新疆西准噶尔额敏前陆盆地的构造特征及其演化

2016-08-04李永军王祚鹏段丰浩王军年张胜龙

大地构造与成矿学 2016年3期

李永军, 王祚鹏, 段丰浩, 孙　勇, 王军年, 万　阈, 张胜龙

(1.长安大学地球科学与资源学院, 陕西西安 710054; 2.国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室,陕西西安 710054; 3.新疆地质矿产勘查开发局第七地质大队, 新疆乌苏 833000)

李永军1, 2, 王祚鹏1, 段丰浩1, 孙勇1, 王军年3, 万阈3, 张胜龙1

西准噶尔吾尔喀什尔山与额敏盆地间的“盆”–“山”耦合关系清楚, 盆地边界平行于造山带呈狭长带状展布。“山”区为志留系–石炭系海相陆源碎屑岩-火山岩沉积组合, “盆”区为二叠系陆相磨拉石与新近系红色砂砾岩及第四系河流阶地堆积, 具有典型的海相-陆相双层结构。盆缘被巴尔雷克前陆冲断带围限, “山”区发育铲式逆冲断层与蛇头构造、叠瓦扇构造等逆冲推覆构造。表明该“盆”–“山”组合为一典型的前陆盆地系统。额敏前陆盆地形成于早二叠世, 属后期冲断变形影响较弱、早期前陆盆地结构特征较明显的“早衰型”前陆盆地。这一成果为额敏盆地乃至西准噶尔盆地分析、构造演化、沉积作用、“盆”–“山”耦合等研究提供了重要信息。

前陆盆地; “盆”–“山”耦合; 海–陆相双层结构; 巴尔雷克前陆冲断带; 额敏; 西准噶尔

0 引言

前陆盆地最早由Dickinson于1974提出, 是指与造山带变形翼部毗连的克拉通边缘前陆环境中形成的盆地(Dickinson, 1974), 主要由造山楔、逆冲楔顶部带、前缘带、前隆带和隆外凹陷带构成(Dickinson, 1974; 陈书平等, 2001a; 顾家裕和张兴阳, 2005; 彭希龄等, 2006), 最常见的类型为周缘前陆盆地和弧后前陆盆地两类(图1)(Gretener, 1982; Jordan et al., 1988; Burbank et al., 1988; Gardo and Jordan, 2001;刘池洋等, 2002)。其涵义虽因人而异, 与时有变, 但其内涵却大同小异。“平行于造山带”、“狭长带状展布”、“不对称”、“海、陆相双层结构”、“逆冲断层围限”、“发育铲式逆冲断层与蛇头构造、叠瓦扇构造等逆冲构造”是其主要特征和识别标志(刘池洋等, 2002; 彭希龄等, 2006)。前陆盆地系统是造山带与前陆耦合的产物(刘和甫等, 2000; 张明利等, 2002),形成于区域构造体制由伸展向挤压转换过程中(金之钧等, 2004), 其横向演化是由前缘向盆地内部迁移(刘池洋等, 2002)。前陆盆地以其独特的空间耦合关系、构造组合样式(图 2)(Ricci Lucchi, 1986)、沉积作用和演化, 以及作为油气资源聚集的主要场所(靳久强, 1997; 张明山, 1997; 陈书平等, 2001b; 刘池洋等, 2002; 罗志立和刘树根, 2002; 罗志立等, 2004b; 金之钧等, 2004; 蔚远江等, 2004;刘树根等, 2005; 彭希龄等, 2006; 宋岩等 2006, 2012; 李本亮等, 2009a、2009b), 成为当前地质学研究的热点之一。

塔(城)–额(敏)盆地是准噶尔西北缘位列克拉玛依–乌尔禾盆地之后的第二大中–新生代(陆相)盆地,面积 40000余平方公里, 也是我国地理上最西北隅的重要盆地。额敏盆地属于塔–额盆地的东部(图3a)。但是, 有关该盆地的性质、形成与演化等方面的成果及文献极少, 仅有2篇涉及: ①《中国前陆盆地构造地质特征综述与油气勘探》一文之附图中,将额敏盆地划为前陆盆地(李本亮, 2009a), 无详细论述; ②《中国中西部前陆盆地油气分布控制因素》一文之附图中, 将额敏盆地划归“形成于二叠纪–三叠纪, 后期冲断变形影响很弱, 早期前陆盆地结构特征较明显的早衰型”前陆盆地(宋岩等, 2012), 再无细述。因此, 额敏盆地是否为前陆盆地？其沉积过程、物源区特征、构造样式、断裂组合、盆山的形成与演化过程等研究, 对全面和正确理解西准噶尔构造演化、沉积作用、“盆”–“山”耦合等研究有重要意义。

图1　前陆盆地的两种基本类型(转引自彭希龄等, 2006)Fig.1 Two basic types of the foreland basins

图2　前陆盆地剖面类型(据Ricci Lucchi, 1986, 转引自张明利等, 2002)Fig.2 The cross section types of foreland basin

1 区域地质概况

西准噶尔位于哈萨克斯坦板块、塔里木板块和西伯利亚板块交汇的中亚增生造山带关键部位(肖序常等, 1992; 张弛和黄萱, 1992; 何国琦等, 2004;肖文交等, 2006), 区域性断裂发育, 主要有达尔布特、玛依勒、巴尔雷克等断裂(图 3d)。这些断裂主要形成于二叠纪晚期、三叠纪和新生代(徐芹芹等, 2009), 受古亚洲洋和周边造山带的发展演化及其构造运动的影响, 经历了多阶段不同性质的构造变革(冯益民, 1987; 肖序常等, 1992; 新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993; 朱宝清和冯益民, 1994; 李锦轶, 2004; 韩宝福等, 2010), 纵横交错的区域性大断裂切割和控制着区内的盆山格局。额敏盆地东缘深入海西期吾尔喀什尔山造山带内(图 3a), 明显受NE-SW向巴尔雷克逆冲断裂组合带控制, 后期被近E-W 向谢米斯台断裂带错断(图 3e)。“盆”中海拔为650～700 m, 而“山”区海拔1700～2300 m, 相对高差达1000～1600 m, “盆”、“山”耦合关系清楚(图3b)。现今表现为“平行于吾尔喀什尔山造山带”、“平面上总体呈狭长带状展布(魏永明等, 2015)”、“盆地内部不对称”、“盆地东缘被巴尔雷克逆冲断裂组合带围限”、“吾尔喀什尔山造山带构造组合样式以发育多条平行的铲式逆冲断层与蛇头构造、叠瓦扇构造等逆冲构造为特色”。志留系、泥盆系、石炭系海相火山–沉积建造为“山”的主体建造, 而二叠系陆相磨拉石和新生代陆相砂砾岩构成“盆”的主要堆积层,构成了海相、陆相的双层结构。著名的巴尔雷克断裂为“盆(额敏盆地)”、“山(吾尔喀什尔山造山带)”的分界断裂。笔者等通过1∶5万区域地质调查证实, 吾尔喀什尔山中NE-SW向近平行的5条大型逆冲断层和多条次级断裂构成了壮观的叠瓦扇(图3e)。

1. 恰尔尕也组; 2. 沙尔布尔组; 3. 马拉苏组; 4. 库鲁木迪组; 5. 铁列克提组; 6. 黑山头组; 7. 江孜尔库都克组; 8. 姜巴斯套组; 9. 第四系; 10. 早二叠世花岗岩; 11. 断层性质及产状; 12. 整合界线; 13. 角度不整合界线; 14. 背斜; 15. 向斜; 16. 图切剖面编号及位置(与图5　对应)。(a), (b), (c), (e)图据新疆额敏前进牧场一带 L44E009024(克拉尕拉)幅、L44E010024(库鲁木苏)幅、L45E009001(克孜勒克亚)幅、L45E010001(马拉苏)幅等 4 幅1∶5万区域地质调查报告; (d)图据新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993, 有改动。图中蓝、红三角位置示意在各小图中一一对应。图3　西准噶尔吾尔喀什尔山一带前陆盆地地质简图Fig.3 Simplified geological map showing foreland basin of the Wuerkashier Mountain, West Junggar

2 “盆”–“山”系统的沉积组合

吾尔喀什尔“山”区主要为志留系、泥盆系、石炭系海相陆源碎屑岩–火山岩沉积组合。志留系和下泥盆统为深海复理石, 中泥盆统主要为浅海陆棚建造, 上泥盆统–石炭系为海相磨拉石, 建造组合和火山岩地球化学指示其为典型岛弧–弧后盆地产物(易善鑫等, 2014a, 2014b; 向坤鹏等, 2015; 孙勇等, 2015a)。由于剧烈的抬升作用, “山”顶剥蚀强烈。区域地质填图及部分钻孔资料证实, “盆”缘区发育巨厚的二叠系陆相磨拉石建造, 而向盆地内部很快变薄甚至尖灭, 如在“盆”缘区的阿勒腾也木勒(83°05′E, 46°00′N)一带厚达7309.41 m, 向西不足20 km的吉也克南(82°40′E, 46°06′N)仅为 3897.87 m,而再向西、向北进入盆地中心缺失(新疆一区调队, 2013), 中上部古近系–新近系陆相红色砂砾岩在盆地中心与盆缘厚度相差较大。因此, 表现为显著的“盆地内部沉积及堆积体形态明显不对称”特征。总体具有典型的双层结构, 主要沉积建造如表1。

下泥盆统马拉苏组是区内由深海复理石向海相磨拉石“转变”的记录者(表2)。一段主要为斜坡带之下深海沉积复理石沉积(图4a、b), 二段为斜坡带之上浅海沉积(图 4c), 进入四段后快速转变为海相磨拉石(图4d、e)。

表1　西准额敏东吾尔喀什尔山一带“盆”–“山”系统主要沉积建造※Table 1 The main sedimentary systems of the orogeny-coupled basin in the Wuerkashier Mountain, eastern of the E Min area, West Junggar

表2　西准吾尔喀什尔山一带马拉苏组沉积充填序列特征表Table 2 Sedimentary filling sequence of the Malasu Fromation in Wuerkashier Mountain, West Junggar

3 “山”区断裂带构造特征

“山”区断裂构造极为发育。主要表现为NE-SW向近平行的7条大型逆冲断层和多条次级断裂构成的叠瓦状和背驮状构造组合。巴尔雷克断裂(F1)不仅是区内延伸最长规模最大的断裂, 也是分割额敏盆地与吾尔喀什尔山的边界断裂。这些断裂对“盆”–“山”格局、地质体的产出与分布、褶皱变形、侵入体的就位、盆地的演化和构造样式具有明显的控制作用。代表性的断裂主要特征如表3。

(a)、(b) 马拉苏组一段复理石建造中的鲍马序列; (c) 马拉苏组二段细砂岩中的砂岩条带及底面冲刷构造; (d)、(e) 马拉苏组四段中的砾岩及定向性。图4　西准吾尔喀什尔山一带马拉苏组沉积序列典型照片及基本层序(据杨洋, 2014)Fig.4 Photos of outcrops and plots showing the essential sequences of Malasu Fromation in the Wuerkashier Mountain, West Junggar

表3　西准额敏东吾尔喀什尔山一带代表性断裂主要特征Table 3 Major features of the representative faults in th Wuerkashier Mountain of the eastern part of the E Min area, West Junggar

这些断层均为逆断层, 野外可见明显负地形、断层崖(图5a, c)等, 发育30～50 m宽的挤压破碎带、构造劈理化带和透镜化带(图 5e, f), 近平行的次级断裂极为发育(图5h, i, j), 形成带状分布的大量碎裂岩、碎斑岩、碎粒岩及构造角砾岩, 窗棂构造(图5b)、断层阶步及擦痕极为发育(图5d, g)。野外调查证实,多数断层表现为地表倾角较陡(30°～45°), 向深部延伸渐变为低角度(10°～25°), 部分低于10°。在垂直断层走向的截面上, 这些断裂组成铲式逆冲断层与蛇头构造、叠瓦扇构造等逆冲构造(图6), 构成造山带向盆地大规模逆掩推覆冲断系统。

“盆”、“山”关系, 首先表现为“盆”与“山”的空间相对关系(相对升与降)、依从关系(剥蚀与补给)、相邻对峙关系等等, 本质上是成因关系。逆冲推覆构造组合导致了山的隆升、地层大量重复与加厚, 包括早二叠世后造山花岗岩的巨量侵入, 因而才有了大幅度的山体崛起(“盆”、“山”对峙), 也才为盆区提供了巨量剥蚀产物, 形成了盆区的大量充填堆积。“山”区的大花岗岩基和基性岩墙群、脉岩都是典型的深成侵入岩, 现今被剥蚀而暴露于地表, 佐证了“山”区已被巨量剥蚀, 总之, 山体崛起与盆地沉积充填具有必然的耦合演化关系。

综上所述, 吾尔喀什尔山与额敏盆地间的“盆”–“山”耦合关系清楚, 额敏盆地边界及形态平行于吾尔喀什尔山造山带, 平面上呈狭长带状展布(魏永明等, 2015), 盆地内部沉积及堆积体形态明显不对称, 沉积建造以发育海–陆相双层结构为特色, 盆地边缘被逆冲断层围限, 吾尔喀什尔山区发育铲式逆冲断层与蛇头构造、叠瓦扇构造等逆冲构造。这些特征清楚地表明该“盆”–“山”组合为一典型的前陆盆地构造。

E-W 向的谢米斯台断裂(F6)并非简单的逆断层,活动具有多期性, 而且不同期次的力学性质不同。晚石炭世末该区造山隆升, 应力场为 NNW 向挤压构造体制, 谢米斯台断裂发育由南向北的逆冲推覆,并于早二叠世形成前陆盆地格局, 为额敏前陆盆地的形成提供了条件。二叠纪以后, 谢米斯台断裂发生大规模左行剪切, 表现为断层北侧地质体显著西移。至第四纪研究区应力场转变为伸展体制, 谢米斯台断裂向北陡倾并发育正断层, 导致第四系明显的台阶状地貌。

图5　西准吾尔喀什尔山一带代表性断裂及次级断裂特征Fig.5 Major features of the representative and secondary faults in the Wuerkashier Mountain of West Junggar

图6　吾尔喀什尔山一带巴尔雷克断裂带构造剖面图(A-A′等与图3　e对应)Fig.6 The tectonic sections of the Barleik faults in the Wuerkashier Mountain

区内最为重要的前陆盆地系统的构造作用, 发生于晚石炭世晚期结束海相沉积, 并进入挤压造山阶段, 前陆盆地系统形成, 因而形成一系列逆冲推覆断裂系。主要表现为:

晚石炭世区内主体仍为海相沉积, 而到早二叠世, 研究区及整个中亚地区结束海相沉积, 进入陆相盆地发展演化阶段, 二者间的区域性角度不整合是最大的构造事件;

早二叠世产出的基性岩墙群、脉岩, 均近平行于巴尔雷克断裂为代表的 NE-SW 向逆冲推覆断裂系, 表明这些岩墙群、脉岩上侵就位时, NE-SW向逆冲推覆断裂系已形成;

与泥盆系、石炭系中的构造变形形成鲜明对照的是, 研究区南部的早二叠世马拉苏大岩基中不发育NE-SW向断裂、节理等形变, 据此说明NE-SW向逆冲推覆断裂系形成的时限为晚石炭世晚期。因此, 前陆盆地系统开始于晚石炭世晚期, 形成于二叠纪(宋岩等, 2012)。

4 前陆盆地构造演化

区内主要的断裂根据其演化期次可以分为 4期。第一期为近 E-W向的谢米斯台断裂(F6)及与其大致平行的次级断裂(F7～F10), 总体为由北向南的逆断层, 造成区内古生代地层重复和轴向近E-W向的褶曲; 第二期形成以巴尔雷克断裂(F1)为代表的NE-SW向逆冲推覆、叠瓦状断裂组合(F2～F5)等, 该期构造切割和阻断第一期近E-W向断裂, 更为重要的是形成了本区的前陆盆地断裂系统; 第三期为谢米斯台断裂(F6)的再次由北向南的逆冲, 导致志留系推覆于泥盆系之上, 并切割了第二期断裂; 第四期为谢米斯台断裂(F6)发生了左形走滑。

额敏前陆盆地断裂系统对“山”区地质体的展布、形态、构造变形、地质体间的接触关系等有明显的控制作用。归纳起来, 区内构造演化总体可划分为图7a简示的4个阶段。

晚石炭世晚期前陆盆地系统形成, 形成一系列NE-SW向逆冲推覆断裂(图7b)。早二叠世晚期, 进入造山后大规模岩浆侵入并转入伸展期, 发育辉绿岩脉; 晚古生代至古近纪, 前陆盆地系统挤压构造体制持续, 研究区缺失三叠系–中古近系。新近纪以来, 在前陆盆地系统的持续作用下, 额敏盆地充填了较厚的来自地貌高耸的吾尔喀什尔山区的风化剥蚀搬运堆积物(时至今日, “盆”与“山”间仍有 1000～ 1600 m的相对高差), 极好地体现了“盆”“山”耦合的辩证演化特征(吴根耀和马力, 2004)。

5 结论

吾尔喀什尔山与额敏盆地间的“盆”–“山”表现为空间相对关系(相对升与降)、物源依从关系(剥蚀与补给)、相邻对峙关系和本质上的成因配置关系,因而造就了山体崛起与盆地沉积充填具有必然的耦合演化关系。盆地边界平行于造山带呈狭长带状展布, 盆缘被巴尔雷克前陆冲断带围限, “山”区发育铲式逆冲断层与蛇头构造、叠瓦扇构造等逆冲推覆构造。“盆”内充填了巨量“山”区的剥蚀搬运物。前陆盆地系统始于晚石炭世晚期, 定形于早二叠世, 至今仍在持续的“早衰型”前陆盆地型。这一成果为额敏盆地乃至西准噶尔盆地分析、构造演化、沉积作用、“盆”–“山”耦合等研究提供了重要信息。

图7　额敏前陆盆地构造阶段图(a)及盆地演化示意图(b)Fig.7 The schematic tectonic map (a) and the evolution model (b) of the E Min foreland basin

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Tectonics and Evolution of the E Min Foreland Basin in West Junggar, Xinjiang

LI Yongjun1, 2, WANG Zuopeng1, DUAN Fenghao1, SUN Yong1, WANG Junnian3, WAN Yu3and ZHANG Shenglong1
(1. College of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 2. MLR Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 3. No.7 Geological Survey Team, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resource Exploration, Wusu 833000, Xinjiang, China)

The relationship clearly show orogeny-coupled basin formation between Wuerkashier Mountain and E Min basin in West Junggar. The boundary of the basin is somewhat parallel to the orogenic belt. The sedimentary rocks in the “mountain” area include the Silurian-Carboniferous marine terrigenous clastic rocks and volcanic rocks, whereas in the “basin” area sedimentary rocks consist of the Permian continental molasse and Neogene red glutenite and accumulation of Quaternary river terraces, with a typical marine-continental double layered structure. The edge of the basin is limited by the Barleik foreland thrust belt. “Mountain” area develop such thrust nappe as shovel type thrust fault, snakeheads structure and imbricate fan structure. This indicates that the combination of “basin”-“mountain” is a typical foreland basin system. E Min foreland basin formed in the Early Permian, and belongs to the “Premature” foreland basin, which is characterized by weak impact of the later thrust deformation and obvious features of the early structure of foreland basin. This achievement provides important information for basin analysis, tectonic evolution, sedimentation and orogeny-coupled basin formation of the E Min basin as well as the West Junggar basin.

foreland basin; orogeny-coupled basin formation; the marine-continental double-layer structure; Barleik foreland thrust belt; E Min; West Junggar

P542

1001-1552(2016)03-0419-010

2015-03-21; 改回日期: 2015-08-13
项目资助: 国家自然科学基金项目(41273033、41303027)、中央高校基金项目(310827153407)和中国地质调查局地质矿产调查评价专项(1212011120516、121201120619)联合资助。

李永军(1961–), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事构造地质学、区域地质调查研究。Email: yongjunl@chd.edu.cn