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接受同行质疑:我们的发现改动了华北板块的北部边界与碰撞时间 精选

已有 9224 次阅读 2018-7-20 15:36 |个人分类:教学研究|系统分类:论文交流| 原创论文, 狼山, 蛇绿岩套, 华北克拉通, 碰撞边界

           上周在科学网发布了中文发表重要发现,深度体验学术生态的博文,获得广大同仁们热情关注。本周我们的论文终于上线了:现借科学网平台将主要野外证据以照片和图片形式展示出来,以接受大小同行的质疑和检验:

     大陆上有两种构造单元:古板块及其边界的造山带。中国大陆是欧亚板块的重要组成部分,中部和东部的板块格局是:华南有扬子板块,华北有华北板块(这里基本上等同于“华北克拉通”,NCC = North China Craton),二者以秦岭大别苏鲁造山带为界,而华北板块北边是中亚造山带(CAOB = Central Asian Orogenic Belt),再北则是俄罗斯的西伯利亚板块了。下面两张示意图基本上反映了地学界主流观点对中国东部两大板块边界的划分方案:

 

 

          

           中国划分华北古板块边界的开山之作都是用中文发表的,后面的人只是引用而已。我们在论文中严格遵从引用“原创”的原则。看我们论文中的简单介绍:

           自从板块构造概念引入中国以来,华北古板块的北部边界就被地质学家们认定位于白云鄂博北侧到西拉木伦河一线,北侧的中亚造山带早期曾称为天山兴安地槽褶皱区及额尔古纳褶皱系(黄汲清等,1977;李春昱,1980;王鸿祯,1981;李春昱,汤耀庆,1983;李春昱等,1984;王荃,1986)。后来根据贺根山发现的蛇绿岩将该碰撞边界扩大为一个近东西向延伸的带(李春昱等,1984),再后来则有更多的蛇绿岩带发现而进一步加宽(王荃等,1991)。从那以后,华北板块北部边界的轮廓基本上都延续着类似的版本(王鸿祯等,2006;董树文等,2007;王树庆等,2008Darby and Ritts, 2007Wang et al, 2016),成为中国北方大地构造划分的理论支柱。

          与这条经典的华北古板块边界形成鲜明对比的是,位于其南部一百余千米的阴山山脉,却形成非常明显的东西向延伸的地貌分界线:北侧是海拔1300—1600m的内蒙古高原,而南侧是东部海拔不足百米的华北平原和西部海拔千米的鄂尔多斯地块北缘,南北地貌高差至少在300m,局部上千米。阴山山脉向东延伸与燕山山脉相接,然后是向东北延伸的大兴安岭,将内蒙古高原与华北平原和东北平原分割开来(1)。

          为阴山造山带内一直没有发现碰撞造山的典型标志蛇绿岩套,前人没有将其看作碰撞造山带,更未将其当作华北克拉通的北部边界。然而,该造山带以北的内蒙古高原与造山带南边典型的华北克拉通之间却有着明显的差别:第一是地貌上北高南低,第二是中生代及以前的地层也存在着明显的差异,从岩性组合到沉积环境都属于不同的分区(内蒙古自治区地质矿产局,1991)。人们将阴山南北地层和构造都明显不同的两个带看作同一个构造单元,然而却无法说明二者明显差别的根本原因,这就是阴山造山带给地质学家出的难题。

         根据东西向延伸的一系列逆冲断裂,葛肖虹(1989)首次将阴山、燕山山脉的巨型构造带称为华北古板块(North China Paleoplate)北缘的板内造山带(intraplate orogenic belts)。赵越(1990)也将燕山地区看作是燕山期陆内造山的结果。此后中外地学界就将阴山燕山一带看作经典的板内造山带,并用相似的远距离效应模型解释其形成机制(Davis et al., 1998; Darby et al., 2001Davis et al., 2002; Darby and Ritts, 2007; Yan et al., 2006; 赵重远和靳久强,2007;杜菊民等,2009Zhang Jin et al., 2014; Zhang et al., 2014; Gong et al., 2015Wang et al., 2015; Wang et al., 2016)。在讨论蒙古高原南部边缘逆冲回返机制的最新论文中,也仍沿用前人观点将狼山南缘、大青山南缘断裂带统统当作板内变形的结果,而且都用远距离效应解释其动力机制(Darby and Ritts, 2007; Feng et al., 2017)。

          今天地貌上明显隆起的阴山造山带到底是什么时候形成的什么性质的造山带?有什么关键证据?这是需要地质学家回答的重要问题。为了探讨狼山的隆起时代,2014年开始笔者等对狼山的重要露头进行了较为系统的野外地质考察,并于20159月在狼山中段的穿山公路(获各琦青山线)南坡峡谷旁发现典型的构造混杂岩,其主要组合具有蛇绿岩套的特征。据此初步判断:狼山乃至整个阴山山脉才是华北克拉通与内蒙古蒙古造山带(即中亚造山带)之间最后一期碰撞的造山带,也是华北克拉通北部的最终边界,而狼山的碰撞隆起时间应该在晚白垩世晚期。

 

 

狼山发现蛇绿岩套.jpg

论:

本文作者于20159月在内蒙古西部、阴山山脉西段的狼山南坡(获青线公路进山口附近)发现白垩纪蛇绿混杂岩。经过两年多的持续研究获得如下认识:

第一、狼山中段南坡由一系列北倾的叠瓦状构造逆冲片组成,而蛇绿混杂岩本身就是其中的一个逆冲片,其露头南北宽近500米、东西长超过3千米。

第二、该蛇绿混杂岩基质以灰绿色的绿泥石片岩为主,而构造岩块包括:紫红色硅质岩、石英角斑岩、蚀变辉绿岩、玄武岩、变质辉长岩等。

第三、全岩地球化学分析显示:混杂岩基质(绿泥石片岩)、玄武岩、蚀变辉绿岩三种岩石都属于高铝玄武岩类,是在与俯冲带相关的岩浆弧背景下喷发的。其岩浆喷发时代为早白垩世晚期到晚白垩世早期(大约120—80Ma之间)。

第四、狼山蛇绿混杂岩为华北克拉通西北部的鄂尔多斯地块在晚白垩世向北俯冲造山所捕获的洋壳碎片,代表着华北克拉通与其北侧的中亚造山带之间最后一次碰撞的板块边界。

第五、根据构造地貌相似性原理,本文作者推测:华北克拉通与其北部的中亚造山带之间最后的俯冲碰撞边界应该从白云鄂博到西拉木伦河一线南移到阴山燕山一线,中亚造山带的宽度也相应地向南扩张到阴山燕山造山带一线。

第六、阴山燕山造山带不再是前人所认为的板内造山带,而是华北克拉通北部边界的碰撞造山带,其造山隆起时间应为晚白垩世末期。

第七、狼山蛇绿混杂岩的发现也为狼山造山带内铜锌(铁)多金属硫化物矿床的成矿机制和来源探讨奠定了大地构造基础。

第八、狼山蛇绿混杂岩的发现也为促进华北克拉通中生代破坏理论的改进提供了新的信息和思路。

  关注详情的朋友们请登录《地质论评》编辑部网站下载原文:

地质论评网址http://www.geojournals.cn/georev/ch/index.aspx

本文链接:

http://www.geojournals.cn/georev/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20186404001&flag=1

 

谢:

        我们非常感谢中国地质学的前辈们为华北板块边界的划分所做的努力与贡献,他们过去的奉献为中国大地构造研究奠定了良好的基础,也为中国各种矿产资源的找寻提供了理论指导。我们在这里要特别感谢前辈葛肖虹教授,是他率先提出华北板块北缘“板内造山”的概念,指导中国大地构造研究几十年,他在中国大地构造领域的很多研究和见解为我们提供了学习和探索的典型实例。我们今天的认识不是否定前人的工作,而是在前人良好的研究基础上的改进与发展,没有前人的工作基础也就没有我们今天的新认识。

    同时需要指出的是,我们对华北板块北部碰撞边界及时间的重新厘定也仅仅是初步认识,很多工作需要补充与完善,也还有不成熟的认识需要不断纠正。我们由衷的希望感兴趣的同行在阴山造山带寻找新的证据进行更深入的研究,发现我们的错误也及时地批评指正。

    我们的工作是以野外基础调查为主,主要思想都是通过野外地质考察获得的,室内研究(包括岩石学、地球化学、地质年代学等)虽然提供了重要的定量数据,但也仅仅是对野外判别的进一步核实而已。因此在这里向地学同仁们建议:野外地质工作才是地质学重要发现的基础,请大家到大自然中向我们最好的老师学习吧!

    参加相关野外工作的还有:贺静、张跃、陈康力、朱桂繁、郑大燃、李莎、张琦等,山东科技大学的李旭平教授在室内薄片鉴定和变质作用机理讨论过程中给予了关键的指导与帮助。还有很多朋友在室内测试等多个环节曾给予过无私的帮助,无法一一提及名字,在此一并致谢吧!

    此外,笔者等还要感谢两名匿名审稿人,他们先后在详细阅读本文初稿和修订稿后提出很多建设性意见,对本文的改进与完善作用明显。

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在这里补充论文中的部分分析内容以便感兴趣的读者进一步阅读和理解:

 

根据狼山蛇绿混杂岩整个剖面所有逆冲片都向北倾斜的特征(图5)判断:俯冲板块是其南边的鄂尔多斯地块,而仰冲板块是北边的内蒙古造山带。内蒙古造山带同时包含着不同的小型地体,笔者等认为应该将其归属于北边的中亚造山带,因此阴山一带就成为中亚造山带的最南缘。

前人关于华北克拉通和华北古板块北部边界的认识尽管不完全统一,但主流观点仍将索伦西拉木伦河一线看作华北板块的北部边界,也是华北克拉通的北部边界(刘训等,2012)。

狼山蛇绿混杂岩的发现让笔者等产生新的看法:鄂尔多斯地块西北边缘就是华北板块的西北边缘,也是华北克拉通的西北边缘。从早白垩世到现今大致存在着三个明显的演化阶段:

第一阶段(K1):鄂尔多斯地块北侧在早白垩世曾经存在着一个狭窄的残余洋盆,其北为俯冲增生楔,而当时的陆相火山弧在更远的北方。洋盆的南侧边缘为鄂尔多斯地块的隆起带,那里有石英岩露头遭受剥蚀,其中向东南搬运的物质在隆起南边沉积形成红层砂砾岩,砂砾岩古流向由西北指向东南,而红层中就含有典型的沉积变质石英岩角砾(图18a)。

第二阶段(K2):由于鄂尔多斯地块由南向北的俯冲,到晚白垩世残余洋盆迅速转化为前陆盆地,在白垩世洋盆中的沉积物连同洋壳除了少量残片刮削到增生楔中,绝大多数都俯冲殆尽。其中刮削到增生楔中的洋壳碎片经历了变质作用和变形过程,成为典型的蛇绿岩套。与蛇绿混杂岩逆冲片相邻的还有少量鄂尔多斯地块北缘更早期的被动陆缘组分变质白云岩、片岩、石英岩等。到白垩纪末狼山因鄂尔多斯地块向北俯冲碰撞而隆起,整个阴山造山带及其北侧山区逐渐成为横贯东西的巨大山脉(图18b),与其北侧的中亚造山带一起构成范围广阔的中亚高原。

第三阶段(Pg—Qh ):从古近纪开始,狼山一边迅速隆起一边遭受剥蚀,在深处的逆冲片随着狼山的隆起而逐渐上升,最终在海拔一千多米的高度因剥蚀而出露地表,这就是我们看到的蛇绿混杂岩及其南边的诸多逆冲片。而鄂尔多斯地块北缘的红层(下白垩统李三沟组)也因俯冲断片而出露于狼山东南山麓。因为鄂尔多斯地块在新生代继续向西北狼山之下俯冲受阻而剪断,后续部分向更深处俯冲,于是就形成了河套地堑。这就是我们今天看到的狼山和其东南侧的河套平原,而河套平原南边就是鄂尔多斯地块,其表面出露了李三沟组红层(图18c,图18d,图5)。

中亚造山带也通过华北古板块向北俯冲而向南增生扩大,直到晚白垩世到达阴山一带,这也造成了阴山(西段为狼山)造山带在晚白垩世末的真正隆起。狼山北侧测老庙坳陷早白垩世碎屑岩古流向研究也证实狼山在早白垩世尚未隆起(冯雪东等,2017),这与本文的研究结论吻合。至于鄂尔多斯地块北缘的海相组成部分,除了少量残余碎片被刮削到造山带中得以保存外,绝大多数已经完全俯冲殆尽,这就是今天我们在狼山剖面中看到的结果。至于在狼山的其他部位或者整个阴山造山带中是否能发现白垩纪甚至更老的海相沉积以及新的蛇绿混杂岩露头,还需要做大量的野外调查,本文的研究提供了一个良好的范例。

尽管我们目前仅在狼山南坡发现白垩纪蛇绿岩套,根据构造地貌相似性原理,同期相关的造山带往往具有统一的构造起因,因而可以进一步推断:整个阴山山脉应与狼山一样,都是华北克拉通在晚白垩世向中亚造山带俯冲碰撞的结果,甚至通过燕山延伸到大兴安岭也都有着类似的历史。据此我们可以推论,整个阴山燕山山脉南缘甚至大兴安岭东南缘都可能找到类似的俯冲碰撞痕迹,这样就能更好地从大地构造演化历史解释今天的构造地貌特征(图1)。

阴山以北的内蒙古高原连同蒙古国南部的高原一起,在晚白垩世末形成范围巨大的高原,地貌特征可能与今天的青藏高原相似,其南缘造山带(阴山山脉)海拔在数千米以上。相应地,在这个高原南面的华北地区和东南的东北地区在白垩纪末就相当于印度平原。经过整个新生代的地貌演化,今天内蒙古高原已经剥蚀为海拔1600—1300米左右的准平原,而其南缘的阴山造山带、燕山造山带以及东部的大兴安岭也多为海拔2000米上下的中低山脉。

阴山造山带就是华北克拉通北部最终的碰撞边界,而碰撞时间为晚白垩世。用这种新的认识可以清晰地探讨华北板块北缘的发展历史:从古生代末开始到中生代末,华北克拉通一直处于南北向挤压的应力格局中,而且在晚白垩世达到顶峰。与前人所认为的华北克拉通的破坏和裂解在早白垩世125Ma)达到顶峰(如:朱日祥等,2011ZHU et al, 2011的认识相反,中国东部的古大陆在整个中生代应该是由众多地体在统一的近南北向挤压应力场中逐渐拼合的过程,而这个过程在晚白垩世达到极致,最终形成几条造山带,将南侧的华北古板块与北侧的西伯利亚板块完全焊接在一起,这个焊接带就是比传统认识范围还要宽的中亚造山带。

狼山蛇绿混杂岩的发现也是对前人关于阴山造山带为华北克拉通北缘的板内造山带的相关认识的修订:阴山不再是板内造山带,而是典型的板块碰撞造山带,而且是华北克拉通与中亚造山带之间最后一条碰撞造山带。

狼山蛇绿混杂岩的发现也让我们体会到:由于同位素测年技术的改进和大地构造理论的提高,在被前人看作全部由前寒武纪变质岩组成的造山带中可能发现中生代的构造岩块,而这些年轻的块体可以为中-新生代大地构造演化与盆山耦合研究提供关键证据。我们应该首先将中、新生代的大地构造格局和演化历史弄清楚,然后再去研究古生代的大地构造演化,最后才能探讨前寒武纪的大地构造痕迹。鉴于新生代的大地构造在地貌上表现得非常明显而容易理解(并不代表着已经做好了),大地构造领域当前的研究重点首先应聚焦于中生代造山带。狼山也是著名的铜锌(铁)多金属硫化物成矿带,前人在讨论成矿背景时也仅在板内变形和变质作用等假设前提下探索(如:彭润民等,2007Zhong Richen et al., 20132015Pi Qiaohui et al., 2015Gao Zhaofu et al., 2018)。然而,本文的研究揭示:这些硫化物矿床可能与古洋壳的俯冲和大陆碰撞有关。希望本文蛇绿混杂岩的报道能为狼山成矿带的成因解释提供可靠的大地构造框架,并能为狼山大青山燕山大兴安岭有关矿床的成矿热液来源、成矿机制、成矿时代等问题研究提供新的大地构造信息。



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