基于海西造山带Lizard蛇绿岩及其下伏逆冲岩席的起源与就位机制研究

《Geological Magazine》：Origin and emplacement of the Variscan Lizard Ophiolite, and underlying thrust sheets, Cornwall, SW England

　　

在英格兰西南部，海西（赫尔辛）造山运动的最早阶段以中泥盆世（Mid-Devonian）Lizard蛇绿岩的形成和从雷伊克洋（Rheic Ocean）西北方向仰冲（obduction）到先前属于阿瓦隆（Avalonia，劳亚大陆（Laurussia））的被动大陆边缘为标志。Lizard蛇绿岩包含一个几乎完整的洋壳（U-Pb锆石年龄：～386.8 ± 0.3 Ma；吉维特期（Givetian））和上地幔的逆冲岩席，其形成于一个向南俯冲的俯冲带之上，并伴随有一个角闪岩相至绿片岩相的变质底板（metamorphic sole）（U-Pb锆石年龄：～395 Ma；晚埃姆斯期（late Emsian））。Kennack火成杂岩体包括一套侵入蛇绿岩底部及其变质底板的花岗质岩石，记录了俯冲及随后仰冲过程中，蛇绿岩下方不同原岩的熔融事件。在构造位置上位于蛇绿岩之下的是一个混杂岩（mélange）单元和一系列强烈褶皱及逆冲的中泥盆世至石炭纪沉积岩单元，它们构成了Dodman、Veryan和Carrick逆冲岩席。逆冲作用自南南东（SSE）向北北西（NNW）传播，远源的Gramscatho群岩石被逐步逆冲就位于Lizard蛇绿岩下方的被动大陆边缘之上。早期的地壳缩短作用随后被晚石炭世至早二叠世的伸展活化作用和地壳熔融所接替，导致了Cornubian花岗岩体（295–275 Ma）的侵入。Lizard蛇绿岩及其变质底板的构造-地层学，结合蛇绿岩下伏逆冲岩席的构造，与阿曼Semail蛇绿岩下的类似外来岩块（allochthonous rocks）具有直接可比性。

英格兰西南部位于古生代海西（赫尔辛）造山带的北部。该造山带从中美洲延伸至中欧、东欧，并南至西班牙和葡萄牙。在伊阿佩洋（Iapetus Ocean）闭合及其引发的加里东造山运动期间及之后，位于中北欧的雷伊克洋于晚寒武世至早奥陶世打开，在志留纪达到最宽广的规模，并于晚泥盆世至石炭纪闭合。该区域一个向南俯冲的俯冲带极性与从伊比利亚半岛东部至波兰苏台德山脉（Sudetes）的整个欧洲海西造山带的俯冲极性一致，这得到了地质和地球物理数据的支持。由雷伊克洋闭合导致的海西造山运动先于晚古生代至中生代特提斯洋的裂陷及其在新生代阿尔卑斯-喜马拉雅造山运动期间的闭合。雷伊克洋的闭合是北部的阿瓦隆（劳亚）大陆板块与南部欧洲的阿莫里卡地块（Armorican massif）-萨克森图林根带（Saxothuringian zone）-波西米亚地块（Bohemian massif）碰撞的结果。雷伊克缝合带在英格兰西南部以Lizard蛇绿岩杂岩体为标志，并被追踪至布拉班特地块（Brabant massif）以南。地震剖面显示，一个厚约8公里的向东南倾斜的带对应于Lizard蛇绿岩的南延部分，被解释为分隔下盘（俯冲的Cornubia，阿瓦隆板块）和上盘诺曼高地（Normannian High，卡多米亚（Cadomia））的主要雷伊克缝合带。因此，Lizard蛇绿岩勾勒出了雷伊克洋闭合期间形成的缝合带的北缘。本文首先概述英格兰西南部的构造演化，然后描述Lizard蛇绿岩地壳和地幔单元的成分与结构、Landewednack变质底板以及与底板和上覆橄榄岩相关的各种花岗质和镁铁质火成岩（Kennack火成杂岩体）。接着，研究人员回顾了英格兰西南部的泥盆纪至石炭纪地层学，并讨论了Lizard蛇绿岩仰冲到阿瓦隆南部被动大陆边缘期间形成的构造。研究人员提供了从Porthleven到Lizard蛇绿岩沿南康沃尔海岸NNW-SSE剖面的详细构造图。研究人员推断了Lizard蛇绿岩及下伏逆冲岩席的地质演化，并将之与阿拉伯Semail（阿曼）蛇绿岩下的类似构造联系起来。同时，研究人员讨论了英格兰西南部海西造山运动三个主要组成部分——Lizard蛇绿岩及其变质底板与下伏泥盆纪逆冲岩席、石炭纪Culm盆地和二叠纪Cornubian花岗岩——之间的相互关系。

研究人员利用SWAT地震反射剖面数据来解释英格兰西南部的近海地质。地震剖面（SWAT测线8、9和10）显示，在仰冲的Lizard蛇绿岩之下，存在一个大规模的向南倾斜的逆冲堆叠体，其根部深入地幔。Lizard缝合带是一个7–8公里厚的高反射率、向南倾斜的反射层带，被解释为主要的雷伊克缝合带。其上方是一个地震上无特征的上地壳，被认为是卡多米亚边缘。英格兰西南部的地质表明不存在向北俯冲的迹象，缺乏向南逆冲的增生楔、钙碱性火山岩或泥盆纪钙碱性花岗岩。该区域的构造演化可分为四个主要时间序列：（1）泥盆纪裂谷作用和被动边缘发育，以陡峭、南倾的正断层和地堑系统为特征；（2）中至晚泥盆世的汇聚作用，Lizard蛇绿岩及其下伏沉积逆冲岩席仰冲到先前被动的大陆边缘上；（3）泥盆纪逆冲作用和Lizard蛇绿岩就位后，石炭纪形成一个陆内盆地（Culm盆地），并在晚石炭世被南北向挤压应力反转和缩短；（4）后海西期二叠纪伸展作用和Cornubian花岗岩基的侵入。

**3. Lizard蛇绿岩**
Lizard蛇绿岩杂岩体显示了经典的Penrose型蛇绿岩的所有组成部分，包括上地幔和洋壳岩石，但缺少枕状熔岩层序。Lizard半岛周围出露的蛇绿岩岩石全部范围如图3所示。上地幔橄榄岩主要由二辉橄榄岩（lherzolites）、方辉橄榄岩（harzburgites）和亏损的地幔纯橄岩（dunites）组成，大部分已蚀变为蛇纹岩。莫霍面（Moho）横穿Lizard半岛东海岸的Coverack湾，很少是地幔橄榄岩和地壳辉长岩之间的突变接触。通常，该接触表现为橄榄岩和辉长岩的互层，被橄长岩（troctolite）岩床和晚期辉绿岩（doleritic）岩墙侵入，被称为莫霍过渡带。代表下洋壳的块状辉长岩在构造上向上过渡为席状岩墙杂岩（sheeted dyke complex）。侵入辉长岩和席状岩墙的小型斜长花岗岩（plagiogranite）岩墙被解释为分异作用的最终产物。研究人员引用Mackay-Champion等人报道的，来自Lizard蛇绿岩Porthustock地区一条斜长花岗岩岩墙的U-Pb锆石年龄为386.80 ± 0.3 Ma，这被解释为代表Lizard蛇绿岩的形成年龄。Traboe堆积序列最初被解释为Lizard橄榄岩接触变质晕圈的麻粒岩相部分，但研究人员支持其为蛇绿岩的一部分。来自Traboe含角闪石辉长岩的U-Pb SHRIMP年龄为387 ± 7 Ma、386 ± 7 Ma和393 ± 6 Ma，被解释为地壳层序的形成年龄。

**4. Landewednack变质底板**
紧邻Lizard橄榄岩下方的一套倒转的变质岩（Landewednack角闪岩；Old Lizard Head系）被解释为蛇绿岩下的变质底板（metamorphic sole）。Lizard逆冲带位于蛇绿岩底部，是一个韧性剪切带和脆性逆冲断层。研究人员指出，与阿曼Semail蛇绿岩下的变质底板不同，Landewednack角闪岩不含石榴石或单斜辉石（麻粒岩相），因此温度不如许多其他蛇绿岩底板高。岩石学模拟表明峰期变质条件为10 ± 2 kbar和600 ± 75°C，但局部熔融纹理可能指示更高的温度（约850–900°C）。Mackay-Champion等人报道的来自Mullion Cove变质底板部分熔融体的U-Pb锆石年龄为395.08 ± 0.4 Ma。该年龄比蛇绿岩的年龄古老约9百万年，这表明俯冲启动可能早于蛇绿岩的形成。

**5. Kennack火成杂岩体；蛇绿岩中的花岗岩**
Lizard蛇绿岩杂岩体中最神秘的岩石是Kennack片麻岩，这是一系列变形的镁铁质片麻岩（类似于底板角闪岩）和长英质岩石，它们侵入变质底板并向上侵入上覆地幔序列的最底部。长英质成分从花岗闪长岩到正长花岗岩（石英+钾长石+斜长石+黑云母）；镁铁质成分为变玄武质角闪岩（角闪石+斜长石）。三片Kennack片麻岩样品给出了岩浆锆石U-Pb年龄：384 ± 4 Ma、396 ± 10 Ma和391 ± 8 Ma。除了在辉长岩-席状岩墙中原位的斜长花岗岩/奥长花岗岩（trondhjemite）（组1）外，研究人员在Lizard蛇绿岩底部区分出两种不同类型的花岗岩类。组2为闪长质、英云闪长质熔体，主要源自玄武质-角闪岩源区的熔融，但含少量长英质成分，指示了次要的俯冲沉积源区；组3为含钾长石的正长花岗岩，主要源自熔融的俯冲Gramscatho群型沉积岩。地球化学模拟表明这是一个二或三组分体系，包含角闪岩玄武质熔体、俯冲沉积物组分（Gramscatho群沉积源）和少量地幔方辉橄榄岩组分。

**6. 英格兰西南部泥盆纪-石炭纪地层学**
南康沃尔的泥盆纪沉积作用范围从下泥盆世大陆湖相和河流相沉积（Dartmouth群）到浅海砂岩和泥岩（Meadfoot群），再到更远源的深海碎屑沉积岩，如Gramscatho群和Mylor板岩组。这些沉积物反映了在雷伊克洋向南打开期间，在被动大陆边缘上的沉积。

**7. Lizard蛇绿岩下伏逆冲岩席中的构造**
研究人员在Lizard蛇绿岩及其变质底板之下绘制了三个主要逆冲岩席：Dodman、Veryan和Carrick。详细研究了从Porthleven到Lizard的南康沃尔海岸剖面。从Porthleven到Loe Bar段，Mylor板岩组岩石中显示SE朝向和倾向的平卧褶皱，后期伸展作用形成的SE向正断层明显。Loe Bar至Gunwalloe段，暴露的褶皱清晰显示与Carrick逆冲相关的NNW向运动。紧闭至等斜的NW朝向和倾向的平卧褶皱常见，并与NNE-SSW走向的轴面劈理相关。这些褶皱常与缓至中等角度SE倾斜的断层相伴出现，几何学显示显著的压扁组分。这些压缩构造被后期伸展断层叠加，后者截断了早期褶皱、劈理面和强烈的方解石脉。这种早期压缩构造被晚期伸展断层活化的现象，可能与前陆传播的背驮式系统中下部逆冲块体的“挤出”作用以及二叠纪-三叠纪伸展期的再活化有关。Gunwalloe至Church Cove段显示出类似的构造，包括等斜褶皱和再褶皱的褶皱。Church Cove至Polurrian段主要出露在潮间带，主要显示层面平行劈理。Lizard边界断层是分隔Church Cove岩相沉积岩与Lizard蛇绿岩变质底板角闪岩的主要晚期断层。

**8. Lizard蛇绿岩就位模式**
Lizard蛇绿岩地壳序列形成于一个向南倾斜的俯冲带之上，并向NNW方向仰冲到先前阿瓦隆被动大陆边缘之上，其方式与Semail蛇绿岩仰冲到阿拉伯被动边缘非常相似。研究人员指出，Kennack火成杂岩体显示了一个随时间推移的熔体演化过程，从最初俯冲的玄武质（角闪岩）地壳熔融产生的镁铁质熔体，逐渐演变为越来越大陆性的沉积源区（Gramscatho型沉积物）。Kennack火成杂岩体限于变质底板区域，熔体从高温熔融（约900°C）形成主要为镁铁质的熔体（源自角闪石分解，但有少量沉积物输入），演变为沉积原岩低温熔融形成最终的钾长石-白云母正长花岗岩。机械混合早期镁铁质和晚期长英质岩浆的现象在Kennack Sands的露头中很常见。

**9. 构造与大地构造综合**
对Lizard半岛西部蛇绿岩下伏逆冲岩席的详细填图揭示了复杂的古地理和构造演化。研究人员解释，逆冲作用随时间从深部向浅部地层单元、从SSE向NNW方向以序列内（in-sequence）方式传播。泥盆纪的压缩褶皱和逆冲作用均受到后期石炭纪和二叠纪伸展作用的影响。低角度正断层和伸展组分叠加在泥盆纪压缩构造之上。重建Lizard半岛和南康沃尔的逆冲岩席表明，其古地理与晚白垩世Semail蛇绿岩下的逆冲岩席非常相似。海西造山运动以Lizard蛇绿岩及其下伏岩席NNW向仰冲到阿瓦隆大陆边缘开始，其构造演化与阿曼所见非常相似。然而，阿曼自晚白垩世蛇绿岩仰冲以来未遭受任何大陆碰撞，因此仰冲相关构造得以完好保存。英格兰西南部的海西造山运动与印度-亚洲碰撞及喜马拉雅山的形成也可比较。印度板块喜马拉雅也经历了早期蛇绿岩仰冲到先前被动大陆边缘的过程，早于约50 Ma印度与亚洲的碰撞。与此对比，英格兰西南部没有大规模地壳增厚或区域性高级变质的表面地质证据，花岗岩是连通的大型岩基的一部分，而非与混合岩相关的较小体积的地壳熔体。研究人员推测，导致英格兰西南部区域性地壳熔融形成Cornubian花岗岩岩基的原因是岩石圈伸展和地幔部分熔融。同时期侵入的煌斑岩脉（lamprophyre dykes）与花岗岩在空间和时间上相关，表明早二叠世期间来自大陆下地幔的异常高热流。

**10. 结论**
研究人员总结指出，海西造山运动在英格兰西南部由三个完全独立且时间上截然不同的序列组成：（1）泥盆纪Lizard蛇绿岩的形成和就位及其下伏Gramscatho群逆冲岩席（约397–360 Ma）；（2）晚石炭世Culm盆地沉积物的沉积（约320–290 Ma）及其后期的反转和挤压；（3）区域伸展伴随着二叠纪Cornubian花岗岩及相关的煌斑岩脉的生成和就位（约293–274 Ma）。研究人员指出，Lizard蛇绿岩（中泥盆世，吉维特期）形成于雷伊克洋内的一个南南东倾斜的俯冲带之上，沿该俯冲带形成了Landewednack逆冲岩席的变质底板角闪岩。Lizard蛇绿岩及其变质底板于晚泥盆世向北北西方向仰冲到先前阿瓦隆的被动大陆边缘上。位于蛇绿岩构造下方的逆冲岩席包括Meneage混杂岩和一系列薄皮（thin-skinned）的中泥盆世和上泥盆世Gramscatho群浊积岩、页岩和砂岩以及上泥盆世Mylor板岩组的逆冲岩席。逆冲作用通常从南南东向北北西以序列内方式（Lizard、Dodman、Veryan和Carrick逆冲带）随时间传播，并与北北西朝向的褶皱和强烈的劈理发育（D1，D2）相关。这些压缩构造被与SSE向剪切指示标志和晚期脆性断层作用相关的石炭纪-二叠纪伸展组分（D3）叠加。这些拆离面经常切割并截断早期的褶皱构造和D1逆冲断层。没有地表地质证据表明存在重大的地壳增厚或区域性高级变质作用。Cornubian花岗岩形成于中二叠世（约293–274 Ma），大约在Lizard蛇绿岩仰冲和海西造山运动开始之后1亿年。