江南斷裂帶印支期以來構(gòu)造演化及晚新生代活動特征——來自磁組構(gòu)的記錄

王 朝, 李 陽, 儲東如, 汪雅菲, 王 松, 吳雪峰

江南斷裂帶印支期以來構(gòu)造演化及晚新生代活動特征——來自磁組構(gòu)的記錄

王 朝1, 李 陽2, 儲東如1, 汪雅菲1, 王 松3, 吳雪峰4

(1. 安徽省地質(zhì)調(diào)查院, 安徽 合肥 230000; 2. 大陸動力學國家重點實驗室, 西北大學 地質(zhì)學系, 陜西 西安 710069; 3. 合肥工業(yè)大學, 安徽 合肥 230000; 4. 安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心, 安徽 合肥 230000)

作為研究區(qū)域斷裂構(gòu)造的新興手段, 磁組構(gòu)在應(yīng)變指示計較少的弱應(yīng)變地區(qū)應(yīng)用廣泛。本文在詳細調(diào)查江南斷裂帶(涇縣段)露頭構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上, 對該斷裂帶的巖石磁組構(gòu)特征開展了系統(tǒng)研究, 發(fā)現(xiàn)樣品中磁化率橢球體最大軸max為259°∠8°和102°∠12°、最小軸min為358°∠48°和193°∠5°, 反映江南斷裂帶主要受近南北向擠壓應(yīng)力作用, 指示其活動以近南北向逆沖擠壓為主, 兼具弱左行剪切運動。依據(jù)斷裂活動性質(zhì)并結(jié)合前人研究成果, 我們認為巖石磁組構(gòu)指示的是江南斷裂帶晚新生代的活動特征, 時限可能為中新世?早更新世。構(gòu)造巖磁組構(gòu)特征為江南斷裂帶新生代構(gòu)造活動研究提供了微觀依據(jù)。

江南斷裂帶; 磁組構(gòu)特征; 構(gòu)造演化; 印支期; 皖南地區(qū)

0 引 言

巖石磁組構(gòu)是近年來應(yīng)用于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力研究的新手段。在多數(shù)情況下, 磁化率橢球可以用來代替應(yīng)變橢球, 其形態(tài)參數(shù)和空間定向參數(shù)可用來定量分析構(gòu)造變形的性質(zhì)和應(yīng)力作用的方式等。隨著理論依據(jù)及方法體系的日趨完善, 巖石磁組構(gòu)已在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力及動力學演化研究中發(fā)揮重要作用, 特別是在應(yīng)變指示計較少的地區(qū)及新構(gòu)造運動研究中得到廣泛應(yīng)用(Hrouda, 1982; Tarling and Hrouda, 1993; Kodama, 1995; Borradaile and Henry, 1997; 潘永信和朱日祥, 1998; Parés and Pluijm, 2002; Cifelli et al., 2004; 魯如魁等, 2008; 梁文天等, 2009, 2015; 李陽等, 2017; Li et al., 2017, 2018)。

江南斷裂帶是一條橫貫中國東南部的NE向大斷裂。前人的研究主要集中在斷裂的性質(zhì)(翟文建等, 2009)、形成的溫壓條件(周雁, 1999; 謝建磊等, 2006)、活動時代及期次(楊志堅, 1981, 1987, 1988; 劉國生, 1997; 楊紹祥, 1998; 周雁, 1998)等方面, 而對其新生代特別是新近紀以來的研究相對較少, 且存在較大爭議: 如楊志堅(1988)認為江南斷裂帶在中新生代以張性活動為主; 而劉國生(1997)認為斷裂在新第三紀以來表現(xiàn)逆沖走滑; 周雁(1998)也認為喜山期表現(xiàn)為壓扭性特征; 但翟文建等(2009)最近研究表明江南斷裂帶晚期活動表現(xiàn)為伸展性質(zhì)。上述爭議一方面受制于野外構(gòu)造現(xiàn)象不明顯, 斷裂活動晚期證據(jù)難以直接觀察, 進而導(dǎo)致其規(guī)律及力學性質(zhì)較難判斷, 這一問題直接限制了對江南斷裂帶的系統(tǒng)性認識。

本文通過詳細的野外調(diào)查, 在系統(tǒng)分析江南斷裂帶印支期以來活動規(guī)律的基礎(chǔ)上, 利用巖石磁組構(gòu)分析方法, 對江南斷裂帶晚期構(gòu)造活動的運動學性質(zhì)和應(yīng)力場特征進行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

江南斷裂帶西起廣西百色、東至江蘇溧陽, 呈NE向展布于中國東部。在安徽境內(nèi), 該斷裂自東向西經(jīng)宣城、涇縣, 石臺縣七都、東至縣葛公鎮(zhèn)后, 與江西古沛(修水)?德安深斷裂相接, 長約265 km。斷裂帶產(chǎn)狀波狀變化, 其中東、西兩段傾向SE, 中部七都一帶傾向NW, 傾角60°～70°, 斷裂帶寬度近20 km。

作為一條對區(qū)域構(gòu)造格架有重要控制作用的斷裂, 從晚震旦世早期至早奧陶世, 控制著兩側(cè)巖相的變化。中三疊世?晚侏羅世, 受揚子與華北板塊陸陸碰撞的影響, 江南斷裂帶沿橫船渡?涇縣一帶呈一系列自南東向北西的疊瓦狀逆沖推覆構(gòu)造。早白堊世中晚期江南斷裂帶轉(zhuǎn)變?yōu)楦呓嵌日龜鄬? 并成為了控制章(陽)廣(渡)、宣(城)南(陵)盆地的邊界斷裂。此后早白堊世末期, 江南斷裂帶沿早期斷面發(fā)育高角度走滑活動。晚白堊世?古近紀, 伴隨著近南北向區(qū)域伸展作用, 江南斷裂帶表現(xiàn)為兼右行走滑的正斷拉張活動(即轉(zhuǎn)換拉張構(gòu)造特征), 并進一步控制宣南盆地晚白堊世以來紅盆的形成。

研究區(qū)地處揚子陸塊東部。沉積地層以志留紀碎屑巖, 泥盆紀?三疊紀碎屑巖、碳酸鹽巖, 以及中新生代的礫砂巖組合為代表。構(gòu)造形跡主要為印支?燕山期活動產(chǎn)物, 褶皺構(gòu)造為太平復(fù)式向斜、七都復(fù)背斜; 按斷裂形成時代分為早期近EW向、NE向斷裂, 中期NNE向、NW向斷裂, 晚期近SN向斷裂。巖漿巖主要為早白堊世早期巖漿作用產(chǎn)物, 時代集中于138～125 Ma, 巖性以花崗閃長巖和二長花崗巖為主。

2 江南斷裂帶基本特征

本次野外調(diào)查主要集中于江南斷裂帶涇縣段。研究發(fā)現(xiàn)該段大致沿太平湖北岸經(jīng)孤峰?水東向斜呈NE向延伸至陶窯村附近, 向東湮沒于宣(城)?南(陵)盆地之下, 表現(xiàn)為數(shù)公里寬的強、弱構(gòu)造變形帶, 斷裂活動性質(zhì)具多樣性, 包括印支期逆沖、燕山早期拉張、燕山晚期右行走滑拉張及喜山期逆沖擠壓。

沿太平湖北岸至涇縣青弋江一線可觀察到一系列呈疊瓦狀特征的逆沖斷層, 斷面總體傾向SE, 部分傾向NW。斷面傾向SE區(qū)段的斷層呈鏟式上陡下緩, 傾角25°～50°。斷面傾向NW的斷層則呈低角度弧狀, 傾角一般<20°, 且多發(fā)育于前中期斷裂活動形成的構(gòu)造破碎帶中, 局部可見后者切割前者的交切關(guān)系, 指示兩期變形。受早期逆沖斷裂影響, 地表常見早古生代地層逆沖于晚古生代地層之上: 如太平湖北岸志留系逆沖于泥盆系之上; 孤峰?水東向斜泥盆系逆沖于石炭系、二疊系之上, 導(dǎo)致地層的缺失, 褶皺形態(tài)不完整, 旁側(cè)次級斷面保留有同期斷層活動的擦痕。此外, 青弋江(涇縣段)北岸亦可觀察到一系列NE向展布的斷面山、斷層崖等, 志留系內(nèi)弱能干層保留有寬數(shù)百米的密集劈理帶, 強能干層表現(xiàn)為疊瓦狀的壓性透鏡體。

張性正斷裂主要集中在斷裂帶中部, 表現(xiàn)為一系列寬數(shù)米至數(shù)十米的高角度正斷層, 斷面傾向NW或SE, 傾角一般>55°。斷層帶發(fā)育棱角狀?次棱角狀張性角礫, 其旁側(cè)牽引褶皺及標志層錯動方向指示了斷層活動性質(zhì)為正斷拉張。

高角度左行走滑斷裂規(guī)模相對較小, 且受制于露頭尺度, 僅沿青弋江北岸及蕪湖珩瑯山一帶局部可見, 零星保留有切割較早期正斷層證據(jù)。

針對江南斷裂帶多期次的活動特點, 本次工作重點對蕪湖珩瑯山剖面、黃山河西?滄溪村剖面及涇縣陶窯村?蔡村剖面進行了詳細觀察。

2.1 珩瑯山剖面

珩瑯山剖面(圖1c)橫跨江南斷裂帶(涇縣段)北側(cè), 斷裂帶表現(xiàn)為志留系墳頭組內(nèi)部寬數(shù)百米的破碎帶, 發(fā)育斷層巖、牽引褶皺、旋轉(zhuǎn)透鏡體、書斜構(gòu)造, 同時NE向次級張性破碎帶內(nèi)侵入有早白堊世花崗斑巖(140.9±1.1 Ma), 指示江南斷裂帶具多期次、多方向活動特點, 具體表現(xiàn)出至少四期構(gòu)造活動: ①早期活動表現(xiàn)為斷面傾向SE的逆沖斷層(圖2a), 帶寬約2～3 m, 傾角上陡下緩(總體30°～40°), 斷層帶內(nèi)發(fā)育有斷層泥及次棱角?次圓狀的壓性角礫, 次級斷面可見逆沖擦痕; ②中前期張性正斷層切割并破壞早期逆沖斷層(圖2b), 形成寬數(shù)十米的張性破碎帶, 帶內(nèi)可見次棱角狀的張性角礫, 斷裂下盤伴有牽引褶皺, 可指示其運動學方向; ③中期左行走滑斷裂發(fā)育于剖面的中北部, 斷面傾角陡立(圖2c), 該期斷裂活動切割并破壞了侵入張性破碎帶內(nèi)的早白堊世花崗斑巖(圖2d), 說明其活動時間晚于較早期的張性正斷層; ④中晚期具右行走滑性質(zhì)的正斷擦痕切割中期左行走滑的擦痕; ⑤晚期擠壓逆沖斷層發(fā)育中期張性初碎裂帶內(nèi), 規(guī)模相對較小, 呈低角度逆沖斷裂式樣, 斷面傾向以北西居多, 傾角一般在10°～25°, 斷裂上盤發(fā)育有初“布丁”構(gòu)造、“書斜”構(gòu)造等(圖2e), 斷層上盤初碎裂巖帶伴有指示逆沖性質(zhì)的牽引褶皺(圖2f)。

2.2 河西?滄溪村剖面

河西?滄溪村剖面(圖1c)橫跨江南斷裂帶(太平湖段), 斷裂帶寬2～3 km。斷層主要卷入了古生代地層, 斷裂性質(zhì)有逆沖擠壓和正斷拉張兩類, 切割并破壞了印支期的褶皺構(gòu)造。其中壓性斷裂主要發(fā)育在剖面中南部, 集中于能干性差異較大的地層之間(圖3a), 形成一系列疊瓦狀逆沖斷層, 導(dǎo)致了地層的缺失以及產(chǎn)狀的紊亂。該類斷裂帶寬約數(shù)米, 巖石脆性破碎, 發(fā)育了次棱角至次圓狀角礫, 局部可見壓性透鏡體及斷層泥。斷面傾向以SE居多、NW較少。SE向斷面上陡下緩, 傾角一般在20°～50°, 上盤伴隨有緊閉的牽引褶皺(圖3b); NW向斷面規(guī)模較小, 傾角較緩, 一般在20°～30°(圖3c)。張性破碎帶發(fā)育于剖面中北部, 常見于志留系?二疊系中, 以碎裂巖及初碎裂巖為主。碎裂巖主要沿高角度正斷層內(nèi)(圖3d)及旁側(cè)數(shù)米內(nèi)分布, 呈棱角?次棱角狀(圖3e), 初碎裂巖多遠離構(gòu)造帶, 巖石裂而不碎, 保留有原始層理(圖3f), 并逐漸過渡至正常地層。

圖1 江南斷裂帶大地構(gòu)造圖(a、b)及鄰區(qū)地質(zhì)簡圖(c)

1. 粉砂質(zhì)泥巖; 2. 細砂巖; 3. 泥巖; 4. 礫巖; 5. 花崗斑巖; 6. 初碎裂巖; 7. 角礫巖; 8. 逆斷層; 9. 正斷層; 10. 左行平移斷層; 11. 上白堊世統(tǒng)赤山組; 12. 下志留世統(tǒng)墳頭組。(a) 早期鏟式逆沖斷層; (b) 中期正斷拉張; (c) 中晚期左行走滑; (d) 早白堊世花崗斑巖左行走滑擦痕; (e) 晚期初“布丁”構(gòu)造和“書斜”構(gòu)造; (f) 晚期低角度逆沖斷層。

2.3 陶窯村?蔡村剖面

陶窯村?蔡村剖面(圖1c)橫跨江南斷裂帶(陶窯村段), 主要構(gòu)造變形帶位于陶窯村?蔡村一帶, 形成寬約1.2 km的構(gòu)造破碎帶。野外構(gòu)造觀察表明, 該斷裂帶經(jīng)歷了多期活動疊加, 晚期斷裂切割并破壞了先期斷裂(圖4a), 進而形成斷面傾向北西或南東的斷裂系統(tǒng)。其內(nèi)部構(gòu)造變形呈強、弱變形域交替分布, 強變形域集中于剖面北西段, 發(fā)育有一系列逆沖斷裂樣式(圖4b), 伴生有斷層泥、壓性透鏡體、碎裂角礫(圖4c)等構(gòu)造。同時沿次級斷面發(fā)育有擦痕(圖4d)、階步等構(gòu)造要素, 斷層的力學性質(zhì)分逆沖擠壓和正斷拉張兩類, 前者主要集中于褶皺兩翼, 而后者則出現(xiàn)于向斜核部(圖4e)。再者, 弱變形域主要集中于斷裂帶兩側(cè), 帶內(nèi)構(gòu)造巖以初碎裂巖為主, 伴生有雁列式節(jié)理以及牽引褶皺(圖4f)等。

依據(jù)同一斷面多期活動擦痕及旁側(cè)次級斷裂的交切關(guān)系, 可推斷江南斷裂帶在該剖面處至少具三期活動: 早期為斷面傾向北西的疊瓦扇式的逆沖斷裂; 中期高角度正斷拉張, 并破壞早期逆沖斷層; 晚期逆沖擠壓切割, 破壞早期斷裂。

綜合上述三條剖面內(nèi)斷層活動期次及構(gòu)造特征, 可知江南斷裂帶自印支期以來構(gòu)造變形多集中于脆性域, 并至少存在四期以上活動, 其中晚期活動以低角度逆沖斷裂為代表。

1. 灰?guī)r; 2. 白云巖; 3. 石英砂巖; 4. 泥巖; 5. 粉砂巖; 6. 細砂巖; 7. 泥質(zhì)粉砂巖; 8. 巖屑砂巖; 9. 巖屑石英砂巖; 10. 中二疊統(tǒng)棲霞組; 11. 上石炭統(tǒng)?下二疊統(tǒng)船山組; 12. 上石炭統(tǒng)黃龍組; 13. 上石炭統(tǒng)老虎洞組; 14. 下石炭統(tǒng)高驪山組; 15. 上泥盆統(tǒng)擂鼓臺組; 16. 上泥盆統(tǒng)觀山組; 17. 中志留統(tǒng)唐家塢組; 18. 下志留統(tǒng)康山組; 19. 正斷層; 20. 逆斷層。(a) 早期志留系逆沖于泥盆系之上; (b) 下志留統(tǒng)康山組內(nèi)部逆沖斷層; (c) 上泥盆統(tǒng)觀山組內(nèi)部逆沖斷裂; (d) 中志留統(tǒng)唐家塢組內(nèi)部高角度正斷層; (e) 下志留統(tǒng)康山組碎裂巖; (f) 中志留統(tǒng)唐家塢組初碎裂巖。

3 磁組構(gòu)特征

3.1 樣品采集與實驗測試

本次磁組構(gòu)分析樣品的采集主要建立在研究區(qū)內(nèi)江南斷裂帶的空間展布范圍及各區(qū)段構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上。樣品主要采自晚期逆沖斷層旁側(cè)的志留紀砂巖及二疊紀?三疊紀灰?guī)r, 共采集樣品92塊。在野外采取4 cm×5 cm×5 cm的定向塊樣, 所有樣品均采用磁性羅盤野外定向。后在實驗室將其切割成定向標樣(長、寬、高各2 cm)。每個采樣點分別采集 6～12個磁組構(gòu)樣品(表1)。

低場室溫磁組構(gòu)測試在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。為確定樣品中主要載磁礦物成分及磁疇形態(tài), 從各個剖面選取代表性樣品首先進行巖石磁學測試, 巖石磁學測試在中國科學院地球環(huán)境研究所完成。其中, 熱磁分析使用Kappabridge MFK1-FA系統(tǒng)(精度1×10–8SI, 測試頻率967 Hz)完成, 樣品在氬氣環(huán)境下由室溫加熱到700 ℃后降至室溫; 磁滯回線在室溫下使用振動樣品磁強計(MicroMag VSM3900)完成, 外加場最高達±1.5T, 經(jīng)順磁校正后得到飽和磁感應(yīng)強度(s)、剩磁感應(yīng)強度(rs)和矯頑力(c)參數(shù)等; 等溫剩磁(IsothermalRemanent Magnetization, IRM)獲得曲線測試中外加場最高為2.0Ｔ, 之后分步進行飽和等溫剩磁(Saturation IRM, SIRM)反向場退磁曲線測試, 并得到剩磁矯頑力(cr)參數(shù)樣品。磁組構(gòu)測試利用捷克AGICO公司生產(chǎn)的Kappabrige磁化率儀(KLY-4S, 測試場強300 A/m, 工作頻率875 Hz, 檢出限2×10–8SI,測試精度0.1%)進行測量。

3.2 巖石磁學

3.2.1 磁化率與溫度曲線

將代表性樣品在氬氣環(huán)境下從室溫加熱到700 ℃, 獲得磁化率隨溫度變化的曲線, 可以判斷樣品中主要的磁性礦物, 代表性的升溫曲線如圖5所示。

所有樣品在加熱?冷卻過程中表現(xiàn)出明顯的不可逆性, 熱磁曲線清楚顯示樣品在加熱過程中磁化率的波動曲線。其中樣品加熱至320 ℃時, 磁化率開始明顯下降, 繼續(xù)加熱至500 ℃時磁化率又急劇升高, 至580 ℃時幾乎降低為零, 這是由于加熱溫度接近磁鐵礦居里點而使磁性消失所致, 反映磁黃鐵礦是樣品中最主要的載磁礦物(敖紅和鄧成龍, 2007)。之后, 曲線雖繼續(xù)緩慢下降, 到680 ℃左右達到最低點, 但變化幅度很小, 表明樣品中有少量赤鐵礦存在。而樣品冷卻曲線遠高于加熱曲線上方, 說明經(jīng)加熱?冷卻后樣品中有大量強磁性的礦物生成。此外, 冷卻溫度曲線斜率從580 ℃左右開始急劇增加, 在200～380 ℃出現(xiàn)寬緩磁化率峰值, 可能是熱處理過程中新生成磁鐵礦顆粒的Hopkingson效應(yīng)所致。當冷卻到室溫后, 兩個樣品均失去了絕大部分的磁化強度。

1. 泥巖; 2. 含碳質(zhì)泥巖; 3. 泥質(zhì)粉砂巖; 4. 粉砂巖; 5. 細砂巖; 6. 石英砂巖; 7. 巖屑砂巖; 8. 灰?guī)r; 9. 硅質(zhì)巖; 10. 白云巖; 11. 角礫巖; 12. 下三疊統(tǒng)南陵湖組; 13. 下三疊統(tǒng)和龍山組; 14. 下三疊統(tǒng)殷坑組15. 上二疊統(tǒng)大隆組; 16. 中上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M; 17. 中二疊統(tǒng)孤峰組; 18. 中二疊統(tǒng)棲霞組; 19. 上石炭統(tǒng)黃龍組; 20. 上石炭統(tǒng)老虎洞組; 21. 下石炭統(tǒng)高驪山組; 22. 上泥盆統(tǒng)擂鼓臺組; 23. 上泥盆統(tǒng)觀山組; 24. 中志留統(tǒng)唐家塢組; 25. 正斷層; 26. 逆斷層。(a) 晚期低角度逆沖斷層切割早期高角度逆沖斷層; (b) 上泥盆統(tǒng)擂鼓臺組內(nèi)部逆沖斷層; (c) 中二疊統(tǒng)棲霞組內(nèi)部壓性角礫巖; (d) 下石炭統(tǒng)高驪山組內(nèi)部低角度逆沖斷層; (e) 下三疊統(tǒng)南陵湖組內(nèi)部張性破碎帶; (f) 下三疊統(tǒng)和龍山組內(nèi)部高角度逆斷層。

3.2.2 等溫剩磁和磁滯參數(shù)

等溫剩磁是巖石磁學鑒別不同磁性礦物的有效方法之一。在最大強度2.0 T的連續(xù)可變外磁場下, IRM獲得的曲線具有一定的規(guī)律性, 表明江南斷裂帶剖面樣品的IRM獲得曲線在0.3 T以下隨著外場增加, 等溫剩磁增加較快; 在0.3 T時達95%以上, 而在0.3 T之后IRM隨磁場增加的斜率接近于0, 磁鐵礦的矯頑力在±0.3 T(圖6), 進而可以推斷樣品中主要的磁性礦物為磁黃鐵礦。

表1 江南斷裂帶巖石樣品取樣表

圖5 典型樣品熱磁曲線

不同種類磁性礦物混合體的磁滯回線表現(xiàn)出不同形態(tài), 磁滯特征可以提供亞鐵磁性礦物矯頑力和磁疇狀態(tài)信息的種類(Thompson and Oldfield, 1986)。江南斷裂帶內(nèi)典型樣品的磁滯回線表現(xiàn)出線形瘦長的形態(tài)(圖7), 說明樣品以低矯頑力亞鐵磁性礦物(磁鐵礦)為主。

圖6 典型樣品等溫剩磁(IRM)曲線

圖7 典型樣品磁滯回線

此外, 結(jié)合剖面相關(guān)薄片鑒定結(jié)果可知, 江南斷裂帶的主要載磁礦物以磁黃鐵礦為主, 含部分磁赤鐵礦。

3.3 磁組構(gòu)標量參數(shù)

磁化率各向異性的標量參數(shù), 例如磁化率各向異性度(J)、橢球體形狀因子()、扁率()、平均磁化率(m)、最大磁化率主軸(max)、最小磁化率主軸(min)等, 可以很好地反映磁組構(gòu)的特征, 從而定量地反映構(gòu)造帶變形特征(Thompson and Oldfield, 1986; Tarling and Hrouda 1993; 侯貴廷等, 2010)。江南斷裂帶樣品平均磁化率(m)為–8～312 μSI(表2), 并主要集中在26～305 μSI, 顯示出微弱?弱磁化率特征, 表明磁組構(gòu)樣品屬于微弱磁性?弱磁性。從樣品磁化率各向異性度分布直方圖(圖8a)可知, 剖面采集的所有樣品磁化率各向異性度總體不高。除少數(shù)樣品外, 大部分樣品(90%)磁化率各向異性度(J)值為1.01～1.09, 反映出弱應(yīng)變。

磁化率橢球體形狀因子()可以很好地揭示樣品內(nèi)磁組構(gòu)的形成機制: 當>0時為“扁球型”;<0時為“拉長型”(Jelinek, 1981; Hrouda, 1982; Tarling and Hrouda, 1993; 張淑偉等, 2017; 王開等, 2017)。從剖面所有樣品的值分布直方圖(圖8b)可知, 江南斷裂帶中74%的采樣點樣品分布于值>0的區(qū)域, 26%分布于值<0的區(qū)域, 表明磁化率橢球體以“扁球型”為主, 伴有少量拉張型, 進一步說明江南斷裂帶內(nèi)巖石磁組構(gòu)的形成主要以壓扁為主, 兼有少部分拉伸。

表2 江南斷裂帶磁組構(gòu)樣品磁學參數(shù)

續(xù)表2:

圖8 江南斷裂帶所有樣品的磁化率各向異性度(PJ)與磁化率橢球體形態(tài)因子(T)分布直方圖

巖石磁組構(gòu)類型也常用Flinn圖解表示。以(=max/int)為縱坐標,(=int/min)為橫坐標, 將數(shù)據(jù)投影于該坐標系中, 以=1為界將坐標系劃分為2個區(qū)域,>1表明磁化率橢球體為“拉長型”, 說明巖石中磁線理較發(fā)育;<1時磁化率橢球體為“扁球型”, 說明巖石中磁面理較磁線理發(fā)育。江南斷裂帶內(nèi)磁組構(gòu)樣品Flinn圖解(圖9a)顯示, 絕大多樣品落在<1區(qū)域內(nèi), 即大多數(shù)樣品具有“扁球型”磁組構(gòu), 與磁化率橢球體形狀因子揭示的結(jié)果一致(圖9b), 表明江南斷裂帶剖面的樣品磁面理較磁線理發(fā)育。

3.4 磁化率橢球體主軸方位

磁化率橢球體主軸與應(yīng)變橢球體主軸具有良好的對應(yīng)關(guān)系, 能夠反映巖石組構(gòu)的優(yōu)勢產(chǎn)狀(余欽范等, 1991; Tarling and Hrouda, 1993; Lüneburg et al., 1999; Almqvist et al., 2009; 陳應(yīng)濤等, 2013)。

3.4.1 江南造山帶南段磁化率主軸方位

河西?滄溪村剖面構(gòu)造巖磁組構(gòu)樣品(D0412～ D0433)主要采自晚期構(gòu)造破碎帶旁側(cè)。全剖面磁化率主軸赤平投影顯示最大磁化率主軸即磁線理方向主要分布于一、三象限靠近軸附近, 極密中心顯示優(yōu)勢方向位于近EW向。經(jīng)空間矢量計算獲得優(yōu)勢產(chǎn)狀為259°∠8°, 反映斷裂帶南段應(yīng)變橢球體最大應(yīng)變軸以近EW向低角度傾伏的特點, 與斷裂帶走向呈小角度斜交關(guān)系。最小磁化率主軸(min)即磁面理極點投圖主要位于二、四象限靠近軸附近, 極密中心表明優(yōu)勢方向為近SN向, 傾伏角相對較大, 空間矢量計算獲得優(yōu)勢產(chǎn)狀為358°∠48°, 反映最小應(yīng)變軸呈近SN向, 即受到近SN向擠壓作用(圖10)。

3.4.2 江南造山帶北段磁化率主軸方位

陶窯村?蔡村剖面構(gòu)造巖樣品(D0434～D0445)均采自晚期構(gòu)造破碎帶的上盤。磁化率主軸赤平投影顯示最大磁化率主軸(max)即磁線理方向主要分布于第二、四象限靠近軸附近, 極密中心顯示優(yōu)勢方向位于近EW方向, 經(jīng)空間矢量計算獲得優(yōu)勢產(chǎn)狀為102°∠12°, 反映斷裂北段應(yīng)變橢球體最大應(yīng)力軸位于近EW向, 傾伏角較小, 與斷裂帶走向呈小角度斜交關(guān)系。最小磁化率主軸(min)即磁面理極點投圖主要位于一、三象限靠近軸附近, 極密中心表明優(yōu)勢方向為近SN向, 傾伏角相對較小, 空間矢量計算獲得優(yōu)勢產(chǎn)狀為193°∠5°, 反映最小應(yīng)變軸呈近SN向, 即受到近SN向擠壓作用(圖11)。

圖9 江南斷裂帶磁組構(gòu)樣品Flinn(a)和T-PJ(b)圖解

圖10 河西?滄溪村剖面磁化率主軸赤平投影

圖11 陶窯村?蔡村剖面磁化率主軸赤平投影

4 討 論

4.1 磁組構(gòu)基本特征

通常情況下,m值低于500 μSI的樣品, 其磁化率主要由順磁礦物引起(Tarling and Hrouda, 1993)。本次樣品原巖均來自志留系至三疊系的碳酸鹽巖(C2/T1)或碎屑巖(S1-2/C1), 其主要組成礦物為石英、方解石及云母等。其中石英、方解石等抗磁性礦物及云母等順磁性礦物是造成樣品磁化率較低的根本原因(Rochette et al., 1992; Chadima et al., 2006; Jakub et al., 2009), 因此江南斷裂帶內(nèi)磁組構(gòu)樣品表現(xiàn)出明顯具低磁化率的特點。此外, 代表性樣品的巖石磁學實驗也表明, 內(nèi)部主要的鐵磁性礦物為磁黃鐵礦, 結(jié)合薄片鑒定結(jié)果指示為多疇磁黃鐵礦。同時磁面理優(yōu)勢產(chǎn)狀與野外構(gòu)造面產(chǎn)狀近平行。由此可知, 江南斷裂帶的磁組構(gòu)數(shù)據(jù)可以有效反映斷裂帶的變形特征, 磁組構(gòu)來自于所有造巖礦物的貢獻, 但主要受控于順磁性的云母及鐵磁性的多疇磁黃鐵礦等。

眾所周知, 未發(fā)生構(gòu)造變形的沉積巖, 其磁性礦物一般平行于層理的沉積壓實, 磁化率橢球反映原生沉積磁組構(gòu)。原生沉積磁組構(gòu)主要表現(xiàn)為磁面理平行于層面, 即max和int雜亂分散在層面上,min垂直于層面(王開等, 2017)。在初始變形階段, 磁面理平行于層面,max相對集中于地層走向方向,int偏向傾向方向,min垂直于層面; 鉛筆狀磁組構(gòu)階段,max集中于地層走向方向,int呈帶狀散布在巖層的縮短方向; 弱劈理磁組構(gòu)階段,max繼續(xù)集中于地層走向方向,min向構(gòu)造方向集中; 強劈理磁組構(gòu)階段,max由構(gòu)造Y方向過渡轉(zhuǎn)向集中于構(gòu)造方向,min平行于構(gòu)造應(yīng)變方向; 拉伸線理磁組構(gòu)階段,max向構(gòu)造方向聚集,int集中于褶皺走向, 磁面理垂直于層面(賈東等, 2007)。通過對比不同構(gòu)造變形階段磁化率主軸的不同特點可知, 江南斷裂帶內(nèi)部磁組構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)以初始變形磁組構(gòu)為主, 少數(shù)為鉛筆狀磁組構(gòu)(圖12)。同時磁組構(gòu)內(nèi)部max分布較為集中, 為典型的中間磁組構(gòu), 結(jié)合絕大多數(shù)max均沿地層走向展布的特點, 反映其主要形成于擠壓環(huán)境下(Borradaile and Hamilton, 2004; Cifelli et al., 2005)。此外, 由于絕大多數(shù)樣品中max趨向于地層走向方向排列, 且磁面理小角度斜交地層層面的特點, 反映其屬于平行層縮短變形(LPS)的磁組構(gòu)(羅良等, 2006, 2013; 王開等, 2014), 綜上可知, 該磁組構(gòu)形成于褶皺變形前的純剪應(yīng)變作用。

通常來說, AMS在成巖作用的最早階段封閉, 當隨后的變形不是特別強烈的時候, 成巖作用早期獲得的磁組構(gòu)在后期變形中作為一種被動的指示劑隨地層發(fā)生旋轉(zhuǎn)(Larrasonana et al., 2004; Oliva-Urcia et al., 2009; García-Lasanta et al., 2015), 即磁線理記錄的應(yīng)是旋轉(zhuǎn)后的古應(yīng)力場方向(Scheepers and Langereis, 1994)。由于皖南地區(qū)主要構(gòu)造變形起始于印支期, 主壓應(yīng)力由印支期近南北向逐漸旋轉(zhuǎn)為燕山早期的NWW-SEE向, 即磁線理應(yīng)表現(xiàn)為NNE-SSW向, 而這與本文中磁組構(gòu)所指示的近EW向古應(yīng)力場相矛盾, 說明江南斷裂帶兩側(cè)磁組構(gòu)所反映的古應(yīng)力場方向應(yīng)是后期改造過的。同時, 部分學者認為后期強烈的變形條件下, 早期構(gòu)造變形階段形成的磁組構(gòu)可能被改造或者掩蓋(謝晉強等, 2014; 王開等, 2014, 2017)。此外, 本次所采集的樣品磁組構(gòu)均位于晚期構(gòu)造破碎帶附近, 且磁組構(gòu)對沉積物中的構(gòu)造應(yīng)力非常敏感, 磁性礦物也隨構(gòu)造應(yīng)力場的變化而作出相應(yīng)調(diào)整(Kissel et al., 1986; Rochette et al., 1992; Cifelli et al., 2004; 李自紅等, 2015)。綜上可知, 磁組構(gòu)反映的古構(gòu)造應(yīng)力場方向應(yīng)為后期活動中的較強一期, 而參考印支期以來中國東部古應(yīng)力場方向可知, 磁組構(gòu)樣品所指示的主應(yīng)力方向與中國東部中新世?早更新世的主應(yīng)力場方向一致。故此推斷, 江南斷裂帶的磁組構(gòu)特征很可能反映新生代(中新世?早更新世)以來的構(gòu)造變形。

4.2 磁組構(gòu)與斷裂運動關(guān)系分析

由于變形巖石中的磁化率橢球體與應(yīng)變橢球體有較好的對應(yīng)關(guān)系(Kligfield et al., 1977; Borradaile, 1988; 吳漢寧, 1988; Sagnotti et al., 1994; 李陽等, 2017), 其中磁化率橢球體最小軸代表最大應(yīng)變的壓縮軸, 即最大壓應(yīng)力方向(Tarling and Hrouda, 1993; 崔可銳和施央申, 1998; 許順山和陳柏林, 1998; 周勇等, 2000; 李建忠等, 2006; 李震宇等, 2010)。故以該優(yōu)勢方位定義擠壓應(yīng)力矢量R, 并沿斷裂面的水平和垂直方向進行分解應(yīng)力分量N和P, 以兩者與水平面斷裂走向線或橫剖面上斷裂的傾向線的關(guān)系進行運動學分析(魯如魁等, 2008; 王開等, 2017; 陳應(yīng)濤等, 2019)。

圖12 江南斷裂帶各采樣點磁組構(gòu)特征

4.2.1 河西?滄溪村剖面

江南斷裂帶南段河西?滄溪村剖面上盤的7個采樣點(D0412～D0433)最小磁化率主軸方向呈近SN向, 空間矢量優(yōu)勢方位為358°∠48°, 反映了近SN向擠壓特征。由于其在水平面上與江南斷裂帶走向斜交。于是, 在水平面上分別沿平行于斷裂帶走向線和垂直斷裂帶走向線對最小磁化率主軸方位角定義的單位合矢量進行分解。結(jié)果顯示在水平面上沿斷裂走向線的逆時針水平扭動, 但分量極小, 指示了江南斷裂帶水平運動中的有部分左行走滑運動特征(圖13a)。而垂直的橫切面上最小磁化率主軸與江南斷裂帶優(yōu)勢傾向SE斜交, 將統(tǒng)計所得的最小磁化率主軸優(yōu)勢方位傾伏角定義的單位合矢量沿水平及垂直于斷裂傾斜線進行分解, 顯示出在垂直面上存在逆時針的垂直轉(zhuǎn)動, 指示SE盤相對NW盤上升, 說明斷裂具逆沖性質(zhì)(圖13b)。而最小磁化率主軸方位角與主斷裂帶呈銳角夾角, 并且傾伏角較大, 由此可知江南斷裂帶晚期活動中垂直運動量大于水平運動量, 具體表現(xiàn)為以SN向逆沖為主、伴有少量左行走滑。

4.2.2 陶窯村?蔡村剖面

陶窯村?蔡村剖面采樣點(D0434～D0445)磁化率橢球體主軸特征分析結(jié)果表明江南斷裂帶北段最小磁化率主軸呈近SN向, 優(yōu)勢產(chǎn)狀為193°∠5°, 反映該期變形主要受到近SN向的擠壓作用。min代表的斷裂帶主壓應(yīng)力合力在水平面上的方位角為193°, 與主斷裂走向大角度斜交。在水平面上分別沿平行于斷裂帶走向線和垂直斷裂帶走向?qū)ψ钚〈呕手鬏S方位進行單位合矢量進行分解, 結(jié)果顯示在水平面上平行于斷層走向線的分量較小, 但仍呈逆時針旋轉(zhuǎn), 反映該期斷裂活動以垂直于斷裂帶走向的擠壓逆沖作用為主, 水平運動沿斷裂走向具有部分左行走滑特征。而min的傾伏角為5°, 與斷裂帶的斷面呈斜交關(guān)系, 在橫切剖面上沿水平和垂直于斷裂帶傾斜面對min傾伏角定義的單位合矢量進行分解, 結(jié)果顯示在垂直斷裂走向的橫切剖面上沿斷裂面具順時針扭動的特點, 指示SE盤相對于NW盤少量抬升, 即斷裂帶表現(xiàn)為自SE向NW的逆沖擠壓活動特征(圖14)。

綜合分析表明, 江南斷裂帶晚期構(gòu)造活動表現(xiàn)為自SE向NW的中低角度逆沖擠壓變形, 并伴有少量的左行走滑特征。

4.3 構(gòu)造意義

前人研究認為江南斷裂帶自印支期以來經(jīng)歷多期次活動(劉國生, 1997)。其中在中三疊世至早白堊世初期表現(xiàn)為自南東向北西的逆沖推覆(劉國生, 1997; 朱光等, 1999; 翟文建等, 2009)。早白堊世晚期開始表現(xiàn)為正斷拉張, 并成為控制了章(陽)廣(渡)、宣(城)南(陵)盆地的邊界斷裂。此后受早白堊世末期黃橋事件影響, 江南斷裂沿早期斷面發(fā)育高角度左行平移。進入晚白堊世, 受太平洋板塊NW向俯沖推擠影響(Cande et al., 1995; Tarduno et al., 2003; Tarduno, 2007), 派生近南北向區(qū)域拉張(東西向擠壓)作用, 江南斷裂帶表現(xiàn)為伴生有右行走滑特征的正斷拉張活動, 近一步控制章廣、宣南盆地晚白堊世至古近紀以來紅盆的沉積(劉國生, 1997), 形成宣南盆地“南斷北超”及章廣盆地“北斷南超”的盆地格局, 并延續(xù)直至古近紀末。此后太平洋板塊對下?lián)P子地區(qū)乃至中國東部陸內(nèi)的構(gòu)造作用減弱(徐曦和高順莉, 2015)。

R. 最小磁化率主軸優(yōu)勢方位或傾伏角的單位合矢量; P. 平行斷裂帶走向的分量; N. 垂直斷裂帶的分量。

R. 最小磁化率主軸優(yōu)勢方位或傾伏角的單位合矢量; P. 平行斷裂帶走向的分量; N. 垂直斷裂帶的分量。

自始新世晚期開始, 澳大利亞板塊與印度板塊開始成為統(tǒng)一的板塊, 并一起向北移動(Ren et al., 2002)。GPS觀測與活動構(gòu)造顯示, 中國東部新構(gòu)造變形主要來自印度板塊與歐亞板塊的碰撞影響(王小亞等, 2002; Li et al., 2012), 應(yīng)力方向呈現(xiàn)近SN向擠壓(萬天豐和趙慶樂, 2012)和近東西向拉張作用(李三忠等, 2013)。同期NE向斷裂表現(xiàn)為逆、逆掩斷裂, 地殼呈近SN向縮短(萬天豐和郝天珧, 2009)。受其影響, NE向的江南斷裂帶表現(xiàn)為一系列低角度逆斷層。

此外, 晚白堊世下?lián)P子地區(qū)構(gòu)造背景經(jīng)歷了由擠壓環(huán)境向拉張環(huán)境轉(zhuǎn)變, 沉積了以泰州組、赤山組為代表的河湖相砂礫巖。該套紅層展布形式明顯受北東向斷裂所控制, 后者兼具右行走滑特征的正斷活動與多板塊之間綜合協(xié)調(diào)運動的有關(guān)。此后, 自漸新世末期, 太平洋板塊開始向東后撤, 下?lián)P子側(cè)向伸展變形減弱至停止(徐曦等, 2015), 同時印度?澳大利亞板塊向北俯沖, 擠壓歐亞大陸, 造成下?lián)P子地區(qū)南北向擠壓的構(gòu)造格局。該期以江南斷裂帶為代表的NE向控盆斷裂表現(xiàn)為低角度逆沖擠壓, 其構(gòu)造屬性的反轉(zhuǎn)是導(dǎo)致下?lián)P子地區(qū)晚白堊世以來斷陷紅盆消亡的關(guān)鍵。此后的新近系沉積環(huán)境也由斷陷盆地轉(zhuǎn)變?yōu)檑晗菖璧? 并最終形成了下?lián)P子地區(qū)晚白堊世以來兩種截然不同的盆地構(gòu)造單元。由此可見, 作為控盆的邊界斷裂, 江南斷裂晚期的活動與下?lián)P子地區(qū)晚白堊世?古近紀的斷陷紅盆的消亡關(guān)系密切, 或為該時期印度?澳大利亞板塊向北擠壓的響應(yīng)。

5 結(jié) 論

三條剖面的野外構(gòu)造觀察, 顯示江南斷裂帶自印支期以來至少存在四期以上活動: 即早期南東向北西逆沖擠壓; 較早期正斷拉張; 中期左行走滑; 中晚期兼有右行走滑的正斷拉張; 晚期逆沖擠壓。

江南斷裂帶內(nèi)92個樣品進行的磁組構(gòu)和部分巖石磁學研究結(jié)果表明, 巖石的主要載磁礦物是以磁黃鐵礦為代表的鐵磁性礦物和以云母為代表的順磁性礦物。巖石磁組構(gòu)是在原生沉積磁組構(gòu)基礎(chǔ)上疊加弱變形的組構(gòu); 磁化率橢球體最大軸max沿EW向分布, 最小軸min沿SN向分布, 反映江南斷裂帶晚期構(gòu)造活動受近SN向擠壓, 表現(xiàn)為弱左行平移性質(zhì)的逆沖擠壓, 即具左行轉(zhuǎn)換擠壓的運動學特征。

由于磁組構(gòu)對沉積物中的構(gòu)造應(yīng)力非常敏感, 即反映新生代以來的變形, 同時主應(yīng)力方向與喜山晚期的應(yīng)力方向一致, 進而推斷該期斷裂活動的時限可能為中新世?早更新世(23～0.78 Ma)。

致謝:本文撰寫期間得到了江來利教授、劉國生教授、強小科教授的指導(dǎo), 野外工作得到了安徽省地質(zhì)調(diào)查院管后春高工、徐錦龍等同志的幫助和支持, 西北大學魯如魁副教授及另一名匿名審稿人提出了建設(shè)性的修改建議, 在此一并致以特別感謝。

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Tectonic Evolution of the Jiangnan Fault Zone Since the Indosinian Period — Evidence from Magnetic Fabric

WANG Chao1, LI Yang2, CHU Dongru1, WANG Yafei1, WANG Song3, WU Xuefeng4

(1. Geological Survey of Anhui Province, Hefei 230000, Anhui, China; 2. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi, China; 3. Hefei University of Technology, Hefei 230000, Anhui, China; 4. Public Geological Survey Management Center of Anhui Province, Hefei 230000, Anhui, China)

Magnetic fabric is a new method in regional fault structure study, it has been widely used in weak strain areas with few strain indicators. Detailed investigation of outgrowth structural characteristics and systematic study of rock magnetic fabric in the Jiangnan fault zone (Jingxian section) reveal that the maximum axismaxof the magnetic susceptibility ellipsoid is 259°∠8° and 102°∠12° , and the minimum axisminis 358°∠48° and 193°∠5°, indicating that the Jiangnan fault zone was subjected to the near SN compression stress and its most recent activity was dominated by the nearly SN thrust compression with weak left-lateral translation. Based on the characteristics of fault activity and previous research results, we believe that the magnetic fabric of the rocks indicates the recent activity characteristics of the Jiangnan fault zone, which might have taken place in the Miocene-early Pleistocene. Therefore, it can be concluded that the magnetic fabric characteristics of tectonics may provide microscopic constraint on the Cenozoic tectonic activity of the Jiangnan fault zone.

Jiangnan fault; magnetic fabric; structural evolution; Indosinian period; South Anhui

P542

A

1001-1552(2022)02-0236-017

2019-07-04;

2019-10-21

中國地質(zhì)調(diào)查局安徽1∶5萬南陵縣等5幅區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查項目(12120113069200)、長江中下游成礦帶安慶?盱眙地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查項目(DD20160036)和安徽省公益性地質(zhì)項目(2016-g-3-32)聯(lián)合資助。

王朝(1988–), 男, 碩士, 工程師, 從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作及構(gòu)造地質(zhì)學研究。Email: dynasty136671371@126.com