地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (4): 1403-1421   PDF    
柴达木盆地东部晚海西-印支期剥蚀量与隆升历史——多种古温标与沉积学证据的制约
刘奎1,2, 李宗星3,4, 施小斌1, 魏小洁3,4, 任自强1,2, 杨小秋1, 彭博3,4     
1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室, 南海海洋研究所, 广州 510301;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
4. 国土资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081
摘要:柴达木盆地东部周缘造山带内保存有较完整的晚古生代-早中生代沉积记录,但盆地内至今仍未发现二叠系-三叠系.为探讨柴东地区二叠纪-三叠纪有无沉积及隆升历史等关键地质问题,本文首先利用古温标法恢复晚海西-印支期剥蚀量,随后,通过物源分析法获得印支期柴东北缘隆升的沉积学证据.结果表明,印支运动前,柴东地区残留石炭系顶界面埋深普遍超过2500 m,晚海西-印支期剥蚀量为2100~4300 m,剥蚀量从南往北逐渐减小.柴东地区曾沉积了2000~3000 m的二叠系-三叠系,随后被整体剥蚀.晚二叠世以来,随着古特提斯洋往北俯冲,盆地周缘开始隆升.早三叠世柴东北缘经历了一次快速隆升,先期的多套沉积地层与结晶基底被迅速剥蚀并为宗务隆南缘的隆务河群砾岩沉积提供物源.中三叠世海水往北和往东退出研究区.晚三叠世,松潘-甘孜地体强烈碰撞挤压使得东昆仑-柴达木地体下地壳显著缩短和增厚,柴东地区被整体抬升,并且形成了南高北低的古地貌格局,在古气候与水系作用下,二叠系-三叠系与部分石炭系被全部剥蚀并搬运至宗务隆、南祁连及松潘-甘孜一带.
关键词: 二叠系-三叠系      晚海西-印支期      剥蚀量      隆升      柴达木盆地东部     
Late Hercynian-Indosinian denudation and uplift history in the eastern Qaidam Basin: constraints from multiple thermometric indicators and sedimentary evidences
LIU Kui1,2, LI ZongXing3,4, SHI XiaoBin1, WEI XiaoJie3,4, REN ZiQiang1,2, YANG XiaoQiu1, PENG Bo3,4     
1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China;
3. Institutes of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
4. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China
Abstract: It is a puzzle that Permian-Triassic sediments, which are widely distributed in the surrounding mountain belts, are not yet found in the eastern Qaidam Basin. In order to figure out whether there was sedimentation and what s uplift history it was, we firstly applied the thermometric indicators method to recover Late Hercynian-Indosinian denudation. Some pieces of sedimentary evidence with relation to Indosinian uplift in the northern margin of eastern Qaidam Basin were also acquired by using provenance analysis. The results show that the top interface of residual Carboniferous of the eastern Qaidam Basin had been buried under 2500 m before Indosinian, and late Hercynian-Indosinian denudation reached up to 2100~4300 m, which was characterized by a decrease from south to north in the eastern Qaidam Basin. So there is an undeniable fact that the eastern Qaidam Basin once deposited Permian-Triassic with a thickness of 2000~3000 m, followed by a complete denudation. In response to northward subduction of the Paleo-Tethys Ocean, northern and southern margins of the eastern Qaidam Basin began to uplift since late Permian. An early Triassic rapid uplift in the northern margin of eastern Qaidam Basin led to significant denudation of previous sediments and crystalline basement, with adequate supplies of gravel provenance for lower Triassic Longwuhe formation in the southern Zongwulong. Then, seawater totally retreated from north and east of the study area in middle Triassic. Late Triassic continental collision between the Songpan-Garzê terrene and East Kunlun-Qaidam terrene caused significant contraction and thickening of lower crust in the East Kunlun-Qaidam, as well as intense surface uplift in the eastern Qaidam Basin, thus resulting in a northward tilting paleogeomorphology. Under the promotion of paleo-climates and drainages, Permian-Triassic and partial Carboniferous were entirely eroded and transported to the Zongwulong, South Qilian and Songpan-Garzê.
Keywords: Permian-Triassic    Late Hercynian-Indosinian    Denudation    Uplift    Eastern Qaidam Basin    
0 引言

柴达木盆地位于青藏高原东北缘,属典型的多期次叠合盆地,其周缘被一系列巨大的多旋回造山带所限定(图 1),北接祁连山,西邻阿尔金山,南为东昆仑山(Yin and Harrison, 2003; 陈宣华,2010).区域地质及油气勘探结果表明,柴达木盆地东部(简称柴东地区)至今仍未发现二叠系-三叠系,盆地内仅存留了部分石炭系被动大陆边缘沉积,而周缘造山带却保存有较完整的晚古生代-早中生代沉积记录(青海省地质矿产局,1978李瑞保等,2012;2015;彭渊,2015程荣等,2016).针对这一地质现象,部分学者认为柴东地区二叠纪-三叠纪(299~201 Ma)一直处于沉积间断(辛后田等,2006代昆等,2016),但石炭系埋藏史恢复结果却暗示盆地内可能沉积了一定厚度的二叠系-三叠系(李宗星等,2017).根据石灰沟上石炭统锆石裂变径迹组分年龄结果,柴东地区曾经历了254~199 Ma的显著构造-热事件(李宗星等,2015),该期构造-热事件响应于晚海西-印支运动(263~195 Ma)对盆地的挤压抬升作用,研究区遭受了不同程度的剥蚀.石炭系烃源岩有机质成熟度普遍已经达到成熟-高成熟演化阶段(Ro:0.86%~1.39%),部分甚至达到了过成熟演化阶段(Ro:2.44%~2.76%)(段宏亮等,2006),因此,柴东地区石炭系必定经历过较高的古地温或较大的古埋深.已有热年代学信息表明石灰沟上石炭统在印支运动之前(>252 Ma)已经具有较大的古埋深,并且经历了一次高地温,使得样品中的锆石裂变径迹全部退火,这也进一步增加了研究区存在二叠系沉积的可能性,而且这种可能性与古特提斯洋于中泥盆世末-二叠纪处于持续扩张,直到晚二叠世(~263 Ma)才开始往北俯冲的大地构造背景具有较好的一致性(Jian et al., 2009; Huang et al., 2014; Chen et al., 2015; 刘占庆等,2011).但由于研究区大面积被新生界所覆盖,前中生界并未广泛出露,加之地理条件较恶劣,至今仍未见到针对柴东地区二叠纪-三叠纪有无沉积等关键地质问题的报道.如果有二叠系-三叠系,沉积了多厚,为什么会被整体抬升剥蚀?这一特殊地质现象是否反映了该时期盆地与周缘造山带的耦合关系呢?

图 1 柴达木盆地大地构造及研究区位置图(改自Xiao等,2013) Fig. 1 Tectonic map of the Qaidam Basin and location of the study area (Modified from Xiao et al., 2013)

目前,国内外学者已提出多种剥蚀量恢复方法,其中,古温标法因其记录古温度等信息的可靠性,而被广泛应用于沉积盆地热史与剥蚀量恢复及造山带隆升的研究(Reiners and Brandon, 2006; Shi et al., 2011胡圣标等,1999邱楠生等,2009).此外,沉积盆地与造山带通常存在耦合响应关系,造山带的隆升往往会造成盆地内沉积相、沉积物源的显著变化.因而,物源分析不仅能用来确定源区位置及母岩性质等,还可进一步揭示造山带的隆升及演化过程(Allen and Allen, 2013).近年来,随着“柴达木盆地古生代油气资源调查评价”的持续进行,相关单位对柴东地区石炭系岩性岩相、残留厚度及烃源岩有机质成熟度等开展了大量工作(马寅生等,2012孙娇鹏等,2014程荣等,2016魏小洁等,2018),也为本研究奠定了坚实的地质基础.因此,我们首先对比分析了印支运动在柴东地区形成的不整合面发育特征,并以石炭系、侏罗系烃源岩Ro及AFT、ZHe、40Ar/39Ar等古温标数据为基础,采用古温标法恢复晚海西-印支期剥蚀量.随后,我们对宗务隆构造带南缘下三叠统隆务河群的碎屑岩段开展物源分析,从中获得与印支期柴东北缘隆升相关的沉积学证据.在此基础上,初步探讨了柴东地区二叠纪-三叠纪的隆升剥蚀历史.本文通过对晚海西-印支期剥蚀量的恢复,首先将建立对柴东地区二叠系-三叠系沉积厚度的初步认识,同时结合盆地及周缘造山带的隆升历史,将为二叠纪-三叠纪沉积-构造演化分析提供重要依据,对认识古特提斯洋演化和协助区域油气勘探也具有一定的科学意义.

1 地质背景

柴东地区是指格尔木-绿梁山以东、鄂拉山以西的区域,北界以宗务隆构造带与祁连山相接,南界为东昆仑山,受区域断裂的控制,盆地内形成了“三凹两隆”的构造格局(图 2).柴东地区前中生界主要发育海相沉积,而侏罗纪以来均为陆相沉积地层.

图 2 (a) 柴达木盆地东部及周缘造山带区域地质图、钻井与野外剖面位置、主要不整合面发育特征(改自1:500000柴达木盆地地质图); (b)北东向AA′地震剖面图(程荣等,2016) Fig. 2 (a) Regional geological map of the eastern Qaidam Basin and its surrounding mountain belts, locations of wells and profiles, characteristics of prominent unconformities (Modified from 1:500000 geological map of the Qaidam Basin); (b) NE-trending seismic section along the AA′ line in Fig. 2a (Cheng et al., 2016)

石炭纪,柴东地区整体处于古特提斯洋持续扩张体制下的被动大陆边缘环境(陈宣华,2010牛永斌等,2010孙娇鹏等,2014).石炭系自下而上依次发育下石炭统穿山沟组、城墙沟组与怀头他拉组,和上石炭统克鲁克组与扎布萨尕秀组(图 3),早石炭世发育泥晶灰岩、含生屑灰岩夹泥岩等广阔台地相沉积,晚石炭世的沉积环境开始变为海陆过度相,泥岩、砂岩和灰岩频繁交替出现(魏小洁等,2018).柴东地区至今仍未揭示二叠系-三叠系,东昆仑及宗务隆地区二叠系-中三叠统均以海相灰岩与海陆过渡相碎屑岩建造为主,其中,宗务隆南缘的下三叠统隆务河群发育有大套的砾岩、砂岩等,至晚三叠世,印支运动将其全部转为陆相沉积环境(李瑞保等,2012彭渊,2015),柴东地区也普遍发现侏罗系底部的不整合(图 3).早-中侏罗世,沿盆地北缘山前带与霍布逊凹陷北缘发育一些规模不一、分隔性较强的断陷湖盆,晚侏罗-早白垩世湖盆范围扩展至全盆地,晚燕山运动再次导致研究区隆升并遭受剥蚀(李军亮等,2016).新生代以来,柴达木盆地逐步发展成为青藏高原内部最大的山间盆地,柴东地区沉积了厚度>4 km的新生界,晚喜山运动进一步将先期沉积的多套地层甚至结晶基底挤压抬升剥蚀进而形成了现今的格局(Yin et al., 2008).

图 3 东昆仑地区—柴东地区—宗务隆地区石炭系-侏罗系地层综合柱状图 (改自李瑞保等,2012彭渊,2015李宗星等,2017) Fig. 3 Integrated Carboniferous-Jurassic stratigraphy in the East Kunlun, eastern Qaidam Basin and Zongwulong (Modified from Li et al., 2012; Peng et al., 2015; Li et al., 2017)
2 方法与数据 2.1 古温标法

古温标法恢复剥蚀量主要依据古温标(Ro、AFT、ZHe、40Ar/39Ar等)能够记录样品经历的古温度信息,而地层的受热温度与埋深和地温梯度有关(Reiners and Brandon, 2006袁玉松等,2008; 田云涛等,2011).

有机质成熟度(Ro)大小主要受控于地层中有机质的埋藏温度和时间,由于温度在其中起着决定性作用,所以Ro与剥蚀量或地层埋深是通过最高古温度来关联的(胡圣标等,1999).利用Ro恢复沉积盆地某一期不整合面之上的剥蚀量时,首先应明确该构造层达到最高古地温的时限要早于对应不整合面的形成时间.随后,将单井或剖面不同深度的石炭系烃源岩样品Ro数据转换为其经历的最高古地温,并拟合得到当时的古地温梯度.将Ro数据转换为最高古地温的动力学模型采用Sweeney和Burnham(1990)提出的Easy%Ro平行化学反应模型.最后根据古纬度,假定一个古地表温度,利用得到的古地温梯度便可恢复不整合面之上剥蚀量,详见图 4与公式(1):

图 4 古温标法计算不整合面之上剥蚀量原理示意图 (改自袁玉松等,2014)
不同热年代学系统的封闭温度区间(Closure Temperature):锆石(Zircon) U-Pb:>800 ℃;角闪石(Hornblende) 40Ar/39Ar:540±40 ℃;白云母(Muscovite) 40Ar/39Ar:410±20 ℃;黑云母(Biotite) 40Ar/39Ar:310±20 ℃;钾长石(K-feldspar) 40Ar/39Ar:350~150 ℃;ZHe:180±20 ℃;AFT:110±15 ℃;AHe:75±7 ℃(Harrison et al., 1985;20092015Wolf et al., 1996Cherniak and Watson, 2001Reiners et al., 2004).
Fig. 4 Schematic diagram showing thermometric indicator method to calculate denudation above the unconformity (Modified from Yuan et al., 2014)

(1)

式中,D为剥蚀量(km);Tpeak为不整合面处最高古地温(℃);Ts为古地表温度(℃);(dT/dz)为达到最高古地温时的古地温梯度(℃/km).

热年代学不仅可以反映古温度信息,还可以详细记载样品冷却至封闭温度之下的年龄.由于不同的热年代学系统具有不同的封闭温度区间,可以系统地揭示样品从高温到中温、再到低温的整个冷却历史(Reiners et al., 2004; Reiners and Brandon, 2006),即同一样品(同一点位)的不同热年代学数据能够反映样品冷却至不同封闭温度之下所产生的温度降低量(ΔT),那么,假定一个古地温梯度,便可估算出某个阶段由构造抬升而产生的剥蚀量(图 4).

2.2 物源分析法

砾岩作为近源快速堆积的产物,可为盆地演化及造山带隆升分析提供较为完整的岩相信息(王成善和李祥辉,2003).查明砾岩的成分、结构及古流向等,是确定母岩性质和物源方向的基本方法.因此,对赛冷尕秀、怀头他拉北与察汗诺3个剖面产出的下三叠统隆务河群砾岩的砾石成分、粒度、磨圆等进行了详细观测,并统计了赛冷尕秀与察汗诺两个剖面的长轴与叠瓦状砾石所代表的古流向.此外,野马滩的隆务河群粉砂岩段中发育不对称波痕,亦对其进行了古流向测定.对本研究所测量的原始数据均运用Stereonet软件进行校正,并绘制玫瑰花图来反映每个点位早三叠世的古水流方向.

2.3 数据

本研究用于晚海西-印支期剥蚀量恢复的石炭系、侏罗系烃源岩Ro数据分别为91个(表 1)、30个,总计121个,其中94个为本研究测试数据,测试单位为长江大学地球科学学院,27个收集自己发表的数据(于会娟等,2000牛永斌等,2010方朝刚等,2012).采集自石灰沟ZK2-1钻孔(SHG01、SHG02、SHG03)及都兰阿拉格尔泰(DL0101、DL0102)的5个上石炭统的砂岩样品均用于锆石(U-Th)/He年龄测试分析,单颗粒矿物挑选在廊坊地源矿物测试分选公司实验室完成,样品制备及年龄测试在加拿大Dalhousie大学地球科学学院(U-Th)/He实验室完成,测试方法详见Landry等(2016),每个样品均获得了4~6个可接受的单颗粒锆石(U-Th)/He年龄,并且均具有>2个的重复性较好的单颗粒年龄(表 2).其余热年代学数据均收集自己发表文章(Harris et al., 1988; Mock et al., 1999; Liu et al., 2005; Yuan et al., 2006; Dai et al., 2013; Duvall et al., 2013; Chen et al., 2015; Wang et al., 2016; 王国灿等,2007; 陈宣华等,2011).通过野外剖面实测,本研究获得了170组古流向数据(赛冷尕秀94组、察汗诺71组、野马滩5组).

表 1 柴东地区石炭系烃源岩样品深度、Ro值及最高古地温数据 Table 1 Samples depth, vitrinite reflectance (Ro) and maximum paleo-temperature data for Carboniferous source rocks in the eastern Qaidam Basin
表 2 柴东地区上石炭统砂岩样品锆石(U-Th)/He年龄分析数据 Table 2 Zircon (U-Th)/He ages of upper-Carboniferous sandstone samples from the eastern Qaidam Basin
3 结果 3.1 不整合面发育特征

野外露头及钻井资料表明,石灰沟以西的大柴旦—小柴旦—红山凹陷、马海大红沟凸起主要表现为中下侏罗统(J1-2)直接不整合于古元古界达肯达坂群(Pt1dk)之上,局部不整合覆盖在寒武系-奥陶系之上,仅尕丘凹陷有钻井钻遇克鲁克组(C2k)(图 2a).石灰沟及以东广大区域的石炭系保存情况良好,石炭系与侏罗系(白垩系)的不整合接触关系广泛发育(图 2a).其中,欧龙布鲁克凸起的旺尕秀为中下侏罗统(J1-2)不整合于扎布萨尕秀组(C2zh)之上,尕海南山则出露下白垩统(K1)与扎布萨尕秀组的不整合接触面,石灰沟、城墙沟、青德地1及乌中1均为新生界不整合于石炭系之上,即部分地区存在两期或三期不整合面叠加改造的情况.欧南凹陷的ZK16-8钻遇中下侏罗统与下石炭统(C1)的不整合接触面,欧1井则为上侏罗统(J3)直接不整合于达肯达坂群之上.埃姆尼克凸起的HB9-2与A5分别钻遇下石炭统、上泥盆统(D3)与中下侏罗统的不整合接触面.霍布逊凹陷的霍参1井揭示了上侏罗统与怀头他拉组(C1h)的不整合接触关系,仅都兰地区存在上三叠统陆相火山岩(T3)不整合覆盖在上石炭统(C2)之上的现象.盆地南缘的秋吉地区表现为中下侏罗统不整合覆盖在印支期岩体之上,甜参1井与大参1井的第四系直接不整合于达肯达坂群之上.德令哈凹陷未有钻井揭示石炭系,北缘山前带的德页1井钻遇了中下侏罗统与达肯达坂群的不整合接触面.不整合面发育特征表明,印支运动对盆地边缘的挤压抬升作用强,往盆地内逐渐减弱,但盆地内亦有强烈隆升剥蚀区,横向变化主要受差异挤压抬升的控制.

3.2 晚海西-印支期剥蚀量 3.2.1 最高古地温的时限

柴东地区已有钻井或野外剖面的石炭系烃源岩Ro平均值为1.06%~2.59%,侏罗系烃源岩Ro平均值为0.47%~1.08%,已有数据显示,同一剖面或地区的石炭系烃源岩Ro平均值明显大于侏罗系(图 5).此外,石灰沟上石炭统ZFT组分年龄存在254.0~249.6 Ma和148.6~144.0 Ma两个峰值(李宗星等,2015),而同一地层的ZHe加权平均年龄为275.2~258.9 Ma,都兰阿拉格尔泰上石炭统ZHe加权平均年龄为238.1~225.4 Ma(表 2).上述石炭系砂岩的ZFT及ZHe年龄均小于对应地层的沉积年龄,表明锆石裂变径迹在中二叠世之前已经完全退火,锆石中的He亦完全丢失,晚海西-印支运动将其抬升冷却至封闭温度之下,之后并未再次经历更高的古地温.因此,我们认为柴东地区上述钻井与野外剖面的石炭系烃源岩在印支运动之前已达到最高古地温.

图 5 柴东地区石炭系与侏罗系烃源岩Ro平均值对比图 Fig. 5 Average vitrinite reflectance (Ro) value of Carboniferous and Jurassic in the eastern Qaidam Basin
3.2.2 最高古地温、古地温梯度及古埋深

基于上述钻井与剖面的石炭系烃源岩达到最高古地温的时限,我们利用“Easy%Ro”模型对石炭系烃源岩样品所经历的最高古地温进行了模拟计算,并得到一系列最高古地温数据(表 1).柴东地区已有石炭系烃源岩样品所经历的最高古地温范围为130~217 ℃,其中,石灰沟石炭系烃源岩样品经历的最高古地温(ZK5-2: 165~182 ℃、柴页2: 157~178 ℃、ZK3-2: 159~186 ℃)普遍达到了锆石(U-Th)/He的封闭温度区间(180±20 ℃),即石炭系经历的最高古地温能够使锆石中的He在印支运动之前全部丢失.石炭系在达到最高古地温时普遍具有较高的古地温梯度,为37~43 ℃/km,其中青德地1井与尕海南山所揭示的古地温梯度值高达43 ℃/km,石灰沟的平均古地温梯度为40 ℃/km,城墙沟为39 ℃/km,而此时,尕丘1井与旺尕秀的古地温梯度较低,分别为38 ℃/km、37 ℃/km(表 3).根据上述古温度及古地温梯度数据等,计算并获得了不整合面处(残留石炭系顶界面)最高古地温(Tpeak).柴达木地块晚二叠世古纬度为23—24°N(许伟等,2011),据此假定古地表温度(Ts)为25 ℃,那么柴东地区残留石炭系达到最高古地温时,其顶界面的古埋深达到了2500~3900 m(表 3),其中,柴页2井、青德地1井、尕海南山及旺尕秀的残留上石炭统扎布萨尕秀组顶界面埋深范围为2500~3400 m,仅都兰关角牙达到了3900 m,残留上石炭统克鲁克组顶界面埋深范围为2600~3860 m.因此,印支运动之前,柴东地区残留石炭系普遍具有较大的古埋深,并且已经超过2500 m.此外,通过Basin-Mod盆地模拟软件建立单井地质模型,对上述结果进行了模拟检验,得出石炭系烃源岩成熟度的模拟结果与实测值吻合(图 6).

图 6 柴东地区典型钻井及剖面的石炭系烃源岩熟度模拟值与实测值拟合结果 Fig. 6 Fitting results of the maturity value of simulation and measurement for the Carboniferous source rocks of typical wells and profiles in the eastern Qaidam Basin
表 3 残留石炭系及现今埋深、古地温梯度、不整合面处最高古地温及古埋深、晚海西-印支期剥蚀量 Table 3 Results of residual Carboniferous and its present-day depth, and paleo-geothermal gradients, maximum paleo-temperature and burial depth of unconformity before Indosinian, Late Hercynian-Indosinian denudation
3.2.3 晚海西-印支期剥蚀量

针对研究区两期或三期不整合面叠加的区域,本文利用热年代学及地震数据(李宗星等,2017),初步估算并扣除了燕山运动和喜山运动对石灰沟、城墙沟及青德地1井等的石炭系所产生的剥蚀量.随后,获得了基于石炭系烃源岩Ro而恢复的剥蚀量,结果表明(表 3):柴东北缘晚海西-印支期剥蚀量变化范围为2100~3700 m,其中,石灰沟与城墙沟为2100~2300 m,旺尕秀为2500 m,青德地1井与尕海南山为2900 m,尕丘1井为3100 m,仅穿山沟一带达到了3700 m.柴东南缘仅获得了霍参1井和关角牙两个控制点的剥蚀量,分别为3700 m、3900 m.

此外,古生代以来的热史恢复结果表明,整个柴东南缘-东昆仑北缘晚二叠世-三叠纪经历了快速冷却抬升过程(图 78).其中,都兰阿拉格尔泰上石炭统ZHe加权平均年龄为238.1~225.4 Ma,即样品于中三叠世末已抬升冷却至ZHe封闭温度(180±20 ℃)之下,晚三叠世被快速剥露至近地表,如果假定当时的古地温梯度为43 ℃/km,阿拉格尔泰晚三叠世剥蚀量为3600 m(表 4).诺木洪、五龙沟与格尔木东早古生代侵入岩体及古元古界结晶基底的40Ar/39Ar(白云母、黑云母、钾长石)年龄与ZHe年龄(242~212 Ma)均记录了三叠纪的快速冷却事件,其冷却幅度(ΔT)达到了175~192 ℃,如果假定45 ℃/km的古地温梯度,晚海西-印支期剥蚀量变化范围为3900~4300 m.香日德早三叠世(约251 Ma)侵入岩体于晚三叠世末已被抬升冷却至400 ℃以下,即使假定50 ℃/km的古地温梯度,其印支期剥蚀量仍超过了8000 m,而格尔木晚二叠世侵入岩在整个三叠纪的冷却幅度超过600 ℃,这也使得印支期剥蚀量达到了惊人的12000 m(表 4).考虑到香日德和格尔木两个点的剥蚀量太大,且位于盆地边界处,本研究在对晚海西-印支期剥蚀量进行分析时,暂不讨论这两个点.

图 7 柴东地区及周缘三叠纪古流向与古生代-中生代热年代学年龄数据分布图 已发表的三叠纪古流向数据来自:1 闫臻等(2008);2 张立军(2015);3 王苏里等(2016).热年代学数据来自:1 Dai等(2013);2 Harris等(1988);3 Mock等(1999);4 Wang等(2016);5 Liu等(2005);6 王国灿等(2007);7 Chen等(2015);8 Liu等(2004);9 彭渊等(2016);10 彭渊(2015);11 Xiong等(2012). Fig. 7 Triassic paleo-currents and Paleozoic-Mesozoic thermochronology data in the eastern Qaidam Basin and its surrounding regions
图 8 柴东南缘-东昆仑北缘古生代以来的冷却历史 1晚喜山期;2早喜山期;3晚燕山期;4晚海西-印支期. Fig. 8 Cooling history since Paleozoic in the southern margin of eastern Qaidam Basin-northern part of East Kunlun 1: Late Himalayan; 2: Early Himalayan; 3: Late Yanshanian; 4: Late Hercynian-Indosinian.
表 4 柴东南缘-东昆仑北缘晚二叠世-三叠纪冷却历史、古地温梯度(假定)及剥蚀量表 Table 4 Late Permian-Triassic cooling history, assumed paleo-geothermal gradients and denudation in the southern margin of eastern Qaidam Basin-northern part of East Kunlun

综上,可以得出柴东地区晚海西-印支期剥蚀量为2100~4300 m,剥蚀量总体由盆地南缘往北缘逐渐减小,柴东南缘的剥蚀量为3600~4300 m,往柴东北缘逐渐减小到2100~3100 m,仅穿山沟一带达到了3700 m,剥蚀量横向变化仍较大.

3.3 印支期柴东北缘隆升的沉积学证据

宗务隆构造带南缘产出一套以砾岩、砂岩为主的碎屑岩建造,西段沿赛冷尕秀—怀头他拉北一带分布,中段仅野马滩有出露,东段出露于察汗诺.区域上,该套碎屑岩的下界不整合于古元古界达肯达坂群或石炭系之上,或与达肯达坂群呈断层接触,上界与石炭系呈断层接触(图 2a).本套地层的灰岩砾石中产有蜓类、腕足等化石,经鉴定多为奥陶系、二叠系灰岩砾石,野马滩与察汗诺的粉砂岩中均产出早三叠世的菊石,此外,前人还在怀头他拉北砾岩所夹页岩中采到孢粉样,其时代属于早、中三叠世,而怀头他拉北中三叠统为海相沉积,据此,青海省地质矿产局(1978)将该套地层的时代定为早三叠世(252~247 Ma),并命名为隆务河群.

赛冷尕秀—怀头他拉北一带,隆务河群底部以滨海相的砂砾岩与泥岩不整合于达肯达坂群之上,砂砾岩中斜层理发育,往上开始出现多套厚层砾岩夹砂岩,砾石成分复杂多变,下部以灰岩砾石为主,往上突变为片麻岩、花岗岩及石英岩砾石等,灰岩成分明显减少,砾径范围为2~20 cm,总体呈现出向上变粗的趋势,磨圆往上亦逐渐变好(图 9).野马滩未发现砾岩沉积,该区隆务河群分为下段灰岩段和上段碎屑岩段,碎屑岩段以长石砂岩、粉砂岩与粉砂质板岩互层为主,砂岩中发育不对称波痕.往东至察汗诺,本研究所观察到的隆务河群均为厚层砾岩,砾石成分复杂,有花岗岩、石英岩、灰岩及中基性火山岩等,砾石大小不一,砾径范围为1~30 cm,砾径往上变粗,砾石多呈椭圆或扁圆状,长轴砾石的定向排列较好,可见叠瓦状排列,磨圆度也较好,为次圆-圆状.上述砾岩在宗务隆南缘的发育厚度较大,超过575.5 m(青海省地质矿产局,1978),根据岩性组合判断其沉积于冲积扇和辫状河环境,为近物源快速堆积的产物.

图 9 宗务隆构造带南缘下三叠统隆务河群野外照片及岩性特征 砾石成分:γ-花岗岩;gn-片麻岩;mg-混合岩;ls-灰岩;qz-石英岩;ss-砂岩. Fig. 9 Field pictures and lithological characterstics of lower Triassic Longwuhe formation in the southern part of Zongwulong tectonic belt Gravel components: γ-granite; gn-gneiss; mg- migmatite; ls-limostone; qz-qurtz; ss-sandstone.

根据长轴或叠瓦状砾石、不对称波痕所代表的古流向统计结果,早三叠世,宗务隆构造带南缘的古水流方向以北北西、北及北北东向为主,仅赛冷尕秀存在一部分往东的古水流(图 7).因此,宗务隆南缘的隆务河群沉积时,其物源主要来自南侧的柴东北缘,柴东北缘古元古界达肯达坂群、奥陶系、石炭系与二叠系均可为砾岩提供物源.隆务河群物源分析结果初步证实了柴东北缘西段与东段于早三叠世处于快速隆升阶段,而中段的隆升幅度很小.

4 讨论 4.1 二叠系-三叠系沉积厚度

柴东地区至今仍未揭示二叠系-三叠系,是未沉积,还是先沉积后被整体剥蚀?残留石炭系古埋深及晚海西-印支期剥蚀量恢复结果表明,残留的上石炭统扎布萨尕秀组顶界面在印支运动之前已经被埋深至2500~3900 m.石炭纪,柴东地区整体处于古特提斯洋北缘的被动大陆边缘环境(陈宣华,2010),露头、钻井及地震资料所揭示的残余石炭系厚度最大值为3200 m(程荣等,2016),如果没有二叠系-三叠系沉积,即使参考石炭纪最大沉积速率(139 m/Ma),晚石炭世末的9 Ma内很难沉积厚度超过2500 m的地层.此外,盆地南侧的古特提斯洋于早-中二叠世仍处于持续扩张过程之中,直到晚二叠世才开始往北俯冲(图 10a—b).晚石炭世宗务隆构造带为陆内裂陷槽(彭渊,2015),该构造带还广泛出露志留系、石炭系与下二叠统的不整合接触面,早二叠世宗务隆构造带为稳定的台地相沉积环境,这种由晚石炭世陆内裂陷到早二叠世区域稳定沉降的转换可能代表了张裂型盆地两个不同的演化阶段,即裂陷阶段与裂后热沉降阶段.在研究区整体处于稳定沉降的大地构造背景之下,且全球海平面处于缓慢上升但幅度较小的情况下(Miller et al., 2005),柴东地区必定沉积了一定厚度的中下二叠统,这也得到了石灰沟上石炭统克鲁克组ZHe年龄(275.2~258.9 Ma)的佐证.鉴于柴东南缘于晚二叠末才开始隆升,柴东北缘于早三叠世亦才开始快速隆起,局部地区仍可能沉积了一定厚度的上二叠统-下三叠统.因此,柴东地区曾沉积了2000~3000 m的二叠系-三叠系,后被整体抬升剥蚀.

图 10 柴东地区及周缘二叠纪-三叠纪隆升剥蚀过程 Fig. 10 Permian-Triassic uplift and denudation in the eastern Qaidam Basin and its surrounding regions
4.2 晚海西-印支期隆升历史

柴东地区晚海西-印支期剥蚀量普遍超过2100 m,最高可达4300 m,晚海西-印支运动将先期沉积的2000~3000 m二叠系-三叠系,甚至部分石炭系抬升剥蚀.非常值得关注的是,如此厚的地层是怎样被整体抬升剥蚀,被剥蚀的物质又去了哪里?从构造地质学、热年代学及沉积学角度,同时结合剥蚀量恢复结果,初步探索了柴东地区晚海西-印支期的隆升剥蚀历史.

晚二叠世以来(~263 Ma),随着古特提斯洋开始往东昆仑—柴达木地体之下俯冲,东昆仑弧广泛发育,上二叠统格曲组底部的复成分砾岩角度不整合于上石炭统浩特洛哇组之上(Xiong et al., 2012; Chen et al., 2015; 李瑞保等,2012), 是东昆仑地区初始隆升的沉积构造响应(图 10b).宗务隆构造带内曾报道了258~236 Ma的变玄武岩中绢云母40Ar/39Ar年龄,代表早期板块往南俯冲消减的变质作用年龄(彭渊,2015).石灰沟上石炭统ZHe(275.2~258.9 Ma)与ZFT(254.0~249.6 Ma)年龄也记录了晚二叠世以来柴东北缘的冷却事件.但是,该构造带内的上二叠统诺音河群仍以灰岩与砂岩沉积为主,并未出现近源的粗碎屑沉积,仅砂岩比例较下二叠统增加,因此,晚二叠世柴东北缘可能处于早期缓慢隆升阶段.早三叠世,由于宗务隆洋往南俯冲强度的横向差异或俯冲角度的改变,柴东北缘西段与东段开始快速隆升,先期的多套沉积地层与结晶基底被迅速剥蚀,并为宗务隆构造带南缘的隆务河群砾岩沉积提供丰富的碎屑物源,而柴东北缘中段的隆升幅度很小,很可能作为后期物质向北搬运的潜在运输通道(图 10c).研究区东部的共和盆地发育弧后盆地,根据隆务河群的沉积环境及古流向可知,早三叠世应为西高东低的古地理格局(张立军,2015).

中三叠世,周缘构造带的活动强度总体趋于稳定,东昆仑及宗务隆南缘均发育浅海陆棚-台地相沉积体系(青海省地质矿产局,1978陈伟男等,2015),此时早三叠世柴东北缘快速隆起区可能已经被夷平.郡子河群上部为细碎屑岩夹灰岩沉积,灰岩中产大量菊石与瓣鳃,可能反映了中三叠世晚期海水已经开始退出宗务隆构造带(青海省地质矿产局,1978).前人在鄂拉山西北坡的上三叠统陆相火山岩底部采到菊石和瓣鳃类化石,经鉴定均为中三叠世分子,此外共和盆地西部也由早期的三角洲相过度到陆相湖泊相(王连根等,1984张立军,2015).因此,DL0101样品的ZHe(~238.1 Ma)年龄很可能代表了中三叠世柴东地区由海相向陆相的全面转换.考虑到古特提斯洋北向俯冲碰撞具有西早东晚的特征,柴西地区此时已经成为隆起区(陈宣华,2010Li et al., 2013),东昆仑弧亦阻隔了柴东地区与古特提斯洋的联通,因此,中三叠世海水很可能往北和往东退出研究区(图 10d).

晚三叠世,松潘—甘孜地体与东昆仑—柴达木地体开始了强烈的陆(弧)陆碰撞,在南北向挤压应力作用下,东昆仑地区发生强烈隆升,区域上上三叠统八宝山组与下伏不同时代地层存在明显的角度不整合(Dai et al., 2013; Chen et al., 2015; 李瑞保等,2012),黑云母与钾长石40Ar/39Ar(224~214 Ma)、ZHe(225~194 Ma)年龄也记录了这一时期的快速冷却事件(图 78).与此同时,松潘—甘孜地体持续的北向推挤促使东昆仑—柴达木地体的下地壳显著缩短和增厚(Xia et al., 2014),而研究区上地壳可能并未发生强烈褶皱缩短,这与Yin等(2008)提出的柴东地区新生代地壳缩短模式类似.受此影响,整个柴东地区被迅速抬升,地貌上形成了南高北低的古地理格局,加之当时处于热带环境,古气候作用下使得盆地内弱固结的上二叠统-下三叠统率先被大面积剥蚀,这些物质沿着南北向水系被迅速搬运至宗务隆及南祁连地区.持续抬高的盆地南缘进一步加剧了河流的下切深度,充足的降雨携带着大量被剥蚀的物质往北运输(图 10e).都兰地区晚三叠世早-中期的剥蚀量就达到3600 m以上,剥蚀速率普遍超过120 m/Ma.盆地中部的绿梁山—埃姆尼克山持续往霍布逊凹陷之上逆冲,整个埃姆尼克凸起及欧南凹陷部分区域的剥蚀量超过3700 m,石炭系已所剩无几,但霍布逊凹陷北部却保存有800~2800 m的石炭系(程荣等,2016).柴东北缘的剥蚀量较小,普遍为2100~2900 m,仅尕丘1井剥蚀量达到了3100 m.晚海西-印支期剥蚀量变化特征与当时的构造背景、古地貌及水系配置等均呈现出较好的相关性.晚三叠世南祁连地区发育陆相挤压拗陷盆地,哈拉湖东南部以北东向古水流为主(图 7),上三叠统阿塔寺组的碎屑锆石U-Pb年龄存在290~250 Ma的年龄组分,滚圆状与次棱角状的锆石均有,指示其物源有来自东昆仑或宗务隆构造带并经过长距离搬运(吴龙,2013王苏里等,2016).现今宗务隆构造带北缘仍保存着630~1991 m的上三叠统,哈拉湖地区达到了4073 m,哈拉湖坳陷上三叠统嘎勒得寺组的烃源岩成熟度于晚三叠世末已经达到了1.37%,在如此短的时间内达到如此高的成熟度必定经历了快速埋深(吕苗和王苏里,2013).晚三叠世松潘—甘孜地体沉积了巨厚的深海-半深海相复理石建造,白云母40Ar/39Ar与碎屑锆石U-Pb年龄对比结果表明柴北缘—祁连山也曾作为物源区为松潘—甘孜北缘的复理石沉积提供物源(Enkelmann et al., 2007).综上,我们认为柴东地区晚海西-印支期被剥蚀的物质一部分往北输送至宗务隆及南祁连地区,另一部分往南东经共和盆地搬运至松潘—甘孜地体.

印支运动末期,在区域弱伸展应力背景下,早侏罗世柴北缘开始产生断块活动,柴东地区发育了以红山凹陷为中心的断陷湖盆(图 10f),中侏罗世湖盆范围逐渐扩大到德令哈凹陷和霍布逊凹陷北部,而此时欧龙布鲁克凸起与霍布逊凹陷南部仍为隆起区,大煤沟剖面中下侏罗统的物源分析结果也证实其物缘区主要为南边的欧龙布鲁克地块与东昆仑地区(Yu et al., 2017; 李军亮等,2016),即早中侏罗世柴东地区继承了晚三叠世南高北低的古地貌格局.

5 结论

(1) 柴东地区已有石炭系烃源岩样品于印支运动之前已经达到最高古地温,最高古地温范围为130~217 ℃,石炭系在达到最高古地温时普遍具有较高的古地温梯度,为37~43 ℃/km.假定古地表温度为25 ℃,柴东地区残留石炭系顶界面埋深在印支运动之前已经达到了2500~3900 m.古温标法恢复的晚海西-印支期剥蚀量范围为2100~4300 m,柴东南缘为3600~4300 m,往柴东北缘逐渐减小到2100~3100 m,仅穿山沟一带达到了3700 m.

(2) 石炭纪-早中二叠世,柴东地区一直处于古特提斯洋持续扩张体制下的被动大陆边缘环境,直到晚二叠世才逐渐开始隆升,区域大地构造背景及晚海西-印支期剥蚀量恢复结果均证实柴东地区曾沉积了2000~3000 m的二叠系-三叠系,后被整体剥蚀.

(3) 晚二叠世以来,随着古特提斯洋往北俯冲消减,东昆仑及盆地周缘开始隆升.早三叠世,柴东北缘西段与东段经历了一次快速隆升,先期的多套沉积地层与结晶基底被迅速剥蚀并为宗务隆南缘的隆务河群砾岩沉积提供物源,而柴东北缘中段的隆升幅度很小.中三叠世海水往北和往东退出研究区.晚三叠世,松潘—甘孜地体强烈碰撞挤压使得东昆仑—柴达木地体下地壳显著缩短和增厚,柴东地区上地壳可能并未强烈褶皱缩短,而是被整体抬升,地貌上形成了南高北低的古地理格局,在古气候及水系作用下,二叠系-三叠系与部分石炭系被迅速剥蚀,其中一部分物质往北输送至宗务隆及南祁连地区,另一部分往南东搬运至松潘—甘孜地体.

致谢  感谢两位审稿专家的宝贵意见,感谢中国科学院地质与地球物理研究所胡迪博士、胡杰博士对最高古地温计算提供的帮助,野外地质考察期间,段忠孝师傅始终安全地将我们送至目的地,在此一并致谢!
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