柏道远, 熊　雄, 杨　俊, 钟　响, 姜　文

(湖南省地质调查院, 湖南 长沙 410016)

齐岳山断裂东侧盆山过渡带褶皱特征及其变形机制

柏道远, 熊雄, 杨俊, 钟响, 姜文

(湖南省地质调查院, 湖南 长沙 410016)

雪峰造山带与四川盆地之间的盆山过渡带以齐岳山断裂为界, 分为西部的隔档式褶皱带和东部的隔槽式褶皱带。对盆山过渡带内褶皱的成因和形成机制有多种不同观点, 其中以“雪峰西推模型”影响最大并广为研究者接受。该模型认为盖层(南华系及以上地层)在雪峰造山带推覆体的推动下向NW发生多层次拆离推覆及递进挤压而形成隔槽式与隔档式褶皱。本文通过实测构造剖面、地球物理剖面及区域地质资料分析, 选择桑植-石门复向斜和沿河地区褶皱对齐岳山断裂以东地区的褶皱变形特征、形成机制进行了解剖研究, 取得以下主要认识: (1)桑植-石门复向斜内褶皱具“复杂褶皱”组合样式, 主要形成于中三叠世后期印支运动; 沿河地区褶皱为典型隔槽式褶皱, 主要与早燕山运动NWW向挤压有关; (2)褶皱主要受区域挤压体制下包括褶皱基底和盖层在内的原地岩层体的整体水平收缩及其导生的冲断、滑脱作用所控制,其中桑植-石门复向斜内褶皱基底变形主要以逆冲断裂为主, 沿河地区褶皱基底变形则以滑脱背斜为主; (3)区域挤压下整体水平收缩变形机制, 可以很好地解释雪峰西推模型不能解释的若干重要地质事实, 包括褶皱轴面和逆冲断裂无向东或南东倾斜极性、雪峰造山带未发生向西侧褶皱带的大规模推覆、盆山过渡带具大幅度整体性构造抬升等, 同时也不存在雪峰西推模型中地质剖面无法平衡的问题。

隔槽式褶皱; 复杂褶皱; 变形机制; 盆山过渡带; 齐岳山断裂

卷(Volume)39, 期(Number)6, 总(SUM)149

页(Pages)1008~1021, 2015, 12(December, 2015)

0　引　言

盆山过渡带是当今油气勘探的一个新领域, 近年来国内外不少新的油气发现即位于盆山过渡区的冲断构造带和构造三角带(杜春国等, 2009; 王瑞瑞等, 2010)。位于雪峰造山带与四川盆地之间的盆山过渡带, 现今广泛埋藏分布的震旦纪-早古生代海相地层具备与四川盆地类似的区域性烃源岩层、储集岩层、盖层等良好的成油气地质条件(谢渊等, 2012), 相关海相油气地质调查和油气勘探已有多年,在油气成藏条件和成藏规律方面已取得诸多研究进展(王根海, 2000; 赵宗举等, 2002, 2003; 马永生等, 2002, 2006; 赵泽恒等, 2008; 丘东洲等, 2012; 周文等, 2012)。但由于该地区经历了加里东、印支、燕山、喜山等多阶段构造演化以及多期次构造变形的叠加改造(赵宗举等, 2003; 周文等, 2012), 油气演化过程及成藏地质条件极为复杂, 因此至今未取得震旦系-下古生界油气勘探的实质性突破。由于经历了多期构造运动和断裂、褶皱变形, 寻找有利的构造圈闭成为该区油气勘探的关键环节, 因此构造样式和变形机制研究便变得尤为重要。

该盆山过渡带构造上表现为“侏罗山式”弧形褶皱带, 其中齐岳山断裂以西、以东分别发育隔档式和隔槽式褶皱(丁道桂等, 1991; 颜丹平等, 2000;Yan et al., 2003; 冯向阳等, 2003)(图1), 其基本样式及成因广受关注。关于齐岳山断裂以西的隔档式褶皱成因前人提出过多种观点(刘尚忠, 1995; 李忠权等, 2002; 徐政语等, 2004; 丁道桂等, 2005; 吕宝凤和夏斌, 2005)。对于齐岳山断裂以东的隔槽式褶皱的成因, 颜丹平等(2000, 2008)和Yan et al. (2003)认为受东侧雪峰造山带向北西推覆影响, 发生多层次拆离推覆及递进挤压, 最终形成后端隔槽式褶皱(前端形成齐岳山断裂以西的隔档式褶皱); 刘学锋和刘成鑫(2002)提出该带构造样式有基底卷入型和盖层滑脱型2大类型; 郭建华等(2005)将变形解释为沿盖层间滑脱面的逆冲以及断弯背斜和滑脱背斜的形成; 张必龙等(2009)根据数值模拟提出隔槽式褶皱和隔档式褶皱相间出现主要受岩层的能干性差异和上覆压力控制形成; 杨坤光等(2012a)提出早燕山期近EW向挤压使得基底裂陷中向斜盖层及新沉积的地层产状急剧变陡形成紧闭向斜, 并诱发新的次级断裂及次级紧闭褶皱; 王宗秀等(2012)认为雪峰山西侧地区发育的“隔档-隔槽式”褶皱为多层次滑脱控制下以双冲构造为重要变形方式的结果。

图1　区域地质简图Fig.1　Geological sketch map of the study area

总之, 从上述诸多研究来看, 齐岳山以东地区褶皱变形的成因存在基底断裂与逆冲、盖层滑脱与逆冲、先期(沉积期)基底裂陷控制等多种机制, 但不同研究者对不同变形作用在纵、横向上的规模、影响范围、关联性及组合特征等有不同认识。此外, 除颜丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出构造变形受雪峰造山带往北西推覆影响、杨坤光等(2012a)提出受早燕山期近EW向挤压影响外, 其他研究者多未就变形的深层动力机制进行探讨。值得指出的是,目前颜丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出的隔槽式褶皱源于雪峰造山带推动造成的盖层向西滑移观点已得到研究者的较普遍认同(冯常茂等, 2008; 张必龙等, 2009; 梅廉夫等, 2010)。

近年来, 笔者通过实测构造剖面、地球物理剖面及区域地质资料分析, 选择桑植-石门复向斜和沿河地区褶皱对齐岳山断裂以东地区的褶皱变形特征、形成机制进行了解剖研究, 认为桑植-石门复向斜内褶皱为“复杂褶皱”、沿河地区褶皱为典型隔槽式褶皱, 并提出褶皱变形主要受区域挤压体制下原地深部褶皱基底和上部盖层的收缩与冲断作用控制。这一动力机制新模式可以更好地解释盆山过渡带褶皱轴面和逆冲断裂无向东或南东倾斜极性、雪峰造山带未发生向西侧褶皱带的大规模推覆、盆山过渡带具大幅度整体性构造抬升等地质事实。

1　区域地质概况

本文所讨论地区主要为盆山过渡带东部的隔槽式褶皱带。该带东以慈利-保靖断裂与雪峰造山带分界, 西以齐岳山断裂与隔档式褶皱带分界(图1)。带内主要出露下古生界, 其次为上古生界和中生界。局部有震旦系出露, 石门杨家坪地区尚有冷家溪群和板溪群-南华系出露。

该地区自早至晚经历了武陵期(冷家溪期)活动陆缘盆地、板溪期-南华纪裂谷盆地(王剑等, 2001;柏道远等, 2010, 2011)、震旦纪-早奥陶世被动大陆边缘盆地(汪正江等, 2012)、中奥陶世-志留纪前陆盆地(陈洪德等, 2006)、泥盆纪-中三叠世陆表海盆地、晚三叠世以来陆相盆地及山体抬升等地质发展阶段。区域发生过武陵(晋宁)、加里东(广西)、印支、早燕山和喜山等主要构造运动, 其中武陵运动造成板溪群与冷家溪群的角度不整合, 加里东运动(广西运动)造成上古生界与下古生界的平行不整合, 印支运动造成上三叠统与中三叠统的角度不整合, 早燕山运动造成白垩系与中侏罗统的角度不整合, 喜山运动造成白垩纪-古近纪盆地的褶皱回返。以武陵运动不整合面为界, 其下冷家溪群(梵净山群)为褶皱基底, 其上的板溪群-下古生界及上古生界-中三叠统为沉积盖层。

自下而上存在多个可能的区域性滑脱面或软弱滑脱层, 分别沿褶皱基底与结晶基底界面(蔡学林等, 2004)、板溪群下部(王宗秀等, 2012)、下寒武统牛蹄塘组、下志留统下部、中二叠统栖霞组、下三叠统大冶组和中三叠统巴东组(颜丹平等, 2008)等发育,其对褶皱变形起到重要的控制作用。

以震旦系-下古生界为背斜核部、上古生界为向斜核部的侏罗山式连续褶皱发育。褶皱及地层走向主要为NNE向, 少量NE向, 东部桑植-石门一带为NEE向(图1)。值得指出的是, 带内褶皱样式以隔槽式为主, 同时也发育有不少非典型隔槽式的复杂褶皱(杨坤光等, 2012b)。就该区整体来看, 褶皱轴面的倾向并无明显极性, 轴面或直立、或东倾、或西倾。此外, 多个褶皱常组合成更大规模的复向斜和复背斜。

对不同方向褶皱的形成期次和时代, 不同研究者之间存在一定认识差异。刘恩山等(2010)认为燕山早期(K初)、晚期(K末)分别形成了NE向、SN向(NNE向)褶皱; 刘丽萍等(2010)认为褶皱主要形成于燕山期并可分为3幕, 自早至晚依次为近EW向褶皱、NE向褶皱和SN向褶皱, 变形时限为J3-K2。周小军等(2011)认为发育NEE-EW向和NE向两幕印支期变形, 以及NE向和NNE-SN向两幕燕山期变形。胡召齐等(2009)认为川东“侏罗山式”褶皱带变形发生在J3末-K1初。综合上述研究来看, 该区褶皱形成期次有2~3期, 形成时代主要为早、晚燕山期,其次为印支期。

2　典型褶皱特征

本文选择湖南河口-桑植-张家界剖面(图2a) (GP13剖面)和贵州思渠-官舟-沙子镇构造剖面(图3a)(GP12剖面)(图1), 分别对桑植-石门复向斜和沿河地区褶皱进行解剖研究。两条构造剖面的褶皱样式存在较明显差异, 前者背、向斜近同等发育, 后者则具背斜开阔、向斜紧闭的典型隔槽式特征。对其分别介绍如下。

2.1河口-张家界剖面褶皱特征

河口-张家界剖面控制了桑植-石门复向斜, 复向斜由岩屋口向斜f8、下洞街向斜f6、桑植向斜f4及向斜之间的新街背斜f7、仙桥湾背斜f5组成(图2 a)。岩屋口向斜f8翼间角100°~120°, 为轴面向南东倾斜的开阔褶皱; 下洞街向斜f6翼间角80°左右, 为轴面略向北西倾斜的开阔褶皱; 桑植向斜f4翼间角100°~120°, 为轴面向北西倾斜的开阔褶皱。新街背斜f7和仙桥湾背斜f5因受走向断裂破坏形态不完整, 前者为紧闭褶皱, 后者为紧闭-等斜褶皱。复向斜南东翼发育柑子坡背斜f3、长茅山向斜f2和三坪背斜f1等次级褶皱。剖面上发育数条与褶皱相关的逆断裂。上述褶皱轴面和逆断裂大多倾向NW, 少量倾向SE。地质剖面与地震-MT联合解释剖面(图2b)反映的地质结构基本一致, 只是前者反映地表构造更为明确, 后二者则反映出较清晰的深部构造特征。二维地震剖面和地震-MT联合解释剖面清楚揭示出表层构造与深部构造的不协调性(图2b), 表层变形强烈、褶皱紧闭, 褶皱受志留系滑脱层控制; 深部变形较弱、褶皱极为宽缓, 受更深层次的滑脱与冲断作用控制。剖面显示, 桑植-石门复向斜的构造本质是基底及其上界面的下凹弯曲。值得指出的是, 复向斜内的褶皱并未显示出明显的隔槽式特征, 只是复向斜边部的向斜相对外侧背斜而言具隔槽式特点(图2a)。因此, 下文将桑植-石门复向斜内褶皱组合样式称为“复杂褶皱”。

桑植-石门复向斜内褶皱及地层的走向自西向东总体由NE向转为近EW向(图1), 呈明显弧形偏转; 内部叠加有NNE向和SN向褶皱。结合区域构造背景分析, 本文认为呈弧形偏转的NE向与近EW向褶皱主要形成于中三叠世后期的印支运动: 受秦岭-大别-苏鲁构造带碰撞造山以及Sibumasu 地块向印支地块的碰撞增生和古特提斯洋在琼中地区的消减关闭影响(徐先兵等, 2009), 复向斜东部经受SN向挤压而形成EW向褶皱(张岳桥等, 2009); 同期扬子和华夏板块之间的陆内汇聚产生NW-NWW向挤压(张国伟等, 2011; 柏道远等, 2012a, 2013a, 2013b, 2014), 复向斜西部受其影响形成NE向褶皱。复向斜内部叠加的NNE向和SN向褶皱应与燕山期构造运动有关(胡召齐等, 2009; 刘恩山等, 2010; 刘丽萍等, 2010; 周小军等, 2011)。

图2　桑植-石门复向斜河口-张家界物探与地质构造剖面Fig.2　The Hekou-Zhangjiajie profiles across the Sangzhi-Shimen synclinorium

2.2思渠-沙子镇剖面

思渠-沙子镇剖面自西向东依次控制了贵州沿河地区的思渠向斜、官舟背斜和沙子镇向斜(图3 a)。褶皱构成剖面主体构造格架; 同时发育少量东倾正断裂, 很可能为白垩纪期间区域伸展环境产物。剖面清楚显示出向斜极为狭窄、紧闭, 背斜极为开阔平缓的典型隔槽式褶皱样式。官舟背斜宽达20 km左右, 岩层总体近水平, 发育极为平缓的次级褶皱或挠曲; 横向上岩层倾角差异很小, 无明确的核部和翼部之分; 翼间角约150°~155°, 为平缓褶皱。背斜西侧的思渠向斜和东侧的沙子镇向斜宽度分别仅约6.5 km和5.5 km, 其岩层自翼部向核部逐渐变陡,倾角由45°左右变为直立, 褶皱轴面部位两翼岩层紧贴在一起; 两翼岩层倾角相近, 轴面直立; 翼间角分别约为60°和55°, 近核部翼间角仅20°左右, 为中常-紧闭褶皱。官舟背斜两翼与思渠向斜东翼和沙子镇向斜西翼之交接处岩层产状急变, 显示出轴面倾向背斜的背形膝褶构造。以思渠向斜为例, 按等厚褶皱概念制图, 向斜下部核部会出现水平岩层,且越往深部水平岩层带越宽; 核部水平岩层段与翼部倾斜岩层段之交接处亦产状急变, 形成轴面倾向背斜的向形膝褶构造(图3a)。总之, 上述隔槽式褶皱实质为一种区域大尺度多膝褶构造。

上述剖面结构得到地球物理资料的支持。图3b所示MT剖面也清楚反映出背形膝褶和向形膝褶的存在。此外, 受沉积期沉降差异影响, 沙子镇向斜二叠纪地层和奥陶纪地层的厚度大于思渠向斜(图3a),导致前者下部低阻层(据区域资料为下寒武统)的埋深明显大于后者(图3b)。

思渠向斜、官舟背斜和沙子镇向斜呈NNE走向(图1), 可能与中侏罗世晚期(可能包括晚侏罗世)早燕山运动中区域NWW向挤压有关(柏道远等, 2005;周小军等, 2011), 其背景可能为古太平洋板块(或伊佐奈岐板块)的俯冲影响(舒良树等, 2004; 徐先兵等, 2009; 张岳桥等, 2009)。古近纪后太平洋板块对东亚大陆东部向W俯冲、挤压(Maruyama and Seno, 1986;柏道远等, 2005)可能也对褶皱变形起到作用。

图3　思渠-沙子镇MT与地质构造剖面Fig.3　The Siqu-Shazizhen MT profile and structural profile

3　褶皱变形机制

根据剖面地质特征和区域地质背景, 分别就桑植-石门复向斜内复杂褶皱和思渠-沙子镇隔槽式褶皱的形成机制探讨如下。

3.1桑植-石门复向斜内复杂褶皱形成机制

如前所述, 物探剖面反映出的表层构造与深部构造的不协调性受到志留系滑脱作用的控制,与褶皱相伴产出的逆断裂切入震旦系-下古生界至中元古界不同深度地层, 而从逆断裂的切层情况来看, 导致下洞街向斜f6、仙桥湾背斜f5和桑植向斜f4等褶皱的志留系滑脱作用未明显受具一定极性指向的区域推覆滑动所控制(图2b), 而是与下部地层的整体收缩有关。鉴上, 结合物探剖面上显示的桑植-石门复向斜与基底凹陷的对应关系(图2 b), 提出桑植-石门复向斜及其内部褶皱形成机制如下(图4):

图4　桑植-石门复向斜内褶皱形成机制Fig.4　Dynamic mechanism of the folds in the Sangzhi-Shimen synclinorium

在印支运动区域NW向(复向斜东部为SN向)挤压应力作用下, 深部塑性程度较高的褶皱基底沿NW水平方向产生整体缩短, 同时形成逆冲断裂。与此同时, 褶皱基底沿其与结晶基底间界面滑脱(蔡学林等, 2004), 并导致深部逆冲断裂及断片叠置, 褶皱基底层产生大规模弯曲, 沿NW方向形成大型隆、凹相间的格局, 隆起部位对应于复背斜, 凹陷部位对应于复向斜(如桑植-石门复向斜)。褶皱基底水平方向的整体压缩以及逆冲断裂导致的水平方向的缩短, 带动上覆盖层水平方向的收缩、滑脱并产生逆断裂; 与此同时, 盖层与基底一样也会受到区域水平方向的挤压而产生水平方向的收缩、滑脱并形成逆断裂。盖层的滑脱、冲断形成滑脱褶皱和断层扩展褶皱(断层传播褶皱)。此外, 源于基底的逆冲断裂进入盖层时也会使盖层产生断层扩展褶皱变形。需要说明的是, 由于多个软弱滑脱层的存在, 上述盖层的滑脱与冲断作用可在多套地层中发生, 并可形成坡坪式构造及断层转折褶皱, 从而形成更为复杂的变形样式。除上述区域挤压机制外, 重力作用很可能对桑植-石门复向斜核部的不协调复杂褶皱具有重要贡献, 即复向斜形成之初其翼部的倾斜岩层会产生指向核部的重力压缩, 使核部区的挤压与滑脱作用得到加强。

值得指出的是, 桑植-石门复向斜印支期变形还应受到早期构造的控制以及后期构造的改造作用。首先, 研究区板溪群与冷家溪群的高角度不整合接触, 表明新元古代中期的武陵运动产生了强烈构造变形。武陵期逆断裂(构造线)走向在研究区也呈同样的弧形偏转(柏道远等, 2012b), 其在印支运动中作为构造薄弱带更容易产生断裂活动。其次, 燕山期NNE向至近SN向褶皱形成时期, 印支期褶皱理应受到挤压作用而得到一定加强和改造。

3.2思渠-沙子镇隔槽式褶皱形成机制

张必龙等(2009)通过采用有限差分法对川东“侏罗山式”褶皱进行了数值模拟, 提出层间粘聚力(能干性)差异和上覆压力(埋深)是控制隔档式褶皱、隔槽式褶皱样式的主要因素。地层埋深较浅时层间能干性差异对褶皱样式起主控作用, 能干性差异小时出现隔槽式褶皱, 差异大时出现隔档式褶皱(图5)。埋深大时压力起主要作用且仅出现隔槽式褶皱。对比发现, 图5中层间能干性差异小的模型9、10、11、12施压端隔槽式褶皱的形态与思渠向斜的地质解析结构和MT剖面结构(图3b)完全一致: 在水平方向上, 岩层自向斜翼部向核部逐渐变陡, 于褶皱轴面部位两翼岩层产状直立且紧贴一起; 背斜翼部与向斜翼部之交接处岩层产状急变, 显示出轴面倾向背斜的背形膝褶; 向斜下部出现水平岩层, 水平岩层段与翼部倾斜岩层段之交接处产状也急剧变化, 形成轴面倾向背斜的向形膝褶(图3a)。

张必龙等(2009)物理模拟的关键实验条件是岩层体底部的自由滑动以及岩层体侧面受到的水平方向整体挤压(图5)。研究区主期构造变形的地质背景与这一实验条件相似: 区域NWW向水平挤压(如前述)可对应于实验中岩层体侧面的整体挤压; 变形受控于褶皱基底与结晶基底之间的滑脱(蔡学林等, 2004), 褶皱基底底部的滑脱面可对应于实验中岩层体底部的自由滑动面。鉴于思渠-沙子镇隔槽式褶皱样式及其地质背景与张必龙等(2009)数值模拟的高度相似性, 分析提出以下隔槽式褶皱形成机制(图6):

图5　川东“侏罗山式”褶皱形成机制的物理模拟(据张必龙等, 2009)Fig.5　Physical simulation of the formation mechanism of the Jura-type folds in the eastern Sichuan

在燕山运动早期区域NWW向挤压应力作用下,深部塑性程度较高的褶皱基底沿NWW水平方向产生整体收缩, 沿其与结晶基底间界面滑脱而形成滑脱背斜(断层滑脱褶皱)。在滑脱面之上, 深部多个滑脱背斜构成隔档式褶皱, 浅部则变为隔槽式褶皱。在此变形机制中, 相邻背、向斜翼部形成背形膝褶和向形膝褶。相邻背斜的相邻向形膝褶的轴面在地表的交线大体对应于表层向斜核部。受此几何结构约束, 一定深度相邻滑脱背斜会存在与变形深度有对应关系的一定间距, 根据思渠向斜与沙子镇向斜间距, 初步推断褶皱基底底部滑脱层深度约为12 km左右。综上, 基底在水平方向上因挤压而收缩、滑脱是思渠-沙子镇隔槽式褶皱变形的主导机制。

需要注意的是, 在区域挤压作用条件下, 上部盖层同样会产生水平方向的缩短, 当盖层与基底之间、盖层内部不同层位之间缩短量存在差异时, 其间势必形成滑脱, 此可能为区域上多个滑脱层发育的主要原因。此外, 水平挤压作用以及滑脱作用均可能于基底和盖层中形成逆断裂。逆断裂及盖层底部和盖层内部的滑脱同样会形成褶皱, 其叠加在基底滑脱褶皱之上, 使构造变形样式更为复杂化。前述官舟背斜极为平缓的次级褶皱或挠曲应与此有关。

综上述, 桑植-石门复向斜区复杂褶皱和思渠-沙子镇隔槽式褶皱均受区域挤压作用下的岩层体水平收缩所控制, 其褶皱样式不同的主要原因应是前者褶皱基底变形主要以逆冲断裂为主, 后者褶皱基底变形则以滑脱背斜为主。造成其基底变形差异的原因有待进一步研究, 本文初步认为可能主要与先期褶皱基底构造的差异性有关: 位于黔中古隆起北侧的沿河地区褶皱基底构造呈EW向(刘伟等, 2011),燕山期NWW向挤压下不易产生继承性逆冲活动,因此褶皱基底变形以滑脱为主。而桑植-石门复向斜区武陵运动构造线自西向东呈NE→EW向弧形偏转(柏道远等, 2012b), 与印支运动挤压应力(近)垂直,武陵期断裂作为构造薄弱带在印支运动中容易产生断裂活动, 因此褶皱基底变形以逆冲断裂为主。

图6　思渠-沙子镇隔槽式褶皱形成机制模型Fig.6　Dynamic mechanism of the Siqu-Shazizhen trough-like folds

4　讨　论

颜丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出雪峰山西侧盆山过渡带的褶皱变形以雪峰造山带为动力来源, 在坡-坪式结构基础上由盖层(南华系及以上地层)自南东向北西滑脱、冲断所形成; 褶皱变形时代自东向西由早至晚, 褶皱样式则从早至晚由隔档式褶皱→城垛状褶皱→隔槽式褶皱转变, 由此形成了该区东部发育隔槽式褶皱、西部发育隔档式褶皱的构造变形格局(图7)。目前这一隔槽式褶皱源于雪峰造山带推动造成的盖层向西滑移的观点(以下简称雪峰西推模型)已得到较普遍认同(冯常茂等, 2008;张必龙等, 2009; 梅廉夫等, 2010)。

张必龙等(2009)基于这一机制进行了滑脱作用的数值模拟; 梅廉夫等(2010)通过磷灰石裂变径迹年龄和平衡剖面, 提出川东-湘鄂西地区在晚侏罗世末-早白垩世末期间因雪峰造山带向西挤压而缩短78 km, 并认为雪峰隆起带为湘鄂西-川东地区构造变形之“发动机”。但本文研究发现这一模型难以解释以下地质事实。

第一, 研究区褶皱轴面和逆冲断裂未显示出雪峰西推模型应有的向E或SE倾斜的极性特征, 如思渠向斜和沙子镇向斜的轴面直立(图3a); 桑植-石门复向斜内褶皱轴面和逆断裂则反而倾向NW(图2 a);道真东面发育轴面倾向NW的连续倒转褶皱(图8);正安-石阡地质剖面中褶皱轴面一般直立(图9); 最新综合地球物理解释剖面显示, 慈利-保靖断裂以西实际为基底和盖层均被卷入的向东逆冲的构造样式(李三忠等, 2011; Li et al., 2012)(图10); 黔西以西地区整体向东逆冲(万桂梅等, 2008; Liu et al., 2012)等。以上事实与雪峰西推模型存在严重矛盾。

第二, 地质证据显示雪峰造山带总体上并未发生向西侧褶皱带的大规模推覆。首先, 作为雪峰造山带与西侧隔槽式褶皱带分界的慈利-保靖断裂,其两侧地层总体较为连续(图11), 与东侧块体向西大规模逆冲、滑移相矛盾。其次, 若盆山过渡带褶皱的形成源于雪峰造山带向北西的推覆, 则雪峰造山带理应产生强烈变形, 可实际情况并非如此。如怀化-沅陵断裂东侧上三叠统-中侏罗统与石炭系-下三叠统之间、白垩系与上三叠统-中侏罗统之间的不整合面上下岩层产状相近, 反映印支运动和早燕山运动变形并不强烈(柏道远等, 2014)。再如沅麻盆地中生代以来挤压变形主要集中于盆地东缘的怀化-沅陵断裂带(构造薄弱带), 盆地中西部挤压变形很弱; 盆内石炭系与板溪群角度不整合接触(武溪北面)反映强烈变形及相应的大幅抬升事件发生于加里东运动(柏道远等, 2015); 沅麻盆地以西地区褶皱形态总体平缓等。

图7　雪峰造山带及西侧地区褶皱–断裂系统变形过程的构造模型(据Yan et al., 2003修改)Fig.7　A tectonic model showing the deformation processes of the fold-fault system inside and west of the Xuefeng Orogen

图8　道真东面连续倒转褶皱(据中国地质调查局成都地质调查中心, 2011, 修改)Fig.8　Continuous overturned folds to the east of Daozhen

图9　正安-石阡地质剖面(据刘恩山等, 2010, 略修改)Fig.9　Zheng′an-Shiqian geological section

第三, 雪峰西推模型下地质剖面无法平衡。颜丹平等(2000)以寒武系底标志层对NW-SE向的万县-桃源构造剖面进行平衡剖面计算, 得出中生代以来盆山过渡带褶皱缩短量为65 km; 梅廉夫等(2010)以志留系顶界面作为标志线对达县-桑植构造剖面进行平衡计算后, 认为该区晚侏罗世末-早白垩世末期间缩短78 km。总之, 盆山过渡带挤压缩短显著,最大可达78 km。据图7显见, 雪峰西推模型中, 变形受盖层东缘向西的持续推挤、滑移所控制, 盖层相对基底滑脱运移并因此缩短, 而基底则为刚性、不运移、不变形的块体, 因此盆山过渡带盖层的缩短量等同于其后缘因雪峰造山带推动产生的北西向滑移量。因此, 从雪峰西推模型出发可作如下推断: 78 km的缩短意味着雪峰造山带将盆山过渡带盖层的后缘(南东边缘)向北西推移了78 km以上; 据此由现今所在的慈利-保靖断裂一线计算, 变形前盆山过渡带盖层后缘的位置大致在现今桃源-芷江一线, 如此则现今沅麻盆地的主体(包括中生代盆地沉积)曾位于南华纪-古生代盖层之下(参见图1); 作为顶着盆山过渡带盖层向北西滑移的“推手”, 慈利-保靖断裂以东的雪峰造山带出露地层应以板溪群及更早地层(基底)为主, 因为只有强烈的断块逆冲、抬升才能提供西推的动力并“填充”盆山过渡带盖层后缘向北西大规模滑移后形成的“空档”。基于雪峰西推模型所作上述“合理”推断与事实完全矛盾: 首先,现今沅麻盆地主体曾位于南华纪-古生代盖层之下显然是不可想象的; 其次, 雪峰造山带北西部, 即慈利-保靖断裂以东、沅麻盆地以西(含沅麻盆地)地区出露地层主要为南华纪-早古生代(中生代除外),而非板溪群及以下地层。推断与事实的尖锐矛盾,实际反映出雪峰西推模型无法平衡地质剖面。事实上, 雪峰西推模型在平衡地质剖面上遇到的问题在其模型图中即有体现: 图7c中主逆冲断裂西侧参与褶皱的“灰色”岩层顶面(虚折线对应段)长度明显较图7d中对应段的长度短, 后者是前者长度的1.22倍左右(笔者量算)。水平挤压条件下随着变形程度的增强岩层体的长度理应缩短, 图7中长度反而显著增加显然有悖常理, 雪峰西推模型下地质剖面不能平衡是导致这一问题的本质原因。

图10　桑植-张家界构造剖面(据李三忠等, 2011, 略修改)Fig.10　Sangzhi-Zhangjiajie tectonic section

图11　松柏–人头山构造剖面Fig.11　Songbai-Rentoushan tectonic section

第四, 雪峰西推模型下向斜部位不大可能出现大幅抬升(如图7d)。但梅廉夫等(2010)对隔档式褶皱带及隔槽式褶皱带西部侏罗系进行的磷灰石裂变径迹研究结果表明, 向斜部位发生过3~4 km以上的构造抬升与剥蚀(本文基于梅廉夫等分析资料据退火温度推算), 背斜区的抬升幅度显然会更大。

总之, 与大量地质事实的矛盾表明, 雪峰西推模型难以作为雪峰山西侧盆山过渡带褶皱的主要变形机制。

本文提出的桑植-石门复向斜区复杂褶皱形成机制强调了变形由区域挤压体制下原地深部褶皱基底的收缩与冲断作用(主)和盖层的收缩与冲断作用(次)以及重力作用所控制, 思渠-沙子镇隔槽式褶皱形成机制强调了变形由区域挤压体制下原地深部褶皱基底的收缩和滑脱作用所控制, 其动力本质均是区域挤压作用下原地岩层体的收缩。显然, 本文提出的这一动力机制与颜丹平等(2000)和Yan et al. (2003)提出的雪峰西推模型(区域盖层推滑模式)存在根本区别, 并可以很好地解释褶皱轴面和逆冲断裂无向东或南东倾斜极性、雪峰造山带未发生向西侧褶皱带的大规模推覆、盆山过渡带包括背斜和向斜在内发生大幅度整体性构造抬升(水平方向的整体收缩导致垂向上的伸展)等地质事实, 同时也不存在雪峰西推模型中地质剖面无法平衡的问题。

值得指出的是, 尽管本文对雪峰西推模型提出质疑, 并强调区域挤压作用下原地岩层体水平方向的收缩和滑脱作用控制了盆山过渡带褶皱的形成,但这并不否定雪峰造山带向NW的挤压和逆冲对盆山过渡带变形的影响。事实上, 盆山过渡带变形具有自南东向北西逐渐迁移并由强及弱递进衰减特征(丁道桂和刘光祥, 2007; 丁道桂等, 2008; 金宠等, 2009), 雪峰造山带北西缘中生代确实发生过向NW的基底逆冲推覆作用(徐政语等, 2010; 汪新伟等, 2010; 汪昌亮等, 2011; 汤双立等, 2011; 李学刚等, 2012), 均表明造成盆山过渡带褶皱变形的应力与雪峰造山带向北西的挤压、逆冲密切相关, 只是这种相关性主要表现在雪峰块体对盆山过渡带块体(包括基底和盖层)的侧向挤压, 而不是雪峰块体推覆岩片顶着盆山过渡带上部盖层向NW大规模滑脱、运移。

此外, 虽然本文认识主要基于隔槽式褶皱带的研究提出, 但区域挤压下整体收缩变形机制对西侧隔档式褶皱研究乃至一般区域构造研究无疑都具有重要的启示意义。

5　结　论

(1) 齐岳山断裂以东的隔槽式褶皱带内褶皱样式较复杂, 其中桑植-石门复向斜内褶皱具“复杂褶皱”组合样式, 而沿河地区褶皱则为典型隔槽式褶皱。

(2) 齐岳山断裂东侧盆山过渡带褶皱主要受区域挤压体制下包括褶皱基底和盖层在内的原地岩层体的整体水平收缩及其导生的冲断、滑脱作用所控制, 其中桑植-石门复向斜内褶皱基底变形主要以逆冲断裂为主, 沿河地区褶皱基底变形则以滑脱背斜为主。

(3) 区域挤压下整体水平收缩变形机制, 可以很好地解释雪峰西推模型不能解释的若干重要地质事实, 包括褶皱轴面和逆冲断裂无向东或南东倾斜极性、雪峰造山带未发生向西侧褶皱带的大规模推覆、盆山过渡带具大幅度整体性构造抬升等, 同时也不存在雪峰西推模型中地质剖面无法平衡的问题。

致谢: 中国海洋大学李三忠教授和另一名匿名审稿人对论文进行了认真审阅并提出了宝贵的修改意见,前者还对论文中的英文错误进行了仔细修改, 在此表示衷心感谢。

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Characteristics and Dynamic Mechanisms of the Folds in the Basin-Mountain Transition Zone, East of the Qiyueshan Fault

BAI Daoyuan, XIONG Xiong, YANG Jun, ZHONG Xiang and JIANG Wen
(Hunan Institute of Geology Survey, Changsha 410016, Hunan, China)

The basin-mountain transition zone between the Xuefeng Orogen and the Sichuan Basin is divided into the western comb-like fold belt and the eastern trough-like fold belt by the Qiyueshan fault. There exist different ideas about the formation mechanism of the folds in the basin-mountain transition zone. Among these points of view, the “Xuefeng pushing-westward model” is the most influential and widely held. The model put forward that the comb-like folds and trough-like folds were formed by multi-layer westward detachment-thrusting of the sedimentary cover and progressive compression for the driving of the Xuefeng Orogen. Taking the Sangzhi-Shimen synclinorium and the folds in the Yuanhe area for examples, the authors studied the characteristics and dynamic mechanisms of the folds in the area east of the Qiyueshan fault by measured tectonic sections, geophysical profiles and regional geological data, and reached the following conclusions: (1) The folds in the Sangzhi-Shimen synclinorium are “complex fold” and were formed mainly in late Middle Triassic. The folds in the Yuanhe area are typical trough-like folds related mainly to the NWW-directed compression in Late Jurassic to Early Cretaceous. (2) The folds were mainly controlled by the whole horizontal contraction of autochthon including folded basement and cover in regional compressional regime, and by the resultant thrusting and detachment. Deformation of the folded basement in the Sangzhi-Shimen synclinorium shows as thrust faults, while the deformation of the folded basement in the Yuanhe area exhibits as detachment anticline. (3) The deformation mechanism as whole horizontal contraction in regional compression can explain some important geological facts such as that the axial surfaces of folds and the thrust faults don’t show a polarity of east or southeast dipping, the Xuefeng Orogen didn’t thrust on a large scale to the western fold belt and there occurred a giant whole tectonic uplift in the basin-mountain transition zone. In contrast, the “Xuefeng pushing-westward model” cannot explain the facts and have the problems such that the cross sections cannot be balanced.

trough-like fold; complex fold; dynamic mechanisms; basin-mountain transition zone; Qiyueshan fault

P542

A

1001-1552(2015)06-1008-014

10.16539/j.ddgzyckx.2015.06.003

2014-11-03; 改回日期: 2015-03-25

项目资助: 中国地质调查局中上扬子重点地区(雪峰山)构造演化及其与油气关系研究(1212011220750-02)、湖南1∶25万武冈市和永州市幅区调修测项目(1212011120793)联合资助。

柏道远(1967–), 男, 研究员级高级工程师, 长期从事区域地质调查与基础地质研究。Email: daoyuanbai@sina.com