中國北方中生代逆沖推覆構(gòu)造研究進(jìn)展

李智超, 施 煒 , 熊小松*, 吳國煒

1)中國地質(zhì)調(diào)查局中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心, 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

陸內(nèi)變形一般發(fā)生在遠(yuǎn)離板塊邊緣的板塊內(nèi)部, 傳統(tǒng)的板塊構(gòu)造理論難以解釋其構(gòu)造成因(Brown, 1988; Sandiford and Hand, 1998; Ziegler et al., 1998)。一般認(rèn)為陸內(nèi)變形的動力來自長距離傳輸而來的板塊邊緣水平應(yīng)力(Sandiford and Hand,1998)。全球已有研究表明, 板內(nèi)的擠壓和扭壓構(gòu)造最遠(yuǎn)可以發(fā)生在距板塊碰撞邊緣1600 km處, 鄰區(qū)板塊碰撞帶來的巨大擠壓應(yīng)力既可以通過地殼-巖石圈各層次流變層的差異運(yùn)動實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳播, 傳遞至大陸腹地, 也可以通過碰撞應(yīng)力的傳播致使板內(nèi)深斷裂系統(tǒng)重新活化(Faure et al., 2009)。也有學(xué)者認(rèn)為, 巖石圈地幔對流導(dǎo)致的地幔俯沖或重力失穩(wěn)產(chǎn)生的垂向應(yīng)力也可導(dǎo)致陸內(nèi)變形(Raimondo et al.,2014)。目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為中國大陸普遍發(fā)生的較強(qiáng)烈板內(nèi)變形的動力來源于板塊間碰撞所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程效應(yīng)(萬天豐和趙維明, 2002; 張?jiān)罉虻? 2007; 舒良樹, 2021)。

侏羅紀(jì)以來, 東亞大陸周緣的鄂霍次克洋、班公湖—怒江洋兩大洋逐漸閉合, 東緣的古亞洲洋也發(fā)生了俯沖消減, 導(dǎo)致周緣板塊逐漸向東亞大陸俯沖消減和碰撞匯聚, 形成了三個特定的陸緣構(gòu)造帶:北部的蒙古鄂霍茨克碰撞造山帶, 東部的古太平洋俯沖所形成的溝弧盆體系和西部的班公湖—怒江匯聚構(gòu)造帶(董樹文等, 2019)。這些陸緣板塊構(gòu)造帶向東亞大陸內(nèi)部的變形傳播, 導(dǎo)致大規(guī)模的陸內(nèi)變形發(fā)育, 形成了東亞大陸特有的晚中生代多板塊匯聚構(gòu)造體系(董樹文等, 2000, 2007, 2019)。在中、晚侏羅世, 整個東亞大陸基本處于一個多向擠壓的環(huán)境之下, 地殼發(fā)生了明顯縮短, 而逆沖推覆構(gòu)造正是地殼縮短的重要作用方式之一(朱志澄, 1995)。中國北方距離東亞大陸各個邊界距離都在數(shù)百～數(shù)千千米以上, 在晚中生代發(fā)育了諸多大型逆沖推覆構(gòu)造,這些推覆構(gòu)造與經(jīng)典碰撞造山帶中發(fā)育的推覆構(gòu)造差異較大, 屬于經(jīng)典的陸內(nèi)變形構(gòu)造(鄭亞東等,1990; 左國朝等, 1992; Zheng et al., 1998; 劉正宏等,1999; Dumitru and Hendrix, 2001; Darby and Ritts,2002; Zhang and Cunningham, 2012; Cunningham,2017; Zhang et al., 2021)。對這些推覆構(gòu)造進(jìn)行分析,可以為理解中國北方晚中生代構(gòu)造演化提供重要信息。前人在中國北方的中亞造山帶、燕山構(gòu)造帶等開展了大量的工作, 這些研究都集中于某一地區(qū)或某些方面的詳細(xì)描述與分析(左國朝等, 1992; 鄭亞東等, 1998; Zheng et al., 1998; 劉正宏等, 1999;Darby and Ritts, 2001; Dumitru and Hendrix, 2001;Zhang and Cunningham, 2012; Cunningham, 2017;Zhang et al., 2021), 系統(tǒng)總結(jié)中國北部發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造展布及特征, 能夠使得我們從宏觀上理解中國北方的陸內(nèi)變形及其動力學(xué)機(jī)制?；诖? 本文對發(fā)育于中國北方晚中生代的逆沖推覆構(gòu)造資料進(jìn)行了系統(tǒng)的收集, 并在此基礎(chǔ)上對中國北方晚中生代廣泛發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造的時空分布特征、運(yùn)動學(xué)特征以及動力學(xué)機(jī)制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述,進(jìn)一步提出了研究區(qū)晚中生代陸內(nèi)變形作用及動力學(xué)機(jī)制。

1 中國北方地區(qū)主要逆沖推覆構(gòu)造

在中國北方, 主要展布的構(gòu)造帶有中亞造山帶、陰山—燕山構(gòu)造帶。中亞造山帶是世界上最大的顯生宙增生帶造山帶之一, 于中生代進(jìn)入陸內(nèi)演化階段(李治等, 2019); 陰山—燕山造山帶是一條典型的陸內(nèi)造山帶, 從中生代中期開始就發(fā)育了廣泛的陸內(nèi)變形構(gòu)造(張長厚, 1999)。本文重點(diǎn)選取了這兩條構(gòu)造帶中研究程度較高的一些逆沖推覆構(gòu)造進(jìn)行分析, 從西到東依次有北山地區(qū)、亞干地區(qū)、阿拉善東北緣地區(qū)、大青山地區(qū)、白乃廟地區(qū)、燕山西段及北京西山地區(qū), 漠河地區(qū)(圖1)等。以下本文將按由西到東的順序?qū)@些地區(qū)報(bào)道的逆沖推覆構(gòu)造特征進(jìn)行總結(jié)。

圖1 中國北方逆沖推覆構(gòu)造分布(改自Shi et al., 2020)Fig. 1 Distribution of thrusts along the Sino-Mongolia border (modified from Shi et al., 2020)

1.1 北山逆沖推覆構(gòu)造

北山地區(qū)位于中亞造山帶中部(圖 2), 主要由位于北部的哈薩克斯坦-西伯利亞板塊和西部的塔里木板塊、東南部的華北板塊拼貼構(gòu)成(左國朝等,1992; Xiao et al., 2010)。20世紀(jì)90年代左國朝等(1992)在此報(bào)道了一期大型的逆沖推覆構(gòu)造, 走向近東西向, 大部分推覆體出露長度在幾十km, 少部分可達(dá)到數(shù)百 km。區(qū)域內(nèi)發(fā)育大量飛來峰構(gòu)造(圖3), 如玉石山飛來峰, 黑山梁飛來峰等, 這些飛來峰上盤地層主要為中元古代白云質(zhì)灰?guī)r, 主體自南向北推覆于不同時代地層之上, 其中卷入變形的最新地層為中、下侏羅統(tǒng)煤系地層, 推覆距離超過150 km(Zuo et al., 1991; 左國朝等, 1992; Zheng et al., 1996)。根據(jù)被推到最新層位時代為中侏羅世(產(chǎn)植物化石), 而被晚侏羅世粗碎屑巖的磨拉石不整合所覆蓋, 推覆時間被約束在中侏羅世末、晚侏羅世前(左國朝等, 1992), 較精準(zhǔn)的同位素年代學(xué)研究還有待進(jìn)一步工作。近年來有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了幾條區(qū)域性的北西—南東向逆沖構(gòu)造(張善明等, 2018; 李治等, 2019), 并進(jìn)行了詳細(xì)研究(圖4), 認(rèn)為其應(yīng)是羌塘地塊和拉薩地塊陸-陸碰撞事件的遠(yuǎn)程反映(張善明等, 2018)。目前關(guān)于北山地區(qū)這期逆沖推覆構(gòu)造的方向還存在爭議(表 1), 區(qū)域內(nèi)既報(bào)道了由南向北的推覆構(gòu)造, 也報(bào)道了從北到南的推覆構(gòu)造(左國朝等, 1992)。

圖3 玉石山和黑山梁推覆構(gòu)造剖面圖(據(jù)左國朝等, 1992)Fig. 3 Nappe sections of Yushishan and Heishanliang(from ZUO et al., 1992)

圖4 沙坡泉推覆構(gòu)造剖面圖(據(jù)張善明等, 2018)Fig. 4 Shapoquan nappe structure section (from ZHANG et al., 2018)

區(qū)域內(nèi)同時發(fā)育由南向北的逆沖推覆構(gòu)造和由北向南的逆沖推覆構(gòu)造。而與北山相連的蒙古南部地區(qū)也有很多關(guān)于這期推覆事件的報(bào)道, 主要以褶皺沖斷帶為主。Cunningham(2017)通過遙感影像解譯的方法識別了蒙古南部的一系列褶皺, 如Noyon向斜, Tost向斜等, 大部分褶皺的軸跡顯示,擠壓方向?yàn)榻媳毕?。野外觀察到未變形的白堊紀(jì)沉積巖覆蓋在褶皺的中侏羅世地層之上, 將擠壓時代限定在晚侏羅世(Cunningham, 2017)。Dumitru and Hendrix(2001)在Noyon向斜和Tost背斜等采集了樣品進(jìn)行磷灰石裂變徑跡測試, 得到了兩組冷卻年齡,分別為中侏羅世和晚侏羅世, 并將其解釋為與北山中、晚侏羅世向北的逆沖和相關(guān)縮短有關(guān)。Cunningham(2017)認(rèn)為蒙古南部的晚中生代陸內(nèi)變形與晚侏羅世末鄂霍茨克海北面 250～400 km處的終端關(guān)閉有關(guān)。

1.2 亞干推覆構(gòu)造

20世紀(jì) 90年代, 鄭亞東等(1990)在亞干地區(qū)報(bào)道了一期大型的逆沖推覆事件。亞干地區(qū)發(fā)育大量的飛來峰, 走向近東西向, 這些飛來峰主要由中元古界厚層狀白云巖組成, 蓋在寒武系—上三疊統(tǒng)不同時代的地層之上(圖 5)。根據(jù)其底部相近的逆沖斷面高程和一致的沖斷方向, 判定這些飛來峰原屬統(tǒng)一的外來系。由北向南主要的逆沖斷層有雅干斷層, 尼楚—查干斷層, 黑石山斷層和珠斯楞斷層,這些斷層的產(chǎn)狀和性質(zhì)基本類似。推覆距離在60～70 km, 斷層面傾向北, 傾角小于 10°, 斷層上盤中的疊瓦逆沖斷層和倒向南的褶皺軸面劈理均傾向北, 沿?cái)鄬用嬗袔资迕椎臄鄬幽? 主要成分為以礦物碎片和微球狀顆粒出現(xiàn)的伊利石和高嶺石, 且顯示斷層有過兩期活動(王玉芳等, 1995)。被亞干地區(qū)飛來峰截?cái)嗟淖钚碌牡貙邮窍?、中侏羅統(tǒng)含煤地層, 而亞干地區(qū)在這期逆沖推覆事件之后,又發(fā)育了一期變質(zhì)核雜巖, 其中深成巖體的 Rb-Sr等時線年齡為(153±6.2) Ma(Zheng et al., 1990), 因此亞干推覆體的就位時代應(yīng)為中、晚侏羅世(Zheng et al., 1996)。

圖5 亞干推覆構(gòu)造剖面(Zheng et al., 1996)Fig. 5 Yagan nappe structure section (Zheng et al., 1996)

1.3 阿拉善地塊周緣逆沖推覆構(gòu)造

阿拉善地塊周緣逆沖推覆構(gòu)造主要有狼山地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造、桌子山逆沖推覆構(gòu)造、小松山逆沖推覆構(gòu)造。狼山地區(qū)位于阿拉善地塊東北緣, 記錄了中生代以來的多期陸內(nèi)變形事件(Darby and Ritts, 2007; 牛鵬飛等, 2019; Zhang et al., 2021), 張北航等(2021)在此厘定了晚中生代以來的六期構(gòu)造變形事件。他們提出狼山地區(qū)晚侏羅世變形主要表現(xiàn)為向南東方向的逆沖, 形成一系列近平行的、主體傾向北西的逆沖斷層及伴生的反沖斷層, 狼山東北部布都毛道溝溝口, 二疊紀(jì)花崗巖逆沖于疊布斯格巖群之上, 主斷層以 30°～60°傾角傾向北西, 在逆沖前緣則發(fā)育一條傾向南東的反沖斷層。結(jié)合東亞多向匯聚的構(gòu)造背景及解析所獲得的北西—南東向擠壓的構(gòu)造應(yīng)力場, 認(rèn)為狼山晚侏羅世逆沖推覆構(gòu)造的動力來源應(yīng)該是南東側(cè)古太平洋板塊向北西低角度俯沖于華北克拉通之下(Cui et al., 2018; 張北航等, 2021; Zhang et al., 2021)。

桌子山逆沖推覆構(gòu)造由數(shù)條大型逆沖斷層和伴生的褶皺組成(圖6)。由于東西向的擠壓, 地層先發(fā)生褶皺而形成不對稱的向斜和背斜, 而后在背斜的陡翼形成逆沖斷層。斷層以疊瓦狀大致平行、近等間距向東逆沖, 走向北北西, 斷面上緩下陡(楊圣彬等, 2006; 張家聲等, 2008), 通過構(gòu)造變形縮量計(jì)算,得出桌子山地區(qū)地殼縮短量在8 km左右(楊圣彬等,2006)。

圖6 桌子山推覆構(gòu)造剖面(據(jù)楊圣彬等, 2006)Fig. 6 Nappe section of Zhuozishan (from YANG et al., 2006)

小松山推覆構(gòu)造屬于賀蘭山逆沖推覆構(gòu)造體系的一部分, 小松山逆沖斷層總體走向?yàn)楸睎|向,呈弧形向東凸出, 斷面西傾, 傾角較平緩, 可見奧陶紀(jì)碳酸鹽巖逆掩到中侏羅世直羅組和安定組之上(圖 7), 表明逆沖推覆作用發(fā)生在中侏羅世沉積之后(張?jiān)罉虻? 2007), 地表可見斷層面具波狀起伏(楊圣彬等, 2006), 黃喜峰等認(rèn)為其推覆距離達(dá)到15 km, 是由結(jié)晶基底和沉積蓋層逆沖巖席組成的復(fù)雜構(gòu)造體系, 屬于典型的陸內(nèi)變形(黃喜峰等,2011)。桌子山和賀蘭山擠壓構(gòu)造以發(fā)育褶皺沖斷帶為主, 同時在桌子山和賀蘭山的北側(cè)均發(fā)育有褶皺沖斷帶同期的走滑斷層, 根據(jù)古水流的流向改變和中、晚侏羅世的地層均卷入褶皺, 認(rèn)為區(qū)域上在中—晚侏羅世開始收縮, 并結(jié)束于晚侏羅世(Darby and Ritts, 2002)。

圖7 小松山推覆構(gòu)造剖面(據(jù)Zhang et al., 2021)Fig. 7 Nappe section of Xiaosongshan (from Zhang et al., 2021)

1.4 大青山逆沖推覆構(gòu)造

大青山逆沖推覆構(gòu)造發(fā)育在陰山構(gòu)造帶中段石拐中生代沉積盆地的南側(cè), 褶皺-逆沖系統(tǒng)分為東、西兩段(張進(jìn)江等, 2009)。西段主要由一系列東西向展布、由南向北逆沖的構(gòu)造巖片相互疊置而成,推覆距離約10 km(Liu et al., 2003); 向東則逐漸過渡為北東向展布的、由南東向北西運(yùn)移的大型低角度逆沖推覆構(gòu)造(圖 8), 推覆距離超過 35 km(鄭亞東, 1998)。劉正宏等對逆沖斷層中發(fā)育的石英脈和方解石脈中的流體包裹體進(jìn)行了分析研究, 認(rèn)為這期逆沖事件發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世, 變形深度在 3～6 km 范圍內(nèi), 以脆性變形為主(劉正宏等,2009)。有學(xué)者對該盆地中、下侏羅統(tǒng)煤系地層的同構(gòu)造楔狀沉積體和生長地層進(jìn)行了研究, 結(jié)合生長地層上部火山灰的鋯石 U-Pb年齡, 證實(shí)大青山陸內(nèi)擠壓變形發(fā)生在中、晚侏羅世(170±5 Ma) (Wang et al., 2017)。有學(xué)者認(rèn)為大青山斷層為典型的板內(nèi)變形, 其很可能是北部上千千米外蒙古—鄂霍茨克洋閉合的陸內(nèi)反映(鄭亞東, 1998)。

圖8 大青山推覆構(gòu)造剖面圖(據(jù)鄭亞東, 1998)Fig. 8 Section of Daqingshan nappe structure (from ZHENG, 1998)

大青山地區(qū)東南側(cè)的大同盆地也報(bào)道了一期侏羅紀(jì)的擠壓事件(Zhang et al., 2020)。通過對盆地內(nèi)部褶沖帶, 火山灰和生長地層的綜合分析, 得出這期擠壓事件發(fā)生在中—晚侏羅世(165 Ma), 擠壓方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向(Zhang et al., 2020)。

1.5 白乃廟地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造

白乃廟逆沖推覆構(gòu)造發(fā)育于華北克拉通與其北側(cè)的奧陶紀(jì)白乃廟島弧帶之間(葉俊林等, 1987; 周志廣等, 2018), 大致沿北緯 42°線東西向延伸超過190 km。根據(jù)斷裂帶的同構(gòu)造線理及構(gòu)造伴生褶皺的樞紐方向給出的推覆方向?yàn)?50°, 華北克拉通北緣中—新元古界白云鄂博變質(zhì)地層向北逆沖于奧陶紀(jì)—早志留世白乃廟島弧帶及晚志留世弧后盆地相地層之上(圖 9), 推覆距離大約在 15 km(李剛等,2012)。目前在推覆時代上存在一定的爭議, 有學(xué)者認(rèn)為白乃廟逆沖推覆構(gòu)造有過兩期活動(周志廣等,2018), 早期的活動是古亞洲洋洋殼俯沖與微陸塊碰撞的構(gòu)造表現(xiàn), 而李剛等通過對區(qū)域地質(zhì)資料的分析得出后期活動時間在晚二疊世—中侏羅世之間(李剛等, 2012; 周志廣等, 2018)。

圖9 白乃廟逆沖推覆構(gòu)造剖面圖(據(jù)周志廣等, 2018)Fig. 9 Nappe section of Bainaimiao (from ZHOU et al., 2018)

1.6 燕山逆沖推覆構(gòu)造

燕山晚中生代逆沖構(gòu)造集中分布于三個北東向帶狀區(qū)域中(張長厚和宋鴻林, 1997; 宋鴻林,1999; 劉少峰, 2004a, b; 張長厚等, 2006, 2012; 韓亞超, 2013; 林逸等, 2015; Li et al., 2016), 自南東向北西依次為北京房山—昌平—懷柔湯河口帶(東帶), 河北涿鹿—宣化下花園—懷來—王家樓—延慶張三營帶(中帶), 以及河北尚義—小蒜溝—韭菜溝帶(西帶)。三個帶狀區(qū)域的間隔約為60 km, 北東向延伸長度自東帶的160 km, 經(jīng)中帶的約100 km,減少到西帶的約80 km。大部分逆沖斷層的上盤運(yùn)動方向總體指向北西向(圖 10, 11, 12)(和政軍等,1998; 張勇, 2006; 張長厚等, 2006), 但是局部出現(xiàn)南東方向的逆沖斷層, 有學(xué)者認(rèn)為其可能為向北西逆沖的主要逆沖斷層的上盤反沖斷層(張長厚等,2006)。斷層切穿的最早侵入巖體為上葦?shù)觊W長巖,其時代為138 Ma(Davis et al., 1998, 2001), 而將斷層穿過的最新侵入巖體為薛家石梁雜巖體, 其時代為130～23 Ma(Davis et al., 1998, 2001), Davis等對十三陵逆沖斷層斷層泥年代學(xué)測試所獲得的 140 Ma的年齡值可能記錄了該期逆沖構(gòu)造開始變形的時間,綜上有學(xué)者認(rèn)為這期逆沖推覆構(gòu)造的形成時間在140～130 Ma(張長厚等, 2006)。大部分逆沖斷層表現(xiàn)出基底卷入的厚皮構(gòu)造與蓋層內(nèi)部的薄皮構(gòu)造共存的構(gòu)造屬性(張長厚等, 2006, 2012)。

圖10 華北克拉通北緣構(gòu)造綱要圖及剖面位置(Yang et al., 2020)Fig. 10 Tectonic outline of the northern margin of the North China Craton (Yang et al., 2020)

1.7 興蒙造山帶中生代推覆構(gòu)造

興蒙造山帶中也發(fā)育了大量中生代推覆構(gòu)造,本文選取了漠河逆沖推覆構(gòu)造和艾倫達(dá)瓦變質(zhì)變形帶進(jìn)行總結(jié)。漠河逆沖推覆構(gòu)造發(fā)育在上黑龍江盆地的西北側(cè), 是漠河地區(qū)的主要構(gòu)造樣式(常立海等, 2007)。漠河逆沖推覆構(gòu)造根帶總體呈北東東向延伸, 以發(fā)育韌性剪切帶、鞘褶皺和長英質(zhì)糜棱巖為特征, 巖石變質(zhì)變形較強(qiáng); 中帶呈北東東向展布,以韌-脆性逆沖斷裂為特征; 前鋒帶以寬緩的 B型褶皺和脆性低角度疊瓦狀逆沖斷裂為特征(圖13)。漠河逆沖推覆構(gòu)造全長約170 km, 南北寬約40 km,由北西向南東方向推覆, 其推覆距離約為 4 km(常立海等, 2007; 劉曉佳等, 2014)。取自于漠河逆沖推覆構(gòu)造根帶、中帶及前峰帶不同構(gòu)造部位的同構(gòu)造石英脈測年結(jié)果顯示, 漠河逆沖推覆構(gòu)造形成時間為 距 今 (149.3±14.0)～(118.7±11.0) Ma(劉 曉 佳 等 ,2014); 李錦軼等(2004)在逆沖推覆構(gòu)造根帶獲得的長英質(zhì)糜棱巖中同構(gòu)造變質(zhì)礦物黑云母的40Ar/39Ar年齡(130～127 Ma)一致, 由此說明漠河逆沖推覆構(gòu)造主要活動時代為晚侏羅世晚期—早白堊世。艾倫達(dá)瓦位于屬蒙古東部蒙古鄂霍茨克碰撞帶西南段的東南部(黃始琪, 2013), 整個變形帶以中低角度向北西緩傾斜, 主要由變質(zhì)變形綠片巖、各類片麻巖、仰沖的變質(zhì)變形洋殼、俯沖的變質(zhì)變形古生代島弧建造等組成。此外, 該帶內(nèi)部可以見到未變形的近直立產(chǎn)出的偉晶巖脈, 顯然屬后構(gòu)造階段產(chǎn)物, 通過鋯石 SHRIMP U-Pb年代學(xué)研究發(fā)現(xiàn), 艾倫達(dá)瓦構(gòu)造帶的長-英質(zhì)糜棱巖和混合巖的原巖年齡為180～170 Ma, 侵入其中的未變形偉晶巖脈的年齡為160 Ma(黃始琪, 2013)。

圖11 下花園組推覆構(gòu)造剖面圖(張長厚等, 2006)Fig. 11 Nappe section of Xiahuayuan (from ZHANG et al., 2006)

圖12 燕山剖面圖(據(jù)張長厚等, 2004)Fig. 12 Cross-section of Yanshan (from ZHANG et al., 2004)

圖13 漠河推覆構(gòu)造剖面圖(改自劉曉佳, 2015)Fig. 13 Sectional view of Mohe nappe structure (modified from LIU et al., 2015)

2 中國北方逆沖推覆構(gòu)造總體特征

2.1 空間展布特征

從空間分布情況來看, 中國北方地區(qū)中生代逆沖推覆構(gòu)造總體上成帶狀展布(圖 1), 從西到東依次為: 北山逆沖推覆構(gòu)造、亞干逆沖推覆構(gòu)造、阿拉善周緣推覆構(gòu)造、大青山推覆構(gòu)造、白乃廟推覆構(gòu)造、燕山西段推覆構(gòu)造、漠河推覆構(gòu)造。從構(gòu)造單元劃分上, 分別屬于中亞構(gòu)造帶、陰山—燕山構(gòu)造帶和鄂爾多斯西緣構(gòu)造帶。從最西側(cè)的北山地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造到最東側(cè)的白乃廟逆沖推覆構(gòu)造, 延伸距離達(dá)上千千米, 在這個區(qū)域內(nèi)分布著非常多的中生代推覆構(gòu)造, 但有著幾乎相同的展布方向, 如北山地區(qū)、大青山地區(qū)、雅干地區(qū)。白乃廟晚中生代逆沖推覆構(gòu)造等大多為近東西向展布, 單個逆沖斷層延伸長度一般在幾十千米, 部分可達(dá)數(shù)百千米;根據(jù)飛來峰推算的推覆距離一般在幾十到數(shù)百千米之間, 屬于大型推覆逆沖構(gòu)造(白乃廟推覆構(gòu)造和漠河推覆構(gòu)造規(guī)模相對較小)。部分區(qū)域由于先存構(gòu)造和塊體邊界的控制, 斷層展布方向與區(qū)域上整體的逆沖方向不同。燕山地區(qū)逆沖斷層的走向大概在北東—北北東之間, 具有向南東凸出的弧形形態(tài)。

2.2 變形特征

大規(guī)模的逆沖推覆構(gòu)造是強(qiáng)烈地殼縮短的重要作用方式之一, 中國北方逆沖推覆構(gòu)造總體表現(xiàn)出以下三點(diǎn)特征: (1)大多數(shù)推覆構(gòu)造中都發(fā)育構(gòu)造碎裂巖, 如北山地區(qū)、亞干地區(qū)推覆構(gòu)造中普遍發(fā)育斷層角礫巖(表1), 包括斷層角礫和斷層泥, 厚度一般在幾十厘米～幾米(鄭亞東等, 1990; 左國朝等,1992); 大青山推覆構(gòu)造中多處可見幾十厘米厚的碎裂巖帶(鄭亞東, 1998; 劉正宏等, 1999, 2009; 尹艷廣, 2018), 表明這些逆沖推覆構(gòu)造屬于淺層次脆性變形。劉正宏等對大青山逆沖推覆構(gòu)造中發(fā)育的石英脈和方解石脈中的流體包裹體進(jìn)行研究, 驗(yàn)證了變形深度大概在 3～6 km 范圍內(nèi), 變形機(jī)制以脆性變形為主, 變形深度范圍廣泛, 持續(xù)時間長(劉正宏等, 2009)。(2)推覆構(gòu)造表示出厚皮構(gòu)造特征, 如北山、亞干、大青山等地區(qū)均可發(fā)現(xiàn)寒武系的結(jié)晶基底卷入了變形(鄭亞東等, 1990; 左國朝等, 1992,2003; 鄭亞東, 1998; 劉正宏等, 1999, 2009; 尹艷廣,2018), 屬于典型的厚皮構(gòu)造。(3)基底中存在的古構(gòu)造界面在板內(nèi)造山作用期間活化并引起蓋層構(gòu)造變形, 這種先存構(gòu)造的構(gòu)造活化作用可能是陸內(nèi)變形的重要機(jī)制之一, 在同樣應(yīng)力狀態(tài)下, 先存構(gòu)造的活動(先存斷層的重新活動或沿薄弱帶產(chǎn)生破裂)比新形成相同產(chǎn)狀的斷層要容易得多, 即先存構(gòu)造優(yōu)先活動(張長厚, 1999; 張長厚等, 2006; 童亨茂等,2009)。部分區(qū)域如燕山地區(qū)表現(xiàn)出基底卷入的厚皮構(gòu)造與蓋層內(nèi)部的薄皮構(gòu)造共存的構(gòu)造屬性, 可能受到基底構(gòu)造或先存構(gòu)造的重要影響或控制作用(張長厚等, 2006; 李三忠等, 2011)。

表1 中國北方推覆構(gòu)造資料匯總表Table 1 Summary table of nappe structure data from the Sino-Mongolian border

2.3 變形期次

目前關(guān)于中國北方推覆構(gòu)造的年代學(xué)數(shù)據(jù)較少, 大部分?jǐn)鄬拥男纬蓵r代主要是通過地層交切關(guān)系來約束的。通過卷入變形的最新地層為中、下侏羅統(tǒng)煤系地層, 確定北山地區(qū)推覆構(gòu)造的形成時代在中侏羅世末—晚侏羅世, 且北山更北側(cè)的蒙古南部地區(qū)也有與這期擠壓事件相關(guān)的報(bào)道, 冷卻年齡基本限定在中、晚侏羅世(Dumitru and Hendrix,2001)。亞干地區(qū)缺少推覆體的年代學(xué)數(shù)據(jù), 但亞干地區(qū)推覆作用導(dǎo)致了地殼增厚, 后期形成了變質(zhì)核雜巖, 獲得的變質(zhì)核雜巖年齡為(153±0.3) Ma(Zheng et al., 1996), 由此可以限定亞干推覆體的年齡早于(153±0.3) Ma。此外有學(xué)者對阿拉善周緣的逆沖推覆構(gòu)造進(jìn)行了低溫?zé)崮甏鷮W(xué)測試, 結(jié)果顯示冷卻事件一般發(fā)生在200～160 Ma之間(Zhang et al.,2021)。王玉芳等(1995)對北山地區(qū)的斷層泥進(jìn)行取樣分析, 結(jié)果表明黏土礦物在斷層活動過程中再次經(jīng)受機(jī)械破碎和強(qiáng)烈碾磨, 表明該斷裂可能曾經(jīng)發(fā)生過兩期主要的推覆活動。同一時期形成的推覆構(gòu)造還有大青山逆沖推覆構(gòu)造, 目前大青山地區(qū)已發(fā)表的較準(zhǔn)確的年齡是生長地層中火山灰夾層里的鋯石U-Pb年齡, 約為(170±5) Ma(Wang et al., 2017),與之接近的是大同盆地生長地層中的火山灰鋯石U-Pb年齡為165 Ma。而燕山地區(qū)、阿拉善周緣推覆構(gòu)造的形成時代相對更早。根據(jù)卷入到狼山逆沖推覆構(gòu)造中的巖漿巖及地層, 限定這期構(gòu)造的形成時代為晚侏羅世(張北航等, 2021)。燕山地區(qū)目前已有的數(shù)據(jù)顯示, 這期推覆構(gòu)造的形成時間為140～130 Ma(Davis et al., 1998, 2001; 張長厚等,2006)。白乃廟推覆構(gòu)造的形成時代存在爭議, 但最晚應(yīng)在中侏羅世?？偟膩砜粗袊狈酵聘矘?gòu)造的形成時間較長, 一直從中侏羅世持續(xù)到早白堊世初期。但有學(xué)者認(rèn)為在160～150 Ma時整個東亞大陸存在廣泛的巖漿活動, 可能代表著一個短暫的伸展環(huán)境(董樹文等, 2019), 這意味著研究區(qū)的眾多推覆構(gòu)造應(yīng)該是分階段形成的。綜合目前已有的文獻(xiàn)資料, 筆者對中國北方推覆構(gòu)造的形成時代進(jìn)行了一個初步的劃分?？煞譃樵缤韮善? 第一期為中侏羅世末到晚侏羅世早期, 對應(yīng)的推覆構(gòu)造主要為北山地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造、亞干地區(qū)推覆構(gòu)造、大青山推覆構(gòu)造和艾倫達(dá)瓦變質(zhì)變形帶; 第二期為晚侏羅世中期-早白堊初期, 對應(yīng)的推覆構(gòu)造為燕山和阿拉善周緣推覆構(gòu)造和漠河推覆構(gòu)造。

2.4 逆沖方向

中國北方逆沖推覆構(gòu)造在上千千米的范圍內(nèi)分布極廣, 但是具有很明顯的規(guī)律性展布。經(jīng)過筆者的初步分析, 按照推覆方向和動力學(xué)機(jī)制的差異,可分為東西兩段。西段主要為北山逆沖推覆構(gòu)造,亞干逆沖推覆構(gòu)造和阿拉善塊體周緣逆沖推覆構(gòu)造,東段為大青山逆沖推覆構(gòu)造、白乃廟逆沖推覆構(gòu)造和燕山地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造。西段主體的逆沖方向?yàn)楸睎|—南西向, 在北山地區(qū)可見由北東向南西方向逆沖的推覆構(gòu)造和由南西向北東方向逆沖的推覆構(gòu)造, 這種構(gòu)造的出現(xiàn)可能同時受控于北側(cè)的鄂霍次克海的閉合和南側(cè)班公湖—怒江縫合帶的碰撞。筆者團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在北山地區(qū)南部的逆沖推覆構(gòu)造主要是由南西向北東方向逆沖, 而北山地區(qū)北部的推覆構(gòu)造主要是由東北向南西方向逆沖。西段的部分地區(qū)如狼山推覆構(gòu)造由于受先存構(gòu)造的影響(張北航等,2021), 逆沖方向與主體逆沖方向相反, 為北西—南東方向逆沖, 而鄂爾多斯盆地西緣的小松山逆沖推覆構(gòu)造和桌子山逆沖推覆構(gòu)造由于受到塊體的邊界限制(張進(jìn)等, 2004a, b), 逆沖方向基本和塊體邊界相垂直。而東段主體逆沖方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向, 部分地區(qū)如燕山地區(qū), 大青山地區(qū)受到先存構(gòu)造的影響, 存在一些局部的反轉(zhuǎn)斷層。

綜合已發(fā)表的資料, 筆者認(rèn)為中國北方推覆構(gòu)造可分為東西兩段, 它們有著不同的逆沖方向(圖14), 可能受控于不同的遠(yuǎn)程構(gòu)造應(yīng)力場。

圖14 推覆構(gòu)造逆沖方向示意圖(改自張?jiān)罉虻? 2007)Fig. 14 Schematic diagram of thrust direction of nappe structure (modified from ZHANG et al., 2007)

3 討論

3.1 中國北方推覆構(gòu)造運(yùn)動學(xué)特征

從總體來看中國北方推覆構(gòu)造主要成帶狀展布, 從最西部的北山地區(qū)到最東部漠河逆沖推覆構(gòu)造, 延伸距離達(dá)上千千米。大部分推覆構(gòu)造近東西向展布, 單條斷層一般長度為幾十千米, 推覆距離在幾十千米～數(shù)百千米之間, 屬于大型推覆構(gòu)造?？傮w的推覆方向可分為東西兩段, 西段的主要推覆方向?yàn)楸睎|—南西向, 而東段的主要推覆方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向。局部區(qū)域受到基底構(gòu)造或先存構(gòu)造的影響(狼山), 發(fā)育和主體方向相反的推覆構(gòu)造。大多數(shù)推覆構(gòu)造屬于典型淺層次脆性變形。同時大部分推覆構(gòu)造中均可見結(jié)晶基底卷入變形, 表現(xiàn)出明顯的厚皮構(gòu)造特征。部分推覆構(gòu)造可能為古構(gòu)造界面在板內(nèi)造山期間的再活化, 導(dǎo)致了這些地區(qū)厚皮構(gòu)造和薄皮構(gòu)造同時出現(xiàn)(燕山)。綜合以上可以發(fā)現(xiàn), 中國北方推覆構(gòu)造具有較典型的陸內(nèi)變形特征, 且東西兩段的逆沖方向完全不同, 表明東部和西部應(yīng)形成于不同的遠(yuǎn)程構(gòu)造應(yīng)力場之下。

3.2 變形期次對應(yīng)構(gòu)造事件

董樹文等(2019)提出的侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)發(fā)生的燕山運(yùn)動劃分的三個主要構(gòu)造期中的強(qiáng)擠壓期可以對應(yīng): (1)強(qiáng)擠壓期(175～136 Ma); (2)主伸展期(135～90 Ma); (3)弱擠壓變形期(～80 Ma)。強(qiáng)擠壓期中又可以劃分出早晚兩期擠壓事件, 早期為強(qiáng)擠壓變形期, 對應(yīng)髫髻山底部不整合事件 170～160 Ma;晚期對應(yīng)張家口不整合事件 150～135 Ma。而在160～150 Ma時, 整個東亞大陸處于一個弱伸展的環(huán)境之中(董樹文等, 2019)。中國北方地區(qū)晚中生代逆沖推覆構(gòu)造可以與燕山運(yùn)動中的強(qiáng)擠壓變形事件對應(yīng)。早期擠壓事件對應(yīng)中國北方推覆構(gòu)造第一階段, 晚期擠壓事件對應(yīng)中國北方推覆構(gòu)造第二階段(表 1)。

根據(jù)對中國北方地區(qū)發(fā)表的年代學(xué)資料進(jìn)行分析, 這兩期構(gòu)造可能存在一定的時空聯(lián)系。在西段的蒙古南部地區(qū)報(bào)道的褶皺沖斷帶的裂變徑跡冷卻年齡在180 Ma左右(Dumitru and Hendrix, 2001), 而北山、亞干地區(qū)要稍晚于這個年齡, 推測可能的原因是遠(yuǎn)程應(yīng)力的傳播速度較慢, 且在傳播途中可能會發(fā)生明顯的衰減(萬天豐和趙維明, 2002)。推覆構(gòu)造的第一階段東西兩段均有相關(guān)報(bào)道, 而推覆構(gòu)造的第二階段主要以東段為主, 筆者推測其原因?yàn)樵?50～135 Ma時, 班公—怒江縫合帶已經(jīng)完全閉合,而北側(cè)的鄂爾霍茨海的西段也基本關(guān)閉, 此時中國北方推覆構(gòu)造的動力來源主要為鄂爾霍茨海的東段閉合與古太平洋俯沖所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力作用。

3.3 中國北方推覆構(gòu)造形成機(jī)制

陸內(nèi)變形是造山帶演化歷史中的重要過程。對于陸內(nèi)變形, 一般有兩種端元模式, 即來自板塊邊界的遠(yuǎn)場驅(qū)動和地幔加載, 如地幔上涌或俯沖板片的拆離(Raimondo et al., 2014)。兩種模型對陸內(nèi)變形的演化有不同的預(yù)測。在板塊邊界驅(qū)動模型中,陸內(nèi)變形的板塊邊界在時間和空間上可以建立廣泛的構(gòu)造聯(lián)系。由于板塊邊緣造山作用的遠(yuǎn)程作用,它可以重新激活和強(qiáng)烈地改變先存構(gòu)造。然而, 在地幔加載模型中, 可以出現(xiàn)兩種不同的變形樣式,由地幔柱引起的放射狀樣式構(gòu)造, 或由俯沖板片拆離引起的沿古縫合線產(chǎn)生的地表隆起和地殼增厚(Raimondo et al., 2014)。

中國北方地區(qū)距離各大板塊邊界均有一定的距離, 且研究區(qū)中—晚侏羅世以來的構(gòu)造變形特征及古應(yīng)力場特征并沒有表現(xiàn)出地幔沉降導(dǎo)致的放射狀樣式(Raimondo et al., 2014), 說明中國北方地區(qū)晚中生代以來陸內(nèi)變形的動力應(yīng)該是板緣碰撞產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力。而晚中生代東亞大陸處于多向匯聚環(huán)境, 隨著聯(lián)合古大陸的裂解, 東亞大陸周鄰 3大洋(東部古太平洋、北部蒙古鄂霍茨克洋、西南部班公湖—怒江洋)在侏羅紀(jì)時期開始向東亞大陸俯沖消減和碰撞匯聚, 形成了 3個特定的陸緣構(gòu)造帶: 北部的蒙古鄂霍茨克碰撞造山帶、西南部的班公—怒江縫合帶、東部的古太平洋俯沖帶(董樹文等, 2008,2019)。

北部的蒙古鄂霍茨克造山帶主要的遠(yuǎn)程應(yīng)力產(chǎn)生于碰撞環(huán)境下, 目前較主流的觀點(diǎn)認(rèn)為鄂霍茨克造山帶的形成是一個自西向東“剪刀式”的閉合過程(圖 15), 西部的碰撞發(fā)生在中侏羅世(Zorin.,1999), 而東部的碰撞持續(xù)到晚侏羅世或早白堊世(Daoudene et al., 2012); 而西南部的班公—怒江縫合帶所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力也是在碰撞環(huán)境下產(chǎn)生的,目前有觀點(diǎn)認(rèn)為班公—怒江古大洋可能也經(jīng)歷了呈剪刀式的東早西晚的穿時閉合過程, 班公—怒江帶東段變形時代為中侏羅世, 而班公—怒江帶西段在早白堊世晚期閉合(施煒等, 2017); 東部的古太平洋板塊所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力是一個多階段的過程(圖16),在中、晚侏羅世古太平洋板塊主要為平板俯沖, 而在早白堊世俯沖板片發(fā)生了斷裂和板片回撤, 由此產(chǎn)生的近北西—南東向的應(yīng)力場廣泛影響了整個中國東部地區(qū)(Yang et al., 2020)。

圖15 奧農(nóng)推覆構(gòu)造剖面圖(改自Zorin, 1999)Fig. 15 Sectional view of Onong nappe structure (modified from Zorin, 1999)

圖16 古太平洋俯沖模式(改自Li and Li, 2007)Fig. 16 Paleo-Pacific subduction model(modified from Li and Li, 2007)

北部的鄂霍茨克碰撞造山帶早期產(chǎn)生北東—南西向的遠(yuǎn)程應(yīng)力, 而晚期碰撞轉(zhuǎn)入東段, 會產(chǎn)生北西—南東向的遠(yuǎn)程應(yīng)力(Shi et al., 2022); 同理呈北西—南東向展布的班公—怒江縫合帶會產(chǎn)生一個方向垂直于碰撞縫合帶的遠(yuǎn)程應(yīng)力, 即北東—南西方向; 東南部的古太平洋低角度俯沖則會產(chǎn)生一個垂直于俯沖帶的遠(yuǎn)程應(yīng)力, 即北西—南東向(后撤過程產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力本文不涉及)。因此可以得出三大方向的遠(yuǎn)程應(yīng)力幾乎都在中侏羅世對整個東亞大陸產(chǎn)生擠壓作用, 并一直持續(xù)到晚侏羅世末期, 而鄂霍茨克海碰撞由于發(fā)生了走向上的遷移, 導(dǎo)致源于此事件的遠(yuǎn)程應(yīng)力方向發(fā)生改變。中國北方逆沖推覆構(gòu)造正是在這三大構(gòu)造事件產(chǎn)生的這種遠(yuǎn)程構(gòu)造應(yīng)力場中形成的(圖17)。

圖17 東亞大陸晚中生代應(yīng)力場(改自Zhang et al., 2021)Fig. 17 Late Mesozoic stress field in East Asia (modified from Zhang et al., 2021)

而根據(jù)前文的總結(jié)歸納, 中國北方逆沖推覆構(gòu)造的西段主體逆沖方向?yàn)楸睎|—南西向, 明顯不同于東南部古太平洋北西向俯沖的運(yùn)動方向, 且中間還有鄂爾多斯剛性塊體的阻擋, 因此西段北山地區(qū)、亞干地區(qū)、大青山等推覆構(gòu)造應(yīng)主要受北部鄂霍次克海西段閉合和西南部怒江—羌塘縫合帶閉合的綜合影響。而阿拉善和鄂爾多斯地塊緣發(fā)育的逆沖構(gòu)造, 大多逆沖方向與塊體邊界垂直(小松山地區(qū), 桌子山地區(qū)), 可能受塊體邊界的影響較大, 張進(jìn)(2004a)認(rèn)為鄂爾多斯塊體西緣構(gòu)造帶形成于遠(yuǎn)程應(yīng)力作用下的鄂爾多斯塊體和阿拉善塊體的相互作用; 東段逆沖推覆構(gòu)造主體逆沖方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向, 明顯不同于西北部怒江—羌塘縫合帶閉合產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力方向, 因此中國北方東段逆沖推覆構(gòu)造主要受控于北部鄂霍次克海的東段閉合和東南部古太平洋板塊的俯沖。

綜上, 中國北方推覆構(gòu)造的形成主要分早晚兩期, 早期推覆事件在整個中國北方均有發(fā)育, 早期東段的總體擠壓方向?yàn)楸睎|—南西向, 主要受控于鄂霍茨克洋和班公—怒江洋閉合產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力作用; 西段早期的擠壓方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向, 主要受控于鄂霍茨克洋和古太平洋俯沖所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力作用。由于班公—怒江洋和鄂霍茨克洋西段的閉合,晚期中國北方推覆構(gòu)造主要以東段為主, 總體的擠壓方向仍為北西—南東向, 受控于鄂霍茨克洋閉合和古太平洋俯沖碰撞所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)力作用。此外在塊體邊界附近, 如狼山、賀蘭山和小松山地區(qū)等,整體逆沖方向主要受剛性塊體和先存構(gòu)造控制。

4 結(jié)論

(1)中國北方地區(qū)晚中生代逆沖推覆構(gòu)造沿中國北方帶狀展布, 屬于大型逆沖推覆構(gòu)造, 變形深度深, 持續(xù)時間長, 屬于脆性變形。

(2)中國北方晚中生代逆沖推覆構(gòu)造的推覆時代可以與燕山運(yùn)動主擠壓變形期的時代對應(yīng)。分為早晚兩期, 早期擠壓變形形成了北山地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造、亞干推覆構(gòu)造和大青山地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造,而燕山逆沖推覆構(gòu)造、狼山地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造是在晚期擠壓過程中形成的。

(3)中國北方地區(qū)晚中生代逆沖推覆構(gòu)造可分為東西兩段。早期東西兩段均發(fā)育有推覆構(gòu)造, 而晚期以東段為主。西段主體逆沖方向?yàn)楸睎|—南西向, 主要受北部鄂霍次克海閉合和西南部怒江—羌塘縫合帶閉合的遠(yuǎn)程應(yīng)力影響; 東段主體逆沖方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向, 主要受控于北部鄂霍次克海閉合和東南部古太平洋板塊的俯沖; 在板塊邊界發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造其形成主要與先存構(gòu)造和塊體邊界的影響有關(guān)。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41774114,41590863 and 41574093), China Geological Survey(Nos. DD20190011, DD20179342 and DD20160083),and National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFC0600302).