華北晚中生代構(gòu)造演化過程——根據(jù)太行山北部盆地沉積記錄

王永超, 董樹文*, 施　煒, 岑　敏, 李江瑜

1)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037;　2)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081

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華北晚中生代構(gòu)造演化過程——根據(jù)太行山北部盆地沉積記錄

王永超1), 董樹文1)*, 施煒2), 岑敏2), 李江瑜1)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037;2)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081

摘要:太行山北部地區(qū)處于燕山山脈和太行山山脈的交匯處, 其侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)疊加盆地發(fā)育過程記錄了東西向盆地向北東向盆地轉(zhuǎn)化過程, 對(duì)刻畫華北晚中生代陸內(nèi)變形過程及其動(dòng)力學(xué)背景具有重要意義。本文以太行山北部草溝堡盆地和招柏盆地為例, 在盆地基本構(gòu)造格架分析的基礎(chǔ)上, 通過詳細(xì)的沉積物物源分析、盆地原型再造等沉積學(xué)方法, 結(jié)合巖漿巖同位素年代學(xué)數(shù)據(jù), 提出太行山北部晚中生代構(gòu)造演化過程, 主要經(jīng)歷四個(gè)發(fā)展演化階段, 包括中侏羅世晚期近南北向構(gòu)造擠壓與撓曲盆地發(fā)育、晚侏羅世近南北向弱伸展作用與殼源火山噴發(fā)、晚侏羅世末期—早白堊世早期北西—南東向構(gòu)造擠壓與前陸盆地形成、早白堊世北西—南東向伸展作用與幔源火山作用。構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變本質(zhì)上是動(dòng)力學(xué)體系的轉(zhuǎn)變, 在中晚侏羅世東亞大陸多向匯聚體系之下, 太行山北部經(jīng)歷的多期構(gòu)造疊加和盆地疊置過程折射了蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造體系向?yàn)I太平洋構(gòu)造體系的轉(zhuǎn)化過程。

關(guān)鍵詞:太行山北部; 晚中生代; 沉積物物源分析; 盆地原型再造; 西伯利亞板塊; Izanagi板塊

本文由國家專項(xiàng)“深部探測(cè)與實(shí)驗(yàn)研究”(編號(hào): SinoProbe-08-01)和中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào): 1212011120099)聯(lián)合資助。

晚中生代是華北地塊乃至整個(gè)東亞大陸大地構(gòu)造發(fā)生巨變的重要時(shí)期, 也是深部動(dòng)力學(xué)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)期(李三忠等, 2004; 趙越等, 2004; 張?jiān)罉虻? 2007; 董樹文等, 2008; Hu et al., 2012)。在此期間,華北地塊不僅遭受了方向各異的構(gòu)造擠壓作用, 形成不同走向的陸內(nèi)造山帶與前陸盆地沉積, 致使其地殼及巖石圈厚度顯著增大(董樹文等, 2000), 并且也經(jīng)歷了強(qiáng)烈的伸展與巖石圈垮塌作用, 表現(xiàn)為火山活動(dòng)、斷陷盆地、變質(zhì)核雜巖等構(gòu)造樣式。這一系列構(gòu)造事件的發(fā)展過程在太行山以東的中國東部地區(qū)最為典型。關(guān)于中國東部晚中生代陸內(nèi)變形過程, 前人已提出多種認(rèn)識(shí)(Davis et al., 2001; Wang and Li, 2008; Wang et al., 2011; Michel et al., 2012; Li et al., 2013)。雖然具體變形時(shí)限存在一定差異, 但總體上均是“中晚侏羅世擠壓、早白堊世伸展”的構(gòu)造演化模式。Davis等(2009)對(duì)該模型提出了質(zhì)疑, 理由是遼西地區(qū)中侏羅統(tǒng)郭家店組半地塹沉積作用直到162 Ma才趨于結(jié)束。此外, 髫髻山組與土城子組作為太行山及燕山地區(qū)晚中生代盆地充填序列的關(guān)鍵層位, 其沉積構(gòu)造背景目前還存在較大爭(zhēng)議(李伍平等, 2001; 邵濟(jì)安等, 2003; 劉少峰等, 2004)。以上科學(xué)問題均對(duì)當(dāng)前經(jīng)典的華北晚中生代構(gòu)造演化模式形成了巨大挑戰(zhàn)。本文選取太行山北部草溝堡盆地和招柏盆地, 希望通過詳細(xì)的沉積學(xué)研究, 并結(jié)合近年最新研究成果, 重新梳理該區(qū)晚中生代構(gòu)造演化過程, 從而為全面認(rèn)識(shí)華北地區(qū)晚中生代構(gòu)造體制更迭及其可能的動(dòng)力學(xué)背景提供實(shí)際材料。

1　基本構(gòu)造格架

研究區(qū)位于華北地塊北部, 構(gòu)造位置處于EW向陰山—燕山構(gòu)造帶與NNE向太行山構(gòu)造帶交匯部位。其北部和西部分別與新生代蔚縣盆地、靈丘盆地毗鄰, 東南部出露有王安鎮(zhèn)花崗巖或花崗閃長(zhǎng)巖侵入體, 侵位年齡和冷卻年齡分別約為145 Ma和130 Ma(Wang and Li, 2008), 東北部與中生代京西盆地相鄰(圖1)。

研究區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造延伸方向以NE向?yàn)橹? 局部地區(qū)殘留有少量EW向構(gòu)造(圖1)。NE向構(gòu)造主要有七井寺—北口逆沖斷裂(F1)、南陽寨—黑石嶺逆沖斷裂(F2)及其相伴生的褶皺構(gòu)造, 此外還有少量NE向展布的正斷層, 如曹子水—北李莊斷裂(F3)。其中七井寺—北口逆沖斷層表現(xiàn)為薊縣系霧迷山組向北西逆沖于寒武—奧陶系之上, 向北轉(zhuǎn)為隱伏斷裂, 在地表控制發(fā)育了一系列軸面傾向南東的不對(duì)稱褶皺(圖2A)。南陽寨—黑石嶺斷裂上盤由北西向南東逆沖, 表現(xiàn)為薊縣系霧迷山組逆沖于寒武—奧陶系及土城子組之上, 上盤巖系發(fā)生寬緩褶皺變形(圖1)。在斷裂南段上盤地層中發(fā)育次級(jí)斷裂, 其產(chǎn)狀與主干斷裂基本一致, 表現(xiàn)為薊縣系霧迷山組硅質(zhì)條帶白云巖逆沖于寒武系之上, 導(dǎo)致寒武系地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)或平臥褶皺變形, 局部地區(qū)褶皺前翼因拉斷形成逆斷層(圖1, 圖2G)。此外, 褶皺兩翼可見次級(jí)從屬不對(duì)稱褶皺, 軸面倒向與總體逆沖方向一致。整體上, 兩條NE向主干逆沖斷裂具有背沖式逆沖構(gòu)造特征。根據(jù)斷層對(duì)土城子組沉積的控制作用(見下文分析), 可知南陽寨—黑石嶺斷裂形成于晚侏羅世末期, 推測(cè)具有相同構(gòu)造背景的七井寺—北口逆沖構(gòu)造的活動(dòng)時(shí)代與之相當(dāng)。曹子水—北李莊斷裂表現(xiàn)為斷面傾向北西的正斷層, 切割了土城子組等早期地層, 對(duì)東嶺臺(tái)組火山巖的噴發(fā)與沉積具有一定控制作用, 其形成時(shí)代應(yīng)為早白堊世早期(圖1)。EW向構(gòu)造相對(duì)較少, 常見于晚中生代盆地邊緣, 且多被后期NE向構(gòu)造疊加改造, 屬印支運(yùn)動(dòng)產(chǎn)物。

2　盆地充填序列

草溝堡盆地和招柏盆地基底均為寒武—奧陶系碳酸鹽巖(圖1), 其中前者晚中生代地層充填序列較為完整, 盆地疊置現(xiàn)象相對(duì)清晰, 由老到新依次發(fā)育上侏羅統(tǒng)九龍山組、髫髻山組、土城子組和下白堊統(tǒng)東嶺臺(tái)組。后者與逆沖構(gòu)造相伴生, 僅充填土城子組地層, 清晰地記錄了晚侏羅世末期發(fā)生在中國東部的一次大規(guī)模逆沖抬升事件。

九龍山組主要分布于北京西山、冀北和冀西北不同規(guī)模盆地中。草溝堡盆地九龍山組與下伏奧陶紀(jì)灰?guī)r呈角度不整合接觸, 厚約60 m, 由灰色礫巖和淺肉紅色凝灰?guī)r組成(圖3)。礫巖中礫石成分以碳酸鹽巖為主, 雜基支撐, 磨圓較差, 分選性一般,礫徑以2~10 cm為主, 最大可達(dá)30 cm, 隱約可見平行層理發(fā)育, 具近源快速堆積的沖積扇特征(圖2B)。上部凝灰?guī)r厚約10 m, 底部可見數(shù)厘米厚的古風(fēng)化殼, 代表一次短暫的沉積間斷事件。沉積學(xué)研究表明, 北京西山被單獨(dú)分組的龍門組礫巖實(shí)為九龍山組底部地層, 與山西云崗組以及遼西海房溝組同為侏羅紀(jì)煤系地層之上一套可供對(duì)比的粗碎屑沉積, 代表燕山運(yùn)動(dòng)“緒動(dòng)”最早的沉積響應(yīng)(張宏仁等, 2013)。

圖1　研究區(qū)構(gòu)造格架簡(jiǎn)圖Fig. 1　Schematic map of structural framework in the study areaF1-七井寺—北口逆沖斷裂; F2-南陽寨—黑石嶺逆沖斷裂; F3-曹子水—北李莊斷裂;

髫髻山組及同時(shí)代地層廣泛分布于太行山北部、冀北、遼西等地, 可與滿洲里—額爾古納地區(qū)塔木蘭溝組進(jìn)行對(duì)比, 代表燕山期劇烈火山噴發(fā)和中國東部巖石圈屬性轉(zhuǎn)變的開始。主要以基性-中基性安山質(zhì)噴出巖為主, 夾有火山碎屑巖, 底部常發(fā)育厚度不等的深灰色粗砂巖或礫巖(圖3)。蔚縣苜蓿一帶髫髻山組底部由灰黑色中-粗粒砂巖、含礫砂巖及礫巖組成向上變粗的反旋回沉積序列。礫巖層所含礫石以安山巖為主, 磨圓較好, 分選較差, 底部沖刷面清晰可見。砂巖中大型交錯(cuò)層理極為發(fā)育(圖2D), 總體上為一套礫質(zhì)辮狀河沉積體系。目前, 關(guān)于髫髻山組火山巖形成的構(gòu)造背景依然存在較大爭(zhēng)議(李伍平等, 2001; 邵濟(jì)安等, 2003), 但卻普遍贊成該套火山巖的形成與地殼增厚密切相關(guān)。

土城子組主要沿NE或NNE向撓曲盆地和逆沖斷裂帶分布。分布于草溝堡盆地的土城子組是一套富含火山物質(zhì)的粗碎屑沉積, 在盆地北部與下伏髫髻山組之間為微角度或角度不整合, 在盆地中心過渡為平行不整合, 向南土城子組超覆于奧陶系灰?guī)r之上(圖1)。蔚縣苜蓿一帶該組地層厚約134 m, 底部為一套灰黑色厚層礫巖, 常具灰白色細(xì)砂巖透鏡體, 局部平行層理發(fā)育,磨圓較好, 分選中等, 礫徑以2~5 cm為主, 大者有10 cm, 被解釋為沖積扇沉積(圖2E)。其上主要由深灰色粗砂巖、含礫粗砂巖及礫巖組成辮狀河沉積體系, 其中砂巖及含礫砂巖中板狀交錯(cuò)層理及平行層理較為發(fā)育(圖2F)?？傮w上, 草溝堡盆地土城子組略具向上變細(xì)再變粗的沉積特征, 表明盆緣構(gòu)造活動(dòng)具有一定的反復(fù)性。

圖2　野外露頭典型照片F(xiàn)ig. 2　Representative photos of outcrops

招柏盆地與南陽寨—黑石嶺逆沖斷裂相伴生,盆地基底為奧陶系灰?guī)r, 土城子組以角度不整合覆于其上, 厚度約137 m(圖1)。盆地充填以礫巖為主,偶見砂巖透鏡體, 礫石為次圓狀或次棱角狀, 分選較差, 礫徑小者為1~5 cm, 大者可達(dá)30~50 cm, 隱約可見平行層理, 屬近源沖積扇沉積(圖2H)。整體上, 研究區(qū)內(nèi)土城子組以粗碎屑沉積為主, 是晚中生代顯著的一次受褶皺逆沖事件控制的沉積記錄(劉少峰等, 2004)。

土城子組礫巖之上為東嶺臺(tái)組粉紅色含礫凝灰質(zhì)流紋巖或流紋斑巖, 局部夾有少量安山角礫巖和安山巖, 兩者之間為區(qū)域性角度不整合(圖1)。在其地層命名地北京門頭溝沿河城東嶺村一帶, 可見東嶺臺(tái)組火山巖不整合覆蓋于由不同時(shí)代地層組成的青白口褶皺推覆體之上(汪洋等, 2009)。地球化學(xué)研究表明, 東嶺臺(tái)組火山巖具有從堿質(zhì)富集的基性巖向硅飽和的中酸性巖的演化分異趨勢(shì), 是幔源玄武質(zhì)巖漿在中等壓力條件下分離結(jié)晶的產(chǎn)物, 類似于A型流紋巖(汪洋等, 2009)。

3　沉積盆地分析

3.1沉積物物源分析

盆地沉積物中的礫石和砂巖碎屑組分記錄了盆緣山脈隆升和侵蝕演化的重要信息(Liu et al., 2010)。研究區(qū)內(nèi)中生代盆地沉積巖主要由礫巖以及含礫粗砂巖組成, 礫巖成分統(tǒng)計(jì)在野外進(jìn)行, 統(tǒng)計(jì)露頭面積約為2 m2, 每個(gè)露頭需統(tǒng)計(jì)的顆粒數(shù)目一般在100~180以上。為了盡量排除礫石大小不均一性影響, 須在占總體礫徑分布范圍80%及以上的礫徑區(qū)間內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于草溝堡盆地周緣出露有不同種類的源區(qū)地層, 根據(jù)礫石成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以很好判斷源區(qū)地層組合特征。

對(duì)礫石組分的觀測(cè)表明, 九龍山組源區(qū)地層組合以寒武—奧陶系碳酸鹽巖為主, 下侏羅統(tǒng)南大嶺組玄武巖及其它地層次之(圖3)。在盆地大部分地區(qū),礫石成分普遍以含有大量近源堆積的碳酸鹽巖為特征, 其含量最高可達(dá)90%, 火山巖與其它組分含量較少。然而, 在苜蓿南側(cè)礫石組分中玄武巖顆粒含量(60%)超過了碳酸鹽巖(35%), 表明源區(qū)地層組合中南大嶺組分布極不均勻, 不能穩(wěn)定持續(xù)地為盆地提供火山巖碎屑。總體而言, 盆地匯水范圍相對(duì)較小, 物源區(qū)與沉積區(qū)高差較大, 碎屑顆粒經(jīng)短距離搬運(yùn)后便發(fā)生沉積, 導(dǎo)致礫石分選性和磨圓度均較差, 顯然與源區(qū)快速抬升剝露有關(guān)。

髫髻山組底部含礫粗砂巖或礫巖層中, 可見安山巖、碳酸鹽巖、凝灰?guī)r、砂巖等礫石顆粒, 其中以安山巖為主(圖3), 含量在50%~90%之間變化。顯然, 源區(qū)安山巖的大量剝露暗示了同沉積期或稍早火山活動(dòng)已經(jīng)開始, 且在一定范圍內(nèi)沉積了一套厚度不大的安山質(zhì)噴出巖。隨后更大范圍內(nèi)的安山質(zhì)巖漿上涌并噴出地表, 造成區(qū)域性差異隆升及早期火山巖的廣泛剝蝕。除此之外, 源區(qū)寒武—奧陶系碳酸鹽巖以及九龍山組頂部凝灰?guī)r和砂巖地層亦處于小面積剝露狀態(tài)。

土城子組礫石類型在不同地區(qū)表現(xiàn)出不同的組合特征。草溝堡盆地礫石成分主要為火山巖、碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖等, 其它組分較少(圖3)。由于盆緣髫髻山組火山巖大范圍出露, 土城子組中下部礫石類型以安山巖為主, 且含量相對(duì)穩(wěn)定, 約為90%,碳酸鹽巖、凝灰?guī)r等礫石次之, 共占約10%。向上礫石組分發(fā)生顯著變化, 表現(xiàn)為安山巖明顯減少,碳酸鹽巖含量不斷增大, 此外, 硅質(zhì)巖顆粒開始加入, 含量亦有穩(wěn)步增大的趨勢(shì)。整體上, 縱向礫石組分的變化規(guī)律表明, 隨著源區(qū)火山巖的不斷剝蝕,底部以碳酸鹽巖為代表的寒武—奧陶系以及硅質(zhì)巖顆粒對(duì)應(yīng)的元古界地層陸續(xù)被剝露至地表, 它們共同構(gòu)成一次揭頂事件。

南部招柏盆地土城子組是對(duì)南大寨—黑石嶺斷裂指向南東的逆沖作用的沉積響應(yīng)。其物質(zhì)組成主要為不同種類碳酸鹽巖(包括竹葉狀灰?guī)r、豹皮灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r)(圖2H), 且縱向上含量較為穩(wěn)定,約占85%~95%, 另外可見少量的紫紅色火山巖和紅色砂巖(圖4b), 表明源區(qū)地層主要為碳酸鹽巖對(duì)應(yīng)的下古生界。如今南大寨—黑石嶺逆沖斷裂上盤僅殘留少許寒武—奧陶系地層, 暗示了上盤巖系在強(qiáng)烈逆沖抬升過程中成為盆地主要蝕源區(qū)。

3.2盆地分布與遷移特征

由于遭受同期或后期構(gòu)造改造、多期盆地疊置、剝蝕等作用, 太行山北部晚中生代盆地原始形態(tài)大多被破壞, 分割成諸多小型盆地, 而草溝堡盆地是為數(shù)不多的保存較為完好的晚中生代盆地。因此,本文將以草溝堡盆地為例, 通過不同時(shí)期殘留地層分布狀況以及古流方向的測(cè)定, 并結(jié)合構(gòu)造變形分析, 探索晚中生代不同時(shí)期盆地展布形態(tài)及其與構(gòu)造作用的關(guān)系。

九龍山組殘留地層呈近EW向環(huán)帶狀斷續(xù)分布,由于后期NE向構(gòu)造的疊加改造, 盆地東部向北旋轉(zhuǎn)彎曲(圖5A)。通過小盆連片, 該期原型盆地大致呈東西向集中分布于復(fù)向斜核部, 表明當(dāng)時(shí)南北向擠壓應(yīng)力起主導(dǎo)作用。盆地沉積以近源快速堆積的沖積扇相為主, 指示了同沉積期構(gòu)造活動(dòng)較為劇烈。本文收集測(cè)量了不同地點(diǎn)礫石扁平面產(chǎn)狀, 對(duì)傾斜地層撫平校正之后發(fā)現(xiàn), 九龍山組沉積期古流向以南南西向?yàn)橹?圖5A), 個(gè)別為北西向, 顯示了盆地北部地區(qū)構(gòu)造抬升相對(duì)顯著, 成為盆地主要物源區(qū)。

圖3　草溝堡盆地晚中生代地層充填序列及礫石類型組合的垂向變化Fig. 3　Stratigraphic sequence and vertical variation of gravel type during the late Mesozoic in Caogoubu basin

圖4　招柏盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a)和土城子組沉積特征及礫石類型組合的垂向變化(b)Fig. 4　Schematic geological map of Zhaobai basin (a) and sedimentary features of Tuchengzi Formation with the vertical change of gravel type configuration (b)

髫髻山組地層分布范圍與九龍山組基本一致,呈東西向延伸, 但在盆地東部, 相對(duì)于下伏九龍山組具有明顯地向北超覆不整合(圖1)。如圖5B所示,髫髻山組底部礫巖及粗砂巖所記錄的沉積古流向較為混亂, 并未呈現(xiàn)出特定的優(yōu)選方位, 表明物源供給區(qū)分布較為散亂, 進(jìn)一步印證了當(dāng)時(shí)火山活動(dòng)劇烈, 造成地表地形差異性隆升。宏觀上, 髫髻山組及其同時(shí)代火山巖集中分布于尚義—平泉斷裂以南、呈EW向延伸的狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi), 在遼西的朝陽—建昌一線轉(zhuǎn)為NE向延伸, 再向北呈NNE向出露于松遼盆地以西的滿洲里—額爾古納地區(qū), 即沿大興安嶺西坡分布(Xu et al., 2013)。

髫髻山組大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)之后, 中國東部開始進(jìn)入新的構(gòu)造演化階段。該時(shí)期, 土城子組原型盆地明顯轉(zhuǎn)為NNE向延伸, 常與NNE向褶皺或逆沖構(gòu)造配套產(chǎn)出。通過觀察殘留地層分布特點(diǎn), 發(fā)現(xiàn)土城子組原型盆地向北并未超出早期東西向盆地沉積范圍, 而是顯示出向南和向逆沖前緣或復(fù)向斜中心遷移的特點(diǎn)(圖1)。古水流數(shù)據(jù)表明, 盆地邊緣古流向以南東、南西西、北西等方向?yàn)橹? 向盆地中部逐漸轉(zhuǎn)為南東向, 顯示了盆地兩側(cè)及北部地區(qū)構(gòu)造抬升明顯(圖5C)。區(qū)域上, 晚侏羅世末期是NE向構(gòu)造對(duì)早期EW向盆山格局進(jìn)行改造的重要時(shí)期,在燕山地區(qū)更是呈現(xiàn)出單個(gè)盆地NE向展布與盆地群EW向帶狀分布的特點(diǎn)(李忠等, 2003)。

圖5　草溝堡盆地不同時(shí)期原型盆地及其古水流配置Fig. 5　Prototype basins with their paleocurrent configuration during different stages in Caogoubu basinA, B, C, D-九龍山組、髫髻山組、土城子組、東嶺臺(tái)組原型盆地及其古水流配置; n-古水流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)目; d-平均古流向A, B, C, D-the prototype basin and its paleocurrent configuration of Jiulongshan Formation, Tiaojishan Formation, Tuchengzi Formation and Donglingtai Formation; n-numbers of paleocurrent data; d-mean paleocurrent direction

圖6　中國東部晚中生代構(gòu)造演化動(dòng)力學(xué)模型Fig. 6　Dynamic model for the structural evolution during the late Mesozoic in eastern ChinaSP-西伯利1亞板塊; MB-蒙古地塊; NCC-華北克拉通; MOS-蒙古—鄂霍茨克縫合帶; YYB-陰山—燕山陸內(nèi)變形帶; OB-鄂爾多斯盆地; MCC-變質(zhì)核雜巖SP-Siberia plate; MB-Mongolia block; NCC-North China Craton; MOS-Mongolia-Okhotsk suture; YYB-Yinshan-Yanshan intracontinental deformation belt; OB-Ordos basin; MCC-metamorphic core complex

早白堊世早期, 中國東部結(jié)束了由擠壓作用主導(dǎo)的構(gòu)造體制, 開始轉(zhuǎn)為伸展構(gòu)造體制, 其標(biāo)志即為東嶺臺(tái)組火山巖與下伏不同地層之間的區(qū)域性角度不整合界面。草溝堡盆地東嶺臺(tái)組火山巖呈NNE向延伸, 其分布范圍稍小于土城子組(圖5D)。盆地西側(cè)與曹子水—北李莊正斷層相鄰, 該斷裂切割了土城子組等早期地層, 對(duì)東嶺臺(tái)組火山巖的噴發(fā)與沉積具有控制作用。區(qū)域上, 東嶺臺(tái)組可與燕山地區(qū)的張家口組進(jìn)行比, 其共同特征是與NE或NNE向正斷層相鄰, 具半地塹式剖面形態(tài)。

4　討論

以草溝堡盆地和招柏盆地為代表的中國東部地區(qū)是晚中生代“東亞多向匯聚構(gòu)造體系”的重要組成部分, 其完整的盆地沉積序列及清晰的盆地疊置關(guān)系記錄了該階段中國東部構(gòu)造演化過程, 即兩次區(qū)域性構(gòu)造擠壓事件及其分別對(duì)應(yīng)的弱伸展和巖石圈伸展垮塌階段。

4.1晚中生代中國東部構(gòu)造演化序列

近年來, 由于大量同位素地質(zhì)年代學(xué)測(cè)定工作的開展, 比較好地限定了晚中生代相關(guān)地層的形成時(shí)代。在北京西山, 鉆孔揭露了九龍山組底部由一套厚約12 m的火山凝灰?guī)r及其下部厚約40 m的礫巖組成, 鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示凝灰?guī)r中記錄了154 Ma和161 Ma兩期年齡(李海龍等, 2014), 其中后者與底部礫巖的沉積時(shí)代相仿; 在山西, 寧武—靜樂盆地云崗組頂部凝灰質(zhì)碳酸鹽巖的鋯石U-Pb年齡為(160.6±0.5) Ma, 根據(jù)沉積速率推測(cè)底部礫巖層的沉積時(shí)代約為168 Ma(李振宏等, 2014), 與額爾古納地區(qū)S型花崗巖的侵位年齡((168±2) Ma)相吻合(Xu et al., 2013)?？傮w上, 以九龍山組為代表的區(qū)域性礫巖的形成時(shí)代應(yīng)介于170~161 Ma之間。目前, 關(guān)于髫髻山組火山巖的形成時(shí)代爭(zhēng)議較大。Hu等(2010)對(duì)承德縣西南一帶的髫髻山組火山碎屑巖開展了鋯石U-Pb定年, 結(jié)果為(160.1±4.3) Ma;取自太行山北部渾源盆地髫髻山組上部玄武質(zhì)安山巖的鋯石U-Pb年齡為(152.8±0.63) Ma(李振宏等, 2014)。盡管已報(bào)道的年齡數(shù)據(jù)還有很多, 但髫髻山組整體上應(yīng)介于160~152 Ma之間。土城子組是冀北及遼西地區(qū)晚中生代地層序列的關(guān)鍵層位, 張宏等(2008)對(duì)其分布最廣的承德盆地和金嶺寺—羊山盆地進(jìn)行了系統(tǒng)采樣和測(cè)年, 認(rèn)為土城子組主體沉積時(shí)代應(yīng)起始于147 Ma而終于136 Ma。目前, 關(guān)于東嶺臺(tái)組(張家口組)火山巖底界年齡爭(zhēng)議較小,雖然不同地區(qū)略有差異, 但多數(shù)學(xué)者贊成該期火山活動(dòng)啟動(dòng)于約135 Ma(牛寶貴等, 2003)。

基于晚中生代地層形成時(shí)代分析, 反演中國東部該階段構(gòu)造演化過程, 可以劃分為中侏羅世晚期、晚侏羅世、晚侏羅世末期—早白堊世早期、早白堊世等四個(gè)演化階段。

(1)中侏羅世晚期主擠壓階段(170—161 Ma)。如前所述, 九龍山組原型盆地呈東西向展布, 古水流以南南西向?yàn)橹? 顯示盆地北部構(gòu)造抬升顯著。據(jù)沉積學(xué)特征判定九龍山組為一套擠壓背景下快速堆積的沖積扇沉積體系。響應(yīng)遠(yuǎn)程板塊匯聚作用, 該時(shí)期華北北緣發(fā)育東西向延伸的特大型逆沖推覆構(gòu)造(如亞干推覆體)(Zheng et al., 1996), 而緊鄰蒙古—鄂霍茨克縫合帶南緣的額爾古納地區(qū)則以S型花崗巖侵位為特征(Xu et al., 2013), 它們均是南北向構(gòu)造擠壓作用下的產(chǎn)物, 代表著侏羅紀(jì)陸內(nèi)造山過程的啟動(dòng)。上述地質(zhì)事件綜合作用的結(jié)果必然是區(qū)域性地殼迅速增厚, 從而引發(fā)下地殼物質(zhì)部分熔融出埃達(dá)克質(zhì)巖漿。

(2)晚侏羅世弱伸展階段(160—152 Ma)。該階段,髫髻山組盆地展布方向與九龍山期近于一致。其底部礫巖及粗砂巖所記錄的沉積古流向較為混亂, 暗示了物源區(qū)分布相對(duì)散亂, 推測(cè)與火山物質(zhì)劇烈噴發(fā)前區(qū)域性弱伸展作用有關(guān)。近期研究結(jié)果表明,滿洲里—額爾古納地區(qū)與其時(shí)代相當(dāng)?shù)乃咎m溝組主要由玄武粗安巖-粗安巖-粗面巖組成, 屬堿性系列, 地球化學(xué)組成以富集大離子親石元素、輕稀土元素和虧損Nb為特征, 表明其形成與陸殼快速擠壓增厚之后的弱伸展作用有關(guān)(孟恩等, 2011)?？傊?該時(shí)期主體上延續(xù)了早期的構(gòu)造擠壓背景, 然而當(dāng)板塊匯聚速率減緩, 出現(xiàn)區(qū)域性短暫弱伸展條件下,下地殼部分熔融的埃達(dá)克質(zhì)巖漿因釋壓而噴出地表,

形成髫髻山組沉積。

(3)晚侏羅世末期—早白堊世早期擠壓階段(147—136 Ma)。該階段, 中國東部區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)為NW–SE向構(gòu)造擠壓, 土城子原型盆地呈NNE向疊加于前期EW向盆地之上, 呈現(xiàn)出褶皺逆沖帶與擠壓撓曲盆地相鄰并存的盆山結(jié)構(gòu)。古水流數(shù)據(jù)顯示該時(shí)期草溝堡盆地蝕源區(qū)主要位于向斜盆地兩翼及其北部, 并且具有典型的倒序剝露過程。南部招柏盆地受逆沖作用控制明顯, 發(fā)育近源快速堆積的沖積扇沉積體系, 屬典型前陸式撓曲盆地。區(qū)域上, 該時(shí)期燕山地區(qū)呈現(xiàn)出單個(gè)盆地NE向展布與盆地群EW向帶狀分布的特征, 而太行山南段則發(fā)育一系列由NNE向背斜與向斜構(gòu)成的隔擋式褶皺(吳奇等, 2012)。然而在東北地區(qū), 與土城子組同時(shí)代的大興安嶺南段瑪尼吐組堿性流紋巖和大興安嶺北段吉祥峰組A型流紋巖的存在, 暗示了該階段大興安嶺地區(qū)應(yīng)為伸展構(gòu)造背景(王建國等, 2013; Xu et al., 2013)。同一時(shí)期不同地區(qū)受控于截然不同的構(gòu)造體制可能與所處大地構(gòu)造位置不同密切相關(guān)。

(4)早白堊世(135—120 Ma)主伸展階段。該階段以東嶺臺(tái)組大規(guī)模火山活動(dòng)為開端, NW–SE向伸展成為制約中國東部火山活動(dòng)及斷陷盆地分布與發(fā)育的主導(dǎo)機(jī)制。草溝堡盆地東嶺臺(tái)組與曹子水—北李莊伸展斷層相伴生, 清晰地記錄了這一構(gòu)造變革過程。此外, 太行山及燕山許多地區(qū)出露有殼幔巖漿混合作用形成的巖漿雜巖體, 其形成時(shí)代主要集中于126~123 Ma(汪洋等, 2014)。變質(zhì)核雜巖的廣泛發(fā)育也是該時(shí)期伸展構(gòu)造的重要表現(xiàn)形式(Wang et al., 2011), 其中以呼和浩特變質(zhì)核雜巖最為典型。詳細(xì)的構(gòu)造熱年代學(xué)研究表明伸展拆離作用應(yīng)起始于127 Ma以后, 至119 Ma左右接近尾聲, 其中122~121 Ma為伸展拆離作用的峰期階段(Davis and Darby, 2010)。

4.2動(dòng)力學(xué)背景

晚中生代是“東亞多向匯聚構(gòu)造體系”定型時(shí)期(張?jiān)罉虻? 2007; 董樹文等, 2008), 由此引發(fā)了波及東亞大陸的廣泛的巖石圈擠壓變形和陸內(nèi)造山作用。至早白堊世, 中國東部巖石圈進(jìn)入全面伸展垮塌階段, 伴隨著強(qiáng)烈的火山活動(dòng)、伸展斷陷盆地及變質(zhì)核雜巖的廣泛發(fā)育。研究區(qū)位于NNE向太行山構(gòu)造帶與EW向燕山構(gòu)造帶的交匯部位, 其構(gòu)造演化過程與西伯利亞板塊向南、Izanagi板塊向北西的匯聚作用尤為密切(圖6)。

古地磁研究表明, 早在二疊紀(jì)末期蒙古—鄂霍茨克海便處于緩慢關(guān)閉狀態(tài), 并且自西向東呈“剪刀式”閉合(Kravchinsky et al., 2002)。至中侏羅世,興安地塊與松嫩—張廣才嶺之間S型花崗巖侵位暗示了額爾古納地塊西北側(cè)的蒙古—鄂霍茨克洋盆已經(jīng)關(guān)閉(Xu et al., 2013)(圖6A)。在此背景之下, 華北地區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的南北向構(gòu)造擠壓。由于區(qū)域性陸殼迅速增厚, 下地殼物質(zhì)部分熔融出埃達(dá)克質(zhì)巖漿。晚侏羅世, 由于板塊匯聚速率減緩, 出現(xiàn)區(qū)域性短暫弱伸展條件, 埃達(dá)克質(zhì)巖漿釋壓而噴出地表(圖6B)。太行山北部、燕山及遼西地區(qū)的髫髻山組以及滿洲里—額爾古納地區(qū)的塔木蘭溝組是該期火山作用典型代表。

有證據(jù)表明, 西太平洋Izanagi板塊指向北西的俯沖作用起始于晚侏羅世(李三忠等, 2004; 趙越等, 2004), 形成了東亞大陸邊緣增生造山帶。然而,從東北中生代火山巖時(shí)空分布特征來看, 目前在松遼盆地以東地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)160~135 Ma的火山巖,這與日本和韓國缺乏該時(shí)期巖漿事件相吻合(Xu et al., 2013), 暗示了該階段Izanagi板塊向東亞大陸之下并未發(fā)生明顯的俯沖作用。然而, 無論何種認(rèn)識(shí)正確, 中晚侏羅世Izanagi板塊與歐亞板塊之間的相互作用對(duì)陸內(nèi)太行山地區(qū)影響甚弱。晚侏羅世末—早白堊世早期, 蒙古—鄂霍茨克海在外貝加爾東部地區(qū)消減完畢, 南北向構(gòu)造作用趨于減弱。與此同時(shí), 中國東部地區(qū)盆山格局開始重組, NNE–NE向展布的前陸盆地與逆沖構(gòu)造相鄰伴生, 疊置于早期EW向盆地之上(圖6C), 表明該階段Izanagi板塊指向北西的俯沖作用已經(jīng)發(fā)生, 其派生的NW–SE向構(gòu)造擠壓開始主導(dǎo)區(qū)域構(gòu)造變形。早白堊世, 在蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造帶造山后重力失穩(wěn)垮塌與Izanagi板塊俯沖引發(fā)弧后拉張的聯(lián)合作用下, 中國東部巖石圈進(jìn)入全面伸展垮塌階段(圖6D)。

5　結(jié)論

太行山北部草溝堡盆地和招柏盆地晚中生代陸內(nèi)變形與沉積記錄, 折射了華北地塊在蒙古—鄂霍茨克海關(guān)閉、古太平洋板塊俯沖聯(lián)合作用下的陸內(nèi)變形過程, 尤其是精細(xì)刻畫出該復(fù)雜過程的四個(gè)演化階段: 1)中侏羅世晚期S–N向構(gòu)造擠壓段(170 — 161 Ma), 與蒙古—鄂霍茨克洋盆消減關(guān)閉有關(guān); 2)晚侏羅世S–N向弱伸展階段(160—152 Ma), 由于板塊匯聚速率減緩, 使得區(qū)域性構(gòu)造擠壓背景下穿插發(fā)育短暫的弱伸展階段; 3)晚侏羅世末—早白堊世早期NW–SE向構(gòu)造擠壓階段(148—136 Ma), 與Izanagi板塊俯沖作用及其 引發(fā)的NW–SE向構(gòu)造擠壓自陸緣向陸內(nèi)快速擴(kuò)展有關(guān); 4)早白堊世NW–SE向主伸展階段(135—120 Ma), 與蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造帶造山后重力失穩(wěn)垮塌及Izanagi板塊俯沖引發(fā)弧后拉張的聯(lián)合作用有關(guān)。該過程揭示了“燕山運(yùn)動(dòng)”幕式演化的歷史, 對(duì)研究和理解華北地塊晚中生代陸內(nèi)變形機(jī)制具有一定的啟發(fā)性。

致謝: 本項(xiàng)研究的資料部分來源于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)碩士研究生學(xué)位論文, 成文過程在深部探測(cè)專項(xiàng)(編號(hào): SinoProbe-08-01)和中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào): 1212011120099)的資助下, 開展了部分野外工作和室內(nèi)分析研究, 在此深表感謝!

Acknowledgements:

This study was supported by the Science and Technology Project (No. SinoProbe-08-01) and China Geological Survey (No. 1212011120099).

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An Analysis of Late Mesozoic Tectonic Evolution Process in Northern China: Based on Basin Sedimentary Records in Northern Taihang Mountains

WANG Yong-chao1), DONG Shu-wen1)*, SHI Wei2), CEN Min2), LI Jiang-yu1)1) Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081

Abstract:The northern Taihang Mountains are located at the junction of the Yanshan tectonic belt with the Taihang Mountains belt, and their superimposed basin development process documented the basin trending conversion process from EW to NE during Jurassic to Cretaceous, which is significant for depicting the intracontinental deformation process and its dynamic background during the late Mesozoic in North China. Caogoubu basin and Zhaobai basin located in northern Taihang Mountains were selected as examples in this paper. According to the basic structural framework analysis of basins in combination with isotope chronologic data from magmatic rocks and sedimentology methods which include the detailed analysis of sediment provenance, prototype basin reconstruction and so on, tectonic evolution history of the northern Taihang Mountains during the late Mesozoic can be detected, which includes four stage evolution sequences : (1) nearly N–S contraction and flexural basin development during the late middle Jurassic, (2) nearly N–S low-magnitude extention and crust sources volcanic eruption that occurred in the late Jurassic, (3) NW–SE contraction and foreland basin development from the end of the late Jurassic to the earliest Cretaceous, and (4) NW–SE extension and mantle sources volcanic eruption during the early Cretaceous. The conversion of tectonic regimes is essentially the transformation of its geodynamic systems, and on the context of the East Asia multi-direction convergent tectonic system during the Middle–Late Jurassic, the multi-phases tectonic and basin superposition that occurred in northern Taihang Mountains during the late Mesozoic indicates the conversion process during which thebook=36,ebook=39Mogolia–Okhotsk tectonic system graded into the Marginal–Pacific tectonic system.

Key words:northern Taihang Mountains; late Mesozoic; sediment provenance analysis; prototype basin reconstruction; Siberian plate; Izanagi plate

*通訊作者:董樹文, 男, 1954年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事構(gòu)造地質(zhì)與碰撞造山帶研究。

通訊地址:100037, 北京市西城區(qū)百萬莊大街26號(hào)。電話: 010-68999606。E-mail: swdong@cags.ac.cn。

作者簡(jiǎn)介:第一 王永超, 男, 1987年生。博士研究生。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)。電話: 010-88815102。E-mail: yongchao19870325@163.com。

收稿日期:2015-08-07; 改回日期: 2015-12-05。責(zé)任編輯: 閆立娟。

中圖分類號(hào):P534.5; P512.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.04