太行山東麓斷裂帶中、新生代構(gòu)造應(yīng)力場及轉(zhuǎn)換機(jī)制

安慧婷,許立青,李三忠,余 珊,劉 鑫,索艷慧,曹現(xiàn)志,趙淑娟,王鵬程,郭玲莉,戴黎明

(中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院,海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100)

0 引言

中生代以來,華北地塊受到不同板緣動(dòng)力作用產(chǎn)生的遠(yuǎn)程效應(yīng)影響,經(jīng)歷了多期次的改造作用,進(jìn)入了穩(wěn)定蓋層沉積階段后的破壞裂解階段,地塊內(nèi)部形成了力學(xué)性質(zhì)不同、形態(tài)多變的復(fù)雜構(gòu)造帶和自身獨(dú)特的、多期的、復(fù)雜而豐富的盆-山耦合系統(tǒng),如位于呂梁山與太行山之間的汾渭地塹系、地塊中部的張家口-蓬萊斷裂帶與太行山東麓斷裂帶、地塊南部斷裂帶、西部的離石斷裂帶、渤海灣盆地與山西隆起區(qū)等(牛樹銀等,1994)。如何確定華北地塊中部尤其是太行山東麓斷裂帶中生代以來構(gòu)造應(yīng)力方向及其轉(zhuǎn)換過程,是目前地學(xué)界關(guān)注的問題(張?jiān)罉虻?2007)。針對(duì)該問題的研究將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解華北地塊中部現(xiàn)今構(gòu)造地貌格局形成的動(dòng)力學(xué)過程。太行山東麓斷裂帶主要由NNE向太行山大斷裂和太行山山前斷裂組成。對(duì)此,前人已做過相應(yīng)研究工作,取得了重要的認(rèn)識(shí)(張?jiān)罉虻?2007;董樹文等,2007;陳連旺等,2007,李三忠等,2010)。本文在前人工作的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)開展了太行山東麓斷裂帶周邊關(guān)鍵地帶節(jié)理和斷裂構(gòu)造幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和測量工作,并進(jìn)行了古構(gòu)造應(yīng)力方向反演,其目的是理清太行山東麓斷裂帶中、新生代構(gòu)造應(yīng)力場演化序列,探討構(gòu)造應(yīng)力場轉(zhuǎn)換機(jī)制,為板內(nèi)破壞裂解階段的動(dòng)力學(xué)研究提供構(gòu)造地質(zhì)學(xué)制約。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

華北地塊于古元古代末期的呂粱-中岳運(yùn)動(dòng)最終拼合、固結(jié)形成統(tǒng)一的結(jié)晶基底,是我國最古老的克拉通(Zhao and Zhai,2013;Zhai and Santosh,2013)。華北地塊內(nèi)部包括兩個(gè)特征的新生代伸展構(gòu)造域和兩個(gè)燕山期的擠壓構(gòu)造域,前者分別為鄂爾多斯周圍的地塹系與渤海灣盆地(圖1);后者是呂梁山-太行山向西逆沖的推覆帶和主體向南逆沖的燕山造山帶。中、新生代期間太行山遠(yuǎn)離板塊邊界,屬于華北地塊內(nèi)部,可視為板內(nèi)造山帶(牛樹銀等,1994;劉鳳山和石準(zhǔn)立,1998),其東麓發(fā)育NNE向斷裂帶,即太行山東麓斷裂帶,分割了太行山隆起和渤海灣盆地,是太行山擠壓構(gòu)造域和渤海灣盆地拉伸構(gòu)造域的交接轉(zhuǎn)換部位(圖1),記錄了本區(qū)構(gòu)造擠壓與伸展作用的信息,對(duì)研究區(qū)域構(gòu)造轉(zhuǎn)換有重要意義。

圖1 華北地塊構(gòu)造綱要圖(據(jù)張?jiān)罉虻?2007修改)Fig.1 Simplified tectonic map of the North China Block

華北地塊自中生代以來經(jīng)歷了不同動(dòng)力系統(tǒng)所形成的構(gòu)造應(yīng)力場,從而形成了復(fù)雜的構(gòu)造格局(李三忠等,2010)。印支期,北部古亞洲洋自西向東的剪刀式俯沖消亡(Xiao et al.,2013;Ju and Hou,2013),南部華南地塊與華北地塊發(fā)生自東向西的剪刀式碰撞(Li et al.,2007;Li et al.,2013);早侏羅世,太行山尚未開始隆起,太行山以東逐漸抬升,沉積沉降中心西遷(李三忠等,2011);中侏羅世,華北克拉通由古亞洲洋構(gòu)造域的匯聚體制向古太平洋構(gòu)造域的俯沖消減體制轉(zhuǎn)換,中國東部構(gòu)造機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)換(趙越等,2004;張?jiān)罉虻?2007;董樹文等,2008;宋傳中等,2010);中侏羅世末,燕山運(yùn)動(dòng)主幕導(dǎo)致中國東部大面積隆升,地殼急劇增厚形成了燕山中晚期的中國東部高原(張旗和錢青,2001;張旗等,2008);中晚侏羅世在華北地區(qū)形成了大量的走向 NE的褶皺和逆沖推覆構(gòu)造(劉建忠等,2004);晚侏羅世-早白堊世,巖石圈強(qiáng)烈破壞,大量巖漿侵入,燕山運(yùn)動(dòng)進(jìn)入峰期;晚白堊世,華北地區(qū)活動(dòng)減弱,整體抬升遭受剝蝕并逐漸均夷而準(zhǔn)平原化(吳忱,2001),早白堊世晚期至晚白堊世期間,中國東部由中生代擠壓構(gòu)造機(jī)制轉(zhuǎn)化為新生代的伸展構(gòu)造機(jī)制(曹現(xiàn)志等,2013);古近紀(jì)以來,喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)拉開序幕,中國大陸特殊的基底結(jié)構(gòu)與印度-歐亞碰撞和太平洋板塊的躍遷式東撤俯沖所主導(dǎo)的雙重構(gòu)造機(jī)制,導(dǎo)致華北構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生多次轉(zhuǎn)變(Zhang et al.,2003b),造成此時(shí)期的西部青藏高原隆升、中部盆地與造山帶耦合體制和東部拉張活動(dòng)(賈承造等,2005;賈承造,2007)。

2 太行山東麓斷裂帶節(jié)理統(tǒng)計(jì)分析、分期配套與應(yīng)力場

由于斷裂帶及其西側(cè)的太行山地區(qū),除汾渭地塹系內(nèi)有第四紀(jì)沉積外,主要出露地層為寒武系和奧陶系,北部出露變質(zhì)基底,南部有殘留的石炭系和二疊系,斷裂帶東側(cè)的渤海灣盆地基底構(gòu)造被第四系所覆蓋,因此本文主要對(duì)太行山東麓斷裂帶、渤海灣盆地及汾渭地塹系內(nèi)可見的不同時(shí)代基巖和第四系中的節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。由于節(jié)理主要是淺部構(gòu)造層次的變形結(jié)果,因而太古宇等基底中的節(jié)理多數(shù)是中、新生代的產(chǎn)物。此外,參考前人對(duì)該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場分析已有的研究成果和前人根據(jù)節(jié)理恢復(fù)古應(yīng)力場的方法(張仲培和王清晨,2004;任收麥等,2009;尹成明等,2011;湯聰?shù)?2011;姜琳等,2013),討論了太行山東麓斷裂帶及其周邊中、新生代應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換與演化。

本次野外工作對(duì)研究區(qū)內(nèi)約 70個(gè)典型構(gòu)造剖面觀測點(diǎn)的近1000條剪節(jié)理進(jìn)行了配套和測量。剪節(jié)理常以共軛形式出現(xiàn),同一觀測點(diǎn)可見到 2~3組(圖2)。在節(jié)理的觀測中,主要采用可靠度較高的共軛節(jié)理進(jìn)行配對(duì)分析,對(duì)性質(zhì)不明的節(jié)理予以忽略,并盡量判定主應(yīng)力軸方位。對(duì)這些野外測量的節(jié)理數(shù)據(jù),本文用T-TECTO軟件進(jìn)行了太行山東麓斷裂帶及其西側(cè)構(gòu)造應(yīng)力場恢復(fù);用Dips軟件對(duì)斷裂帶東側(cè)的渤海灣盆地內(nèi)的第四系節(jié)理做了玫瑰花走向圖,并根據(jù)共軛節(jié)理優(yōu)勢方向做了應(yīng)力場分析。

根據(jù)共扼剪節(jié)理產(chǎn)狀與其主應(yīng)力軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)節(jié)理所指示的應(yīng)力場期次進(jìn)行了配套。分期配套的整體思路是:先獲得第四系中節(jié)理發(fā)育時(shí)期的應(yīng)力場,其后依次從老地層中發(fā)育的節(jié)理獲得的應(yīng)力場中篩除晚期應(yīng)力場的疊加,獲得前期節(jié)理形成時(shí)的應(yīng)力場,以此類推,從而完成應(yīng)力場的分期。但是,由于研究區(qū)中生代地層剝蝕嚴(yán)重,節(jié)理測量點(diǎn)大部分位于前寒武基底和早古生代地層中,這對(duì)應(yīng)力場的分期造成了一定的困難,加之看似共軛的節(jié)理可能為不同時(shí)期節(jié)理的假共軛,這些因素可能影響分期的精確度,為此,通過大量統(tǒng)計(jì)和區(qū)域均勻統(tǒng)計(jì)可篩分這種配對(duì)的偶然性。

此外,不同時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力場會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的角度不整合、變形樣式差異等,如斷裂帶東側(cè)的渤海灣盆地內(nèi),存在多期角度不整合(周立宏等,2003),其中,中下侏羅統(tǒng)不整合于上古生界之上、白堊系不整合于古生界之上(圖3)等,均說明侏羅紀(jì)及白堊紀(jì)發(fā)生過構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷裂帶西側(cè)的太行山地區(qū)地層剝蝕嚴(yán)重,雖然觀察不到相應(yīng)的不整合,但是區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)波及到該地區(qū);在我國,漸新統(tǒng)與中新統(tǒng)之間廣泛發(fā)育一個(gè)上下巖系角度相差不大的角度不整合;在地層記錄比較完整的地區(qū),如青藏、祁連山、云南等地可以見到中更新統(tǒng)與其下伏的下更新統(tǒng)或新近系之間的角度不整合接觸關(guān)系,而在大部分地區(qū)則常見第四系與新近系之間的角度不整合,這可能與剝蝕不均或地層劃分不夠精細(xì)有關(guān)(萬天豐和曹瑞萍,1992)。因此,以下的節(jié)理分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果,結(jié)合野外觀測到的這些角度不整合等現(xiàn)象以及前人(萬天豐和曹瑞萍,1992)對(duì)該地區(qū)已有應(yīng)力場的研究等,本文的應(yīng)力場分期如下。

2.1 中更新世以來NEE向擠壓應(yīng)力場

利用Dips軟件統(tǒng)計(jì)的節(jié)理玫瑰花優(yōu)勢走向(圖4)揭示,第四系節(jié)理野外觀察結(jié)果多數(shù)為共軛剪節(jié)理,其優(yōu)勢方位大致為NWW和NEE、NNE和NNW向,因此,可以推測第四紀(jì)區(qū)域擠壓應(yīng)力場方向可能為NEE向擠壓。結(jié)合圖5中太行山東麓斷裂帶的節(jié)理恢復(fù)結(jié)果,初步判定中更新世以來為NEE向擠壓應(yīng)力場。圖4中個(gè)別點(diǎn)反映近SN向(NNE和NNW向)擠壓,再結(jié)合圖6節(jié)理恢復(fù)結(jié)果,近SN向的擠壓可能屬于第四紀(jì)、中中新世-早更新世NNE、NNW向擠壓應(yīng)力場下產(chǎn)生的老節(jié)理的活化所致。

中更新世以來,印度板塊 NNE 向的碰撞作用傳遞到華北地區(qū)時(shí)已轉(zhuǎn)變?yōu)?NE-NEE向擠壓,而來自太平洋板塊對(duì)華北地區(qū)的作用方向?yàn)镹EE-EW向,印度板塊作用占主導(dǎo),因而形成太行山地區(qū)的NEE-SSW向擠壓應(yīng)力場。李西雙等(2010)在單道淺層地震剖面上識(shí)別出渤海海域內(nèi)走向?yàn)?NNE、近EW和NW向的三組斷裂,其中多數(shù)為正斷裂、少數(shù)具有走滑性質(zhì)但同時(shí)也具正斷作用,而大多張性斷裂呈近EW走向,與本期NEE-SSW向擠壓應(yīng)力場相吻合。

圖2 太行山東麓斷裂帶共軛剪節(jié)理野外照片F(xiàn)ig.2 Photos showing the conjugate joints along the eastern Taihang Mountain Fault Zone

2.2 中新世-早更新世近 SN向(NNE或 NNW 向)擠壓應(yīng)力場

圖6中的測量點(diǎn)93、107-109、110、171、183、198、200、237、555、656反映該期應(yīng)力場為近SN向擠壓。區(qū)域上,華北地塊內(nèi)中生代以來發(fā)育的近南北向斷裂(如郯廬斷裂帶)張開。斷裂帶東部的渤海灣盆地形成了一系列近EW向伸展斷裂(Zhang et al.,2003b)。雖然此期應(yīng)力場強(qiáng)度不大,但是近SN向的擠壓造成近EW向的拉張比較普遍。其動(dòng)力學(xué)背景可能為中新世以來菲律賓海板塊俯沖方向由 NWW轉(zhuǎn)向 NNW 有關(guān)(萬天豐和曹瑞萍,1992),同時(shí),青藏高原大幅度隆升,NWW向和NNE向剪切作用增強(qiáng),導(dǎo)致太行山地區(qū)經(jīng)受來自鄂爾多斯的NNE向右旋剪切應(yīng)力增強(qiáng),因此太行山地區(qū)呈現(xiàn)近 SN向的局部應(yīng)力場。

2.3 始新世-漸新世近NWW向擠壓應(yīng)力場

圖7中的測量點(diǎn)71、72、74、125、126、127、176、248、298、548、551、626、627 指示太行山地區(qū)局部 NWW 向擠壓應(yīng)力場。區(qū)域上,中國東部廣泛發(fā)育走向近EW和NWW向的張性正斷層,沿著這些正斷層還普遍發(fā)育玄武巖,如張家口漢諾壩、大同等(萬天豐和曹瑞萍,1992),均說明始新世-漸新世擠壓應(yīng)力場為近NWW向。

圖3 華北地塊中部斷裂圖Fig.3 Fault system in the Central North China Block

始新世-漸新世,太平洋板塊由原來的NNW向俯沖轉(zhuǎn)為NWW向,與節(jié)理所指示的NWW向擠壓應(yīng)力場相吻合。雖然由于印度板塊與歐亞大陸初始碰撞,且華北地塊整體向東運(yùn)動(dòng),處于 NWW 向的左旋剪切作用下;在華北地塊內(nèi)部,鄂爾多斯塊體相對(duì)于其東部的塊體做NNE向運(yùn)動(dòng),地塊內(nèi)部處于NNE向的右旋剪切作用下。但這兩種剪切作用對(duì)太行山地區(qū)的影響比較微弱(吳奇等,2012)。

2.4 古新世-始新世NE向擠壓應(yīng)力場

圖8 中 85、172、174、216、238、252、293、295、314的節(jié)理測量點(diǎn)指示了古新世-始新世應(yīng)力場,最小主應(yīng)力軸方位為NW-SE向。

汾渭地塹系在燕山期所形成的NNE向和NWW向的共軛斷裂在古新世-始新世期間沿“X”型共軛斷裂系統(tǒng)發(fā)生追蹤張裂(李樹德,1997)。此外,渤海灣斷陷盆地中此時(shí)期的凹陷也指示 NW-SE向拉張應(yīng)力場(Zhang et al.,2003b;張?jiān)罉虻?2006)。結(jié)合更大區(qū)域的動(dòng)力學(xué)背景,太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖方向發(fā)生NNW向NWW向的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn),可能是太行山地區(qū)由中侏羅世-早白堊世的 NW-SE向擠

壓轉(zhuǎn)換為NW-SE向拉張的根本原因。

Zhu et al.(2012)通過對(duì)華北克拉通東緣的盆地模式、斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)、斷層滑動(dòng)數(shù)據(jù)、巖脈分布以及變質(zhì)核雜巖的研究,認(rèn)為華北克拉通東部應(yīng)力場演化為:早白堊世早-中期的NWW-SEE向伸展→早白堊世晚期的NW-SE向伸展→晚白堊世-古近紀(jì)的近SN向伸展,且認(rèn)為這種演化歸結(jié)為俯沖板塊的弧后效應(yīng);Zhang et al.(2003a)認(rèn)為由于板塊俯沖和青藏高原的隆起,郯廬斷裂帶(山東省內(nèi)段)局部應(yīng)力場由早白堊世中期的近EW向伸展→NW-SE向轉(zhuǎn)換擠壓→晚白堊世NE-SW向擠壓;Mercier et al.(2007)認(rèn)為郯廬斷裂帶在早白堊世中-晚期處于NW-SE向擠壓應(yīng)力場,晚白堊世-古近紀(jì)處于NWW-SEE向的拉張應(yīng)力場中。野外觀察發(fā)現(xiàn),華北地區(qū)大量缺失上白堊統(tǒng),只在個(gè)別盆地中可見,表明華北地區(qū)活動(dòng)減弱,整體抬升遭受剝蝕并逐漸均夷而準(zhǔn)平原化,形成 95~65 Ma的北臺(tái)面(徐杰和高戰(zhàn)武,2001),太行山、呂梁山和燕山等地均保存有北臺(tái)面。冀中坳陷基底主要為侏羅系和下白堊統(tǒng)以及更老的巖層,上白堊統(tǒng)分布很少,表明太行山山前斷裂此時(shí)也處于平靜期。因此,早白堊世晚期到晚白堊世可能是中國東部由中侏羅世-早白堊世NW-SE向擠壓應(yīng)力場向新生代NWW(或NW)-SEE(或SE)向的拉張應(yīng)力場的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)化階段。

2.5 中侏羅世-早白堊世NW向擠壓應(yīng)力場

指示中侏羅世-早白堊世應(yīng)力場的節(jié)理測量點(diǎn)為 68、69、95、97、179、182、213、227、228、229、617、649(圖9)。測量點(diǎn)所在的出露地層主要為石炭系、二疊系、侏羅系,碳酸鹽巖區(qū)的典型共軛剪節(jié)理均為本期構(gòu)造應(yīng)力場的產(chǎn)物,而花崗巖類巖體中含石英脈的一套共軛剪節(jié)理也指示著這一期構(gòu)造應(yīng)力場。其最大主壓應(yīng)力軸方位是 NW-SE向,最小主壓應(yīng)力軸方位是NE-SW向。

區(qū)域構(gòu)造分析表明,中侏羅世-早白堊世,是中國東部構(gòu)造體制的重要轉(zhuǎn)換時(shí)期(李三忠等,2010)。呂梁山隆起帶晚侏羅世發(fā)育一系列走向 NE-SW 或NNE-SSW 向褶皺(吳奇等,2012),此外,呂梁山隆起帶發(fā)育的燕山期花崗巖體年齡在 110~130 Ma 之間,說明巖體侵入發(fā)生在早白堊世,與中國東部地區(qū)普遍的巖漿侵入活動(dòng)具有一致性,是在相同的構(gòu)造背景下形成的(王錫勇等,2010)。同時(shí),汾渭地塹系在該時(shí)期形成早期“X”型共軛剪切斷裂系統(tǒng)(李樹德,1997)。再向東,太行山北段形成一系列褶皺與逆沖推覆構(gòu)造,沿河城斷裂、百花山復(fù)向斜及馬頭背斜等NEE向構(gòu)造等都在此時(shí)期形成(鞠紫云,1983)。華北地區(qū)中晚侏羅世也形成了大量的 NE向褶皺和逆沖推覆構(gòu)造,且晉獲斷裂帶形成,并向東強(qiáng)烈反向逆沖推覆。這些宏觀構(gòu)造分析得出的應(yīng)力場與本文節(jié)理分析結(jié)果一致。

3 太行山東麓斷裂帶性質(zhì)與多期演化

上述節(jié)理統(tǒng)計(jì)分析表明,太行山地區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)力場變化,太行山東麓斷裂帶在這種背景下也表現(xiàn)出復(fù)雜的多期斷裂活動(dòng),而且東麓斷裂帶不同地段存在差異性,具有明顯的分段性(圖3)。

3.1 太行山山前斷裂

八寶山斷裂(F2-1)和黃莊-高麗營斷裂(F2-2)是位于斷裂帶北段的活動(dòng)斷裂,為北京坳陷的西界斷裂(圖3)。八寶山斷裂伴隨北京西山 NE向褶皺和逆斷裂形成于中侏羅世晚期,晚侏羅世發(fā)生拉張活動(dòng),至白堊紀(jì),黃莊-高麗營斷裂形成并取代了八寶山斷裂(徐杰等,2000)。早白堊世末,由于處于NW-SE 向的擠壓應(yīng)力場下,兩條斷裂轉(zhuǎn)為逆斷裂。晚白堊世-始新世,在NE-SW 向擠壓為主的應(yīng)力場下,黃莊-高麗營斷裂表現(xiàn)為正斷層性質(zhì),同時(shí)具有一定的右旋走滑特征。黃莊-高麗營斷裂在新生代的活動(dòng)具有明顯的自南向北轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)(徐杰等,1992),其活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于八寶山斷裂。其中,八寶山斷裂主要活動(dòng)階段為早更新世,而黃莊-高麗營斷裂早-中更新世活動(dòng)顯著(徐杰等,1992)。

大興斷裂、徐水?dāng)嗔押捅６?石家莊斷裂(圖3)由北向南依次相連,構(gòu)成冀中坳陷的西界,整體走向 NE,傾向 SE。通過對(duì)大興斷裂所在區(qū)域大量地震剖面的研究,依其地質(zhì)構(gòu)造特征可分為北段、中北段、中南段和南段四段,每段的走向、活動(dòng)時(shí)間及活動(dòng)性質(zhì)存在差異(趙紅格和劉池洋,2002)。中北段走向 NE-NNE,形成時(shí)間最早,為典型的犁式正斷層;中南段走向近 EW,斷面南傾,具有拉張、走滑性質(zhì)和調(diào)節(jié)作用,形成較晚;南段走向近 SN,具有右行走滑性質(zhì)。中南段、南段在沙河街組二段-東營期強(qiáng)烈活動(dòng)(趙紅格和劉池洋,2002)。野外調(diào)查顯示(圖10),保定-石家莊斷裂第四紀(jì)仍有活動(dòng):在曲陽縣北西定龍收費(fèi)站西北側(cè)的薊縣系中厚層白云巖中發(fā)育有 NE、NNE、NEE以及 NWW向多組斷裂,其中NNE向斷裂切割NNW向斷裂,并控制晚更新世馬蘭黃土,后均被 NWW 向斷裂切割,NWW 向斷裂規(guī)模大,由數(shù)條近直立斷層組成,且擦痕表明,NWW向斷裂具有左旋走滑性質(zhì)。

圖10 曲陽縣北西定龍收費(fèi)站剖面圖Fig.10 Photos and sketched map for the profile at the north part of the Quyang county

邯鄲斷裂(圖3)走向 NNE,傾向 SE,具有正斷兼右旋性質(zhì),根據(jù)斷裂活動(dòng)存在的差異,自北向南可以將斷裂分為三段:臨城-永年段;永年-磁縣段;磁縣–安陽段。其中,北段臨城-永年斷裂段在晚第四紀(jì)早期差異運(yùn)動(dòng)較弱,但斷裂持續(xù)活動(dòng),晚更新世垂直斷距9 m,到全新世仍有活動(dòng),全新世垂直斷距4 m;中段永年-磁縣斷裂段在晚第四紀(jì)差異運(yùn)動(dòng)最強(qiáng),斷差約 30 m,全新世仍有明顯的活動(dòng),全新世垂直斷距4 m左右;南段磁縣-安陽斷裂段早、中更新世活動(dòng)強(qiáng)烈,早更新世垂直斷錯(cuò) 50~60 m,晚更新世以來斷裂仍有活動(dòng),但全新世沒有活動(dòng)(侯治華等,2008)。另外,國家地震局地質(zhì)大隊(duì)通過分析鉆井、地貌特征等,認(rèn)為該斷裂是一條晚更新世和全新世活動(dòng)明顯的斷裂(江娃利和聶宗笙,1985)。

湯西、湯東斷裂(圖3)均為太行山山前斷裂南端的古近紀(jì)和新近紀(jì)生長斷層,其中,湯西斷裂傾向SEE,湯東斷裂傾向 NWW,且斷面均呈鏟形,活動(dòng)性質(zhì)均以正傾滑為主,走滑為輔(楊承先,1984;于慎諤等,2012)。兩條斷裂的活動(dòng)期次具有分段性:湯東斷裂大體以宜溝為界,分為南、北兩段,北段古近紀(jì)、新近紀(jì)活動(dòng)強(qiáng)烈;南段活動(dòng)比較復(fù)雜,可進(jìn)一步分為南(汲縣)、北(淇縣)兩個(gè)亞段,古近紀(jì)時(shí)北亞段活動(dòng)強(qiáng)烈,控制古近系沉積,新近紀(jì)時(shí)南亞段活動(dòng)強(qiáng)烈,控制新近系沉積(楊承先,1984)。湯西斷裂上新世活動(dòng)較強(qiáng)烈,可能持續(xù)到中更新世,晚更新世以來垂直差異活動(dòng)減弱甚至消失,代之以較明顯的右行走滑活動(dòng)(張?jiān)罉虻?2003)。

總之,自上新世以來,在活動(dòng)性質(zhì)上,太行山山前斷裂的活動(dòng)性整體呈減弱趨勢,早期表現(xiàn)為強(qiáng)烈的正斷活動(dòng),控制著上新統(tǒng)和第四系的沉積,后期正斷性質(zhì)減弱,表現(xiàn)出右旋走滑性質(zhì);空間上,太行山山前斷裂主要活動(dòng)體現(xiàn)在北段與南段,中段相對(duì)較弱,特別是中段的中北部,在第四紀(jì)基本停止活動(dòng)。

3.2 太行山大斷裂

太行山大斷裂主要由烏龍溝斷裂、紫荊關(guān)斷裂和晉獲斷裂帶組成(圖3)。其中烏龍溝斷裂(F1-1),是一條自北向南切過大河南巖體、王安鎮(zhèn)巖體和司各莊巖體的活動(dòng)斷裂,進(jìn)入司各莊巖體后活動(dòng)減弱,在南端消失于基底變質(zhì)巖系。在走向上,整條斷裂由多個(gè)區(qū)段左階斜列構(gòu)成,斷裂不僅具有巖性造成的分段性,且在同巖性區(qū)段還具有構(gòu)造上的分段性。斷裂變形帶內(nèi)發(fā)育多期不同巖性的巖脈,巖脈也遭受后期變形,如發(fā)育節(jié)理等,標(biāo)志著斷裂多期活動(dòng)(陳桂華,2002)。

紫荊關(guān)斷裂(F1-2)總體走向?yàn)镹NE向,傾向SE,位于大河南巖體和王安鎮(zhèn)巖體的東側(cè)邊緣,北段為活動(dòng)斷層(圖3),南段則被第四系覆蓋。斷裂部分地段是變質(zhì)巖系與中、新元古界蓋層的接觸線。野外觀測發(fā)現(xiàn),位于該斷裂的觀測點(diǎn) 636出露巖性為條帶狀片麻巖,兩組節(jié)理發(fā)育,且發(fā)育一條寬約7 m、產(chǎn)狀陡立的 NE 向斷裂帶(圖11),為正斷性質(zhì)。該斷裂主體形成于侏羅紀(jì)末,即晚侏羅世東嶺臺(tái)期火山活動(dòng)之后,表現(xiàn)為下盤的大幅度抬起,完成于白堊紀(jì)末,即王安鎮(zhèn)、大河南主巖體侵入之后,以扭動(dòng)作用為主,具有明顯的繼承活動(dòng)性質(zhì)(陳桂華,2002)。宏觀構(gòu)造組合特征、構(gòu)造巖變形疊加信息、節(jié)理的古構(gòu)造應(yīng)力場信息及前人區(qū)域資料表明,紫荊關(guān)斷裂自古生代末開始活化以來有三次主要構(gòu)造活動(dòng):第一次是中侏羅世-早白堊世,斷裂左行壓扭性活動(dòng);第二次在晚白堊世-始新世,斷裂右行張扭性活動(dòng),斷裂內(nèi)形成初碎裂巖為主的構(gòu)造巖;第三次是喜山期以西側(cè)抬升、東側(cè)下降的強(qiáng)烈升降為主的活動(dòng),在基巖中,主斷層兩側(cè)圍巖出現(xiàn)微破裂。

圖11 曲陽縣北公路旁剖面圖Fig.11 Photograph and sketched map of profile at the north part of the Quyang county

晉獲斷裂帶北起河北省獲鹿縣,向南經(jīng)左權(quán)、長治至?xí)x城西南,整體走向 NNE,傾向以 NWW為主,斷裂作用涉及太古界至新生界,而構(gòu)造活動(dòng)及變形強(qiáng)度沿走向有北強(qiáng)南弱的差異性,因此該斷裂帶有分段特征(關(guān)英斌和李海梅,1999),自北向南分為 3段:北段從河北獲鹿到山西黎城;中段從黎城到長治縣莊頭斷層;南段從長治縣莊頭斷層到晉城市馮溝。此次野外測量點(diǎn) 179、182、183等位于北段(圖6、9),測量點(diǎn)121位于中段(圖5),測量點(diǎn)74和76位于南段(圖7)。179和182觀測點(diǎn)節(jié)理均指示NW-SE向擠壓應(yīng)力場;中段的121測量點(diǎn)出露下奧陶統(tǒng)青灰色中厚層灰?guī)r,發(fā)育三組節(jié)理指示NNW-SSE向拉張應(yīng)力場(圖5)。位于斷裂南段的觀測點(diǎn) 74巖性為青灰色中厚層灰?guī)r,該觀測點(diǎn)整體是一個(gè)走向?yàn)?NNE-SSW 的背斜,與節(jié)理指示的應(yīng)力場為NWW-SEE向擠壓應(yīng)力場(圖7)相吻合。北段變形最為強(qiáng)烈,表現(xiàn)為太古宙結(jié)晶基底逆沖于下古生界之上,以逆沖推覆為主;中段變形較強(qiáng),主要出露下古生界,構(gòu)造樣式以逆沖斷層為主,伴隨有斜歪褶曲、撓曲,后期發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)(NNE-SSW 向擠壓應(yīng)力場作用下,NWW-SEE方向發(fā)生應(yīng)力松馳所致),由燕山期的逆沖推覆變?yōu)檎龜鄬?伴隨右行走滑,長治斷裂形成并控制了黎城盆地的發(fā)育,新生代期間又控制了長治盆地的形成,野外觀測資料揭示,長治斷裂中更新世及全新世皆有活動(dòng),擦痕和階步推斷為右旋正斷(張?jiān)罉?2004);南段變形中等,出露下古生界及上古生界,構(gòu)造樣式主要為斜歪褶皺,下古生界保留有逆沖斷層痕跡,從斷層性質(zhì)推測該段前期有過強(qiáng)烈的擠壓,而后斷層發(fā)生過右行走滑,對(duì)前期的擠壓逆沖進(jìn)行了改造(關(guān)英斌和李海梅,1999;孫麗娜等,2009)。

綜上所述,太行山山前斷裂和太行山大斷裂在復(fù)雜多變的中、新生代區(qū)域應(yīng)力場下,活動(dòng)性質(zhì)也發(fā)生多期變化,對(duì)主斷裂的活動(dòng)性質(zhì)及區(qū)域應(yīng)力場的變化歸納如下(圖12):印支期,由于古亞洲洋、華南地塊與華北地塊之間的剪刀式碰撞拼合,在近SN向擠壓應(yīng)力場下,發(fā)育近EW向壓性斷裂(在太行山地區(qū)表現(xiàn)不明顯);中侏羅世-早白堊世,太行山地區(qū)在NW-SE向擠壓應(yīng)力場下發(fā)育NE、NNE向逆沖推覆構(gòu)造與左行壓扭斷裂(屬于太行山東麓斷裂帶);古近紀(jì)以來,太行山東麓斷裂帶轉(zhuǎn)為右行走滑兼正斷性質(zhì)的斷裂;新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期,太行山斷裂帶以太行山山前斷裂活動(dòng)為主,NNE-NE向斷裂帶除北段的黃莊-高麗營斷裂和南段的邯鄲斷裂,全新世以來活動(dòng)較強(qiáng),其余各段強(qiáng)烈活動(dòng)期均集中于早、中更新世甚至第四紀(jì)之前,全新世以來活動(dòng)較弱。

圖12 太行山地區(qū)斷裂活動(dòng)期次及其相應(yīng)應(yīng)力場關(guān)系Fig.12 Stages and their related stress fields of the faults in the Taihang Moutains

4 斷裂帶的應(yīng)力場轉(zhuǎn)換機(jī)制

中國大陸位于歐亞板塊的東南部,其西南部處于與印度板塊強(qiáng)烈碰撞的前沿,東南部和東部也分別受到菲律賓海板塊、太平洋板塊俯沖的影響,因而處于華北地塊中部的太行山地區(qū)所受應(yīng)力場變化主要來源于三大板塊板緣不同時(shí)期的構(gòu)造活動(dòng),且三大板塊的活動(dòng)時(shí)間及對(duì)太行山地區(qū)的影響程度不同。始新世之前,太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖占主導(dǎo)影響,對(duì)太行山地區(qū)造成不同方向的擠壓作用,擠壓方向隨時(shí)間發(fā)生變化(表 1);始新世以后,由于印度板塊開始向北與歐亞大陸發(fā)生碰撞,對(duì)太行山地區(qū)造成 NE向擠壓作用,且菲律賓海板塊也由原來的NNW向擠壓轉(zhuǎn)變位NWW向擠壓,太平洋板塊向歐亞大陸做后撤式俯沖。總之,中、新生代華北地塊所受應(yīng)力來源不同,且由于太行山地區(qū)內(nèi)部的構(gòu)造差異,這些應(yīng)力傳達(dá)到研究區(qū)后所造成的地質(zhì)響應(yīng)也有所不同。

4.1 中生代應(yīng)力場與成因機(jī)制

印支期,北部古亞洲洋自西向東剪刀式俯沖消亡,南部華南地塊與華北地塊發(fā)生自東向西的剪刀式碰撞,形成近 SN向的擠壓應(yīng)力場(對(duì)研究區(qū)影響較小);中侏羅世,古太平洋俯沖于歐亞大陸之下,應(yīng)力場由印支期的近SN向擠壓轉(zhuǎn)換為NW-SE向擠壓,即燕山運(yùn)動(dòng)以NW-SE向擠壓為主;晚侏羅世到早白堊世,巖石圈強(qiáng)烈破壞,大量巖漿侵入,燕山運(yùn)動(dòng)進(jìn)入峰期(李三忠等,2011)。

總之,燕山運(yùn)動(dòng)之后直到新生代初,太行山山前斷裂和其他斷裂都基本穩(wěn)定,華北地塊整體抬升遭受剝蝕并逐漸均夷而準(zhǔn)平原化,最后形成廣泛分布的北臺(tái)期的華北準(zhǔn)平原,即為后期的北臺(tái)期夷平面(吳忱等,1999;陳連旺等,2007)。太行山地區(qū)均處在NW-SE向的擠壓應(yīng)力場中,之后轉(zhuǎn)入向新生代初期拉張應(yīng)力場的過渡階段。

4.2 新生代應(yīng)力場與成因機(jī)制

處于太行山東麓斷裂帶東側(cè)的渤海灣盆地,古近紀(jì)以來處于NW-SE向拉張應(yīng)力場中,發(fā)生強(qiáng)烈斷陷作用,隨后斷陷減弱,部分古近系因翹傾活動(dòng)遭到一定程度的剝蝕,新近紀(jì)后進(jìn)入熱沉降階段,形成古近系與新近系之間的區(qū)域不整合。始新世-漸新世雖然印度板塊開始與歐亞大陸碰撞,華北地塊與華南地塊以不同的速率(華北地塊慢于華南地塊)向東運(yùn)動(dòng),而在華北地塊內(nèi)部,鄂爾多斯塊體相對(duì)于其東部的塊體做NNE向運(yùn)動(dòng),因此華北地塊的南、北邊緣處于 NWW 向的較弱的左旋剪切作用下,地塊內(nèi)部處于 NNE向的較弱的右旋剪切作用下(吳奇等,2012),但兩種應(yīng)力場并不影響太行山地區(qū)。此階段,依然受太平洋板塊由原來的 NNW 向俯沖轉(zhuǎn)為NWW向轉(zhuǎn)變的影響較大。

新近紀(jì)以來,太行山繼續(xù)隆升,在上新世活動(dòng)減弱,剝蝕夷平,形成唐縣期夷平面。中新世,太平洋板塊繼續(xù)NWW向俯沖,而菲律賓海板塊做NNW向俯沖(萬天豐和曹瑞萍,1992),太行山地區(qū)為近SN向擠壓應(yīng)力場。上新世初,印度大陸和歐亞大陸的持續(xù)匯聚,導(dǎo)致青藏東緣中段和北段的構(gòu)造擠出,向東擴(kuò)展導(dǎo)致華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的改變,形成了華北地區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造變形組合,引起了NNE向斷裂的右行走滑復(fù)活(張?jiān)罉?2004)。

表1 中國周邊板塊運(yùn)動(dòng)方向演化及太行山地區(qū)的地質(zhì)響應(yīng)Table 1 The directions of plate motions around China and the corresponding geological responses in the Taihang Mountain area

中更新世以來,印度板塊NNE向的碰撞作用傳遞到華北地區(qū)時(shí)已轉(zhuǎn)變?yōu)?NE向擠壓,來自太平洋板塊的邊界力對(duì)華北地區(qū)的作用方向?yàn)镹EE-EW向,菲律賓海板塊俯沖方向轉(zhuǎn)換為 NWW,對(duì)臺(tái)灣地區(qū)的作用非常強(qiáng)烈,但是對(duì)華北地區(qū)的作用相對(duì)較弱。太行山地區(qū)呈現(xiàn)NEE-SSW擠壓,導(dǎo)致第四紀(jì)以來不同走向盆地及斷裂活動(dòng)性質(zhì)的變化。

5 結(jié)論

通過以上研究,本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 根據(jù)共軛剪節(jié)理產(chǎn)狀與其主應(yīng)力軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)節(jié)理所指示的局部應(yīng)力場期次進(jìn)行分期統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如下:中侏羅世-早白堊世的 NW-SE向擠壓、古新世-始新世NE-SW向擠壓、始新世-漸新世NWW向擠壓、中新世-早更新世近SN向擠壓以及中更新世以來NEE向擠壓。

(2) 太行山地區(qū)中生代構(gòu)造應(yīng)力場動(dòng)力起源可能存在兩個(gè):中侏羅世構(gòu)造機(jī)制受古亞洲洋構(gòu)造域的持續(xù)匯聚體制制約(對(duì)應(yīng)SN向擠壓應(yīng)力場),轉(zhuǎn)向古太平洋構(gòu)造域的俯沖消減體制(對(duì)應(yīng) NW 向擠壓應(yīng)力場)制約;時(shí)期由古太平洋構(gòu)造域的中生代擠壓性質(zhì)到新生代伸展性質(zhì)的構(gòu)造機(jī)制轉(zhuǎn)換制約。

(3) 太行山地區(qū)新生代構(gòu)造應(yīng)力場動(dòng)力起源也可能存在兩個(gè):古新世-始新世太平洋板塊俯沖帶的躍遷式東撤形成NW-SE向拉張應(yīng)力場;始新世之后印度板塊和歐亞板塊接觸碰撞與太平洋板塊和菲律賓海板塊共同作用,形成始新世-漸新世NWW向擠壓→中新世-早更新世近SN向擠壓→中更新世以來NEE向擠壓等應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換。

(4) 太行山地區(qū)中、新生代應(yīng)力場轉(zhuǎn)換機(jī)制:始新世之前,太行山地區(qū)應(yīng)力場主要由太平洋板塊向西俯沖于東亞安第斯型大陸邊緣所致,且俯沖方向在不同階段有所改變,菲律賓海板塊雖然與太平洋板塊以相同的方向俯沖,但是對(duì)太行山地區(qū)的影響較小;始新世以來,印度板塊和歐亞板塊碰撞激發(fā)的軟流圈的東擴(kuò)張效應(yīng)和太平洋俯沖帶的躍遷式東撤的聯(lián)合效應(yīng)導(dǎo)致太行山地區(qū)受 NE向擠壓應(yīng)力場與 NWW 向拉張應(yīng)力場的雙重疊加作用;上新世開始,兩個(gè)方向的應(yīng)力場增強(qiáng),其合應(yīng)力場影響范圍向華北地塊中部和東部擴(kuò)展,因兩種剪切應(yīng)力增強(qiáng)幅度的不同,合力由 NW 向拉張逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?NNW向拉張(即現(xiàn)在的 NEE-SSW 向擠壓應(yīng)力場)。總之,太行山地區(qū)應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換是太平洋板塊、印-澳板塊和菲律賓海板塊的運(yùn)動(dòng)方向和對(duì)該地區(qū)影響范圍與程度隨著時(shí)間演化所致。

此外,傳統(tǒng)板塊構(gòu)造理論認(rèn)為,板塊內(nèi)部是剛性一塊,不會(huì)發(fā)生變形,變形主要發(fā)生在板緣。但當(dāng)前一些研究人員為了突破板塊構(gòu)造理論約束,認(rèn)為板塊不是剛性塊體,是可變形的,稱這種板塊為可變形板塊(deformable plate),因而在研究中多采用塑性材料進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬。但本文基于野外觀測表明,板塊內(nèi)部確實(shí)是可變形的,但不是塑性變形為主,而主要表現(xiàn)為脆性變形特征,且這種變形確實(shí)可和板緣動(dòng)力具有良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。至于板內(nèi)有無自身和深部變形機(jī)制還有待深入研究。

致謝:在本文的一審、二審和修改過程中,得到了合肥工業(yè)大學(xué)朱光教授和另一位匿名審稿專家的指導(dǎo)和幫助,特此致謝。

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