廣州地化所揭示蒙古山彎構(gòu)造幾何學(xué)樣式與動力學(xué)機制
山彎構(gòu)造(Orocline,也稱彎山構(gòu)造),是相對線性的造山帶繞著鉛直軸發(fā)生彎曲所形成的弧形或馬蹄形構(gòu)造,其廣泛發(fā)育于全球造山帶中,控制著造山帶的構(gòu)造樣式、巖漿演化、沉積過程及古地理格局。理解山彎構(gòu)造形成的地球動力學(xué)機制,重建其彎曲過程中俯沖板片及上覆造山帶三維幾何學(xué)、運動學(xué)演化過程,是匯聚板塊邊界造山帶4D重建首要解決的科學(xué)問題。近年來,國際地質(zhì)對比計劃專門設(shè)立項目(IGCP 574),推動全球山彎構(gòu)造幾何學(xué)、運動學(xué)與動力學(xué)研究,探究山彎構(gòu)造形成與造山帶巖漿、沉積演化的時空耦合關(guān)系,完善造山帶發(fā)生大規(guī)模彎曲的理論體系。




蒙古山彎構(gòu)造位于中亞造山帶中東部(圖1),其彎曲程度近180°,波幅近3000km,是全球彎曲程度最高的匯聚板塊邊界,其保存著蒙古鄂霍茨克洋俯沖消亡的連續(xù)地質(zhì)記錄,是探究增生造山環(huán)境下俯沖帶大規(guī)模彎曲動力學(xué)機制的天然實驗室。經(jīng)過多年的研究,學(xué)術(shù)界已從巖石構(gòu)造單元空間分布的角度證實了蒙古山彎構(gòu)造的存在,但對其三維幾何學(xué)樣式、運動學(xué)過程及其彎曲動力學(xué)機制仍未有系統(tǒng)約束。鑒于此,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李鵬飛研究員及其合作者,圍繞蒙古山彎構(gòu)造轉(zhuǎn)折端(蒙古杭愛山地區(qū)Zag地體;圖1, 2)開展了系統(tǒng)的變形構(gòu)造解析工作,并綜合航磁、古地磁、地震層析成像及區(qū)域地質(zhì)資料,揭示了蒙古山彎構(gòu)造的幾何學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)特征。

圖1. 蒙古山彎構(gòu)造及鄰區(qū)大地構(gòu)造簡圖(A, C)及航磁圖(B)。MOS: 蒙古鄂霍茨克縫合帶;MOO: 蒙古鄂霍茨克造山帶。

圖2. 蒙古山彎構(gòu)造轉(zhuǎn)折端Zag地體構(gòu)造地質(zhì)圖(A)、主期面理S2野外及顯微照片(B)和變形構(gòu)造赤平投影圖(C-J;藍色— Domain 1; 黑色—Domain 2; 綠色—Domain 3)。注:區(qū)域性主期面理S2近直立產(chǎn)出,并逐漸發(fā)生彎曲形成區(qū)域尺度的大型傾豎褶皺構(gòu)造,對應(yīng)著山彎構(gòu)造轉(zhuǎn)折端的幾何學(xué)樣式。
研究發(fā)現(xiàn),蒙古山彎構(gòu)造轉(zhuǎn)折端Zag地體巖石發(fā)生強烈變形,產(chǎn)出近直立的透入性面理構(gòu)造S2(圖2B),其逐漸發(fā)生彎曲形成區(qū)域尺度的大型傾豎褶皺構(gòu)造,對應(yīng)著山彎構(gòu)造轉(zhuǎn)折端的幾何學(xué)樣式,其樞紐(傾伏向~077°,傾伏角~75°;圖2H)及軸面(傾向北,傾角~87°)產(chǎn)狀量化了蒙古山彎構(gòu)造的三維幾何學(xué)要素。在此基礎(chǔ)上,研究人員發(fā)現(xiàn),蒙古山彎構(gòu)造具有低應(yīng)變特征,并不發(fā)育前人所推測的平行其軸面的面理構(gòu)造,顯示其形成過程中并未經(jīng)歷平行于造山帶的大規(guī)??s短。結(jié)合古地磁及地震層析成像資料(圖3),項目組約束了蒙古山彎構(gòu)造彎曲的運動學(xué)過程,認識到蒙古山彎構(gòu)造主要形成于二疊至侏羅紀(jì),其彎曲過程伴隨著蒙古鄂霍茨克洋的逐漸俯沖及剪刀式消亡,并可能受控于蒙古鄂霍茨克俯沖板片沿走向的差異后撤或西伯利亞與華北的相向旋轉(zhuǎn)(圖4)。

圖3. 亞洲地區(qū)下地幔地震層析成像圖。白色虛線刻畫了殘留在下地幔中的蒙古鄂霍茨克俯沖板片(高速體)延伸方向,其在1770公里深處(A)較2150公里深處(B)更為彎曲,指示蒙古山彎構(gòu)造兩翼俯沖體系向海溝方向的逐漸后退。

圖4. 蒙古山彎構(gòu)造形成的兩種端元模式簡圖。(A)蒙古鄂霍茨克洋俯沖板片沿著走向差異后撤(兩翼較快),導(dǎo)致俯沖帶彎曲及山彎構(gòu)造形成,同時伴隨著弧后裂谷盆地的打開;(B)西伯利亞和華北相向旋轉(zhuǎn),迫使俯沖帶后退及山彎構(gòu)造形成,對應(yīng)著上覆板塊的壓縮變形。
該項工作闡明了蒙古山彎構(gòu)造的三維幾何學(xué)樣式及低應(yīng)變成因,建立了耦合俯沖帶彎曲與上覆板塊變形、巖漿、沉積演化的概念模型,揭示了俯沖帶側(cè)向遷移在山彎構(gòu)造形成過程中扮演的關(guān)鍵角色,相關(guān)成果發(fā)表在國際地質(zhì)學(xué)期刊《Geological Society of America Bulletin》。
論文信息:Pengfei Li, Min Sun, Tserendash Narantsetseg, Fred Jourdan, Wanwan Hu, Chao Yuan; First structural observation around the hinge of the Mongolian Orocline (Central Asia): Implications for the geodynamics of oroclinal bending and the evolution of the Mongol-Okhotsk Ocean. GSA Bulletin 2021; doi: https://doi.org/10.1130/B36200.1

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