本次大型变形构造研究和编图的技术标准,涉及的大型变形构造及相关岩石的名称,除了本章介绍外,以《地球科学大词典》(基础科学卷)的定义为准。所涉及和使用的图例,以国家标准为准。
常见主要大型变形构造类型定义如下:
(一)逆掩推覆构造
逆掩推覆构造是地壳广泛发育的重要构造,是由逆冲断层及其上盘推覆体或逆冲岩席组合而成的大型至巨型的构造,是挤压作用的结果。断裂上盘地质体沿断裂面可以有数十乃至数百千米的逆冲位移。这类大型变形构造一般发育在汇聚板块边缘的造山带范围内,以碰撞造山带边缘前陆地区比较常见,但在陆内挤压环境中也可以形成类似的构造。卷入变形的地质体可以是盖层沉积岩系,也可以包括结晶基底岩系。这类大型变形构造通常可以划分为前缘带(或前锋带)、中带和根带等主带以及后缘带和外缘带等不同构造变形带,前锋带和根带的推覆构造面倾角比较陡,在二者之间的中带地区推覆构造面倾角平缓(一般小于5°)(图7-4)。
图7-4 逆掩推覆构造剖面分带(据Bucher,1956)
后缘带位于根带后侧,外缘带位于锋带前侧,这两带也受逆冲推覆作用的影响,留下逆冲作用的变形烙印。根带是逆冲作用起始发育部位。根带的研究对确定逆冲推覆构造在区域构造中的地位、活动和运移规律、变形性状及形成作用上具有重要意义。由于大型逆掩推覆构造的根带常被隐蔽,或位于一条宽阔的多期变形带中,具体位置常不明显。根带一般表现为强烈挤压,面理、小褶皱轴面和小断层等构造产状陡峻以至直立;变形性状上塑性增高,有时出现韧性剪切带;劈理尤其是流劈理和褶劈理相对发育;结构上常出现菱形体与挤压面构成的网结式结构。自根带向中带断层开始出现分叉且产状变缓。自根带进入中带,断层常常分叉构成叠瓦扇和双冲构造;应力状态以单剪为主;次级断裂和褶皱产状相对稳定,倾向根带。在整个中带内,近根带变形强,中部变形稍弱,趋向锋带而再度增强,其中中带的断坡处变形又较断坪处变形复杂。在变形性状上,自根带向锋带塑性降低而脆性提高,劈理化减弱而愈稀疏,进而以密集节理为主,该带中定向性构造发育,如倒向与逆冲方向一致的中小型褶皱系、褶皱式窗棱构造(或窗棂构造)、膝折、旋卷构造、构造透镜体和小型双冲构造等。锋带上挤压作用再度增强。岩层倾角增大,包括邻近断层面的下伏岩系常形成两翼紧闭轴面陡立的小褶皱;岩石破裂,有时形成破碎带;构造定向性或高或低,并较根带的明显;次级断层发育并强烈变形(朱志澄,1991)。
后期地质作用使大型推覆构造上盘被不同程度的剥蚀。在较轻微剥蚀的情况下,下盘岩石局部出露,形成了构造窗;如果上盘岩石严重乃至大部分被剥蚀,仅呈残丘存在,被称之为飞来峰(图7-5)。
图7-5 逆掩推覆构造剥蚀形成的构造窗和飞来峰示意图(据vanderPlujimandMarshak,2003)
(二)逆冲叠瓦构造
是由一组逆冲断裂以及相关褶皱组成的大型变形构造,通常发生在挤压型造山带的外缘(图7-6),根据产出构造背景,可以将其进一步划分为弧前增生楔逆冲叠瓦构造、前陆褶皱冲断带和山前冲断带等不同亚类。
图7-6 逆冲叠瓦构造示意图(据van der Pluijm and Marshak,2003)
1.前陆褶皱冲断带
前陆褶皱冲断带形成于碰撞造山带的前陆地带,在我国有比较广泛的分布。前陆褶皱冲断带主要表现为前陆盆地沉积物变形形成的褶皱冲断推覆体,一般遵循薄皮构造变形规律,与造山带内带(主要是基底褶皱推覆体,呈现厚皮构造变形规律)结晶逆冲推覆构造的几何学、运动学等存在较大差异,二者形成机制不相同,但其间仍有紧密的联系(图7-7)。
前陆褶皱冲断带以薄皮构造为主要变形方式,该类变形是前陆沉积盖层基底上滑脱,基底没有同时变形,盖层变形的褶皱一逆冲带终止于一条巨大的滑脱面上,盖层变形与基底构成显著的不协调关系(图7-8)。与此对应,如果基底与其盖层同时变形,则称厚皮构造。薄皮构造是一种规模巨大的滑脱构造,展布范围可以超越前陆带,其规模甚至达到小板块尺度,活动时间长可以超过一个造山期,并且拆离层可以从前一次造山时间中继承下来,在不同构造环境中重新活动。
图7-7 大型推覆构造剖面特征(北美Appalachian造山带)(据SchaerandRodgers,1987)
薄皮构造底部总有一个大型顺层滑脱面,该滑脱面可以位于基底与盖层之间,也可以不局限于这个界面之上,或者是几个主要滑脱面***同组成的一个滑脱带;滑脱层位一般是塑性层,或者是岩性差异很大的两套岩系的界面;褶皱造山带前陆上的薄皮构造,变形前的岩系或变形后的褶皱逆冲带,均表现为后端厚前端薄的楔形,逆冲自后端向前端,后部常强烈缩短加厚。薄皮构造的褶皱主要为侏罗山式或类侏罗山式(图7-8)。与褶皱伴生的逆冲断层一般自背斜核部起始向前切过陡翼或倒转翼,断层向下汇到主滑脱面上,构成帚状。
图7-8 侏罗山式薄皮构造特征(法国侏罗山)(据eLonW.Colet,1964)
作为前陆褶皱冲断带主要变形样式的侏罗山式褶皱(图7-8)可分为五种型式:①隔挡式和隔槽式褶皱,隔挡式褶皱以背斜紧闭形象完整而向斜开阔宽缓形象不完整为特色,隔槽式褶皱以向斜紧闭形象完整而背斜开阔宽缓形象不完整为特色;②疏密波式褶皱,表现为宽缓开阔的褶皱与紧闭密集的褶皱—断层带相交替;③类隔档式和类隔槽式褶皱,类隔档式褶皱以背斜紧闭形象不完整而向斜开阔宽缓形象完整为特色,类隔槽式褶皱以向斜紧闭但形象不完整而背斜开阔宽缓但形象完整为特色;④箱状背斜或箱屉式褶皱;⑤底辟式褶皱,以含有塑性岩石在背斜核部聚积、上拱、刺穿上覆背斜为特征。一般而言,薄皮构造***同特征是:变形中等或较弱,背向斜发育不均等,一般不成正弦曲线式连续弯曲,属于浅层次平行褶皱,褶皱向深部一般终止于滑脱面上,常显示相对一致的构造运移等(朱志澄,1991)。
前陆褶皱冲断带由一系列的逆冲断层及其所控制的褶皱所组成,宽度可达数百千米,长度可达2000km。卷入变形的通常是沉积盖层,基底很少参与变形,变形通常向所控制的前陆盆地推进。平面上,前陆逆冲褶皱带可呈现多种构造样式,代表着不同因素控制下形成的构造带(图7-9)。断层相关褶皱(断层传播褶皱、断层转折褶皱,滑脱褶皱以及它们之间的过渡类型)是前陆带地层变形的主要形式(Allen et al.,1986;DeCellesandMitra,1995)。向前陆方向,前陆褶皱冲断带由逆冲褶皱变形带和前陆盆地组成,具有变形强度逐渐降低的特征。
2.山前褶皱冲断带
是陆内造山带外缘的大型变形构造带,其组成岩层一般是新生陆内山脉前身古生代没有成因联系的陆内山前压陷盆地或该盆地形成以前的古老沉积物组成。这是山前褶皱冲断带与前陆冲断带的本质区别。
3.弧前增生楔中的逆冲叠瓦构造
由大洋岩石圈板块俯冲,在海沟靠陆一侧形成的构造面与俯冲带大体平行,向深部收敛的一组逆冲断裂及相关褶皱组成,卷入变形的岩石构成弧前增生楔,其中可以含有数量不等的蛇绿岩残片。
(三)逆冲走滑构造
图7-9 世界主要前陆褶皱冲断带平面展布特征(据Macedo and Marshak,1999)
由陡立密集劈理组成的具有区域规模的强烈构造变形带,位于两个陆块或岛弧之间,卷入这类大型变形构造的岩石包括弧相关建造、含有蛇绿岩碎块的增生杂岩和不含蛇绿岩碎片的被动陆缘沉积岩系等,有时还可能包括数量不等的古陆陆块的残片。根据卷入变形的地质体类型,可以将其进一步划分为弧杂岩变形亚带、含蛇绿岩残片变形亚带和不含蛇绿岩残片变形亚带。这类大型变形构造是在碰撞构造背景下形成的,一般发育在碰撞造山带的核心部位。沿这类大型变形构造的构造变形,以早期的挤压变形为主,后期可以叠加有明显的走滑变形。中国大陆内部造山带中的这类大型变形构造的构造变形,一般都由中等深度的构造层次和浅表构造层次的构造变形组成,个别造山带中则出露曾经位于数十千米乃至数百千米深部的构造变形,反映深剥蚀的构造特征。在核心地带,变形岩石中沉积岩的层理多数情况下被劈理强烈置换而难以识别,卷入变形的岩石可以发生低级或极低级变质作用,也可以发生高压乃至超高压变质作用。在一些构造滑动面上可以发育由同构造变质矿物定向生长构成的拉伸线理,但是多数情况下,指示运动方向的线理属于滑动线理。
这类大型变形构造的宽度从数千米到数十千米不等,其边界一般是渐变过渡的,有些情况下是后期逆冲断裂。在剖面上,这类构造常呈现为不对称的正花状构造样式(图7-10)。
图7-10 逆冲—走滑构造示意图(据van der Pluijm and Marshak,2003)
由于两侧构造单元各有一部分卷入到这类大型变形构造中,所以这类大型变形构造不等同于构造单元的分界线。蛇绿混杂岩带是这类大型变形构造的组成部分,通常位于这类大型变形构造的核心部位。一般说来,不同板块之间的缝合线位于这类大型变形构造内部。结合带大相构成这类大型变形构造的一部分,但是一般说来,其宽度要小于这类大型变形构造的宽度。
这类大型变形构造的变形多数属于脆性—韧性或韧性—脆性过渡变形,以密集劈理为突出特征,可以局部发育拉伸线理和旋转变形,但以不发育透入性拉伸线理,区别于深层次的韧性剪切带;以层理难于识别,区别于浅层次的逆冲叠瓦构造。在有些情况下,这类变形带主要由深部构造层次变形的地质体组成,以广泛发育韧性变形为特征。
这类大型变形构造遍布全国,是最为发育的大型变形构造之一。这类大型变形构造一般对增生杂岩中的铬铁矿矿床和块状硫化物矿床、弧后盆地中的块状硫化物矿床、被动陆缘沉积岩系中的各种层控矿床等,有不同程度的破坏和改造,同时也是剪切带石英脉型金矿的成矿有利地带。
(四)大型逆冲断裂构造
高角度逆冲型大型变形构造多发育在基底隆起区中(如北美落基山前陆地区),断层近地表(或盖层与基底界面处)倾角大于45°(图7-11c),但在深部,这些断层往往逐渐变为水平。这类构造分布范围广,但没有很明显的构造方向,这主要是由于基底中的先存构造所控制。它们往往造成盆地的刚性基底直接出露或造成上覆盖层的褶皱,可形成很多大型的强制褶皱(单斜地层)。实质上这类变形属于厚皮构造范畴。
基底变形的主要方式有如下几种:①变形集中在一个断层(带)上;②变形分散在众多相互平行的断层上(图7-11b);③变形集中在断层顶端的三角带中(图7-11a),即Trishear模型;④类似盖层的层状变质岩石的弯滑作用;⑤基底褶皱。而基底断层的主要活动方式以碎裂岩化(cataclasis)作用和早期面状组构(断层、破裂和节理等)的再活动为主。
图7-11 高角度逆冲型大型变形构造主要剖面特征(据Mitra and Mount,1998)
虽然断层浅部陡倾,但地球物理勘探证实该类构造是基底水平运动造成,因而水平应力造成厚皮构造成为***识。这些机制主要与板块俯冲或碰撞有关,也就是发育于板块边缘。但在一些远离板块边界的基底隆起区也可能发育类似构造,一些断块山的形成可能与这类构造活动有关。这类构造可控制一些基底中的金属矿产,也有部分油田发育在这类构造中。
(五)地堑-地垒构造
地堑:主要由两组走向近平行且相向倾斜的高角度正断层构成(50°~70°)(图7-12)。两条断层之间的***同上盘下降,时有玄武岩等火成岩分布。
地垒:由两组走向平行相背倾斜的高角度正断层构成(50°~70°)(图7-12),断层间的***同下盘上升,两侧的断层上盘下降。
地堑-地垒构造一般伴生在一起,通常发育于背斜与穹窿的顶部及地壳受区域应力拉伸区,也可以发育在大断裂带上(郯庐断裂北段)。其规模大小不等,大型面状地堑—地垒构造长度可达数百公里,面积可达数十万平方公里。关于它们的成因现在还没有定论。地壳尺度的简单剪切(图7-13)以及地幔柱都可能形成类似面状伸展构造。而线性地堑—地垒构造面积就小得多。由地堑-地垒构造构成的盆地沉积层厚可达数千米、甚至可达上万米,它们的形成则主要与所属断裂的伸展活动有关。
美国西部盆岭地区是典型的地堑-地垒构造区,该构造区由不对称的纵列单面山、山岭及其间列的盆地组成的构造-地貌单元(图7-12)。盆岭构造是在区域性伸展作用下形成的,由地堑、地垒、掀斜式阶梯断层构成,是伸展区典型性的构造-地貌形式。我国的华北新生代盆地也具有典型的盆岭构造特征。
地堑-地垒构造在我国非常发育,尤其是中、新生代以来在我国东部广泛分布,是我国最重要的油气、盐类赋存地区。
图7-12 地堑-地垒构造剖面特征(据Giacomo et al.,2003)
(六)大型拆离构造
拆离断层是一条分隔盖层与变质基底或变质核杂岩之间的平缓正断层(图7-13)。拆离断层和变质核杂岩相伴产出,组成统一的构造,成为区域性伸展构造的重要型式之一。主拆离断层(带)是一条岩石强烈破碎带,与其接触的糜棱岩带的顶部可卷入碎裂岩化而形成绿泥石微角砾岩(超碎裂岩);随着顺拆离断层倾斜向下趋近塑性域,碎裂带逐渐转变为狭窄的网状韧性剪切带,进而汇入糜棱岩构成的韧性剪切带。该断层原始产状近于水平,在伸展拆离中变成犁式,其上盘以发育多米诺式断层为特征,也有次级断层并使地层拆离减薄或缺失,使得地层柱中的上部地层直接覆于基底变质岩之上,拆离断层上盘变形属脆性域,盖层也可因侵入作用而变质。原始拆离断层可因均衡作用而呈穹状,在长期发展中可形成不止一条拆离断层所组成的断层带。
图7-13 拆离构造示意图(据Giacomo et al.,2003)
如果伸展活动不只一次,各次产出的拆离断层不一定重合而会变位。从而使早期拆离下盘转变为另一期拆离断层的上盘,反之亦然。即使在同一伸展活动期,滑动面也不一定只是一个,加之伴生的次级断裂面,所以整个拆离断层(带)的结构复杂,但其平缓的正断层性质仍保持不变。拆离断层上的次级正断层一般成阶梯状,断层面成弧形,构成帚状,亦可成平面状产出,并构成地堑、地垒式组合。
变质核杂岩是大陆高应变伸展环境中发育的一套构造和独特岩石的组合(图7-14)。该组合具有3个不可缺少的或必要的构造要素:①一条主拆离断层-大规模位移(几十千米)的准区域至区域性的低(倾)角度(典型情况下小于35°~40°)正断层;②下盘-与断层相关的糜棱状片岩、片麻岩和可能出露的更深层次的非糜棱状结晶岩;如果存在原位于韧脆性转化带以上的下盘岩石,拆离断层上段之下则无糜棱岩;③上盘-含多世代正断层的上地壳基底岩和/或表壳岩层。变质核杂岩不仅是指拆离断层(有些情况下为多重拆离断层)下的糜棱岩和变质岩组合,而且也包括拆离断层本身和位移其上盘的岩石以及上盘的伸展构造。变质核杂岩其实质就是大规模地壳伸展和地壳沿主拆离断层切除(缺失)的结果。断层位移量可达数十千米,出露面积可达几千平方千米以上。下盘糜棱状岩石(典型情况下为高绿片岩或角闪岩相变质程度,大约400°~550°)与上盘表壳岩石及其结晶基底的并置要求这些断层具有很大的位移。
图7-14 变质核杂岩重要特征和结构(据Davis和郑亚东,2002)
一般而言,变质核杂岩主体外形近圆形或椭圆形,对径一般数十公里,呈分散孤立的穹窿状产出。
从成因的角度看,变质核杂岩是拆离构造的一种类型,是拆离构造发展到在核心部位出露拆离界面的结果(见图7-15)。典型的变质核杂岩发育在美国西部的科迪勒拉山脉,在我国,陆续发现了一些规模大小不等的变质核杂岩,根据其出露规模,基本都可以归入大型变形构造之列。