趙光寶,　劉國生,　陳　俊,　李夢嬋,　李　飛,　張宏洋

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥　230009)

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徐淮地區(qū)古生界與上元古界構(gòu)造變形對比分析及意義

趙光寶,劉國生,陳俊,李夢嬋,李飛,張宏洋

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:文章在詳細的野外地質(zhì)調(diào)查研究基礎上,對徐淮地區(qū)古生界和上元古界構(gòu)造變形進行了研究和分析,發(fā)現(xiàn)古生界與上元古界變形特征有著明顯的差異。古生界以強烈、緊閉或倒轉(zhuǎn)褶皺為主,經(jīng)統(tǒng)計分析,這些褶皺軸面多向南東傾斜,與此相伴生有一系列由南東向北西逆沖的沖斷構(gòu)造;地層縮短量達40.5%～62.4%。而上元古界的構(gòu)造變形相對較弱,以寬緩的褶皺為主,斷裂活動以順層滑動和小型脆性斷層為主,總體上構(gòu)成侏羅山式構(gòu)造組合(其中以隔檔式為主要表現(xiàn)形式),經(jīng)平衡剖面估算,其上元古界變形縮短量為15%左右。研究認為上元古界為強干層,沿其上下層面均產(chǎn)生剪切滑動,受其影響自身沿基底滑脫發(fā)育了侏羅山式褶皺構(gòu)造組合,而沿其上層面的滑動為古生界的的大規(guī)模伸展滑覆提供了充要條件。

關鍵詞:古生界;上元古界;變形分析;徐淮弧形構(gòu)造

弧形構(gòu)造在平面展布上的獨特性引起了地質(zhì)學家的廣泛關注。Argand在對阿爾卑斯造山帶的研究中作出了對弧形構(gòu)造的描述及成因推測[1];Carey提出了“彎曲造山”的假說[2],認為現(xiàn)在的各種弧形構(gòu)造均由原先平直的構(gòu)造帶經(jīng)后期的旋轉(zhuǎn)—彎曲變形而成;文獻[3]在對全球的眾多典型弧形山系的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)研究后,從幾何學的角度對弧形構(gòu)造的趨勢線在平面上的展布特征及其與前緣線的關系進行了闡述,并將弧形構(gòu)造分為6類,此外還從動力學角度提出了弧形構(gòu)造的6種成因。在國際上,弧形構(gòu)造的研究已經(jīng)從物理模擬、運動學和動力學分析的深度向古地磁、應變測量等新興技術發(fā)展。

我國發(fā)育有較多典型的弧形構(gòu)造,如喜馬拉雅弧、青藏高原東北緣弧、南天山弧等弧形構(gòu)造。黃汲清系統(tǒng)地總結(jié)了我國的弧形構(gòu)造,把弧形構(gòu)造稱作弧形褶皺帶,并將它們分為三級弧形構(gòu)造系統(tǒng)[4];李四光將弧形構(gòu)造劃歸到扭轉(zhuǎn)構(gòu)造和“山”字型構(gòu)造體系之中[5];文獻[6-7]對我國境內(nèi)的帕米爾弧部分開展了新構(gòu)造運動研究。

發(fā)育在我國東部的徐淮弧形構(gòu)造,在地理上展布在江蘇徐州—安徽淮北、宿州一帶,東側(cè)以郯廬斷裂為界,向西到豫東一帶,北與東西展布的敬安—四戶凹陷相鄰,南達太和斷裂,與蚌埠隆起相鄰。

徐淮地區(qū)區(qū)域構(gòu)造示意圖如圖1所示。

圖1　徐淮地區(qū)區(qū)域構(gòu)造示意圖

在大地構(gòu)造方面,徐淮弧處于華北板塊內(nèi)部(東南部邊緣)、郯廬斷裂帶西側(cè)近旁側(cè)、過郯廬斷裂帶與蘇魯造山帶毗鄰這樣一個具有重要意義的構(gòu)造樞紐位置。

由于徐淮弧的獨特展布,與華北板塊上其他構(gòu)造形跡截然不同,長期以來我國地質(zhì)學家們進行了大量的研究,取得了重要理論成果,包括山字型構(gòu)造[5]、徐宿旋卷構(gòu)造[8]、徐淮推覆體[9]以及徐淮滑脫構(gòu)造[10]等?，F(xiàn)階段徐淮弧的成因機制主要分為2類——滑脫機制和推覆機制,但是前人在對徐淮弧形構(gòu)造的研究中更多地側(cè)重了古生界的構(gòu)造變形(即弧形構(gòu)造的中帶、鋒帶部分),對上元古界(即弧形構(gòu)造的根帶部分)構(gòu)造變形的研究相對不足。筆者在對弧形構(gòu)造的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn),上元古界的構(gòu)造變形與古生界有著明顯不同,不能將兩者視為同一蓋層;本文在詳細的野外地質(zhì)調(diào)查的基礎上,對其變形特征進行對比分析,以期為正確認識該弧形構(gòu)造的特征及形成機理提供參考。

1區(qū)域地質(zhì)概況

徐淮地區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華北板塊的東南緣,區(qū)域東部、南部以連黃斷裂(雙溝推覆帶)、郯廬斷裂與揚子板塊相隔;北端接近豐沛隆起、魯西隆起,受制于豐沛斷裂;南部到達固鎮(zhèn)斷裂,與蚌埠隆起相望,弧形構(gòu)造整體向北北西向突出。

徐淮弧形構(gòu)造為薄皮構(gòu)造,構(gòu)造主體由基底之上發(fā)生構(gòu)造變形的蓋層組成?；字饕獮樘沤缣┥饺荷讲萦M[11],為區(qū)域中深變質(zhì)巖系,厚度較大,主要為片麻巖,受到不同程度的混合巖化作用,屬地槽型復理式建造,屬低級鐵鋁榴石角閃巖相。蓋層為穩(wěn)定的板塊型沉積蓋層,主要由上元古界的淮河群、震旦系,古生界的寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系組成,震旦系下統(tǒng)、奧陶系上統(tǒng)至石炭系下統(tǒng)整體缺失,大部分石炭系與二疊系地層都被寒武系與奧陶系覆蓋;區(qū)內(nèi)出露地層主要為淺海相碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖,主要有疊層石灰?guī)r、鮞?；?guī)r、微晶灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、白云巖及少量砂巖、頁巖、硅質(zhì)巖及膏溶層等。沉積相研究證明,上元古代和早古生代時期,本區(qū)是一個朝向南東方向微緩傾斜的陸表淺海環(huán)境[12]。

區(qū)域內(nèi)部構(gòu)造以大型褶皺及逆沖斷層為主,主要構(gòu)成地層為古生界與上元古界,在不同部位的構(gòu)造變形差異明顯,根據(jù)變形類型及程度的不同自西向東可以分為鋒帶、中帶及根帶;根據(jù)其在構(gòu)造趨勢線走向上的差異在南北向上可以分為北段、中段及南段3段。在弧形構(gòu)造中中段出露3帶,出露最為齊全,本次主要對中段展開研究。

2古生界構(gòu)造變形特征

本區(qū)的古生界包括了寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系地層,奧陶系上統(tǒng)、志留系至石炭系下統(tǒng)整體缺失。石炭系及二疊系被古生界的寒武系、奧陶系逆沖巖片所覆蓋,只有局部出露, 蕭縣白土鎮(zhèn)錦屏山—白場構(gòu)造剖面如圖2所示(根據(jù)文獻[12]略作修改)。

圖2　蕭縣白土鎮(zhèn)錦屏山—白場構(gòu)造剖面(Ⅰ-Ⅰ′剖面)

古生界主要分布在徐州—淮北—宿州等地的弧形構(gòu)造中帶和鋒帶,其構(gòu)造變形較強烈,以緊閉、倒轉(zhuǎn)褶皺和逆沖斷層為主,其具體構(gòu)造特征如下:

(1) 古生界褶皺構(gòu)造是徐淮弧形構(gòu)造中帶和鋒帶的主體,褶皺規(guī)模較大,變形較強烈,相對較緊閉。如在弧形構(gòu)造中帶的軍王家及犁鏵山西側(cè)一帶測得由寒武系構(gòu)成的褶皺兩翼產(chǎn)狀,其北西翼趨勢產(chǎn)狀分別為283°～293°∠65°～78°,南東翼總體產(chǎn)狀104°～117°∠47°～60°,它們在露頭上構(gòu)成箱狀褶皺;在中帶的馬莊、橫口及犁鏵山東側(cè)一帶的部分寒武系發(fā)生地層倒轉(zhuǎn),地層的優(yōu)勢產(chǎn)狀為135°～140°∠48°～68°,構(gòu)成斜歪褶皺;在鋒帶的蕭縣黃莊和孫莊等地的奧陶系下統(tǒng)中發(fā)育了平臥褶皺。犁鏵山—栆山構(gòu)造剖面如圖3所示(據(jù)文獻[12]略作修改)。對古生界中的褶皺產(chǎn)狀進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):褶皺兩翼多不對稱,傾角有較大差異,北西翼較陡(53°～79°),南東翼較緩(37°～56°),褶皺軸面傾向以南東(103°～157°)為主。

圖3　犁鏵山—栆山構(gòu)造剖面

(2) 古生界中的斷裂構(gòu)造在整個弧形構(gòu)造中帶與鋒帶中廣泛發(fā)育。中帶內(nèi)發(fā)育的斷裂規(guī)模較大,主要為大尺度的逆沖斷層(圖2)及反向斷層,弧形構(gòu)造中帶秦山—棗山等地發(fā)育了疊瓦狀雙沖構(gòu)造(圖3d)。對主要斷層數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,斷層構(gòu)造以逆沖性質(zhì)為主,走向以北東—南西(23°～40°)為主,多傾向南東(93°～120°),這些斷層多收斂于底部滑脫層(古生界內(nèi)部饅頭組、賈汪組等存在多個滑脫層系)。由此構(gòu)成了弧形構(gòu)造中帶和鋒帶上的逆沖推覆構(gòu)造組合。上述逆沖斷層及其大量軸面傾向南東的斜歪、倒轉(zhuǎn)褶皺的存在有力地證明了作用力來自南東方向。

(3) 古生界的寒武系及奧陶系等上覆地層在徐淮弧形構(gòu)造形成過程中由南東向北西產(chǎn)生了較大規(guī)模的運移,運移距離達到140～160 km[12],運移過程中相關地層發(fā)生的褶皺及地層逆沖疊加,使得相關地層發(fā)生縮短,通過平衡剖面復原計算發(fā)現(xiàn)縮短率達到了40.5%～62.4%[13]。

3上元古界構(gòu)造變形特征

本區(qū)的上元古界包括震旦系上統(tǒng)的溝后組與金山寨組,淮河群的望山組、史家組、魏集組、張渠組、九頂山組、倪園組、趙圩組、賈園組(九里橋組)、岠山組(四十里長山組)、新興組(劉老碑組)及蘭陵組等地層。本區(qū)內(nèi)的上元古界的出露主要集中在弧形構(gòu)造東西向分帶的根帶位置,地層產(chǎn)狀總體較平緩,變形強度相對較弱,多發(fā)育大型的寬緩褶皺、侏羅山式褶皺及小型層間褶皺;內(nèi)部斷層活動相對較弱,多為順層滑脫斷層。

上元古界在研究區(qū)中段出露相對完整,本次選擇了魏集—姚集一帶進行了詳細的工作,在西耿集一帶賈園組中下部頁巖層之上的砂質(zhì)泥灰?guī)r,在頁巖巖層滑脫面之上發(fā)生的順層滑脫變形,形成滑脫褶皺,如圖4所示。

圖4　西耿集上元古界賈園組泥灰?guī)r中的順層滑脫褶皺

上元古界趙圩組及倪園組中的褶皺變形如圖5所示。在趙圩一帶的趙圩組泥灰?guī)r中的小型順層滑脫褶皺,褶皺軸面產(chǎn)狀分別為156°∠84°、175°∠80°(圖5a、圖5b);在倪園一帶倪園組泥灰?guī)r中發(fā)育的滑脫褶皺,野外獲得褶皺軸面產(chǎn)狀分別為165°∠85°、169°∠15°(圖5c、圖5d)。這些小型褶皺以背斜為主,規(guī)模較小,野外露頭尺度上通常只有幾米甚至幾十厘米;野外統(tǒng)計其小褶皺兩翼產(chǎn)狀,南東翼為145°～165°∠25°～32°,北西翼為315°～335°∠45°～70°,這些小型褶皺的展布總體顯示為北西翼陡、南東翼緩,褶皺樞紐產(chǎn)狀為230°～235°∠15°～20°,軸面亦傾向南東。上述現(xiàn)象反映出上元古界褶皺為侏羅山式,以隔檔式為主要組合型式。

圖5　上元古界趙圩組及倪園組中的褶皺變形

另在雙樓一帶九頂山組薄—中層灰?guī)r中發(fā)育侏羅山褶皺,如圖6所示,并與其伴生斷層構(gòu)成了斷彎褶皺及斷滑褶皺組合,侏羅山式褶皺亦為北西翼陡、南東翼緩,且軸面傾向南東。

圖6　九頂山組薄—中層灰?guī)r中侏羅山式褶皺示意圖

弧形構(gòu)造根帶內(nèi)的斷層主要有2種表現(xiàn)形式,一是接近中帶發(fā)育的逆沖斷層,二是根帶內(nèi)普遍發(fā)育的順層滑脫斷層。經(jīng)野外調(diào)查,發(fā)現(xiàn)該區(qū)段內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,野外測得斷層的趨勢產(chǎn)狀為傾向北西315°～335°,傾角為25°～52°,斷層面上多為傾向擦痕,反映出這些斷層以層間滑脫為主,多數(shù)與順層滑脫褶皺伴生,順層滑脫褶皺多數(shù)發(fā)育在底部順層斷層面之上,構(gòu)成了斷滑褶皺斷層組合、斷展褶皺斷層組合以及斷彎褶皺斷層組合[14]。如圖5d中的斷展褶皺斷層組合；圖6中的九頂山組薄—中層灰?guī)r中的侏羅山式褶皺在灰?guī)r內(nèi)部發(fā)生順層滑脫,形成了斷滑褶皺斷層組合以及斷彎褶皺斷層組合。

此外筆者根據(jù)相關地質(zhì)資料選取了“薛家湖—張圩構(gòu)造剖面”,依據(jù)文獻[15]關于平衡剖面的繪制方法對上元古界構(gòu)造變形進行了平衡剖面復原,如圖7所示。

經(jīng)過計算得出上元古界在構(gòu)造變形中的縮短量為15%左右,遠小于古生界的40.5%～62.4%的縮短量。

1.蘭陵組　2.新興組　3.岠山組　4.賈園組　5.趙圩組　6.賈園組　7.九頂山組　8.張渠組

綜上所述,上元古界以侏羅山式褶皺組合為主要變形形式,反映出上元古界經(jīng)歷了伸展滑脫變形,在變形過程中,不僅自身沿太古界基底向北西向滑移,而且其上部的滑脫面對上覆古生界的滑脫起到了控制作用。

4討論

4.1變形機制分析及意義討論

關于其徐淮弧形構(gòu)造的成因機制,文獻[16]研究認為,徐淮弧形構(gòu)造是從印支期開始發(fā)育,一直到燕山期的褶皺沖斷推覆體;文獻[12]認為在晚印支期—早燕山期板塊構(gòu)造作用下,造山帶前陸盆地中以臺階狀逆斷層為特征的縮短增厚作用導致了徐淮弧形構(gòu)造的形成;文獻[17]研究認為,在三疊紀—早侏羅世早期,受印支運動影響,揚子板塊與華北板塊拼合和碰撞造山導致郯廬斷裂帶發(fā)生了轉(zhuǎn)換走滑,該階段陸-陸深俯沖作用使蘇魯超高壓變質(zhì)帶向西韌性擠出而形成了徐淮弧形構(gòu)造;文獻[18]指出徐淮弧形構(gòu)造是三疊紀末期基底東部隆起抬升導致區(qū)域蓋層滑動形成的高角度疊瓦扇式逆沖斷層組合和弧形褶皺帶;文獻[10]研究發(fā)現(xiàn)徐淮弧形構(gòu)造是印支期華北板塊東南緣與下?lián)P子板塊東南緣的碰撞以及燕山期郯廬斷裂帶的活動影響形成的滑脫構(gòu)造。

本次研究發(fā)現(xiàn)本區(qū)上元古界構(gòu)造變形相對古生界較弱,所發(fā)育寬緩大型侏羅山式褶皺及層間滑動形成的小褶皺,從大尺度上講,是由于本區(qū)上元古界主要巖性為中厚層白云巖、灰?guī)r及砂巖,厚度及硬度均較大,構(gòu)成了區(qū)內(nèi)相對的強干層,侏羅山式褶皺應是由底部淮河群蘭陵組沿太古界基底滑脫所致。而在上元古界內(nèi)所發(fā)育層間小褶皺,則是由于其內(nèi)部有較多相對易產(chǎn)生滑動的軟弱滑脫面所致,如賈園組下部的薄層砂質(zhì)泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及頁巖巖層,史家組的薄層粉砂巖、頁巖巖層,金山寨組上部的薄層泥灰?guī)r與頁巖巖層,溝后組中下部的薄層泥灰?guī)r、頁巖巖層。這些軟弱滑脫層的存在不僅使其內(nèi)部發(fā)生層間剪切而形成層間褶皺,也為上覆古生界的滑脫提供了充要條件,現(xiàn)存發(fā)育在中帶、鋒帶上的古生界內(nèi)的緊閉、倒轉(zhuǎn)褶皺和逆沖斷層應屬于滑脫構(gòu)造機制下的產(chǎn)物。

另外,在徐淮弧形構(gòu)造根帶中,上元古界的展布總體上呈現(xiàn)為南東老北西新,揭示了基底南東高北西低、總體地層趨勢傾向北西;帶中的構(gòu)造變形相對較弱,以寬緩褶皺及層間滑動為主,未見逆沖推覆構(gòu)造根帶中的擠壓破碎等擠壓機制下的證據(jù);另據(jù)沉積相研究,上元古代和早古生代時期,本區(qū)是一個朝向南東方向微緩傾斜的陸表淺海環(huán)境[12],而現(xiàn)今在南東側(cè)根帶部位僅出露了上元古界,古生界除因抬升遭受一定的剝蝕外,主要是沿著上元古界頂面及上部軟弱面滑移至現(xiàn)今的部位,構(gòu)成了弧形構(gòu)造的中帶和鋒帶。

綜上所述,筆者認為在造山時期蘇魯超高壓變質(zhì)帶向西擠壓對徐淮弧形構(gòu)造形成產(chǎn)生一定影響;而在中-晚白堊世時期,華北克拉通進入破壞高峰期,受其影響靠近根帶——郯廬斷裂帶附近產(chǎn)生隆升,由此使得區(qū)域內(nèi)蓋層發(fā)生大規(guī)模滑覆。徐淮弧形構(gòu)造應是在印支期華北板塊東南緣與下?lián)P子板塊的碰撞以及燕山期郯廬斷裂帶的活動共同影響下形成的滑覆構(gòu)造。

4.2關于本區(qū)伸展滑脫時代問題

前人研究表明,在晚三疊世—中侏羅世隨著華北板塊與揚子板塊的碰撞,華北克拉通出現(xiàn)最開始的西部凹陷東部隆起構(gòu)造格局[19];中-晚侏羅世隨著太平洋板塊的俯沖,華北東南緣進一步抬升[20]導致區(qū)內(nèi)部分地層發(fā)生小規(guī)?；?但整體構(gòu)造變形較弱;隨著早白堊世華北克拉通進入破壞高峰期[21],至晚白堊世華北克拉通進入伸展破壞階段,本研究區(qū)根帶——郯廬斷裂帶附近產(chǎn)生隆升[21-23],使得區(qū)域內(nèi)蓋層發(fā)生大規(guī)?；?上元古界因為本身強干性及上覆地層的阻礙變形較弱,但古生界在多個滑脫層系的共同作用下發(fā)生強烈的構(gòu)造變形,區(qū)內(nèi)的弧形構(gòu)造形態(tài)基本成型;之后的地殼運動使區(qū)內(nèi)的構(gòu)造變形受到部分改造,最后形成了現(xiàn)在看到的徐淮弧形構(gòu)造。

5結(jié)論

通過對古生界與上元古界構(gòu)造變形對比分析得知:兩者的構(gòu)造變形存在較大差異,古生界構(gòu)造以緊閉、倒轉(zhuǎn)褶皺,發(fā)育較多的疊瓦狀雙沖構(gòu)造,其地層縮短量達到了40.5%～62.4%;而上元古界的構(gòu)造變形相對較弱,以寬緩的侏羅山式褶皺為主,斷裂活動相對較弱,以層間剪切為主,上元古界地層變形縮短量為15%左右,反映出古生界構(gòu)造變形比上元古界變形強烈的特征。

上元古界總體構(gòu)成的侏羅山式構(gòu)造組合及層間褶皺的發(fā)育,有力地證明了其自身沿太古界基底發(fā)生了伸展滑脫,其內(nèi)部及其頂面的軟弱層為層間褶皺及其古生界的滑脫及其徐淮弧形構(gòu)造的形成提供了充要條件,徐淮弧形構(gòu)造的主要成因機制應屬于區(qū)域伸展背景下的滑脫構(gòu)造。

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(責任編輯張淑艷)

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

中圖分類號:P542.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)02-0244-07

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.019

作者簡介：趙光寶(1988-),男,山東濰坊人,合肥工業(yè)大學碩士生;劉國生(1957-),男,河北邢臺人,博士,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41172187);中國地質(zhì)調(diào)查局資助項目(1212011121096)

收稿日期：2014-12-04；修回日期：2015-01-19