龙门山中北段构造变形特征新认识——对多层次滑脱变形的指示意义

邓 棚，方成名，邓铭哲，赵 利

(1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；2.浙江大学 地球科学学院，杭州 310027；3.山东农业大学 资源与环境学院，山东 泰安 271018)

龙门山构造带是我国重要的冲断带之一，大地构造部位处于太平洋构造域和特提斯—喜马拉雅构造域过渡位置，同属于我国中西部复合陆内山前冲断系统[1-2]，一直以来是国内外学者研究冲断带构造变形的热点地区之一。前人对龙门山地区开展了大量的构造变形特征综合研究[3-7]，对龙门山构造演变[8]、成因模式[9]、隆升演化[10]、地壳结构[11]、变形样式[12]等方面取得了许多成果认识。然而由于龙门山构造位置上处于“盆—山”交接转换的特殊部位[2, 13-14]，构造变形强烈，又遭受多期构造变形的叠加改造，从而使得其本身的地质结构和构造变形复杂多样，因而龙门山构造变形特征一直都是大家研究的重点和难点，仍需进一步研究探讨。

本次研究基于龙门山中北段重新处理的山前二维地震长测线剖面构造解析和相关钻井资料构造分析，重点结合沿该二维长测线开展的详细野外基础地质观测，系统研究了龙门山中北段各结构变形带的构造变形特征，并在构造变形样式认识方面取得了一些新的认识。在此基础上，进一步探讨了构造变形模式及成因机制，以期对龙门山地区构造变形研究提供一定的借鉴。

1 区域地质背景

龙门山构造带位于青藏高原的东南缘，是我国东西部地形分界线，构造活动强烈，地史演变复杂。龙门山北自广元南抵宝兴，呈NE-SW向发育展布，全长约500 km，宽30～50 km[15]。龙门山冲断带西北紧邻松潘—甘孜褶皱带，西南与南北向川滇构造带相接，东北与秦岭造山带相连，东南部则过渡到四川盆地(图1a, b)。自中新元古代形成统一基底以来，龙门山在显生宙期间经历了两大差异性演化阶段：第一阶段为震旦纪—中三叠世拉张背景下被动大陆边缘演化阶段[12, 16]，形成了巨厚的海相碎屑岩及碳酸盐岩地层序列；第二阶段晚三叠世—现今挤压背景下的冲断隆升和陆内俯冲型前陆盆地演化阶段[17-19]，相应地形成了上三叠统—第四系陆相碎屑岩序列。传统上龙门山自北向南以北川—安县一线和卧龙—怀远一线为界划分为北段、中段和南段[15]。研究区位于龙门山中北段安县地区，处于中段与北段的过渡转换位置[20-21]，一条重新处理的且与构造走向近垂直的二维长测线剖面为本次研究提供了资料支撑(图1a，图2)，该重处理测线剖面改善了深部断面和地层反射，信噪比相比老资料有较高的提升。

众多研究都表明龙门山自西向东发育青川—茂汶断裂，北川—映秀断裂和马角坝—都江堰—双石(安县—都江堰)断裂等3条显露地表的主干冲断裂(图1a)[10,15,22-24]。此外地球物理资料揭示了在龙门山中段和南段前缘发育彭县隐伏断裂[25]，北段同样也发育一条山前隐伏断裂(图1a)，近几年被工业钻井钻遇证实，研究者统称为1号隐伏断裂[7,26]，本文也采用该名称。

图1 龙门山冲断带构造略图

2 龙门中北段构造变形特征

近年来山前冲断结构分带取得了新进展，由造山带向盆地方向可依次划分出厚皮带、过渡带和薄皮带，其中过渡带根据冲断层是否显露地表进一步划分为过渡Ⅰ带和过渡Ⅱ带[1-2, 27]。该变形结构划带方案以“变形深度(主滑脱深度)为主、兼顾沉积盖层结构样式”为划分原则，区别于传统的以构造样式为原则的划带思路，更能体现不同带的变形结构差异和内在成因联系[1-2,27]。根据该变形结构划带原则，研究区厚皮带范围主要为北川—映秀断裂以西，过渡带为北川—映秀断裂至1号隐伏断裂之间，薄皮带则为1号隐伏断裂以东的盆地区域，其中过渡带以向盆地方向出露的最后一条地表显露断裂——晓坝断裂为界，进一步划分出过渡Ⅰ带和过渡Ⅱ带[27](图2)。本文研究结合该变形结构分带开展龙门山中北段构造变形特征分析。

2.1 厚皮带构造变形特征

龙门山中北段研究区厚皮带构造主要包括北川—映秀主干逆冲断裂及其上盘构造(图2a)。

图2 龙门山中北段研究区地质特征、地表实测剖面和二维测线剖面

北川—映秀断裂是龙门山冲断带内重要的主干断裂，对早期的沉积建造有显著的控制作用，同时也是龙门山地区重要的边界断裂[17，28]。

从本次研究的二维地震测线剖面上可以较为清晰地识别出北川—映秀断裂，其两侧地震反射轴产状明显不一致：在断裂西侧附近，地震反射产状较为平缓，且向南东倾斜；相反，在断裂东侧附近，反射轴局部表现为相对高陡，且向西北倾斜(图3)。此外，地震剖面的深部，还可观测到两处短轴状地震反射(图3，黑色箭头)，表现为强振幅、中—强连续性，推测为断面波反射。因此，通过地震反射轴特征以及产状变化大致可以确定北川—映秀断裂在地震剖面上的位置(图3)。

从地震测线剖面构造解释可以得到，北川—映秀断裂明显切穿基底滑脱层，在地表附近倾角变陡，可达70°以上[11]，向下延伸逐渐变缓，可见断裂的浅层剖面形态表现为铲式(图3)。岩石圈热结构、大地电磁资料表明，北川—映秀断裂切割深度大，向深层的中下地壳滑脱[15]。

研究区北川—映秀断裂上盘出露震旦系—泥盆系古老地层，变形层次较深，主要为韧性变形；地表整体表现为轴面向NW倾斜的紧闭倒转向斜和背斜构造组合样式，向斜核部则为志留系—泥盆系，背斜核部为古老的震旦系—寒武系，推测受控于深部前寒武系基底滑脱层(图2a, b)。从地震剖面上也能清晰看到，北川—映秀断裂上盘地层为褶皱变形样式，与地表紧闭倒转褶皱样式不同的是，该处褶皱形态较宽缓(图2c，图3)，这可能是受基底面滑脱层的分隔作用，导致上下层变形不协调。此外，该区域一条次级平缓断裂显露地表，沿基底面附近滑脱发育(图2c，图3)。位于北川—映秀断裂东侧的下盘则属于过渡带，由相对年轻的上古生界地层组成，变形层次较浅，主要为脆韧性，具体构造变形特征见下文。

图3 龙门山中北段测线剖面北川—映秀断裂地震反射特征剖面位置见图2c的黑色虚线框。

2.2 过渡带构造变形特征

2.2.1 过渡Ⅰ带

研究区过渡Ⅰ带内自西向东主要发育有擂鼓镇断裂、黄连桥冲断裂和楠木园断裂等逆冲断裂及其之间夹持的地层断块等(图2a, b)。

(1)擂鼓镇断裂带

擂鼓镇断裂位于北川—映秀断裂与黄连桥断裂之间，平面走向为NE向(图2a)。断裂上盘出露泥盆系—二叠系(图2b)。野外地质观测到泥盆系出露岩性主要为灰白色中厚层状白云岩；石炭系为灰白色中厚层状白云质灰岩，顶部风化后呈紫红色，为标志层；二叠系则整体为灰白色、灰色中厚层状灰岩。从实测产状数据可知(泥盆系：329°∠52°，石炭系：346°∠46°，二叠系：323°∠53°)，泥盆系、石炭系和二叠系等各时代地层产状大体相似，都为北西倾向，倾角高陡，且古老的泥盆系出露在相对年轻的石炭系上部(图2b)，表明地层倒转，为倒转背斜的一翼(图2a)。

擂鼓镇断裂下盘附近出露下三叠统飞仙关组，岩性为浅灰色中薄层状灰岩与紫红色砂岩不等厚互层。本次研究观测到飞仙关组地层内部发育丰富构造变形：靠近主断裂附近发育2个宽缓褶皱，两翼倾角大小相近(图4a,b)，表现为滑脱褶皱变形特征；越远离主断裂，褶皱变得紧闭，两翼不对称，一翼宽缓，另一翼高陡甚至倒转，褶皱由内向外形态逐渐变得宽缓，向斜轴面向下延伸到断裂末端的位置(图4c)，为典型的断层传播褶皱。继续远离擂鼓镇主控断裂，褶皱变形消失，地层呈单向倾斜状，内部有轻微的挠曲剪切变形，变形微弱(图4a)。

由此可见，擂鼓镇断裂下盘构造变形整体可分为3段：靠近主断裂的西北段为宽缓对称滑脱褶皱变形段，中段为叠瓦状不对称断层传播褶皱变形段，远离主控断裂的东南段则为微弱挠曲单向倾斜变形段(图4a)。根据断层相关褶皱理论可知，一系列次级平缓断层控制这些褶皱变形，并向下统一收敛到飞仙关组内部的滑脱层之中(图4a)。靠近擂鼓镇主断裂一侧的滑脱断裂近于水平，促使发生层间剪切作用控制滑脱褶皱形成，随着远离主控断裂，次级断裂末端向上冲起倾角变陡(图4c直接观察到这些冲起的次级断裂)，控制断层传播褶皱形成，随着继续远离主控断裂，这些次级断裂逐渐减弱消失，因而褶皱变形也不发育(图4a)。

图4 龙门山中北段擂鼓镇断裂及其下盘构造变形特征

(2)黄连桥断裂带

黄连桥断裂在区域上对应于龙门山马角坝—都江堰—双石主干断裂，NE走向展布(图2a)，地表倾角高陡，在60°以上[3]。断裂上盘由远及近依次出露下三叠统、二叠系、石炭系和泥盆系(图2a, b)，泥盆系—二叠系岩性与擂鼓镇断裂上盘出露的岩性相似，层序正常，未倒转。从实测产状数据可知(泥盆系：329°∠52°，石炭系：346°∠46°，二叠系：323°∠53°)，黄连桥冲断裂上盘的各时代地层产状大体也都相似，为北西倾向，倾角高陡，呈单向倾斜状，地层内部变形微弱(图2b)。

从前文可知，受擂鼓镇断裂影响，黄连桥冲断裂上盘的飞仙关组内部构造变形强烈，发育多个次级褶皱(图4)。同样，黄连桥断裂下盘附近相对软弱的嘉陵江组中薄层状白云岩地层内部也发育多个断层传播褶皱(图5)。这些褶皱也表现为叠瓦状组合样式，两翼不对称，后翼宽缓，前翼高陡且窄，褶皱核部较为紧闭破碎(图5b)，随着变形的继续，褶皱核部将会被断裂突破。可见，该处一系列次级叠瓦状断裂及其相关褶皱构造变形与擂鼓镇断裂下盘的相似，受控于研究区中浅部的嘉陵江组内部滑脱层，随着远离主控断裂，滑脱断裂消失，内部的褶皱变形也逐渐减弱消失，地层呈单斜状(图5a)。

图5 龙门山中北段黄连桥断裂及其下盘构造变形特征

(3)楠木园断裂

楠木园断裂在研究区位于马角坝断裂和晓坝断裂之间，为发育在三叠系内部次一级的逆冲断裂，平面走向NE向(图2a)。

楠木园断裂上盘由远及近依次出露三叠系嘉陵江组灰白色中薄层状白云岩和飞仙关组灰白色中薄层状灰岩夹薄层紫红色砂岩。由上文可知，受黄连桥冲断裂影响，该处嘉陵江组地层发育多个受内部滑脱作用控制的次级褶皱，随着远离黄连桥主控断裂，褶皱作用逐渐减弱消失，因而靠近楠木园一侧的地层整体仍呈单斜状，且产状变得较为高陡(实测产状：嘉陵江组：327°∠44°；飞仙关组：335°∠71°)(图2b)。

楠木园断裂下盘附近为嘉陵江组灰白色中薄层灰岩、白云岩，地层内部变形同样显著。更为重要的是，在楠木园断裂下盘直接观测到出露的一水平滑脱断层及其相关褶皱(图6)，这是主控断裂下盘滑脱层内部派生次级平缓断裂的直接证据。该滑脱断层产状近似水平，断面有轻微起伏，呈舒缓波状(图6a,b)。在次级断裂的水平段内，地层层间剪切作用强烈，次级褶皱变形发育，且表现为不协调变形(图6c)，可见韧性剪切变形强烈。到了断裂的末端，断面向上冲起，控制发育断层传播褶皱(图6a)。

图6 龙门山中北段楠木园断裂下盘出露的水平滑脱断裂及内部韧性剪切变形

(4)晓坝逆冲断裂

晓坝逆冲断裂为研究区山前冲断带出露地表的最后一条断层，为过渡Ⅰ带与过渡Ⅱ带的分界断裂，平面同样呈NE走向展布(图2a)。

晓坝冲断裂上盘由远及近依次出露嘉陵江组、飞仙关组和二叠系(图2b)。断裂带宽约100 m，断裂带内岩层破碎，构造透镜体发育，大小不一，同时断层角砾岩、碎裂岩、断层泥等断层岩十分发育，整体表现为脆性变形。断裂下盘地层则逐渐隐伏到地下(图2b, c)。

2.2.2 过渡Ⅱ带

龙门山中北段过渡Ⅱ带处于晓坝逆冲断裂至1号隐伏断裂之间，无逆冲断裂显露地表，主体可由上部陆相单斜层，1号隐伏断裂，以及1号断裂上、下盘构造等组成(图2b,c)。

从地震剖面可以清晰地看到，过渡Ⅱ带上部的陆相地层受下伏一系列隐伏断裂逆冲影响，表现为被动抬升变形，整体变形微弱，局部呈轻微褶皱变形(图2c)。受被动抬升构造作用，该套陆相地层表现为单斜构造样式，地层产状平缓，倾向SE(实测产状：上侏罗统遂宁组：149°∠25°；上侏罗统莲花口组：181°∠22°；下白垩统：160°∠11°)，并向盆地方向逐渐变至近于水平展布(图2c)。通过川36井钻遇地层结构(图7b)以及前人研究[28-29]可知，该套陆相地层底部为须家河组四段，砂砾岩发育，其不整合于下部的须家河组1-3段沉积，是安县运动的重要标志。

1号断裂是龙门山中北段地区重要的区域性隐伏断裂，已被工业钻井所钻遇揭示[7, 26]。从二维测线剖面上可以清晰看到，研究区1号隐伏断裂发育在冲断带的前端，倾角比较平缓，向上断至陆相单斜层的底部，未切穿该套陆相地层的底界面(图2c)。1号断裂剖面上表现为典型的坡坪式形态，断裂根部向深层的寒武系基底面附近滑脱表现为断坪段，向上进入中厚层的二叠系转变为断坡，接着进入膏盐层发育的三叠系后又转变为断坪，在断层转折端可能会控制形成断层转折褶皱，最后断层的末端向上冲起，控制形成断层传播褶皱(图2c)。

1号断裂上盘构造变形较为强烈。川29井钻遇在1号断裂上盘，处于过渡Ⅱ带的中后缘，从地层结构上可以看到该井钻遇了以中三叠统雷口坡组为核部的倒转背斜，背斜的后翼产状较平缓、层序正常，但在钻穿雷三段之后，在断裂下盘依次重复出现高陡的雷三段、雷四段、马鞍塘组和小塘子组，表明为高陡的倒转翼(图7a)。同时，由于强烈的逆冲作用，该倒转背斜的主控断裂从其转折端位置突破，并继续向上切穿了上部单斜层底界面(图7a)，从地震剖面上也能清晰地看出反射轴在该处有错断，并受断层冲断作用其上盘的单斜发生轻微褶皱变形(图2c)。此外，另一口钻井川36井位于过渡Ⅱ带向盆地方向的中前端，直接钻遇1号断裂，从该井的地层结构可以看出，褶皱两翼都正常，无地层倒转(图7b)。由此可见，1号断裂上盘构造变形强烈，地层增厚明显，发育多条逆冲断裂及其相关褶皱，呈叠瓦状逆冲构造样式，靠近过渡Ⅱ带的中后部地层褶皱强烈甚至倒转，往盆地方向，褶皱幅度变小，地层层序逐渐变为正常(图2c)。而这些断裂沿三叠系内部滑脱层收敛滑脱并搭在晓坝主干断裂断面上(图2c)，冲断变形整体受控于中浅部的滑脱层。

图7 龙门山中北段川29井和川36井地层结构示意

1号断裂下盘则为原地发育的古生界海相地层，从地震反射资料上可以看到，该处地震反射轴整体产状较为平缓，层序整体正常，局部高陡(图2c)；地层发生一定程度的褶皱变形，受控于一系列滑脱于寒武系基底面的次级断裂，这些断裂规模不大，断距较小，因此该套地层以褶皱变形为主、断层错断为辅，这与北部双鱼石地区也可以对比[7](图2c)。

2.3 薄皮带构造变形特征

过渡II带向盆地方向则主体为薄皮带发育区域，在地表处薄皮带与过渡II带的界限以陆相单斜地层产状突变处为界，本研究区薄皮带变形微弱，地层基本未变形(图2c)。

3 构造变形样式及成因机制讨论

龙门山地区构造变形复杂，构造样式丰富多样，例如发育有双重构造[30]、反冲构造[12]、飞来峰构造[12,15]、花状构造[9]和三角带等。总体来说，龙门山冲断带基本构造样式是由青川—茂汶断裂、北川—映秀断裂和马角坝—都江堰—双石断裂等主干逆冲断裂构成的叠瓦式逆冲推覆样式[11,15]，并由造山带向盆地方向呈背驮式扩展[3,12]。从上文地震剖面构造解析可知，研究区北川—映秀断裂、黄连桥断裂和晓坝断裂等各主干断裂之间同样呈叠瓦状逆冲推覆样式(图2c)。此外，研究区各主干断裂带内的浅表构造变形也表现叠瓦状变形样式(图4，5)，同时钻井结构表明过渡Ⅱ带中深部发育叠瓦状逆冲构造，且向盆地方向地层由高陡倒转变为平缓正常呈递进式变形(图2c，图7)。因此，无论是地表浅层，还是中深层的构造变形，研究区都表现为叠瓦状冲断构造变形特征，这点与前人的认识基本一致。

本次研究更重要的是认识到高角度逆冲主干断裂下盘的相对软弱层中通常派生发育次级平缓断裂(图4，5，6)。这种变形样式通常具有以下特征：①主干逆冲断裂具有高角度，其上盘通常为能干性强的中厚层状地层，例如泥盆系、二叠系中厚层灰岩或白云岩(图4，5)；②次级断裂发育在主干断裂下盘相对薄层的软弱层中，例如三叠系中薄层飞仙关组或嘉陵江组中(图4，5，6)；③次级断裂产状整体比较平缓，可分为水平段和冲起段，水平段产状近于水平，内部剪切变形强烈(图6c)，断裂末端向上冲起突破倾角变陡，控制形成断层传播褶皱(图4a，5a，6a)。可见高角度主控断裂与低角度次级断裂构成的样式从几何学形态上与倾倒的希腊字母“γ”相似，本文称之为倒“γ”型构造样式。

由野外地质观测已经知道，擂鼓镇断裂上盘地层为北西倾向，倾角高陡，是背斜的倒转翼(图2a，b)，由此可推断该断裂向深部延伸时倾角逐渐变缓，最后沿中深部滑脱层收敛，作为次级断裂搭在北川—映秀主干断裂上，两者构成倒“γ”型变形样式(图2c)。楠木园断裂是发育在三叠系内部的断裂，且平面延伸不远(图2a, 2b)，应为次一级规模的断裂，并且从地震资料上可以清晰看到其下方寒武系—二叠系反射轴较为连续未被错断，因此楠木园断裂很可能沿三叠系内部滑脱层收敛滑脱，最后搭在黄连桥主逆冲断面上，两者同样构成倒“γ”型样式(图2c)。1号断裂是龙门山中—北段重要的区域性隐伏断裂(图2a)，通过前文研究可知，其剖面形态通常呈坡坪式，整体倾角平缓，断裂的末端为一断坡段向上冲起，其根部向深层次的寒武系基底面附近滑脱，搭在晓坝主干断裂断面上(图2c)，因此1号隐伏断裂本质上也是一条典型的受控于倒“γ”型变形样式形成的断裂。此外，1号断裂上盘发育的次级叠瓦状断裂沿中浅部的三叠系内部滑脱层滑脱，并收敛到晓坝断面之上(图2c)。由此可见，倒“γ”型变形样式是研究区另一种基本的变形样式。值得说明的是，倒“γ”型变形样式中的次级断裂倾角通常是平缓的，但是随着变形的持续，这些断裂末端不断向上冲起突破，断裂倾角也会逐渐变陡，例如擂鼓镇断裂和楠木园断裂。倒“γ”型变形样式是对龙门山地区构造样式的重要补充，且对龙门山冲断变形有一定成因机制指示意义，下文会进一步讨论。

那么倒“γ”型变形样式指示的成因机制是什么？龙门山冲断带的形成是扬子地台与松潘—甘孜地体陆内俯冲碰撞的结果[22]，区域应力场重构和数值模拟表明在北西—北西西向主应力控制下，龙门山各主干断裂由造山带向盆地方向依次形成[31-34]。因此位于厚皮带内的青川—茂汶断裂和北川—映秀断裂优先形成，且位移大，滑脱深度深(图8)。前人通过大地电磁剖面揭示松潘—甘孜地块之下20～40 km位置存在一明显的高导低速层，而青川—茂汶断裂和北川—映秀断裂向下切割上地壳，统一滑脱到中地壳上部的该高导层中[35-39](图8)。伴随着龙门山冲断变形的背驮式扩展[3,12,33]，应力传递逐级递减，到了过渡带内的黄连桥和晓坝等主干断裂发育区域，断裂规模减小，滑脱层深度由中地壳上部向基底面和盖层内部变浅(图8)。该区域黄连桥和晓坝主干断裂在基底面附近滑脱，且往造山带方向沿基底滑脱层一同归并到北川—映秀深大断裂上，与其构成倒“γ”型变形样式，最后一起向更深层的壳内高导层滑脱(图8)。这同也表明北川—映秀深大断裂通过倒“γ”型变形样式影响着过渡带内叠瓦状主干断裂的发育。另一方面，在盖层内部的中浅层滑脱层则控制着擂鼓镇断裂、楠木园断裂和过渡II带内相对次一级断裂发育，它们与各自的主干断裂之间同样表现为倒“γ”型变形样式(图8)。由此可见，龙门山冲断变形正是受这些自深而浅、自后缘向前缘不同层次、不同类型滑脱层影响[22]。并且，由不同深度滑脱层控制下的阶梯式拆离变形系统通过叠瓦状+倒“γ”型复合变形模式联结成一个有机整体，深部的滑脱变形控制中浅层的滑脱变形，后缘的冲断变形也影响着前缘的冲断变形(图8)。

图8 龙门山中北段构造变形模式示意

4 结论

(1)龙门山中北段厚皮带出露古老的寒武系、志留系和泥盆系，变形程度深，呈韧性变形，表现为一系列轴面向NW倾斜的紧闭倒转向斜和背斜组合样式。过渡I带出露地层变新，为泥盆系—中三叠统海相地层，带内多条叠瓦状逆冲断裂冲断变形，且与下盘三叠系软弱层中派生的次级平缓断裂构成倒“γ”型变形样式，主体以脆韧性变形为主。过渡Ⅱ带为山前隐伏变形带，地表为东南倾斜的中生代陆相单斜构造，下部发育1号隐伏断裂，及其上盘叠瓦状逆冲构造和下盘弱挤压褶皱变形的原地体等。

(2)倒“γ”型变形样式的认识是对龙门山地区构造样式的重要补充，该变形样式由主干逆冲断裂及其下盘次级断裂组成。主干逆冲断裂具有高角度，其上盘通常为能干性强的地层；次级断裂通常发育在相对薄层的软弱层中，产状整体比较平缓，可分为水平段和冲起段，水平段内部剪切变形强烈，冲起段断裂向上冲起倾角变陡，控制形成断层传播褶皱。

(3)龙门山中北段冲断变形主要表现为叠瓦状+倒“γ”型复合冲断样式，其形成受控于龙门山地区由深到浅、由后缘向前缘的壳内高导低速层、基底深层滑脱层和盖层内中、浅层滑脱层等多层次滑脱。

致谢：衷心感谢审稿人提出的宝贵意见。