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東北及內蒙古東部地區顯生宙構造演化的有關問題

2012-11-08 06:30:30張興洲馬玉霞遲效國張鳳旭孫躍武
吉林大學學報(地球科學版) 2012年5期

張興洲,馬玉霞,遲效國,張鳳旭,孫躍武,郭 冶,曾 振

1.吉林大學地球科學學院,長春 130061

2.吉林大學地球探測科學與技術學院,長春 130026

東北及內蒙古東部地區顯生宙構造演化的有關問題

張興洲1,馬玉霞1,遲效國1,張鳳旭2,孫躍武1,郭 冶1,曾 振1

1.吉林大學地球科學學院,長春 130061

2.吉林大學地球探測科學與技術學院,長春 130026

以國家油氣資源戰略選區項目研究成果為基礎,結合近年來該區積累的大量區域地質調查資料和已發表的數據,對東北及內蒙古東部地區早古生代以來的大地構造性質及其演化進行綜合對比分析。東北地區晚古生代以來的構造演化以穩定的大陸地塊為主體,而非兩大板塊間多島洋演化形成的造山帶。東北地區的各地塊均具有前寒武紀—早前寒武紀、甚至是太古宙的古老基底,它們在早古生代早期(490~510Ma)同時遭受了區域變質作用和花崗質巖漿侵入。350~450Ma,各地塊均處于相對穩定的構造環境,以普遍缺失這一時期的花崗質巖漿活動記錄為標志。從早古生代晚期開始,東北及內蒙古東部地區至少已存在2個早古生代早期固結的微陸塊,即額爾古納—興安微陸塊和松嫩—佳木斯微陸塊,這2個微陸塊向北分別與俄羅斯境內的額爾古納微陸塊和布列亞微陸塊相連。二者在早石炭世沿北北東向展布的開魯—嫩江—黑河—諾拉—索霍提(Nora-Soukhotin)一線碰撞拼合,形成統一的東北亞晚古生代大陸板塊。西拉沐倫河斷裂西端被北北東向構造所截,向東延至開魯—嫩江斷裂,并沒有延伸到松遼盆地內,說明西拉沐倫河斷裂可能與開魯—嫩江碰撞帶的形成有關。從晚石炭世開始,東北亞大陸板塊整體處于伸展構造背景,至少在中國境內具有北陸南海的構造-沉積古地理格局,早期發育以火山巖為主的斷陷盆地,到中二疊世演化成一個規模巨大的海相沉積盆地。中生代以來,東北地區的構造體制轉換及物質成分演化不僅僅是古亞洲洋構造域和西太平洋構造域疊加轉換的結果,蒙古—鄂霍茨克構造域的演化對該區現今構造體制的形成也具有重要影響。地質和地球物理綜合證據顯示,大興安嶺北部的得爾布干斷裂、內蒙古中部的賀根山斷裂和黑龍江省東部的躍進山斷裂可能并不是具有一定深度規模的構造分區斷裂。東北地區的中、新生代盆地之下并非都是變質結晶基底,而是存在一個規模巨大的晚古生代海相沉積盆地。

東北及內蒙古東部;顯生宙;構造演化;大地構造

0 引言

大地構造上,東北地區位于中亞構造帶東端,區內主要地質與地貌單元總體呈NNE—NE向展布,與西太平洋大陸邊緣溝-弧-盆體系展布方向基本一致。因此,從基礎地質理論研究角度,該區一直被視為是研究古亞洲構造域與西太平洋構造域疊加轉換動力學機制的最為理想地區。近年來,隨著一系列專項研究和區域地質調查工作的開展,特別是多數研究與調查工作都普遍采取了地質、地球物理和地球化學等多學科方法,使東北這一山地面積和平原面積各占一半的嚴重覆蓋區的基礎地質研究程度有了極大提高,積累了大量的實際資料。同時,東北地區以大興安嶺和遼東—吉南2條重要的多金屬成礦帶及以松遼、海拉爾、三江和延吉盆地為代表的4大中、新生代盆地群的資源勘查工作也對基礎地質理論研究提出了更高的要求。筆者根據近年來國家油氣資源戰略選區項目的研究成果,并結合相關的區域地質調查及專題研究成果,對東北地區顯生宙以來的構造性質、重大地質事件和重要斷裂帶的特征進行了系統的對比分析,并對發現的一些主要問題提出了探索性的認識。其目的是,通過對這些重要基礎地質問題的探索和討論,能為深化對東北地區大地構造性質及其演化規律的認識輔以佐證,為拓展礦產資源勘查領域和思路提供基礎地質理論依據。

1 東北地區古生代構造與沉積格架

東北地區主體由3個具有變質基底的地質構造單元所構成,東緣為中生代增生雜巖。習慣上,將3個具有變質基底的構造單元分別稱之為額爾古納—興安地塊、松嫩地塊和佳木斯地塊,而將中生代雜巖作為地體,謂之完達山或那丹哈達地體。前3個地塊向北與俄羅斯境內的相關地塊相連,而后者是東部規模巨大的錫霍特—阿林中生代地體的一部分。由此可見,我國東北,乃至整個東北亞地區顯生宙以來的地質構成實際上是以具有變質基底且相對穩定的構造單元為主體,而不是以多島洋構造背景演化而成的變質褶皺帶或碰撞造山帶為主體。

1.1 變質基底的性質和時代

東北地區區域變質巖系主要出露在東部的佳木斯—牡丹江和西北部的額爾古納等地區。早期由于出露條件和測試方法技術的限制,加之東北地區總體處于晚古生代地槽褶皺系或碰撞造山帶[1-2]之內觀念的影響,多將這些出露有限的變質單元作為卷入褶皺帶或造山帶的穩定塊體,并普遍認為這些變質巖的形成時代為早前寒武紀[3]。黃汲清等[1]曾提出以佳木斯地塊為代表的諸變質單元是中寒武世“興凱運動”最終固結的前寒武紀地塊,B.E.哈因[4]也認為興安—布列亞中間地塊是加里東期或更早時固結的。21世紀初,S.A.Wilde 等[5-7]應用SHRIMP鋯石測年方法,在佳木斯地塊中的矽線石榴片麻巖、石榴石花崗巖和石榴石麻粒巖中分別獲得了496~500Ma、502~507Ma和500~502Ma的變質成因鋯石年齡,從而提出佳木斯地塊中的高級變質作用發生在早古生代、而非古元古代或太古宙的新認識。此外,他們[5-7]還在上述巖石中同時獲得了部分900~1 200Ma、甚至時代更老的鋯石年齡。雖然當時對這些前寒武紀年齡所代表的地質意義還未能給出一個明確的認識,但496~507Ma的高級變質事件和花崗質巖漿事件的確定徹底改變了人們依據變質建造考慮變質作用時代的傳統理念。近年來,眾多研究者應用鋯石測年方法對東北地區各變質基底中的變質巖和花崗質巖石的年齡進行了測試,獲得了大量的年代學數據。本文對已發表的鋯石年齡做了不完全的統計,結果顯示,佳木斯地塊內的年代學特征在東北其他地塊中也都有明顯的記錄(表1)。周建波等[13-17]近年來對東北地區佳木斯地塊、松嫩地塊和額爾古納—興安地塊內的變質表殼巖系(富鋁、富碳片巖及片麻巖)做了系統的變質建造對比和鋯石測年研究,獲得的一項重要認識是,東北各地塊內均發育以含石墨大理巖、矽線石榴片麻巖、斜長角閃巖等為代表的變質表殼巖系,并依據鋯石Th/U值和形態特點,提出區域變質作用發生在500Ma左右的早古生代,而變質表殼巖系的原巖年齡以新元古代(650~850Ma)為主。這一認識與俄羅斯一側的情況基本類似。E.E.米蘭諾夫斯基[4]曾提出布列亞地塊內的區域變質和混合巖化作用發生在早古生代,而變質沉積物的時代為里菲—早寒武世。鋯石年齡統計結果還顯示,東北各地塊內不但普遍存在500Ma左右的區域變質巖和部分重熔成因的花崗質巖石,而且均發現有大量的前寒武紀—早前寒武紀、甚至是太古宙的鋯石年齡記錄(表1)。近年來吉林油田和東北石油分公司在松遼盆地南部基底的石榴云母石英片巖和花崗片麻巖中獲得了大量1 680~1 886Ma的鋯石年齡,表明至少在松遼盆地南部存在早前寒武系。因此,根據表殼巖的普遍存在和盆地內外大量的鋯石年齡證據,完全有理由認為:占據東北地區主體的佳木斯、松嫩和額爾古納—興安三大地塊均具有前寒武紀—早前寒武紀、甚至是太古宙的古老基底,它們在早古生代早期同時經歷了強烈的區域變質作用和花崗質巖漿侵入作用。雖然目前還不能確定這次事件是否與岡瓦納大陸的聚合事件有什么關系,盡管二者在時間和變質建造等方面表現出一致性,但筆者可以確定這次事件是東北乃至東北亞地區在早古生代早期發生的一次重要的造山(造陸)事件,其大地構造屬性與華北板塊明顯不同[28]。

為全面了解東北及鄰區變質基底的性質,重點查閱了俄羅斯一側的相關資料。1987年,俄羅斯著名地質學家E.E.米蘭諾夫斯基[4]就認為布列亞和中國東北地區是由幾個剛性地塊拼合而成的準地臺,與“阿穆爾地塊”(L.I.Klaznei)和“興安—布列亞中間地塊”(B.E.哈因)等稱謂基本對應。部分俄羅斯學者還認為西側具前寒武系基底的額爾古納地塊也屬這一準地臺。A.I.Khanchuk[29]又進一步提出:西伯利亞克拉通、興凱和布列亞地塊自中古生代以來一直是作為大陸或大陸的一部分演化的,其特點明顯不同于大洋邊緣的造山帶。他認為俄羅斯境內的興凱地塊和布列亞地塊以及中國境內的佳木斯等地塊曾是一個由古老結晶巖系構成的拼合構造單元,與西側的額爾古納前寒武紀結晶地塊在晚古生代沿著諾拉—索霍提(Nora-Soukhotin)增生雜巖帶碰撞拼合。該拼合帶向南與我國境內的黑河—嫩江—開魯斷裂帶相連。李錦軼[30-31]曾多次強調:布列亞—佳木斯聚合古板塊在早石炭世與西伯利亞板塊南緣沿黑河—賀根山一線碰撞拼合,并形成南蒙—大興安嶺造山帶。大地電磁測深和地震測深結果顯示,大興安嶺東緣之下存在向西傾伏的低阻、低速異常帶[32-33],進一步支持了至少在開魯—嫩江沿線

存在古碰撞帶的認識。A.I.Khanchuk[29]根據對俄羅斯一側的研究,明確提出該區的構造演化不同于Seng?r等[34]提出的布列亞和興凱地塊是中朝克拉通及其周邊早古生代造山帶組成部分的模式。

表1 東北地區早古生代和前寒武紀鋯石年齡統計Table 1 Early Paleozoic and Precambrian zircon ages in Northeastern China

由此可見,我國東北和相鄰俄羅斯境內的各地塊均具有早古生代固結的變質基底。雖然目前還不能確定這些地塊在早古生代期間是否曾統一過,爾后又發生過裂解,但根據各地塊都普遍發育組合類似的表殼巖系,同時都具有前寒武紀—早前寒武紀古老陸殼基底,而且在早古生代早期同時遭受了強烈的區域變質和巖漿作用分析,不能排除這些變質單元曾經是一個統一大陸板塊的可能。結合500 Ma左右的變質建造及花崗質巖漿活動在西伯利亞板塊南緣分布普遍[17],而華北板塊及其周邊缺失此次事件的特點分析,這一大陸板塊或各變質地塊當時的大地構造背景可能與西伯利亞板塊的關系更為密切。雖然有上述可能,但根據目前的資料更合理的解釋是,早古生代期間東北亞地區至少存在額爾古納—興安和松嫩—布列亞—佳木斯—興凱2個獨立演化的固結地塊,二者在早石炭世沿諾拉—索霍提—黑河—嫩江開魯一線碰撞拼合,形成了統一的東北亞晚古生代大陸板塊。這一板塊的規模與現今的華北板塊相當。

1.2 晚古生代構造與沉積作用

筆者在以前的文章[32-33]中強調了黑河—嫩江—白城(開魯)碰撞拼合帶的重要性,并列舉了相關的深部地球物理、花崗巖巖石地球化學與同位素年代學及地層學方面的證據,提出早石炭世發生的碰撞拼合事件是導致整個東北乃至東北亞地區構造-沉積格局發生重大轉變的重要地質事件,即晚古生代東北亞大陸的形成事件。該大陸形成后從晚石炭世開始整體處于伸展構造背景,至少在我國東北地區伸展背景一直持續到中二疊世末期,而且早期以伸展斷陷為特征,形成被晚石炭世—早二疊世火山巖(284~307Ma[35-36])和正常的碎屑沉積巖充填的斷陷盆地;中二疊世,早期斷陷盆地進一步演化形成范圍更廣的海相沉積盆地[37],并始終表現出具有北陸南海的構造-沉積古地理格局。由于晚石炭世及其之后的沉積在黑河—嫩江—開魯拼合帶兩側均有分布,說明該拼合帶的形成時代在晚石炭世之前,它對沉積作用的控制上限也應在晚石炭世之前。實際上,黑龍江、吉林和內蒙古自治區的區域地質總結早已明確指出:東北北部地區在中石炭世主體處于隆升剝蝕環境,造成中石炭統的普遍缺失,晚石炭世發育陸相火山巖-正常碎屑沉積巖;而南部發育同時代的海相火山巖和正常碎屑沉積巖[3,38-39]。由于當時國際上對石炭紀采取三分方案,因此,當時所說的中石炭統缺失應發生在二分的下石炭統和上石炭統之間。吉林大學和華北油田等單位在開展國家油氣戰略選區項目研究中,對石炭系火山巖和沉積巖做了大量的年代學測試和微體化石分析,結果顯示,石炭紀火山巖的時代主要為晚石炭世晚期,與沉積地層中牙形石化石的時限一致。如原定晚石炭世本巴圖組中的牙形石化石時代均為晚石炭世晚期的達拉階和末期的逍遙階,說明石炭紀沉積間斷主要發生在早石炭世晚期—晚石炭世早期。目前,對東北南部地區海相沉積構造背景的認識尚存在較大的爭議。總體上有如下3種主要認識:1)認為中二疊世海盆是晚古生代地槽的一部分[40];2)認為海相沉積是在分隔西伯利亞和中朝古板塊之間的殘余洋盆中形成的,洋盆最終閉合時代在二疊紀末[41];3)認為該區在晚石炭世—早二疊世發育新生的裂谷盆地[42-44]。國家油氣資源戰略選區項目的大量證據證明,東北南部地區的石炭系—二疊系沉積不可能是洋殼組合,這套沉積也不是僅呈東西向展布的海盆,而是一個整體向南敞開、向北逐漸變窄、規模巨大的海相沉積盆地[37]。針對這一巨大海相沉積盆地的南部界線位置及其性質問題,筆者以油氣選區項目地層學方面的研究成果為基礎,并系統查閱了以往1∶20萬的相關區調資料,對如下基本地質事實做進一步的強調和分析,使其在今后的研究中能夠進一步得以深化。

1)生物地層學研究發現:內蒙古中部地區缺失下石炭統,原定的上石炭統本巴圖組是晚石炭世—早二疊世連續的海相沉積層序;而在吉林中部地區原定為下石炭統鹿圈屯組的上部發現了標準的晚石炭世牙形石化石,說明吉林中部的下石炭統和上石炭統為連續的海相沉積。這些證據說明東北南部地區的石炭紀海相沉積環境東、西兩側有所不同,似乎表現出東西向的沉積海盆在西部曾閉合過,以下石炭統的缺失為標志。松遼盆地及其周邊的小興安嶺和張廣才嶺等地區都發現了確切的中二疊世海相化石,說明這一海相沉積盆地至少在中二疊世已擴展到北部地區。

圖1 內蒙古西烏旗地區晚石炭世格根敖包組不整合覆蓋在超基性巖之上[45]Fig.1 Unconformation of Upper Carboniferous on ophiolite in Xiwuqi area,Inner Mongolia

2)張長捷等[45]在內蒙古賀根山附近的烏斯尼黑—梅勞特烏拉地區發現比較齊全的蛇綠巖巖石組合,由二輝橄欖巖+斜輝輝橄巖、超鎂鐵質和鎂鐵質堆積雜巖+塊狀輝長巖和變質基性火山巖+硅質巖組成,它們被晚石炭世格根敖包組陸源碎屑巖系不整合覆蓋,蛇綠混雜巖頂部發育碳酸鹽化和硅化強烈的古風化殼(圖1)。這一證據與前人發現的蛇綠巖被早二疊世地層不整合覆蓋的證據[46-47]并不矛盾,其意義是不但充分說明該區蛇綠混雜巖的構造侵位時代應在晚石炭世之前,而且進一步印證了前人依據化石證據得出的該區蛇綠巖的形成時代為泥盆紀的重要認識[48]。依據上述證據可以對該區缺失下石炭統的原因給予一個可能的解釋,即泥盆紀形成的局部洋殼組合在早石炭世洋盆閉合過程中發生構造侵位,仰沖到東北大陸南緣之上,并導致該區下石炭統的缺失。鑒于東部地區在早石炭世仍發育穩定的海相沉積,而且到目前為止在東部地區尚未發現蛇綠巖存在的確切證據,因此,當西部洋盆在早石炭世發生閉合和洋殼仰沖時,東部地區仍存在一個殘余的海盆地接受連續的沉積。

3)根據華北油田對前人區調資料的總結和研究,在內蒙古西拉沐倫河以南的四子王旗—鑲黃旗—奈曼旗等地發育一套淺海相碎屑巖及生物礁灰巖組合,豐富的珊瑚、腕足類及層孔蟲等化石表明這套地層為上志留統西別河組(S3x)和下泥盆統阿魯共組(D1a),二者連續沉積。這套地層不整合在下、中奧陶統包爾漢圖群(O1-2)加里東期石英閃長巖之上(圖2),之上又被上石炭統阿木山組(C2—P1)不整合覆蓋(圖3)。

圖2 達茂旗巴特敖包地區上志留統—下泥盆統與加里東期花崗閃長巖接觸關系(據腳注①修編)Fig.2 Unconformation of Upper Silurian-Lower Devonian on Early Paleozoic diogranite in Damaoqi area,Inner Mongolia(modified from footnote①)

圖3 達茂旗巴特敖包地區上志留統—下泥盆統與上石炭統接觸關系(據腳注①修編)Fig.3 Unconformation of Upper Carboniferous on Silurian-Lower Devonian in Damaoqi area,Inner Mongolia(modified from footnote①)

圖4 永吉縣黃榆鄉王家街剖面下石炭統底礫巖與泥盆系角度不整合接觸關系[39]Fig.4 Unconformation of Lower Carboniferous on Devonian in Yongji area,Jilin

圖5 永吉縣大綏河鄉下石炭統與上志留統不整合接觸關系[39]Fig.5 Unconformation of Lower Carboniferous on Upper Silurian in Yongji area,Jilin

4)吉林省區域地質志[39]明確指出,在吉林伊通縣景家臺鄉、遼源市桃山和琿春縣五道溝等地存在化石依據充分的上志留統。下部以豐富的筆石化石為主,巖性組合為火山-沉積巖系(稱桃山組);中、上部為正常沉積的碎屑巖,以豐富的腕足類、珊瑚及三葉蟲化石為特征(稱張家屯組和二道溝組)。雖然該區沒有直接見到志留系與附近區域變質巖石的接觸關系,但根據巖石組合及變質作用特征可以確定它們與區域變質巖呈不整合或構造接觸關系?;C據表明該區志留系與泥盆系也為連續沉積。永吉縣黃榆鄉王家街實測剖面資料揭示,下石炭統鹿圈屯組褐色含鐵質底礫巖角度不整合在泥盆系之上(圖4);永吉縣大綏河鄉實測剖面資料揭示,下石炭統不整合在志留系之上(圖5)??傮w上吉林中部地區的泥盆系—志留系化石組合及其與上下地層的接觸關系等特點與西部內蒙古地區基本一致。

根據目前對東北地區晚古生代整體構造格局及其演化的認識,上述實測剖面所揭示的2個基本事實值得高度重視,并加以分析:一是無論在西部的內蒙古地區,還是東部的吉林中部地區,都存在一套未遭受區域變質且連續沉積的上志留統—下泥盆統海相地層,它們不整合在加里東期花崗巖或變質巖系之上;二是上志留統—下泥盆統在西部被上石炭統海相沉積角度不整合覆蓋,而在東部的上志留統—下泥盆統被下石炭統海相沉積角度不整合覆蓋。如果將上志留統—泥盆系作為華北板塊北緣增生變質雜巖之上沉積蓋層的話,那么可以推測,西部內蒙古中部地區的洋殼至遲在晚石炭世之前已經消失,而東部吉林中東部地區洋殼的消失時間更早,至遲在早石炭世之前。因此,目前保存的海相沉積是在洋殼消失后的殘余海盆地中形成的,而且一直持續到晚二疊世早期。

2 東北地區顯生宙花崗巖時空演化格架

為揭示東北地區基本的構造-熱事件演化規律,對近年來圍繞該區花崗質巖石發表的鋯石測年數據進行了收集和統計。結果顯示,東北地區存在5期重要的花崗質巖漿活動事件,峰期年齡分別為475~505Ma、310~340Ma、240~270Ma、170~200 Ma和115~145Ma(圖6)。這一統計結果來自不同研究者對800多件鋯石樣品的分析測試,其精度是可靠的。特別是這些年齡所對應的花崗巖在成因類型及分布上與該區區域構造演化背景有著密切的關系[28,49]。因此,有理由把這些峰期年齡作為討論東北地區地質演化的基本構造-熱事件時空格架。

2.1 早古生代巖漿事件(475~505Ma)

這一峰期年齡對應的地質時代為中寒武世—早奧陶世。該期花崗巖在各地塊內均有分布,與基本同時代形成的角閃巖相-麻粒巖相區域變質巖石緊密伴生,具有地殼部分重熔的巖石學和地球化學特征。這是該區早古生代發生的一次重要的陸殼固結事件。圖6中顯示的另一重要信息是,整個東北地區基本缺失350~450Ma的花崗質巖漿活動的鋯石年齡紀錄,顯示從晚奧陶世—早石炭世初該區基本沒有花崗質巖漿活動的記錄,說明各地塊在經歷了早古生代早期的區域變質和巖漿活動后進入了一個相對穩定的構造演化階段。

圖6 東北地區顯生宙花崗巖鋯石年齡統計Fig.6 Abundances of zircon ages of Pharnerozoic granites in Northeastern China

2.2 晚古生代巖漿事件(310~340Ma)

這一峰期年齡對應的地質時代為早石炭世—晚石炭世。該期花崗巖主要分布在大興安嶺地區,總體呈北北東向展布。同位素年代學和巖石地球化學分析表明,這套花崗巖分早、晚2期:早期為鈣堿性閃長巖-花崗閃長巖-二長花崗巖組合,屬于I型花崗巖,鋯石年齡為350~330Ma,對應的地質時代為早石炭世,具有活動陸緣鈣堿性巖漿弧的典型地球化學特征[35-36,50];晚期為高鉀鈣堿性二長花崗巖-鉀長花崗巖,也屬I型花崗巖,鋯石年齡為310~300 Ma[51],對應的地質時代為晚石炭世,具有碰撞后成因的巖石地球化學特征??臻g上這2套花崗巖組合沿大興安嶺北北東向帶狀展布,時間上連續演化,空間上依次疊置,規模上逐漸減小,特別是成因類型依次從俯沖到碰撞后的連續演化特點,進一步支持了大興安嶺東緣存在一條重要的碰撞拼合帶的認識[28,30-33],即佳木斯—松嫩地塊與額爾古納—興安地塊的碰撞拼合事件。這次事件使東北地區整體處于地殼增厚和隆升背景,以普遍缺失石炭紀中期的沉積為標志。晚石炭世晚期開始整體轉為伸展構造背景,形成時代為284~307Ma[28,35-36]的晚石炭世晚期—早二疊世火山巖及斷陷盆地,為中二疊世大規模海相沉積盆地的形成奠定了基礎。

2.3 晚古生代末期巖漿事件(240~270Ma)

這一峰期年齡對應的地質時代為中二疊世—早三疊世。該期花崗巖主要發育在張廣才嶺和吉林東部地區。雖然該期花崗巖在形成時代上與所說的華北板塊和東北板塊發生陸-陸碰撞的時代有一致性,但近年來的深部地球物理和地球化學研究結果顯示,可能與碰撞有關的巖石圈和地殼增厚現象只出現在佳木斯—伊通斷裂帶以西地區,而以東地區并沒有顯示[28]。唐克東等[52]認為:吉林東部延邊地區可能是中生代環太平洋增生帶的一部分,與結束古亞洲洋演化的內蒙古—吉中縫合帶沒有關系。因此,該期花崗巖確切的地質構造意義尚待進一步研究。

2.4 侏羅紀巖漿事件(170~200Ma)

這一峰期年齡對應的地質時代為早—中侏羅世。該期花崗巖出露廣泛,在額爾古納地塊、松嫩地塊的小興安嶺—張廣才嶺和吉林東部地區均有分布。這些花崗巖以堿性花崗巖為主,普遍具有深來源、淺就位的巖石學和巖石地球化學特征。結合區域地質背景分析,東北西部地區發育一系列近東西向展布的早—中侏羅世山間陸相沉積盆地,而晚侏羅世發育大面積北北東向展布的火山巖[3,37-39]。這一特點說明,該區在早—中侏羅世處于南北向擠壓的地殼增厚構造背景,而晚侏羅世轉為伸展背景。這樣一種轉化過程可能與蒙古—鄂霍茨克帶的閉合以及東側大陸邊緣的北東向轉換構造有著密切的關系。完達山地體就是在這一期間通過轉換斷層就位在佳木斯地塊東緣的。因此,這次事件是現今東北亞大陸形成的重要時期,也是濱太平洋構造域北東向構造體系形成的主要時期。

2.5 早白堊世巖漿事件(115~145Ma)

該期花崗巖主要分布在大興安嶺和松遼盆地地區,呈北東向展布。這是東北地區最為壯觀的重大地質事件發生期,伴隨花崗質巖漿的侵入和大規模的火山噴發,大興安嶺以東地區的巖石圈急劇減薄,地表形成大規模的含油氣盆地。關于白堊紀沉積盆地和巨量巖漿巖的起源及其構造背景與機制觀點眾多,分歧較大,本文不作評述,但對該區的2個基本事實做如下分析:一是吉黑東部巖石圈減薄的西界和松遼盆地的西界均止于大興安嶺東緣之下,這里也是一個深達巖石圈地幔尺度的速度不連續界面[28]。這一事實說明,大興安嶺與松遼盆地之間存在一個深度巨大的構造轉換帶,這一轉換帶不但對深部軟流圈物質的向西侵蝕起到屏障作用,使巖石圈減薄沒有向西擴展到大興安嶺之下,而且它作為一個構造薄弱帶為大興安嶺的隆升和松遼盆地的沉降提供了應力調整空間。這從另一個角度證明了黑河—嫩江—開魯沿線存在一個重要的構造界面。二是東北地區晚侏羅世—早白堊世火山巖的時空演化具有明顯的規律性。晚侏羅世火山巖主要發育在大興安嶺及其以西地區,而松遼盆地及其以東地區主要發育早白堊世火山巖,顯示出火山活動具有由西向東遷移、強度逐漸減弱的演化特點[28]。從火山巖的厚度、時代及分布特點上看,大興安嶺及以西地區的火山巖厚度巨大,通常為3 000~4 000m,時代以晚侏羅世為主,北北東向展布,與西側的蒙古—鄂霍茨克帶大致平行;而大興安嶺以東和松遼盆地地區的火山巖厚度較小,一般為1 000~2 000m,時代為早白堊世,北東向展布,與東側大陸邊緣溝-?。梵w系展布方向基本一致。因此,不能排除晚侏羅世火山巖的形成與蒙古—鄂霍茨克構造域的演化有關,而早白堊世火山巖與西太平洋構造域的演化有關,大興安嶺及以西地區巨厚的火山巖可能是2種構造體制下形成的火山巖疊加的結果。

3 東北地區主要斷裂構造格架

為揭示東北地區主要斷裂構造的分布及其深部特點,以1∶20萬重力資料為基礎,對全區重力資料進行了不同深度的水平總梯度矢量模處理。處理對比結果顯示,隨著延拓高度的增加,淺部規模較小的斷裂特征逐漸消失,而深部規模較大的斷裂特征逐漸明顯;上延15km后各深度處理結果所顯示的深部斷裂異常變化特征基本相同。因此,可以認為上延10km后的重力場基本上能夠反映該區深大斷裂構造的總體分布格架(圖7,圖中紅色和黃色區域中心線位置為總梯度矢量模最大值,該值所顯示的線狀位置為斷裂構造所顯示的地球物理特征線)。根據上延不同高度后重力異常水平方向總梯度矢量模原理(即上延的高度以及異常規模和幅值越大,斷裂的切割深度越大),將東北地區具有一定深度規模的斷裂按異常幅度分為NNE、近EW、NE和近NS向4組深斷裂(圖7)。

3.1 NNE向斷裂

圖7 重力上延10km后水平總梯度矢量模平面圖Fig.7 Vector model derivative of horizontal total gradient of gravity anomaly(upward height 10km)

NNE向斷裂發育在大興安嶺兩側。東側的一條規模及幅度較小,大致沿中蒙邊界額爾古納河—海拉爾盆地西緣—內蒙古查干敖包—阿登高勒一線斷續展布,目前地質上對其沒有明確的稱謂;另一條即為著名的大興安嶺重力梯度帶,它是該區異常幅度和規模最大的一條斷裂帶,地質上通常稱之為黑河—嫩江—開魯斷裂。雖然該斷裂整體上呈NNE向展布,但圖7中清楚地顯示其南段明顯被NE向構造所改造,異常呈NE向斜列式展布,而且越向南部NE向斷裂越為密集,表現出NE向斷裂對NNE向斷裂的改造主要發生在大興安嶺南段。前已討論,該斷裂不但是大興安嶺和松遼盆地之間重要的盆-嶺分界線,而且是整個東北地區東西兩側巖石圈和地殼厚度的突變帶。NE向斷裂對其南段的改造作用說明,該斷裂在整體上不但是深部軟流圈物質由東向西侵蝕的屏障,而且在淺部成為西太平洋NE向構造域影響的西緣轉換帶。該重力異常梯度帶位于地質上確定的黑河—嫩江—開魯斷裂以西,因此,依據上延原理分析,黑河—嫩江—開魯斷裂是一條向西傾伏的重要斷裂構造。

3.2 近EW向斷裂

2條近EW向展布的斷裂一南、一北平行展布在東北地區南緣。南部的一條地質上稱為楚魯圖—赤峰—開源斷裂,并被作為華北板塊的北緣斷裂;北部的一條為著名的西拉沐倫河斷裂。重力異常特征(圖7)顯示,這2條斷裂帶的西端均被NNE向的額爾古納河—查干敖包—阿登高勒斷裂所截,但其東端二者的異常特征明顯不同。其主要表現是:西拉沐倫河斷裂似乎只延續到開魯一帶,并與NNE向的嫩江—開魯斷裂相連,并未延伸到松遼盆地之內;而楚魯圖—赤峰—開源斷裂向東延伸到遼西地區,被NE向的郯廬斷裂系(依蘭—伊通斷裂和敦化—密山斷裂)所改造,但在NE向斷裂帶以東地區沒有異常顯示。這些證據似乎說明,西拉沐倫河斷裂作為一個深度較大的斷裂可能與嫩江—開魯斷裂帶有著更為密切的聯系,而楚魯圖—赤峰—開源斷裂作為華北板塊北緣的深斷裂向東止于NE向斷裂。根據目前對西拉沐倫河斷裂地質構造意義的普遍性認識,結合其異常特點分析,不能排除西拉沐倫河斷裂作為一條碰撞拼合帶可能只發生在嫩江—開魯斷裂帶以西,而楚魯圖—赤峰—開源斷裂作為華北板塊的北界止于NE向斷裂,NE向斷裂以東地區的構造演化與西部應有所不同。雖然提出了上述認識,但仍需進一步研究和論證。

3.3 NE向斷裂和近NS向斷裂

這2組斷裂主要發育在吉黑東部地區。雖然二者的異常幅度和規模小于前2組斷裂,但彼此間的構造時序關系卻十分清楚。NE向斷裂明顯有3條,其中南部2條,分別為依蘭—伊通斷裂和敦化—密山斷裂,北部的一條沿嘉蔭—哈爾濱一線展布,該斷裂因其南部被松遼盆地所掩蓋,在該區的意義尚未受到足夠的重視,但它作為東北東部NE向斷裂體系的一部分應是肯定的。這3條平行展布的NE向斷裂強烈改造了近NS向斷裂,使其失去了整體的連續性,僅在北部的嘉蔭—鶴崗和南部的雞西—琿春一線有較明顯的顯示,而且在敦化—密山斷裂以南,NS向斷裂發生了明顯的左行位移。這一NS向斷裂習慣上稱為嘉蔭—牡丹江斷裂。由于該斷裂東側發育含藍片巖的構造混雜巖帶,其構造位置又處于佳木斯地塊與松嫩地塊之間,因此,該斷裂和混雜巖的構造意義常被作為一個整體來研究。目前,對這套混雜巖是佳木斯地塊與松嫩地塊碰撞拼合過程中形成的俯沖增生雜巖的認識已基本取得一致[53-62],但在兩地塊的碰撞拼合時代問題上分歧較大。早期的研究者普遍認為,兩地塊的碰撞拼合時代為早古生代[53-60]。近年來由于在這套混雜巖中獲得了大量的同位素測年數據,由此出現了2種主要意見:一種意見與早期的認識一致,主要是根據混雜巖帶兩側的下泥盆統碎屑巖中普遍具有來自松嫩地塊和佳木斯地塊的碎屑鋯石,認為二者應在早泥盆世之前已拼貼完畢[62];另一種意見則主要依據混雜巖中存在大量160~180Ma的白云母及青鋁閃石Ar-Ar年齡,認為兩地塊的碰撞時代為侏羅紀[61]。趙亮亮等[63]認為,雖然混雜巖帶總體呈NS向展布,并僅出露在NS向的嘉蔭—牡丹江斷裂以東,但其內部的變質變形組構均為NE走向,與佳—伊斷裂和敦化—密山斷裂平行。根據藍閃石片巖巖塊明顯被NE向變形組構所改造,而記錄160~180Ma的白云母及青鋁閃石都產生在北東走向的糜棱巖中,因此,他們認為嘉蔭—牡丹江斷裂是俯沖增生雜巖的西界斷裂,即佳木斯地塊與松嫩地塊碰撞形成的混雜巖帶是NS向展布的,而NE向構造是后期構造折返事件的結果,也是導致混雜巖帶高壓藍閃石片巖巖塊剝露的直接原因。這一認識雖然沒能解決兩地塊的碰撞時代問題,但對這套混雜巖目前所表現的NE向變質變形組構的形成時代和意義作出了明確的解釋,即東北東部地區NE向構造形成的起始時間發生在160~180Ma的早—中侏羅世。

上述重力異常特征清楚地顯示了該區主要深斷裂的幅度、規模及彼此的時空關系。這樣一種時空關系與該區主要構造單元及其邊界構造帶的展布格局基本是一致的,這也說明這樣一種處理解釋結果是可信的。但正因如此,筆者在圖7中同時還發現了另外幾個值得特別關注的重要構造問題。眾所周知,東北地區存在3條十分著名的斷裂帶,即得爾布干斷裂、賀根山斷裂和躍進山或那丹哈達嶺斷裂。長期以來,它們一直被作為東北地區最為重要的斷裂構造予以廣泛的研究和討論。從板塊構造演化角度,曾分別被作為早古生代、晚古生代和中生代的板塊俯沖帶[64]。但這幾條重要的斷裂帶在圖7中并沒有明顯的反映,甚至可以說根本就沒有反映。根據其他主要斷裂構造均有清楚的顯示,這似乎不是資料處理過程中的問題。近年來,吉林大學在開展國家油氣資源戰略選區項目研究過程中,有多條重、磁、電剖面穿越了這3條斷裂,結果也都顯示其深部沒有明顯的物性異常間斷,因此,可以肯定它們在深度和規模上不能與東北地區的其他斷裂相比。最可能的解釋是,它們可能是薄皮逆沖構造在淺部產生的一種斷裂-巖性組合帶。這樣一種認識提出的理論依據是,賀根山斷裂帶和那丹哈達嶺斷裂帶都緊密與一套具有層序性的蛇綠巖伴生,即賀根山蛇綠巖帶和那丹哈達嶺蛇綠巖帶。根據Condie[65]對蛇綠巖侵位機制的總結,除刮入俯沖增生楔的非層序性蛇綠巖碎塊外,凡具有一定層序性的蛇綠巖都是仰沖到大陸邊緣之上的洋殼組合。這意味著仰沖侵位到大陸邊緣之上的蛇綠巖所處的位置一定不是碰撞帶的位置,而只是仰沖構造的前端;因此,將具有一定層序性特點的賀根山蛇綠巖和那丹哈達嶺蛇綠巖現今分布的位置作為碰撞帶的位置是不合適的。根據區域構造背景和重力異常證據分析,導致二者仰沖的碰撞帶的位置可能分別位于其南側的西拉沐倫河碰撞帶和其東側的中央錫霍特—阿林碰撞帶,而所謂的得爾布干斷裂更可能是中生代火山巖對額爾古納—興安地塊橫向覆蓋區的西界,并不是一個垂向的深斷裂構造。

4 結論與討論

1)我國東北及內蒙古東部,乃至整個東北亞地區的主體由早古生代早期固結的大陸地塊所組成,各大陸地塊均具有前寒武紀—早前寒武紀,甚至是太古宙的古老陸殼基底。它們在490~510Ma的早古生代早期同時遭受了區域變質作用和花崗質巖漿侵入,標志著固結大陸塊體的形成。350~450 Ma,早古生代早期固結的大陸地塊處于相對穩定的構造背景,以普遍缺失這一時期的花崗質巖漿活動記錄為標志。從整個東北亞地區的地質構成考慮,早古生代晚期至少存在2個相對獨立演化的微板塊,即額爾古納—興安微板塊和松嫩—布列亞—佳木斯—興凱微板塊。早石炭世,這2個微板塊沿北北東向展布的開魯—嫩江—黑河—諾拉—索霍提一線碰撞拼合,形成東北亞晚古生代大陸板塊。作為此次俯沖碰撞作用的直接結果,是在我國境內形成了與俯沖碰撞相關的大興安嶺晚古生代巖漿巖帶,為多金屬成礦提供了有利的構造-熱演化背景和物質條件。由于這一巖漿巖帶和多金屬成礦帶的南界均受到西拉沐倫河斷裂的制約,因此,西拉沐倫河斷裂和嫩江—開魯斷裂可能是早石炭世東北亞晚古生代大陸板塊最終形成的碰撞拼合帶。就其規模而言,這一晚古生代大陸板塊與現今的華北板塊相當。

2)晚石炭世—中二疊世,東北亞晚古生代大陸板塊整體處于伸展構造背景,在其南部即我國的東北及內蒙古東部地區形成了以晚石炭世—早二疊世火山巖為主的斷陷盆地,到中二疊世發展演化成為一個規模巨大的海相沉積盆地。海相沉積盆地內以暗色泥巖和碳酸鹽巖為代表的潛在烴源巖發育,它們沒有遭受區域變質作用,多數處于成巖演化階段。由此可見:在盆地成因演化方面,東北地區晚古生代盆地與中生代盆地具有類似的斷-坳2個階段的演化特點;在油氣資源前景方面,中—新生代盆地之下的晚古生代海相沉積盆地應是一個具有良好前景的深部油氣勘探新層系。

3)大興安嶺北部的得爾布干斷裂、內蒙古中部的賀根山斷裂和黑龍江省東部的那丹哈達嶺斷裂可能并不是具有一定深度規模的構造分區斷裂。前者是中生代火山巖覆蓋區的西部巖性界線,而后兩者是仰沖到大陸邊緣之上的蛇綠巖殘片,它們所處的位置并不是導致其仰沖的碰撞帶的位置,只是仰沖構造片體的前端,它們產生的構造背景可能分別與南側西拉沐倫河斷裂帶和東側中央錫霍特—阿林斷裂帶的俯沖碰撞有關。

4)楚魯圖—赤峰—開源斷裂分別和西拉沐倫河斷裂是華北板塊北緣俯沖增生帶的南、北界線,但它們的西側被NNE向斷裂所改造,并未連續向西延伸,而東側則各有特點。西拉沐倫河斷裂并沒有向東延伸到松遼盆地內,它在黑河—嫩江—開魯斷裂帶附近與其南端相連。根據西部內蒙古達茂旗地區存在泥盆系—上志留統不整合在加里東期花崗巖之上、上石炭統又不整合在泥盆系—上志留統之上的重要證據,而這一地區又位于楚魯圖—赤峰—開源斷裂和西拉沐倫河斷裂所夾持的區域(圖7),筆者有理由將出露于賀根山一帶的泥盆紀洋殼組合和該區缺失下石炭統的基本事實結合起來,把西拉沐倫河斷裂帶作為早石炭世形成的碰撞拼合帶,與同時代形成的嫩江—開魯碰撞拼合帶相連;東部的吉林中部地區雖然也存在泥盆系—上志留統不整合在加里東期變質巖之上的證據,但不同的是,吉林中部地區的泥盆系—上志留統直接被下石炭統海相沉積不整合覆蓋,表明東部地區的洋殼在早石炭世前即已消失,其時間要早于西部。因此,推測東北東部的松嫩—佳木斯(—興凱)微板塊在早石炭世前就與華北板塊弱碰撞聯合為一體,之間并沒有形成增生雜巖帶,也就不存在西拉沐倫河最終碰撞拼合帶的東延問題。這也是把西拉沐倫河斷裂帶與黑河—嫩江—開魯碰撞拼合帶相連的原因之一。

5)東北地區中生代以來的構造體制并不僅僅是東西向古亞洲洋構造域和北東向西太平洋構造域疊加轉換的結果,蒙古—鄂霍茨克構造域的演化對東北亞地區現今構造樣式的形成具有重要的影響。大興安嶺及其以西地區的北北東向構造和晚侏羅世火山巖的形成可能與蒙古—鄂霍茨克構造域的演化關系更為密切;而大興安嶺以東地區的北東向構造及早白堊世火山巖的形成與西太平洋構造域的演化關系更為密切。在蒙古—鄂霍茨克構造域和西太平洋構造域的疊加轉換過程中,大興安嶺東緣始終是一個重要的構造疊加轉換帶。這一轉換帶沿襲了黑河—嫩江—開魯晚古生代碰撞縫合帶的構造形跡,不但成為東北地區深達巖石圈尺度上的物性不連續界面,而且成為地殼淺表層最為壯觀的盆-嶺體系轉換帶。由此表明,黑河—嫩江—開魯晚古生代碰撞帶不但對整個東北地區晚古生代期間的構造與沉積作用具有重要的控制和影響,而且對中—新生代期間該區巖石圈尺度上的構造體制轉換及物質成分演化都具有明顯的制約作用。

本文是在國家第二批油氣資源戰略選區研究成果基礎上完成的,很多認識和想法得益于參加選區項目的國土資源部油氣中心、吉林大學、吉林油田、華北油田、東北油氣分公司和大慶油田等單位同事的研討與交流,特別是國家油氣資源戰略選區項目專家組的各位前輩和老師為我們開拓思路、提升研究水平付出了辛勤汗水和智慧。在此,表示衷心的感謝。

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Discussion on Phanerozoic Tectonic Evolution in Northeastern China

Zhang Xing-zhou1,Ma Yu-xia1,Chi Xiao-guo1,Zhang Feng-xu2,Sun Yue-wu1,Guo Ye1,Zeng Zhen1
1.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China
2.CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

The authors accumulate a large amount of new data of regional geology and geochronology in recent years and makes a generalization and summation of the tectonic nature and evolution in Northeastern China.A comprehensive study indicates that the NE China continent is composed mostly of relatively stablae massifs,rather than orogenic belt since Late Paleozoic.All of these massifs include the basements of Precambrian-Early Precambrian,even Archean,and were simultaneously subjected to metamorphism and granitic magmatism in early Early Paleozoic(490-510Ma).During 350-450Ma,at least two stable microcontinents of Erguna-Xing’an and Songnen-Jiamusi composed of massifs solidified in 490-510Ma existed in NE China,marked by without magmatism,which are northwards linked together with Erguna and Buriya massifs in Russia,respectively.These two microcontinents collided together along a NNE-trending Kailu-Nenjiang-Heihe(NE China)-Nora-Soukhotin(Russia)in Early Carboniferous and formed a Northeast Asia continental plate(NACP).The well-known Xilamulunhe fault is commonly referred as a final collision zone between NACP and North China plate,but the west end of the fault is cut by NNE-trending fault,and east end linked together with Kailu-Nenjiang collision zone and not stretches eastwards into Songliao basin,indicating the Xilamulunhe fault is possibly related to the formation of Kailu-Nenjiang collision zone.From Late Carboniferous to Mid Permain,the NACP on the whole was at extension setting where at least in NE China,a series of faulted basins with predominant volcanics formed in early time and a large marine sedimentary basin formed in Mid Permian.All of the Late Paleozoic volcanics and sedimentary rocks do not suffer regional metamorphisam.The transformation of Mesozoic tectonic regime in NE China is related not only to superposition and transformation of Paleo-Asia ocean tectonic system by west Pacific tectonic system,but the evolution of Mongolia-Okhotsk tectonic system plays an important role in transforming tectonic regim,especially in Mid-Late Jurassic.The evidences of geology and geophysics show that the well-known three faults of Derbugan in Da-Xinganling Mountains,Hegenshan in central part of Inner-Mongolia and Nadanhada in east part of Heilongjiang Province are not deep faults controlling tectonic units probably.The parts under Mesozoic-Cenozoic basins in NE China for the most part are not metamorphosed crystalline basement,but a large marrine sedimentary basin.

Northeastern China;Phanerozoic;tectonic evolution;tectonics

P54

A

1671-5888(2012)05-1269-17

2012-05-06

國家油氣戰略選區專項(14B09XQ1201);國家自然科學基金重點項目(40739905);國家深部探測專項項目(SinoProbe-02-04)

張興洲(1954—),男,教授,博士生導師,主要從事深部構造和巖石學方面的研究,E-mail:xzzhang@jlu.edu.cn。

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