興蒙造山帶西南緣早古生代晚期變形帶的變形特征與白云母Ar-Ar 年齡*

廖聞 徐備＊＊ 鮑慶中 周永恒

LIAO Wen1，XU Bei1＊＊，BAO QingZhong2 and ZHOU YongHeng2

1. 北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

2. 沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，沈陽 110034

1. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution，Ministry of Education;School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China

2. Shenyang Institute of Geology and Mineral Resource，Shenyang 110034，China

2014-04-10 收稿，2014-09-01 改回.

1 引言

構(gòu)造變形是指示造山作用的重要標(biāo)志之一，在造山帶不同構(gòu)造層次、不同構(gòu)造單元之中存在著不同類型的構(gòu)造變形。例如在前陸盆地中常以褶皺和逆沖斷層體系為特征(DeCelles and Giles，1996;李本亮等，2009;劉樹根等，2005;劉和甫，1995;陳書平等，2001)，而在縫合帶中則表現(xiàn)為加積楔或混雜巖的強烈韌性變形(Fukui and Kano，2007;Kim et al.，2004;MacPherson et al.，2006;Keighley et al.，2009)。興蒙造山帶以“軟碰撞、弱造山”為特征，很少有大規(guī)模的超高壓變質(zhì)作用及變形帶(邵濟安等，1991)，而以中部層次的褶皺變形、韌性剪切變形為特征(胡驍?shù)龋?990;徐備和陳斌，1997;Xu et al.，2013)。例如胡驍?shù)?1990)詳細(xì)研究了興蒙造山帶南部溫都爾廟群的變性特征，認(rèn)為溫都爾廟群具有4 期褶皺疊加變形，第一期變形與不均勻徑向運動造成的局部巖石塑性流動變形有關(guān);第二期和第三期變形與南北向或近南北向的區(qū)域擠壓力有關(guān)，是古亞洲洋板塊向南俯沖擠壓的結(jié)果(祁思敬等，1979;郭鋒等，2009);而第四期變形則受到東西向的區(qū)域性擠壓。Xu et al.(2013)在興蒙造山帶中部識別出溫都爾廟群洋殼單元的緊閉多期褶皺變形、前陸盆地的連續(xù)褶皺變形和縫合帶混雜巖中發(fā)生的韌性剪切變形，并討論了它們與板塊俯沖構(gòu)造格局的關(guān)系。Shi et al.(2013)研究了溫都爾廟和紅旗牧場地區(qū)混雜巖帶的幾何學(xué)和運動學(xué)特征，識別出了3 期構(gòu)造變形，并推測了地殼規(guī)模的區(qū)域變形。Xiao et al.(2003)描述了烏蘭溝地區(qū)溫都爾廟群的構(gòu)造變形特征。De Jong et al.(2006)通過Ar/Ar 定年方法測定了該區(qū)與俯沖有關(guān)的多硅白云母年齡，表明溫都爾廟群俯沖增生雜巖中石英質(zhì)糜棱巖的動態(tài)重結(jié)晶和韌性變形發(fā)生在450Ma 左右，提供了溫都爾廟雜巖構(gòu)造年代學(xué)數(shù)據(jù)，并提出這些變形是早古生代造山作用過程中的結(jié)果。

雖然對溫都爾廟和紅旗牧場地區(qū)早古生代構(gòu)造變形研究取得一系列成果，但這些構(gòu)造變形帶如何向東、西方向延伸及其相關(guān)的時代證據(jù)等，都未見進一步報道。筆者在溫都爾廟-紅旗牧場以西約150km 的圖古日格地區(qū)(圖1)發(fā)現(xiàn)了一條變形帶，對其進行了構(gòu)造巖石學(xué)和構(gòu)造年代學(xué)測定，并討論了其與早古生代造山帶時空演化的關(guān)系。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

興蒙造山帶位于中亞造山帶的東部地區(qū)，由中古生代的雙沖造山帶組成(圖1)，東西延伸約550km，包括弧巖漿帶、混雜巖帶、磨拉石盆地等造山帶構(gòu)造單元。其中北造山帶位于錫林浩特至艾力格廟一帶，南造山帶從西部圖古日格地區(qū)向東經(jīng)溫都爾廟延至鑲黃旗以北。南、北造山帶之間為松遼-渾善達(dá)克地塊和俯沖洋殼(Xu and Chen，1993;Xu et al.，2013;Jian et al.，2008，2010)。研究區(qū)位于圖古日格地區(qū)，屬興蒙造山帶南帶的西端(圖1)。由北至南可以劃分出俯沖洋殼褶皺帶、混雜巖帶、弧前帶、島弧帶、弧后前陸盆地和克拉通等六個構(gòu)造單元(圖2)，分述如下。

俯沖洋殼褶皺帶以早古生代溫都爾廟群為代表(聶鳳軍等，1994;吳泰然等，1998;張臣和吳泰然，1998)，主要巖性為絹云石英片巖、含鐵石英巖及綠片巖等，發(fā)育透入性片理和兩期褶皺(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991;李文國等，1996;唐克東等，1983;唐克東，1992;Xu et al.，2013)。近年來有學(xué)者根據(jù)溫度爾廟群下部玄武巖的鋯石年代認(rèn)為溫度爾廟群屬于二疊紀(jì)至早中生代陸內(nèi)洋盆演化的產(chǎn)物(初航等，2013;張晉瑞等，2014)。

混雜巖帶出露于北部的俯沖洋殼褶皺帶和南部的弧巖漿帶之間，東西向斷續(xù)出露約10km，露頭最寬可達(dá)2km ×4km?；|(zhì)由綠片巖和石英片巖組成，并顯示出強烈的透入性變形;巖塊包括超基性巖、基性巖、白云母片巖、角閃石片巖和花崗巖等，大小為0.02 ～30m。

圖1 興蒙造山帶構(gòu)造單元圖(據(jù)Xu et al.，2013;Zhou et al.，2009;Zhou and Wilde，2013)Fig.1 Tectonic units of the Xing’an-Mongolia Orogenic Belt (after Xu et al.，2013;Zhou et al.，2009;Zhou and Wilde，2013)

弧前帶即為本文所指的變形帶，由奧陶紀(jì)白云山組砂巖夾灰?guī)r的變形巖石組成，東西向延伸約20km，南北寬約2 ～4km。白云山組屬于濱海相沉積環(huán)境，灰?guī)r中含大量珊瑚化石，內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局(1991)據(jù)化石時代將其定為奧陶紀(jì)早期臨湘期至五峰期沉積，對應(yīng)的年代應(yīng)為460 ～446Ma，但考慮其到被453 ±5Ma 的閃長巖侵入(見下述)，故白云山組的形成時代約為460 ～453Ma。

島弧帶包括早-中奧陶世包爾汗圖群島弧火山巖和閃長巖帶。其中島弧火山巖出露于研究區(qū)東部，由玄武巖、英安巖、流紋巖等組成，含紅色和綠色燧石巖夾層;島弧閃長巖帶位于島弧火山巖以南并侵入于奧陶紀(jì)白云山組之中，東西延伸約12km，其形成時代為453 ±5Ma(Xu et al.，2013)，發(fā)育南傾片理，并遭受了低綠片巖相變質(zhì)作用。

弧后前陸盆地由志留紀(jì)徐尼烏蘇組粉砂巖和砂巖復(fù)理石組成，分布廣泛，厚度巨大，物源成分均來自造山帶和古老陸殼。

克拉通單元由太古代和早元古代寶音圖群和侵入其內(nèi)的巖漿巖組成，為一套經(jīng)歷復(fù)雜構(gòu)造變形、具有綠片巖相到角閃巖相中低級變質(zhì)的巖系，代表華北克拉通變質(zhì)基底(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991;徐備，1998，1999;邵濟安和唐克東，1995;邵濟安等，2013)。

上述六個構(gòu)造單元之間均為斷層接觸關(guān)系，根據(jù)它們的空間展布位置可以恢復(fù)一個從北向南俯沖的早古生代造山帶(Xu et al.，2013)。

3 構(gòu)造變形帶的組成和變形特征

構(gòu)造變形帶從西向東延伸20km，由奧陶紀(jì)白云山組石英片巖、白云母石英片巖、片理化灰?guī)r和石英砂巖組成。片理穩(wěn)定傾向南東，但透入性不均。筆者選取研究區(qū)東段巴潤巴彥以南地區(qū)進行了構(gòu)造剖面測量，以區(qū)分不同變形程度并重點研究強變形帶的巖石學(xué)和構(gòu)造年代學(xué)。剖面可分為20層(圖3):

(未見頂)

第20 層:灰-灰黑色變余石英砂巖，厚198m

第19 層:灰色亮晶內(nèi)碎屑灰?guī)r，厚26m

第18 層:灰色層變形含云石英片巖，厚42m

第17 層:灰色層紋狀泥晶灰?guī)r夾黑色弱變形石英粉砂巖，厚51m

第16 層:灰紫色弱變形石英細(xì)砂巖夾白色石英砂巖，厚46m

第15 層:灰褐色白云母石英片巖，厚112m

第14 層:灰紫色變余石英細(xì)砂巖夾灰色片理化大理巖，厚31m

第13 層:黑色層片理化微晶大理巖，厚6m

第12 層:灰褐色石英片巖，厚74m

圖2 研究區(qū)構(gòu)造單元(據(jù)Xu et al.，2013)Fig.2 Tectonic units in study area (after Xu et al.，2013)

圖3 奧陶紀(jì)白云山組剖面Fig.3 Cross-section of the Ordovician Baiyunshan Formation

第11 層:灰色紋片理化大理巖和變質(zhì)石英砂巖，厚21m

第10 層:灰色白云母石英片巖與石英粉砂巖互層，厚9m

第9 層:灰褐色白云母石英片巖，厚10m

第8 層:紫紅色片理化白云母石英片巖，厚39m

第7 層:灰白色片理化大理巖，厚9m

第6 層:灰紫色白云石英片巖，厚43m

第5 層:紫紅色白云母石英片巖，厚34m

第4 層:灰白色變形石英片巖，厚16m

第3 層:灰黑色中等變形石英片巖，厚77m

第2 層:灰色弱片理化微晶內(nèi)碎屑灰?guī)r，厚5m

第1 層:灰色弱變形石英片巖，厚＞80m

(未見底)

上述剖面顯示白云山組變形帶由變形程度不均的碎屑巖夾碳酸鹽組成。野外觀察顯示剖面中部變形強度最強，向北向南逐漸減弱。根據(jù)實測剖面，結(jié)合樣品中變質(zhì)新生礦物白云母的含量，可將剖面(圖3)從北至南分為四個不同強度的變形亞帶。第一亞帶由1 ～4 層組成，厚約200m，野外片理化程度相對較弱，巖石發(fā)生了較弱或中等程度的變形，但缺少新生的變質(zhì)變形礦物白云母(圖4g);第二亞帶由6 ～15層組成，厚度超過450m，片理化程度高，并發(fā)育有二期構(gòu)造變形(圖4a，c)，樣品中白云母含量增加，最多可達(dá)到15%以上。該亞帶內(nèi)灰?guī)r發(fā)生剪切變形(圖4b)，可見到被拉長的碎屑顆粒;第三亞帶由16 ～18 層組成，厚約100m，片理化程度降低，白云母的含量減少;第四亞帶由19 ～20 層組成，厚度在200m 以上，變質(zhì)變形程度低甚至沒有發(fā)生變質(zhì)，其中的灰?guī)r基本沒有經(jīng)過剪切作用。

通常通過石英顆粒的變形組構(gòu)來推斷韌性變形的強度，例如波狀消光與帶狀消光、動態(tài)重結(jié)晶與靜態(tài)重結(jié)晶分別代表著不同的變形強度(紀(jì)沫等，2008;王新社等，2001;楊天南和徐宏順，2008;劉勁鴻，2001;葛廣福，1989)。研究區(qū)4 個變形亞帶中典型樣品的鏡下特征十分明顯。弱變形帶中的石英顆粒為波狀消光，具有弱的定向性，動態(tài)重結(jié)晶現(xiàn)象較弱，缺少或者含極少量的白云母;在強變形帶中，石英顆粒經(jīng)歷了動態(tài)重結(jié)晶，隨著變形強度的增加，定向性也逐漸增強，在部分樣品中可以見到三聯(lián)點結(jié)構(gòu)，表明動態(tài)重結(jié)晶有向靜態(tài)重結(jié)晶轉(zhuǎn)變的趨勢。強變形帶石英片巖中白云母的含量顯著增加，最高達(dá)15%左右(圖4f，h)。隨著變質(zhì)變形強度的增加，白云母定向性也顯著增強?；?guī)r中也能見到被剪切拉長的內(nèi)碎屑顆粒(圖4e);而在未變形或者變形程度很淺的第四個帶中，薄片下只能觀測到顆粒的弱定向性，其它變形變質(zhì)特征不明顯。

溫度與變質(zhì)條件呈一定的對應(yīng)關(guān)系，通過石英顆粒的顯微組構(gòu)可以半定量地估計溫度條件。用于判別溫度的顯微組構(gòu)主要是動態(tài)重結(jié)晶和靜態(tài)重結(jié)晶。對于動態(tài)重結(jié)晶來說，隨著變質(zhì)程度的增加，重結(jié)晶的方式由膨凸到亞晶粒旋轉(zhuǎn)再到顆粒邊界遷移。石英的動態(tài)重結(jié)晶開始于約300℃溫度環(huán)境下，在300 ～400℃區(qū)間表現(xiàn)為顆粒邊界的膨凸，在400 ～500℃區(qū)間表現(xiàn)為亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶，而在500℃以上呈現(xiàn)為顆粒邊界遷移重結(jié)晶。而靜態(tài)重結(jié)晶相對要比動態(tài)重結(jié)晶的溫度高(紀(jì)沫等，2008;王新社等，2001;楊天南和徐宏順，2008;葛廣福，1989)。通過分析剖面樣品薄片發(fā)現(xiàn)，弱變形帶樣品的薄片中大多數(shù)石英顆粒邊界形態(tài)各異，有鋸齒狀、縫合線狀，顆粒之間呈現(xiàn)出膨凸的重結(jié)晶形態(tài)(圖4g)。少數(shù)樣品變形溫度較高，形成亞晶粒旋轉(zhuǎn)動態(tài)重結(jié)晶;強變形帶樣品的薄片中石英顆粒大部分為亞晶粒旋轉(zhuǎn)動態(tài)重結(jié)晶，局部為顆粒邊界遷移結(jié)晶。有部分靜態(tài)重結(jié)晶顆粒，呈近似等粒狀、邊緣平直，發(fā)育有三聯(lián)點結(jié)構(gòu)(圖4d)，且石英顆粒為均勻消光。推測其處于動態(tài)重晶向靜態(tài)重結(jié)晶過渡的趨勢，其形成溫度可能比正常狀態(tài)下的動態(tài)重結(jié)晶溫度要高。根據(jù)前述溫度與石英組構(gòu)的關(guān)系，我們推測強變形亞帶的變形溫度范圍約為350 ～500℃之間(葛廣福，1989;楊天南和徐宏順，2008)。這一溫度區(qū)間高于或近于白云母的封閉溫度，可以使白云母的同位素體系重置，因此白云山組強變形帶中白云母的年齡可以代表變形年代。

圖4 強變形帶野外露頭和鏡下照片(a)中等變形強度的大理巖和石英巖;(b)片理化大理巖;(c)強變形的白云母石英砂巖;(d)石英的三聯(lián)點結(jié)構(gòu);(e)為(b)的鏡下照片;(f、h)為(c)的鏡下照片;(g)為(a)的鏡下照片F(xiàn)ig. 4 The field and microscopic photographs of strong deformation zone(a)medium deformation marble and quartzite;(b)foliated marble;(c)strong deformation quartz sandstone;(d)triple junction of quartz;(e)microscopic photographs of (b);(f，h)microscopic photographs of (c);(g)microscopic photographs of (a)

4 白云母Ar-Ar 年代學(xué)數(shù)據(jù)及解釋

樣品D3312 取自奧陶紀(jì)白云山組強變形帶中的白云母石英片巖(GPS 42°20′48″，117°38′46″)，其組成及變形特征類似于圖4f，h，由石英75%、白云母10%、長石15%組成。野外觀察白云母順片理分布，大者約0.5cm，一般長為1 ～2mm。樣品經(jīng)清洗烘干后破碎至60 ～80 目，通過磁選和重液分選選出單礦物，重量0.12g。白云母樣品被封進石英瓶后送中國原子能科學(xué)研究院核反應(yīng)堆接受中子照射，使用H4孔道，中子流密度約為2.60 ×1013n·cm-2S-1。照射總時間為1440min，積分中子通量為2.25 ×1018n·cm-2;照射參數(shù)J=0.00847，同期接受中子照射的還有用做監(jiān)控樣的標(biāo)準(zhǔn)樣:ZBH-25 黑云母標(biāo)樣，其標(biāo)準(zhǔn)年齡為132.7 ±1.2Ma，K 含量為7.6%。樣品經(jīng)照射后在中科院地質(zhì)研究所的RGA-10 氣體源質(zhì)譜上采用12 個階段加熱測定(表1)。所有的數(shù)據(jù)在回歸到時間零點值后再進行質(zhì)量歧視校正、大氣氬校正、空白校正和干擾元素同位素校正。中子照射過程中所產(chǎn)生的干擾同位素校正系數(shù)通過分析照射過的K2SO4和CaF2來獲得，其值為:(36Ar/37Aro)Ca= 0.0002389，(40Ar/39Ar)K=0.004782，(39Ar/37Aro)Ca=0.000806。37Ar 經(jīng)過放射性衰變校正;40K 衰變常數(shù)λ=5.543 ×10-10y-1;用ISOPLOT 程序計算坪年齡及正、反等時線(陳文等，2011;Ludwig，2001a，b)。樣品的坪年齡圖和等時線圖見圖5。在圖5a 中，樣品等時線年齡為440.3 ±7.2Ma，40Ar/36Ar 為291。在對應(yīng)的圖5b中，中-高溫坪由第6-11 階段構(gòu)成，坪年齡為440.1 ±0.8Ma;40Ar/36Ar 比值為293，表明沒有過剩氬存在，且中-高溫階段39Ar 析出量為68.9%，因此該年齡是可信的。低溫坪(420 ～650℃)的3 個階段構(gòu)成285.9 ±2.7Ma 的坪年齡，39Ar 析出量為13.18%，其意義有待探討，可能反映后期疊加的熱事件。

表1 白云山組白云母Ar/Ar 測年結(jié)果Table 1 Results of Ar/Ar age dating for the muscovite from Baiyunshan Formation

圖5 白云母年齡譜圖和等時線年齡Fig.5 Step-heating age spectra and isochron plots for muscovite

5 討論

前已述及，研究區(qū)強變形帶所經(jīng)歷的變質(zhì)變形溫度大部分在400℃以上，少數(shù)達(dá)到500℃，所以白云母石英片巖中的白云母經(jīng)歷了同位素的重置，用這類白云母測得的年齡能夠反映其變形年齡(Larson et al.，2006;Culshaw et al.，2012)。因此，我們將樣品的等時線年齡440.3 ±7.2Ma 解釋為變形年齡。

造山帶中韌性變形帶是造山作用的重要標(biāo)志，對韌性變形帶的構(gòu)造年代學(xué)研究可限定造山作用的時代。白云母Ar/Ar 年代學(xué)作為重要的方法之一，在約束造山帶形成時代方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用(Hicks et al.，1999;Verdel et al.，2012;Dallmeyer et al.，1999)。例如郗愛華等(2006)，通過對吉林省中南部地區(qū)的藍(lán)晶石片巖中云母的Ar/Ar 年代學(xué)研究，查明該區(qū)古亞洲-蒙古洋閉合及碰撞造山的時限為302 ～225Ma，且造山作用可能經(jīng)歷了由碰撞造山到陸+陸疊覆造山的連續(xù)過程;De Jong et al.(2006)通過對溫都爾廟地區(qū)的多硅白云母的Ar/Ar 年代學(xué)研究，分析了該區(qū)早古生代造山運動的時限，獲得450Ma 的年齡時限并推測具有兩階段的演化特征;Mohammad et al.(2014)通過對Daraban 地區(qū)的淺色花崗巖中的白云母的Ar/Ar 年代學(xué)研究，得出了該區(qū)與碰撞相關(guān)的巖漿侵位和變質(zhì)事件年齡，反演了該區(qū)的碰撞造山過程，并得出38Ma 的年齡時限。樣品D3312 的中高溫坪年齡為440Ma，反映了一次重要的構(gòu)造熱事件，代表早古生代末的變形事件。Xu et al.(2013)在本區(qū)的研究指出，該造山帶的形成經(jīng)歷了500 ～450Ma 的溫都爾廟群洋殼俯沖和450 ～440Ma 的碰撞造山過程?？紤]到樣品所在構(gòu)造位置為造山帶的弧前或島弧地區(qū)，是板塊作用發(fā)生的高應(yīng)變帶，因此該年齡應(yīng)代表與碰撞造山過程有關(guān)的擠壓變形事件的發(fā)生時代。

前人的研究成果表明興蒙造山帶的南造山帶中段溫都爾廟地區(qū)發(fā)育以藍(lán)片巖和多硅白云母為特征的高壓變質(zhì)事件，其時代分別為445.6 ±1.5Ma，453.2 ±1.8Ma 和449.4 ±1.8Ma(唐克東，1992;De Jong et al.，2006)，表明南造山帶的造山作用發(fā)生時代。本次在溫都爾廟地區(qū)以西150km 的圖古日格地區(qū)發(fā)現(xiàn)的強變質(zhì)帶，其時代(440.3 ±7.2Ma)與溫都爾廟地區(qū)高壓變質(zhì)事件在誤差范圍內(nèi)相同，這說明兩個地區(qū)都受到早古生代末期造山作用的影響，也為南造山帶的延伸提供了證據(jù)。此外研究區(qū)變形帶內(nèi)廣泛發(fā)育南傾片理，與溫都爾廟群洋殼向南俯沖形成南造山帶的板塊構(gòu)造背景一致，但變形期次及其與變質(zhì)作用的關(guān)系尚待進一步研究。

6 結(jié)論

(1)圖古日格地區(qū)發(fā)育的奧陶紀(jì)白云山組變形帶由強和弱變形亞帶組成，石英組構(gòu)分析表明強變形帶中發(fā)生了動態(tài)重結(jié)晶向靜態(tài)重結(jié)晶的轉(zhuǎn)變。這條變形帶的發(fā)現(xiàn)為解釋圖古日格地區(qū)造山帶格局提供了構(gòu)造變形方面的證據(jù)。據(jù)石英組構(gòu)推測強變形亞帶的變形溫度范圍約為350 ～500℃之間。這一溫度區(qū)間高于或近于白云母的封閉溫度，可以使白云母的同位素體系重置，因此白云山組強變形帶中白云母的年齡可以代表變形年代。

(2)采自強變形亞帶的白云母Ar/Ar 等時線年齡為440.3 ±7.2Ma，考慮到樣品所在地構(gòu)造位置為造山帶的弧前或島弧地區(qū)，是板塊俯沖作用的高應(yīng)變帶，因此該年齡應(yīng)代表與俯沖有關(guān)的擠壓變形事件的發(fā)生時代，即反映早古生代末期造山作用的時代。

(3)圖古日格地區(qū)變形帶的形成時代與溫都爾廟地區(qū)高壓變質(zhì)事件在誤差范圍內(nèi)相同，說明兩個地區(qū)都受到早古生代末期造山作用的影響，也表明興蒙造山帶的南造山帶從西部圖古日格地區(qū)向東沿延至溫都爾廟地區(qū)。致謝 野外工作得到史冠中、李瑞彪等的幫助;中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的桑海清、胡世玲研究員完成年齡測定;在此表示感謝。

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