岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (12): 3739-3757   PDF    
塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造
牟墩玲1,2 , 李三忠1,2 , 王倩1,2 , 李玺瑶1,2 , 王鹏程1,2 , 于胜尧1,2 , 周在征1,2 , 刘晓光1,2     
1. 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学海洋地球科学学院, 青岛 266100;
2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 青岛 266235
摘要:位于塔里木盆地东南缘的阿尔金地区发育南、北两条早古生代缝合带,通过对带内出露的大量早古生代蛇绿岩、高压-超高压变质岩以及不同性质的花岗岩的同位素年代学资料的收集、整理和对比,发现南、北缝合带内岩体在岩石学、地球化学、形成的时代和构造环境等方面具有可对比性,推测在早古生代两者处于同一个俯冲带体系中,只是演化时限存在沿走向的穿时性。本文提出,阿尔金造山带为一弯山构造,我们称之为塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造。通过古地磁资料与板块重建的研究与分析,揭示了塔里木-柴达木陆块在早古生代很可能作为一个整体漂移,发生了以逆时针方向为主的相对旋转,这与弯山构造的形成息息相关。在原特提斯洋向南斜向俯冲闭合过程中,分布在大洋中的塔里木-柴达木陆块、中阿尔金-中祁连微陆块以及其他亲冈瓦纳古陆的微陆块组成的链状陆块群,形成了近直线型的俯冲造山带。在斜向俯冲-碰撞机制下,塔里木-柴达木陆块的逆时针旋转,诱发了大型韧性剪切带和右行走滑断裂带,加之微陆块间的俯冲-碰撞相互作用的影响,最终导致初始造山带发生弯曲。塔里木盆地内发育的早古生代构造不整合以及呈"S"形展布的古构造、油气藏分布形态恰好为其提供了佐证。对塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造的研究,不仅有助于增进对原特提斯洋俯冲、闭合的理解和认识,还可以为建立中央造山带的演化模式提供新的思路。
关键词: 塔里木盆地     阿尔金造山带     弯山构造     原特提斯洋     斜向俯冲     碰撞    
The Early Paleozoic orocline in the southeastern Tarim Basin
MU DunLing1,2, LI SanZhong1,2, WANG Qian1,2, LI XiYao1,2, WANG PengCheng1,2, YU ShengYao1,2, ZHOU ZaiZheng1,2, LIU XiaoGuang1,2     
1. MOE Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Technique, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266235, China
Abstract: There are two Early Paleozoic suture zones exposed in the North and South Altun area respectively, located in the southeastern Tarim Basin, NW China. By collecting and analysing the data of ophiolites, metamorphic rocks as well as Early Paleozoic granites in both of the two sutures, it is revealed that the North Altun suture shares a great similarity with the south in their petrology, geochemistry, especially isotopic geochronology, which indicated that both sutures might belong to the same subduction system during the Early Paleozoic. And the difference of them is due to diachronism of evolutionary timing along the orogenic belt probably. In this paper, we propose that the Altun orogenic belt is an orocline, called the Southeastern Tarim Orocline. By the studies on the paleomagnetic data and plate reconstruction results, it can be found that the Tarim and Qaidam micro-continents were likely to drift as a whole after splitting from Gondwana. Besides, it rotated counterclockwise relatively in the Early Paleozoic, which is related with the formation of the orocline closely. And a chain-like superterrane, composed of the Tarim-Qaidam micro-continent, the Central Altyn-Qilian micro-continent and other Gondwana-affinity micro-continents, was formed and located in the Proto-Tethys Ocean. During the southward subduction and closure of the ocean, a nearly linear subduction orogenic belt was formed at the northern margin of the superterrane. Owing to the oblique subduction-collision mechanism, the Tarim-Qaidam micro-continent rotated counterclockwise, and large ductile shear zones and dextral strike-slip faults were generated, which all bent the orogen. Finally, the interaction of the tectonic movements among the micro-continents made the "S"-shaped Southeastern Tarim Orocline take shape in the late Early Paleozoic. The study of the Southeastern Tarim Orocline could not only help to improve the understanding of the Proto-Tethys Ocean closure, but also provide a new perspective on the evolution of the Central China Orogen.
Key words: Tarim Basin     Altun orogenic belt     Orocline     Proto-Tethys Ocean     Oblique subduction     Collision    

造山带的走向通常存在一定程度的变化,在平面上呈现弯曲的几何形态。早在20世纪初,地质学者们就认识到弧形造山带的重要性,特别是其对揭示和理解褶皱-逆冲带演化过程以及认识前陆盆地的构造演化方面所具有的十分重要的指示意义(Suess, 1909; Hobbs, 1914)。造山带向前陆扩展往往形成不规则的凸形和凹形组合形态,“凸点”(salient)用来指示向内陆地区凸出的结构,而“凹点”(recess)则指示向内陆地区凹陷的结构(Marshak and Flöttmann, 1996; Marshak, 2005)。后来,Carey (1955)引用“Orocline”来描述造山带在平面上所呈现出的马蹄状或肘状弯曲。有些弧形造山带是在其形成时就具有一定的弯曲结构,没有经历后期的叠加弯曲变形事件,而有些则是由起初呈线性或近线性的造山带,经历后期或二次构造变形使得造山带走向发生变化而呈现弯曲形态。后者即为“Orocline”,也就是“弯山构造”(李正祥等, 1996; 张辉等, 2007)或者“山弯构造”(施央申等, 1996; 方茂龙等, 2009; 舒良树等, 2013; 肖文交, 2014)。按照以最早翻译的名称为准的优先原则,本文使用“弯山构造”的译词展开论述。古地磁资料揭示,有些弧形造山带的形成是由于经历了差异性构造旋转从而导致其褶皱轴走向的改变,而有的则没有显著的旋转过程。据此,Marshak (1988)特别地将前者称为弯山构造,进一步严格约束了其定义。根据弧形结构的发育演化历史和运动学过程,可将弧形造山带划分为三类:初始弧(primary arc)、递进弧或过渡弧(progressive arc)和弯山构造(orocline)(Ries and Shackleton, 1976; Weil and Sussman, 2004)。而根据应变模式分析,弯山构造的山弧,其外围应处于伸展或拉伸应变状态,三维应变椭球长轴与山弧走向平行;山弧内侧则处于挤压应变状态,应变椭球长轴与山弧走向垂直;中央位置存在过渡面(中立面),不经历切向应变(Ries and Shackleton, 1976; Weil and Sussman, 2004; Fossen, 2010)。对于弧形造山带的演化机制和控制因素的认识是基于砂箱模拟实验,研究发现地层厚度的变化、拆离深度、强度和坡度、前隆效应以及叠加变形等都会导致弯曲的形成(Marshak, 1988, 2005; Marshak et al., 1992; Zweigel, 1998; Hindle and Burkhard, 1999; Nieuwland et al., 2000; Marques and Cobbold, 2002)。世界上存在很多的弧形造山带,如Alaskan orocline、Appalachians、Ibero-Armorican arc和Himalayas arc (Packer and Stone, 1972; Brun and Burg, 1982; Klootwijk et al., 1985; Stamatakos and Hirt, 1994; Johnston, 2001; Weil and Sussman, 2004)。对弧形造山带的研究,不仅有利于揭示褶皱-逆冲推覆带的演化过程,也对认识和理解微陆块间的俯冲、造山等汇聚事件具有重要的意义(Şengör et al., 1993; Van der Voo et al., 2006; Xiao et al., 2015; Li et al., 2017a, b)。

阿尔金造山带位于青藏高原的西北边缘,塔里木盆地的东南缘,夹持于塔里木、柴达木和昆仑微陆块之间,具有重要的地理位置和地质意义。关于阿尔金造山带的构造归属这一关键性地质问题,至今尚未达成共识。有学者曾以其岩石建造组合、航磁异常特征可与塔里木陆块相对比,认为其在新太古代-古元古代应属于南塔里木微陆块的组成部分,直到晚古生代末尚未彻底分隔(伍跃中, 2008);而更多的观点认为阿尔金造山带是构成阿-祁-昆(阿尔金-祁连-昆仑)造山带的重要组成部分,与中央造山带具有相同的发展演化历程(许志琴等, 1999; 任纪舜, 2004; 陆松年等, 2006; 董顺利等, 2013)。早古生代蛇绿岩(Liu et al., 1998; 刘良等, 1999; 杨经绥等, 2008; 马中平等, 2011)以及与俯冲相关的花岗岩(陈宣华等, 2003; 吴才来等, 2007, 2016; 康磊等, 2011)、榴辉岩和高压变泥质岩(车自成等, 1995; 张建新等, 2007)的发现,证明在阿尔金地区存在早古生代的大洋且发生了洋壳的俯冲作用;在南阿尔金缝合带UHP变质岩的出露,则揭示了陆壳深俯冲的存在(Zhang et al., 2001, 2005; 张安达等, 2004; 刘良等, 2007)。可见,阿尔金造山带经历了从古大洋闭合到微陆块碰撞-造山及后期变形变质等一系列复杂的地质演化过程。然而,前人对阿尔金地区的研究多数只针对于南、北阿尔金造山带某个具体问题开展的,而鲜有将两者置于全球原特提斯洋发展演化的构造大背景下作为一个整体来加以探讨。在前人大量的岩石学、地球化学以及同位素年代学研究成果的基础上,结合野外地质现象观察和构造分析,李三忠等(2016b, c, d, e)、Li et al.(2017a, b)提出在中央造山带存在呈“S”形弯曲的早古生代弯山构造,几何形态上可类比伊比利亚对偶弯山构造(Iberian coupled oroclines) (Shaw et al., 2012; Shaw and Johnston, 2016),柴达木盆地东缘弧形造山带(牟墩玲等,2018)即为此弯山构造东侧的组成部分,而阿尔金造山带南北缝合带则构成了“S”形弯山构造西侧的另一重要组成部分。本文将从岩石学、同位素地质年代学以及构造变形等方面,结合古地磁资料对以上问题进行探讨。

1 区域地质背景

阿尔金造山带(图 1)呈SWW-NEE向展布于青藏高原的北缘,夹持于塔里木盆地和柴达木盆地之间,其西部发育车尔臣和且末-若羌等基底深断裂以及阿尔金西北缘断裂等一系列走滑断裂,东部则被阿尔金左行走滑断裂截断,具有多期活动的复杂地质背景。区域内出露南北两条早古生代造山带,即北部的北阿尔金俯冲-增生杂岩带和南部的南阿尔金俯冲-碰撞杂岩带,它们可分别与北祁连俯冲-增生杂岩带和柴北缘俯冲-碰撞杂岩带相对比,二者共同构成了一条早古生代缝合带(Sobel and Arnaud, 1999; 许志琴等, 1999; Zhang et al., 2001; 杨经绥等, 2003, 2008; 张建新和孟繁聪, 2006; 孟繁聪等, 2010)。根据区域内不同地质单元特征及岩石学、地球化学和同位素年代学等研究成果,可将阿尔金造山带由北向南依次划分为4个构造单元(图 1):阿北变质地体(Ⅰ)、红柳沟-拉配泉构造混杂岩带(Ⅱ)、阿中米兰河-金雁山地块(Ⅲ)、阿帕-茫崖构造混杂岩带(Ⅳ)(刘良等, 1999, 2007; Zhang et al., 2001; 校培喜, 2003; Liu et al., 2009)。其中,北阿尔金缝合带主要由早古生代蛇绿混杂岩、弧岩浆杂岩和高压/低温变质岩组成;中阿尔金地块由浅变质的金雁山群和中高级变质的阿尔金岩群以及一些侵入岩组成;南阿尔金缝合带主要由早古生代蛇绿岩混杂岩、高压-超高压变质岩带和早古生代花岗岩带组成。

图 1 祁连-阿尔金地区构造单元图(据Zhang et al., 2005修改) Fig. 1 Schematic map of the Qilian-Altun region showing tectonic units (revised after Zhang et al., 2005)
2 阿尔金早古生代构造带 2.1 蛇绿岩带

阿尔金地区发育两条早古生代蛇绿岩带(图 2),即横亘在敦煌微陆块(阿北变质地体)和中阿尔金微陆块之间的红柳沟-拉配泉蛇绿岩带(即北阿尔金蛇绿岩带)和位于阿尔金南缘主断裂南部的阿帕-茫崖蛇绿岩带(即南阿尔金蛇绿岩带)。其中,北阿尔金蛇绿岩零星分布于米兰红柳沟、贝壳滩、恰什坎萨依和冰沟地区,向东可延伸至阿克塞、肃北一带,主要岩石组成有蛇纹石化橄榄岩和方辉橄榄岩等超镁铁质岩、辉绿岩岩墙群、洋脊型拉斑玄武岩、基性火山熔岩及夹于其中的硅质岩(Liu et al., 1998; 吴峻等, 2001; 杨经绥等, 2002, 2008; 刘函等, 2013)。根据前人年代学研究成果(表 1),北阿尔金蛇绿岩形成年龄集中在524~449Ma,指示在北阿尔金存在早古生代古大洋。米兰红柳沟辉绿岩墙群的发现,为古海底扩张形成洋壳提供了关键性证据(杨经绥等, 2002, 2008)。车自成等(2002)从贝克滩洋岛玄武岩的Sm-Nd全岩等时线年龄和沉积建造、化石年代的角度出发,将北阿尔金蛇绿岩带的形成时代限制在晚寒武世-早奥陶世。杨子江等(2012)获得了450±11Ma的冰沟辉长岩SHRIMP锆石年龄,同时还发现了同一时代的含放射虫硅质岩,进一步证明了红柳沟-拉配泉蛇绿岩带形成于早古生代的古大洋构造背景下,是发育于塔里木陆块和中阿尔金微陆块之间的俯冲-增生的缝合带(扬子江等, 2012; 刘函等, 2013)。在拉配泉地区出露的齐勒萨依岩体被解释为早-中奥陶世与俯冲相关的活动陆缘弧,为以红柳沟-拉配泉蛇绿岩为代表的北阿尔金洋向南俯冲提供了证据(张占武等, 2012)。

图 2 阿尔金造山带区域地质简图 图中年龄数据见表 1 Fig. 2 Simplified geological map of the Altun Orogen Age data in the figure are shown in Table 1

表 1 阿尔金地区早古生代蛇绿岩年代学数据汇总 Table 1 The collected ages of the Early Paleozoic ophiolites in the Altun Orogen

南阿尔金蛇绿岩带呈SWW-NEE走向沿阿尔金走滑断裂分布,主要出露在阿帕-茫崖一带。位于蛇绿岩带东段的茫崖地区的镁铁质-超镁铁质岩带属拉斑玄武岩系列,具有明显的蛇绿岩性质,但岩石组合相对简单,其Sm-Nd等时线年龄为481±53Ma,被认为形成于早古生代洋脊环境(Liu et al., 1998; 王焰等, 1999)。带内出露的501±2Ma的MORB型约马克其蛇绿岩,被认为是Rodinia超大陆裂解之后古大洋演化的产物(李向民等, 2009)。清水泉地区蛇绿岩仅保留了地幔橄榄岩和深成岩浆结晶的镁铁-超镁铁堆晶杂岩的蛇绿岩岩石组合,以被构造肢解的构造岩片形式产出,且带内混杂岩经历了多期次多阶段变形变质作用的改造,发育加里东晚期韧性变形(校培喜, 2003; 段星星, 2013)。向西,还出露有大量绿片岩构造岩块,其原岩属于基性火山岩类(拉斑玄武岩类),包含洋岛(板内)型(OIB)、洋中脊型(E-MORB)和火山弧型(IAT)三类玄武岩(覃小锋等, 2007),结合形成于大陆裂谷向MORB环境过渡的构造环境下的辉绿岩墙群(覃小锋等, 2008),进一步揭示在阿尔金南缘存在早古生代洋盆,即南阿尔金洋,且在形成时代上与北阿尔金蛇绿岩带一致,很可能是环绕中阿尔金微陆块的有限洋盆,代表原特提斯洋的分支。

2.2 高压-超高压变质带

在阿尔金造山带南北两侧出露有两条高压-超高压(HP/UHP)变质带,分别为北阿尔金高压/低温(HP/ LT)变质带和南阿尔金超高压(UHP)变质带,前者以出露蓝片岩、低温榴辉岩和高压变泥质岩为特征,与东侧的北祁连HP/ LT变质带属于同一变质带;后者以发育超高压榴辉岩、高压麻粒岩及副片麻岩等为特征,可与东侧的柴北缘HP/UHP变质带相链接(车自成等, 1995; 许志琴等, 1999; Zhang et al., 2001; 张建新等, 2002; 杨经绥等, 2008)。

在北阿尔金贝克滩东侧,高压变泥质岩呈夹层状或透镜体状断续分布在东西向延伸的变质片岩中,其形成的上限年龄为新元古代晚期,此外该套地层还显示有约470Ma的低温坪年龄,可能代表后期构造折返过程中的一次热事件(车自成等, 1995; 刘良等, 1999)。Zhang et al. (2005)在北阿尔金的红柳泉一带,识别出中-晚寒武世的蓝片岩和榴辉岩,其与泥质片岩、钙质片岩和石英片岩等一起构成了北阿尔金HP/LT变质带,且其与红柳沟-拉配泉蛇绿岩带相伴生,进一步指示了北阿尔金早古生代大洋俯冲带的存在。特别是含硬柱石的榴辉岩的发现,说明北阿尔金HP/LT变质带是典型的冷洋壳俯冲的产物,可与北祁连HP/LT变质带相对比,而在变质时限上,北阿尔金变质作用更早一些,说明北阿尔金-北祁连早古生代洋壳俯冲存在穿时性(张建新和孟繁聪, 2006; 张建新等, 2007)。在南阿尔金,UHP变质带可划分为西侧的江尕勒萨依榴辉岩-片麻岩单元和其东部的巴什瓦克石榴橄榄岩-高压麻粒岩单元。根据前人研究,该区高压-超高压变质岩的峰期变质年龄数据集中在504~486Ma (表 2),在误差范围内基本一致。Zhang et al. (2001)对江尕勒萨依榴辉岩分别进行了Sm-Nd和U-Pb的同位素年代学测定,获得几乎一致的峰期变质年龄,认为在加里东期存在大陆俯冲-碰撞造山带。对该区榴辉岩及其直接围岩副片麻岩锆石LA-ICP-MS微区原位定年,获得了493±4.3Ma和499±27Ma近似一致的变质年龄,进一步证明在南阿尔金陆壳深俯冲的存在(刘良等, 2007)。在巴什瓦克地区出露的中-晚寒武世高压麻粒岩带被认为与超高压榴辉岩带共同构成了另一种类型的“双变质带”,成为碰撞造山带的重要标志(张建新等, 2009)。根据研究,巴什瓦克石榴橄榄岩的原岩可能是新元古代侵位于地壳的基性-超基性杂岩,其在早古生代同地壳物质一起经历了深俯冲及高压-超高压变质作用,与该区伴生的麻粒岩、榴辉岩经历了相同或相似的演化过程,它们均属于同一变质事件不同热环境下的产物(曹玉亭等, 2009; 李云帅等, 2013; 王立社等, 2015)。

表 2 阿尔金地区早古生代HP/UHP变质岩年代学数据汇总 Table 2 The collected ages of the Early Paleozoic HP/UHP metamorphic rocks in the Altun Orogen

可见,阿尔金地区变质带为同期发育的、围绕在中阿尔金微陆块两侧的HP/UHP变质带,但两者在原岩性质、经历的变质条件等方面存在一定的差异:北阿尔金HP/LT变质带被认为是洋壳俯冲的产物,而南阿尔金UHP变质带则是陆壳深俯冲的产物。这一差异在一定程度上可与北祁连HP/LT变质带和柴北缘UHP变质带之间的差异相类比。Song et al. (2006)依据北祁连和柴北缘构造带中大洋蛇绿岩组合的形成时代相同、榴辉岩变质年龄几近相同等特点,推断北祁连山HP/LT变质带和柴北缘UHP变质带是同一俯冲带在不同演化阶段的产物。张贵宾等(2012)依据柴北缘UHP变质带中榴辉岩两类源区及洋壳物质的报道(史仁灯等, 2004; 朱小辉等, 2010, 2012),认为柴北缘经历了从大洋俯冲到大陆俯冲碰撞的演化过程。而在南阿尔金地区,同样出露有早古生代的蛇绿岩(Liu et al., 1998; 李向民等, 2009; 董增产等, 2011; 马中平等, 2011)、与洋壳俯冲相关的花岗岩(吴才来等, 2014),也可推测该地区存在洋壳俯冲作用,可与北阿尔金构造带的洋壳俯冲相对比。只是,在密度较大的洋壳俯冲拖曳下,陆壳也发生深俯冲作用,洋壳在重力作用下发生断离后,只有极少的洋壳物质折返回地表,反倒是密度较小的陆壳在浮力作用下发生迅速折返,出露现今可以观察到的UHP变质岩,而残存的洋壳和可能存在的鲜少折返的洋壳性质榴辉岩又会因后期构造的叠加而被肢解和破坏,又或者因阿尔金地区环境恶劣、研究程度低而尚未被发现。

2.3 花岗岩带

在阿尔金构造混杂岩带中,与早古生代蛇绿岩、HP/UHP变质岩伴生在一起的还有大量早古生代花岗岩体。北阿尔金地区出露的花岗岩类主要为钙碱性系列花岗岩-花岗闪长岩,多为I、A型花岗岩,缺少S型花岗岩,可能形成于增生型活动陆缘岛弧构造环境(陈宣华等, 2001)。在红柳沟和恰什坎萨依地区均发现有形成于早-中寒武世(519~512Ma)洋盆扩张背景下的斜长花岗岩,与红柳沟-拉配泉蛇绿混杂岩带内的蛇绿岩年龄相吻合,代表北阿尔金早古生代的有限小洋盆。此外,在红柳沟、巴什考供盆地北缘、阔什布拉克、恰什坎萨依等地出露有形成于俯冲环境下的晚寒武世-晚奥陶世(500~443Ma)花岗岩类以及代表同碰撞-碰撞后环境下的奥陶-志留纪末(474~419Ma)花岗岩(表 3),时代上与阿尔金地区高压-超高压变质作用时间可对比,是早古生代洋陆俯冲-碰撞的地质记录。李松彬等(2013)通过对喀腊大湾地区的一套早古生代中酸性火山岩岩石地球化学研究,发现自北向南具有从准铝质I型向弱过铝质-强过铝质S型花岗质岩浆过渡的特征,指示北阿尔金洋自北向南的俯冲极性。前人对南阿尔金早古生代花岗岩的研究主要集中在玉苏普阿勒克塔格岩体、塔特勒克布拉克岩体和鱼目泉-茫崖一带,根据表 3,俯冲-碰撞背景下形成的花岗岩集中在497~435Ma,造山后伸展环境下形成的花岗岩集中在458~404Ma,恰好与北阿尔金花岗岩的后两阶段相吻合,说明中阿尔金微陆块南北两侧在早古生代经历了相同的演化历程。

表 3 阿尔金地区早古生代花岗岩年代学数据汇总 Table 3 The collected ages of the Early Paleozoic granites in the Altun Orogen

综合区域内出露的蛇绿岩、HP-UHP变质岩以及同时代的花岗岩的特征,尤其是这些岩石在形成年龄、构造背景方面的相似性,本文认为中阿尔金微陆块南北缘均存在早古生代大洋,即北阿尔金洋和南阿尔金洋,且两者很可能相连通,同属于原特提斯洋的分支,在早古生代经历了统一的俯冲-碰撞及伸展调整的发展演化阶段,随后形成了围绕中阿尔金微陆块弯曲展布的连续的早古生代缝合带。

3 古地磁证据与构造变形分析 3.1 古地磁证据

通过对古地磁资料的统计分析(表 4图 3)显示,在整个早古生代期间,柴达木和塔里木陆块的古纬度极为相近,两者自冈瓦纳古陆裂离之后,很可能构成一个统一的整体,呈独立块体位于泛大洋中。塔里木-柴达木陆块在震旦纪-寒武纪期间逐渐向南漂移至赤道附近,伴随有强烈的顺时针旋转(李永安等, 1995; Chen et al., 2004; Huang et al., 2005; Zhan et al., 2007)。在早寒武世-奥陶纪,继续向南漂移,这个过程中伴随有强烈的逆时针旋转(李永安等, 1995; 方大钧等, 1996)。并且,在奥陶纪存在一个古纬度的突变,塔里木-柴达木陆块快速向北漂移,在这个过程中,使得寒武纪期间一直处于塔里木陆块北部的柴达木微陆块在早奥陶纪迅速旋转至塔里木陆块的南部,这种状态一直持续到早古生代中晚期,这也很好地呼应了该时期内发生的逆时针旋转运动。可见,塔里木-柴达木陆块的演化特征与劳俄大陆的哈萨克斯坦板块、东欧(俄罗斯)板块和准噶尔板块相似,早古生代旋转方向主要以逆时针为主,从中寒武世到志留世逆时针旋转了68°,之后从晚古生代到中生代以顺时针旋转为主(李永安等, 1995, 1999; 方大钧等, 1996)。对于阿尔金造山带早古生代的古地磁研究至今仍为空白,但是根据杨惠心等(1996)对北祁连地块古地磁的测试分析(表 4),揭示该地体在古生代一直处于北纬低纬度地区,且在早志留世-泥盆纪发生明显的南移过程,因此推测中阿尔金微陆块应具有相同的演化过程,其南移现象很可能与原特提斯洋的演化相关,并且根据仅有的古纬度数据揭示,其最晚在早志留世就与塔里木-柴达木陆块通过俯冲-碰撞拼合在一起(图 3)。

表 4 早古生代塔里木、柴达木和北祁连地块古地磁数据 Table 4 The paleomagnetic data of the Tarim, Qaidam and North Qilian blocks during the Early Paleozoic

图 3 塔里木、柴达木和北祁连地块早古生代古纬度变化折线图 纬度正值为北纬,负值为南纬 Fig. 3 Paleo latitudes of Tarim, Qaidam and North Qilian blocks during the Early Paleozoic Positive value represents north latitude and negative value is south latitude
3.2 区域构造变形证据 3.2.1 韧性剪切带

韧性剪切带作为一种重要的构造形式,是岩石圈内的变形集中带,在造山带、裂谷带的形成中起着重要作用,并且与成矿作用关系密切。在北阿尔金构造带内韧性变形比较明显,主要沿阿尔金北缘断裂延伸,另外在巴什考供-红柳沟地区也有分布(图 2)。根据陈柏林等(2008)对阿尔金北缘东部大平沟地区韧-脆性变形的研究,岩石磁组构揭示变形的主压应力方向是NNW向,并具有右行逆冲的运动特征,且对区域内金矿化带的发育具有严格的控制作用,明显影响了其宏观分布以及成矿作用的流体和物质组分。因此,根据大平沟金矿成矿作用发生于早古生代(487±21Ma),可间接将大平沟地区韧脆性构造变形的时间约束在早古生代中期(陈柏林等, 2002; Chen et al., 2005),即形成于北阿尔金加里东碰撞造山期。同时,在喀腊大湾地区发育的韧性剪切带中,变形花岗岩等岩石EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)组构分析,揭示在石英变形机制和变形温度压力条件上存在北侧偏高、向南逐渐降低的变化趋势,可进一步印证自北向南的碰撞极性(陈柏林等, 2014)。特别是,获得该区卷入变形的闪长岩年龄为478±2Ma (吴玉等, 2016),西部恰什坎萨伊沟北段同样出露的卷入韧性变形的岛弧型花岗闪长岩形成时代为482±5Ma (戚学祥等, 2005),这些岩石年龄均可为韧性变形发生时间的下限提供约束。结合在喀腊大湾东北侧(阿北地体)出露的未变形的中晚志留世花岗岩研究成果(Gehrels et al., 2003; 韩凤彬等, 2012),可进一步将韧脆性剪切带形成时代限定在早奥陶-志留纪,这也很好地对应了北阿尔金洋闭合、塔里木和中阿尔金微陆块斜向碰撞汇聚事件的时间。

在南阿尔金地区,韧性剪切带主要分布在南阿尔金断裂附近,呈近东西向展布(图 2)。区域内岩石强烈流劈理化和糜棱岩化,根据糜棱岩化片麻岩40Ar/39Ar阶段升温年龄资料(464.5±2.4Ma~414.1±4.6Ma),可推测出南阿尔金地区在中奥陶世-志留纪发生过一期强烈的韧性剪切作用(崔军文, 2011)。结合韧性剪切带以北出露的钙碱性系列花岗岩及以南出露的寒武纪榴辉岩(表 2)和糜棱岩的时空配置关系,表明在韧性剪切作用之前,区域内曾发生过岩石圈尺度的俯冲作用,且俯冲极性自南向北(校培喜, 2003; 崔军文, 2011; 崔军文和唐哲民, 2011),与其东部的柴北缘构造带俯冲极性(许志琴等, 2003)一致。在清水泉-茫崖一带的韧性剪切带中,伴随着加里东晚期大规模的俯冲消减作用,岩石发生韧性变形,发育各类糜棱岩及糜棱岩化岩石,且构造面理发育,剪切褶皱倒向、糜棱岩旋转碎斑指向等同样反映向北俯冲消减的极性,并兼具左行走滑特征(校培喜, 2003),同时在中阿尔金微陆块南缘岩浆弧上发育大量加里东期碰撞型花岗岩。可见,在早古生代的南阿尔金地区曾存在与北阿尔金同时代的韧性变形作用,但是剪切极性可能相反,北阿尔金缝合带发育右行剪切作用和右行走滑断裂,南阿尔金缝合带则可能发育左行剪切及左行走滑作用,这对于初始线性造山带的弯曲变形具有重要的意义。

3.2.2 区域构造变形及应力场

在西域板块(万天丰, 2004)四周和祁连-阿尔金碰撞带附近,早古生代及其以下的地层普遍形成了强烈的全形褶皱,两翼倾角以60°~70°为主。根据万天丰(2004, 2006)对该区早古生代126个复式背斜和119个复式向斜产状资料的统计,以现代地磁方向为准,最大主压应力轴(σ1)的优选产状为20°∠6°,即说明当时陆块/微陆块主要经受了来自NE 20°方向的汇聚、缩短作用。在祁连地区主要缩短方向几乎垂直于板块边缘,因此以汇聚、拼接作用为主,然而在阿尔金地区则存在60°~70°的夹角,除了有汇聚、拼接作用之外,显然还应该存在水平方向上的左行走滑活动。但在阿尔金-祁连-昆仑造山带诸多微陆块边缘上,发现了一系列发育于早古生代的右行走滑构造(许志琴等, 1997; Xu et al., 2002),且在这些微陆块的边缘都有火山岛弧岩浆带的存在,表明他们的形成与原特提斯洋向南东的俯冲有关(许志琴等, 2006)。因此,本文认为在早古生代,来自冈瓦纳古陆的中祁连-阿尔金、柴达木、东昆仑和西昆仑微陆块很可能呈离散块体构成链状地体群,线性展布在原特提斯洋的北部,随着大洋向南斜向俯冲的进行,区域内受到NS向缩短作用,整体向南漂移,且诱发塔里木-柴达木陆块发生强烈的逆时针旋转,同时由斜向俯冲所分解的、沿俯冲-碰撞带走向的剪应力诱发了大型韧性剪切带及右行走滑断裂带(局部也可能存在左行走滑断裂)的形成,最终使得原本近线性的早古生代造山带发生弯曲,形成弯山构造。

4 塔里木盆地内部对弯山构造的响应

盆地和山脉是地球表面最突出的地形特征,盆地中的大量构造信息与周边的造山带有着密切的联系,常常表现为一定的耦合关系。塔里木盆地位于中央造山带西部,其发展演化受到周缘造山带构造运动的影响,同时,又可以为恢复造山带构造演化提供一定的指示。盆地内部古构造是指在现今构造形成之前,由历次构造运动所形成并继承性发展起来的古隆起、古背斜、古潜山或者古断块等构造,是对周缘造山活动的反映。塔里木原盆地的演化经历了两次重要的构造事件:1)早奥陶世末挤压隆起剥蚀,使得塔西南隆起进一步发育,并在塔中、塔北和塔东发育新的隆起;2)晚奥陶世末强挤压隆起变形和剥蚀,使塔东地区发生大规模隆升,塔东南古隆起在此时基本定型。区域内发育的塔北隆起、塔东南隆起、塔中隆起和塔西南隆起形成了一个近“S”形的空间展布形态(图 4a),可与盆地外围早古生代弯山构造几何学上相呼应。有研究认为,塔里木盆地古城低凸起发育的加里东中期张扭断裂的形成就是是受阿尔金北缘沟-弧-盆构造体系的影响(吴斌等, 2015)。西昆仑和阿尔金造山带的构造活动与志留纪前塔里木盆地南部发育的大型断控古隆起密切相关,而北阿尔金洋盆的闭合则是加里东晚期塔里木盆地中南部继承性古隆起向东迁移的关键(何碧竹等, 2015)。根据盆-山耦合关系,Wang et al. (2017)分析了塔里木盆地的古地貌演化、沉积体系演变以及构造变形模式,将塔里木盆地早古生代构造古地理演化划分为四个阶段,分别对应于原特提斯洋演化和阿尔金-祁连-昆仑造山带构造运动的不同阶段,将两者早古生代的演化历程密切联系起来,同时提出塔北、塔中及塔西南古隆起起初很可能为同一个古隆起,其在经历了中-晚奥陶世的旋转和变形以后而呈现现今的“S”形展布形态(图 4a)。

图 4 塔里木盆地晚奥陶世古构造图(a, 据张光亚等, 2014修改)、塔里木盆地枢纽带及油气藏分布示意(b,据汪伟光等, 2011修改)和塔里木盆地地质剖面(c,据何碧竹等, 2011b修改) 红色虚线代表塔里木盆地内部弯山构造(据Wang et al., 2017);图c剖面位置A-B见图b Fig. 4 Late Ordovician paleo-tectonic map of the Tarim Basin (a, revised after Zhang et al., 2014), the distribution of hinge zone and oil and gas reservoirs in the Tarim Basin (b, revised after Wang et al., 2011) and geological interpretation across the Tarim Basin (c, revised after He et al., 2011b) The red dashed line represents the orocline in the Tarim Basin (after Wang et al., 2017); Location of profile AB in Fig. 4c seen in Fig. 4b

塔里木盆地中存在两期早古生代构造不整合,其中晚奥陶世-志留纪之间的角度不整合(T70)(图 4c)呈东西向分布在巴楚-若羌-且末一带,位置上恰好可与东部阿尔金微陆块相连,是对500~440Ma原特提斯洋俯冲-消减与阿尔金地区陆壳深俯冲造山运动的响应;上泥盆统-石炭系与中-下泥盆统之间的角度不整合(T60)则是泥盆纪晚期塔里木盆地受南北双向挤压构造环境下形成的,受阿尔金和西昆仑加里东晚期强烈隆升和造山活动的影响(何碧竹等, 2011a, b, 2013; 许志琴等, 2011)。在塔里木盆地在多期差异升降运动和周缘造山作用下,形成了一系列构造枢纽带(图 4b),具有优越的油气成藏条件。构造枢纽带的形成与古隆起、斜坡的形成演化及两者的相互作用密切相关,塔里木盆地枢纽带及油气藏同样呈现“S”形展布特点(汪伟光等, 2011; Wang et al., 2017),因此本文认为其与塔里木早古生代古隆起一样,均是造山带早古生代弯山构造发展演化的产物。

5 讨论

根据弯山构造的原始定义(Carey, 1955),其判定必须符合两个条件:其一,初始为一条近线性的造山带;其二,平面上沿走向发生后期弯曲。立足于现今对弯山构造的认识,从弯山构造形成的运动学角度分析,主要有两种演化模型(Yonkee and Weil, 2010):1)水平剪切导致弯曲,即在平行于区域缩短方向的剪切力牵引下,块体不同位置绕垂直轴发生差异性旋转,从而导致造山带弯曲;2)垂直挤压导致弯曲,即在垂直于区域缩短方向的挤压力作用下,造山带两端分别绕垂直轴旋转,形成造山带弯曲。那么,阿尔金地区早古生代造山带究竟是不是弯山构造呢?回答这个问题,首先要确定阿尔金南、北俯冲带为同一条连续的造山带;其次,还要确定该造山带是经历了后期绕垂直轴的差异性旋转所导致的弯曲,即其演化符合弯山构造形成的运动学模型。

岩石学方面的证据是反演造山带构造演化过程的重要手段和途径。综合北祁连、北阿尔金、南阿尔金和柴北缘造山带内出露的早古生代蛇绿岩、高压/超高压变质岩以及花岗岩类岩石学、地球化学及年代学的研究成果,本文认为不仅北阿尔金和北祁连俯冲-增生造山带和南部的南阿尔金与柴北缘俯冲-碰撞造山带内部各岩石组成单元可以对比,而且这两条造山带之间在一定程度上也可进行对比。因为在南阿尔金-柴北缘地区,曾发育与北阿尔金-北祁连地区同时代的古大洋,也明显存在洋壳俯冲与新生地壳物质增生的地质证据(史仁灯等, 2004; 吴才来等, 2014),说明南阿尔金-柴北缘地区在大陆俯冲作用之前也发生过与北阿尔金-北祁连俯冲带相同的增生造山作用,只是可能其发生时间相对更早、且持续时间短、俯冲速度较快,加之后期强烈的陆壳深俯冲作用而使得该地区早期洋壳事件的记录被破坏而极少保存下来。有学者认为,中阿尔金-中祁连微陆块南北的南祁连洋与北祁连洋可对比,两者应为同一个大洋,即北祁连山和柴北缘缝合带很可能是由同一条俯冲带在从大洋俯冲到大陆碰撞这一过程中不同阶段的产物,这不仅是因为两个带内的蛇绿岩组合时代相同,而且榴辉岩的原岩性质和变质时代也相同(宋述光等, 2004, 2013; Song et al., 2006)。从构造分析的角度来看,南、北阿尔金缝合带发育同时代的大型韧性剪切带或脆韧性剪切带,它们兼具走滑性质,并有大量早古生代岩体卷入这一变形变质事件。从地层对比的角度上看,祁漫塔格群内早志留世笔石化石的发现,表明祁漫塔格群可以解体出一部分地层归属下志留统,而这正好可与祁连肮脏沟组、柴北缘滩涧山群和东昆仑纳赤台群对比(黎敦朋等, 2002)。从地球化学资料来看,喀腊大湾地区、拉配泉地区和祁漫塔格地区在常量元素、微量元素和稀土元素地球化学特征上非常相近,因此上述地区火山岩在形成大地构造环境上应具有一致性(张峰等, 2008),且说明塔里木地块东南侧与柴达木微陆块南北侧存在早古生代活动大陆边缘,中阿尔金等微陆块位于该活动大陆边缘更东侧(现今方位)。综上所述,有理由认为北祁连与北阿尔金、南阿尔金与柴北缘、柴南缘造山带曾为同一条早古生代构造带,是北祁连-北阿尔金洋、南祁连-南阿尔金洋、祁漫塔格洋、昆仑洋等所在的统一洋盆——原特提斯洋,发展演化并被后期构造肢解的产物(李三忠等, 2016a, b, c, d, e; 赵淑娟等, 2016; Li et al., 2017a, b)。在这一大构造背景下,尽管阿尔金西缘构造带在且末-若羌断裂、民丰断裂等一系列走滑断裂以及盆地内多期差异升降运动下,被错移、破坏、改造和覆盖,而鲜有早古生代岩体的出露,但是塔里木盆地内部发育的古构造及油气分布特征可以辅助恢复阿尔金早古生代造山带。

结合古地磁资料,本文认为,在新元古代随着Rodinia超大陆的裂解,原特提斯洋发育形成,塔里木-柴达木陆块从冈瓦纳大陆裂离后作为一个整体独立展布于该泛大洋中,在其南侧还分布着由中阿尔金-中祁连微陆块与北秦岭、欧龙布鲁克、中昆仑和西昆仑等微陆块一起组成的一个东西向展布的板条状(现今为链状或串珠状)地体群。晚寒武世-早奥陶世,大洋发育成熟并开始向南俯冲消减,俯冲带不同部位的板块伴随着绿片岩相到榴辉岩相的差异转变,部分矿物脱水形成流体上涌至下地壳,引起下地壳部分熔融形成中酸性岩浆,在俯冲带内发育I型花岗岩组合和榴辉岩等高压变质岩,形成近直线型的俯冲带(图 5a)。在俯冲板块一盘的塔里木原始盆地内部出现前缘隆起带,塔西南隆起得到进一步发育,并出现塔中、塔北和塔东新隆起。晚奥陶世-早志留世,随着俯冲洋壳的消减和大洋的闭合,研究区进入陆-陆碰撞阶段,中阿尔金-祁连微陆块与塔里木-柴达木陆块拼合在一起(图 3),区域内广泛发育S型花岗岩和代表洋壳俯冲及陆壳深俯冲作用的高压-超高压变质岩。尤其是在南阿尔金-柴北缘地区,洋壳快速俯冲之后拖曳陆壳发生深俯冲,从现今方位看,具有沿走向自西向东的穿时性特征(张建新等, 2015),在西段南阿尔金地区陆壳深俯冲的时间要更早(约500Ma)。与此同时,在斜向俯冲的挤压作用下,塔里木-柴达木陆块处于不断的逆时针旋转之中,且诱发了大型韧性剪切带和右行走滑断裂的发育。在上述构造运动的综合作用下,逐渐导致了造山带的弯曲,特别是在阿尔金地区,现有证据证明其南北造山带(现今方位)韧性剪切作用极性相反,从而进一步促进了造山带的弯曲和弯山构造(图 5b)的逐步形成,而这同时也符合弯山构造形成的第一种运动学模型。在上述过程中,造山带内已经经历了加里东期复杂而差异变质变形的蛇绿岩带、高压-超高压变质带和花岗岩带也随之相应发生弯曲变形,而在塔里木盆地内部也出现与之呼应的弯曲的古隆起和断裂系——在塔中隆起加里东期角度不整合之下发育的陡立密集的走滑断裂,就如一个绕直立枢纽的倾竖褶皱的轴面劈理带。晚志留世-早泥盆世,加里东期造山运动进入后期,塔里木盆地东南缘弯山构造最终定型(图 5c),本地区进入构造折返阶段,并伴随着超高压变质地体的深熔作用(于胜尧等, 2013, 2014; Yu et al., 2014),发生隆升和造山,并出现后碰撞花岗岩类。在塔里木盆地内部,上古生界角度不整合覆盖于下古生界形成的弯曲构造格局之上。晚古生代-中生代,盆地内部且末-若羌断裂和阿尔金走滑断裂等一系列左行走滑断裂的先后发育,不仅使中阿尔金微陆块和中祁连微陆块错移了约400km (史仁灯等, 2004; 许志琴等, 2006; 杨经绥等, 2008),弯山构造也遭受破坏而呈现被肢解改造的现今状态(图 5d)。

图 5 塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造演化模式图 (a)晚寒武世,原特提斯洋开始向南俯冲,区域内以南北向缩短的挤压应力为主,形成了近直线型俯冲造山带,发育与洋壳俯冲相关的榴辉岩以及火山岩;(b)随着斜向俯冲的加剧,区域进入陆-陆碰撞阶段,以发育东西向缩短的剪切应力为主,使得起始造山带弯曲;(c)区域进入加里东造山运动晚期,以构造调整和折返为主,“S”形弯山构造最终形成;(d)早古生代之后,随着古特提斯洋的发育,新一轮的构造旋回开始,弯山构造随之被肢解和破坏.TM-塔里木陆块;QD-柴达木微陆块;WKL-西昆仑微陆块;CKL-中昆仑微陆块;OL-欧龙布鲁克微陆块;CAL-中阿尔金微陆块;CQL-中祁连微陆块;NQL-北秦岭微陆块;Alxa-阿拉善微陆块;NC-华北陆块;WQL-西秦岭微陆块;SQL-南秦岭微陆块;NOT-北羌塘微陆块;SP-松潘微陆块 Fig. 5 Tectonic evolutionary model of Southeast Tarim Orocline in Early Paleozoic (a) during the Late Cambrian, the Proto-Tethys Ocean began to subduct southward. Under the mainly N-S compression stress in the region, a nearly linear subducted-orogenic belt was formed, and eclogites and volcanic rocks associated with the oceanic-subduction were generated; (b) with the strengthening of oblique subduction, the continental-continental collision started, and the mainly W-E shear stress in the region made the initial orogenic belt bent; (c) in the Late Caledonian Orogeny, the region was dominated by the structural adjustment and exhumation and the "S"-shaped orocline took shape finally; (d) after the Early Paleozoic, a new Wilson cycle began with the development of the Paleo-Tethys Ocean, and the orocline was dismembered and destroyed. TM-Tarim Block; QD-Qaidam Block; WKL-West Kunlun Block; CKL-Central Kunlun Block; OL-Oulongbuluke Block; CAL-Central Altun Block; CQL-Central Qilian Block; NQL-North Qinling Block; Alxa-Alxa Block; NC-North China Block; WQL-West Qinling Block; SQL-South Qinling Block; NOT-North Qiangtang Block; SP-Songpan Block

通过对塔里木盆地东南缘弯山构造的研究,不仅对现今相互关联、但呈分散状态的造山带进行了整合,并由此总结了造山带宏观演化上的相似性或一致性,将其演化模式简单化,还可以为找矿提供新思路。同时,也进一步丰富了国内洋-陆发展演化的内涵,为更好的理解和认识微陆块间的俯冲-造山事件提供了新的角度和思路。6结论

(1) 南、北阿尔金早古生代缝合带内出露的蛇绿岩、高压-超高压变质岩和花岗岩在岩石学、地球化学尤其是同位素年代学方面具可对比性,它们可能是同一俯冲体系下的产物。且北阿尔金缝合带和南阿尔金缝合带的俯冲极性相反,推测其为环绕中阿尔金微陆块发生弯曲的同一条原特提斯洋缝合带。

(2) 在原特提斯洋发展演化的大背景下,根据古地磁资料对塔里木-柴达木、阿尔金-祁连微陆块的运动过程及古地理约束,结合塔里木盆地内部两期早古生代古隆起、构造不整合发育特征,以及隆起带(枢纽带)及油气藏的“S”形分布情况,认为存在塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造。

(3) 塔里木盆地东南缘弯山构造形成于早古生代末加里东运动的后期,是在斜向俯冲-碰撞机制下,由平行于造山带走向的剪应力诱发了韧性剪切带和走滑断裂带,加之塔里木-柴达木陆块的逆时针旋转,导致了初始造山带弯曲而形成。

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