湘西北大庸—古丈—吉首大断裂的新认识
[张晓阳
, 邹光均]
, 邹光均]
引用本文
张晓阳, 邹光均. 湘西北大庸—古丈—吉首大断裂的新认识[J].中国地质调查, 2016,2(1): 1-8.
ZHANG Xiao-yang, ZOU Guang-jun. New Understanding of the Dayong-Guzhang-Jishou Fault[J].Geological Survey of China, 2016,2(1): 1-8.
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ZHANG Xiao-yang, ZOU Guang-jun. New Understanding of the Dayong-Guzhang-Jishou Fault[J].Geological Survey of China, 2016,2(1): 1-8.
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湘西北大庸—古丈—吉首大断裂的新认识
作者简介: 张晓阳(1962—),男,高级工程师,主要从事区域地质调查、地层、古生物与地质构造研究。Email:zhangxy430303@163.com 。
摘要
通过1∶5万花垣、古丈地区区域地质矿产调查工作,在系统查明湘西北地区大庸—古丈—吉首大断裂的地表变形特征及断裂两侧早古生代岩石地层单位的岩性、岩相变化及古生物群落分布的基础上,对该断裂的综合研究表明:它是扬子陆块东南缘武陵地块与雪峰地块的重要边界断裂,为长期活动的区域控岩、控相、控矿断裂,这一新认识对湘西北地区锰、铅锌等沉积矿产的找矿与勘查具有指导意义。
关键词:
大庸—古丈—吉首大断裂; 断裂特征; 地球物理; 沉积体系; 扬子陆块东南缘
中图分类号:P542.3
文献标志码:A
文章编号:2095-8706(2015)01-0001-08
New Understanding of the Dayong-Guzhang-Jishou Fault
Abstract
The regional geological and mineral survey projects of 1∶50,000 Huayuan and Guzhang have found out the deformation features of the Dayong-Guzhang-Jishou fault in northwest Hunan province, and the distribution characteristics of lithology, lithofacies and palaeocoenosis in the Early Paleozoic rock stratigraphic units at both sides of the fault. Comprehensive studies show the fault is an important boundary between the Wuling and Xuefeng blocks in the southeastern margin of Yangtze plate, and the fault, as a long-term active structure, controls the distribution of regional lithology, lithofacies and mineral resources. These new understanding are favorable to the prospecting and exploration of sedimentary manganese, lead and zinc deposits in the northwest Hunan province.
Keyword:
the Dayong-Guzhang-Jishou fault; fault feature; geophysical; sedimentary system; southeastern margin of the Yangtze plate
0 引 言
湘西北地区位于扬子陆块东南缘, 因地跨扬子地层区与江南地层区的过渡地带, 锰、铅锌等矿产丰富而成为华南乃至中国地学研究的热点地区之一。《湖南省区域地质志》[1]、《湖南省岩石地层》[2]对本区各时代地层单位进行过系统总结; 郭令智[3]、陈心才[4]、贾宝华[5]、李献华等[6]先后对该区及雪峰山地区的大地构造进行深入研究, 趋于一致的看法是大庸— 古丈— 吉首大断裂是雪峰构造带的北缘断裂, 制约了扬子陆块东南缘及雪峰造山带的构造演化。彭善池[7]、杨家禄[8]、董熙平[9]等对湘西北地区寒武纪的三叶虫和牙形石动物群落的系统研究, 认为寒武纪该断裂北西为斜坡相区, 三叶虫生物群有混生特点, 具全球对比意义。彭善池等在斜坡相带寒武系内部建立了首个全球层型剖面, 并先后建立了“ 芙蓉统” 和“ 排碧阶” 、 “ 鼓山阶” 和“ 古丈阶” [7]; 劳可通[10]、周振东等[11]、叶红专[12]、汤朝阳等[13]、罗卫等[14]从不同角度对湘西北地区铅锌矿成矿作用进行了研究。大多数学者认为大庸— 古丈— 吉首大断裂是湖南省境内一条重要的基底断裂, 对湘西北地区寒武纪— 奥陶纪沉积岩相有明显的控制作用, 尤其对寒武纪清虚洞组生物礁滩相的分布有明显的控制作用, 进而约束清虚洞组层控铅锌矿的分布与富集。作者自2010年始对花垣、古丈地区开展1∶ 5万区域地质调查工作, 在充分收集综合研究前人资料的基础上, 取得了一些新的认识, 综合研究表明该断裂是扬子陆块东南缘武陵地块与雪峰地块的重要分界断裂, 它不仅制约了湘西北地区南华纪— 奥陶纪沉积岩相演化, 同时对湘西北地区锰、铅锌成矿作用的影响重大。
1 区域地质特征
湘西北地区位于上扬子陆块东南缘, 地跨扬子、武陵两个构造变形区。区内经历了武陵、雪峰— 加里东、华力西、印支— 燕山、喜马拉雅4个构造旋回, 形成了武陵、雪峰— 加里东、燕山早期和燕山晚期4个褶皱构造层。除武陵构造层为本区的基底褶皱外, 其余皆属盖层性质。其中以雪峰— 加里东构造层最为重要, 以总体呈北东向的褶皱变形和深大断裂为主, 褶皱构造带之胚胎孕育于武陵期, 在雪峰期为水下隆起及拗陷, 最后定型于加里东期。深大断裂则以大庸— 保靖— 花垣断裂、大庸— 古丈— 吉首断裂、麻栗场断裂为主干所组成的断裂带, 呈北北东— 北东— 北东向弧形展布, 并构成向南西方撒开, 往北东方收敛的帚状。断裂带南东由古丈复背斜、摩天岭背斜、涂乍— 禾库复向斜等大型复式褶皱组成, 其次级褶皱具有紧闭、同斜或倒卧的形态特征, 并常见其被燕山早期褶皱叠加改造; 断裂带北西主要分布燕山期侏罗山式褶皱, 形成了规模巨大的桑植复向斜及后期的断陷盆地(图1)。
 | 图1 湘西北地区地质构造略图[1]Fig.1 The geological structure map of northwest Hunan[1] 1.青白口纪板溪群; 2.南华系; 3.震旦系; 4.寒武系; 5.奥陶系; 6.志留系; 7.泥盆系; 8.二叠系; 9.三叠系; 10.白垩系; 11.辉绿岩; 12.整合地质界线; 13.角度不整合地质界线; 14.断层; 15.研究区位置图 |
2 区域地球物理特征
2.1 重力场特征
在1∶ 250万重力布格异常图[15]上湘西北地区为负异常背景(图2), 负值从南东往北西递增, 概略划分大庸— 古丈— 吉首大断裂以西为陡梯度带, 属于湖南省西部武陵重力梯度带, 它是纵贯全国的重力梯度带的一段, 区域延长约300 km, 水2平梯度0.85 mGal/km; 大庸— 古丈— 吉首大断裂以东则为较缓的重力低带。在剩余重力异常图上, 以剩余低值正异常为特征, 强度2~8 mGal, 总体呈北东走向断续分布, 与武陵— 雪峰地块一致。在垂向二次导数异常图上, 大庸— 古丈— 吉首大断裂以西的重力垂向二导负异常, 与武陵下古生界凹陷区分布一致; 芷江— 常德北东向二导正异常与雪峰元古界隆起区分布一致[16]。
 | 图2 湘西北地区布格重力异常图Fig.2 Map of the bouguer gravity anomalies in northwest Hunan 1. 重力正异常等值线; 2. 重力负异常等值线; 3. 重力零异常等值 |
3 岩石圈深部地质特征
3.1 岩石圈构造块体特征
湘西北地区位于扬子陆块东南缘, 以鄂湘黔深断裂为界, 分属武陵地块和雪峰地块[18], 以地学断面为基础, 结合深部地球物理资料, 将其深部地质特征总结如下。
3.1.1 武陵地块
地壳厚度43~47 km, 为长期沉降的古生代凹陷区, 是全省地壳最厚的地区, 莫霍面向北西缓倾斜, 倾角2° 左右。岩石圈厚150~230 km。地壳有7个速度界面, 大体可分3层, 上壳层厚h上3.87 km, 平均速度v上5.79 km/s, 平均密度ρ 上2.66 g/cm3; 中壳层厚h中17.4 km, 平均速度v中6.07 km/s, 平均密度ρ 中2.80 g/cm3; 下壳层厚h下23.47 km, 平均速度v下6.72 km/s, 平均密度ρ 下2.99 g/cm3。莫霍面速度Vm8.02 km/s, 密度ρ 中3.36 g/cm3。地壳平均速度V壳6.39 km/s, 平均厚度h壳44.7 km, 平均密度ρ 壳2.89 g/cm3。以厚壳厚幔为特色, 岩石电阻率约n× 102Ω · m, 属高速、高密度、中高阻地幔块体。3.1.2 雪峰地块
系长期隆升的地区, 主要出露地层为新元古代青白口纪冷家溪群和板溪群, 在沅— 麻盆地深部, 陆壳反射地震资料表明存在古元古代及太古宙火山变质岩系, 是区内最古老的结晶基底。古生代地层出露零星, 中部接受了中新生代陆相盆地沉积。沅陵以南莫霍面微微上隆, 最浅处39 km, 周围40~41 km。软流圈上隆, 岩石圈厚120~150 km。沅陵— 常德间莫霍面深度变化大, 深32~40 km, 坡度5° ~7° 。上壳层厚h上3.85 km, 平均速度v上5.64 km/s, 平均密度ρ 上2.58 g/cm3; 中壳层厚h中18.15 km, 平均速度v中6.10 km/s, 平均密度ρ 中2.81 g/cm3; 下壳层厚h下18.37 km, 平均速度v下6.76 km/s, 平均密度ρ 下3.00 g/cm3; 莫霍面速度Vm 8.20 km/s, 密度ρ 中3.36 g/cm3。地壳平均厚度h壳40.37 km, 平均速度v壳6.36 km/s, 平均密度ρ 壳2.88 g/cm3。岩石圈厚度南浅(120~150 km)、北深(200~300 km)。以缺壳内低速层为特点, 壳下岩石圈电阻率最大达n× 102~n× 103 Ω · m。莫霍面温度485 ℃, 属高温高速刚性地幔块体。
3.2 断裂带深部特征
以构造地质背景为基础, 以各种地球物理资料提供的深部构造信息组合特征标志为依据, 来研究和确定基底、地壳和岩石圈3个层次的深断裂带。确认大庸— 古丈— 吉首大断裂为岩石圈断裂带, 是武陵地块与雪峰地块的重要分界断裂。
该断裂带位于大兴安岭— 太行山— 武陵山巨型重力梯度带南段。断裂带切穿地壳深达岩石圈底部, 断裂带倾向南东, 倾角55° 左右。断裂带东侧软流圈抬升, 莫霍面深40 km左右。西侧软流圈下降, 莫霍面深45 km左右, 东西落差达5 km左右。据地壳速度分层结构, 发现壳内低速层东薄(2.5 km)、西厚(3 km)。在断裂带北西侧, 大地电磁测深反映了断裂带存在明显电性差异, 西部为50~300Ω · m的低电阻带, 地壳部分往东南倾, 上地幔部分略向西倾。断裂东侧出现向南东倾斜的n× 102~n× 103 Ω · m中高阻带与西带斜接。
经剖面重力正演定量计算, 表明断裂两侧地壳存在明显密度差。莫霍面西深东浅, 落差达4 km。在平面上断裂带两侧重磁特征各异。
3.3 断裂带浅部特征
由于断裂形成很早, 演化历史漫长, 历经加里东期、印支、燕山等构造运动的叠加与改造, 所观察到的断裂特征可能是不同发展阶段留下的形迹。主断面呈舒缓波状, 总体倾向280° ~325° , 倾角45° ~80° 。断裂破碎带宽10~50 m不等。在断裂带及其附近, 岩层挤压破碎明显, 角砾岩化、糜棱岩化、片理化极为发育。破碎带宽数十至数百米, 见硅化、褪色化、大理岩化等热液蚀变。在航片上断裂带影像清晰, 呈挤压密集带, 宽3~5 km。
七溪— 罗依溪一带[19]破碎带宽20~50 m, 断面光滑, 其上见有擦痕及阶步, 断面倾向北西, 倾角35° ~50° 。破碎带中见大量的碎裂岩、角砾岩及其它构造岩块, 断层角砾成分为细晶云岩。镜下观察见有多次构造作用的痕迹, 其中第一次应力作用强度最大, 所形成的角砾呈棱角— 次棱角状, 偶见少量细碎块呈次圆状, 粒径5~12 mm, 最大达25 mm, 局部有较多的2~3 mm或更小的碎块聚集, 反映了该应力作用及岩石受破碎程度的不均匀性, 应力性质为压性或压扭性。第二次作用是通过为数不多但切割了第一期形成的白云石细脉, 局部被压碎而成为角砾, 其次有显著波状消光现象。此外, 在手标本上还见到了沿剪裂隙充填的粗晶白云石细脉, 显示了该期应力的压性特征, 但强度不大。断层上盘寒武纪娄山关组(∈ 4l)白云岩逆冲于清虚洞组(∈ 2q)之上, 断距500~600 m。
在古丈龙潭坪一带, 断面倾向南东, 倾角约50° , 切割青白口纪板溪群至寒武系, 造成板溪群马底驿组逆覆于南华纪南沱组或震旦纪陡山沱组之上(图4), 断距近2 000 m。在断层两旁, 往往局部发育轴向与断层走向近于平行的褶皱, 并发育断层角砾岩, 角砾为次圆至椭圆状, 直径1~4 mm, 角砾岩带宽4~5 m。
 | 图4 古丈龙潭坪构造剖面图Fig.4 Geological structure profile of Longtanping in Guzhang 1.板岩; 2.炭质页岩; 3.含砾板岩; 4.硅质岩; 5.白云岩; 6.砂质板岩; 7.断层角砾岩及断层泥; Qb2m.马底驿组; Nh2d.大塘坡组; Nh3n.南沱组; Z1j.金家洞组; ∈ 1s.牛蹄塘组 |
吉首— 丛良坡一带(图5), 主断面呈舒缓波状, 倾向280° ~325° , 倾角45° ~80° 。断裂破碎带宽10~20 m不等。破碎带中滑动镜面发育, 白云石脉及方解石脉呈网状分布, 硅化、片理化及角砾岩化强烈, 剪切揉皱发育(图6)。带中充填断层角砾岩, 仔细观察显示至少有两次活动迹象: 早期, 断层角砾的成分为灰岩和白云岩, 角砾大小不一, 砾径小者约2 mm, 大者大于7 cm, 以棱角状为主, 由方解石脉及白云石脉胶结, 具有蚀变褪色现象, 断层的热液活动有北段强、南段减弱的趋势。该次活动的力学性质为张性。晚期(第二次)活动使早期的角砾岩及围岩再次破碎和胶结, 所形成的断层角砾大小比较均匀, 砾径一般0.2~1.5 cm, 次圆至次棱角状, 岩粉胶结, 部分定向排列明显, 向初糜棱岩过渡, 其力学性质为压扭性。断裂上盘寒武纪清虚洞组形成牵引褶皱, 逆冲于下盘比条组之上。其最大断距可达800 m。
 | 图5 吉首从良坡断裂素描图Fig.5 Sketch drawing of the faults in Congliangpo, Jishou 1.粉晶灰岩; 2.粉晶泥质灰岩; 3.泥粉晶灰岩; 4.页岩; 5.断层角砾岩 ∈ 2s.石牌组; ∈ 2q.清虚洞组; ∈ 3-4c.车夫组 |
 | 图6 吉首市北断裂破碎带特征(镜头指向南)Fig.6 Fault features of the fracture zone in Northern Jishou (Lens pointing to the South) |
4 断裂演化对沉积作用的约束
大庸— 古丈— 吉首大断裂带发生于新元古代青白口纪板溪末期, 是长期活动的断裂, 它控制了武陵地块和雪峰地块的发展演化及沉积相变化[3]。断裂带北西侧是一个长期沉降区, 自震旦系到三叠系除缺失泥盆系下统及石炭系外, 地层发育齐全, 接受了上万米的海相沉积, 但在断裂带南东侧由于长期隆升, 震旦— 志留系仅接受了600~3 300 m的沉积盖层, 且岩相也存在差异。两侧古生物分布也存在差异。
南华纪早— 中期:大庸— 古丈— 吉首大断裂带的成生发展导致扬子陆块东南缘加速裂解, 武陵地块与雪峰地块分离进入平行演化阶段, 沿断裂带形成大庸— 古丈线状断陷海槽。海槽内毛坪寨— 洞上— 龙家寨一带南华纪富禄组滨浅海相的石英砂岩、含细砾长石石英砂岩超覆于板溪群之上, 其上发育大塘坡组黑色炭质板岩夹含锰灰质白云岩等。盘草等地富禄组底部为砂砾岩, 其上为含砾砂岩、含砾长石石英砂岩等, 砾石中常见玄武岩砾, 发育交错层理等, 为河流— 三角洲相沉积, 其上的大塘坡组以灰绿色板岩为主, 夹黑色含炭质板岩, 未见含锰灰质白云岩等。
南华纪晚期:断陷海槽不断拓展, 海槽北西保靖县朗堂乡一带南沱组直接超覆于板溪群之上。南沱组中常见花岗岩砾石, 显示其物源区为扬子陆块。海槽南东古丈县热溪— 下潭溪— 旦武营一带缺失富禄组、大塘坡组, 南沱组直接超覆于板溪群之上。砾石成分复杂但不含花岗岩砾石, 其物源区应为雪峰古隆起。
震旦纪:随着海侵扩大, 扬子陆块东南缘形成统一的陆缘沉积体系, 大庸— 古丈— 吉首断裂对沉积体系的控制表现为控相作用, 北西侧陡山沱组和灯影组为以白云岩为主的地层, 而南东侧形成金家洞组和留茶坡组以硅质岩为主的地层。海槽中心古丈— 大庸— 石门一带陡山沱组沉积型磷矿分布广泛, 矿层厚度大, 矿石品位高。
寒武纪:大庸— 古丈— 吉首大断裂带的控岩控相作用更为明显, 纽芬兰世— 第二世早期, 大断裂两侧岩相古地理基本相似, 牛蹄塘组、石牌组均以炭泥质沉积物为主; 第二世晚期沉积岩相开始分野, 断裂北西为碳酸盐岩台地— 台地前缘斜坡, 生物礁滩开始发育, 清虚洞组可分为3个岩性段, 下段为薄层状泥质条带状灰岩, 中段为厚层块状生物藻礁灰岩、藻纹层灰岩、藻团粒灰岩、粒屑灰岩等; 上段为薄层状灰岩、薄层状云质灰岩。第三世早期高台组以厚层状白云岩、灰质白云岩为主, 夹页岩。第三世— 芙蓉世娄山关组为厚层— 块状白云岩、灰质白云岩夹豆粒鲕状白云岩等, 厚达2 084 m。生物群下部较为繁盛, 而往上极为贫乏, 属华北型。南东侧为陆棚斜坡, 清虚洞组岩性单一, 为一套薄层状泥粉晶灰岩、薄层泥质条带状灰岩, 不可分段, 整合于其上的第三世敖溪组为一套薄层状粉晶白云岩、条带状白云岩夹角砾状白云岩。第三世晚期车夫组为灰黑色中厚层状泥质灰岩、泥质条带状灰岩夹大量砾屑(竹叶状)灰岩, 斜坡沉积特征明显。芙蓉世比条组仍以灰岩沉积为主, 晚期部分地段才演变为娄山关组白云岩沉积环境, 而且生物群具有扬子区与江南区两种类型的混生特征。
奥陶纪:大庸— 古丈— 吉首大断裂带的控岩控相作用仍然明显, 北西侧奥陶纪地层由下而上可划分为桐梓组、红花园组、大湾组、牯牛潭组和宝塔组及龙马溪组等6个岩石地层单位, 以碳酸盐岩沉积为主体, 生物群落为华北类型; 而南东侧则以白水溪组、桥亭子组、烟溪组、天马山组等炭泥质— 砂泥质为主体, 生物群落为华北类型和东南类型两种动物群或以互为夹层出现。
志留纪早期扬子陆块东南缘武陵地块相对稳定, 沉积物为一套浅海砂泥质碎屑岩系, 由下至上划分为新滩组、小河坝组、马脚冲组、吴家院组、回星哨组和小溪峪组, 生物组合以三叶虫、笔石为代表。雪峰地块已大部隆升为陆, 仅雪峰山东缘有周家溪群含笔石的砂页岩地层沉积。志留纪中晚期加里东期构造运动导致湘西北地区全部隆升为陆[5], 断裂对沉积作用的控制告一段落。
5 断裂演化与岩浆作用的关系
雪峰运动使扬子陆块东南缘裂解进入陆缘裂谷盆地演化阶段, 古丈县龙鼻嘴— 万岩一带有辉绿岩呈岩墙状侵位于青白口纪板溪群多益塘组紫红色板岩中, 被南华纪南沱组冰碛岩沉积覆盖(图7); 万岩等地有角砾状安山质玄武岩, 呈岩钟状分布, 火山岩厚度为11.6 m, 不整合于青白口纪板溪群多益塘组紫红色板岩之上, 被南华纪富禄组和南沱组沉积覆盖, 接触面有铁锰质氧化物层。两者应为同源同期产物。玄武岩的岩石化学特征、地球化学特征均表明其为板内裂谷火山岩, Zhouetal在古丈龙鼻嘴辉绿岩体中采集到SHRIMP锆石U-Pb上交点年龄为(768± 28) Ma, 是扬子陆块东南缘雪峰运动的直接表现[6]。
 | 图7 古丈盘草马头山南东100 m处探槽掌子面南华纪地层与玄武岩接触关系素描图(据湖南地勘局413队资料) 1.安山质玄武岩; 2.板岩; 3.冰碛砾岩质板岩; 4.铁锰质层; 5.裂隙; Nh3n.南沱组Fig.7 Sketch showing the contact relation between Nanhua stratum and basalt at heading face of the trench located100 meters southeast of Pancaomatou mountain, Guzhang (according to Brigade 413 of Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Hunan Province) |
6 断裂对成矿作用的制约
大庸— 古丈— 吉首大断裂带对成矿作用制约主要表现在断裂对南华纪断陷海槽成生发展的控制, 从而制约了南华纪大塘坡组和震旦纪陡山沱组的沉积相带分布, 南华纪大塘坡组沉积锰矿和震旦纪陡山沱组沉积型磷矿局限于线状断陷海槽内, 这一新的认识也为古丈地区优质锰矿和磷矿的勘查开发提供了新的思路。
断裂带对成矿作用的制约还表现在断裂的成生演化对湘西北地区寒武纪碳酸盐岩台地沉积相带的制约。含矿岩系的分布与碳酸盐岩台地边缘礁滩相带密切相关, 而台地边缘礁滩相带的分布受制于断裂的成生演化。
大断裂对成矿作用的直接作用是:同沉积的深大断裂为铅锌、锰矿富集的形成提供了极为有利的成矿物质供给条件, 形成初始矿源层, 同时断裂活动为区域成矿作用提供含矿流体运移通道, 次级断裂、节理、裂隙和褶皱同时也提供了铅锌矿良好的容矿场所。
7 结 论
大庸— 古丈— 吉首大断裂是扬子陆块东南缘武陵地块与雪峰地块的重要分界断裂, 断裂活动始于新元古代末, 它的成生发展塑造了不同地史时期不同的古地理格局, 进而制约了湘西北地区南华纪— 奥陶纪沉积岩相的分布和迁移, 同时对湘西北地区震旦系优质锰矿和寒武系“ 层控型” 铅锌成矿作用的影响深远。
致谢:感谢《中国地质调查》编辑部在论文的审阅过程中给出的宝贵意见。
The authors have declared that no competing interests exist.
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