库鲁克塔格南部山前带中—新生代构造演化史——来自磷灰石裂变径迹的证据

刘　阵,张洪美,何金有,何登发,温佳霖,马　渭,王永飞

[1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；3.延长油田股份有限公司定边采油厂，陕西榆林 718600]



库鲁克塔格南部山前带中—新生代构造演化史
——来自磷灰石裂变径迹的证据

刘阵1,张洪美1,何金有2,何登发2,温佳霖3,马渭3,王永飞3

[1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；3.延长油田股份有限公司定边采油厂，陕西榆林 718600]

通过对磷灰石裂变径迹数据的分析和热史模拟，结合野外地质调查，研究了库鲁克塔格南部山前带中—新生代构造演化史。结果显示，从库鲁克塔格隆起到南部山前带方向，地层具有稳定克拉通地层产状的特征。库鲁克塔格南部山前带磷灰石年龄记录了182Ma和167—142Ma两期构造冷却事件，裂变径迹热史模拟反映出海西期构造抬升、早—中侏罗世埋藏沉降、晚侏罗世—白垩纪初构造抬升和新生代晚期构造抬升等演化阶段。综合研究表明，南部山前带普遍受到海西期和燕山运动早期构造抬升的影响，喜马拉雅运动主要造成了研究区断裂上盘的强烈逆冲推覆；早—中侏罗世埋藏沉降阶段，从沉积角度看，沉积中心位于却尔却克山所在的古位置。

裂变径迹；构造演化；库鲁克塔格；南部山前带；却尔却克山

库鲁克塔格隆起具有良好的前寒武系基底出露，其南、北分别由兴地断裂和辛格尔断裂所限定。隆起以南到塔里木盆地孔雀河斜坡之间的地带通常被称为库鲁克塔格南部山前带，与盆地的界限为孔雀河断裂(图1)。研究该构造带中—新生代构造演化史有助于了解塔里木东北缘整体构造演化与盆—山系统的耦合特征。通过野外地质调查、同位素年代学和磷灰石裂变径迹等方法和手段，前人已对库鲁克塔格隆起做了大量研究[1-4]，认为其主要经历了太古宙—元古宙基底形成、古生代南天山洋盆开合、中生代后碰撞与陆内演化及新生代再造山等构造演化阶段。另外，通过盆地内孔雀河地区大量钻测井资料、岩心观察和地震解释等综合研究，也对该区构造特征与形成演化获得了较多的认识[5-8]。但目前对造山带与盆地之间的南部山前带的研究较为缺乏，开展该地区的研究工作势在必行。

裂变径迹方法最初应用于盆地热史模拟，随着理论的成熟和方法的完善，其应用范围逐渐扩展到地质定年、造山带隆升、剥蚀和再沉积研究。近年来该方法又广泛应用于断层和成矿作用研究，并由定性分析发展到定量模拟[9]。目前该方法在库鲁克塔隆起构造演化研究中应用广泛，在盆地内也可以通过典型井目的层系的古地温指标来恢复对应的热演化史；该方法的本质是探讨构造演化过程与相应温度间的变化关系，建立研究区时代—温度演化轨迹[1]。本文通过对库鲁克塔格南部山前带岩石样品磷灰石裂变径迹数据的分析和热史模拟，结合野外地质调查，研究南部山前带中—新生代构造演化史。

1 区域地质

塔里木东北缘早期受统一的地球动力学系统影响，海西期伴随南天山洋盆闭合，塔里木构造单元与中天山—伊犁地体碰撞造山，南天山形成[10]。东侧分化出库鲁克塔格隆起和孔雀河斜坡，二者之间发育逆冲性质的孔雀河断裂，后期构造运动使得库鲁克塔格隆起和孔雀河斜坡的盆山结构愈加明显。

研究区位于塔里木盆地东北部孔雀河斜坡以北、库鲁克塔格隆起以南，是盆地与造山带之间的构造转换地带(图1)。在地貌上，兴地断裂以北的库鲁克塔格隆起表现为险峻的高山，以南的山前带逐渐过渡为低缓的戈壁和荒漠，孔雀河斜坡整体呈向西南倾伏的缓坡；在地质结构上，库鲁克塔格隆起主要发育前寒武系基底、下古生界和大量侵入岩，孔雀河断裂及孔雀河斜坡地表被第四系覆盖。

南部山前带新生界发育，下古生界主要出露在研究区中部的却尔却克山和元宝山地区，整体呈北西走向的山体形态(图2a)。对该地区进行了野外地质勘查和剖面实测工作，实测地层包括中寒武统莫合尔山组、上寒武统突尔沙克塔格组、下奥陶统巷古勒塔格组和中奥陶统却尔却克组(图2b)，各组、段之间接触关系均为整合，地层产状相对库鲁克塔格隆起比较平缓，倾向主要为西南方向(图3a—f)。研究区东部的雅尔当山发育震旦系和下古生界，野外观察见宽缓的褶皱构造(图3g)。兴地地区沉积岩经历了不同程度的变质，褶皱构造中多发育透入性劈理(图3h)。

总体来说，从库鲁克塔格隆起到南部山前带方向，地层变得比较稳定，具有稳定克拉通地层产状的特征。

2 样品与实验

古地温指标方法常用来恢复盆地的构造—热演化史，其主要包括矿物裂变径迹、有机质成熟度、黏土矿物转化和流体包裹体等方法[11]。裂变径迹热年代学实质上属于一种同位素定年方法，通过测量矿物颗粒的自发径迹密度ρs和诱发径迹密度ρi来计算年龄，再根据一定的理论模型建立径迹数量和长度等参数随温度与时间的变化规律[12-13]。本次研究采用磷灰石矿物的裂变径迹，其封闭温度在120℃左右。

通过对库鲁克塔格南缘地区的野外地质考察和剖面实测，选取库鲁克塔格南部山前带的兴地、却尔却克山—元宝山和南雅尔当山等地区的12个样品(样品位置见图1和图2a)进行了磷灰石裂变径迹测年实验，并对样品进行了热演化历史模拟。实验样品包括兴地地区青白口纪变质砂岩和石灰岩(X02和X09)、却尔却克山—元宝山寒武纪、奥陶纪碎屑砂岩(Q10、Q20、Q24、Q28、YB01、YB04和YB07)、却尔却克山沿断裂发育的侵入岩样品(Q02)和南雅尔当山震旦纪碎屑砂岩(Y04、Y05)(表1)。

表1　库鲁克塔格南部山前带样品磷灰石裂变径迹数据表

续表

注：n—样品颗粒数；ρs—自发径迹密度；Ns—自发径迹数；ρi—诱发径迹密度；Ni—诱发径迹数；ρd—铀标准玻璃对应外探测器的诱发径迹密度；Nd—铀标准玻璃诱发径迹数；P(x2)—自由度为(n-1)时x2概率；Nj—所测量的围限径迹长度数。

实验中选取尽可能多的磷灰石单颗粒进行测量(一般要求测试数量大于20个)，本次研究中部分样品(Q20、Q24和X02)磷灰石测试数量小于20个单颗粒，数据结果和热演化模拟仅供参考(表1)。测试结果中除了Y05样品，其余样品年龄均通过了x2检验[P(x2) > 5%]，测试年龄采用池年龄。却尔却克山样品年龄直方图呈单峰，且在年龄放射图上单颗粒年龄相对集中，反映了这些样品各自具有同一年龄组分(图4)，元宝山样品年龄放射图上的单颗粒年龄比较分散，分析认为该组年龄为混合年龄(图5)，兴地和南雅尔当山样品年龄分析结果与却尔却克山样品相似(图6)。12个样品磷灰石裂变径迹表观年龄分布范围在(203±15)—(142±12)Ma之间，都远小于地层年龄，平均径迹长度分布在(13.5±2.3)—(11.4±2.0)μm之间，小于新生成自发径迹平均长度(16.3±0.9)μm，表明样品普遍经历了热退火。

3 库鲁克塔格南部山前带构造演化史

综合分析区域磷灰石裂变径迹资料，再根据实测的磷灰石裂变径迹年龄和长度等数据，就可以模拟出研究区的热演化历史。本次研究对12个岩石样品的磷灰石裂变径迹数据进行热史模拟，模拟软件为HeFTy(2008年版本)。

3.1 却尔却克山岩石样品热史模拟

裂变径迹热史模拟表明却尔却克山原岩普遍经历了海西期构造抬升、早—中侏罗世埋藏沉降、晚侏罗世构造抬升和喜马拉雅期构造抬升等演化阶段(图4)。

样品Q02、Q20、Q24和Q28表观年龄为160～167Ma(表1)，均小于原岩年龄，记录了原岩在晚侏罗世早期的构造冷却事件，热史模拟也表明了该期抬升的存在(图4)；与其他样品的模拟路径不同，样品Q02模拟结果表明，其未经历喜马拉雅期构造抬升，由于该样品是沿着却尔却克山北侧逆冲断裂发育的侵入岩(花岗岩)，野外采样点位于该逆冲断裂的下盘，其在新生代之前已基本抬升至地表，喜马拉雅期构造抬升表现为断层上盘沿断层面的逆冲，对样品Q02没有太大的影响；样品Q10磷灰石裂变径迹表观年龄为182Ma，较邻近地区样品年龄偏大，记录了早侏罗世晚期比较局限的构造冷却事件。

3.2 元宝山碎屑岩样品热史模拟

热史模拟表明，元宝山原岩普遍经历了海西期构造抬升、早—中侏罗世埋藏沉降、晚侏罗世构造抬升和喜马拉雅期构造抬升等演化阶段(图5)。

样品YB01、YB04、YB07裂变径迹表观年龄集中在203～199Ma之间(表1)，均小于原岩年龄，在年龄放射图上，分散的单颗粒年龄显示了明显的混合年龄特点。热史模拟表明，三叠纪末(203—199Ma)元宝山原岩基本位于近地表，早—中侏罗世埋藏沉降阶段的埋深未达到磷灰石裂变径迹完全退火要求的深度，其后便经历了晚侏罗世早期(160Ma左右)构造抬升，因此样品裂变径迹表观年龄为早期未重置径迹年龄与晚侏罗世部分重置径迹年龄的混合年龄。喜马拉雅运动的构造抬升作用对位于逆冲断层下盘的YB01原岩影响较小，对样品YB04、YB07原岩构造抬升作用明显(图5)。

3.3 兴地变质岩和南雅尔当山碎屑岩样品热史模拟

热史模拟表明,兴地和南雅尔当山原岩经历了海西期构造抬升、早—中侏罗世埋藏沉降、晚侏罗世—白垩纪初和喜马拉雅期构造抬升等演化阶段(图6)。

样品X02、X09、Y04、Y05的裂变径迹表观年龄均集中于163—142Ma，反映了原岩普遍经历了晚侏罗世—白垩纪初的构造抬升，热史模拟结果也表明了该期抬升的存在(图6)。原岩在晚侏罗世之前的埋藏达到封闭温度对应的深度，早期的磷灰石裂变径迹退火而使时间体系重置。

4 讨论和结论

库鲁克塔格隆起兴地断裂附近的前寒武系基底的隆升剥蚀作用可划分为早侏罗世晚期(180Ma)、晚侏罗世—早白垩世(144—118Ma)、晚白垩世早期(92—84Ma)和新生代晚期(10Ma)几个阶段，多阶段的隆升作用是对亚洲南缘多期地体碰撞增生的响应[1]。在盆地东北部，孔雀河斜坡孔雀1井3个古生界样品的热史模拟主要反映了海西期和晚白垩世两期大的构造抬升运动，期间伴随早侏罗世晚期的小幅构造抬升[11]。塔东北的磷灰石裂变径迹热史模拟表明，塔东北盆山系统发育海西期和燕山期两期极为重要的构造运动，早海西期为主要的构造变形期[6,13]。综合分析认为，库鲁克塔格隆起和孔雀河斜坡在海西期具有统一的动力学系统，发育相同的褶皱变形样式，本研究的热史模拟也表明，隆起与盆地之间的南部山前带同样经历了海西期的构造抬升。燕山运动早期，多期构造抬升运动主要作用于库鲁克塔格隆起，盆地东北部仅存在英吉苏凹陷在晚侏罗世闭合隆起的沉积学证据[14]，本次库鲁克塔格隆起南部山前带的磷灰石裂变径迹年龄数据和热史模拟均证实了早侏罗世晚期(182Ma)和晚侏罗世—白垩纪初(167—142Ma)的两期构造抬升运动。燕山运动晚期，孔雀河斜坡才经历了海西期后一期比较强烈的构造抬升。喜马拉雅运动造成库鲁克塔格隆起新生代晚期(约10Ma)的区域性构造抬升作用，在研究区的南部山前带主要造成断层上盘的逆冲推覆，对盆地内的影响则体现为新生代地层向造山带方向超覆减薄。

综合研究得出以下结论：

(1)从库鲁克塔格隆起到南部山前带方向，地层变得比较稳定，具有稳定克拉通地层产状的特征。

(2)南部山前带样品磷灰石年龄记录了182Ma和167—142Ma两期构造冷却事件，元宝山样品裂变径迹年龄(203—199Ma)为混合年龄。裂变径迹热史模拟普遍反映出海西期构造抬升、早—中侏罗世埋藏沉降、晚侏罗世—白垩纪初构造抬升和新生代晚期构造抬升等演化阶段。

(3)研究区普遍受到海西期和燕山运动早期构造抬升的影响，喜马拉雅运动对逆冲断裂下盘影响较小，表现为断裂上盘强烈的逆冲推覆。

(4)早—中侏罗世为埋藏沉降阶段，却尔却克山奥陶系样品深埋沉降达到磷灰石裂变径迹封闭温度，元宝山奥陶系样品埋藏沉降未达到磷灰石裂变径迹封闭温度。从沉积角度看，侏罗纪早期沉积中心位于却尔却克山所在的古位置。

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Meso—Cenozoic Tectonic Evolution History in the Southern Piedmont Zone of Kuruktag——the Evidence Taken from Apatite Fission Track

Liu Zhen1，Zhang Hongmei1，He Jinyou2，He Dengfa2，Wen Jialin3，Ma Wei3，Wang Yongfei3

[1.ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,xi'an,Shaanxi710075,China；2.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;3.DingbianOilProductionPlant,YanchangOilfieldCo.Ltd.,Yulin,Shannxi718600 ,China]

Based on analysis of apatite fission track data and thermal history modeling, and combined with field geological survey, the Meso—Cenozoic tectonic evolution history in the southern piedmont zone of Kuruktag has been studied. Results showed that the formation had the characteristics of keeping the Kelatong attitude from Kuruktag uplift to the southern piedmont direction. The age of apatite in the southern piedmont zone of Kuruktag recorded the two tectonic cooling events in 182Ma and 167—142 Ma, and the simulation of fission track thermal history indicated that Hercynian tectonic uplifted, Early—Middle Jurassic formation descended, Late Jurassic—Early Cretaceous tectonic uplifted, and Late Cenozoic tectonic uplifted, etc. Comprehensive study showed that the southern piedmont zone had been affected commonly by the early tectonic uplift that created in Hercynian and Yanshan movement, the Himalaya movement mainly caused the strong thrust at the upper part of fault. From the viewpoint of deposition, the deposition center of early—middle Jurassic is located in the ancient position of Queerqueke mountain.

fission track; tectonic evolution; Kuruktag; the southern piedmont zone; Queerqueke mountain

国家自然科学基金重点项目(40739906)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2006CB202300)联合资助。

刘阵(1984年生)，男，博士，工程师，主要从事油气地质研究工作。邮箱：cugblz@163.com。

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