鄂爾多斯地塊西緣科學(xué)山地區(qū)疊加變形分析

程永志，施 煒，趙國春，王天宇，楊 謙，秦 翔，張 宇，劉曉波

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；3.自然資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，北京 100081)

0 引 言

鄂爾多斯地塊西緣構(gòu)造帶作為華北板塊西部一個重要的構(gòu)造邊界，長期以來為廣大研究者所關(guān)注。早期學(xué)者稱其為鄂爾多斯臺褶帶[1]，賀蘭—六盤臺褶帶[2]，或者“隴西系”與“祁呂賀山字型構(gòu)造的脊柱”[3]。后期研究指出該帶為早古生代板塊縫合帶、中—新元古代裂陷槽[4-5]、鄂爾多斯西緣掩沖構(gòu)造帶[6-8]。

劉和甫等依據(jù)盆-山耦合機制，結(jié)合地球動力學(xué)分析，認(rèn)為鄂爾多斯地塊西南緣為晚三疊世—白堊紀(jì)弧陸-陸陸碰撞造山作用而形成的周緣前陸盆地[8]。最近的阿拉善地塊東南緣中—晚泥盆世的碎屑鋯石U-Pb和Hf同位素研究與古地磁分析表明，印支運動導(dǎo)致阿拉善地塊相對華北地塊發(fā)生了32°逆時針旋轉(zhuǎn)并匯聚拼合，形成三疊紀(jì)陸陸碰撞帶[9-10]。詳細(xì)的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和沉積學(xué)分析表明鄂爾多斯地塊西緣晚三疊世北段發(fā)生構(gòu)造伸展而形成裂陷盆地，南段發(fā)育由逆沖斷層控制的前陸盆地。針對西緣這種南北構(gòu)造差異，Liu等提出了非限制性側(cè)向擠出構(gòu)造模型，從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及動力機制角度進(jìn)行了合理解釋[11-14]。同樣，通過沉積學(xué)分析獲得鄂爾多斯地塊西緣在中生代屬于殘余克拉通內(nèi)盆地，從晚三疊世開始，在晚侏羅世顯現(xiàn)出前陸盆地特征，經(jīng)早白堊世進(jìn)一步發(fā)展，直至新生代中期才基本形成現(xiàn)今前陸盆地格局[15-18]。Darby等通過對鄂爾多斯地塊西緣以賀蘭山和桌子山地區(qū)為代表的陸內(nèi)變形帶進(jìn)行構(gòu)造分析，認(rèn)為其構(gòu)造縮短變形發(fā)生于早—中侏羅世至晚侏羅世，縮短量至少達(dá)30%，其構(gòu)造縮短變形機制可能與古太平洋板塊的俯沖有關(guān)[19]。張家聲等通過區(qū)域構(gòu)造調(diào)查與分析，確認(rèn)鄂爾多斯地塊西緣北段表現(xiàn)為一個自中生代以來形成的結(jié)晶基底和早古生代大陸邊緣沉積蓋層同時卷入的巨型陸緣逆沖推覆構(gòu)造體系，侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)為逆沖推覆構(gòu)造的主要發(fā)展階段，累計位移為60～80 km[20]。最近賀蘭山疊加變形解析表明，鄂爾多斯地塊西緣主要經(jīng)歷印支期NNE—SSW向和中侏羅世NW—SE向兩期陸內(nèi)縮短變形，形成區(qū)域性疊加褶皺，是典型的陸內(nèi)變形帶[21]。鄂爾多斯地塊北緣大青山內(nèi)部中侏羅世同沉積構(gòu)造生長地層最新研究結(jié)果顯示該期陸內(nèi)變形啟動于中侏羅世晚期(約170 Ma)[22-23]，同構(gòu)造礦物40Ar/39Ar測年結(jié)果指示東亞大陸西緣約在中侏羅世167 Ma發(fā)生陸陸碰撞拼接[24]，這些研究顯示鄂爾多斯地塊西緣中生代以來經(jīng)歷了復(fù)雜的陸內(nèi)變形，但構(gòu)造演化過程仍然存在很大爭議。如何破解這一問題，本文選取了鄂爾多斯地塊西緣科學(xué)山地區(qū)的晚中生代盆地進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)造解析，提出了科學(xué)山地區(qū)中生代以來的主要構(gòu)造演化過程，為厘定鄂爾多斯地塊西緣晚中生代構(gòu)造格架提供了依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

科學(xué)山地區(qū)位于鄂爾多斯地塊西緣，西北臨阿拉善地塊，發(fā)育近SN向展布的晚中生代盆地(圖1)；北部以土井子為界，西部包括大戰(zhàn)場，以后古城子為界，南部延伸至新井煤礦，東部受限于柳木高斷裂?？茖W(xué)山地區(qū)四面環(huán)山，中部地勢平緩。盆地的中生代沉積特征及其地層接觸關(guān)系與鄂爾多斯地塊內(nèi)部一致[19,25]，出露有奧陶系、泥盆系、侏羅系、白堊系及少量新生界地層[26-28]?？茖W(xué)山地區(qū)地層分布以中生界地層為主，中部出露有完整的侏羅系地層[27]，分別為延安組(J1-2y)、直羅組(J2z)、安定組(J3a)，東部以下白堊統(tǒng)廟山湖組(K1ms)為界，南部、西部及北部出露有較老地層。

圖件引自文獻(xiàn)[11]圖1 華北板塊構(gòu)造簡圖Fig.1 Structural Sketch Map of North China Plate

侏羅系延安組主要分布于科學(xué)山—亞麻吐渣以東的灣布勒溝、土圈、雙圈、大戰(zhàn)場、黑疙瘩、圍溝等，巖性以紫、紫褐、灰黃色中層鈣質(zhì)角礫巖和底礫巖為主，夾紫褐色鈣質(zhì)長石石英砂巖、石英砂巖、含礫粗砂巖，底部含煤層。受古地理影響，各地沉積厚度差異較大，整體上沉積巖及內(nèi)部所含礫石的粒度自南向北由粗變細(xì)，土圈以南沉積粒度相對較粗。直羅組在研究區(qū)分布廣泛，從南部新井煤礦到北部大戰(zhàn)場均有分布。直羅組與下伏延安組呈連續(xù)沉積，其上與安定組呈平行不整合接觸，巖性為灰白、灰綠色薄—中厚層長石石英砂巖、長石砂巖與灰綠、黃綠色的泥巖、頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層，底部偶見礫巖、砂礫巖，以黃綠、灰綠色為宏觀色調(diào)且基本不含煤層與下伏延安組相區(qū)別。沉積相為濕熱氣候條件下的曲流河亞相沉積，以邊灘微相為主，兼有岸后沼澤微相的沉積，河道微相不發(fā)育。安定組分布范圍比前兩者要大，從南至北巖性、巖相分異明顯。土圈以南沉積物粒度相對較粗，粗碎屑巖類所占比例偏大，且礫石粗大，巖性以紫紅、灰褐色礫巖和砂巖為主，夾灰紫色長石石英砂巖，上部常夾有紫紅色鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及少量砂礫巖透鏡體，以紫紅、灰紫間夾灰綠色調(diào)與下伏直羅組相區(qū)別。沉積特征表明，其以河流相細(xì)邊灘-河漫灘亞相為主，間有河漫湖泊亞相。安定組與下伏地層直羅組呈平行不整合接觸，其上被下白堊統(tǒng)廟山湖組碎屑巖不整合覆蓋。

東部山體以下白堊統(tǒng)廟山湖組地層為主，為一套以碎屑巖為主的沉積巖，具有總體向上變細(xì)的層序結(jié)構(gòu)，屬沖積扇-河湖相沉積。廟山湖組下部巖性為褐紅、棕紅色塊狀中—粗礫巖、粗—巨礫巖，夾含礫砂巖透鏡體及少量粉砂質(zhì)泥巖，上部為淺棕紅、淺灰綠色厚層粗—巨礫巖、砂礫巖與灰綠泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)灰?guī)r互層。

南部和西部山體分別以米缽山組(O2-3mb)灰?guī)r和阿不切亥組(∈2—O1a)中—薄層含泥質(zhì)條帶微晶灰?guī)r為主。西部三疊系花崗閃長巖巖體(Tγδ)以巖株狀產(chǎn)出[29]，與周圍的阿不切亥組灰?guī)r和侏羅系延安組長石石英砂巖呈角度不整合接觸。北部以奧陶系馬家溝組(O1-2m)灰黃色碎裂狀結(jié)晶灰?guī)r和泥盆系老君山組(D3l)灰紫、灰綠色鈣質(zhì)粉砂巖為主，老君山組下部以紫紅色中—厚層鈣質(zhì)礫巖為主，上部為灰紫色鈣質(zhì)粉砂巖夾少量砂礫巖，巖性組合特征顯示為山麓堆積-河流湖相沉積。

2 構(gòu)造變形與斷層運動學(xué)分析

古構(gòu)造應(yīng)力場恢復(fù)是構(gòu)造變形研究中的重要內(nèi)容之一，為區(qū)域構(gòu)造演化、構(gòu)造重建提供依據(jù)[30-31]。與層間滑動和褶皺相關(guān)的斷層運動學(xué)作為褶皺變形區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場恢復(fù)的重要方法，逐漸應(yīng)用于構(gòu)造解析之中，獲得了地殼縮短應(yīng)力機制[32-37]。該方法主要是通過野外測量褶皺相關(guān)斷層或巖層間的斷層滑動矢量，并在室內(nèi)構(gòu)造分析軟件平臺上進(jìn)行計算處理，從而獲得相應(yīng)的3個主壓應(yīng)力軸方位[36-37]。

本次在鄂爾多斯地塊西緣科學(xué)山地區(qū)開展了相關(guān)的構(gòu)造分析，區(qū)域構(gòu)造編圖顯示本區(qū)發(fā)育兩組褶皺構(gòu)造，即NW—SE和NE—SW向展布的褶皺構(gòu)造，形成橫跨疊加褶皺(圖2)。結(jié)合野外觀測，本區(qū)疊加褶皺構(gòu)造樣式主要為移褶型、T字型、新月型、穹-盆型等[38](圖2)?？茖W(xué)山地區(qū)邊緣主要受逆沖斷層控制，斷層多切割晚中生界—新生界地層，并部分切入寒武系—奧陶系地層內(nèi)，表明褶皺-沖斷變形主要發(fā)育于晚中生代以來。區(qū)域構(gòu)造分析表明NE—SW向逆沖斷層多被NW—SE向斷層切割，大致指示本區(qū)NE—SW向斷層早于NW—SE向斷層活動，初步證實科學(xué)山地區(qū)晚中生代以來主要經(jīng)歷兩期強烈構(gòu)造縮短變形事件。本次工作選取部分野外典型構(gòu)造，從NE—SW向構(gòu)造、NW—SE向構(gòu)造以及疊加構(gòu)造等方面分別進(jìn)行構(gòu)造解析，從而獲得科學(xué)山地區(qū)兩期構(gòu)造縮短變形事件。

2.1 NW—SE向構(gòu)造縮短變形分析

科學(xué)山地區(qū)分布有大面積的侏羅紀(jì)地層，地層受強烈的構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用，形成一系列的NE—SW向背斜、向斜構(gòu)造，褶皺樣式豐富。根據(jù)翼間角大小不同，野外露頭可見開闊褶皺[圖3(e)、圖4(a)]、中常褶皺、緊閉褶皺；根據(jù)褶皺轉(zhuǎn)折端不同形態(tài)，研究區(qū)發(fā)育有圓弧褶皺、箱狀褶皺、撓曲構(gòu)造[39]。研究區(qū)北部鍋底坑西南安定組地層構(gòu)造變形強烈，部分地層近直立甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn)，部分褶皺保留有一系列同期形成的逆沖斷層及其相關(guān)伴生次級斷層[圖4(c)]。

在科學(xué)山地區(qū)北部，延安組地層不整合于老君山組灰綠色砂巖之上，且馬家溝組灰?guī)r逆沖在延安組之上[圖3(a)]，構(gòu)造縮短變形強烈。老君山組發(fā)育扇形復(fù)背斜，褶皺左翼為“S”型褶皺，右翼為“Z”型褶皺，褶皺軸面沿NE—SW向展布，褶皺樞紐反演結(jié)果大致指示NW—SE向擠壓作用[圖3(a)]。在科學(xué)山地區(qū)中部土圈附近，安定組內(nèi)發(fā)育撓曲構(gòu)造(觀測點K06)，平緩巖層突然變陡，褶皺面發(fā)生膝狀彎曲[圖3(b)]，層面產(chǎn)狀分別為120°∠15°、120°∠48°、105°∠34°，利用赤平投影方法計算出樞紐數(shù)據(jù)，樞紐反演結(jié)果表明區(qū)域內(nèi)發(fā)生NW—SE向構(gòu)造縮短變形。在觀測點K60，安定組地層發(fā)育箱狀褶皺[圖3(c)、(d)]，褶皺翼部產(chǎn)狀較陡，轉(zhuǎn)折端平坦寬闊，褶皺樞紐優(yōu)選方位顯示為近NE—SW向[圖3(d)]，指示其形成受到NW—SE向擠壓應(yīng)力作用影響。在鍋底坑西的安定組地層內(nèi)(觀測點K55、K57)發(fā)育有開闊褶皺[圖3(e)]，翼間角為70°～120°，褶皺測量與樞紐反演結(jié)果顯示NW—SE向擠壓變形。該地層內(nèi)可見同褶皺層間滑動現(xiàn)象，且發(fā)育有方解石生長線理，擦痕滑動矢量反演結(jié)果也指示NW—SE向擠壓應(yīng)力作用[圖3(e)]。

圖2 鄂爾多斯地塊西緣科學(xué)山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.2 Regional Geological Map of Kexueshan Area, the Western Periphery of Ordos Block

S0、S1為地層層面產(chǎn)狀；N為產(chǎn)狀數(shù)量；σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小擠壓主應(yīng)力；圖(b)左下角小圖為撓曲構(gòu)造示意圖圖3 科學(xué)山地區(qū)NW—SE向構(gòu)造縮短變形Fig.3 Deformations of NW-SE Shortened Structure in Kexueshan Area

在大戰(zhàn)場北(觀測點55、67)安定組地層發(fā)育褶皺翼間角為70°～120°，同屬于開闊褶皺[圖4(a)、(b)]，野外測量翼部產(chǎn)狀計算出9條樞紐數(shù)據(jù)，據(jù)此得到的下半球等面積赤平投影極密圖呈NE—SW向分布，指示NW—SE向擠壓應(yīng)力作用。由于不同地區(qū)的巖性差異及同類巖石的抗擠壓變形系數(shù)不同，導(dǎo)致褶皺一翼發(fā)育沖斷層[圖4(b)]，斷距約1 m。觀測點K73安定組發(fā)育有兩翼間距小于10 m的平臥背斜褶皺，褶皺樞紐反演結(jié)果顯示呈NE—SW向展布，同樣指示NW—SE向構(gòu)造擠壓應(yīng)力的存在。

大戰(zhàn)場東觀測點K05，安定組中—厚層砂巖發(fā)育逆沖斷層[圖4(c)]，斷層滑動在斷層面上形成明顯的方解石生長線理[圖4(c)]，擦痕滑動矢量反演結(jié)果指示NW—SE向擠壓應(yīng)力作用[圖4(c)]。在土圈附近的安定組砂巖(觀測點K04)發(fā)育X型共軛剪節(jié)理[圖4(d)]，紫紅色含礫砂巖被切割成菱形棋盤狀，兩組節(jié)理近等距排列，部分礫石被切斷，節(jié)理面平直整齊，節(jié)理面反演結(jié)果顯示受NW—SE向擠壓應(yīng)力控制。

綜上所述，不同形態(tài)褶皺變形分析表明研究區(qū)受NW—SE向擠壓應(yīng)力的控制，主要以發(fā)育NE—SW向褶皺構(gòu)造為特征。

圖4 科學(xué)山地區(qū)大戰(zhàn)場及土圈安定組NW—SE向構(gòu)造縮短變形Fig.4 Deformations of NW-SE Shortened Structure of Anding Formation in Dazhanchang and Tuquan of Kexueshan Area

2.2 NE—SW向構(gòu)造縮短變形分析

研究區(qū)侏羅紀(jì)地層內(nèi)還發(fā)育一系列NW—SE向褶皺及逆沖構(gòu)造。本文選取部分典型構(gòu)造進(jìn)行解析。

科學(xué)山地區(qū)北部大戰(zhàn)場東到鍋底坑之間安定組中—薄層砂巖變形強烈，多處可見大范圍的傾豎褶皺，可能指示疊加變形。觀測點K58發(fā)育疊加褶皺[圖5(a)]，褶皺樞紐傾角為14°～21°，軸面傾伏角為47°～70°，結(jié)合褶皺位態(tài)分類準(zhǔn)則判斷該褶皺為傾豎褶皺[36]。褶皺樞紐反演結(jié)果指示研究區(qū)受NW—SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場控制，而層間滑動矢量反演結(jié)果指示NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的存在，表明該傾豎褶皺受兩期擠壓應(yīng)力作用控制[圖5(a)]。

圖5 科學(xué)山地區(qū)NE—SW向構(gòu)造縮短變形Fig.5 Deformations of NE-SW Shortened Structure in Kexueshan Area

圖6 科學(xué)山地區(qū)疊加變形Fig.6 Superposed Deformations in Kexueshan Area

在觀測點K91安定組砂巖內(nèi)觀測到直立傾伏褶皺[圖5(b)]，褶皺兩翼對稱，軸面近直立，對褶皺樞紐數(shù)據(jù)進(jìn)行下半球等面積赤平投影，指示受NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場控制。在大戰(zhàn)場北山體頂部(觀測點K95)，安定組出露寬緩向斜[圖5(c)]，層間滑動矢量與褶皺樞紐反演結(jié)果均指示NE—SW向擠壓應(yīng)力作用。在科學(xué)山地區(qū)的土圈附近安定組發(fā)育有良好的X型共軛剪節(jié)理[圖5(d)]，節(jié)理面平直光滑，傾角較大，延伸遠(yuǎn)，節(jié)理間距小而等距，節(jié)理面反演結(jié)果顯示受NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場作用。在新井煤礦北(觀測點K01)，奧陶系米缽山組逆沖推覆在延安組砂巖之上，斷層面發(fā)育明顯的粗擦槽，滑動矢量反演結(jié)果指示該期逆沖擠壓作用受NE—SW向擠壓應(yīng)力控制[圖5(e)]。這些構(gòu)造解析確定了科學(xué)山地區(qū)存在一次強烈的NE—SW向構(gòu)造縮短變形過程。

2.3 疊加變形分析

科學(xué)山地區(qū)中西部大戰(zhàn)場附近發(fā)育有典型的小區(qū)域橫跨疊加褶皺，表現(xiàn)為較為完整的穹-盆構(gòu)造[圖2和圖6(a)]，該褶皺變形影響的最新地層為直羅組和安定組砂巖。

在盆地南緣觀測點K13[圖6(b)]，可見近SN向展布小型疊加向斜盆地，遙感圖解譯和地層產(chǎn)狀綜合分析顯示該盆地受NW—SE向和NE—SW向兩期構(gòu)造縮短變形控制，形似啞鈴狀，構(gòu)造形態(tài)清晰，為有效疊加褶皺[38]，NW—SE向擠壓應(yīng)力控制了盆地近SN向展布的向斜構(gòu)造，由于NE—SW向構(gòu)造縮短變形造成背斜橫跨疊加，背形樞紐發(fā)生傾伏，向形樞紐發(fā)生揚起，形成鞍狀構(gòu)造[39]。觀測點K15直羅組厚層砂巖近水平產(chǎn)出，發(fā)育兩組密集近直交的直立劈理，發(fā)生部分置換，產(chǎn)狀分別為33°∠70°、120°∠70°[圖6(b)、(c)]，層理產(chǎn)狀為335°∠13°，指示該盆地經(jīng)歷NW—SE向和NE—SW向兩期構(gòu)造縮短變形作用。

在盆地西緣觀測點K14、K16[圖6(d)、(e)]，安定組地層(產(chǎn)狀為0°∠15°)中發(fā)育有一期近乎直立的劈理，劈理產(chǎn)狀為250°∠85°、248°∠70°，指示NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場存在。在小盆地中部觀測點K20[圖6(i)]發(fā)育另一期劈理，劈理產(chǎn)狀為301°∠42°、330°∠59°，指示該期劈理受NW—SE向構(gòu)造縮短變形作用控制。

盆地北部安定組(觀測點K17、K18、K19)[圖6(f)～(h)]發(fā)育兩組近乎直交的劈理，地層產(chǎn)狀為110°∠25°，劈理面與地層面近乎垂直，NW—SE向擠壓相關(guān)層間劈理產(chǎn)狀分別為301°∠42°、330°∠59°、332°∠60°，NE—SW向擠壓相關(guān)層間劈理產(chǎn)狀分別為237°∠54°、240°∠60°、242°∠58°，觀測點K19[圖6(h)]兩組劈理具有明顯的截切關(guān)系，受NW—SE向擠壓作用控制的劈理被NE—SW向構(gòu)造縮短變形控制的劈理所截切，說明NE—SW向構(gòu)造縮短變形要晚于NW—SE向構(gòu)造縮短變形。此外，在小盆地的南、北兩端(觀測點K21、K23)均發(fā)育有運動滑動矢量，北端滑動矢量反演結(jié)果指示NW—SE向構(gòu)造擠壓作用[圖6(j)]，南端滑動矢量反演結(jié)果指示NE—SW向構(gòu)造擠壓作用[圖6(k)]。此外，在小盆地北端觀測點K22安定組內(nèi)發(fā)育有小范圍的疊加變形向斜[圖6(l)]，早期由于受到NW—SE向擠壓作用，形成了向斜褶皺的基本輪廓，后期受到NE—SW向擠壓作用，向斜樞紐發(fā)生了寬緩的Z型彎曲，屬于移褶型疊加褶皺。這說明了NW—SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場要早于NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場。

上述疊加褶皺的變形分析以及褶皺相伴生的層間劈理的截切關(guān)系表明，科學(xué)山地區(qū)侏羅紀(jì)以來主要經(jīng)歷NW—SE向與NE—SW向兩期構(gòu)造縮短變形作用，且NW—SE向構(gòu)造縮短變形事件早于NE—SW向構(gòu)造縮短變形事件，后期NE—SW向構(gòu)造縮短變形事件基本上塑造了科學(xué)山地區(qū)的構(gòu)造格局。

圖(a)擠壓主應(yīng)力示意圖中N為36，最大、中間、最小擠壓主應(yīng)力各12條；圖(b)擠壓主應(yīng)力示意圖中N為42，最大、中間、最小擠壓主應(yīng)力各14條；圖中1、3分別表示最大、最小擠壓主應(yīng)力圖7 科學(xué)山地區(qū)層面和斷層滑動矢量反演兩期構(gòu)造應(yīng)力場Fig.7 Two Tectonic Stress Fields Resulted from Bedding Plane and Fault Slip Vectors in Kexueshan Area

3 疊加變形構(gòu)造應(yīng)力場

一般通過考慮疊加褶皺變形前、后及褶皺過程中形成的相關(guān)斷層幾何要素變位關(guān)系，提出野外數(shù)據(jù)測量過程中識別褶皺變形不同階段相關(guān)斷層，包括層間滑動矢量，有針對性地測量和處理不同階段斷層構(gòu)造要素，從而恢復(fù)疊加褶皺區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場[21,32-37]。本次按照上述思路和方法，恢復(fù)了科學(xué)山地區(qū)疊加褶皺相關(guān)的構(gòu)造應(yīng)力場。本次工作主要在科學(xué)山地區(qū)侏羅紀(jì)地層中開展了相關(guān)的斷層運動學(xué)分析，并結(jié)合兩期構(gòu)造縮短變形分析，恢復(fù)了兩期構(gòu)造應(yīng)力場[圖7(a)、(b)和表1]。

研究區(qū)北部觀測點K38位于鍋底坑西南安定組疊加變形區(qū)，地層產(chǎn)狀為145°∠25°，地層未發(fā)生倒轉(zhuǎn)，地層面發(fā)育有大量的次生方解石礦物拉伸線理，方解石厚度為1～2 cm，很好地保留了兩期構(gòu)造縮短變形的滑動矢量，底面方解石保留的滑動矢量反演結(jié)果指示NW—SE向構(gòu)造擠壓作用，覆蓋其上形成較晚的方解石保留了NE—SW向擠壓作用形成的滑動矢量，雖然早期的滑動矢量受到了晚期構(gòu)造作用的破壞，但依然可以清晰辨別。上述統(tǒng)計分析分別對應(yīng)NW—SE向和NE—SW向兩期擠壓構(gòu)造應(yīng)力場。擦痕相互切割關(guān)系分析指示早期為NW—SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場，晚期為NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場。

表1 科學(xué)山地區(qū)地層層面和斷層滑動矢量反演結(jié)果Tab.1 Inversion Results of Bedding Plane and Fault Slip Vectors in Kexueshan Area

早期近NW—SE向擠壓作用在研究區(qū)所出露的奧陶系、泥盆系和侏羅系等地層中均有發(fā)現(xiàn)[表1、圖7(a)]，研究區(qū)自南向北均有發(fā)育寬緩的大型褶皺，大戰(zhàn)場安定組地層內(nèi)由于褶皺翼部局部受力不均勻產(chǎn)出翼部沖斷褶皺[圖4(b)],在早期NW—SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場控制下形成撓曲構(gòu)造、箱狀褶皺等多種構(gòu)造樣式(圖3)，部分地區(qū)層間劈理、X型共軛剪節(jié)理發(fā)育[圖7(a)]。侏羅系整套地層中均發(fā)現(xiàn)這期擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用的存在[表1、圖7(a)]，綜合研究表明，NW—SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的啟動時間至少在中—晚侏羅世之后。野外褶皺層間滑動矢量反演結(jié)果表明NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場在中侏羅統(tǒng)直羅組之上到上侏羅統(tǒng)地層中都有體現(xiàn)[表1、圖7(b)]，形成NW—SE向褶皺、逆沖斷層、X型共軛剪節(jié)理、層間劈理，并改造早期褶皺形成橫跨或斜跨疊加褶皺。最重要的是，在紅柳溝組和安定組地層接觸處發(fā)育有同期褶皺(圖2)，樞紐延伸方向為NW—SE向；在鍋底坑西北部紅柳溝組發(fā)育區(qū)域上的軸向為NW—SE向?qū)捑徬蛐盵26-27]，這與研究區(qū)內(nèi)受NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場[圖7(d)]控制褶皺形態(tài)一致，說明后期NE—SW向構(gòu)造擠壓發(fā)生在紅柳溝組地層沉積之后，即中新世之后；柳木高斷裂則是晚新生代以來主要受NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場控制的活動斷層[40-41]；研究區(qū)侏羅系直羅組沉積地層疊加擦痕(圖8)以及大戰(zhàn)場疊加變形盆地的構(gòu)造分析(圖6)表明，NW—SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場要早于NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場。通過對研究區(qū)所有褶皺樞紐進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到的下半球等面積赤平投影極密圖同樣指示兩期擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的存在[圖7(e)]。因此，上述分析結(jié)果表明了科學(xué)山地區(qū)中生代以來至少存在兩期重要的擠壓構(gòu)造應(yīng)力場，早期構(gòu)造應(yīng)力場主要為NW—SE向擠壓作用[圖7(a)]，晚期構(gòu)造應(yīng)力場以NE—SW向擠壓作用為主[圖7(b)]。

早期擦痕指示NW—SE向擠壓作用；晚期擦痕指示NE—SW向擠壓作用圖8 直羅組砂巖發(fā)育兩組擦痕Fig.8 Two Sets of Striations Grown in the Sandstone of Zhiluo Formation

圖9 科學(xué)山地區(qū)構(gòu)造演化模式Fig.9 Tectonic Evolution Models of Kexueshan Area

4 構(gòu)造演化過程

鄂爾多斯地塊西緣科學(xué)山地區(qū)主要經(jīng)歷NW—SE向和NE—SW向兩期構(gòu)造縮短變形事件，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造和變形影響的地層特征，可以確定兩期變形事件發(fā)生于晚中生代以來，據(jù)此本文提出了鄂爾多斯地塊西緣晚中生代以來構(gòu)造演化模式(圖9)。

早期NW—SE向構(gòu)造擠壓作用影響了中生界侏羅系所有地層，在科學(xué)山地區(qū)形成區(qū)域性的NE—SW向褶皺及基地卷入的盆緣沖斷構(gòu)造[圖2、圖9(a)]。已有研究資料表明鄂爾多斯地塊西緣在中—晚侏羅世處于擠壓隆升的變形環(huán)境背景，區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)學(xué)分析表明鄂爾多斯盆地及其周緣在中—晚侏羅世受到多向擠壓應(yīng)力作用控制[42-44]。鄂爾多斯地塊南部古特提斯洋閉合帶陸內(nèi)變形強烈，形成強烈的向北的擠壓力；北部蒙古—鄂霍次克構(gòu)造帶處于閉合階段，西伯利亞板塊向南逆沖，構(gòu)成向南的擠壓力；而東部環(huán)太平洋帶作為主動型陸緣，形成NW向強大擠壓應(yīng)力[45]。沉積學(xué)分析顯示，鄂爾多斯地塊西緣在中侏羅世(J2)古流向發(fā)生了轉(zhuǎn)變，指示一期強烈的陸內(nèi)變形事件[19]。這些研究表明科學(xué)山地區(qū)NW—SE向構(gòu)造縮短變形時間應(yīng)在中—晚侏羅世。這期構(gòu)造導(dǎo)致本區(qū)上侏羅統(tǒng)地層與下白堊統(tǒng)地層之間表現(xiàn)為區(qū)域性角度不整合接觸，且發(fā)育有較厚的底礫巖[15,42-43，46]?？茖W(xué)山地區(qū)北緣的賀蘭山在中—晚侏羅世經(jīng)歷了疊加變形，即NW—SE向構(gòu)造縮短變形作用疊加在了早期NW向構(gòu)造之上[21]。這些研究表明科學(xué)山地區(qū)同樣在這一時期經(jīng)歷了NW—SE向構(gòu)造擠壓變形事件[圖9(a)]。近年來，鄂爾多斯地塊北緣大青山內(nèi)部中侏羅統(tǒng)長漢溝組(J2c)生長地層的年代學(xué)數(shù)據(jù)取得了新進(jìn)展，獲得了生長地層中—下部火山灰夾層鋯石U-Pb年齡，并將這期構(gòu)造擠壓的起始時間限制于中侏羅世晚期(約170 Ma)[22-23]。這期構(gòu)造縮短變形事件的動力學(xué)一般歸結(jié)為中—晚侏羅世(約165 Ma)東亞多向匯聚體系控制[42,47-48]，可能與西伯利亞板塊向南匯聚、太平洋板塊NE向俯沖的聯(lián)合作用有關(guān)。

科學(xué)山地區(qū)識別出另一期強烈的NE—SW向構(gòu)造縮短變形事件，導(dǎo)致侏羅系地層中普遍發(fā)育褶皺構(gòu)造和逆沖斷層，主體構(gòu)造為NW—SE向褶皺構(gòu)造[圖9(b)]。這期構(gòu)造強烈改造了早期NW—SE向擠壓應(yīng)力作用相關(guān)的構(gòu)造，在區(qū)域上形成移褶型、T字型、新月型、穹-盆型疊加構(gòu)造變形，局部地區(qū)發(fā)育平臥褶皺和倒轉(zhuǎn)褶皺[圖7(b)]。這期構(gòu)造縮短變形作用也影響了研究區(qū)東緣古近系—新近系地層。施煒等研究表明鄂爾多斯地塊西緣海原斷裂帶始新世—中新世沉積為一套泛湖泊環(huán)境下的穩(wěn)定紅色碎屑物，指示這段時間地殼相對穩(wěn)定，青藏高原NE向擴展并未影響到鄂爾多斯地塊西緣海原斷裂帶[49-50]。大量研究成果顯示中新世晚期以來鄂爾多斯地塊西緣發(fā)生了強烈的構(gòu)造抬升[15,51]，低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)同樣顯示中新世晚期(8～10 Ma)鄂爾多斯地塊西緣存在一期強烈的NE—SW向構(gòu)造縮短變形事件[51-52]。從鄂爾多斯地塊西緣新生代構(gòu)造分析可見，NE—SW向構(gòu)造擠壓作用控制了干河溝組沉積，干河溝組不整合于下伏清水營組[33,53]，導(dǎo)致該組地層沉積相由下伏河湖相轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿飨郲51]，區(qū)域性的盆-山弧形構(gòu)造形成[36-37,50,54]，即卷入變形最新地層為中新世晚期—上新世干河溝組[55]，構(gòu)造變形年齡可能為5.4～16.7 Ma[51]。上新世晚期以來青藏高原物質(zhì)東向擠出背景下，鄂爾多斯地塊發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)[12]，研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)橐訬E向擠壓為主[54]。最近的鄂爾多斯地塊西緣新生界古地磁研究獲得了干河溝組年齡的時限為2.7～9.5 Ma[13]，表明這期NE—SW向構(gòu)造縮短變形時間為中新世晚期—上新世晚期。

綜上所述，鄂爾多斯地塊西緣科學(xué)山地區(qū)主要經(jīng)歷了中—晚侏羅世NW—SE向和中新世晚期—上新世晚期NE—SW向兩期構(gòu)造縮短變形事件。NW—SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場向NE—SW 向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的轉(zhuǎn)變，塑造了科學(xué)山地區(qū)疊加褶皺構(gòu)造特征，形成現(xiàn)今的地形地貌，其動力學(xué)背景應(yīng)與晚新生代以來青藏高原的隆起及其NE向物質(zhì)擴展相關(guān)[36-37]。

5 結(jié) 語

(1)鄂爾多斯地塊西緣科學(xué)山地區(qū)晚中生代以來主要經(jīng)歷兩期構(gòu)造縮短變形：早期(中—晚侏羅世)受NW—SE向擠壓作用，發(fā)生強烈的NE—SW向褶皺縮短變形；晚期(中新世晚期—上新世晚期)受NE—SW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場控制，發(fā)育一系列NW—SE向褶皺構(gòu)造，強烈改造早期NE—SW向褶皺構(gòu)造，形成區(qū)域性的疊加褶皺構(gòu)造。這表明鄂爾多斯地塊西緣是中—新生代的陸內(nèi)變形帶。

(2)科學(xué)山地區(qū)兩期構(gòu)造縮短變形的動力學(xué)背景方面，早期的構(gòu)造縮短變形可能與西伯利亞板塊向南匯聚、太平洋板塊NW向俯沖的聯(lián)合作用有關(guān)，晚期構(gòu)造縮短變形主要是青藏高原NE向強烈擴展的記錄。