专论 正式出版 版本 5 Vol 10 (5) : 427-440 2019
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西域砾岩的地层属性与成因:进展与展望
Stratigraphic attribute and origin of the Xiyu conglomerates in NW China: progress and prospect
: 2019 - 04 - 28
: 2019 - 09 - 10
: 2019 - 04 - 18
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摘要&关键词
摘要:西域砾岩是我国西北造山带(如天山、昆仑山、祁连山)山前发育的一套晚新生代冲-洪积相沉积,其记录了晚新生代以来的山体隆升、气候变化等信息,是研究盆山耦合、环境演变的良好载体。西域砾岩自首次命名以来,吸引了众多地学研究人员开展了系统的研究工作,特别是在西域砾岩的岩性特征、沉积过程、地层年代、成因等方面取得了显著进展。本文通过系统梳理前人成果,结合自己研究取得的认识,总结了目前关于西域砾岩的研究现状和进展,并提出了今后的研究展望。为更好地揭示西域砾岩所记录的环境演化信息,需要进一步开展西域砾岩的物源研究,如锆石U-Pb年龄谱分析、重矿物分析等方面的工作。
关键词:域砾岩;地层属性;构造;气候;西北造山带
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope The Cenozoic terrestrial sedimentary sequence in the foreland basin play an indispensable role in the inversion of the tectonic deformation induced by the Indo-Asian collision. Predecessors have done a variety of research on the Cenozoic terrestrial sedimentary sequences including Xiyu conglomerate in Tian Shan, Qilian Shan and Kunlun Shan through magnetostratigraphy and field observation of growing strata. Xiyu conglomerate is a set of alluvial dark gray to brown gravel which deposit during late Cenozoic. Its genesis is still is in dispute. Most researchers consider that the Xiyu conglomerate has been controlled by tectonics, while others believe it triggered by climate changes at ~2.6Ma. Consequently, in this paper we aimed at making an overview of the lithology, sedimentary processes, stratigraphic ages and genesis of the Xiyu conglomerates. Materials and methods Review and prospect are made based on the domestic and international investigations of lithostratigraphy and magnetostratigraphic in the past two decades. Results Xiyu conglomerate is a prograding diachronous gravel wedge, whose thickness gradually thins toward the front of the mountain. On the basis of detailed magnetostratigraphic investigations, the basal age of the Xiyu conglomerates in the piedmonts of the Tian Shan, the Qilian Shan and the Kunlun Shan ranged from 15 Ma to <1 Ma. The relationship between diachronism of the Xiyu conglomerate deposits sequences and the progradation of the depositional system is verified through the identification of growing strata and the study on fault and fold migration. Discussion Variations in age clearly indicate that the Xiyu conglomerate in northwest China should only be considered as a lithostratigraphic unit that lacks temporal implications beyond the local area. Therefore, Xiyu conglomerates cannot be considered as a product of specific tectonic events or climate events due to its diachronism. Since a specific tectonic movement cannot reveal the temporal and spatial variation of Xiyu conglomerate in the foreland basin, the interpretation should establish in a reliable, three-dimensional, time-controlled sedimentary framework. Combining the spatial-temporal coupling of flexural basin and adjacent orogen, the spatial-temporal evolution of the sedimentary facies of the Xiyu conglomerate should be derived from the uplifted mountain, while climate changes only regulate its deposition. Conclusion The Xiyu conglomerate is a lithostratigraphic unit deposited during Late Cenozoic, which is mainly caused by the tectonic movement instead of climate changes. Recommendations and perspectives Further investigation in the future work should pay more attention to the provenance analysis of this lithostratigraphic unit, such as zircon U-Pb age spectrum analysis and heavy mineral analysis. Moreover, through the provenance analysis of Xiyu conglomerate, we can invert the characteristics and tectonic setting of the of the source area of the sedimentary basin and reproduce the spatial-temporal coupling between the sedimentary basin and the adjacent orogenic belt in the northwestern China.
Keywords: Xiyu conglomerates; stratigraphic attribute; tectonics; climate; orogenic belt in northwestern China
我国西部活动造山带新生代的构造抬升、前陆盆地的变形与沉积演化是地学研究的一个热点。前人对西部造山带山前的新生代陆源沉积序列做了大量的研究,重建了西部造山带陆内变形历史(Huang,2006,2010;Heermance et al,2007;季军良等,2010;Lü et al,2010,2015)。在这一过程中,西域砾岩这一晚新生代磨拉石沉积也受到广泛关注。西域砾岩是我国西北地区活动造山带山前发育的一套晚新生代陆源沉积地层,最初由黄汲清先生、杨钟健先生等首次命名于天山南麓库车河附近的盐水沟一带(黄汲清等,1947)。该地层系指一套冲-洪积扇相、巨厚的、灰色或黑灰色的晚新生代磨拉石建造,广泛分布于我国西部干旱半干旱区活动造山带山前,包括天山南北麓、昆仑山北麓以及祁连山山前等地区。在祁连山山前,这套砾岩又由孙健初先生命名为玉门砾岩(赵志军等,2001)。伴随着造山带山前的冲洪积过程,西域砾岩在前陆盆地广泛沉积(Heermance et al,2007),西域砾岩与其下伏地层共同组成我国西北造山带山前晚新生代陆源沉积序列。由于其岩性和沉积相特征与下伏河流相沉积形成鲜明对比(陈杰等,2000,2007;郑洪波等,2002;黎敦朋和刘健,2011),西域砾岩被视为一套独立的地层。
西域砾岩的年代与成因一直是前人研究的焦点。大量的磁性地层年代学研究显示,西域砾岩的底界具有穿时特征,其年代在前陆盆地不同构造部位存在差异。目前,学术界已基本形成共识,即认为西域砾岩是一套穿时的岩性地层单位,在不同地区其底界年龄可跨越中新世到第四纪(刘嘉麒等,1990;陈华慧等,1994;邓秀芹等,1998;陈杰等,2000,2006,2007;方小敏等,2004;Sun et al,2004,2007,2009),基本否定了早期人们关于西域砾岩是同一个年代地层单位的认识,这一穿时特征对西域砾岩反演古环境演变具有重要意义。西域砾岩的成因在学术界还备受争议,这套巨厚磨拉石建造究竟是青藏高原及其周缘昆仑山、天山、祁连山强烈抬升的证据(黄汲清等,1957,1980;李吉均等,1979;Zheng et al,2006;Charreau et al,2009),还是冰期与间冰期气候转变的产物(Molnar et al,1993;Burchfiel et al,1999;Zhang et al,2001;Wang et al,2003)?还需要更加深入的工作。对此,前人通过沉积学、磁性地层年代学、岩石地层学等方面的研究,探讨了构造运动对西域砾岩沉积的控制作用(孙继敏等,2006;Heermance et al,2007;Lü et al,2010,2015),通过宇生核素与岩石磁性参数揭示了气候变化对西域砾岩沉积的可能影响(邓松涛等,2008;Huang et al,2010;Charreau et al,2011)。通过这些研究,西域砾岩基本可以确定为构造主导-气候调节成因。
探讨西域砾岩的成因对重建我国西部造山带古气候、地貌演变历史具有重要意义。本文在已有研究的基础上,对西域砾岩的研究做了较系统的梳理,同时结合自己研究的初步结果,旨在进一步厘清西域砾岩的分布、岩性特征、年代框架、沉积过程等,并对其成因做了总结和评述,同时对如何进一步探究西域砾岩的成因做了展望,以期起到抛砖引玉的作用。
1   西域砾岩的分布与地层划分
西域砾岩是一套灰色、黑灰色冲-洪积扇相的晚新生代磨拉石建造,广泛分布在天山南北麓、昆仑山北麓以祁连山山前(图1)。在天山南北麓,由于地层岩性不同导致强烈的差异侵蚀,该套地层在地表常形成东西向的岭脊地形(图2a—c)。由于受到背斜生长变形的影响,该套地层的产状常呈倾斜状,靠近背斜核部,地层倾角较大(图2d);在远离背斜核部处,地层倾角逐渐变缓至接近水平(Lü et al,2010,2015)。


图1   中国西北西域砾岩的分布(据Lü et al(2010))
Fig. 1 Distribution of the molassic Xiyu deposits in northwest China (after Lü et al (2010))
在地层接触关系上,西域砾岩与下伏地层在产状上常呈渐变变化关系,地层倾角逐渐变缓,但没有显著的沉积间断发育(Lü et al,2010)。在天山山前,西域砾岩的下伏地层多为晚中新世到早上新世的陆源沉积地层,包括库车组(塔里木盆地北缘库车地区)、阿图什组(塔里木盆地西缘喀什地区)、独山子组(准噶尔盆地南缘)(陈杰等,2007;Sun et al,2009;Lü et al,2010)。在祁连山山前老君庙一带,则为疏勒河组(陈杰等,2006)。这些下伏地层主要由河流相砂泥岩、泥岩、砂岩、砾岩及其互层构成(陈华慧等,1994;陈杰等,2001,2006),与西域砾岩一起形成了向上变粗的新生代陆源沉积序列(Sun et al,2004;Charreau et al,2005;Lü et al,2010)。西域砾岩与上覆地层则常呈角度不整合接触关系。如在天山地区,其上覆地层主要为一套黑褐色砾石层,如乌苏群和新疆群。从成因上说,后者常为冲积成因,地貌上表现为一级阶地。


图2   天山北麓西域砾岩天然露头
西域砾岩下伏地层以泥岩、砂岩为主。a:霍尔果斯背斜南翼;b:玛纳斯背斜南翼;c:独山子背斜南翼;d:奎屯河河谷西岸。Lithologically, the underlying strata of the Xiyu conglomerates are composed of mudstone and sandstone. a: the southern limb of the Huoerguos anticline; b: the southern limb of the Manas anticline; c: the southern limb of the Dushanzi anticline; d: the west bank of the Kuitun River valley.
Fig. 2 Outcrops of the Xiyu conglomerates in the northern Chinese Tian Shan foreland
由于西域砾岩与下伏地层为渐变过渡的沉积接触关系,西域地层底界相对模糊、难以界定,因此早期研究人员将它们划归在一起,时代定为上新世—早更新世(吕守安,1985;陈华慧等,1994)。但西域砾岩的岩性组合特征和沉积相明显不同于下伏地层。从岩性上,西域沉积以厚层块状砾石堆积为主,砾石多为灰色、黑灰色的角砾石,间夹薄层灰黄色砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及其透镜体,砾岩与砂岩之比远大于4∶1(陈杰等,2000)。砾石磨圆度较差、分选相对较差,常见叠瓦构造。砾石大小不等,粒径以中、粗粒为主,极少量巨砾粒径可达2—3 m,粒径自下而上由细变粗。西域砾岩的下伏地层(以阿图什组为例)以第一层细砾岩开始出现为标志,岩性以细砂岩和粉砂岩为主,夹有薄到中层细—中粒砾岩,砾石层的厚度和砾石数量以及砾石最大粒径均有向上增加的趋势(郑洪波等,2002)。阿图什组有厚层褐、红色砂、泥岩出现,而西域组中只见灰黄色、灰色砂、泥岩夹层,再未发现类似红色沉积物。西域砾岩砾石成分复杂。在天山北麓乌鲁木齐河出山口的西域砾岩露头(图3a、3b)、吐谷鲁背斜北翼西域砾岩露头(图3c),砾石统计结果显示:西域砾岩砾石岩性主要为变质砂岩、灰岩、凝灰岩。在天山南麓的博古孜河剖面,西域砾岩砾石主要为变质砂岩、灰岩、石英岩及脉石英等,由钙质或泥沙质胶结半成岩。相对于西域砾岩,其下伏的阿图什组砾石成分相对单一。在博古孜河剖面,阿图什组以石英等稳定成分为主(陈杰等,2000)。在岩相方面,西域组为一套山前洪积物、泥石流及冰水洪流相沉积,由一些粒径不同的粗碎屑的互层组成。野外观察表明,天山北麓西域组砾岩常具块状构造,层理相对不发育,但在野外能够辨认该地层具有一定的成层性(图3)。而阿图什组以河流相为主,具典型河流二元结构,常见水平层理,常见波痕、泥裂等,并发育潜穴等生物扰动构造。在地貌上,西域组砾岩因胶结致密坚硬,风化后突起成脊岭,或显示凹凸不平之地形。阿图什组则因富含砂泥质,风化后常呈低缓之地形。在古水流流向上,阿图什组以纵向水系为主,阿图什组上部及西域组逐渐以横向水系为主(裴军令等,2008)。由此西域砾岩被界定为独立的岩石地层单位。


图3   天山北麓西域砾岩野外露头
a:乌鲁木齐河出山口西岸扇面顶部;b:乌鲁木齐河西岸;c:塔西河河谷西岸。a: the top of the oldest alluvial fan deposits in the west bank of Urumqi River; b: the west bank of the Urumqi River; c: the west bank of the Taxi River valley.
Fig. 3 Outcrops of the Xiyu conglomerates in the northern Chinese Tian Shan foreland
2   西域砾岩的地层年代
早期,西域砾岩这一粗粒相沉积被视为年代地层单位(黄汲清和陈炳蔚,1980;李吉均等,1979;Burchfiel et al,1999)。1955年,范成龙在天山北麓安集海背斜南翼西域砾岩与下伏地层的过渡砾岩、砂质泥岩层位发现了早更新世的三门马化石(彭希龄,1975)。由此,西域地层被认为是一套早更新世(2.58—0.78 Ma)的地层。
二十世纪九十年代以来,磁性地层学开始应用于西域地层的年代学研究(滕志宏等,1996,1997)。尤其是2000年来,随着古地磁分析测试技术的革新和仪器的改进,高分辨率的磁性地层学在西域砾岩地层年代研究中被广泛应用(图4)。在天山北麓,磁性地层年代学研究限定独山子背斜的奎屯河剖面与独山子剖面的西域组底界年龄分别为~4.8 Ma(Charreau et al,2005),~2.6 Ma(Sun et al,2007)、~2.82 Ma(陈华慧等,1994)、~2.58 Ma(Sun et al,2004)。在霍尔果斯背斜的金沟河剖面,西域组的底界年龄被限定为约~6.5 Ma(Ji et al,2008),~7.5 Ma(Charreau et al,2009)、~6.0 Ma(季军良等,2010)。在吐谷鲁背斜北翼的塔西河剖面,磁性地层年代学结果显示西域组底界年龄为~2.6 Ma(Sun and Zhang,2009;Li et al,2011)或~2.1 Ma(Lü et al,2010)。在西准噶尔山脉和什托洛盖盆地北缘白杨河剖面,磁性地层年代学结果显示西域组底界年龄为~3.6 Ma(Ai et al,2017)。
在天山南麓,邓秀芹等(1998)将库车地区库车河剖面西域组分为上、下两段,并根据磁性地层的结果,认为该剖面上、下西域组的年代分别为~2.5—1.6 Ma和~3.4—2.5 Ma;库车地区秋里塔格背斜段雅哈河剖面的西域砾岩底界年龄分别被限定为~5.2 Ma(Charreau et al,2006),~5.9 Ma(Huang et al,2006)、~5.3 Ma(Huang et al,2010)。库车地区秋里塔格背斜段塔吾剖面、阿瓦特剖面、克拉苏河剖面与二八台剖面的西域砾岩底界年龄被限定为~2.58 Ma(Sun et al,2009),~1.7 Ma(Jing et al,2011)、~2.58 Ma(Zhang et al,2014)、~2.6 Ma(Zhang et al,2015)。南天山铁热克萨兹剖面的西域砾岩底界年龄被限定为~5.2 Ma(Chen et al,2015)。天山南麓的喀什地区大山口剖面、乌恰地区三棵树剖面的西域砾岩底界年龄分别被限定为~3.2 Ma(Qiao et al,2016)、~2.6 Ma(Qiao et al,2017)。在喀什-阿图什褶皱带的6个地层剖面中,Heermance et al(2007)、陈杰等(2007)的磁性地层年代学结果显示,西域组底界年龄分别为~15.5 Ma,~8.6 Ma、<1.0 Ma、~1.9 Ma、~1.4 Ma和~0.7 Ma。


图4   中国西北西域砾岩的底界年龄
Fig. 4 Basal ages of the Xiyu conglomerates in northwestern China
在昆仑山山前的克里雅河剖面(刘嘉麒等,1990),K-Ar定年将西域砾岩的底界年龄限定为~1.19 Ma。在桑株剖面(Sun and Liu,2006)、叶城剖面(Zheng et al,2006),磁性地层年代学研究将西域砾岩的底界年龄分别限定为~3.0 Ma与3.5 Ma。在亚马勒剖面与奥依塔克剖面,宇宙成因核素26Al/10Be埋藏定年研究结果表明,该剖面中的西域组底界年龄分别定为>3.5 Ma 与~0.46—7.12 Ma(韩非等,2015)。
在祁连山山前,文殊山剖面(赵志军等,2001)、老君庙剖面(方小敏等,2004)、牛洛套剖面与青草塆剖面(陈杰等,2006)、榆木山剖面(刘栋梁等,2011)中的西域组底界年龄被磁性地层年代学研究分别限定为~4.5 Ma、~3.66 Ma、~4.0 Ma、~3.55 Ma 与3.58 Ma。在阿尔金山北麓若羌米兰河口,西域组底界年龄被磁性地层年代学研究限定为~3.54 Ma(马文忠,2007)。
以上这些年代数据表明(图4),广泛分布的西域组沉积在时间上是不同步的,其底界年龄从中新世中期到上新世甚至晚第四纪不等。在北天山前陆盆地西域砾岩沉积出现在~7.5—2.1 Ma。在天山南麓,西域组底界年龄随着远离造山带逐渐变年轻,喀什盆地近缘到远缘西域砾岩的底界年龄介于~15.5—0.7 Ma,库车盆地西域砾岩的底界年龄介于~5.9—1.7 Ma。在昆仑山山前,西域砾岩的底界则被定为0.46—7.12 Ma。在祁连山北缘,现有磁性地层标定其底界年龄介于~4.5—3.55 Ma。因此,广泛发育的晚新生代西域砾岩沉积应该仅仅被视为一个岩性地层单位,其底界年龄具有穿时性(Chen et al,2002;Charreau et al,2005;Heermance et al,2007;Lü et al,2010)。
3   西域砾岩的沉积与进积过程
西域砾岩是一套山前冲洪积物,且含有泥石流堆积(赵越等,2008;Chen et al,2015)。在喀什前陆盆地,西域砾岩整体构成了一个冲积扇体系,扇顶位于喀什盆地边界逆断层,向南依次发育扇中和扇缘辫状河沉积(Heermance et al,2007)。这一体系的特征表现为西域砾岩在喀什盆地的岩相变化。在最北部的边界逆断层下盘附近,西域砾岩为粗砾岩,大小混杂、分选磨圆极差,砾石以棱角状为主,断层附近为泥石流相堆积;由中源盆地向远源盆地,西域砾岩的成熟度渐好,砾石分选磨圆渐好,砾径渐细,砂、泥岩夹层渐多;盆地最南缘喀什背斜以南4—5 km处,西域砾岩相变为塔里木盆地的膏泥岩等细粒冲积或风积物。同样的情况也出现在昆仑山山前叶城地区(陈杰等,2001)及天山山前乌鲁木齐河出山口(Lü et al,2015)。
西域砾岩在前陆盆地的广泛分布与冲洪积过程密不可分。伴随着这一过程,在喀什盆地西域砾岩由北向南,由西向东连续进积,形成一个远离山前逐渐减薄的沉积楔体。在西南天山山前的喀什盆地,西域砾岩在科克塔木背斜南翼厚度超过2500 m,向南至阿图什背斜南翼,西域砾岩的厚度减小至1000 m,再向南至喀什背斜南翼,则呈一厚度小于300 m的薄板覆盖在粉砂岩、砂岩之上。根据地震反射剖面建立的构造平衡剖面,喀什前陆盆地西域砾岩沉积前缘的进积速率得以估算出来:在15.5 Ma至1.9 Ma期间由北向南进积的速率为2.5—3.5 mm/a,自1.9 Ma向南的进积速率为10—11 mm/a,总体上西域砾岩自15.5 Ma开始沉积以来,其前缘已向南进积了56—63 km(Chen et al,2002;Scharer et al,2004;陈杰等,2007;Heermance et al,2007)。
西域砾岩的这一进积过程导致西域砾岩在前陆盆地的分布具有穿时性(Jones et al,2004)(图5)。此外,沉积供给中砾石比例发生变化(Paola et al,1992;Jones et al,2004;吕红华和周祖翼,2010)以及局部构造运动的发生(如背斜生长)都会引起西域砾岩的穿时分布。


图5   活动造山带山前粗粒相砾石沉积的进积与穿时的底界年龄(据陈杰等(2001)修改)
Fig. 5 Conceptual model of the progradational sedimentation of conglomeratic deposits in the piedmont of an active orogenic belt (modified from Chen et al (2001))
4   西域砾岩的成因:构造主导-气候调节
4.1   气候对西域砾岩沉积的作用
气候成因说认为西域组是第四纪全球气候变冷引起侵蚀速率增大的产物(Molnar et al,1993;Burchfiel et al,1999;Zhang et al,2001;Wang et al,2003;Qiao et al,2016)。根据气候成因说,早更新世晚期气候变冷,使得山顶地带开始积雪,形成冰川,冰川磨蚀与寒冻风化的加强使得山体剥蚀加剧;间冰期来临后,气候变暖,冰雪融水携带大量碎屑在山前堆积,使得西域砾岩大范围出现在山前(陈华慧等,1994;孙继敏和朱日祥,2006)。孙继敏等(2006)根据天山北麓独山子剖面西域砾岩的磁性地层学和沉积学研究认为,~2.58 Ma西域砾岩的沉积主要与同期~2.6 Ma北半球大规模发育冰川作用有关。Charreau et al(2011)通过对比奎屯河流域碎屑沉积物宇生核素10Be浓度变化和深海氧同位素记录,发现奎屯河流域侵蚀速率在~3—1.7 Ma增速与第四纪冰期的发生同步,由此也支持西域砾岩的形成与第四纪冰期的发生有关。相似的认识来自其他古气候证据。在天山北麓的塔西河剖面,碳同位素变化显示独山子组至西域组沉积期间存在一期大规模的C4植被的增加,氧同位素变化显示西域砾岩沉积期间,气候干旱寒冷,因此气候变化对西域砾岩沉积的发生存在不可忽视的作用(邓松涛等,2008)。但由于沉积物岩相的变化也可能受控于构造演化,因此进一步地评估气候变化对西域砾岩沉积的影响需要结合岩石磁性参数研究。岩石磁性参数记录了源区气候的干旱和冷却程度,能够反应物理风化与化学风化的作用(Huang et al,2010)。
考虑到西域砾岩底界上至15.5 Ma下至<1.0 Ma的年龄变化,且晚新生代以来,中亚地区以干旱气候为主(Sun et al,2007),因此具有区域同步性的气候变化引发西域砾岩沉积的这一学说显然难以成立。在祁连山山前,玉门砾岩的沉积速率从西到东的减小趋势与地势的变化趋势相一致,与年降水量从西北向东南增加趋势相异,显示祁连山玉门砾岩的沉积不受气候主导,而与地势起伏度关系密切(刘栋梁等,2011)。另外,在喜马拉雅山前大面积分布有相似岩性、沉积相与地层年代的西瓦利克群(Johnson et al,1982),这指示了西域砾岩和西瓦里克群的大面积沉积应当是受控于印亚板块碰撞引起的造山带隆升,因此尽管~2.6 Ma时全球气候变冷无疑会调整西域砾岩的沉积速率,但它对西域砾岩的形成显然不起主导作用。
4.2   构造对西域砾岩沉积的主导作用
以黄汲清先生等为代表,认为西域组代表了上新世末至第四纪初期一次强烈的构造运动(黄汲清等,1957,1980;李吉均等,1979),这次构造运动被命名为西域运动(罗金海等,2003)。即在上新世约8 Ma以来,青藏高原及周边普遍加速隆升,周缘山系快速抬升,中国西部地区现代盆-山地貌格局基本成型(Zheng et al,2006;Zhang et al,2013)。而之后的3.6 Ma,青藏高原和天山山脉强烈隆升,在高原南北及天山山前发育大规模的西域组磨拉石建造(李吉均等,1979;Li and Fang,1999)。源区处于构造稳定期,源区地势较低,物理风化较弱,碎屑产率较低,河流搬运作用弱,前陆地区主要接受泥岩、粉砂岩等细粒沉积;而在构造活跃阶段,随着基岩山地隆升,地势增高,河流搬运动力增大,侵蚀作用随之增强,前陆地区沉积地层岩性将显著变粗(吕红华和周祖翼,2010)(图6)。
在塔里木盆地西缘的叶城盆地与喀什盆地地层剖面,陈杰等(2001)发现西域组与下伏阿图什组在古水流方向、沉积物源、沉积相、沉积速率等方面存在明显不同,且西域组砾岩上段存在生长地层,因此他们认为西域砾岩的出现代表了后陆地区山体的强烈隆升,而前陆地区则存在强烈沉陷,由此接受厚层堆积。在西域砾岩沉积后期,前陆地区开始发生构造变形,使西域组地层发生褶皱,在山前形成一排排背斜构造。这期构造变形在不同地区命名不同,如盐水沟运动、西域运动、玉门运动。郑洪波等(2002)在新疆叶城地区对新生代磨拉石建造的砂岩和砾岩的岩石组分进行研究后发现,沉积岩作为砾岩组分的主体,贯穿阿图什组和西域组,但随剖面向上,沉积岩砾石逐渐减少,而作为基底的深变质岩和火成岩砾石不断增加,由此推测西域砾岩的物源首先来源于西昆仑山盖层沉积岩,其后来源于西昆仑山山基底的深层变质岩和火成岩,这表明了物源区(西昆仑山)的隆升和剥蚀。通过若羌米兰河口剖面的磁性地层年代研究,马文忠(2007)认为该剖面西域组沉积开始于约~3.54 Ma,经过与下伏阿图什组对比,两者的沉积相、沉积速率以及碎屑结构和结构成熟度具有明显差异,同时碎屑物裂变径迹热年代反应物源区阿尔金山在4.21—3.42 Ma存在隆升-剥蚀事件,说明西域砾岩沉积由特定时期的构造运动引发。Zhang et al(2014)发现天山南缘库车坳陷逆冲褶皱带记录的区域地壳缩短历史与新生代地层沉积速率增速、沉积颗粒变粗、生长地层出现在时间上相吻合,由此认为该区域新生代地层沉积指示了南天山的多期显著变形与隆起,而~2.6 Ma粗粒相西域砾岩的快速沉积则指示了此时天山山脉高度达到峰值。Lü et al(2015)在天山北麓柴窝堡盆地开展的构造、沉积与地层年代学工作也显示构造对与盆地粗粒相沉积的重要作用。


图6   粗粒相沉积成因模式: 源区构造隆升(据吕红华和周祖翼(2010))
Fig. 6 Conceptual model that is used to interpret the massive conglomeratic sedimentation driven by tectonic uplift of source area (after Lü and Zhou (2010))
直接将穿时分布的西域砾岩与特定期次的构造运动联系显然具有局限性,且不能很好地揭示西域砾岩及其下伏地层沉积相在前陆盆地的时空变化。由于局地西域砾岩的沉积可能仅仅指示了局地构造,而非大范围的构造事件,因此对西域砾岩沉积的解译最好建立在可靠的、三维的、时间控制的沉积框架中(Lü et al,2010)。陈杰等(2007)基于天山南麓喀什地区不同构造位置多个剖面的沉积学与磁性地层学研究,揭示了构造变形向南的迁移扩展推动了西域砾岩向南进积,即构造变形向南迁移引发背斜依次生长,地形坡度增加,西域砾岩随之向南迁移。研究数据显示,喀什边界逆断层向南迁移的速率变化与西域砾岩沉积前缘向南迁移的速率变化有很好的一致性,两者之间时滞为2 Ma。约15.5 Ma至4.0 Ma之间,前者迁移速率为1.4—3.4 mm/a,与后者的2.5—3.5 mm/a相近,在2 Ma以来西域砾岩向南的进积速率剧增至>10 mm/a,对应于构造变形向南迁移的速率在约4 Ma以来的剧增。陈杰等(2007)认为构造变形的脉冲式扩展是西域砾岩进积的主因,而气候变化只是次因。
尽管这些研究表明西域砾岩与构造成因相关,但并没有系统地呈现西域砾岩沉积的具体过程。对此,Fang et al(2016)提出的挠曲拗陷盆地的构造地层和沉积相时空演化模型为揭示西域砾岩沉积过程提供了很好的借鉴。西部造山带山前发育的挠曲盆地,包括塔里木盆地、准噶尔盆地等,在相邻山地的冲压下,盆地基底会产生显著挠曲下沉和冲断褶皱,这一过程严格控制了盆地构造和沉积相的发育。盆地演化早期为冲压拗陷沉积阶段,物源供给和沉积速率中等,沉积物以细粒的粉砂、泥岩和细砂为主,沉积相呈现规律性的由山前洪积扇、辫状河向盆地沉积中心洪泛平原和湖泊体系变化。盆地演化晚期,山脉开始强烈隆起,山前早期的前渊地带逐步隆起,形成冲断褶皱带成为新的盆地物源区,构造体系内的沉积相体系向盆内迁移,山前洪积扇和辫状河体系快速向盆地扩展,垂直山脉的梳状河流体系代替早期平行山脉的河湖体系,并最终成为外流水系,地层产生显著穿时现象。在这一演化过程中,物源区与沉积区的距离越来越近。据中国石油天然气总公司勘探院塔里木分院(1997)在叶城拗陷的研究,阿图什组中下部堆积很少含有不稳定矿物,重矿物多为地球化学性质稳定的锆石和电气石,且石英含量比例很大,而西域组堆积中不稳定矿物开始出现并向上逐渐增多,揭示了阿图什组与西域组的沉积源区由远源区转变为近源区。刘聃等(2012)在西南天山山麓乌鲁克恰提对西域组与阿图什组砾石统计结果显示,阿图什组到西域组沉积序列中存在三期旋回,从阿图什组第一旋回至西域组,砾石的磨圆程度变低,而粒径则表现为明显的增大趋势,进一步证实了晚新生代(~5.6 Ma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。
挠曲盆地演化过程中沉积相体系系统迁移导致的穿时现象,指示了西域砾岩等晚新生代地层序列沉积相的时空变化首先受控于盆地性质和构造演化,古气候变化仅仅是叠加在这个过程之上产生影响(Fang et al,2016)。
4.3   构造-气候耦合对西域砾岩形成的影响
尽管盆地构造演化控制了西域砾岩沉积相的时空演化过程,但相关研究显示,构造因素与气候因素难以剥离开来,构造事件与气候变化之间往往存在关联(陈杰等,2001,2007;Sun et al,2004;Heermance et al,2007;Lü et al,2010)。山脉隆升能够驱动山地进入冰冻圈并阻挡印度季风以及大西洋暖湿气流,由此改变区域气候条件和地表侵蚀状态。塔西河流域在~6 Ma之后蒿属植物与藜科植物等干旱种属的多样性的增加可能就是源于这一构造事件与气候变化的响应过程(Li et al,2011)。因此,在探讨西域砾岩沉积的驱动因素时,难以将构造因素与气候因素简单分割,西域砾岩应当是构造与气候作用的复合产物(邬光剑等,2001;Sun et al,2004,2007;Qiao et al,2016)。
5   结论与展望
前人通过实地考察、沉积学分析及磁性地层年代学等方法,系统研究了我国西北地区西域砾岩的分布、岩性特征、时代归属、沉积过程以及成因。早期,西域砾岩被视为一套年代地层单位,认为西域砾岩代表了上新世末至第四纪初期一次强烈的构造运动,但也有观点认为西域砾岩是~2.6 Ma全球气候变冷引起侵蚀速率提高的产物。随着磁性地层年代学的广泛应用,研究人员发现西域砾岩的底界年龄具有穿时性,应被界定为一套岩性地层单位,西域砾岩也可能不是特定气候事件或构造事件的产物,西域砾岩沉积在前陆盆地的时空演化受控于盆地的构造演化,而古气候变化仅仅是叠加在这个过程之上产生影响。
西域砾岩这一广泛分布的岩性地层单位记录了西北活动造山带隆升剥蚀的重要信息。随着物源分析方法的成熟,西域砾岩物源分析能够成为西部造山带与沉积盆地之间相互关系的一个有效切入点,进而反演沉积盆地源区特征、构造环境、客观再现沉积盆地与相邻造山带之间的时空耦合关系(胡楠,2014)。以往,野外观察和镜下鉴定是探究陆源沉积物的沉积环境、成岩作用、物源状况的常规方法。随着现代测试技术的不断提高,现今可以借助矿物学分析、地球化学分析等方法对西域砾岩的沉积物源进行细致研究。当前,碎屑锆石U-Pb年龄谱分析与重矿物分析是两种较为成熟且已被广泛应用的物源示踪手段,针对西域砾岩及其下伏地层开展这方面的工作,将有助于更好地理解西域砾岩的物源与沉积过程。
致谢:野外工作先后有张天琪、王振、程璐等研究生同学参与,评审专家对本文提出了诸多宝贵意见和建议,在此一并表示感谢!
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稿件与作者信息
李冰晶
LI Bingjing
武登云
WU Dengyun
逄立臣
PANG Lichen
吕红华
LÜ Honghua
吕红华,E-mail: hhlv@geo.ecnu.edu.cn
郑祥民
ZHENG Xiangmin
李有利
LI Youli
国家自然科学基金项目(41771013,41371031)
National Natural Science Foundation of China (41771013, 41371031)
出版历史
出版时间: 2019年4月18日 (版本5
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地球环境学报
Journal of Earth Environment