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神农架地质构造环境演化分析

2019-11-26 11:11:33 绿色科技 2019年20期

王诗情 陈方明

摘要:指出了神农架地区地处扬子淮地台和秦岭褶皱系两个一级构造单元,经历漫长的地质演变过程形成了神农架独特的构造类型并且完整地记录了华中区域的地质构造和演变发展历史,在全球地质构造上具有特殊的大地构造意义。参照区域的勘察研究成果,对神农架地区的地质构造背景和演变历史进行了分析,揭示了古气候、古地理环境面貌,对其地质构造背景提出了新的认识。

关键词:神农架;地质构造;地质演变分析

中图分类号:P588文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2019)20-0169-04

1引言

神农架夹持于华北古地块和华南古地块之间,以青峰断裂为界,北接房县,南至巴东,东临保康区,西濒重庆市巫山县,位于大巴山前陆构造带东段,扬子克拉通北缘。地区为中高山地貌,总体地势由主峰神农顶向周边山坡呈辐射状逐渐降低,呈现西南高东北低格局,区域地层发育齐全,典型的层状地貌发育,地质剖面出露较全。

神农架为典型的俯冲造山带,区域内岩浆作用明显岩浆岩以基性岩为主,其中有独特的辉绿岩、低绿片岩相、低绿片岩相、冰碛岩,发育不同类型的玄武岩、辉长辉绿岩、辉绿岩、辉绿玢岩(Pt3βu)及辉长岩(Pt3v),不同时期的岩石反映出不同的动力学特征和内部作用方式及环境特点。

2大地构造环境分析

从印支运动末至燕山运动初,神农架地区经历了多旋迥、多阶段、多期次地质构造运动塑造和挤压、逆冲、俯冲碰撞、增生、拼贴一镶嵌等区域复杂变质作用,大范围的褶皱和掀斜发生,区内青峰、杨日一九道、新华、板桥四条区域断裂控制区构造格局,受神农架环状构造的控制,展布骨架呈背斜穹窿状。区域褶皱脆断性发育明显,还有典型的裙边状褶皱构造发育。

2.1晋宁期构造期一超大陆形成演化阶段分析造山运动

晋宁运动发生的碰撞造山事件发生在中元古代末(距今1000Ma)),神农架变质褶皱基底形成于晋宁造山运动中期,神农架地区由于造山作用和风化、沉积等地质作用,两个区域角度不整合,莲沱组在区域上不整合与中元古代的神农架群之上,代表了晋宁运动(800Ma)一次完整的构造旋回。

晋宁运动华北古地块和华南古地块俯冲碰撞,中浅层次脆韧性变形,中生代逆冲推覆构造受惯性力挤压碰撞折返反映了板块的挤压变形,区域地温升高和岩浆作用使得地壳挤压穹隆形成。因此表明秦岭造山带挤压碰撞活动以及神农架隆起的演化过程与神农架基底隆起构造有关。

神农架构造运动和全球的构造演化也有重要的相关性,中元古代末期至早元古代初期全球的主要大陆集聚构成罗迪尼亚(Rodinia)超大陆。有种种证据表明神农架区是罗迪尼亚(Rodinia)超大陆重要成员,晋宁运动和格林威尔运动时期相近,郝杰等。认为我国晋宁期造山带是格林威尔期造山带的一部分;早期的俯冲记录郑家组顶部的格林维尔期火山岩指示扬子克拉通内存在格林威尔运动,被认为参与了超大陆的聚合;辉绿岩墙产生证明罗迪尼亚超大陆裂解事件的同时也与哥伦比亚超大陆裂解时间有着紧密的相关性。晋宁运动区内不同构造环境的中元古代的沉积物拼贴在一起使得扬子古陆与华夏古陆形成统一的前寒武基底并成罗迪尼亚(Rodinia)超级古陆的一部分。

晋宁运动以陆相向海相转换为结束,晋宁运动后区域呈现隆起构造背景。

2.2加里东期环境分析

加里东期地层南厚北薄,扬子地区的泥盆系与志留系地层为平行不整合是加里东期时期构造运动挤压应力促使华夏板块与扬子板接触板塊之间挤压拼合内部扩散的结果。神农架地区加里东末期寒武纪的沉积厚度在5000m以上,区域的剥蚀量约200m,隆坳以SN向和NE向为主,周雁等(2016)推算区域内坳陷带内沉积中心的下寒武统底部烃源岩的最高古地温在120~150℃。区域范围内加里东期发生的海退(海退期)陆地面积扩大,区域大部分抬升,隆起为陆,促使神农架穹隆构造雏形的形成。

2.3印支运动一燕山一喜马拉雅

神农架地区主要的构造运动为印支运动,发生在中三叠世与晚三叠世之间,以隆升、剥蚀运动为主,形成扬子褶皱变形带、板桥断裂带,神农架群逆冲于东侧(下盘)的奥陶一志留系之上,形成“大隆大坳”的格局。

印支运动末至燕山运动初区内地貌骨架形成。侏罗纪时期为燕山运动早期,扬子北缘的神农架区是侏罗纪陆内造山带,呈多幕式构造变动,早期挤压造山作用明显,区域褶皱发育类型多样,神农架群转入前陆褶冲带内主要表现为褶冲构造,褶皱冲断构造走向NNW-NW-EW。

燕山运动后处于间歇性的上升隆起之中,在内外营力作用下,发育了七级剥夷面分别为神农顶、老君山一带;冰洞山、老虎顶、刘响寨和高脚崖等;宋洛山、大葱坪、千家坪;万福山、大九湖、酒壶坪;百城梁子至榛子一带;五谷山、伊家山等;阳日一带。印支一燕山运动造成断块大面积抬升,大规模的断裂形成,受陆内造山作用的影响区域东段呈s-N向挤压,区域穹隆构造轮廓基本定型。该地区从燕山运动转入滨太平洋构造域,同沉积一套红色磨拉石建造,作为整个印支一燕山造山运动的结束。

喜马拉雅期受隆升影响部分断裂复合,使得沉积盖层发生拆离,断层崖、断层出露,神农架群至寒武纪地层均被截切。部分新生断裂都具有走滑特点加之明显的溶蚀、剥蚀和侵蚀作用,使得喜马拉雅早期的马桥盆地产生碎屑堆积。

2.4新构造运动

新构造运动为新近纪末到第四纪前半期地壳运动,新构造运动是促使地球环境变化主要因素,不仅继承前期构造演变的特点,新构造运动还在总体窿起的背景上呈现出不同的特征,促使神农架地区现代地貌基本格局形成。

区域新构造活动以旋卷式运动为主,活动强度、节奏、频率变化大,活跃期和休眠期交替变化,使得喜马拉雅运动以来的地层分布和水系展布和盆地分布方向都沿着新的构造线发展,强烈的上升活动对岩石地层的控制作用表现为北北东的节律性的旋扭上升,形成山地。间歇式抬升,山地形成鄂西期、山原期两期五级夷平面。休眠期受侵蚀和剥蚀作用的影响岩溶地貌层状展布,沉积物的岩相发生变化。新构造运动引起的活动构造变化致使区域第四纪以来还在活动断裂发生地震、山崩等地质灾害事件。

3演变过程分析

通过分析得出神农架地层和岩石神农架地区下部位为滨海相,在19亿年前处于海洋环境当中,由于大别运动造成地壳频繁的升降运动伴随而来强烈的断裂活动和多次火山喷发活动形成神农架地层。“酒壶运动”发生时代与长城纪和蓟县纪相当,地壳上升使神农架群中间出现了间断,分为上亚群和下亚群,平行不整合。“黄陵运动”,即“神农架造山运动”,区域岩浆活动明显,使神农架群区域发生变质和挤压褶皱,大部分为窿起剥蚀区形成扬子准地台、黄陵背斜,奠定神农架基底构造轮廓;“晋宁运动”扬子克拉通与华北克拉通俯冲碰撞,西南边缘堆积了凉风垭组碎屑沉积或类磨拉石一复理石建造,神农架地台上升为陆,区域地质构造轮廓与构造形迹形成。

根据地区断裂活动、岩浆活动、地壳运动、变质作用、冰期沉积、裂陷槽沉积、陆块沉积作用将神农架地质演变分为“三段式”沉积过程,前寒武纪分别为中元古代裂谷一沉积环境过渡期、中元古代末一新元古代早期前寒武纪古大陆基底形成、新元古代持续抬升统一陆台形成期;古生代一中生代划分为古生代台缘一盆地的稳定期;新生代形成俊险峡谷、坡陡悬崖的地形地貌。

3.1前寒武纪地质构造演化

3.1.1中元古代裂谷一沉积环境过渡期

神农架群最早由江涛、华媚春命名,中元古界是神农架群基底层形成时期(1400~1000Ma),耿元生等将中元古界分为早期和晚期,并认为神农架群形成于中元古界晚期。该时期处于大陆边缘构造环境中,构造背景较为稳定,边缘区的裂谷发育成裂陷槽,台地相区域的沉积盖层有震旦系一志留系组形成的含炭碎屑一和碳酸盐底部,神农架群基性火山岩形成于海相环境,主要以碳酸盐岩为主(代表岩石白云岩)。耿元生等将神农架群划分为11个组,由于断裂和俯冲破坏造成地层的不连续,以及学者对地层划分引用的标准较大的差异,因此对构造背景认识也存在争议和不确定性。本文将神农架地层层序从古到新,分别为郑家组、石槽河组、大窝坑组和矿石山组(见表1)神农架群不整合于青白口纪凉风垭组、南华纪沉积盖层之下。

中元古代以伸展作用为主,郑家垭组位于神农架群最下部,峰值年龄在1.6Ga和2.0Ga,郑家垭组为裂谷体产物是神农架弧与庙湾SSZ型蛇绿岩之间的弧前盆地沉积。多位于沟谷地段,常形成背斜核部,是神农架群被动沉积初期受全球的拉张作用下陆内裂谷沉积形成的,常构成背斜核部及周缘,沉积有硅质岩、含磁铁硅质岩陆棚相碎屑岩组合。主要分布于东部新华断裂东侧、湘江河、台子等地,零星分布徐庄、长坊、铁厂河等地。

石槽河组是神农架群分布范围最广泛的一个地层单位,沉积厚度较大,发育多层火山碎屑岩。石槽河组由于下坳活动,地层在斜坡上地带沉积,底部重力流强烈侵蚀下伏地层使得石槽河组和郑家垭组呈现不整合接触。石槽河组发育有坚硬的白云岩,其原岩建造为砂岩、细粒岩、粉砂岩、硅质岩、砾岩、火山凝灰岩,为一套稳定斜坡相碳酸盐岩沉积。园区内发育典型的层叠石形成于温暖潮湿的浅海环境,构造多见柱状和波状,内部生物特征复杂,记录了古地理环境的演变过程,胡宁对石槽河组建组剖面进行研究,划分了4个沉积相带建立了7种岩相类型。野马河峡谷奇秀的景观由于地壳的不规律的抬升活动和河流沿节理侵蚀裂隙而形成。

大窝坑组峰值年龄在1.6Ga、2.0Ga、2.7Ga和2.8Ga处于神农架盆地中期稳定期,受海平面不断升降旋回影响潮水变动频繁,较强水动力影响波痕、潮歡层理发育,沉积了大窝坑组为稳定潮坪沉积相,底部出现海侵底砾岩为滨岸相碎屑岩。

矿石山组在神农架群的顶部,常见于神农架群出露区的南西侧,峰值年龄在12.0Ga、2.7Ga和2.8Ga。区域发育多种类型的层叠石代表潮间带特殊的水动力条件:有形成原因典型环潮坪环境帐篷构造及泥皮构造;还有常见的柱状、锥状及夸状类叠层石构造,为稳定的台地相碳酸盐岩和滨海相陆缘碎屑岩及赤铁矿层。晚期受下降运动影响,盆地的沉积范围逐渐缩小。

中元古代中晚期以张裂活动为主,拉张强烈期火山作用沉积火山凝灰岩,蓟县纪初为被动沉降(下坳)时期,沉积大岩坪岩楔和台相碳酸盐岩。该区域从早期稳定状态逐渐过渡为活动的裂谷沉积环境。

3.1.2中元古代末一新元古代早期

中新元古代时期是哥伦比亚(Columbia)和罗迪尼亚(Rodinia)演化时期,地壳的活动以张裂为主,岩浆活动频繁,扬子克拉通中元古代中早期属于裂解阶段,中元古代末晋宁运动造成超级古陆形成,受晋宁运动影响神农架地区处于伸展构造背景下,地壳剪切、区域动力变质和拉张作用,大量的拉斑玄武质火山喷发,而形成以碳酸盐岩和碎屑岩为主大陆裂谷或裂陷槽沉积,为稳定的被动陆缘沉积特征。新元古代早期,板块碰撞产生高热使下地壳物质重熔基性物质上涌岩导致岩浆岩演化主要为浅成一超浅成基性岩。

神农架地区地层存在着不整合接触,,形成NW-ES向的基地褶皱和断裂,在构造变形上,西南部具前陆褶冲带变形特征,东北部为台地褶皱区特征,神农架群则表现为不同构造样式微地块拼接事件。

3.1.3新元古代时期

新元古代为盖层沉积形成时期,地层围绕中元古代基地层从老到新呈环状分布。从原神农架群中解体出青白口纪凉风垭组,青白口纪凉风垭组峰值年龄1.6Ga和2.0Ga,与下伏神农架群及上覆莲沱组之间角度接触呈现不整合。凉风垭组为青白口纪晚期一南华纪晚期陆缘裂谷盆地的产物。青白口纪沉积物以陆源碎屑岩为主。凉风垭组沉积结构构架从底部向上为滨岸相碎屑沉积一泻湖相沉积一陆棚相的不同三个巖性段沉积盆地地层,底部与神农架群呈微角度不整合接触,具被动大陆边缘盆地沉积特征。早期处于拉张的大地构造环境,受海侵影响显现为陆源滨岸相沉积,在晋宁运动其受风化剥蚀,神农架地区南部尚保留有微古植物化石丰富的古城、南沱两期冰碛岩,反映海水来自东南面,是全球性冰期事件留下的珍贵地质遗迹。震旦纪早世晚期一震旦纪晚世,连续振荡抬升形成统一陆台。

中元古一新元古代晚期,地壳以张裂活动为主使陆块增生,陆内裂谷盆地沉积和陆缘裂陷槽沉积两种沉积类型发育。

3.2古生代一中生代地质构造演化

古生代为冈瓦纳大陆演化阶段,为连续稳定的台缘一盆地的沉积特点。早古生代和晚前寒武纪地层出露多、发育齐全,为碎屑岩一碳酸盐岩建造,是区域内稳定地台的沉积盖层,晚古生代,表现为一次大规模的海侵过程,中生代构造隆起形成期

南华系、震旦系及其以后的地层呈盖层状,广泛分布在神农架群的周边或向斜的核部。震旦纪地层出露齐全,灯影组地跨震旦纪和寒武纪两个岩石地层单位,灯影组零星出露阳日断裂以北,灯影组富含巨厚的白云岩往往形成峭壁,并发育溶洞。寒武纪灰一浅灰色白云岩普遍发育,矿产较丰富,牛蹄塘组是重要的含矿层位。

奥陶纪为浅海环境,奥陶纪地层沉积物以浅海碳酸盐岩为主,并呈带状环绕神农架穹隆周缘,石柱河擎天石柱和大九湖龙嘴岩石由奥陶纪的岩石组成。早期奥陶纪由于海侵呈开阔台地相,中期晚期海侵一海退形成浅海台地和浅海盆地相沉积,奥陶世末期频繁地壳振荡形成宝塔组上、下部间的特殊结构转换面。区内志留纪地层发育不全。晚中生代神农架断块受挤压隆起,而造成区域形成切割强烈的中山、中低山切割地貌。

3.3新生代地质构造演化

新生代以来大陆边缘的动力学体系发生变化,以升降运动为主,继而引发大面积的间歇性隆升一神农架穹隆和局部差异性断裂活动一以新华断裂为代表的北东向构造,在隆起同时发育以拆离断层为代表的伸展构造形迹

晚侏罗到白垩纪为多幕式沉降,沉降中心不断自东向西迁移,白垩纪盆地的消亡由于白垩纪末期东强西弱的格局发生反转,受构造变动影响导致东部伸展变形,沉积作用向区内东部迁移,西部呈现收缩变形。古近纪末滨太平洋构造体系持续发展,新近纪时期区内的构造活动以差异升降剥蚀夷平为主要特点,新近纪沉积物与下伏岩系之间为不整合关系受区内多期运动和构造作用的影响形成区内山峦迭嶂、群峰兀立、峡谷纵横的地形地貌。

第四纪地层零星分布,沉积盆地、河谷洼地在区域分布较广,表现为较浅的沉积厚度,极不连续沉积时间,少量发育的小型断层。第四纪地层堆积于神农架地区河谷的三级阶地之上。神农架南北的断裂构造构造格局影响,南坡盆地标高大致在1700m左右,北坡盆地标高约1000m,导致南北坡升降幅度差异明显。

4结论与讨论

通过对园区内地质的演化过程、岩相形成机制探讨得出:神农架地区形成于超级地幔柱主导的哥伦比亚超大陆裂解背景,与全球其他大陆一样是全球的构造演化重要部分,具有全球对比意义。神农架地区断裂带形成的时间和区域构造演化和地质结构定型时间有密切的相关性;神农架地区岩相古地理的格局主要为海平面上升滨海相地貌、臺盆相间,碎屑沉积环境;特殊地貌是多期运动、多重作用共同演化的结果。神农架独特地貌格局、古生物特征、丰富的古生物化石沉积历史反映出构造演变和发展的多元化过程。