齊岳山斷裂東側盆山過渡帶褶皺特征及其變形機制

柏道遠, 熊　雄, 楊　俊, 鐘　響, 姜　文

(湖南省地質調查院, 湖南 長沙 410016)

齊岳山斷裂東側盆山過渡帶褶皺特征及其變形機制

柏道遠, 熊雄, 楊俊, 鐘響, 姜文

(湖南省地質調查院, 湖南 長沙 410016)

雪峰造山帶與四川盆地之間的盆山過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。對盆山過渡帶內褶皺的成因和形成機制有多種不同觀點, 其中以“雪峰西推模型”影響最大并廣為研究者接受。該模型認為蓋層(南華系及以上地層)在雪峰造山帶推覆體的推動下向NW發(fā)生多層次拆離推覆及遞進擠壓而形成隔槽式與隔檔式褶皺。本文通過實測構造剖面、地球物理剖面及區(qū)域地質資料分析, 選擇桑植-石門復向斜和沿河地區(qū)褶皺對齊岳山斷裂以東地區(qū)的褶皺變形特征、形成機制進行了解剖研究, 取得以下主要認識: (1)桑植-石門復向斜內褶皺具“復雜褶皺”組合樣式, 主要形成于中三疊世后期印支運動; 沿河地區(qū)褶皺為典型隔槽式褶皺, 主要與早燕山運動NWW向擠壓有關; (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的原地巖層體的整體水平收縮及其導生的沖斷、滑脫作用所控制,其中桑植-石門復向斜內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事實, 包括褶皺軸面和逆沖斷裂無向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過渡帶具大幅度整體性構造抬升等, 同時也不存在雪峰西推模型中地質剖面無法平衡的問題。

隔槽式褶皺; 復雜褶皺; 變形機制; 盆山過渡帶; 齊岳山斷裂

卷(Volume)39, 期(Number)6, 總(SUM)149

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

0　引　言

盆山過渡帶是當今油氣勘探的一個新領域, 近年來國內外不少新的油氣發(fā)現即位于盆山過渡區(qū)的沖斷構造帶和構造三角帶(杜春國等, 2009; 王瑞瑞等, 2010)。位于雪峰造山帶與四川盆地之間的盆山過渡帶, 現今廣泛埋藏分布的震旦紀-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、儲集巖層、蓋層等良好的成油氣地質條件(謝淵等, 2012), 相關海相油氣地質調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)經歷了加里東、印支、燕山、喜山等多階段構造演化以及多期次構造變形的疊加改造(趙宗舉等, 2003; 周文等, 2012), 油氣演化過程及成藏地質條件極為復雜, 因此至今未取得震旦系-下古生界油氣勘探的實質性突破。由于經歷了多期構造運動和斷裂、褶皺變形, 尋找有利的構造圈閉成為該區(qū)油氣勘探的關鍵環(huán)節(jié), 因此構造樣式和變形機制研究便變得尤為重要。

該盆山過渡帶構造上表現為“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; 馮向陽等, 2003)(圖1), 其基本樣式及成因廣受關注。關于齊岳山斷裂以西的隔檔式褶皺成因前人提出過多種觀點(劉尚忠, 1995; 李忠權等, 2002; 徐政語等, 2004; 丁道桂等, 2005; 呂寶鳳和夏斌, 2005)。對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)認為受東側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); 劉學鋒和劉成鑫(2002)提出該帶構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)根據數值模擬提出隔槽式褶皺和隔檔式褶皺相間出現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狀急劇變陡形成緊閉向斜, 并誘發(fā)新的次級斷裂及次級緊閉褶皺; 王宗秀等(2012)認為雪峰山西側地區(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造為重要變形方式的結果。

圖1　區(qū)域地質簡圖Fig.1　Geological sketch map of the study area

總之, 從上述諸多研究來看, 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制, 但不同研究者對不同變形作用在縱、橫向上的規(guī)模、影響范圍、關聯(lián)性及組合特征等有不同認識。此外, 除顏丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出構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力機制進行探討。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造成的蓋層向西滑移觀點已得到研究者的較普遍認同(馮常茂等, 2008; 張必龍等, 2009; 梅廉夫等, 2010)。

近年來, 筆者通過實測構造剖面、地球物理剖面及區(qū)域地質資料分析, 選擇桑植-石門復向斜和沿河地區(qū)褶皺對齊岳山斷裂以東地區(qū)的褶皺變形特征、形成機制進行了解剖研究, 認為桑植-石門復向斜內褶皺為“復雜褶皺”、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。這一動力機制新模式可以更好地解釋盆山過渡帶褶皺軸面和逆沖斷裂無向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過渡帶具大幅度整體性構造抬升等地質事實。

1　區(qū)域地質概況

本文所討論地區(qū)主要為盆山過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)自早至晚經歷了武陵期(冷家溪期)活動陸緣盆地、板溪期-南華紀裂谷盆地(王劍等, 2001;柏道遠等, 2010, 2011)、震旦紀-早奧陶世被動大陸邊緣盆地(汪正江等, 2012)、中奧陶世-志留紀前陸盆地(陳洪德等, 2006)、泥盆紀-中三疊世陸表海盆地、晚三疊世以來陸相盆地及山體抬升等地質發(fā)展階段。區(qū)域發(fā)生過武陵(晉寧)、加里東(廣西)、印支、早燕山和喜山等主要構造運動, 其中武陵運動造成板溪群與冷家溪群的角度不整合, 加里東運動(廣西運動)造成上古生界與下古生界的平行不整合, 印支運動造成上三疊統(tǒng)與中三疊統(tǒng)的角度不整合, 早燕山運動造成白堊系與中侏羅統(tǒng)的角度不整合, 喜山運動造成白堊紀-古近紀盆地的褶皺回返。以武陵運動不整合面為界, 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晶基底界面(蔡學林等, 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, 帶內褶皺樣式以隔槽式為主, 同時也發(fā)育有不少非典型隔槽式的復雜褶皺(楊坤光等, 2012b)。就該區(qū)整體來看, 褶皺軸面的傾向并無明顯極性, 軸面或直立、或東傾、或西傾。此外, 多個褶皺常組合成更大規(guī)模的復向斜和復背斜。

對不同方向褶皺的形成期次和時代, 不同研究者之間存在一定認識差異。劉恩山等(2010)認為燕山早期(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, 變形時限為J3-K2。周小軍等(2011)認為發(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。綜合上述研究來看, 該區(qū)褶皺形成期次有2~3期, 形成時代主要為早、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)構造剖面(圖3a)(GP12剖面)(圖1), 分別對桑植-石門復向斜和沿河地區(qū)褶皺進行解剖研究。兩條構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, 后者則具背斜開闊、向斜緊閉的典型隔槽式特征。對其分別介紹如下。

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-石門復向斜, 復向斜由巖屋口向斜f8、下洞街向斜f6、桑植向斜f4及向斜之間的新街背斜f7、仙橋灣背斜f5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闊褶皺; 桑植向斜f4翼間角100°~120°, 為軸面向北西傾斜的開闊褶皺。新街背斜f7和仙橋灣背斜f5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。復向斜南東翼發(fā)育柑子坡背斜f3、長茅山向斜f2和三坪背斜f1等次級褶皺。剖面上發(fā)育數條與褶皺相關的逆斷裂。上述褶皺軸面和逆斷裂大多傾向NW, 少量傾向SE。地質剖面與地震-MT聯(lián)合解釋剖面(圖2b)反映的地質結構基本一致, 只是前者反映地表構造更為明確, 后二者則反映出較清晰的深部構造特征。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造與深部構造的不協(xié)調性(圖2b), 表層變形強烈、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-石門復向斜的構造本質是基底及其上界面的下凹彎曲。值得指出的是, 復向斜內的褶皺并未顯示出明顯的隔槽式特征, 只是復向斜邊部的向斜相對外側背斜而言具隔槽式特點(圖2a)。因此, 下文將桑植-石門復向斜內褶皺組合樣式稱為“復雜褶皺”。

桑植-石門復向斜內褶皺及地層的走向自西向東總體由NE向轉為近EW向(圖1), 呈明顯弧形偏轉; 內部疊加有NNE向和SN向褶皺。結合區(qū)域構造背景分析, 本文認為呈弧形偏轉的NE向與近EW向褶皺主要形成于中三疊世后期的印支運動: 受秦嶺-大別-蘇魯構造帶碰撞造山以及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)的消減關閉影響(徐先兵等, 2009), 復向斜東部經受SN向擠壓而形成EW向褶皺(張岳橋等, 2009); 同期揚子和華夏板塊之間的陸內匯聚產生NW-NWW向擠壓(張國偉等, 2011; 柏道遠等, 2012a, 2013a, 2013b, 2014), 復向斜西部受其影響形成NE向褶皺。復向斜內部疊加的NNE向和SN向褶皺應與燕山期構造運動有關(胡召齊等, 2009; 劉恩山等, 2010; 劉麗萍等, 2010; 周小軍等, 2011)。

圖2　桑植-石門復向斜河口-張家界物探與地質構造剖面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)。褶皺構成剖面主體構造格架; 同時發(fā)育少量東傾正斷裂, 很可能為白堊紀期間區(qū)域伸展環(huán)境產物。剖面清楚顯示出向斜極為狹窄、緊閉, 背斜極為開闊平緩的典型隔槽式褶皺樣式。官舟背斜寬達20 km左右, 巖層總體近水平, 發(fā)育極為平緩的次級褶皺或撓曲; 橫向上巖層傾角差異很小, 無明確的核部和翼部之分; 翼間角約150°~155°, 為平緩褶皺。背斜西側的思渠向斜和東側的沙子鎮(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狀急變, 顯示出軸面傾向背斜的背形膝褶構造。以思渠向斜為例, 按等厚褶皺概念制圖, 向斜下部核部會出現水平巖層,且越往深部水平巖層帶越寬; 核部水平巖層段與翼部傾斜巖層段之交接處亦產狀急變, 形成軸面傾向背斜的向形膝褶構造(圖3a)?？傊? 上述隔槽式褶皺實質為一種區(qū)域大尺度多膝褶構造。

上述剖面結構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)向斜二疊紀地層和奧陶紀地層的厚度大于思渠向斜(圖3a),導致前者下部低阻層(據區(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)早燕山運動中區(qū)域NWW向擠壓有關(柏道遠等, 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(舒良樹等, 2004; 徐先兵等, 2009; 張岳橋等, 2009)。古近紀后太平洋板塊對東亞大陸東部向W俯沖、擠壓(Maruyama and Seno, 1986;柏道遠等, 2005)可能也對褶皺變形起到作用。

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

3　褶皺變形機制

根據剖面地質特征和區(qū)域地質背景, 分別就桑植-石門復向斜內復雜褶皺和思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺的形成機制探討如下。

3.1桑植-石門復向斜內復雜褶皺形成機制

如前所述, 物探剖面反映出的表層構造與深部構造的不協(xié)調性受到志留系滑脫作用的控制,與褶皺相伴產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看, 導致下洞街向斜f6、仙橋灣背斜f5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)域推覆滑動所控制(圖2b), 而是與下部地層的整體收縮有關。鑒上, 結合物探剖面上顯示的桑植-石門復向斜與基底凹陷的對應關系(圖2 b), 提出桑植-石門復向斜及其內部褶皺形成機制如下(圖4):

圖4　桑植-石門復向斜內褶皺形成機制Fig.4　Dynamic mechanism of the folds in the Sangzhi-Shimen synclinorium

在印支運動區(qū)域NW向(復向斜東部為SN向)擠壓應力作用下, 深部塑性程度較高的褶皺基底沿NW水平方向產生整體縮短, 同時形成逆沖斷裂。與此同時, 褶皺基底沿其與結晶基底間界面滑脫(蔡學林等, 2004), 并導致深部逆沖斷裂及斷片疊置, 褶皺基底層產生大規(guī)模彎曲, 沿NW方向形成大型隆、凹相間的格局, 隆起部位對應于復背斜, 凹陷部位對應于復向斜(如桑植-石門復向斜)。褶皺基底水平方向的整體壓縮以及逆沖斷裂導致的水平方向的縮短, 帶動上覆蓋層水平方向的收縮、滑脫并產生逆斷裂; 與此同時, 蓋層與基底一樣也會受到區(qū)域水平方向的擠壓而產生水平方向的收縮、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展褶皺(斷層傳播褶皺)。此外, 源于基底的逆沖斷裂進入蓋層時也會使蓋層產生斷層擴展褶皺變形。需要說明的是, 由于多個軟弱滑脫層的存在, 上述蓋層的滑脫與沖斷作用可在多套地層中發(fā)生, 并可形成坡坪式構造及斷層轉折褶皺, 從而形成更為復雜的變形樣式。除上述區(qū)域擠壓機制外, 重力作用很可能對桑植-石門復向斜核部的不協(xié)調復雜褶皺具有重要貢獻, 即復向斜形成之初其翼部的傾斜巖層會產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。

值得指出的是, 桑植-石門復向斜印支期變形還應受到早期構造的控制以及后期構造的改造作用。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動產生了強烈構造變形。武陵期逆斷裂(構造線)走向在研究區(qū)也呈同樣的弧形偏轉(柏道遠等, 2012b), 其在印支運動中作為構造薄弱帶更容易產生斷裂活動。其次, 燕山期NNE向至近SN向褶皺形成時期, 印支期褶皺理應受到擠壓作用而得到一定加強和改造。

3.2思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺形成機制

張必龍等(2009)通過采用有限差分法對川東“侏羅山式”褶皺進行了數值模擬, 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。地層埋深較淺時層間能干性差異對褶皺樣式起主控作用, 能干性差異小時出現隔槽式褶皺, 差異大時出現隔檔式褶皺(圖5)。埋深大時壓力起主要作用且僅出現隔槽式褶皺。對比發(fā)現, 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)與思渠向斜的地質解析結構和MT剖面結構(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狀直立且緊貼一起; 背斜翼部與向斜翼部之交接處巖層產狀急變, 顯示出軸面傾向背斜的背形膝褶; 向斜下部出現水平巖層, 水平巖層段與翼部傾斜巖層段之交接處產狀也急劇變化, 形成軸面傾向背斜的向形膝褶(圖3a)。

張必龍等(2009)物理模擬的關鍵實驗條件是巖層體底部的自由滑動以及巖層體側面受到的水平方向整體擠壓(圖5)。研究區(qū)主期構造變形的地質背景與這一實驗條件相似: 區(qū)域NWW向水平擠壓(如前述)可對應于實驗中巖層體側面的整體擠壓; 變形受控于褶皺基底與結晶基底之間的滑脫(蔡學林等, 2004), 褶皺基底底部的滑脫面可對應于實驗中巖層體底部的自由滑動面。鑒于思渠-沙子鎮(zhèn)隔槽式褶皺樣式及其地質背景與張必龍等(2009)數值模擬的高度相似性, 分析提出以下隔槽式褶皺形成機制(圖6):

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

在燕山運動早期區(qū)域NWW向擠壓應力作用下,深部塑性程度較高的褶皺基底沿NWW水平方向產生整體收縮, 沿其與結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, 深部多個滑脫背斜構成隔檔式褶皺, 淺部則變?yōu)楦舨凼今薨?。在此變形機制中, 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應于表層向斜核部。受此幾何結構約束, 一定深度相鄰滑脫背斜會存在與變形深度有對應關系的一定間距, 根據思渠向斜與沙子鎮(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機制。

需要注意的是, 在區(qū)域擠壓作用條件下, 上部蓋層同樣會產生水平方向的縮短, 當蓋層與基底之間、蓋層內部不同層位之間縮短量存在差異時, 其間勢必形成滑脫, 此可能為區(qū)域上多個滑脫層發(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部的滑脫同樣會形成褶皺, 其疊加在基底滑脫褶皺之上, 使構造變形樣式更為復雜化。前述官舟背斜極為平緩的次級褶皺或撓曲應與此有關。

綜上述, 桑植-石門復向斜區(qū)復雜褶皺和思渠-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一步研究, 本文初步認為可能主要與先期褶皺基底構造的差異性有關: 位于黔中古隆起北側的沿河地區(qū)褶皺基底構造呈EW向(劉偉等, 2011),燕山期NWW向擠壓下不易產生繼承性逆沖活動,因此褶皺基底變形以滑脫為主。而桑植-石門復向斜區(qū)武陵運動構造線自西向東呈NE→EW向弧形偏轉(柏道遠等, 2012b), 與印支運動擠壓應力(近)垂直,武陵期斷裂作為構造薄弱帶在印支運動中容易產生斷裂活動, 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)提出雪峰山西側盆山過渡帶的褶皺變形以雪峰造山帶為動力來源, 在坡-坪式結構基礎上由蓋層(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造成的蓋層向西滑移的觀點(以下簡稱雪峰西推模型)已得到較普遍認同(馮常茂等, 2008;張必龍等, 2009; 梅廉夫等, 2010)。

張必龍等(2009)基于這一機制進行了滑脫作用的數值模擬; 梅廉夫等(2010)通過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, 并認為雪峰隆起帶為湘鄂西-川東地區(qū)構造變形之“發(fā)動機”。但本文研究發(fā)現這一模型難以解釋以下地質事實。

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-石門復向斜內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)倒轉褶皺(圖8);正安-石阡地質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-保靖斷裂以西實際為基底和蓋層均被卷入的向東逆沖的構造樣式(李三忠等, 2011; Li et al., 2012)(圖10); 黔西以西地區(qū)整體向東逆沖(萬桂梅等, 2008; Liu et al., 2012)等。以上事實與雪峰西推模型存在嚴重矛盾。

第二, 地質證據顯示雪峰造山帶總體上并未發(fā)生向西側褶皺帶的大規(guī)模推覆。首先, 作為雪峰造山帶與西側隔槽式褶皺帶分界的慈利-保靖斷裂,其兩側地層總體較為連續(xù)(圖11), 與東側塊體向西大規(guī)模逆沖、滑移相矛盾。其次, 若盆山過渡帶褶皺的形成源于雪峰造山帶向北西的推覆, 則雪峰造山帶理應產生強烈變形, 可實際情況并非如此。如懷化-沅陵斷裂東側上三疊統(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狀相近, 反映印支運動和早燕山運動變形并不強烈(柏道遠等, 2014)。再如沅麻盆地中生代以來擠壓變形主要集中于盆地東緣的懷化-沅陵斷裂帶(構造薄弱帶), 盆地中西部擠壓變形很弱; 盆內石炭系與板溪群角度不整合接觸(武溪北面)反映強烈變形及相應的大幅抬升事件發(fā)生于加里東運動(柏道遠等, 2015); 沅麻盆地以西地區(qū)褶皺形態(tài)總體平緩等。

圖7　雪峰造山帶及西側地區(qū)褶皺–斷裂系統(tǒng)變形過程的構造模型(據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)倒轉褶皺(據中國地質調查局成都地質調查中心, 2011, 修改)Fig.8　Continuous overturned folds to the east of Daozhen

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

第三, 雪峰西推模型下地質剖面無法平衡。顏丹平等(2000)以寒武系底標志層對NW-SE向的萬縣-桃源構造剖面進行平衡剖面計算, 得出中生代以來盆山過渡帶褶皺縮短量為65 km; 梅廉夫等(2010)以志留系頂界面作為標志線對達縣-桑植構造剖面進行平衡計算后, 認為該區(qū)晚侏羅世末-早白堊世末期間縮短78 km?？傊? 盆山過渡帶擠壓縮短顯著,最大可達78 km。據圖7顯見, 雪峰西推模型中, 變形受蓋層東緣向西的持續(xù)推擠、滑移所控制, 蓋層相對基底滑脫運移并因此縮短, 而基底則為剛性、不運移、不變形的塊體, 因此盆山過渡帶蓋層的縮短量等同于其后緣因雪峰造山帶推動產生的北西向滑移量。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渡帶蓋層的后緣(南東邊緣)向北西推移了78 km以上; 據此由現今所在的慈利-保靖斷裂一線計算, 變形前盆山過渡帶蓋層后緣的位置大致在現今桃源-芷江一線, 如此則現今沅麻盆地的主體(包括中生代盆地沉積)曾位于南華紀-古生代蓋層之下(參見圖1); 作為頂著盆山過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以板溪群及更早地層(基底)為主, 因為只有強烈的斷塊逆沖、抬升才能提供西推的動力并“填充”盆山過渡帶蓋層后緣向北西大規(guī)模滑移后形成的“空檔”。基于雪峰西推模型所作上述“合理”推斷與事實完全矛盾: 首先,現今沅麻盆地主體曾位于南華紀-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-早古生代(中生代除外),而非板溪群及以下地層。推斷與事實的尖銳矛盾,實際反映出雪峰西推模型無法平衡地質剖面。事實上, 雪峰西推模型在平衡地質剖面上遇到的問題在其模型圖中即有體現: 圖7c中主逆沖斷裂西側參與褶皺的“灰色”巖層頂面(虛折線對應段)長度明顯較圖7d中對應段的長度短, 后者是前者長度的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巖層體的長度理應縮短, 圖7中長度反而顯著增加顯然有悖常理, 雪峰西推模型下地質剖面不能平衡是導致這一問題的本質原因。

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

圖11　松柏–人頭山構造剖面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大幅抬升(如圖7d)。但梅廉夫等(2010)對隔檔式褶皺帶及隔槽式褶皺帶西部侏羅系進行的磷灰石裂變徑跡研究結果表明, 向斜部位發(fā)生過3~4 km以上的構造抬升與剝蝕(本文基于梅廉夫等分析資料據退火溫度推算), 背斜區(qū)的抬升幅度顯然會更大。

總之, 與大量地質事實的矛盾表明, 雪峰西推模型難以作為雪峰山西側盆山過渡帶褶皺的主要變形機制。

本文提出的桑植-石門復向斜區(qū)復雜褶皺形成機制強調了變形由區(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)隔槽式褶皺形成機制強調了變形由區(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, 其動力本質均是區(qū)域擠壓作用下原地巖層體的收縮。顯然, 本文提出的這一動力機制與顏丹平等(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向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過渡帶包括背斜和向斜在內發(fā)生大幅度整體性構造抬升(水平方向的整體收縮導致垂向上的伸展)等地質事實, 同時也不存在雪峰西推模型中地質剖面無法平衡的問題。

值得指出的是, 盡管本文對雪峰西推模型提出質疑, 并強調區(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的擠壓和逆沖對盆山過渡帶變形的影響。事實上, 盆山過渡帶變形具有自南東向北西逐漸遷移并由強及弱遞進衰減特征(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發(fā)生過向NW的基底逆沖推覆作用(徐政語等, 2010; 汪新偉等, 2010; 汪昌亮等, 2011; 湯雙立等, 2011; 李學剛等, 2012), 均表明造成盆山過渡帶褶皺變形的應力與雪峰造山帶向北西的擠壓、逆沖密切相關, 只是這種相關性主要表現在雪峰塊體對盆山過渡帶塊體(包括基底和蓋層)的側向擠壓, 而不是雪峰塊體推覆巖片頂著盆山過渡帶上部蓋層向NW大規(guī)?；?、運移。

此外, 雖然本文認識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制對西側隔檔式褶皺研究乃至一般區(qū)域構造研究無疑都具有重要的啟示意義。

5　結　論

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

(2) 齊岳山斷裂東側盆山過渡帶褶皺主要受區(qū)域擠壓體制下包括褶皺基底和蓋層在內的原地巖層體的整體水平收縮及其導生的沖斷、滑脫作用所控制, 其中桑植-石門復向斜內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事實, 包括褶皺軸面和逆沖斷裂無向東或南東傾斜極性、雪峰造山帶未發(fā)生向西側褶皺帶的大規(guī)模推覆、盆山過渡帶具大幅度整體性構造抬升等, 同時也不存在雪峰西推模型中地質剖面無法平衡的問題。

致謝: 中國海洋大學李三忠教授和另一名匿名審稿人對論文進行了認真審閱并提出了寶貴的修改意見,前者還對論文中的英文錯誤進行了仔細修改, 在此表示衷心感謝。

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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

項目資助: 中國地質調查局中上揚子重點地區(qū)(雪峰山)構造演化及其與油氣關系研究(1212011220750-02)、湖南1∶25萬武岡市和永州市幅區(qū)調修測項目(1212011120793)聯(lián)合資助。

柏道遠(1967–), 男, 研究員級高級工程師, 長期從事區(qū)域地質調查與基礎地質研究。Email: daoyuanbai@sina.com