新生代差异隆升及机制探讨范文

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《大地构造与成矿学杂志》2016年第二期

摘要:

为了揭示长约2500km的天山山脉中新生代隆升特征,本文系统梳理分析了已发表的磷灰石裂变径迹数据和本次野外采样测得磷灰石裂变径迹数据约460个,岩性以花岗岩和砂岩为主。结果显示整个天山山脉隆升具有明显的时空差异性。白垩纪以前记录的径迹数据约占14%,白垩纪以来的数据约占86%,晚古生代末天山已有径迹年龄记录,到晚侏罗世天山部分地区发生隆升,整体隆升不明显,早白垩世以来整个天山普遍隆升,且存在多期隆升事件,但隆升剥蚀速率存在明显差异。南北方向上,自南向北径迹年龄有减小的趋势,揭示山脉隆升自南天山向北天山扩展;东西方向上,西天山隆升时限较东天山隆升早,但白垩纪以来东、西天山均有隆升记录。天山山脉差异性隆升是不同陆块对亚洲板块南缘碰撞增生作用的共同结果,其内部块体的结构特征和力学性质是差异隆升的基础和前提。

关键词:

天山山脉;差异隆升;裂变径迹;中新生代

天山山脉地质构造复杂,成矿条件优越,是斑岩铜–金矿、黑色岩系金矿、火山岩型铁矿的矿集区带,山脉的隆升剥露对早期形成的矿产具有揭示和剥蚀作用(陈正乐等,2012;朱志新等,2013),同样约束盆地油气的形成和演化。研究天山山脉中新生代构造隆升与剥露过程,对理解陆内造山带的构造变形过程与机理具有重要意义(张培震等,1996;杜治利和王清晨,2007;吕红华等,2013),对探讨区内金属矿产揭顶过程和保存条件进而指示区域找矿方向及盆地油气勘探工作具有实用价值。低温热年代学的研究可以揭示山脉的隆升剥露历史,国内外许多学者利用裂变径迹年代学方法对天山北缘(张志诚等,2007)、南天山南缘(杨树锋等,2003)、依连哈比尔尕山(沈传波等,2008;姚志刚等,2010)、博格达山(朱文斌等,2006;Shenetal.,2006;王宗秀等,2008)、吐哈盆地周缘(Zhuetal.,2005;Yuanetal.,2007;Zhuetal.,2008;高洪雷等,2014)、准噶尔南缘(李丽等,2008;曹金舟,2009)、塔里木北缘(SobelandDumitru,1997;Sobeletal.,2006;朱文斌等,2007;张志勇等,2008;刘红旭等,2009;Zhangetal.,2009;Zhangetal.,2011;Yangetal.,2014)、伊犁盆地南缘(韩效忠等,2008)、库车盆地(杨庚和钱祥麟,1995)、乌库公路(马前等,2006)、独子山–库车公路(王彦斌等,2001;郭召杰等,2006;Jolivetetal.,2010)、巴伦台(吕红华等,2013)及境外(Dobretsovetal.,1996;Bullenetal.,2001,2003;Buslovetal.,2006;DeGraveetal.,2007)等地进行了隆升剥露的研究,此外还有学者(Dumitruetal.,2001;陈正乐等,2006,2008;杜治利和王清晨,2007;Wangetal.,2009)探讨了中新生代天山大范围地区的隆升剥露历史。但前人的研究主要针对天山某一部位的采样来研究该区的隆升剥露及构造演化特征,缺乏系统性的分析整个天山山脉隆升剥露的时空差异特征。本文收集和梳理了前人已发表的磷灰石裂变径迹数据以及本次在阿吾勒拉山、巴音布鲁克等地采集的花岗岩和砂岩样品,探讨了中新生代整个天山山脉隆升剥露的时空差异性及其隆升机制。

1区域地质概况

天山山脉是亚洲中部一条重要的板内造山带,长约2500km,宽150~300km,呈东西走向,位于准噶尔和塔里木盆地之间,向西延入哈萨克斯坦和吉尔吉斯斯坦境内(图1)。天山山脉由元古代到新生代以来的各类变质岩、火成岩和海、陆相沉积岩构成(新疆维吾尔自治区地质矿产局,1993),出露的地质体主体为古生代形成的海相火山沉积岩系,其内为各种侵入岩和变质岩,山脉的山间盆地及山前盆地主要分布中生代以来的陆相沉积岩系(李锦轶等,2006;陈正乐等,2012)。区内发育一系列近东西向的走滑断层、逆冲断层和山间盆地,如那拉提南缘–库米什断裂、塔里木北缘逆冲断裂及伊犁盆地、伊塞克湖盆地、吐哈盆地等。晚古生代随着古天山–准噶尔洋、南天山弧后盆地相继闭合,塔里木古板块和哈萨克斯坦古板块碰撞,天山缝合带开始形成并进入板内演化阶段(吴世敏等,1995;舒良树等,2004;朱志新等,2013;Yangetal.,2014)。中新生代期间,天山山脉经历了多期构造运动和隆升过程,晚新生代以来,天山山脉的构造变形表现为持续南北向挤压和缩短,且缩短量从南向北、从西向东逐步减少(Yinetal.,1998;Chenetal.,1999;邓起东等,2000;牛之俊等,2007),GPS监测亦显示现今天山山脉南北向缩短抬升的特征(王晓强等,2005;Leietal.,2013)。为了方便讨论天山山脉的隆升特征,以博罗科努断裂–阿其克库都克断裂和哈尔克山–包尔图断裂为界将整个天山地区分为北天山、中天山和南天山;沿乌鲁木齐–库尔勒一线将天山山脉划分为东天山和西天山(图1)。

2天山山脉隆升时间特征

自20世纪90年代以来,裂变径迹热年代学方法广泛应用于境内外天山山脉隆升剥露的研究。本文全面收集整理了前人发表的磷灰石裂变径迹数据,并测试了西天山阿吾拉勒山等地31个样品(另文报道),总共约460个年龄数据(图1),样品岩性以花岗岩为主,约310个,部分为砂岩,约130个,另有少量火山岩和片岩,测试矿物均为磷灰石。结果显示天山山脉在二叠纪有径迹年龄记录,出现初始隆升,在三叠纪和侏罗纪隆升较为普遍,自白垩纪以来整个天山处于相对活跃的隆升阶段,三个阶段的隆升呈阶梯式的特点(图2)。

2.1晚古生代末期隆升磷灰石裂变径迹数据记录最早的时间是二叠纪,一是花岗岩样品,位于独库公路中段旁侧,径迹年龄为275.4±7.9Ma(Dumitruetal.,2001),记录岩体隆升时间;一是头屯河地区侏罗系砂岩样品,年龄为253.7±16.5Ma(郭召杰等,2006),记录了源区冷却年龄,后期埋深较浅,没有经历完全退火。这两个数据大致在同一纬度,经度相差约3°,说明在晚古生代天山山脉不同部位已经存在隆升剥露的记录。前人(李锦轶等,2006;左国朝等,2008;朱志新等,2013)根据岩体时代和构造变形时代证据揭示天山古生代洋盆在晚石炭世关闭,在二叠纪开始进入造山演化阶段。磷灰石径迹年龄也记录了该时段天山地区进入陆内演化并开始发生隆升剥露。

2.2三叠纪–侏罗纪隆升已整理的三叠纪–侏罗纪磷灰石裂变径迹年龄数据有52个,在花岗岩和砂岩样品中均有记录。花岗岩样品主要分布在伊塞克湖盆地北缘(160~130Ma,DeGraveetal.,2007)、昭苏(158~157Ma,陈正乐等,2006)、库鲁克塔格(146Ma,朱文斌等,2007;140~135Ma,Yuanetal.,2007)、独库公路沿线(245~135Ma,Dumitruetal.,2001;郭召杰等,2006;张志诚等,2007)、乌拉斯台(143Ma,郭召杰等,2006)、阿克苏(240~168Ma,Dumitruetal.,2001)及库车(197Ma,Dumitruetal.,2001)。砂岩样品主要分布在独库公路(178~140Ma,郭召杰等,2006;张志诚等,2007)、头屯河(169~151Ma,郭召杰等,2006)、柯坪塔格(164Ma、155Ma,Sobeletal.,2006)、木兹杜克(170Ma、135Ma)、喀什盆地边缘逆冲断层(216~135Ma)、玛拉斯河(187Ma,Hendrixetal.,1994)和吐鲁番盆地(190Ma,Zhuetal.,2005)。该时段在天山山脉不同部位均出现隆升和源区剥露的径迹年龄记录,年龄集中在侏罗纪,说明整个天山已处在隆升剥露阶段。磷灰石裂变径迹年龄记录应证了自侏罗纪开始,天山造山带的演化主要表现为陆内褶皱–冲断隆升活动及山体的剥露和山间盆地沉积。关于该阶段的隆升剥露速率,韩效忠等(2008)根据径迹数据估算伊犁盆地南缘剥露速率为72~177m/Ma,在其他地区虽然没有具体估算隆升剥露速率,但从前人报道的热史模拟曲线中可以看出该时段隆升剥露速率相对于新生代较为缓慢。

2.3白垩纪以来隆升135Ma以来记录的磷灰石裂变径迹年龄广泛分布于整个天山山脉(图1)。由图2可知,白垩纪以来天山存在115~90Ma,75~60Ma,50~40Ma,30~15Ma四个相对快速隆升时段,其中渐新世–中新世的隆升最为明显。准噶尔盆地南缘乌苏附近及巴音布鲁克盆地在早白垩世存在隆升剥露,中新世以来发生快速隆升;玉希莫勒盖达坂地区与盆地南缘、冰达坂南乌拉斯台及乌鲁木齐以西的头屯河地区晚渐新世–中新世(25Ma左右)发生快速隆升(郭召杰等,2006)。学者研究认为依连哈比尔尕山在白垩纪以来存在多期隆升事件:沈传波等(2008)认为有5次隆升,最大隆升发生在中新世,速率为306.1m/Ma;曹金舟(2009)认为晚白垩世、古新世及中新世发生快速隆升,最快隆升速率为127m/Ma;姚志刚等(2010)认为至少经历了早白垩世和中新世以来2次明显的隆升事件。虽然初始隆升时间及隆升速率不同,但是白垩纪以来依连哈比尔尕山存在多次隆升,特别是中新世的快速隆升。博格达–巴里坤山链在新生代隆升有3个明显阶段(47~42Ma,30~20Ma和19~5.6Ma),且隆升由西向东迁移(王宗秀等,2008)。博格达山东段和哈尔里克地区自白垩纪以来经历了多期隆升事件,晚白垩世–早新生代中期隆升平均速率为183m/Ma(朱文斌等,2006)。吐哈盆地南缘阿齐山–雅满苏一带在晚白垩世–始新世间发生强烈的隆升剥蚀事件,最大剥蚀速率达270~580m/Ma,而20~12Ma以来,隆升相对缓慢,剥蚀速率约23~50m/Ma(刘红旭等,2014),与该区普遍缺少白垩系相吻合。盆地南缘觉罗塔格地区自晚白垩世以来的平均剥蚀速率为39m/Ma(Zhuetal.,2008),与雅满苏地区晚白垩世以来平均隆升速率(43.1m/Ma)(高洪雷等,2014)相近,揭示吐哈盆地南缘地区在始新世(50Ma)以后构造活动相对稳定,未发生显著隆升剥蚀过程。天山西部吉尔吉斯斯坦段楚河盆地以南在中新世发生快速隆升,速率为400m/Ma(Bullenetal.,2001);伊犁盆地南缘在白垩纪–古近纪经历快速隆升(韩效忠等,2008);乌鲁木齐–库尔勒段晚白垩世隆升速率为126m/Ma,中新世发生快速隆升,速率为306m/Ma,巴伦台地区中新世发生快速隆升,隆升速率可能>200m/Ma(马前等,2006);独山子–库车公路一带在白垩纪和中新世存在隆升作用(王彦斌等,2001);南天山库车和阳霞断裂在中新世有一次构造隆升,速率为139~199m/Ma(杨树锋等,2003)。塔里木盆地北部萨瓦甫齐及塔里克地区记录了晚白垩世–始新世末(73~38Ma)、渐新世–中新世(30~9Ma)和中新世末(9~4Ma)3个阶段式隆升阶段(刘红旭等,2009);库鲁克塔格地区存在晚白垩世早期和新生代晚期的隆升,中新世隆升速率在200~260m/Ma之间(朱文斌等,2007)。库车坳陷库车河剖面及库车盆地在白垩纪以来存在3次隆升剥蚀事件,晚白垩世剥蚀速率约40~50m/Ma,30Ma以来剥蚀速率为70m/Ma(贾承造等,2003;杜治利等,2007)。磷灰石裂变径迹年龄数据表明天山山脉普遍经历白垩纪以来的多次快速隆升过程,在中新世除吐哈盆地南缘,山体其他地区均发生快速隆升,但不同地区快速隆升剥露的速率差距较大,西天山快速隆升剥蚀的速率普遍比东天山隆升剥蚀较快。通过GPS监测表明天山山脉现今仍在构造变形和隆升中(Abdrakhmatovetal.,1996;牛之俊等,2007;Leietal.,2013)。

3天山山脉隆升空间特征

磷灰石裂变径迹数据显示,天山山脉的隆升具有空间差异性(图1)。为此,我们分别从南北方向上和东西方向上对天山山脉的隆升规律进行探讨。

3.1南北向隆升差异南天山裂变径迹数据主要分布在塔里木盆地北缘和独库公路南段,在阿图什、阿克苏、库车和库鲁克塔格均有三叠纪–侏罗纪径迹年龄记录,同时又有白垩纪以来的隆升事件。中天山裂变径迹数据分布在伊塞克湖盆地周缘和伊犁盆地南缘察汗乌苏山。吉尔吉斯境内伊塞克湖盆地周缘径迹年龄主要记录侏罗纪和中新世的隆升,径迹年龄有向东减小趋势(Dobretsovetal.,1996;Dumitruetal.,2001;DeGraveetal.,2007)。察汗乌苏山裂变径迹除昭苏煤矿南侧2个样品记录了侏罗纪年龄外,其他径迹年龄均集中在白垩纪以来,且年龄的分布具有自南向北扩展的趋势(陈正乐等,2006)。北天山裂变径迹数据主要分布于依连哈比尔尕山、博格达山和哈尔里克地区及吐哈盆地周缘,这些地区在白垩纪以来存在多期隆升事件,以新生代隆升为主,中新世隆升最强烈(Zhuetal.,2005;朱文斌等,2006;沈传波等,2008;王宗秀等,2008;曹金舟,2009;姚志刚等,2010)。天山山脉南北方向上总体隆升具有先南后北的趋势,且具有阶段性持续隆升剥露特征,既有侏罗纪隆升,又有白垩纪以来不同时期的隆升剥露。可能是不同时期不同陆块向亚洲板块南缘碰撞增生所致,局部隆升剥露与构造抬升有关。

3.2东西向隆升差异西天山吉尔吉斯境内、伊犁盆地东南缘、塔里木北缘的萨瓦甫齐、塔里克、库车及独库公路一线径迹年龄在晚古生代、三叠纪–侏罗纪和白垩纪以来均有记录,在中新世存在快速隆升。东天山依连哈比尔尕山、博格达–巴里坤山链、塔里木盆地东北缘磷灰石径迹年龄记录的隆升事件均发生在白垩纪以来,随后又发生多次隆升。在东天山吐哈盆地南缘阿齐山、雅满苏地区除一个样品(F11,花岗岩)径迹年龄为146Ma(朱文斌等,2007),其余样品径迹年龄记录了晚白垩世的隆升剥露事件,而在新生代无径迹年龄记录,与盆地北缘新生代存在快速隆升有所差异。由此可见,东天山地区径迹年龄记录的主要是白垩纪以来的年龄,西天山在白垩纪以前隆升已相对普遍;白垩纪以来,东、西天山均出现快速隆升剥蚀,但东天山吐哈盆地南缘在新生代以来相对稳定。从地貌特征上看,西天山山脉发育较宽且整体海拔较高,东天山山脉较窄海拔偏低;从地质和地球物理特征上看,西天山发育较多的蛇绿岩带,大面积分布古生代火山岩和沉积层系,且具有薄岩石圈厚地壳(熊小松等,2011),东天山以出露前寒武纪角闪岩相变质岩系为主,具有厚岩石圈薄地壳。东、西天山的地质和地球物理差异及塔里木盆地的顺时针旋转(Chenetal.,1990;Avouacetal.,1993)可能是导致山脉东西差异隆升的主要原因。

4天山山脉隆升机制

目前,国内外学者普遍认为不同陆块对亚洲板块南缘的碰撞增生作用是影响天山地区中新生代构造变形与隆升的主要原因,包括晚三叠世(230~200Ma)羌塘地块增生作用,晚侏罗世(140~125Ma)拉萨地块增生作用,晚白垩世(80~70Ma)科西斯坦–德拉斯岛弧的增生作用以及55Ma以来印度板块与欧亚板块的碰撞增生作用,这些事件成为天山山脉不同时期隆升的动力来源(Hendrixetal.,1992;Dumitruetal.,2001;Bullenetal.,2001;朱文斌等,2007;DeGraveetal.,2007;沈传波等,2008;张志勇等,2008;刘红旭等,2009,2014;高洪雷等,2014)。Chenetal.(1990)和Avouacetal.(1993)根据古地磁研究以及雷显权等(2011)利用有限元数值模拟方法得出新生代以来的天山山脉的构造变形和隆升直接动力是塔里木块体的顺时针旋转,而第四纪以来山体变形和隆升除塔里木块体的旋转外,还有西部帕米尔高原对天山的强烈推挤作用(张培震等,1996;牛之俊等,2007)。不论是塔里木块体的旋转或帕米尔高原的推挤,其根本的动力来源应是印度板块向亚洲板块的碰撞及俯冲。关于天山山脉隆升的差异因素,不同学者的观点不尽相同:(1)东西天山差异隆升的原因为古生代时期南天山洋盆的自东向西剪刀状闭合和塔里木板块的斜向碰撞(郭召杰等,2002);(2)天山地区GPS测量结果表明西天山的变形强于东天山的主要原因可能是西部帕米尔高原对天山的直接俯冲推挤作用,而东天山的构造活动则是塔里木块体对其缓慢推挤的结果(王晓强等,2005);(3)天山造山带不同区域深部特定条件下的差异性活动、热‒流变学性质的差异性以及不同构造边界活动的差异性(沈传波等,2006,2008);(4)天山造山带内部先存的晚古生代后形成的刚性块体和早期发育的大型断裂带影响着新生代山脉的差异隆升(陈正乐等,2009);(5)深地震探测显示的西天山薄的岩石圈、厚地壳及东天山相反特征是不同区段隆升差异的原因(熊小松等,2011)。从前人研究得出的结论可知,影响山体差异隆升的主要因素是外力作用和山体自身结构特征两个方面。作为中亚巨型造山带的天山山脉,是多个(微)古板块拼合而成,古板块之间及缝合处具有不同的构造特征和力学性质,决定了天山内部结构形态的不均一性。深地震探测也显示天山山脉岩石圈内部结构存在差异,如南天山上地幔顶部的地震高速异常体,中天山和北天山的低速异常体,整个天山的地壳分层结构及层速度和厚度变化大等(卢德源等,2000;郭飚等,2006)。可见,天山山脉内部不同的结构特征为差异隆升提供了基础和前提。对已有的裂变径迹年龄分析可知,天山山脉的快速隆升历史基本对应着不同陆块对亚洲板块南缘的碰撞增生事件,作用在天山的这些外力和造山带内部的结构特征共同导致了造山带的隆升具有时空差异性。此外,构造带对径迹年龄也存在影响,通过对已有样品的位置和径迹年龄分析,径迹年龄的相对大小与样品位置是否处在构造活动部位关系密切,不同的构造部位决定了径迹年龄的差异:靠近构造带的样品径迹年龄比非构造部位相对偏小,可能原因是构造活动产生的热量使得径迹发生部分退火,径迹缩短减少,另一方面也可能是深部的地质体在构造活跃处快速隆升至磷灰石部分退火区间或地表。新生代以来,天山山脉隆升的主导因素是印度–欧亚板块俯冲碰撞的远程效应,在区域挤压应力作用下,整个天山地区的构造活动是一种北(南)天山冲断层向南(北)倾,向北(南)逆冲的双向逆冲缩短过程,并伴随着走滑作用和不同程度的差异隆升剥露作用。天山现今的地貌特征表现为山体由多条平行山脉组成,且南、北缘山脉海拔明显高于中部山系(图1),表明天山的形成是一种由于挤压作用,地壳逆冲叠加增厚的过程,与陆陆碰撞造山的机制有所不同。总之,天山造山带的内部结构特征和不同时期的地质作用共同导致山脉隆升剥露的时空差异性。

5结论

(1)天山山脉呈现出二叠纪、三叠纪–侏罗纪和白垩纪以来三个阶梯式隆升特点,白垩纪以来是天山主要的隆升时期,不同部位快速隆升剥蚀速率存在明显差异,且山体现今仍处在强烈构造变形和隆升阶段。(2)南北方向上,裂变径迹年龄显示山体的隆升剥露具有从南天山向北天山减小趋势,南天山径迹年龄多处在白垩纪以前,北天山径迹年龄普遍在白垩纪以来;东西方向上,西天山地区隆升相对早于东天山,但在白垩纪以来,除东天山南缘只有晚白垩世隆升记录,东、西天山其他地区均存在多期快速隆升剥露。(3)天山山脉隆升剥露是不同陆块对亚洲板块南缘碰撞增生的共同结果,但造山带的内部结构特征是差异隆升的基础和前提。

作者：孙岳 陈正乐 王永 韩凤彬 吴玉 孟令通 张昊 单位：东华理工大学 地球科学学院 中国地质科学院 地质力学研究所 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院