岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (3): 837-850   PDF    
引用本文
张玲, 杨晓平, 万景林, 郑德文. 2018. 中新生代南北天山差异性抬升历史的磷灰石裂变径迹证据. 岩石学报, 34(3): 837-850  
Zhang L, Yang XP, Wan JL and Zheng DW. 2018. Mesozoic and Cenozoic differential uplifting history of the North Tianshan and the South Tianshan from apatite fission-track date. Acta Petrologica Sinica, 34(3): 837-850(in Chinese with English abstract)   
中新生代南北天山差异性抬升历史的磷灰石裂变径迹证据
张玲1 , 杨晓平1 , 万景林2 , 郑德文2     
1. 中国地震局地质研究所活动构造与火山重点实验室, 北京 100029;
2. 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2017-01-01 收稿; 2017-12-11 改回.
基金项目: 本文受国家自然科学基金项目（40572126）和地震行业科研专项（200808013）联合资助
第一作者简介: 张玲, 女, 1986年生, 博士, 构造地质学专业, E-mail:zhangling4255@126.com
通讯作者: 杨晓平, 男, 1963年生, 主要从事活动构造学及其工程应用方面的研究, E-mail:yangxiaoping-1@163.com
摘要：堆积于天山山前坳陷内部的巨厚新生代地层不仅记录所在沉积区的热历史信息，还记录了物源区的信息。本文选择天山南北两侧山前坳陷中3条地质剖面进行了大量的磷灰石裂变径迹测试和部分样品的热历史模拟分析，来揭示上新世以来天山在南北方向上隆升过程的差异性。采样剖面的选取较前人更加靠近前陆盆地方向，样品所在地层年代更新。结果显示，东秋里塔格背斜剖面中的样品记录了中天山、南天山和背斜区分别在55~65Ma、20~25Ma和5Ma经历了构造隆升。玛纳斯背斜剖面中的样品记录了北天山的三次构造隆升事件分别发生于55~65Ma、20~25Ma和5Ma，其中距今5Ma为玛纳斯背斜带起始隆升的时代。结合前人在相同区域的研究成果，分析得出天山的不同部分经历了不同的构造演化历史，自150Ma以来经历了三期差异性隆升。中生代时期（150~125Ma）表现为山体整体抬升，中生代晚期-新生代早期（100~50Ma）北天山明显早于南天山开始构造隆升，新生代以来（~50Ma）的构造运动以向前陆盆地方向扩展为特征，而隆升起始时间南北差异变小。虽然在南北方向上天山山体隆起时间上存在明显的差异，但是中新生代以来山体物源区的剥蚀速率大体相同。因此，隆升起始时间与隆升量之间并不存在必然的定量关系。天山的不同块体具有不同的构造演化历史的事实提示在研究大范围构造隆升作用时，应将构造作用作为一个过程来对待。变形在传递的过程中，在时间和空间上存在一定的滞后现象。
关键词: 中新生代     差异性隆升     磷灰石裂变径迹     天山    
Mesozoic and Cenozoic differential uplifting history of the North Tianshan and the South Tianshan from apatite fission-track date
ZHANG Ling1, YANG XiaoPing1, WAN JingLin2, ZHENG DeWen2     
1. Key Laboratory of Active Tectonic and Volcanic, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract: The thick Cenozoic strata in the Tianshan piedmont depression have recorded not only the thermal history of deposit zone, but also the uplifting history of the mountain. We conducted Apatite Fission Track (AFT) research on a large number of samples along 3 chosen geological profiles and simulated their AFT thermal histories. Compared with the former studies, the sampling location of this study is closer to the foreland area, i.e., the sampling strata are much younger. We try to reconstruct the differential history of range growth from the Pliocene to present. The result suggests that samples from the East Qiulitage section record that the Mid-Tianshan, the South Tianshan and the East Qiulitage anticline experienced an uplift event at 55~65Ma, 20~25Ma, 5Ma, respectively. At the meanwhile, samples from the Manas section record 3 tectonic uplift events in the North Tianshan which happened at 55~65Ma, 20~25Ma and 5Ma, respectively. The uplift event started at 5Ma is the initiative point of folding and uplifting of the Manas anticline in the Urumqi piedmont depression. The combination of different AFT research results in Tianshan zone reveals that the Tianshan Mountains have three tectonic uplift phases from 150Ma to present. The whole Tianshan Mountains commenced uplifted evenly in the Mesozoic (150~125Ma). From Late Mesozoic-Early Cenozoic (100~50Ma), the starting-time of uplift in the North Tianshan is much earlier than that in the South Tianshan. The characteristics of the tectonics in the Late Cenozoic are the propagation to the foreland of the Tianshan Mountains and the smaller gap of uplift time between the South Tianshan and the North Tianshan. Despite the Tianshan Mountains underwent differential uplift on the north-south direction, the denudation rates of source zones are much the same since the Mesozoic-Cenozoic to the present. So there is no causal relationship between starting-time and the amount of uplift. The fact that different blocks have different tectonic evolution histories suggests that the tectonic should be treated as a process when it occurs in a large area. During the spreading process of deformation, there is a certain lag in space and time.
Key words: Mesozoic and Cenozoic     Differential uplifting     Apatite fission tracks     Tianshan Mountains    

天山造山带位于准噶尔盆地和塔里木盆地之间，是亚洲最主要且规模巨大的年轻山系之一，东西横亘2500km。印度板块与欧亚板块的碰撞作用从三叠纪早期开始一直延续至今，这种远程效应不仅使得天山经历了晚古生代的构造隆升、中生代的剥蚀夷平和新生代以来的构造重新复活，而且形成了现今的山川地貌与构造格局(Molnar and Tapponnier, 1975；Tapponnier and Molnar, 1979；Avouac et al., 1993)。天山在南北两侧稳定地块的挟持下而遭到挤压和缩短(张培震等，2003)，新生代以来天山地区的总地壳缩短量超过200km(Tapponnier and Molnar, 1979；Avouac et al., 1993; 张培震等，1996)。为了揭示天山在南北方向上的隆升剥蚀历史，大量学者进行了系统的年代学、岩石学和构造学方面的研究。然而，天山山体并不是一个完整统一的块体，位于北部的北天山断裂-天山主断裂带和南部的那拉提断裂-青布拉克断裂(Windley et al., 1990)将天山分为3部分，自北向南分为北天山、中天山和南天山(杜治利和王清晨，2007；Wang et al., 2009)。不同部分的构造演化历史并不相同，这种差异逐渐被越来越多的研究者所重视(郭召杰等，2006；杜治利和王清晨，2007；Wang et al., 2009；王清晨，2013)。

裂变径迹方法(Fission Track Dating)是20个世纪60年代起被应用于确定岩石低温热历史的一种测年方法(Green et al., 1989)。由于磷灰石的退火温度(60~120℃)与地壳最上部3~4km的温度相同，从而使得磷灰石裂变径迹方法成为研究造山带、高原最后一次热事件及抬升作用的重要手段(丁林，1997)。近年来，不同的研究者根据横跨天山的裂变径迹测年结果系统地分析反演了三叠纪(~250Ma)至中新世(~25Ma)时期天山的变形历史。但是，对于中新生代以来，尤其是25Ma以来天山及南北两侧前陆盆地的不同部分之间的差异性构造变形具有怎样的规律，还需要进一步的研究。

天山晚第四纪构造变形以前陆盆地的褶皱和逆冲断裂为主要特征(张培震等，1996)。沉积于前陆盆地内部的沉积物不仅是盆地构造演化的有力证据，也是物源区天山隆升剥蚀的产物，从而包含了造山带的热构造事件信息。本文选择在天山南北两侧前陆盆地内部进行了系统的晚新生代地层采样，试图利用碎屑颗粒磷灰石裂变径迹定年技术并结合前人的研究成果，对天山及山前前陆盆地中新生代以来的隆升剥蚀过程进行详细的探讨。

1 地质背景与样品采集 1.1 地质背景

天山是古生代时期由不同的地块俯冲、碰撞、增生作用形成的造山带(Allen et al., 1992；Carroll et al., 1995)。经历了造山后伸展作用和相关岩浆活动后(姜常义等，1999)，至中生代已基本被剥蚀夷平，表现为低山丘陵的准平原(郭召杰等，2002)。新生代时期由于印度板块与亚洲板块的碰撞，特别是印度板块急剧向北运移，导致天山再次隆起(Molnar and Tapponnier, 1975；Tapponnier and Molnar, 1979；Avouac et al., 1993)。在区域挤压作用下，天山主体向南北两侧逆冲推覆，在山前坳陷中渐进式的形成了一系列与天山山体平行的逆断裂褶皱带(图 1)(邓起东等，2000)。现今的GPS数据结果显示，天山在南北方向上有80%~90%的地壳缩短量被南北两侧山前逆断裂褶皱带所吸收，其余很少的一部分被山体变形所消耗(Yang et al., 2008)。但是，在天山不同部位褶皱带发育程度各不相同，如在北天山的乌鲁木齐坳陷中发育三排褶皱带，东天山的吐鲁番坳陷中只发育了两排褶皱带，南天山库车坳陷中发育了四排褶皱带，西南天山的喀什坳陷也发育了三排以上褶皱带。

图 1 天山山前褶皱带构造简图 (a)研究区数字地貌图；(b)天山北麓地质简图；(c)天山南麓库车北地质简图.NTF-北天山断裂; TMF-天山主断裂; NF-那拉提断裂; QF-青布拉克断裂 Fig. 1 The Sketch geological map of the Tanshan foreland belts (a) digital elevation model image of the research area; (b) simplified geological map of the North Tianshan; (c) simplified geological map of the Kuche region, in the South Tianshan

位于天山南北两侧的前陆盆地自中生代以来就不断地接受来自天山山体的碎屑物质(Hendrix, 1994)。在北部的准噶尔盆地中，玛纳斯背斜一带的中新生界最厚达12km(赵白，1993；邓起东等，2000；方世虎等，2005；杨晓平等，2012)，上侏罗统基本缺失，中侏罗统头屯河组与下伏西山窑组、白垩系底界与侏罗系、白垩系与下第三系地层均表现为区域角度不整合，新生界地层之间大多为连续沉积，只有下更新统西域组与上新统独山子组产状有轻微变化，下更新统与中更新统之间存在不整合关系，显示了最新构造活动(杨晓平等，2012)。南部的塔里木盆地内中新生界地层厚度达10km(Huang et al., 2006)，库车坳陷乃至整个塔里木东部地区缺失上白垩统(贾承造等，2003)，在古近系库姆格列木群之下有一个平行不整合面，间断时间为66~35Ma(王清晨，2013)，至新生代晚期的西域组砾岩与上新统库车组之间存在角度不整合，其余中新生代地层都表现为连续沉积。Wang et al.(2009)通过对塔里木盆地北部古近系及新近系沉积岩进行的碎屑岩成分分析，揭示出塔里木盆地北侧的物源区在35Ma从中天山逐渐变为南天山，12Ma后南天山为主要物源区。这些沉积间断、角度不整合和物源区变化的现象在一定程度上指示了天山地区的构造变形作用。

1.2 样品采集

前人利用裂变径迹测年方法研究天山中段东经82°~86°范围内中新生代以来的构造活动时，采样地层范围从山体内部的中生代的火成岩、变质岩至前陆盆地内的上新统砂岩，剖面位置从玛纳斯河上游穿越天山至库车河上游。本文在这一区域内的研究主要选取乌鲁木齐坳陷中的玛纳斯背斜剖面(图 2，见图 1b的A-A′剖面)和独山子背斜剖面(图 3，见图 1b的B-B′剖面)、南天山库车坳陷中的东秋里塔格背斜剖面(图 3，见图 1c的C-C′剖面)的古近纪至新近纪的砂岩。采样剖面的选取相较前人的更加靠近前陆盆地方向，样品所在地层年代更加年轻。

图 2 北天山玛纳斯采样地质剖面和测试结果 Fig. 2 Geologic section of samples and age test results of the Manas section in the North Tianshan

图 3 独山子背斜和秋里塔格背斜采样地质剖面和测试结果 Fig. 3 Geologic section of samples and age test results of the Dushanzi anticline and Qiulitage anticline

碎屑颗粒裂变径迹样品中所包含的热历史信息取决于样品所经历的最高埋藏温度。当埋深达到足够的深度使得温度超过110~135℃(Green et al., 1989)，径迹时钟会被重置(reset)，样品的裂变径迹结果反应的是沉积区的构造剥蚀信息。当样品在沉积区的埋藏温度一直小于50℃，样品所包含的是源区的热历史信息(Dumitru et al., 2001)。我们在三个剖面中进行了相同海拔高度的连续采样，取样间隔约500m，最长不超过1km，每个样品的重量都大于2kg，保证了样品颗粒的选择是随机的。通过裂变径迹定年获得了样品中所有单颗粒的年龄和径迹长度。试图利用重置的裂变径迹样品所包含的热历史信息分析样品所在的年轻逆断裂褶皱带的开始褶皱隆升时代。同时通过未被重置(未退火)的样品径迹年龄来分析源区的构造剥蚀过程。忽略未退火的样品从地表被剥蚀搬运至沉积区的时间，样品从开始抬升通过封闭深度至今的年龄与沉积地层的沉积年龄的时间差为滞后时间(lag time)，用封闭温度深度除以滞后时间就可以求出源区平均剥蚀速率(郑德文等，2000)。

天山北侧的乌鲁木齐坳陷中，由于天山的薄皮式向前扩展，自南向北形成了3排晚新生代褶皱带，自南向北分别为山麓逆断裂-背斜带、霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁逆断裂-背斜带和独山子-安集海逆断裂-背斜带(邓起东等，2000)。其中，玛纳斯背斜核部出露古近纪砂岩，最大埋深>5km，背斜核部的样品可能由于埋藏加热而发生部分退火作用。玛纳斯河横切玛纳斯背斜，地层出露条件好，我们从背斜核部出露的最老地层始新统到到北翼出露的上新统独山子组的大部分层位采集了10件岩石样品。

天山南北两侧的三个背斜(玛纳斯背斜、独山子背斜、秋里塔格背斜)中均出露新近纪地层。上新统泥质砂岩或砂质泥岩，新生代时期埋藏浅，在沉积区可能不足以发生退火，其碎屑颗粒年龄反应了源区的剥蚀程度信息。我们沿独山子背斜的上新世地层共采集了9件样品，在天山南麓的库车坳陷中的第三排背斜——秋里塔格背斜中采集了6件中新统吉迪克组和上新统库车组砂岩。所采集的样品具有相似的沉积年龄，裂变径迹年龄和由此计算所得的平均剥蚀速率在一定程度上揭示了天山南北两侧热历史的差异。

2 实验流程

实验室对样品进行分选后，采用外探测器法对磷灰石进行裂变径迹分析。先将富集后的磷灰石制成薄片，然后抛光、蚀刻，蚀刻条件为5.5N、HNO3、20℃、20S，再将蚀刻的薄片加盖白云母外探测器后，送中国原子能科学研究院492反应堆进行辐照。外探测器采用低铀含量白云母，蚀刻条件为40% HF、21℃、40min。Zeta标定选用国际标准样，Zeta(ξ)参数值为356.6±10；标准玻璃为美国国家标准局CN5铀标准玻璃，径迹统计用Zeiss显微镜，放大1000倍干镜条件下完成。实验测试在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成。

3 裂变径迹结果及解释 3.1 裂变径迹测试结果

综合所有的裂变径迹年龄结果(表 1、图 4、图 5)，北天山乌鲁木齐坳陷中测试的19件样品的磷灰石裂变径迹年龄处在39~91Ma区间之内，其中玛纳斯背斜区样品年龄为55~91Ma，独山子背斜区样品年龄为39~76Ma。南天山库车坳陷测试的6件样品的磷灰石裂变径迹年龄处在36~39Ma和54~59Ma两个小区间内。总体而言，25件样品的裂变径迹平均长度分布在12.94~13.89μm，标准偏差在0.98~1.53μm之间，但大多数处在1.10~1.20μm之间。所有样品的磷灰石裂变径迹年龄比较新，但裂变径迹年龄都大于所在地层的沉积年龄。样品的裂变径迹平均封闭长度在误差范围内基本一致，都分布在13~14μm范围内，标准偏差也基本处在1.0~1.3之间，径迹长度分布基本上对称。除了D-3、Q-1、Q-2三个样品的P(χ2)＜5%，其余所有样品都通过了χ2统计检验，说明年龄为单一组分。因此，这些样品有大致统一的物源区，乌鲁木齐坳陷中的样品源区为北天山，而库车坳陷中样品源区为南天山(Wang et al., 2009；王清晨，2013)。岩石中新的磷灰石裂变径迹不断产生，初始平均径迹长度最长为16.3μm，标准差约为0.9μm(Gleadow et al., 1986)，在随后经历的缓慢退火会使得径迹长度逐渐变短。对于在成岩区被快速抬升并且后期经历的最大低温没有超过50℃的岩浆岩样品，它的平均裂变径迹长度为14.24μm(Gleadow et al., 1986；Green, 1988)。本文中除了M-3、M-4、M-5、M-6、Q-1五个样品裂变径迹年龄接近沉积年龄，在沉积区经历了部分退火作用，可以尝试利用热历史模拟来研究沉积区所经历的隆升剥蚀历史。而其余样品的裂变径迹年龄远大于沉积年龄，而且径迹长度与快速通过退火带的火山岩的非常相似，因此，推测这些样品在物源区经历过一次快速隆升，接着受到快速侵蚀，当到达沉积区之后，除少量样品接近退火带，其余样品至今处于低温环境中，基本没有发生退火。这些样品仅包含了物源区的热历史信息。

表 1 天山地区磷灰石裂变径迹测试数据 Table 1 Apatite fission-track data of the Tianshan Mountain

图 4 乌鲁木齐坳陷和库车坳陷地区磷灰石裂变径迹单颗粒年龄直方图(左)、径迹长度图(中)及放射图(右) ML表示平均长度；Std Dev表示标准偏差；N表示测试内径迹条数；Pooled表示样品所测颗粒的池年龄；Mean表示样品所测颗粒的平均年龄；P(X^2)表示所有检验单颗粒年龄正态分布置信度的量值；Var表示相对误差, 当P(X^2)>5%时，表明样品年龄分布服从泊松分布，属于同一年龄组分，计算结果取池年龄(pooled age); 若未通过X^2检验则表明年龄为非单一组分，被测矿物颗粒来自不同物源区，中值年龄能够比较精确地评估样品的年龄变化(Green, 1981；张志诚等，2004) Fig. 4 Single-grain age histograms (left), track length histograms (middle) and radial plots (right) of the apatite fission-tracks results of the Urumqi and Kuche depressions

图 5 样品径迹年龄随沉积年龄变化图 Fig. 5 Fission track age vs. the depositional ages of all samples
3.2 玛纳斯背斜开始变形的时间

玛纳斯背斜剖面中出露了比较完整的新生代沉积地层，包括始-渐新统、渐-中新统、上新统和下更新统，这一带是乌鲁木齐坳陷中新生代的沉积中心，最大厚度达12km(赵白，1993；方世虎等，2005；杨晓平等，2012)。在玛纳斯背斜采样剖面中，M-1样品采自上新统独山子组的底部，岩性为细砂岩；M-2为中新统塔西河组泥岩中的砂岩夹层；M-3和M-5为渐-中新统沙湾组紫红色泥岩中的砂质泥岩；M-4采自玛纳斯背斜核部出露的最老地层始-渐新统；M-6~9采自玛纳斯背斜北翼倒转的上新统独山子组地层。样品的采样位置和裂变径迹年龄分布见图 2和表 1。

如图 2所示，样品的裂变径迹年龄与背斜构造之间表现出紧密的关系，从背斜的北翼向核部，裂变径迹年龄逐渐变老。采自背斜南翼上新统下部的样品M-1地层最新，而裂变径迹年龄最老，约91.8Ma；沿背斜剖面逐渐向北，M-2裂变径迹年龄开始变小，约为77.9Ma；在中部的M-3和M-4裂变径迹年龄分别为约68.4Ma和68.8Ma；背斜的核部，新生代时期可能沉积埋深最深的部位，M-3、M-4、M-5和M-6的裂变径迹年龄约为68.4Ma、68.8Ma、61.2Ma和55.3Ma；背斜核部向北，在N2地层中的M-7和M-8样品的裂变径迹年龄又开始变老，分别是83.7Ma和70.1Ma。M-9样品的采样位置靠近玛纳斯活动断裂，该断裂也是1906年玛纳斯7.7级地震的地震断层(邓起东等，2000)，其裂变径迹年龄为63.5Ma，年龄值的偏小可能受到玛纳斯断裂活动的影响。

裂变径迹年龄结果及其随地层的变化特征表明处于玛纳斯背斜核部的M-3、M-4、M-5和M-6四个样品在沉积区经历了一定程度的埋深加热的退火作用。因此，我们对4个样品进行了热历史模拟。在进行模拟时采用的是HeFTy(1.7.5)软件，运用Ketcham et al.(2007)的退火模型进行T-t(温度-时间)曲线模拟。在预设控制时间-温度变化的范围时考虑了以下几点：1)起始区域温度的设定必须保证样品中径迹年龄最老的颗粒在地质时间尺度内完全退火(Lutz and Omar, 1991)。2)样品在径迹年龄时间范围内经过退火带(60~120℃)。3)碎屑样品在沉积埋藏年龄时间范围内被剥蚀至地表。4)样品被采集时(现今)处在地表的温度范围内(Lutz and Omar, 1991)。最终模拟所得的径迹长度和年龄与实测的拟合度均大于50%，为较好的时间-温度路径。结果(图 6)表明，4个样品均显示出三次快速降温过程，分别发生于55~75Ma、25~35Ma和5Ma。在55~75Ma和25~35Ma北天山经历了两次构造隆升，而在5Ma左右样品在沉积区经历最大埋藏深度活进入退火带深度，此后开始了快速冷却过程。上新世5Ma左右开始的这次快速冷却应代表了样品所在的玛纳斯逆断裂褶皱带隆升的起始时间。

图 6 玛纳斯背斜核部地层样品热历史模拟曲线图 60~120℃，部分退火带；浅灰色区域代表可以接受的模拟结果(拟合度＞5%)；深灰色区域代表较好的模拟结果(拟合度＞50%)；浅灰色时间条带为快速却冷却时间段 Fig. 6 Thermal history modeling curve of samples from the Manas section
3.3 东秋里塔格背斜开始变形时间

东秋里塔格背斜剖面中Q-1样品采自中新统吉迪克组的顶部，接近于背斜的核部，并且样品的裂变径迹年龄接近沉积年龄。因此，样品有可能在沉积区经历了埋深加热的退火作用。我们对其进行了热历史模拟。模拟结果(图 7)显示出三次明显的快速降温过程，分别发生于55~65Ma、20~25Ma和5Ma。由于塔里木盆地北侧的物源区在35Ma从中天山逐渐变为南天山，12Ma后南天山为主要物源区。因此，可以推断这三次构造隆升事件分别发生于中天山、南天山和东秋里塔格背斜区。最后一次快速冷却事件代表的是东秋里塔格背斜开始变形的时间。

图 7 秋里塔格背斜核部地层样品热历史模拟曲线图 Fig. 7 Thermal history modeling curve of samples from the Qiulitage section
3.4 晚白垩世-古近纪时期南、北天山隆升和剥蚀

天山北麓玛纳斯背斜采样剖面中，M-1、M-7、M-8、M-9砂岩样品位于独山子组(N2)。排除径迹年龄可能受到活动断裂影响的M-9，其余样品的径迹年龄分布在70.1~91.8Ma范围内，地质时代上为晚白垩纪。样品的裂变径迹年龄值反应了玛纳斯河上游的北天山的热历史。

北天山独山子背斜采样剖面中，10件泥质砂岩或砂质泥岩样品均采自上新统独山子组(N2)地层(图 3)。样品围绕背斜的核部分布，D-3~4位于背斜核部，D-9~10靠近独山子活动断裂(邓起东等，2000)。排除可能受到独山子活动断裂(邓起东等，2000)影响的D-9~10样品，根据裂变径迹年龄的分布，可将其余样品分为两组。D-4和D-7样品的裂变径迹年龄偏小，分别为44.2Ma和39.1Ma。D-1~3、D-5~6、D-8样品裂变径迹年龄分布在56.9~62.7Ma范围内。整个剖面中，样品的最大埋深约2km，与玛纳斯背斜剖面的M-1的埋藏深度相近。同样地，这些样品没有经历退火作用，其年龄值反应了奎屯河上游的北天山的隆升、剥蚀事件。较老的一组年龄分布范围为抬升-剥蚀过程经历的时段约为56.9~62.7Ma。

天山北麓的年平均气温为8.5℃(于海鸣和刘建基，2007)，地温梯度22.7℃/km(王社教等，2000；邱楠生等，2001)，若样品从退火带的位置抬升至地表被剥蚀，最少冷却了51.5℃。因为，剥蚀量的最小值为2.3km。以上两个采样剖面中的样品所在地层均为上新统，沉积年龄约为5Ma。玛纳斯背斜采样剖面中样品的滞后时间范围为65.1~86.8Ma，独山子背斜中的为51.9~57.7Ma。通过计算可知，北天山在玛纳斯河上游的剥蚀速率为0.03~0.04m/y，奎屯河上游的剥蚀速率为0.04~0.05 m/y。

天山南麓的东秋里塔格背斜剖面中，除Q-1样品采自中新统吉迪克组的顶部外，Q-2~6样品为上新统(N2)库车组的砂岩(图 3)。总体上，裂变径迹年龄随着所在地层沉积年龄的变小而变小，保持了很好的时间序列。表明这些样品新生代没有发生埋深加热引起的退火作用，反映了南天山的剥蚀特征。Q-2~6样品的磷灰石裂变径迹年龄处36~54Ma，除Q-4的年龄为54.7Ma外，其它样品的裂变径迹位于36~39Ma之间。库车盆地边缘的地温梯度为26℃/km(梁狄刚等，2004)，样品最小冷却温度为51.5℃，滞后时间范围为31~39Ma。因此，剥蚀量约为2.0km，剥蚀速率约为0.05m/y。

4 讨论与结论

与环太平洋造山带、阿尔卑斯-喜马拉雅造山带不同，地处中亚的天山造山带是古生代多陆块拼合而成(方世虎等，2005)，经历了多期构造运动才形成现今构造带格局。多次碰撞形成的缝合带表现为断裂带，将天山自北向南分为三部分(Windley et al., 1990；Dumitru et al., 2001；杜治利和王清晨，2007；Wang et al., 2009)。虽然在相同的构造应力场条件下，不同部分的构造演化过程却存在很大差异。由于磷灰石裂变径迹测年方法能够直接得到构造隆升过程，前人为了探究天山构造变形历史而在这一区域开展了大量的相关工作。但前人主要关注中新世之前的山体的隆升，对晚新生代以来山体向前陆盆地扩展的历史涉及较少。本文利用碎屑颗粒裂变径迹测年方法反演得到的山体和前陆盆地变形时间及前人数据，按反演结果所反应的构造隆升位置概括于图 8(剖面位置见图 1a的AA′)。这些数据表明天山150Ma以来经历了3段差异性隆升过程。

图 8 天山中段磷灰石裂变径迹数据综合图 红色箭头为本文模式年龄，绿色箭头为杜治利等(2007)模式年龄，灰色箭头为郭召杰等(2006)模式年龄，黄色箭头为Wang et al.(2009)模式年龄，蓝色箭头为Dumitru et al.(2001)数据 Fig. 8 Diagram summarizing the AFT age data from the middle section of the Tianshan orogeny

中生代时期150~125Ma开始的一次构造隆升作用(图 8中①)，发生在整个天山山体区域，没有波及到两侧前陆盆地。这次构造运动应该是造成天山范围内普遍缺失白垩纪地层的原因(贾承造等，2003；杨晓平等，2012)。天山南北隆升的起始时间在这次构造运动中没有表现出太大的差异。

中生代晚期-新生代早期隆升作用(图 8中②)的起始时间，在南北方向上表现出巨大的差异。最早的隆升发生于中天山与北天山交界的北天山断裂带附近，随后逐渐向南北两侧扩展，变形范围仍局限于山体范围。南天山断裂带以南的南天山隆升起始时间比山体隆升晚约50Myr，而且明显晚于北天山。在块体内部，北天山的隆升有由南向北发展的趋势，而南天山块体则表现出整体抬升。在这一时期，北天山白垩系与下第三系呈角度不整合(杨晓平等，2012)，南天山在古近系库姆格列木群之下有一个平行不整合面，间断时间为66~35Ma。同时造成了塔里木盆地北缘砾石组分突然变化指示的在35Ma中天山物源区逐渐变为南天山物源区(Wang et al., 2009；王清晨，2013)。

新生代以来的构造运动以盆山耦合、变形前锋到达了前陆盆地为特征。这次隆升作用(图 8中③)相比较上一次隆升作用，山体区域的起始时间差别变小，但是南天山作为独立的块体，整体抬升时间仍明显晚于中天山与北天山。构造作用依旧起始于中天山和北天山交界部位，随后呈阶梯式向山体南北两侧扩展。Huang et al.(2006)对库车盆地中磁性地层的研究也提出南天山在20Ma开始逆冲作用，并在16~17Ma随后发生快速构造隆升。这与构造运动不断向盆地迁移而产生一系列逆断裂-褶皱带的现象一致。5Ma的快速冷却过程指示了北天山第二排背斜和南天山第三排背斜在这一时间开始褶皱变形。上新世是天山隆起和地壳缩短的加速时期，山体南北两侧的山前坳陷中堆积了厚达1000~3000km厚的砾石层(邓起东等，2000)。下更新统下段及其以下的所有新生代地层都普遍遭受到了强烈的褶皱和逆冲断裂作用，未遭受变形的中更新统砾石层覆盖于下伏地层之上，形成新生代地层中最重要的角度不整合接触(邓起东等，2000；张培震等，2003)，说明在上新世至早更新世早期、早更新世晚期至中更新世天山经历了大范围的构造运动。磁性地层学研究、钻孔资料、地震反射剖面反演的结果均揭示在5Ma左右天山前陆盆地中经历了一次构造隆升作用(Métivier and Gaudemer, 1997；Charreau et al., 2006；Huang et al., 2006；Hubert-Ferrari et al., 2007；Sun et al., 2009)。

关于天山中生代(~150Ma)以来的构造隆升特征及其一些启示，总结如下：

(1) 本文通过对天山南北两侧前陆盆地中碎屑颗粒磷灰石裂变径迹研究，发现东秋里塔格背斜剖面中的样品记录了中天山、南天山、东秋里塔格背斜区的构造隆升事件，分别发生于55~65Ma、20~25Ma和5Ma。而玛纳斯背斜剖面中的样品记录了北天山在55~75Ma、25~35Ma，玛纳斯背斜区在5Ma经历了构造隆升。其中距今5Ma的隆升事件为东秋里塔格背斜带和玛纳斯背斜带起始变形的时代。

(2) 多陆块拼合而成的天山造山带不同部分经历了不同的构造演化历史。综合不同学者的研究成果可知自150Ma以来经历了三期差异性隆升。中生代时期(150~125Ma)表现为山体整体抬升，中生代晚期-新生代早期(100~50Ma)北天山明显早于南天山开始构造隆升，新生代以来(~50Ma)的构造运动以向前陆盆地方向扩展为特征，南北差异变小。

(3) 物源区剥蚀速率的计算结果显示天山南北两侧在82°~86°经度范围内中新生代以来的剥蚀速度大体相同。虽然中生代晚期-新生代早期(100~50Ma)至今北天山的构造隆升明显早于南天山，但并不代表北天山的隆升速度大于南天山。这也可能是在乌鲁木齐坳陷中发育了三排逆断裂褶皱带，而在库车坳陷内发育了四排逆断裂褶皱带。

(4) 天山造山带以块体间的断裂带为界表现出差异性构造演化。对于大范围的构造隆升作用应该将其作为一个过程来对待，一个期次构造隆升运动在不同区域起始时间并不相同。变形前锋向前陆盆地方向渐进式发展的过程中，应力传递在时间和空间上表现出一定的滞后现象。

致谢 感谢两位审稿人对本文提出的宝贵修改意见。
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