秦岭造山带大型高应变带内多尺度构造野外和数值模拟研究：非线性微力学途径的应用

Like all orogenic belts on planet Earth, the Qinling orogen (or the Central Orogenic Belt) in China contains many orogen-parallel major high-strain zones whose kinematic histories essentially reflect the tectonic evolution of the hosting orogen and whose rheological properties control the dynamics of the orogen. Multiscale (from microscale to outcrop mesoscale and macroscale) and multi-type (from shape to lattice fabrics) structures are developed inside such high-strain zones and in the country rocks. They provide invaluable clues to the past deformation of the lithosphere and its rheology. However, these structures have been either largely ignored in previous studies or have been related to tectonic-scale deformation and rheology through existing unrealistic single-scale, largely, kinematic models based on the assumption of homogeneous deformations. We propose to conduct detailed field structural mapping in selected well-exposed areas using high-precision digital mapping systems, to analyze microstructures on field samples in the laboratory, to establish the deformation sequence and timing from field overprinting relationships and a combination of 39Ar-40Ar mineral cooling age dating and zircon U-Pb geochronology. The multiscale and multi-type structures and their deformation kinematics will then be related to tectonic-scale deformation processes and continental rheology using the cutting-edge numerical modeling approach, developed by the principal applicant, based on continuum micromechanics for nonlinear materials. We anticipate that the proposed research will lead to: 1) major methodological advances in modern structural analysis, linking the gap between tectonics and structural geology, 2) improved understanding of the strength and rheology of continental lithosphere, and 3) improved understanding of the tectonic evolution of the Qinling orogen.

秦岭造山带内发育了许多近东西向的大型高应变带。其发育历史反应了造山带的发展史；其动力学和流变性能代表了大陆岩石圈的特性。这些高应变带中普遍发育了多尺度（从显微、露头到宏观）、多类型（形态和晶格）的小构造，为研究大陆岩石圈的变形和力学特性提供了重要信息。但长期以来这些小构造的研究程度不高，对它们与大构造以及岩石圈流变性能关系之认识仅是建立在高度简单化的单尺度运动学模型上。本项目首先选择一些出露良好的高应变带区段进行详细野外和室内多尺度构造分析、建立变形序列，并将39Ar-40Ar冷却年龄及锆石U-Pb年龄测定相结合确定变形时间，最后使用申请者开创的建立在非线性微力学基础上的计算机模拟方法，将上述研究之集成所反应的小构造演化用于限定大构造尺度的变形边界条件及岩石圈流变性能。本项目将在构造地质研究理论与方法、对秦岭造山带的构造演化以及对大陆岩石圈的天然流变性能三方面推动大陆动力学的发展。

商丹构造带是分隔华北和华南板块的主要缝合带。沿商丹构造带发育的多尺度构造的几何学、运动学特征，与秦岭造山带演化的关系一直是未解决的重要问题。本项目对天水至南阳盆地段商丹构造带及其两侧进行了构造分析、重点在东秦岭的黑河、丹凤、商南地区；初步限定了变形的年代，并对变形的大地构造边界条件进行了理论模拟。主要成果如下：东秦岭的第一世代构造主要形成于在200-220Ma的走滑缩短变形，产生了商丹糜棱岩剪切带以及与之近平行的发育于秦岭群但主要发育于刘岭群中的韧性剪切带（包括黑河的马鞍桥高应变带、八里坪的沙沟剪切带、丹凤的鮸鱼嘴高应变带、丹凤的清油河剪切带）。这些剪切带具有相同的几何学和运动学特征：与造山带走向平行的近直立的置换面理或糜棱面理、近水平拉伸线理和左型剪切指示构造。这些剪切带的围岩刘岭群中的变形为强烈的褶皱和断层。第一世代的变形反应的运动场与当今圣安德列斯断层变形场可对比。太平洋与北美板块间的斜向汇聚的聚敛角约为5°而东秦岭220-200Ma的变形的斜向汇聚的聚敛角在20-40°。在天水附近的西秦岭的构造变形还有待进一步厘清。新阳-元龙剪切带（被认为是商丹带的西延）时间相当于200-220Ma的变形为右行走滑剪切、聚敛角约为10°到15°。在丹凤、商南地区还发育了第二世代的变形构造，为迭加在第一世代上的枢纽与造山带近平行桶状褶皱。其转折端发育矿物线理，共同定义显著的L构造岩。第二世代构造变形的年龄尚无直接限定，但它与南阳盆地以东桐柏山地区太白顶、殷店和天河口一带在140-135Ma花岗岩中发育的大面积L构造岩在几何学和运动学上都能直接对比，可能同时期形成，反应秦岭-大别山120Ma左右的重要的造山带纵向伸展的构造事件。目前该方面的理论研究正在继续。本项目研究包含了西北大学和加拿大Western University的多名研究生和年轻教师，促进了国际合作与交流，研究成果已陆续以学位论文、正式科学论文出版，为后续的持续研究奠定了基础。