長江中下游構(gòu)造帶成因與燕山期的大洋俯沖

楊文采

浙江大學(xué),杭州,310058

內(nèi)容提要:位于揚子克拉通內(nèi)部的長江中下游構(gòu)造帶是一個特別的巖石圈構(gòu)造帶,它的成因一直是個謎。前人認(rèn)為這與晚侏羅世伊佐奈琦洋向亞歐大陸的俯沖有關(guān),但是為什么伊佐奈琦洋俯沖只在長江中下游構(gòu)造帶局部形成深入內(nèi)陸的鐵銅和多金屬成礦帶?為了解這個問題,必須從華南地區(qū)的地球物理數(shù)據(jù)來分析研究區(qū)的巖石圈和軟流圈的屬性特征,并進行類似構(gòu)造的全球?qū)Ρ?。根?jù)地球物理調(diào)查結(jié)果可知,長江中下游構(gòu)造帶的地殼主要體現(xiàn)地塹的特征;巖石圈呈現(xiàn)低S波速與高密度,此類淺地幔動力學(xué)構(gòu)造系統(tǒng)與洋中脊向大陸的俯沖模式接近。根據(jù)太平洋區(qū)域侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)大洋磁異常條帶與古地磁研究可以推測,長江中下游構(gòu)造帶與鐵銅多金屬成礦帶的形成原因,應(yīng)該是伊佐奈琦洋的洋中脊與洋脊三叉連向下?lián)P子克拉通地幔的俯沖。當(dāng)然,證明這個推測還需要更多的調(diào)查數(shù)據(jù)。

長江中下游成礦帶是眾所周知的鐵銅和多金屬成礦帶,它位于揚子克拉通內(nèi)部,從太湖之西一直插入到湖北大冶(程裕祺,1994; 馬麗芳等,2006)。百年來長江中下游成礦帶的成因一直是個謎,僅僅從地表地質(zhì)資料很難解破。本文試圖根據(jù)華南地區(qū)的淺地幔地球物理數(shù)據(jù)來分析研究區(qū)淺地幔系統(tǒng)的屬性特征,探索長江中下游構(gòu)造帶的成因。

1 長江中下游構(gòu)造帶

根據(jù)舒良樹等(2006),周新民(2007), 徐先兵等(2009)學(xué)者的研究,長江中下游成礦帶(分布略圖見圖1a)鐵銅和多金屬礦沿長江中下游兩側(cè)分布,與燕山期花崗巖和火山巖共生。根據(jù)長江中下游成礦帶的形狀與屬性可以推測,這個帶是一個特別的巖石圈構(gòu)造帶,筆者稱為長江中下游構(gòu)造帶。以下引用的地球物理數(shù)據(jù)也可以證明,它的確是一個特別的巖石圈構(gòu)造帶。

根據(jù)李獻華(Li Xianhua et al.,2014)的同位素年齡數(shù)據(jù)(圖1b)可知,中國南方地區(qū)火成巖形成的高峰期在150～110 Ma期間,即晚侏羅世到早白堊世。晚侏羅世是伊佐奈琦洋向亞歐大陸俯沖的后期,太平洋也從萌芽到開始擴張 (Müller et al., 2007)。在早白堊世,伊佐奈琦洋的俯沖已經(jīng)移到亞歐大陸的北部,而太平洋也已經(jīng)擴張到中國大陸的邊緣,但是還沒有俯沖。因此,長江中下游構(gòu)造帶的上地殼花崗巖體與金屬礦(圖1a)的形成應(yīng)該與伊佐奈琦洋的俯沖密切有關(guān),早白堊世的火山巖和潛火山巖體的形成也應(yīng)該與伊佐奈琦板塊俯沖到軟流圈后的熔融作用有關(guān)(舒良樹等,2006;徐先兵等,2009)。現(xiàn)在的問題是,晚侏羅世是伊佐奈琦洋向亞歐大陸的俯沖在空間上涉及整個中國東部(Hall,2012),為什么僅僅在長江中下游構(gòu)造帶形成深入內(nèi)陸的鐵銅和多金屬礦帶?為了解這個問題,必須從華南地區(qū)的地球物理數(shù)據(jù)來分析研究區(qū)的巖石圈和軟流圈的屬性特征,并進行全球?qū)Ρ取?/p>

2 巖石圈的波速與密度特征

多位學(xué)者對華南地區(qū)進行了地震層析成像研究。Luo Song 等(2019)對長江中下游成礦帶的地殼進行了地震S波層析成像研究,認(rèn)為此成礦帶的下方地殼有V形高速體,是古太平洋俯沖造成的巖石圈部分熔融與巖漿侵入地殼的產(chǎn)物。吳珊珊等(2018)通過布設(shè)流動臺站,利用背景噪聲成像得到了合肥至金華地殼地震S波速度剖面及徑向各向異性的差異剖面(圖2a)。由圖可見,長江中下游成礦帶的中—上地殼有邊界鮮明的梯形低速體,反映出地塹存在的特征。

圖2 (a)過長江地震S波速與各向異性系數(shù)剖面圖,剖面位置見圖(b1)黑線:(a1) S 波速, (a2)各向異性系數(shù); (b)(c)華南地區(qū)地震層析成像平面圖,(b) 深度50 km, (c)深度100 km; (b1)(c1) S波速度擾動, (b2)(c2) P波速度擾動, (b3)(c3) 泊松比Fig.2 (a) S-wave seismic velocity and anisotropy profiles across Yangtze River; profile position is marked by dark line in Fig. b1: (b) (c) the seismic wave velocity map of South China, (b) on depth of 50 km; (c) on depth of 100 km; (b1)(c1) disturbance of S-wave, (b2)(c2) disturbance of P-wave, (b3)(c3) poisson’s ratio(a1, a2 據(jù)吳珊珊等,2018: b1、b2、b3,c1、c2、c3據(jù)張昌榕等,2018) (al, a2 from Wu Sansan et al., 2018&; bl,b2,b3, cl,c2,c3 from Zhang Changrong et al., 2018&)

地殼物質(zhì)運動的動力來源在地殼下方,還必須看巖石圈和軟流圈的地震波速結(jié)構(gòu)。張昌榕等(2018)對下?lián)P子及周邊地區(qū)淺地幔波速和泊松比結(jié)構(gòu)進行層析成像,深度達到300 km,結(jié)果示于圖2b,c和圖3。先來看看對流體反映最敏感的S波速度擾動,從深度50 km到200 km(圖2b1,c1),即從巖石圈地幔到軟流圈上部,長江中下游構(gòu)造帶的S波速度擾動都在-1.0% ～ -1.5%范圍內(nèi),但是空間尺度在增加。從深度300 km以下(即軟流圈下部),S波速度負(fù)異常的空間尺度大大縮小了(圖3a1,b1)。由此可以認(rèn)為,長江中下游構(gòu)造帶是淺地幔系統(tǒng)流體活動帶,流體活動的根源在軟流圈;不過流體活動的高峰期早已經(jīng)過去,現(xiàn)在軟流圈下部的流體活動已經(jīng)大大萎縮了。長江中下游構(gòu)造帶的S波速度負(fù)異常,反映晚侏羅世—早白堊世軟流圈流體物質(zhì)上涌的殘留(楊文采,2019, 2020a,2020b)。

圖3 華南地區(qū)地震層析成像平面圖(據(jù)張昌榕等,2018): (a) 深度200 km; (b) 300 km; (a1)(b1) S波速度擾動; (a2)(b2)P波速度擾動; (a3)(b3)泊松比Fig.3 The seismic wave velocity map of South China(from Zhang Changrong et al.,2018&): (a) on depth of 200 km; (b) on depth of 300 km; (a1)(b1) disturbance of S-wave ;(a2)(b2) disturbance of P-wave;(a3)(b3) poisson’s ratio

再來看對巖性反映比較敏感的P波速度擾動(圖2b、c和圖3a2、b2)。由圖可見,長江中下游構(gòu)造帶區(qū)域有P波速度負(fù)異常出現(xiàn),但是空間尺度比S波小,主要出現(xiàn)在長三角地區(qū)和深度200 km的平面圖上。長江中下游構(gòu)造帶位于揚子克拉通內(nèi)部;在正常的情況下,克拉通地區(qū)的巖石圈P波波速是偏高的。因此,長江中下游構(gòu)造帶P波速度負(fù)異常比S波負(fù)異?？臻g尺度小很多,是可以預(yù)料的;泊松比成像的結(jié)果也證明了這一點。從深度50 km到200 km,即從巖石圈地幔到軟流圈上部,泊松比都在2.2 ～ 2.8范圍內(nèi)變化,屬正常情況下克拉通地區(qū)淺地幔泊松比的變化范圍。從深度300 km的圖像看,長江中下游構(gòu)造帶軟流圈下部的泊松比也減小到正常范圍。

地面重力觀測反映了巖石圈密度屬性的變化。原地質(zhì)礦產(chǎn)部早在1990年代就完成了中國南方地區(qū)高精度的地面重力測量(楊文采等,2017;楊文采,2018),結(jié)果示如圖4。由圖可見,長江中下游構(gòu)造帶對應(yīng)一條高布格重力異常帶(圖中用H—H—H標(biāo)明),異常幅度達20～30 mGal,表明它的巖石圈密度高于華南其它地區(qū)。據(jù)此,我們認(rèn)知,長江中下游構(gòu)造帶巖石圈是一條高密度、低S波速的地殼—淺地幔動力學(xué)構(gòu)造帶,反映晚侏羅世—早白堊世軟流圈物質(zhì)上涌的殘留(楊文采,2022a,b)。這種高密度、低S波速的淺地幔動力學(xué)構(gòu)造系統(tǒng)是不多見的,常見的大陸裂谷帶多數(shù)表現(xiàn)為低密度、低S波速的地殼—淺地幔動力學(xué)構(gòu)造系統(tǒng)。

圖4 華南地區(qū)地面布格重力異常平面圖(據(jù)楊文采等,2017;楊文采,2018)Fig.4 The ground Bouguer gravity map of South China(from Yang Wencai et al.,2017&;Yang Wencai,2018&)

3 關(guān)于伊佐奈琦洋的俯沖

現(xiàn)在,回到我們探討的問題:晚侏羅世是伊佐奈琦洋向亞歐大陸的俯沖在空間上涉及整個中國東部,為什么僅僅在長江中下游構(gòu)造帶形成深入內(nèi)陸的鐵銅和多金屬礦帶?上節(jié)的討論使我們否定了大陸裂谷的成因,大洋板塊俯沖的一般模式也不能使我們滿意。在討論圖2a時就說過,長江中下游成礦帶的中上地殼有邊界鮮明的梯形低速體,反映出地塹存在的特征。由此可以設(shè)想,大洋俯沖時洋中脊的俯沖也可以在大陸地殼產(chǎn)生地塹構(gòu)造。那么,大洋俯沖時洋中脊的俯沖是不是有可能形成長江中下游構(gòu)造帶?

現(xiàn)今大洋洋中脊的俯沖的典型地區(qū)位于北美大陸的西部,已經(jīng)有充分的研究結(jié)果(Robert& Roger, 1988)。根據(jù)古地磁和海洋巖石圈調(diào)查,18 Ma前太平洋東北部構(gòu)造的態(tài)勢見圖5a。由圖可見,當(dāng)時太平洋東北部存在法拉侖和庫拉兩個大洋板塊,它們大部分都已經(jīng)俯沖到了北美大陸的下方。在舊金山北邊,法拉侖板塊開了一個口子,是原來洋中脊的俯沖下去后太平洋板塊推進的前沿。1980年圣海倫斯火山的大爆發(fā),正是位于這個口子的區(qū)域。黃石公園的溫泉群也與此洋脊俯沖關(guān)聯(lián)。Robert &Roger的教科書把法拉侖板塊洋脊俯沖演化的模式示意于圖5b。

圖5 (a)18 Ma前太平洋東北部構(gòu)造態(tài)勢圖;(b)法拉侖大洋板塊洋脊俯沖演化剖面圖(據(jù)Robert &Roger, 1988)Fig.5 (a) The simplified structure map of northeast Pacific Ocean at 18 Ma. (b) The structural evolution profiles of the Farrllon Plate (from Robert &Roger, 1988)

從這個洋脊俯沖演化的模式可見,在洋脊俯沖到接近大陸之前,大洋的俯沖已經(jīng)造成俯沖前方大陸邊緣巖石圈的強烈變形,即安第斯型大陸邊緣的造山作用。當(dāng)洋脊俯沖到大陸地殼下方之后,由于大洋中脊下方軟流圈流體融體仍然在上涌,大陸邊緣巖石圈的火山活動變得更加強烈,地殼受擠壓隆升。注意此時俯沖的大洋板塊在中脊處是有斷口的,由于沒有大洋巖石圈的阻擋,因此地殼內(nèi)巖漿活動要比非洋中脊的其他地區(qū)強烈得多。洋脊俯沖的同時還在其上方的地殼造成拉張力,形成了上中地殼的地塹構(gòu)造。當(dāng)洋脊俯沖進入大陸下方軟流圈之后,軟流圈流體融體的上涌不會馬上停下來,大陸邊緣巖石圈的巖漿活動變得擴散開來,并隨俯沖作用向大陸方向推進,這種洋脊對上方巖石圈的瓦解作用在俯沖作用完全結(jié)束后才可能慢慢停止。當(dāng)軟流圈上涌的融流體中的揮發(fā)分逸入大氣、固體成分在巖石圈結(jié)晶后,由于它們含有較多的金屬元素,就會在中下地殼生成基性巖,在地殼生成高密度的金屬礦體。同時,由于它們嚴(yán)重的變形帶有大量存水的裂隙,使構(gòu)造帶地震S波速度降低。反映晚侏羅世—早白堊世軟流圈流體物質(zhì)上涌的長江中下游構(gòu)造帶,也是一條類似的高密度、低S波速的地殼—淺地幔動力學(xué)構(gòu)造帶。這種動力學(xué)構(gòu)造系統(tǒng)的形成應(yīng)該與大洋俯沖時洋中脊的俯沖有密切關(guān)系。

4 長江中下游構(gòu)造帶成因的探討

最后一個問題是,在中—晚侏羅世伊佐奈琦洋向亞歐大陸俯沖時,有沒有洋中脊向中國東部俯沖?是什么類型的洋中脊俯沖?大洋磁異常條帶與古地磁研究得出肯定的答案(Müller et al., 2007; Choi Taejin et al., 2011)。圖6a、b為140 Ma前太平洋地區(qū)構(gòu)造態(tài)勢和伊佐奈琦—法拉侖大洋板塊運動方向平面圖。由圖可見,在中—晚侏羅世太平洋打開后,法拉侖板塊與伊佐奈琦洋板塊的邊界是一條由洋脊和轉(zhuǎn)換斷層組成的構(gòu)造線,正在隨伊佐奈琦洋板塊向亞歐大陸俯沖。此構(gòu)造線中有兩段短洋脊,在圖6中用字母“H1”和“H2”標(biāo)明。“H1”和“H2”的俯沖方向正是亞歐大陸北緯30°～40°的位置,時段為140～120 Ma范圍內(nèi)。這些數(shù)據(jù)與長江中下游構(gòu)造帶的地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)都是比較符合的,因此可以推測,長江中下游構(gòu)造帶與鐵銅多金屬成礦帶的形成原因,應(yīng)該對應(yīng)伊佐奈琦洋北邊的洋中脊與轉(zhuǎn)換斷層,向亞歐大陸的俯沖。不過,在圖6中 “H1”和“H2”標(biāo)明的兩段短洋脊的俯沖,會造成空間尺度那么大的長江中下游構(gòu)造帶嗎?

圖6 (a)140 Ma前太平洋地區(qū)構(gòu)造態(tài)勢圖(Müller et al., 2007);(b)伊佐奈琦—法拉侖大洋板塊運動方向平面圖;(c)關(guān)于太平洋三叉連俯沖的圖解(Whittaker et al., 2011)Fig.6 (a) The plate structure map of West Pacific Ocean at 140 Ma (from Müller et al., 2007); (b) The plate motion of the Izanagi and Farrllon Plates; (c) Locations of the triple ridge junction in Pacific Ocean from 150～90 Ma (from Whittaker et al., 2011)

進一步的研究表明,在兩段短洋脊的俯沖之后,還有太平洋三叉連的俯沖。太平洋起源于伊佐奈琦、庫拉和菲尼克斯三板塊洋脊的三叉連(Seton and Müller,2007; Whittaker et al., 2011),這個洋脊三叉連隨太平洋板塊擴張向西運動(圖6c),在120 Ma接近了現(xiàn)在東海的位置。洋脊三叉連向下?lián)P子克拉通淺地幔的俯沖,可以觸發(fā)比短洋脊俯沖更加猛烈的軟流圈物質(zhì)上涌,形成空間尺度更大的特殊構(gòu)造帶。此時,伊佐奈琦洋在向北運動,洋中脊向大陸俯沖的位置也在向北運動。在90 Ma前時段大洋板塊洋脊俯沖運動到了日本本州島,這時與長江下游構(gòu)造的形成已經(jīng)沒有關(guān)系了。在圖7a表示140 Ma洋脊向華南俯沖的位置,到100 Ma期間,大洋板塊的洋脊系已經(jīng)俯沖入華南大陸地幔,中國東部沿海構(gòu)造態(tài)勢見圖7b,這時長江中下游構(gòu)造帶已經(jīng)基本形成。原來大洋板塊洋脊俯沖在大陸邊緣海域滑動的斷裂面,就轉(zhuǎn)變?yōu)辄S海與東海的分界面。它向西連接到長江中下游構(gòu)造帶的北邊界,也成為揚子克拉通與華北克拉通之間新的動力學(xué)邊界。因此,蘇北和南黃海雖然是下?lián)P子的結(jié)晶基底,但是在燕山期以后就不再與華南的構(gòu)造運動同步了。

5 結(jié)論

位于揚子克拉通內(nèi)部的長江中下游構(gòu)造帶是一個特別的巖石圈構(gòu)造帶,為什么只在長江中下游構(gòu)造帶局部形成深入內(nèi)陸的鐵銅和多金屬成礦帶?為了解這個問題,必須從華南地區(qū)的地球物理數(shù)據(jù)來分析研究區(qū)的巖石圈和軟流圈的屬性特征,并進行類似構(gòu)造的全球?qū)Ρ?。根?jù)地球物理調(diào)查結(jié)果可知,長江中下游構(gòu)造帶的地殼主要體現(xiàn)地塹的特征;巖石圈呈現(xiàn)低S波速與高密度,此類淺地幔動力學(xué)構(gòu)造系統(tǒng)與洋中脊向大陸的俯沖的模式接近。根據(jù)太平洋區(qū)域侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)大洋磁異常條帶和古地磁研究可以推測,長江中下游構(gòu)造帶與鐵銅多金屬成礦帶的形成原因,應(yīng)該是伊佐奈琦洋北邊的洋中脊與洋脊三叉連向下?lián)P子克拉通地幔的俯沖。當(dāng)然,證明這個推測還需要更多的調(diào)查數(shù)據(jù)。

致謝:筆者感謝章雨旭研究員對本文稿和圖解的中肯的修改意見。