李智武, 宋天慧, 王自劍, 童 馗, 武文慧, 冉 波, 李金璽, 鄧 賓, 劉樹根

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059)

龍門山?jīng)_斷帶及其東側(cè)的川西前陸盆地位于特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域和濱西太平洋構(gòu)造域的交接轉(zhuǎn)換部位，涉及印支期中國大陸主體拼合和喜馬拉雅期青藏高原隆升兩大構(gòu)造事件，對于中國(南方)大陸形成和演化研究具有重要意義[1-17]；特別是2008年“5·12”汶川Ms 8.0級地震的發(fā)生[18-20]，更使其新生代構(gòu)造成為地學界矚目的關(guān)鍵科學問題[21-26]。同時，龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地作為中國中西部陸內(nèi)盆山系統(tǒng)的典型代表[27]和重要的天然氣產(chǎn)區(qū)[28]，隨著20世紀70年代前陸盆地研究熱潮的興起[29-31]和90年代末期盆山耦合研究思想的出現(xiàn)[32-33]，受到地質(zhì)學家的重視和關(guān)注，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征以及二者間的耦合關(guān)系則一直是該區(qū)眾多地質(zhì)研究議題中的核心和難點[34-56]。在已有的眾多研究成果中，對龍門山?jīng)_斷帶與川西前陸盆地形成和發(fā)展的一般過程及構(gòu)造背景的認識是一致的，但對其中的一些細節(jié)問題如盆山轉(zhuǎn)換時間、演化階段以及各階段構(gòu)造作用性質(zhì)等還存在分歧，且以往的研究更多地針對二者在橫向上的構(gòu)造分帶特征、耦合關(guān)系和演化序列。事實上，由于龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地所處的特殊構(gòu)造部位和其自身結(jié)構(gòu)在走向上的差異，在盆地沉降充填、沉積-構(gòu)造演化、隆升-剝蝕歷史、活動構(gòu)造等方面均存在明顯的走向差異[38,41,46-47,49,52-54,56-80]，這在以后的研究中應當給以足夠的重視。為此，本文在前人研究基礎(chǔ)上結(jié)合近年作者開展的工作，從構(gòu)造、隆升和沉積三大方面對龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地系統(tǒng)的走向差異演化進行梳理和總結(jié)，以期為更全面而合理地理解其形成演化過程提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

龍門山地處青藏高原東緣，呈北東-南西向延伸，東西兩側(cè)分別以安縣-灌縣斷裂和茂縣-汶川斷裂與四川盆地和松潘-甘孜褶皺帶分界，南北兩側(cè)分別與青藏高原東南緣的川滇構(gòu)造帶和秦嶺造山帶南緣的米倉山構(gòu)造帶斜接(圖1)。龍門山地區(qū)自中-新元古代的晉寧運動和澄江運動形成統(tǒng)一的基底以來，在顯生宙期間先后經(jīng)歷了以拉張背景為主的被動大陸邊緣和以擠壓背景為主的前陸盆地兩大發(fā)展階段[35,52]，前者自震旦紀至中三疊世，后者從晚三疊世至今(圖2)。志留紀中晚期，龍門山地區(qū)開始發(fā)生強烈的裂陷活動[8,36-37,41,81-82]，于晚二疊世峨眉山玄武巖噴發(fā)期，裂陷活動達到巔峰，并一直持續(xù)到晚三疊世卡尼期，羅志立等[81]稱其為“峨眉地裂運動”。此次裂陷活動產(chǎn)生的一系列北東走向的同沉積斷裂成為后期龍門山主干斷裂的雛形[9,81-82]。晚三疊世以來，受印支期和喜馬拉雅期兩次造山運動影響，龍門山及其以西的松潘-甘孜地區(qū)發(fā)生強烈變形-變質(zhì)和沖斷隆升，導致四川盆地西部發(fā)生強烈構(gòu)造沉降而形成川西前陸盆地[6-7,35-39,41,45,48-49]。松潘-甘孜褶皺帶、龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地，自北西向南東依次出現(xiàn)強烈褶皺-變質(zhì)到褶皺-沖斷再到弱變形的構(gòu)造變形特征，展現(xiàn)了一個從(松潘-甘孜)褶皺帶到(龍門山)沖斷帶再到(川西)前陸盆地的完整序列[8]，它們是相對獨立卻又密切聯(lián)系的三個構(gòu)造單元，構(gòu)成一個完整的盆山系統(tǒng)[83]。

圖2 龍門山?jīng)_斷帶及川西前陸盆地地層發(fā)育史柱狀圖Fig.2 Lithostratigraphic evolution column of the Longmenshan thrust belt and western Sichuan foreland basin (據(jù)Chen等[8]修改)

松潘-甘孜褶皺帶主體由強烈變形的中上三疊統(tǒng)復理石組成，均已發(fā)生低綠片巖相至角閃巖相變質(zhì)[6-7,84]。復理石之上不整合覆蓋的晚三疊世末期沉積、巖漿侵入事件和變質(zhì)事件可明確限定松潘-甘孜和龍門山的變形時限為晚三疊世[5,8-9,16,36,83-85]。松潘-甘孜褶皺帶向東以茂縣-汶川韌性剪切帶向龍門山?jīng)_斷帶過渡，剪切帶以西構(gòu)造走向總體以北西向為主，近于與龍門山?jīng)_斷帶垂直，向南東逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|向與龍門山?jīng)_斷帶平行，這種構(gòu)造線走向的明顯變化和二者的極不協(xié)調(diào)關(guān)系常被認為是印支期左旋走滑的結(jié)果[6-8,10,12,16,36]。

龍門山?jīng)_斷帶由一系列走向北東、傾向北西的逆沖斷裂及其所夾的逆沖巖片組成，自西向東依次為茂縣-汶川斷裂、北川-映秀斷裂和安縣-灌縣斷裂3條主干斷裂[51,56](圖1)。龍門山?jīng)_斷帶的物質(zhì)組成和變形特征具有獨特的走向分段、傾向分帶的構(gòu)造格局[8,36-37,42,46,49,51-54,56]，傾向上通常以北川-映秀斷裂為界，以西部分稱作龍門山后山帶，以東部分稱為龍門山前山帶；走向上分別以北川—安縣和臥龍—懷遠為界，自北東向南西劃分為北段、中段和南段(圖3)。龍門山后山帶主要由前震旦紀變質(zhì)基底雜巖體和震旦系—泥盆系淺變質(zhì)沉積巖組成，基底雜巖體自北向南依次為轎子頂雜巖(北段)、彭灌雜巖(中段)和五龍雜巖(南段)(圖1、圖3)。該帶以基底卷入沖斷變形和發(fā)育同劈理褶皺為典型特征，褶皺較斷裂發(fā)育[52]。龍門山前山帶主要出露志留系碎屑巖、泥盆系—中下三疊統(tǒng)碳酸鹽巖和上三疊統(tǒng)須家河組碎屑巖以及南段的寶興基底雜巖，該帶以發(fā)育同心褶皺和疊瓦沖斷系為典型的構(gòu)造特征[37,42,49,51-52]，總體變形特征表現(xiàn)為斷裂較褶皺發(fā)育(中、南段)或同等發(fā)育(北段)[52]。龍門山褶皺-沖斷活動始于中三疊世末的印支運動，表現(xiàn)為左旋走滑-逆沖變形[6-10,12,16,22,36,86]；燕山運動期間沖斷構(gòu)造活動持續(xù)存在但明顯減弱[7,53]；新生代再次復活發(fā)生強烈隆升和右旋走滑-逆沖變形[7,13,16-20,26,39,50,58-59,62-63,87-88]。

圖3 龍門山?jīng)_斷帶分段-分帶性構(gòu)造格局Fig.3 Structural zonation and segmentation across and along the Longmenshan thrust belt

四川盆地作為揚子西緣的核心沉積單元，自晚三疊世以來伴隨龍門山的崛起，其西部發(fā)生強烈沉降形成川西前陸盆地，沉積并積累了厚度超過5 km的中-新生代陸相碎屑巖地層[35-38,40-41,45]。沿著龍門山前緣，從上三疊統(tǒng)須家河組至第四系幾乎每個層位均發(fā)育沖積扇礫巖[34,40-41,50,86,89-96]，反映了龍門山在整個中-新生代期間的持續(xù)沖斷活動。受其影響，西側(cè)的前陸盆地沉積也不同程度地卷入了變形，成為龍門山前山帶的重要組成部分并形成龍門山前緣擴展變形帶，稱為龍門山山前帶[36-37,51-52]。

2 走向差異結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征

無論是龍門山?jīng)_斷帶還是川西前陸盆地，由于其所處的特殊構(gòu)造部位及其本身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異，在剖面上和平面上及變形歷史等方面都表現(xiàn)出明顯的走向構(gòu)造差異[41,46,49,52-54,56,61-62,64-65]。

2.1 剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造差異

龍門山北段以青川斷裂為西界將其北西側(cè)的碧口群變質(zhì)火山巖系和南東側(cè)的志留系茂縣群千枚巖截然分開，東界與川西前陸盆地以單斜層逐漸變緩而過渡，地表無明顯斷裂分隔[52](圖4中 A-A′剖面)。北川斷裂以西，構(gòu)造特征表現(xiàn)為東倒西傾的倒轉(zhuǎn)-同斜褶皺以及伴生的逆沖斷裂；北川斷裂以東，以中二疊統(tǒng)頂和震旦系頂為界，垂向上構(gòu)造呈現(xiàn)清晰的上、中、下3層結(jié)構(gòu)[97-98]。上層構(gòu)造為下古生界組成的疊瓦沖斷系，其前鋒斷裂為馬角壩斷裂，并向東擴展為盲沖斷層，地表為侏羅系不整合覆蓋。中層構(gòu)造是以中下二疊統(tǒng)至寒武系構(gòu)成的相對平緩的構(gòu)造層。震旦系、南華系和基底構(gòu)成下構(gòu)造層，靠近北川斷裂根部位置，發(fā)育雙重構(gòu)造和疊瓦構(gòu)造致使震旦系頂部被抬高，北川斷裂以東，主要發(fā)育背沖斷塊[97-98]。盆-山結(jié)合部位以逆沖斷層及其相關(guān)褶皺、反沖斷層及I型三角帶為主要構(gòu)造特征，中下三疊統(tǒng)富膏鹽巖層對變形特征起著關(guān)鍵性的分割作用，斷裂多向上滑脫消失于其內(nèi)部。河灣場背斜以東的川西前陸盆地內(nèi)，構(gòu)造變形整體較弱，但在潼梓觀、九龍山等地發(fā)育大型斷彎背斜，基底和蓋層一同卷入變形，斷層亦向上滑脫消失于古生界內(nèi)部或中下三疊統(tǒng)富膏鹽巖層內(nèi)部[97-98]。

龍門山中段，茂縣-汶川斷裂以西為松潘-甘孜褶皺帶東部的較場-理縣一帶的弧形構(gòu)造帶，安縣-灌縣斷裂以東為四川盆地西部弱變形帶。沿著龍門山前緣的大部分地段，前震旦紀基底彭灌雜巖體直接和上三疊統(tǒng)須家河組接觸，而在龍門山與龍泉山之間的川西前陸盆地主體內(nèi)部，基本無明顯的斷褶變形(圖4 中B-B′剖面)。龍深1井揭示，龍門山中段大量的地層縮短和加厚發(fā)生于前山帶須家河組內(nèi)，這與北段明顯不同。向深部，中下三疊統(tǒng)和古生界以至于前震旦紀基底均不同程度地卷入了前山帶和山前帶變形，中下三疊統(tǒng)富膏鹽巖層作為主要的構(gòu)造滑脫層和構(gòu)造分界面也分隔了上下地層不同的構(gòu)造變形樣式?；搶右韵拢赡芤噪p重構(gòu)造為主，而滑脫層以上主要為疊瓦沖斷系，且侏羅系和白堊系的變形強度明顯不同于須家河組及其以下層位。

龍門山南段北西以五龍斷裂為界與松潘-甘孜褶皺帶東緣的金湯弧形構(gòu)造分開，南東側(cè)以較寬的斷褶帶向川西前陸盆地過渡。此段后山帶由五龍雜巖體及其上覆的奧陶系至泥盆系碳酸鹽巖和碎屑巖組成，沿五龍斷裂向南東逆沖于前山帶寶興背斜北西翼的泥盆系之上。前山帶厚皮構(gòu)造和薄皮構(gòu)造以小關(guān)子斷裂為界分別位于其北西側(cè)和南東側(cè)(圖4 中C-C′剖面)。小關(guān)子斷裂以南東，須家河組碎屑巖大片出露且以中高傾為主，褶皺和疊瓦狀逆沖斷層均造成不同程度的重復[49,52]。相對于龍門山中段而言，龍門山南段向前陸擴展的程度和范圍明顯要大，即川西前陸盆地也廣泛卷入了變形，并在垂向上展現(xiàn)出明顯的變形分層性。中下三疊統(tǒng)富膏鹽巖層上下地層變形的構(gòu)造樣式迥異。上變形層從雙石斷裂向東至龍泉山構(gòu)造帶，以中下三疊統(tǒng)富膏鹽巖層為底部滑脫面，發(fā)育數(shù)排平行排列或斜列的斷層相關(guān)褶皺。中下三疊統(tǒng)富膏鹽巖層之下的構(gòu)造層變形相對較弱并可能保存了先期的壘-塹式張性構(gòu)造[49,52]。和北段相比，盡管二者的變形向盆地內(nèi)擴展的范圍相當，但其卷入變形的深度明顯不同。

2.2 平面構(gòu)造差異

由于整個龍門山后山帶均于印支期發(fā)生了2～3期韌性變形[6,8-10,16,36]，因此平面上的走向構(gòu)造差異主要體現(xiàn)在龍門山前山帶和川西前陸盆地[49,52,54,56,61-62,64-65]。前山帶北段以同心褶皺和沖斷疊瓦扇為典型特征，褶皺較斷裂更為發(fā)育，逆沖斷層僅在前山帶和山前帶的過渡部位才明顯占優(yōu)勢，總體具有韌性相對較強、層次相對較深的變形特征，如青川縣涼水鄉(xiāng)一帶北川斷裂東側(cè)的志留系仍有強烈的褶皺變形，軸面劈理發(fā)育(圖5-A)。前山帶中、南段以疊瓦沖斷系為主要特點，斷裂明顯較褶皺發(fā)育，總體表現(xiàn)出脆性較強、層次較淺的變形特點，如漢旺鎮(zhèn)附近雷口坡組內(nèi)部發(fā)育的斷層相關(guān)褶皺，巖層顯得十分破碎(圖5-A)。山前帶中、南段變形強于北段，北段以單斜為主，而中、南段侏羅系及其之上的層位都不同程度卷入了斷褶變形[22,99-100]。飛來峰的發(fā)育是龍門山中、南段前緣的另一特色，而北段不典型[8-9,37,42,101-103]。此外，汶川地震形成的地表破裂顯示北段以右旋走滑為主兼有逆沖，而中、南段則以逆沖為主兼有右旋走滑[18,62]。上述構(gòu)造現(xiàn)象表明龍門山的變形總體上具有由北向南韌性減弱、脆性增強的趨勢[52,64]。對于川西前陸盆地，由于受周緣構(gòu)造帶的多期活動影響，同樣表現(xiàn)出構(gòu)造上的南北差異。印支期以來，川西前陸盆地在北側(cè)秦嶺造山帶、西側(cè)青藏高原東緣構(gòu)造帶和東南側(cè)揚子地塊三面圍限作用下，形成北東向、近東西向和近南北向3組主要構(gòu)造交互疊加的復合-聯(lián)合構(gòu)造格局[61,65]。地腹構(gòu)造展布和地表構(gòu)造形跡顯示，川西前陸盆地北部構(gòu)造線以北東和北東東兩個方向為主，表明受龍門山和米倉山的共同控制；川西前陸盆地南部構(gòu)造線以北東向、近南北向為主，表明受龍門山、龍泉山、川滇構(gòu)造帶三者向盆地內(nèi)擴展疊加的共同控制(圖6)。

圖5 龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地典型露頭照片和地震剖面(位置見圖3)Fig.5 Typical outcrop pictures and seismic interpretation profiles in the Longmanshan thrust belt and western Sichuan foreland basin (A)青川縣涼水鄉(xiāng)北川斷裂下盤志留系同劈理褶皺, 示韌性變形; (B)綿竹市漢旺鎮(zhèn)安縣-灌縣斷裂帶中三疊統(tǒng)雷口坡組內(nèi)發(fā)育的斷層相關(guān)褶皺, 示脆性變形; (C)廣元市三堆鎮(zhèn)南須家河組與下伏層位間的角度不整合接觸, 反映印支早期事件; (D)川西314線地震解釋剖面, 反映印支中期(安縣運動)和印支晚期兩次事件; (E)川西124線地震解釋剖面, 反映印支晚期事件; (F)川西52線地震解釋剖面, 反映燕山中期和喜馬拉雅早期兩次事件; (G)(H)綿竹市漢旺鎮(zhèn)上三疊統(tǒng)小塘子組(須家河組第一段)內(nèi)發(fā)育的滑移變形

圖6 川西前陸盆地及鄰區(qū)地表構(gòu)造形跡與構(gòu)造區(qū)劃Fig.6 Surficial structural features and tectonic divisions of western Sichuan foreland basin and its adjacent areas

2.3 變形歷史差異

盡管缺乏對構(gòu)造變形的年代學直接制約，但不整合面及后文將要討論的隆升歷史和沉積記錄一致表明龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的構(gòu)造定型時間具有由北向南變新的趨勢。廣元至江油一帶上三疊統(tǒng)須家河組與中三疊統(tǒng)雷口坡組之間的微角度不整合(圖5-C)以及下侏羅統(tǒng)與須家河組及其以下層位間的角度不整合(圖4中 A-A′剖面)[62,65,84,86]，反映龍門山北段主要經(jīng)歷了中三疊世末和三疊紀末兩次較強的構(gòu)造運動。安縣至都江堰一帶，須家河組第三段和第四段間的角度不整合(圖5-D)[103]、中下侏羅統(tǒng)與須家河組第五段及其以下層位間的角度不整合(圖5-D、E)[40,103-105]、中侏羅統(tǒng)沙溪廟組與下伏中下侏羅統(tǒng)間的角度不整合[104,106]以及侏羅系與白堊系間的低角度不整合(圖5-F)，表明龍門山中段晚三疊世以來發(fā)生過多次強烈的構(gòu)造運動。大邑至雅安一帶，上新統(tǒng)-下更新統(tǒng)大邑礫巖與上白堊統(tǒng)灌口組或古新統(tǒng)名山組呈角度不整合接觸且本身發(fā)生變形(圖5-F)[22,99-100]，以及中更新統(tǒng)雅安礫石層也有被斷層切割的現(xiàn)象[100]表明，龍門山中、南段在新生代期間發(fā)生了較強烈的變形。此外，川西前陸盆地內(nèi)部古構(gòu)造和構(gòu)造疊加關(guān)系分析[65,105,107-108]表明，盆地北部北東向和近東西向構(gòu)造的疊加形成于燕山期，而盆地南部北東向和近南北向構(gòu)造的疊加形成于喜馬拉雅期。由此可見，龍門山北段和川西前陸盆地北部定型于燕山期，龍門山中、南段和川西前陸盆地南部定型于喜馬拉雅期，總體上具有北早南晚的特點。

3 走向差異隆升-沉降特征

地處青藏高原東緣的龍門山及毗鄰的川西前陸盆地是揭示高原隆升和向東擴展機制的理想場所，因而受到許多學者的高度關(guān)注并開展了大量低溫熱年代學研究工作[13,39,58,63,66-79,88,109-110]，為探討龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的走向差異隆升特征奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.1 龍門山走向差異隆升

已有的鋯石和磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)[58,63,66,110]揭示，龍門山的走向上，年齡特征(圖1)和隆升歷史在其北、中和南段存在明顯差異。鋯石裂變徑跡在龍門山北段表現(xiàn)極為單一，僅獲得印支期～200 Ma的年齡；中段和南段則較為分散，其中中段獲得印支期(～230 Ma)、早白堊世(～110 Ma)和早新生代(68～38 Ma)3期年齡；而南段出現(xiàn)了更為分散的300～260 Ma、～200 Ma、81～74 Ma和13～10 Ma的年齡[63]。這種走向上的差異表明龍門山中、南段的新生代構(gòu)造活動強于北段，新生代隆升總體上較北段快。對比同一樣品的磷灰石和鋯石裂變徑跡年齡(圖1)可以發(fā)現(xiàn)，龍門山北段偏老的磷灰石裂變徑跡年齡和偏新的鋯石裂變徑跡年齡說明北段在中生代的隆升較中、南段更快。磷灰石裂變徑跡年齡沿龍門山走向的分布同樣體現(xiàn)明顯的規(guī)律性，北段總體上以晚中生代和早新生代年齡為主，明顯老于中段和南段以晚新生代為主的年齡(圖7)，進一步表明龍門山中、南段在晚新生代發(fā)生了更快的隆升和剝露。這與鋯石和磷灰石(U-Th)/He年齡所揭示的龍門山中、南段及青藏高原東緣始于晚新生代的快速隆升的結(jié)果[13,67,88,109]相一致。此外，裂變徑跡和(U-Th)/He年齡揭示北川-映秀斷裂和安縣-灌縣斷裂兩側(cè)存在顯著的新生代差異剝露，且這種差異剝露在龍門山中、南段表現(xiàn)得更為突出[58,63,88]，同樣說明了龍門山中、南段在新生代更快的隆升和剝露。

圖7 龍門山?jīng)_斷帶磷灰石裂變徑跡年齡沿走向的變化Fig.7 Histograms showing the change of apatite fission track age along the strike of the Longmenshan thrust belt (數(shù)據(jù)來源于文獻[58,66-79,110])

3.2 川西前陸盆地南北差異隆升

已有的磷灰石裂變徑跡和(U-Th)/He年齡(圖1)顯示，川西前陸盆地西北緣和米倉山大約在晚白堊世初(90～100 Ma B.P.)開始抬升[63,110-112]，而四川盆地主體大約在40 Ma B.P.開始抬升[69]。但川西前陸盆地不同部位鉆井樣品的磷灰石裂變徑跡分析表明盆地的抬升剝蝕是非整體和非同步的，而具有南北差異。盆地北部的石深1井(圖1)的所有樣品均經(jīng)歷了完全退火，淺部的兩個樣品SS1和SS2處于現(xiàn)今的部分退火帶之上且具有一致的～46 Ma的磷灰石裂變徑跡年齡[110]；深部的SS6、SS7和SS8三件樣品處于現(xiàn)今的部分退火帶內(nèi)，具有接近的表觀年齡～10 Ma(圖8)；而井口附近的兩個地表樣品(GN-07、GN-09)的單顆粒年齡明顯具有物源成分，指示它們只經(jīng)歷了部分退火。石深1井的磷灰石裂變徑跡年齡-深度關(guān)系揭示出川西前陸盆地的北部在～45 Ma B.P.左右開始快速抬升，并存在～10 Ma的快速剝蝕事件，剝蝕地層厚度超過2 km[110]。盆地中部新101井和南部大邑2井(圖1)相同深度的樣品具有近似的年齡(圖9)，總體隆升趨勢與盆地北部類似；但快速抬升的起始時間要晚于北部，在20～25 Ma B.P.，且也存在～10 Ma的快速剝蝕事件，同樣有約2 km的地層被剝蝕[110]。與龍門山?jīng)_斷帶磷灰石裂變徑跡年齡的走向變化趨勢類似，川西前陸盆地的地表和鉆井樣品的磷灰石裂變徑跡年齡同樣表現(xiàn)出由北向南系統(tǒng)減小的特征(圖10)，表明盆地的抬升也具有由北向南擴展的趨勢。

圖8 川西前陸盆地北部SS-1井磷灰石裂變徑跡年齡-深度關(guān)系Fig.8 Apatite fission track age vs. depth relationship in Well SS-1 in the northern foreland basin of western Sichuan (據(jù)文獻[110])

圖9 川西前陸盆地中南部X-101井和DY-2井磷灰石裂變徑跡年齡-深度關(guān)系Fig.9 Apatite fission track age vs. depth relationship in well X-101 and well DY-2 in the central and southern part of western Sichuan foreland basin (據(jù)文獻[69,110])

圖10 川西前陸盆地磷灰石裂變徑跡年齡 沿走向的變化Fig.10 The change of apatite fission track age with depth in western Sichuan foreland basin (據(jù)文獻[58,69,110]) 空心符號為完全退火年齡, 灰色實心符號 為部分退火或輕微退火年齡

3.3 川西前陸盆地沉降中心遷移與差異沉降-隆升

上三疊統(tǒng)至古近系各層位的厚度分布趨勢顯示，川西(北)前陸盆地的沉降中心在地史上發(fā)生過4次明顯的遷移(圖11、圖 12)[38,41,57,60]，即從晚三疊世的龍門山中段前緣[35-36,39-40,45]向北遷移到中侏羅世的大巴山-米倉山前緣[113]，晚侏羅世-早白堊世向西又遷移至米倉山-龍門山北段前緣[47]，于晚白堊世-新生代期間再次向南遷移到龍門山中-南段前緣[46,49]。同時，盆地北部于晚白堊世初開始緩慢抬升時，盆地南部正處于強烈沉降時期。按照前陸盆地形成的一般成因模式[29-31]，川西(北)前陸盆地沉降中心的這種遠距離遷移可認為是其周緣構(gòu)造帶構(gòu)造作用強度沿走向發(fā)生變化的直接反應。按照這種假設(shè)，晚三疊世川西前陸盆地中部的快速沉降反映了龍門山中段的強烈活動，主要受控于揚子地塊向北西的俯沖；中侏羅世至早白堊世盆地北部的快速沉降則反映了大巴山-米倉山-龍門山北段的強烈活動，主要受控于秦嶺造山帶向南的推擠；而晚白堊世以來盆地南部的快速沉降則反映了龍門山中、南段的強烈活動，顯然與青藏高原構(gòu)造域的構(gòu)造作用密切相關(guān)，應是早白堊世末拉薩地塊與羌塘地塊碰撞[114]的遠程效應。

圖11 川西前陸盆地沉降中心遷移及差異沉降-隆升Fig.11 Subsidence center migration and differential subsidence-uplift in western Sichuan foreland basin 單井沉降曲線據(jù)實鉆資料經(jīng)去壓實校正和回剝獲得, 抬升曲線據(jù)文獻[36, 39, 110, 113]中裂變徑跡資料獲得

4 走向差異演化的沉積記錄

受周緣多個構(gòu)造帶的多期交互作用影響，川西前陸盆地的演化表現(xiàn)出明顯的走向差異，并為上三疊統(tǒng)至古近系巖性、巖相、不整合、地層展布特征等所記錄(圖12)。按照不同時期差異演化的方式不同，本文將龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的走向差異演化概括為以下三大階段進行論述。

4.1 印支期向南遞進擴展

首先，從粗碎屑巖的發(fā)育情況來看(圖12)，沖積扇-河流相礫巖首先出現(xiàn)于龍門山北段前緣劍閣-江油一帶的須二段，須四段沖積扇礫巖廣泛發(fā)育于從廣元至都江堰一線的龍門山中、北段前緣[34,41,86,89,91]，而龍門山南段前緣僅于須家河組上部局部出現(xiàn)沖積扇礫巖[115]。第二，從古流向上看，須一段沉積期向西(圖5-G、H)[115]，這種狀態(tài)在盆地中部可一直延續(xù)到須二段[48]；而四川盆地須二段砂巖碎屑組分的平面變化[41]和江油-劍閣一帶的礫巖沉積[86]表明盆地北部須二段的古流向最早轉(zhuǎn)為南東向，至須四段及其以上層位，整個盆地西部的古流向轉(zhuǎn)為南東向(圖12)[34,40,115]。第三，從沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變來看，晚三疊世川西前陸盆地的演化經(jīng)歷了從海相到海陸過渡相和陸相環(huán)境的轉(zhuǎn)變[41]，這一轉(zhuǎn)變首先開始于盆地北部。巖相和古流向表明盆地北部最早于須二段轉(zhuǎn)入陸相或海陸過渡相環(huán)境，而盆地中部須三段時仍處于海相或海陸過渡相環(huán)境[41,48]，盆地南部直至須四段時都有海水殘留[117]。第四，從須家河組第一段至第五段，沉降中心總體具有逐漸向南遷移的趨勢[45,117]。第五，從不整合面的發(fā)育情況來看，盆地北部最早的不整合面出現(xiàn)于雷口坡組與須家河組間(圖5-C)，盆地中部出現(xiàn)于須三段和須四段間(圖5-D)，且盆地中、北部均發(fā)育中下侏羅統(tǒng)與須五段及其以下層位間的角度不整合，而盆地南部上三疊統(tǒng)至下侏羅統(tǒng)所有層位間均表現(xiàn)為假整合或整合[53]。此外，僅就盆地中部而言，三疊系和侏羅系間的接觸關(guān)系也自北向南由高角度不整合變?yōu)槲⒔嵌炔徽虾图僬蟍105]。最后，從現(xiàn)今殘留地層來看，須家河組上部地層由北向南遭受不同程度剝蝕[45,48]，且地表可見上三疊統(tǒng)在龍門山中、北段僅分布于安縣-灌縣以東的地區(qū)，而南段在五龍斷裂以西和康滇雜巖上均有殘留[116]。四川盆地和西昌盆地晚三疊世以來地層的可對比性[41,84,89]和現(xiàn)今分布狀態(tài)以及松潘-甘孜復理石物源研究[118-119]，表明川西前陸盆地西南部在晚三疊世諾利期都可能作為向西與松潘-甘孜海相連的出水通道。

上述種種事實表明，龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地印支期的演化是由北向南推進的，龍門山中、北段活動較強，而南段表現(xiàn)得較弱，顯示了受秦嶺造山帶向南推擠的強烈影響。這種向南遞進擴展的演化趨勢與龍門山印支期左旋走滑動力學機制[6,8,10]是一致的。但是，這種向南推進的演化趨勢主要出現(xiàn)于須二段以后，而在盆地發(fā)育的早期并不明顯。地層厚度展布[45,48]以及綿竹漢旺地區(qū)發(fā)育的滑移變形(圖5-G、H)，表明須一段(小塘子組)沉積期川西前陸盆地沉降最深的地方位于龍門山中段前緣且向西加深，說明盆地的形成主要受控于揚子地塊向北西的俯沖(見后述)。

4.2 燕山早-中期南北分異

經(jīng)歷了印支晚期的強烈變形后，龍門山?jīng)_斷帶及鄰區(qū)的構(gòu)造活動變得逐漸平靜下來[53]，四川盆地下侏羅統(tǒng)至中侏羅統(tǒng)涼高山組(千佛崖組)以淡水湖泊相為主的沉積，巖性和厚度在區(qū)域上比較穩(wěn)定、可對比性強，指示比較穩(wěn)定的構(gòu)造背景[41,120]。盡管如此，川西前陸盆地仍表現(xiàn)出南北分異的演化趨勢。下侏羅統(tǒng)和千佛崖組在盆地北部沉積較為連續(xù)，而盆地南部同期處于剝蝕與沉積共存的狀態(tài)，下侏羅統(tǒng)和千佛崖組被不同程度剝蝕并形成與上覆沙溪廟組間的不整合[89,99,105-106]。到中侏羅世沙溪廟組沉積期，盆地南北分異趨勢明顯增強。大巴山-米倉山前緣的盆地北部發(fā)生強烈沉降形成新的前淵，但缺乏近源粗碎屑沉積[113]；而龍門山南段前緣大量發(fā)育沖積扇礫巖[89,91,93-94,96,115]，但并未形成前淵(圖12)。晚侏羅世以來，盆地中北部堆積了厚度巨大的蓮花口組和下白堊統(tǒng)沖積扇礫巖[34,40-41,89,91,95]，表明龍門山北段和米倉山再次變得活躍，盆地的沉降中心也遷移至此[47](圖12)。盡管同期在龍門山南段前緣同樣出現(xiàn)了較多的沖積扇礫巖[89,91,93-96,115]，但仍然延續(xù)中侏羅世的沉積狀態(tài)，亦無前淵形成。上述現(xiàn)象表明，燕山早-中期影響川西前陸盆地演化的主導作用是其北側(cè)的秦嶺造山帶，盡管這一時期在盆地南部幾乎每個層位均出現(xiàn)的沖積扇礫巖暗示了龍門山南段的持續(xù)沖斷活動，但在強度上要明顯弱于盆地北側(cè)的構(gòu)造作用。

4.3 燕山晚期-喜馬拉雅期北隆南降

早白堊世晚期的區(qū)域性抬升使盆地北部的下白堊統(tǒng)和盆地南部的天馬山組遭受不同程度剝蝕[89]，至夾關(guān)組沉積期，盆地轉(zhuǎn)入北隆南降的差異演化階段。川西前陸盆地南部從夾關(guān)組至名山組大量發(fā)育的沖積扇礫巖[41,89-92,94,96,115]和新的前淵形成[46,49]表明這一時期龍門山南段的強烈活動，而同期盆地北部則處于剝蝕狀態(tài)。灌口組和名山組厚達數(shù)百米的干旱湖相含石膏、鈣芒硝巖系的發(fā)育除受當時的氣候因素影響外，也可能反映了川西南山地的隆起和盆地由泄水盆地向閉塞內(nèi)陸湖盆的演變[41]。到晚始新世或漸新世，隨著川西南構(gòu)造作用的增強和盆地西南邊框的形成[121]，盆地結(jié)束沉積，從此進入剝蝕為主的狀態(tài)。上述盆地演變過程表現(xiàn)出與拉薩地塊和羌塘地塊的碰撞、印度板塊和歐亞板塊以及青藏高原的隆升和擴展之間良好的對應關(guān)系[114,121-123]，結(jié)合構(gòu)造分析[65]可以認為晚白堊世以來龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的演化主要受控于青藏高原構(gòu)造域。

5 關(guān)鍵構(gòu)造變革期的討論

龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地所處的特殊構(gòu)造背景決定其形成和演化過程在走向上是不均衡的，期間經(jīng)歷了多種主導構(gòu)造作用的轉(zhuǎn)換，即多個關(guān)鍵構(gòu)造變革期，包括晚三疊世構(gòu)造變革期、中侏羅世構(gòu)造變革期、早白堊世關(guān)鍵變革期和古近紀關(guān)鍵變革期(圖12)。

5.1 晚三疊世關(guān)鍵變革期

晚三疊世是龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地中生代以來演化過程中最關(guān)鍵的時期，構(gòu)造背景從先前的伸展轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰呋瑪D壓為主，從此結(jié)束了漫長的被動大陸邊緣沉積階段，進入陸相前陸盆地演化階段[41,124]，期間經(jīng)歷了從海相碳酸鹽巖到海相碎屑巖，再從海相碎屑巖到陸相碎屑巖兩次重要的沉積轉(zhuǎn)換事件[117,125]。但對于晚三疊世前陸盆地的起始時間和演化階段，學術(shù)界仍存在爭議[35-38,40-41,43,45,48,53,55,103,126]。本文從構(gòu)造變革的角度，將晚三疊世龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的演化分為以下三個階段進行討論。

a.龍門山水下隆起和海相前陸盆地階段(馬鞍塘組上部至小塘子組)。古地磁[127]和地質(zhì)綜合分析[128-129]揭示揚子地塊在二疊紀-三疊紀時期向北西漂移的同時相對于華北地塊發(fā)生大幅度的順時針旋轉(zhuǎn)并于晚三疊世二者拼貼在一起，期間川中瀘州古隆起的形成[41,43]和松潘-甘孜殘余洋盆的形成[130]，表明整個揚子區(qū)在中三疊世末期已由先前的伸展背景轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓構(gòu)造背景。川西地區(qū)從馬鞍塘組到小塘子組自下而上出現(xiàn)的由鮞?；?guī)r、硅質(zhì)海綿礁和暗色泥巖到碎屑巖和泥巖互層的地層組合[125,131]，表現(xiàn)為一個向上水體加深和碎屑物源注入增加的沉積序列，暗示了揚子地臺西緣在構(gòu)造負荷作用下的持續(xù)撓曲沉降過程，表明龍門山此時已發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)并向東逆沖于揚子地臺之上。來自川西地表和鉆井的上三疊統(tǒng)砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡統(tǒng)計[118-119,132-138]顯示晚三疊世早期四川盆地及其西部的松潘-甘孜盆地是兩個既有聯(lián)系而又相互獨立的物源體系(圖13)。小塘子組沉積期，代表揚子地塊物源的700～1 000 Ma B.P.的鋯石在川西前陸盆地的大量出現(xiàn)而在松潘-甘孜復理石中又普遍缺乏的事實，暗示了龍門山在這一時期就已呈現(xiàn)為水下隆起的狀態(tài)，成為二者間物源輸導的屏障。但此時龍門山的逆沖加載沿走向是不均衡的，沉降最深的區(qū)域位于川西前陸盆地中部，表明逆沖和構(gòu)造加載首先發(fā)生于龍門山的中段(圖14)，這與須一段沉積相平面變化趨勢[48]是一致的。按照這種解釋，川西前陸盆地的形成主要受控于揚子地塊向北西的俯沖。

圖13 川西前陸盆地和松潘-甘孜盆地上三疊統(tǒng)碎屑鋯石年齡分布對比圖Fig.13 Comparison of the U-Pb detrital zircon ages in western Sichuan Basin with those in the Songpan-Ganzi flysch basin (鋯石年齡數(shù)據(jù)來源于文獻[118-119,132-138])

圖14 晚三疊世諾利早期川西前陸盆地 形成模式簡圖Fig.14 A brief map showing the formation model of the western Sichuan foreland basin in early Norian of late Triassic

b.龍門山局部隆升和海陸過渡相前陸盆地階段(須家河組第二段和第三段)。須二段沉積時盆地北部出現(xiàn)的粗碎屑巖和古流向的轉(zhuǎn)變表明龍門山北段首先露出水面。須三段砂巖碎屑中巖屑組分、特別是沉積巖碎屑的突然增加(圖15)，表明此時龍門山有較大范圍露出水面。但此時川西前陸盆地主體仍處于海相或海陸過渡相環(huán)境[48]，須三段大量的沉積巖碎屑可能主要來自龍門山北段或龍門山中段的局部，而中、南段主體仍處于水下隆起的狀態(tài)。松潘-甘孜復理石碎屑鋯石年齡分布只有南部的雅江地區(qū)才表現(xiàn)出與川西前陸盆地類似的特征(圖13)，暗示盆地西南緣可能作為連通二者的通道。

圖15 川西前陸盆地須家河組砂巖碎屑組分垂向變化Fig.15 Vertical variation of sandstone detrital components of Xujiahe Formation in western Sichuan foreland basin (碎屑組分數(shù)據(jù)來源于文獻[48])

c.龍門山全面隆升和陸相前陸盆地晚期階段(須家河組第四段和第五段)。須四段沖積扇礫巖在川西前陸盆地中、北部的普遍發(fā)育和盆地南部的局部出現(xiàn)(圖12)，暗示龍門山進入全面隆升時期。盆地北部須四段碎屑鋯石年齡變得分散，可能反映了直到此時松潘-甘孜地區(qū)才向川西前陸盆地提供了部分物源(圖13)。此外，松潘-甘孜海盆的南部也于此時褶皺回返[119]，川西前陸盆地西南緣的出海通道從此關(guān)閉并殘留部分海水介質(zhì)。至須家河組沉積末，印支晚期運動的發(fā)生和下侏羅統(tǒng)邊緣相礫巖沿川西前陸盆地西緣的普遍發(fā)育(圖12)，表明龍門山?jīng)_斷帶作為盆地西界才真正形成。

由以上討論可知，晚三疊世川西前陸盆地的形成主要是揚子地塊向西俯沖的結(jié)果，而后期由北向南擴展過程中受到秦嶺造山帶向南推擠的強烈影響。因此，晚三疊世龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的演化主要受控于揚子構(gòu)造域，向南遞進擴展是揚子構(gòu)造域和秦嶺構(gòu)造域聯(lián)合作用的結(jié)果。

5.2 中侏羅世關(guān)鍵變革期

揚子地塊相對于華北地塊的順時針旋轉(zhuǎn)和向北西推進并未止于晚三疊世，而是一直持續(xù)到中晚侏羅世[139-141]甚至白堊紀或新生代[22]。這種持續(xù)的旋轉(zhuǎn)匯聚致使盆地分別于中侏羅世沙溪廟組沉積期在大巴山-米倉山前緣和晚侏羅世蓬萊鎮(zhèn)組沉積期至早白堊世城墻崖群沉積期在米倉山-龍門山北段前緣形成新的沉降中心[47,113](圖12)。結(jié)合前面的構(gòu)造、隆升和沉積記錄分析可知，川西前陸盆地和龍門山?jīng)_斷帶在侏羅紀至早白堊世的演化明顯受控于秦嶺造山帶的構(gòu)造活動，動力學環(huán)境從早期的揚子構(gòu)造域轉(zhuǎn)變?yōu)榍貛X構(gòu)造域。

5.3 早白堊世關(guān)鍵變革期

早白堊世末的燕山晚期運動是繼印支期以來影響川西前陸盆地和龍門山?jīng)_斷帶的又一次重大構(gòu)造事件，區(qū)域構(gòu)造背景由先期的秦嶺構(gòu)造域轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗖馗咴瓨?gòu)造域。一方面，秦嶺造山帶的構(gòu)造性質(zhì)發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變[142]，盆地西北邊界和盆地北部的構(gòu)造變形在此次事件中基本定型，并從此結(jié)束沉積進入隆升剝蝕狀態(tài)。此后，秦嶺造山帶的構(gòu)造活動對川西前陸盆地的影響明顯減弱。與此同時，受拉薩地塊和羌塘地塊碰撞以及印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠程效應影響，龍門山中、南段再次變得活躍起來，在其前緣形成了新的前淵沉積區(qū)[46,49]，盆地沉降中心由先期的川西北遷至龍門山前緣西南角(圖12)，從此進入青藏高原構(gòu)造域控制下的晚白堊世至古近紀前陸盆地演化階段。

5.4 古近紀關(guān)鍵變革期

古近紀晚期，隨著青藏高原的隆升和向東擴展，龍門山南段的褶皺-沖斷變形也向東擴展至盆地內(nèi)部，盆地隨之進入了整體抬升、變形和剝蝕階段，由早期的沉積狀態(tài)全面轉(zhuǎn)化為剝蝕狀態(tài)(圖12)。根據(jù)現(xiàn)今殘留的古近紀地層，一般將這一轉(zhuǎn)換過程確定為始新世中晚期或漸新世[41,121]。N.J.Richardson等[69,143]通過裂變徑跡測試也認為四川盆地存在～40 Ma B.P.的快速剝蝕事件，并將其歸因于長江三峽的貫通和侵蝕基準面的下降。但這種認識并未得到沉積學研究結(jié)果的支持[144-145]，且與本文獲得的川西前陸盆地裂變徑跡數(shù)據(jù)不符。川西前陸盆地中、南部始新世晚期以來至少有2 km的地層被剝蝕，表明龍門山中、南段前緣曾有前淵發(fā)育，而并非通常認為的龍門山前緣缺乏新生代前淵[7]。另外，不同于印支期龍門山以左旋擠壓作用為主，龍門山新生代構(gòu)造活動表現(xiàn)出明顯的右旋擠壓性質(zhì)[18,50,59,62,87]。盡管地表位移監(jiān)測[146-148]和地質(zhì)研究[7]都認為新生代期間龍門山的縮短量十分有限，但汶川地震的發(fā)生表明強烈逆沖和構(gòu)造縮短仍是龍門山新生代構(gòu)造作用的主要表現(xiàn)方式[19-20,24,26,63,88]，這與成都盆地的發(fā)育有良好的對應關(guān)系。

6 結(jié) 論

受控于本身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異及周緣多個構(gòu)造帶的多期交互作用，龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地在構(gòu)造、隆升和沉積等方面都表現(xiàn)出明顯的走向差異。

龍門山中段以安縣-灌縣斷裂為界與川西前陸盆地呈突然過渡關(guān)系，而龍門山北段和南段變形向盆地擴展的范圍明顯大于中段，但北段卷入變形的深度大于南段，中下三疊統(tǒng)富膏鹽巖層作為盆地內(nèi)重要的滑脫層主要見于盆地南部。自北向南，龍門山前山帶總體上具有韌性減弱、脆性增強、構(gòu)造定型時間變新的趨勢，龍門山北段和盆地北部定型于燕山期，而龍門山中、南段和盆地南部定型于喜馬拉雅期。

川西(北)前陸盆地的沉降中心在盆地充填演化過程中經(jīng)歷4次明顯的遷移，即從晚三疊世的龍門山中段前緣向東北遷移到中侏羅世的大巴山-米倉山前緣，晚侏羅世-早白堊世又向西遷移至米倉山-龍門山北段前緣，于晚白堊世-新生代期間再次向南遷移到龍門山中-南段前緣。龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的走向差異演化表現(xiàn)為印支期向南遞進擴展、燕山早-中期南北分異和燕山晚期-喜馬拉雅期北隆南降。中生代期間，龍門山北段隆升較快；而新生代期間，龍門山中、南段隆升較快。川西前陸盆地同樣表現(xiàn)出南北差異隆升的特點，北部隆升較早，大約在45 Ma B.P.；而南部隆升較晚，約在20～25 Ma B.P.。

龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地經(jīng)歷了晚三疊世、中侏羅世、早白堊世和古近紀4個關(guān)鍵構(gòu)造變革期。晚三疊世構(gòu)造變革期包括龍門山水下隆起和海相前陸盆地(馬鞍塘組上部至小塘子組)、龍門山局部隆升和海陸過渡相前陸盆地(須家河組第二段至第三段)以及龍門山全面隆升和陸相前陸盆地(須家河組第四段至第五段)三大階段，主要受控于揚子構(gòu)造域并受秦嶺構(gòu)造域的強烈影響。中侏羅世構(gòu)造變革表現(xiàn)為揚子構(gòu)造域向秦嶺構(gòu)造域的轉(zhuǎn)變；早白堊世構(gòu)造變革表現(xiàn)為秦嶺構(gòu)造域向青藏高原構(gòu)造域的轉(zhuǎn)變；古近紀構(gòu)造變革表現(xiàn)為川西前陸盆地由沉積向剝蝕狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。