徐淮地区古生界与上元古界构造变形对比分析及意义

赵光宝,　刘国生,　陈　俊,　李梦婵,　李　飞,　张宏洋

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥　230009)



徐淮地区古生界与上元古界构造变形对比分析及意义

赵光宝,刘国生,陈俊,李梦婵,李飞,张宏洋

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:文章在详细的野外地质调查研究基础上,对徐淮地区古生界和上元古界构造变形进行了研究和分析,发现古生界与上元古界变形特征有着明显的差异。古生界以强烈、紧闭或倒转褶皱为主,经统计分析,这些褶皱轴面多向南东倾斜,与此相伴生有一系列由南东向北西逆冲的冲断构造;地层缩短量达40.5%～62.4%。而上元古界的构造变形相对较弱,以宽缓的褶皱为主,断裂活动以顺层滑动和小型脆性断层为主,总体上构成侏罗山式构造组合(其中以隔档式为主要表现形式),经平衡剖面估算,其上元古界变形缩短量为15%左右。研究认为上元古界为强干层,沿其上下层面均产生剪切滑动,受其影响自身沿基底滑脱发育了侏罗山式褶皱构造组合,而沿其上层面的滑动为古生界的的大规模伸展滑覆提供了充要条件。

关键词:古生界;上元古界;变形分析;徐淮弧形构造

弧形构造在平面展布上的独特性引起了地质学家的广泛关注。Argand在对阿尔卑斯造山带的研究中作出了对弧形构造的描述及成因推测[1];Carey提出了“弯曲造山”的假说[2],认为现在的各种弧形构造均由原先平直的构造带经后期的旋转—弯曲变形而成;文献[3]在对全球的众多典型弧形山系的内部几何结构研究后,从几何学的角度对弧形构造的趋势线在平面上的展布特征及其与前缘线的关系进行了阐述,并将弧形构造分为6类,此外还从动力学角度提出了弧形构造的6种成因。在国际上,弧形构造的研究已经从物理模拟、运动学和动力学分析的深度向古地磁、应变测量等新兴技术发展。

我国发育有较多典型的弧形构造,如喜马拉雅弧、青藏高原东北缘弧、南天山弧等弧形构造。黄汲清系统地总结了我国的弧形构造,把弧形构造称作弧形褶皱带,并将它们分为三级弧形构造系统[4];李四光将弧形构造划归到扭转构造和“山”字型构造体系之中[5];文献[6-7]对我国境内的帕米尔弧部分开展了新构造运动研究。

发育在我国东部的徐淮弧形构造,在地理上展布在江苏徐州—安徽淮北、宿州一带,东侧以郯庐断裂为界,向西到豫东一带,北与东西展布的敬安—四户凹陷相邻,南达太和断裂,与蚌埠隆起相邻。

徐淮地区区域构造示意图如图1所示。

图1　徐淮地区区域构造示意图

在大地构造方面,徐淮弧处于华北板块内部(东南部边缘)、郯庐断裂带西侧近旁侧、过郯庐断裂带与苏鲁造山带毗邻这样一个具有重要意义的构造枢纽位置。

由于徐淮弧的独特展布,与华北板块上其他构造形迹截然不同,长期以来我国地质学家们进行了大量的研究,取得了重要理论成果,包括山字型构造[5]、徐宿旋卷构造[8]、徐淮推覆体[9]以及徐淮滑脱构造[10]等。现阶段徐淮弧的成因机制主要分为2类——滑脱机制和推覆机制,但是前人在对徐淮弧形构造的研究中更多地侧重了古生界的构造变形(即弧形构造的中带、锋带部分),对上元古界(即弧形构造的根带部分)构造变形的研究相对不足。笔者在对弧形构造的调查研究中发现,上元古界的构造变形与古生界有着明显不同,不能将两者视为同一盖层;本文在详细的野外地质调查的基础上,对其变形特征进行对比分析,以期为正确认识该弧形构造的特征及形成机理提供参考。

1区域地质概况

徐淮地区在大地构造上属于华北板块的东南缘,区域东部、南部以连黄断裂(双沟推覆带)、郯庐断裂与扬子板块相隔;北端接近丰沛隆起、鲁西隆起,受制于丰沛断裂;南部到达固镇断裂,与蚌埠隆起相望,弧形构造整体向北北西向突出。

徐淮弧形构造为薄皮构造,构造主体由基底之上发生构造变形的盖层组成。基底主要为太古界泰山群山草峪组[11],为区域中深变质岩系,厚度较大,主要为片麻岩,受到不同程度的混合岩化作用,属地槽型复理式建造,属低级铁铝榴石角闪岩相。盖层为稳定的板块型沉积盖层,主要由上元古界的淮河群、震旦系,古生界的寒武系、奥陶系、石炭系及二叠系组成,震旦系下统、奥陶系上统至石炭系下统整体缺失,大部分石炭系与二叠系地层都被寒武系与奥陶系覆盖;区内出露地层主要为浅海相碳酸盐岩夹陆源碎屑岩,主要有叠层石灰岩、鲕粒灰岩、微晶灰岩、砾屑灰岩、白云岩及少量砂岩、页岩、硅质岩及膏溶层等。沉积相研究证明,上元古代和早古生代时期,本区是一个朝向南东方向微缓倾斜的陆表浅海环境[12]。

区域内部构造以大型褶皱及逆冲断层为主,主要构成地层为古生界与上元古界,在不同部位的构造变形差异明显,根据变形类型及程度的不同自西向东可以分为锋带、中带及根带;根据其在构造趋势线走向上的差异在南北向上可以分为北段、中段及南段3段。在弧形构造中中段出露3带,出露最为齐全,本次主要对中段展开研究。

2古生界构造变形特征

本区的古生界包括了寒武系、奥陶系、石炭系及二叠系地层,奥陶系上统、志留系至石炭系下统整体缺失。石炭系及二叠系被古生界的寒武系、奥陶系逆冲岩片所覆盖,只有局部出露, 萧县白土镇锦屏山—白场构造剖面如图2所示(根据文献[12]略作修改)。

图2　萧县白土镇锦屏山—白场构造剖面(Ⅰ-Ⅰ′剖面)

古生界主要分布在徐州—淮北—宿州等地的弧形构造中带和锋带,其构造变形较强烈,以紧闭、倒转褶皱和逆冲断层为主,其具体构造特征如下:

(1) 古生界褶皱构造是徐淮弧形构造中带和锋带的主体,褶皱规模较大,变形较强烈,相对较紧闭。如在弧形构造中带的军王家及犁铧山西侧一带测得由寒武系构成的褶皱两翼产状,其北西翼趋势产状分别为283°～293°∠65°～78°,南东翼总体产状104°～117°∠47°～60°,它们在露头上构成箱状褶皱;在中带的马庄、横口及犁铧山东侧一带的部分寒武系发生地层倒转,地层的优势产状为135°～140°∠48°～68°,构成斜歪褶皱;在锋带的萧县黄庄和孙庄等地的奥陶系下统中发育了平卧褶皱。犁铧山—栆山构造剖面如图3所示(据文献[12]略作修改)。对古生界中的褶皱产状进行统计发现:褶皱两翼多不对称,倾角有较大差异,北西翼较陡(53°～79°),南东翼较缓(37°～56°),褶皱轴面倾向以南东(103°～157°)为主。

图3　犁铧山—栆山构造剖面

(2) 古生界中的断裂构造在整个弧形构造中带与锋带中广泛发育。中带内发育的断裂规模较大,主要为大尺度的逆冲断层(图2)及反向断层,弧形构造中带秦山—枣山等地发育了叠瓦状双冲构造(图3d)。对主要断层数据统计表明,断层构造以逆冲性质为主,走向以北东—南西(23°～40°)为主,多倾向南东(93°～120°),这些断层多收敛于底部滑脱层(古生界内部馒头组、贾汪组等存在多个滑脱层系)。由此构成了弧形构造中带和锋带上的逆冲推覆构造组合。上述逆冲断层及其大量轴面倾向南东的斜歪、倒转褶皱的存在有力地证明了作用力来自南东方向。

(3) 古生界的寒武系及奥陶系等上覆地层在徐淮弧形构造形成过程中由南东向北西产生了较大规模的运移,运移距离达到140～160 km[12],运移过程中相关地层发生的褶皱及地层逆冲叠加,使得相关地层发生缩短,通过平衡剖面复原计算发现缩短率达到了40.5%～62.4%[13]。

3上元古界构造变形特征

本区的上元古界包括震旦系上统的沟后组与金山寨组,淮河群的望山组、史家组、魏集组、张渠组、九顶山组、倪园组、赵圩组、贾园组(九里桥组)、岠山组(四十里长山组)、新兴组(刘老碑组)及兰陵组等地层。本区内的上元古界的出露主要集中在弧形构造东西向分带的根带位置,地层产状总体较平缓,变形强度相对较弱,多发育大型的宽缓褶皱、侏罗山式褶皱及小型层间褶皱;内部断层活动相对较弱,多为顺层滑脱断层。

上元古界在研究区中段出露相对完整,本次选择了魏集—姚集一带进行了详细的工作,在西耿集一带贾园组中下部页岩层之上的砂质泥灰岩,在页岩岩层滑脱面之上发生的顺层滑脱变形,形成滑脱褶皱,如图4所示。

图4　西耿集上元古界贾园组泥灰岩中的顺层滑脱褶皱

上元古界赵圩组及倪园组中的褶皱变形如图5所示。在赵圩一带的赵圩组泥灰岩中的小型顺层滑脱褶皱,褶皱轴面产状分别为156°∠84°、175°∠80°(图5a、图5b);在倪园一带倪园组泥灰岩中发育的滑脱褶皱,野外获得褶皱轴面产状分别为165°∠85°、169°∠15°(图5c、图5d)。这些小型褶皱以背斜为主,规模较小,野外露头尺度上通常只有几米甚至几十厘米;野外统计其小褶皱两翼产状,南东翼为145°～165°∠25°～32°,北西翼为315°～335°∠45°～70°,这些小型褶皱的展布总体显示为北西翼陡、南东翼缓,褶皱枢纽产状为230°～235°∠15°～20°,轴面亦倾向南东。上述现象反映出上元古界褶皱为侏罗山式,以隔档式为主要组合型式。

图5　上元古界赵圩组及倪园组中的褶皱变形

另在双楼一带九顶山组薄—中层灰岩中发育侏罗山褶皱,如图6所示,并与其伴生断层构成了断弯褶皱及断滑褶皱组合,侏罗山式褶皱亦为北西翼陡、南东翼缓,且轴面倾向南东。

图6　九顶山组薄—中层灰岩中侏罗山式褶皱示意图

弧形构造根带内的断层主要有2种表现形式,一是接近中带发育的逆冲断层,二是根带内普遍发育的顺层滑脱断层。经野外调查,发现该区段内断裂构造发育,野外测得断层的趋势产状为倾向北西315°～335°,倾角为25°～52°,断层面上多为倾向擦痕,反映出这些断层以层间滑脱为主,多数与顺层滑脱褶皱伴生,顺层滑脱褶皱多数发育在底部顺层断层面之上,构成了断滑褶皱断层组合、断展褶皱断层组合以及断弯褶皱断层组合[14]。如图5d中的断展褶皱断层组合；图6中的九顶山组薄—中层灰岩中的侏罗山式褶皱在灰岩内部发生顺层滑脱,形成了断滑褶皱断层组合以及断弯褶皱断层组合。

此外笔者根据相关地质资料选取了“薛家湖—张圩构造剖面”,依据文献[15]关于平衡剖面的绘制方法对上元古界构造变形进行了平衡剖面复原,如图7所示。

经过计算得出上元古界在构造变形中的缩短量为15%左右,远小于古生界的40.5%～62.4%的缩短量。

1.兰陵组　2.新兴组　3.岠山组　4.贾园组　5.赵圩组　6.贾园组　7.九顶山组　8.张渠组

综上所述,上元古界以侏罗山式褶皱组合为主要变形形式,反映出上元古界经历了伸展滑脱变形,在变形过程中,不仅自身沿太古界基底向北西向滑移,而且其上部的滑脱面对上覆古生界的滑脱起到了控制作用。

4讨论

4.1变形机制分析及意义讨论

关于其徐淮弧形构造的成因机制,文献[16]研究认为,徐淮弧形构造是从印支期开始发育,一直到燕山期的褶皱冲断推覆体;文献[12]认为在晚印支期—早燕山期板块构造作用下,造山带前陆盆地中以台阶状逆断层为特征的缩短增厚作用导致了徐淮弧形构造的形成;文献[17]研究认为,在三叠纪—早侏罗世早期,受印支运动影响,扬子板块与华北板块拼合和碰撞造山导致郯庐断裂带发生了转换走滑,该阶段陆-陆深俯冲作用使苏鲁超高压变质带向西韧性挤出而形成了徐淮弧形构造;文献[18]指出徐淮弧形构造是三叠纪末期基底东部隆起抬升导致区域盖层滑动形成的高角度叠瓦扇式逆冲断层组合和弧形褶皱带;文献[10]研究发现徐淮弧形构造是印支期华北板块东南缘与下扬子板块东南缘的碰撞以及燕山期郯庐断裂带的活动影响形成的滑脱构造。

本次研究发现本区上元古界构造变形相对古生界较弱,所发育宽缓大型侏罗山式褶皱及层间滑动形成的小褶皱,从大尺度上讲,是由于本区上元古界主要岩性为中厚层白云岩、灰岩及砂岩,厚度及硬度均较大,构成了区内相对的强干层,侏罗山式褶皱应是由底部淮河群兰陵组沿太古界基底滑脱所致。而在上元古界内所发育层间小褶皱,则是由于其内部有较多相对易产生滑动的软弱滑脱面所致,如贾园组下部的薄层砂质泥灰岩、泥质粉砂岩及页岩岩层,史家组的薄层粉砂岩、页岩岩层,金山寨组上部的薄层泥灰岩与页岩岩层,沟后组中下部的薄层泥灰岩、页岩岩层。这些软弱滑脱层的存在不仅使其内部发生层间剪切而形成层间褶皱,也为上覆古生界的滑脱提供了充要条件,现存发育在中带、锋带上的古生界内的紧闭、倒转褶皱和逆冲断层应属于滑脱构造机制下的产物。

另外,在徐淮弧形构造根带中,上元古界的展布总体上呈现为南东老北西新,揭示了基底南东高北西低、总体地层趋势倾向北西;带中的构造变形相对较弱,以宽缓褶皱及层间滑动为主,未见逆冲推覆构造根带中的挤压破碎等挤压机制下的证据;另据沉积相研究,上元古代和早古生代时期,本区是一个朝向南东方向微缓倾斜的陆表浅海环境[12],而现今在南东侧根带部位仅出露了上元古界,古生界除因抬升遭受一定的剥蚀外,主要是沿着上元古界顶面及上部软弱面滑移至现今的部位,构成了弧形构造的中带和锋带。

综上所述,笔者认为在造山时期苏鲁超高压变质带向西挤压对徐淮弧形构造形成产生一定影响;而在中-晚白垩世时期,华北克拉通进入破坏高峰期,受其影响靠近根带——郯庐断裂带附近产生隆升,由此使得区域内盖层发生大规模滑覆。徐淮弧形构造应是在印支期华北板块东南缘与下扬子板块的碰撞以及燕山期郯庐断裂带的活动共同影响下形成的滑覆构造。

4.2关于本区伸展滑脱时代问题

前人研究表明,在晚三叠世—中侏罗世随着华北板块与扬子板块的碰撞,华北克拉通出现最开始的西部凹陷东部隆起构造格局[19];中-晚侏罗世随着太平洋板块的俯冲,华北东南缘进一步抬升[20]导致区内部分地层发生小规模滑脱,但整体构造变形较弱;随着早白垩世华北克拉通进入破坏高峰期[21],至晚白垩世华北克拉通进入伸展破坏阶段,本研究区根带——郯庐断裂带附近产生隆升[21-23],使得区域内盖层发生大规模滑覆,上元古界因为本身强干性及上覆地层的阻碍变形较弱,但古生界在多个滑脱层系的共同作用下发生强烈的构造变形,区内的弧形构造形态基本成型;之后的地壳运动使区内的构造变形受到部分改造,最后形成了现在看到的徐淮弧形构造。

5结论

通过对古生界与上元古界构造变形对比分析得知:两者的构造变形存在较大差异,古生界构造以紧闭、倒转褶皱,发育较多的叠瓦状双冲构造,其地层缩短量达到了40.5%～62.4%;而上元古界的构造变形相对较弱,以宽缓的侏罗山式褶皱为主,断裂活动相对较弱,以层间剪切为主,上元古界地层变形缩短量为15%左右,反映出古生界构造变形比上元古界变形强烈的特征。

上元古界总体构成的侏罗山式构造组合及层间褶皱的发育,有力地证明了其自身沿太古界基底发生了伸展滑脱,其内部及其顶面的软弱层为层间褶皱及其古生界的滑脱及其徐淮弧形构造的形成提供了充要条件,徐淮弧形构造的主要成因机制应属于区域伸展背景下的滑脱构造。

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(责任编辑张淑艳)

Comparative analysis and significance of Paleozoic and Upper Proterozoic tectonic deformation in Xu-Huai region

ZHAO Guang-bao,LIU Guo-sheng,CHEN Jun,LI Meng-chan,LI Fei,ZHANG Hong-yang

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:Based on the detailed geological field investigation, the Paleozoic and Upper Proterozoic tectonic deformation in Xu-Huai region was studied, and the significant difference between the Paleozoic and Upper Proterozoic deformation characteristics was found. The Paleozoic was based on a strong, closed or overturned fold. The statistical analysis results showed that these fold axial planes mostly tilted to the south east, and were accompanied by a series of thrust structures with thrusting from south east to north west. The stratigraphic shortening amount was up to 40.5%-62.4%. The Upper Proterozoic tectonic deformation was relatively weak, with wide and gentle folds mainly faulting to slide along the floor and small brittle faults, and mainly constituted Jura tectonic portfolio in which the kicker manifestation was the main type. The shortening amount of Upper Proterozoic was about 15% according to the balanced section estimation. It is suggested that the Upper Proterozoic is a strong dry layer along with both the upper and lower levels of shear slip, and with the basal detachment, it has developed the Jura folds tectonic portfolio, while sliding along the upper level provides the necessary and sufficient condition for the massive stretch slip cover of Paleozoic.

Key words:Paleozoic; Upper Proterozoic; deformation analysis; Xu-Huai arcuate structure

中图分类号:P542.2

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)02-0244-07

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.019

作者简介：赵光宝(1988-),男,山东潍坊人,合肥工业大学硕士生;刘国生(1957-),男,河北邢台人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41172187);中国地质调查局资助项目(1212011121096)

收稿日期：2014-12-04；修回日期：2015-01-19