2012, Vol. 28
2. 中国石油塔里木油田分公司, 库尔勒 841000;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. PetroChina Tarim Oilfield Company, Korla 841000, China;
3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
前寒武纪克拉通基底是大陆形成与演化研究的重要内容 (Powell and Pisarevsky, 2002；陆松年等, 2003；Hawkesworth and Kemp, 2006；Li et al., 2008), 我国塔里木板块古老基底也一直普受关注 (Hu and Rogers, 1992；贾承造, 2004；Lu et al., 2008；Liu et al., 2009), 近年来周边造山带露头区获得很多精确的太古代-新元古代年代学资料 (Zhang et al., 2009；肖爱芳和黎敦朋, 2010；张建新等, 2011；龙晓平等, 2011), 前寒武纪构造-热事件取得很多新认识。而盆地覆盖区仅有个别井钻遇基底并获得花岗岩年代学资料 (李曰俊等, 2003), 但对地层年代尚有分歧 (Guo et al., 2005；邬光辉等, 2009b)。
古隆起是克拉通盆地油气勘探与研究的热点领域 (Leighton et al., 1990；何登发和谢晓安, 1997；Levorsen, 2001；翟光明和何文渊, 2004；纪友亮等, 2010)。塔里木盆地发育多种类型的代表性古隆起 (贾承造, 1997；何登发等, 2008a), 古隆起构造特征及其控油气作用受到高度关注 (徐旭辉, 2004；赵靖洲等, 2007；何登发等, 2008b；邬光辉等, 2009a；Li et al., 2010；庞雄奇等, 2011)。近期塔里木盆地在塔北、塔中古隆起不断取得重大发现 (康玉柱, 2007；Zhou et al., 2010), 形成三级油气地质储量近50亿吨油当量的大油气区, 古隆起在油气资源勘探开发中具有重要战略地位。但受资料限制, 盆地内部主要根据少量的地球物理资料推断基底结构, 前寒武纪古隆起基底年代学特征及其形成演化缺少研究。
随着油气勘探的深入, 盆地基底隆起区钻井增多, 以及品质明显提高的新地震资料为分析基底结构提供了条件, 周边露头年代学资料为研究盆地古隆起基底提供了对比资料。本文在大量地震与钻井资料研究基础上, 结合锆石测年资料与盆地周边年代学资料, 分析塔里木盆地基底构造-热事件, 探讨基底结构分区与基底古隆起形成演化特征。
2 基底地质背景 2.1 重磁场分区特征塔里木盆地位于中国西北部, 是具有统一结晶基底的古老克拉通盆地 (贾承造, 1997)。盆地基底存在明显的沿北纬40°东西向高磁异常带 (图 1)(贾承造, 1997；杨华和梅冥相①, 2005), 大致沿北纬39°40′附近展布, 宽20~160km, 延伸长逾1000km。异常强度一般在200~350nT左右, 最大可达500nT。在Δta化极上延20km和40km后仍表现为宽缓高值异常, 表明磁源埋藏深、体积大、磁性强。中央高磁异常带将塔里木盆地分为南、北两块不同基底结构的地块, 北部地区显示为平缓的低磁场区, 南部为北东走向条带排列的正异常与负异常分布区, 差异明显。
①杨华, 梅冥相.2005.塔里木盆地基底深断裂系及油气分布关系研究.塔里木油田公司内部资料
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图 1 塔里木盆地航磁△T等值线平面图及取样井点位置 (杨华和梅冥相, 2005略改) Fig. 1 The aeromagnetic △T contour diagram and locations of sampling wells in Tarim basin |
塔里木盆地重力场显示巴楚-塔中出现近东西向重力高值区 (贾承造, 1997；侯遵泽和杨文采, 2011), 可能与基底的强烈隆升有关。重力场起伏背景与深部壳层厚薄及壳层内物性变化有关, 天然地震及地壳测深岩石圈剖面研究揭示重力场区域背景与岩石圈底部莫霍面起伏关系较密切 (邵学钟等, 1997；高锐等, 2000), 在地幔上隆、岩石圈相对较薄地区重力值高, 而高山区则显示为重力相对下降区。
2.2 基底地层简况塔里木盆地周边露头发育前南华纪变质基底, 主要分布在库鲁克塔格、阿尔金、阿克苏-柯坪、西昆仑-铁克里克地区 (高振家等, 1993；贾承造, 1997；王向利等, 2010)。
太古界主要在北部库鲁克塔格与阿尔金地区出露, 以深变质的角闪岩、片麻岩、麻粒岩为主, 库鲁克塔格发现3263±129Ma太古界角闪岩 (Hu and Rogers, 1992), 阿尔金北坡获得3574~3665Ma的继承性岩浆锆石年龄 (Lu et al., 2008), 主体年龄分布在2500~2800Ma (郭召杰等, 2003；张建新等, 2011)。
下元古界在库鲁克塔格地区为巨厚的陆源碎屑岩和碳酸盐岩形成的低绿片岩相至低角闪岩相, 阿尔金地区是一套碎屑岩、碳酸盐岩与火山岩组合形成的片麻岩、混合岩与角闪岩, 铁克里克地区为高绿片岩相-角闪岩相 (贾承造, 1997)。从沉积建造分析, 早元古代塔里木南缘与北缘均应属活动大陆边缘, 以沉积岩为主 (刘德权等, 1998)。中元古界-新元古界在塔里木盆地周边广泛分布, 为浅海相陆源碎屑岩-碳酸盐岩、火山碎屑岩形成的中浅变质岩系。
青白口纪末的塔里木运动形成了塔里木盆地统一的变质结晶基底 (贾承造, 1997), 南华系碎屑岩不整合在不同时代的变质基底之上。南华系-震旦系发育巨厚的大陆裂谷沉积建造, 局部发育冰碛岩, 主要分布在盆地的北部。
3 前寒武纪基底隆起分布结合钻井与地震层序分析, 通过基底顶面形态区域构造成图, 可以判识基底隆起区的分布 (图 2), 塔里木盆地存在塔北、塔中、巴楚、塔东、东南等5个基底隆起, 其分布范围和形态与显生宙隆起相当 (贾承造, 1997；邬光辉等, 2009a)。
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图 2 塔里木盆地前寒武纪基底顶面埋深图 Fig. 2 The top contour of Precambrian basement in Tarim basin |
塔中隆起塔参1井缺失下寒武统玉尔吐斯组, 下伏前震旦系花岗闪长岩, 其间存在明显不整合 (图 3a)。新的三维地震资料表明 (图 4a), 在北部发育大型的南华系-震旦系裂谷, 从满西向塔中北斜坡超覆现象清楚, 出现北断南超的箕状断陷, 沉积厚度高达4000m, 向南部快速减薄直至尖灭。塔中隆起下寒武统自西向东部塔参1井区超覆减薄, 西部下寒武统厚度在500~800m, 向东快速减薄至150m以内, 表明中东部存在前寒武纪基底古隆起。地震剖面上寒武系削蚀基底特征明显, 东部地区在寒武系沉积前经历长期的剥蚀夷平, 形成宽缓的平台区, 具有与现今基底隆起相同的北西走向 (图 2)。
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图 3 塔里木盆地前寒武纪基底地层对比 Fig. 3 The strata correlation of Precambrian basement in Tarim basin |
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图 4 塔里木盆地过基底隆起典型地震剖面 (剖面位置见图 2) Fig. 4 The typical seismic sections across the Precambrian basement uplifts in Tarim basin (profiles location in Fig. 2) |
塔东隆起塔东2井寒武系之下钻遇震旦系厚度仅24m进入基底 (图 3a), 震旦系白云岩风化壳岩溶作用发育。地震剖面上, 寒武系/震旦系呈大型角度不整合接触 (图 4b), 寒武系之下可见一套较连续强反射波组, 呈楔形体由西向东迅速减薄直至尖灭, 顶部被寒武系削截, 局部地区寒武系与下伏地层倾角逾10°。地震剖面追踪表明, 寒武系沉积前有一期大型的构造活动, 塔东隆起抬升很大并遭受夷平作用, 其剥蚀量逾1000m, 下寒武统以稳定的厚度沉积其上。
巴楚隆起瓦基里塔格地区出露基性-超基性基底杂岩 (李曰俊等, 1999), 井下方1、和4井钻穿寒武系沉积盖层, 基底为玄武岩等基性火成岩。通过和4井震标定引层, 南部麦盖提斜坡一带发育北西向的塔南基底古隆起 (图 4c), 下寒武统从南、北方向向基底古隆起超覆减薄, 直至尖灭缺失, 中寒武统平行连续、缺少局部盐膏层的塑性变形。巴楚隆起南部钻探也证实下寒武统向南部古隆起超覆减薄, 底部玉尔吐斯组优质烃源岩发育层段缺失。
北部周边库鲁克塔格和柯坪地区露头观察分析, 寒武系/震旦系之间存在平行不整合面 (高振家等, 1993), 其间有地层缺失。震旦系顶部白云岩发育溶蚀孔洞和溶塌角砾岩, 风化壳上可见红色土壤层。塔北隆起中部轮台断隆的牙哈2、牙哈6等井钻探表明, 白垩系直接覆盖在前寒武系变质岩基底之上 (图 3b)。在温宿凸起上的温参1井钻穿寒武系白云岩, 与基底变质岩不整合接触。由此可见，塔北地区寒武纪沉积前也存在大面积的不整合分布区，井下地层缺失较露头更多，发育前寒武纪基底隆起。
结合钻井地层缺失与厚度变化、地震剥蚀与超覆尖灭线追踪与古构造图编制, 塔里木盆地发育近东西向展布的塔北与塔南前寒武纪基底古隆起 (图 5)。塔北基底古隆起沿轮台-阿克苏一线分布, 与奥陶系古隆起的分布范围相当 (贾承造, 1997；邬光辉等, 2009a), 震旦系向隆起核部减薄直至缺失, 寒武系超覆在不同层位之上。塔南基底古隆起在塔东-塔中-巴楚-喀什一线广泛分布, 包括除塔北隆起外的4大基底隆起的主体部位 (图 5), 缺少震旦系的大面积连片沉积, 寒武系削蚀下伏地层特征明显, 形成大面积的隆起剥蚀区。
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图 5 塔里木盆地寒武纪沉积前构造格局简图 Fig. 5 The Precambrian tectonic sketch of Tarim basin |
根据塔里木盆地基底隆起分布特征, 本文在4口具有代表性的探井选取7个碎屑岩样品进行LA-ICP-MS测年, 2口井选取2个花岗岩样品进行SHRIMP测年, 东南隆起选取1口井2个变质岩样品进行K-Ar测年分析 (图 1、表 1)。
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表 1 塔里木盆地内部钻井岩心测年数据统计 Table 1 Statistics of age dating of drilling cores in Tarim Basin |
锆石的分选工作在河北区调队 (廊坊) 完成, 岩样粉碎后经淘洗、磁选和重液分选后, 分离出锆石。然后在双目镜下挑出不同晶形、不同颜色的锆石, 制备锆石样品靶。在开始锆石U-Pb分析前, 先进行阴极发光 (CL) 分析, 以确定锆石颗粒的内部结构, 碎屑锆石阴极发光图像在中国科学院地质与地球物理研究所的Cameca电子探针仪器上完成, 岩浆岩阴极发光照相在中国地质科学院矿产资源研究所进行。
CL阴极发光图像中, 大多数锆石呈柱状、四方双锥状、椭球状, 锆石结构均匀, 绝大多数具有岩浆环带, 晶型保存完整, 为岩浆锆石, 个别具有暗色增生边。塔北碎屑岩样品中锆石磨蚀程度较高, 椭圆形状锆石较少, 磨圆度高, 分选较好, 表明其经历长距离搬运, 来自较远的物源区；而塔东、塔中井下碎屑岩锆石多遭受一定的磨蚀, 但多保持较好的晶形, 尖棱较多, 磨圆度较低, 分选较差, 表明距物源较近。花岗岩挑选的大部分锆石颗粒大小比较均匀, 多为自形晶, 无色透明。所选的单颗粒锆石呈柱状自形晶, 晶体长度100~200μm, 长宽比为1︰1~3︰1, 柱面和锥面发育。在阴极发光照片下, 多数锆石具明显的环带结构, 为岩浆结晶成因。
本文LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试, 在西北大学大陆动力学教育部重点实验室进行, 具体的方法原理见文献 (唐卓等, 2011)。每个锆石微区原位测试点的同位素比值和U-Pb年龄由专用的GLITTER (ver4.0) 软件计算, 加权平均年龄及谐和图的绘制采用Isoplot 2.49a完成。岩浆岩锆石U、Th、Pb同位素分析在北京离子探针中心的SHRIMPⅡ上进行, 具体的方法原理见文献 (邬光辉等, 2009b)。数据处理采用Ludwig编写的Squid 1.0(2001) 和Isoplot程序, 谐和图的绘制使用Isoplot程序。
4.2 塔东隆起塔东隆起中央高磁带上的塔东2井在4996~5040m钻遇基底花岗岩, 其中取心0.97m, 为浅绿灰色蚀变角闪花岗岩。具有花岗结构与蠕虫状结构, 块状构造。钾长石含量49%~54%, 更纳长石5%~30%, 石英1%~20%, 角闪石10%~20%, 副矿物黄铁矿＜1%。钾长石呈板柱状, 钠长石呈半自形柱状, 石英为他形。角闪石呈柱状、粒状, 被纤闪石、绿泥石交代, 只见部分残留, 角闪石内常见细粒状黄铁矿。岩石因构造挤压, 石英、长石多产生裂纹。对塔东2井进行了锆石SHRIMP U-Pb测年分析 (图 6、表 2), 锆石的U含量 (163×10-6~597×10-6) 和Th含量 (34×10-6~495×10-6) 较高、分布较集中, Th/U比值为0.06~2.07, 可能经历一定变质作用的影响。
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图 6 塔东2井前寒武纪角闪花岗岩锆石SHRIMP U-Pb年龄谐和图 Fig. 6 Zircon SHRIMP U-Pb concordant diagram of Precambrian pladorite from Well TD2 |
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表 2 塔里木盆地塔东2井角闪花岗岩锆石SHRIMP U-Pb定年数据 Table 2 The zircon SHRIMP U-Pb isotopic data of pladorite from Well TD2, Tarim basin |
锆石SHRIMP测年分析表明, 16个测点的年龄值非常集中, 206Pb/238U表面年龄为1755.3~1942.4Ma之间, 平均值为1845.7Ma。在207Pb/235U-206Pb/238U图解中 (图 6), 16个测点均位于谐和线上, 获得锆石的谐和年龄为1908.2±8.6Ma (MSWD=1.2), 这一年龄值应代表了花岗岩的结晶年龄。塔东2井钻探表明高磁异常可能为花岗岩体的响应, 是古元古代中期构造-热事件的产物, 在新元古代塔里木统一基底形成之前就已存在。
沉积岩与变质岩碎屑锆石也能反映基底构造-热事件 (张英利等, 2011)。东北部英南2井选取3块碎屑岩样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年, 侏罗系2个样品获得91个数据, 有2组前寒武纪碎屑锆石年龄分布 (图 7)。第一组碎屑锆石表面年龄范围在500~600Ma, 在谐和图上数据点分布比较一致, 表面年龄平均值为546±110Ma、562±110Ma, 代表了震旦纪末期的火成岩活动。第二组碎屑锆石表面年龄范围在2300~2900Ma, 两样品的数据不同, 谐和年龄值分别为2474±180Ma、2859±160Ma, 反映了古元古代初期与中太古代末期的岩浆活动。另一个奥陶系样品也检测到两组前寒武纪年龄, 分别为867±190Ma、2625±260Ma。前一组年龄不同于前两块样品, 为青白口纪晚期的物源年龄。后者年龄介于前两块样品之间, 表明有广泛的中太古代末期-古元古代初期的构造-热事件。
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图 7 英南2井碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig. 7 Zircon LA-ICP-MS U-Pb concordant diagram of clastic rocks from Well YN2 |
塔中隆起塔参l井底部花岗闪长岩Ar-Ar测定获得892~932Ma的年龄数据 (李曰俊等, 2003), Guo et al.(2005)获得744~790Ma的年龄。笔者对塔参1井基底花岗闪长岩进行了锆石SHRIMP U-Pb年龄测定 (邬光辉等, 2009b), 15个测点的年龄值非常集中, 206Pb/238U表面年龄为720~783Ma之间, 平均值为755.2Ma。在207Pb/235U-206Pb/238U图解中 (图 8), 15个测点均位于谐和线上, 获得锆石的谐和年龄为757.4±6.2Ma (MSWD=1.5), 这一年龄值应代表了花岗闪长岩的结晶年龄。本次锆石SHRIMP测年分析样品代表性强, 样品点的年龄值非常集中, 获得花岗闪长岩形成年龄与Guo et al.(2005) Ar-Ar测定的数据值相当。因此基本可以确认塔参1井底部钻遇的是同一期花岗岩体, 锆石SHRIMP年龄代表了岩浆侵位时间, 塔参1井花岗岩体的形成时代为南华纪早期。
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图 8 塔参1井花岗闪长岩锆石SHRIMP U-Pb年龄谐和图 (据邬光辉等, 2009b) Fig. 8 Zircon SHRIMP U-Pb concordant diagram of granodiorite from Well TC1(after Wu et al., 2009b) |
塔中隆起碎屑岩3块样品LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试, 获得124个碎屑锆石的年龄数据。测试结果表明, 碎屑锆石U-Pb表面年龄分布值的范围很宽, 主要分布在400~2400Ma, 反映塔中隆起周边物源区岩石组成的复杂性。应用207Pb/235U年龄值统计分析, 有二组比较集中的年龄段 (图 9)。
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图 9 塔中隆起碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig. 9 Zircon LA-ICP-MS U-Pb concordant diagram of clastic rocks in Central uplift |
第一组碎屑锆石表面年龄范围在700~825Ma, 三组样品共有64个数据, 占全部年龄数据的51.6%。在谐和图上数据点比较集中, 表面年龄平均值分别为713±100Ma、751±67Ma和803±180Ma。本组年龄表明以新元古代中期南华纪物源为主, 存在该时期大规模的岩浆活动。第二组年龄分布在2100~2400Ma, 在谐和图上表面年龄平均值为2242±110Ma、2235±67Ma和2393±200Ma。本组年龄数据也比较集中, 谐和年龄值接近, 代表了古元古代早期大约2300Ma时期的物源年代。前两个为同一层位样品, 年龄值接近, 第三个样品层位较新, 物源年龄更老。
4.4 塔北隆起在塔北隆起西部志留系选取1块样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年, 获得44个锆石数据, 碎屑锆石U-Pb表面年龄分布在410~2350Ma, 反映物源区岩石组成的复杂性。前寒武纪有二组较集中年龄段 (图 10), 第一组碎屑锆石表面年龄范围在720~850Ma, 共有17个数据, 占所有数据的38.6%, 在谐和图上表面年龄平均值为752±120Ma, 与塔中隆起碎屑锆石年代相同, 反映了南华纪火成岩活动。第二组年龄分布在1900~2300Ma, 在谐和图上较离散, 表面年龄平均值为2131±120Ma, 表明存在古元古代中期的构造-热事件。
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图 10 塔北隆起志留系碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig. 10 Zircon LA-ICP-MS U-Pb concordant diagram of Silurian clastic rocks in Northern uplift |
东南隆起南部民参1井石炭系之下钻探揭示为一套灰色千枚岩、片岩与变余砂岩, 在5065.43m、5111.43m取两块样品进行K-Ar测年, 获得425.93±2.90Ma、424.91±9.55Ma年龄值 (表 3)。
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表 3 塔里木盆地民参1井变质岩K-Ar测年结果 Table 3 The K-Ar isotopic data of metamorphic rock from well MC1, Tarim basin |
结合周边与盆地内部近年测年成果 (表 4), 综合以上测年分析与碎屑锆石年龄频谱统计 (图 11), 塔里木盆地基底存在多期构造-热事件。
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表 4 塔里木盆地及其周边近年前寒武纪测年数据统计 Table 4 Statistics of geochronological date of Precambrian in Tarim basin and its periphery |
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图 11 塔里木盆地碎屑锆石前寒武纪207Pb/235U年龄频谱 Fig. 11 Frequency spectrum of clastic zircon Precambrian 207Pb/235U ages in Tarim basin |
其中700~800Ma、400~500Ma等2期岩浆活动是碎屑物源的主体, 分别占样品总数的22.5%、33.9%, 代表了两期大规模的构造-热事件。东南隆起两个变质岩样品大约425Ma的年龄值, 反映了志留纪早期的该区域变质事件影响作用。1900~2000Ma不仅有碎屑锆石年代数据 (约占样品总数的5%), 而且中央航磁异常带花岗岩体锆石SHRIMP测年也表明存在该期的构造-热事件。古元古代早期2100~2400Ma的碎屑锆石在盆地北部与南部都有发现, 中元古代早期1300~1600Ma的碎屑锆石在盆地北部比较多, 这两期岩浆活动广泛存在。另外, 检测到新元古代早期900~950Ma、中太古代2950~3100Ma等两期构造-热事件的岩浆锆石。塔东隆起上两个碎屑岩样品检测到540~560Ma的谐和年龄, 可能存在震旦纪晚期构造-热事件。塔里木盆地中西部二叠纪存在大规模的火成岩活动, 主体时间在270~290Ma (杨树锋等, 2007；张传林等, 2010)。
由此可见, 年代学资料揭示塔里木盆地内部存在9期大规模的构造-热事件, 在盆地周边也多有对应的测年数据。
5 基底结构与分布特征结合地震资料追踪, 综合盆地内部年代数据分析与周边露头近年基底年代学研究成果 (表 2、表 4), 塔里木盆地前寒武纪结晶基底具有复杂的地层与岩性分布。
5.1 北部地区塔里木盆地北部基底为广阔平缓的负磁场区, 一般认为是弱磁性变质岩系 (贾承造, 1997)。西北部阿克苏地区出露前南华纪基底阿克苏群变质岩, 下部为中级区域变质作用的低压角闪岩相, 岩性为片麻岩与麻粒岩；上部为低级区域变质的绿片岩相, 岩性主要为片岩、千枚岩 (齐秋菊等, 2011)。在塔北基底隆起的轮台断隆、温宿凸起有钻井钻遇, 其岩性组合特征与阿克苏群上部相同 (图 3b), 表明在塔北基底隆起以阿克苏群变质岩为主。东北部库鲁克塔格基底青白口纪帕尔岗塔格群由强烈褶皱变形和中深变质的泥砂质碎屑岩、中-基性火山岩和碳酸盐岩组成, 下部为石英片岩、千枚岩及石英岩等, 上部为大理岩、灰岩夹千枚岩 (高振家等, 1993)。
研究表明阿克苏蓝片岩高压变质作用的峰期年龄应大于862Ma (Chen et al., 2004), 阿克苏群变质原岩形成时代应早于变质作用发生时代, 变质岩的形成时代可能为中元古代末期-新元古代早期。库鲁克塔格地区青白口系变质年代与阿克苏群相当, 同位素年龄分布在848±8Ma~959±27Ma之间 (胡霭琴等, 2001), 形成下限在南华纪之前。
塔北隆起中西部地区广泛发育二叠纪火成岩 (杨树锋等, 2007), 地震剖面上有一系列的火山侵入显示, 钻探在二叠系以下不同层位见到该期火成岩侵入体, 呈斑块状分布, 对基底有一定的改造作用。
阿克苏、库鲁克塔格地区基底变质岩上覆南华系沉积岩, 呈平行不整合接触。温宿凸起上寒武系超覆在变质岩基底之上, 呈角度不整合接触。在塔北隆起轮台断隆上受晚海西期-印支期构造作用, 上覆为白垩系碎屑岩, 缺失地层更多。
结合地震剖面追踪, 塔北基底古隆起顶面以中元古代末期-新元古代早期的中浅变质岩系为主, 局部地区有二叠纪火成岩分布。上覆南华系-寒武系沉积岩, 向基底隆起超覆沉积, 厚度变化大, 局部抬升强烈的断裂带为中生界覆盖。
5.2 中央航磁异常带关于塔里木盆地中央高磁异常带地质属性与形成年代存在多种推断 (贾承造, 1997；Guo et al., 2005), 塔东2井钻探表明高磁异常为花岗岩体的响应, 中央高磁异常带可能以古元古代花岗岩为主体, 是古元古代中期构造-热事件的产物, 表明塔里木盆地内部具有古元古代的结晶基底。同时, 中央航磁异常带并非新元古代的碰撞缝合带, 可能预示南、北塔里木统一基底大致形成在古元古代中期, 该期构造-热事件之后南、北块体进入相同的演化进程。碎屑锆石测年也显示南、北塔里木在该期及其以前的年龄分布差异较大, 而中-新元古代的年龄峰值比较接近。
塔东2井结晶基底上覆震旦系白云岩, 其间存在逾10亿年地层缺失, 在地震剖面上也有明显的响应 (图 4b), 可见在南华纪沉积前存在大型的区域不整合与构造运动。
中央高磁异常带向西进入巴楚地区转向杂乱, 分析该区经历二叠纪强烈的火成岩活动影响 (杨树锋等, 2007；张传林等, 2010), 一系列火山通道与火山侵入岩对基底有强烈的改造作用。
5.3 南部地区南部地区在航磁图上表现为北东向的高磁异常与低磁异常相间 (图 1), 明显不同于北部与中部地区。高磁异常带上, 巴楚瓦基里塔格地区露头基性-超基性岩体辉长岩、闪长岩分别获得约820Ma、880Ma的年龄值 (李曰俊等, 1999；宋文杰等, 2003), 塔中井下基底花岗闪长岩约930Ma、890Ma的年龄值可能为岛弧碰撞造山作用的产物 (李曰俊等, 2003)。同时巴楚地区基底检测到新元古代的火成岩, 研究认为发育晋宁期形成的岩浆岩 (李曰俊等, 2005；吴根耀等, 2006)。塔参1井位于前寒武纪基底北东向航磁异常带, 虽然地层年代测定有差异 (李曰俊等, 2003；Guo et al., 2005；邬光辉等, 2009b), 但反映高磁异常为新元古代岩浆岩组成。结合深部构造研究分析, 塔里木盆地南部北东向的高磁异常可能代表新元古代早期岩浆岩体。在巴楚西部, 新元古代的岩浆岩改造了古元古代形成的中央高磁异常带, 同时诸多区域又遭受了二叠纪火成岩的改造。
在低磁条带区钻遇前寒武纪浅变质碎屑岩, 与西昆仑造山带中元古代顶部浅变质地层岩性接近 (马润泽等, 2003；王超等, 2009；王向利等, 2010), 有限资料推断低磁条带可能多为变质岩分布区, 为前南华纪形成的统一变质基底。
5.4 东南隆起塔里木盆地东南部发育埋深很浅的平行于阿尔金断隆的东南基底隆起 (图 2、图 3c), 钻井和地球物理资料揭示上古生界之下由中浅变质的板岩、变余砂岩、石英砂岩、石英片岩、大理岩等复杂成分组成, 通常将其归入前寒武纪变质基底 (许怀智等, 2009), 上覆沉积碎屑岩盖层最老为石炭系, 其次是二叠系、侏罗系和新生界。关于阿尔金隆起与东南隆起的形成时代存在多种认识, 对于该套地层的变质时代则有前加里东期、加里东期、海西早期等不同认识 (贾承造, 1997；许怀智等, 2009)。
通过钻井与地震剖面追踪分析, 本区缺失寒武系-泥盆系逾3000m沉积岩系, 前石炭纪发生过大规模构造运动。民参1井同位素测年分析表明在早志留世约420Ma期间发生一次大规模构造-热事件, 造成该区普遍的区域变质作用。碎屑锆石测年数据表明 (图 11), 塔东、塔北地区具有大量的奥陶纪火成岩形成的物源, 其物源来自阿尔金地区。而塔中地区志留系来自奥陶纪物源很少, 大多为700~900Ma的新元古代物源年龄值, 表明新元古代基底出露地表成为主要物源。结合地震剖面与钻井资料分析, 塔中东部地区没有前寒武纪基底出露, 而东南隆起在邻近塔中东部的地区有强烈的构造冲断作用 (邬光辉等, 2012), 发生过大量的抬升与剥蚀, 可能造成基底的隆升并形成塔中志留系的蚀源区, 进而阻隔了阿尔金地区的火成岩物源。
铁克里克地区变质岩研究表明 (马润泽等, 2003), 原划归元古界顶部的浅变质岩为低温动力变质作用改造的古生代地层, 志留纪-中泥盆世期间, 发生在塔里木大陆板块南缘的弧-陆碰撞 (440~377Ma) 事件使寒武系-奥陶系普遍遭受区域低温动力变质作用, 与北昆仑造山带在志留纪-泥盆纪期间的碰撞造山作用相关 (罗金海等, 2007), 表明塔东南地区存在前石炭纪的区域动力变质作用, 形成广泛的变质岩分布。阿尔金地区有440~460Ma麻粒岩相记录 (曹玉亭等, 2010；张建新等, 2011), 敦煌地块也证实有464~422Ma的变质事件 (孟繁聪等, 2011), 可能与南阿尔金深俯冲和碰撞作用有关 (杨经绥等, 2008)。
地球化学分析表明 (冉启贵等, 2008), 临近车尔臣断裂带探井的有机质成熟度出现异常高, 受到加里东末期构造热事件作用的影响。塔东-塔中地区志留纪为三角洲-潮坪相沉积, 邻近物源滨岸 (张金亮和张鑫, 2006), 明显不同于奥陶纪末期的滨浅海陆棚沉积, 也佐证奥陶纪末盆地东部发生广泛的隆升, 塔东构造格局的形成期应当是奥陶纪末期-志留纪早期。
由此可见, 东南隆起前寒武纪基底在志留纪-泥盆纪发生区域低温变质作用, 并造成南部民参1、民参2等井区早古生代碎屑岩形成以中浅变质的片岩、板岩、变余砂岩, 北部罗北1井早古生代碳酸盐岩形成大理岩, 西南方向铁克里克北部主要由低绿片岩相灰绿色变质杂砂岩、细粒绿泥石英片岩、绿泥绢云母片岩、千枚岩和大理岩化灰岩等组成 (罗金海等, 2007)。推断东南隆起前寒武纪基底具有类似阿尔金中-新元古界活动大陆边缘沉积形成的中浅变质岩系, 由于经受志留纪变质作用, 可能形成变质程度更深的中-深变质岩结晶基底。
综上所述, 塔里木盆地前寒武纪结晶基底在北部主要为中-新元古代的中浅变质岩, 在中央高磁异常带主要分布古元古代中期花岗岩, 南部为新元古代早期北东向岩浆岩与变质岩基底, 在巴楚地区有二叠纪火成岩侵入体, 东南隆起前寒武纪基底遭受志留纪-泥盆纪区域变质作用, 形成中深变质岩基底并叠加早古生代的浅变质岩 (图 12)。
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图 12 塔里木盆地结晶基底结构图 Fig. 12 The geological map of crystalline basement in Tarim basin |
通过区域古构造恢复结合同位素年代学分析, 塔里木盆地前寒武纪基底古隆起经历多期复杂演化过程。
塔里木盆地可能存在TTG岩系组成的古-中太古代陆核 (Hu and Rogers, 1992；Lu et al., 2008), 盆地内北部与南部碎屑锆石都检测到中太古代岩浆活动信息, 佐证古-中太古代陆核已有一定范围分布。盆地碎屑锆石年龄分析发现有大量2000~2400Ma的年龄值 (图 8~图 11), 库鲁克塔格、阿尔金、西昆仑等地区都存在该期岩浆活动 (胡霭琴和韦刚健, 2006；Lu et al., 2008；Zhang et al., 2009；张建新等, 2011), 推测它们是在太古宙末期与造山作用有关的大规模地壳生长以后, 早元古代早期岩石圈减薄和陆内裂解的产物。来自盆地内部的锆石记录了该期广泛的构造-热事件, 塔里木南北不同的块体出现近似的演化特征, 可能位于比较接近的位置。
中央高磁异常带1908.2±8.6Ma的花岗岩代表的构造-热事件可能反映了基底陆壳的格架在古元古代造山纪已基本形成, 表明古元古代中期盆地内部也存在大规模岩浆活动。库鲁克塔格地区 (郭召杰等, 2003；邓兴梁等, 2008；董昕等, 2011)、铁克里克 (王超等, 2009；王向利等, 2010) 与阿尔金地区 (张建新等, 2011；唐卓等, 2011) 都存在此期年代学证据, 该期构造热事件形成了以角闪岩-高绿片岩相为主的早元古宙克拉通化基底。此期广泛的构造-热事件与Columbia超大陆事件相吻合 (Rogers and Santos, 2002；陆松年等, 2002), 塔里木古地体可能与哥伦比亚超大陆形成演化相关。周边与盆地内部广泛存在的此期年代学资料 (葛肖虹和刘俊来, 2000；Su et al., 2010), 以及南、北塔里木普遍出现成熟度较高的长石-石英砂岩等海相沉积 (刘德权等, 1998), 预示塔里木南、北块体已进入统一演化的进程。
中-新元古代, 塔里木下元古界结晶基底原始古陆之上广泛沉积浅海相陆源碎屑岩-碳酸盐岩 (高振家等, 1993；胡霭琴等, 2001)。塔里木盆地碎屑锆石测年在塔东、塔北地区发现1300~1600Ma的年龄值 (图 11), 这期年龄数据在塔中地区也有分布。研究认为阿克苏、库鲁克塔格、阿尔金南缘等地区存在此期与Columbia超大陆裂解时间一致的构造事件 (郭召杰等, 2000；胡霭琴等, 2001；齐秋菊等, 2011), 可能广泛存在与哥伦比亚超大陆裂解有联系的一期构造-热事件。结合盆地周边东昆仑蛇绿岩955Ma (胡霭琴等, 2004)、阿尔金南缘花岗岩920~940Ma (王超等, 2006；张建新等, 2011)、阿克苏地区蓝片岩890±23Ma (Zheng et al., 2010) 的年龄, 盆地内部普遍出现约900~950Ma的碎屑锆石年龄, 尤其是塔东奥陶系碎屑锆石出现867±190Ma的谐和年龄, 推断在新元古代早期塔里木板块周缘开始发生岛弧碰撞拼贴, 大约在900Ma盆地内部微地块进入拼合的主要时期, 造成塔里木古大陆的全面聚合, 其历时时间不晚于850Ma (胡霭琴等, 2001；陆松年等, 2004；张传林等, 2004；郑碧海等, 2008；李秋根等, 2009；王飞等, 2010)。
西昆仑的研究认为可能存在815Ma左右的大陆裂解事件 (张传林等, 2004；王超等, 2009), 库鲁克塔格地区新元古代陆内裂谷火山岩发现630~850Ma期间的多期火成岩 (陆松年等, 2003；Zhu et al., 2008；Zhang et al., 2009；张英利等, 2011)。表明塔里木板块周边广泛发育与Rodinia超大陆相关的裂解事件。塔里木盆地内部也存在大量的700~800Ma碎屑锆石年龄数据 (图 11), 其峰期在770Ma左右, 表明在此期具有普遍的构造-热活动, 塔里木盆地内部与周边出现同期广泛裂陷与岩浆活动。该期是前寒武纪碎屑锆石年龄值最集中的部分, 具有很好的一致性, 从年代学上表明南、北塔里木都有同期的物源年龄, 共同经历了此期强烈而广泛的构造事件, 塔里木板块存在与Rodinia大陆裂解时间相当的构造-热事件。
在震旦纪末期, 发生全球性的“泛非运动”(Kennedy, 1964)。近期研究表明西藏、冈底斯、羌塘等地块均存在与“泛非运动”有关的构造变形 (许志琴等, 2005；李才等, 2010；何世平等, 2011)。西昆仑也发现新元古代-早寒武世的变质岩系以及震旦纪花岗质侵入岩体, 其同位素年龄值在644~517Ma (毕华等, 1999；张传林等, 2004), 表明塔里木盆地南部曾发生过汇聚碰撞作用。早期受资料限制, 盆地内部寒武系与震旦系接触关系一般认为是连续沉积, 但新的钻井资料揭示在塔北隆起、塔中隆起、塔东隆起都有寒武系覆盖的新元古代-古元古代火成岩或变质岩, 大面积缺失震旦系。地震剖面也显示大型的角度不整合 (图 4), 表明塔里木盆地内部寒武系与震旦系不是连续沉积, 存在与“泛非运动”相关的大型构造运动。新的地震剖面解释与追踪表明 (图 4), 盆地内前寒武纪发育大范围的南华系-震旦系剥蚀隆起区, 形成塔北与塔南两大基底古隆起 (图 5)。本次锆石测年两个碎屑岩样品检测到546±110Ma、562±110Ma的谐和年龄 (图 7), 与震旦纪末期的泛非构造运动时代相当, 反映是550Ma时期的构造-热事件产物, 可能代表了塔里木“泛非运动”的主体时间。
奥陶纪末-志留纪, 古昆仑洋闭合, 阿尔金洋俯冲消减 (贾承造, 2004；何登发等, 2008a；曹玉亭等, 2010)。塔里木盆地东南部出现大面积抬升, 断裂活动强烈, 奥陶系普遍遭受剥蚀, 西南、塔中、塔北都有下古生界碳酸盐岩出露地表, 遭受岩溶作用, 三大古隆起形成并稳定发育 (邬光辉等, 2009a)。随着东、南部周边构造挤压不断加强, 塔东隆起初具规模。北东向的东南隆起也已形成, 抬升大、剥蚀严重, 约420Ma时期受到区域动力变质作用改造形成早古生代浅变质岩。因此, 在加里东晚期塔里木盆地塔中、塔北、西南、东南、塔东等5大基底古隆起基本定型 (图 13)。
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图 13 塔里木盆地不同时期基底古隆起分布图 Fig. 13 The distribution of multi-stage basement palaeo-uplifts in Tarim basin |
石炭纪-古近纪, 塔里木盆地基底隆起继承性发育, 虽然局部有构造改造与调整作用, 但古隆起的分布与形态变化不大 (图 13), 以整体沉降为主。由于二叠纪强烈的火成岩活动 (杨树锋等, 2007；张传林等, 2010), 塔里木盆地中西部存在一系列的火山侵入岩, 对塔北西部、巴楚等地区基底有一定改造作用, 局部形成二叠纪侵入岩基底。晚海西期-印支期, 东南地区遭受强烈的构造改造作用, 构造形态与构造特征发生巨大变化 (贾承造, 1997), 但东南隆起、塔东隆起前寒武纪基底隆起稳定发育, 隆起分布范围也基本未变。直至新近纪以来, 由于印度板块的强烈碰撞与青藏高原的隆升 (贾承造, 2004), 塔西南前陆沉降剧烈, 巴楚隆起开始形成, 西南古隆起区发生强烈的南倾, 反转形成南倾的斜坡区。其他古隆起有一定翘倾运动与调整, 但基底形态基本稳定。
由此可见, 塔里木盆地前寒武纪基底隆起经历多期的构造演化与变迁, 基底隆起结构是后期隆起发展的基础, 基底隆起控制了显生宙的构造格局。
7 结论(1) 年代学分析表明, 塔里木盆地内部基底存在2950~3100Ma、2100~2400Ma、1900~2000Ma、1300~1600Ma、900~950Ma、700~800Ma、540~560Ma、400~500Ma、270~290Ma等9期构造-热事件, 700~800Ma、400~500Ma等2期岩浆活动形成盆地的主要物源。中央航磁异常带是古元古代1900Ma花岗岩的响应, 南、北塔里木块体可能在该期已拼合。
(2) 新的地震剖面追踪结合钻井资料分析表明, 塔里木盆地发育塔北与塔南两大前寒武纪基底古隆起, 寒武系与前寒武系之间不整合广泛分布, 存在一期大规模构造运动, 可能与550Ma“泛非运动”相关联。
(3) 塔里木盆地前寒武纪具有不同年代、不同类型的基底结构, 北部为中-新元古代中浅变质岩基底、中部为古元古代花岗岩基底、南部为新元古代早-中期岩浆岩间夹变质岩基底、东南部为遭受早志留纪区域变质改造的变质基底。
(4) 塔里木盆地基底隆起主要经历5期演化阶段：太古代-古元古代中期形成克拉通化基底, 在新元古代早期形成统一的变质结晶基底, 寒武纪沉积前塔北与塔南2大基底古隆起形成, 加里东晚期5大基底古隆起基本定型, 海西期以来发生局部调整改造。
致谢 感谢审稿专家与编辑的精心审阅与宝贵的建设性意见；感谢屈泰来、张承泽、何金春等同志的协助；感谢河北区调队 (廊坊)、西北大学动力实验室、北京离子探针中心等单位工作人员协助提供了测试结果!| [] | Bi H, Wang ZG, Wang YL. 1999. History of tectonic magmatic evolution of western Kunlun. Science in China (Series D), 42(6): 604–619. DOI:10.1007/BF02877788 |
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