《Journal of Structural Geology》:Variability of strain partitioning in rheologically weak zones: inferences from a kinematic study in the southeastern Dinarides
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既有研究表明,同造山期(syn-orogenic)与后造山期(post-orogenic)变形通常会再活化继承性的流变学弱带,例如先存的区域性逆冲推覆体接触面或弱沉积层。相比之下,通过观测性研究分析这些弱带内部结构来定量刻画应变分配(strain partit
既有研究表明,同造山期(syn-orogenic)与后造山期(post-orogenic)变形通常会再活化继承性的流变学弱带,例如先存的区域性逆冲推覆体接触面或弱沉积层。相比之下,通过观测性研究分析这些弱带内部结构来定量刻画应变分配(strain partitioning)的工作仍较少。欧洲东南狄那里德斯(SE Dinarides Mountains)为研究此类变形提供了良好范例:该区变形集中于由深水沉积物组成的地层层位内,这些层位在与构造体制变化相关的多期变形事件中被反复再活化。本文所研究的白垩纪—古新世前渊(foredeep)浊积岩目前出露于东波斯尼亚—杜米托尔逆冲断层(East Bosnian-Durmitor thrust)下盘,并在由白垩纪—早渐新世逆冲作用向渐新世—中新世伸展以及9 Ma之后压扭作用(transpression)的转换过程中,经历了不同运动学性质或不同构造样式的连续变形阶段。为理解应变分配机制,研究人员在黑山(Montenegro)及波斯尼亚和黑塞哥维那东南部开展了野外运动学研究。结果表明,尽管再活化发生于这一弱地层层位内部,但在更高分辨率下可识别出不同的变形样式,其受控于构造继承性与地球动力学演化。逆冲作用的再活化沿造山带走向以不同机制呈分散式分配;其后的伸展作用则主要局限于东南部,并受板片撕裂(slab tearing)与板片拆沉/脱离(detachment)控制。切穿研究区西北部的走滑构造形成于构造板块汇聚的最后阶段,受控于造山系统中压扭挤入(transpressional indentation)更外侧的局部化。总体分析有助于基于流变学弱带内部的变形,更好理解区域尺度应变分布,并为东南狄那里德斯提出新的构造解释方案。
该文发表于《Journal of Structural Geology》,聚焦欧洲东南狄那里德斯(SE Dinarides)一条长期活动的流变学弱带,讨论在多期构造体制转换背景下,应变如何在同一弱层内发生重新分配。研究背景在于:造山带中的继承性弱带,如推覆体接触面、浊积岩层、蛇绿混杂岩或深水沉积层,往往是后续缩短、伸展与走滑变形优先集中的部位。既有研究已较充分说明弱带会被反复再活化,但多数将其视为力学上相对均一的局部化通道,对弱带内部不同结构层次、不同构造样式之间如何分担总应变,尤其在构造体制频繁切换时如何沿走向和垂向发生差异化分配,缺乏高分辨率的野外约束。东南狄那里德斯恰提供了理想案例:东波斯尼亚—杜米托尔单元(East Bosnian-Durmitor unit)与前喀斯特单元(Pre-Karst unit)之间的接触带,由白垩纪—古新世Ugar-Durmitor浊积岩构成的波斯尼亚复理石(Bosnian Flysch)弱层,在白垩纪—早渐新世逆冲、渐新世—中新世双向伸展以及9 Ma之后压扭变形中被持续再活化,因此成为解析应变分配机制的关键对象。
为解决上述问题,研究人员在黑山及波黑东南部开展了系统的野外运动学与精细构造填图工作,重点考察主推覆接触带附近两处变形最强烈区域,并结合局部高分辨率剖面重建主断层带的几何学与叠加关系。研究的核心目标是:厘清同一弱层中看似矛盾的构造叠置关系究竟反映真实的沿走向差异,还是仅仅代表现今剥蚀面暴露了不同的构造深度;并进一步将局部运动学观测与区域尺度地球动力学过程联系起来。研究结论指出,这一弱层并非以“简单重复利用旧断层”的方式承载全部后续变形,而是在不同阶段通过变形位置向不同构造层位迁移、以及沿走向局部化强度变化,实现应变重新分配。白垩纪—早渐新世缩短阶段内部可分辨两次逆冲脉冲,分别形成早期复式构造(duplex)或拖曳叠瓦扇,以及晚期前缘叠瓦扇(leading imbricated fan);渐新世—中新世伸展则在东南段显著增强,表现出与板片撕裂和拆沉相关的伸展局部化;9 Ma之后的压扭走滑构造主要在西北段更强烈地发育。该研究的重要意义在于,它不仅为东南狄那里德斯提供了新的构造解释,也对全球造山带中流变学弱带内部应变分配问题提出了具有普遍性的结构学认识。
研究人员采用的关键技术方法主要包括:第一,基于野外构造地质调查开展运动学分析,在黑山与波黑东南部主推覆接触带附近系统测量褶皱、剪切带、断层面及断层泥(fault gouge)中的擦痕、擦沟、Riedel剪裂、脆性S-C/C′组构等运动学标志;第二,依据切割与叠覆关系建立相对时序,识别褶皱再褶皱、断层—褶皱叠加、倾转与复位关系;第三,结合详细地质填图与高分辨率构造剖面,沿三条关键测线重建主接触带的几何结构;第四,将新数据与区域既有运动学和构造资料综合对比,以约束变形沿造山带走向的横向变化及其地球动力学背景。
研究结果部分可概括如下。
4.1. Area A: the vicinity of Kola?in city
在Kola?in附近,最早识别出的构造属于缩短阶段,表现为向SW至SSW运移的逆冲断层(Fr)及其伴生褶皱。研究人员在构造窗及其邻近地区识别出低角度至近水平的大位移剪切带,也识别出较高倾角、位移较小但具有清晰运动学指示的逆冲断层面。主推覆接触处,杜米托尔复理石(Durmitor Flysch)与下伏三叠纪火山岩和碳酸盐岩之间的不整合界面被逆冲再活化,形成年轻地层逆冲于老地层之上的关系。缩短同时形成两类褶皱:其一为f1等斜至紧闭不对称褶皱,轴面多向NE倾、枢纽大致NW–SE向,指示NE–SW向挤压,与Fr逆冲在运动学上相匹配;其二为f2较对称、近直立至SW倾伏的褶皱,亦广泛发育于浊积岩带中,受岩性与构造部位控制。其后发生伸展事件,形成两组共生正断层:Fn1记录近造山带垂向伸展,Fn2记录近造山带平行伸展,两者相互切割,说明属同一伸展阶段内的应变分配。Fn1断层更常见、位移更大,并普遍切割早期逆冲与褶皱。与此同时,研究人员还识别出f3塌陷褶皱(collapse folds),其水平轴面反映了先存陡倾层理或劈理在垂向压扁中的重塑。最新一期构造为共轭走滑断层组(Ft2),主要见于南部主接触带之外,代表9 Ma之后的压扭改造。
4.2. Area B: The area between ?avnik and Gacko cities
在?avnik—Gacko地区,缩短构造总体方位与东南段一致,但表现出更明显的空间差异。Fr逆冲与f1不对称褶皱常作为断层传播褶皱(fault-propagation folds)共同出现,整体以SW向逆冲为主,仅在最西北部局部出现相反的NE向构造极性。主接触带附近,浊积岩在上覆东波斯尼亚—杜米托尔单元三叠纪石灰岩之下发生强烈变形,形成大型f1褶皱,其特征包括倒转翼、枢纽塌陷及压扁几何。f2近直立褶皱也较常见,部分因后续构造倾转而呈现复杂姿态。除主接触带外,缩短构造亦发育于上盘和下盘其他层位,说明缩短并非仅限于单一断层面。该区一个重要特征是Ft1右行逆冲走滑断层的出现,尤其在?avnik和Piva峡谷附近,这些NE–SW向构造带切割浊积岩,并伴随局部改变褶皱轴向与地层展布,说明它们是缩短晚期的撕裂断层(tear faults),参与了沿走向应变转移。与Area A相比,该区缺少f3塌陷褶皱,且伸展构造总体较弱:?avnik、?abljak及Piva一带主要发育Fn2近造山带平行伸展断层,而Fn1断层稀少;Gacko附近则两类正断层均出现,但位移较小。最新阶段的Ft2共轭走滑断层广泛切割所有较老构造,并显示稳定的逆冲分量,明确代表后期压扭叠加。
5. High-resolution analysis of the main nappe contact area
高分辨率测线分析是本文的关键证据。Gacko测线显示,在主推覆接触带之下,高角度逆冲断层常切割甚至局部褶皱化低角度逆冲断层,两者均与f1、f2褶皱共生,之后再被Fn1正断层切割。Kola?in测线则揭示主接触带处存在厚层低角度Fr剪切带,其后被位移较小、倾角更高但运动方向相同的逆冲断层截切,最终又被密集的Fn1正断层切割。?abljak测线中,关系正相反:低角度SW向逆冲断层切割较早形成的高角度逆冲断层,并使后者倾转近直立;同时还形成新一代f1不对称褶皱及S2轴面劈理。作者据此指出,表面上“高角度切低角度”与“低角度切高角度”的矛盾,并不一定表示沿走向构造机制不同,而更可能反映现今不同地点暴露的是同一逆冲系统的不同构造深度。
6. Interpretation of general deformation phases observed in the study area
研究人员据叠加关系将区内构造划分为三个阶段。D1为白垩纪—最早渐新世缩短阶段,以Fr逆冲、f1不对称褶皱、f2较对称褶皱及缩短晚期Ft1撕裂断层为特征。D2为渐新世—中新世双向伸展阶段,包含Fn1近造山带垂向伸展、Fn2近造山带平行伸展,以及与垂向压扁相关的f3塌陷褶皱。D3为9 Ma之后的压扭阶段,以Ft2共轭走滑—逆冲断层组为代表,并普遍叠加于D1和D2之上。
讨论部分的核心在于重新解释弱带内部的应变再分配机制。作者认为,D1缩短阶段实际上包括两次逆冲脉冲:早期主拆离面(décollement)位于两单元接触处,沿造山带走向普遍承担缩短,形成复式构造或拖曳叠瓦扇;晚期则在浊积岩底部、接近其与前喀斯特碳酸盐岩层界的位置形成新的基底拆离面,发展前缘叠瓦扇,并切割早期低角度逆冲。这样,在露头尺度上可出现似乎“逆序”的叠加关系,但若从整个系统看,主拆离面的向前陆推进仍保持“顺序扩展”(in-sequence)的区域结构格局。由此,文章解决了同一弱层内看似矛盾的逆冲叠加悖论。对于D2阶段,作者指出伸展虽具双向性,但最大位移主要沿浊积岩带的NW–SE走向集中,说明弱层再次成为伸展局部化通道;同时伸展沿走向明显不均,东南段更强、向西北递减,这与Scutari–Pe?—Northern Montenegro断裂系统及其对应的板片撕裂、板片脱离过程相一致。D3阶段的后9 Ma压扭变形则表现出相反的沿走向差异:西北段走滑位移更大,并与前喀斯特碳酸盐岩中的逆冲构造相联系;东南段则明显减弱,说明邻近其他弱带,尤其更外侧弱层的存在,对应变局部化位置具有控制作用。
研究结论部分可译述如下:为增进对流变学弱层内部应变分配与分布机制的认识,研究人员分析了欧洲东南狄那里德斯一条主要推覆断层沿线的同造山期与后造山期变形。结果表明,继承性弱层并不必然仅通过对既有构造的简单再活化来容纳变形;相反,在连续构造事件中,应变可通过在同一弱带内部不同构造层位之间迁移,或沿其走向重新局部化而发生再分配。研究显示,具有相同运动学但高、低倾角构造之间表面上的横向叠加差异,实际上反映的是现今暴露出的不同构造深度;真正的横向变化则表现为沿走向断层位移、发育频率及运动学的改变。结合东南狄那里德斯既有研究,本文证明波斯尼亚复理石白垩纪—古新世浊积岩在白垩纪—早渐新世逆冲、渐新世—中新世伸展及9 Ma之后的应变分配过程中,持续充当变形局部化的弱层。东波斯尼亚—杜米托尔单元的初始就位由两次连续逆冲脉冲完成,分别形成白垩纪—古新世逆冲复式构造与始新世—早渐新世前缘叠瓦扇。研究还揭示,渐新世—中新世期间变形沿浊积岩带向东南显著增强,可能与狄那里德斯—希腊地带过渡区Scutari–Pe?—Northern Montenegro断裂系统上的同伸展正断层活动及板片脱离、撕裂有关。相反,9 Ma之后变形向东南减弱,说明由亚得里亚板块挤入驱动的应变分配受到狄那里德斯其他邻近弱带的共同控制。