0 前言

阿尔金断裂一直为中外地质学者的关注对象，厘清其活动期次，研究各个期次的活动特点与运动方式和幅度一直是青藏高原大陆动力学研究的热点。阿尔金断裂作为新生代强烈活动的左旋走滑断裂，在青藏高原北部新生代大规模叠覆和缩短运动及其后的隆升和向东流动变形中起着重要的边界控制作用，控制了高原北部的几何学特征及基本的构造格架，对调节印度-欧亚大陆碰撞作用产生的构造变形起着重要作用^[1]。旋转构造伴随阿尔金断裂的强烈走滑活动而生长、发育和发展^{[2, 3, 4]}。

通过对柴达木地块不同地区新生代的古地磁研究，一些学者认为柴达木盆地中、新生代以来发生了显著的顺时针旋转^{[5, 6, 7, 8]}。如根据来自柴达木盆地周缘河西走廊白垩纪^[5]、昆仑地块与羌塘地块新生代^{[6, 7]}的古地磁数据，认为柴达木盆地整体上存在顺时针旋转才能符合青藏高原北缘构造演化模式；而根据来自柴达木盆地内部花土沟地区、马海农场附近渐新世至上新世地层的古地磁研究，认为柴达木地块从西到东顺时针旋转作用有逐渐增强的趋势：中新世至上新世间，马海古地磁数据表明存在近45°的顺时针旋转作用，早上新世以来有近31°的顺时针旋转；渐新世至中新世间，花土沟地区表现为逆时针旋转，上新世以来有近16°的顺时针旋转^[8]。有些学者认为至少柴达木盆地东缘存在逆时针旋转^{[9, 10]}，如盆地东部瑙格剖面磁性地层时代为20~8 Ma，古地磁研究认为8.2 Ma以前柴达木盆地整体发生顺时针旋转，8.2 Ma以后则发生了明显的逆时针旋转运动^[10]。而同样来自盆地内部小柴旦剖面^{[11, 12]}、红三旱剖面^[13]、红柳峡剖面^[14]新近纪以来地层的古地磁研究，认为柴达木盆地没有发生明显整体旋转运动。

显然，至今关于柴达木盆地旋转运动是否存在、是整体旋转还是局部区域旋转以及旋转方向和旋转量等问题都还存在较大分歧。柴达木盆地新生代以来是否发生了旋转运动、或是只有局部地区发生旋转运动是理解青藏高原北缘构造演化过程及动力学机制的关键所在，而目前古地磁结果在讨论柴达木盆地旋转与否和旋转量等方面如此混乱可能是因为没有厘清阿尔金断裂左行走滑活动多期次特征对柴达木盆地的影响。本文试图通过盆地内部稳定区古地磁学研究来判断柴达木盆地中中新世以来是否经历了整体旋转，从而推断旋转变形是否是阿尔金断裂多期次活动影响的结果。

1 地质背景与样品采集

柴达木盆地为东昆仑山、祁连山和阿尔金山所环绕的内陆盆地，盆地地势西高东低，海拔一般为2 675~3 648 m。柴达木盆-山构造域位于阿尔金走滑断裂中段、海原走滑断裂及东昆仑走滑断裂之间。新生代以来，接受了来自周边的大量剥蚀物质，形成巨厚的陆相沉积。中新世中期以后，由于青藏高原的持续隆升，盆地西部相对上升较快，致使坳陷主体部位逐步向东转移，沉积中心也随之向东迁移。上新世末期，受晚期喜马拉雅运动的影响，柴达木盆地西部结束了坳陷的发展时期而进入褶皱回返阶段，使第四系与下伏第三系之间普遍存在不整合现象。柴达木盆地西部是主要油气勘探地区，该区古近系和新近系发育完整，对其沉积相的研究较为深入。柴达木盆地古近纪、新近纪地层自老到新划分为路乐河组、上和下干柴沟组、上和下油砂山组、狮子沟组^[15]。

研究区位于柴达木盆地中西部南八仙油气基地附近(图 1)，地貌主要为风蚀残丘区，受岩性和风向的控制，残丘形态奇特、高低陡缓多变，长期受以西北风为主的吹扬作用，致使残丘西北坡遭受侵蚀而陡立，东南坡接受沉积而缓长，残丘一般高7 m左右，丘间沟槽中常有风积沙分布(图 2a，b)。研究地层属于上新世上油砂山组，岩性以蓝灰、红褐色泥岩、泥质粉砂岩和砂质泥岩为主(图 2c)，可见钙化木化石(图 2d)，局部有砂质泥岩透镜体。采样剖面位于大柴旦至南八仙新修公路边的新鲜露头(37.98°N,94.2°E)，利用轻便手提水冷汽油钻机共采集了44个采点420块古地磁定向岩心样品(图 2e)。其中，23——45采点为高分辨率采集，尝试通过磁性地层学限制地层时代，采样间隔20~40 cm不等，局部松散砂层间隔可达2.0 m左右。

星标为本次研究区域。 图 1 柴达木盆地构造地质及其地貌特征 Fig. 1 Tectonic and topographic map of the Qaidam basin

图选项

图 2 柴达木盆地南八仙地区地貌及野外采样 Fig. 2 Topographic map of Nanbaxian,Qaidam basin and sampling

图选项

野外采集样品在国土资源部古地磁与古构造重建重点实验室抽样间利用美制无磁双锯片切割机加工成标准古地磁标本。但由于所采集地层岩石固结程度较低，运输和加工过程造成部分损坏，最后获得规则样品355块。

古地磁样品的系统剩磁测试利用立式2G-755R和卧式2G-760超导磁力仪进行。样品的系统热退磁处理是利用美制TD-48大型热退磁炉完成的，控温精度达到±1 ℃。样品的热退磁处理和剩磁测试均在磁屏蔽空间中进行，以避免周围磁场对样品测试数据的影响。在对全部样品进行剩磁测试前，我们先选取部分先导样进行系统热退磁实验，热退磁温度在低温段间隔大(60 ℃)，高温段则较密(10~20 ℃)。在对先导样结果分析后，具体分析了不同地层不同岩性样品的退磁特征，之后一般以岩性为根据来分批测试，所有的样品均经过了系统热退磁处理，从室温至680 ℃经过12~16步，低温间隔为60 ℃或80 ℃，高温间隔为10 ℃。样品的剩磁分量首先利用主向量法^[16]求得每个样品的特征剩磁分量，然后以采样点为单位进行Fisher统计分析^[17]，数据处理采用Enkin提供的古地磁分析软件^[18],相关古地磁数据分析与成图利用了PaleoMac 6.2软件^[19]。热退磁结果表明，大部分样品都能分离出可靠的高温特征剩磁分量(表 1，图 3)，另外有个别样品高温段分量较乱，无法有效获得分量方向。代表样品NS16-5和NS44-9的强度衰减曲线在350 ℃时已衰减超过50％，并在680 ℃时强度衰减到底，在Z矢量图上表现为120 ℃ 之后其剩磁方向稳定趋向原点，赤平投影图则展示了集中的反和正极性。NS28-6样品的强度衰减曲线在350 ℃衰减40%，Z矢量图上只揭示了单个磁成分，稳定趋向原点。NS20-5样品则在200 ℃衰减仅剩15%，Z矢量图上无清楚磁分量显示，赤平投影图显示主要为正极性，但各数据点分散展布。200 ℃前快速衰减可能是受后生针铁矿的影响，350 ℃明显衰减则可能是受磁赤铁矿的影响，样品主要携磁矿物具有约680 ℃的解阻温度，说明主要为赤铁矿。

图中的空心圆和实心圆分别代表垂直和水平投影；T680代表680 ℃；M为磁化强度；Mmax为最大磁化强度；IS表示地理坐标系；NRM为天然剩磁；Up(Down)为上（下）方向；Scale为坐标轴每格代表的磁化强度。 图 3 代表样品系统热退磁的天然剩磁强度Z矢量图、衰减曲线和磁化方向投影图 Fig. 3 Representative in-situ Zijderveld vector diagrams of thermal demagnetizations of NRM,decay of inten sity upon thermal demagnetization and stereonet plots of the magnetization directions

图选项

南八仙样品中320块获得较好分量。古地磁数据的可靠性可由以下几个方面来讨论：

1)样品的热退磁处理和剩磁测试均在磁屏蔽空间中进行，避免了周围磁场对样品测试数据的影响。样品的剩磁测试是在世界上先进的立式2G-755R和卧式2G-760超导磁力仪上进行，保证了古地磁数据的测试精度。

2)剩磁强度衰减特征表明大多数样品的携磁矿物主要以赤铁矿为主，赤铁矿具有680°左右的解阻温度，特征剩磁成分在高温阶段分离出。

3)倒转检验：全部样品，N=42，其中正极性N₁=12，D_s=1.3°，I_s=42.7°；负极性N₂=30，D_s=180.9°，I_s=-41.0°；古地磁褶皱检验因子γ=5.8＜γ_临界值=9.3；95%置信水平下为正检验(B级)^[20]。

4)褶皱检验：由于采样区域地层产状较缓，无法成功进行褶皱检验。

综上所述，这次研究所取得的古地磁数据是可靠的，其中的高温分量都通过了倒转检验，因此代表了原生剩磁(表 1)。同样利用Fisher统计分析求得42个采点的平均值，高温分量的特征剩磁方向在地理坐标下为D_g=358.5°、I_g=40.5°、κ=28.5、α₉₅=4.2，在层面坐标下为D_s=1.0°、I_s=41.5°、κ=34.0、α₉₅=3.8，相应的极位置为λ_p＝75.9°N、φ_p=270.5°E、d_p=2.8°、d_m=4.6°(λ_p、φ_p、d_p、d_m分别为古地磁极纬度、精度、置信椭圆半长轴、半短轴)(图 4)。

左为地理坐标; 右为层面坐标。五角星代表样品平均方向的位置；实心圆、空心圆分别代表上、下球面投影。 图 4 南八仙高温分量等面积投影图 Fig. 4 Equal-area stereographic projection of high temperature component from Nanbaxian in geographic (left) and stratigraphic (right) coordinates

图选项

结合剖面的厚度，建立了南八仙剖面出露的上油砂山组的磁极性序列(图 5)。整体表现为以正、反极性交替的特征为主。出现一块样品极性的倒转不能作为确定一个极性时或极性事件，暂时搁置。本段磁极性序列共揭示了3段正极性和2段反极性。

图 5 地磁极性年表[21]与南八仙磁极性序列对比 Fig. 5 Correlation between the geomagnetic polarity time scale[21] and the magnetostratigraphic sequence of Nanbaxian section

图选项

近年来，柴达木盆地新近纪磁性地层年代学数据迅速积累^{[22, 23]}，上油砂山组年龄限定在15~8 Ma。将所建立的磁极性序列与国际极性年表确切对比时，既要仔细分析极性条带分布的总体特征，又要考虑地层剖面岩性的变化。因为地层的磁极性序列是以地层厚度为标尺。而国际地层极性年表则是以时间为标尺，地层沉积厚度的影响因素很多，如古气候、沉积物物源、构造运动、沉积速率、沉积时间等。南八仙出露的此段地层含钙化木化石，又富含其他多种生物化石^[15]，限定为上油砂山组。本段岩性较均一，沉积速率可能比较稳定，通过极性序列特征对比，在15~8 Ma很难对应，与9.0~7.5 Ma对应较匹配。因此，我们取此段研究地层时代为8.5 Ma。

柴达木盆地新生代以来旋转运动争论较大^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]}。部分数据的确说明存在旋转运动，但是这一运动特征是否代表了柴达木盆地整体运动值得探讨，另外旋转运动发生的时间以及不同时期对应的旋转量都需要更精细的工作来厘定。本文采集了近同一时期柴达木盆地及邻区古地磁结果对比分析(表 2)。

在以参考点(40.0°N，117.5°E) 为圆心的小圆弧上，可以直观获得各个古地磁极代表的运动信息(图 6)。可以发现在约同时代的极位置中，南八仙8.5 Ma极、瑙格18 Ma极、油泉子N₁极、小柴旦10 Ma极、索尔库里4 Ma极在误差范围内比较集中，并且相对稳定的欧亚板块极位置不存在明显旋转运动。而红柳峡N₂极、瑙格12 Ma极有逆时针旋转趋势，肃北约12 Ma极则存在显著逆时针旋转。红沟子12 Ma极、花土沟N₂极、马海N₂极显示了顺时针旋转，瑙格8 Ma则具有明显顺时针旋转。

图 6 柴达木盆地中中新世等面积古地磁极投影图 Fig. 6 Equal-area stereographic projections of the Mid-Miocene paleomagnetic pole in Qaidam basin

图选项

图 6所展示的古地磁极似乎给我们一个杂乱无章的印象。首先，同欧亚板块视极移曲线对比存在分歧，那么我们只分析柴达木盆地及邻区的极位置。瑙格的不同时代极位置较短时间内表现出的较大幅度逆、顺交替旋转运动值得商榷，因为此剖面地层不似黄土水平或近水平的产状，野外古地磁采样均为手标本，室内手工制成立方体样，这种工作方式在磁性地层工作中或可接受，由于野外定向、室内加工、测试标志线对准、产状校正等环节造成的较大误差不适合用来讨论构造运动，这可能正是瑙格剖面删除超过39%样品结果的主要原因^[10]。同样的问题可能也存于红沟子剖面的研究中^[26]。因此这两个剖面的结果本文只做参考，不做进一步讨论。而李朋武等^[8]的研究样品数量较少，并且测量使用仪器为数字旋转磁力仪，反映的运动趋势可能存在，但旋转幅度仅做参考。

因为以南八仙8.5 Ma极为代表的几个极位置比较集中，与欧亚板块同时代极位置对比又无明显旋转趋势，旋转量为4.6°±3.5°，说明柴达木盆地至少在中中新世以来没有发生明显的整体旋转运动。以南八仙8.5 Ma极为参考点，发现红柳峡N₂极、肃北约12 Ma极存在逆时针旋转运动，旋转量分别为-6.4°±7.7°、-19.6°±4.3°；花土沟N₂极旋转量分别为4.6°±3.8°^[25]、16.2°±6.8°^[8]，至于不同学者在同一地区同时代地层获得结果相差较大的原因目前无从考证，不同学者的结果虽然相差较大，但都证明存在顺时针旋转运动。

沉积演化^[29]、沉积速率变化^{[30, 31]}，褶皱变形^[32]，热隆升历史^[33]、成分分析、物源分析以及沉积物粒度分析的结果表明：中新世——上新世阿尔金断裂有快速走滑隆升的迹象^{[34, 35, 36]}，构造节理分析表明阿尔金断裂具有多期活动的特征^{[37, 38]}；中新世下油砂山组沉积之后,阿尔金断裂具有明显的走滑逆冲活动。因此，肃北、花土沟等毗邻阿尔金断裂带的旋转是阿尔金断裂中中新世以来活动的结果，但断裂走滑作用并没使柴达木盆地整体发生旋转运动，与构造节理分析揭示阿尔金断裂活动影响范围类似^[38]，只邻近断裂带中中新世以来地层沉积后受走滑作用影响发生了旋转运动。阿尔金断裂中新世以来走滑活动是印度板块持续北向运动的响应，在柴达木盆地的内部则表现为强烈挤压构造变形^[25]，形成多个仍在生长中的褶皱^[39]。

另外，柴达木盆地大多数极位置与欧亚板块视极移曲线同时代的极位置存在显著的纬度差，这个现象并不代表柴达木盆地中中新世以来发生了显著的北向位移，而是由于本地区甚至中亚地区同时代沉积岩共有的磁倾角偏低所致。对这一现象不同学者提出了不同的解释，如沉积压实作用^[28]、欧亚板块第三纪以来的非刚性超块体运动^[7]和非偶极子场的影响^{[5, 40]}等。针对中国西部新生代沉积地层这一现象，研究认为沉积压实作用可能是其主要原因^{[41, 42]}。

4 结论

1)通过柴达木盆地南八仙剖面上油砂山组古地磁学研究，建立了部分上油砂山组磁极性序列，研究剖面地层时代可能为7.5~9.0 Ma。经过系统热退磁，获得了一组在95%置信度下通过倒转检验(B级)的高温特征剩磁分量，对应极位置为λ_p＝75.9°N,φ_p=270.5°E,d_p=2.8°,d_m=4.6°。

2)通过与同时代柴达木盆地及邻区的古地磁极对比分析，结合沉积演化、沉积速率变化、褶皱变形、热隆升历史、成分分析、物源分析以及沉积物粒度分析、构造节理分析，认为阿尔金断裂走滑作用没有造成柴达木盆地整体发生旋转运动，肃北、花土沟等毗邻阿尔金断裂带的旋转是阿尔金断裂中中新世以来活动的结果。

通过本次研究，发现在柴达木盆地及毗邻地区虽然开展了较多的磁性地层学及构造磁学相关工作，实则可靠的关键极(具有精确时代控制的可信的古地磁极)并不多，目前还不足以讨论周缘大型活动断裂带活动对柴达木盆地变形的影响特征和幅度。目前，柴达木盆地新生代巨厚的沉积地层的时代积累大量数据，在此基础之上获得不同时代的关键极亟需开展。