冯振天等磁组构重力多方法定量限定壳内大型断层演化

　　大陆地壳在受到挤压或伸展应力下容易发生变形，进而产生大型的断裂带，是研究大陆地壳结构和流变性质演化的最佳场所。当挤压应力主导时，岩石中产生的脆-韧性变形会逐渐集中，进而产生基底逆冲断层，导致块体运动和显著的地壳缩短，协调了块体间的会聚；当伸展作用主导时，壳内发育大规模的低角度拆离断层，则揭示了水平伸展和垂向剥露之间的关系。作为大陆变形的载体，基底逆冲断层或拆离断层在大陆内部广泛发育，但是由于缺少地质、地球物理协同研究获得的断层几何学-运动学数据，这些大型断层在地质历史时期的精细变形-扩展过程其实并不清晰。因此，获得断层（基底滑脱或拆离断层）的时空四维演变历史是理解大陆变形的关键。
　　围绕上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生冯振天在导师褚杨副研究员和林伟研究员的共同指导下，选取江南造山带中典型的九岭挤压构造和越城岭伸展构造（图1），开展了针对区域构造主控断层的构造解析、岩石磁学研究和重力模拟，对比韧性剪切带中岩石的变形组构和磁组构关系，对研究区构造单元进行了更为细致的划分，厘定了韧性断层的时空演化，结合重力模拟，反演揭示了断层的三维几何结构和精细的演化过程。
　　图1 华南构造地质简图
　　1．基底逆冲断层（Basal décollement）的演化过程
　　基底逆冲断层是挤压造山带中的重要产物，不仅控制着造山带的演化，同时在挤压变形中还导致大地震的发生。造山带中基底逆冲断层的变形和剥露样式主要有两种：一种以高喜马拉雅为例，形成较为宽阔的韧性变形带，并导致低速、粘性的下地壳物质流动并被挤出；另一种则是形成应变更为集中、较为狭窄的多条近乎平行的韧性断层，通过断层之间的刚性块体以叠瓦状逆冲推覆和隆升。两种模型解释了不同造山带前缘的应变和折返，但是二者之间联系和控制因素还不清楚。华南古生代造山带中的九岭地区构造剥露了中-下地壳部分物质，为研究中-下地壳物质变形和揭露过程提供了良好的靶区。
　　通过详细的构造地质学观察和同位素年代学测试，作者识别出了早古生代九岭地区两条近东西向的主要韧性剪切带，在其两端分别演化出多条次级韧性剪切带（图2）。结合岩石磁学和重力，他们重建了九岭的几何结构，并揭示出九岭基底逆冲断层的精细时空演化：（1）基底逆冲断层首先沿北侧韧性剪切带发育，将九岭岩体分割为未变形的北部和南部块体；（2）随后分支出南侧的韧性剪切带，并形成了叠瓦状逆冲结构；（3）最后两条主要韧性剪切带不断扩展，形成次级剪切带，并将岩体切割成更小块体的叠瓦构造，也形成网络状的断层系统（图2）。这种同一温度体系下，从叠瓦状向网络状逐级演化的基底逆冲断层系统表明，局部变形的叠瓦构造与弥散变形的地壳流其实是个连续演化的过程，受地壳性质和强度控制，因此也可以解释为何青藏高原周缘地壳流与叠瓦式挤压构造在不同区域发育。
　　图2 九岭地区地质图（左上），剖面图（左下）及九岭地区早古生代构造演化（右）
　　2．拆离断层的演化过程
　　晚中生代，在古太平洋板块俯冲回撤的作用下，东亚大陆整体处于伸展背景。华南华北均发生了100多公里的岩石圈减薄作用，导致了地壳伸展和岩浆活动。然而，地壳减薄在华北形成了大量变质核杂岩和半地堑盆地，华南板块广泛发育的伸展穹隆出露岩石的层次至少比华北差8-10km。因此，就需要一个不同于华北的拆离断层模型，来解释相同构造背景下出露岩石层次不同的原因。作者选取了华南板块最内部的伸展构造——越城岭地区，开展了构造-磁组构-重力研究，发现越城岭拆离断层不同寻常的几何形态。断层下盘经历了强烈的韧性变形，构造观测与磁组构所揭示的变形影响范围大于20km，形成了非常宽阔的剪切带。结合磁化率各向异性和深部重力反演，他们恢复了拆离断层超低角度（15°-20°）形态和越城岭-苗儿山岩基原始相对位置（图3）。结果表明越城岭岩体和苗儿山岩体原本为一个大型花岗岩基，拆离断层的活动将这个超大型岩基撕裂开，并通过超低角度拆离将岩体下部（现今的越城岭岩体）揭露至地表。这种较华北变质核杂岩边界断层更低角度的拆离，同样伸展量下垂向抬升更少，因此可以合理解释华南与华北在相同伸展下，仅仅揭露出中地壳物质，而非华北揭露出的下地壳物质。
　　图3 基于重力剖面的拆离断层恢复模型
　　研究成果发表于国际学术期刊Tectonics和Tectonophysics。研究受国家自然科学基金项目(41872208, 91855212, 和91855103)、中国科学院青年创新促进会等项目的联合资助。
　　1.Feng Z, Chu Y*, Wei W, Xue Z, Xin G, Meng L, Zhang D, Lin W. Basal décollement splaying induces mid-crustal tectonic imbrication in an intracontinental orogen [J]. Tectonics, 2022, 41: e2022TC007583. DOI:10.1029/2022TC007583.
　　2.Feng Z, Chu Y*, Wei W*, Lin W, Xin G, Wang Y, Qiu H, Ren Z. Splitting a large pluton by Cretaceous crustal extension: Evolution of the Ziyuan Detachment and crustal thinning of the South China Block [J]. Tectonophysics, 2022, 838: 229481. DOI: 10.1016/j.tecto.2022.229481.
　　美编：陈菲菲
　　校对：万鹏（地质地球所）