地质力学学报  2014, Vol. 20 Issue (1): 82-93
引用本文
王明亮, 张加桂, 汪新文, 栾秋雷. 哀牢山构造带古构造应力场特征[J]. 地质力学学报, 2014, 20(1): 82-93.
WANG Ming-liang, ZHANG Jia-gui, WANG Xin-wen, LUAN Qiu-lei. CHARACTERISTICS OF PALEOTECTONIC STRESS FILED ON THE AILAOSHAN STRUCTURAL BELT[J]. Journal of Geomechanics, 2014, 20(1): 82-93.
哀牢山构造带古构造应力场特征
王明亮1,2 , 张加桂1 , 汪新文2 , 栾秋雷2     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要:通过野外对哀牢山构造带漠沙镇、戛洒镇两地的哀牢山群中的构造形迹和形变特征进行观察和记录,将哀牢山构造带的应力场初步划分为韧性和脆性两期,并通过对构造带中的各种小构造(片理、劈理、褶皱、构造透镜体、擦痕及节理等)进行构造解析,初步获得了哀牢山构造带中至少存在两期构造应力场,其主压应力方向:北东—南西和北西—南东向挤压,现今构造应力场继承了古构造应力场;最后结合前人研究成果,简要分析了哀牢山构造带两种不同构造应力场的动力来源,即可能与构造带所处的周边板块和深部流体挤压作用有重要联系。
关键词哀牢山    构造带    构造应力场    动力学    
CHARACTERISTICS OF PALEOTECTONIC STRESS FILED ON THE AILAOSHAN STRUCTURAL BELT
WANG Ming-liang1,2 , ZHANG Jia-gui1 , WANG Xin-wen2 , LUAN Qiu-lei2     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. School of Geosciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: By observing and recording structural feature and deformation of the Ailaoshan Group in the field at Mosha and Jiasa, the stress filed shall be preliminarily divided into two stages: the ductile deformation and brittle deformation. Based on the structural analysis of the stress field for all sorts of small structures, such as schistosity, cleavage, fold, tectonic lens, scratch and the conjugated joints, etc. in the field, it reveals that there exists two tectonic stress fields in the Ailaoshan structural belts, with main stress orientations of NE-SW and NW-SE compressions. The present stress filed sustains the paleotectonic stress filed. Combing with the previous research results, the dynamic sources of two different tectonic stress fields on the Ailaoshan belt are studied briefly, which may be critically linked to its peripheral plates and deep fluid extrusion.
Key words: Ailaoshan    structural belt    tectonic stress filed    dynamics    
0 引言

哀牢山构造带是藏东(东南亚)地区最重要的一条线性构造和印支地块与扬子地块显著的地质地貌分界线[1], 是印度—欧亚大陆碰撞过程中逃逸块体的西边界, 也是川滇菱形块体构造单元的西南边界, 同时, 在云南省内则构成滇西地槽(三江褶皱系)与滇东地台(扬子准地台)的自然分界。作为边界, 该构造带的地位十分重要, 长期以来被国内外地学界所关注。首先, 构造带中的哀牢山—红河断裂作为青藏高原13条大型走滑断裂之一, 属于喜马拉雅东构造结走滑断裂系[2], 或被认为隶属于地质力学中青藏滇缅印尼歹字型构造体系的中部, 在青藏高原的"大陆逃逸"地球动力学模型中以及对青藏高原地体构造的改造都具有重要的意义。可以说迄今为止关于青藏高原活动特征、发育演化及其动力学机制的几乎所有探索都与该构造带的研究密不可分, 它是研究青藏高原东南部大陆构造运动及其动力学过程的重要场所[3]。此外, 哀牢山构造带是西南三江地区最重要的金多金属成矿带之一, 也是世界上著名的构造岩浆带之一, 同时也是国土资源部新一轮地质找矿工作规划的16个重点找矿区带之一[4]

哀牢山构造带自被发现以来, 已有众多中外学者运用地球物理、地球化学、大地测量等方法, 对其变质作用、岩浆活动、构造变形、构造演化、构造属性、运动学(运动形式、运动时限、运动模式和运动形式转换时限)及动力学特征等进行了研究, 并提出了一系列的构造模式。但该构造带作为人们认识板块相互运动、深部过程以及青藏高原发育演化动力学机制的重要"窗口"还未真正打开, 如:哀牢山群的时代及其归属问题; 哀牢山—红河剪切带左行、右行走滑运动的位错量、起始时间、转化过程及其转换机制; 哀牢山群的剥露与抬升过程等。笔者认为解决这些的问题关键之一是对构造带的应力场进行分析, 因为构造应力场是探讨和认识构造运动根本原因的主要途径, 是研究构造活动的重要环节之一。

多年来, 许多学者对云南或西南地区的构造应力场进行了研究[5~7], 但对于哀牢山构造带构造应力场的研究较少。本文在前人的研究成果之上, 结合区域地质构造背景和野外构造变形观测, 利用哀牢山构造带中已存在的构造形迹和形变特征来反推形变作用发生前后的构造应力状态, 重点对构造带中的各种小构造以及显微构造等进行解析, 并结合前人研究成果, 开展哀牢山构造带构造应力场的研究, 初步分析哀牢山构造带的构造应力场特征, 并简要探讨其动力来源。

1 哀牢山地区区域地质概况

哀牢山构造带是滇西地区最著名的带状变质带之一[8], 同时也是一个典型的陆内造山带, 位于中国西南部的云南省哀牢山地区, 斜贯著名的哀牢山脉(主峰海拔高达3165.9 m)。哀牢山脉总体走向300°—330°, 呈北西—南东向延伸。哀牢山构造带呈向北西端收敛, 向南东端散开的狭长带状或帚状分布, 于弥渡龙树大桥附近被中生界覆盖, 南端经屏边新街、河口延入越南, 全长超过300 km, 宽2~8 km[9]

哀牢山构造带在大地构造上位于扬子准地台、松潘—甘孜褶皱系和唐古拉—昌都—兰坪—思茅褶皱系3个一级构造单元以及扬子准地台内丽江台缘褶皱带和滇东台褶皱带2个二级构造单元的接触过渡地带, 是由一系列构造形态复杂的多旋回岩浆岩和变质岩组成的构造-岩浆-变质带。哀牢山构造带及邻区主要构造单元与边界断裂带可以划分为兰坪—思茅地块(盆地), 李仙江—阿墨江断裂, 哀牢山早石炭—早三叠世混杂岩带, 九甲—墨江断裂, 哀牢山浅变质岩系, 哀牢山断裂, 哀牢山深变质岩杂岩系(哀牢山群), 红河断裂, 扬子—华南地块。其中哀牢山构造带由九甲—墨江断裂、哀牢山浅变质岩系、哀牢山断裂、哀牢山深变质岩杂岩、红河断裂(见图 1)以及分布于带内的超基性、基性、酸性岩体共同构成。

图 1 哀牢山构造带区域地质简图 Figure 1 Simplified geological map of Ailaoshan structural belt
1.1 区域构造格架与变形特征 1.1.1 哀牢山断裂

哀牢山断裂位于哀牢山脉分水岭沿线, 与红河断裂大致平行, 走向北西—南东, 断裂线呈波状弯曲, 断面主要倾向北东, 局部扭转倾向南西, 倾角60°—70°。该断裂属于超岩石圈断裂, 也是长期复活的主要断裂之一。断裂东侧出露由哀牢山群组成的深变质岩带, 断裂西侧为浅变质岩系, 主要由千枚岩、千糜岩、片岩、板岩和变质砂岩等组成, 岩石变质作用多为绿片岩相或更低[1]。哀牢山断裂以复杂的逆冲—推覆构造带与左行韧性剪切带的复合为特征, 主要由早期的板块缝合线, 在后期经过逆冲推覆韧性剪切带和脆性断裂作用演变而来, 反映该断裂的形成和发展曾经历了不同力学性质和运动方式的转换。哀牢山断裂是一条喜马拉雅期陆内大型左行走滑韧性剪切带, 该带左行走滑发生于距今34~17 Ma之间[10~12]

1.1.2 红河断裂

红河断裂展布于哀牢山东坡, 现今处于哀牢山北东侧深切的红河河谷中, 并表现谷中谷的地貌特点。北端倾没于弥渡盆地新生界之下, 往南西经苴力、多瓜掌、大马街、鄂嘉、戛洒、漠沙、元江、南昏、红河、绿水河、新街等地于河口出国进入越南。该断裂走向上从北西到南东分成3段, 北西段、南东段为320°左右, 中段为290°, 呈宽缓的S形[9]。断裂线在平面较平直, 呈北西—南东向延伸, 多倾向北东, 倾角60°—70°。本文主要研究构造带中戛洒—漠沙段的古构造应力场特征。

红河断裂在其形成和发展早期是以逆断裂性质出现的, 而在晚第三纪中新世以后, 断裂的继承性活动是以张性或张扭性的作用力进行, 喜马拉雅运动末期至新构造运动期间, 这条深大断裂主要表现为右行走滑—正断断裂作用, 其右行走滑—正断断裂活动始于距今5~7 Ma[1]

1.2 哀牢山群形成时代

进行哀牢山构造带的古构造应力场反演, 首先要对哀牢山主体哀牢山群的时代和大地构造归属进行研究; 再者由于本次野外主要针对哀牢山深变质岩系(哀牢山群)进行观察研究, 加之哀牢山群的形成时代或主变质时代及归属问题是最基础的地质问题, 对于构造应力场的意义重大。因此, 在此重点介绍哀牢山群。

哀牢山群为一套混合岩化强烈的深变质岩系, 因沿哀牢山脉分布而得名, 呈北西—南东向条带状延伸, 两侧分别为哀牢山断裂和红河断裂所限。哀牢山断裂西侧是一套变形强烈的低绿片岩相变质岩系, 主要为岔河、大平坝、转马路及外麦地岩组, 一般称为马邓岩群, 岩性主要为千枚岩及千糜岩、片岩、板岩和变质砂岩等。哀牢山断裂东侧、红河断裂西侧为哀牢山深变质岩系即哀牢山群, 主要由各类片岩、片麻岩、变粒岩、透辉大理岩等组成。哀牢山群向北延至南涧县密滴附近, 因上述两断裂相交而消失, 向南延入越南, 出露面积约3800 km2, 总厚大于9500 m, 带内因受剪切带活动影响岩石局部发生糜棱岩化。由于该群岩石变质较深, 混合岩化强烈, 片理化或劈理化也强烈, 加之多期构造运动的改造, 使原岩面貌改变较大, 岩石的结晶片理、片麻理已全面取代原生层理, 难以建立确切的地层层序。1965年云南区调队将该变质岩系命名为"哀牢山群", 1973年进一步将该群自下而上划分为小羊街组(Ptx)、阿龙组(Pta)、凤港组、乌都坑组, 并作为一个向北东倾斜的单斜构造看待[10]

关于哀牢山群的时代及归属问题, 目前主要有2种观点:第一种观点将哀牢山群的时代定为元古代, 并视为扬子陆块结晶基底的组成部分[13]; 第二种观点认为哀牢山群是一个原岩复杂的变质杂岩带, 它不是或至少不完全是扬子地块的结晶基底, 变质作用与新生代大型断裂的走滑作用和山脉隆起形成有密切关系, 是新生代地质作用的结果[8, 14~15]。而通过野外观察和测年结果(测年结果另文), 笔者比较认同第二种观点, 即哀牢山群主要保留了新生代的构造形迹, 这也为本文进行构造应力场的分析奠定了基础。

2 哀牢山构造带构造应力场特征

构造应力场是指在一个空间范围内构造应力的分布, 即通过分析构造形变, 在确定各地的点应力状态的基础上, 研究一定区域范围内、各个构造活动时期的构造应力的分布。构造应力场研究中最主要的3个方面是:定时、定向和定量[16~17]。本文主要利用构造应力场的基本工作方法即地质构造学中的"反序法", 采用各种小构造来确定该区主应力方向。哀牢山变质带主要保留了新生代的构造形迹, 许多小构造在该区出露较好, 易于观察, 用统计的方法, 排除各种局部干扰因素, 将各种小构造、显微构造与大、中型构造等不同尺度结合起来进行综合分析。至于构造应力场时代的确定, 如前所述, 虽然该时代还存在争议, 但构造带中哀牢山群经历了前期韧性(塑性)、脆韧性变形和后期的脆性变形, 这一点是公认的, 野外调查也验证了这点(如图 3中节理切割早期的劈理及构造透镜体等); 同时, 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。鉴于此, 本文将构造应力场分两期进行研究, 即韧性变形期和脆性变形期。在韧性变形区, 采用观测分析韧性褶皱、一组面理(流劈理、轴面劈理、板理、片理、片麻理或构造透镜体的AB面)与一组A轴线理(拉伸线理、矿物生长线理)等方法确定构造应力方向。在脆性变形区, 采用观测断面上的擦痕滑动矢量、共轭剪节理等方法反演古构造应力场。

图 3 哀劳山群典型构造透镜体产状及赤平投影 Figure 3 The typical tectonic lens in Ailaoshan group and its stereographic projection
2.1 韧性、脆韧性变形期构造应力场方向 2.1.1 片理或劈理

流劈理(板劈理)、片理、片麻理在哀牢山群中十分发育, 是区域性、透入性的。劈理、片理大多倾向北东, 倾角较大, 它们是在构造应力作用下, 由片状、板状或扁圆状矿物颗粒(长石、石英、云母等)沿垂直于最大压应力方向平行排列而形成的。尽管目前对于流劈理、片(麻)理的成因还有不同意见, 但对于流劈理与韧性剪切带均由同一构造应力场作用所造成以及它们与应力状态的关系却是没有分歧的, 即最大主压应力方向垂直于该面理[18]。研究区劈理主要由浅色矿物(长英质矿物)和暗色矿物(黑云母、角闪石和绿泥石)形成的片麻理(劈理), 或由不同粒级的重结晶石英、长石颗粒平行相间所组成的构造条带(叶理), 大多数叶理面倾角在60°以上, 总体倾向北东, 部分倾向南西。本文在野外对片理、劈理产状做了多次测定, 并在室内进行了统计分析和赤平投影(见图 2)。根据最大主压应力方向垂直于流劈理(板劈理)、片理、片麻理的原则, 可知其极点投影就是其最大主压应力方向, 由投影结果可获得最大主压力方向为北东—南西向挤压。

图 2 哀牢山群片理带(劈理)及赤平投影 Figure 2 The schistosity zone of Ailaoshan group and its stereographic projection
2.1.2 构造透镜体

构造透镜体是在构造挤压应力作用下岩石(岩层或岩体)被剪断而形成的一系列不连续透镜状块体, 透镜体的边界面通常是一对共轭的剪切面, 其共轭角一般都是钝角, 即最大主压应力方向沿着这两组剪切面的钝角等分线[18]。在哀牢山群中, 构造透镜体主要为长英质、角闪质透镜体, 呈扁圆状, 长轴5~80 cm, 短轴2~50 cm; 野外观察透镜体可能是在韧性状态下经挤压剪切作用形成。野外统计典型构造透镜体的ab面(压性结构面)产状, 即透镜体长轴与中间轴所组成面的产状, 并在吴氏网上进行赤平投影(见图 3), 同时由于最大主压应力轴垂直于ab面(ab产状的极点投影), 可得出最大主压应力轴的产状为北东—南西。

2.1.3 褶皱

关于褶皱与应力的关系, 一般是运用纵弯褶皱和横弯褶皱进行反演, 而对于滑褶皱、柔流褶皱研究较少。本文认为褶皱常常是几种褶皱作用(纵弯、横弯、剪切褶皱、流褶皱)共同或者先后作用形成的, 如剪切褶皱作用过程中也存在侧向挤压和纵弯滑褶皱及压扁作用。

哀牢山群中发育的褶皱大致为两种:① A型褶皱或鞘褶皱; ② 肠状褶皱、揉流褶皱及无根褶皱。前者可用以进行应力场反演, 而后者褶皱样式无规则, 是韧性条件下顺层滑脱的产物, 只能作为其变形温度(深度)的指示, 而不是稳定或固定应力场作用的表现, 不能用来进行应力场分析。野外可见大量A型褶皱, 褶皱或紧闭或开阔, 对称或不对称, 褶皱轴(枢纽)与拉伸线理(a线理)近于平行, 褶皱轴大体也是北西—南东向侧伏。

本文在野外测量了褶皱两翼的产状(见图 4), 并运用褶皱β图解法求出褶皱轴面产状, 其在吴氏网极点投影大致可作为最大主压力的方向, 从赤平投影图(见图 4)中可以看出最大主压力方向为北东—南西。

图 4 哀牢山群中典型褶皱及褶皱轴面赤平投影 Figure 4 The stereographic projection of the axis planes in Ailaoshan group
2.1.4 其他小构造和显微构造

在哀牢山群中还存在其他显示韧性变形的小构造和显微构造, 如压剪条件下形成的藕节状构造(见图 5a), 藕节多为长英质岩石; 此外还存在两种A型线理, 即由矿物颗粒或其集合体定向排列而形成的矿物线理和由压扁拉长的长石、石英颗粒或其集合体的长轴所显示的拉伸线理(见图 5b)。线理产状近水平, 走向北西—南东, 侧伏角在5°—15°间。最小主压应力方向就是最大拉伸方向, 据此可知其最大主压应力方向为北东—南西。

图 5 哀牢山群中典型的藕节状构造和拉伸线理 Figure 5 The typical joints of lotus roots structure and stretching lineation in Ailaoshan group

此外, 显微镜下观察发现, 部分云母发生扭折(见图 6), 而扭折是塑性变形的标志, 它是由于晶体在应力场中所处的方位使得几何学上不可能发生广泛的晶内滑移时(亦即主压应力方向与滑移面近于平行或夹角很小, 在0°—30°间), 晶格弯曲, 随着弯曲作用进一步加强而形成。云母中的扭折带优先发生在其底面[001]与α1成低角度的颗粒中, 因此, 扭折带边界的极点方位应当是α1最大主压应力的近似方位[5]。经分析可得其最大主压应力也为北东—南西向。

哀牢山群中云母的扭折, 石英波状消光, 同长石构成长英质条带 图 6 哀牢山群中云母的扭折(正交偏光) Figure 6 The mica kinks in Ailaoshan group(Cross-polarized light)

综上所述, 哀牢山构造带中哀牢山群韧性变形期的古构造应力场最大主压应力方向为北东—南西。

2.2 脆性变形期构造应力场方向 2.2.1 断层擦痕分析法

本文采用法国巴黎南方大学地球动力学实验室主任雅克马赛教授及皮埃尔维热利教授等所研制的计算机程序《利用断层面上擦痕的观察、测量计算主应力轴状态》求得区域构造古应力场状态。此程序工作原理是:利用断层面上擦痕的动向矢量测量结果, 计算出产生运动的平均应力偏差、应力方向、产状, 即应力场3个主应力轴的产状和相对大小。该方法的前提条件是:① 断层擦痕方向与该面上的最大剪切应力方向平行; ② 在研究区域内存在着一个均匀的应力场, 介质是均匀各向同性的[20]

根据区域资料分析和野外调查, 认为哀牢山群总体上是相对均匀且各向同性的, 此外宏观上哀牢山构造带虽然从南到北逐渐收敛, 但始终保持方向一致, 说明区域应力场比较单一, 基本上能满足擦痕法的假设前提。哀牢山群中擦痕产状大都近水平, 侧伏角5°—20°左右, 侧伏向南东, 擦痕所在断面产状与观测点片理面产状一致, 向北东倾。擦痕既有指示左行运动又有指示右行, 但未见擦痕互相切割的现象。野外对每个擦痕点按要求进行详细记录, 但由于部分点擦痕出露不理想, 因此只选取代表性擦痕进行测量。室内用Fault软件统计分析所测的擦痕数据, 通过程序操作计算后, 可得到各点的应力场状态及R值(R=(α21)/(α31)), 直方图反映剪应力分量(τ)与擦痕走向的夹角大小。结果显示R值分别为0.798和0.573, 两值均大于0小于1, 夹角均为10°(见图 7), 小于20°, 结果符合计算机程序《利用断层面上擦痕的观察、测量计算主应力轴状态》的要求。计算结果表明该区断层发育时的古构造应力场为北西—南东、近南北向挤压。

图 7 典型的擦痕及NW-SE向挤压应力场反演结果 Figure 7 Typical scratch and inversion results of the NW-SE compressional stress field
2.2.2 共轭节理法

利用节理恢复古构造应力场虽然存在着争议, 但作为地壳上部岩石中发育最广的一种脆性构造, 特别是在构造变形微弱的地台地区或未遭受多次强变形地区, 利用其分析构造应力场, 被认为是可靠且实用的方法[21]。考虑到该区经历的构造变形较大, 本文只选取典型的共轭节理进行初步分析(见图 8)。

图 8 哀牢山群中典型共轭节理 Figure 8 The conjugate joints in Ailaoshan group

共轭节理具有如下特点:两组剪节理以近90°(通常为60°—120°)相交切; 两组几乎是同时形成, 常互相切断; 具有尾折、菱形结环的尾端; 有微量的位错, 表现为一组右行, 另一组左行[18]。野外根据以上特点识别共轭节理, 并作记录与分析, 通过构造解析, 可以初步获得其最大主压应力方向为北西—南东向挤压。

3 讨论与结论

通过对哀牢山群中各种小构造的构造解析, 获得该构造带中至少存在两期构造应力场, 分别为前期韧性、脆韧性构造变形期北东—南西向挤压和后期脆性构造变形期北西—南东、近南北向挤压, 且左行运动的主应力方向为北西—南东, 右行运动的主应力方向为近南北, 表明后期区域构造应力场可能发生过顺时针旋转, 这也从另一个方面说明川滇菱形块体发生过顺时针旋转。本文反演得到的构造应力场主压应力方向符合前人的研究成果[5~6], 即哀牢山构造带东西两侧发育两套不同的构造体系, 界限以东主要为走向北东或北北东, 主压应力为北西—南东向; 界线以西, 构造的走向为北西或北北西, 性质为以走滑为主的逆冲走滑, 主压应力方向为北东—南西。而笔者认为作为分界的哀牢山构造带, 其构造应力场方向必然兼具上述两套不同的构造应力场, 即北西—南东和北东—南西向挤压。

至于哀牢山构造带构造应力场的动力来源, 必然要联系整个西南地区的构造应力场。云南地区可能受3个层次的动力作用[7]:第一层次来源于印度板块与欧亚板块沿喜马拉雅东部弧顶和东翼碰撞产生的直接影响; 第二层次由青藏高原侧向挤出驱使川滇块体总体南南东向运动推挤构成; 第三层次由区域内横向与深浅介质结构变化、各次级块体相对运动以及块体间边界断裂错动方式与滑动速率差异等调节或派生构成。哀牢山构造带也受上述3个层次的动力作用。此外, 本文认为其动力来源还可能与三江地区深部物质的流动挤压有关。根据地壳等厚线形态分析, 三江地区有来自4个方面与海洋有关的地幔物质流入[22], 分别为来自孟加拉湾、南中国海、安达曼海以及泰国湾的地幔物质流入, 构成4个地幔流动挤压带; 另外, 来自扬子地台由东向西的地幔物质的流动挤压对该区也有强烈的影响。

同时, 笔者认为板块边界力本身也是对深部作用过程的一种反映或深部物质运动方式的体现, 深部动力作用应该是影响西南地区活动构造体系几何形态与变形方式的重要因素之一, 但由于目前能够直接应用于解释活动构造体系特征的相关深部资料(地球物理等)还相对不足, 并且现在关于不同区域的深部特征与动力学背景的认识程度也还远远不够, 因此还需进一步研究。

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