华北克拉通东部太古代构造样式研究及数值模拟

论文摘要

太古宙地壳的构造样式一直是地学界研究的热点问题之一,存在着垂向构造和水平构造两大不同的构造演化认识。位于华北克拉通东缘的辽东鞍山地区广泛出露太古宙TTG岩系、绿片岩相变质的基性-中酸性火山岩/火山沉积岩、硅铁质沉积建造构成了典型的太古宙花岗-绿岩带。此外,花岗-绿岩带内丰富的构造变形记录,为探讨早期地壳构造演化提供了重要的线索。本文通过对鞍山地区太古代岩石组成、宏-微观构造样式的调查研究和对齐大山、胡家庙子、白家坟剪切变形带的详细解剖,结合数值模拟方法,尝试性探讨了早期地壳构造体制的演化模式。鞍山齐大山和胡家庙子BIF铁矿由富铁BIF与分布于其两侧的贫铁BIF组成,二者呈断层接触,其围岩包括鞍山群樱桃园组和齐大山花岗岩,均发育强烈韧性剪切变形,形成了齐大山-胡家庙韧性剪切带（本文简称齐大山剪切带）。齐大山韧性剪切带内发育的花岗质岩石中长英质矿物塑性拉长特征明显,条带状构造发育,面理向NWW方向陡倾,不对称组构特征和矿物拉伸线理产状指示向NWW的陡倾正滑移剪切作用。且宏观构造样式显示变形岩石距离富铁矿体越近,片理、片麻理、线理越发育,变形程度越强。显微组构分析结果表明,石英波状消光、变形带、膨凸式和亚颗粒旋转重结晶特征;长石塑性拉长、细粒化等一系列中低温显微变形组构特征。石英C轴电子背散射衍射（EBSD）组构分析揭示石英以菱面和底面滑移系为主,岩石经历了中低温非共轴变形。根据矿物的变形行为以及石英的结晶优选方位推测韧性剪切带内岩石的变形温度约为400500℃,岩石变形特征以位错蠕变为主。有限应变分析结果表明,靠近铁矿带方向,构造岩类型由L=S构造岩过渡为LS构造岩,岩石应变强度呈明显增强趋势。白家坟韧性剪切带位于鞍山齐大山和胡家庙子BIF铁矿西侧,剪切带走向为NNW向,倾向为NEE向。剪切带发育在绿岩带与太古宙花岗岩接触部位。白家坟剪切带内主要发育陈台沟斑状花岗质片麻岩和白家坟片麻岩两大岩石单元,以及少量的强烈变形的鞍山群绿片相变质的绿泥石片岩和千枚岩。S-C组构及矿物旋转残斑均指示剪切带SEE向的陡倾滑剪切特征。岩石显微变形特征表明,石英颗粒普遍存在波状消光、变形纹、变形带等塑性变形特征,以膨凸重结晶和亚颗粒旋转重结晶类型为主。斜长石发育机械双晶、变形带。斜长石残斑多呈σ型旋转眼球构造,指示右行剪切作用,岩石变形温度条件相对较低。有限应变分析显示,陈台沟斑状花岗质片麻岩具有平面-拉伸应变特征,属于L=S型构造岩;白家坟奥长花岗质片麻岩为LS构造岩,表现为一般拉伸应变的变形特征。石英C轴组构分析表明,石英主要发生了底面和菱面滑移,变形温度范围为450℃。且同样是变形岩石越靠近BIF铁矿,变形越强。综合上述宏-微观构造解析,发现齐大山和白家坟韧性剪切带沿齐大山-西大背BIF铁矿带东西两侧线性对称分布,二者位于绿岩带向斜构造的两翼与花岗岩接触部位,其中白家坟韧性剪切带内岩石面理构造倾向为NEE方向,倾角中等,与绿岩带向斜构造南西翼产状较为一致,矿物拉伸线理向SEE倾伏,倾伏角中等偏大,指示了向斜南西翼一侧向SEE陡倾下滑剪切作用;齐大山韧性剪切带内变形岩石发育向NWW陡倾（90°）的面理构造,与向斜构造北东翼矿体的产状一致,矿物拉伸线理产状反映了向斜北东翼一侧近向W的陡倾下滑剪切作用,东西两侧相向的陡倾滑运动学特征与绿岩带向形的几何学特征相吻合。因此,推测绿岩带两侧岩石强烈剪切变形很可能与花岗-绿岩带垂向穹脊构造（dome and keel structure）的形成作用相关,岩石变形的运动学特征与垂直构造模式所涉及的底辟作用和拗沉作用相一致,反映了向形绿岩带内的垂向构造作用,韧性剪切作用应发生于花岗-绿岩带垂向穹脊构造的形成过程中,主要表现为密度较轻的花岗质岩石与上覆密度较重的含铁绿岩建造之间存在一定程度的重力不均衡,在区域性地质运动与岩浆作用的驱动下,发生了花岗质岩石向上的底辟作用和含铁建造向下的拗沉作用。为了进一步验证这一构造模型及其发生过程,我们对上述构造模型进行了数值模拟。数值模拟基于前人地质数据资料,结合宏微观地质研究,辅以地球物理资料以及年代学等数据资料,综合构建模型的边界条件,建立地质演化模型。数值模拟采用2D有限差分（I2VIS）并结合marker-in-cell（MIC）技术在中国海洋大学地球科学学院海洋动力学实验室大型计算机组上完成。模拟结果表明,鞍山地区花岗-绿岩带垂向构造成因应受控于新太古代末期大规模的岩浆活动造成的TTG上地壳岩石活化,粘度降低,密度变小,（含铁）绿岩建造与TTG岩石的密度差引起的拗沉作用。同时模拟结果也暗示了太古代垂向构造体制可能是早期地球演化过程中壳-幔物质交换循环的重要机制。鞍山地区花岗-绿岩带整体特征、BIF形态与分布、构造变化规律与世界上其他花岗-绿岩带地体可以类比。垂向构造机制下含铁建造绿岩体向下拗沉过程中伴随的矿体富集特征以及绿岩带向斜构造的形成演化过程为今后沉积变质型铁矿向斜控矿模式的研究以及鞍山地区开展深部找矿的战略部署提供了一定的理论依据。

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中文摘要

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第1章绪论

1.1 研究背景及选题依据

1.1.1 太古宙地壳构造的认识

1.1.2 鞍山地区存在的主要科学问题及研究现状

1.1.3 选题依据及意义

1.2 研究思路和拟解决的关键科学问题

1.2.1 研究思路

1.2.2 拟解决的关键问题

1.3 .完成工作量情况及依托的科研项目

1.3.1 完成的工作量

1.3.2 依托科研项目

第2章研究区基本地质概况

2.1 鞍山地区太古宙花岗质岩石组合（花岗岩）

3.65 Ga）花岗质岩石'> 2.1.1 始太古代（3.80³.65 Ga）花岗质岩石

3.30 Ga）花岗质岩石'> 2.1.2 古太古代（3.35³.30 Ga）花岗质岩石

2.96 Ga）花岗质岩石'> 2.1.3 中太古代（3.14².96 Ga）花岗质岩石

2.5 Ga）'> 2.1.4 新太古代花岗质岩石（².5 Ga）

2.2 鞍山地区新太古-古元古界变质表壳岩系（绿岩带）

2.2.1 新太古界鞍山群

2.2.2 古元古界辽河群

2.3 鞍山式BIF铁矿的分布特征

2.4 构造变形特征

第3章花岗-绿岩带构造变形特征

3.1 宏观构造特征

3.1.1 白家坟韧性剪切带

3.1.2 齐大山韧性剪切带

3.2 微观变形组构

3.2.1 白家坟韧性剪切带

3.2.2 齐大山韧性剪切带

3.3 岩石有限应变分析与石英C轴 EBSD组构

3.3.1 分析方法

3.3.2 有限应变分析

3.3.3 石英C轴 EBSD组构分析

3.4 构造变形样式小结

第4章花岗-绿岩带构造变形的数值模拟

4.1 数值模拟的研究现状

4.2 模拟方法及控制方程

4.3 边界条件的选择与初始模型的建立

4.3.1 太古宙模型

4.3.2 现今环境对比模型

4.4 模拟结果

第5章太古宙地壳构造样式

5.1 鞍山地区花岗-绿岩带基底构造样式的形成与演化

5.2 鞍山地区铁矿富矿体的成因与赋存状态

第6章结论

参考文献

作者简介及在学期间科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘昕悦

导师: 刘永江

关键词: 华北克拉通东北缘,花岗绿岩带,太古代构造,拗沉作用,数值模拟

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地质学,地质学,矿业工程

单位: 吉林大学

基金: 国家重点研发计划项目(深地资源勘查开采)",华北克拉通成矿系统的深部过程与成矿机理",专题项目,辽东重点矿集区古元古代花岗岩浆序列及构造意义(项目编号:2016YFC0600108-02),国家自然科学基金重点项目《大陆岩石圈天然流变典型区(辽西兴城)解剖研究》(编号:41230206),中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室开放课题项目",鞍山太古宙花岗质岩石成因研究",国家自然科学基金面上项目《鞍山古太古代花岗质混合杂岩的深熔-流变组构研究》(编号:4167020332)

分类号: P534.2;P618.31;P542

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