燕山造山带构造变形型式再识

燕山造山带构造变形型式再识

翁文浩（1929）自写下“燕山运动”以来，已经经历了近80年的国内外科学家的探索。它在中国地质史上的现实存在和重要影响中得到了充分证实。近年来,在燕山运动的命名地-燕山地区,发生于侏罗-白垩纪的复杂构造形迹正引起构造地质研究者的极大关注[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。纵览近十年来研究燕山带构造的学术文献,当前对燕山地区构造变形特征的主流看法[2,3,4,12,16,17,18,19,20]是:(1)以太古宙基底卷入挤压断层的厚皮构造为主,(2)大部分逆冲断层向下插入老基底,从而限制了其在水平方向的位移量,(3)在造山带演化过程中块断作用和垂直运动占主导地位,(4)燕山带逆冲断层的推覆距离基本在数千米以内,因此该带中生代挤压变形量不大,只有10～30%。然而,基于对燕山带若干主要构造形迹的观察和研究,Davis、郑亚东及其合作者鲜明地指出:国内现有地质图件在显示燕山地区主要构造特征方面是不成功的,上述对燕山带中生代构造变形特征的主流看法值得商榷。本文作者近年在燕山带的研究,已初步证实Davis等(1998a)识别出的褶皱的承德推覆体的客观存在,同时在盖层岩系中发现了大量的逆冲构造形迹,以及逆冲岩片内的透入性应变和连续褶皱。我们认为,燕山造山带构造型式以薄皮推覆构造的极度发育为主要特征,推覆断层和逆冲岩片所经历的后期褶皱作用使得构造形迹更趋于复杂,而早白垩世变质核杂岩的发育以及后期抬升剥蚀作用,导致不同构造系统的地质体现今在地表并置的空间分布格局。令人遗憾的是,Davis、郑亚东等和我们所发现的众多构造形迹在20世纪80～90年代以来发表的基础地质调查图件中大多未见其踪。因此,一个尖锐的问题就摆在燕山构造的研究者面前:国内现有基础地质图件是否真实反映了燕山带的实际地质构造形迹,能否依据现有地质图件对燕山带构造特征得出较为符合客观实际的认识。本文简要报道作者近年来对燕山若干区域进行地质构造填图的初步结果,以期抛砖引玉,进一步引起广大地质界同仁对燕山带地质研究及相关问题的关注和参与讨论,不当之处敬请批评指正。1基本地质调查图件的内容在燕山地区,北京市及其周边地区的地质研究程度可以说是最高的。北京市山区绝大多数地区已被20世纪50～60年代和70～90年代的2轮1∶5万区域地质调查所覆盖。与北京市相邻的河北省、天津市基岩出露区自20世纪70年代以来也开展了1∶5万区域地质调查。但近年来本文作者在燕山地区的科研工作中发现,现有各类比例尺的基础地质调查图件并未能全面反映燕山地区的实际地质构造特征。因此,我们在燕山地区中、新元古界和中生代火山-沉积岩系发育区,自南东向北西,选择多个区域开展了地质构造填图工作,发现了燕山复杂构造变形型式的若干新证据,现举3例展示如下(图1)。1.1区域地质及构造环境常州沟-团山子-杨庄一带位于天津市蓟县中、新元古界地质剖面保护区北部,由北而南依次出露太古宙片麻岩、长城系常州沟组、串岭沟组、团山子组、大红峪组、高于庄组和蓟县系杨庄组、雾迷山组。传统上一直认为该地区地质构造简单,长城系、蓟县系地层连续,存在长城系底部常州沟组与下伏太古宙片麻岩之间的不整合接触界线。在1∶20万兴隆幅-宝坻幅(北部)地质图和1∶5万黄崖关幅、蓟县幅等10幅联测地质图中(图2),该地区基本表现为单斜构造,主要的构造形迹仅有杨庄以东的一条近走向断层、在常州村以东地段的几条逆断层、团山子一带的几条小断层和团山子组的局部地层倒转(图2)。近年来基于目前已有区域地质调查资料,先后编制的1∶50万河北省北京市天津市地质图和《中国地质图集》中的天津市地质图,均显示这一地区断裂及褶皱并不复杂。本文作者对该地区的最新填图成果(图3)却显示,在常州沟-团山子-杨庄一带地质构造极为复杂,褶皱及断裂构造均极为发育。我们的观察表明,在常州村长城系常州沟组变含砾石英砂岩与太古宙片麻岩之间为断层接触(图3中F2),具体表现为二者间存在一宽5～10m的糜棱岩带,其上部以含砾石英砂岩为主要成分,下部以片麻岩为主要成分,糜棱面理与上覆变石英砂岩的层理小角度交切,而与下伏太古宙片麻岩的片麻理大角度相交;区域上该断层从常州村西北蜿蜒延伸至梨木台以北、以东。在F2断层南西侧,F4断层表现为常州沟组压覆在一套由长城系常州沟组、串岭沟组和团山子组组成的复杂褶皱-冲断系统之上(例如,黄乜子-梨木台一线)。在常州村西可见F3断层所围限的常州沟组组成的飞来峰。在青山岭到船舱峪一带,可以观察到F5断层所围限的常州沟组和串岭沟组岩系逆掩于常州沟组和串岭沟组之上的现象,其中上覆构造岩片中常州沟组和串岭沟组发育轴向近南北-北北东的连续褶皱,而下伏岩片发育轴向北西西的连续褶皱。在串岭沟村附近和船舱峪以北发育团山子组组成的飞来峰(F6),压盖于F5断层上盘之上。在下营、团山子到石头营一线以南发育众多近走向断层及挤压破碎带,地层中同斜紧闭褶皱和同斜倒转褶皱发育。虽然要阐明常州村-团山子-杨庄一带各构造形迹之间的关系,还需要做深入的工作;但该地区复杂构造变形导致长城系的重复和缺失则是基本地质事实。1.2区域地质构造背景丰台顶地区位于北京市东部,密云县城以南约8km处(图1)。该地主要出露太古代片麻岩中、新元古界高于庄组、雾迷山组碳酸盐岩和白垩纪东岭台组火山岩地层。河北省地质矿产局编制的1∶50万河北省北京市天津市地质图,根据20世纪60年代的第1轮1∶5万区域地质调查成果,将该地的东岭台组火山岩圈定为潜火山岩体,归入燕山中期,产状及岩性为次粗面岩-次石英粗面岩。鲍亦冈等(2001年)依据20世纪90年代第2轮1∶5万区域地质调查成果,在其专著《北京地质百年研究-北京地区基础地质研究的历史与最新成果》所附1∶25万北京市地质图中,将其归入中、酸性潜火山岩(图4)。2002年编制的《中国地质图集》中的北京市地质图,亦将其归入晚侏罗世潜火山岩。因此,该地区地质图面上的构造显得非常简单(图4)。本文作者近年填图结果(图5)表明,前人在丰台顶一带所划定的潜火山岩实为一套酸性火山岩,岩性组合为流纹岩-角砾流纹岩-球粒流纹岩-流纹质熔结角砾岩-流纹质熔结角砾凝灰岩-凝灰质复成分角砾岩等,其层位可对比为早白垩世东岭台组(张家口组)。它们与太古代片麻岩和长城系高于庄组、蓟县系雾迷山组碳酸盐岩等,共同卷入了复杂逆掩推覆体系(图5,6)。根据图5和图6,丰台顶一带的构造形迹主表现为由早白垩世东岭台组火山岩和长城系高于庄组碳酸盐岩组成的多个逆掩岩片的叠置。其从深至浅依次是:F6断层下的东岭台组火山岩岩片,F5和F6围限的高于庄组碳酸盐岩岩片,F2断层之下的高于庄组岩片,F2和F3围限的东岭台组岩片,F3和F4围限的高于庄组岩片,F4断层之上的东岭台组岩片(图6剖面主要表现了上部4个推覆岩片)。其中F6断层下的火山岩岩片以及F5和F6围限的碳酸盐岩岩片内部岩石脆-韧性透入变形强烈,变质程度至少达绿片岩相。在F2断层之下的高于庄组碳酸盐岩岩片,其内部发育同斜、等斜褶皱,原生层理已被糜棱面理置换。值得注意的是,这些逆掩断层又经历了后期的褶皱变形。从图6剖面可以清楚地看出上部F3和F4断层面的褶皱形态;而出露于图5东北部的F5断层的南翼已经倒转,形成倾角陡立的同斜褶皱状。在丰台顶一带的东南部,这套复杂的复杂逆掩推覆体系又被蓟县系雾迷山组组成的推覆岩片所逆掩,而在北西部则被太古代片麻岩推覆压盖其上。因此丰台顶一带的基本地质构造格局与现有的地质图之间存在显著差异。关于丰台顶地区详细的地质构造描述请见姬广义和汪洋(2004)。1.3充填岩片构造形迹河口-石槽一带地处北京市延庆县东北部(图1),位于下德隆湾国家地质公园以南。该地出露长城系高于庄组,蓟县系杨庄组、雾迷山组、洪水庄组、铁岭组,以及下侏罗统窑坡组和上侏罗统后城组。在鲍亦冈等(2001)编制的1∶25万北京市地质图中,虽然也填绘出若干中、新元古界与中生代后城组之间的逆断层,以及河口-九里梁之间后城组内部的褶皱,但整体构造型式仍表现得比较简单(图7)。其中最突出的一点是,河口-九里梁之间后城组总体表现为南东侧不整合于雾迷山组之上、北西侧被中、新元古界所逆掩的型式(图7)。然而本文作者的近期填图结果显示,河口-石槽一带地质构造也十分复杂(图8)。我们经过详细填图取得的相关证据显示,现有的主流地质图件在该地区的主要错误在于将不少断层填绘成不整合界线,从而掩盖了当地复杂的地质构造形迹。例如,九里梁南西侧1∶25万地质图表示的后城组与其南东侧雾迷山组之间的不整合界线实际是断层,其与九里梁南侧的逆断层是一条断层(图8的F4),九里梁南部的雾迷山组岩片实际是一个大型飞来峰。而从营盘、九里梁以东到石槽、猴顶以北,1∶25万地质图(图7)所表示的后城组和雾迷山组之间的不整合界线也是断层(图8的F6西支)。因此,F6断层与F4断层是分隔河口-九里梁-营盘一带以后城组为主的褶皱构造系统和压覆于其上的中、新元古界逆掩岩片的推覆断层在地表的出露迹线。我们的填图结果表明,F6断层在石槽到1406.7高地以西一线又被F7断层所压覆(图8),F7断层东南侧的大片中、新元古界出露区的构造型式远较1∶25万地质图(图7)复杂。在图8西北部,F3断层上盘中、新元古界内部构造也还发育有1∶25万地质图未填绘出的断层。然而,最令我们所意想不到的结果是,在河口-九里梁一线出露的后城组内部的构造也十分复杂。其中图8的F5断层表现为后城组与后城组之间的逆掩压盖关系;而在河口到石槽之间的一小块蓟县系雾迷山组分布区内部,我们发现了由后城组和下寒武统碳酸盐岩构造岩片所形成的构造窗,这2个岩片与压覆其上的由雾迷山组、窑坡组和后城组所组成的逆掩岩片一起褶皱,形成背形形态(图8)。总体来看,河口-石槽一带初步可分出由中、新元古界组成的上部构造系统和以后城组为主的下部构造系统。其中,上部构造系统由不同的中、新元古界岩片经构造叠置而成;而下部构造系统则表现为,由中生代窑坡组、后城组及不整合伏于其下的中、新元古界共同形成的多个褶皱-冲断岩片。当然,要详细理清河口-石槽一带各构造形迹之间的关系,还需要进一步的深入工作。2区域构造环境我们在燕山地区随机选择3个小区域,即天津市蓟县常州沟-团山子-杨庄、北京市东部密云丰台顶、北京市西北部延庆河口-石槽地区,所开展的地质构造填图结果显示:现有涉及燕山地区的一些基础地质图件以及由此衍生出的相关地质图件,与实际地质构造差距很大。这进一步表明,Davis、郑亚东及其合作者所指出的-多数研究者在鉴别燕山带主要构造特征方面是不成功的,这一批评意见是非常中肯的。根据前节论述的填图结果,结合Davis、郑亚东等的研究成果,我们认为,燕山造山带的实际挤压构造形迹比现有地质图所反映出来的要复杂得多,而逆冲推覆断层的褶皱在燕山地区也不是个别或偶然的现象。尽管我们填图工作本身及其结果非常令人振奋,因为它可以而且的确在图面上大幅度修正了前人对燕山地区构造变形型式的认识。但同时令人沮丧的是,根据Davis、郑亚东等研究者和我们在燕山地区的工作经验,燕山地区地质构造图件需要重新进行修订,而建立在以前地质图件资料基础上的大量认识也需要重新审视,现举几例加以讨论。前人基于现有地质图件的分析总结认为,燕山造山带逆冲构造具有空间分布散在性、以浅缓深陡的断层几何形态和厚皮构造性质为主、主要由中生代盆地边缘向盆地内部逆冲、上盘不发育透入性应变和连续的褶皱构造等特征(例如:)。但根据近年来对燕山地区构造形迹的研究[6,8,9,10,11,13,15]和上述填图结果,所谓“燕山带逆冲构造空间分布散在性”,很可能是因为现有地质图件未能反映实际存在的众多逆冲构造形迹所导致的一种假象。我们的填图结果显示:燕山带中、新元古界内的逆冲构造十分发育(如常州沟-团山子-杨庄地区),而且逆冲构造可以导致中、新元古界组成的逆冲岩席大范围压盖在中生代火山岩和(/或)沉积盆地之上(如丰台顶与河口-石槽地区),同时中生代火山-沉积盆地内还发育相同岩系相互叠置的逆冲推覆构造;所以,现有地质图件很可能低估了燕山造山带盖层内薄皮构造的重要性。从丰台顶一带的F5和F6断层,以及Davis等识别出的承德推覆体来看,燕山带部分倾角陡立的逆断层面则可能是因后期变形事件致使断层面褶皱的结果。根据前述常州沟-团山子一带F5、丰台顶地区F6和河口-石槽一带F5等逆掩断层上盘岩层的变形特征,至少有相当部分的燕山带逆冲构造的上盘发育透入性应变或连续的褶皱构造。因此,部分从事燕山地区构造研究的学者很可能被现有地质图件引入误区,其归纳总结的燕山造山带中生代逆冲构造特征值得商榷。冀东地区的马兰峪背斜是燕山地区的一个极其醒目的东西向构造形迹,现有的研究成果认为其南翼构造变动相对微弱,或认为其南翼构造形迹以褶皱为主(张长厚等,2004b),而该背斜的形成被解释为块断式的差异隆升机制。但在该“背斜”核部西段南西侧常州沟-团山子-杨庄一带的构造填图结果暗示,马兰峪“背斜”南翼构造变动应当十分强烈,可能存在有复杂的大规模逆冲推覆构造。如果再考虑到位于该“背斜”西部倾伏端的丰台顶一带卷入早白垩世东岭台组的推覆构造,以及该“背斜”核部东段台营镇-冷口-上营一线卷入太古宙基底和早白垩世九佛堂组的复杂逆冲构造系统,我们有理由推测:马兰峪“背斜”可能是由多个复杂逆冲构造系统叠置之后又共同经历后期褶皱作用而成;距离常州沟-团山子-杨庄一带约20km左右的印支期盘山岩体及其伴生构造所在的岩片可能是无根的异地体,即盘山岩体及其围岩已卷入燕山期发育的某个逆冲构造系统;而马兰峪“背斜”最终定形的时代当在早白垩世。该“背斜”现今出露地表的岩系空间分布特征是晚白垩世-新生代以来隆升剥蚀的结果。天津市蓟县北部的中、新元古界长期以来被认为是连续出露,因此一直被视为华北地区中、新元古界层型剖面。前人正是基于对蓟县中、新元古界连续出露的认识,得出蓟县地区中、新元古界厚度达万米的结论,进而论证燕山地区中、新元古代为裂陷槽环境。我们对于常州沟-团山子-杨庄地区的填图结果表明,该地地质构造非常复杂,导致长城系各层位的构造重复和/或缺失,而且常州沟组在常州村一带底部层位存在构造缺失。显然,前人基于地层连续出露而对蓟县北部长城系的地层厚度计算也显著失真。所以在常州沟-团山子一带不能建立中元古界长城系层型剖面,而其地层厚度也