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北天山构造带晚侏罗世构造隆升与沉积学响应

查显锋 李平 高晓峰 计文化 茹乾 王志华

查显锋, 李平, 高晓峰, 计文化, 茹乾, 王志华. 北天山构造带晚侏罗世构造隆升与沉积学响应——来自雀尔沟地区喀拉扎组地震岩及区域构造变形的启示[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
引用本文: 查显锋, 李平, 高晓峰, 计文化, 茹乾, 王志华. 北天山构造带晚侏罗世构造隆升与沉积学响应——来自雀尔沟地区喀拉扎组地震岩及区域构造变形的启示[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
ZHA XianFeng, LI Ping, GAO XiaoFeng, JI WenHua, RU Qian, WANG ZhiHua. Sedimentary Response to Tectonic Uplift of the North Tianshan Orogenic Belt in the Upper Jurassic: Implication for the seismites in the Karazha Formation and regional deformation in Que’ergou area, Xinjiang[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
Citation: ZHA XianFeng, LI Ping, GAO XiaoFeng, JI WenHua, RU Qian, WANG ZhiHua. Sedimentary Response to Tectonic Uplift of the North Tianshan Orogenic Belt in the Upper Jurassic: Implication for the seismites in the Karazha Formation and regional deformation in Que’ergou area, Xinjiang[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040

北天山构造带晚侏罗世构造隆升与沉积学响应——来自雀尔沟地区喀拉扎组地震岩及区域构造变形的启示

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
基金项目: 

中国地质调查局地质调查项目 DD20190065

西北地区矿产资源潜力评价与综合 1212010881632

详细信息
  • 中图分类号: P534.52

Sedimentary Response to Tectonic Uplift of the North Tianshan Orogenic Belt in the Upper Jurassic: Implication for the seismites in the Karazha Formation and regional deformation in Que’ergou area, Xinjiang

Funds: 

Geological Survey Project of CGS DD20190065

Potential Evaluation and Comprehensive Analysis on Mineral Resource in NW China 1212010881632

  • 摘要: 天山构造带是经历了多期次隆升—剥蚀过程而呈现今地形地貌特征的。在北天山山前的准噶尔盆地南缘雀尔沟一带上侏罗统喀拉扎组中发现一系列软沉积变形构造,如负载构造、液化砂岩脉、纹层卷曲变形、V型地裂缝等,属于典型的地震岩,为探讨晚侏罗世构造—沉积关系提供了重要的研究载体和时限约束。对喀拉扎组古水流方向及砾石成分分析的结果显示,喀拉扎组主要物源来自南侧依连哈比尕山地区石炭纪的火山—碎屑岩系。结合相对构造变形序列,认为北天山构造带—准噶尔盆地南缘于晚侏罗世(喀拉扎组沉积期)发生强烈的构造抬升,形成早期山前断裂带及喀拉扎组地震岩事件沉积。区域构造—沉积过程分析表明,沿北天山构造带—准噶尔盆地南缘边界断裂发生的多期次隆升、逆冲构造,揭示了盆—山构造边界和盆地沉积边界向北迁移的动态演化过程。多阶段构造隆升的动力学机制尚不明确,进一步开展构造—沉积过程研究以精细刻画盆—山结构动态演化过程,可能是理解其地球动力学机制的有效途径。
  • 图  1  研究区构造位置(a)和构造地质简图(b)

    Figure  1.  Study area: (a) tectonic location; (b) geological map

    图  2  上侏罗统喀拉扎组柱状图及典型软沉积变形构造

    Figure  2.  Stratum histogram and typical soft-sediment deformation structures in Upper Jurassic Karazha Formation

    图  3  喀拉扎组砾石成分统计(a)和古流向分析(b)

    Figure  3.  Karazha Formation: (a) gravel composition; (b) paleocurrent analysis

    图  4  雀尔沟地区构造剖面图(图例同图1)

    Figure  4.  Structural profile in Que’ergou area (legends as for Fig.1)

    图  5  区域构造—沉积过程示意图(地层代号同图1)

    Figure  5.  Schematic of regional tectonic⁃sedimentary processes (stratigraphic units as for Fig.1)

    图  版Ⅰ  喀拉扎组砾岩露头特征及地震岩组合

    图  版Ⅱ  工区地层露头及典型构造变形特征

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-10
  • 刊出日期:  2022-10-10

目录

    北天山构造带晚侏罗世构造隆升与沉积学响应

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
      基金项目:

      中国地质调查局地质调查项目 DD20190065

      西北地区矿产资源潜力评价与综合 1212010881632

    • 中图分类号: P534.52

    摘要: 天山构造带是经历了多期次隆升—剥蚀过程而呈现今地形地貌特征的。在北天山山前的准噶尔盆地南缘雀尔沟一带上侏罗统喀拉扎组中发现一系列软沉积变形构造,如负载构造、液化砂岩脉、纹层卷曲变形、V型地裂缝等,属于典型的地震岩,为探讨晚侏罗世构造—沉积关系提供了重要的研究载体和时限约束。对喀拉扎组古水流方向及砾石成分分析的结果显示,喀拉扎组主要物源来自南侧依连哈比尕山地区石炭纪的火山—碎屑岩系。结合相对构造变形序列,认为北天山构造带—准噶尔盆地南缘于晚侏罗世(喀拉扎组沉积期)发生强烈的构造抬升,形成早期山前断裂带及喀拉扎组地震岩事件沉积。区域构造—沉积过程分析表明,沿北天山构造带—准噶尔盆地南缘边界断裂发生的多期次隆升、逆冲构造,揭示了盆—山构造边界和盆地沉积边界向北迁移的动态演化过程。多阶段构造隆升的动力学机制尚不明确,进一步开展构造—沉积过程研究以精细刻画盆—山结构动态演化过程,可能是理解其地球动力学机制的有效途径。

    English Abstract

    查显锋, 李平, 高晓峰, 计文化, 茹乾, 王志华. 北天山构造带晚侏罗世构造隆升与沉积学响应——来自雀尔沟地区喀拉扎组地震岩及区域构造变形的启示[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
    引用本文: 查显锋, 李平, 高晓峰, 计文化, 茹乾, 王志华. 北天山构造带晚侏罗世构造隆升与沉积学响应——来自雀尔沟地区喀拉扎组地震岩及区域构造变形的启示[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
    ZHA XianFeng, LI Ping, GAO XiaoFeng, JI WenHua, RU Qian, WANG ZhiHua. Sedimentary Response to Tectonic Uplift of the North Tianshan Orogenic Belt in the Upper Jurassic: Implication for the seismites in the Karazha Formation and regional deformation in Que’ergou area, Xinjiang[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
    Citation: ZHA XianFeng, LI Ping, GAO XiaoFeng, JI WenHua, RU Qian, WANG ZhiHua. Sedimentary Response to Tectonic Uplift of the North Tianshan Orogenic Belt in the Upper Jurassic: Implication for the seismites in the Karazha Formation and regional deformation in Que’ergou area, Xinjiang[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1250-1264. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.040
      • 天山构造带是多期复合造山带,主要经历了古生代古亚洲洋演化阶段和中新生代构造复活再造山过程。古生代洋盆于晚石炭世[1-2]或二叠纪—三叠纪最终闭合[3-5]转入板内构造演化阶段。现今的天山山脉被认为是古生代的古天山被逐渐剥蚀夷平[6],并于中—新生代构造复活再造而形成的[7-8]

        目前,基于沉积盆地分析[9-13]、构造—热年代学[14-18]、构造地貌分析[1,8,19-21]及地球物理[22-26]等方面的研究为揭示天山造山带中—新生代构造隆升过程及盆—山结构取得了一系列重要的成果和认识。已有的研究表明,天山造山带经历了多阶段构造隆升过程,在造山带的不同部位表现为差异隆升的特征,并呈由山系向盆地一侧逐渐扩展的隆升模式[13,16,19]。尽管在上述研究方面已形成了一些重要共识,但对天山造山带开始隆升时间方面还存在以下分歧:1)隆升作用发生于晚新生代以来[10,13,19,27-29];2)中生代末期—新生代早期[7,30];3)晚侏罗世—早白垩世[14,31-36];4)晚古生代—早侏罗世[17-18,32]。此外,大量的研究集中在新生代以来天山构造带的隆升过程的精细刻画,而对早期(如燕山期)构造活动及其与沉积作用关系的探讨还相对较少。一方面,对隆升时限的精确限定是准确认识同期构造活动动力学机制的关键;另一方面,造山带构造隆升剥蚀与盆地沉降沉积的关系不仅是地表地质作用过程的耦合,也是追溯成因和动力学机制联系[21]的重要基础地质问题。因此,对天山构造带隆升时限的认识分歧,限制了对陆内造山变形过程和机理的准确理解[14,37];而对早期(如燕山期)构造—沉积作用关系研究的不足也必然制约了我们对同期盆—山耦合关系[38]的深入认识。

        因此,进一步探究天山构造带—准噶尔盆地结合部位构造变形、沉积作用,及其二者间的联系,对深入认识构造隆升的动力学机制和盆—山关系都显得至关重要。基于1∶50 000区域地质调查,在新疆昌吉雀尔沟一带的上侏罗统喀拉扎组中新发现了一系列软沉积变形构造,为进一步探讨晚侏罗世区域构造—沉积过程及盆—山关系提供良好的研究载体和同沉积构造时限约束。本文在查明研究区地层分布及相互关系的基础上,开展野外构造解析,建立了相对构造变形序列;并对北天山构造带—准噶尔盆地南缘构造—沉积过程进行对比分析,结合分析已有的构造—热年代学资料,进而探讨喀拉扎组软沉积变形构造的成因及地球动力学意义。

      • 天山构造带绵亘于亚洲大陆的中部,是一个多期复合造山带,其古生代构造格局大致以那拉提北坡断裂、中天山南缘断裂、塔里木北缘断裂为界划分为哈萨克斯坦—伊利地块、中天山复合地体、塔里木北部陆缘及塔里木地块[39]。自石炭纪—二叠纪经历了塔里木板块与西伯利亚—哈萨克斯坦板块的拼合[2,40-41]完成洋—陆构造转换,进入陆内构造演化阶段。中生代以来,陆内伸展阶段形成了一系列中生代沉积盆地[12],之后经历多阶段构造隆升[13,18-19,34]而形成现今的盆—山构造格局[10]

        研究区位于天山造山带的北部,具山地与盆地地势地貌特征,地形起伏,相对高差大,由南侧高海拔向北侧低海拔过渡呈明显的分带性和阶梯状地貌特征(图1a)。晚古生代属于哈萨克斯坦—准噶尔板块南缘依连哈比尕岩浆弧,新生代随着南侧山体隆升形成北天山山前断褶带[23]。野外调查表明,可将研究区大致分为南、中、北3个不同特征的构造区段。南段为石炭系—侏罗系出露区,总体呈一背斜—断裂构造样式,南翼为侏罗纪八道湾组不整合覆盖,北翼由准噶尔南缘断裂(图1b,F2断裂)向北逆冲到侏罗系之上;中段为由侏罗系构成的褶皱—断裂带,表现为一系列平缓褶皱和由南向北逆冲的小型逆冲叠瓦构造;北段表现为新生界不整合覆盖于中生界之上,沿天山山前坳陷渐进式发育近东西展布的逆冲断—褶皱带[16],如齐古背斜和吐谷鲁背斜,即前人命名的第一排构造和第二排构造[19]

        图  1  研究区构造位置(a)和构造地质简图(b)

        Figure 1.  Study area: (a) tectonic location; (b) geological map

        已有的研究表明,天山构造带向盆地内部呈多阶段渐进式扩展的隆升模式。热年代学研究结果大致可划分为:晚侏罗世—早白垩世(170~140 Ma[32]、160~135 Ma[36]、150~130 Ma[33]、150~125 Ma[34]、~125[31]、140~120 Ma[14]、>130~100 Ma[35])的整体隆升,中生代末期—新生代早期(110~80 Ma[32]、96 Ma开始[14]、65~55 Ma[34]、100~50 Ma[36]、90~70 Ma[42]、75~65 Ma[33])的差异隆升和约24 Ma以来[10,13-14,19,27-29]等构造隆升阶段。

        沉积方面,王昌勇等[43]首次报道了在准噶尔盆地西北缘八道湾组岩心中识别出的地震岩(原文为“震积岩”,下同),认为是基底构造活动对沉积的控制作用;唐文斌等[44]在吐哈盆地胜北—红连地区的岩心中识别出一套地震岩组合,认为上侏罗统沉积期发育了剧烈的构造抬升,是盆—山关系的特殊沉积响应。同沉积变形方面,通过对山前近东西向断—褶构造带的地层变形及其上覆地层底界年龄的研究,很好地限定了隆升事件的时代[19],认为第一排背斜变形发生于中新世;第二排构造背斜于6.0 Ma开始生长;并伴随生长地层的发育,而第三排构造形成晚于2.6 Ma和2.1 Ma[8];而Li et al.[29]对生长地层的研究,则认为这三个背斜带分别形成于6 Ma、2 Ma、1 Ma,并认为北天山前陆变形的下限时代为中新世晚期,暗示向北扩展的变形发生于新近的数百万年。显然,这些同沉积变形的沉积体具有“准同时性”事件沉积的属性,因而对沉积本身和构造事件的时限约束[45-46]具有重要意义,在研究构造—沉积过程中具有天然的优势。

      • 研究区地层出露总体相对简单,主要为上石炭统火山—碎屑岩及其上覆角度不整合覆盖的侏罗系—白垩系、古近系—新近系等相对连续的沉积地质体。根据出露地质体变形差异及角度不整合,可大致划分为4个构造层:1)石炭系,区内时代最老、变形最强的地层,呈紧闭褶皱、同斜褶皱等、产状陡倾,可视为上覆侏罗纪盆地的基底;2)侏罗系—下白垩统(包括八道湾组、三工河组、西山窑组、头屯河组、齐古组、喀拉扎组、吐谷鲁群),整体变形相对简单,呈逆冲断褶带—单斜地层产出,局部沿粉砂岩、煤线等薄弱面发育顺层剪切构造;3)上白垩统—上新统(东沟组—前西域组),为一套半固结的沉积岩系,不整合覆盖于吐谷鲁群之上,地层产状变化较大,发育逆冲断裂及中常褶皱带(相当于“吐谷鲁背斜”);4)西域组及上覆半固结地层。

      • 石炭纪前峡组主要是由晶屑/岩屑凝灰岩、火山角砾岩、含砾凝灰质砂岩、钙质粉砂岩、少量灰岩等组成的一套火山—碎屑岩,获得317 Ma、305 Ma、301 Ma锆石年龄,表明该套地层可能形成于晚石炭世—早二叠世(未发表资料)。石炭系总体产状陡倾,发育强劈理置换和紧闭褶皱,与两侧侏罗系呈断裂接触(图1b,F1和F2),且均保留了角度不整合的记录。总体来看,石炭系与两侧侏罗系构成一个背斜,与边界F1和F2断裂构成全区一级构造,控制了研究区的地层展布(图1b)。

      • 八道湾组,角度不整合覆盖在石炭系之上。下部发育粗砂岩(夹砾岩)—灰绿色中砂岩,局部为粉砂岩,上部以细砂岩、粉砂岩夹薄层状粗砂岩,发育水平层理,见煤线;沉积厚度260~850 m[13,47]。三工河组为一套青灰色—灰绿色中薄层细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩,夹少量含砾粗砂岩(透镜体),发育楔状交错层理,在准噶尔盆地南缘的沉积厚度达140~880 m[13]。西山窑组底部发育红色砂砾岩,上部为厚层灰白色中砂岩,夹煤层或煤线,沉积厚度300~1 100 m。八道湾—西山窑组总体为湖相—三角洲相沉积特征[9,48-49]

        头屯河组为灰绿色中砂岩(夹粗砂岩、砾岩透镜体),见硅化木和煤线,发育大型槽状交错层理,冲刷层理等沉积构造,实测厚度695.6 m,为水流快速变化的辫状河—曲流河沉积[50-51]。齐古组剖面显示,下部为紫红色泥质粉砂岩夹肉红色—灰白色粗砂岩,中部为紫红色泥岩—粉砂岩夹灰白色砂岩(局部互层)的沉积旋回,上部为水红色—黄灰色中薄层(含砾)砂岩夹粉砂岩;实测厚度1 395.6 m,反映了湖相—河口砂体沉积的特征。

        综上,喀拉扎组下伏地层沉积特征总体揭示了由湖相—三角洲沉积向辫状河—曲流河演化的趋势。总体沉积厚度巨大,根据本次实测资料及准噶尔盆地南缘地层研究结果[9,13],推测本区喀拉扎组下伏下—中侏罗统沉积厚度可达2 500~5 000 m。沉积学研究认为,八道湾组沉积期盆地以河流—沼泽为主,三工河组沉积期水体面积扩大,西山窑组沉积期湖泊明显萎缩[47],末期盆地边缘上升,到头屯河组—齐古组沉积期,盆地南缘等周围山区发生抬升,局部出现不整合覆盖[9]

      • 喀拉扎组主要为一套砾岩组合,因与下伏、上覆地层存在显著的岩性及抗风化能力的差异,形成明显的地形分带(图1a)。露头区地形陡峭,地层产状和延伸稳定,平行不整合覆盖在齐古组之上,出露连续的沉积顶面,区域厚度50~800 m[9],实测厚度258.5 m(图2)。底部为灰绿色砾岩—粗砂岩,局部呈正粒序粒度旋回,砾岩层内见槽状交错层理;中部为青灰色中砾岩—细砾岩—含砾粗砂岩的沉积旋回,顶部为青灰色中薄层中粒长石砂岩。其中砾石磨圆差,多呈棱角状—次棱角状,分选差,最大粒径可达30 cm,成分以灰绿色、灰黑色火山岩—碎屑岩为主,结构成熟度、成分成熟度低(图版Ⅰa),指示了近源沉积的特征。对其自下而上的岩相分异特征研究,认为喀拉组为碎屑流与辫状河混合型冲积扇沉积[52],根据粒度旋回特征,可进一步划分为扇根—扇中、扇端亚相(图2)。

        图  2  上侏罗统喀拉扎组柱状图及典型软沉积变形构造

        Figure 2.  Stratum histogram and typical soft-sediment deformation structures in Upper Jurassic Karazha Formation

        野外调查发现,喀拉扎组发育多种类型的软沉积变形构造:顶部长石砂岩中见纹层卷曲变形(图版Ⅰb,c),厚层砂砾岩中有液化作用成因的砂岩脉(图版Ⅰd)、V型地裂缝(图版Ⅰe)和液化角砾岩(图版Ⅰf),底部砾岩与下伏齐古组粉砂岩界线见球枕构造(图版Ⅰg)和负载构造(图版Ⅰh)。这些软沉积变形在垂向序列上自底至顶发育(负载构造)—(液化角砾岩、液化砂岩脉、阶梯状微断层)—(纹层卷曲变形)等软沉积变形构造组合,可能为古地震作用诱发形成地震岩[53],并在垂向上表现出一定的构造活动强弱规律(图2)。

        喀拉扎组砾石成分统计结果显示,大部分物源(>60%)为火山碎屑物质(图3a),表明该套砾岩的主要源区为火山—碎屑岩隆起的剥蚀区。对砾岩中细砂岩夹层中发育的斜层理统计分析,获得古水流方向(图3b)指示物源来自南侧的剥蚀区。区域上,玛纳斯地区的下—中侏罗统碎屑岩研究揭示了其物源主要包括石炭系的火山—碎屑岩[47],而沉积学研究结果显示,喀拉扎组沉积时期盆地基底迅速上升,形成高差地形,侏罗纪末期的剧烈隆升还导致了区内吐谷鲁群底部的不整合面[9]和局部上侏罗统的缺失[38]。这些研究结果表明,喀拉扎组沉积期(152~145 Ma)[13]区域构造活动强烈且频繁,晚侏罗世南侧北天山构造带处于强烈的构造抬升阶段,致使南侧山体处于强剥蚀区,至少已剥露至石炭系基底,从而为喀拉扎组提供了充足的物源供给。

        图  3  喀拉扎组砾石成分统计(a)和古流向分析(b)

        Figure 3.  Karazha Formation: (a) gravel composition; (b) paleocurrent analysis

      • 下白垩统吐谷鲁群,下部为灰绿色砂岩夹红色薄层泥岩,上部为紫红色、灰白色细砂岩—粉砂岩互层,夹少量灰绿色细砂岩,其上被上白垩统—始新统东沟组角度不整合覆盖。东沟组下部为砖红色泥岩、含砾砂岩,上部为含灰岩透镜体的紫红色泥岩(夹砂砾岩)。渐新统安集海河组以灰绿色调为主,局部为紫红色,岩性为粉砂岩—泥质粉砂岩,其上被中新统塔西河组不整合覆盖(图1b)。

      • 根据构造变形样式的差异,将研究区分为南、中、北3个区段(图4):南段以石炭系为背斜核部构成的一级褶皱—断裂构造带。其中,石炭系产状陡倾,以发育紧闭、同斜褶皱(图版Ⅱa)及强劈理置换为主要特征。石炭系为区内变质—变形最强的地层,而明显区别于上覆侏罗系,记录了区内最早的构造变形。两翼分别以F1和F2断裂(图1)为界向南、北逆冲到侏罗系之上(图版Ⅱb),局部保留不整合接触的证据(图版Ⅱc)。

        图  4  雀尔沟地区构造剖面图(图例同图1)

        Figure 4.  Structural profile in Que’ergou area (legends as for Fig.1)

        中段侏罗系(八道湾组—吐谷鲁群)构成区内一级褶皱构造的北翼,不同地层单元均呈NW—SE带状展布,由靠近F2断裂的陡倾产状向北渐变为平缓产状,局部发育小型逆冲断裂—褶皱带(图版Ⅱd)和不对称次级褶皱(图版Ⅱe)。由南向北,在侏罗系—下白垩统的同一构造层内部呈:倒转褶皱—不对称褶皱—宽缓褶皱—近水平单斜地层产出,总体变形由强到弱,可能揭示了受南侧F2断裂带的影响向北逐渐减弱的同期构造组合特征;而再向北,发育的多个断褶带构造变形明显增强,则反映了不同期构造活动在不同构造部位的影响。

        北段上白垩统—上新统(东沟组、安集海河组)构成宽缓—中常褶皱—断裂带(图4)(相当于山前的“第二排构造”)。该段地层总体产状较陡,东沟组中发育一系列轴面北倾的不对称褶皱(图版Ⅱf),在玛纳斯河谷上游,侏罗系也发育北翼缓南翼陡的不对称褶皱(图版Ⅱg),运动学指向为由北向南的逆冲构造。这些均表现出与南段、中段明显不一致的变形样式。已有的研究认为,这些由北向南的逆冲构造可能是北向逆冲推覆体遭受阻挡形成的反冲断层效应[11,54],据此推测主逆冲断裂可能发育于反冲断层(图14中的F4)以北的区域。

      • 根据野外调查和构造分析,识别出由早到晚的4期构造变形。D1期变形为发育于石炭系(侏罗纪沉积盆地的基底)内部的先期构造,呈紧闭褶皱—断裂构造,与上覆侏罗—白垩系变形差异显著,二者呈角度不整合或断层接触关系。获得石炭系最年轻的火山—碎屑岩年龄301 Ma及上覆下侏罗统未卷入变形作用,判断该期变形发生于二叠纪—三叠纪。可能对应北天山构造带石炭纪—早二叠世残留海盆或裂谷盆地的最终闭合,即洋—陆转换阶段的造山隆升事件[9,12,40],为强挤压背景下形成的区域性构造面理置换。

        D2期构造主要表现由南向北的逆冲构造,形成石炭系与下、中侏罗统构成的褶皱—断裂带。其中,北翼发育逆冲推覆断裂—叠瓦构造—不对称褶皱等构造要素组合,反映了北天山构造带相对准噶尔盆地的隆升构造,并向盆地一侧的强烈逆冲。在该期构造的挤压背景下,局部发育正断层组成的地堑—地垒构造(图版Ⅱh),可能为逆冲挤压背景下的褶皱构造局部处于拉张的环境。区域上,准噶尔盆地上侏罗统平行不整合覆盖(或缺失),也表明这一时期区域构造活动影响广泛而强烈。

        D3期构造,变形方面主要表现为侏罗系中发育一系列近东西走向的逆冲断层,而南侧石炭系发育的断层截切早期面理,并致使早期断层面明显旋转变陡(71°~80°)。对后峡盆地断层系的年代学研究认为其发育于中生代晚期[11]。沉积方面,准噶尔盆地南缘则表现为晚白垩世东沟组的快速沉积,及角度不整合覆盖。

        D4期构造表现为北带的中常褶皱变形,隆起区持续向北扩展/迁移,形成北带一系列褶皱—断裂构造,如玛纳斯背斜和吐谷鲁背斜。东沟组发育一系列由北向南的逆冲断层和不对称褶皱构造,可能为同期由南向北的逆冲构造形成的反冲断层(图4)。卷入该期构造的断层主要为东沟组—安集海河组,之上角度不整合覆盖塔西河组。根据地层特征限定变形时代为晚白垩世—中新世之间。再向北,西域组区域角度不整合覆盖所有地层单元,可能为更晚期构造活动的反映,区内已有的研究认为对应的“第二排构造”形成于6.0 Ma[19]

        总体来看,4期变形发育的地层由老至新,由南向北扩展,变形层次由脆—韧性褶断带向脆性破碎为主的变化规律,反映了早期变形层次相对较深,且为多期构造叠加的效果。不同期构造作用揭示了北天山构造带—准噶尔盆地南缘山—盆结构的动态演化过程,随着构造隆升部位向北迁移,盆—山构造边界也向盆地一侧跃迁。

      • 对软沉积变形构造(SSDS,soft-sedimentary deformation structures)的研究表明其有多种成因[53,55-56],而只有“受地震作用诱发形成的具有软沉积物变形构造的岩层”才称为“seismites”(译为“震积岩”或“地震岩”)。尽管目前这两种译法存在诸多分歧和争议[55-58],但不影响本次探讨软沉积构造变形的成因;并依据冯增昭[55]对“seismites”一词的沿革与理解,本次研究倾向于采用“地震岩”一词进行表述。

        目前,对地震岩的识别尚未有严格的标志,但利用一些软沉积变形构造组合可以综合判断其为地震诱发形成[43-44, 46, 58-60],主要包括液化砂岩脉/墙、火焰构造、液化卷曲变形、负载及球枕构造、软布丁构造、V型地裂缝、震碎角砾岩、同沉积微断层等。调查结果表明,喀拉扎组普遍发育不同类型的软沉积变形构造,自底至顶可见(图2):球枕构造(图版Ⅰg)和负载构造(图版Ⅰh)、液化角砾岩(图版Ⅰf)、V型地裂缝(图版Ⅰe)、液化砂岩脉(图版Ⅰd)、纹层卷曲变形(图版Ⅰb,c)等。这些均属于上述地震岩的典型标志,而这些软沉积变形构造在本区喀拉扎组地层中普遍发育,且构成了软沉积变形构造组合,并在垂向上表现出一定的分布规律,据此判断喀拉扎组软沉积变形构造属于地震岩,揭示了晚侏罗世区域频繁、强烈的古地震活动。

        喀拉扎组自底至顶发育(负载构造)—(液化角砾岩、液化砂岩脉、阶梯状微断层、V型地裂缝)—(纹层卷曲变形)等类型的地震岩。依据地震岩的沉积序列研究[43,45,61],垂向上大致可划分为(图2):下伏未震层(齐古组)—下部微震层(底部负载构造)—微断裂层(液化角砾和同沉积微断层)—砂岩液化变形(V型地裂缝、液化砂岩脉)—液化卷曲变形—上覆未震层(吐谷鲁群)等。反映了喀拉扎组沉积期古地震频繁发生,且表现出发生期—高潮期—衰减期的演化规律[44]。结合古水流方向及物源分析,指示晚侏罗世南侧北天山构造带—准噶尔盆地南缘结合部位强烈的构造隆升事件,这与大量构造热年代学研究结果一致[32-34,36]

      • 大量的构造运动及地层研究表明,构造活动可以对盆地沉积作用产生重要影响[38],反之,沉积作用对构造事件的反应也是极为敏感的。因此,沉积地层通常能够为造山带隆升过程提供重要信息,如盆地沉积速率显著增加或区域性砾岩的发育通常指示了高原或造山带隆升的启动[21],而天山山前盆地的沉积记录被认为是隆升—剥露过程的佐证[8]。因此进一步对比分析构造—沉积作用,建立二者的动态联系,是反映盆—山结构动态演化的有效方法。通过梳理和对比研究区沉积作用、构造变形序列,初步建立了区内构造事件、沉积响应的过程,以供探讨。

        自早侏罗开始,本区由长期的剥蚀环境[9,40]转为相对伸展背景,沉积作用明显增强,形成准噶尔等断陷盆地及一系列侏罗纪山间盆地,表现为下侏罗统底部区域角度不整合面。

        晚侏罗世(喀拉扎组沉积期)(152~145 Ma)[13],北天山构造带发生整体构造隆升。已有的研究认为,晚侏罗世—早白垩世是一次区域规模和岩石圈尺度的重大构造运动[38]和一次剧烈构造隆升事件[43],大量的晚侏罗世—早白垩世构造—热年代学信息[14-15,31,33-36]也证明该期构造作用影响广泛。研究区内表现为沿着北天山北缘断裂带(F2)断裂向盆地一侧强烈逆冲(D2期构造)(图5a),形成以石炭系为基底和下—中侏罗统为盖层的断裂—褶皱构造带,其构造属性上可视为这一时期造山带—盆地的边界断裂。在侏罗系煤线、粉砂岩等薄弱岩层中发育不对称褶皱、逆冲断褶带(图版Ⅱd,e),揭示由南向北的逆冲推覆构造。填图结果表明,明显卷入该期构造变形的地层包括八道湾组—西山窑组,表明D2期构造晚于西山窑组沉积期(沉积上限年龄为166 Ma[13])。沉积方面,准噶尔盆地晚侏罗世沉积范围明显缩小,局部地区吐谷鲁群底部的不整合面[9]和上侏罗统缺失[38],表明喀拉扎组沉积时期盆地基底快速抬升,并形成高差地形,这与喀拉扎组物源特征、巨厚砾岩及地震岩等地质记录吻合。因此,喀拉扎组底部区域角度不整合面、快速沉积的巨厚砾岩,并伴随着同沉积期频繁的古地震活动而形成的一系列地震岩,都是晚侏罗世构造隆升事件的沉积学响应。

        图  5  区域构造—沉积过程示意图(地层代号同图1)

        Figure 5.  Schematic of regional tectonic⁃sedimentary processes (stratigraphic units as for Fig.1)

        晚白垩世末期(东沟组沉积期)(100~66 Ma)[13],盆—山结合部位发生又一次明显的构造抬升。构造变形上表现为早期断层的活化,主构造变形部位较D2期明显北移,致使盆—山结合部位地壳缩短,盆山边界向北迁移(图5b);沉积上以东沟组砾岩较下伏吐谷鲁群沉积明显变粗,底部角度不整合反映快速堆积的沉积响应。区域上,大量中生代末期构造—热年代学信息[14,18,32-34,36,42]表明,约110~50 Ma北天山构造带—准噶尔盆地南缘发生差异构造隆升事件。

        中新世(23~6 Ma),构造变形带继续向北迁移,区域上形成吐谷鲁背斜等,区内发育由北向南的逆冲断裂构造带可能为由南向北逆冲主断裂的反冲断层(D4)(图版Ⅱf);区内有35~25 Ma的构造热年代学记录[34],认为北天山和准噶尔南缘抬升发生于约25 Ma[14,31]。这个时期的逆冲推覆构造带前缘已迁移至雀儿沟以北区域,暗示区域隆升导致盆—山边界进一步向北迁移(图5c)。这个时期,整个西天山于~24 Ma发生快速抬升[13,15]

        早更新世(西域组沉积期)以来,山前第三排构造形成及上覆西域组区域角度不整合覆盖[19]。古地磁年代学对同沉积构造限定为6~1 Ma[29]、6.0~2.1 Ma[8,19]、7~2.58 Ma[10],现代天山的地形地貌也基本在这个阶段成型。这些研究结果表明,更新世以来,北天山构造带—准噶尔盆地南缘的山—盆结合部位持续向北发生了多期构造隆升,尽管在不同部位西域组沉积具有穿时性,导致获得的年代学结果并不一致,但这些构造活动保存了较好的构造变形与沉积作用的记录,对精细刻画研究盆—山作用过程十分有效。

        综上,结合图5,表明北天山构造带与准噶尔盆地的构造边界是动态演化的:山体一侧沿着边界断裂向盆地一侧逆冲,而这些断裂可能是同一构造体系下向盆地一侧发育的前展式逆冲断层系;北天山构造带与准噶尔盆地的构造边界和盆地沉积边界伴随着构造隆升和逆冲推覆构造而向北迁移。如果这些不同构造期形成的断裂是同一构造体制下形成的断裂系,则可能为理解盆—山关系及动力学机制提供了新的思路。

      • 天山构造带呈南天山向南逆冲、北天山向北逆冲的双向逆冲构造样式[16,62]和地壳缩短过程,而且现今仍处于构造变形和隆升过程之中[24,26]。一般认为,如果一个山脉要保持其地貌形态需要有持续的内动力,否则会很快被夷平[63]。目前,诸多学者对天山地区中、新生代构造隆升的动力学来源归因于印度与欧—亚板块碰撞的远程效应[1,17,33,35,64],并进一步解释为受邻区(如古、新特提斯构造域)板块汇聚过程中不同块体间的断裂系及周缘地质体(如帕米尔高原[24,37]、塔里木板块[22]、中天山地块等[16])的制约下,形成的差异隆升特征。

        喀拉扎组发育的地震岩表明,晚侏罗世区域处于剧烈而频繁的构造活动阶段,其物源分析指示南侧山体的快速隆升事件,与已有的构造—热年代学限定的晚侏罗世—早白垩世天山构造带构造抬升过程一致。尽管这一构造隆升事件的动力机制被解释为:晚侏罗世—白垩纪冈瓦纳周缘陆块由特提斯构造域增生到欧亚板块过程中的远程效应[33],但三叠纪—侏罗纪天山造山带长期的巨量剥蚀与准噶尔盆地广泛的巨厚沉积对盆—山结构及区域岩石圈结构产生怎样的影响?之后向盆地一侧的隆升扩展是否(或多少程度上)受到垂向动力学机制的驱动?这些问题仍值得思考。

        对天山沉积—剥蚀作用与变形模拟的结果表明,沉积—剥蚀作用程度在不同部位对构造形变起着重要的调节作用[65];构造—热年代学研究揭示龙门山—四川盆地新生代的隆升可能源于地表剥蚀作用或与地壳深部构造活动有关[62,66-68]。本次研究表明,喀拉扎的物源主要来自南侧石炭系火山碎屑岩,表明晚侏罗世南侧山体已将石炭系基地剥露至近地表,据此大致估算,在早侏罗世八道湾组—晚侏罗世喀拉扎组沉积期间(约40 Ma)大概有2 500~5 000 m厚的沉积体被剥蚀。研究认为,长期强烈挤压体制可能在造山带加厚的地壳反转为伸展体制;随着造山带负荷量的剧烈减少、盆地负载的加重,在岩石圈尺度上可能引起均衡调整而发生构造反跳[69],而这种动态调整可能成为下一次构造活动的源动力之一。天山构造带具有厚的地壳结构(55~65 km)[25]可能暗示深部“去山根”作用(以地壳减薄为主)相比地表剥蚀作用具有更低的速度进程,从而诱发了剥蚀区的再次调整(表现为构造隆升)。

        综合来看,从板块构造的角度探寻造山带隆升与沉积盆地的形成和发育过程,为揭示其动力学来源提供了重要的参考。盆—山结构的动态演化既是水平运动(挤压—伸展)与垂向运动(隆升—沉积)的综合反映,也是岩石圈深部作用与地表地质作用的地球系统动态演化过程的体现。在北天山构造带—准噶尔盆地多阶段盆—山结构动态演化过程中,地表地质作用与岩石圈深部结构调整可能提供了重要的源动力之一。是否有,或者有多大程度的贡献?尚不清楚。而进一步构造—沉积过程研究,进而精细刻画盆—山结构动态演化过程,可能是理解其动力学机制的有效途径。

      • (1) 上侏罗统喀拉扎组发育的软沉积变形构造具有典型的地震岩组合特征,是晚侏罗世北天山构造带构造隆升事件的沉积学响应。

        (2) 识别出北天山构造带—准噶尔盆地南缘雀尔沟一带4期构造变形,对比分析构造—沉积过程表明,山体一侧沿着盆—山边界断裂向盆地一侧发生多期次构造隆升和逆冲,而盆—山构造边界和盆地沉积边界伴随着构造活动向北迁移。

        (3) 喀拉扎组地震岩揭示了晚侏罗世北天山山前的构造—沉积事件,表明该区域同期地震活动频繁发生。

        图  版Ⅰ  喀拉扎组砾岩露头特征及地震岩组合

        图  版Ⅱ  工区地层露头及典型构造变形特征

    参考文献 (69)

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