岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (8): 2414-2422   PDF    
南天山西部山前新生代晚期三期构造活动:来自乌鲁克恰提剖面砾石统计的证据
刘聃1,2, 陈汉林1,2, 林秀斌1,2, Karl-HeinzWYRWOLL3, Geoffrey EBATT3,4, 程晓敢1,2, 李康1,2, 王芳1,2     
1. 浙江大学地球科学系, 杭州 310027;
2. 教育部含油气盆地构造研究中心, 杭州 310027;
3. 澳大利亚西澳大学地球与环境学院, 佩斯 6009;
4. 澳大利亚西澳大学John de Laeter同位素研究中心, 佩斯 6009
摘要: 天山是印度与欧亚板块碰撞过程中, 欧亚大陆内重新复活的一条重要的造山带, 其拓展过程一直备受关注。南天山西部山前新生代晚期巨厚的砾岩层为构造变形和磁性地层研究带来了困难, 限制了该地区新生代晚期造山带拓展过程的研究。本文选取南天山西部山前乌鲁克恰提剖面, 对新生代晚期的阿图什组和西域组地层进行详细的描述、测量, 并对砾石出露点进行砾石统计。结果显示南天山西部山前乌鲁克恰提地区新生代晚期阿图什组存在3期沉积旋回, 第一旋回由冲积扇远端、河流相变为该旋回上部的冲积扇扇中沉积环境。砾石统计结果显示由该旋回中部至上部砾石磨圆度变差、大粒径砾石增多。第二旋回沉积环境以较为平静的湖相及少许河流相开始, 变为该旋回上部的冲积扇环境。砾石统计结果也显示出与第一旋回相似的变化特征, 即由该旋回中部至上部砾石磨圆度变差、大粒径砾石增多。第三旋回下部为冲积扇远端、冲积扇扇中环境, 上部变为扇根环境。砾石统计显示该旋回下部至上部, 火成岩和变质岩等不稳定成分增多, 磨圆度则呈现棱角状砾石显著增多的趋势, 砾石粒径也明显增大。西域组则延续第三旋回的趋势, 表现为山前快速堆积砾石沉积, 砾石磨圆、分选呈显著变差趋势, 粒径持续变大。从阿图什组第一旋回至西域组, 砾石的磨圆度呈现变差的趋势, 而粒径则表现为明显的增大趋势, 这表明晚新生代 (5.6Ma以来), 褶皱冲断带不断向盆地拓展, 物源区距离沉积区越来越近。这些结果表明南天山西部山前新生代晚期 (5.6Ma以来) 存在3期构造活动, 为南天山山前晚新生代的多期拓展提供了证据。
关键词: 南天山     砾石统计     造山带拓展     乌鲁克恰提    
Three episodes of tectonism in western South Tian Shan during Late Cenozoic: Evidences from gravel counting in Wulukeqiati sedimentary succession
LIU Dan1,2, CHEN HanLin1,2, LIN XiuBin1,2, Karl-Heinz WYRWOLL3, Geoffrey E BATT3,4, CHENG XiaoGan1,2, LI Kang1,2, WANG Fang1,2     
1. Department of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
2. Research Center for Structures in Oil-and Gas-Bearing Basins, Ministry of Education, Hangzhou 310027, China;
3. School of Earth and Environment, University of Western Australia, Stirling Highway, Crawley, Western Australia 6009, Australia;
4. John de Laeter Centre of Isotope Research for the Earth and Environment, University of Western Australia, Crawley, Western Australia 6009, Australia
Abstract: Tian Shan plays a significant role in our knowledge of Cenozoic rejuvenation and growth of intra-continental orogens in Asia during the collision between the India and Eurasian plates. Thick conglomerate brings obstacle for structural and magnetostratigraphic analysis, which obstructs the understanding of Late Cenozoic propagation of fold and fault belts. We present here our new investigations on sedimentary measurement and description and gravel counting of Late Cenozoic sediments (Artushi Formation and Xiyu Formation) in piedmont Wulukeqiati sedimentary succession. The results indicate three individual sedimentary cycles, within each of which the sedimentary environment transfers from low-to high-energy. Consistent with the sedimentary features, the gravels show angular trend in psephicity and increasing trend in grain size within each single cycle. These evidences imply that the piedmont fold and fault belt propagates basinwardly, resulting to shorter and shorter distance between the sedimentary source region to the depositional area. The results generally suggest three separate tectonisms in western South Tian Shan, which provide new constraints on the mountain growth in this region.
Key words: South Tian Shan     Gravel counting     Orogenic propagation     Wulukeqiati    
1 引言

印度和欧亚板块的碰撞造就了被称为“世界屋脊”的青藏高原并使得中国西部多条巨型造山带在新生代重新复活, 为研究陆-陆碰撞及陆内造山和变形过程提供了天然试验场。在这些造山带中, 天山东西延伸约2500km (图 1), 平均海拔约2500m, 最高海拔达7000m (Sobel et al., 2006Charreau et al., 2011), 吸收了印度和欧亚板块碰撞约40%的缩短量 (Abdrakhmatov et al., 1996Avouac and Tapponnier, 1993Reigber et al., 2001Wang et al., 2001Chen et al., 2007), 是研究印度和欧亚板块碰撞所造成的陆内造山带复活和拓展过程的重要构造单元。

图 1 乌鲁克恰提剖面位置及地质简图 A-B剖面为文中描述的阿图什组和西域组沉积剖面, 其中:Pz11为早古生代花岗岩, K1kz为克孜勒苏群, K2k为库克拜组, K2w为乌依塔克组, 其它组代号的所代表的地层见图 2 Fig. 1 Location and geologic map of Wulukeqiati sedimentary succession A-B is the sedimentary section of the Artushi Formation and Xiyu Formation described in the text. Pz11-Early Paleozoic granite; K1kz-Kezilesu Formation; K2k-Kukebai Formation; K2w-Wuyitake Formation; Other stratigraphic symbols listed in Fig. 2

图 2 区域新生代地层划分 (据Yin et al., 2002修改) 西域组底界时间据Chen et al.(2007), 阿图什组底界时间据Fu et al. (2010) Fig. 2 Regional Cenozoic stratigraphic division (modified after Yin et al., 2002) Lower boundary timing of Xiyu Formation is after Chen et al.(2007), lower boundary timing of Artushi Formation is after Fu et al.(2010)

对天山新生代的构造过程, 现今还存在较大争论。Windley et al. (1990)发现渐新统与下伏地层之间发育角度不整合, 从而认为印度-欧亚板块碰撞在天山引起的构造活动开始于始新世晚期, 这与Yang and Liu (2002)在塔里木盆地的沉积学调查结果以及盆地挠曲模拟结果一致。裂变径迹热年代学反映的天山早期隆升开始于渐新世晚期至中新世早期 (如Hendrix et al., 1992, 1994Sobel et al., 2006杨树锋等, 2003郭召杰等, 2006a)。广泛分布的西域砾岩使得部分学者认为天山的主体抬升发生在晚新生代 (如Liu et al., 1996Burchfiel et al., 1999Fu et al., 2003), 晚新生代的构造事件主要是由磁性地层学所得出的沉积加速事件 (Chen et al., 2002, 2007Huang et al., 2006Charreau et al., 2005, 2006, 2008a, 2009a, b, 2011Sun et al., 2004, 2007, 2009Sun and Zhang, 2009陈杰等, 2000, 2001, 2007) 以及山前构造变形事件所揭示 (管树巍等, 2007刘胜等, 2004汪新等, 2002方世虎等, 2005, 2007a, b郭召杰等, 2006b)。

但是由于南天山山前广泛发育巨厚的新生代晚期砾岩, 这阻碍了磁性地层采样以及构造解析。此外, 对于磁性地层学结果所得出的沉积加速事件的解释不同学者也存在争论 (如Huang et al., 2006Charreau et al., 2008b)。砾石, 作为造山带构造活动和抬升作用的盆地沉积记录, 其本身不失为研究造山带构造活动期次合理且有效的对象 (如林秀斌等, 2009), 并包含有晚新生代南天山的拓展过程的重要信息。

本文选取南天山西部山前乌鲁克恰提剖面新生代晚期砾岩为研究对象, 通过对砾石粒径、磨圆度、成分等的统计, 结合砾岩所在层序的沉积物组合所反映的沉积相环境, 揭示南天山西部山前新生代晚期的构造期次。

2 地质背景

乌鲁克恰提剖面位于乌恰县城以西约80km, 起点和终点GPS分别为N39.84°, E74.58°和N39.81°, E74.53°。该剖面主体由新生代地层组成, 出露新生界较为完整, 除古新统阿尔塔什组 (E1a) 下部地层未出露外, 向上出露整个新生代层序。由于隐伏的南天山山前逆冲断层的活动, 整个剖面总体表现为以西域砾岩为核部的向斜构造, 另在剖面中部发育一个小型背斜。

研究区新生代地层划分依据Yin et al.(2002)的方案, 将新生界划分为古近纪的阿尔塔什组、齐姆根组、卡拉塔尔组、乌拉根组、巴什布拉克组和克孜洛依组下段以及新近纪的克孜洛依组上段、安居安组、帕卡布拉克组和阿图什组以及西域组砾岩 (图 2)。古近纪地层主要以海相沉积为主, 由石膏岩、白云岩、灰岩、介壳灰岩、泥岩组成, 富含海相介壳化石。新近纪沉积物主要由陆相的泥岩、砂岩和砾岩组成, 偶见石膏层。其中, 本文所讨论的阿图什组和西域组的年龄界限依据Fu et al.(2010)Chen et al.(2007)的研究成果确定 (图 2)。

以下将选择本文详细测量和描述的新生代晚期 (阿图什组和西域组) 沉积物进行阐述。

3 新生代晚期阿图什组和西域组沉积特征

乌鲁克恰提剖面晚新生代阿图什组和西域组呈单斜出露于以西域组为核部的向斜北翼, 北翼地层未重复, 产状正常未倒转。

阿图什组以薄层含砾砂岩与下伏帕卡布拉克组砂岩相区别, 两者呈整合接触。阿图什组厚度约1880m, 总体表现为冲积相席状砂岩、含砾砂岩、砾岩以及湖相泥岩, 也见河流相透镜状砂岩, 这些陆相沉积物自下而上组成三套沉积旋回 (图 3)。

乌鲁克恰提剖面阿图什组与西域组沉积柱状简图 Sedimentary columns of Artushi Formation and Xiyu Formation in Wulukeqiati succession 第一旋回厚度约545m。第一旋回下部为中-厚层状砂岩, 呈席状, 单层厚度7~25cm, 其间偶夹薄层含砾席状粗砂, 以不连续薄层状分布于席状砂层中, 砾石粒径1~25mm, 呈长条形、浑圆状, 单层分选好, 席状砂岩层间偶见薄层泥岩。第一旋回中部为中-厚层状砂岩夹薄层泥岩及厚层透镜状砂岩, 见薄-中层状砾岩层夹于砂岩中, 也见薄层泥岩夹于砂岩层间。其中, 席状砂泥岩组合厚度4.16m至23.99m不等, 单层砂席40~150cm;透镜状砂岩呈单一产出, 未见砂体叠置, 单个砂体厚度2.21~7.55m不等, 见交错层理发育;席状砾石层单层厚度5~28cm不等, 砾石磨圆、分选均较好, 砾石粒径多不足30mm。第一旋回上部出现厚层状砾岩, 其间为席状砂砾岩分隔, 往上逐渐过渡为席状砂砾岩。厚层状砾岩厚度2.21~5.47m, 砾石粒径3~170mm不等, 且向上呈粒径增加趋势, 至最上部席状砾岩中砾石粒径可达440mm, 随后砾石数量和粒径逐渐减小。砾石磨圆较好、分选中等-差, 席状砾石层中砾石的分选好于厚层状砾石。

第二旋回厚度约1176m。该旋回下部主体为浅红色中-薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩, 往上泥质成分减少而砂质成分增多, 出现少量透镜状砂体, 砂体中发育交错层理, 偶见薄层状小砾石层, 砾石粒径多不足1cm, 偶见约4cm粒径, 该套组合累积厚度约742m。第二旋回中部出现中层状含砾粗砂岩、砾岩组合, 含砾粗砂岩和砾岩呈席状叠置, 单层厚度2~50mm不等, 组合厚度1.48~12.20m, 砾石粒径大者可达7cm, 磨圆和分选中等。组合之间为中-薄层状浅红色粉砂岩夹中-薄层状砂岩、砾石层, 砾石粒径不足2cm, 粉砂岩组合厚度开始可达8.50m, 往上逐渐减薄。该旋回上部为厚层、巨厚层状砾岩与中层状砂岩互层, 砾岩逐渐增多, 砾岩层厚度可达16.8m, 砾石磨圆、分选差, 粒径大者可达42cm。

第三旋回厚度约159m。下部为中层状砂岩与中层状砾岩互层, 席状砂岩组合厚度3.31~10.57m不等, 席状砾岩层组合厚度0.5~6.08m不等, 砾石粒径最大者5~6cm, 往上可增大至13cm, 砾石磨圆、分选中等。该旋回上部为巨厚砾岩与中层席状砂岩组合不等厚互层。巨厚层砾岩厚度可达8.51m, 砂岩组合厚度数米至二十余米。砾石粒径巨大, 可达60cm, 磨圆、分选差。

西域组为巨厚砾岩, 砾石颗粒相互支撑, 砂质成分极少。砾石粒径多为数十厘米, 也可见少量数厘米粒径, 磨圆差、分选极差。

这些沉积特征表明, 乌鲁克恰提地区在阿图什组第一旋回沉积时沉积环境以冲积扇远端开始, 逐渐过渡为该旋回中部的河流相环境及冲积扇远端, 至上部则变为冲积扇扇中沉积环境。至阿图什组第二旋回, 沉积环境变为较为平静的湖相及少许河流相, 至该旋回中部, 则表现为冲积扇远端环境, 至该旋回上部转变为冲积扇环境。该组第三旋回下部以冲积扇环境为主, 但扇体距离源区尚有较远距离, 推测为扇中环境, 至该旋回上部, 距离源区距离更近, 推测为扇根环境。至西域组沉积时, 乌鲁克恰提地区距离沉积源区更近, 推测西域组砾石为山前快速堆积产物。

4 砾石统计

砾石作为构造地貌的产物, 常出露于造山带相关的沉积盆地, 其几何形态、粒径、磨圆、分选等可以为研究造山带的构造活动过程提供信息。为进一步了解南天山西部山前新生代晚期的构造活动期次, 本文选取乌鲁克恰提剖面阿图什组和西域组8个砾石出露点进行详细地砾石测量, 统计砾石的粒径、圆度、磨圆度和成分。

野外具体的统计方法依据前人文献中的方法和过程进行 (林秀斌等, 2009)。在野外选取不同层位的8个1×1m2面积的区域进行砾石统计 (图 4), 统计的参数包括每块砾石的长轴长度、短轴长度、圆度、磨圆度以及砾石成分, 其中粒径测量至毫米;圆度按照砾石长轴与短轴比分为圆形 (长短轴比介于1至2之间) 和长条形 (长短轴比大于2);磨圆度分为极棱角状、棱角状、次棱角状、次圆状、圆状和极圆状6个等级;砾石成分分为燧石、石英砂岩、砂岩、粉砂岩、灰岩、石膏、火成岩和变质岩8类。

图 4 乌鲁克恰提剖面砾石统计点野外照片 Fig. 4 Field outcrop of gravel counting sites in Wulukeqiati succession

统计点Site1位于阿图什组第一旋回中部, Site2位于阿图什组第一旋回上部, Site3位于阿图什组第二旋回中部, Site4位于阿图什组第二旋回上部, Site5位于阿图什组第三旋回下部, Site6位于阿图什组第三旋回上部, Site7和Site8位于西域组, 属第三沉积旋回的延续。

8个砾石统计点砾石成分、磨圆度、圆度和粒径的统计结果列于表 1图 5。从砾石的统计结果来看, 砾石的成分主要为石英砂岩, 其次为灰岩和燧石。其中石英砂岩砾石含量除底部Site1含量较少, 随剖面向上突然增多, 且含量基本保持稳定;灰岩砾石在顶部Site7和8中明显减少, 占比仅为2%~3%;变质岩砾石除在底部Site1中少量出现外, 在Site6以及Site7和8突然出现增多, 达5%以上。

表 1 乌鲁克恰提剖面砾石统计结果 Table 1 Gravel counting results of Wulukeqiati section

图 5 乌鲁克恰提剖面砾石统计结果 Fig. 5 Gravel counting results in Wulukeqiati succession

从磨圆度的统计结果来看, Site1、2、3和4、5砾石主要是次圆状和圆状, 占砾石总数的70%以上;向上Site6, 尤其是Site7、8砾石主要为次棱角状和次圆状, 占砾石总数的75%以上, 其次是棱角状占8%以上。

反映圆度的参数长短轴直径比X主要为1~2之间, 占砾石总数的57%以上。

从砾石粒径的统计结果来看, Site1、2、3和4、5主要是中砾, 占65%以上, 其次从底部向上小砾减少, 大砾增多;向上Site6主要为大砾, Site7、8几乎全为大砾石。粒径表现出明显的旋回性, Site1至Site2大砾砾石增多而小砾减少;Site2至Site3, 大砾砾石减少而小砾增多;Site3至Site4, 大砾砾石显著增加而小砾显著减少;Site4至Site5, 大砾砾石明显减少而小砾明显增多;Site5至Site6, 大砾砾石显著增加而小砾显著减少;Site6至Site8, 大砾砾石明显增加, 且占主导地位。这种增减趋势表明, Site1和Site2、Site3和Site4以及Site5至Site8分属三个粒径旋回。

总的来看, 乌鲁克恰提剖面阿图什组中出露的砾岩成分混杂, 但至剖面顶部 (Site6至Site8) 不稳定的火成岩和变质岩砾石明显增多;砾石的磨圆程度从下到上呈变差的趋势, 至剖面顶部 (Site5至Site8) 以次棱角状砾石占主导;砾石的粒径则表现出明显的旋回性。

5 讨论

乌鲁克恰提剖面晚新生代沉积特征表明, 阿图什组和西域组沉积时该地区经历了3个沉积旋回, 表现为沉积环境由低能向高能体系的3次重复。与沉积体系旋回相对应, 砾石统计所反映的砾石粒径也表现出明显的3旋回特征。总体而言, 从第一旋回至第三旋回和西域组, 沉积体系表现出越来越高能的特征, 沉积物粒度越来越粗, 砾石的磨圆度越来越差, 这反映出乌鲁克恰提剖面所在地区距离沉积物源区越来越近。

前人研究成果限定了本地区阿图什组和西域组的沉积时间。Fu et al.(2010)总结了前人的地层古生物成果, Ilyocypris errabundisCandona (Candona) neglectaCandona (Pseudocandona) subequalisEucypris notabilis等古生物证据表明阿图什组沉积底界年龄约为5.3Ma。对于西域组砾岩, 不同地区的沉积年龄具有显著差异, 表现出明显的穿时性 (如陈杰等, 2000Chen et al., 2002Heermance et al., 2007;Cherreau et al., 2009a)。由于Chen et al.(2007)进行磁性地层分析的喀什西剖面距离本文的乌鲁克恰提较近, 本文选取该文献中1.6Ma的西域组底界年龄作为本文西域组的底界年龄。

综合本文成果及前人地层年代成果, 本文认为南天山西部新生代晚期 (5.3~1.6Ma) 存在3期构造活动, 尽管每期活动的具体时间尚需进一步工作。这种多期的山前拓展模式与南天山山前喀什北缘和库车褶皱冲断带的拓展过程相一致, 尽管在拓展时间上存在横向差异。Heermance et al.(2007)应用磁性地层和生长地层分析研究了喀什北缘皱褶冲断带的变形拓展过程, 认为喀什北缘南天山褶皱冲断带首次向盆地迁移发生于8.6Ma, 山前阿图什背斜发育时间为1.9Ma, 喀什背斜发育时间为1.4Ma。汪新等 (2002)利用地层接触关系、生长地层等研究了库车褶皱冲断带的构造变形过程, 认为库车褶皱冲断带北部山前带的变形始于渐新世, 在中新世和上新世经历了显著的构造改造, 南部秋立塔格背斜带和亚肯背斜带变形始于上新世 (约5.2Ma)。这些研究成果所反映的南天山褶皱冲断带向盆地的拓展过程也与山前多排构造的地貌一致。

虽然沉积旋回可归因于构造抬升、搬运水动力条件变化、湖平面振荡等因素, 但是本文结果所得出的沉积旋回与区域上的南天山构造事件和造山带前缘拓展事件具有很好的对应关系, 这使得作者倾向于将本文所得出的3期构造旋回解释为南天山西部山前晚新生代的3期构造事件, 代表着南天山西部造山带前锋不断向盆地的拓展过程。

6 结论

南天山西部山前乌鲁克恰提新生代晚期阿图什组和西域组沉积物显示出3期沉积旋回, 每个旋回由下部至上部表现为沉积环境由低能向高能转变的趋势, 砾石统计结果显示出由旋回下部到旋回上部粒径不断增大、磨圆和分选变差的趋势。整体上, 由阿图什组至西域组, 沉积物粒径持续增大, 不稳定成分增多。结合区域上南天山地区的研究成果, 认为3期沉积旋回代表着南天山西部新生代晚期 (5.6Ma以来)3期构造活动, 代表着南天山西部山前前锋不断向盆地拓展的过程。这些结果为南天山山前晚新生代的多期拓展过程提供了证据。

致谢 感谢国家地震局地质研究所陈杰研究员给予的宝贵建议;感谢参加野外工作的西澳大学地球与环境学院Karen Lee Wyrwoll女士、浙江大学地球科学系研究生毕彪、范小根、陈新伟、陈东旭和陈超。
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