深大断裂之郯庐断裂

郯庐断裂带是中国东部规模最大的一条岩石圈断裂带, 也是中国东部最重要的一条中、 新生代岩浆、 成矿和构造活动带。 不能很好地认识郯庐断裂, 就不能很好地认识中国东部中生代的构造演化, 也就不能很好地理解欧亚大陆的当今格局。 本文从我们近年来对郯庐断裂带沿线中生代岩浆岩的研究成果出发, 以任纪舜先生主编的《 国际亚洲地质图》为指导思想, 提出郯庐断裂的大型走滑启动应与早白垩世( ~143 Ma) 洋底高原与欧亚大陆的碰撞有关。 郯庐断裂这一切割岩石圈深度的大型断裂是导致华北克拉通发生破坏的关键因素, 为深部幔源物质的上涌提供了通道。 郯庐断裂带两侧有规律地成群成带分布金矿等多金属矿产, 多形成于郯庐断裂大型挤压走滑后( ~123 Ma) 的伸展背景。

The Tan-Lu Fault Zone is the largest lithospheric fault zone in eastern China and is also the most significant Mesozoic and Cenozoic magmatic, metallogenic, and tectonic activity zone in eastern China. A comprehensive understanding of the Tan-Lu Fault is crucial for accurately grasping the tectonic evolution of the Mesozoic era in eastern China and for interpreting the current structure of the Eurasian continent. This article begins with our recent research results on Mesozoic igneous rocks along the Tan-Lu Fault Zone, guided by the “International Geological Map of Asia,” edited by Mr. Ren Jishun. It suggests that the large-scale strike-slip initiation of the Tan-Lu Fault is related to the collision between the oceanic plateau and the Eurasian continent in the Early Cretaceous (~143 Ma). This major fault, which cuts deep into the lithosphere, is a key factor leading to the destruction of the North China Craton and provides a pathway for the upwelling of deep mantle-derived materials. On both sides of the Tan-Lu Fault Zone, gold and other polymetallic mineral deposits are regularly and spatially clustered, many of which formed in the extensional context following the large-scale compressive strike-slip of the Tan-Lu Fault (~123 Ma).

关键词: 郯庐断裂带; 中国东部; 岩石圈减薄; 中生代; 成矿作用

深断裂的存在是一个不容忽视的客观事实, 深断裂影响深度大, 延伸距离长, 同时控制矿产的形成与分布。 中国出露有10 多条超岩石圈断裂带和80 余条岩石圈断裂带和为数更多的壳断裂带。 郯庐断裂带作为中国东部规模最大的一条岩石圈断裂带, 最大位移量超过700 km, 是中国东部最重要的一条中、 新生代岩浆、 成矿和构造活动带。

郯庐断裂大型走滑启动时间及机制一直存有争议。前人主要通过精确测定断裂带内的糜棱岩形成时间或者通过研究断裂带可能切割的盆地及其沉积中心的演变来约束走滑时间。关于郯庐断裂大型走滑的时间主要有以下几种观点: 晚侏罗世—早白垩世、 早白垩世、 三叠纪以及中三叠世—侏罗纪。 另外, 对于大型走滑的启动机制, 则受古太平洋板块俯冲的影响或与欧亚板块在中—新生代板块漂移过程有关等不同认识。

另外, 华北克拉通的破坏主要发生在中生代, 主要有以下模型: ① 下陆壳拆沉; ② 热/化学侵蚀; ③ 板块俯冲转换, 主 要 是 古 太 平 洋 板 块 俯 冲 作 用。 郯庐断裂带作为岩石圈地幔转换和置换的优先区域, 其与华北克拉通破坏的关系如何?

本文从近年来对郯庐断裂带沿线中生代岩浆岩的研究成果出发, 结合前人资料, 针对上述问题进行初步探讨, 进而起到抛砖引玉的作用, 以引起更多优秀的地质学家重视。

郯庐断裂带作为中国东部一条重要的强烈构造变形带, 大致沿沈阳至广济一线展布, 是濒西太平洋东亚大陆边缘上一条巨型断裂带, 总体呈北北东向(25° ~40°) 延伸,在中国境内长达2400 km。 不同的学者对该断裂带做了较多研究, 尽管有诸多争议, 但是众多研究表明郯庐断裂带是中生代岩石圈减薄的强减薄带, 其 岩 浆 活 动 峰 期 和 华 北 地 区 一 致。 从南到北, 郯庐断裂带依次经过扬子板块、大别-苏鲁造山带、 华北克拉通与中亚造山带东部的兴蒙造山带。 该断裂带由多条平行或斜向的小型断裂带构成, 在东北地区主要有三个断裂组成: 长春-哈尔滨断裂、 依兰-伊通断裂和抚顺-密山断裂; 郯庐断裂在中国巢湖之南大致分成两支, 一支中国沿广济—黎塘、 宿松—灵山等地进入越南境内, 另一支经中国安庆后沿赣江行进。

郯庐断裂带沿线发育大量的中生代岩浆岩( 图1) 。 约139 个岩体的锆石 U-Pb 年龄数据显示郯庐断裂带附近中生代岩浆岩主要划分为三个阶段: 晚三叠世(233 ~200 Ma) 、 侏罗纪中期(185 ~155 Ma)和早白垩世(145 ~105 Ma) , 并显示出不同的岩浆活动峰期。 中酸性岩浆岩显示四个岩浆活动峰, 分别在~219 Ma、 ~180 Ma、 ~159 Ma 和~127 Ma;基性 岩 浆 岩 显 示 三 个 岩 浆 活 动 峰, 分 别 在 ~213 Ma、 ~159 Ma 和~124 Ma(图2) 。

三叠纪中酸性岩浆岩在辽宁地区分布广泛, 在胶东地区仅局部出露, 目前在华北克拉通东南部(安徽及大别地区) 未曾发现该时期的岩浆作用, 侏罗纪和白垩纪中酸性岩浆岩在上述三个地区均有分布。

中生代基性岩在郯庐断裂带附近分布有限, 不同时代基性岩的分布范围也不同。 三叠纪基性岩仅在辽宁和山东局部地区分布; 侏罗纪基性岩除辽宁地区晚侏罗世的基性岩出现外, 其他地区尚未发现;相比较而言, 白垩纪的基性岩浆岩分布广泛。郯庐断裂带附近地区晚三叠世基性岩浆岩主要分布在辽东半岛的弟兄山岩体、 于屯岩体、 韩家岭岩体附近,最早 为 227 Ma 的 煌 斑 岩。 在山东地区茬山岩体附近也有少量的三叠纪基性 岩 浆 岩, 岩 性 为 辉 长 岩 和 玄 武 岩 等  。 侏罗纪的基性岩仅在辽宁地区被发 现, 岩 浆 作 用 时 间 是 162 ~ 155 Ma。 从早白垩世开始, 断裂带及邻区基性岩浆活动逐渐增多, 在辽宁弟兄山、 五龙和于屯等地均有发育, 在山东省主要分布于济南、 邹平、 莱芜、 沂南、威海、 荣成、 青岛、 日照等地, 其岩性主要为辉长岩及零星的 玄 武 岩, 其 就 位 年 龄 为 144 ~111 Ma。

郯庐断裂带的中生代岩浆岩 SiO₂ 含量范围变化大为43 % ~79 % (图3a) 。 大多数三叠纪岩浆岩具高 K₂O 和 Na₂O 含量特征(图3a) ,Al₂O₃ 含量较低, 多属于准铝质; 大部分属于高钾钙碱性或粗橄玄武岩系列(图3b) , 具有碰撞后岩浆岩特征。 与三叠纪岩浆岩相比, 侏罗纪岩浆岩的 K2O 和 Na₂O 变化大( 图3b) , Al₂O₃ 含量更高, 部分属过铝质。 白垩纪岩浆岩则多为钙碱性系列(图3) 。 对于郯庐断裂带沿线中生代中酸性岩浆岩来说, 根据 Sr/Y 比值、Sr、 Y 和 Yb 含 量 ( 使 用 Defant and Drummond (1990) 对埃达克岩的定义) 和 Mg# 值(Mg^# =100× (MgO/40.31 )/( MgO/40.31 + TFeO/71.844 ) , 郯庐断裂带沿线中生代中酸性岩浆岩可分为四种类型: ① 高 Mg^# 埃达克岩( HMA, 通常 Sr/Y >20, Y ( ×10^-6 ) <18, Mg# >45 ) (玄武岩部分熔融的物质应具 有 低 的 Mg^# 值 ( 通 常 <45 ) ) ; ② 低镁埃达克岩(LMA, 通常 Sr/Y >20, Y ( ×10^-6 ) <18 和 Mg# <45 ) ; ③正常的中酸性岩石(NIF,Sr/Y<20 或 Sr( ×10^-6 ) <400) 和④A 型花岗岩。

对于郯庐断裂带沿线中生代基性岩, 按照其地球化学特征不同可划分为两大类: 一类为基性岩富集大 离 子 亲 石 元 素 (LILE ) 、 Pb 和 轻 稀 土 元 素(LREE) , 而亏损 Nb 和其他高场强元素( HFSE) ,同时还具有较低的 Nb/U 和 Ce/Pb 比值, 总体上与岛弧玄武岩(IAB) 特征类似, 而该类基性岩从三叠纪到白垩纪均在研究 区 出 现  ; 另一类为基性岩富集大离子亲石元素(LILE) 和轻稀土元素(LREE) , 但亏损 K, 并未显示 Nb 和其他高场强元素(HFSE) 的亏损, 具有较高的 Nb/U 和 Ce/Pb 比值, 与洋岛玄武岩(OIB)特征相似, 而该类基性岩在研究区仅在122 Ma 之后才出现。

三叠纪, 辽宁和山东地区同时有埃达克岩和 A型花岗岩的侵位。 辽宁地区埃达克岩的年龄范围为219 ~224 Ma, A 型花岗岩 的 年 龄 约 为 215 Ma。 同样地, 山东地区埃达克岩的年龄约为211 Ma, A 型花岗岩的年龄约为215 Ma 。 研究表明,三叠纪埃达克岩主要由克拉通下地壳部分熔融形成(图4) 。 A 型花岗岩通常被认为是在高温低压的条件下形成, 如辽宁地区三叠纪弟兄山岩体显示的 A 型花岗岩特征, 具有高εHf (t ) 值( 3.4 ~ +1.2 ) 和较低的δ¹⁸O 值(5.52‰ ~ 7.29 ‰) 值, 表明它是由新生大陆地壳部分熔融形成。 山东地区三叠纪显示A 型花岗岩特征的岩体为甲子山岩体(215 Ma) , 岩性为正长 岩, 其 Sr 和 Nd 同 位 素 组 成 与 该 地 区 同时代的镁 铁 质 岩 脉 相 似, 表 明 其 成 因 相 似。 结 合正长岩的 主 微 量 元 素 及 锆 石 Hf-O 同 位 素, 大 别-苏鲁造山带正长岩-花岗岩和超高压变质火成岩在微量元素和 放 射 性 同 位 素 特 征 上 普 遍 相 似, 表 明其成因与 俯 冲 大 陆 地 壳 本 身 有 关。 因 此, 三 叠 纪正长岩来源于造山岩石圈地幔和俯冲大陆地壳在折返阶段的 部 分 熔 融, 表 明 俯 冲 的 大 陆 地 壳 在 大陆碰撞过程 中 再 循 环 到 地 幔 深 处, 从 而 产 生 了 地壳-地幔的相互作用。 Yang Jinhui et al. (2005 ) 对这些岩石进行了地球化学和同位素模拟, 表明正长岩可能是由单斜辉石和橄榄石的早期分离结晶, 叠加后续少量的地壳物质混染形成。 三叠纪基性岩石显示出相对富集的 Hf 同位素成分, 表明这些岩石主要来自克拉通古老的岩石圈地幔。

侏罗纪岩浆的地球化学成分变化范围较大( 图3) , 应该与这些岩石的不同岩浆源区和形成时期的构造背景有关。 侏罗纪岩浆岩主要为高钾钙碱性和粗橄玄武岩系列岩石(图3) , 源区较复杂, 包括古老的大 陆 地 壳、 下 地 壳 底 部、 富集的岩石圈地幔和软 流 圈 地 幔。

白垩纪, 岩浆作用广泛分布于郯庐断裂带附近甚至整个华北克拉通。 高镁埃达克岩(HMA) 最初产生于~143 Ma( 图2、5 ) , 代表了拆沉下地壳和下伏地幔物质之间的相互作用。 这些岩浆的εHf (t ) 值和δ¹⁸O 值变化范围很大。 早白垩世岩浆的源区可能是增厚的古老地壳、 新生地壳、 富集岩石圈或亏损软流圈地幔,但长英质岩浆主要来源于地幔物质上涌引起的地壳物质重熔。

在~125 Ma 时(图2, 图6) ,A 型花岗岩开始产出。 此外, ~123 Ma 之后, 出现具有类似洋岛玄武岩( OIB ) 的 基 性 岩 石。 这种差异表明, 华北克拉通岩石圈地幔的地球化学性质在~123 Ma 时发生了根本性转变。 产生于三叠纪和早白垩世之间的类似于岛弧玄武岩的基性岩应该是三叠纪期间华南大陆地壳俯冲相关熔体与华北克拉通岩石圈地幔之间的反应形成, 以及侏罗纪和白垩纪古太平洋板块俯冲产生流体与华北克拉通岩石圈地幔之间的反应产物。 对于具有类似于洋岛玄武岩特征的基性岩石来说, 它们可能是俯冲古太平洋板块产生的熔体参与交代、 并使华北克拉通岩石圈地幔或软流圈部分熔融的产物, 因此这类岩石的产生表明华北克拉通的古老的岩石圈地幔开始被年轻新生的岩石圈地幔所取代。

郯庐断裂带的演化可视为同时期华北克拉通东部演化的缩影。 侏罗纪期间, 仅断裂带南 端 的 大 别 地 区 表 现 为 左 行 走 滑 运 动 特 征。 该次运动与燕山运动 A 幕同时, 是区域北西-南东向挤压的结果, 表明华北克拉通东部开始受西太平洋俯冲作用影响。早白垩世初期, 郯庐断裂带发生了一次大规模的左旋走滑运动, 这与燕山运动的 B 幕同时。

由任纪舜先生 2013 年主编的《 国际亚洲地质图》可以看出, 中国东部的琉球群岛-吕宋岛链明显被洋底高原压弯( 图7 ) , 从而推断该洋底高原与欧亚大陆的碰撞是导致郯庐断裂大规模左行走滑的主要原因。 该洋底高原火山岩年龄应大于等于郯庐断裂大规模走滑的时代。

我们以白垩纪郯庐断裂沿线地区最早出现的高镁埃达克岩( ~143 Ma) 为起始, 以区域上广泛出现A 型花岗岩( ~123 Ma) 为大型走滑结束, 来推算郯庐断裂在早白垩世时期的大型走滑平均运动速率约为3.5 cm/a。

华北克拉通的破坏不仅指岩石圈变薄, 还包含岩石圈地幔的置换, 伴随着大规模岩浆作用, 强烈的地壳变形(变质核杂岩、 伸展和走滑构造) 和频繁的地震活动。 华北克拉通的破坏主 要 发 生 在 中 生 代, 在此期间, 至少经历了三个方向的俯冲和挤压。 板块俯冲对克拉通内产生的岩浆作用有明显的影响, 尤其是在中生代晚期, 整个克拉通都受到古太平洋俯冲的影响, 这也是华北克拉通破坏的峰期。 然而, 如果华北克拉通的破坏主要受到板块俯冲改造从而破坏, 那么破坏最严重的地方应该发生在最靠近华北克拉通边缘俯冲带的区域。 与上述推断不同的是,通过对比新生代地幔橄榄岩在华北克拉通的分布及其地球化学特征, 可以发现, 离断裂带越近, 难熔的古老的原始地幔残留的痕迹就越少。 因此, 郯庐断裂带是岩石圈地幔转换和置换的优先区域。 郯庐断裂这一切割岩石圈深度的大型断裂是导致华北克拉通发生破坏的关键因素, 不但使 整 个 华 北 克 拉 通 东 部 发 生 了 大 规 模错动, 而 且 为 深 部 幔 源 物 质 的 上 涌 提 供 了 通 道, 更 加 有 利 于热/化学侵蚀, 并最后导致沿郯庐断裂大范围的下地壳拆沉(图8) 。

郯庐断裂带两侧分布广泛的固体(金多金属、 金刚石等) 和能源(油气) 矿产, 在空间上有规律地成群成带分布(图9) 。 郯庐断裂带在成矿作用中的主要表现为:错移更早期的成矿带、 控制大量早白垩世金等多金属矿床的分布及形成、 控制中生代—新生代含油气盆地的发育和演化。

安徽蚌埠—五河地区与山东玲珑地区金矿与晚侏罗世侵入岩有关, 可作为被郯庐断裂走滑错移的代表, 同时也表明郯庐 断 裂 大 型 走 滑 的 时 间 应 晚 于 158.5 Ma (玲珑花岗岩的时代) 。 但胶东地区许多大型金矿多与早白垩世侵入岩有关, 比如: 郭家岭花岗岩、 伟德山花岗岩和崂山花岗岩等多形成于132 ~109 Ma(图10) , 主要成矿期为122 ~ 105 Ma, 略晚于区域上大量 A 型花岗岩侵位时代( ~123 Ma) , 相当于郯庐断裂大型挤压走滑后的伸展阶段。

(1) 郯庐断裂是中国东部规模最大的一条岩石圈断裂, 其走滑启动应和早白垩世( ~143 Ma) 洋底高原与欧亚大陆的碰撞有关, 并在早白垩世以~3.5 cm/y 的速率左旋走滑;

(2) 郯庐断裂这一切割岩石圈深度的大型断裂是导致华北克拉通发生破坏的关键因素, 为深部幔源物质的上涌提供了通道;

(3) 郯庐断裂带两侧有规律地成群成带分布的金矿等多金属矿产, 与郯庐断裂大型挤压走滑后( ~ 123 Ma) 的伸展背景有关。