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科研快讯 从弧后伸展到安第斯型造山——新特提斯亚洲活动大陆边缘白垩纪构造转换

发布日期: 2020-11-25 阅读次数:
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王建刚

中国科学院地质与地球物理研究所

俯冲带是板块相互作用最剧烈的地区。在这里,大洋板片俯冲到地幔之中,同时俯冲板片脱水引起上覆地幔楔部分熔融进而导致大规模的弧岩浆作用,实现壳-幔物质的循环。由于大洋板片的俯冲作用,俯冲带上板块前缘会发生持续的火山、地震等构造活动,因而被称为活动大陆边缘。根据现今地球上俯冲带几何结构等方面的差异,活动大陆边缘可分为两种主要类型(图1):西太平洋型和安第斯型。前者在构造应力上表现为伸展,发育海沟-岛弧-弧后盆地(沟弧盆体系);而后者表现为挤压,发育安第斯型造山带。

图1  (a)西太平洋型和(b)安第斯型活动大陆边缘(图片来自于网络)。

新特提斯洋(雅江洋)是中生代时期位于北方欧亚大陆和南方冈瓦纳大陆之间,近东西向沿赤道展布的一个古大洋。它在中生代早期因冈瓦纳大陆北缘的伸展作用而开启,并在新生代早期因印度-亚洲大陆的碰撞而消亡。在中生代中晚期,新特提斯洋壳向北俯冲至欧亚大陆之下,在欧亚大陆南缘形成了活动大陆边缘。拉萨地体位于欧亚大陆最南缘,是新特提斯洋亚洲活动大陆边缘演化最直接的记录者(图2)。

图2  白垩纪中期全球古地理格局,显示印度、拉萨和新特提斯洋的位置。新特提斯大洋岩石圈向欧亚大陆之下俯冲形成活动大陆边缘(图片来自于网络)。

01 拉萨地体白垩纪构造背景和沉积盆地性质争议

新特提斯洋壳向拉萨地体之下的俯冲起始时间目前还不明确,但俯冲带在侏罗纪中晚期业已存在几无争议。也就是说,在白垩纪时期,拉萨地体南缘已属于活动大陆边缘性质。但是,关于白垩纪时期拉萨地体之上的沉积盆地性质还存在不同认识,具体的演化过程还不清楚。

拉萨地体白垩纪的构造背景至少有三种模型(图3, Leier et al., 2007):(1)弧背前陆盆地模型。这种模型认为拉萨地体之上的白垩系碎屑岩的物源区为冈底斯弧,而这一时期的碳酸盐岩和泥质岩沉积于弧背前陆盆地的前隆-隆后沉积区。(2)弧后盆地模型。这种模型认为拉萨地体在白垩纪时期经历了弧后伸展,伸展作用为大量浅海相灰岩-碎屑岩沉积提供了可容纳空间。(3)拉萨-亚洲碰撞周缘前陆盆地模型。这种模型认为拉萨地体的古地理演化主要受拉萨与亚洲大陆(羌塘)的碰撞作用所控制,主要发育碰撞有关的周缘前陆盆地。这种模型认为拉萨地体之上的下白垩统碎屑岩的物源区为拉萨-羌塘碰撞带,而广泛出现的碳酸盐岩沉积为周缘前陆盆地的前隆-隆后沉积。

图3  拉萨地体早白垩世构造背景和沉积盆地演化的不同模型(Leier et al., 2007)。(A)冈底斯弧背前陆盆地模型;(B)冈底斯弧后盆地模型;(3)拉萨羌塘碰撞周缘前陆盆地盆地模型。

02 早白垩世伸展作用——来自林周盆地的沉积证据

针对拉萨地体白垩纪构造背景的争议,本次工作对拉萨地体东南部林周盆地的白垩系地层开展了系统的研究工作。林周盆地位于拉萨市北侧马乡-林周一带,在构造位置上位于冈底斯和北部拉萨地体界线附近(图4),是拉萨地体南缘唯一完整保存侏罗-白垩系地层的沉积盆地。盆地中的白垩系地层主要包括楚木龙组、塔克那组和设兴组,各地层单元之间均为整合接触(图5)。楚木龙组主要由岩屑石英砂岩和少量含砾砂岩、泥质岩组成,沉积于近岸河流-滨岸沉积环境,古水流方向主体向南,沉积厚度约500米,沉积时代为?143‒124 Ma。塔克那组由圆笠虫灰岩、细砂岩和杂色泥质岩组成,沉积于潟湖-海岸平原沉积环境,厚度约250米,沉积时代为~124‒119 Ma。设兴组主体为一套陆相红层,沉积厚度超过4 km。根据岩性组合的差异,可将设兴组分为下段(119‒113 Ma)、中段(113‒108 Ma)、上段(108‒96 Ma)和顶段(96‒92? Ma)四个岩相单元。下段为河流相砂泥岩沉积,古水流向南;中段主要为洪泛平原泥质岩沉积,偶尔受到海侵作用影响而沉积少量泥灰岩和介壳灰岩;上段为典型的河流相砂岩夹泥岩,古水流主体向西;顶段以粗碎屑岩为主,为辫状河沉积,显示沉积环境显著变化。

图4  拉萨地体地质简图,显示白垩纪主要沉积盆地的位置(Wang et al., 2020)。

图5  林周盆地白垩纪沉积地层格架(Wang et al., 2020)。

物源分析表明,在设兴组沉积时期,碎屑物源发生了明显变化(图6)。设兴组下-中段的砂岩中含酸性岩岩屑和少量变质岩岩屑,岩石中出现大量前寒武纪早古生代锆石,且中生代锆石多具有负的εHf(t)值,指示物源区为北部拉萨地体;设兴组上段砂岩中出现大量安山岩岩屑,且中生代锆石多具有正的εHf(t)值,物源区主要为南侧的冈底斯弧;设兴组顶部砂岩中出现大量浅变质岩岩屑,碎屑锆石年龄以前寒武纪早古生代为主,指示北部拉萨地体再旋回物质的大量输入。

图6  设兴组砂岩的物源特征(Wang et al., 2020)。Q,单晶石英;Qp,多晶石英;Pl,长石;Lv,火山岩岩屑;Ls,沉积岩岩屑;Lm,变质岩岩屑。 

构造沉降分析显示,林周盆地的白垩纪沉降历史可划分为四个阶段(图7):楚木龙组沉积时期稳定慢速沉降(~40 m/Ma);塔克那组-设兴组中段快速沉降(~350 m/Ma);设兴组上部中速稳定沉降(~170 m/Ma);设兴组顶部构造抬升。快速沉降时期对应高的沉积速率,因此,林周盆的沉积环境长期维持在海平面附近。

图7  林周盆地白垩纪构造沉降曲线(Wang et al., 2020)。

林周盆地的沉积物源和沉降历史反映复杂的构造演化(图8)。林周盆地白垩纪碎屑岩中不含班怒带的碎屑物质,因此不属于拉萨-羌塘碰撞有关的周缘前陆盆地;而且,碎屑物质也并非全部来源于盆地南侧的冈底斯弧,亦不能用弧背前陆盆地来解释。相反,林周盆地的演化符合伸展盆地的特征。沉降曲线显示上凹的形状,反映早期强烈的岩石圈伸展和伸展后热沉降过程。快速沉降时期,盆地发生海侵、沉积物向上变细。而且,弧后伸展作用可以为林周盆地白垩系巨厚的沉积物(> 4 km)提供可容纳空间,从且维持沉积环境一直在海平面附近。

图8  林周盆地白垩纪沉积物源演化模式图(Wang et al., 2020)。

早白垩世的伸展作用在其它的沉积盆地中也有响应。在拉萨地体西北部的改则、色林错和措勤等盆地中,下白垩统地层从早期的火山岩和火山碎屑(则弄群-多尼组)转变为晚期的浅海相灰岩(郎山组),记录了明显的海侵(9)。而且,早白垩世的火山岩常具有双峰式岩浆活动的特征。在日喀则弧前盆地中,下白垩统地层经历了从硅质岩-硅质页岩向浊积岩的转变(9),反映了拉萨地体之上从主伸展期低地貌向伸展后正地貌的转变。拉萨地体弧后伸展作用向西延伸到了巴基斯坦地区。位于科西斯坦弧(Kohistan arc)和喀喇昆仑地体之间的什约克(Shyok)缝合带可能为弧后盆地的遗迹(Rolland et al., 2000)

图9  拉萨地体白垩纪主要沉积盆地地层对比(Wang et al., 2020)。

03 晚白垩世安第斯型造山作用

在晚白垩纪时期,拉萨地体经历了广泛的挤压缩短和地貌隆升,发育安第斯型造山作用,主要证据包括:(1)拉萨地体在晚白垩时期发生了显著的地壳缩短,缩短量可达60%。强烈褶皱的地层被几乎未变形的早古近纪林子宗火山岩不整合覆盖,形成广泛的区域不整合(Murphy et al., 1997; Kapp et al., 2007);(2)拉萨地体之上发育大量的上白垩统陆相粗碎屑岩沉积,为造山作用的沉积响应(Sun et al., 2015a; Lai et al., 2019);(3)日喀则弧前盆地中堆积巨量的来自拉萨地体的碎屑物质,部分水道砾岩的砾石直径可达1(Dürr, 1996);(4)拉萨地体晚白垩岩浆岩常具有埃达克岩浆性质,反映加厚地壳熔融(Sun et al., 2015b);(5)古高度重建显示,拉萨地体南缘(冈底斯)在印度-亚洲大陆碰撞早期可能已达到甚至超过现今的高度(Ding et al., 2014)。有学者将晚白垩纪时期的拉萨地体为拉萨高原(Lhasaplano,认为是原始西藏高原(proto Tibetan Plateau)的重要组成部分。

拉萨地体之上安第斯型造山作用的时间应晚于最年轻海相地层的时代,并早于林子宗火山岩喷发的时代。Lai et al. (2019)通过对最年轻海相地层和最早陆相粗碎屑岩地层进行详细研究,约束拉萨高原的初始隆起时间为~92 Ma(见本公众号前期文章《青藏高原腹地的北拉萨高原诞生在9200万年前》)。在林周盆地沉积晚期(设兴组顶段,~96-90 Ma),沉积环境转变为辫状河,岩石中出现大量再旋回粗碎屑物质,反映这一时期拉萨地体因安第斯型造山作用而导致的快速剥蚀和剥露作用。林周盆地沉积地层在晚白垩时期卷入南北向挤压变形,并在新生代早期被林子宗火山岩不整合覆盖。

图10  拉萨地体白垩纪古地理,显示从弧后伸展到安第斯型造山的演化过程(Wang et al., 2020)。 

04 活动大陆边缘构造转换及动力学机制

研究显示,拉萨地体白垩纪时期的构造背景发生了显著的变化:从早白垩世时期的西太平洋型活动大陆边缘转换为晚白垩世时期的安第斯型活动大陆边缘(10)。一般认为,俯冲带上盘的构造应力决定于俯冲带的结构和俯冲板片的性质。比如,伸展作用可能与俯冲板片变陡或者后撤有关,而挤压作用可能是俯冲板片变浅或者大洋高原俯冲的结果。对于新特提斯洋亚洲活动大陆边缘来说,早白垩世的伸展作用可能反映了俯冲板片的后撤,或者俯冲起始作用。两种模型的差异在于拉萨地体南缘在白垩纪之前是否有俯冲作用存在,但这一问题目前还存在争议。晚白垩世的安第斯型造山作用反映区域挤压应力。值得注意的是,安第斯型造山作用的起始伴随着冈底斯弧岩浆作用的大爆发(~90 Ma岩浆作用峰期)。因此,拉萨地体的构造转换并不能用俯冲板片变浅或者大洋高原俯冲解释——二者往往导致岩浆作用减弱。我们初步推测,拉萨地体白垩纪构造转换可能与新特提斯大洋板片俯冲加速或者洋脊俯冲有关。

有趣的是,活动大陆边缘构造性质转变在多个俯冲带都有出现,比如华南地区白垩纪安第斯型大陆边缘与新生代西太平洋型活动陆缘之间的转换、安第斯活动大陆边缘在其演化过程中多次的伸展-挤压转换等(Horton, 2018a, b)。因此,活动大陆边缘构造转换可能是普遍存在的地质现象,对这一现象的进一步研究有助于对于揭示俯冲带的动力学过程。


本文作者为中科院地质与地球物理研究所副研究员。本文系作者本人理解与解读,相关问题交流可通过邮箱wangjiangang@mail.iggcas.ac.cn与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读相关原始文献。

 

主要参考文献

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