中国西北地区构造格局与演化

中国西北地区构造格局与演化

中国西北部是指以北约270万公里的行政区域为最近县。中国西北地区是不同时期多个全球性大地构造单元的组成部分,由多个克拉通或地体与造山带组成。重力、航磁资料显示,西北地区以昆仑、天山、阿尔泰造山带、阿尔金构造带、贺兰山构造带为界,具有南北分带、东西分区的构造特征。基性、超基性岩的年龄显示了地质历史中的板块(地块)开合作用具有规律性,表明西北地区的演化具有明显的阶段性和分区性。本文作者与其他学者以往所作的研究表明西北地区由于经历了多期构造演化的复杂过程,所形成的多类型复合叠加盆地各具特色。现今盆地位于具有一定规模的经过前古生代不断增生作用所形成的陆块基底之上,多由盆缘断裂所围限,因而其演化必然受古生代构造格架与中新生代以来的构造叠加作用所控制,盆地沉积充填与构造改造过程则受宏观区域构造格局、盆地基底、周缘断裂体系演化所控制。众多地质学家们依据自己的研究工作,从不同的侧面,分别研究论述了盆地的发育过程。由于各个地质学家的资料来源不同,研究的着眼点与方法的差异,导致有关西部各盆地的基底性质、盆地类型、演化过程及其控油气作用等相关学术观点有一定的差异。本文在近年来工作的基础上,结合前人的研究成果,尝试对中国西部地区与盆地发育相关的区域地质格架、演化过程及其与主要含油气盆地构造格局的关系等相关问题进行初步探讨。1关于前震旦系基底的性质问题,有视角可分三大区域、两种不同塔里木盆地基底具有多期拼合的特点,已基本成为共识。航磁资料不仅显示了盆地具有稳定基底,且盆地内部的基底具有分区性。但西北地区准噶尔、柴达木及一些中小盆地是否存在前震旦系结晶基底始终存在争议。近年来,众多学者对盆地周缘露头区进行的大量地质定年工作表明,西北众多盆地可能都存在稳定的前震旦系基底。研究表明,大型盆地是在大型地块基础上发展演化的,小型盆地则是在碎块基础上发展演化,盆地周缘则被多期、多类型的造山带所围限。塔里木盆地具有较老的克拉通基底。塔东2井角闪花岗岩U-Pb锆石年龄为(1908.2±8.6)Ma准噶尔盆地的基底性质与形成时代、演化过程及其与中亚盆地关系,一直是争论的焦点。先后有洋壳河西走廊及邻区的诸多中小型盆地的基底目前认为是以前寒武纪基底为主,柴达木盆地基底主要为中元古代,没有太大分歧。敦煌盆地、北山地区众多中小型盆地的基底可能具有非常强的不均一性,越来越多的证据表明,这些盆地都坐落在中小地块或者古生代活动陆缘的岛弧之上,这些小的陆块在古生代洋盆闭合过程中经历了一定的变质作用。敦煌盆地钻井揭示了晚古生代的角闪石片岩、绿泥片岩等变质岩,其时代为晚石炭世(图2),其中有早古生代继承性锆石,后期受到二叠纪热事件的部分叠加,这与姜洪颖等2古生代洋盆构造演化的多期性西部的区域构造格局最为引人注目的是大型造山带、大型边界断裂及造山带中存在的蛇绿岩、超高压变质岩和反映构造活动属性的各种岩石组合。近年来,随着测试手段的不断进步,对能够解释古洋盆演化时限的蛇绿岩、高压变质带岩石组合、岛弧性质的火山岩等的研究进展非常大,但是由于不同地区、即使是同一地区分析样本及组合、分析手段的不同,造成了对古构造格局的认识分歧。目前研究的结果争论较大的是北疆准噶尔盆地周缘的古构造格局及阿尔金和北山地区的构造格局及其演化,我们收集整理了前人公开发表的西北地区不同构造缝合带的年代学数据(图3),并对其地质意义进行了讨论,以期对西北地区的古构造格局的演化及盆地发育过程有一个较为完整的认识。统计数据显示(图4),蛇绿岩发育时期主要为震旦—寒武纪,其次为奥陶纪、志留纪、泥盆纪和石炭纪,表明西北地区古生代洋盆具有多期演化的特征。北疆地区至少存在寒武纪—早奥陶世、志留纪和泥盆纪3个主要时期的蛇绿岩扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩所代表早古生代大洋具有完整的发育旋回,在志留纪晚期已关闭,该观点已得到大多数地质学家的认可。但对于其向西、向北的延伸不同学者观点差异较大。张元元等经过梳理,我们认为,准噶尔盆地周缘古生代构造演化大致可以分为早古生代旋回和晚古生代旋回两期。早古生代洋盆以扎哈坝—阿尔曼太、洪古勒楞、巴尔雷克、玛依勒、唐巴勒和克拉玛依地区蛇绿混杂岩为代表,舒良树等塔里木盆地与扬子板块具有较好的亲缘性,其发育过程中有稳定的台地与陆缘盆地。蛇绿岩发育的年代学数据揭示,塔里木盆地周缘南天山洋、西昆仑洋寒武纪早期已开始发育阿尔金、祁连、东昆仑、北山地区与塔里木周缘一样早古生代洋盆在早寒武世就开始发育从古生物来看,南天山洋、昆仑洋、祁连洋化石具有特提斯域特征,与北疆尤其是东疆地区的化石具有明显的差异。东西昆仑、阿尔金及祁连地区的蛇绿岩及伴生的火山岩显示其演化具有一定的同步性。阿尔金大型走滑断裂系,包括车尔臣河—星星峡断裂,其两侧的蛇绿岩、岛弧火山岩及造山作用的时间没有明显的差异,因此阿尔金走滑断裂带可能并不是大的具有缝合线性质的板块分界,但不排除是一种具有转换断层性质的超岩石圈断裂。这些早古生代的蛇绿岩带在空间上的关系是什么样?东西昆仑蛇绿岩带、南北阿尔金蛇绿岩带及祁连蛇绿岩带是否相连,如果按照后期阿尔金断裂的走滑距离来看,南北阿尔金、东西昆仑的蛇绿岩带是不相连的,甚至有可能的是北阿尔金蛇绿岩带与北祁连蛇绿岩带相连。另外,在这些发育的蛇绿岩带都与高压变质矿物空间上共生,但在柴达木盆地北缘的已发现了众多的高压矿物带却没有发现公认的蛇绿岩带,这是否意味着中祁连地块与柴达木地块之间的关系并不是大型块体之间的关系?北山地区红柳沟—牛圈子蛇绿岩带为早古生代洋盆的遗迹,空间上与康古尔蛇绿岩带相邻,但向西如何延伸还有一定的争议,从其分隔特提斯构造域与哈萨克斯坦构造域的生物古地理、高压变质矿物的时代推测和库米什—长阿吾子南天山洋演化具有一定同步性。晚古生代洋盆为什么在北山、准噶尔周缘、南天山及西昆仑地区早古生代造山带上都有发育,而阿尔金、北祁连早古生代未见发育,是否只有大型的板块边界(塔里木、准噶尔、哈萨克斯坦板块)才有晚古生代洋盆的发育?如果是这样,那么就需要重新认识各个块体间的边界性质。3晚二叠世之交—晚古生代构造格局与演化晚古生代早期,在天山地区形成了数量众多的晚古生代后碰撞阶段伸展环境的花岗岩,尤其是石炭纪初期区内大规模花岗质岩浆活动和幔源物质加入事件,表明360Ma之后,天山全区已经进入碰撞后新的大规模的伸展阶段。南天山、准噶尔南部、东西两侧均形成了有限洋盆,其时代略有差别。南天山洋可能为中泥盆世开始发育,而准噶尔周缘地区的以巴音沟、卡拉麦里及达尔布特蛇绿岩为代表洋盆是“红海裂谷型”还是具一定规模的大洋盆目前尚无定论。从古生物具有安哥拉生物群与特提斯大区的混生特点,表明洋盆已不具备分隔板块的性质晚石炭世开始,早期构造活动比较平静,北疆地区发育以石浅滩组为代表的海陆交互相沉积地层组合。晚石炭世晚期—中二叠世早期,由于处于洋盆闭合后地壳调整期,火山作用发育,表现为壳源型中酸性火山岩碎屑岩夹少量中基性喷发岩的岩石组合,同时发育有伸展背景下碳酸盐岩、碎屑岩沉积组合。塔西南地区早石炭世伸展作用明显,发育西昆仑洋和陆缘裂陷盆地,以火山岩、碎屑岩和不稳定碳酸盐岩沉积为特征,这种裂陷作用多幕次发育一直持续到早二叠世,水体也由浅变深,沉积了大量的二叠纪深水相细碎屑岩夹少量中基性火山岩建造。中二叠世康西瓦—苏巴什洋盆向北侧俯冲消减,形成了成带分布的二叠纪中酸性侵入体在中南天山至走廊北山地区火山作用强烈,伊犁地区的乌郎组、南天山地区库普库兹满组和开派兹雷克组、塔东—北山地区大面积分布的晚古生代基性岩墙群都指示了270Ma左右强烈的伸展作用,盆地内火山岩以玄武岩和英安岩为主,具有双峰式火山岩的特点,为明显的陆内裂谷成因(图7)。二叠纪晚期受昆仑洋闭合的影响,形成区域性的代表晚海西构造运动的区域不整合面。阿尔金地区以西表现得非常明显。北疆代表碰撞造山产物的泉子街组磨拉石建造与之下的红雁池组为不整合接触。天山南缘野外普遍见到上二叠统和三叠系角度不整合于中二叠统及以下地层之上(图8)。在阿尔金断裂以东,北山地区中、上二叠统之间似乎为连续沉积,但沉积物明显变粗。晚二叠世在沉积特征上与早中二叠世具有较明显的差异,上二叠统沉积多为红色、杂色的粗碎屑岩,如塔里木的沙井子组、伊犁盆地的晓山萨依组、上乌尔禾组、泉子街组、北山地区红岩井组,而中下二叠统多以灰色、深灰色细粒沉积物为特征。发生于中、晚二叠世之间的海西晚期运动具有两方面的重要意义。一方面彻底结束了古生代塔里木、准噶尔、北山、北祁连盆内海水的历史,沉积特征也由海相灰岩、泥岩向陆相碎屑岩转变,发育于北方地区的安哥拉植物群晚二叠世广布于这些地区。更大的意义在于作为晚二叠世Pangea大陆形成的有机组成部分,西北地区拉开了陆内盆地群演化的序幕。中、新生代则进一步继承并发展了这种格局。因此,海西晚期构造运动是西北地区具有重大的变革意义的一次构造运动。中二叠世末的海西晚期运动是塔里木盆地塔北地区最为强烈的构造运动。该次运动使塔北广大地区,特别是隆起区古生界遭受剥蚀。晚海西构造运动在阿克库勒凸起不仅形成了阿克库勒、阿克库木两条近东西向的背冲断裂构造带和一些低幅度残丘-披覆背斜构造带,而且使本区大部分地域缺失了上二叠统,形成区域不整合界面(T4晚三叠世—晚二叠世—新生代构造格局与演化晚二叠世—新生代是西部地区构造格局大的调整与定型时期,在总体表现为多板块拼合后的陆内背景下,经历了多期幕式挤压与伸展交替的构造演化过程,并不是以往简单认为的前陆盆地组合,而是至少经历了4个从伸展或弱伸展到挤压或者弱挤压的次级演化旋回,盆地原形包括陆内裂谷盆地、克拉通拗陷盆地、周缘、弧后、陆内前陆盆地、走滑拉分盆地、斜压挠曲盆地、山间压陷盆地等,晚期均受到了青藏高原快速隆升所导致的远源碰撞作用的强烈改造。不同地区、不同时期盆地发育程度和叠加组合方式差异很大,油气地质条件明显不同,油气资源丰度差别很大。晚二叠世—早三叠世,天山及邻区陆内盆地发育,盆地以整体沉降为主,处于相对稳定的陆内环境,基本无岩浆活动。在走廊南山、北祁连等地区,早、中三叠世由于特提斯洋板块的强烈俯冲,柴南地区发育234.5Ma左右的绢云千枚岩,在柴北缘、北祁连山地区为冲积扇-河湖相沉积。塔西南地区上二叠统的磨拉石建造与碰撞隆升有着直接的关系,三叠纪为河湖相沉积。塔北地区为沉积厚度较大、地层分布广的拗陷型沉积。准噶尔盆地晚二叠世发育中拐凸起-马桥凸起-白家海凸起带和达巴松凸起-莫北凸起-陆南凸起带,同时发育玛湖凹陷南侧、北天山山前和准东南地区3个沉降沉积中心,盆地内依次发育冲积扇、扇三角洲、河流-三角洲相、滨湖相、浅湖相和半深湖相沉积。西北地区从早、中三叠世到晚三叠世整体表现为一个湖侵的过程。准噶尔盆地晚三叠世是盆地最大湖侵期,上三叠统沉积广泛超覆于其下不同时代的地层之上。走廊地区东段的武威、白银、景泰、靖远、天祝等地从中三叠统西大沟组上部开始沉积物的颜色、沉积特征发生了明显变化,从紫红色过渡为以灰色、灰绿色为主,并且深湖相、半深湖相沉积明显增多,向上在南营儿组发育大量的灰绿色、黄绿色粉砂岩、泥岩、碳质页岩和薄的煤层、煤线,并没有表现出一种前陆盆地的沉积旋回。在东、西昆仑见到的晚三叠世中酸性岩三叠纪末期羌塘地体沿塔什库尔干—康西瓦—木孜塔格—玛沁一线与塔里木板块碰撞早侏罗世,受以班公湖—怒江洋扩张为代表的区域性伸展背景的影响,在西北地区早、中侏罗世局部发育火山岩和凝灰岩。克拉玛依市西南蚊子沟下侏罗统八道湾组底部可见厚度5.25m的碱性熔岩;将军庙剖面、头屯河剖面下侏罗统可见厚度不等的凝灰岩,其同位素年龄180~190Ma;敦煌盆地、金塔天泉寺、潮水盆地等分别见到了碱性玄武岩,且均为裂谷型玄武岩,表明西北地区曾发生较大范围的伸展事件,形成众多的侏罗纪早期断陷盆地。中、晚侏罗世为断拗到拗陷型盆地,充填大套河湖相沉积物。晚侏罗世—早白垩世,遍及整个东亚地区的燕山运动,对中国西部也产生了重要影响。青藏地区发生了班公湖—怒江洋盆闭合,羌塘地块和拉萨地块发生陆-陆碰撞事件。在西北地区形成了区域性分布的侏罗系与白垩系之间的不整合。潮水、雅布赖地区侏罗系近东西向的褶皱构造被白垩系覆盖,准噶尔南缘清水河组与上侏罗统喀拉扎组角度不整合接触,在盆缘山前带发育大规模的冲断构造,断层活动的年代学数据为149~135Ma,指示了该期构造运动。早白垩世在西北地区为一次区域性的伸展期,尤其是北山—巴丹吉林—河西走廊—六盘山一带表现得非常明显。塔西南北边的托云地区出现年龄为114.19Ma的玄武岩,旱峡和红柳峡及走廊地区早白垩碱性玄武岩及岩墙群早白垩世沉积之后,西部地区大面积抬升,晚白垩世只在部分地区发生沉积,是一种具有挤压挠曲盆地性质的产物。新生代早期,西部地区很多盆地都沉积了一套深水湖相沉积,塔里木盆地西部还受到了来自新特提斯洋的海侵。柴达木盆地西南地区的深水沉积是盆地最主要的生油层,准噶尔南缘、塔里木西南的湖相沉积也具有较好的生烃潜力,从部分地区如柴西地区见到张性断层和地层所具有的从粗到细的旋回性来看,西部地区新生代早期具有弱伸展的区域应力背景,或许与“盆地边界断裂走滑,板内伸展”这种特殊的构造机制有关新生代晚期是西北地区构造定型的关键时期。随着印度板块的快速北移,新特提斯洋关闭,印度与欧亚板块强烈碰撞,导致青藏高原的快速隆升。西北地区在燕山中期运动所形成的盆-山格局,在经历燕山晚期至喜马拉雅早期的松弛和夷平后,再次“活化”,几大造山带重新快速隆升,盆-山间的断裂或逆冲推覆,或强烈走滑,导致山前凹陷区相对快速沉降,堆积了巨厚的晚新生代沉积,局部地区厚达近万米。与此同时,盆地内部发生强烈的改造变形,形成了丰富多彩的构造样式及其组合。在新形成的构造格局中,西北诸盆地不同的生烃层系发生晚期生烃作用或油气转化,已经聚集的油气与新形成的油气一起,在新环境下,运移聚集、调整改造,广泛分布于不同的区带、不同的层系和不同的圈闭之中,有些地区变得非常富集,有些地区则因破坏调整而趋于贫化。5早-晚古生代构造演化(1)塔里木盆地的基底存在着不均一性,塔中、塔北、塔东北地区基底可能以古元古代为主,而巴楚地区则以晋宁期的变质基底为主。准噶尔盆地基底具有极强的不均一性,前震旦纪可能存在多个独立发育的块体,古生代总体具有多岛洋的性质。柴达木盆地、河西走廊及邻区的诸多中小型盆地的基底主要为中元古代形成。敦煌盆地、北山地区众多中小型盆地坐落在中小地块或者古生代活动陆缘的岛弧之上,这些小的陆块在古生代洋盆闭合过程中经历了一定的变质作用。西北地区复杂的基底结构对盆地的发育规模、多沉积中心的分布,有重要的制约作用。(2)西北地区早古生代经历了一个完整的板块开-合旋回,但不同地区有不同表现方式。北疆地区至少存在寒武纪—早奥陶世、志留纪和泥盆纪3个主要时期的蛇绿岩,反映了在早、晚古生代各存在一定规模的洋盆。早古生代洋盆闭合在不同带具有不同的时间。整体在早古生代晚期发生了闭合,形成了早古生代完整的旋回。塔里木盆地周缘南天山洋、西昆仑洋的发育时间为寒武纪早期,经过了中、晚寒武世到早奥陶世早期洋盆的扩张。早奥陶世晚期开始,俯冲作用逐渐增强,西昆仑、南天山地区岛弧火山作用开始发育。