南秦岭造山带碰撞裂谷盆地群的形成及其演化

南秦岭造山带碰撞裂谷盆地群的形成及其演化

秦岭-大别造山带是一个复合造山带，是华北板块与华南板块相互作用的产物。长期以来,南秦岭与扬子地块的碰撞时间以及二者之间构造耦合过程和地质记录一直是大地构造学家和盆地构造分析学者关注的重大科学问题。同时,这一过程形成的盆地沉积层序成为近年来油气勘探重要的聚集单元,导致南秦岭造山带与扬子地块两大构造单元在古-中生代之间的构造与沉积过程为石油界所瞩目。大地构造属性上,南秦岭被普遍认为是扬子地块的一部分,中-晚泥盆世扩张分裂,晚二叠世开始汇聚、俯冲,中-晚三叠世因为陆-陆碰撞重新与扬子地块聚合,二者之间为重要的古板块缝合带———勉略构造带(李亚林等,2001;裴先治等,2002;李三忠等,2003;张国伟等,2004)。近年来,其他研究学者提出南秦岭是由岛弧增生杂岩带、弧前盆地系、弧后盆地系和弧后陆坡带等不同大地构造相组成的晚古生代增生造山带,经受了早中生代弧陆碰撞造山作用的改造(闫全人等,2007;闫臻等,2007;王宗起等,2009a,b)。关于南秦岭与扬子地块最终的拼合时间,也就是南秦岭洋的形成和消亡时间存在争议,大致有晚二叠世末期到早中生代碰撞造山(YinandNie,1993)、晚三叠世碰撞闭合(MengandZhang,1999;张国伟等,2003)等观点。需要指出的是,华北、华南板块的碰撞具有自东向西的穿时过程(YinandNie,1993;张国伟等,2003;Liuetal.,2001,2005),会导致不同位置碰撞造山作用的起始时代不同(李继亮和孙枢,1999)。晚古生代-中生代期间上扬子地块北缘发生了一些重要的地质事件,如勉略有限大洋的逐渐关闭、扬子北缘相关深水盆地的形成和中-晚三叠世海陆沉积体系的转换等等。一些学者对于这些深水盆地的形成机制和分布特点进行了讨论(杨雨和文应初,2002;魏国齐等,2004,2006;王一刚等,2006a,b,2009;马永生等,2006a;Maetal.,2007;沈中延等,2010);Liuetal.(2001,2005)对于后期的盆地演化进行了分析和盆地性质的厘定;有成果认为扬子地块北缘具有统一大地构造背景控制的盆地群分布(浙江大学地球科学系,2007(1));在四川盆地北部米仓山地区下三叠统内部(奥伦尼阶)发现了局部控制沉积的角度不整合面,并认为是南秦岭造山带和上扬子地块早期发生碰撞的地层记录(沈中延等,2010);扬子地区在晚三叠世须家河组时期陆相沉积层序的出现代表了残余洋盆的最终关闭。整体来看,前人对于本区的研究较为零散,不同学者的工作分别针对于单个的或不同的构造单元,而关于各构造单元之间的时空转化以及内在联系鲜有综合研究工作开展。诸多重要地质问题需要进一步深入探讨,如两个不同的大地构造单元之间碰撞造山是如何控制扬子地块内部盆地系统的?如何表征碰撞期的盆地和造山带?大巴山和米苍山冲断系统是何时形成的?须家河组开始的陆相碎屑岩系代表前陆盆地的哪一阶段?后期改造阶段的特征和识别等等。因此,本文在综合研究的基础上,对南秦岭与扬子地块的构造耦合过程进行了讨论,提出了本区晚中生代-古生代具有内在联系的、合理的盆山演化和控制模型,以飨同侪,希冀评鉴。1上重要的陆内盆地在大地构造上,勉略缝合带是划分南秦岭造山带和扬子地块的重要界线,四川盆地作为扬子地块上重要的陆内盆地部分,除了志留纪在川西、泥盆纪和石炭纪在上扬子处于隆升剥蚀以外,大多数地质历史中均接受了稳定的克拉通盆地型的沉积(浙江大学地球科学系,2009(1))。另外,大巴山冲断褶皱带、米仓山隆起和龙门山冲断褶皱带的基底属性也同属扬子地块部分(图1)。1.1造山带基底结构南秦岭的大地构造属性是有争议的,主要集中在克拉通基底(赖绍聪等,2003;张国伟等,2003,2004)或者是造山带(被改造的增生杂岩)基底(王宗起等,2002;闫臻等,2007;王宗起等,2009a,b)的讨论方面。南秦岭的南侧可能分布有扬子地块的被动陆缘基底,考虑到南秦岭晚古生代为增生造山带的大地构造相组成和后期所经历的碰撞造山改造作用等最新成果的发表(王宗起等,2002,2009a;闫全人等,2002),本文将南秦岭暂时确定为造山带。1.2大巴山多期构造活动的认识大巴山冲断褶皱带平面上由北大巴山冲断构造带和南大巴山冲断褶皱带组成,两个构造带的分界为城口-房县断裂(有人称之为城口-钟宝断裂),断裂的北侧为北大巴山,南侧为南大巴山。北大巴山被认为是南秦岭造山带和上扬子地块之间的拼合带(何建坤和卢华复,1999)。南大巴山在平面上成为一个弧形构造,又称之为巴山弧。巴山弧由一系列紧闭的线性褶皱构成(李智武等,2006;张岳桥等,2010)。沈传波等(2007,2008)、李瑞保等(2010)对川东北中生界进行碎屑锆石U-Pb年代学以及磷灰石裂变径迹研究后指出:大巴山晚古生代-新生代具有多期构造活动的特征。最近的地球物理和地面调查也在大巴山冲断褶皱带深部和沉积层序中发现了早中生代的构造活动记录(董有浦等,2011)。这些研究成果对于本区的深入研究有重要的参考意义。1.3米仓山构造演化和隆升的走向米仓山隆起带实际上是一个大型的基底卷入的褶皱构造,南北两侧的层序反映出一个大型断层传播褶皱的形态。细节上,米仓山由一系列东西走向和北东走向的褶皱组成,表现为复合的叠加构造特征(浙江大学地球科学系,2006(2))。主背斜大致为东西走向,包括其中的褶皱构造和断裂系统,如大两会背斜、燕子峡背斜和米仓山北侧的大竹坝向斜,米仓山的南部发育了一系列总体成北东走向与龙门山构造体系的走向大致接近的褶皱带,如九龙山背斜、板桥-苍溪向斜,仁和背斜等等。东西向褶皱和北东向褶皱的相互叠加可能反映了不同时期构造线的方向(沈中延,2009)。最近的研究发现,南秦岭造山带和扬子地块的初始碰撞时间可以追溯到晚二叠世(毛黎光等,2011;吴磊等,2011),米仓山保存隆升的记录为早三叠世奥伦尼(约249.7~245.0Ma)(沈中延等,2010)。磷灰石裂变径迹和古地磁等证据则表明米仓山真正大规模的隆升发生在中生代晚期的早白垩世,并且具有前展式冲断隆升的特点,后期经历了多次隆升过程(雷永良等,2009;沈中延,2009;常远等,2010)。1.4最大位移带川东冲断褶皱带环绕在四川盆地的东缘。平面上最显著的特点是呈向西凸出的弧形构造形态。弧形带产生的原因有两点,一是来自于东南侧(雪峰山)的向西冲断作用所致,弧形带的顶部为冲断活动的最大位移带(Yanetal.,2003;LiandLi.,2007);二是川东构造带的东西两侧均受限于不同的边界条件,东侧大巴山弧形带在一定程度上限制了川东带的活动性,导致其为近于东西走向的紧闭背斜带。西侧受到位于泸州、綦江以南的川南、黔北东西走向褶皱带的影响而成为近于南北走向的帚状发散式背斜带。从构造控制的关系分析,川东冲断褶皱带发育的时间晚于大巴山冲断褶皱带(董有浦等,2011),磷灰石裂变径迹模拟研究指出,川东褶皱带从97Ma开始持续抬升剥蚀,这一过程向西扩展,并且一直持续到新生代晚期(袁玉松等,2010)。2扬子地块北缘的中生代裂谷系统2.1裂谷盆地时空目前的研究发现,扬子地块北缘晚古生代-早中生代形成了一系列的裂谷系统(毛黎光等,2011),即前人讨论的“海槽”或者“陆棚”环境(杨雨和文应初,2002;魏国齐等,2006;王一刚等,2006a,b;马永生等,2006b;Maetal.,2007)。已发现并证实的有开江-梁平裂谷、城口-鄂西裂谷,东部当阳一带可能也属于裂谷环境(浙江大学地球科学系,2005(1))。裂谷盆地的时空展布特点为:裂谷盆地的形成时代均为晚二叠世-早三叠世,走向均为北北西向,向北开口向南部收敛并逐渐消失。裂谷盆地与勉略缝合带走向成大角度相交,但彼此间则近于平行。本文将其厘定为与南秦岭洋闭合同期弧-陆碰撞(王宗起等,2009a)所形成的碰撞裂谷系统,它们共同组成了一系列具有内在联系的发育于扬子块北缘的裂谷系统。2.2城口-鄂西裂谷盆地扬子地块北缘发育的裂谷最早可以追溯到早二叠世,这时的古地理格局和岩相展布特点为:西部的为上二叠统宣威组、龙潭组的陆相和海陆过渡相的煤系地层,覆盖在玄武岩楔形体分布范围之上。川东一带为吴家坪组碳酸盐岩,该岩相一直延伸到湖北和皖南地区。在早二叠世岩相古地理特征图上(图2),南秦岭造山带为陆棚-深水陆棚相沉积区。在开阔海台地的背景上发育了城口-鄂西和荆门-当阳2个深水盆地,盆地内部主要为稳定的深水沉积,盆地周缘局部发育有生物碎屑滩的高能沉积体。晚二叠世扬子地块西侧最重要的岩相古地理标志是在浅海台地的背景上形成了拉张的开江-梁平裂谷盆地,其西侧的松潘-甘孜地区仍为深海盆地或深海平原。同时,城口-鄂西裂谷盆地持续发育,向南可能延伸到湖南,跨越了整个川东-鄂西地区(图3)。盆地内部为典型的深海、次深海浊流沉积。米仓山东端的两河口地区飞仙关组一段发育的是浅海鲕状灰岩,说明裂谷盆地的东界位于两河口与南江之间。裂谷的西界大致位于广元西侧(裂谷的东西边界位置对应于现今米仓山背斜的两侧),在广元下寺可见到陆棚斜坡相的重力滑塌构造。早三叠世印度期(Induan)海盆面貌基本上继承了晚二叠世盆地格局的特点。飞仙关组在川北地区厚度一般在400~800m,自西向东厚度有增大的趋势,最厚达1000m。开江-梁平裂谷依然存在,其中在开江-巴中-旺仓一带厚度较大,一般为600~800m。裂谷盆地内的飞仙关组厚度明显较邻区大,在巫溪-恩施-当阳一带厚度可达500m以上,为盆地相沉积(图4)。开江-梁平裂谷的东西两侧和城口-鄂西裂谷的西侧均形成了带状的台地边缘鲕滩,成为今天油气勘探的最重要的储层(杨雨和文应初,2002;马永生等,2005;王一刚等,2009;魏国齐等,2009)。城口-鄂西裂谷形成大范围的沉降区,西自川东,东到武汉,南至湖南,东西跨度超过300km。这一过程可能反映了裂谷盆地后期的岩石圈热沉降的结果,是裂谷演化的后续阶段。扬子地块北缘裂谷盆地的发育时间一直持续到下三叠统飞仙关组沉积的中期。到下三叠统嘉陵江组时,扬子地块北缘统一为局限海-开阔海台地相的大型克拉通盆地(图5)。2.3裂谷系统的发育总结起来,扬子地块中生代的裂谷系统的发育具有时空演化的规律性,显然其形成是受到区域构造背景的控制。裂谷系统的平面展布为北北西向,与南秦岭造山带的走向近于垂直,裂谷的开口向北呈喇叭状,开江-梁平裂谷的北侧开口对应着米仓山、佛坪前寒武纪基底出露的隆起,城口-鄂西裂谷的北侧开口对应着神农架、黄陵、武当前寒武纪基底出露的隆起(图1)。显然,这些重要的地体形成与裂谷系统的发育有着内在的联系。裂谷系统的形成时间自东向西,由老而新,城口-鄂西和荆门-当阳裂谷开始与早二叠世,开江-梁平裂谷开始于晚二叠世,裂谷的发育显然具有由东向西扩展的规律,晚期的城口-鄂西裂谷发展成为大型坳陷盆地。这些裂谷系统在早三叠世的晚期消亡,裂谷发育的持续时间约为5Ma。裂谷系统控制了扬子地块北缘的沉积环境和岩相分布,同时也控制了现今石油勘探的区域和目标。3南秦时的碰撞大巴山和米仓山晚古生代-早中生代的构造活动记录有可能反映南秦岭洋关闭的最早时间,前人大致从2个方面研究这一重要碰撞期的时代下限:一是南秦岭造山带火成岩的同位素定年结果,其关键是对于火成岩大地构造环境的判释和对同位素定年数据地质意义的解读;另一方面来自于扬子地块北缘沉积体系的约束。勉略构造带三岔子古岩浆弧的岩浆锆石U-Pb年龄为300±61Ma(李曙光等,2003),可作为碰撞事件的下限。西秦岭最老的印支期花岗岩年龄为245±6Ma(金维浚等,2005)。据此推测,南秦岭造山带与扬子地块在川北地区于约245~240Ma前就已发生碰撞。有学者把上三叠统须家河组陆相碎屑岩的沉积时代作为碰撞的开始时间,显然,这一时间较为滞后。本文对于大巴山和米仓山地区的研究认为这一时间可能早于早三叠世。3.1区域内冲断层叠加形成构造的构造格架研究证实,在冲断带的南部前缘地区存在着尚未被改造的古冲断带的残余(浙江大学地球科学系,2004(1))。主要表现在大巴山早期古冲断带的活动造成古背斜的剥蚀,导致隆起顶部的地层厚度变化。在川东构造带内部也发现了古大巴山构造的前缘冲断层,这些冲断层的叠加形成的褶皱构造与现今川东构造带的构造具有不协调性。地球物理资料揭示大巴山的浅层和深层具有不同的构造走向,暗示了浅层的构造线为新构造,深部的构造线为古大巴山构造线的残余。同时,横穿大巴山冲断带的几条平衡剖面也显示:在中三叠统沉积以前,存在着早期地层的冲断和剥蚀作用(董有浦等,2011)。3.2叠统内部的区域不整合面近年来,通过对米仓山地区的下三叠统碎屑岩的分布范围、岩性及沉积相特征分析,以及在米仓山地区完成的反射地震探测,均识别出下三叠统内部的嘉陵江组二段发育的一个区域不整合面,并认为在早三叠世奥伦尼期(约249.7~245.0Ma)米仓山地区就发生了强烈的冲断褶皱作用,冲断带前锋已经到达今天米仓山前陆冲断带的前锋位置,并且其构造走向与勉略缝合带一样均为东西向,所以认为这次构造事件跟秦岭碰撞造山作用有关,是南秦岭造山带和扬子地块碰撞的最早时间记录(沈中延,2009;沈中延等,2010)。3.3晚侏罗世晚期是大巴山冲断带的低幅度活动期地面地质调查发现,大巴山地区上侏罗统有大面积的剥蚀现象。在通江一带的上侏罗统蓬莱镇组(J3p)和下白垩统为苍溪组(K1c)之间存在着一个低角度的不整合接触关系。通江县的邹家坝收费站剖面也反映出上侏罗统经历了不同程度的剥蚀作用。另外,在沙河剖面也可以见到这种角度不整合以及下白垩统超覆于上侏罗统之上的现象。这些均说明晚侏罗世晚期是大巴山冲断带的低幅度活动期。大巴山地区缺失上白垩统,下白垩统主要为河流湖泊沉积形成的碎屑岩,泥质岩夹砂砾岩。在通江县北东的毛浴镇发现下白垩统苍溪组(K1c)和白龙组(K1b)间存在着明显的平行不整合接触关系,南江沙河收费站附近2套地层同样呈明显的角度不整合关系,苍溪组顶部被白龙组大角度削截。另外,大巴山地区的区域地球物理大剖面上也可以发现下白垩统内部的角度不整合接触关系(董有浦等,2011)。说明早白垩世是大巴山冲断带的主要改造期。磷灰石裂变径迹研究证实了米仓山和川东构造带新生代晚期具有强烈隆升的特点(雷永良等,2009;袁玉松等,2010),隆升的实质是后期的前陆冲断和推覆活动的反映。4成岩与构造耦合过程根据上述的南秦岭造山带和扬子地块晚古生代以来的重要地质事件分析,本文提出了一个二者构造耦合的过程和控制作用的模型,试图为不同地质事件的形成机制和分布规律提供一个清晰的演化轨迹。图6是2个大地构造单元构造耦合过程的示意图,这一过程大致经历了5个重要的阶段:(1)南秦子海带与东南角区域分离该阶段处于南秦岭造山带与扬子地块的碰撞之前,此时二者之间的南秦岭洋(勉略洋)处于收缩期,大洋逐渐变窄,但尚未关闭,南秦岭造山带与扬子地块仍处于分离状态(图6a)。(2)南秦末山带东缘裂谷群形成阶段南秦岭造山带与扬子地块北缘之间的南秦岭洋关闭不是等时的,首先会在其中的某些板块突出的部位产生接触,我们称之为点碰撞。南秦岭洋由东向西的关闭导致点碰撞在不同部位具有一定的时差。东部为早二叠世,西部为晚二叠世(长兴组沉积的晚期)-早三叠世(飞仙关组沉积的早期)。因为南秦岭造山带与扬子地块北缘的一些部位首先发生点接触碰撞,导致了持续5~6Ma的扬子地块北缘裂谷群开始形成(图6b)。这一阶段多是在水下完成的,由此在大巴山和米仓山地区