本书着重论述中国及其邻区区域大地构造基本特征,分总论、各论两部分,总论部分简要介绍大地构造学的基本理论和研究现状;各论部分以中国为重点概略地介绍中国区域构造特征,对重点地区和有争议地区,特别是主要造山带及各大含油气盆地均作了较为系统的介绍,对一些延伸到国外的造山带和盆地也有简要的介绍和图示,这部分涉及中国周边十多个国家的近期研究概况。
第1章 地壳的形成与演化
1.1 地壳的形成
地壳的早期演化几乎都是围绕着板块形成于何时这一问题展开。板块构造主张新的地壳大多是在离散或会聚板块边缘产生的,这就形成了以克拉通地壳为核心,被新生边缘环绕的板块。这些克拉通(craton)地壳在构造上相对稳定,一般称之为地台(platform)、地块(mas-sive)、台块(глыб,类似于шит地盾)或陆块(block),它们都稳定于前寒武纪。至于最老的陆块出现于何时现在还不十分清楚,众所周知的最老地壳残体是位于格陵兰Isua的地壳,年龄为3.7~3.8Ga,在明尼苏达河谷和密执安北部分布着稍年轻的岩石(3.5~3.6Ga)。在我国的迁西地区也发现与Isua岩石同样古老的地壳残体(刘敦一,1992,1994;陆松年等,1996),在迁西群下部曹庄组铬云母石英岩中含3.8Ga的锆石。尽管在澳大利亚伊尔冈地块的石英岩中曾发现4.1~4.2Ga的碎屑锆石(Froudetal.,1983),东北秦岭西段的奥陶系火山岩中发现了近4.1Ga的捕获锆石(王洪亮等,2007),也许能找到这一年龄的地壳残体,但一般认为在3.8Ga以前地球尚未形成使硅铝壳足够稳定的构造环境。
这种认识起源于理论上的推断及与月球的对比。一般认为地球与月球都形成于4.6Ga或4.5Ga前后,它们是通过微星(planetesimal)冷却凝聚形成,随后由于重力势能和放射性热能释放使其经历了全部或部分熔融,大约在4.2Ga(或4.0Ga)前后才出现原始地壳。后者与现在所观察到的月壳辉长岩+苏长岩+斜长岩(4.0~4.4Ga)高地类似,高地间则是3.3~3.7Ga的月海玄武岩。可能的过程是:由于小行星和陨石的撞击,月球在最初形成的几亿年中外部曾完全熔融达几百千米深,4.2Ga前后当外壳冷却以后,撞击作用的继续进行使其表面布满了被高地隔开的陨石坑,3.5~3.7Ga,由于放射性衰变,200km深处大规模熔融形成玄武岩浆,并向上喷溢充填了陨石坑,因此形成今天所看到的月海玄武岩。由于3.9Ga以后月球上的陨石撞击率迅速下降,故上述作用形成的月壳能保存至今。推测地球早期应经历过类似过程,只是因为后来的地质作用将早期的现象基本上都抹掉了。
上述模式称为地球形成的均匀生长模式。也有人(Anderson,1984)主张伴随微星凝聚,因挥发和难熔元素不同程度地分离,星云的不同部分按不同比例混合,故一开始就不是均匀的,伴随着金属质的核与地壳的早期分离。
不管地球以何种方式凝聚,原始地壳应如月壳那样是硅镁质壳,这与当时由陨石撞击率高、地温梯度高所引起的熔融程度高有关。原始硅镁壳没有保存下来的原因是在当时的地球环境下它不稳定,已全部沉没于地幔之中,直到3.8Ga左右才有原始硅铝壳保存下来。
至于原始硅铝壳何时演化成刚性较大的能独立漂移的岩石圈板块也尚无定论,但可以肯定地讲,地球的不同部分因演化过程的差异应有早有晚。太古宙地壳总的来说以低级变质的花岗-绿岩带和高级片麻岩区为特征,有人(Kroner,1981;Hargraves,1981)认为地球早期历史的高热流妨碍了现代大洋式板块构造的形成。但另一些人(Burkeetal.,1976)则认为,板块构造自古太古代以来就存在于地球表层。
北美地质学家以北美为依据,大多认为至少从古元古代开始,大陆壳就主要通过板块增生而演化。通过区域锆石年龄填图,Hoffman等(1984,1988)认为1.8~1.9Ga是北美克拉通拼接时期,强烈变形的火山岩、与之相关的不成熟的沉积岩和侵入岩组成的线性造山带环绕太古宙克拉通发育(图1-1,表1-1),这代表古元古代期间洋壳消减的产物。典型的造山带有北密执安、威斯康星、明尼苏达、潘诺克(安大略南部)、沃普迈(Wopman,加拿大西北)及横断哈德孙(Trans-Hudson)造山带。中元古代时期,广泛发育流纹岩-英安岩和类似成分的浅成岩,高硅质的岩石并未变形,大多未变质或仅达到低绿片岩相,镁铁质和中性成分的岩石少见。花岗-流纹岩区岩石的锆石U-Pb年龄多为1340~1480Ma,起自1750Ma(威斯康星中部),少数延至1100Ma(富兰克林山,德克萨斯)。Bickford(1988)认为北美中元古代的花岗-流纹岩产生在1600~1800Ma造山作用之后地壳广泛伸展情况下的深熔作用,其依据的主要事实是缺乏同一时期钙碱性火山岩组合和Nd模式年龄、无透入性变形作用及没有或最低的变质作用。因此总的情况应该是:元古宙以前是古陆核形成时期,此后地壳既表现为边缘增生,也显示为穿插改造,即新生陆缘的相当部分来自对古陆核的改造重组。这些过程是否都是通过板块作用完成的尚存疑问。
冈瓦纳大陆的稳定时间可能比北大陆要早。南非的卡普瓦尔(Kaapvaal)盆地被认为是唯一的一个太古宙克拉通盆地,其中充填的主要是大陆架近岸沉积,岩层只受到轻微的变形和很低级的变质,原始结构和构造保存得很好。卡普瓦尔与津巴布韦两个克拉通之间被林波波(Linpopo)造山带(2.0~3.2Ga)所分割,后者主要活动于3.2Ga前,基底由多期变质变形的英云闪长质片麻岩组成,基性麻粒岩呈残留体形式出现;上覆年龄为2.5~2.7Ga的林波波群上亚群,主要为页岩、磁铁石英岩、白云岩和纯净石英岩等稳定组分;在2.0Ga前又被剪切作用和裂谷作用所复杂化。虽然冈瓦纳大陆形成较早,但一般认为板块的增生体制在泛非事件(600~1100Ma)中才建立,因为真正的蛇绿岩和席状岩墙出现在500~900Ma以前。巴西法卢斯带、西刚果带、莫桑比克带、加丹加-达马拉兰带、阿德莱德及横断南极带等都被认为属于泛非事件中的造山带,年龄为800Ma左右的蛇绿岩和钙碱性火山岩出现在摩洛哥的BouAzzer、埃及及沙特阿拉伯等地。
1.2 太古宙地壳的性质与演化
对太古宙地壳演化的认识主要是从太古宙绿岩带的研究中得到一些启示。至于38亿年以前的时代,即前太古宙或原太古宙[有人称为冥古宙(Hadean)、有人称为无生宙(Azoic)],当时还没有生命活动,大气圈、水圈的性质也不具备产生风化侵蚀等地质作用的条件,没有沉积物形成,其演化特征尚不清楚。
1.2.1 岩石组合及其形成环境
目前所知,太古宙有三类岩石组合(Condie,1981):花岗岩-绿岩组合、高级组合及克拉通盆地组合。花岗岩-绿岩组合在北美、南非及澳大利亚的太古省(ArcheanProvince)中占优势。高级组合主要分布在中非、北非、格陵兰及俄罗斯的太古省中。克拉通盆地组合至今只发现一处,即南非的卡普瓦尔盆地。这三类岩石组合,实际上主要是由前两类构成了两种不同构造类型的古老地壳:一类是十分古老的、稳定的、包含有绿岩带的古陆核;另一类是穿过或围绕古陆核分布的前寒武纪活动带(或称高级区;Anderson,1969),后者变质程度较高,花岗岩化普遍,常为多期构造变动的产物。
1.花岗岩-绿岩带
多数绿岩带的宽度为10~50km,长度为100~300km。出露的地层厚度从10~20km不等。绿岩带在平面上呈线状或不规则形状(图1-2),剖面上多数是一些被断层破坏的向斜,主要断层平行于向斜轴,因挤入和深成侵入作用而成脊状轮廓(图1-3)。已知最古老的绿岩带为3.5~3.8Ga,但大多数绿岩形成在2.6~2.7Ga。绿岩带典型的变质相为绿片岩相,在与深成岩的接触带附近,变质程度可能增加;岩层中原始的结构和构造保存得很好;绿岩层主要由具有枕状构造的镁铁质火山岩组成,在有些绿岩层中钙碱性火山岩的丰度在上部层位增加;某些绿岩带的下部层位中含有丰富的超镁铁质岩和科马提熔岩;沉积岩含量较少,一般在上部层位中最丰富,主要是杂砂岩和杂砂质泥岩,含有少量燧石和其他碎屑沉积;主要矿产是铜、镍、铁、金和铬。
按火山岩的丰度,可将绿岩层序划分为两种类型:双峰式,主要由超镁铁质和与其有关的镁铁质岩石及少量燧石和长英质火山岩组成,安山岩很少或缺失;钙碱类型,主要由镁铁质经安山岩到长英质火山岩及成分类似的碎屑沉积(杂砂岩)组成。双峰式层序可不整合下伏于钙碱序列之下(如罗得西亚的Sahmvaina群和西澳大利亚的Kurrawang层),或者可演变为钙碱序列。而钙碱序列未见到下伏于双峰式序列之下的情况。双峰式层序可形成于整个太古宙(距今2.6~3.7Ga),而钙碱类型则主要形成在距今2.6~2.7Ga。
绿岩层序有岩区的特征。南非和澳大利亚的绿岩带是典型的双峰式层序,含有较大量的超镁铁质岩石,向上往往过渡为钙碱系列。北美的许多绿岩带是典型的钙碱系列(超镁铁质岩含量≤20%,镁铁质岩含量为50%,安山岩含量为30%),不含早期双峰式岩石组合。
大部分绿岩带沉积物为碎屑岩,似乎反映这是在构造活动盆地中通过滑塌和浊流活动而沉积的。当燧石、碳酸盐岩和石英岩沉积时,大概存在局部比较稳定的环境。沉积盆地的有些地方是相当深的,以至于浊积物未被上部的波浪活动所瓦解和破坏。但浅水沉积是广泛的,甚至有蒸发岩,如澳大利亚皮尔巴拉(Pilbara)的Warrawoona群(约3.5Ga)。叠层石碳酸盐岩和块状交错层石英岩代表盆地边缘小型台地和火山喷发中心周围的沉积。唯一广泛的台地沉积是南非的卡普瓦尔盆地。至于燧石和含铁建造既可以形成在深水中,也可以形成在浅水中。所以,正如克列拉(1982)所指出的,太古宙绿岩带主要形成在浅水盆地中。
绿岩带的变质作用表现为两种情况:
(1)区域性的接触变质,其变质级向边缘增高;
(2)变质级在数百至上千平方千米内变化。
前一种情况被认为变质作用与同构造期深成岩体侵入有关;后一种情况则被认为与热背斜或热穹隆有关。
花岗-绿岩带中的花岗质岩石主要有三类:片麻杂岩和底辟侵入体、大的席状岩基、晚期花岗质深成岩。