大巴山弧形構造帶主要斷裂帶變形巖石顯微組構分析及意義

李金璽,李智武,劉樹根,鄧 賓,孫 東,湯 聰,武文慧

(1.成都理工大學 地球物理學院,四川 成都 610059;2.成都理工大學 沉積地質研究院,四川 成都 610059;3.成都理工大學 能源學院,四川 成都 610059;4.四川省地礦局 成都水文工程地質中心,四川 成都610081)

0 引言

大巴山弧形構造帶是研究川東北前陸盆地形成和秦嶺造山帶演化(即盆山耦合關系)的關鍵地區(劉樹根等,2006;施煒等,2007;肖安成等,2011),特別是川東北油氣勘探獲得突破性進展后(馬永生等,2005),大巴山及其周緣地區成為油氣地質和構造地質研究的熱點區域。前人對大巴山造山帶和前陸盆地進行了詳細的構造變形與沉積特征的研究(何建坤等,1997;李智武等,2006;劉樹根等,2006;李巖峰等,2008;董樹文等,2010;張岳橋等,2010;Hu de al.,2011),意在恢復大巴山沖斷推覆過程及其前陸盆地演化。近幾年來,低溫熱年代學已成為研究造山帶的隆升機制與剝蝕過程中必要手段,一些學者在大巴山相繼開展了低溫熱年代學研究(沈傳波等,2007;李瑞保等,2010;李鵬遠等,2010;Shi et al.,2012;Yang,2013),利用低溫熱史模擬技術較好的約束了構造變形時間,對研究大巴山構造演化,甚至揚子板塊與華北板塊斜向穿時碰撞機制具有重要的意義。為深入了解盆–山結構的深層次構造及其對淺表構造控制作用,開展了重、磁、震等地球物理研究(吳小羊等,2008;敬朋貴等,2011;李秋生等,2011;Dong et al.,2013),使得研究尺度涉及到巖石圈尺度。但前人對大巴山構造帶的研究多側重于大尺度研究,而對小尺度或微觀尺度構造研究不夠重視,特別是有限應變分析研究非常薄弱。

目前,應用顯微構造來解決地質問題越來越受到重視,特別是在應力和應變的估算、變形環境的推斷、變形過程和變形歷史恢復等方面,已經取得了豐碩成果(Ramsay and Huber,1983;鄭亞東和常志忠,1985;胡玲,1998;劉瑞珣,2002;Weil and Sussman,2004;Passchier and Trouw,2005;許志琴等,2009)。有限應變測量可以定量分析造山帶應變量和應變樣式,張進江等利用有限應變通過分段積分和正態曲線方法恢復阿爾泰造山帶的縮短量(張進江等,2003),該方法可以消除構造單元的內部應變和總位移解耦現象(Yonkee,2005)。石英晶格的滑移系是應力和溫度的共同作用的結果,對溫度反映非常敏感,通過測定石英c軸晶格優選方位(LPO)的變化反映石英變形過程中的剪切運動方向和溫度(Passchier and Trouw,2005;胡玲等,2009;王勇生等,2009),如陳新躍等(2006)利用石英組構分析崇山剪切帶的運動特征和變形溫度。運動學渦度定量厘定純剪切和簡單剪切組分的相對含量,能夠反映變形機制和變形過程,如劉江等(2011)對大青山拆離斷層渦度分析后提出早期發生簡單剪切疊加了后期的純剪切。本文旨在通過對大巴山弧形構造帶的兩條關鍵主干斷裂帶(石泉–安康斷裂和城口–房縣斷裂)的樣品顯微組構特征研究,測量其石英c軸、三維有限應變和運動學渦度,并在區域構造地質的研究成果的基礎上,探討其構造指示意義,為大巴山弧形構造帶的形成與演化提供構造變形新信息。

1 大巴山弧形構造帶基本特征

大巴山弧形構造帶位于揚子板塊北緣,是四川盆地與秦嶺的過渡帶,西鄰近東西向米倉山–漢南地塊,東連神龍架地塊,整體向南西突出呈 NW-SE向弧形展布(圖1)。研究區經歷了古生代被動大陸邊緣、中晚三疊世板塊碰撞以及晚侏羅世–早白堊世陸內造山三個主構造階段(何建坤等,1999;張岳橋等,2010),由于早期板塊碰撞和后期陸內俯沖推覆構造疊加,時空復合形成了巨型不對稱弧形的雙層逆沖推覆構造帶(張國偉等,2001,2003;劉樹根等,2006;李智武等,2006;沈傳波等,2007;董樹文等,2010;李瑞保等,2010)。大巴山構造帶具有沿傾向顯著的分帶性,一般以城口–房縣斷裂把大巴山構造帶分為南大巴山褶皺沖斷帶和北大巴山逆沖推覆體兩大構造單元。北大巴山逆沖推覆體發育一些系列NW-SE向沖斷巖片,蓋層強烈劈理化,北東側的石泉–安康斷裂為一條韌性剪切帶,推覆體前緣被弧形的城口–房縣斷裂所截切。南大巴山是夾持于弧形的城口–房縣斷裂和鐵溪–巫溪斷裂之間褶皺沖斷帶,該帶最顯著特點是弧形構造形跡平行展布,發育侏羅山式褶皺,并向前陸方向擴展,存在早期近東西向的褶皺被后期近南北向的褶皺疊加(Hu et al.,2011)。南、北大巴山在地層系統上存在較大差異,北大巴山屬秦嶺地層單元,由元古界和下古生界火山碎屑巖和深水沉積巖組成,缺失泥盆系和石炭系(高川地體除外),而南大巴山屬四川盆地地層單元,主要發育震旦系–中三疊統海相碳酸鹽巖和上三疊統–白堊系陸相碎屑巖。

深部地震反射資料表明大巴山構造帶具有統一的揚子克拉通基底,區域性拆離斷層致使基底和蓋層的構造變形發生解耦(李秋生等,2011;Dong et al.,2013),呈現出薄皮構造特征,同時深部基底滑脫層以及蓋層內部四套薄弱層的存在(李智武等,2006),致使大巴山構造帶的不同層次的構造變形特征異常復雜和迥異。

2 顯微構造分析方法

構造定向樣品在構造分析過程中需要恢復到真實三維空間,因此在野外采集、室內薄片制作、拍攝和測量過程中嚴格按照構造定向樣品要求,系統記錄操作流程,減少誤差。一般在野外采集是需要在參考面上繪制水平標志線(圖2a);室內切片時,XZ面平行線理垂直面理,YZ面垂直線理和面理,少量線理和面理不明顯的分別沿走向和傾向切片(圖2b)。在顯微鏡下拍攝照片時,薄片水平參考箭頭均指向右手,且其長邊與載物臺東西向平行(鄭亞東和常志忠,1985;郭洪方,1993)。

本次大巴山地區采集了16個構造樣品,選取部分樣品的XZ面切片在費氏臺上進行石英c軸測量,每個薄片測量石英顆粒數量超過 160顆,然后進行赤平投影。

圖1 大巴山構造地質簡圖(a)和構造剖面圖(b)(據李智武,2006;Shi et al.,2012)Fig.1 Geological map of the Daba Mountain

圖2 構造樣品宏觀照片(a)和切片示意圖(b)Fig.2 Photographs of the oriented sample (a) and the thin sections (b)

在三維有限應變測量和計算過程中,首先測量每個薄片的二維有限應變測量,然后對三個相互垂直的薄片利用Ellipsefit軟件進行三維有限應變測量和計算(圖3),詳細方法請見文獻(Ramsay and Hbuber,1983;Passchier and Trouw,2005;胡玲等,2009,鄧斌等,2010)。一般采用Flinn圖解法來直觀的表達和分析應變結果,表示不同類型的應變,并投影應變橢球體三個主應變軸的大小和方向,做出應變型式圖。

圖3 有限應變計算方法Fig.3 Strain analysis method

3 大巴山顯微構造特征

本次研究樣品主要采集了北大巴山南北兩側邊界主干斷層附近的元古代或早古生代的片巖、石英巖、凝灰巖和糜棱巖化的巖漿巖(圖1),發生了弱–中等變質作用。石泉安康斷裂帶(SAF)石泉–漢陰一帶樣品主要為云母(石英)片巖,石英和云母多呈條帶相間分布,定向明顯,斑晶主要為石英、云母、長石,少量的石榴石(表1)。石英顆粒呈波狀消光和帶狀消光,定向拉伸明顯,發育礦物魚、壓力影、旋轉碎(殘)斑系,表現出典型晶質塑性變形特征,同時存在少量核幔構造(圖4a~f)。而城口–房縣斷裂帶(CFF)在城口–鎮坪一帶樣品主要為變質的含礫的泥巖、砂巖,無定向或弱定向,石英碎斑具無或弱的波狀消光,個別樣品呈鱗片狀結構,脆性變形,有些薄片出現多期構造疊加現象,如 X節理和方解石脈發育(圖4g),微型剪切帶形成的小褶皺(圖4h)。大巴山顯微構造多呈非對稱性構造特征,且運動學標志體一般指示右行剪切,如云母魚、δ和σ型碎斑系以及背向生長的方解石脈等,這些特征反映出非對稱的應變特征?？傮w而言,大巴山經歷多期構造疊加,石泉–安康斷裂帶北段以韌性變形為主,礦物定向排列明顯,而城口–房縣斷裂帶東段以脆韌性變形為主,西段以韌性變形為主,礦物定向排列弱或無。

一般,礦物的動態重結晶從一定程度上能反映變形過程中的溫度、差應力和應變速率。大巴山石泉–安康斷裂兩側石英所發生的動態重結晶以亞顆粒旋轉(SGR)為主(圖4d),膨脹突出(BLG)次之,偶見顆粒邊界遷移重結晶(GMB),同時個別樣品發生靜態恢復重結晶,應變速率中等;而城口–房縣斷裂帶樣品中未發生動態重結晶,應變速率低。根據 Passchier and Trouw (2005)研究結果,認為大巴山石英出現以亞顆粒旋轉為主,多晶條帶發育,相當于高綠片巖相(400~500 ℃),但石英波狀消光也普遍,表明石英以位錯滑移變形機制為主,相當于低綠片巖相(300~400 ℃),極個別樣品中石英條帶偶見矩形顆粒,表明局部可能相當于低角閃巖相(500~600 ℃)。蔡學林等(1995)利用包體爆裂法測得城口斷裂的糜棱巖起爆溫度和峰值溫度分別為360 ℃、420 ℃,二者結果非常吻合。這些顯微特征均表明大巴山變形變質溫度以中–低溫(350~550 ℃)為主,相當于綠片巖相,但也不排除局部溫度略高或略低的可能性,石泉–安康斷裂帶西段變形變質溫度、應變速率和變形強度比城口–房縣斷裂帶東段較高,整體呈現出由北而南減弱趨勢。

4 結果

4.1 石英組構

石泉–安康斷裂帶兩側的石英c軸點極密大多數分布于邊緣位置(圖5),最大極密值一般大于5%,部分點極密位于中心位置,指示了變形過程中石英以底面滑移為主或以底面滑移與菱面滑移共同作用,運動形式具有單斜對稱,個別樣品表現非對稱Ⅰ型交叉環帶,表明其產生于簡單剪切中(王勇生等,2009)。根據點極密分布特征推斷變形溫度在 350~450 ℃。樣品DB162-1、DB163和DB149的石英組構指示由西向東的右旋,DB159石英組構指示由北而南的逆沖,DB153和DB154石英組構指示由北東向南西逆沖(圖5)。

圖4 大巴山構造帶顯微組構照片Fig.4 Photographs of the microtectonics in the Daba Mountain

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圖5 大巴山石英c軸組構(下半球投影)Fig.5 Quartz c axial fabric of the Daba Mountain (Low hemisphere)

城口–房縣斷裂帶以脆韌性變形為主,石英變形不強烈,僅個別樣品可測石英 c軸組構,其點極密主要分布于邊緣位置,指示了變形過程中石英以底面滑移為主。樣品DB115石英組構指示從北到南的逆沖,DB119石英組構指示則指示由東向西的左旋,DB135對稱分布,運動學指示不明顯(圖5)。

對比石泉–安康斷裂帶和城口房縣斷裂帶的石英 c軸點極密分布特征,不難發現前者點極密明顯增多,最大極密值也相對大些,進一步表明前者比后者變形程度和溫度相對略高。

4.2 有限應變

定量測量變形巖石的有限應變值的大小,可以分析巖石變形樣式和機制。大巴山樣品中Flinn指數在0.37~0.59和1.30~10.47兩個區間(圖6和表2),表

明拉長型和壓扁型橢球體共存,應變橢球體體積變化(Δ)很小,在–2.2~0.24之間,體積以縮小為主。應變強度(r)在1.15~5.20之間。從Flinn指數空間分布特征來看,石泉–安康斷裂帶的樣品大部分K值大于1,屬拉長型橢球體,應變強度平均值大于2.5,體積幾乎全為縮小,而城口–房縣斷裂帶(城口到鎮坪一帶)的樣品K值以小于1為主,局部個別也存在大于1,屬壓扁型橢球體,應變強度平均值不大于1.7,體積以增加為主,表明前者應變強度比后者更強烈些。這與大巴山構造帶從西向東、從南到北由脆性變形逐漸過渡到韌性變形相吻合(Hu et al.,2011;Shi et al.,2012)。

表2 大巴山構造帶的三維有限應變分析Table 2 Three-dimensional finite strain of the Daba Mountain

大巴山應變橢球體長軸與逆沖斷層運動方向平行或近于平行,少數應變橢球體長軸和斷層運動方向成大角度斜交或垂直,這種應變橢球體的長軸垂直運動方向的情況一般很少見(Strine and Mitra,2004)。Tikoff and Greene (1997)通過扭壓模型并結合野外實例分析,認為應變橢球體長軸方向的改變是在簡單剪切的基礎上疊加了純剪切,存在多期構造疊加;而Yonkee (2005)認為X軸與構造走向斜交可能與逆沖帶內部應變與斷層滑動方向發生解耦。大巴山構造帶主干斷裂帶的三維應變分析表明沿主干斷裂帶在發生了NW-SE向和NE-SW向運動,這與研究區發現的a線理和b線理所指示運動方向一致(圖6)。

4.3 運動學渦度分析

圖7 大巴山構造帶運動學模式Fig.7 Kinematic model of the Daba Mountain

運動學渦度(Wk)是分析構造變形中純剪切和簡單剪切的分量(Mean,1994;鄭亞東等,2008;Xypolias,2010)。分析運動學渦度的方法很多,但極摩爾圓法是定量化程度最高的方法(張進江和鄭亞東,1995,1997;王勇生和朱光,2004)。本文在有限應變分析的基礎上采用極摩爾圓法分析了大巴山構造帶的主要斷層的渦度。由于從圖1可以看出線理方向與剪切方向近似平行或垂直,因此二維渦度分析就可提供可靠的運動學信息(鄭亞東等,2008)。由表3可以看出大巴山運動學渦度規律不明顯,簡單剪切和純剪切均存在。相對而言,城口–房縣斷裂帶純剪切成分比石泉–安康斷裂帶多些,表明石泉–安康斷裂和城口房縣斷裂的動力方向除了垂直斷層面,而且還有與其平行的。另外,在純剪切的扭壓走滑斷層內,其應變橢球體的長軸一般多為垂直(Fossen,2010)。大巴山地區應變橢球體長軸產狀在石泉–漢陰一帶以近于水平為主,而在城口到鎮坪一帶產狀以較陡為主,暗示城口–房縣逆沖斷層可能受到后期走滑疊加。

基于大巴山構造運動學分析基礎之上,并結合前人研究資料,建立大巴山構造運動模式圖(圖7)。南大巴山西端的米倉山–漢南基底向北突出,主動楔入秦嶺地塊,屬于揚子與秦嶺地塊碰撞之后的次級點碰撞(張國偉等,2003;劉樹根等,2006;Li et al.,2007),東端受到的神農架地體阻擋,秦嶺陸內造山作用導致南秦嶺持續向南西強烈擠壓推覆,導致南大巴山構造帶產生弧形變形,兩翼發生相對旋轉,西段右旋走滑逆沖顯著,東段發育左旋走滑逆沖(圖7a)。后期構造應力由北東向轉變為北北東向,北大巴山可能沿城口–房縣斷層發生整體逆時針旋轉,加劇西段右旋走滑,由于不規則地體邊界和巖層的非均勻性等因素影響,沿構造走向向東右旋走滑減弱(圖7b)。

表3 大巴山構造帶運動學渦度分析Table 3 Kinematic vorticity of the Daba Mountain

5 結論

(1) 通過對大巴山主干斷裂帶附近樣品的顯微組構特征進行了較為詳細的觀察,并測定其石英 c軸晶格優選方位以及三維有限應變分析,總體上認為大巴山應變樣式為近似平面,應變速率中等,變形變質溫度屬于中低溫,相當于綠片巖相,局部溫度略高或略低。

(2) 大巴山石泉–安康斷裂帶構造變形以韌性變形為主,而城口–房縣斷裂帶東段以脆韌性變形為主,且前者的變形溫度和變形強度均比后者相對較高,反映了大巴山構造變形在空間上呈現了顯著遞進演化規律。

(3) 大巴山弧形構造帶受早期北東向擠壓形成向南西逆沖推覆之后,又經歷了北北東向擠壓發生強烈右旋走滑。

致謝:文中三維有限應變軟件來自美國SUNY New Paltz大學 Frederick Vollmerj提供的免費軟件EllipseFit3.1.0,在此表示真誠的感謝;論文完成過程中得到了陶曉鳳教授、劉顯凡教授等幫助和指導,審稿專家對論文提出寶貴而具有建設性的意見,在此一并致以衷心感謝。

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