柏道遠(yuǎn), 熊　雄, 楊　俊, 鐘　響, 姜　文

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院, 湖南 長(zhǎng)沙 410016)

齊岳山斷裂東側(cè)盆山過(guò)渡帶褶皺特征及其變形機(jī)制

柏道遠(yuǎn), 熊雄, 楊俊, 鐘響, 姜文

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院, 湖南 長(zhǎng)沙 410016)

雪峰造山帶與四川盆地之間的盆山過(guò)渡帶以齊岳山斷裂為界, 分為西部的隔檔式褶皺帶和東部的隔槽式褶皺帶。對(duì)盆山過(guò)渡帶內(nèi)褶皺的成因和形成機(jī)制有多種不同觀點(diǎn), 其中以“雪峰西推模型”影響最大并廣為研究者接受。該模型認(rèn)為蓋層(南華系及以上地層)在雪峰造山帶推覆體的推動(dòng)下向NW發(fā)生多層次拆離推覆及遞進(jìn)擠壓而形成隔槽式與隔檔式褶皺。本文通過(guò)實(shí)測(cè)構(gòu)造剖面、地球物理剖面及區(qū)域地質(zhì)資料分析, 選擇桑植-石門復(fù)向斜和沿河地區(qū)褶皺對(duì)齊岳山斷裂以東地區(qū)的褶皺變形特征、形成機(jī)制進(jìn)行了解剖研究, 取得以下主要認(rèn)識(shí): (1)桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺具“復(fù)雜褶皺”組合樣式, 主要形成于中三疊世后期印支運(yùn)動(dòng); 沿河地區(qū)褶皺為典型隔槽式褶皺, 主要與早燕山運(yùn)動(dòng)NWW向擠壓有關(guān); (2)褶皺主要受區(qū)域擠壓體制下包括褶皺基底和蓋層在內(nèi)的原地巖層體的整體水平收縮及其導(dǎo)生的沖斷、滑脫作用所控制,其中桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺基底變形主要以逆沖斷裂為主, 沿河地區(qū)褶皺基底變形則以滑脫背斜為主; (3)區(qū)域擠壓下整體水平收縮變形機(jī)制, 可以很好地解釋雪峰西推模型不能解釋的若干重要地質(zhì)事實(shí), 包括褶皺軸面和逆沖斷裂無(wú)向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側(cè)褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過(guò)渡帶具大幅度整體性構(gòu)造抬升等, 同時(shí)也不存在雪峰西推模型中地質(zhì)剖面無(wú)法平衡的問(wèn)題。

隔槽式褶皺; 復(fù)雜褶皺; 變形機(jī)制; 盆山過(guò)渡帶; 齊岳山斷裂

卷(Volume)39, 期(Number)6, 總(SUM)149

頁(yè)(Pages)1008~1021, 2015, 12(December, 2015)

0　引　言

盆山過(guò)渡帶是當(dāng)今油氣勘探的一個(gè)新領(lǐng)域, 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少新的油氣發(fā)現(xiàn)即位于盆山過(guò)渡區(qū)的沖斷構(gòu)造帶和構(gòu)造三角帶(杜春國(guó)等, 2009; 王瑞瑞等, 2010)。位于雪峰造山帶與四川盆地之間的盆山過(guò)渡帶, 現(xiàn)今廣泛埋藏分布的震旦紀(jì)-早古生代海相地層具備與四川盆地類似的區(qū)域性烴源巖層、儲(chǔ)集巖層、蓋層等良好的成油氣地質(zhì)條件(謝淵等, 2012), 相關(guān)海相油氣地質(zhì)調(diào)查和油氣勘探已有多年,在油氣成藏條件和成藏規(guī)律方面已取得諸多研究進(jìn)展(王根海, 2000; 趙宗舉等, 2002, 2003; 馬永生等, 2002, 2006; 趙澤恒等, 2008; 丘東洲等, 2012; 周文等, 2012)。但由于該地區(qū)經(jīng)歷了加里東、印支、燕山、喜山等多階段構(gòu)造演化以及多期次構(gòu)造變形的疊加改造(趙宗舉等, 2003; 周文等, 2012), 油氣演化過(guò)程及成藏地質(zhì)條件極為復(fù)雜, 因此至今未取得震旦系-下古生界油氣勘探的實(shí)質(zhì)性突破。由于經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷裂、褶皺變形, 尋找有利的構(gòu)造圈閉成為該區(qū)油氣勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 因此構(gòu)造樣式和變形機(jī)制研究便變得尤為重要。

該盆山過(guò)渡帶構(gòu)造上表現(xiàn)為“侏羅山式”弧形褶皺帶, 其中齊岳山斷裂以西、以東分別發(fā)育隔檔式和隔槽式褶皺(丁道桂等, 1991; 顏丹平等, 2000;Yan et al., 2003; 馮向陽(yáng)等, 2003)(圖1), 其基本樣式及成因廣受關(guān)注。關(guān)于齊岳山斷裂以西的隔檔式褶皺成因前人提出過(guò)多種觀點(diǎn)(劉尚忠, 1995; 李忠權(quán)等, 2002; 徐政語(yǔ)等, 2004; 丁道桂等, 2005; 呂寶鳳和夏斌, 2005)。對(duì)于齊岳山斷裂以東的隔槽式褶皺的成因, 顏丹平等(2000, 2008)和Yan et al. (2003)認(rèn)為受東側(cè)雪峰造山帶向北西推覆影響, 發(fā)生多層次拆離推覆及遞進(jìn)擠壓, 最終形成后端隔槽式褶皺(前端形成齊岳山斷裂以西的隔檔式褶皺); 劉學(xué)鋒和劉成鑫(2002)提出該帶構(gòu)造樣式有基底卷入型和蓋層滑脫型2大類型; 郭建華等(2005)將變形解釋為沿蓋層間滑脫面的逆沖以及斷彎背斜和滑脫背斜的形成; 張必龍等(2009)根據(jù)數(shù)值模擬提出隔槽式褶皺和隔檔式褶皺相間出現(xiàn)主要受巖層的能干性差異和上覆壓力控制形成; 楊坤光等(2012a)提出早燕山期近EW向擠壓使得基底裂陷中向斜蓋層及新沉積的地層產(chǎn)狀急劇變陡形成緊閉向斜, 并誘發(fā)新的次級(jí)斷裂及次級(jí)緊閉褶皺; 王宗秀等(2012)認(rèn)為雪峰山西側(cè)地區(qū)發(fā)育的“隔檔-隔槽式”褶皺為多層次滑脫控制下以雙沖構(gòu)造為重要變形方式的結(jié)果。

圖1　區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1　Geological sketch map of the study area

總之, 從上述諸多研究來(lái)看, 齊岳山以東地區(qū)褶皺變形的成因存在基底斷裂與逆沖、蓋層滑脫與逆沖、先期(沉積期)基底裂陷控制等多種機(jī)制, 但不同研究者對(duì)不同變形作用在縱、橫向上的規(guī)模、影響范圍、關(guān)聯(lián)性及組合特征等有不同認(rèn)識(shí)。此外, 除顏丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出構(gòu)造變形受雪峰造山帶往北西推覆影響、楊坤光等(2012a)提出受早燕山期近EW向擠壓影響外, 其他研究者多未就變形的深層動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行探討。值得指出的是,目前顏丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出的隔槽式褶皺源于雪峰造山帶推動(dòng)造成的蓋層向西滑移觀點(diǎn)已得到研究者的較普遍認(rèn)同(馮常茂等, 2008; 張必龍等, 2009; 梅廉夫等, 2010)。

近年來(lái), 筆者通過(guò)實(shí)測(cè)構(gòu)造剖面、地球物理剖面及區(qū)域地質(zhì)資料分析, 選擇桑植-石門復(fù)向斜和沿河地區(qū)褶皺對(duì)齊岳山斷裂以東地區(qū)的褶皺變形特征、形成機(jī)制進(jìn)行了解剖研究, 認(rèn)為桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺為“復(fù)雜褶皺”、沿河地區(qū)褶皺為典型隔槽式褶皺, 并提出褶皺變形主要受區(qū)域擠壓體制下原地深部褶皺基底和上部蓋層的收縮與沖斷作用控制。這一動(dòng)力機(jī)制新模式可以更好地解釋盆山過(guò)渡帶褶皺軸面和逆沖斷裂無(wú)向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側(cè)褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過(guò)渡帶具大幅度整體性構(gòu)造抬升等地質(zhì)事實(shí)。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

本文所討論地區(qū)主要為盆山過(guò)渡帶東部的隔槽式褶皺帶。該帶東以慈利-保靖斷裂與雪峰造山帶分界, 西以齊岳山斷裂與隔檔式褶皺帶分界(圖1)。帶內(nèi)主要出露下古生界, 其次為上古生界和中生界。局部有震旦系出露, 石門楊家坪地區(qū)尚有冷家溪群和板溪群-南華系出露。

該地區(qū)自早至晚經(jīng)歷了武陵期(冷家溪期)活動(dòng)陸緣盆地、板溪期-南華紀(jì)裂谷盆地(王劍等, 2001;柏道遠(yuǎn)等, 2010, 2011)、震旦紀(jì)-早奧陶世被動(dòng)大陸邊緣盆地(汪正江等, 2012)、中奧陶世-志留紀(jì)前陸盆地(陳洪德等, 2006)、泥盆紀(jì)-中三疊世陸表海盆地、晚三疊世以來(lái)陸相盆地及山體抬升等地質(zhì)發(fā)展階段。區(qū)域發(fā)生過(guò)武陵(晉寧)、加里東(廣西)、印支、早燕山和喜山等主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 其中武陵運(yùn)動(dòng)造成板溪群與冷家溪群的角度不整合, 加里東運(yùn)動(dòng)(廣西運(yùn)動(dòng))造成上古生界與下古生界的平行不整合, 印支運(yùn)動(dòng)造成上三疊統(tǒng)與中三疊統(tǒng)的角度不整合, 早燕山運(yùn)動(dòng)造成白堊系與中侏羅統(tǒng)的角度不整合, 喜山運(yùn)動(dòng)造成白堊紀(jì)-古近紀(jì)盆地的褶皺回返。以武陵運(yùn)動(dòng)不整合面為界, 其下冷家溪群(梵凈山群)為褶皺基底, 其上的板溪群-下古生界及上古生界-中三疊統(tǒng)為沉積蓋層。

自下而上存在多個(gè)可能的區(qū)域性滑脫面或軟弱滑脫層, 分別沿褶皺基底與結(jié)晶基底界面(蔡學(xué)林等, 2004)、板溪群下部(王宗秀等, 2012)、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、下志留統(tǒng)下部、中二疊統(tǒng)棲霞組、下三疊統(tǒng)大冶組和中三疊統(tǒng)巴東組(顏丹平等, 2008)等發(fā)育,其對(duì)褶皺變形起到重要的控制作用。

以震旦系-下古生界為背斜核部、上古生界為向斜核部的侏羅山式連續(xù)褶皺發(fā)育。褶皺及地層走向主要為NNE向, 少量NE向, 東部桑植-石門一帶為NEE向(圖1)。值得指出的是, 帶內(nèi)褶皺樣式以隔槽式為主, 同時(shí)也發(fā)育有不少非典型隔槽式的復(fù)雜褶皺(楊坤光等, 2012b)。就該區(qū)整體來(lái)看, 褶皺軸面的傾向并無(wú)明顯極性, 軸面或直立、或東傾、或西傾。此外, 多個(gè)褶皺常組合成更大規(guī)模的復(fù)向斜和復(fù)背斜。

對(duì)不同方向褶皺的形成期次和時(shí)代, 不同研究者之間存在一定認(rèn)識(shí)差異。劉恩山等(2010)認(rèn)為燕山早期(K初)、晚期(K末)分別形成了NE向、SN向(NNE向)褶皺; 劉麗萍等(2010)認(rèn)為褶皺主要形成于燕山期并可分為3幕, 自早至晚依次為近EW向褶皺、NE向褶皺和SN向褶皺, 變形時(shí)限為J3-K2。周小軍等(2011)認(rèn)為發(fā)育NEE-EW向和NE向兩幕印支期變形, 以及NE向和NNE-SN向兩幕燕山期變形。胡召齊等(2009)認(rèn)為川東“侏羅山式”褶皺帶變形發(fā)生在J3末-K1初。綜合上述研究來(lái)看, 該區(qū)褶皺形成期次有2~3期, 形成時(shí)代主要為早、晚燕山期,其次為印支期。

2　典型褶皺特征

本文選擇湖南河口-桑植-張家界剖面(圖2a) (GP13剖面)和貴州思渠-官舟-沙子鎮(zhèn)構(gòu)造剖面(圖3a)(GP12剖面)(圖1), 分別對(duì)桑植-石門復(fù)向斜和沿河地區(qū)褶皺進(jìn)行解剖研究。兩條構(gòu)造剖面的褶皺樣式存在較明顯差異, 前者背、向斜近同等發(fā)育, 后者則具背斜開(kāi)闊、向斜緊閉的典型隔槽式特征。對(duì)其分別介紹如下。

2.1河口-張家界剖面褶皺特征

河口-張家界剖面控制了桑植-石門復(fù)向斜, 復(fù)向斜由巖屋口向斜f8、下洞街向斜f6、桑植向斜f4及向斜之間的新街背斜f7、仙橋?yàn)潮承眆5組成(圖2 a)。巖屋口向斜f8翼間角100°~120°, 為軸面向南東傾斜的開(kāi)闊褶皺; 下洞街向斜f6翼間角80°左右, 為軸面略向北西傾斜的開(kāi)闊褶皺; 桑植向斜f4翼間角100°~120°, 為軸面向北西傾斜的開(kāi)闊褶皺。新街背斜f7和仙橋?yàn)潮承眆5因受走向斷裂破壞形態(tài)不完整, 前者為緊閉褶皺, 后者為緊閉-等斜褶皺。復(fù)向斜南東翼發(fā)育柑子坡背斜f3、長(zhǎng)茅山向斜f2和三坪背斜f1等次級(jí)褶皺。剖面上發(fā)育數(shù)條與褶皺相關(guān)的逆斷裂。上述褶皺軸面和逆斷裂大多傾向NW, 少量?jī)A向SE。地質(zhì)剖面與地震-MT聯(lián)合解釋剖面(圖2b)反映的地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本一致, 只是前者反映地表構(gòu)造更為明確, 后二者則反映出較清晰的深部構(gòu)造特征。二維地震剖面和地震-MT聯(lián)合解釋剖面清楚揭示出表層構(gòu)造與深部構(gòu)造的不協(xié)調(diào)性(圖2b), 表層變形強(qiáng)烈、褶皺緊閉, 褶皺受志留系滑脫層控制; 深部變形較弱、褶皺極為寬緩, 受更深層次的滑脫與沖斷作用控制。剖面顯示, 桑植-石門復(fù)向斜的構(gòu)造本質(zhì)是基底及其上界面的下凹彎曲。值得指出的是, 復(fù)向斜內(nèi)的褶皺并未顯示出明顯的隔槽式特征, 只是復(fù)向斜邊部的向斜相對(duì)外側(cè)背斜而言具隔槽式特點(diǎn)(圖2a)。因此, 下文將桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺組合樣式稱為“復(fù)雜褶皺”。

桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺及地層的走向自西向東總體由NE向轉(zhuǎn)為近EW向(圖1), 呈明顯弧形偏轉(zhuǎn); 內(nèi)部疊加有NNE向和SN向褶皺。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景分析, 本文認(rèn)為呈弧形偏轉(zhuǎn)的NE向與近EW向褶皺主要形成于中三疊世后期的印支運(yùn)動(dòng): 受秦嶺-大別-蘇魯構(gòu)造帶碰撞造山以及Sibumasu 地塊向印支地塊的碰撞增生和古特提斯洋在瓊中地區(qū)的消減關(guān)閉影響(徐先兵等, 2009), 復(fù)向斜東部經(jīng)受SN向擠壓而形成EW向褶皺(張?jiān)罉虻? 2009); 同期揚(yáng)子和華夏板塊之間的陸內(nèi)匯聚產(chǎn)生NW-NWW向擠壓(張國(guó)偉等, 2011; 柏道遠(yuǎn)等, 2012a, 2013a, 2013b, 2014), 復(fù)向斜西部受其影響形成NE向褶皺。復(fù)向斜內(nèi)部疊加的NNE向和SN向褶皺應(yīng)與燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)(胡召齊等, 2009; 劉恩山等, 2010; 劉麗萍等, 2010; 周小軍等, 2011)。

圖2　桑植-石門復(fù)向斜河口-張家界物探與地質(zhì)構(gòu)造剖面Fig.2　The Hekou-Zhangjiajie profiles across the Sangzhi-Shimen synclinorium

2.2思渠-沙子鎮(zhèn)剖面

思渠-沙子鎮(zhèn)剖面自西向東依次控制了貴州沿河地區(qū)的思渠向斜、官舟背斜和沙子鎮(zhèn)向斜(圖3 a)。褶皺構(gòu)成剖面主體構(gòu)造格架; 同時(shí)發(fā)育少量東傾正斷裂, 很可能為白堊紀(jì)期間區(qū)域伸展環(huán)境產(chǎn)物。剖面清楚顯示出向斜極為狹窄、緊閉, 背斜極為開(kāi)闊平緩的典型隔槽式褶皺樣式。官舟背斜寬達(dá)20 km左右, 巖層總體近水平, 發(fā)育極為平緩的次級(jí)褶皺或撓曲; 橫向上巖層傾角差異很小, 無(wú)明確的核部和翼部之分; 翼間角約150°~155°, 為平緩褶皺。背斜西側(cè)的思渠向斜和東側(cè)的沙子鎮(zhèn)向斜寬度分別僅約6.5 km和5.5 km, 其巖層自翼部向核部逐漸變陡,傾角由45°左右變?yōu)橹绷? 褶皺軸面部位兩翼巖層緊貼在一起; 兩翼巖層傾角相近, 軸面直立; 翼間角分別約為60°和55°, 近核部翼間角僅20°左右, 為中常-緊閉褶皺。官舟背斜兩翼與思渠向斜東翼和沙子鎮(zhèn)向斜西翼之交接處巖層產(chǎn)狀急變, 顯示出軸面傾向背斜的背形膝褶構(gòu)造。以思渠向斜為例, 按等厚褶皺概念制圖, 向斜下部核部會(huì)出現(xiàn)水平巖層,且越往深部水平巖層帶越寬; 核部水平巖層段與翼部?jī)A斜巖層段之交接處亦產(chǎn)狀急變, 形成軸面傾向背斜的向形膝褶構(gòu)造(圖3a)?？傊? 上述隔槽式褶皺實(shí)質(zhì)為一種區(qū)域大尺度多膝褶構(gòu)造。

上述剖面結(jié)構(gòu)得到地球物理資料的支持。圖3b所示MT剖面也清楚反映出背形膝褶和向形膝褶的存在。此外, 受沉積期沉降差異影響, 沙子鎮(zhèn)向斜二疊紀(jì)地層和奧陶紀(jì)地層的厚度大于思渠向斜(圖3a),導(dǎo)致前者下部低阻層(據(jù)區(qū)域資料為下寒武統(tǒng))的埋深明顯大于后者(圖3b)。

思渠向斜、官舟背斜和沙子鎮(zhèn)向斜呈NNE走向(圖1), 可能與中侏羅世晚期(可能包括晚侏羅世)早燕山運(yùn)動(dòng)中區(qū)域NWW向擠壓有關(guān)(柏道遠(yuǎn)等, 2005;周小軍等, 2011), 其背景可能為古太平洋板塊(或伊佐奈岐板塊)的俯沖影響(舒良樹(shù)等, 2004; 徐先兵等, 2009; 張?jiān)罉虻? 2009)。古近紀(jì)后太平洋板塊對(duì)東亞大陸東部向W俯沖、擠壓(Maruyama and Seno, 1986;柏道遠(yuǎn)等, 2005)可能也對(duì)褶皺變形起到作用。

圖3　思渠-沙子鎮(zhèn)MT與地質(zhì)構(gòu)造剖面Fig.3　The Siqu-Shazizhen MT profile and structural profile

3　褶皺變形機(jī)制

根據(jù)剖面地質(zhì)特征和區(qū)域地質(zhì)背景, 分別就桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)復(fù)雜褶皺和思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺的形成機(jī)制探討如下。

3.1桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)復(fù)雜褶皺形成機(jī)制

如前所述, 物探剖面反映出的表層構(gòu)造與深部構(gòu)造的不協(xié)調(diào)性受到志留系滑脫作用的控制,與褶皺相伴產(chǎn)出的逆斷裂切入震旦系-下古生界至中元古界不同深度地層, 而從逆斷裂的切層情況來(lái)看, 導(dǎo)致下洞街向斜f6、仙橋?yàn)潮承眆5和桑植向斜f4等褶皺的志留系滑脫作用未明顯受具一定極性指向的區(qū)域推覆滑動(dòng)所控制(圖2b), 而是與下部地層的整體收縮有關(guān)。鑒上, 結(jié)合物探剖面上顯示的桑植-石門復(fù)向斜與基底凹陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖2 b), 提出桑植-石門復(fù)向斜及其內(nèi)部褶皺形成機(jī)制如下(圖4):

圖4　桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺形成機(jī)制Fig.4　Dynamic mechanism of the folds in the Sangzhi-Shimen synclinorium

在印支運(yùn)動(dòng)區(qū)域NW向(復(fù)向斜東部為SN向)擠壓應(yīng)力作用下, 深部塑性程度較高的褶皺基底沿NW水平方向產(chǎn)生整體縮短, 同時(shí)形成逆沖斷裂。與此同時(shí), 褶皺基底沿其與結(jié)晶基底間界面滑脫(蔡學(xué)林等, 2004), 并導(dǎo)致深部逆沖斷裂及斷片疊置, 褶皺基底層產(chǎn)生大規(guī)模彎曲, 沿NW方向形成大型隆、凹相間的格局, 隆起部位對(duì)應(yīng)于復(fù)背斜, 凹陷部位對(duì)應(yīng)于復(fù)向斜(如桑植-石門復(fù)向斜)。褶皺基底水平方向的整體壓縮以及逆沖斷裂導(dǎo)致的水平方向的縮短, 帶動(dòng)上覆蓋層水平方向的收縮、滑脫并產(chǎn)生逆斷裂; 與此同時(shí), 蓋層與基底一樣也會(huì)受到區(qū)域水平方向的擠壓而產(chǎn)生水平方向的收縮、滑脫并形成逆斷裂。蓋層的滑脫、沖斷形成滑脫褶皺和斷層擴(kuò)展褶皺(斷層傳播褶皺)。此外, 源于基底的逆沖斷裂進(jìn)入蓋層時(shí)也會(huì)使蓋層產(chǎn)生斷層擴(kuò)展褶皺變形。需要說(shuō)明的是, 由于多個(gè)軟弱滑脫層的存在, 上述蓋層的滑脫與沖斷作用可在多套地層中發(fā)生, 并可形成坡坪式構(gòu)造及斷層轉(zhuǎn)折褶皺, 從而形成更為復(fù)雜的變形樣式。除上述區(qū)域擠壓機(jī)制外, 重力作用很可能對(duì)桑植-石門復(fù)向斜核部的不協(xié)調(diào)復(fù)雜褶皺具有重要貢獻(xiàn), 即復(fù)向斜形成之初其翼部的傾斜巖層會(huì)產(chǎn)生指向核部的重力壓縮, 使核部區(qū)的擠壓與滑脫作用得到加強(qiáng)。

值得指出的是, 桑植-石門復(fù)向斜印支期變形還應(yīng)受到早期構(gòu)造的控制以及后期構(gòu)造的改造作用。首先, 研究區(qū)板溪群與冷家溪群的高角度不整合接觸, 表明新元古代中期的武陵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈構(gòu)造變形。武陵期逆斷裂(構(gòu)造線)走向在研究區(qū)也呈同樣的弧形偏轉(zhuǎn)(柏道遠(yuǎn)等, 2012b), 其在印支運(yùn)動(dòng)中作為構(gòu)造薄弱帶更容易產(chǎn)生斷裂活動(dòng)。其次, 燕山期NNE向至近SN向褶皺形成時(shí)期, 印支期褶皺理應(yīng)受到擠壓作用而得到一定加強(qiáng)和改造。

3.2思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺形成機(jī)制

張必龍等(2009)通過(guò)采用有限差分法對(duì)川東“侏羅山式”褶皺進(jìn)行了數(shù)值模擬, 提出層間粘聚力(能干性)差異和上覆壓力(埋深)是控制隔檔式褶皺、隔槽式褶皺樣式的主要因素。地層埋深較淺時(shí)層間能干性差異對(duì)褶皺樣式起主控作用, 能干性差異小時(shí)出現(xiàn)隔槽式褶皺, 差異大時(shí)出現(xiàn)隔檔式褶皺(圖5)。埋深大時(shí)壓力起主要作用且僅出現(xiàn)隔槽式褶皺。對(duì)比發(fā)現(xiàn), 圖5中層間能干性差異小的模型9、10、11、12施壓端隔槽式褶皺的形態(tài)與思渠向斜的地質(zhì)解析結(jié)構(gòu)和MT剖面結(jié)構(gòu)(圖3b)完全一致: 在水平方向上, 巖層自向斜翼部向核部逐漸變陡, 于褶皺軸面部位兩翼巖層產(chǎn)狀直立且緊貼一起; 背斜翼部與向斜翼部之交接處巖層產(chǎn)狀急變, 顯示出軸面傾向背斜的背形膝褶; 向斜下部出現(xiàn)水平巖層, 水平巖層段與翼部?jī)A斜巖層段之交接處產(chǎn)狀也急劇變化, 形成軸面傾向背斜的向形膝褶(圖3a)。

張必龍等(2009)物理模擬的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)條件是巖層體底部的自由滑動(dòng)以及巖層體側(cè)面受到的水平方向整體擠壓(圖5)。研究區(qū)主期構(gòu)造變形的地質(zhì)背景與這一實(shí)驗(yàn)條件相似: 區(qū)域NWW向水平擠壓(如前述)可對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中巖層體側(cè)面的整體擠壓; 變形受控于褶皺基底與結(jié)晶基底之間的滑脫(蔡學(xué)林等, 2004), 褶皺基底底部的滑脫面可對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中巖層體底部的自由滑動(dòng)面。鑒于思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺樣式及其地質(zhì)背景與張必龍等(2009)數(shù)值模擬的高度相似性, 分析提出以下隔槽式褶皺形成機(jī)制(圖6):

圖5　川東“侏羅山式”褶皺形成機(jī)制的物理模擬(據(jù)張必龍等, 2009)Fig.5　Physical simulation of the formation mechanism of the Jura-type folds in the eastern Sichuan

在燕山運(yùn)動(dòng)早期區(qū)域NWW向擠壓應(yīng)力作用下,深部塑性程度較高的褶皺基底沿NWW水平方向產(chǎn)生整體收縮, 沿其與結(jié)晶基底間界面滑脫而形成滑脫背斜(斷層滑脫褶皺)。在滑脫面之上, 深部多個(gè)滑脫背斜構(gòu)成隔檔式褶皺, 淺部則變?yōu)楦舨凼今薨?。在此變形機(jī)制中, 相鄰背、向斜翼部形成背形膝褶和向形膝褶。相鄰背斜的相鄰向形膝褶的軸面在地表的交線大體對(duì)應(yīng)于表層向斜核部。受此幾何結(jié)構(gòu)約束, 一定深度相鄰滑脫背斜會(huì)存在與變形深度有對(duì)應(yīng)關(guān)系的一定間距, 根據(jù)思渠向斜與沙子鎮(zhèn)向斜間距, 初步推斷褶皺基底底部滑脫層深度約為12 km左右。綜上, 基底在水平方向上因擠壓而收縮、滑脫是思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺變形的主導(dǎo)機(jī)制。

需要注意的是, 在區(qū)域擠壓作用條件下, 上部蓋層同樣會(huì)產(chǎn)生水平方向的縮短, 當(dāng)蓋層與基底之間、蓋層內(nèi)部不同層位之間縮短量存在差異時(shí), 其間勢(shì)必形成滑脫, 此可能為區(qū)域上多個(gè)滑脫層發(fā)育的主要原因。此外, 水平擠壓作用以及滑脫作用均可能于基底和蓋層中形成逆斷裂。逆斷裂及蓋層底部和蓋層內(nèi)部的滑脫同樣會(huì)形成褶皺, 其疊加在基底滑脫褶皺之上, 使構(gòu)造變形樣式更為復(fù)雜化。前述官舟背斜極為平緩的次級(jí)褶皺或撓曲應(yīng)與此有關(guān)。

綜上述, 桑植-石門復(fù)向斜區(qū)復(fù)雜褶皺和思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺均受區(qū)域擠壓作用下的巖層體水平收縮所控制, 其褶皺樣式不同的主要原因應(yīng)是前者褶皺基底變形主要以逆沖斷裂為主, 后者褶皺基底變形則以滑脫背斜為主。造成其基底變形差異的原因有待進(jìn)一步研究, 本文初步認(rèn)為可能主要與先期褶皺基底構(gòu)造的差異性有關(guān): 位于黔中古隆起北側(cè)的沿河地區(qū)褶皺基底構(gòu)造呈EW向(劉偉等, 2011),燕山期NWW向擠壓下不易產(chǎn)生繼承性逆沖活動(dòng),因此褶皺基底變形以滑脫為主。而桑植-石門復(fù)向斜區(qū)武陵運(yùn)動(dòng)構(gòu)造線自西向東呈NE→EW向弧形偏轉(zhuǎn)(柏道遠(yuǎn)等, 2012b), 與印支運(yùn)動(dòng)擠壓應(yīng)力(近)垂直,武陵期斷裂作為構(gòu)造薄弱帶在印支運(yùn)動(dòng)中容易產(chǎn)生斷裂活動(dòng), 因此褶皺基底變形以逆沖斷裂為主。

圖6　思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺形成機(jī)制模型Fig.6　Dynamic mechanism of the Siqu-Shazizhen trough-like folds

4　討　論

顏丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出雪峰山西側(cè)盆山過(guò)渡帶的褶皺變形以雪峰造山帶為動(dòng)力來(lái)源, 在坡-坪式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上由蓋層(南華系及以上地層)自南東向北西滑脫、沖斷所形成; 褶皺變形時(shí)代自東向西由早至晚, 褶皺樣式則從早至晚由隔檔式褶皺→城垛狀褶皺→隔槽式褶皺轉(zhuǎn)變, 由此形成了該區(qū)東部發(fā)育隔槽式褶皺、西部發(fā)育隔檔式褶皺的構(gòu)造變形格局(圖7)。目前這一隔槽式褶皺源于雪峰造山帶推動(dòng)造成的蓋層向西滑移的觀點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱雪峰西推模型)已得到較普遍認(rèn)同(馮常茂等, 2008;張必龍等, 2009; 梅廉夫等, 2010)。

張必龍等(2009)基于這一機(jī)制進(jìn)行了滑脫作用的數(shù)值模擬; 梅廉夫等(2010)通過(guò)磷灰石裂變徑跡年齡和平衡剖面, 提出川東-湘鄂西地區(qū)在晚侏羅世末-早白堊世末期間因雪峰造山帶向西擠壓而縮短78 km, 并認(rèn)為雪峰隆起帶為湘鄂西-川東地區(qū)構(gòu)造變形之“發(fā)動(dòng)機(jī)”。但本文研究發(fā)現(xiàn)這一模型難以解釋以下地質(zhì)事實(shí)。

第一, 研究區(qū)褶皺軸面和逆沖斷裂未顯示出雪峰西推模型應(yīng)有的向E或SE傾斜的極性特征, 如思渠向斜和沙子鎮(zhèn)向斜的軸面直立(圖3a); 桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺軸面和逆斷裂則反而傾向NW(圖2 a);道真東面發(fā)育軸面傾向NW的連續(xù)倒轉(zhuǎn)褶皺(圖8);正安-石阡地質(zhì)剖面中褶皺軸面一般直立(圖9); 最新綜合地球物理解釋剖面顯示, 慈利-保靖斷裂以西實(shí)際為基底和蓋層均被卷入的向東逆沖的構(gòu)造樣式(李三忠等, 2011; Li et al., 2012)(圖10); 黔西以西地區(qū)整體向東逆沖(萬(wàn)桂梅等, 2008; Liu et al., 2012)等。以上事實(shí)與雪峰西推模型存在嚴(yán)重矛盾。

第二, 地質(zhì)證據(jù)顯示雪峰造山帶總體上并未發(fā)生向西側(cè)褶皺帶的大規(guī)模推覆。首先, 作為雪峰造山帶與西側(cè)隔槽式褶皺帶分界的慈利-保靖斷裂,其兩側(cè)地層總體較為連續(xù)(圖11), 與東側(cè)塊體向西大規(guī)模逆沖、滑移相矛盾。其次, 若盆山過(guò)渡帶褶皺的形成源于雪峰造山帶向北西的推覆, 則雪峰造山帶理應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈變形, 可實(shí)際情況并非如此。如懷化-沅陵斷裂東側(cè)上三疊統(tǒng)-中侏羅統(tǒng)與石炭系-下三疊統(tǒng)之間、白堊系與上三疊統(tǒng)-中侏羅統(tǒng)之間的不整合面上下巖層產(chǎn)狀相近, 反映印支運(yùn)動(dòng)和早燕山運(yùn)動(dòng)變形并不強(qiáng)烈(柏道遠(yuǎn)等, 2014)。再如沅麻盆地中生代以來(lái)擠壓變形主要集中于盆地東緣的懷化-沅陵斷裂帶(構(gòu)造薄弱帶), 盆地中西部擠壓變形很弱; 盆內(nèi)石炭系與板溪群角度不整合接觸(武溪北面)反映強(qiáng)烈變形及相應(yīng)的大幅抬升事件發(fā)生于加里東運(yùn)動(dòng)(柏道遠(yuǎn)等, 2015); 沅麻盆地以西地區(qū)褶皺形態(tài)總體平緩等。

圖7　雪峰造山帶及西側(cè)地區(qū)褶皺–斷裂系統(tǒng)變形過(guò)程的構(gòu)造模型(據(jù)Yan et al., 2003修改)Fig.7　A tectonic model showing the deformation processes of the fold-fault system inside and west of the Xuefeng Orogen

圖8　道真東面連續(xù)倒轉(zhuǎn)褶皺(據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 2011, 修改)Fig.8　Continuous overturned folds to the east of Daozhen

圖9　正安-石阡地質(zhì)剖面(據(jù)劉恩山等, 2010, 略修改)Fig.9　Zheng′an-Shiqian geological section

第三, 雪峰西推模型下地質(zhì)剖面無(wú)法平衡。顏丹平等(2000)以寒武系底標(biāo)志層對(duì)NW-SE向的萬(wàn)縣-桃源構(gòu)造剖面進(jìn)行平衡剖面計(jì)算, 得出中生代以來(lái)盆山過(guò)渡帶褶皺縮短量為65 km; 梅廉夫等(2010)以志留系頂界面作為標(biāo)志線對(duì)達(dá)縣-桑植構(gòu)造剖面進(jìn)行平衡計(jì)算后, 認(rèn)為該區(qū)晚侏羅世末-早白堊世末期間縮短78 km?？傊? 盆山過(guò)渡帶擠壓縮短顯著,最大可達(dá)78 km。據(jù)圖7顯見(jiàn), 雪峰西推模型中, 變形受蓋層?xùn)|緣向西的持續(xù)推擠、滑移所控制, 蓋層相對(duì)基底滑脫運(yùn)移并因此縮短, 而基底則為剛性、不運(yùn)移、不變形的塊體, 因此盆山過(guò)渡帶蓋層的縮短量等同于其后緣因雪峰造山帶推動(dòng)產(chǎn)生的北西向滑移量。因此, 從雪峰西推模型出發(fā)可作如下推斷: 78 km的縮短意味著雪峰造山帶將盆山過(guò)渡帶蓋層的后緣(南東邊緣)向北西推移了78 km以上; 據(jù)此由現(xiàn)今所在的慈利-保靖斷裂一線計(jì)算, 變形前盆山過(guò)渡帶蓋層后緣的位置大致在現(xiàn)今桃源-芷江一線, 如此則現(xiàn)今沅麻盆地的主體(包括中生代盆地沉積)曾位于南華紀(jì)-古生代蓋層之下(參見(jiàn)圖1); 作為頂著盆山過(guò)渡帶蓋層向北西滑移的“推手”, 慈利-保靖斷裂以東的雪峰造山帶出露地層應(yīng)以板溪群及更早地層(基底)為主, 因?yàn)橹挥袕?qiáng)烈的斷塊逆沖、抬升才能提供西推的動(dòng)力并“填充”盆山過(guò)渡帶蓋層后緣向北西大規(guī)?；坪笮纬傻摹翱諜n”。基于雪峰西推模型所作上述“合理”推斷與事實(shí)完全矛盾: 首先,現(xiàn)今沅麻盆地主體曾位于南華紀(jì)-古生代蓋層之下顯然是不可想象的; 其次, 雪峰造山帶北西部, 即慈利-保靖斷裂以東、沅麻盆地以西(含沅麻盆地)地區(qū)出露地層主要為南華紀(jì)-早古生代(中生代除外),而非板溪群及以下地層。推斷與事實(shí)的尖銳矛盾,實(shí)際反映出雪峰西推模型無(wú)法平衡地質(zhì)剖面。事實(shí)上, 雪峰西推模型在平衡地質(zhì)剖面上遇到的問(wèn)題在其模型圖中即有體現(xiàn): 圖7c中主逆沖斷裂西側(cè)參與褶皺的“灰色”巖層頂面(虛折線對(duì)應(yīng)段)長(zhǎng)度明顯較圖7d中對(duì)應(yīng)段的長(zhǎng)度短, 后者是前者長(zhǎng)度的1.22倍左右(筆者量算)。水平擠壓條件下隨著變形程度的增強(qiáng)巖層體的長(zhǎng)度理應(yīng)縮短, 圖7中長(zhǎng)度反而顯著增加顯然有悖常理, 雪峰西推模型下地質(zhì)剖面不能平衡是導(dǎo)致這一問(wèn)題的本質(zhì)原因。

圖10　桑植-張家界構(gòu)造剖面(據(jù)李三忠等, 2011, 略修改)Fig.10　Sangzhi-Zhangjiajie tectonic section

圖11　松柏–人頭山構(gòu)造剖面Fig.11　Songbai-Rentoushan tectonic section

第四, 雪峰西推模型下向斜部位不大可能出現(xiàn)大幅抬升(如圖7d)。但梅廉夫等(2010)對(duì)隔檔式褶皺帶及隔槽式褶皺帶西部侏羅系進(jìn)行的磷灰石裂變徑跡研究結(jié)果表明, 向斜部位發(fā)生過(guò)3~4 km以上的構(gòu)造抬升與剝蝕(本文基于梅廉夫等分析資料據(jù)退火溫度推算), 背斜區(qū)的抬升幅度顯然會(huì)更大。

總之, 與大量地質(zhì)事實(shí)的矛盾表明, 雪峰西推模型難以作為雪峰山西側(cè)盆山過(guò)渡帶褶皺的主要變形機(jī)制。

本文提出的桑植-石門復(fù)向斜區(qū)復(fù)雜褶皺形成機(jī)制強(qiáng)調(diào)了變形由區(qū)域擠壓體制下原地深部褶皺基底的收縮與沖斷作用(主)和蓋層的收縮與沖斷作用(次)以及重力作用所控制, 思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺形成機(jī)制強(qiáng)調(diào)了變形由區(qū)域擠壓體制下原地深部褶皺基底的收縮和滑脫作用所控制, 其動(dòng)力本質(zhì)均是區(qū)域擠壓作用下原地巖層體的收縮。顯然, 本文提出的這一動(dòng)力機(jī)制與顏丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出的雪峰西推模型(區(qū)域蓋層推滑模式)存在根本區(qū)別, 并可以很好地解釋褶皺軸面和逆沖斷裂無(wú)向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側(cè)褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過(guò)渡帶包括背斜和向斜在內(nèi)發(fā)生大幅度整體性構(gòu)造抬升(水平方向的整體收縮導(dǎo)致垂向上的伸展)等地質(zhì)事實(shí), 同時(shí)也不存在雪峰西推模型中地質(zhì)剖面無(wú)法平衡的問(wèn)題。

值得指出的是, 盡管本文對(duì)雪峰西推模型提出質(zhì)疑, 并強(qiáng)調(diào)區(qū)域擠壓作用下原地巖層體水平方向的收縮和滑脫作用控制了盆山過(guò)渡帶褶皺的形成,但這并不否定雪峰造山帶向NW的擠壓和逆沖對(duì)盆山過(guò)渡帶變形的影響。事實(shí)上, 盆山過(guò)渡帶變形具有自南東向北西逐漸遷移并由強(qiáng)及弱遞進(jìn)衰減特征(丁道桂和劉光祥, 2007; 丁道桂等, 2008; 金寵等, 2009), 雪峰造山帶北西緣中生代確實(shí)發(fā)生過(guò)向NW的基底逆沖推覆作用(徐政語(yǔ)等, 2010; 汪新偉等, 2010; 汪昌亮等, 2011; 湯雙立等, 2011; 李學(xué)剛等, 2012), 均表明造成盆山過(guò)渡帶褶皺變形的應(yīng)力與雪峰造山帶向北西的擠壓、逆沖密切相關(guān), 只是這種相關(guān)性主要表現(xiàn)在雪峰塊體對(duì)盆山過(guò)渡帶塊體(包括基底和蓋層)的側(cè)向擠壓, 而不是雪峰塊體推覆巖片頂著盆山過(guò)渡帶上部蓋層向NW大規(guī)?；?、運(yùn)移。

此外, 雖然本文認(rèn)識(shí)主要基于隔槽式褶皺帶的研究提出, 但區(qū)域擠壓下整體收縮變形機(jī)制對(duì)西側(cè)隔檔式褶皺研究乃至一般區(qū)域構(gòu)造研究無(wú)疑都具有重要的啟示意義。

5　結(jié)　論

(1) 齊岳山斷裂以東的隔槽式褶皺帶內(nèi)褶皺樣式較復(fù)雜, 其中桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺具“復(fù)雜褶皺”組合樣式, 而沿河地區(qū)褶皺則為典型隔槽式褶皺。

(2) 齊岳山斷裂東側(cè)盆山過(guò)渡帶褶皺主要受區(qū)域擠壓體制下包括褶皺基底和蓋層在內(nèi)的原地巖層體的整體水平收縮及其導(dǎo)生的沖斷、滑脫作用所控制, 其中桑植-石門復(fù)向斜內(nèi)褶皺基底變形主要以逆沖斷裂為主, 沿河地區(qū)褶皺基底變形則以滑脫背斜為主。

(3) 區(qū)域擠壓下整體水平收縮變形機(jī)制, 可以很好地解釋雪峰西推模型不能解釋的若干重要地質(zhì)事實(shí), 包括褶皺軸面和逆沖斷裂無(wú)向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側(cè)褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過(guò)渡帶具大幅度整體性構(gòu)造抬升等, 同時(shí)也不存在雪峰西推模型中地質(zhì)剖面無(wú)法平衡的問(wèn)題。

致謝: 中國(guó)海洋大學(xué)李三忠教授和另一名匿名審稿人對(duì)論文進(jìn)行了認(rèn)真審閱并提出了寶貴的修改意見(jiàn),前者還對(duì)論文中的英文錯(cuò)誤進(jìn)行了仔細(xì)修改, 在此表示衷心感謝。

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Characteristics and Dynamic Mechanisms of the Folds in the Basin-Mountain Transition Zone, East of the Qiyueshan Fault

BAI Daoyuan, XIONG Xiong, YANG Jun, ZHONG Xiang and JIANG Wen
(Hunan Institute of Geology Survey, Changsha 410016, Hunan, China)

The basin-mountain transition zone between the Xuefeng Orogen and the Sichuan Basin is divided into the western comb-like fold belt and the eastern trough-like fold belt by the Qiyueshan fault. There exist different ideas about the formation mechanism of the folds in the basin-mountain transition zone. Among these points of view, the “Xuefeng pushing-westward model” is the most influential and widely held. The model put forward that the comb-like folds and trough-like folds were formed by multi-layer westward detachment-thrusting of the sedimentary cover and progressive compression for the driving of the Xuefeng Orogen. Taking the Sangzhi-Shimen synclinorium and the folds in the Yuanhe area for examples, the authors studied the characteristics and dynamic mechanisms of the folds in the area east of the Qiyueshan fault by measured tectonic sections, geophysical profiles and regional geological data, and reached the following conclusions: (1) The folds in the Sangzhi-Shimen synclinorium are “complex fold” and were formed mainly in late Middle Triassic. The folds in the Yuanhe area are typical trough-like folds related mainly to the NWW-directed compression in Late Jurassic to Early Cretaceous. (2) The folds were mainly controlled by the whole horizontal contraction of autochthon including folded basement and cover in regional compressional regime, and by the resultant thrusting and detachment. Deformation of the folded basement in the Sangzhi-Shimen synclinorium shows as thrust faults, while the deformation of the folded basement in the Yuanhe area exhibits as detachment anticline. (3) The deformation mechanism as whole horizontal contraction in regional compression can explain some important geological facts such as that the axial surfaces of folds and the thrust faults don’t show a polarity of east or southeast dipping, the Xuefeng Orogen didn’t thrust on a large scale to the western fold belt and there occurred a giant whole tectonic uplift in the basin-mountain transition zone. In contrast, the “Xuefeng pushing-westward model” cannot explain the facts and have the problems such that the cross sections cannot be balanced.

trough-like fold; complex fold; dynamic mechanisms; basin-mountain transition zone; Qiyueshan fault

P542

A

1001-1552(2015)06-1008-014

10.16539/j.ddgzyckx.2015.06.003

2014-11-03; 改回日期: 2015-03-25

項(xiàng)目資助: 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局中上揚(yáng)子重點(diǎn)地區(qū)(雪峰山)構(gòu)造演化及其與油氣關(guān)系研究(1212011220750-02)、湖南1∶25萬(wàn)武岡市和永州市幅區(qū)調(diào)修測(cè)項(xiàng)目(1212011120793)聯(lián)合資助。

柏道遠(yuǎn)(1967–), 男, 研究員級(jí)高級(jí)工程師, 長(zhǎng)期從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查與基礎(chǔ)地質(zhì)研究。Email: daoyuanbai@sina.com