造山期断裂带活动的前陆变形与沉积证据

郯庐断裂带造山期的活动,必然会在其两侧的前陆变形与沉积上留下“烙印”,从而为分析其是否发生过同造山活动及具体型式提供了重要的途径。

1.断裂带两侧的前陆沉积

华北与华南板块在印支-早燕山期沿大别-苏鲁造山带碰撞造山中,在大别造山带北侧、郯庐断裂带以西出现了具有完整侏罗系充填的合肥前陆盆地(也可称为后陆盆地),而在下扬子地区出现了以黄马青群(T^2-3h)沉积为代表的沿江前陆盆地(图1-13;朱光等,1998)。这些前陆盆地内的沉积既是造山过程的响应,也可为恢复郯庐断裂带的同造山运动提供重要的信息。

(1)合肥盆地

合肥盆地缺失中-上三叠统沉积,盆地自下而上完整地发育陆相下侏罗统防虎山组、中侏罗统圆筒山组/三尖铺组与上侏罗统周公山组/凤凰台组,属于大别造山带北部的前陆盆地沉积,也即早燕山期大别陆内造山、隆升中的前陆沉积。

大别-苏鲁造山带因深俯冲中的高压-超高压变质作用,所形成白云母多为Si原子数大于3.3p.f.u(每分子单位,基于O=11,下同)的多硅白云母,成为源区的重要指示矿物。李任伟等(2002)的电子探针分析表明,合肥盆地南缘地表出露的下侏罗统防虎山组、中侏罗统三尖铺组和上侏罗统周公山组与凤凰台组砂岩中普遍含有碎屑成因的多硅白云母,并且三尖铺组与凤凰台组中多硅白云母的⁴⁰Ar-³⁹Ar年龄与造山带内的相一致(李任伟等,2003),指示源区为大别造山带。合肥盆地中部安参1井侏罗系砂岩系统碎屑白云母电子探针分析,也表明自下侏罗统至上侏罗统普遍含有多硅白云母(朱光等,2004a),进一步证实合肥盆地侏罗系源区为大别造山带,是大别造山带早燕山期陆内深俯冲后快速折返、抬升的沉积响应。

合肥盆地侏罗系在盆地南缘出露大套的冲积扇堆积,而在盆内属于河湖相沉积(李忠等,2000)。合肥盆地侏罗系残留厚度与沉积相恢复显示,下侏罗统和中-上侏罗统沉积除在盆地南部出现沉降中心外,在盆地东侧的郯庐断裂带旁也出现了北北东向展布的沉降中心带。地震剖面沉积相恢复,盆地南侧和东侧的整个侏罗系都出现以冲积扇相为代表的盆缘相。总之,侏罗系沉积时,合肥盆地东侧出现了郯庐断裂带所在的张八岭隆起物源区。郯庐断裂带造山期左行错开大别、苏鲁造山带,其间因牵引、走滑隆升出现张八岭隆起(地表构造指示向西的逆冲分量),西侧相应产生走滑挠曲拗陷,出现了燕山早期合肥盆地东部的沉降带。最晚从早侏罗世开始,郯庐断裂带已经将大别、苏鲁造山带左行错开,其间张八岭隆起已出现在合肥盆地的东部,使合肥盆地东部出现了平行于郯庐断裂带展布的沉降中心带及相应的边缘冲积扇,这从沉积响应上有力地佐证了造山期郯庐断裂带的存在。

(2)下扬子地区

郯庐断裂带以东、苏鲁造山带以南的沿江前陆盆地内,前陆变形期充填了中-上三叠统黄马青群(图1-13A)。

黄马青群沉积是否来自该造山带的折返、隆升,过去没有可靠的资料限定。这不但关系到郯庐断裂带最早的起源时间,也关系到造山带的折返、剥露历史。在南部宿松地区大别造山带旁侧三个地点的黄马群中(HS6,7,8)首次发现多硅白云母,9个分析的白云母Si原子数为3.4~3.5p..fu(朱光等,2004a)。郯庐断裂带东侧黄马青群砂岩内一系列碎屑多硅白云母的出现,可靠地指示这些黄马青群的源区为大别造山带。郯庐断裂以东前陆沉积物的电子探针分析结果,对该造山带高压-超高压变质带剥露地表的时间也具有重要的指示意义。南部前陆宿松地区黄马青群中多硅白云母的发现,指示大别造山带南部在中-晚三叠世已有高压或超高压变质岩剥露地表,这是该造山带目前高压-超高压变质岩剥露地表的最早记录。

图1-13 大别-苏鲁造山带周缘中-上三叠统前陆沉积分布图

郯庐断裂以东下扬子地区前陆沉积格局对郯庐断裂在造山期是否已经出现具有重要的指示意义。如图1-14所示,若郯庐断裂带起源于华北与华南板块碰撞造山之后的左行平移,下扬子地区的前陆沉积只出现在苏鲁造山带南侧,应呈北东东向展布。造山之后郯庐平移时下扬子地区前陆沉积处于近地表环境,不应出现显著的牵引现象,这样前陆沉积在大别山东侧应基本缺失。若郯庐断裂带起源于华北与华南板块的碰撞造山中,在印支-早燕山期郯庐断裂带就已经左行错开大别-苏鲁造山带,出现在大别山东缘,从而使其东侧下扬子地区广泛出现黄马青群与象山群前陆沉积,并且是来自大别造山带的直接沉积,而非异地沉积。

图1-14 郯庐断裂带两种可能起源模式中的造山带周缘沉积型式

下扬子地区黄马青群沉积沿长江一带分布,出现在北侧滁河断裂与南侧江南断裂所围限地区(朱光等,1998),空间上呈弧形展布。在郯庐断裂带以东,黄马青群沉积平行于郯庐断裂带分布,而在南京以东呈平行于苏鲁造山带的北东东向展布。下扬子地区沿江前陆盆地内黄马青群最大残留厚出现在大别山以东,平行于郯庐断裂带延伸。将这些前陆沉积格局与图1-14所示的两种可能郯庐起源模式进行对比,指示晚三叠至中侏罗世时郯庐断裂带已经左行错开了大别-苏鲁造山带而出现在大别山东缘。该前陆沉积带走向随着接近郯庐断裂带而向断裂带方向偏转的空间格局,也反映其沉积空间的分布受到郯庐断裂带同造山左旋走滑运动的影响,指示了该断裂带的同造山活动。下扬子地区的前陆沉积信息与前陆变形现象相吻合,都指示郯庐断裂带起源于华北与华南板块的碰撞造山之中。

2.断裂带两侧的前陆变形构造

大别造山带详细的年代学研究揭示(Li et al.,2000),深俯冲至最深处的峰期变质时间为240Ma(中三叠世),随后在226~219Ma(晚三叠世)间和180~170Ma(早-中侏罗世)间发生了两次快速折返。这表明碰撞造山从中三叠世至少持续至中侏罗世,这期间造山带两侧前陆上发生的变形属于前陆变形。大别-苏鲁造山带的总体构造格局为自造山带向外的逆冲-推覆与褶皱作用(图1-15),在造山带附近这些逆冲-推覆前方的华北与华南板块上都属于前陆,相应也出现了自造山带向外运动的前陆逆冲-推覆构造。

大别-苏鲁造山带之间的郯庐断裂带旁侧,即合肥盆地、徐(州)宿(州)地区、下扬子地区,碰撞造山中形成的前陆变形构造是反映该断裂带同造山运动及其型式的关键,也揭示了这些方面的大量信息。

(1)合肥盆地

合肥盆地已有的大量钻探与地震勘探资料显示,下侏罗统是覆盖在上古生界、下古生界、或变质基底等不同层位上,显示这一前陆上曾发生过强烈的构造运动与差异剥蚀。印支运动不整合面(下侏罗统底面)以下,褶皱强烈,逆冲构造发育,地层变陡;而印支面以上的侏罗系地层平缓,没有明显的褶皱发生,逆冲断层局部发育。这一现象表明,合肥盆地内前陆变形主要是发生在前侏罗纪,而侏罗纪期间前陆变形微弱。据地震剖面解释,合肥盆地前侏罗系基底内发育了大量的近东西向前陆逆冲断层,指示发生过强烈的前陆变形(图1-16A)。这些南倾的逆冲断层皆呈向北的逆冲,并且明显在郯庐断裂带旁侧增多(上覆盆内沉积地层中不具此现象)。这一重要信息显示前陆上逆冲断层形成时,郯庐断裂带同时发生了活动,从而旁侧应力加强而使断冲断层更加发育。这表明造山期郯庐断裂带就出现在合肥盆地东界上,并且起源时间在下侏罗统沉积之前,具体可能发生在晚三叠世。

图1-15 郯庐断裂带两侧前陆变形构造简图

(2)徐宿地区

苏鲁造山带的西缘为郯庐断裂带,以西出现了著名的徐(州)宿(州)(也称徐淮)弧形逆冲-推覆构造(图1-16B),其形成时间是印支-早燕山期(王桂梁等,1992;徐树桐等,1993;舒良树等,1994),属于独特的前陆变形构造。徐宿弧形构造前人已进行过较详细的研究与描述(徐树桐等,1993;舒良树等,1994;王桂梁等,1992),它们出现在华北板块的海相盖层中,是由一系列弧形的逆冲-推覆断层与相应的褶皱组成,弧形构造显示了自东向西的逆冲运动。

图1-16 郯庐断裂带周边前陆逆冲剖面图

越过徐宿弧形构造南、北边界近东西向的丰沛与固镇平移断层,前陆变形构造又转变成正常的近东西向构造(图1-16B)。徐宿弧北部的鲁西地块,前陆变形微弱,盖层轻微褶皱,逆冲断层几乎不发育,指示造山期远离造山带。徐宿弧南部的蚌埠隆起和淮南煤田区,因接近大别造山带而前陆变形强烈,主体为近东西走向向北逆冲的逆冲-推覆构造(图1-16C),并与南侧合肥盆地内前陆构造相一致。淮南地区新集煤矿在变质基底与震旦-奥陶系逆冲岩片下开采石炭-二叠系煤矿,就是其强烈前陆变形构造的有力实证。

(3)下扬子地区

苏鲁造山带以南、郯庐断裂带以东的下扬子地区,北部为晚白垩世-古近纪陆相苏北断陷盆地。该盆地内大型的北东东走向控盆断裂多为北倾,也主要是利用前陆期向南逆冲的逆冲断层(马力等,1993)。这指示盆地基底曾发生过强烈的前陆变形,出现了一系列北东东走向、向南逆冲的逆冲-推覆构造及相应的褶皱。

这一地区的前陆逆冲-推覆构造与褶皱走向为北东东至北东,逆冲构造主要呈现为上盘向南东或南南东运动。随着向西接近郯庐断裂带其走向逐渐由北东东转变为北东向,即向郯庐断裂带方向偏转,逆冲方向也随之由向南南东变成向南东(图1-16E、F),显示受到了郯庐断裂带左旋走滑运动影响。这一走滑扭动可以是前陆变形期郯庐断裂带发生活动的结果,也可以是后期断裂带早白垩世平移产生的牵引现象。野外观察发现,早白垩世的郯庐断裂带只在变质基底内出现韧性、脆-韧性剪切带,而在海相盖层和中生界地层中都表现为脆性断层(如宿松-太湖段),牵引现象不明显。下扬子地区黄马青群、象山群地层超覆在震旦系至古生界的不同层位之上,表明目前海相盖层的出露层位主要是在印支运动中定位的,从而在早白垩世郯庐断裂带活动时目前出露地表的海相盖层已处于地表或近地表状况,不会出现大规模牵引弯曲现象。郯庐断裂带南端中止于大别造山带南侧,其南部的前陆褶皱连续延伸,也不支持大别、苏鲁造山带仅仅是造山之后错开的,因而也不支持郯庐断裂带东侧下扬子地区前陆构造的弯曲是后期牵引的结果。此外,郯庐断裂带早白垩世的平移也不应在如此宽达300km的旁侧范围内产生牵引,只有前陆变形期该断裂的同期左旋活动、大规模的周缘前陆变形与同时的块体旋转才可能造成如此大规模的效应。这一系列现象表明,下扬子地区前陆构造的弯曲,与郯庐断裂带同造山活动相关,指示造山期郯庐断裂带发生了左旋走滑运动,这与前述的该断裂带内存在着早期左旋走滑韧性剪切带及年代学证据相吻合。