南陵—宣城地區(qū)晚中生代構(gòu)造應(yīng)力場及其地質(zhì)意義

周宇章,王勇生,曹 亮,白 橋,田自強(qiáng),杜 輝

(1.安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心,安徽 合肥 230091;2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

長江中下游地區(qū)是中國主要的銅鐵金多金屬成礦帶之一,自西向東分布鄂東南、九瑞、安慶—貴池、廬樅、銅陵、寧蕪及寧鎮(zhèn)等7個礦集區(qū),包含大小銅鐵金多金屬礦床200余處。成礦帶內(nèi)礦床的形成與燕山期構(gòu)造活動、巖漿作用密切相關(guān),其中構(gòu)造作為成礦作用重要的控制因素,對區(qū)內(nèi)礦床的形成、演化與賦存都有重要的影響,構(gòu)成獨(dú)特的構(gòu)造-巖漿-成礦系統(tǒng)[1-5]。南陵—宣城地區(qū)位于長江中下游成礦帶喇叭狀開口的東南部,通過勘查工作,近年來發(fā)現(xiàn)了姚家?guī)X鋅金多金屬礦床[6]、昆山銅多金屬礦床[7]、茶亭銅金多金屬礦床[8]、蕎麥山銅硫多金屬礦[9]等金屬礦床10多處,其中茶亭、姚家?guī)X礦床均已達(dá)到大型規(guī)模以上,該區(qū)已成為長江中下游成礦帶第8個礦集區(qū)[10]。但目前區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)研究工作尚薄弱,尤其區(qū)域成礦相關(guān)構(gòu)造分析不夠。

多年來的研究表明,受太平洋板塊斜向俯沖影響,中國東部晚中生代為脈動式伸展活動,表現(xiàn)為伸展活動過程中存在多次擠壓逆沖事件[11-12]。這些過程會導(dǎo)致區(qū)域的抬升和改造,從而會影響早期礦床的保存和變化,因而查明成礦后礦集區(qū)的構(gòu)造演化過程,可為確定礦床賦存狀態(tài)及找礦勘探提供證據(jù)。

本文對南陵—宣城地區(qū)開展區(qū)域應(yīng)力場分析,探討南陵—宣城地區(qū)的構(gòu)造演化歷史,以期為區(qū)內(nèi)礦床研究和勘查工作提供信息。

1 區(qū)域地質(zhì)背景與野外特征

研究區(qū)所處長江中下游地區(qū)位于下?lián)P子坳陷南緣。揚(yáng)子板塊是我國重要的一級構(gòu)造單元,位于蘇魯造山帶以南,向西以郯廬斷裂帶與大別造山帶相

鄰,并以江紹斷裂帶為南界;區(qū)內(nèi)以常州—陽新斷裂為界,可分為下?lián)P子拗陷區(qū)和江南隆起帶2個次級構(gòu)造單元。研究區(qū)即位于下?lián)P子坳陷區(qū)內(nèi),與江南隆起毗鄰?，F(xiàn)今下?lián)P子地區(qū)主要出露褶皺變形的古生界—三疊系地層及中—新生代盆地沉積,僅在局部地區(qū)出露晉寧運(yùn)動之前形成的基底巖石[13]。

南陵—宣城地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景如圖1所示,地質(zhì)簡圖與應(yīng)力場測量位置如圖2所示。

圖1 南陵—宣城地區(qū)地質(zhì)背景簡圖

圖2 南陵—宣城地區(qū)地質(zhì)簡圖與應(yīng)力場測量位置

長江中下游地區(qū)發(fā)育強(qiáng)烈的褶皺-逆沖變形[14-16],古生界—三疊系地層均卷入變形。這些褶皺-逆沖構(gòu)造以線形緊閉褶皺、低角度逆沖構(gòu)造、疊瓦狀逆沖推覆構(gòu)造為主要特征,形成了大致以長江為中心的對沖構(gòu)造格局[17-19]。

南陵—宣城地區(qū)位于長江南岸褶皺-逆沖帶鋒帶位置,以尖棱狀、箱狀、屜狀“隔檔式”褶皺為特征[19],背、向斜之間發(fā)育大量傾向SE的疊瓦狀逆沖斷層[3]。南陵—宣城地區(qū)主要發(fā)育中—新生代南陵盆地和宣城盆地,兩者之間以九連山復(fù)背斜相隔。

南陵盆地總體走向NE,西側(cè)以清水河—何灣斷裂與銅陵隆起-繁昌盆地相鄰,其形成明顯受控于盆地西界的清水河—何灣斷裂。

作為南陵盆地與宣城盆地分界線的九連山復(fù)背斜主要出露古生界地層,以志留系—二疊系地層為主,僅在邊緣位置出露少量三疊系地層,其中褶皺核部出露的最老地層為下志留統(tǒng)高家邊組。九連山復(fù)背斜古生界—三疊系地層表現(xiàn)為強(qiáng)烈的褶皺,褶皺軸走向NE,優(yōu)勢方向50°左右。背斜的NW翼常發(fā)生地層倒轉(zhuǎn),表現(xiàn)為與SE翼產(chǎn)狀類似的緊閉褶皺。平行軸面走向方向發(fā)育一系列NE向逆斷層,斷層面主要傾向SE,優(yōu)勢傾向145°左右。

銅陵隆起、繁昌盆地與南陵—宣城地區(qū)均位于長江南岸,隸屬于長江中下游褶皺-逆沖帶南翼。由于早白堊世火山巖形成于該區(qū)域成礦巖體侵位之后,因而火山巖為應(yīng)力場測量的主要對象。中三疊統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r是受該地區(qū)褶皺-逆沖作用影響的最新地層,其中多發(fā)育傾向SE的逆沖斷層,這些逆沖斷層在后期伸展背景下再次活動形成正斷層。因而,本次應(yīng)力場測量工作主要在早白堊世火山巖與中三疊統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r中開展,部分測量位置涉及石炭系—二疊系灰?guī)r、志留系砂巖及早白堊世巖體。

南陵—宣城地區(qū)斷層面上擦痕野外照片如圖3所示。

該地區(qū)中生代火山巖主要發(fā)育于繁昌盆地和九連山復(fù)背斜地區(qū),由老到新劃分為中分村組、赤沙組和蝌蚪山組[20-21],繁昌盆地出露齊全,而九連山復(fù)背斜則主要發(fā)育中分村組火山碎屑巖。筆者通過詳細(xì)的野外觀察發(fā)現(xiàn),火山巖中主要發(fā)育正斷層,其中一期正-左行平移斷層廣泛發(fā)育于蝌蚪山組、赤沙組火山巖中(圖3a、圖3b),部分位置可見多期擦痕相互疊加,上述正-左行平移斷層形成的擦痕被晚期正-右行平移斷層所掩蓋,指示其形成時間相對較早。南陵湖組灰?guī)r則主要發(fā)育逆斷層,露頭上多表現(xiàn)為逆-右行平移斷層或逆斷層(圖3c、圖3d)。

圖3 南陵—宣城地區(qū)斷層面上擦痕野外照片

2 構(gòu)造應(yīng)力場分析

野外工作中,首先在地質(zhì)時代已確定的地層或巖層內(nèi)尋找出露很好的發(fā)育擦痕的斷層面,確定擦痕的性質(zhì),同時對斷層活動時間早晚進(jìn)行分期。若有多組擦痕發(fā)育,則必須根據(jù)多組擦痕之間的相互疊加關(guān)系進(jìn)行分期,確定它們的先后次序。根據(jù)在野外測量的大斷層斷面上的擦痕,運(yùn)用應(yīng)力場軟件,計(jì)算出形成該斷層的主應(yīng)力,通過在研究區(qū)不同位置進(jìn)行多點(diǎn)測量,獲得工作區(qū)的應(yīng)力場。應(yīng)力場軟件的工作原理是,利用斷層面上擦痕的動向矢量結(jié)果,計(jì)算出產(chǎn)生運(yùn)動的平均應(yīng)力偏差及應(yīng)力場3個主應(yīng)力軸的產(chǎn)狀。該程序最關(guān)鍵的前提條件是假定斷層面上擦痕的運(yùn)動方向與應(yīng)力切向分量矢量平行[22-23]。應(yīng)力場分析工作中要求剪應(yīng)力與實(shí)測滑動方向(擦痕)之間的誤差偏角小于20°。

本次工作在火山巖中獲得9組數(shù)據(jù),南陵湖組灰?guī)r中獲得9組,志留系砂巖、石炭系灰?guī)r、二疊系灰?guī)r及早白堊世巖體各1組,每組數(shù)據(jù)包括8條擦痕產(chǎn)狀。

區(qū)域應(yīng)力場測量結(jié)果見表1所列。

表1 南陵—宣城地區(qū)區(qū)域應(yīng)力場測量結(jié)果

方向(擦痕)之間誤差偏角的平均值;N為實(shí)測的擦痕數(shù)據(jù)條數(shù)。

分析結(jié)果顯示,剪應(yīng)力與實(shí)測滑動方向(擦痕)之間的誤差偏角的平均值(ANG)最大為10,指示數(shù)據(jù)是可靠的。通過應(yīng)力場軟件計(jì)算后得到5期應(yīng)力場,分別為Ⅰ期ENE—WSW向擠壓、Ⅱ期NNW—SSE向拉張、Ⅲ期NW—SE向擠壓、Ⅳ期最大壓應(yīng)力σ1近垂向的拉張及Ⅴ期WNW—ESE向拉張。

研究區(qū)5期應(yīng)力場等角度、下半球投影結(jié)果分別如圖4～圖6所示。

圖4 南陵—宣城地區(qū)Ⅰ、Ⅱ期應(yīng)力場等角度、下半球投影結(jié)果

圖5 南陵—宣城地區(qū)Ⅲ、Ⅳ期應(yīng)力場等角度、下半球投影結(jié)果

圖6 研究區(qū)Ⅴ期應(yīng)力場(WNW—ESE向拉張)投影

理論上,野外資料收集應(yīng)從最新地層內(nèi)的斷層動力學(xué)分析開始,即首先在新近系地層開展應(yīng)力場分析。確定新近系地層內(nèi)斷裂活動的應(yīng)力場特征之后,再在古近系地層開展應(yīng)力場分析,篩選掉新近紀(jì)應(yīng)力場,才能得到古近紀(jì)應(yīng)力場特征。以此類推,層層篩分,每個時代地層都應(yīng)該有相應(yīng)的應(yīng)力場分析數(shù)據(jù),這樣就可以得到一系列連續(xù)的、完整的斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力場。但長江中下游地區(qū)由于人類活動影響及水網(wǎng)密集分布,晚白堊世以來形成的地層固結(jié)程度明顯較差,難于開展應(yīng)力場分析工作,晚中生代適于開展工作的巖石單元僅為早白堊世火山巖。雖然僅有一套巖石開展了應(yīng)力場測量工作,但根據(jù)擦痕疊加關(guān)系、應(yīng)力場數(shù)據(jù)自身特征、區(qū)域構(gòu)造演化歷史等方面也可以很好地厘清應(yīng)力場的先后順序。

3 應(yīng)力場分期與地質(zhì)解釋

本次工作中有2個觀察點(diǎn)NX538、NX540均獲得了2組相互疊加的擦痕。其中NX538(早)擦痕獲得了σ1近垂向的拉張應(yīng)力場,NX538(晚)則獲得了NNW—SSE向拉張應(yīng)力場;NX540(早)擦痕獲得了NW—SE向擠壓應(yīng)力場,NX540(晚)則獲得了ENE—WSW向擠壓應(yīng)力場。值得注意的是,南陵—宣城地區(qū)晚中生代火山巖噴發(fā)之后存在2期特征性的構(gòu)造活動,一期活動為130～120 Ma的巖體侵位,另一期則為晚白堊世—古近紀(jì)的大規(guī)模伸展斷陷。巖體侵位過程表現(xiàn)為典型的底辟構(gòu)造,擠壓作用由深部向淺部表現(xiàn)為與地表近垂直的特征,在應(yīng)力場數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為高角度分布特征,σ1分布于大圓中心附近。本次工作中,NX121、NX538(早)、NX542、NX544、NX632、NX633共6組數(shù)據(jù)展示為σ1分布于大圓中心附近的特征,而其他數(shù)據(jù)σ1均位于大圓邊緣附近,表明這些應(yīng)力場中擠壓應(yīng)力來自深部向上的垂向擠壓作用,應(yīng)對應(yīng)于130～120 Ma的巖體侵位過程(圖5b)。

晚白堊世—古近紀(jì)下?lián)P子地區(qū)發(fā)生大規(guī)模伸展斷陷活動,銅陵隆起-繁昌盆地東側(cè)NE向展布的南陵盆地,主要發(fā)育上白堊統(tǒng)赤山組地層。中國東部一系列斷陷盆地也均近E—W向展布[12，23],明顯指示了近S—N向拉張作用。因此,獲得的數(shù)量最多的NNW—SSE向拉張應(yīng)對應(yīng)于晚白堊世伸展背景(圖4b)。由NX538點(diǎn)2組擦痕疊加關(guān)系推斷的應(yīng)力場先后順序與上述推斷完全一致,也表明該應(yīng)力場時代劃分是正確的。

繁昌盆地大規(guī)模、短時間噴發(fā)的火山巖指示區(qū)域應(yīng)力場在130 Ma左右已轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺贡尘癧20]。因此,在火山巖中獲得的應(yīng)力場應(yīng)從此構(gòu)造背景開始,最初的區(qū)域應(yīng)力場表現(xiàn)為拉張環(huán)境。但該拉張背景與巖漿侵位形成的σ1近垂向的拉張應(yīng)力場也不相同,屬于板塊邊緣活動影響下的區(qū)域伸展背景。本次工作中獲得的拉張應(yīng)力場除晚白堊世NNW—SSE向拉張和早白堊世σ1近垂向的拉張應(yīng)力場外,還存在1期NW—SE向拉張應(yīng)力場。早白堊世大量的NE走向展布的斷陷盆地以及大量的NE—SW向延伸的巖脈均指示該時期表現(xiàn)為NW—SE向拉張。因而,NW—SE向拉張應(yīng)力場應(yīng)對應(yīng)于早白堊世早期伸展背景。該應(yīng)力場僅存在于2個中三疊統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r中(圖6),而沒有火山巖記錄該期應(yīng)力場,可能指示火山巖形成于該拉張應(yīng)力場環(huán)境中。

ENE—WSW向、NW—SE向2期擠壓均獲得了4組數(shù)據(jù),指示區(qū)域范圍內(nèi)這2期擠壓事件明顯較強(qiáng)(圖4a、圖5a)。幸運(yùn)的是,NX540點(diǎn)2組擦痕獲得的應(yīng)力場分別位于這2期擠壓事件中。根據(jù)擦痕疊加關(guān)系,可以確定NW—SE向擠壓活動早于ENE—WSW向擠壓。由于這2期擠壓事件存在明顯的先后關(guān)系且擠壓方向明顯不同,顯然不是同一期構(gòu)造作用的結(jié)果,因而應(yīng)有其他構(gòu)造事件位于兩者之間。早白堊世初,下?lián)P子地區(qū)發(fā)生明顯的擠壓活動,時間為135 Ma之前的晚侏羅—早白堊世初[24],而后轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺贡尘安⒁恢背掷m(xù)至早白堊世末。因此,根據(jù)前面分析得出的3期次拉伸應(yīng)力場分析,早白堊世σ1近垂向的拉張應(yīng)力場及更早的NW—SE向拉張應(yīng)力場均不可能位于上述兩期擠壓背景之間,因此在兩期擠壓應(yīng)力之間應(yīng)該是NWN—SES向擠壓應(yīng)力場。

早白堊世末—晚白堊世初,由于太平洋板塊俯沖方向的改變,導(dǎo)致在整個中國東部發(fā)生一期擠壓事件,被稱為“燕山運(yùn)動C幕”[25]。華南板塊內(nèi)晚中生代盆地中存在明顯的下白堊統(tǒng)與上白堊統(tǒng)地層之間的不整合[23],明顯指示了該事件在華南板塊的存在。而古近系末,太平洋板塊轉(zhuǎn)變?yōu)榈徒嵌雀_,加上印度板塊碰撞形成的遠(yuǎn)程擠壓應(yīng)力場,整個中國東部表現(xiàn)為擠壓背景。因此,ENE—WSW向、NW—SE向2期擠壓應(yīng)分別對應(yīng)于古近系末和晚白堊世初2期擠壓事件。

綜合應(yīng)力場分析結(jié)果，可以得到南陵-宣城地區(qū)構(gòu)造演化過程:早白堊世初由于太平洋板塊俯沖方向的改變,中國東部區(qū)域應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)镹W—SE向伸展背景,導(dǎo)致了大規(guī)模地殼熔融和花崗巖類侵位及大規(guī)模、短時間火山巖噴發(fā),巖漿向上侵位產(chǎn)生的底辟作用又加強(qiáng)了區(qū)域的伸展背景;早白堊世末—晚白堊世初,NW—SE向區(qū)域擠壓事件導(dǎo)致上、下白堊統(tǒng)之間表現(xiàn)為不整合接觸;晚白堊世—古近紀(jì),NNW—SSE向拉張應(yīng)力作用下,斷陷盆地再次大規(guī)模發(fā)育;古近紀(jì)末,在太平洋板塊向西俯沖及印度板塊碰撞形成的向東的遠(yuǎn)程擠壓應(yīng)力作用下,南陵—宣城地區(qū)表現(xiàn)為ENE—WSW向擠壓,沉積盆地消亡。

4 結(jié) 論

(1) 通過野外測量及應(yīng)力場軟件計(jì)算獲得5期應(yīng)力場,由新到老分別為古近紀(jì)末ENE—WSW向擠壓、晚白堊世NNW—SSE向拉張、晚白堊世初NW—SE向擠壓、早白堊世中期最大壓應(yīng)力σ1近垂向的拉張以及早白堊世早期WNW—ESE向拉張。

(2) 本次工作識別出早白堊世包括2期不同動力學(xué)機(jī)制形成的區(qū)域拉張應(yīng)力場,其中早白堊世早期WNW—ESE向拉張導(dǎo)致深部巖漿侵位及大規(guī)模地殼熔融,早白堊世中期σ1近垂向的拉張則是巖漿上涌底辟作用的結(jié)果。

本文研究成果對區(qū)域構(gòu)造-巖漿體系及礦床構(gòu)造的深入研究均具有積極指導(dǎo)意義。