13mabp以来酒西盆地的沉积与高原隆升响应

13mabp以来酒西盆地的沉积与高原隆升响应

20世纪80年代以来，青藏高原的上升过程和环境变化逐渐成为地球科学研究的中心。目前，关于高原的高度有三种不同的看法，主要有三种。（1）在14.mabp之前，青藏高原达到最大值，然后由于重力的作用，覆盖范围向东西延伸，高度下降。（2）在8.mabp之前，青藏高原基本达到当前的高度。（3）上新世末（3.6.mabp）青藏高原开始强烈浮力，经过多次构造运动后达到现在的高度。到目前为止，青藏高原的高度、时间、河流和振幅等问题尚未确定。青藏高原内外盆地形成于高原的压缩和变形过程。高原地面的净高度（地形高差的增加）由盆地沉积物和沉积环境记录。因此，通过提取这些盆地的地层和沉积物环境数据，我们可以恢复青藏高原的高度，并在理论上取得重大成就。目前，对青藏高原南部喜拉山盆地和高原东北部临夏盆地的新生代地层进行了深入研究。青藏高原北部边界内的河西走廊和塔里木盆地发育着厚度较厚的新生代地层，但研究薄弱，难以理解青藏高原北部的龙升过程。酒西盆地位于青藏高原北缘的河西走廊西端，是青藏高原北部边界上阿拉金峡滑动断裂和祁连山北缘的逆冲断裂的交汇处。因此，酒西盆地在青藏高原北部构造发育史上发挥着重要作用。本文将重点研究酒西盆地13-ma层上完整发育的老君庙剖面的沉积相、沉积物发育及其构造高度变化的反应，为恢复青藏高原的龙升历史奠定基础。1地质背景和地层酒西盆地位于甘肃省河西走廊西端,南以祁连山北缘断裂带为界,北至龙首山-黑山-宽台山断裂带(即河西走廊北缘断裂带),西靠阿尔金断裂带,东至嘉峪关-文殊山一线,属中新生代前陆盆地.本区新生界除缺失古、始新统地层外,地层出露完全,由下而上分为火烧沟组、白杨河组、疏勒河组、玉门砾岩组、酒泉砾石组和戈壁砾石组.由于白杨河组是玉门油田重要的储油层位,自1942年孙健初创立该组以来前人对其进行了较细致研究,而其上地层不含油,未见沉积学方面系统论述.疏勒河组根据岩性特征划分为3段:上部牛胳套段、中部胳塘沟段和下部弓形山段.玉门砾岩组和酒泉砾石组分别与下伏地层呈不整合接触关系.老君庙剖面位于盆地南缘石油沟老君庙背斜北翼,由于石油河的切割,地层连续完整出露.13MaBP以来的地层划分和特征见表1,详细的古地磁测年见方小敏等人文1.2油沟老君庙剖面结构根据岩性、沉积结构和构造特征等,石油沟老君庙剖面可划分为5个沉积相组合.它们在剖面中的分布见图1,每个相的典型剖面结构以及粒度曲线见图2和3.2.1悬浮变形层理特征分布于胳塘沟段底部,由粉砂岩与泥岩韵律互层夹泥质砂岩或砾质砂岩组成.前者是所有相中粒度最细者(一般Md<0.03mm),以发育水平层理、层面存在水动能弱的生物水平和斜向管状生物遗迹、粒度曲线主要由悬浮总体构成和细截点为4Φ左右(图3(a))以及粉砂岩中具滑动变形层理为特征,属相对水深沉积产物;砂岩常呈复合层状,分选差(δ=2.14～1.01),具块状或正粒序、平行层理和沙纹层理,底面见重荷模.砾质砂岩呈透镜状,含下伏泥岩团块,分选极差(δ=2.71～2.10),呈块状或正粒序构造.后二者粒度曲线以粒度分布区宽、呈悬浮总体一段式且曲线斜率低为特征(图3(b)).上述砂岩和砾质砂岩特点具浊流沉积特征.2.2模式生物垂直潜穴法分布于胳塘沟段和牛胳套段中下部层位,主要由砂岩、粉砂岩和泥岩互层构成,呈席状.粉砂岩和泥岩单层厚10～40cm,具水平层理或块状构造,层面具水扰动强烈的生物垂直潜穴.砂岩单层厚0.5～1m,分选较好至中等(δ=0.64～1.22),具平行层理、沙纹层理或块状构造,粒度曲线呈.三段式,跳跃总体分选好、含量>75%,粒度区间1.5～3.2Φ,滚动和悬浮总体分选差(图3(c)),与许多现代浅湖砂质沉积物粒度曲线一致.2.3砂泥杂基支撑型砂泥杂基主要为砂质砾岩、砾质砂岩、含砾砂岩和泥质粗砂岩.前二者呈厚至巨厚复合席状体,单层厚1～4m,个别可达10m,砾石分选差至极差(δ=2.48～7.62),砂泥杂基支撑.粒度曲线具粒度分布区宽、呈多段式且斜率低的快速堆积曲线特征(图3(d)),底面无明显冲刷,层内具粒序韵律层理或块状构造.粒序韵律层理由多个砾石条带与含砾砂质条带交替构成,砾石条带厚10～40cm,具正粒序、逆粒序或块状,砂质条带厚5～20cm,具正粒序和粗糙平行层理;后二者0.5～1m厚,具粗糙平行层理、正粒序或块状构造和个别层含卵石.上述特点具高密度流沉积特征,由于分布于胳塘沟段和牛胳套段中下部与浅湖相共生,该相属扇三角洲沉积.2.4扇三角洲沉积相由细砾岩夹砂岩透镜体和砂质砾岩组成,呈透镜状,与下伏地层冲刷接触,具块状构造或粗糙斜层理,分选差至极差(δ=2.80～6.30),属杂基支撑至颗粒支撑.砾石呈次圆状,具叠瓦状构造.粒度曲线(图3(e))由明显的3个总体构成,滚动总体含量高(一般大于10%),粗截点和细截点都是突变,前者在0-0.3Φ间,后者在3～3.5Φ间.上述具河道沉积特征.该相与扇三角洲相共存(如层序(12),(22)和(26)层),属扇三角洲中辫状河道沉积体系.2.5中扇和扇缘亚相主要为巨厚层砾岩和砂质砾岩夹砂质条带或泥质砂岩.砾岩以泥砂含量高、杂基支撑、砾石大小混杂、分选极差(一般δ>5)、缺乏叠瓦状构造和岩层厚度巨大为特征.砾岩和砂质砾岩具块状构造和粗糙粒序韵律,并偶见砾石群构造.粒度曲线具粒度分布区宽、呈多段式且斜率低的快速堆积曲线特点(图3(f)).上述特征表明该相属洪积扇沉积产物,该相分布于牛胳套段上部至酒泉砾石组.根据粒度、沉积构造和流向特征,将其划分为中扇和扇缘亚相:前者以粒度粗(最大砾径达1.2m,一般4～8cm)、主要呈块状和粗糙粒序韵律构造以及流向较集中(发散角为50°左右)为特征;后者以粒度相对较细(最大砾径13cm,一般1～3cm)、泥质含量低、正粒序韵律构造以及流向发散为特征.根据剖面层序、沉积相组合和地层接触关系等,13Ma以来盆地沉积演化可明显划分为4个阶段(图1):(1)13～12.18Ma,胳塘沟段底部(层序(1)～(4)层),由半深湖相构成,粒度向上变粗,代表半深湖向浅湖演化趋势;(2)12.18～8.26Ma,胳塘沟段中上部(层序(5)～(20)层),由浅湖相与扇三角洲相组成,夹辫状河道相,代表浅湖沉积环境;(3)8.26～6.57Ma,牛胳套段下部(层序(21)～(26)层),由扇三角洲相夹浅湖相和辫状河道相构成,表明盆地虽然为浅湖环境,但沉积体系发生重大转变,以代表干旱环境的扇三角洲开始大规模频频产生,反映气候的变化;(4)6.57～0Ma,牛胳套段上部至戈壁砾岩组(层序(27)～(39)层),主要由洪积扇相组成,代表盆地转变为陆上洪积环境演化.该阶段可划分出a,b,c,d,e,f和g7个洪积扇沉积演化旋回.3盆地聚集和青藏高原隆升从13Ma至今,根据酒西盆地地层接触关系、沉积相组合、粒度变化和沉积速率(图1,4)反映出青藏高原经历了3个不同构造期的演化过程.3.1青海湖周边统一沉积期i13～8.26Ma酒西盆地充填590m半深湖至浅湖环境沉积物,其沉积速率相对较低,说明青藏高原祁连山区此期间保持相对稳定状态.但根据沉积相组合、沉积演化以及沉积速率特征,此期间的稳定性也存在明显差异,可划分为稳定期和较稳定期.(ⅰ)稳定期(>12.18Ma).13～12.18Ma期间盆地充填90m半深湖相,其沉积速率平均为0.11mm/a,如果除浊积岩,一般沉积速率为0.06mm/a左右和平均粒度小于0.03mm,都是整个层序中最低者,说明青藏高原祁连山区此期间保持稳定,达准夷平状态,剥蚀速率低,造成盆地物源供给不足.这一高原相对稳定期在整个青藏高原周边都广泛存在,绝对年代很相近,如青藏高原南缘孟加拉湾海底扇和尼泊尔SuraiKhola地区以及青藏高原东南缘琼东南盆地和陇川盆地均形成低沉积速率时期,青藏高原东北缘临夏盆地形成稳定湖泊的上庄组泥岩沉积.(ii)较稳定期(12.18～8.26Ma).此期间盆地沉积514m浅湖相和扇三角洲相,平均沉积速率为0.13mm/a.盆地充填序列由半深湖转变为浅湖,说明盆地基底小幅抬升.沉积速率的相对增加(个别时段达0.24mm/a)和沉积相组合出现扇三角洲相,反映青藏高原祁连山隆升,剥蚀作用和物源供给相对增加.但从沉积组合、沉积速率和粒度方面,表明这期间青藏高原构造活动属小幅隆升.这一隆升在青藏高原东北缘临夏盆地以及南部孟加拉湾海底扇、巴基斯坦西北KotalKund和AndarKas,尼泊尔BakigaKhola和SuraiKhola等地区均有沉积记录.3.2构造隆升指示岩石学特征该阶段盆地内充填了厚602m的以浅湖扇三角洲相为主至陆上洪积扇相组合,并在沉积演化中存在4个明显变化:(1)从8.26Ma开始扇三角洲砾岩大规模频繁沉积,8.26～8.23Ma沉积速率由前期的0.16mm/a突然增至0.3mm/a,表明青藏高原较快速隆升使祁连山海拔增高,造成高的剥蚀速率;(2)6.57Ma左右由浅湖转为陆上洪积环境,平均沉积速率由前期0.12mm/a突然增至洪积扇的0.21mm/a,反映一定程度的构造隆升;(3)5.6Ma左右从土黄至灰色砂质砾岩(层序(27)层)转变为黑灰色砂质砾岩(层序(28)层,砾石成分变砂岩、片岩和灰岩增多),指示物源区隆升和老地层被剥蚀;(4)5.23Ma左右沉积相由洪积扇缘逐渐转为洪积中扇沉积(a旋回),砾径由一般2～3cm(最大12cm)逐渐转为一般3-6cm(最大28cm),平均沉积速率由0.21mm/a变为0.23mm/a,表明构造隆升使盆地基地抬升,形成洪积扇逐渐向盆地中心推进.综上所述,此期间青藏高原表现为持续逐步较快速隆升过程.这一阶段隆升在青藏高原周缘均有一定表现,如青藏高原东南缘莺歌海盆地从5.3Ma开始出现高沉积速率,青藏高原东北缘临夏盆地6.25Ma由柳树组湖相转为何王家组底部辫状河砾岩沉积,青藏高原南部尼泊尔SuraiKhola地区6.5Ma由曲流河转变为辫状河沉积等.3.3强烈构造隆升期801.32ma根据本区沉积特点、沉积速率变化和不整合面,该期间明显存在4次重大构造活动事件:(1)小于4.96～3.66Ma急剧强烈隆升,使盆地抬升结束长期接受沉积的历史,并使早期沉积地层变形和遭受剥蚀,形成近1.3Ma的地层缺失,造成其后沉积的玉门砾岩组与疏勒河组之间区域性平行或角度不整合接触.这次构造事件是该区新生代构造运动的一个重要分水岭,此后构造活动进入一个强烈构造隆升与相对稳定剥蚀夷平频繁交替期.这次重大构造活动波及整个青藏高原内部和外围地区,李吉均等人称之为“青藏运动A幕”;自3.66Ma后盆地再次接受沉积,由于地形差异较大,形成3.66～3.11Ma期间的快速洪积中扇堆积,其沉积速率平均达0.22mm/a.由于剥蚀夷平结果使3.11～2.58Ma期间沉积速率下降至0.15mm/a.而2.58～2.14Ma期间(层序(31)层)沉积速率猛增至0.35mm/a,最大砾径由前期的17～24cm增至28～55cm,古流向也由长期以来的北西向转为分散(但以北东向为主)的流动体系,这些特征表明该期间发生过构造运动.虽然这次隆升在老君庙剖面中未造成不整合,但在该区文殊山存在不整合此次隆升活动与李吉均等人命名的“青藏运动B幕”相当.(2)1.80～1.23Ma强烈构造隆升,造成1.80～1.75Ma期间本区最大的沉积速率(0.52mm/a),同时1.75～1.23Ma期间造成玉门砾岩组内部平行不整合(洪积c与d旋回之间).这次隆升在整个青藏高原都有体现,也是青藏高原隆升过程又一次重要事件,李吉均等人命名为“青藏运动C幕”.(3)0.93-0.84Ma再次构造强烈隆升,使玉门砾岩组地层变形和遭受剥蚀,形成近0.09Ma的地层缺失,造成其后沉积的酒泉砾岩组与玉门砾岩组之间区域性角度不整合接触,并使13Ma以来冲积主流北西方向改变为北东方向(图1).这次隆升在青藏高原南北均有体现,如孟加拉湾海底扇、莺歌海盆和陇川盆地沉积速率剧增,昆仑山垭口盆地开始缓慢抬升和强烈断裂走滑拉分(崔之久等称为“昆仑-黄河运动”);(4)约0.14Ma构造隆升结束了酒泉砾石组沉积历史,使山前洪积扇抬升,石油河下切,形成戈壁砾石组与酒泉砾石组不整合接触(洪积f与g旋回之间)以及现代地貌格局.这次构造强烈隆升在青藏高原内部及周缘均有体现,李吉均等人称为“共和运动”.4湖沉积环境13Ma以来酒西盆地的沉积可划分出半深湖、浅湖、扇三角洲、辫状河流和洪积扇5个沉积相组合,其沉积演化可划分为4个阶段:(ⅰ)13～12.18Ma为半深湖沉积环境;(ⅱ)12.18～8.26Ma为浅湖沉积环境;(ⅲ)8.26～6.57Ma为干旱气