江南断裂带印支期以来构造演化及晚新生代活动特征——来自磁组构的记录

王 朝, 李 阳, 储东如, 汪雅菲, 王 松, 吴雪峰

江南断裂带印支期以来构造演化及晚新生代活动特征——来自磁组构的记录

王 朝1, 李 阳2, 储东如1, 汪雅菲1, 王 松3, 吴雪峰4

(1. 安徽省地质调查院, 安徽 合肥 230000; 2. 大陆动力学国家重点实验室, 西北大学 地质学系, 陕西 西安 710069; 3. 合肥工业大学, 安徽 合肥 230000; 4. 安徽省公益性地质调查管理中心, 安徽 合肥 230000)

作为研究区域断裂构造的新兴手段, 磁组构在应变指示计较少的弱应变地区应用广泛。本文在详细调查江南断裂带(泾县段)露头构造特征的基础上, 对该断裂带的岩石磁组构特征开展了系统研究, 发现样品中磁化率椭球体最大轴max为259°∠8°和102°∠12°、最小轴min为358°∠48°和193°∠5°, 反映江南断裂带主要受近南北向挤压应力作用, 指示其活动以近南北向逆冲挤压为主, 兼具弱左行剪切运动。依据断裂活动性质并结合前人研究成果, 我们认为岩石磁组构指示的是江南断裂带晚新生代的活动特征, 时限可能为中新世‒早更新世。构造岩磁组构特征为江南断裂带新生代构造活动研究提供了微观依据。

江南断裂带; 磁组构特征; 构造演化; 印支期; 皖南地区

0 引 言

岩石磁组构是近年来应用于区域构造应力研究的新手段。在多数情况下, 磁化率椭球可以用来代替应变椭球, 其形态参数和空间定向参数可用来定量分析构造变形的性质和应力作用的方式等。随着理论依据及方法体系的日趋完善, 岩石磁组构已在区域构造应力及动力学演化研究中发挥重要作用, 特别是在应变指示计较少的地区及新构造运动研究中得到广泛应用(Hrouda, 1982; Tarling and Hrouda, 1993; Kodama, 1995; Borradaile and Henry, 1997; 潘永信和朱日祥, 1998; Parés and Pluijm, 2002; Cifelli et al., 2004; 鲁如魁等, 2008; 梁文天等, 2009, 2015; 李阳等, 2017; Li et al., 2017, 2018)。

江南断裂带是一条横贯中国东南部的NE向大断裂。前人的研究主要集中在断裂的性质(翟文建等, 2009)、形成的温压条件(周雁, 1999; 谢建磊等, 2006)、活动时代及期次(杨志坚, 1981, 1987, 1988; 刘国生, 1997; 杨绍祥, 1998; 周雁, 1998)等方面, 而对其新生代特别是新近纪以来的研究相对较少, 且存在较大争议: 如杨志坚(1988)认为江南断裂带在中新生代以张性活动为主; 而刘国生(1997)认为断裂在新第三纪以来表现逆冲走滑; 周雁(1998)也认为喜山期表现为压扭性特征; 但翟文建等(2009)最近研究表明江南断裂带晚期活动表现为伸展性质。上述争议一方面受制于野外构造现象不明显, 断裂活动晚期证据难以直接观察, 进而导致其规律及力学性质较难判断, 这一问题直接限制了对江南断裂带的系统性认识。

本文通过详细的野外调查, 在系统分析江南断裂带印支期以来活动规律的基础上, 利用岩石磁组构分析方法, 对江南断裂带晚期构造活动的运动学性质和应力场特征进行研究。

1 区域地质背景

江南断裂带西起广西百色、东至江苏溧阳, 呈NE向展布于中国东部。在安徽境内, 该断裂自东向西经宣城、泾县, 石台县七都、东至县葛公镇后, 与江西古沛(修水)‒德安深断裂相接, 长约265 km。断裂带产状波状变化, 其中东、西两段倾向SE, 中部七都一带倾向NW, 倾角60°～70°, 断裂带宽度近20 km。

作为一条对区域构造格架有重要控制作用的断裂, 从晚震旦世早期至早奥陶世, 控制着两侧岩相的变化。中三叠世‒晚侏罗世, 受扬子与华北板块陆陆碰撞的影响, 江南断裂带沿横船渡‒泾县一带呈一系列自南东向北西的叠瓦状逆冲推覆构造。早白垩世中晚期江南断裂带转变为高角度正断层, 并成为了控制章(阳)广(渡)、宣(城)南(陵)盆地的边界断裂。此后早白垩世末期, 江南断裂带沿早期断面发育高角度走滑活动。晚白垩世‒古近纪, 伴随着近南北向区域伸展作用, 江南断裂带表现为兼右行走滑的正断拉张活动(即转换拉张构造特征), 并进一步控制宣南盆地晚白垩世以来红盆的形成。

研究区地处扬子陆块东部。沉积地层以志留纪碎屑岩, 泥盆纪‒三叠纪碎屑岩、碳酸盐岩, 以及中新生代的砾砂岩组合为代表。构造形迹主要为印支‒燕山期活动产物, 褶皱构造为太平复式向斜、七都复背斜; 按断裂形成时代分为早期近EW向、NE向断裂, 中期NNE向、NW向断裂, 晚期近SN向断裂。岩浆岩主要为早白垩世早期岩浆作用产物, 时代集中于138～125 Ma, 岩性以花岗闪长岩和二长花岗岩为主。

2 江南断裂带基本特征

本次野外调查主要集中于江南断裂带泾县段。研究发现该段大致沿太平湖北岸经孤峰‒水东向斜呈NE向延伸至陶窑村附近, 向东湮没于宣(城)‒南(陵)盆地之下, 表现为数公里宽的强、弱构造变形带, 断裂活动性质具多样性, 包括印支期逆冲、燕山早期拉张、燕山晚期右行走滑拉张及喜山期逆冲挤压。

沿太平湖北岸至泾县青弋江一线可观察到一系列呈叠瓦状特征的逆冲断层, 断面总体倾向SE, 部分倾向NW。断面倾向SE区段的断层呈铲式上陡下缓, 倾角25°～50°。断面倾向NW的断层则呈低角度弧状, 倾角一般<20°, 且多发育于前中期断裂活动形成的构造破碎带中, 局部可见后者切割前者的交切关系, 指示两期变形。受早期逆冲断裂影响, 地表常见早古生代地层逆冲于晚古生代地层之上: 如太平湖北岸志留系逆冲于泥盆系之上; 孤峰‒水东向斜泥盆系逆冲于石炭系、二叠系之上, 导致地层的缺失, 褶皱形态不完整, 旁侧次级断面保留有同期断层活动的擦痕。此外, 青弋江(泾县段)北岸亦可观察到一系列NE向展布的断面山、断层崖等, 志留系内弱能干层保留有宽数百米的密集劈理带, 强能干层表现为叠瓦状的压性透镜体。

张性正断裂主要集中在断裂带中部, 表现为一系列宽数米至数十米的高角度正断层, 断面倾向NW或SE, 倾角一般>55°。断层带发育棱角状‒次棱角状张性角砾, 其旁侧牵引褶皱及标志层错动方向指示了断层活动性质为正断拉张。

高角度左行走滑断裂规模相对较小, 且受制于露头尺度, 仅沿青弋江北岸及芜湖珩琅山一带局部可见, 零星保留有切割较早期正断层证据。

针对江南断裂带多期次的活动特点, 本次工作重点对芜湖珩琅山剖面、黄山河西‒沧溪村剖面及泾县陶窑村‒蔡村剖面进行了详细观察。

2.1 珩琅山剖面

珩琅山剖面(图1c)横跨江南断裂带(泾县段)北侧, 断裂带表现为志留系坟头组内部宽数百米的破碎带, 发育断层岩、牵引褶皱、旋转透镜体、书斜构造, 同时NE向次级张性破碎带内侵入有早白垩世花岗斑岩(140.9±1.1 Ma), 指示江南断裂带具多期次、多方向活动特点, 具体表现出至少四期构造活动: ①早期活动表现为断面倾向SE的逆冲断层(图2a), 带宽约2～3 m, 倾角上陡下缓(总体30°～40°), 断层带内发育有断层泥及次棱角‒次圆状的压性角砾, 次级断面可见逆冲擦痕; ②中前期张性正断层切割并破坏早期逆冲断层(图2b), 形成宽数十米的张性破碎带, 带内可见次棱角状的张性角砾, 断裂下盘伴有牵引褶皱, 可指示其运动学方向; ③中期左行走滑断裂发育于剖面的中北部, 断面倾角陡立(图2c), 该期断裂活动切割并破坏了侵入张性破碎带内的早白垩世花岗斑岩(图2d), 说明其活动时间晚于较早期的张性正断层; ④中晚期具右行走滑性质的正断擦痕切割中期左行走滑的擦痕; ⑤晚期挤压逆冲断层发育中期张性初碎裂带内, 规模相对较小, 呈低角度逆冲断裂式样, 断面倾向以北西居多, 倾角一般在10°～25°, 断裂上盘发育有初“布丁”构造、“书斜”构造等(图2e), 断层上盘初碎裂岩带伴有指示逆冲性质的牵引褶皱(图2f)。

2.2 河西‒沧溪村剖面

河西‒沧溪村剖面(图1c)横跨江南断裂带(太平湖段), 断裂带宽2～3 km。断层主要卷入了古生代地层, 断裂性质有逆冲挤压和正断拉张两类, 切割并破坏了印支期的褶皱构造。其中压性断裂主要发育在剖面中南部, 集中于能干性差异较大的地层之间(图3a), 形成一系列叠瓦状逆冲断层, 导致了地层的缺失以及产状的紊乱。该类断裂带宽约数米, 岩石脆性破碎, 发育了次棱角至次圆状角砾, 局部可见压性透镜体及断层泥。断面倾向以SE居多、NW较少。SE向断面上陡下缓, 倾角一般在20°～50°, 上盘伴随有紧闭的牵引褶皱(图3b); NW向断面规模较小, 倾角较缓, 一般在20°～30°(图3c)。张性破碎带发育于剖面中北部, 常见于志留系‒二叠系中, 以碎裂岩及初碎裂岩为主。碎裂岩主要沿高角度正断层内(图3d)及旁侧数米内分布, 呈棱角‒次棱角状(图3e), 初碎裂岩多远离构造带, 岩石裂而不碎, 保留有原始层理(图3f), 并逐渐过渡至正常地层。

图1 江南断裂带大地构造图(a、b)及邻区地质简图(c)

1. 粉砂质泥岩; 2. 细砂岩; 3. 泥岩; 4. 砾岩; 5. 花岗斑岩; 6. 初碎裂岩; 7. 角砾岩; 8. 逆断层; 9. 正断层; 10. 左行平移断层; 11. 上白垩世统赤山组; 12. 下志留世统坟头组。(a) 早期铲式逆冲断层; (b) 中期正断拉张; (c) 中晚期左行走滑; (d) 早白垩世花岗斑岩左行走滑擦痕; (e) 晚期初“布丁”构造和“书斜”构造; (f) 晚期低角度逆冲断层。

2.3 陶窑村‒蔡村剖面

陶窑村‒蔡村剖面(图1c)横跨江南断裂带(陶窑村段), 主要构造变形带位于陶窑村‒蔡村一带, 形成宽约1.2 km的构造破碎带。野外构造观察表明, 该断裂带经历了多期活动叠加, 晚期断裂切割并破坏了先期断裂(图4a), 进而形成断面倾向北西或南东的断裂系统。其内部构造变形呈强、弱变形域交替分布, 强变形域集中于剖面北西段, 发育有一系列逆冲断裂样式(图4b), 伴生有断层泥、压性透镜体、碎裂角砾(图4c)等构造。同时沿次级断面发育有擦痕(图4d)、阶步等构造要素, 断层的力学性质分逆冲挤压和正断拉张两类, 前者主要集中于褶皱两翼, 而后者则出现于向斜核部(图4e)。再者, 弱变形域主要集中于断裂带两侧, 带内构造岩以初碎裂岩为主, 伴生有雁列式节理以及牵引褶皱(图4f)等。

依据同一断面多期活动擦痕及旁侧次级断裂的交切关系, 可推断江南断裂带在该剖面处至少具三期活动: 早期为断面倾向北西的叠瓦扇式的逆冲断裂; 中期高角度正断拉张, 并破坏早期逆冲断层; 晚期逆冲挤压切割, 破坏早期断裂。

综合上述三条剖面内断层活动期次及构造特征, 可知江南断裂带自印支期以来构造变形多集中于脆性域, 并至少存在四期以上活动, 其中晚期活动以低角度逆冲断裂为代表。

1. 灰岩; 2. 白云岩; 3. 石英砂岩; 4. 泥岩; 5. 粉砂岩; 6. 细砂岩; 7. 泥质粉砂岩; 8. 岩屑砂岩; 9. 岩屑石英砂岩; 10. 中二叠统栖霞组; 11. 上石炭统‒下二叠统船山组; 12. 上石炭统黄龙组; 13. 上石炭统老虎洞组; 14. 下石炭统高骊山组; 15. 上泥盆统擂鼓台组; 16. 上泥盆统观山组; 17. 中志留统唐家坞组; 18. 下志留统康山组; 19. 正断层; 20. 逆断层。(a) 早期志留系逆冲于泥盆系之上; (b) 下志留统康山组内部逆冲断层; (c) 上泥盆统观山组内部逆冲断裂; (d) 中志留统唐家坞组内部高角度正断层; (e) 下志留统康山组碎裂岩; (f) 中志留统唐家坞组初碎裂岩。

3 磁组构特征

3.1 样品采集与实验测试

本次磁组构分析样品的采集主要建立在研究区内江南断裂带的空间展布范围及各区段构造特征的基础上。样品主要采自晚期逆冲断层旁侧的志留纪砂岩及二叠纪‒三叠纪灰岩, 共采集样品92块。在野外采取4 cm×5 cm×5 cm的定向块样, 所有样品均采用磁性罗盘野外定向。后在实验室将其切割成定向标样(长、宽、高各2 cm)。每个采样点分别采集 6～12个磁组构样品(表1)。

低场室温磁组构测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。为确定样品中主要载磁矿物成分及磁畴形态, 从各个剖面选取代表性样品首先进行岩石磁学测试, 岩石磁学测试在中国科学院地球环境研究所完成。其中, 热磁分析使用Kappabridge MFK1-FA系统(精度1×10–8SI, 测试频率967 Hz)完成, 样品在氩气环境下由室温加热到700 ℃后降至室温; 磁滞回线在室温下使用振动样品磁强计(MicroMag VSM3900)完成, 外加场最高达±1.5T, 经顺磁校正后得到饱和磁感应强度(s)、剩磁感应强度(rs)和矫顽力(c)参数等; 等温剩磁(IsothermalRemanent Magnetization, IRM)获得曲线测试中外加场最高为2.0Ｔ, 之后分步进行饱和等温剩磁(Saturation IRM, SIRM)反向场退磁曲线测试, 并得到剩磁矫顽力(cr)参数样品。磁组构测试利用捷克AGICO公司生产的Kappabrige磁化率仪(KLY-4S, 测试场强300 A/m, 工作频率875 Hz, 检出限2×10–8SI,测试精度0.1%)进行测量。

3.2 岩石磁学

3.2.1 磁化率与温度曲线

将代表性样品在氩气环境下从室温加热到700 ℃, 获得磁化率随温度变化的曲线, 可以判断样品中主要的磁性矿物, 代表性的升温曲线如图5所示。

所有样品在加热‒冷却过程中表现出明显的不可逆性, 热磁曲线清楚显示样品在加热过程中磁化率的波动曲线。其中样品加热至320 ℃时, 磁化率开始明显下降, 继续加热至500 ℃时磁化率又急剧升高, 至580 ℃时几乎降低为零, 这是由于加热温度接近磁铁矿居里点而使磁性消失所致, 反映磁黄铁矿是样品中最主要的载磁矿物(敖红和邓成龙, 2007)。之后, 曲线虽继续缓慢下降, 到680 ℃左右达到最低点, 但变化幅度很小, 表明样品中有少量赤铁矿存在。而样品冷却曲线远高于加热曲线上方, 说明经加热‒冷却后样品中有大量强磁性的矿物生成。此外, 冷却温度曲线斜率从580 ℃左右开始急剧增加, 在200～380 ℃出现宽缓磁化率峰值, 可能是热处理过程中新生成磁铁矿颗粒的Hopkingson效应所致。当冷却到室温后, 两个样品均失去了绝大部分的磁化强度。

1. 泥岩; 2. 含碳质泥岩; 3. 泥质粉砂岩; 4. 粉砂岩; 5. 细砂岩; 6. 石英砂岩; 7. 岩屑砂岩; 8. 灰岩; 9. 硅质岩; 10. 白云岩; 11. 角砾岩; 12. 下三叠统南陵湖组; 13. 下三叠统和龙山组; 14. 下三叠统殷坑组15. 上二叠统大隆组; 16. 中上二叠统龙潭组; 17. 中二叠统孤峰组; 18. 中二叠统栖霞组; 19. 上石炭统黄龙组; 20. 上石炭统老虎洞组; 21. 下石炭统高骊山组; 22. 上泥盆统擂鼓台组; 23. 上泥盆统观山组; 24. 中志留统唐家坞组; 25. 正断层; 26. 逆断层。(a) 晚期低角度逆冲断层切割早期高角度逆冲断层; (b) 上泥盆统擂鼓台组内部逆冲断层; (c) 中二叠统栖霞组内部压性角砾岩; (d) 下石炭统高骊山组内部低角度逆冲断层; (e) 下三叠统南陵湖组内部张性破碎带; (f) 下三叠统和龙山组内部高角度逆断层。

3.2.2 等温剩磁和磁滞参数

等温剩磁是岩石磁学鉴别不同磁性矿物的有效方法之一。在最大强度2.0 T的连续可变外磁场下, IRM获得的曲线具有一定的规律性, 表明江南断裂带剖面样品的IRM获得曲线在0.3 T以下随着外场增加, 等温剩磁增加较快; 在0.3 T时达95%以上, 而在0.3 T之后IRM随磁场增加的斜率接近于0, 磁铁矿的矫顽力在±0.3 T(图6), 进而可以推断样品中主要的磁性矿物为磁黄铁矿。

表1 江南断裂带岩石样品取样表

图5 典型样品热磁曲线

不同种类磁性矿物混合体的磁滞回线表现出不同形态, 磁滞特征可以提供亚铁磁性矿物矫顽力和磁畴状态信息的种类(Thompson and Oldfield, 1986)。江南断裂带内典型样品的磁滞回线表现出线形瘦长的形态(图7), 说明样品以低矫顽力亚铁磁性矿物(磁铁矿)为主。

图6 典型样品等温剩磁(IRM)曲线

图7 典型样品磁滞回线

此外, 结合剖面相关薄片鉴定结果可知, 江南断裂带的主要载磁矿物以磁黄铁矿为主, 含部分磁赤铁矿。

3.3 磁组构标量参数

磁化率各向异性的标量参数, 例如磁化率各向异性度(J)、椭球体形状因子()、扁率()、平均磁化率(m)、最大磁化率主轴(max)、最小磁化率主轴(min)等, 可以很好地反映磁组构的特征, 从而定量地反映构造带变形特征(Thompson and Oldfield, 1986; Tarling and Hrouda 1993; 侯贵廷等, 2010)。江南断裂带样品平均磁化率(m)为–8～312 μSI(表2), 并主要集中在26～305 μSI, 显示出微弱‒弱磁化率特征, 表明磁组构样品属于微弱磁性‒弱磁性。从样品磁化率各向异性度分布直方图(图8a)可知, 剖面采集的所有样品磁化率各向异性度总体不高。除少数样品外, 大部分样品(90%)磁化率各向异性度(J)值为1.01～1.09, 反映出弱应变。

磁化率椭球体形状因子()可以很好地揭示样品内磁组构的形成机制: 当>0时为“扁球型”;<0时为“拉长型”(Jelinek, 1981; Hrouda, 1982; Tarling and Hrouda, 1993; 张淑伟等, 2017; 王开等, 2017)。从剖面所有样品的值分布直方图(图8b)可知, 江南断裂带中74%的采样点样品分布于值>0的区域, 26%分布于值<0的区域, 表明磁化率椭球体以“扁球型”为主, 伴有少量拉张型, 进一步说明江南断裂带内岩石磁组构的形成主要以压扁为主, 兼有少部分拉伸。

表2 江南断裂带磁组构样品磁学参数

续表2:

图8 江南断裂带所有样品的磁化率各向异性度(PJ)与磁化率椭球体形态因子(T)分布直方图

岩石磁组构类型也常用Flinn图解表示。以(=max/int)为纵坐标,(=int/min)为横坐标, 将数据投影于该坐标系中, 以=1为界将坐标系划分为2个区域,>1表明磁化率椭球体为“拉长型”, 说明岩石中磁线理较发育;<1时磁化率椭球体为“扁球型”, 说明岩石中磁面理较磁线理发育。江南断裂带内磁组构样品Flinn图解(图9a)显示, 绝大多样品落在<1区域内, 即大多数样品具有“扁球型”磁组构, 与磁化率椭球体形状因子揭示的结果一致(图9b), 表明江南断裂带剖面的样品磁面理较磁线理发育。

3.4 磁化率椭球体主轴方位

磁化率椭球体主轴与应变椭球体主轴具有良好的对应关系, 能够反映岩石组构的优势产状(余钦范等, 1991; Tarling and Hrouda, 1993; Lüneburg et al., 1999; Almqvist et al., 2009; 陈应涛等, 2013)。

3.4.1 江南造山带南段磁化率主轴方位

河西‒沧溪村剖面构造岩磁组构样品(D0412～ D0433)主要采自晚期构造破碎带旁侧。全剖面磁化率主轴赤平投影显示最大磁化率主轴即磁线理方向主要分布于一、三象限靠近轴附近, 极密中心显示优势方向位于近EW向。经空间矢量计算获得优势产状为259°∠8°, 反映断裂带南段应变椭球体最大应变轴以近EW向低角度倾伏的特点, 与断裂带走向呈小角度斜交关系。最小磁化率主轴(min)即磁面理极点投图主要位于二、四象限靠近轴附近, 极密中心表明优势方向为近SN向, 倾伏角相对较大, 空间矢量计算获得优势产状为358°∠48°, 反映最小应变轴呈近SN向, 即受到近SN向挤压作用(图10)。

3.4.2 江南造山带北段磁化率主轴方位

陶窑村‒蔡村剖面构造岩样品(D0434～D0445)均采自晚期构造破碎带的上盘。磁化率主轴赤平投影显示最大磁化率主轴(max)即磁线理方向主要分布于第二、四象限靠近轴附近, 极密中心显示优势方向位于近EW方向, 经空间矢量计算获得优势产状为102°∠12°, 反映断裂北段应变椭球体最大应力轴位于近EW向, 倾伏角较小, 与断裂带走向呈小角度斜交关系。最小磁化率主轴(min)即磁面理极点投图主要位于一、三象限靠近轴附近, 极密中心表明优势方向为近SN向, 倾伏角相对较小, 空间矢量计算获得优势产状为193°∠5°, 反映最小应变轴呈近SN向, 即受到近SN向挤压作用(图11)。

图9 江南断裂带磁组构样品Flinn(a)和T-PJ(b)图解

图10 河西‒沧溪村剖面磁化率主轴赤平投影

图11 陶窑村‒蔡村剖面磁化率主轴赤平投影

4 讨 论

4.1 磁组构基本特征

通常情况下,m值低于500 μSI的样品, 其磁化率主要由顺磁矿物引起(Tarling and Hrouda, 1993)。本次样品原岩均来自志留系至三叠系的碳酸盐岩(C2/T1)或碎屑岩(S1-2/C1), 其主要组成矿物为石英、方解石及云母等。其中石英、方解石等抗磁性矿物及云母等顺磁性矿物是造成样品磁化率较低的根本原因(Rochette et al., 1992; Chadima et al., 2006; Jakub et al., 2009), 因此江南断裂带内磁组构样品表现出明显具低磁化率的特点。此外, 代表性样品的岩石磁学实验也表明, 内部主要的铁磁性矿物为磁黄铁矿, 结合薄片鉴定结果指示为多畴磁黄铁矿。同时磁面理优势产状与野外构造面产状近平行。由此可知, 江南断裂带的磁组构数据可以有效反映断裂带的变形特征, 磁组构来自于所有造岩矿物的贡献, 但主要受控于顺磁性的云母及铁磁性的多畴磁黄铁矿等。

众所周知, 未发生构造变形的沉积岩, 其磁性矿物一般平行于层理的沉积压实, 磁化率椭球反映原生沉积磁组构。原生沉积磁组构主要表现为磁面理平行于层面, 即max和int杂乱分散在层面上,min垂直于层面(王开等, 2017)。在初始变形阶段, 磁面理平行于层面,max相对集中于地层走向方向,int偏向倾向方向,min垂直于层面; 铅笔状磁组构阶段,max集中于地层走向方向,int呈带状散布在岩层的缩短方向; 弱劈理磁组构阶段,max继续集中于地层走向方向,min向构造方向集中; 强劈理磁组构阶段,max由构造Y方向过渡转向集中于构造方向,min平行于构造应变方向; 拉伸线理磁组构阶段,max向构造方向聚集,int集中于褶皱走向, 磁面理垂直于层面(贾东等, 2007)。通过对比不同构造变形阶段磁化率主轴的不同特点可知, 江南断裂带内部磁组构的应力状态以初始变形磁组构为主, 少数为铅笔状磁组构(图12)。同时磁组构内部max分布较为集中, 为典型的中间磁组构, 结合绝大多数max均沿地层走向展布的特点, 反映其主要形成于挤压环境下(Borradaile and Hamilton, 2004; Cifelli et al., 2005)。此外, 由于绝大多数样品中max趋向于地层走向方向排列, 且磁面理小角度斜交地层层面的特点, 反映其属于平行层缩短变形(LPS)的磁组构(罗良等, 2006, 2013; 王开等, 2014), 综上可知, 该磁组构形成于褶皱变形前的纯剪应变作用。

通常来说, AMS在成岩作用的最早阶段封闭, 当随后的变形不是特别强烈的时候, 成岩作用早期获得的磁组构在后期变形中作为一种被动的指示剂随地层发生旋转(Larrasonana et al., 2004; Oliva-Urcia et al., 2009; García-Lasanta et al., 2015), 即磁线理记录的应是旋转后的古应力场方向(Scheepers and Langereis, 1994)。由于皖南地区主要构造变形起始于印支期, 主压应力由印支期近南北向逐渐旋转为燕山早期的NWW-SEE向, 即磁线理应表现为NNE-SSW向, 而这与本文中磁组构所指示的近EW向古应力场相矛盾, 说明江南断裂带两侧磁组构所反映的古应力场方向应是后期改造过的。同时, 部分学者认为后期强烈的变形条件下, 早期构造变形阶段形成的磁组构可能被改造或者掩盖(谢晋强等, 2014; 王开等, 2014, 2017)。此外, 本次所采集的样品磁组构均位于晚期构造破碎带附近, 且磁组构对沉积物中的构造应力非常敏感, 磁性矿物也随构造应力场的变化而作出相应调整(Kissel et al., 1986; Rochette et al., 1992; Cifelli et al., 2004; 李自红等, 2015)。综上可知, 磁组构反映的古构造应力场方向应为后期活动中的较强一期, 而参考印支期以来中国东部古应力场方向可知, 磁组构样品所指示的主应力方向与中国东部中新世‒早更新世的主应力场方向一致。故此推断, 江南断裂带的磁组构特征很可能反映新生代(中新世‒早更新世)以来的构造变形。

4.2 磁组构与断裂运动关系分析

由于变形岩石中的磁化率椭球体与应变椭球体有较好的对应关系(Kligfield et al., 1977; Borradaile, 1988; 吴汉宁, 1988; Sagnotti et al., 1994; 李阳等, 2017), 其中磁化率椭球体最小轴代表最大应变的压缩轴, 即最大压应力方向(Tarling and Hrouda, 1993; 崔可锐和施央申, 1998; 许顺山和陈柏林, 1998; 周勇等, 2000; 李建忠等, 2006; 李震宇等, 2010)。故以该优势方位定义挤压应力矢量R, 并沿断裂面的水平和垂直方向进行分解应力分量N和P, 以两者与水平面断裂走向线或横剖面上断裂的倾向线的关系进行运动学分析(鲁如魁等, 2008; 王开等, 2017; 陈应涛等, 2019)。

图12 江南断裂带各采样点磁组构特征

4.2.1 河西‒沧溪村剖面

江南断裂带南段河西‒沧溪村剖面上盘的7个采样点(D0412～D0433)最小磁化率主轴方向呈近SN向, 空间矢量优势方位为358°∠48°, 反映了近SN向挤压特征。由于其在水平面上与江南断裂带走向斜交。于是, 在水平面上分别沿平行于断裂带走向线和垂直断裂带走向线对最小磁化率主轴方位角定义的单位合矢量进行分解。结果显示在水平面上沿断裂走向线的逆时针水平扭动, 但分量极小, 指示了江南断裂带水平运动中的有部分左行走滑运动特征(图13a)。而垂直的横切面上最小磁化率主轴与江南断裂带优势倾向SE斜交, 将统计所得的最小磁化率主轴优势方位倾伏角定义的单位合矢量沿水平及垂直于断裂倾斜线进行分解, 显示出在垂直面上存在逆时针的垂直转动, 指示SE盘相对NW盘上升, 说明断裂具逆冲性质(图13b)。而最小磁化率主轴方位角与主断裂带呈锐角夹角, 并且倾伏角较大, 由此可知江南断裂带晚期活动中垂直运动量大于水平运动量, 具体表现为以SN向逆冲为主、伴有少量左行走滑。

4.2.2 陶窑村‒蔡村剖面

陶窑村‒蔡村剖面采样点(D0434～D0445)磁化率椭球体主轴特征分析结果表明江南断裂带北段最小磁化率主轴呈近SN向, 优势产状为193°∠5°, 反映该期变形主要受到近SN向的挤压作用。min代表的断裂带主压应力合力在水平面上的方位角为193°, 与主断裂走向大角度斜交。在水平面上分别沿平行于断裂带走向线和垂直断裂带走向对最小磁化率主轴方位进行单位合矢量进行分解, 结果显示在水平面上平行于断层走向线的分量较小, 但仍呈逆时针旋转, 反映该期断裂活动以垂直于断裂带走向的挤压逆冲作用为主, 水平运动沿断裂走向具有部分左行走滑特征。而min的倾伏角为5°, 与断裂带的断面呈斜交关系, 在横切剖面上沿水平和垂直于断裂带倾斜面对min倾伏角定义的单位合矢量进行分解, 结果显示在垂直断裂走向的横切剖面上沿断裂面具顺时针扭动的特点, 指示SE盘相对于NW盘少量抬升, 即断裂带表现为自SE向NW的逆冲挤压活动特征(图14)。

综合分析表明, 江南断裂带晚期构造活动表现为自SE向NW的中低角度逆冲挤压变形, 并伴有少量的左行走滑特征。

4.3 构造意义

前人研究认为江南断裂带自印支期以来经历多期次活动(刘国生, 1997)。其中在中三叠世至早白垩世初期表现为自南东向北西的逆冲推覆(刘国生, 1997; 朱光等, 1999; 翟文建等, 2009)。早白垩世晚期开始表现为正断拉张, 并成为控制了章(阳)广(渡)、宣(城)南(陵)盆地的边界断裂。此后受早白垩世末期黄桥事件影响, 江南断裂沿早期断面发育高角度左行平移。进入晚白垩世, 受太平洋板块NW向俯冲推挤影响(Cande et al., 1995; Tarduno et al., 2003; Tarduno, 2007), 派生近南北向区域拉张(东西向挤压)作用, 江南断裂带表现为伴生有右行走滑特征的正断拉张活动, 近一步控制章广、宣南盆地晚白垩世至古近纪以来红盆的沉积(刘国生, 1997), 形成宣南盆地“南断北超”及章广盆地“北断南超”的盆地格局, 并延续直至古近纪末。此后太平洋板块对下扬子地区乃至中国东部陆内的构造作用减弱(徐曦和高顺莉, 2015)。

R. 最小磁化率主轴优势方位或倾伏角的单位合矢量; P. 平行断裂带走向的分量; N. 垂直断裂带的分量。

R. 最小磁化率主轴优势方位或倾伏角的单位合矢量; P. 平行断裂带走向的分量; N. 垂直断裂带的分量。

自始新世晚期开始, 澳大利亚板块与印度板块开始成为统一的板块, 并一起向北移动(Ren et al., 2002)。GPS观测与活动构造显示, 中国东部新构造变形主要来自印度板块与欧亚板块的碰撞影响(王小亚等, 2002; Li et al., 2012), 应力方向呈现近SN向挤压(万天丰和赵庆乐, 2012)和近东西向拉张作用(李三忠等, 2013)。同期NE向断裂表现为逆、逆掩断裂, 地壳呈近SN向缩短(万天丰和郝天珧, 2009)。受其影响, NE向的江南断裂带表现为一系列低角度逆断层。

此外, 晚白垩世下扬子地区构造背景经历了由挤压环境向拉张环境转变, 沉积了以泰州组、赤山组为代表的河湖相砂砾岩。该套红层展布形式明显受北东向断裂所控制, 后者兼具右行走滑特征的正断活动与多板块之间综合协调运动的有关。此后, 自渐新世末期, 太平洋板块开始向东后撤, 下扬子侧向伸展变形减弱至停止(徐曦等, 2015), 同时印度‒澳大利亚板块向北俯冲, 挤压欧亚大陆, 造成下扬子地区南北向挤压的构造格局。该期以江南断裂带为代表的NE向控盆断裂表现为低角度逆冲挤压, 其构造属性的反转是导致下扬子地区晚白垩世以来断陷红盆消亡的关键。此后的新近系沉积环境也由断陷盆地转变为坳陷盆地, 并最终形成了下扬子地区晚白垩世以来两种截然不同的盆地构造单元。由此可见, 作为控盆的边界断裂, 江南断裂晚期的活动与下扬子地区晚白垩世‒古近纪的断陷红盆的消亡关系密切, 或为该时期印度‒澳大利亚板块向北挤压的响应。

5 结 论

三条剖面的野外构造观察, 显示江南断裂带自印支期以来至少存在四期以上活动: 即早期南东向北西逆冲挤压; 较早期正断拉张; 中期左行走滑; 中晚期兼有右行走滑的正断拉张; 晚期逆冲挤压。

江南断裂带内92个样品进行的磁组构和部分岩石磁学研究结果表明, 岩石的主要载磁矿物是以磁黄铁矿为代表的铁磁性矿物和以云母为代表的顺磁性矿物。岩石磁组构是在原生沉积磁组构基础上叠加弱变形的组构; 磁化率椭球体最大轴max沿EW向分布, 最小轴min沿SN向分布, 反映江南断裂带晚期构造活动受近SN向挤压, 表现为弱左行平移性质的逆冲挤压, 即具左行转换挤压的运动学特征。

由于磁组构对沉积物中的构造应力非常敏感, 即反映新生代以来的变形, 同时主应力方向与喜山晚期的应力方向一致, 进而推断该期断裂活动的时限可能为中新世‒早更新世(23～0.78 Ma)。

致谢:本文撰写期间得到了江来利教授、刘国生教授、强小科教授的指导, 野外工作得到了安徽省地质调查院管后春高工、徐锦龙等同志的帮助和支持, 西北大学鲁如魁副教授及另一名匿名审稿人提出了建设性的修改建议, 在此一并致以特别感谢。

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WANG Chao1, LI Yang2, CHU Dongru1, WANG Yafei1, WANG Song3, WU Xuefeng4

(1. Geological Survey of Anhui Province, Hefei 230000, Anhui, China; 2. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi, China; 3. Hefei University of Technology, Hefei 230000, Anhui, China; 4. Public Geological Survey Management Center of Anhui Province, Hefei 230000, Anhui, China)

Magnetic fabric is a new method in regional fault structure study, it has been widely used in weak strain areas with few strain indicators. Detailed investigation of outgrowth structural characteristics and systematic study of rock magnetic fabric in the Jiangnan fault zone (Jingxian section) reveal that the maximum axismaxof the magnetic susceptibility ellipsoid is 259°∠8° and 102°∠12° , and the minimum axisminis 358°∠48° and 193°∠5°, indicating that the Jiangnan fault zone was subjected to the near SN compression stress and its most recent activity was dominated by the nearly SN thrust compression with weak left-lateral translation. Based on the characteristics of fault activity and previous research results, we believe that the magnetic fabric of the rocks indicates the recent activity characteristics of the Jiangnan fault zone, which might have taken place in the Miocene-early Pleistocene. Therefore, it can be concluded that the magnetic fabric characteristics of tectonics may provide microscopic constraint on the Cenozoic tectonic activity of the Jiangnan fault zone.

Jiangnan fault; magnetic fabric; structural evolution; Indosinian period; South Anhui

P542

A

1001-1552(2022)02-0236-017

2019-07-04;

2019-10-21

中国地质调查局安徽1∶5万南陵县等5幅区域地质矿产调查项目(12120113069200)、长江中下游成矿带安庆‒盱眙地区地质矿产调查项目(DD20160036)和安徽省公益性地质项目(2016-g-3-32)联合资助。

王朝(1988–), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质调查工作及构造地质学研究。Email: dynasty136671371@126.com