新生代差異隆升及機制探討范文

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《大地構造與成礦學雜志》2016年第二期

摘要:

為了揭示長約2500km的天山山脈中新生代隆升特征,本文系統梳理分析了已發表的磷灰石裂變徑跡數據和本次野外采樣測得磷灰石裂變徑跡數據約460個,巖性以花崗巖和砂巖為主。結果顯示整個天山山脈隆升具有明顯的時空差異性。白堊紀以前記錄的徑跡數據約占14%,白堊紀以來的數據約占86%,晚古生代末天山已有徑跡年齡記錄,到晚侏羅世天山部分地區發生隆升,整體隆升不明顯,早白堊世以來整個天山普遍隆升,且存在多期隆升事件,但隆升剝蝕速率存在明顯差異。南北方向上,自南向北徑跡年齡有減小的趨勢,揭示山脈隆升自南天山向北天山擴展;東西方向上,西天山隆升時限較東天山隆升早,但白堊紀以來東、西天山均有隆升記錄。天山山脈差異性隆升是不同陸塊對亞洲板塊南緣碰撞增生作用的共同結果,其內部塊體的結構特征和力學性質是差異隆升的基礎和前提。

關鍵詞:

天山山脈;差異隆升;裂變徑跡;中新生代

天山山脈地質構造復雜,成礦條件優越,是斑巖銅–金礦、黑色巖系金礦、火山巖型鐵礦的礦集區帶,山脈的隆升剝露對早期形成的礦產具有揭示和剝蝕作用(陳正樂等,2012;朱志新等,2013),同樣約束盆地油氣的形成和演化。研究天山山脈中新生代構造隆升與剝露過程,對理解陸內造山帶的構造變形過程與機理具有重要意義(張培震等,1996;杜治利和王清晨,2007;呂紅華等,2013),對探討區內金屬礦產揭頂過程和保存條件進而指示區域找礦方向及盆地油氣勘探工作具有實用價值。低溫熱年代學的研究可以揭示山脈的隆升剝露歷史,國內外許多學者利用裂變徑跡年代學方法對天山北緣(張志誠等,2007)、南天山南緣(楊樹鋒等,2003)、依連哈比爾尕山(沈傳波等,2008;姚志剛等,2010)、博格達山(朱文斌等,2006;Shenetal.,2006;王宗秀等,2008)、吐哈盆地周緣(Zhuetal.,2005;Yuanetal.,2007;Zhuetal.,2008;高洪雷等,2014)、準噶爾南緣(李麗等,2008;曹金舟,2009)、塔里木北緣(SobelandDumitru,1997;Sobeletal.,2006;朱文斌等,2007;張志勇等,2008;劉紅旭等,2009;Zhangetal.,2009;Zhangetal.,2011;Yangetal.,2014)、伊犁盆地南緣(韓效忠等,2008)、庫車盆地(楊庚和錢祥麟,1995)、烏庫公路(馬前等,2006)、獨子山–庫車公路(王彥斌等,2001;郭召杰等,2006;Jolivetetal.,2010)、巴倫臺(呂紅華等,2013)及境外(Dobretsovetal.,1996;Bullenetal.,2001,2003;Buslovetal.,2006;DeGraveetal.,2007)等地進行了隆升剝露的研究,此外還有學者(Dumitruetal.,2001;陳正樂等,2006,2008;杜治利和王清晨,2007;Wangetal.,2009)探討了中新生代天山大范圍地區的隆升剝露歷史。但前人的研究主要針對天山某一部位的采樣來研究該區的隆升剝露及構造演化特征,缺乏系統性的分析整個天山山脈隆升剝露的時空差異特征。本文收集和梳理了前人已發表的磷灰石裂變徑跡數據以及本次在阿吾勒拉山、巴音布魯克等地采集的花崗巖和砂巖樣品,探討了中新生代整個天山山脈隆升剝露的時空差異性及其隆升機制。

1區域地質概況

天山山脈是亞洲中部一條重要的板內造山帶,長約2500km,寬150~300km,呈東西走向,位于準噶爾和塔里木盆地之間,向西延入哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦境內(圖1)。天山山脈由元古代到新生代以來的各類變質巖、火成巖和海、陸相沉積巖構成(新疆維吾爾自治區地質礦產局,1993),出露的地質體主體為古生代形成的海相火山沉積巖系,其內為各種侵入巖和變質巖,山脈的山間盆地及山前盆地主要分布中生代以來的陸相沉積巖系(李錦軼等,2006;陳正樂等,2012)。區內發育一系列近東西向的走滑斷層、逆沖斷層和山間盆地,如那拉提南緣–庫米什斷裂、塔里木北緣逆沖斷裂及伊犁盆地、伊塞克湖盆地、吐哈盆地等。晚古生代隨著古天山–準噶爾洋、南天山弧后盆地相繼閉合,塔里木古板塊和哈薩克斯坦古板塊碰撞,天山縫合帶開始形成并進入板內演化階段(吳世敏等,1995;舒良樹等,2004;朱志新等,2013;Yangetal.,2014)。中新生代期間,天山山脈經歷了多期構造運動和隆升過程,晚新生代以來,天山山脈的構造變形表現為持續南北向擠壓和縮短,且縮短量從南向北、從西向東逐步減少(Yinetal.,1998;Chenetal.,1999;鄧起東等,2000;牛之俊等,2007),GPS監測亦顯示現今天山山脈南北向縮短抬升的特征(王曉強等,2005;Leietal.,2013)。為了方便討論天山山脈的隆升特征,以博羅科努斷裂–阿其克庫都克斷裂和哈爾克山–包爾圖斷裂為界將整個天山地區分為北天山、中天山和南天山;沿烏魯木齊–庫爾勒一線將天山山脈劃分為東天山和西天山(圖1)。

2天山山脈隆升時間特征

自20世紀90年代以來,裂變徑跡熱年代學方法廣泛應用于境內外天山山脈隆升剝露的研究。本文全面收集整理了前人發表的磷灰石裂變徑跡數據,并測試了西天山阿吾拉勒山等地31個樣品(另文報道),總共約460個年齡數據(圖1),樣品巖性以花崗巖為主,約310個,部分為砂巖,約130個,另有少量火山巖和片巖,測試礦物均為磷灰石。結果顯示天山山脈在二疊紀有徑跡年齡記錄,出現初始隆升,在三疊紀和侏羅紀隆升較為普遍,自白堊紀以來整個天山處于相對活躍的隆升階段,三個階段的隆升呈階梯式的特點(圖2)。

2.1晚古生代末期隆升磷灰石裂變徑跡數據記錄最早的時間是二疊紀,一是花崗巖樣品,位于獨庫公路中段旁側,徑跡年齡為275.4±7.9Ma(Dumitruetal.,2001),記錄巖體隆升時間;一是頭屯河地區侏羅系砂巖樣品,年齡為253.7±16.5Ma(郭召杰等,2006),記錄了源區冷卻年齡,后期埋深較淺,沒有經歷完全退火。這兩個數據大致在同一緯度,經度相差約3°,說明在晚古生代天山山脈不同部位已經存在隆升剝露的記錄。前人(李錦軼等,2006;左國朝等,2008;朱志新等,2013)根據巖體時代和構造變形時代證據揭示天山古生代洋盆在晚石炭世關閉,在二疊紀開始進入造山演化階段。磷灰石徑跡年齡也記錄了該時段天山地區進入陸內演化并開始發生隆升剝露。

2.2三疊紀–侏羅紀隆升已整理的三疊紀–侏羅紀磷灰石裂變徑跡年齡數據有52個,在花崗巖和砂巖樣品中均有記錄。花崗巖樣品主要分布在伊塞克湖盆地北緣(160~130Ma,DeGraveetal.,2007)、昭蘇(158~157Ma,陳正樂等,2006)、庫魯克塔格(146Ma,朱文斌等,2007;140~135Ma,Yuanetal.,2007)、獨庫公路沿線(245~135Ma,Dumitruetal.,2001;郭召杰等,2006;張志誠等,2007)、烏拉斯臺(143Ma,郭召杰等,2006)、阿克蘇(240~168Ma,Dumitruetal.,2001)及庫車(197Ma,Dumitruetal.,2001)。砂巖樣品主要分布在獨庫公路(178~140Ma,郭召杰等,2006;張志誠等,2007)、頭屯河(169~151Ma,郭召杰等,2006)、柯坪塔格(164Ma、155Ma,Sobeletal.,2006)、木茲杜克(170Ma、135Ma)、喀什盆地邊緣逆沖斷層(216~135Ma)、瑪拉斯河(187Ma,Hendrixetal.,1994)和吐魯番盆地(190Ma,Zhuetal.,2005)。該時段在天山山脈不同部位均出現隆升和源區剝露的徑跡年齡記錄,年齡集中在侏羅紀,說明整個天山已處在隆升剝露階段。磷灰石裂變徑跡年齡記錄應證了自侏羅紀開始,天山造山帶的演化主要表現為陸內褶皺–沖斷隆升活動及山體的剝露和山間盆地沉積。關于該階段的隆升剝露速率,韓效忠等(2008)根據徑跡數據估算伊犁盆地南緣剝露速率為72~177m/Ma,在其他地區雖然沒有具體估算隆升剝露速率,但從前人報道的熱史模擬曲線中可以看出該時段隆升剝露速率相對于新生代較為緩慢。

2.3白堊紀以來隆升135Ma以來記錄的磷灰石裂變徑跡年齡廣泛分布于整個天山山脈(圖1)。由圖2可知,白堊紀以來天山存在115~90Ma,75~60Ma,50~40Ma,30~15Ma四個相對快速隆升時段,其中漸新世–中新世的隆升最為明顯。準噶爾盆地南緣烏蘇附近及巴音布魯克盆地在早白堊世存在隆升剝露,中新世以來發生快速隆升;玉希莫勒蓋達坂地區與盆地南緣、冰達坂南烏拉斯臺及烏魯木齊以西的頭屯河地區晚漸新世–中新世(25Ma左右)發生快速隆升(郭召杰等,2006)。學者研究認為依連哈比爾尕山在白堊紀以來存在多期隆升事件:沈傳波等(2008)認為有5次隆升,最大隆升發生在中新世,速率為306.1m/Ma;曹金舟(2009)認為晚白堊世、古新世及中新世發生快速隆升,最快隆升速率為127m/Ma;姚志剛等(2010)認為至少經歷了早白堊世和中新世以來2次明顯的隆升事件。雖然初始隆升時間及隆升速率不同,但是白堊紀以來依連哈比爾尕山存在多次隆升,特別是中新世的快速隆升。博格達–巴里坤山鏈在新生代隆升有3個明顯階段(47~42Ma,30~20Ma和19~5.6Ma),且隆升由西向東遷移(王宗秀等,2008)。博格達山東段和哈爾里克地區自白堊紀以來經歷了多期隆升事件,晚白堊世–早新生代中期隆升平均速率為183m/Ma(朱文斌等,2006)。吐哈盆地南緣阿齊山–雅滿蘇一帶在晚白堊世–始新世間發生強烈的隆升剝蝕事件,最大剝蝕速率達270~580m/Ma,而20~12Ma以來,隆升相對緩慢,剝蝕速率約23~50m/Ma(劉紅旭等,2014),與該區普遍缺少白堊系相吻合。盆地南緣覺羅塔格地區自晚白堊世以來的平均剝蝕速率為39m/Ma(Zhuetal.,2008),與雅滿蘇地區晚白堊世以來平均隆升速率(43.1m/Ma)(高洪雷等,2014)相近,揭示吐哈盆地南緣地區在始新世(50Ma)以后構造活動相對穩定,未發生顯著隆升剝蝕過程。天山西部吉爾吉斯斯坦段楚河盆地以南在中新世發生快速隆升,速率為400m/Ma(Bullenetal.,2001);伊犁盆地南緣在白堊紀–古近紀經歷快速隆升(韓效忠等,2008);烏魯木齊–庫爾勒段晚白堊世隆升速率為126m/Ma,中新世發生快速隆升,速率為306m/Ma,巴倫臺地區中新世發生快速隆升,隆升速率可能>200m/Ma(馬前等,2006);獨山子–庫車公路一帶在白堊紀和中新世存在隆升作用(王彥斌等,2001);南天山庫車和陽霞斷裂在中新世有一次構造隆升,速率為139~199m/Ma(楊樹鋒等,2003)。塔里木盆地北部薩瓦甫齊及塔里克地區記錄了晚白堊世–始新世末(73~38Ma)、漸新世–中新世(30~9Ma)和中新世末(9~4Ma)3個階段式隆升階段(劉紅旭等,2009);庫魯克塔格地區存在晚白堊世早期和新生代晚期的隆升,中新世隆升速率在200~260m/Ma之間(朱文斌等,2007)。庫車坳陷庫車河剖面及庫車盆地在白堊紀以來存在3次隆升剝蝕事件,晚白堊世剝蝕速率約40~50m/Ma,30Ma以來剝蝕速率為70m/Ma(賈承造等,2003;杜治利等,2007)。磷灰石裂變徑跡年齡數據表明天山山脈普遍經歷白堊紀以來的多次快速隆升過程,在中新世除吐哈盆地南緣,山體其他地區均發生快速隆升,但不同地區快速隆升剝露的速率差距較大,西天山快速隆升剝蝕的速率普遍比東天山隆升剝蝕較快。通過GPS監測表明天山山脈現今仍在構造變形和隆升中(Abdrakhmatovetal.,1996;牛之俊等,2007;Leietal.,2013)。

3天山山脈隆升空間特征

磷灰石裂變徑跡數據顯示,天山山脈的隆升具有空間差異性(圖1)。為此,我們分別從南北方向上和東西方向上對天山山脈的隆升規律進行探討。

3.1南北向隆升差異南天山裂變徑跡數據主要分布在塔里木盆地北緣和獨庫公路南段,在阿圖什、阿克蘇、庫車和庫魯克塔格均有三疊紀–侏羅紀徑跡年齡記錄,同時又有白堊紀以來的隆升事件。中天山裂變徑跡數據分布在伊塞克湖盆地周緣和伊犁盆地南緣察汗烏蘇山。吉爾吉斯境內伊塞克湖盆地周緣徑跡年齡主要記錄侏羅紀和中新世的隆升,徑跡年齡有向東減小趨勢(Dobretsovetal.,1996;Dumitruetal.,2001;DeGraveetal.,2007)。察汗烏蘇山裂變徑跡除昭蘇煤礦南側2個樣品記錄了侏羅紀年齡外,其他徑跡年齡均集中在白堊紀以來,且年齡的分布具有自南向北擴展的趨勢(陳正樂等,2006)。北天山裂變徑跡數據主要分布于依連哈比爾尕山、博格達山和哈爾里克地區及吐哈盆地周緣,這些地區在白堊紀以來存在多期隆升事件,以新生代隆升為主,中新世隆升最強烈(Zhuetal.,2005;朱文斌等,2006;沈傳波等,2008;王宗秀等,2008;曹金舟,2009;姚志剛等,2010)。天山山脈南北方向上總體隆升具有先南后北的趨勢,且具有階段性持續隆升剝露特征,既有侏羅紀隆升,又有白堊紀以來不同時期的隆升剝露。可能是不同時期不同陸塊向亞洲板塊南緣碰撞增生所致,局部隆升剝露與構造抬升有關。

3.2東西向隆升差異西天山吉爾吉斯境內、伊犁盆地東南緣、塔里木北緣的薩瓦甫齊、塔里克、庫車及獨庫公路一線徑跡年齡在晚古生代、三疊紀–侏羅紀和白堊紀以來均有記錄,在中新世存在快速隆升。東天山依連哈比爾尕山、博格達–巴里坤山鏈、塔里木盆地東北緣磷灰石徑跡年齡記錄的隆升事件均發生在白堊紀以來,隨后又發生多次隆升。在東天山吐哈盆地南緣阿齊山、雅滿蘇地區除一個樣品(F11,花崗巖)徑跡年齡為146Ma(朱文斌等,2007),其余樣品徑跡年齡記錄了晚白堊世的隆升剝露事件,而在新生代無徑跡年齡記錄,與盆地北緣新生代存在快速隆升有所差異。由此可見,東天山地區徑跡年齡記錄的主要是白堊紀以來的年齡,西天山在白堊紀以前隆升已相對普遍;白堊紀以來,東、西天山均出現快速隆升剝蝕,但東天山吐哈盆地南緣在新生代以來相對穩定。從地貌特征上看,西天山山脈發育較寬且整體海拔較高,東天山山脈較窄海拔偏低;從地質和地球物理特征上看,西天山發育較多的蛇綠巖帶,大面積分布古生代火山巖和沉積層系,且具有薄巖石圈厚地殼(熊小松等,2011),東天山以出露前寒武紀角閃巖相變質巖系為主,具有厚巖石圈薄地殼。東、西天山的地質和地球物理差異及塔里木盆地的順時針旋轉(Chenetal.,1990;Avouacetal.,1993)可能是導致山脈東西差異隆升的主要原因。

4天山山脈隆升機制

目前,國內外學者普遍認為不同陸塊對亞洲板塊南緣的碰撞增生作用是影響天山地區中新生代構造變形與隆升的主要原因,包括晚三疊世(230~200Ma)羌塘地塊增生作用,晚侏羅世(140~125Ma)拉薩地塊增生作用,晚白堊世(80~70Ma)科西斯坦–德拉斯島弧的增生作用以及55Ma以來印度板塊與歐亞板塊的碰撞增生作用,這些事件成為天山山脈不同時期隆升的動力來源(Hendrixetal.,1992;Dumitruetal.,2001;Bullenetal.,2001;朱文斌等,2007;DeGraveetal.,2007;沈傳波等,2008;張志勇等,2008;劉紅旭等,2009,2014;高洪雷等,2014)。Chenetal.(1990)和Avouacetal.(1993)根據古地磁研究以及雷顯權等(2011)利用有限元數值模擬方法得出新生代以來的天山山脈的構造變形和隆升直接動力是塔里木塊體的順時針旋轉,而第四紀以來山體變形和隆升除塔里木塊體的旋轉外,還有西部帕米爾高原對天山的強烈推擠作用(張培震等,1996;牛之俊等,2007)。不論是塔里木塊體的旋轉或帕米爾高原的推擠,其根本的動力來源應是印度板塊向亞洲板塊的碰撞及俯沖。關于天山山脈隆升的差異因素,不同學者的觀點不盡相同:(1)東西天山差異隆升的原因為古生代時期南天山洋盆的自東向西剪刀狀閉合和塔里木板塊的斜向碰撞(郭召杰等,2002);(2)天山地區GPS測量結果表明西天山的變形強于東天山的主要原因可能是西部帕米爾高原對天山的直接俯沖推擠作用,而東天山的構造活動則是塔里木塊體對其緩慢推擠的結果(王曉強等,2005);(3)天山造山帶不同區域深部特定條件下的差異性活動、熱‒流變學性質的差異性以及不同構造邊界活動的差異性(沈傳波等,2006,2008);(4)天山造山帶內部先存的晚古生代后形成的剛性塊體和早期發育的大型斷裂帶影響著新生代山脈的差異隆升(陳正樂等,2009);(5)深地震探測顯示的西天山薄的巖石圈、厚地殼及東天山相反特征是不同區段隆升差異的原因(熊小松等,2011)。從前人研究得出的結論可知,影響山體差異隆升的主要因素是外力作用和山體自身結構特征兩個方面。作為中亞巨型造山帶的天山山脈,是多個(微)古板塊拼合而成,古板塊之間及縫合處具有不同的構造特征和力學性質,決定了天山內部結構形態的不均一性。深地震探測也顯示天山山脈巖石圈內部結構存在差異,如南天山上地幔頂部的地震高速異常體,中天山和北天山的低速異常體,整個天山的地殼分層結構及層速度和厚度變化大等(盧德源等,2000;郭飚等,2006)。可見,天山山脈內部不同的結構特征為差異隆升提供了基礎和前提。對已有的裂變徑跡年齡分析可知,天山山脈的快速隆升歷史基本對應著不同陸塊對亞洲板塊南緣的碰撞增生事件,作用在天山的這些外力和造山帶內部的結構特征共同導致了造山帶的隆升具有時空差異性。此外,構造帶對徑跡年齡也存在影響,通過對已有樣品的位置和徑跡年齡分析,徑跡年齡的相對大小與樣品位置是否處在構造活動部位關系密切,不同的構造部位決定了徑跡年齡的差異:靠近構造帶的樣品徑跡年齡比非構造部位相對偏小,可能原因是構造活動產生的熱量使得徑跡發生部分退火,徑跡縮短減少,另一方面也可能是深部的地質體在構造活躍處快速隆升至磷灰石部分退火區間或地表。新生代以來,天山山脈隆升的主導因素是印度–歐亞板塊俯沖碰撞的遠程效應,在區域擠壓應力作用下,整個天山地區的構造活動是一種北(南)天山沖斷層向南(北)傾,向北(南)逆沖的雙向逆沖縮短過程,并伴隨著走滑作用和不同程度的差異隆升剝露作用。天山現今的地貌特征表現為山體由多條平行山脈組成,且南、北緣山脈海拔明顯高于中部山系(圖1),表明天山的形成是一種由于擠壓作用,地殼逆沖疊加增厚的過程,與陸陸碰撞造山的機制有所不同。總之,天山造山帶的內部結構特征和不同時期的地質作用共同導致山脈隆升剝露的時空差異性。

5結論

(1)天山山脈呈現出二疊紀、三疊紀–侏羅紀和白堊紀以來三個階梯式隆升特點,白堊紀以來是天山主要的隆升時期,不同部位快速隆升剝蝕速率存在明顯差異,且山體現今仍處在強烈構造變形和隆升階段。(2)南北方向上,裂變徑跡年齡顯示山體的隆升剝露具有從南天山向北天山減小趨勢,南天山徑跡年齡多處在白堊紀以前,北天山徑跡年齡普遍在白堊紀以來;東西方向上,西天山地區隆升相對早于東天山,但在白堊紀以來,除東天山南緣只有晚白堊世隆升記錄,東、西天山其他地區均存在多期快速隆升剝露。(3)天山山脈隆升剝露是不同陸塊對亞洲板塊南緣碰撞增生的共同結果,但造山帶的內部結構特征是差異隆升的基礎和前提。

作者：孫岳 陳正樂 王永 韓鳳彬 吳玉 孟令通 張昊 單位：東華理工大學 地球科學學院 中國地質科學院 地質力學研究所 中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院