川西龍門山北段中生代差異構造隆升特征

金文正，白萬奎，葉治續

1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中國石油大學（北京）油氣資源與工程全國重點實驗室，北京 102249；3.中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營 257000；4.中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，河北唐山 063200

作為世界屋脊，青藏高原多年來一直是地質研究的熱點之一。在白堊紀青藏高原初始高原已經形成（許志琴等，2016），其東緣的龍門山沖斷帶作為青藏高原與上揚子板塊的接觸帶（Liu S G et al.,2013）具有重要的理論研究意義。

龍門山沖斷帶是典型的逆沖推覆構造帶，沉積環境在晚三疊世須家河組一段沉積時期發生了由海相到陸相的轉換（劉樹根等，2009；陳洪德等，2021；謝小平等，2021），發生在晚三疊世的構造縮短率也最大，為31.7%，且在其東南緣形成了川西前陸盆地，后者在新生代構造縮短率為10.5%（陳竹新等，2005）。上述復雜的構造演化格局主要是由印度板塊與亞洲板塊在中新生代的碰撞導致（Wang E C,2017）。目前眾多學者利用低溫熱年代學方法對于龍門山新生代以來的構造隆升特征展開研究，認為該時期內構造隆升次數多且與青藏高原的向東構造擴展密切相關（Li H A et al.,2019；Tian Y T et al.,2022）。除了逆沖推覆構造之外，龍門山在不同地質歷史時期還具有走滑特征。關于此點，不同學者利用多種研究方法獲得了大量研究成果。比如通過地表構造及河流特征分析，認為龍門山在晚新近紀發生右旋走滑運動（李勇等，2006a，2006b；樊春等，2008；Lin A M et al.,2014）；一些學者從區域構造角度出發，認為在中生代龍門山以左行走滑運動為主（王二七等，2001；王二七和孟慶任，2008；Meng Q R et al.,2005）；也有學者認為在中生代至早新生代發生了由左行走滑轉換為右行走滑的構造反轉（李勇等，2006a，2006c）；龍門山北段和四川盆地北部定型于燕山期（李智武等，2021），Jia D et al.（2020）認為在新生代龍門山發生了由前展式到后展式的轉變。上述研究成果中，關于應力場轉換的進展較多，并且多集中在新生代（Jia D et al.,2020；Tian Y T et al.,2022），但是在中生代是否也發生這種構造應力轉換有待于深入研究?；诖?，本文在前人研究基礎上，對龍門山北段開展了鋯石裂變徑跡年齡測定并計算了冷卻速率等多個參數，試圖通過區域上各低溫熱年代學參數的變化規律來探討垂向上構造隆升與橫向上構造擴展之間的關系。

1 區域地質概況

龍門山沖斷帶位于四川盆地西北緣，總體呈NE-SW 走向，總長度超過200 km，由于該沖斷帶是四川盆地和青藏高原的接觸帶，所以地表海拔變化大（師皓宇等，2020），由靠近盆地邊緣的1000多米可升至青藏高原的5000多米。在龍門山沖斷帶內部發育多條主干斷裂，均北西傾向，這些斷裂將龍門山劃分為不同構造區帶（金文正等，2007）。在自印支期以來多個構造運動中，各構造區帶內構造變形樣式差異較大，由西至東構造變形顯示出由韌性至脆性的轉換（郭斌，2006）。比如在青川和平武等地區，構造變形不僅有上陡下緩的大型逆沖斷裂，發育多個復向斜和復背斜等構造，而在東部靠近四川盆地的區域，構造變形多為逆沖斷裂所控制的背沖斷塊構造等脆性特征明顯的變形樣式。在沉積地層方面，研究區保存了自前震旦系至第四系較為完整的沉積序列（李勇和孫愛珍，2000），但地表露頭以古生代地層為主，中、新生代地層主要分布在江油斷裂以東地區。

在龍門山北段地區發育三條大型斷裂（圖1、圖2），分別為青川斷裂、北川斷裂和江油斷裂，斷裂走向總體為SW-NE。除主干斷裂之外，各次級斷裂構造多分布在研究區東南區域，即江油斷裂以東地區，以逆沖斷裂為主。在仰天窩向斜東北端、仰天窩向斜中部等局部地區發育多個走滑斷裂，這些走滑斷裂現今表現為左行走滑特征。通過對白洋坪鎮東北兩條左行走滑斷裂與中侏羅統接觸關系判斷（侏羅系覆蓋于走滑斷裂之上），這些走滑斷裂應該在中侏羅世之前形成，未在后期構造運動中發生明顯活動。

圖1 龍門山北段大地構造位置及基礎地質特征Fig.1 Geotectonic location and basic geological characteristics of the north section of Longmen Mountains

圖2 切穿龍門山北段唐王寨推覆體的聯合地質剖面圖Fig.2 Joint geological profile cutting through of Tangwangzhai nappe in the northern section of Longmen Mountains

2 樣品采集及分析方法

本次研究的巖石樣品共9 個，其中5 個樣品分布于北川斷裂與江油斷裂之間，3個樣品分布在江油斷裂以東地區，另有1 個樣品分布在北川斷裂以西地區。9 個巖石樣品均為砂巖（包括粉砂巖和細砂巖），樣品所屬地層主要為泥盆系（有5 個樣品），少量樣品為寒武系、三疊系和侏羅系（表1）。

表1 鋯石樣品采樣位置、巖性及所屬地層Table 1 Sampling location,lithology and strata of zircon samples

本次研究中所涉及的測試工作在北京安普泰德科技有限公司進行。巖樣經預處理后選出鋯石單顆粒礦物，然后制成聚全氟乙丙烯塑料樣片，再拋光成光玻片。鋯石在220 ℃的NaOH 與KOH（1∶1）溶液中蝕刻30 小時，用于觀測礦物的自發裂變徑跡。測試過程采用外探測器法定年（Hurford and Gleadow，1977）。將低鈾白云母貼在鋯石光玻片上，與CNS標準鈾玻璃（鋯石CN_2）一起構成定年組件，送至中國原子能科學研究院反應堆（鋯石照射批號為Z1309Sun）進行照射，靜置后將云母和光玻片分離，將云母外探測器置于25 ℃、40%的HF溶液中蝕刻35分鐘，用于顯示誘發裂變徑跡。年齡計算采用Zeta 標定方法，鋯石Zeta 常數為86.2±2.7，測試流程與Li M et al.（2015）相同。

3 測試結果

測試結果表2表明，鋯石裂變徑跡年齡主要集中在238～122 Ma 之間，即中三疊世-早白堊世（T2-K1），其中年齡屬于早白堊世的樣品有4 個，占比44.4%，年齡屬于早中三疊世和早侏羅世的樣品各2個，各占比22.2%，另有一個樣品年齡屬于晚侏羅世。所有樣品鋯石裂變徑跡年齡均小于巖石所在地層年齡，表明此次測試的鋯石顆粒在地層沉積以來未發生遠距離運移，僅發生垂向上的升降，可以作為本次研究和分析的基礎數據。

表2 鋯石裂變徑跡分析結果Table 2 Results of zircon fission track analysis

6 個樣品測試結果檢驗概率P(χ2)大于5%，表明單顆粒礦物年齡屬于同組年齡，測試年齡采用池年齡（Pooled Age）（羅夢等，2012）。32 號、39 號、42號樣品未通過（即小于5%），表明該年齡不屬于同組年齡，所測顆粒來源多樣，這3 個樣品可能經歷了多期的構造隆升和沉降，測試年齡采用中心年齡（Central Age）。利用RadialPlotter 軟件（Vermeesch，2009）和Binomfit 軟件（Brandon，1996）綜合分析，對這3 個樣品進行年齡分解（表3，圖3），表明這3個樣品均經歷了兩期構造熱事件，且分解后的裂變徑跡年齡均小于樣品所屬地層年齡。

表3 鋯石裂變徑跡年齡分解結果Table 3 Decomposition results of zircon fission track ages

4 討論

4.1 鋯石裂變徑跡年齡平面分帶式展布特征

在前人鋯石裂變徑跡年齡數據（侯明才等，2012；Li Z W et al.,2012；陶亞玲等，2020；李智武等，2021；Tian Y T et al.,2022）基礎上，本文將鋯石裂變徑跡年齡與構造地質特征相結合，對三條主要斷裂帶（青川斷裂、北川斷裂和江油斷裂）之間不同區域的鋯石裂變徑跡年齡進行對比（圖4）。結果表明，向斜核部地層的裂變徑跡年齡（42號的較大分解年齡為177±16 Ma、40 號池年齡203±11 Ma、34號池年齡190±9 Ma）總體上稍大于翼部的裂變徑跡年齡（即43 號和39 號），并且北川斷裂與江油斷裂之間區域的裂變徑跡年齡大于江油斷裂以東地區的年齡（32 號樣品較大分解年齡為172±11 Ma，41號樣品池年齡為139±9 Ma），而位于北川斷裂上盤的35號樣品裂變徑跡年齡最小，為122±5 Ma，可見以北川斷裂和江油斷裂為界的不同區帶內具有不同的裂變徑跡年齡特征，分帶特征明顯，該分帶的平面展布與主干斷裂走向一致。需要指出的是，在本次年齡對比中，由于多個樣品出現多期年齡，所以對比中使用“池年齡”與“較大分解年齡”進行聯合對比分析。其中較小分解年齡是樣品所在地區發生后期構造隆升的結果。此外，通過鋯石裂變徑跡年齡所展示的這種發生在中生代中晚期的構造隆升分帶性不是孤立存在的，Tian Y T et al.（2022）通過磷灰石裂變徑跡年齡和磷灰石(U-Th)/He年齡，發現龍門山北段發生在新生代的構造隆升同樣具有分帶性，并且以青川斷裂和北川斷裂等主干斷裂為分界線（圖5）。

圖4 龍門山北段鋯石裂變徑跡年齡分布特征Fig.4 Age distribution of zircon fission track in the northern section of Longmen Mountains

圖5 基于鋯石和磷灰石年齡數據的北川斷裂兩側區域熱史差異對比圖Fig.5 Comparison of regional thermal history differences on both sides of the Beichuan Fault based on zircon and apatite ages

4.2 冷卻速率和剝蝕速率

應用年齡—封閉溫度法求取樣品冷卻速率，該方法利用鋯石裂變徑跡封閉溫度和裂變徑跡年齡之間的差值進行計算，所依據公式（Zeitler，1982；Wagner and Haute，1992）為：

式中Tm為鋯石裂變徑跡封閉溫度250 ℃，Tsurf為地表溫度20 ℃，tm為鋯石裂變徑跡年齡。

再結合研究區地溫梯度來計算樣品的剝蝕速率（Yuan W M et al.,2011；袁萬明，2016；楊莉等，2021），即：

剝蝕速率=冷卻速率/地溫梯度

計算結果（表4）表明，位于向斜核部的34 號、40 號和42 號樣品具有較低的冷卻速率和剝蝕速率，其中冷卻速率在1.211～1.438 ℃/Myr 之間，剝蝕速率在0.038～0.048 mm/yr之間；位于北川斷裂下盤的向斜西北翼（39號和43號樣品）具有相對較高的冷卻速率和剝蝕速率，分別為1.150～1.586 ℃/Myr 和0.038～0.053 mm/yr。上述若干樣品的冷卻速率和剝蝕速率總體上低于江油斷裂以東地區，江油斷裂以東地區冷卻速率為1.544～1.655 ℃/Myr，剝蝕速率為0.051～0.055 mm/yr，而位于北川斷裂上盤的35號樣品則具有最高的冷卻速率（1.885 ℃/Myr）和最高的剝蝕速率（0.063 mm/yr），所以在冷卻速率和剝蝕速率方面，研究區內以主干斷裂為界的分帶特征亦較明顯。本次利用鋯石裂變徑跡年齡計算的巖石冷卻速率與前人通過磷灰石裂變徑跡年齡所獲得的巖石冷卻速率可對比，即冷卻速率都低于2.000 ℃/Myr（圖5）。需要指出的是，在利用上述理論計算冷卻速率和剝蝕速率時，應該綜合考慮多方面因素，比如鋯石裂變徑跡的封閉溫度和鋯石晶型、是否存在大型區域不整合等多種條件和背景。鑒于研究區內自中三疊世至侏羅紀地層發育齊全（金文正等，2007），所以認為研究區自中生代中三疊世以來長期處于構造隆升或間斷構造隆升狀態。這與現階段多數學者觀點（Li H A et al.,2019；Tian Y T et al.,2022）一致，尤其在始新世之后，由于印度板塊與歐亞大陸發生硬碰撞之后，構造隆升更為明顯（Wang E C,2017）。

表4 不同樣品冷卻速率和剝蝕速率等參數計算表Table 4 Calculationresults of cooling rate,denudation rate and other parameters of different samples

4.3 巖石隆升幅度和巖石隆升速率

巖石隆升幅度（U）是指相對于海平面的巖石隆升程度（Yuan W M et al.,2011；袁萬明，2016），可以按照如下關系式求出：

式中△H為現今地表海拔與古海拔差值，D為剝蝕量，△s.l.為海平面變化幅度。

前人研究成果表明，在上三疊統須家河組以上地層的沉積厚度由龍門山前地區向四川盆地逐漸增厚（林良彪等，2006），表明至少自晚三疊世開始，龍門山已經成為四川盆地陸相沉積的重要物源之一（郭旭升，2010），并且新生代松潘甘孜高原海拔不高于1000 m（戴宗明，2012），并且鑒于目前研究區與松潘甘孜的海拔遞變特征（賈秋鵬等，2007），故本次研究區的古海拔取值500 m。對于D+△s.l.取值，本文采取袁萬明（2016）的計算方法，即認為該值等于鋯石裂變徑跡封閉溫度所對應的埋深。本文取鋯石裂變徑跡溫度為250 ℃，地溫梯度30 ℃/km（譚錫武，2012；Tian Y T et al.,2018），則埋深為8333 m，即D+△s.l.值為8333 m，故有：

利用此公式對每個樣品的巖石隆升幅度計算，結果如表4 所示。巖石隆升速率可由下列算法獲得：

巖石隆升速率=巖石隆升幅度/樣品鋯石裂變徑跡年齡

計算結果見表4，不同樣品巖石隆升幅度在由主干斷裂所限的不同區帶內具有分帶性。在北川斷裂兩側（即唐王寨向斜和仰天窩向斜西北翼）具有相對較高的隆升幅度，即8467～8506 m，兩個向斜核部區域的巖石隆升幅度次之，即8416～8464 m。而江油斷裂東側區域的隆升幅度最低（以45 號樣品做參考），即8342～8462 m。在巖石隆升速率方面，兩個向斜核部區域最低，即0.041～0.053 mm/yr。兩個向斜西北翼地區最高，即0.042～0.070 mm/yr，江油斷裂東南區域介于上述兩個區域之間，即0.036～0.060 mm/yr。

綜合對比分析上述鋯石裂變徑跡年齡、樣品海拔、巖石隆升幅度和巖石隆升速率之間的相關性（圖6），可以發現在江油斷裂以西區域（包括兩個向斜及北川斷裂以西的35號樣品點），樣品海拔與鋯石裂變徑跡年齡呈負相關，線性關系為y=-0.7493x+641.38（R2=0.6046）。在此區域內巖石隆升速率與巖石隆升幅度呈正相關，線性關系為y=2265.4x+8345.2（R2=0.5837）。而江油斷裂以東地區樣品的這些參數未出現較好相關性，其原因可能是樣品數量較少，并且45號樣品誤差較大（因為地層年齡與裂變徑跡年齡接近）和32 號樣品存在多期次構造熱事件。在鋯石裂變徑跡年齡與巖石隆升速率關系分析中，二者負相關性擬合最好，多種擬合關系的R2都大于0.99，其中二項式擬合方式y=2×10-6×x2-0.001x+0.163的R2為0.9997。

圖6 研究區地質特征與裂變徑跡年齡多因素綜合對比分析圖Fig.6 Multi-factor comprehensive analysis of geological characteristics and fission track ages in the study area

4.4 研究區中生代構造擴展特征

由北川斷裂和江油斷裂所限制的各區域內具有差異明顯的低溫熱年代學等特征，表現為沿主干斷裂走向，各構造隆升參數（即鋯石裂變徑跡年齡、冷卻速率、巖石隆升速率、巖石隆升幅度等）變化不大，但在垂直構造走向上卻存在明顯的分帶特征（圖7），可見唐王寨向斜及仰天窩向斜兩側具有不同特征。具體表現為唐王寨向斜的樣品（比如34號、40 號和42 號）具有較大的裂變徑跡年齡，但是得出的冷卻速率和巖石隆升速率卻相對最低；向斜西北翼及北川斷裂以西的樣品（比如35 號、39 號、43號）總體上具有最低的裂變徑跡年齡，卻得出了最高的巖石隆升速率、巖石隆升幅度和冷卻速率。與上述兩區域相比，江油斷裂東側地區具有中等的裂變徑跡年齡、冷卻速率、巖石隆升速率和最低的巖石隆升幅度。由此可以推斷自北西至南東方向，構造變形的擴展兼具“前展式”和“后展式”特征，其中前展式變形表現為裂變徑跡年齡向東南方向逐漸減?。ㄆ渲斜贝〝嗔盐鱾鹊?5 號點年齡應該是后期年齡），隨著構造作用的加強，唐王寨向斜及仰天窩向斜的構造隆升及走滑斷裂消減了來自北西方向的構造應力，繼而構造變形呈現出后展式特征，后展式表現為向斜西北翼（包括35 號樣品點）具有最低的裂變徑跡年齡，卻具有最大的巖石隆升幅度和速率以及冷卻速率，由前展式變形轉變為后展式變形的時間應該為139～122 Ma。此外，本次研究中有3個鋯石年齡顯示出兩期構造熱事件，本文認為這是因為前展式與后展式構造變形在不同地區的構造表現所致，所以在中生代末期，研究區北西區域具有更大的構造活動幅度和速率。

圖7 研究區不同構造區帶的低溫年代學參數差異對比圖Fig.7 Comparison diagram of low temperature chronological parameters of different structural zones in the study area

本文中鋯石裂變徑跡年齡指示了不同區域構造隆升時間，并且該構造隆升時間不晚于唐王寨向斜和仰天窩向斜形成時間，而這兩個大型向斜形成時間可以近似認為是研究區大型主干斷裂發生顯著構造活動的時間，由此認為研究區在中生代兼具逆沖推覆和走滑性質的構造運動至少持續到侏羅紀末期（裂變徑跡年齡為203～146 Ma）。

5 結論

（1）川西龍門山沖斷帶北段鋯石裂變徑跡年齡集中在238～122 Ma 之間，即中三疊世-早白堊世（T2-K1），且年齡值在平面上呈帶狀與主干斷裂走向一致展布。不同斷裂帶之間具有不同的裂變徑跡年齡，唐王寨向斜核部裂變徑跡年齡最大，為203～160 Ma，江油斷裂以東地區年齡次之（149～139 Ma），北川斷裂上盤裂變徑跡年齡最低，為122±5 Ma。

（2）冷卻速率和巖石隆升幅度等多個熱年代學參數在平面上同樣具有分區帶性特征：研究區內向斜核部冷卻速率在1.211～1.438 ℃/Myr之間，剝蝕速率在0.038～0.048 mm/yr之間，向斜西北翼冷卻速率和剝蝕速率相對稍高，分別為1.150～1.586 ℃/Myr和0.038～0.053 mm/yr，但總體上低于江油斷裂以東地區。最高冷卻速率（1.885 ℃/Myr）和最高剝蝕速率（0.063 mm/yr）分布在北川斷裂上盤。相似地，不同樣品巖石隆升幅度和隆升速率同樣在由主干斷裂所限的不同區帶內具有分區帶性。

（3）龍門山北段在中生代自北西至南東方向，構造變形兼具“前展式”和“后展式”特征，由前展式變形轉變為后展式變形的時間應該為139～122 Ma。研究區在中生代發生了壓扭性構造運動，且至少持續到侏羅紀末期（裂變徑跡年齡為203～146 Ma）。

特別感謝中國地質大學（北京）科學研究院袁萬明教授在樣品測試過程中所提供的幫助；感謝中國地質科學院地質研究所同位素熱年代學實驗室喻順副研究員在裂變徑跡年齡分析方面所給出的建議；感謝本論文審稿人及編輯部老師提出的修改意見。