川西龙门山北段中生代差异构造隆升特征

金文正，白万奎，叶治续

1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中国石油大学（北京）油气资源与工程全国重点实验室，北京 102249；3.中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营 257000；4.中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司，河北唐山 063200

作为世界屋脊，青藏高原多年来一直是地质研究的热点之一。在白垩纪青藏高原初始高原已经形成（许志琴等，2016），其东缘的龙门山冲断带作为青藏高原与上扬子板块的接触带（Liu S G et al.,2013）具有重要的理论研究意义。

龙门山冲断带是典型的逆冲推覆构造带，沉积环境在晚三叠世须家河组一段沉积时期发生了由海相到陆相的转换（刘树根等，2009；陈洪德等，2021；谢小平等，2021），发生在晚三叠世的构造缩短率也最大，为31.7%，且在其东南缘形成了川西前陆盆地，后者在新生代构造缩短率为10.5%（陈竹新等，2005）。上述复杂的构造演化格局主要是由印度板块与亚洲板块在中新生代的碰撞导致（Wang E C,2017）。目前众多学者利用低温热年代学方法对于龙门山新生代以来的构造隆升特征展开研究，认为该时期内构造隆升次数多且与青藏高原的向东构造扩展密切相关（Li H A et al.,2019；Tian Y T et al.,2022）。除了逆冲推覆构造之外，龙门山在不同地质历史时期还具有走滑特征。关于此点，不同学者利用多种研究方法获得了大量研究成果。比如通过地表构造及河流特征分析，认为龙门山在晚新近纪发生右旋走滑运动（李勇等，2006a，2006b；樊春等，2008；Lin A M et al.,2014）；一些学者从区域构造角度出发，认为在中生代龙门山以左行走滑运动为主（王二七等，2001；王二七和孟庆任，2008；Meng Q R et al.,2005）；也有学者认为在中生代至早新生代发生了由左行走滑转换为右行走滑的构造反转（李勇等，2006a，2006c）；龙门山北段和四川盆地北部定型于燕山期（李智武等，2021），Jia D et al.（2020）认为在新生代龙门山发生了由前展式到后展式的转变。上述研究成果中，关于应力场转换的进展较多，并且多集中在新生代（Jia D et al.,2020；Tian Y T et al.,2022），但是在中生代是否也发生这种构造应力转换有待于深入研究。基于此，本文在前人研究基础上，对龙门山北段开展了锆石裂变径迹年龄测定并计算了冷却速率等多个参数，试图通过区域上各低温热年代学参数的变化规律来探讨垂向上构造隆升与横向上构造扩展之间的关系。

1 区域地质概况

龙门山冲断带位于四川盆地西北缘，总体呈NE-SW 走向，总长度超过200 km，由于该冲断带是四川盆地和青藏高原的接触带，所以地表海拔变化大（师皓宇等，2020），由靠近盆地边缘的1000多米可升至青藏高原的5000多米。在龙门山冲断带内部发育多条主干断裂，均北西倾向，这些断裂将龙门山划分为不同构造区带（金文正等，2007）。在自印支期以来多个构造运动中，各构造区带内构造变形样式差异较大，由西至东构造变形显示出由韧性至脆性的转换（郭斌，2006）。比如在青川和平武等地区，构造变形不仅有上陡下缓的大型逆冲断裂，发育多个复向斜和复背斜等构造，而在东部靠近四川盆地的区域，构造变形多为逆冲断裂所控制的背冲断块构造等脆性特征明显的变形样式。在沉积地层方面，研究区保存了自前震旦系至第四系较为完整的沉积序列（李勇和孙爱珍，2000），但地表露头以古生代地层为主，中、新生代地层主要分布在江油断裂以东地区。

在龙门山北段地区发育三条大型断裂（图1、图2），分别为青川断裂、北川断裂和江油断裂，断裂走向总体为SW-NE。除主干断裂之外，各次级断裂构造多分布在研究区东南区域，即江油断裂以东地区，以逆冲断裂为主。在仰天窝向斜东北端、仰天窝向斜中部等局部地区发育多个走滑断裂，这些走滑断裂现今表现为左行走滑特征。通过对白洋坪镇东北两条左行走滑断裂与中侏罗统接触关系判断（侏罗系覆盖于走滑断裂之上），这些走滑断裂应该在中侏罗世之前形成，未在后期构造运动中发生明显活动。

图1 龙门山北段大地构造位置及基础地质特征Fig.1 Geotectonic location and basic geological characteristics of the north section of Longmen Mountains

图2 切穿龙门山北段唐王寨推覆体的联合地质剖面图Fig.2 Joint geological profile cutting through of Tangwangzhai nappe in the northern section of Longmen Mountains

2 样品采集及分析方法

本次研究的岩石样品共9 个，其中5 个样品分布于北川断裂与江油断裂之间，3个样品分布在江油断裂以东地区，另有1 个样品分布在北川断裂以西地区。9 个岩石样品均为砂岩（包括粉砂岩和细砂岩），样品所属地层主要为泥盆系（有5 个样品），少量样品为寒武系、三叠系和侏罗系（表1）。

表1 锆石样品采样位置、岩性及所属地层Table 1 Sampling location,lithology and strata of zircon samples

本次研究中所涉及的测试工作在北京安普泰德科技有限公司进行。岩样经预处理后选出锆石单颗粒矿物，然后制成聚全氟乙丙烯塑料样片，再抛光成光玻片。锆石在220 ℃的NaOH 与KOH（1∶1）溶液中蚀刻30 小时，用于观测矿物的自发裂变径迹。测试过程采用外探测器法定年（Hurford and Gleadow，1977）。将低铀白云母贴在锆石光玻片上，与CNS标准铀玻璃（锆石CN_2）一起构成定年组件，送至中国原子能科学研究院反应堆（锆石照射批号为Z1309Sun）进行照射，静置后将云母和光玻片分离，将云母外探测器置于25 ℃、40%的HF溶液中蚀刻35分钟，用于显示诱发裂变径迹。年龄计算采用Zeta 标定方法，锆石Zeta 常数为86.2±2.7，测试流程与Li M et al.（2015）相同。

3 测试结果

测试结果表2表明，锆石裂变径迹年龄主要集中在238～122 Ma 之间，即中三叠世-早白垩世（T2-K1），其中年龄属于早白垩世的样品有4 个，占比44.4%，年龄属于早中三叠世和早侏罗世的样品各2个，各占比22.2%，另有一个样品年龄属于晚侏罗世。所有样品锆石裂变径迹年龄均小于岩石所在地层年龄，表明此次测试的锆石颗粒在地层沉积以来未发生远距离运移，仅发生垂向上的升降，可以作为本次研究和分析的基础数据。

表2 锆石裂变径迹分析结果Table 2 Results of zircon fission track analysis

6 个样品测试结果检验概率P(χ2)大于5%，表明单颗粒矿物年龄属于同组年龄，测试年龄采用池年龄（Pooled Age）（罗梦等，2012）。32 号、39 号、42号样品未通过（即小于5%），表明该年龄不属于同组年龄，所测颗粒来源多样，这3 个样品可能经历了多期的构造隆升和沉降，测试年龄采用中心年龄（Central Age）。利用RadialPlotter 软件（Vermeesch，2009）和Binomfit 软件（Brandon，1996）综合分析，对这3 个样品进行年龄分解（表3，图3），表明这3个样品均经历了两期构造热事件，且分解后的裂变径迹年龄均小于样品所属地层年龄。

表3 锆石裂变径迹年龄分解结果Table 3 Decomposition results of zircon fission track ages

4 讨论

4.1 锆石裂变径迹年龄平面分带式展布特征

在前人锆石裂变径迹年龄数据（侯明才等，2012；Li Z W et al.,2012；陶亚玲等，2020；李智武等，2021；Tian Y T et al.,2022）基础上，本文将锆石裂变径迹年龄与构造地质特征相结合，对三条主要断裂带（青川断裂、北川断裂和江油断裂）之间不同区域的锆石裂变径迹年龄进行对比（图4）。结果表明，向斜核部地层的裂变径迹年龄（42号的较大分解年龄为177±16 Ma、40 号池年龄203±11 Ma、34号池年龄190±9 Ma）总体上稍大于翼部的裂变径迹年龄（即43 号和39 号），并且北川断裂与江油断裂之间区域的裂变径迹年龄大于江油断裂以东地区的年龄（32 号样品较大分解年龄为172±11 Ma，41号样品池年龄为139±9 Ma），而位于北川断裂上盘的35号样品裂变径迹年龄最小，为122±5 Ma，可见以北川断裂和江油断裂为界的不同区带内具有不同的裂变径迹年龄特征，分带特征明显，该分带的平面展布与主干断裂走向一致。需要指出的是，在本次年龄对比中，由于多个样品出现多期年龄，所以对比中使用“池年龄”与“较大分解年龄”进行联合对比分析。其中较小分解年龄是样品所在地区发生后期构造隆升的结果。此外，通过锆石裂变径迹年龄所展示的这种发生在中生代中晚期的构造隆升分带性不是孤立存在的，Tian Y T et al.（2022）通过磷灰石裂变径迹年龄和磷灰石(U-Th)/He年龄，发现龙门山北段发生在新生代的构造隆升同样具有分带性，并且以青川断裂和北川断裂等主干断裂为分界线（图5）。

图4 龙门山北段锆石裂变径迹年龄分布特征Fig.4 Age distribution of zircon fission track in the northern section of Longmen Mountains

图5 基于锆石和磷灰石年龄数据的北川断裂两侧区域热史差异对比图Fig.5 Comparison of regional thermal history differences on both sides of the Beichuan Fault based on zircon and apatite ages

4.2 冷却速率和剥蚀速率

应用年龄—封闭温度法求取样品冷却速率，该方法利用锆石裂变径迹封闭温度和裂变径迹年龄之间的差值进行计算，所依据公式（Zeitler，1982；Wagner and Haute，1992）为：

式中Tm为锆石裂变径迹封闭温度250 ℃，Tsurf为地表温度20 ℃，tm为锆石裂变径迹年龄。

再结合研究区地温梯度来计算样品的剥蚀速率（Yuan W M et al.,2011；袁万明，2016；杨莉等，2021），即：

剥蚀速率=冷却速率/地温梯度

计算结果（表4）表明，位于向斜核部的34 号、40 号和42 号样品具有较低的冷却速率和剥蚀速率，其中冷却速率在1.211～1.438 ℃/Myr 之间，剥蚀速率在0.038～0.048 mm/yr之间；位于北川断裂下盘的向斜西北翼（39号和43号样品）具有相对较高的冷却速率和剥蚀速率，分别为1.150～1.586 ℃/Myr 和0.038～0.053 mm/yr。上述若干样品的冷却速率和剥蚀速率总体上低于江油断裂以东地区，江油断裂以东地区冷却速率为1.544～1.655 ℃/Myr，剥蚀速率为0.051～0.055 mm/yr，而位于北川断裂上盘的35号样品则具有最高的冷却速率（1.885 ℃/Myr）和最高的剥蚀速率（0.063 mm/yr），所以在冷却速率和剥蚀速率方面，研究区内以主干断裂为界的分带特征亦较明显。本次利用锆石裂变径迹年龄计算的岩石冷却速率与前人通过磷灰石裂变径迹年龄所获得的岩石冷却速率可对比，即冷却速率都低于2.000 ℃/Myr（图5）。需要指出的是，在利用上述理论计算冷却速率和剥蚀速率时，应该综合考虑多方面因素，比如锆石裂变径迹的封闭温度和锆石晶型、是否存在大型区域不整合等多种条件和背景。鉴于研究区内自中三叠世至侏罗纪地层发育齐全（金文正等，2007），所以认为研究区自中生代中三叠世以来长期处于构造隆升或间断构造隆升状态。这与现阶段多数学者观点（Li H A et al.,2019；Tian Y T et al.,2022）一致，尤其在始新世之后，由于印度板块与欧亚大陆发生硬碰撞之后，构造隆升更为明显（Wang E C,2017）。

表4 不同样品冷却速率和剥蚀速率等参数计算表Table 4 Calculationresults of cooling rate,denudation rate and other parameters of different samples

4.3 岩石隆升幅度和岩石隆升速率

岩石隆升幅度（U）是指相对于海平面的岩石隆升程度（Yuan W M et al.,2011；袁万明，2016），可以按照如下关系式求出：

式中△H为现今地表海拔与古海拔差值，D为剥蚀量，△s.l.为海平面变化幅度。

前人研究成果表明，在上三叠统须家河组以上地层的沉积厚度由龙门山前地区向四川盆地逐渐增厚（林良彪等，2006），表明至少自晚三叠世开始，龙门山已经成为四川盆地陆相沉积的重要物源之一（郭旭升，2010），并且新生代松潘甘孜高原海拔不高于1000 m（戴宗明，2012），并且鉴于目前研究区与松潘甘孜的海拔递变特征（贾秋鹏等，2007），故本次研究区的古海拔取值500 m。对于D+△s.l.取值，本文采取袁万明（2016）的计算方法，即认为该值等于锆石裂变径迹封闭温度所对应的埋深。本文取锆石裂变径迹温度为250 ℃，地温梯度30 ℃/km（谭锡武，2012；Tian Y T et al.,2018），则埋深为8333 m，即D+△s.l.值为8333 m，故有：

利用此公式对每个样品的岩石隆升幅度计算，结果如表4 所示。岩石隆升速率可由下列算法获得：

岩石隆升速率=岩石隆升幅度/样品锆石裂变径迹年龄

计算结果见表4，不同样品岩石隆升幅度在由主干断裂所限的不同区带内具有分带性。在北川断裂两侧（即唐王寨向斜和仰天窝向斜西北翼）具有相对较高的隆升幅度，即8467～8506 m，两个向斜核部区域的岩石隆升幅度次之，即8416～8464 m。而江油断裂东侧区域的隆升幅度最低（以45 号样品做参考），即8342～8462 m。在岩石隆升速率方面，两个向斜核部区域最低，即0.041～0.053 mm/yr。两个向斜西北翼地区最高，即0.042～0.070 mm/yr，江油断裂东南区域介于上述两个区域之间，即0.036～0.060 mm/yr。

综合对比分析上述锆石裂变径迹年龄、样品海拔、岩石隆升幅度和岩石隆升速率之间的相关性（图6），可以发现在江油断裂以西区域（包括两个向斜及北川断裂以西的35号样品点），样品海拔与锆石裂变径迹年龄呈负相关，线性关系为y=-0.7493x+641.38（R2=0.6046）。在此区域内岩石隆升速率与岩石隆升幅度呈正相关，线性关系为y=2265.4x+8345.2（R2=0.5837）。而江油断裂以东地区样品的这些参数未出现较好相关性，其原因可能是样品数量较少，并且45号样品误差较大（因为地层年龄与裂变径迹年龄接近）和32 号样品存在多期次构造热事件。在锆石裂变径迹年龄与岩石隆升速率关系分析中，二者负相关性拟合最好，多种拟合关系的R2都大于0.99，其中二项式拟合方式y=2×10-6×x2-0.001x+0.163的R2为0.9997。

图6 研究区地质特征与裂变径迹年龄多因素综合对比分析图Fig.6 Multi-factor comprehensive analysis of geological characteristics and fission track ages in the study area

4.4 研究区中生代构造扩展特征

由北川断裂和江油断裂所限制的各区域内具有差异明显的低温热年代学等特征，表现为沿主干断裂走向，各构造隆升参数（即锆石裂变径迹年龄、冷却速率、岩石隆升速率、岩石隆升幅度等）变化不大，但在垂直构造走向上却存在明显的分带特征（图7），可见唐王寨向斜及仰天窝向斜两侧具有不同特征。具体表现为唐王寨向斜的样品（比如34号、40 号和42 号）具有较大的裂变径迹年龄，但是得出的冷却速率和岩石隆升速率却相对最低；向斜西北翼及北川断裂以西的样品（比如35 号、39 号、43号）总体上具有最低的裂变径迹年龄，却得出了最高的岩石隆升速率、岩石隆升幅度和冷却速率。与上述两区域相比，江油断裂东侧地区具有中等的裂变径迹年龄、冷却速率、岩石隆升速率和最低的岩石隆升幅度。由此可以推断自北西至南东方向，构造变形的扩展兼具“前展式”和“后展式”特征，其中前展式变形表现为裂变径迹年龄向东南方向逐渐减小（其中北川断裂西侧的35 号点年龄应该是后期年龄），随着构造作用的加强，唐王寨向斜及仰天窝向斜的构造隆升及走滑断裂消减了来自北西方向的构造应力，继而构造变形呈现出后展式特征，后展式表现为向斜西北翼（包括35 号样品点）具有最低的裂变径迹年龄，却具有最大的岩石隆升幅度和速率以及冷却速率，由前展式变形转变为后展式变形的时间应该为139～122 Ma。此外，本次研究中有3个锆石年龄显示出两期构造热事件，本文认为这是因为前展式与后展式构造变形在不同地区的构造表现所致，所以在中生代末期，研究区北西区域具有更大的构造活动幅度和速率。

图7 研究区不同构造区带的低温年代学参数差异对比图Fig.7 Comparison diagram of low temperature chronological parameters of different structural zones in the study area

本文中锆石裂变径迹年龄指示了不同区域构造隆升时间，并且该构造隆升时间不晚于唐王寨向斜和仰天窝向斜形成时间，而这两个大型向斜形成时间可以近似认为是研究区大型主干断裂发生显著构造活动的时间，由此认为研究区在中生代兼具逆冲推覆和走滑性质的构造运动至少持续到侏罗纪末期（裂变径迹年龄为203～146 Ma）。

5 结论

（1）川西龙门山冲断带北段锆石裂变径迹年龄集中在238～122 Ma 之间，即中三叠世-早白垩世（T2-K1），且年龄值在平面上呈带状与主干断裂走向一致展布。不同断裂带之间具有不同的裂变径迹年龄，唐王寨向斜核部裂变径迹年龄最大，为203～160 Ma，江油断裂以东地区年龄次之（149～139 Ma），北川断裂上盘裂变径迹年龄最低，为122±5 Ma。

（2）冷却速率和岩石隆升幅度等多个热年代学参数在平面上同样具有分区带性特征：研究区内向斜核部冷却速率在1.211～1.438 ℃/Myr之间，剥蚀速率在0.038～0.048 mm/yr之间，向斜西北翼冷却速率和剥蚀速率相对稍高，分别为1.150～1.586 ℃/Myr和0.038～0.053 mm/yr，但总体上低于江油断裂以东地区。最高冷却速率（1.885 ℃/Myr）和最高剥蚀速率（0.063 mm/yr）分布在北川断裂上盘。相似地，不同样品岩石隆升幅度和隆升速率同样在由主干断裂所限的不同区带内具有分区带性。

（3）龙门山北段在中生代自北西至南东方向，构造变形兼具“前展式”和“后展式”特征，由前展式变形转变为后展式变形的时间应该为139～122 Ma。研究区在中生代发生了压扭性构造运动，且至少持续到侏罗纪末期（裂变径迹年龄为203～146 Ma）。

特别感谢中国地质大学（北京）科学研究院袁万明教授在样品测试过程中所提供的帮助；感谢中国地质科学院地质研究所同位素热年代学实验室喻顺副研究员在裂变径迹年龄分析方面所给出的建议；感谢本论文审稿人及编辑部老师提出的修改意见。