皺。五臺山角閃巖相變質為主的五臺巖群(南西部為綠片巖相),以鎂鐵質火山巖及沉積巖為代表。綠巖帶總體構造格架呈NE向展布的“之”字型構造,α褶皺和逆沖斷層或韌性剪切帶發(fā)育。廣泛分布的北臺片麻巖,由北往南,隨著變質相由角閃巖相向綠片巖相漸變,由中性巖(石英閃長巖)向中酸性巖(英云閃長巖)、酸性巖(奧長花崗巖)漸變過渡[16~17]。這可能反映其構造位置由中層構造相向淺層構造相轉化。
滹沱群褶皺以β褶皺為主。在非疊加褶皺地區(qū),片理走向穩(wěn)定,為NEE向,傾向S,傾角40°~60°,遠觀褶皺形態(tài)均為一翼陡一翼緩的倒轉構造。其中泥質巖為主體的巖系以及火山質和泥砂質膠結的變質礫巖膠結物,對片理化十分敏感,從頂部郭家寨亞群中的板巖,到底部四集莊組底礫巖,層理與片理處處斜交,是最典型的β褶皺。
圖1 晉北早前寒武系構造相變圖Fig.1Tectonic facies map ofNorthern Shanxi province in EarlyPrecambrian
滹沱群的構造相變主要表現為順走向在滹沱群的NEE-SWW兩端發(fā)生,由中心地區(qū)的五臺城一帶,向東30 km至插箭梁一帶,進入β褶皺與α褶皺過渡地帶,泥質巖在此已呈α褶皺,而砂巖仍屬β褶皺;再向東至石咀一帶,則完全進入α褶皺區(qū),過去一度將該套地層劃歸五臺群底部板峪口組,二十世紀九十年代1∶5萬區(qū)調證實,這套地層完全與滹沱群大石嶺組地層逐層相連。這是滹沱群復向斜南部情況。復向斜中部,滹沱群在白頭庵一帶,泥質巖進入α褶皺,而砂巖為β褶皺。到東緣化橋一帶,碎屑巖包括變質礫巖也都為α褶皺。復向斜北緣,在金閣寺一帶,泥質巖呈α褶皺,砂巖呈β褶皺,到更東部的竹林寺一帶,變質礫巖也都成為α褶皺。五臺山最西端,過忻口至金山,滹沱群也呈α褶皺。
圖2 恒山灰色片麻巖中的鎂鐵質和長英質脈體的石香腸構造和碎斑系Fig.2Boudin and porphyroclastic structures in mafic and felsic veins in Hengshan greygneiss
圖3 恒山灰色片麻巖中褶皺構造特征Fig.3Structural features ofthe Hengshan greygneiss’s folded region
滹沱群的構造相變反映滹沱群在構造運動中所處的地殼層次不同,西淺東深的構造相與西淺東深的變質相是協調的。滹沱群西部變質淺,相當于低綠片巖相,向東至劉定寺一帶,片巖中出現黑云母斑晶,即進入高綠片巖相。而繼續(xù)向東到插箭梁、白頭庵則分別出現石榴子石、十字石,巖性變?yōu)槭褡邮谠颇钙瑤r、十字石黑云母片巖,變質程度遞增,構造層次由淺變深。滹沱群頂部地層泥質巖為板巖,而底部礫巖中的泥質膠結物已成綠泥片巖。變質相的變化與構造相所反映的變化相互映襯,它們都是巖層所處地殼層次的指示劑。
(1)通過構造相研究,對變質巖區(qū)普遍發(fā)生的所謂“同巖異化”和“異巖趨同”,或“同物異相”和“同相異樣”現象進行合理的解釋,初步建立了晉北地區(qū)早前寒武紀地質事件序列。從而對變質巖區(qū)研究方法提供了一些新的思路。
(2)在對晉北變質巖區(qū)的構造相和物質組成研究的基礎上,結合當前巖石圈的層圈結構理論,認為大同-集寧麻粒巖相變質區(qū)是下地殼的代表,恒山中深變質巖區(qū)是典型的中下地殼過渡帶,五臺山角閃巖相變質的五臺巖群代表中地殼,綠片巖相變質的滹沱群是上地殼的代表,探討了該區(qū)的地殼結構、性質和構造樣式。
(3)恒山中-下地殼的過渡帶在區(qū)域構造演化過程中起著關鍵作用,是巖石圈中能量和物質交換最活躍的層圈,表現為廣泛發(fā)育的超塑性剪切流變現象和部分熔融現象,伴隨著鎂鐵質-超鎂鐵質巖漿的底侵作用,沿橫向貫入并發(fā)生麻粒巖相變質作用。
(4)以晉北早前寒武紀變質巖區(qū)的構造研究為依據,結合當前一些造巖礦物變形行為的實驗研究成果,提出了構造相的劃分方案,并對該區(qū)進行了構造相的劃分,分別為表層構造相、淺層構造相、中層構造相、深層構造相。確定了相標志,從空間上探討了構造形跡與形成環(huán)境之間的關系。
(5)著重論述了晉北早前寒武紀變質巖區(qū)的構造相及相變特征,總結了該區(qū)不同層次巖石和主要造巖礦物的變形行為以及褶皺、斷裂、同構造分泌結晶脈、巖石布丁化的特點,將不同層次的褶皺進行了新的分類,由淺到深分別為γ褶皺、β褶皺、α褶皺和δ褶皺。
巖石的變形決定因素很多,除溫度、壓力外,尚有巖石的力學性質、巖層的厚度、應力的作用時間、有無水的參與等等。目前我們僅僅可以從溫度、壓力等物化條件方面對構造相進行了粗略的劃分和探索,對于其它因素對構造相的影響有待有關專家去探索。就構造相的劃分界限的溫壓條件也是有待進一步完善和商榷的。
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Tectonic Facies of Early Precambrian Metamorphic Terrance,Northern Shanxi province
GUO Jin-lin1,MI Guang-yao2,FANLin-sen1,Wei Jun-hao3
(1.Bureau ofResourceand Geology,Department ofcoal-industryofShanxi Province,Taiyuan 030045,Shanxi,China;2.Instituteof Geological Surveyin Shanxi Province,Yuci 030600,Shanxi,China;3.FacultyofEarth Resources,China UniversityofGeosciences, Wuhan 430074,China)
Northern Shanxi province is considered to be one of the most popular places for the tectonic facies researches due to the various structural characters at different crust levels.In the present study,the relative order of geological events in Early Precambrian was established using the structural analysis combined with the research progress of geological rheology.The results are as follows:the rocks of the lower crust in Datong-Jining areas are believed to consist chiefly of granulite-facies metamorphic rocks;the high grade metamorphosed crustose rocks in Hengshan Mt.may represent the transitional zone of mid-lower crust;the amphibolite facies metamorphic rocks are mainly in the southern areas(Wutai Mt.);the greenschist facies metamorphic rocks are characterized by the presence of upper crust in Hutuo group.In addition,based on the different geological characters of fold,fracture,pudding of the rock and syntectonic crystallization,we provide some references for analyzing the tectonic facies and the structural phase transition in the Northern Shanxi province.
tectonic facies;structural phase transition;rheology layer;Early Precambrian metamorphic rock;northern Shanxi province
P534.1
A
1007-3701(2011)03-0221-10
2011-04-21
郭景林(1957—),男,高級工程師,主要從事地質礦產調查工作.E-mail:gjl4370599@163.com