内蒙古大青山地区逆冲推覆断层及其断层相关褶皱.doc

内蒙古大青山地区推覆构造及其断层相关褶皱杜菊民1 张庆龙 1 杜松金,2 李洪喜2 赵世龙1,3 解国爱1（1. 南京大学地球科学系 江苏 南京 210093；2. 山东冶金勘察总局山东正元资源勘察院 山东 济南 2500143. 核工业部208地质大队 内蒙古 包头 014010）摘要：内蒙古大青山地区地处华北板块北缘，区内中生代推覆构造发育。通过对其推覆及其断层相关褶皱的研究，表明该推覆构造主要形成于中朱罗世末期，由SSW-SE向NNE-NW向推覆，推覆距离达20km以上，并且变形强度由南北逐渐减弱。特别是石拐盆地断层相关褶皱的发现，对这一地区的中生代构造格局、盆山耦合关系研究，具有重要意义。关键词：内蒙古大青山 推覆构造 断层相关褶皱研究区位于内蒙古自治区呼和浩特包头市以北大青山地区，东西长约150 Km,南北宽约50 Km（图1），在构造上隶属华北板块北缘。近年来许多学者对区内中生代地壳构造变形和构造样式进行了研究1，特别是1：5万区域地质调查工作的开展，取得了许多新的进展2-6。本文着重对该区发育的推覆构造及其断层相关褶皱进行了研究，探讨区内构造格局及其动力学机制。1 区域地质概况 研究区内出露地层主要有前寒武纪变质岩，古生代和中生代的盖层沉积。前寒武纪变质岩主要分布在包头市东北的石拐中生代沉积盆地南、北两侧，遭受了较强烈变质变形作用改造，主要构造形迹呈东西方向展布。石拐盆地北侧为原地变质岩系，主要由麻粒岩、孔兹岩系7组成；南侧为外来的变质结晶逆冲岩席，主要由片麻岩、变粒岩等组成。古生代地层主要出露于该区的西部和中部。寒武纪、奥陶纪地层分布零星，只出露于石拐南侧。石炭纪地层只出露上拴马桩图1 内蒙古大青山地区地质简图Fig. 1. The generalized geologic map of Daqingshan area, Inner Mongolia太古界;2-古元古;3-寒武系-奥陶系;4-石炭系栓马桩组;5-二叠系;6-下三叠统老窝铺组;7-下、中侏罗统五当沟组;8-中侏罗统长汉沟组;9-中、上侏罗统大青山组; 10-下白垩统;11-上白垩统二连组;12-元古代二长花岗岩;13-飞来峰;14-不整合;15-假整合;16-断层;17-附图地质点位;组，主要岩性为灰白色砾岩、砂岩，为一套煤系地层，部分地段煤层厚达3040m，是该区主要产煤层位之一。二叠系为脑包沟组，出露面积较大，由一套暗紫色、紫红色砾岩、砂岩和泥岩组成。中生代地层出露面积较大，由三叠纪和侏罗纪地层组成。三叠纪为老窝铺组，由一套砾岩、砂砾岩组成。侏罗纪由五当沟组、长汉沟组和大青山组组成。五当沟组为一套煤系地层，由砂岩、页岩及煤层组成。长汉沟组地层由砂岩、灰岩和泥岩组成。大青山组受推覆构造控制，只出露于区内北面部分，由一套紫红色砾岩、砂岩和泥岩组成，分选不好，堆积速度快8,9。2 推覆构造系统大青山地区推覆构造系统，经过了中生代以来多期构造运动，构造样式多次叠加，形态十分复杂。在晚古生代，由于北部兴蒙造山带的影响11，区内地壳不断抬升，到早三叠世时，只在西九峰-青山尖一带发育小型山间盆地，沉积了下三叠统老窝铺组。随着近南北向挤压应力的增加，在中三叠到晚三叠的时候，发育了东西走向的推覆断层杨圪楞-天林背-楼华山逆冲断层10。这条断层向东延伸到武川一带，西至包头东河区，总长超过了200km。到早、中侏罗纪，该区处于拉张环境，形成了石拐沉积盆地，到中侏罗晚期到晚侏罗未期，再次发生由南向北的推挤，盆地沉积结束 3。进入白垩纪之后，本区再次处于拉张环境，形成了呼和浩特-包头拉伸断陷盆地，直到早白垩纪末期，呼包盆地结束沉积。整个大青山逆冲推覆构造带，根带位于山前古城莎木佳一带，由一系列高角度逆冲断层构成，其前锋一直延伸到石拐盆地南缘边界，由于后期强烈剥蚀，只可见零星的飞来峰，其前缘带位于石拐断陷盆地北缘前寒武纪变质基底一带，由一系列断层相关褶皱组成，所以逆冲推覆构造作用影响范围南北宽约30km。综合大青山地区推覆构造带断层与褶皱特点，我们得出大青山地区综合地质剖面图，由南往北，可将本区推覆构造带分为三段：根部逆冲推覆岩席带、中部斜歪、倒转褶皱逆冲断层变形带、前缘断层相关褶皱带（图2）。-根部逆冲推覆岩席带；-中部斜歪倒转褶皱逆冲断层变形带；-前缘断层相关褶皱带图2 大青山地区综合地质构造剖面图Fig. 2 The synthetic section of thrust nappes in Daqingshan area, Inner Mongolia2.1 根部逆冲推覆岩席带这一带从大青山山前断裂向北延伸到杨圪楞-天林背-楼华山断层南侧，宽约5km左右（图1，2），由一系列向南倾的逆冲断层及其相关褶皱构成，断层上盘为太古代变质岩，由南南东向北北西方向推覆到中生代地层之上（图2）。由于这一带位于大青山地区推覆体系的根带部位，经过了多期运动叠加，所以构造变形最为强烈，推覆滑动特征明显，逆冲岩席巨厚。在宽甸到古城一带，可见太古代地层逆冲推覆在侏罗纪和白垩纪地层之上，断层面向南倾，倾角从30-60不等，显示了由南向北的推覆。古城推覆构造即发育于此带（图3），GPS位置为N:404341.8、E：1110327.2（图1），实测断层面产状为21545,显示了由南南西向北北东方向的推覆。断层上盘为太古代白色大理岩，厚巨厚层，下盘为下白垩纪紫红色砂岩，薄层，由于推覆挤压作用，南翼上冲并倒转，往北则变得开阔平缓。图3 古城推覆构造剖面示意图Fig. 3.The sketch map of thrust nappe found in Gucheng2.2 中部斜歪、倒转褶皱-逆冲断层变形带该构造带位于大青山逆冲推覆体系的中部(图1,2)。该构造带出露宽度东宽西窄，在研究区东部其宽度可达10km，而在西部仅有2km。带内地层在东部主要为古生界及中生界三叠系地层，以及少量太古代外来岩体，而在西部则主要为侏罗系地层及太古代外来岩体。这一带内南侧沿杨圪楞黑麻板一线，出露多个呈东西向展布的构造窗，根据构造窗出露的标高推算，部分地段逆冲岩席厚度有500m左右2，但区内新生代剥蚀量巨大，整个山体剥蚀掉的平均高度为3310m12，由此可推算逆冲岩席未剥蚀前，厚度可达3800m左右，这一巨厚的推覆岩体，必然对原地系统产生强烈的挤压变形作用。早期侏罗纪地层叠加两次挤压变形，几近塑性流动变形，形成了一系列倒转褶皱、紧闭同斜褶皱和不协调流动褶皱（图4），GPS位置为N：403631.3;E：1102612.9，（图1），断层上盘为太古代片麻岩，下盘为侏罗纪砂岩，在构造窗南侧，实测主推覆断层产状为13522，在构造窗北侧，实测断层产状为33032，显示了由南东向北西推覆的特征。1-大理岩;2-斜长角闪岩片麻岩;3-砾岩;4-砂岩;5-砂质页岩;6-第四纪沉积物;7-正断层;8-逆断层;图4 宽甸构造窗剖面示意图Fig. 4. The section of tectonic window found in Kuangdian本带北侧最主要特征是大片的推覆岩片已被剥蚀掉，只在局部地方残留飞来峰。河滩沟-公山湾逆冲断层把古生代地层逆冲到石拐盆地侏罗纪地层之上2，但推覆距离并不远，而更南部前寒武纪地层经远距离推覆，至少覆盖石拐盆地边缘，但由于新生代剥蚀强烈，只在局部地区留下了飞来峰5。而原地系统古生界和早三叠世地层发生了弯曲，形成了一系列轴迹呈东西向展布的向斜和背斜构造，其轴面南倾，倾角40-60。其中规模最大、最具有代表性意义的褶皱构造是大青山向斜2，构成了巨大的复式向斜。除此之外，在大青山向斜南北两侧发育了一系列次级褶皱构造，其轴迹都与大青山向斜轴迹展布方向平行，都是在同一构造应力场条件下形成的。2.3 前缘断层相关褶皱带该带出露岩性主要为侏罗纪砂岩，位置与石拐侏罗纪盆地大体相当，呈东西向展布，带宽10-20km。南侧发育直立宽缓褶皱，北侧发育有断层相关褶皱，在盆地北部边界，侏罗纪地层不整合于太古代片麻岩之上。这一带内新发现的断层转折褶皱、断层传播褶皱两种构造样式，褶皱轴呈东西向展布，褶皱波长变化很大，从数米之内到数百米。根据断层相关褶皱形态分析，断层上盘地层由南向北运动，切穿软弱层后又顺层拆离。2.3.1 断层转折褶皱区内断层转折褶皱以发育在老窝铺向北4Km河床处的最为典型，（图5，左图为露头素描，右图为经典模式13），GPS位置为N：404217.1, E：1102851.9（图1），地层为下、中侏罗统五当沟组，岩性为灰褐色砂岩、粉砂岩、泥质页岩夹煤层。早侏罗世之后，地层受由南向北的挤压作用力时，地层沿软弱的煤层页岩层面（后断坪）滑动，由于前方受阻，断层切穿上方部分地层（下盘断坡）后又是顺另一软弱层（前断坪）滑动，上盘断块沿此台阶状断层面(abcd面)滑动时发生弯曲，形成了断层转折褶皱。a后断坪;b下盘断坡;上盘断坪c中断坪;d上盘断坡;e前断坪图5 断层转折褶皱露头点素描及模式对比图Fig.5. The comparison diagram of fault bend folds outcrop line drawing and model2.3.2 断层传播褶皱区内断层传播褶皱以发育在石拐北西3Km河床处的最为典型（图6，左图为露头素描，右图为经典模式14），GPS位置为 N：404124.6，E：1101357.3（图1）。褶皱宽约十米左右，地层为下、中侏罗统五当沟组，岩性为灰褐色页岩、粉砂岩，夹含煤层，其上覆盖第四系沉积物。该断层传播褶皱运动形式如图6所示，有阴影的地层代表图6中的侏罗纪煤层、含煤页岩。当地层受到由南向北的挤压作用力时，地层由南向北沿顺软弱的含煤夹层（ab面）运动，在b端受阻后，顺势沿bc面切层逆冲到上层含煤页岩中，并在断层端c点终止，但c点之后的地层仍向前运动，并转变为受力弯曲，形成断层传播褶皱。 a后断坪；b下盘断坡，上盘断坪；c断层端线图6 断层传播褶皱露头点素描及模式对比图Fig.6 The comparison diagram of fault propagation folds outcrop line drawing and model3 分析与讨论（1）内蒙古大青山地区的推覆构造主要形成时代及其推覆距离，目前尚无统一定论。郑亚东等在大兰旗附近侵入大青山逆冲断层上、下盘的花岗岩体中采集样品，获得锆石U-Pb年龄为1192Ma，限定了推覆构造的时代上限，其实测推覆构造距离22Km，推测大于35Km1。刘正宏等提出大青山逆冲推覆构造有多期变形的复杂演化历史，并对断层带内同构造黑云母和白云母分别进行了常规40Ar/39Ar和激光微区40Ar/39Ar测年研究，获得193.73.9Ma和121.61.6Ma两个等时线年龄15。作者等人根据逆冲断层与地层之间的相互切割关系，认为内蒙古大青山地区的推覆构造主要形成时代为中侏罗世末期，推覆距离至少有20Km。中、上侏罗统大青山组只出露于坝岩席麻湾金銮殿断裂以北，并于下伏下、中侏罗统五当沟组和中侏罗统长汉沟组呈不整合关系9，而在断裂带以南就无出露，表明中侏罗世末的一次强烈构造运动，从推覆的根带到前锋，则至少推覆了20Km以上。 （2）推覆构造由南向北推覆，地层变形强度由南向北逐渐减弱。纵观整个大青山推覆体系，在最南部地区，根部逆冲推覆岩席带，发育众从高角度逆冲断层，推覆岩体巨厚，褶皱变形强烈，尤其是早期形成的褶皱再次叠加。中部地区，斜歪倒转褶皱-逆冲断层变形带，发育逆冲断层和宽缓褶皱，局部地区变形强烈，推覆岩体只剩下飞来峰，总体变形强度相对于根部逆冲推覆岩席带要弱。而最南部断层相关褶皱带，主要发育逆断层及断层相关褶皱，除此之外，地层几近水平，变形强度最弱。4 动力机制讨论：研究区地处华北板块北缘，是阴山-燕山板内造山带的重要组成部分，其推覆构造动力学机制研究是目前研究推覆构造的“热点”，各种观点也是众说纷纭，主要有以下几种：张振法16认为内蒙地轴由异常地幔的高度发育导致了中新生代内蒙地轴激烈的垂直运动，蒙古古生代板块和华北板块缝合后的继续挤压，使内蒙地轴发生了强烈的水平运动，阴山南北发生对冲。朱绅玉17认为中生代时期，印度板块向北俯冲和挤压，其作用通过扬子板块向北传递，西伯利亚板块在此期间仍可能存在着向南的继续运动和挤压，南北向的挤压应力集中于阴山地区，导致了大规模逆冲推覆构造的发生。郑亚东、Davis等1认为直到早白垩世才完成的西伯利亚板块与华北板块间的蒙古-鄂霍茨克洋的闭合的远场传递效应是该区大规模推覆构造的动力来源。由中、小块体群组成的黑龙江板块（兴蒙造山带）与华北板块在二叠纪末早三叠世对接11 ，对解释大青山地区推覆构造运动的动力来源来说,显得为时过早，而此时西伯利亚板块与华北板块之间仍以蒙古鄂霍次克洋相分隔。古地磁资料显示,华北板块（含兴蒙造山带）与西伯利亚板块沿蒙古鄂霍茨克一线,三叠纪开始碰撞,闭合的方式为整个中国大陆与西伯利亚以右开口剪刀式闭合逆时针旋转117, 最终固结时代为晚侏罗世早白垩世时期。华北地块北缘出现的侏罗纪“陆内造山运动”就是西伯利亚板块与蒙古联合地块对接所引起的18。华北地块与西伯利亚板块固结(焊合)的时代应为晚白垩世19，则很好的解释了内蒙古大青山地区推覆构造的动力来源。致谢：在本文研究过程中，得到南京大学卢华复教授、舒良树教授和贾东教授的热情指导与鼓励，谨此致谢。参考文献：1 郑亚东,G. A. Davis,王琮等. 内蒙古大青山大型逆冲推覆构造J.中国科学（D辑）,1998,28(4):289295.2 刘正宏,徐仲元,杨振升. 论内蒙古大青山地区逆冲推覆构造J.中国区域地质,1999,18(4):366372.3 徐仲元,刘正宏,杨振升. 内蒙古大青山地区中生代造山运动及构造演化J.长春科技大学学报,2001,31(4):317322.4 刘正宏,徐仲元,杨振升.大青山逆冲推覆体系含义及地质特征J.世界地质,2001,20(3):224230.5 刘正宏,徐仲元,杨振升.阴山中生代地壳逆冲推覆与伸展变形作用J.地质通报,2002,21(4-5):246250.6 陈志勇,李玉玺,王新亮等.包头呼和浩特北部地区逆冲推覆构造J.地质通报,2002,21(4-5):251258. 7 杨振升,徐仲元,刘正宏.孔兹岩系事件与太古宙地壳构造演化J.前寒武纪研究进展,2000,23(4):206-212.8 内蒙古自治区地质矿产局.内蒙古自治区区域地质志M.北京:地质出版社,1991.1725.9 彭向东,徐仲元,刘正宏.内蒙古大青山地区中、上侏罗统大青山组的修订J.地层学杂志,2003,27(1):66-70.10刘正宏,徐仲元.阴山地区印支期地壳构造变形研究J.吉林大学学报（地球科学版）,2003,33(1):1-6.11李双林,欧阳自远.兴蒙造山带及邻区的构造格局与构造演化J.海洋地质与第四纪地质,1998,18(3):45-54.12程绍平,邓起东,杨桂枝等.内蒙古大青山的新生代剥蚀和隆起J.地震地质,2000,22(1):27-36.13 Suppe J. Geometry and kinematics of fault-bend foldingJ. Amer Jour of Sci,1983, 238: 648-721.14 Suppe John and Donald A. Medwedeff. Geometry and kinematics of fault-propagation foldingJ. Eclogae Geol. 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