米倉山構造帶逆沖-走滑變形序列的節理研究

湯 聰，劉樹根，李智武，孫 東，孫 瑋，李金璽

（成都理工大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室）

米倉山構造帶逆沖-走滑變形序列的節理研究

湯 聰，劉樹根，李智武，孫 東，孫 瑋，李金璽

（成都理工大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室）

米倉山構造帶位于揚子板塊北緣，東西兩側分別同龍門山、南大巴山沖斷帶交接過渡，由于受到多個造山帶的影響，所以對其構造復合過程的研究至關重要。文中通過測量米倉山構造帶的節理面和擦痕，采用吳氏網對古應力場進行恢復，同時依據節理縫的交切關系以及節理面所在地層時代，結合已有年代學資料和斷層特征，首次重建了米倉山構造帶的構造期次。米倉山構造帶共經歷了5期構造運動：① 200～160 Ma，S—N 向（σ3直立）逆沖性質擠壓運動；② 120～100 Ma，S—N 向（σ3E—W 向）走滑性質擠壓運動；③ 95 Ma，NW—SE向擠壓運動；④50～40 Ma，NE—SW 向擠壓運動；⑤15 Ma，E—W 向擠壓運動。第一期、第二期應力場形成了米倉山隆起和米倉山前緣的東西向構造，第三期、第四期應力場對米倉山構造帶進行改造，形成了米倉山前緣的疊加構造，第五期應力場使米倉山構造帶最終成型。

多期節理；擦痕；古應力場；構造期次重建；米倉山構造帶

米倉山構造帶最早被認為是長期穩定的（水下）隆起，稱為米倉山臺拱，印支運動以后上升為陸，遭受剝蝕，使古老基底露出地表［1］。 近年來，隨著 1∶5萬區域地質調查和川東北油氣勘探的不斷展開，對米倉山地區的研究取得了許多新進展。吳德超等［2］認為米倉山構造帶是2期不同方向逆沖推覆構造疊加的結果。目前認為米倉山與大巴山的關系是近南北向的南大巴山滑脫褶皺帶疊加在近東西向的米倉山構造帶之上［3］。盡管前人對米倉山地區作了許多研究，但對其構造復合過程并未作深入的探討。由于米倉山構造帶特殊的構造位置，同時受周邊多個造山帶的影響，可能會記錄到各個時期的構造復合順序，所以對其構造復合過程的研究至關重要。筆者旨在通過對米倉山構造帶古應力場的分析及構造期次的重建，來探討其構造特征。

1 區域地質概況

米倉山構造帶位于揚子板塊北緣，東西兩側分別與南大巴山沖斷帶和龍門山沖斷帶交接過渡（圖1），是一個在印支期開始發育、晚燕山期繼承發展、喜馬拉雅期疊加改造的前陸擠壓變形區，構造走向總體呈東西向，并明顯疊加北西與北東向構造。米倉山地區發育有較多斷裂，具有代表性的是東西走向的正源—朱家壩斷裂和北東走向的大河—上兩、水磨—關壩斷裂［1］（圖 1）。

圖1 研究區構造單元及位置圖Fig.1 The structural unit and location of the study area

2 構造變形分析方法

進行古構造應力場分析是研究盆地構造演化有效的方法之一［4-5］，筆者通過收集節理發育情況和斷層滑動數據來進行古應力場的重建。在多期構造運動的背景下，可以根據露頭上構造之間的關系（如節理之間的限制、交切）和同一斷層面上疊合的擦痕來確定多期構造事件的相對順序。根據斷層形成的不同應力背景，可將其分成多期，然后根據各期構造事件的應力狀態網重建該區域連續的古應力場，最后將之結合年代學數據，放入大的構造背景進行分析［6］。

筆者選取了米倉山構造中部（南江縣—南鄭縣）、東部（南鄭縣—平溪鎮）2條剖面加上水磨一帶（代表米倉山西部前緣）進行節理與滑動面的觀測統計（圖1）。摩爾-庫倫準則認為共軛節理所對銳夾角的角平分線為σ1（最大主應力）方向，但在野外觀測到許多斷層面與擦痕方向常常指示鈍夾角的角平分線為σ1方向。造成這種情況的原因可能有2點：①在持續應力的作用下，節理之間的夾角被擴大；②鄭亞東等［7］提出的最大有效力矩準則認為共軛變形帶的σ1一側一般為鈍角（110°）。具體選擇鈍角還是銳角作為σ1方向，需要根據野外實際情況來進行分析。野外觀測到某些平面X節理所在地層后期受到改造，原始產狀發生了改變，所以可先將地層產狀進行復平，然后再通過吳氏網計算古應力狀態。

3 米倉山構造帶節理發育特征及節理分期

筆者共統計出114組古應力場數據，其中以擠壓性質的應力場為主，占102組；拉張應力場占12組，數量很少，可能屬于造山期后伸展作用控制下的產物，故不單獨劃入應力期次（表1）。從野外露頭觀測可知，S—N向（最小主應力σ3方向為直立）的應力場主要產生逆沖滑動面，而S—N向（σ3方向為E—W向）的應力場主要產生走滑性質的逆沖滑動面，這2類應力場的觀測點數較多，故推測S—N向的應力場應根據σ3的方向劃為2期單獨的應力場。其它3類應力場中σ3直立的觀測點數均較少甚至沒有，所以暫不將此3類應力場根據σ3方向進行分期。

表1 米倉山構造帶古應力統計表Table 1 Statistical list of paleo-stress of Micangshan structural belt

米倉山構造帶的節理分布較廣，在野外露頭可見到大量多期次的節理。前人在分析節理縫性質、方位、幾何樣式的基礎上，結合同組節理擦痕的匹配性，對具有相同構造特征的節理進行配置分期，然后繪制各主應力方向的節理縫及斷面走向玫瑰花圖（圖2），間距角為20°，并對其走向的最大密度進行統計［8-9］。 第一組 S—N 向主應力場（圖 2a）在米倉山構造帶主要發育了NE和NW向的共軛節理和E—W向逆沖性質的節理面，其中走滑性質的S—N向（σ3E—W向）主應力場形成NE和NW向的共軛節理，而逆沖性質的S—N向（σ3直立）主應力場形成E—W向的節理面。據此筆者認為將S—N向主應力場分為σ3E-W向和σ3直立的2期應力場是必要的。

圖2 米倉山構造帶各主應力方向的節理縫及斷面走向玫瑰花圖Fig.2 Rose diagrams showing joint fissures and fault section strike in Micangshan structural belt

第二組NW—SE向主應力場（圖2b）形成了走滑性質的NW和S—N向共軛節理，第四組E—W向主應力場（圖2d）形成了NW和NE向走滑性質的共軛節理，這兩期應力場都形成了與之相符的共軛節理。第三組NE—SW向主應力場形成的節理（圖2c）沒有規律性，可能是受到了巖石性質等一些偶然因素的影響。

綜上所述，可將米倉山構造帶的應力場分為5期：①S—N 向（σ3直立）；② S—N 向（σ3E—W 向）；③NW—SE向；④NE—SW向；⑤E—W向。

4 應力期次劃分

4.1 野外觀測點上的交切關系

在野外可以通過節理之間的交切關系判斷其發育的先后順序：晚期節理切割早期節理，早期節理限制晚期節理。比如在西河觀測到節理與石英脈的相互切割關系（圖版Ⅰ-1、圖版Ⅰ-2），圖版Ⅰ-3是一個標準的擦痕面，圖版Ⅰ-4是一組標準的平面共軛X節理。通過這些典型的野外露頭特征，可以對應力場期次進行初步確定。

筆者認為米倉山構造帶曾經歷過5期應力場（忽略伸展應力場），并根據野外露頭上觀測到的節理或擦痕的特征得出這幾期應力場的相對順序。在上兩鎮光明附近的基巖Sd09點（圖3）見2組共軛X節理：1號節理組為具逆沖性質且走向為東西向的共軛節理；2號節理組為具走滑性質且走向為NE和NW向的共軛節理（圖版Ⅰ-5）。其中1號節理組在S—N向（σ3直立）應力場的作用下形成，2號節理組在S—N向（σ3E—W向）應力場的作用下形成，同時1號節理組限制了2號節理組的發育。由此推知1號節理組早于2號節理組發育，即S—N向（σ3直立）應力場早于S—N向（σ3E—W向）應力場。在牟家壩附近的Mc37點（圖3）見一組沿層面發育的逆沖擦痕面和一組平面共軛X節理（圖版Ⅰ-6）。 根據 S1逆沖（圖版Ⅰ-7）和 S2（走向為 NE向的節理面）左行（圖版Ⅰ-8），將之復平后，得出2期S—N向應力場。由上及其它的野外觀測點可知，S—N向（σ3直立）應力場主要產生逆沖性質且走向為東西向的共軛節理，S—N向（σ3E—W向）應力場主要產生走滑性質且走向為NE和NW向的共軛節理。因此，根據σ3方向進行分期，可確定S—N向的應力。

采用上述分析方法對其它觀測點（圖3）進行分析，得出5期擠壓應力場的相對順序：第一期為S—N 向（σ3直立），第二期為 S—N 向（σ3E—W 向），第三期為NW—SE向，第四期為NE—SW向，第五期為E—W 向（表 2）。

4.2 節理在不同時代地層上的發育情況

圖3 米倉山構造帶節理面構造滑動古應力綜合分析圖Fig.3 Comprehensive analysis of paleo-stress for joint plane and fractures in Micangshan structural belt

表2 米倉山構造帶應力特征綜合表Table 2 Stress characteristics of Micangshan structural belt

地層只能記錄與其同期或者較之晚的應力場，不能記錄早于其形成時間的應力場。由于米倉山構造帶的構造啟動時間在晚三疊世［10-12］，所以從三疊系開始（三疊系、侏羅系、白堊系），可將米倉山構造帶的應力場數據剝離出來進行分析。

在三疊系地層中均可見到5期應力場（圖4a），說明其均發生在三疊紀或者三疊紀以后。在中、上侏羅統（圖4b）有4期應力場，缺少了S—N向（σ3直立）應力場，可以推測出S—N向（σ3直立）應力場發生的時間大約在晚三疊世到中、晚侏羅世之間。在下白堊統（圖4c）只見到NE—SW向與E—W向2期應力場，比中、上侏羅統缺少了S—N向（σ3E—W向）和NW—SE向應力場，推測S—N向（σ3E—W向）和NW—SE向的應力場應該發育在中、晚侏羅世到晚白堊世之間，而NE—SW向與E—W向應力場應該發育在晚白堊世或晚白堊世以后。由此可以得出S—N向（σ3直立）為第一期應力場，S—N向（σ3E—W向）與NW—SE向分別為第二期和第三期應力場，NE—SW向與E—W向分別為第四期和第五期應力場。該結論與野外露頭分期一致，進一步確定了各期應力場的先后順序。

5 構造期次重建及討論

5.1 S—N 向（σ3直立）

晚三疊世末期到中侏羅世（200～160 Ma），秦嶺造山帶隆升強烈，華北和華南板塊剪刀式閉合，揚子板塊向華北板塊之下俯沖［13］，整個米倉山構造帶在S—N向擠壓應力場的作用下開始隆升。米倉山地區的正源—朱家壩斷裂（圖1）總體走向近東西，斷層上盤為基底巖系，下盤為震旦系白云巖，顯示該斷層具有逆沖性質。野外斷層面擦痕也顯示了逆沖的性質（圖 5a），符合 S—N 向（σ3直立）應力場的作用特點。根據地層的剝離結果，S—N向（σ3直立）應力場大約在晚三疊世到中、晚侏羅世之間，在時間上也較吻合。綜上所述，將該期應力場劃入印支運動第四幕［14］和燕山運動第一幕［15］，受控于華北板塊和揚子板塊的閉合。

5.2 S—N向（σ3E—W向）

米倉山地區的大河—上兩、水磨—關壩斷裂是2條走向北東的大斷裂（圖1）。根據大河—上兩斷裂的伴生構造分析，該斷層以逆沖為主，但具有明顯的左行走滑運動。在該2條斷層之間也發育有明顯左行走滑特征的逆沖斷層，如貓兒嘴脆韌性斷層。野外觀測到的擦痕也顯示該2條斷層是具左行走滑特征的逆沖斷層（圖5b、圖5c），并且在楊壩一帶，大河—上兩斷裂將正源—朱家壩斷層左行錯斷。綜上所述，認為第二期S—N向（σ3E—W向）的應力場形成了帶有走滑性質的逆沖斷裂，而且在時間上晚于S—N向（σ3直立）的應力場。

圖5 米倉山構造帶主要斷層擦痕赤平投影圖Fig.5 The stereo diagram of major fault strias in Micangshan structural belt

早白堊世（120～100 Ma），華北大陸與揚子大陸的陸-陸碰撞造山結束后，揚子大陸進入了陸內變形的第二個階段，揚子板塊發生了強烈的逆沖推覆作用［13］。 常遠等［16］根據裂變徑跡數據得出在 100 Ma之前米倉山構造帶有快速隆起，根據地層的剝離結果，S—N向（σ3直立）應力場應該發生在中、晚侏羅世到晚白堊世之間。經過上面的分析，第二期S—N向（σ3E—W向）的應力場在時間和性質上與揚子大陸陸內變形第二階段吻合，所以將第二期應力場劃入該期構造運動，大河—上兩、水磨—關壩斷裂就是該期構造運動在米倉山構造帶的顯著表現。

5.3 NW—SE向

晚白堊世早期（95 Ma），孫洪斌等［17］和梅廉夫等［18］提出從江南—雪峰山造山帶產生的NW—SE向應力場在該時期傳到川東華鎣山地區，米倉山構造帶可能受該應力場影響，時間上應晚于95 Ma，同時根據米倉山前緣北東背斜（九龍背斜、仁和背斜）的構造形跡，推測其在早期東西向構造上因NW—SE向擠壓應力而形成斜限型疊加構造［19］。因此，推測95 Ma以后米倉山構造帶受控于NW—SE向應力場，歸入燕山運動第三幕，力源可能為古太平洋向亞洲大陸俯沖板塊的遠程效應［15］。

5.4 NE—SW向

始新世晚期（50～40 Ma），南秦嶺傳來的南北向擠壓力在大巴山弧形構造帶處發生偏轉，形成NE—SW方向的擠壓［20］，在米倉山前緣北東向構造的基礎上改造形成T字型疊加構造（擂鼓城—石窩場）。沈傳波等［21］利用裂變徑跡數據得出在大巴山和米倉山交接的地區于49 Ma左右有快速隆升，另外地層剝離結果也認為NE—SW向應力場應該發生在晚白堊世以后。故將NE—SW向應力場劃入該期構造運動，即早喜馬拉雅運動［22］。

5.5 E—W向

許多熱年代學的數據表明米倉山構造帶在15 Ma 再次開始隆升［16，21］，對應中新世的晚喜馬拉雅運動［22］：印度板塊楔入歐亞大陸造成青藏高原隆升，在側向擴展的過程中受到印支大陸和揚子大陸的阻擋，揚子大陸向東擠出。整個米倉山構造帶受控于E—W向的應力場，地層剝離結果也認為E—W向應力場發生在晚白堊世以后，故將E—W向應力場劃入該期構造活動，在四川盆地隆升的大背景下，米倉山構造帶成型。

6 結論

（1）米倉山構造帶在地史上總共經歷了5期應力場：第一期 S—N 向（σ3直立），第二期 S—N 向（σ3E—W向），第三期NW—SE向，第四期NE—SW向，第五期E—W向。

（2）根據5期應力場大致勾勒出米倉山構造帶的形成過程：200～100 Ma，華北板塊與揚子板塊閉合及其后揚子大陸的陸內變形，在2期S—N向應力場的作用下，米倉山隆起和米倉山前緣的東西向構造形成；100～80 Ma，燕山運動期間，米倉山前緣的東西向構造被改造為斜限型的疊加褶皺；50～40 Ma，在早喜馬拉雅運動的背景下，米倉山構造帶的北西向構造被改造為T字型疊加構造；15 Ma以來，在四川盆地隆升的大背景下，米倉山構造帶成型。

［1］四川省地質礦產局.四川省區域地質志［M］.北京：地質出版社，1991：645-665.

［2］吳德超，魏顯貴，杜思清，等.米倉山疊加型推覆構造幾何結構及演化［J］.礦物巖石，1998，18（增刊）：16-20.

［3］施煒，董樹文，胡健民，等.大巴山前陸西段疊加構造變形分析及其構造應力場特征［J］.地質學報，2007，81（10）：1314-1326.

［4］郭兵，劉樹根，劉順，等.龍門山中段前山帶構造特征及其形成演化［J］.巖性油氣藏，2008，20（4）：59-64.

［5］田蜜，施煒，李建華，等.江漢盆地西北部斷陷帶構造變形分析與古應力場演化序列［J］.地質學報，2010，84（2）：159-170.

［6］Lamarche J，Bergerat F.Variscan to Alpine heterogeneous palaeostress field above a major Palaeozoic suture in the Carpathian foreland（southeastern Poland）［J］.Tectonophysics，2002，357（1-4）：55-80.

［7］鄭亞東，王濤，王新社.最大有效力矩準則及相關地質構造［J］.地學前緣，2007，14（4）：49-60.

［8］鄧賓，劉樹根，楊鎖，等.林灘場構造多期節理構造特征及其意義［J］.礦物巖石，2009，29（3）：83-90.

［9］李鳳杰，鄭榮才，蔣斌.中國大陸主要盆山耦合系統及其特征［J］.巖性油氣藏，2008，20（4）：26-32.

［10］沈中延，肖安成，王亮，等.四川北部米倉山地區下三疊統內部不整合面的發現及其意義［J］.巖石學報，2010，26（4）：1313-1321.

［11］韓立國.濟陽凹陷構造體制轉換與郯廬斷裂帶的關系探討［J］.巖性油氣藏，2009，21（1）：72-74.

［12］郭飛飛，康建云，孫建峰，等.江漢盆地構造演化與海相地層油氣成藏模式［J］.巖性油氣藏，2010，22（1）：23-29.

［13］張國偉，郭安林，姚安平.中國大陸構造中的西秦嶺—松潘大陸構造結［J］.地學前緣，2004，11（3）：23-32.

［14］梅冥相.中上揚子印支運動的地層學效應及晚三疊世沉積盆地格局［J］.地學前緣，2010，17（4）：99-111.

［15］董樹文，張岳橋，龍長興，等.中國侏羅紀構造變革與燕山運動新詮釋［J］.地質學報，2007，81（11）：1449-1461.

［16］常遠，許長海，Peter W Reiners，等.米倉山—漢南隆起白堊紀以來的剝露作用：磷灰石（U-Th）/He 年齡記錄［J］.地球物理學報，2010，53（4）：912-919.

［17］孫洪斌，張鳳蓮.遼河凹陷古近系構造-沉積演化特征［J］.巖性油氣藏，2008，20（2）：60-73.

［18］梅廉夫，劉昭茜，湯濟廣，等.湘鄂西—川東中生代陸內遞進擴展變形：來自裂變徑跡和平衡剖面的證據［J］.地球科學——中國地質大學學報，2010，35（2）：161-174.

［19］孫東，劉樹根，鄧賓，等.米倉山與龍門山接合部疊加褶皺特征及構造演化［J］.成都理工大學學報，2011，38（2）：156-168.

［20］姜復東，蘇培東，秦啟榮.通南巴地區主要構造成因模式探討［J］.斷塊油氣田，2008，15（3）：14-17.

［21］沈傳波，梅廉夫，郭彤樓.川東北地區中、新生代熱歷史的裂變徑跡分析［J］.天然氣工業，2007，27（7）：24-26.

［22］賈承造，何登發，陸潔民.中國喜馬拉雅運動的期次及其動力學背景［J］.石油與天然氣地質，2004，25（2）：121-125.

Thrust and strike-slip deformation sequence of Micangshan structural belt

TANG Cong， LIU Shu-gen， LI Zhi-wu， SUN Dong，SUN Wei，LI Jin-xi
（State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Micangshan structural belt is located in northern margin ofYangtze plate,which has transition relations with Longmen Mountain in west and south Daba Mountain in east.Under the multiple geodynamics ofits peripheral orogenic belts,the study on structure and evolution of Micangshan structural belt is very important.Based on joint plane and scratch measured in Micangshan structural belt,Wulffnet is applied torecover the palaeostress field.Accordingtothe intersection relation ofjoint fissures and the chronologic age ofjoint plane,combiningwith existingchronologydata and fault features,the structure evolution of Micangshan structural belt is reconstructed firstly.Micangshan structural belt experienced fivephasesoftectonicmovement:① From200 Mato160 Ma,N-Sthrustingcompressional movement;② From 120 Ma to100 Ma,S-Nstrike-slippingcompressional movement;③95Ma,NW-SE compressional movement;④ From

50 Ma to 40 Ma,NE-SW compressional movement;⑤15Ma,E-W compressional movement.In generally,the first and second phases ofpalaeostress field formed the Micangshan uplift and the E-Wstructures in the front area ofMicangshan,the third and fourth phases of palaeostress field superimposed the early structures and then formed superimposed structures in the front,and the fifth phase ofpalaeostress field finallymake the Micangshan structure belt formed.

multi-phase joint；scratch；palaeostress field；reconstruction oftectonic phase；Micangshan structural belt

TE121.3+2

A

2011-04-15；

2011-06-09

國家自然科學基金項目“大巴山前陸沖斷構造解析及變形時序研究”（編號：40802049）資助。

湯聰，1986年生，男，成都理工大學在讀碩士研究生，主要從事石油地質方面的研究工作。地址：（610059）四川省成都市成華區成都理工大學能源學院碩士2009級。E-mail：8434964@qq.com

劉樹根，1964年生，男，教授，博士生導師。E-mail：lsg@cdut.edu.cn

1673-8926（2011）04-0081-07

圖版Ⅰ

涂曉燕）