大巴山国家地质公园构造地貌景观构造变形期次研究

付 顺, 阚瑷珂, 肖 进, 胡 瑾, 向 芳, 张 腾, 李文韬

1)成都理工大学数学地质四川省重点实验室, 四川成都 610059;2)成都理工大学信息管理学院, 四川成都 610059; 3)成都理工大学地球物理学院, 四川成都 610059;4)中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101;5)四川省建筑职业技术学院, 四川德阳 650001; 6)成都理工大学沉积地质研究院, 四川成都 610059

大巴山国家地质公园构造地貌景观构造变形期次研究

付 顺1,2), 阚瑷珂3,4)*, 肖 进5), 胡 瑾5), 向 芳6), 张 腾2), 李文韬2)

1)成都理工大学数学地质四川省重点实验室, 四川成都 610059;2)成都理工大学信息管理学院, 四川成都 610059; 3)成都理工大学地球物理学院, 四川成都 610059;4)中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101;5)四川省建筑职业技术学院, 四川德阳 650001; 6)成都理工大学沉积地质研究院, 四川成都 610059

通过野外路线考察, 典型地区填图, 地质、地形图判读发现, 大巴山国家地质公园主要构造地貌景观横向分布呈现由 NE至 SW即从造山带向前陆盆地方向逐渐减弱特征; 纵向上明显受早期构造格局和岩石类型约束, 在区域上呈现 NW—SE向延展的平行岭谷地貌, 山峰和谷地的走向与地质构造线基本一致。通过对主要构造地貌景观构造应力和变形期次判别探讨, 确定构造地貌景观形成的构造期次大致为三期,应力主要来自于NE—SW、SE—NW向, 反映该区不仅受到NE—SW向的冲断挤压变形作用, 还受到SE—NW向的右旋剪切挤压变形作用, 推测是由多期受力叠加改造而成。通过ESR及14C定年确定距今12 Ma以来, 该区在500 kaBP、278 kaBP、29 kaBP分别出现三次规模较大的快速抬升运动, 提供了与其构造景观形成密切相关的新构造运动年代学证据。

大巴山国家地质公园; 构造地貌; 构造变形期次; 年代学证据

目前, 对国家地质公园的研究在一定程度上忽视了地质成因、机制和过程等基础性问题, 并缺乏定量的实验手段(肖景义等, 2013), 这将导致理解地质公园内涵的科学价值缺失, 进而影响其科普教育功能的有效发挥。本文在对大巴山国家地质公园构造地貌景观的基础地质调查基础上, 研究了构造地貌景观空间分布特征及其成景演化机制, 并通过ESR(电子自旋共振)法和14C法定年, 为构造景观的形成过程提供了年代学证据。

大巴山国家地质公园(以下简称“公园”),范 围 108°10'46.1"— 108°29'17.8"E, 31°39'50.5" —31°57'10.8"N, 隶属于四川省达州市, 面积218 km2。公园以典型而独特的推覆褶皱构造地貌、典型的地质剖面、独具特色的岩溶地貌、幽深的峡谷等地质遗迹为导向性景观, 是集美学价值与科学价值于一身的综合性地质公园。其典型构造景观类别划分为桌状山、单面山、陡崖、层状地貌等特征地貌。

公园区大地构造位置属于扬子地台北缘与秦岭造山带的过渡部位, 大巴山弧形构造带的南大巴山冲断褶皱带上, 为扬子地台北缘大巴山造山带及其前陆盆地的结合部, 是扬子地台边缘盆—山藕合体系有机组成部分。西与米仓山断裂带——龙门山推覆构造带相连, 东南部与川东高陡褶皱带毗邻。由一系列呈向南西突出的巨型逆冲推覆断裂带构成,整体呈向南西凸出的巨型弧。独特的大地构造位置和复杂演化历史, 使其成为秦岭乃至中国突出而重要的大陆弧形推覆构造, 是中国区域地质构造研究中的热点地区之一。

大巴山弧形构造具有显著的分带性, 各带的构造变形特征不同。自北向南可分为北大巴山逆冲推覆构造带(I), 南大巴山冲断褶皱带(II), 川东北前陆盆地(III)三大构造单元(图1)。其中南大巴山冲断褶皱带可进一步划分出叠瓦断层带(II1)、断层-褶皱带(II2)、滑脱褶皱带(II3)三个次级构造单元。

1 空间分布特征

1.1 构造地貌景观横向分布特征

图1 南大巴山区域构造纲要及构造分区图Fig. 1 Regional tectonic outline and tectonic zoning map of South Daba Mountain

图2 百里峡褶皱构造实测路线剖面图(1:5万)Fig. 2 Route measured profile of Baili Gorge folds (1:50000)

通过横穿园区的百里峡地质剖面发现(图 2),主要构造地貌景观由NE至SW即从造山带向前陆盆地方向构造变形的样式和强度逐渐减弱(李智武等, 2006)。上述构造地貌景观由SW至NE分别处于单斜-开阔褶皱段、中常-紧闭褶皱段、高陡紧闭褶皱-纵向逆断层段内, 并以中常-紧闭褶皱为主。

(1)单斜-开阔褶皱段: 位于百里峡樊哙场镇以东至渡口岩之间。构造样式以单斜-开阔褶皱为主要特征。出露须家河组中-厚层砂岩与薄层泥岩, 粉砂岩互层和巴东组灰岩及泥质白云岩、钙质泥岩, 总体抗风化能力较差, 在地貌上构成丘陵级低山。分布有单面山以及层状地貌中第三级梯级台地。

(2)中常-紧闭褶皱段: 位于百里峡渡口岩至龙泉之间, 岩性以灰岩为主。该段构造样式以中常-紧闭褶皱为主, 表现褶皱山地貌景观特征。如仙女岩复杂箱状背斜、关门石复式背斜等。构造地貌景观以单面山、桌状山、个别陡崖地貌为主, 以及八台山梯级台地地貌。

(3)高陡紧闭褶皱-纵向逆断层段: 位于百里峡龙泉至鸡唱之间。总体构造变形较前两段更强, 地层层序总体呈正常层序-局部倒转层序特征, 因此在地貌上的表现更加突出。主体表现为褶皱山地貌景观, 如盘龙洞背斜、鸡王洞向斜、月儿岩背斜为代表, 多见桌状山、大量陡崖、与断层相关的地貌景观, 以及层状地貌的第一级梯级台地分布范围。

1.2 构造地貌景观纵向分布特征

构造地貌景观在纵向上主要沿褶皱的轴向展布, 呈NW—SE延伸。主要受大巴山推覆构造影响,褶皱构造轴线大致沿一系列北西—南东向呈平行展布(高长林等, 2003)。该区地貌受早期构造格局和岩石类型约束, 在区域上呈现南东东向延展的平行岭谷地貌, 山峰和谷地的走向与地质构造线基本一致(黄继钧, 2000)。一般而言, 谷地的发育与碎屑岩的分布相关, 山岭的发育与碳酸盐岩的发育有一定关系。如奇峰险壑的百里峡、龙潭河峡谷等诸多峡谷。

2 构造变形期次探讨

2.1 区域构造变形驱动力

大巴山是侏罗纪陆内造山作用的产物(董树文等, 2006), 构造挤压作用由北东向南西方向扩散(董树文等, 2010), 区内各种形态褶皱的发育可能与沿软弱层发生的滑脱密切相关(李智武等, 2006)。根据大巴山及邻区从震旦系到侏罗系各类岩石的力学强度(裴振洪, 2007)、地表构造分析及结合地球物理资料的对比解释, 公园区内存在 3个滑脱层(表 1)。其中一个重要的滑脱层是嘉陵江组底部的石膏层和膏泥岩, 受区域软弱面的调节作用, 直接导致大巴山前缘带构造变形在横向上具分带性、垂向上具分层性(乐光禹, 1998)。白垩纪以来, 秦岭发生了强烈的陆内造山作用(李鹏远等, 2010), 并逐渐向南扩展。正是在这次运动中, 公园区沉积盖层强烈变形并结束沉积, 这可以由侏罗系和下白垩统间的平行不整合关系和共同卷入变形来证实(肖安成等, 2011)。南大巴山冲断带构造应力场分析表明,变形驱动力主要来自于秦岭造山带自北而南的挤压(李瑞保等, 2010), 而其深部背景则是扬子地块自南向北的俯冲(刘顺等, 2005), 以及与之相应的南秦岭中上地壳大规模的向南逆冲推覆和滑脱剪切(李岩峰等, 2008)。对此, 已得到地球物理和地球化学研究(张燕等, 2009)的证实。

2.2 构造应力和变形期次

(1)实测剖面节理期次划分

古生代—中生代地层内部发育一系列 NE或SW 倾的次级逆冲或逆冲-滑断层, 并以 NE倾逆冲断层为主, 也有部分 SW 倾斜的走滑断层, 其间的节理特别多。故可将小断层受力当作节理处理。本文重点考察区内10条节理(或小断层), 见图版I和表2。从表2、图3可以看出, 节理(断层)受力大致受到 NE—SW 的逆冲-走滑作用、SE—NW 的剪切挤压作用及NE—SW的拉张作用。即根据节理的分期配套原理, 断层1—4距离较近, 且σ1向基本一致,无石英脉充填, 可归为一期; 节理5—6有石英脉充填归为一期; 断面7—8主要表现为左旋性质, 清晰可见切割石英脉。判断晚于5—7形成; 断面9—10表现为逆冲-右旋性质归为一期; 从而可大致将节理(断层)构造期次划为 3期, 这与南大巴山区域地质资料相符(施炜等, 2007; 张岳桥等, 2010; 张忠义等, 2009)。

表1 公园区构造变形的滑脱体系Table 1 Tectonic deformation slip system of the park district

(2)褶皱期次划分及应力分析

从表3中分析褶皱受力主要来自于NE—SW、SE—NW向, 反映褶皱不仅受到NE—SW向的冲断挤压变形作用(lth05、blx01、blx10外), 还受到 SE—NW 向的右旋剪切挤压变形作用(lth05、blx01、blx10)。反映局部受力 SE—NW 向, 具右旋剪切性质, 不作为主应力向, 可归为一期。从blx10褶皱转折端有岩脉切割, 可见SE—NW向的剪切挤压力作用时间较早, 与南大巴山发生冲断变形时间基本一致, 褶皱形态受断层作用影响较大, 而其它褶皱力向基本一致, 且在同一褶皱系中, 均归为一期。因而将褶皱期次大致划分为两期。

从以上分别对剖面上节理(断层)及褶皱进行应力分析, 可将节理(断层)构造运动划分为三期: 一次逆冲运动(应力为NE—SW向)、一次左旋-逆冲运动(应力为 NE—SW)、一次逆冲-右旋运动(应力为 SE—NW); 而褶皱构造运动划分为两期: 一期 NE—SW 向的挤压、另一期 SE—NW向的剪切作用。由于褶皱为塑性变形, 其形成时间较早, 又观察到受力NE—SW的早期平面X型剪节理, 再由于大巴山前缘总体上受NE—SW向的冲断作用影响, 可大致推测出先受到NE—SW向的逆冲推覆作用, 产生早期平面 X型剪节理, 伴随 NE—SW向的应力加强,形成褶皱; 接着受到SE—NW的右旋剪切作用, 褶皱进一步变形, 同时伴随逆冲加右旋的剪切挤压作用, 产生褶皱或断裂伴生节理, 充填石英脉, 抬升地表后又受到逆冲加右旋的脆性冲断作用, 产生节理或断层切割石英脉; 最后产生以左旋为主的走滑运动。故总体上亦可划分为三期运动。这与南大巴山区域地质资料相符(刘顺等, 2005; 汪泽成等,2004)。

表2 实测剖面节理(小断层)统计及应力场反演结果Table 2 Joints (small faults) statistics and stress field inversion results along the measured section

图3 剖面节理(小断层)构造应力场Fig. 3 Section joints (small faults) tectonic stress field

表3 实测剖面褶皱统计及应力场反演结果Table 3 Measured section fold statistics and stress field inversion results

3 构造地貌景观的形成年代

由于研究区不发育变质矿物及岩浆岩, 难以用传统的同位素测年手段来定年。但被抬升的古河道沉积物内胶结物中, 后期结晶的碳酸盐、石英矿物可代表古河道被抬升的时间下限, 这为解决本区新构造运动抬升时限提供可靠的ESR测年对象。所测的2个ESR样品采自百里峡鸡唱、羊鼓洞两处被抬升的古河道沉积物内(图 1, 2), 均在无风化现象的新鲜面处选取胶结物样, 并使样品处于封闭状态,满足测试条件。

ESR年龄由成都理工大学应用核技术研究所梁兴中教授利用 E′心浓度测量法测定的, E′心浓度使用 JES21FEXG型电子自旋共振波谱仪测定, 铀的含量由饱和层总α记数法确定(表4)。

而ESR测年的误差主要来自测试方法上: (1)测量碳酸盐、石英矿物标准样的ESR波谱振幅相对标准差为1.70%; (2)用饱和层总α记数法计算平衡铀当量时, 对绝大多数碳酸盐、石英, 当钍铀含量比在较大范围内变化时(1.1

本文测年结果表明, 样品的年龄都在 29 Ka～50 Ma之间, 由此推断研究区至少经历映了三次规模较大的快速抬升运动。所测结果既与现有古地磁研究的成果相符, 也与沈传波等(2008)的研究结论一致。由此可以证明所测结果的可信度较高。

表4 被抬升的古河道及阶地定年测试结果Table 4 Uplifted ancient riverbed and terrace dating results

沈传波等(2008)通过裂变径迹测年及热历史模拟仅揭示了自白垩纪120～100 Ma南大巴山逆冲推覆构造带开始活动, 表现由北东向南西, 大巴山构造变形活动的年龄表现出阶段性递进年轻的特点。由城口断裂逆冲推覆到镇巴断裂的时间从 133～100 Ma到70 Ma, 由镇巴断裂逆冲推覆到巫溪隐伏断裂的时间从 70 Ma到 33 Ma, 至盆内直至变为12 Ma。而对距今12 Ma以来的构造运动状况, 特别是与研究区构造地貌景观的形成期次密切相关的新构造运动状况及年代等研究却并未提及。

结合八台山园区三个规模较大的梯级台地、滑坡子河三级阶地, 初步判定研究区至少经历了三次规模较大的间歇性快速抬升构造活动。而最新一次快速抬升构造活动必然在河流阶地得到反映, 因此,在对天池坝滑坡子河三级阶地进行了实地调查基础上(图4), 对最高一级阶地(即T3)进行了测年。

对滑坡子河Ⅲ级阶地年代采用了14C测年方法。主要是利用阶地冲积物中含碳质成分测年,来确定阶地形成的年代。同时对阶地取样处理按照美国BETA实验室要求进行, 结果较为可靠。

图4 滑坡子河阶地横剖面图Fig. 4 Transverse profiles of river terraces in the piedmont area of the Huapozi River

河流阶地的形成可能与构造抬升、气候变化、基准面升降有关。但根据滑坡子河阶地的特征分析,不应是气候变化和基准面升降形成, 而是构造抬升的结果: (1)从阶地的特征可以看出, 滑坡子河Ⅲ级阶地河流相物质在沉积结构上仅为一个简单的二元结构, 即砾石层和河漫滩相层, 整个冲积层厚度一般不大于 2 m, 仍在河流沉积的正常厚度范围内。所谓河流沉积的正常厚度为中等深度的深槽与平均洪水位之间的高差, 不属于加积类型。砾石分选较好, 磨圆度较高, 夹有透镜体。大量研究表明, 气候变化形成阶地的砾石层物质多为地方性基岩碎屑,磨圆度低, 分选不良, 冲积层厚度大大超过河流沉积的正常厚度, 砾石层属加积类型, 一般具有多个二元旋回。所以从沉积结构分析, 滑坡子河Ⅲ级阶地的形成原因不是气候变化形成的, 至少不是主要由气候变化形成的; (2)仅由气候变化形成阶地的另一特点是阶地之间的高差很小, 由于砾石层很厚,河流下切很难切穿冲积层而进入基岩, 故在类型上多属堆积阶地。滑坡子河Ⅲ级阶地在类型上为基座阶地, 相邻阶地间的基座高差超过15 m, 如此大的阶地基座高差, 气候变化难以为功。所以从阶地类型与基座高差分析, 该级阶地也不应是主要由气候变化形成的。

综合对百里峡鸡唱、羊鼓洞古河床胶结物 ESR定年、滑坡子河最高一级阶地(即T3)14C定年测试结果(表4), 初步推断对距今12 Ma以来研究区三次规模较大的快速抬升时间如下: (1)距今500 ka快速抬升, 抬升速率 2.94 m/10 ka, 抬升量 17 m; (2)距今278 ka快速抬升, 抬升速率 1.85 m/10 ka, 抬升量15 m; (3)距今29 ka快速抬升, 抬升速率0.10 m/10 ka,抬升量29 m。

由此推算 500 kaBP以来, 整体抬升速率为0.82 m/10 ka, 大巴山前缘地区中生界上部地层在第四纪上部地层平均总剥蚀厚度约为61 m。根据天池坝滑坡子河三级阶地相关定年数据初步推断, 研究区至少经历了三次规模较大的快速抬升构造活动:距今(500±50) ka, 大体可与八台山第三级台地面相对应的快速抬升; 距今(278±27) ka, 大体可与八台山第二级台地面, 即棋盘山山峰顶台地面相对应的快速抬升; 距今(29±2) ka, 大体可与八台山最低一级梯级台地, 即天池坝台地面相对应的快速抬升。

4 结论

(1)大巴山国家地质公园主要构造地貌景观横向分布呈现由NE至SW即从造山带向前陆盆地方向逐渐减弱的特征; 纵向上又明显受早期构造格局和岩石类型约束, 在区域上呈现 NW–SE向延展的平行岭谷地貌, 山峰和谷地的走向与地质构造线基本一致。

(2)通过对主要构造地貌景观的构造应力和变形期次探讨, 确定构造地貌景观形成的构造期次大致为三期, 应力主要来自于 NE—SW, SE—NW 向,反映该区不仅受到 NE—SW 向的冲断挤压变形作用, 还受到 SE—NW 向的右旋剪切挤压变形作用,推测是由多期受力叠加改造而成。

(3)结合对百里峡被抬升的古河床含碳酸盐、石英矿物胶结物 ESR定年、最高一级阶地(即 T3)14C定年测试结果, 初步确定距今 12 Ma以来, 即500 kaBP、(278±27) kaBP、(29±2) kaBP 分别出现三次规模较大的快速抬升。

研究结果揭示了大巴山国家地质公园构造地貌景观的成景机制, 分析了其地质过程的年代学证据, 有利于全面掌握典型地质遗迹景观特征, 为更有效发挥该地质公园的科学价值奠定了基础。

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图版说明

图版I Plate I

A-bts01 T1d地层X共扼剪节理(八台山堰塘);

B-lth01 P3c地层X共扼剪节理(龙潭河鲢鱼泉);

C-blx01 P3w地层X型节理(百里峡);

D-blx02 P3w发育的小断层及牵引褶皱(百里峡);

E-blx04 P3w小断层及附近石英脉体(百里峡);

F-blx05 P3c滑脱面附近的小断层(百里峡);

G-lth04 P3c地层中节理(龙潭河);

H-blx03 P3q发育的小断层(百里峡)

A-bts01 T1d stratum X conjugate shear joint(Bataishan Weir pond);

B-lth01 P3c stratum X conjugate shear joint(Longtan River silver carp spring);

C-blx01 P3w stratum X shear joint(Baili Gorge);

D-blx02 P3w development of small faults and traction folds(Baili Gorge);

E-blx04 P3w small faults and quartz veins near(Baili Gorge);

F-blx05 P3c slippage near the surface of small faults(Baili Gorge);

G-lth04 P3c stratum joint(Longtan River);

H-blx03 P3q development of small faults (Baili Gorge)

Research on Tectonic Deformation Periods of Structural Landform Landscape in the Daba Mountain National Geopark

FU Shun1,2), KAN Ai-ke3,4)*, XIAO Jin5), HU Jin5), XIANG Fang6), ZHANG Teng2), LI Wen-tao2)
1)Sichuan Mathematical Geology Key Laboratory, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan610059;2)College of Information Management, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan610059;3)College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan610059;4)State Key Laboratory of Resource and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing100101;5)Sichuan College of Architectural Technology, Deyang, Sichuan650001;6)Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan610059

Field study, geological mapping of typical areas and interpretation of geological and topographic maps show that the main structural landforms of the area weaken horizontally in NE–SW direction, which is the direction from the orogenic belt to the foreland basin longitudinally constrained obviously by early tectonic framework and rock type. The present parallel ridge valley landforms extend in NW–SE direction. The trend lines of peaks and valleys are basically consistent with the geological structure. Based on the discussion on the tectonic stress and the tectonic deformation stages of the major constructed landscape in the study area, the authors hold that the tectonic structure of the landscape can be roughly divided into three periods, and the stress is mainly in NE–SW and SE–NW directions, suggesting that the study area experienced not only NE–SW trending thrust extrusion deformation but also SE–NW trending dextral shear extrusion deformation, presumably resulting from a multi-phase transformation from the superposition of the force. ESR and14C dating shows that there have occurred three times of large-scale rapid uplifting since 12 Ma ago, which took place at 500 kaBP, 278 kaBP, and 29 kaBP respectively. The results obtained by the authors provide chronological evidence of neotectonism which was closely related to the formation of structural landscape.

Daba Mountain National Geopark; tectonic geomorphology; tectonic deformation periods;chronological evidence

P931.2; P546

A

10.3975/cagsb.2014.04.14

本文由中国地质调查局科技外事部基础研究计划项目(编号: 1212011220902)资助。

2013-11-02; 改回日期: 2014-03-08。责任编辑: 魏乐军。

付顺, 男, 1971年生。博士, 副教授。主要从事第四纪地质和地质遗迹调查及评价研究。通讯地址: 610059, 四川省成都市二仙桥东三路1号。E-mail: fs@cdut.edu.cn。

*通讯作者简介: 阚瑷珂, 男, 1980年生。博士后, 助理研究员。主要从事综合自然地理与GIS应用研究。通讯地址: 610059, 四川省成都市二仙桥东三路1号。E-mail: kanaike@gmail.com。

图版 I Plate I