晚中生代沂沭斷裂帶左旋韌性剪切與巖漿遷移規(guī)律

李 盛，倪金龍，張尚坤，申 穎

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590；2.海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室, 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室,山東 青島 266237；3.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 濟南 250013)

0 引 言

晚中生代華北克拉通巖石圈經(jīng)歷了強烈的減薄與破壞作用。作為巖石圈減薄中淺部的構(gòu)造響應(yīng)，華北克拉通分散發(fā)育了多個變質(zhì)核雜巖[1-4]、斷陷盆地[5-6]，經(jīng)歷了多期深大斷裂的活動與巖漿的侵入[7]。沂沭斷裂帶作為切割華北克拉通巖石圈的深大斷裂[8]，研究其巖漿活動的性質(zhì)與規(guī)律，對于揭示華北克拉通巖石圈的深部作用過程具有重要的指導(dǎo)意義。

沂沭斷裂帶作為郯廬斷裂帶的一部分，一直以來受到地質(zhì)學(xué)家的重視，諸多學(xué)者對其開展了大量的研究工作[5, 8-15]。前人研究表明，沂沭斷裂帶內(nèi)部及東側(cè)膠萊盆地主要以發(fā)育早白堊世安山巖為主，侵入巖較少發(fā)育[16-19]；沂沭斷裂帶西側(cè)噴發(fā)巖較少發(fā)育，侵入巖體則主要分布于NW向斷裂帶中，以中、基性侵入巖為主[16-22]；大型的侵入巖體主要分布于沂沭斷裂帶北端，如玲瓏巖體、郭家?guī)X巖體[23]。

噴發(fā)巖與大型侵入巖體對于沂沭斷裂帶的構(gòu)造活動研究具有重要的參考意義。相比沂沭斷裂帶外圍的巖漿活動，斷裂帶內(nèi)部的巖漿活動對于研究沂沭斷裂帶的構(gòu)造背景具有更重要的指導(dǎo)意義。

區(qū)域調(diào)查表明，沂沭斷裂帶內(nèi)部發(fā)育大量早白堊世火山巖和部分未知時代的侵入體與巖脈。為了精確了解侵入體的年齡及其構(gòu)造意義，筆者考察了沂沭斷裂帶內(nèi)部的莒縣浮來山淺成侵入體以及東側(cè)邊緣的莒南官坊巖體，對所采集的樣品進行了巖石學(xué)分析和鋯石U-Pb定年，結(jié)合前人對沂沭斷裂帶外圍侵入巖體年代學(xué)研究及五蓮變質(zhì)核雜巖的研究成果，總結(jié)區(qū)域晚中生代巖漿活動時代特征及其遷移規(guī)律，探討晚中生代時期沂沭斷裂帶的構(gòu)造背景與克拉通巖石圈減薄的時空關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景和巖體特征

沂沭斷裂帶是中國大陸東部巖石圈尺度的構(gòu)造邊界帶之巨型活動斷裂帶——郯廬斷裂帶的山東段，呈 NEE10°—NEE25°方向，沿著沂河、沭河及濰河展布，長約330 km，寬 20～60 km，縱貫山東中部，是魯東和魯西的分界斷裂[12-13]。

沂沭斷裂帶從東向西由4條斷裂構(gòu)成，分別為昌邑—大店斷裂(F1)、安丘—莒縣斷裂(F2)、沂水—湯頭斷裂(F3)、鄌郚—葛溝斷裂(F4)，4條斷裂構(gòu)成了“兩塹夾一壘”的構(gòu)造格局(圖1)，即安丘—莒縣地塹、汞丹山地壘和馬站—蘇村地塹[9]。地壘上主要出露基底變質(zhì)巖和局部的新元古界—古生界蓋層，而地塹中充填著下白堊統(tǒng)青山組(K1q)火山巖與陸相白堊系地層，指示該斷裂帶經(jīng)歷過白堊紀(jì)的伸展活動[12]。

沂沭斷裂帶內(nèi)、外中生代巖漿作用非常發(fā)育。斷裂帶內(nèi)侵入巖體規(guī)模較小，以淺成侵入巖或輝綠巖脈為主[24]；噴出巖規(guī)模較大，以早白堊世(106～122 Ma)安山巖分布最廣[5]，火山巖系呈長條狀分布在各地塹中(圖1)。斷裂帶以西的NW向斷裂的附近發(fā)育小規(guī)模的基性侵入巖體及花崗巖體；噴發(fā)巖也僅發(fā)育于NW向斷裂帶內(nèi)，規(guī)模較小，典型的火山巖分布區(qū)包括魯西的鄒平、蒙陰、費縣—平邑盆地及臨朐、沂源等地[11, 25-27]。魯東地區(qū)發(fā)育大規(guī)模的酸性侵入巖體[28]，緊鄰昌邑—大店斷裂(F1)發(fā)育，如官坊巖體、玲瓏巖體等；噴出巖的規(guī)模也較大，主要發(fā)育于膠萊盆地中(圖1)。

圖1 沂沭斷裂帶及其周邊斷裂和巖漿分布簡圖[11, 16-17, 21, 25, 29-30]Fig.1 Simplified geologic map of the Yishu fault zone and its surrounding areas, showing the distribution of major faults and magmatic bodies

研究區(qū)位于沂沭斷裂帶中段莒縣浮來山以及莒南縣官坊一帶(圖1)。浮來山巖體發(fā)育于斷裂帶內(nèi)部，為正長玢巖，沿斷裂帶發(fā)育，侵入古生代灰?guī)r中。野外露頭顯示巖體破碎，與古生代地層分別呈現(xiàn)斷層接觸與侵入接觸關(guān)系。巖體形成后仍遭受斷裂帶的切割，在巖體邊部的灰?guī)r中可見“半花狀”構(gòu)造，顯示巖體后期遭受了壓扭性構(gòu)造作用(圖2(a)和(b))。

莒南官坊巖體緊鄰沂沭斷裂帶東部的F1斷裂，規(guī)模較大，為石英正長巖體。巖體內(nèi)部斷裂面非常發(fā)育，沿斷裂面侵入閃長玢巖脈(圖2(c))，閃長玢巖脈遭受明顯的韌性變形，糜棱巖葉理面與鉀長石拉伸線理均非常發(fā)育(圖2(d))，鏡下可見鉀長石的旋轉(zhuǎn)殘斑(σ狀，示左旋剪切作用)及石英的條帶狀構(gòu)造(圖2(e))。此次發(fā)現(xiàn)的韌性剪切帶為首次發(fā)現(xiàn)，之前未見報道。

圖2 采樣點野外露頭特征 Fig.2 Outcrop photos of the sampling site(a) (b) 18YS12采樣點露頭；(c)17JN15-1采樣露頭；(d)遭受韌性剪切的閃長玢巖脈(樣品17JN15-2采樣點)；(e)(d)圖的薄片顯微照片，鉀長石構(gòu)成σ狀殘斑，示左旋剪切

2 樣品采集與巖石學(xué)特征

2.1 樣品采集

樣品采集于斷裂邊的正長玢巖體(35°35′21.5″N ,118°44′10.2″E)中，樣品編號18YS12；官坊巖體(35°7′33.5″N,118°44′7″E)中，樣品編號為17JN15-1和17JN15-2。將新鮮的巖石樣品磨制成薄片，在偏光顯微鏡下進行巖性鑒定。

巖石樣品破碎、鋯石挑選由北京天和信礦業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司完成。鋯石制靶與陰極發(fā)光(CL)顯微圖像采集在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所JOEL JXA-8900RL上進行，具體流程參見Xie等[31]。鋯石原位微區(qū)測試在中國冶金地質(zhì)總局山東測試中心的激光剝蝕等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)儀器上完成，激光束斑直徑為24 μm，實驗中采用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣。

測年數(shù)據(jù)利用GLITTER4.0軟件對鋯石的同位素及元素含量進行計算，參考鋯石91500(年齡為1 064 Ma)和NIST610進行元素分餾校正，具體方法見Jackson等[32]和Anderson等[33]。閃長玢巖的年齡數(shù)據(jù)采用206Pb/238U加權(quán)平均年齡(在ISOPLOT4.11上進行計算)，分析誤差為1σ，加權(quán)平均年齡具有95%的置信度。

2.2 巖石學(xué)特征

正長玢巖(樣品18YS12)為塊狀構(gòu)造，較細結(jié)構(gòu)，以灰白色為主；顯微鏡觀察表明，樣品無風(fēng)化現(xiàn)象，巖石具有等粒結(jié)構(gòu)，斑晶以正長石為主，少量(<5%)石英充填在蝕變的長石顆粒之間。方解石脈呈直線狀切穿正長玢巖(圖3(a)和(b))。

石英正長巖(樣品17JN15)具有塊狀構(gòu)造，中粗粒結(jié)構(gòu)，以肉紅色為主；粒度介于2～4 mm之間，主要礦物為石英(5%～10%)和正長石(>70%)，暗色礦物主要為角閃石，具有簡單雙晶，可見兩組解理，含有少量黑云母，呈片狀(圖3(c)和(d))。

圖3 定年巖石樣品顯微照片(正交偏光，(a)、(b)為樣品18YS12，(c)、(d)為樣品17JN15)Fig.3 Thin-section photomicrographs of the zircon U-Pb dated magmatic rock samples

閃長玢巖(樣品17JN15-1)呈糜棱狀構(gòu)造，主要由肉紅色的鉀長石和暗色的角閃石礦物組成，鉀長石呈現(xiàn)明顯的塑性拉長，形成線理，角閃石等暗色礦物定向，構(gòu)成面理(圖2(d)和(e))；顯微鏡下鉀長石旋轉(zhuǎn)殘斑發(fā)育(圖2(e))。

3 年代學(xué)分析

本文對浮來山巖體正長玢巖(18YS12)以及官坊巖體侵入巖樣品(17JN15-1、17JN15-2)進行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)分析，測試結(jié)果如表1所示。鋯石諧和圖以及部分鋯石陰極發(fā)光圖像見圖4。顆粒以短柱狀和渾圓狀為主，少量呈長柱狀，粒徑多集中于80～140 μm，長寬比多為1:1～2:1，鋯石形狀大多數(shù)為半自形到自形，還有部分不規(guī)則的形狀，均發(fā)育清晰的巖漿振蕩環(huán)帶。

圖4 沂沭斷裂帶浮來山巖體((a)和(d)，樣品18YS12)以及官坊巖體((b)(e)，樣品17JN15-1；(c)(f)17JN15-2)鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像和鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.4 Representative zircon CL images and concordia U-Pb diagrams for the Fulaishan pluton ((a) and (d), sample 18YS12) and Guanfang pluton ((b) and (e), sample 17JN15-1; (c) and (f), sample 17JN15-2) in the Yishu fault zone

表1 沂沭斷裂帶浮來山巖體(18YS12)以及官坊巖體(17JN15-1和17JN15-2)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果

樣品18YS12、17JN15-1和17JN15-2的Th/U值(0.72～2.14、1.21～2.51和1.33～3.67)均明顯高于典型的變質(zhì)鋯石(Th/U<0.1)，表明其屬巖漿成因鋯石[34]。

樣品18YS12的19個分析點獲得的206Pb/238U年齡變化于(111±12)～(142±8)Ma之間，加權(quán)平均年齡為(125.6±2.0)Ma(1σ，MSWD=0.41)，定年結(jié)果表明浮來山侵入巖體形成時代在125Ma左右，是早白堊世巖漿活動的產(chǎn)物。

樣品17JN15-1的20個分析點獲得的206Pb/238U年齡變化于(122±3)～(127±3)Ma之間，加權(quán)平均年齡為(125.1±1.7)Ma(1σ，MSWD=0.19)。侵入巖樣品17JN15-2的19個分析點獲得的206Pb/238U年齡變化于(120±2)～(125±7)Ma之間，加權(quán)平均年齡為(122.8±2.1)Ma(1σ，MSWD=0.27),以上定年結(jié)果表明官坊巖體是早白堊世巖漿活動的產(chǎn)物。

4 討 論

沂沭斷裂帶內(nèi)部及其兩側(cè)巖漿活動十分頻繁，因而發(fā)育了大量的巖漿巖。巖漿巖的時期主要分為兩大類，一類是太古宙的巖漿巖，包括部分前寒武紀(jì)巖漿巖[35]；第二類，主要為中生代的巖漿巖(圖1)。前寒武紀(jì)巖漿巖出露于沂沭斷裂帶的西側(cè)，它的出露可能與魯西隆起的整體抬升密切相關(guān)，但前寒武紀(jì)的巖漿侵入與沂沭斷裂帶沒有關(guān)聯(lián)[36]，因此本文中主要討論晚中生代發(fā)育的巖漿巖。

4.1 晚中生代巖漿活動特征

沂沭斷裂帶內(nèi)部晚中生代巖漿活動頻繁，綜合本次測年結(jié)果與前人已發(fā)表的數(shù)據(jù)，晚中生代巖漿活動的年齡集中于118～128 Ma，在這一階段內(nèi)，有兩個峰值：125 Ma、120 Ma(圖5(a))。

圖5 沂沭斷裂帶及周邊地區(qū)巖漿年齡分布直方圖[11, 16, 19-20, 23, 29-30, 41]Fig.5 Magmatic age histograms in/around the Yishu fault zone[11, 16, 19-20, 23, 29-30, 41]

125 Ma峰值與本次獲得的兩個巖體的年齡一致，與緊鄰沂沭斷裂帶東側(cè)的五蓮變質(zhì)核雜巖快速剝露的時期(123～128 Ma)相吻合[37]。眾所周知，變質(zhì)核雜巖的快速剝露與斷陷盆地的發(fā)育是巖石圈減薄與破壞作用在中、上地殼的典型響應(yīng)[38]。沂沭斷裂帶東側(cè)緊鄰諸城斷陷盆地與五蓮變質(zhì)核雜巖，123～128 Ma五蓮變質(zhì)核雜巖快速剝露與隆升[37]，諸城盆地快速沉積了巨厚的萊陽群，這是華北克拉通巖石圈減薄與破壞作用的重要表現(xiàn)。沂沭斷裂帶發(fā)育該時期的巖漿作用，是華北克拉通巖石圈減薄作用在該斷裂帶內(nèi)的地質(zhì)響應(yīng)，表明沂沭斷裂帶此時處于快速拉伸的狀態(tài)。

(續(xù))表1 沂沭斷裂帶浮來山巖體(18YS12)以及官坊巖體(17JN15-1和17JN15-2)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果

120 Ma年齡峰值與本次獲得的侵入石英正長巖的閃長玢巖脈年齡(122 Ma)接近，與五蓮變質(zhì)核雜巖后構(gòu)造巖體(坊子巖體、石場巖體)的時間(122 Ma)[39]相對應(yīng)，該時期五蓮變質(zhì)核雜巖處于快速伸展之后的相對緩慢的伸展階段[37]。與之對應(yīng)的是，諸城盆地大量發(fā)育該時期青山群火山巖[40]，表明巖石圈整體已經(jīng)減薄。沂沭斷裂帶發(fā)育此時的巖漿活動，可以理解為巖石圈緩慢伸展的地質(zhì)響應(yīng)。前人對發(fā)育于沂沭斷裂帶內(nèi)中北部(安丘、高橋)、中南部(莒縣、莒南)的噴發(fā)巖漿開展了巖石地球化學(xué)研究，獲得其結(jié)晶年齡為125～127 Ma的巖漿的87Sr/86Sr比值為0.707 678～0.711 259，εNd(t)為-15.2～-11.0，εHf(t)為-19.5～-2.2；120～122 Ma的巖漿87Sr/86Sr比值為0.707 502～0.709 238，εNd(t)為-20.5～-16.1，εHf(t)為-24.6～-16.4。前者巖漿源區(qū)為富集的巖石圈地幔與下地殼的混合，后者主要為地殼源區(qū)[24]，說明125～127 Ma快速伸展期間，沂沭斷裂帶的巖漿來源較深；隨著120～122 Ma區(qū)域伸展作用的減弱，巖漿來源變淺。

4.2 晚中生代巖漿遷移及區(qū)域構(gòu)造內(nèi)涵

沂沭斷裂帶作為切割巖石圈地幔的深大斷裂，晚中生代的巖漿活動體現(xiàn)了斷裂帶自身的活動特征及切割深度。從區(qū)域構(gòu)造的角度，沂沭斷裂帶的巖漿活動是膠東半島巖漿活動的一部分。

從巖漿形成的年齡來看，晚中生代最早形成的巖漿巖(177±4 Ma)位于魯西地區(qū)，該期巖漿發(fā)育于沂沭斷裂帶NW向分支斷裂(圖1)，此時膠東半島沒有明顯的巖漿活動，因而該期巖漿可能是沂沭斷裂帶活動引發(fā)，是一次相對孤立的巖漿事件。該時期古太平洋板塊裂解，大洋板塊初始以快速低角度俯沖[42]，沂沭斷裂帶此時受到來自大洋板塊較強的擠壓力。

160～140 Ma期間，魯東北部發(fā)生大規(guī)模的巖漿作用，巖漿的87Sr/86Sr比值為0.708 3～0.712 4，εNd(t)為-21.6～-17.6，εHf(t)為-28.7～-17.6；該期巖漿具有埃達克質(zhì)巖的性質(zhì)，可能來自加厚的下地殼的部分熔融[43](圖6)。此時沂沭斷裂帶內(nèi)部及魯西地區(qū)沒有明顯的巖漿活動(圖1，圖5(a)和(b))，但魯西地區(qū)發(fā)育了大量NNE軸向的箱狀褶皺及盲沖斷層[44]，顯示強烈的構(gòu)造擠壓推動了此次巖漿與構(gòu)造事件。該時期伊佐奈岐板塊低角度向NW方向快速俯沖[45-46]，與魯西地區(qū)構(gòu)造線走向近垂直，與魯東的巖漿巖時代一致，可能引起了膠東北部下地殼的增厚，并導(dǎo)致下地殼的部分熔融[43]。

135～130 Ma期間巖漿作用分布點較多，但單個巖體的規(guī)模不大，主要分布于魯西地區(qū)，沿沂沭斷裂帶NW向分支斷裂帶發(fā)育(圖1，圖5(b))。該時期的巖漿巖以高Mg閃長巖(濟南巖體、鐵銅溝巖體、金嶺巖體、上峪巖體)為主(圖6)，巖漿的(87Sr/86Sr)t值介于0.704 75～0.711 74之間，εNd(t)值介于-3.75～-16.60之間，原始巖漿起源于受陸殼物質(zhì)強烈改造的上地幔[19-20]。這些特征表明該時期沂沭斷裂帶的NW向分支斷裂開始控制了巖體的侵入活動，但作為主干斷裂的沂沭斷裂帶內(nèi)部卻缺少該時期的巖漿巖，可能與該時期沂沭斷裂帶的壓扭性構(gòu)造環(huán)境有關(guān)；該時期伊佐奈岐板塊的運動方向由前期的NW向俯沖轉(zhuǎn)為近N向俯沖[45-46]。

圖6 沂沭斷裂帶及其兩側(cè)晚中生代巖漿巖Sr、Nd同位素比值對比(數(shù)據(jù)據(jù)文獻[24, 39, 50])Fig.6 Diagram of εNd(t) vs.(87Sr/86Sr)t for the Late Mesozoic magmatic rocks in/around the Yishu fault zone (data after refs.[24, 39, 50])

125 Ma的巖漿作用，在魯東、魯西及沂沭斷裂帶內(nèi)部均有發(fā)育，但總體以沂沭斷裂帶東側(cè)邊緣及魯東地區(qū)巖體的規(guī)模較大(圖1，圖5)。大量的研究表明，該時期華北克拉通巖石圈經(jīng)歷了強烈的破壞與巖石圈減薄[47-48]，沂沭斷裂帶內(nèi)部及兩側(cè)的巖漿作用可理解為華北克拉通巖石圈減薄在該地區(qū)的一種響應(yīng)。

122 Ma的巖漿作用，是125 Ma巖漿作用的延續(xù)(圖5)，它們具有類似的(87Sr/86Sr)t值，但122 Ma巖漿的εNd(t)明顯小于125 Ma(圖6)，體現(xiàn)了巖漿源區(qū)由殼?；旌舷虻貧み^渡的特點。該期巖漿作用在魯西地區(qū)少見，主要分布于魯東東部地區(qū)，沂沭斷裂帶內(nèi)部少量分布(圖1，圖5)。該時期伊佐奈岐板塊再次向NWW向俯沖，并伴隨著俯沖板塊的回撤[8, 45-46]，一方面造成了華北克拉通巖石圈弧后拉張的伸展環(huán)境，另一方面導(dǎo)致了沂沭斷裂帶的左行走滑。這與本次發(fā)現(xiàn)閃長玢巖脈的左旋剪切及韌性變形相對應(yīng)。

綜上所述，沂沭斷裂帶內(nèi)部及兩側(cè)晚中生代巖漿作用的特點(圖7)，除了反映巖漿源區(qū)的變化規(guī)律，在平面上還存在著如下遷移規(guī)律：即巖漿作用率先在膠東半島北部爆發(fā)，隨后向魯西地區(qū)遷移，再向魯東東部轉(zhuǎn)移，總體構(gòu)成了逆時針遷移的特征(圖7)。巖漿的這種遷移時間正好對應(yīng)著伊佐奈岐板塊的俯沖方向、速度變化及后撤時間，充分表明了沂沭斷裂帶及周邊的巖漿作用受控于伊佐奈岐板塊的運動過程。

5 結(jié) 論

本文通過對沂沭斷裂帶晚中生代侵入巖體，浮來山巖體以及官坊巖體詳細的巖石學(xué)和年代學(xué)研究，得到以下認(rèn)識：

(1)首次發(fā)現(xiàn)沂沭斷裂帶內(nèi)巖漿巖的左行韌性剪切活動。韌性剪切作用于閃長玢巖脈，其鋯石U-Pb加權(quán)平均年齡為(122.8±2.1) Ma。

(2)沂沭斷裂帶內(nèi)浮來山正長玢巖體鋯石U-Pb年齡為(125.1±1.7) Ma，官坊石英正長巖體鋯石U-Pb年齡為(125.6±2.0) Ma。

(3)沂沭斷裂帶內(nèi)部巖漿活動的高峰期為125 Ma、122 Ma，前者與沂沭斷裂帶東側(cè)的五蓮變質(zhì)核雜巖快速剝露的時間(122～128 Ma)相吻合，表明沂沭斷裂帶在該時期處于巖石圈減薄與破壞強烈的時期；閃長玢巖脈122.8 Ma的結(jié)晶年齡，與五蓮變質(zhì)核雜巖后構(gòu)造巖體(石場、坊子巖體等)的結(jié)晶年齡一致，表明該時期沂沭斷裂帶伸展作用明顯減弱，同時也說明膠東半島巖石圈減薄具有時間上的一致性。

(4)晚中生代時期，沂沭斷裂帶兩側(cè)巖漿活動具有逆時針遷移的規(guī)律，這一規(guī)律可能與伊佐奈岐板塊向歐亞板塊俯沖的方向、角度、速度的變換有關(guān)。