天山艾维尔沟地区侏罗系热历史演化及其地质意义

张怀惠, 张志诚, 汤文豪, 唐建洲

天山艾维尔沟地区侏罗系热历史演化及其地质意义

张怀惠1, 张志诚1, 汤文豪2, 唐建洲1

(1.造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京大学 地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.自然资源部信息中心, 北京 100812)

研究东天山和西天山过渡区域艾维尔沟地区的隆升剥露历史对于分析中新生代天山及其邻区的构造格局以及区域构造演化历史具有重要意义。本次研究通过对研究区出露的煤层(线)进行了镜质体反射率分析以及对应的顶板或底板的砂岩层进行了磷灰石裂变径迹系统分析, 测试结果显示, 研究区侏罗纪煤层镜质体反射率主要分布在0.79%～1.19%之间, 相应的磷灰石裂变径迹年龄集中在79～129 Ma之间; 热历史模拟表明, 侏罗纪地层在早白垩世(130～100 Ma)达到最大埋深, 并发生一次快速冷却事件, 之后处于相对稳定期, 新生代最终剥露到达地表。相比于西天山, 艾维尔沟地区和东天山在早白垩世的隆升幅度大, 使得天山东部发生强烈的构造运动, 标志着早白垩世是东天山构造地貌形成关键时期。

艾维尔沟; 裂变径迹; 镜质体反射率; 热历史; 隆升剥露

0 引 言

前人应用热年代学方法对天山地区中新生代以来的隆升剥露历史进行了大量的研究对比, 获得了一系列成果(郭召杰等, 2005; Zhu et al., 2005; 张志诚等, 2007; Jolivet et al., 2010; 姚志刚等, 2010; Yin et al., 2015, 2018; 孙岳等, 2016), 为理解天山中新生代陆内造山过程和机理提供了可靠资料(Bullen et al., 2001; 郭召杰等, 2006; 吕红华等, 2013)。西天山地区的冷却剥露作用在中生代白垩纪以前就有相对广泛的记录, 白垩纪以来又发生多期快速冷却抬升作用; 而东天山地区则自白垩纪开始才出现快速冷却剥露过程(陈正乐等, 2008; 高洪雷等, 2014; 孙岳等, 2016)。中生代是古生代陆块拼贴作用和新生代陆内造山再活化的转换时期, 针对这一时期的盆地演化, 前人曾在西天山北缘的头屯河、玛纳斯河、四棵树河等地区开展了低温热年代学研究(Hendrix et al., 1994; 郭召杰等, 2005; 张志诚等, 2007); 同时也对天山内部后峡地区侏罗系剥露过程及中新生代盆山关系进行了讨论(郭召杰等, 2005); 而对于东天山和西天山过渡区域艾维尔沟地区的隆升剥露历史研究相对较少, 资料比较匮乏。艾维尔沟地区位于东天山和西天山的过渡区, 是研究天山隆升剥露及侏罗纪盆地演化的关键区域之一。该区仅出露约50 km2的侏罗纪地层, 却发育有大量的“优质煤”, 对于其成因目前尚无明确认识(黄文辉等, 2010)。因此, 研究艾维尔沟地区侏罗系沉积埋藏和隆升剥露历史对于分析中生代天山及其山间盆地的构造格局以及成煤演化历史具有重要意义。

本文主要通过艾维尔沟地区二叠系、侏罗系砂岩的磷灰石裂变径迹测年、热历史模拟以及一些煤岩样品的镜质体反射率分析, 并结合前人的研究成果, 恢复侏罗纪含煤地层所经历的热历史, 确定中生代以来艾维尔沟及邻区侏罗系冷却隆升过程, 进一步探讨天山隆升剥露的成因机制。

1 地质背景及样品采集

天山山脉是中亚地区重要的新生代陆内造山带, 夹于准噶尔盆地和塔里木盆地之间, 东西走向延绵2500 km, 宽约150～300 km, 其内广泛发育山间盆地(孙岳等, 2016; Morin et al., 2018)(图1)。本文将沿袭前人的划分方法, 沿乌鲁木齐‒库尔勒一线将天山山脉划分为东天山和西天山(李锦轶等, 2006; 孙岳等, 2016)。艾维尔沟地区位于东天山和西天山的过渡区域, 东邻吐哈盆地, 西至后峡地区, 受到周围深大断裂的控制, 区内地层总体呈NWW向展布, 该区盛产优质炼焦煤, 是新疆地区重要的煤炭产地, 为天山内的小型山间构造含煤盆地之一(张慧等, 1993; 黄文辉等, 2010)(图1)。

艾维尔沟地区断裂十分发育, 冰达板与红五月桥两大断裂均向下延伸至中下地壳(孙永娟, 2007)。其中红五月桥断裂沿NW-SE走向延伸约45 km, 向南倾斜, 倾角约60°～70°, 为艾维尔沟侏罗纪盆地南缘断裂; 冰达板断裂沿NW-SE走向延伸约40 km, 向北倾斜, 地表倾角约75°～80°, 浅部具有正断层性质, 深部向南逆冲, 同时在地表兼右行走滑性质(图2)。除此之外, 研究区东部小型断裂密集成群, 均为逆断层, 都向南倾, 倾角平缓‒中等, 并与盆地南缘的红五月桥断裂大致平行, 西部断裂较少(苏春乾等, 2006a)(图2)。

以红五月桥断裂为界, 研究区以南发育泥盆系‒下石炭统火山岩、火山碎屑岩、碎屑岩和侵入其中的花岗岩、花岗闪长岩类岩浆岩; 以北在泥盆系碎屑岩之上沉积了二叠系阿尔巴萨依组(P2)、芦草沟组(P3), 三叠系小泉沟组(T2-3)和侏罗系艾维尔沟群八道湾组(J1)、三工河组(J1)、西山窑组(J2)、头屯河组(J2), 地层总体走向280°左右, 呈向南倾的单斜构造, 倾角变化较大, 介于7°～45°, 并具有东缓西陡的特征(张慧等, 1993)。在晚古生代‒中生代地层中发育若干不整合面(苏春乾等, 2006a, 2006b; 刘冬冬等, 2013)(图3)。

艾维尔沟地区中下侏罗统保存完整、出露较好, 侏罗系呈NW-SE走向长条形分布(黄文辉等, 2010)。下侏罗统八道湾组自下而上发育河流‒三角洲‒滨浅湖相沉积, 代表了小规模的湖侵过程, 岩性组合为砾岩、粗砂岩、细砂岩、煤机砂质泥岩夹菱铁矿透镜体, 厚度约745 m, 底部与中上三叠统小泉沟群呈不整合接触; 下侏罗统三工河组以湖泊相沉积为主, 发育灰绿色砂岩、泥岩沉积, 厚度约为276 m, 底部与八道湾组整合接触; 中侏罗统西山窑组以湖泊‒三角洲沉积的黏土岩、细砂岩、粗砂岩、浅灰色细粒岩为主, 含煤层, 夹菱铁矿透镜体, 厚度约为700 m, 底部与三工河组整合接触; 中侏罗统头屯河组出露在艾维尔沟南侧, 出露面积较小, 以灰紫色、灰绿色砾岩、中粗砂岩沉积为主, 表现出干旱气候下的冲积扇沉积特征, 厚度约为980 m, 底部与西山窑组呈整合接触, 顶部被断层切割(孙永娟, 2007)。

图1 北天山区域地质简图及艾维尔沟地区位置图(据Han et al., 2011; Tang et al., 2014)

为探讨东天山和西天山过渡带的构造隆升特点, 本次研究对艾维尔沟‒阿克塔西地区二叠系、侏罗系砂岩进行了系统采样, 共采集8个磷灰石裂变径迹样品和6个镜质体反射率(o)样品, 具体采样位置见图2、3。

2 实验方法

裂变径迹定年是热年代学定年法的一种, 基本原理遵从同位素定年方法, 利用238U的自发裂变在矿物晶格内部产生的物理损伤随温度的升高而发生退火作用(Gallagher, 2003), 来记录岩石所经历的热历史, 进而研究地质体热历史和构造史(张志诚和王雪松, 2004)。在沉积岩中可以根据碎屑沉积物中磷灰石裂变径迹年龄、长度, 综合考虑地温梯度、地表温度等参数, 反演沉积物的沉积、埋藏、剥露过程(Ketcham et al., 2009)。

本次研究使用外部探测器方法来确定磷灰石裂变径迹年龄(Hurford and Green, 1977)。首先将野外采集的样品送样至河北廊坊诚信地质服务有限公司。通过常规重液磁选方法筛选出磷灰石颗粒。再将磷灰石用环氧树脂固定在光玻片上, 然后进行研磨、抛光, 在室温20 ℃下, 用5 mol/L硝酸蚀刻磷灰石颗粒20 s揭示自发裂变径迹。该过程在北京大学造山带与地壳演化的重点实验室裂变径迹实验室完成。将磷灰石和低铀白云母外探测器送至中国原子能科学研究院核反应堆热中子辐照, 其中子通量为1.0×1016n/cm2, 之后将白云母外探测器在40% HF室温蚀刻20 mins, 揭示诱发裂变径迹。进行裂变径迹年龄和封闭径迹长度测定时, 在蔡司显微镜1000倍放大率下, 结合自动扫描系统对裂变径迹进行计数和测量。每个样品任意选取20个左右径迹清楚、平行轴的磷灰石颗粒进行测年。年龄计算使用zeta()标定方法(Hurford and Green, 1977),值通过磷灰石裂变径迹标样杜兰戈州(McDowell et al., 2005)和鱼峡谷凝灰岩(Naeser and Cebula, 1982)分析获得, 为384.01±11.17。分析裂变径迹长度时, 每个样品测量出100条水平封闭径迹(Gleadow et al., 1986)。在进行地质解释时, 考虑年龄及平均径迹长度的统计误差为±2σ, 测试流程见李建锋等(2010)。

图2 艾维尔沟地层出露与磷灰石裂变径迹和镜质体反射率样品分布图(修改自刘冬冬等, 2013)

1. 煤层; 2. 页岩; 3. 泥岩; 4. 粉砂岩; 5. 细砂岩; 6. 粗砂岩; 7. 砾岩; 8. 凝灰岩; 9. 火山角砾岩; 10. 生物碎屑灰岩; 11. 灰岩; 12. 石英长石砂岩。

镜质体反射率(o)是目前常用的、重要的有机质成熟度指标之一, 有机质经历的成岩或者热变质作用越深, 镜质体反射率越大。镜质体反射率具有如下两个重要特征: 一是镜质体反射率是其达到最高温度的函数; 二是它具有不可逆性, 因此可以有效确定样品所经历的最高古地温。镜质体反射率的测量在中国地质大学(北京)材料物理实验室lEITMPV-3仪器上完成, 测试条件和流程见肖贤明等(1991)。

3 实验结果

3.1 煤岩镜质体反射率

6件镜质体反射率样品采自阿克塔西地区中侏罗统西山窑组(J2)煤层和阿克塔西南侧艾维尔沟地区下侏罗统八道湾组(J1)煤层、上二叠统(P2)泥岩(图2、3), 具体测试结果见表1。

结果显示, 样品的镜质体反射率平均值集中在0.779%～1.193%之间(表1)。根据镜质体反射率与最大古地温之间关系(Barker and Pawlewicz, 1986), 所求得的相应最大古地温值(max)分布在85～176 ℃之间。阿克塔西地区2件中侏罗统西山窑组煤样的镜质体反射率分别为0.069%和0.080%, 对应的最高古地温为85 ℃和122 ℃(由于经纬度测量的误差, 阿克塔西地区2件煤样对应的经纬度一致, 但实际为不同采样点), 平均镜质体反射率值为0.681%, 平均最高古地温为103.5 ℃。艾维尔沟地区的镜质体反射率值明显高于阿克塔西地区, 全部集中在1.0%～ 1.2%之间, 所求得的相应最高古地温均在150 ℃以上, 反映该地区经历了较高程度的热演化。为了验证镜质体反射率测试结果, 在艾维尔沟地区同一地点先后进行了两次重复采样(XJ09-104和TB10-27)及测试, 测试结果相差极小(1.189%和1.193%), 表明数据可靠。

3.2 磷灰石裂变径迹

艾维尔沟和阿克塔西地区8件裂变径迹样品分别采自中二叠统芦草沟组(T42), 下侏罗统八道湾组(T40和T41)、三工河组(T43和T46), 中侏罗统西山窑组(T45和T47)、头屯河组(T44)(图2、3)。裂变径迹结果见表2和图4。

阿克塔西地区中侏罗统西山窑组样品(T47)的裂变径迹年龄为107.3±10.0 Ma, 小于样品所在地层的沉积年龄, 表明受到了退火作用的影响, 封闭径迹平均长度为12.2±1.8 μm, 小于原始径迹的长度(16±1 μm), 对应煤层的o测试平均值为0.779%,max为122 ℃。艾维尔沟地区磷灰石裂变径迹的年龄分布在79～129 Ma之间, 封闭径迹长度分布在12 μm左右。侏罗系样品的裂变径迹年龄主要集中在晚白垩世(79.1～97.7 Ma), 均小于样品所在地层的沉积年龄, 表明受到了退火作用的影响, 封闭径迹的长度分布多呈单峰态(图4), 对应煤层的o测试平均值在1.0%～1.2%之间,max为164～176 ℃。二叠系样品(T42)的磷灰石裂变径迹年龄与侏罗系样品类似, 为99.1±7.4 Ma, 反映其可能经历了类似的热演化历史, 对应煤层的o测试平均值为1.0%,max为155 ℃。

表1 镜质体反射率(Ro)分析及部分对应的磷灰石裂变径迹分析数据

表2 艾维尔沟‒阿克塔西地区磷灰石裂变径迹分析数据表

图4 艾维尔沟‒阿克塔西样品单颗粒年龄放射图和裂变径迹长度分布图

4 讨 论

4.1 磷灰石裂变径迹热历史模拟

为了更好地了解艾维尔沟‒阿克塔西地区的热历史, 本次研究选取封闭径迹数目较多的样品反演该地区热演化过程。利用热模拟软件HeFTy, 采用Ketcham et al. (2007, 2009)的单组分退火模型和Monte Carlo法, 模拟样品的热历史,par初始值为1.5, 径迹初始长度为16.3 μm, 模拟次数为10000次。在模拟过程中, 充分考虑了沉积年龄、相应煤层的最高温度、不整合面、生长地层等因素。热历史模拟结果如图5所示。

热历史模拟中, K-S检验代表径迹长度模拟值和实测值的吻合程度, 年龄GOF代表径迹年龄模拟值和实测值的吻合程度。若K-S检验和年龄GOF都大于5%时, 表明模拟结果可以接受, 当它们值超过50%, 模拟结果较好(朱文斌等, 2007)。从图中可以看出, 样品K-S检验均大于50%, 年龄GOF值均大于50%, 说明所有样品模拟结果可以接受且可信度高。

阿克塔西地区中侏罗统西山窑组样品T47的热历史模拟曲线显示出早白垩世(约130 Ma)开始进入冷却降温过程, 该降温过程一直持续到现今(图5)。这一特征与郭召杰等(2005)对后峡地区西山窑组的热历史模拟结果相似。艾维尔沟地区样品热历史模拟曲线显示出早白垩世(约120～100 Ma)和中新世以来经历了两个阶段的快速冷却过程, 且两个冷却阶段之间热历史模拟曲线显示出平稳的曲线。侏罗系及二叠系样品的热历史反演曲线显示出样品基本都经历了完全退火作用, 所经历的最大古地温皆超过120 ℃, 反映样品经历一个较高的热演化过程(图5)。这与艾维尔沟地区明显较高的镜质体反射率值相符合。样品在经历了早白垩世开始的快速冷却降温阶段后, 温度就已经降低到部分退火带之外。因此, 艾维尔沟地区样品热历史反演曲线新生代的快速冷却阶段仅具有一定的参考价值。

Acceptable fit. 可接受的模拟结果; Good fit. 符合良好的模拟结果; Path modeled. 符合较好的t-T曲线; 裂变径迹长度图中的曲线是与模拟结果相符的理想裂变径迹长度分布曲线。

4.2 热历史与沉积体系分析

阿克塔西地区的两件煤样的镜质体反射率平均值为0.681%, 与前人测得的后峡地区及准噶尔盆地南缘地区镜质体反射率特征(郭召杰等, 2005)相似, 数值主要集中在0.7%, 因此最大古地温85 ℃和122 ℃在正常变化范围内。前人研究表明, 由于受烃源岩有机质类型、岩性及镜质体本身的局限, 样品采集与处理过程以及测定环节会对镜质体反射率测定结果产生影响(赵俊峰等, 2004), 因此所有样品采集、处理和测定的环节几乎同时进行, 处理和测定过程一致, 故同一层位同一岩性的镜质体反射率值出现一定差异有可能是烃源岩本身因素所导致。根据阿克塔西地区与后峡地区侏罗纪地层的连续性, 以及镜质体反射率值的相似性, 阿克塔西地区和后峡地区在侏罗纪为同一沉积体系——后峡盆地, 结合后峡地区与头屯河地区沉积相及古流向对比结果, 显示二者在早中侏罗世形成于同一沉积体系, 故后峡盆地在侏罗纪时期不是一个独立的盆地, 而是与准噶尔南缘相连的盆地(方世虎等, 2005), 现今后峡地区残留的侏罗系山间坳陷盆地, 是新生代构造分隔所致(方世虎等, 2005; 郭召杰等, 2005)。早中侏罗世艾维尔沟地区位于准噶尔盆地与塔里木盆地的结合部位, 由于局部地区地壳应力松弛形成中生代断陷盆地, 而后峡地区则处于相对松弛的伸展构造环境(苏春乾等, 2006a; 孙永娟, 2007); 而且在该时期艾维尔沟与后峡地区底部都沉积了盆地边缘相‒冲积扇相, 之后以河流相、三角洲相、湖相沉积为主, 具有相似的沉积层序和沉积相(郭召杰等, 2005; 孙永娟, 2007)。艾维尔沟盆地北缘二叠系与泥盆系之间为不整合接触, 表明夹在后峡盆地和艾维尔沟盆地之间的泥盆系在二叠纪之前就具有一定的高度, 但是并没有达到现今的海拔, 说明早中侏罗世艾维尔沟地区与后峡‒准噶尔盆地南缘之间可能已经被古生界分隔开来。

艾维尔沟地区侏罗系样品镜质体反射率值普遍较高, 明显不同于后峡地区, 与两地的沉积环境和构造背景差异有关。后峡地区早中侏罗世地层厚度只有1700 m, 而该时期艾维尔沟的地层沉积厚度达3700 m(郭召杰等, 2005; 孙永娟, 2007)。沉积厚度差异表明艾维尔沟地区早中侏罗世沉降更深, 可能该时期天山东缘地形起伏大于北缘。艾维尔沟‒后峡地区普遍缺失上侏罗统和白垩系, 同时裂变径迹热历史模拟结果显示, 早白垩世地层中发生冷却剥露。艾维尔沟下侏罗统八道湾组在晚侏罗世经历最大古地温可达到170 ℃, 由于侏罗纪以来研究区内岩浆活动微弱(Yang et al., 2013; Simonov et al., 2015; Ji et al., 2018), 因此, 若只考虑增温、冷却过程是地层沉积、抬升剥露所致, 按照地温梯度为33 ℃/km, 地表温度为10 ℃(荐军, 2001; 邱楠生等, 2002)计算, 下侏罗统八道湾组之上至少应有5 km地层覆盖。现今下侏罗统八道湾组之上约有3 km厚沉积物, 表明其上至少发生了2 km地层剥露, 这与郭召杰等(2005)报道的后峡地区大约有2.5 km剥露相一致。

艾维尔沟地区由于其构造属性的不同, 可能经历了不止沉积埋藏作用(断裂、热液的影响)的热演化过程, 从而表现出高的镜质体反射率特征。在艾维尔沟长约24 km、宽约2 km狭长条形区域内, 自西向东有序地排列有气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤(黄文辉等, 2010)。在如此小的范围内, 分布有如此齐全的炼焦煤系列, 至今都没有明确的解释; 这可能与该地区的深大断裂有关, 深大断裂有利于形成隐伏热异常, 同时为地下水从地壳内部获得热量提供通道, 热液造成煤的变质作用(杨起等, 1996)。张慧等(1993)研究表明艾维尔沟地区广泛发育热液石英脉和方解石脉, 煤层围岩也具有中低温热液蚀变现象, 艾维尔沟的煤变质属区域热变质类型。侏罗纪时期为成煤时期, 同时也是煤的热变质时期。因此热液是导致艾维尔沟地区镜质体反射率出现异常高值原因之一, 但是对应的磷灰石裂变径迹的年龄并没有显示出异常低值, 这可能与样品经历了足够长的地下冷却时间有关, 这也与模拟结果显示的样品自晚白垩世以来, 穿越磷灰石裂变径迹封闭温度线, 经历了长期稳定冷却事件相契合。

4.3 热历史与天山隆升过程分析

艾维尔沟‒阿克塔西地区磷灰石裂变径迹年龄分布在早白垩世晚期‒晚白垩世(79.1～129.2 Ma), 数据模拟结果均显示出早白垩世(约130～100 Ma)开始的迅速冷却降温过程, 这与Yin et al. (2018)根据红五月桥断裂南侧的花岗岩裂变径迹测试结果得出早白垩世(140～100 Ma)的隆升历史一致(图6)。结合前人的裂变径迹研究成果, 发现整个天山地区特别是中天山普遍存在早白垩世的冷却过程, 如伊犁山间盆地(Jolivet et al., 2010)、巴音布鲁克盆地(Wang et al., 2009)、巴伦台地区(吕红华等, 2013)、北天山断裂(Wang et al., 2009; 姚志刚等, 2010)、博格达天山(Tang et al., 2015)、吉尔吉斯斯坦天山(De Grave et al., 2007, 2013; Buslov et al., 2008; Glorie and De Grave, 2016)和吐哈盆地(Zhu et al., 2005)等。同时沿乌库公路剖面, 也有早白垩世构造抬升的报道(马前等, 2006)。

西天山地区磷灰石裂变径迹年龄分布广泛, 晚古生代、中生代和新生代均有记录, 反映冷却隆升最早开始于三叠纪中期, 其后在早白垩世(140～100 Ma)、晚渐新世‒早中新世(35～20 Ma)和晚中新世(12～9 Ma)也有快速冷却隆升过程的记录(孙岳等, 2016; Yin et al., 2018)。准噶尔盆地南缘西段经历了晚侏罗世‒早白垩世和中新世以来的两次快速冷却降温阶段, 且晚侏罗世降温幅度较小, 中新世以来快速降温幅度较大; 整个准噶尔盆地南缘裂变径迹年龄具有一定的规律性, 即自西向东径迹年龄逐渐增大, 其中玛纳斯河剖面磷灰石裂变径迹冷却年龄最年轻, 可能与其局部较高的热演化程度有关; 裂变径迹年龄模拟还显示新生代具有快速隆升历史(Hendrix et al., 1994; 郭召杰等, 2005, 2006; 张志诚等, 2007)。伊林哈比尔尕山(简称伊山)山前磷灰石裂变径迹测试结果显示北天山在早白垩世和中新世以来经历了两次明显的隆升事件, 而且东、西两侧抬升也存在明显的差异, 东侧较西侧的裂变径迹年龄年轻, 西侧中生代和新生代的两期隆升时间均早于东侧地区(姚志刚等, 2010)。总体来说, 西天山地区在晚古生代末期先开始发生隆升, 至晚侏罗世‒早白垩世则出现大范围的隆升剥露过程(孙岳等, 2016), 且自西向东隆升剥露年龄变新, 但是也有局部的异常现象; 山前的冷却历史在新生代表现明显。

图6 艾维尔沟及其邻近地区热年代学年龄特征

在东天山地区, 吐哈盆地北侧的博格达山‒阿尔里克山地区磷灰石裂变径迹年龄记录早白垩世以来的快速冷却隆升事件, 随后又发生多期隆升, 中新世以来发生快速隆升(Tang et al., 2015); 而在吐哈盆地南缘地区仅记录了早白垩世以来的隆升剥露事件, 新生代以来相对稳定(孙岳等, 2016); 东天山雅满苏和哈尔里克山地区快速冷却隆升时间始于晚白垩世(郭召杰等, 2002; Gillespie et al., 2017)。吐哈盆地内侏罗系和白垩系磷灰石裂变径迹研究显示, 侏罗系样品裂变径迹年龄皆小于地层沉积年龄, 而白垩系样品裂变径迹年龄大于或等于地层沉积年龄, 表明白垩系样品并未发生完全退火作用。侏罗系样品热历史模拟结果显示, 早白垩世晚期(120～100 Ma),吐哈盆地发生构造抬升, 地层快速冷却剥露, 新生代发生二次埋藏加热, 至10～8 Ma又再次剥露(Zhu et al., 2005)。与吐哈盆地内部不同的是, 艾维尔沟地区早白垩世晚期(120～100 Ma)温度迅速降低到部分退火带之外后, 并没有发生再次埋藏加热。这可能与艾维尔沟地区处在吐哈盆地边缘, 早白垩世隆升剥蚀后, 与吐哈盆地分割成两个不同构造单元, 新生代就没有再次接受沉积埋深。总的来说, 东天山地区及吐哈盆地中生代前期还是准平原化地貌, 自白垩纪时期开始陆续发生隆升过程(孙岳等, 2016); 白垩纪初期, 吐哈盆地北侧的博格达山开始隆起, 但隆升幅度较小; 晚白垩世, 南侧觉罗塔格山开始发生隆升, 并产生盆山格局; 中新世以来, 博格达山发生快速隆升过程, 吐哈盆地北侧发生再次沉降, 而南侧及觉罗塔格山则继续保持中生代以来的低山丘陵地貌特征(高洪雷等, 2014)。艾维尔沟地区早白垩世开始发生迅速隆升, 此后处于隆升平静期。

4.4 地质意义

早中侏罗世, 天山地区地形起伏低、盆地沉积范围大、广泛发育湖盆沉积为特征, 以湿润性气候为主(Morin et al., 2018, 2019)。后峡地区与现今的准噶尔盆地南缘是同一沉积体系(郭召杰等, 2005);艾维尔沟侏罗纪盆地在伸展坳陷构造背景下形成, 并且在侏罗纪位于准噶尔盆地边缘, 发育了巨厚沉积地层和富有机质地层(孙永娟, 2007; 刘冬冬等, 2013), 该时期是煤系地层沉积的关键时期, 同时也是煤的热变质时期, 较高的镜质体反射率表明煤系地层不止经历了埋藏增温作用, 同时还受热液侵入的影响。晚侏罗世‒早白垩世时期, 气候由湿润转换为干旱(Morin et al., 2018), 天山局部地区发生了差异性隆升, 如: 东部的博格达山(Tang et al., 2015), 西部的吉尔吉斯斯坦天山(Grave et al., 2007, 2013; Buslov et al., 2008; De Glorie and De Grave, 2016)和过渡区域的艾维尔沟地区。艾维尔沟地区早白垩世(约130～100 Ma)快速隆升事件促使盆地南侧断层的发育和活动, 该过程使得已有地层发生倾斜, 地层变形严重, 标志着该时期天山为挤压构造体系。相对其他地区(北天山山前地区), 艾维尔沟地区新生代的冷却降温幅度明显低于早白垩世时期。总而言之, 艾维尔沟地区晚侏罗世‒早白垩世和新生代的剥露隆升共同形成现今的地貌特征。

盆地的构造演化受控于构造活动和气候变化(Jolivet et al., 2017), 其中Hendrix et al. (1992)提出的四期地块的增生作用被广泛用于解释天山中新生代的隆升历史(马前等, 2006; 姚志刚等, 2010; 高洪雷等, 2014; 孙岳等, 2016), 其中早白垩世是中生代地形地貌构建的关键时期。对于中生代盆地早白垩世的隆升剥露事件, 前人更多地认为是由于欧亚板块南缘的拉萨地块拼贴在天山地区的构造活化作用产生构造隆升(Hendrix et al., 1992), 而本次研究的艾维尔沟地区晚侏罗世‒早白垩世的隆升事件正好对应于早白垩世(140～125 Ma)拉萨地块的拼贴作用。

5 结 论

(1) 煤层(线)的镜质体反射率测试结果显示艾维尔沟地区的o值明显高于阿克塔西地区, 对应的地层所经历的最大古地温可达到150 ℃。相应的磷灰石裂变径迹年龄集中在79～129 Ma, 记录了东天山和西天山过渡地区白垩纪的冷却事件。模拟结果表明, 东天山和西天山过渡区域在早白垩世(130～100 Ma)经历了一次快速隆升剥蚀事件, 之后处于相对稳定期, 新生代的快速冷却阶段仅具有一定的参考价值。

(2) 地层沉积埋藏和断裂热液共同作用使艾维尔沟地区显示出高的镜质体反射率值。早中侏罗世艾维尔沟与后峡地区之间存在泥盆系古隆起, 早白垩世隆升剥露过程使之分割开来。

(3)相比于西天山, 艾维尔沟地区和东天山早白垩世隆升幅度大, 使得天山东部发生强烈的构造运动, 而新生代艾维尔沟地区及东部盆地相对稳定, 因此早白垩世是东天山构造地貌形成的关键时期。早白垩世艾维尔沟地区的隆升剥露事件, 主要是由于早白垩世(140～125 Ma)拉萨地块的拼贴产生的内动力构造隆升作用结果。

致谢:成文过程中, 中国地质科学院李建峰师兄、中国石油大学(北京)张家堂同学给予的帮助; 成文后, 中国地质大学(北京)袁万明教授、中国地质科学院地质力学研究所陈正乐研究员两位审稿人提出的建设性修改建议, 在此一并致以由衷的感谢。

陈正乐, 李丽, 刘健, 宫红良, 蒋荣宝, 李胜祥, 郑恩玖, 韩效忠, 李细根, 王成, 王国荣, 王果, 鲁克改. 2008. 西天山隆升‒剥露过程初步研究. 岩石学报, 24(4): 625–636.

方世虎, 郭召杰, 宋岩, 吴朝东, 张志诚, 王美娜, 范瑞东. 2005. 准噶尔盆地南缘侏罗纪沉积相演化与盆地格局. 古地理学报, 7(3): 347–356.

高洪雷, 刘红旭, 何建国, 田明明, 车永飞. 2014. 东天山地区中‒新生代隆升‒剥露过程: 来自磷灰石裂变径迹的证据. 地学前缘, 21(1): 249–260.

郭召杰, 吴朝东, 张志诚, 王美娜, 方世虎. 2005. 乌鲁木齐后峡地区侏罗系沉积特征、剥露过程及中新生代盆山关系讨论. 高校地质学报, 11(4): 558–567.

郭召杰, 张志诚, 廖国辉, 方世虎. 2002. 天山东段隆升过程的裂变径迹年龄证据及构造意义. 新疆地质, 20(4): 331–334.

郭召杰, 张志诚, 吴朝东, 方世虎, 张锐. 2006. 中、新生代天山隆升过程及其与准噶尔、阿尔泰山比较研究. 地质学报, 80(1): 1–15.

黄文辉, 唐书恒, 唐修义, 陈萍, 赵志根, 万欢, 敖卫华, 肖秀玲, 柳佳期, Finkelman B. 2010. 西北地区侏罗纪煤的煤岩学特征. 煤田地质与勘探, 38(4): 1–6.

荐军. 2001. 吐鲁番‒哈密盆地盆地分析. 西安: 长安大学博士学位论文: 20–24.

李建锋, 汤文豪, 刘钊, 张志诚. 2010. 北京千家店地区侏罗系后城组磷灰石裂变径迹分析及其地质意义. 地球物理学报, 53(12): 2907–2917.

李锦轶, 王克卓, 李亚萍, 孙桂华, 褚春华, 李丽群, 朱志新. 2006. 天山山脉地貌特征、地壳组成与地质演化. 地质通报, 25(8): 896–909.

刘冬冬, 郭召杰, 张子亚. 2013. 一个不整合面引发的构造故事——从天山艾维尔沟不整合谈起. 大地构造与成矿学, 37(3): 349–366.

吕红华, 常远, 王玮, 周祖翼. 2013. 天山中新世早期快速剥露: 磷灰石裂变径迹与(U-Th)/He低温热年代学证据. 中国科学: 地球科学, 43(12): 1964–1974.

马前, 舒良树, 朱文斌. 2006. 天山乌‒库公路剖面中、新生代埋藏、隆升及剥露史研究. 新疆地质, 24(2): 99–104.

邱楠生, 杨海波, 王绪龙. 2002. 准噶尔盆地构造‒热演化特征. 地质科学, 37(4): 423–429.

苏春乾, 孙永娟, 杨兴科, 许安东. 2006a. 天山后峡‒艾维尔沟地区晚古生代‒中生代地层系统中若干不整合关系的厘定及其地质意义. 地质通报, 25(8): 977–985.

苏春乾, 杨兴科, 崔建军, 刘继庆. 2006b. 西天山东段天格尔峰‒艾维尔沟一带泥盆‒二叠纪地层的厘定及地质意义. 中国地质, 33(3): 516–528.

孙永娟. 2007. 新疆艾维尔沟侏罗纪盆地的沉积学分析及与准噶尔侏罗纪盆地演化的对比. 西安: 长安大学博士学位论文: 9–37.

孙岳, 陈正乐, 王永, 韩凤彬, 吴玉, 孟令通, 张昊. 2016. 天山山脉中新生代差异隆升及其机制探讨. 大地构造与成矿学, 40(2): 335–343.

肖贤明, 刘德汉, 傅家漠. 1991. 烃源岩显微组分成烃作用的动态分析. 科学通报, (16): 1241–1244.

杨起, 吴冲龙, 汤达祯, 康西栋, 刘大猛. 1996. 中国煤变质作用. 地球科学, 21(3): 311–319.

姚志刚, 周立发, 高璞, 高珊, 佘刚. 2010. 北天山中、新生代隆升和剥蚀史研究. 中国矿业大学学报, 39(1): 121–126.

张慧, 李小彦, 汪程生. 1993. 新疆艾维尔沟煤变质作用研究. 新疆地质, 11(3): 238–245.

张志诚, 郭召杰, 吴朝东, 方世虎. 2007. 天山北缘侏罗系地层热历史演化及其地质意义: 磷灰石裂变径迹和镜质体反射率证据. 岩石学报, 23(7): 1683–1695.

张志诚, 王雪松. 2004. 裂变径迹定年资料应用中的问题及其地质意义. 北京大学学报(自然科学版), 40(6): 898–905.

赵俊峰, 刘池洋, 王晓梅. 2004. 镜质体反射率测定结果的影响因素. 煤田地质与勘探, 32(6): 15–18.

朱文斌, 张志勇, 舒良树, 万景林, 卢华复, 王胜利, 杨伟, 苏金宝. 2007. 塔里木北缘前寒武基底隆升剥露史: 来自磷灰石裂变径迹的证据. 岩石学报, 23(7): 1671–1682.

Barker C E and Pawlewicz M J. 1986. The correlation of vitrinite reflectance with maximum temperature in humic organic matter., 5: 291–329.

Bullen M E, Burbank D W, Garver J I and Abdrakhmatov K Y. 2001. Late Cenozoic tectonic evolution of the northwestern Tien Shan: New age estimates for the initiation of mountain building., 113(12): 1544–1559.

Buslov M M, Kokh D A and Grave J D. 2008. Mesozoic- Cenozoic tectonics and geodynamics of Altai, Tien Shan, and Northern Kazakhstan, from apatite fission-track data., 49(9): 648–654.

De Grave J, Buslov M M and Van den Haute P. 2007. Distant effects of India-Eurasia convergence and Mesozoic intracontinental deformation in Central Asia: Constraints from apatite fission-track thermochronology., 29(2): 188–204.

De Grave J, Glorie S, Buslov M M, Stockli D F, McWilliams M O, Batalev V Y and Van den Haute P. 2013. Thermo- tectonic history of the Issyk-Kul basement (Kyrgyz northern Tien Shan, Central Asia)., 23(3): 998–1020.

Gallagher K. 2003. Fission track analysis and its application to geological problems., 26(1): 519–572.

Gillespie J, Glorie S, Jepson G, Zhang Z Y, Xiao W J, Danišík M and Collins A S. 2017. Differential exhumation and crustal tilting in the easternmost Tianshan (Xinjiang, China), revealed by low-temperature thermochronology., 36: 2142–2158.

Gleadow A J W, Duddy I R, Green P F and Lovering J F. 1986. Confined fission track lengths in apatite: A diagnostictool for thermal history analysis., 94(4): 405–415.

Glorie S and De Grave J. 2016. Exhuming the Meso-Cenozoic Kyrgyz Tianshan and Siberian Altai-Sayan: A review based on low-temperature thermochronology., 7(2): 155–170.

Han B F, He G Q, Wang X C and Guo Z J. 2011. Late Carboniferous collision between the Tarim and Kazakhstan- Yili terranes in the western segment of the South Tian Shan Orogen, Central Asia, and implications for the Northern Xinjiang, western China., 109(3): 74–93.

Hendrix M S, Dumitru T A and Graham S A. 1994. Late Oligocene-early Miocene unroofing in the Chinese Tian Shan: An early effect of the India-Asia collision., 22(6): 487–490.

Hendrix M S, Graham S A, Carroll A R, Sobel E R, Mcknight C L, Schulein B J and Wang Z X. 1992. Sedimentary record and climatic implications of recurrent deformation in the Tian Shan: Evidence from Mesozoic strata of the north Tarim, south Junggar, and Turpan basins, northwest China., 104(1): 53–79.

Hurford A J and Green P F. 1977. The zeta age calibration of fission-track dating., 1(1): 41–48.

Ji H J, Tao H F, Wang Q, Qiu Z, Ma D X, Qiu J L and Liao P. 2018. Early to Middle Jurassic tectonic evolution of the Bogda Mountains, Northwest China: Evidence from sedimentology and detrital zircon geochronology., 153: 57–74.

Jolivet M, Bourquin S, Heilbronn G, Robin C, Barrier L, Dabard M P, Jia Y Y, De Pelsmaeker E and Fu B H. 2017. The Upper Jurassic-Lower Cretaceous alluvial-fandeposits of the Kalaza Formation (Central Asia): Tectonic pulse or increased aridity? // Brunet M F, Sobel E R and McCann T. Geological Evolution of Central Asian Basins and the Western Tien Shan Range.,,, 427: 491–521.

Jolivet M, Dominguez S, Charreau J, Chen Y, Li Y G and Wang Q C. 2010. Mesozoic and Cenozoic tectonic history of the central Chinese Tian Shan: Reactivated tectonic structures and active deformation., 29(6), TC6019, https: //doi.org/10.1029/2010TC002712.

Ketcham R A, Carter A, Donelick R A, Barbarand J and Hurford A J. 2007. Improved measurement of fission- track annealing in apatite using-axis projection., 92(5–6): 789–798.

Ketcham R A, Donelick R A, Balestrieri M L and Zattin M. 2009. Reproducibility of apatite fission-track length data and thermal history reconstruction., 284(3): 504–515.

McDowell F W, McIntosh W C and Farley K A. 2005. A precise40Ar/39Ar reference age for the Durango apatite (U-Th)/He and fission-track dating standard., 214(3): 249–263.

Morin J, Jolivet M, Barrier L, Laborde A, Li H B and Dauteuil O. 2019. Planation surfaces of the Tian Shan Range (Central Asia): Insight on several 100 million years of topographic evolution., 177: 52–65.

Morin J, Jolivet M, Robin C, Heilbronn G, Barrier L, Bourquin S and Jia Y Y. 2018. Jurassic paleogeography of the Tian Shan: An evolution driven by far-field tectonics and climate., 187: 286–313.

Naeser C W and Cebula G T. 1982. Re-collection of fish canyon tuff for fission-track standardization., 10(3): 393–393.

Simonov V A, Mikolaichuk A V, Safonova I Y, Kotlyarov A V and Kovyazin S V. 2015. Late Paleozoic-Cenozoic intra-plate continental basaltic magmatism of the Tienshan- Junggar region in the SW Central Asian Orogenic Belt., 27(4): 1646–1666.

Tang W H, Zhang Z C, Li J F, Li K, Chen Y and Guo Z J. 2014. Late Paleozoic to Jurassic tectonic evolution of the Bogda area (northwest China): Evidence from detrital zircon U-Pb geochronology., 626(1): 144–156.

Tang W H, Zhang Z C, Li J F, Li K, Luo Z W and Chen Y. 2015. Mesozoic and Cenozoic uplift and exhumation of the Bogda Mountain, NW China: Evidence from apatite fission track analysis., 6(4): 617– 625.

Wang Q C, Li S J and Du Z L. 2009. Differential uplift of the Chinese Tianshan since the Cretaceous: Constraints from sedimentary petrography and apatite fission-track dating., 98(6): 1341–1363.

Yang W, Jolivet M, Dupont-Nivet G, Guo Z J, Zhang Z C and Wu C D. 2013. Source to sink relations between the Tian Shan and Junggar Basin (Northwest China) from late Palaeozoic to Quaternary: Evidence from detrital U-Pb zircon geochronology., 25(2): 219–240.

Yin J Y, Chen W, Hodges K V, Xiao W J, Keda C, Yuan C, Sun M, Liu L P and Soest M C. 2018. The thermal evolution of Chinese central Tianshan and its implications: Insights from multi-method chronometry., 722: 536–548.

Yin J Y, Chen W, Xiao W J, Zhang B and Cai K D. 2015. Multi-method chronometric constraints on the thermal evolution of the central Tianshan, NW China.(), 89(6): 2092–2093.

Zhu W B, Wan J L, Shu L S, Sun Y, Guo J C and Wang F. 2005. Mesozoic-Cenozoic thermal history of Turpan- Hami Basin: Apatite fission track constraints., 15(4): 331–336.

Thermal History of the Jurassic Strata in the Ewirgol Area and its Geological Significance

ZHANG Huaihui1, ZHANG Zhicheng1, TANG Wenhao2and TANG Jianzhou1

(1. MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Information Center of the Ministry of Natural Resources, Beijing 100812, China)

The uplift and denudation history of the transitional region between the eastern and western Tianshan is critical for the understanding of the tectonic framework of the Mesozoic-Cenozoic Tianshan and its adjacent areas as well as the regional tectonic evolution. The vitrinite reflectance was analyzed for the coal seam (line) in the Ewirgol area, and apatite fission track analysis was performed on the sandstone roof or floor of the coal seam. The results show that the vitrinite reflectance values of the Jurassic coal seam vary mainly in the range of 0.79% to 1.19%, and the corresponding apatite fission track ages are 79 Ma to 129 Ma. Thermal history simulation shows that the Jurassic strata reached the maximum burial depth in the early Cretaceous (130–100 Ma), followed by a rapid cooling process, and then were in a relatively stable period. Due to stratigraphic sedimentation, burial and hydrothermal events, the vitrinite reflectance in the Ewirgol area is significantly higher than that in the Aketaxi area. Compared with the western Tianshan, the Ewirgol area and the eastern Tianshan experienced stronger uplift in the Early Cretaceous related to the stronger tectonic movement in the eastern Tianshan. So, the Early Cretaceous was an important period for the formation of the tectonic landform.

Ewirgol; fission track; vitrinite reflectance; thermal history; uplift exhumation

2019-09-15;

2019-11-15

国家自然科学基金项目(41872202)资助。

张怀惠(1996–), 女, 博士研究生, 构造地质学专业。Email: 1801110615@pku.edu.cn

张志诚(1963–), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 从事构造地质学和热年代学研究。Email: zczhang@pku.edu.cn

P542

A

1001-1552(2021)03-0431-013

10.16539/j.ddgzyckx.2021.03.001