弧前构造带结构特征：来自加利福尼亚弗朗西斯科杂岩、海岸山脉蛇绿岩和大峡谷群的证据

John Wakabayashi

（加利福尼亚州立大学地球与环境科学系　弗雷斯诺　2576 E. San Ramon Ave 美国）

翻译：田忠华¹　校对：张继恩²　陈艺超³

（1.   中国地质科学院地质研究所　北京　100037；2. 中国科学院地质与地球物理研究所　北京　100029；

3. 中国科学院大学地球与行星科学学院　北京　100049）

摘　要　造山带中原始大地构造单元具有诸多复杂的地质特征，区分它们是很困难的。因此，本研究综述了保留完好的加利福尼亚海岸带的古弧前单元特征，旨在为其他造山带研究提供对比实例。加利福尼亚海岸带古弧前单元长约1 000 km、宽100 km，包含上部板块物质和俯冲—增生过程中从下部板块铲刮下来而拼贴的俯冲杂岩。上部板块的构造单元包含弧前盆地，沉积有最大厚度可达10 km的大峡谷群碎屑物，其基底为海岸山脉蛇绿岩；该蛇绿岩不均匀性地出露有蛇纹石化橄榄岩、和（或）辉长岩—辉绿岩—玄武岩及硅质岩，最大视厚度约为4 km。上部板块的岩石单元构造叠覆在增生杂岩之上，后者包括弗朗西斯科杂岩，其构造厚度为20 km或更薄一些。这3个构造单元的边界和内部构造在区域上呈低角度展布，但局部受紧闭褶皱影响、倾角变为中等到陡立状。除了大峡谷群底部沉积混杂岩中出露一些可与弗朗西斯科杂岩类比的变质岩岩块，海岸山脉蛇绿岩和大峡谷群总体缺少埋藏变质岩石。弗朗西斯科杂岩产出一系列埋深变质的岩石，从沸石相到角闪岩相和榴辉岩相，包括连续单元（无“基质夹岩块”结构）和混杂岩单元。大部分海岸山脉蛇绿岩和大峡谷群都缺少混杂岩的特征；弗朗西斯科杂岩中常见混杂岩，但主体仍为连读单元。大峡谷群呈正常的地层沉积序列，而弗朗西斯科杂岩中俯冲—增生岩片呈断层接触，向下方（译者注：向大洋方向）逐渐变年轻。尽管大峡谷群、海岸山脉蛇绿岩和弗朗西斯科杂岩在岩性、构造和变质特征方面存在较大差别，但它们也拥有大量的相同之处，因此，在区分它们时需要慎重。要辨别世界上大多数造山带中的古弧前单元的特征是更为困难的，因为它们遭受了更为严重的俯冲后的构造热事件的干扰和改造。

关键词　加利福尼亚　混杂岩　蛇绿岩　弧前结构

Architecture of an exhumed forearc region: Franciscan complex, coast range ophiolite, and Great Valley Group of California

 John Wakabayashi

(Department of Earth and Environmental Sciences, California State University, Fresno,

2576 E. San Ramon Ave. Mail Stop ST-24, Fresno, California 93740 USA)

Abstract　Primary tectonic components of orogenic belts are difficult to distinguish because they share many geologic characteristics. Accordingly, I present a summary of well-preserved paleo-forearc components of coastal California with the goal of providing a guide to investigators in other orogenic belts. The paleo-forearc components of coastal California crop out over an area of about 1000 km along strike and 100 km across strike, and comprise upper plate components that were above the subduction zone throughout their history, and a subduction complex comprising materials, that were tectonically transferred from the subducting (lower) plate to the upper plate, by the process of subduction-accretion when the subduction interface sliced into the top of the subducting plate. The upper plate units comprise the forearc basin clastic strata of the Great Valley Group (GVG) that reaches a maximum thickness of about 10 km and depositionally rests on the Coast Range ophiolite (CRO) that comprises an assemblage of variably serpentinized peridotite and/or gabbro and/or diabase and/or basalt and chert that reaches a maximum pseudostratigraphic thickness of about 4 km.  The upper plate units tectonically overlie the subduction complex represented by the Franciscan complex, that has a structural thickness of 20 km or less.  The three units and their bounding and internal contacts have regionally low-angle contacts that are tightly folded so that local dips are moderate to steep. The CRO and GVG lack burial metamorphism with the exception of some blocks in sedimentary mélanges of the basal GVG that record the same range of metamorphism as rocks in the Franciscan complex. The Franciscan spans a wide range of burial metamorphism from zeolite to amphibolite and eclogite grade rocks and it includes coherent (not block-in-matrix) and mélange units. Most of the CRO and GVG lack a mélange character, whereas mélanges are more common in the Franciscan but do not predominate over coherent units. The GVG exhibits a normal depositional stratigraphic sequence, whereas the Franciscan consists of fault-bounded units that young structurally downward in subduction-accretion age. Although there are some large differences between lithologic, structural, and metamorphic characteristics of the GVG, CRO, and Franciscan, they share many common traits so that careful inspection is necessary to distinguish between them.  The distinguishing characteristics of distinct paleo-forearc components are more difficult to discern in most of the world's orogenic belts where post-subduction tectonothermal disruption and modification is more severe.

Keywords　California, Mélange, Ophiolite, Forearc architecture

汇聚造山带包含一系列复杂的拼贴单元，记录了大洋盆的形成和闭合、俯冲作用及相关岛弧岩浆作用等事件；但最终碰撞作用对造山带的热和变形作用的叠加，使得确定原始造山带结构非常困难（Van Staal et al., 1998）。本文旨在综述未受碰撞作用叠加的、保存完好的加州海岸古弧前构造带的不同尺度的结构特征。一些加州海岸原始造山带单元的特征已有详细的解剖且已发表（Wakabayashi，2015，2017a，2017b，2017c，2019），本文将对它们进行简洁的综述，以便为识别全球其它造山带中遭受更为严重和更为广泛改造的的相关构造单元提供指导。需要指出的是，文中插图是按空间尺度和特征变化、不是弧前物质组成的顺序进行的排版，而文章前面章节是按弧前物质组成进行分类叙述的，所以图件的编号与在文中出现的先后顺序并不一致。这样组织图件的目的在于能够更为直观和清晰地展现3类古弧前单元之间的异同之处。本文将重点介绍弗朗西斯科杂岩，因为相比其它两个地质体，它分布更广、更为复杂。

古弧前岩石组合解剖的首要任务就是区分“上部板块”和“下部板块”。上部板块岩石通常被定义为整个俯冲历史中都位于俯冲带上盘的岩石；下部板块岩石多为俯冲杂岩（又名俯冲—增生杂岩或增生杂岩），指来自于下插板块的岩石在俯冲—增生过程中、通过俯冲断层（巨型逆冲断层）铲刮而拼贴到俯冲带之上的这部分岩石（定义源自Wakabayashi，2017b，2017c，2019）。在加利福尼亚海岸带，上部板块单元包括海岸山脉蛇绿岩（Hopson et al., 1981，2008；Stern and Bloomer，1992；Shervais，2001；Shervais et al., 2005）及沉积有大峡谷群的弧前盆地（Dickinson, 1970；Ingersoll, 1983）（图1）。下部板块或俯冲杂岩以弗朗西斯科杂岩为代表，构造产出于海岸山脉蛇绿岩和大峡谷群之下（Ernst, 1970；Berkland et al., 1972；Maxwell, 1974；Page, 1981；Blake et al., 1988；Wakabayashi, 1992，2015；Raymond，2015，2018；Raymond et al，2019）。这3类弧前单元与板块向东的连续俯冲作用相关，并与内华达山脉、Klamath山脉及内陆地区的岛弧岩浆岩带相配对（Dickinson, 1970）。

弗朗西斯科高级变质岩内最古老变质年龄（锆石U-Pb年龄，石榴石Lu-Hf年龄）表明东向的俯冲始于约176 Ma（Mulcahy et al., 2018）；海岸山脉蛇绿岩中172~165 Ma的斜长花岗岩锆石U-Pb年龄，指示主洋壳的形成年龄（Shervais et al., 2005；Hopson et al., 2008）。最老的大峡谷群地层沉降于约150 Ma（Surpless et al., 2006；Wright and Wyld, 2007；Orme and Surpless, 2019）。向东的俯冲作用持续到 30 Ma，直到法拉隆—太平洋板块的扩张脊发生俯冲，造成俯冲边界逐步让步于右行走滑的板块边界（Atwater, 1970；Atwater and Stock, 1998）。

加州海岸带古弧前岩石组合较少遭受构造热事件改造，原因在于：俯冲作用的停止、并转为转换构造边缘（Atwater, 1970），和俯冲停止后的较低剥蚀率（Dumitru，1988，1989）。弗朗西斯科杂岩和大峡谷群记录了相当长的连续俯冲过程（>100 Ma），因此它们对于长寿命俯冲带相关构造演化的研究有着极为重要的意义（Wakabayashi and Unruh, 1995; Wakabayashi，2015）。这些在长1 000 km、宽100 km的区域内出露的古弧前岩石组合可以揭示诸多与构造演化有关的细节，而这些信息在短寿命的古弧前系统中是不明显的（Wakabayashi，2015，2017b，2017c）。

1　大峡谷群（Great Valley Group）

大多数大峡谷群由互层的、层理完好的泥岩和砂岩（图14h）及砾岩组成（Ingersoll, 1983；Moxon, 1988；Mitchell et al., 2010），沉积年龄从侏罗纪晚期（150 Ma）到始新世/渐新世（Ingersoll, 1983；Moxon, 1988；Surpless et al., 2006；Wright and Wyld, 2007；Orme and Surpless, 2019）。它们基本上没有发生埋藏变质（Dickinson et al., 1969），除了底部滑塌堆积单元的基质有些变形之外，地层中并没有发育透入性面理。逆冲断层将部分地层重复叠置，致使局部的地层总厚度超过10 km（Moxon, 1988）。

底部地层为含“基质夹岩块”结构的滑塌堆积（沉积混杂岩），基质或为蛇纹岩、局部厚度超过1 km（Moiseyev，1970；Lockwood，1971；Phipps, 1984，1992），或为碎屑岩，其厚度也可达公里级（图15a、图15b，图16a~图16d，图17f）（Wakabayashi, 2017a）。生物地层和碎屑锆石U-Pb年代学资料显示滑塌堆积的沉积年龄从150 Ma 到 130 Ma （Phipps, 1984；McLaughlin et al., 1990；McLaughlin et al., 2016）。从野外露头上来看，这些沉积混杂岩的基质通常发育有弱到中等程度的面理（Wakabayashi, 2017a；图16a~图16d，图17f）；从显微薄片来看，这些面理更加明显（图18；Wakabayashi, 2019）。混杂岩中的大多数岩块组份类似于大峡谷群砂岩和海岸山脉蛇绿岩的火山岩，仅遭受轻微的变质作用，它还有一些细粒蓝片岩、含角闪岩残留体的粗粒蓝片岩、含金红石角闪岩和榴辉岩的岩块（Carlson, 1981；Phipps, 1992；Fryer et al., 2000；Shervais et al., 2011；Hitz and Wakabayashi, 2012；Wakabayashi, 2017a）。

低级变质火山岩与海岸山脉蛇绿岩具有相同的地球化学特征（MacPherson and Phipps, 1988；以及后期重新解释工作，例如Fryer et al., 2000；Wakabayashi, 2017a），显示初始岛弧特点（Shervais and Kimbrough, 1985；Stern and Bloomer, 1992）。高级变质岩块（含角闪岩残留体的粗粒蓝片岩、角闪岩、榴辉岩）在变质特征（Wakabayashi, 2017a）和年龄（Shervais et al., 2011）等方面与弗朗西斯科杂岩的一致。虽然未获得这些岩石的地球化学数据，但它们似乎是弗朗西斯科杂岩的等同物，具有初始岛弧地球化学性质。类似的，细粒蓝片岩岩块也未有相关的地球化学特征报道，但与它们对应的弗朗西斯科杂岩中的细粒蓝片岩具有洋中脊（MORB）和洋岛（OIB）地球化学性质（Ghatak et al., 2012）。

除了底部的滑塌堆积，大部分大峡谷群为层理完好和局部发育“基质夹岩块”结构的地层，后者常与注入构造相伴生（表现为砂岩岩墙和岩席），其中最大的注入构造发育在白垩纪晚期和古新世早期的地层中（Vetel and Cartwright, 2010；Vigorito and Hurst, 2010）。此外，较高层位，如晚白垩世地层中罕见有滑塌堆积（图17g）。

大峡谷群和海岸山脉蛇绿岩在局部地区呈叠瓦状构造叠置在一起，形成大洋岩浆岩、硅质岩和碎屑岩叠置的堆叠体，类似于俯冲杂岩中的大洋板块地层OPS的构造堆叠特征。上述的一些叠瓦状断层还可能延展到弗朗西斯科杂岩内部（Phipps, 1992）。一些叠瓦状断层不同于大峡谷群与基底之间的断层，它们只是大峡谷群的内部断层（Unruh et al., 1991，1995），其中一部分的断层与新生代晚期（俯冲后）的逆冲作用相关、并协调了古地震的形变（Wentworth et al., 1984；Unruh and Moores，1992）。关于同俯冲缩短是否造成在晚白垩世到早古新世期间发育指向岛弧方向（向东）的逆冲推覆（Wentworth et al., 1984; Unruh et al.，1991，1995）是有争议的（Costenius et al., 2000；Dickinson, 2002）。

2　海岸山脉蛇绿岩（CRO）

海岸山脉蛇绿岩由构造岩片状展布的大洋岩石圈残片组成，包括不同比例的蛇纹石化橄榄岩（图13a）、辉长岩、玄武岩和上覆硅质岩及火山碎屑岩（Hopson et al., 1981，2008）。席状侵入体较为罕见，其中一个席状岩床群位于海岸山脉南部Point Sal地区，另外一个席状岩墙杂岩位于海岸山脉中北部的Diablo山区（图14a；Hopson et al., 2008）。保存最好的残留体约3~4 km厚；分布面积最大的海岸山脉蛇绿岩残片延伸达50 km长，宽为1~3 km（Hopson et al., 2008；图1）。

大部分海岸山脉蛇绿岩呈完整的板状特征，不发育“基质夹岩块”结构（图13a、图13b），另一些沿海岸山脉北部地区出露的残片以蛇纹岩基质中产出有岩块或岩片为特征（Hopson et al.，1981，2008）。许多蛇纹岩混杂岩的大地构造属性存在一定程度的不确定性。那些Tehama-Colusa混杂岩可能形成于弗朗西斯科早期的俯冲—增生作用，但没有发生显著的埋藏（Hopson and Pessagno, 2005；Shervais et al., 2011）。或者这些岩石的变形可能与上部板块的变形作用相关。

海岸山脉蛇绿岩虽未发生埋藏变质，但展现了海底热液改造，从沸石相到洋壳深部辉长岩的高角闪岩相变质（Evarts and Schiffman, 1983）。海岸山脉蛇绿岩形成后不发育透入性面理，但一些辉长岩在局部保存有可能形成于扩张中心伸展过程中的高温变形组构，橄榄岩也保留有地幔高温环境下形成的组构（Hopson et al.，2008）。一些蛇纹岩化橄榄岩沿局部剪切带、及其与弗朗西斯科杂岩的接触带发育低温脆性的劈理/面理（Hopson et al., 2008；Wakabayashi，2017c，2019）。

海岸山脉蛇绿岩具有类似于新生岛弧环境的地球化学特征，并被许多学者认为是俯冲带之上的SSZ型蛇绿岩的典型实例（Shervais and Kimbrough, 1985；Stern and Bloomer, 1992；Shervais, 2001）。但是，Hopson et al.（1981，2008）却认为海岸山脉蛇绿岩为洋中脊成因。

3　弗朗西斯科杂岩

3.1　总体概况

弗朗西斯科杂岩组份主要是陆缘碎屑岩，还有少量的火山岩、硅质岩、蛇纹岩和鲜有的灰岩（Bailey et al., 1964; Berkland et al., 1972; Maxwell, 1974; Blake et al., 1988; Wakabayashi, 2015，2017c；Raymond，2015，2018）。混杂岩只在局部发育（Hsü, 1968; Cloos, 1982），而主体的弗朗西斯科杂岩呈叠瓦状构造叠置，每个构造岩片内部结构完整（Berkland et al., 1972; Maxwell, 1974; Blake et al., 1988; Wakabayashi, 2015，2017a; Raymond，2015，2018）。一种情况是，混杂岩与围岩的岩性相同，缺乏外来岩块；而更多更广泛描述的混杂岩则是含有外来岩块，它们不同于围岩或基质的岩性(Wakabayashi, 2015，2017a)。关于弗朗西斯科混杂岩的细节将在下文的“变形分解”章节中进行综述。

图1　加利福尼亚海岸构造带地质图，展示了3类古弧前单元、俯冲结束后的右行走滑断层和火山岩（据Wakabayashi, 2015；Kuiper and Wakabayashi, 2018修改；后俯冲火山岩年龄据Kuiper and Wakabayashi，2018）

图中展示了一些更古老的岩石，以便将古弧前单元纳入到加利福尼亚科迪勒拉山脉区域演化背景中

Fig. 1　Geologic map, showing the three paleo forearc components of coastal California, in addition to post-subduction dextral faults and volcanic rocks (modified from Wakabayashi, 2015; Kuiper and Wakabayashi, 2018; sources for ages of post-subduction volcanic rocks in Kuiper and Wakabayashi, 2018)

弧前构造带结构特征：来自加利福尼亚弗朗西斯科杂岩、海岸山脉蛇绿岩和大峡谷群的证据 (1).pdf

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