大巴山弧形构造带中段渔渡地区侏罗纪叠加变形研究

武国利,陈 虹,田 密,施 炜,高 卫

(中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081)

大巴山弧形构造带中段渔渡地区侏罗纪叠加变形研究

武国利,陈 虹,田 密,施 炜,高 卫

(中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081)

大巴山构造带是秦岭造山带南部发育的一个以逆冲推覆构造为特征的构造带。通过在大巴山弧形构造带中段渔渡地区进行的详细构造解析发现,大巴山构造带在侏罗纪以来经历了至少两期变形叠加,变形地层三叠系嘉陵江组—侏罗系沙溪庙组。早期变形以与滑脱构造相关的轴向北西—北北西向箱状或隔挡状褶皱为主,并在深部发育顺层滑脱构造,变形时代为晚侏罗世到早白垩世。晚期变形与北侧逆冲相关,导致右行走滑变形,主要形成右行走滑断层和北西—北北西向紧闭褶皱,变形时代比第一期稍晚,为晚侏罗世之后到早白垩世。两期变形形成的褶皱延伸方向一致,与区域构造线的方向协调,而且在远离北侧镇巴断裂的地区变形强度有减弱的趋势,两期变形叠加形成共轴或斜交叠加构造。研究表明,变形与大巴山冲断—推覆构造带向南逆冲有关。

前陆构造带;叠加变形;箱状褶皱;大巴山;秦岭

0 引言

大巴山构造带位于秦岭构造带南部,即传统的南秦岭构造带的一部分[1-2]。它是北西西—南东东走向中央造山带中惟一的向南凸出大型弧型褶皱带,与秦岭—大别造山带的构造特征明显不协调。通常认为,大巴山构造带的形成与三叠纪末秦岭与扬子板块的碰撞有关,属于三叠纪秦岭造山带的前陆冲断褶皱带[3-4]。但最近的研究表明,大巴山前陆构造带经历了两次重要的变形叠加,是叠加在三叠纪构造带之上的侏罗纪前陆构造带[5]。普光气田,普光气田在构造上也处于两组构造的叠加部位[7-8],而且勘探实践表明,多组构造的叠加部位常常是大油气田发育的地区[9]。大巴山前陆构造带位于四川盆地北侧及东北侧,是南方碳酸盐岩地区油气勘探的远景区域之一,并且与普光气田具有非常相似的构造地质背景,因此,对大巴山前陆构造带进行的叠加变形研究对川东北及大巴山前陆地区的油气勘探也具有重要的实际应用价值。

1 区域地质背景

图1 大巴山构造带区域地质构造Fig.1 Regional G eological Map of Dabashan Tectonic Belt

南大巴山在平面上是一个弧形构造带,前人普遍认为该弧形构造带是秦岭碰撞过程中形成的,其推覆构造发生时代被归结为晚三叠世。但叠加变形研究成果[5-6]已经表明,大巴山弧形带很可能形成于中晚侏罗世。三叠纪与侏罗纪叠加变形的证据主要来自大巴山构造带西段陕西省镇巴县简池—铁溪地区,该地区三叠纪近东西向褶皱被侏罗纪近南北向褶皱叠加改造,两期褶皱的褶皱轴、轴面高角度相交,形成典型的横跨叠加褶皱,叠加变形格局非常清楚。大巴山弧形构造带在向东由北西向转为近东西向后,在1∶200 000地质图上显示为紧闭的弧形褶皱带,局部发育褶皱轴向近乎一致的冲断层,没有显示明显的叠加变形。在大巴山中段是否存在相应的叠加变形仍不清楚。因此,侏罗纪变形在大巴山地区影响的范围、发育特征对于认识大巴山构造带的构造特征、发展过程以及侏罗纪变形的构造动力学背景等具有重要意义。笔者选择大巴山中段渔渡地区进行大比例尺构造地质填图及详细的构造解析,试图解剖该区侏罗纪变形特征,探讨大巴山侏罗纪前陆构造演化。

另一方面,最近对四川盆地的油气勘探取得了突破[7],在川西北地区发现了中国目前最大的气田

秦岭造山带是中国中央造山带的重要组成部分,是中国大陆最终碰撞拼贴的位置[10],它经历了长期发展和演化,是一个独具特色的典型复合大陆型造山带。秦岭造山带形成、演化和现今基本结构是由3个板块(华北板块、华南板块和其间的秦岭微板块)沿两条缝合带(商丹缝合带和勉略缝合带)俯冲造山和强烈的陆内造山构造叠加复合[11]。其中商丹带形成于元古代—古生代华北板块和秦岭微板块之间的碰撞,而勉略带形成于晚三叠世秦岭微板块和华南板块的碰撞[2]。

大巴山构造带位于南秦岭构造带中段(图1),西邻米仓山构造带—龙门山构造带,东部中止于神农架基底隆起。大巴山构造带一个显著特征就是表现为向南西凸出的北北西—北西—东西向弧形构造带。按照构造变形特征和地层卷入情况,将大巴山构造带划分为:大巴山逆冲—推覆构造带、大巴山前陆构造带、大巴山前陆拗陷带(图2)。

图2 大巴山构造纲要及构造分区Fig.2 G eological Map of Tectonic Outline and Divisions in Dabashan

逆冲—推覆构造带:传统上对应北大巴山区,南部边界为呈弧型展布的城口断裂,北部边界为安康断裂。瓦房店断裂以北为由凤凰山隆起和平利隆起组成的基底构造隆起带,构造变形强烈,中地壳层次的岩石剥露地表;瓦房店断裂以南为大巴山后缘隆起带,由下古生界和震旦系组成的冲断片体,发育大型韧型剪切带。

前陆构造带:位于城口断裂和铁溪—巫溪隐伏断裂之间。城口断裂和镇巴断裂之间为逆冲—褶皱叠瓦带,由一系列相互穿插的逆冲断层和相关褶皱构造组成,平面分布总体平行于城口断裂带,构造样式以逆冲断片的堆叠为主,宽窄不一;镇巴断裂与铁溪—巫溪隐伏断裂之间由一系列不同类型断层相关褶皱组成,平面上平行城口断裂呈弧型展布,构造样式以隔挡式褶皱为主。

大巴山前陆拗陷带:分布在铁溪—巫溪隐伏断裂以南,发育3组后侏罗纪褶皱构造,构造滑脱面位于下三叠统膏盐层。

大巴山前陆构造带,自西向东构造线走向有明显变化,由北西向逐渐转变为近东西向。按照构造线的方向,可以沿走向分为西段、中段和东段。西段分布于朱元—观音一线以西,构造线以北北西向为主,中段为朱元—观音以东、沙沱—东安一线以西部分,构造线以北西向为主,东段分布于沙沱—东安一线以东,构造线以东西向为主。

大巴山前陆构造带出露的地层为震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系和白垩系,缺失泥盆系和石炭系。其中侏罗系为一套厚4 000多米的陆相碎屑层系,以砾岩、砂岩、泥岩及少量煤层岩为主,砂泥岩韵律极其发育。大巴山前陆内侏罗系—白垩系最大厚度达万米以上,自下而上分别为侏罗系白田坝组、千佛岩组、沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组、白垩系城墙岩组。三叠系下、中统为浅海相碳酸盐泥页岩建造,上统为湖滨相—河流沼泽向砂岩、砾岩、砂页岩含煤建造。自下而上分别为飞仙观组、铜街子组、嘉陵江组、须家河组。

2 构造变形

渔渡地区位于大巴山前陆构造带中段,构造线方向由北西向转向近东西向位置。变形地层为三叠系嘉陵江组、须家河组;侏罗系白田坝组、千佛岩组和沙溪庙组(图3)。

图3 渔渡地区地质构造Fig.3 G eological Map of Yudu Area

2.1 D1次构造变形

D1次构造变形地层为三叠系嘉陵江组—侏罗系沙溪庙组,其中三叠系嘉陵江组和须家河组变形强烈,同时侏罗系地层也卷入褶皱。D1次构造变形表现为与下伏滑脱面相关的一系列轴向北西向的褶皱,没有发现这期变形形成断裂构造。褶皱的几何特征为箱状褶皱或者隔挡式褶皱,以隔挡式褶皱为主,向斜开阔而背斜紧闭。通常,褶皱转折端比较平缓,翼部陡立,而且褶皱核部往往发育密集的扇状轴面劈理。对研究区地层层理进行统计,并对层理极点进行等面积赤平投影(使用Stereo作图),得到层理的极点赤平投影图(图4),也能够反映出f1褶皱的特点。赤平投影图上层理极点形成一个走向北东—北北东向的大圆环带,环带轴的产状为130°∠80°,环带上有3个极密,主极密产状为90°∠78°,两个次极密产状分别为227°∠42°和40°∠15°,显示轴向北西—北北西向褶皱为箱状褶皱特征,其中近水平缓倾斜翼层理极点密度大于近直立陡倾斜翼层理极点密度。研究区D1次主要的褶皱构造有高家沟向斜()、天子山背斜()、罗圈岩向斜()、椒子坪背斜()和尖山子向斜()。

图4 渔渡地区层理极点赤平投影Fig.4 Pole Projection of Bedding in Yudu Area

图5 三叠系嘉陵江组地层中发育的共轭箱状褶皱Fig.5 Conjugate Box Fold in Jialingjiang Formation of Triassic Strata

图6 渔渡地区三叠系须家河组地层中发育的箱状褶皱Fig.6 Box Fold in Xujiahe Formation of Triassic Strata in Yudu Area

图7 侏罗系白田坝组砾岩与上三叠统须家河组砂岩接触带Fig.7 Contact Zone of Jurassic Baitianba Formation Conglomerate and Upper T riassic Xujiahe Formation Sandstone

2.2 D2次构造变形

研究区内D2次构造变形主要表现为以张家老湾—李家沟紧闭背斜和镇巴断裂下盘三叠系中发育的轴向北西、轴面北倾的紧闭同斜褶皱群。断裂构造主要有研究区西北部的镇巴断裂和研究区中南部的张家老湾—李家沟断层。

2.2.1 褶皱

北西向紧闭褶皱主要发育在研究区中部,靠近张家老湾—李家沟断层的位置,几何形态为一系列线状紧闭背斜和向斜组合。其中背斜紧闭,向斜稍宽缓,背斜—向斜的走向平行于断层延伸方向。背斜核部为三叠系嘉陵江组,向斜核部出露侏罗系沙溪庙组,须家河组、白田坝组和千佛岩组分布于其间(图3)。

在镇巴断裂南侧下盘,三叠系深灰—灰黑色薄层粉砂岩中褶皱变形强烈,褶皱轴面和褶皱轴产状较陡甚至近直立,轴面总体倾向北(图8)。褶皱几何形态表现为右形不对称紧闭褶皱,指示的运动方向为由北向南,与北侧震旦系往南逆冲形成的断层运动方向一致。

图8 渔渡地区冉家湾三叠系中发育的不对称褶皱Fig.8 Asymmetric Folds Developed in Ranjiawan Triassic Strata of Yudu Area

此外,在渔渡镇柳坝路边也见到侏罗系深灰色薄层砂岩夹炭质泥岩中发育“Z”型褶皱,不对称褶皱的轴面倾向北,指示逆冲方向为由北向南(图9a)。同时在附近侏罗系紫红色泥质粉砂岩、泥岩粉砂质板岩中顺层面发育有逆断层擦痕,对擦痕测量计算的结果(利用stereo计算得出,下同)也表明逆冲方向由北向南。此处应力场方位σ1= 8°∠14°,σ2=100°∠8°,σ3=218°∠73°(图9b)。

图9 渔渡地区镇柳坝侏罗系泥岩中发育的Z型褶皱Fig.9 Z-shape Fold Developed in Zhenliuba Jurassic Mudstone of Yudu Area

2.2.2 断层

镇巴断裂分布于渔渡西北部,表现为北侧上盘的震旦系白云岩逆冲在南侧下盘的三叠系深灰色粉砂—砂质板岩之上(图10),形成了地貌上的负地形,指示了一期由北东向南西的逆冲构造活动。同时断层还具有右行走滑性质,在断层南侧的三叠系地层中形成了右行不对称紧闭褶皱(图8)。

图10 渔渡东北侧镇巴断裂Fig.10 Zhenba Fault Located in the Northeastern of Yudu Area

此外,在位于镇巴断裂南盘附近的渔渡冉家湾西公路旁,观察到三叠系紫灰色薄层粉砂岩岩层中发育两组线理:一组为岩层表面平行褶皱延伸方向的线理,线理主体向东倾伏,应为早期A型线理(图11);另一组为与褶皱轴垂直的擦痕线理,并且顺着线理方向有新生方解石发育。第二组擦痕线理叠加于第一组A型线理之上,指示了近水平的顺层剪切滑动的应力场(图12a)。测量结果表明,擦痕运动方向为由北向南逆冲并有右行走滑性质,其构造应力场方位为σ1=194°∠4°,σ2=102°∠27°, σ3=290°∠63°(图12b)。

图11 镇巴断裂南侧三叠系泥质粉砂岩中早期A型线理Fig.11 Early A Stretching Lineation Developed in Triassic Argillaceous Siltstone Which Located in the Southern of Zhenba Fault

图12 镇巴断裂南侧三叠系泥质粉砂岩中晚期近水平擦痕线理Fig.12 Late Nearly Horizontal Scratch Lineation Developed in Triassic Argillaceous Siltstone Which Located in the Southern of Zhenba Fault

张家老湾—李家沟断层位于研究区南部,发育于三叠系和侏罗系中,呈北西—南东向延伸,与本区主体构造方向一致。该断层面较陡,倾角60°到近直立,主体倾向北东(图13a)。在张家老湾进行了详细测量,根据断层面上方解石生长线理、阶步及反阶步判断,断层为右行走滑断层。通过对断层要素的测量,其构造应力场方位σ1=358°∠15°, σ2=136°∠70°,σ3=264°∠13°(图13b)。

3 变形序列分析与变形时代

通过上述在野外露头尺度构造置换现象、两期线理叠加以及观察到的两组不同几何特征、运动学特征变形现象以及对填图得出的地质图图面分析,在渔渡地区可以明确的识别出两期构造变形。早期变形(即D1次构造形变)主要为轴向北西—北北西向箱状或隔挡式褶皱为主,晚期变形(即D2次构造形变)主要为右行逆冲走滑变形,形成右形走滑断层和北西—北西西向紧闭褶皱。

图13 张家老湾右行走滑断层Fig.13 Zhangjialaow an Right Lateral Strike-slip Fault

对于两期变形的先后顺序,可以通过对地质图的图面特征和野外观察到的一些直接证据确定:

(1)渔渡地区构造地质图中清楚显示出D2次构造变形明显改造了D1次构造变形形成的褶皱。D2次构造变形的断裂构造将北侧震旦系—早古生代地层推覆到大巴山前陆弧形构造带之上,掩盖在上述D1次构造变形形成的轴向北西向的隔挡式和箱状褶皱带之上。该主断层是镇巴断裂,表现为右行走滑逆冲断层,北侧上盘的震旦系白云岩推覆于南侧下盘已经卷入早期变形的三叠系粉砂岩之上(图8),主断层之下形成一系列轴向北倾的同斜紧闭褶皱(图10)。D2次构造变形褶皱核部,D2次构造断层将早期的褶皱轴切断。研究区南部张家老湾—李家沟右行走滑断层也错断了已经褶皱变形的侏罗系地层,表明右形走滑断层为晚期变形(图3)。

(2)在镇巴断裂南盘三叠系岩层中发育有两组线理:一组为岩层表面平行褶皱延伸方向的线理,线理主体向东倾伏,应为早期A型线理;另一组为与褶皱轴垂直的擦痕线理,并且顺着线理方向有新生方解石发育。第二组擦痕线理运动方向为由北向南逆冲并有右行走滑性质,而且叠加于第一组A型线理之上,说明此断层为晚期变形(图11、12)。

由于没有相应的侵入岩形成以及缺乏可以进行同位素定年的同变形新生矿物的形成,对两期叠加变形时代难以比较准确限定,通过野外观察和已有资料分析可以大致限定出两期变形时代范围。

两期变形所涉及地层均为中三叠统—中侏罗统,变形卷入的最新地层为中侏罗统沙溪庙组,分布在向斜核部。这样,两期变形时代的下限均为中侏罗世之后。两期变形形成的褶皱延伸方向一致,与区域构造线方向协调,而且在远离北侧镇巴断裂的地区变形强度有减弱的趋势。两期变形的形成应该与大巴山冲断—推覆构造带向南逆冲有关。结合前人研究,整个大巴山发生冲断变形时间为晚三叠世末到早白垩世之间[13-14]。

另外,北大巴山瓦房店附近,上侏罗统不整合覆盖在大巴山冲断推覆带之上。因此,D1次构造变形应该发生在晚侏罗世—早白垩世。D2次构造变形形成时间为晚侏罗世之后早白垩世之前。

大巴山前陆构造带东端侏罗纪秭归盆地沉积响应研究表明,早—中侏罗世与晚侏罗世对应的沉积物古流向从由北向南转变为由东向西[15],表明东侧黄陵背斜是在晚侏罗世初隆起,很可能显示的是D1次构造变形时代,而D2次构造变形略晚于这一时间。

4 结语

(1)大巴山前陆构造带中段经历两次重要的变形,变形地层为中三叠统嘉陵江组—中侏罗统沙溪庙组。早期变形主要为与下伏滑脱面相关的轴向北西—北北西向箱状或隔挡式褶皱为主,变形时代为晚侏罗世—早白垩世,晚期变形则与北侧震旦系沿镇巴断裂往南西逆冲有关,主要为右行走滑剪切变形,形成右形走滑断层和北西—北西西向紧闭褶皱,变形时代为晚侏罗世或以后。因此,本区侏罗纪两期变形很可能是同一期构造事件的不同变形阶段,其中区域性的镇巴断裂是在这次逆冲推覆构造的晚期变形阶段启动的。

(2)在大巴山前陆构造带中段渔渡地区发育的两期构造变形特征与大巴山前陆西段发育的典型横跨叠加褶皱不同,笔者确定的渔渡地区侏罗纪D1次构造变形相当于前人在大巴山西段所确定的中生代D2次构造变形,D2次构造变形很可能对应于西段的D3次构造北西向褶皱,它们共同构成了大巴山前陆弧形褶皱构造带。大巴山侏罗纪变形是由北东向南西方向持续的挤压—推覆过程,变形特征显示,由侏罗纪变形造成的推覆距离主要发生在D2次构造变形,且距离不大,估计主要的推覆缩短发生在深部的滑脱面上。

(3)除此之外,渔渡地区地质构造图中还可以识别出一期轴向北东—南西向的褶皱变形。在层理极点赤平投影图中,极密的东西两侧各有一个次级极密,应该是这期褶皱的北东和南西两翼造成的。褶皱波幅相对宽缓,主要表现为残余构造,野外没有见到露头尺度的构造形迹,但从叠加变形特征看,其变形时代应早于本区北西向褶皱构造变形。而秦岭—大巴山地区早于大巴山弧形褶皱变形的构造是与三叠纪晚期勉略微板块和扬子板块碰撞相关的褶皱构造,具体变形时代、变形特征需进一步研究。

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Study on Jurassic Superposed Deformation in Yudu Area Located in the Middle of Dabashan Tectonic Belt

WU Guo-li,CHEN Hong,TIAN Mi,SHI Wei,GAO Wei

(Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100081,China)

Dabashan tectonic belt characterized by thrust nappe structure is developed in the southern of Qinling orogenic belt.Through detailed structural analysis in Yudu area located in the middle of Dabashan tectonic belt, the results show that Dabashan tectonic belt has undergone at least two superposed deformation since Jurassic. The deformed strata are Triassic Jialingjiang Formation to Jurassic Shaximiao Formation.Early deformation is predominantly NW-NNW axes trending box fold or partition wall style fold and decollement structure developed at deep.The time of early deformation is late Jurassic to early Cretaceous.The late deformation relates to thrust movement of its north side and results in dextral strike slipping deformation which composed of dextral strike slipping fault and NW-NNW trending tight folds.The time of late deformation is between late Jurassic and early Cretaceous.Folds formed by two stages deformation have similar extend direction and are consistent with the direction of regional tectonic line.Away from the northern Zhenba fault,the deformation intensity has a weaken tendency.The two stage deformations form coaxial or oblique superimposed structure.Study shows that the deformation relates to the southward thrusting of Dabashan thrust nappe belt.

foreland tectonic belt;superposed deformation;box fold;Dabashan;Qinling

P548

A

1672-6561(2010)02-0130-07

2009-07-27

国家自然科学基金项目(40830314;40272097)

武国利(1985-),男,山东菏泽人,理学硕士研究生,从事构造地质学研究。E-mail:wgl122@163.com