米苍山东河地质大剖面的构造几何学与运动学及其对上扬子北部陆内俯冲机制的约束.docx

1、doi：10.3969/j.issn.0563-5020.2013.01.005米苍山东河地质大剖面的构造几何学与运动学及其对上扬子北部陆内俯冲机制的约束*文竹何登发樊春李英强孙衍鹏贺鸿冰（中国地质大学能源学院北京100083）摘要米苍山位于四川盆地北缘，受秦岭造山带由北向南挤压作用的影响，构造变形特征复杂，深入研究米苍山地区构造变形特征对陆内造山作用以及山前冲断带油气勘探具有积极作用。本文通过对米苍山地区的野外地质考察，对地表产状进行详细观测，建立了米苍山地区东河地表地质大剖面，并且利用等倾角区划与轴面分析，对东河剖面进行构造解析，建立了米苍山造山带构造几何学模型，通过构造楔模型分析了米苍山

2、扇形隆升机制，通过不整合面分析，对四川盆地北部米苍山构造变形时间进行了研究。米苍山南缘基底发育4个构造楔，是影响米苍山南部地层抬升的主要原因，其顶部滑脱层为震旦系，底部滑脱层为元古界变质岩，前缘单斜带由嘉陵江一雷口坡组膏岩层作为滑脱层产生的反冲断层控制，寒武系滑脱层与震旦系滑脱层共同影响了大两会背斜的形成，而米苍山北缘则发育单个构造楔，其顶部滑脱层为震旦系，元古界变质岩为底部滑脱层；通过对米苍山地区不整合面研究，米苍山造山带自中生代以来，至少经历了印支期与燕山期两次大规模的隆升。因此，米苍山前表现为多期次多层滑脱的构造特征。关键词米苍山滑脱层平衡复原构造楔不整合面中图分类号：P542文献标识码

3、：A文章编号：0563-5020（2013）01-093-16米苍山位于秦岭造山带南部，印支期以来经历了北部勉略洋关闭冲断时期，晚白垩世大规模陆内造山作用后，发生隆升最终形成米苍山冲断带；四川盆地北部发育多套滑脱层，因此，米苍山冲断带表现为多期次多层滑脱的构造特征，深入研究米苍山冲断带构造几何学与运动学特征，对陆内造山作用的研究具有积极作用。根据前人对米苍山地区构造特征的研究，主要可以分为两种解释方案：盖层滑脱型（吴世祥等，2006a,2006b；李岩峰等，2008）和基底卷入型（罗寿兵等，2007；吴磊等，2011）o其中，盖层滑脱型主要分析了由古生界和中下三叠统沿着寒武系和三叠系嘉陵江组滑

4、脱层变形产生的双重构造，基底卷入型认为在深部元古界地层中形成基底逆冲断层直接延伸至地表。然而，前者忽略了深部基底变形对前缘地层抬升的影响，后者则忽略了各滑脱层对米苍山前构造变形的控制，而且前人大部分工作集中于对于米苍山南缘构造变形的研究,对米苍山北部和核部的构造变形研究较弱，缺乏对米苍山整体构造变形特征的认识，很难揭示陆内造山作用对米苍山隆升的影响。-国家自然科学基金重点项目（编号：40739906）资助。文竹，男，1983年11月生，博士研究生，石油地质学和构造地质学专业。E-mail：wenzhuu2012-07-16收稿，2012-10-22改回。N：32I642.2E：106o16M6

5、.|-180N47，300W16，170N25172,Z30,图7米花山前东河剖面ili-口坡组中层间滑脱构造Fig.7Thedetachmentslrucltirrdevelopii)LeikoupoFormalionaroundEastRiverareainthefrontofIhrMicangshanMountain3.3米苍山地区东河地质剖面南缘构造解析迥过对米苍山地区东河野外构造地质剖面对米荏山造山带浅部构造特征进行分析。米苍山南部山北向南构造特征由复杂到简单，构造强度由强到弱。浅部构造是对深部构造的响应，前面我们对米苍山前主要滑脱层进行了研究，米苍山前构造变形E要是受深部和浅部两套

6、滑脱层所控制:震旦系滑脱层，和嘉陵江组_雷口坡组膏岩滑脱层。浅部嘉陵江组_雷口坡组膏岩滑脱层影响了前缘单斜带的形成,米苍山造山带受到秦岭造山带山北向南的强烈挤压，在中生界地层中并没形成类似大巴山造山带和川东榔破带的侏罗山式裆皱,浅部滑脱层中产生的反冲断层起到r关键性的作用，它将来n北部的构造应力传递至地表消亡，使得米苍山前缘中生界地层形成单斜构造，并且内部变形微弱。而常个米苍山前南缘古生界地层的抬升作用则是受控于深部震旦系滑脱层，对于米爸山地层变形前人研究认为可能受基底逆产生的疗冲断层所控制，但是这样就忽略r震日系7878N：322413.5，E：1061955.9图8米花山前东河剖面震旦系中

7、层间滑脱构造Fig.8ThrdetachmentstructuredevelopinSinianaroundEastRiverareainthefrontoftheMicangshanMountain滑脱层对米苍山前构造特征的影响，因此我们认为米苍山前缘地层抬升变形受控F下伏由震旦系滑脱层作为顶部滑脱层的构造楔，共底部滑脱层可能产生于远占界变质岩。通过对地表地层产状进行统计,野外地质剖面进行轴面分析(何登发等，2005；管树巍等,2006,2007),米苍山隆起南缘可以分为5个等倾角区，分别为:0。、14。、25。、45。和34。该5个等倾角区分别受下伏3条断层所控制:F,和F3。地表地层产状

8、讪录了断层F,发生转折，所以断层、成为构造解析的突破口，断层F3,上覆地层翼间角平分为84.5。、断层与前翼地层的截切角为20。，根据倾角谱计算(Suppe,1983),断层转折角为蜩短责:33km40墙短率：50.2%蜩短责:33km40墙短率：50.2%二质上三中下三蛾图9米苍山地区东河构造AB段地质剖面建模Fig.9ThestructuremodeloftheEastRivercrossMotionAB10。，与后翼地层切截角为19。根据断层F,计算断层F,、，最终得到下伏3条断层的儿何形态（图9a）。而大两会背斜北侧向斜也受控于下伏构造楔虬，使地层发生倾斜抬升，与大两会背斜共同控制形成

9、了北侧向斜构造。虽然米苍山前南缘总体构造特征受深部震日.系滑脱层的影响，但是大两会背斜的成因机制却与之矛盾，如果通过带皱波K分析，将米花山南缘地层看为一个巨大的背斜南翼，其四分之一个褶皱波长为26km,大两会背斜的四分之一个褶皱波K仅为2.5km,褶皱的波接反映了滑脱层的深度，滑脱层深度越大，形成的榔皱波长也就越K（Massolietal.,2006）o米苍山抬升受震旦系滑脱层控制，因此影响大两会背斜形成的滑脱层深度应该浅于震旦系，而大两会背斜核部12经出露地层寒武系，所以说影响大两会背斜形成的滑脱层可能为下寒武统滑脱层：而大两会背斜近于对称的箱状形态指示了其町能受控于下伏寒武系滑脱层产生的登

10、瓦构造,形成堆坨形态（图9a）。通过利用地表露头信息，经过等倾角区划分，轴面分析，米苍山前南缘变形受控于下伏震巳系滑脱层产生的4个构造楔，寒武系滑脱层作为顶部滑脱层,震旦系作为底部滑脱层影响了大两会背斜的形成，而雷口坡组滑脱层产生的反冲断层，将山前向南传递的挤压应力转移至地表消亡，使得侏罗系、白坚系地层变形微弱，表现为单斜构造。对剖面进行平衡复原，剖面缩短量约为33km,缩短率为50.2%（图9b）,而寒武系地层缩短率为19%,侏罗系、白垩系地层缩短率为9%，表现为典塑多层滑脱构造样式，由于滑脱层不同导致各层缩短率也不同，震旦系滑脱层产生变形，寒武系滑脱层改造变形，宙门坡组滑脱层消减变形。米苍

11、山北部古生界根据地表露头产状可划分3个等倾角区：由北向南为44。、14。、0%其中14。区与0。去轴面向下延伸发生相交形成新的轴面。根据轴而分析米苍山北缘深部发育一个大型构造楔，前翼切层角为44。,翼间角为68。,断层转折角为28。,后翼切层角为28。，顶部滑脱层为震旦系，底部滑脱层可能为元古界变质岩，楔端点由南向北楔入,是米苍山北缘占生界抬升至地表的主要原因。通过对剖面进行发原，缩短ht为14km,缩短率为41%（图10）,相对于米苍山南部,缩短量和缩短率有所降低。06kn图10米苍山地区东河构造CD段地质剖面建模Fig.10TheslnicturemodrloftheEastRivercr

12、osssectionCD4讨论4.1上扬子北部陆内造山作用变形机制通过对米苍山地区东河地质大剖面进行构造解析，米苍山南部发育4个构造楔，由北向南楔人.米苍山北部发育1个构造投，由南向北楔入，在剖面上表现为扇形结构的特点，导致米苍山核部变质岩基底向上抬升至地表。图11表现了米苍山造山带下伏发育两种类型的构造楔：I型构造楔主要:发育在传播楔端线区内，以造山带物质向原地系统或上部板块之上传播为特征，楔端点向前传递位移，是活动型构造楔（贾承造等，2000）,正是由于米苍山造山带下伏发育1型构造楔引起r米苍山南翼上覆沉积盖层的原地抬升变形，形成前缘单斜构造带，并仕不断向南米苍山隆起I足枸造摸图II四川盆

13、地北部米苍山降升机制Fig.11ThemechanismofMicangshanupliftnorthernSichuanBasin传递挤压应力。n型构造楔是发育于造山带核部，由未变形的岩石组成，物质主要是F行板块拆离的结果，属于静止型构造楔。由于上扬子板块北缘陆内造山作用，导致在I：扬子地区发育由北向南逆冲的拆离断层，并不断向南传递挤压应力，但是由于四川盆地刚性地块的阻拦，由盆地内部产生由南向北的反向挤压应力.最终在米苍山北翼产生n型构造楔，并旦在上覆发育r1型构造楔，导致米苍山北翼地层发生抬升变形。米苍山造山带下伏南翼发育.由北向南逆冲的I型构造楔和北翼发育的由南向北逆冲的II型构造楔，共

14、同导致了米苍山造山带核部扇形结构的特点。而在陆内冲断变形地区，构造楔是冲断带挤压缩短变形实现的主要方式。5结论(1) 通过对米苍山地区野外露头变形特征研究，米苍山前发育两套最主要:的滑脱层，虑旦系滑脱层、嘉陵江组一雷口坡组样岩滑脱层，其中震旦系作为深部滑脱层是影响米苍山抬升的主要:控制因素，而嘉陵江组一雷口坡组膏岩滑脱层则控制了米苍山南缘缘单斜构造的形成。(2) 通过对米苍山前南缘地表露头不整合面识别与磷灰石裂变径迹分析，米苍山冲断带表现为多期叠加变形，其中变形时间分别为：中三登世一晚三差世时期、晚三叠世一早侏罗世时期、晚侏罗世一早白垩世、新生代晚期。(3) 通过对米苍山地区绘制野外构造地质剖

15、而，将米苍山前南缘分为3个构造单元:基底逆冲构造单元，以远古界变质岩出露地表为特征；山前强烈揉皱构造单元，以发育大两会背斜为特征，并且背斜北侧还发育大型向斜；前缘单斜构造单元，地表露头侏罗系与白垩系地层变形微弱，表现为向南倾斜的单斜构造。(4) 对米苍山东河剖面进行等倾角区划分、轴面分析，米苍山南缘基底发育4个构造楔，其顶部滑脱层为震L1系，底部滑脱层为元古界变质岩；震旦系滑脱层与寒武系滑脱层产生的叠瓦构造影响r大两会背斜的形成，使其表现为箱型对称背斜，米苍山北缘则发育-1个构造楔，其顶部滑脱层为震旦系，底部滑脱层为元古界变质岩，米苍山前南北翼背冲型构造楔是导致米苍山核部扇状隆升变形的原因。高

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29、lofDonghegeologicalcrosssectionofMicangshanMountainandconstrainttotheintracontinentalsubductioninthenorthernYangtzeWenZhuHeDengfaFanChunLiYingqiangSunYanpengHeHongbing(SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083)AbstractMicangshanMountainlocatedinthenorthernSichuanBasinmargin,

30、itexperiencedcompressiondrivingforcefromnorthtosouth,whichcausedthestructuremuchmorecomplexinthefrontofMicangshanMountain.WecreateEastRivercrosssectionthroughcollectionofthestrataattitudefromfieldpracticeinthefrontofMicangshanMountain,anddosomestructureanalysistotheEastRivercrosssectionusingdipdomai

31、nmethodandanalysisoftheaxialsurface,constructthegeometrymodelofthestructureinthefrontoftheMicangshanMountain,andfinally,weuseunconformitytoanalyzethestructureevolutioninthenorthSichuanBasin.ThereliesfourstructurewedgeundergroundinthefrontoftheMicangshanMountainwhicharethemaininfluencetotheupliftofth

32、eMicangshanMountain,anditsupperdetachmentisSinian,theLeikoupoFormationasdetachmentcreaterecoilfaulttocontroltheformationofthemonocline,theCambriandetachmentandtheSiniandetachmentboththedeformationofDalianghuiAnticline.Throughtheanalysisoftheunconformity,Micangshanthrustbelthasexperiencedtwouplifteve

33、ntssinceLatePalaeozoic,therefore,itseemsasthecharacteristicofmulti-phaseandmuti-layerdetachmentinthefrontofMicangshanMountain.KeyWordsMicangshanMountain,Detachment,Balancerestoration,Unconformity,Structurewedge因此，本文试图通过地表地层产状，建立米苍山东河构造地质大剖面，利用断层相关槽破理论和平衡岌原技术对米苍山隆起的北部、核部和南部构造特征进行解析，分析米在山前各滑脱层对其抬升变形的影

34、响，以及米苍山隆升的机制，并II.结合地表不整合面和磷灰石裂变径迹分析米苍山隆升变形的时间。1米苍山区域地质背景米苍山位于秦岭造山带南缘，处于秦岭造山带与四川盆地的过渡带之上。米苍山东西两侧还分别受到龙门山、大巴山造山带的影响，形成一系列北东、北西向构造（图I）。因此.米花山作为四川盆地北部一个重要的构造转换带，调柠了来自秦岭造山带、龙门山造山带、大巴山造山带各时期的构造变形，加上米苍山前发育多套滑脱层，使其造现为多期次.多重滑脱的构造特征。白垩系侏罗系二系E部外观察点中-下三统冲断带侵入岩图|米花山区域构造位置图黑色方框为图5b的位置；黑点代发图3和图4.分别代表野外照片的位置和确灰石样&采

35、样点位置Fig.IThesketchmapshowingregionaltrctonicsandthelocationoftheMiranghanMountain米苍山基底以新太古代一中新元古代的变质岩及侵入岩为特征，以古生界一中生界沉积岩为盖层（贾承造等，1988）。根据沉积环境与岩性的大变化，将米苍山前地层划为3个层序：基底层序、震旦系一中三叠统海相沉积层序以及上三准统一中生界陆相沉积层序（图2）。基底层序以变质岩和侵入岩为特征，表现了自晋宁运动和澄江运动后，晦底固结基本完成，四川盆地北部开始了稳定台地发展阶段（汪泽成等，22），并旦构界系统m符导t:界第舛系Q第三系上N下E中生界白*K侏

36、方系antiitflJ/中JjJir千佛密蛆J中-下effltMtaV三登系T/中4下i江taTJ飞的关taTJ占生界二系上it卧ii72.R,prrscntllicuncoiifomnlybetweenXujiaheFonnalionandBaitianbaFormation岩性为厚层紫红色泥质粉砂岩，二者岩性差别微小，根据1：200000南江幅区调报告，在侏罗系勺门坚系接触而上存在平行不整合。而在龙门山北段剑阁地区，I.侏罗统莲花【I组与下白垩统剑阁组发育巨厚层砾岩，累计厚度大f500m,砾径为110cm,磨圆较好主要为灰岩砾，该套不整合而表现r龙门山北段在晚侏罗世一早白坚世发生隆升。因此

37、，米苍山前I.侏罗统一下口垩统平行不整合是对龙门山晚侏罗世隆升的-种远程效应。2.2米苍山前磷灰石裂变径迹分析磷灰石裂变径迹分析法（AFT）是近卜儿年发展起来的恢发沉积盆地热降升史的一种新方法，在四川盆地得到了广泛应用。它最垂要的特征是其基础数据（径迹年龄、径迹K度等）反映的不仅是样品在达到最大古地温（封闭温度）的时间，而11.还洋尽地记录r样品的地质热史（退火）过程。在剖面中米苍山北部与南部分别采集了寒武系阎王编组砂岩与三叠系须家河组砂岩样品，进行热史反演，从热史反演图中可以发现（图4）,寒武系阎王编组砂岩埋藏深度大，样品在155Ma开始退火，而须家河组砂岩在105Ma达到最高温度，开始退火

38、；两个样品在新生代晚期都发生了一期快速的降温过程，开始时间在2010Ma之间。50ISO100时何/Ma200120M时（nJ/Ma90206011口十二“图4米苗山地区砂岩中磷灰石裂变径迹退火图a.米苍山北绿塞武系同E编砂岩样品中条米石裂变径迹退火图;b.米止山南缘须家河砂岩样品中确米石裂变径迷退火图Kig.4Apatitefissiontrackthermalhisloninversiongraph地质体的热演化可能受到多种因索的影响，由于米苍山及四川盆地北缘在中新生代期间没有大规模的岩浆热液活动，因此我们观测到的热演化应该反映r地质体埋深的变化，即构造隆升的影响。根据E述样品热演化分析，

39、可以认为155MaJ05Ma与20Ma期间各发生了一期重要的构造事件，使得地层发生构造抬升。通过上述对米苍山前野外不整合面分析，露头岩性分析，结合米苍山前低温年代学特征研究，可初步恢矩米苍山隆升变形。根据米苍山前不整合而发育特征，以及磷灰石裂变径迹结果，町以将四川盆地北部米花山地区划分为3个主要的构造变革时期中2叠世一晚三登世时期：四川盆地发生整体抬升，伴随着海平面的下降，海水逐渐退出盆地，晚三样世陆相沉积建造逐渐取代r震旦纪以来到中的海相沉积建造，以须家河组砂岩平行不整合于雷口坡组白云岩之上为特征（图3a）；晚三检世一早侏罗世，巾于占特提斯洋的关闭，勉略古洋盆作为古特提斯多岛洋的一个分支，四

40、川盆地北部开始大炭模造山运动，米苍山前陆盆地略显雏形，并沉积了早侏罗世白田坝组巨厚层砾岩平行不整合覆盖在须家河纽砂岩之上（图3b）c随后，米爸山地区进入r稳定而h.快速的沉积建造时期，沉积了巨厚层沙溪庙组砂岩，直至晚侏罗世到早白垩世,由于龙门山冲断带的大规模造山作用，并且在龙门山北段沉积了莲花口组和剑阁组巨厚层砾岩，米花山作为龙门山北段毗邻区域，同样发育了蓬莱镇组与剑门关组平行不整合，并且在米苍山北部寒武系阎王仙组砂岩样品裂变径迹分析中有所反应（图4a）,可以把该次米苍山变形看作为对龙门山隆升的远程效应，或者说龙门山造山作用对米苍山的影响。进入晚白坚世，通过对米苍山前须家河组砂岩中磷灰石裂变径

41、迹低温年代学分析，在1051a退火开始（图4h）,米苍山开始了强烈隆升时期，米苍山形成现今构造形态。最后，在新生代晚期，由于青藏高原隆升对整个四川盆地西部与北部的影响，米苍山地区发生r抬升变形。3米苍山地区构造变形特征随着米苍山北部秦岭造山带不断向南挤压，米苍山南缘沿正源一灰圈子一大河坝出露基底逆冲断层，断层北部以元古界基底出露地表，为米苍山隆起核部；断层南部出露古生界和中生界地层，新生界地层不发育，根据米苍山前地表地质信息分析，米苍山前由西向东构造抬升幅度逐渐减弱，旺苍一金溪地区发育大两会背斜，背斜近东西向，核部出露寒武系筑竹寺组，金溪地区向东，出露地层年代逐渐变新，构造走向为北东向，向东到

42、镇巴地区受米苍山造山带影响逐渐变弱，主要受大巴山造山带的影响。本次野外地质考察主要是对米苍山西段大两会背斜地区进行研究，剖面南部沿东河经过古城山，正源、双井场、鹿渡坝和旺苍西侧，横穿米苍山核部。3.1米苍山前东河野外地质剖面东河野外地质剖而位于米苍山前西侧，靠近龙门山北段，经过古城山，穿过米苍山核部隆起区到正源、双井场及旺苍西侧，与大两会背斜构造走向线斜交（图5c）。通过地表数字高程分析，米苍山地区北部地表起伏比南部大，相对于南部地势高出1000m,说明了北侧受秦岭造山带改造作用明显（图5a）。米苍山北部古城山地区地层向北倾斜，古生界大面积出露，地层倾角由40。向南逐渐变缓，表现为箱状褶皱。在

43、干河地区发育大型逆冲断层，断面向南倾斜，地表表现为震旦系与寒武系断裂接触，震旦系地层南倾55。，而由于受基底逆冲断层牵引构造的影响，在断面接触带上寒武系也向南倾，角度为48。（图6）,寒武系与震旦系切层角为7。，山于逆冲断层上盘震巨系已经出露地表，推断基底逆冲断层受下伏元古界变质岩滑脱层影响。米苍山核部隆起区南至正源乡，北至干河，以前震旦系变质岩出露地表为主要标志，主要发育后河岩群和火地垣群，通过同位素地质年代学研究，后河岩群形成时间大于2524GPa,为上太古界一下元古界，火地堀群形成时间约为16GPa,为中.上元古界。其中，后河岩群斜长角闪构造片岩的错石铅同位素年龄约为776Ma,说明了米

44、苍山在上覆盖层沉积之前就经历了多期构造运动（何政伟等，1997）o米苍山核部南缘正源地区发育基底逆冲断层，上盘为元古界变质岩，下盘为震旦系白云岩，断面北倾。剖面AB中部发育大两会背斜，核部出露寒武系第竹寺组，大两会背斜北侧发育向斜构造，向斜核部为三叠系飞仙关组，大两会背斜南侧，旺苍县附近，发育中生代地层单斜构造，构造变形相对微弱，因此根据地表地质信息（图5c）可以将米苍山南部西侧分为3个构造单元：正源地区基底逆冲断层以北为基底逆冲构造单元；正源一大两会背斜以南到立溪岩地区为山前强烈揉皱构造单元，立溪岩以南为前缘单斜构造单兀O图5b为东河地质剖面，根据地表露头产状对米苍山北部、核部、南部进行构造地质几何学分析。米苍山南缘控制较好，对前缘单斜构造，大两会背斜，造山带前缘向斜构造进行了精细刻画，剖面AB北部元古界变质岩逆冲在震旦系地层之上，断层倾角较陡，约为64。，断层附近发育许多次一级的断层，地层发生强烈倒转，剖面AB中部发育大两会背斜，背斜南翼地层最大倾角为58。,北侧最大倾角为55。，剖面上表现为