徐淮地區古生界與上元古界構造變形對比分析及意義

趙光寶,　劉國生,　陳　俊,　李夢嬋,　李　飛,　張宏洋

(合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥　230009)

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徐淮地區古生界與上元古界構造變形對比分析及意義

趙光寶,劉國生,陳俊,李夢嬋,李飛,張宏洋

(合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:文章在詳細的野外地質調查研究基礎上,對徐淮地區古生界和上元古界構造變形進行了研究和分析,發現古生界與上元古界變形特征有著明顯的差異。古生界以強烈、緊閉或倒轉褶皺為主,經統計分析,這些褶皺軸面多向南東傾斜,與此相伴生有一系列由南東向北西逆沖的沖斷構造;地層縮短量達40.5%～62.4%。而上元古界的構造變形相對較弱,以寬緩的褶皺為主,斷裂活動以順層滑動和小型脆性斷層為主,總體上構成侏羅山式構造組合(其中以隔檔式為主要表現形式),經平衡剖面估算,其上元古界變形縮短量為15%左右。研究認為上元古界為強干層,沿其上下層面均產生剪切滑動,受其影響自身沿基底滑脫發育了侏羅山式褶皺構造組合,而沿其上層面的滑動為古生界的的大規模伸展滑覆提供了充要條件。

關鍵詞:古生界;上元古界;變形分析;徐淮弧形構造

弧形構造在平面展布上的獨特性引起了地質學家的廣泛關注。Argand在對阿爾卑斯造山帶的研究中作出了對弧形構造的描述及成因推測[1];Carey提出了“彎曲造山”的假說[2],認為現在的各種弧形構造均由原先平直的構造帶經后期的旋轉—彎曲變形而成;文獻[3]在對全球的眾多典型弧形山系的內部幾何結構研究后,從幾何學的角度對弧形構造的趨勢線在平面上的展布特征及其與前緣線的關系進行了闡述,并將弧形構造分為6類,此外還從動力學角度提出了弧形構造的6種成因。在國際上,弧形構造的研究已經從物理模擬、運動學和動力學分析的深度向古地磁、應變測量等新興技術發展。

我國發育有較多典型的弧形構造,如喜馬拉雅弧、青藏高原東北緣弧、南天山弧等弧形構造。黃汲清系統地總結了我國的弧形構造,把弧形構造稱作弧形褶皺帶,并將它們分為三級弧形構造系統[4];李四光將弧形構造劃歸到扭轉構造和“山”字型構造體系之中[5];文獻[6-7]對我國境內的帕米爾弧部分開展了新構造運動研究。

發育在我國東部的徐淮弧形構造,在地理上展布在江蘇徐州—安徽淮北、宿州一帶,東側以郯廬斷裂為界,向西到豫東一帶,北與東西展布的敬安—四戶凹陷相鄰,南達太和斷裂,與蚌埠隆起相鄰。

徐淮地區區域構造示意圖如圖1所示。

圖1　徐淮地區區域構造示意圖

在大地構造方面,徐淮弧處于華北板塊內部(東南部邊緣)、郯廬斷裂帶西側近旁側、過郯廬斷裂帶與蘇魯造山帶毗鄰這樣一個具有重要意義的構造樞紐位置。

由于徐淮弧的獨特展布,與華北板塊上其他構造形跡截然不同,長期以來我國地質學家們進行了大量的研究,取得了重要理論成果,包括山字型構造[5]、徐宿旋卷構造[8]、徐淮推覆體[9]以及徐淮滑脫構造[10]等。現階段徐淮弧的成因機制主要分為2類——滑脫機制和推覆機制,但是前人在對徐淮弧形構造的研究中更多地側重了古生界的構造變形(即弧形構造的中帶、鋒帶部分),對上元古界(即弧形構造的根帶部分)構造變形的研究相對不足。筆者在對弧形構造的調查研究中發現,上元古界的構造變形與古生界有著明顯不同,不能將兩者視為同一蓋層;本文在詳細的野外地質調查的基礎上,對其變形特征進行對比分析,以期為正確認識該弧形構造的特征及形成機理提供參考。

1區域地質概況

徐淮地區在大地構造上屬于華北板塊的東南緣,區域東部、南部以連黃斷裂(雙溝推覆帶)、郯廬斷裂與揚子板塊相隔;北端接近豐沛隆起、魯西隆起,受制于豐沛斷裂;南部到達固鎮斷裂,與蚌埠隆起相望,弧形構造整體向北北西向突出。

徐淮弧形構造為薄皮構造,構造主體由基底之上發生構造變形的蓋層組成。基底主要為太古界泰山群山草峪組[11],為區域中深變質巖系,厚度較大,主要為片麻巖,受到不同程度的混合巖化作用,屬地槽型復理式建造,屬低級鐵鋁榴石角閃巖相。蓋層為穩定的板塊型沉積蓋層,主要由上元古界的淮河群、震旦系,古生界的寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系組成,震旦系下統、奧陶系上統至石炭系下統整體缺失,大部分石炭系與二疊系地層都被寒武系與奧陶系覆蓋;區內出露地層主要為淺海相碳酸鹽巖夾陸源碎屑巖,主要有疊層石灰巖、鮞粒灰巖、微晶灰巖、礫屑灰巖、白云巖及少量砂巖、頁巖、硅質巖及膏溶層等。沉積相研究證明,上元古代和早古生代時期,本區是一個朝向南東方向微緩傾斜的陸表淺海環境[12]。

區域內部構造以大型褶皺及逆沖斷層為主,主要構成地層為古生界與上元古界,在不同部位的構造變形差異明顯,根據變形類型及程度的不同自西向東可以分為鋒帶、中帶及根帶;根據其在構造趨勢線走向上的差異在南北向上可以分為北段、中段及南段3段。在弧形構造中中段出露3帶,出露最為齊全,本次主要對中段展開研究。

2古生界構造變形特征

本區的古生界包括了寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系地層,奧陶系上統、志留系至石炭系下統整體缺失。石炭系及二疊系被古生界的寒武系、奧陶系逆沖巖片所覆蓋,只有局部出露, 蕭縣白土鎮錦屏山—白場構造剖面如圖2所示(根據文獻[12]略作修改)。

圖2　蕭縣白土鎮錦屏山—白場構造剖面(Ⅰ-Ⅰ′剖面)

古生界主要分布在徐州—淮北—宿州等地的弧形構造中帶和鋒帶,其構造變形較強烈,以緊閉、倒轉褶皺和逆沖斷層為主,其具體構造特征如下:

(1) 古生界褶皺構造是徐淮弧形構造中帶和鋒帶的主體,褶皺規模較大,變形較強烈,相對較緊閉。如在弧形構造中帶的軍王家及犁鏵山西側一帶測得由寒武系構成的褶皺兩翼產狀,其北西翼趨勢產狀分別為283°～293°∠65°～78°,南東翼總體產狀104°～117°∠47°～60°,它們在露頭上構成箱狀褶皺;在中帶的馬莊、橫口及犁鏵山東側一帶的部分寒武系發生地層倒轉,地層的優勢產狀為135°～140°∠48°～68°,構成斜歪褶皺;在鋒帶的蕭縣黃莊和孫莊等地的奧陶系下統中發育了平臥褶皺。犁鏵山—栆山構造剖面如圖3所示(據文獻[12]略作修改)。對古生界中的褶皺產狀進行統計發現:褶皺兩翼多不對稱,傾角有較大差異,北西翼較陡(53°～79°),南東翼較緩(37°～56°),褶皺軸面傾向以南東(103°～157°)為主。

圖3　犁鏵山—栆山構造剖面

(2) 古生界中的斷裂構造在整個弧形構造中帶與鋒帶中廣泛發育。中帶內發育的斷裂規模較大,主要為大尺度的逆沖斷層(圖2)及反向斷層,弧形構造中帶秦山—棗山等地發育了疊瓦狀雙沖構造(圖3d)。對主要斷層數據統計表明,斷層構造以逆沖性質為主,走向以北東—南西(23°～40°)為主,多傾向南東(93°～120°),這些斷層多收斂于底部滑脫層(古生界內部饅頭組、賈汪組等存在多個滑脫層系)。由此構成了弧形構造中帶和鋒帶上的逆沖推覆構造組合。上述逆沖斷層及其大量軸面傾向南東的斜歪、倒轉褶皺的存在有力地證明了作用力來自南東方向。

(3) 古生界的寒武系及奧陶系等上覆地層在徐淮弧形構造形成過程中由南東向北西產生了較大規模的運移,運移距離達到140～160 km[12],運移過程中相關地層發生的褶皺及地層逆沖疊加,使得相關地層發生縮短,通過平衡剖面復原計算發現縮短率達到了40.5%～62.4%[13]。

3上元古界構造變形特征

本區的上元古界包括震旦系上統的溝后組與金山寨組,淮河群的望山組、史家組、魏集組、張渠組、九頂山組、倪園組、趙圩組、賈園組(九里橋組)、岠山組(四十里長山組)、新興組(劉老碑組)及蘭陵組等地層。本區內的上元古界的出露主要集中在弧形構造東西向分帶的根帶位置,地層產狀總體較平緩,變形強度相對較弱,多發育大型的寬緩褶皺、侏羅山式褶皺及小型層間褶皺;內部斷層活動相對較弱,多為順層滑脫斷層。

上元古界在研究區中段出露相對完整,本次選擇了魏集—姚集一帶進行了詳細的工作,在西耿集一帶賈園組中下部頁巖層之上的砂質泥灰巖,在頁巖巖層滑脫面之上發生的順層滑脫變形,形成滑脫褶皺,如圖4所示。

圖4　西耿集上元古界賈園組泥灰巖中的順層滑脫褶皺

上元古界趙圩組及倪園組中的褶皺變形如圖5所示。在趙圩一帶的趙圩組泥灰巖中的小型順層滑脫褶皺,褶皺軸面產狀分別為156°∠84°、175°∠80°(圖5a、圖5b);在倪園一帶倪園組泥灰巖中發育的滑脫褶皺,野外獲得褶皺軸面產狀分別為165°∠85°、169°∠15°(圖5c、圖5d)。這些小型褶皺以背斜為主,規模較小,野外露頭尺度上通常只有幾米甚至幾十厘米;野外統計其小褶皺兩翼產狀,南東翼為145°～165°∠25°～32°,北西翼為315°～335°∠45°～70°,這些小型褶皺的展布總體顯示為北西翼陡、南東翼緩,褶皺樞紐產狀為230°～235°∠15°～20°,軸面亦傾向南東。上述現象反映出上元古界褶皺為侏羅山式,以隔檔式為主要組合型式。

圖5　上元古界趙圩組及倪園組中的褶皺變形

另在雙樓一帶九頂山組薄—中層灰巖中發育侏羅山褶皺,如圖6所示,并與其伴生斷層構成了斷彎褶皺及斷滑褶皺組合,侏羅山式褶皺亦為北西翼陡、南東翼緩,且軸面傾向南東。

圖6　九頂山組薄—中層灰巖中侏羅山式褶皺示意圖

弧形構造根帶內的斷層主要有2種表現形式,一是接近中帶發育的逆沖斷層,二是根帶內普遍發育的順層滑脫斷層。經野外調查,發現該區段內斷裂構造發育,野外測得斷層的趨勢產狀為傾向北西315°～335°,傾角為25°～52°,斷層面上多為傾向擦痕,反映出這些斷層以層間滑脫為主,多數與順層滑脫褶皺伴生,順層滑脫褶皺多數發育在底部順層斷層面之上,構成了斷滑褶皺斷層組合、斷展褶皺斷層組合以及斷彎褶皺斷層組合[14]。如圖5d中的斷展褶皺斷層組合；圖6中的九頂山組薄—中層灰巖中的侏羅山式褶皺在灰巖內部發生順層滑脫,形成了斷滑褶皺斷層組合以及斷彎褶皺斷層組合。

此外筆者根據相關地質資料選取了“薛家湖—張圩構造剖面”,依據文獻[15]關于平衡剖面的繪制方法對上元古界構造變形進行了平衡剖面復原,如圖7所示。

經過計算得出上元古界在構造變形中的縮短量為15%左右,遠小于古生界的40.5%～62.4%的縮短量。

1.蘭陵組　2.新興組　3.岠山組　4.賈園組　5.趙圩組　6.賈園組　7.九頂山組　8.張渠組

綜上所述,上元古界以侏羅山式褶皺組合為主要變形形式,反映出上元古界經歷了伸展滑脫變形,在變形過程中,不僅自身沿太古界基底向北西向滑移,而且其上部的滑脫面對上覆古生界的滑脫起到了控制作用。

4討論

4.1變形機制分析及意義討論

關于其徐淮弧形構造的成因機制,文獻[16]研究認為,徐淮弧形構造是從印支期開始發育,一直到燕山期的褶皺沖斷推覆體;文獻[12]認為在晚印支期—早燕山期板塊構造作用下,造山帶前陸盆地中以臺階狀逆斷層為特征的縮短增厚作用導致了徐淮弧形構造的形成;文獻[17]研究認為,在三疊紀—早侏羅世早期,受印支運動影響,揚子板塊與華北板塊拼合和碰撞造山導致郯廬斷裂帶發生了轉換走滑,該階段陸-陸深俯沖作用使蘇魯超高壓變質帶向西韌性擠出而形成了徐淮弧形構造;文獻[18]指出徐淮弧形構造是三疊紀末期基底東部隆起抬升導致區域蓋層滑動形成的高角度疊瓦扇式逆沖斷層組合和弧形褶皺帶;文獻[10]研究發現徐淮弧形構造是印支期華北板塊東南緣與下揚子板塊東南緣的碰撞以及燕山期郯廬斷裂帶的活動影響形成的滑脫構造。

本次研究發現本區上元古界構造變形相對古生界較弱,所發育寬緩大型侏羅山式褶皺及層間滑動形成的小褶皺,從大尺度上講,是由于本區上元古界主要巖性為中厚層白云巖、灰巖及砂巖,厚度及硬度均較大,構成了區內相對的強干層,侏羅山式褶皺應是由底部淮河群蘭陵組沿太古界基底滑脫所致。而在上元古界內所發育層間小褶皺,則是由于其內部有較多相對易產生滑動的軟弱滑脫面所致,如賈園組下部的薄層砂質泥灰巖、泥質粉砂巖及頁巖巖層,史家組的薄層粉砂巖、頁巖巖層,金山寨組上部的薄層泥灰巖與頁巖巖層,溝后組中下部的薄層泥灰巖、頁巖巖層。這些軟弱滑脫層的存在不僅使其內部發生層間剪切而形成層間褶皺,也為上覆古生界的滑脫提供了充要條件,現存發育在中帶、鋒帶上的古生界內的緊閉、倒轉褶皺和逆沖斷層應屬于滑脫構造機制下的產物。

另外,在徐淮弧形構造根帶中,上元古界的展布總體上呈現為南東老北西新,揭示了基底南東高北西低、總體地層趨勢傾向北西;帶中的構造變形相對較弱,以寬緩褶皺及層間滑動為主,未見逆沖推覆構造根帶中的擠壓破碎等擠壓機制下的證據;另據沉積相研究,上元古代和早古生代時期,本區是一個朝向南東方向微緩傾斜的陸表淺海環境[12],而現今在南東側根帶部位僅出露了上元古界,古生界除因抬升遭受一定的剝蝕外,主要是沿著上元古界頂面及上部軟弱面滑移至現今的部位,構成了弧形構造的中帶和鋒帶。

綜上所述,筆者認為在造山時期蘇魯超高壓變質帶向西擠壓對徐淮弧形構造形成產生一定影響;而在中-晚白堊世時期,華北克拉通進入破壞高峰期,受其影響靠近根帶——郯廬斷裂帶附近產生隆升,由此使得區域內蓋層發生大規模滑覆。徐淮弧形構造應是在印支期華北板塊東南緣與下揚子板塊的碰撞以及燕山期郯廬斷裂帶的活動共同影響下形成的滑覆構造。

4.2關于本區伸展滑脫時代問題

前人研究表明,在晚三疊世—中侏羅世隨著華北板塊與揚子板塊的碰撞,華北克拉通出現最開始的西部凹陷東部隆起構造格局[19];中-晚侏羅世隨著太平洋板塊的俯沖,華北東南緣進一步抬升[20]導致區內部分地層發生小規模滑脫,但整體構造變形較弱;隨著早白堊世華北克拉通進入破壞高峰期[21],至晚白堊世華北克拉通進入伸展破壞階段,本研究區根帶——郯廬斷裂帶附近產生隆升[21-23],使得區域內蓋層發生大規模滑覆,上元古界因為本身強干性及上覆地層的阻礙變形較弱,但古生界在多個滑脫層系的共同作用下發生強烈的構造變形,區內的弧形構造形態基本成型;之后的地殼運動使區內的構造變形受到部分改造,最后形成了現在看到的徐淮弧形構造。

5結論

通過對古生界與上元古界構造變形對比分析得知:兩者的構造變形存在較大差異,古生界構造以緊閉、倒轉褶皺,發育較多的疊瓦狀雙沖構造,其地層縮短量達到了40.5%～62.4%;而上元古界的構造變形相對較弱,以寬緩的侏羅山式褶皺為主,斷裂活動相對較弱,以層間剪切為主,上元古界地層變形縮短量為15%左右,反映出古生界構造變形比上元古界變形強烈的特征。

上元古界總體構成的侏羅山式構造組合及層間褶皺的發育,有力地證明了其自身沿太古界基底發生了伸展滑脫,其內部及其頂面的軟弱層為層間褶皺及其古生界的滑脫及其徐淮弧形構造的形成提供了充要條件,徐淮弧形構造的主要成因機制應屬于區域伸展背景下的滑脫構造。

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(責任編輯張淑艷)

Comparative analysis and significance of Paleozoic and Upper Proterozoic tectonic deformation in Xu-Huai region

ZHAO Guang-bao,LIU Guo-sheng,CHEN Jun,LI Meng-chan,LI Fei,ZHANG Hong-yang

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:Based on the detailed geological field investigation, the Paleozoic and Upper Proterozoic tectonic deformation in Xu-Huai region was studied, and the significant difference between the Paleozoic and Upper Proterozoic deformation characteristics was found. The Paleozoic was based on a strong, closed or overturned fold. The statistical analysis results showed that these fold axial planes mostly tilted to the south east, and were accompanied by a series of thrust structures with thrusting from south east to north west. The stratigraphic shortening amount was up to 40.5%-62.4%. The Upper Proterozoic tectonic deformation was relatively weak, with wide and gentle folds mainly faulting to slide along the floor and small brittle faults, and mainly constituted Jura tectonic portfolio in which the kicker manifestation was the main type. The shortening amount of Upper Proterozoic was about 15% according to the balanced section estimation. It is suggested that the Upper Proterozoic is a strong dry layer along with both the upper and lower levels of shear slip, and with the basal detachment, it has developed the Jura folds tectonic portfolio, while sliding along the upper level provides the necessary and sufficient condition for the massive stretch slip cover of Paleozoic.

Key words:Paleozoic; Upper Proterozoic; deformation analysis; Xu-Huai arcuate structure

中圖分類號:P542.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)02-0244-07

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.019

作者簡介：趙光寶(1988-),男,山東濰坊人,合肥工業大學碩士生;劉國生(1957-),男,河北邢臺人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41172187);中國地質調查局資助項目(1212011121096)

收稿日期：2014-12-04；修回日期：2015-01-19