鄂尔多斯西缘牛首山—罗山地区裂变径迹年龄与中生代构造抬升

田朝阳 ,陈 虹 ,刘新社 ,公王斌 ,赵伟波 ,康 锐

1.中国地质大学 (北京) 地球科学与资源学院,北京 100083;

2.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;

3.中国地质调查局极地地学研究中心,北京 100081;

4.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院,陕西 西安 710018;

5.自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室,北京 100081

0 引言

鄂尔多斯盆地西缘处于鄂尔多斯地块与青藏高原东北缘的过渡地区,是中国大陆内部中—新生代构造变形最为强烈的地区之一 (Wang et al.,2001;Zhang et al.,2004;朱国胜,2015;寇琳琳等,2021;李艺豪等,2022),其构造演化过程对于研究鄂尔多斯盆地、秦岭-祁连造山带的中—新生代构造演化和青藏高原东北缘新生代期间向东北方向的扩展都具有非常重要的意义。

近年来,众多学者针对鄂尔多斯盆地西缘的中—新生代构造演化过程开展了大量研究 (Zheng et al.,2006;陈虹等,2013;王伟涛等,2013,2014;公王斌等,2016;Peng et al.,2019),然而由于新生代的构造改造作用强烈,关于该地区中生代的构造抬升过程,还存在诸多争议。对于鄂尔多斯盆地西缘南部,已有研究普遍以晚侏罗世芬芳河组砾岩为标志,结合强烈的逆冲构造和褶皱变形,认为该地区在晚侏罗世开始进入挤压环境 (赵红格,2003;张进等,2004;张岳桥和廖昌珍,2006)。这与基于磷灰石裂变径迹 (AFT)得出的鄂尔多斯盆地西缘南部中生代抬升的启动时间为中—晚侏罗世 (170～150.9 Ma) 是基本一致的 (高峰等,2000;宋友桂等,2013;李斌,2019;马静辉和何登发,2019)。但是也有学者通过锆石裂变径迹 (ZFT) 结合沉积构造研究认为鄂尔多斯盆地西缘南部在晚三叠世 (213～194 Ma)已经开始隆升 (陈刚等,2007;彭恒,2020)。关于盆地西缘南部中生代抬升期次的划分也存在争议,大多数学者认为盆地西缘南部在中生代存在中侏罗世—晚侏罗世和晚侏罗世—早白垩世两期构造抬升事件 (高峰等,2000;宋友桂等,2013;李斌,2019),也有学者认为存在三期五次构造抬升事件 (陈刚等,2007)。对于盆地西缘的中北部,AFT 研究相对较少,已有研究普遍认为其抬升启动时间为中—晚侏罗世 (赵红格等,2007a;马静辉和何登发,2019),也有学者通过构造分析结合古地磁研究认为盆地北部在晚三叠世与阿拉善地块之间存在碰撞事件 (张进等,2000)。普遍认为其抬升期次有两期,不过抬升时限存在争议,有学者认为抬升发生在中—晚侏罗世与早白垩世末 (马静辉和何登发,2019),也有学者将抬升时间限定在晚侏罗世—早白垩世初和早白垩世中晚期 (赵红格等,2007a)。这些研究结果显示,盆地西缘中生代的构造演化争议集中在启动时间和构造期次划分上。

牛首山—罗山地区位于鄂尔多斯盆地与青藏高原东北缘的结合位置,紧邻西缘冲断带,研究该地区中生代的隆升过程对于理解盆地西缘的隆升机制以及对邻区中生代构造事件的响应具有非常重要的意义。赵红格等 (2007b) 通过ZFT 研究得出该地区抬升的启动时间为中—晚侏罗世,马静辉和何登发 (2019) 应用AFT 热史模拟方法也得到了类似的结论,不过样品数量均相对较少。同时由于盆地西缘广泛存在的白垩纪以来的构造热事件,该地区已有的AFT 表观年龄较为年轻,介于110.8～72 Ma (赵红格等,2007b;李斌,2019;马静辉和何登发,2019),与鄂尔多斯西缘整体AFT 年龄范围差距较大。因此,目前针对牛首山—罗山地区中生代构造隆升的研究还较为薄弱,缺乏约束其具体隆升时限的数据。文章利用AFT 方法,通过分析牛首山—罗山地区采集的9 块砂岩样品来约束其中生代的隆升时限,并综合已有的热年代学数据探讨鄂尔多斯盆地西缘中生代的隆升历史。此次研究揭示了鄂尔多斯西缘中生代的隆升过程,支持鄂尔多斯盆地西缘中生代抬升的启动时间为晚三叠世,且隆升期次分为两期,同时限定了牛首山—罗山地区中生代的隆升时限。

1 地质背景

牛首山—罗山一带出露的地层主要包括奥陶系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系 (马寅生,2003),其中大面积出露的为中奥陶统米钵山组,中生代地层主要出露下三叠统五佛寺组 (T1w)、中侏罗统延安组 (J2y)、中侏罗统直罗组 (J2z)、上侏罗统安定组 (J3a) 以及下白垩统庙山湖组 (K1ms)。三叠系与侏罗系、侏罗系与白垩系之间均为不整合接触,古近系和新近系与下伏地层之间也为不整合接触 (Wang et al.,2011)。第四系主要为上更新统马兰黄土和全新统冲洪积物 (图1)。

图1 牛首山—罗山地区区域地质简图及构造地貌特征 (据陈虹等,2013 修改)Fig.1 Sketch geological map of the Niushoushan-Luoshan area and morphologic characteristics (revised from Chen et al.,2013)

牛首山-罗山断裂带 (青铜峡-固原断裂带)是新生代以来构造变形强烈的青藏高原东北缘与相对稳定的鄂尔多斯地块的边界断裂 (任纪舜等,1980;汤锡元和郭忠铭,1992;顾其昌,1996)。断裂带两侧地质、地貌特征存在明显差异,其西南侧为祁连山加里东期构造带,中新世以后强烈隆升,地貌上表现为一系列不对称的弧形山地和盆地 (宋友桂等,2001);东侧和北侧分别为鄂尔多斯地块和阿拉善地块,地貌上表现为北北东向的贺兰山山系、银川盆地和黄土高原,晚白垩世已经开始隆升 (赵红格等,2007a)。断裂带南段整体呈南北走向,到青铜峡以北转为北西—北西西向,由南至北穿过甘肃华亭马峡口,经固原、小罗山、大罗山、牛首山、青铜峡至三关口,地表可追踪长度约400 km (马寅生,2003)。该断裂带由南向北主要由4 条次级断裂组成,分别为北北东向的固原断裂、北北西向的罗山东麓断裂、北西向的牛首山断裂以及北西向的三关口断裂 (公王斌等,2016;图1)。断裂带不同位置的几何学和运动学特征具有明显差异 (Chen et al.,2015)。固原断裂以逆冲及右行走滑运动为主 (马寅生,2003);罗山东麓断裂是一条以右旋走滑为主的全新世活动断裂 (闵伟等,1993);牛首山断裂以挤压逆冲及右行走滑为主 (陈虹等,2013);三关口断裂的走滑性质仍存在争议 (陈虹等,2013;雷启云等,2016)。

2 样品与测试方法

根据研究区现今的地貌格局,在牛首山—罗山地区奥陶纪地层中的砂岩、粉砂岩层中共采集了9块样品,其中牛首山地区5 块,罗山地区4 块。为了保证实验的准确性,样品采集剖面近平行于弧形断裂带,以排除新生代构造活动的影响(图2)。

图2 AFT 采样位置图a—牛首山、罗山样品位置平面图;b—牛首山、罗山样品位置剖面图Fig.2 AFT sampling locations(a) Plans of the sample locations in the Niushoushan and Luoshan areas;(b) Profiles of the sample locations in the Niushoushan and Luoshan area

测试在中国地质大学 (北京) 裂变径迹实验室完成,具体试验方法参考袁万明等 (2007)。磷灰石的分离采用传统的岩石破碎方法进行粗选,然后利用电磁选、重液选等手段进行单矿物提纯。接着将磷灰石颗粒置于载玻片上,用环氧树脂滴固,然后进行研磨和抛光至矿物内表面露出,在接近25 ℃下用7%的HNO3蚀刻30 s 以显示自发径迹。随后将低铀白云母外探测器与矿物样品一起入反应堆辐照,该过程在中国原子能科学研究院(CIAE) 421 反应堆中完成。之后在25 ℃下用40%的HF 蚀刻20 s 以显示诱发径迹,中子注量利用CN5 铀玻璃标定。自发径迹和诱发径迹密度选择平行晶体学c 轴的柱面观测 (Ketcham et al.,2007a),水平封闭径迹长度依照Green (1986) 建议的程序测定。年龄值根据IUGS 推荐的ξ(416±24.7) 常数法和标准裂变径迹年龄方程 (Hurford and Creen,1982) 计算,测试结果见表1。需要注意的是,对测得样品的年龄值需进行χ2检验,当泊松分布检验概率P(χ2) >5%时,说明样品年龄值服从泊松分布,样品颗粒年龄属于同一组分,样品中心年龄可代表冷却事件的发生时限;如果P(χ2) <5%,说明样品年龄值不服从泊松分布,年龄值为不同组分年龄的混合,此时必须用单颗粒年龄雷达图与高斯拟合曲线法对其进行分解,得到不同组分的峰值年龄,从而得到不同期次冷却事件的发生时限 (陈刚等,2007;许立青等,2016)。

表1 牛首山—罗山地区AFT 测试分析数据表Table 1 AFT test analysis data table for the Niushoushan-Luoshan area

3 裂变径迹年龄分析

牛首山5 块样品的表观年龄分布在143～111 Ma,罗山4 块样品的表观年龄分布在146～131 Ma,9块样品的表观年龄均小于沉积地层的年龄,代表采样层经历埋藏增温后冷却至AFT 封闭温度以前的冷却年龄。牛首山5 块样品的裂变径迹长度分布在12.5～12.9 μm,罗山4 块样品的裂变径迹长度分布在12.3～12.7 μm,其中样品EXC214 的自发径迹较少,因此没有平均径迹长度数据,9 块样品的裂变径迹长度均小于初始裂变径迹的平均长度16.5 μm (表1)。9 块样品中有8 块的P(χ2) >5%,且径迹长度表现为单峰,这说明样品经历了较为简单的冷却历史并具备单一的年龄平均值,其中值年龄可代表最近一次的冷却年龄,剩余一块样品EXC050 的径迹长度也呈现单峰,但是其P(χ2) <5%,表明其年龄组分主要为沉积后不同时期构造事件混合作用的结果 (图3)。

图3 牛首山—罗山地区AFT 长度分布图Fig.3 AFT length distribution charts for the Niushoushan-Luoshan area

利用单颗粒年龄雷达图、年龄分布图及年龄高斯拟合曲线对样品的年龄进行分析,给出不同年龄组分对应的最佳高斯拟合年龄,并提供不同期次构造事件的样品冷却年龄记录。高斯拟合曲线的峰值年龄见图4,曲线基本呈现出单峰或不明显的双峰。将样品的裂变径迹年龄及高斯拟合峰值年龄投图(图5),投图时需注意 EXC050 的P(χ2) <5%,这样的混合年龄不能直接用于地质解释 (Kohn and Green,2002;He et al.,2017),需采用其高斯拟合峰值年龄,从图5 可见裂变径迹所记录的年龄在罗山地区要比牛首山地区略大,表示罗山地区的冷却事件启动时间要早于牛首山。牛首山—罗山地区冷却事件的发生时限基本在中侏罗世—早白垩世。

图4 牛首山—罗山地区AFT 年龄组分分解图a—单颗粒年龄分布雷达图;b—单颗粒年龄分布直方图Fig.4 Estimating age populations in a mixed distribution of AFT analysis in the Niushoushan-Luoshan area(a) Radar plot of single particle age distribution;(b) Single particle age distribution histogram

图5 牛首山—罗山地区样品裂变径迹年龄分布图Fig.5 Distribution of fission track ages in the Niushoushan-Luoshan area

4 热史模拟

由于磷灰石退火性质和地质条件的局限性,AFT 表观年龄的地质意义十分有限,不能直接表征特定构造事件的发生时间 (Ketcham,2005;Gallagher,2012;程璐瑶等,2021)。故应用HeFTy软件对牛首山—罗山地区的样品进行热演化史模拟,判断其可能经历的构造热历史,并获得其冷却事件的发生时限。根据牛首山—罗山地区的地质背景和裂变径迹参数确定模拟初始条件,反演模拟时选用的多元动力学退火模型 (Ketcham et al.,2007b),原始径迹长度选为16.3 μm,径迹热处理选取Ketcham (2005) 模型。时间-温度历史中最大温度设为160 ℃,现今地表温度为20 ℃,最大时间设为220 Ma,磷灰石的部分退火带的温度范围为120～60 ℃。每件样品均以模拟出100 条较好的热史曲线为终止反演计算的条件。最后将模拟所得到的年龄和径迹长度与实测的结果进行对比,其中对裂变径迹长度的模拟结果通过K-S 值进行评价,对裂变径迹年龄的模拟结果通过年龄拟合度Age GOF 值进行评价。当Age GOF 值和K-S 值均大于0.5 时,表明模拟结果较好;当二者值均大于0.05 时,表明模拟结果可以接受 (张志诚和王雪松,2004;高少华,2014)。

在热史模拟中选取结果比较好的6 件样品进行分析,其中牛首山的4 件样品模拟得到的平均年龄值分别为136 Ma、127 Ma、143 Ma 和114 Ma,Age GOF 值在0.95～1.00 之间,K-S值在0.39～0.56 之间,说明模拟结果比较可信;罗山2 件样品模拟得到的平均年龄值分别为141 Ma、143 Ma,Age GOF 值分别为0.99、0.98,K-S 值分别为0.42、0.35,表明模拟结果比较可信 (表2)。

表2 代表性样品磷灰石热史模拟检测K-S 值与Age GOF 值统计表Table 2 Statistical of K-S value and Age GOF value of the thermal history simulation test for representative samples of apatite

从温度演化路径可以看出,牛首山4 件样品在晚侏罗世 (160～150 Ma) 开始进入一个相对快速的冷却阶段,早白垩世 (130～110 Ma) 冷却速度开始变缓;罗山2 件样品在中侏罗世 (170～165 Ma) 进入快速冷却阶段,早白垩世 (135～130 Ma) 冷却速度变缓。因样品的热史模拟曲线在新生代时已经不在退火带范围内,故不能代表其新生代构造事件的发生时限,文章不做讨论(图6)。综上,牛首山—罗山地区中生代冷却事件的启动时间为中侏罗世 (170 Ma),由南部罗山地区开始,这与之前的裂变径迹年龄分布图所显示的结果基本一致,中侏罗世 (170 Ma)—早白垩世(110 Ma) 是这一期冷却事件的主要发生时间。

图6 牛首山—罗山地区AFT 热史模拟图图中浅色区域为可接受的拟合路径区域,深色区域为拟合较好的路径区域,黑色实线表示最佳拟合路径;实测与模拟长度均为径迹长度,μma—牛首山地区AFT 热史模拟图;b—罗山地区AFT 热史模拟图Fig.6 Thermal history based on AFT inverse modeling in the Niushoushan-Luoshan area(a) AFT thermal history simulation of the Niushoushan area;(b) AFT thermal history simulation of the Luoshan area The light area in the figure is the acceptable fitting path area,the dark area is the better fitting path area,and the black solid line represents the best fitting path.Both measured and simulated lengths are track lengths (μm)

5 讨论

5.1 牛首山—罗山地区抬升速率分析

通过AFT 年龄分析与热史模拟得出牛首山—罗山地区中侏罗世 (170 Ma)—早白垩世 (110 Ma)存在冷却事件,结合已有研究认为其代表的是一期区域性的构造隆升 (马静辉和何登发,2019)。根据前面的测试结果可以计算该地区的抬升速率,为了保证计算的准确性,作以下假设: ①已知现今地表温度;②已知该地区的古地温梯度;③古地温梯度值为常数。计算公式为:

U为抬升速率,m/Ma;θ为矿物的封闭温度,℃;K为地温梯度,℃/100 m;T0为年平均地表温度,℃;F代表裂变径迹年龄,Ma。

根据已有的鄂尔多斯盆地西缘的热演化研究,K取4 ℃/100 m,T0为25 ℃,θ取110 ℃ (赵红格等,2007b)。需要注意的是该公式计算得出的是后期抬升速率,即磷灰石进入退火带以来的抬升速率。

通过公式计算得到牛首山地区晚侏罗世—早白垩世的平均抬升速率为17.2 m/Ma,罗山地区中侏罗世—早白垩世的平均抬升速率为15.1 m/Ma。可见在这期抬升中牛首山地区的抬升速率是要略大于罗山地区的,但是,罗山采样层的海拔比牛首山要高将近1000 m (图7),可以推测有两种可能性: ①在中侏罗世之前罗山地区存在至少一期抬升;②进入新生代后,罗山地区的抬升速率远大于牛首山地区。基于边界断裂时代和构造位置的差异,文中更倾向于第一种可能。对于边界断裂形成时代,牛首山—罗山地区的地震解译数据表明,罗山断裂很可能形成于早古生代 (任文军等,1999),而牛首山断裂形成于中生代 (王伟涛等,2013)。对于构造位置的差异,根据早期裂变径迹研究结果,鄂尔多斯盆地西缘南部在晚三叠世—早侏罗世发生了构造隆升,造成盆地逆时针旋转45°以上,并向北移动 (马醒华等,1993;杨振宇和Besse,2000;张进等,2000,2004)。该时期罗山地区刚好处在盆地中线附近,而晚三叠世盆地西部边界位于河西走廊盆地的西部 (甘肃马良沟附近;阮壮等,2021),中侏罗世早期边界则是在桌子山—石沟驿—六盘山一线的东侧 (张泓等,2008),这表明罗山地区从稳定的盆地内部变成了盆地的边界。罗山地区在此次构造事件中经受了盆地旋转所产生的挤压而发生了构造隆升,而牛首山地区位于罗山地区的北西方向,所以罗山地区一定程度上减弱了这期隆升对牛首山地区的影响。不过关于两者之间的差异性隆升,由于缺乏年代学数据的限定,上述推论仍需要进一步研究。

图7 牛首山—罗山磷灰石裂变径迹年龄-高程图Fig.7 Age and altitude of fission track samples in the Niushoushan-Luoshan area

5.2 鄂尔多斯西缘及邻区中生代隆升历史

文章筛选出了在鄂尔多斯西缘及其邻区已取得的中生代AFT 年龄数据,发现这些年龄数据的跨度相当大,基本介于215.6～65 Ma,这表明该区域中生代以来经历了多期次构造热事件 (图8)。其中80～65 Ma 的年龄大范围分布在鄂尔多斯西缘,这与西缘广泛存在的白垩纪以来的构造热事件相对应,并对中生代早期的构造热事件造成了一定程度的掩盖。由于已有研究普遍认为该期构造热事件代表的是中—新生代印度板块北移并与欧亚大陆碰撞的过程 (马静辉和何登发,2019;彭恒,2020),所以文章认为这期构造事件并非严格意义上的中生代构造事件,不做详细讨论。晚白垩世之前 (>100 Ma) 的年龄纪录在盆地西缘及邻区零星分布,在西缘南部地区相对集中,且在静宁地区还存在215.6 Ma 的晚三叠世AFT 年龄记录。这表明该区域中生代的构造运动主要是受西南部板块或地块的影响 (图8)。

图8 鄂尔多斯西缘及邻区中生代AFT 样品年龄分布图图中数字为裂变径迹中值年龄/MaFig.8 Age distribution of Mesozoic AFT samples from the western edge of Ordos and adjacent areasThe numbers in the figure represent the median age (Ma) of the fission track.

通过牛首山—罗山地区AFT 热史模拟结合已有研究,认为牛首山—罗山地区经历了中侏罗世(170 Ma)—早白垩世 (110 Ma) 的隆升过程,并且具有南早北晚的特点。基于上述特点,重点收集鄂尔多斯西缘南部的AFT 热史模拟数据,需要注意的是同一区域不同时代岩石地层对于同一构造事件的记录不同。因此,以三叠系砂岩样品为主进行收集,另有部分侏罗系砂岩与古生界花岗岩样品,一方面尽量减小采样层不同所导致的误差,另一方面使样品AFT 表观年龄小于采样层年龄 (表3)。将热史模拟数据整理分期,可以得出盆地西缘南部及邻区中生代冷却事件的启动时间基本在晚三叠世 (220 Ma),由南部的平凉地区开始,结合西缘南部已有的隆升研究认为其代表的是西缘南部区域性隆升事件的启动时间 (陈刚等,2007;彭恒,2020),并且西缘南部隆升期次分为两期: 一期晚三叠世 (220 Ma)—早侏罗世(185 Ma),主要影响盆地西缘的南部地区,整体由南向北传递,快速抬升阶段的持续时间短,向南至鄂尔多斯盆地南缘可以观测到这期抬升的早期热年代学记录,向北在月亮山古生界花岗岩样品中仍可以观测到这期抬升 (图9a);二期中侏罗世 (175 Ma)—早白垩世末 (110 Ma),由海原地区向东北方向的牛首山—罗山地区传递,到达时间为中侏罗世 (170 Ma),随后向牛首山东部的石沟驿地区传递,到达时间为晚侏罗世 (160 Ma),整体抬升范围大,持续时间长,显示出由西南向东北的传递性隆升 (图9b)。可见,文章AFT 数据揭示的牛首山—罗山地区的抬升属于盆地西缘南部二期抬升的一部分。

表3 鄂尔多斯西缘南部已有AFT 热史模拟样品数据Table 3 AFT thermal history simulation sample data in the southern part of the western edge of the Ordos Basin

图9 鄂尔多斯西缘南部及其邻区AFT 热史模拟数据统计图灰色区域代表快速冷却的发生时限a—一期抬升;b—二期抬升Fig.9 Statistical chart of the AFT thermal history simulation data in the southern part of the western edge of the Ordos Basin and its adjacent areas(a) Phase-I uplift;(b) Phase-II upliftThe grey area represents the time limit for rapid cooling

5.3 中生代构造演化过程

根据磷灰石裂变径迹的热史模拟数据及已有研究,得出牛首山—罗山地区的抬升起始于中侏罗世 (170 Ma),由南部的罗山地区开始,北部牛首山地区在晚侏罗世 (160 Ma) 开始抬升,整体抬升结束于早白垩世末期 (110 Ma)。所以位于鄂尔多斯西缘的牛首山—罗山地区主要经历了中侏罗世 (170 Ma)—早白垩世 (110 Ma) 阶段的构造抬升。而盆地西缘南部的抬升则是在晚三叠世(220 Ma) 就已经开始,大致可以分为早期的晚三叠世 (220 Ma)—早侏罗世 (185 Ma),该期抬升主要由盆地西缘的南部向北部传递;晚期的中侏罗世 (175 Ma)—早白垩世 (110 Ma),该期抬升主要由盆地西缘的西南部向北东方向传递。由于采样地层与样品岩性的限制,单一裂变径迹年代学揭示的隆升过程具有局限性,还需结合区域上的构造变形与沉积记录。

印支期鄂尔多斯盆地西缘及其所在的华北板块受华南板块和西伯利亚板块南北向挤压 (郭庆银,2010),至晚三叠世—早侏罗世华北板块与华南板块在勉略缝合带附近发生碰撞,并在碰撞期间形成了秦岭-大别造山带 (Meng and Zhang,1999;Dong et al.,2012;郭润华等,2017),这一碰撞事件导致华北板块南部隆起,并影响了鄂尔多斯盆地西缘南部与祁连山地区,同时期的构造事件在盆地西缘南部及其邻区广泛存在 (陈刚等,2007;Liang et al.,2013;赵晓辰等,2016;彭恒等,2018;Zhang et al.,2018,2019;彭恒,2020)。并且在盆地西南缘平凉、固原等地区热史模拟曲线的冷却启动点由南向北逐渐年轻,且快速冷却的持续时间短,表明了这期抬升由南向北的传递性,以及抬升的快速性。另外,陈刚等 (2007)在盆地西缘南部得到的ZFT 年龄也显示出由南向北逐渐年轻的特征,并认为盆地西缘南部晚三叠世发育反S 型构造体系,而且秦岭-祁连造山带前缘的策底—崆峒山—口镇地区上三叠统与下侏罗统之间呈平行不整合接触,并发育上三叠统粗碎屑类磨拉石沉积,这种不整合接触关系在北部的香山—卫宁北山—石沟驿地区同样存在。此外,Guo et al.(2018) 在鄂尔多斯西缘南部华亭县中侏罗统延安组中,测出了213 Ma 的碎屑锆石(U-Pb) 峰值年龄,表明其物源岩 (秦岭—祁连地区的晚三叠世花岗岩) 经历了快速剥蚀;彭恒(2020) 在盆地西缘南部地区测试的AFT 样品年龄为215.6 Ma,远远大于其地层时代,而且通过了卡方检验,说明样品未曾退火,也表明其物源区于晚三叠世发生了快速的隆升剥蚀。王建强等(2020) 也发现了许多关于这期抬升的记录: 盆地西缘南部三叠纪末期的剥蚀具有南强北弱的特点,南部大范围内延长组地层残缺不全;晚三叠世延长组凝灰岩厚度由南向北逐渐减小,且发育冲积扇和扇三角洲,同时鄂尔多斯西南地区普遍存在浊积岩、震积岩等同沉积构造变形;而且灵台地区的钻探中还发现了晚三叠世的火成岩侵入体。上述证据均表明鄂尔多斯盆地西缘南部存在晚三叠世—早侏罗世这期构造隆升事件 (图10a)。通过对牛首山—罗山地区中侏罗世—早白垩世的抬升速率计算和样品所在海拔差异,推测晚三叠世—早侏罗世的隆升事件对罗山地区也造成了一定的影响,从而使牛首山、罗山发生了差异抬升,这可能与鄂尔多斯盆地晚三叠世—早侏罗世的逆时针旋转有关 (图10a;马醒华等,1993;杨振宇和Besse,2000;张进等,2000,2004),同时贺兰山地区广泛存在的三叠系与侏罗系角度不整合也暗示由于盆地旋转,这期抬升不只局限于盆地西缘南部 (马静辉和何登发,2019)。但是具体的响应机制仍需要进一步的年代学数据。

图10 鄂尔多斯盆地西缘及其邻区中生代隆升模式图a—晚三叠世—早侏罗世;b—中侏罗世—早白垩世Fig.10 Mesozoic uplift model of the west edge of the Ordos Basin and its adjacent areas(a) Late Triassic-Early Jurassic;(b) Middle Jurassic-Early Cretaceous

晚侏罗世—早白垩世为燕山运动的主变形期 (董树文等,2019)。大地构造上,该时期华北板块在其南北两边缘持续受到来自华南板块和蒙古-鄂霍茨克洋关闭所产生的挤压作用,在其南北边缘产生了逆冲推覆作用 (葛肖虹,1989;和政军等,1998),同时,其东西两侧由于古太平洋与班公湖-怒江洋 (中特提斯洋) 向东亚大陆俯冲也处于挤压状态 (李三忠等,2022;赵越等,2022)。不过有学者指出,中—晚侏罗世为鄂尔多斯西缘构造应力场发生变化的时期,由印支期近南北向的挤压过渡到燕山期近东西向的挤压 (董树文等,2007,2008)。因此,鄂尔多斯西缘及邻区的构造演化,应主要归因于其西南部的特提斯构造域和东边古太平洋俯冲消减的共同影响。中—晚侏罗世,受特提斯构造域影响,拉萨板块向北东方向汇聚,致使祁连山东部、走廊过渡带向东逐渐逆冲推覆至鄂尔多斯西缘南部之上。由于祁连山地区的强烈隆升,产生了北东向的挤压,在祁连山与北秦岭的接合部位形成了一些显示北东向挤压以及东西向剪切的特征构造 (张维吉等,1994;刘池洋等,2005;李奋其等,2022)。地震解译结果也表明晚侏罗世—早白垩世早期,鄂尔多斯盆地西缘南部发生了强烈的逆冲变形 (Darby and Ritts,2002;欧阳征健等,2012),并且,这些逆冲断裂大多没有错断白垩纪地层 (李斌,2019)。此外,卫宁北山—香山—六盘山地区在该时期形成了统一的向北东方向凸出的弧形构造带 (陈刚等,2007)。鄂尔多斯西缘南部及祁连山地区广泛存在着这期构造事件的热年代学记录 (高峰等,2000;彭恒,2020;王建强等,2020;彭恒等,2022)。同时,下白垩统与其下覆地层普遍存在着角度不整合,而且晚侏罗世 (芬芳河组沉积期)和早白垩世 (宜君组沉积期) 均有较厚的砾岩沉积层 (王建强等,2011;赵晓辰,2017)。这些证据均表明盆地西缘南部存在中侏罗世—早白垩世这期构造隆升事件。因此,在大区域尺度上鄂尔多斯西缘南部在燕山期的抬升可能与西南部拉萨地块向北东方向汇聚的远程效应有关。而牛首山—罗山地区位于鄂尔多斯地块与祁连造山带的结合位置,受祁连造山带北东向挤压的影响也开始抬升 (图10b)。另外,通过牛首山—罗山地区抬升速率的计算,发现牛首山地区的平均抬升速率要大于罗山地区,这可能与研究区西北部的阿拉善地块对鄂尔多斯西缘的挤压逐步变强有关,已有研究表明中—晚侏罗世阿拉善地块向东挤出,且其东侧受力最强,并在贺兰山东部形成了一系列南北向的反冲断层 (马静辉和何登发,2019;白东来,2021)。故推测该时期,牛首山地区同时受到西南、西北两个方向的挤压,隆升速率加快。

综上,依据裂变径迹年代学结合地层不整合、沉积砾岩以及断裂活动等相关地质证据,可初步构建出鄂尔多斯盆地西缘及其邻区中生代时期两阶段的构造隆升模式 (图10)。鄂尔多斯西缘抬升的启动时间基本确定在晚三叠世 (220 Ma),抬升期次分为晚三叠世 (220 Ma)—早侏罗世末期(185 Ma) 及中侏罗世 (175 Ma)—早白垩世末(110 Ma) 两期,不过由于早期抬升时鄂尔多斯盆地发生了逆时针旋转,所以盆地西缘的中北部地区对于南部晚三叠世构造事件的响应过程要更为复杂,并不是单纯的由南向北的传递性隆升,尤其要考虑阿拉善地块对鄂尔多斯西缘构造抬升的影响 (张进等,2000,2004),具体的响应机制仍有待商榷。

6 结论

(1) 牛首山—罗山地区磷灰石裂变径迹测年结果显示,其中生代抬升的时限为中侏罗世 (170 Ma)—早白垩世末 (110 Ma),罗山地区的抬升启动时间 (170 Ma) 要早于牛首山地区 (160 Ma)。

(2) 裂变径迹测年与构造-沉积演化过程的综合分析表明,鄂尔多斯盆地西缘中生代抬升的启动时间为晚三叠世 (220 Ma),并且经历了晚三叠世 (220 Ma)—早侏罗世末期 (185 Ma) 与中侏罗世 (175 Ma)—早白垩世末 (110 Ma) 两期构造抬升过程,分别显示出由南向北、由西南向东北方向传递的特征。

(3) 牛首山—罗山地区中生代的隆升过程属于鄂尔多斯盆地西缘第二期抬升的一部分,在小区域尺度上主要与祁连造山带向北东方向挤出有关。鄂尔多斯西缘中生代两期隆升过程则分别与晚三叠世华北、华南板块碰撞以及中—晚侏罗世拉萨地块向北东汇聚的远程效应有关。

致谢:感谢邱亮教授在数据解释方面的帮助。