太行山中北段神仙山逆沖推覆構(gòu)造發(fā)展與演化

何嬌月， 王金貴， 申宗義， 郭彬， 陳圓圓， 季虹， 張立國， 張鵬程

(河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院，廊坊 065000)

0 引言

神仙山逆沖推覆構(gòu)造位于太行山中北段，區(qū)域上與山西靈丘南太白維山逆沖推覆構(gòu)造為同期同一構(gòu)造系統(tǒng)[1]，位于燕山造山帶和太行山造山帶交匯部位。強(qiáng)烈的逆沖推覆和伸展構(gòu)造變形為巖漿活動提供了動力學(xué)基礎(chǔ)和運(yùn)移通道[2]。前人對靈丘南太白維山的構(gòu)造地質(zhì)特征進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道[3-8]，對南東側(cè)神仙山的研究多集中于中生代火山巖地球化學(xué)特征分析[9-14]及多金屬礦區(qū)礦床成因[15-20]，有關(guān)逆沖推覆構(gòu)造變形特征及發(fā)展演化的研究較少，僅少部分學(xué)者對太行山中北段的構(gòu)造形跡、造山機(jī)制和隆起時(shí)限進(jìn)行了報(bào)道[6,21]。本文從構(gòu)造變形幾何學(xué)及運(yùn)動學(xué)入手，在野外第一手調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，對神仙山逆沖推覆構(gòu)造的展布特征、產(chǎn)出形態(tài)及變形機(jī)制進(jìn)行了研究，并結(jié)合區(qū)域太白維山逆沖推覆構(gòu)造特征，對神仙山逆沖推覆構(gòu)造的運(yùn)動學(xué)特征及構(gòu)造發(fā)展與演化進(jìn)行了探討，為區(qū)域構(gòu)造對比和礦產(chǎn)成因分析提供了構(gòu)造地質(zhì)資料。

1 地質(zhì)概況

太行山中北段神仙山逆沖推覆構(gòu)造分布于阜平縣與淶源縣交界處的古道—神仙山一帶(圖1(a)，(b))，位于上黃旗—靈山區(qū)域斷裂北西側(cè)，發(fā)育于炭灰鋪(或神仙山)火山-沉積盆地(構(gòu)造盆地)內(nèi)，出露中元古代高于莊組、霧迷山組、角礫巖層，寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組、冶里組、亮甲山組、馬家溝組，晚石炭世本溪組和中—晚侏羅世髫髻山組等地質(zhì)體，是太行山中北段燕山中、晚期重要的構(gòu)造類型之一。該逆沖推覆構(gòu)造由一系列飛來峰及逆沖斷裂組成，與鄰區(qū)山西靈丘南太白維山的逆沖推覆構(gòu)造為同期同一構(gòu)造系統(tǒng)，兩者相距23.3 km(圖1(c))。飛來峰在研究區(qū)北部、中部及南部均有分布，北部分布較多。綜合分析區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，發(fā)現(xiàn)整個(gè)炭灰鋪(或神仙山)構(gòu)造盆地可能為一個(gè)級別更高、規(guī)模更大的復(fù)合飛來峰，覆于早前寒武紀(jì)變質(zhì)基底之上(圖1(d))，整體具有規(guī)模較大、運(yùn)移距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)。

圖1 山西靈丘南太白維山大地構(gòu)造位置(a、b)及其逆沖推覆構(gòu)造(c)和神仙山逆沖推覆構(gòu)造(d)[8，22]

Fig.1TectoniclocationofTaibaiweiMountainsinsouthernLingqiuofShanxiProvince(a,b)withitsoverthrus appestructure(c)andtheoverthrustnappestructureofShenxianMountains(d)[8，22]

2 基本特征

神仙山逆沖推覆構(gòu)造由飛來峰、逆沖推覆斷裂、外來巖系(推覆體)及原地巖系組成，被后期正斷層破壞。整個(gè)炭灰鋪(或神仙山)構(gòu)造盆地被后期不規(guī)則環(huán)形或弧形正斷層圍限，根據(jù)正斷層及其附近殘存的傾角較小的擠壓型構(gòu)造巖的特征，結(jié)合鄰區(qū)太白維山逆沖推覆構(gòu)造整體被逆沖推覆斷裂圍限的事實(shí)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)不規(guī)則環(huán)形或弧形正斷層是繼承早期逆沖推覆斷裂形成的。

2.1 飛來峰

研究區(qū)發(fā)育大小不等的飛來峰9個(gè)，長軸0.21～1.6 km，短軸0.14～1.1 km，分布面積0.03～1.8 km2。分布不均勻，北部5個(gè)，中部1個(gè)，南部3個(gè)。飛來峰呈不規(guī)則封閉狀，斷面以圍斜內(nèi)傾狀為主，少數(shù)呈圍斜外傾狀，傾角15°～45°。單個(gè)飛來峰由中元古代中期高于莊組與霧迷山組—早奧陶世馬家溝組和中—晚侏羅世髫髻山組組成，多數(shù)覆于相對較新的地質(zhì)體之上，少數(shù)覆于相對較老的地質(zhì)體之上。研究區(qū)飛來峰多數(shù)為主推覆體經(jīng)后期抬升剝蝕改造而形成的孤立狀殘留體，少數(shù)為脫離了根帶的小型推覆體。

2.2 逆沖推覆斷裂

研究區(qū)有7條逆沖推覆斷裂，發(fā)育于軟弱巖層內(nèi)和沉積間斷面上，呈NNE-NE-NEE向弧形展布，具向南東凸出的蛇曲狀特征和分支復(fù)合現(xiàn)象(圖1(d))，相距0.5～3 km。斷面呈NWW-NW-NNW向傾斜，傾角為10°～35°，北側(cè)局部呈近水平狀產(chǎn)出，中南側(cè)局部傾角達(dá)70°，整體具有北緩南陡的特征。斷裂長3～12 km，單個(gè)斷裂寬2～5 m。斷裂帶內(nèi)以擠壓脆性變形為主，發(fā)育碎裂巖和碎粉巖等。剖面上呈疊瓦狀或羽狀排列，組成單沖型逆沖斷裂系或單沖型疊瓦扇，具有向下變緩和交匯的特征(圖2)。切割與被覆蓋的關(guān)系分析顯示： 南部炭灰鋪南—神仙山南逆沖推覆斷裂(Fn1)形成于印支期，切割了晚石炭世及之前的地層，被中晚侏羅世髫髻山組覆蓋，活動于近SN向擠壓構(gòu)造環(huán)境； 中、北部6條逆沖推覆斷裂(Fn2)形成于燕山中、晚期或燕山晚期較早階段，切割了晚侏羅世及之前的地質(zhì)體，之后被后期正斷層切割，活動于NW-SE向強(qiáng)烈擠壓構(gòu)造環(huán)境[23-26]。

1.中—晚侏羅世髫髻山組； 2.晚石炭世本溪組； 3.早奧陶世馬家溝組； 4.早奧陶世亮甲山組； 5.早奧陶世冶里組； 6.寒武紀(jì)饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組； 7.中元古代晚期角礫巖層； 8.中元古代中期高于莊組、霧迷山組； 9.角度不整合界線/平行不整合界線； 10.逆斷層/正斷層； 11.整合界線/后期正斷層; 12.印支期逆沖推覆斷裂/燕山中、晚期逆沖推覆斷裂

圖2 陳士庵—炭灰鋪一帶神仙山逆沖推覆構(gòu)造剖面示意圖

Fig.2OverthrustnappestructureprofileofShenxianMountainsinChenshian—Tanhuipuarea

由陳士庵—炭灰鋪一帶神仙山逆沖推覆構(gòu)造剖面示意圖(圖2)可知，炭灰鋪(或神仙山)構(gòu)造盆地邊緣被后期正斷層改造，形成不規(guī)則環(huán)形或弧形逆沖推覆斷裂，在構(gòu)造盆地底部連為一體，整體具有槽狀和不規(guī)則鍋底狀斷裂特征，是神仙山及太白維山逆沖推覆構(gòu)造的主逆沖推覆斷裂?，F(xiàn)有的7條逆沖推覆斷裂為其次級分支斷裂，在構(gòu)造盆地底部交匯于主逆沖推覆斷裂之上。

各逆沖推覆斷裂帶內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造巖以碎裂巖和碎粉巖為主(圖3)，局部可見構(gòu)造角礫巖和糜棱巖化巖石，構(gòu)造巖多平行化，與斷面產(chǎn)狀一致，部分構(gòu)造巖發(fā)育定向指向構(gòu)造，指示運(yùn)動方式與上、下盤巖石一致。

圖3 燕山中、晚期逆沖推覆斷裂帶剖面示意圖

近逆沖推覆斷裂帶上盤巖石以碎裂巖化灰?guī)r和碎裂巖化白云巖為主，多發(fā)育牽引褶皺(圖4(a))，指示在剖面上逆沖推覆斷裂初期由NNW向SSE、主期由NW向SE作逆沖推覆運(yùn)動； 近逆沖推覆斷裂帶下盤巖石以糜棱巖化白云巖和糜棱巖化粗安巖為主，多發(fā)育定向指向構(gòu)造及石香腸構(gòu)造(圖4(b))，指示擠壓剪切構(gòu)造背景，剖面上指示的運(yùn)動方向與上盤巖石一致。野外露頭可見糜棱巖化粗安巖中包裹的外來花崗閃長巖和灰?guī)r巖塊，多發(fā)育逆沖斷層形成的牽引褶皺及剪節(jié)理(圖4(c))。在顯微鏡下，糜棱巖化粗安巖中的鉀長石殘斑同樣發(fā)育定向構(gòu)造(圖4(d))，指示在剖面上逆沖推覆斷裂主期由NW向SE做逆沖推覆運(yùn)動。

(a) 斷裂帶上盤巖石牽引褶皺(鏡頭方向NNE)(b) 斷裂帶下盤巖石內(nèi)石香腸構(gòu)造(鏡頭方向NE)

(c) 逆沖斷層內(nèi)牽引褶皺及剪節(jié)理(鏡頭方向NE)(d) 顯微鏡下糜棱帶內(nèi)鉀長石殘斑定向構(gòu)造

圖4 神仙山逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)構(gòu)造特征

Fig.4TectoniccharacteristicsoftheoverthrustnappestructurebeltinShenxianMountains

2.3 外來巖系(推覆體)及原地巖系

外來巖系即推覆體，與原地巖系相對應(yīng)。神仙山逆沖推覆構(gòu)造主逆沖推覆斷裂之上(上盤)為外來巖系，由中元古代中期高于莊組至中—晚侏羅世髫髻山組及晚侏羅世花崗斑巖組成，在太白維山一帶還發(fā)育太古宙變質(zhì)巖系，平面上整體呈向南東凸出的不規(guī)則長橢圓狀，剖面上呈餅狀復(fù)合飛來峰產(chǎn)出； 主逆沖推覆斷裂之下(下盤)為原地巖系，在神仙山一帶由太古宙—古元古代變質(zhì)基底組成，在太白維山一帶發(fā)育中元古代中期高于莊組—晚石炭世本溪組。

由各次級逆沖推覆斷裂及主逆沖推覆斷裂分割的次級逆沖推覆體，平面上多呈向南東凸出的不規(guī)則月牙狀和不規(guī)則弧帶狀，剖面上呈NW向傾斜的疊瓦狀楔形巖片，構(gòu)成各逆沖推覆斷裂的相對上盤與下盤。上盤底部為相對較老的地層，下盤頂部為相對較新的地層，構(gòu)成區(qū)內(nèi)新、老地層多次重復(fù)疊置的格局。研究區(qū)北部的次級逆沖推覆體比南部的次級逆沖推覆體變形更強(qiáng)，斷面處巖石有較明顯的碎裂巖化現(xiàn)象。上盤下部與下盤上部多發(fā)育小型牽引褶皺，上盤下部以不對稱背斜為主，下盤上部以向斜為主，指示與逆沖推覆斷裂為同期同一構(gòu)造應(yīng)力場形成的特點(diǎn)。

3 運(yùn)動學(xué)特征

3.1 逆沖推覆方向

不同露頭尺度運(yùn)動學(xué)特征表明，神仙山逆沖推覆構(gòu)造總體推覆方向?yàn)橛蒒W向SE。平面上，各次級逆沖推覆體多呈向南東凸出的不規(guī)則月牙狀和不規(guī)則弧帶狀，各逆沖推覆斷裂多呈向南東凸出的蛇曲狀弧形產(chǎn)出，具有“弓箭式”組合特點(diǎn)[27]； 剖面上，各次級逆沖推覆體呈NW向傾斜的疊瓦狀楔形，各逆沖推覆斷裂呈疊瓦狀或羽狀產(chǎn)出，具有“單沖型疊瓦扇式”組合特點(diǎn)。獨(dú)特的構(gòu)造組合樣式顯示該逆沖推覆構(gòu)造的矢量方位為SE向，各逆沖推覆體由NW向SE運(yùn)移擴(kuò)展，具有前展式的逆沖擴(kuò)展方式[28]。

3.2 逆沖推覆距離

根據(jù)該逆沖推覆構(gòu)造的產(chǎn)狀與組合樣式、相關(guān)地層的發(fā)育厚度與產(chǎn)狀特征及各逆沖推覆斷裂與所切割地層之間的幾何關(guān)系，推算上盤推覆體相對下盤推覆體的位移距離下限為3.9～10.9 km，之后結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征及太白維山逆沖推覆體與神仙山逆沖推覆體的相對距離，推測其總推覆距離大于20 km，平均距離為23.3 km左右。

4 構(gòu)造發(fā)展與演化

由前述逆沖推覆斷裂切割的地質(zhì)體與被覆蓋、被改造的先后關(guān)系可知，神仙山逆沖推覆構(gòu)造經(jīng)歷了初始活動、主期形成與后期改造3個(gè)階段[29]。

4.1 初始活動階段

神仙山逆沖推覆構(gòu)造最初活動時(shí)期為印支期或華力西中、晚期—燕山早期，僅有南部1條逆沖推覆斷裂(Fn1)形成。通過分析帶內(nèi)構(gòu)造巖與上、下盤巖石中發(fā)育的牽引褶皺、擦痕階步等定向指向構(gòu)造可知，該時(shí)期神仙山逆沖推覆構(gòu)造活動于NNW-SSE向擠壓構(gòu)造環(huán)境，與同時(shí)期區(qū)域構(gòu)造演化一致[29]。

4.2 主期形成階段

燕山中、晚期或燕山晚期較早階段是區(qū)域燕山期板內(nèi)造山最強(qiáng)烈的階段，也是神仙山和太白維山逆沖推覆構(gòu)造的主期形成階段(圖5(a))。主逆沖推覆斷裂與各次級逆沖推覆斷裂在該階段活動強(qiáng)烈，根據(jù)帶內(nèi)構(gòu)造巖σ旋斑及上、下盤巖石中發(fā)育的牽引褶皺和剪切節(jié)理等定向指向構(gòu)造，該時(shí)期神仙山與太白維山逆沖推覆構(gòu)造活動于NW-SE向板內(nèi)造山強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造環(huán)境，與同時(shí)期區(qū)域構(gòu)造演化一致[29]。主推覆體與各次級推覆體、各飛來峰在主逆沖推覆斷裂面上由NW向SE不斷推覆、運(yùn)移、擴(kuò)展，該階段末在神仙山一帶最終形成并定位。通過區(qū)域?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)神仙山逆沖推覆構(gòu)造外來巖系來自其NW向太白維山一帶，而太白維山一帶逆沖推覆體來自其NW向王城莊一帶，運(yùn)移距離>20 km。

(a) 印支期—燕山晚期逆沖推覆構(gòu)造剖面示意圖

(b) 喜馬拉雅期至今逆沖推覆構(gòu)造剖面示意圖

1.第四系； 2.晚侏羅世土城子組； 3.中—晚侏羅世髫髻山組； 4.晚石炭世本溪組； 5.早奧陶世冶里組、亮甲山組、馬家溝組； 6.寒武紀(jì)—早奧陶世昌平組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組、冶里組； 7.寒武紀(jì)饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組； 8.中元古代中期—寒武紀(jì)霧迷山組、角礫巖層、饅頭組、張夏組、崮山組； 9.中元古代中—晚期霧迷山組、角礫巖層； 10.中元古代中期高于莊組、霧迷山組； 11.太古宙—古元古代變質(zhì)基底； 12.太古宙變質(zhì)基底； 13.印支期逆沖推覆斷裂； 14.燕山中、晚期逆沖推覆斷裂； 15.后期正斷層； 16.整合界線； 17.平行不整合界線； 18.角度不整合界線； 19.正斷層； 20.逆斷層

圖5 太白維山—神仙山逆沖推覆構(gòu)造剖面示意圖

Fig.5OverthrustnappestructureprofileofTaibaiweiMountains—ShenxianMountains

4.3 后期改造階段

晚白堊世—古新世早期，該逆沖推覆構(gòu)造整體處于隆起狀態(tài)，主要遭受風(fēng)化剝蝕與夷平改造。

古新世晚期—中新世，神仙山逆沖推覆構(gòu)造經(jīng)歷了新生和繼承性正斷層(Fz)的切割改造，尤其繼承主逆沖推覆斷裂形成的不規(guī)則環(huán)形、弧形、圍斜內(nèi)傾狀高角度正斷層的改造，整體下降2 km以上(圖5(b))。該逆沖推覆構(gòu)造主期形成時(shí)，神仙山比太白維山高2 km以上。研究區(qū)后期改造強(qiáng)烈，而太白維山一帶后期改造較弱，目前神仙山比太白維山低425 m。該時(shí)期的構(gòu)造演化形成于拉張構(gòu)造環(huán)境，與區(qū)域構(gòu)造演化一致[29]。

上新世—全新世，神仙山逆沖推覆構(gòu)造經(jīng)風(fēng)化剝蝕與夷平改造后，最終形成目前的構(gòu)造形態(tài)。

5 結(jié)論

(1)神仙山逆沖推覆構(gòu)造由飛來峰、逆沖推覆斷裂、外來巖系(推覆體)及原地巖系組成，被后期不規(guī)則環(huán)形或弧形正斷層破壞，總體推覆方向?yàn)橛蒒W向SE，總推覆平均距離為23.3 km左右。

(2)神仙山逆沖推覆構(gòu)造經(jīng)歷了華力西中、晚期—燕山早期的初始活動，燕山中、晚期的主期發(fā)展和喜馬拉雅期的后期改造3個(gè)階段： 華力西中、晚期—燕山早期，神仙山逆沖推覆構(gòu)造活動于近SN向擠壓構(gòu)造環(huán)境，逆沖推覆斷裂形成； 燕山中、晚期，神仙山主逆沖推覆斷裂與各次級逆沖推覆斷裂在該階段強(qiáng)烈發(fā)展，并最終定位； 喜馬拉雅期，神仙山逆沖推覆構(gòu)造整體處于隆起狀態(tài)，主要遭受風(fēng)化剝蝕與夷平改造。