龍門山?jīng)_斷帶構(gòu)造變形樣式及變形樣式

幾十年來，國內(nèi)外許多科學(xué)家對褶皺沖斷帶內(nèi)的滑脫層進(jìn)行了詳細(xì)的研究[1.8]，取得了重大進(jìn)展，主要體現(xiàn)在三個方面?；搶踊旧嫌煞悄芨蓭r組成。例如，鹽巖具有特殊的高流動性，在結(jié)構(gòu)運(yùn)動過程中容易流動，這使其涂層發(fā)生了滑脫和變形。此外，粘土和粘土灰?guī)r也是主要的滑脫層。其次，滑脫層上下兩層中的兩個層反映了不同的結(jié)構(gòu)變形特征。在結(jié)構(gòu)壓縮環(huán)境中，滑脫層中的層變形相對較強(qiáng)，滑脫層中的層變形相對較弱。由于滑動層和上層之間的摩擦相對較弱，結(jié)構(gòu)壓縮單元的滑動能量幾乎沒有減少，因此上層的滑動路徑非常遙遠(yuǎn)。例如，在侏羅山褶皺沖裂帶的基本滑動層中，上層滑脫層可以覆蓋幾公里。第三，在滑脫層發(fā)育的地區(qū)，通常有幾個滑脫層共存?；搶邮且环N明顯的沉積巖，具有明顯的塑性特征。這種性質(zhì)意味著，上下巖石的上下特性之間的差異具有“對稱性”的含義。因此，在特定地質(zhì)層的特定區(qū)域中，夾在能干巖之間的非能干巖可以成為滑脫層。國內(nèi)外的學(xué)者做了大量的地質(zhì)研究工作[9~13],雖然目前對于龍門山?jīng)_斷帶中的滑脫層的研究已經(jīng)取得了不少認(rèn)識,如龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育多個區(qū)域性滑脫層,即寒武系、志留系和下三疊統(tǒng)嘉陵江組-中三疊統(tǒng)雷口坡組,同時也存在有局部性的滑脫層,如上二疊統(tǒng)、下三疊統(tǒng)的飛仙關(guān)組等等,但是仍然存在以下問題:(ⅰ)由于龍門山?jīng)_斷帶地質(zhì)條件復(fù)雜,難以對滑脫層進(jìn)行較為精確的厘定;(ⅱ)對與滑脫層相關(guān)的構(gòu)造變形樣式的總結(jié)和歸類方面研究不夠.基于以上原因,本文通過野外考察和地震資料解釋,對龍門山?jīng)_斷帶的滑脫層進(jìn)行了確定,并對其構(gòu)造變形樣式和構(gòu)造變形機(jī)理進(jìn)行了初步分析.1區(qū)域地質(zhì)背景1.1成巖構(gòu)造單元特征龍門山?jīng)_斷帶位于四川盆地西緣,北自廣元南抵寶興,全長400km以上,寬30~60km,地史演變復(fù)雜,構(gòu)造活動強(qiáng)烈,具有推覆構(gòu)造的特征,羅志立等將其定義為“C-俯沖”.自印支期以來,龍門山?jīng)_斷帶與川西前陸盆地系統(tǒng)共經(jīng)歷了3期較大的構(gòu)造活動,即印支期、燕山期和喜馬拉雅期,其中印支運(yùn)動中幕,受羌塘-昌都地塊的北東向擠壓,青川-茂汶斷裂以西地區(qū)形成褶斷隆起,印支運(yùn)動晚期,隨著揚(yáng)子古板塊向華北板塊俯沖,形成北東走向的龍門山?jīng)_斷帶,之后又經(jīng)歷了燕山期和喜馬拉雅期的構(gòu)造運(yùn)動,形成現(xiàn)今的龍門山?jīng)_斷帶,其盆山邊界由最西側(cè)的青川-茂汶斷裂向東轉(zhuǎn)移到馬角壩-通濟(jì)場-雙石斷裂帶,表現(xiàn)出“前展式”變形特征,其中在印支晚期構(gòu)造運(yùn)動中就已經(jīng)形成了川西前陸盆地.龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育眾多的斷裂,根據(jù)斷裂的延伸距離、產(chǎn)狀和分布范圍,可以將研究區(qū)在平面上分為5個構(gòu)造單元:(ⅰ)松潘-甘孜構(gòu)造帶,位于青川-茂汶斷裂帶以西;(ⅱ)韌性變形帶,夾持在青川-茂汶斷裂帶與北川-映秀斷裂帶之間;(ⅲ)基底卷入沖斷帶,夾持在北川-映秀斷裂帶與馬角壩-通濟(jì)場-雙石斷裂帶之間;(ⅳ)前緣褶皺-沖斷帶,夾持在馬角壩-通濟(jì)場-雙石斷裂帶與廣元-關(guān)口-大邑斷裂帶之間(ⅴ)前陸坳陷帶,位于廣元-關(guān)口-大邑斷裂帶以東(圖1).1.2龍門山?jīng)_斷帶深部地質(zhì)條件通過阿壩-簡陽段大地電磁探測剖面可以看出(圖2),龍門山?jīng)_斷帶所處的區(qū)域為大地電磁異常劇烈變化帶,有巖漿出露于地表,逆沖斷裂發(fā)育以該異常帶為界,西部巖石圈厚度大,等溫層埋深加大,殼內(nèi)高導(dǎo)層發(fā)育且埋深較大,表明揚(yáng)子地臺向龍門山?jīng)_斷帶下部俯沖,并且目前地溫場尚未達(dá)到平衡狀態(tài),為龍門山?jīng)_斷帶的形成提供了較好的深部地質(zhì)條件.1.3震旦系-第四系構(gòu)造格局四川盆地是揚(yáng)子古板塊上的一個多旋回沉積盆地,龍門山?jīng)_斷帶及前緣地區(qū)地層發(fā)育較全,從震旦系-第四系都有發(fā)育(表1),除晚三疊世早期盆地西部馬鞍塘組和小塘子組及中三疊世雷口坡組為海相或海陸過渡相沉積外,龍門山?jīng)_斷帶及川西前陸盆地堆積了晚三疊世須家河組至白堊系巨厚的陸相地層,最大厚度可達(dá)8000m以上,總體特征是西厚東薄,北厚南薄.2多段平滑2.1滑脫帶劃分根據(jù)野外地質(zhì)考察和地震資料解釋,表明在龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育多套滑脫帶(表1),根據(jù)構(gòu)造變形程度及變形所能發(fā)生的溫壓條件,可以將研究區(qū)的滑脫帶劃分為深層次滑脫帶,中層次滑脫帶和淺層次滑脫帶.同時也可以根據(jù)滑脫層的覆蓋面積和展布特征,將以上滑脫帶劃分為區(qū)域滑脫帶和局部滑脫帶.2.2龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)緣結(jié)構(gòu)(1)殼幔滑脫帶:龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育3條主干逆沖斷裂帶,即青川-茂汶斷裂帶、北川-映秀斷裂帶和馬角壩-通濟(jì)場-雙石斷裂帶,與此三條主斷裂帶相伴生的分支斷裂很多,產(chǎn)狀和性質(zhì)基本上與主干斷裂相近.主干斷裂及其分支斷裂向地下深處延伸,與深部大斷裂相連,消失在接近地幔的深地殼塑性層中表現(xiàn)為深層殼幔滑脫帶性質(zhì).(2)殼內(nèi)滑脫帶:龍門山?jīng)_斷帶形成深大斷裂是揚(yáng)子地臺與松潘-甘孜地體相碰撞的結(jié)果,羅志立等認(rèn)為揚(yáng)子地臺在由東向西移動的過程中遇到高勢態(tài)龍門山的阻擋,首先錯斷莫霍面,然后影響上地殼上部的塑性-脆性地層,使其發(fā)生極其復(fù)雜的構(gòu)造變形導(dǎo)致在較淺的地殼內(nèi),龍門山表現(xiàn)為由西向東逆沖的褶皺沖斷帶.(3)前震旦系基底滑脫帶:前震旦系基底發(fā)育重要的滑脫帶,在龍門山后期的構(gòu)造活動中,發(fā)育于基底滑脫帶的大型斷裂發(fā)生過多期活動,在靠近川西前陸盆地的區(qū)域,該基底斷裂并未穿透上覆地層,而靠近造山帶的基底斷裂則穿透上覆地層,與后期形成的眾多斷裂一起構(gòu)成了龍門山?jīng)_斷帶復(fù)雜的逆沖推覆構(gòu)造帶.2.3志留系中滑脫帶和滑脫帶(1)寒武-奧陶系滑脫帶:研究區(qū)的寒武系平行不整合于震旦系之上,在轎子頂推覆體的西側(cè)有所出露,它主要是一套淺海相碎屑巖,如下寒武統(tǒng)的清平組是含有鈣質(zhì)或泥質(zhì)的粉砂巖,奧陶系在研究區(qū)出露范圍較小,主要出露在廣元的局部地區(qū),巖性主要為灰?guī)r或者泥質(zhì)灰?guī)r,如寶塔組地層.寒武系發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺變形和逆沖推覆,并逆沖在志留系之上,奧陶系的變形特征與寒武系相似,在深部地層中寒武系和奧陶系共同發(fā)生褶皺變形,下部的逆沖斷裂在這兩地層中消失.(2)志留系滑脫帶:龍門山?jīng)_斷帶的志留系為研究區(qū)內(nèi)重要的一類中層次滑脫帶,可以分為龍馬溪群和茂縣群,前者的巖性主要為黑色炭質(zhì)板巖,后者主要為千枚巖和泥頁巖.志留系在龍門山的中北段廣泛出露于地表,在地表上主要分布在青川-茂汶斷裂以西的區(qū)域.通過野外地質(zhì)考察發(fā)現(xiàn)該地層發(fā)生了極其強(qiáng)烈的褶皺變形,形成了大量的復(fù)向斜和復(fù)背斜構(gòu)造,并且在變形的過程中,起到滑脫作用,使上下地層沿志留系發(fā)生滑脫推覆,逆沖斷裂在志留系中變緩,形成斷坪.(3)三疊系嘉陵江-雷口坡組鹽巖滑脫帶:嘉陵江組和雷口坡是四川盆地重要的含膏層位,是正常淺海-半咸化淺海碳酸鹽巖建造,厚度為200~1466m,從下到上依次沉積灰?guī)r、白云巖、含膏質(zhì)白云巖、膏溶角礫巖和膏巖.在龍門山?jīng)_斷帶的形成及其后期的多期構(gòu)造活動中,該鹽層發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺變形,成為重要的滑脫層.2.4砂巖和煤線(1)上三疊統(tǒng)須家河組滑脫帶:龍門山地區(qū)上三疊統(tǒng)為一套陸相含煤碎屑巖沉積組合,自下而上包括馬鞍塘組、小塘子組和須家河組.須家河組地層較全,厚度近4000m,其中須家河組二段為含有巖屑的石英砂巖,厚度為550~750m;須家河組三段的巖性為灰色砂質(zhì)泥巖,粉砂巖,夾有煤層;須家河組四段為巖屑砂巖夾粉砂巖和煤線;須家河組五段主要為灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖與砂巖、粉砂巖不等厚互層.在龍門山?jīng)_斷帶形成過程中,上三疊統(tǒng)發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形,其中的軟弱層在變形的過程中起到滑脫作用,成為龍門山?jīng)_斷帶的淺層次的滑脫帶.在龍門山中段可發(fā)現(xiàn)須家河組三段發(fā)生了較為強(qiáng)烈的構(gòu)造變形,形成斷背斜、復(fù)背斜、復(fù)向斜、地層倒轉(zhuǎn)等構(gòu)造樣式,煤層等軟弱層在構(gòu)造變形過程中起到了斷層滑脫的作用.(2)侏羅系滑脫帶:侏羅紀(jì)地層在龍門山?jīng)_斷帶的馬角壩-通濟(jì)場-雙石逆沖斷裂帶與廣元-關(guān)口-大邑斷裂帶之間廣泛出露于地表,侏羅系與下伏地層為不整合接觸,主要為內(nèi)陸河、湖相紅色碎屑巖建造,其中遂寧組為一套紅色湖相砂泥巖沉積,以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主,在構(gòu)造活動中,該套地層在發(fā)生沖斷和褶皺的同時,也存在有一定程度的滑脫作用,使其上下地層發(fā)生了一定程度的不均勻變形.(3)白堊系滑脫帶:白堊系是繼侏羅系之后的又一套河、湖相紅色碎屑巖建造,與下伏的上侏羅統(tǒng)蓮花口組為平行不整合接觸.夾持在白堊系大套礫巖或砂巖中的劍閣組棕紅色泥巖,具有滑脫帶特征,影響局部構(gòu)造變形.3滑脫結(jié)構(gòu)的變形風(fēng)格3.1地震反應(yīng)表現(xiàn)(1)殼幔拆離滑脫變形:殼幔拆離滑脫變形樣式是前陸盆地環(huán)境中位于地下深處的一種較為常見的構(gòu)造變形樣式,主要是由于板塊或者大型地質(zhì)體的相互碰撞,在下地殼和地幔的流變作用下,造成在下地殼和上地幔之間形成的一個大型平緩的拆離滑脫面(圖3),如王椿鏞等認(rèn)為青藏高原內(nèi)部和高原外部具有不同的殼幔變形特征,高原內(nèi)部表現(xiàn)為強(qiáng)殼幔耦合型,高原外部則屬于殼幔解耦型.該橫向過渡從能量守恒的角度來講,這種滑脫面的作用就是進(jìn)行盆山耦合上的物質(zhì)和能量的循環(huán)和交換[16,17,20,21,22,24].由于接近地幔,所以常規(guī)的地震方法很難將其識別,目前可以通過重力場和定量動力學(xué)等方法進(jìn)行研究1).(2)基底韌性剪切變形:基底韌性剪切變形是前陸盆地環(huán)境中另一種重要的滑脫帶變形樣式,研究表明,我國多數(shù)地區(qū)存在殼內(nèi)高導(dǎo)層和幔內(nèi)高導(dǎo)層[25~28],高導(dǎo)層的存在及其內(nèi)部的非能干層為陸內(nèi)俯沖及其后期基底韌性剪切變形提供了前提條件,圖4表明殼內(nèi)低阻層在灌縣以東和以西地區(qū)具有明顯差別,并且灌縣附近存在一個明顯的高阻異常體.在龍門山?jīng)_斷帶,基底韌性剪切變形主要是發(fā)育在前震旦系基底滑脫帶之中,在青川-茂汶斷裂以西的地表露頭中有所出露,表現(xiàn)為地層發(fā)生強(qiáng)烈的揉皺變形,斷裂不發(fā)育,地層形成復(fù)向斜或者復(fù)背斜在發(fā)生構(gòu)造變形的同時,志留系發(fā)生片理化,成為其上地層構(gòu)造變形的滑脫層,如位于平武附近陳家壩斷層面處可以見到志留系發(fā)生明顯的片理化(圖5(a)).3.2龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)兩個能干法地層的發(fā)育通過野外露頭,可以發(fā)現(xiàn)中層次的滑脫帶常發(fā)育與褶皺構(gòu)造相關(guān)的變形樣式,主要等厚褶皺、構(gòu)造虛脫、尖棱褶皺及其構(gòu)造組合等.等厚褶皺、虛脫和尖棱褶皺組合樣式:等厚褶皺和尖棱褶皺是在野外露頭尺度下較為明顯的一種構(gòu)造變形樣式,該種構(gòu)造是由于在兩個能干性地層中夾有非能干性地層,在發(fā)生構(gòu)造擠壓的過程中,由于兩種物理性質(zhì)不同的巖石對構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的不同抗壓性能所形成(圖5(b)),地層發(fā)生褶皺后,在褶皺的轉(zhuǎn)折端形成構(gòu)造虛脫,在軟弱層外部的地層形成尖棱褶皺,而位于軟弱層內(nèi)部的地層則形成了等厚褶皺,中部的軟弱層則在上下兩個地層之間發(fā)生塑性流動,在褶皺的轉(zhuǎn)折端成為構(gòu)造虛脫的填充物.龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)該種類型的構(gòu)造極其發(fā)育,并且發(fā)育密集,在龍門山北段的局部地區(qū),在10m內(nèi)發(fā)育了4個這種類型構(gòu)造的能干性的單層厚度為5~10cm,構(gòu)造虛脫部位在軸線上的距離為10cm,軸面北傾,產(chǎn)狀為350°∠48°,褶皺兩翼的夾角在20°~85°之間,反映了形成該種構(gòu)造的構(gòu)造應(yīng)力為由NW向SE擠壓與龍門山形成的整體構(gòu)造應(yīng)力一致.3.3龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)非雙重構(gòu)造樣式淺層次滑脫變形主要表現(xiàn)為脆性變形或者沿塑性地層發(fā)生滑脫(或拆離),其中前者為不連續(xù)變形如逆沖推覆構(gòu)造等,后者為連續(xù)變形,如飛來峰構(gòu)造等,此外還有一些淺層次變形具有一定的韌—脆性變形特征,如三角帶構(gòu)造和雙重構(gòu)造等.(1)三角帶構(gòu)造和雙重構(gòu)造變形樣式.龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)發(fā)育典型的三角帶構(gòu)造,該種構(gòu)造的形成與滑脫帶的存在密切相關(guān),圖5(c)為在馬角壩斷裂帶處出露于地表的一個三角帶構(gòu)造,在三角帶構(gòu)造的下部有志留系滑脫層,三角帶構(gòu)造的北西側(cè)為發(fā)育在滑脫層上部的多條傾向為NW的逆沖斷裂,在三角帶SE側(cè)為傾向SE的反沖斷裂.在三角帶NW側(cè)的多條逆沖斷裂帶之上為泥盆系的局部性滑脫層,它與三角帶下部的志留系滑脫層共同構(gòu)成了淺層滑脫變形樣式中的雙重構(gòu)造.通過三角帶構(gòu)造和雙重構(gòu)造可以發(fā)現(xiàn),該地區(qū)的構(gòu)造主要是由NW向SE的構(gòu)造作用力形成,并且兩套滑脫層的存在對本地區(qū)構(gòu)造變形的形成有著重要的控制作用.(2)逆沖推覆構(gòu)造樣式.逆沖推覆構(gòu)造是龍門山?jīng)_斷帶最為主要的一種構(gòu)造樣式,主要分布在馬角壩-通濟(jì)場-雙石逆沖大斷裂以西,比如青川-茂汶斷裂帶和北川-映秀斷裂帶及其間所發(fā)育的各條斷裂(圖6(a))構(gòu)成了研究區(qū)的復(fù)雜的逆沖斷裂帶,各個斷裂產(chǎn)狀相近,傾向為NW,上陡下緩,各條主斷裂在雷口坡組和嘉陵江組中發(fā)生明顯變緩,在地下深處匯聚為一條大型平緩的逆沖斷裂,與中深層次的滑脫帶一致.(3)背沖斷塊構(gòu)造變形樣式.背沖斷塊是龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育的另一種典型構(gòu)造變形樣式,由于該種構(gòu)造容易形成圈閉,所以該種構(gòu)造的發(fā)育對研究區(qū)的油氣聚集及分布有著重要的作用.位于龍門山?jīng)_斷帶中南部的大邑構(gòu)造是一個典型的背沖斷塊構(gòu)造(圖6(b)),位于構(gòu)造高部位的大邑1井的實際鉆探表明該背沖斷塊有較好的油氣顯示.該構(gòu)造是由一條向東南逆沖推覆的斷裂與一條相伴生的反沖斷裂所構(gòu)成的背沖斷塊構(gòu)造,主斷裂在中三疊統(tǒng)雷口坡組中發(fā)生明顯的變緩,表明雷口坡組在該構(gòu)造的形成過程中起到了重要的控制作用——滑脫作用.(4)重力滑動構(gòu)造樣式.通過野外考察已經(jīng)注意到,在龍門山地區(qū)發(fā)育一些外來的大型巖塊,其中大部分并非是由此地區(qū)的構(gòu)造擠壓作用形成的,大部分巖體是沿著斷層面在重力作用下發(fā)生重力滑脫作用,形成各種各樣的滑覆體.龍門山地區(qū)的眾多飛來峰就是在重力滑動作用下所形成的構(gòu)造(圖7),飛來峰在重力滑動作用下由NW向SE滑動,在后端表現(xiàn)為正斷層,在前鋒處的斷裂表現(xiàn)為逆沖斷裂,斷層兩側(cè)的巖性和產(chǎn)狀明顯不同,清楚地表現(xiàn)為外來巖塊特征.4多段滑動結(jié)構(gòu)變形機(jī)4.1結(jié)構(gòu)-構(gòu)造分析龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育多套滑脫帶,多套滑脫帶將龍門山?jīng)_斷帶自下至上劃分為多套滑脫構(gòu)造(圖8)即深層次滑脫構(gòu)造、中層次滑脫構(gòu)造和淺層次滑脫構(gòu)造.每一層次滑脫構(gòu)造的變形和演化都和這些滑脫層的特征及演化相關(guān).深層次的滑脫層塑性特征明顯,埋藏較深,使得大型逆沖斷裂在該滑脫帶內(nèi)發(fā)生很大距離的滑脫,盆山耦合所產(chǎn)生的能量主要也是在這部分滑脫層中發(fā)生轉(zhuǎn)化,地層發(fā)生明顯的揉皺現(xiàn)象;而淺層次的滑脫帶由于接近地表,溫壓條件與深層次滑脫帶有明顯不同,所以淺層次滑脫構(gòu)造的變形表現(xiàn)出了一定的韌-脆性特征,并且逆沖斷裂向盆地方向擴(kuò)展,呈“前展式”;中層次滑脫構(gòu)造的變形介于以上二者之間.4.2深部滑脫構(gòu)造龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育多套滑脫層,在多期構(gòu)造演化中形成多套滑脫構(gòu)造,深層次滑脫構(gòu)造通過不同級別的構(gòu)造分層來控制淺層次滑脫構(gòu)造的形成及其演化.圖8展示了龍門山?jīng)_斷帶的各套滑脫構(gòu)造的形成和分布模式,各條大型逆沖斷裂在滑脫層中形成斷坪,在非滑脫層部位形成斷坡,各條主要逆沖斷裂向下傾角變緩,最后分別匯聚于各套滑脫層中.深部滑脫構(gòu)造形成于地下深處,松潘-甘孜地塊與揚(yáng)子地臺相互碰撞所產(chǎn)生的能量在此處開始發(fā)生大規(guī)模的釋放,形成大型逆沖斷裂,該斷裂具有形成深度大,斷層位移大,縱向上分布范圍廣的特點(diǎn).相比之下,淺層滑脫構(gòu)造形成于較淺深度,縱向上分布范圍小,板塊碰撞所產(chǎn)生的能量在此消失殆盡,所以深層次滑脫構(gòu)造對淺層次滑脫構(gòu)造的形成具有控制作用但是淺部滑脫層的特征與展布能夠在一定程度上影響大型逆沖斷裂在淺部的產(chǎn)狀,所以,從規(guī)模和形成機(jī)制來看,深部滑脫構(gòu)造控制淺部滑脫構(gòu)造的形成與演化,同時淺部滑脫構(gòu)造對大型斷裂的近地表處有著一定的影響.4.3大地構(gòu)造環(huán)境龍門山?jīng)_斷帶經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化,如印支晚期發(fā)生的安縣構(gòu)造運(yùn)動,使安縣地區(qū)形成了一個廣泛分布的不整合.龍門山?jīng)_斷帶多期構(gòu)造演化受控于我國大型疊合盆地形成演化的大地構(gòu)造環(huán)境和背景.在多期的構(gòu)造演化中,多套滑脫層經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化的疊加和改造,大型逆沖斷裂是在多期構(gòu)造活動中發(fā)生多期滑脫