用多年代方法,测量断层和断层再激活的年龄限制,及其他限制因素

晶晶评情 2024-09-21 03:18:04

中欧的瓦里坎造山带是由晚古生代碰撞和劳伦蒂亚-波罗的海大陆、冈瓦纳大陆以及中间的基底碎片合并而成的。在造山带的最终固结过程中,瓦里斯坎地壳被众多地壳尺度的断层带或线状破坏并分割成大块。在波希米亚地块内,由于西欧和东欧地台之间的构造样式重组和应力转移,形成了一个主要的北西-东南和北东-西南走向的板内断层系统。多瑙河断层及其姊妹断层、巴伐利亚 Pfahl 断层及其著名的石英矿脉,是波希米亚地块西南部 NW-SE 走向的剪切带的令人印象深刻的例子。对于这两个断层,从剪切感指标和其他结构观察中推断出右旋位移感

尽管多瑙河断层是中欧最突出的走滑断层之一,但其年龄和演化很少受到约束,并且仅在断层带的奥地利部分获得了年代学数据。该断层大致与多瑙河平行,名义上从德国雷根斯堡延伸至奥地利林茨约 200 公里,在那里断层消失在阿尔卑斯山前陆磨拉石之下。在大约一半的距离内,它形成了隆起的波希米亚地块与中生代(侏罗纪和白垩纪)和中新世沉积物之间的边界,这些沉积物分别沉积在近岸陆外海和高山前陆盆地。德根多夫和林茨之间断层主要穿过瓦里西亚基底岩石。基底与沉积盖层单元之间的接触面一般被多瑙河谷第四纪沉积所掩盖,仅局部部分侏罗系和白垩系沉积物以隆起倾斜块体的形式暴露在地表。根据北部断层段的地质观测和钻孔数据,假设最小垂直位移在 900 至 1800 m 之间,而水平滑移的大小很大程度上未知。

多瑙河断层靠近其西北终端,在 Donaustauf 段充分暴露。断层带这一部分面向多瑙河谷的基底悬崖由高度构造化的花岗岩(碎裂岩)组成,仅残留少量原生火成矿物遗迹。断裂和强烈的碎裂作用表现为20~50 m宽的区域。该区域横向进入变形程度较小的区域(100-200 m 宽),最后进入几乎完整的花岗岩。断层张开,以角砾岩为标志,从主断层向 N 和 NNW 方向发展。未变形花岗岩是一种含有斑状钾长石的黑云母花岗岩,被称为“Kristallgranit”,它被一个平行于多瑙河断层的小地堑结构切割而成。该地堑的特征是陆地 Rotliegend 沉积物的残余物。

从三个相邻地点选取了四个样品进行地质年代学和热年代学研究。基本上未变形的“Kristallgranit”(K1)是从位于约 1000 年的小型原位基岩露头中取样的。位于主要碎裂带以北1公里。两块碎裂岩是从废弃采石场采集的位于主断裂带中心。塌陷使得无法接近陡峭的采石场墙壁,必须从岩石滑坡材料中采集样本。

显微镜显示普遍的碎裂变形,没有优选的织物方向。页硅酸盐是在长石的同构造蚀变过程中形成的,随着粘土含量的增加,岩石逐渐变得更软。粒内裂隙长石和富含粘土的基质证明了碎裂变形过程中的低温状态,很大程度上阻止了石英的塑性变形。晚期石英脉沉淀对裂缝的愈合归因于晚期流体相的循环。另一个样品来自脉状 Kittenrain 萤石矿床。该矿床位于 Donaustauf萤石矿区。所研究的萤石样品由巴伐利亚环境局捐赠,是从位于西北走向的副断层展开的开采矿脉中采集的。

使用传统的磁力和重液技术从未受影响的花岗岩中分离出锆石和磷灰石晶体。对于粘土分离,两个碎裂岩样品被破碎成碎片,并通过重复的冷冻和解冻循环分解,以避免较大骨架矿物的人为还原。筛分(<63 μm)后,通过在阿特伯格圆筒中的差速沉降获得粘土尺寸级分(<2 μm)。通过未处理和乙二醇处理状态下的 X 射线衍射 (XRD) 测定粘土尺寸部分的矿物组成。对每个样品进行两次 SIROQUANT 评估,并通过 X 射线荧光 (XRF) 获得地球化学信息。

锆石颗粒为自形且无夹杂物。阴极发光图像缺乏岩浆前或继承的锆石成分的证据。7 个颗粒的207 Pb/ 206 Pb 年龄在 332.7 ± 3.3 和 314.4 ± 4.1 Ma 之间。平均年龄为 324.6 ± 6.9 Ma(所有年龄误差均指 95% 置信度 2σ)。

在同一样品上测得的表观磷灰石裂变径迹年龄为 217 ± 18 Ma。磁道长度分布是单峰的、正偏且相对较窄(标准偏差:1.4μm)。平均径迹长度很短(12.4 μm),这是反复停留在磷灰石部分退火区(~60–120°C)内或缓慢冷却的岩石的典型特征。

对两个碎裂岩样品的 <2 μm 粘土尺寸部分进行K-Ar 分析,得出年龄为 266.1 ± 3.0 和 255.4 ± 3.2 Ma。年龄差异可能是由于两个样品内颗粒尺寸范围的细微差异,而不是由于存在不同数量的残余物(即从主岩继承的)矿物相。两个样品中的K 2 O 浓度(通过火焰光度测定法测定)都很高(约 7.3%),放射性40 Ar的量也很高(>98%),表明大气污染可以忽略不计。

两种伊利石馏分的 Rb-Sr 同位素组成略有不同。当绘制在87 Sr/ 86 Sr 与87 Rb/ 86 Sr的图上时,获得 258 ± 6 Ma 的两点等时线年龄。等时线显示初始87 Sr/ 86 Sr 同位素比为 0.7212 ± 0.0035。

两个 <2 μm 组分的化学分析(XRF 数据)显示出几乎相同的成分:52.5% SiO 2、23.7% Al 2 O 3、7.3% K 2 O、6.1% Fe 2 O 3、2.4% MgO 和 5.7%烧失量,其他主要元素均低于1%。

特别注意确保伊利石是测年样品中的主要粘土矿物,并且不存在会导致不确定的较旧年龄的残余相(例如长石、云母)。XRD 结果表明,两个测年粘土尺寸部分主要由伊利石组成,仅含有少量高岭石和微量石英。乙二醇处理运行的 XRD 图显示峰没有移动或峰形状发生变化。混合层反射的缺乏表明不存在层间伊利石-蒙脱石或高岭石-蒙脱石物种。弱 14 Å 峰没有变化表明亚氯酸盐的 (001) 反射。无法识别出可检测的原生矿物(长石、黑云母),由 SIROQUANT 分析得出的成分为:

多瑙河断层的起源

“Kristallgranit”是多瑙河断层 Donaustauf 段内的断层地点。通过锆石蒸发法测定,其就位时间为 325 ± 7 Ma,发生在该地区主要岩浆产生时期。尽管一些年龄分散可能反映了剪切带对 U-Pb 锆石系统的微弱影响,但由于断层活动引起的强同位素扰动似乎不太可能,因为岩石是在 c 采样的。距断裂带1公里。根据 11 个采样点的全岩分析,Köhler 和 Müller-Sohnius ( 1986 ) 获得了“Kristallgranit”的 Rb-Sr 等时线年龄为 349 ± 11 Ma。另一个“Kristallgranit”样品的一致 U-Pb 锆石年龄为 315 ± 4 Ma,以及两个一致独居石年龄为 317 ± 3 和 318 ± 3 Ma。位于断裂带以北8公里(49°05′06″N,12°23′10″E)。

“Kristallgranit”被解释为下地壳深熔熔体,其中大部分并未迁移到远离源区的地方。在逐渐转变为混合岩结构的几个地点都注意到了这方面的证据。虽然“Kristallgranit”没有直接的气压数据,但这些露头关系以及邻近基岩和花岗岩的压力估计,岩浆侵位发生的深度大于10–15 公里。

多瑙河断层的碎裂变形和重新活动

伊利石部分得出晚二叠世 K-Ar 和 Rb-Sr 年龄。在静态条件下,尺寸在 0、1 和 2 μm 之间的伊利石晶体在 200 和 250°C 之间的温度下保留氩气。伊利石年龄表明,255 Ma 之后,断层带中不再存在高于此范围的温度。

伊利石是从中央断裂带样品中提取的,其中原始矿物几乎完全转变为富含粘土的物质。在花岗岩中,伊利石可以作为长石或白云母的热液蚀变产物形成。由于原岩不含原生白云母,因此大部分伊利石必定是由钾长石在静态含水条件下分解产生的,基本上遵循以下反应:

确定的两种粘土尺寸部分(即 52.5% SiO 2、23.7% Al 2 O 3、7.3% K 2 O、6.1% Fe 2 O 3 、2.4% MgO)的地球化学成分实际上与报告的纯伊利石化学成分。一些镁和铁可能是伊利石从降解黑云母中获得的,或者可归因于样品中亚氯酸盐的存在。由于伊利石是 <2 μm 级分中的主要粘土矿物,而高岭石、绿泥石和石英含有很少的钾和铷,因此 K-Ar 和 Rb-Sr 年龄由伊利石晶体决定。

切割“Kristallgranit”的 Donaustauf 盆地在早二叠世接受了碎屑 (Rotliegend) 沉积物。这为瓦里斯坎基底的隆升和侵蚀以及 K-Ar 和 Rb-Sr 伊利石年龄之前的构造伸展提供了地质证据。基于“Kristallgranit”样品磷灰石裂变径迹数据的热模拟结果记录了基底的最终折返,这表明该样品在二叠纪-三叠纪时期达到了近地表温度条件。从这些观察中,我们得出结论,伊利石晶体是在充分低于其 Ar 阻挡区间(即 <200–250°C)的温度下形成的,因此,不能确定冷却事件的年代。这些年龄更有可能确定矿物的形成年代。

巴伐利亚普法尔断层定位了一个巨大的石英岩脉。该岩脉以及 Donaustauf 以东类似的石英填充伸展脉是由构造驱动的浅层热液渗透事件形成的,接近多瑙河断层的伊利石年龄。由于二叠纪-三叠纪期间存在显著的热液活动,沿多瑙河断层 Donaustauf 区段的伊利石可能是在碎裂变形阶段结束时的热液蚀变和矿脉充填事件中发育的。

来自 Kittenrain 萤石的 (U-Th)/He 萤石年代未能为矿化事件提供严格的年龄限制。科学家们认为萤石是在 c 之间的温度下从中温热溶液和超热溶液中沉淀出来的。300–100°C。根据伊利石年龄,这种高温流体不太可能在中生代存在,但更有可能与源自瓦里斯晚期热源的流体有关。位于 Donaustauf 地区以北 50 公里处的 Nabburg-Wölsendorf 萤石矿区的热液矿化年代为二叠纪,即与我们研究区域的伊利石地层同时存在。对来自同一矿产省的沥青铀矿进行 U-Pb 测年,得出的年龄稍早一些。从这些年龄可以得出结论,萤石的形成是二叠纪过程,并且Kittenrain萤石中的氦在随后的地质过程中没有完全保留。

波西米亚地块的主要剪切带是在瓦里坎基底的晚古生代走滑断层作用期间启动的。切割花岗岩的多瑙河断层带经历了韧性和脆性变形,随后发生了水合泥质蚀变。地质年代学结果与先前发表的该剪切带和波希米亚地块西部的其他剪切带和热液矿床的年龄数据进行比较时,可以建立以下断层带年代学:原始岩石“Kristallgranit”的侵位年龄(325 ± 7 Ma) 给出了剪切带活动的年龄上限。

根据这些数据可以推断多瑙河断层变得活跃c。比巴伐利亚 Pfahl 地带晚 10 Ma。白云母在 280–290 Ma 左右的多瑙河断层奥地利段(~375 ± 25°C)内的岩石发生高温延性变形。本研究新的 K-Ar (266 ± 4, 255 ± 3 Ma) 和 Rb-Sr (258 ± 6 Ma) 伊利石年代被解释为限制了断层 Donaustauf 扇区碎裂变形的结束。在该区域,沿着主断层展开的角砾岩带被热液萤石矿化。流体对碎裂带的渗透和热液矿床的沉淀发生在 264 至 254 Ma 之间和大约 247 ± 21 Ma(Pfahl 石英矿脉,Horn 等人,1986 年)。磷灰石裂变径迹数据证明,所研究断层段的岩石在三叠纪期间已经经历了低于 60°C 的古温度。中生代地层的垂直偏移和(U-Th)/He萤石系统的重置表明了白垩纪多瑙河断层的重新激活。

结论

多方法地质年代学的使用可以对古代基底断层的起始、脆性生长和重新激活(重新加热)施加时间限制。这种方法可以扩展到其他重新激活的断层地点,提供原生岩浆和次生矿物相的存在以及高温和低温同位素计时仪的使用。然而,如果没有额外的地质限制,侵蚀驱动的岩石隆起后的冷却与摩擦加热断层重新激活后的冷却之间的区别仍然很困难。

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