准噶尔盆地博格达山初始隆升时间再探讨

准噶尔盆地博格达山初始隆升时间再探讨

博格达山位于东天山的北端。这是雅加尔盆地和柴库巴盆地之间的分水岭。构造位于东天山和西天山的过渡带内。它的初始隆升时间是一个涉及博格达山构造属性、准噶尔盆地结构转化及天山古生代造山带范围的关键基础地质问题。已有的研究成果揭示,对博格达山初始隆升时间的认识有3种不同意见:(1)1主要基于准噶尔盆地南缘和吐哈盆地北缘早、中生代沉积物扩散方向研究,认为博格达山在早侏罗世已隆升成山;(2)根据博格达山石炭纪火山岩系构造属性、韧性剪切带发育时间及与东天山造山带区域不整合关系对比,认为初始隆升发生在古生代末;(3)基于吐哈盆地北缘中生代不同时期沉积物扩散样式及对比研究认为初始隆升时间为早、中侏罗世。本文在地表地质调查和新完成的地震剖面解释基础上,通过区域不整合发育的时-空位置、古流向及沉积物扩散方向、同构造沉积层位标定和砾岩砾石成分对比研究,从地层学角度将博格达山初始隆升时间限定在侏罗纪末至白垩纪初。1博格达地区的构造背景博格达山为一向北突出、东西向延展的弧形山脉,向西经红雁池、妖魔山并入依连哈比尔尕山,向东过吉木萨尔-吐鲁番一线后转为东西向,并最终在七角井地区与巴里坤山、卡尔里克山相连(图1)。现今的博格达山被活动断裂所围限,是一个仍处在隆升阶段的山带。基于区域地层发育特征(图2)、区域不整合位置和盆地沉积特征,将博格达及邻区构造古地理演化分成4个阶段:(1)1中、晚石炭世火山岩、火山碎屑岩沉积期,表现为早期发育大量火山熔岩,晚期发育火山碎屑质浊积岩和玄武岩、生物碎屑灰岩夹层。一些学者基于活动陆缘结构、沉积岩石学特征研究将这套火山岩定为岩浆弧区火山-沉积组合;另一些学者则根据火山岩地化特征和古生代盆地发育格架认为它们形成于大陆裂谷。争议的焦点是海西构造阶段的博格达处于板缘还是板内。(2)二叠纪陆源碎屑充填期,表现为大量源于阿尔泰地区的陆源碎屑注入到博格达地区,此时的沉积物扩散方向主体指向南(图2),沉积相从博北地区的浅海长石砂岩过渡到博南地区的深海浊积岩。与博格达地区不同,柴窝堡凹陷南缘、吐哈盆地北缘的下二叠统则由灰岩砾石为主的砾岩、含砾砂岩组成。砾石迎水面实测结果证实古流向指向北东,显示物源区在其南部的东天山地区,表明此时的造山带已开始在柴窝堡凹陷南侧形成,前缘可能已扩展到吐鲁番-鄯善地区(图3)。二叠纪中、晚期,博格达地区沉积环境由海相逐渐过渡到海陆交互相、陆相,形成了一个沉积颗粒向上变粗的沉积旋回。此时的博南地区,古流向也从向南转换成向北,显示源于天山造山带的碎屑充填逐渐占主导地位。(3)三叠-侏罗纪陆相潮湿环境中的河、湖相沉积期,形成了厚层陆相煤系地层。它们以整合或沉积不整合覆于二叠系之上,继承了古生代晚期的盆地格局。(4)白垩纪-新生代陆相山间盆地充填期,发育干旱型陆相沉积,由近源火山质碎屑岩夹紫红色泥岩组成。博格达山的变形构造由博格达断隆和博南、博北两个滑褶带组成(图2)。博格达断隆是一个南被博南逆冲断裂、北被水磨沟逆冲断裂所围限的构造凸起,主构造为一个轴面近于直立、向西倾伏、平面上呈向北凸出的弧形箱形背斜。水磨沟逆冲断裂为一条南倾、向北逆冲的逆掩断层,表现为晚古生代地层逆冲在侏罗系之上。天池沟剖面揭示,其为上盘断坪、下盘断坡组合,表明断裂已发生较大规模的水平位移。博南逆冲断裂为一条近东西向延伸、断面北倾、主底板断裂发育于奥尔吐组底部的逆掩断层,表现为石炭-二叠纪地层逆掩在侏罗系之上。博北滑脱褶皱带发育于博格达山北坡地区,主拆离面发育于上二叠统底部的泥岩、油页岩中,自身由4个东西向延展、轴面近于直立、尖棱或箱形褶皱组成。褶皱压扁强度自南而北逐渐减弱,由南部的倒转、紧闭褶皱渐变开阔、直立褶皱。博南滑褶带由多个轴面北倾、东西向延展的褶皱构造组成。新近完成的二维地震剖面解释结果显示,该构造带的主底板断裂发育于上古生界内,第一世代变形时卷入的最新地层为侏罗系。2博格达山初始隆升时间及区域差异区域不整合是标定一个地区构造隆升的关键标志之一。前人基于中天山北缘艾维尔沟地区中生界与上古生界之间发育的角度不整合推测博格达山的初始隆升时间应为中生代早期。更有一些学者依据吐哈盆地北缘桃东沟地区二叠系与石炭系之间的沉积不整合将博格达隆升时间定在古生代晚期,尽管该不整合现在仍受到置疑。但是,这两个地区距博格达山约百余km,相对博格达山而言,它们处于造山作用首先到达的位置。而且,三叠系、二叠系接触关系从艾维尔沟地区的角度不整合向北到吐哈盆地北缘变为整合接触这一事实表明,造山带内地层接触关系是不稳定的。因此,标定博格达山初始隆升时间必须以当地的不整合层位特征为基础。博格达山南、北两侧新近完成的二维地震勘探使深层地层接触关系研究成为可能。在博南-柴窝堡地区,探井约束的地震剖面解释、地层闭合对比表明,晚古生代以来最早的区域性角度不整合发育于白垩系与前白垩纪地层之间(图4a)。在博南地区,该不整合从近博南逆冲断裂地区的高角度不整合向南经低角度不整合逐渐过渡成为平行不整合,甚至可能是整合接触,显示下伏地层变形特征控制着不整合结构。不整合发育的这一特征进一步说明,并不是所有的角度不整合都可以大区域对比。在博格达山北坡和准噶尔盆地南部(准南地区),晚古生代以来最早的区域性角度不整合也发育于白垩系与前白垩纪地层之间。博格达北坡地表地层学研究表明,古生界与中生界呈整合过渡关系。而且,从晚石炭世柳树沟组至侏罗系无角度不整合发育。这一研究成果与准南地区地震勘探成果相吻合。图4b为准南地区的一条南北向地震剖面及其地质解释,显示角度不整合发育在白垩系与前白垩纪地层之间。前白垩纪地层发育轴面近直立、东西向延展的开阔褶皱。白垩系则呈向北下超的楔形,且沉积相从扇三角洲向北变为浅湖、半深湖,指示物源在南侧。以上对博格达及邻区不整合发育特征研究表明,晚古生代以来具有变革意义的构造运动发生在侏罗纪晚期或白垩纪早期。而且,博格达山地区变形强度最大,向南、北两侧逐渐减弱(图4)。因此,博格达山与第一世代变形同期的初始隆升应发生在侏罗纪末至白垩纪初。3博格达地区盆地发育情况博格达山作为一个区域性山带,它的隆升必将深刻地影响该地区古水系格局、沉积物扩散方向与样式。因此,可以通过再造古生代以来各关键地质历史时期古流向来标定博格达山初始隆升时间。晚古生代以来,博格达地区原型盆地发育经历了3个阶段,分别是晚古生代弧后裂陷盆地、中生代陆内拗陷盆地和晚中生代陆内褶冲盆地。盆地的转折期依次是早二叠世、侏罗纪和白垩纪。因此,研究这3个时期的古流向、沉积扩散样式可以为标定博格达山初始隆升时间提供重要依据。3.1优势方位早二叠世沉积主要由岩屑长石砂岩夹薄层泥岩组成,称为岌岌槽子群,它下与奥尔吐组整合接触,上与井井子沟组连续过渡。岌岌槽子群沉积环境总体呈向南变深趋势。在博北地区,以滨岸三角洲沉积为主,发育大型斜层理。在博南地区,主要以深海浊积岩为主,鲍马序列、小型斜层理和软沉积物变形构造大量发育。在博北地区,岌岌槽子群中大量发育大型楔状、板状斜层理。其中,天池沟、水磨沟两个剖面最为典型。在水磨沟剖面实测了14个大型斜层理,在天池沟剖面实测了16个。对这些斜层前积层产状进行水平校正后所做的玫瑰花图解表明,古流向优势方位为南南东向(图5a)。在博南地区,岌岌槽子群主要是深海浊积岩沉积,鲍马序列c段中大量发育小型斜层理,其前积层倾向与浊流流动方向一致。岌岌槽子、黑沟、阿克苏沟3个剖面实测的101个小型斜层理统计分析结果证实,古流向的优势方位总体指向南(图5a)。因此,整个博格达地区早二叠世沉积物扩散方向总体由北向南,博北、博南的岌岌槽子群同属一个沉积体系,表明此时的博格达山地区不是一个正地貌单元。3.2博格达山周边地区侏罗纪是早中生代陆内拗陷盆地发育的鼎盛期,以河流、三角洲、湖沼相沉积为主,发育大量大型斜层理,为研究古流向提供了资料基础。前人曾对博北祁家沟、天池沟两剖面出露的中侏罗统中发育的斜层理进行实测,得出古流向优势方位为北北西向。但是,结论所依据的玫瑰花图样式却呈放射状,说明槽状斜层理前积层的甄别难以把握。鉴于此,本次研究中主要研究、实测板状、楔状斜层理,排除任何可能的槽状斜层理。而且,将研究范围扩展到整个博格达山周边地区。在博北地区,重点研究了吉木萨尔县大有沟、大龙口沟和米泉县水磨沟剖面出露的中侏罗统砂岩中斜层理,实测了其中61个。这些实测数据经水平校正后进行的玫瑰花图解证实,前积层倾向的优势方位为指向南,表明当时的古流向指向南。天池沟剖面上侏罗统厚层砾岩中迭瓦状排列的砾石迎水面所指示的古流向一致(图5b)。因此,博北地区中、晚侏罗世的古流向总体指向南,沉积物扩散方向由北向南。该结果与阿尔泰南缘的红柳沟地区侏罗纪古流向一致,表明当时的物源应在阿尔泰地区。在博南地区,达坂城之北的西沟、东沟两剖面和盐湖化工厂北剖面上的侏罗系地层中大量发育大型斜层理。其中,在东沟孤山剖面实测了22个;在西沟实测了2个测点共44个;在盐湖化工厂北剖面实测了25个。这些斜层理前积层倾向分析结果证实,东沟、西沟地区当时的古流向优势方位指向北,盐湖化工厂地区则古流向优势方位为北西西向(图5b)。因此,博南地区侏罗纪古流向总体指向北,此时的沉积物扩散方向为自南而北,物源区应在南部的天山地区。根据古流向、沉积物扩散方向在博南、博北的不同表现,清楚地显示博格达山南、北分属不同的沉积体系。博南为天山物源沉积系,而博北为阿尔泰物源沉积系。此时的博格达地区主峰地区不但不是隆升的高地,而是当时的汇水中心(图5b)。3.3古向向北、南南西南诸地区的沉积物扩散方向博格达地区的白垩系主要出露于博南的达坂城北部地区和博北的阜康、头屯河地区,由厚层、块层状灰黑色、紫红色杂砾岩、砂砾岩夹泥岩组成1。其中,博南地区以砾岩为主,博北地区以砂砾岩为主。在博南地区,东沟孤山剖面18个、西沟白杨河剖面46个叠瓦状排列的砾石迎水面实测结果分析表明,当时的沉积物扩散方向为南南西向。柴窝堡东约15km出露的白垩纪灰白色砂岩中见有斜层理,17个中型斜层理实测、统计分析结果证实,该区古流向优势方位也为南南西向(图5c)。因此,白垩纪早期博南地区的沉积物扩散方向指向南。在博北地区,白垩系砂岩中发育的大型斜层理实测结果显示,当时的古流向指向北,物源区位于地层出露区的南部。以上的白垩纪早期博南、博北古流向、沉积物扩散样式研究结果清楚地表明,此时的博格达主脊地区已成为博南、博北两水系的分水岭和物源区。综上3个关键时期博格达地区古流向和沉积物扩散方向研究结构表明,该地区扩散样式经历了两个阶段:一是早二叠世至侏罗纪,古流向指向博格达地区,该地区表现为汇水区,以接受沉积为特征;一是白垩纪,古流向背离博格达地区,表明这时博格达为隆起区,以剥蚀向周边提供沉积物为特征。因此,从古流向和沉积物扩散样式角度看,博格达山初始隆升应发生在侏罗纪末-白垩纪初期间。4博格达山内砾石成分特征相对北天山造山带和阿尔泰古造山带而言,博格达地区发育更多的是火山熔岩和火山碎屑岩,而较少发育深水硅质岩。因此,这种差异在博格达山隆升前后必定在周边地区的沉积物中留有印记。其中,砾岩是近源沉积的产物,最能反映源区特征。因此,可以通过研究砾岩的砾石成分特征,寻找博格达山活动的时间线索。笔者对砾石成分的野外统计步骤是首先选择一面积大于1m2的干净露头,等间距画出标志线,然后沿标志线连续统计砾石的岩石、矿物类型和个数。为了保证数据的可靠性,每个测点统计的砾石数均大于400个。4.1物源区特征特征博南地区的侏罗纪砾岩主要出露于达坂城以北地区(图2)。其中,西沟、东沟剖面最为典型。在西沟剖面上,分别选择八道湾组、三工河组的砾岩进行砾石成分统计,结果列入表1(测点位置见图2)。其中,八道湾组2个测点,三工河组1个测点。根据统计结果制作的砾石成分频率分布图显示,博南侏罗纪砾岩砾石成分呈双峰式分布,深海硅质岩砾石和火山岩砾石所占比例最大,分别为37.7%、34.0%(图6a),表明物源区为深海硅质岩、火山岩建造发育区,应为年轻的造山带。在博北地区,阜康天池沟、米泉芦草沟2个测点的统计结果表明,砾石成分呈单峰式分布,脉石英砾石所占比例最大,达55%以上(图6a),显示物源区深剥露、沉积物远距离搬运特征。因此,博北、博南两地区侏罗纪沉积物源区特征不一、搬运过程不同。而且,两者的源区岩石组成与博格达山主峰地区都不同,表明它们不可能来自博格达山。4.2岩石学特征结果白垩纪砾岩主要出露于博南和博北西部。沿博格达山周边地区完成的3个白垩纪砾岩砾石成分统计结果(表1)表明,博南、博北的白垩纪砾岩具有相同的砾石成分频率分布模式。它们均发育2个高峰,对应的砾石成分分别是碎屑岩和火山岩(图6b)。火山岩砾石磨圆、分选均差,显示近源沉积特征。而且,它们的岩石学特征与博格达山地区出露的石炭纪火山岩一致。以上结果清楚地表明,侏罗纪砾岩源于深海沉积岩出露区的剥蚀,与天山地区岩石组成类似,而白垩纪砾岩则来自火山岩区,与博格达山岩石组成一致。因此,有理由确信这些白垩纪砾岩具有统一的源区。综上可见,博南、博北侏罗纪