地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (2): 558-566   PDF    
引用本文
罗良, 漆家福, 贾东 等. 龙门山南段山前天全-乐山剖面磁组构研究及其对新生代构造变形的指示意义. 地球物理学报, 2013, 56(2): 558-566, doi: 10.6038/cjg20130219.  
Luo L, Qi J F, Jia D, et al. Magnetic fabric investigation in Tianquan-Leshan section in front of Longmenshan fold-thrust belt and its indicative significance for the Cenozoic deformation. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 2013, 56(2): 558-566, doi: 10.6038/cjg20130219.  
龙门山南段山前天全-乐山剖面磁组构研究及其对新生代构造变形的指示意义
罗良1,2 , 漆家福1,2 , 贾东3 , 王开3 , 曾旭1,2     
1. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249;
2. 中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249;
3. 南京大学地球科学与工程学院, 南京 210093
收稿日期 2012-05-04, 2012-10-31 收修定稿
基金项目: 国家自然科学基金项目(41102133);中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室青年人才培育课题(PRP/indep-4-1110)和中国石油大学(北京)科研基金(QD-2010-07)联合资助
作者简介: 罗良, 男, 1982年生, 2010年博士毕业于南京大学构造地质学专业, 现为中国石油大学(北京)讲师.E-mail:luoliang1225@gmail.com
摘要: 四川盆地西南部西侧为龙门山冲断带, 南面紧挨川西南褶皱带, 其新生代构造变形特征对于认识青藏高原东南缘的变形机制具有一定的指示意义.磁组构是一种灵敏的应变指示计, 在变形微弱的沉积岩地区尤为适用.本文在雅安-乐山剖面选取12个采样点进行磁组构分析, 结合已有的天全-雅安飞仙关剖面的27个采样点数据, 综合讨论川西南地区的构造变形特征.所有采样点的磁组构测试结果显示出3种弱变形的磁组构类型:沉积磁组构、初始变形磁组构和铅笔状磁组构.雅安-乐山剖面采样点的磁线理绝大部分为北东-南西走向, 和龙门山南段的整体延伸方向一致, 表明四川盆地西南缘新生代构造变形主要受控于龙门山的构造作用.飞仙关剖面的磁组构测试结果显示44%的采样点表现出磁线理和地层走向斜交的特征, 由初始变形磁组构演变而来, 并且所有异常磁组构仅局限在断层上盘, 本文认为这是雅安地区新生代期间局部逆时针旋转引起变形叠加的结果.
关键词: 磁组构      龙门山      新生代      叠加变形      旋转     
Magnetic fabric investigation in Tianquan-Leshan section in front of Longmenshan fold-thrust belt and its indicative significance for the Cenozoic deformation
LUO Liang1,2, QI Jia-Fu1,2, JIA Dong3, WANG Kai3, ZENG Xu1,2     
1. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
2. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
3. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093
Abstract: The characteristic of Cenozoic deformation of the southwestern Sichuan basin, which is located in the east of Longmenshan fold-thrust belt and north of southwest Sichuan fold belt, is important in recognizing the deformation regime of the southeastern margin of Tibetan plateau. Magnetic fabric is a sensitive strain indicator, and is particularly useful in weak deformed sedimentary region. An integrated magnetic fabric investigation, combined with 12 sites in the Ya'an-Leshan section and 27 sites in the Feixianguan section, was carried out to discuss the Cenozoic deformation characteristic of southwestern Sichuan basin. Three weak deformed magnetic fabrics were observed in the study area:sedimentary magnetic fabric, initial deformation magnetic fabric and pencil structure magnetic fabric. The direction of most of magnetic lineation in the Ya'an-Leshan section is NE-SW, which is consistent with the extension direction of the southern Longmenshan. It suggests that Cenozoic deformation of the southwestern Sichuan basin is mainly controlled by the Longmenshan fold-thrust belt. It revealed one type of atypical magnetic fabric in about 44% sites located in the hanging wall of Feixianguan fault. The atypical magnetic fabric, characterized by a magnetic lineation that is oblique to the bedding strike, is evolved from initial deformation magnetic fabric. And it was the result of local counterclockwise rotation occurred in Cenozoic..
Key words: Magnetic fabric      Longmenshan      Cenozoic      Superposition deformation      Rotation     
1 引言

绝大多数岩石都含有一定量的磁性矿物, 磁组构反映了磁性矿物的定向排列, 作为地质研究手段主要应用于构造、水文、环境、石油及岩浆侵位机制等方面, 特别在构造地质学领域发展很快, 方法手段日趋成熟.磁组构具体表现为一个三轴椭球体(K1≥K2≥K3), K1、K2和K3分别代表最大、中间和最小磁化率主轴[1-2].在绝大多数应变状态下, 磁化率椭球的三个主轴方向与应变椭球体基本轴之间表现出很好的相关性[1-6], 这使得磁组构成为一种快速、有效地研究构造变形的方法, 尤其是在其它应变指示计很少甚至没有发育的弱变形地区, 因为磁组构相对其它应变指示计更加灵敏.

四川盆地西南部紧邻青藏高原东缘, 其新生代构造变形特征对于认识青藏高原东南边界的变形模式具有一定的指示意义.本文论述了川西南盆地雅安-乐山区域大剖面的磁组构研究成果, 认为磁组构反映的是新生代变形, 并且川西南褶皱带新生代期间对于四川盆地变形的影响很小, 并据此对天全-雅安的飞仙关剖面磁组构测试中发现的异常磁组构类型进行详细讨论, 认为它们是叠加变形的产物.

2 区域地质特征及采样

四川盆地西南部位于龙门山南段山前, 南面紧挨川西南褶皱带(图 1).龙门山褶皱冲断带长500km, 宽30~50km, 是青藏高原周缘最为陡峭的地形边界[7-8].龙门山结构复杂, 构造变形强烈, 整体上由一系列运动方向为北西向南东逆冲推覆于扬子克拉通之上的岩片和推覆体组成[9-13].龙门山地区中生代以来至少经历了两期明显的构造变形:晚三叠世挤压变形和新生代变形[7, 14-19].根据构造变形和地层发育等特征, 龙门山可以分为南、北两段, 分界线位于安县附近.南段大面积出露前震旦纪基底杂岩, 表现出基底卷入的叠瓦状冲断特征.平衡剖面研究表明龙门山南段主要表现为新生代的构造变形, 晚三叠世变形基本被改造, 南段整体缩短率达26.2%[20].川西南褶皱带位于青藏高原东南缘, 主体是由一系列新生代走滑拉张断裂组成.

图 1 四川盆地西南部及其周缘地区大地构造略图(长方形框为图 2位置) Fig. 1 Tectonic sketch map of the southwestern Sichuan basin and its adjacent regions (the inserted rectangles the location of Fig. 2)
图 2 雅安-乐山剖面构造简图、采样点分布及磁组构赤平投影图(正方形代表K1, 三角形代表K2, 圆代表K3, 圆弧代表层面) Fig. 2 Schematic geological map of Ya'an-Leshan section, location of sampling sites and lower-hemisphere equal-area stereographic projection of magnetic fabric (square represents K1, triangle represents K2, circle represents K3, circular arc represents bedding plane)

川西南盆地大面积出露侏罗系和白垩系, 局部地区可见新生代地层.雅安-乐山剖面采样沿着连接两地的省道公路进行, 在约80km的间距内布置了12个采样点, 其中仅有一个采样点的样品采自侏罗系砂岩, 其余所有样品均采自白垩系的砂岩及粉砂岩(图 2).飞仙关断层传播褶皱位于天全与雅安之间, 属于龙门山南段冲断前锋构造.详细的野外地质调查表明剖面形态为突破断层传播褶皱[21] (图 3).褶皱呈北东走向, 前翼发育的突破断层使得侏罗系向南东逆冲于白垩系之上.飞仙关剖面样品采自侏罗系、白垩系和古近系.每个采样点采集约10个定向岩芯, 所有样品最后都被处理成长22 mm、直径25mm、适合磁组构测试的圆柱体.

图 3 飞仙关剖面示意图、采样点分布及磁组构赤平投影图(带有五角星标记的是异常磁组构)(修改自(胡潜伟等, 2005) [21]) Fig. 3 Schematic structural map of Feixianguan section, location of sampling sites and lower-hemisphere equal-area stereographic projection of magnetic fabric (stereographic projections with five angle star are atypical magnetic fabrics) (modified from (Hu et al., 2005)[21])
3 磁组构测试方法及测试结果

样品磁化率各向异性测试在南京大学地球科学与工程学院古地磁实验室进行, 用KLY-3型卡帕桥测量.样品测试得到磁化率各向异性椭球3个主轴的大小及其方位, K1和K3的相对集中分布表示磁线理和磁面理极点的方向.为了定义磁化率各向异性椭球的形状, 我们利用了以下参数:各向异性度Pj、形态参数T、磁线理L和磁面理F, 并统计出表征磁组构特征的各项参数(表 1).绝大部分样品表现为弱的磁化率, 平均磁化率(Km)分布在57× 10-6~309×10-6SI之间.

表 1 雅安-乐山剖面磁组构各项参数及磁化率主轴平均方向 Table 1 Site mean magnetic fabric parameters and orientation data in the Ya'an-Leshan section

选取3个不同时代地层的样品进行三轴热退磁实验来确定样品的主要磁性矿物, 先在样品3个互相垂直的方向上分别施加2400, 400, 150 mT瞬间直流磁场, 再分步加温退磁.测试结果显示3个样品具有十分相似的退磁曲线, 典型退磁曲线见图 4.三轴热退磁测试结果显示, 3个样品的剩磁主要由硬和中间磁成份组成, 在约500~530℃之间存在解阻温度, 表明样品中存在少量的粗粒磁铁矿.样品在650 ℃左右发生完全解阻, 表明主要载磁矿物为赤铁矿.这和雅安地区已经进行的磁性矿物研究结果基本一致[21].

图 4 典型样品的三轴热退磁曲线图(IRM为剩磁强度) Fig. 4 Representative example of demagnetization curves of three orthogonal isothermal remanent magnetization

在未变形或弱变形的沉积岩中, 层面是最显著的面状构造, 随着构造变形的增强, 构造面理逐步取代层面成为首要的面状构造.按照沉积岩变形组构的类型及其发育次序[22], 鉴别出6种基本的磁组构类型[23-24]. (1) 沉积磁组构:是沉积作用和成岩压实作用的结果, 表现为磁面理平行于层面, K1和K2散布于层面, K3垂直层面. (2) 初始变形磁组构:构造变形初始阶段的产物, 表现为磁面理平行层面, K3垂直于层面, 磁面理内的K1、K2发生分离, K1相对集中于地层走向方向, K2则偏向地层倾向方向. (3) 铅笔状磁组构:随着构造应变的增加, 应变椭球更加接近长球的形状, 形成特征的铅笔状构造.这种应变状态下的磁组构特征是K1集中于地层走向方向, K3散布于岩层缩短方向, 显示了最大挤压应力的方向.随着构造变形进一步增强, 沉积岩石中的磁组构逐步演化为(4) 弱劈理磁组构、(5) 强劈理磁组构和(6) 拉伸线理磁组构.

雅安-乐山剖面12个采样点中仅有LY6和LY11属于沉积磁组构, 其余采样点都是初始变形磁组构(图 2).这说明川西南盆地内部整体变形较弱.每个采样点统计的平均各向异性度和形态参数也表现出弱变形的特征(表 1). Pj-T图显示所有采样点的磁组构形态参数都大于零, 表现为压扁状的磁化率椭球特征(图 5).此外, 磁线理(L)和磁面理(F)的比值都小于1(表 1), 这也说明所有采样点的磁组构都是压扁状的弱变形组构.

图 5 采样点磁组构Pj-T图解 Fig. 5 Pj-T diagram of the magnetic fabrics
4 讨论

龙门山地区已经取得了大量的热年代学研究成果. Enkelmann等[25]分析磷灰石裂变径迹和(U-Th)/He数据, 认为松潘甘孜褶皱带和龙门山地区快速隆升开始于16~10 Ma.松潘甘孜褶皱带北部和龙门山北部磷灰石裂变径迹热史模拟的结果显示20Ma以来表现为快速冷却过程[26]. Xu和Kamp [27]利用锆石和磷灰石裂变径迹提出青藏高原东缘快速冷却开始于中新世早期. 40Ar/39Ar和(U-Th)/He热年代学研究表明龙门山地区快速隆升开始于12~13Ma之后[28].青藏高原东南缘的磷灰石裂变径迹和(U-Th)/He热年代学研究显示快速冷却开始于13Ma之后[29].这些研究成果表明, 龙门山地区晚新生代变形明显强于中生代中晚期的变形.此外, 飞仙关断层传播褶皱卷入了古近系, 表明这是晚新生代形成的褶皱.综合上述分析, 我们认为天全-乐山地区中、新生代地层中磁组构反映的是新生代变形.

雅安-乐山剖面的磁组构测试结果显示, 初始变形磁组构中除LY9外所有采样点的磁线理走向为北东-南西向(图 2), 和龙门山南段的整体走向一致, 表明受到的最大挤压应力方向为北西-南东, 这是龙门山逆冲作用的结果.这也意味着新生代期间四川盆地西南部并没有受到川西南褶皱带明显的影响.在此并未讨论地层走向和磁线理方向的一致性问题, 这是因为采样岩层普遍较平缓, 地层产状测量困难, 此外部分采样点的地层也很难找到易于测量产状的层理面, 因此部分采样点的地层产状并没有很大的参考价值.

雅安-天全地区的飞仙关断层传播褶皱剖面中19个采样点位于断层传播褶皱的后翼, 其余8个采样点分布于核部及前翼.磁组构测试结果显示44%采样点的磁组构表现出磁线理和地层走向斜交的特征, 且K1、K2和K3分别相对集中, 磁面理与地层层面平行, 应是由初始变形磁组构演变而成(图 3).所有的异常磁组构仅仅出现在断层上盘.虽然飞仙关剖面的磁组构数据已经由我们研究团队发表[21], 但是该文并未鉴别出这类异常的磁组构类型.根据雅安-乐山剖面的磁组构数据分析结果, 本文接下来将对这类异常磁组构进行详细论述.

对于褶皱冲断带中磁组构的演化规律已经开展了大量的研究工作[30-37].磁线理的发育具有一定规律性, 在沉积磁组构中没有具统计意义的磁线理, 在弱变形的磁组构(初始变形磁组构和铅笔状磁组构)中磁线理和地层走向一致.所有的上述研究都局限在地层还是水平状态的平行层缩短阶段.然而异常初始变形磁组构的发现表明飞仙关剖面的磁组构并不完全是在平行层缩短阶段形成.那么导致异常磁组构产生的原因是什么呢?

(1) 在未变形的沉积岩石中发育沉积磁组构, 磁面理与岩层面平行, 通常不发育磁线理.然而, 由于同沉积古水流的作用, 磁性矿物也会定向排列而表现出磁线理[38], 这种磁线理往往与地层走向斜交.飞仙关剖面中有7个采样点(1, 8-11, 17, 21)表现为沉积磁组构, 因此研究区的磁组构并没有受到同沉积古水流作用的影响.

(2) Evans等[39]在阿巴拉契亚中部邻近古生代灰岩的两套地层中发现了倾斜的压扁磁组构和拉长磁组构.压扁磁组构中K3垂直于地层层面, K1和K2集中分布于层面, 并且与岩层倾向斜交.这部分岩石样品都包含有泥晶灰岩颗粒和页硅酸盐. Evans等[39]认为排列成行的页硅酸盐矿物是形成压扁磁组构的主因, 因为这些样品缺少颗粒型组构, 此外, 压溶构造也可能使其它磁性矿物产生定向排列.倾斜的拉长磁组构表现为K3和K2散布在垂直层面方向上, 而K1集中分布于层面, 且与地层走向斜交.这部分样品都包含有溶蚀引起的局部变形.飞仙关剖面的样品都采自细-中粒砂岩, 没有发现明显的灰岩中常见的压溶构造和显微构造.并且都江堰断层相关褶皱剖面上三叠统须家河组砂岩中进行的磁组构研究也没有发现这类异常磁组构[24].因此, 本文排除这种可能性.

(3) 前陆冲断带和前陆盆地发育过程中可能形成两种不同类型的变形.第一种是褶皱作用之前的平行层缩短变形.另一种是在褶皱过程中形成的弯滑和平行层的简单剪切变形[37] (图 5).我们以初始变形磁组构为例探讨其受到褶皱过程中的变形而产生的变化.在平行层缩短的最初阶段, 针状矿物定向排列于构造Y方向, 板状和片状矿物平行于层面分布.弯滑和/或平行层简单剪切作用能够产生一个与层面斜交的最大挤压应力, 在这种情况下, 针状矿物的排列并不会发生变化, 而板状和片状矿物则会发生旋转, 在平行于最大挤压应力的面上分布, 导致磁面理产状发生变化, 在褶皱后翼磁面理的倾向与地层倾向相反, 而前翼则相同, 但磁面理的倾角较小(图 6).这种情况下产生的磁组构类型不同于飞仙关剖面发现的异常磁组构类型.

图 6 断层传播褶皱过程中形成的变形及其对应的磁组构(修改自(Saint-Bezar et al., 2002) [37]) Fig. 6 Illustration of a fault propagation fold with deformation associated with folding and the corresponding magnetic fabric (modified from (Saint-Bezar et al., 2002)[37]))

(4) 在单一应力作用下, 平行层缩短早期阶段形成的磁线理方向与地层走向一致.但是, 在弱变形的构造叠加地区, 另外一个与层面平行但与第一个力斜交的力作用于初始变形磁组构, 在两个力的共同作用下, 已经定向排列的磁性矿物会发生一定的旋转.磁组构相对于地层走向对于应变状态的变化反应更加灵敏, 因而我们假定这个力的作用尚不能使后来发生倾斜的地层的走向发生旋转, 或者旋转的幅度没有磁性矿物旋转的幅度大, 在这种情况下, 会形成一种特殊的磁组构类型, 表现为磁面理仍旧位于层面上, 而磁线理的方向与地层走向发生一定的分离[40].

雅安-乐山剖面磁组构的测试结果表明川西南地区新生代并没有受到川西南褶皱带构造变形的影响, 龙门山冲断带对研究区的构造作用表现为北西-南东向的最大挤压应力.雅安地区新生代期间经历了局部的逆时针旋转[41], 旋转之前受到的最大主压应力设定为应力一, 由于来自龙门山的挤压应力方向基本不变(北西-南东向), 通过逆时针旋转作用, 其在现今空间中的方向大致为东-西向.旋转之后飞仙关剖面受到的最大主压应力设定为应力二, 其方向应为北西-南东向.因此, 飞仙关剖面可以认为是受到两个不同方向挤压应力的构造变形叠加剖面.在叠加变形的作用下, 针状矿物首先定向排列于近南北向(现今空间方位), 形成的磁线理为南北向, 与当时的地层走向一致, 表现为初始变形磁组构的特征.剖面旋转之后, 针状矿物重新定向排列于北东-南西方向, 由于地层产状的变化没有磁组构灵敏, 使得磁线理方向和地层走向斜交, 形成异常的初始变形磁组构[40] (图 7).

图 7 飞仙关剖面异常初始变形磁组构演化示意图 Fig. 7 Atypical initial deformation magnetic fabric evolution n the Feixianguan section
5 结论

通过分析雅安-乐山剖面及飞仙关剖面的磁组构测试结果, 得到以下结论:

(1) 根据青藏高原东缘热年代学研究成果及褶皱卷入变形的分析, 四川盆地西南部中、新生代地层磁组构反映的是新生代变形.

(2) 雅安-乐山剖面磁组构测试分析表明, 所有采样岩石显示弱的构造变形, 反映的最大挤压应力方向是北西-南东, 这是龙门山构造作用的结果, 川西南褶皱带在新生代期间对研究区的变形并没有明显的影响.

(3) 飞仙关剖面44%采样点的磁组构表现出磁线理和地层走向斜交的特征, 这是由于雅安地区新生代期间局部逆时针旋转导致变形叠加, 引起磁性矿物旋转的结果.

致谢

南京大学地球科学与工程学院李永祥教授、古地磁实验室胡旭芝实验员在野外采样及磁组构室内测试过程中给予指导和帮助, 两位审稿专家对于稿件提出了宝贵意见, 川藏老兵汽车租赁公司领导及员工在野外采样工作中给予帮助和支持, 在此一并表示感谢.

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