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John Wakabayashi——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

已有 1374 次阅读 2021-4-9 13:15 |个人分类:论文推广|系统分类:论文交流

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

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；Wakabayashi，in press①；Wakabayashi，in review②），本文将对它们进行简洁的综述，以便为改造更为严重的、更为普遍的全球其它造山带中的相关构造单元的识别提供指导。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岛弧弧前物质组成进行分类叙述的，所以图件的编号与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最直观和清晰地展现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”③。上部板块岩石通常被定义为整个俯冲历史中都位于俯冲系统上盘的岩石；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）及其上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，呈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（U-Pb锆石，Lu-Hf石榴石）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缘于：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）。

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)

①Wakabayashi J. in press. Field and petrographic reconnaissance of Franciscan Complex rocks of Mount Diablo, California: Imbricated ocean floor stratigraphy with a roof exhumation fault system. Geological Society of America Memoir on the Geology of Mt. Diablo.

②Wakabayashi J. in review. Subduction interface slip accommodation at depths of 10-80 km inferred from field geology of exhumed rocks: Evidence for temporal-spatial localization of slip associated with subduction and exhumation. Geological Society of America Special Paper in honor of Eldridge Moores.

③译者注：本文的“上部板块”/“下部板块”与常用的“俯冲带上盘”/“俯冲带下盘”的概念有所不同，前者指的是地质体就位之前所在的构造部位的板块属性，而后者指的是就位之后的大地构造部位，如“下部板块”的物质是铲刮自下插板片的俯冲增生杂岩，它们在就位之前位于下插板块一侧，而就位后处于俯冲带上盘的前缘位置，属于“俯冲带上盘”物质。因此，在阅读本文时，请留意这些概念的异同之处。