一個不整合面引發(fā)的構造故事
——從天山艾維爾溝不整合談起

2013-08-11 14:00:12劉冬冬郭召杰張子亞

大地構造與成礦學 2013年3期

關鍵詞：蘆草小泉維爾

劉冬冬, 郭召杰, 張子亞

(北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871)

一個不整合面引發(fā)的構造故事
——從天山艾維爾溝不整合談起

劉冬冬, 郭召杰, 張子亞

(北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871)

天山烏魯木齊艾維爾溝二疊系蘆草溝組與三疊系小泉溝組之間發(fā)育一典型不整合面, 是該地區(qū)一次重要地質事件的標志。國內外針對該不整合發(fā)表了多篇相關論文, 提出了不同觀點。本文在對前人研究對比的基礎上, 系統分析了該不整合面的結構和沉積特征。同時, 對不整合面上下地層進行了U-Pb碎屑鋯石定年。定年結果顯示, 不整合面下伏的上二疊統蘆草溝組和上覆的上三疊統小泉溝組碎屑鋯石特征基本無差別, 都表現為明顯的單峰特征。表明在晚二疊世-晚三疊世之間天山北緣沒有經歷大的構造環(huán)境變動, 因此前人關于艾維爾溝不整合標志的洋盆閉合或者區(qū)域性擠壓事件的結論就不成立。綜合地層學和碎屑鋯石研究結果, 我們認為該不整合是一個沉積不整合, 是盆地在經由早二疊世的不對稱斷陷作用之后, 在晚二疊世-三疊紀時期進一步發(fā)生坳陷作用, 從而導致晚期地層超覆于早期地層之上而形成。這種斷坳轉換期形成的不整合現象, 在中國東部以及世界其他地區(qū)的斷陷盆地中都很普遍。

艾維爾溝不整合；成因爭議；碎屑鋯石；沉積不整合；斷坳轉換

0 前言

天山造山帶是中亞巨型復合造山帶的重要組成部分, 其北側為準噶爾盆地, 南側為塔里木盆地。天山造山帶與準噶爾盆地、塔里木盆地之間的構造耦合關系是中國地學界的一個熱點研究課題(Windley et al., 1990; Allen et al., 1993; Charvet et al., 2007, 2011; Han et al., 2011; 肖序常等, 1990; 何國琦等, 1994; 李錦軼和肖序常, 1999; 舒良樹等, 2004; 李曰俊等, 2009)。

烏魯木齊附近穿越天山的烏艾公路106 km里程碑附近艾維爾溝地區(qū)發(fā)育一典型不整合, 是該地區(qū)重要的構造標志(圖1)。然而對艾維爾溝不整合的構造解讀, 存在很多爭論。已發(fā)表的國際和國內期刊論文中多次提到艾維爾溝不整合并發(fā)表了相關照片, 但各方觀點差別很大。Xiao 等(2008)將艾維爾溝不整合作為三疊紀洋盆閉合的標志,但是廖卓庭等(2011)對此進行了反駁; Wartes等(2002)將艾維爾溝不整合作為晚二疊世區(qū)域性擠壓的證據, 但是蘇春乾等(2006)認為艾維爾溝不整合是伸展不整合。

一個艾維爾溝不整合就有這么多的觀點, 這與艾維爾溝不整合恰介于二疊紀-三疊紀之間有關。天山及其鄰區(qū)以洋盆閉合為標志的造山事件發(fā)生于晚古生代還是三疊紀, 是中亞造山帶構造演化研究中的關鍵問題(Windley et al., 1990; Allen et al., 1993; Gao et al., 1998; Wang et al., 2006, 2007; Charvet et al., 2007, 2011; Zhang et al., 2007; Han et al., 2009,2011; Xiao et al., 2009; 李錦軼和肖序常, 1999; 高俊等, 2006; 韓寶福等, 2006)。本文在綜合分析前人研究成果的基礎上, 對不整合面上下地層進行了詳細的沉積學分析和碎屑鋯石研究, 來探究不整合的性質及其成因, 進而討論其對天山晚古生代構造演化的啟示。

1 艾維爾溝不整合的成因爭議

1.1 艾維爾溝不整合是否是洋盆閉合區(qū)域性造山事件的標志？

Xiao 等 (2008)認為艾維爾溝不整合面下伏的上二疊統蘆草溝組為深海相濁積巖, 以此作為北天山地區(qū)直到晚二疊世仍處于大洋環(huán)境的證據, 由三疊系小泉溝組超覆形成的艾維爾溝不整合構造是天山地區(qū)造山作用結束的重要證據之一。Xiao 等(2008)的結論還結合了Zhang 等(2007)報道的南天山三疊紀超高壓變質巖證據和Li 等 (2005)報道的晚二疊世放射蟲化石證據。

而廖卓庭等(2011)對艾維爾溝不整合下伏二疊系的研究發(fā)現, 蘆草溝組是含有多門類陸相生物化石組合的陸相地層, 并非海相濁積巖, 它與準噶爾盆地東南緣廣泛分布的蘆草溝組的巖性和生物群特征相同, 時代歸屬晚二疊世最早期。艾維爾溝剖面沒有發(fā)現產有二疊紀、三疊紀海相生物化石的記錄, 當地出露良好的二疊系、三疊系, 其中各組都有確鑿的陸生生物化石可作為確定地層時代和解釋沉積環(huán)境的依據。Jong等(2009)認為Zhang等(2007)報道的高壓或超高壓變質巖中的二疊紀-三疊紀鋯石年齡可能是與折返之后地殼層次的熱液作用有關。Han等(2011)認為Li 等(2005)報道的疑似晚二疊世放射蟲保存太差, 僅憑這個證據難以作為天山洋晚二疊世-早三疊世閉合的證據。國內外多數學者的研究都支持天山在三疊紀-侏羅紀期間處于一個構造平靜期, 并沒有大的區(qū)域隆升事件(Dumitru et al., 2001; Jolivet et al., 2010; Han et al., 2011; Liu et al., 2013)。

圖1 艾維爾溝地區(qū)區(qū)域地質圖及剖面圖(據后峽幅K-45-X 1︰200000地質圖修改)Fig.1 Simplified geological map and cross section of the Aiweiergou area (modified after Houxia K-45-X 1︰200000 geological map)

1.2 艾維爾溝不整合是區(qū)域擠壓褶皺成因還是伸展成因？

Wartes 等 (2002) 認為天山在早二疊世和晚二疊世處于截然不同的沉積環(huán)境。早二疊世天山沉積相多樣, 存在大量的火山巖, 且盆地演化受盆地邊緣正斷層控制。沉積、構造和巖漿巖證據都表明早二疊世天山及其鄰區(qū)處于伸展環(huán)境。晚二疊世時期,天山處于擠壓環(huán)境, 晚二疊世地層彎曲是擠壓環(huán)境形成的褶皺。天山北緣和吐哈盆地轉變?yōu)榍瓣懪璧?晚二疊世地層褶皺變形支持了這一論點。艾維爾溝不整合就是擠壓褶皺條件下形成的不整合(Wartes et al., 2002)。

而蘇春乾等(2006)對天山北緣晚古生代到中生代地層系統中幾個重要的不整合面進行了觀察分析,認為天山地區(qū)在二疊紀中期以后到中生代時期以陸相拉張斷陷盆地為主, 并形成一系列斷陷盆地。艾維爾溝不整合是造山期后盆地內不整合, 是由盆地不對稱性的斷陷, 造成晚期地層角度不整合在早期地層之上, 是由斷塊掀斜造成的不整合。

由此可見，關于艾維爾溝不整合的成因及意義均存在重要的分歧。而這對于天山地區(qū)最終增生過程的限定以及盆山演化過程的解讀很關鍵，因此探究該不整合的類型和成因就顯得很重要。

2 艾維爾溝不整合的結構特征

2.1 艾維爾溝不整合地層巖石學特征

艾維爾溝不整合位于艾維爾溝煤礦地區(qū), 早在建國初期就已經被地質調查發(fā)現。不整合面下伏為二疊系, 上覆為三疊系 (圖3、4)。新疆區(qū)域地層表后峽幅1︰20萬地質圖(新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產調查局, 1974)將艾維爾溝的二疊系和三疊系分別稱為妖魔山群和小泉溝群, 歸于上二疊統和上三疊統。但新疆區(qū)域地層表編寫組考慮到妖魔山組與甘肅省奧陶系一組名相重而改稱蘆草溝組(P2l), 之后一直延續(xù)使用至今(新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產局, 1995)。

新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產局 (1995)對二疊系蘆草溝組的描述是: 主要巖性為灰黑、黑色、褐灰色頁巖、油頁巖、粉砂巖夾白云巖和少量砂巖, 主要為湖相地層(圖2)。蘆草溝組產豐富的葉肢介、雙殼類、腹足類、魚類、植物大化石和微古植物化石,這些陸相化石群組合指示的地質時代為烏菲姆期(Liao et al., 2001; 歐陽舒等, 2003), 與現今地質年代表樂平世最早期相當。如圖3a所示為蘆草溝組灰黑、褐灰色油頁巖, 圖3b所示為蘆草溝組灰黃色頁巖, 且含葉肢介化石, 表明該組為一套湖相沉積。

圖2 艾維爾溝地區(qū)地層柱狀圖(據后峽幅K-45-X 1︰200000修改)Fig.2 Generalized stratigraphic column of the studied sequences in the Aiweiergou area (modified after Houxia K-45-X 1︰200000 geological map)

圖3 艾維爾溝不整合處上二疊統蘆草溝組(a, b)和上三疊統小泉溝組(c, d)野外特征Fig.3 Outcrops of the Upper Permian Lucaogou Formation(a, b) and Upper Triassic Xiaoquangou Formation(c, d) in the Aiweiergou area

新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產局 (1995)對三疊系小泉溝組的描述是: 主要巖性為灰色、灰黃色、灰綠色砂巖、泥巖、暗灰色碳質泥巖、薄煤層, 夾菱鐵礦結合(圖2)。艾維爾溝地區(qū)觀察到的小泉溝組(圖3c, d)主要為一套灰黃、灰綠色細砂巖、細礫巖, 為典型的淺湖-沖積扇相地層。該剖面缺失下三疊統。

由此可見, 艾維爾溝地區(qū)不整合面上下的上三疊統和上二疊統雖然沉積微相存在一定差異, 但均為陸相地層, 為沖積扇-湖相沉積層系。其沉積特征指示兩者沉積環(huán)境并未有海相到陸相過渡的重大差異。具體的巖性描述見圖2。

2.2 艾維爾溝不整合面的幾何特征

艾維爾溝不整合面上下的幾何學和地層產狀的關系差別明顯, 局部表現為角度不整合和假整合。艾維爾溝不整合被烏艾公路分割, 公路北側(圖4a)和南側(圖4b)不整合特征有一定差異。

如圖4a所示, 烏艾公路北側的三疊系小泉溝組超覆于二疊系之上, 二疊系蘆草溝組存在明顯彎曲,三疊系基本沒彎曲。不整合面上覆的小泉溝組(T3xq)地層產狀為203°40°∠。不整合面之下的二疊系蘆草溝組(P2l)中存在一轉折端, 轉折端北側的蘆草溝組地層產狀為220°35°; ∠轉折端南側蘆草溝組地層傾向在185°～195°之間變化, 傾角在78°～53°之間變化,越靠近轉折端處越陡, 遠離轉折端變緩。但總體上轉折端兩翼二疊系地層都向南傾。

烏艾公路南側(圖4b)反應了二疊系蘆草溝組傾角由陡變緩的變化, 三疊系小泉溝組產狀為203°46°, ∠二疊系蘆草溝組傾向在189°～195°之間變化, 傾角在75°～45°之間變化, 二疊系離不整合面越遠處較陡, 逐漸過渡到與三疊系小泉溝組近平行,成為典型的假整合。

3 艾維爾溝不整合面上下地層碎屑鋯石和源區(qū)變化對比研究

3.1 樣品和分析方法

圖4 艾維爾溝不整合簡化示意圖和野外幾何特征(a鏡頭方向300°, b鏡頭方向110°)Fig.4 Simplified sketch map and characteristics of the outcrops of the Aiweiergou unconformity (camera direction a: 300°, b: 110°)

如果該不整合是區(qū)域構造事件的標志, 那么構造事件前后的構造地貌應發(fā)生了顯著改變, 其上下層系沉積物源應該明顯不同。為此我們從艾維爾溝不整合地區(qū)上二疊統-下侏羅統中采集了3個砂巖樣品進行碎屑鋯石研究, 來探討其源區(qū)特征的變化。樣品的平面分布和取樣層位見圖1、圖2。其中XJ12-05是上二疊統蘆草溝組灰黑色中粒砂巖, XJ12-06是上三疊統灰黃色粗砂巖, XJ12-07是下侏羅統八道灣組灰黃色粗砂巖。

詳細的分析方法如下: 按照標準的礦物分選流程, 經過巖石的破碎、淘洗、重液等過程使鋯石初步富集, 待去除雜質后得到純化的鋯石顆粒, 并于雙目鏡下進行隨機選取。進一步用鋼針隨機選取一定數量鋯石(一般＞200粒)置于雙面膠帶之上, 以環(huán)氧樹脂固結制靶。隨后通過打磨、拋光使鋯石的內部結構充分暴露, 以進行后續(xù)的陰極發(fā)光照相和選取潛在目標微區(qū)開展鋯石U-Pb定年(Li and Peng, 2010)。

陰極發(fā)光照相(CL)在北京大學HITACHI電子探針配置的S3000-N陰極發(fā)光系統上完成, 而鋯石的U-Pb同位素分析在中國地質大學的Agilent 7500a ICP-MS上完成。激光剝蝕系統采用的激光器型號為美國New Wave貿易有限公司的UP193SS型, 激光波長為193 nm, 以He作為載氣, 其流速為0.7 L/min,束斑直徑設為36 μm, 25 μm兩種。激光頻率為10 Hz,預剝蝕時間5 s, 剝蝕時間45 s。輔助氣為Ar, 其流速為1.13 L/min, RF功率為1350 W。U、Th、Pb的元素積分時間為20 ms, 其他元素為15 ms。同位素比值及元素含量計算采用軟件Glitter4.4, 年齡計算及年齡頻譜分布圖、諧和圖的繪制采用Isoplot3.0完成(Ludwig, 2003)。年齡計算時以標準鋯石Tommorrow為外標進行同位素比值校正, 標準鋯石Qinghu和91500作為監(jiān)控盲樣, 元素含量以國際標樣NIST610為外標, Si為內標進行計算, NIST612和NIST614作為監(jiān)控盲樣。204Pb校正方法同(Andersen, 2002)。

通常對于碎屑鋯石的U-Pb(LA-ICP-MS)定年來說, 80～120粒左右鋯石能夠基本滿足年齡分布統計分析的要求。本研究對每個樣品分別隨機選取了100粒鋯石進行分析測試, 其結果應該可以反映源區(qū)特征。在分析過程中, 不諧和度＞10%的年齡被排除, 鋯石U-Pb同位素分析和年齡結果列于附表中(正文后)。

3.2 U-Pb碎屑鋯石定年結果

3.2.1 上二疊統蘆草溝組樣品(樣號XJ12-05)

對上二疊統蘆草溝組砂巖樣品XJ12-05中100粒鋯石分析測試, 共得到99個有效數據點。U-Pb鋯石年齡分布在240～1094 Ma之間, 其中93顆鋯石年齡分布在240～380 Ma之間(93.9%)(圖5)。絕大部分都有清晰的巖漿生長環(huán)帶, 且有較高的Th/U比值(0.35～1.58), 為巖漿鋯石(Hanchar and Rundnick, 1995; Corfu et al., 2003)。少數鋯石陰極發(fā)光圖像無明顯環(huán)帶, 且Th/U比值低(＜0.26), 可能是變質鋯石(Hoskin and Black, 2000)。剩下6顆鋯石年齡在400～482 Ma(3粒)和917～1094 Ma之間(3粒)。其中, 400～482 Ma之間的鋯石也具有典型的巖漿鋯石的特征, 而917～1094 Ma的3粒鋯石應為變質鋯石。U-Pb鋯石年齡分布和諧和圖見圖5。

3.2.2 上三疊統小泉溝組樣品(樣號XJ12-06)

對上三疊統小泉溝組樣品XJ12-06中100粒鋯石進行U-Pb鋯石定年, 共得到92個諧和年齡點。U-Pb年齡分布在288～1735 Ma之間。其中88顆鋯石年齡分布在288～380 Ma之間(95.7%), Th/U比值介于0.40～1.56之間, 結合鋯石陰極發(fā)光圖像, 除2?？赡艽嬖谧冑|影響外, 其余多數為巖漿成因。其余4顆鋯石可分為兩組: 400～418 Ma(3粒)和1735 Ma (1粒), Th/U比值都較高(0.65～0.98), 結合陰極發(fā)光結構分析, 都顯示巖漿成因特點。

圖5 艾維爾溝地區(qū)晚二疊世到早侏羅世砂巖樣品U-Pb碎屑鋯石年齡分布圖和U-Pb諧和圖Fig.5 Relative probability plots and U-Pb concordia diagrams for detrital zircons from the Late Permian to Early Jurassic sandstone samples in the Aiweiergou area

上二疊統蘆草溝組樣品XJ12-05和上三疊統小泉溝組樣品XJ12-06都表現為明顯的單峰特征, 年齡集中在晚泥盆世-二疊紀。

3.2.3 下侏羅統八道灣組樣品

對下侏羅統八道灣組樣品XJ12-07中100粒鋯石進行U-Pb鋯石定年, 共得到100個諧和年齡點。U-Pb年齡分布在240～896 Ma之間。鋯石年齡可分為以下三組: 240～370 Ma(81粒), 390～545 Ma(18粒), 896 Ma(1粒)。對于240～370 Ma這組物緣年齡, 其Th/U比值介于0.37～1.28, 主要為巖漿成因; 390～545 Ma年齡區(qū)間內的18粒鋯石, 除2粒可能存在變質影響外(低Th/U比值, 鋯石無巖漿環(huán)帶), 其余多為巖漿成因。剩下的一顆前寒武年齡895 Ma鋯石, 根據其清晰的巖漿環(huán)帶結構和高Th/U比值(0.85), 判斷其也應為巖漿鋯石。

下侏羅統八道灣組樣品相比上二疊統和上三疊統樣品, 早古生代年齡明顯增多。

3.3 碎屑鋯石源區(qū)分析

中天山基底主要由變質的元古宇基底序列組成,且廣泛地被380～490 Ma的花崗質巖體侵入, 這主要與中天山南緣洋盆的俯沖增生事件有關(Zhou et al., 2001; Charvet et al., 2007, 2011; Glorie et al., 2010;韓寶福等, 2004)。因此艾維爾溝地區(qū)砂巖樣品中380～540 Ma和前寒武年齡應來自于中天山。

自晚泥盆世起, 北天山洋向南俯沖到古天山活動陸緣之下, 導致哈薩克斯坦-伊犁-北天山板塊與準噶爾地塊在石炭紀時期的碰撞作用, 形成伊犁-北天山弧(Carroll et al., 1995; Gao et al., 1998; Charvet et al., 2007, 2011; 李錦軼等, 2006)。綜合前人對現有的天山巖石學、地球化學、地質年代學的研究, 大部分支持北天山洋在晚石炭世已經閉合(Wang et al., 2006, 2007; Han et al., 2009, 2011; Chen et al., 2011; Shu et al., 2011; Dong et al., 2011; Yang et al., 2012; 夏林圻等, 2002, 2007; 徐學義等, 2005, 2006; 韓寶福等, 2006; 李寧波等, 2012; 劉冬冬等, 2012)。如圖1所示, 艾維爾溝地區(qū)泥盆紀地層發(fā)生強烈褶皺變形, 說明存在強烈的區(qū)域性構造事件, 而二疊紀到之后的三疊紀以及侏羅紀地層變形程度都要弱很多, 表明此時北天山構造活動相比俯沖碰撞期已經明顯減弱, 間接說明此時北天山洋已經閉合。

自晚石炭世以后, 天山及其鄰區(qū)分布大量伸展性的后碰撞巖漿巖并伴有剪切走滑運動(Wang et al., 2006, 2007; Charvet et al., 2007, 2011; 韓寶福等, 2006)。因此艾維爾溝地區(qū)晚二疊世-早侏羅世砂巖樣品中的250～380 Ma的鋯石年齡應是來自于北天山地區(qū)俯沖增生以及同碰撞和后碰撞巖漿巖體。

4 艾維爾溝不整合成因分析及其意義

4.1 晚古生代到早中生代北天山盆山演化

自晚石炭世北天山洋閉合以后, 天山進入新一輪的造山后陸內發(fā)展時期, 以陸內斷陷、走滑構造運動為特征(如Wartes et al., 2002; Wang et al., 2006, 2007; Charvet et al., 2007, 2011; Han et al., 2009, 2011; Dong et al., 2011; Yang et al., 2012; 韓寶福等, 2006)。二疊紀之后天山及鄰區(qū)進入了陸內沉積(盆地)階段。天山地區(qū)以陸相拉張斷陷盆地為主, 形成一系列斷陷盆地(劉冬冬等, 2012)。

艾維爾溝地區(qū)觀察到的上二疊統蘆草溝組為一套湖相沉積, 證實了此時北天山已發(fā)育陸相盆地。另外, 對蘆草溝組樣品XJ12-05的碎屑鋯石研究發(fā)現, 其鋯石年齡分布表現為明顯的單峰特征(圖5), 94%年齡都集中在240～380 Ma之間, 表明此時在北天山洋閉合之后, 二疊紀時期北天山碰撞抬升, 由于碰撞后地勢較高, 阻止了外源碎屑的加入, 因而較遠的中天山物緣就很少在上二疊統砂巖樣品中見到。以上種種證據都表明天山在晚二疊世仍為海相環(huán)境的結論(Xiao et al., 2008)不成立, 北天山在晚二疊世處于伸展斷陷環(huán)境, 發(fā)育伸展斷陷盆地。

二疊紀之后由于伸展作用的延續(xù), 沉積范圍擴大, 逐漸演變?yōu)檑晗菖璧?蘇春乾等, 2006; 廖卓庭等, 2011)。艾維爾溝盆地中的蘆草溝組與小泉溝組之間的不整合處地層層序均以正旋回層序為特征。巖性層序由粗變細, 沉積相演化序列為沖積扇相→河流相→湖泊相, 沒有見到反旋回的地層層序。在艾維爾溝盆地中, 沒有擠壓褶皺作用的顯示, 卻指示了差異升降作用。其角度不整合一般產于斷陷盆地的邊緣, 向盆地內部可過渡為整合接觸。顯示了與拉張過程中的同生斷裂對斷塊產生的掀斜作用有關(蘇春乾等, 2006)。李忠權等(1998)、陳發(fā)景等(2004)研究了此類不整合, 分別稱為“拉張伸展角度不整合”、正旋回超覆不整合, 都認為該類不整合是拉張背景下的產物。

通過對艾維爾溝地區(qū)上三疊統砂巖樣品XJ12-06碎屑鋯石研究, 指示上三疊統和上二疊統砂巖樣品碎屑鋯石特征很接近, 也表現為明顯的單峰特征(圖5), 96%的鋯石年齡都集中在288～380 Ma之間, 說明晚二疊世到晚三疊世期間北天山地區(qū)構造背景沒有發(fā)生重大變化, 晚三疊世時期延續(xù)了二疊紀時期的伸展背景。因而北天山地區(qū)在晚二疊世-晚三疊世時期也不存在大規(guī)模的區(qū)域性擠壓事件。

侏羅紀時期, 沉降作用進一步加大, 沉積范圍進一步變廣, 侏羅紀沉積地層廣泛分布在天山地區(qū),即使在現今高聳的天山山脈上也有發(fā)現侏羅紀沉積地層, 說明侏羅紀時期天山地勢較低, 整個天山處于一個準夷平的過程。天山地區(qū)裂變徑跡研究也證實了直到白堊紀天山才開始隆升(Dumitru et al., 2001; Jolivet et al., 2010)。下侏羅統樣品XJ12-07的碎屑鋯石特征總體也表現為晚古生代的峰值年齡(圖5), 但早古生代年齡明顯增多, 說明了三疊紀的沉降作用在侏羅紀延續(xù), 并且范圍變得更大, 使得中天山物緣碎屑得以更多地搬運到北天山地區(qū), 表明盆地范圍擴大。因而, 下侏羅統八道灣組與上三疊統小泉溝組之間的不整合也應是相同的構造成因,都是盆地在伸展坳陷過程中形成的超覆不整合, 而非擠壓不整合。

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4.2 艾維爾溝不整合的成因

自晚石炭世北天山洋閉合之后, 從二疊紀開始天山北緣形成一系列斷陷盆地, 但盆地相互獨立,沉積不連續(xù)。到三疊紀時期, 伸展作用持續(xù), 由于不同的熱力沉降和沉積壓實作用, 沉積地層向著盆地中心(軸)傾斜, 這與伸展階段斷塊旋轉向著平臺傾斜方向相反。不同盆地內位置, 單個次盆地和小斷塊的特征都差別很大, 形成一個連續(xù)大范圍的坳陷盆地。于是才有了三疊系超覆于二疊系斷陷盆地地層之上的現象。上述不整合的發(fā)育可用圖6示意。

圖6中方框指示的位置就與艾維爾溝地區(qū)觀察到的不整合現象一致。蘆草溝組的彎曲是由于盆地在早二疊世的斷陷作用之后, 斷塊發(fā)生旋轉作用,后沉積的地層沉積在斷塊轉折端就會自然地相應彎曲。從邊緣到中心沉積地層傾角由陡變緩, 到頂端逐漸與超覆于其上的地層近一致。這與野外觀察到的現象相符。艾維爾溝不整合也說明了當我們在看到一個褶皺的時候, 并不一定就能確定其為擠壓條件下形成的, 伸展斷陷之后再沉積也能形成地層彎曲的褶皺現象。

圖6 斷陷盆地向坳陷盆地轉換形成不整合構造模式圖Fig.6 Tectonic model of the transition process from faulted depression basin to purely extensional basin

4.3 斷坳轉換形成不整合的其他例子

艾維爾溝不整合是由斷坳轉換時期形成的沉積不整合, 而非擠壓環(huán)境下形成的褶皺不整合。這一構造現象在中國東部地區(qū)以及世界上其他地方都有發(fā)現。

以松遼盆地為例, 松遼盆地中生代處于大規(guī)模伸展拉張的構造環(huán)境下, 因此伸展斷裂十分發(fā)育。松遼盆地在火石嶺期為初始張裂期, 沙河子期、營城期為斷陷主要擴張期, 并在沙河子末期、營城末期發(fā)生構造轉換。從登婁庫期開始, 從斷陷過渡為坳陷(蒙啟安等, 2005; 孫曉猛等, 2007; 陳娟等, 2008)。松遼盆地現有的地震反射數據都指示斷坳轉換期形成的一系列沉積不整合。這些不整合的地震剖面特征都與艾維爾溝不整合處野外觀察到的相似(張璽, 2006; 杜金虎, 2010)。

另外, 對位于渤海灣盆地的青東坳陷古近紀構造演化進行研究發(fā)現, 該凹陷古近紀可以劃分為孔店組-沙四下亞段、沙四上亞段、沙三段、沙二段四個構造亞層, 其中孔店組-沙四下亞段與沙四上亞段之間表現為明顯的角度不整合, 表明經歷了復雜的盆地轉換過程(王文君等, 2012)?？椎杲M-沙四下亞段與沙四上亞段之間的角度不整合與艾維爾溝不整合也有相似的特征。

在北海東北地區(qū)侏羅紀-白堊紀時期也發(fā)育一系列同裂谷-后裂谷轉換相關的不整合構造(Kyrkjeb? et al., 2004)。該不整合幾乎覆蓋整個盆地,在地震反射資料和測井數據中有明顯的特征, 且易于辨認和識別, 使得它成為該地區(qū)最重要的地表標志。該不整合在地震剖面上也顯示是角度不整合和假整合的綜合。

類似的斷陷向坳陷轉換期形成這種沉積不整合的例子還有很多。國內外多方面的例子充分證明了艾維爾溝不整合形成的真實原因: 是二疊紀-三疊紀時期天山北緣從斷陷向坳陷轉換形成的沉積不整合, 而非區(qū)域性擠壓環(huán)境下形成的褶皺不整合。

5 結論

本文在總結前人對艾維爾溝不整合的成因爭議的基礎上, 系統描述了艾維爾溝不整合的巖石學和幾何特征, 結合碎屑鋯石研究, 分析了其成因并討論相關的爭議問題, 主要得出以下結論:

(1) 艾維爾溝不整合下伏的上二疊統蘆草溝組和上覆的上三疊統小泉溝組均為沖積扇-湖相陸相沉積地層, 指示不整合面上下層系沒有海相到陸相過渡的重大差異。

(2) 對艾維爾溝不整合上下層系的碎屑鋯石研究發(fā)現, 上下地層碎屑鋯石特征非常相似, 表明天山北緣在晚二疊世到晚三疊世期間其構造地貌并沒有發(fā)生顯著改變, 因而也不存在區(qū)域性的擠壓事件。

(3) 艾維爾溝地區(qū)二疊系蘆草溝組與三疊系小泉溝組之間的不整合是盆地在經由早二疊世的斷陷作用之后, 發(fā)生斷塊掀斜作用, 晚期坳陷期地層超覆于早期掀斜地層之上而形成。早侏羅世與晚三疊世之間的不整合也是相似的成因。侏羅紀時期沉降作用延續(xù)并范圍擴大。斷坳轉換期形成不整合的現象在中國東部以及世界上其他地區(qū)的斷陷盆地中都有相近的例子。

致謝: 衷心感謝南京大學舒良樹教授和另一位匿名審稿專家對本文提出的寶貴修改意見和建議！同時,感謝中國地質大學(北京)地質實驗中心蘇犁老師及鐘靈汐、李嬌等在LA-ICP-MS U-Pb定年過程中給予的幫助和支持。

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A New Viewpoint of the Aiweiergou Unconformity, Northern Tian Shan, Xinjiang

LIU Dongdong, GUO Zhaojie and ZHANG Ziya
(School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China)

A typical unconformity lies between the Permian Lucaogou Formation and Triassic Xiaoquangou Formation in the Aiweiergou area (Northern Xinjiang), which suggests an important geological event. Several papers have been published concerning this unconformity with quite different views regarding the causes and significances. Based on previous studies, we have systematically analyzed the structure and sedimentary characteristics of the unconformity. Detrital zircon U-Pb analyses show that the age patterns between the underlying Upper Permian Lucaogou Formation and overlying Middle-Upper Triassic Xiaoquangou Formation are similar, both are near-unimodal. The results indicate that no great change of tectonic setting occurred during Late Permian and Late Triassic in the northern Tian Shan. Thus the prevalence views about the unconformity, such as standing for the closure of the North Tian Shan Ocean or regional compressional event, are incorrect. Based on previous studies and our U-Pb dating of the detrital zircons, we believe that the unconformity is a sedimentary unconformity, which was caused by further depression after asymmetric depression fault process of the basin. Such structural phenomenon was discovered and reported in many other places, like Chinese eastern basins and North Sea basin.

Aiweiergou unconformity; cause debate; detrital zircon; depositional unconformity; fault depression basin to purely extensional basin