阿尔金东段白垩纪以来阶段性隆升的裂变径迹年龄证据

2022-06-24郭怀军全守村闫旭光贾伟航

地球科学与环境学报 2022年2期

郭怀军,王虎*,全守村,闫旭光,贾伟航

(1. 中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710054; 2. 西安阿伯塔资环分析测试技术有限公司，陕西西安 710018; 3. 甘肃煤炭地质勘察院，甘肃兰州 730099)

0 引言

阿尔金山呈NEE向展布，南窄北宽，在构造位置上介于西昆仑造山带与祁连造山带之间，在地理位置上处于青藏高原北缘，介于塔里木盆地与柴达木盆地之间，构造位置独特重要，是研究青藏高原形成演化和中国西北大陆动力学问题的关键地区。近年来，阿尔金地区已成为地质学研究热点区域。

阿尔金地区在特提斯洋的俯冲作用控制下，于早中生代进入陆内伸展构造演化阶段，之后阿尔金山脉及阿尔金断裂经历了晚三叠世—早侏罗世和早白垩世的快速隆升和强烈走滑活动，新生代初期阿尔金断裂再次强烈活化，在阿尔金走滑断裂控制下，阿尔金山发生阶段性抬升。前人已从低温热年代学、稳定同位素、前陆盆地沉积演化等方面对阿尔金断裂走滑变形和阿尔金山脉的隆升剥露过程进行了大量的研究，获得了一些极有价值的研究成果，并积累了一批丰富的低温热年代学年龄数据。目前在阿尔金山体东段、阿尔金—西昆仑东端和阿尔金北缘等地区开展的低温热年代学研究表明：阿尔金山隆升剥露过程具有明显的阶段性或脉冲性，确定了晚三叠世—早侏罗世、晚侏罗世—早白垩世、古新世—早始新世、始新世—渐新世及中新世等一些主要冷却事件，但是阿尔金地区走滑、隆升事件的构造活动过程尚未形成统一认识。比如，刘永江等认为阿尔金走滑断裂带起始活动的时间为178.4～164.3 Ma，尔后分别在100～85、40～25和10～8 Ma发生多次脉冲式走滑活动；陈正乐等认为阿尔金北缘先于其他区域在古近纪(61～34 Ma)最先隆起，尔后分别在42.0～11.0、10.2～7.3、5.5～4.5和2.1～1.8 Ma等4个时段经历隆升剥蚀作用。相对而言，阿尔金东段中—新生代低温热年代学研究较少，其系统的冷却历史并没有得到大量的裂变径迹年龄数据支撑。这在一定程度上制约了阿尔金东段与阿尔金其他区域及周缘地区的联系和对比，限制了对阿尔金山中生代以来隆升过程的整体性及山体不同位置隆升过程差异性的认识。因此，开展阿尔金东段冷却、隆升历史研究，有助于揭示阿尔金东段中生代以来的抬升冷却事件，对于深入理解阿尔金东段乃至阿尔金地区中—新生代构造演化过程意义重大。

锆石、磷灰石裂变径迹法是一种研究造山带剥露过程十分有效的方法，已被广泛应用于限定山脉隆升历史研究。基于此，本文运用构造热年代学方法对阿尔金东段快速隆升的时间及样式、剥蚀冷却的时空分布特征等进行系统研究，重建阿尔金东段中生代以来的隆升演化史，为关键构造事件提供热年代学约束，厘定该区域主要构造事件的时空响应。

1 地质构造背景

研究区位于青藏高原北缘，在大地构造上北接塔里木地块南缘，南与柴达木盆地毗邻。由北向南可依次划分为阿北地块、红柳沟—拉配泉构造混杂岩带、阿中地块以及南阿尔金俯冲碰撞杂岩4个地质单元。阿尔金山以北的塔里木盆地在中新生代构造变形微弱，而阿尔金山及其南部地区发育了数条活动的走滑断层以及逆冲断层。阿尔金断裂是位于青藏高原北缘的一条主控边界断裂，也是青藏高原内部冲断褶皱构造系统的转换边界；在平面上，该断裂呈线型，以巨大的规模和强烈的贯穿性、活动性为特征。

该地区经历了早古生代的伸展俯冲、碰撞造山、后碰撞期变形的构造旋回阶段，构造变形层次和变形性质经历了前造山期深部韧塑性变形的构造伸展作用、主碰撞造山期中浅层次逆冲叠覆韧-脆性构造收缩变形作用和中晚古生代后造山期大量构造岩浆作用。中生代初期，古特提斯洋关闭，形成了大规模的古阿尔金左旋走滑断裂，之后经历了晚三叠世—早侏罗世、早白垩世等多期伸展构造事件，中生代发育的多期次快速冷却事件可能与该地区发育的伸展构造有关。新生代初期，印度—亚洲板块碰撞，阿尔金断裂再次活化，经过古新世—早始新世、始新世—渐新世及中新世等阶段的强烈走滑、隆升过程，形成了现今吐拉盆地、索尔库里盆地和石包城盆地等与山脉相间分布的独特地貌景观。

阿尔金东段拉配泉地区发育有辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩等岩体，具有多期次、多旋回特点，主体属于早古生代岩浆活动的产物；区内出露的地层从老到新依次有中新太古界米兰岩群、蓟县系木孜萨依组、寒武系—奥陶系拉配泉组、上石炭统因格布拉克组、侏罗系以及新生代地层，主要以寒武系—奥陶系拉配泉组为主；二叠系和三叠系地层在本区仅零星出露，白垩系到上新统砾岩和砂岩地层出露在山间盆地中，最厚可达上千米；第四纪沉积物广泛分布于塔里木盆地和柴达木盆地以及山间盆地。

2 样品采集与分析方法

为了确定阿尔金东段的隆升过程及其阶段性特征，在阿尔金主断裂与拉配泉断裂之间的拉配泉地区，沿近NE向以15～20 km为水平间距，进行系统的样品采集。本次共采集5个样品用于低温热年代学分布，所有样品均采自野外新鲜露头，采样位置见图1。上述样品来自阿尔金东段造山带主要构造地层单元，即红柳沟—拉配泉构造单元，形成时代均属早古生代寒武纪—奥陶纪。

1为太古界米兰岩群;2为古元古界达肯大坂岩群;3为巴什库尔干岩群;4为蓟县系塔什达坂群木孜萨依组;5为寒武系—奥陶系拉配泉组一段;6为寒武系—奥陶系拉配泉组二段;7为石炭系—二叠系因格布拉克组;8为侏罗系大煤沟组;9为渐新统—中新统干柴沟组;10为中新统油砂山组;11为第四系沉积物;12为早古生代辉长岩;13为早古生代玄武岩;14为早古生代花岗闪长岩;15为石英二长岩;16为早古生代石英闪长岩;17为早古生代二长花岗岩;18为早古生代英云闪长岩;19为花岗伟晶岩;20为断层;21为地质界线;22为采样点；图(a)引自文献[4]，有所修改图1 阿尔金东段地貌特征及拉配泉地区地质简图Fig.1 Topography of the Eastern Segment of Altyn and Simplified Geological Map of Lapeiquan Area

样品D8004、D8006、D8015、D8019和D8020的岩性分别为细粒花岗岩、二长花岗岩、细粒闪长岩、中粗粒花岗闪长岩和粗粒钾长石化花岗闪长斑岩，样品的锆石U-Pb年龄集中在500.3～418.5 Ma。对5个样品分别进行锆石和磷灰石单矿物颗粒挑选及裂变径迹分布，其中样品D8020挑选的锆石颗粒较少，未获得锆石裂变径迹年龄分析数据。

锆石、磷灰石裂变径迹分析采用外探测器法在中国地震局地质研究所裂变径迹实验室完成。样品制备、分布及数据处理方法与文献[27]相同。样品先经过无污染碎样，再进行研磨并分离出锆石、磷灰石单矿物颗粒，并用于分析。磷灰石通过环氧树脂固定在标准定型模具中，经过内表面抛光，在25 ℃温度下用7% HNO溶液蚀刻30 s之后揭示自发径迹；将磷灰石与白云母外探测器同时通过反应堆辐照，用40% HF溶液蚀刻20 min之后揭示诱发径迹，选用CN5铀标准玻璃标定中子注量。在平行于c轴的柱面上测试自发径迹密度，测定磷灰石封闭径迹长度。锆石单矿物颗粒经过内表面抛光，在25 ℃温度下用7% HNO溶液蚀刻30 s后揭示自发径迹；将锆石与CN2铀标准玻璃标定样一并通过热中子辐照；然后用40% HF溶液蚀刻白云母外探测器20 min后揭示诱发径迹。根据国际地质科学联合会(IUGS)推荐的Zeta常数法和标准裂变径迹年龄方程计算年龄。磷灰石CN5铀标准玻璃的Zeta常数为410.0±17.6，锆石CN2铀标准玻璃标定样的Zeta常数为90.9±2.8。锆石封闭温度设定为(205±10)℃；磷灰石封闭温度设定为(110±10)℃，部分退火带的温度范围为60 ℃～(110±10)℃。根据文献[41]提供的方法，计算锆石、磷灰石裂变径迹年龄误差。

3 结果分析

本次测试获得4个锆石样品、5个磷灰石样品的裂变径迹年龄分析结果(表1、2)。本次实验中获得的锆石裂变径迹年龄为(116±5)～(108±7)Ma，磷灰石裂变径迹年龄集中在(47±3)～(19±2)Ma，磷灰石径迹长度为11.5～12.1 μm，二者的单颗粒年龄均远小于赋存地层的形成时代。运用Radial Plotter软件对测试数据进行分析，获取样品中值年龄和单颗粒年龄雷达图, 并制作年龄分布直方图(图2～5)。对锆石、磷灰石单颗粒表观年龄经(χ)检验进行判定。当(χ)>5%时，说明单颗粒可能属于同一年龄组；当(χ)<5%时，说明单颗粒年龄分布较为分散。

图2 锆石裂变径迹单颗粒年龄雷达图Fig.2 Radial Plots of Single Grain Age of Zircon Fission Track Samples

图3 锆石裂变径迹单颗粒年龄分布直方图Fig.3 Histograms of Single Grain Age of Zircon Fission Track Samples

图4 磷灰石裂变径迹单颗粒年龄雷达图Fig.4 Radial Plots of Single Grain Age of Apatite Fission Track Samples

图5 磷灰石裂变径迹单颗粒年龄分布直方图Fig.5 Histograms of Single Grain Age of Apatite Fission Track Samples

表1 锆石裂变径迹分析结果Table 1 Analysis Results of Zircon Fission Track Samples

表2 磷灰石裂变径迹分析结果Table 2 Analysis Results of Apatite Fission Track Samples

锆石样品D8004、D8006、D8019单颗粒年龄(χ)>5%，样品D8015单颗粒年龄(χ)<5%。样品D8004获得的颗粒较少，年龄较为分散，中心年龄为(113±13)Ma，单颗粒年龄分散可能由差异性退火、系统误差等所致；样品D8006、D8019年龄虽然通过(χ)检验，但是从样品的年龄分布直方图可以看出，年龄双峰特征明显，可能由差异性退火、系统误差等所致；样品D8015单颗粒年龄检验(χ)<5%，年龄分布直方图呈双峰特征，表明岩体经历了复杂构造热演化事件。

磷灰石样品D8004、D8006、D8015、D8020单颗粒年龄检验(χ)>5%，样品D8019单颗粒年龄检验(χ)<5%。样品D8004中值年龄为(40±5)Ma，年龄分布直方图呈单峰特征，因满足实验要求的磷灰石单矿物颗粒较少，获得的围限径迹长度数量偏少，径迹长度为(11.5±3.1)μm，标准差较大，反映样品在部分退火带停留时间较长；样品D8006所测中值年龄为(20±3)Ma，未统计到径迹长度，单颗粒径迹年龄呈单峰特征，峰值年龄为22～18 Ma，显示样品可能经历了单一的冷却退火过程；样品D8015中值年龄为(19±2)Ma，单矿物年龄峰值位于24～12 Ma，分布较为集中，径迹长度为(12.1±3.1)μm，标准差较大，表明样品在径迹产生后可能长时间处于部分退火带；样品D8020所测中值年龄为(47±3)Ma，单颗粒径迹年龄呈单峰特征，围限径迹长度呈单峰特征，表现为略宽的正偏形态，径迹长度为(11.9±1.9)μm，标准差稍大，可见样品在部分退火带所处时间较长。样品D8019单颗粒年龄检验(χ)<5%，年龄分布直方图呈双峰特征，表明岩体经历了复杂构造热演化事件，平均围限径迹长度为(11.6±2.5)μm，标准差偏大，反映样品在部分退火带停留时间较长。

总体而言，锆石、磷灰石裂变径迹年龄主要集中在3个年龄段，即116.0～82.5、47.0～38.7和29.0～19.0 Ma。上述结果说明阿尔金东段的隆升是分阶段幕式过程，存在3期快速隆升事件。

4 地质热演化史

磷灰石裂变径迹退火与温度关系密切，磷灰石裂变径迹退火带为60 ℃～120 ℃。根据磷灰石裂变径迹年龄及长度分布参数进行热演化史模拟，可获得温度-时间变化的更多信息，提高热演化史模拟的定量化程度。本文基于Ketcham等提出的退火模型，运用HeFTy程序进行热演化史模拟，采用蒙特卡罗(Monte Carlo)逼近法对实验数据所经历的热演化史进行模拟，模拟次数以10 000次为准。依据实测单颗粒年龄、径迹长度分布参数及样品所处的地质背景，设定模拟的起始温度和起始时间，定量模拟样品所经历的时间-温度演化史。

根据获得的锆石裂变径迹年龄、磷灰石裂变径迹参数和样品所处的地质背景与条件，确定热演化史模拟的初始条件。模拟温度从高于磷灰石裂变径迹退火带的约130 ℃到现今地表温度，模拟时间从晚白垩世80 Ma到现今，样品的模拟结果见图6、7。从图6、7可以看出，除样品D8020的“K-S检验”值为0.28外，其他样品“K-S检验”、“年龄GOF”值均大于0.5，模拟值与实测值拟合较好，热演化史模拟结果质量较高。“K-S检验”值代表径迹长度模拟值和实测值的吻合程度；“年龄 GOF”值代表径迹年龄模拟值和实测值的吻合程度。若“K-S检验”值和“年龄GOF”值都大于0.05，表明模拟结果可以接受；当超过0.5时，表明模拟结果可信。

浅灰色区代表“可以接受的”热演化史拟合曲线集；深灰色区代表“高质量”热演化史曲线集，黑线代表“最佳”热演化史拟合曲线；“K-S检验”表示径迹长度模拟值与实测值之吻合程度，“年龄GOF”代表径迹年龄模拟值与实测值之吻合程度，若“年龄GOF”、“K-S检验”值都大于0.05时，表明模拟结果“可以接受”，当它们超过0.5时，模拟结果则是高质量的图6 磷灰石裂变径迹热演化史模拟Fig.6 Thermal History Models of Apatite Fission Track Samples

图7 磷灰石裂变径迹长度分布直方图Fig.7 Histograms of Length of Apatite Fission Track Samples

4件样品的热演化史模拟结果显示：除D8004样品反演结果略有差异，其余样品均在中古新世—早始新世(60～48 Ma)经历了快速冷却过程。样品D8015、D8019及D8020热历史较为相似，总体上可划分为4个阶段的演化模式：①60 Ma以前，温度主体高于100 ℃，基本处于磷灰石径迹退火带底部；②较快速的冷却大约开始于60 Ma，并于53～48 Ma停止，降温幅度约25 ℃，平均冷却速率为2.85 ℃·Ma；③随后进入一个时间较长的平静期，降温约15 ℃，冷却速率为0.14～0.38 ℃·Ma；④从约10 Ma至今，温度由75 ℃快速冷却至地表温度(约15 ℃)，温差约60 ℃，平均冷却速率约4.84 ℃·Ma，是青藏高原的重大隆升期，是印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应，同时阿尔金 NE向山脉发生快速隆升，其与阿尔金主断裂的大规模走滑运动直接相关。

5 讨论

已有研究表明，阿尔金东段拉配泉地区当前暴露岩体在早侏罗世之前所处的温度低于240 ℃。本研究中来自拉配泉地区的最小锆石裂变径迹数据显示年龄为76 Ma，在陈宣华等建立的年龄范围内。这表明新生代构造活动并没有重置拉配泉地区的中生代锆石裂变径迹记录。

锆石、磷灰石裂变径迹年龄主要集中在3个年龄段，即121.2～82.5、47.0～38.7和29.0～19.0 Ma。121.2～82.5 Ma年龄段与新特提斯洋岩石圈向北急剧俯冲及印度板块向北快速漂移的时间相一致，记录了拉萨地块与羌塘地块碰撞拼合在阿尔金东段北缘地区的响应；47.0～38.7 Ma年龄段是印度—欧亚大陆碰撞之后伸展事件的体现。磷灰石裂变径迹年龄体现出研究区经历了不同阶段构造隆升作用。随着新特提斯洋的消亡，印度板块与亚洲陆块发生陆陆碰撞，导致现今的青藏高原地区呈现阶段性接续快速隆升、阿尔金断裂的快速走滑和青藏高原东北方向的挤出效应。

5.1 阿尔金东段白垩纪区域性隆升剥蚀作用

已有资料表明，在特提斯洋俯冲作用的控制下，阿尔金地区于中生代进入陆内伸展作用时期，并在晚三叠世—早侏罗世、早白垩世发生两期伸展构造事件。本次锆石裂变径迹分析表明，阿尔金东段在早白垩世(121～82 Ma)存在一次快速冷却事件。阿尔金东段拉配泉地区的Ar/Ar定年研究发现拉配泉断裂在100 Ma 左右具有再次活动的历史，与本次锆石裂变径迹分析的结果一致。结合已有的关于阿尔金及周边中生代陆内造山演化的证据，可知早白垩世的快速冷却事件在整个阿尔金地区，乃至祁连山、东昆仑及河西走廊等地区都普遍存在，是一次区域性的隆升冷却事件。张志诚等通过钾长石Ar/Ar年龄、锆石裂变径迹年龄分析认为阿尔金断裂东端在140～100 Ma发生了快速冷却事件；阿尔金断裂东端与祁连山西端交汇的山前盆地(酒西盆地)与山间盆地(昌马盆地)中分布的火山岩Ar/Ar定年结果显示，本区存在120～100 Ma和约82 Ma两期岩浆活动事件；当金山口北坡糜棱岩化的加里东花岗岩和断层附近侏罗系两个韧性变形样品同样记录了该次构造事件。该事件可能是受拉萨地块和欧亚板块碰撞的影响，来自冈瓦纳大陆的冈底斯微陆块沿班公湖—怒江一线向北部高原急剧俯冲，阿尔金左旋走滑断裂再次强烈活动，并向东北方向扩展，加之受北部塔里木地块的阻挡，阿尔金东段北缘拉配泉断裂亦开始活动，在挤压环境下山体发生快速冷却抬升，经过这次构造隆升，阿尔金山很可能已经初步隆起，构成青藏高原北部边界雏形。由此可见，阿尔金东段早白垩世(121～82 Ma)的快速冷却事件是高原北部的快速抬升冷却事件或阿尔金断裂走滑隆升事件的体现，记录了拉萨地块与羌塘地块碰撞拼合在阿尔金东段的响应，同时阿尔金断裂发生走滑隆升。

5.2 阿尔金东段新生代隆升剥露作用

热演化史模拟结果显示，阿尔金东段新生代以来经历了多阶段的构造-热演化过程，即古新世—始新世早期(60～48 Ma)和中新世以来(约10 Ma)等不同阶段。

阿尔金东段拉配泉地区在古新世—始新世早期(60～48 Ma)开始加速隆升，平均冷却速率为2.85 ℃·Ma，这一快速冷却事件可能与阿尔金断裂活动有关。野外调查亦显示，在研究区形成以弧形产出多期推覆特征明显的断裂及次级断裂，地层重复，可见阿尔金东段在这一构造事件中发生明显抬升。众多的低温热年代学研究表明：在阿尔金地区古新世—早始新世存在一次影响范围非常广泛的构造活动，阿尔金北缘山体在65～28 Ma的隆升剥露时间内可进一步分为 65～57 Ma和48～28 Ma两个相对快速的隆升时间；阿尔金北缘红柳沟—拉配泉地区冰沟区域于古新世—渐新世早期(61～34 Ma)发生隆升剥露作用，并具有多期隆升的历史；阿尔金中段和昆仑地区在新生代30 Ma以前存在一次快速隆升剥蚀事件。结合前人研究结果，本次磷灰石裂变径迹资料表明阿尔金东段和柴达木周缘山脉在古新世可能就发生了隆升剥蚀，在柴达木西部贴近阿尔金断裂附近形成柴达木盆地新生代宽缓复向斜，并引起了阿尔金断裂和周边盆地沉积速率的增加。本次构造事件可能与青藏高原隆升且由南向北发生逆冲推覆作用有关，其隆升原因是在受印度板块向欧亚板块俯冲作用下，阿尔金断裂强烈活动，阿尔金东段山体开始发生阶段性隆升。

中新世(约10 Ma)以来，阿尔金东段山体发生快速冷却，该事件在阿尔金东段普遍发育。阿尔金中段和昆仑地区9～5 Ma期间发生隆升剥露；阿尔金主断裂北部阿克塞—当金山口一带及阿尔金主断裂带中段附近岩体在8 Ma左右发生了一次快速抬升剥露或走滑变形的构造热事件；阿尔金山北部地区的当金山在新生代以来至少经历了3次构造抬升，即45～25、20～15和9～7 Ma；索尔库里、阿克塞、肃北3个同走滑沉积盆地记录了阿尔金渐新世到中新世构造变形事件；阿尔金主断裂北部铁江沟组磨拉石记录了13.7～9.0 Ma的山体快速隆升。这些数据表明：阿尔金断裂两侧在中新世期间普遍发生了山体隆升剥露作用。阿尔金地区这一区域性的快速隆升可能与阿尔金断裂的走滑活动直接相关。阿尔金东段中新世(约10 Ma)以来的构造活动在阿尔金北缘EW向山体地区未有记录，则进一步说明可能是阿尔金断裂左旋走滑造成了山体呈“正花状”向上抬升、向两侧挤出。