2012, Vol. 55
2. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083;
3. 中国石化勘探南方分公司, 成都 610041;
4. 西安地质矿产研究所, 西安 710054
2. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Sinopec Exploration Southern Company, Chengdu 610041, China;
4. Xi'an Institute of Geology and Mineral Resources, Xi'an 710054, China
川东弧形带位于四川盆地东部华蓥山与齐岳山之间,由一系列呈NE 走向规模巨大的弧形褶皱组成,褶皱样式表现出十分典型的“隔档式”薄皮构造特征(图 1) . 研究表明,在晚中生代华南板块内部SE-NW 向多层拆离机制作用下,构造变形从雪峰山向四川盆地不断扩展,并先后形成了湘鄂西隔槽式褶皱带和川东隔档式褶皱带[1-4].
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图 1 川东—湘鄂西弧形褶皱带地质图(a)与构造剖面(b) 虚线框为图 2的范围.小图中Qmlrng:秦岭一大别造山带；SCB:华南板块；NCB:华北板块. Fig. 1 Geological map of Eastern Sichuan fold bett (a) and cross section from Xuefengshan mountain to Sichuan basin (b) The dashed box shows the location of Fig. 2. Inset: Qinling: Qinling-Dabie Orogen； SCB: South China Block； NCB: North China Block. |
华南板内构造变形铸就了从福建沿海到四川盆地总宽度超过1000km的造山带,其形成过程和动力学机制多年来一直都是构造地质学领域的热点问题[5-8]. 川东褶皱带地处华南造山带前锋,代表了晚造山期的构造事件,确定其变形时间对于揭示华南造山带的构造历史具有重要意义. 地质学家很早就注意到了四川盆地周缘的褶皱变形,以此命名“四川运动”,并将其时间定位于燕山期即白垩纪的构造变形[9-10],依据鄂西地区的下白垩统与下伏地层间的不整合接触关系,可以判断湘鄂西褶皱带构造变形从晚侏罗世末到早白垩世早期[11]. 然而在川东弧形带内却普遍缺少晚白垩世以来的地层,卷入变形的最新地层为下白垩统,单凭地层接触关系难以确定其变形时间下限. 近年来,也有学者认为“四川运动”构造变形时间应为新生代中晚期[12-13],相应的川东褶皱带形成时间为喜山期[14-15]. 例如,冯向阳等[16]指出川东褶皱带是燕山期—喜马拉雅期有序变形的结果,燕山期主要集中在盆地外围,至喜马拉雅期才使盆地内部卷入变形.
可见,对于川东弧形带构造变形过程尚无完整认识,主要原因是缺少晚白垩世以来的沉积地层,无法获得有效的时间限定. 磷灰石裂变径迹技术(AFT)为解决此类构造变形年代学问题提供了新途径,它利用了磷灰石矿物在小于封闭温度(约140 ℃) 的条件下径迹开始累积的热特性,可以揭示出由于构造抬升使岩石上升到地表的剥露历史. 目前该技术已在四川盆地周缘(如大巴山、米仓山等)的构造研究中广泛应用,为揭示白垩纪以来盆山演化提供了重要的时间约束[17-28]. Shen 等[29]曾对万州一带的侏罗纪砂岩进行了11个样品的AFT 研究,通过时间-温度的热历史模拟发现这些样品大都经历了100～70 Na的快速冷却阶段,据此将川东弧形带北段的构造变形时间限定在早、晚白垩世之交. 然而,这些热年代学研究还仅限于川东弧形带的北段,不足以完整揭示弧形带的构造变形过程. 鉴于此,本文选定川东弧形带北段、中段和南段的三条剖面,运用AFT 方法分析了主要背斜的隆升-剥露热历史,建立并对比了三条剖面的构造变形时序,试图完整揭示弧形带的构造扩展历史.
2 AFT 采样、测试和结果川东褶皱带大致呈北东走向,且向北西方向凸出的弧形样式(图 2) . 弧形带自北向南可以分为三段:北段位于开县—万州一带,紧邻大巴山构造带,构造线走向呈北东东或近东-西向；中段位于大竹—石柱一带,包括华蓥山、方斗山等北北东走向的构造线；南段位于合川—涪陵一带,构造线走向呈北北东或近南—北向. 本文选择垂直于川东弧形构造线的三条剖面进行采样,其中AA′剖面自东向西横穿北段的茨竹垭和南门场背斜,BB′剖面自东向西横穿中段的方斗山、黄泥堂和华蓥山背斜,CC′剖面自东向西横穿南段的大山场、铜锣峡和中梁山背斜,以及华蓥山背斜的南段(图 2) .
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图 2 川东弧形带构造-地形剖面与AFT采样位置 AA':弧形带北段剖面；BB':弧形带中段剖面；CC':弧形带南段剖面.图中的虚线框表示图 7中遥感影像的位置. Fig. 2 Structural-topographic profiles in Eastern Sichuan fold belt and AFT sampling locations AA' : Northeastern Sichuan profile； BB' : Eastern Sichuan profile； CC' : Southeastern Sichuan profile. The dash boxes indicate the locations of the remote sensing images in Fig. 7. |
构造-地形剖面清晰展示了川东弧形带向斜宽缓、背斜窄陡的“隔档式”构造变形样式[4]. 向斜地带广泛出露中侏罗统沙溪庙组、上侏罗统蓬莱镇砂岩和泥岩,平均宽度约30km. 背斜核部多为下三叠统嘉陵江组、中三叠统巴东组灰岩和上三叠统须家河组砂岩,平均宽度约10km. 本次获得AFT 样品共7件,都分布在背斜两侧不足5km 的范围以内. 样品均采自新鲜露头,涉及地层包括中侏罗统沙溪庙组和上三叠统须家河组,岩性主要为长英质砂岩,每件样品重约2kg. 此外,本文还选用Richardson 等[28]在华蓥山和南门场背斜获得的4件AFT 样品进行对比分析,总计11件样品的范围基本覆盖了整个川东弧形带.
将采集的岩石样品粉碎,经传统方法粗选后,利用电磁、重液等分选手段进行单矿物提纯,在双目镜下挑选磷灰石约100～150颗. 裂变径迹测试在中国科学院高能物理研究所完成,将磷灰石颗粒置于玻璃片上,用环氧树脂滴固,经磨平和抛光后制成光薄片. 在25 ℃ 下用7％ 的HNO3 蚀刻30s揭示自发径迹,将低铀白云母外探测器与磷灰石一并放入反应堆辐照,之后将白云母外探测器置于25 ℃、40％的HF 中蚀刻35 min,揭示诱发裂变径迹. 利用AUTOSCAN 测量装置对径迹密度和水平封闭径迹长度进行测量. 中子注量采用CN5 铀玻璃标定,年龄值计算采用Zeta常数法(Zeta值:389.4±19.2) .
AFT 样品的测试结果见表 1,单颗粒年龄分布如图 3所示. 所有样品的单颗粒年龄值分布在45～140 Na之间,均小于采样地层的沉积年代. 年龄特征表明样品经过沉积埋藏、加热并经过完全退火,其自发径迹是由于后期构造抬升再度冷却并重新累计的结果. 样品的单颗粒年龄正态分布置信度(P(χ2) )均大于5％,表明所测年龄值属于同组年龄,不存在多组份年龄现象. 另外,样品的径迹长度统计也普遍显示出单峰分布的特征(参见图 4、图 5 和图 6) ,反映了相对简单的冷却过程.
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表 1 AFT样品测试结果(带*号的样品引自文献[28]) Table 1 Result of apatite fission track dating (The sample with * from reference [28]) |
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图 3 AFT 单颗粒年龄分布雷达图 Fig. 3 Radar plot show grain age distribution of fission track dating |
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图 4 川东弧形带北段AFT 样品的热历史模拟结果与径迹长度分布 灰色为“可接受的”热历史曲线；深灰色为“高质量的”热历史曲线；阴影区域表示构造变形对应的冷却时段. Fig. 4 Result of thermal history modeling and track length distribution in Northeastern Sichuan The thermal path envelopes marked by gray are “acceptable”； The envelopes marked by dark gray are “good” |
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图 5 川东弧形带中段AFT 样品的热历史模拟结果与径迹长度分布 灰色为“可接受的”热历史曲线；深灰色为“高质量的”热历史曲线；阴影区域表示构造变形对应的冷却时段. Fig. 5 Result of thermal history modeling and track length distribution in Eastern Sichuan The thermal path envelopes marked by gray are “acceptable”； The envelopes marked by dark gray are “good”. |
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图 6 川东弧形带南段AFT 样品的热历史模拟结果与径迹长度分布 灰色为“可接受的”热历史曲线；深灰色为“高质量的”热历史曲线；阴影区域表示构造变形对应的冷却时段. Fig. 6 Result of thermal history modeling and track length distribution in Northeastern Sichuan The thermal path envelopes marked by gray are “acceptable”； The envelopes marked by dark gray are “good” ； The think black lines are best thermal path. |
川东弧形带三条剖面上样品的AFT合并年龄和径迹长度具有如下空间分布特征:弧形带北段从茨竹垭背斜向南门场背斜,AFT年龄值逐渐减小,分布在67～57 Na之间,径迹长度也具有相同的变化趋势,分布在12.10～11.68μm之间；弧形带中段从方斗山背斜向华蓥山背斜,总体上AFT 年龄和径迹长度逐渐减小,分别在97～78 Na 之间和12.47～11.91μm 之间. 但在靠近华蓥山背斜核部处,年龄值突然增大到85 Na；弧形带南段从大山场背斜到中梁山背斜,总体上AFT 年龄和径迹长度均显示出逐渐增大的趋势,分别在49～58 Na之间和12.38～12.78μm 之间. 但华蓥山背斜南段的情况较为特殊,其年龄值为67 Na,而径迹长度却仅为12.09μm. 以上特征反映出川东弧形带不同区段AFT 样品热历史的差异,其成因很可能与弧形构造扩展过程有关. 为了进一步揭示川东弧形构造的变形时序,我们分别对三条剖面的AFT样品热历史进行重建.
3 AFT 热历史重建AFT合并年龄并没有直接的地质意义[30],然而,基于实验室退火模型,根据磷灰石的单颗粒裂变径迹年龄及大量径迹长度数据进行的反演模拟可以较好地重建样品的热历史. 本文采用Hefty(v1.3) 软件[31]和Laslett模型[32]对川东弧形带内的9件样品进行了AFT 热历史模拟,它们分别是北段AA′剖面的FT-19,2495-1和2495-3三件样品,中段BB′剖面的FT-28和FT-09两件样品,南段CC′剖面的FT-33,FT-41,FT-44和FT-46四件样品.
反演模拟之前首先通过正演方法确定样品热历史的约束条件. 本文引入了两个地质约束条件:(1) 白垩纪的大规模剥蚀冷却事件. 该时期四川盆地周缘山带,如秦岭—大巴山、米仓山等都经历了显著的剥蚀冷却过程[17-24]. Hu 等[18]通过秦岭地区大量磷灰石和锆石的AFT 和(U-Th)/He分析确定了100～60Na的区域剥蚀事件,Shi等[23]针对大巴山地区的AFT 分析结果也反映了这一时期的快速冷却. (2) 新生代以来区域冷却剥蚀事件. 该时期由于青藏高原的隆升,再次激活了秦岭等老造山带的剥蚀作用. Enkelmann等[33]通过对南西秦岭AFT 样品分析识别出新生代晚期(9～4 Na)的快速剥露事件,Tian等[20]对米仓山的AFT 和(U-Th)/He 研究也反映出约20 Na前后的冷却过程,表明与青藏高原新生代隆起密切相关. 此外,根据现有的地质证据,可以肯定川东弧形带主体形成于晚侏罗世之后[11],所以在反演模拟时省略了样品的埋藏加热史,仅模拟了部分退火带以上(小于140 ℃)的温度-时间热历史.
热历史模拟过程采用NonteCarlo搜索算法反复计算温度-时间热历史曲线,并判断其与实测数据的拟合程度,以获得最佳的模拟结果. 模拟质量根据合并年龄与平均径迹长度两个GOF 值进行检验,若GOF检验值大于5％ 时,定义模拟热史是“可接受的”,当检验值超过50％ 时,定义模拟结果是“高质量的”. 设定当“高质量的”的热历史曲线数量大于200条时为计算的结束条件,得到这些曲线所围限的区间代表了样品抬升冷却的基本热历史(图 4、图 5和图 6) .
3.1 弧形带北段川东弧形带北段三个样品的热历史模拟如图 4 所示. 茨竹垭背斜的T3 砂岩(FT-19) 的热历史模拟显示出样品在100→80Na快速抬升冷却,从80Na 之后为缓慢冷却,对应于背斜构造变形的起始时间约为100 Na. 南门场背斜的T3 砂岩(2495-1) 的热历史模拟显示样品在90→70 Na快速冷却,对应的构造变形开始时间为90 Na,略晚于茨竹垭背斜. 南门场背斜J2 砂岩(2495-3) 在105→85 Na 快速冷却,早于该背斜下部T3 样品(2495-1) 的冷却时间,表明背斜岩层自上而下逐渐剥露的冷却过程. 三个样品的快速冷却时间与Shen 等[29]获得的模拟结果基本一致,进而验证了川东弧形带北段背斜隆起的起始时间为早白垩世晚期(105～100 Na),并且自东向西具有递进式扩展的趋势,构造变形一直持续到晚白垩世早期(80～70 Na),之后进入构造稳定阶段.
3.2 弧形带中段川东地区两个样品的热历史模拟如图 5所示. 方斗山以东的J2 砂岩(FT-28) 的热历史模拟显示样品在135→115Na快速抬升冷却,115Na之后为缓慢冷却,对应于背斜构造隆起的起始时间约为135Na. 黄泥堂背斜的J2 砂岩(FT-09) 的热历史显示样品在120→100 Na快速抬升冷却,100 Na之后为缓慢冷却,对应的构造变形开始时间为120 Na,略晚于方斗山样品的抬升时间. 两个样品的AFT 热历史模拟结果表明,川东地区构造变形具有自东向西扩展的趋势,方斗山背斜变形始于早白垩世早期(约135Na),黄泥堂背斜始于早白垩世中期(约120 Na),变形过程一直延续到早白垩世晚期(约100 Na). 虽然我们没有获得华蓥山背斜AFT 样品的径迹长度数据,无法对其热历史进行重建,但根据华蓥山T3 和J1 砂岩样品(2595-1 和2595-2) 的合并年龄与黄泥堂背斜J2 样品(FT-09) 的合并年龄近似,推测华蓥山背斜变形时间不会晚于早白垩世.
3.3 弧形带南段川东弧形带南段四个样品的热历史模拟如图 6 所示. 大山场背斜的J2 砂岩(FT-33) 的热历史模拟显示样品在85→65 Na快速冷却,65 Na之后进入缓慢冷却阶段,对应的构造变形开始时间约为85 Na. 铜锣峡背斜的J2 砂岩(FT-41) 的热历史与大山场背斜的构造变形时间基本一致. 中梁山背斜的T3 砂岩(FT-44) 的热历史显示样品90→70 Na快速抬升冷却,构造变形时间略早于大山场和铜锣峡背斜. 华蓥山南段T3 砂岩(FT-46) 的热历史显示样品100→80Na快速抬升,从80Na开始缓慢冷却,在弧形带南段构造变形最早. 四个样品的热历史表明,弧形带南段与北段、中段构造扩展方向相反,表现为自西向东的扩展模式,即西部华蓥山南段最早开始变形(约100 Na),中部的中梁山背斜次之(约90 Na),东部的大山场和铜锣峡两背斜开始变形的时间最晚(约85 Na).
4 弧形带三维构造扩展历史综合上述三条剖面的AFT 样品的热历史重建结果,我们认为川东弧形带整体构造变形时间为135→65 Na,即早白垩世早期- 晚白垩世晚期. 对比湘鄂西褶皱带晚侏罗世末到早白垩世早期的变形时限,川东弧形带的变形时间明显较晚,与褶皱带自东向西的递进式扩展模式基本吻合[1-4]. 此外,本文获得的AFT 年龄与米仓山、大巴山等周缘地区的AFT 年龄具有较好的一致性[17-24],热历史的反演结果也均反映了白垩纪以来的抬升冷却过程,由此暗示了四川盆地东部广泛缺失白垩纪地层的原因很可能是周缘山带同期构造隆升的结果. 根据上述变形时限和地温梯度(25 ℃),并结合最新的磷灰石和锆石(U-Th)/He研究结果[28-30],可以推测出白垩纪以来中侏罗统之上的地层剥蚀量约为3～5km.
然而,川东弧形带的扩展模式并非简单的递进式构造扩展,北段、中段和南段的变形时间并不同步. 例如,弧形带中段的变形时间总体较早,而北段和南段的变形时间总体较晚,北段和中段均为自东向西的扩展趋势,而南段则为自西向东的扩展趋势. 这些非同步的构造扩展现象很可能与弧形构造的发育过程有关. 根据Weil和Sussman[34]对弧形构造地形、发震和应变分布特征的分析结果,大多数弧形带都具有三维构造扩展特征,即在垂直于构造线的方向上由后缘向前缘推进,同时在平行于构造线的方向上产生弧形弯曲. 类似的三维扩展特征也得到了砂箱物理模拟试验的证实[35-36]. 据此,我们分别从平行走向和垂直走向两个方面来讨论川东弧形带的三维构造扩展过程,揭示其变形历史.
4.1 平行构造线走向的扩展过程在平行于构造线的方向上,川东弧形带总体表现为从中心向两翼的构造扩展过程. 弧形带中段构造变形较早,起始时间为早白垩世早期(约135 Na),形成的背斜主体平行于齐岳山呈NNE 走向近直线型排列,很明显是齐岳山逆冲构造向西推进的结果. 而位于弧形带两翼的北段和南段构造变形较晚,起始时间为早白垩世晚期(约100 Na). 另外,北段的背斜枢纽方向由川东地区的NNE 向转为NEE 向,继而转为近E-W 向,弧形背斜的东端与齐岳山北部斜交. 南段的背斜枢纽由NNE 向转为近N-S向,斜交于齐岳山南部(图 2) .
由于弧形带中心和两翼的变形时序差异,在它们的衔接部位形成了褶皱叠加构造(图 7) . 例如在弧形带北段,枢纽为NEE 向的茨竹垭背斜与枢纽为NNE 向的方斗山背斜叠加(图 7a),由此限制了方斗山背斜向北延伸,构成了类似“L”型的叠加褶皱[37]. 另一处枢纽为NEE 向的温泉井背斜叠加在枢纽为NNE 向的七里峡背斜之上(图 7d),形成向SW 突出的鼻状背斜隆起,构成迁移型叠加褶皱[38]. 又如在弧形带南段,枢纽为NNE 向的板桥背斜被枢纽近N-S向的铜锣峡背斜叠加(图 7b),构成了类似“L”型的叠加褶皱. 另一处枢纽为近N-S 向的大山场背斜叠加在枢纽为NNE 向的苟家场背斜之上(图 7c),使后者的枢纽方向发生转变.
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图 7 平行弧形带走向的褶皱构造叠加(ETN 影像) (a，d)川东弧形带北段；(b，c)川东弧形带南段. Fig. 7 Fold interference along the strike of accurate fold-belt (a，d)Northeastern Sichuan； (b，c)Southeastern Sichuan. |
平行弧形带走向的构造扩展过程充分说明川东褶皱带形成伊始并非弧形形态,而是在后期变形过程中两翼逐渐发育才组合形成弧形构造样式. 大量的古地磁研究发现,川东- 湘鄂西弧形褶皱带很可能是“弯山构造(orocline)”成因[39-41],即在褶皱带形成初期构造线为直线形,随着扩展过程中逐渐弯曲而变为弧形[42]. 由于在褶皱带弯曲变形过程中同时伴随着绕垂向轴的构造旋转,使得“弯山构造”形成的构造线走向与古地磁偏角具有相同的变化趋势.
基于这一特征,张辉等[43]和韩玉林等[44]分别对川东弧形带北段云安厂背斜的中三叠统和侏罗系地层的古地磁偏角进行了检验,结果印证了可能存在的“弯山构造”. 本文通过AFT 热历史模拟所揭示出的平行弧形带走向的构造扩展过程,同样也支持了川东弧形带“弯山构造”的成因模式.
4.2 垂直构造线走向的扩展过程在垂直于构造线的方向上,川东弧形带总体表现为由东向西的构造扩展过程. 例如在弧形带北段,西部的南门场背斜变形起始时间(约90 Na)晚于东部茨竹垭背斜(约100 Na),在弧形带中段,西部的黄泥堂背斜变形起始时间(约120 Na)也晚于东部的方斗山背斜(约135 Na). 然而,在弧形带南段却表现为由东向西变形时间由新到老的相反趋势,东部的铜锣峡和大山场背斜变形起始时间(约85 Na) 晚于西部的中梁山背斜(约90 Na)和华蓥山背斜南段(100 Na)的构造变形时间.
华蓥山背斜较早变形的原因很可能与先存断裂有关. 它拥有川东弧形带范围内的最高海拔(～1600m),核部受逆冲断裂控制出露最古老的奥陶纪地层,是川东弧形带与四川盆地弱变形区的重要分界线. 大量的地球物理资料,包括重力、航磁和层析成像,均表明华蓥山断裂为异常转换带或梯度带[45-46]. 另外,反射地震剖面还揭示出华蓥山断裂在早古生代时期为张性大断裂,控制了两侧志留系、石炭系和二叠系的沉积厚度,在中生代早期断裂相对稳定,被三叠纪-侏罗纪地层覆盖[47-48]. 因此,我们推测在早白垩世早期川东褶皱带构造变形向西扩展的过程中,挤压应力沿区域滑脱层传递到华蓥山,使先存断裂处于应力相对集中的状态,造成华蓥山背斜较早发生构造隆起,进而限制了弧形带中段和南段的构造扩展. 在重庆一带,向南呈“扫帚”状撒开的弧形背斜北段均汇交于华蓥山背斜南段,暗示了弧形构造扩展受到了华蓥山断裂的限制.
5 结论本文通过对川东弧形带北段、中段和南段三条剖面上7件样品的AFT 测试,结合前人已发表的4 件样品,分析模拟了川东弧形带主要背斜白垩纪以来的隆升-剥露热历史,并取得以下认识:(1) 川东弧形带主体构造变形时间为135→65 Na,即早白垩世早期到晚白垩世晚期.
(2) 川东弧形带的三维构造扩展历史表现为:平行构造带走向,从中心向两翼的构造扩展,其中弧形带中段的构造变形最早,起始时间为早白垩世早期(约135 Na),弧形带北段和南段的变形较晚,起始时间为早白垩世晚期(约100 Na)；垂直构造线走向,弧形带北段和中段总体表现为由东向西的构造扩展过程,南段由于华蓥山先存断裂的影响构造扩展方向相反,表现为由西向东的变形时序.
(3) 川东弧形带的三维构造扩展历史支持了“弯山构造”的成因模式,并且暗示了华蓥山先存断裂对褶皱带构造扩展的限制.
致谢中国地质大学(北京)袁万明教授在磷灰石裂变径迹测试过程中提供了帮助,与同济大学许长海教授和地质力学所施炜研究员的讨论使作者深受启发,两位匿名审稿人提出的宝贵意见对文章修改起到了关键作用,在此一并表示感谢.
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