造山帶中縫合面結(jié)構(gòu)特征與構(gòu)造意義*

陳藝超 張繼恩 田忠華 閆全人 侯泉林 肖文交, , 4

1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

2. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

4. 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所礦產(chǎn)資源研究中心，烏魯木齊 830011

造山帶是板塊之間匯聚作用的產(chǎn)物，因而縫合帶(suture, suture zone, suture line)這一概念應(yīng)運(yùn)而生，用以區(qū)隔相互匯聚的兩個(gè)板塊(Dewey, 1977)。盡管對(duì)縫合帶的含義和對(duì)應(yīng)標(biāo)志存在諸多爭(zhēng)議，這一概念仍然在造山帶解剖中占據(jù)非常重要的位置。這個(gè)虛擬的界面區(qū)分了匯聚板塊邊界的上盤(pán)和下盤(pán)，是把造山帶展開(kāi)為古洋盆和相向而行的兩個(gè)陸塊的出發(fā)點(diǎn)(Dewey, 1977; Xiaoetal., 2017)。

在解析造山帶的過(guò)程中，沉積大地構(gòu)造學(xué)是非常重要的工具之一。從俯沖到碰撞，在造山帶演化的不同階段，匯聚板塊邊界的上盤(pán)和下盤(pán)會(huì)發(fā)育不同的沉積盆地；這些盆地中沉積相和物源的變化、沉積地層的變形序列、以及盆地之間的替代和繼承關(guān)系，客觀記錄了造山帶演化的詳細(xì)過(guò)程(Dickinson, 1974; Ingersoll, 1988; 李繼亮等, 2013)。在單向俯沖系統(tǒng)的俯沖階段，下盤(pán)外來(lái)陸塊邊緣和洋殼接合部位會(huì)發(fā)育典型的被動(dòng)型大陸邊緣沉積，而在碰撞階段，這套沉積會(huì)卷入前陸逆沖褶皺沖斷帶，并在其上形成周緣前陸盆地沉積(Ingersoll, 1988; 侯泉林等, 2018)。

這些造山帶中的盆地提供了從俯沖到碰撞的詳細(xì)地層記錄。沉積相的變化往往是碰撞造山的直接響應(yīng)。如從被動(dòng)陸緣轉(zhuǎn)換為周緣前陸盆地的過(guò)程中，被動(dòng)陸緣的最年輕復(fù)理石的最大沉積時(shí)限可作為碰撞事件的下限，而周緣前陸盆地中的最早磨拉石沉積可作為碰撞事件發(fā)生的上限(丁林等，2017；侯泉林等, 2018)。沉積物碎屑顆粒的組成也可為沉積盆地的性質(zhì)提供約束(李繼亮等，1999)，如砂巖中石英、長(zhǎng)石、巖屑三者的含量可指示盆地源區(qū)的性質(zhì)(Dickinson, 1974; Dickinsonetal., 1983；Yanetal., 2014)；而沉積巖全巖化學(xué)成分也可用于盆地性質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境示蹤(Bhatia, 1983; Bhatia and Crook, 1986；Yanetal., 2014)。沉積盆地的物源變化也能夠迅速響應(yīng)構(gòu)造事件，如在被動(dòng)陸緣沉積體系被前陸盆地沉積置換后，原本被動(dòng)陸緣的單向物源就會(huì)被前陸位置的雙向物源替換；這可以從古水流方向的變化、碎屑重礦物組分的變化、以及近年來(lái)新興的碎屑鋯石年齡頻譜等方面予以識(shí)別(丁林等，2017；胡修棉等，2017；Xiaoetal., 2017)。特別地，碎屑鋯石頻譜是研究造山帶中盆地沉積序列的重要工具之一。由于島弧強(qiáng)烈的巖漿作用以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的抬升，島弧自身往往會(huì)給周圍的沉積盆地運(yùn)輸大量的碎屑物質(zhì)，其中不乏帶有島弧活動(dòng)信息的鋯石，這就造成同島弧物源相關(guān)的沉積盆地往往都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)顯著的、年輕的、同島弧活動(dòng)時(shí)代一致的年齡峰(Cawoodetal., 2012)。在沉積古地理格局清楚的情況下，在下盤(pán)的沉積盆地中監(jiān)控何時(shí)出現(xiàn)上盤(pán)島弧的特征譜峰，可為追蹤碰撞事件提供一定的制約(DeCellesetal., 2004; Weislogeletal., 2006; Cawoodetal., 2007; Wangetal., 2010; Wuetal., 2010; Gehrels, 2014; Zhangetal., 2017)。此外，在增生型造山帶內(nèi)，多條島弧的聚合過(guò)程是造山帶演化的關(guān)鍵問(wèn)題(Windleyetal., 2007; Xiaoetal., 2010, 2015; Heetal., 2013; Xiao and Santosh, 2014; Safonovaetal., 2017; Yanetal., 2019)。在這些島弧相關(guān)的沉積盆地內(nèi)監(jiān)控碎屑鋯石物源變化，為還原島弧-島弧之間的聚合過(guò)程提供依據(jù)，這種方法在涉及到洋內(nèi)弧和大陸弧之間的聚合時(shí)尤為有效(Chenetal., 2017, 2020; Baietal., 2020)。

然而，沉積大地構(gòu)造學(xué)工具的應(yīng)用，首先需要對(duì)盆地性質(zhì)做出準(zhǔn)確判斷；特別是應(yīng)用碎屑鋯石物源分析工具時(shí)，限定盆地是處于上盤(pán)還是下盤(pán)是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。這就有賴于對(duì)造山帶結(jié)構(gòu)的精確解剖，特別是對(duì)縫合帶位置的準(zhǔn)確限定(Xiaoetal., 2017)。例如，位于俯沖帶上盤(pán)的增生楔頂部的斜坡盆地，和位于俯沖帶下盤(pán)的碰撞后形成的前陸盆地，都可以形成濁積巖/碳酸鹽巖沉積被淺水粗砂礫巖沉積置換的沉積序列；二者之間都可以發(fā)育不整合面。在斜坡盆地中的沉積物在俯沖階段就很容易接受上盤(pán)島弧的特征峰值；而在前陸盆地中，上盤(pán)島弧物源的輸入則代表雙向物源出現(xiàn)，碰撞已經(jīng)發(fā)生(Zhangetal., 2017)。同一個(gè)盆地，同一套沉積序列，如果誤判了盆地性質(zhì)，就會(huì)得出截然不同的結(jié)論(Zhangetal., 2017)。因而，準(zhǔn)確找到造山帶中的縫合帶位置，對(duì)判別造山帶相關(guān)沉積盆地的原始位置和性質(zhì)至關(guān)重要。本文從阿爾卑斯、喜馬拉雅、東準(zhǔn)噶爾、和蘇魯-大別四個(gè)造山帶的實(shí)例出發(fā)，結(jié)合理論推演，系統(tǒng)討論了造山帶中縫合面的結(jié)構(gòu)、樣式，特別是逆沖推覆構(gòu)造和走滑構(gòu)造對(duì)縫合面在地表出露形態(tài)的影響，旨在為理解世界各地不同造山帶內(nèi)的縫合面位置和形態(tài)提供示例。

1 縫合面位置與判別標(biāo)志

1.1 縫合面與縫合帶的關(guān)系

縫合帶(suture, suture zone, suture line)的概念目前較為混亂。在俯沖造山階段，海溝中的主滑脫面明確地區(qū)分了下行俯沖大洋板塊和上部板塊；然而，在碰撞造山階段，縫合帶的概念是模糊的，在有時(shí)縫合帶一詞僅僅指代某條特殊的斷層或某個(gè)狹窄的強(qiáng)應(yīng)變帶，而有時(shí)則指代整個(gè)造山過(guò)程中形成的寬闊俯沖增生雜巖(圖1a, b；Dewey, 1977;eng?r, 1992; Xiaoetal., 2017)。有學(xué)者認(rèn)為這和造山帶的類型有關(guān)，只有碰撞型造山帶才發(fā)育清晰的，狹窄的，線狀的縫合帶(Dewey, 1977;eng?r, 1992;eng?r and Natal’in, 1996)，而增生型造山帶則相對(duì)復(fù)雜，可能會(huì)：(1)不發(fā)育明顯的縫合帶，整個(gè)寬廣的造山帶在某種意義上就是兩個(gè)板塊之間的縫合帶(eng?r, 1992; Sengor and Okurogullari, 1991)；(2)由于地體增生逐次發(fā)育多條縫合帶但存在一個(gè)“最終的”縫合帶(Terminal suture)(Dewey, 1977; 李繼亮等, 1993; 李繼亮, 2004, 2009; Aitchison and Buckman, 2012; Xiaoetal., 2017)。在應(yīng)用沉積大地構(gòu)造方法時(shí)，這種含糊性是應(yīng)當(dāng)予以避免的，因?yàn)楫?dāng)縫合帶指代整個(gè)造山帶時(shí)，縫合帶的位置對(duì)于限定造山帶內(nèi)部的盆地性質(zhì)毫無(wú)幫助。

圖1 縫合帶和縫合面在碰撞階段(a、c)和俯沖階段(b、d)的位置示意(據(jù)Xiao et al., 2017修改)Fig.1 The location of suture and suture interface in collision stage (a, c) and subduction (b, d) stage (modified after Xiao et al., 2017)

Xiaoetal.(2017)指出俯沖帶上盤(pán)和下盤(pán)之間的物源分隔是明確的，可以找到一張不存在厚度的界面將之區(qū)分開(kāi)，而這個(gè)界面在俯沖階段就是海溝下隱伏的俯沖帶主滑脫面，也即增生雜巖的底界(圖1c, d)；碰撞后，這一界面仍然得以保留。為了和不同文獻(xiàn)中、不同尺度的縫合帶的概念予以區(qū)分，本文以“縫合面”指代這個(gè)區(qū)分上下盤(pán)物源的面。不同于縫合帶在不同情形下模糊的規(guī)模，而不存在物理厚度的縫合面可以非常清晰地把匯聚型板塊邊界上下盤(pán)及其附屬的盆地區(qū)分開(kāi)。特別地，當(dāng)涉及增生型造山帶時(shí)，由于持續(xù)性地俯沖增生過(guò)程會(huì)伴生持續(xù)性地地體增生-碰撞事件，本文中的“縫合面”指代“最終縫合面”(Dewey, 1977;eng?r, 1992; Xiaoetal., 2017)。

1.2 縫合面的標(biāo)志

當(dāng)縫合帶寬泛地指兩個(gè)陸塊之間的界限時(shí)，可用一些巖石學(xué)標(biāo)志來(lái)尋找縫合帶。由于兩個(gè)陸塊的拼合過(guò)程往往伴隨了二者之間洋盆的俯沖-閉合，因此找到和洋盆俯沖相關(guān)的巖石記錄就等于找到了縫合帶的大致位置(圖1a, b)(Dewey, 1977)。因此，蛇綠混雜巖、高壓變基性巖如藍(lán)片巖和榴輝巖，都曾作為限定兩個(gè)地塊之間界限的標(biāo)志(Dewey and Bird, 1971; Dewey, 1976;eng?r, 1992)。然而，這一認(rèn)識(shí)有一個(gè)主要問(wèn)題，即蛇綠混雜巖和高壓變基性巖實(shí)際上往往就位在增生雜巖之中，而增生雜巖毫無(wú)疑問(wèn)是處于俯沖帶上盤(pán)的；當(dāng)把夾持蛇綠巖或高壓變質(zhì)巖的斷層作為縫合帶使用時(shí)，其斷層下伏部分的增生雜巖巖石就會(huì)被錯(cuò)誤劃分至俯沖帶下盤(pán)。如圖1c, d中蛇綠巖和藍(lán)片巖的位置：二者雖然最初確實(shí)是從主滑脫面上脫落增生至增生楔底部的，但由于增生雜巖的生長(zhǎng)和內(nèi)部調(diào)整，會(huì)逐漸運(yùn)移到增生楔內(nèi)部的某條無(wú)序逆沖斷層(out of sequence thrust)之中。因此，其寄主斷層的上下兩盤(pán)其實(shí)都是從屬于上盤(pán)增生雜巖的巖石。增生雜巖的基質(zhì)往往是由海溝濁積巖構(gòu)成的(Ingersoll, 1988; Isozakietal., 1990; Wakita and Metcalfe, 2005)，而海溝盆地很容易接受上盤(pán)島弧的物源信息(Cawoodetal., 2012)。這種縫合帶劃分方案會(huì)極大地“提前”上盤(pán)島弧物源進(jìn)入下盤(pán)的時(shí)間，換言之，提前碰撞發(fā)生的時(shí)限。同理，增生雜巖之上的斜坡盆地，也可能由于這種縫合帶劃分方法被錯(cuò)誤識(shí)別為前陸盆地，并大大提前俯沖帶上盤(pán)島弧物源進(jìn)入下盤(pán)的時(shí)限(Zhangetal., 2017)。此外，增生型造山帶往往發(fā)育多條蛇綠巖帶、多條高壓變質(zhì)巖帶(李繼亮等, 1993;李繼亮, 2004, 2009)，形成于持續(xù)性的俯沖-增生過(guò)程(Sengor and Okurogullari, 1991;eng?retal., 1993;eng?r and Natal’in, 1996; Xiaoetal., 2014)。使用這些巖石學(xué)標(biāo)志把一個(gè)完整的增生型造山帶肢解成無(wú)數(shù)洋盆是不合理的(eng?r, 1992)。

因而，在解析造山帶結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，更為需要的是限定精確的縫合面而非含糊的縫合帶，而前者和蛇綠混雜巖、高壓變基性巖、大型斷裂往往并無(wú)關(guān)系。這些巖石學(xué)標(biāo)志只能指示縫合帶——某種意義上等同于兩個(gè)陸塊之間的造山帶的位置，而非真正的，精確的上下盤(pán)之間的結(jié)構(gòu)面。Xiaoetal.(2017)指出可用增生雜巖的底界作為縫合面的位置，從而限定造山帶中盆地的構(gòu)造屬性和物源(圖1c)；因而尋找縫合面就是尋找和鑒別增生雜巖——通過(guò)將增生雜巖無(wú)限地向洋的方向推進(jìn)，就可以逼近縫合面的大致位置。如何識(shí)別增生雜巖是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，在此不再贅述，讀者可參考Wakita(2021)、閆臻等(2021)和Wakabayashi(2021)。

2 逆沖推覆構(gòu)造對(duì)縫合面結(jié)構(gòu)的影響

在俯沖階段，縫合面的前身——位于海溝深部的主滑脫面是一個(gè)穿過(guò)下行大洋板片表層的應(yīng)力集中帶，因此它往往是相對(duì)平直的，很少發(fā)育大型的褶皺變形(Wakita, 2021)。然而，當(dāng)碰撞發(fā)生后，位于兩個(gè)剛性塊體之間的增生雜巖由于自身具有非常多的構(gòu)造薄弱面，很容易在碰撞中發(fā)生強(qiáng)烈的變形。因而增生楔的底界，即上下盤(pán)之間的縫合面也會(huì)隨之一起變形(Dewey, 1977; Xiaoetal., 2017)。下文中將以實(shí)例和理論推演展示逆沖推覆構(gòu)造對(duì)縫合面形態(tài)的影響。

2.1 阿爾卑斯造山帶縫合面結(jié)構(gòu)

阿爾卑斯造山帶是著名的碰撞型造山帶，碰撞發(fā)生在下行的歐亞大陸板塊和上盤(pán)的亞得里亞陸塊之間(Royden and Burchfiel, 1989)。本文選取了西阿爾卑斯的一條構(gòu)造剖面(圖2)(Pfiffner, 2016)做簡(jiǎn)要介紹。

圖2 西阿爾卑斯造山帶結(jié)構(gòu)剖面(據(jù)Pfiffner, 2016修改)Fig.2 Tectonic profile of Western Alps orogenic belt(modified after Pfiffner, 2016)

縫合面下盤(pán)主要為歐亞大陸及其蓋層，蓋層包括早期的被動(dòng)型大陸邊緣沉積以及晚期的前陸盆地沉積；上盤(pán)主要為亞得里亞陸塊，陸塊上的弧背前陸盆地沉積蓋層，以及俯沖階段形成的俯沖-增生雜巖(Royden and Burchfiel, 1989; Pfiffneretal., 1990; Perroneetal., 2011; Pfiffner, 2016; Kissling and Schlunegger, 2018)。碰撞使得下行的歐亞大陸板片上剝離下許多巨型的推覆體(nappe)，連帶其上的蓋層沉積一起擠入了造山帶核部，甚至向上擠出(見(jiàn)圖2的Gran Paradiso位置)(Kissling and Schlunegger, 2018)。相應(yīng)地，原本位于兩個(gè)陸塊之間的增生雜巖發(fā)生了相應(yīng)的同步縮短，配合基底的擠出形成了巨型的褶皺，并向著前陸的方向發(fā)生了遠(yuǎn)距離的推覆(見(jiàn)圖2的Gran Paradiso和Aosta位置)(Royden and Burchfiel, 1989; Pfiffneretal., 1990; Maino and Seno, 2016)。風(fēng)化剝蝕使得主要位于最上部的增生雜巖從完整的構(gòu)造巖席變?yōu)楣铝⒌娘w來(lái)峰，甚至完全被剝蝕后露出底部的構(gòu)造窗(見(jiàn)圖2的Aosta位置)。

增生雜巖的變形使得位于增生雜巖底部的縫合面發(fā)生了同步的變形(圖2中橙色線為縫合面大致位置)。造山帶核部的擠出構(gòu)造使得整個(gè)增生雜巖形成了一個(gè)巨型的緊閉褶皺，故縫合面也發(fā)生了同步的褶皺。這一褶皺的一翼向著前陸的方向推覆，使得縫合面同步發(fā)生了位移。在經(jīng)歷了風(fēng)化剝蝕形成飛來(lái)峰和構(gòu)造窗后，縫合面在地表的軌跡非常復(fù)雜，形成了多個(gè)暴露點(diǎn)。因此，即使在某個(gè)位置找到了增生雜巖和前陸盆地之間的構(gòu)造接觸，圍限出了縫合面的位置，也很難說(shuō)此位置以北均為下盤(pán)前陸，此位置以南均為上盤(pán)增生雜巖。現(xiàn)今活動(dòng)構(gòu)造研究表明，造山帶核心巖石向前陸的推覆，自碰撞發(fā)生至今一直沒(méi)有停止活動(dòng)(Sueetal., 2007;Perroneetal., 2011)；因此，這一逆沖推覆構(gòu)造對(duì)上下盤(pán)之間縫合面的改造、搬運(yùn)也一直持續(xù)到了今天。

圖3(Maino and Seno, 2016)展示了穿越西阿爾卑斯前陸盆地和上盤(pán)推覆體之間縫合面的地層柱(未按實(shí)際地層厚度等比例繪制)。地層柱底部為下盤(pán)的被動(dòng)陸緣-前陸盆地序列，下部晚白堊世的被動(dòng)陸緣碳酸鹽巖被上部古近紀(jì)中晚期的復(fù)理石和野復(fù)理石沉積替換。野復(fù)理石中還發(fā)現(xiàn)有來(lái)自上盤(pán)San Remo濁積巖層序的巖塊，直接證明上盤(pán)的物源已經(jīng)進(jìn)入了下盤(pán)前陸盆地(Maino and Seno, 2016)。地層柱中部為一構(gòu)造混雜帶，寬度大于10m，混雜了來(lái)自上盤(pán)和下盤(pán)二者的復(fù)雜構(gòu)造巖片，巖片的時(shí)代從中三疊世持續(xù)到漸新世早期。地層柱上部為代表增生楔的海溝濁積巖組合，時(shí)代和被動(dòng)陸緣沉積蓋層一致，均為白堊紀(jì)。這一地層柱表明，該地區(qū)最顯著的兩條邊界斷層并不能作為縫合面的指示標(biāo)志(圖3)。縫合面也不是在這個(gè)位置形成的，而是碰撞之后，前陸盆地沉積已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模時(shí)，才隨著上盤(pán)增生雜巖的巖石一起推覆至該地區(qū)。推覆過(guò)程在上盤(pán)巖石底部形成了由上盤(pán)增生雜巖巖石和下盤(pán)前陸盆地巖石共同構(gòu)成的構(gòu)造混雜帶，而跟隨增生雜巖底界而來(lái)的造山帶縫合面，則隨著增生雜巖巖石的變形融入到了構(gòu)造混雜帶之中(圖3)。這一構(gòu)造混雜帶和增生雜巖中俯沖階段形成的構(gòu)造混雜帶并不一樣，物質(zhì)組成上更為復(fù)雜，形成時(shí)代也更晚。

圖3 西阿爾卑斯造山帶縫合面附近地層柱(據(jù)Maino and Seno, 2016修改)Fig.3 Stratigraphy column of Western Alps orogenic belt covering the suture interface (modified after Maino and Seno, 2016)

2.2 喜馬拉雅造山帶縫合面結(jié)構(gòu)

喜馬拉雅造山帶同樣發(fā)育因逆沖推覆構(gòu)造形成的變形的縫合面(eng?r, 1992; Xiaoetal., 2017)。前人對(duì)這一造山帶的縫合帶位置多有爭(zhēng)議。Xiaoetal.(2017)認(rèn)為應(yīng)當(dāng)以增生雜巖底界作為縫合面的標(biāo)志，通過(guò)追索增生雜巖的線索，逼近縫合面的位置(圖4)。蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖是增生雜巖中特征性的巖石，而這二者的出露并沒(méi)有受到雅江蛇綠巖的限制，而是在雅江以南，主中央斷層(MCT)以北的廣大范圍內(nèi)零星出露。這表明俯沖階段的增生雜巖底界很可能就是主中央斷層(MCT)，在碰撞階段它承載著上盤(pán)的增生雜巖向下盤(pán)的前陸方向推覆，并在風(fēng)化后形成大量的飛來(lái)峰，造成了蛇綠巖、榴輝巖在整個(gè)造山帶內(nèi)的零星展布(Xiaoetal., 2017)。

圖4 喜馬拉雅造山帶構(gòu)造剖面(據(jù)Xiao et al., 2017修改)Fig.4 Tectonic profile of the Himalaya orogenic belt(modified after Xiao et al., 2017)

從逆沖推覆到風(fēng)化剝蝕的過(guò)程使得喜馬拉雅造山帶形成了類似阿爾卑斯的現(xiàn)象，即由于逆沖推覆和差異風(fēng)化造成縫合面在地表的不連續(xù)出現(xiàn)(圖4中橙色箭頭)。因而，想要尋找記錄俯沖-碰撞相關(guān)的盆地，必須在真正的下盤(pán)，即主中央斷層(MCT)以南的區(qū)域進(jìn)行。而在主中央斷層(MCT)以北，即使有沉積盆地記錄到了濁積巖或碳酸鹽巖轉(zhuǎn)換為淺水砂礫巖的沉積序列，也無(wú)法確定其究竟是通過(guò)構(gòu)造窗暴露出來(lái)的前陸盆地，還是俯沖階段形成的斜坡盆地，因?yàn)楹笳咄瑯幽軌蛟诟_階段就形成類似的沉積。

2.3 東準(zhǔn)噶爾造山后推覆構(gòu)造對(duì)縫合面的改造

中亞造山帶是典型的增生型造山帶，一般認(rèn)為其不發(fā)育強(qiáng)烈的碰撞造山作用，而更多體現(xiàn)為塊體的匯聚，特別是島弧的增生(Windleyetal., 2007; Xiaoetal., 2010, 2015; Xiao and Santosh, 2014)。然而，自中亞造山帶形成至今的逆沖推覆構(gòu)造依然改造了造山帶和縫合面的結(jié)構(gòu)。中國(guó)新疆的準(zhǔn)噶爾盆地是一個(gè)在環(huán)準(zhǔn)噶爾造山帶基礎(chǔ)上發(fā)育而來(lái)的背馱盆地，其基底為多條聚合的島弧-弧前雜巖系統(tǒng)(Heetal., 2013; Xiaoetal., 2018)。這套背馱盆地最典型的沉積序列為一套侏羅紀(jì)紅層，不整合覆蓋在基底古生代造山帶巖石之上(圖5)。然而，在東準(zhǔn)噶爾五彩灣地區(qū)的露頭可以觀察到在這套侏羅紀(jì)紅層的背馱盆地之上，又推覆了來(lái)自造山帶基底的志留紀(jì)砂巖-粉砂巖層序(圖5)，表明自侏羅紀(jì)以來(lái)的陸內(nèi)變形仍然在改造原始的造山帶結(jié)構(gòu)。被這些推覆構(gòu)造搬運(yùn)的往往是古生代時(shí)增生雜巖的部分殘片，因而這些構(gòu)造會(huì)對(duì)縫合面的形態(tài)產(chǎn)生重大影響。

圖5 中亞造山帶東準(zhǔn)噶爾地區(qū)古生代造山帶單元與中生代背馱盆地單元無(wú)人機(jī)航拍圖(a)及接觸關(guān)系解譯(b)圖b圓圈中為地質(zhì)學(xué)家和越野車比例尺Fig.5 Drone photo showing Paleozoic orogenic belt rock and Mesozoic piggy-back basin sediment from Eastern Junggar, Central Asia Orogenic Belt (a) and structure explanation (b)The circles in Fig.5b are geologist and vehicle for scale

2.4 雙向俯沖系統(tǒng)的縫合面結(jié)構(gòu)

在前文的敘述中，展示了阿爾卑斯和喜馬拉雅兩個(gè)造山帶的縫合面結(jié)構(gòu)。這二者均為單向俯沖系統(tǒng)，形成的縫合面結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。在類似太平洋的雙向俯沖體系中，碰撞形成的造山帶結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜，如中亞造山帶中就大量發(fā)育此類的情況。然而，現(xiàn)有研究鮮有對(duì)于雙向俯沖系統(tǒng)縫合面結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究。因此，本節(jié)將做一個(gè)簡(jiǎn)單理論推演來(lái)預(yù)測(cè)這樣情形下的縫合面結(jié)構(gòu)。

圖6a展示了一個(gè)理論的雙向俯沖系統(tǒng)。在這樣的體系中，發(fā)育對(duì)向的兩個(gè)俯沖帶，二者均有各自的上盤(pán)，即島弧及弧前雜巖，以及下盤(pán)的大洋板片。和單向俯沖的區(qū)別在于，碰撞會(huì)導(dǎo)致所有的下盤(pán)巖石均被擠入地殼深部，因而不存在任何碰撞前的下盤(pán)盆地。但從俯沖階段到碰撞階段，仍然存在單向物源到雙向物源的轉(zhuǎn)換，如俯沖階段弧前的弧前盆地，海溝-斜坡盆地轉(zhuǎn)換為碰撞后的背馱盆地或造山楔楔頂盆地(圖6b)。在這樣的造山帶中，縫合面形態(tài)可能是復(fù)雜的Z型(Xiaoetal., 2017)，因而風(fēng)化后會(huì)產(chǎn)生更多的飛來(lái)峰和構(gòu)造窗；主縫合面在地表的軌跡也會(huì)呈指狀交叉的形態(tài)，更加復(fù)雜。在這樣的造山帶中，縫合面的確定是非常困難的，需要綜合比較縫合帶兩側(cè)的島弧活動(dòng)歷史和基底性質(zhì)，利用物源分析(古水流、重礦物、砂巖和礫巖組分、碎屑鋯石頻譜等)追索每個(gè)逆沖構(gòu)造巖片的原始?xì)w屬，從而還原縫合面的位置。在涉及大陸弧和洋內(nèi)弧的拼合時(shí)，還原這樣的縫合面仍然是可能的(Chenetal., 2020)；而當(dāng)討論洋內(nèi)弧和洋內(nèi)弧的拼合時(shí)，同步活動(dòng)的雙向俯沖系統(tǒng)可能無(wú)法區(qū)分。

圖6 理想的雙向俯沖系統(tǒng)從俯沖(a)到碰撞(b)的沉積盆地以及縫合面形態(tài)演化(據(jù)Xiao et al., 2017修改)Fig.6 Ideal model for the evolution of sedimentary basins and framework of suture interface from subduction (a) to collision (b) in opposite subduction system (modified after Xiao et al., 2017)

3 走滑構(gòu)造對(duì)縫合面結(jié)構(gòu)的影響

同逆沖推覆構(gòu)造類似，走滑構(gòu)造同樣會(huì)改造縫合面在地表軌跡的展布。在蘇魯-大別造山帶，前人依據(jù)大型斷裂、蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖等線索提出了多個(gè)不同的縫合帶劃分方案。蘇魯-大別造山帶是華南向北俯沖與華北發(fā)生碰撞形成的碰撞型造山帶，而華南華北地塊基底具有顯著的差異，表現(xiàn)為華南地塊的巖石多含有新元古時(shí)期的年齡信息，而華北地塊的巖石則多以古元古時(shí)期的年齡信息為主(田忠華, 2021)。據(jù)此，通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)前人工作中的鋯石年齡頻譜特征，可詳細(xì)構(gòu)造華南-華北二者巖石的具體分布情況，從而限定縫合面位置。研究發(fā)現(xiàn)，這一縫合面并不沿著某條大型區(qū)域性斷裂分布，也不受夾持蛇綠巖和高壓變質(zhì)巖巖塊的斷裂控制，而是在大型區(qū)域性走滑斷裂圍限的斷夾塊內(nèi)部，呈波浪狀近東西向延伸(圖7)(田忠華, 2021)。

圖7 蘇魯-大別造山帶桃村斷裂以東各類巖石單元出露及其分布特征(a)及抽象構(gòu)造模式(b)(據(jù)田忠華, 2021修改)Fig.7 The exposure and distribution pattern of various rock units to the east of the Taocun fault (a) and ideal tectonic model (b)(modified after Tian, 2021)

這一特殊的縫合面形態(tài)源自該地區(qū)復(fù)雜的多期次構(gòu)造疊加改造(圖8)(田忠華, 2021)：早期大別-蘇魯造山帶在三疊紀(jì)形成時(shí)，可能發(fā)育有簡(jiǎn)單的、近東西向展布的縫合面(圖8a)；隨后，侏羅-白堊紀(jì)期間受古太平洋向西俯沖影響，東西向擠壓的應(yīng)力場(chǎng)使得縫合面在地表的軌跡發(fā)生了褶皺，形成了近東西向延伸的波浪狀形態(tài)(圖8b)；最后，郯廬斷裂的活動(dòng)在這一區(qū)域形成了一系列平行的北北東向左行走滑斷裂，穿切了已經(jīng)變形的縫合面，并最終形成了現(xiàn)今看到的縫合面樣式(圖8c)。

圖8 縫合帶形成及改造過(guò)程(據(jù)田忠華, 2021修改)Fig.8 The formation and deformation of suture (modified after Tian, 2021)

4 討論

4.1 縫合面的遞進(jìn)變形與識(shí)別

造山帶中各巖石單元的變形是遞進(jìn)的，因而隨著增生雜巖的變形，處于增生雜巖底部縫合面也會(huì)發(fā)生遞進(jìn)變形(圖9)。綜合上述案例和理論分析，在此給出理論性地縫合面演化模式。以單向俯沖系統(tǒng)為例，在俯沖階段，俯沖帶上盤(pán)形成增生雜巖和島弧，二者之間發(fā)育弧前盆地，增生雜巖之上發(fā)育斜坡盆地；俯沖帶下盤(pán)形成被動(dòng)陸緣沉積；二者之間被主滑脫面區(qū)分(圖9a)。碰撞開(kāi)始后，首先會(huì)沿著原俯沖帶的主滑脫面形成平直的縫合面，上盤(pán)盆地變?yōu)楸绸W盆地，下盤(pán)發(fā)育前陸盆地(圖9b)。隨著變形的持續(xù)，上盤(pán)造山楔向下盤(pán)方向推覆(圖9c)，并在二者之間形成無(wú)序逆沖斷層(out of sequence thrust)，導(dǎo)致縫合帶在地表的逐漸復(fù)雜化，形成指狀交叉的形態(tài)(圖9d)。最后，強(qiáng)烈隆升后的風(fēng)化作用破壞了在整個(gè)造山帶頂部的造山帶，形成一系列飛來(lái)峰和構(gòu)造窗，加劇了縫合面的復(fù)雜性，在地表形成多個(gè)縫合面的出露點(diǎn)(圖9e)。蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖、以及大型斷裂，都不能準(zhǔn)確地指示縫合面的精確位置。

圖9 單向俯沖系統(tǒng)中縫合面形態(tài)及其演化圖(a)到圖(e)展示了從俯沖到碰撞過(guò)程中縫合面在地表形態(tài)的變化過(guò)程Fig.9 The style and evolution of the suture interface in a single subduction systemFrom Fig.9a to Fig.9e showing the projection of the suture interface on the surface in progressing deformation from subduction to collision

而在雙向俯沖系統(tǒng)中，不存在初始的下盤(pán)盆地，兩個(gè)對(duì)應(yīng)的上盤(pán)各自發(fā)育弧前盆地和海溝-斜坡盆地(圖10a)。隨著碰撞開(kāi)始，原來(lái)的兩個(gè)主滑脫面逐漸融合，形成相對(duì)平直的縫合面(圖10b)，其深部結(jié)構(gòu)可能為Z型。隨著碰撞過(guò)程發(fā)育，二者之間形成相對(duì)的上盤(pán)和下盤(pán)，位于上盤(pán)的造山楔單元開(kāi)始向?qū)ΡP(pán)推覆(圖10c)。隨后，無(wú)序逆沖斷層(out of sequence thrust)的發(fā)育造成縫合面的形態(tài)褶皺、破碎進(jìn)而形成指狀交叉的地表軌跡(圖10d)，最后隆升-風(fēng)化形成一系列飛來(lái)峰和構(gòu)造窗，在地表形成多個(gè)縫合面的出露點(diǎn)。雙向俯沖系統(tǒng)中，蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖、以及大型斷裂，同樣不能準(zhǔn)確地指示縫合面的精確位置。而且兩個(gè)增生楔之間的拼合會(huì)造成原本從屬于二者的蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖推覆體互相插入對(duì)方之中，形成復(fù)雜的交織結(jié)構(gòu)。因而，以蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖作為縫合帶標(biāo)志劃定縫合帶可能會(huì)產(chǎn)生較大的不確定性。

圖10 雙向俯沖系統(tǒng)中縫合面形態(tài)及演化圖(a)到圖(e)展示了從俯沖到碰撞過(guò)程中縫合面在地表形態(tài)的變化過(guò)程Fig.10 The style and evolution of the suture interface in opposite subduction systemFrom Fig.10a to Fig.10e showing the projection of the suture interface on the surface in progressing deformation from subduction to collision

因此，不論是單向俯沖還是雙向俯沖，平直的、清晰的縫合面其實(shí)只是碰撞發(fā)生一瞬間才會(huì)理論上存在的情況。大部分情況下，造山帶都經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化，長(zhǎng)期的擠壓變形和風(fēng)化剝蝕作用使得縫合面在地表的出露異常復(fù)雜。簡(jiǎn)單利用蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖等巖石學(xué)標(biāo)志去標(biāo)識(shí)理想狀態(tài)下的平直縫合面，會(huì)導(dǎo)致很大的不確定性。特別是對(duì)緊鄰縫合面的前陸盆地而言，其盆地記錄對(duì)解析造山帶最為重要，但如果縫合面位置判定錯(cuò)誤，則很難識(shí)別出對(duì)應(yīng)的盆地性質(zhì)。

4.2 縫合面位置與沉積盆地的性質(zhì)

圖11展示了不同縫合面位置的解釋方案對(duì)特定沉積盆地性質(zhì)判別的影響，左側(cè)列為不考慮縫合面變形，僅以巖石學(xué)標(biāo)志尋找縫合面的情況；右側(cè)列為考慮縫合面變形，且以增生雜巖底界逼近縫合面的情況。如僅僅以蛇綠巖和高壓變質(zhì)巖尋找縫合面，則圖11b中的斜坡盆地可能被錯(cuò)誤識(shí)別為圖11a中的前陸盆地。在縫合面發(fā)生變形、增生雜巖巖石向前陸方向推覆時(shí)，可能造成縫合面位置和盆地性質(zhì)的進(jìn)一步誤判。如在圖11c中，依靠高壓變質(zhì)巖和蛇綠巖鎖定縫合面位置，則圖中沉積盆地性質(zhì)為斜坡盆地；但如果高壓變質(zhì)巖和蛇綠巖如前文討論，是推覆到前陸之上的飛來(lái)峰，則圖11d中的沉積盆地性質(zhì)實(shí)際上應(yīng)為前陸盆地。同樣，沉積盆地自身也可能隨著其基底一起發(fā)生推覆。如圖11e中所示的盆地，簡(jiǎn)單解讀為前陸盆地，但在圖11f中，它可能是伴隨增生雜巖基底的碎片被推覆下盤(pán)之上的斜坡盆地。因此，基于縫合面變形的理論結(jié)構(gòu)，還原經(jīng)歷復(fù)雜變形過(guò)程后的縫合面位置，對(duì)于造山帶解析，特別是沉積盆地背景判定具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

圖11 不同的縫合面位置對(duì)造山帶中盆地性質(zhì)解讀的影響每行左右為對(duì)應(yīng)關(guān)系(a-b、c-d、e-f)，左側(cè)列為不考慮縫合面變形使用巖石學(xué)標(biāo)志判別縫合面的情況，右側(cè)列為考慮縫合面變形且以增生雜巖底界逼近縫合面的情況Fig.11 Cartoons showing different locations of the suture leading to different interpretations of the nature of the basin in orogenic beltNote that each line is showing two compared case (a-b, c-d, e-f). The sutures in the left is determined by simple, undeformed suture with lithological indicators such as ophiolites and HP rocks; while the sutures in the right is determined by tracking the bottom of the accretionary complex and considering the possibility of a deformed suture

由于增生雜巖中超過(guò)80%的體積都是濁積巖構(gòu)成的連續(xù)單元(Isozakietal., 1990)，因而當(dāng)增生雜巖組分發(fā)生位移，其連續(xù)單元濁積巖推覆到了同樣以濁積巖為特征的被動(dòng)陸緣地層之上時(shí)，二者非常難以區(qū)分。尋找出露更廣泛的OPS下段巖石(Wakita，2021；閆臻等，2021)，是劃分增生雜巖展布，識(shí)別這些伴隨縫合面變形形成的飛來(lái)峰、構(gòu)造窗構(gòu)造的關(guān)鍵。

當(dāng)找到縫合面的位置后，就可以利用它來(lái)展開(kāi)造山帶中擠壓變形的地層，還原俯沖階段上盤(pán)和下盤(pán)的沉積盆地，讀取沉積序列中的造山帶演化記錄。俯沖階段，位于俯沖帶上盤(pán)的盆地從海溝至弧后依次為，海溝盆地、斜坡盆地、弧前盆地、弧背前陸盆地或弧后盆地(李繼亮等, 2013；閆臻等，2018)，它們碰撞前均位于俯沖帶主滑脫面之上，很容易接收來(lái)自島弧巖漿活動(dòng)提供的大量物源供給。而下盤(pán)外來(lái)陸塊的被動(dòng)大陸邊緣在足夠靠近海溝之前，都很難接受上盤(pán)島弧的物源輸入。碰撞后，主滑脫面，也即增生雜巖的底界轉(zhuǎn)化為縫合面，弧前盆地和海溝-斜坡盆地轉(zhuǎn)換為背馱盆地或造山楔楔頂盆地，接收雙向物源；下盤(pán)被動(dòng)陸緣上發(fā)育前陸盆地，接收雙向物源(圖12左側(cè))(Ingersoll, 1988)。因而，找到了縫合面，實(shí)際上就可以沿著縫合面追索上述一系列盆地；反之，如前文所述，錯(cuò)誤的縫合面位置會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的盆地性質(zhì)判別，特別是前陸盆地，進(jìn)而引起錯(cuò)誤的構(gòu)造歷史還原。

圖12 俯沖階段和碰撞階段的物源混合情況示意(據(jù)Dewey, 1977修改)Fig.12 Cartoon showing provenance mixing in collision and subduction stage (modified after Dewey, 1977)

然而必須強(qiáng)調(diào)，在實(shí)際情況中，沉積盆地的物源變化和碰撞的關(guān)系可能比上述理論推演更為復(fù)雜。圖12右側(cè)展示了可能的俯沖階段的物源混合途徑，即俯沖仍在發(fā)生，大洋仍然存在的時(shí)候，由于巨型的海底扇和等深流等因素，使得上下兩盤(pán)的物源跨越了上千千米的洋盆的阻隔，匯合在被動(dòng)陸緣或海溝盆地處。這時(shí)，這些盆地內(nèi)出現(xiàn)的雙向物源并不能指示碰撞已經(jīng)發(fā)生了。因而，必須強(qiáng)調(diào)，在應(yīng)用物源分析解析造山帶時(shí)，出現(xiàn)雙向物源與發(fā)生碰撞之間的邏輯關(guān)系為必要不充分條件。如果物源沒(méi)有混合，則大洋仍然存在；反之，物源發(fā)生了混合，可能是由于構(gòu)造事件，也可能是一些沉積古地理因素造成的假信號(hào)，必須慎重對(duì)待(Xiaoetal., 2017)。詳細(xì)的盆地分析，特別是古水流的還原，是有效應(yīng)用物源分析工具的前提。

5 結(jié)論

縫合面是造山帶結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵界面，對(duì)于限定造山帶演化過(guò)程中發(fā)育的沉積盆地的性質(zhì)具有非常重要的作用?？p合面由俯沖階段的主滑脫面演化而來(lái)，是增生雜巖的底界。蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖、和大型斷裂不能用于指示縫合面的精確位置。不同于相對(duì)平直的主滑脫面，縫合面的形態(tài)可以在碰撞過(guò)程中，甚至碰撞后由于逆沖推覆過(guò)程和走滑過(guò)程被改造。經(jīng)歷風(fēng)化過(guò)程后，會(huì)造成縫合面在地表的形態(tài)呈復(fù)雜的指狀交叉的特征，甚至由于飛來(lái)峰和構(gòu)造窗的出現(xiàn)而呈現(xiàn)多個(gè)出露點(diǎn)。在解析造山帶結(jié)構(gòu)，特別是進(jìn)行沉積大地構(gòu)造研究時(shí)，縫合面的復(fù)雜形態(tài)必須要得到重視。準(zhǔn)確的縫合面位置對(duì)于判別造山帶中沉積盆地的性質(zhì)至關(guān)重要。

致謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所閆臻研究員和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所宋東方副研究員認(rèn)真審閱了本文，并提供了諸多寶貴的建設(shè)性意見(jiàn)，在此表示衷心感謝！

謹(jǐn)以此文深切緬懷李繼亮先生，感念先生對(duì)沉積大地構(gòu)造學(xué)研究的卓越貢獻(xiàn)。