阿尔金断裂带中中新世以来构造变形的电子自旋共振测年证据

李萌等

摘 要： 阿尔金断裂带新生代以来大规模活动的时限及规律一直是国内外研究的热点问题之一，但目前仍缺乏可靠的年代学约束。在野外地质调查基础上，对阿尔金断裂带中的伴生石英脉和石膏采用电子自旋共振（ESR）测年，并用测年结果约束断裂活动起始时间的下限，最后探讨了阿尔金断裂带中中新世以来的构造活动。结果表明：阿尔金断裂带新生代大规模构造变形始自中中新世（（12.5±1.3）～（15.1±1.5）Ma），之后经历了多期次的构造变形活动； 阿尔金主断裂开始大规模走滑活动的时限至少始于（15.1±1.5）Ma，而阿尔金北缘断裂挤压逆冲活动的时限至少始于（14.1± 1.4）Ma；阿尔金断裂带的变形活动在其主体走滑和北缘逆冲之间存在时间差，推测其具有从中心向两侧渐进扩展的变形方式；深部的韧性剪切首先引起阿尔金主断裂的走滑位移，致使附近山体快速抬升，随后变形扩展并引起阿尔金北缘断裂逆冲活动的构造响应。

关键词： 构造变形；电子自旋共振测年；中中新世；起始时间；流体活动；渐进扩展；阿尔金断裂带

中图分类号： P542 文献标志码： A

Abstract： The study on the initial activity time and mechanism of Altyn Tagh fault system since Cenozoic is one of hot topics in the northern Tibet Plateau， but is still lack of a reliable chronological constraint. Based on field investigation， the ages of associated quartz vein and gypsum from Altyn Tagh fault system were measured by electron spin resonance （ESR） dating， and the age was taken as the constraint of the latest fault activity； the structural deformation of Altyn Tagh fault system since Middle Miocene was discussed. The results show that Cenozoic large-scale structural deformation of Altyn Tagh fault system starts in Middle Miocene （（12.5±1.3）-（15.1±1.5）Ma）， followed by multistage activities； time limit of large-scale strike-slip activity for Altyn Tagh main fault at least starts in （15.1±1.5）Ma， but time limit of compression thrust activity for the northern Altyn Tagh fault at least starts in （14.1±1.4）Ma； there is a time difference for the activity between Altyn Tagh main fault and the northern Altyn Tagh fault， suggesting that Altyn Tagh fault system extends progressively from the center to both sides； the deep ductile shear leads to strike-slip movement of Altyn Tagh main fault and rapid uplift of neighbouring mountain， and then the deformation propagation cause the tectonic response of thrust activity of the northern Altyn Tagh fault.

Key words： structural deformation； ESR dating； Middle Miocene； initiation age； fluid activity； deformation propagation； Altyn Tagh fault system

0 引 言

阿尔金山位于青藏高原北部边缘，是研究青藏高原隆升和演化的热点地区之一[1-14]。近几十年来，许多学者针对阿尔金断裂带演化历史做了大量的研究工作，主要认识集中在阿尔金断裂的规模[15-16]、走滑活动时间[17-18]、位移量[19-20]、滑移速率[21-22]以及活动方式[23-24]等方面。其中，阿尔金断裂带活动时间的确定对于理解青藏高原构造应力和变形的扩展、调整及改造至关重要。许多学者利用磷灰石裂变径迹、盆地沉积等方法来探讨阿尔金断裂新生代以来的活动时限，可归纳为3类观点：Yin等认为是晚始新世—早渐新世[2，25-26]；Yue等认为是中新世[27-29]；万景林等认为是上新世以来[30-31]。尽管阿尔金山隆升和阿尔金断裂的左旋走滑有不可分割的联系，然而将其阶段性的隆升冷却作为阿尔金断裂活动的直接证据尚有待验证。对于阿尔金北缘断裂，虽然Yin等对其逆冲和走滑特征有所提及[2，24]，但在断裂活动的时限方面同样缺乏年代学的直接约束。

在构造变形过程中，形成断裂、节理、裂隙等构造，流体活动也趋于强烈，形成数量较多的石英、方解石、石膏等脉体。通过对构造脉体矿物的电子自旋共振（Electron Spin Resonance，ESR）测年，可以确定所在区域中、新生代以来构造活动的时间和期次[32-34]。本文在野外地质调查基础上，在阿尔金断裂带采集构造脉体进行ESR测年，获取断裂活动可靠的年代学信息，并结合前人研究成果探讨了阿尔金断裂带中中新世以来的构造活动。

1 地质概况

阿尔金断裂带是青藏高原西北部的自然边界，呈NEE向，分隔了塔里木盆地和柴达木盆地（图1），是亚洲内部一条重要的走滑断裂带[15]。阿尔金断裂带主要由阿尔金主断裂和阿尔金北缘断裂及两者夹持的阿尔金地体所组成[23]。

阿尔金主断裂以巨大的左行走滑为特征，且走滑过程中伴随隆升作用的存在，控制了局部山体的隆升。阿尔金北缘断裂位于阿尔金山北麓，断面倾向SE，构成阿尔金山与塔里木盆地的地貌分界。主断裂较平直，局部略有起伏，并派生出与之同方向的次级断裂。阿尔金北缘断裂包括江尕勒萨依断裂、拉配泉断裂等（图2、3），主要表现为强烈的逆冲作用，同时存在一定的走滑[2]。

在变形时间上，阿尔金断裂带经历了新生代以来的多期次构造隆升和变形。塔东南地区在中新世发生强烈的冲断活动（图2），并在上新世进入山前挠曲沉降阶段。 尽管无法确定阿尔金断裂带开始活动的时间，但可以推断其大规模的变形活动始于中新世，其中北缘断裂以挤压逆冲为主，并扩展变形至塔东南地区。

2 样品采集与特征

中新世以来，阿尔金断裂带构造隆升与断裂变形活动强烈，地下流体活动也比较活跃，沿断裂和节理可形成数量较多的石英、方解石、石膏等脉体。笔者在阿尔金主断裂和阿尔金北缘断裂中采集ESR测年样品，样品位置见图1。

阿尔金断裂带西段表现为规模巨大的NE向线性展布，由数条平行的走滑断层组成，断面陡倾，地表破碎带宽度达数千米。 图4（a）显示NE向走滑断层发育在震旦系大理岩化地层之中。该断裂断面清晰，可见一系列平行且均匀细密的擦痕[图4（b）]， 横向深浅变化不明显，部分有石英脉充填（样品MF52-1）。根据陡坎棱角状眉峰、根部裂缝、与擦痕斜交的小裂缝等特征将其识别为反阶步，倾向指示该断裂为左行走滑。

红柳沟样品HL11-1和HL16-3均取自阿尔金山北缘东段，岩性分别为石英脉和石膏。中元古界蓟县系绿泥片岩受后期构造变形（尤其是拉配泉断裂新生代以来）的改造，发育了韧性—脆韧性剪切带、脆性断层和相关面理等变形构造[图3（a）]。沿构造面理常见石英脉、方解石等，与面理一起发生褶皱，出现细颈化、透镜体化等现象。大多数石英脉（样品HL11-1）褶皱呈尖棱状[图4（c）]，脉宽一般几厘米至十几厘米不等。红柳沟地区出露早古生代浅肉红色斑状花岗岩，受剪切应力破裂形成大量“X”形节理[图4（d）]，产状稳定延伸较远，后期热液蚀变导致硫化物沿裂隙充填而形成细脉状石膏（样品HL16-3）。

在阿尔金山北缘西段，造山带阿尔金岩群（Pt1a）片麻岩沿江尕勒萨依断裂逆冲于侏罗系之上，并使中生代地层产生褶皱和断裂[图3（b）]。挤压褶皱的轴面走向NEE，与断裂带近于平行。江尕勒萨依断裂在山前带派生多条次级逆冲断裂，断裂带内部分莎里塔什组发生倒转，反映了该断裂具有强烈的挤压性质。由山前向盆地，褶皱由紧闭变宽缓，地层倾角变小，说明垂直轴向冲断作用逐渐减弱。在断层破碎带及其两侧，侏罗系砂岩中发育多组节理，呈网格状，并被0.2～0.5 mm宽石英细脉（样品AS20-2）充填[图4（c）、（d）]，为断裂活动时期热液充填的产物。

3 测试结果

电子自旋共振测年是德国科学家Zeller在1967年提出的根据样品所吸收自然辐照剂量来推导样品形成年代的测年方法[32]。石英颗粒的硅氧四面体结构在γ、β、α射线击打下能形成一些二价氧空位。由于岩石中存在大量自由电子，一个氧空位可以捕获一个自由电子，产生一个顺磁中心。石英脉年龄越古老，岩石中放射性越强，则顺磁中心浓度也越高。根据已建立的年龄-顺磁中心浓度及岩石放射同位素含量的试验关系，可确定石英脉的结晶年龄。陈文寄等对ESR测年的原理、方法和过程已进行详细研究[32-33]。

关于石膏样品的处理流程，陈正乐等已有论述[35-36]，在此不再赘述。石英脉和石膏ESR测年样品的测试结果分别见表1、2，各样品ESR信号强度与磁场强度曲线见图5。

4 地质意义

野外脉体产状复杂，在低角度逆断层、张节理和裂隙中皆有发育，是某一期或多期构造活动的局部表现，仅从脉体成因方面难以反映阿尔金断裂带的总体构造变形状态，必须结合区域地质现象综合分析。

阿尔金主断裂西段发育数条平行展布的走滑断裂，表现为大规模的走滑特征。石英脉充填应发生在断裂强烈活动之后，样品MF52-1作为断面擦痕的石英脉充填[图4（a）]，其年龄（（15.1±1.5）Ma）代表了断层活动的下限时间（即石英脉的充填时间），也代表了阿尔金主断裂在中中新世的走滑活动时间。

拉配泉断裂样品HL11-1的地质特征表明该地区至少经历了两期变形作用：第1期，在局部张性环境下，原岩层理形成面理、片理等，之后热液充填形成顺层石英脉；第2期，挤压作用使前期面理等发生变形改造，石英脉形成褶皱、透镜化等构造。石英脉小褶皱的轴面倾向SE，指示了由SE向NW挤压的运动学特征[图4（c）]。样品HL11-1的ESR年龄为（12.5±1.3）Ma，代表了拉配泉断裂带一期挤压变形的活动时间。

石膏在变形过程中容易受构造变形的影响而溶解，沿断裂面或裂隙流动，裂隙带或断层面上生长石膏的年龄往往也可以代表构造的变形年龄[35]。在压剪构造背景下，斑状花岗岩出现“X”形剪节理[图4（d）]，局部压力和压力梯度骤升，驱动含矿热液向浅部上升。热液可沿节理面发生长石蚀变（石英-绢云母-绿泥石-黏土矿），较发育硫化物脉体，其中包括硬石膏、石膏脉等[37-38]。样品HL16-3的年龄（（0.17±0.02）Ma）记录了共轭剪节理活动下热液蚀变成矿的时间，可以作为拉配泉断裂带一期活动时间。

江尕勒萨依样品AS20-2处于江尕勒萨依逆冲断裂带中[图3（b）、图4（e）]。断裂带强烈活动之后形成局部张节理破裂，随之被热液流体侵入充填，因此，该石英脉的形成时间代表了张节理或断裂带的活动时间。根据其ESR年龄，江尕勒萨依断裂在（14.1±1.4）Ma发生过一次强烈的逆冲活动。

综合地质事实和测年数据，阿尔金主断裂主要处于强烈走滑的构造环境，一期中中新世的走滑活动发生在（15.1±1.5）Ma，而阿尔金北缘断裂则主要处于挤压逆冲的构造环境，ESR测年记录了分别发生在中中新世（（12.5±1.3）～（14.1±1.4）Ma）和晚更新世（（0.17±0.02）Ma）的两期构造变形活动。

5 讨 论

新生代以来，在印度和欧亚板块碰撞的远程效应下，青藏高原北缘的构造变形也经历了阶段性调整和改造。其中，阿尔金主断裂发生大规模左行走滑，北缘断裂则向盆地方向强烈冲断。根据本次测试结果，并结合前人的ESR测年报道可以得知，自中中新世以来，阿尔金断裂带经历了多期次的构造变形活动（表1、2）。本文从2个方面来探讨阿尔金断裂带中中新世以来的构造变形。

5.1 大规模变形的开始时间

尽管有证据表明阿尔金山自晚始新世―渐新世已开始隆升，却不能将其作为阿尔金断裂带活动的直接证据。阿尔金断裂带大规模的变形活动始于中新世，且北缘断裂冲断变形扩展 至塔东南地区。Yue等根据岩石圈地幔减薄推测阿尔金断裂在13～ 16 Ma发生过大规模走滑运动[27]。吴磊等根据阿尔金断裂左旋走滑相关的地质现象，得出其新生代以来大规模走滑始于（15±2）Ma[39]，但同样缺乏年代学数据的支持。本文利用ESR测年可以作为约束断裂活动起始时间的下限，阿尔金主断裂开始大规模走滑活动的时限至少起始于（15.1±1.5）Ma，而阿尔金北缘断裂挤压逆冲活动的时限至少起始于（14.1±1.4）Ma，两者活动较为一致，证明了整个阿尔金断裂带在中中新世发生过一期广泛的构造变形活动。此外，Yin等也从裂变径迹[2]、地层沉积[40]等方面报道了阿尔金山中中新世的构造隆升事件，且与这一期大规模的构造变形有较好的吻合性。综上所述，阿尔金断裂带新生代大规模构造变形至少始于（15.1±1.5）Ma，之后经历了多期次的构造变形活动（表1、2）。

5.2 扩展变形特征

Tapponnier等提出青藏高原具有斜列渐进式的扩展变形方式[41]。中中新世以来，伴随印度板块与欧亚板块的持续汇聚，构造应力和变形逐渐传递到青藏高原北缘。阿尔金断裂带巨大的NE向展布，不仅控制了青藏高原北缘隆升和对外扩展变形的方向，同时制约了断裂带内部变形的传递方向。阿尔金断裂带的变形活动在其主体走滑和北缘逆冲之间存在时间差，阿尔金北缘断裂的活动响应明显滞后于阿尔金主断裂。阿尔金北缘拉配泉断裂大规模活动的时间（12.5 Ma）滞后于江尕勒萨依断裂（14.1 Ma），而整体来看，阿尔金北缘断裂的活动时限略晚于阿尔金主断裂（15.1 Ma），阿尔金断裂带具有从中心向两侧渐进扩展的变形方式。天然地震探测显示，阿尔金主断裂是近直达岩石圈地幔的深大断裂，阿尔金北缘断裂等作为“分支断裂”在深部与其汇交 [15，23]。在板块碰撞的构造背景下，深部韧性剪切首先引起阿尔金主断裂的走滑位移，引起附近山体的快速抬升；随后变形逐步扩展到整个阿尔金断裂带，并引起阿尔金北缘断裂逆冲活动的构造响应。在构造隆升方面，阿尔金主断裂附近抬升较快，阿尔金造山带中晚新生代呈“正花状”的构造抬升 [30-31]，与构造变形的渐进扩展方式一致。

6 结 语

（1）电子自旋共振测年结果表明，阿尔金断裂带新生代以来的大规模构造变形始自中中新世，之后经历了多期次的构造变形活动。其中，阿尔金主断裂开始大规模走滑活动的时限至少始于（15.1±1.5）Ma，而阿尔金北缘断裂挤压逆冲活动的时限至少始于（14.1±1.4）Ma。

（2）在阿尔金断裂带“正花状”深部构造背景下，推测其具有从中心向两侧渐进扩展的变形方式：深部韧性剪切首先引起阿尔金主断裂的走滑位移以及附近山体的快速抬升；随后变形扩展至整个阿尔金断裂带，并引起阿尔金北缘断裂的逆冲活动。

研究过程中得到李廷栋院士、康玉柱院士、乔德武研究员等的指导和帮助，在此一并致谢。

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