湘東北隆起區前中生代抬升剝蝕過程的地層記錄

柏道遠，李 彬，姜 文，李銀敏，鐘 響

(湖南省地質調查院, 長沙 410016)

位于揚子板塊東南緣的江南造山帶為一前寒武紀基底廣泛出露的構造隆起帶[1-2]。湘東北地區即位于江南造山帶中西段(圖1a), 主要出露新元古界冷家溪群以及少量的板溪群, 由此顯示強烈隆起特征(圖1b)。區內以金、 鉛鋅多金屬和稀有金屬為主的礦產資源豐富, 并發育新元古代、 加里東期、 印支期和燕山期等多階段花崗巖。前人對相關的成礦作用和成礦背景進行了大量研究[3-18], 對花崗巖的時代和成因環境等也作了大量探討[19-31], 但與之相關的構造演化過程研究還很薄弱。

湘東北地區的隆起特征是長期構造演化及多次構造運動抬升的結果, 其中印支期和燕山期花崗質深成巖體剝露地表表明中新生代以來發生過大幅抬升作用; 基于鋯石和磷灰石裂變徑跡所進行的低溫熱年代學研究也揭示出白堊紀以來發生過強烈隆升和剝蝕夷平過程[32-33]。但由于區域上新元古界板溪群—下古生界保存有限或大面積缺失, 致使該區前中生代的抬升剝蝕歷史研究相對薄弱, 具體過程模糊不清。鑒此, 本文嘗試通過冷家溪群—上古生界地層序列、 地層發育和缺失情況及其反映的不整合特征, 重塑湘東北前中生代抬升剝蝕過程, 以為該區域前中生代構造演化特征及成巖成礦的構造背景研究提供新的參考資料。

1 區域地質概況

在NW向常德-安仁基底隱伏斷裂以東的湘東北地區, 由老至新依次出露新元古代冷家溪群、 板溪群和同期異相的高澗群、 南華系—震旦系、 下古生界、 上古生界—中三疊統、 上三疊統—中侏羅統、 白堊系—古近系和第四系等多個時代的地層(圖1b)。 冷家溪群為活動大陸邊緣火山-碎屑沉積[34], 是該區前白堊系主要出露的地層單元。板溪群—南華系為裂谷盆地火山-碎屑夾少量碳酸鹽沉積, 其中板溪群主要分布于常德-安仁斷裂帶及其東側, 瀏陽北東面的永和鎮有極少量出露。震旦系—下奧陶統為被動大陸邊緣盆地陸源碎屑夾少量碳酸鹽、 硅質沉積, 中奧陶統—志留系為前陸盆地砂、 泥質和少量碳酸鹽沉積; 震旦系—奧陶系與南華系主要分布于桃江-韶山、 岳陽-臨湘一帶, 平江梅仙和瀏陽永和有少量出露。泥盆系—中三疊統為陸表海碳酸鹽、 陸源碎屑夾硅質沉積, 主要出露于桃江-大圍山一線以南。上三疊統—中侏羅統為陸相擠壓類前陸盆地或伸展盆地含煤碎屑沉積, 主要出露于瀏陽南東面、 攸縣東面兩地, 韶山-長沙-醴陵一帶有零星分布(圖1b中未予表示)。白堊系—古近系為陸相斷陷盆地紅色碎屑沉積, 區內廣泛分布。

圖1 研究區所在構造位置(a, 據文獻[35], 略修改)及區域地質簡圖(b)

該區發育有新元古代、 志留紀和中生代花崗巖(圖1b)。新元古代花崗巖分布于岳陽-瀏陽一帶, 與武陵期俯沖或碰撞造山有關[19, 23, 28]。志留紀花崗巖分布于株洲-醴陵及衡山, 主要為埃達克質花崗閃長巖[24], 與加里東后期陸內造山有關[29]。中生代花崗巖可進一步分為三疊紀(印支晚期)[36-38]、 侏羅紀(燕山中期)[21-22, 25-26, 39-40]和白堊紀(燕山晚期)[27]等3個時代, 其中三疊紀花崗巖主要形成于印支陸內造山運動之后的后碰撞構造環境[36-38], 侏羅紀和白堊紀花崗巖與太平洋板塊俯沖誘發的伸展環境有關[26]。

該地區經歷了武陵(晉寧)、 加里東、 印支、 早燕山等幾次具擠壓造山性質的主要構造運動, 分別造成了板溪群與冷家溪群、 上古生界與前泥盆系、 上三疊統或侏羅系與前中三疊統、 白堊系與侏羅系(或前白堊系)之間的角度不整合[34]。此外, 受雪峰伸展運動及差異升降影響[41-43], 南華系與板溪群之間存在局部沉積間斷或不整合。

湘東北地區發育公田-灰湯斷裂、 連云山-衡陽斷裂等NE-NNE向主干斷裂。南西側發育的常德-安仁斷裂為走向NW、 傾向NE的基底隱伏大斷裂, 地質上表現為一NW向巖漿隆起帶, 深部貫穿中、 下地殼并切入巖石圈地幔[44]。洞庭、 長平(長沙-平江)、 株洲、 醴攸(醴陵-攸縣)等白堊紀—古近紀斷陷盆地疊覆于前中生代地層之上[45](圖1b)。

2 抬升剝蝕過程分析方法

研究區前中生代抬升剝蝕過程主要通過冷家溪群—上古生界內部地層不整合所代表的構造運動、 構造抬升及其造成的地層剝蝕和沉積缺失來進行分析。

鑒于前中生代沉積物均形成于海相環境, 且區域地質資料表明各不整合面上覆地層厚度具有大范圍內穩定特征, 據此可推斷各次構造抬升事件之后至下次沉降沉積之前地表經歷了較充分的夷平作用, 因此本文將抬升量近似視為剝蝕量。此外, 研究區武陵運動和加里東運動中處于陸緣或陸內環境, 不具陸間造山帶性質, 構造變形以擠壓增厚和褶皺為主[34], 因此將構造抬升事件所對應不整合面下伏地層層位與區域地層序列對比, 確定所剝蝕地層及其厚度, 并將該厚度近似視為抬升剝蝕量。需要說明的是, 理論上不整合面之下的最新層位可能并非真正的最上部的沉積地層, 因此通過區域地層序列確定的殘留最大地層厚度可能并非實際的最大地層厚度, 導致所計算的剝蝕地層厚度可能偏小。但就研究區而言, 各不整合面之下的殘留最新地層的時代一般與區域構造運動的時間相近, 因此殘留最大地層厚度可近似視為實際最大地層厚度。

值得指出的是, 理論上單次構造運動的不整合面所對應的地層缺失可分為早、 晚兩部分, 早期地層缺失由抬升后的剝蝕造成, 即存在同期沉積; 晚期地層缺失則是由于抬升導致盆地封閉而缺失沉積所造成。對應于多次構造運動的不整合面, 相應的抬升剝蝕過程更為復雜。

不整合面進一步分為角度不整合面和平行不整合面, 這兩種不同不整合地層關系所對應缺失地層厚度的計算方法均如前所述, 只是其下伏地層層位及對應抬升剝蝕量的變化特征有別。角度不整合面主要由褶皺造山作用形成, 因此下伏地層層位和抬升剝蝕量橫向上具顯著變化, 即自背斜核部至向斜核部層位由老變新, 對應的抬升剝蝕量則由大變小。值得指出的是, 從構造運動強度與變形強度之間的正相關性考慮, 更大的抬升幅度和更顯著的抬升剝蝕量差異, 通常反映更強烈的構造運動。平行不整合面主要由整體抬升所造成, 下伏地層層位較穩定, 對應的抬升剝蝕量差異很小。

3 不同分區前中生代地層序列、 不整合及抬升剝蝕過程

根據前中生代地層發育、 缺失情況及其反映的不整合特征和抬升剝蝕過程差異, 可將湘東北地區劃分為臨湘抬升-剝蝕區(Ⅰ)、 岳陽抬升-剝蝕區(Ⅱ)、 金井抬升-剝蝕區(Ⅲ)、 長沙抬升-剝蝕區(Ⅳ)、 醴陵抬升-剝蝕區(Ⅴ)等5個抬升-剝蝕過程分區(圖1b)。造成抬升-剝蝕的構造事件包括冷家溪期末的武陵運動、 板溪期末的雪峰運動和早古生代后期的加里東運動, 其中加里東運動又分為早幕即奧陶紀末的北流運動、 晚幕即志留紀中后期的廣西運動(本文早、 晚幕的劃分僅就湖南省境而言)。臨湘抬升-剝蝕區與岳陽抬升-剝蝕區的主要差異為: 前者缺少板溪期沉積, 而后者發育板溪期沉積; 前者加里東運動僅有小幅整體抬升和剝蝕而無褶皺變形, 而后者有大幅差異抬升剝蝕和褶皺變形。岳陽抬升-剝蝕區與金井抬升-剝蝕區的主要差異為: 前者武陵運動后暴露時間更長而僅形成板溪群上段沉積, 后者武陵運動后暴露時間短而形成了板溪群下段和上段沉積。金井抬升-剝蝕區與長沙抬升-剝蝕區的主要差異為: 前者雪峰運動產生了大幅抬升剝蝕, 而后者雪峰運動未產生明顯抬升剝蝕。長沙抬升-剝蝕區與醴陵抬升-剝蝕區的主要差異在于, 前者加里東運動發生時間較晚, 產生的抬升剝蝕量更小; 而后者加里東運動發生的時間較早, 產生的抬升剝蝕量總體上更大。

需要指出的是, 受地表沉積記錄的高度不連續性限制, 圖1b中抬升-剝蝕區的分界線位置只是基于零星或小面積殘留地層并結合構造線走向、 區域巖相古地理總體格局等因素進行的大體推斷。以下分別介紹各分區前中生代地層序列、 不整合特征及其反映的抬升剝蝕過程。

3.1 臨湘抬升-剝蝕區

3.1.1 地層序列及分布特征 臨湘抬升-剝蝕區主要出露冷家溪群和南華系—志留系(圖1b)。根據區內出露地層, 結合區域巖相古地理特征及鄰區地層發育情況, 厘定本區前中生代地層序列如表1所示。自早至晚就各時期地層說明如下。

表1 臨湘抬升-剝蝕區前中生代沉積地層序列

冷家溪群在區內廣泛出露。南華系缺失最下部的長安組, 中、 上部的富祿組—南沱組連續發育, 其中富祿組角度不整合于冷家溪群之上, 其間缺失板溪群。震旦系金家洞組和留茶坡組為硅泥質為主沉積。寒武系—奧陶系屬臺地相區沉積。志留系本區僅保留下部, 上部因剝蝕無保留, 地層及巖性參考同相區的西鄰慈利-石門地區。缺失泥盆紀—早石炭世沉積; 中石炭世—中三疊世發育連續海相沉積, 底部的黃龍組平行不整合于志留系之上, 但該套地層僅出露于相鄰的湖北赤壁地區, 本區(湖南省境)因剝蝕而無保留。

3.1.2 不整合特征及其反映的抬升剝蝕過程 臨湘抬升-剝蝕區內前中生代存在武陵運動和加里東運動等2次主要構造運動, 造成了幅度不一的抬升剝蝕以及不同構造層之間的角度或平行不整合。

南華系富祿組角度不整合于冷家溪群雷神廟組上部—小木坪組之上, 其間缺失板溪群; 鑒于東部尚有大藥姑組出露, 推斷沉積期富祿組下伏地層為雷神廟組—大藥姑組(圖2a; 為簡便起見, 本文將類似示意圖中不整合面下伏地層層位變化視為褶皺作用的結果, 未考慮斷裂因素)。南鄰岳陽新開地區板溪群僅發育其上部的五強溪組和多益塘組(缺少下部橫路沖組—通塔灣組)(見“3.2.1節”所述), 結合北高南低的區域巖相古地理展布特征[34], 推測本區板溪期為古地理高地而無同期沉積, 富祿組與冷家溪群之間無板溪群缺失的原因系沉積缺失, 而非雪峰運動造成的抬升剝蝕。鑒上, 富祿組與雷神廟組—大藥姑組的不整合, 反映了冷家溪期末武陵運動后至南華紀早期(區域上對應于長安期)處于暴露狀態, 不等量剝蝕了雷神廟組頂部—大藥姑組頂部, 對應的抬升剝蝕量為>0～5 200 m不等。值得指出的是, 本區雪峰運動可能有過升降活動, 但無可厘定的獨立沉積與抬升剝蝕。

區內因后期剝蝕無上古生界出露, 但北東面的湖北赤壁地區有上古生界發育, 且上石炭統黃龍組平行不整合于志留系溶溪組之上(圖2b), 其間因剝蝕而缺失了志留系上部的吳家院組—小溪峪組, 反映了志留紀后期加里東運動晚幕廣西運動[46-47]后至早石炭世處于暴露狀態, 并發生過500 m左右的抬升剝蝕。

圖2 臨湘抬升-剝蝕區富祿組和黃龍組沉積期不整合示意圖(地層單位見表1)

綜上述, 臨湘抬升-剝蝕區經冷家溪期末武陵運動抬升后至早南華世長安期處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量為>0～5 200 m不等, 剝蝕地層為冷家溪群; 經志留紀后期廣西運動后至早石炭世處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量500 m左右, 剝蝕地層為志留系(圖3a)。

圖3 湘東北地區前中生代沉積和抬升-剝蝕過程

順便說明, 從構造變形特征和機制考慮, 本區武陵運動及后文其他地區不等量抬升剝蝕主要與造山運動的褶皺和沖斷作用有關(岳陽抬升-剝蝕區雪峰運動不等量抬升主要與斷塊旋轉和差異升降有關), 自背斜核部至向斜核部、 自逆沖斷裂上盤至下盤, 抬升剝蝕量減小; 抬升剝蝕量差異越大, 暗示構造運動和構造變形的強度越大。

3.2 岳陽抬升-剝蝕區

3.2.1 地層序列及分布特征 由于多階段大幅度抬升剝蝕, 岳陽抬升-剝蝕區大部出露冷家溪群、 白堊系—第四系(圖1b)。此外, 在岳陽新開地區出露有板溪群上部、 南華系—寒武系, 平江梅仙地區出露有少量南華系—寒武系(圖4)。

根據區內出露地層, 結合區域巖相古地理特征及鄰區地層發育情況, 厘定本區前中生代地層序列如表2所示。自早至晚就各時期地層說明如下:

冷家溪群除頂部大藥姑組因剝蝕無保留外, 其他各組在區內均有出露。板溪群僅發育其上部旋回的五強溪組和多益塘組(缺少下部旋回橫路沖組—通塔灣組), 出露于岳陽新開地區, 角度不整合于小木坪組之上; 根據北高南低的區域巖相古地理特征, 推測自岳陽往南至平江地區均有五強溪組和多益塘組沉積。南華系缺失最下部的長安組, 上部的富祿組—南沱組出露于岳陽新開、 平江梅仙兩地, 其中富祿組分別平行不整合于板溪群之上、 角度不整合于冷家溪群之上。震旦系金家洞組和留茶坡組分布于岳陽新開地區, 同期異相的陡山沱組和燈影組出露于平江梅仙地區, 反映本區震旦系均有發育且存在巖相分異。寒武系—奧陶系屬盆地相區沉積(牛蹄塘組—煙溪組)(表2), 有別于北鄰臨湘地區的臺地相沉積(表1); 區內僅有寒武系見于平江梅仙地區、 寒武系底部牛蹄塘組見于岳陽新開地區, 奧陶系區內無保留, 其地層序列及巖性參考同相區的西鄰慈利地區。志留系本區也無保留, 地層及巖性參考北鄰臨湘地區和西鄰慈利地區。本區因剝蝕而無上古生界出露, 沉積層序推測與南鄰金井(永和)地區相近(表2、 表3)。

表2 岳陽抬升-剝蝕區前中生代沉積地層序列

3.2.2 不整合特征及其反映的抬升剝蝕過程 岳陽抬升-剝蝕區內前中生代存在武陵、 雪峰和加里東等幾次主要構造運動, 各期構造運動造成了幅度不一的抬升剝蝕以及不同構造層之間的角度或平行不整合。

岳陽新開地區武陵運動和雪峰運動不整合界面均表現清楚。板溪群五強溪組角度不整合于小木坪組中上部之上(圖5a), 其間因剝蝕而缺失了冷家溪群大藥姑組和小木坪組中上部, 反映武陵運動后至板溪期中期(通塔灣期)處于暴露狀態, 并造成了800～1 200 m不等的差異抬升剝蝕。富祿組平行不整合于多益塘組之上(圖5b), 其間因剝蝕而缺失了板溪群牛牯坪組和百合垅組, 反映板溪期末雪峰運動后至早南華世長安期處于暴露狀態, 造成了約300 m的抬升剝蝕。

南部平江梅仙地區有少量南華系—下古生界殘留, 且富祿組角度不整合于冷家溪群潘家沖組中上部之上(圖4)。鑒于周邊尚有更高層位的小木坪組發育, 大體推斷沉積期富祿組下伏地層為潘家沖組—小木坪組(圖5c), 其間缺失了板溪群(五強溪組—牛牯坪組)、 冷家溪群的大藥姑組(全部)和潘家沖組—小木坪組(不等量)。從構造演化過程來看, 板溪群的缺失應為雪峰運動后抬升剝蝕所致; 冷家溪群的缺失主要為武陵運動后差異抬升剝蝕所致, 雪峰運動可能有少量貢獻。據此， 結合缺失地層厚度分析, 梅仙地區武陵運動造成了800～6 900 m不等的抬升剝蝕, 雪峰運動造成了約800 m的抬升剝蝕。

圖4 梅仙地區地質圖(據文獻[49],有修改;位置見圖1b)

圖5 岳陽抬升-剝蝕區沉積期不整合示意圖(地層單位見表2)

本區無上古生界保留, 加里東運動晚幕(廣西運動)不整合特征缺少物質記錄, 其造成的抬升剝蝕量難以準確厘定。鑒于梅仙北面板口向斜中殘留有南華系—寒武系探溪組(圖4), 大體推測加里東運動抬升后剝蝕層位上至探溪組頂, 下至富祿組以下, 對應差異抬升剝蝕量為3 300～>4 400 m不等。

綜上所述, 岳陽抬升-剝蝕區經冷家溪期末武陵運動抬升后至板溪期中期處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量在800～6 900 m不等, 剝蝕地層為冷家溪群; 經板溪期末雪峰運動抬升后至早南華世長安期處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量在300～800 m不等, 剝蝕地層為板溪群; 經志留紀后期廣西運動后至早石炭世處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量為3 300～>4 400 m不等, 剝蝕地層為南華系—志留系(3 300～4 400 m)以及冷家溪群(>0 m)(圖3b)。

此外, 岳陽抬升-剝蝕區與北鄰臨湘抬升-剝蝕區的差別主要在于, 前者存在板溪期沉積, 加里東運動(廣西運動)具陸內造山變形且導致大幅抬升剝蝕(3 300～>4 400 m); 后者則缺失板溪期沉積, 加里東運動未發生褶皺變形且僅造成小幅抬升剝蝕(約500 m)。

3.3 金井抬升-剝蝕區

3.3.1 地層序列及分布特征 金井抬升-剝蝕區主要出露白堊系—第四系以及冷家溪群(圖1b), 另有少量板溪群、 南華系、 震旦系、 泥盆系—二疊系以及上三疊統和侏羅系出露于東部瀏陽永和地區(圖6)。

據區內出露地層、 區域巖相古地理格局和鄰區地層發育情況, 重建本區前中生代地層序列如表3所示。冷家溪群在區內廣泛出露, 局部受構造-巖漿活動影響而產生較深變質, 形成連云山雜巖和蒼溪巖群(圖6)的片巖。板溪群僅在永和南東面保留有下部的橫路沖組和馬底驛組, 角度不整合于冷家溪群黃滸洞組之上(圖6); 但據區域巖相古地理格局, 推斷存在上部的通塔灣組—牛牯坪組沉積, 只是因雪峰運動抬升剝蝕而未得以保存。南華系缺失最下部的長安組, 上部的富祿組—南沱組以及震旦系陡山沱組和燈影組于永和南東面小面積出露; 其中富祿組平行不整合于板溪群馬底驛組之上(圖6)。寒武系—志留系因加里東運動抬升剝蝕而無保留, 但據區域古地理格局應有同期沉積, 其中寒武系地層單位及巖性特征參照北鄰梅仙地區(圖4), 奧陶系—志留系參照同一巖相帶的西鄰安化-桃江地區。上古生界分布于古港-官渡地區, 角度不整合于冷家溪群之上(圖6), 其中古港地區最下部地層為中泥盆統跳馬澗組, 而官渡地區最下部地層則為上石炭統大埔組, 反映北部的暴露剝蝕時間更長。

表3 金井抬升-剝蝕區前中生代沉積地層序列

3.3.2 不整合特征及其反映的抬升剝蝕過程 金井抬升-剝蝕區的前中生代不整合僅見于瀏陽永和地區(圖6), 包括板溪群與冷家溪群之間的角度不整合、 南華系與板溪群之間的平行不整合、 上古生界與冷家溪群之間的角度不整合。

板溪群橫路沖組在永和地區角度不整合于冷家溪群黃滸洞組中部之上(圖6), 而不整合出露地位于武陵期向斜部位, 因此沉積期不整合面之下應有更早地層。結合上古生界下伏最早地層為冷家溪群易家橋組(見后述), 并考慮加里東運動后的抬升剝蝕, 大體估計橫路沖組下伏的最老地層至雷神廟組下部。此外, 在永和西面的金井地區尚有冷家溪群小木坪組下部出露, 因此大致推斷金井抬升-剝蝕區沉積期不整合面下伏地層為雷神廟組下部—小木坪組(圖7a), 因剝蝕而缺失了楊林組(全部)和雷神廟組上部—小木坪組(不等量), 反映出武陵運動造成了600～3 200 m不等的差異抬升剝蝕。

圖6 永和地區地質圖(據文獻[49]修改, 位置見圖1b)

南華系富祿組平行不整合于板溪群馬底驛組之上(圖7b), 其間因剝蝕而缺失了板溪群通塔灣組—牛牯坪組, 反映板溪期末雪峰運動后至南華紀早期長安期處于暴露狀態, 并造成了約1 800 m的抬升剝蝕。

永和地區上古生界(南部為中泥盆統跳馬澗組, 北部為上石炭統大埔組)角度不整合于冷家溪群易家橋組中上部和潘家沖組之上, 而前泥盆系存留最新地層為震旦系燈影組, 因此沉積期不整合面下伏地層大體為冷家溪群易家橋組中上部—雷神廟組下部(雷神廟組上部—楊林組已在武陵運動后剝蝕)、 板溪群橫路沖組和馬底驛組(板溪群上部地層已在雪峰運動后剝蝕)、 南華系—震旦系(圖7c), 指示該不整合面對應的剝蝕地層包括寒武系—志留系(全部)、 南華系—震旦系(不等量)、 板溪群橫路沖組—馬底驛組(不等量)、 冷家溪群易家橋組上部—雷神廟組下部(不等量), 反映志留紀后期加里東運動晚幕廣西運動[46-47]后至早泥盆世(南部)或早石炭世(北部)處于暴露狀態, 造成了2 400～7 900 m不等的差異抬升。

圖7 金井抬升-剝蝕區沉積期不整合示意圖(地層單位見表3)

綜上所述, 金井抬升-剝蝕區經冷家溪期末武陵運動抬升后至板溪期初期處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量約600～3 200 m不等, 剝蝕地層為冷家溪群; 經板溪期末雪峰運動抬升后至早南華世長安期處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量約1 800 m, 剝蝕地層為板溪群; 經志留紀后期廣西運動后至早泥盆世(南部)或早石炭世(北部)處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量約2 400～7 900 m不等, 剝蝕地層為南華系—志留系(2 400～2 900 m)、 板溪群(0～1 800 m)、 冷家溪群(0～3 200 m)(圖3c)。

金井抬升-剝蝕區與北鄰岳陽抬升-剝蝕區的主要差別在于: 前者發育板溪早期和晚期沉積， 雪峰運動造成大幅抬升與剝蝕(約1 800 m)而導致板溪晚期沉積無保存； 后者則僅發育板溪晚期沉積, 武陵運動后的暴露剝蝕時間相對較長， 雪峰運動造成的抬升剝蝕幅度較小(300～800 m)。

3.4 長沙抬升-剝蝕區

3.4.1 地層序列及分布特征 長沙抬升-剝蝕區內冷家溪群、 板溪群、 南華系—志留系、 中泥盆系—下三疊統、 上三疊統—侏羅系、 白堊系—第四系等多時代地層出露較全, 其中前中生代詳細地層序列、 巖性特征及分布情況等如表4所示。其中, 除南華系—寒武系外, 其他時代地層序列同表3而未具體列出。

表4 長沙抬升-剝蝕區前中生代沉積地層序列

3.4.2 不整合特征及其反映的抬升剝蝕過程 長沙抬升-剝蝕區內前中生代不整合包括板溪群與冷家溪群之間的角度不整合、 南華系與板溪群之間的平行不整合、 泥盆系與冷家溪群—志留系之間的角度不整合等。

板溪群橫路沖組在長沙南面以及西部桃江地區均角度不整合于冷家溪群雷神廟組—小木坪組之上(圖8), 根據具體層位大體推斷本區沉積期不整合面下伏地層為雷神廟組下部—小木坪組(圖9a), 因剝蝕而缺失了楊林組(全部)和雷神廟組上部—小木坪組(不等量), 反映武陵運動造成了500～3 200 m不等的差異抬升剝蝕。

本區西部南華系富祿組平行不整合于板溪群頂部的牛牯坪組之上(圖8), 反映出雪峰運動有過幅度很小的抬升剝蝕(圖9b)。

中泥盆統跳馬澗組在本區西部角度不整合于板溪群五強溪組頂部—下志留統不同層位之上(圖8); 在中部長沙地區角度不整合于板溪群馬底驛組—南華系富祿組之上; 在東部瀏陽地區角度不整合于冷家溪群雷神廟組中部之上, 因此大致推斷沉積期不整合面下伏地層為冷家溪群雷神廟組—黃滸洞組中下部及板溪群—南華系—志留系(據北鄰永和地區資料, 本區東部武陵運動后黃滸洞組上部—楊林組可能被侵蝕)(圖9c), 且總體上自西向東下伏地層層位漸低。據上所述, 志留紀后期加里東運動晚幕廣西運動[46-47]后至早泥盆世本區處于暴露狀態, 結合剝蝕地層厚度進行估算, 期間發生了300～7 100 m的不等量抬升剝蝕。

圖8 桃江地區地質圖(據湖南省地質調查院《湖南省1∶50萬地質圖》2017, 有修改; 位置見圖1b)

圖9 長沙抬升-剝蝕區沉積期不整合示意圖(地層單位見表4所述)

綜上述, 長沙抬升-剝蝕區經冷家溪期末武陵運動抬升后至板溪期初處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量為500～3 200 m不等, 剝蝕地層為冷家溪群; 經板溪期末雪峰運動抬升后至早南華世長安期處于暴露剝蝕狀態, 但抬升剝蝕量很小; 經志留紀后期廣西運動后至早泥盆世處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量在300～7 100 m不等(圖3d), 且總體上自西向東變大, 剝蝕地層為南華系—志留系(300～2 500 m)、 板溪群(0～3 700 m)、 冷家溪群(0～900 m)。

長沙抬升-剝蝕區與北鄰金井抬升-剝蝕區的主要差別在于: 前者雪峰運動后抬升剝蝕量很小、 板溪群保存完整; 后者雪峰運動造成大幅抬升與剝蝕(約1 800 m)、 板溪上部因剝蝕而無保存。

3.5 醴陵抬升-剝蝕區

3.5.1 地層序列及分布特征 醴陵抬升-剝蝕區主要出露冷家溪群、 板溪群(南部相變為高澗群)、 上古生界和白堊系(圖1b)。此外, 韶山地區和川口南面有少量南華系—奧陶系出露; 局部有少量整合于二疊系之上的下三疊統保存; 攸縣東面有較多侏羅系出露, 醴陵、 株洲、 湘潭等地也有零星的上三疊統—侏羅系發育(圖1b中未表示出來)。

結合不同時期巖相古地理格局, 根據區內和鄰區地層出露和發育特征, 厘定本區前中生代地層序列如表5所示。冷家溪群在區內廣泛出露并總體呈NE向展布(圖1b)。板溪群(俗稱“紅板溪”)角度不整合于冷家溪群之上, 自下而上可分為橫路沖組、 馬底驛組、 通塔灣組、 五強溪組、 多益塘組等, 層序齊全; 其主要出露于中部并呈NE向帶狀展布, 韶山西面和湘鄉南面也有出露。與板溪群同期的高澗群(俗稱“黑板溪”)自下而上可分為石橋鋪組、 黃獅洞組、 磚墻灣組、 架枧田組和巖門寨組(表5), 西鄰雙峰-南岳一帶出露較齊全, 本區僅于南端川口一帶出露少量上部的巖門寨組。南華系—奧陶系由于本區出露很少, 其層序、 巖性及厚度等主要據同巖相古地理分帶的西鄰雙峰地區; 底部的長安組平行不整合于板溪期多益塘組或巖門寨組之上。缺失志留系和下泥盆統沉積, 中泥盆統—二疊系為連續沉積并廣泛出露于向斜部位, 只是經剝蝕后保存程度不一; 其中底部跳馬澗組角度不整合于冷家溪群(圖10)、 板溪期、 南華系—下古生界的不同層位之上。值得指出的是, 本區奧陶紀末發生加里東運動早幕即北流運動[46-47], 導致塊體抬升而遭受剝蝕, 因而缺失志留紀沉積。

圖10 楊橋地區地質圖(據文獻[51]修改; 位置見圖1b)

表5 醴陵抬升-剝蝕區前中生代沉積地層序列

3.5.2 不整合特征及其反映的抬升剝蝕過程 醴陵抬升-剝蝕區內前中生代不整合包括板溪群與冷家溪群之間的角度不整合和泥盆系與前泥盆系之間的角度不整合; 南華系與板溪群之間多表現為平行不整合, 但其間沉積間斷不明顯, 近似視為連續沉積。

在北西部韶山地區, 因無冷家溪群出露而缺乏武陵運動不整合記錄, 參考北鄰桃江地區, 將武陵運動造成的抬升剝蝕量大體厘定為500～3 200 m不等。韶山地區中泥盆統跳馬澗組角度不整合于前泥盆系之上, 地表地層出露情況表明沉積期不整合面下伏地層為板溪群五強溪組中部—寒武系牛蹄塘組上部(圖11a), 其間缺失了寒武系污泥塘組—奧陶系天馬山組(全部)以及五強溪組上部—寒武系牛蹄塘組(不等量), 反映奧陶紀末加里東運動早幕北流運動[46-47]后至中泥盆世長期處于暴露剝蝕狀態, 并造成了3 100～5 700 m的差異抬升剝蝕。

中部梅林橋一帶, 板溪群橫路沖組角度不整合于冷家溪群小木坪組中-上部之上(圖11b), 反映武陵運動造成了約500～1 200 m不等的差異抬升剝蝕。該帶中泥盆統跳馬澗組角度不整合于板溪群通塔灣組中部—多益塘組中部之上(圖11c), 其間缺失了南華系—奧陶系(全部)以及通塔灣上部—多益塘組(不等量), 反映奧陶紀末北流運動后至中泥盆世長期處于暴露剝蝕狀態, 并造成了5 200～6 000 m的差異抬升剝蝕。

圖11 醴陵抬升-剝蝕區沉積期不整合示意圖(地層單位見表5)

在南部楊橋地區, 中泥盆統跳馬澗組角度不整合于冷家溪群潘家沖組下部—小木坪組之上(圖10), 往南至川口南面尚出露有高澗群巖門寨組(圖1b), 反映跳馬澗組沉積期不整合下伏地層為潘家沖組下部—巖門寨組(圖11d), 其間缺失了南華系—奧陶系(全部)以及冷家溪群潘家沖組中部—高澗群巖門寨組(不等量), 反映武陵運動和加里東運動總共造成了約5 000～17 300 m的差異抬升剝蝕量。參照上述北西面梅林橋和韶山地區以及前文“3.4節”長沙抬升-剝蝕區東部的抬升-剝蝕量, 估計南部楊橋-川口地區武陵運動抬升剝蝕量約為1 000～8 000 m, 加里東運動抬升剝蝕量為4 000～9 300 m。

綜上所述, 醴陵抬升-剝蝕區經冷家溪期末武陵運動抬升后至板溪期初處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量為500～8 000 m不等, 剝蝕地層為冷家溪群; 經奧陶紀末期北流運動后至早泥盆世處于暴露剝蝕狀態, 抬升剝蝕量為3 100～9 300 m不等, 且總體上自北西向南東變大, 剝蝕地層為板溪群—南華系—奧陶系(3 100～8 900 m)、 冷家溪群(0～400 m)(圖3e)。

醴陵抬升-剝蝕區與北鄰長沙抬升-剝蝕區的主要差別在于: 前者雪峰運動抬升后暴露時間很短, 發育南華紀早期長安期沉積; 加里東運動發生時間較早, 為奧陶紀末(北流運動)。后者雪峰運動抬升后暴露時間稍長, 長安期無沉積; 加里東運動發生時間較晚, 為志留紀后期(廣西運動)。

4 討 論

地層序列及厚度是本文研究湘東北前中生代抬升-剝蝕過程的基礎， 但受強烈隆起特征和地層保存條件的限制, 各抬升-剝蝕區部分時代地層的序列和厚度參照同巖相古地理單元的鄰區資料, 與實際地層特征可能存在一定偏差。同樣受保存條件限制, 部分沉積期不整合面下伏地層層位的確定帶有一定主觀性。因此, 本文部分抬升剝蝕量數據具有一定程度的不確定性。盡管如此, 地層序列、 地層發育和缺失情況及其反映的不整合特征研究是目前重塑湘東北前中生代抬升剝蝕過程的重要途徑, 且在目前對湘東北隆起區前中生代抬升-剝蝕過程無任何概念(認識)的研究現狀下, 本文計算數據對定性認識歷史抬升-剝蝕特征無疑具有重要的參考意義。系統的分析數據不僅全面反映了湘東北隆起區前中生代抬升剝蝕過程的基本框架和總體面貌, 并為區域構造背景和武陵、 雪峰和加里東等構造運動特征提供了一定程度的約束。

(1)湘東北地區在武陵期屬揚子板塊東南緣的弧后盆地, 而武陵運動則與盆地收縮和弧-陸碰撞有關[44]。前文研究表明, 自北往南, 武陵運動在臨湘抬升-剝蝕區(Ⅰ)、 岳陽抬升-剝蝕區(Ⅱ)、 金井抬升-剝蝕區(Ⅲ)、 長沙抬升-剝蝕區(Ⅳ)和醴陵抬升-剝蝕區(Ⅴ)的抬升剝蝕量分別為>0～5 200、 800～6 900、 600～3 200、 500～3 200、 500～8 000 m, 巨大的抬升幅度及各區內部顯著的抬升剝蝕量差異, 表明武陵運動在整個湘東北地區均發生了強烈的褶皺、 斷裂等構造變形。因此, 本文認為前人所提出的湘潭—株洲以南地區板溪群與冷家溪群之間為平行不整合—整合接觸、 武陵運動強度弱[53]的認識有誤, 該認識可能與特殊構造部位(如武陵期向斜核部)接觸關系表象造成的誤解有關。

(2)雪峰運動是湖南省一次區域性的構造運動, 其造成南華系與板溪群之間的低角度不整合—平行不整合接觸(局部地區為整合接觸)[53], 一般將其視為裂谷環境下的伸展和差異升降運動[41-43]。雪峰運動在臨湘抬升-剝蝕區造成的抬升剝蝕量因無沉積記錄而不明; 在岳陽抬升-剝蝕區造成的抬升剝蝕量較小, 約300～800 m; 在金井抬升-剝蝕區造成的抬升剝蝕量較大, 達1 800 m; 在長沙抬升-剝蝕區和醴陵抬升-剝蝕區無明顯抬升剝蝕。這種抬升剝蝕特征與塊體差異升降特征及塹-壘構造格局相吻合, 一定程度上印證了上述“裂谷-伸展”觀點。

(3)自北往南, 加里東運動在臨湘抬升-剝蝕區(Ⅰ)、 岳陽抬升-剝蝕區(Ⅱ)、 金井抬升-剝蝕區(Ⅲ)、長沙抬升-剝蝕區(Ⅳ)和醴陵抬升-剝蝕區(Ⅴ)造成的抬升剝蝕量分別為500、 3 300～>4 400、 2 400～7 900、 300～7 100、 3 100～9 300 m, 反映江南斷裂(大體對應于臨湘抬升-剝蝕區與岳陽抬升-剝蝕區的分界[54])以北僅發生抬升作用, 以南發生陸內造山運動[36, 55-62]且變形總體自南向北減弱, 進一步印證了區域上加里東運動經歷了自南東向北西擴展的發展過程[47, 63]。

5 結 論

(1)造成湘東北地區前中生代抬升-剝蝕的構造事件包括冷家溪期末的武陵運動、 板溪期末的雪峰運動和早古生代后期的加里東運動。武陵運動自北而南在臨湘、 岳陽、 金井、 長沙、 醴陵等5個抬升-剝蝕區造成的抬升剝蝕量分別約為>0～5 200、 800～6 900、 600～3 200、 500～3 200、 500～8 000 m。雪峰運動造成的抬升剝蝕量在臨湘抬升-剝蝕區不明, 在岳陽抬升-剝蝕區為300～800 m, 在金井抬升-剝蝕區約1 800 m, 在長沙和醴陵抬升-剝蝕區不明顯。加里東運動自北而南在各抬升-剝蝕區造成的抬升剝蝕量分別約為500、 3 300～>4 400、 2 400～7 900、 300～7 100、 3 100～9 300 m。

(2)湘東北前中生代抬升剝蝕過程為區域構造背景和武陵、 雪峰和加里東等構造運動特征提供了一定約束。

致謝: 2名匿名審稿人對論文進行了認真審閱并提出寶貴修改意見, 在此表示衷心感謝!