华北晚中生代构造演化过程——根据太行山北部盆地沉积记录

王永超, 董树文*, 施　炜, 岑　敏, 李江瑜

1)中国地质科学院, 北京 100037;　2)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081



华北晚中生代构造演化过程——根据太行山北部盆地沉积记录

王永超1), 董树文1)*, 施炜2), 岑敏2), 李江瑜1)

1)中国地质科学院, 北京 100037;2)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081

摘要:太行山北部地区处于燕山山脉和太行山山脉的交汇处, 其侏罗纪—白垩纪叠加盆地发育过程记录了东西向盆地向北东向盆地转化过程, 对刻画华北晚中生代陆内变形过程及其动力学背景具有重要意义。本文以太行山北部草沟堡盆地和招柏盆地为例, 在盆地基本构造格架分析的基础上, 通过详细的沉积物物源分析、盆地原型再造等沉积学方法, 结合岩浆岩同位素年代学数据, 提出太行山北部晚中生代构造演化过程, 主要经历四个发展演化阶段, 包括中侏罗世晚期近南北向构造挤压与挠曲盆地发育、晚侏罗世近南北向弱伸展作用与壳源火山喷发、晚侏罗世末期—早白垩世早期北西—南东向构造挤压与前陆盆地形成、早白垩世北西—南东向伸展作用与幔源火山作用。构造体制转变本质上是动力学体系的转变, 在中晚侏罗世东亚大陆多向汇聚体系之下, 太行山北部经历的多期构造叠加和盆地叠置过程折射了蒙古—鄂霍茨克构造体系向滨太平洋构造体系的转化过程。

关键词:太行山北部; 晚中生代; 沉积物物源分析; 盆地原型再造; 西伯利亚板块; Izanagi板块

本文由国家专项“深部探测与实验研究”(编号: SinoProbe-08-01)和中国地质调查局地质调查项目(编号: 1212011120099)联合资助。

晚中生代是华北地块乃至整个东亚大陆大地构造发生巨变的重要时期, 也是深部动力学体系转换的关键时期(李三忠等, 2004; 赵越等, 2004; 张岳桥等, 2007; 董树文等, 2008; Hu et al., 2012)。在此期间,华北地块不仅遭受了方向各异的构造挤压作用, 形成不同走向的陆内造山带与前陆盆地沉积, 致使其地壳及岩石圈厚度显著增大(董树文等, 2000), 并且也经历了强烈的伸展与岩石圈垮塌作用, 表现为火山活动、断陷盆地、变质核杂岩等构造样式。这一系列构造事件的发展过程在太行山以东的中国东部地区最为典型。关于中国东部晚中生代陆内变形过程, 前人已提出多种认识(Davis et al., 2001; Wang and Li, 2008; Wang et al., 2011; Michel et al., 2012; Li et al., 2013)。虽然具体变形时限存在一定差异, 但总体上均是“中晚侏罗世挤压、早白垩世伸展”的构造演化模式。Davis等(2009)对该模型提出了质疑, 理由是辽西地区中侏罗统郭家店组半地堑沉积作用直到162 Ma才趋于结束。此外, 髫髻山组与土城子组作为太行山及燕山地区晚中生代盆地充填序列的关键层位, 其沉积构造背景目前还存在较大争议(李伍平等, 2001; 邵济安等, 2003; 刘少峰等, 2004)。以上科学问题均对当前经典的华北晚中生代构造演化模式形成了巨大挑战。本文选取太行山北部草沟堡盆地和招柏盆地, 希望通过详细的沉积学研究, 并结合近年最新研究成果, 重新梳理该区晚中生代构造演化过程, 从而为全面认识华北地区晚中生代构造体制更迭及其可能的动力学背景提供实际材料。

1　基本构造格架

研究区位于华北地块北部, 构造位置处于EW向阴山—燕山构造带与NNE向太行山构造带交汇部位。其北部和西部分别与新生代蔚县盆地、灵丘盆地毗邻, 东南部出露有王安镇花岗岩或花岗闪长岩侵入体, 侵位年龄和冷却年龄分别约为145 Ma和130 Ma(Wang and Li, 2008), 东北部与中生代京西盆地相邻(图1)。

研究区内褶皱及断裂构造延伸方向以NE向为主, 局部地区残留有少量EW向构造(图1)。NE向构造主要有七井寺—北口逆冲断裂(F1)、南阳寨—黑石岭逆冲断裂(F2)及其相伴生的褶皱构造, 此外还有少量NE向展布的正断层, 如曹子水—北李庄断裂(F3)。其中七井寺—北口逆冲断层表现为蓟县系雾迷山组向北西逆冲于寒武—奥陶系之上, 向北转为隐伏断裂, 在地表控制发育了一系列轴面倾向南东的不对称褶皱(图2A)。南阳寨—黑石岭断裂上盘由北西向南东逆冲, 表现为蓟县系雾迷山组逆冲于寒武—奥陶系及土城子组之上, 上盘岩系发生宽缓褶皱变形(图1)。在断裂南段上盘地层中发育次级断裂, 其产状与主干断裂基本一致, 表现为蓟县系雾迷山组硅质条带白云岩逆冲于寒武系之上, 导致寒武系地层发生倒转或平卧褶皱变形, 局部地区褶皱前翼因拉断形成逆断层(图1, 图2G)。此外, 褶皱两翼可见次级从属不对称褶皱, 轴面倒向与总体逆冲方向一致。整体上, 两条NE向主干逆冲断裂具有背冲式逆冲构造特征。根据断层对土城子组沉积的控制作用(见下文分析), 可知南阳寨—黑石岭断裂形成于晚侏罗世末期, 推测具有相同构造背景的七井寺—北口逆冲构造的活动时代与之相当。曹子水—北李庄断裂表现为断面倾向北西的正断层, 切割了土城子组等早期地层, 对东岭台组火山岩的喷发与沉积具有一定控制作用, 其形成时代应为早白垩世早期(图1)。EW向构造相对较少, 常见于晚中生代盆地边缘, 且多被后期NE向构造叠加改造, 属印支运动产物。

2　盆地充填序列

草沟堡盆地和招柏盆地基底均为寒武—奥陶系碳酸盐岩(图1), 其中前者晚中生代地层充填序列较为完整, 盆地叠置现象相对清晰, 由老到新依次发育上侏罗统九龙山组、髫髻山组、土城子组和下白垩统东岭台组。后者与逆冲构造相伴生, 仅充填土城子组地层, 清晰地记录了晚侏罗世末期发生在中国东部的一次大规模逆冲抬升事件。

九龙山组主要分布于北京西山、冀北和冀西北不同规模盆地中。草沟堡盆地九龙山组与下伏奥陶纪灰岩呈角度不整合接触, 厚约60 m, 由灰色砾岩和浅肉红色凝灰岩组成(图3)。砾岩中砾石成分以碳酸盐岩为主, 杂基支撑, 磨圆较差, 分选性一般,砾径以2~10 cm为主, 最大可达30 cm, 隐约可见平行层理发育, 具近源快速堆积的冲积扇特征(图2B)。上部凝灰岩厚约10 m, 底部可见数厘米厚的古风化壳, 代表一次短暂的沉积间断事件。沉积学研究表明, 北京西山被单独分组的龙门组砾岩实为九龙山组底部地层, 与山西云岗组以及辽西海房沟组同为侏罗纪煤系地层之上一套可供对比的粗碎屑沉积, 代表燕山运动“绪动”最早的沉积响应(张宏仁等, 2013)。

图1　研究区构造格架简图Fig. 1　Schematic map of structural framework in the study areaF1-七井寺—北口逆冲断裂; F2-南阳寨—黑石岭逆冲断裂; F3-曹子水—北李庄断裂;

髫髻山组及同时代地层广泛分布于太行山北部、冀北、辽西等地, 可与满洲里—额尔古纳地区塔木兰沟组进行对比, 代表燕山期剧烈火山喷发和中国东部岩石圈属性转变的开始。主要以基性-中基性安山质喷出岩为主, 夹有火山碎屑岩, 底部常发育厚度不等的深灰色粗砂岩或砾岩(图3)。蔚县苜蓿一带髫髻山组底部由灰黑色中-粗粒砂岩、含砾砂岩及砾岩组成向上变粗的反旋回沉积序列。砾岩层所含砾石以安山岩为主, 磨圆较好, 分选较差, 底部冲刷面清晰可见。砂岩中大型交错层理极为发育(图2D), 总体上为一套砾质辫状河沉积体系。目前, 关于髫髻山组火山岩形成的构造背景依然存在较大争议(李伍平等, 2001; 邵济安等, 2003), 但却普遍赞成该套火山岩的形成与地壳增厚密切相关。

土城子组主要沿NE或NNE向挠曲盆地和逆冲断裂带分布。分布于草沟堡盆地的土城子组是一套富含火山物质的粗碎屑沉积, 在盆地北部与下伏髫髻山组之间为微角度或角度不整合, 在盆地中心过渡为平行不整合, 向南土城子组超覆于奥陶系灰岩之上(图1)。蔚县苜蓿一带该组地层厚约134 m, 底部为一套灰黑色厚层砾岩, 常具灰白色细砂岩透镜体, 局部平行层理发育,磨圆较好, 分选中等, 砾径以2~5 cm为主, 大者有10 cm, 被解释为冲积扇沉积(图2E)。其上主要由深灰色粗砂岩、含砾粗砂岩及砾岩组成辫状河沉积体系, 其中砂岩及含砾砂岩中板状交错层理及平行层理较为发育(图2F)。总体上, 草沟堡盆地土城子组略具向上变细再变粗的沉积特征, 表明盆缘构造活动具有一定的反复性。

图2　野外露头典型照片Fig. 2　Representative photos of outcrops

招柏盆地与南阳寨—黑石岭逆冲断裂相伴生,盆地基底为奥陶系灰岩, 土城子组以角度不整合覆于其上, 厚度约137 m(图1)。盆地充填以砾岩为主,偶见砂岩透镜体, 砾石为次圆状或次棱角状, 分选较差, 砾径小者为1~5 cm, 大者可达30~50 cm, 隐约可见平行层理, 属近源冲积扇沉积(图2H)。整体上, 研究区内土城子组以粗碎屑沉积为主, 是晚中生代显著的一次受褶皱逆冲事件控制的沉积记录(刘少峰等, 2004)。

土城子组砾岩之上为东岭台组粉红色含砾凝灰质流纹岩或流纹斑岩, 局部夹有少量安山角砾岩和安山岩, 两者之间为区域性角度不整合(图1)。在其地层命名地北京门头沟沿河城东岭村一带, 可见东岭台组火山岩不整合覆盖于由不同时代地层组成的青白口褶皱推覆体之上(汪洋等, 2009)。地球化学研究表明, 东岭台组火山岩具有从碱质富集的基性岩向硅饱和的中酸性岩的演化分异趋势, 是幔源玄武质岩浆在中等压力条件下分离结晶的产物, 类似于A型流纹岩(汪洋等, 2009)。

3　沉积盆地分析

3.1沉积物物源分析

盆地沉积物中的砾石和砂岩碎屑组分记录了盆缘山脉隆升和侵蚀演化的重要信息(Liu et al., 2010)。研究区内中生代盆地沉积岩主要由砾岩以及含砾粗砂岩组成, 砾岩成分统计在野外进行, 统计露头面积约为2 m2, 每个露头需统计的颗粒数目一般在100~180以上。为了尽量排除砾石大小不均一性影响, 须在占总体砾径分布范围80%及以上的砾径区间内随机进行统计。由于草沟堡盆地周缘出露有不同种类的源区地层, 根据砾石成分统计结果可以很好判断源区地层组合特征。

对砾石组分的观测表明, 九龙山组源区地层组合以寒武—奥陶系碳酸盐岩为主, 下侏罗统南大岭组玄武岩及其它地层次之(图3)。在盆地大部分地区,砾石成分普遍以含有大量近源堆积的碳酸盐岩为特征, 其含量最高可达90%, 火山岩与其它组分含量较少。然而, 在苜蓿南侧砾石组分中玄武岩颗粒含量(60%)超过了碳酸盐岩(35%), 表明源区地层组合中南大岭组分布极不均匀, 不能稳定持续地为盆地提供火山岩碎屑。总体而言, 盆地汇水范围相对较小, 物源区与沉积区高差较大, 碎屑颗粒经短距离搬运后便发生沉积, 导致砾石分选性和磨圆度均较差, 显然与源区快速抬升剥露有关。

髫髻山组底部含砾粗砂岩或砾岩层中, 可见安山岩、碳酸盐岩、凝灰岩、砂岩等砾石颗粒, 其中以安山岩为主(图3), 含量在50%~90%之间变化。显然, 源区安山岩的大量剥露暗示了同沉积期或稍早火山活动已经开始, 且在一定范围内沉积了一套厚度不大的安山质喷出岩。随后更大范围内的安山质岩浆上涌并喷出地表, 造成区域性差异隆升及早期火山岩的广泛剥蚀。除此之外, 源区寒武—奥陶系碳酸盐岩以及九龙山组顶部凝灰岩和砂岩地层亦处于小面积剥露状态。

土城子组砾石类型在不同地区表现出不同的组合特征。草沟堡盆地砾石成分主要为火山岩、碳酸盐岩、硅质岩等, 其它组分较少(图3)。由于盆缘髫髻山组火山岩大范围出露, 土城子组中下部砾石类型以安山岩为主, 且含量相对稳定, 约为90%,碳酸盐岩、凝灰岩等砾石次之, 共占约10%。向上砾石组分发生显著变化, 表现为安山岩明显减少,碳酸盐岩含量不断增大, 此外, 硅质岩颗粒开始加入, 含量亦有稳步增大的趋势。整体上, 纵向砾石组分的变化规律表明, 随着源区火山岩的不断剥蚀,底部以碳酸盐岩为代表的寒武—奥陶系以及硅质岩颗粒对应的元古界地层陆续被剥露至地表, 它们共同构成一次揭顶事件。

南部招柏盆地土城子组是对南大寨—黑石岭断裂指向南东的逆冲作用的沉积响应。其物质组成主要为不同种类碳酸盐岩(包括竹叶状灰岩、豹皮灰岩和白云质灰岩)(图2H), 且纵向上含量较为稳定,约占85%~95%, 另外可见少量的紫红色火山岩和红色砂岩(图4b), 表明源区地层主要为碳酸盐岩对应的下古生界。如今南大寨—黑石岭逆冲断裂上盘仅残留少许寒武—奥陶系地层, 暗示了上盘岩系在强烈逆冲抬升过程中成为盆地主要蚀源区。

3.2盆地分布与迁移特征

由于遭受同期或后期构造改造、多期盆地叠置、剥蚀等作用, 太行山北部晚中生代盆地原始形态大多被破坏, 分割成诸多小型盆地, 而草沟堡盆地是为数不多的保存较为完好的晚中生代盆地。因此,本文将以草沟堡盆地为例, 通过不同时期残留地层分布状况以及古流方向的测定, 并结合构造变形分析, 探索晚中生代不同时期盆地展布形态及其与构造作用的关系。

九龙山组残留地层呈近EW向环带状断续分布,由于后期NE向构造的叠加改造, 盆地东部向北旋转弯曲(图5A)。通过小盆连片, 该期原型盆地大致呈东西向集中分布于复向斜核部, 表明当时南北向挤压应力起主导作用。盆地沉积以近源快速堆积的冲积扇相为主, 指示了同沉积期构造活动较为剧烈。本文收集测量了不同地点砾石扁平面产状, 对倾斜地层抚平校正之后发现, 九龙山组沉积期古流向以南南西向为主(图5A), 个别为北西向, 显示了盆地北部地区构造抬升相对显著, 成为盆地主要物源区。

图3　草沟堡盆地晚中生代地层充填序列及砾石类型组合的垂向变化Fig. 3　Stratigraphic sequence and vertical variation of gravel type during the late Mesozoic in Caogoubu basin

图4　招柏盆地地质简图(a)和土城子组沉积特征及砾石类型组合的垂向变化(b)Fig. 4　Schematic geological map of Zhaobai basin (a) and sedimentary features of Tuchengzi Formation with the vertical change of gravel type configuration (b)

髫髻山组地层分布范围与九龙山组基本一致,呈东西向延伸, 但在盆地东部, 相对于下伏九龙山组具有明显地向北超覆不整合(图1)。如图5B所示,髫髻山组底部砾岩及粗砂岩所记录的沉积古流向较为混乱, 并未呈现出特定的优选方位, 表明物源供给区分布较为散乱, 进一步印证了当时火山活动剧烈, 造成地表地形差异性隆升。宏观上, 髫髻山组及其同时代火山岩集中分布于尚义—平泉断裂以南、呈EW向延伸的狭长区域内, 在辽西的朝阳—建昌一线转为NE向延伸, 再向北呈NNE向出露于松辽盆地以西的满洲里—额尔古纳地区, 即沿大兴安岭西坡分布(Xu et al., 2013)。

髫髻山组大规模火山喷发之后, 中国东部开始进入新的构造演化阶段。该时期, 土城子组原型盆地明显转为NNE向延伸, 常与NNE向褶皱或逆冲构造配套产出。通过观察残留地层分布特点, 发现土城子组原型盆地向北并未超出早期东西向盆地沉积范围, 而是显示出向南和向逆冲前缘或复向斜中心迁移的特点(图1)。古水流数据表明, 盆地边缘古流向以南东、南西西、北西等方向为主, 向盆地中部逐渐转为南东向, 显示了盆地两侧及北部地区构造抬升明显(图5C)。区域上, 晚侏罗世末期是NE向构造对早期EW向盆山格局进行改造的重要时期,在燕山地区更是呈现出单个盆地NE向展布与盆地群EW向带状分布的特点(李忠等, 2003)。

图5　草沟堡盆地不同时期原型盆地及其古水流配置Fig. 5　Prototype basins with their paleocurrent configuration during different stages in Caogoubu basinA, B, C, D-九龙山组、髫髻山组、土城子组、东岭台组原型盆地及其古水流配置; n-古水流数据统计数目; d-平均古流向A, B, C, D-the prototype basin and its paleocurrent configuration of Jiulongshan Formation, Tiaojishan Formation, Tuchengzi Formation and Donglingtai Formation; n-numbers of paleocurrent data; d-mean paleocurrent direction

图6　中国东部晚中生代构造演化动力学模型Fig. 6　Dynamic model for the structural evolution during the late Mesozoic in eastern ChinaSP-西伯利1亚板块; MB-蒙古地块; NCC-华北克拉通; MOS-蒙古—鄂霍茨克缝合带; YYB-阴山—燕山陆内变形带; OB-鄂尔多斯盆地; MCC-变质核杂岩SP-Siberia plate; MB-Mongolia block; NCC-North China Craton; MOS-Mongolia-Okhotsk suture; YYB-Yinshan-Yanshan intracontinental deformation belt; OB-Ordos basin; MCC-metamorphic core complex

早白垩世早期, 中国东部结束了由挤压作用主导的构造体制, 开始转为伸展构造体制, 其标志即为东岭台组火山岩与下伏不同地层之间的区域性角度不整合界面。草沟堡盆地东岭台组火山岩呈NNE向延伸, 其分布范围稍小于土城子组(图5D)。盆地西侧与曹子水—北李庄正断层相邻, 该断裂切割了土城子组等早期地层, 对东岭台组火山岩的喷发与沉积具有控制作用。区域上, 东岭台组可与燕山地区的张家口组进行比, 其共同特征是与NE或NNE向正断层相邻, 具半地堑式剖面形态。

4　讨论

以草沟堡盆地和招柏盆地为代表的中国东部地区是晚中生代“东亚多向汇聚构造体系”的重要组成部分, 其完整的盆地沉积序列及清晰的盆地叠置关系记录了该阶段中国东部构造演化过程, 即两次区域性构造挤压事件及其分别对应的弱伸展和岩石圈伸展垮塌阶段。

4.1晚中生代中国东部构造演化序列

近年来, 由于大量同位素地质年代学测定工作的开展, 比较好地限定了晚中生代相关地层的形成时代。在北京西山, 钻孔揭露了九龙山组底部由一套厚约12 m的火山凝灰岩及其下部厚约40 m的砾岩组成, 锆石U-Pb定年结果显示凝灰岩中记录了154 Ma和161 Ma两期年龄(李海龙等, 2014), 其中后者与底部砾岩的沉积时代相仿; 在山西, 宁武—静乐盆地云岗组顶部凝灰质碳酸盐岩的锆石U-Pb年龄为(160.6±0.5) Ma, 根据沉积速率推测底部砾岩层的沉积时代约为168 Ma(李振宏等, 2014), 与额尔古纳地区S型花岗岩的侵位年龄((168±2) Ma)相吻合(Xu et al., 2013)。总体上, 以九龙山组为代表的区域性砾岩的形成时代应介于170~161 Ma之间。目前, 关于髫髻山组火山岩的形成时代争议较大。Hu等(2010)对承德县西南一带的髫髻山组火山碎屑岩开展了锆石U-Pb定年, 结果为(160.1±4.3) Ma;取自太行山北部浑源盆地髫髻山组上部玄武质安山岩的锆石U-Pb年龄为(152.8±0.63) Ma(李振宏等, 2014)。尽管已报道的年龄数据还有很多, 但髫髻山组整体上应介于160~152 Ma之间。土城子组是冀北及辽西地区晚中生代地层序列的关键层位, 张宏等(2008)对其分布最广的承德盆地和金岭寺—羊山盆地进行了系统采样和测年, 认为土城子组主体沉积时代应起始于147 Ma而终于136 Ma。目前, 关于东岭台组(张家口组)火山岩底界年龄争议较小,虽然不同地区略有差异, 但多数学者赞成该期火山活动启动于约135 Ma(牛宝贵等, 2003)。

基于晚中生代地层形成时代分析, 反演中国东部该阶段构造演化过程, 可以划分为中侏罗世晚期、晚侏罗世、晚侏罗世末期—早白垩世早期、早白垩世等四个演化阶段。

(1)中侏罗世晚期主挤压阶段(170—161 Ma)。如前所述, 九龙山组原型盆地呈东西向展布, 古水流以南南西向为主, 显示盆地北部构造抬升显著。据沉积学特征判定九龙山组为一套挤压背景下快速堆积的冲积扇沉积体系。响应远程板块汇聚作用, 该时期华北北缘发育东西向延伸的特大型逆冲推覆构造(如亚干推覆体)(Zheng et al., 1996), 而紧邻蒙古—鄂霍茨克缝合带南缘的额尔古纳地区则以S型花岗岩侵位为特征(Xu et al., 2013), 它们均是南北向构造挤压作用下的产物, 代表着侏罗纪陆内造山过程的启动。上述地质事件综合作用的结果必然是区域性地壳迅速增厚, 从而引发下地壳物质部分熔融出埃达克质岩浆。

(2)晚侏罗世弱伸展阶段(160—152 Ma)。该阶段,髫髻山组盆地展布方向与九龙山期近于一致。其底部砾岩及粗砂岩所记录的沉积古流向较为混乱, 暗示了物源区分布相对散乱, 推测与火山物质剧烈喷发前区域性弱伸展作用有关。近期研究结果表明,满洲里—额尔古纳地区与其时代相当的塔木兰沟组主要由玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩组成, 属碱性系列, 地球化学组成以富集大离子亲石元素、轻稀土元素和亏损Nb为特征, 表明其形成与陆壳快速挤压增厚之后的弱伸展作用有关(孟恩等, 2011)。总之,该时期主体上延续了早期的构造挤压背景, 然而当板块汇聚速率减缓, 出现区域性短暂弱伸展条件下,下地壳部分熔融的埃达克质岩浆因释压而喷出地表,

形成髫髻山组沉积。

(3)晚侏罗世末期—早白垩世早期挤压阶段(147—136 Ma)。该阶段, 中国东部区域性构造应力场转为NW–SE向构造挤压, 土城子原型盆地呈NNE向叠加于前期EW向盆地之上, 呈现出褶皱逆冲带与挤压挠曲盆地相邻并存的盆山结构。古水流数据显示该时期草沟堡盆地蚀源区主要位于向斜盆地两翼及其北部, 并且具有典型的倒序剥露过程。南部招柏盆地受逆冲作用控制明显, 发育近源快速堆积的冲积扇沉积体系, 属典型前陆式挠曲盆地。区域上, 该时期燕山地区呈现出单个盆地NE向展布与盆地群EW向带状分布的特征, 而太行山南段则发育一系列由NNE向背斜与向斜构成的隔挡式褶皱(吴奇等, 2012)。然而在东北地区, 与土城子组同时代的大兴安岭南段玛尼吐组碱性流纹岩和大兴安岭北段吉祥峰组A型流纹岩的存在, 暗示了该阶段大兴安岭地区应为伸展构造背景(王建国等, 2013; Xu et al., 2013)。同一时期不同地区受控于截然不同的构造体制可能与所处大地构造位置不同密切相关。

(4)早白垩世(135—120 Ma)主伸展阶段。该阶段以东岭台组大规模火山活动为开端, NW–SE向伸展成为制约中国东部火山活动及断陷盆地分布与发育的主导机制。草沟堡盆地东岭台组与曹子水—北李庄伸展断层相伴生, 清晰地记录了这一构造变革过程。此外, 太行山及燕山许多地区出露有壳幔岩浆混合作用形成的岩浆杂岩体, 其形成时代主要集中于126~123 Ma(汪洋等, 2014)。变质核杂岩的广泛发育也是该时期伸展构造的重要表现形式(Wang et al., 2011), 其中以呼和浩特变质核杂岩最为典型。详细的构造热年代学研究表明伸展拆离作用应起始于127 Ma以后, 至119 Ma左右接近尾声, 其中122~121 Ma为伸展拆离作用的峰期阶段(Davis and Darby, 2010)。

4.2动力学背景

晚中生代是“东亚多向汇聚构造体系”定型时期(张岳桥等, 2007; 董树文等, 2008), 由此引发了波及东亚大陆的广泛的岩石圈挤压变形和陆内造山作用。至早白垩世, 中国东部岩石圈进入全面伸展垮塌阶段, 伴随着强烈的火山活动、伸展断陷盆地及变质核杂岩的广泛发育。研究区位于NNE向太行山构造带与EW向燕山构造带的交汇部位, 其构造演化过程与西伯利亚板块向南、Izanagi板块向北西的汇聚作用尤为密切(图6)。

古地磁研究表明, 早在二叠纪末期蒙古—鄂霍茨克海便处于缓慢关闭状态, 并且自西向东呈“剪刀式”闭合(Kravchinsky et al., 2002)。至中侏罗世,兴安地块与松嫩—张广才岭之间S型花岗岩侵位暗示了额尔古纳地块西北侧的蒙古—鄂霍茨克洋盆已经关闭(Xu et al., 2013)(图6A)。在此背景之下, 华北地区表现出强烈的南北向构造挤压。由于区域性陆壳迅速增厚, 下地壳物质部分熔融出埃达克质岩浆。晚侏罗世, 由于板块汇聚速率减缓, 出现区域性短暂弱伸展条件, 埃达克质岩浆释压而喷出地表(图6B)。太行山北部、燕山及辽西地区的髫髻山组以及满洲里—额尔古纳地区的塔木兰沟组是该期火山作用典型代表。

有证据表明, 西太平洋Izanagi板块指向北西的俯冲作用起始于晚侏罗世(李三忠等, 2004; 赵越等, 2004), 形成了东亚大陆边缘增生造山带。然而,从东北中生代火山岩时空分布特征来看, 目前在松辽盆地以东地区尚未发现160~135 Ma的火山岩,这与日本和韩国缺乏该时期岩浆事件相吻合(Xu et al., 2013), 暗示了该阶段Izanagi板块向东亚大陆之下并未发生明显的俯冲作用。然而, 无论何种认识正确, 中晚侏罗世Izanagi板块与欧亚板块之间的相互作用对陆内太行山地区影响甚弱。晚侏罗世末—早白垩世早期, 蒙古—鄂霍茨克海在外贝加尔东部地区消减完毕, 南北向构造作用趋于减弱。与此同时, 中国东部地区盆山格局开始重组, NNE–NE向展布的前陆盆地与逆冲构造相邻伴生, 叠置于早期EW向盆地之上(图6C), 表明该阶段Izanagi板块指向北西的俯冲作用已经发生, 其派生的NW–SE向构造挤压开始主导区域构造变形。早白垩世, 在蒙古—鄂霍茨克构造带造山后重力失稳垮塌与Izanagi板块俯冲引发弧后拉张的联合作用下, 中国东部岩石圈进入全面伸展垮塌阶段(图6D)。

5　结论

太行山北部草沟堡盆地和招柏盆地晚中生代陆内变形与沉积记录, 折射了华北地块在蒙古—鄂霍茨克海关闭、古太平洋板块俯冲联合作用下的陆内变形过程, 尤其是精细刻画出该复杂过程的四个演化阶段: 1)中侏罗世晚期S–N向构造挤压段(170 — 161 Ma), 与蒙古—鄂霍茨克洋盆消减关闭有关; 2)晚侏罗世S–N向弱伸展阶段(160—152 Ma), 由于板块汇聚速率减缓, 使得区域性构造挤压背景下穿插发育短暂的弱伸展阶段; 3)晚侏罗世末—早白垩世早期NW–SE向构造挤压阶段(148—136 Ma), 与Izanagi板块俯冲作用及其 引发的NW–SE向构造挤压自陆缘向陆内快速扩展有关; 4)早白垩世NW–SE向主伸展阶段(135—120 Ma), 与蒙古—鄂霍茨克构造带造山后重力失稳垮塌及Izanagi板块俯冲引发弧后拉张的联合作用有关。该过程揭示了“燕山运动”幕式演化的历史, 对研究和理解华北地块晚中生代陆内变形机制具有一定的启发性。

致谢: 本项研究的资料部分来源于中国地质大学(北京)硕士研究生学位论文, 成文过程在深部探测专项(编号: SinoProbe-08-01)和中国地质调查局地质调查项目(编号: 1212011120099)的资助下, 开展了部分野外工作和室内分析研究, 在此深表感谢!

Acknowledgements:

This study was supported by the Science and Technology Project (No. SinoProbe-08-01) and China Geological Survey (No. 1212011120099).

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An Analysis of Late Mesozoic Tectonic Evolution Process in Northern China: Based on Basin Sedimentary Records in Northern Taihang Mountains

WANG Yong-chao1), DONG Shu-wen1)*, SHI Wei2), CEN Min2), LI Jiang-yu1)1) Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081

Abstract:The northern Taihang Mountains are located at the junction of the Yanshan tectonic belt with the Taihang Mountains belt, and their superimposed basin development process documented the basin trending conversion process from EW to NE during Jurassic to Cretaceous, which is significant for depicting the intracontinental deformation process and its dynamic background during the late Mesozoic in North China. Caogoubu basin and Zhaobai basin located in northern Taihang Mountains were selected as examples in this paper. According to the basic structural framework analysis of basins in combination with isotope chronologic data from magmatic rocks and sedimentology methods which include the detailed analysis of sediment provenance, prototype basin reconstruction and so on, tectonic evolution history of the northern Taihang Mountains during the late Mesozoic can be detected, which includes four stage evolution sequences : (1) nearly N–S contraction and flexural basin development during the late middle Jurassic, (2) nearly N–S low-magnitude extention and crust sources volcanic eruption that occurred in the late Jurassic, (3) NW–SE contraction and foreland basin development from the end of the late Jurassic to the earliest Cretaceous, and (4) NW–SE extension and mantle sources volcanic eruption during the early Cretaceous. The conversion of tectonic regimes is essentially the transformation of its geodynamic systems, and on the context of the East Asia multi-direction convergent tectonic system during the Middle–Late Jurassic, the multi-phases tectonic and basin superposition that occurred in northern Taihang Mountains during the late Mesozoic indicates the conversion process during which thebook=36,ebook=39Mogolia–Okhotsk tectonic system graded into the Marginal–Pacific tectonic system.

Key words:northern Taihang Mountains; late Mesozoic; sediment provenance analysis; prototype basin reconstruction; Siberian plate; Izanagi plate

*通讯作者:董树文, 男, 1954年生。研究员, 博士生导师。长期从事构造地质与碰撞造山带研究。

通讯地址:100037, 北京市西城区百万庄大街26号。电话: 010-68999606。E-mail: swdong@cags.ac.cn。

作者简介:第一 王永超, 男, 1987年生。博士研究生。构造地质学专业。电话: 010-88815102。E-mail: yongchao19870325@163.com。

收稿日期:2015-08-07; 改回日期: 2015-12-05。责任编辑: 闫立娟。

中图分类号:P534.5; P512.2

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.04