雪峰造山带靖州盆地断裂构造及其形成背景探讨

2013-06-25 07:39柏道远钟响贾朋远熊雄
大地构造与成矿学 2013年2期
关键词:靖州古生界石炭系

柏道远,钟响,贾朋远,熊雄

(湖南省地质调查院,湖南长沙410016)

前人对雪峰造山带构造特征及演化进行过大量研究(贾宝华,1994;郭令智等,1984;王鸿祯等,1986;许靖华等,1987;陈海泓等,1993;马文璞等,1995;范小林,1996;邓家瑞和张志平,1996;侯光久等,1998a,1998b;丘元禧等,1998,1999;殷鸿福等,1999;冯向阳等,2001;柏道远等,2010,2011a;胡召齐等,2010;李聪等,2011;李三忠等,2011;陈世悦等,2011;张玉芝等,2011;张菲菲等,2011)。其中印支运动以来地质构造为研究重点之一(杨绍祥和余沛然,1997;梁新权等,1999;杨绍祥,2000;杨奎锋等,2004;Wang et al.,2005;丁道桂等,2007a,2007b;金宠等,2009;梅廉夫等,2010;张进等,2010a,2010b;刘恩山等,2010;汤双立等,2011;汪昌亮等,2011),前人已通过断裂、褶皱、节理、沉积盆地等有关区域构造形迹识别或厘定了几期主要构造应力事件,具体包括印支运动NW向的推覆(丁道桂等,2007a,2007b;金宠等,2009;汪昌亮等,2011),燕山早期NW向挤压和燕山晚期EW向挤压(刘恩山等,2010),晚三叠世-中侏罗世NNE向溆浦-靖州断裂等左行压剪(Wang et al.,2005;张进等,2010b),白垩纪伸展(丘元禧等,1998;丁道桂等,2007b;张进等,2010b;郑贵州,1998;王伏泉,1999),以及新生代早期(始新世-渐新世)NNE向溆浦-靖州断裂等右行走滑和新生代后期(中新世)NW-SE向挤压(张进等,2010b)等。而从已有区域大地构造背景研究来看,雪峰构造带自早中生代以来实际应经历了更多期次不同体制的应力场事件(万天丰和朱鸿,2002)。笔者近年来在雪峰造山带南段靖州盆地及周缘对上古生界和上三叠统-中侏罗统中的小型断裂和节理构造进行了调查,发现其反映了多期不同方向和性质的应力事件。本文即就各应力事件的区域构造背景进行探讨,以为雪峰造山带中生代构造演化的进一步深入研究补充资料。

1 区域地质概况

靖州盆地位于雪峰弧形构造带南段东部,跨于NNE向溆浦-靖州断裂之上。(残留)盆地形态狭长,呈NE40°方向展布,长约32 km,宽约5 km,北东端残留宽仅2 km(图1)。盆地周边自里向外依次为上古生界石炭系-二叠系碳酸盐岩沉积和板溪群-下古生界;上古生界角度不整合于南华系-寒武系不同层位之上(图1)。板溪群-下古生界总体呈一倾向南东的单斜构造,北西和南东两侧分别为逆断裂所切割(图2);自下而上依次为板溪群牛牯坪组板岩,南华系长安组含砾砂质板岩、富禄组砂岩、大塘坡组板岩、南沱组含砾砂质板岩,震旦系金家洞组板岩、留茶坡组硅质岩,寒武系牛蹄塘组炭质页岩等。

盆地内部主要发育上三叠统-中侏罗统(早燕山构造层)。其中上三叠统-下侏罗统主要分布在盆地北端、靖县以西,下部为硅质(燧石)砾岩,上部为砂岩及黏土岩,厚0.5~164 m。中侏罗世泸阳组构成盆地主体,总体为紫红色黏土岩与砂岩、粉砂岩互层,偶夹砾岩、砂砾岩薄层或透镜体,厚约1030 m。此外,盆地东缘南段沙堆一带残留有少量白垩纪沉积,其角度不整合于泸阳组之上,为紫红色块状砾岩,形成于山间断陷盆地。

图1 靖州盆地及周缘地质构造图Fig.1 Geological sketch map of the Jingzhou Basin and its adjacent areas

图2 靖州盆地横剖面图(剖面位置见图1)Fig.2 Geological section across the Jingzhou Basin(locus as shown in Fig.1)

研究区及周边地区经历了武陵(晋宁)(舒良树,2012)、加里东(郝义等,2010)、印支和早燕山等几次主要构造运动暨变形事件,造成板溪群/冷家溪群、上古生界/前泥盆系、早燕山构造层/上古生界、白垩系/早燕山构造层等角度不整合。值得指出的是,区域上雪峰造山带冷家溪群中多发育紧闭褶皱,板溪群-下古生界常发育宽缓褶皱(舒良树,2012),这些褶皱变形导致前泥盆纪基底产生“刚化”,一定程度上增加了上古生界及后期地层褶皱变形的难度。

盆地两侧或内部发育多条NE向断裂(图1),可能属NNE向溆浦-靖州基底断裂的表层发散或派生断裂。盆地西缘断裂主要发育于北部,运动性质有左行走滑和西倾逆冲。盆地东缘发育走向NE、倾向SE的逆断裂,东侧寒武系往西逆冲于石炭系、二叠系、侏罗系等不同层位地层之上。

盆地主体总体呈一平缓向斜,向斜轴迹显著偏于南东侧;盆地北端则由2向(斜)夹1背(斜)组成复式向斜(图2)。褶皱卷入地层为上古生界和上三叠统-中侏罗统,两构造层岩层倾角大多相近,反映褶皱主要形成于早燕山期,印支期变形弱。不过盆地东缘两构造层之间多呈高角度不整合接触,反映印支运动中东缘断裂逆冲及较强的褶皱变形。

2 断裂和节理观测资料

盆地周缘石炭系及盆地内部侏罗系中不同产状与运动性质的小型断裂和节理发育,成为区域(或局部)应力场及构造背景演变的重要信息载体。鉴于研究区总体覆盖严重,本次重点选取采石坑和公路侧壁的良好露头,对盆地周缘石炭系及盆地北端飞山一带侏罗系进行了较多小型断裂和节理构造的调查,观测点位见图1。对各点收集资料依次简介如下。

2.1 盆地周缘上古生界中断裂和节理

2.1.1 盆地北东端外缘小断裂

G69点:为一人工采石坑,出露地层为大埔组灰白色块状细-中晶白云岩。岩层产状为300°∠15°±。采坑侧壁上见两组破裂或小断裂。第一组破裂F1近EW向,产状190°∠75°,裂面平直,发育水平擦痕,滑抹晶体组成的正阶步指示左行走滑(图3a)。第二组破裂F2呈近SN向(NNW向),产状为80°∠82°±,裂面较平直,发育水平擦痕与滑抹晶体,正阶步指示左行走滑。

G70点:为一较大规模采石坑,出露地层为马平组灰色厚层-块状泥晶、粒屑灰岩,岩层产状为155°∠45°±,较陡。局部见数量较多的近 EW 走向、倾向北、倾角50°左右的破裂(图3b),较平直,具剪裂性质,裂面上正阶步指示逆冲。另见一组NNE向陡倾破裂或小断裂,选择观测代表性产状有290°∠80°、300°∠77°。裂面上发育正阶步与反阶步(图3c),均指示断裂左行走滑活动。

值得注意的是,G70点岩层倾角达45°,有别于靖州盆地北缘上古生界产状总体平缓特征,结合观测点处小断裂分析,很可能与更大规模的近EW向隐伏逆冲断裂活动有关。

G71点:于大型人工采石坑中,出露大埔组灰白色块状白云岩,岩层产状30°∠8°±,极平缓。见一NNW向断裂 F1,产状为70°∠85°±,较平直;破碎带宽1.2 m,带内发育断层角砾岩(图3d);带内次级裂面上发育摩擦镜面与滑抹晶体,正阶步指示东盘下降,具正断层性质。从断裂陡立且裂面平直特征来看,该断裂早期很可能为走滑断裂,后期叠加伸展活动。在断裂F1东面见一NNW向小断裂F2,产状为250°∠84°;裂面上正阶步指示右行走滑。从断裂产状特征来看,F1与F2应为同一组断裂,反映了NNW向断裂先后经历过右行走滑和伸展活动。

图3 靖州盆地周缘断裂特征Fig.3 Features of the faults in the adjacent areas of the Jingzhou Basin

G72点:于公路边岩壁上见大埔组灰白色块状白云岩良好露头。岩层产状为315°∠12°±。见一组非常发育的NE向直立裂面(小断裂),观测产状有 310°∠88°、305°∠86°、307°∠88°、314°∠86°、312°∠87°等。裂面上正阶步与反阶步同时指示左行走滑(图3e)。

2.1.2 盆地西缘断裂与节理

G77点:为一较大规模采石坑,出露地层为马平组灰岩,岩层产状160°∠20°。点处主要发育以下3组小断裂或破裂。第一组,NNW向直立破裂F1,发育多条,观测产状数据有 245°∠88°、253°∠88°、254°∠88°、253°∠88°等,较平直,当为走滑剪切成因,未能确定其走滑方向。第二组,NNE向断裂F2,产状300°∠67°,摩擦镜面上反阶步指示左行走滑特征(图3f)。第三组,SN向断裂F3,不甚平直,为张性断裂,产状为270°∠80°,摩擦面上反阶步指示正向滑动(图3g)。从上述3组断裂组合关系来看,其很可能同为SN向挤压产物,其中F1与F2为共轭剪切断裂。

G77点NW约250 m采坑,马平组灰岩中见一NW向小断裂,产状为45°∠83°,裂面上发育水平擦痕,正阶步指示左行走滑。

G80点:于小采坑中见大埔组白色块状粗晶云岩良好露头,岩层产状为140°∠12°。见一组间距3~6 m的SN向直立剪节理或小断裂。裂面上反阶步(图3h)及旁侧羽裂指示右行走滑。

G81点:于公路边岩壁上见上石炭统大埔组白色块状细晶云岩良好露头。岩层产状为138°∠12°。见两组产状直立的共轭节理或小断裂。第一组节理L1见有多条,EW走向,直立,产状为0°~3°∠88°±;裂面上反阶步指示右行走滑。第二组节理L2数量少,NNW走向,直立,观测代表性产状为65°∠89°;裂面上见擦痕及正、反阶步(图4a),同时指示左行走滑。

G82点:于采石坑中见马平组灰岩良好露头,岩层产状为140°∠14°。见一SN向小断裂或节理裂隙,产状265°∠89°。裂面上发育滑抹晶体、擦痕以及正阶步和反阶步,并一致指示右行走滑。

2.1.3 盆地南端外缘断裂

G83点:于采石坑中见马平组灰岩良好露头。岩层产状近水平,为40°∠5°。见两组小断裂。第一组断裂F1走向NWW,近直立,产状为30°∠85°,次级羽裂及滑抹晶体组成的正阶步指示左行走滑。第二组断裂F2走向NEE,产状为330°∠85°±,反阶步指示亦为左行走滑(图4b)。从上述两组断裂的产状关系来看,早期很可能为近EW向挤压下形成的共轭断裂。后期产生NNE向挤压叠加,使F2产生左行走滑。

2.1.4 盆地东缘断裂

G84点:于一采石坑中见良好大埔组白云岩露头,岩层产状310°∠40°。发育一 NE向断裂破碎带,带宽约5 m。白云岩碎裂岩化并可形成角砾岩(图4c)。断裂带内一组明显的裂面产状为310°∠85°±,裂面凹凸不平,其上发育滑抹晶体组成的水平擦痕及正阶步,指示正断裂性质。

G85点:于一采石坑中见马平组灰岩良好露头。岩层近水平,略向NW缓倾。发育一组多条NNE向直立小断裂(图4d),断裂产状300°∠88°±,各断裂面之间高度平行,断裂间距1~2 m。裂面上见反阶步及擦痕,其中擦痕向北侧伏,侧伏角70°左右。擦痕与反阶步一并指示西盘下降(图4e),并兼具右行走滑。从各小断裂之间高度平行且产状直立来看,该组断裂早期应为剪切走滑性质。后期可能在靖州盆地形成时期产生伸展活动。

G86点:于采石坑内见一NEE向逆断裂(图4f,图5),断裂北西盘(上盘)为马平组灰岩,下盘为梁山组黑色页岩、栖霞组夹燧石条带灰岩;两盘岩石均有碎裂化并有方解石团块发育。带内多条裂面及断夹块组成叠瓦状构造。断裂主体产状为335°∠55°。往南西约60 m,于另一采坑岩壁见马平组浅灰色块状灰岩中见一组NNW倾向逆冲断裂,断裂及夹块之上为栖霞组-茅口组的深灰色中层状夹燧石条带灰岩滑覆体叠覆(图4g,图6),清楚地反映了早期逆冲→后期(重力)伸展滑覆的发展过程。值得指出的是,上述逆断裂走向NEE,明显有别于盆地东缘主断裂的NE走向,反映其形成的时代背景有别。

2.2 盆地内部侏罗系中断裂与节理

于盆地北部飞山一带侏罗系中进行了小型断裂和节理观测,典型观测点情况如下。

G73点:出露地层为侏罗系泸阳组紫红色块状岩屑石英粉砂岩,产状为305°∠27°。观测点处发育2组具共轭关系的剪节理。第一组节理L1为NW向,产状为55°∠65°左右。第二组节理 L2为NNE 向,产状为290°∠88°左右。

图4 靖州盆地及周缘断裂特征Fig.4 Features of the faults in the Jingzhou Basin and its adjacent areas

图5 G86点NEE向逆断裂Fig.5 The NEE-trending thrust fault at G86

图6 G86点南西面逆冲-滑覆构造Fig.6 The thrust-gliding structure to the southwest of G86

G74点:为侏罗系泸阳组紫红色粉砂岩-细砂岩,岩层产状为306°∠25°。发育2组具共轭关系的剪节理。第一组节理L1呈NE走向,数量较多,节理间距10~30 cm为主,产状为137°∠80°左右,节理面上反阶步指示右行走滑(图4h)。第二组节理L2数量较少,产状为205°∠75°左右。

G75点:出露地层为侏罗系泸阳组紫红色粉砂质泥岩、泥岩夹灰绿色钙质层。见2组具共轭关系的剪节理。第一组节理L1为NNE向,产状为120°∠80°左右。第二组节理L2为NNW向,产状为60°∠85°左右。

G76点:于观测点南约100 m见2组剪节理。第一组NE向节理 L1发育较差,产状136°∠85°左右;旁侧羽裂指示本组节理具左行走滑性质。第二组NW向节理L2极发育,产状为45°∠72°左右,旁侧羽裂指示本组节理也具左行走滑性质。露头显示L1可能早于并限制L2。

3 应力事件及其构造背景

3.1 断裂和节理所反映的应力事件

上述不同产状特征与运动性质的小型断裂和节理,显然反映了不同构造阶段区域或局部应力背景的复杂变化。图1集中表示了各观测点断裂或节理所反映的区域(或局部)最大挤压应力(或伸展应力)。其中逆断裂挤压应力方向与断裂走向垂直;走滑断裂或剪节理的挤压应力按与裂面30°夹角取向,共轭剪节理的挤压应力方向按锐夹角等分线确定。

各点变形所反映的主应力可归纳为以下几个方向:

(1)近SN向挤压。具体包括SN向、NNE向和NNW向。SN向者见于石炭系中的G70和G77点、侏罗系中的G73和G75点等。NNE向者见于石炭系中的 G71(NNE10°)和G72 点(NNE10°)、侏罗系中的G76点(NNE15°)等。NNW向者见于石炭系中的 G86 点(NNW335°)。

(2)NNE 向挤压。包括 G80(NNE30°)、G82(NNE25°)、G83(NNE30°)等点,均位于石炭系中。

(3)NEE向挤压。包括石炭系中的 G69点(NEE70°)和侏罗系中的 G74(NEE75°~80°)。

(4)EW向-NWW向挤压。有石炭系中的G83点(EW向)和G77点(NWW285°),侏罗系中的G76点(NWW285°)等。

(5)NW向挤压。包括石炭系中的G69点(NW320°)和G81 点(NW302°)。

(6)NW向伸展。包括石炭系中的G84点和G85点。

顺便指出,反映上述各期应力事件的断裂或节理均于石炭系灰岩或白云岩中有发育,因此大致可排除岩性差异引起应力场变化的可能。

3.2 不同应力事件的构造背景探讨

根据构造赋存层位和部分观测点多期断裂形成次序,结合靖州盆地构造特征以及中生代以来华南和雪峰造山带构造演化背景相关研究,初步厘定上述应力事件的地质背景自早至晚如下:

(1)中三叠世(T2)晚期发生印支运动,研究区遭受NW向挤压,形成了石炭系中G69点NNW向左行走滑断裂和G81点共轭节理。就整个华南而言,本次构造运动中因秦岭-大别-苏鲁构造带碰撞造山以及Sibumasu地块向印支地块的碰撞增生和古特提斯洋在琼中地区的消减关闭影响而形成区域SN向挤压(舒良树和周新民,2002;舒良树等,2004;张岳桥等,2009;徐先兵等,2009)。但由于古太平洋板块向西俯冲(Li and Li,2007),以及受新元古代-早古生代扬子板块与华夏板块的NE向接合带制约(柏道远等,2012a)或两陆块的继发性陆内俯冲汇聚控制(柏道远等,2012b),湘东南-湘西则形成NWW向-NW向挤压(柏道远等,2005,2006,2009)。本次构造事件尚于靖州盆地东缘形成NE向逆断裂,并造成上古生界岩层产状显著变陡及上古生界与早燕山构造层之间的高角度不整合。

(2)晚三叠世-早侏罗世(T3-J1),研究区遭受近SN向挤压,形成石炭系中G70点EW向逆断裂和NNE向左行平移断裂、G77点NNE向和NNW向共轭平移断裂、G71点NNW向右行平移断裂、G72点NE向左行平移断裂和G86点NEE向逆断裂等。此外,在SN向挤压下,靖州盆地北东端即靖州西面挤压拗陷并充填T3-J1沉积,同时挤压作用导致肖家团(G70点)一带岩层走向偏转为NEE且产状显著变陡(图1)。值得注意的是,盆地东缘G86点及西侧上古生界岩层走向与观测点处逆断裂走向一致,岩层产状340°∠40°~45°;观测点西侧侏罗系泸阳组岩层近水平,不整合于上古生界陡倾岩层之上。由此可推断G86点逆断裂形成于T3-J1的近SN向挤压,而不是后述J2晚期的SN向挤压。

T3-J1近SN向挤压事件的构造背景为扬子及其以南各地块向北运移与中朝板块碰撞(万天丰和朱鸿,2002),使包括研究区在内的华南地区遭受SN向挤压(柏道远等,2011b)。区域上,湘东南NNE向茶陵-郴州断裂因SN向挤压派生EW向引张而形成伸展盆地(柏道远等,2011b);雪峰构造带靖县-溆浦断裂、通道-安化断裂、城步-新化断裂等先期NNE向断裂在SN向挤压下产生左行斜向逆冲,黑(白)云母40Ar/39Ar坪年龄显示活动时代约为216~194 Ma(Wang et al.,2005);湘中凹陷内的近EW向复背斜和复向斜(张岳桥等,2009;王建等,2010)大约于此时形成。此外,晚三叠世区域上尚发生了大规模印支晚期花岗质岩浆活动(郭春丽等,2012;张龙升等,2012;罗志高等,2010)。

(3)中侏罗世(J2)早、中期,区域构造体制发生转变,受古太平洋板块(或伊泽奈崎板块)俯冲影响,包括研究区在内的华南地区受NWW-NW向强挤压而形成NNE-NE向的褶皱与逆冲断裂(舒良树和周新民,2002;舒良树等,2004;张岳桥等,2009;徐先兵等,2009)。靖州盆地因挤压拗陷和东缘断裂向NW逆冲形成的重力荷载而进一步扩展,盆地中充填中侏罗统厚达1000 m以上的泸阳组沉积,同时形成NE向低缓褶皱(向斜)变形。研究区本期与T2晚期均为NW向挤压,因此前述石炭系中G69点NNW向左行走滑断裂和G81点共轭节理也可能与本次构造挤压有关。

(4)中侏罗世(J2)晚期,由于东南边缘的古太平洋板块斜向碰撞或俯冲(万天丰和朱鸿,2002)或华北-扬子中生代旋转碰撞(张进等,2010b),区域NE-NNE向溆浦-靖州断裂左行走滑,其派生近SN向挤压应力,形成了侏罗系中G73和G75点的共轭节理、G76点中NE向左行剪切节理等。本次构造事件导致了中侏罗世靖州盆地的封闭。

(5)白垩纪(K),区域NE向挤压并诱发NW向伸展(万天丰和朱鸿,2002),形成了石炭系中G84和G85点NE向正断裂。本次伸展事件在湖南形成大量NNE-NE向的断陷盆地。

(6)晚白垩世(K2)晚期-古新世(E1),NNE向溆浦-靖州断裂右行走滑(张进等,2010b)派生NEE向挤压,形成了石炭系中G69点NWW向左行走滑断裂和侏罗系中G74点共轭节理。区域上,沅麻盆地西面NNE向保靖-铜仁断裂的右行走滑(雷义均等,2012)可能也发生于该时期。研究表明,本次NNE向右行走滑事件尚于沅麻盆地白垩系中形成了较多小规模NW向褶皱(张进等,2010b)。区域NNE向断裂右行走滑的动力背景可能与印度-欧亚板块碰撞有关(张进等,2010b)。

(7)始新世-渐新世(E2-E3),区域近EW向挤压,形成了石炭系中G83点早期共轭断裂、G77点NW向左行走滑断裂,以及侏罗系中G76点NW向左行走滑断裂等。本次挤压事件导致了区域白垩纪-古近纪陆相盆地的封闭,雪峰造山带中段沅麻盆地东缘也因此发育向西逆冲断裂(杨绍祥和余沛然,1997;杨绍祥,2000;刘恩山等,2010)。其动力背景为太平洋板块对东亚大陆东部向西俯冲、挤压(万天丰和朱鸿,2002;Maruyama and Seno,1986;Maruyama et al.,1997)。

(8)新近纪(N),区域NNE向挤压,形成了石炭系中G80点和G82点SN向右行走滑断裂以及G83点NEE向左行走滑断裂等。本次挤压事件的动力背景为新近纪印度板块与亚洲大陆碰撞(万天丰和朱鸿,2002)或菲律宾海板块由南向北运移(张进等,2010b)。

4 结论

(1)靖州盆地周缘上古生界及盆地侏罗系中不同产状与运动性质的小型断裂和节理,反映出SN向挤压、NNE向挤压、NEE向挤压、近EW向挤压、NW向挤压、NW向伸展等应力事件。

(2)研究区中生代以来构造体制演化过程为:中三叠世晚期印支运动中区域NW向挤压;晚三叠世-早侏罗世区域近SN向挤压;中侏罗世早、中期区域NW向挤压;中侏罗世晚期因区域NE-NNE向溆浦-靖州断裂左行走滑而具SN向挤压;白垩纪因区域NE向挤压而形成NW向伸展;晚白垩世晚期-古新世溆浦—靖州断裂右行走滑派生NEE向挤压;始新世-渐新世区域近EW向挤压;新近纪区域NNE向挤压。

致谢:南京大学舒良树教授和中国海洋大学李三忠教授对论文进行了认真审阅并提出了建设性修改意见,在此表示衷心感谢。

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