造山带与盆地构造的相互关系是大陆构造动力学研究的重要内容之一。沉积岩的物源分析是认识盆-山演化的重要途径, 利用碎屑物质组分判断沉积岩的物源和沉积盆地构造背景是造山带沉积学一个可行的工作方法, 它可以再现那些曾经存在后来消失的大陆或大洋板块的信息 (Pettijohn et al., 1987)。物源分析不仅能确定物源区的岩石类型、构造背景, 而且能够解释盆山耦合关系、并且可对物源区的构造演化历史提供制约 (Bhatia, 1983；Weltje and Von Eynatten, 2004；Li RW et al., 2004；Li Z et al., 2004；Li SY et al., 2006；李双应等, 2004, 2005)。

天山南缘的沉积物质记录了天山的隆升及剥露历史, 许多地学工作者已经致力于天山南缘的物源分析及其构造背景的研究, 但主要集中于中-新生代地层。前人研究认为塔里木北缘中-新生代的物源主要来自南天山的沉积岩、中高级变质岩及酸性火山岩 (张希明等, 1996；李忠等, 2005；李双建等, 2006；彭守涛等, 2009)。对南天山古生代地层的研究相对薄弱, 物源的分析更为罕见。王家生等 (1999)认为石炭系阿依里河组物源区主要为再旋回造山带或被动陆缘构造背景。然而南天山石炭系-三叠系的物源区物质组成、源区构造背景及其演化还不是十分明了。此外, 对于南天山碰撞造山作用的时限是有争议的, 或者认为是晚古生代 (Allen et al., 1993；Gao et al., 1998；高俊等, 2006), 或者认为是二叠纪末-三叠纪初 (李曰俊等, 2009), 本文拟通过岩石学、地球化学手段揭示天山南缘石炭系-三叠系碎屑岩物质组分特征、物源区物质组成及其构造背景, 进而对南天山构造演化提供制约。

天山造山带东西长2500千米, 南北宽几百千米, 是世界上规模最大的造山带之一。天山造山带中的南天山以塔里木北缘山前断裂为南界, 北以汗腾格里-库米什缝合线为界, 东为星星峡北-阿齐库都克-艾比湖天山主断裂所截, 西延伸至中亚 (Allen et al., 1991)。南天山出露的地质体主要为东南部的库鲁克塔格前寒武纪基底、古生代未变质的沉积岩、蛇绿岩、岩浆岩侵入体和火山岩, 以及中-新生代沉积盆地 (图 1)。

图 1

Fig. 1

图 1 天山及邻区构造格架与采样剖面位置 (据李忠等, 2004) Fig. 1 Geological map showing tectonic units in the Tianshan and adjacent regions and the location of sampling profiles (revised after Li et al., 2004)

天山南缘石炭系至三叠系地层发育比较齐全 (表 1)。南天山缺失早石炭世岩关期沉积, 干草湖组主要为钙质砾岩、砂岩及粉砂岩夹灰岩；蒙达勒克组为灰色块状砾岩与紫红、浅绿灰色中-厚层粉砂岩、泥质粉砂岩及泥岩、瘤状泥晶灰岩互层, 厚度172.0m；野云沟组分布广泛, 主要为碳酸盐岩和碎屑岩组成, 含丰富的底栖生物化石；乌什组为深灰色、灰黑色中层泥晶灰岩、泥灰岩与浅灰色、黄灰色薄-中层细砂岩、砂岩和少量绿灰色页岩互层, 厚976.1m；库鲁组主要为浅灰色、棕灰色中层砂岩, 底部有53.3m厚的砾岩, 上部夹灰绿色页岩、深灰色灰岩和砾岩, 厚305.3m；阿依里河组在南天山北部地区分布广泛, 整合于野云沟组之上或者超覆在不同时代地层之上, 东西向相变明显, 西部以碳酸盐岩为主, 向东部碎屑岩比例增加, 西部哈尔克山一带, 下部以碎屑岩为主, 上部为碳酸盐岩, 虎拉山和开都河中游主要为碎屑岩类, 东部克孜勒塔格一带缺失, 厚199.4~753.4m；索格当他乌组主要由页岩、粉砂岩和砂岩组成, 厚度约900.0m；卡拉达坂组主要分布于哈拉毛敦一带, 北部为灰绿色、紫红色砂岩夹砂砾岩, 灰色灰岩及生物灰岩, 或相变为砂岩夹板岩及灰岩, 南部为灰色、深灰色石英砂岩、钙质粉砂岩, 与灰黑色、灰色板岩、炭质板岩、粉砂质泥岩不均匀互层, 顶部为灰白色、灰色薄-中厚层状灰岩夹砂岩、板岩。下二叠统康克林组主要为浅灰、灰、灰白色灰岩组成, 厚度50.0~174.0m, 主要分布于阿克苏-阿图什一线；扎尔加克组下部为灰色、灰黑色薄-厚层灰岩, 产丰富蜓类, 厚1298.9m；小提坎立克组是一套由火山岩、火山碎屑岩夹碎屑岩组成的火山岩系地层；库普库兹满组为玄武岩、凝灰岩及粉砂质泥岩、细粒岩屑砂岩夹薄层灰岩, 顶部为砂岩、泥质粉砂岩, 厚254.0m, 分布于印干山以东, 呈东西向条带分布；库尔干组为一套杂色陆相碎屑岩, 偶夹钠长斑岩, 含较多植物化石, 厚约140.0m；开派兹雷克组主要为长石岩屑砂岩、钙质岩屑砂岩、粉砂质泥岩及玄武岩夹碎屑岩组成, 厚1827.0m, 产植物Autunia-Cordaites schenkii组合, 本组由印干山向东粗碎屑岩增多, 在沙井子四石场一带仅出露下部粗碎屑岩, 厚526.0m；吴家坪阶沙井子组下部以泥岩、粉砂岩夹砂岩和灰岩为主, 上部以钙质泥岩、粉砂岩夹砂岩, 顶部夹砾岩, 底部为透镜状砂岩、砾岩互层, 厚608.8m, 含介形虫、双壳及孢粉化石, 主要分布于印干山一带；上二叠统比尤勒包谷孜组主要分布于库车北部地区, 下部为紫红色、灰色厚层砾岩, 中上部为砂砾岩、粉砂岩、泥岩互层, 顶部为页岩、砂质泥岩。三叠系俄霍布拉克组在库车盆地由两套灰绿色细碎屑岩及一套浅灰红色、紫红色中粗碎屑岩组成, 厚118.0~541.0m；而在托云盆地, 本组为一套绛红、浅灰红、灰绿色粗砾岩、中细砾岩、砂岩夹粘土岩, 厚2223.0m, 与上石炭统高角度不整合接触；克拉玛依组下部为紫红色泥岩, 上部为灰色泥岩, 灰绿色中厚层细砾岩与灰色泥岩互层, 厚200.0~885.0m；黄山街组为厚层块状泥岩、中厚层砂岩互层, 底部为中厚层块状含砾砂岩夹砾岩透镜体, 厚30.0~559.0m；塔里奇克组下部为中厚层砾岩、粗砂岩夹煤层, 上部为砂岩、泥岩、砾岩夹煤层, 厚26.0~497.0m。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 天山南缘石炭系-三叠系地层对比表 Table 1 Stratigraphic correlation table from Carboniferous to Triassic in the southern margin of the Tianshan

表 1 天山南缘石炭系-三叠系地层对比表 Table 1 Stratigraphic correlation table from Carboniferous to Triassic in the southern margin of the Tianshan

砂岩碎屑组分分析在源区岩石类型及其构造背景的研究中应用广泛 (Dickinson and Suczek, 1979；李忠等, 1999)。本文采用Gazzi-Dickinson方法 (Dickinson and Suczek, 1979；Ingersoll et al., 1984), 使用Leica-DFC280偏光显微镜人工统计碎屑颗粒含量, 灰岩岩屑计入沉积岩岩屑, 每个样品统计总颗粒不少于350颗。本文共获得砂岩碎屑组分数据26组, 其中石炭系20组 (杨栋栋等, 2011), 三叠系6组, 分析结果见表 2、表 3。

表 2

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表 2(Table 2)

表 2 南天山上石炭统阿依里河组砂岩碎屑组分统计表 (据杨栋栋等, 2011) Table 2 Detrital composition of the Upper Carboniferous sandstones in the south Tianshan (after Yang et al., 2011) 位置 样品号 QFL (%) LmLvLs (%) Qm+F+Lt (%) Q F L Lm Lv Ls Qm F Lt 轮台策大雅 T022 71.2 11.8 17.0 33.3 32.1 34.6 55.7 11.8 32.5 T023 60.0 27.9 12.1 13.0 50.0 37.0 50.1 27.9 22.0 T025 64.0 9.1 26.9 39.3 31.3 29.5 51.1 9.1 39.8 T027 72.2 12.2 15.6 12.5 71.9 15.6 46.8 12.2 41.0 T028 63.6 10.2 26.2 36.9 40.5 22.5 45.6 10.2 44.2 T029 52.8 10.1 37.0 52.7 32.0 15.3 40.2 10.1 49.6 T031 57.6 9.1 33.3 38.3 43.8 17.9 43.2 9.1 47.7 平均值 63.1 12.9 24.0 32.3 43.1 24.6 47.5 12.9 39.6 和静大山口水电站 T578 76.1 5.6 18.3 28.8 0 71.2 66.4 5.6 28.1 T655 74.7 0 25.3 78.6 8.5 12.8 27.7 0 72.3 T656 80.2 2.2 17.6 62.5 6.3 31.3 73.3 2.2 24.4 T658 69.6 1.2 29.2 71.1 23.1 5.8 68.0 1.2 30.8 T660 78.4 0.3 21.3 85.5 7.9 6.6 74.2 0.3 25.5 T661 70.2 0.5 29.3 86.1 1.6 12.3 62.3 0.5 37.3 T666 70.8 0 29.2 90.2 7.2 2.6 20.6 0 79.4 T671 73.6 0 26.4 73.7 15.0 11.3 25.4 0 74.6 T678 73.0 6.8 20.3 67.7 22.9 9.4 50.2 6.8 43.0 平均值 74.1 1.8 24.1 71.6 10.3 18.1 52.0 1.8 46.2 巴音郭楞 T689 61.8 12.7 25.5 86.8 3.8 9.4 46.9 12.7 40.4 T690 72.8 6.4 20.8 62.5 26.1 11.4 64.8 6.4 28.8 T705 74.6 10.6 14.9 71.0 19.4 9.7 62.6 10.6 26.9 T706 85.8 6.1 8.2 77.4 16.1 6.5 72.1 6.1 21.8 平均值 73.7 8.9 17.3 74.4 16.3 9.2 61.6 8.9 29.5 注：Q-石英总量；Qm-单晶石英；F-长石；L-岩屑；Lt=L+多晶石英；Lm-变质岩岩屑；Lv-火山岩岩屑；Ls-沉积岩岩屑

表 2 南天山上石炭统阿依里河组砂岩碎屑组分统计表 (据杨栋栋等, 2011) Table 2 Detrital composition of the Upper Carboniferous sandstones in the south Tianshan (after Yang et al., 2011)

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 乌恰托云下三叠统砂岩碎屑组分统计表 Table 3 Detrital composition of the Lower Triassic sandstones in Tuoyun basin, Wuqia 样品号 颗粒数 QFL (%) LmLvLs (%) Qm+F+Lt (%) Q F L Lm Lv Ls Qm F Lt T332 369.0 66.7 2.4 30.9 38.5 9.7 51.8 38.2 2.4 59.3 T333 416.0 71.4 2.4 26.2 33.1 20.2 46.8 31.3 2.4 66.3 T335 359.0 64.9 1.7 33.4 35.9 2.4 61.7 33.4 1.7 64.9 T337 358.0 79.6 1.7 18.7 44.9 5.9 49.2 33.8 1.7 64.5 T338 449.0 72.8 13.6 13.6 64.0 2.9 33.1 33.6 13.6 52.8 T342 382.0 75.1 2.4 22.5 37.2 1.3 61.5 45.3 2.4 52.4 平均值 388.8 71.8 4.0 24.2 42.3 7.1 50.7 35.9 4.0 60.0 注：Q-石英总量；Qm-单晶石英；F-长石；L-岩屑；Lt=L+多晶石英；Lm-变质岩岩屑；Lv-火山岩岩屑；Ls-沉积岩岩屑

表 3 乌恰托云下三叠统砂岩碎屑组分统计表 Table 3 Detrital composition of the Lower Triassic sandstones in Tuoyun basin, Wuqia

南天山上石炭统阿依里河组砂岩均为岩屑砂岩, 其中石英含量变化较大53.0%~86.0%, 平均70.3%, 单晶石英和多晶石英比例为3︰1~4︰1；长石含量较低为7.9%；岩屑含量较高21.8%(8.2%~33.7%), 以变质岩岩屑 (59.4%) 为主, 其次为沉积岩 (17.3%) 及火山岩岩屑 (23.2%), 火山岩岩屑主要为中性岩岩屑, 变质岩岩屑主要为云母石英片岩等中级变质岩为主 (杨栋栋等, 2011)。砂岩碎屑颗粒粒径0.1~0.25mm, 中粒结构, 分选不好, 磨圆度低, 多为次棱角-棱角状, 杂基含量较高, 结构成熟度及成分成熟度均较低, Q/(F+L) 平均为2.37。这些特征都表明阿依里河组砂岩碎屑都未经长距离搬运, 簸选作用微弱, 为近源快速沉积。

研究区三叠系剖面位于乌恰托云盆地, 为南天山的山间盆地, 主要发育砾岩、砂岩。砂岩中石英含量平均为71.8%(64.9%~79.6%), 单晶石英与多晶石英之比约为1︰1, 长石含量较低, 平均为4.0%, 主要为钾长石；岩屑含量高, 平均为24.2%(13.6%~33.4%), 主要为变质岩岩屑及沉积岩岩屑, 少量火山岩岩屑, 含量分别为40.1%、52.5%、7.4%。变质岩岩屑主要为中高级变质岩岩屑, 沉积岩岩屑主要为泥岩、砂岩及灰岩岩屑。砂岩碎屑颗粒粒径平均0.5mm, 粗粒结构, 分选不好, 磨圆度较好, 多为浑圆状, 部分次棱角状, 杂基含量5%~15%, 砂岩结构成熟度与成分成熟度都较低, Q/(F+L) 平均为2.66(1.85~3.90)。砂岩经历了一定距离的搬运, 具有较好的磨圆度。三叠系砂岩较石炭系砂岩具有更多的不稳定成分 (多晶石英、岩屑), 而且三叠系砂岩中沉积岩岩屑明显增多, 老的沉积地体遭受剥蚀, 成为物源组成的重要部分。

砂岩地球化学分析测试由中国科学院地质与地球物理研究所完成, 常量元素为X荧光光谱分析。利用PQ2 Turbo ICP-MS等离子质谱仪测定了微量元素与稀土元素含量, 仪器工作参数：Power: 1350W, Nebulizer gas 0.78L/min；Auxiliary gas: 0.7L/min, Cool gas:13L/min；HNO₃, HF为亚沸蒸馏装置得的高纯制剂, 水为18mΩ高纯水。由于REE更容易在粘土粒级的沉积物中富集 (Bhatia, 1985), 因此为了便于在同类型岩石样品间的比较, 本文选取的样品除T695、T703为泥岩外, 其他均为砂岩样品。

南天山大山口水电站、巴音郭楞和野云沟三条剖面上石炭统碎屑岩地球化学研究表明 (表 4、表 5、表 6), 阿依里河组碎屑岩SiO₂含量变化较大, 为43.03%~83.35%, 平均57.89%, Al₂O₃含量平均为7.87%(4.68%~13.32%), MgO为1.82%(0.52%~4.44%), CaO为11.95%(2.31%~22.09%), Fe₂O₃^T为4.41%(2.77%~8.97%), K₂O为1.45%(0.66%~2.73%), Na₂O为0.79%(0.26%~1.52%)；砂岩REE分析结果表明, 平均ΣREE为130.1×10^-6, Eu异常为0.74, 轻稀土略有富集, La/Yb为13.97, (La/Yb)_N为9.4；微量元素分析表明, 阿依里河组砂岩样品特征微量元素Tu, U, Hf, Sc, Zr, Y平均含量分别为7.78×10^-6, 2.44×10^-6, 3.23×10^-6, 6.82×10^-6, 121.8×10^-6和17.5×10^-6, Rb/Sr, Th/U, La/Y, La/Sc, Th/Sc比值分别为0.28, 3.14, 1.27, 3.55和1.19。

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 南天山石炭系、三叠系碎屑岩常量元素含量 (wt%) Table 4 Major elements contents of the Carboniferous and Triassic sandstones in the south Tianshan (wt%) 样品号 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3T MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 LOI TOTAL 托云三叠系 T324 69.56 0.24 4.86 2.95 0.09 0.73 10.79 0.01 1.02 0.07 9.91 100.23 T329 73.31 0.27 5.36 3.70 0.08 1.93 6.15 0.01 0.90 0.08 8.36 100.15 T333 63.24 0.13 3.91 4.58 0.16 0.23 14.31 0.01 0.78 0.06 12.66 100.07 T341 83.04 0.18 4.95 2.65 0.06 0.61 3.23 0.01 0.63 0.03 4.70 100.08 大山口石炭系 T578 62.46 0.30 6.55 3.49 0.13 1.06 12.13 1.03 1.16 0.07 11.73 100.11 T657 44.08 0.18 4.76 2.77 0.02 1.24 22.29 0.36 0.85 - 23.21 99.76 T666 83.35 0.17 5.12 3.34 0 0.52 1.74 0.26 0.66 0.10 4.95 100.21 T671 56.39 0.50 7.67 8.97 0.02 1.25 12.52 0.48 1.16 0.04 11.01 100.01 T678 79.06 0.23 6.30 3.67 0.01 0.55 2.31 0.48 0.87 0.01 7.01 100.49 巴音郭楞石炭系 T690 55.48 0.18 4.68 2.86 0.08 1.92 17.02 1.05 0.77 0.06 16.04 100.13 T695 44.11 0.49 11.21 4.43 0.07 2.15 17.01 0.93 2.30 0.12 17.23 100.06 T700 53.05 0.59 13.32 5.20 0.07 3.23 9.02 1.52 2.55 0.15 11.53 100.23 T703 43.03 0.51 11.26 4.98 0.08 4.44 13.50 0.98 2.73 0.15 18.35 100.01

表 4 南天山石炭系、三叠系碎屑岩常量元素含量 (wt%) Table 4 Major elements contents of the Carboniferous and Triassic sandstones in the south Tianshan (wt%)

表 5

Table 5

表 5(Table 5)

表 5 天山南缘石炭系-三叠系碎屑岩稀土元素含量 (×10-6) Table 5 REE contents of the Carboniferous-Triassic sandstones in the southern margin of the Tianshan (×10-6) 样品号 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ∑REE LREE/HREE δEu La/Yb (La/Yb)N δCe 策大雅石炭系 T008 18.10 32.30 3.70 13.00 2.21 0.58 1.79 0.26 1.51 0.30 0.90 0.14 0.88 0.13 75.80 11.83 0.86 20.57 13.87 0.89 T025 18.70 33.90 3.80 13.90 2.30 0.53 2.14 0.32 1.95 0.39 1.18 0.16 1.14 0.17 80.58 9.82 0.72 16.40 11.06 0.89 T031 23.30 43.60 4.94 17.70 3.11 0.78 2.59 0.39 2.35 0.47 1.45 0.21 1.44 0.22 102.6 10.24 0.82 16.18 10.91 0.91 T034 15.20 28.70 3.20 11.60 2.04 0.49 1.67 0.25 1.45 0.28 0.83 0.12 0.85 0.13 66.81 10.97 0.79 17.88 12.06 0.92 T040 18.30 33.70 3.78 13.70 2.67 0.63 2.66 0.42 2.63 0.56 1.70 0.24 1.60 0.23 82.82 7.25 0.72 11.44 7.71 0.90 大山口石炭系 T578 17.68 31.37 3.80 13.97 2.65 0.63 2.44 0.39 2.30 0.48 1.35 0.21 1.39 0.21 78.90 7.99 0.74 12.72 8.58 0.86 T657 19.10 39.40 4.78 18.00 3.65 0.83 3.44 0.60 3.62 0.66 2.35 0.22 1.85 0.27 98.80 6.59 0.71 10.32 6.96 0.94 T666 11.50 19.30 2.44 9.12 1.43 0.52 1.45 0.23 1.19 0.22 0.79 0.10 0.72 0.11 49.10 9.21 1.09 15.97 10.77 0.81 T671 24.30 46.00 5.82 22.20 4.10 1.43 3.74 0.61 3.59 0.62 2.15 0.23 1.89 0.36 117.0 7.87 1.10 12.86 8.67 0.87 T678* 90.30 161.00 18.90 61.20 5.57 1.18 4.93 0.50 1.99 0.32 1.39 0.11 1.06 0.19 348.6 32.24 0.67 85.19 57.43 0.90 巴音郭楞石炭系 T690 12.23 22.03 2.78 10.99 2.29 0.57 2.11 0.35 2.02 0.40 1.10 0.17 1.09 0.16 58.27 6.88 0.78 11.21 7.56 0.83 T695 30.64 57.71 7.07 26.61 5.17 1.02 4.69 0.75 4.26 0.88 2.43 0.37 2.40 0.36 144.3 7.96 0.62 12.79 8.62 0.88 T700 36.51 68.70 8.27 30.34 5.70 1.08 5.03 0.79 4.45 0.93 2.56 0.40 2.53 0.39 167.7 8.82 0.60 14.41 9.72 0.89 T703 33.14 62.50 7.65 27.85 5.43 1.12 5.06 0.78 4.42 0.90 2.47 0.37 2.42 0.37 154.5 8.21 0.64 13.72 9.25 0.89 野云沟石炭系 R1 41.70 85.90 9.99 34.20 6.36 1.20 5.01 0.75 2.39 0.89 2.39 0.41 2.52 0.42 194.1 12.13 0.63 16.55 11.16 0.98 R2 31.70 64.90 7.01 26.30 4.77 0.81 3.77 0.59 3.30 0.67 1.88 0.29 1.75 0.25 148.0 10.84 0.56 18.11 12.21 0.97 R3 44.60 98.90 10.70 37.60 7.30 1.36 5.92 0.89 5.37 1.04 2.80 0.47 2.97 0.47 220.4 10.06 0.61 15.02 10.12 1.05 乌什城南石炭系 T185 24.00 44.50 5.48 20.40 4.03 1.04 3.70 0.56 3.10 0.57 1.59 0.22 1.32 0.18 110.7 8.85 0.81 18.18 12.26 0.87 T194 12.80 24.00 2.55 9.50 1.73 0.41 1.67 0.24 1.36 0.25 0.76 0.09 0.62 0.08 56.06 10.06 0.73 20.65 13.92 0.92 T195 12.50 19.10 2.12 7.40 1.31 0.29 1.16 0.18 1.02 0.20 0.61 0.08 0.55 0.08 46.60 11.01 0.70 22.73 15.32 0.80 T196 16.10 29.20 3.63 13.10 2.36 0.49 2.11 0.34 1.97 0.41 1.30 0.19 1.33 0.20 72.73 8.26 0.66 12.11 8.16 0.87 T199 16.30 27.50 3.30 11.40 1.90 0.34 1.46 0.22 1.33 0.27 0.87 0.13 0.95 0.15 66.12 11.29 0.60 17.16 11.57 0.84 T200 14.60 24.90 3.14 12.00 2.33 0.52 2.20 0.32 1.81 0.35 0.96 0.12 0.76 0.10 64.11 8.68 0.69 19.21 12.95 0.81 AHQ-P1 T228 6.60 9.90 1.25 4.30 0.71 0.13 0.60 0.10 0.63 0.14 0.46 0.07 0.53 0.08 25.50 8.77 0.59 12.45 8.40 0.77 T232 27.60 44.40 6.10 23.50 4.59 0.85 3.70 0.47 2.35 0.43 1.19 0.16 1.19 0.17 116.7 11.08 0.61 23.19 15.64 0.76 柯坪二叠系 T269 17.80 27.90 3.62 13.60 2.64 0.65 2.94 0.47 2.76 0.58 1.73 0.23 1.51 0.21 76.64 6.35 0.71 11.79 7.95 0.76 T275 19.30 34.50 3.79 13.60 2.55 0.52 2.35 0.37 2.30 0.51 1.53 0.22 1.40 0.20 83.14 8.36 0.64 13.79 9.29 0.89 T292 51.60 92.50 10.05 34.70 6.45 1.35 5.46 0.89 5.35 1.08 3.10 0.44 2.95 0.43 216.4 9.98 0.68 17.49 11.79 0.91 T293 18.70 35.10 4.04 15.30 3.14 0.73 3.18 0.53 3.24 0.70 2.17 0.31 2.06 0.30 89.50 6.17 0.70 9.08 6.12 0.90 乌恰托云三叠系 T324 12.75 21.20 2.92 10.96 2.30 0.53 2.17 0.36 2.11 0.42 1.12 0.16 1.04 0.16 58.17 6.73 0.71 12.24 8.25 0.78 T329 16.04 30.13 3.54 13.04 2.58 0.54 2.53 0.41 2.44 0.50 1.39 0.21 1.36 0.20 74.92 7.28 0.64 11.80 7.95 0.90 T333 11.50 20.39 2.45 9.44 2.12 0.51 2.41 0.41 2.44 0.49 1.34 0.20 1.25 0.19 55.16 5.31 0.69 9.17 6.19 0.85 T341 16.47 34.95 3.93 15.14 3.18 0.69 3.14 0.51 2.80 0.54 1.43 0.21 1.29 0.19 84.45 7.37 0.66 12.77 8.61 0.98 注：δEu=(Eu/0.087)/(((Sm/0.231)+(Gd/0.306))/2)；δCe=3*(Ce样品/66.7)/(2*(La样品/31.1)+(Nd样品/27.4))；球粒陨石标准化数据根据Boynton (1984)；轮台野云沟数据来自王家生等 (1999), APQ-P1为阿合奇县西下二叠统, *为误差较大的数据, 本文不予采用

表 5 天山南缘石炭系-三叠系碎屑岩稀土元素含量 (×10-6) Table 5 REE contents of the Carboniferous-Triassic sandstones in the southern margin of the Tianshan (×10-6)

表 6

Table 6

表 6(Table 6)

表 6 南天山石炭系-三叠系砂岩微量元素含量 (×10-6) Table 6 Trace elements contents of the Carboniferous-Triassic sandstones in the south Tianshan (×10-6) 样品号 巴音郭楞石炭系 大山口水电站石炭系 轮台策大雅石炭系 乌什城南石炭系 阿合奇县城西二叠系 柯坪县垃圾场二叠系 乌恰托云三叠系 T703 T700 T695 T690 T578 T657 T666 T671 T678 T008 T025 T031 T034 T040 T185 T194 T195 T196 T199 T200 T228 T232 T269 T275 T292 T293 T324 T329 T333 T341 Li 27.0 55.3 42.8 4.7 15.0 7.8 15.0 58.4 43.0 - - - - - - - - - - - - - - - - - 18.7 14.2 17.4 8.7 Be 2.1 2.2 1.9 0.8 0.9 0.6 0.7 1.9 1.1 - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.8 0.8 0.7 0.5 Sc 11.9 13.0 12.2 3.7 4.6 3.4 3.1 6.5 3.1 - - - - - - - - - - - - - - - - - 5.3 5.3 4.6 3.3 V 79.6 84.6 77.9 21.0 36.0 / / / / 29.0 32.0 41.0 21.0 43.0 53.0 23.0 15.0 20.0 20.0 16.0 14.0 54.0 19.0 33.0 24.0 47.0 33.7 46.7 42.0 21.5 Cr 60.0 63.5 62.2 30.2 55.5 / 9.8 37.1 29.1 30.0 40.0 60.0 30.0 30.0 40.0 20.0 20.0 30.0 40.0 20.0 40.0 90.0 20.0 30.0 10.0 60.0 42.8 62.6 40.7 37.8 Co 20.2 11.9 9.7 4.7 7.4 3.2 2.7 7.2 3.0 3.5 5.5 8.3 1.8 5.4 5.7 2.5 0.9 1.9 1.4 1.7 0.6 2.5 2.6 3.9 9.1 4.7 6.4 11.0 10.6 10.0 Ni 36.4 36.2 33.5 11.8 17.0 22.1 101.0 22.5 15.5 11.0 14.0 22.0 6.0 13.0 18.0 7.0 < 5 5.0 6.0 6.0 < 5 16.0 7.0 11.0 12.0 14.0 28.4 31.0 34.0 19.2 Cu 31.9 30.4 30.2 12.3 20.7 7.7 17.9 13.8 19.5 7.0 7.0 8.0 5.0 9.0 < 5 20.0 5.0 6.0 5.0 6.0 7.0 9.0 5.0 7.0 7.0 11.0 28.8 28.7 19.6 9.1 Zn 80.0 89.3 82.4 37.6 28.6 12.8 18.5 46.2 3.3 18.0 31.0 35.0 13.0 20.0 35.0 14.0 13.0 14.0 7.0 5.0 5.0 25.0 11.0 24.0 73.0 30.0 46.1 49.7 77.3 26.1 Ga 14.9 17.2 14.5 5.1 7.6 4.6 7.6 10.4 6.2 10.4 8.3 11.7 5.2 6.7 7.1 2.8 1.7 3.7 3.3 1.5 1.6 3.6 3.0 8.8 19.6 7.5 6.2 6.9 4.5 5.7 Rb 121 112 104 36.0 42.9 29.2 31.9 56.9 38.2 104 44.2 96.0 46.5 31.6 40.6 16.7 12.4 27.5 26.9 7.4 6.8 11.1 10.9 45.0 65.0 30.5 40.6 36.9 30.0 22.3 Sr 189 231 427 316 456 950 98.6 274 111 102 118 96.8 237 408 126 202 172 119 31.2 59.3 14.3 79.1 186 270 269 359 101 175 114 131 Y 24.6 24.3 23.3 11.4 13.0 21.5 7.7 20.4 10.9 8.9 11.6 13.5 8.0 17.3 16.5 8.6 6.8 12.5 8.0 10.6 4.2 12.4 16.8 16.2 32.8 22.7 11.8 14.6 14.2 14.5 Zr 131 134 125 114 166 60.4 168 116 83.0 90.0 158 253 129 69.0 84.0 71.0 60.0 329 310 28.0 214 226 193 78.0 271 197 71.4 75.4 53.6 93.0 Nb 10.7 12.7 10.6 4.5 6.8 4.4 4.6 10.7 6.1 4.7 6.1 8.2 4.4 4.0 10.6 3.0 1.7 5.5 5.3 1.1 1.9 3.5 3.5 6.1 25.6 7.4 5.0 5.9 4.0 4.1 Cs 9.8 9.6 7.7 2.2 1.8 0.9 0.8 2.1 1.4 3.1 2.2 3.3 1.1 1.3 1.7 0.5 0.3 0.7 0.6 0.3 0.3 0.6 0.5 1.6 1.7 1.5 3.7 2.3 2.6 1.0 Ba 473 409 368 191 541 121 416 1538 339 789 215 774 674 177 68.5 40.5 44.6 106 163 48.6 30.6 64.1 175 195 886 956 193 235 270 1090 Hf 3.7 4.0 3.6 3.1 4.6 1.6 3.2 3.4 1.9 2.4 4.1 6.5 3.5 1.9 2.2 1.8 1.5 8.5 7.9 0.8 5.3 5.6 4.8 2.3 7.5 5.0 1.9 2.1 1.5 2.5 Ta 0.8 1.0 0.8 0.4 0.6 0.3 0.3 0.5 0.1 0.4 0.5 0.7 0.4 0.3 0.7 0.2 0.1 0.4 0.4 0.1 0.2 0.2 0.3 0.5 1.8 0.5 0.4 0.5 0.3 0.3 Tl 0.7 0.6 0.6 0.2 0.2 0.9 0.6 1.2 0.9 0.5 < 0.5 0.5 < 0.5 1.7 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 0.2 0.2 0.2 0.2 Pb 27.6 21.4 20.3 10.5 11.9 12.4 7.4 10.2 6.7 20.0 13.0 17.0 9.0 8.0 < 5 7.0 5.0 11.0 6.0 7.0 < 5 7.0 8.0 17.0 15.0 17.0 9.2 11.5 19.2 7.4 Bi 0.6 0.5 0.3 0.1 0.1 0.1 0.0 0.2 0.1 - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.1 0.1 0.1 0.1 Th 11.5 14.5 11.6 4.1 6.6 5.9 3.4 7.2 5.3 4.3 5.6 7.1 4.6 2.9 4.7 2.3 2.9 5.4 4.5 1.7 1.9 4.8 4.3 5.2 14.2 4.9 4.5 5.9 4.9 3.5 U 2.9 3.1 2.8 1.7 3.4 1.8 2.4 2.3 1.6 1.3 1.9 1.8 1.0 4.7 1.5 1.3 0.8 1.7 2.9 0.8 0.6 1.5 0.7 3.3 3.9 1.8 0.8 1.1 1.3 1.0 Th/U 4.0 4.7 4.1 2.5 1.9 3.4 1.4 3.1 3.3 3.2 3.0 3.9 4.4 0.6 3.1 1.8 3.8 3.1 1.6 2.3 3.2 3.2 6.2 1.6 3.6 2.8 5.5 5.3 3.9 3.3 La/Th 2.9 2.5 2.6 3.0 2.7 3.3 3.4 3.4 17.2 4.2 3.3 3.3 3.3 6.4 5.1 5.5 4.3 3.0 3.6 8.5 3.5 5.8 4.1 3.7 3.6 3.8 2.8 2.7 2.3 4.8 Th/Sc 1.0 1.1 1.0 1.1 1.5 1.7 1.1 1.1 1.7 - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.8 1.1 1.1 1.1 La/Y 1.4 1.5 1.3 1.1 1.4 0.9 1.5 1.2 8.3 2.0 1.6 1.7 1.9 1.1 1.5 1.5 1.8 1.3 2.0 1.4 1.6 2.2 1.1 1.2 1.6 0.8 1.1 1.1 0.8 1.1 La/Sc 2.8 2.8 2.5 3.4 3.9 5.6 3.8 3.7 29.2 - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.4 3.0 2.5 5.0 Rb/Sr 0.6 0.5 0.2 0.1 0.1 0.0 0.3 0.2 0.3 1.0 0.4 1.0 0.2 0.1 0.3 0.1 0.1 0.2 0.9 0.1 0.5 0.1 0.1 0.2 0.2 0.1 0.4 0.2 0.3 0.2 注：/为未检出, -为未检测

表 6 南天山石炭系-三叠系砂岩微量元素含量 (×10-6) Table 6 Trace elements contents of the Carboniferous-Triassic sandstones in the south Tianshan (×10-6)

乌恰托云三叠系4个碎屑岩样品的主量元素分析表明 (表 4), SiO₂含量平均为72.29%(63.24%~83.04%), Al₂O₃含量平均为4.77%(3.91%~5.36%), MgO平均为0.88%(0.23%~1.93%), CaO平均为8.62%(3.23%~14.31%), Fe₂O₃^T平均为3.47%(2.65%~4.58%), K₂O平均为0.83%(0.63%~1.02%), Na₂O为0.01%。

砂岩REE分析 (表 5) 表明, 轮台策大雅石炭系5个碎屑岩样品平均ΣREE为81.71×10^-6, δEu平均为0.78, La/Yb平均为16.49, (La/Yb)_N平均为11.12；乌什县城南石炭系6个碎屑岩样品ΣREE平均为69.39×10^-6, δEu为0.70, La/Yb为18.34, (La/Yb)_N为12.36；阿合奇县城西下二叠统样品ΣREE为71.10×10^-6, Eu异常0.60, La/Yb为17.82, (La/Yb)_N为12.02；柯坪垃圾场4个中二叠统碎屑岩样品平均ΣREE为116.41×10^-6, Eu异常为0.68, La/Yb为13.04, (La/Yb)_N为8.79；乌恰托云下三叠统4个碎屑岩样品ΣREE平均为68.18×10^-6, Eu异常平均0.68, La/Yb为11.50, (La/Yb)_N为7.75。

天山南缘石炭系-三叠系碎屑岩样品均表现出轻稀土富集, 除大山口两个样品 (T666、T671) 外均表现为δEu的负异常, 且石炭系砂岩的异常值 (δEu=0.74) 要高于二叠系和三叠系 (δEu分别为0.66和0.68), 具有微弱的Ce异常。石炭系和二叠系具有相似的稀土元素含量特征, 而三叠系稀土元素含量要明显低于石炭系和二叠系。石炭系-三叠系轻、重稀土元素分馏程度变化较大, LREE/HREE、(La/Yb)_N从石炭系到三叠系依次降低, 轻、重稀土元素分馏程度及轻稀土富集程度依次减弱。为了便于比较, 将样品的各稀土元素含量用球粒陨石的含量进行标准化 (Boynton, 1984), 绘制在对数坐标上, 得到样品的稀土元素配分模式曲线 (图 2)。石炭系稀土元素分布范围较宽, 且具有多种不同的配分模式曲线, 说明石炭系碎屑物质具有多种不同的来源。而二叠系和三叠系的稀土元素分布相对集中, 且配分模式曲线相似, 说明二叠系和三叠系的碎屑物质具有相对单一的来源。

图 2

Fig. 2

图 2 天山南缘石炭系-三叠系砂岩稀土元素配分模式曲线 (球粒陨石标准化数据引自Boynton, 1984) Fig. 2 Chondrite-normalized REE patterns of the Carboniferous-Triassic sandstones in the southern margin of the Tianshan (Chondrite data after Boynton, 1984)

砂岩微量元素分析结果 (表 6) 表明, 轮台策大雅石炭系特征微量元素Tu, U, Hf, Zr, Y平均含量分别为4.91×10^-6, 2.14×10^-6, 3.68×10^-6, 139.80×10^-6, 11.86×10^-6, Rb/Sr, Th/U, La/Y比值分别为0.53, 3.05, 1.67；乌什城南石炭系Tu, U, Hf, Zr, Y平均含量分别为3.58×10^-6, 1.49×10^-6, 3.78×10^-6, 147×10^-6, 10.50×10^-6, Rb/Sr, Th/U, La/Y比值分别为0.28, 2.60, 1.58；阿合奇县城西二叠系Tu, U, Hf, Zr, Y平均含量分别为3.35×10^-6, 1.04×10^-6, 5.45×10^-6, 220×10^-6, 8.30×10^-6, Rb/Sr, Th/U, La/Y比值分别为0.31, 3.23, 1.90；柯坪垃圾场二叠系Tu, U, Hf, Zr, Y平均含量分别为7.14×10^-6, 2.41×10^-6, 4.90×10^-6, 185×10^-6, 22.13×10^-6, Rb/Sr, Th/U, La/Y比值分别为0.14, 3.56, 1.16；乌恰托云三叠系砂岩样品特征微量元素Tu, U, Hf, Sc, Zr, Y平均含量分别为4.71×10^-6, 1.06×10^-6, 2.02×10^-6, 4.63×10^-6, 73.36×10^-6和13.79×10^-6, Rb/Sr, Th/U, La/Y, La/Sc, Th/Sc比值分别为0.26, 4.50, 1.03, 3.23和1.02。石炭系-三叠系碎屑沉积物的Th/U比值是依次增大的, 而La/Th、La/Y比值依次减小。在风化和再循环过程中, 随着U的演化和丢失, Th/U比值具有增加的趋势 (Mclennan and Taylor, 1980), 说明二叠系、三叠系沉积物具有更多的风化再旋回物质。

从20世纪70年代开始, 砂岩碎屑组分分析得到了迅速发展及应用, 其中Dickinson图解 (Dickinson and Suczek, 1979；Ingersoll et al., 1984；Dickinson, 1985；李忠等, 1999；Weltje, 2006；Garzanti et al., 2007) 应用最为普遍, 其对砂岩物源区构造属性具有较好的判别作用。

杨栋栋等 (2011)利用Dickinson图解研究表明, 南天山上石炭统阿依里河组碎屑岩主要物源区属于再旋回造山带。在QpLvLs图解中, 进一步表明它们多数为消减杂岩来源, 少量为碰撞造山带来源, 在LvLmLs图解中, 它们主要靠近缝合带, 少量靠近混合的岩浆弧和裂开的大陆边缘。砂岩碎屑组分QFL图解 (图 3) 表明, 乌恰托云下三叠统砂岩主要物源区为再旋回造山带, 在QpLvLs中, 显示物源属于碰撞造山带, 而LvLmLs图解显示, 它们主要为裂开的大陆边缘, 部分为缝合带 (残留洋盆)。李忠等 (2004)通过对库车坳陷中生界-新生界碎屑组分的研究表明, 库车坳陷三叠系物源区主要为再旋回造山带, 早三叠世以陆内碰撞造山和褶皱冲断带为特征, 而中、上三叠统与弧造山带及混合造山带关系密切。这与乌恰托云下三叠统砂岩的分析结果基本一致。石炭系砂岩碎屑物源区的多重构造属性说明, 在南天山一带, 石炭纪南天山洋洋壳俯冲形成的消减杂岩及碰撞造山带物质已经为天山南缘石炭系提供物源供给。三叠系物源区碰撞造山的构造属性说明消减杂岩在三叠纪已不再作为主要的物源。

图 3

Fig. 3

图 3 南天山石炭系、三叠系砂岩QFL图解 ■轮台策大雅石炭系；▲大山口水电站石炭系；◆巴音郭楞石炭系；●乌恰托云三叠系 Fig. 3 The QFL diagrams of the Carboniferous and Triassic sandstones in the south Tianshan

Roser and Korsch (1988)根据碎屑岩主量元素判别函数F1-F2将碎屑岩物源划分为4个主要物源区：①铁镁质和少量中性火成岩源区, ②主要为安山岩的中性火成岩源区, ③长英质火成岩源区 (大陆边缘弧), ④古老的沉积地体或克拉通/再旋回造山带。F1-F2判别 (图 4) 表明, 天山南缘石炭系岩石样品主要落入中性火成岩源区及古老的沉积地体或克拉通, 少量落入长英质火成岩源区及铁镁质火成岩源区。乌恰托云三叠系4个碎屑岩样品中的2个落于P4源区, 即古老的沉积地体或克拉通/再旋回造山带, 另外2个分别为P2、P3源区, 即中性火成岩源区和长英质火成岩源区。

图 4

Fig. 4

图 4 南天山石炭系、三叠系砂岩F1-F2判别图 (仿Roser and Korsch, 1988) P1-镁铁质和少量中性火成岩源区；P2-主要中性火成岩源区 (主要为安山岩)；P3-长英质火成岩源区 (大陆边缘弧)；P4-古老的沉积地体或克拉通/再旋回造山带 Fig. 4 The F1-F2 discriminant diagram of the Carboniferous and Triassic sandstones in the south Tianshan (after Roser and Korsch, 1988)

稀土元素一直被认为是非迁移的, 所以源区岩石的稀土元素能够很好的保存在沉积物中, 能有效的用来判断源区的构造背景 (Bhatia, 1985；Bhatia and Crook, 1986)。将南天山石炭系-三叠系碎屑岩稀土元素分析结果与表 7中给出的不同构造背景杂砂岩REE特征值对比发现, 22个石炭系碎屑岩的源区构造背景更类似于大陆岛弧, 属于切割的岩浆弧；阿合奇县城西及柯坪垃圾场6个二叠系碎屑岩样品中除T292的REE含量较高, 与被动陆缘REE特征值相似外, 其它5个样品REE各项指标均介于大洋岛弧及大陆岛弧之间；乌恰托云三叠系4个碎屑岩样品REE值均介于大陆岛弧和大洋岛弧之间。从天山南缘石炭系-三叠系碎屑岩稀土元素配分模式曲线 (图 2) 可以看出, 石炭系的物源稍显复杂, 具有多重物源属性, 而二叠系、三叠系则相对较为单一, 物源属性基本相同。

表 7

Table 7

表 7(Table 7)

表 7 不同构造背景沉积盆地杂砂岩的REE特征 (据Bhatia, 1985) Table 7 REE characteristics of graywackes in sedimentary basins of different tectonic settings (after Bhatia, 1985) 构造背景 源区类型 La (×10-6) Ce (×10-6) ΣREE (×10-6) La/Yb (La/Yb)N ΣLREE/ ΣHREE Eu/Eu* 海洋岛弧 未切割的岩浆弧 8±1.7 19±3.7 58±10 4.2±1.3 2.8±0.9 3.8±0.9 1.04±0.11 大陆岛弧 切割的岩浆弧 27±4.5 59±8.2 146±20 11.0±3.6 7.5±2.5 7.7±1.7 0.79±0.13 安第斯型大陆边缘 上隆的基底 37 78 186 12.5 8.5 9.1 0.6 被动大陆边缘 克拉通内部构造高地 39 85 210 15.9 10.8 8.5 0.56

表 7 不同构造背景沉积盆地杂砂岩的REE特征 (据Bhatia, 1985) Table 7 REE characteristics of graywackes in sedimentary basins of different tectonic settings (after Bhatia, 1985)

Sc、Co、Th、Zr、Hf、Nb、Ti等元素由于在海水中较短的停留时间和在风化作用过程中性质稳定, 使得它们对物源及构造背景的判别具有良好的敏感性 (Bhatia, 1983, 1985；Bhatia and Crook, 1986)。天山南缘石炭系-三叠系碎屑岩微量元素含量与表 8中不同构造背景微量元素特征值的对比表明, 天山南缘石炭系及二叠系砂岩的微量元素含量和比值主要介于大陆岛弧和大洋岛弧之间, 乌恰托云三叠系砂岩微量元素及比值介于大洋岛弧与大陆岛弧之间, 与大陆岛弧更为接近, 而与活动大陆边缘和被动大陆边缘相去甚远。

表 8

Table 8

表 8(Table 8)

表 8 各种构造背景杂砂岩微量元素特征 (据Bhatia and Crook, 1986) Table 8 Trace element characteristics of graywackes in different tectonic backgrounds (after Bhatia and Crook, 1986) 构造背景 OIA (大洋岛弧) CIA (大陆岛弧) ACM (活动大陆边缘) PCM (被动大陆边缘) Th (×10-6) 2.27±0.7 11.1±1.1 18.8±3.0 16.7±3.5 U (×10-6) 1.09±0.21 2.53±0.24 3.90±0.5 3.20±0.8 Hf (×10-6) 2.1±0.6 6.3±2.0 6.8 10.1 Rb/Sr 0.05±0.05 0.65±0.33 0.89±0.24 1.19±0.40 Th/U 2.1±0.78 4.6±0.45 4.8±0.38 5.6±0.7 La/Y 0.48±0.12 1.02±0.07 1.33±0.09 1.31±0.26 La/Sc 0.55±0.22 1.82±0.3 4.55±0.8 6.25±1.35 Th/Sc 0.15±0.08 0.85±0.13 2.59±0.5 3.06±0.8

表 8 各种构造背景杂砂岩微量元素特征 (据Bhatia and Crook, 1986) Table 8 Trace element characteristics of graywackes in different tectonic backgrounds (after Bhatia and Crook, 1986)

由于La、Th、Zr是强不相容元素, Sc、Co是强相容元素, 因此, 它们的含量及比值对沉积物源特征及构造背景具有良好的示踪作用。Bhatia and Crook (1986)通过对澳大利亚东部浊积岩层序中的杂砂岩的微量元素建立的Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10判别图可清晰的判别大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘四种不同的构造环境。天山南缘石炭系-三叠系砂岩Th-Co/Sc-Zr/10图解显示 (图 5), 石炭系砂岩物质主要源自大陆岛弧, 少量来自活动大陆边缘及被动大陆边缘；二叠系及三叠系砂岩物质主要源于大陆岛弧。

图 5

Fig. 5

图 5 天山南缘石炭系-三叠系碎屑岩构造背景微量元素判别图 (仿Bhatia and Crook, 1986) A-大洋岛弧；B-大陆岛弧；C-活动大陆边缘；D-被动大陆边缘 Fig. 5 Th-Co-Zr/10 and Th-Sc-Zr/10 plots of the Carboniferous-Triassic sandstones for tectonic setting discrimination in the southern margin of the Tianshan (after Bhatia and Crook, 1986)

综合砂岩碎屑组分、常量元素、稀土元素与微量元素地球化学特征的判别, 南天山石炭系物源区岩石类型主要有变质岩、火山岩和沉积岩, 其构造背景主要显示为大陆岛弧, 其次为活动大陆边缘, 再其次为被动大陆边缘；二叠系物源区主要为大陆岛弧；三叠系物源区岩石类型主要为沉积岩、变质岩, 其大地构造单元属于大陆岛弧和有古老的沉积岩组成的陆块。从石炭系到三叠系碎屑物源构造属性的转变不难发现, 该区石炭纪的构造地貌景观与二叠纪和三叠纪的构造地貌景观是不同的。二叠纪和三叠纪的活动大陆边缘及被动大陆边缘源区的缺失, 说明了塔里木北缘被动陆缘进入了消减阶段, 不再提供物源。这种物源区大地构造属性的变化指示了南天山洋应于石炭纪闭合, 塔里木陆块与中天山-伊犁地块的碰撞应早于二叠纪, 二叠纪和三叠纪进入了塔里木古陆陆壳持续俯冲阶段。

(1) 南天山上石炭统阿依里河组均为细粒岩屑砂岩，结构成熟度和成分成熟度均较低。砂岩中石英平均含量70.3%，岩屑21.8%，长石7.9%。岩屑主要为变质岩岩屑；三叠系主要为细粒-粗粒岩屑砂岩，分选不好，磨圆度较好，砂岩中石英平均含量71.8%，岩屑24.2%，长石4.0%。

(2) 碎屑岩地球化学主元素分析表明，天山南缘石炭系碎屑岩有较低的Si含量和较高的Fe和Mg含量，平均SiO₂、Fe₂O₃^T和MgO分别为57.89%、4.41%和1.82%；三叠系与其相反，有较高的Si含量和较低的Fe和Mg含量，平均SiO₂、Fe₂O₃^T和MgO分别为72.29%、3.47%和0.88%。石炭系REE含量总体变化较大，∑REE平均为102.5×10^-6(46.60×10^-6~220.4×10^-6)，δEu为0.74，轻稀土略微富集，(La/Yb)_N为10.61；二叠系∑REE为101.3×10^-6，δEu为0.66，轻稀土富集，(La/Yb)_N为9.86；三叠系稀土总量明显较低，∑REE平均为68.18×10^-6，δEu为0.68，轻稀土富集，(La/Yb)_N为7.75。天山南缘石炭系-三叠系轻、重稀土元素分馏程度依次减弱，La/Th、La/Y比值依次减小，Th/U比值依次增大，表明来自再旋回的物质依次增多。

(3) 砂岩QFL图解和地球化学特征表明，南天山石炭系源岩主要为变质岩、火山岩和沉积岩，物源具有大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘构造背景；二叠系物质主要源自大陆岛弧；三叠系源岩主要为中高级变质岩和沉积岩，物源区具有类似于大陆岛弧及陆内山链的构造背景。

(4) 天山南缘石炭系-三叠系物源区构造属性的转变表明, 南天山洋应于石炭纪闭合, 塔里木陆块与中天山-伊犁地块在二叠纪以前开始碰撞。