山西隆起區(qū)燕山期構(gòu)造變形特征

劉康， 魏榮珠， 續(xù)世朝

(1.山西省地質(zhì)調(diào)查院，太原 030006； 2.山西省地質(zhì)博物館，太原 030024)

0 引言

山西省地處華北陸塊中部，位于鄂爾多斯盆地和華北盆地之間。區(qū)內(nèi)地質(zhì)內(nèi)容豐富，地層出露齊全，早前寒武紀變質(zhì)結(jié)晶基底、中新元古界、古生界、中生界在垂向上有序疊置，其間反映區(qū)域構(gòu)造運動的幾個重要不整合面在區(qū)內(nèi)連續(xù)、清楚，記錄了大量地質(zhì)歷史中的盆地演化和構(gòu)造地貌信息。同時，不整合面也是燕山期構(gòu)造活動中良好的標志層，由不整合面圍限的各時代地層具有獨特的巖石組合和物理性質(zhì)，保存和記錄了燕山期構(gòu)造在不同層次的變形樣式和特征。該區(qū)研究程度較高，資料較豐富[1-3]。本文在近年來1∶5萬、1∶25萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及以往相關(guān)研究資料和成果的基礎(chǔ)上，綜合運用巖相古地理、構(gòu)造地貌、平衡剖面、大陸構(gòu)造和大陸動力學等多學科知識，主要選擇斷裂和褶皺構(gòu)造為主要研究內(nèi)容，分析不同構(gòu)造層次中構(gòu)造變形的樣式和特征，結(jié)合動力學成因機制分析，探討山西隆起區(qū)燕山期構(gòu)造變形特征，對于正確認識和恢復區(qū)域地質(zhì)發(fā)展史具有重要的意義。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一。包括本區(qū)在內(nèi)的華北陸塊構(gòu)造-沉積演化可概括為太古宙及古元古代結(jié)晶基底形成時期、中新元古代拗拉槽發(fā)育時期、早古生代克拉通盆地以碳酸鹽巖為主的沉積建造發(fā)育時期以及晚古生代海陸過渡時期和中新生代陸相演化時期[1-2](圖1，表1)。

雖然受到加里東、印支運動南北板塊活動和大幅度差異升降的影響[4-5]，華北陸塊仍然保留穩(wěn)定狀態(tài)，硅鋁殼化明顯、成熟，是成熟陸殼。燕山期陸殼成熟度受到破壞或改造，開始了華北陸塊的陸內(nèi)改造過程。

燕山運動階段，華北陸塊東部和西部構(gòu)造-沉積格局發(fā)生明顯差異： 東部巖漿活動強烈，多處發(fā)育小型火山斷陷盆地，褶皺、逆沖斷裂發(fā)育； 西部鄂爾多斯盆地依然為一個大型沉積盆地[6]，鄂爾多斯盆地的演化及其后期改造總體是在華北克拉通東隆西降的區(qū)域大背景下進行的，隨著東部不斷隆升，盆地的沉積東界和范圍逐步向西遷移縮小[7-8]，晚白堊世，華北廣大地區(qū)整體抬升，沉積間斷，燕山運動結(jié)束。

圖1 山西省地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[3]修改)

界系統(tǒng)組代號 厚度/m主要巖性主要礦產(chǎn)中生界白堊系侏羅系三疊系上統(tǒng)下統(tǒng)上統(tǒng)中統(tǒng)下統(tǒng)中統(tǒng)下統(tǒng)助馬堡組K2z720泥巖、砂巖左云組K1z200礫巖、泥巖茹去組J3r480砂巖、泥巖天池河組J2t120～235砂巖云崗組J2y254～425雜色碎屑巖大同組J2d228～428砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤層、煤永定莊組J1y30～170雜色碎屑巖、粉砂泥巖延長組T2y358～777砂巖夾泥(頁)巖二馬營組T2e386～624砂巖夾泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和尚溝組T1h160～220泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖劉家溝組T1l390～520砂巖、粉砂質(zhì)泥巖上古生界二疊系石炭系上統(tǒng)中統(tǒng)下統(tǒng)上統(tǒng)孫家溝組P3s石盒子組P2-3sh山西組P1s太原組CPt湖田段C2th100～180400～600100～1505～20泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖粉砂質(zhì)泥巖、頁巖夾煤線泥頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾砂巖、煤頁巖夾砂巖、煤、灰?guī)r鐵質(zhì)巖、鋁土礦、鋁土頁巖煤、煤層氣山西式鐵礦、鋁土礦下古生界奧陶系寒武系中統(tǒng)下統(tǒng)上統(tǒng)中統(tǒng)馬家溝組O2m352～624三山子組亮甲山組O1l70冶里組O1y45～75炒米店組 Oc30崮山組3g100～140張夏組2z103～190饅頭組2m101～280霍山組2h80灰?guī)r、白云巖灰?guī)r、石膏后生白云巖 灰?guī)r灰?guī)r、頁巖灰?guī)r夾礁灰?guī)r灰?guī)r、白云巖竹葉狀灰?guī)r夾頁巖鮞粒灰?guī)r夾薄層泥晶灰?guī)r灰?guī)r紫紅色粉砂巖、泥(頁)巖(含礫)石英砂巖石英砂巖

燕山運動期間，本區(qū)處于華北陸塊東部和西部的過渡地帶，淺層次斷裂、褶皺活動強烈，沿斷裂見多處中酸性巖漿侵入。構(gòu)造變形和巖漿活動向西一致收斂于離石斷裂，表明山西隆起區(qū)晚中生代構(gòu)造變形受到離石斷裂邊界條件的控制[9-10]。直觀地看，經(jīng)過燕山運動和喜馬拉雅運動，中生代早期還處于地下6～8 km[11]的太古宙變質(zhì)巖系構(gòu)成了現(xiàn)今華北第一高峰五臺山。五臺山主峰北臺頂海拔3 061 m，垂向位置變化達10 km，這一過程對區(qū)內(nèi)構(gòu)造地貌、生態(tài)環(huán)境和礦產(chǎn)資源的分布產(chǎn)生了重大影響，其變形特征、構(gòu)造樣式及動力學機制等問題值得深入研究。

燕山期構(gòu)造變形基本奠定了本區(qū)的構(gòu)造格局。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育燕山期斷裂、褶皺，從太古宙變質(zhì)基底到中生代不同種類的巖石均卷入了該期構(gòu)造變形。太古宙變質(zhì)基底出露于背斜核部，向斜核部由大面積的中生界組成，古生界則構(gòu)成背斜和向斜的過渡地帶。區(qū)域性斷裂在空間上與較窄的背斜密切共生。燕山期巖漿活動嚴格受區(qū)域性斷裂控制，全省富鐵礦幾乎全部(99.58%)為該期巖漿活動形成的接觸交代型鐵礦。寬緩的向斜成為上古生界中煤、煤層氣的天然儲存場所。

2 燕山期構(gòu)造特征及地貌演化

本文討論的山西隆起區(qū)范圍基本與山西省行政區(qū)一致。東西分別以離石斷裂、太行山山前斷裂[12]與鄂爾多斯盆地、華北盆地為界； 唐河斷裂(F1)、橫河斷裂(F6)分別為山西隆起區(qū)的北界和南界(圖1)。唐河斷裂位于山西的北部，斜貫于晉東北恒山、五臺山東段； 橫河斷裂位于山西的南部，為太行山和中條山的分界線。這兩條斷裂走向均呈NW向，北側(cè)、南側(cè)分別為華北板塊北緣、南緣板內(nèi)活動帶。

圖2 山西隆起區(qū)縱向構(gòu)造剖面示意圖(據(jù)文獻[13]修改)

2.1 主要褶皺特征

山西隆起區(qū)內(nèi)褶皺十分發(fā)育，規(guī)模較大的區(qū)域性褶皺為近EW向側(cè)向水平擠壓形成的縱彎褶皺。背斜為不對稱褶皺，向斜呈典型的箱狀褶皺，形態(tài)完整。背斜和向斜的過渡地帶由古生界組成。不同地區(qū)褶皺組合特征具有明顯差異(圖1，表2)。

表2 主要褶皺特征簡表

可以看出，區(qū)內(nèi)北部和南部為連續(xù)變形，不存在隔槽式或隔擋式的特定褶皺樣式，所謂北部隔槽式褶皺和南部隔擋式褶皺[14]地表特征的不同是不同層次的構(gòu)造形跡由于后期隆升、剝蝕程度差異造成的結(jié)果，即： 北部隆升幅度大，剝蝕強烈，地表構(gòu)造形跡形成的層次較深，表現(xiàn)為寬闊的背斜和狹窄的向斜，變質(zhì)巖系出露面積較大，中生界出露較少； 南部隆升幅度相對較小，剝蝕程度弱，地表構(gòu)造形跡形成的層次較淺，表現(xiàn)為寬闊的向斜和狹窄的背斜，中生界出露面積較大，變質(zhì)巖系出露較少。

2.2 主要斷裂特征

山西隆起區(qū)燕山期區(qū)域性斷裂與區(qū)內(nèi)主要山脈平行發(fā)育，呈SN向或NNE向延伸，主要有離石斷裂、狐偃山斷裂、太岳山斷裂和太行山斷裂(表3)。

表3 主要斷裂特征簡表

斷裂性質(zhì)為逆沖斷層，表現(xiàn)為上盤前寒武紀變質(zhì)巖或中新元古界逆沖于下古生界之上，下盤中發(fā)育次級斷層，下古生界下部層位地層逆沖于上部層位地層之上。

逆沖斷裂活動垂向分層性質(zhì)表現(xiàn)明顯，深淺不同構(gòu)造層次的變形樣式有明顯的差異。斷裂由下向上生長，自下而上變形強度逐漸減弱。下古生界及其底部表現(xiàn)為有基底卷入的逆沖斷層，規(guī)模較大，斷距1 000 m左右，最大1 600 m； 上古生界一般表現(xiàn)為撓褶帶，褶皺較緊閉，局部發(fā)育主干逆沖斷裂下盤的次級斷裂，斷距一般100～300 m； 中生界中基本未發(fā)現(xiàn)有斷距的斷層，表現(xiàn)為相對開闊的褶皺。現(xiàn)在地表沿斷裂走向的分段性是垂向分層性的表現(xiàn)形式[23]，是后期隆升、剝蝕程度差異在地表造成的結(jié)果。

逆沖斷裂構(gòu)造的活動時間為燕山期，開始于早侏羅世，晚侏羅世—早白堊世為強烈活動期，白堊紀晚期，隨著太行山、呂梁山的整體隆升，擠壓作用逐漸減弱，晚白堊世晚期斷裂活動消失。

2.3 巖漿活動特征

晚侏羅世—早白堊世，是區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂的強烈活動期，同時發(fā)生了多處巖漿侵入事件。巖體絕大多數(shù)出露于背斜核部位置，在區(qū)域性斷裂附近或兩側(cè)分布，形成時間多集中在130 Ma左右(表3)。研究表明，該期巖體均是起源于富集巖石圈地幔部分熔融并底侵到下地殼，所帶的高熱流引起古老下地殼，特別是TTG(Trondhjemite(奧長花崗巖)、Tonalite(英云閃長巖)、Granodiorite(花崗閃長巖))的部分熔融，形成花崗質(zhì)巖漿，然后形成混合巖漿，再經(jīng)過分離結(jié)晶作用形成[17-19]。巖體的形成時間與華北克拉通巖石圈減薄與破壞作用的峰期時間基本同時[24-27]。

2.4 構(gòu)造地貌演化討論

關(guān)于構(gòu)造地貌的演化規(guī)律及形式，不同學者提出了各自的地貌演化模型(圖3)。

圖3 地貌演化模型(改自文獻[28-31])

對比研究認為，Penck[30]提出的地貌演化理論接近區(qū)內(nèi)地形的可能變化過程(圖3(c))： 中侏羅世本區(qū)為鄂爾多斯內(nèi)陸沉積盆地的東部邊緣斜坡； 晚侏羅世—早白堊世是構(gòu)造變形的強烈活動期，通過沖斷抬升和褶皺變形，使處于深部的變質(zhì)巖與表層的中生界在平面上處于同一水平位置，同時地表持續(xù)抬升，形成山地或準高原地勢[32]，在晚白堊世初期地表達到最高。燕山運動期間，區(qū)內(nèi)地表剝蝕作用伴隨隆升的全過程，逆沖斷裂上盤和背斜部位在隆升過程中不斷遭受剝蝕，上部中生界甚至古生界全部剝蝕殆盡； 向斜部位相對下沉，剝蝕較弱或基本沒有剝蝕。隨著構(gòu)造作用逐漸減弱，侵蝕作用逐漸加強，經(jīng)運動后期整體隆升、剝蝕，最終在白堊紀末期—古近紀初期形成了華北地區(qū)中部由前寒武紀變質(zhì)巖系、古生界和中生界共同構(gòu)成的北臺夷平面[33-34]。

3 構(gòu)造變形模式

3.1 收縮構(gòu)造模型

山西隆起區(qū)在燕山運動期間處于“東部高原”[35-36]和西部鄂爾多斯盆地[37]的盆山過渡帶位置。所謂分層變形是指受石炭—二疊系含煤地層軟弱巖層分隔，不同深度的巖層發(fā)育不同的收縮變形樣式； 垂向疊置是指不同層次的強變形帶在垂向上疊置，不存在區(qū)域性大位移的拆離斷層。位于石炭—二疊系以泥頁巖為主的含煤地層之上的中生界砂巖以褶皺變形為主，而含煤地層之下的下古生界碳酸鹽巖層及基底變質(zhì)巖系則以逆沖斷裂變形為主。淺部的褶皺表現(xiàn)出緊閉背斜和寬緩向斜組合，背斜具有不對稱形態(tài)。深層斷裂變形以基底卷入逆沖斷層為主干斷層，斷層上盤形成沖斷隆起，次級斷層相對較少，下盤則發(fā)育一系列同向傾斜的楔狀疊瓦沖斷構(gòu)造，巖漿活動和斷裂密切相關(guān)。深層斷層向上延伸在石炭—二疊系含煤地層中消失，向上對應(yīng)于淺層背斜的核部?；拙砣氲母呓嵌戎鞲赡鏇_斷層可能繼承了先存元古宙拗拉槽構(gòu)造薄弱帶，如離石斷裂和太行山斷裂的空間產(chǎn)出位置與西部熊耳—漢高拗拉槽和東部的燕遼拗拉槽構(gòu)造薄弱帶基本一致。

3.2 巖層能干性

褶皺沖斷帶構(gòu)造砂箱物理模型研究表明，砂箱物質(zhì)特性是影響構(gòu)造變形的主要因素之一，對于砂箱楔形體變形與演化具有明顯的控制作用[38-39]。在能干性和非能干性巖層實驗中,能干性巖層縮短變形以沖斷構(gòu)造變形為主,非能干性巖層以褶皺變形為主,砂箱物質(zhì)內(nèi)部軟弱層可導致楔形體由能干性楔形體(構(gòu)造樣式以沖斷褶皺變形為主)轉(zhuǎn)變?yōu)榉悄芨尚孕ㄐ误w(構(gòu)造樣式以褶皺變形為主)[40]?；搶由疃瓤刂浦ㄐ误w褶皺變形空間格架及其構(gòu)造樣式[40-41]。

區(qū)內(nèi)各時代主要巖石類型、厚度、埋深及物理性質(zhì)[42]分別見表1、表4。

表4 不同時代主要巖石類型、物理性質(zhì)及變形特征

可以看出，與變質(zhì)基底、下古生界灰?guī)r和中生界砂巖相比，上古生界石炭—二疊系以泥頁巖為主的含煤巖系能干性較弱，為軟弱層。受軟弱層影響，區(qū)內(nèi)以中生界為主的淺表層構(gòu)造與以下古生界、變質(zhì)巖系為主的深層構(gòu)造的變形樣式有明顯的差異，表現(xiàn)為下部沖斷褶皺、軟弱層撓褶、上部開闊褶皺的變形組合，但是不同層次的收縮變形量基本保持一致。

3.3 成因探討

大陸動力學研究成果越來越多地證明： 陸內(nèi)構(gòu)造是大陸在長期演化過程中,大陸中不同陸塊由深部動力或相互間不均衡的各種物理化學差異而導致的相互作用所造成的結(jié)果[43]。大陸內(nèi)部地殼的構(gòu)造變形特征受深部巖石圈-軟流圈結(jié)構(gòu)及其演化的控制，深部軟流圈時空上的不均一變化與周邊板塊運動有關(guān)，軟流圈變化和板塊內(nèi)部大陸巖石圈的相互活動促使了陸內(nèi)造山帶的發(fā)生。

山西隆起區(qū)位于華北陸塊中心部位，遠離板塊邊緣，屬陸內(nèi)造山帶。與天山南北盆山過渡帶中新生代構(gòu)造變形特征[44-45]相似，本區(qū)的“分層收縮變形，垂向疊置增厚”的構(gòu)造模式與板塊邊緣造山帶中常見的大型薄皮逆沖構(gòu)造樣式不同，結(jié)晶基底卷入、沖斷、隆升并出露地表，可以排除存在區(qū)域性大位移拆離斷層的可能性。研究表明，燕山運動期間，受周邊板塊運動影響，華北中部軟流圈下沉，形成NNE向帶狀坳陷[46-47]，巖石圈則相對增厚。在巖石圈增厚的過程中，產(chǎn)生NWW-SEE向側(cè)向擠壓作用。在擠壓應(yīng)力持續(xù)作用下，地殼橫向收縮，形成“分層收縮變形、垂向疊置增厚”的收縮構(gòu)造變形。

4 收縮變形討論

燕山運動期間，逆沖斷裂上盤和背斜部位不斷抬升，向斜部位相對下沉，造成上部地殼橫向縮短，垂向增厚，不同構(gòu)造層次的物質(zhì)和構(gòu)造形跡在垂向上空間位置發(fā)生了較大變化，在燕山運動末期，區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局成型，后經(jīng)隆升、剝蝕，形成現(xiàn)今地表的地質(zhì)構(gòu)造特征。根據(jù)地表不同構(gòu)造層次的地質(zhì)構(gòu)造特征，可以總結(jié)構(gòu)造運動期間垂向分層變形特征和疊置規(guī)律。

為了定量估算近EW向收縮變形所造成的水平縮短與垂向加厚效應(yīng)，對穿越呂梁山背斜中段和太行山南部霍山背斜—沁水向斜—太行山背斜構(gòu)造剖面進行了線長平衡復原[48]。

4.1 橫向縮短特征

呂梁山構(gòu)造剖面CC′穿越呂梁山背斜中段(圖4a)，西側(cè)為鄂爾多斯盆地，東側(cè)為新生代盆地，主要構(gòu)造形跡有離石斷裂(F2)、呂梁山背斜(②)和狐偃山斷裂(F3)。復原部分現(xiàn)剖面長度約 69.54 km，復原剖面長度約 111.56 km，縮短42.02 km，縮短率為 37.7%，與燕山中部近NS向變形縮短率38%[49]基本一致。

(a) 呂梁山背斜中段 (b) 沁水向斜中南段

圖4 呂梁山背斜中段(a)、沁水向斜中南段(b)平衡地質(zhì)剖面圖

Fig.4 Balanced geological section of the middle section of Lüliang anticline (a) and the middle south section of Qinshui syncline (b)

太行山南部構(gòu)造剖面DD′穿越沁水向斜中南段(圖4(b))，主要構(gòu)造形跡從西向東有太岳山斷裂(F4)、霍山背斜(⑦)、沁水向斜(⑧)、太行山背斜(⑨)、太行山斷裂(F5)和太行山山前斷裂。復原部分現(xiàn)剖面長度約79.81 km，復原剖面長度約110.68 km，縮短30.87 km，縮短率為 27.9%。

據(jù)平衡地質(zhì)剖面，在地殼淺表層次的收縮變形中，橫向上不同構(gòu)造部位縮短量并不相同，逆沖斷裂和背斜發(fā)育部位橫向縮短率明顯大于向斜發(fā)育部位，縮短率分別為 37.7%和27.9%。從離石斷裂至太行山山前斷裂總體縮短率為 32.8%，即變形前后縮短了約1/3。

需要說明的是，復原過程以長度復原為主。復原是以區(qū)域構(gòu)造格局成型于燕山期為前提的，由于疊加新生代山脈隆升作用，垂直比例尺僅作地層厚度的參照，不作為海拔高度。構(gòu)造剖面DD′中鉆孔為沁參1井的鉆井[32]。

4.2 垂向加厚特征

垂向加厚特征見圖5。

圖5 巖石圈水平縮短與垂向加厚模型圖

模型圖中ABCD和A′B′C′D′分別為變形前后的巖石圈；A′B′為現(xiàn)在地表離石斷裂—太行山山前斷裂之間的距離，約240 km，據(jù)圖4變形前后長度總體縮短約1/3，AB的距離約為357 km。

A′A的高度約為5 km，是根據(jù)現(xiàn)在地表地質(zhì)情況判斷得出的。與基本未變形的鄂爾多斯盆地對比，寒武系底部不整合界面，也就是前寒武紀變質(zhì)巖系頂面在隆起區(qū)比鄂爾多斯盆地平均高出5 km，基本上與古生界加上三疊系的厚度相當，這一結(jié)論可從變形結(jié)束后的北臺期夷平面的研究[33]得以佐證。變形過程中隨著地表隆升，剝蝕作用不斷進行，隆起區(qū)在地貌上實際高出鄂爾多斯盆地約2～3 km，與燕山期東部高原的研究結(jié)論基本一致。在剝蝕量上，背斜核部部位古生代以來沉積蓋層剝蝕殆盡，向斜部位沉積蓋層保留較好。

除淺表層次外的巖石圈的變形特征目前沒有證據(jù)?？紤]到周邊板塊運動造成軟流圈下沉，加上重力因素的影響，巖石圈向下加厚幅度要大于向上的加厚幅度，依圖5推測，DD′約為46 km。同時巖石圈下沉是側(cè)向擠壓作用的部分或主要動力因素。

5 結(jié)論

(1)初步總結(jié)了山西隆起區(qū)燕山運動期間“分層收縮變形，垂向疊置增厚”的構(gòu)造模式。受石炭-二疊系軟弱巖層分隔，不同深度的巖層發(fā)育不同的收縮變形樣式，表現(xiàn)為下部沖斷褶皺、軟弱層撓褶、上部開闊褶皺的變形組合，不同層次的收縮變形量基本保持一致。

(2)應(yīng)用平衡地質(zhì)剖面對近EW向收縮變形所造成的水平縮短與垂向加厚效應(yīng)進行了定量估算，剖面復原表明，呂梁山背斜中段和沁水向斜中南段縮短率分別為 37.7%和27.9%，逆沖斷裂和背斜發(fā)育部位橫向縮短率明顯大于向斜發(fā)育部位，從離石斷裂至太行山山前斷裂總體縮短率為 32.8%。垂向加厚使隆起區(qū)比鄂爾多斯盆地寒武系底部不整合界面高出約5 km。

(3)燕山運動期間，通過強烈的沖斷抬升和褶皺變形，不同層次的物質(zhì)和構(gòu)造形跡在垂向上空間位置發(fā)生了較大變化，現(xiàn)在地表地質(zhì)體的空間分布、北部和南部褶皺組合樣式的差異以及斷裂沿走向的分段性，都是構(gòu)造變形垂向分層性的表現(xiàn)形式，是后期隆升、剝蝕程度差異在地表造成的結(jié)果。