太行山东麓断裂带中、新生代构造应力场及转换机制

安慧婷,许立青,李三忠,余 珊,刘 鑫,索艳慧,曹现志,赵淑娟,王鹏程,郭玲莉,戴黎明

(中国海洋大学 海洋地球科学学院,海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100)

0 引言

中生代以来,华北地块受到不同板缘动力作用产生的远程效应影响,经历了多期次的改造作用,进入了稳定盖层沉积阶段后的破坏裂解阶段,地块内部形成了力学性质不同、形态多变的复杂构造带和自身独特的、多期的、复杂而丰富的盆-山耦合系统,如位于吕梁山与太行山之间的汾渭地堑系、地块中部的张家口-蓬莱断裂带与太行山东麓断裂带、地块南部断裂带、西部的离石断裂带、渤海湾盆地与山西隆起区等(牛树银等,1994)。如何确定华北地块中部尤其是太行山东麓断裂带中生代以来构造应力方向及其转换过程,是目前地学界关注的问题(张岳桥等,2007)。针对该问题的研究将有助于进一步认识和理解华北地块中部现今构造地貌格局形成的动力学过程。太行山东麓断裂带主要由NNE向太行山大断裂和太行山山前断裂组成。对此,前人已做过相应研究工作,取得了重要的认识(张岳桥等,2007;董树文等,2007;陈连旺等,2007,李三忠等,2010)。本文在前人工作的基础上,重点开展了太行山东麓断裂带周边关键地带节理和断裂构造几何学、运动学分析和测量工作,并进行了古构造应力方向反演,其目的是理清太行山东麓断裂带中、新生代构造应力场演化序列,探讨构造应力场转换机制,为板内破坏裂解阶段的动力学研究提供构造地质学制约。

1 区域地质背景

华北地块于古元古代末期的吕粱-中岳运动最终拼合、固结形成统一的结晶基底,是我国最古老的克拉通(Zhao and Zhai,2013;Zhai and Santosh,2013)。华北地块内部包括两个特征的新生代伸展构造域和两个燕山期的挤压构造域,前者分别为鄂尔多斯周围的地堑系与渤海湾盆地(图1);后者是吕梁山-太行山向西逆冲的推覆带和主体向南逆冲的燕山造山带。中、新生代期间太行山远离板块边界,属于华北地块内部,可视为板内造山带(牛树银等,1994;刘凤山和石准立,1998),其东麓发育NNE向断裂带,即太行山东麓断裂带,分割了太行山隆起和渤海湾盆地,是太行山挤压构造域和渤海湾盆地拉伸构造域的交接转换部位(图1),记录了本区构造挤压与伸展作用的信息,对研究区域构造转换有重要意义。

图1 华北地块构造纲要图(据张岳桥等,2007修改)Fig.1 Simplified tectonic map of the North China Block

华北地块自中生代以来经历了不同动力系统所形成的构造应力场,从而形成了复杂的构造格局(李三忠等,2010)。印支期,北部古亚洲洋自西向东的剪刀式俯冲消亡(Xiao et al.,2013;Ju and Hou,2013),南部华南地块与华北地块发生自东向西的剪刀式碰撞(Li et al.,2007;Li et al.,2013);早侏罗世,太行山尚未开始隆起,太行山以东逐渐抬升,沉积沉降中心西迁(李三忠等,2011);中侏罗世,华北克拉通由古亚洲洋构造域的汇聚体制向古太平洋构造域的俯冲消减体制转换,中国东部构造机制发生转换(赵越等,2004;张岳桥等,2007;董树文等,2008;宋传中等,2010);中侏罗世末,燕山运动主幕导致中国东部大面积隆升,地壳急剧增厚形成了燕山中晚期的中国东部高原(张旗和钱青,2001;张旗等,2008);中晚侏罗世在华北地区形成了大量的走向 NE的褶皱和逆冲推覆构造(刘建忠等,2004);晚侏罗世-早白垩世,岩石圈强烈破坏,大量岩浆侵入,燕山运动进入峰期;晚白垩世,华北地区活动减弱,整体抬升遭受剥蚀并逐渐均夷而准平原化(吴忱,2001),早白垩世晚期至晚白垩世期间,中国东部由中生代挤压构造机制转化为新生代的伸展构造机制(曹现志等,2013);古近纪以来,喜马拉雅运动拉开序幕,中国大陆特殊的基底结构与印度-欧亚碰撞和太平洋板块的跃迁式东撤俯冲所主导的双重构造机制,导致华北构造应力场发生多次转变(Zhang et al.,2003b),造成此时期的西部青藏高原隆升、中部盆地与造山带耦合体制和东部拉张活动(贾承造等,2005;贾承造,2007)。

2 太行山东麓断裂带节理统计分析、分期配套与应力场

由于断裂带及其西侧的太行山地区,除汾渭地堑系内有第四纪沉积外,主要出露地层为寒武系和奥陶系,北部出露变质基底,南部有残留的石炭系和二叠系,断裂带东侧的渤海湾盆地基底构造被第四系所覆盖,因此本文主要对太行山东麓断裂带、渤海湾盆地及汾渭地堑系内可见的不同时代基岩和第四系中的节理进行统计、分析。由于节理主要是浅部构造层次的变形结果,因而太古宇等基底中的节理多数是中、新生代的产物。此外,参考前人对该区构造应力场分析已有的研究成果和前人根据节理恢复古应力场的方法(张仲培和王清晨,2004;任收麦等,2009;尹成明等,2011;汤聪等,2011;姜琳等,2013),讨论了太行山东麓断裂带及其周边中、新生代应力场的转换与演化。

本次野外工作对研究区内约 70个典型构造剖面观测点的近1000条剪节理进行了配套和测量。剪节理常以共轭形式出现,同一观测点可见到 2~3组(图2)。在节理的观测中,主要采用可靠度较高的共轭节理进行配对分析,对性质不明的节理予以忽略,并尽量判定主应力轴方位。对这些野外测量的节理数据,本文用T-TECTO软件进行了太行山东麓断裂带及其西侧构造应力场恢复;用Dips软件对断裂带东侧的渤海湾盆地内的第四系节理做了玫瑰花走向图,并根据共轭节理优势方向做了应力场分析。

根据共扼剪节理产状与其主应力轴的对应关系,对节理所指示的应力场期次进行了配套。分期配套的整体思路是:先获得第四系中节理发育时期的应力场,其后依次从老地层中发育的节理获得的应力场中筛除晚期应力场的叠加,获得前期节理形成时的应力场,以此类推,从而完成应力场的分期。但是,由于研究区中生代地层剥蚀严重,节理测量点大部分位于前寒武基底和早古生代地层中,这对应力场的分期造成了一定的困难,加之看似共轭的节理可能为不同时期节理的假共轭,这些因素可能影响分期的精确度,为此,通过大量统计和区域均匀统计可筛分这种配对的偶然性。

此外,不同时期构造应力场会导致相应的角度不整合、变形样式差异等,如断裂带东侧的渤海湾盆地内,存在多期角度不整合(周立宏等,2003),其中,中下侏罗统不整合于上古生界之上、白垩系不整合于古生界之上(图3)等,均说明侏罗纪及白垩纪发生过构造运动,断裂带西侧的太行山地区地层剥蚀严重,虽然观察不到相应的不整合,但是区域构造运动应当波及到该地区;在我国,渐新统与中新统之间广泛发育一个上下岩系角度相差不大的角度不整合;在地层记录比较完整的地区,如青藏、祁连山、云南等地可以见到中更新统与其下伏的下更新统或新近系之间的角度不整合接触关系,而在大部分地区则常见第四系与新近系之间的角度不整合,这可能与剥蚀不均或地层划分不够精细有关(万天丰和曹瑞萍,1992)。因此,以下的节理分析统计结果,结合野外观测到的这些角度不整合等现象以及前人(万天丰和曹瑞萍,1992)对该地区已有应力场的研究等,本文的应力场分期如下。

2.1 中更新世以来NEE向挤压应力场

利用Dips软件统计的节理玫瑰花优势走向(图4)揭示,第四系节理野外观察结果多数为共轭剪节理,其优势方位大致为NWW和NEE、NNE和NNW向,因此,可以推测第四纪区域挤压应力场方向可能为NEE向挤压。结合图5中太行山东麓断裂带的节理恢复结果,初步判定中更新世以来为NEE向挤压应力场。图4中个别点反映近SN向(NNE和NNW向)挤压,再结合图6节理恢复结果,近SN向的挤压可能属于第四纪、中中新世-早更新世NNE、NNW向挤压应力场下产生的老节理的活化所致。

中更新世以来,印度板块 NNE 向的碰撞作用传递到华北地区时已转变为 NE-NEE向挤压,而来自太平洋板块对华北地区的作用方向为NEE-EW向,印度板块作用占主导,因而形成太行山地区的NEE-SSW向挤压应力场。李西双等(2010)在单道浅层地震剖面上识别出渤海海域内走向为 NNE、近EW和NW向的三组断裂,其中多数为正断裂、少数具有走滑性质但同时也具正断作用,而大多张性断裂呈近EW走向,与本期NEE-SSW向挤压应力场相吻合。

图2 太行山东麓断裂带共轭剪节理野外照片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)挤压应力场

图6中的测量点93、107-109、110、171、183、198、200、237、555、656反映该期应力场为近SN向挤压。区域上,华北地块内中生代以来发育的近南北向断裂(如郯庐断裂带)张开。断裂带东部的渤海湾盆地形成了一系列近EW向伸展断裂(Zhang et al.,2003b)。虽然此期应力场强度不大,但是近SN向的挤压造成近EW向的拉张比较普遍。其动力学背景可能为中新世以来菲律宾海板块俯冲方向由 NWW转向 NNW 有关(万天丰和曹瑞萍,1992),同时,青藏高原大幅度隆升,NWW向和NNE向剪切作用增强,导致太行山地区经受来自鄂尔多斯的NNE向右旋剪切应力增强,因此太行山地区呈现近 SN向的局部应力场。

2.3 始新世-渐新世近NWW向挤压应力场

图7中的测量点71、72、74、125、126、127、176、248、298、548、551、626、627 指示太行山地区局部 NWW 向挤压应力场。区域上,中国东部广泛发育走向近EW和NWW向的张性正断层,沿着这些正断层还普遍发育玄武岩,如张家口汉诺坝、大同等(万天丰和曹瑞萍,1992),均说明始新世-渐新世挤压应力场为近NWW向。

图3 华北地块中部断裂图Fig.3 Fault system in the Central North China Block

始新世-渐新世,太平洋板块由原来的NNW向俯冲转为NWW向,与节理所指示的NWW向挤压应力场相吻合。虽然由于印度板块与欧亚大陆初始碰撞,且华北地块整体向东运动,处于 NWW 向的左旋剪切作用下;在华北地块内部,鄂尔多斯块体相对于其东部的块体做NNE向运动,地块内部处于NNE向的右旋剪切作用下。但这两种剪切作用对太行山地区的影响比较微弱(吴奇等,2012)。

2.4 古新世-始新世NE向挤压应力场

图8 中 85、172、174、216、238、252、293、295、314的节理测量点指示了古新世-始新世应力场,最小主应力轴方位为NW-SE向。

汾渭地堑系在燕山期所形成的NNE向和NWW向的共轭断裂在古新世-始新世期间沿“X”型共轭断裂系统发生追踪张裂(李树德,1997)。此外,渤海湾断陷盆地中此时期的凹陷也指示 NW-SE向拉张应力场(Zhang et al.,2003b;张岳桥等,2006)。结合更大区域的动力学背景,太平洋板块向欧亚大陆的俯冲方向发生NNW向NWW向的逆时针偏转,可能是太行山地区由中侏罗世-早白垩世的 NW-SE向挤

压转换为NW-SE向拉张的根本原因。

Zhu et al.(2012)通过对华北克拉通东缘的盆地模式、断层运动学、断层滑动数据、岩脉分布以及变质核杂岩的研究,认为华北克拉通东部应力场演化为:早白垩世早-中期的NWW-SEE向伸展→早白垩世晚期的NW-SE向伸展→晚白垩世-古近纪的近SN向伸展,且认为这种演化归结为俯冲板块的弧后效应;Zhang et al.(2003a)认为由于板块俯冲和青藏高原的隆起,郯庐断裂带(山东省内段)局部应力场由早白垩世中期的近EW向伸展→NW-SE向转换挤压→晚白垩世NE-SW向挤压;Mercier et al.(2007)认为郯庐断裂带在早白垩世中-晚期处于NW-SE向挤压应力场,晚白垩世-古近纪处于NWW-SEE向的拉张应力场中。野外观察发现,华北地区大量缺失上白垩统,只在个别盆地中可见,表明华北地区活动减弱,整体抬升遭受剥蚀并逐渐均夷而准平原化,形成 95~65 Ma的北台面(徐杰和高战武,2001),太行山、吕梁山和燕山等地均保存有北台面。冀中坳陷基底主要为侏罗系和下白垩统以及更老的岩层,上白垩统分布很少,表明太行山山前断裂此时也处于平静期。因此,早白垩世晚期到晚白垩世可能是中国东部由中侏罗世-早白垩世NW-SE向挤压应力场向新生代NWW(或NW)-SEE(或SE)向的拉张应力场的构造体制转化阶段。

2.5 中侏罗世-早白垩世NW向挤压应力场

指示中侏罗世-早白垩世应力场的节理测量点为 68、69、95、97、179、182、213、227、228、229、617、649(图9)。测量点所在的出露地层主要为石炭系、二叠系、侏罗系,碳酸盐岩区的典型共轭剪节理均为本期构造应力场的产物,而花岗岩类岩体中含石英脉的一套共轭剪节理也指示着这一期构造应力场。其最大主压应力轴方位是 NW-SE向,最小主压应力轴方位是NE-SW向。

区域构造分析表明,中侏罗世-早白垩世,是中国东部构造体制的重要转换时期(李三忠等,2010)。吕梁山隆起带晚侏罗世发育一系列走向 NE-SW 或NNE-SSW 向褶皱(吴奇等,2012),此外,吕梁山隆起带发育的燕山期花岗岩体年龄在 110~130 Ma 之间,说明岩体侵入发生在早白垩世,与中国东部地区普遍的岩浆侵入活动具有一致性,是在相同的构造背景下形成的(王锡勇等,2010)。同时,汾渭地堑系在该时期形成早期“X”型共轭剪切断裂系统(李树德,1997)。再向东,太行山北段形成一系列褶皱与逆冲推覆构造,沿河城断裂、百花山复向斜及马头背斜等NEE向构造等都在此时期形成(鞠紫云,1983)。华北地区中晚侏罗世也形成了大量的 NE向褶皱和逆冲推覆构造,且晋获断裂带形成,并向东强烈反向逆冲推覆。这些宏观构造分析得出的应力场与本文节理分析结果一致。

3 太行山东麓断裂带性质与多期演化

上述节理统计分析表明,太行山地区经历了复杂的应力场变化,太行山东麓断裂带在这种背景下也表现出复杂的多期断裂活动,而且东麓断裂带不同地段存在差异性,具有明显的分段性(图3)。

3.1 太行山山前断裂

八宝山断裂(F2-1)和黄庄-高丽营断裂(F2-2)是位于断裂带北段的活动断裂,为北京坳陷的西界断裂(图3)。八宝山断裂伴随北京西山 NE向褶皱和逆断裂形成于中侏罗世晚期,晚侏罗世发生拉张活动,至白垩纪,黄庄-高丽营断裂形成并取代了八宝山断裂(徐杰等,2000)。早白垩世末,由于处于NW-SE 向的挤压应力场下,两条断裂转为逆断裂。晚白垩世-始新世,在NE-SW 向挤压为主的应力场下,黄庄-高丽营断裂表现为正断层性质,同时具有一定的右旋走滑特征。黄庄-高丽营断裂在新生代的活动具有明显的自南向北转移的特点(徐杰等,1992),其活动强度远大于八宝山断裂。其中,八宝山断裂主要活动阶段为早更新世,而黄庄-高丽营断裂早-中更新世活动显著(徐杰等,1992)。

大兴断裂、徐水断裂和保定-石家庄断裂(图3)由北向南依次相连,构成冀中坳陷的西界,整体走向 NE,倾向 SE。通过对大兴断裂所在区域大量地震剖面的研究,依其地质构造特征可分为北段、中北段、中南段和南段四段,每段的走向、活动时间及活动性质存在差异(赵红格和刘池洋,2002)。中北段走向 NE-NNE,形成时间最早,为典型的犁式正断层;中南段走向近 EW,断面南倾,具有拉张、走滑性质和调节作用,形成较晚;南段走向近 SN,具有右行走滑性质。中南段、南段在沙河街组二段-东营期强烈活动(赵红格和刘池洋,2002)。野外调查显示(图10),保定-石家庄断裂第四纪仍有活动:在曲阳县北西定龙收费站西北侧的蓟县系中厚层白云岩中发育有 NE、NNE、NEE以及 NWW向多组断裂,其中NNE向断裂切割NNW向断裂,并控制晚更新世马兰黄土,后均被 NWW 向断裂切割,NWW 向断裂规模大,由数条近直立断层组成,且擦痕表明,NWW向断裂具有左旋走滑性质。

图10 曲阳县北西定龙收费站剖面图Fig.10 Photos and sketched map for the profile at the north part of the Quyang county

邯郸断裂(图3)走向 NNE,倾向 SE,具有正断兼右旋性质,根据断裂活动存在的差异,自北向南可以将断裂分为三段:临城-永年段;永年-磁县段;磁县–安阳段。其中,北段临城-永年断裂段在晚第四纪早期差异运动较弱,但断裂持续活动,晚更新世垂直断距9 m,到全新世仍有活动,全新世垂直断距4 m;中段永年-磁县断裂段在晚第四纪差异运动最强,断差约 30 m,全新世仍有明显的活动,全新世垂直断距4 m左右;南段磁县-安阳断裂段早、中更新世活动强烈,早更新世垂直断错 50~60 m,晚更新世以来断裂仍有活动,但全新世没有活动(侯治华等,2008)。另外,国家地震局地质大队通过分析钻井、地貌特征等,认为该断裂是一条晚更新世和全新世活动明显的断裂(江娃利和聂宗笙,1985)。

汤西、汤东断裂(图3)均为太行山山前断裂南端的古近纪和新近纪生长断层,其中,汤西断裂倾向SEE,汤东断裂倾向 NWW,且断面均呈铲形,活动性质均以正倾滑为主,走滑为辅(杨承先,1984;于慎谔等,2012)。两条断裂的活动期次具有分段性:汤东断裂大体以宜沟为界,分为南、北两段,北段古近纪、新近纪活动强烈;南段活动比较复杂,可进一步分为南(汲县)、北(淇县)两个亚段,古近纪时北亚段活动强烈,控制古近系沉积,新近纪时南亚段活动强烈,控制新近系沉积(杨承先,1984)。汤西断裂上新世活动较强烈,可能持续到中更新世,晚更新世以来垂直差异活动减弱甚至消失,代之以较明显的右行走滑活动(张岳桥等,2003)。

总之,自上新世以来,在活动性质上,太行山山前断裂的活动性整体呈减弱趋势,早期表现为强烈的正断活动,控制着上新统和第四系的沉积,后期正断性质减弱,表现出右旋走滑性质;空间上,太行山山前断裂主要活动体现在北段与南段,中段相对较弱,特别是中段的中北部,在第四纪基本停止活动。

3.2 太行山大断裂

太行山大断裂主要由乌龙沟断裂、紫荆关断裂和晋获断裂带组成(图3)。其中乌龙沟断裂(F1-1),是一条自北向南切过大河南岩体、王安镇岩体和司各庄岩体的活动断裂,进入司各庄岩体后活动减弱,在南端消失于基底变质岩系。在走向上,整条断裂由多个区段左阶斜列构成,断裂不仅具有岩性造成的分段性,且在同岩性区段还具有构造上的分段性。断裂变形带内发育多期不同岩性的岩脉,岩脉也遭受后期变形,如发育节理等,标志着断裂多期活动(陈桂华,2002)。

紫荆关断裂(F1-2)总体走向为NNE向,倾向SE,位于大河南岩体和王安镇岩体的东侧边缘,北段为活动断层(图3),南段则被第四系覆盖。断裂部分地段是变质岩系与中、新元古界盖层的接触线。野外观测发现,位于该断裂的观测点 636出露岩性为条带状片麻岩,两组节理发育,且发育一条宽约7 m、产状陡立的 NE 向断裂带(图11),为正断性质。该断裂主体形成于侏罗纪末,即晚侏罗世东岭台期火山活动之后,表现为下盘的大幅度抬起,完成于白垩纪末,即王安镇、大河南主岩体侵入之后,以扭动作用为主,具有明显的继承活动性质(陈桂华,2002)。宏观构造组合特征、构造岩变形叠加信息、节理的古构造应力场信息及前人区域资料表明,紫荆关断裂自古生代末开始活化以来有三次主要构造活动:第一次是中侏罗世-早白垩世,断裂左行压扭性活动;第二次在晚白垩世-始新世,断裂右行张扭性活动,断裂内形成初碎裂岩为主的构造岩;第三次是喜山期以西侧抬升、东侧下降的强烈升降为主的活动,在基岩中,主断层两侧围岩出现微破裂。

图11 曲阳县北公路旁剖面图Fig.11 Photograph and sketched map of profile at the north part of the Quyang county

晋获断裂带北起河北省获鹿县,向南经左权、长治至晋城西南,整体走向 NNE,倾向以 NWW为主,断裂作用涉及太古界至新生界,而构造活动及变形强度沿走向有北强南弱的差异性,因此该断裂带有分段特征(关英斌和李海梅,1999),自北向南分为 3段:北段从河北获鹿到山西黎城;中段从黎城到长治县庄头断层;南段从长治县庄头断层到晋城市冯沟。此次野外测量点 179、182、183等位于北段(图6、9),测量点121位于中段(图5),测量点74和76位于南段(图7)。179和182观测点节理均指示NW-SE向挤压应力场;中段的121测量点出露下奥陶统青灰色中厚层灰岩,发育三组节理指示NNW-SSE向拉张应力场(图5)。位于断裂南段的观测点 74岩性为青灰色中厚层灰岩,该观测点整体是一个走向为 NNE-SSW 的背斜,与节理指示的应力场为NWW-SEE向挤压应力场(图7)相吻合。北段变形最为强烈,表现为太古宙结晶基底逆冲于下古生界之上,以逆冲推覆为主;中段变形较强,主要出露下古生界,构造样式以逆冲断层为主,伴随有斜歪褶曲、挠曲,后期发生构造反转(NNE-SSW 向挤压应力场作用下,NWW-SEE方向发生应力松驰所致),由燕山期的逆冲推覆变为正断层,伴随右行走滑,长治断裂形成并控制了黎城盆地的发育,新生代期间又控制了长治盆地的形成,野外观测资料揭示,长治断裂中更新世及全新世皆有活动,擦痕和阶步推断为右旋正断(张岳桥,2004);南段变形中等,出露下古生界及上古生界,构造样式主要为斜歪褶皱,下古生界保留有逆冲断层痕迹,从断层性质推测该段前期有过强烈的挤压,而后断层发生过右行走滑,对前期的挤压逆冲进行了改造(关英斌和李海梅,1999;孙丽娜等,2009)。

综上所述,太行山山前断裂和太行山大断裂在复杂多变的中、新生代区域应力场下,活动性质也发生多期变化,对主断裂的活动性质及区域应力场的变化归纳如下(图12):印支期,由于古亚洲洋、华南地块与华北地块之间的剪刀式碰撞拼合,在近SN向挤压应力场下,发育近EW向压性断裂(在太行山地区表现不明显);中侏罗世-早白垩世,太行山地区在NW-SE向挤压应力场下发育NE、NNE向逆冲推覆构造与左行压扭断裂(属于太行山东麓断裂带);古近纪以来,太行山东麓断裂带转为右行走滑兼正断性质的断裂;新构造运动期,太行山断裂带以太行山山前断裂活动为主,NNE-NE向断裂带除北段的黄庄-高丽营断裂和南段的邯郸断裂,全新世以来活动较强,其余各段强烈活动期均集中于早、中更新世甚至第四纪之前,全新世以来活动较弱。

图12 太行山地区断裂活动期次及其相应应力场关系Fig.12 Stages and their related stress fields of the faults in the Taihang Moutains

4 断裂带的应力场转换机制

中国大陆位于欧亚板块的东南部,其西南部处于与印度板块强烈碰撞的前沿,东南部和东部也分别受到菲律宾海板块、太平洋板块俯冲的影响,因而处于华北地块中部的太行山地区所受应力场变化主要来源于三大板块板缘不同时期的构造活动,且三大板块的活动时间及对太行山地区的影响程度不同。始新世之前,太平洋板块向欧亚大陆的俯冲占主导影响,对太行山地区造成不同方向的挤压作用,挤压方向随时间发生变化(表 1);始新世以后,由于印度板块开始向北与欧亚大陆发生碰撞,对太行山地区造成 NE向挤压作用,且菲律宾海板块也由原来的NNW向挤压转变位NWW向挤压,太平洋板块向欧亚大陆做后撤式俯冲。总之,中、新生代华北地块所受应力来源不同,且由于太行山地区内部的构造差异,这些应力传达到研究区后所造成的地质响应也有所不同。

4.1 中生代应力场与成因机制

印支期,北部古亚洲洋自西向东剪刀式俯冲消亡,南部华南地块与华北地块发生自东向西的剪刀式碰撞,形成近 SN向的挤压应力场(对研究区影响较小);中侏罗世,古太平洋俯冲于欧亚大陆之下,应力场由印支期的近SN向挤压转换为NW-SE向挤压,即燕山运动以NW-SE向挤压为主;晚侏罗世到早白垩世,岩石圈强烈破坏,大量岩浆侵入,燕山运动进入峰期(李三忠等,2011)。

总之,燕山运动之后直到新生代初,太行山山前断裂和其他断裂都基本稳定,华北地块整体抬升遭受剥蚀并逐渐均夷而准平原化,最后形成广泛分布的北台期的华北准平原,即为后期的北台期夷平面(吴忱等,1999;陈连旺等,2007)。太行山地区均处在NW-SE向的挤压应力场中,之后转入向新生代初期拉张应力场的过渡阶段。

4.2 新生代应力场与成因机制

处于太行山东麓断裂带东侧的渤海湾盆地,古近纪以来处于NW-SE向拉张应力场中,发生强烈断陷作用,随后断陷减弱,部分古近系因翘倾活动遭到一定程度的剥蚀,新近纪后进入热沉降阶段,形成古近系与新近系之间的区域不整合。始新世-渐新世虽然印度板块开始与欧亚大陆碰撞,华北地块与华南地块以不同的速率(华北地块慢于华南地块)向东运动,而在华北地块内部,鄂尔多斯块体相对于其东部的块体做NNE向运动,因此华北地块的南、北边缘处于 NWW 向的较弱的左旋剪切作用下,地块内部处于 NNE向的较弱的右旋剪切作用下(吴奇等,2012),但两种应力场并不影响太行山地区。此阶段,依然受太平洋板块由原来的 NNW 向俯冲转为NWW向转变的影响较大。

新近纪以来,太行山继续隆升,在上新世活动减弱,剥蚀夷平,形成唐县期夷平面。中新世,太平洋板块继续NWW向俯冲,而菲律宾海板块做NNW向俯冲(万天丰和曹瑞萍,1992),太行山地区为近SN向挤压应力场。上新世初,印度大陆和欧亚大陆的持续汇聚,导致青藏东缘中段和北段的构造挤出,向东扩展导致华北地区构造应力场的改变,形成了华北地区复杂的构造变形组合,引起了NNE向断裂的右行走滑复活(张岳桥,2004)。

表1 中国周边板块运动方向演化及太行山地区的地质响应Table 1 The directions of plate motions around China and the corresponding geological responses in the Taihang Mountain area

中更新世以来,印度板块NNE向的碰撞作用传递到华北地区时已转变为 NE向挤压,来自太平洋板块的边界力对华北地区的作用方向为NEE-EW向,菲律宾海板块俯冲方向转换为 NWW,对台湾地区的作用非常强烈,但是对华北地区的作用相对较弱。太行山地区呈现NEE-SSW挤压,导致第四纪以来不同走向盆地及断裂活动性质的变化。

5 结论

通过以上研究,本文得出以下几点结论:

(1) 根据共轭剪节理产状与其主应力轴的对应关系,对节理所指示的局部应力场期次进行分期统计的结果如下:中侏罗世-早白垩世的 NW-SE向挤压、古新世-始新世NE-SW向挤压、始新世-渐新世NWW向挤压、中新世-早更新世近SN向挤压以及中更新世以来NEE向挤压。

(2) 太行山地区中生代构造应力场动力起源可能存在两个:中侏罗世构造机制受古亚洲洋构造域的持续汇聚体制制约(对应SN向挤压应力场),转向古太平洋构造域的俯冲消减体制(对应 NW 向挤压应力场)制约;时期由古太平洋构造域的中生代挤压性质到新生代伸展性质的构造机制转换制约。

(3) 太行山地区新生代构造应力场动力起源也可能存在两个:古新世-始新世太平洋板块俯冲带的跃迁式东撤形成NW-SE向拉张应力场;始新世之后印度板块和欧亚板块接触碰撞与太平洋板块和菲律宾海板块共同作用,形成始新世-渐新世NWW向挤压→中新世-早更新世近SN向挤压→中更新世以来NEE向挤压等应力场的转换。

(4) 太行山地区中、新生代应力场转换机制:始新世之前,太行山地区应力场主要由太平洋板块向西俯冲于东亚安第斯型大陆边缘所致,且俯冲方向在不同阶段有所改变,菲律宾海板块虽然与太平洋板块以相同的方向俯冲,但是对太行山地区的影响较小;始新世以来,印度板块和欧亚板块碰撞激发的软流圈的东扩张效应和太平洋俯冲带的跃迁式东撤的联合效应导致太行山地区受 NE向挤压应力场与 NWW 向拉张应力场的双重叠加作用;上新世开始,两个方向的应力场增强,其合应力场影响范围向华北地块中部和东部扩展,因两种剪切应力增强幅度的不同,合力由 NW 向拉张逐渐转变为 NNW向拉张(即现在的 NEE-SSW 向挤压应力场)。总之,太行山地区应力场的转换是太平洋板块、印-澳板块和菲律宾海板块的运动方向和对该地区影响范围与程度随着时间演化所致。

此外,传统板块构造理论认为,板块内部是刚性一块,不会发生变形,变形主要发生在板缘。但当前一些研究人员为了突破板块构造理论约束,认为板块不是刚性块体,是可变形的,称这种板块为可变形板块(deformable plate),因而在研究中多采用塑性材料进行相关数值模拟。但本文基于野外观测表明,板块内部确实是可变形的,但不是塑性变形为主,而主要表现为脆性变形特征,且这种变形确实可和板缘动力具有良好对应关系。至于板内有无自身和深部变形机制还有待深入研究。

致谢:在本文的一审、二审和修改过程中,得到了合肥工业大学朱光教授和另一位匿名审稿专家的指导和帮助,特此致谢。

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