矿物岩石地球化学通报  2015, Vol. 34 Issue (6): 1287-1302   PDF    
新疆东准卡拉麦里地区下石炭统板内沉积特征
蔡雄飞1, 樊光明1, 廖群安1, 王富明2, 吴丽云1    
1. 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, 武汉 430074;
2. 四川省地质矿产勘查开发局 区域地质调查队, 成都 610213
摘要: 长期以来,新疆东准卡拉麦里碰撞带时限与下石炭统紧密相关.本文建立内部地层序列,将生物地层与锆石年代学紧密结合,明确了下部松喀尔苏组(暂定)火山岩系锆石年龄为346.8±3.3Ma,为早石炭世维宪期沉积;中部塔木岗组碎屑锆石年龄327Ma,为维宪期之后的沉积产物.将生物地层、沉积地层、火山岩和构造背景相结合,得出晚泥盆世克安库都克组为磨拉石沉积.下石炭统早期的松喀尔苏组(有待建组)为中、基性火山岩夹中酸性的火山凝灰岩,塔木岗组具有滨岸扇三角洲沉积,姜巴斯套组以重力流沉积为主,测区已进入到板内沉积阶段.测区早石炭世板内地层具有盆地开裂、近海和深水的重力流沉积,组成板内开裂至坳陷的沉积特征.
关键词: 年代地层序列     火山岩特征     生物特征     板内沉积     早石炭世     新疆卡拉麦里    
Features of Lower Carboniferous Intra-plate Sedimentation in the Kalamai Region, East Junggar, Xinjiang, China
CAI Xiong-fei1, FAN Guang-ming1, LIAO Quan-an1, WANG Fu-ming2, WU Li-yun1    
1. State Key Laboratory of Biological Geology and Environmental Geology, Faculty of Earth Science, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Regional Geological Survey Team, Sichuan Bureau of Geological Exploration and Development of Mineral Resources, Chengdu 610213, China
Abstract: For a long time period, the forming time of the Kalamaili collision zone in East Junggar, Xinjiang has been believed to closely relate to the Early Carboniferous. In this paper, a detailed internal stratigraphic sequence of the Lower Carboniferous strata in the Kalamaili region has been established. Combining with the biostratigraphy and zircon geochronology, it is believed that the Songkaersu Formation in lower part of the Lower Carboniferous strata was formed in the Visean age of Early Carboniferous as the U-Pb age of zircons from its volcanic rock is 346.8±3.3Ma, while the Tamugang Formation in the middle part of the Lower Carboniferous strata was deposited later than the Visean age as the U-Pb age of its detrital zircons is 327Ma. On the basis of studies on bio-stratigraphy, sedimentary stratigraphy, volcanic rocks, and tectonic setting of the area, it is believed that the Late Devonian Keankuduke Formation, the Early Carboniferous Songkaersu, Tamugang, and Jiangbasi formations are composed of molasse sediments, intermediate-mafic volcanic rocks with intermediate-acidic tuff, littoral delta sediments, and gravity flow deposits respectively. The Early Carboniferous strata in the study area are characterized with cracked basin, littoral and deep water gravity flow deposits in intra-plate setting.
Key words: Chronostratigraphic sequence     Volcanic rock features     biostratigraphy     intra-plate deposition     Early Carboniferous     Lalamali, Xinjiang    

新疆东准卡拉麦里西部地区下石炭统地层出露广泛,对全区重大地质基础理论-卡拉麦里碰撞带一直具有指示和约束作用。对卡拉麦里碰撞带时限等问题长期以来也一直存在较大争论。以大断裂为界,可划分为2个地层小区,以北为北塔山小区,以南为卡拉麦里小区(图 1)。工作区正处于南、北准噶尔地层分区的过渡地带。蔡文俊(1986)通过对放射虫硅质岩研究,认为卡拉麦里缝合带的时代为早石炭世;何国琦等(2001)认为古卡拉麦里洋盆闭合于早志留世;舒良树和王玉净(2003)认为卡拉麦里蛇绿岩的形成时代为晚泥盆世—早石炭世早期,李锦轶等(2009)认为形成时代为晚石炭世;杨品荣等(2007)通过对阿勒泰卡姆斯特下侏罗统放射虫硅质岩的研究,认为该洋盆闭合于早石炭世晚期。

造成这种认识上巨大差异的原因是缺乏有力的年代学证据和系统深入的地层学工作来约束准噶尔洋盆的闭合时间。长期以来,卡拉麦里地区一直存在“构造热”,而地层研究十分薄弱。因此,搞清早石炭世地层的序列、沉积组合及其构造背景属性,对确定卡拉麦里碰撞带时限问题至关重要。

中国地质大学(武汉)新疆队通过3年多的野外系统工作,按照“有所为,有所不为”的原则,在卡拉麦里碰撞带西部以涉及全区和大区域的重大基础理论的古生界地层为重点,尤其在志留纪、泥盆纪-下石炭世地层的年代学、地层基本序列、沉积特征、构造背景等多方面都有重大突破,获得一系列新知。

图 1 卡拉麦里西部地区构造单元划分和下石炭统(灰色)分布图 Fig. 1 The tectonic units and distribution of Lower Carboniferous(gray)
1 早石炭世地层序列及碰撞带闭合概况

位于本区早石炭世之下的泥盆纪地层是本区洋盆闭合的关键时期。卡拉麦里碰撞带南缘的泥盆纪地层由下部卡拉麦里组、上部克安库都克组地层组成(图 1)。

下部卡拉麦里组过去一直是东准泥盆纪和滨、浅海的代名词,一个纵跨泥盆纪内部3个统的组,在涉及加里东卡拉麦里碰撞演化史上几乎无人提及,是极不合理的。根据珊瑚和腕足出现的生物分子具有浓厚的下、中泥盆世的色彩,且碎屑锆石年代也指示其年龄的下限为早、中泥盆世,把卡拉麦里组定为早、中泥盆世是有充足的生物学和沉积证据的。沉积特征方面发现卡拉麦里组下段具有重力流浊流沉积序列以及重力流水道相沉积类型,指示沉积环境为斜坡相-半深海相沉积环境,一扫过去的“滨海相”的传统认识。卡拉麦里组自下而上沉积特征是由深水相向浅水相演化,反映本区早、中泥盆世洋盆并没有关闭(蔡雄飞等,2015)。而其上的上泥盆统克安库都克组与卡拉麦里组呈高角度不整合,是一大套含晚泥盆世植物化石Prelepidondron sp.(先鳞木)具韵律结构的磨拉石沉积(图 2王富明等,2013)。磨拉石的韵律结构是造山作用具有脉动性的物质表现。本区韵律结构东部由砂和砾岩组成,中西部由碳质泥岩和砾岩组成。这种韵律结构常常是构造作用强弱的标志。通常洋盆闭合之后的造山作用形成的磨拉石可以作为碰撞事件上限的标志之一(李继亮等,1999)。这一研究成果对广为关注的卡拉麦里洋盆的闭合时间进行了很好的限定(另文详论,此处从略)。

图 2 克安库都克组植物和磨拉石沉积特征 Fig. 2 Keankudouke Formation the lower Containing plant and Molasse characteristic

早石炭世地层根据生物群面貌和岩性组合特征,以新疆岩石地层清理为指南(1999),本区可划分为下石炭统松喀尔苏组(有待建组)、塔木岗组、姜巴斯套组。从早石炭世开始以松喀尔苏组开裂岩性组合为标志的中、基性火山岩,和以塔木岗组为代表的扇三角洲沉积及姜巴斯套组重力流沉积表明本区已进入到板内开裂-拗陷沉积演化过程(图 3)。

图 3 测区下石炭统地层综合柱状图 Fig. 3 Lower Carboniferous strata Kalamaili integrated histogram

对本区早石炭世地层研究程度不高,系统研究几乎没有,仅有片段研究,其中对塔木岗组、姜巴斯套组研究相对比较深入。

松喀尔苏组在本区分布比较广泛,分布在碰撞带南侧。松喀尔苏组一名系1966年新疆地质局区调大队一分队所创,时代为早石炭世,后《新疆区域地层表》(1977)中将其改名为晚泥盆世滴水泉组。1999年,新疆岩石地层清理将其归为晚泥盆世克安库都克组,但该套火山岩系与克安库都克组粗、细碎屑岩系含义明显不符。也就是说,松喀尔苏组(有待建组)有别于现在塔木岗组之上松喀尔苏组(吕焕通等,2013)。根据锆石年龄346.8±3.3 Ma,其在本区早石炭世地层序列应该相对较低。

松喀尔苏组是出露在调查区卡拉麦里深大断裂南侧的一套特殊的火山岩夹中酸性的火山凝灰岩,它超覆不整合于红柳沟组和卡拉麦里组之上。因此,它无论在岩性、发展阶段和构造背景上都明显有别于克安库都克组,对这套特殊的火山岩系本文暂定为松喀尔苏组(有待建组)。该套火山岩系与塔木岗组之上的松喀尔苏组(吕焕通等,2013)具有很大差异,前者从下至上无砾岩夹层,后者有;前者无化石,后者有化石出现;二者构造背景也有较大差异。

塔木岗组系1966年新疆地质局区调大队一分队所创。 其时代为晚泥盆世。1977年编制新疆区域地层表时,重新将其时代厘定为早石炭世,称为塔木岗组(C1t),认为是早石炭世之底的沉积产物。1999年,新疆岩石地层厘定为: 发育在塔木岗巴斯他乌泉至双井子一带的以陆相碎屑岩为主一套岩石序列,主要以黑色泥质粉砂岩、灰色砂岩、含砾粗砂岩为主,夹砾岩、碳质页岩及煤线,含植物化石。李维锋等(2003)提出了新疆奇台地区下石炭统塔木岗组、山梁砾石组属于扇三角洲沉积特征的新认识。李亚萍等(2007)通过对砂岩组分的碎屑锆石年代学的研究,认为塔木岗组一大套碎屑岩系为滨岸环境沉积。

姜巴斯套组于1977年创立于巴里坤县纸房以北,最初定义为一套灰绿、灰、黄绿色富钙质的陆源碎屑岩、火山碎屑岩,其中杂砂岩、长石质砂岩较多。1999年,《新疆维吾尔自治区岩石地层》将该套地层厘定为:分布于东西准噶尔广大地区下石炭统中部,岩性为一套富含钙质的陆源碎屑岩、火山碎屑岩、长石质砂岩、硬砂岩。该套地层与下伏黑山头组不整合或平行不整合接触,其上被上覆地层不整合覆盖。该套地层中含腕足类、植物和珊瑚化石。在测区并不受大断裂地层分区的控制,在两侧广泛分布。据《新疆维吾尔自治区岩石地层》(新疆地质矿产局,1999)所述,测区姜巴斯套组沉积环境自下而上由浅海相-滨海相演化,岩性以下、中部细-上部粗为特征。

张旺生和高怀中(1999),认为早石炭世为两陆块之间构成的一个残余海盆沉积。

杨品荣等(2007)通过古生物学和地球化学方法对该地区的紫红色放射虫硅质岩的放射虫化石进行研究,认为该硅质岩沉积背景为局限小洋盆。并据此推论卡拉麦里洋盆封闭于早石炭世晚期。

2011年汪帮耀等(2011)樊婷婷等(2011)对姜巴斯套组局部火山岩夹层的火山岩岩石地球化学特征进行了系统分析,认为火山岩总体上为基性岩石,中酸性岩石为钙碱性岩石,且LREE富集、HREE亏损,δCe、δEu值均略小于1,反映出岩石略具Ce、Eu负异常,Th、Nb、P、Sm、Yb元素富集,岩石组合略具“双峰”式火山岩特征,说明其形成于板内拉张环境。关于姜巴斯套组夹有火山岩层,其时代和岩石类型值得进一步商榷和讨论。

姜巴斯套组本该属于北准噶尔地层分区,1978年,1︰20万区调划分为下石炭统南明水组。在新疆石炭系总结中(吴乃元等,1982),改称为姜巴斯套组。1986年以后,在东准被广泛使用(中华人民共和国滴水泉幅1︰25万,2012;中华人民共和国富蕴县1︰25万,2012;中华人民共和国青河县1︰25万,2012等)。中国地质大学(武汉)西准队龚一鸣教授(2012)与我们交流,认为东准姜巴斯套组岩性组合和沉积特征与西准(克拉玛依地区)一模一样,它们从西准至东准呈条带状、断续分布。

这些认识无疑深化了本区早石炭世的研究程度。

2 火山岩标志

以下石炭统早期的松喀尔苏组(有待建组)为代表,测区松喀尔苏组总体上沿北西向成带状分布于滴水泉断裂带两侧,岩性为中基性熔岩为主夹中基性的集块岩、火山角砾岩和少量的流纹质凝灰岩。

2.1 时代

原1︰20万滴水泉幅将其划归下石炭统松喀尔苏组,新近完成的1︰25万滴水泉幅将其划归下石炭统黑山头组(新疆地质矿产局,1999)《新疆岩石地层》把它归为晚泥盆世地层,与滴水泉组(已废除)和克安库都克组相当。本次1︰5万地质调查中对该套地层进行了较详细的剖面研究,在该组下段底部的流纹质凝灰岩中获得其中锆石LA-ICP-MS 206Pb/238U的加权平均年龄为346.8±3.3 Ma,上部的基性熔岩锆石U-Pb 206Pb/238U加权平均年龄为338.3±5.2 Ma,侵入于下部火山岩中的花岗岩的锆石U-Pb年龄为341.1±4.0~340.9±5.1 Ma,因此,其时代应为为早石炭世维宪期。本文暂称松喀尔苏组(有待建组)。测区的松喀尔苏组所有剖面几乎都与晚泥盆世克安库都克组始终呈下、上紧密地层关系。

松喀尔苏组剖面以新疆富蕴县畜牧办东侧出露较好(X663739.0,Y5009858.0)(图 4)。从剖面图可见,松喀尔苏组火山岩系位于晚泥盆世克安库都克组第二段粗碎屑岩磨拉石之上,从磨拉石内部发育的递变序列来看,向南西由粗变细,应为正常层序。全区下石炭统松喀尔苏组测制的7~8条剖面始终位于晚泥盆世克安库都克组第二段粗碎屑岩磨拉石之上。

图 4 新疆富蕴县1149.2高地幅下石炭统松喀尔苏组实测剖面图(PM066) Fig. 4 Xinjiang Fuyun County of hill 1149.2 picture of Lower Carboniferous loose the Songkaersu Formation measured section(PM066) 1-砾岩;2-凝灰质砾岩;3-凝灰质含砾长石砂岩;4-岩屑砂岩; 5-砂岩;6-凝灰质砂岩;7-粉砂岩;8-流纹质凝灰岩;9-玄武岩;10-玄武安山岩;11-安山岩;12-正长斑岩;13-石英二长斑岩;14-流纹斑岩;15-玻屑凝灰岩;16-松喀尔苏组;17-克安库都克组第一段;18-克安库都克组第二段;19-卡拉麦里组;20-石英正长岩;21-角度不整合界线;22-平行不整合界线;23-锆石样品采样点
2.2 火山地质特征 2.2.1 火山喷发韵律及旋回特征

松喀尔苏组由下向上,从爆发沉积相的凝灰质碎屑岩逐渐变为溢流相熔岩,火山活动具由弱变强再减弱的演化趋势,火山岩的成分有从中酸性向中基性演化的趋势。

2.2.2 岩相学特征

火山岩野外、镜下特征,松喀尔苏组火山岩的类型有:玄武岩、玄武安山岩、安山岩、英安岩、玄武质角砾熔岩、安山质角砾熔岩、安山质晶屑凝灰岩、流纹质角砾熔岩、流纹质凝灰岩等,以溢流相玄武岩和玄武安山岩为主体。

松喀尔苏组火山岩的Nb、Ta亏损、部分样品Ti亏损,显示了岛弧火山岩的特点,但典型的岛弧火山岩通常其TiO2的含量较低( < 1%)(Wilson,1989),HFSE含量也较低,而样品的TiO2含量(1.10%~2.73%)明显大于1%,同时其高场强元素(HFSE)的含量也较典型岛弧钙碱性火山岩高的多。Pearce(1982)研究显示,在Cr-Y及Cr-Ce/Sr构造环境判别图中玄武质岩石主要落在板内玄武岩区域内,少量落在火山弧玄武岩区域内,而据Pearce和Norry(1979)的研究,Zr-Zr/Y图中测区玄武质岩石则全部落在板内玄武岩的区域,这些都表明克安库都克组火山岩和典型的岛弧火山岩有明显的区别。蛇绿岩带北侧发育泥盆纪岛弧岩浆岩,而南侧从志留纪—泥盆纪沉积岩系具被动陆缘的特征,不发育火山岩,同时地层的构造变形特征也不支持卡拉麦里洋盆发生过向南的俯冲(李锦轶等,2009)。因而松喀尔苏组火山岩应不是岛弧岩浆活动的产物。

松喀尔苏组火山岩和后碰撞火山岩有着相同的地球化学特征。岩石化学特征上看,松喀尔苏组火山岩属钙碱性-高钾钙碱性系列,其(La/Yb)N=2.97~6.66,Nb、Ta亏损,部分样品Zr、Ti弱显亏损,Nb/U、Ce/Pb值分别为7.43~20.88、3.17~12.45,表明其兼具板内火山岩和弧火山岩的某些特点,形成于后碰撞伸展环境,是卡拉麦里洋盆于晚泥盆世之前闭合后后碰撞岩浆活动的产物。

此外,早石炭世晚期的姜巴斯套组含有的火山岩夹层,还值得进一步商榷。从卡拉麦理西部本区大片姜巴斯套组地层来看,始终未见火山岩夹层。再往北东富蕴、青和地区(1︰25万报告,2012)看,也难得见有火山岩夹层。根据姜巴斯套组火山岩岩石类型包括玄武岩-酸性火山碎屑岩-玄武粗面安山岩,以及LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为319.8±2Ma(加权均方偏差值为3)看,与其上晚石炭世巴塔玛依内山组岩性和年龄非常一致。

2.2.3 板内沉积的生物学标志

板内沉积的生物学标志在早石炭世中期塔木岗组时期十分显著。塔木岗组从区域上看产出有不少植物分子,植物计有Lepidodendron sp.; Lepidodendropsis sp.; Calamites sp.; Adianties sp.等。本次新采获腕足类:Productus sp.(长生贝).,Schellwienella sp,除此之外,两个剖面都发现植物化石碎片,Cordaites sp.(科达属);Cardioneura sp.(心脉羊齿)等华夏植物群分子。遗迹化石:Mammillichnis aggeris Chamberlain.,Bergaueria Prant。从生物群看,塔木岗组植物群出现了华夏植物群的Cordaites sp.(科达属)、Cardioneura sp.(心脉羊齿)等,植物群已经混生,也指示了洋盆已经关闭。处于中亚的卡拉麦里地区早石炭世地层出现了南方的华夏植物群分子(图 5)。

图 5 塔木岗组生物群组合面貌 Fig. 5 Biota assemblage of the Tamugang Formation (a)Productus sp.(长身贝,未定种);(b)Cordaites sp.(科达,未定种);(c)Cardioneura sp.(心脉羊齿,未定种);

(d)Carpolithus sp.;(e)Mammillichnis aggeris;(f)Bergaueria Prant
2.2.4 沉积特征的标志

以早石炭世中期塔木岗组和晚期的姜巴斯套组为代表。它们在典型剖面上具有一个显著特征,无火山岩夹层。

3 塔木岗组 3.1 时代

从塔木岗组产腕足类:Productus sp.和chellwienella sp.等及植物群面貌,其时代并不是以往认为的早石炭世初期(新疆地质矿产局,1999吕焕通等,2013),而是早石炭世中期之后。阎存风等(1995)通过孢粉组合分析,也认为属于早石炭世维宪期早期地层。这就表明新疆卡拉麦里地区早石炭世缺失早期的杜内阶沉积。

塔木岗组剖面在测区几乎见不到可见底的连续剖面,均为断层接触,新老关系很难直接建立,只有通过生物年代学与碎屑锆石定年,相互验证,才能确立。

李亚萍等(2007)通过对卡拉麦里碰撞带南缘的泥盆系的卡拉麦里组上部的砂岩组分碎屑锆石的年代学研究,也佐证了本文的塔木岗组应位于松喀尔苏组之上认识。李亚萍等(2007)采样位置的坐标经过投点正好落在本区大片塔木岗组分布区,尤其产有Productus sp.腕足动物塔木岗组第二段区域。碎屑锆石年代并没有错,而且做的比较精细。只是在地层上误把塔木岗组认为卡拉麦里组。通过U-Pb表面年龄分析,介于早石炭世和泥盆纪时限的有37个,其中早石炭世有10个,泥盆纪27个。两颗最小年龄为327 Ma,表明塔木岗组应小于327 Ma沉积,换句话说,应在本文暂定的松喀尔苏组火山岩(维宪期)之后出现的沉积产物。结合腕足类Productus sp.和碎屑锆石年龄,笔者认为塔木岗组并不是早石炭世杜内阶沉积的产物。

3.2 基本序列

塔木岗组第一段层序具有往上变薄序列,可划分为下部基本序列为灰绿色中-薄层砾质粗、中砂岩,内部发育递变层理、砂质条带;上部序列为灰绿色薄-薄层含砾中、细砂岩与灰绿中-薄层含砾细、粉砂岩,内部发育条带状层理、顶部序列由泥岩组成,内部发育水平层理。

第二段下部基本序列为灰绿色厚-中层含砾长石岩屑砂岩夹灰绿色薄层砾岩与灰色粉砂岩互层;中部基本序列为灰绿色中厚层含砾中-细粒长石岩屑质细-中晶灰岩与灰色粉砂岩互层;上部序列为灰绿色中-厚层砾岩与灰绿色薄层中、细砂岩、粉砂岩互层。具有往上变粗的层序。第三段下部基本序列为灰绿色厚层砾岩与灰色细、粉砂岩互层;上部基本序列为灰色中-厚层灰色巨厚层砾质细砂岩与灰色巨厚层含砾细岩。第四段基本序列为下部为绿灰色厚-中厚层含砾中、细砂岩与紫灰绿色薄层含砾细、粉砂岩互层,内部发育粒序层,下粗上细。中部紫红色、灰绿色、黄色中厚层细砂岩与薄层粉砂岩互层,内部发育砂质条带。上部黄色中厚层砾岩,砾石成分以石英质为主,少量灰绿色、紫色粉砂岩。因此,塔木岗组第四段纵向组成了粗-细-粗旋回。

3.3 沉积特征

根据塔木岗组产有海相和陆相化石,岩性上粗、细系碎屑岩系交互,沉积作用既发育大量重力流和牵引流沉积特征,可以确定塔木岗组为一个具有滨岸和陆相环境沉积的特征的近海岸环境的扇三角洲相沉积体系。扇三角洲总体显示为灾变期重力流沉积,主要为泥石流沉积和碎屑流沉积与间灾变期牵引流沉积交替进行。根据各段沉积特征,可以详细划分为三角洲平原亚相、三角洲前缘亚相、前三角洲亚相沉积。

3.3.1 三角洲平原亚相

以塔木岗组第一段为代表。表现为下部沉积序列以水动力强为特征,内部发育递变层理、砂质条带。表明初始沉积为滨岸具有陡峻的坡度,容易形成重力作用的沉积,出现递变层理。在低能地带就会形成砂质条带。为扇面河道充填沉积扇面河道充填沉积是间灾变期从扇三角洲近端切入扇面的河流沉积,该类沉积普遍可见,岩性为砾岩、含砾砂岩、粗砂岩,其中主体部分为含砾砂岩,沉积体显示清楚的下粗上细递变层理和旋回层序特征。上部沉积序列以含砾粗、中细砂岩与粉砂岩沉积为特征,出现高能与低能交互为特征,砾质、细砾岩中出现递变序列,以下粗上细为特征。但递变序列由早期粗到晚期细,表明物质来源,斜坡有很大的不同。细砂岩与砂岩透镜体在低能环境下不时出现,表明细砂岩处于阵发性沉积。因此,下、上部为扇面河道充填沉积扇面河道充填沉积是间灾变期从扇三角洲近端切入扇面的河流沉积,该类沉积普遍可见,岩性为砾岩、含砾砂岩、粗砂岩,其中主顶部序列由泥岩组成,内部发育平行层理体部分为含砾砂岩,沉积体显示清楚的下粗上细递变层理和旋回层序特征。

顶部序列由泥岩组成,内部发育水平层理为漫流沉积。漫流沉积由浅灰色薄层状硅化、含细粒砂的凝灰质泥岩,内部普遍发育水平层理,岩层成层性较好,单层厚度多在0.4 m以下,岩层平而分布稳定,延伸较远。砂岩中颗粒的分选磨圆均差,多以次棱角状为主。可见植物碎片。

塔木岗组第二段可以分为扇三角洲前缘亚相、前扇三角洲亚相沉积。扇三角洲前缘亚相由碎屑流沉积、水下分流河道沉积及远砂坝沉积组成。

3.3.2 扇三角洲前缘亚相

①碎屑流沉积:集中在塔木岗组第二段下、上部的灰绿色砾岩、含砾细砂岩。碎屑流为平原环境中灾害事件形成的泥石流在水下的延伸,其沉积特征类似于泥石流沉积,由砾岩构成,砾石大小不等,分选差,含量在50%左右;填隙物为不等粒砂级颗粒及泥质;砾石多呈不接触状悬浮在填隙物中(图 6)。岩层多具块状构造,底部见冲刷面构造。

图 6 第二段碎屑流沉积特征 Fig. 6 Second debris flow deposition characteristics

②水下分流河道沉积:为平原环境中间灾变期形成的扇面河道在水下的延伸,由含砾砂岩及中、粗粒砂岩组成的向上变细层序,其主体为中、粗粒砂岩,单一河道砂体呈透镜状最大厚度在2.5 m以下,横向延伸数米即变薄甚至尖灭,部分水下分流河道砂体呈单一透镜状夹于碎屑流沉积体中,部分由多个砂岩透镜体在纵向上相互叠置而形成厚达数米的砂体。砂体底部发育冲刷面构造,含大的植物茎干化石。

③远砂坝:由灰色、深灰色的灰绿色薄层中、细砂岩、粉砂岩组成,含植物叶片化石,内部可见不规则砂条,宽0.5~1 cm以及内部发育韵律层理,由黄灰相间。水动力比较弱。

④前扇三角洲亚相沉积:集中在塔木岗组第二段中部。岩性组合为灰绿色中厚层含砾中-细粒长石岩屑质细-中晶灰岩与灰绿色砾质中、细砂岩夹灰绿色砾岩。

含砾细-中晶灰岩,单层厚12~70 cm,砾石含量1%,大小0.5~3.5 cm,砾石成分为粉砂质,磨圆度次棱角状-次圆状,中细砂岩以长石、石英为主。夹层粉砂岩,宽1~3 m不等。

灰绿色砾质中、细砂岩夹灰绿色砾岩,产腕足类化石。 砾石含量10%~15%,大小0.2~0.8 cm,成分主要为粉砂质,次为石英质,磨圆度次圆状-次棱角状。中、细砂岩主要成分主要为石英质,次为长石质。夹层砾岩,以碎块为主,砾石含量30%,大小0.2~1.0 cm,成分主要为粉砂质、少量为石英质。砾石含量小于70%,成分主要为石英质、长石质,石英呈粒状,长石呈板状,粉末状。层面可见一个较完整的腕足类化石。

塔木岗组第三段根据沉积作用特征,也可以划分为前扇三角洲亚相沉积、扇三角洲前缘亚相。扇三角洲前缘亚相主要由水下分流河道沉积组成。

3.3.3 前扇三角洲亚相

集中在塔木岗组第三段下部和上部和第四段(图 7)。上部和下部沉积特点有很大不同。下部水动力十分强大,由灰绿色厚层砾岩与灰色细、粉砂岩互层组成。砾岩单层厚30~45 cm,砾石含量30%~40%,大小0.2~1.0 cm,成分以灰绿色粉砂岩为主,次为石英质,磨圆度以次圆状为主。砾岩层具一反一正粒序,单层厚40 cm,下部10 cm,砾石含量小于30%,大小1 cm;中部19 cm,砾石含量40%,最大达3 cm;上部11 cm砾质细砂岩。其上细粉砂岩风化后呈碎片状,内部未见纹理,但含生物碎片,可见腕足、植物碎片。反映重力流作用不但大,而且频率高。表明其沉积环境为滨岸陡峻的水道沉积,上部序列灰色中-厚层含砾细-中砂质细晶灰岩。单层厚12~30 cm,砾石含量1%~5%,大小0.2~0.5 cm,成分灰质为主,磨圆度次圆状为主,内部平行层理发育,纹层宽0.2~0.4 cm。表明水体加深,水动力仍然比较强。

图 7 前扇三角洲亚相沉积特征 Fig. 7 Delta facies sedimentary characteristics
3.3.4 扇三角洲前缘亚相

集中在塔木岗组第三段中部,主要为水下分流河道沉积。岩性组合为巨厚层砾质细砂岩与灰色巨厚层细粉砂岩、灰绿色中厚层砾岩与灰绿色细砂岩、粉砂岩、灰色含砾质粗、中砂岩。砾质细砂岩,单层厚1.5 m,砾石含量15%~20%,大小0.2~4.0 cm,砾石长轴多顺层理面排列,磨圆度为次棱角状-次圆状。内部见旋回性,下部1.1 m砾质细砂岩,上部40 cm砂质条带含砾细砂岩,富含植物化石。细粉砂岩单层厚4.5~1.2 m,与底部砾质细砂岩渐变,其内部夹砾岩条带,砾岩透镜体,砂质条带,砂岩条带厚8 cm,砾石大小0.2~1.0 cm,以次圆状为主,成分灰绿色粉砂岩为主,顺层理面排列,砂岩透镜体,大小为40×3 cm,砂条宽8 cm,为中、细砂岩。

从塔木岗组沉积环境看,自下而上经历了扇三角洲平原亚相、扇三角洲前缘亚相、前扇三角洲亚相、扇三角洲前缘亚相、前扇三角洲亚相、扇三角洲前缘亚相、前扇三角洲亚相多次演化。

从塔木岗组产腕足类生物看,长身贝属于腕足动物门类扭月贝纲,腕足动物一般生活在正常盐度,温暖的浅水环境。至于植物化石均为碎片状,应为异地搬运而来,而非原地埋藏。

4 粒度分析

从塔木岗组二、三段粒度分析测试结果看,分选系数(α)在0.71~1.62,属于中、差分选,偏度(SK)-0.01~0.54。其中曲线分布特征不少具二段式分布特征,应为河流和冲积环境的三角洲堆积产物(表 1图 8)。

图 8 塔木岗组第二、三段粒度曲线分布特征 Fig. 8 Granularity curve distribution of Tamugang Formation second and third paragraphs

表 1 塔木岗组第二、三段粒度测试结果 Table 1 Granularity test results of the Tamugang Formation in second and third paragraphs
4.1 与源区的关系

由于滨岸扇三角洲沉积始终离不开基底母岩区的供给,彼此之间有紧密的关系,深入研究源区供给与盆地堆积有助于其地层的划分、对比与深入研究。五彩城公路东侧塔木岗组部分薄片沉积岩组分结果表明(表 2),岩石中碎屑物质含量较高,但分选性和磨圆性均较差,即碎屑的成熟度较低,说明未经过长距离的搬运、筛选和磨蚀,反映了快速沉积的特点。

表 2 塔木岗组成分统计 Table 2 Rock composition of Tamugang Formation (%)

从塔木岗组各段看,碎屑组分主要以长石、安山岩屑、安山岩等为主,物质来源显然来自晚泥盆世卡拉麦里组、克安库都克组。因为卡拉麦里组、克安库都克组是以一大套粗碎屑岩及安山岩沉积为特征。另一方面也证实了克安库都克组要比塔木岗组老。

沉积环境不少人认为是陆相沉积,但从沉积特征、生物特征、成分特征看,塔木岗组并不具有陆相沉积特征,而是具有海陆交互相的近海扇三角洲沉积特征。植物碎片几乎都是异地搬运的。从内部成分统计看,几乎都不是稳定组分,是近源、快速搬运的产物(表 2)。因此,塔木岗组始终受陡峻的母岩组分控制。

另一方面,从沉积特征看,松喀尔苏组是开裂盆地早期出现的标志,塔木岗组扇三角洲形成,表明其并不是稳定沉积类型,而是具有特定的构造背景。扇三角洲发育往往要具有特殊的地形,其背景山地强烈隆起,地形起伏较大,构造古地理位置紧靠母源区山地前缘,占据了高地与近海盆地之间的空间。

4.2 姜巴斯套组

早石炭世晚期姜巴斯套组进入了板内开裂后坳陷快速沉积阶段。

4.2.1 时代和剖面概况

姜巴斯套组在本区化石稀少,区域上发现有腕足类、植物和珊瑚化石。在二台北二台断裂东侧采到化石,计有腕足类化石:Choristites planus,Spirifer incertus,Striatifera sp.,Cyrtospirifer procumbens,Schuchertella radialis,Punctospirifer kusbassicu;植物Sublepidodendron sp.,Knorria sp.。这些化石中,既有早石炭世早期的Cyrtospirifer procumbens,也有早石炭世晚期的Choristites planus,Striatifera sp. 本次调查在第一段下部发现海百合茎、苔藓化石。第二段新发现双壳类化石以及植物碎片化石。双壳类:Streblopteria sp.,该化石属于早石炭世分子。因此,根据化石组合特征,姜巴斯套组应为早石炭世晚期沉积产物。

姜巴斯套组剖面姜巴斯套组在测区中部1149.2高地幅东测边缘、靠近216国道,发育最好,内部出露连续、沉积特征清楚。可以说是东准地区研究最理想的场所(张建东和朱志兴, 2012,野外验收交流,地理坐标X675895.00Y5005699.00,图 9)。在测区一般与下、中泥盆统地层为断层接触。

图 9 新疆富蕴县1149.2高地幅东部下石炭统姜巴斯套组实测剖面图 Fig. 9 Xinjiang Fuyun County of hill 1149.2 amplitude of Lower Carboniferous in the eastern Jiangbasitao Formation measured section(PM013) 1-砾岩;2-复成分砂砾岩;3-岩屑砾岩;4-钙质胶结中、粗粒岩屑砂砾岩;5-凝灰质长石岩屑砂砾岩;6-砾质中粒长石岩屑砂岩;7-砾质岩屑砂岩;8-钙质胶结含砾中、粗粒长石岩屑砂岩;9-含砾粗、中砂岩;10-含砾粗砂岩;11-含砾中、粗砂岩;12-钙泥质胶结含砾长石岩屑细中砂岩;13-钙质胶结含砾长石岩屑细中砂岩;14-泥质胶结含砾长石岩;15-岩屑中砂岩;16-泥质胶结中、细粒长石砂岩;17-岩屑中、细砂岩;18-岩屑砂岩;19-凝灰质长石岩屑细砂岩;20-泥质胶结长石岩屑细砂岩;21-细砂岩;22-粉、细砂岩;23-钙、凝灰质胶结岩屑长石细砂岩;24-岩屑粉、细砂岩;25-泥质 胶结岩屑细、粉砂岩;26-细、粉砂岩;27-硅化粉砂岩;28-晶屑沉凝灰岩;29-第四系;30-地质界线;31-地质点;32-下石炭统姜巴斯套第二段
4.2.2 基本序列

第一段下部沉积序列以岩屑砾质砂岩与细、粉砂岩互层为特征,中部出现非牵引流沉积的递变层理沉积。上部以重力流沉积序列为特征,可划分为早期以砾质岩屑砂岩与岩屑砂岩互层为代表,中期以大规模重力流沉积序列为代表,晚期以小规模重力流与牵引流组成基本序列。

第二段以早期重力流与非重力流组成基本序列,往上出现变厚、变粗序列,以中、细砂岩、含砾细、中砂岩,砾质砂岩组成基本序列。

第三段岩性组合为一大套细碎屑岩系夹粗碎屑岩系,细碎屑岩系岩性为厚-中厚层中、细砂岩与灰绿色厚层粉砂岩互层,细、粉砂岩、含砾中粗砂岩,砾质砂岩、灰绿色砾岩。其沉积序列为:下部中、细砂岩与粉砂岩互层,中部以细、粉砂岩夹含砾、砾质砂岩为特征。上部为变厚、变粗序列,以细砂岩出现为底,向上以砾岩出现为标志。

4.2.3 沉积特征

姜巴斯套组第一段下部主要为细-中粒长石岩屑砂岩、硅化粉砂岩夹具平行层理的凝灰质长石岩屑砂岩夹薄-厚层复成分砂砾岩、厚-中厚层硅化凝灰岩以及砾质中粒长石岩屑砂岩夹中厚层含钙、凝灰质胶结岩屑长石细砂岩。砾石含量变化不大,但砾石大小递减;向上长石含量递增,砾石成分主要为石英质,磨圆度圆-次圆-次棱角状变化,内部发育条带状层理和递变层理,递变层理7 cm,下部5 cm粉砂岩,上部2 cm 细砂岩,上部又见正粒序,10 cm,上部2 cm粉砂岩,下部8 cm细砂岩。 反映第一段下部以牵引流为主体夹小规模的重力流沉积。上部以重力流沉积为主,重力流可以分为两种类型。

(1)正递变序列: 主要集中在剖面第一段上部。在同一层内,碎屑粒径自下而上逐渐减小,往上细颗粒增多岩性组合主要为薄厚-中厚-巨厚层的岩屑砂岩组成突变,我们把它称为正递变。递变层理常常厚0.5~11 cm,砾石分选性一般、磨圆度从次棱角状到次圆状,砾石大小不一,从0.2~26 cm,成分为多源,有石英、硅质、砂质等。

(2)反递变序列: 在同一层内,自下而上粒度由细变粗,岩性组合主要为块状中-巨厚层复成分砂砾岩,向上逐渐变为中厚层含砾粗-中砂岩,砾石成分以灰色、灰绿色粉砂质为主,可见火山质、花岗闪长质等,磨圆为次棱角状-次圆-圆状。测递变序列:下部3 m,以0.5~6 cm为主;上部2 m,以1~28 cm为主。

因此,第一段上部重力流规模由早、中期大,往上变小(表 3)。重力流大规模发育,指示姜巴斯套组早期斜坡的形成,在第一段上部斜坡环境进一步发展,以大量重力流发育为特征,规模大,以巨厚层、块状为特征,砾石成分以灰色、灰绿色粉砂岩为主,可见火山质、花岗质,磨圆度次棱角状-次圆状,出现反递变层理、正递变层理、反递变层理。砾石也由下部1~5.6 cm-26 cm,表明重力流规模与下不同,往往由早期大向晚期变弱(图 10)。重力流层厚由块状、砾石较大变为层薄,砾石变小,由2.3 cm变为5.6 cm之下。晚期重力流规模大大减弱,以含砾粗砂岩和细碎屑岩系规模不大的重力流出现。

表 3 姜巴斯套组第一段上部粒序变化、砾石含量、砾石大小统计 Table 3 The first paragraph of Jiangbasitao Formation upper graded changes in the content of gravel, gravel size statistics

图 10 砾岩重力流沉积特征 Fig. 10 Gravity flow conglomerate sedimentary characteristics

姜巴斯套组第二段,尽管早期沉积作用以牵引流为主,但中期重力流又增强,但规模远不如第一段上部。晚期以变粗序列出现,沉积作用以条带状层理发育为特征,可见植物碎片,表明沉积环境晚期进入近岸的浅水环境。 姜巴斯套第二段下部沉积序列为厚-中厚层中、细砂岩与灰绿色厚层粉砂岩互层,纵向上频繁出现旋回特征。中细砂岩内部可见递变层理,但递变序列较薄,在单层可以频繁出现。在单层30 cm,可见3个规模不大的浊积序列,反映中、细砂岩沉积作用为快速堆积,而粉砂岩为正常沉积。显示姜巴斯套第二段以灾变和正常沉积相互出现为特征,斜坡环境仍然发育,但斜坡变缓,重力流规摸远远变小(图 11a)。

图 11 姜巴斯套组第二段沉积特征 Fig. 11 Sedimentary characteristics of the Jiangbasitao Formation in the second paragraph

中部是一大套细碎屑岩系,内部可见1~2 cm砂质呈带状分布,此外还可见细砂与粉砂互相相间,有时以粉砂岩厚、细砂岩少为特征。有时以细砂为主,粉砂呈小脉体穿插(图 11)。反映水动力不大,具有外陆棚沉积环境的特征,以砂质带状、韵律层理发育为特征。

上部沉积特征以变粗为特征,以岩屑细砂岩和砾岩相互出现为特征。岩屑以石英质、长石质出现为标志,往上砾岩,砾石含量20%~30%,大小0.2~1.0 cm,成分以灰黑色粉砂质、石英质,磨圆度次圆状-次棱角状为主,反映以快速堆积、沉积环境逐渐变浅的特征,以浅海相沉积为主。

姜巴斯套组第三段具有浅水相的粗、细碎屑岩系交互沉积,内部缺乏重力流沉积特征,水体明显变浅。

4.2.4 源区分析

海相盆地从形成、扩展、萎缩直至消亡,无不是盆外与盆内各种地质作用相互作用的结果。海相盆地除构造和古气候作用外,母岩区的物源供给也相当重要。尤其是成盆的早期和晚期,由于构造作用加剧,造成地形起伏差异显著,母岩区风化剥蚀作用强烈,往往给盆地提供了源源不断的物质组分。因而根据盆地陆源碎屑岩来自母岩的陆源碎屑组合可以推断陆源区母岩类型。尤其是粗碎屑岩系中的砾石,能够直接反映母岩的成分,也能反映破坏、磨蚀的程度和气候条件以及构造背景。因此,砾石的各种特征,无不是判断物源区、沉积环境一系列地质背景的良好标志。

姜巴斯套组砾石成分几乎主要来自泥盆系上统克安库都克组发现一套巨厚-厚层圆砾岩,夹砾质粗、中砂岩。砾石成分为硅化粉砂岩质、灰绿色细、粉砂质、少量石英质、花岗质等。该粗碎屑岩的发现很好解释了石炭系姜巴斯套组海盆沉积的物质来源(表 4)。

表 4 姜巴斯套组砾石成分统计 Table 4 Rock composition of Jiangbasitao Formation (%)

表 4可见,石炭系的碎屑组分与泥盆系上统克安库都克组物质成分十分相似,不同之处是泥盆纪的砾石,经过再破碎、再搬运,已成为石炭系在此沉积的碎屑岩组分。应该说,下石炭统克安库都克组是石炭系姜巴斯套组沉积的主要物质来源。

姜巴斯套组地层从老到新,碎屑组分中长石质含量递增,长石质是反映快速近源堆积发育的标志,母源区的长石进入堆积后,来不及搬运,从第一段中期开始直到第二段,长石质的含量不高,说明离岸较远。晚期到姜巴斯套组第三段,长石质成分增高,说明是近源、离岸不远、水体不深的环境沉积(表 4)。

5 结语

对本区早石炭世在年代地层学建立方面,从生物和锆石年代学入手厘清了各组地层先后关系,确定了测区地层序列。本区塔木岗组并不是最早的沉积,而是之下的松喀尔苏组(有待建组)火山岩系,其锆石年龄为346.8±3.3 Ma,为早石炭世维宪期沉积。塔木岗组从生物地层,无论大古化石还是微体化石,均显示本区塔木岗组属于早石炭世维宪期之后沉积产物,李亚萍等人(2007)通过碎屑锆石年代学的研究,也认为塔木岗组应是小于327 Ma沉积。本区早石炭世明显缺失初期杜内阶沉积。

新识别早石炭世维宪期松喀尔苏组(暂定)火山岩系。该套火山岩系岩性比较单一,缺失夹层和生物化石沉积,有别于(吕焕通等,2013)准噶尔盆地石炭系的松喀尔苏组,有待进一步建组。该套地层中的火山岩的岩石组合为玄武岩、玄武安山岩,夹少量的流纹质凝灰岩,岩石化学特征上属钙碱性-高钾钙碱性系列,其(La/Yb)N=2.97~6.66,Nb、Ta亏损,部分样品Zr、Ti弱显亏损,Nb/U、Ce/Pb值分别为7.43~20.88、3.17~12.45。地球化学特征表明其兼具板内火山岩和弧火山岩的某些特点,反映其形成于后碰撞伸展环境,是卡拉麦里洋盆于晚泥盆世之前闭合后后碰撞岩浆活动的产物。这一研究成果对广为关注的卡拉麦里洋盆的闭合时间进行了很好的限定(王富明等,2013)。

本区克安库都克组不整合于泥盆纪卡拉麦里组之上,内部含有Prelepidondron sp.(先鳞木,未定种),具河流相沉积的磨拉石为首次发现,是对卡拉麦里造山事件的沉积响应,是陆一陆碰撞造山阶段的沉积产物。它记录着该阶段造山作用与盆地的形成、演化以及构造改造的全部过程。表明新疆卡拉麦里碰撞带的碰撞时间应在晚泥盆世,而不是目前多数人认为的早石炭世。早石炭世以松喀尔苏组中基性熔岩为主夹中基性的集块岩、火山角砾岩和少量的流纹质凝灰岩为代表,反映本区进入后碰撞演化伸长阶段。此外,从本区塔木岗组有部分地层分布在碰撞带西北部以及姜巴斯套组分布在碰撞带二侧,是否也暗示,碰撞带没有对下石炭世塔木岗组之上地层造成影响和破坏。

早石炭世初期东准噶尔地区随后进入后碰撞演化伸长阶段,早石炭世维宪期以松喀尔苏组(待建组)火山岩为代表,其上的塔木岗组是个近海扇三角洲沉积类型,晚期姜巴斯套组是进一步拗陷沉积类型。它们组成了本区早石炭世板内沉积的三位一体的组合特征,即从松喀尔苏组-姜巴斯套组时期,出现盆地开裂-沉积-拗陷的特色,两个组均没有发现火山岩夹层。

塔木岗组沉积环境不少人认为具有陆相沉积,但从沉积特征、生物特征、成分特征看,塔木岗组并不具有陆相沉积特征,而是具有海陆交互相的近海扇三角洲沉积特征。植物碎片几乎都是异地搬运的。从内部成分统计看几乎都不是稳定组分,是近源、快速搬运的产物。因此,塔木岗组始终受陡峻的母岩区组分的控制。

姜巴斯套组纵向上出现岩性由细-粗-细组成的完整旋回,而不是前人认为的细-粗的反旋回(新疆地质矿产局,1999)。沉积环境并不是前人认为的浅海相-滨海相演化,而是清楚记载了东准地区在早石炭世从开裂形成盆地,海水不断加深,至早石炭世中、晚期盆地进一步拗陷,形成姜巴斯套组古斜坡。姜巴斯套组重力流早期的发育,就是斜坡形成的标志,而至姜巴斯套组晚期海水变浅。因此,姜巴斯套组最具沉积特色就是平静期与突发期相互交错。这与杨品荣等(2007)从微体生物角度分析,认为姜巴斯套组具有深水相沉积相一致。

早石炭世塔木岗期生物群面貌出现了华夏植物群,表明哈萨克斯坦—准噶尔区与华南板块连为一体,无“残余海”出现特征。至于姜巴斯套组早期斜坡相的形成与卡拉麦里碰撞带后形成的“残余海”无关,与碰撞后盆地进一步开裂-沉积-拗陷紧密相关,是开裂盆地进一步演化到拗陷盆地的标志。

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