造山带研究中有关复理石和磨拉石的几个问题.PDF
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1、书书书() 岩石学报造山带研究中有关复理石和磨拉石的几个问题侯泉林,郭谦谦方爱民,中国科学院计算地球动力学重点实验室,中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 中国科学院地质与地球物理研究所,岩石圈演化国家重点实验室,北京 ,;,收稿,改回,(): , ;摘 要 在造山带研究中,碰撞方式和时限的争议是全球造山带研究中的一个共同现状或面临的难题。利用复理石和磨拉石时代来限定碰撞时限是造山带研究的一项重要内容。本文首先综述了复理石和磨拉石从提出到广泛应用以及不同历史时期被赋予的构造含义;其次,根据其可能发育的构造环境,指出复理石和磨拉石纪录造山带的相关信息及其演变过程。被动陆缘复理石可能纪录了参与碰
2、撞拼贴块体的亲缘性,而且被动陆缘、活动陆缘或者岛弧环境的复理石均形成于碰撞作用之前,因此最年轻的复理石时代可提供碰撞时间的下限;(周缘)前陆盆地的磨拉石形成于碰撞造山作用过程中,因此其最早的磨拉石沉积时代可用于限定碰撞时间的上限。从复理石到磨拉石地层的渐变过程(连续沉积)指示了碰撞构造事件的发生、以及之后的碰撞造山作用是均变过程,会发育不同尺度规模的不整合。因此,造山带中的不整合未必代表有重大构造事件的发生,而连续沉积并不表明没有大的构造事件。关键词 造山带碰撞时限;复理石;磨拉石;(周缘)前陆磨拉石盆地;浊积岩中图法分类号 造山作用是大陆形成与增生的最基本地球动力学过程,关于碰撞造山方式和时
3、限的争议是全球造山带研究中的一个共同现状(肖文交等,)。自板块构造理论创立以来,不同学者根据造山带的结构对碰撞造山带的类型先后进行过不同的划分,具有代表性的有爦()把碰撞造山带分为三种类型,即阿尔卑斯型、喜马拉雅型和阿尔泰型(即增本文受国家重点研发计划()和国家自然科学基金项目()联合资助第一作者简介:侯泉林,男,年生,博士,教授,构造地质学专业,:生型);李继亮等()根据参与碰撞的单元把碰撞造山带分为六种类型;()将造山带分为碰撞、增生和板内三个端元类型。碰撞造山带最令人瞩目的事件是大洋岩石圈消亡后陆壳块体的碰撞,板块构造理论把碰撞事件的发生作为碰撞造山作用的起始时代,因此碰撞时限研究便成为
4、造山带研究的重点内容之一。尽管不同学者对限定碰撞时间的方法进行了多方面探讨,并给出了各种方法,但对造山带碰撞时间的争议仍然普遍存在,这一方面是由于造山带的复杂性;另一方面可能是对一些方法的应用上存在误区。全球许多造山带以多块体拼贴为特征,且经历了复杂长时期的演化过程,例如中亚造山带从早古生代就开始俯冲增生,存在多条俯冲带,多次不同属性地质体(岛弧、微陆块)发生拼贴,在造山作用结束之后还经历了剥蚀夷平,甚至拆沉和拆离,今天所呈现给我们的只是造山带的残骸(,;,)。此外,对碰撞时间的限定方法的多样性也是造成这一现状的重要原因,例如用磨拉石沉积时代、型花岗岩形成时代、高压变质峰期年龄等来限定碰撞时间
5、。然而,这些可能和碰撞事件相关的地质记录也可以在俯冲阶段形成,因此一些标志可能与碰撞事件并无明确对应关系。图 造山带中核心磨拉石盆地和后陆磨拉石盆地的构造位置(据李继亮,) (,)围绕碰撞方式和时限这一造山带研究的重要问题,我们汇集了一些造山带研究中存在的若干问题。对这些问题的讨论,首先从复理石和磨拉石限定碰撞时间开始。复理石通常被认为形成于碰撞作用之前,而磨拉石则被认为形成于碰撞作用过程中,可用来限定造山带碰撞时限的上、下限,即从复理石转变为磨拉石是限定碰撞事件发生上、下限的最佳标志(李继亮,;侯泉林等,;,)。然而,复理石和磨拉石可以形成于不同的构造环境(图),或发育于造山作用的不同阶段,
6、因此将它们应用于造山带研究是有边界条件的,若有不慎,会造成误导。本文首先综述了复理石和磨拉石的研究历史,在明确其沉积特征和发育构造环境的基础上,探讨其对造山作用过程研究中所能提供的重要信息,特别是在限定碰撞时限时应注意的问题。 复理石和磨拉石的研究历史 复理石复理石()最早由于年提出(,),指的是瑞士地区互层的砂岩、泥岩和页岩。最初的描述是基于其岩石学特征,仅仅指代一种复理石,即一套简单重复的、无化石的暗色页岩和粉砂岩的韵律沉积,夹角砾岩、砾岩和灰岩,时代为早白垩世至渐新世。在随后的研究中,对复理石的含义进行了扩展,例如包含了没有碎屑灰岩的碎屑层序。尽管部分学者认为复理石仅指代阿尔卑斯造山带中
7、的特定地层,然而随后的研究表明,相似特征的韵律沉积地层在东阿尔卑斯、阿巴拉契亚、亚平宁山以及其他更老的造山带都有发育(,;,)。于是,复理石开始被赋予地层和构造含义,并被应用在研究阿尔卑斯造山带以外的地方(,;,;,;,)。槽台理论首先对复理石赋予了构造含义,即指一种典型的地槽型沉积建造。()识别出一套从造山作用前的沉积相到前复理石相、复理石、磨拉石的沉积层序,并将其和地槽的发展联系起来。这是最早的把沉积作用和槽台理论联系在一起的研究,给复理石和磨拉石赋予了构造含义,并在许多造山带的研究中得以应用。二十世纪五六十年代,沉积学发生了一次革命,对复理石的浊流沉积成因进行了系统的研究。至此,复理石和
8、海相浊积岩划上了等号。对海相浊积岩的研究主要集中在水动力条件、扇体特征上。地球化学家也对不同构造环境下海相浊积岩的成分特征进行了详细的研究,并将其分为大洋岛弧、大陆边缘弧、活动陆缘和被动陆缘相关的沉积盆地。地球科学大辞典(地球科学大辞典编委会,)对复理石的定义是:浊流沉积的海相地层。厚度大,通常少含化石,具有薄层的递变层理。主要由泥岩、砂岩构成的具有明显韵律层的岩石组合,形成于海洋浊流环境,为一广泛发育的前造山阶段的沉积组合”。该定义表明了两层含义:一是复理石为巨厚的海相浊积岩;二是碰撞造山前的产物。 岩石学报,()在国内,浊积岩作为复理石的成因解释并开展系统研究的文献可追溯至二十世纪七十年代
9、(李继亮等,)。此前,复理石的识别标志主要为泥岩或板岩、砂岩互层形成的韵律层以及水下冲刷槽沟、印模等(王鹤年,)。此后,我国地质学家陆续报道了全国各地发育的浊流沉积及其特征,例如西昆仑、喀喇昆仑、西秦岭、雅江缝合带等(曹荣龙,;胡昌铭,;左国朝等,)。这一阶段,鲍马序列是浊积岩识别的重要标志。而对复理石的成因,直到八十年代末,仍然存在争议。例如,夏邦栋()据复理石中的透镜状层理、微波状层理、含丰富的底栖生物的灰岩等特征,认为复理石还具有浅水底流成因。对复理石构造环境的认识也在八十年代发生了改变:从地槽的标志性沉积逐渐转变为活动陆缘、板内、裂谷等板块构造环境(夏邦栋,)。 磨拉石磨拉石()一词,
10、最早由索修尔引入文献,表示渐新世至中新世的一套浅灰色绿色的含钙长石砂岩和砾岩,主要见于阿尔卑斯山的瑞士平原。早期对磨拉石记载的文献多半从其发育于造山带开始。()对磨拉石的特征进行过总结:“形成于复理石之后的造山作用过程中和结束后,堆积在山脉边缘。可以是陆相、海相,淡水的、淡盐水的和咸水的。组成成分复杂,有砾岩、砂岩、页岩、灰岩。砂岩主要为次杂砂岩和长石砂岩。层理不规则,可能有斜层理。存在磨拉石到复理石的转变,但是少见”。()对磨拉石有一个简短的描述,认为其是厚层陆相沉积,由山脉隆升形成的砂岩和砾岩组成。“”对磨拉石的解释是“曾经被认为是造山作用后山脉隆升剥蚀形成的浅海或非海相沉积物。但目前的研
11、究表明其并非是构造作用之后的,而是同构造作用,在推覆体形成和发展过程中被剥蚀形成的,由此被部分学者建议摒弃”。在国内,不同学者对磨拉石的概念、地质含义也展开过详细的讨论(夏邦栋等,;周鼎武等,)。夏邦栋等(,)详细概括了著名磨拉石的共同特征:“几千米厚度并富含砾岩的碎屑沉积,是陆相、滨海、浅海环境的产物,碎屑成分多变,一般较为复杂”;同时强调沉积韵律是磨拉石的常见特征。这和()概括的特征基本一致。对磨拉石构造环境的认识,在八十年代从槽台说的“地槽或地向斜由褶皱回返而发展成为造山的构造旋回发展晚期”开始转变为陆内裂谷、弧后、前陆盆地等板块构造相关的构造环境(夏邦栋等,)。地质大辞典对磨拉石的定义
12、为:一种边缘坳陷和山间凹陷的典型沉积地层,以陆相为主,砾岩和砂岩占优势,分选差,层理不规则,常见交错层和波痕,相变急剧,是地槽发展后期阶段的产物,由于地槽的褶皱隆起,使山脉受到剧烈剥蚀,因而在山前和山间的坳陷中形成了快速堆积(地质矿产部地质辞典办公室,)。地质大辞典对磨拉石的定义更加接近()的描述,且仍然采纳了槽台说对磨拉石赋予的构造含义,同时也将磨拉石形成的构造环境单一化。因此,有学者认为磨拉石就是砾岩,是山间盆地沉积。其实,这是非常大的误解,因为磨拉石与山间盆地沉积并不相同。夏邦栋等()曾明确指出存在将一般性碎屑沉积当成磨拉石或将磨拉石当成非磨拉石的错误认识。地球科学大辞典(版)对磨拉石是
13、这样定义的“同造山作用形成的分选性差、磨圆度低的快速粗大碎屑沉积,形成于近海(部分为海相,部分为陆相或三角洲相)的陆相环境中。在地层剖面上往往是下部颗粒细,一般为海相,向上颗粒变粗,由陆相构成。根据这些特征可以与山间盆地沉积相区分。这一组合形成起因于造山作用主幕期间或紧接其后的山脉抬升剥蚀时期,堆积在较早形成的复理石的前锋部位”。在现代板块构造理论中,磨拉石被认为是造山带中的一个构造相,主要特指发育在造山带前陆盆地的沉积(实际指“周缘前陆盆地”)(李继亮,;许靖华等,)。造山带中有三种磨拉石盆地(图):(周缘)前陆盆地中的磨拉石可以是陆相、海相碎屑沉积,少量碳酸盐岩和蒸发盐,有时含有煤系;核心
14、磨拉石盆地中主要是陆相粗碎屑沉积,砾岩、含砾砂岩和砂岩,含少量泥岩和粉砂岩;后陆磨拉石盆地的沉积物主要是砾岩、砂岩和泥岩,形成于冲积扇、河流、河湖三角洲和湖泊等环境(李继亮等,)。 沉积学特征 复理石复理石指的是一套厚层状海相浊积岩(图),()对复理石的特征进行了总结:()页岩、灰岩、泥岩和沙泥岩等细粒沉积物和砂岩或碎屑灰岩等粗粒沉积物互层,为了描述方便,粗粒沉积物统称砂岩,细粒统称页岩。()砂岩多为杂砂岩,通常中等或较差分选,含大量粘土级物质。()复理石据内部砂岩和页岩的含量可分为三个亚相。正常复理石由等量的中厚层砂岩和页岩组成,砂质复理石主要由厚层砂岩组成,而泥质复理石主要由页岩组成。不同
15、相在时空上呈渐变特征,整合接触。()砂岩底部和下伏岩层呈突变关系,常有生物的和非生物的底模。顶部通常渐变成页岩。偶尔顶部也会出现突变,通常发生在砂质复理石。此时顶部会发育舌状波痕,但缺乏线性波痕()。()砂岩发育正粒序层理。细粒砂岩通常呈纹层状(),发育小尺度流痕(),包卷层理,主要见于鲍马序列段。()缺乏沉积物成分在横向和纵向的快速变化。偶见横向在厚度上的变化,可指示垂直水流方向。()沉积构造对水流方向的指示在很大区域范围和厚度侯泉林等:造山带研究中有关复理石和磨拉石的几个问题图 浊积岩沉积特征()来自西准噶尔;()来自西昆仑库地;(、)来自甘肃北山 ();();(,)上都不会改变。()常含
16、滑塌堆积,泥岩和砂岩的砾石。部分层序中,泥质成分中含大粒度的外来块体。()化石较少。页岩顶部可能会有微化石,通常是远洋或者海底的生物。砂岩可能会有浅海的生物或其遗体被浊流带到深海发生沉积而形成的化石。没有原地的浅水底栖动物群,尤其是生物礁。()几乎没有火山岩,细粒凝灰岩层例外。()不发育大型交错层理。()缺少近地表的沉积特征,例如泥裂、盐晶体假象、陆生动物或者鸟的足迹。复理石可以从横向或者纵向过渡到非复理石相,过渡区一般厚度较大,逐渐出现非复理石特征(,)。大型交错层理一般是河流沉积的特征,但是也可能出现在浊积岩中,不同学者对其出现的原因有不同的推测(,;,;,)。()的实验研究对复理石的浊流
17、沉积成因解释提供了重要依据。大量的水槽实验证明浊积岩是一种高密度的浊流搬运、沉积的沉积物,而浊流的触发可能和孔隙流体压力的变化直接相关(,;,;,)。()对的复理石特征进行了综合分析,提出鲍马序列是浊流沉积的重要沉积特征。鲍马序列在沉积岩相关教材中有详细的描述,此处不再赘述。然而,仅有很少一部分浊积岩会发育完整的鲍马序列。()从流变学、沉淀方式的角度对比了高密度浊流和砂质碎屑流,认为砂质碎屑流是深海砂岩的另一重要成因,大部分的浊积岩可能是碎屑流沉积,而浊流和碎屑流可以在流动过程中共存和互相转换。砂质碎屑流和浊流沉积的主要区别在于粒序层理。浊流沉积发育粒序层理,砂质碎屑流不发育或者发育分层粒序层
18、理(,)。()关于复理石的沉积特征是从大量复理石的研究中总结出来的。因此,应将()列出的具深海相沉积特征的互层砂岩、页岩作为复理石的识别依据。 磨拉石磨拉石是在新生山体快速隆升和剥蚀的条件下形成的,其沉积特征据形成的构造环境不同而略有差异。前陆褶皱冲断带前缘挤压升高、稍后地区的弹性下弯()造成的这种盆地称为前陆盆地,有人称为“周缘前陆盆地”。有关前陆盆地磨拉石沉积特征综述的文献较少,前陆磨拉石盆地是研究造山作用的沉积响应的典型地区,这里仅给出前陆磨拉石盆地的沉积特征。磨拉石盆地是最具代表性的前陆盆地,地层充填时代经过精确的古地磁地质年代表矫正,是阿尔卑斯造山带向北发展的构造作用的沉积响应(,
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