阿爾金斷裂帶中中新世以來(lái)構(gòu)造變形的電子自旋共振測(cè)年證據(jù)

李萌等

摘 要： 阿爾金斷裂帶新生代以來(lái)大規(guī)?；顒?dòng)的時(shí)限及規(guī)律一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，但目前仍缺乏可靠的年代學(xué)約束。在野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)阿爾金斷裂帶中的伴生石英脈和石膏采用電子自旋共振（ESR）測(cè)年，并用測(cè)年結(jié)果約束斷裂活動(dòng)起始時(shí)間的下限，最后探討了阿爾金斷裂帶中中新世以來(lái)的構(gòu)造活動(dòng)。結(jié)果表明：阿爾金斷裂帶新生代大規(guī)模構(gòu)造變形始自中中新世（（12.5±1.3）～（15.1±1.5）Ma），之后經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造變形活動(dòng)； 阿爾金主斷裂開(kāi)始大規(guī)模走滑活動(dòng)的時(shí)限至少始于（15.1±1.5）Ma，而阿爾金北緣斷裂擠壓逆沖活動(dòng)的時(shí)限至少始于（14.1± 1.4）Ma；阿爾金斷裂帶的變形活動(dòng)在其主體走滑和北緣逆沖之間存在時(shí)間差，推測(cè)其具有從中心向兩側(cè)漸進(jìn)擴(kuò)展的變形方式；深部的韌性剪切首先引起阿爾金主斷裂的走滑位移，致使附近山體快速抬升，隨后變形擴(kuò)展并引起阿爾金北緣斷裂逆沖活動(dòng)的構(gòu)造響應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 構(gòu)造變形；電子自旋共振測(cè)年；中中新世；起始時(shí)間；流體活動(dòng)；漸進(jìn)擴(kuò)展；阿爾金斷裂帶

中圖分類號(hào)： P542 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： The study on the initial activity time and mechanism of Altyn Tagh fault system since Cenozoic is one of hot topics in the northern Tibet Plateau， but is still lack of a reliable chronological constraint. Based on field investigation， the ages of associated quartz vein and gypsum from Altyn Tagh fault system were measured by electron spin resonance （ESR） dating， and the age was taken as the constraint of the latest fault activity； the structural deformation of Altyn Tagh fault system since Middle Miocene was discussed. The results show that Cenozoic large-scale structural deformation of Altyn Tagh fault system starts in Middle Miocene （（12.5±1.3）-（15.1±1.5）Ma）， followed by multistage activities； time limit of large-scale strike-slip activity for Altyn Tagh main fault at least starts in （15.1±1.5）Ma， but time limit of compression thrust activity for the northern Altyn Tagh fault at least starts in （14.1±1.4）Ma； there is a time difference for the activity between Altyn Tagh main fault and the northern Altyn Tagh fault， suggesting that Altyn Tagh fault system extends progressively from the center to both sides； the deep ductile shear leads to strike-slip movement of Altyn Tagh main fault and rapid uplift of neighbouring mountain， and then the deformation propagation cause the tectonic response of thrust activity of the northern Altyn Tagh fault.

Key words： structural deformation； ESR dating； Middle Miocene； initiation age； fluid activity； deformation propagation； Altyn Tagh fault system

0 引 言

阿爾金山位于青藏高原北部邊緣，是研究青藏高原隆升和演化的熱點(diǎn)地區(qū)之一[1-14]。近幾十年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)阿爾金斷裂帶演化歷史做了大量的研究工作，主要認(rèn)識(shí)集中在阿爾金斷裂的規(guī)模[15-16]、走滑活動(dòng)時(shí)間[17-18]、位移量[19-20]、滑移速率[21-22]以及活動(dòng)方式[23-24]等方面。其中，阿爾金斷裂帶活動(dòng)時(shí)間的確定對(duì)于理解青藏高原構(gòu)造應(yīng)力和變形的擴(kuò)展、調(diào)整及改造至關(guān)重要。許多學(xué)者利用磷灰石裂變徑跡、盆地沉積等方法來(lái)探討阿爾金斷裂新生代以來(lái)的活動(dòng)時(shí)限，可歸納為3類觀點(diǎn)：Yin等認(rèn)為是晚始新世—早漸新世[2，25-26]；Yue等認(rèn)為是中新世[27-29]；萬(wàn)景林等認(rèn)為是上新世以來(lái)[30-31]。盡管阿爾金山隆升和阿爾金斷裂的左旋走滑有不可分割的聯(lián)系，然而將其階段性的隆升冷卻作為阿爾金斷裂活動(dòng)的直接證據(jù)尚有待驗(yàn)證。對(duì)于阿爾金北緣斷裂，雖然Yin等對(duì)其逆沖和走滑特征有所提及[2，24]，但在斷裂活動(dòng)的時(shí)限方面同樣缺乏年代學(xué)的直接約束。

在構(gòu)造變形過(guò)程中，形成斷裂、節(jié)理、裂隙等構(gòu)造，流體活動(dòng)也趨于強(qiáng)烈，形成數(shù)量較多的石英、方解石、石膏等脈體。通過(guò)對(duì)構(gòu)造脈體礦物的電子自旋共振（Electron Spin Resonance，ESR）測(cè)年，可以確定所在區(qū)域中、新生代以來(lái)構(gòu)造活動(dòng)的時(shí)間和期次[32-34]。本文在野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，在阿爾金斷裂帶采集構(gòu)造脈體進(jìn)行ESR測(cè)年，獲取斷裂活動(dòng)可靠的年代學(xué)信息，并結(jié)合前人研究成果探討了阿爾金斷裂帶中中新世以來(lái)的構(gòu)造活動(dòng)。

1 地質(zhì)概況

阿爾金斷裂帶是青藏高原西北部的自然邊界，呈NEE向，分隔了塔里木盆地和柴達(dá)木盆地（圖1），是亞洲內(nèi)部一條重要的走滑斷裂帶[15]。阿爾金斷裂帶主要由阿爾金主斷裂和阿爾金北緣斷裂及兩者夾持的阿爾金地體所組成[23]。

阿爾金主斷裂以巨大的左行走滑為特征，且走滑過(guò)程中伴隨隆升作用的存在，控制了局部山體的隆升。阿爾金北緣斷裂位于阿爾金山北麓，斷面傾向SE，構(gòu)成阿爾金山與塔里木盆地的地貌分界。主斷裂較平直，局部略有起伏，并派生出與之同方向的次級(jí)斷裂。阿爾金北緣斷裂包括江尕勒薩依斷裂、拉配泉斷裂等（圖2、3），主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈的逆沖作用，同時(shí)存在一定的走滑[2]。

在變形時(shí)間上，阿爾金斷裂帶經(jīng)歷了新生代以來(lái)的多期次構(gòu)造隆升和變形。塔東南地區(qū)在中新世發(fā)生強(qiáng)烈的沖斷活動(dòng)（圖2），并在上新世進(jìn)入山前撓曲沉降階段。 盡管無(wú)法確定阿爾金斷裂帶開(kāi)始活動(dòng)的時(shí)間，但可以推斷其大規(guī)模的變形活動(dòng)始于中新世，其中北緣斷裂以擠壓逆沖為主，并擴(kuò)展變形至塔東南地區(qū)。

2 樣品采集與特征

中新世以來(lái)，阿爾金斷裂帶構(gòu)造隆升與斷裂變形活動(dòng)強(qiáng)烈，地下流體活動(dòng)也比較活躍，沿?cái)嗔押凸?jié)理可形成數(shù)量較多的石英、方解石、石膏等脈體。筆者在阿爾金主斷裂和阿爾金北緣斷裂中采集ESR測(cè)年樣品，樣品位置見(jiàn)圖1。

阿爾金斷裂帶西段表現(xiàn)為規(guī)模巨大的NE向線性展布，由數(shù)條平行的走滑斷層組成，斷面陡傾，地表破碎帶寬度達(dá)數(shù)千米。 圖4（a）顯示NE向走滑斷層發(fā)育在震旦系大理巖化地層之中。該斷裂斷面清晰，可見(jiàn)一系列平行且均勻細(xì)密的擦痕[圖4（b）]， 橫向深淺變化不明顯，部分有石英脈充填（樣品MF52-1）。根據(jù)陡坎棱角狀眉峰、根部裂縫、與擦痕斜交的小裂縫等特征將其識(shí)別為反階步，傾向指示該斷裂為左行走滑。

紅柳溝樣品HL11-1和HL16-3均取自阿爾金山北緣東段，巖性分別為石英脈和石膏。中元古界薊縣系綠泥片巖受后期構(gòu)造變形（尤其是拉配泉斷裂新生代以來(lái)）的改造，發(fā)育了韌性—脆韌性剪切帶、脆性斷層和相關(guān)面理等變形構(gòu)造[圖3（a）]。沿構(gòu)造面理常見(jiàn)石英脈、方解石等，與面理一起發(fā)生褶皺，出現(xiàn)細(xì)頸化、透鏡體化等現(xiàn)象。大多數(shù)石英脈（樣品HL11-1）褶皺呈尖棱狀[圖4（c）]，脈寬一般幾厘米至十幾厘米不等。紅柳溝地區(qū)出露早古生代淺肉紅色斑狀花崗巖，受剪切應(yīng)力破裂形成大量“X”形節(jié)理[圖4（d）]，產(chǎn)狀穩(wěn)定延伸較遠(yuǎn)，后期熱液蝕變導(dǎo)致硫化物沿裂隙充填而形成細(xì)脈狀石膏（樣品HL16-3）。

在阿爾金山北緣西段，造山帶阿爾金巖群（Pt1a）片麻巖沿江尕勒薩依斷裂逆沖于侏羅系之上，并使中生代地層產(chǎn)生褶皺和斷裂[圖3（b）]。擠壓褶皺的軸面走向NEE，與斷裂帶近于平行。江尕勒薩依斷裂在山前帶派生多條次級(jí)逆沖斷裂，斷裂帶內(nèi)部分莎里塔什組發(fā)生倒轉(zhuǎn)，反映了該斷裂具有強(qiáng)烈的擠壓性質(zhì)。由山前向盆地，褶皺由緊閉變寬緩，地層傾角變小，說(shuō)明垂直軸向沖斷作用逐漸減弱。在斷層破碎帶及其兩側(cè)，侏羅系砂巖中發(fā)育多組節(jié)理，呈網(wǎng)格狀，并被0.2～0.5 mm寬石英細(xì)脈（樣品AS20-2）充填[圖4（c）、（d）]，為斷裂活動(dòng)時(shí)期熱液充填的產(chǎn)物。

3 測(cè)試結(jié)果

電子自旋共振測(cè)年是德國(guó)科學(xué)家Zeller在1967年提出的根據(jù)樣品所吸收自然輻照劑量來(lái)推導(dǎo)樣品形成年代的測(cè)年方法[32]。石英顆粒的硅氧四面體結(jié)構(gòu)在γ、β、α射線擊打下能形成一些二價(jià)氧空位。由于巖石中存在大量自由電子，一個(gè)氧空位可以捕獲一個(gè)自由電子，產(chǎn)生一個(gè)順磁中心。石英脈年齡越古老，巖石中放射性越強(qiáng)，則順磁中心濃度也越高。根據(jù)已建立的年齡-順磁中心濃度及巖石放射同位素含量的試驗(yàn)關(guān)系，可確定石英脈的結(jié)晶年齡。陳文寄等對(duì)ESR測(cè)年的原理、方法和過(guò)程已進(jìn)行詳細(xì)研究[32-33]。

關(guān)于石膏樣品的處理流程，陳正樂(lè)等已有論述[35-36]，在此不再贅述。石英脈和石膏ESR測(cè)年樣品的測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1、2，各樣品ESR信號(hào)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖5。

4 地質(zhì)意義

野外脈體產(chǎn)狀復(fù)雜，在低角度逆斷層、張節(jié)理和裂隙中皆有發(fā)育，是某一期或多期構(gòu)造活動(dòng)的局部表現(xiàn)，僅從脈體成因方面難以反映阿爾金斷裂帶的總體構(gòu)造變形狀態(tài)，必須結(jié)合區(qū)域地質(zhì)現(xiàn)象綜合分析。

阿爾金主斷裂西段發(fā)育數(shù)條平行展布的走滑斷裂，表現(xiàn)為大規(guī)模的走滑特征。石英脈充填應(yīng)發(fā)生在斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)之后，樣品MF52-1作為斷面擦痕的石英脈充填[圖4（a）]，其年齡（（15.1±1.5）Ma）代表了斷層活動(dòng)的下限時(shí)間（即石英脈的充填時(shí)間），也代表了阿爾金主斷裂在中中新世的走滑活動(dòng)時(shí)間。

拉配泉斷裂樣品HL11-1的地質(zhì)特征表明該地區(qū)至少經(jīng)歷了兩期變形作用：第1期，在局部張性環(huán)境下，原巖層理形成面理、片理等，之后熱液充填形成順層石英脈；第2期，擠壓作用使前期面理等發(fā)生變形改造，石英脈形成褶皺、透鏡化等構(gòu)造。石英脈小褶皺的軸面傾向SE，指示了由SE向NW擠壓的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征[圖4（c）]。樣品HL11-1的ESR年齡為（12.5±1.3）Ma，代表了拉配泉斷裂帶一期擠壓變形的活動(dòng)時(shí)間。

石膏在變形過(guò)程中容易受構(gòu)造變形的影響而溶解，沿?cái)嗔衙婊蛄严读鲃?dòng)，裂隙帶或斷層面上生長(zhǎng)石膏的年齡往往也可以代表構(gòu)造的變形年齡[35]。在壓剪構(gòu)造背景下，斑狀花崗巖出現(xiàn)“X”形剪節(jié)理[圖4（d）]，局部壓力和壓力梯度驟升，驅(qū)動(dòng)含礦熱液向淺部上升。熱液可沿節(jié)理面發(fā)生長(zhǎng)石蝕變（石英-絹云母-綠泥石-黏土礦），較發(fā)育硫化物脈體，其中包括硬石膏、石膏脈等[37-38]。樣品HL16-3的年齡（（0.17±0.02）Ma）記錄了共軛剪節(jié)理活動(dòng)下熱液蝕變成礦的時(shí)間，可以作為拉配泉斷裂帶一期活動(dòng)時(shí)間。

江尕勒薩依樣品AS20-2處于江尕勒薩依逆沖斷裂帶中[圖3（b）、圖4（e）]。斷裂帶強(qiáng)烈活動(dòng)之后形成局部張節(jié)理破裂，隨之被熱液流體侵入充填，因此，該石英脈的形成時(shí)間代表了張節(jié)理或斷裂帶的活動(dòng)時(shí)間。根據(jù)其ESR年齡，江尕勒薩依斷裂在（14.1±1.4）Ma發(fā)生過(guò)一次強(qiáng)烈的逆沖活動(dòng)。

綜合地質(zhì)事實(shí)和測(cè)年數(shù)據(jù)，阿爾金主斷裂主要處于強(qiáng)烈走滑的構(gòu)造環(huán)境，一期中中新世的走滑活動(dòng)發(fā)生在（15.1±1.5）Ma，而阿爾金北緣斷裂則主要處于擠壓逆沖的構(gòu)造環(huán)境，ESR測(cè)年記錄了分別發(fā)生在中中新世（（12.5±1.3）～（14.1±1.4）Ma）和晚更新世（（0.17±0.02）Ma）的兩期構(gòu)造變形活動(dòng)。

5 討 論

新生代以來(lái)，在印度和歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)下，青藏高原北緣的構(gòu)造變形也經(jīng)歷了階段性調(diào)整和改造。其中，阿爾金主斷裂發(fā)生大規(guī)模左行走滑，北緣斷裂則向盆地方向強(qiáng)烈沖斷。根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合前人的ESR測(cè)年報(bào)道可以得知，自中中新世以來(lái)，阿爾金斷裂帶經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造變形活動(dòng)（表1、2）。本文從2個(gè)方面來(lái)探討阿爾金斷裂帶中中新世以來(lái)的構(gòu)造變形。

5.1 大規(guī)模變形的開(kāi)始時(shí)間

盡管有證據(jù)表明阿爾金山自晚始新世―漸新世已開(kāi)始隆升，卻不能將其作為阿爾金斷裂帶活動(dòng)的直接證據(jù)。阿爾金斷裂帶大規(guī)模的變形活動(dòng)始于中新世，且北緣斷裂沖斷變形擴(kuò)展 至塔東南地區(qū)。Yue等根據(jù)巖石圈地幔減薄推測(cè)阿爾金斷裂在13～ 16 Ma發(fā)生過(guò)大規(guī)模走滑運(yùn)動(dòng)[27]。吳磊等根據(jù)阿爾金斷裂左旋走滑相關(guān)的地質(zhì)現(xiàn)象，得出其新生代以來(lái)大規(guī)模走滑始于（15±2）Ma[39]，但同樣缺乏年代學(xué)數(shù)據(jù)的支持。本文利用ESR測(cè)年可以作為約束斷裂活動(dòng)起始時(shí)間的下限，阿爾金主斷裂開(kāi)始大規(guī)模走滑活動(dòng)的時(shí)限至少起始于（15.1±1.5）Ma，而阿爾金北緣斷裂擠壓逆沖活動(dòng)的時(shí)限至少起始于（14.1±1.4）Ma，兩者活動(dòng)較為一致，證明了整個(gè)阿爾金斷裂帶在中中新世發(fā)生過(guò)一期廣泛的構(gòu)造變形活動(dòng)。此外，Yin等也從裂變徑跡[2]、地層沉積[40]等方面報(bào)道了阿爾金山中中新世的構(gòu)造隆升事件，且與這一期大規(guī)模的構(gòu)造變形有較好的吻合性。綜上所述，阿爾金斷裂帶新生代大規(guī)模構(gòu)造變形至少始于（15.1±1.5）Ma，之后經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造變形活動(dòng)（表1、2）。

5.2 擴(kuò)展變形特征

Tapponnier等提出青藏高原具有斜列漸進(jìn)式的擴(kuò)展變形方式[41]。中中新世以來(lái)，伴隨印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)匯聚，構(gòu)造應(yīng)力和變形逐漸傳遞到青藏高原北緣。阿爾金斷裂帶巨大的NE向展布，不僅控制了青藏高原北緣隆升和對(duì)外擴(kuò)展變形的方向，同時(shí)制約了斷裂帶內(nèi)部變形的傳遞方向。阿爾金斷裂帶的變形活動(dòng)在其主體走滑和北緣逆沖之間存在時(shí)間差，阿爾金北緣斷裂的活動(dòng)響應(yīng)明顯滯后于阿爾金主斷裂。阿爾金北緣拉配泉斷裂大規(guī)?；顒?dòng)的時(shí)間（12.5 Ma）滯后于江尕勒薩依斷裂（14.1 Ma），而整體來(lái)看，阿爾金北緣斷裂的活動(dòng)時(shí)限略晚于阿爾金主斷裂（15.1 Ma），阿爾金斷裂帶具有從中心向兩側(cè)漸進(jìn)擴(kuò)展的變形方式。天然地震探測(cè)顯示，阿爾金主斷裂是近直達(dá)巖石圈地幔的深大斷裂，阿爾金北緣斷裂等作為“分支斷裂”在深部與其匯交 [15，23]。在板塊碰撞的構(gòu)造背景下，深部韌性剪切首先引起阿爾金主斷裂的走滑位移，引起附近山體的快速抬升；隨后變形逐步擴(kuò)展到整個(gè)阿爾金斷裂帶，并引起阿爾金北緣斷裂逆沖活動(dòng)的構(gòu)造響應(yīng)。在構(gòu)造隆升方面，阿爾金主斷裂附近抬升較快，阿爾金造山帶中晚新生代呈“正花狀”的構(gòu)造抬升 [30-31]，與構(gòu)造變形的漸進(jìn)擴(kuò)展方式一致。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）電子自旋共振測(cè)年結(jié)果表明，阿爾金斷裂帶新生代以來(lái)的大規(guī)模構(gòu)造變形始自中中新世，之后經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造變形活動(dòng)。其中，阿爾金主斷裂開(kāi)始大規(guī)模走滑活動(dòng)的時(shí)限至少始于（15.1±1.5）Ma，而阿爾金北緣斷裂擠壓逆沖活動(dòng)的時(shí)限至少始于（14.1±1.4）Ma。

（2）在阿爾金斷裂帶“正花狀”深部構(gòu)造背景下，推測(cè)其具有從中心向兩側(cè)漸進(jìn)擴(kuò)展的變形方式：深部韌性剪切首先引起阿爾金主斷裂的走滑位移以及附近山體的快速抬升；隨后變形擴(kuò)展至整個(gè)阿爾金斷裂帶，并引起阿爾金北緣斷裂的逆沖活動(dòng)。

研究過(guò)程中得到李廷棟院士、康玉柱院士、喬德武研究員等的指導(dǎo)和幫助，在此一并致謝。

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