柴达木盆地东北缘晚新生代构造隆升——来自碎屑锆石U-Pb年代学证据

王嘉琦,施炜,李宗星,钟畅

1)中国地质科学院,北京,100037; 2)中国地质科学院地质力学研究所,北京,100081

内容提要：随着印度与欧亚板块在新生代的持续碰撞,柴达木盆地东北缘发生了强烈的地壳缩短变形,形成了一系列北西西走向山脉。由于缺乏系统的沉积学研究,盆地东北缘一系列山脉隆升过程存在不同认识。笔者等选取柴达木盆地东北缘怀头他拉剖面,对中新统下油砂山组、上油砂山组及中新统—上新统狮子沟组采集碎屑锆石样品,开展碎屑锆石U-Pb年代学测试。结合已有的研究成果,分析了柴达木盆地东北缘山脉隆升过程。研究结果显示,研究区碎屑锆石Th/U值介于0.03～3.3之间,以岩浆锆石为主。碎屑锆石年龄具有200～300 Ma、400～500 Ma、750～950 Ma、1.6～2.0 Ga以及2.2～2.5 Ga共5个年龄段。结合MDS(Multidimensional scaling)图分析表明:上油砂山组沉积中期(14.8～12.5 Ma),研究区发生一次物源转换,指示研究区南边的埃姆尼克山发生隆升,成为研究区物源地。狮子沟组沉积早期(8.6～7.0 Ma),研究区物源再次发生变化,表明南祁连山发生快速隆升,为研究区提供物源。据此,笔者等提出青藏高原北东向生长导致柴达木盆地东北缘构造隆升依次向北东传递。

柴达木盆地长约850 km,宽约150～300 km,是青藏高原东北部最大的沉积盆地(图1),其北部边界为南祁连山,南部为东昆仑山,西部为阿尔金山,东部边界为鄂拉山(陈宣华等,2010)。盆地内部平均海拔高达3000 m,周缘山脉则高达4000～6000 m。随着新生代印度板块与欧亚板块碰撞,逐渐在其碰撞过程中形成了柴达木盆地如今的构造格局(钟大赉等,1996;高先志等,2003;王成善等,2004;尹安等,2007;Yin An et al.,2008;孟庆任,2009;张克信等,2013;代昆等,2016;杜忠明等,2016)。柴达木盆地东北缘沉积了巨厚的新生代地层,盆地内新生代的地层信息,不但可以提供青藏高原在盆地充填过程中持续生长的记录,还可以提供盆地周缘的阿尔金山、南祁连山以及东昆仑山的变形和隆升记录(陈宣华等,2011;张涛等,2012;He Pengju et al.,2020)。

图1 柴达木盆地区域构造图及研究区位置

目前,针对柴达木盆地东北缘构造隆升问题,多位学者从构造变形特征、地球化学分析、重矿物分析、低温热年代学分析以及地震剖面解译等方面进行了广泛研究(Zhou Jianxun et al.,2006;王亚东等,2011;Mao Liguang et al.,2016;Zhuang Guangsheng et al.,2018;Cheng Feng et al.,2021;Zhang Boxuan et al.,2022)。孟庆泉(2008)通过对怀头他拉中新统上油砂山组(N1sy)和中新统—上新统狮子沟组(N1-2s)地层进行古流向统计,结合古地磁等分析手段,认为上油砂山组沉积之初,古水流主要包括西南和北东两个方向,沉积物分别来自于埃姆尼克山与南祁连山。崔明明(2019)通过碎屑成分统计分析、重矿物分析等,认为在晚中新世,怀头他拉剖面出现了两次较为明显的物源转变,分别代表着埃姆尼克山和南祁连山发生了快速隆升。另外,Bush等(2015)通过对大红沟剖面和怀头他拉剖面新生代碎屑锆石、重矿物分析等认为,柴达木盆地新生代早期由东昆仑山提供物源,渐新世—中新世盆地由祁连山—南山提供物源,受青藏高原隆升的影响盆地变形由南向北传播。Song Bowen等(2019)通过对柴达木盆地北部古河流区域和大红沟地区进行取样和碎屑锆石定年,认为柴达木北山至少在早始新世被抬升,并成为大红沟地区的物源地,表明早在早始新世印度—亚洲碰撞产生的远程应力就已传播到大红沟地区;46.5～43.7 Ma,大红沟地区出现明显的物源转移,主要是由阿尔金山脉在此时抬升引起的;24.6 Ma以来,赛什腾山的抬升阻断了阿尔金山脉沉积物向大红沟地区的运移,南祁连山成为大红沟地区碎屑的唯一贡献者。同样,Yin An等(2008)认为古新世南祁连山向南逆冲推覆运动,在基底产生一个构造三角带,其尖端向南,造成上覆岩层被不断掀起剥蚀,古柴达木盆地南缘的沉积中心不断向南迁移,盆地内部应力由北向南传播。Wu Chen 等(2021)基于柴达木盆地到祁连山区域地质背景和低温热年代学数据,认为印度与欧亚大陆的碰撞在新生代早期激活了青藏高原北部的古构造带,以逆冲断裂活动为主,中新世以来构造变形转变为走滑断裂和逆冲断裂共同作用,形成了东昆仑和海原两个大型转换挤压构造系统,晚中新世河西走廊和祁连山冲断带以北的龙首山的变形和隆升代表了高原向外生长的最新阶段。

对于柴达木盆地东北缘,前人在沉积学、低温热年代学等方面取得了较大的研究进展,但是晚新生代以来较为可靠的物源供给区及其转换时限还缺少更进一步的数据支撑。碎屑锆石年龄可以与潜在物源区的结晶年龄进行匹配,进而识别其沉积物质的来源与变化,是一种极为有效的物源分析方法(Thomas,2011)。笔者等选取柴达木盆地东北缘怀头他拉剖面,进行系统的样品采集,结合锆石阴极发光图像分析,通过样品碎屑锆石U-Pb同位素年代学分析,探讨柴达木盆地东北缘构造隆升过程,为青藏高原北缘隆升的研究提供新的证据。

1 地质背景

柴达木盆地东北缘欧龙布鲁克山前发育相对完整的晚新生代地层,以怀头他拉剖面出露较为完整。怀头他拉剖面位于青海省海西州德令哈市以西60 km的怀头他拉镇附近(图2)。盆地内部大部分地区均被第四系的砾岩层所覆盖,新生代地层主要出露在托素湖的东西两侧,露头条件较差。怀头他拉剖面位于欧龙布鲁克山东北部,全长约4.5 km(图2,图3),从南西到北东分别为下油砂山组、上油砂山组、狮子沟组、七个泉组。砂岩组成成分主要以元古代变质岩和古生界灰岩为主,磁性地层学和原位化石很好地将剖面的沉积年龄限定在15.7～1.8 Ma。其中下油砂山组厚度约为100 m,岩性主要以灰黄色和棕色砂至泥岩为主,由于出露地层厚度较薄,分布较少,其顶界年龄为15.3 Ma。上油砂山组厚度2.1 km,岩性以灰色和浅棕色砾岩、砾岩砂岩、粉砂岩和泥岩互层为主。它与下伏的下油砂山组整合接触,年龄为15.3～8.1 Ma。狮子沟组厚度约为1.8 km,岩性主要以灰黄色粗砂岩夹暗色薄层状泥岩,并且与上部的上油砂山组整合接触,年龄约为8.1～2.5 Ma。最上部为七个泉组,岩性主要以冲积—河流相的厚层灰色砾岩夹砂岩、砂岩或泥岩组成,与下伏地层呈不整合接触(Fang Xiaomin et al.,2007)。

图2 柴达木盆地东北缘地质—地貌图(改自1∶200000地质图)

图3 柴达木盆地东北缘晚新生代地层柱状图(改自Fang Xiaomin et al.,2007):图片(a)—(g)为剖面及部分采样点照片,(h)为HTTL-04镜下照片

2 样品采集与实验方法

依据怀头他拉古地磁剖面地层特征,一共采取了样品6块,其中HTTL-04采自下油砂山组,HTTL-06、HTTL-09、HTTL-11采自上油砂山组,HTTL-13、HTTL-16采自狮子沟组。HTTL-04为含砂质泥晶白云岩(岩石主要成分为碳酸盐矿物,滴加茜素红—铁氰化钾试剂,确定泥晶碳酸盐成分为白云石,砂级碎屑中的碳酸盐成分为方解石),其余样品主要为各套地层中的砂岩,每份样品重量约为4 kg,样品锆石挑选、锆石制靶、CL图像拍摄在廊坊市宇恒矿岩技术服务有限公司完成,采用重液和磁选机相结合的方法分离出样品的锆石晶体。制靶时首先将分选出的锆石颗粒用双面胶固定在空心柱的靶盘底座,并将环氧树脂注入空心柱中固定,待树脂固化后,对锆石所在的柱面进行剖光、切割等手段,最后在显微镜下进行透反射和阴极发光相片的拍摄过程。

碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测试工作在中国地质科学院地质力学研究所激光剥蚀—电感耦合等离子质谱仪实验单元完成(王森等,2022),每个碎屑样品测试100颗锆石左右。测试完成之后,利用ICPMS DataCal 7.7(Liu Yongsheng,2010)软件对数据进行处理,使用Isoplot 4.15(Ludwig,2003)软件绘制锆石U-Pb年龄频谱图。实验室使用的是美国相干(Coherent)公司GeoLasHD 193 nm激光器和安捷伦科技公司Agilent 7900四级杆等离子质谱仪。激光束斑的直径为32 μm,每测10个样品测2次标样,同位素比值校正使用标准锆石91500作为标样进行校正。对于元素含量分析,我们以国际标准玻璃NIST 610作为外部标准,29Si作为内部标准进行计算。测试时将激光能量密度设置为10 J/cm2,剥蚀频率为8 Hz。为保证测试准确性,在剥蚀样品前先采集20 s空白,随后对样品进行35 s的剥蚀。

采用Andersen(2002)提出的普通Pb校正方法对所有的年龄数据进行了校正。普通Pb校正后,对于年龄<1 Ga的颗粒,由于其内部Pb含量较低,误差较大,所以选择206Pb/238U年龄作为最终年龄;对于年龄>1 Ga的颗粒,锆石含有更多的放射性成因Pb,所以以207Pb/206Pb年龄作为最终年龄(Gehrels et al.,2008)。

测点近600个,结果见附表(该附表在纸质版上将不印出,请见www.geojournal.cn/georev或其他网站的电子版)。

3 实验结果分析

3.1 锆石特征及年龄分布

怀头他拉剖面的碎屑锆石阴极发光图像见图4,从图中可以看出,各样品的碎屑锆石多为圆柱状或圆状,少部分为棱角状,单一样品的碎屑锆石大小分布比较均匀,内部结构则较为复杂,锆石的长度分布为60～220 μm,宽度为50～150 μm。本次实验样品测定的锆石Th/U值介于0.03～3.3之间,而一般情况下岩浆锆石的Th/U较大,一般大于0.4,变质锆石的Th/U值一般小于0.1(李亚萍,2007),对比发现,本次样品中的锆石以岩浆锆石为主,变质锆石所占比例很小。

图5、图6分别为各个样品的碎屑锆石年龄谐和图和研究区及邻区锆石年龄频率直方图,从图中可以看出这6个样品具有多个年龄峰值,且各样品的锆石年龄具有分组分段特征,整体介于207.4～3264.8 Ma 之间,并且大致可划分为5个年龄峰值。① 二叠纪—三叠纪(200～300 Ma);② 早古生代(400～500 Ma);③ 新元古代(750～950 Ma);④晚古元古代(1.6～2.0 Ga);⑤早古元古代(2.2～2.5 Ga)。HTTL-04样品采自欧龙布鲁克山前的下油砂山组,样品岩性为含砂质泥晶白云岩(镜下照片见图3 h),其锆石主要年龄峰值主要为450 Ma,比例约为50%;HTTL-06采自上油砂山组底部的泥质砂岩,样品的锆石年龄仍然以早古生代的年龄为主,同时,相对于HTTL-04,其主要年龄峰值为245 Ma左右;HTTL-09采自上油砂山组中部的砂岩,此时古生代的锆石年龄数据大幅度下降,元古宙的锆石年龄有了大幅度的提升,所占比例达到了40%;HTTL-11采自上油砂山组顶部的砂岩,其锆石年龄组成与分布与HTTL-09具有很高的相似程度;HTTL-13采自狮子沟组上部,锆石年龄组成发生了明显的变化,峰值为807 Ma的锆石年龄占比大幅提升至50%;HTTL-16采自狮子沟组中—下部,年龄组成包括古生代的264 Ma、453 Ma两个年龄峰值以及元古代814 Ma,1810 Ma以及2304 Ma 3个年龄峰值。

图5 柴达木盆地东北缘怀头他拉剖面碎屑锆石年龄谐和图

图6 柴达木盆地东北缘及邻区锆石年龄频率直方图(据Qian Tao et al.,2021修改)

3.2 MDS投图

多样本数据集的组成和年龄谱可用于通过现代和古代沉积物路径系统追踪沉积物的流动(Vermeesch,2013)。根据Kolmogorov—Smirnov统计方法(简称K-S检验,根据样品间U-Pb年龄累计分布函数的绝对偏差计算有效尺寸d值)对处理的U-Pb年龄进行MDS(Multidimensional scaling)投图,进而判断不同样品是否来自同一物源区的可能性。当d=0时,两个样品具有相同U-Pb年龄累计分布函数,在MDS图中重合;当d=1时,两个样品U-Pb年龄累计分布函数没有重叠,在MDS图中距离最远。利用IsoplotR进行线上处理(Vermeesch,2018)。MDS图显示HTTL-9、HTTL-11、HTTL-16近乎重叠,样品具有相似的物源。HTTL-06、HTTL-13、HTTL-04这三个样品则距离较远,代表着一定程度上的物源转变。MDS图见图7所示。

图7 柴达木盆地东北缘怀头他拉剖面碎屑锆石MDS图

4 讨论

4.1 潜在物源区

随着对柴东地区研究的深入,中中新世以来,怀头他拉地区的物质主要来自其南北两个方向,由南至北分为以下4个方面(图6):

(1)东昆仑山。东昆仑在二叠纪及石炭纪发生了大量的岩浆事件(夏国清等,2012),统计年龄主要包括201～533 Ma,包括二叠纪—三叠纪和早古生代的岩浆锆石年龄。同时东昆仑山出露的基岩还包含新元古宙变质岩、古生代变质沉积岩和侏罗纪、新生代碎屑沉积岩。

(2)柴北缘构造带。柴北缘构造带自西北到东南分别是赛什腾山、绿梁山、锡铁山以及埃姆尼克山。埃姆尼克山主要出露的是晚泥盆系的地层,主要包括石英砂岩、板岩、玄武岩等。锡铁山附近出露的花岗岩和闪长岩的年龄为1020±41 Ma、803±7 Ma和744±28 Ma(陆松年等,2002),赛什腾山出露较多的岩体,其锆石U-Pb年龄范围为441±2 Ma(Xiong Qing et al.,2012)。

(3)欧龙布鲁克山。欧龙布鲁克山处在的欧龙布鲁克微陆块的变质基底包括德令哈杂岩以及达肯大坂群,其锆石U-Pb年龄分布多样,主要包括三叠纪、志留纪和古元古代。同样,古生代的这两期事件的年龄峰值为245 Ma和440 Ma,古元古代锆石年龄峰值为2436 Ma和2377 Ma(Chen Xuanhua et al.,2012)。

(4)宗务隆山。南祁连构造带的岩浆事件主要发生在二叠纪、早古生代及新元古代这3个时期,二叠纪年龄峰值为252.0±2.1 Ma(胡万龙等,2016),同样,南祁连地区大量的碎屑锆石数据显示,前寒武系变质岩中的锆石U-Pb年龄分布在800 Ma,1800 Ma和2400 Ma(Zuza et al.,2018)。

4.2 沉积物源分析

通过对研究区的潜在物源区分析,结合采集样品的碎屑锆石年龄组成和分布,可以明确不同时代研究区内部的物质来源及搬运路径(王策等,2023)。怀头他拉地区样品的碎屑锆石年龄显示;年龄峰值为200～300 Ma;400～500 Ma;750～950 Ma;1.6～2.0 Ga以及2.2～2.5 Ga(图6)。

HTTL-04采自欧龙布鲁克山前下油砂山组的含砂质泥晶白云岩,HTTL-06(古地磁年龄8.6 Ma)采自上油砂山组顶部砂岩,MDS图显示,两个样品具有不同的物质来源。结合当时的情况,欧龙布鲁克山和埃姆尼克山还未开始隆升,因此这一物源变化应与东昆仑山和南祁连山有关。关于东昆仑山和南祁连山在早中新世隆起,不同的学者做出了大量的研究(George et al.,2001;张培震等,2006;陈宣华等,2011)。由于东昆仑山和南祁连山具有的古生代锆石年龄相似,无法仅通过碎屑锆石年龄组分确定导致这一物源变化的具体原因。

HTTL-09(古地磁年龄12.5 Ma)与HTTL-11(古地磁年龄8.6 Ma)两个样品具有相似的碎屑锆石年龄分布,且相对于HTTL-04和HTTL-06,元古代时期产生的锆石的数量明显增多,MDS图显示,这两个样品具有相似的物源。因此,在HTTL-06—HTTL-09(14.8～12.5 Ma)期间,研究区发生了一次物源转变,而在HTTL-09—HTTL-11(12.5～8.6 Ma)期间,研究区整体保持稳定。孟庆泉(2008)结合古地磁数据和古流向统计,发现在12.6 Ma沉积速率明显增加,古流向由南东向转变为北东向,表明埃姆尼克山发生了构造隆升。

HTTL-13(古地磁年龄7 Ma)的主力峰值年龄为807 Ma,年龄数量占比50%,相对于HTTL-11和HTTL-16,都有明显的不同,同时,HTTL-16(古地磁年龄4.5 Ma)与HTTL-09、HTTL-11两个样品具有相同的年龄峰值及分布,MDS图显示,这3个样品具有相似的物源组成。结合其潜在物源区状况,807 Ma这一年龄锆石应为南祁连山为其主要提供物源引起,因此,HTTL-11—HTTL-13(8.6～7.0 Ma)期间,研究区发生了一次物源转变,这期间南祁连山发生了一次强烈隆升,成为了研究区此时的主力物源。Fang Xiaomin等(2007)根据古地磁和岩石学相关证据发现在8.1 Ma怀头他拉地区沉积速率发生了一次快速增加。Zheng Dewen等(2006)通过对六盘山进行低温热年代学研究,认为祁连山东北部的快速隆升时间为8.0 Ma左右。崔明明(2019)结合砂岩碎屑组分统计和重矿物特征分析发现,8.0 Ma时期侵入岩岩屑和火山岩岩屑增多,变质岩、硅质岩和灰岩岩屑减少,证明南祁连此时发生了开始隆升。另一方面,HTTL-13—HTTL-16(7.0～4.5 Ma)期间,研究区再次发生物源转变,南祁连不再为主力物源区。孟庆泉(2008)结合古地磁数据和砾石成分分析、古流向统计,认为在2.5 Ma,欧龙布鲁克山开始隆升,因此,造成这一物源转变的原因是由南祁连从主力物源供给区转变为埃姆尼克山和南祁连山共同为研究区提供物源。

关于青藏高原东北部对印度—欧亚板块碰撞的响应时间,不同的学者做了大量的工作,对柴达木盆地东北缘以及祁连山的新生代构造变形的开始时间存在很大的分歧,包括古新世—早始新世(Yin An et al.,2008; Bush et al.,2015)、晚始新世—早渐新世(Jolivet et al.,2001; Dai Shuang et al.,2005)、晚渐新世—早中新世(Guo Zhaojie et al.,2009)、以及中—晚中新世(Wang Weitao et al.,2017;Wu Chen et al.,2021;吴晨,2023)的不同观点。An Kaixuan 等(2020)通过对北祁连山北黑山地区等进行磷灰石裂变径迹研究,发现了始新世的一次快速降温事件,代表了印度—欧亚板块碰撞的一次远程响应,认为青藏高原东北缘新生代变形始于古新世—始新世,印度—欧亚板块碰撞后应力瞬时传递到东北边界。Pang Jianzhang 等(2019)通过对南祁连怀头他拉地区和爱字格进行磷灰石裂变径迹分析,通过与北祁连山做对比,认为在新近纪,祁连山北部和南部向外同步生长,方向相反。Wang Weitao等(2017)通过对柴北缘红沟地区古地磁、磷灰石裂变径迹等手段,认为柴达木盆地沉积初始时间为25.5 Ma,早期沉积物来源为东昆仑山,12 Ma祁连山开始隆升,为盆地提供物源。结合怀头他拉地区的碎屑锆石数据结果,如图8所示,柴达木盆地东北缘在14.8～12.5 Ma,研究区南部的埃姆尼克山发生了快速隆升;在8.6～7.0 Ma,研究区北部的南祁连山发生快速隆升。笔者等的研究结果支持柴达木盆地东北缘对印度—欧亚板块碰撞的响应时间为中—晚中新世。同时,研究结果表明柴达木盆地东北缘在中中新世构造隆升具有自南西向北东扩展的特点,体现了青藏高原生长过程中向北东方向变形传播的特征。

图8 柴达木盆地东北缘晚新生代构造地貌演化图:(a)埃姆尼克山隆升;(b) 南祁连山隆升

5 结论

笔者等通过对柴达木盆地东北缘的怀头他拉地区进行了碎屑锆石U-Pb年代学研究,结合潜在物源区识别其物源变化及隆升历史。结合MDS图分析认为:

(1)HTTL-06—HTTL-09上油砂山组沉积中段(14.8～12.5 Ma)研究区发生一次物源转换,结合前人的古水流等手段,此时埃姆尼克山发生了隆升,为盆地提供物源。HTTL-11—HTTL-13狮子沟组沉积早期(8.6～7.0 Ma),研究区再次发生物源转变,结合潜在物源区分析以及古地磁结果等认为,此时南祁连山快速隆升,为研究区提供物源。笔者等通过碎屑锆石年代学方法来分析沉积物源和隆升历史,为柴达木盆地东北缘中新世以来的隆升时序提供了新的证据。

(2)柴达木盆地东北缘在中中新世(14.8 Ma)以来构造隆升依次向北东扩展,体现了青藏高原生长过程中变形向北东方向传播的特征。

致谢：感谢编辑和评审专家的建设性意见。野外工作得到了马立成教授级高级工程师的帮助,在此表示感谢。