大巴山晚中生代陆内造山构造应力场

董树文,施 炜,张岳桥,胡健民,张忠义,李建华,武红岭,田 蜜,陈 虹,武国利,李海龙

1)中国地质科学院,北京 100037;

2)中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;

3)北京矿产地质研究院,北京 100012

大巴山晚中生代陆内造山构造应力场

董树文1),施 炜2),张岳桥2),胡健民2),张忠义3),李建华2),武红岭2),田 蜜2),陈 虹2),武国利2),李海龙2)

1)中国地质科学院,北京 100037;

2)中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;

3)北京矿产地质研究院,北京 100012

位于中上扬子板块北缘的大巴山造山带,平面上表现为一大尺度向南西显著突出的弧形带,无论在变形样式和形成时间上都明显与秦岭造山带不同。在大巴山构造格架划分和野外构造变形观测的基础上,通过构造解析,结合年代学研究成果,重建了大巴山晚中生代独特的构造应力场,指出大巴山属陆内造山,形成于 J2末,并持续到K1末期。其构造应力场特征,以城口－房县断裂为界,大巴山逆冲推覆带与其前陆冲断褶皱带的特征显著不同。大巴山逆冲推覆带主要表现为NE-SW向构造挤压,而在大巴山弧形前陆带从西向东,由近E-W向挤压,转变为NE-SW向挤压,最后转变为近S-N向挤压,构成一向其外缘扩散的放射状构造应力场。总体上,大巴山造山带由推覆体向前陆,构造挤压作用由北东向南西方向扩散。这期构造挤压作用控制了大巴山造山带陆内变形,导致大巴山由北东向南西的显著缩短,同时受到其东西两侧基底隆起——神农架－黄陵地块与汉南地块的强烈阻挡,造就了现今的大巴山前陆弧型构造。其动力学背景可归因于晚中生代东亚板块多向汇聚。大巴山晚中生代陆内造山构造应力场的研究,对探讨秦岭造山带动力学特征具有科学意义,为研究川东北油气运聚规律提供了构造地质学依据。

大巴山造山带;晚中生代;构造应力场;弧形构造;陆内造山;多向汇聚

大巴山造山带位于中上扬子板块北缘,秦岭构造带南缘,表现为一系列NNW-NW-EW走向紧密排列的向南西显著突出的弧形褶皱冲断带,显著不同于秦岭－大别造山带线形构造(图1;张二朋,1993;张国伟等,2001;董树文等,2006)。已有研究表明,在大巴山造山带的形成与演化历史方面,尤其是对大巴山前陆弧形构造定型期和形成机制方面,存在显著争议。一些研究者认为大巴山造山带属于三叠纪秦岭－大别造山带的一部分,即三叠纪前陆,定型于晚三叠世(贾承造等,2003);但大多数研究基于卷入构造变形的地层特征,将大巴山造山带划分为多个演化阶段,认为大巴山主体构造定型于燕山期(张国伟等,2001;何建坤,1997,1999;乐光禹,1998;董云鹏等,2008)。进一步研究工作表明,大巴山是侏罗纪陆内造山作用的产物,其前陆是三叠纪与侏罗纪构造叠加的复合前陆,即叠加在三叠纪构造带之上的侏罗纪前陆构造。这意味着大巴山前陆弧形带的定型于 J3－K1(董树文等,2005,2006;施炜等,2007;胡健民等,2008,2009;张岳桥等,2010)。另一些研究主要依据四川盆地演化历史,以及川东北磷灰石裂变径迹的热隆升历史,指出大巴山造山带存在多期构造变形,最终定型于喜山期(邓康龄等,1992;汪泽成等,2004;刘树根等,2006;汤良杰等,2007;沈传波等,2007)。造成这种分歧的主要原因,除缺乏构造年代学的约束,另一方面是没有精细的构造变形解析研究。本文在野外构造测量的基础上,通过构造解析,结合年代学研究成果,重建了大巴山陆内造山期的构造应力场。为探讨大巴山造山带的构造演化提供了运动学依据,对认识秦岭造山带的形成演化以及中国大陆碰撞拼贴后陆内变形具有科学意义,同时对研究中上扬子北缘油气运聚规律具有一定参考意义。

图1 大巴山构造纲要图(据1:20万地质图)Fig.1 Simplified geological map of the Dabashan orogen (modified from 1:200,000 regional map)

1 构造地质特征

通过构造编图和野外观察,结合地球物理资料,表明大巴山造山带具有显著的分带性特征,按照构造变形样式和地层卷入情况,以城口-房县断裂带和铁溪-巫溪断裂带为界,将大巴山造山带划分为大巴山逆冲推覆带、大巴山前陆冲断褶皱带和大巴山前陆坳陷带(图1),其构造特征及地层发育均有显著差异。

大巴山逆冲推覆带对应传统上的北大巴山,南部边界为弧型展布的城口-房县断裂,北部以安康断裂为界。目前主要被认为是秦岭微板块(南秦岭造山带)的一部分(张二朋等,1993;张国伟等,2001;Li et al.,2007)。该带主要由一套元古代和早古生代火山碎屑岩及深水沉积岩构成,缺失泥盆系和石炭系。紫阳一带可见残留的上三叠统-下侏罗统砂砾岩角度不整合于志留系砂质板岩之上。沿大巴山推覆体后缘安康断裂发育晚白垩世－古近纪砖红、紫红色河湖相沉积,在竹山一带可见这套地层角度不整合覆盖于推覆体冲断带之上(图1)。该带由一系列下古生界和震旦系组成的冲断岩片组成,盖层地层强烈劈理化,北部沿安康断裂发育韧性剪切带。主体构造表现为一系列 NW-SE走向的线形构造,在推覆带前缘被弧形的城口-房县断裂限制。以瓦房店断裂为界,大巴山逆冲推覆带可进一步划分为南亚带和北亚带,均发育叠瓦式逆冲推覆构造。其主要差别为北亚带以凤凰山隆起和平利隆起为代表的元古代变质基底被逆冲推覆,而南亚带则发育大量的顺层侵位的基性、中酸性和碱性岩脉。依据推覆带前缘中元古界武当群向南推覆于寒武系或震旦系之上,推测其主拆离面位于基底之中。北大巴山主体应属于秦岭三叠纪碰撞造山带的前陆变形带。

大巴山前陆冲断褶皱带间于城口-房县断裂带和铁溪-巫溪断裂带,即前人所提到的南大巴山,其平面几何特征表现为向南西显著突出的弧形形态,因此也称之为大巴山弧形前陆或大巴山前陆弧形构造带。该带主要为扬子地台之上发育的沉积岩系,除高川地块外,该带缺失泥盆系和石炭系(图1)。其中,上三叠统上部发育的砾岩与下侏罗统白田坝组底砾岩共同构成本区的区域不整合面。从西向东,总体上大巴山前陆中、西段出露地层相对较新,向东逐渐变老,直至出露寒武系。该带无变质作用和岩浆活动。

大巴山前陆冲断褶皱带以镇巴-徐家坝-阳日断裂带为界,可进一步划分为基底拆离带和盖层滑脱带。基底拆离带位于镇巴断裂-徐家坝-阳日断裂带和城口-房县断裂之间,构造样式总体上以平行于城口断裂带展布的逆冲-褶皱叠瓦构造为主,不同部位出露宽窄差异较大(图1)。其西段的高川地块较为特殊,主体构造为近南北向褶皱与北西向褶皱两组构造叠加(张忠义等,2009a),且发育泥盆系和石炭系,最近的研究表明该地块是从勉略带推移来的外来逆冲岩片(胡建民等,2008)。其前缘震旦系卷入逆冲带,后缘则可见中元古界武当群向南推覆于寒武系或震旦系之上,为大巴山推覆构造底部拆离面的露头,并已被刚刚完成的穿越大巴山造山带的反射地震剖面所证实(内部资料未公开)。

盖层滑脱带由一系列不同类型断层相关褶皱组成,平面上平行城口-房县断裂呈弧形展布。不同段落的构造样式也存在显著差异,西段主体构造为近S-N走向的大巴山前陆构造与近东西向的米仓山构造带叠加而成的横跨叠加构造(图1;董树文等,2006;施炜等,2007;张忠义等,2009b;裴先治等,2009)。近南北向构造主要发育隔档式褶皱,构造样式主要为复背斜和复向斜。中段由内向外由紧闭褶皱过渡为断层相关褶皱,而东段由内向外则表现为斜歪-倒转褶皱过渡为等斜褶皱,且地层发生劈理化,志留系泥岩强烈揉皱。横向上从西向东,中、西段卷入变形的地层为侏罗系-志留系,而东段则为寒武系强烈变形。构造变形差异分析表明其底部滑脱面主要位于志留系泥岩和寒武系炭质泥岩。

大巴山前陆坳陷带位于铁溪-巫溪隐伏断裂外侧,实际上受大巴山造山影响显著减弱,已经进入四川盆地。主要为晚侏罗世-早白垩世河湖相沉积。主要发育宽缓褶皱和少量冲断层,局部可见复背斜和复向斜(张岳桥等,2010),地震剖面显示其主要构造滑脱面为中下三叠统膏盐层。

2 大巴山陆内造山时代分析

近年来,越来越多的证据表明,大巴山存在强烈的陆内造山活动,主造山期为中侏罗世末,并持续到晚白垩世初(董树文等,2006;施炜等,2007;董云鹏等,2008;胡健民等,2008,2009;张岳桥等,2010;李建华等,2010)。一方面地层沉积记录和变形特征也指示了大巴山主变形期相对时代。大巴山逆冲推覆带内部的紫阳县瓦房店发育晚三叠世－早侏罗纪黑色、灰黑色砂砾层，且不整合覆盖在志留系砂质板岩之上,同时这套砂砾岩又发生明显冲断变形。该构造带东缘的竹山县一带,K2-E砖红色厚层砂砾岩不整合于逆冲推覆带之上,这表明大巴山逆冲推覆带陆内变形始于中侏罗世末,并持续到晚白垩世。

在大巴山前陆冲断褶皱带的城口县平坝地区可见震旦系凝灰质砂岩沿城口断裂逆冲于下侏罗统砂砾岩之上,导致下侏罗统发生强烈变形。而这一弧形带在其大巴山东段房县青峰地区同样被上白垩统角度不整合于覆盖。结合前陆早、中侏罗世地层强烈褶皱变形,以及前陆西段的叠加变形分析(董树文等,2006;施炜等,2007;张忠义等,2009a),表明大巴山前陆的弧形褶皱构造同样形成于中侏罗世末-晚白垩世。胡健民等(2008)最近指出前陆西段夹于镇巴断裂与城口断裂之间的高川地块是晚侏罗世勉略带被向南推移几十公里而形成一个独立地块,进一步证明在勉略带印支期形成之后,大巴山造山带存在强烈的陆内造山。这期造山作用在大巴山的前陆盆地发育过程中有明显沉积响应(Meng et al,2005;渠宏杰等,2009),同时导致神农架－黄陵地块和汉南地块在这一时期快速隆升(沈传波等,2009;田云涛等,2010)。

最近的同位素年代学研究为大巴山造山带在中侏罗世末－早白垩世发生强烈构造变动提供了直接证据。其中推覆构造的拉伸线理云母矿物40Ar/39Ar测年表明大巴山造山带是一个复合型造山造山带,在中生代经历了两期造山作用:早期为中晚三叠世印支期碰撞造山作用(225～190 Ma)和晚侏罗世-早白垩世陆内造山作用(163～135 Ma),印支碰撞造山作用导致北大巴山逆冲带的形成和发育,早燕山运动引发的陆内造山作用导致前陆弧形构造形成(胡健民等,2009)。

3 大巴山主造山期构造应力场

一般地,地壳在某一特定的演化阶段,构造应力场是相对统一的,其主应力方向基本保持不变,因此可以通过多种地质方法反演古构造应力场方向。在脆性变形区,较为常用的方法是通过观测断面上的擦痕滑动矢量来反演古构造应力场(Carey,1979;Angelier,1984;Mercier,et al.,1987)。用各种滑动构造标志判断断层运动方向,通过计算机计算各观测点三轴主应力方向。再结合叠加擦痕、断层相互的切割关系,确定构造应力场演化序列。这种构造解析方法一般应用于中、新生代构造应力场研究之中(Zhang et al.,2003a,2003b)。在韧性变形区,常采用观测分析韧性褶皱和拉伸线理,确定变形性质,恢复古构造应力场。结合同构造变形矿物的年代学测试,确定构造应力场的时代和期次。这种方法常运用于研究造山带内部的韧性构造变形非常有效,近年来在研究秦岭－大别造山带中,取得显著成果(Ratschbacher et al.,2003;Enkelmann et al.,2006)。

大巴山造山带变形复杂,其前陆以强烈褶皱冲断构造为主,且发育多期叠加褶皱,推覆体发育多种层次的变形,这种复杂构造变形区的构造应力场解析明显不同于造山带内部的韧性变形,也不同于沉积盆地的脆性变形。目前研究者对大巴山构造应力场关注较少。前人基于节理的观测分析或声发射实验对其构造应力场进行了一些探讨(孙树林等,1993;黄继钧,2000;刘顺等,2005)。实际上在这种复杂变形区,一方面构造应力场相互叠置使得构造应力场反演比较困难;但另一方面,由于叠加褶皱的发育,为我们通过构造变形解析厘定构造应力场序列提供了有利条件。近几年来,笔者在大巴山前陆西段叠加变形区进行了相关研究(施炜等，2007),在此基础上,进一步研究大巴山造山带的构造应力场,并从中筛分出与主造山期有关的构造应力场。

3.1 大巴山逆冲推覆带

该带后缘韧性剪切带总体上为NW－SE向展布,普遍可见S－C组构。对基底韧性剪切带拉伸线理的统计分析,其剪切方向主体为30°N～40°E。对盖层褶皱的统计结果表明褶皱轴主体方向为NW-SE向,轴面劈理极点统计显示其极点集中在 NE-SW 方向,与该带区域褶皱构造要素一致,也与基底韧性剪切带拉伸线理所指示的剪切方向一致,表明NE-SW向构造挤压控制了该带的褶皱变形,代表区域性构造挤压作用。

此外,盖层发育的脆-韧性构造记录了控制盖层变形的构造作用,比如,紫阳县向阳镇志留系砂岩剪切变形,其面理滑动矢量统计结果表明,剪切带的形成受NE-SW向构造挤压作用控制,且由NE向SE剪切(图 2a)。平利地区志留系砂岩发育剪切带,石英脉被拉长变形,指示剪切方向为SW 向。擦痕资料反演表明,存在 NE-SW 向构造挤压应力作用(图2b)。通过构造筛分统计结果,指示大巴山逆冲推覆带的构造应力场表现为NE-SW向构造挤压(图3;表1)。

图2 大巴山逆冲推覆带志留系剪切变形,观测点D678(a)和D4065(b)均指示NE向SW逆冲活动Fig.2 Silurian deformation in the Dabashan thrust belt,sites D678 (a)and D4065 (b)show southwestward thrusting

表1 大巴山逆冲推覆带断层滑动矢量及其构造应力场反演结果Table 1 Fault slip vectors measured in Dabashan thrust belt and their inverted results of stress fields

3.2 大巴山前陆冲断褶皱带

大巴山前陆冲断褶皱带平面上呈弧形展布,本文按照西、中、东 3段,解剖其构造应力场。已有的研究表明,其西段在主造山期,构造应力场主体上表现为近东西向挤压,形成西段的横跨叠加褶皱(董树文等,2006;施炜等,2007,张忠义等,2009b)。在大巴山前陆中段可见侏罗纪地层发育许多断层相关褶皱,代表了大巴山前陆陆内造山时变形构造。镇巴县长滩坝中侏罗统千佛崖组砂岩可见露头尺度的断层相关褶皱,其褶皱轴面产状 227°／80°,枢纽产状 327°／25°,表明其褶皱变形受控于 NE-SW 向挤压作用。对其同褶皱的断层擦痕观测分析,同样指示一期 NE-SW 向构造挤压应力场(观测点 D47,图4a)。镇巴县长滩坝中侏罗统千佛崖组泥岩中可以观测到一组共轭节理,指示NE-SW向构造挤压,为地层沉积期后的早期变形(观测点D758,图4b)。万源东中侏罗统长石石英砂岩,由于断层强烈活动,伴生牵引褶皱,断层的滑动矢量观测结果,指示NE-SW向挤压(观测点DS02,图4c,d)。在万源南晚三叠世须家河组粉砂岩可以观测到断坪－断坡构造,其滑动面上发育一组逆冲性质的擦痕,指示NE-SW向构造挤压作用(观测点Ds02,图4e,f,g)。显然,大巴山前陆中段的构造应力场表现为NE-SW 向构造挤压。在大巴山前陆东段冲断褶皱带内,房县桥上乡下寒武统薄层灰岩发育一系列斜歪尖棱褶皱,其枢纽主体方位近E-W向至NWW-SEE向,指示主压应力为近S-N向。层面擦痕观测分析结果与褶皱要素观测分析一致,同样获得近 S-N向构造挤压作用(观测点 D4111,图5)。因此,大巴山前陆弧型构造带的最大主压应力方位总体上垂直褶皱构造带分布,在西段为近W-E向,中段转为NE-SW向,东段为近N-S向,其最大主压应力方位垂直于大巴山前陆弧形构造带，且呈放射状向外缘扩散(图3;图6)。

图4 大巴山前陆中段主造山期变形特征,指示NE-SW向构造挤压作用Fig.4 Deformation in the middle segment of the Dabashan foreland showing NE-SW trending compression

上述分析表明,大巴山主造山的构造应力场主要表现为,以城口-房县断裂为界,大巴山逆冲推覆体为NE-SW向构造挤压,沿弧形前陆自西向东,构造挤压作用由近E-W向转化为NE-SW向,再转为近S-N向,构造挤压作用垂直于弧形前陆主体构造。总体上构成一由大巴山逆冲推覆带向前陆褶皱带发散的放射状挤压构造应力场(图3;图6)。为证实大巴山造山带这一独特的构造应力场,武红岭等(2009)开展了相关的数值模拟研究,从力学机制方面半定量化地反演了这一古构造应力场。

大巴山造山带晚中生代构造应力场特征表明NE-SW 向构造挤压代表了大巴山主造山期间的区域性构造挤压应力方位,指示区域构造挤压作用力来自大巴山构造带的北东方向。大巴山逆冲推覆带前缘的城口-房县断裂在主造山期间,除其西段的由于高川地块的挤入导致局部走滑活动外,其余段落不存在明显的走滑活动。

结合构造物理模拟与数值模拟研究(武红岭等,2009;张岳桥等,2010),上述大巴山主造山期构造应力场分析结果表明,在大巴山陆内造山期间,大巴山逆冲推覆构造带主动向南西强烈挤压推覆,而非四川地块向北东俯冲,导致大巴山前陆由北东向南西显著缩短。同时由于汉南地块和神农架－黄陵地块在这一时期快速隆升(沈传波等,2009;田云涛等,2010),阻挡推覆带向西南运动,形成向南西显著突出的大尺度弧形构造。其动力学背景可能归因于早燕山期东亚多向汇聚构造体系启动(董树文等,2007,2008;张岳桥等,2007)。因此,尽管大巴山前陆弧形构造在平面形态上,与喜马拉雅造山带极为相似,但两者具有显著不同的运动学和动力学特征。

图5 大巴山前陆东段寒武纪薄层灰岩褶皱变形,指示近S-N向构造挤压(观测点D4111)Fig.5 Deformation of Cambrian thin bedding limestone in eastern Dabashan foreland,representing roughly S-N trending compression(Site D4111)

图6 大巴山主造山期构造应力场模型(张岳桥等,2010)Fig.6 Model of tectonic stress field in the Dabashan orogen during intral-continental orogeny(after ZHANG Yue-qiao et al.,2010)

4 结论

在构造变形观测分析的基础上,结合区域地质构造特征与年代学研究,获得了大巴山陆内造山期(晚中生代)构造应力场。以城口－房县断裂为界,大巴山逆冲推覆带表现为NE-SW 向构造挤压,而弧形前陆的最大主压应力垂直弧形构造且向外缘发散。总体上形成一从推覆体向前陆扩散的呈放射状的构造应力场。NE-SW 向构造挤压作用代表了大巴山主造山期间区域性构造应力场,指示区域构造挤压作用力来自大巴山造山带北东方向。大巴山逆冲推覆带前缘的城口-房县断裂在主造山期间,除其西段高川地块外,不存在明显的走滑活动。其动力学背景可能归因于早燕山期东亚多向汇聚构造体系启动。大巴山前陆弧形褶皱带的形成是其后缘的逆冲推覆体主动向南西强烈逆冲推覆的结果,而非四川地块北东向俯冲的原因。因此,在运动学和动力学方面,显著不同于喜马拉雅造山带。

表2 大巴山前陆断层滑动矢量及其古构造应力场反演结果Table 2 Fault slip vectors measured in the Dabashan foreland belt and inverted results of compression stress fields

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The Tectonic Stress Field in the Dabashan Orogen Resulting from Late Mesozoic Intra-Continental Orogeny

DONG Shu-wen1),SHI Wei2),ZHANG Yue-qiao2),HU Jian-min2),ZHANG Zhong-yi3),LI Jian-hua2),WU Hong-ling2),TIAN Mi2),CHEN Hong2),WU Guo-li2),LI Hai-long2)
1)Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037;
2)Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081;
3)Beijing Institute of Geology for Mineral Resources,Beijing100012

The Dabashan orogen,situated in the northern margin of the middle-upper Yangtze block,is marked by a large-scale oroclinal structure belt evidently extruding southwestwards.By dividing its framework and observing deformation in the field work,and combining with geochronologic data obtained in recent years,the authors rebuilt a stage of special stress field in the Dabashan orogen,which occurred during Late Mesozoic (late Middle Jurassic-early late of Early Cretaceous)and caused by intense intra-continental orogeny.The episode of the stress field,bounded by the Chengkou-Fangxian fault,is characterized by NE-SW trending tectonic compression in the Dabashan thrust belt,and outward emanational compression in the Dabashan foreland belt which is featured by E-W trending compression in the west segment,NE-SW striking compression in the middle,and S-N trending compression in the east,respectively,that is,it is approximately perpendicular to the oroclinal belt.Thus,controlled by the stage of stress field,and blocked from the two blocks of its west and east sides,the arc-shaped Dabashan foreland finally formed,which resulted from multidirectional convergence occurring in eastern Asia in late Mesozoic.

Dabashan orogen;Late Mesozoic;tectonic stress field;arc-shaped structure belt;intra-continental orogeny;multidirectional convergence

P548;P553

A

1006-3021(2010)06-769-12

本文由中石化海相前瞻性研究专项“大巴山前陆构造演化与油气远景研究”(编号:YPH08023)、深部探测与实验研究专项(编号:SINOPROBE-08-01)和中国地质科学院地质力学研究所基本科研项目“川东北构造体系联合复合及其对区域油气控制的研究”(编号:DZLXJK200715)联合资助。获中国地质科学院2009年度十大科技进展第二名。

2010-07-02;改回日期:2010-08-20。责任编辑:魏乐军。

董树文,男。研究员,博士生导师。长期从事构造地质与碰撞造山带研究,近年来重点探讨东亚构造动力学演化和燕山运动动力学问题。通讯地址:100037,北京市西城区百万庄大街26号。电话:010-68999606。E-mail:swdong@cags.ac.cn。