太行山東麓斷裂帶中、新生代構造應力場及轉換機制

安慧婷,許立青,李三忠,余 珊,劉 鑫,索艷慧,曹現志,趙淑娟,王鵬程,郭玲莉,戴黎明

(中國海洋大學 海洋地球科學學院,海底科學與探測技術教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

0 引言

中生代以來,華北地塊受到不同板緣動力作用產生的遠程效應影響,經歷了多期次的改造作用,進入了穩定蓋層沉積階段后的破壞裂解階段,地塊內部形成了力學性質不同、形態多變的復雜構造帶和自身獨特的、多期的、復雜而豐富的盆-山耦合系統,如位于呂梁山與太行山之間的汾渭地塹系、地塊中部的張家口-蓬萊斷裂帶與太行山東麓斷裂帶、地塊南部斷裂帶、西部的離石斷裂帶、渤海灣盆地與山西隆起區等(牛樹銀等,1994)。如何確定華北地塊中部尤其是太行山東麓斷裂帶中生代以來構造應力方向及其轉換過程,是目前地學界關注的問題(張岳橋等,2007)。針對該問題的研究將有助于進一步認識和理解華北地塊中部現今構造地貌格局形成的動力學過程。太行山東麓斷裂帶主要由NNE向太行山大斷裂和太行山山前斷裂組成。對此,前人已做過相應研究工作,取得了重要的認識(張岳橋等,2007;董樹文等,2007;陳連旺等,2007,李三忠等,2010)。本文在前人工作的基礎上,重點開展了太行山東麓斷裂帶周邊關鍵地帶節理和斷裂構造幾何學、運動學分析和測量工作,并進行了古構造應力方向反演,其目的是理清太行山東麓斷裂帶中、新生代構造應力場演化序列,探討構造應力場轉換機制,為板內破壞裂解階段的動力學研究提供構造地質學制約。

1 區域地質背景

華北地塊于古元古代末期的呂粱-中岳運動最終拼合、固結形成統一的結晶基底,是我國最古老的克拉通(Zhao and Zhai,2013;Zhai and Santosh,2013)。華北地塊內部包括兩個特征的新生代伸展構造域和兩個燕山期的擠壓構造域,前者分別為鄂爾多斯周圍的地塹系與渤海灣盆地(圖1);后者是呂梁山-太行山向西逆沖的推覆帶和主體向南逆沖的燕山造山帶。中、新生代期間太行山遠離板塊邊界,屬于華北地塊內部,可視為板內造山帶(牛樹銀等,1994;劉鳳山和石準立,1998),其東麓發育NNE向斷裂帶,即太行山東麓斷裂帶,分割了太行山隆起和渤海灣盆地,是太行山擠壓構造域和渤海灣盆地拉伸構造域的交接轉換部位(圖1),記錄了本區構造擠壓與伸展作用的信息,對研究區域構造轉換有重要意義。

圖1 華北地塊構造綱要圖(據張岳橋等,2007修改)Fig.1 Simplified tectonic map of the North China Block

華北地塊自中生代以來經歷了不同動力系統所形成的構造應力場,從而形成了復雜的構造格局(李三忠等,2010)。印支期,北部古亞洲洋自西向東的剪刀式俯沖消亡(Xiao et al.,2013;Ju and Hou,2013),南部華南地塊與華北地塊發生自東向西的剪刀式碰撞(Li et al.,2007;Li et al.,2013);早侏羅世,太行山尚未開始隆起,太行山以東逐漸抬升,沉積沉降中心西遷(李三忠等,2011);中侏羅世,華北克拉通由古亞洲洋構造域的匯聚體制向古太平洋構造域的俯沖消減體制轉換,中國東部構造機制發生轉換(趙越等,2004;張岳橋等,2007;董樹文等,2008;宋傳中等,2010);中侏羅世末,燕山運動主幕導致中國東部大面積隆升,地殼急劇增厚形成了燕山中晚期的中國東部高原(張旗和錢青,2001;張旗等,2008);中晚侏羅世在華北地區形成了大量的走向 NE的褶皺和逆沖推覆構造(劉建忠等,2004);晚侏羅世-早白堊世,巖石圈強烈破壞,大量巖漿侵入,燕山運動進入峰期;晚白堊世,華北地區活動減弱,整體抬升遭受剝蝕并逐漸均夷而準平原化(吳忱,2001),早白堊世晚期至晚白堊世期間,中國東部由中生代擠壓構造機制轉化為新生代的伸展構造機制(曹現志等,2013);古近紀以來,喜馬拉雅運動拉開序幕,中國大陸特殊的基底結構與印度-歐亞碰撞和太平洋板塊的躍遷式東撤俯沖所主導的雙重構造機制,導致華北構造應力場發生多次轉變(Zhang et al.,2003b),造成此時期的西部青藏高原隆升、中部盆地與造山帶耦合體制和東部拉張活動(賈承造等,2005;賈承造,2007)。

2 太行山東麓斷裂帶節理統計分析、分期配套與應力場

由于斷裂帶及其西側的太行山地區,除汾渭地塹系內有第四紀沉積外,主要出露地層為寒武系和奧陶系,北部出露變質基底,南部有殘留的石炭系和二疊系,斷裂帶東側的渤海灣盆地基底構造被第四系所覆蓋,因此本文主要對太行山東麓斷裂帶、渤海灣盆地及汾渭地塹系內可見的不同時代基巖和第四系中的節理進行統計、分析。由于節理主要是淺部構造層次的變形結果,因而太古宇等基底中的節理多數是中、新生代的產物。此外,參考前人對該區構造應力場分析已有的研究成果和前人根據節理恢復古應力場的方法(張仲培和王清晨,2004;任收麥等,2009;尹成明等,2011;湯聰等,2011;姜琳等,2013),討論了太行山東麓斷裂帶及其周邊中、新生代應力場的轉換與演化。

本次野外工作對研究區內約 70個典型構造剖面觀測點的近1000條剪節理進行了配套和測量。剪節理常以共軛形式出現,同一觀測點可見到 2~3組(圖2)。在節理的觀測中,主要采用可靠度較高的共軛節理進行配對分析,對性質不明的節理予以忽略,并盡量判定主應力軸方位。對這些野外測量的節理數據,本文用T-TECTO軟件進行了太行山東麓斷裂帶及其西側構造應力場恢復;用Dips軟件對斷裂帶東側的渤海灣盆地內的第四系節理做了玫瑰花走向圖,并根據共軛節理優勢方向做了應力場分析。

根據共扼剪節理產狀與其主應力軸的對應關系,對節理所指示的應力場期次進行了配套。分期配套的整體思路是:先獲得第四系中節理發育時期的應力場,其后依次從老地層中發育的節理獲得的應力場中篩除晚期應力場的疊加,獲得前期節理形成時的應力場,以此類推,從而完成應力場的分期。但是,由于研究區中生代地層剝蝕嚴重,節理測量點大部分位于前寒武基底和早古生代地層中,這對應力場的分期造成了一定的困難,加之看似共軛的節理可能為不同時期節理的假共軛,這些因素可能影響分期的精確度,為此,通過大量統計和區域均勻統計可篩分這種配對的偶然性。

此外,不同時期構造應力場會導致相應的角度不整合、變形樣式差異等,如斷裂帶東側的渤海灣盆地內,存在多期角度不整合(周立宏等,2003),其中,中下侏羅統不整合于上古生界之上、白堊系不整合于古生界之上(圖3)等,均說明侏羅紀及白堊紀發生過構造運動,斷裂帶西側的太行山地區地層剝蝕嚴重,雖然觀察不到相應的不整合,但是區域構造運動應當波及到該地區;在我國,漸新統與中新統之間廣泛發育一個上下巖系角度相差不大的角度不整合;在地層記錄比較完整的地區,如青藏、祁連山、云南等地可以見到中更新統與其下伏的下更新統或新近系之間的角度不整合接觸關系,而在大部分地區則常見第四系與新近系之間的角度不整合,這可能與剝蝕不均或地層劃分不夠精細有關(萬天豐和曹瑞萍,1992)。因此,以下的節理分析統計結果,結合野外觀測到的這些角度不整合等現象以及前人(萬天豐和曹瑞萍,1992)對該地區已有應力場的研究等,本文的應力場分期如下。

2.1 中更新世以來NEE向擠壓應力場

利用Dips軟件統計的節理玫瑰花優勢走向(圖4)揭示,第四系節理野外觀察結果多數為共軛剪節理,其優勢方位大致為NWW和NEE、NNE和NNW向,因此,可以推測第四紀區域擠壓應力場方向可能為NEE向擠壓。結合圖5中太行山東麓斷裂帶的節理恢復結果,初步判定中更新世以來為NEE向擠壓應力場。圖4中個別點反映近SN向(NNE和NNW向)擠壓,再結合圖6節理恢復結果,近SN向的擠壓可能屬于第四紀、中中新世-早更新世NNE、NNW向擠壓應力場下產生的老節理的活化所致。

中更新世以來,印度板塊 NNE 向的碰撞作用傳遞到華北地區時已轉變為 NE-NEE向擠壓,而來自太平洋板塊對華北地區的作用方向為NEE-EW向,印度板塊作用占主導,因而形成太行山地區的NEE-SSW向擠壓應力場。李西雙等(2010)在單道淺層地震剖面上識別出渤海海域內走向為 NNE、近EW和NW向的三組斷裂,其中多數為正斷裂、少數具有走滑性質但同時也具正斷作用,而大多張性斷裂呈近EW走向,與本期NEE-SSW向擠壓應力場相吻合。

圖2 太行山東麓斷裂帶共軛剪節理野外照片Fig.2 Photos showing the conjugate joints along the eastern Taihang Mountain Fault Zone

2.2 中新世-早更新世近 SN向(NNE或 NNW 向)擠壓應力場

圖6中的測量點93、107-109、110、171、183、198、200、237、555、656反映該期應力場為近SN向擠壓。區域上,華北地塊內中生代以來發育的近南北向斷裂(如郯廬斷裂帶)張開。斷裂帶東部的渤海灣盆地形成了一系列近EW向伸展斷裂(Zhang et al.,2003b)。雖然此期應力場強度不大,但是近SN向的擠壓造成近EW向的拉張比較普遍。其動力學背景可能為中新世以來菲律賓海板塊俯沖方向由 NWW轉向 NNW 有關(萬天豐和曹瑞萍,1992),同時,青藏高原大幅度隆升,NWW向和NNE向剪切作用增強,導致太行山地區經受來自鄂爾多斯的NNE向右旋剪切應力增強,因此太行山地區呈現近 SN向的局部應力場。

2.3 始新世-漸新世近NWW向擠壓應力場

圖7中的測量點71、72、74、125、126、127、176、248、298、548、551、626、627 指示太行山地區局部 NWW 向擠壓應力場。區域上,中國東部廣泛發育走向近EW和NWW向的張性正斷層,沿著這些正斷層還普遍發育玄武巖,如張家口漢諾壩、大同等(萬天豐和曹瑞萍,1992),均說明始新世-漸新世擠壓應力場為近NWW向。

圖3 華北地塊中部斷裂圖Fig.3 Fault system in the Central North China Block

始新世-漸新世,太平洋板塊由原來的NNW向俯沖轉為NWW向,與節理所指示的NWW向擠壓應力場相吻合。雖然由于印度板塊與歐亞大陸初始碰撞,且華北地塊整體向東運動,處于 NWW 向的左旋剪切作用下;在華北地塊內部,鄂爾多斯塊體相對于其東部的塊體做NNE向運動,地塊內部處于NNE向的右旋剪切作用下。但這兩種剪切作用對太行山地區的影響比較微弱(吳奇等,2012)。

2.4 古新世-始新世NE向擠壓應力場

圖8 中 85、172、174、216、238、252、293、295、314的節理測量點指示了古新世-始新世應力場,最小主應力軸方位為NW-SE向。

汾渭地塹系在燕山期所形成的NNE向和NWW向的共軛斷裂在古新世-始新世期間沿“X”型共軛斷裂系統發生追蹤張裂(李樹德,1997)。此外,渤海灣斷陷盆地中此時期的凹陷也指示 NW-SE向拉張應力場(Zhang et al.,2003b;張岳橋等,2006)。結合更大區域的動力學背景,太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖方向發生NNW向NWW向的逆時針偏轉,可能是太行山地區由中侏羅世-早白堊世的 NW-SE向擠

壓轉換為NW-SE向拉張的根本原因。

Zhu et al.(2012)通過對華北克拉通東緣的盆地模式、斷層運動學、斷層滑動數據、巖脈分布以及變質核雜巖的研究,認為華北克拉通東部應力場演化為:早白堊世早-中期的NWW-SEE向伸展→早白堊世晚期的NW-SE向伸展→晚白堊世-古近紀的近SN向伸展,且認為這種演化歸結為俯沖板塊的弧后效應;Zhang et al.(2003a)認為由于板塊俯沖和青藏高原的隆起,郯廬斷裂帶(山東省內段)局部應力場由早白堊世中期的近EW向伸展→NW-SE向轉換擠壓→晚白堊世NE-SW向擠壓;Mercier et al.(2007)認為郯廬斷裂帶在早白堊世中-晚期處于NW-SE向擠壓應力場,晚白堊世-古近紀處于NWW-SEE向的拉張應力場中。野外觀察發現,華北地區大量缺失上白堊統,只在個別盆地中可見,表明華北地區活動減弱,整體抬升遭受剝蝕并逐漸均夷而準平原化,形成 95~65 Ma的北臺面(徐杰和高戰武,2001),太行山、呂梁山和燕山等地均保存有北臺面。冀中坳陷基底主要為侏羅系和下白堊統以及更老的巖層,上白堊統分布很少,表明太行山山前斷裂此時也處于平靜期。因此,早白堊世晚期到晚白堊世可能是中國東部由中侏羅世-早白堊世NW-SE向擠壓應力場向新生代NWW(或NW)-SEE(或SE)向的拉張應力場的構造體制轉化階段。

2.5 中侏羅世-早白堊世NW向擠壓應力場

指示中侏羅世-早白堊世應力場的節理測量點為 68、69、95、97、179、182、213、227、228、229、617、649(圖9)。測量點所在的出露地層主要為石炭系、二疊系、侏羅系,碳酸鹽巖區的典型共軛剪節理均為本期構造應力場的產物,而花崗巖類巖體中含石英脈的一套共軛剪節理也指示著這一期構造應力場。其最大主壓應力軸方位是 NW-SE向,最小主壓應力軸方位是NE-SW向。

區域構造分析表明,中侏羅世-早白堊世,是中國東部構造體制的重要轉換時期(李三忠等,2010)。呂梁山隆起帶晚侏羅世發育一系列走向 NE-SW 或NNE-SSW 向褶皺(吳奇等,2012),此外,呂梁山隆起帶發育的燕山期花崗巖體年齡在 110~130 Ma 之間,說明巖體侵入發生在早白堊世,與中國東部地區普遍的巖漿侵入活動具有一致性,是在相同的構造背景下形成的(王錫勇等,2010)。同時,汾渭地塹系在該時期形成早期“X”型共軛剪切斷裂系統(李樹德,1997)。再向東,太行山北段形成一系列褶皺與逆沖推覆構造,沿河城斷裂、百花山復向斜及馬頭背斜等NEE向構造等都在此時期形成(鞠紫云,1983)。華北地區中晚侏羅世也形成了大量的 NE向褶皺和逆沖推覆構造,且晉獲斷裂帶形成,并向東強烈反向逆沖推覆。這些宏觀構造分析得出的應力場與本文節理分析結果一致。

3 太行山東麓斷裂帶性質與多期演化

上述節理統計分析表明,太行山地區經歷了復雜的應力場變化,太行山東麓斷裂帶在這種背景下也表現出復雜的多期斷裂活動,而且東麓斷裂帶不同地段存在差異性,具有明顯的分段性(圖3)。

3.1 太行山山前斷裂

八寶山斷裂(F2-1)和黃莊-高麗營斷裂(F2-2)是位于斷裂帶北段的活動斷裂,為北京坳陷的西界斷裂(圖3)。八寶山斷裂伴隨北京西山 NE向褶皺和逆斷裂形成于中侏羅世晚期,晚侏羅世發生拉張活動,至白堊紀,黃莊-高麗營斷裂形成并取代了八寶山斷裂(徐杰等,2000)。早白堊世末,由于處于NW-SE 向的擠壓應力場下,兩條斷裂轉為逆斷裂。晚白堊世-始新世,在NE-SW 向擠壓為主的應力場下,黃莊-高麗營斷裂表現為正斷層性質,同時具有一定的右旋走滑特征。黃莊-高麗營斷裂在新生代的活動具有明顯的自南向北轉移的特點(徐杰等,1992),其活動強度遠大于八寶山斷裂。其中,八寶山斷裂主要活動階段為早更新世,而黃莊-高麗營斷裂早-中更新世活動顯著(徐杰等,1992)。

大興斷裂、徐水斷裂和保定-石家莊斷裂(圖3)由北向南依次相連,構成冀中坳陷的西界,整體走向 NE,傾向 SE。通過對大興斷裂所在區域大量地震剖面的研究,依其地質構造特征可分為北段、中北段、中南段和南段四段,每段的走向、活動時間及活動性質存在差異(趙紅格和劉池洋,2002)。中北段走向 NE-NNE,形成時間最早,為典型的犁式正斷層;中南段走向近 EW,斷面南傾,具有拉張、走滑性質和調節作用,形成較晚;南段走向近 SN,具有右行走滑性質。中南段、南段在沙河街組二段-東營期強烈活動(趙紅格和劉池洋,2002)。野外調查顯示(圖10),保定-石家莊斷裂第四紀仍有活動:在曲陽縣北西定龍收費站西北側的薊縣系中厚層白云巖中發育有 NE、NNE、NEE以及 NWW向多組斷裂,其中NNE向斷裂切割NNW向斷裂,并控制晚更新世馬蘭黃土,后均被 NWW 向斷裂切割,NWW 向斷裂規模大,由數條近直立斷層組成,且擦痕表明,NWW向斷裂具有左旋走滑性質。

圖10 曲陽縣北西定龍收費站剖面圖Fig.10 Photos and sketched map for the profile at the north part of the Quyang county

邯鄲斷裂(圖3)走向 NNE,傾向 SE,具有正斷兼右旋性質,根據斷裂活動存在的差異,自北向南可以將斷裂分為三段:臨城-永年段;永年-磁縣段;磁縣–安陽段。其中,北段臨城-永年斷裂段在晚第四紀早期差異運動較弱,但斷裂持續活動,晚更新世垂直斷距9 m,到全新世仍有活動,全新世垂直斷距4 m;中段永年-磁縣斷裂段在晚第四紀差異運動最強,斷差約 30 m,全新世仍有明顯的活動,全新世垂直斷距4 m左右;南段磁縣-安陽斷裂段早、中更新世活動強烈,早更新世垂直斷錯 50~60 m,晚更新世以來斷裂仍有活動,但全新世沒有活動(侯治華等,2008)。另外,國家地震局地質大隊通過分析鉆井、地貌特征等,認為該斷裂是一條晚更新世和全新世活動明顯的斷裂(江娃利和聶宗笙,1985)。

湯西、湯東斷裂(圖3)均為太行山山前斷裂南端的古近紀和新近紀生長斷層,其中,湯西斷裂傾向SEE,湯東斷裂傾向 NWW,且斷面均呈鏟形,活動性質均以正傾滑為主,走滑為輔(楊承先,1984;于慎諤等,2012)。兩條斷裂的活動期次具有分段性:湯東斷裂大體以宜溝為界,分為南、北兩段,北段古近紀、新近紀活動強烈;南段活動比較復雜,可進一步分為南(汲縣)、北(淇縣)兩個亞段,古近紀時北亞段活動強烈,控制古近系沉積,新近紀時南亞段活動強烈,控制新近系沉積(楊承先,1984)。湯西斷裂上新世活動較強烈,可能持續到中更新世,晚更新世以來垂直差異活動減弱甚至消失,代之以較明顯的右行走滑活動(張岳橋等,2003)。

總之,自上新世以來,在活動性質上,太行山山前斷裂的活動性整體呈減弱趨勢,早期表現為強烈的正斷活動,控制著上新統和第四系的沉積,后期正斷性質減弱,表現出右旋走滑性質;空間上,太行山山前斷裂主要活動體現在北段與南段,中段相對較弱,特別是中段的中北部,在第四紀基本停止活動。

3.2 太行山大斷裂

太行山大斷裂主要由烏龍溝斷裂、紫荊關斷裂和晉獲斷裂帶組成(圖3)。其中烏龍溝斷裂(F1-1),是一條自北向南切過大河南巖體、王安鎮巖體和司各莊巖體的活動斷裂,進入司各莊巖體后活動減弱,在南端消失于基底變質巖系。在走向上,整條斷裂由多個區段左階斜列構成,斷裂不僅具有巖性造成的分段性,且在同巖性區段還具有構造上的分段性。斷裂變形帶內發育多期不同巖性的巖脈,巖脈也遭受后期變形,如發育節理等,標志著斷裂多期活動(陳桂華,2002)。

紫荊關斷裂(F1-2)總體走向為NNE向,傾向SE,位于大河南巖體和王安鎮巖體的東側邊緣,北段為活動斷層(圖3),南段則被第四系覆蓋。斷裂部分地段是變質巖系與中、新元古界蓋層的接觸線。野外觀測發現,位于該斷裂的觀測點 636出露巖性為條帶狀片麻巖,兩組節理發育,且發育一條寬約7 m、產狀陡立的 NE 向斷裂帶(圖11),為正斷性質。該斷裂主體形成于侏羅紀末,即晚侏羅世東嶺臺期火山活動之后,表現為下盤的大幅度抬起,完成于白堊紀末,即王安鎮、大河南主巖體侵入之后,以扭動作用為主,具有明顯的繼承活動性質(陳桂華,2002)。宏觀構造組合特征、構造巖變形疊加信息、節理的古構造應力場信息及前人區域資料表明,紫荊關斷裂自古生代末開始活化以來有三次主要構造活動:第一次是中侏羅世-早白堊世,斷裂左行壓扭性活動;第二次在晚白堊世-始新世,斷裂右行張扭性活動,斷裂內形成初碎裂巖為主的構造巖;第三次是喜山期以西側抬升、東側下降的強烈升降為主的活動,在基巖中,主斷層兩側圍巖出現微破裂。

圖11 曲陽縣北公路旁剖面圖Fig.11 Photograph and sketched map of profile at the north part of the Quyang county

晉獲斷裂帶北起河北省獲鹿縣,向南經左權、長治至晉城西南,整體走向 NNE,傾向以 NWW為主,斷裂作用涉及太古界至新生界,而構造活動及變形強度沿走向有北強南弱的差異性,因此該斷裂帶有分段特征(關英斌和李海梅,1999),自北向南分為 3段:北段從河北獲鹿到山西黎城;中段從黎城到長治縣莊頭斷層;南段從長治縣莊頭斷層到晉城市馮溝。此次野外測量點 179、182、183等位于北段(圖6、9),測量點121位于中段(圖5),測量點74和76位于南段(圖7)。179和182觀測點節理均指示NW-SE向擠壓應力場;中段的121測量點出露下奧陶統青灰色中厚層灰巖,發育三組節理指示NNW-SSE向拉張應力場(圖5)。位于斷裂南段的觀測點 74巖性為青灰色中厚層灰巖,該觀測點整體是一個走向為 NNE-SSW 的背斜,與節理指示的應力場為NWW-SEE向擠壓應力場(圖7)相吻合。北段變形最為強烈,表現為太古宙結晶基底逆沖于下古生界之上,以逆沖推覆為主;中段變形較強,主要出露下古生界,構造樣式以逆沖斷層為主,伴隨有斜歪褶曲、撓曲,后期發生構造反轉(NNE-SSW 向擠壓應力場作用下,NWW-SEE方向發生應力松馳所致),由燕山期的逆沖推覆變為正斷層,伴隨右行走滑,長治斷裂形成并控制了黎城盆地的發育,新生代期間又控制了長治盆地的形成,野外觀測資料揭示,長治斷裂中更新世及全新世皆有活動,擦痕和階步推斷為右旋正斷(張岳橋,2004);南段變形中等,出露下古生界及上古生界,構造樣式主要為斜歪褶皺,下古生界保留有逆沖斷層痕跡,從斷層性質推測該段前期有過強烈的擠壓,而后斷層發生過右行走滑,對前期的擠壓逆沖進行了改造(關英斌和李海梅,1999;孫麗娜等,2009)。

綜上所述,太行山山前斷裂和太行山大斷裂在復雜多變的中、新生代區域應力場下,活動性質也發生多期變化,對主斷裂的活動性質及區域應力場的變化歸納如下(圖12):印支期,由于古亞洲洋、華南地塊與華北地塊之間的剪刀式碰撞拼合,在近SN向擠壓應力場下,發育近EW向壓性斷裂(在太行山地區表現不明顯);中侏羅世-早白堊世,太行山地區在NW-SE向擠壓應力場下發育NE、NNE向逆沖推覆構造與左行壓扭斷裂(屬于太行山東麓斷裂帶);古近紀以來,太行山東麓斷裂帶轉為右行走滑兼正斷性質的斷裂;新構造運動期,太行山斷裂帶以太行山山前斷裂活動為主,NNE-NE向斷裂帶除北段的黃莊-高麗營斷裂和南段的邯鄲斷裂,全新世以來活動較強,其余各段強烈活動期均集中于早、中更新世甚至第四紀之前,全新世以來活動較弱。

圖12 太行山地區斷裂活動期次及其相應應力場關系Fig.12 Stages and their related stress fields of the faults in the Taihang Moutains

4 斷裂帶的應力場轉換機制

中國大陸位于歐亞板塊的東南部,其西南部處于與印度板塊強烈碰撞的前沿,東南部和東部也分別受到菲律賓海板塊、太平洋板塊俯沖的影響,因而處于華北地塊中部的太行山地區所受應力場變化主要來源于三大板塊板緣不同時期的構造活動,且三大板塊的活動時間及對太行山地區的影響程度不同。始新世之前,太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖占主導影響,對太行山地區造成不同方向的擠壓作用,擠壓方向隨時間發生變化(表 1);始新世以后,由于印度板塊開始向北與歐亞大陸發生碰撞,對太行山地區造成 NE向擠壓作用,且菲律賓海板塊也由原來的NNW向擠壓轉變位NWW向擠壓,太平洋板塊向歐亞大陸做后撤式俯沖。總之,中、新生代華北地塊所受應力來源不同,且由于太行山地區內部的構造差異,這些應力傳達到研究區后所造成的地質響應也有所不同。

4.1 中生代應力場與成因機制

印支期,北部古亞洲洋自西向東剪刀式俯沖消亡,南部華南地塊與華北地塊發生自東向西的剪刀式碰撞,形成近 SN向的擠壓應力場(對研究區影響較小);中侏羅世,古太平洋俯沖于歐亞大陸之下,應力場由印支期的近SN向擠壓轉換為NW-SE向擠壓,即燕山運動以NW-SE向擠壓為主;晚侏羅世到早白堊世,巖石圈強烈破壞,大量巖漿侵入,燕山運動進入峰期(李三忠等,2011)。

總之,燕山運動之后直到新生代初,太行山山前斷裂和其他斷裂都基本穩定,華北地塊整體抬升遭受剝蝕并逐漸均夷而準平原化,最后形成廣泛分布的北臺期的華北準平原,即為后期的北臺期夷平面(吳忱等,1999;陳連旺等,2007)。太行山地區均處在NW-SE向的擠壓應力場中,之后轉入向新生代初期拉張應力場的過渡階段。

4.2 新生代應力場與成因機制

處于太行山東麓斷裂帶東側的渤海灣盆地,古近紀以來處于NW-SE向拉張應力場中,發生強烈斷陷作用,隨后斷陷減弱,部分古近系因翹傾活動遭到一定程度的剝蝕,新近紀后進入熱沉降階段,形成古近系與新近系之間的區域不整合。始新世-漸新世雖然印度板塊開始與歐亞大陸碰撞,華北地塊與華南地塊以不同的速率(華北地塊慢于華南地塊)向東運動,而在華北地塊內部,鄂爾多斯塊體相對于其東部的塊體做NNE向運動,因此華北地塊的南、北邊緣處于 NWW 向的較弱的左旋剪切作用下,地塊內部處于 NNE向的較弱的右旋剪切作用下(吳奇等,2012),但兩種應力場并不影響太行山地區。此階段,依然受太平洋板塊由原來的 NNW 向俯沖轉為NWW向轉變的影響較大。

新近紀以來,太行山繼續隆升,在上新世活動減弱,剝蝕夷平,形成唐縣期夷平面。中新世,太平洋板塊繼續NWW向俯沖,而菲律賓海板塊做NNW向俯沖(萬天豐和曹瑞萍,1992),太行山地區為近SN向擠壓應力場。上新世初,印度大陸和歐亞大陸的持續匯聚,導致青藏東緣中段和北段的構造擠出,向東擴展導致華北地區構造應力場的改變,形成了華北地區復雜的構造變形組合,引起了NNE向斷裂的右行走滑復活(張岳橋,2004)。

表1 中國周邊板塊運動方向演化及太行山地區的地質響應Table 1 The directions of plate motions around China and the corresponding geological responses in the Taihang Mountain area

中更新世以來,印度板塊NNE向的碰撞作用傳遞到華北地區時已轉變為 NE向擠壓,來自太平洋板塊的邊界力對華北地區的作用方向為NEE-EW向,菲律賓海板塊俯沖方向轉換為 NWW,對臺灣地區的作用非常強烈,但是對華北地區的作用相對較弱。太行山地區呈現NEE-SSW擠壓,導致第四紀以來不同走向盆地及斷裂活動性質的變化。

5 結論

通過以上研究,本文得出以下幾點結論:

(1) 根據共軛剪節理產狀與其主應力軸的對應關系,對節理所指示的局部應力場期次進行分期統計的結果如下:中侏羅世-早白堊世的 NW-SE向擠壓、古新世-始新世NE-SW向擠壓、始新世-漸新世NWW向擠壓、中新世-早更新世近SN向擠壓以及中更新世以來NEE向擠壓。

(2) 太行山地區中生代構造應力場動力起源可能存在兩個:中侏羅世構造機制受古亞洲洋構造域的持續匯聚體制制約(對應SN向擠壓應力場),轉向古太平洋構造域的俯沖消減體制(對應 NW 向擠壓應力場)制約;時期由古太平洋構造域的中生代擠壓性質到新生代伸展性質的構造機制轉換制約。

(3) 太行山地區新生代構造應力場動力起源也可能存在兩個:古新世-始新世太平洋板塊俯沖帶的躍遷式東撤形成NW-SE向拉張應力場;始新世之后印度板塊和歐亞板塊接觸碰撞與太平洋板塊和菲律賓海板塊共同作用,形成始新世-漸新世NWW向擠壓→中新世-早更新世近SN向擠壓→中更新世以來NEE向擠壓等應力場的轉換。

(4) 太行山地區中、新生代應力場轉換機制:始新世之前,太行山地區應力場主要由太平洋板塊向西俯沖于東亞安第斯型大陸邊緣所致,且俯沖方向在不同階段有所改變,菲律賓海板塊雖然與太平洋板塊以相同的方向俯沖,但是對太行山地區的影響較小;始新世以來,印度板塊和歐亞板塊碰撞激發的軟流圈的東擴張效應和太平洋俯沖帶的躍遷式東撤的聯合效應導致太行山地區受 NE向擠壓應力場與 NWW 向拉張應力場的雙重疊加作用;上新世開始,兩個方向的應力場增強,其合應力場影響范圍向華北地塊中部和東部擴展,因兩種剪切應力增強幅度的不同,合力由 NW 向拉張逐漸轉變為 NNW向拉張(即現在的 NEE-SSW 向擠壓應力場)。總之,太行山地區應力場的轉換是太平洋板塊、印-澳板塊和菲律賓海板塊的運動方向和對該地區影響范圍與程度隨著時間演化所致。

此外,傳統板塊構造理論認為,板塊內部是剛性一塊,不會發生變形,變形主要發生在板緣。但當前一些研究人員為了突破板塊構造理論約束,認為板塊不是剛性塊體,是可變形的,稱這種板塊為可變形板塊(deformable plate),因而在研究中多采用塑性材料進行相關數值模擬。但本文基于野外觀測表明,板塊內部確實是可變形的,但不是塑性變形為主,而主要表現為脆性變形特征,且這種變形確實可和板緣動力具有良好對應關系。至于板內有無自身和深部變形機制還有待深入研究。

致謝:在本文的一審、二審和修改過程中,得到了合肥工業大學朱光教授和另一位匿名審稿專家的指導和幫助,特此致謝。

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