Question

天山北缘前陆冲断褶皱带形成时间的确定

Answer 1

印-藏碰撞所引起的构造变形分布于碰撞带以北2000～3000km的广大地区，强烈的构造作用明显改造了中亚的大部分地区，使原有构造格局更加复杂化。其中天山向两侧盆地的冲断抬升导致巨厚的中生界-新近系沉积剖面剥露至地表。天山北缘由南向北发育了三排冲断褶皱带，第四纪以来的地层和沉积物也卷入褶皱并受到断层的错断。

多数研究成果认为盆地南缘第一排构造形成于中生代末期（张培震等，1999；杨晓平等，1998；邓起东等，1999）。晚白垩世时期，冈底斯地块与拉萨地块发生碰撞，这次运动的影响范围和强度可能很小，准噶尔盆地在此时期处于一个较为稳定的时期，上白垩统东沟组与古近系紫泥泉子组整合接触。但是，天山南缘的库车再生前陆盆地的冲断构造形成始于25Ma左右（卢华复等，1999），塔里木盆地沿西昆仑和天山山前的沉积碎屑磷灰石裂变径迹年龄为25～13Ma（Hendix，et al.，1994；Sobel and Dumitru，1997），反映天山南侧的新生代构造主要形成于中新世以后。裂变径迹数据系统分析表明，准噶尔盆地南缘主要存在晚渐新世-中新世和上新世以来冷却年龄。地层沉积特征和时间-温度曲线模拟表明天山北缘的快速剥蚀隆升主要发生于晚中新世以来（主要是10Ma以来）（方世虎等，2004）。

有研究成果认为第二排构造形成于上新世和早更新世之间（邓起东等，1999），天山地区第四纪底部年龄为2.92Ma（陈华慧等，1994），天山北缘西域砾岩底部的磁性地层学年龄为2.58Ma（Sun et al.，2004）或者3.1Ma（Julien et al.，2005）。笔者根据地震剖面上西域砾岩上部显示为明显的生长地层，独山子背斜第三系样品的裂变径迹t⁃T模拟曲线上主要显示2Ma的更新世年龄，表明其形成时间可能与西域砾岩的沉积时期相近，主要形成于2Ma以来。

一、利用（生长地层/生长三角）判断（构造运动时间/速率）

生长断层相关褶皱作用理论是断层相关褶皱理论讨论同沉积变形现象的自然延伸。同构造沉积物（生长地层）是构造活动的直接记录。根据它的几何学与运动学特点就可以反演褶皱形成过程及褶皱生长时代、速率等参数。

Suppe等（1992）提出的生长地层、生长三角的概念，为构造形成定时提供了一个有利工具。生长地层的时代就是构造形成的时代。利用断层相关褶皱的“生长地层”可以准确地判断构造形成的时间，并可为估算下伏台阶状逆断层的滑动量提供依据。如果在生长三角中至少有两个地层单元的年龄已知，那么生长三角的生长速率就可以计算出来。

利用计算机模型技术恢复二维构造剖面，可以由新到老逐期逐层地剥离不同地质时期的构造变形层，分构造期次，最终恢复冲断褶皱带的构造变形史。这一方法建立在对褶皱生长三角的认识基础上，图1-3-22 a表示断层滑移引起的褶皱生长三角。在简单断坡例子中，生长三角的平均生长速率（υ）等于已知年龄的两个地层单元之间褶皱翼部宽度的改变（ΔL）除以形成这两个地层单元的年龄差（Δt），用公式表示为（Suppe，1991）：

中国西部中亚型造山带中新生代陆内造山过程与砂岩型铀矿成矿作用

图1-3-22 生长断层转折褶皱位移速度矢量关系

（Suppe，1991）

（a）下盘断坡断层或生长三角示意图；（b）完整的生长断层转折褶皱示意图

必须注意，用上述公式算出的数据只能代表下伏断坡上断层段的滑动速率。对一个完整的生长断层转折褶皱来说，可以有两个生长三角提供计算（图1-3-22b）：一个是下盘断坡上的生长三角，还有一个是上盘断坡上的生长三角。理论上这两个生长三角的生长速率是不相等的，它们分别与下伏上、下盘断坡上的断层滑动速率有关。从图1-3-22b中可以看出，如果逆冲断层的运动速率为a，在到达前断坪继续向前运动时，速率只有c，而c与a有如下的关系（Suppe，1991）：

c=bcosθ=acosθcosθ=acos²θ （1-3-2）

式中θ为断坡坡角。

此公式中b可以直接通过公式（1-3-1）计算出来b相当于公式（1-3-1）中的υ，断坡坡角θ对于特定的剖面是一定值（已知的）。而c也可以通过公式（1-3-2）计算，只是必须注意对于上盘断坡生长三角AA′M来说其生长速率υ_x与c之间还要考虑上盘断坡坡角a的影响。其关系为（Suppe，1991）：

中国西部中亚型造山带中新生代陆内造山过程与砂岩型铀矿成矿作用

式中a为上盘断坡坡角。

因此对于任意的生长断层转折褶皱通过计算生长三角的生长速率就可能将下伏冲断面总体运动速率a计算出来，只是必须注意确认生长三角是前翼的还是后翼。天山北缘褶皱冲断带广泛发育生长褶皱，不但在地震剖面上可以识别出生长三角带，而且在野外露头也已观察到，可以用来确定天山北缘前陆逆冲带的形成时间和运动速率。

二、天山北缘前陆冲断带变形时间的确定

（一）第一排构造的形成时间

近年来，生长地层用于确定构造形成时间及变形速率在天山以南的库车再生前陆盆地得到了很好的应用（卢华复等，1999；汪新等，2002）。本书通过系统分析天山北缘第一排构造带喀拉扎背斜周缘地区（图1-3-23方框所示）新近系生长地层的沉积学特征和接触关系，结合裂变径迹年龄分析结果，确定天山北缘第一排构造的形成时间主要是晚中新世以来。

图1-3-23 天山北缘前陆冲断带构造简图

1—石炭系及更老地层；2—二叠系；3—三叠系；4—侏罗系；5—白垩系；6—第三系；7—第四系；8—断层；9—水系

1.地层特征

野外剖面分析，卷入乌鲁木齐西侧头屯河地区第一排构造的地层有侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系，其中侏罗系-古近系-新近系变形强烈并遭受剥蚀，形成了现今复杂的地貌地形和地层分布（图1-3-24、1-3-25）。

图1-3-24 喀拉扎背斜及其周缘地区地质图

（位置见图1-3-23方框）

1—第四系（Q）；2—独山子组上段（N_1-2d^C）；3—独山子组中下段（N_1-2d^A+B）；4—塔西河组（N₁t）；5—上白垩统与古近系（K₂d+E）；6—下白垩统吐谷鲁群（K₁tg）；7—侏罗系（J）；8—三叠系（T）；9—二叠系（P）；10—剖面位置；11—正断层；12—逆断层；13—不明断层；14—不整合；15—海拔高度点；16—岩层产状

图1-3-25 喀拉扎背斜南北向剖面图

（剖面位置见图1-3-24；方框中为图1-3-25范围）

新近系独山子组（N_1-2d）和塔西河组（N₁t）在山前及喀拉扎背斜以南（图1-3-24、1-3-25中B处）均有出露。其中独山子组（N_1-2d）岩性可以分为上中下三段：上部（N_1-2d^C）以灰色、黄灰色砾岩为主；中部（N_1-2d^B）为黄灰色砂质砾岩与砂泥岩互层，向上含细粒硬砂岩；下部（N_1-2d^A）以土黄色块状砂质泥岩和砂质砾岩互层为主，局部可与细粒硬砂岩互层，在喀拉扎背斜以南地区岩性较粗，以砂质砾岩为主。塔西河组（N₁t）岩性以浅土红色块状砂质砾岩夹泥质硬砂岩为主，局部呈互层。

古近系-上白垩统在本区分为沙湾组（E₃m）和东沟群（K₂-E₁₊₂），在山前及喀拉扎背斜以南（图1-3-24、1-3-25中的B处）均有出露。沙湾组（E₃m）在本区表现为土红色与薄层灰色泥岩不均匀互层，中下部为含砾岩及钙质硬砂岩。K₂-E₁₊₂包括上白垩统东沟组（K₂d）和古近系的部分地层［紫泥泉子组（E_1-2z）和安集海河组（E_2-3a）］，上部为浅红色含砾砂质泥岩夹薄层灰色泥岩、砂质泥岩，中部为土红色块状砾岩，夹2～3层钙质砂砾岩，下部为黄灰色、紫红色薄层泥岩夹泥质砂岩及灰绿色砾岩，K₂-E₁₊₂地层在喀拉扎背斜以南以土红色块状砾岩为主，夹泥质条带。

下白垩统吐谷鲁群（K₁tg）上部为紫红色薄层钙质泥岩、灰绿色薄层泥岩，向下夹细粒硬砂岩及泥灰岩，下部以紫红色泥岩夹灰绿色薄层泥岩，向下见灰绿色薄层泥岩夹细粒硬砂岩及泥灰岩，底部见硬砂岩和砾岩。

侏罗系上统的喀拉扎组（J₃k）和齐古组（J₃q）为一套以砂岩、砂砾岩为主的组合，J₃k在喀拉扎背斜以南岩性稍有变粗，层厚变薄。中统头屯河组（J₂t）岩性为紫褐色、灰色泥岩与薄层砂岩、褐灰色砾状砂岩互层，下部砂砾岩增多；中统西山窑组（J₂x）中上部为厚-巨厚层灰色泥岩中下部为厚-巨厚层灰色砂岩夹中厚层煤。下统三工河组（J₁s）中上部为厚-巨厚层灰色泥岩为主，底部为巨厚层砂岩、砾状砂岩、砂砾岩；下统八道湾组（J₁b）为灰绿色泥岩、黑灰色页岩与灰绿色中粒长石砂岩，夹薄煤层或煤线。

2.地层接触关系

通过野外勘查结合1：20万地质图（新疆地质局，1965）绘制了图1-3-24中所示A—B—C剖面。侏罗系-新生界均被卷入这一排构造中，喀拉扎背斜南部B处的地层叠置关系中存在一个明显的角度不整合，侏罗系（J）-新近系塔西河组（N₁t）遭受褶皱变形，不整合之上的新近系独山子组中下部（N_1-2d^A+B）砂质泥岩和砂质砾岩互层系则近于水平（倾向NNE，倾角≤6°）（图1-3-25、1-3-26、1-3-27）。

图1-3-26 喀拉扎背斜南翼剖面图

图1-3-24中的D点处（编者注：已出图界）昌吉河群与下伏地层具有相似的接触关系，只是此处的塔西河组、沙湾组和东沟群全部剥蚀，独山子组（N_1-2d）直接与下伏白垩系吐谷鲁群（K₁tg）接触，吐谷鲁群遭受褶皱变形，上覆独山子组则近于水平。

而在喀拉扎背斜以北地层倾角和叠置关系是渐变的，独山子组与下伏地层塔西河组表现为整合接触关系。独山子组内部自下而上地层产状变化较大，其底部地层倾角接近40°，至独山子组上段地层倾角为20°左右，表现为生长地层的特征（图1-3-25）。

结合喀拉扎背斜地区地层分布及剖面上地层接触关系分析，在喀拉扎背斜南侧（图1-3-28）的塔西河组（N₁t）及其以前的地层经受明显的变形和剥蚀作用，而其后沉积的独山子组中下段（N_1-2d^A+B）含砾层系则近乎水平，喀拉扎背斜以北的独山子组（N_1-2d）及第四系沉积呈现明显的生长地层特征（图1-3-25），表明独山子组含砾层系沉积时期与喀拉扎背斜的形成是同期的，是受同构造作用控制的沉积序列。

图1-3-27 喀拉扎背斜南翼照片

（位置见图1-3-25点B）

图1-3-28 喀拉扎背斜南部照片

3.讨论

Suppe等（1992）和Shaw等（1994）提出的生长断层转折褶皱（Growth Fault Bend Fold）和生长地层、生长三角的概念为构造形成定时提供了一个有力工具。生长地层是指在褶皱发育过程中，位于剥蚀面或局部剥蚀面以下接受同构造沉积物形成的沉积序列（Suppe et al.，1992；Shaw et al.，1994）。由于生长地层可能记录褶皱生长的全过程，因此，分析同构造沉积物的结构、识别生长地层可以认识褶皱生长的过程，为分析构造形成时间提供证据。一般认为生长地层的时代就是构造形成的时代（Suppe et al.，1992；Shaw et al.，1994）。

由于印-藏碰撞的远程效应，新生代以来天山再次活跃，构造活动增强，形成陆内造山带，天山两侧开始发育与陆内造山带相关的再生前陆盆地（Lu et al.，1994；贾承造等，2003）。印-藏碰撞作用引起的陆内俯冲及地壳缩短作用是再生前陆盆地和前陆冲断带形成的主要机制，在前陆冲断带形成过程中，形成与逆冲断层相关的同期构造和生长地层。

独山子组（N_1-2d）砾岩层系沉积时期，喀拉扎地区构造活动已经开始，此时沉积速率（V_s）小于或接近隆升速率（V_u），即（V_s≤V_u），先期形成的塔西河组（N₁t）遭受一定的剥蚀作用，喀拉扎背斜以南的塔西河组厚度明显小于其北部山前地带的塔西河组厚度（图1-3-29 a、图1-3-25），残留的塔西河组下部岩性以土红色块状砂质砾岩夹砂泥岩为主，喀拉扎背斜南北可对比性良好。随着构造活动的进行，沉积速率大于构造隆升速率（V_s＞V_u），此时在遭受剥蚀和变形的塔西河组之上接受部分独山子组下段和独山子组中段，但是构造顶部的沉积厚度明显小于两侧的厚度，在塔西河组与独山子组之间形成不整合面（图1-3-29b），独山子组下段岩性在喀拉扎背斜南北可以直接对比，均以土黄色砂泥岩和砂砾岩互层为主，但喀拉扎山以南的岩性较粗；独山子组中段则以黄灰色砂质砾岩与砂泥岩互层，向上含细砾硬砂岩，喀拉扎背斜南北的岩性差异较小。独山子组沉积晚期和第四系沉积时期，强烈的构造隆升使得沉积速率小于隆升速率（V_s＜V_u），构造顶部缺失灰色黄灰色砾岩的独山子组上段和第四系沉积，前期形成的独山子组中段遭受剥蚀，形成现今的复杂地形地貌（图1-3-24、1-3-25中B处），与此同时，在喀拉扎背斜北侧形成独山子组上段（N_1-2d^C）及第四系巨厚沉积，以填充式沉积为主。因此，在喀拉扎背斜以北，独山子组与下伏塔西河组表现为整合接触关系，但在独山子组内部自下而上地层产状变化较大，由底部地层倾角接近40°变化到上部地层倾角为20°左右，表现为生长地层的特征；在喀拉扎背斜以南地区塔西河组地层遭受剥蚀和变形，与上覆独山子组形成角度不整合，独山子组中、下段沉积厚度明显小于喀拉扎背斜以北地区，缺失独山子组上段和第四系沉积。

结合地层学和构造演化分析，笔者以为，独山子组及第四系是本区发育的一套与喀拉扎背斜同构造变形的沉积序列（生长地层），在沉积速率与隆升速率的控制下，经过剥蚀沉积-剥蚀的复杂构造过程，形成现今的复杂地形地貌（图1-3-25）。

前人的观点多倾向于第一排构造形成于中生代末期（张培震等，1999；杨晓平等，1998；邓起东等，1999）。通过对喀拉扎背斜周缘地层分布及剖面上地层接触关系分析，在喀拉扎背斜南侧的塔西河组（N₁t）及其以前的地层发生显著变形，而其后沉积的独山子组中下段（N_1-2d^A+B）则近乎水平。因此笔者以为，喀拉扎背斜应该是独山子组（N_1-2d）的同沉积构造，地震剖面上的新近系也表现为明显的生长地层（图1-3-23、1-3-24）。裂变径迹年龄分析及t-T曲线模拟结果表明，准噶尔盆地南缘主要存在中新世以来（特别是10Ma以来）的快速隆升，此外，喀拉扎背斜北部第三系样品的裂变径迹t-T模拟曲线上也显示5Ma左右的上新世冷却年龄，这些证据表明，包括喀拉扎背斜在内的天山北缘第一排构造可能形成于独山子组（N_1-2d）沉积时期，距今最多10Ma左右。

图1-3-29 喀拉扎背斜独山子组生长地层发育演化示意图

（据Suppe修改，1992）

J—侏罗系；K₁tg—下白垩统；K₂+E—上白垩统+古近系；N₁t—塔西河组；N_1-2d—独山子组

（a）独山子组沉积早期V_s≤V_u；（b）独山子组沉积中后期V_s＞V_u

图1-3-30 准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜地震剖面解释

（发育生长三角，地震剖面来自新疆油田公司）

（二）其他构造带的形成时间

一般认为，盆地南缘西部山前构造带的几排构造带是前陆冲断带向盆地不断传播的过程中形成的，因此第一排构造带的变形最强烈，形成时间最早（卢华复等，1999）。对喀拉扎背斜及其周缘地区的地层岩石学分析结果表明，喀拉扎背斜可能并不是形成于前人所说的中生代末期，而是形成于独山子组（N_1-2d）沉积时期的晚中新世-上新世，距今最多10Ma左右，包括喀拉扎背斜在内的天山北缘第一排构造带也基本形成于这一时期。10Ma以来，天山北缘前陆冲断带持续扩展，形成现今地表可见的三排冲断褶皱带（第一排、第二排、第三排）。

图1-3-31 准噶尔盆地南缘吐谷鲁背斜地震剖面

（白色虚线为生长地层底界，地震剖面来自新疆油田公司）

图1-3-32 准噶尔盆地南缘吐谷鲁背斜北翼

（西域组上部发育的生长地层表明该背斜发育于西域砾岩上部沉积时）

第二排构造带（图1-3-23）中各背斜主要由两部分构成，上部突破地表的推覆断层部分切割了断层下盘的背斜构造，表明上部构造形成较晚。以霍-玛-吐构造带为典型构造的第二排构造变形较强烈，一般有2～3条断层突破至地表，地震剖面上显示，独山子组上部及西域砾岩见生长三角，表明其形成时间较晚，主要是上新世以来形成的背斜带（图1-3-30、图1-3-31）。野外勘查发现，吐谷鲁背斜北翼、南安集海背斜北翼的第四系西域砾岩中发育生长地层（图1-3-32、图1-3-33），天山北缘独山子背斜的西域砾岩底部的磁性地层学年龄为2.58Ma左右（Sun et al.，2004），表明天山北缘第二排构造的形成时间可能在西域砾岩开始沉积后，应该不早于3Ma。

图1-3-33 准噶尔盆地南缘南安集海背斜北翼

（西域组内部发育的生长地层）

图1-3-34 准噶尔盆地南缘独山子背斜构造解析

（地震剖面来自新疆油田公司）

第三排构造带（图1-3-23）中的独山子背斜地震剖面上西域砾岩显示为明显的生长地层（图1-3-34、图1-3-35），安集海背斜未见西域组地层出露，乌苏群（Q₂）砾石层直接以角度不整合覆盖在独山子组（N_1-2d）之上，倾角5°～20°，与覆盖其的乌苏群砾岩层呈角度不整合接触关系，据此可以推测，第三排构造形成于更新世以来，暂取中更新世大约0.73Ma以来。

图1-3-35 准噶尔盆地南缘安集海背斜北翼

（乌苏群内发育的生长地层）

三、小结

运用生长地层的方法，结合古地磁以及裂变径迹年龄数据，确定了天山北缘三排冲断褶皱带的构造隆升时间：第一排山麓冲断褶皱带形成于距今10Ma以来；第二排霍-玛-吐冲断褶皱带形成于距今7～2.58Ma以来；第三排独-安冲断褶皱带形成于距今0.73Ma以来。

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（郭召杰，张志诚，张锐，方世虎）