天山艾維爾溝地區侏羅系熱歷史演化及其地質意義

張懷惠, 張志誠, 湯文豪, 唐建洲

天山艾維爾溝地區侏羅系熱歷史演化及其地質意義

張懷惠1, 張志誠1, 湯文豪2, 唐建洲1

(1.造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京大學 地球與空間科學學院, 北京 100871; 2.自然資源部信息中心, 北京 100812)

研究東天山和西天山過渡區域艾維爾溝地區的隆升剝露歷史對于分析中新生代天山及其鄰區的構造格局以及區域構造演化歷史具有重要意義。本次研究通過對研究區出露的煤層(線)進行了鏡質體反射率分析以及對應的頂板或底板的砂巖層進行了磷灰石裂變徑跡系統分析, 測試結果顯示, 研究區侏羅紀煤層鏡質體反射率主要分布在0.79%～1.19%之間, 相應的磷灰石裂變徑跡年齡集中在79～129 Ma之間; 熱歷史模擬表明, 侏羅紀地層在早白堊世(130～100 Ma)達到最大埋深, 并發生一次快速冷卻事件, 之后處于相對穩定期, 新生代最終剝露到達地表。相比于西天山, 艾維爾溝地區和東天山在早白堊世的隆升幅度大, 使得天山東部發生強烈的構造運動, 標志著早白堊世是東天山構造地貌形成關鍵時期。

艾維爾溝; 裂變徑跡; 鏡質體反射率; 熱歷史; 隆升剝露

0 引 言

前人應用熱年代學方法對天山地區中新生代以來的隆升剝露歷史進行了大量的研究對比, 獲得了一系列成果(郭召杰等, 2005; Zhu et al., 2005; 張志誠等, 2007; Jolivet et al., 2010; 姚志剛等, 2010; Yin et al., 2015, 2018; 孫岳等, 2016), 為理解天山中新生代陸內造山過程和機理提供了可靠資料(Bullen et al., 2001; 郭召杰等, 2006; 呂紅華等, 2013)。西天山地區的冷卻剝露作用在中生代白堊紀以前就有相對廣泛的記錄, 白堊紀以來又發生多期快速冷卻抬升作用; 而東天山地區則自白堊紀開始才出現快速冷卻剝露過程(陳正樂等, 2008; 高洪雷等, 2014; 孫岳等, 2016)。中生代是古生代陸塊拼貼作用和新生代陸內造山再活化的轉換時期, 針對這一時期的盆地演化, 前人曾在西天山北緣的頭屯河、瑪納斯河、四棵樹河等地區開展了低溫熱年代學研究(Hendrix et al., 1994; 郭召杰等, 2005; 張志誠等, 2007); 同時也對天山內部后峽地區侏羅系剝露過程及中新生代盆山關系進行了討論(郭召杰等, 2005); 而對于東天山和西天山過渡區域艾維爾溝地區的隆升剝露歷史研究相對較少, 資料比較匱乏。艾維爾溝地區位于東天山和西天山的過渡區, 是研究天山隆升剝露及侏羅紀盆地演化的關鍵區域之一。該區僅出露約50 km2的侏羅紀地層, 卻發育有大量的“優質煤”, 對于其成因目前尚無明確認識(黃文輝等, 2010)。因此, 研究艾維爾溝地區侏羅系沉積埋藏和隆升剝露歷史對于分析中生代天山及其山間盆地的構造格局以及成煤演化歷史具有重要意義。

本文主要通過艾維爾溝地區二疊系、侏羅系砂巖的磷灰石裂變徑跡測年、熱歷史模擬以及一些煤巖樣品的鏡質體反射率分析, 并結合前人的研究成果, 恢復侏羅紀含煤地層所經歷的熱歷史, 確定中生代以來艾維爾溝及鄰區侏羅系冷卻隆升過程, 進一步探討天山隆升剝露的成因機制。

1 地質背景及樣品采集

天山山脈是中亞地區重要的新生代陸內造山帶, 夾于準噶爾盆地和塔里木盆地之間, 東西走向延綿2500 km, 寬約150～300 km, 其內廣泛發育山間盆地(孫岳等, 2016; Morin et al., 2018)(圖1)。本文將沿襲前人的劃分方法, 沿烏魯木齊?庫爾勒一線將天山山脈劃分為東天山和西天山(李錦軼等, 2006; 孫岳等, 2016)。艾維爾溝地區位于東天山和西天山的過渡區域, 東鄰吐哈盆地, 西至后峽地區, 受到周圍深大斷裂的控制, 區內地層總體呈NWW向展布, 該區盛產優質煉焦煤, 是新疆地區重要的煤炭產地, 為天山內的小型山間構造含煤盆地之一(張慧等, 1993; 黃文輝等, 2010)(圖1)。

艾維爾溝地區斷裂十分發育, 冰達板與紅五月橋兩大斷裂均向下延伸至中下地殼(孫永娟, 2007)。其中紅五月橋斷裂沿NW-SE走向延伸約45 km, 向南傾斜, 傾角約60°～70°, 為艾維爾溝侏羅紀盆地南緣斷裂; 冰達板斷裂沿NW-SE走向延伸約40 km, 向北傾斜, 地表傾角約75°～80°, 淺部具有正斷層性質, 深部向南逆沖, 同時在地表兼右行走滑性質(圖2)。除此之外, 研究區東部小型斷裂密集成群, 均為逆斷層, 都向南傾, 傾角平緩?中等, 并與盆地南緣的紅五月橋斷裂大致平行, 西部斷裂較少(蘇春乾等, 2006a)(圖2)。

以紅五月橋斷裂為界, 研究區以南發育泥盆系?下石炭統火山巖、火山碎屑巖、碎屑巖和侵入其中的花崗巖、花崗閃長巖類巖漿巖; 以北在泥盆系碎屑巖之上沉積了二疊系阿爾巴薩依組(P2)、蘆草溝組(P3), 三疊系小泉溝組(T2-3)和侏羅系艾維爾溝群八道灣組(J1)、三工河組(J1)、西山窯組(J2)、頭屯河組(J2), 地層總體走向280°左右, 呈向南傾的單斜構造, 傾角變化較大, 介于7°～45°, 并具有東緩西陡的特征(張慧等, 1993)。在晚古生代?中生代地層中發育若干不整合面(蘇春乾等, 2006a, 2006b; 劉冬冬等, 2013)(圖3)。

艾維爾溝地區中下侏羅統保存完整、出露較好, 侏羅系呈NW-SE走向長條形分布(黃文輝等, 2010)。下侏羅統八道灣組自下而上發育河流?三角洲?濱淺湖相沉積, 代表了小規模的湖侵過程, 巖性組合為礫巖、粗砂巖、細砂巖、煤機砂質泥巖夾菱鐵礦透鏡體, 厚度約745 m, 底部與中上三疊統小泉溝群呈不整合接觸; 下侏羅統三工河組以湖泊相沉積為主, 發育灰綠色砂巖、泥巖沉積, 厚度約為276 m, 底部與八道灣組整合接觸; 中侏羅統西山窯組以湖泊?三角洲沉積的黏土巖、細砂巖、粗砂巖、淺灰色細粒巖為主, 含煤層, 夾菱鐵礦透鏡體, 厚度約為700 m, 底部與三工河組整合接觸; 中侏羅統頭屯河組出露在艾維爾溝南側, 出露面積較小, 以灰紫色、灰綠色礫巖、中粗砂巖沉積為主, 表現出干旱氣候下的沖積扇沉積特征, 厚度約為980 m, 底部與西山窯組呈整合接觸, 頂部被斷層切割(孫永娟, 2007)。

圖1 北天山區域地質簡圖及艾維爾溝地區位置圖(據Han et al., 2011; Tang et al., 2014)

為探討東天山和西天山過渡帶的構造隆升特點, 本次研究對艾維爾溝?阿克塔西地區二疊系、侏羅系砂巖進行了系統采樣, 共采集8個磷灰石裂變徑跡樣品和6個鏡質體反射率(o)樣品, 具體采樣位置見圖2、3。

2 實驗方法

裂變徑跡定年是熱年代學定年法的一種, 基本原理遵從同位素定年方法, 利用238U的自發裂變在礦物晶格內部產生的物理損傷隨溫度的升高而發生退火作用(Gallagher, 2003), 來記錄巖石所經歷的熱歷史, 進而研究地質體熱歷史和構造史(張志誠和王雪松, 2004)。在沉積巖中可以根據碎屑沉積物中磷灰石裂變徑跡年齡、長度, 綜合考慮地溫梯度、地表溫度等參數, 反演沉積物的沉積、埋藏、剝露過程(Ketcham et al., 2009)。

本次研究使用外部探測器方法來確定磷灰石裂變徑跡年齡(Hurford and Green, 1977)。首先將野外采集的樣品送樣至河北廊坊誠信地質服務有限公司。通過常規重液磁選方法篩選出磷灰石顆粒。再將磷灰石用環氧樹脂固定在光玻片上, 然后進行研磨、拋光, 在室溫20 ℃下, 用5 mol/L硝酸蝕刻磷灰石顆粒20 s揭示自發裂變徑跡。該過程在北京大學造山帶與地殼演化的重點實驗室裂變徑跡實驗室完成。將磷灰石和低鈾白云母外探測器送至中國原子能科學研究院核反應堆熱中子輻照, 其中子通量為1.0×1016n/cm2, 之后將白云母外探測器在40% HF室溫蝕刻20 mins, 揭示誘發裂變徑跡。進行裂變徑跡年齡和封閉徑跡長度測定時, 在蔡司顯微鏡1000倍放大率下, 結合自動掃描系統對裂變徑跡進行計數和測量。每個樣品任意選取20個左右徑跡清楚、平行軸的磷灰石顆粒進行測年。年齡計算使用zeta()標定方法(Hurford and Green, 1977),值通過磷灰石裂變徑跡標樣杜蘭戈州(McDowell et al., 2005)和魚峽谷凝灰巖(Naeser and Cebula, 1982)分析獲得, 為384.01±11.17。分析裂變徑跡長度時, 每個樣品測量出100條水平封閉徑跡(Gleadow et al., 1986)。在進行地質解釋時, 考慮年齡及平均徑跡長度的統計誤差為±2σ, 測試流程見李建鋒等(2010)。

圖2 艾維爾溝地層出露與磷灰石裂變徑跡和鏡質體反射率樣品分布圖(修改自劉冬冬等, 2013)

1. 煤層; 2. 頁巖; 3. 泥巖; 4. 粉砂巖; 5. 細砂巖; 6. 粗砂巖; 7. 礫巖; 8. 凝灰巖; 9. 火山角礫巖; 10. 生物碎屑灰巖; 11. 灰巖; 12. 石英長石砂巖。

鏡質體反射率(o)是目前常用的、重要的有機質成熟度指標之一, 有機質經歷的成巖或者熱變質作用越深, 鏡質體反射率越大。鏡質體反射率具有如下兩個重要特征: 一是鏡質體反射率是其達到最高溫度的函數; 二是它具有不可逆性, 因此可以有效確定樣品所經歷的最高古地溫。鏡質體反射率的測量在中國地質大學(北京)材料物理實驗室lEITMPV-3儀器上完成, 測試條件和流程見肖賢明等(1991)。

3 實驗結果

3.1 煤巖鏡質體反射率

6件鏡質體反射率樣品采自阿克塔西地區中侏羅統西山窯組(J2)煤層和阿克塔西南側艾維爾溝地區下侏羅統八道灣組(J1)煤層、上二疊統(P2)泥巖(圖2、3), 具體測試結果見表1。

結果顯示, 樣品的鏡質體反射率平均值集中在0.779%～1.193%之間(表1)。根據鏡質體反射率與最大古地溫之間關系(Barker and Pawlewicz, 1986), 所求得的相應最大古地溫值(max)分布在85～176 ℃之間。阿克塔西地區2件中侏羅統西山窯組煤樣的鏡質體反射率分別為0.069%和0.080%, 對應的最高古地溫為85 ℃和122 ℃(由于經緯度測量的誤差, 阿克塔西地區2件煤樣對應的經緯度一致, 但實際為不同采樣點), 平均鏡質體反射率值為0.681%, 平均最高古地溫為103.5 ℃。艾維爾溝地區的鏡質體反射率值明顯高于阿克塔西地區, 全部集中在1.0%～ 1.2%之間, 所求得的相應最高古地溫均在150 ℃以上, 反映該地區經歷了較高程度的熱演化。為了驗證鏡質體反射率測試結果, 在艾維爾溝地區同一地點先后進行了兩次重復采樣(XJ09-104和TB10-27)及測試, 測試結果相差極小(1.189%和1.193%), 表明數據可靠。

3.2 磷灰石裂變徑跡

艾維爾溝和阿克塔西地區8件裂變徑跡樣品分別采自中二疊統蘆草溝組(T42), 下侏羅統八道灣組(T40和T41)、三工河組(T43和T46), 中侏羅統西山窯組(T45和T47)、頭屯河組(T44)(圖2、3)。裂變徑跡結果見表2和圖4。

阿克塔西地區中侏羅統西山窯組樣品(T47)的裂變徑跡年齡為107.3±10.0 Ma, 小于樣品所在地層的沉積年齡, 表明受到了退火作用的影響, 封閉徑跡平均長度為12.2±1.8 μm, 小于原始徑跡的長度(16±1 μm), 對應煤層的o測試平均值為0.779%,max為122 ℃。艾維爾溝地區磷灰石裂變徑跡的年齡分布在79～129 Ma之間, 封閉徑跡長度分布在12 μm左右。侏羅系樣品的裂變徑跡年齡主要集中在晚白堊世(79.1～97.7 Ma), 均小于樣品所在地層的沉積年齡, 表明受到了退火作用的影響, 封閉徑跡的長度分布多呈單峰態(圖4), 對應煤層的o測試平均值在1.0%～1.2%之間,max為164～176 ℃。二疊系樣品(T42)的磷灰石裂變徑跡年齡與侏羅系樣品類似, 為99.1±7.4 Ma, 反映其可能經歷了類似的熱演化歷史, 對應煤層的o測試平均值為1.0%,max為155 ℃。

表1 鏡質體反射率(Ro)分析及部分對應的磷灰石裂變徑跡分析數據

表2 艾維爾溝?阿克塔西地區磷灰石裂變徑跡分析數據表

圖4 艾維爾溝?阿克塔西樣品單顆粒年齡放射圖和裂變徑跡長度分布圖

4 討 論

4.1 磷灰石裂變徑跡熱歷史模擬

為了更好地了解艾維爾溝?阿克塔西地區的熱歷史, 本次研究選取封閉徑跡數目較多的樣品反演該地區熱演化過程。利用熱模擬軟件HeFTy, 采用Ketcham et al. (2007, 2009)的單組分退火模型和Monte Carlo法, 模擬樣品的熱歷史,par初始值為1.5, 徑跡初始長度為16.3 μm, 模擬次數為10000次。在模擬過程中, 充分考慮了沉積年齡、相應煤層的最高溫度、不整合面、生長地層等因素。熱歷史模擬結果如圖5所示。

熱歷史模擬中, K-S檢驗代表徑跡長度模擬值和實測值的吻合程度, 年齡GOF代表徑跡年齡模擬值和實測值的吻合程度。若K-S檢驗和年齡GOF都大于5%時, 表明模擬結果可以接受, 當它們值超過50%, 模擬結果較好(朱文斌等, 2007)。從圖中可以看出, 樣品K-S檢驗均大于50%, 年齡GOF值均大于50%, 說明所有樣品模擬結果可以接受且可信度高。

阿克塔西地區中侏羅統西山窯組樣品T47的熱歷史模擬曲線顯示出早白堊世(約130 Ma)開始進入冷卻降溫過程, 該降溫過程一直持續到現今(圖5)。這一特征與郭召杰等(2005)對后峽地區西山窯組的熱歷史模擬結果相似。艾維爾溝地區樣品熱歷史模擬曲線顯示出早白堊世(約120～100 Ma)和中新世以來經歷了兩個階段的快速冷卻過程, 且兩個冷卻階段之間熱歷史模擬曲線顯示出平穩的曲線。侏羅系及二疊系樣品的熱歷史反演曲線顯示出樣品基本都經歷了完全退火作用, 所經歷的最大古地溫皆超過120 ℃, 反映樣品經歷一個較高的熱演化過程(圖5)。這與艾維爾溝地區明顯較高的鏡質體反射率值相符合。樣品在經歷了早白堊世開始的快速冷卻降溫階段后, 溫度就已經降低到部分退火帶之外。因此, 艾維爾溝地區樣品熱歷史反演曲線新生代的快速冷卻階段僅具有一定的參考價值。

Acceptable fit. 可接受的模擬結果; Good fit. 符合良好的模擬結果; Path modeled. 符合較好的t-T曲線; 裂變徑跡長度圖中的曲線是與模擬結果相符的理想裂變徑跡長度分布曲線。

4.2 熱歷史與沉積體系分析

阿克塔西地區的兩件煤樣的鏡質體反射率平均值為0.681%, 與前人測得的后峽地區及準噶爾盆地南緣地區鏡質體反射率特征(郭召杰等, 2005)相似, 數值主要集中在0.7%, 因此最大古地溫85 ℃和122 ℃在正常變化范圍內。前人研究表明, 由于受烴源巖有機質類型、巖性及鏡質體本身的局限, 樣品采集與處理過程以及測定環節會對鏡質體反射率測定結果產生影響(趙俊峰等, 2004), 因此所有樣品采集、處理和測定的環節幾乎同時進行, 處理和測定過程一致, 故同一層位同一巖性的鏡質體反射率值出現一定差異有可能是烴源巖本身因素所導致。根據阿克塔西地區與后峽地區侏羅紀地層的連續性, 以及鏡質體反射率值的相似性, 阿克塔西地區和后峽地區在侏羅紀為同一沉積體系——后峽盆地, 結合后峽地區與頭屯河地區沉積相及古流向對比結果, 顯示二者在早中侏羅世形成于同一沉積體系, 故后峽盆地在侏羅紀時期不是一個獨立的盆地, 而是與準噶爾南緣相連的盆地(方世虎等, 2005), 現今后峽地區殘留的侏羅系山間坳陷盆地, 是新生代構造分隔所致(方世虎等, 2005; 郭召杰等, 2005)。早中侏羅世艾維爾溝地區位于準噶爾盆地與塔里木盆地的結合部位, 由于局部地區地殼應力松弛形成中生代斷陷盆地, 而后峽地區則處于相對松弛的伸展構造環境(蘇春乾等, 2006a; 孫永娟, 2007); 而且在該時期艾維爾溝與后峽地區底部都沉積了盆地邊緣相?沖積扇相, 之后以河流相、三角洲相、湖相沉積為主, 具有相似的沉積層序和沉積相(郭召杰等, 2005; 孫永娟, 2007)。艾維爾溝盆地北緣二疊系與泥盆系之間為不整合接觸, 表明夾在后峽盆地和艾維爾溝盆地之間的泥盆系在二疊紀之前就具有一定的高度, 但是并沒有達到現今的海拔, 說明早中侏羅世艾維爾溝地區與后峽?準噶爾盆地南緣之間可能已經被古生界分隔開來。

艾維爾溝地區侏羅系樣品鏡質體反射率值普遍較高, 明顯不同于后峽地區, 與兩地的沉積環境和構造背景差異有關。后峽地區早中侏羅世地層厚度只有1700 m, 而該時期艾維爾溝的地層沉積厚度達3700 m(郭召杰等, 2005; 孫永娟, 2007)。沉積厚度差異表明艾維爾溝地區早中侏羅世沉降更深, 可能該時期天山東緣地形起伏大于北緣。艾維爾溝?后峽地區普遍缺失上侏羅統和白堊系, 同時裂變徑跡熱歷史模擬結果顯示, 早白堊世地層中發生冷卻剝露。艾維爾溝下侏羅統八道灣組在晚侏羅世經歷最大古地溫可達到170 ℃, 由于侏羅紀以來研究區內巖漿活動微弱(Yang et al., 2013; Simonov et al., 2015; Ji et al., 2018), 因此, 若只考慮增溫、冷卻過程是地層沉積、抬升剝露所致, 按照地溫梯度為33 ℃/km, 地表溫度為10 ℃(薦軍, 2001; 邱楠生等, 2002)計算, 下侏羅統八道灣組之上至少應有5 km地層覆蓋。現今下侏羅統八道灣組之上約有3 km厚沉積物, 表明其上至少發生了2 km地層剝露, 這與郭召杰等(2005)報道的后峽地區大約有2.5 km剝露相一致。

艾維爾溝地區由于其構造屬性的不同, 可能經歷了不止沉積埋藏作用(斷裂、熱液的影響)的熱演化過程, 從而表現出高的鏡質體反射率特征。在艾維爾溝長約24 km、寬約2 km狹長條形區域內, 自西向東有序地排列有氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤(黃文輝等, 2010)。在如此小的范圍內, 分布有如此齊全的煉焦煤系列, 至今都沒有明確的解釋; 這可能與該地區的深大斷裂有關, 深大斷裂有利于形成隱伏熱異常, 同時為地下水從地殼內部獲得熱量提供通道, 熱液造成煤的變質作用(楊起等, 1996)。張慧等(1993)研究表明艾維爾溝地區廣泛發育熱液石英脈和方解石脈, 煤層圍巖也具有中低溫熱液蝕變現象, 艾維爾溝的煤變質屬區域熱變質類型。侏羅紀時期為成煤時期, 同時也是煤的熱變質時期。因此熱液是導致艾維爾溝地區鏡質體反射率出現異常高值原因之一, 但是對應的磷灰石裂變徑跡的年齡并沒有顯示出異常低值, 這可能與樣品經歷了足夠長的地下冷卻時間有關, 這也與模擬結果顯示的樣品自晚白堊世以來, 穿越磷灰石裂變徑跡封閉溫度線, 經歷了長期穩定冷卻事件相契合。

4.3 熱歷史與天山隆升過程分析

艾維爾溝?阿克塔西地區磷灰石裂變徑跡年齡分布在早白堊世晚期?晚白堊世(79.1～129.2 Ma), 數據模擬結果均顯示出早白堊世(約130～100 Ma)開始的迅速冷卻降溫過程, 這與Yin et al. (2018)根據紅五月橋斷裂南側的花崗巖裂變徑跡測試結果得出早白堊世(140～100 Ma)的隆升歷史一致(圖6)。結合前人的裂變徑跡研究成果, 發現整個天山地區特別是中天山普遍存在早白堊世的冷卻過程, 如伊犁山間盆地(Jolivet et al., 2010)、巴音布魯克盆地(Wang et al., 2009)、巴倫臺地區(呂紅華等, 2013)、北天山斷裂(Wang et al., 2009; 姚志剛等, 2010)、博格達天山(Tang et al., 2015)、吉爾吉斯斯坦天山(De Grave et al., 2007, 2013; Buslov et al., 2008; Glorie and De Grave, 2016)和吐哈盆地(Zhu et al., 2005)等。同時沿烏庫公路剖面, 也有早白堊世構造抬升的報道(馬前等, 2006)。

西天山地區磷灰石裂變徑跡年齡分布廣泛, 晚古生代、中生代和新生代均有記錄, 反映冷卻隆升最早開始于三疊紀中期, 其后在早白堊世(140～100 Ma)、晚漸新世?早中新世(35～20 Ma)和晚中新世(12～9 Ma)也有快速冷卻隆升過程的記錄(孫岳等, 2016; Yin et al., 2018)。準噶爾盆地南緣西段經歷了晚侏羅世?早白堊世和中新世以來的兩次快速冷卻降溫階段, 且晚侏羅世降溫幅度較小, 中新世以來快速降溫幅度較大; 整個準噶爾盆地南緣裂變徑跡年齡具有一定的規律性, 即自西向東徑跡年齡逐漸增大, 其中瑪納斯河剖面磷灰石裂變徑跡冷卻年齡最年輕, 可能與其局部較高的熱演化程度有關; 裂變徑跡年齡模擬還顯示新生代具有快速隆升歷史(Hendrix et al., 1994; 郭召杰等, 2005, 2006; 張志誠等, 2007)。伊林哈比爾尕山(簡稱伊山)山前磷灰石裂變徑跡測試結果顯示北天山在早白堊世和中新世以來經歷了兩次明顯的隆升事件, 而且東、西兩側抬升也存在明顯的差異, 東側較西側的裂變徑跡年齡年輕, 西側中生代和新生代的兩期隆升時間均早于東側地區(姚志剛等, 2010)。總體來說, 西天山地區在晚古生代末期先開始發生隆升, 至晚侏羅世?早白堊世則出現大范圍的隆升剝露過程(孫岳等, 2016), 且自西向東隆升剝露年齡變新, 但是也有局部的異常現象; 山前的冷卻歷史在新生代表現明顯。

圖6 艾維爾溝及其鄰近地區熱年代學年齡特征

在東天山地區, 吐哈盆地北側的博格達山?阿爾里克山地區磷灰石裂變徑跡年齡記錄早白堊世以來的快速冷卻隆升事件, 隨后又發生多期隆升, 中新世以來發生快速隆升(Tang et al., 2015); 而在吐哈盆地南緣地區僅記錄了早白堊世以來的隆升剝露事件, 新生代以來相對穩定(孫岳等, 2016); 東天山雅滿蘇和哈爾里克山地區快速冷卻隆升時間始于晚白堊世(郭召杰等, 2002; Gillespie et al., 2017)。吐哈盆地內侏羅系和白堊系磷灰石裂變徑跡研究顯示, 侏羅系樣品裂變徑跡年齡皆小于地層沉積年齡, 而白堊系樣品裂變徑跡年齡大于或等于地層沉積年齡, 表明白堊系樣品并未發生完全退火作用。侏羅系樣品熱歷史模擬結果顯示, 早白堊世晚期(120～100 Ma),吐哈盆地發生構造抬升, 地層快速冷卻剝露, 新生代發生二次埋藏加熱, 至10～8 Ma又再次剝露(Zhu et al., 2005)。與吐哈盆地內部不同的是, 艾維爾溝地區早白堊世晚期(120～100 Ma)溫度迅速降低到部分退火帶之外后, 并沒有發生再次埋藏加熱。這可能與艾維爾溝地區處在吐哈盆地邊緣, 早白堊世隆升剝蝕后, 與吐哈盆地分割成兩個不同構造單元, 新生代就沒有再次接受沉積埋深。總的來說, 東天山地區及吐哈盆地中生代前期還是準平原化地貌, 自白堊紀時期開始陸續發生隆升過程(孫岳等, 2016); 白堊紀初期, 吐哈盆地北側的博格達山開始隆起, 但隆升幅度較小; 晚白堊世, 南側覺羅塔格山開始發生隆升, 并產生盆山格局; 中新世以來, 博格達山發生快速隆升過程, 吐哈盆地北側發生再次沉降, 而南側及覺羅塔格山則繼續保持中生代以來的低山丘陵地貌特征(高洪雷等, 2014)。艾維爾溝地區早白堊世開始發生迅速隆升, 此后處于隆升平靜期。

4.4 地質意義

早中侏羅世, 天山地區地形起伏低、盆地沉積范圍大、廣泛發育湖盆沉積為特征, 以濕潤性氣候為主(Morin et al., 2018, 2019)。后峽地區與現今的準噶爾盆地南緣是同一沉積體系(郭召杰等, 2005);艾維爾溝侏羅紀盆地在伸展坳陷構造背景下形成, 并且在侏羅紀位于準噶爾盆地邊緣, 發育了巨厚沉積地層和富有機質地層(孫永娟, 2007; 劉冬冬等, 2013), 該時期是煤系地層沉積的關鍵時期, 同時也是煤的熱變質時期, 較高的鏡質體反射率表明煤系地層不止經歷了埋藏增溫作用, 同時還受熱液侵入的影響。晚侏羅世?早白堊世時期, 氣候由濕潤轉換為干旱(Morin et al., 2018), 天山局部地區發生了差異性隆升, 如: 東部的博格達山(Tang et al., 2015), 西部的吉爾吉斯斯坦天山(Grave et al., 2007, 2013; Buslov et al., 2008; De Glorie and De Grave, 2016)和過渡區域的艾維爾溝地區。艾維爾溝地區早白堊世(約130～100 Ma)快速隆升事件促使盆地南側斷層的發育和活動, 該過程使得已有地層發生傾斜, 地層變形嚴重, 標志著該時期天山為擠壓構造體系。相對其他地區(北天山山前地區), 艾維爾溝地區新生代的冷卻降溫幅度明顯低于早白堊世時期。總而言之, 艾維爾溝地區晚侏羅世?早白堊世和新生代的剝露隆升共同形成現今的地貌特征。

盆地的構造演化受控于構造活動和氣候變化(Jolivet et al., 2017), 其中Hendrix et al. (1992)提出的四期地塊的增生作用被廣泛用于解釋天山中新生代的隆升歷史(馬前等, 2006; 姚志剛等, 2010; 高洪雷等, 2014; 孫岳等, 2016), 其中早白堊世是中生代地形地貌構建的關鍵時期。對于中生代盆地早白堊世的隆升剝露事件, 前人更多地認為是由于歐亞板塊南緣的拉薩地塊拼貼在天山地區的構造活化作用產生構造隆升(Hendrix et al., 1992), 而本次研究的艾維爾溝地區晚侏羅世?早白堊世的隆升事件正好對應于早白堊世(140～125 Ma)拉薩地塊的拼貼作用。

5 結 論

(1) 煤層(線)的鏡質體反射率測試結果顯示艾維爾溝地區的o值明顯高于阿克塔西地區, 對應的地層所經歷的最大古地溫可達到150 ℃。相應的磷灰石裂變徑跡年齡集中在79～129 Ma, 記錄了東天山和西天山過渡地區白堊紀的冷卻事件。模擬結果表明, 東天山和西天山過渡區域在早白堊世(130～100 Ma)經歷了一次快速隆升剝蝕事件, 之后處于相對穩定期, 新生代的快速冷卻階段僅具有一定的參考價值。

(2) 地層沉積埋藏和斷裂熱液共同作用使艾維爾溝地區顯示出高的鏡質體反射率值。早中侏羅世艾維爾溝與后峽地區之間存在泥盆系古隆起, 早白堊世隆升剝露過程使之分割開來。

(3)相比于西天山, 艾維爾溝地區和東天山早白堊世隆升幅度大, 使得天山東部發生強烈的構造運動, 而新生代艾維爾溝地區及東部盆地相對穩定, 因此早白堊世是東天山構造地貌形成的關鍵時期。早白堊世艾維爾溝地區的隆升剝露事件, 主要是由于早白堊世(140～125 Ma)拉薩地塊的拼貼產生的內動力構造隆升作用結果。

致謝:成文過程中, 中國地質科學院李建峰師兄、中國石油大學(北京)張家堂同學給予的幫助; 成文后, 中國地質大學(北京)袁萬明教授、中國地質科學院地質力學研究所陳正樂研究員兩位審稿人提出的建設性修改建議, 在此一并致以由衷的感謝。

陳正樂, 李麗, 劉健, 宮紅良, 蔣榮寶, 李勝祥, 鄭恩玖, 韓效忠, 李細根, 王成, 王國榮, 王果, 魯克改. 2008. 西天山隆升?剝露過程初步研究. 巖石學報, 24(4): 625–636.

方世虎, 郭召杰, 宋巖, 吳朝東, 張志誠, 王美娜, 范瑞東. 2005. 準噶爾盆地南緣侏羅紀沉積相演化與盆地格局. 古地理學報, 7(3): 347–356.

高洪雷, 劉紅旭, 何建國, 田明明, 車永飛. 2014. 東天山地區中?新生代隆升?剝露過程: 來自磷灰石裂變徑跡的證據. 地學前緣, 21(1): 249–260.

郭召杰, 吳朝東, 張志誠, 王美娜, 方世虎. 2005. 烏魯木齊后峽地區侏羅系沉積特征、剝露過程及中新生代盆山關系討論. 高校地質學報, 11(4): 558–567.

郭召杰, 張志誠, 廖國輝, 方世虎. 2002. 天山東段隆升過程的裂變徑跡年齡證據及構造意義. 新疆地質, 20(4): 331–334.

郭召杰, 張志誠, 吳朝東, 方世虎, 張銳. 2006. 中、新生代天山隆升過程及其與準噶爾、阿爾泰山比較研究. 地質學報, 80(1): 1–15.

黃文輝, 唐書恒, 唐修義, 陳萍, 趙志根, 萬歡, 敖衛華, 肖秀玲, 柳佳期, Finkelman B. 2010. 西北地區侏羅紀煤的煤巖學特征. 煤田地質與勘探, 38(4): 1–6.

薦軍. 2001. 吐魯番?哈密盆地盆地分析. 西安: 長安大學博士學位論文: 20–24.

李建鋒, 湯文豪, 劉釗, 張志誠. 2010. 北京千家店地區侏羅系后城組磷灰石裂變徑跡分析及其地質意義. 地球物理學報, 53(12): 2907–2917.

李錦軼, 王克卓, 李亞萍, 孫桂華, 褚春華, 李麗群, 朱志新. 2006. 天山山脈地貌特征、地殼組成與地質演化. 地質通報, 25(8): 896–909.

劉冬冬, 郭召杰, 張子亞. 2013. 一個不整合面引發的構造故事——從天山艾維爾溝不整合談起. 大地構造與成礦學, 37(3): 349–366.

呂紅華, 常遠, 王瑋, 周祖翼. 2013. 天山中新世早期快速剝露: 磷灰石裂變徑跡與(U-Th)/He低溫熱年代學證據. 中國科學: 地球科學, 43(12): 1964–1974.

馬前, 舒良樹, 朱文斌. 2006. 天山烏?庫公路剖面中、新生代埋藏、隆升及剝露史研究. 新疆地質, 24(2): 99–104.

邱楠生, 楊海波, 王緒龍. 2002. 準噶爾盆地構造?熱演化特征. 地質科學, 37(4): 423–429.

蘇春乾, 孫永娟, 楊興科, 許安東. 2006a. 天山后峽?艾維爾溝地區晚古生代?中生代地層系統中若干不整合關系的厘定及其地質意義. 地質通報, 25(8): 977–985.

蘇春乾, 楊興科, 崔建軍, 劉繼慶. 2006b. 西天山東段天格爾峰?艾維爾溝一帶泥盆?二疊紀地層的厘定及地質意義. 中國地質, 33(3): 516–528.

孫永娟. 2007. 新疆艾維爾溝侏羅紀盆地的沉積學分析及與準噶爾侏羅紀盆地演化的對比. 西安: 長安大學博士學位論文: 9–37.

孫岳, 陳正樂, 王永, 韓鳳彬, 吳玉, 孟令通, 張昊. 2016. 天山山脈中新生代差異隆升及其機制探討. 大地構造與成礦學, 40(2): 335–343.

肖賢明, 劉德漢, 傅家漠. 1991. 烴源巖顯微組分成烴作用的動態分析. 科學通報, (16): 1241–1244.

楊起, 吳沖龍, 湯達禎, 康西棟, 劉大猛. 1996. 中國煤變質作用. 地球科學, 21(3): 311–319.

姚志剛, 周立發, 高璞, 高珊, 佘剛. 2010. 北天山中、新生代隆升和剝蝕史研究. 中國礦業大學學報, 39(1): 121–126.

張慧, 李小彥, 汪程生. 1993. 新疆艾維爾溝煤變質作用研究. 新疆地質, 11(3): 238–245.

張志誠, 郭召杰, 吳朝東, 方世虎. 2007. 天山北緣侏羅系地層熱歷史演化及其地質意義: 磷灰石裂變徑跡和鏡質體反射率證據. 巖石學報, 23(7): 1683–1695.

張志誠, 王雪松. 2004. 裂變徑跡定年資料應用中的問題及其地質意義. 北京大學學報(自然科學版), 40(6): 898–905.

趙俊峰, 劉池洋, 王曉梅. 2004. 鏡質體反射率測定結果的影響因素. 煤田地質與勘探, 32(6): 15–18.

朱文斌, 張志勇, 舒良樹, 萬景林, 盧華復, 王勝利, 楊偉, 蘇金寶. 2007. 塔里木北緣前寒武基底隆升剝露史: 來自磷灰石裂變徑跡的證據. 巖石學報, 23(7): 1671–1682.

Barker C E and Pawlewicz M J. 1986. The correlation of vitrinite reflectance with maximum temperature in humic organic matter., 5: 291–329.

Bullen M E, Burbank D W, Garver J I and Abdrakhmatov K Y. 2001. Late Cenozoic tectonic evolution of the northwestern Tien Shan: New age estimates for the initiation of mountain building., 113(12): 1544–1559.

Buslov M M, Kokh D A and Grave J D. 2008. Mesozoic- Cenozoic tectonics and geodynamics of Altai, Tien Shan, and Northern Kazakhstan, from apatite fission-track data., 49(9): 648–654.

De Grave J, Buslov M M and Van den Haute P. 2007. Distant effects of India-Eurasia convergence and Mesozoic intracontinental deformation in Central Asia: Constraints from apatite fission-track thermochronology., 29(2): 188–204.

De Grave J, Glorie S, Buslov M M, Stockli D F, McWilliams M O, Batalev V Y and Van den Haute P. 2013. Thermo- tectonic history of the Issyk-Kul basement (Kyrgyz northern Tien Shan, Central Asia)., 23(3): 998–1020.

Gallagher K. 2003. Fission track analysis and its application to geological problems., 26(1): 519–572.

Gillespie J, Glorie S, Jepson G, Zhang Z Y, Xiao W J, Dani?ík M and Collins A S. 2017. Differential exhumation and crustal tilting in the easternmost Tianshan (Xinjiang, China), revealed by low-temperature thermochronology., 36: 2142–2158.

Gleadow A J W, Duddy I R, Green P F and Lovering J F. 1986. Confined fission track lengths in apatite: A diagnostictool for thermal history analysis., 94(4): 405–415.

Glorie S and De Grave J. 2016. Exhuming the Meso-Cenozoic Kyrgyz Tianshan and Siberian Altai-Sayan: A review based on low-temperature thermochronology., 7(2): 155–170.

Han B F, He G Q, Wang X C and Guo Z J. 2011. Late Carboniferous collision between the Tarim and Kazakhstan- Yili terranes in the western segment of the South Tian Shan Orogen, Central Asia, and implications for the Northern Xinjiang, western China., 109(3): 74–93.

Hendrix M S, Dumitru T A and Graham S A. 1994. Late Oligocene-early Miocene unroofing in the Chinese Tian Shan: An early effect of the India-Asia collision., 22(6): 487–490.

Hendrix M S, Graham S A, Carroll A R, Sobel E R, Mcknight C L, Schulein B J and Wang Z X. 1992. Sedimentary record and climatic implications of recurrent deformation in the Tian Shan: Evidence from Mesozoic strata of the north Tarim, south Junggar, and Turpan basins, northwest China., 104(1): 53–79.

Hurford A J and Green P F. 1977. The zeta age calibration of fission-track dating., 1(1): 41–48.

Ji H J, Tao H F, Wang Q, Qiu Z, Ma D X, Qiu J L and Liao P. 2018. Early to Middle Jurassic tectonic evolution of the Bogda Mountains, Northwest China: Evidence from sedimentology and detrital zircon geochronology., 153: 57–74.

Jolivet M, Bourquin S, Heilbronn G, Robin C, Barrier L, Dabard M P, Jia Y Y, De Pelsmaeker E and Fu B H. 2017. The Upper Jurassic-Lower Cretaceous alluvial-fandeposits of the Kalaza Formation (Central Asia): Tectonic pulse or increased aridity? // Brunet M F, Sobel E R and McCann T. Geological Evolution of Central Asian Basins and the Western Tien Shan Range.,,, 427: 491–521.

Jolivet M, Dominguez S, Charreau J, Chen Y, Li Y G and Wang Q C. 2010. Mesozoic and Cenozoic tectonic history of the central Chinese Tian Shan: Reactivated tectonic structures and active deformation., 29(6), TC6019, https: //doi.org/10.1029/2010TC002712.

Ketcham R A, Carter A, Donelick R A, Barbarand J and Hurford A J. 2007. Improved measurement of fission- track annealing in apatite using-axis projection., 92(5–6): 789–798.

Ketcham R A, Donelick R A, Balestrieri M L and Zattin M. 2009. Reproducibility of apatite fission-track length data and thermal history reconstruction., 284(3): 504–515.

McDowell F W, McIntosh W C and Farley K A. 2005. A precise40Ar/39Ar reference age for the Durango apatite (U-Th)/He and fission-track dating standard., 214(3): 249–263.

Morin J, Jolivet M, Barrier L, Laborde A, Li H B and Dauteuil O. 2019. Planation surfaces of the Tian Shan Range (Central Asia): Insight on several 100 million years of topographic evolution., 177: 52–65.

Morin J, Jolivet M, Robin C, Heilbronn G, Barrier L, Bourquin S and Jia Y Y. 2018. Jurassic paleogeography of the Tian Shan: An evolution driven by far-field tectonics and climate., 187: 286–313.

Naeser C W and Cebula G T. 1982. Re-collection of fish canyon tuff for fission-track standardization., 10(3): 393–393.

Simonov V A, Mikolaichuk A V, Safonova I Y, Kotlyarov A V and Kovyazin S V. 2015. Late Paleozoic-Cenozoic intra-plate continental basaltic magmatism of the Tienshan- Junggar region in the SW Central Asian Orogenic Belt., 27(4): 1646–1666.

Tang W H, Zhang Z C, Li J F, Li K, Chen Y and Guo Z J. 2014. Late Paleozoic to Jurassic tectonic evolution of the Bogda area (northwest China): Evidence from detrital zircon U-Pb geochronology., 626(1): 144–156.

Tang W H, Zhang Z C, Li J F, Li K, Luo Z W and Chen Y. 2015. Mesozoic and Cenozoic uplift and exhumation of the Bogda Mountain, NW China: Evidence from apatite fission track analysis., 6(4): 617– 625.

Wang Q C, Li S J and Du Z L. 2009. Differential uplift of the Chinese Tianshan since the Cretaceous: Constraints from sedimentary petrography and apatite fission-track dating., 98(6): 1341–1363.

Yang W, Jolivet M, Dupont-Nivet G, Guo Z J, Zhang Z C and Wu C D. 2013. Source to sink relations between the Tian Shan and Junggar Basin (Northwest China) from late Palaeozoic to Quaternary: Evidence from detrital U-Pb zircon geochronology., 25(2): 219–240.

Yin J Y, Chen W, Hodges K V, Xiao W J, Keda C, Yuan C, Sun M, Liu L P and Soest M C. 2018. The thermal evolution of Chinese central Tianshan and its implications: Insights from multi-method chronometry., 722: 536–548.

Yin J Y, Chen W, Xiao W J, Zhang B and Cai K D. 2015. Multi-method chronometric constraints on the thermal evolution of the central Tianshan, NW China.(), 89(6): 2092–2093.

Zhu W B, Wan J L, Shu L S, Sun Y, Guo J C and Wang F. 2005. Mesozoic-Cenozoic thermal history of Turpan- Hami Basin: Apatite fission track constraints., 15(4): 331–336.

Thermal History of the Jurassic Strata in the Ewirgol Area and its Geological Significance

ZHANG Huaihui1, ZHANG Zhicheng1, TANG Wenhao2and TANG Jianzhou1

(1. MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Information Center of the Ministry of Natural Resources, Beijing 100812, China)

The uplift and denudation history of the transitional region between the eastern and western Tianshan is critical for the understanding of the tectonic framework of the Mesozoic-Cenozoic Tianshan and its adjacent areas as well as the regional tectonic evolution. The vitrinite reflectance was analyzed for the coal seam (line) in the Ewirgol area, and apatite fission track analysis was performed on the sandstone roof or floor of the coal seam. The results show that the vitrinite reflectance values of the Jurassic coal seam vary mainly in the range of 0.79% to 1.19%, and the corresponding apatite fission track ages are 79 Ma to 129 Ma. Thermal history simulation shows that the Jurassic strata reached the maximum burial depth in the early Cretaceous (130–100 Ma), followed by a rapid cooling process, and then were in a relatively stable period. Due to stratigraphic sedimentation, burial and hydrothermal events, the vitrinite reflectance in the Ewirgol area is significantly higher than that in the Aketaxi area. Compared with the western Tianshan, the Ewirgol area and the eastern Tianshan experienced stronger uplift in the Early Cretaceous related to the stronger tectonic movement in the eastern Tianshan. So, the Early Cretaceous was an important period for the formation of the tectonic landform.

Ewirgol; fission track; vitrinite reflectance; thermal history; uplift exhumation

2019-09-15;

2019-11-15

國家自然科學基金項目(41872202)資助。

張懷惠(1996–), 女, 博士研究生, 構造地質學專業。Email: 1801110615@pku.edu.cn

張志誠(1963–), 男, 博士, 教授, 博士生導師, 從事構造地質學和熱年代學研究。Email: zczhang@pku.edu.cn

P542

A

1001-1552(2021)03-0431-013

10.16539/j.ddgzyckx.2021.03.001