（构造地质学专业论文）郯庐断裂带中段周边挤压应力场演变过程.pdf

郯庐断裂带中段周边挤压应力场演变过程 摘要 目前，对华北克拉通破坏的机制、过程与动力作用方式等方面的认识非常 有限，华北克拉通破坏机制是一个当前讨论最激烈的问题。为了获得华北克拉 通破坏的机制，本文通过对华北克拉通东部郯庐断裂带中段及周边的胶莱盆地、 鲁西南地区以及合肥盆地等地区进行详细的野外观察，同时对上述地区进行古 应力场数据采集，获得了2 1 6 组逆冲断层和走滑断层的数据，室内工作通过利 用法国巴黎南方大学研制的计算机程序反演了研究区内自早白垩世到新近纪的 古应力场的演化过程，得出华北克拉通东部自早白垩世以来存在脉动式挤压活 动。根据古应力场测量结果，本文认为在该地区早白垩世为n w w 向挤压，晚 白垩世为e w 向挤压和n e 向挤压，古近纪为n n w 向挤压、s n 向挤压、n n e 向挤压，新近纪为n w 向挤压。通过把应力场分期数据与太平洋板块的运动方 向的变化相结合，综合分析得出结论，认为华北克拉通东部的破坏机制及动力 来源是太平洋板块向欧亚板块下俯冲所产生的。 关键词：华北克拉通挤压应力场郯庐断裂带太平洋板块俯冲 t h ee v o l u t i o no ft h ec o m p r e s s i o n a ls t r e s sf i e l do ft h e m i d d l es e g m e n to ft h e t a n - - l uf a u l ta n di t sa d ja c e n ta r e a s a bs t r a c t n o w , f e wa b o u tt h em e c h a n i s m ，p r o c e s sa sw e l la sd y n a m i c a lm o d ed u r i n g d e s t r u c t i o no ft h en o r t hc h i n ac r a t o n ( n c c ) a r eo b t a i n e da n dt h ed e s t r u c t i o n m e c h a n i s mo ft h en c ci so n eo fc o n t r o v e r s i a lp r o b l e m sa n di s s t i l ln o ts o l v e d i n o r d e rt oo b t a i nt h ed e s t r u c t i o nm e c h a n i s mo ft h en c c ，w e p r e s e n td e t a i l e ds t r u c t u r a l a n a l y s i so f t h em i d d l es e g m e n to ft a n - l uf a u l ta n di t sa d j a c e n tj i a o l a ib a s i n ，w e s t e r n s h a n d o n gp r o v i n c ea n dh e f e ib a s i na n dc o l l e c tc o m p r e s s i o n a ls t r e s sd a t af r o ma l lt h e s e a r e a s i nt h i sw o r k ，w eo b t a i n216g r o u p sd a t ao ft h r u s tf a u l ta n ds t r i k e s l i pf a u l ti n t h e s ea r e a s 舱u t i l i z et h ec o m p u t e r p r o g r a mt h a tp r o g r a m m e db yt h es o u t h e r n p a r i su n i v e r s i t yt oi n v e r s et h ee v o l u t i o no ft h ec o m p r e s s i o n a ls t r e s sf r o mt h ee a r l y c r e t a c e o u st ot h en e o c e n e t h e r e f o r e ，ac o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h e r ea r e p u l s a n tc o m p r e s s i o n a la c t i o nh a p p e n i n gs i n c et h ee a r l yc r e t a c e o u s t h ed i r e c t i o n o ft h ec o m p r e s s i o n a ls t r e s si sn w wi nt h ee a r l yc r e t a c e o u s ，e wi nt h el a t e c r e t a c e o u s ，n n e ，s na n dn n wi nt h ep a l e o c e n ea n dn wi nt h en e o c e n e c o m b i n i n gw i t ht h em o v i n gd i r e c t i o no ft h ep a c i f i cp l a t e ，w es u g g e s t t h a t d e s t r u c t i o no ft h en c ci sm o s t l yc a u s e db yt h es u b d u c t i o no ft h ep a e i t i cp l a t e b e n e a t ht h ee u r o a s i ap l a t e k e y w o r d s ：t h en o r t hc h i n ac r a t o n ，c o m p r e s s i o n a ls t r e s sf i e l d ，t h et a n l uf a u l t ， s u b d u c t i o no ft h ep a c i f i cp l a t e u 图表目录 图3 1 郯庐断裂带平面展布图9 图3 2 研究区地质背景图1 0 表3 1 研究区地层对比表1 2 图3 3 切过莱阳组底部砾岩的e w 向左行大断层1 4 图3 4 青山组e w 向逆冲断层1 4 图3 5 青山组n e 向逆冲断层1 5 图3 - 6 青山组n w 向逆冲断层与晚期正断层1 5 图3 7 点s l ll ，王氏组e w 向右行岩脉1 6 图3 8 点s l l1 ，王氏组e w 向右行岩脉擦痕1 6 图3 - 9 点s l l l ，王氏组e w 向右行断层1 7 图3 1 0 点s l l3 ，e w 向右行断层擦痕1 7 图3 1 1 点s l l 3 ，n w w 向逆冲断层1 8 图3 1 2 点s l 4 3 ，晚期的e w 向逆冲断层1 8 图3 1 3 点s l 5 2 ，王氏组北东向左行逆冲断层1 9 图3 1 4 点s l 6 4 ，切割砂岩、泥岩的早期左行逆冲小型断层1 9 图3 1 5 点s d 3 4 ，王氏组n w 向右行断层擦痕一2 0 图3 1 6 点s d 0 3 ，e w 向切过砂岩的小型左行平移断层2 0 图3 1 7 点s l 0 7 ，玄武岩n e 向逆冲断层，发育断层泥2 l 图3 1 8 点s q 0 3 ，盆缘逆冲断层2 l 图3 1 9 点s l 4 8 ，符山玄武岩发育逆冲断层2 2 图3 2 0 点h l 2 2 ，切割方山玄武岩的逆右行断层2 2 图4 1 经弧的投影解析2 5 图4 2 两平面的交线的投影解析2 5 图4 3 两平面的夹角及角平分面的投影解析一2 6 表4 1 点s l 0 1 野外产状数据2 8 图4 4 点s l 0 1 赤平投影图与安德森机制2 9 表4 2 挤压应力场统计表2 9 表5 1 早白垩世n w w 向挤压应力场数据_ 3 0 图5 1 早白垩世华北克拉通东部n w w 向应力场示意图3 l 表5 2 晚白垩世e w 向挤压应力场数据3 2 图5 2 晚白垩世华北克拉通e w 向挤压应力场示意图3 4 图5 3 晚白垩世华北克拉通东部n e 向挤压应力场示意图3 5 图5 4 晚白垩世华北克拉通东部应力场n e 向挤压赤平投影示意图3 6 表5 6 古近纪s n 向挤压应力场数据3 8 图5 5 古近纪华北克拉通东部n n e 向挤压应力场示意图3 9 图5 6 古近纪华北克拉通东部s n 向挤压应力场示意图3 9 图5 7 古近纪华北克拉通东部n w w 向挤压应力场示意图一4 0 表5 7 新近纪n w 向挤压应力场数据4 0 图5 8 新近纪华北克拉通东部n w 向挤压应力场示意图4 1 图5 9 新近纪华北克拉通东部n w 向挤压应力场赤平投影示意图4 2 图6 1 华北克拉通挤压方向演化示意图4 3 图6 2 太平洋岛弧展布方向所指示的太平洋板块运动方向：4 4 图6 3 太平洋板块运动方向示意图4 5 附表郯庐断裂带中段周边挤压应力数据汇总表5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒8 巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字 字日期：矽肠年千月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关鄙门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒旦旦王些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：乃9 ，d 年午月 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： l 导师签名： 主霄兰 签字日期：2 0 1 。年牛月刁日 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，研究生的时光已经走向了尾声。在论文完成之际，借此机会，我要向 所有曾经帮助过我的师长、亲人、同学和朋友表达我深深的谢意! 师恩难忘! 首先我要对我的导师王勇生副教授表示最衷心的感谢! 是您给我在 知识的海洋中指出研究的方向，是您给我无数的机会让我的科研能力能够不断增长。 您严谨的科研态度会永远影响着我，您为我树立了人生和科研的榜样。 感谢朱光教授! 朱老师广博的知识和严谨踏实的治学态度将使我受益终生! 您 无论是在学习、科研还是生活中都给了我无处不在的关心和照顾! 感谢我的师兄弟们：胡召齐，张必龙，张力，陈印，朴学峰等人，在与你们的 真诚相处和共同生活中，既得到了你们的帮助，又学到了许多知识，与你们一起的日 子我将终生难忘! 感谢和我一起寒窗苦读的同学们，你们不仅是我的同学，也是我的兄弟! 最后我要感谢我的家人，全家人对我的期望是我不断向上的动力，你们为我付出 的一切我会用一生去报答! 感谢你们! i i i 作者：魏鑫 2 0 10 年4 月19 臼 第一章前言 古老克拉通具有一个厚而冷的岩石圈地幔，它以具有正浮力( 相对于软流 圈) 为特征，这个浮力使它们能够长期稳定地漂浮在软流圈上( d j o m a n ie t a 1 ，2 0 0 1 ) 。世界上一些太古代克拉通的长期保存也表明其长期稳定性。然而， 继后造山伸展现象发现以来，人们也发现像华北这样古老的克拉通在经过长期 稳定之后又出现了构造活化，发生了克拉通破环与岩石圈减薄。世界上其它克拉 通的破坏程度明显不及华北克拉通，它是目前资料揭示的克拉通破坏最典型的 地区( c a r l s o ne ta 1 ，2 0 0 5 ) ，因而华北克拉通破坏的研究具有十分重要的科学意 义。另外，由于克拉通变形与含油气盆地、金属矿产、地质灾害、古气候与环 境变迁及大型工程建设的密切关系，也更使这一领域的研究具有十分重要的社 会与经济意义。 目前，对克拉通破坏的机制、过程与动力作用方式等方面的认识非常有限。 岩浆岩、深源包体与地球物理探测在了解岩石圈深部结构、组成、状态与演化 方面发挥着重要的作用，但是浅部地质响应在揭示克拉通破坏的机制、过程与 动力作用方式方面具有不可替代的作用。岩石圈减薄的浅部响应包括地表的升 降( 及相应的气候变迁) 、区域应力与应变状态的变化、伸展活动与变质核杂 岩出露、盆地形成、高热流值背景、大规模火山活动等( m e i s s n e r & m o o n e y ，19 9 8 ； s c h o t t & s c h e l i n g ，19 9 8 ；m e n z i e se ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 关于华北克拉通认识的问题很多，但其中最为重要也是最为关键的就是它 的破坏动力学机制，通过研究其破坏的动力机制可以更好的了解克拉通的演变 及一系列相关问题。目前，关于华北克拉通破坏的动力机制问题也仍然存在众 多争议。m e n z i e sa n dx u ( 19 9 8 ) 提出扬子和华北板块的拼合导致了华北岩石圈 减薄的发生；袁学诚( 2 0 0 7 ) 则认为来自地球核幔边界的质量异常导致了华北 和华南地区蘑菇云构造的产生，进而改造岩石圈地幔使其发生了破坏；z h e n ge t a 1 ( 2 0 0 7 ) 则认为，太平洋板块的俯冲产生弧后扩张，扩张区软流圈不断地对 上部岩石圈地幔进行侵蚀，从而造成岩石圈的减薄。可以看出，关于华北克拉 通破坏的动力学机制，仍存在较大的争议。 本文为了解决以上问题，在国家自然科学基金项目“郯庐断裂带周边在华北 克拉通破坏中的浅部响应与数值模拟研究”的资助下完成了一系列工作。本次工 作的目的正在于利用区域应力场方向变化这一浅部响应，揭示克拉通破坏的深 部过程。本次工作通过对华北克拉通东部郯庐断裂带中段及周边地区( 胶莱盆 地、沂沭断裂带、鲁西南地区以及合肥盆地) 进行了野外的断层数据观测工作， 一共获得2 16 组逆冲断层及平移断层数据，室内工作通过采用法国南方大学地 球动力学实验室主任雅克梅西埃教授和比埃尔韦尔热利教授等研制的计算机 程序来对古应力场进行反演，对各个地质时期的野外数据进行分期，分期基本 原则采用“由新到老，层层筛选，逐步剥离，步步逼近”，最终得出从早白垩世 至新近纪以来的各期挤压应力场事件。早白垩世的挤压方向为n w w s e e 向： 晚自垩世的挤压方向为e w 向、n e s w 向；古近纪的挤压方向为 n n e s w w 向、s n 向n n w s e e 向；新近纪的挤压方向为n w s e 向。 表1 17 - 作量表格 野外工作工作时间 2 3 观察点1 3 5 观察断层数量 2 1 6 实测断层擦痕数据2 1 6 x 8 = 1 7 2 8 组 室内工作计算断层擦痕数据1 7 2 8 组 计算应力场赤平投影图 2 1 6 各阶段应力场综合图 7 本文通过前期研究及室内外工作，得出以上各期挤压构造应力事件，再将 其与太平洋板块的运动方向相结合，并综合其他学者的观点，最终得出结论， 认为华北克拉通东部的破坏动力来源为太平洋板块在各个地质时期与大陆板块 俯冲碰撞挤压所产生的。 2 第二章研究概况 2 1 华北克拉通破坏的研究现状 克拉通是地球表面上相对稳定的构造单元，它由上部古老的大陆地壳和下 部的岩石圈地幔所组成。而它本身巨大的岩石圈厚度( ，- - 2 0 0 k m ) 和较低的热流， 不易被俯冲破坏，能够使其较少受到其它地质作用的影响而保持其长期的稳定 性。而我国华北克拉通在中生代晚期发生了大规模的岩石圈减薄( f a na n d m e n z i e s ，1 9 9 2 ；z h e n ge ta 1 ，1 9 9 8 ) ，华北克拉通东部早期古老的巨厚富集岩石 圈地幔在古生代以后被薄的亏损型软流圈或大洋型地幔所取代，且从中生代以 后进入岩浆、构造变形、成矿、盆地形成等强烈发育的时期。其中减薄的证据 是山东蒙阴和辽宁复县金伯利岩的发现，研究表明这些金伯利岩是来自约 2 0 0 k m 深的岩石圈经抬升暴露地表，其形成时间大约4 7 0 m a ( f a na n dm e n z i e s 1 9 9 2 ；路风香等，1 9 9 1 ；郑建平，1 9 9 9 ) 。而由新生代玄武岩中的幔源包体研究 获得的岩石圈厚度约为8 0 - - 1 2 0k m ( f a na n dh o o p e r ，1 9 8 9 ；池际尚，1 9 8 8 ) 。这 表明华北东部自早古生代以来发生了百余公里的岩石圈减薄。尽管目前大家对 这一事件的认定少有争议，但对其发生的时间、机制及其控制因素等，存在激 烈的争论，甚至同一作者在不同的研究时段，其认识也随着资料的积累而发生 某种程度的变化。下面将对华北克拉通破坏机制及其动力学背景进行简要概述。 2 1 1 华北克拉通破坏机制 华北克拉通破坏机制是目前争论最激烈的问题。导致这一现象产生的原因 一方面与当前很多地区的基础地质资料不太翔实有关，但另一方面也与不同研 究者的学术背景有关。比如长期从事地壳研究的高山、吴福元及邓晋福等倾向 于拆沉机制，而一直致力于地幔研究的徐义刚和郑建平则更倾向于热侵蚀模型。 无论何种模型，它都能解释一些现象，但都存在一些难以回答的问题。 ( 1 ) 关于拆沉作用 华北克拉通破坏的拆沉模型首先由邓晋福等( 19 9 4 ) 提出，他们认为下部 岩石圈地幔的拆沉导致了华北的岩石圈减薄，并用此模型来解释我国东部燕山 期大规模岩浆活动的原因。g a oe ta 1 ( 1 9 9 2 ) 根据对中国东部大陆成分和地壳结 构的研究，发现包括华北克拉通在内的中国东部大陆地壳整体具明显e u 负异 常和较高的s i 0 2 含量。他们还测定了中国东部典型地壳深部岩石高温高压下 地震波速和密度，结合前人获得的我国地震测深成果及其与全球大陆地壳的对 比，揭示出中国东部无论下地壳还是地壳整体的地震p 波速均偏低o 2 一o 4 k m s ，下地壳具独特的双层结构和中性的总体成分，明显不同于全球单层基性 下地壳模型，演化程度明显较高，由此提出了华北克拉通和秦岭一大别造山带 下地壳拆沉作用的多学科证据，建立了定量模型下地壳拆沉作用的地球化学模 型，并指出下地壳与岩石圈地幔的整体拆沉作用可能是中国东部岩石圈减薄的 可能机制。 拆沉作用的本质是指由于重力不稳定性而导致的重力垮塌。在拆沉过程中， 加厚的下地壳转变成榴辉岩，此榴辉岩与下伏的岩石圈地幔一起被拆沉进入软 流圈地幔。显然，该模型预测的现今岩石圈地幔几乎都是新生的，且岩石圈减 薄已涉及到地壳。支持这一模型的主要证据是：( 1 ) 岩石学和地球化学资料已经 证明，现今岩石圈地幔的状况与古生代时的岩石圈地幔完全不同，表明早先存 在的岩石圈地幔己全部消失；主要元素成分上看，古生代橄榄岩主要表现为难 熔( r e f r a c t o r y ) 的特点，表明是经历过较高程度熔体抽取后的地幔残留，而新 生代地幔橄榄岩则为相对饱满( f e r t i l e ) 的特点，反映只经历过较低程度的部 分熔融( 郑建平，1 9 9 9 ；郑建平等，2 0 0 6 ) ；从s r n d 。h f 同位素来看，古生代岩石 圈地幔主要表现为富集( e n r i c h e d ) 的特点( 郑建平，19 9 9 ) ，而新生代岩石圈地 幔主要表现为亏损( d e p l e t e d ) 特点，表明它们经历的历史完全不同；( 2 ) o s 同 位素资料已经显示，古生代时的岩石圈地幔为太古宙，但新生代时的岩石圈地 幔o s 同位素特征与显生宙大洋地幔的特点极为接近，主要表现为年轻性质，除 东西交界部位的鹤壁地区外，其它地区到目前为止还未发现有太吉宙的残留存 在；( 3 ) k a y 和k a y ( 1 9 9 3 ) 指出，岩石圈拆沉是快速的或“灾变性”的，而热减薄( 或 热侵蚀) 是不现实的，因为传导方式和放射性放热方式的加热作用太慢了。燕山 带多幕挤压构造变形之后与紧接其不整合之上的一次岩浆活动事件之间的时间 间隔非常地短，表明岩石圈拆沉是非常快速的或“灾变性”的，而不是热侵蚀所 预测的缓慢的过程。华北中生代岩浆活动明显呈幕式分布，无论那一期对应克 拉通破坏，都表明该事件的发生是相对快速而短暂的；( 4 ) g a oe ta 1 ( 2 0 0 4 ) 对 辽西侏罗纪火山岩的研究发现，该壳源岩浆受到了地幔的污染，在排除岩浆混 合成因的可能后，一个自然的解释是拆沉进入地幔后的地壳物质发生了熔融。 许文良等对徐淮和鲁西地区中生代火成岩的研究得出类似的认识( x ue ta 1 ， 2 0 0 6 ) ；( 5 ) 在新生代玄武岩的地幔橄榄岩中，目前发现有地壳成因的熔体包裹 体，它很可能就是拆沉进入地幔的物质存在的证据( 樊祺诚等，2 0 0 5 ) ；( 6 ) 华北 东部在晚中生代发育大规模的沉积盆地，其中碎屑沉积岩粒度变化很大，多出 现表征不稳定性存在的砾岩，显示显著的地形差异与快速剥蚀；( 7 ) 目前有证 据表明华北东部在中生代期间可能存在加厚的地壳，其中目前讨论颇为热烈的 高镁埃达克岩就是例证；( 8 ) 目前在华北东部发现有多处存在变质核杂岩，它 们的发育时代都集中在l2 0 13 0m a 的早白垩世，且在运动方向上极为致，表 明短时间内地壳的大规模拆离。 目前对拆沉模型的质疑是：( 1 ) 除在徐淮和信阳等局部地区外，目前还无 足够的证据证明华北东部在拆沉以前存在加厚的地壳；( 2 ) 古生代时的岩石圈 4 地幔在主量元素上是难熔的，它那较轻的密度使其不易发生拆沉；( 3 ) 尽管该 地区中生代岩浆活动呈幕式分布，但其经历的时间大于10 0m a ，因对应缓慢的 破坏过程。或者说，中生代岩浆活动的幕式分布与岩石圈减薄的“量变”与突 变”有关，并不一定对应岩石圈的拆沉；( 4 ) 拆沉作用的直接结果是软流圈的上 涌，而此压力的降低必然使其发生相当程度的部分熔融而形成玄武岩，但目前 的事实是，中生代期间软流圈地幔来源的玄武岩在华北分布极为有限；( 5 ) 尽 管在新生代玄武岩的地幔橄榄岩包体中发现有富硅的熔体包裹体，但目前还不 能确切地证明它来源于地壳物质的部分熔融，因为有实验证明地幔橄榄岩减压 熔融可以形成一定的富s i 熔体；( 6 ) 拆沉模型不能解释的另一个重要事实是， 现今的岩石圈地幔在垂向上是不分层的，反而是交叉并置的( z h e n ge ta 1 ， 2 0 0 7 ) ，且部分样品给出的元古代o s 模式年龄与拆沉模式所预测的新生岩石圈 地幔有所矛盾。同时，岩石圈地幔的年轻性质也可以用热侵蚀模型来解释。 ( 2 ) 关于热侵蚀作用 热侵蚀模型自提出华北岩石圈减薄以后就一直被众多研究者所青睐 ( m e n z i e se ta 1 ，1 9 9 3 ；z h a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ) 。它的基本涵义是，上涌软流圈的热传 导“烘烤”会使岩石圈最底部物质发生软化，在软流圈水平流动产生的水平方向 剪切应力的作用下，这一部分物质就会转变成软流圈的一部分。这样的剥蚀会 加剧软流圈向上伏岩石圈传导热的程度，从而进一步软化岩石圈底层，导致新 一轮的剥蚀。这种相互关联的热软化和机械剥蚀被称为热一机械侵蚀 ( t h e r m o - m e c h a n i ce r o s i o n ) 。不过热一机械侵蚀并不是岩石圈减薄的唯一机制， 这是因为软流圈的上升必然会伴随岩石圈力学边界层( m b l ) 的初始熔融，以 及深部熔体以渗透性反应孔隙流的方式通过软流圈一岩石圈界面而进入岩石圈 地幔( 这一过程就是所谓的岩石圈的化学侵蚀，c h e m i c a le r o s i o n ) 。熔体一岩石 反应可以改变岩石圈地幔的矿物组成，改变其渗透率和流变学性质，导致岩石 圈底部的重力不稳定性。例如，地幔交代作用可以使原先具有高浮力的方辉橄 榄岩变成与软流圈浮力相差不大的二辉橄榄岩，这种变化肯定会加速岩石圈减 薄的进程( 徐义刚，1 9 9 9 ) 。很显然，交代作用模型要求残留的岩石圈地幔具古 老性质? 尽管克拉通破坏某种程度上也可在侧向上发生，但它总体上是自下而 上进行的，破坏只涉及到下部的岩石圈地幔，而不涉及到地壳。支持这一模型 的主要证据有：( 1 ) 克拉通岩石圈是低密度的，它的破坏不可能自上而下，而更 可能是自下而上，抑或从侧向开始发展：( 2 ) 华北地区中生代岩浆作用的发育 年代大约在1 8 0 8 0m a ，显示克拉通破坏的时间跨度较大，也表明岩浆的产生 不是一步到位的，而是发展演化的结果；( 3 ) 中生代岩浆岩主要表现为岩石圈 地幔来源，是软流圈上升情形下对岩石圈地幔侵蚀的结果。 反对这一模型的主要证据有：1 ) 除在东西部交界处的鹤壁这一特例以外， 目前的o s 同位素数据还未发现在新生代有古老的太古宙岩石圈地幔残留存在； ( 2 ) 交代作用的流体或熔体大多富集大离子亲石元素，它们交代古老的岩石圈 地幔以后必将使原本富集的特点更加显著，而这与目前的观察相矛盾；( 3 ) 华 北中生代岩浆作用尽管持续时间长，但并不是有岩浆活动就表明有岩石圈破坏 此外，构造分析的研究发现，华北在侏罗纪期间主要以挤压和推覆变形为主， 而只是到早自垩世才发育大规模的伸展构造；( 4 ) 热侵蚀模型要求深部上升的 物质具有较高的温度，或者说，热侵蚀作用大多发生在地幔柱的背景之中但 目前我们还没有足够的证据证明华北在中生代时存在有地幔柱；( 5 ) 热侵蚀模 型依赖的重要基础是早期秦岭华北地区的地震层析成像结果蘑菇云且不说 这一地球物理探测结果表示的是现今的深部物质状态，更重要的是这一资料的 可靠性在最新的研究中未得到证实；( 6 ) 热侵蚀作用难以解释华北克拉通为何 具有更演化的下地壳与地壳整体成分整体上偏长英质的特点；( 7 ) 如果热侵蚀 是通过正常的软流圈地幔的作用而实现的话，那为何世界上其它的克拉通多不 遭受破坏，因为它们同样位于较为均匀的热软流圈之上。 2 1 2 华北克拉通减薄的动力学背景 华北克拉通经过长期演化，在三叠纪之前仍保持着高度的整体稳定性，目 前认为华北克拉通减薄的时限是晚侏罗世到早白垩世。是什么因素导致了克拉 通的活化，不管拆沉作用还是热侵蚀作用，那只是克拉通破坏的过程，并不是 它的构造诱因。目前提出的控制因素有：扬子和华北板块的拼合；东侧太平洋 板块的俯冲；地幔柱等。 ( 1 ) 扬予和华北板块的拼合 这最早是由m e n z i e sa n dx u ( 19 9 8 ) 提出提出该过程导致岩石圈减薄的主 要理由是：( 1 ) 华北岩石圈减薄起因于拆沉作用，而拆沉作用的发生需要加厚 地壳转变成榴辉岩，而扬子与华北的碰撞正好产生了大量的榴辉岩；( 2 ) 华北 东南缘的徐淮地区晚中生代火成岩中确实发现了榴辉岩，且其变质时代为三叠 纪，与大别一苏鲁造山带超高压变质作用时代( 2 4 5 2 2 0m a ) 一致( x ue ta 1 ， 2 0 0 6 a ) ；( 3 ) 辽西地区存在年龄为2 2 2m a 的高镁埃达克岩和高镁安山岩( g a o e ta 1 ，2 0 0 6 ) 正如前面所讨论的那样，判断这一模型是否成立的关键是克拉通 破坏的时空分布第一，如果华北克拉通破坏发生在晚中生代，那为什么2 4 0 m a 左右的加厚岩石圈到差不多l0 0m a 以后才发生拆沉其二，从空间分布来 看，大别苏鲁造山带，包括相关的秦岭造山带，整体上呈近东西向分布，只是 在苏鲁地区才呈n n e 向，它们是扬子与华北碰撞而形成的造山带因此，如果 其后发生岩石圈拆沉的话，其展布方向应呈东西向，且应集中在华北地区东缘 和南缘而目前大家认定的岩石圈减薄区域呈n n e 向分布在我国东部的东北、 华北和华南地区，与上述讨论的方向不相吻合 ( 2 ) 地幔柱 这也是一个较少提及的模型，主要有三种类似的解释方案其一认为，华 6 北克拉通破坏起因于下部软流圈的隆升，而此隆升可能是地幔柱上升的结果 ( 袁学诚，1 9 9 6 ；路凤香等，2 0 0 0 ) 第二种模型认为，在早白垩世，西南太平洋发 育以o n t o n gj a v a 为代表的巨型地幔柱，而该地幔柱对我国东部的地质演化可 能产生了影响，并导致了克拉通的破坏第三种模型则认为，晚中生代是冈瓦 纳大陆由于受地幔柱影响而发生裂解的时期，这种全球地幔柱活动导致了华北 克拉通的破坏( w i l d ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 从岩石学、地球化学和地球物理学的角度出 发，目前还缺乏可信的能够证明华北地区在古生代以来存在过地幔柱的资料 同时，如果我们接受克拉通的破坏过程发生在东北到华南的整个中国东部，这 线状展布现象则很难用地幔柱机制来进行解释 但是，针对当前东亚地区的大量地震层析资料，袁学诚( 2 0 0 7 ) 经分析后认 为，除东北地区可能存在早期俯冲的太平洋板块残留外，华北和华南地区之下 不存在太平洋板块俯冲的迹象相反，来自地球核幔边界的质量异常导致了华 北和华南地区蘑菇云构造的产生，进而改造岩石圈地幔使其发生了破坏 如果华北和华南地区下面存在俯冲的大洋板块，那么来自核幔的地幔柱就 不可能或者还未穿过滞留或俯冲的大洋板块而对我国东部产生影响。即使有地 幔的上涌，那也是浅部的，与核幔边界的异常相差甚远。此时，中国东部地下 深处是相对冷的，而不是热的。反之，我们则需要转换思路，需要有新的认识。 ( 3 ) 太平洋板块的俯冲 针对中国东部宽广区域的岩浆作用，有不少学者认为中国东部中生代地质 演化与太平洋板块俯冲无关尽管如此，大部分学者还是认为中国东部东侧大 洋板块的俯冲是导致该区岩石圈减薄的首要构造控制因素( s u ne ta l ，2 0 0 7 ) ， 但不同学者认识的细节不尽相同我们不拟在此讨论当时中国东部是否存在活 动大陆边缘，因为对这一问题有大量的宏观地质证据，北美宽广的活动大陆边 缘也是中国东部可以存在这一构造背景的佐证，但我们在此只是简单分析一下 不同学者观点上的差别 、 吴福元等( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 多次认为，中生代时太平洋板块向欧亚大陆下的 俯冲可分为侏罗纪的俯冲和白垩纪的拉张两个阶段正是侏罗纪时的大规模俯 冲，使中国东部形成类似安第斯山的活动大陆边缘，并发生岩石圈的增厚，而 此增厚的岩石圈在白垩纪发生了拆沉拆沉作用发生时，软流圈发生隆升，地 壳进入伸展状态，而地表表现为正地形，称之为东部海岸沿岸山脉z h e n ge t a 1 ( 2 0 0 7 ) 则认为，太平洋板块的俯冲产生弧后扩张，扩张区软流圈不断地对上 部岩石圈地幔进行侵蚀，从而造成岩石圈的减薄 从上述不同模型可以看出，问题的实质是以下几个方面其一，软流圈上 涌的机制是什么? 是岩石圈的拆沉导致了软流圈的上涌，还是上涌软流圈的侵 蚀才导致了克拉通的破坏? 其二，从目前的资料来看，西太平洋深部地幔似乎 富水是大家的公识( k o m i y aa n dm a r u y a m a ，2 0 0 7 ) 。板块俯冲使大量的水进入地 幔楔，并进而使其软化而被易于拆沉或侵蚀，这是可以理解的，模拟实验研究 也证明了这一点。但这一富水的地幔以及由太平洋板块长期俯冲而产生的巨大 地幔楔( z h a oe ta 1 ，2 0 0 7 ) 对中国东部地质作用影响的细节则是目前认识还十 分有限的科学问题第三，中国东部在中生代时是否为造山带? 如果我们认为 俯冲带也是造山带，那在造山带地区，岩石圈发生破坏是易于理解的，尽管要 在该地区区分拆沉和对流型减薄( c o n v e c t i v er e m o v a l ) 却是困难的。 2 2 区域应力场测量的研究现状 万天丰( 1 9 9 5 ) 通过系统研究郯庐断裂带两盘的构造形变与应力场，再配 合断裂带内部构造研究，分析了断裂带的行程和演化过程，研究结果表明，断 裂带经历了一次以走滑为主( 在2 5 0 2 0 8 m a ) 、两次以正断层活动为主( 在 1 3 5 - 5 2 m a 与2 3 3 - 0 7 3 m a ) 、三次以逆断层活动为主( 在2 0 8 1 3 5 m a 、5 2 2 3 3 m a 以及o 7 3 m a 以来) 的断裂活动，断裂带内部结构异常复杂，形成反转构造， 构成中国东部大型断裂带具有普遍意义的活动特征。y u e q i a oz h a n g ( 2 0 0 7 ) 通 过对胶莱盆地断层华东矢量的收集与测量，通过计算机程序反演了盆地白垩纪 的古应力场演化历史，将胶莱盆地演化历史分为3 个伸展阶段和3 次构造挤压 反转事件。侯明金等( 2 0 0 7 ) 依据区域构造层次划分，采用构造筛分法，确定 发生于各个不同时代地层岩层内的断裂活动的同期及叠加的应力场特征。综合 所有的同期应力场特征及辅以叠加的应力场特征来验证，从而确定了一个连续 的、完整的断裂活动的应力场演化序列；结合区域构造变形特征分析，阐明郯庐 断裂带( 安徽段) 的构造演化。可以看出，针对郯庐断裂带演化的不同地质时期， 现有古应力场结果存在明显分歧。因而，必须对其进行验证，并通过其他地质 证据辅助证明。 第三章郯庐断裂带中段及周边地区野外构造特征 3 1 研究区概况 本文研究区为华北克拉通东部地区的沉积盆地，即郯庐断裂带罔边地区， 由南向北包括合肥盆地、沂沭断裂带内部盆地、胶莱盆地、鲁西南地区包括蒙 阴盆地、平邑盆地、莱芜盆地。 j l 一大兴安岭褶皱带 。 一 一 内蒙一 k 存目e 读 一lz 和对。 f i 孤i 鱻簚襽 謤紑 + 一 十 o 70 lk i 圈 图3 2 研究区地质图 3 1 1 合肥盆地 合肥盆地位于郯庐断裂带嘉山一庐江段西侧、大别造山带北侧，总体呈东西 向延伸，内部受控于东西向伸展断层。盆地起源于大别造山带北部的前陆盆地， 伸展期沉积了下白垩统早期朱巷组( k l z ) 、下白垩统中期毛坦厂组( k 1 m ) 、 下白垩统晚期响导铺组( k l x ) 、上白垩统张桥组、古近系定远组( k 1 m ) 。早 白垩世早期，沉积中心主要位于郯庐断裂带附近，为东断西超的南北向盆地，沉 积了氧化环境下河湖相含石膏红色碎屑岩，其沉积发育主要受早期侏罗世左行 平移的n n e 走向的郯庐断裂带控制。到古近纪合肥盆地断陷活动加强，东西走 向的伸展断层也广泛发育，郯庐断裂带附近的南北向盆地向西过渡为东西向的 沉积盆地。此时盆地范围扩大，沉积了河湖相红色碎属岩与灰色、灰绿色碎屑 山 徊o 3 1 2 胶莱盆地 胶莱盆地位于山东省东部，南起五莲、诸城、胶县，北达平度、莱阳，西抵 安丘、莒县，东越海阳、乳山入黄海。胶莱盆地是中国东部白垩纪发育起来的 一个走滑拉分陆相沉积盆地，盆地基底为下元古界荆山群黑云片岩，其上发育了 自垩系莱阳组( k 1 1 ) 、青山组( k i q ) 、王氏组( k 2 w ) 以及始新统的黄县组 ( e 2 3 h ) 。莱阳组与下伏荆山群为角度不整合接触，为一套河湖相碎属岩夹少量白 云岩沉积；青山组与下伏莱阳组为角度不整合接触，是一套火山岩系和火山碎屑 岩系；王氏组为一套河湖相红色碎屑岩类火山岩沉积，与下伏青山组为角度不整 合接触；黄县组为一套湖泊沼泽相的含煤含油页岩的粘土岩、碎屑岩沉积。其 中自垩统地层在盆地中大面积分布，厚度较大；而黄县组仅分布在平度附近， 厚度较小。从大地构造来看，胶莱盆地隶属于沂沭断裂走滑系，其边界由3 条一 级断裂组成，分别是西边的沂沭断裂带、南边的五莲断裂带和东边的牟平一即 墨断裂带。盆地北边主要受二级断裂，即平度断裂带和五龙村断裂带控制，部 分地区是以不整合接触于胶北隆起之上。盆地整体为一长轴北东向的菱形，内 部发育多条二级断层，主要有胶县断层、百尺河断裂和五龙村断层，它们将盆 地从南向北分为3 个凹陷，它们分别是南边的诸城凹陷、中部的高密凹陷和北 部的莱阳凹陷。 3 1 3 鲁西南盆地 鲁西南盆地包括聊城兰城断裂带和郯庐断裂带之间的一些小型盆地，由南 到北包括平邑盆地、曲阜泅水盆地、蒙阴盆地、新泰盆地、莱芜盆地。平邑盆 地和蒙阴盆地沉积中心呈n n w 走向分布，并由n n w 走向断裂控制其发育。 曲阜泗水盆地和新泰盆地、莱芜盆地这三个盆地沉积中心基本呈e w 走向分 布，并由e w 向断裂控制其发育。 和f 3 与f 4 之间的马站苏村地堑。沂沭断裂带内地堑自下到上沉积了下白垩统 蒙阴组( k 1 m ) 、青山组( k l q ) 、大盛组( k l d ) ，上白垩统和古近纪沉积都 缺失。 汞丹山地垒主要出露基底变质岩( 泰山群) 和新元古古生界海相盖层，盆 地中主要出露地层有下白垩统青山组( k l q ) 、大盛群( k l d ) 及局部的上白垩 统王氏组( k z w ) ，还分布新生代玄武岩。其东侧胶莱盆地内于青山组之下还 发育了下白垩统莱阳组( k 1 1 ) 。莱阳组主要岩性为粗砂岩、中砂岩、细砂岩、 粉砂岩及含砾砂岩并夹有泥岩。青山组主要岩性为厚层火山岩，凝灰岩夹砂岩 并含少量泥岩。大盛群的岩性有细砂岩夹泥岩、泥灰岩、灰岩、白云岩、砾岩、 凝灰质砂岩、安山岩等。王氏组主要岩性为厚层砾岩和粗砂岩、中砂岩、细砂 岩，岩性较为整齐。另外，研究区局部还出露少量古近系和新近系地层。工作 区域内的新生代玄武岩根据前人的k a r 测年结果皆为新近纪玄武岩。它们大 多较为新鲜，少数风化严重。断裂带旁侧出露有早白垩世岩体，特别在苏鲁造 山带内出露面积较大，岩石类型多样，有闪长玢岩、辉绿岩、正长斑岩、花岗 岩、霏细岩、石英闪长岩、石英正长岩、辉长斑岩、花岗闪长斑岩、花岗闪长 岩、二长花岗岩、花岗斑岩、二长花岗斑岩、石英正长斑岩等。 3 2 野外构造特征 本文的主要研究目的在于通过对华北克拉通东部地区挤压运动学的演化过 程，来反演挤压时期的古应力场，为此，对于野外工作所测量的数据我们在室 内主要倾向于利用逆冲断层及平移断层的擦痕数据，以此来更好的反演各挤压 时期的古应力场。 本文所采用的数据分别来于自0 8 年4 月至0 9 年4 月的多次野外工作，工 作区域所涉及的地质时期众多，主要对以下几个地质时期做了主要的应力场测 量，他们所对应的地层由老到新分别是：莱阳组、青山组、王氏组、古近系、 新近系。下面将对各个地质时期逆冲断层以及平移断层的野外构造进行简要的 描述。 3 2 1 早白垩世野外构造特征 本次工作中，对下白垩统莱阳组地层中断层的观测是在胶莱盆地中进行的， 这套地层中平移以及逆冲断层发育良好，数量比较多，一共观察到3 2 组断层数 据，具体产状请参见附录数据表。例如，点s l 3 4 为切过莱阳组底部砾岩的左 行大断层，所测得倾向为18 0 。，倾角为6 6 。，擦痕为3 0 。东，如图所示( 3 3 ) j 囤3 3 切过莱阳组底部砾岩的e w 向左行大断层 下自垩统青山纽地层在胶莱盆地以及沂沭断裂带内均有大面积出露，各种 性质的断层数据较多，青山组内断层发育，现象清晰其中共观察到6 6 组数据。 例如，点s l l 8 ( 图3 - 4 ) ，青山组安山岩，新鲜面为灰色，e w 向逆冲断层擦痕 阶步发育，断面倾向变化在1 9 1 1 9 9 之间，断面倾角变化在5 0 。6 5 0 之间， 断层擦痕在4 5 0 e 7 5 。e 之间变化：点s l 3 0 ( 图3 - 5 ) ，n e 向逆冲断层，断层 东侧为青山组粗安岩，西侧为莱阳组砂岩，断层面倾向变化在1 3 0 圳1 4 0 之间， 断面倾角变化在3 8 0 - - 4 4 。之间，擦痕方向为6 0 0 n 方向：点s d 2 3 ( 图3 - 6 ) ，火 山岩中发育大型n w 逆冲断层，擦瘦阶步清晰可见，断层面倾向变化在2 4 9 。 2 6 5 。之间，断层面倾角变化在5 4 0 6 9 。之间，擦痕方向在5 4 0 n 6 9 。n 之间。 图3 4 青山组e w 向逆冲断层 图3 - 5 青山组n e 向逆冲断层 幽3 - 6 青山组n w 向逆冲断层与晚期正断层 322 晚白垩世野外构造特征 对于上白垩统王氏组的断层的数据测量观察工作主要是在胶莱盆地中进行 的，这部分数据很多，且野外断层发育良好，对后期的室内工作帮助很大，本 次在王氏组一共观测断层1 1 9 组。例如，点s l l l ( 图3 7 ，8 ，9 ) ，王氏组