引用本文
刘康, 魏荣珠, 续世朝. 山西隆起区燕山期构造变形特征[J].中国地质调查, 2019,6(2): 58-67.
LIU Kang, WEI Rongzhu, XU Shichao. Structure deformation characteristics of Shanxi uplift area during Yanshan movement period[J].Geological Survey of China, 2019,6(2): 58-67.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2019.02.07
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山西隆起区燕山期构造变形特征
刘康1, 魏荣珠1, 续世朝2
1.山西省地质调查院,太原 030006
2.山西省地质博物馆,太原 030024
通信作者简介: 魏荣珠(1966—),男,教授级高级工程师,主要从事区域地质调查工作。Email: jzweirongzhu@126.com。

第一作者简介: 刘康(1965—),男,高级工程师,主要从事区域地质调查工作。13934215358@126.com。

收稿日期: 2018-12-28
基金资助: 中国地质科学院地质研究所“山西区域地质调查片区总结与服务产品开发(编号: 121201102000150012-05)”项目资助
摘要

山西隆起区燕山运动期间表现出以逆冲断层、纵弯褶皱为基本结构要素的收缩构造变形特征。区内不同时代地层具有独特的岩石组合和物理性质,保存和记录了燕山期构造在不同层次的变形样式和特征。通过对地表地质、地貌及构造特征的研究分析,初步总结出“分层收缩变形,垂向叠置增厚”的构造模式。应用平衡剖面法对近东西向收缩变形所造成的水平缩短与垂向加厚效应进行了定量估算,剖面复原表明,变形前、后隆起区总体水平缩短率约为 32.8%,垂向加厚使寒武系底部不整合界面在隆起区比鄂尔多斯盆地高出约5 km。强烈的冲断抬升和褶皱变形造成上部地壳横向缩短,垂向增厚,使原本垂向上有序叠置的地质体和不同层次构造形迹在空间位置上发生了较大变化。现在地表地质体的空间分布、北部和南部褶皱组合样式的差异,以及断裂沿走向的分段性,都是构造变形垂向分层性的表现形式,是后期隆升、剥蚀程度差异在地表造成的结果。

关键词: 燕山运动; 构造模式; 平衡剖面; 山西隆起区
中图分类号:P542 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2019)02-0058-10
Structure deformation characteristics of Shanxi uplift area during Yanshan movement period
LIU Kang1, WEI Rongzhu1, XU Shichao2
1. Shanxi Institute of Geological Survey, Taiyuan 030006, China
2. Shanxi Geology Museum, Taiyuan 030024, China
Abstract

During Yanshann movement period, the contractive structure deformation of the thrust fault and buckling folds formed as the basic structural elements is shown in Shanxi uplift area. Strata of different ages in this area have unique rock assemblage and physical properties, which may preserve and record deformation styles and characteristics at different levels of Yanshan structure. Through the study of surface geology, physiognomy and structure characteristics, we primarily concluded the “delaminate contractive deformation, and vertical stacking and thickening” structure mode. The balanced section method was applied to quantitatively estimate the horizontal shortening and vertical thickening effect, which were caused by nearly E-W shrinkage deformation. The section restoration showed that, before and after deformation, the horizontal shortening of the uplift area was about 32.8% in total. Cambrian bottom unconformity interface in the uplift area is about 5 km higher than that in Ordos Basin, due to vertical thickening. The intensive collision uplift and folding deformation resulted in the lateral shortening and vertical thickening in the upper part of the crust. Geological bodies are orderly vertically stacked and different levels of tectonic trace have shown great changes in spatial positions. Current spatial distribution of surface geological bodies, differences between northern and southern fold combination style and the along-the-trend segmentation of fracture all demonstrate the vertical stratification of tectonic deformation, due to late uplift and the difference of denudation degree on the surface.

Keyword: Yanshan movement; structural model; balanced section; Shanxi uplift area
0 引言

山西省地处华北陆块中部, 位于鄂尔多斯盆地和华北盆地之间。区内地质内容丰富, 地层出露齐全, 早前寒武纪变质结晶基底、中新元古界、古生界、中生界在垂向上有序叠置, 其间反映区域构造运动的几个重要不整合面在区内连续、清楚, 记录了大量地质历史中的盆地演化和构造地貌信息。同时, 不整合面也是燕山期构造活动中良好的标志层, 由不整合面围限的各时代地层具有独特的岩石组合和物理性质, 保存和记录了燕山期构造在不同层次的变形样式和特征。该区研究程度较高, 资料较丰富[1, 2, 3]。本文在近年来1:5万、1:25万区域地质调查及以往相关研究资料和成果的基础上, 综合运用岩相古地理、构造地貌、平衡剖面、大陆构造和大陆动力学等多学科知识, 主要选择断裂和褶皱构造为主要研究内容, 分析不同构造层次中构造变形的样式和特征, 结合动力学成因机制分析, 探讨山西隆起区燕山期构造变形特征, 对于正确认识和恢复区域地质发展史具有重要的意义。

1 地质构造背景

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一。包括本区在内的华北陆块构造-沉积演化可概括为太古宙及古元古代结晶基底形成时期、中新元古代拗拉槽发育时期、早古生代克拉通盆地以碳酸盐岩为主的沉积建造发育时期以及晚古生代海陆过渡时期和中新生代陆相演化时期[1, 2] (图1, 表1)。

图1 山西省地质简图(据文献[3]修改)Fig.1 Geological sketch of Shanxi Province(modified from reference [3])

表1 研究区区域地层简表 Tab.1 Regional strata summary of the study area

虽然受到加里东、印支运动南北板块活动和大幅度差异升降的影响[4, 5], 华北陆块仍然保留稳定状态, 硅铝壳化明显、成熟, 是成熟陆壳。燕山期陆壳成熟度受到破坏或改造, 开始了华北陆块的陆内改造过程。

燕山运动阶段, 华北陆块东部和西部构造-沉积格局发生明显差异: 东部岩浆活动强烈, 多处发育小型火山断陷盆地, 褶皱、逆冲断裂发育; 西部鄂尔多斯盆地依然为一个大型沉积盆地[6], 鄂尔多斯盆地的演化及其后期改造总体是在华北克拉通东隆西降的区域大背景下进行的, 随着东部不断隆升, 盆地的沉积东界和范围逐步向西迁移缩小[7, 8], 晚白垩世, 华北广大地区整体抬升, 沉积间断, 燕山运动结束。

燕山运动期间, 本区处于华北陆块东部和西部的过渡地带, 浅层次断裂、褶皱活动强烈, 沿断裂见多处中酸性岩浆侵入。构造变形和岩浆活动向西一致收敛于离石断裂, 表明山西隆起区晚中生代构造变形受到离石断裂边界条件的控制[9, 10]。直观地看, 经过燕山运动和喜马拉雅运动, 中生代早期还处于地下6~8 km[11]的太古宙变质岩系构成了现今华北第一高峰五台山。五台山主峰北台顶海拔3 061 m, 垂向位置变化达10 km, 这一过程对区内构造地貌、生态环境和矿产资源的分布产生了重大影响, 其变形特征、构造样式及动力学机制等问题值得深入研究。

燕山期构造变形基本奠定了本区的构造格局。研究区内主要发育燕山期断裂、褶皱, 从太古宙变质基底到中生代不同种类的岩石均卷入了该期构造变形。太古宙变质基底出露于背斜核部, 向斜核部由大面积的中生界组成, 古生界则构成背斜和向斜的过渡地带。区域性断裂在空间上与较窄的背斜密切共生。燕山期岩浆活动严格受区域性断裂控制, 全省富铁矿几乎全部(99.58%)为该期岩浆活动形成的接触交代型铁矿。宽缓的向斜成为上古生界中煤、煤层气的天然储存场所。

2 燕山期构造特征及地貌演化

本文讨论的山西隆起区范围基本与山西省行政区一致。东西分别以离石断裂、太行山山前断裂[12]与鄂尔多斯盆地、华北盆地为界; 唐河断裂(F1)、横河断裂(F6)分别为山西隆起区的北界和南界(图1)。唐河断裂位于山西的北部, 斜贯于晋东北恒山、五台山东段; 横河断裂位于山西的南部, 为太行山和中条山的分界线。这两条断裂走向均呈NW向, 北侧、南侧分别为华北板块北缘、南缘板内活动带。

图2 山西隆起区纵向构造剖面示意图(据文献[13]修改)Fig.2 The section of longitudinal structure for Shanxi uplift area(modified from [13])

2.1 主要褶皱特征

山西隆起区内褶皱十分发育, 规模较大的区域性褶皱为近EW向侧向水平挤压形成的纵弯褶皱。背斜为不对称褶皱, 向斜呈典型的箱状褶皱, 形态完整。背斜和向斜的过渡地带由古生界组成。不同地区褶皱组合特征具有明显差异(图1, 表2)。

表2 主要褶皱特征简表 Tab.2 Features summary of the main folds

可以看出, 区内北部和南部为连续变形, 不存在隔槽式或隔挡式的特定褶皱样式, 所谓北部隔槽式褶皱和南部隔挡式褶皱[14]地表特征的不同是不同层次的构造形迹由于后期隆升、剥蚀程度差异造成的结果, 即: 北部隆升幅度大, 剥蚀强烈, 地表构造形迹形成的层次较深, 表现为宽阔的背斜和狭窄的向斜, 变质岩系出露面积较大, 中生界出露较少; 南部隆升幅度相对较小, 剥蚀程度弱, 地表构造形迹形成的层次较浅, 表现为宽阔的向斜和狭窄的背斜, 中生界出露面积较大, 变质岩系出露较少。

2.2 主要断裂特征

山西隆起区燕山期区域性断裂与区内主要山脉平行发育, 呈SN向或NNE向延伸, 主要有离石断裂、狐偃山断裂、太岳山断裂和太行山断裂(表3)。

表3 主要断裂特征简表 Tab.3 Features summary of the main faults

断裂性质为逆冲断层, 表现为上盘前寒武纪变质岩或中新元古界逆冲于下古生界之上, 下盘中发育次级断层, 下古生界下部层位地层逆冲于上部层位地层之上。

逆冲断裂活动垂向分层性质表现明显, 深浅不同构造层次的变形样式有明显的差异。断裂由下向上生长, 自下而上变形强度逐渐减弱。下古生界及其底部表现为有基底卷入的逆冲断层, 规模较大, 断距1 000 m左右, 最大1 600 m; 上古生界一般表现为挠褶带, 褶皱较紧闭, 局部发育主干逆冲断裂下盘的次级断裂, 断距一般100~300 m; 中生界中基本未发现有断距的断层, 表现为相对开阔的褶皱。现在地表沿断裂走向的分段性是垂向分层性的表现形式[23], 是后期隆升、剥蚀程度差异在地表造成的结果。

逆冲断裂构造的活动时间为燕山期, 开始于早侏罗世, 晚侏罗世— 早白垩世为强烈活动期, 白垩纪晚期, 随着太行山、吕梁山的整体隆升, 挤压作用逐渐减弱, 晚白垩世晚期断裂活动消失。

2.3 岩浆活动特征

晚侏罗世— 早白垩世, 是区内褶皱、断裂的强烈活动期, 同时发生了多处岩浆侵入事件。岩体绝大多数出露于背斜核部位置, 在区域性断裂附近或两侧分布, 形成时间多集中在130 Ma左右(表3)。研究表明, 该期岩体均是起源于富集岩石圈地幔部分熔融并底侵到下地壳, 所带的高热流引起古老下地壳, 特别是TTG(Trondhjemite(奥长花岗岩)、Tonalite(英云闪长岩)、Granodiorite(花岗闪长岩))的部分熔融, 形成花岗质岩浆, 然后形成混合岩浆, 再经过分离结晶作用形成[17, 18, 19]。岩体的形成时间与华北克拉通岩石圈减薄与破坏作用的峰期时间基本同时[24, 25, 26, 27]。

2.4 构造地貌演化讨论

关于构造地貌的演化规律及形式, 不同学者提出了各自的地貌演化模型(图3)。

图3 地貌演化模型(改自文献[28, 29, 30, 31])Fig.3 Geomorphic evolution model (modified from reference [28-31])

对比研究认为, Penck[30]提出的地貌演化理论接近区内地形的可能变化过程(图3(c)): 中侏罗世本区为鄂尔多斯内陆沉积盆地的东部边缘斜坡; 晚侏罗世— 早白垩世是构造变形的强烈活动期, 通过冲断抬升和褶皱变形, 使处于深部的变质岩与表层的中生界在平面上处于同一水平位置, 同时地表持续抬升, 形成山地或准高原地势[32], 在晚白垩世初期地表达到最高。燕山运动期间, 区内地表剥蚀作用伴随隆升的全过程, 逆冲断裂上盘和背斜部位在隆升过程中不断遭受剥蚀, 上部中生界甚至古生界全部剥蚀殆尽; 向斜部位相对下沉, 剥蚀较弱或基本没有剥蚀。随着构造作用逐渐减弱, 侵蚀作用逐渐加强, 经运动后期整体隆升、剥蚀, 最终在白垩纪末期— 古近纪初期形成了华北地区中部由前寒武纪变质岩系、古生界和中生界共同构成的北台夷平面[33, 34]。

3 构造变形模式
3.1 收缩构造模型

山西隆起区在燕山运动期间处于“ 东部高原” [35, 36]和西部鄂尔多斯盆地[37]的盆山过渡带位置。所谓分层变形是指受石炭— 二叠系含煤地层软弱岩层分隔, 不同深度的岩层发育不同的收缩变形样式; 垂向叠置是指不同层次的强变形带在垂向上叠置, 不存在区域性大位移的拆离断层。位于石炭— 二叠系以泥页岩为主的含煤地层之上的中生界砂岩以褶皱变形为主, 而含煤地层之下的下古生界碳酸盐岩层及基底变质岩系则以逆冲断裂变形为主。浅部的褶皱表现出紧闭背斜和宽缓向斜组合, 背斜具有不对称形态。深层断裂变形以基底卷入逆冲断层为主干断层, 断层上盘形成冲断隆起, 次级断层相对较少, 下盘则发育一系列同向倾斜的楔状叠瓦冲断构造, 岩浆活动和断裂密切相关。深层断层向上延伸在石炭— 二叠系含煤地层中消失, 向上对应于浅层背斜的核部。基底卷入的高角度主干逆冲断层可能继承了先存元古宙拗拉槽构造薄弱带, 如离石断裂和太行山断裂的空间产出位置与西部熊耳— 汉高拗拉槽和东部的燕辽拗拉槽构造薄弱带基本一致。

3.2 岩层能干性

褶皱冲断带构造砂箱物理模型研究表明, 砂箱物质特性是影响构造变形的主要因素之一, 对于砂箱楔形体变形与演化具有明显的控制作用[38, 39]。在能干性和非能干性岩层实验中, 能干性岩层缩短变形以冲断构造变形为主, 非能干性岩层以褶皱变形为主, 砂箱物质内部软弱层可导致楔形体由能干性楔形体(构造样式以冲断褶皱变形为主)转变为非能干性楔形体(构造样式以褶皱变形为主)[40]。滑脱层深度控制着楔形体褶皱变形空间格架及其构造样式[40, 41]。

区内各时代主要岩石类型、厚度、埋深及物理性质[42]分别见表1、表4。

表4 不同时代主要岩石类型、物理性质及变形特征 Tab.4 Main rock types, physical properties and deformation characteristics in different time

可以看出, 与变质基底、下古生界灰岩和中生界砂岩相比, 上古生界石炭— 二叠系以泥页岩为主的含煤岩系能干性较弱, 为软弱层。受软弱层影响, 区内以中生界为主的浅表层构造与以下古生界、变质岩系为主的深层构造的变形样式有明显的差异, 表现为下部冲断褶皱、软弱层挠褶、上部开阔褶皱的变形组合, 但是不同层次的收缩变形量基本保持一致。

3.3 成因探讨

大陆动力学研究成果越来越多地证明: 陆内构造是大陆在长期演化过程中, 大陆中不同陆块由深部动力或相互间不均衡的各种物理化学差异而导致的相互作用所造成的结果[43]。大陆内部地壳的构造变形特征受深部岩石圈-软流圈结构及其演化的控制, 深部软流圈时空上的不均一变化与周边板块运动有关, 软流圈变化和板块内部大陆岩石圈的相互活动促使了陆内造山带的发生。

山西隆起区位于华北陆块中心部位, 远离板块边缘, 属陆内造山带。与天山南北盆山过渡带中新生代构造变形特征[44, 45]相似, 本区的“ 分层收缩变形, 垂向叠置增厚” 的构造模式与板块边缘造山带中常见的大型薄皮逆冲构造样式不同, 结晶基底卷入、冲断、隆升并出露地表, 可以排除存在区域性大位移拆离断层的可能性。研究表明, 燕山运动期间, 受周边板块运动影响, 华北中部软流圈下沉, 形成NNE向带状坳陷[46, 47], 岩石圈则相对增厚。在岩石圈增厚的过程中, 产生NWW-SEE向侧向挤压作用。在挤压应力持续作用下, 地壳横向收缩, 形成“ 分层收缩变形、垂向叠置增厚” 的收缩构造变形。

4 收缩变形讨论

燕山运动期间, 逆冲断裂上盘和背斜部位不断抬升, 向斜部位相对下沉, 造成上部地壳横向缩短, 垂向增厚, 不同构造层次的物质和构造形迹在垂向上空间位置发生了较大变化, 在燕山运动末期, 区内构造格局成型, 后经隆升、剥蚀, 形成现今地表的地质构造特征。根据地表不同构造层次的地质构造特征, 可以总结构造运动期间垂向分层变形特征和叠置规律。

为了定量估算近EW向收缩变形所造成的水平缩短与垂向加厚效应, 对穿越吕梁山背斜中段和太行山南部霍山背斜— 沁水向斜— 太行山背斜构造剖面进行了线长平衡复原[48]。

4.1 横向缩短特征

吕梁山构造剖面CC'穿越吕梁山背斜中段(图4a), 西侧为鄂尔多斯盆地, 东侧为新生代盆地, 主要构造形迹有离石断裂(F2)、吕梁山背斜(②)和狐偃山断裂(F3)。复原部分现剖面长度约 69.54 km, 复原剖面长度约 111.56 km, 缩短42.02 km, 缩短率为 37.7%, 与燕山中部近NS向变形缩短率38%[49]基本一致。

图4 吕梁山背斜中段(a)、沁水向斜中南段(b)平衡地质剖面图Fig.4 Balanced geological section of the middle section of Lü liang anticline (a) and the middle south section of Qinshui syncline (b)

太行山南部构造剖面DD'穿越沁水向斜中南段(图4(b)), 主要构造形迹从西向东有太岳山断裂(F4)、霍山背斜(⑦)、沁水向斜(⑧)、太行山背斜(⑨)、太行山断裂(F5)和太行山山前断裂。复原部分现剖面长度约79.81 km, 复原剖面长度约110.68 km, 缩短30.87 km, 缩短率为 27.9%。

据平衡地质剖面, 在地壳浅表层次的收缩变形中, 横向上不同构造部位缩短量并不相同, 逆冲断裂和背斜发育部位横向缩短率明显大于向斜发育部位, 缩短率分别为 37.7%和27.9%。从离石断裂至太行山山前断裂总体缩短率为 32.8%, 即变形前后缩短了约1/3。

需要说明的是, 复原过程以长度复原为主。复原是以区域构造格局成型于燕山期为前提的, 由于叠加新生代山脉隆升作用, 垂直比例尺仅作地层厚度的参照, 不作为海拔高度。构造剖面DD'中钻孔为沁参1井的钻井[32]。

4.2 垂向加厚特征

垂向加厚特征见图5。

图5 岩石圈水平缩短与垂向加厚模型图Fig.5 Model of horizontal shortening and vertical thickening of the lithosphere

模型图中ABCD和A'B'C'D'分别为变形前后的岩石圈; A'B'为现在地表离石断裂— 太行山山前断裂之间的距离, 约240 km, 据图4变形前后长度总体缩短约1/3, AB的距离约为357 km。

通过模型分析认为, 岩石圈整体经受侧向挤压作用, 岩石圈现在的厚度(A'D')约为155 km[50], 依据变形前后面积不变或变化不大(SABCD≈ S'A'B'C'D'), 推测变形前岩石圈的厚度(AD)约为104 km。

A'A的高度约为5 km, 是根据现在地表地质情况判断得出的。与基本未变形的鄂尔多斯盆地对比, 寒武系底部不整合界面, 也就是前寒武纪变质岩系顶面在隆起区比鄂尔多斯盆地平均高出5 km, 基本上与古生界加上三叠系的厚度相当, 这一结论可从变形结束后的北台期夷平面的研究[33]得以佐证。变形过程中随着地表隆升, 剥蚀作用不断进行, 隆起区在地貌上实际高出鄂尔多斯盆地约2~3 km, 与燕山期东部高原的研究结论基本一致。在剥蚀量上, 背斜核部部位古生代以来沉积盖层剥蚀殆尽, 向斜部位沉积盖层保留较好。

除浅表层次外的岩石圈的变形特征目前没有证据。考虑到周边板块运动造成软流圈下沉, 加上重力因素的影响, 岩石圈向下加厚幅度要大于向上的加厚幅度, 依图5推测, DD'约为46 km。同时岩石圈下沉是侧向挤压作用的部分或主要动力因素。

5 结论

(1)初步总结了山西隆起区燕山运动期间“ 分层收缩变形, 垂向叠置增厚” 的构造模式。受石炭-二叠系软弱岩层分隔, 不同深度的岩层发育不同的收缩变形样式, 表现为下部冲断褶皱、软弱层挠褶、上部开阔褶皱的变形组合, 不同层次的收缩变形量基本保持一致。

(2)应用平衡地质剖面对近EW向收缩变形所造成的水平缩短与垂向加厚效应进行了定量估算, 剖面复原表明, 吕梁山背斜中段和沁水向斜中南段缩短率分别为 37.7%和27.9%, 逆冲断裂和背斜发育部位横向缩短率明显大于向斜发育部位, 从离石断裂至太行山山前断裂总体缩短率为 32.8%。垂向加厚使隆起区比鄂尔多斯盆地寒武系底部不整合界面高出约5 km。

(3)燕山运动期间, 通过强烈的冲断抬升和褶皱变形, 不同层次的物质和构造形迹在垂向上空间位置发生了较大变化, 现在地表地质体的空间分布、北部和南部褶皱组合样式的差异以及断裂沿走向的分段性, 都是构造变形垂向分层性的表现形式, 是后期隆升、剥蚀程度差异在地表造成的结果。

The authors have declared that no competing interests exist.

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