湖北新洲盆地的形成与演化

2022-06-29杜小锋廖明芳

资源环境与工程 2022年3期

杜小锋，周鼎，廖明芳，霍炬，万俊，徐聪

(湖北省地质调查院，湖北武汉 430034)

中国东部发育着一系列NE向或NNE向展布的陆相裂谷盆地。随着中国社会对油气资源的迫切需求与勘探开发，前人对中新生代盆地开展了大量的研究工作，而对盆地演化的研究，为揭示中新生代以来的构造活动起到了关键性作用[1-3]。对中国东部新生代盆地的研究认为，其形成与大陆内块体间伸展、走滑作用密切相关[4]。而徐亚东等[5]认为，中国东部新生代盆地的演化经历了古新世—始新世、渐新世—早中新世和晚中新世—第四纪共3个阶段。新洲盆地南临襄广断裂，东部为团麻断裂，对其形成与演化过程的研究也是研究襄广断裂等新生代以来活动过程的重要手段。本文结合近年来在该区域开展的地质调查工作，对新洲盆地的构造背景、沉积物结构构造、岩浆岩特征、边界断裂特征等进行分析与讨论，为深入研究武汉地区地质构造演化及三维地质结构模型建设提供依据。

1 地质概况

新洲盆地位于江汉盆地东缘，武当—大别造山带南缘，紧邻扬子地块，呈NNE向的楔形展布，长约70 km，最宽处约35 km。盆地跨及秦岭—大别造山带和扬子陆块区，以襄广断裂为界，北部属秦岭—大别地层区，主要为古元古代中深变质岩系、新元古代南华系中浅变质岩系和震旦纪含磷岩系；南部为扬子地层区，主要为志留纪—中三叠世陆源碎屑岩和碳酸盐岩海相沉积盖层；白垩纪—新近纪的陆相红盆沉积以及第四纪松散堆积物不整合覆盖于两大块体物质之上。

研究区主要经历了晋宁期、加里东期、印支期、燕山期、喜山期五个期次的构造变形活动，其中主要构造变形期为印支期和燕山期。印支期受扬子板块与华北板块碰撞，导致裂谷内的火山沉积岩隆升形成南秦岭—大别造山带，同时在带内表现为一系列NWW向叠瓦状脆韧性断层、褶皱体系，在扬子陆块区内，表现为古生代地层形成大量的NWW、近EW向脆性断层、褶皱。燕山期受太平洋板块向欧亚板块俯冲作用，构造变形以断裂作用为主，表现为NNE向和NNW-NW向两组脆性断裂，其地质特征见图1。

图1 新洲盆地地质图Fig.1 Geological map of Xinzhou Basin

2 盆地边界构造

新洲盆地东部边界为团风—麻城断裂，南部边界为襄广断裂，在二者的共同作用下，形成了NNE向的楔形盆地，断裂对盆地的形成与演化起着明显的控制作用。

2.1 团麻断裂

团风—麻城断裂位于新洲盆地东部，是一条早期深层次韧性剪切滑脱向晚期脆性断裂转换的过渡型右旋走滑正断层。前白垩纪时期，断裂以韧性剪切滑脱活动为特征，发育较宽的糜棱岩、硅化岩带；白垩纪之后断裂过渡为浅表性的脆性断裂，控制了新洲盆地的演化[6-8]。

团麻断裂现今大体上继承了早期滑脱型韧性剪切带的主要几何特征，西起新洲区辛冲街(向南西为团风盆地掩盖)，走向NE，受后期脆性断裂叠加改造及盆地堆积覆盖影响，该脆性断裂在研究区断续出露，总体延伸稳定，主体宽度50～100 m，倾向NW(275°～290°)，倾角55°～65°。断裂内部广泛发育强硅化带、构造角砾岩、碎裂岩、碎粒岩和碎裂岩化糜棱岩，且硅化、碳酸盐化、褐铁矿化和高岭土化现象普遍。断裂内节理、劈理构造发育，局部可见劈理带因受到强烈牵引作用而弯曲形成牵引构造，指示断裂具右行走滑特征。

断裂对新洲盆地的控制在断裂两侧地貌、地层岩性、构造特征等方面均具有显示。地貌上，断裂东侧为山地，主要由古元古界大别岩群变质岩系组成，形成断阶状多级台地；西侧为平原，主要由中新生代地层组成，显示正断层的特征。岩性上，断裂西侧为公安寨组复成分砾岩，具巨厚层—块状构造，层理极不显著，显示快速堆积的特征；断裂东侧主体为大别岩群片麻岩—斜长角闪岩组合，在早期韧性变形过程中已强烈糜棱岩化，形成变晶糜棱岩、超糜棱岩等构造变质岩。

2.2 襄广断裂

襄广断裂位于新洲盆地南缘，该断裂区域上为秦岭—大别造山带的南界断裂，东至武穴(广济)与郯城—庐江断裂带交汇，向西延伸与秦岭造山带南缘的房县—镇巴断裂相连接，全长1 000余千米，总体呈NWW走向。该断裂在中新生代时期主要表现为拉张作用，控制了房县盆地等一系列NW向断陷盆地的形成演化[9]，对新洲盆地的演化也具有明显的控制作用。

断裂过新洲盆地处隐伏于第四系之下，大体位于武汉市后湖、武湖街、阳逻街一线。浅层地震剖面及钻孔资料显示，断裂带南部为扬子区地层，北部为白垩—古近纪公安寨组红层，钻孔揭露红层盆地深度超过1 000 m，断裂带由多组向北陡倾的断裂组构成，各断裂带宽窄不一，宽的达160 m，窄的约80 m，埋深均>200 m。断裂破碎带倾向N，倾角陡，一般在75°左右，主断裂位于钱家村—龙王咀农场一线，宽度最大，分割古生代沉积地层和南华纪变质岩，受断裂控制，红盆呈现向南增厚的楔状(图2)。

图2 物探推测襄广断裂控盆特征示意图Fig.2 Geophysical prospecting speculation of basin-controlling characteristics of Xiangguang Fault

该断裂大体经历了三期构造变形：印支运动时期，受区域SN向挤压应力作用，形成逆冲推覆构造；燕山运动晚期，断裂发生松弛断陷作用，为新洲盆地内沉积白垩—古近纪红层提供了沉积空间；喜马拉雅运动时期，区域应力场发生反转，断裂则表现为挤压性质，在此背景下盆地关闭，中新生代红层推覆于古生代地层之上。

3 新洲盆地特征

3.1 沉积特征

新洲盆地内主要由白垩—古近纪公安寨组、新近纪广华寺组及第四系组成。其中白垩—古近纪公安寨组是盆地最主要的地层，分布于整个盆地之中。物探资料表明，研究区的汪集一带处于盆地中心位置，其公安寨组沉积厚度达5 000 m[10]。公安寨组角度不整合于元古代变质岩、岩浆岩，古生代沉积岩之上，具明显的磨拉石堆积特点。实测剖面显示，盆地内公安寨组由砾岩、砂岩和粉砂岩组成多个韵律层，发育有斜层理、交错层理、平行层理、粒序层理等，自盆地边部向中心大体上可分为三段(图3)：第一段属冲积扇相，主要分布于盆地边部，其中扇根亚相为浅红色块状中粗砾岩、不等粒含砾杂砂岩组成，层理不发育，常见侵蚀凹槽；扇中亚相为灰红色中厚层状砾岩与杂砂岩组成，槽状层理、楔形层理、交错层理；扇端亚相为紫红色薄—中厚层杂砂岩和粉砂岩组成，具有交错层理、平行层理。第二段属辫状河流相，该沉积体分布于冲积扇沉积体内侧，由紫红色砾岩、含砾砂岩、砂岩组成，具平行层理、斜层理、槽状交错层理。第三段属滨湖相，滨湖沉积体分布于盆地中心，由厚层杂砂岩和粉砂岩、薄层状泥质粉砂岩、泥质页岩组成，具水平层理、平行层理，其沉积厚度由北往南有增厚趋势，表明沉积中心向南迁移，沉积模式见图4。

图3 麻城市彭家畈晚白垩世—古近纪公安寨组实测地层剖面图Fig.3 Measured stratigraphic section of Late Cretaceous-Paleogene Gonganzhai Formation in Pengjiafan,Macheng City

广华寺组在盆地内表现为山间辫状河沉积的特征，其底部为一套杂色中—厚层状砾岩、砂砾岩，砾石呈叠瓦状排列，底面有冲刷凹槽；中部为灰黄色、灰褐色厚层状砂砾岩、含砾砂岩与细砂岩、粉砂岩不等厚互层，具有冲积二元结构，发育有板状交错层理、斜层理、平行层理；上部为土黄色、青灰色中—薄层状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥质页岩构成多层次韵律旋回。

第四系广泛分布于盆地中，根据时代和成因可进一步划分为下更新统阳逻组冲积层、中更新统王家店组洪冲积层、上更新统下蜀组冲积层及全新统走马岭组湖冲积层。其中下更新统阳逻组冲积层主要分布于30～50 m的高岗地上，沉积组合为砾石层、中粗砂层；中更新统王家店组洪冲积层则广泛分布于各岗地之上，沉积组合为含砾石黏土层、棕红色含网纹黏土层；上更新统下蜀组冲积层则零星分布于二级阶地之上，沉积组合为杏黄—褐黄色粉质黏土；全新统走马岭组湖冲积层广泛分布于长江、滠水、举水等河流两侧，沉积组合为淤泥质黏土、粉质黏土、细粉砂层。各地层间呈侵蚀接触特征。

3.2 构造变形特征

新洲盆地内构造变形较弱，未见规模较大的断裂褶皱构造。盆地总体呈一宽缓向形构造，盆地南部红层产状总体为倾向320°～350°，倾角15°～30°；盆地北侧则为倾向170°～220°，倾角5°～20°，与下伏基底紧闭褶皱特征具有显著不同，二者为角度不整合接触。

新洲盆地内发生于红层中的断层较发育，主要有NW向、EW向两个方向的断层，断层既有张性正断层又有压扭性逆断层。其中NW向断层以压扭性断层为主，断层多为NW倾向，倾角多为70°左右，显示左行走滑特征，顺断层面发育擦痕、阶步，局部可见充填一薄层灰白色钙质、黏土质物质(图5-a、图5-b)。该断层为盆地形成后的喜山运动时期，受EW向挤压作用，沿水平方向的应力释放形成。近EW向断层均为正断层，断层产状较陡，倾角多为55°～70°，基本不发育破碎带，多于断层面上充填一层白色钙质黏土质层，其中规模较大的为黄泥岗断层，断层倾向200°，倾角50°，断层两侧发育牵引褶皱，因岩石性脆，常形成阶梯状断层(图5-c、图5-d)。该张性断层与江汉盆地内潜北断裂、天门河断裂形成时期相同，均发育于新洲盆地形成后的新近纪时期，该时期，江汉盆地周缘发生坳陷沉降，形成大量沉积断块。

a.左行走滑断层擦痕；b.阶步构造；c.断层特征；d.阶梯状断层；e.树枝状玄武岩；f.玄武岩火山角砾岩图5 盆地内构造特征及玄武岩产出特征Fig.5 Structural characteristics and basalt output characteristics in the basin

3.3 岩浆活动

盆地内玄武岩较发育，多呈点状分布于公安寨组中，发育多个溢流相玄武岩旋回，钻孔揭示的玄武岩总厚度可达200余米，可划分出7个喷发旋律[11]。玄武岩可见呈舌状、树枝状(图5-e)穿插于公安寨组地层中，局部可见玄武岩火山角砾岩(图5-f)[12]。通过分析玄武岩的地球化学特征，岩石具有与OIB(洋岛玄武岩)相比较低的Nb、Ta含量，具有Pb的正异常。岩石稀土和微量元素均表现出与CFB(大陆溢流玄武岩)相似的特征，表明岩石属大陆溢流玄武岩，综合认为盆地内玄武岩形成于拉张背景，属大陆溢流玄武岩[12]。玄武岩的形成背景与新洲盆地形成时的拉张环境密切相关，在晚白垩世—古近纪，区域构造应力场发生重大改变，即由前期压扭构造体制向张扭构造体制转变，造山作用转入松弛阶段，正是在此构造背景下，发生EW向拉张兼NE-SW向走滑剪切同沉积断裂作用，由于上地幔岩浆隆升作用而导致了玄武岩的喷发事件。

4 盆地的演化

根据新洲盆地的沉积充填物质、岩浆岩活动特点，结合区域构造及深大断裂的演化规律，新洲盆地大致可划分为裂陷充填、萎缩封闭和差异升降3个阶段。

4.1 裂陷充填阶段

晚白垩纪时期，受滨太平洋板块与欧亚板块的相互作用，区域构造应力场由前期左旋压扭构造体制向右旋张扭构造体制转变[2]，中国东部形成大量NE向张性裂谷系。在此构造背景下，团麻断裂形成由北东向南西逐渐变宽的楔状裂谷(图6、图7-a)，并接受沉积，形成了一套近缘快速堆积的冲积扇相砂砾岩，表现为盆地物质在东部以团麻断裂为界与大别杂岩相隔，西部则以角度不整合形式超覆于红安杂岩变质地层及变质花岗岩之上，总体上表现为一NNE向走滑—伸展型断陷盆地，具有“东断西超”特点。

而与此同时，襄广断裂受张应力的影响，也发生复活，在新洲盆地南部也形成了沿襄广断裂展布的沉积中心，钻孔揭露沉积中心公安寨组厚度>1 000 m[8]，并导致了南部红层物质与古生代沉积地层断层接触，北部与南华系变质地层角度不整合接触，具有“南断北超”的特点。在团麻断裂、襄广断裂的共同作用下，新洲盆地形成了NE-SW向的喇叭口型盆地特征(图6)。

图6 盆地裂陷充填阶段平面示意图Fig.6 Plane diagram of fracture filling stage in basin

伴随着陆内伸展作用，在盆地内也发生多次玄武岩的喷发作用(图7-a)，并形成了公安寨组内多个玄武岩序列。

4.2 萎缩封闭阶段

古近纪末期，受喜山运动Ⅱ幕影响，研究区转变为SN向挤压应力作用，中国东部盆地整体发生抬升并由沉积转为剥蚀阶段[13]。在此构造体制下，襄广断裂、团麻断裂再次复活，演变成SN向的逆冲推覆断裂，造成了盆地北部公安寨组逆冲推覆于古生代地层之上(图7-b)。而在盆地内部，受到挤压作用形成了大量压性断层，并使盆地地形升高，沉积作用急剧减弱，盆地沉积几近消失，造成了盆地内古近纪—新近纪之间的沉积间断。

4.3 差异升降阶段

新近纪时期，江汉盆地周缘同时进入挤压后拗陷沉降演化期[14]，新洲盆地内部受到长江断层、新黄断层等一系列正断层活动影响，分割为多个块体，各区域断块间的差异性运动，形成了新洲盆地内持续沉降与上升剥蚀并存的构造格局。此时，在盆地内部受到不均匀沉降的影响，形成了大量陡倾的小型正断层及宽缓褶皱。而沉积特征方面，在沉降区沉积了一套以辫状河沉积为主的广华寺组河流相沉积(图7-c)；而在剥蚀区，地势升高，公安寨组地层长期受到风化剥蚀。