基于斷層滑動矢量應力反演的燕山中段中侏羅世–早白堊世構造應力場序列

林 逸, 張長厚,, 李程明, 史小龍

(1.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083; 2.中國地質大學 地質過程與礦產資源國家重點實驗室, 北京 100083)

基于斷層滑動矢量應力反演的燕山中段中侏羅世–早白堊世構造應力場序列

林 逸1, 張長厚1,2, 李程明1, 史小龍1

(1.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083; 2.中國地質大學 地質過程與礦產資源國家重點實驗室, 北京 100083)

燕山板內造山帶中段承德一帶地層記錄齊全且構造變形復雜。該區域主要構造形跡及其運動學特征已經得到了比較系統的研究, 但有關形成這些構造形跡的古構造應力場及其演變過程的研究鮮有報道。本文根據斷層滑動矢量應力反演理論和方法, 通過露頭與區域尺度斷層運動學數據的搜集與處理, 結合研究區域構造層劃分特征及主要巖石地層單位的年代學資料, 對研究區中侏羅世–早白堊世的構造應力場演變過程進行了研究。經過對擦痕數據進行應力反演并綜合分析, 共劃分出3期5階段應力場: 中侏羅世下花園組沉積之后–髫髻山組火山活動之前的NNW向擠壓(D1)(約173～165 Ma);晚侏羅世土城子組沉積中–晚期N-S向擠壓(D2-1)(約152～139 Ma); 早白堊世初土城子組沉積期末NNE-NE向擠壓(D2-2)(約139～135 Ma); 以及早白堊世張家口組火山噴發之后垂向擠壓主導的多向伸展(D3-1)和NW-NNW向弱擠壓(D3-2)(約125 Ma之后)。其中, 中–晚侏羅世至早白堊世初以擠壓為主, 最大主壓應力方向發生了大約60°的順時針旋轉,且土城子組沉積作用發生于此擠壓作用為主的構造背景之下。早白堊世以伸展為主, 并有弱擠壓作用出現。同時, 研究區內未發現與中侏羅世以來古太平洋板塊或伊佐奈岐(Izanagi)板塊俯沖作用相關的近W-E向或NW-SE向擠壓應力場的存在, 可能與克拉通內部變形不均勻有關。

燕山中段; 中生代; 擦痕; 應力反演; 構造應力場

古構造應力場研究是在構造幾何學與運動學研究基礎上, 探索構造動力學機制和構造演變過程的重要方面。根據庫倫剪切破裂準則和安德森斷層形成力學模型(Anderson, 1951), 利用斷層滑動矢量(斷層面和擦痕產狀、斷層兩盤相對運動方向)數據, 進行古構造應力場反演, 是古構造應力場研究的重要方法之一。根據斷層滑動矢量數據進行古構造應力反演的方法主要包括: 直接反演法(Direct Inverse Method)(Angelier, 1984)、多重反演法(Multiple Inverse Method)(Yamaji, 2000)、PBT法(PBT-axes Method) (Marrett and Allmendinger, 1990; Allmendinger et al., 2012)、直角二面法(Right Dihedron Method)(Angelier and Mechler, 1977; Delvaux and Sperner, 2003)和旋轉優化法(Rotational Optimization Method)(Delvaux and Sperner, 2003)等。近年來, 國內外研究者運用這些方法在不同區域古構造應力場研究方面, 取得了一系列研究成果(張仲培等, 2003; 張岳橋等, 2006;任鳳樓等, 2007; 荊振杰等, 2008; 查顯鋒等, 2010;王令占等, 2012; 喬彥波等, 2012; 施煒等, 2013; 陳虹等, 2013; 黃興富等, 2013; Delvaux and Barth, 2010; Delvaux et al., 2012; Lacombe, 2012; Glorie et al., 2012; Van Noten et al., 2013)。這些研究成果, 在合理解釋了區域性或局部構造變形的動力學成因的同時,也為探索區域性構造產生的大地構造背景與地球動力學環境, 奠定了重要基礎。

燕山板內造山帶地處華北克拉通北部(圖1a),侏羅紀–白堊紀期間的強烈構造變形、大規模火山活動和沉積相變劇烈的沉積作用, 都是在遠離當時任何一個活動板塊邊緣的板塊內部環境下產生的(Davis et al., 1998, 2001; 鄭亞東等, 2000; 張長厚和吳正文, 2002), 因此成為探索板內構造變形與相關地質作用及其動力學問題的關鍵性區域之一。燕山板內造山帶中段承德南部和東南部一帶, 因各種地質記錄相對完整而成為許多研究者關注和研究的重點區域。在構造變形模型、構造年代學格架與構造演化(Davis et al., 1998, 2001; 張長厚等, 2004, 2011, 2012; 趙越等, 2004; 胡健民等, 2005)、盆地沉積與構造演化(Cope, 2003; 劉少峰等, 2004; 李忠等, 2003; 和政軍和牛寶貴, 2004; 渠洪杰和張英利, 2005; 劉健等, 2007)、關鍵地層單位的形成時代與年代學框架(Davis et al., 1998, 2001; Cope, 2003; 牛寶貴等, 2003; 趙越等, 2004; 劉健等, 2006; 張長厚等, 2012; Meng et al., 2014)等方面, 取得了一系列重要成果。但是, 有關形成該區復雜構造變形的應力場的研究, 前人僅根據部分斷裂性質和褶皺構造位態特征進行過粗略的定性研究(楊農等, 1996; 陳正樂等, 1996), 且研究結果難以對該區復雜構造形跡的形成過程作出比較系統和全面的解釋。另外, 關于具體構造演化結果的構造動力學背景, 也仍然存在明顯的認識分歧。例如, 有研究者認為土城子組沉積時期處于擠壓背景之下, 具有類似前陸盆地特征(和政軍等, 1998, 1999, 2007; Cope, 2003; 劉少峰等, 2004; Cope et al., 2007), 但另有研究者認為土城子組沉積時期處于伸展狀態(邵濟安等, 2003)。這些問題的探索和解決, 將有助于揭示有關燕山板內造山帶形成與演化的大地構造背景與動力學原因。為此, 本文在已有區域構造變形研究基礎上, 通過區域規模和露頭尺度斷層滑動矢量資料的搜集與處理,結合地層接觸關系與構造層劃分及最新年代學研究成果, 對燕山中段承德一帶中侏羅世以來的構造應力場演變過程進行探索性研究。

圖1 承德–下板城地區地質簡圖及擦痕數據觀測位置Fig.1 Geologic sketch map showing the main faults and folds as well as observation sites of fault-striaes in the Chengde-Xiabancheng area

1 區域地質背景

燕山中段承德市東部和東南部地區(圖1b), 以一系列近WE向和NE向逆沖斷層和褶皺構造的發育為主要特征, 亦可見到散在分布的NW向褶皺與斷裂構造。其中收縮構造變形更為常見, 如雙廟逆沖斷層(SM-T)、積余慶逆沖斷層(JYQ-T)、古北口逆沖斷層(GB K-T)以及承德向斜(CD-S)、下板城復向斜(XB-S)、烏龍磯向斜(WL-S)、桑園背斜(SY-A)等, 反映了燕山板內造山帶經歷了強烈的擠壓構造變形。此外, 局部控制了早白堊世張家口組火山巖分布的區域性正斷層, 如承德南部的大貴口–唐家灣斷層(DT-F)和承德縣西部的桲欏樹東山–北臺斷層(BB-F),表明該區域也曾經歷明顯的伸展變形。

研究區內地層記錄齊全, 從太古宇至中新元古界、古生界以及中生界均有出露(圖1b)。按照地層之間的接觸關系并結合最新的年代學研究結果, 可以將研究區劃分為克拉通基底構造層(Ar)、克拉通蓋層構造層(Ch-P), 克拉通活化早期構造層(T2-J2xh)、克拉通活化中期構造層(J2-3t-J3-K1tch)和克拉通活化晚期構造層(K1z)(表1)。

最新研究表明, 研究區原劃歸早–中三疊世的地層, 碎屑鋯石測年結果顯示其主體應屬晚三疊世,可能部分屬于早侏羅世(Meng et al., 2014), 而且其與上覆下侏羅統杏石口組(劉健等, 2007)為連續過渡關系(Meng et al., 2014)。夾含多層基性火山巖的下花園組(J2xh)含煤巖系, 與下伏杏石口組(J1x)之間,存在顯著的沉積相和沉積環境差異。它們之間似為角度不整合接觸, 但由于下花園組分布極其有限且不盡連續, 尚缺少相關確切的接觸關系直接證據。

表1 燕山中段構造層劃分Table 1 Division of the structural levels in the middle part of the Yanshan belt

區內中生代地層系統中, 存在兩個重要的角度不整合, 分別位于髫髻山組火山巖(約165～156 Ma) (趙越等, 2004; 劉健等, 2006; 張宏等, 2008a)與下伏巖系之間, 以及張家口組火山巖(135～125 Ma)(牛寶貴等, 2003; 趙越等, 2004; 張宏等, 2005a, b, c, 2006)與土城子組(約152～139 Ma)(Davis, 2005; 孫立新等, 2007; Cope et al., 2007; 張宏等, 2008b; 張長厚等, 2012)及下伏地層之間。髫髻山組火山巖下伏最新地層為下花園組, 其中碎屑巖鋯石測年顯示最新年齡峰值為173 Ma(個人與Cope通訊), 因此研究區中生代時期的第一個角度不整合的形成時代大致可以限定為約173～165 Ma期間。承德盆地南部土城子組沉積物成分研究表明, 土城子組的礫巖成分絕大多數來源于下伏的髫髻山組火山巖(劉少峰等, 2004; 和政軍等, 2007), 表明在土城子組沉積時期, 下伏髫髻山組已經作為物源供應區存在。

上述地層接觸關系和構造變形差異所揭示出的主要構造演化階段, 為本文進行構造應力場的分期,提供了重要的參照系。

2 基于擦痕數據的應力反演

2.1 擦痕數據的采集

在研究區不同巖性地層單位中均發育了大量的小型斷層, 且常見擦痕線理、階步以及由方解石或石英構成的滑抹晶體等(圖2)。這為重建區域構造應力場創造了條件。

野外研究中, 觀測點布置在區內不同構造層中。除了在斷層滑動資料相對比較豐富的主要斷裂及其附近區域, 進行了較多的觀測和數據收集之外,還沿著下板城(承德縣縣城)–孟家院–三榆樹一線,開展了貫穿承德盆地的近N-S向剖面觀測, 該剖面涉及了除基底構造層之外的所有構造層(圖1)。本次研究共獲得50個有效觀測點的斷層滑動矢量數據。每個點位所測得的斷層及擦痕數據一般多于10組,并在有多組擦痕的觀測點適當增加了實測數據量。觀測過程中, 根據斷層或破裂面上的階步、張裂口以及滑抹晶體等, 對斷層兩盤相對運動方向作出判斷。如果觀測點上存在不同性質、不同方向的擦痕,則根據擦痕之間的疊加改造關系, 區分其形成的先后順序, 并對數據進行分別處理。如果沒有直接證據表明不同擦痕和破裂面形成的先后順序, 則在野外盡可能采集較多的觀測數據, 留待室內進行數據反演分析時通過試算進行應力狀態分期。

圖2 野外斷層擦痕照片Fig.2 Photos showing the fault-striae with slickenfibres and steps

2.2 斷層滑動矢量數據的應力反演

2.2.1 古應力方向反演的基本假設

擦痕是斷層兩盤相對運動過程中主要因磨擦而在斷層面上留下的線狀痕跡。根據庫倫剪切破裂準則和安德森斷層形成力學模型, 三軸應力狀態中的中間主應力軸位于新生斷層面上并垂直于擦痕; 而最大和最小主應力軸位于擦痕與斷層面法線構成的運動面上, 它們的具體方位與巖石剪切破裂內摩擦角有關(Marshak and Mitra, 1988)。如果內摩擦角為30°, 則最大主應力方向與斷層面之間的夾角為30°,最小主應力方向與斷層面夾角為60°, 夾角位置取決于斷層兩盤相對運動方向。因此, 在已知新生斷層面產狀和擦痕線理產狀及斷層兩盤相對運動方向的情形下, 即可反演獲得產生這一斷層并進而導致其兩盤發生相對運動的一點的應力狀態。這是根據斷層滑動矢量進行一點的應力狀態反演的理論基礎。如果斷層兩盤的相對運動是已有斷層或破裂面的活化或者再次活動, 則導致斷層滑動的主應力方位可以出現在稍大的變化范圍(Célérier, 1988; 童亨茂等, 2011), 此時則需要更多不同方向破裂面上的斷層滑動矢量數據對主應力方向進行限制, 以獲取更準確的反演結果。根據斷層滑動矢量數據進行應力反演有多種具體方法, 其應用前提與基本假設(Bott, 1959; Gapais et al., 2000; Lacombe, 2012)大致相同, 即:

(1) 應力場在一定的時間和空間上是均勻的;

(2) 斷層滑動相互獨立, 不改變應力場的均勻性;

(3) 斷層的滑動方向和性質與斷層面上最大剪切應力的方向和性質是一致的, 即斷層兩盤沿著斷層面上最大剪切應力方向滑動。

2.2.2 古應力方向反演的基本原理和方法

本文斷層滑動矢量數據的古應力反演, 主要應用了Delvaux編寫的Win-Tensor應力反演軟件(Delvaux, 1993; Delvaux and Sperner, 2003), 并綜合使用直角二面法(Angelier and Mechler, 1977; Delvaux and Sperner, 2003)和旋轉優化法(Delvaux and Sperner, 2003)兩種方法。Win-Tensor應力反演軟件古應力反演的基本原理, 是通過測試一系列應力張量(包括σ1、σ2和σ3的空間方位及其相對大小), 尋求一個使得總體偏差角(Misfit Angle: 在給定應力狀態下, 斷層面上的最大分解剪應力方向與實測擦痕方向之間的夾角, 圖3)最小的最優解。具體步驟如下(原理詳見Delvaux and Sperner, 2003):

圖3 偏差角示意圖(據Sippel, 2009)Fig.3 Sketch map showing the misfit angle

(1) 使用直角二面法求出最初的應力張量。

(2) 使用旋轉優化法對步驟(1)中得到的反演結果進行優化。

(3) 數據的旋轉: 僅對斷層及擦痕形成后又隨著地層發生過旋轉的數據進行該項操作, 目的是恢復斷層形成之初的原始應力狀態。

(4) 如果在上述反演過程中被剔除的數據足夠多, 則這些被剔除的數據組成新的一組, 再進行反演得到第二個應力張量, 一個觀測點的數據最多只能反演出3個應力張量。一般情況下, 在多組斷層及擦痕發育的情況下, 盡可能在野外進行斷層形成期次與先后順序的判斷; 只有在缺少分期的野外直接證據時, 才通過收集較多的數據, 通過此程序的試算, 區分觀測點可能存在的多期構造活動與應力狀態。

(5) 反演結果的表達與評價: 經過上述反演步驟后Win-Tensor直接給出了對斷層滑動矢量數據的應力反演結果。同時, 它還給出了幾個評價反演結果的參數: QRw、QRt、F5值和偏差角(軟件中的Slip Deviation alpha)等。其中QRw和QRt是綜合考慮斷層滑動矢量數據的數量、質量(斷層兩盤相對運動方向判斷的可信度)、方向多樣性等方面作出的評價,它們能對存在活化或再次活動現象的斷層滑動矢量數據反演結果給出較為全面的評價, 但對于斷層面和擦痕方向性變化較小的新生斷層來說則會給出不恰當的較低評價等級; F5值是Win-Tensor軟件的程序返回值, 與偏差角具有一定的相關性, 但其本身并無實際地質意義。本次研究中, 由于獲取的多為新生斷層的滑動矢量數據, 野外少見破裂面存在復活的跡象, 因此主要選用偏差角的分布對反演結果的質量進行評估。通常認為, 偏差角在30°以內都是可接受的, 偏差角越小, 反演質量越高。

2.2.3 應力反演結果

對所采集的斷層擦痕數據進行以上應力反演操作后, 共獲得68個有效應力張量(表2)。其中對區域斷層主斷面上測得的擦痕數據進行了單獨反演, 以突出與區域斷層活動相關的應力場。反演中數據的偏差角全部(881組)控制在30°以內, 其中93.4%的數據(823組)偏差角小于20°, 反演結果總體質量較好。

表2 承德地區擦痕數據應力反演結果Table 2 Result of stress inversion for the fault-striae in the Chengde area

續表2:

3 古構造應力場分期

3.1 古構造應力場分期的基本假設與原則

到目前為止, 無論是在理論上還是在方法上, 尚難以做到賦予古構造應力場以準確的時代含義。古構造應力場的分期及其時代, 需要結合相關地質體及構造形跡之間的相互關系分析予以限定。本文的研究中, 各觀測點應力狀態的分期、時代歸屬及區域構造應力場分期和配套, 主要基于以下幾方面的假設與基本原則:

(1) 褶皺檢驗原則: 如果觀測點實測斷層滑動矢量數據反演所獲得的三軸主應力狀態, 不符合安德森斷層形成力學模型(三個主應力軸中無一近于豎直或水平), 則根據觀測點地層產狀進行復原地層水平狀態的旋轉操作, 嘗試獲得符合安德森斷層力學模型的應力狀態, 即推測該斷層形成于地層發生褶皺或掀斜之前。此外, 如果發現擦痕線理平行于斷層面與地層面的交線, 則認為這種擦痕線理形成于地層近水平時,并在后期變形中與斷層及兩盤地層共同發生旋轉, 因此, 在對具備該特征的斷層滑動矢量數據進行古應力場反演時, 即使直接反演結果符合安德森斷層力學模型亦對其進行旋轉操作。

(2) 局部應力場剔除原則: 對于旋轉前后均不能給出合理應力主軸方位的數據組, 則需考慮它們是否為區域尺度的褶皺變形或斷裂活動時誘發的局部應力場作用的產物。如果基本確認它們屬于局部應力場的產物, 則予以剔除, 不再納入區域應力場構建和分期配套當中。

(3) 構造演變模型從簡與應力場篩分剝離原則:在未經旋轉操作的觀測點應力狀態反演結果當中,如果在多個構造層當中均存在大致相同的應力狀態,則認為它們形成于最新構造層形成期間或之后。據此由新及老, 逐步將晚期應力狀態數據篩分和剝離,再對剩余反演數據結果進行分期和配套。

(4) 最大主應力方向優先原則: 由于局部應力場的變化以及先存構造薄弱面的存在, 不同觀測點上逆沖和走滑性質的斷層滑動矢量數據, 可能在最大主應力近水平的同一區域應力場作用下形成。而分別通過這些不同性質的擦痕反演所得到的三軸應力方位是不同的(逆沖時σ3近直立; 走滑時σ2近直立), 若直接將其劃分為不同期次, 則可能違背地質事實。因此, 本文采用最大主應力軸(σ1)方向作為應力場確立和分期配套的第一判別標準, σ2和σ3方向作為次要劃分依據。

(5) 綜合分析評判原則: 小型斷層和破裂面及擦痕等, 盡管是淺層次構造變形中記錄和反映古構造應力場的重要構造形跡, 但是, 必須將依據它們重建的古構造應力場及應力期次, 與觀測點所在地層、構造位置, 及大區域尺度構造變形的定性分析結合起來, 進行綜合分析和判斷。

3.2 古構造應力場分期

基于前述假設和基本原則, 對觀測數據應力狀態反演結果進行了應力場分期和配套研究, 將研究區中侏羅世至早白堊世的應力場劃分為3個主要期次, 并分別將D2和D3期進一步細分為2個階段。各期應力場特征分述如下。

3.2.1 下花園組沉積之后–髫髻山組火山活動之前NNW向擠壓(D1)(約173～165 Ma)

確立該期應力場的主要依據, 是在中三疊世–中侏羅世下花園組構造層(T2-J2xh)及更老構造層中獲取了5個經過旋轉操作的NNW向擠壓應力張量(圖4)。在承德縣東部上谷鄉以西的Y13460[6]點(“[ ]”內的數字與圖1和表2序號相對應, 具體位置參見圖1和表2, 下同), 下板城復向斜北翼三疊系紫紅色砂巖、含礫砂巖和礫巖中, 見有一條指示斜向逆沖的小型斷層, 擦痕線理與層面和斷層面的交線相互平行(圖5)。對斷層滑動數據直接進行反演未能獲取合理的應力狀態數據, 而根據地層產狀進行水平復原旋轉操作后, 得到圖4(Y13460[6])所示的三軸應力狀態。因此, 反演及復原結果顯示, 該條斷層是在地層近于水平時, 在NW-SE向的擠壓作用下形成的左行走滑斷層, 而且, 該斷層的產生可以與NEE-NE向展布的下板城復向斜的形成相匹配。此外, 在上谷鄉北部長城系高于莊組含燧石團塊白云巖(Y13471[8])、甲山鎮西北高于莊組厚層白云巖(Y13532[32]和Y13533[33])及下板城南部承德縣逆沖斷層上盤奧陶系厚層灰巖(Y13459[40])中, 亦獲取了經過地層水平復原旋轉操作后的NNW向擠壓應力張量, 反映了所在地層近于水平時的應力場狀態。

圖4 前髫髻山期中侏羅世NNW向擠壓應力張量Fig.4 NNW compressional stress tensors during the pre-Tiaojishan Stage of the Middle Jurassic

圖5 承德縣上谷鄉西部三疊系紅色砂巖、砂礫巖中的斷層及擦痕(擦痕恰好與斷層面與層面的交線平行)Fig.5 Fault-striae observed in the Triassic sandstone and sandy conglomerate, west of Shanggu, Chengde county(the fault-striae are parallel to the intersecting line of fault plane and bedding)

由于這一組經過旋轉恢復操作的應力反演結果,未見于更新的構造層當中, 且從區域上看, 從長城系(Ch)到下花園組(J2xh)的各個地層之間均不存在明顯角度不整合, 因此推測這一期應力場, 總體上反映了下花園組(J2xh)沉積后、髫髻山組(J2-3t)火山活動之前本區所經歷的古構造應力場。研究區內一系列區域規模的NEE-NE向褶皺構造, 如下板城復向斜、宋家營向斜、承德向斜、平泉背斜和桑園背斜等, 亦應視作本期應力場作用下的產物。在宋家營向斜的NW翼及下板城向斜N翼, 均可見它們被髫髻山組(J2-3t)火山巖不整合覆蓋的情形, 亦表明該期古構造應力場時限應該限定在髫髻山組(J2-3t)之前。

3.2.2 晚侏羅世土城子組沉積中–晚期N-S向擠壓(D2-1)(約152～139 Ma)

該期應力場由17組斷層滑動矢量應力反演結果確定(圖6)。從觀測數據分布的構造層和地層單位來看, 位于土城子組和髫髻山組各4組, 3組來自承德縣逆沖斷層帶, 4組來自長城系團山子組、高于莊組及薊縣系霧迷山組的直接反演, 另外2組分別為測自長城系高于莊組和奧陶系并經地層水平復原的結果。從構造位置上看, 其中13組數據采集自研究區主要斷裂構造附近, 2組采集自承德盆地中, 還有2組直接采集自主要斷層面上。在承德縣逆沖斷層主斷面上(Y13557^3[44]和Y13560^3[47])及主斷層下盤次級斷層(Y13560^1[47])上獲得的應力反演結果, 與野外可以觀測到的奧陶系灰巖以低角度逆沖斷層掩覆于三疊系之上(圖7)的事實吻合良好。由于在晚于土城子組的地層中, 未見反映該組應力狀態的數據, 因此將其時代推定為土城子組(J3-K1tch)時期。此外, 在雙廟逆沖斷層附近(Y13500-1^2[13], Y13503-2^2[16]和Y13518-1^1[21])和古北口逆沖斷層附近(Y13485-2[11], Y13542[37], Y13581[48]和Y13588^1[50])(表2, 圖6)觀測點實測反演結果, 與這些斷層表現出的運動學性質亦吻合良好, 表明它們的形成與這些主要逆沖斷層密切相關。而這些主要斷層顯示出的下盤土城子組被中元古界所掩覆,亦證明了這期應力場的時代應為土城子組形成期間或者之后。

本文研究中, 在承德市東南部, 大石廟鎮三榆樹村南(Y13518-1[21]點)雙廟逆沖斷層下盤的土城子組(J3-K1tch)中發現的逆沖斷層作用相關的生長地層(Growth strata)(Suppe et al., 1992), 表明區域性擠壓作用在土城子組沉積期間已經開始。生長地層見于鄰近雙廟逆沖斷層附近寬約近100 m的土城子組淺紫色中細粒礫巖中, 其中地層產狀劇烈變化, 不同產狀的三套巖層之間存在兩個局部的“角度不整合”(圖8)。而向北在遠離雙廟逆沖斷層的土城子組中, 這些巖層之間為整合接觸關系。這種地層產狀變化和地層之間、地層與逆沖斷層之間的相互關系表明, 在土城子組沉積期間, 雙廟逆沖斷層已經處于活動狀態。較早期形成的地層隨即卷入逆沖變形,并在遞進變形過程中發生倒轉。而形成越晚的地層,因斷層運動引起的產狀變化越小。兩個局部“角度不整合”的出現, 反映了斷層活動的階段性特征, 而并非均勻連續的遞進變形。這一現象表明, 至少部分土城子組沉積具有同構造沉積(張長厚等, 2004)的特征, 同時也表明, 前述N-S向擠壓為主的應力場, 自土城子組沉積期間已然啟動。

圖6 晚侏羅世土城子組沉積中–晚期N-S向擠壓應力張量Fig.6 N-S compressional stress tensors during the middle-late Tuchengzi Stage of the Late Jurassic

圖7 承德縣上谷西南部奧陶系馬家溝組灰巖(O2m)沿承德縣逆沖斷層(CDC-T)逆沖于三疊系(T)紅色砂巖、含礫砂巖之上, 藍色箭頭表示地層面向Fig.7 The limestone of the Majiagou Formation (O2m) thrusts over the Triassic (T) sandstone and pebbled sandstone along Chengde thrust fault (CDC-T), southwest of Shanggu, Chengde county

圖8 承德市東南部雙廟逆沖斷層下盤土城子組砂礫巖中的生長地層Fig.8 Growth strata in the Tuchengzi Formation, footwall of the Shuangmiao thrust fault, southeast of Chengde city

除上述主要逆沖斷層之外, 研究區規模最大的承德向斜, 亦形成于此期應力場作用。

3.2.3 早白堊世初土城子組沉積期末NNE-NE向擠壓(D2-2)(約139 ～135 Ma)

土城子(J3-K1tch)期末NNE向擠壓構造應力場,由10組觀測數據所確定。其中, 5組來自土城子組, 2組來自髫髻山組, 另外3組分別測自薊縣系霧迷山組、奧陶系和三疊系。這些觀測數據大致可以分為2類, 一類表現為近南北向(NNW-NS-NNE)向右行走滑, 另一類為NEE–近W-E向左行走滑。因此, 大致上呈現出共軛剪切破裂系統的特征。斷層滑動矢量應力反演結果表明, 最大主應力方向為NNE-NE向(圖9)。由于觀測數據采集最新地層層位為土城子組, 且在更老地層中的觀測數據, 未經旋轉即獲得合理的該組應力狀態數據, 因此推定其形成時代應為土城子組形成期間或之后。之所以將其置于前述近N-S向擠壓應力場之后, 主要基于兩方面的證據: (1)在雙廟逆沖斷層附近Y13503-2[16]點的土城子組(J3-K1tch)含礫粗砂巖中, 曾觀測到可以區分形成先后順序的兩組擦痕數據, 較早一組應力反演指示了近N-S向擠壓, 而較晚一組顯示出了NNE向的擠壓作用; (2)更為重要的證據是, 近N-S向擠壓形成的區域性斷層和褶皺構造, 都顯示出曾經遭受到NW-NNW向展布的寬緩褶皺構造改造的面貌(圖1)。如六溝西部雙廟逆沖斷層東段發生了明顯的彎曲變形, 承德向斜樞紐及南翼地層形成寬緩的褶皺彎曲,都反映了這樣一期應力場的存在, 并晚于近N-S向的擠壓作用。此外, 更早期的下板城復向斜的樞紐亦發生了類似的褶皺彎曲。

3.2.4 早白堊世張家口期垂向擠壓主導的多向伸展(D3-1)與NW-NNW向弱擠壓(D3-2)(約125 Ma之后)

圖9 早白堊世初土城子組沉積期末NNE-NE向擠壓應力張量Fig.9 NNE-NE compressional stress tensors during the end of the Tuchengzi Stage of the Early Cretaceous

在張家口組(K1z)火山巖和與之時代相當的南溝腦巖體(前人稱作小寺溝巖體, 鋯石U-Pb年齡125± 2 Ma; 劉健, 2006)中, 發現存在NW-NNW向拉伸(4組: Y13517-1[18], Y13517-3[20], Y13523^1[23], Y13525-1[25]; 另有1組數據Y13450^1[4]采集自復活斷層面上, 表現為N-S向拉伸; 表2, 圖10)(下伏構造層中部分拉伸方向與之差異較大, 圖11)和NW-NNW向擠壓(4組: Y13450^2[4], Y13517-2[19], Y13523^2[23], Y13524[24]; 靠近大貴口–唐家灣斷層的1組數據顯示存在N-S向擠壓Y13501-2[15];表2, 圖12)。這些觀測數據表明, 張家口組火山巖噴發之后, 研究區曾經歷過擠壓和拉伸應力作用;但是, 二者之間的先后順序, 缺乏地層接觸關系和區域尺度構造疊加改造特征的限定。前人在更大范圍的研究表明, 張家口組火山活動時期處于區域伸展構造背景, 之后曾發生擠壓反轉(Zhang et al., 2003, 2011), 因此本文將此階段兩種應力場初步確定為拉伸作用在先, 擠壓作用在后。

張家口組火山巖噴發之后的伸展變形在華北東部和東北地區乃至東亞地區廣泛存在, 已經被比較多的研究所證實。本次研究中, 除了在張家口組火山巖中獲取的NW-NNW向拉伸應力張量外, 在南溝腦巖體和張家口組下伏構造層中發現有11組近似同方向拉伸的應力狀態數據(表2, 圖10)。而在相對較老的構造層中反演獲得的應力狀態數據, 主要拉伸方向也并不嚴格呈現為NW-NNW向, 而是有部分表現為近N-S向拉伸(Y13519^2[22], Y13529^1 [29], Y13549^2[40]; 圖10), 或NEE-WE向拉伸(圖11)。根據本文前述應力場分期的“最大主應力優先原則”, 這些局部表現為不同方向拉伸的應力狀態,最大主應力軸多表現為陡傾和近直立, 因此本文將它們歸為同一期應力場。

圖10 早白堊世張家口期NW-NNW向伸展應力張量Fig.10 NW-NNW extensional stress tensors during the Zhangjiakou Stage of the Early Cretaceous

圖11 早白堊世張家口期NEE-WE向伸展應力張量Fig.11 NEE-WE extensional stress tensors during the Zhangjiakou Stage of the Early Cretaceous

在這一期應力場作用下, 研究區內形成的最顯著構造為大貴口–唐家灣正斷層, 該斷層向南陡傾并構成了承德盆地張家口組火山巖系的北界。在承德縣城西部近東西向展布的桲欏樹東山–北臺斷層,構成北臺盆地的北界并控制了張家口組的目前分布范圍, 亦是此期應力場作用的產物。

更晚期的擠壓作用在構造表現上不甚顯著, 但在研究區承德盆地張家口組火山巖中發育的NEE向寬緩褶皺, 表明了此期NW-NNW向擠壓作用的存在, 只是變形強度相對較弱。觀測數據反演結果顯示, 在下伏構造層中, 還存在9組無需地層水平復原操作, 即可獲得的與本期應力場相匹配的應力狀態數據(表2, 圖12)。因此, 此期應力場作用的影響范圍仍然是比較廣泛的。此外, Zhang et al. (2003, 2011)在對郯廬斷裂中段斷陷盆地及鄂爾多斯盆地的研究中發現, 早白堊世廣泛伸展作用之后, 各盆地發生了構造反轉, 且將其時代定為晚白堊世時期; Dong et al. (2008)也指出早白堊世末至晚白堊世中期, 華北地區以NW-SE向擠壓為主, 并使早期形成的伸展斷陷盆地發生不同程度的構造反轉。本文研究中的本期擠壓應力場可能可以與之相對比。

4 討 論

本文主要基于斷層滑動矢量數據的應力狀態反演結果, 將燕山中段的承德地區中侏羅世至早白堊世(J2-K1)的構造應力場初步厘定為3期5階段, 據此重塑了研究區域在該時段的應力場演變過程(圖13)?？傮w上看, 應力狀態反演及分期結果與研究區已有構造變形研究結果對應性良好, 而且這種研究可以刻畫出更詳細的應力場演變過程, 尤其是宏觀構造變形表現并不十分顯著的應力場作用, 也得到良好揭示。但是, 在研究中也發現, 基于大區域地質構造研究所厘定的構造動力學背景, 并不一定能在有限的研究區域內得到相應的古構造應力場狀況的響應與支持。

圖12 早白堊世張家口期NW-NNW向擠壓應力張量Fig.12 NW-NNW compressional stress tensors during the Zhangjiakou Stage of the Early Cretaceous

圖13 承德地區應力場對比分期圖Fig.13 Division of the stress field stages in the Chengde area

研究發現, 在中侏羅世至早白堊世初期, 研究區應力場以擠壓為主, 并且最大主壓應力方向發生由NNW-SSE、經近N-S向、到NNE-SSW向的順時針旋轉, 旋轉角度約60°(圖13)。其中, 標志著強烈構造活動性的髫髻山組(J2-3t)火山活動期間, 構造應力作用表現卻相對較弱; 而隨后土城子組(J3-K1tch)沉積中、晚期的近N-S向擠壓作用持續加強, 在土城子組沉積期間形成了具逆沖構造變形相關生長地層特征的地層接觸關系, 土城子期末在區域上形成了大量的逆沖斷層和褶皺構造。以上地質事實表明,土城子組沉積期間的構造體制應該是擠壓背景, 而非伸展背景。這可能表明在此期間, 華北克拉通與興蒙造山帶之間仍處于南北向匯聚當中, 而且可能是華北克拉通與北部造山帶或板塊之間非規則板塊邊界間的持續匯聚作用, 或碰撞作用向東的側向遷移(Enkin et al., 1992; Courtillot et al., 1994; Zorin, 1999), 導致了此期間最大主應力方向的順時針旋轉。早白堊世早期之后, 區域構造應力場表現為以伸展為主。從大區域看, NW-SE向的伸展作用在該時期廣泛存在(Darby et al., 2004; Wang T et al., 2011; Lin et al., 2013a, b; Liu et al., 2013)。但在本文研究區內所獲取的這一期應力場, 在陡傾–近直立的最大主應力作用下, 應力張量伸展方向變化范圍較大,主要為NW-NNW, 亦有部分為近N-S向, 而在張家口組下伏更老構造層中還獲取到部分NEE-WE向伸展的應力張量。之所以在較老的構造層當中, 這一期應力狀態反演顯示出不同方向的拉伸, 一種可能是與先存斷裂的構造活化有關; 另外一種可能是,類似于主動裂谷作用模型的垂向最大主應力作用,在這一期的構造應力場演化過程中起著主導作用。此外, 值得一提的是, 白堊紀以來研究區域并非持續處于拉伸作用之下, 在125 Ma之后仍存在過擠壓作用(D3-2), 但應力作用相對較弱, 可能與蒙古–鄂霍茨克洋最終關閉作用的遠程效應(Halim et al., 1998)有關。

此外, 一個比較出乎意料的結果是, 在該區域未發現可能與中侏羅世以來古太平洋板塊或伊佐奈岐(Izanagi)板塊沿NW方向向歐亞大陸巖石圈板塊之下俯沖作用(Maruyama et al., 1997; Takahashi, 1999; 萬天豐, 2004)有關的近W-E向或NW-SE向擠壓應力場的存在。但是, 區域構造變形定性分析顯示, 在燕山東段的遼西地區(楊庚等, 2001; 王根厚等, 2001; 張長厚等, 2002)、燕山西段和太行山北部一帶(張長厚等, 2006, 2011; Wang et al., 2011), 確有可歸為古西太平洋俯沖帶俯沖作用影響的古構造應力場存在。在本研究區域有限的范圍內出現缺少相應應力狀態的情形, 可能是具有強硬結晶基底的克拉通內(或板內)呈現為非均勻變形的結果。

5 結 論

(1) 燕山中段承德地區在中生代的中、晚期經歷了3期5階段的古構造應力場演化過程。第一期(D1)發生于下花園組之后、髫髻山組火山活動之前(約173～165 Ma)的中侏羅世, 表現為NNW-SSE向擠壓。第二期發生在晚侏羅世–早白堊世早期的土城子組沉積期間及之后、早白堊世張家口組火山活動之前, 其中包含兩個階段: 第一階段(D2-1)為土城子組沉積中、晚期期間的近N-S向擠壓(約152～139 Ma); 第二個階段(D2-2)為土城子組沉積之后、張家口組火山活動開始(約135 Ma)之前的NNE-NE向擠壓。第三期為張家口組火山噴發之后(約125 Ma之后), 其中早期階段(D3-1)表現為垂向擠壓控制下較為廣泛的多向伸展; 晚期階段(D3-2)表現為短暫的NW-NNW向弱擠壓。

(2) 研究區在中侏羅世至早白堊世初期的古構造應力場, 表現出最大主壓應力方向發生了由NNW- SSE、經近N-S向、到NNE-SSW向的順時針旋轉, 旋轉角度約60°。土城子組沉積作用即發生于此擠壓作用為主的構造背景下。表明此期間華北克拉通與興蒙造山帶之間仍處于總體近南北向的匯聚當中。

(3) 在研究區域未發現可能與中侏羅世以來古太平洋板塊或伊佐奈岐(Izanagi)板塊沿NW方向向歐亞大陸巖石圈板塊之下俯沖作用有關的近W-E向或NW-SE向擠壓應力場的存在, 這可能是具有強硬結晶基底的克拉通內非均勻變形的結果。

致謝: 中國地質科學院地質力學研究所胡健民研究員和張岳橋研究員在論文修改過程中提出了寶貴的建設性意見和建議, 在此表示衷心感謝。

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Paleotectonic Stress Field and its Evolution in Central Part of the Intraplate Yanshan Orogenic Belt during Middle Jurassic and Early Cretaceous: Constrains of Stress Inversion of Fault Slip Vectors

LIN Yi1, ZHANG Changhou1,2, LI Chengming1and SHI Xiaolong1
(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

The Mesozoic structural deformation and sedimentation as well as the volcanism in the Chengde area, central part of intraplate Yanshan orogenic belt, have been systematically investigated in the last two decades. The paleostress fields leading to these complicated tectonic deformations remain unrevealed. Paleostress inversion of fault slip vectors, combining with the newly defined structural levels and the latest age dating results on the key lithostratigraphic units, is employed to establish the paleostress fields in the Chengde area during Middle Jurassic and Early Cretaceous. Three generations including five phases of paleostress fields have been identified in this study. The first generation is believed to be the Middle Jurassic NNW compression (D1) after the sedimentation of the Xiahuayuan Formation and previous to that of the Tiaojishan Formation volcanism (～173 Ma–165 Ma); The second generation includes two phases, the Late Jurassic and earliest Cretaceous N-S compression (D2-1) during and after the sedimentation of the Tuchengzi Formation(～152 Ma–139 Ma) followed by the NNE compression (D2-2) post to the Tuchengzi Formation and predate the Zhangjiakou Formation (～139 Ma–135 Ma). The third generation of paleostress field is inferred to be later than 125 Ma and characterized by a widespread multidirectional extension (D3-1) induced from vertical compression, followed by a leading and weak NW-NNW compression (D3-2). It is inferred that the contraction regime dominated in the Chengde area during the Middle Jurassic and the early Early Cretaceous, with the maximum principal stress axes (σ1) rotated ca 60° clockwise from NNW to NNE, and the sedimentation of the Tuchengzi Formation occurred in this compressive tectonic setting. Extension regime characterized the Early Cretaceous in the central Yanshan belt, even a weak compression once occurred during this period. There is no nearly W-E or NW-SE compressional stress field previously inferred as far-field response to the suspected subduction of paleo-Pacific Plate or Izanagi Plate have been identified in this area, which is likely resulted from intracratonic heterogeneous deformation or strain.

middle Yanshan belt; Mesozoic; fault-striae; stress inversion; paleostress field

P542

A

1001-1552(2015)02-0187-021

2014-06-18; 改回日期: 2015-01-12

項目資助: 中國地質調查局地質調查工作項目(編號: 121201112073, 12120113059700)和國家自然科學基金(批準號: 90814002, 40672150, 40739906)資助。

林逸(1989–), 男, 博士研究生, 構造地質學專業。Email: linyi_cugb@qq.com

張長厚(1964–), 男, 教授, 構造地質學專業, 主要從事構造地質學和區域大地構造學教學和科學研究工作。Email: changhou@cugb.edu.cn