蘇金寶,董樹文,張岳橋,李 勇,陳宣華,崔建軍,張交東
1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210098
2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081
3.中國地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037
川黔湘構(gòu)造帶位于揚(yáng)子塊體東部,可分為川東隔檔式褶皺帶、川黔隔槽式褶皺帶、雪峰山基底隆升構(gòu)造帶(簡稱雪峰山構(gòu)造帶)和湘桂穹盆疊加褶皺帶4部分(圖1)。雪峰山構(gòu)造帶恰位于華南重力梯度帶上,同時也是華夏與揚(yáng)子塊體的構(gòu)造結(jié)合帶。研究區(qū)構(gòu)造演化復(fù)雜,華南構(gòu)造演化的研究長期存在爭論,如華夏與揚(yáng)子塊體的拼合時間,以及板內(nèi)變形機(jī)制等[1]。自從 Hsü等[2]提出華南造山帶形成于中生代陸陸碰撞造山以來,更多的學(xué)者質(zhì)疑華南存在中生代洋殼,而更傾向于中生代的印支與燕山構(gòu)造事件的陸內(nèi)造山作用[3-7]。研究者對于這種陸內(nèi)造山的深部結(jié)構(gòu)也存在不同的認(rèn)識:Yan等[8]認(rèn)為研究區(qū)是薄皮構(gòu)造與厚皮構(gòu)造多層滑脫變形的構(gòu)造樣式;丁道桂等[9]認(rèn)為雪峰山構(gòu)造帶不同于薄皮與厚皮構(gòu)造,而是一種過渡類型的基底拆離構(gòu)造,拆離面位于中地殼;Chen[10]認(rèn)為是華南中生代揚(yáng)子向NW逆沖而華夏向SE向逆沖的對稱式構(gòu)造樣式。研究區(qū)變形復(fù)雜,如何從川東隔檔式褶皺轉(zhuǎn)變成隔槽式褶皺[3],它們與雪峰山構(gòu)造隆升又是怎樣的過渡關(guān)系,前人雖已做過大量的研究,但這一問題仍需要進(jìn)一步深入討論。
近年來很多實驗?zāi)P陀糜谡{(diào)查多層縮短的構(gòu)造樣式。這些模型指示在擠壓應(yīng)力場下,上地殼變形以簡單的平面斜坡式幾何學(xué)方式傳播或多重疊加變形。而對于下地殼流變性特征,構(gòu)造往往變得更加復(fù)雜。以往主要通過地表地質(zhì)研究和淺層地殼地球物理探測研究認(rèn)為,典型的大陸板內(nèi)變形是地臺基底與蓋層共同卷入變形的厚皮構(gòu)造,變形主要發(fā)生在地殼中部脆-韌轉(zhuǎn)換帶之上。近年研究[11-12]發(fā)現(xiàn),大陸板內(nèi)變形因變形區(qū)域地殼和巖石圈流變學(xué)分層結(jié)構(gòu)不同,可使變形發(fā)生在中上部地殼層次,也可發(fā)生在整個地殼尺度或者整個巖石圈尺度上。巖石圈受擠壓,巖石圈地殼可發(fā)育不同波長的縱彎彎曲變形與巖石圈褶皺[11,13-17],以及陸內(nèi)的俯沖與滑脫等變形[18-19]。Ampferer[20]與 Laubscher[21]認(rèn) 識 到 當(dāng)恢復(fù)擠壓縮短帶變形時,經(jīng)常會產(chǎn)生上地殼縮短量相對于其下部基底層縮短的不平衡。褶皺與沖斷層作為地殼加厚機(jī)制是與地殼水平縮短相伴生的,地殼上部脆性層的平衡往往基于上部地層的拆離,即浮起的大陸巖石圈抵擋了俯沖并從下地殼與地幔巖石圈中拆離出來,因此還要形成一個下地殼的根達(dá)到上、下地殼間的平衡。地殼內(nèi)的解耦拆離使造山帶上部脆性層構(gòu)造樣式與下部韌性根帶差異明顯[22],甚至產(chǎn)生相反的結(jié)構(gòu)如鱷魚嘴式的結(jié)構(gòu)等。這種解耦拆離有助于地殼碰撞造山的平衡,巖石圈內(nèi)的不同層位的拆離導(dǎo)致造山帶大比例變化的特點(diǎn)。多數(shù)大陸巖石圈俯沖被認(rèn)為是大洋巖石圈俯沖的延續(xù)[23-24],而雪峰山構(gòu)造帶作為遠(yuǎn)離大洋板塊邊緣的陸內(nèi)造山,其深部與淺部存在怎樣的耦合,是否存在俯沖的根?研究區(qū)出露基底與褶皺沖斷構(gòu)造提供了板內(nèi)變形的良好記錄。筆者建立了研究區(qū)詳細(xì)的地質(zhì)剖面,參考地震深反射剖面,結(jié)合地球物理數(shù)據(jù),討論其深部可能的變形模式。
圖1 研究區(qū)和鄰區(qū)地層與構(gòu)造框架圖以及地質(zhì)剖面Fig.1 Geological map showing the general strata and structural framework of the study area and adjacent regions and geological section
揚(yáng)子與華夏塊體的拼合時間一般認(rèn)為是在格林威爾期(1.10~0.90Ga)[25-28]或新元古代(0.87~0.82Ga)[29-31]。揚(yáng)子變質(zhì)基底主要由云母片巖、片巖、絹云母泥砂巖復(fù)理石及硅質(zhì)巖和成層較好的雜砂巖-板巖組成[7-8,32]。揚(yáng)子與華夏塊體碰撞后發(fā)育新元古—古生代裂谷,為中心最大可達(dá)13km厚的深海碳酸巖碎屑巖和邊部2~5km厚的淺海碳酸巖沉積[33-34]。沉積蓋層主要是寒武系黑色頁巖、砂巖、灰?guī)r夾白云巖,奧陶系厚層灰?guī)r夾白云巖黏土粉砂巖,志留系頁巖及砂巖,泥盆系砂巖與粉砂巖,石炭系碎屑巖與灰?guī)r,二疊系灰?guī)r等[8]。下三疊統(tǒng)為灰?guī)r夾泥灰?guī)r頁巖,此后以陸相地層為主。研究區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造事件,如:加里東構(gòu)造事件使上泥盆統(tǒng)角度不整合在志留系之上[7,35-37];三疊紀(jì)的脆韌性變形及華南廣泛巖漿事件被認(rèn)為是印支事件的產(chǎn)物[6,38-43];燕山期形成后碰撞陸內(nèi)山間盆地與陸內(nèi)伸展盆地[44-45]。
研究區(qū)是以NE走向為主的構(gòu)造帶,寬約550 km,從東向西存在4條主要的區(qū)域尺度斷裂帶(圖1):城步—新化斷裂、大庸斷裂、金佛山—齊岳山斷裂、華鎣山斷裂[6,8]。因變形強(qiáng)度與區(qū)域位置不同致使各部位對于區(qū)域構(gòu)造形成不同的響應(yīng),發(fā)育不同的構(gòu)造樣式。
華鎣山斷裂帶是川東重要的基底邊界斷裂,地表上主要表現(xiàn)為一系列NE—SW向右階排列的線性褶皺。川東褶皺帶在平面上呈NNE走向,靠近川東北呈NW凸起的弧形構(gòu)造,而在川東南呈掃帚分散樣式。航磁資料顯示,斷裂帶向南西延伸進(jìn)入南部斷褶皺帶,終止在云南SN向的小江斷裂帶上,向北東延伸隱伏于大巴山前陸構(gòu)造帶之下。從褶皺構(gòu)造樣式推斷,該斷裂帶以擠壓逆沖為主,兼有右旋走滑分量[46]。褶皺背斜出露三疊系,在華鎣山處出露最老地層為寒武系。褶皺背斜相對向斜而言較窄,地層傾角較陡,一般為60°~85°,背斜近對稱。向斜在靠近背斜處較陡,其他部位較緩近水平,呈箱式結(jié)構(gòu),故又稱隔檔式褶皺。整體結(jié)構(gòu)與著名的Alps侏羅山極其相似。背斜內(nèi)發(fā)育一些斷層,但斷層斷距一般較小,向上傳播逐漸轉(zhuǎn)為膝折帶因而未改變背斜對稱尖頂式構(gòu)造樣式(圖2)[47]。
圖2 門2井—門8井井下構(gòu)造剖面Fig.2 Geological profile across drills Men2and Men8
這種隔檔式褶皺的出現(xiàn)必然存在下部滑脫層來調(diào)節(jié)上部褶皺縮短。根據(jù)巖性差異,Yan等[8]認(rèn)為存在多層滑脫。下寒武統(tǒng)筇竹寺組為黑色炭質(zhì)頁巖夾膏鹽巖,厚200m,上奧陶—下志留統(tǒng)為灰綠、黃綠、灰黑色頁巖和粉砂巖,厚451m,這兩層均為良好的滑脫層,這已被油田剖面及鉆井所證實。基于此,筆者結(jié)合野外露頭與1∶20萬地質(zhì)圖繪制了地質(zhì)剖面,并參考井與油田剖面向下合理延拓,剖面如圖3。主滑脫面位于寒武系底,并發(fā)育相應(yīng)前沖與后沖斷層向上傳播。
褶皺卷入的最新地層為上侏羅統(tǒng)、三疊系—侏羅系,地層連續(xù)沉積,沒有大的不整合,那么川東隔檔式褶皺的擠壓時代應(yīng)發(fā)生在白堊紀(jì)前。
該帶東起石門—慈利—保靖斷裂(大庸斷裂),西至渝東金佛山—齊岳山斷裂,走向NEE與NE向,寬約為220km的構(gòu)造區(qū)。川黔隔槽式褶皺與川東褶皺帶正相反,表現(xiàn)為寬闊的箱式背斜與尖棱向斜。背斜核部主要出露寒武系—奧陶系,最老核部露頭出現(xiàn)元古宇,如梵凈山背斜(圖4a)。梵凈山背斜同樣表現(xiàn)為箱式背斜特點(diǎn),即頂部平緩,向兩端變陡,區(qū)別在于核部古生界完全剝失。向斜相對狹窄呈線狀,核部殘留晚三疊世—中侏羅世陸相地層,其上被早白堊世礫巖層不整合覆蓋,指示褶皺構(gòu)造主要定型于中、晚侏羅世的燕山運(yùn)動早期[48]。從構(gòu)造組合特征看,該區(qū)褶皺構(gòu)造構(gòu)成一個不對稱的弧形構(gòu)造(圖1),弧頂位于川東褶皺帶,呈扁平狀突向NW;褶皺向南終止在廣西NW—SE向紫云—羅甸斷裂帶。褶皺變形形態(tài)不規(guī)則,其形成受基底構(gòu)造的制約。
褶皺背斜卷入了元古宇基底,說明川黔褶皺帶已不是單純的薄皮構(gòu)造,而是厚皮構(gòu)造。那么薄皮與厚皮構(gòu)造的轉(zhuǎn)化則是要關(guān)注的問題。金佛山位于川東薄皮褶皺帶與川黔厚皮構(gòu)造帶之間,繪制地質(zhì)剖面如圖4b。厚皮構(gòu)造與薄皮構(gòu)造是連續(xù)的褶皺變形,兩者之間沖斷距離較小。隔槽式褶皺向NW擠壓,底部逆沖斷層必然與隔檔式褶皺的底部滑脫面相連,以調(diào)節(jié)隔檔式褶皺縮短變形。隔檔褶皺基底滑脫面在5km以下,說明隔槽式褶皺的寒武系底拆離面要超過5km深,同時金佛山寒武系已隆升至地表2km,說明金佛山下的逆沖斷層至少已深切入基底約7km。梵凈山地質(zhì)剖面(圖4a)恢復(fù)板溪群與震旦系厚度應(yīng)在3km左右,說明金佛山下的沖斷層卷入較厚基底,是厚皮構(gòu)造。向SE這條斷層逐漸水平拆離至中下地殼,這已被深部探測深反射剖面所驗證(圖5)。梵凈山剖面(圖4a)也證實梵凈山元古宇并不是一個推覆體,其隆升顯然是受深部厚皮基底擠壓變形控制,整個隔槽式褶皺區(qū)均為基底卷入式褶皺。
雪峰山構(gòu)造帶以出露前寒武系為特點(diǎn),作為江南造山帶的西段[49],其成因一直以來受到地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。雪峰山構(gòu)造帶變形復(fù)雜,經(jīng)歷多期構(gòu)造事件,部分出露地層已發(fā)生構(gòu)造置換。
雪峰山構(gòu)造帶同樣以NE向為主,復(fù)式褶皺組合雁列或近似雁行排列。如由東向西依次有坪下—石橋鋪復(fù)背斜、淘金坪—龍鼻橋復(fù)背斜、溆浦—大坪復(fù)背斜等平行斜列或近似雁行排列。區(qū)內(nèi)發(fā)育多條NE向斷層,斷裂多為壓扭性,平面展布亦顯示雁列狀平行斜列,且密集成帶分布。受NE向斷裂控制的白堊紀(jì)盆地也顯示雁行排列特征(圖1)。NE向沖斷層也均具有平行斜列特征,密集成帶分布。如由東向西的松柏洞—大水田斷裂帶、雙坪—小金廠斷裂帶、黃獅洞—油洋橋斷裂帶、黃巖—溆浦?jǐn)嗔褞?、潭灣—呂家坪斷裂帶等。除NE向斷裂外還發(fā)育NNE向斷裂,如黃茅園—溆浦?jǐn)嗔?、燕子灘—黃化坪斷裂帶。這些斷裂傾角都較大,一般都在60°以上,最高者近直立,這造成擠壓的垂向隆升加大。結(jié)合地質(zhì)露頭剖面并參考穿過雪峰山的地震深反射長剖面,繪制了金佛山至雪峰山的地質(zhì)構(gòu)造剖面(圖6)。圖6a為芷江至川黔褶皺帶邊界的老基底出露構(gòu)造剖面,區(qū)內(nèi)發(fā)育多條逆沖斷層,相鄰水平距離較小但都有較大的垂向斷距,若恢復(fù)地層厚度,最大剝蝕厚度要超過7km。雪峰山基底向西與川黔褶皺帶的接觸表現(xiàn)為連續(xù)的褶皺變形,有逆沖但水平斷距不大。區(qū)內(nèi)有雁列式褶皺與斷裂分布,發(fā)育多條逆沖斷層且較陡,地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)?;謴?fù)新元古代板溪群剝失與深部結(jié)構(gòu)如圖6b所示,板溪群的構(gòu)造組合上變形較強(qiáng),其下部結(jié)構(gòu)似為花狀的樣式,這與李三忠等[37]推測的深部走滑結(jié)構(gòu)一致。
圖3 川東褶皺帶地質(zhì)剖面Fig.3 Geological profile across the Chuandong fold belt
圖4 地質(zhì)剖面圖Fig.4 Geological profile
圖5 雪峰山構(gòu)造帶深部結(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面Fig.5 Geological section of deep-level structures across Xuefengshan tectonic belt
圖6 雪峰山構(gòu)造帶地質(zhì)剖面圖Fig.6 Geological sections in Xuefengshan tectonic belt
華南塊體地殼厚度變化明顯,以雪峰山為界向西增厚,地殼厚為33~44km,雪峰山以東地殼減薄,一般為30km左右。布拉格重力異常從雪峰山向西為-20~-100mGal。莫霍面向西加深形成一個地幔斜坡。巖石圈厚度也變化較大,華夏塊體厚為100km,而揚(yáng)子塊體厚為140~170km[50]。川東褶皺帶與川黔褶皺帶地層總縮短量為78~88 km[8,51]。
從川黔隔槽式褶皺的最西端至雪峰山是卷入了基底變形的厚皮褶皺,雪峰山基底隆升帶在平面與剖面上看也并不是完全逆沖到西部隔槽式褶皺上。兩者是連續(xù)的厚皮擠壓構(gòu)造,雪峰山地區(qū)隆升量相對較大,超過了7km?;茁∩罡咛幬挥邙P凰與懷化間的沅麻盆地,并有新元古代冷家溪群出露(圖6a),后又被白堊系覆蓋。向兩端隆升量減少,整體是一個花狀結(jié)構(gòu),中、上地殼隆升,20km下的下地殼相對平穩(wěn)。這種花狀的基底結(jié)構(gòu)控制了川黔隔槽式褶皺與雪峰山構(gòu)造帶。
區(qū)內(nèi)地層間角度不整合主要是中泥盆統(tǒng)或中—上石炭統(tǒng)與下伏地層、上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)與下伏地層、白堊系與下伏地層。從地層接觸關(guān)系看,區(qū)內(nèi)經(jīng)多期的構(gòu)造活動,第一期為早古生代末,第二期為晚三疊世前,第三期在侏羅紀(jì)后,白堊紀(jì)陸相碎屑巖類沉積顯著地受北東向構(gòu)造控制,且與下伏地層高角度不整合,說明區(qū)內(nèi)NE向構(gòu)造在白堊紀(jì)前已成熟。
湘桂褶皺帶主要出露上古生界與中生界,位于城步-新化斷裂以東,整體沿雪峰山呈現(xiàn)向NWW方向凸出的弧形分布。地層褶皺變形軸面多傾向SE,整體指示向NW的擠壓。雪峰山東緣逆沖斷層與湘桂褶皺帶逆沖斷層相連,形成對沖構(gòu)造[52]。區(qū)內(nèi)褶皺軸向主要有2個方向,即近EW軸向和NE軸向,并形成穹窿式疊加褶皺[43,53]。古生界發(fā)育較厚,斷層相關(guān)褶皺現(xiàn)象極其常見。鄰近雪峰山,下古生界有倒轉(zhuǎn)。區(qū)內(nèi)中泥盆統(tǒng)不整合在下古生界之上,下侏羅統(tǒng)不整合在下伏地層之上。同時區(qū)內(nèi)發(fā)育大量的印支期與燕山期花崗巖體(圖1)。
巖石圈性質(zhì)一般來自板塊內(nèi)的礦物成分、溫度梯度與壓力條件等信息[54-55]。評估巖石流變信息主要靠在高溫高壓實驗下分析礦物巖石的性質(zhì)[56-57]。實驗表明,冷的上部大陸地殼(主要是石英、長石等礦物)是脆性的,變形受斷裂所控制。在10~20km下,溫度為300~400℃,大陸地殼是在固體狀態(tài)下的塑性變形而非折斷破裂。事實上地震主要發(fā)生在15~20km以上,可能是因為脆韌性轉(zhuǎn)換發(fā)生在這一深度。上地幔頂部以橄欖巖為主,表現(xiàn)為脆性可能經(jīng)受一些斷裂現(xiàn)象,而巖石圈下部層位則表現(xiàn)為韌性的變形。相應(yīng)的強(qiáng)度剖面揭示這種強(qiáng)弱分布[57],巖石圈可化為多層的 流變體[55]。Burov 和Yamato[58]指出高的板塊運(yùn)動速率(3~5cm/a)與低的莫霍溫度(<550℃)容易產(chǎn)生整個巖石圈的俯沖,而處于之間莫霍面溫度(550~650℃)結(jié)合較低的下地殼強(qiáng)度容易產(chǎn)生殼-幔間的解耦拆離(圖7a)。數(shù)值模擬與對比模型表明地殼強(qiáng)度及與其下的剛性或韌性地幔的耦合性決定了變形結(jié)構(gòu)樣式。地殼變形樣式受幾何邊界條件限制,如對稱或不對稱的地幔巖石圈縮短相應(yīng)產(chǎn)生對稱或非對稱的造山帶,同時地殼變形受控于地殼性質(zhì)以及地殼向地幔的俯沖程度。造山的過程伴隨脆韌層之間的解耦拆離,擠壓的程度導(dǎo)致下部解耦程度,即會因解耦程度不同造成地殼向地幔的俯沖。大比例結(jié)構(gòu)的造山帶很明顯要涉及到巖石圈卷入的流變性,但流變層不一定與莫霍面一致[61]。影響大陸碰撞帶演化的其他因素還有匯聚速率、巖石圈流變性、浮力與板塊內(nèi)壓力[62-63];另外 De Franco等[64-65]指 出 大 陸 碰 撞 帶 起初階段最相關(guān)的因素還是板塊接觸的幾何學(xué)與耦合關(guān)系。也就是說板塊接觸關(guān)系可能在早期決定了整個巖石圈能否整個俯沖、拆離或沒有俯沖。對于巖石圈的俯沖,Tagawa等[66]指出弱的板塊邊界可能比巖石圈流變性更重要。許多數(shù)值與物理模型證實大陸碰撞過程中的板塊邊界形狀影響巖石圈的俯沖[64-65,67-69]。數(shù)值模擬(圖7a)顯示巖石圈上地殼褶皺,并與下地殼解耦使下地殼向下俯沖。模型代表一個冷的單一層地殼,其中地殼的1/3部分被俯沖。下部1/3處,地殼解耦拆離。
川東褶皺帶與川黔褶皺帶地層總縮短量為78~88km[8,51],加之雪峰山構(gòu)造帶的縮短量,總縮短量約為100km,川黔湘構(gòu)造帶的總縮短量占總長度的20%左右[51]。多數(shù)大陸巖石圈俯沖被認(rèn)為是大洋巖石圈俯沖的延續(xù),這使得下地殼與上地幔通過向下俯沖來平衡上地殼縮短,對于這種造山帶20%的縮短量并不大,造山過程中可以吸收掉大部分的縮短量。但對于并非大洋巖石圈俯沖延續(xù)的陸內(nèi)造山帶,20%的縮短量使上地幔也難以發(fā)生俯沖,下地殼會發(fā)生對沖,而巖石圈則輕微地彎曲以保持殼、幔間的平衡。參考深反射剖面,雪峰山下部為花狀隆升結(jié)構(gòu),因而筆者認(rèn)為在中生代擠壓過程中,雪峰山下地殼可能存在向下對沖,地殼加厚使地幔發(fā)生輕微的彎曲褶皺使殼、??s短平衡,下地殼對沖的位置應(yīng)位于隆升位置最高的鳳凰與懷化下部(圖8a)。
地球物理資料與地震深反射剖面并沒有顯示存在對沖的山根,但這并不意味著中生代就不存在這種下地殼對沖的根。
圖7 巖石圈變形結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structural section of lithostheric defromation
圖8 研究區(qū)深部基底變形Fig.8 Deformation of basement under the study area
地質(zhì)動力學(xué)研究的一個挑戰(zhàn)是理解地殼與地幔間的復(fù)雜作用,對流的地幔作為熱引擎驅(qū)動著板塊構(gòu)造的表面運(yùn)動。地幔耦合蠕變流動可以引起地表的正應(yīng)力,使地表產(chǎn)生響應(yīng)事件,即隆起、沉降或動力地形變化[70]。地表地勢與地幔動力學(xué)之間的聯(lián)系提供了解釋各種階段大陸造山的重要機(jī)制。地幔巖石圈重力不穩(wěn)定性被認(rèn)為是解釋板內(nèi)變形的一個機(jī)制,Houseman等[71]首次提出在大陸板塊匯聚中,地幔巖石圈被分布的巖石圈厚度所均衡調(diào)節(jié),緊接著黏性的地殼下部的根被地幔對流移離。密度變大、厚度增加匯聚的巖石圈下部重力不穩(wěn),并且在一定條件下可能發(fā)展成瑞利泰勒型(Rayleigh Taylortype)地幔下沉,也即巖石圈的拆沉。這種對流移除地幔巖石圈的模式,已經(jīng)解釋了一些巖石圈動力問題。瑞利泰勒型地幔巖石圈不穩(wěn)定性是假定地殼下部巖石圈密度要比其下部地幔密度大。一般而言,地幔巖石圈發(fā)展成瑞利泰勒不穩(wěn)定型是不確定的。先前的研究指示板內(nèi)地殼運(yùn)動可能是由重力巖石圈重力不穩(wěn)的驅(qū)動或深部熱地幔的下沉。地殼下層動力學(xué)被用于解釋推斷板塊地表的構(gòu)造變形。Lenardic等[72]指出依靠玄武巖地殼的流變性,地幔下沉可能驅(qū)動地殼加厚并推測形成高原。耦合的殼幔模型也指示變形的地殼可改變其下部地幔流動樣式,如動力加厚的地殼可以引起殼、幔間熱與力學(xué)狀態(tài)的變 化[73-74]。Neil和 Houseman[75]指 出 地 幔 巖石圈下沉可以引起大陸地殼收縮并加厚,這種事件可以解釋為沒有水平板塊邊界擠壓力的板內(nèi)造山。由于黏性地幔流動以及下沉,地表隆起、沉降與其相呼應(yīng),導(dǎo)致動力地勢地形與流動,并引起地殼變形的相互作用(圖7b)[76]。地表變化強(qiáng)烈地依賴于地幔巖石圈與下地殼的耦合程度。Pysklywec和Cruden[60]用三維對比模型與二維數(shù)值模擬了殼、幔耦合動力過程,瑞利泰勒不穩(wěn)定性強(qiáng)烈地受控于地殼流變性,而瑞利泰勒增長并不是主要受控于地幔巖石圈本身不穩(wěn)定的幾何學(xué),而是受控于地表的影響。地殼加厚或減薄控制著各期階段的地表沉降與隆升。這個實驗很好地解釋了板內(nèi)造山、盆地、復(fù)雜的構(gòu)造結(jié)構(gòu)以及深部地震結(jié)構(gòu),可能是由于地殼下部地幔巖石圈瑞利泰勒不穩(wěn)定性引起的地殼變化造成的。密度較大的地殼下部地幔瑞利泰勒不穩(wěn)定性,很好地解釋了Sierra Nevada地區(qū)巖基下缺失巖石圈的根,鄰區(qū)盆地、山脈的伸展與較強(qiáng)的深地殼地震 組 構(gòu),以 及 Sierran 山 的 隆 升 與 熱 流 等[77-78]。Pysklywec和Cruden[60]的模型與Sierra Neva地區(qū)地質(zhì)有很好的一致性,地幔下沉使上部地殼隆起,而軟流圈上涌致使地殼伸展。
因此認(rèn)為,中生代的下地殼對沖加厚,可以使地幔彎曲,這也有利于殼、幔間的縮短平衡。下地殼很有可能與上地幔發(fā)生瑞利泰勒不穩(wěn)定性的下沉(圖8b),這種下沉也使雪峰山地殼厚度減小,使下地殼對沖的山根逐漸消失。下沉也可能導(dǎo)致軟流圈地幔在雪峰山以東地區(qū)上涌,使華南出現(xiàn)一些中侏羅世陸內(nèi)裂谷型的A型花崗巖與雙峰式火山巖。這類花崗巖的成因全歸功于太平洋板塊俯沖伸展是有爭議的,因而也不能完全否定沒有雪峰山地幔下沉影響的可能。
Li等[79]指出華南1 300km寬的陸內(nèi)造山開始于二疊紀(jì)時的古太平洋板塊平俯沖作用,但是迄今在中國東部沒發(fā)現(xiàn)印支期縫合線和蛇綠巖、島弧型巖石建造等相關(guān)產(chǎn)物[52]。一些學(xué)者把晚二疊世—三疊紀(jì)華南大陸的變形與巖漿事件歸功于華南塊體與華北板塊的碰撞以及印支塊體與華南塊體的碰撞[38,44,80-81],但難以解 釋 這 些 碰 撞 造 山 如 何 傳 播 到塊體內(nèi)部,以及造山帶走向與碰撞帶走向近垂直的現(xiàn)象[8]。也有學(xué)者認(rèn)為早中生代華南塊體是由軟流圈上涌而伸展形成的[34,82],而 Wang等[6]認(rèn)為雪峰山構(gòu)造帶在早中生代是陸內(nèi)斜向擠壓變形形成。這使得雪峰山構(gòu)造帶隆升機(jī)制存在動力來源與形成時代上的爭論。不同動力來源,使得下地殼對應(yīng)不同的縮短方式。
第一種情況,巖石圈變形過程中,可能存在揚(yáng)子塊體與華夏塊體間陸內(nèi)俯沖,中、上地殼與下地殼拆離,下地殼向下俯沖的形成模式(圖9a)。揚(yáng)子下地殼俯沖至華夏地殼之下,上地殼仰沖,這種發(fā)育模式雖與“阿爾卑斯鳥頭式”造山帶相似,但并不是遠(yuǎn)程推覆體,而是邱元禧等[83]所認(rèn)為的近原地型的陸內(nèi)俯沖。俯沖的根帶可能位于雪峰山的東緣。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為雪峰山隆起是印支期的產(chǎn)物[6],那么這個陸內(nèi)俯沖的根很有可能在燕山期后與華夏塊體的巖石圈一樣拆沉減薄,造成雪峰山兩側(cè)巖石圈與地殼厚度的顯著差距。實際上下地殼一般較上地殼與上地幔要軟,因而下地殼的俯沖可能是有限的。
圖9 雪峰山基底深部可能的結(jié)構(gòu)Fig.9 Probable structures at depth under the Xuefengshan basement
第二種情況,雪峰山中、上地殼變形是受古特提斯洋關(guān)閉的結(jié)果。這種模式實際上是古特提斯洋俯沖的延續(xù),即中、上地殼與下地殼拆離面的根帶應(yīng)位于華南塊體與華北板塊碰撞帶深部,因而在NW—SE向剖面上看不到俯沖的根帶(圖9b)。但是,大巴山南北向造山帶的范圍僅限于大巴山50km,并且應(yīng)力方向(NE)與剖面上的擠壓方向(SE)相垂直,難以形成剖面所示NW向的擠壓褶皺。
第三種情況,雪峰山隆升受古太平洋板塊俯沖影響。洋殼俯沖過程中的擠壓使上地殼褶皺,下地殼與上地殼解耦,下地殼加厚對沖,地殼加厚,同時隨擠壓巖石圈發(fā)生彎曲褶皺(圖9c)。后期伸展背景下軟流圈上涌致使地幔又發(fā)生拆沉。同樣基底塊體出露在內(nèi)陸的,如美國Laramide造山帶,其基底為核背斜隆起,基底存在切入地殼達(dá)24km的深斷層,它與蓋層共同發(fā)生變形的構(gòu)造樣式是典型的厚皮構(gòu)造[84-85]。
筆者支持雪峰山構(gòu)造帶經(jīng)歷了一個多期構(gòu)造和隆升過程[86],印支期雪峰山受特提斯構(gòu)造域影響發(fā)生左行構(gòu)造擠壓變形。川東卷入的最新褶皺地層是上侏羅統(tǒng),因而川黔湘構(gòu)造帶的定型時代應(yīng)該在晚侏羅紀(jì),太平洋板塊俯沖使雪峰山構(gòu)造帶基底再次復(fù)活,川黔湘構(gòu)造構(gòu)局也就在此時形成。實際上前人也多認(rèn)為雪峰山的形成是與古特提斯構(gòu)造域和太平洋構(gòu)造域先后作用的產(chǎn)物,但對拆離面存在認(rèn)識上的差異:朱夏[87]認(rèn)為江南古陸可能是發(fā)生在硅鋁層上的,是多層次蓋層推掩和基底拆離的薄殼構(gòu)造樣式,以多梯道非平板式的向北西推掩,是印支-燕山運(yùn)動的產(chǎn)物;丁道桂等[9]認(rèn)為雪峰山隆起是印支—早燕山運(yùn)動期間由SE向NW的基底拆離和推覆,是基底水平滑移形成的推覆隆起帶,不是陸內(nèi)造山帶的厚皮構(gòu)造與沉積蓋層的薄皮構(gòu)造,并指出雪峰山下的中—上地殼內(nèi)有2個殼內(nèi)高導(dǎo)層,一個位于8~10km深,另一位于20km深并作為雪峰山基底的主體滑移面;Yan等[8]認(rèn)為雪峰山構(gòu)造帶是典型的基底拆離式厚皮逆沖疊瓦構(gòu)造形成的陸內(nèi)造山,向西至川黔隔槽式褶皺帶,板溪群推覆到古生界之上,此時厚皮構(gòu)造轉(zhuǎn)化成川黔薄皮沖斷構(gòu)造;李三忠等[52]認(rèn)為雪峰山是基底隆升帶,印支期是一個大型原位逆沖推覆系統(tǒng),且深部在中、上板溪群存在一條自SE向NW的推覆滑脫面,傾角平緩,在張家界一帶逆沖至地表;李三忠等[45,22]還認(rèn)為,燕山期在兩側(cè)各為一條花狀走滑斷裂,運(yùn)動方向相反,因而表現(xiàn)為向南西方向的塊體擠出作用,而在擠出的前緣河池和宜州表現(xiàn)為近東西走向的向南逆沖推覆構(gòu)造,具有多期復(fù)合過程形成了剖面上現(xiàn)今的巨型“似花狀”構(gòu)造樣式。通過剖面與動力學(xué)分析,認(rèn)為雪峰山隆起是一個有根的厚皮構(gòu)造,雪峰山隆升最高處的懷化與鳳凰之間,也就是雪峰山根帶所在,川黔隔槽式褶皺深部也是基底卷入的厚皮構(gòu)造并與雪峰山構(gòu)造帶一起構(gòu)成一花狀深部結(jié)構(gòu)。下地殼與上地幔的平衡可能通過下地殼向下對沖與巖石圈彎曲以及后期下沉來實現(xiàn)。
上地殼變形需要下地殼的縮短來平衡。但對于陸內(nèi)造山帶而言,由于下地殼的巖石溫壓條件、巖石性質(zhì)的差異,使得下地殼俯沖進(jìn)入強(qiáng)度較大的上地幔是不容易的。上地幔同樣也需要一定的縮短量來滿足地殼的縮短變形,研究區(qū)陸內(nèi)變形縮短量較小,因而巖石圈輕微的彎曲就能解決上地殼的變形。華南塊體近200km厚的巖石圈有沒有發(fā)生褶皺的可能呢?
自顯生宙以來,華南并不是一個穩(wěn)定的陸臺,而是經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動,如加里東期、海西期、印支期與燕山期構(gòu)造事件[4,37]。這使華南巖石圈厚度隨時代發(fā)生變化,目前已不可能探知中生代以前的基底結(jié)構(gòu),因而只能通過古地理環(huán)境分析顯生宙以來的構(gòu)造地貌,進(jìn)而分析其可能的巖石圈厚度變化。
古沉積地理研究(圖10a)表明,揚(yáng)子克拉通寒武紀(jì)為淺海碳酸鹽巖沉積,其東南側(cè)形成寬闊的邊緣海。揚(yáng)子塊體與華夏塊體上泥盆紀(jì)以上的沉積蓋層趨于相近[88-89]。揚(yáng)子塊體前泥盆系與上古生界為平行不整合接觸。但在成都、貴陽和昆明區(qū)域周圍有3個古隆起帶,下古生界有不同程度的剝蝕,而湘桂褶皺帶以及東南粵贛地區(qū)的前泥盆系與上古生界均為角度不整合[90]。志留紀(jì)末,華南塊體在欽州構(gòu)造帶留下了欽防海槽,古地理總體為北高南低,東西兩側(cè)高、中間低,多個盆地被陸地所分割(圖10b)。石炭紀(jì)至二疊紀(jì)海侵使華南塊體全部被海水淹沒,成為廣闊的碳酸鹽巖臺地,晚二疊世浙閩贛淺東側(cè)和中上揚(yáng)子塊體淺海西側(cè)發(fā)育濱岸帶沉積,中間仍為湘桂次深海(圖10c)。中生代是重要的構(gòu)造變革時期,華南塊體轉(zhuǎn)為陸相沉積,并形成了秦嶺—大別造山帶、三江造山帶、東南沿海造山帶等現(xiàn)今構(gòu)造格局的基本框架(圖10d,e)。
圖10 華南塊體構(gòu)造古地理與AB線地勢Fig.10 Tectonic paleogeography in South China and topography along Line AB
華南沉積構(gòu)造演化研究(圖10)表明,川東至湘桂褶皺帶一線自顯生宙以來,地形地貌上經(jīng)歷了反復(fù)的高低起伏的演化。這種地勢起伏應(yīng)用于板塊學(xué)說就是其周緣板塊作用的結(jié)果,但板塊作用顯然不僅是上地殼的變形,也是地勢起伏造成巖石圈厚度的變化。華南巖石圈厚度隨時代演化而發(fā)生變化,這種變化在地表表現(xiàn)為各時期的盆地與造山帶,很可能說明巖石圈受擠壓而褶皺彎曲,并在不同時代使巖石圈褶皺波峰傳播。自寒武紀(jì)始,研究區(qū)發(fā)生的地勢變化,很可能與板塊漂移過程中其自身巖石圈地幔與軟流圈地幔作用導(dǎo)致巖石圈發(fā)生彎曲變形有關(guān)。后期的構(gòu)造擠壓使上地殼發(fā)生拆離,改變了塊體最初地殼表層的構(gòu)造格局,而深部巖石圈則表現(xiàn)為長期的波動構(gòu)造現(xiàn)象。晚三疊世,在華南塊體北緣秦嶺—大別造山帶形成之時,華南內(nèi)部巖石圈的波動使華南中部隆起,晚侏羅世太平洋板塊俯沖擠壓,巖石圈彎曲褶皺。上地殼強(qiáng)烈變形使下地殼拆離對沖,對沖的“根”發(fā)生在褶皺的波谷處,同時地殼加厚使巖石圈進(jìn)一步彎曲,這也使殼、??s短量得以更好地平衡,最終形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。
對川黔湘構(gòu)造帶構(gòu)造樣式、陸內(nèi)造山模式以及深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步分析。川黔隔槽式褶皺是一個厚皮構(gòu)造,它與雪峰山構(gòu)造帶構(gòu)成一個整體,形成一花狀結(jié)構(gòu),隆起在鳳凰與懷化之間的沅麻盆地達(dá)到最高,向兩側(cè)降低,雪峰山構(gòu)造帶整體向川黔逆沖水平距離較小,并以壓扭性走滑構(gòu)造為主要特征。中、晚侏羅世,川黔湘構(gòu)造帶基本定型,中、上地殼褶皺變形,中地殼與下地殼解耦拆離,下地殼向下對沖,形成山根,山根并沒有俯沖至地幔。上地幔巖石圈發(fā)生彎曲,同時地殼加厚使上地幔達(dá)到瑞利泰勒不穩(wěn)定性,下地殼與上地幔下沉至軟流圈,進(jìn)一步平衡中、上地殼的縮短變形,致使雪峰山地殼厚度又發(fā)生減薄。晚中生代,由于太平洋板塊俯沖,雪峰山以東巖石圈可能發(fā)生拆沉,致使其兩側(cè)巖石圈厚度產(chǎn)生差異。
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