湘东北湘阴凹陷控盆断裂特征、盆地性质及动力机制研究*

柏道远,刘波,倪艳军,马铁球,王先辉,彭云益,李纲

(1.湖南省地质调查院,湖南长沙410011)(2.湖南省常德市地质环境监测站,湖南常德415000)

湘东北湘阴凹陷控盆断裂特征、盆地性质
及动力机制研究*

柏道远1,刘波2,倪艳军1,马铁球1,王先辉1,彭云益1,李纲1

(1.湖南省地质调查院,湖南长沙410011)
(2.湖南省常德市地质环境监测站,湖南常德415000)

对白垩纪-古近纪洞庭盆地东部湘阴凹陷的北部进行了地表地质调查与研究。凹陷呈N E走向,沉积岩层倾向南东,且自南东往北西倾角变陡。凹陷南段宽、北段窄,其南东边界分别为倾向NW的公田断裂和忠防断裂,两断裂之间以走向NW、倾向南西的白羊田断裂和石姑桥断裂相连接。公田断裂为正断裂,白羊田断裂和石姑桥断裂为右旋平移正断裂,忠防断裂为左行平移正断裂;公田断裂和石姑桥断裂均经历了自韧性→脆性的转变过程。凹陷内部发育N E～NN E向小型同成盆正断裂。上述信息表明:①湘阴凹陷为箕状断陷盆地;②公田断裂和忠防断裂的拉张活动控制了凹陷的形成和发展,区域N(N)E向左旋走滑应力场对凹陷北段有一定影响;③白羊田断裂和石姑桥断裂属横向调整断裂;④凹陷发展及其沉积充填,与南东面幕阜山隆起的抬升与剥蚀(包括沉积剥蚀和构造剥蚀)相耦合。结合区域资料,讨论认为湘阴凹陷形成的伸展构造环境受本地区特有的地幔上隆深部构造背景与中国东南部区域张性构造环境的双重制约,并以前者为主;凹陷走向主要受区域NN E向左行走滑应力场的控制。

白垩纪-古近纪;湘阴凹陷;断裂特征;盆地性质;动力机制

江汉-洞庭盆地是中南地区最大的晚中生代盆地。晚白垩世-古近纪期间江汉-洞庭盆地总体具陆内伸展断陷盆地性质,对此不同研究者已基本取得共识[1～10]。关于盆地伸展的动力背景、机制则存在非对称扩张[2]、造山后陆内应力场调整暨双向伸展和右行旋转[6,7]、伸展塌陷与张扭性断裂活动[8]、地幔上隆导致地壳物质向周缘蠕散而拉薄[9]等多种观点。此外,已有研究显示盆地及次级凹陷受控于NNW、NWW、N E以及NN E等多组断裂,但对于不同方向断裂的活动历史及运动性质的认识不尽一致,尤其是缺乏关于控盆断裂运动方向的详细观测资料。

湘阴凹陷是白垩纪-古近纪洞庭盆地最东面的一个次级凹陷(图1)。近年来笔者对该凹陷北段进行了地表地质调查与研究,确定主控盆断裂为南东边缘的伸展正断裂,北东面发育NW向调整断裂-右行平移正断裂,并结合盆内断裂、充填层序与岩层产状等提出该凹陷主体为NW——SE向伸展形成的箕状断陷盆地。本文对这一成果给予介绍,以为江汉-洞庭盆地形成构造背景与动力机制研究补充新的资料。

1 区域地质概况

研究区位于洞庭盆地东北部(图1)。湘阴凹陷北西面和北面、南东面主要出露中——新元古代冷家溪群浅变质碎屑岩。西面郭镇以南发育南华纪——寒武纪地层。东面为幕阜山岩体,主要由侏罗纪花岗岩组成。此外,研究区西部、西南部发育新元古代小型花岗岩体。凹陷区发育大量第四纪冲、湖积物,叠覆在白垩纪——古近纪红层之上。

2 凹陷总体特征

湘阴凹陷为洞庭盆地最东面的一个次级凹陷,呈N E走向,长180余千米(图1),白垩纪——古近纪沉积主要出露于北段(研究区)和南端,中段大部为第四纪洞庭湖盆地沉积物所掩盖。

研究区内凹陷主体位于长塘以南(以下称之为凹陷南段),垂直走向方向(NW向)宽近30 km(图1)。长塘以北发育宽仅5 km的断陷带(以下称为凹陷北段),且其南半段呈N E走向,宽度稳定、边界线平直;而其北半段则呈不规则形态。凹陷北西边缘及北部边缘为百花亭组与冷家溪群和南华系——寒武系间的不整合界线。不整合边界线南段即西塘——岳阳县段弯曲不规则,中段即西塘——桃林段平直,北段即凹陷北端边界总体呈一三角形。凹陷北段南东边界为N E向忠防断裂,南段南东边界为N E向公田断裂,两边界断裂之间为NW向白羊田断裂相连。

凹陷内沉积自下而上、自北西往南东分别为晚白垩世——古新世百花亭组和始新世中村组,地层走向暨沉积体展布方向总体为N E向。岩层产状总体倾向南东～南南东,且总体北西部较陡,倾角一般20°～30°,局部可达40°;南东部较缓,倾角一般5°～15°。桃林以北的凹陷北端岩层走向多近南北向,向东或西缓倾,倾角多为15°～20°。值得指出的是,调查表明存在大致沿长塘——筻口的岩层倾角突变带(由于第四系掩盖具体部位不够清晰),其北西面岩层倾角显著高于南东面。如在筻口镇徐家老屋一带(图2),岩层倾角短距离内由北面的40°左右突变至南面的20°左右,显示其间存在沉积构造界面。此外,沉积砾岩的砾石成分也由徐家老屋北面(下部)的以冷家溪群板岩为主,突变为南面(上部)的以花岗岩砾石为主。以上应反映凹陷发展过程中的一次快速断陷事件,其导致了盆地基底的旋转暨自北西向南东的掀斜以及幕阜山岩体的快速抬升剥露。

3 沉积物特征

据本次实测地层剖面,下部百花亭组厚达5 899m。其角度不整合于青白口纪小木坪组板岩之上。底部为块状板岩块质砾岩,属凹陷形成早期的残坡积-洪积扇沉积。下部为红褐、紫褐、黄褐色板岩质砾岩,局部显平行层理和斜层理,冲刷构造发育,属洪积扇早期砾岩沉积。上部以灰白色块状花岗质砾岩为主夹不等粒长石石英砂岩,发育斜层理、交错层理,属冲洪积扇之砾砂岩相夹辫状河流相沉积;砾石倾斜方向及砾岩透镜体或冲刷槽走向显示古河流方向总体为N E→SW或N EE→SWW向,当属纵向河流。

图1 研究区构造位置与区域地质构造略图Fig.1 Geotectonic location and regional geological sketch map of the studied area

上部中村组整合于百花亭组之上,厚2 522m以上(未到顶)。其由一套巨厚层状的细砾岩、含砾长石石英砂岩、杂砂岩、粉砂岩、含砾砂泥岩组成,具韵律结构,韵律间具冲刷构造,部分砂岩发育大型交错层理、斜层理,属洪冲积-河流三角洲相沉积。

图2 徐家老屋一带沉积与构造剖面Fig.2 Sedi mentary and structural section at Xuijialaowu

4 控盆断裂特征

从上述凹陷沉积体的展布情况,结合盆缘断裂的发育及其运动学特征,确定N E向的凹陷南东边界公田断裂F1和忠防断裂F5为主控盆断裂,凹陷南段北西边界的NW向白羊田断裂F2及石姑桥断裂F3为调整断裂。此外,凹陷内部尚发育N EE向—N E向的正断裂,一定程度反映出凹陷发展过程中的NW—SE向伸展作用以及凹陷内部的次级伸展断裂活动。以下分别介绍上述盆地相关断裂的发育特征。

4.1 N E向主控盆断裂

4.1.1 公田断裂

区内公田断裂总体呈N E40°左右走向,地表断层线不平直,尤其中段显著向南东凸出。其北西面为始新世中村组,南东面为冷家溪群(南段)和侏罗纪花岗岩(北段)。断裂南东端延伸出区外,北东端止于白羊田断裂F2。

于步仙西面宋家段见中村组与冷家溪群间断裂接触关系之良好露头,断裂产状为330°∠60°～70°,自南东往北西依次为硅化破碎带和混杂带(图3)。硅化破碎带宽约2m,带内发育板岩质角砾岩、碎裂岩,具硅化,并发育硅化石英脉;带内发育连续性较好的次级裂面,产状与断裂近一致,同时发育产状更缓的次级压性面理,其与次级裂面关系指示断裂的正断运动性质(图3)。此外,硅化破碎带内的石英脉发育小型张剪性节理,其与次级裂面之几何关系也指示断裂上盘向下的正断运动。混杂带宽约1m,带内中村组砾岩破碎形成的紫红色碎裂岩或角砾岩,与由冷家溪群板岩破碎形成的灰色碎裂岩或角砾岩相互呈团块状互裹或交织。

公田南西面于公路边人工采石场中见公田断裂良好露头。断裂带宽30m以上,由糜棱岩化花岗岩组成,局部具绿泥石化。采石场露头见清晰的糜棱面理,其产状为320°∠45°。发育与糜棱面理小角度相交或近于平行的后期脆性破裂,在剥开剪裂面上发育阶步,阶步位态多指示顶面往下的正断运动。定向标本室内切面观察:垂直面理走向的XZ切面上矿物呈长条带状,并清晰可见S-C组构且显示上盘下降;在平行走向并垂直面理的XY切面上,矿物颗粒稍显拉长。石英碎斑发育变形纹、变形带、波状消光、分离结构、重结晶等变形亚结构。长石碎斑发育变形双晶、滑动位移、分离结构等变形亚结构。见一组与糜棱面理小角度斜交的显微断裂带,宽度在0.1～1mm之间,内为粉细的长英物质。该组显微断裂带应与露头所见的脆性破裂相对应。以上显示公田断裂先后至少经历过韧性和脆性2期构造变形,运动学性质均表现为上盘向下的正断裂。韧性至脆性的转变应反映盆-山发展过程中幕阜山岩体自深部向浅部的抬升与剥蚀冷却作用。前人热年代学研究表明幕阜山岩体在白垩纪——古近纪期间经历过大幅抬升[11]。

综上所述,公田断裂为一倾向北西的正断裂,鉴于其受到北西向白羊田断裂的限制,同时造成始新世中村组与冷家溪群和侏罗纪花岗岩的断裂接触并控制凹陷的形成,断裂主要活动时代应为晚白垩世——古近纪。

图3 公田断裂剖面图(宋家段)Fig.3 Scetion of Gongtian fault(at Songjiaduan)

4.1.2 忠防断裂

忠防断裂走向N E50°左右。在忠防至长塘一段,断裂构成百花亭组与冷家溪群和幕阜山花岗岩的分界,并明显控制了该段凹陷的形成(图1)。但受出露条件限制,本次调查未见到断裂接触关系与断裂带露头。忠防断裂区域上往北东延至赵李桥,并左行错断临湘向斜的南翼,为印支——早燕山期主造山阶段[6,7,9]左行平移结果[12]。在晚白垩世——古新世凹陷发展期间,忠防断裂除作为控盆断裂具正断运动外,推测还受到区域NN E向左旋走滑应力场[4]影响而具左旋走滑分量。凹陷北西边界线西塘——桃林段稳定而平直的走向,很可能与忠防断裂走滑派生应力场控制有关。凹陷北端桃林——忠防以北存在一NNW向的长约10 km的“枝叉”,可以忠防断裂左旋走滑派生的张性面或“张性盆地”[13]解释。青藏高原北缘长虹地区即有较多此类成因的第四纪湖泊发育[14]。

4.2 NW向调整断裂

4.2.1 白羊田断裂

NW向白羊田断裂F2北西端止于忠防断裂F5,南东端延伸出区外,盆缘段长约17 km (图1)。白羊田以北断裂西盘为百花亭组,东盘为冷家溪群;白羊田以南断裂西盘为百花亭组和中村组,东盘为侏罗纪花岗岩。公田以东断裂切割侏罗纪花岗岩体。

在白羊田西面见白羊田断裂的良好露头。断裂倾向南西,产状为220°∠60°～70°(图4)。下盘为小木坪组板岩,上盘为百花亭组砾岩。断裂带宽约35m,自东至西可分为2带。①东带:为断裂破碎带,宽约15 m,带内岩石总体破碎,多见板岩质断层角砾岩、碎裂岩等,并有较多规模不等的板岩(原岩)夹块或构造透镜体发育。②西带:宽约20 m,为混杂岩带。其与东侧断裂破碎带和西侧正常沉积砾岩间呈渐变关系,无截然界线。本带主要由板岩碎块或夹块与百花亭组之砾岩(或零散砾石)所组成,前者多于后者,二者呈不均匀混杂堆积。板岩碎块或断夹块规模不一,自20 cm～3m不等,其内部常见剪切揉皱和膝折,横剖面上形变位态指示顶面自东向西的正滑活动。根据上述断裂带尤其是混杂岩带特征,可推断该断裂为同沉积控盆正断裂,且具体形成机理大致为:初期盆缘断裂切割小木坪组板岩所组成的基底,于板岩中形成断裂破碎带(图5a)。随着断裂的发展,南西盘因正向下滑而成洼地(凹陷)并接受砾岩沉积(图5b)。与此同时,由于陡的地形坡度,断裂北东盘(基座板岩)形成滑坡体或崩塌体并向西滑移、崩落至盆缘,与沉积砾岩混杂而形成特征的混杂岩带(图5b,c)。

图4 白羊田断裂剖面图(白羊田)Fig.4 Section of Baiyangtian fault(at Baiyangtian)

图5 白羊田断裂特征形成机制示意图Fig.5 Formation mechanism s of Baiyangtian fault

需要指出的是,白羊田断裂紧邻同方向的石姑桥断裂F3,推断在盆-山发展过程中二者均作为盆缘断裂的成分而具一致的运动学特征。鉴此,除上述横剖面露头观测的正断活动外,白羊田断裂还应与后述石姑桥断裂一样具有一定的右行走滑分量,如此则正好与成盆过程中凹陷基底整体自南东向北西伸展滑移运动相吻合。

顺便指出,白羊田断裂西面岩层产状局部向南西缓倾(NW走向)(图1),与凹陷内岩层的主体走向(N E向)不一致,可能与近断裂正牵引有关[15]。

4.2.2 石姑桥断裂

石姑桥断裂F3紧邻白羊田断裂北东侧发育,其两端归并于或止于白羊田断裂,全长近15 km(图1)。断裂发育于侏罗纪花岗岩体中,主要表现为硅化破碎带的发育。在石姑桥南约150 m于公路边见该断裂良好露头剖面。剖面方向340°,与断裂带走向小角度相交(斜切断裂带)。剖面上断裂带出露宽约60 m(斜切剖面上视宽度),自南而北依次为(图6):Ⅰ.糜棱岩(化)带,宽约12 m;Ⅱ.碎裂岩化花岗岩带,宽约20 m;Ⅲ.糜棱岩(化)带,宽约5 m;Ⅳ.花岗岩带,宽约20m;Ⅴ.糜棱岩化带,宽约7m。值得指出的是,糜棱岩(化)带与正常花岗岩或碎裂岩化花岗岩间无截然界线,呈渐变过渡关系。其中糜棱岩带Ⅰ的变形与分带最为特征,其自南而北分为4带(图7):

图6 石姑桥断裂剖面图(石姑桥)Fig.6 Section of Shiguqiao fault(at Shiguqiao)

图7 石姑桥断裂Ⅰ带详细结构Fig.7 Detailed textures of theⅠ-zone in Shiguqiao fault

①初糜棱岩、糜棱岩带,宽约8m。岩石因剪切而发育较清晰的糜棱组构,主要表现为云母围绕长石、石英定向排列,石英与长石略有拉长。发育S-C组构,其位态显示出右旋平移正断裂特征,运动方向在C面理上的侧伏角约为60°。带内局部可因强剪切而发育窄的超糜棱岩带,表现为石英的强烈压扁拉长。

②绢云石英碎粉岩带,宽约1m,厚度不稳定。肉眼观察为浅灰、灰白色,块状构造,隐晶质或非晶质结构。镜下观察:矿物组成为石英83%～78%、钾长石2%、绢云母15%～20%、黑云母微量。具碎斑结构,碎斑少而小,主要为石英小碎斑,粒度0.2～1 mm。基质粒度<0.2 mm,矿物之间界线模糊。构造期后静态变质形成的绢云母呈分散状分布。上述表明同构造期的变质结晶或重结晶作用很弱,岩石粒度减小为脆性变质作用所致。绢云石英碎粉岩与下述角砾状超糜棱岩带间呈渐变过渡关系。

③角砾状超糜棱岩带,宽约0.4m。露头上显示强压扁特征,发育密集而平直的糜棱面理,外观似千枚状劈理。标本切面见后期脆性菱形节理发育而显示角砾状构造。镜下显示为花岗质糜棱岩,具碎斑结构和眼球状构造、条带状构造。石英和长石碎斑发育变形带、带状消光、显微石香肠、变形双晶、分离结构、剪切阶步等变形亚结构。粉细基质主要为塑变的石英微粒,呈扁豆状、透镜状及条带状集合体围绕碎斑定向分布。次生绢云母呈断续条带状分布,或交代斜长石。在正面指向南东的XZ片上,长石碎斑发育书斜构造并显示左旋特征,指示断裂具正断裂性质。

④初糜棱岩、糜棱岩带。总体特征与①带相近,但变形强度不及①带。

从上述变形特征来看,石姑桥断裂具右行平移正断裂性质,并至少经历了早、晚两期变形。早期韧性变形形成了初糜棱岩、糜棱岩。后期脆性变形使先期糜棱岩产生菱形破裂;局部强变形带形成碎粉岩。两期变形反映出盆-山发展进程中幕阜山岩体的抬升与剥蚀冷却。

综上所述,NW向白羊田断裂和石姑桥断裂作为凹陷南段的北东边界,具右行平移正断裂性质。联系到凹陷形成受控于公田断裂上盘(凹陷基底)向北西的伸展运移与下滑,这两条NW向断裂应具横向调整断裂性质。

4.3 盆内断裂

凹陷内部具一定延伸规模的断裂主要有N E向梅树坳断裂F5,可确定长度约8 km,主要表现在地表见及断裂破碎带,但受露头条件限制,其详细特征与运动性质不清楚,结合凹陷形成背景推测为成盆阶段正断裂的可能性大。此外,盆内局部地带或地段可见数量不等的小型N E向——N EE向正断裂,其中最典型的为凹陷中南部潼溪南东面田家至黄家庄一带密集发育的N EE向小型断裂(图8,图9);断裂均呈“线状”或“面状”,无明显破碎带。从田家——黄家庄一带来看,盆内N E(E)向小型正断裂大多倾向北西,产状特征与主控盆断裂公田断裂一致。结合断裂的“面”状特征,大致推断其形成于成盆阶段(如断裂形成更晚则通常会有带状破碎以及脉状石英充填),并很可能与基底次级伸展正断裂活动有关。

5 盆地性质及动力机制分析

上述研究区内湘阴凹陷边界断裂和盆内断裂的特征、性质,凹陷内沉积层序及特征,沉积体的空间展布及岩层产状特征,以及凹陷平面形态和边界线曲直状态等,为盆地性质以及盆地形成和发展的动力机制和过程的分析提供了较充分的信息。具体认识如下:

(1)凹陷南东边界主控盆断裂为倾向北西的正断裂(公田断裂)或左行平移正断裂(忠防断裂),凹陷南段之北东边界发育北西向右行平移正断裂(横向调整断裂) , 凹陷内部发育产状大多与主控盆断裂一致的小型成盆阶段正断裂, 以及沉积体的北东向展布、岩层产状主要为倾向南东等,充分表明湘阴凹陷为受控于南东边界正断裂的箕状断陷盆地。

图8 田家东面公路边正断裂Fig.8 Normal faults to the east of T ianjia

图9 黄家庄东面公路边正断裂Fig.9 Normal faults to the east of Huangjiazhan g

(2)凹陷形成主要与NW——SE向伸展有关,北端还受到区域左旋走滑应力场影响。主控盆断裂位于南东边界并倾向北西,显然与更大尺度的南东面幕阜-九岭隆起与北西面洞庭盆地之间的伸展型盆-山耦合背景有关。

(3)凹陷南段南东边界断裂公田断裂、北段南东边界断裂忠防断裂为上陡下缓的铲状正断裂,使断裂上盘下降的同时产生向北西的伸展滑移,从而形成凹陷暨沉积容纳空间。凹陷南段基底块体的下沉和向北西的滑移,使其北东边界调整断裂白羊田断裂具右行平移正断裂性质。凹陷基底下沉的同时以主控盆断裂走向(N E向)为轴产生旋转,从而使沉积体呈N E走向,岩层产状则以走向N E、倾向SE或SEE为主,其机理类似于伸展滚动褶皱的形成[24]。控盆断裂活动及断陷作用的强度存在强弱幕式变化。如凹陷中期初的一次快速断陷(凹陷区)与快速抬升剥露(隆起区)事件造成长塘——筻口一带的构造界面暨岩层倾角突变,同时沉积物母岩也由以冷家溪群板岩为主转变为以花岗岩为主。

凹陷的形成与发展就是凹陷区沉降与南东面幕阜山隆起抬升的盆-山耦合过程。幕阜山体的抬升与剥蚀过程控制了凹陷沉积物岩性组成以及盆缘断裂流变学性质的演变。早期沉积(百花亭组下部)母岩主要为冷家溪群板岩,无花岗岩砾石;中晚期沉积物(百花亭组上部及中村组)母岩则以花岗岩成分为主,表明其时幕阜山岩体始抬升出露出地表。由于岩体的抬升与冷却,N E向主控盆断裂公田断裂和NW向调整断裂石姑桥断裂均经历早期韧性→后期脆性的发展过程。值得指出的是,由于边界正断裂活动及相应的抬升块体抽拉作用,隆起区的抬升冷却除与风化剥蚀有关外,还应与构造剥蚀有关[16,17]。

值得注意的是,凹陷南段沿北西方向宽度大,加之南东边界主控盆断裂为正断裂,应力场主要表现为NW向伸展,使得北西边界线(西塘-岳阳县段)弯曲。而凹陷北段宽度小,盆地北西边界西塘-桃林段受到南东边界忠防断裂的平移正断活动的强力控制,导致北西边界线平直。凹陷最北端受忠防断裂左旋走滑所派生张裂面的控制而呈NNW向。

(4)幕阜山花岗岩体作为一个巨大的刚性强硬块体(可能还包括岩体区与周边中深部地壳结构的差异),对凹陷的边界范围暨平面形态起到了重要的控制作用:南部主控盆断裂公田断裂未能向北东深入岩体内部,切入岩体不远即中止于北西向白羊田断裂;北部主控盆断裂正好发育于岩体北西边缘围岩地层而不是向南东移至岩体之中;凹陷南段北东边界NW向调整断裂白羊田断裂也位于岩体南西边缘(当然也与对先期断裂的继承性有一定关系)。正是岩体对凹陷边界(断裂)的控制作用,形成了凹陷南段宽度远大于北段的特殊形态。

江汉盆地和洞庭盆地是中南地区白垩纪-古近纪期间众多断陷盆地中面积规模与断陷幅度最大的两个盆地。两盆地之间仅以华容次级隆起相隔,以致部分研究者将其统称为江汉-洞庭盆地[1,2,5],因此尽管两盆地构造格局及控盆构造的活动特征存在差异[2],但其发育很可能具有类似的深部构造背景和区域应力场背景。前人对江汉-洞庭盆地形成的构造背景与动力机制提出了大量认识。徐杰等[1]认为江汉盆地受NWW至近EW向断裂以及N E向断裂控制,而洞庭盆地主要受NN E和N E向断裂控制。吴根耀[3]提出白垩纪-古近纪江汉-洞庭盆地整体属南北向构造,受前侏罗纪南北向挤压形成的NN E向和N(N)W向的共轭断裂控制。刘锁旺等[2]认为江汉-洞庭地区晚白垩世开始才由挤压拗陷变为伸展,江汉盆地因急骤扩张致使古NNW、NWW断裂在地壳深处减压活动,而洞庭盆地内次级小盆地则受N E向断裂控制。徐政语等[6]认为江汉断陷盆地系造山后陆内应力场调整所致。刘春平等[9]认为江汉盆地是由于地幔上隆导致地壳物质向周缘蠕散拉薄所形成。戴传瑞等[8]认为晚白垩世早中期洞庭盆地的形成受雪峰、幕阜造山带后期的伸展塌陷控制;晚白垩世晚期-古近纪为区域伸展环境下断陷盆地。傅昭仁等[4]提出洞庭盆地东部的湘阴凹陷(桃林盆地)属区域NN E向正平移断裂及其负花状构造(离散走滑构造)控制的纵谷盆地。姚运生等[5]提出与一般认识出入较大的观点,认为古近纪区域主压应力场方向为NW-SE向,使北东向断陷盆地内的地层形成轴向大致与断裂走向一致的褶皱,同时在盆缘发育向盆内掩冲、推覆的活动形迹;其时江汉-洞庭盆地内部则保持着扩张状态。由上可见,前人对江汉-洞庭盆地成因机制存在多种观点,既有认识角度的差异,也有根本性的认识分歧。

根据上述地质构造特征,结合区域地质特征并参考前人研究成果,就湘阴凹陷形成构造背景及深层动力机制提出以下看法,以供白垩纪——古近纪江汉-洞庭盆地成因机制问题研究参考。

(1)湘阴凹陷形成的伸展构造环境受本地区特有的深部构造背景与中国东南部区域张性构造环境的双重制约,并以前者为主。深部构造背景即地幔上隆,其直接造成上覆地壳伸展变薄、拉张断陷。主要证据:现今江汉-洞庭盆地区内存在武汉——常德上地幔隆起区[1],

6 讨论

由武汉和常德——沅江两个上地幔隆起组成,呈北东向硬哑铃状分布;两隆起分布范围基本与江汉盆地和洞庭盆地相对应,中间的“哑铃柄”部位则对应于华容隆起。区域张性构造环境推测与太平洋板块及雅鲁藏布江洋壳对中国陆块的俯冲所产生的弧后引张效应以及燕山期挤压冲断后的应力松弛有关[18]。鉴于江汉-洞庭盆地断陷面积和沉陷幅度均远远大于周边其它地区断陷盆地,可大致推断地幔上隆的深部构造背景对盆地形成所起作用大于甚至远远大于区域张性构造环境。当然,这两个因素之间或许有一定关联,在此不作讨论。

(2)作为洞庭盆地次级凹陷的湘阴凹陷,其N E向边界走向(即凹陷定向)主要受到区域NN E向左行走滑应力场,以及NW-SE向伸展应力的控制,但以前者为主;而N E向边界断裂的伸展活动及凹陷向下的断陷与横向扩展则主要与NW-SE向伸展应力有关。

洞庭盆地各次级拗陷主要呈NN E～N E走向(图1),多为受南东边界断裂控制的基底倾向南东的箕状断陷盆地[8],湘阴凹陷即具此特征。多种证据表明边界断裂的最初形成与区域NN E向左行走滑应力场密切相关:①受太平洋板块的斜向俯冲影响,白垩纪-古近纪断陷期存在区域NN E向走滑应力场,其一定程度上控制了湘东雁列状NN E向红层盆地的发育[4];②郯庐断裂在早白垩世期间大规模左行平移[19],而已有研究表明断裂可能向南延伸至湖南境内[10];③湘东北地区印支——早燕山主造山期主要形成东西向构造[6,9],湘东南地区由于中三叠世——中侏罗世初同造山阶段形成NN E和N E向构造[17,20～24],而自湘东北至湘东南的湖南东部地区红层盆地或次级凹陷的主控边界断裂均为NN E～N E向,因此先期断裂似乎不应是洞庭盆地次级拗陷NN E～N E向边界断裂的主要控制因素;④本文研究表明湘阴凹陷北端受到N(N)E向左旋走滑应力作用。此外可以想象,太平洋板块沿NW向欧亚大陆板块斜向俯冲引发的深部物质运动与热活动应具有NW——SE的异向性,其形成的伸展应力场总体上应呈NW-SE向。而从岩石变形的力学机制分析,区域NW-SE向伸展应力场显然可以形成N E走向的伸展断裂。湘阴凹陷主控盆断裂公田断裂为北东向正断裂,佐证了NW-SE向伸展应力的存在与作用。鉴于N E～NN E向的盆地或凹陷边界(包括整个湘东地区)大多呈平直状,推断区域NN E向走滑应力场对边界断裂走向的控制作用强于NWSE向伸展应力。

区域上中晚侏罗世——早白垩世的NN E向左旋走滑应力场[4]形成NN E～N E走向破裂,从而决定了湘阴凹陷控盆边界断裂的走向。但边界断裂的活动却主要表现为晚白垩世——古近纪的NW向拉张,导致凹陷强烈的向下断陷与横向扩展,从而于凹陷内充填巨厚的陆相红层。顺便指出,姚运生等[5]提出NW-SE向为古近纪区域主压应力场方向,其依据是北东向断陷盆地内的地层形成了轴向大致与断裂走向一致的褶皱以及盆缘发育向盆内掩冲、推覆的活动形迹。但从现今褶皱成因理论来看,这些褶皱可能是伸展成因的纵向褶皱,而盆缘逆冲构造形迹则可能属后期新近纪挤压构造活动[8,12]产物。

7 结论

(1)公田断裂为湘阴凹陷(北部)南段主控盆正断裂;白羊田断裂和石姑桥断裂为凹陷南段北东边界调整断裂,具右行走滑正断性质;忠防断裂为凹陷北段主控盆断裂,具左旋走滑正断性质;凹陷内部发育小型同成盆正断裂。

(2)湘阴凹陷为箕状断陷盆地,南东边界公田断裂和忠防断裂的拉张活动控制了凹陷的形成和发展,区域N(N)E向左旋走滑应力场对凹陷北段有一定影响。凹陷的发展和沉积充填,与南东面幕阜山隆起抬升和剥蚀作用相耦合。

(3)湘阴凹陷形成的伸展构造环境受本地区特有的地幔上隆深部构造背景与中国东南部区域张性构造环境的双重制约,并以前者为主;凹陷走向主要受区域NN E向左行走滑应力场的控制。

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Characteristics of basin-controlling faults, basin type and dynam ic mechan isms of the Xiangyin Sag in northeastern Hunan

BA IDao-yuan1,L I U Bo2,N I Yan-jun1,MA Tie-qiu1,
WAN G Xian-hui1,PEN G Yun-yi1,L I Gang1
(1.H unan Institute of Geology S urvey,Changsha H unan,410011,China)
(2.Geolog ical Envirom entalM onitoring station of Changde,Changde415000,China)

The authors surveyed near-surface geological characters of north Xiangyin Sag to the east of Cretaceous-Paleocene Dongting basin.The Sag trends N E,w ith the sedimentary layer inclining to southeast and the dip angle becom ing greater from southeast to northwest.South segment of the Sag is w ide while north segment narrow.The southeast boundary of the south and the north segments is respectively NW-inclining Gongtian fault and Zhongfang fault which are connected by NW-trending and SW-inclining Baiyangtian fault and Shiguqiao fault.Gongtian fault is a normal fault;Baiyangtian fault and Shihuqiao fault are dextral strike-slipped normal faults;Zhongfang fault is a sinistral strikeslipped normal fault.Gongtian fault and Shihuqiao fault changed from early ductile to later brittle.There occurred N E-to NN E-trending small-scale syn-basin normal faults in the Sag.A ll above show information as follow s:①the Xiangyin Sag is a half-graben-basin;②the extension of Gongtian fault and Zhongfang fault controlled the form ing and expanding of the Sag,while regional dextralN(N)E-strike-slipped stress field threw some impact on the north segment;③Baiyangtian fault and Shiguqiao fault are northeast boundary regulative faults.④development of the Sag and sedimentary filling coupled w ith the uplifting and tectonic denudation and weathering erosion ofM obushan uplift to the southeast of the Xiangyin Sag.Based on the studies of Xiangyin Sag in this paper and regional geological features,the authors probe into the tectonic settings and dynam ic mechanism s of the Xiangyin Sag and bring forward ideas as follow s:extensional tectonic setting controlling basin-form ing was primarily caused by local especial deep structure background of mantle uplifting,and secondly by regional extensional tectonic setting in southeast China; N E-trending of the Xiangyin sag was primarily controlled by regional dextralNN E-strikeslipping stress field.

Cretaceous-Paleocene;Xiangyin Sag;features of faults;characteristics of basin;dynam ic mechanism s

book=157,ebook=80

P548

A

1671-4814(2010)03-157-12

2009-09-21

中国地质调查局地质大调查项目(1212010610706)资助。

柏道远(1967～),男,研究员级高级工程师,近年来主要从事第四纪地质学和构造学研究。