南秦嶺造山帶碰撞裂谷盆地群的形成及其演化

南秦嶺造山帶碰撞裂谷盆地群的形成及其演化

秦嶺-大別造山帶是一個復合造山帶，是華北板塊與華南板塊相互作用的產(chǎn)物。長期以來,南秦嶺與揚子地塊的碰撞時間以及二者之間構(gòu)造耦合過程和地質(zhì)記錄一直是大地構(gòu)造學家和盆地構(gòu)造分析學者關(guān)注的重大科學問題。同時,這一過程形成的盆地沉積層序成為近年來油氣勘探重要的聚集單元,導致南秦嶺造山帶與揚子地塊兩大構(gòu)造單元在古-中生代之間的構(gòu)造與沉積過程為石油界所矚目。大地構(gòu)造屬性上,南秦嶺被普遍認為是揚子地塊的一部分,中-晚泥盆世擴張分裂,晚二疊世開始匯聚、俯沖,中-晚三疊世因為陸-陸碰撞重新與揚子地塊聚合,二者之間為重要的古板塊縫合帶———勉略構(gòu)造帶(李亞林等,2001;裴先治等,2002;李三忠等,2003;張國偉等,2004)。近年來,其他研究學者提出南秦嶺是由島弧增生雜巖帶、弧前盆地系、弧后盆地系和弧后陸坡帶等不同大地構(gòu)造相組成的晚古生代增生造山帶,經(jīng)受了早中生代弧陸碰撞造山作用的改造(閆全人等,2007;閆臻等,2007;王宗起等,2009a,b)。關(guān)于南秦嶺與揚子地塊最終的拼合時間,也就是南秦嶺洋的形成和消亡時間存在爭議,大致有晚二疊世末期到早中生代碰撞造山(YinandNie,1993)、晚三疊世碰撞閉合(MengandZhang,1999;張國偉等,2003)等觀點。需要指出的是,華北、華南板塊的碰撞具有自東向西的穿時過程(YinandNie,1993;張國偉等,2003;Liuetal.,2001,2005),會導致不同位置碰撞造山作用的起始時代不同(李繼亮和孫樞,1999)。晚古生代-中生代期間上揚子地塊北緣發(fā)生了一些重要的地質(zhì)事件,如勉略有限大洋的逐漸關(guān)閉、揚子北緣相關(guān)深水盆地的形成和中-晚三疊世海陸沉積體系的轉(zhuǎn)換等等。一些學者對于這些深水盆地的形成機制和分布特點進行了討論(楊雨和文應(yīng)初,2002;魏國齊等,2004,2006;王一剛等,2006a,b,2009;馬永生等,2006a;Maetal.,2007;沈中延等,2010);Liuetal.(2001,2005)對于后期的盆地演化進行了分析和盆地性質(zhì)的厘定;有成果認為揚子地塊北緣具有統(tǒng)一大地構(gòu)造背景控制的盆地群分布(浙江大學地球科學系,2007(1));在四川盆地北部米倉山地區(qū)下三疊統(tǒng)內(nèi)部(奧倫尼階)發(fā)現(xiàn)了局部控制沉積的角度不整合面,并認為是南秦嶺造山帶和上揚子地塊早期發(fā)生碰撞的地層記錄(沈中延等,2010);揚子地區(qū)在晚三疊世須家河組時期陸相沉積層序的出現(xiàn)代表了殘余洋盆的最終關(guān)閉。整體來看,前人對于本區(qū)的研究較為零散,不同學者的工作分別針對于單個的或不同的構(gòu)造單元,而關(guān)于各構(gòu)造單元之間的時空轉(zhuǎn)化以及內(nèi)在聯(lián)系鮮有綜合研究工作開展。諸多重要地質(zhì)問題需要進一步深入探討,如兩個不同的大地構(gòu)造單元之間碰撞造山是如何控制揚子地塊內(nèi)部盆地系統(tǒng)的?如何表征碰撞期的盆地和造山帶?大巴山和米蒼山?jīng)_斷系統(tǒng)是何時形成的?須家河組開始的陸相碎屑巖系代表前陸盆地的哪一階段?后期改造階段的特征和識別等等。因此,本文在綜合研究的基礎(chǔ)上,對南秦嶺與揚子地塊的構(gòu)造耦合過程進行了討論,提出了本區(qū)晚中生代-古生代具有內(nèi)在聯(lián)系的、合理的盆山演化和控制模型,以饗同儕,希冀評鑒。1上重要的陸內(nèi)盆地在大地構(gòu)造上,勉略縫合帶是劃分南秦嶺造山帶和揚子地塊的重要界線,四川盆地作為揚子地塊上重要的陸內(nèi)盆地部分,除了志留紀在川西、泥盆紀和石炭紀在上揚子處于隆升剝蝕以外,大多數(shù)地質(zhì)歷史中均接受了穩(wěn)定的克拉通盆地型的沉積(浙江大學地球科學系,2009(1))。另外,大巴山?jīng)_斷褶皺帶、米倉山隆起和龍門山?jīng)_斷褶皺帶的基底屬性也同屬揚子地塊部分(圖1)。1.1造山帶基底結(jié)構(gòu)南秦嶺的大地構(gòu)造屬性是有爭議的,主要集中在克拉通基底(賴紹聰?shù)?2003;張國偉等,2003,2004)或者是造山帶(被改造的增生雜巖)基底(王宗起等,2002;閆臻等,2007;王宗起等,2009a,b)的討論方面。南秦嶺的南側(cè)可能分布有揚子地塊的被動陸緣基底,考慮到南秦嶺晚古生代為增生造山帶的大地構(gòu)造相組成和后期所經(jīng)歷的碰撞造山改造作用等最新成果的發(fā)表(王宗起等,2002,2009a;閆全人等,2002),本文將南秦嶺暫時確定為造山帶。1.2大巴山多期構(gòu)造活動的認識大巴山?jīng)_斷褶皺帶平面上由北大巴山?jīng)_斷構(gòu)造帶和南大巴山?jīng)_斷褶皺帶組成,兩個構(gòu)造帶的分界為城口-房縣斷裂(有人稱之為城口-鐘寶斷裂),斷裂的北側(cè)為北大巴山,南側(cè)為南大巴山。北大巴山被認為是南秦嶺造山帶和上揚子地塊之間的拼合帶(何建坤和盧華復,1999)。南大巴山在平面上成為一個弧形構(gòu)造,又稱之為巴山弧。巴山弧由一系列緊閉的線性褶皺構(gòu)成(李智武等,2006;張岳橋等,2010)。沈傳波等(2007,2008)、李瑞保等(2010)對川東北中生界進行碎屑鋯石U-Pb年代學以及磷灰石裂變徑跡研究后指出:大巴山晚古生代-新生代具有多期構(gòu)造活動的特征。最近的地球物理和地面調(diào)查也在大巴山?jīng)_斷褶皺帶深部和沉積層序中發(fā)現(xiàn)了早中生代的構(gòu)造活動記錄(董有浦等,2011)。這些研究成果對于本區(qū)的深入研究有重要的參考意義。1.3米倉山構(gòu)造演化和隆升的走向米倉山隆起帶實際上是一個大型的基底卷入的褶皺構(gòu)造,南北兩側(cè)的層序反映出一個大型斷層傳播褶皺的形態(tài)。細節(jié)上,米倉山由一系列東西走向和北東走向的褶皺組成,表現(xiàn)為復合的疊加構(gòu)造特征(浙江大學地球科學系,2006(2))。主背斜大致為東西走向,包括其中的褶皺構(gòu)造和斷裂系統(tǒng),如大兩會背斜、燕子峽背斜和米倉山北側(cè)的大竹壩向斜,米倉山的南部發(fā)育了一系列總體成北東走向與龍門山構(gòu)造體系的走向大致接近的褶皺帶,如九龍山背斜、板橋-蒼溪向斜,仁和背斜等等。東西向褶皺和北東向褶皺的相互疊加可能反映了不同時期構(gòu)造線的方向(沈中延,2009)。最近的研究發(fā)現(xiàn),南秦嶺造山帶和揚子地塊的初始碰撞時間可以追溯到晚二疊世(毛黎光等,2011;吳磊等,2011),米倉山保存隆升的記錄為早三疊世奧倫尼(約249.7~245.0Ma)(沈中延等,2010)。磷灰石裂變徑跡和古地磁等證據(jù)則表明米倉山真正大規(guī)模的隆升發(fā)生在中生代晚期的早白堊世,并且具有前展式?jīng)_斷隆升的特點,后期經(jīng)歷了多次隆升過程(雷永良等,2009;沈中延,2009;常遠等,2010)。1.4最大位移帶川東沖斷褶皺帶環(huán)繞在四川盆地的東緣。平面上最顯著的特點是呈向西凸出的弧形構(gòu)造形態(tài)?；⌒螏Мa(chǎn)生的原因有兩點,一是來自于東南側(cè)(雪峰山)的向西沖斷作用所致,弧形帶的頂部為沖斷活動的最大位移帶(Yanetal.,2003;LiandLi.,2007);二是川東構(gòu)造帶的東西兩側(cè)均受限于不同的邊界條件,東側(cè)大巴山弧形帶在一定程度上限制了川東帶的活動性,導致其為近于東西走向的緊閉背斜帶。西側(cè)受到位于瀘州、綦江以南的川南、黔北東西走向褶皺帶的影響而成為近于南北走向的帚狀發(fā)散式背斜帶。從構(gòu)造控制的關(guān)系分析,川東沖斷褶皺帶發(fā)育的時間晚于大巴山?jīng)_斷褶皺帶(董有浦等,2011),磷灰石裂變徑跡模擬研究指出,川東褶皺帶從97Ma開始持續(xù)抬升剝蝕,這一過程向西擴展,并且一直持續(xù)到新生代晚期(袁玉松等,2010)。2揚子地塊北緣的中生代裂谷系統(tǒng)2.1裂谷盆地時空目前的研究發(fā)現(xiàn),揚子地塊北緣晚古生代-早中生代形成了一系列的裂谷系統(tǒng)(毛黎光等,2011),即前人討論的“海槽”或者“陸棚”環(huán)境(楊雨和文應(yīng)初,2002;魏國齊等,2006;王一剛等,2006a,b;馬永生等,2006b;Maetal.,2007)。已發(fā)現(xiàn)并證實的有開江-梁平裂谷、城口-鄂西裂谷,東部當陽一帶可能也屬于裂谷環(huán)境(浙江大學地球科學系,2005(1))。裂谷盆地的時空展布特點為:裂谷盆地的形成時代均為晚二疊世-早三疊世,走向均為北北西向,向北開口向南部收斂并逐漸消失。裂谷盆地與勉略縫合帶走向成大角度相交,但彼此間則近于平行。本文將其厘定為與南秦嶺洋閉合同期弧-陸碰撞(王宗起等,2009a)所形成的碰撞裂谷系統(tǒng),它們共同組成了一系列具有內(nèi)在聯(lián)系的發(fā)育于揚子塊北緣的裂谷系統(tǒng)。2.2城口-鄂西裂谷盆地揚子地塊北緣發(fā)育的裂谷最早可以追溯到早二疊世,這時的古地理格局和巖相展布特點為:西部的為上二疊統(tǒng)宣威組、龍?zhí)督M的陸相和海陸過渡相的煤系地層,覆蓋在玄武巖楔形體分布范圍之上。川東一帶為吳家坪組碳酸鹽巖,該巖相一直延伸到湖北和皖南地區(qū)。在早二疊世巖相古地理特征圖上(圖2),南秦嶺造山帶為陸棚-深水陸棚相沉積區(qū)。在開闊海臺地的背景上發(fā)育了城口-鄂西和荊門-當陽2個深水盆地,盆地內(nèi)部主要為穩(wěn)定的深水沉積,盆地周緣局部發(fā)育有生物碎屑灘的高能沉積體。晚二疊世揚子地塊西側(cè)最重要的巖相古地理標志是在淺海臺地的背景上形成了拉張的開江-梁平裂谷盆地,其西側(cè)的松潘-甘孜地區(qū)仍為深海盆地或深海平原。同時,城口-鄂西裂谷盆地持續(xù)發(fā)育,向南可能延伸到湖南,跨越了整個川東-鄂西地區(qū)(圖3)。盆地內(nèi)部為典型的深海、次深海濁流沉積。米倉山東端的兩河口地區(qū)飛仙關(guān)組一段發(fā)育的是淺海鮞狀灰?guī)r,說明裂谷盆地的東界位于兩河口與南江之間。裂谷的西界大致位于廣元西側(cè)(裂谷的東西邊界位置對應(yīng)于現(xiàn)今米倉山背斜的兩側(cè)),在廣元下寺可見到陸棚斜坡相的重力滑塌構(gòu)造。早三疊世印度期(Induan)海盆面貌基本上繼承了晚二疊世盆地格局的特點。飛仙關(guān)組在川北地區(qū)厚度一般在400~800m,自西向東厚度有增大的趨勢,最厚達1000m。開江-梁平裂谷依然存在,其中在開江-巴中-旺倉一帶厚度較大,一般為600~800m。裂谷盆地內(nèi)的飛仙關(guān)組厚度明顯較鄰區(qū)大,在巫溪-恩施-當陽一帶厚度可達500m以上,為盆地相沉積(圖4)。開江-梁平裂谷的東西兩側(cè)和城口-鄂西裂谷的西側(cè)均形成了帶狀的臺地邊緣鮞灘,成為今天油氣勘探的最重要的儲層(楊雨和文應(yīng)初,2002;馬永生等,2005;王一剛等,2009;魏國齊等,2009)。城口-鄂西裂谷形成大范圍的沉降區(qū),西自川東,東到武漢,南至湖南,東西跨度超過300km。這一過程可能反映了裂谷盆地后期的巖石圈熱沉降的結(jié)果,是裂谷演化的后續(xù)階段。揚子地塊北緣裂谷盆地的發(fā)育時間一直持續(xù)到下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組沉積的中期。到下三疊統(tǒng)嘉陵江組時,揚子地塊北緣統(tǒng)一為局限海-開闊海臺地相的大型克拉通盆地(圖5)。2.3裂谷系統(tǒng)的發(fā)育總結(jié)起來,揚子地塊中生代的裂谷系統(tǒng)的發(fā)育具有時空演化的規(guī)律性,顯然其形成是受到區(qū)域構(gòu)造背景的控制。裂谷系統(tǒng)的平面展布為北北西向,與南秦嶺造山帶的走向近于垂直,裂谷的開口向北呈喇叭狀,開江-梁平裂谷的北側(cè)開口對應(yīng)著米倉山、佛坪前寒武紀基底出露的隆起,城口-鄂西裂谷的北側(cè)開口對應(yīng)著神農(nóng)架、黃陵、武當前寒武紀基底出露的隆起(圖1)。顯然,這些重要的地體形成與裂谷系統(tǒng)的發(fā)育有著內(nèi)在的聯(lián)系。裂谷系統(tǒng)的形成時間自東向西,由老而新,城口-鄂西和荊門-當陽裂谷開始與早二疊世,開江-梁平裂谷開始于晚二疊世,裂谷的發(fā)育顯然具有由東向西擴展的規(guī)律,晚期的城口-鄂西裂谷發(fā)展成為大型坳陷盆地。這些裂谷系統(tǒng)在早三疊世的晚期消亡,裂谷發(fā)育的持續(xù)時間約為5Ma。裂谷系統(tǒng)控制了揚子地塊北緣的沉積環(huán)境和巖相分布,同時也控制了現(xiàn)今石油勘探的區(qū)域和目標。3南秦時的碰撞大巴山和米倉山晚古生代-早中生代的構(gòu)造活動記錄有可能反映南秦嶺洋關(guān)閉的最早時間,前人大致從2個方面研究這一重要碰撞期的時代下限:一是南秦嶺造山帶火成巖的同位素定年結(jié)果,其關(guān)鍵是對于火成巖大地構(gòu)造環(huán)境的判釋和對同位素定年數(shù)據(jù)地質(zhì)意義的解讀;另一方面來自于揚子地塊北緣沉積體系的約束。勉略構(gòu)造帶三岔子古巖漿弧的巖漿鋯石U-Pb年齡為300±61Ma(李曙光等,2003),可作為碰撞事件的下限。西秦嶺最老的印支期花崗巖年齡為245±6Ma(金維浚等,2005)。據(jù)此推測,南秦嶺造山帶與揚子地塊在川北地區(qū)于約245~240Ma前就已發(fā)生碰撞。有學者把上三疊統(tǒng)須家河組陸相碎屑巖的沉積時代作為碰撞的開始時間,顯然,這一時間較為滯后。本文對于大巴山和米倉山地區(qū)的研究認為這一時間可能早于早三疊世。3.1區(qū)域內(nèi)沖斷層疊加形成構(gòu)造的構(gòu)造格架研究證實,在沖斷帶的南部前緣地區(qū)存在著尚未被改造的古沖斷帶的殘余(浙江大學地球科學系,2004(1))。主要表現(xiàn)在大巴山早期古沖斷帶的活動造成古背斜的剝蝕,導致隆起頂部的地層厚度變化。在川東構(gòu)造帶內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了古大巴山構(gòu)造的前緣沖斷層,這些沖斷層的疊加形成的褶皺構(gòu)造與現(xiàn)今川東構(gòu)造帶的構(gòu)造具有不協(xié)調(diào)性。地球物理資料揭示大巴山的淺層和深層具有不同的構(gòu)造走向,暗示了淺層的構(gòu)造線為新構(gòu)造,深部的構(gòu)造線為古大巴山構(gòu)造線的殘余。同時,橫穿大巴山?jīng)_斷帶的幾條平衡剖面也顯示:在中三疊統(tǒng)沉積以前,存在著早期地層的沖斷和剝蝕作用(董有浦等,2011)。3.2疊統(tǒng)內(nèi)部的區(qū)域不整合面近年來,通過對米倉山地區(qū)的下三疊統(tǒng)碎屑巖的分布范圍、巖性及沉積相特征分析,以及在米倉山地區(qū)完成的反射地震探測,均識別出下三疊統(tǒng)內(nèi)部的嘉陵江組二段發(fā)育的一個區(qū)域不整合面,并認為在早三疊世奧倫尼期(約249.7~245.0Ma)米倉山地區(qū)就發(fā)生了強烈的沖斷褶皺作用,沖斷帶前鋒已經(jīng)到達今天米倉山前陸沖斷帶的前鋒位置,并且其構(gòu)造走向與勉略縫合帶一樣均為東西向,所以認為這次構(gòu)造事件跟秦嶺碰撞造山作用有關(guān),是南秦嶺造山帶和揚子地塊碰撞的最早時間記錄(沈中延,2009;沈中延等,2010)。3.3晚侏羅世晚期是大巴山?jīng)_斷帶的低幅度活動期地面地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),大巴山地區(qū)上侏羅統(tǒng)有大面積的剝蝕現(xiàn)象。在通江一帶的上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)和下白堊統(tǒng)為蒼溪組(K1c)之間存在著一個低角度的不整合接觸關(guān)系。通江縣的鄒家壩收費站剖面也反映出上侏羅統(tǒng)經(jīng)歷了不同程度的剝蝕作用。另外,在沙河剖面也可以見到這種角度不整合以及下白堊統(tǒng)超覆于上侏羅統(tǒng)之上的現(xiàn)象。這些均說明晚侏羅世晚期是大巴山?jīng)_斷帶的低幅度活動期。大巴山地區(qū)缺失上白堊統(tǒng),下白堊統(tǒng)主要為河流湖泊沉積形成的碎屑巖,泥質(zhì)巖夾砂礫巖。在通江縣北東的毛浴鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)下白堊統(tǒng)蒼溪組(K1c)和白龍組(K1b)間存在著明顯的平行不整合接觸關(guān)系,南江沙河收費站附近2套地層同樣呈明顯的角度不整合關(guān)系,蒼溪組頂部被白龍組大角度削截。另外,大巴山地區(qū)的區(qū)域地球物理大剖面上也可以發(fā)現(xiàn)下白堊統(tǒng)內(nèi)部的角度不整合接觸關(guān)系(董有浦等,2011)。說明早白堊世是大巴山?jīng)_斷帶的主要改造期。磷灰石裂變徑跡研究證實了米倉山和川東構(gòu)造帶新生代晚期具有強烈隆升的特點(雷永良等,2009;袁玉松等,2010),隆升的實質(zhì)是后期的前陸沖斷和推覆活動的反映。4成巖與構(gòu)造耦合過程根據(jù)上述的南秦嶺造山帶和揚子地塊晚古生代以來的重要地質(zhì)事件分析,本文提出了一個二者構(gòu)造耦合的過程和控制作用的模型,試圖為不同地質(zhì)事件的形成機制和分布規(guī)律提供一個清晰的演化軌跡。圖6是2個大地構(gòu)造單元構(gòu)造耦合過程的示意圖,這一過程大致經(jīng)歷了5個重要的階段:(1)南秦子海帶與東南角區(qū)域分離該階段處于南秦嶺造山帶與揚子地塊的碰撞之前,此時二者之間的南秦嶺洋(勉略洋)處于收縮期,大洋逐漸變窄,但尚未關(guān)閉,南秦嶺造山帶與揚子地塊仍處于分離狀態(tài)(圖6a)。(2)南秦末山帶東緣裂谷群形成階段南秦嶺造山帶與揚子地塊北緣之間的南秦嶺洋關(guān)閉不是等時的,首先會在其中的某些板塊突出的部位產(chǎn)生接觸,我們稱之為點碰撞。南秦嶺洋由東向西的關(guān)閉導致點碰撞在不同部位具有一定的時差。東部為早二疊世,西部為晚二疊世(長興組沉積的晚期)-早三疊世(飛仙關(guān)組沉積的早期)。因為南秦嶺造山帶與揚子地塊北緣的一些部位首先發(fā)生點接觸碰撞,導致了持續(xù)5~6Ma的揚子地塊北緣裂谷群開始形成(圖6b)。這一階段多是在水下完成的,由此在大巴山和米倉山地區(qū)