解读中西部安第斯山脉西部变形前沿的结构特征：来自智利北部莫雷诺山脉的启示

《Tectonophysics》：Deciphering the structural style of the deformation front in the western Central Andes: insight from the Sierra de Moreno in northern Chile

　　F. Martínez | C. López | G. Fuentes | L. Ayala-Carazas | R. Butler | C. Arriagada | L. Mandiola | C. Torres
地球科学学院，地质学专业，工程学院，共和国校区，República 220，圣地亚哥，智利

**摘要**
多年来，中央安第斯山脉西部的变形前沿一直被解释为单一的向西逆冲断层，其位置与Domeyko山脉最西端的山脉前沿相吻合。然而，最近对工业2D地震数据的解读揭示了在该区域西部几公里处存在一系列厚皮构造，从而引发了关于变形前沿位置、几何形态和性质的新讨论。为了参与这一讨论，我们在智利北部的Sierra de Moreno沿两个关键区域进行了结构分析，并结合了野外数据和平衡剖面数据。基于野外识别出的构造和地层关系，我们探讨了多种解释该地区区域尺度构造的方案，以理解形成安第斯前弧这一部分的构造机制。我们的研究结果表明，该地区的安第斯构造属于一种双翼混合逆冲系统，由厚皮和薄皮褶皱相关断层组成。该系统的特点是向西倾斜的中等到陡峭的厚皮逆冲断层与向东倾斜的薄皮浅层逆冲断层之间的相互作用，形成了类似构造楔形的结构。此外，在一个重要构造（La Barrera断层）的悬壁中暴露出的褶皱和断层化的侏罗纪裂谷地层，在相邻断块中却缺失，这可以通过古代侏罗纪半地堑结构的逆冲再活化来解释。这一解释与先前的地震数据分析结果一致，后者表明中央安第斯山脉西部的变形前沿受继承自前造山期的正断层的反转控制，这些正断层形成于中生代智利北部。根据我们在平衡剖面中解释的褶皱相关断层，我们估计地壳缩短量至少为7至10公里，主要通过侏罗纪前体正断层的构造反转和新形成的逆冲断层及逆冲断层的扩展来容纳。总之，Domeyko山脉西部的变形前沿被认为是由预先存在的正断层初始分布所控制的。

**引言**
穿越中央安第斯山脉的构造剖面在理解板块汇聚如何分配到海洋岩石圈俯冲和南美洲大陆边缘变形之间起到了关键作用（例如，McQuarrie, 2002; Oncken et al., 2006; Horton, 2018; Giambiagi et al., 2022; Martínez et al., 2023; Martínez and Rojas-Vera, 2025）。继承自基底伸展构造的构造在全球许多造山系统中对收缩变形的定位、类型和规模具有主导作用（例如，阿尔卑斯山、亚平宁山脉、比利牛斯山脉；Butler et al., 2006, Butler et al., 2018）。这些构造的逆冲再活化通常会导致厚皮变形和沿走向的变化；因此，限制它们在造山过程中的运动学和几何演化至关重要。解决这一问题对于理解造山机制以及造山系统内部结构的空间变异性至关重要。

在收缩型厚皮构造的情况下，当变形盆地的基底参与褶皱-逆冲带的构造时，就会形成这种构造（McClay et al., 2018; Butler et al., 2018; Martínez et al., 2021; Parker and Pearson, 2023）。基底可能由结晶岩或变质岩构成。相比之下，薄皮变形仅涉及填充变形盆地的层状序列，这些沉积物沉积在基底岩石之上（Butler et al., 2018）。在阿根廷西北部的安第斯逆冲带，继承自中生代的正断层的构造反转已被广泛记录（Kley et al., 1999; Kley and Monaldi, 2002; Carrera et al., 2006; McClay et al., 2018; Horton and Folguera, 2022），这突显了其对内陆和造山前沿地区厚皮褶皱-逆冲带传播的影响。

在智利北部（图1），很少有研究探讨古代存在伸展构造在控制中央安第斯山脉西部收缩构造中的作用（图1b）。只有少数研究探讨了内部前弧的结构（Buddin et al., 1993; Arriagada et al., 2006; Amilibia et al., 2008; Fuentes et al., 2018; López et al., 2019; Martínez et al., 2021）。在智利北部，Sierra de Moreno是Domeyko山脉的一部分（图1b），这是一个明显的南北走向的双翼褶皱-逆冲带。这是一个研究厚皮构造在塑造中央安第斯山脉西部造山前沿中作用的天然实验室。它还提供了将这些过程与全球类似构造环境进行比较的机会，并评估继承伸展构造对造山前沿演化的影响。

Sierra de Moreno现今的西缘以一个明显的地形分界线为标志，该分界线与Domeyko山脉的山脉前沿对齐（图1b）。在这条线状构造的东侧，古生代至中生代的岩石（图2）经历了强烈的褶皱和断层作用，海拔高度高出约2500米，表现出典型的厚皮变形特征（McClay et al., 2018）。而在分界线的西侧，上白垩统（图2）至新生代的岩石海拔高度约为1200米，表现出以褶皱相关的逆冲作用为特征的薄皮变形（Skármeta, 1983; Habel et al., 2021），其中许多被弱变形的沉积物和火山沉积物覆盖，构成了中央凹陷（图1b）。

对于该地区造山前沿的配置有两种解释（图1b）：一些研究者（Buddin et al., 1993; Tomlinson et al., 2001; Habel et al., 2021）将其解释为一个突出的、向西倾斜的、陡峭东倾的厚皮逆冲断层。然而，这些研究并未认识到先前存在的正断层的反转。其他研究则认为存在一系列与古代中生代正断层逆冲再活化相关的向西倾斜的背斜（Fuentes et al., 2018; López et al., 2019）。总体而言，造山前沿的构造类型、性质和演化仍存在争议。为了解决这些问题，我们对Sierra de Moreno的南端进行了结构研究（图1b）。在这项研究中，我们描述了区域和局部尺度的构造特征，绘制了一套地质剖面，并首次对Sierra de Moreno进行了收缩前的结构恢复（图2）。我们通过剖面分析提出了几种替代结构模型，以深化对该区域构造演化的理解，并更广泛地贡献于中央安第斯山脉西部的地质框架。

**研究区域的构造背景和先前解释**
Sierra de Moreno属于智利北部的Domeyko山脉，这是一个明显的南北走向的构造省，在中央安第斯山脉的内前弧处有良好的暴露（图1）。该区域形成了一个地形高地，西侧边界是看似未变形的安第斯前弧段——中央凹陷，东侧边界是一个小型山间盆地，本研究将其称为San Lorenzo盆地（图2）。其现今的西缘由……

**地层背景**
研究区域内最古老的岩石暴露在Sierra de Moreno的南端，尤其是在Chug-Chug Creek沿线（图2）。这些岩石主要由片岩、片麻岩和混合岩组成，统称为Sierra de Moreno变质杂岩（图3）。对混合岩的RbSr全岩同位素测年表明其形成于早古生代（Skármeta, 1983）。多项研究（Charrier et al., 2007; Fuentes et al., 2018; López et al., 2019; Martínez et al.）……

**方法论**
为了记录Sierra de Moreno南端主要地层单元和构造类型的分布，我们根据Tomlinson et al.（2001）提供的地质信息制作了三张地质图：一张简化的区域尺度地图（图2），突出显示主要构造特征；以及两张提供La Barrera沿线更详细地层和构造信息的局部尺度地图。

**Sierra de Moreno西段的构造特征**
从东到西，可以清晰识别出三个主要公里级构造：Sierra de Moreno断层、La Barrera断层和Frontal Thrust（图2）。Sierra de Moreno断层是一个向东倾斜的厚皮逆冲断层，在Chug-Chug Creek沿线有良好的暴露（图4a, b）。其上段具有陡峭的断层面（倾斜角度在60°-70°之间），使得Sierra de Moreno变质杂岩中的古生代结晶岩位于侏罗纪海洋地层之上……

**结论**
尽管在限制智利北部中央安第斯山脉该段地下结构和变形时间方面存在许多限制，但本研究中基于野外的地质数据和解释支持以下结论：
a) 构造伸展区域（如裂谷系统和伸展盆地）的逆冲再活化在随后形成的造山系统的演化中起着重要作用。

**作者贡献声明**
F. Martínez：撰写——原始草稿，调查，概念化。
C. López：调查，形式分析。
G. Fuentes：验证，概念化。
L. Ayala-Carazas：验证。
R. Butler：监督。
C. Arriagada：概念化。
L. Mandiola：调查，数据整理。
C. Torres：可视化。

**未引用的参考文献**
ANCORP-Working Group, 2003
Tomlinson and Blanco, 1997

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究由智利圣地亚哥安德烈斯贝洛大学的研究项目DI-07-24/REG（“智利北部安第斯前弧（21°–23° S）的构造序列恢复”）资助。作者感谢Nunns and Rogan Ltd.提供StructureSolver软件的学术许可，这对本研究中进行的结构建模和恢复分析至关重要。我们还要感谢编辑Gideon Rosenbaum和David提供的建设性评论。