青藏高原北羌塘块体中—晚三叠世古地磁研究

周亚楠，程 鑫，邵瑞琦，张伟杰，卫弼天，刘雨纯，吴汉宁

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室, 陕西 西安 710069)

青藏高原是特提斯构造域东段主体,它的形成过程记录了晚古生代以来特提斯洋及位于其间的若干微板块所经历的多阶段离散、汇聚与碰撞的复杂演化过程,可为再造特提斯地质演化提供很好的素材[1-12]。目前,大量研究表明，青藏高原主要构造单元体——羌北块体,其南北两侧的西金乌兰金沙江缝合带或龙木错双湖缝合带最有可能代表消逝的古特提斯洋遗迹(见图1),因而,这一地带不仅成为研究初始高原形成时限的关键位置,还是厘清古特提斯洋形成演化过程的关键区域[12-19]。

古地磁是研究陆块运动轨迹行有效的方法之一。高质量的古地磁数据可以确定地体的古纬度及其变化,进而恢复块体的运动轨迹[20]。通过北羌塘地块与其周边块体的绝对位置以及块体间相对位置的变化量,可恢复夹持于块体间的西金乌兰金沙江特提斯洋或龙木错双湖特提斯洋的演化过程。然而,羌北块体现有的古地磁数据还不足以揭示其与欧亚大陆碰撞拼合前的运动细节,只能大致勾勒出它的运动主线:该块体晚古生代位于南半球中低纬度地区[21-26],至晚三叠世时期就已移至北半球中纬度地区[27-35]。已有数据表明,三叠纪是羌北块体持续北移的关键期,但由于至今仍无中三叠世古地磁数据的报道,致使这一关键时期的具体运动细节仍不清楚,这些不足限制了对古特提斯洋构造演化的精细刻画与青藏高原的古地理重建。造成羌北块体中三叠世古地磁数据缺乏的主要原因是极端的采样条件:这些地层仅分布于羌北块体腹地的无人区内,自然环境极端恶劣,交通条件极差,人迹罕至,平均海拔超过5 200 m。

本文针对现有古地磁数据库的薄弱点,对北羌塘地块中—晚三叠世图中湖组火山岩及菊花山组灰岩地层开展了系统的岩石磁学和古地磁学研究,以期为研究这一关键时期北羌塘块体位置变化、运动学特征以及古特提斯洋的构造演化过程提供关键的古地磁学佐证。

图1 青藏高原大地构造示意图(正方形内为采样区域)Fig.1 Geological structure map showing the major blocks and sutures on the Tibetan Plateau, and the location of paleomagnetic sampling conducted by this study

1 地质背景

羌塘块体地处青藏高原腹地,是青藏高原的主要地体之一,其北邻松潘—甘孜块体,南与拉萨块体相接[36]。羌塘地块中部发育一条东西向缝合带——龙木错—双湖缝合带(LSSZ)，其将羌塘块体划分为南羌塘与北羌塘块体[37-40]。古生代、中生代和新生代地层在北羌塘地块都有不同程度的出露,其周缘出露多为古生界地层,内则广泛分布着中生界地层。其中,中三叠地层分布零星,仅在热觉茶卡、图北湖一线出露,根据交通情况，选择图北湖及照沙山地区进行古地磁样品的采集。

1.1 中—晚三叠世图中湖组(T2-3t)

采样区位于西藏尼玛县图北湖北东约6 km一线(见图2a)。图中湖组(T2-3t)为中三叠世拉丁期—晚三叠世卡尼期沉积的一套硅质岩、灰岩夹火山岩的岩石组合。图中湖组下未见底,其上被中二叠统图北湖组逆冲推覆所覆盖,呈断层接触。该组下部以硅质岩、中基性熔岩、凝灰岩沉积为主,上部为含生物碎屑的微晶灰岩夹砂屑灰岩、硅质条带灰岩或硅质岩互层、角砾状灰岩。硅质岩中含丰富的放射虫化石,经鉴定有放射虫Sepsagonrobustum,Triassocampecoronatap,Triassocampecf.coronatap以及Pararuesticyrtiumtrattoense等,因而将该地层时代限定为安尼晚期至卡尼期[41]。本组地层中上部灰岩富含丰富的珊瑚腕足类化石,如:珊瑚Stylosmilia,腕足类Rhaetinopsiscf.zadoensis,Amphicjinasp.A.Intermedia,等,均为诺利期常见分子。此外,在玄武岩夹层获得K-Ar全岩同位素年龄为213 Ma。综合古生物及同位素定年结果,认为图中湖组的形成时代应为中—晚三叠世(1)陆济璞,陆刚,许华，等.中华人民共和国区域地质调查报告查多岗日幅区域(I45C002001 1∶25000) .2006.。

1.2 晚三叠世菊花山组(T3j)

菊花山组仅分布于拉雄错、照沙山、黑龙山一带,出露面积约210 km2。本次采样区位于照沙山附近(见图2b)。上三叠统菊花山组(T3j)为一大套碳酸岩组合,岩性主要是一系列的结晶灰岩,主要有浅灰色和浅黄色中厚结晶灰岩、含燧石条带和含砂屑的结晶灰岩、浅灰色厚层鲕砾状灰岩。该组富含上三叠统的常见生物化石分子,如:含Neohinleodellakobayashii等牙形石,Indopectensp.等双壳类分子,Margarosmiliazieten-Volzeiachagyabensis等珊瑚分子,Rhaetinacaucasica-Sacothyrissinosa等腕足类分子,确定采样区菊花山组的形成时代为晚三叠世诺利期①。

图2 采样区地质简图(据1∶25万地质图查多岗日幅(2006)修改)Fig.2 Geologic maps of the sampling area

1.3 采样情况

采样区位于青藏高原腹地北羌塘块体北部,自然环境恶劣,交通条件极差,人迹罕至。根据地层出露的情况,在查多岗日图北湖附近(346°N,849°E)与照沙山(342°N,854°E)的中—晚三叠世图中湖组及晚三叠世菊花山组地层中(见图3)布置9个采点,利用Model Do26-T6便携式钻机获得独立定向样品87块。其中,图中湖组青黑色火山碎屑岩6个采点,57块样品;菊花山组灰黑色灰岩3个采点,30块样品。

2 岩石磁学结果

本研究全部实验工作在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室中完成。分别从各采样单元中挑选出4组样品,对其进行三轴等温剩磁的系统热退磁实验和饱和等温剩磁实验,辨别样品中所含磁性矿物的种类、剩磁成因及其稳定性。实验过程中,饱和等温剩磁的获得与测量分别采用2G-660脉冲磁力仪和JR-5A旋转磁力仪;三轴等温剩磁的系统热退磁测试使用MMTD-48热退磁炉和2G-755R低温超导磁力仪。

岩石磁学结果显示,中晚三叠世，图中湖组(见图4)样品的饱和等温剩磁获得曲线在低场作用下,磁化强度呈近直线上升,小于300 mT外磁场条件时,磁化强度已基本趋于饱和。三轴等温剩磁的系统热退磁实验结果显示，其中磁成分含量占绝大多数,在350℃有一明显衰减,说明样品中可能含有少量中等矫顽力与解阻温度的磁性矿物,中(40～400 mT)和硬(400～2 700 mT)磁成分均在580℃左右解阻,显示了磁铁矿的特征。

图3 图中湖组及菊花山组采样照片Fig.3 The photos showing sampling situation of Tuzhonghu and Juhuashan formations

晚三叠世菊花山组(见图4)样品的饱和等温剩磁获得曲线，在低场作用下,磁化强度呈近直线上升,在小于400 mT时磁化强度已达60%以上,而后，随外场强度的增加缓慢增加,并最终达到饱和状态。三轴热退磁结果表明，其中间磁成分含量占绝大多数,中与软磁成分在580℃左右解阻,硬磁成分的矢量强度在670℃左右衰减至零,说明了赤铁矿与磁铁矿共存的特征。

3 古地磁结果

根据岩石磁学结果,选择系统热退磁、交变退磁对本次所采集87块样品进行了系统的磁清洗与测试工作。MMTD-48热退磁炉用于热退磁处理,温度间隔的低温段(80℃)稀疏,高温度较密集(15～50℃),剩磁测量在2G-755R超导仪上完成。交变退磁的间隔为5～10 mT,退磁与测试使用的仪器为2G-600AF交变退磁系统与2G-755R超导仪。剩磁分量统计分析使用Kirschvink主分量分析法[42],以采点为单位对各剩磁分量进行标准Fisher统计并求得组平均方向[43],数据分析处理所用到的PMGSC软件是由加拿大地质调查局Randy Enkin博士编制。

3.1 退磁特征

中—晚三叠世，图中湖组样品退磁曲线显示(见图5),部分样品具有双分量特征,当温度达到150～200℃时,可以将与现代地磁场相近的低温分量清洗掉。还有部分样品表现出单分量的特征,其剩磁强度和方向在Z式矢量图上展现出一条逼近原点的直线,无低温分量与高温分量之分,其天然剩磁强度随温度或外场强度的升高/增加呈线性逐步衰减,直至500℃或525℃左右完全解阻,极少数样品至565℃解阻。大部分菊花山组样品的退磁曲线具有典型的双分量特征(见图5),剩磁方向在200℃或20 mT处明显改变,在地理坐标系中与现代地磁场相近的低温分量被清洗,揭示出一组与低温方向截然不同的中—高温(场)分量,该分量在500℃左右已趋于原点。

图4 北羌塘地块中—晚三叠SIRM曲线和三轴等温剩磁的系统热退磁曲线Fig.4 Rock magnetic properties of Tuzhonghu Formation and Juhuashan Formation. IRM acquisition curves and thermal demagnetization of three IRM curves

3.2 低温(场)分量

北羌塘地块图中湖与菊花山组共有75块样品获得了低温(场)剩磁分量,该分量在200℃(或20 mT)之前被清除,且表现为在地理坐标系下较为集中且在地层坐标系下分散的特征,其平均方向为:Dg=8.8°,Ig=48.0°,kg=18.2,α95g=3.9,n=75(地理坐标系下);Ds=300.7°,Is=80.1°,ks=2.8,α95s=12.3°,n=75(地层坐标系下)。该方向接近于现代地磁场偶极子场方向(D=0°,I=53.5°)(见图6a),可能是现今地磁场的粘滞剩磁。

3.3 中—高温(场)分量

对中—晚三叠世图中湖组与菊花山组古地磁数据进行反复的分析与比较,可在8个采点(53块样品)中获得一组中—高温(场)分量(见图6),该分量普遍在500℃左右获得。500℃以上的温度点所对应的分量方向较凌乱,很难分离出有效的方向。该分量的平均方向在样品水平上校正前后分别为:Dg=29.5,Ig=44.9°,kg=18.0,α95g=4.7°,n=53(校正前);Ds=76.4°,Is=79.3°,ks=2.9,α95s=14.0°,n=53(校正后)。在采点水平上校正前后方向分别为:Dg=29.7°,Ig=44.6°,kg=44.6,α95g=8.4°,N=8(校正前);Ds=81.1°,Is=82.4°,ks=3.2,α95s=36.8°,N=8(校正后)((见图6b)。

图5 中—晚三叠世部分样品的退磁矢量Z氏图 (Zijderveld, 1967)Fig.5 Orthogonal vector plots of demagnetization behaviors in tilt-corrected coordinates from specimens representative of the Middle-Late Triassic Tuzhonghu Formation and Juhuashan Formation

从图6b中可以看出, 这组分量在样品地理坐标系下集中, 反而在地层坐标系下分散, 且在火山岩和灰岩记录的方向集合中, 均表现出同样的特征。 该分量无论在样品水平上还是采点水平上均未通过McElhinny(1964)褶皱检验(ks/kg=2.9/18.0, 样品水平;Ks/Kg=3.2/44.6, 采点水平)[44],逐步校正分析表明，其最大集中程度分别出现在(11.9±4.5)%和(12.0±7.3)%的地层倾斜校正水平上(见图7)[45],说明这组分量方向为褶皱后获得的重磁化方向。通过与前人研究的古地磁数据的比对,发现该方向与Chen等(2017)[33]在羌塘块体(103.8±0.46)Ma火山岩中获得的特征剩磁方向较为一致,将其换算至本文采样点所对应的古纬度为28.5°N±5.8°。所以，推测这组中—高温分量很可能是早白垩世时期的重磁化分量方向。

注:三角形(PGF)为现今地磁偶极子场;五角星为带α95置信圆采点或样品水平下的总方向图6 北羌塘块体中—晚三叠世样品赤平投影图Fig.6 Equal-area projections of the low-temperature

注：实线代表低温(场)分量检验结果,虚线代表中—高温(场)分量检验结果图7 同褶皱示意图Fig.7 Results for the low-temperature

4 结 论

1) 岩石磁学研究显示，北羌塘块体查多岗日地区中晚三叠世图中湖组及晚三叠世菊花山组地层中主要载磁矿物为赤铁矿和磁铁矿。

2) 本研究采集的大部分样品的退磁曲线具有明显的双分量特征,部分样品显示出单分量特征。这揭示出两组分量,低温(场)分量为现代地磁场重磁化方向,中高温(场)分量表现出明显的负褶皱特点,通过与已有数据的对比,推测该分量可能为早白垩世时期的重磁化方向。