内蒙古大青山-盘羊山晚中生代-早新生代构造事件及其对华北北缘构造演化的启示

Late Mesozoic-Early Cenozoic tectonic events in Daqingshan and Panyangshan, Inner Mongolia, and its implication for the tectonic evolution of the northern margin of the North China Craton

摘要

内蒙古大青山和盘羊山位于华北克拉通北缘,其复杂的地质构造对华北克拉通北部中—新生代构造演化具有重要的指示作用。大青山以北的盘羊山逆冲体系,形成于晚二叠世至早三叠世古亚洲洋的闭合,晚侏罗世可能受蒙古-鄂霍次克洋闭合的影响而重新活动。大青山地区发育4期中—新生代变形构造,从老至新依次是:SE-NW向伸展形成的呼和浩特变质核杂岩、NW向逆冲的大青山逆冲体系、以不变形花岗岩为核心的构造穹窿、大青山山前断裂及高角度正断层。发生于约142~132 Ma的SE-NW向伸展,形成于造山增厚地壳的重力垮塌,并形成呼和浩特变质核杂岩和相关的拆离体系。大青山逆冲体系形成于约130~120 Ma,代表造山过程中地壳荷载与板块汇聚的抗衡导致的构造反转,另一可能是古太平洋俯冲的远程效应。自约120 Ma以来,大青山处于一个构造-热松弛期,导致该区约120~90 Ma的冷却事件被广泛记录,并形成以不变形花岗岩(约114 Ma)为核心的穹窿构造;这些事件可能与华北克拉通的峰期破坏相关。大青山山前断裂和相关的高角度正断层开始于始新世,可能是印度-欧亚大陆碰撞和太平洋板块运动方向改变的远程效应所致。古亚洲洋和蒙古-鄂霍次克洋的闭合导致华北克拉通北缘地壳增厚,引发早白垩世造山晚期的垮塌和伸展,形成呼和浩特变质核杂岩。自120 Ma开始,大青山开始受华北克拉通破坏的影响,并形成后造山伸展。新生代,大青山受新特提斯和太平洋构造域的远程影响。

关键词

中生代 / 新生代 / 逆冲 / 变质核杂岩(MCC) / 构造转换 / 大青山 / 华北克拉通北缘

Key words

Mesozoic / Cenozoic / thrust / metamorphic core complex (MCC) / tectonic inversion / Daqingshan mountain / northern margin of the North China Craton

0 引言

晚中生代,华北克拉通经历了重要构造转换,大陆构造动力机制由收缩向伸展转变,并发生了克拉通破坏^{[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9]}。在华北北缘,该构造转换不仅受东部古太平洋俯冲的影响,还受到北部蒙古-鄂霍次克洋闭合的影响,从而形成该地区构造的复杂性,发育交替形成的缩短和伸展构造^[10⇓-12]。自20世纪初,华北克拉通北缘就已发现了大规模逆冲构造,其中包括本文的大青山逆冲构造^{[13⇓⇓⇓-17]}。另一方面,华北北缘中生代的伸展构造也堪与美国科迪勒拉地区相比较,发育有亚干、英巴、医巫闾山和娄子店等变质核杂岩(MCC)^{[18⇓⇓⇓⇓⇓-24]}。

大青山和盘羊山位于华北克拉通北缘中段(图1a),具有复杂的中生代构造格局,北部盘羊山以南向逆冲构造为主,南侧大青山则发育多期伸展-逆冲交替构造。在大青山,郑亚东等^[15]确定了该区主要的逆冲构造为大青山逆冲构造(DST,图1b);Davis等^[25]定义了科迪勒型的呼和浩特MCC(图1b和图2中DSDF至DST-HT间的结晶岩系)。进一步研究发现,大青山发育比DST更广泛的西北向逆冲体系,称之为大青山逆冲体系^[26];而在呼和浩特MCC之上还叠加了较年轻穹窿构造。大青山最年轻构造为大青山山前断层及相关高角度正断层,切割拆离断层和白垩系沉积,形成呼和浩特新生代河套盆地的北缘控盆断裂^[27⇓-29]。

在大青山和盘羊山地区,缩短和伸展构造相互叠加,使该区成为研究大陆地壳从缩短增厚到伸展减薄构造体制转换的理想场所,为华北克拉通破坏的大陆动力学提供线索。此外,研究区位于华北克拉通北缘,中生代晚期可能同时受到蒙古-鄂霍次克洋和古太平洋的影响,有利于探讨两大构造体系的相互作用。本文总结了我们近年来有关大青山和盘羊山主要构造的几何学、运动学和年代学成果,结合蒙古-鄂霍次克洋和太平洋板块的演化,对大青山晚中生代-新生代的构造演化进行解释。

1 地质背景

大青山和盘羊山分属燕山-阴山陆内造山带和内蒙古隆起带,两者共同形成华北克拉通北缘,与北侧兴安岭-蒙古造山带相接^[30](图1a);大青山山前断裂(DFF,图2)以南为新生代呼和浩特—包头盆地(河套盆地东部)。本文研究区包括大青山主体和盘羊山构造带(图1,2),大青山构造带的北边界为大青山逆冲断层(图2中的DST-HT),前寒武系变质岩向北逆冲于侏罗系地层之上;柳卜泉正断层(图1b和图2中的LNF)以北为内蒙古隆起南缘的盘羊山构造体系。

大青山核部由变质岩石及白垩纪花岗岩(Kgr)组成,变质岩包括太古宙片麻岩(Ar)、元古宙片麻状花岗岩(Pt)和元古宙马家店组低级变质岩(Ptmj),两侧发育侏罗—白垩纪沉积地层。盘羊山构造带主要由太古宙片麻岩(Ar)和三叠纪花岗岩(Tgr)组成,其南缘发育元古宙大理岩(Ptm)和石炭—二叠纪(C-P)火山沉积岩系(图1b,2)。

大青山和盘羊山之间主要出露侏罗纪碎屑沉积地层。早、中侏罗世(J_1-2)地层分布于大青山北侧,由深色碎屑沉积组成。该地层在南侧被大青山变质岩逆冲覆盖,北侧被晚侏罗世(J₃)大青山群紫红色砾岩和砂岩不整合覆盖(图1b,c)。

下白垩统(K)红色砾岩主要分布在大青山南坡,构成大青山拆离断层(DSDF)的上盘;砾岩的砾石主要是来自大青山变质岩。此外,在大青山以北的一些地堑中也发育有该套红色砾岩,一处位于得胜营西南,另一处沿柳卜泉正断层(LNF)沿线(图1b)。

2 主要构造

研究区分为大青山构造带和盘羊山两个构造体系(图2),盘羊山构造带为南向逆冲构造;大青山构造带则分不同时代与不同性质的4组构造。

2.1 盘羊山逆冲构造体系

盘羊山构造带整体为近南向逆冲构造体系,其西部被新生代火山岩覆盖,东部被大青山冲断构造体系(DST-HT)切割,并被上侏罗统大青山组砾岩不整合覆盖(图1b,2)。

该逆冲体系的原地系在不同段由不同的地层组成。在西部的柳卜泉(图1b,3),原地系为上古生界深灰色沉积岩,经历强烈的褶皱和劈理化,可能是盘羊山逆冲体系的滑脱带,其下伏为太古宙片麻岩,被柳卜泉正断层切割。在东端乌兰合雅,逆冲断层的下盘为晚侏罗世大青山组红色砾岩(图1b,4)。

盘羊山逆冲体系由3个逆冲断层和推覆体组成,变形的原地系之上是由强烈糜棱岩化大理岩组成的下推覆体或岩席,岩席沿走向不连续分布,西部厚度较大,东部形成飞来峰,其内发育不对称褶皱(图4,5a)。大理岩岩席之上为片麻岩组成的中部席体,岩石强烈变形形成典型糜棱岩。上部席体由太古宙条带及眼球状片麻岩构成,其内被大面积的三叠纪花岗岩侵位^[31]。

该逆冲体系走向近东西向,断层面和构造面理均向北倾,推覆体及飞来峰内部发育向南倒伏的不对称褶皱,故大致推测其具有南向逆冲的运动性质。逆冲体系的中、下岩席经历强烈的韧性变形,形成糜棱岩,其内线理与断层走向近平行,一般向NW倾伏,与现今的构造样式不协调,推测该逆冲体系经历了前期的韧性变形和后期的脆性变形,后期变形形成了现今的构造格局。

2.2 大青山构造体系

大青山构造体系共分为4组构造:(1)呼和浩特MCC、大青山拆离断层和相关剪切带;(2)上盘向北西逆冲的大青山逆冲构造;(3)以不变形花岗岩为核心的穹窿构造;(4)大青山南侧的南倾高角度正断层和小型地堑,主体构造为大青山山前断裂。

2.2.1 呼和浩特变质核杂岩及相关剪切带

Davis等^[25]首次定义了呼和浩特MCC,并对其进行了详细研究^[5]。该MCC位于大青山核部,岩石组成为前寒武纪变质岩和年龄为148~114 Ma的花岗质岩^[32](图1b)。其南界为大青山拆离断层(DSDF);北侧出露两条糜棱岩带,南带为小井剪切带(XJSZ),北带为得胜营剪切带(图1b,DSSZ),后者可能是该MCC原先的北部边界。后期的大青山逆冲体系,将MCC切割为3个岩段(图1b,c):大青山拆离断层(DSDF)至乌素图—苏乐图逆冲断层(WT)为核部岩段,由太古宙(Ar)片麻岩组成;WT至黄土窑—得胜营断裂(HT)为中部岩段,由元古宙(Pt)片麻状钾长石花岗岩组成。研究区西部的HT至大青山逆冲断层(DST)为北部岩段,由马家店组低级变质岩(Ptmj,片岩、千枚岩和大理岩)组成。这种后期的逆冲改造,使得大青山逆冲断层(DST)和黄土窑—得胜营逆冲断层(HT)成为了呼和浩特MCC现在的北部边界(图1b,c)。

大青山拆离断层(DSDF)为南倾低角度正断层(图5b),倾角约10°~30°;断层总体为NE-SW走向,因缓倾角而呈现弯曲走向。DSDF将上盘白垩系砾岩叠置于糜棱岩化岩石之上,具有典型的拆离断层构造岩组合,即糜棱岩-绿泥石化角砾岩-微角砾岩。DSDF糜棱岩带最大宽度约3~4 km,面理向SE缓倾,倾角一般低于30°,线理向SE(约130°)倾伏。糜棱岩的运动学标志显示一致的上盘向SE的拆离运动。糜棱岩中,石英以亚颗粒旋转重结晶为主,长石以脆性变形为主,但发育膨突动态重结晶。石英的LPO样式为沿面理的单环带,并具Y轴点极密,指示变形峰期温度为(500±50) ℃,最终的韧性变形发生在300 ℃左右^[33]。

呼和浩特MCC北侧发育两条剪切带,即小井剪切带(XJSZ)和得胜营剪切带(DSSZ,图1b,c)。小井剪切带(XJSZ)发育在中部岩段,出露宽度达4 km。带内发育典型糜棱岩,面理北倾,倾角约15°,线理倾伏向约310°(图5c)。S-C面理和长石碎斑系等运动学标志指示上盘向SE的剪切,为“逆冲性质”。得胜营剪切带(DSSZ)发育于比XJSZ更靠北的北部岩段的低级变质岩(Ptmj)中,主要由千糜岩组成,形成了呼和浩特MCC的北界。其中,XJSZ糜棱岩中的石英和长石均经历了动态重结晶,角闪石为脆性变形;石英以晶界迁移重结晶为主,长石以膨突重结晶为主;石英的LPO具Y轴点极密,指示较高变形温度,峰值达(650±50) ℃,之后的变形温度为400~550 ℃^[33]。DSSZ千糜岩中的长石发生脆性变形,石英发生亚晶旋转动态重结晶,韧性变形峰值温度为(400±50) ℃^[33]。

根据几何学和运动学、及其与南侧大青山拆离断层(DSDF)的相关性分析,认为上述两条剪切带为大青山拆离断层在MCC北侧的出露,其中得胜营剪切带(DSSZ)应该是与MMC相关拆离断层(DSDF)的糜棱岩前锋带(图6)。

造成北侧同时出现两条剪切带及相关现今几何样式的形成过程如下:初始伸展形成统一南倾的拆离断层系,DSSZ为该拆离断层系的糜棱岩前锋(图6a);持续的伸展导致呼和浩特MCC隆升(图6b),隆升导致拆离断层在MCC南侧形成内切,形成新的拆离断层分支(DSDF)并向上切出地表(图6b,c),同时在北侧形成新的拆离断层切出端,即柳卜泉正断层(LNF)。后期大青山逆冲改造了拆离断层剪切带,在北侧形成了现今看到的两个剪切带(XJSZ和DSSZ,图6c,d)。

2.2.2 大青山逆冲体系

该逆冲断层系最早报道于1929年^[13];郑亚东等^[15]对研究区西段的大青山逆冲构造进行了详细研究;戚国伟等^[26]对该区的逆冲构造进行了系统研究,认为大青山逆冲体系由3条主要逆冲断层及其相关推覆体组成(图1b),自北向南依次为:大青山逆冲断层、黄土窑-得胜营逆冲断层和乌苏图-苏乐图逆冲断层。

大青山逆冲断层(DST)发育于研究区西部,是大青山逆冲构造体系最外侧断层,断层将马家店组(Ptmj)置于原地系沉积(J_1-2)之上,并形成典型的飞来峰(图1b,5d),DST走向大部分近南北,研究区中部转为NE走向,并与黄土窑—得胜营逆冲断层(HT)合并,形成DST-HT逆冲断层。

黄土窑—得胜营逆冲断层(HT)将元古宙的片麻状钾长石花岗岩(Pt)分别推覆于低级变质的马家店组(Ptmj)之上(西部)和侏罗系(J_1-2)之上(中-东部),并在中-东部与DST合并,形成大青山逆冲体系的前缘构造。

大青山逆冲体系最南侧的乌苏图—苏乐图逆冲断层(WT),将大青山太古宙变质结晶岩石(Ar)叠置于片麻状花岗岩之上。

大青山逆冲体系北侧的原地系地层时代仍有争议,在东部的HT下盘,原地系为紫色砾岩,为晚侏罗世大青山组^[34]。西部的DST之下,原地系为黑灰色砾岩,有人认为属二叠系^[35];但更多人认为属下—中侏罗统,因其西延为下、中侏罗统的石拐群煤系地层,且与上侏罗统不整合接触^[34,36]。

大青山逆冲体系具有上盘向NW的逆冲性质,证据包括逆冲断层上盘底部剪切带中的S-C片理、断层劈理与断层面的关系,以及断裂带中的脆性不对称结构。定量化运动学指标有剪切带线理、断面擦痕、侧向斜坡等,总体逆冲方向约为310°^[26]。

2.2.3 与后期穹窿相关伸展构造

呼和浩特MCC最突出的几何特征是所谓的波瓦(corrugation)构造,即在MCC形成过程中,拆离断层发生枢纽与伸展方向平行的褶皱作用^[5,25]。然而,这种构造样式更可能是晚期花岗岩底辟作用形成的穹窿构造,这种模式在最近的研究中得以进一步证实^[37]。

呼和浩特MCC发育3个穹窿(图1b,7),穹窿的构造形态由围绕核心花岗岩向外倾斜的面状构造限定^[38],如太古宙及古元古代片麻岩的片麻理、大青山拆离断层及北侧剪切带的面理等;另外,乌苏图—苏乐图逆冲断层(WT)的产状也围绕穹窿发生弯曲(图7)。穹窿的核部为白垩纪花岗岩,其中糜棱状花岗岩的U-Pb年龄为148~136 Ma^[32-33,39](图5e);更为重要的是,穹窿核部为U-Pb年龄约132~114 Ma的不变形花岗岩^[39]。最大的不变形花岗岩出露于中间穹窿,U-Pb年龄为114 Ma;其他两个穹窿的核心也发育厚达数十米的不变形花岗岩岩脉(图5f)。

2.2.4 大青山山前断裂(DFF)及相关高角度正断层

高角度正断层主要发育在大青山南坡,走向与大青山拆离断层(DSDF)近平行,倾角通常大于45°,为脆性断裂,发育断层角砾和断层泥。这些断层切割低角度DSDF和白垩系地层(图5g),并形成由古近系充填的小型地堑(图8)。DFF是研究区最大的高角度正断层,为河套盆地东北部的北部边界断裂。

3 大青山和盘羊山各主要构造间的时空关系

3.1 盘羊山逆冲构造与大青山构造体系

在乌兰合雅以东(图1b,2),上侏罗统大青山组不整合地覆盖于盘羊山逆冲断层之上;但大青山逆冲体系的黄土窑—得胜营断裂(HT)则将花岗质片麻岩推覆于大青山组之上。因此,盘羊山逆冲系统早于大青山逆冲系统。

此前,盘羊山逆冲构造与呼和浩特MCC伸展系统的关系尚未见报道,本研究识别出了盘羊山逆冲体系前缘的柳卜泉正断层(LNF,图1~3),为解决该问题提供了关键证据。前述已将LNF归于大青山拆离系统的北切出端(图6),其上发育白垩纪断陷盆地,盆地沉积为来自下盘的粗大且磨圆差的砾岩,具同构造沉积特征。野外露头及剖面(图5h,9)清晰显示了盘羊山逆冲构造与LNF之间的切割关系,逆冲断层由上盘大理岩和下盘古生界地层组成,它们被LNF切割,LNF表现为由多个掀斜地块组成的多米诺构造。

3.2 大青山逆冲体系与呼和浩特变质核杂岩伸展构造的关系

两者的关系尚存争议,有研究认为MCC形成于逆冲之后^[5,25];也有人认为两者同时形成,机制类似于喜马拉雅造山带^[67]。北侧大青山逆冲断层(DST-HT)和南侧大青山拆离断层(DSDF)围限的结晶岩,相当于MCT和STDS间大喜马拉雅杂岩,两断层同时活动,中间杂岩挤出^[26]。本研究的野外证据证明了逆冲构造切割了呼和浩特MCC和DSDF。

在呼和浩特MCC北侧的小井,乌素图—苏乐图逆冲断层(WT)改造了小井剪切带XJSZ(图1b,5c),并使剪切带的面理变陡,形成指示NW向逆冲的拖曳褶皱。

在研究区的西南部的红领巾水库剖面,南端为大青山拆离断层(DSDF,图5b,8a),其上盘的白垩系砾岩为拆离断层上叠盆地沉积,被NW向逆冲改造而褶皱;拆离断层面南倾23°,断层下为发生片理化的糜棱岩,面理产状146°∠17°。DSDF以北仅2 km处则为大青山逆冲断层(DST),发育断层破碎带,带内破劈理产状指示NW向逆冲,将元古宙大理岩等推覆在侏罗系砂岩之上。该剖面的面理和断层面均南倾,DST构造层位位于DSDF之下,但DSDF的韧性-脆性变形被DST的脆性变形叠加,明确表明了DST晚于DSDF。

图8b为金銮殿山剖面,南端为元古宙大理岩逆冲于白垩系砾岩之上,砾岩变形形成不对称褶皱。剖面北部为典型逆冲构造,元古宙大理岩推覆于早—中侏罗世砾岩之上。剖面中部,大理岩顶部发育拆离断层(DSDF)的微角砾岩,同样说明了DST晚于DSDF。

3.3 穹窿构造与高角度正断层

从图1b和图7可识别穹窿构造与大青山拆离断层(DSDF)、大青山逆冲体系的关系,即穹窿使DSDF及相关剪切带、大青山逆冲体系的乌素图—苏乐图逆冲断层(WT)发生穹状弯曲。高角度正断层为研究区发育最晚的构造,切割DSDF及其上叠盆地白垩系沉积(图5g),形成古近系沉积充填的地堑(图8b)。大青山山前断裂形成大青山与新生代盆地的分界线,并切割了大青山逆冲断层(DST)和DSDF(图2)。

4 主要构造的年代学

4.1 盘羊山逆冲推覆体系

该逆冲体系经历早、晚两期逆冲变形。早期构造演化中的原地系为古生界地层,最小沉积年龄为172 Ma,上盘糜棱岩化片麻岩被未变形、U-Pb年龄为247~244 Ma的三叠纪花岗岩(Tgr)侵位。所以,盘羊山逆冲早期活动时代为早三叠世,是古亚洲洋闭合导致的华北克拉通北缘的地壳增厚^[30-31]。

除早期活动外,该逆冲系统在晚侏罗世再次活动。在乌兰合雅,晚侏罗世大青山组砾岩被元古宙大理岩(Ptm)推覆体构造叠置(图1b,4);但大青山组砾岩也不整合覆盖于盘羊山逆冲体系之上。说明大青山组可能为该逆冲体系同构造沉积。更重要的是,在盘羊山逆冲构造前缘,未变形三叠纪花岗岩侵位于糜棱岩化片麻岩中,限定了逆冲的早期活动,但花岗岩又与糜棱岩一起形成了后期脆性逆冲断层的上盘。

研究区以西石拐盆地沉积记录了同期构造,中、上侏罗统记录了不同构造环境,之间为不整合。中侏罗世为裂陷期,晚侏罗世为南北向挤压的前陆盆地^[34,36]。

4.2 呼和浩特变质核杂岩及相关的剪切带

根据锆石U-Pb测年结果,呼和浩特MCC相关的花岗岩分为148~136 Ma的糜棱岩化花岗岩和132~114 Ma的未变形花岗岩两组^[32,39](图5e,f;图7),其中北侧小井剪切带(XJSZ)中糜棱岩化花岗岩的年龄为(148±1) Ma,为大青山最老的白垩纪花岗岩;MCC内2个弱变形花岗岩年龄分别为(140±1) Ma和(142±1) Ma;南侧拆离断层(DSDF)剪切带中3个糜棱岩化花岗岩的年龄分别为(142±1) Ma、(138±1) Ma和(136±1) Ma。值得注意的是,侵位于DSDF年龄为(142±1) Ma的花岗岩表现出同变形特征:(1)岩体为平行于糜棱面理的岩脉;(2)发生糜棱岩化,面、线理与围岩相同;(3)花岗岩虽具有典型的糜棱岩组构,但石英和长石的重结晶现象不明显。

呼和浩特MCC南侧剪切带变形时间上限:不变形的二长花岗岩侵入剪切带,其锆石U-Pb年龄为(132±1) Ma(图7);北侧得胜营剪切带(DSSZ)也被未变形花岗岩岩体侵位,U-Pb年龄为(131±1) Ma^[40]。总之,呼和浩特MCC的韧性剪切开始于142 Ma,止于132 Ma。

4.3 大青山逆冲体系

研究区西部大青山逆冲断层(DST)下盘白垩系地层中发育玄武岩,全岩⁴⁰Ar/³⁹Ar等时线年龄为136~133 Ma^[5]。在大兰旗东北,131 Ma的不变形的花岗岩侵入于得胜营剪切带(DSSZ),并共同构成DST上盘(图1b,c;图7),说明大青山逆冲系统时间下限为约131 Ma。

逆冲断层同变形年龄约束如下:在大青山逆冲断层下盘顶部,沉积岩发生与逆冲相关的动力变质而形成千糜岩,其中细粒绢云母为低温同变形矿物,⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄为120~119 Ma,因上盘底部发育较高温糜棱岩,下盘的千糜岩应形成于变形晚期^[41];刘正宏等^[42]也得到了同样的结果((121.6±1.6) Ma)。

逆冲断层变形的时间上限:侵位于DST不变形花岗岩脉的锆石U-Pb 年龄、侵位于黄土窑—得胜营断层(HT)不变形花岗闪长岩脉角闪石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄均为119 Ma^[15,41]。

4.4 大青山穹窿构造

穹窿构造核心不变形花岗岩的U-Pb年龄为(114±1) Ma,呼和浩特MCC南侧剪切带糜棱岩的角闪石、黑云母和白云母⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄分别为(119.5±0.8) Ma、(116.2±1.5) Ma和(116.4±0.8) Ma(图7)^[33,39],不同的封闭温度指示119~116 Ma经历一次构造冷却事件;变质核杂岩北侧小井剪切带黑云母的⁴⁰Ar/³⁹Ar等时年龄为(111±17) Ma^[39]。大青山东部穹窿核部花岗岩的磷灰石裂变径迹(AFT)年龄为96 Ma^[5],中部穹窿114 Ma花岗岩的AFT为100~90 Ma,证实了穹窿构造119 Ma之后的热隆升。

4.5 大青山山前断裂及相关高角度正断层

高角度正断层形成小型地堑,并被同构造的古近系粗碎屑沉积充填(图8b),代表了这些断裂的活动年代。AFT还揭示了大青山大约50 Ma的快速冷却事件,标志着大青山山前断裂的活动时间^[42],该断层的活动一直持续到现今^{[27⇓-29,43⇓-45]}。

5 研究区晚侏罗世以来的构造演化

5.1 华北北缘以盘羊山逆冲体系为代表的晚侏罗世南北向挤压

除盘羊山外,在大青山及相邻地区,也广泛发育中—晚侏罗世的逆冲构造^[46⇓-48]。同样,在华北北缘的内蒙古、河北、北京和辽西等地,广泛发育与盘羊山逆冲同期的近南北向挤压^[16-17],其中包括内蒙古-蒙古边界的侏罗纪逆冲构造,最小位移为120 km^[14];冀东承德逆冲构造将元古宙地层推覆于中侏罗世火山-沉积岩之上,逆冲时间为161~148 Ma^[2]。

晚侏罗世的挤压事件被认为是燕山运动第一幕的主要事件^[10⇓-12],该事件可能为蒙古-鄂霍次克洋关闭所致^[2,49],该关闭事件发生在中—晚侏罗世^[50-51],但关闭过程可能是自西向东从侏罗纪至早白垩世^[49,52]。因此,盘羊山逆冲体系应该是燕山运动早期蒙古-鄂霍次克洋闭合导致的华北北缘的地壳增厚(图10a)。

5.2 以呼和浩特变质核杂岩为代表的早白垩世SE-NW向伸展

华北北缘发育诸多类似的具SE-NW向伸展性质的早白垩世MCC^[22],在呼和浩特以西,有国内发现的第一个科迪勒拉型的亚干MCC(Yagan-Onch Hayrhan MCC),伸展时代为145~135 Ma^{[18-19,21-22,53]};亚干至呼和浩特间还发育年龄为145~134 Ma的英巴MCC^[23]。

呼和浩特以东发育的具SE-NW向伸展性质的MCC包括:(1)内蒙东部的娄子店MCC,剪切带⁴⁰Ar/³⁹Ar 年龄为142~126 Ma^{[20,54⇓-56]};(2)辽西的医巫闾山MCC,形成时代为152 ~126 Ma^{[57⇓⇓⇓-61]};(3)形成于129 Ma的辽南变质核杂岩^{[62⇓⇓-65]}。

华北北缘早白垩世MCC的成因模型包括:(1)古太平洋俯冲作用的远程效应^[6-7,66];(2)岩石圈拆沉^[67];(3)增厚地壳的重力垮塌。太平洋俯冲远程效应可以解释太行山以东的MCC,但不能解释更西部的亚干和英巴MCC,因为俯冲作用很难到达太行山以西。相比之下,增厚地壳的重力垮塌更适合于华北北缘的MCC^{[5,18-19,25,32,60-61]}。因此,晚侏罗世蒙古-鄂霍次克洋闭合导致了地壳增厚,增厚地壳在早白垩世发生重力垮塌形成呼和浩特MCC(图10b)。

由于蒙古-鄂霍次克洋的闭合直到早白垩世才结束,所以华北北缘早白垩世的SE-NW向伸展可能是为造山后期,而非后造山伸展。这种同造山伸展可以用切向剪切模型解释^[22,68-69]:造山运动的主应力(σ₁)近水平并使上地壳发生逆冲增厚,并在中地壳形成底部拆离构造;地壳增厚增加垂直载荷,并使σ₁转向竖直,这种应力场在中地壳剪切带中形成同向伸展褶劈理^[65];根据最大有效矩准则^[70],同向伸展褶劈理将发展为倾向前陆的低角度面理,并随应变局部化而向上扩展至脆性上地壳,进而形成拆离断层,这一过程会因深熔融作用而强化。

5.3 以大青山逆冲体系为代表的早白垩世构造反转

大青山逆冲体系曾被解释为伸展前的增厚事件^[5],但本研究明确了该逆冲运动为伸展后的构造反转。这种反转可从两方面解释:一种简单的解释是其发生于同造山伸展过程中,在造山过程中,伸展褶劈理发展成拆离断层,拆离作用使地壳减薄,垂向载荷减小,σ₁重新回到近水平方向,导致地壳再次增厚(发生逆冲,图10c)。

另一种较复杂的解释为华北整体构造体制的转变,在北京、河北北部和内蒙古东南部发育许多NE走向逆冲构造,运动学与大青山逆冲体系相同^[2,17],如河北北部的赤城地区发育两个NE走向的断陷盆地,其内充填粗碎屑沉积和中-酸性火山岩,火山岩的U-Pb年龄为160 ~135 Ma,这些火山岩后被卷入NW向逆冲,即发生了135 Ma之后的构造反转^[71]。这些早白垩世NW向逆冲通常归因于古太平洋俯冲的影响^[7,11-12],但大青山逆冲是否属于这一构造体制仍有待探讨。

5.4 120 Ma之后的持续伸展

大青山NW向逆冲之后,持续伸展形成核部花岗年龄为114 Ma的穹窿构造,穹窿构造中119~111 Ma的⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄代表与花岗岩底辟有关的穹窿过程(图10d);而100~90 Ma的AFT冷却年龄也证明了早白垩世晚期以来的隆升,整个燕山-阴山带也广泛报道了这一时期的快速冷却或隆升事件^[43]。

华北北缘东部MCC中广泛报道了约120 Ma之后的冷却和抬升事件,如医巫闾山((116±2) Ma)^[72]、辽南(118~103 Ma)^[73-74]。除华北北缘,华北内部的MCC也经历了同期冷却事件,如云蒙山(118~114 Ma)^[22]、鲁西隆起^[75]、太行山东缘断裂的开始^[76]。

120 Ma以来大青山的冷却事件,可归因于后造山伸展作用,因为此时蒙古-鄂霍次克洋的闭合已结束。该事件主要发生在呼和浩特及其以东的华北克拉通内部的MCC,可能是华北克拉通破坏的结果,因为华北克拉通的破坏在120~115 Ma期间达到顶峰,其影响区域集中在太行山以东地区^[6-7,77];虽然呼和浩特MCC位于太行山以西,但可能也参与了克拉通破坏。因此,呼和浩特MCC的伸展可分为两个阶段:132 Ma以前的造山晚期伸展和约120 Ma后参与NCC破坏的后造山伸展。

呼和浩特以西的亚干和英巴MCC冷却年龄为130~126 Ma^[21,23],老于呼和浩特以东的变质核杂岩,可能的原因与蒙古-鄂霍次克洋自西向东封闭有关,同时这些地区受华北拉通破坏的影响较小。

5.5 高角度正断层作用

研究区高角度正断层的形成原因可分为两种:(1)与白垩系充填的地堑相关,可能是约120 Ma以后伸展的组成部分,即从深部拆离断层中分支出的高角度断层(图10d);(2)与古近系充填地堑相关,可能是与大青山山前断层(DFF)一起发生的新构造事件。AFT分析已证实DFF自约50 Ma开始活动^[43],与大青山前河套盆地的沉降(图10e)形成于当时中国大陆所处的一个全球性大地构造背景,该背景由印度-欧亚大陆碰撞和太平洋板块运动方向改变(夏威夷-皇帝岛链弯曲)共同制约^{[78⇓⇓-81]}。此时,华北中东部发生了泰山43~33 Ma的快速隆升^[82]、太行山东缘断裂始新世的正断^[76]、太行山的隆升^[83-84],以及55 Ma以来山西地堑^[80]等重要构造事件。

6 结论

研究区发育北部南向逆冲的盘羊山逆冲体系,和南部大青山构造带的以下4组构造:SE-NW向伸展的呼和浩特MCC及其拆离断层体系;NW向逆冲的大青山逆冲体系;以不变形花岗岩为核心的穹窿构造;以大青山山前断裂为代表的高角度正断层体系。

盘羊山逆冲体系最早形成于晚古生代末期的古亚洲洋关闭,但在晚侏罗世时受蒙古-鄂霍茨克洋关闭的影响而重新复活,并导致了华北克拉通北缘的地壳增厚,增厚地壳为造山带重力垮塌(伸展)及变质核杂岩的形成提供了前提条件。

大青山构造带第一期伸展形成呼和浩特MCC及大青山拆离系,变形年龄约为142~132 Ma,因蒙古-鄂霍斯克洋的缝合尚在进行,故该伸展为同造山(造山后期)伸展,这种具南倾拆离系的造山晚期伸展可用切向剪切模型和最大有效力矩准则来解释,即造山增厚使σ₁由水平转为竖直,形成伸展。此后大青山在131~120 Ma期间经历了从伸展到缩短的构造反转,形成大青山逆冲构造体系,该构造反转同样为造山晚期,地壳载荷因伸展而减弱,σ₁由竖直再次转为水平,形成由伸展向逆冲的反转;古太平洋板块的俯冲可能是本构造反演的另一种解释。约120 Ma以后,大青山开始了后造山的伸展阶段,120~90 Ma的冷却事件被普遍记录,并形成以不变形花岗岩(114 Ma)为核心的穹窿构造;该期伸展构造可能已被卷入华北克拉通的破坏,对应于克拉通破坏的高峰期。始新世以来,受印度-欧亚大陆碰撞的远程效应和太平洋板块运动变化的影响,大青山山前断裂开始活动。

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基金资助

科学技术部国家重点研发计划项目(2021YF0716000)

中国石油天然气集团有限公司-北京大学基础研究项目