2013, Vol. 56
, SHEN Zhong-Yue
, WANG Xin, TANG Peng-Cheng, YU Yang-Li, ZHAO Bo, PAN Xiao-Qing, SHI Lin-Quan
磁组构也称磁化率各向异性(AMS).沉积岩中的磁组构是在地质作用过程中不规则磁性矿物颗粒受搬运营力作用, 使其长轴趋向于某一方向排列而形成的.自Graham最早发现这项技术并将其应用到地学研究中以来[1], AMS被广泛应用于研究沉积环境、指示沉积环境的变化、判断沉积介质的动力方向等方面, 并被应用于构造地质学、大地构造学、岩石学、沉积学及矿床学等地质相关领域内.
磁化率各向异性参数可以指示沉积环境, 最大磁化率主轴的偏角可以指示古流向和古风向[2-7].磁组构的方法也可用于钻井岩芯来判断古水流方向和物源方向[8]; 黄土中磁化率椭球体的最大主轴к1方向与黄土沉积时的主导风向是一致的[9-11].沉积物的原生磁组构特征(即未受后期应力强烈改造的磁组构)主要受沉积物沉积时水动力和重力的控制.当沉积面较平坦, 水流不太急时, 磁性矿物颗粒的长轴方向顺着水流排列, 这时磁化率椭球体的最大主轴к1方向与水动力方向一致, 且к1轴倾角较小, к3轴的方向垂直于层面, к1轴的叠瓦方向可能指示物源方向[12].但是水流速度很大时, 磁性颗粒会向前滚动, 造成了AMS的短轴к3与水流方向一致.因此, 可以通过沉积物的原生磁组构特征进行沉积盆地的物源方向分析, 确定古河道的走向、古水流的方向等.
塔北广泛发育中新生界陆相沉积, 它们被认为是天山隆升剥蚀的产物经搬运沉积的结果.本文对库车坳陷克拉苏河沿岸的新生界剖面分两段进行磁组构研究, 试图通过该区域的沉积岩磁组构特征, 分析其物源和古水流方向, 为进一步研究库车坳陷形成后所受的构造应力、揭示南天山的隆升历史提供依据.
2 地质背景、样品采集和测试库车坳陷位于南天山造山带与塔北隆起之间, 是一个以中、新生代陆相沉积为主的前陆盆地.该坳陷经历了多期构造运动, 其中以燕山、喜山运动的影响最为明显.尤其在喜山期, 天山造山带强烈抬升, 产生了区域性的由南向北的挤压应力场, 导致坳陷内发育了典型的冲断-褶皱构造.在中生代, 盆地范围在牙哈-库车-温宿一线以北; 至新生代晚期, 盆地范围扩至塔里木河流域[13].
库车坳陷内断裂系统极其复杂, 控制了构造的发育与展布.由于受天山南向逆冲挤压力的作用, 在坳陷内部形成了东西向展布的五排构造带, 从南天山向前陆方向, 依次为北部单斜带、克拉苏-依奇克里克构造带、拜城-阳霞凹陷、秋里塔格构造带、前缘隆起带等二级构造单元[14].
本文对新疆维吾尔族自治区拜城县北东30km处的克拉苏河剖面进行了系统的磁组构研究(图 1).克拉苏河剖面位于库车剖面与阿瓦特剖面、吐孜玛扎剖面的中间位置, 是联系库车坳陷东西部的重要纽带.采样剖面上由新到老出露库车组、康村组、吉迪克组、苏维依组、库姆格列木群地层, 各组岩性特征如下:
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图 1 克拉苏河剖面位置图(a)及地质图(b) Ⅰ北部单斜带; Ⅱ克拉苏-依奇克里克构造带; Ⅲ拜城-阳霞凹陷; Ⅳ秋里塔格构造带; Ⅴ前缘隆起带. Fig. 1 (a) Profile location of the Kelasu River; (b) Geologic map of study area Ⅰ northern monocline belt; Ⅱ Kelasu-Yiqikelike anticline belt; Ⅲ Baicheng-Yangxia depression; Ⅳ Qiulitage anticline belt; Ⅴ front edge uplitt belt. |
库车组((N2-Q1)k):下部岩性为土黄色、棕红色泥岩、细砂岩互层夹部分粗砂岩, 与下伏康村组整合接触.
康村组(N1k):该组岩层主体为浅褐色、泥岩和砂岩夹层, 局部地区出现厚约10m的砾岩夹层, 与下伏吉迪克组整合接触.
吉迪克组(N1j):以棕红色、褐色砂岩、泥灰岩与石膏互层为主要特征, 含有大量灰绿色条带、石膏岩层.
苏维依组(E3s):主要为一套红色碎屑岩沉积, 岩性变化较大, 以褐红色砂岩、泥岩与砾岩互层为主.
库姆格列木群(E1-2km):上部为紫红色泥岩夹灰白色石膏岩、膏质泥岩, 下部为灰、灰白色泥灰岩、灰质砾岩.
沿克拉苏河剖面两岸, 相距4.2km的两段地层剖面(A剖面和B剖面)进行了系统地采样. A剖面位于克拉苏河上游西岸, 属库姆格列木背斜南翼, 剖面总长度901m, 采样覆盖库姆格列木群(KMGLM Fm.)(厚度298.9m)、苏维依组(SWY Fm.)(厚度514.3m)和吉迪克组(JDK Fm.)(厚度1 m)一小段; B剖面位于克拉苏河下游东岸, 属喀桑托开背斜北翼, 剖面总长度1584m, 采样地层有苏维依组(厚度11m)、吉迪克组(厚度642m)、康村组(Kangcun Fm.)(厚度388.4m)、库车组(KuqaFm.)下段(厚度213.6m).
野外用便携式汽油钻机钻取定向样品, 用磁罗盘进行定向.在A剖面上共采集560块样品, 在B剖面上采集1380个定向岩芯样品.在室内将样品加工成直径为25mm, 高为22 mm的标准圆柱形, 共计1900余块, 选取其中1700块进行了系统的磁化率各向异性测试.选取12块代表性样品分别进行等温剩磁测试和三轴等温剩磁的热退磁测试, 并选取10块代表性样品进行к-T曲线测试.
样品测试在浙江大学古地磁实验室完成, 磁化率各向异性测试使用捷克AGICO生产的MFK1-A全自动卡帕桥磁化率仪, 其灵敏度为2×10-8(SI).等温剩磁和三轴等温热退磁使用美国ASC产的IM10-30脉冲磁力仪、TD-48热退磁炉和AGICO产的JR6A旋转磁力仪. к-T曲线在南京大学古地磁实验室完成.
3 测试结果分析 3.1 岩石磁学结果 3.1.1 饱和等温剩磁获得曲线与剩磁矫顽力曲线我们选取A剖面库姆格列木群暗红色细砂岩样品37-1、苏维依组紫红色细砂岩273、531、B剖面吉迪克组暗红色细砂岩842、康村组棕红色泥岩1212、库车组黄绿色砂岩1430-2, 共6个代表性样品进行饱和等温剩磁获得曲线和剩磁矫顽力曲线测试, 其结果如图 2所示.饱和等温剩磁获得曲线(图 2)显示, 所有样品在外加磁场 < 200 mT之前, 剩磁强度呈直线快速上升, 说明有低矫顽力铁磁性矿物存在.随着外加磁场的不断增大, 842、1212、1430-2继续以较快速率升高, 至1.5 T剩磁强度接近90%, 指示其中含有软磁性矿物.而37-1、273、531逐渐放缓, 表明含有较多硬磁性矿物.所有样品在最大磁场2.6T时均未达到完全饱和状态, 暗示主要为赤铁矿等硬磁性矿物.
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图 2 代表性样品的等温剩磁获得曲线与剩磁矫顽力曲线 Fig. 2 Acquisition curves of magnetic remanence and coercive force curves of remanence of representative samples |
在剩磁矫顽力曲线上, 1430-2、1212、843表现出呈直线下降的特征, 其剩磁矫顽力在130~160mT之间, 显示以较高矫顽力磁性矿物为主.样品531、273和37-1在150 mT之前表现出较快的下降趋势, 而在150mT之后开始缓慢降低, 显示高矫顽力磁性矿物的特征.
3.1.2 磁化率(к)-温度(T)曲线将代表性样品在氩气环境下从室温加热到700℃, 获得磁化率随温度变化的曲线, 可以判断样品中主要的磁性矿物.代表性样品的升温曲线如图 3所示.
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图 3 代表性样品к-T曲线图(升温) Fig. 3 к-T heating curves of representative samples |
所有样品在加热-冷却过程中表现出明显的不可逆性, 而且升温阶段的磁化率远远小于降温阶段的磁化率, 说明样品中的磁性矿物在加热和冷却过程中发生了相变.由于加热和冷却曲线磁化率数值相差较大, 为更好地反映加热过程中样品磁化率的变化情况, 在此只绘出升温曲线.除样品1200外, 其它所有样品在450~580℃之间出现一个峰值(样品1200峰值较小), 而后在575 ℃附近急剧下降, 说明在加热过程中矿物发生相变转变为磁铁矿.对于这种情况, 有三种解释, 一种是磁黄铁矿在加热到500 ℃时不可逆转地转变为磁铁矿[15], 但在塔里木新生界强氧化环境下的红色碎屑岩中, 磁黄铁矿存在的可能性不大; 第二种是Hopkinson效应, 原因是多畴磁铁矿颗粒中畴壁的数目增多和活性增强, 或单畴颗粒磁矩活动能力增强[16]; 第三种解释, 可能为碎屑岩中的粘土矿物和其它顺磁性矿物在加热过程中分解形成少量强磁性矿物的结果[17].所有样品在680 ℃附近磁化率降至最低, 指示赤铁矿的存在.由于磁铁矿磁化率远远高于赤铁矿, 在实验过程中磁铁矿的磁化率变化特征会掩盖赤铁矿磁化率的变化[18].
上述迹象表明其主要磁性矿物为高矫顽力的赤铁矿, 可能含有少量磁铁矿.
3.1.3 三轴等温剩磁三轴等温剩磁热退磁曲线(如图 4)显示, 随着温度的升高, 剩磁强度逐渐衰减.除样品297以软磁成分最强外, 其它所测样品均以中间磁成分为主, 软磁成分在580 ℃附近存在明显的拐点, 表明低矫顽力磁性矿物以磁铁矿为主.所有三种磁成分均在700 ℃完全退磁.硬磁成分在680 ℃有较大幅度的降低, 且整个热退磁过程中衰减曲线较平直, 说明硬磁成分为赤铁矿, 这与样品呈棕红色、土黄色色调指示的赤铁矿存在相一致.
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图 4 代表性样品三轴等温剩磁退磁曲线 297:苏维依组棕红色泥岩; 983:吉迪克组土黄色砂岩; 1408:库车组土黄色泥岩. Fig. 4 Progressive thermal demagnetization curves for the composite IRMs of the representative samples |
从岩石磁学的结果可见, 克拉苏河新生代剖面各地层沉积岩磁性矿物以赤铁矿为主, 含有少量磁铁矿.它们均为沉积矿物或成岩矿物, 是磁组构的主要贡献者.
3.2 磁组构测试结果分析 3.2.1 A剖面磁组构特征对A剖面共547个标准古地磁样品(库姆格列木群样品190个, 苏维依组样品354个, 吉迪克组样品3个)进行磁组构测试.剖面分组测试结果如表 1所示.由表 1可见, к1-к2面近于水平( < 20°), к3倾角>75°, 与层面近于垂直.结合磁化率主轴等面积投影图、Flinn图解、T-Pj图解(图 5)可知, A剖面绝大多数样品磁面理明显大于磁线理, 磁化率椭球以压扁状为主, 以地层原始垂直压缩应变占优势, 指示了具有原生沉积磁组构的特征[2].
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表 1 克拉苏河两段剖面岩石磁组构测试结果表 Table 1 Magnetic fabrics of Cenozoic sedimentary rocks in two sections of the Kelasu River |
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图 5 A剖面磁化率主轴地层坐标系下等面积投影图(下半球)、Flinn图解、T-Pj图解 (a-c)库姆格列木组; (d-f)苏维依组. Fig. 5 Stereographic projection of anisotropy of magnetic susceptibility ellipsoid under paleogeographic coordinate (lower hemisphere), Flinn diagrams of magnetic foliation (F) and limeatiom (L) and T-Pj diagrams of susceptibility anisotropy of section A (a-c) KMGLM Fm; (d-f) SWY Fm. |
库姆格列木群样品的磁化率介于41.59~365.7 (×10-6SI), 平均值为181×10-6SI, 磁化率各向异性度平均值1.042.相比较而言, 苏维依组样品平均磁化率明显大于库姆格列木群样品, 对应库姆格列木群沉积物粒度较粗, 石英含量较高, 差异明显, 这可能与北部近物源区, 接受山前大颗粒沉积物快速堆积有关.磁化率各向异性度P可以反映所受构造应力的强弱, 也可以反映沉积物的定向排列程度[19].库姆格列木群样品的磁化率各向异性度小于苏维依组样品, 对应苏维依组为泥岩, 磁性颗粒定向强烈.最大磁化率主轴方向从库姆格列木群的NEE-SWW(244.7°)转到苏维依组的NNE-SSW (190.5°).
在磁化率各参数随高度变化曲线图上(图 6), 库姆格列木群下段160 m以下, 体积磁化率较低, 几乎全部小于300×10-6SI, 这对应着库姆格列木群底部灰白色砾岩、砂岩夹层.对应的形状参数T、磁化率主轴倾角分布都较离散.在380~520 m高度, 体积磁化率出现另一低值区域, 在采样剖面上表现为含膏粗砂岩.在剖面其它高度段, 磁化率数值保持在较稳定的变化, 其它参数也有类似的特点.全剖面体积磁化率变化范围较小, 在Flinn图解上绝大多数样品落在E > 1的范围内, 磁面理较磁线理更为发育, T-Pj图解上位于0 < T < 1的区间内, 指示压扁状磁化率椭球体.
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图 6 A剖面磁组构参数随高度变化 (a)体积磁化率Km; (b)修正磁化率各向异性Pj; (c)形状因素T; (d)最大磁化率主轴倾角; (e)最小磁化率主轴倾角随高度变化曲线. Fig. 6 AMS parameters as a fumctiom of height of section A (a) Mean magnetic susceptibility Km; (b) Corrected AMS degree Pj; (c) AMS shape parameter T; (d) Inclinations of maximum principal axes of the AMS ellipsoids; (e) Inclinations of minimum principal axes of the AMS ellipsoids versus height. |
A剖面上, 在库姆格列木群的上下段(以160m高度为界), 各磁组构参数发生明显的变化: Km、Pj数值出现较大幅度增加, 形状因素T、磁化率主轴倾角从离散变为相对集中.这可能与上段地层岩性变细、对应沉积时水动力条件变弱相关.至苏维依组地层沉积时, 尤其是380~680 m高度处, Km、Pj、T出现一低值区, 可能对应于膏泥岩的出现.整个A剖面磁化率椭球以压扁状为主, 主要受地层压实应变影响.
3.2.2 B剖面磁组构特征B剖面共有861块标准古地磁样品(苏维依组样品11块, 吉迪克组样品417块, 康村组样品283块, 库车组样品150块)经过磁组构测试, 剖面分组测试结果见表 1.
B剖面磁组构测试结果(表 1)显示, 吉迪克组、康村组及库车组样品最小磁化率主轴投影近圆心分布, 与层面大角度相交, 最大磁化率主轴方向集中于NE-SW向, 且倾角较小, 磁面理明显大于磁线理, 大多数样品在Flinn图解及T-Pj图解(图 7)上分布于0 < E < 1和T > 0的区域, 磁化率椭球以压扁状为主, к3向SE象限拉长, 与层理法线交角在25°以内, 表明B剖面主要受沉积斜坡与压实应变影响[2, 20], 吉迪克组、康村组及库车组地层磁组构仍为原生沉积磁组构.
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图 7 B剖面磁化率主轴地层坐标系下等面积投影图(下半球)、Flinn图解、T-Pj图解 (a-c)吉迪克组; (d-f)康村组; (g-i)库车组. Fig. 7 Stereographic projection of anisotropy of magnetic susceptibility ellipsoid under paleogeographic coordinate (lower hemisphere), Flinn diagrams of magnetic foliation (F)and lineation (L) and T-Pj diagrams of susceptibility anisotropy of section B (a-c) JDK Fm; (d-f) Kangcun Fm; (g-i) Kuqa Fm. |
由磁组构参数随高度变化可知(图 8), 样品平均磁化率从吉迪克组至库车组表现出增大-减小-增大的过程, 可能代表沉积物颗粒也有细-粗-细的变化, 平均磁化率最明显的变化出现在康村组和库车组之间(1000m左右高度).库车组的磁化率明显高于其它各组样品, 可能与库车组地层形成时沉积环境、物源和沉积物颗粒类型发生了较大变化有关, 指示了塔里木地区在库车组早期转变为北亚热带半湿润-湿润型气候[21].磁面理数值随剖面高度的增加而增大, 而且在Flinn图解及T-Pj图解上, 落在E < 1及-1 < T < 0区间的样品所占该组样品的比重逐渐减小, 最小磁化率主轴倾角逐渐增大, 说明随着年代趋新, B剖面表现的沉积组构越来越明显.
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图 8 B剖面磁组构参数随高度变化 (a)体积磁化率Km; (b)修正磁化率各向异性Pj; (c)形状因素T; (d)最大磁化率主轴倾角; (e)最小磁化率主轴倾角随高度变化曲线. Fig. 8 AMS parameters as a function of height of section B (a) Mean magnetic susceptibility Km; (b) Corrected AMS degree Pj; (c) AMS shape parameter T; (d) Inclinations of maximum principal axes of the AMS ellipsoids; (e) Inclinations of minimum principal axes of the AMS ellipsoids versus height. |
B剖面上, Km、Pj、T变化较小, 总体呈增大趋势.在300~480m、600~800m高度处, Pj及T相继出现低值区, 可能是由于沉积速率的加快, 发生了快速堆积压实作用, 即暗示天山的快速隆升事件.库车组地层样品各参数在1100~1200 m高度降低, 可能与采样剖面沉积速率的变化相关.最小磁化率主轴的倾角整体上显示出逐渐增大的趋势, 表明库车组沉积物受到垂直压实应变越来越明显.
沉积岩修正磁化率各向异性度Pj的波动可以很好地反映沉积过程中磁性矿物的变化[22]. 图 6及图 8显示Km与Pj有不同程度的正相关关系, 这可能是因为沉积物中磁性矿物颗粒的增加而使磁化率各向异性度Pj更为明显.同时, 图 6a和图 6b显示, 在A剖面(约280~320 m、500 m和600 m高度)两者变化趋势相反, 可能为苏维依组地层下段含膏盐层磁化率值低, 且塑性变形明显之故.
4 古流向分析岩石磁学表明, AMS的主要载体是赤铁矿.赤铁矿的结晶习性是沿着(0001)面生长的极细小片状, 其易磁化轴к1//(0001)面.因此, 赤铁矿颗粒拉长方向为易磁化方向.沉积物颗粒的沉积主要受地球重力场及水动力作用的控制, 重力作用使得面理发育, 水动力作用则使颗粒的长轴趋向于水流方向.在水动力条件较弱时, 沉积碎屑颗粒片状拉长方向平行于水流方向, к1-к2构成的磁面理与层面接近, к3与层理面法线接近, 此时к1的偏角与水流方向一致.当水动力条件较强时, 拉长的赤铁矿会垂直于水流方向, 即显示к1垂直于流向, 此时к3的偏角与水流方向一致[20].
A剖面各组岩层样品的磁化率主轴投影显示, 最小磁化率主轴к3分布近于圆心(图 5a, 5d), 倾角大于75°, 最大磁化率主轴叠瓦方向代表了沉积物沉积时的水流方向.库姆格列木群最大磁化率主轴集中于SWW方向(244.7°), 说明此时古水流方向为NEE-SWW向(图 9a), 至苏维依组沉积时, 流向变为近南北向(190.5°)(图 9b), 两者之间变化较大.由此可以推断, 在库姆格列木群地层沉积时, 北部天山总体呈现东高西低的构造态势, 这可能与晚泥盆世塔里木板块与中天山碰撞后天山东部的长期隆升和侵蚀, 以及中生代以来塔里木板块南边特提斯构造域发生的一系列板块碰撞事件有关.至苏维依组地层沉积时, 古流向发生较大变化, 转为近南北向, 暗示在此期间北部天山可能经历了一次强烈的隆升过程, 天山北西部急剧抬升, 从而使得河流流向转为近南北向.
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图 9 A剖面及B剖面各组岩层古水流方向玫瑰花图 (a)库姆格列木群; (b)苏维依组; (c)吉迪克组; (d)康村组; (e)库车组. Fig. 9 Rose diagrams of paleocurrent directions of the formations on section A and section B (a)Kumugeliemu Fm.; (b) Suweiyi Fm.; (c) Jidik Fm.; (d) Kangcun Fm.; (e) Kuqa Fm .. |
与A剖面不同, B剖面主要出露吉迪克组、康村组和库车组, 各组样品的最小磁化率主轴投影倾角虽然仍较大, 显示出明显的原生沉积组构, 但是集中方向明显偏向于SE向(图 7a, 7d, 7g). B剖面的沉积物粒度较大.吉迪克组在岩性上较上覆地层细, 较下伏地层粗, 且出现了大量的砾岩夹层.康村组和库车组均以砾岩为主, 表明具有较强的水动力条件, 此时, 磁化率最大轴会垂直于水流方向, 而且最小磁化率主轴会呈明显的带状分布, 形成典型的"铅笔状"磁组构分布. B剖面地层倾角均小于45°, 变形相对较弱, 但其相对集中的最小磁化率主轴的叠瓦分布可能代表了颗粒被水流搬运过程中的流向信息[20, 22].因此, 我们认为B剖面各组样品最小磁化率主轴к3的偏角方向可能代表了所在岩层形成时的水流方向.在库车剖面及河南西峡盆地也见到相似的现象[17, 23-26].
由B剖面各组岩层к3代表的古水流玫瑰花图(图 9)和表 1可以看出, 吉迪克组至库车组的古流向虽然都偏向于NNW-SSE, 但偏角逐渐向东偏移, 暗示由于南天山在此期间处于隆升活跃期, 且西部隆升速度明显快于东部, 致使古流向逐渐东偏.
地质资料表明:古近系地层在库车坳陷东北部地层厚度较大, 而在坳陷南部, 则地层厚度相对较薄.总体上看, 由北往南, 沉积厚度具有明显减薄的趋势.说明在古近纪时期, 北部南天山山前带应为该区的沉积中心[27].拜城凹陷南北向地质剖面上显示, 古近纪的沉积中心相对白垩纪向南推进30km[28].虽然新生代沉降中心迁移不定, 但总体上表现出波动性地向南迁移的特点, 如吉迪克组沉降中心相对古近系沉降中心北移, 康村组沉降中心相对吉迪克组和库车组沉降中心南移.中生代以来塔里木板块南边特提斯构造域发生的一系列板块碰撞事件使天山构造不断变动, 总体大致在由北向南的古流向作用下, 使沉积中心不断南向迁移.
库车坳陷上第三系砂岩厚度显示, 在B剖面位置, 砂岩厚度由北西向南东逐渐变薄, 且自东向西粒度由细变粗[29].以上证据印证了由磁组构所得出的B剖面总体上古水流是NW-SE流向的.
5 结论(1) 克拉苏河新生代沉积岩中的磁性矿物以赤铁矿为主, 含有少量磁铁矿.磁组构主要受控于上述原生磁性矿物.
(2) A、B剖面均显示沉积磁组构特征. A剖面的库姆格列木群至苏维依组, 水流方向从NEE-SWW变为NNE-SSW, 说明南天山在苏维依组地层沉积时发生了快速隆升, 且西部隆升速度快于东部隆升速度.
(3) B剖面古流向在吉迪克组至库车组沉积早期都集中于NNW-SSE, 但偏角逐渐东移, 暗示南天山在此期间处于缓慢隆升期或东西部同步隆升, 且西部隆升速度快于东部.
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