鲁西地块是一个独立的断块, 东、西界分别为NNE向的沂沭断裂系和聊城—兰考断裂带, 北界以齐河—广饶断裂与东营坳陷相邻, 南以丰沛断裂与徐—淮弧型构造相接^[1~2], 总体形态呈不规则的圆弧形。地形、地貌和地层展布以泰山—鲁山—邹县—临沂地区为中心, 向外呈环状展布(图 1)。前寒武纪结晶基底(太古宙和元古宙)构造层主要出露于地块的中部地区, 其上尚残留有部分尚未完全剥蚀掉的下古生界盖层。从核部基底隆起向外, 呈同心环状展布的盖层主要有古生界、中生界、新生界。下古生界(寒武系—奥陶系)倾向自东向西由北东转为北西, 倾角多为几度至十几度, 局部达30°左右。中生界发育于断陷盆地中, 新生界则沿地块的外侧发育^[3]。

图  1  鲁西地块构造简图与断裂分布(据文献[6])

1.中新生代火山—沉积盆地; 2.以上古生界为底的断陷沉积盆地; 3.白垩纪断陷盆地; 4.侏罗纪残留地层; 5.下古生界; 6.前寒武纪基底; 7.断层(性质不分); 8.正断层; 9.盖层拆离带; 10.隐伏断层; 11.中生代侵入岩体; Ⅰ.盖层底部主拆离滑脱带; Ⅱ.中生界底部拆离滑脱带
主要断裂名称:a.上五井断裂; b.淄河断裂; c.金山—姚家峪断裂; d.白泉庄—五色崖断裂; e.文祖断裂; f.长清断裂; g.曹县断裂; h.巨野断裂; i.肥城断裂; j.嘉祥断裂; k.孙氏店断裂; l.峄山断裂; m.大汶口—新泰断裂; n.莱芜断裂; o.汶上—泗水断裂; p.郓城断裂; q.荷泽断裂; r.凫山断裂; s.单县断裂; t.尼山断裂; u.独角山断裂; v.韩旺断裂; w.九山断裂; x.夏蔚断裂; y.蒙山断裂

Figure  1.  Simplified structural map of the Luxi block, showing fault distribution

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前人对地块的性质、组成、构造样式、岩浆活动和演化历史等作了大量野外调查和综合分析, 取得了重要的认识^[4~9]。本文在前人工作的基础上, 结合作者在该区开展的1:5万区域地质调查工作成果, 总结并论述鲁西地块的断裂构造分布型式、中生代构造变形样式、岩浆活动等, 在此基础上划分并讨论了该地块中生代构造演化阶段与构造体制转换的关系。

1.   断裂构造分布型式

野外调查和区域地质测量结果表明, 鲁西地区断裂构造非常发育, 褶皱较少且形态宽缓。断裂展布有一定的规律性, 以基底隆起为核部, 断裂分布有两种型式:一种呈放射状展布, 另一种呈同心环状展布(图 1)。有些断裂为单纯的放射状断裂, 有的则是放射状和同心环状断裂联合的产物^[6]。

放射状断裂主要有:夏蔚断裂、上五井断裂、淄河断裂、金山—姚家峪断裂、白泉庄—五色崖断裂、文祖断裂、长清断裂、汶上—泗水断裂、蒙山断裂、郓城断裂、菏泽断裂、凫山断裂、尼山断裂、独角山断裂等。这类放射状分布的断裂, 产状陡倾, 切割结晶基底和沉积盖层, 在基底中发育韧性剪切构造, 有的剪切带宽达2km, 剪切面上拉伸线理的走向为NW—SE向, 旋转碎斑和S-C组构等运动学标志显示右行剪切。根据切割的辉绿岩、花岗质岩岩脉的年龄推断, 基底剪切带的形成时代为古元古代(约20亿年)^①。沉积盖层中的陡立断层则以脆性变形为主, 破碎带宽几十米至几百米, 力学性质多变, 根据对断裂角砾岩性质的判断, 既有张性, 又有压性或压扭性, 是多期叠加变形的产物。

①  山东省地质矿产局第一地质大队.仲宫幅、大王庄幅、雪野幅和博山幅1:5万区域地质调查报告, 1995.

同心环状断裂主要有:莱芜断裂、大汶口—新泰断裂、肥城断裂、曹县断裂、巨野断裂、嘉祥断裂、孙氏店断裂和峄山断裂等。这类断裂以伸展顺层滑脱变形为主。野外观察和研究结果表明, 鲁西隆起区存在两个区域性滑脱面, 分别发育于寒武系馒头组与前寒武纪基底之间的不整合面、石炭系与奥陶系之间的平行不整合面。馒头组底部的滑脱面在鲁西隆起露头区分布广泛, 馒头组—毛庄组内部的次级滑动面多与馒头组底部的区域滑动面有关, 而马家沟组内部及石炭系煤系地层内部的次级滑动面则多与石炭系底部滑动面相关。这些层间滑脱面的形态存在基本平整和凹凸不平等形式, 滑脱面上、下部地层可以相互楔入或者相互混杂; 滑动面上部地层中的强硬层常发育布丁构造, 而下部岩层常形成碎裂岩和复杂的变形褶曲; 在滑片前缘地带可以形成小型平卧褶曲、逆冲断层等构造(图 2)。

图  2  古生界盖层底部滑动构造野外照片

Figure  2.  Field photos of the slide structure at the base of the Paleozoic cover

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根据主要同心环状断裂带的展布特点, 将鲁西地块划分出3个基本完善的、被3个环状断裂带所限的环状构造带^[8](图 1)。3个环状断裂带是:①肥城—沂源—临沂—曲阜环状断裂带:主体对应于古生界寒武系—奥陶系盖层与基底间的主拆离滑脱带。尽管拆离滑脱带不尽连续, 但总体呈环状展布。这些拆离带沿盖层与基底间的不整合界面发育, 是基底向上隆升、盖层向外拆离的过程中形成的正向滑脱带。②巨野—梁山—济南—淄博环状断裂带:该带对应于中新生界断陷沉积岩系与古生界之间的拆离带。断裂向外缓倾, 倾角多为10~30°, 界面往往具有明显的滑脱作用。中新生界的断陷沉积从内向外沉积逐渐加厚, 剖面上具有明显的箕状特征, 外侧沉积厚度最大可达600~1000m。③聊考—齐广环状断裂带:它构成了以古生界为底的中新生代断陷沉积岩系与以古近系为底的新生代火山—沉积物的界线, 同时亦是前述箕状沉积外围的铲状断裂, 断裂以高角度倾角向中部倾斜。

2.   中生代构造变形样式

结合近几年来鲁西地区1:5万区域地质调查成果, 中生代构造在垂向上可分为上、中、下3个主要构造层次, 分别被上白垩统、下白垩统和中—下侏罗统不整合覆盖。相应地, 可将鲁西地块的中生代构造变形分为3个阶段:印支期、燕山中期和燕山晚期^[7]。印支期变形以近东西向的宽缓—紧闭褶皱及逆冲构造为主导; 燕山中期变形以发育NNE走向的箱状褶皱为特征; 燕山晚期变形发育NW和NNE向共轭的X型、正断—走滑断裂组合。

印支期褶皱—逆冲推覆构造的基本特征:①褶皱轴迹在现今鲁西地块内为基本一致的东西走向或北东东走向, 轴面倾角差别较大。可分为两幕, 早幕为紧闭褶皱, 晚幕为共轴叠加的宽缓褶皱。在聊城—兰考断裂以西, 褶皱轴迹总体由华北南部的NEE向转为NNE向, 至燕山板内造山带再转为NEE走向。②逆冲推覆带与褶皱轴迹走向一致。在聊城—兰考断裂以西为由NWW向SEE方向的逆冲; 在鲁西地块内以由南往北的逆冲占主导, 也存在反向逆冲, 它们中的部分逆冲断层面被后期正断层继承。这些逆冲断裂没有影响到沿断裂侵入的燕山期闪长岩体, 并被燕山期变形所改造, 表明其形成于印支运动时期^[7]。③从区域上分析, 在济阳凹陷中, NWW走向的褶皱很发育, 从残存地层等厚图分析可以看出, 凹陷中NWW或近东西向褶皱构造的形成时间可能为中三叠世末期至晚三叠世, 与华南—华北地块沿大别—苏鲁造山带碰撞事件一致^[10]。

鲁西地区燕山中期变形以NNE—NE轴向的隔槽式箱状褶皱为特征, 主要卷入古生代地层。这些褶皱构造与盖层中大型的不整合面发生拆离滑脱作用密切相关。在结晶基底内发育NNE向的高角度断裂, 呈雁列式分布, 一般陡而窄, 以脆性走滑活动为主。

上述隔槽式褶皱反映了地块基底上隆过程中发生的挤出—滑脱构造。在结晶基底中发育的一系列陡立的逆断层, 主要与中、晚侏罗世持续的区域挤压作用有关。济阳坳陷内的地震资料和钻井资料表明, 卷入的最新地层为中侏罗统, 其上被下白垩统不整合覆盖, 指示其变形时代为燕山中期(中晚侏罗世)。

此外, 这些总体比较宽缓的褶皱构造, 被一组后期发育的伸展正断层切割。伸展正断层是在先期NEE向与NW向两组压性、压扭性结构面的基础上发展而成的, 断层面主体南倾, 走向总体呈近东西向, 西端向SW偏转, 东端向SE偏转, 呈略微向北凸出的弧形, 弧顶常出现NEE或SE方向的波状弯曲。它们构成早白垩世箕状断陷盆地的北界。断层面呈舒缓波状, 倾角一般60~70°, 地表出露陡, 可达70°以上, 深部变缓, 可小于37~50°, 表明为铲形正断层^[4]。断层带可见糜棱岩构造透镜体、断层泥、碎裂岩、擦痕、角砾岩等。有的断层于NE侧泰山群古老变质岩系中发育挤压破碎现象, 表明这些正断层作用之前具有挤压活动的特征^[11]。

燕山晚期, 鲁西地块内部主要发育两组断层, 即NW和NNE走向的断层, 呈X型断裂组合, 前者主要表现为犁式正断层, 后者主要表现为走滑断层。它们主要控制了下白垩统的分布, 并构成该区的上部构造层。代表性的断层自西向东有文祖、金山—姚家峪、上五井断层等。它们倾向或东或西, 倾角多在75°以上, 重力等深线反映密集, 梯度大, 切割深; 延伸都在100km以上。此外, 这些走滑断层带内可见构造透镜体、断层泥、擦痕等现象, 具有明显的走滑性质。NNE与NW走向的伸展正断层近于直交, 并切穿和错开正断层组。后期这些走滑断层还发生了东西方向的小规模伸展, 断层上盘下落, 落差1000~2000m不等, 大者达2500m, 形成了地堑或箕状断陷盆地, 东西方向的水平伸展量多不足1km^[11]。

3.   中生代原型盆地格局与叠合

鲁西地块在中生代时期有3个成盆期, 即早—中侏罗世、早白垩世和晚白垩世。这3个成盆期的原型盆地格局、形成及与前述燕山期构造变形之间存在着对应关系。

早—中侏罗世(燕山早期)形成的盆地主要分布于章丘、淄博、安丘及其以北的黄河口—曲堤盆地等地区, 以张性断陷盆地为主^[12], 最老的沉积物为中、下侏罗统的灰色砂砾岩、粗中粒细砂岩、泥岩夹煤层。其下部冲积—洪积相杂色砂砾岩厚度虽然不大, 仍然显示出裂陷盆地早期的近源剥蚀填积特征, 是鲁西经中生代早期隆升剥蚀后伸展作用开始萌生阶段的沉积物。区域研究表明, 在兰考—聊城断裂以西地区发育一些侏罗纪中—小型河湖—湖沼相坳陷盆地, 如东光盆地、临清盆地等。这些盆地受控于印支期古构造格局, 但受到后期的强烈改造, 残留盆地呈北东向斜列展布。从沉积相的组合特征和残留厚度可以推断该区早—中侏罗世为构造活动相对平静的时期, 是在弱伸展应力环境下的成盆作用。

早白垩世(燕山中期)成盆作用显著, 形成了一系列NW—SE向至近W—E向的弧型展布的断陷盆地, 如莱芜盆地、蒙阴盆地、平邑—费县盆地等。这些盆地北断、南超, 其中沉积了由杂色角砾岩、砂砾岩夹砂质泥岩组成的蒙阴组。靠近近W—E向弧形正断层一侧, 沉积物增厚、粒度变粗, 砾石棱角分明、粗大、大小混杂等特征, 显示出近源快速堆积的断陷盆地堆积的特征^{[4, 11]}, 说明鲁西地块处于强烈的伸展变形背景中。在兰考—聊城断裂以西, 发育众多的NNE向展布的、受断裂控制的小型坳陷盆地, 如葛渔城盆地、石家庄盆地、饶阳盆地、武清盆地、黄骅盆地及临清盆地等^[12]。在兰考—聊城断裂以东, 发育惠民—东营盆地、下辽河盆地、五号桩盆地, 盆地主轴为NWW走向, 强烈的火山活动及张性正断裂发育, 中、小型张性正断裂起着控盆的作用。

在断陷盆地及其两侧地带火山活动非常活跃, 在盆地内间歇式火山喷发与陆相沉积作用的交替混合堆积^[13]形成了早白垩世青山组, 主要由安山集块岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩及泥岩组成。

鲁西地块晚白垩世成盆作用显著减弱, 主要继承了早白垩世断陷盆地的格局, 沉降作用明显萎缩, 其中沉积了一套凝灰质砂砾岩夹泥岩、粉砂岩, 局部含有石膏。

总之, 燕山期不同阶段盆地发育的规模不同, 性质各异, 它们之间的相互转换与叠置, 导致了鲁西地块复杂的盆—山耦合关系。

4.   中生代岩浆活动

鲁西地区广泛发育典型的幔源岩浆岩, 包括侵入岩、富钾火山岩和煌斑岩脉。其中, 中生代侵入岩分布十分广泛, 类型多样, 但多数规模较小。根据林景仟等^[14]的研究结果, 鲁西地块中生代有两个岩浆活动集中时期, 即早侏罗世和早白垩世, 岩浆演化序列表现出岩浆基性程度由高变低、侵入深度由深变浅、围岩蚀变由强变弱的总体演化趋势。早侏罗世岩浆活动规模较小, 岩性以石英二长闪长斑岩、二长斑岩为主, 为高钾钙碱性—高钾碱性的岩石组合^[14]。Ar-Ar年龄为188~190Ma。早白垩世岩浆活动范围较广, 遍布全区。年龄统计结果表明, 岩浆作用时代介于115~132Ma之间, 形成了多种岩石系列, 有黑云母辉石岩、橄榄苏长辉长岩、石英二长岩、花岗岩等。这些岩石系列是在典型伸展作用下侵入的, 它们侵入了变形的围岩中, 由此推断鲁西地块强烈变形发生在早白垩世之前。

从岩性组合上可分为5组:①二长闪长斑岩—二长斑岩—正长斑岩组合, 以平邑铜石岩体为代表; ②辉石岩—二长闪长岩—正长岩组合, 以枣庄沙沟岩体为代表; ③橄榄苏长辉长岩—二辉闪长岩(角闪闪长岩)—石英二长岩组合, 以邹平地区的岩体为代表; ④闪长(斑)岩—石英二长闪长(斑)岩—花岗(斑)岩组合, 以沂南铜井一带的岩体为代表; ⑤碳酸岩类, 以雪野岩体为代表。前两类分布于鲁西南临沂—费县—平邑—泗水一线之南, 第三类主要分布于此线以北的广大地区, 第四类则以鲁西的东部近沂沭断裂带地域为多。碳酸岩分布在鲁西莱芜—淄博一带的八陡、乐疃、东石码、胡家庄、雪野等地。

鲁西地块晚中生代富钾火山岩多分布于陆相断陷火山盆地中, 代表性的盆地有蒙阴盆地、平邑—费县盆地、莱芜盆地、邹平盆地、临朐盆地和沂源盆地等^[13]。其中, 以蒙阴盆地的青山组发育最好。按岩性岩相特征可划分为3个喷发旋回:第1旋回由玄武粗安质—粗安质火山碎屑岩与复成分砾岩组成; 第2旋回由火山凝灰岩与粉砂岩互层组成; 第3旋回是区内火山岩的主体, 由偏碱性的中基性火山碎屑岩与熔岩组成, 岩性包括粗面玄武岩、钾玄岩及相应成分的火山集块岩、火山角砾岩等。富钾火山岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值较高, 为0.708715~0.711418, ε_Nd值为-11.47~-19.64, 显著偏低, 显示了富集地幔源区部分熔融的结果^[15]。

煌斑岩多分布在火山盆地的外围, 主要产在鲁西地块南缘的枣庄和新庄附近, 可区分为两类:一类为偏碱性超镁铁质煌斑岩; 另一类为偏碱性的中基性煌斑岩, 多侵入在寒武纪的地层中。煌斑岩具有与富钾火山岩一致的Sr、Nd同位素组成, 其形成环境也应为富集地幔。

5.   沉积—构造—岩浆演化序列和中生代构造体制转换

综合盆地沉积记录、岩浆作用和构造变形方面的研究成果, 发现鲁西地块中生代构造演化具有明显的序列性、阶段性和构造应力体制的交替性, 并将中生代沉积—构造—岩浆演化历史划分为6个阶段, 每个阶段之间的构造性质和盆地格局不同, 它们之间的转换勾画了区域构造动力体制和岩石圈深部热体制的演化。

(1) 晚三叠世挤压变形(240~200Ma):受到华南—华北地块沿秦岭—大别—苏鲁造山带碰撞的影响, 鲁西地块与华北地块其他地区一样, 遭受挤压变形, 形成近W—E走向的宽缓褶皱, 局部可见紧闭甚至倒转褶皱, 但没有岩浆活动的报道。鲁西地区与合肥盆地一起, 当时可能构成一个高原, 没有晚三叠世沉积, 应处于强烈的剥蚀状态。大别和苏鲁超高压带形成的变质峰值年龄为240Ma, 折返作用主要发生在220~200Ma^{[10, 16]}之间。这个时期郯庐断裂发生左旋剪切变形, 变形时代在210~214Ma^[17]。

(2) 早、中侏罗世弱伸展作用(190±10Ma):这是一个构造活动相对平静的时期, 继三叠纪碰撞造山之后, 岩石圈发生拆离^[18], 大陆岩石圈内部应力场发生调整, 华北地块整体处于弱伸展构造环境, 鲁西地块中的NW向断裂发生拉张, 闪长岩类杂岩侵入其中, 成为这次岩石圈伸展作用的重要记录。该阶段是中国东部中生代大地构造演化历史的重要过渡时期, 不仅传承了特提斯构造体制向太平洋构造体制的转换, 同时成为两个构造体制转换的重要分界。

(3) 中、晚侏罗世挤压变形与地壳增厚作用(170~135Ma):自中侏罗世晚期开始, 中国东部构造体制发生重要转折, 古太平洋板块向亚洲大陆俯冲, 使东亚陆缘构造性质发生重大的变化, 从被动陆缘转换为主动陆缘。受到这一板块动力学体系的影响, 华北地块东部地区处于强烈的陆内挤压变形, 多幕式的挤压事件使鲁西地块基底和沉积盖层发生不同程度的逆冲—褶皱变形, 形成NNE至NE向紧闭—宽缓褶皱和逆冲推覆构造; 地块东部边界的郯庐断裂发生左旋走滑活动。由于地壳显著增厚, 位于郯庐断裂东侧的胶北隆起区和西侧的蚌埠隆起区发育地壳重熔型片麻状花岗岩, 侵入时代在160~150Ma之间^[19~20]。

(4) 早白垩世岩石圈拆沉、大陆裂谷与地壳伸展作用(135~110Ma):自早白垩世早期, 中国东部构造体制又一次发生重大转折, 构造演化进入到以大陆地壳伸展和大陆裂谷占主导的阶段, 表现为广泛发育的伸展构造、断陷盆地、异常活跃的双峰式火山活动、普遍发育IA型侵入岩等^[21], 郯庐断裂巨型古裂谷系在此阶段形成和发育^[22]。这些现象反映了中国东部构造体制从中晚侏罗世以陆内挤压变形和地壳增厚作用为主转变为早白垩世以地壳引张伸展作用和岩石圈减薄为主, 这种转换主要的深部原因可能与增厚的大陆岩石圈发生突发性拆沉有关^[23~24]。在这种构造背景下, 鲁西地块同心环状分布型式的断裂构造正与这个时期的岩石圈拆沉和地幔上隆密切相关。牛树银等^[8]认为, 这个时期的构造—岩浆活动与“鲁西幔枝构造”活动有关, 即北西向陡倾基底韧性剪切带切割了深部华北地幔亚热柱向外拆离的地幔岩, 导致其减压释荷形成深熔岩浆; 岩浆上侵使得变质基底隆升、周缘盖层拆离滑脱, 形成典型的鲁西幔枝构造, 在顶部则发育一系列明显的拆离掀斜断块。

(5) 早白垩世末期挤压变形与盆地反转事件(100±10Ma):这是一期区域性的挤压事件, 使早期形成的断陷盆地发生构造反转, 地层褶皱或翘倾, 上、下白垩统之间形成平行或角度不整合。这种现象在鲁西不明显, 在鲁东的胶莱盆地有明显的记录^[25]。郯庐断裂发生左行走滑活动^[26~27]。

(6) 晚白垩世区域隆升阶段(80~60Ma):经过早白垩世末期的区域性挤压变形, 晚白垩世地壳构造演化发生了明显的分异。这个时期, 鲁西地块东界的郯庐断裂发生右行走滑活动^[28], 鲁西地块进一步隆升。

6.   讨论与结论

鲁西地块特定的断裂构造分布型式和构造变形样式既具有局部性, 又包含有区域性, 为研究中国东部中生代构造演化和构造体制转换提供了重要的野外实验基地。初步研究表明, 该地区中生代时期经历了至少6个演化阶段和多次重大构造体制的转换。这个中生代构造演化的阶段模式具有重要的区域意义。早侏罗世之前, 特提斯构造动力体制, 尤其是华南、华北地块沿秦岭—大别—苏鲁造山带的碰撞过程, 统治了该区的沉积、构造、岩浆活动历史。这个时期郯庐断裂的左旋走滑运动主导了鲁西地块放射状分布型式的断裂构造。早侏罗世以后, 东亚大陆主动陆缘和大洋板块俯冲动力学系统主导了大陆内部的沉积、构造、岩浆作用。在古太平洋板块向亚洲大陆之下俯冲的动力体制下, 华北东部经历了从中晚侏罗世的地壳挤压和增厚过程到早白垩世岩石圈伸展和巨量减薄过程的大转换, 这个构造体制的转换, 在鲁西地块有良好的沉积、构造和岩浆活动的记录。其中鲁西地块主要盖层拆离断裂的同心环状分布型式正是对早白垩世岩石圈局部拆沉和地幔上隆动力学过程的地表响应。显然, 刻画这个动力学过程, 需要更多的变形运动学和年代学资料的支持。