2018, Vol.38
2 中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室, 全球大地构造中心, 湖北 武汉 430074;
3 Department of Geosciences, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA;
4 中国地质大学(武汉)地球科学学院, 生物地质与环境地质国家重点实验室, 湖北 武汉 430074)
帕米尔构造结位于青藏高原的西端，经历了古生代-中生代的冈瓦纳大陆裂解、古特提斯洋闭合和大陆地壳增生过程[1~11]，新生代以来又遭受了印度-欧亚板块碰撞俯冲的叠加改造[1, 4, 10~24]，形成了十分典型的构造样式(图 1)：1)帕米尔构造结的南北宽度仅为青藏高原中部的三分之一(约500 km)；2)前新生代蛇绿岩和增生造山带活化，形成一系列由大型走滑断层连接的向北突出的弧形构造[11]；3)帕米尔出露大面积的新生代变质穹窿(约占地表面积的30%)；4)帕米尔-兴都库什深部特有的类似于贝里奥夫带的中深源地震带[17, 25]，可能与印度及亚洲板片的双向深俯冲有关[17, 26~27]。上述十分特殊的构造变形特征暗示帕米尔构造结新生代以来可能经历了比青藏高原其他部位更为复杂的构造动力学过程，而细节过程仍不清楚。此外，新生代早期，在帕米尔-西昆仑与天山之间存在一个广阔的陆缘海——特提斯洋(图 1b)，可从塔里木盆地一直延伸至现今的地中海地区[28~29]。已有资料[28~36]显示，塔里木盆地在古近纪经历了多次海侵和海退过程，但特提斯洋在塔里木盆地退出的最终时间、方式和控制因素仍存在较大争议。
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图 1 (a) 青藏高原及邻区大型构造和地貌图、(b)始新世中晚期中亚地区特提斯洋分布示意图(重点显示了第四次和第五次海退的时间和范围，据Bosboom等[28]修改)以及(c)帕米尔构造结及邻区大地构造图(据Robinson等[4]和Schmidt等[37]修改) ACD——Alichur穹窿(Alichur dome)；ATS——Akbaytal-Tanymas蛇绿岩带(Akbaytal-Tanymas Suture)；BNS——班公湖-怒江蛇绿岩带(Bangong-Nujiang Suture)；CMF——Chaman断裂(Chaman Fault)；DF——Darvaz断裂(Darvaz Fault)；HMF——Helmand断裂(Helmand Fault)；GDF——Gardez断裂(Gardez Fault)；IYS——印度-雅江蛇绿岩带(Indus-Yarlung Suture)；JS——金沙江蛇绿岩带(Jinsha Suture)；KDS——库地蛇绿岩带(Kudi Suture)；KGD-MAD——公格尔山-慕士塔格穹窿(Kongur Shan-Muztagata dome)；KKF——喀喇昆仑断裂(Karakorum Fault)；KLS——昆仑蛇绿岩带(Kunlun Suture)；KSF——公格尔山正断层(Kongur Shan normal Fault)；KYTS——喀什-叶城转换系统(Kashgar-Yecheng transfer system)；LGF——龙木错-郭扎错断裂(Longmu Co-Guozha Co Fault); MBT——主边界逆冲断裂(Main Boundary Thrust)；MCT——主中央逆冲断裂(Main Central Thrust)；MD——Muskol穹窿(Muskol dome)；MPT——主帕米尔逆冲断裂(Main Pamir Thrust)；MKT——主喀喇昆仑逆冲断裂(Main Karakorum Thrust)；PFFT——帕米尔前缘褶皱-逆冲断裂系统(Pamir frontal fold-and-thrust system); RPS——Rushan-Pshart蛇绿岩带(Rushan-Pshart Suture)；SPD——Shatput穹窿(Shatput dome)；SRD——Sarez穹窿(Sarez dome)；SS——Shyok蛇绿岩带(Shyok Suture)；SKD——Shakhdara穹窿(Shakhdara dome)；STDS——藏南拆离系(South Tibetan Detachment System)；TLF——铁克里克断裂(Tiklik Fault)；WKTB——西昆仑逆冲断裂系统(West Kunlun thrust belt); YGD——Yazgulom穹窿(Yazgulom dome) Fig. 1 (a) Major structures and topography of the India-Asia collision zone. (b) Paleogeoraphical maps showing stepwise retreat of the Paratethys Sea from Central Asia in the Middle-Late Eocene, modified after Bosboom et al.[28]. (c) Sketch tectonic map of the Himalayan-Pamir syntaxis, showing main tectonic blocks and Cenozoic structures, modified after Robinson et al.[4] and Schmidt et al.[37] |
近十年来，围绕帕米尔构造结中新生代构造变形、地貌演化及其动力学过程，国内外学者分别从构造地质学、岩石学、地球物理、年代学和沉积学等不同学科角度开展了大量研究工作，产出了大批新的研究成果[1, 12, 14, 19~24, 27, 37~53]。对这些研究成果进行及时梳理总结，十分有助于从造山带尺度理解帕米尔构造结中新生代构造变形的时空格架，不仅是对特提斯构造带演化动力学过程的重要补充，还能为中亚环境气候变迁，特别是塔里木海平面变化和退出机制提供重要线索。据此，本文重点总结了帕米尔构造结及邻区新生代主要断裂的活动时间和空间分布、新生代变质穹窿的埋藏变质和剥露折返历史以及岩浆作用，梳理了古近纪塔里木海侵和海退的时间和方式。基于此，最后进一步探讨了帕米尔构造结中新生代构造地貌演化及动力学过程，并分析了特提斯洋最终退出塔里木盆地的原因。
1 地质背景 1.1 大地构造背景帕米尔构造结平均海拔4000~5000 m，包括北帕米尔、中帕米尔、南帕米尔、兴都库什-喀喇昆仑、西昆北、西昆南、松潘-甘孜和甜水海等构造单元(图 1c)。这些地块从北向南依次以Darvaz-库地断裂、Akbaytal-Tanymas-康西瓦断裂和Rushan-Pshart-喀喇昆仑断裂为界限。帕米尔构造结内部最显著的构造地貌单元为新生代变质穹窿系统(图 1c)。帕米尔-西昆仑山脉与塔里木盆地被主帕米尔断裂(MPT)、西昆仑逆冲断裂带(WKTB)和喀什-叶城转换系统(KYTS)隔开(图 1)。新生代以来，帕米尔构造结向北的楔入量约为300 km[11]，内部的地壳缩短量可能高达600~900 km[26, 37]。通过阿莱依盆地和塔吉克盆地，向南倾的MPT可能调整了帕米尔构造结向北约300 km的逆冲量[10, 11, 54]，而最新的横穿整个塔吉克褶皱-逆冲系统的平衡剖面研究表明该系统的总缩短量仅为65~70 km[55]。帕米尔前缘的阿莱依盆地新近纪以来的水平缩短速率为0.66~0.78 mm/a[13]，到全新世增大到约6 mm/a[56]。据GPS数据显示，天山和帕米尔之间仍在发生挤压变形，现今汇聚速率约为13±4 mm/a[57]。北帕米尔和塔里木盆地现今相对于欧亚板块向北的运动速率分别为23±2 mm/a和20±2 mm/a[57](图 1c)。
1.2 塔里木盆地中新生代地层塔里木盆地被周缘造山带所包围，是一个大型中新生代复合盆地[58]。塔里木盆地西南部的中生代地层主要以厚层侏罗纪-白垩纪河湖相沉积为主，沿帕米尔-西昆仑山前呈带状分布，三叠纪陆源沉积物相对比较少见[18, 58]。新生代以来的沉积物累计厚度超过10 km，沿塔里木盆地周缘均有较好出露[1, 51](图 2和图 3)。根据资料[36, 50~51, 58~63]，塔里木盆地新生代沉积与下伏白垩纪海相地层为整合接触关系，新生代岩石地层单位从老至新依次是阿尔塔什组(E1a)、齐姆根组(E1-2q)、卡拉塔尔组(E2k)、乌拉根组(E2w)、巴什布拉克组(E3b)、克孜洛依组(N1k)、安居安组(N1a)、帕卡布拉克组(N1p)、阿图什组(N2a)和西域组(N2Qp1x)，除了巴什布拉克组(E3b)与下伏乌拉根组(E2w)在部分地区为平行不整合外，其他各组间均呈整合接触(图 2)。其中，西昆仑山前的西域组砾岩的时代仍是目前争论的焦点问题，其底界年龄从上新世-第四纪到15 Ma[1, 53, 64~68]，本文暂且沿用早期地层时代。
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图 2 塔里木盆地新生代岩石地层序列(据Zhang等[51]修改) Fig. 2 Cenozoic stratigraphy of the Tarim Basin, modified after Zhang et al.[51] |
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图 3
帕米尔—西昆仑—塔里木地质图(据Cao等[1]修改)
基岩热年代学数据来自参考文献[12, 19~20, 39, 54, 75~78] BNS——班公-怒江蛇绿岩(Bangong-Nujiang Suture)；IYS——印度-雅江蛇绿岩带(Indus-Yarlung Suture)；JS——金沙江蛇绿岩带(Jinsha Suture)；KDS——库地蛇绿岩带(Kudi Suture)；KLS——昆仑蛇绿岩带(Kunlun Suture)；KYTS——喀什-叶城转换带(Kashgar-Yecheng transfer system)；MPT——主帕米尔逆冲断裂(Main Pamir Thrust)；OS——奥义塔格蛇绿岩带(Oytag Suture)；RPS——Rushan-Pshart蛇绿岩带(Rushan-Pshart Suture)；TS——Tanymas蛇绿岩带(Tanymas Suture) Fig. 3 Geological map of the Pamir-West Kunlun-Tarim, modified after Cao et al.[1]. Bedrock low-temperature thermochronology data from the references [12, 19~20, 39, 54, 75~78] |
Zhang等[50~51, 61]在总结青藏高原1︰250000地质图和前人资料的基础上绘制了青藏高原古近纪-新近纪的构造岩相古地理图，恢复了塔里木盆地新生代构造古地理演化，认为塔西南从古近纪为新特提斯海的一部分，以半封闭的海湾滨浅海沉积为主；古新世初期，阿尔塔什组(E1a)开始沉积，底部普遍发育白色巨厚层状石膏层，为干旱炎热气候条件下发育的萨布哈相沉积，之后发生大范围海侵，呈现向上变深的海侵序列，早期的封闭-半封闭的萨布哈-局限台地相沉积环境被打破，随之沉积的是大范围分布的碳酸盐岩开阔台地相，以齐姆根组(E1-2q)、卡拉塔尔组(E2k)和乌拉根组(E2w)的生屑灰岩、鲕粒灰岩、牡蛎介壳灰岩和灰绿色、暗红色泥岩为代表，其中盛产海相有孔虫、介形虫和双壳类等海相动物群[29, 34, 62, 69~73]。大约41~40 Ma，塔西南发生大规模海退[29~30, 33, 53]；始新世晚期-渐新世早期部分地区发生沉积间断；至渐新世初，开始大量堆积巨厚的陆源碎屑沉积(巴什布拉克组(E3b))，塔里木盆地全面转为陆相沉积，湖泊、三角洲和河流相碎屑岩沉积广泛分布于整个盆地[30, 53, 60]；中新世晚期，物源区构造隆升显著，沉积环境发生显著变化[74]，冲积扇、河流和三角洲等边缘相发育，湖泊面积明显萎缩；上新世，盆地南缘主要发育陡坡带冲积扇和水下扇粗碎屑沉积，滨湖和浅湖亚相带分布狭窄，并快速相变到深湖亚相带的细碎屑沉积，远离逆冲断裂的缓坡带则为滨-浅湖相，相带分布宽阔，沉积物厚度减小[52, 60]。
2 帕米尔构造结新生代构造变形新生代以来，随着印度-欧亚板块碰撞和持续汇聚，帕米尔构造结向北楔入。印度和亚洲岩石圈的相互作用不仅使得前新生代蛇绿岩和增生造山带重新活化，形成一系列弧形逆冲断裂-褶皱系统和大型走滑断裂带，而且还引起了构造结内部大面积新生代变质穹窿的埋藏变质和剥露折返以及强烈的岩浆作用(图 1c、图 3和图 4)。
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图 4
帕米尔构造结新生代断裂构造、变质穹窿和岩浆岩时空分布图
图上标示了主要大型断裂的初始活动时间，依次为：ASZ：23~16 Ma[46]，KKF：27~22 Ma[86~89]/ < 18~12 Ma[90~93]，KRF：25 Ma[94]/10 Ma[95]，KSF：6~5 Ma[38]，KYTS：25~20 Ma[40, 43, 54, 74]，MPT：49~46 Ma[12, 80]/25 Ma[13, 54, 81]，NMSZ：22~17 Ma[23~24]，PFFT：6~5 Ma[42]，SPSZ：21~19 Ma[21~22]，TFTB：≥17 Ma[55]，TKF：26~23 Ma[1]，TLF：26~23 Ma[1, 44, 96] 塔里木-阿富汗-塔吉克盆地典型新生代海相地层研究剖面的位置以及不同剖面最高海相层的年代依次为：克孜、阿尔塔什和柯克亚41 Ma[30, 53]，克里阳40 Ma[33]，奥依塔格47 Ma[32]，巴什布拉克37 Ma[73]，乌鲁克恰提 > 34 Ma[34]；ZD、WA和PE为39 Ma[31]，Shuldara、Kuhdara和Aksu为37 Ma[28] ACD——Alichur穹窿(Alichur dome)；ASZ——Alichur伸展剪切带(Alichur shear zone)；DF——Darvaz断裂(Darvaz Fault)；KESE——公格尔山伸展系统(Kongur Shan extensional system)；KGD-MAD——公格尔山-慕士塔格穹窿(Kongur Shan-Muztagata domes)；KKF——喀喇昆仑断裂(Karakorum Fault)；KRF——康西瓦断裂(Karakax Fault)；KRG——卡拉库里地堑(Karakul graben)；KSF——公格尔山正断层(Kongur Shan normal Fault)；KYTS——喀什-叶城转换系统(Kashgar-Yecheng transfer system)；MD——Muskol穹窿(Muskol dome)；MPT——主帕米尔逆冲断裂(Main Pamir Thrust)；NMSZ——北Muskol伸展剪切带(north Muskol shear zone)；PFFT——帕米尔前缘褶皱-逆冲断裂系统(Pamir frontal fold-and-trust system)；SPD——Shatput穹窿(Shatput dome)；SRD——Sarez穹窿(Sarez dome)；SKD——Shakhdara穹窿(Shakhdara dome)；SPSZ——南帕米尔伸展剪切带(South Pamir shear zone)；TFTB——塔吉克褶皱-逆冲断裂系统(Tajik fold-and-thrust system)；TKF——塔姆喀拉断裂(Tam Karaul Fault); TLF——铁克里克断裂(Tiklik Fault)；WKTB——西昆仑逆冲断裂系统(West Kunlun thrust belt)；YGD——Yazgulom穹窿(Yazgulom dome) Fig. 4 Spatial distribution of Cenozoic major faults, metamorphic domes and magmas in the Pamir-Himalaya syntaxis, displaying the ages for the onset of major faults and final occurrence of marine sediments in some key studied sections around the Tarim-Afghan-Tajik Basins. Timing for initiation of major faults:ASZ:23~16 Ma[46], KKF:27~22 Ma[86~89]/ < 18~12 Ma[90~93], KRF:25 Ma[94]/10 Ma[95], KSF:6~5 Ma[38], KYTS:25~20 Ma[40, 43, 54, 74], MPT:49~46 Ma[12, 80]/25 Ma[13, 54, 81], NMSZ:22~17 Ma[23~24], PFFT:6~5 Ma[42], SPSZ:21~19 Ma[21~22], TFTB:≥17 Ma[55], TKL:26~23 Ma[1, 44, 96]. Timing for final retreat of the Paratethys from the Tarim-Alai-Tajik Basin:Kezi, Aertashi and Kekeya at 41 Ma[30, 53], Keliyang at 40 Ma[33], Oytag at 47 Ma[32], Bashibulake at 37 Ma[73], Ulugqat at>34 Ma[34], ZD-WA-PE at 39 Ma[31], Shuldara-Kuhdara-Aksu at 37 Ma[28] |
帕米尔构造结新生代构造变形主要由褶皱-逆冲断裂、走滑转换断裂和伸展断裂三类构造变形样式组成，下文重点总结了三类变形系统的空间分布和起始活动时间(图 4)。
2.1.1 褶皱-逆冲断裂系统帕米尔构造结新生代褶皱-逆冲系统主要分布于帕米尔-西昆仑造山带与塔里木-阿莱依-塔吉克盆地的结合部位，由帕米尔北部的主帕米尔逆冲断裂(MPT)和帕米尔前缘褶皱-逆冲断裂系统(PFFT)，西昆仑山前的西昆仑逆冲断裂系统(WKTB)以及塔吉克褶皱-逆冲断裂系统(TFTB)组成(图 3和4)。
(1) 主帕米尔逆冲断裂(MPT)
该断裂是帕米尔与北侧阿莱依-塔里木盆地的分界断裂，走向近东西，倾向向南，近东西向延伸约350 km，向东与喀什-叶城转换带(KYTS)相接，由多条向北逆冲的叠瓦状断层组成。该断裂的活动可能始于始新世中期[12, 80]或渐新世-早中新世[13, 54, 81]。奥依塔格盆地侏罗纪-第四纪沉积剖面的碎屑锆石U-Pb物源分析认为MPT在始新世的活动性并不显著，而在中新世中期强烈活动[47]。奥依塔格逆冲断裂可能为MPT的分支断裂，向北可延伸至MPT，向南与KYTS相接。该断裂带中段在盖孜河谷有完好的露头，宽约100 m的脆性破碎带，强片理化，主体向南倾，倾角35°~60°，具有向北东的逆冲性质，构造分析和裂变径迹热年代学研究表明该断裂至少从始新世中期开始活动[12]。
(2) 帕米尔前缘褶皱-逆冲断裂系统(PFFT)
该系统位于帕米尔前缘与天山交汇区域，由多个向北逆冲的次级推覆体组成，由南向北依次为卡巴加特断裂、吉勒格由特断裂、塔克盖断裂、木什背斜和帕米尔前缘逆冲断裂[82~84]。断裂带总体走向近东西，倾向向南。地震剖面显示，该断裂带卷入了中生代及更古老基底地层，为厚皮构造[42, 83~85]。帕米尔前缘逆冲断裂，又称乌帕尔断裂[84]，呈弧形展布，断层上盘出露古近纪-新近纪地层，发育上新世别尔托阔依背驮盆地，下盘主要为第四纪地层[42, 83~85]。断裂在浅部倾角较大，深部断层产状逐渐变缓，垂直断距达5 km，其上盘发育了较为复杂的叠瓦构造，形成多个背斜，浅部发育多个不整合面[85]。Thompson等[42]在别尔托阔依背驮盆地开展了系统的地层学、物源分析、古地磁和宇宙核素研究，认为帕米尔前缘逆冲断裂和塔克盖断裂的起始活动时间为5~6 Ma。
(3) 西昆仑逆冲断裂系统(WKTB)
该系统位于西昆仑山前及其与塔里木盆地结合部位，从南向北依次由塔姆喀拉逆冲断裂、铁克里克逆冲断裂、皮亚曼-桑株-杜瓦-阿其克背斜、和田逆冲断裂组成，断裂和褶皱长轴枢纽近东西向延伸，断裂和褶皱轴面倾向向南。地质填图和高精度地震资料显示，西昆仑褶皱-逆冲断裂系统新生代的缩短量为25~54 km[44, 96]至100 km[97]。
塔姆喀拉逆冲断裂(TKF)全长约700 km，延至于田、民丰以南与阿尔金断裂斜接，走向NW-SE，宽数十至数百米，倾向SSW，倾角40°~70°。该断裂是南昆仑和北昆仑的构造分界，是在古生代库地蛇绿岩基础上活化的新生代断裂[1, 2, 97]。该断裂在中生代晚期-新生代早期可能与MPT相连，构成了青藏高原西北部的构造边界，早中新世再次活化逆冲[1]。
铁克里克断裂(TLF)全长约400 km，走向近EW，倾向S，倾角较陡。是西昆仑造山带与塔里木盆地的分隔断裂。高精度地震剖面和锆石双定年数据均显示该断裂的强烈逆冲活动开始于26~23 Ma[1, 44, 96]。
和田断裂(HTF)长约190 km，东起阿克背斜以北，经和田市南，以及皮牙曼背斜和杜瓦背斜以北，在桑株背斜以南与铁克里克断裂相接。和田断裂东段为隐伏断裂，其根带可能与铁克里克断裂连接[44, 97]。
(4) 塔吉克褶皱-逆冲断裂系统(TFTB)
该系统位于西天山和帕米尔之间，由一系列近平行于帕米尔北西山前的弧形逆冲断层和褶皱组成，分为西褶皱-逆冲断裂系统和东褶皱-逆冲断裂系统两部分(图 4)。该变形系统的初始活动时间仍不确定，主要原因是同造山地层缺乏有效的年代约束[98]。对褶皱-逆冲断裂内沉积物的研究认为该系统的活动时间为渐新世-早中新世[41, 99]或上新世[100]，总缩短量可达300 km[10~11]。然而，最新横穿整个褶皱-逆冲系统的平衡剖面和构造热年代学研究表明该系统的变形开始于17 Ma之前，总缩短量仅为65~70 km[55]。
2.1.2 伸展断裂系统帕米尔构造结新生代伸展断裂系统主要分布于帕米尔构造结内部，大多作为新生代穹窿系统的边界断裂，包括公格尔山伸展断裂系统(KSES)、南帕米尔伸展剪切带(SPSZ)、Alichur伸展剪切带(ASZ)和卡拉库里地堑(KRG)(图 3和4)。
(1) 公格尔山伸展断裂系统(KSES)
该系统由公格尔山正断层(KSF)，公格尔山北部的喀拉吉尔断裂和金塔格断裂，慕士塔格峰东西两侧的库克断裂和塔合曼断裂、塔什库尔干断裂组成[4, 12, 15, 20, 38]。公格尔山伸展断裂系统的初始活动时间和伸展量仍存在较大争议。Robinson等[4, 15, 101]通过较高温热年代学(40Ar/39Ar和独居石Th-Pb)和二维数值模拟对公格尔山断裂带不同部位的初始活动时间和伸展位移量进行了限定：公格尔山北部约35 km处，伸展开始于8~7 Ma，且伸展位移量大于30 km[4]；公格尔山主峰地区，伸展开始于约7 Ma，滑动速率为6.5 mm/a[101]，伸展量约为34 km[4]；慕士塔格峰地区，伸展开始于6~5 Ma，且伸展位移量不大于20 km[15]；塔什库尔干断裂，伸展开始于9~7 Ma，伸展位移量小于3 km[15]；慕士塔格峰南部公格尔山断裂和塔合曼断裂，位移量几乎为零[15]。慕士塔格峰南部的构造热年代学研究发现辛迪断裂经历了早期的韧性剪切变形和后期的脆-韧性正向滑脱，初始活动时间为10~7 Ma[12, 15, 102]，与穹窿东侧的库克断裂几乎同时[20]。慕士塔格峰西侧的低温热年代学研究显示公格尔山断裂南部的初始伸展时间可能为5.5 Ma[12]。公格尔山正断层(KSF)全长约250 km，总体倾向W-SW，北部倾角较缓，约为20°，中部和南部较陡，约为30°~60°，沿公格尔山-慕士塔格穹窿(KGD-MAD)西侧北西向展布。公格尔山正断层西侧东侧的现代河流和冰川沉积物的碎屑锆石裂变径迹数据表明东帕米尔穹窿经历了上新世的集中冷却剥露，可能与公格尔山断裂上新世开始的整体伸展有关[38]。
(2) 北Muskol伸展剪切带(NMSZ)
该剪切带位于帕米尔中部，是Sarez-Muskol-Shatput穹窿的北部边界断裂[23~24]。断裂带全长超过120 km，宽1.0~3.5 km，以中低角度韧性剪切拆离变形为主。穹窿北部剪切面向北倾，倾角约为30°~40°，指示剪切方向为北上，下盘出露岩石主要为角闪岩相变质岩，浅表层次岩石处于韧脆性转换状态。Rutte等[23~24]对Sarez-Muskol-Shatput穹窿开展了系统的构造解析和热年代学工作，将韧性剪切变形的起始时间约束为22~17 Ma。
(3) 南帕米尔伸展剪切带(SPSZ)
该剪切带位于帕米尔南部，是Shakhdara穹窿的南部边界断裂[21~22]。断裂带全长约300 km，宽1~4 km，以低角度韧性剪切拆离变形为主。下盘出露岩石主要为混合岩化副片麻岩和白垩纪岩浆岩[5]，剥露折返至近地表。穹窿南部剪切面向南倾，倾角约30°，指示剪切方向为南东向上，流面挤压变形形成宽缓背形。穹窿中部流面近于水平，流线方向约170°，岩石处于韧脆性转换状态，被NS向伸展构造截切。Stübner等[21~22]对Shakhdara穹窿开展了系统的构造解析和热年代学工作，将韧性剪切变形及穹窿作用的起始时间约束为21~19 Ma，南北向伸展量约为90 km。
(4) Alichur伸展剪切带(ASZ)
该剪切带位于帕米尔南部，是Alichur穹窿的北部边界断裂，断裂带全长约100 km，宽约1 km，以低角度韧性拆离断层为主，叠加脆性变形，倾角约15°~25°，指示剪切方向为N-NNE向上，拉伸线理向NNE倾伏[21~22, 46]。下盘出露岩石主要为侏罗纪-白垩纪花岗闪长岩和糜棱岩化淡色花岗岩[21~22, 46]。穹窿中部形成宽缓背形，向东倾伏。流面近于水平，流线方向约为170°，岩石处于韧脆性转换状态，被NS向伸展构造截切。构造热年代学分析将韧性剪切的起始时间约束为23~16 Ma，南北向最小伸展量为29~58 km[46]。
(5) 卡拉库里地堑(KRG)
该地堑位于帕米尔北部，宽约50 km，分为东西两部分，中间被岛屿和半岛隔开，其中西边深度可达230 m，东边深度仅为30 m[103]。地堑东西两侧被一系列SN(地堑北部)至NE-SW(地堑南部)的高角度(约60°)正断层所围限[75]，地堑两侧的第四纪断层崖显示地堑具有伸展性质[103]。尽管卡拉库里湖地区已经陆续开展了一些构造热年代学研究[75, 104]，但该构造的初始活动时间并未得到有效约束，其形成原因也仍存在较大争议，可能为伸展构造[4, 75]或陨石坑[105]。
2.1.3 走滑转换断裂帕米尔构造结新生代走滑转换断裂主要包括喀什-叶城转换带(KYTS)、喀喇昆仑断裂(KKF)和康西瓦断裂带(KRF)(图 3和4)。
(1) 喀什-叶城转换带(KYTS)
该断裂带位于帕米尔东缘至东北缘的山前地带，呈弧形展布，长约350~400 km，宽约20~30 km，主体走向NNW-SSE，倾向SW，由阿尔塔什断裂、库姆塔格断裂和奇自拉夫断裂3条次级断裂组成[14, 54]，具有右行走滑兼逆冲性质，断裂带的上盘主要为古生代和中生代地层，西侧出露大量的侏罗纪和白垩纪地层，该断裂带可能形成于侏罗纪[18]。新生代以来，由于帕米尔构造结向北的推挤，MPT和WKTB被喀什-叶城转换系统(KYTS)错断约280 km[9, 11, 14, 54]。磷灰石裂变径迹、沉积物源分析和磁性地层学的综合结果将KYTS右行走滑的初始时间限定在25~20 Ma[40, 43, 54, 74]。低温热年代学研究表明该断裂的右行走滑中新世晚期基本停止[12, 20]，据此计算可得其右行走滑速率为15~28 mm/a[74]。
(2) 喀喇昆仑断裂(KKF)
该断裂全长约1200 km，走向NW-SE，总体呈右行走滑性质，局部兼有正断或逆冲性质，是青藏高原西南部的一条巨型活动断裂带。沿断裂带出露陡倾、强烈片理化的片岩和片麻岩，以及大量混合岩和受剪切变形的淡色花岗岩[87~93]。该断裂在协调青藏高原地壳变形中扮演的角色存在着两种截然对立的观点，一种观点认为该断裂在协调帕米尔-喀喇昆仑相对于其他块体向西北斜向挤出过程中发挥了巨大作用，右行走滑位移量可达250~500 km[5, 86~88, 106]，而另一种观点认为该断裂的作用十分有限，作为青藏高原西部逆冲断裂之间构造转换的桥梁，位移量仅为66~167 km[11, 90, 92, 107]。其初始活动时间同样存在巨大争议，范围从27~22 Ma[86~89]到 < 18~12 Ma[90~93]。
(3) 康西瓦断裂(KRF)
该断裂也称喀拉喀什断裂，在我国境内延伸约1000 km，宽约3~5 km，走向WNW-ESE，倾向NE，倾角较陡，具有左行走滑兼强烈逆冲性质，并叠加了晚期脆性破裂[2, 94, 108~110]。该断裂在早古生代康西瓦缝合带的基础上活化，经历了早古生代(445~428 Ma)的右行韧性走滑和早白垩纪(125~101 Ma)的强烈左行韧性走滑[2, 94, 108~109]。该断裂新生代的活动性并未得到较好约束，Arnaud等[94]认为韧性剪切带中一个钾长石40Ar/39Ar测年获得的约25 Ma的快速冷却可能与断裂活动有关，而何哲峰等[95]根据断裂带8~12 mm/a的长期走滑速率和80 km左行走滑位移量推断断裂新生代左行走滑开始于约10 Ma。沿断裂发现大量千年以来古地震的同震破裂[110]，说明断裂现今仍在强烈活动。
(4) Darvaz断裂(DF)
该断裂长约400 km，走向NNE-SSW，呈向南凸出的弧形，倾向E-SE，具有左性走滑兼逆冲性质[81]，被认为是帕米尔山脉与塔吉克盆地的分界断裂[11]。该断裂的性质及初始活动时间仍未得到有效约束，现今仍在活动，全新世的走滑速率为10~15 mm/a[11]。
2.2 穹窿的埋藏和剥露新生代变质穹窿是帕米尔构造结十分典型的构造和地貌单元(图 1c和图 4)。这些伸展穹窿系统位于帕米尔构造结内部，由东帕米尔的公格尔山-慕士塔格穹窿系统(KGD-MAD)、中帕米尔的Yazgulom-Sarez-Muzkol-Shatput穹窿系统(YGD-SRD-MD-SPD)和南帕米尔的Shakhdara-Alichur穹窿系统(SKD-ACD)组成(图 4)。围绕帕米尔穹窿的埋藏变质和剥露折返历史，国内外学者开展了大量研究[4, 12, 15, 20~24, 37~39, 46, 76, 101~102, 104, 111~112]。下文将重点总结帕米尔新生代变质穹窿的埋藏变质和冷却剥露历史(图 5)。
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图 5 帕米尔构造结新生代变质穹窿埋藏变质、岩浆作用和冷却剥露综合对比图 据Worthington[46]修改)；地质年代和热年代学数据来自参考文献[4, 15, 20~24, 37~39, 45~46, 76, 101, 112~114] Fig. 5 Chronological framework of burial metamorphism, magmatism and cooling of the Cenozoic metamorphic domes in the Pamirs, modified after Worthington[46]. Geo-thermochronology data from the references [4, 15, 2~24, 37~39, 45~46, 76, 101, 112~114] |
矿物温压计和热年代学数据显示慕士塔格穹窿的剥露折返过程可分为3个阶段：1)高级变质(20~10 Ma)：慕士塔格峰西侧韧性剪切带中淡色花岗岩U-Pb年龄约为20 Ma[102]，公格尔山断裂下盘、慕士塔格峰南部的辛迪和塔合曼断裂下盘的独居石Th-Pb峰值年龄为14~10 Ma[15]，这些数据记录了慕士塔格峰中新世地壳加厚和(或者)热松弛状态下的的变质作用或部分熔融过程[15, 102]；2)同伸展冷却剥露(11~7 Ma)：中低温热年代学数据记录了慕士塔格峰南部辛迪断裂下盘的岩石在11~7 Ma发生极其快速的冷却剥露，冷却速率可达125±22 ℃/Ma[12]。3)伸展与冰川侵蚀共同作用(4~2 Ma)：据热年代学数据，在辛迪断裂下盘的距离公格尔山断裂约30 km的部位(穹窿核部)，ZHe和AFT年龄为2~4 Ma[20]，Sobel等[20]将其解释为慕士塔格峰持续穹窿作用的结果，但证据并不充分，主要原因在于持续穹窿作用要求慕士塔格峰穹窿的边界断裂即库克断裂和公格尔山断裂发生同期伸展变形，而辛迪附近热年代学数据记录的公格尔山断裂的最新活动时间约为5.5 Ma[12, 38]，与2~4 Ma穹窿的剥露时间不匹配；另外，大量冰川碎屑ZFT结果揭示公格尔山-慕士塔格穹窿在3~1 Ma发生强烈剥露，可能与冰川强烈侵蚀对断裂伸展的正反馈作用有关[38]。
矿物温压计和热年代学数据显示公格尔山穹窿的冷却剥露过程可分为4个阶段：1)峰期变质(9.3 Ma)：片麻岩石榴子石中独居石包裹体的电子探针测年揭示公格尔山片麻岩的峰期变质作用时间为9.3 Ma，此时岩石仍位于地壳约30 km深处[4]；2)前伸展冷却剥露(9.3~6.0 Ma)：碎屑ZFT的结果显示公格尔山断裂初始活动时间约为5 Ma，从峰期变质到断裂初始活动，岩石经历了较为缓慢的剥露过程；3)同伸展冷却剥露(6~2 Ma)：受公格尔山断裂伸展活动控制，岩石开始较快冷却剥露至地表；4)冰川侵蚀加速冷却剥露(2~1 Ma)：断裂的加速伸展活动，可能受到第四纪冰川的强烈侵蚀[38]，岩石经历了极其快速的冷却剥露过程，冷却速率可达187±27 ℃/Ma[12]，与公格尔山东北侧的钾长石Ar-Ar多重扩散域拟合得到的冷却速率[76]及二维模拟的结果趋于一致[101]。
2.2.2 中帕米尔Yazgulom-Sarez-Muskol-Shatput穹窿系统(YGD-SRD-MD-SPD)矿物温压计和热年代学数据显示中帕米尔Yazgulom穹窿的剥露折返过程可分为2个阶段：1)岩浆作用(43~39 Ma)：穹窿及其上盘均在43~39 Ma发生岩浆作用[45]；2)进变质埋藏(35~18 Ma)：Yazgulom穹窿的进变质埋藏作用约从35 Ma开始，于22 Ma达到峰期，变质过程直到18 Ma结束[45]。由于缺少低温热年代学数据，其晚期的冷却剥露过程未得到约束年龄。
矿物温压计和热年代学数据显示中帕米尔Sarez-Muskol-Shatput穹窿的剥露折返过程可分为3个阶段：1)进变质埋藏(35~19 Ma)：Sarez、Muskol和Shatput穹窿发生进变质埋藏作用，分别经历了从27 Ma约15 km深度埋藏到20 Ma约20 km深度，从35 Ma约15~20 km深度埋藏到22 Ma约30 km深度，和从30 Ma约15 km深度埋藏到19 Ma约25 km深度[37，45，112]；2)同伸展冷却剥露(22~17 Ma)：根据同变质和结晶岩脉的中低温热年代学数据揭示Muskol-Shatput穹窿于18~15 Ma发生快冷却速剥露，冷却速率为50~60 ℃/ Ma[23~24]；3)减速冷却剥露( < 12 Ma)：磷灰石裂变径结果显示穹窿冷却剥露速率减慢，可能指示区域伸展向挤压变形的构造转换[23~24]。
2.2.3 南帕米尔Shakhdara-Alichur穹窿系统(SKD-ACD)矿物温压计和热年代学数据显示南帕米尔Shakhdara-Alichur穹窿的剥露折返过程可分为2个阶段：1)进变质埋藏(37~19 Ma)：矿物温压计显示石榴子石变质生长开始于约37 Ma，Shakhdara穹窿发生进变质埋藏作用，峰期变质时间约为19 Ma，最大埋藏深度约为50 km[37, 45]；2)同伸展冷却剥露(22~2 Ma)：Alichur穹窿糜棱岩和同构造淡色花岗岩的锆石U-Pb年龄为23~16 Ma，可作为Alichur穹窿和韧性剪切变形的启动时间；中低温热年代学数据揭示Alichur穹窿经历了16~9 Ma的快速冷却，冷却速率为26~80 ℃/Ma[46]。Shakhdara穹窿于22~19 Ma开始伸展，随之发生快冷却速剥露，直到4~2 Ma结束，冷却速率为30~90 ℃/Ma[21~22]。
2.3 岩浆作用根据帕米尔-西昆仑山前塔里木盆地新生代沉积物和帕米尔现代河流的碎屑锆石U-Pb年代学，以及帕米尔穹窿系统的岩石学和年代学研究，帕米尔-西昆仑新生代以来发生过多期岩浆事件(图 5和图 6)。
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图 6 塔里木盆地新生代沉积物和帕米尔现代河流碎屑沉积物锆石U-Pb年代学[1，41，111]以及指示的帕米尔-西昆仑新生代多期次岩浆作用 Fig. 6 Episodic magmatic activities in the Pamir-West Kunlun Mountains revealed by detrital zircon U-Pb geochronology from Cenozoic sediments of the Tarim Basin and modern river sands from the Pamirs[1, 41, 111] |
帕米尔西部现代河流碎屑锆石U-Pb年龄具有显著的50~40 Ma的峰值年龄[111]，与东帕米尔奥依塔格盆地始新世-中新世碎屑锆石中50~40 Ma的峰值年龄[47, 49]一致。但是，该峰值的物源区仍存在争议。Sun等[33]结合锆石Lu-Hf认为这些锆石来自喀喇昆仑和科西斯坦-拉达克岩浆弧，而中帕米尔Yazgulom穹窿发现的大量43~39 Ma的岩浆岩[5，45，114]也可能为作为帕米尔山脉东西两侧新生代沉积物及现代河流中50~40 Ma锆石峰值年龄的源区[111]。
中帕米尔Yazgulom-Sarez-Muskol-Shatput穹窿和南帕米尔Shakhdara-Alichur穹窿均发现23~16 Ma的淡色花岗岩[23~24, 46]，这些同构造淡色花岗岩与甜水海-喀喇昆仑地块来自幔源的Baltoro岩体的侵位[115~117]基本同时；此外，东帕米尔塔什库尔干县城西侧的塔什库尔干碱性杂岩是帕米尔地区最大的新生代碱性杂岩，年代学数据显示该岩体于12~11 Ma侵位[15, 118~119]，并快速冷却剥露至地表[12]。在塔吉克斯坦境内的顿克尔迪克山谷也发现了一套同期形成的碱性钾质喷出杂岩[113, 120~122]，火山岩中捕虏体的岩石学和地球化学数据指示这套杂岩从22~20 Ma到14~11 Ma之间经历了约25 km的埋藏作用[122]。塔西南柯克亚和桑株剖面新生代沉积物碎屑锆石U-Pb数据揭示62~41 Ma、19 Ma、14 Ma和12 Ma的峰值年龄，物源分析表明这些新生代碎屑锆石主要为来自松潘-甘孜和甜水海地块的岩浆锆石[1]，与松潘-甘孜地块的晚中新世-第四纪超钾质火山岩[123~125]对应。综上可知，帕米尔-西昆仑在始新世、早中新世和晚中新世以来发生了多期岩浆作用。
3 塔里木盆地新生代海侵和海退塔里木盆地新生代海侵和海退是地质历史时期最重要的地质事件之一，在亚洲内陆干旱环境演变过程中起到了关键作用[36, 126~128]。塔里木盆地海相地层发育完整，海相化石非常丰富，记录了塔里木海陆变迁的历史。近几十年来，国内外学者围绕塔里木盆地海相地层和古生物群序列开展了深入的研究[62~63，70~72，129]。但是，塔里木盆地海侵和海退的时间和方式，以及海退的动力学机制仍存在明显分歧[28~34, 69, 72, 126, 128~129]。本节简要总结了塔里木海平面变化的历史、海退的时间和方式，并将在分析帕米尔-西昆仑中新生代构造地貌演化的基础上进一步讨论塔里木海退的原因。
3.1 塔里木盆地新生代海陆变迁塔里木盆地中新生代海相地层主要沿天山山前和帕米尔-西昆仑山前呈东西向展布，在巴楚隆起和塔东南尚未发现[69]。早白垩世，塔里木海与土伦海、塔吉克海连通[28]，特提斯洋通过阿莱依海道侵入塔里木盆地，形成一个向西开口的袋状海湾[70, 72]。晚白垩世，特提斯海水由西向东大规模侵入，海侵范围不仅限于塔西南地区，海水最远还抵达了塔北地区[69~70]。古新世-始新世，特提斯洋自西向东侵入，塔里木盆地经历了多次海侵和海退过程，形成巨厚的海陆交互相地层，包括吐依洛克组(K2t)、阿尔塔什组(E1a)、齐姆根组(E1-2q)、卡拉塔尔组(E2k)、乌拉根组(E2w)、巴什布拉克组(E3b)下段(图 2)。古新世为塔里木海的分布范围最广的时候[63, 72]，向东可达麻扎塔格，向南可达塔西南的和田地区，向北东可能抵达塔北的拜城(图 4)，其范围为白垩纪的两倍[63, 72]。至渐新世，塔西南盆地开始堆积巨厚的陆源碎屑沉积[30, 50~51, 53]，湖泊、三角洲和河流相碎屑岩沉积广泛分布于整个盆地[51, 61]。中新世，塔里木盆地是否还存在海侵仍存在争议[28~29, 32~33, 35, 130]。郭宪璞等[69]认为中新世塔里木盆地为一个巨大的潟湖，残留海相地层存在与塔西南和塔北部分地区。胡兰英[131]认为中新世塔里木盆地仍存在海侵，海水仍能沿着天山山前到达库尔勒地区。Ritts等[35]在塔里木盆地东南部的若羌米兰剖面的渐新世-中新世地层中发现浮游性有孔虫化石，认为此时的阿尔金山前仍在海平面附近，存在一个海道与开阔海域连接。但是，根据前人研究成果，中新世塔里木盆地沉积中心主要位于喀什和叶城两地[60, 63, 74]，以冲洪积和辫状河相的陆源碎屑沉积为主[1, 51, 53, 59~60, 74]，中新世地层中部分层位发现的少量种类单一的有孔虫化石与砾石共存，很可能是古近纪化石再沉积的产物[132]。
3.2 塔里木盆地海退的时间和方式特提斯洋退出塔里木盆地的最终时间是国内外学者着力解决的关键科学问题，而对这一时间的约束则有赖于对塔里木盆地最高海相层年代的精确限定。近年来，国内外学者在中亚地区塔里木盆地、阿莱依盆地、费尔干纳盆地和阿富汗-塔吉克盆地典型海相地层剖面上陆续开展了详细的沉积学、古生物地层学、磁性地层和锆石年代学等方面的研究，在精细约束这些盆地最高海相层的年代方面取得了许多重要进展(图 4和图 7)。
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图 7 塔里木盆地海平面变化与盆地新生代沉积、帕米尔-西昆仑构造变形和动力学过程和区域、全球气候事件综合对比图海平面变化曲线和区域、全球气候事件据Bosboom等[28]修改；青藏高原、帕米尔-西昆仑构造变形和动力学过程，根据Cao等[1]和Worthington[46]进一步修改总结 Fig. 7 Comprehensive chronological correlation of marine incursions of the Tarim Sea with Cenozoic sedimentation, tectonic deformation and geodynamics of the Pamir-West Kunlun mountains, and regional and global climate events. Sea level change of the Tarim Sea and regional and global climate events are summarized in Bosboom et al.[28], while integrated overview of tectonic evolution and geodynamics of the Pamir-West Kunlun and Tibet is modified after Cao et al.[1] and Worthington[46] |
根据海相古生物化石组合，Bosboom等[29]将塔西南克孜和阿尔塔什剖面最高海相层的年代限定为37 Ma；后来他们根据磁性地层将这两个剖面最高海相层结束的时间修正为约41 Ma，将其作为塔西南第四次海退的时间[30]。阿尔塔什剖面以东，柯克亚和克里阳剖面的磁性地层学研究将海退的时间分别限定为41 Ma[53]和40 Ma[33]。但是，孙东怀等[128]认为前人在克孜剖面报道的最高海相层乌拉根组[29~30]上部的巴什布拉克组中段仍存在富含海相化石的浅海地层，可一直延续到塔里木盆地最西端的库鲁克恰提，据此推测海退的时间晚于41 Ma。然而，库鲁克恰提剖面的地层学和ESR测年表明该地区海退的时间不晚于34 Ma[34]，邻近的巴什布拉克剖面古生物和磁性地层学将海退的时间限定为37 Ma[73]。此外，奥依塔格剖面的磁性地层学和碎屑锆石年代学将该地区最高海相层的时代定为47 Ma，并作为海退的最终时间[32]。最近，Carrapa等[31]根据塔吉克盆地海陆交互相火山灰层的锆石年代学将特提斯洋最终退出的时间限定为39 Ma。通过将费尔干纳盆地、阿莱依盆地和阿富汗-塔吉克盆地海相地层与具有准确年代学约束的塔里木盆地古近纪地层及双壳组合进行对比，Bosboom等[28]首次建立了中亚地区古近纪海相地层在区域上的关联，认为塔里木至少发生过两次大规模的海侵和海退事件(图 7)。
综上所述，特提斯洋从塔里木盆地退出的最终时间仍不确定。但是，根据中亚地区古近纪海相地层的区域对比[28]，可以认为塔里木盆地在始新世中晚期经历了两次海退。其中，塔西南第四次海退具有准同时性，时间约为41~40 Ma；第五次海侵之后，特提斯洋最终退出塔里木盆地西部以及阿莱依-塔吉克盆地的时间约为39~37 Ma。
4 讨论 4.1 帕米尔构造结中新生代构造地貌演化 4.1.1 中生代大量构造地质学、岩石学、地球化学和年代学的证据表明：二叠纪-三叠纪，古特提斯洋向北俯冲到塔里木-昆仑地块下部(图 8a)，昆仑地块出现岩浆岩带和火山弧，其南部发育增生楔和俯冲混杂岩系统；晚三叠纪-早侏罗纪，喀喇昆仑-羌塘地块与昆仑地块拼合，古特提斯洋闭合，增生楔和混杂岩系统停止生长[2~4, 7~9]。帕米尔-西昆仑山前侏罗纪地层和塔里木盆地新生代沉积物中的碎屑锆石裂变径迹均具有显著的三叠纪-早侏罗纪(250~170 Ma)峰值年龄[1, 12, 54]，这些锆石对应的U-Pb年代学显示它们主要来自昆仑地块的岩浆岩带，大部分为岩浆成因的，也有少量变质成因的，均记录了古特提斯洋俯冲和闭合过程中的岩浆和变质事件[3~5]，同期的锆石裂变径迹年龄反映了昆仑地块的强烈剥露。据此，昆仑地块此时很可能已经隆起成山(图 8a)，并为其南部的增生楔和混杂岩系统提供物质供给[3, 133]，也为塔里木盆地提供一定的陆源物质。
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图 8 帕米尔-西昆仑中新生代构造地貌演化及其动力学过程示意图(据Cao等[1]修改) Fig. 8 Sketch illustrations for Mesozoic-Cenozoic tectonic evolution of the Pamir-West Kunlun Mountains, after Cao et al.[1] |
由于松潘-甘孜、昆仑和甜水海地块北部普遍缺失中侏罗纪-白垩纪海相地层，说明青藏高原西北部大部分地区在中生代中晚期为处于海平面以上的正地貌(图 8b)，证据有：1)物源分析显示东帕米尔山前大量侏罗纪-白垩纪陆源沉积物来自二叠纪-三叠纪岩浆弧和增生楔系统[3, 18, 47]，相当于现在的松潘-甘孜和昆仑地块；2)大量研究表明青藏高原西部和帕米尔地区在中生代中晚期经历了普遍的地壳缩短增厚过程[2~4，134~136]，可能与拉萨-羌塘地块的碰撞[2]或拉萨地块向羌塘地块的持续俯冲[3，134~135]有关。
塔里木盆地早白垩世的碎屑锆石裂变径静态峰值记录了南昆仑地块塔姆喀拉断裂上盘的古生代-中生代岩浆岩带的集中剥露，可能与南昆仑向北昆仑地块之上仰冲过程中塔姆喀拉断裂逆冲活动有关[1]，该断裂的活动与主帕米尔断裂逆冲同时发生[4]。由于这两条断裂具有相似的几何学、运动学性质和活动时间，因此认为这两条断裂在早白垩世连接在一起，共同构成了一条近东西走向、南倾的大型逆冲断裂带(图 8b)。与此同时，向北倾的甜水海反冲断层系统开始在三叠纪增生楔和金沙江蛇绿岩的基础上活化[9]，松潘-甘孜和甜水海地块内的侏罗纪地层挤压变形为紧闭褶皱[2]，康西瓦断裂发生强烈左行韧性剪切走滑[94]。由此可知，青藏高原西北部大部分地区在早白垩世很可能发生了广泛的地壳增厚和地表抬升。
4.1.2 古近纪由于印度-欧亚板块碰撞的应力传递，帕米尔-西昆仑不同部位均有一定的响应(图 8c)。例如，帕米尔北部在50~40 Ma加速剥露[75]，帕米尔-西昆仑山前逆冲断裂在48~46 Ma开始活动[12, 80]。中帕米尔Yazgulom穹窿与甜水海地块在43~39 Ma发生岩浆作用，与高原中部羌塘地区的火山岩[137]同时出现，可能与加厚下地壳物质的部分熔融有关[137]，与地球物理探测到的高原西部中下地壳存在高导、低速层的认识[138]一致。帕米尔西南部下地壳捕虏体含水硅酸盐玻璃的进变质过程中的脱水熔融显示帕米尔在新生代早期经历了地壳增厚和部分熔融[113, 120]。最新的矿物温压计和热年代学研究表明，中、南帕米尔穹窿系统从37 Ma到早中新世发生了普遍的进变质埋藏作用，因此将帕米尔中、南部地壳增厚的起始时间限定为37~35 Ma[45]。
与中生代中晚期相比，帕米尔-西昆仑在新生代早期的地壳变形似乎有限，不足以引起大规模的地表抬升。一方面，古近纪的岩石剥露并不显著，仅在帕米尔北部和东部局部发现岩石快速剥露[12, 75]。塔里木盆地碎屑锆石裂变径迹分散的古近纪峰值(60~40 Ma)年龄具有较宽的滞后时间区间，暗示其源区南昆仑地块此时可能仍处于裂变径迹的部分退火带内，未发生快速剥露[1]。另一方面，塔里木盆地西南部在古近纪时仍被特提斯洋所覆盖[28~29, 73]，意味着西昆仑仍处于海平面附近。由此推测，新生代早期的帕米尔-西昆仑基本上继承了中生代中晚期的地壳结构，山前的主帕米尔-塔姆喀拉断裂仍可作为中生代晚期-早新生代青藏高原西北部的一级构造边界(图 8c和图 9a)。
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图 9 帕米尔—喜马拉雅构造结新生代构造、沉积和地貌演化模式图(据Cao等[12]修改) ACD——Alichur穹窿(Alichur dome)；AL——Aghil灰岩(Aghil limestone)；AMF——Aksu-Murgab断裂(Aksu-Murgab Fault)；BG——Baltoro岩体(Baltoro granite)；BNF——班公-怒江断裂(Bangong-Nujiang Fault)；DF——Darvaz断裂(Darvaz Fault)；EPD——东帕米尔穹窿(eastern Pamir domes)；GMF——Gurla-Mandhata断裂(Gurla-Mandhata Fault)；KKF——喀喇昆仑断裂(Karakorum Fault)；KRG——卡拉库里地堑(Karakul graben)；KRF——康西瓦断裂(Karakax Fault)；KSF——公格尔山正断层(Kongur Shan Normal Fault)；KYTS——喀什-叶城转换系统(Kashgar-Yecheng transfer system)；LGF——龙木错-郭扎错断裂(Longmu Co-Guozha Co Fault)；MAD——慕士塔格穹窿(Muztagata dome)；MBT——主边界逆冲断裂(Main Boundary Thrust)；MCT——主中央逆冲断裂(Main Central Thrust)；MD——Muskol穹窿(Muskol dome)；MKT——主喀喇昆仑逆冲断裂(Main Karakorum Thrust)；MMT——主地幔逆冲断裂(Main Mantle Thrust)；MPT——主帕米尔逆冲断裂(Main Pamir Thrust)；MTB——木吉-塔什库尔干盆地(Muji-Tashkurgan Basin)；PGTZ——班公转换压缩带(Pangong transpressional zone)；SKD——Shakhdara穹窿(Shakhdara dome)；SPD——Shatput穹窿(Shatput dome)；SRD——Sarez穹窿(Sarez dome)；STDS——藏南拆离系(southern Tibetan detachment system)；TKF——塔姆喀拉断裂(Tam Karaul Fault)；TLF——铁克里克断裂(Tiklik Fault)；TP——塔什库尔干岩体(Tashkurgan pluton)；TST——甜水海反冲断裂带(Tianshuihai Thrust)；WKTB——西昆仑逆冲断裂系统(West Kunlun thrust belt)；YGD——Yazgulom窟窿；ZB——札达盆地(Zada Basin) Fig. 9 Sketch of stepwise tectonic, sedimentary and topographic evolution of the Pamir-Himalaya syntaxis, modified after Cao et al.[12] |
塔西南盆地碎屑锆石裂变径迹在26~15 Ma表现为显著的动态峰值年龄，锆石来自于西昆仑山前，与该地区已有的基岩锆石和磷灰石裂变径迹年龄一致[20, 54, 78, 97, 125]，记录了铁克里克断裂的初始逆冲活动和塔姆喀拉断裂的活化。早中新世西昆仑山前断裂的活动引起岩石的稳定剥露，剥露速率约为0.9 km/Ma[1]。与新生代早期主帕米尔-塔姆喀拉断裂作为高原西北部边界相比，早中新世铁克里克断裂向北的逆冲和上盘的岩石剥露标志着西昆仑山脉向塔里木盆地方向的扩展，与山前地震反射剖面所揭示的上地壳强烈缩短和地表抬升[96]以及塔里木盆地大量粗碎屑沉积物的出现基本上同时[1, 53]。
晚渐新世-早中新世，帕米尔构造结发生了广泛的地壳变形，表现为大型断裂的强烈活动、岩石的广泛剥露和岩浆变质作用(图 5，图 8d和9b)。帕米尔构造结主要大型断裂的初始活动时间均集中在这一时段，例如，WKTB、TFTB和MPT的强烈逆冲缩短[1, 13, 44, 47, 54~55, 81, 96]，KYTS的右行转换逆冲[43, 54, 74]，KKF的右行走滑[86~89]，以及NMSZ-SPSZ-ASZ的强烈伸展剪切[21~24, 46]。
帕米尔-西昆仑广泛的岩石剥露与大型断裂构造的初始活动也基本同时。帕米尔北部卡拉库里地堑在25~16 Ma快速冷却剥露[75]，西昆仑山脉在26~15 Ma强烈剥露和扩展造山[1, 96]，帕米尔中部和南部的Sarez-Muskol-Shatput穹窿、Shakhdara-Alichur穹窿在23~16 Ma开始发生南北向同伸展冷却剥露[21~24, 46, 104, 111]。
此外，青藏高原西北部显著的岩浆变质作用也发生在渐新世晚期至早中新世。帕米尔同构造花岗岩的侵位[23~24，46，102]，甜水海-喀喇昆仑地块来自幔源的Baltoro岩体的侵位[115~117]，以及帕米尔中南部穹窿的进变质埋藏峰期变质作用[37，45，112]。
针对帕米尔-西昆仑新近纪构造变形和岩浆作用，前人提出了两种动力学模型。第一种模型简称为“向北楔冲模型”。该模型认为亚洲(或阿莱依)板块和塔里木向南俯冲，导致帕米尔-西昆仑造山带楔冲增生到阿莱依-塔里木盆地之上[19, 139]，主要依据是地震和电磁深部影响显示亚洲和塔里木板块具有向造山带俯冲的特征[11，16~17，139~140]。该模型可以较好解释青藏高原西北部的深部岩石圈结构和上地壳的宏观构造变形样式，但是无法合理解释帕米尔中部、甜水海-喀喇昆仑地区的早中新世的岩浆活动。第二种模型为下地壳流动模型。该模型主要用来解释青藏西北部晚中新世-第四纪超钾质火山岩的形成[9, 141]，但是无法解释帕米尔-西昆仑的岩石剥露隆升和山前上地壳的逆冲变形[1, 13, 55, 96]。因此，上述两种模型都不能全面解释青藏高原西部晚渐新世-早中新世总体的构造变形、岩浆活动和岩石剥露样式。
值得注意的是，除了西昆仑早中新世发生强烈构造变形和地表剥露之外，帕米尔的Sarez-Muskol-Shatput穹窿、Shakhdara-Alichur穹窿均在23~16 Ma开始发生南北向同伸展冷却剥露，可能与帕米尔地壳缩短增厚之后的重力坍塌有关[21~24]。甜水海-喀喇昆仑地块来自幔源的Baltoro岩体的侵位时间为26~15 Ma，可能与印度板块向北俯冲时断离引起的下地壳熔融有关[116~117, 142]。喜马拉雅南部的主中央逆冲断裂约23 Ma开始活动[143~144]，指示特提斯喜马拉雅向南的楔冲作用，与印度岩石圈向北的持续俯冲有一定关联[145~146]。基于上述地质事实，我们提出了青藏高原西部造山带尺度的南北双向楔冲模型[1]，简称“双向楔冲模型”(图 8d)。模型中，青藏高原西部南北楔冲体的几何形态可分别由喜马拉雅向南的逆冲系统(MCT)和帕米尔-西昆仑山前向北的逆冲系统(WKTB、TFTB和MPT)来限定。由喀喇昆仑Baltoro岩体侵位所揭示的印度板块向北俯冲时的板片断离为该模型提供深部动力来源。具体而言，印度板块断离过程中会引起软流圈扰动上涌，这一过程引起的浮力是喀喇昆仑-甜水海地区岩浆侵位的主要驱动力，同时也会引起帕米尔穹窿的南北向伸展和垂向挤出剥露和地表岩石的广泛隆升。在地表隆升剥露过程中，由于重力势能效应产生的挤压应力向造山带周缘扩展[147~149]，从而驱使帕米尔、西昆仑和喜马拉雅山脉分别向北和向南的楔冲。此时，帕米尔构造结地表广泛的岩石剥露也与高原周缘盆地粗碎屑沉积物的出现同步[13, 51, 53, 59, 150]。与印度板块向北的主动俯冲相比，先前地球物理资料揭示的阿莱依-塔里木岩石圈向南的俯冲可能在帕米尔-西昆仑向北楔冲过程中起到了被动调节作用[17, 27]。
4.1.4 中新世中晚期-第四纪中新世晚期，公格尔山断裂下盘的慕士塔格峰南部和西侧与公格尔山北侧的独居石Th-Pb年龄记录了帕米尔东部地壳经历了由南向北的加厚过程[4, 15]。与此同时，塔里木盆地新近纪沉积物风化指数的变化显示帕米尔东南部在约15 Ma以来发生地表抬升[74]。12~11 Ma开始，帕米尔东南部和松潘-甘孜地块发生岩浆活动，形成钾质岩浆岩和火山岩[1, 2, 45, 79, 113, 118~120, 124]。东Shaput穹窿和慕士塔格穹窿和西昆仑于12~7 Ma快速冷却剥露[12, 15, 79]。10~6 Ma，KYTS右行走滑趋于停止[20]，发生强烈逆冲变形[12]；西昆仑山前铁克里克断裂上盘岩石约在15 Ma以来加速剥露，剥露速率可达1.1 km/ Ma[1]。综上可知，以钾质岩浆岩和火山岩出现和穹窿伸展为标志，中新世中晚期以来帕米尔东南部和松潘-甘孜地壳发生了伸展松弛，可能与地壳减薄有关[79, 151]。相对而言，帕米尔-西昆仑与塔里木盆地结合部位普遍遭受挤压变形[47, 74](图 9c)，帕米尔-西昆仑山前发生显著的地壳缩短，挤压应力传递到了塔里木盆地，促使帕米尔-西昆仑山前褶皱-逆冲系统向塔里木盆地发展[42, 152]。
上新世-第四纪以来，青藏高原西北部的岩石剥露主要集中在东帕米尔穹窿、Shakhdara穹窿和乔戈里峰[12, 38~39, 76~77](图 9d)。东帕米尔穹窿上新世以来的集中冷却剥露很可能记录了公格尔山断裂带的整体性初始伸展，导致穹窿快速剥露；穹窿第四纪以来的加速冷却剥露则很可能与冰川和河流侵蚀对穹窿伸展的正反馈作用有关[38]。东帕米尔穹窿上新世-第四纪以来的剥露可能也适用于Shakhdara穹窿和乔戈里峰[22, 77]，表现为气候变化和构造对岩石剥露的双重作用。
4.2 塔里木盆地海退的控制因素关于塔里木海海退的主控因素的认识仍存在较大分歧，主要存在3种观点：1)构造变形。该观点认为由于印度-欧亚板块碰撞引起帕米尔-西昆仑山脉向北推挤楔入，造成塔里木盆地与塔吉克盆地的分隔，迫使塔里木海随之退出[10~11, 13, 32~33]。Carrapa等[31]强调帕米尔始新世的地壳生长引起了塔吉克盆地的构造沉降和特提斯洋向北的逐步退出。但是，塔里木盆地奥依塔格剖面的沉积学研究认为帕米尔在始新世并未发生明显地壳缩短增厚[32]。Sun等[33]认为47~40 Ma全球海平面降低的幅度有限(64~20 m)，不足以导致塔里木海的最终退出。2)全球海平面升降。该观点认为帕米尔-西昆仑山脉主要构造变形发生的时间晚于塔里木海退，而塔里木海湾古近纪海侵-海退的周期性变化与同期全球海平面升降曲线比较吻合，塔里木最后海退与全球海平面处于低位的时间一致[29, 34]。3)构造和全球海平面升降共同作用。该观点认为长期的构造变形和短期全球海平面升降共同控制了塔里木的海退[28, 40, 73]。构造的控制作用主要表现在两个方面：一方面，塔西南第四次海退(约41~40 Ma)具有准同时性，可能与构造变形的作用相关；另一方面，中亚地区第四次和第五次海侵之间有较长时间跨度，允许构造作用引起盆地的沉积充填，主要依据是在阿富汗-塔吉克、阿莱依和费尔干纳盆地地层中发现了稳定的粗碎屑物质和再循环的云母砂岩[28]，以及中北帕米尔始新世的快速冷却剥露[75]。全球海平面升降控制作用主要表现在短时间尺度上，例如，第五次海退(约37~36 Ma)则可能与全球海平面急剧下降相关[73]。综上可知，特提斯洋在塔里木盆地退出的时间已经积累了较多数据，海退原因的分歧主要在于帕米尔构造结始新世构造变形对塔里木海退的控制是否占主导作用，对这一问题的澄清还有赖于对下面两个问题的解答：1)帕米尔构造结在始新世是否发生强烈地壳缩短增厚？2)帕米尔构造结何时向北发生大规模楔入？
根据上文对帕米尔中新生代构造地貌过程的总结，下文将尝试对这两个问题进行回答。帕米尔-西昆仑山脉的形成时间可追溯到三叠纪-早侏罗纪，中生代中晚期地壳进一步缩短增厚[1]。始新世早期，由于印度-欧亚板块碰撞的应力传递，远离碰撞带的帕米尔-西昆仑的构造变形似乎有限，主要继承了中生代中晚期的变形样式[1]，仅在帕米尔东部和北部局部发生构造剥露[12, 75, 80]；中帕米尔-甜水海发生一定的岩浆作用[1，45，104，111]，可能与加厚下地壳物质的部分熔融有关[137]。实际上，帕米尔构造结中南部地壳强烈增厚的时间始于37~35 Ma[45]，帕米尔构造结发生广泛构造变形和岩石剥露主要集中在晚渐新世-早中新世(25~16 Ma)，特别是大型转换断裂(KYTS)和山前褶皱-逆冲断裂系统(WKTB、MPT和TFTB)的初始活动[1, 13, 43~44, 47, 54~55, 74, 81, 96]，指示帕米尔构造结向北大规模楔入的时间不会早于晚渐新世，帕米尔弧形构造主要还是形成于新近纪以来[19]。因此，帕米尔构造结主要构造变形的时间晚于塔里木海退的最终时间。然而，帕米尔构造结中部始新世岩浆活动以及中、南部地壳开始增厚的时间与特提斯洋最终退出塔里木-塔吉克盆地的时间仍有一定重叠，说明帕米尔构造结始新世的构造作用对塔里木最终海退具有一定的控制作用。尽管Sun等[33]认为47~40 Ma全球气候变冷引起的海平面的下降幅度(64~20 m)对塔里木海退的影响有限，但从长时间尺度来看，中亚地区海侵和海退震荡波动与全球海平面升降变化的规律是一致的[34]，因此，始新世晚期气候变冷引起的全球海平面下降应该会对塔里木盆地最终海退产生一定影响。因此，从已有证据来看，塔里木最终海退可能是帕米尔地壳加厚和全球海平面下降共同作用的结果。
5 结论和展望在系统梳理和总结近十年来国内外学者研究成果的基础上，本文分析和探讨了帕米尔构造结中新生代构造地貌发展历史和动力学过程，以及特提斯洋在塔里木盆地退出的时间、方式和控制因素，主要认识如下：
(1) 建立了帕米尔-西昆仑中新生代构造变形时空格架，刻画了从二叠纪末期到中新世中晚期构造地貌演化的动力学过程，认为帕米尔-西昆仑山脉从三叠纪-侏罗纪早期就已经出现，经历了中生代中晚期和新生代早期的活化造山和晚渐新世-中新世向外和向上生长过程。帕米尔构造结新生代早期的构造变形幅度有限，始新世由于地壳开始增厚发生岩浆活动，其强烈地壳增厚开始于约37~35 Ma，向北的大规模楔入作用和弧形构造的形成不会早于晚渐新世。晚渐新世-早中新世青藏高原西部广泛的构造变形、岩石剥露和岩浆变质可用印度板片断离引起的帕米尔-西昆仑上地壳向南北两侧双向楔冲的动力学模型来解释。
(2) 查明塔里木盆地在始新世经历了两次分布式的海侵和海退。特提斯洋第四次退出塔西南的时间约为41~40 Ma，第五次退出塔里木-阿莱依-塔吉克盆地的时间约为39~37 Ma。基于对帕米尔构造结中新生代构造地貌过程的分析，认为塔里木最终海退可能是帕米尔地壳加厚和气候变冷引起的全球海平面下降共同作用的结果。
需要说明的是，帕米尔构造结的构造变形和地貌生长经历了漫长的地质过程，前人研究的时间尺度主要还是集中在新生代以来，且研究目标大多限于新生代穹窿系统、大型走滑断裂和逆冲系统，构造结中生代和新生代早期的构造演化过程的细节仍知之甚少。此外，由于客观因素，相对于青藏高原其他部位，帕米尔构造结地貌生长的定量数据仍十分匮乏，在一定程度上制约了对中亚地区古环境变化的认识。尽管针对塔里木盆地新生代海侵和海退的认识已经取得了诸多重要进展，但要查明特提斯洋退出中亚地区的真正原因，量化构造作用与全球变冷各自的贡献还需要开展更多研究工作，一方面需要获取更多年代学数据，厘清塔里木-阿莱依-塔吉克盆地海退的时空格局；另一方面，还需要加强对帕米尔构造结及塔里木-塔吉克盆地构造变形的研究，特别是新生代地层古纬度的重建。
致谢 感谢王鑫、黄文涛、James Worthington、Jay Chapman、Paul Kapp的有益讨论和提供的图件资料。感谢同行评审专家和杨美芳编辑的宝贵修改意见!
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2 State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, Center for Global Tectonics, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, Hubei;
3 Department of Geosciences, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA;
4 State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan, Hubei 430074, Hubei)
Abstract
Robust constraints on Mesozoic-Cenozoic tectonic and topographic processes of the Pamir syntaxis is crucial to understanding the orogenesis and geodynamics of the Tibetan Plateau, as well as their impacts on the climate changes of Central Asia in the past. This review paper emphasized on the compilation of research progress on onset timing and evolution of major structures, burial and exhumation of the gneiss dome systems, as well as metamorphism and magmatism in the Pamirs and adjacent areas in recent decade, which are central to the topics of Mesozoic-Cenozoic morphtectonic evolution of the Pamir syntaxis, and Cenozoic incursions of the Tarim Sea. Episodic geodynamic scenarios were proposed to account for tectonic and topographic development of the Pamir-West Kunlun Mountains from the Permian to the Late Miocene. It is confirmed that the Pamir-West Kunlun Mountain belts are long-lived topographic expression dating back to Triassic-Early Jurassic times, and have experienced Middle-Late Mesozoic to Early Cenozoic rejuvenation and Late Oligocene-Miocene outward and upward expansion. The Eocene deformation of the Pamir-West Kunlun Mountains was minor compared with thickening of the crust initiated at ca. 37~35 Ma. Notably, large-scale northward indentation of the Pamirs did not occur until the Late Oligocene, responsible for the formation of orocline structures of the Pamir syntaxis. A model of double-sided lithospheric wedge model primarily driven by breakoff of the Indian crustal slab was built up to explain widespread intense tectonism in the Pamirs, featured by synchroneity of initial deformation of major structures, intense rock exhumation and burial peak metamorphism, associated with coeval magmatism across western Tibet. To the north the Pamir-West Kunlun Mountains, two steps of westward retreat of Paratethys Sea from the Tarim Basin took place at ca. 41~40 Ma and ca. 39~37 Ma in time order. The timing of latest regression of Paratethys from the Tarim Basin partially overlapped with Eocene magmatism of the central Pamir and the onset of significant crustal thickening of central and southern Pamirs from ca. 37~35 Ma ago, implying potential impacts of regional tectonics on final sea retreat in the Tarim Basin. In addition, the oscillation of marine regression and transgression in Central Asia keeps pace with the drop-and-rise pattern of global sea level due to climate change, suggesting a role of climate change playing on the retreat of Tarim Sea in a long-term period. Therefore, both mechanisms of crustal thickening and descending of global sea level due to global cooling could control the final regression of the Tarim Sea. The relative contribution of tectonism and climate change to sea retreat from Central Asia still needs to be further evaluated.