湘東北湘陰凹陷控盆斷裂特征、盆地性質(zhì)及動(dòng)力機(jī)制研究*

柏道遠(yuǎn),劉波,倪艷軍,馬鐵球,王先輝,彭云益,李綱

(1.湖南省地質(zhì)調(diào)查院,湖南長(zhǎng)沙410011)(2.湖南省常德市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,湖南常德415000)

湘東北湘陰凹陷控盆斷裂特征、盆地性質(zhì)
及動(dòng)力機(jī)制研究*

柏道遠(yuǎn)1,劉波2,倪艷軍1,馬鐵球1,王先輝1,彭云益1,李綱1

(1.湖南省地質(zhì)調(diào)查院,湖南長(zhǎng)沙410011)
(2.湖南省常德市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,湖南常德415000)

對(duì)白堊紀(jì)-古近紀(jì)洞庭盆地東部湘陰凹陷的北部進(jìn)行了地表地質(zhì)調(diào)查與研究。凹陷呈N E走向,沉積巖層傾向南東,且自南東往北西傾角變陡。凹陷南段寬、北段窄,其南東邊界分別為傾向NW的公田斷裂和忠防斷裂,兩斷裂之間以走向NW、傾向南西的白羊田斷裂和石姑橋斷裂相連接。公田斷裂為正斷裂,白羊田斷裂和石姑橋斷裂為右旋平移正斷裂,忠防斷裂為左行平移正斷裂;公田斷裂和石姑橋斷裂均經(jīng)歷了自韌性→脆性的轉(zhuǎn)變過(guò)程。凹陷內(nèi)部發(fā)育N E～NN E向小型同成盆正斷裂。上述信息表明:①湘陰凹陷為箕狀斷陷盆地;②公田斷裂和忠防斷裂的拉張活動(dòng)控制了凹陷的形成和發(fā)展,區(qū)域N(N)E向左旋走滑應(yīng)力場(chǎng)對(duì)凹陷北段有一定影響;③白羊田斷裂和石姑橋斷裂屬橫向調(diào)整斷裂;④凹陷發(fā)展及其沉積充填,與南東面幕阜山隆起的抬升與剝蝕(包括沉積剝蝕和構(gòu)造剝蝕)相耦合。結(jié)合區(qū)域資料,討論認(rèn)為湘陰凹陷形成的伸展構(gòu)造環(huán)境受本地區(qū)特有的地幔上隆深部構(gòu)造背景與中國(guó)東南部區(qū)域張性構(gòu)造環(huán)境的雙重制約,并以前者為主;凹陷走向主要受區(qū)域NN E向左行走滑應(yīng)力場(chǎng)的控制。

白堊紀(jì)-古近紀(jì);湘陰凹陷;斷裂特征;盆地性質(zhì);動(dòng)力機(jī)制

江漢-洞庭盆地是中南地區(qū)最大的晚中生代盆地。晚白堊世-古近紀(jì)期間江漢-洞庭盆地總體具陸內(nèi)伸展斷陷盆地性質(zhì),對(duì)此不同研究者已基本取得共識(shí)[1～10]。關(guān)于盆地伸展的動(dòng)力背景、機(jī)制則存在非對(duì)稱擴(kuò)張[2]、造山后陸內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整暨雙向伸展和右行旋轉(zhuǎn)[6,7]、伸展塌陷與張扭性斷裂活動(dòng)[8]、地幔上隆導(dǎo)致地殼物質(zhì)向周緣蠕散而拉薄[9]等多種觀點(diǎn)。此外,已有研究顯示盆地及次級(jí)凹陷受控于NNW、NWW、N E以及NN E等多組斷裂,但對(duì)于不同方向斷裂的活動(dòng)歷史及運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不盡一致,尤其是缺乏關(guān)于控盆斷裂運(yùn)動(dòng)方向的詳細(xì)觀測(cè)資料。

湘陰凹陷是白堊紀(jì)-古近紀(jì)洞庭盆地最東面的一個(gè)次級(jí)凹陷(圖1)。近年來(lái)筆者對(duì)該凹陷北段進(jìn)行了地表地質(zhì)調(diào)查與研究,確定主控盆斷裂為南東邊緣的伸展正斷裂,北東面發(fā)育NW向調(diào)整斷裂-右行平移正斷裂,并結(jié)合盆內(nèi)斷裂、充填層序與巖層產(chǎn)狀等提出該凹陷主體為NW——SE向伸展形成的箕狀斷陷盆地。本文對(duì)這一成果給予介紹,以為江漢-洞庭盆地形成構(gòu)造背景與動(dòng)力機(jī)制研究補(bǔ)充新的資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于洞庭盆地東北部(圖1)。湘陰凹陷北西面和北面、南東面主要出露中——新元古代冷家溪群淺變質(zhì)碎屑巖。西面郭鎮(zhèn)以南發(fā)育南華紀(jì)——寒武紀(jì)地層。東面為幕阜山巖體,主要由侏羅紀(jì)花崗巖組成。此外,研究區(qū)西部、西南部發(fā)育新元古代小型花崗巖體。凹陷區(qū)發(fā)育大量第四紀(jì)沖、湖積物,疊覆在白堊紀(jì)——古近紀(jì)紅層之上。

2 凹陷總體特征

湘陰凹陷為洞庭盆地最東面的一個(gè)次級(jí)凹陷,呈N E走向,長(zhǎng)180余千米(圖1),白堊紀(jì)——古近紀(jì)沉積主要出露于北段(研究區(qū))和南端,中段大部為第四紀(jì)洞庭湖盆地沉積物所掩蓋。

研究區(qū)內(nèi)凹陷主體位于長(zhǎng)塘以南(以下稱之為凹陷南段),垂直走向方向(NW向)寬近30 km(圖1)。長(zhǎng)塘以北發(fā)育寬僅5 km的斷陷帶(以下稱為凹陷北段),且其南半段呈N E走向,寬度穩(wěn)定、邊界線平直;而其北半段則呈不規(guī)則形態(tài)。凹陷北西邊緣及北部邊緣為百花亭組與冷家溪群和南華系——寒武系間的不整合界線。不整合邊界線南段即西塘——岳陽(yáng)縣段彎曲不規(guī)則,中段即西塘——桃林段平直,北段即凹陷北端邊界總體呈一三角形。凹陷北段南東邊界為N E向忠防斷裂,南段南東邊界為N E向公田斷裂,兩邊界斷裂之間為NW向白羊田斷裂相連。

凹陷內(nèi)沉積自下而上、自北西往南東分別為晚白堊世——古新世百花亭組和始新世中村組,地層走向暨沉積體展布方向總體為N E向。巖層產(chǎn)狀總體傾向南東～南南東,且總體北西部較陡,傾角一般20°～30°,局部可達(dá)40°;南東部較緩,傾角一般5°～15°。桃林以北的凹陷北端巖層走向多近南北向,向東或西緩傾,傾角多為15°～20°。值得指出的是,調(diào)查表明存在大致沿長(zhǎng)塘——筻口的巖層傾角突變帶(由于第四系掩蓋具體部位不夠清晰),其北西面巖層傾角顯著高于南東面。如在筻口鎮(zhèn)徐家老屋一帶(圖2),巖層傾角短距離內(nèi)由北面的40°左右突變至南面的20°左右,顯示其間存在沉積構(gòu)造界面。此外,沉積礫巖的礫石成分也由徐家老屋北面(下部)的以冷家溪群板巖為主,突變?yōu)槟厦?上部)的以花崗巖礫石為主。以上應(yīng)反映凹陷發(fā)展過(guò)程中的一次快速斷陷事件,其導(dǎo)致了盆地基底的旋轉(zhuǎn)暨自北西向南東的掀斜以及幕阜山巖體的快速抬升剝露。

3 沉積物特征

據(jù)本次實(shí)測(cè)地層剖面,下部百花亭組厚達(dá)5 899m。其角度不整合于青白口紀(jì)小木坪組板巖之上。底部為塊狀板巖塊質(zhì)礫巖,屬凹陷形成早期的殘坡積-洪積扇沉積。下部為紅褐、紫褐、黃褐色板巖質(zhì)礫巖,局部顯平行層理和斜層理,沖刷構(gòu)造發(fā)育,屬洪積扇早期礫巖沉積。上部以灰白色塊狀花崗質(zhì)礫巖為主夾不等粒長(zhǎng)石石英砂巖,發(fā)育斜層理、交錯(cuò)層理,屬?zèng)_洪積扇之礫砂巖相夾辮狀河流相沉積;礫石傾斜方向及礫巖透鏡體或沖刷槽走向顯示古河流方向總體為N E→SW或N EE→SWW向,當(dāng)屬縱向河流。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.1 Geotectonic location and regional geological sketch map of the studied area

上部中村組整合于百花亭組之上,厚2 522m以上(未到頂)。其由一套巨厚層狀的細(xì)礫巖、含礫長(zhǎng)石石英砂巖、雜砂巖、粉砂巖、含礫砂泥巖組成,具韻律結(jié)構(gòu),韻律間具沖刷構(gòu)造,部分砂巖發(fā)育大型交錯(cuò)層理、斜層理,屬洪沖積-河流三角洲相沉積。

圖2 徐家老屋一帶沉積與構(gòu)造剖面Fig.2 Sedi mentary and structural section at Xuijialaowu

4 控盆斷裂特征

從上述凹陷沉積體的展布情況,結(jié)合盆緣斷裂的發(fā)育及其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,確定N E向的凹陷南東邊界公田斷裂F1和忠防斷裂F5為主控盆斷裂,凹陷南段北西邊界的NW向白羊田斷裂F2及石姑橋斷裂F3為調(diào)整斷裂。此外,凹陷內(nèi)部尚發(fā)育N EE向—N E向的正斷裂,一定程度反映出凹陷發(fā)展過(guò)程中的NW—SE向伸展作用以及凹陷內(nèi)部的次級(jí)伸展斷裂活動(dòng)。以下分別介紹上述盆地相關(guān)斷裂的發(fā)育特征。

4.1 N E向主控盆斷裂

4.1.1 公田斷裂

區(qū)內(nèi)公田斷裂總體呈N E40°左右走向,地表斷層線不平直,尤其中段顯著向南東凸出。其北西面為始新世中村組,南東面為冷家溪群(南段)和侏羅紀(jì)花崗巖(北段)。斷裂南東端延伸出區(qū)外,北東端止于白羊田斷裂F2。

于步仙西面宋家段見(jiàn)中村組與冷家溪群間斷裂接觸關(guān)系之良好露頭,斷裂產(chǎn)狀為330°∠60°～70°,自南東往北西依次為硅化破碎帶和混雜帶(圖3)。硅化破碎帶寬約2m,帶內(nèi)發(fā)育板巖質(zhì)角礫巖、碎裂巖,具硅化,并發(fā)育硅化石英脈;帶內(nèi)發(fā)育連續(xù)性較好的次級(jí)裂面,產(chǎn)狀與斷裂近一致,同時(shí)發(fā)育產(chǎn)狀更緩的次級(jí)壓性面理,其與次級(jí)裂面關(guān)系指示斷裂的正斷運(yùn)動(dòng)性質(zhì)(圖3)。此外,硅化破碎帶內(nèi)的石英脈發(fā)育小型張剪性節(jié)理,其與次級(jí)裂面之幾何關(guān)系也指示斷裂上盤(pán)向下的正斷運(yùn)動(dòng)。混雜帶寬約1m,帶內(nèi)中村組礫巖破碎形成的紫紅色碎裂巖或角礫巖,與由冷家溪群板巖破碎形成的灰色碎裂巖或角礫巖相互呈團(tuán)塊狀互裹或交織。

公田南西面于公路邊人工采石場(chǎng)中見(jiàn)公田斷裂良好露頭。斷裂帶寬30m以上,由糜棱巖化花崗巖組成,局部具綠泥石化。采石場(chǎng)露頭見(jiàn)清晰的糜棱面理,其產(chǎn)狀為320°∠45°。發(fā)育與糜棱面理小角度相交或近于平行的后期脆性破裂,在剝開(kāi)剪裂面上發(fā)育階步,階步位態(tài)多指示頂面往下的正斷運(yùn)動(dòng)。定向標(biāo)本室內(nèi)切面觀察:垂直面理走向的XZ切面上礦物呈長(zhǎng)條帶狀,并清晰可見(jiàn)S-C組構(gòu)且顯示上盤(pán)下降;在平行走向并垂直面理的XY切面上,礦物顆粒稍顯拉長(zhǎng)。石英碎斑發(fā)育變形紋、變形帶、波狀消光、分離結(jié)構(gòu)、重結(jié)晶等變形亞結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)石碎斑發(fā)育變形雙晶、滑動(dòng)位移、分離結(jié)構(gòu)等變形亞結(jié)構(gòu)。見(jiàn)一組與糜棱面理小角度斜交的顯微斷裂帶,寬度在0.1～1mm之間,內(nèi)為粉細(xì)的長(zhǎng)英物質(zhì)。該組顯微斷裂帶應(yīng)與露頭所見(jiàn)的脆性破裂相對(duì)應(yīng)。以上顯示公田斷裂先后至少經(jīng)歷過(guò)韌性和脆性2期構(gòu)造變形,運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)均表現(xiàn)為上盤(pán)向下的正斷裂。韌性至脆性的轉(zhuǎn)變應(yīng)反映盆-山發(fā)展過(guò)程中幕阜山巖體自深部向淺部的抬升與剝蝕冷卻作用。前人熱年代學(xué)研究表明幕阜山巖體在白堊紀(jì)——古近紀(jì)期間經(jīng)歷過(guò)大幅抬升[11]。

綜上所述,公田斷裂為一傾向北西的正斷裂,鑒于其受到北西向白羊田斷裂的限制,同時(shí)造成始新世中村組與冷家溪群和侏羅紀(jì)花崗巖的斷裂接觸并控制凹陷的形成,斷裂主要活動(dòng)時(shí)代應(yīng)為晚白堊世——古近紀(jì)。

圖3 公田斷裂剖面圖(宋家段)Fig.3 Scetion of Gongtian fault(at Songjiaduan)

4.1.2 忠防斷裂

忠防斷裂走向N E50°左右。在忠防至長(zhǎng)塘一段,斷裂構(gòu)成百花亭組與冷家溪群和幕阜山花崗巖的分界,并明顯控制了該段凹陷的形成(圖1)。但受出露條件限制,本次調(diào)查未見(jiàn)到斷裂接觸關(guān)系與斷裂帶露頭。忠防斷裂區(qū)域上往北東延至趙李橋,并左行錯(cuò)斷臨湘向斜的南翼,為印支——早燕山期主造山階段[6,7,9]左行平移結(jié)果[12]。在晚白堊世——古新世凹陷發(fā)展期間,忠防斷裂除作為控盆斷裂具正斷運(yùn)動(dòng)外,推測(cè)還受到區(qū)域NN E向左旋走滑應(yīng)力場(chǎng)[4]影響而具左旋走滑分量。凹陷北西邊界線西塘——桃林段穩(wěn)定而平直的走向,很可能與忠防斷裂走滑派生應(yīng)力場(chǎng)控制有關(guān)。凹陷北端桃林——忠防以北存在一NNW向的長(zhǎng)約10 km的“枝叉”,可以忠防斷裂左旋走滑派生的張性面或“張性盆地”[13]解釋。青藏高原北緣長(zhǎng)虹地區(qū)即有較多此類成因的第四紀(jì)湖泊發(fā)育[14]。

4.2 NW向調(diào)整斷裂

4.2.1 白羊田斷裂

NW向白羊田斷裂F2北西端止于忠防斷裂F5,南東端延伸出區(qū)外,盆緣段長(zhǎng)約17 km (圖1)。白羊田以北斷裂西盤(pán)為百花亭組,東盤(pán)為冷家溪群;白羊田以南斷裂西盤(pán)為百花亭組和中村組,東盤(pán)為侏羅紀(jì)花崗巖。公田以東斷裂切割侏羅紀(jì)花崗巖體。

在白羊田西面見(jiàn)白羊田斷裂的良好露頭。斷裂傾向南西,產(chǎn)狀為220°∠60°～70°(圖4)。下盤(pán)為小木坪組板巖,上盤(pán)為百花亭組礫巖。斷裂帶寬約35m,自東至西可分為2帶。①東帶:為斷裂破碎帶,寬約15 m,帶內(nèi)巖石總體破碎,多見(jiàn)板巖質(zhì)斷層角礫巖、碎裂巖等,并有較多規(guī)模不等的板巖(原巖)夾塊或構(gòu)造透鏡體發(fā)育。②西帶:寬約20 m,為混雜巖帶。其與東側(cè)斷裂破碎帶和西側(cè)正常沉積礫巖間呈漸變關(guān)系,無(wú)截然界線。本帶主要由板巖碎塊或夾塊與百花亭組之礫巖(或零散礫石)所組成,前者多于后者,二者呈不均勻混雜堆積。板巖碎塊或斷夾塊規(guī)模不一,自20 cm～3m不等,其內(nèi)部常見(jiàn)剪切揉皺和膝折,橫剖面上形變位態(tài)指示頂面自東向西的正滑活動(dòng)。根據(jù)上述斷裂帶尤其是混雜巖帶特征,可推斷該斷裂為同沉積控盆正斷裂,且具體形成機(jī)理大致為:初期盆緣斷裂切割小木坪組板巖所組成的基底,于板巖中形成斷裂破碎帶(圖5a)。隨著斷裂的發(fā)展,南西盤(pán)因正向下滑而成洼地(凹陷)并接受礫巖沉積(圖5b)。與此同時(shí),由于陡的地形坡度,斷裂北東盤(pán)(基座板巖)形成滑坡體或崩塌體并向西滑移、崩落至盆緣,與沉積礫巖混雜而形成特征的混雜巖帶(圖5b,c)。

圖4 白羊田斷裂剖面圖(白羊田)Fig.4 Section of Baiyangtian fault(at Baiyangtian)

圖5 白羊田斷裂特征形成機(jī)制示意圖Fig.5 Formation mechanism s of Baiyangtian fault

需要指出的是,白羊田斷裂緊鄰?fù)较虻氖脴驍嗔袴3,推斷在盆-山發(fā)展過(guò)程中二者均作為盆緣斷裂的成分而具一致的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。鑒此,除上述橫剖面露頭觀測(cè)的正斷活動(dòng)外,白羊田斷裂還應(yīng)與后述石姑橋斷裂一樣具有一定的右行走滑分量,如此則正好與成盆過(guò)程中凹陷基底整體自南東向北西伸展滑移運(yùn)動(dòng)相吻合。

順便指出,白羊田斷裂西面巖層產(chǎn)狀局部向南西緩傾(NW走向)(圖1),與凹陷內(nèi)巖層的主體走向(N E向)不一致,可能與近斷裂正牽引有關(guān)[15]。

4.2.2 石姑橋斷裂

石姑橋斷裂F3緊鄰白羊田斷裂北東側(cè)發(fā)育,其兩端歸并于或止于白羊田斷裂,全長(zhǎng)近15 km(圖1)。斷裂發(fā)育于侏羅紀(jì)花崗巖體中,主要表現(xiàn)為硅化破碎帶的發(fā)育。在石姑橋南約150 m于公路邊見(jiàn)該斷裂良好露頭剖面。剖面方向340°,與斷裂帶走向小角度相交(斜切斷裂帶)。剖面上斷裂帶出露寬約60 m(斜切剖面上視寬度),自南而北依次為(圖6):Ⅰ.糜棱巖(化)帶,寬約12 m;Ⅱ.碎裂巖化花崗巖帶,寬約20 m;Ⅲ.糜棱巖(化)帶,寬約5 m;Ⅳ.花崗巖帶,寬約20m;Ⅴ.糜棱巖化帶,寬約7m。值得指出的是,糜棱巖(化)帶與正?；◢弾r或碎裂巖化花崗巖間無(wú)截然界線,呈漸變過(guò)渡關(guān)系。其中糜棱巖帶Ⅰ的變形與分帶最為特征,其自南而北分為4帶(圖7):

圖6 石姑橋斷裂剖面圖(石姑橋)Fig.6 Section of Shiguqiao fault(at Shiguqiao)

圖7 石姑橋斷裂Ⅰ帶詳細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.7 Detailed textures of theⅠ-zone in Shiguqiao fault

①初糜棱巖、糜棱巖帶,寬約8m。巖石因剪切而發(fā)育較清晰的糜棱組構(gòu),主要表現(xiàn)為云母圍繞長(zhǎng)石、石英定向排列,石英與長(zhǎng)石略有拉長(zhǎng)。發(fā)育S-C組構(gòu),其位態(tài)顯示出右旋平移正斷裂特征,運(yùn)動(dòng)方向在C面理上的側(cè)伏角約為60°。帶內(nèi)局部可因強(qiáng)剪切而發(fā)育窄的超糜棱巖帶,表現(xiàn)為石英的強(qiáng)烈壓扁拉長(zhǎng)。

②絹云石英碎粉巖帶,寬約1m,厚度不穩(wěn)定。肉眼觀察為淺灰、灰白色,塊狀構(gòu)造,隱晶質(zhì)或非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。鏡下觀察:礦物組成為石英83%～78%、鉀長(zhǎng)石2%、絹云母15%～20%、黑云母微量。具碎斑結(jié)構(gòu),碎斑少而小,主要為石英小碎斑,粒度0.2～1 mm?；|(zhì)粒度<0.2 mm,礦物之間界線模糊。構(gòu)造期后靜態(tài)變質(zhì)形成的絹云母呈分散狀分布。上述表明同構(gòu)造期的變質(zhì)結(jié)晶或重結(jié)晶作用很弱,巖石粒度減小為脆性變質(zhì)作用所致。絹云石英碎粉巖與下述角礫狀超糜棱巖帶間呈漸變過(guò)渡關(guān)系。

③角礫狀超糜棱巖帶,寬約0.4m。露頭上顯示強(qiáng)壓扁特征,發(fā)育密集而平直的糜棱面理,外觀似千枚狀劈理。標(biāo)本切面見(jiàn)后期脆性菱形節(jié)理發(fā)育而顯示角礫狀構(gòu)造。鏡下顯示為花崗質(zhì)糜棱巖,具碎斑結(jié)構(gòu)和眼球狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造。石英和長(zhǎng)石碎斑發(fā)育變形帶、帶狀消光、顯微石香腸、變形雙晶、分離結(jié)構(gòu)、剪切階步等變形亞結(jié)構(gòu)。粉細(xì)基質(zhì)主要為塑變的石英微粒,呈扁豆?fàn)?、透鏡狀及條帶狀集合體圍繞碎斑定向分布。次生絹云母呈斷續(xù)條帶狀分布,或交代斜長(zhǎng)石。在正面指向南東的XZ片上,長(zhǎng)石碎斑發(fā)育書(shū)斜構(gòu)造并顯示左旋特征,指示斷裂具正斷裂性質(zhì)。

④初糜棱巖、糜棱巖帶?？傮w特征與①帶相近,但變形強(qiáng)度不及①帶。

從上述變形特征來(lái)看,石姑橋斷裂具右行平移正斷裂性質(zhì),并至少經(jīng)歷了早、晚兩期變形。早期韌性變形形成了初糜棱巖、糜棱巖。后期脆性變形使先期糜棱巖產(chǎn)生菱形破裂;局部強(qiáng)變形帶形成碎粉巖。兩期變形反映出盆-山發(fā)展進(jìn)程中幕阜山巖體的抬升與剝蝕冷卻。

綜上所述,NW向白羊田斷裂和石姑橋斷裂作為凹陷南段的北東邊界,具右行平移正斷裂性質(zhì)。聯(lián)系到凹陷形成受控于公田斷裂上盤(pán)(凹陷基底)向北西的伸展運(yùn)移與下滑,這兩條NW向斷裂應(yīng)具橫向調(diào)整斷裂性質(zhì)。

4.3 盆內(nèi)斷裂

凹陷內(nèi)部具一定延伸規(guī)模的斷裂主要有N E向梅樹(shù)坳斷裂F5,可確定長(zhǎng)度約8 km,主要表現(xiàn)在地表見(jiàn)及斷裂破碎帶,但受露頭條件限制,其詳細(xì)特征與運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不清楚,結(jié)合凹陷形成背景推測(cè)為成盆階段正斷裂的可能性大。此外,盆內(nèi)局部地帶或地段可見(jiàn)數(shù)量不等的小型N E向——N EE向正斷裂,其中最典型的為凹陷中南部潼溪南東面田家至黃家莊一帶密集發(fā)育的N EE向小型斷裂(圖8,圖9);斷裂均呈“線狀”或“面狀”,無(wú)明顯破碎帶。從田家——黃家莊一帶來(lái)看,盆內(nèi)N E(E)向小型正斷裂大多傾向北西,產(chǎn)狀特征與主控盆斷裂公田斷裂一致。結(jié)合斷裂的“面”狀特征,大致推斷其形成于成盆階段(如斷裂形成更晚則通常會(huì)有帶狀破碎以及脈狀石英充填),并很可能與基底次級(jí)伸展正斷裂活動(dòng)有關(guān)。

5 盆地性質(zhì)及動(dòng)力機(jī)制分析

上述研究區(qū)內(nèi)湘陰凹陷邊界斷裂和盆內(nèi)斷裂的特征、性質(zhì),凹陷內(nèi)沉積層序及特征,沉積體的空間展布及巖層產(chǎn)狀特征,以及凹陷平面形態(tài)和邊界線曲直狀態(tài)等,為盆地性質(zhì)以及盆地形成和發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制和過(guò)程的分析提供了較充分的信息。具體認(rèn)識(shí)如下:

(1)凹陷南東邊界主控盆斷裂為傾向北西的正斷裂(公田斷裂)或左行平移正斷裂(忠防斷裂),凹陷南段之北東邊界發(fā)育北西向右行平移正斷裂(橫向調(diào)整斷裂) , 凹陷內(nèi)部發(fā)育產(chǎn)狀大多與主控盆斷裂一致的小型成盆階段正斷裂, 以及沉積體的北東向展布、巖層產(chǎn)狀主要為傾向南東等,充分表明湘陰凹陷為受控于南東邊界正斷裂的箕狀斷陷盆地。

圖8 田家東面公路邊正斷裂Fig.8 Normal faults to the east of T ianjia

圖9 黃家莊東面公路邊正斷裂Fig.9 Normal faults to the east of Huangjiazhan g

(2)凹陷形成主要與NW——SE向伸展有關(guān),北端還受到區(qū)域左旋走滑應(yīng)力場(chǎng)影響。主控盆斷裂位于南東邊界并傾向北西,顯然與更大尺度的南東面幕阜-九嶺隆起與北西面洞庭盆地之間的伸展型盆-山耦合背景有關(guān)。

(3)凹陷南段南東邊界斷裂公田斷裂、北段南東邊界斷裂忠防斷裂為上陡下緩的鏟狀正斷裂,使斷裂上盤(pán)下降的同時(shí)產(chǎn)生向北西的伸展滑移,從而形成凹陷暨沉積容納空間。凹陷南段基底塊體的下沉和向北西的滑移,使其北東邊界調(diào)整斷裂白羊田斷裂具右行平移正斷裂性質(zhì)。凹陷基底下沉的同時(shí)以主控盆斷裂走向(N E向)為軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),從而使沉積體呈N E走向,巖層產(chǎn)狀則以走向N E、傾向SE或SEE為主,其機(jī)理類似于伸展?jié)L動(dòng)褶皺的形成[24]?？嘏钄嗔鸦顒?dòng)及斷陷作用的強(qiáng)度存在強(qiáng)弱幕式變化。如凹陷中期初的一次快速斷陷(凹陷區(qū))與快速抬升剝露(隆起區(qū))事件造成長(zhǎng)塘——筻口一帶的構(gòu)造界面暨巖層傾角突變,同時(shí)沉積物母巖也由以冷家溪群板巖為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰◢弾r為主。

凹陷的形成與發(fā)展就是凹陷區(qū)沉降與南東面幕阜山隆起抬升的盆-山耦合過(guò)程。幕阜山體的抬升與剝蝕過(guò)程控制了凹陷沉積物巖性組成以及盆緣斷裂流變學(xué)性質(zhì)的演變。早期沉積(百花亭組下部)母巖主要為冷家溪群板巖,無(wú)花崗巖礫石;中晚期沉積物(百花亭組上部及中村組)母巖則以花崗巖成分為主,表明其時(shí)幕阜山巖體始抬升出露出地表。由于巖體的抬升與冷卻,N E向主控盆斷裂公田斷裂和NW向調(diào)整斷裂石姑橋斷裂均經(jīng)歷早期韌性→后期脆性的發(fā)展過(guò)程。值得指出的是,由于邊界正斷裂活動(dòng)及相應(yīng)的抬升塊體抽拉作用,隆起區(qū)的抬升冷卻除與風(fēng)化剝蝕有關(guān)外,還應(yīng)與構(gòu)造剝蝕有關(guān)[16,17]。

值得注意的是,凹陷南段沿北西方向?qū)挾却?加之南東邊界主控盆斷裂為正斷裂,應(yīng)力場(chǎng)主要表現(xiàn)為NW向伸展,使得北西邊界線(西塘-岳陽(yáng)縣段)彎曲。而凹陷北段寬度小,盆地北西邊界西塘-桃林段受到南東邊界忠防斷裂的平移正斷活動(dòng)的強(qiáng)力控制,導(dǎo)致北西邊界線平直。凹陷最北端受忠防斷裂左旋走滑所派生張裂面的控制而呈NNW向。

(4)幕阜山花崗巖體作為一個(gè)巨大的剛性強(qiáng)硬塊體(可能還包括巖體區(qū)與周邊中深部地殼結(jié)構(gòu)的差異),對(duì)凹陷的邊界范圍暨平面形態(tài)起到了重要的控制作用:南部主控盆斷裂公田斷裂未能向北東深入巖體內(nèi)部,切入巖體不遠(yuǎn)即中止于北西向白羊田斷裂;北部主控盆斷裂正好發(fā)育于巖體北西邊緣圍巖地層而不是向南東移至巖體之中;凹陷南段北東邊界NW向調(diào)整斷裂白羊田斷裂也位于巖體南西邊緣(當(dāng)然也與對(duì)先期斷裂的繼承性有一定關(guān)系)。正是巖體對(duì)凹陷邊界(斷裂)的控制作用,形成了凹陷南段寬度遠(yuǎn)大于北段的特殊形態(tài)。

江漢盆地和洞庭盆地是中南地區(qū)白堊紀(jì)-古近紀(jì)期間眾多斷陷盆地中面積規(guī)模與斷陷幅度最大的兩個(gè)盆地。兩盆地之間僅以華容次級(jí)隆起相隔,以致部分研究者將其統(tǒng)稱為江漢-洞庭盆地[1,2,5],因此盡管兩盆地構(gòu)造格局及控盆構(gòu)造的活動(dòng)特征存在差異[2],但其發(fā)育很可能具有類似的深部構(gòu)造背景和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)背景。前人對(duì)江漢-洞庭盆地形成的構(gòu)造背景與動(dòng)力機(jī)制提出了大量認(rèn)識(shí)。徐杰等[1]認(rèn)為江漢盆地受NWW至近EW向斷裂以及N E向斷裂控制,而洞庭盆地主要受NN E和N E向斷裂控制。吳根耀[3]提出白堊紀(jì)-古近紀(jì)江漢-洞庭盆地整體屬南北向構(gòu)造,受前侏羅紀(jì)南北向擠壓形成的NN E向和N(N)W向的共軛斷裂控制。劉鎖旺等[2]認(rèn)為江漢-洞庭地區(qū)晚白堊世開(kāi)始才由擠壓拗陷變?yōu)樯煺?江漢盆地因急驟擴(kuò)張致使古NNW、NWW斷裂在地殼深處減壓活動(dòng),而洞庭盆地內(nèi)次級(jí)小盆地則受N E向斷裂控制。徐政語(yǔ)等[6]認(rèn)為江漢斷陷盆地系造山后陸內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整所致。劉春平等[9]認(rèn)為江漢盆地是由于地幔上隆導(dǎo)致地殼物質(zhì)向周緣蠕散拉薄所形成。戴傳瑞等[8]認(rèn)為晚白堊世早中期洞庭盆地的形成受雪峰、幕阜造山帶后期的伸展塌陷控制;晚白堊世晚期-古近紀(jì)為區(qū)域伸展環(huán)境下斷陷盆地。傅昭仁等[4]提出洞庭盆地東部的湘陰凹陷(桃林盆地)屬區(qū)域NN E向正平移斷裂及其負(fù)花狀構(gòu)造(離散走滑構(gòu)造)控制的縱谷盆地。姚運(yùn)生等[5]提出與一般認(rèn)識(shí)出入較大的觀點(diǎn),認(rèn)為古近紀(jì)區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)镹W-SE向,使北東向斷陷盆地內(nèi)的地層形成軸向大致與斷裂走向一致的褶皺,同時(shí)在盆緣發(fā)育向盆內(nèi)掩沖、推覆的活動(dòng)形跡;其時(shí)江漢-洞庭盆地內(nèi)部則保持著擴(kuò)張狀態(tài)。由上可見(jiàn),前人對(duì)江漢-洞庭盆地成因機(jī)制存在多種觀點(diǎn),既有認(rèn)識(shí)角度的差異,也有根本性的認(rèn)識(shí)分歧。

根據(jù)上述地質(zhì)構(gòu)造特征,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征并參考前人研究成果,就湘陰凹陷形成構(gòu)造背景及深層動(dòng)力機(jī)制提出以下看法,以供白堊紀(jì)——古近紀(jì)江漢-洞庭盆地成因機(jī)制問(wèn)題研究參考。

(1)湘陰凹陷形成的伸展構(gòu)造環(huán)境受本地區(qū)特有的深部構(gòu)造背景與中國(guó)東南部區(qū)域張性構(gòu)造環(huán)境的雙重制約,并以前者為主。深部構(gòu)造背景即地幔上隆,其直接造成上覆地殼伸展變薄、拉張斷陷。主要證據(jù):現(xiàn)今江漢-洞庭盆地區(qū)內(nèi)存在武漢——常德上地幔隆起區(qū)[1],

6 討論

由武漢和常德——沅江兩個(gè)上地幔隆起組成,呈北東向硬啞鈴狀分布;兩隆起分布范圍基本與江漢盆地和洞庭盆地相對(duì)應(yīng),中間的“啞鈴柄”部位則對(duì)應(yīng)于華容隆起。區(qū)域張性構(gòu)造環(huán)境推測(cè)與太平洋板塊及雅魯藏布江洋殼對(duì)中國(guó)陸塊的俯沖所產(chǎn)生的弧后引張效應(yīng)以及燕山期擠壓沖斷后的應(yīng)力松弛有關(guān)[18]。鑒于江漢-洞庭盆地?cái)嘞菝娣e和沉陷幅度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周邊其它地區(qū)斷陷盆地,可大致推斷地幔上隆的深部構(gòu)造背景對(duì)盆地形成所起作用大于甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于區(qū)域張性構(gòu)造環(huán)境。當(dāng)然,這兩個(gè)因素之間或許有一定關(guān)聯(lián),在此不作討論。

(2)作為洞庭盆地次級(jí)凹陷的湘陰凹陷,其N E向邊界走向(即凹陷定向)主要受到區(qū)域NN E向左行走滑應(yīng)力場(chǎng),以及NW-SE向伸展應(yīng)力的控制,但以前者為主;而N E向邊界斷裂的伸展活動(dòng)及凹陷向下的斷陷與橫向擴(kuò)展則主要與NW-SE向伸展應(yīng)力有關(guān)。

洞庭盆地各次級(jí)拗陷主要呈NN E～N E走向(圖1),多為受南東邊界斷裂控制的基底傾向南東的箕狀斷陷盆地[8],湘陰凹陷即具此特征。多種證據(jù)表明邊界斷裂的最初形成與區(qū)域NN E向左行走滑應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān):①受太平洋板塊的斜向俯沖影響,白堊紀(jì)-古近紀(jì)斷陷期存在區(qū)域NN E向走滑應(yīng)力場(chǎng),其一定程度上控制了湘東雁列狀NN E向紅層盆地的發(fā)育[4];②郯廬斷裂在早白堊世期間大規(guī)模左行平移[19],而已有研究表明斷裂可能向南延伸至湖南境內(nèi)[10];③湘東北地區(qū)印支——早燕山主造山期主要形成東西向構(gòu)造[6,9],湘東南地區(qū)由于中三疊世——中侏羅世初同造山階段形成NN E和N E向構(gòu)造[17,20～24],而自湘東北至湘東南的湖南東部地區(qū)紅層盆地或次級(jí)凹陷的主控邊界斷裂均為NN E～N E向,因此先期斷裂似乎不應(yīng)是洞庭盆地次級(jí)拗陷NN E～N E向邊界斷裂的主要控制因素;④本文研究表明湘陰凹陷北端受到N(N)E向左旋走滑應(yīng)力作用。此外可以想象,太平洋板塊沿NW向歐亞大陸板塊斜向俯沖引發(fā)的深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與熱活動(dòng)應(yīng)具有NW——SE的異向性,其形成的伸展應(yīng)力場(chǎng)總體上應(yīng)呈NW-SE向。而從巖石變形的力學(xué)機(jī)制分析,區(qū)域NW-SE向伸展應(yīng)力場(chǎng)顯然可以形成N E走向的伸展斷裂。湘陰凹陷主控盆斷裂公田斷裂為北東向正斷裂,佐證了NW-SE向伸展應(yīng)力的存在與作用。鑒于N E～NN E向的盆地或凹陷邊界(包括整個(gè)湘東地區(qū))大多呈平直狀,推斷區(qū)域NN E向走滑應(yīng)力場(chǎng)對(duì)邊界斷裂走向的控制作用強(qiáng)于NWSE向伸展應(yīng)力。

區(qū)域上中晚侏羅世——早白堊世的NN E向左旋走滑應(yīng)力場(chǎng)[4]形成NN E～N E走向破裂,從而決定了湘陰凹陷控盆邊界斷裂的走向。但邊界斷裂的活動(dòng)卻主要表現(xiàn)為晚白堊世——古近紀(jì)的NW向拉張,導(dǎo)致凹陷強(qiáng)烈的向下斷陷與橫向擴(kuò)展,從而于凹陷內(nèi)充填巨厚的陸相紅層。順便指出,姚運(yùn)生等[5]提出NW-SE向?yàn)楣沤o(jì)區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)方向,其依據(jù)是北東向斷陷盆地內(nèi)的地層形成了軸向大致與斷裂走向一致的褶皺以及盆緣發(fā)育向盆內(nèi)掩沖、推覆的活動(dòng)形跡。但從現(xiàn)今褶皺成因理論來(lái)看,這些褶皺可能是伸展成因的縱向褶皺,而盆緣逆沖構(gòu)造形跡則可能屬后期新近紀(jì)擠壓構(gòu)造活動(dòng)[8,12]產(chǎn)物。

7 結(jié)論

(1)公田斷裂為湘陰凹陷(北部)南段主控盆正斷裂;白羊田斷裂和石姑橋斷裂為凹陷南段北東邊界調(diào)整斷裂,具右行走滑正斷性質(zhì);忠防斷裂為凹陷北段主控盆斷裂,具左旋走滑正斷性質(zhì);凹陷內(nèi)部發(fā)育小型同成盆正斷裂。

(2)湘陰凹陷為箕狀斷陷盆地,南東邊界公田斷裂和忠防斷裂的拉張活動(dòng)控制了凹陷的形成和發(fā)展,區(qū)域N(N)E向左旋走滑應(yīng)力場(chǎng)對(duì)凹陷北段有一定影響。凹陷的發(fā)展和沉積充填,與南東面幕阜山隆起抬升和剝蝕作用相耦合。

(3)湘陰凹陷形成的伸展構(gòu)造環(huán)境受本地區(qū)特有的地幔上隆深部構(gòu)造背景與中國(guó)東南部區(qū)域張性構(gòu)造環(huán)境的雙重制約,并以前者為主;凹陷走向主要受區(qū)域NN E向左行走滑應(yīng)力場(chǎng)的控制。

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Characteristics of basin-controlling faults, basin type and dynam ic mechan isms of the Xiangyin Sag in northeastern Hunan

BA IDao-yuan1,L I U Bo2,N I Yan-jun1,MA Tie-qiu1,
WAN G Xian-hui1,PEN G Yun-yi1,L I Gang1
(1.H unan Institute of Geology S urvey,Changsha H unan,410011,China)
(2.Geolog ical Envirom entalM onitoring station of Changde,Changde415000,China)

The authors surveyed near-surface geological characters of north Xiangyin Sag to the east of Cretaceous-Paleocene Dongting basin.The Sag trends N E,w ith the sedimentary layer inclining to southeast and the dip angle becom ing greater from southeast to northwest.South segment of the Sag is w ide while north segment narrow.The southeast boundary of the south and the north segments is respectively NW-inclining Gongtian fault and Zhongfang fault which are connected by NW-trending and SW-inclining Baiyangtian fault and Shiguqiao fault.Gongtian fault is a normal fault;Baiyangtian fault and Shihuqiao fault are dextral strike-slipped normal faults;Zhongfang fault is a sinistral strikeslipped normal fault.Gongtian fault and Shihuqiao fault changed from early ductile to later brittle.There occurred N E-to NN E-trending small-scale syn-basin normal faults in the Sag.A ll above show information as follow s:①the Xiangyin Sag is a half-graben-basin;②the extension of Gongtian fault and Zhongfang fault controlled the form ing and expanding of the Sag,while regional dextralN(N)E-strike-slipped stress field threw some impact on the north segment;③Baiyangtian fault and Shiguqiao fault are northeast boundary regulative faults.④development of the Sag and sedimentary filling coupled w ith the uplifting and tectonic denudation and weathering erosion ofM obushan uplift to the southeast of the Xiangyin Sag.Based on the studies of Xiangyin Sag in this paper and regional geological features,the authors probe into the tectonic settings and dynam ic mechanism s of the Xiangyin Sag and bring forward ideas as follow s:extensional tectonic setting controlling basin-form ing was primarily caused by local especial deep structure background of mantle uplifting,and secondly by regional extensional tectonic setting in southeast China; N E-trending of the Xiangyin sag was primarily controlled by regional dextralNN E-strikeslipping stress field.

Cretaceous-Paleocene;Xiangyin Sag;features of faults;characteristics of basin;dynam ic mechanism s

book=157,ebook=80

P548

A

1671-4814(2010)03-157-12

2009-09-21

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(1212010610706)資助。

柏道遠(yuǎn)(1967～),男,研究員級(jí)高級(jí)工程師,近年來(lái)主要從事第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)和構(gòu)造學(xué)研究。