如何解释高山顶上的变质岩和沉积岩的存在呢?

如何解释高山顶上的变质岩和沉积岩的存在呢?

青铜马弓手,研究山脉,常在野外

看似很简单的问题,其实涉及不少地质知识。

变质岩和沉积岩的形成环境确实不同,但是我们要以发展的眼光来分析地质现象。

哪些情况,会导致出身差异较大的两种岩石相遇?

构造运动,常常扮演这个牵线人的角色。

1.缘分天注定——不整合型接触

常言道:百年修得同船渡,千年修得共枕眠,百万年修得不整合……

沉积岩形成于地表,由于构造抬升剥蚀作用,地表出露的岩石可以是任何岩性。

从深部剥露到地表的变质岩当然也可以,能否与沉积物相遇,全靠缘分。

形成于深部的变质岩,经历构造抬升,地表的风化作用,削去其上部原本的岩层,这样深部的变质岩就暴露在光天化日之下。

这些变质岩可以作为湖盆、沙漠、或是河道的基底,沉积物在其上压实成岩。

只是在人群中多看了你一眼……

由此,沉积岩和变质岩可以直接接触。

角度不整合形成示意图 | Hamblin,2003

显然,他们的形成过程不连续,而是存在间断,这种现象在地质学中称为不整合

褶皱、断层等构造作用,将不整合界面抬升、折叠,使变质岩和沉积岩得以并置。

角度不整合示意图 | Hamblin,2003

2.拉郎配——断层型接触

断层作用更为直接,强行把二者撮合到一起,完全不管你情愿与否,典型的“拉郎配”。

这种方式最为普遍、高效。

(1)下方主动—逆断层

逆断层作用,可将下部的变质岩,抬升、覆盖到上部沉积岩之上,

使沉积岩与变质岩直接接触,如下图所示:

逆断层形成模式图 | 底图修改自 Essentials of Geology, 13th Edition-Pearson (2016)

例如,下图是我去年在青海出野外拍的一张照片,其中墨绿色的岩石,是 4 亿年前的超高压变质岩,在逆断层的作用下,推覆到两千万年前的红色沉积岩之上。

(2)上方主动—正断层

反之,正断层作用,可以将上部的沉积岩,下移、并置到深部变质岩一侧,

使沉积岩与变质岩直接接触。

正断层形成模式图 | 底图修改自 Essentials of Geology, 13th Edition-Pearson (2016)

如下图,为贺兰山地区,25 亿年前的花岗片麻岩(变质岩),与第四纪沉积地层之间,通过正断层直接接触。

贺兰山地区,变质岩与第四纪沉积地层正断层接触 | Shi wei,2020,ESR

(3)擦肩而不过—走滑断层

走滑断层更直接,可以给沉积岩地体和变质岩地体制造擦肩而不过的机会,使二者比邻。

图中点圈和点叉符号表示走滑断层发祥,Pz 为变质岩,N 为沉积岩,走滑断层常表现为花状,因此局部存在如图中黑色逆断层箭头 | 图片来自中国地质科学院地质所李海兵研究员 2019 年的 PPT

例如上图所示,是中国阿尔金左旋走滑断裂的例子。


3.软磨硬泡——褶皱+断层

如上述中,仅有断层,还算简单,在大型造山带中,构造作用往往更加强烈和复杂。

褶皱(软磨)和断层(硬泡),将造山带地壳肆意重组。

复杂的构造作用,通过褶皱、断层,多次叠加作用,像“和面”一样,将造山带地壳翻了个底朝天,沉积岩、变质岩和岩浆岩,全都搅和到一起。

阿尔卑斯造山带构造变形过程示意图 | Hamblin,2003

如上图,阿尔卑斯造山带地壳变形的例子 ↑


4.你情我愿型——变质核杂岩

还有一种是你情我愿型,深部的变质岩主动向上跑,浅部的沉积岩向两侧跑,默契地制造相遇契机。

前者可以是底辟作用(像气球一样,从深部向上浮起);

后者被称为伸展拆离作用,如下图所示。

我将这种类型单独拎出来,而没有列入上述正断层型,因为这个底辟作用常常占据主导,总有一方要主动些嘛。

变质核杂岩穹隆的形成模式图 | 底图来自 Fossen,2016

这种情况经常出现于造山运动晚期,

此时,山脉生长的高度接近极限,地表物质积累过多,重力失稳,容易发生垮塌——顶部发生伸展拆离;

造山运动导致岩石圈增厚,中下地壳升温,接近岩石熔点,发生部分熔融,导致岩石密度减小,黏度降低,容易向上流动,直至抬升剥露地表——深部底辟上升。

左:喜马拉雅地区藏南拆离系构造示意图,Beaumont 2001 Nature;右图:走滑作用与片麻岩穹隆,Yoann Denèle,2017,Geology

5.策反型——将部分沉积岩改造成变质岩

还有一种,可以称为出柜型,哦不,是策反型,口误,即说服一部分沉积岩投诚——变为变质岩。

说白了就是“近朱者赤,近墨者黑”。

(1)近朱者赤—接触变质

炽热的岩浆侵入到冰冷的沉积岩中,二者亲密接触的部位,沉积岩易被烘烤成了变质岩,而远离岩体的位置,仍是沉积岩 ↓

岩浆岩侵入沉积岩,发生接触变质作用 | 修改自 Hamblin,2003

此类在花岗岩侵入石灰岩地层的过程中尤为明显,接触带的石灰岩通常会变质成大理岩。

(2)近墨者黑—动力变质

有一种变质作用叫动力变质作用,发生在一定温度下的剪切带(可以理解为深部的断层)附近,多表现为岩石的细粒化,形成糜棱岩。

动力变质作用的形成通常需要一定的温度和压力条件,因此多形成于地下相对较深的位置。

但是,在一些物理性质比较软弱的岩石,例如泥岩、页岩等岩性,较浅部位剪切作用即可形成较弱的动力变质岩,而围岩中类似砂岩等能干型较强的岩石却未发生变质。

这样,弱动力变质岩和沉积岩也会伴生出现。

龙门山附近的断裂带内,围岩为泥岩、砂岩互层 | 底图来自本人论文,本人授权本人引用,就不备注来源了

(3)飞来横祸—冲击变质

冲击变质作用,虽不常见,属于极弱势群体,但不能剥夺人家出镜的权利。

陨石冲击地表,产生强大的冲击波作用,瞬时的高温、高压会引发变质作用。

典型的冲击变质岩为陨击角砾岩

陨石坑形成示意图 | Hamblin,2003

因此,当陨石撞击到地表的沉积岩上,就会出现冲击变质岩与沉积岩同时存在的情况。

当然,这种情况非常罕见。


6.青梅竹马型——脆韧性变质边界

与上述不整合型、断层型等突变、间断型不同,

下面这种类型,渐变过渡而不间断。

区域变质作用,形成于一定深度层次。

因此,大约在 7-10km 以深,应该存在一个沉积岩向浅变质岩过渡的转换带,这个转换带的尺度应该是千米级 ↓

左侧底图修改自 Mattauer,1980 | 右侧底图来自 Fossen,2016

如果这个转换带,经历构造作用抬升、剥露地表,理论上应该可以实现变质岩和沉积岩的渐变过渡。

褶皱作用,可将两种平行空间的岩石,折叠到一个水平空间,有点郝景芳《北京折叠》的意思。

理论上应该存在这种情况,需要较大的连续露头,自然条件下不容易找到。


7.鱼龙混杂——混杂堆积型

这我就不乱比喻了,自行联想古罗马吧……

把混杂堆积也算在内,多少有些蛮不讲理、强行拼凑、滥竽充数、浑水摸鱼……

混杂堆积形成于俯冲带海沟附近,是俯冲上盘和下盘之间的垃圾中转站(如下左图),

容纳有上盘、下盘等刮削下来的各种岩石。

这里面几乎什么岩性的石头都有,变质岩岩块夹在沉积岩基质中非常普遍,

如下右图,即为祁连山造山带的增生杂岩 ↓

底图来自 Wolfgang Frisch,2011;Kusky,2020,ESR;Fu D,2020,GSAB

这些混杂岩经历构造抬升,可成高山。

甚至还能住进高山族人。

中国台湾中央山脉,是典型的混杂岩构造的造山带,

在这里,你几乎可以同时找到各种岩性的石头 ↓

台湾中央造山带主要由增生楔构成 | Tian, Z.-X. et al. (2019).. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124.

我此前有个回答,里面介绍过相关内容 ↓

为什么台湾岛的平原在西侧,山地在东侧?

也许有人会问,你连混杂堆积都算在内,那山麓磨拉石堆积是不是也算?

增生杂岩的规模相对较大,里面的变质岩块可以非常巨大,单独拎出来仍可算作一种岩石。

磨拉石堆积的产物是砾岩,里面的可以有各种岩性的砾石,其岩性还是砾岩,在此就不把砾岩列入其中了。


补充↓

评论区问及沉积岩和变质岩的分类,贴图如下:

沉积岩的主要类型划分↓

朱筱敏《沉积岩石学》(第四版)石油工业出版社,P7

变质岩的岩相学分类↓

桑隆康、马昌前《岩石学》(第二版)地质出版社,P440

山顶变质岩和沉积岩并置,差不多也就这些情况吧,

胡乱比喻,贻笑大方,欢迎补充……

本文参考文献见图名备注。