（第四纪地质学专业论文）六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化.pdf

硕士学位论文六盘山地区自垩纪磁性地层年代与盆地演化 摘要 白垩纪是地球系统演化历史中的一个重要时期，发生了一系列重要的全球性 构造与环境事件，这些事件对现今全球构造，环境格局的形成具有重要的控制作用， 因此白垩纪重大构造一环境事件研究己成为当今地学界研究的热点之一。中国大 陆构造演化在白垩纪进入一个重要的转折阶段，地形地貌由白垩纪之前的东高西 低转变为白垩纪末以来的西高东低，构造演化由原来的南、北分异转变为东西分 异，构造背景由挤压环境转变为伸展环境，盆地发育和“盆“山”系统在白垩纪发生 重要变化，但目前对这些构造转换发生的时间、过程和动力学机制还不清楚。六 盘山位于中国大陆中心部位，是认识和解决上述问题的理想地区，同时它作为现 今青藏高原的最东北部边界，研究六盘山地区白垩纪构造演化对于认识印度一亚 洲板块碰撞前高原北部的构造地貌格局及其对现今高原的形成控制作用具有重要 的意义。 现今六盘山的主体由早白垩世六盘山群构成，六盘山群从下向上分为三桥组、 和尚铺组、李洼峡组、马东山组和乃家河组，为一套河流一湖泊相沉积的砾岩、 砂岩、泥岩、泥灰岩和灰岩，总厚约3 0 0 0 米。通过对西吉县火石寨剖面岩石磁学 和磁性地层采样测量，发现岩石原生剩磁主要由磁铁矿携带，剖面上共获得7 个 正磁极性带和8 个反向磁极性带，结合地层中生物化石资料，获得六盘山群的磁 性地层年龄为1 2 9 6 1 0 2 m a ，其中三桥组约为1 2 9 6 1 2 8 6m a ，和尚铺组约为 1 2 8 6 1 2 5 3 m a ，李洼峡组为1 2 5 3 1 1 8 3 m a ，马东山组为1 1 8 ，3 1 0 9 6 m a ，乃 家河组约为1 0 9 6 1 0 2 m a 。说明青藏高原东北缘在约1 3 0m a 发生了一次重要的 隆升事件，盆地接受沉积；在1 0 2 m a 之后盆地沉积结束，六盘山地区整体抬升遭 受剥蚀，可能为印度欧亚板块碰撞之前一次重要的隆升事件。 通过对盆地北部火石寨、寺口子、石岘予三个典型剖面地层层序和沉积相分 析，建立了盆地的8 种基本沉积序列，划分出冲积体系域( a s t ) 、湖进体系域 ( l t s t ) 、湖泛体系域( l f s t ) 和湖退体系域( l r s t ) 等四种沉积体系；结合磁 性地层测年结果和区域构造演化特征，认为早白垩世六盘山盆地具拉张断陷性质， 经历了早期拉张裂陷阶段( 1 2 9 6 1 2 5 3 m a ) ；中期扩张一稳定坳陷阶段( 1 2 5 3 硕七学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 1 0 9 6 m a ) 和晚期湖盆萎缩阶段( 1 0 9 6 1 0 2 m a ) 。同时盆地早期拉张裂陷和中期扩 张坳陷阶段的时限与目前已确认的中国东部构造伸展转折的高峰期( 1 4 0 l l o m a ) 相对应，是对中国东部岩石圈减薄作用和构造体制转变的响应。 关键词：六盘山群，磁性地层年代，盆地演化，早白垩世，六盘山地区 硕士学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 a b s t r a c t t h et e c t o n i ca n de n v i r o n m e n t a le v e n t sh a dp l a y e da ni m p o r t a n tr o l eo nt h ef o r m a t i o n o f t h ep r e s e n t - d a yg l o b a lt e c t o n i ca n de n v i r o n m e n t a ls y s t e m s t h i sh a sb e e naa t t r a c t i v e r e s e a r c hf i e l da n dm o s tg e o s c i e n t i s t sp a ya t t e n t i o nt oi t t h et e c t o n i ce v o l u t i o no fc h i n a h a d u n d e r g o n eas i g n i f i c a n t l yt r a n s i t i o nd u r i n gc r e t a c e o u s ，t h ec h i n e s et o p o g r a p h yh a s c h a n g e df r o mh i g ha l t i t u d ei nt h ee a s ti nt h ee a r l yc r e t a c e o u si n t oh i g l la l t i t u d ei nt h e w e s ti nl a t ec r e t a c e o u s s i m u l t a n e o u s l y , t h et e c t o n i cg e o d y n a m i cs y s t e mh a st r a n s l a t e d f r o mc o m p r e s s i o na tn sd i r e c t i o ni n t ob wd i r e c t i o n a le x t e n s i o n , t h er i f t - r e l a t e db a s i n s d e v o l o p p e da n dt h eb a s i n - r a n g ea r c h i t e c t u r eo c c u r r e d h o w e v e r , t h et i m i n g ，p r o c e s sa n d t h eg e o d y n a m i c so ft h e s et r a n s f o r m a t i o n sa r en o tw e l lu n d e r s t o o d l i u p a n s h a na r e a , t e c t o n i c a l l yl o c a t e di nt h ec e n t e ro fc h i n e s ec o n t i n e n t , i sag o o dl a b o r a t o r yt oc o n s t r a i n t h e s ei s s u e s f a t h e r o v e r , a st h en o r t h m o s tb o u n d a r yo f t h et i b e t a np l a t e a u , t h er e s e a r c h o nt h ed e f o r m a t i o nh i s t o r yo fl i u p a n s h a na r e ad u r i n gc r e t a c e o u si sa v a i l a b l et o k n o w l e d g e m e n to f t b ef o r m a t i o no f t h en o r t h e a s t e r nt i b e t a np l a t e a u t h ep r e s e n t - d a yl i u p a n s h a nm o u n t a i ni sm a i n l yc o m t n j c t e db yt h ee a r l yc r e t a c e o u s l i u p a n s h a ng r o u p t h el i u p a n s h a nc j r a r ec o m p o s e db yt h ef l u v i a l l a c u s t r i n e c o n g l o m e r a t e s ，s a n d s t o n e s ，m u d s t o n e s ，m a r l sa n dl i m e s t o n e s ，w i t hc a 3 0 0 0m e t e ri n t h i c k , w h i c hc a nb ed i v i d e di n t of i v ef o r m a t i o n sf r o mb o t t o mt ot h et o p ，t h e $ a n q i a o f m ，h e s h a n g p uf m ，l i w a x i af m ，m a d o n g s h a nf m a n dn a i j i a h ef m t h ea n a l y s i so f t h er o c km a g n e t i cm e a s u r e m e n ta n dt h et h e r m o m a g n e t i cb e h a v i o rs u g g e s tt h a tt h e p r i m a r yr e n a a n e n tm a g n e t i z a t i o ni nt h e s es e d i m e n t a r yr o c k sw e r em a i n l yl o a d e db y m a g n e t i t e s e v e nn o r m a lp o l a r i t yz o n e sa n d8r e v e m dp o l a r i t yz o n e sa r eo b s e r v e df r o m t h eh u o s h i z h a is e c t i o ni nt h en o r t ho ft h eb a s i n a n a l y s i so fc o m b i n a t i o no ft h e m a g n e t o s t r a t i g r a p h i ca n dp a l e o n t o l o g i cd a t ar e v e a lt h a tt h ea g eo ft h el i u p a n s h a ng r s p a n sf r o m1 2 9 6t o1 0 2m aa n dt h ea g eo fs a n q i a of m i sc a 1 2 9 6 1 2 8 6m a , h e s h a n g p uf m i s1 2 8 6 1 2 5 3 m a , l i w a x i af m i s1 2 5 3 1 1 8 3 m a , m a d o n g s h a n f m 1 1 8 3 1 0 9 6m aa n dn a l j i a h ef m ，i sc a 1 0 9 6 1 0 2m a t h i sp r o p o s e st h a tt w o e p i s o d e st e c t o n i cu p l i f tt o o kp l a c ei nt h en o r t h m o s t e mt i b e t a np l a t e a ui nt h ee a r l y c r e t a c e o u s o n ee p i s o d ei n i t i a t e da tl e a s ta tc a 1 3 0m aw h i c hi n d u c e dt h ep r o v e n i e n c e o ft h es e d i m e n t so fc r e t a c e o u sl i u p a n s h a nb a s i n ，a n dt h el a s to n eo c c u r r e da f t e r1 0 2 m aw h i c hr e s u l t e di nt h ee n do fs e d i m e n t a t i o no fc r e t a c e o u sl i u p a n s h a nb a s i na n dt h e u p l i f to f l i u p a n s h a na n da d j a c e n ta r e ap r i o rt ot h ec o l l i s i o no f i n d i a w i t l la s i a 硕b 学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i so ft h es e d i m e n t a r ys e q u e n c ea n df a c i e sf r o mt h eh u o s h i z h a i ， s i k o u z ia n ds h i x i a n z is e c t i o ni nt h en o r t ho ft h eb a s i n e i g h tb a s i cs t r a t i g r a p h i c s e q u e n c ea n d f o u rs e d i m e n t a r ys y s t e m s ( a s t - l t s t , l f s ta n dl r s t ) w e r ee s t a b l i s h e d t h em a g n e t o s 妇t i 鲫l l i cr e s u l tc o m b i n a t e dw i t ht h er e g i o n a lt e c t o n i cd a t ad e p i c tt h a t t h el i u p a n s h a nb a s i nw a sat i f f - r e l a t e dd e p r e s s i o nb a s i na n dh a du n d e r g o n et h ee a r l y e x t e n s i o ns t a g es p a n n i n g1 2 9 6 1 2 5 3 m a , m i d d l ee x p a n s i o na n ds t a b l yd e p r e s s i o n s t a g ed u r i n g1 2 5 3 1 0 9 6m aa n dl a t e re x t i n c t i o ns t a g ed u r i n g1 0 9 6 1 0 2m z 1 1 l ea g eo fe a r l ye x t e n s i o ns t a g ei sg o o dt om a t c hw i t ht h et i m ec o n s t r a i n tw e l lb yt h e m o s ts t u d i e so fm a i nd u r a t i o no ft h et e c t o m ee x t e n s i o ni nt h ee a s to fc h i n ac o n t i n e n l i n d i c a t i v eo ft h i si st h er e s p o n d e n c et o t h eh t h o s p h e r i cm a n t l ed e t a t c h m e n ta n d g e o d y n a m i cs y s t e mt r a n s f o r m a t i o ni nt h ee a s to f c h i n s e sc o n t i n e n t k e y w o r d s ：l i u p a n s h a ng r o u p ，m a g n e t o s t m t i g r a p h y , b a s i ne v o l u t i o n , e a r l y c r e t a c e o u s ，l i u p a n s h a na r e a 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盈i 丝蝥日期：碑：互：卢 i 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名触导师签名：型曼红口期：皇业。， 硕士学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 第一章绪言 白垩纪是地球系统演化历史中的一个重要时期，发生了一系列重要的全球性事件： 生物圈中恐龙的灭绝、鸟类的出现，是生物演化史上的一个重要变革期；大气圈中出现 “温室气候 - 全球表面温度升高、c 0 2 含量较现今含量明显偏高和缺氧事件( 有机碳含 量增高) ；水圈表现为海平面上升、深水沉积中的黑色页岩和大洋红层大规模出现；岩 石圈中则出现了超地幔柱强烈活动、大型火成岩省大量爆发、洋中脊生产率极高及地磁 极性变化出现了超静时极性带( c n s ) ，早白垩世亚洲大陆的雏形形成，晚白垩世末新 生代初印度板块与欧亚板块的俯冲碰撞等等。这些事件引起了地学家们的高度关注，白 垩纪研究已成为当今地学界研究的热点之一。 第一节中国及邻区白垩纪的重大构造环境事件 白垩纪是中国构造和环境发生重大变革的时期。在地形地貌上，早白垩世中国东高 西低，白垩纪末变为今日的西高东低。晚侏罗一早白垩世，拉萨地块向北与羌塘地块碰 撞汇聚导致中特体斯洋盆闭合( s e n g o r , 1 9 8 4 ；r o b ，1 9 9 3 ；y i na n dh a r r i s i o n , 2 0 0 0 ) ，古太 平洋与亚洲大陆东部碰撞( 任纪舜，1 9 9 4 ) ，形成亚洲大陆的雏形( 任纪舜，1 9 9 4 ；吴 根耀，2 0 0 6 ) 。在太平洋板块、西伯利亚板块和新特体斯洋的共同作用下，地球动力学 系统发生了重大变化，中国大陆构造格局进入调整阶段，两条重要的深大断裂郯庐断裂 ( x ue t a l ，1 9 9 4 ：z h u e t a l ，2 0 0 5 ) 和阿尔金断裂( 李海兵等，2 0 0 6 ) 再次复活；组成中 国大陆的主要块体向北运移、南北向缩短和水平旋转( 朱日祥等，1 9 9 8 ) ；白垩纪早期 中国大陆构造体系由挤压环境变为伸展环境( 翟明国等，2 0 0 3 ；邵济安等，2 0 0 0 ；张岳 桥等，2 0 0 6 ) i 岩石圈地幔快速减薄、秦岭大别下地壳拆沉及中国北方普遍发生的构造 热事件( 翟明国等，2 0 0 3 ；吴福元等，2 0 0 4 ；高山，1 9 9 9 ：任战利，1 9 9 9 ) 、断陷沉积 盆地的大规模发育( 王德发等，1 9 9 6 ；陈发景，1 9 9 7 ) ；包括青藏高原北部和天山在内 的中国北方造山系开始隆升和遭受构造剥蚀( j o l i v e te t a l ，2 0 0 1 ；李海兵等，2 0 0 4 ，2 0 0 6 ； 郭召杰等，2 0 0 6 ) ，大部分地区缺失晚白垩世的沉积；白垩纪末，印度板块向亚洲大陆 开始了持续俯冲、碰撞并导致青藏高原的形成。 硕士学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 此外，在中国大陆生物圈中出现了热河生物群的繁盛，有胎盘类哺乳动物和现今鸟 类起源( 季强等，2 0 0 2 ) ；在气候方面，形成了北方暖湿南方干热的气候格局，出现了 白垩纪沙漠和东亚大气环流( 陈守田，1 9 9 6 ；江新胜，2 0 0 0 ) ，藏南出现大洋缺氧和富 氧事件。 如上所述，白垩纪的重大地质历史事件不断被揭示出来，但是对这些重大地质事件 的成因机制和及其与全球构造演变和环境变化的联系还没有形成一致的意见，如白垩纪 中国北方山体隆升和剥蚀的时间、幅度和动力学机制不是很清楚，东部的地幔减薄和地 壳拆沉作用在西部是否也有响应? 阿尔金断裂在自垩纪的复活机制及其与西部白垩纪 盆山运动的关系还有待于深入探讨。主要原因是由于白垩纪末新生代初印度板块与欧亚 板块的持续俯冲碰撞，改变和破坏了白垩纪的本来面貌，从根本上制约了对白垩纪构造 演化及其动力学机制的认识，另一个原因是缺乏对陆相相应沉积纪录的研究，缺乏连续 的白垩纪构造演变序列的精细研究。 第二节青藏高原构造演化动力学研究筒述 印度一亚洲板块的碰撞不仅导致青藏高原的形成，而且碰撞的变形效应叠加和改造 了已经存在的构造形迹，因此，要研究白垩纪构造演变，还需要了解板块碰撞后高原北 部的构造变形特征。素有地球第三极之称的青藏高原及周缘地区的新生代构造演化一直 是当前地学研究的前沿和热点。自1 9 世纪末2 0 世纪初开始，青藏高原研究已有1 0 0 多 年的历史，青藏高原已成为检验大陆动力学和全球变化最关键的地区之一。 1 9 2 4 年，a r g a n d 首次提出，青藏高原和喜马拉雅是印度大陆向北漂移俯冲在西藏 之下的结果，而且印度大陆大部分已经俯冲到西藏之下。他的模式当时得到了 w e g e n e r ( 1 9 3 7 ) 和h o l m e s ( 1 9 6 5 ) 的认同。随着板块构造理论的诞生，这一观点得到了更多 地质学家的支持( b a r a z a n g i ，1 9 8 2 ，1 9 8 4 ；p o w e l l ，c o n a g h a n ，1 9 7 3 ，1 9 7 5 ；b i r d ，1 9 7 8 ； p o w e l l ，1 9 8 6 ；c o h e n ，1 9 8 7 ) ，并得到了发展。在随后研究中，产生了几十种青藏高原 隆升模型和假说，如双倍地壳模式( a r g a n d ，1 9 2 4 ) 、推土机模式( d e w a ya n db 砒1 9 7 0 ； c h e na n dm o l n a r ，1 9 8 1 ；) 、跨塌褶皱模式( s p e n c e r ，1 9 9 6 ) 及我国学者李四光提出的“陆 地波澜侧向挤压旋钮说”、常承法提出的“楔状体堆叠说”等等，众说纷纭，百家争鸣。 近2 0 年以来，随着大陆造山带理论的不断深入和发展，以及地球物理学和岩石地 2 硕士学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 球化学等研究手段和实验条件的进步，青藏高原的隆升过程和变形历史研究也从“众说 纷纭”的多元演化模式逐渐演绎成两种相互对立的“终极模型”( t a p p o n n i e r ，2 0 0 1 ) ，即 认为大陆变形是以沿巨大断裂带走滑运动和块体的横向滑移为主要方式的“大陆侧向挤 出模型”和大陆变形以地壳的缩短和增厚为主要特征的“大陆地幔增厚拆沉模型”。 t a p p o n n i e r 等提出的“大陆侧向挤出模型”：该模型将青藏高原从南到北分为始新 世青减高原，渐新世一中新世青藏高原和上新世一第四纪青藏高原( 图1 ) ，提出了青藏 高原隆升的时空序列是青藏高原是以几个古老缝合带为边界由南向北扩展渐进的分步 隆升，并沿着几个巨型走滑断裂向东挤出。首先是始新世金沙江一鲜水河断裂以南的高 原南部地区隆升和印支地块向东南方向的挤出逃逸，然后是渐新世一中新世金沙江一鲜 水河断裂和昆仑山断裂之间的高原中部地区隆起，最后是昆仑山断裂以北祁连山北缘断 裂以南的高原东北部地区在上新世一第四纪相继隆起。 图1 - 1 大陆侧向挤出模型提出的高原隆升时空序列图( t a p p o n n i e r ，2 0 0 1 ) 该模式把印度板块向亚洲大陆下部的挤入简化为平面刚塑性问题，即所谓的以“大 陆逃逸”为代表的平面应力理论问题，将其变形方式近似地看成主要断层之间刚性块体 的相互作用，认为新构造变形主要集中发生在几条走滑断裂上，因此走滑断裂作用占主 导地位，并用塑性滑移线模型模拟了青藏高原北部走滑断层的变形过程。 硕十学位论文 六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 “大陆地幔增厚拆沉”模式的雏形最早是由e 蛳d 在1 9 2 4 年“双地壳模式”，他认 为印度板块的北部俯冲下插到了欧亚大陆之下，其前缘可达阿尔金山，两者的大陆地壳 叠置在一起，使青藏高原的地壳约两倍于正常大陆地壳。但根据2 0 世纪8 0 、9 0 年代的 地球物理探测成果，中美p a s s c a l 宽频带及国际多学科i n d e p t h 试验揭示了印度板块 并未在高原下进行长距离的楔入。e n g l a n d 等学者认为高原岩石圈的增厚主要是由于地 壳和地幔在印度板块和欧亚板块的汇聚碰撞后，分散缩短引起的。板块会聚所引起的构 造变形主要是通过广泛分布于大陆内部的逆断层作用和地壳增厚来调节的，而走滑断层 作用是有限的，也就是说，大陆上地壳是以脆性变形为主，并形成一系列活动褶皱和断 裂带，将上地壳分割成不同级别的活动地块，而下地壳和上地幔则以韧性和塑性流动为 特征，从底部驱动地壳变形，简而言之，就是印度板块向欧亚板块持续俯冲使地幔增厚， 不断增厚的地幔下部最终发生熔融拆沉作用，导致地壳反弹使高原整体隆升，到达最高 高度后发生跨塌，大量的上地幔物质涌入地表( h a r r i s o n ，1 9 9 2 ；m o l n a r ，1 9 9 3 ；e n g l a n d ， 1 9 9 3 ；c o l e m a n ，1 9 9 5 ；c h u g ，1 9 9 8 ) 。现今青藏高原内部发育的南北向伸展构造体系 普遍被认为青藏高原隆升到最大高度后重力垮塌的结果。 尽管上述两种模式已经各自形成了比较完备的理论体系，但是迄今为止青藏高原的 研究并没有真正形成终极的二元化，这是因为这两个模式并不能完全包容不同学科的研 究成果，尤其是近年来许多学者提出的欧亚板块的碰撞时间越来越早，甚至认为在晚侏 罗早白垩( 1 4 0 1 3 0 m a ) 新特提斯洋开始俯冲，冈底斯和唐古拉就已经隆起( 丁林， 2 0 0 3 ) ，中法青藏高原地学合作研究的结果( 许志琴，2 0 0 6 ) 认为来自高原南部印度板 块与欧亚板块的碰撞已并非高原隆升的唯一驱动力，提出了“青藏高原南部印度岩石圈 板片的陆内超深俯冲，北缘克拉通的陆内浅俯冲，腹地深地幔热结构以及超岩石圈范围 的“右旋隆升”及物质的向东挤出”这一新的碰撞动力学机制模型( 图1 2 ，许志琴， 2 0 0 6 ) 。宋春晖等( 2 0 0 6 ) 通过对青藏高原北缘一系列新生代沉积盆地高精度磁性地层 年代的研究，认为最晚在6 5 5 5 m a 高原北缘就已有隆起活动，是对上述现有隆升模式的 严重的挑战。 杨经绥等( 2 0 0 6 ) 根据高原北部断裂活动的时代、火山活动和白垩纪沉积盆地的形 成，提出高原的隆升是两次俯冲碰撞结果的新思考( 图1 3 ) ，认为第一次发生在中特提 斯班公湖怒江洋盆在白垩纪时期的关闭，其时由于北部来自塔里木盆地和北中国板块 及东部来自太平洋板块俯冲产生的砥柱效应，高原北部开始隆升；第二次发生在印度板 4 硕士学位论文六盘山地区自垩纪磁性地层年代与盆地演化 图1 2 青藏高原深地幔结构及动力学模式圈( 据许志琴，2 0 0 6 ) l 一地壳2 一岩石翻地侵3 一软流嘲4 一局部熔融件5 - - 深部熔融体6 - - 花岗岩7 一地幢地辟8 - - 火山岩9 - - 超高压变质岩 l o 一左行走滑断裂i 一右行走滑断裂1 2 一逆冲断裂1 3 - - 正断层1 4 - - 挤压力1 5 - - 上升力 i 忡一印度陆块h m 一喜马拉雅增生地体6 d s 一冈底斯地体盯一羌塘地体h ，一巴彦喀拉一橙潘甘孜地体蛳h l 一柴选术一昆仑 地体q l - 一祁连地件a l s b 一阿拉善陆块- 孵一主前锋逆冲断裂岍一主中央断裂s t d 一藏南拆离断裂z 醛一藏布缝合带j l 一嘉 黎断裂刚一班公潮一怒江缝合带j s j 一金沙江缝合带k l r - 昆仑断裂口d m 一柴选木地体 图l - 3青藏高原两次板块作用与两次隆升作用示意图( 据杨经绥，2 0 0 6 ) 硕十学位论文六盘山地区自垩纪磁性地层年代与盆地演化 块的新生代俯冲碰撞作用，造成高原的整体抬升。由此来解释高原北部平均海拔( 5 0 0 0 m ) 要高于高原南部( 平均海拔4 0 0 0 r e ) 的地貌现象。 第三节选题意义及技术路线 1 选题意义 2 0 世纪九十年代以来，青藏高原的研究重心已逐渐向北部高原边缘转移，以研究 两大板块碰撞的远程效应为主要目标。目前，青藏高原的重大关键问题已不仅是6 5 - - 4 5 m a 以来印度和亚洲板块碰撞形成高原以及引起大陆岩石圈的变形缩短过程，由于中生代是 青藏高原诸块体会聚和碰撞的主要时期，周缘造山带、内部地貌及外侧盆地三者的互馈 关系，特别是白垩纪青藏古陆及北部边缘已成为研究的重要内容。高原隆升研究不能仅 仅局限于欧亚板块碰撞这种简单过程，要从更大的角度乃至更远的地质时期来关注区域 构造的形成和演化。 白垩纪是中国及邻区板块构造演化的一个重要变换期，这一变换集中表现在中国及 邻区的构造演化由原来的南、北分异在白垩纪转为东、西分异( 吴根耀，2 0 0 6 ) ，张文 佑认为两者的界线为为蒙古中部的南北向断裂一六盘山一贺兰山褶皱冲断带一龙门山 断裂带一横断山断裂带，其西为挤压隆起区，构造线方向为北西西近东西向，其东是 拉张沉陷区，构造线方向为北北东近北东向。反映在地形一地貌上，早白垩世东高西 低，白垩纪末开始出现今日的西高东低面貌。盆地发育和“盆”“山”系统也在白垩纪开始 发生重要变换。如前所述，一些学者近期研究认为青藏高原北缘在早白垩世末( 大约 l o o m a ) 开始了第一次隆升，那么作为青藏高原东北缘和现今中国东西部分界的六盘山 地区在白垩纪是否也存在隆升? 隆升的时间、幅度和动力学机制如何? 西太平洋古陆与 亚洲大陆在白垩纪的碰撞( 任纪舜，1 9 9 4 ) 在该区是否有响应? 这些科学问题都不清 楚。 目前，关于中国东部中生代构造体制转折的问题引起不同学科研究者的极大关注， 围绕这一问题展开了活跃的跨越学科的学术讨论。一个焦点问题是构造体制转折的标志 和转折的时间，邵济安等( 2 0 0 0 ，2 0 0 3 ) 从构造岩浆演化角度认为晚三叠世华北进入 构造体制转折的初始阶段，到早白垩世进入高峰阶段，在大约1 2 0m a 中经历了3 个重 6 硕十学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 要的阶段：早中生代( 2 3 0 - 1 8 0m a ) 岩石圈结构的深部调整和底侵作用；中晚侏罗世 ( 1 8 0 1 4 0 m a ) 的浅部响应，以断块差异和火山喷发占主导；早白垩世( 1 4 0 1 1 0 m a ) 的强烈 伸展，在华北形成较为开阔的n n e 走向的火山一沉积盆地，认为构造体制转折是一个 渐变的过程，其动力来源应该与岩石圈地幔乃至软流圈的运动相联系，是一种岩石圈尺 度的行为。同时，构造转折决不是区域性的孤立事件，在中国西部地区白垩纪是否也有 这种构造体制的转变? 其转变机制又是如何? 应该从更大的范围及至全球角度探讨它 们的背景。 六盘山呈北北西向狭长带状延伸，主峰海拔高2 9 4 2 米，包括六盘山主峰、小关山、 月亮山和马东山。六盘山通过北西走向的海原一六盘山断裂与祁连山造山带相连，并最 终与阿尔金断裂系相贯通，因而构造上被视为青藏高原最东北的边界( 图1 4 ) 。它东临 鄂尔多斯地块，北连阿拉善地块，是我国北方现今构造格局和地势东西分异的重要界限， 也是中国东西部现在和古环境格局的重要分界线。白垩系六盘山群是构成六盘山的主体 地层，六盘山主峰以北呈北北西向展布，以南近南北向展布，总体上构成一个向斜，受 六盘山东麓断裂的控制( 图1 4 ) ，是青藏高原东北部地区白垩纪地层出露最连续的地区 之一。六盘山群与下伏前白垩纪地层、上覆第三系地层呈不整合接触，沉积物总体从下 图l - 4 青藏高原东北缘构造简图 到上变细，构成一个连续的山麓一河湖相沉积旋回，前人根据地层中含有丰富的动植 物化石将其时代划为早白垩世。 由此看来，无论是空间位置( 大地构造位置，现今地理位置) ，还是地质时间位置 ( 白垩纪) ，六盘山地区具有其特殊的“得天独厚”的条件，因此，开展六盘山地区早白 垩纪以来沉积物记录的构造- 地貌演变信息的研究，对认识印度一亚洲板块碰撞前后高 7 硕十学位论文 六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 原东北部，乃至中国白垩纪重大地质构造事件演化机制及其环境效应具有重要意义。 前人对六盘山及其临区白垩纪以来盆山演化，沉积地层，构造变形方式、断裂走滑 速率及地貌演化等方面作出了许多探索性的研究，取得了许多进展，也产生了许多分歧： 一六盘山群的地层划分沿革及时代归属问题： 1 9 2 1 年谢家荣首先把六盘山区第三系之下这套红色地层命名为陇山系，时代确定 为白垩纪，1 9 2 5 年，袁复礼将其改称为六盘山系，1 9 5 6 年，地质部石油局6 3 3 队关士 聪、谢继哲在六盘山区开展了正规的l ：l o 万区域石油地质普查，将白垩纪地层称为六 盘山统，按其岩性组合划分为6 个层。1 9 5 9 年，银川石油勘探局对六盘山群进行了专题 研究，建立了5 个层，认为该群与陕甘宁盆地的志丹群在时代、层位上基本相当。 1 9 5 9 - - 1 9 6 5 年期间，宁夏区测队开展l ：2 0 万区调工作，获得了丰富的古生物资料，对 六盘山群又作了进一步划分和区域对比。1 9 6 5 年，地质部第三石油普查大队( 简称“三 普”) 在研究陕甘宁盆地白垩系基础上，提出了六盘山群下部与志丹群上部相当这一新 的对比意见，从而动摇了二者基本相当的传统观念。 1 9 8 0 年，马风珍重新研究了在同心所采鱼化石后建立了“小齿同心鱼”这一新属种， 认为它的演化特征比狼鳍鱼要进步，时代较晚，这一新成果支持了三普的对比方案。产 于六盘山群上部层位( 李洼峡一乃家河组) 中的鱼群地方性色彩很浓，其成分以发展高 级的地方性属种为主，显然上下鱼群的面貌有着明显的差异。植物化石组合虽较为贫乏 但也很有特色，总体面貌较早白垩世早期发生了明显的变化。由此看来，六盘山群的生 物面貌具有浓厚的白垩纪中晚期色彩。其上部( 马东山一乃家河) 同下部( 三桥组一李 洼峡组) 的鱼群和介形虫的组合面貌的明显差异暗示其间可能存在一个生物演化界面。 这也意味着六盘山群时代归属应重新商酌，但宁夏和甘肃境内的白垩系研究程度较低， 白垩纪沉积地层测年数据资料更为鲜见。 二六盘山地区的构造演化研究 青藏高原东北部的构造变形主要受阿尔金祁连山海原六盘山和昆仑山左行走滑 断裂控制( 图3 ) 。现代构造应力场形变分析和g p s 测量结果表明在边界断裂的持续左 行走滑影响下，高原东北部地区发生了顺时针旋转，而西侧和东侧的塔里木地块和鄂尔 多斯地块分别发生了逆时针旋转。研究表明阿尔金祁连山海原六盘山断裂的西段阿尔 金一祁连山段的断裂走滑活动历史可以追溯到中生代或者更早( 国家地震局，1 9 9 2 ；李 海兵，2 0 0 6 ) 。但是古地磁的研究却有截然不同的结论。一部分研究者认为高原北部边 8 硕士学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 界断裂的左行走滑导致其夹持的柴达木祁连块体在新生代发生了明显的顺时针旋转， 旋转幅度为7 2 _ - 3 9 8 0 ，最大达4 5 0 ：另一部分人认为阿尔金断裂由中生代左行走滑转为 早第三纪右行走滑，再转为晚第三纪左行走滑( 周勇，潘裕生，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 。最近我们 通过对在磁性地层学研究过程中获得的古地磁偏角的统计发现，河西走廊自晚始新世至 中中新世之间顺时针旋转了1 7 4 0 ，临夏盆地在晚中新世以来顺时针旋转了1 0 0 ，六盘山 东麓( 青藏高原东北部外侧) 中新世以来逆时针旋转了8 0 。而在海原断裂西段以南的西 宁一兰州盆地，早白垩世的古地磁结果表明，西宁一兰州盆地相对华北地块发生了 3 1 5 0 士5 5 0 的顺时针旋转。但来自海原地区早白垩世六盘山群中下部的少量数据表明六 盘山地区相对华北地块的鄂尔多斯盆地没有发生明显的构造旋转和纬向位移( 孙知明， 2 0 0 1 ) 。 国家地震局研究所( 1 9 8 6 ) 、z h a n gp e i z h e n g ( 1 9 9 0 ，1 9 9 1 ) 和b u r c h f i e le ta l ( 1 9 9 1 ) 等从构造解析的角度分析了六盘山晚新生代变形方式和幅度，认为海原左行走滑断裂带 开始活动的时间大致距今1 2 0 7 3 万年，海原活动带总的左旋走滑量为1 2 1 4 5i o n ，带 内各次级剪切断层的滑动速率为5 - 1 9 2 m m a ，由断裂走滑逆冲和地层褶皱引起的地壳 总缩短量约为1 2 4 1 6 7k m ，提出六盘山在构造性质上属于海原走滑活动带的端部挤压 调整区，六盘山东麓逆冲断裂自上新世以来的逆冲活动导致六盘山的隆起。进一步研究 表明六盘山地区新生代经历了三个构造变形隆升阶段，其时代分别为在晚上新世到早第 四纪之间，中更新世，及晚更新世以来，变形隆升主要表现为北东向的缩短和北西向的 走滑活动。 宋友桂就六盘山东部新生代陇东盆地朝那、神峪等地沉积的红粘土一黄土沉积年代 学及六盘山地貌特征进行研究，计算出8 i m a 以来六盘山共相对基底抬升了1 5 0 0 米左 右，并将8 i m a 以来的高原演化划分了三个阶段：8 i m a 六盘山开始隆升，鄂尔多斯主 夷平面解体，六盘山以东的黄土高原开始堆积红粘土，山麓地带堆积洪积和河流砂砾岩； 5 2 m a 六盘山再次隆升，随后逐渐夷平，形成山麓剥蚀面；3 6 m a 六盘山开始大规模隆 升，河流下切，山麓剥蚀面瓦解，发育典型的风成沉积物和土壤过程。 对于六盘山弧形构造带形成时间和机制，也有许多分歧，赵重远( 1 9 9 0 ) 认为其内 带开始形成于晚白垩世燕山构造旋回晚期，六盘山弧形构造带的主应力来自中国西南各 时期板块向北推挤的压应力( 在六盘山地区变为n e 向) ；而形成北部帚状构造的主应 力来自于燕山旋回库拉太平洋板块与欧亚板块相对运动之间产生的近南北向左行剪切 硕十学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 挤压应力派生的n w - s n 向对挤应力，他没有给出这两种应力系统时间先后顺序和转变 机制。刘和甫( 1 9 9 0 ) 认为冲断带定型主要发生在白垩纪末或第三纪初；而汤锡元认为 侏罗纪末的早燕山运动是南北向逆冲带主要形成时期，此时构造基本定型。 上述研究尽管取得了许多进展，但还是主要集中于新生代以来的构造演化方面，新 生代之前的沉积地层缺乏有效的高精度的年代控制；特别是白垩纪地层六盘山群是否存 在上白垩统地层，白垩纪六盘山盆地何时接受沉积，什么时候开始整体隆升，是否遭受 剥蚀，剥蚀的程度如何，六盘山弧形断裂带与与白垩纪六盘山盆地演化关系及盆地的性 质等方面的研究较为模糊，不能全面揭示六盘山的演化过程，并由此产生了许多分歧。 分析前人古地磁资料可以看出，这些资料主要来自西部的阿尔金、柴达木、河西走廊和 西宁一兰卅i 地区，来自高原东北边缘六盘山地区的资料尤其是白垩纪的资料相当少，而 且这些古地磁数据的代表性值得进一步探讨。 因此，我们必须将研究目光转向蕴含构造演化信息的相关沉积盆地中来。六盘山白 垩纪盆地沉积了3 0 0 0 多米厚的沉积物，该盆地的沉积演化历史是青藏高原东北缘白垩 纪构造变换演化最直接的证据。 2 研究方法与技术路线。 高精度磁性地层研究是获得高精度地质年代的有效方法。磁性地层学就是利用岩石 剩余磁性纪录地磁场变化特征解决地层问题的一门科学。它既是古地磁学与地层学交叉 产生的边缘学科，也是古地磁学和地层学的分支学科。其核心是利用岩石中记录地球磁 场的极性变化、地球磁场的长期变化以及岩石磁性参数的变化特征进行地层的划分和对 比。现代地磁场研究表明，地球内核磁流体运动产生的地球磁场具有明显的偶极子磁场 特征，占主导地位的( 约9 0 ) 地球表面磁场可以看成是一个位于地核中心的偶极子产 生的磁场。上个世纪2 0 年代，人们发现世界不同地方一些同时代地层记录了与现代地 磁场方向相反的剩磁方向，证明了在地质历史时期地球磁场发生过频繁的倒转。2 0 世纪 6 0 年代初，c o x 等对上新世以来的火山岩进行系统的古地磁研究并结合同位素年代学测 定结果，首次建立了4 5 m a 以来的地磁极性年表。6 0 年代末据南大西洋海底磁异常条 带建立的8 0 m a 以来的极性年表与现今国际地质科学联合会推荐的地磁极性年表有很大 的相似性。在世界各地不同岩相的地层中相继开展的古地磁研究，从年代和生物化石等 方面进一步厘定了地磁场极性的时代及其变化规律。通过较准确的磁性地层方法和磁异 常条带确定的地磁极性年表已延伸到晚侏罗世。当然，从磁性地层学角度确定连续地层 l o 硕一k - 学位论文六盘山地区白垩纪磁性地层年代与盆地演化 的时代也存在一定的误差，如中晚白垩世以来的磁极性带的年龄误差约2 m a ，一些时段 相对误差可精确到1 0 0 0 0 a 左右。由于同位素年代学对沉积岩的测年方法存在着局限性， 磁性地层研究不仅已成为地层划分和对比的一个重要研究手段，而且也广泛应用于研究 盆地的形成、沉积物来源、运移机制以及沉积速率变化和地球动力学等多个领域。近年 来，广泛开展的岩石磁学性质的研究给磁性地层学赋予更新的研究内容，它不仅仅限于 地磁场的极性变化的研