川西龙门山前陆盆地晚新生代沉积记录与构造响应
【类型】期刊
【作者】白毛伟，谢小平，陈芝聪（曲阜师范大学）
【作者单位】曲阜师范大学
【刊名】地质学刊
【关键词】 沉积响应；逆冲推覆作用；晚新生代；前陆盆地；龙门山；川西
【资助项】国家自然科学基金项目“龙门山地区涪江上游晚新生代水系演化与新构造响应研究”(41072164)
【ISSN号】1674-3636
【页码】P640-645
【年份】2019
【期号】第4期
【摘要】龙门山前陆盆地位于青藏高原东缘,夹于龙门山推覆造山带与龙泉山褶断带之间。自4.6 Ma以来,逆冲推覆构造运动使龙门山造山带强烈隆升,古河流的侵蚀、搬运和堆积作用使盆地沉积了1套巨厚的半固结—松散堆积物。通过对沉积特征和沉积结构的综合研究,认为龙门山前陆盆地是由自东向西的深部多级俯冲潜滑而引起的浅部由西向东的多层次推覆作用形成的,其晚新生代逆冲推覆构造所产生的构造负载是龙门山前陆盆地的成盆动力。岩浆物质的循环过程表明成都盆地在形成过程中遵循物质循环与能量守恒定律。龙门山前陆盆地地质构造的沉积响应表现为:沉积基底整体上向西倾斜,盆地剖面明显不对称;沉积地层与下伏地层均为不整合接触;盆内发育了一系列相间排列的次级凹陷和凸起,并呈雁斜式展布;砾质粗碎屑楔状体的周期性发育。从盆地动力学的角度初步分析了龙门山前陆盆地盆-山耦合关系,龙门山冲断带及其前陆盆地的研究对于大地构造位置、成矿作用以及油气聚集地的勘探等具有重要意义。
【全文】 文献传递
川西龙门山前陆盆地晚新生代沉积记录与构造响应
摘要：龙门山前陆盆地位于青藏高原东缘，夹于龙门山推覆造山带与龙泉山褶断带之间。自4.6 Ma以来，逆冲推覆构造运动使龙门山造山带强烈隆升，古河流的侵蚀、搬运和堆积作用使盆地沉积了1套巨厚的半固结—松散堆积物。通过对沉积特征和沉积结构的综合研究，认为龙门山前陆盆地是由自东向西的深部多级俯冲潜滑而引起的浅部由西向东的多层次推覆作用形成的，其晚新生代逆冲推覆构造所产生的构造负载是龙门山前陆盆地的成盆动力。岩浆物质的循环过程表明成都盆地在形成过程中遵循物质循环与能量守恒定律。龙门山前陆盆地地质构造的沉积响应表现为：沉积基底整体上向西倾斜，盆地剖面明显不对称；沉积地层与下伏地层均为不整合接触；盆内发育了一系列相间排列的次级凹陷和凸起，并呈雁斜式展布；砾质粗碎屑楔状体的周期性发育。从盆地动力学的角度初步分析了龙门山前陆盆地盆-山耦合关系，龙门山冲断带及其前陆盆地的研究对于大地构造位置、成矿作用以及油气聚集地的勘探等具有重要意义。
关键词：沉积响应；逆冲推覆作用；晚新生代；前陆盆地；龙门山；川西
0 引 言
前陆盆地概念由Price(1973)首次提出，其后许多学者(刘和甫,2001;Dickinson,1993)提出了对前陆盆地的认识。DeCelles等(1996)认为前陆盆地系统是在收缩造山带与毗邻的克拉通之间的大陆地壳之上沉积物堆积的潜在地区，沉降主要是与俯冲作用及其导致的周缘或弧后褶皱逆冲带有关的地球动力学过程的响应。前陆盆地系统由造山楔冲断带、前陆坳陷、前缘隆起、隆后坳陷4个独立构造单元组成(刘亢等,2008；DeCelles et al.,1996)。Dickinson(1993)提出了盆地动力学,使盆地由静态的类型研究转变为动态的过程研究。
前人从动力学角度探讨了龙门山造山带—川西前陆盆地系统形成的动力学模式，对于构造-沉积响应的研究是前陆盆地分析的核心问题之一与研究热点(陈发景等,1992；王华等,1998；刘和甫,2001；刘树根等,2003a，2003b，2003c；李勇等,2006a，2006b)，尤其是四川盆地西缘前陆盆地一直是研究的焦点，其中核心问题之一就是龙门山前陆盆地晚新生代动力成因机制(刘树根等,2003a，2003b，2003c；李勇等,2006a，2006b)。
在分析国内外学者研究成果的基础上，对川西龙门山前陆盆地晚新生代盆-山的耦合关系从盆地动力学的角度展开了详细研究，结果表明成都盆地的成因机制遵循能量守恒定律，其应变空间、能量和物质交换遵循守恒定律。在重力均衡作用下前陆盆地(成都盆地)下降，龙泉山前陆隆起；在挤压作用下龙门山冲断带滑脱，同时使成都盆地在垂直龙门山冲断带的方向上缩短且地层加厚。
1 区域构造背景
新生代以来，川西龙门山的构造运动以推覆、走滑为主。根据地表、钻井和深部物探资料，将龙门山及其前缘地区划分为3个构造区：龙门山冲断带、龙门山前陆盆地和龙泉山褶皱隆起带(图1)。
图1 川西前陆盆地构造位置简图(据何银武，1992修改)
1-前震旦系杂岩；2-古生界和三叠系岩层；3-背斜轴；4-压扭性断裂；5-隐伏断裂带；6-青川—茂汶断裂；7-北川—映秀断裂；8-马角坝—灌县断裂；9-广元—大邑隐伏断裂
Fig.1 Tectonic sketch map of foreland basin in western Sichuan Province(modified from He, 1992)
1.1 龙门山冲断带
龙门山冲断带位于松潘—甘孜褶皱带与龙门山前陆盆地之间，既是青藏高原的东缘，也是四川盆地的西界(彭金宁等,2009)。它北起广元，南抵天全，长约500 km，宽约30 km，呈北东—南西向展布，由一系列大致平行的叠瓦状冲断带构成，具有典型的逆冲推覆构造特征(林茂炳等,1991；许志琴等,1992；林茂炳，1996)。按照变形强度将龙门山冲断带划分为强变形带、中强变形带和中等变形带。强变形带即龙门山后山带，位于青川—茂汶断裂带与北川—映秀断裂带之间，由前震旦系杂岩构成；中强变形带即龙门山前山带，位于北川—映秀断裂带与马角坝—灌县断裂带之间，由古生界和三叠系岩层构成；中等变形带位于马角坝—灌县断裂带与广元—大邑隐伏断裂带之间，由上三叠统、侏罗系、白垩系、古近系和第四系地层构成(罗志立等,1992；李勇等,1994，2006a，2006b；刘和甫,2001；金文正等,2007；李智武等,2008)。
1.2 龙门山前陆盆地
现今的龙门山前陆盆地即成都盆地，位于龙门山冲断带与龙泉山褶皱隆起带之间。它限于广元—大邑隐伏断裂与龙泉山之间，均为第四系沉积物覆盖(何银武,1992；刘埃平等,2000；杨长清等,2008；李忠权等,2011)。在地貌上为成都盆地，形成“两山夹一盆”的地貌格局，北起安县，南抵名山一线，面积约为8 400 km2(图1)。成都盆地短轴方向呈北西—南东向，垂直于龙门山断裂带；长轴方向呈北东—南西向，轴向为N30°—E40°,平行于龙门山断裂带，其在宏观上显示为西陡北缓，东西向明显不对称(李勇等,1994，2005；曾允孚等,1995)。西部为深凹陷，与龙门山冲断带相接，部分卷入龙门山冲断带。东部较浅，以平缓的沉积斜坡向龙泉山褶皱隆起带过渡(何银武,1987；罗志立,1991，1998；徐强等,2000；贾东等,2003)。
1.3 龙泉山褶皱隆起带
龙泉山褶皱隆起带位于龙门山前陆盆地(成都盆地)的东侧，北起中江、罗江，南至仁寿、乐山一带。轴向为北东，地表为南高北低，轴部平缓，两翼倾角陡立，东翼较缓，西翼急陡，在褶皱较急处常见逆断层。主体构造为龙泉山背斜，由中生界侏罗系红层构成，地表覆盖第四系砾石和黏土层(何银武,1987；李勇等,1994，2005；曾允孚等,1995)。
2 前陆盆地晚新生代沉积演化
四川盆地西缘在晚三叠世是盆陆开始期和前渊形成期，沉积地层的厚度为4 000 m；侏罗纪是造山带主要褶皱期，沉积地层的厚度为2 700 m；白垩纪和古近纪是造山带主要抬升期，沉积地层的厚度为1 300 m；新近纪是造山带剥蚀夷平期，沉积地层缺失；第四纪是盆地定型期，沉积地层的厚度为300 m,且不同时代地层都与下覆地层呈角度不整合接触关系。以上演化表明四川盆地西缘的亚盆地(成都盆地)在早更新世开始成盆之前经历了长时期的剥蚀夷平，并非是连续接受沉积的继承性沉降盆地。
按构造-沉积旋回级次划分原则以及区域性构造不整合界面的发育位置和沉积超覆特征，参照李勇等(2006a，2006b)观点，以相当皮亚琴察阶的大邑砾石层底部的构造不整合面作为晚新生代成都盆地沉积序列的分界面，将成都盆地的构造层序划分为3套沉积层序，分别为下部的大邑砾岩层，中部的雅安砾岩层，上部的晚更新世和全新世砾岩层。
2.1 晚上新世—早更新世大邑砾岩层
针对大邑砾岩层的形成年代，许多学者对其展开了详细的年代学研究，李吉均等(2001)通过ESR(电子自旋共振)年龄测定其沉积始于2.6～2.2 Ma之间；王凤林等(2003)通过ESR年龄测定其沉积始于4.6～0.82 Ma之间，本次研究选取沉积年龄4.6 Ma作为成都盆地形成的开始时间，这一时期，青藏高原强烈隆起和龙门山构造带活动强烈。
大邑砾岩层是成都盆地沉积序列中最古老的冲击砾岩层，其与下覆中新生代沉积地层和上覆的雅安砾岩层均为不整合接触。大邑砾岩为黄灰、灰黄、浅黄、灰褐、黄褐色砂质卵砾石夹透镜状岩屑砂岩，砾石成分以石英岩、闪长岩、花岗岩和变质砂岩为主，砾石分选差，磨圆性好，部分砾石具压裂和扭曲现象，填隙物多为泥质胶结或钙质胶结。砾岩在垂直方向向上变细，磨圆分选性变好，砾岩的单层厚度变薄，粒径变小，显示为一个退积过程。
2.2 中更新世雅安砾岩层
雅安砾岩层是成都盆地沉积序列的中部层序，厚度较大，其与上覆的晚更新世和全新世砾岩层为不整合接触。雅安砾岩为黄色、黄棕色、灰绿色黏土夹卵砾石，厚度为10～20 m；砾石成分以花岗岩、石英岩、玄武岩、辉长岩为主,粒径一般为2～8 cm；填隙物为粉砂质、泥质成分；砾石磨圆度好，分选性差，具定向排列特征，在垂直方向表现为向上变细的退积序列。
2.3 晚更新世和全新世砾岩层
晚更新世和全新世砾岩层是成都盆地沉积序列中最上部的沉积地层。该套沉积物在垂向上由2个向上变细的沉积旋回构成，每个旋回的下部为砾石层；上部为黏土层，其中的黏土矿物以含钙质结合的伊利石为主。从现代地形、地貌中可以看出，龙门山前陆盆地(成都盆地)由一系列北西—南东向分布的冲积扇和冲积平原构成，其中以岷江冲积扇的规模最大。下部砾石层一般代表河道沉积，而其上覆的黏土层则代表洪泛期细粒薄层沉积，组成一个旋回，显示了向上变细的退积序列。
3 龙门山前陆盆地的成因机制
成都盆地属于单侧盆地型盆山系统，其盆山耦合的动力学模式为由自东向西的深部多级俯冲潜滑而引起的浅部自西向东的多层次推覆而形成,在平面上的主俯冲断裂为北川—映秀断裂,垂向上俯冲潜滑与推覆的分界就是壳内高导(低速)塑性层，即L(龙门山)-型俯冲(刘树根等,2003a，2003b，2003c)。龙门山造山带及其前陆盆地的岩石圈内在水平方向上具有分区性，在垂直方向上具有层圈性，其岩石圈内存在多层不稳定的塑性层，决定了龙门山造山带及其前陆盆地的活动程度，是盆地动力学的基础。
李勇等(2005)运用Airy均衡假说计算出龙门山冲断代带为正均衡异常，龙泉山前陆隆起及其以东地区为负均衡异常。由此可以说明：在均衡力的作用下，由于地壳的均衡反应，使逆冲推覆的构造负载造成龙门山冲断代壳内质量过剩、成都盆地均衡沉降以及龙泉山前陆隆起地区的均衡隆起。刘树根等(2003a，2003b，2003c)对龙门山造山带—川西前陆盆地系统动力学模式进行了数值模拟,结果显示：在龙门山山前及山后带，塑性层的水平相对位移为正；在前陆盆地以下，塑性层的水平相对位移为负；在邻区板块挤压力的作用下，前陆沉积盆地沿着一些相对弱带产生了自东向西多层次滑脱。鉴于以上特征，认为成都盆地是在逆冲推覆作用和滑脱挤压作用下形成的。
岩浆岩是深部物质循环过程的直接记录和良好标志。晚新生代时期的岩浆组合为15～10 Ma的壳源型花岗岩组合(刘树根,1993；骆耀南等,1998；黄永健等,2002)，该时期龙门山前陆盆地的沉积岩石类型以中酸性侵入岩(花岗岩、闪长岩)为主。这些沉积砾岩的物源来自龙门山造山带，说明在4.6 Ma之前龙门山造山带经历了1次强烈的构造活动，岩浆物质从深部迁移到浅部。龙门山前陆盆地发育了1套巨厚的半固结—松散堆积物，随着沉积厚度的增加，在静压力的作用下，沉积盆地的物质从浅部向深部迁移。在壳内高导层界面之下，能量从前陆盆地传向龙门山造山带，表现为前陆沉积盆地俯冲潜滑到龙门山造山带；在壳内高导层界面之上，能量从龙门山造山带传向前陆沉积盆地，表现为龙门山造山带逆冲推覆到沉积盆地之上(图2)。综上，成都盆地在形成过程中遵循物质循环与能量守恒定律。
图2 龙门山造山带—川西前陆盆地系统形成的物质循环和能量循环示意图
Fig.2 Diagram showing matter cycling and energy cycling of the Longmenshan orogenic belt-western Sichuan foreland basin system
4 龙门山地质构造的沉积响应
随着逆冲推覆体向前陆盆地前展式推进，其沉积响应主要表现在以下5个方面。
(1) 龙门山前陆盆地充填物为第四纪半固结—松散沉积物，主要由横切龙门山的河流所携带的泥沙所形成的冲积扇和冲积平原构成，显示前陆盆地的主要物源来自于龙门山断裂带且主要是茂汶断裂以东的龙门山断裂带。因此，前陆盆地沉积碎屑物能够反映龙门山断裂带的物质构成，其中酸性侵入岩物质显示龙门山造山带强烈的地质活动。新的逆冲推覆体向上逆冲抬升，则前陆盆地开始新的沉降，而形成的新地貌高地则成为新前陆盆地的新物源(图3)。
图3 成都盆地的演化过程图
Fig.3 Map showing the evolution process of the Chengdu Basin
(2) 大邑砾岩层与下覆中新生代沉积地层和上覆的雅安砾岩层均为不整合接触，且雅安砾岩层与上覆的岩层为不整合接触，表明前陆盆地的沉积物在垂向上的充填序列表现为以3个不整合面为界的3个向上变细的退积序列。
(3) 龙门山前陆盆地内的长轴方向发育了一系列的次级凸起与凹陷，并呈雁行式相间斜列分布(图4)。自北向南次级凹陷有明显向西迁移的现象，自北东向南西次级凹陷中心的厚度具有逐渐变浅的趋势。如竹瓦一带次级凹陷中心厚度为500 m，向南西到达大邑一带次级凹陷中心厚度为340 m,邛崃地区次级凹陷中心厚度达1 000 m。以上特征表明盆内走滑断裂在挤压作用下有明显的走滑运动以及沉降中心向西迁移(图4)。
(4) 新的逆冲推覆体向前陆盆地前展式推进，在旧的砾质粗碎屑楔状体的基础上，前陆盆地开始新一轮沉积，并发育一套砾质粗碎屑楔状体。如此反复，巨厚砾质粗碎屑楔状体周期性出现(图5)。前陆盆地一方面因为沉积厚度的增加，盆地范围向东扩，另一方面新的逆冲推覆体受侵蚀变低，盆地范围由窄变宽。
(5) 龙门山前陆盆地西侧为龙门山冲断带，其西侧边缘部分卷入龙门山冲断带，形成新的地貌，即东部龙门山隆起、中部成都盆地均衡沉降和龙泉山隆起，具有西陡东缓的不对称结构，是岩石圈对龙门山冲断带第四纪以来逆冲推覆所产生构造负载的弹性响应。
5 结 论
图4 成都盆地次级凹陷、凸起相间分布图
Fig.4 Alternative distribution map of secondary sags and uplifts in the Chengdu Basin
图5 砾质粗碎屑楔状体的周期性发育
Fig.5 Periodic development of gravelly coarse clastic wedge
(1) 从盆地动力学的角度，分析了龙门山前陆盆地的成因机制,表明龙门山前陆盆地在成盆期间遵循能量守恒定律。
(2) 通过对成都盆地沉积特征的研究，认为龙门山晚新生代逆冲推覆构造所产生的构造负载是龙门山前陆盆地的成盆动力，是沉积物的主要来源，使成都盆地范围扩大，导致其沉降中心向龙门山冲断带方向迁移。盆内走滑断裂受挤压产生走滑作用，导致成都盆地内的次级凹陷成雁行式斜列并向龙门山冲断带方向迁移。
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The Late Cenozoic sedimentary records and structural response of Longmenshan foreland basin in western Sichuan Province
Abstract：The Longmenshan foreland basin is located in the eastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau, between the Longmenshan nappe orogenic belt and the Longquanshan fault-fold belt. Since 4.6 Ma, thrust nappe tectonic movement has strongly uplifted the Longmenshan orogenic belt, and the erosion, transportation and accumulation of ancient rivers have allowed the basin to deposit very thick semi-solid-loose sediments. Comprehensive studies of the sedimentary characteristics and structures show that the Longmenshan foreland basin resulted from the shallow mutli-level nappe from west to east which was caused by the deep multistage subduction slide from east to west. The Late Cenozoic structural load caused by thrust nappe was a driving force of the Longmenshanshan foreland basin. Magma material circulation process indicates that the Chengdu Basin follows the material recycling and energy conservation law in the process of its formation. The sedimentary response of the geological structures of the basin is as following: (1) The sedimentary basement is generally tilted to the west, and the profile of the basin is obviously asymmetric. (2) Both sedimentary strata and underlying strata are unconformable. (3) The basin developed a series of secondary sags and uplifts, which are arranged in an echelon distribution. (4) Gravelly coarse clastic wedge was periodically developed. In virtue of the significance of studying Longmenshan thrust belt and foreland basin for better understanding tectonic position, mineralization and hydrocarbon exploration, this work attempted to explore the coupling relationship between basin and mountain in the Longmenshan foreland basin from the perspective of the basin dynamics.
Key words：sedimentary response; thrusting and napping; Late Cenozoic; foreland basin; Longmenshan in western Sichuan Province
doi：10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.640
收稿日期：2016-03-21；
修回日期：2016-06-28；编辑：陆李萍
基金项目：国家自然科学基金项目“龙门山地区涪江上游晚新生代水系演化与新构造响应研究”(41072164)
中图分类号：P542
文献标识码：A
文章编号：1674-3636(2016)04-0640-06