川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造
几何学和运动学特征
文凯,李传新中国地质大学(北京)能源学院,北京,100083
内容提要:川东与大巴山褶皱冲断带交汇区位于四川盆地东北缘,由温泉井—马槽坝背斜带、云安场背斜带和
方斗山背斜带组成,其形成过程受川东构造带和大巴山构造带的双重控制,开展川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造几何学和运动学特征研究,对认识华南板块和华北板块之间的拼贴碰撞及演化具有重要意义。本文基于野外调查、钻测井资料和二维地震资料,以断层相关褶皱理论为指导,通过对四条二维地震剖面的精细解析,揭示了交汇区构造几何学特征,并应用2move软件恢复了研究区构造运动学过程。研究认为:D①交汇区在南北方向上显示为大型的复向斜结构,垂向上被区内下三叠统嘉陵江组膏盐层、志留系泥页岩层和下寒武统泥页岩层三套滑脱层分为上、中、下三大构造层,上构造层主要发生滑脱褶皱变形,中、下构造层发育断层较多,主要发育双冲构造、冲起构造以及断层转折褶皱;构造缩短率达1上、下构造层构造缩短率较0%,②研究区中构造层构造变形最为强烈,小,均为6%左右,且各构造层缩短率由西到东呈现出逐渐增大的趋势;研究区的构造演化过程分为③中生代以来,三个阶段:晚三叠世到晚侏罗世稳定沉积阶段、早白垩世到古近纪早期对冲变形阶段、古近纪晚期至今定型阶段。
关键词:川东;大巴山;构造交汇带;几何学;运动学;多层次滑脱变形
北与南大巴山弧 研究区位于四川盆地东北缘,
形冲断褶皱带接壤,南接川东隔挡式褶皱带,西邻宣。研汉—达州古隆起,东与巫山褶皱带毗邻(图1)究区作为川东隔挡式褶皱带与大巴山冲断褶皱带的碰撞交汇区,多位学者曾对该区域及其邻近地区开展过研究。深反射地震剖面显示扬子北缘莫霍面具有北倾叠置的特征,表明了扬子板块向北俯冲过程(,2,GaoRuietal.004;DonShuwenetal. g )。依据主断裂将南大巴山弧形冲断带分为叠2013瓦状冲断带、对冲褶皱带和前缘褶皱带三个不同构,造样式的单元(LeGuanu,1998;LiRuibao gy,2008;DonYouuetal.2011;LiWanenet gpgpg ,)。地震资料和区域地质特征显示,川东al.2017隔挡式褶皱带是受多套滑脱层控制形成的逆冲褶皱带,具有分层变形与薄皮逆冲的特征(XuZhenu gy,,etal.2004;ShuYaoetal.2010;ZouYutaoet ,2,2al.015;Lihuanxintl.015;Zhao C e a
)。低温热年代学测年结果显示交汇Donxu,2017g带构造活动主要在15~70Ma和20Ma2~现今两个,阶段(QiuNanshenetal.2008;ShenChuanboet g ,,。此外,关于al.2009;ShiHoncaietal.2016) g交汇带的成因机制,目前主要有两种观点:一是大巴山冲断带先向SW逆冲推覆,随后雪峰山逆冲带再,向NW扩展进行叠加改造(XuChanhaietal. g,2010;DonYouuetal.2011;SonQinweiet gpgg
,);二是雪峰山逆冲带先向NW扩展运动,al.2014之后大巴山冲断带再向SW逆冲进行叠加改造,,(anGuoweietal.2003;LiuShaofenetal.Zh gg )。综上所述,目前分别对川东、大巴山构造变2010形特征的研究比较多,但限于资料缺乏和新生界地层缺失等原因,针对两冲断带结合部位构造变形特征、演化过程及其成因机制的相关研究相对较少。本文在前人研究的基础上,利用野外调查资料、钻测井资料和二维地震资料,并运用断层相关褶皱理论、
)注:本文为国家自然科学基金(资助的成果。No.412021471,No.41430316
;;;改回日期:网络发表日期:责任编辑:黄敏。收稿日期:122208200830202020181919------地质工程硕士,博士,主要从事构造地质学方面研究。通讯作者:李传新,男,副教授,作者简介:文凯,男,91年6月生,77年2月生,1919
)。:_构造地质专业,ailaddresschuanxinli63.com(CX.LiEm @1::引用本文:文凯,李传新.地质学报,294(2)42020.川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造几何学和运动学特征.6~438,doi10./19762.cnki.dizhixuebao.2020005.j
,WenKaiLiChuanxin.2020.TheeometrandkinematicsoftheintersectionareaofeasternSichuanandtheDabashanfold- gy
,():thrustbelt.ActaGeoloicaSinica942426~438. g
第2期文凯等:川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造几何学和运动学特征274
平衡剖面技术以及多滑脱层面积—深度关系理论(Suppe,1983;He Dengfa et al.,2005;HuWang
shui et al.,2011;Chen Zhuxin et al.,2018),精细解析了研究区中浅层地层构造几何学特征,并探讨了川东和大巴山冲断带交汇区中新生代以来构造事件及演化历程。
1 区域地质背景
研究区位于上扬子板块北缘,自晋宁运动形成基底以来,在Rodinia超大陆裂解的背景下,扬子板块一直处于伸展的构造环境,接受稳定的海相沉积,直到晚奥陶世扬子北缘裂解受相邻板块限制,开始挤压抬升,到晚志留世抬升为陆遭受剥蚀。早泥盆世,研究区北部勉略洋盆开始裂解形成,到石炭纪初,随着秦岭微板块与华北板块碰撞拼接,勉略洋盆北缘扩张受阻,导致洋盆南缘研究区发生海进现象,研究区开始再次接受海相沉积。中三叠世到晚三叠世,随着勉略洋盆自东向西剪刀式闭合,扬子板块开始向北西俯冲,扬子板块北缘逐渐抬升为陆,进入前陆盆地发育阶段,持续至今(Yan Danping
et al.,2000;Li Yalin et al.,2002;Zhang Guowei et al.,2013;Liu Shaofeng et al.,2015;Wang
Xuejun etal.,2015
)。交汇区内存在三大线性背斜带构造单元,由北到南分别是温泉井—马槽坝背斜带、云安场背斜带和方斗山背斜带。北部温泉井—马槽坝背斜带位于南大巴山弧形褶皱带最前缘,背斜带枢纽呈近EW走向;南部云安场背斜带和方斗山背斜带属于川东隔挡式褶皱带最北段,背斜带枢纽由南到北呈现为NNE-NE-EW向展布。区内地层有侏罗系、三叠系、二叠系、志留系、奥陶系和寒武系,普遍缺失了泥盆系—石炭系和白垩系—新生界(图2),地表主要出露侏罗系红褐色砂泥岩和三叠系浅灰色灰岩、白云岩及膏岩。
区内发育三套主要滑脱层:一是下三叠统嘉陵江组浅灰色膏盐层夹薄层白云岩,厚度约900~1600m,
由西到东呈现逐渐减薄的趋势,其埋深由南到北差异较大,最大埋深可达4000m左右;二是志留系灰绿色泥页岩层,厚度约800~1200m,由西到东具有略微增厚的特点,其埋深在区内变化较大,最大埋深可达6000m左右;三是下寒武统筇竹寺组和沧浪铺组灰黑色泥页岩层,厚度约900~1600m,最大埋深可达8000m左右。根据构造变形的差异,以上述三套滑脱层为界,可将区内显生宙地层分为上、
中、下三大构造层:上构造层指中三叠统雷口坡组及以上地层,岩性主要为紫红色砂泥岩,河流相沉积;中构造层指下二叠统梁山组至下三叠统飞仙关组地层,岩性主要为灰色泥晶灰岩,浅海相沉积;下构造层指中寒武统高台组至上奥陶统五峰组地层,下部发育灰色白云岩,上部发育深灰色灰岩夹薄层页岩,沉积环境由局限海台地相沉积逐渐过渡为广海陆棚相沉积。
此外,区内还存在三个平行不整合面,分别是上三叠统须家河组与下伏中三叠统雷口坡组之间的不整合面、下三叠统飞仙关组与下伏上二叠统长兴组之间的不整合面以及下二叠统梁山组与下伏志留系韩家店组之间的不整合面,其中上三叠统须家河组与中三叠统雷口坡组之间的不整合面将区内古生界和中生界分为上部陆相沉积地层和下部海相沉积地层。
资料来源和研究方法
本文所利用的资料主要包括:①区内6口预探井(五科1井、门南1井、云安15井、马槽2井、马槽井和楼1井)的完井报告和测井曲线等资料;②约
50个野外观测点露头描述及其地层产状数据;③区内数十条近南北走向的二维地震剖面资料。根据以上资料,在区内设计选取多条长地震剖面,以断层相关褶皱理论为基础,结合各井合成地震记录和实测产状数据的约束,精细解析研究区的构造几何学特征,并运用多滑脱层面积—深度关系理论对剖面几何学特征进行讨论分析。最后使用平衡剖面技术对各剖面作平衡恢复,定量计算其构造缩短量和构造缩短率,从而分析研究区运动学特征。
在地震剖面的设计选取过程中需要遵循两个原则:一是剖面位置需要控制住交汇带内不同部位构造的结构特征;二是剖面位置要过区内探井,且尽量和野外观测路线相匹配,从而便于通过井震结合以及野外实测产状来约束构造解释。基于以上两个原则,本文在区内设计了四条由东到西分布的近南北走向的剖面(图1),剖面累计长度达270km,其东西跨度近100km,跨越了区内主要的背斜和向斜构造单元。在平衡剖面恢复时,为了消除变形过程中塑性层的影响,我们将盐上岩层和盐下岩层分开平衡恢复,再组合到一起,以此控制塑性层的变形。
交汇区构造几何学特征
交汇区内三条背斜带向东汇聚收敛至巫山褶皱
2133284
地 质 学 报
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2020年
图1 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区地质简图(据1∶20万地质图??)
F1 SimlifiedeoloicalmaoftheintersectionareabetweentheeasternSichuanandi. pggpg
hrustbelt(Fi.1ismodifiedfrom??)tDabashanfold - g
,Ⅱ-Ⅱ,Ⅲ-Ⅲ,Ⅳ-Ⅳ为地震剖面;''''Ⅰ-Ⅰ
,Ⅱ-Ⅱ,Ⅲ-Ⅲ,Ⅳ-Ⅳ''''aretheseismicsections Ⅰ-Ⅰ
带,平面上呈现为向西开口的钟型形态。本文以断层相关褶皱理论为基础,结合地表实测产状和各单井合成记录的约束,得到了四条长地震剖面的解释结果,揭示了交汇区垂向上的结构特征,并运用多滑脱层面积—深度关系理论验证了剖面解释方案的合理性。
夹于志斜核部中、下构造层发育多条北倾逆冲断层,留系滑脱面与嘉陵江组滑脱面之间的多个叠置断块构成了中构造层倾向前陆式双冲构造;②南门场背斜北翼明显较南翼陡,轴面略微南倾,门南1井位于背斜核部,可作为该剖面层位标定井,背斜形成受两条源于下寒武统滑脱层的南倾逆冲断层控制,其中一条断层切穿志留系滑脱层,向上收敛于嘉陵江组滑脱层,并在上盘形成冲起构造和断层转折褶皱;③巴阳背斜位于云安场背斜带西段转折处,表现为轴面略微北倾的斜歪背斜,YY45观测点位于背斜北,翼,地层倾角为1地7°YY16观测点位于背斜南翼,,层倾角为5背斜核部中、下构造层分别发育一条1°北倾逆冲断层,均向上收敛于嘉陵江组滑脱层,并在中构造层形成倾向前陆式双冲构造,从而控制背斜形态;YY08④南部方斗山背斜北翼明显较南翼缓,,观测点位于背斜北翼,地层倾角为1背斜南翼地0°,层倾角约5整体形态主要受背斜核部中构造层0°冲起构造和背斜北翼中、下构造层逆冲推覆断块所控制。从整体来看,剖面表现为复向斜构造样'Ⅰ-Ⅰ
地震剖面3.1 Ⅰ-Ⅰ'
剖面位于交汇带最西段,北起温泉井—马'Ⅰ-Ⅰ
槽坝背斜带西段,南至方斗山背斜带,中间跨越了南,门场背斜和巴阳背斜(图1、图3)全长约86.5km。剖面三个滑脱层分为上、中、下三个具有不同构造样
)式的构造层,上部构造层(不发育断层,主要TlJs-23而中构造沿着嘉陵江组滑脱面发生滑脱褶皱变形,层(和下构造层(断层较多,多PT∈2+3-Of)1-12+3)
发育双冲构造、冲起构造和断层转折褶皱,这些构造控制了上覆塑性岩层的形态,进而控制了区内线性背斜带的形成。剖面由北到南依次穿过4条背斜:两翼地层倾角较①北部温泉井背斜轴面近于直立,
,缓,地层倾角为4背KW17观测点位于背斜南翼,2°
第2期文凯等:川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造几何学和运动学特征294
图2 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区地层柱状图
(资料来自中国石油西南油气田分公司)
Fig
.2 Stratigraphic column of the intersection area ofeastern Sichuan and Dabashan fold-thrust belt(Data arerom
CNPC)式,向斜中心位于巴阳背斜南侧,地层近于水平,向斜南、北两翼地层整体倾角较平缓,北翼发育温泉井背斜、南门场背斜和巴阳背斜等次级背斜褶皱,南翼发育方斗山次级背斜,构造卷入的最新地层为上侏罗统,且无生长地层超覆现象,说明研究区的构造变形活动主要时期是在晚侏罗世之后。
.2 Ⅱ-Ⅱ'
地震剖面Ⅱ-Ⅱ
'剖面揭示的是交汇带中段的构造特征,由北到南依次跨越了温泉井—马槽坝背斜带、云安场背斜带和方斗山背斜带,总长度约81.2km(图1、图)。与Ⅰ-Ⅰ'
剖面相似,剖面被分为三大构造层,上构造层主要发生滑脱褶皱变形,遭受剥蚀最为严重;中、下构造层具有大量的断层活动,构造变形强烈。剖面由北到南共穿过3条背斜:①北部马槽坝背斜,由于测线长度所限,仅刻画了其南翼构造特征,背斜整体表现为复背斜构造样式,在南翼马槽2井位置发育一次级背斜,YY92、YY79观测点分别位于背斜核部和次级背斜南翼,地层倾角分别为46°和
34°
,背斜形成受一条南倾“坡-坪-坡”式大断层所控制,该断层两个断坡处分别发育两个冲起构造,下构造层冲起构造控制着次级背斜形成,此外,下构造层断坡上盘地层倾角明显大于下盘地层,说明上盘褶皱是由早期断层传播褶皱的断层端点向上持续突破进入志留系滑脱层而发育形成;②中部云安场背斜北翼明显陡于南翼,轴面略微南倾,YY04观测点位于背斜北翼,地层倾角为58°,背斜形成受控于一条源于下寒武统滑脱面的南倾逆冲断层,该断层向上消失于嘉陵江组滑脱层,控制着中下构造层向北逆冲推覆,进而控制上构造层隆升变形;③南部方斗山背斜核部地层较缓,表现为轴面直立的箱状背斜形态,上构造层变形受下构造层断层转折褶皱以及中构造层倾向前陆式双冲构造所控制。从整体来看,Ⅱ-Ⅱ'剖面为复向斜结构,向斜中心位于云安场背斜北侧,南翼地层发育有云安场背斜、方斗山背斜两个次级背斜褶皱,北翼地层发育了马槽坝次级背斜,且北翼地层较南翼地层明显更陡。
3.3 Ⅲ-Ⅲ'
地震剖面Ⅲ-Ⅲ
'剖面位于交汇带中部,北起温泉井—马槽坝背斜带东段,穿过云安场背斜带,南至方斗山背斜
带最北段,全长共62.8km(图1、图5)。与前两个剖面相似,背斜核部变形复杂,向斜区域地层平缓,垂向上分为上、中、下三大构造层,上构造层不发育断层,主要发生滑脱褶皱变形;中构造层断层发育较多,构造较复杂,变形最强烈;下构造层发育少量断层,变形最弱。剖面由北到南依次穿过3条背斜:①北侧马槽坝背斜,马槽1井位于背斜南翼,作为剖面层位标定井,背斜南翼变形较为简单,仅下构造层发育一向斜型断层转折褶皱,地层整体倾角较缓,约15°左右;②中部的云安场背斜表现为箱状背斜形态,核部地层平缓,背斜形成受控于一条坡坪式逆冲大断层,该断层始于下寒武统滑脱层,切穿中、下构造层,向上收敛于嘉陵江组滑脱层,与中构造层一条北倾反冲断层合围形成冲起构造,冲起断块在主断层转折端形成背斜型断层转折褶皱,从而控制了背斜的形态;③南侧方斗山背斜北翼地层明显陡于南翼,为一轴面南倾的斜歪背斜,背斜核部中构造层发育背形堆垛式双冲构造,各南倾逆冲断块夹持于嘉陵江组顶板滑脱面与志留系底板滑脱面之间,呈背斜形态堆叠。从整体来看,Ⅲ-Ⅲ
'剖面也呈现为复向斜形态,向斜中心位于云安场背斜北侧,与Ⅱ-Ⅱ'剖面相比,向斜南翼地层倾角明显增大,但依然发育了云安场背斜、方斗山背斜两个次级背斜褶皱,且南翼
f34304
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剖面解释结果图3 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅰ-Ⅰ'
F3 TheinterretationresultsofⅠ-ⅠectionoftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashanfoldrustbeltth'si. -pg
—上侏罗统遂宁组;—中侏罗统上、下沙溪庙组;Jss+Jxx—中侏罗统新田沟组;z—下侏罗统自流井组;xJJJTsj—上三叠统须家河组;322213—中三叠统雷口坡组;lTTPPS—志留系;OTj—下三叠统嘉陵江组;f—下三叠统飞仙关组;2112—上二叠统;1—下二叠统;2+3—中上奥陶统;紫色虚线框表示面积—深度关系讨论区O∈2+3—中上寒武统;1—下奥陶统;
;;;—U—MJrJurassicSuininFormationJddleJurassicShaximiaoFormationJddleJurassicXintianouFormationss+Jxx—Mseii ggpp3222 —M;;;z—LxloeioJwerJurassicZiliuinFormationTrTriassicXuiaheFormationTddleTriassicLeikouoFormationTwer ppjgjpj—Lj—U1321
;T;P;P;S—S;ooTriassicJialinianFormationwerTriassicFeixianuanFormationrPermianwerPermianiluriane pgjggpf—L12—U1—L ;O;∈2+3—M;TOddleandUerOrdovicianwerOrdovicianddleandUerCambrianheurledashedboxstandfortheioi pppppp2+3—M1—Lhrelationshidetdiscussionareaonarea - pp
)图4 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅱ-Ⅱ剖面解释结果(地层单元代号同图3'
F'si.4 TheinterretationresultsofⅡ-ⅡectionoftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashan gp
)rustbelt(thestratirahicunitsarethesametoFiure3thfold -gpg
)图5 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅲ-Ⅲ剖面解释结果(地层单元代号同图3'
'sFi.5 TheinterretationresultsofⅢ-ⅢectionoftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashan gp
)thfoldrustbelt(thestratirahicunitsarethesametoFiure3- gpg
地层呈现出向南阶梯状抬升的特点。地震剖面3.'4 Ⅳ-Ⅳ
剖面位于交汇带最东段,刻画了各背斜带'Ⅳ-Ⅳ
收敛结合部位的特征,剖面北起温泉井—马槽坝背斜带最东段,南至云安场背斜带最东段,中途跨越楼。与其它全长共约3图1、图6)1井小背斜,3.8km(
第2期文凯等:川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造几何学和运动学特征314
)图6 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅳ-Ⅳ剖面解释结果(地层单元代号同图3'
6 TheinterretationresultsofⅣ-ⅣectionoftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashan'sFi. pg
)foldthrustbelt(thestratirahicunitsarethesametoFiure3- gpg
剖面相似,该剖面被分为上、中、下三大构造层,各构造层变形特征大致相同,不同的是上构造层侏罗系被剥蚀殆尽,地表以出露三叠系为主。由于地震测线长度限制,剖面由北到南仅穿过两条背斜:①楼1井背斜,是位于马槽坝背斜与云安场背斜之间的次级背斜,核部地层较缓,呈现为一箱状背斜形态,地WF22和FJ08观测点分别位于背斜北翼和南翼,
,层倾角均为3背斜形态主要由中构造层发育的0°冲起构造所控制;②云安场背斜北翼地层倾角较缓,变形较弱,仅中构造层发育一条南倾逆冲断层,断距较小。从整体来看,剖面虽短,但依旧可见复'Ⅳ-Ⅳ向斜中心位于楼1井次级背斜北向斜结构的影子,
侧,向斜南翼和Ⅲ-Ⅲ剖面相似,呈现为阶梯状递进'
图7 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区巴阳背斜剖面
抬升的特点。
3.5 剖面解释方案验证
在多滑脱层控制的构造变形中,地层的面积—深度关系应呈现出分段性,不同的直线段代表不同构造层,直线斜率代表该构造层的缩短量(Chen,)。本文以Ⅰ-Ⅰ剖面为例,选取Zhuxinetal.2018'
Fi.7 ThesectionofBaananticlineoftheintersection gyg areaofeasternSichuanandDabashanfoldthrustbelt -
并将H和面积S投到直角坐标系中得到二度H,
者关系图。本文依次对4条剖面做了面积—深度关系讨论,统计了四条剖面的构造起伏面积、深度数据(),表1并最终得到了各剖面的面积—深度关系图()。图8
每条剖面面积—深度关系图都表现出三段的分段特征,说明各剖面均可划分为上、中、下三大构造层,且阴影条带分别代表嘉陵江组滑脱面和志留系滑脱面到参考面深度范围,该结果与前面的剖面解
可代表剖面构造变形特征的巴阳背斜为分析对象(),图7首先在整个构造剖面的下部设置一条参考线Hr,分别测量各小层顶面在构造两端近水平位置到参考线Hr的深度H1和H2,然后再测量各小层顶
面的构造起伏面积S,最后计算H1和H2的平均深
324
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释结果基本吻合,从而验证了剖面解释的合理性(图)。此外,根据面积—深度关系图还可看出:四条剖8
面均显示出橙色线段斜率大于其余两条线段,说明4 交汇带运动学特征分析
4.1 运动学特征与缩短量分析
各剖面都是中构造层构造缩短量最大,上、下构造层次之。
表1 四条剖面构造起伏面积、
深度数据表Table 1 The excess area(S)and dep
th(H)of four sections剖面
构造层
层面S(km2)H(km)
J1
18.65 5.47上
T3xj 18.51 5.12T2
l 18.09 4.87T1j 17.60 4.47T1f 13.59 3.67Ⅰ-Ⅰ
'中
P212.73 3.37P111.82 3.00S
11.31 2.80O2+3
8.44 2.20下
O18.28 2.03∈2+37.92 1.70∈17.77 1.30J1
27.73
6.47上
T3xj 27.23 6.07T2
l 26.78 5.72T1j 26.33 5.35T1f 24.85 4.45Ⅱ-Ⅱ
'中
P224.28 4.12P123.10 3.78S
22.22 3.58O2+3
15.49 2.98下
O115.32 2.80∈2+314.81 2.55∈113.78 2.15J1
27.36 6.71上
T3xj 27.06 6.29T2
l 25.94 6.02T1j 24.70 5.58T1f 16.39 4.81Ⅲ-Ⅲ
'中
P214.51
4.52P112.39 4.15S
10.65
3.77O2+3
5.65 2.98下
O15.35 2.77∈2+34.83 2.40∈1
4.30 1.90T3xj
14.83 7.83上
T2
l 14.56 7.55T1j 14.03 7.02T1f 13.48 5.76中
P212.69 5.26Ⅳ-Ⅳ
'P111.62 4.69S
10.90 4.26O2+3
5.39 3.55下
O15.27
3.31∈2+35.03 2.83∈1
4.76
2.21
研究区自早中生代以来经历了多期造山运动的叠加作用,最终形成现今的构造形态。在长期挤压应力环境中,地层必然会通过发生褶皱变形或者形成逆冲断层来吸收其构造活动的位移量,该位移量即通常所说的构造缩短量。因此,本文运用含滑脱层剖面的分层平衡恢复技术对精细解释的四条二维地震剖面进行平衡恢复(Hu Wang
shui et al.,011),并定量分析了各剖面的构造缩短量和构造缩短率。由于研究区变形是受到南、北两个方向多期的挤压,因此平衡恢复时不能像往常一样将钉线设置在剖面的任一末端位置。本文在利用2Dmove进行平衡恢复时,将钉线设置在各剖面复向斜结构的向斜中心处,即整个剖面中变形最弱的地方,并按构造层的划分来进行分层恢复,对各构造层采取先去断距,再通过线长去褶皱法来恢复,而各滑脱层因其塑性变形特征而采用面积守恒原则来恢复,最后再将恢复的各构造层与滑脱层组合到一起,从而完成平衡剖面制作。
Ⅰ-Ⅰ
'剖面恢复显示:上构造层原始长度为2.0km,缩短量为5.5km,缩短率为6.0%;
中构造层原始长度为95.2km,缩短量为8.7km,缩短率为.1%;下构造层原始长度为92
.1km,缩短量为.6km,缩短率为6.1%。所以,该剖面中构造层构造缩短率最大,上、下构造层缩短率次之,且相差不大(图9
)。Ⅱ-Ⅱ
'剖面恢复显示:上构造层原始长度为6.6km,缩短量为5.4km,缩短率为6.2%;
中构造层原始长度为91.2km,缩短量为10.0km,缩短率为11.0%;下构造层原始长度为88.0km,缩短量为.8km,缩短率为7.7%。由此得出,该剖面中构造层构造缩短率最大,下构造层次之,上构造层最小(图10
)。Ⅲ-Ⅲ
'剖面恢复显示:上构造层原始长度为7.1km,缩短量为4.3km,缩短率为6.4%;
中构造层原始长度为71.4km,缩短量为8.6km,缩短率为2.0%;下构造层原始长度为65.8km,
缩短量为.0km,缩短率为4.6%。所以,该剖面中构造层缩短率最大,上构造层次之,下构造层最小(图11
)。Ⅳ-Ⅳ
'剖面恢复显示:上构造层原始长度为5.4km,缩短量为1.6km,缩短率为4.5%;
中构造层原始长度为36.8km,缩短量为3.0km,
缩短率为2995866133第2期文凯等:川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造几何学和运动学特征433
图8 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区四条剖面面积—深度关系图(阴影条带表示滑脱面深度范围)detF8 TheareahrahsoffoursectionsoftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashani.- pgpg
)rustbelt(Shadowstrisindicatethedethraneofdetachmentsurfacesthfold -ppg
)图9 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅰ-Ⅰ剖面平衡恢复(地层单元代号同图3'
F'oi.9 ThebalancesectionrestorationofⅠ-ⅠftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashan g
)rustbelt(thestratirahicunitsarethesametoFiure3thfold -gpg
)图1剖面平衡恢复(地层单元代号同图30 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅱ-Ⅱ'
F'oi.10 ThebalancesectionrestorationofⅡ-ⅡftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashan g
)thrustbelt(thestratirahicunitsarethesametoFiure3fold- gpg
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)图1剖面平衡恢复(地层单元代号同图31 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅲ-Ⅲ'
o11 ThebalancesectionrestorationofⅢ-ⅢftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashan'Fi. g
)foldthrustbelt(thestratirahicunitsarethesametoFiure3- gpg
)图1剖面平衡恢复(地层单元代号同图32 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区Ⅳ-Ⅳ'
F12 ThebalancesectionrestorationofⅣ-ⅣftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashan'oi. g
)rustbelt(thestratirahicunitsarethesametoFiure3foldth -gpg
下构造层原始长度为3缩短量为2%;4.3km,8.
缩短率为1该剖面中构造层构0.5km,.5%。所以,造缩短率最大,上构造层次之,下构造层最小(图)。12
由于研究区的构造活动受多套滑脱层的影响和控制,所以各构造层的变形活动既相互制约又相互促进,从而造成了它们缩短量及缩短率之间的差异。对上述四条剖面不同构造层构造缩短率进行归纳总),结(表2可以发现:①各剖面均表现出中构造层缩
短率明显大于上、下构造层的特点,说明中构造层变形最为强烈;②剖面由西到东大致呈现出缩短率增大的趋势(剖面未切割主要构造单元,可忽'Ⅳ-Ⅳ,略)说明交汇带由西到东挤压变形程度逐渐增强。
分析产生上述结果的原因,本文认为主要有以下两点:上构造层所受①各构造层的空间位置关系:上覆岩层压力最小,在挤压作用下仅沿滑脱面发生褶皱变形,而中构造层受上构造层垂直压力制约,在南北挤压过程中不仅发生褶皱变形,还容易产生脆
第2期文凯等:川东与大巴山褶皱冲断带交汇区构造几何学和运动学特征354
表2 各剖面不同构造层缩短率表
Table 2 The tectonic Shortening
rate of the structural layers剖面
构造层Ⅰ-Ⅰ'Ⅱ-Ⅱ
'Ⅲ-Ⅲ
'Ⅳ-Ⅳ
'上构造层
6.0%
6.2%6.4%4.5%中构造层9.1%11.0%12.0%8.2%下构造层
6.1%
7.7%
4.6%
1.5%
性破裂形成断层,进而形成复杂构造,下构造层由于上覆岩层压力过大,造成褶皱隆升较困难,且断层断距普遍较小。综上所述,由于各构造层位置关系造成中构造层在变形过程中的构造缩短率最大。②N方向挤压应力由东到西的变化:
交汇带是在大巴山造山带向SW逆冲推覆和雪峰山造山带向NW逆冲推覆作用下发生由东到西剪刀式闭合形成的,由于受各自早期形成背斜带的阻挡作用,其SW向、向推覆应力越靠近弧形冲断带前端,
其强度越弱,因此它们各自在南、北两个方向上的分力由东到西也是逐渐减弱的,所以交汇带南北方向挤压应力由西到东逐渐增强,从而导致了各构造层构造缩短率由西到东逐渐增大。
.2 构造变形阶段分析
近年来,国内许多学者采用低温热年代学方法对川东北地区的构造隆升变形时间进行了精确厘定,基本上认为中生代以来川东北地区的主要构造变形时间在125~70Ma和20Ma至今两个阶段,即白垩纪和喜山晚期。本文结合区内不整合面、断层切割关系以及构造层序等因素分析,将研究区中生代以来的构造活动分为三个阶段,分别是晚三叠世初到晚侏罗世末稳定沉积阶段、早白垩世到古近纪早期对冲变形阶段、古近纪晚期至今定型阶段,并以
Ⅱ-Ⅱ
'剖面为代表,运用2Dmove软件模拟了研究区构造运动学过程(图13
)。第一阶段,晚三叠世初到晚侏罗世末,研究区主要表现为稳定的陆相沉积阶段,沉积了上三叠统须家河组与侏罗系大套砂泥岩地层。晚三叠世初,勉略洋盆关闭之后,扬子板块沿勉略缝合带持续向北缓慢俯冲,研究区随着扬子板块整体向北运移,但由于该区在逆冲推覆作用下的递进变形特点,在该阶段变形并未传递至研究区,因此没有发生明显的收缩变形,主要以陆相沉积为主。钻井资料显示,须家河组与雷口坡组之间的不整合面将区内地层分为上部陆相沉积地层和下部海相沉积地层,说明研究区在中三叠世经历了海退过程,地层抬升进入前陆盆地发育阶段。此外,地震剖面解释结果显示,各构造
层地层厚度在区内变化不大,且构造卷入最新地层为上侏罗统,同时无生长地层超覆现象,说明研究区在晚侏罗世之前主要处于稳定沉积阶段。
第二阶段,早白垩世到古近纪早期,研究区主要表现为由北向南与由南向北的对冲变形阶段。早白垩世初,受太平洋板块向西俯冲的影响,华北板块向SW方向逆冲推覆,
造成研究区北部马槽坝背斜带地区率先抬升,随后扬子板块持续向北俯冲,研究区南部方斗山背斜带与云安场背斜带也相继发生逆冲抬升。到早白垩世末,马槽坝背斜带与方斗山背斜带地区地层抬升明显,而云安场背斜带地层抬升幅度稍弱,且各背斜带核部地区上侏罗统几乎被剥蚀殆尽。进入晚白垩世,研究区在受到由北向南、由南向北的双向逆冲作用下,中、下构造层开始发育一系列逆冲断层,三套滑脱层在各背斜带核部也出现增厚现象,到古近纪早期,北部马槽坝背斜带与南部方斗山背斜带中、下构造层分别形成了多条北倾和南倾的逆冲断层,且所有断层均始于所在构造层的底部滑脱层,止于顶部滑脱层,同时,中部云安场背斜带中构造层也发育了一条北倾逆断层。研究区在这种对冲作用下,到该阶段末期,复向斜结构的雏形已基本形成。
第三阶段,古近纪晚期至今,是研究区定型阶段。古近纪末,印度板块向北拼接到欧亚大陆,在其远程效应的影响下,研究区再次受到由南向北的强烈挤压应力,导致区内进一步发育了大量的南倾逆冲断层,同时在大巴山由北向南挤压应力的联合作用下,三大背斜带地区地层发生快速的褶皱抬升变形,在各背斜带核部中、下构造层形成了大量的双冲构造、冲起构造以及断层转折褶皱等地质构造。随着抬升幅度增加,各背斜带核部地区侏罗系被大量剥蚀,出露三叠系海相碳酸盐岩,并最终定型。
结论
(1
)交汇区在南北方向上显示为大型的复向斜结构,垂向上被区内下三叠统嘉陵江组膏盐层、志留系泥页岩层和下寒武统泥页岩层三套滑脱层分为上、中、下三大构造层,上构造层主要发生滑脱褶皱变形,中、下构造层发育断层较多,主要发育双冲构造、冲起构造以及断层转折褶皱。
(2)研究区中构造层构造变形最为强烈,构造缩短率达10%,上、下构造层构造缩短率较小,均为6%左右,且各构造层缩短率由西到东呈现出逐渐增大的趋势。
SNW45364
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图13 川东与大巴山褶皱冲断带交汇区研究区构造运动学过程
thFi.13 ThetectonickinematicsrocessoftheintersectionareaofeasternSichuanandDabashanfoldrustbelt- gp
()中生代以来,研究区的构造演化过程分为三3
个阶段:晚三叠世到晚侏罗世稳定沉积阶段、早白垩世到古近纪早期对冲变形阶段、古近纪晚期至今定型阶段。
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rustbeltthSichuanandtheDabashanfold -
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,WEN KaiLIChuanxin
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)oauchli6coCX.Lirresondinthor:uanxin_3.m(@1*Cpg
stractAb
TheintersectionareaofeasternSichuanandtheDabashanfoldthrustbeltislocatedinthe -
,caobaanticlinebelttheYunanchannortheasternSichuanBasinandiscomosedoftheWenuanina -MgpqjganticlinebeltandtheFandoushananticlinebelt.Theformationandevolutionoftheintersectionareais g
,controlledbtheeasternSichuanstructuralbeltandtheDabashanstructuralbelt.Thereforethisstudis yy relevantforunderstandinthecollisionbetweentheSouthChinalateandtheNorthChinalateandits gpp
,d,,subseuentevolution.Basedonfieldinvestiationsrillindataloincurvesand2Dseismicdata qggggg ,uidedbfaultrelatedfoldintheorthisaerrevealstheeometricfeaturesoftheintersectionarea gygyppg withfourseismicrofileswhichwerereciselinterretedtoreconstructthetectonickinematicsrocessof ppypp
:(thestudareabusin2Dmovesoftware.Thisaerconcludesthat1)theintersectionareashowsa yygpp iantsnclinoriumstructureinthesouthrthdirectionandcanbedividedintothreeverticalstructuralno -gy
;,laersbthreedetachmentlaersthesum-ltbedofLowerTriassicJialinianformationthesa yyygypgjg ,amudstoneandshaleoftheSilurianndthemudstoneandshaleoftheLowerCambrian.Theuer pp
,wstructurallaermainloccursasdecollementhereastherearemanfaultsinthemiddleandlower yyy ,structurallaerswheredulexstructuresoructuresandfaultndfoldsdeveloed.(2)Intheustbe --yppppp
,,wstudareathedeformationofthemiddlestructurallaeristhestronestithastructuralshortenin yygg rateof10%;theshorteninratesofabout6%intheuerandlowerstructurallaersarerelativelsmall. gppyy ,Alsotheshorteninrateofeachstructurallaerraduallincreasesfrom westtoeast.(3)Sincethe gygy ,:areahasbeendividedintothreestaesstablesedimentarstaefromMesozoictheevolutionofthestud gygy
,othelateTriassictothelateJurassicositethrustinstaefromtheearlCretaceoustotheearl ppggyy ,PaleoeneandtheshainstaefromthelatePaleoenetotheresent. gpgggp
:;D;;g;k;mKewordseasternSichuanbasinabashantheintersectionareaeometrinematicsulti -yy
detachmentdeformation
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