西秦嶺北緣漳縣地區(qū)上新統(tǒng)礫巖構造節(jié)理特征及構造應力場分析

陸宏宇，郭進京，吉 夏，王凱旋，張 琛，趙海濤，劉重慶

（天津城建大學 地質與測繪學院，天津 300384）

構造節(jié)理是脆性上地殼巖石最普遍的構造形跡，是特定區(qū)域構造應力場作用下形成的構造破裂，常常以兩組共軛形式出現(xiàn).特定時代巖石地層體中構造節(jié)理幾何組合形式和運動學分析是區(qū)域構造變形期次劃分及其構造應力場反演的主要途徑之一[1].西秦嶺北緣構造帶是青藏高原東北緣重要的構造邊界之一，也是重要的地震活動斷層帶之一[2-4].西秦嶺北緣漳縣地區(qū)不僅近東西向區(qū)域性斷層發(fā)育，而且分布有不同時代的中—新生代陸相紅層地層，這些紅層地層中不同性質、不同方位的多期構造節(jié)理或小型斷層非常發(fā)育，這為研究該區(qū)域構造變形歷史和構造應力場特征及演變提供了良好條件.本文以角度不整合在漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)含鹽紅層地層之上的上新統(tǒng)韓家溝礫巖中構造節(jié)理為主要研究對象，通過對其中發(fā)育的構造節(jié)理觀測和統(tǒng)計分析，揭示了其兩期不同的構造變形及構造應力場作用過程，為認識西秦嶺北緣上新世以來構造演變過程和探討印度—歐亞板塊碰撞匯聚的遠程構造響應提供了新的科學依據(jù).

1 區(qū)域地質背景

西秦嶺北緣構造帶漳縣段，主要由一系列近東西向斷層和由斷層所夾持的不同時代的地層塊體所組成的構造帶（見圖1）.出露地層包括下古生界李子園群、泥盆系、石炭系和二疊系等造山帶地層和白堊系、漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)和上新統(tǒng)等陸相紅層地層[5].其中漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)含鹽紅層地層角度不整合在下伏造山帶老地層之上，而上新統(tǒng)韓家溝礫巖則以近水平或緩傾斜角度不整合覆蓋在下伏漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)含鹽紅層盆地之上（見圖1）.上新統(tǒng)礫巖主要由巖性單調的巨厚層—厚層的巨礫—中礫礫巖組成，特征性的丹霞地貌與周圍的其它時代地層的地貌相區(qū)分，總厚度360余米.下部礫巖以棱角狀、次棱角狀、分選差的洪積礫巖為特征；中部礫巖礫石磨圓度有所提高，中礫和細礫含量有所增加；上部則以含有磨圓度較高的巨礫的中礫-細礫礫巖和砂礫巖為特征[6].礫巖內部溝壑或大陡壁面的方向主要為近南北向、北東向、北西向和東西向，其中南北向和北東向最為顯著，這與其中發(fā)育的小型斷層或構造節(jié)理面相吻合.

圖1 西秦嶺北緣漳縣地區(qū)地質概況

2 上新統(tǒng)韓家溝礫巖構造節(jié)理統(tǒng)計分析

漳縣地區(qū)上新統(tǒng)韓家溝礫巖的層理面多呈近水平或緩傾斜，總體向南東或北西傾，但傾角較小，一般不超過20°.礫巖層中構造節(jié)理發(fā)育良好，通過對這套礫巖中構造節(jié)理觀測和統(tǒng)計，獲取了20組構造節(jié)理數(shù)據(jù)（見表1）.結果表明，礫巖中走向主要發(fā)育四個方向的構造節(jié)理，即南北向、近東西向（282°）、北東向（42°）和北西向（330°），如圖2所示.其中南北向和近東西向節(jié)理近直立，傾角在75°～85°之間，而北東向和北西向節(jié)理傾角相對較緩，在55°～65°之間.通過對節(jié)理面上擦痕線理、階步和礫石錯斷等運動學標志觀測，發(fā)現(xiàn)南北向節(jié)理呈右旋，而近東西向則呈左旋，具有共軛節(jié)理組合特征；北東向節(jié)理呈左旋，而北西向呈右旋，構成第二組共軛節(jié)理組合.第一組南北向和近東西向共軛節(jié)理，特別是南北向節(jié)理控制了礫巖層中最為發(fā)育的南北向溝谷，而北東向和北西向則控制了礫巖層中次級溝谷.南北向節(jié)理明顯截切了北東向和北西向節(jié)理.因此，北東向和北西向共軛節(jié)理為第一期變形，而南北向和近東西向共軛節(jié)理為第二期變形.

表1 韓家溝礫巖共軛節(jié)理和構造應力分析數(shù)據(jù)

圖2 上新統(tǒng)韓家溝礫巖節(jié)理走向玫瑰花圖

3 上新統(tǒng)韓家溝礫巖變形的構造應力場分析

利用共軛構造節(jié)理反演構造應力場是構造應力場分析的有效方法[7-12].最經(jīng)典的理論依據(jù)為安德森模式，即巖石在三軸構造應力作用下形成的X型共軛節(jié)理.其最大主壓應力σ1方向總是與共軛節(jié)理銳夾角等分線一致，中間主壓應力σ2方向平行于共軛節(jié)理交線，而最小主壓應力σ3方向與共軛節(jié)理鈍夾角等分線一致[13].但野外實際觀測中發(fā)現(xiàn)有些共軛破裂的剪切滑動方向所指示主壓應力σ1并不與共軛破裂的銳夾角等分線一致，相反卻與鈍夾角等分線一致[14].因此，不應簡單地把X型剪節(jié)理的銳夾角等分線方向作為主壓應力σ1方向，而應仔細分析共軛剪節(jié)理的互相錯切的關系和相對位移方向，判斷壓縮區(qū)與伸張區(qū)，以確定主應力方向，即最大與最小主應力軸分別位于壓縮區(qū)與伸張區(qū)的等分角線上[1].另外，野外實際研究中多期構造變形形成多組共軛節(jié)理也給節(jié)理分期配套和利用構造共軛節(jié)理反演構造應力場造成了很大的困難.因此，正確、合理地識別、分期、配套相同期次的具有指向意義的共軛剪節(jié)理直接關系著古構造應力場的反演正確與否[15].但具體到本文研究的上新統(tǒng)韓家溝礫巖，由于地層基本水平，僅發(fā)育兩套共軛節(jié)理，并且不同方向節(jié)理剪切滑動方向清楚.根據(jù)滑動方向確定的主壓應力方向都與共軛節(jié)理銳夾角等分線一致，所以本研究用吳氏網(wǎng)投影技術[16]，對每個觀測點節(jié)理數(shù)據(jù)進行了處理，獲得共軛角和三個主應力方向（見表1及圖3-4）.結果表明：韓家溝礫巖發(fā)育的兩套共軛節(jié)理指示其兩期構造變形，第一期變形的最大主應力方向近SN向，最小主應力方向近東西向；第二期變形的最大主應力方向為N 33°E，最小主應力方向為N 55°W；兩期變形的中間主壓應力都顯示出陡傾伏或近直立，有可能指示了這兩期變形都具有區(qū)域擠壓走滑應力場的特征.

圖3 上新統(tǒng)韓家溝礫巖典型共軛節(jié)理極射赤平投影及主應力分析

圖4 上新統(tǒng)韓家溝礫巖主壓應力極點

4 結論

西秦嶺北緣漳縣地區(qū)上新統(tǒng)礫巖發(fā)育有南北向、近東西向、北東向、北西向四組構造節(jié)理.其中北東向和北西向兩組構成第一期共軛節(jié)理，指示了近南北向擠壓構造應力作用.而南北向和近東西向兩組節(jié)理構成第二套共軛節(jié)理則指示了北北東向擠壓構造應力作用.從第一期到第二期構造變形，構造應力場主壓應力方向有一個約33°順時針旋轉，這可能指示了上新世以來西秦嶺地塊曾經(jīng)發(fā)生了順時針旋轉而導致主壓應力方向的偏轉.