TECTONIC DEFORMATION FEATURES OF SHENNONGJIA REGION IN EASTERN DABASHAN FORELAND STRUCTURAL BELT
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摘要: 神农架地区位于大巴山前陆弧形构造带东段, 以阳日断裂为界, 可分为北带基底拆离带和南带神农架隆起, 北带以E -W走向的基底拆离和盖层滑脱为特征, 古生界盖层褶皱紧闭; 南带神农架隆起周缘的盖层变形特征各异, 北缘变形较弱, 东缘变形很强, 其西、南周缘发育特征的裙边状褶皱构造, 南缘裙边褶皱以枢纽大角度倾伏为典型特征。古构造应力场反演结果显示, 该区主要受控于近S -N向主压应力作用; 受到神农架、黄陵两个隆起相向对挤作用, 神农架隆起东缘主压应力方向为NW -SE向, 两个不同方向的应力场可能均与早燕山期大巴山强烈的陆内造山作用有关。综合分析和对比结果显示, 大巴山前陆构造带东段的构造演化历史经历了印支雏形期和早燕山定型期两个构造演化阶段, 神农架基底隆起对大巴山前陆弧型构造带的形成起到了限制作用, 神农架地区的构造变形研究对于探讨大巴山前陆弧形带的形成和演化具有重要的指导意义。Abstract: Shennongjia is located in the eastern part of Dabashan foreland arc-shaped structural belt. With the Yangri fault as a boundary, this region can be divided into the northern and southern parts. The northern part is characterized by W-E trending basement-involved detachment and cover folding, with the Palaeozoic cover closely folded. The southern part, named Shennongjia basement uplift, has different deformation features in the periphery, with deformation weak in northern margin but strong in the eastern one. As to this uplift, there are skirt-like fold structures in its western and southern margins, and the southern ones were characterized by fold hinge with large plunge angle. From the field analysis of fault kinematics and paleo-tectonic stress inversion from slip vectors, we can see that the region was mainly controlled by S - N compression stress field, but the stress field of the eastern margin was changed into NW -SE because of the compression from Shennongjia and Huangling uplift. Regional structural analysis and comparison showed that the eastern part of Dabashan foreland structural belt experienced Indosian primary formation stage and Yanshan final formation stage, and the Shennongjia basement uplift played a role of restriction in the formation of Dabashan foreland arc-shaped structural belt. The research on the deformation of Shennongjia has great significance to understanding the formation and evolution of the Dabashan foreland arc-shaped structural belt.
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0. 引言
大巴山构造带位于四川克拉通盆地与秦岭造山带的结合部位, 其构造格架及分带特征十分清楚。以城口-房县断裂为界, 分为北大巴山逆冲构造带和南大巴山前陆弧形构造带, 北大巴山逆冲构造带由逆冲断片堆叠组成, 而南大巴山前陆弧形构造带主要由断层及相关褶皱组成(图 1)。
南大巴山主体为一个向南西凸出的弧形构造带, 该弧形带的形成机理、形成的起始年代、定型年代及控制因素等一直是有争议的。弧形构造带西段与汉南地块相接, 东段为神农架-黄陵地块, 许多作者认为, 东、西两个“基底隆起”对弧形带的形成和发展起到重要的作用(张国伟等, 2003[1], 2004[2]; 王二七等, 2006[3])。目前, 对弧形带西段的构造变形研究较为详细, 尤其大巴山前陆构造带与米仓山前陆构造带的横跨叠加褶皱及其构造样式, 做了大量的调查研究, 取得了重要的成果(董树文等, 2005[4], 2006[5]; 施炜等, 2007[6]; 张忠义等, 2009[7])。结果显示, 大巴山前陆弧型构造带的形成起始于中晚三叠世印支期碰撞造山作用, 定型于中晚侏罗世早燕山期陆内造山阶段。
但就目前而言, 要想阐明前陆弧形构造带的形成机理及各种相关问题, 仅有西段研究成果是远远不够的, 东段神农架地区就成为目前研究其前陆构造带的重要区域之一。神农架地区的构造分带、变形特征及这一特殊隆起对大巴山前陆弧形带起到什么样的作用等问题, 已成为面临的重要科学问题。本文基于野外调查和观测, 运用构造解析原理, 通过构造变形样式与古构造应力场分析, 剖析大巴山前陆带东段神农架地区的构造变形特征、叠加变形样式、盖层滑脱和基底拆离关系等, 进而建立区域构造演化历史, 对于研究大巴山前陆弧形带的形成和演化具有重要意义。
1. 神农架地区地质概况
神农架地区位于大巴山前陆构造带东段, 雪峰山前陆与大巴山前陆的复合区域, 北侧为南秦岭武当隆起, 南侧为侏罗纪秭归盆地(图 2)。该地区主要出露中元古界-古生界。基底地层为中元古代神农架群, 岩性组合主要为一套以白云岩为主的海相碳酸盐岩、火山碎屑岩及凝灰岩等。青白口系马槽园群(1000 ~ 800Ma)出露于神农架隆起南缘, 这是一套巨厚含火山碎屑岩质砾石磨拉石建造, 不整合覆盖在神农架群瓦岗溪组之上, 其上被南华系莲沱组不整合覆盖(图 3, 图 4)。马槽园群地层单元具有重要的大地构造意义, 它记录了扬子北缘Rodinia超大陆的聚合过程。由于马槽园群火山岩中不含碱性火山岩和双峰式火山岩, 推测其为晋宁期造山期磨拉石建造。南华系分为莲沱组、坪阡组、大塘坡组、南沱组等地层单元, 总体由陆相向海相转换的沉积序列组合, 属于拉张型磨拉石建造, 代表了晋宁运动的结束。神农架地区发育的两个区域角度不整合面, 代表了晋宁运动(800Ma)一次完整的构造旋回(周鼎武等, 1996[8])。莲沱组主要为紫红色含砾凝灰质砂岩, 底部为杂色砾岩, 属于磨拉石沉积建造。坪阡组及大塘坡组地层相对较薄, 主要岩性为凝灰质砂岩及深灰色含砾砂岩、页岩。南沱组是一套砂泥岩及冰碛砾岩。震旦系灯影组和陡山沱组, 岩性组合为粉砂-细砂岩、硅质岩以及以白云岩为主的海相碳酸盐岩。神农架地区出露的古生界包括寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系, 其中泥盆系、二叠系仅在神农架隆起带南缘出露, 寒武系主要为泥岩、页岩、灰岩等; 奥陶系主要为瘤状灰岩、生物碎屑灰岩并含少量页岩等; 志留系主要为粉砂岩、页岩等; 泥盆系主要为粘土质粉砂岩及砂质页岩等; 二叠系主要为燧石结核灰岩及炭质页岩等。中生界仅在秭归盆地出露, 包含三叠系、侏罗系, 三叠系主要为灰岩, 上统须家河组过渡为陆相碎屑砂岩层; 侏罗系主要为陆相粘土质砂岩、粉砂岩等(图 4)。
2. 神农架地区构造格架与变形特征
2.1 主要断裂
城口断裂:该断裂带构成了南、北大巴山分界, 是一条重要的边界断裂(图 2), 主要位于新元古界凝灰质碎屑岩系中, 呈弧形展布, 中段为NW走向, 与北大巴山构造线方向一致; 东、西端均与北大巴山构造线高角度截交, 西段走向为近SN向, 并出现波状弯曲; 东段房县-青峰附近为EW走向。前人对该断裂的运动性质存在不同的认识, 一种认为以走滑为主(何建坤等, 1997[9]; 王二七等, 2006[3]), 一种认为以逆冲为主(徐亚军等, 2005[10]); 还有一种认为其兼具逆冲和走滑的性质(刘树根等, 2006[11])。笔者对于城口-房县断裂东段房县-青峰段进行了详细追踪, 对其几何特征及运动特征有了清楚的认识:房县-青峰段断裂倾向向北, 倾角50 ~ 70°, 断层滑动矢量统计结果显示(表 1及图 5中DBS4105、DBS4113、DBS4116), 受近SN方向挤压应力场控制, 断裂发生逆冲活动, 导致断裂北侧的南秦岭武当群绿片岩相变质岩高角度向南逆冲在震旦系白云岩之上。晚白垩世-早新生代时期, 断裂发生局部断陷, 形成房县断陷盆地。
表 1 大巴山前陆带东段断层滑动矢量及应力场反演结果Table 1. Tectonic stress fields in the eastern part of Dabashan foreland structural belt阳日断裂:为大巴山前陆构造带西段镇巴断裂的向东延伸(图 2)。该断裂走向近EW, 横贯神农架地区北部, 将神农架地区分割为南、北两个亚带:北带为基底拆离构造带, 南带为神农架隆起。野外观察表明(图 6), 该断裂倾向向N, 倾角50 ~ 60°, 运动性质主要以逆冲为主, 导致中元古界基底高角度向南逆冲到下古生界不同层位地层之上, 断距大于3000m。上盘中元古界乱石沟组白云岩破碎明显, 其中发育多组脆性滑动面, 断层滑动矢量指示最大主挤压应力方向为近SN(图 6)。
九湖断裂:位于神农架隆起的西缘-神农架隆起与大巴山前陆盖层滑脱带交接地带, 也是一条十分重要的断裂(图 2)。野外观察和测量表明(图 7), 该断裂走向NW, 倾向SW, 倾角约50°。断裂上、下盘均为震旦系, 上盘北侧出露小面积中元古界。断层面上发育方解石生长薄膜叠加擦痕构造, 指示该断裂至少经历了两期变形叠加, 早期近NE方向挤压, 晚期近EW向挤压(图 7)。这两期挤压作用均使该断裂发生逆冲活动。断裂西侧褶皱轴走向近EW, 东侧构造线走向为NW, 东西两侧构造线方向的截然不同表明该断裂是一条十分重要的边界断裂, 它可能控制了神农架块体的隆升历史。
2.2 构造分带特征
根据不同构造层构造变形特征和构造样式, 以阳日断裂为界, 把神农架地区划分为南、北两个带(图 3)。
北带为基底拆离带, 夹于城口断裂与阳日断裂之间, 出露中元古界-古生界部分地层, 基底地层为中元古界神农架群乱石沟组, 岩性组合主要为含泥质、硅质条带白云岩, 盖层主要为寒武系-志留系。古生界盖层发生强烈褶皱作用, 形成各种褶皱样式, 例如尖棱褶皱、箱状褶皱等(图 8-1、8-2、8-3), 缩短量巨大。元古宇基底地层变形较弱, 地层大多倾向向北, 倾角 < 30°(图 8-4)。结合前人地质剖面制作的经验和方法(尹安等, 2007[12]), 本文制作了神农架南北向AB构造剖面图(图 3), 图 3及野外资料(图 8)均显示, 北带元古宇基底与古生界盖层的变形呈现明显的不协调性, 盖层褶皱远较基底褶皱复杂而强烈, 据此可推测, 二者之间存在滑脱。寒武系底部水井沱组主要岩性组合为薄层灰岩及炭质页岩等(图 4), 变形尤为强烈, 形成一系列紧闭褶皱样式, 推测其为控制元古宇基底与古生界盖层变形不协调的重要滑脱层之一, 由于震旦系灯影组白云岩变形十分微弱, 并未卷入变形, 推测滑脱面层位位于寒武系下统水井沱组与震旦系灯影组的交界部位。
南带为神农架隆起, 神农架隆起核部出露中元古界神农架群基底, 主要由海相碳酸盐岩组成。基底内部发育的北缘东西向、西缘北西向、东缘北东向3个方向构造, 共同构成神农架隆起, 且北缘、西缘、东缘分别被阳日、九湖、新华3条断裂所切割, 总体变形较弱, 地层发生微弱变质及褶皱作用。神农架隆起周缘盖层主要出露古生界-早中生界, 盖层变形与基底变形明显不协调, 且由于周缘盖层之间构造环境不同, 形成的动力学机制不同, 导致神农架隆起周缘盖层变形特征各异。北缘盖层变形程度较弱, 地层倾向向北、产状平缓(20 ~ 30°), 仅志留系薄层泥岩发生褶皱作用, 图 9右上方小圆为褶皱枢纽统计图, 结果显示, 褶皱枢纽近东西向, 指示该带主要受控于南北向挤压应力作用(图 9)。东缘盖层为神农架隆起、黄陵隆起两个刚性块体之间的软弱区域, 构造线方向为北东方向, 受两个刚性块体的相向对挤作用, 该区域的褶皱作用十分强烈, 野外小褶皱枢纽(图 10左上方)显示该带主要受控于北西向挤压应力场作用(图 10)。西缘和南缘盖层发育典型的裙边状褶皱构造, 将于下文进行详细介绍。
神农架地区南北向AB构造剖面图(图 4)显示, 神农架隆起为一个大型的复背斜构造, 复背斜北翼地层产状比较平缓, 南华系南沱组微角度不整合于神农架群乱石沟组之上, 古生界寒武系-志留系向北倾。复背斜南翼产状变陡, 地层组成比较复杂, 青白口系马槽园组角度不整合于元古宇基底之上。
3. 神农架隆起西、南缘裙边状褶皱构造
裙边褶皱与“花边状”褶皱形态类似, 邓晋福等(2005) [13]曾对燕山地区发育的大量“花边状”褶皱做了系统性研究并指出, “花边状”褶皱的形成是造山期多幕挤压变形叠加的结果。马托埃(1980) [14]、霍布斯等(1976) [15]指出:每期构造均有自己独特的变形方式(走向、指向等), 叠加构造可以形成十分复杂的构造现象, 关键是将每期构造的构造形迹与构造期联系起来, 并由此确定构造时代先后关系。
神农架隆起的西缘与南缘发育典型的裙边状褶皱构造, 以九湖地区褶皱构造为例, 九湖断裂西侧为神农架隆起与前陆盖层滑脱带的交界地带, 以东西向褶皱构造为主, 卷入变形最老地层为寒武系下统石龙洞组(∈1sl), 最新地层为下三叠统嘉陵江组(T1j), 褶皱紧闭, 地层近于直立, 局部地区出现倒转。九湖断裂东侧主要发育北西向褶皱构造, 变形样式上为宽缓的复背斜和复向斜, 典型的构造有神农顶背斜和木鱼坪向斜, 褶皱两翼地层产状平缓(倾角30 ~ 40°), 与上述九湖断裂西侧古生界中紧闭、倒转褶皱样式形成鲜明对比。神农架隆起与边缘地带构造变形样式存在显著差异, 由于神农架基底的隆起限制了前陆盖层滑脱褶皱带的发育, 在前陆盖层滑脱带和神农架隆起之间形成了一种特有的限制型变形样式, 即裙边状褶皱。笔者对于神农架隆起西缘、南缘裙边褶皱区域进行了详细野外观测, 发现神农架隆起南缘褶皱存在一个显著特征:褶皱枢纽均存在一定角度的倾伏, 倾伏角最大可达50 ~ 60°, 尽管枢纽倾伏方向不一, 但枢纽指示的最大主应力方向均为近南北向(图 11)。
笔者认为, 本区与燕山地区“花边状”褶皱不同, 它们不是两个世代褶皱叠加的结果, 而是与神农架基底隆起构造有关。神农架基底隆起核部相对刚性, 而周缘古生界-中生界盖层相对软弱, 在侏罗纪陆内造山过程中, 大巴山前陆盖层滑脱带的东部地区受到神农架刚性基底隆起的限制, 在其西缘形成了类似裙子边部的褶皱构造(图 2)。
结合区域构造背景, 笔者认为神农架隆起南缘裙边褶皱的形成主要受控于神农架隆起对于雪峰山弧形构造带的限制作用, 由于这一特殊“构造结”的阻挡作用, 雪峰山NE-NEE构造并未延伸到神农架隆起内部及北缘, 而是在神农架隆起南缘发生强烈褶皱作用, 在南北向挤压应力的持续作用及刚性基底的限制作用下, 导致褶皱枢纽一端被抬起, 发生大角度倾伏。
4. 大巴山前陆带东段古构造应力场特征
构造应力场分析一直是大陆动力学研究的重要内容, 已广泛应用于青藏铁路、隧道工程和汶川地震等国家建设和国计民生重大方面[16~ 22], 应力场的分析越来越受地质学家关注。构造应力场分析方法很多, 常用的方法是通过对断层几何学和运动学特征的观察, 测量不同时代地层中的断层面及其上的滑动矢量(断面倾向、倾角, 擦痕侧(倾)伏向、侧伏角), 并根据各种构造标志, 如石英或方解石生长矿物、牵引构造等, 判断断层运动方向; 结合断层的切割关系及线理的叠加关系, 确定断裂活动的先后期次; 最后将这些测量参数进行筛分后输入到计算机程序, 利用反演软件计算各观测点三轴主应力方向。本文古构造应力场反演软件(Fault), 为法国南巴黎大学地质系地球动力学实验室研究开发。目前, 这种构造解析方法已被成功运用到了中新生代的构造变形研究之中, 例如鄂尔多斯盆地晚中生代构造应力场的反演(张岳桥等, 2006[23])、大巴山前陆带西段叠加构造应力场的反演(施炜等, 2007[6])等。
图 2、图 5分别展示了大巴山前陆带东段古构造应力场平面分布情况、断层滑动矢量统计资料, 详细的反演计算结果列于表 1, 图中展示断层的古构造应力场反演结果与前文提到的褶皱枢纽反映的应力场结果完全一致, 断层与褶皱资料结合使用, 反映的应力场结果更加真实、可靠。从中可见, 前陆带东段以逆冲机制的古构造应力场占主导, 少数走滑机制, 最大水平主压应力方向近S -N, 与前陆带褶皱构造线方向垂直, 与城口断裂垂直。神农架隆起东缘发育一系列北东向构造, 最大水平主压应力方向由S -N转变为NW -SE, 笔者认为主要由于神农架隆起与黄陵隆起相向对挤作用形成, 北东向构造主要发育于神农架、黄陵两个隆起之间并未延伸很远, 与岷山南北向构造形成机理极为类似(张国伟等, 2004[2])。
另外, 在徐家坝断裂以北的寒武系中-薄层灰岩中, 发育十分有意义的两期构造叠加现象:早期褶皱构造被晚期逆冲断层切断, 并发生位移。通过对早期褶皱枢纽的统计, 发现枢纽走向近东西, 指示近南北向挤压作用(图 12); 而晚期断层面擦痕分析也指示近南北向挤压。笔者推断, 前陆带东段存在早、晚两期变形叠加, 它们的挤压方向均近S -N。由于两期挤压应力方向近乎一致, 形成的褶皱及断层构造难以区分。
由于缺乏用于直接定年的矿物, 脆性变形的年代学问题一直是一个未能解决的问题。本文将构造应力场反演结果与区域构造演化历史相联系, 推测早期S -N向挤压应力场可能为印支期构造运动的产物, 晚期S -N向挤压应力场及东缘NW -SE向挤压应力场可能均与早燕山期大巴山强烈陆内造山作用有关, 将在文章讨论部分进行详细说明。
九湖断裂附近发育的NE向挤压应力场, 数据较少, 由于其主要记录于基底内部, 且与基底西侧主要褶皱轴(神农顶背斜)垂直, 笔者推测该期挤压应力场可能发育最早, 主要控制基底内部褶皱作用, 在此不做过多陈述。
5. 大巴山前陆构造带东段构造演化历史讨论
大巴弧形成的时代是大巴山构造研究的关键科学问题。但由于缺乏构造变形年龄的直接物质记录, 有关大巴弧形成时代主要依据前陆构造带和前陆凹陷带地层接触关系, 因而存在不同的理解。许多学者相信, 大巴弧的形成不是一次构造事件的结果, 而是多次构造事件的叠加。但对于大巴弧的定型时代, 则存在争议。有的强调形成于印支期(贾承造等, 2003[24]), 并受到燕山期构造运动的叠加(许志琴等, 1986[25]), 许多学者强调大巴山构造带经历多个演化阶段, 并最终定型于喜山期(邓康龄, 1992[26]; 乐光禹, 1998[27]; 胡宝清等, 2001[28]; 汪泽成等, 2006[29], 2004[30]; 沈传波等, 2007[31])。何建坤等(1997, 1999[32])根据北大巴山构造反转的大致时代(中三叠世), 结合发生构造反转所卷入的地层时代以及区域构造研究成果, 认为大巴山逆冲构造带在T2-J1发生冲断变形, 而大巴山前陆的褶皱变形时间定在T3-K1。董树文等(2005[4], 2006[5])强调大巴山前陆为三叠纪与侏罗纪的复合前陆, 大巴山前陆是侏罗纪陆内造山作用的产物, 认为其定型于中晚侏罗世。
野外调查显示, 大巴山前陆弧形构造带卷入变形的最新地层为中侏罗统地层, 并发生褶皱作用。位于四川盆地的白垩系产状十分平缓, 与大巴山前陆带的变形样式截然不同, 说明白垩系变形是后期叠加的结果。据此推断, 大巴山前陆构造带的几何形态最终定型于中晚侏罗世, 而晚燕山运动及喜山构造运动对大巴山构造带的影响较弱, 不足以改变侏罗纪形成的弧形构造带形态。基于神农架地区构造格架、变形及构造应力场特征, 本文认为大巴山前陆构造带东段构造演化经历印支雏形期和早燕山定型期两个构造演化阶段。
中晚三叠世的印支运动过程中, 秦岭造山带全面陆陆碰撞造山, 形成中央造山带NWW走向构造带的基本构造格架, 神农架北侧的武当群发生韧性剪切变形(蔡学林等, 1988[33]、1994[34]; 方向池等, 1998[35]), 拉伸线理指示最大主应力方向为近SN向。受秦岭造山带印支期造山作用影响, 在近S - N向主挤压应力场作用下, 大巴山前陆带东段古生界-三叠系均卷入变形, 形成一系列近东西向褶皱构造, 初步奠定了大巴山前陆带东段的构造格局, 并在大巴山前陆发育下侏罗统白田坝组底砾岩与上三叠统须家河组砂岩之间的不整合面。中晚侏罗世的早燕山运动过程中, 在继承印支期褶皱变形的基础上, 受大巴山陆内造山作用的影响, 前陆带东段仍为近S -N向挤压, 在其作用下, 大巴山前陆带东段也形成了一系列东西向褶皱构造, 并对先存印支期褶皱构造进行改造, 形成断层切割褶皱构造组合样式, 局部地区出现“共轴”叠加褶皱干涉样式。由于侏罗纪陆内造山作用的影响, 神农架-黄陵稳定刚性地块也开始隆升(160 -95Ma, 许长海等, 2009) ①, 神农架隆起周缘盖层发生强烈变形, 形成一系列褶皱构造。隆起东缘由于两个刚性块体相向对挤作用, 两个块体之间形成一系列北东向构造, 最大水平主挤压应力场方向由S -N向转变为NW -SE向。大巴山前陆构造带发育过程中, 由于受到神农架-黄陵刚性块体的限制, 于隆起西缘形成了一系列的裙边构造。神农架隆起同时限制了雪峰山弧形构造的延伸, 因此隆起南缘也发育裙边构造。正是这一特殊“构造结”对大巴山弧、雪峰山弧的“阻挡”作用, 导致两套不同的弧形构造体系在“构造结”附近形成二者的联合。
6. 初步结论
神农架地区北带以E-W走向的基底拆离和盖层滑脱为特征; 南带神农架隆起周缘盖层变形特征各不相同, 由于神农架隆起限制了大巴山前陆弧形带、雪峰山弧形带的延伸, 导致其西、南缘发育裙边褶皱构造, 并造成两套弧形构造体系的联合。大巴山前陆带东段主挤压应力场方向为SN向, 应力场方向与主要褶皱轴线垂直, 由于受到神农架、黄陵两个隆起相向对挤作用, 神农架隆起东缘应力场方向转变为NW -SE向。其中, SN向挤压应力场可分为两期, 形成断层切割褶皱, 局部出现“共轴”叠加褶皱干涉样式。大巴山前陆构造带东段构造演化经历印支雏形期和早燕山定型期两个构造演化阶段。
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表 1 大巴山前陆带东段断层滑动矢量及应力场反演结果
Table 1. Tectonic stress fields in the eastern part of Dabashan foreland structural belt
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