天山山脈中新生代差異隆升及其機(jī)制探討

孫 岳, 陳正樂, 王 永, 韓鳳彬, 吳 玉, 孟令通, 張 昊

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天山山脈中新生代差異隆升及其機(jī)制探討

孫 岳1, 2, 3, 陳正樂1, 2, 王 永2, 韓鳳彬2, 吳 玉2, 孟令通2, 張 昊3

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 江西 南昌 330013; 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083)

為了揭示長(zhǎng)約2500 km的天山山脈中新生代隆升特征, 本文系統(tǒng)梳理分析了已發(fā)表的磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)和本次野外采樣測(cè)得磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)約 460個(gè), 巖性以花崗巖和砂巖為主。結(jié)果顯示整個(gè)天山山脈隆升具有明顯的時(shí)空差異性。白堊紀(jì)以前記錄的徑跡數(shù)據(jù)約占 14%, 白堊紀(jì)以來的數(shù)據(jù)約占 86%, 晚古生代末天山已有徑跡年齡記錄, 到晚侏羅世天山部分地區(qū)發(fā)生隆升, 整體隆升不明顯, 早白堊世以來整個(gè)天山普遍隆升, 且存在多期隆升事件, 但隆升剝蝕速率存在明顯差異。南北方向上, 自南向北徑跡年齡有減小的趨勢(shì), 揭示山脈隆升自南天山向北天山擴(kuò)展; 東西方向上,西天山隆升時(shí)限較東天山隆升早, 但白堊紀(jì)以來東、西天山均有隆升記錄。天山山脈差異性隆升是不同陸塊對(duì)亞洲板塊南緣碰撞增生作用的共同結(jié)果, 其內(nèi)部塊體的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性質(zhì)是差異隆升的基礎(chǔ)和前提。

天山山脈; 差異隆升; 裂變徑跡; 中新生代

天山山脈地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 成礦條件優(yōu)越, 是斑巖銅–金礦、黑色巖系金礦、火山巖型鐵礦的礦集區(qū)帶, 山脈的隆升剝露對(duì)早期形成的礦產(chǎn)具有揭示和剝蝕作用(陳正樂等, 2012; 朱志新等, 2013), 同樣約束盆地油氣的形成和演化。研究天山山脈中新生代構(gòu)造隆升與剝露過程, 對(duì)理解陸內(nèi)造山帶的構(gòu)造變形過程與機(jī)理具有重要意義(張培震等, 1996; 杜治利和王清晨, 2007; 呂紅華等, 2013), 對(duì)探討區(qū)內(nèi)金屬礦產(chǎn)揭頂過程和保存條件進(jìn)而指示區(qū)域找礦方向及盆地油氣勘探工作具有實(shí)用價(jià)值。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)的研究可以揭示山脈的隆升剝露歷史, 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用裂變徑跡年代學(xué)方法對(duì)天山北緣(張志誠(chéng)等, 2007)、南天山南緣(楊樹鋒等, 2003)、依連哈比爾尕山(沈傳波等, 2008; 姚志剛等, 2010)、博格達(dá)山(朱文斌等, 2006; Shen et al., 2006; 王宗秀等, 2008)、吐哈盆地周緣(Zhu et al., 2005; Yuan et al., 2007; Zhu et al., 2008; 高洪雷等, 2014)、準(zhǔn)噶爾南緣(李麗等, 2008; 曹金舟, 2009)、塔里木北緣(Sobel and Dumitru, 1997; Sobel et al., 2006; 朱文斌等, 2007; 張志勇等, 2008; 劉紅旭等, 2009; Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2011; Yang et al., 2014)、伊犁盆地南緣(韓效忠等, 2008)、庫車盆地(楊庚和錢祥麟, 1995)、烏庫公路(馬前等, 2006)、獨(dú)子山–庫車公路(王彥斌等, 2001; 郭召杰等, 2006; Jolivet et al., 2010)、巴倫臺(tái)(呂紅華等, 2013)及境外(Dobretsov et al., 1996; Bullen et al., 2001, 2003; Buslov et al., 2006; De Grave et al., 2007)等地進(jìn)行了隆升剝露的研究,此外還有學(xué)者(Dumitru et al., 2001; 陳正樂等, 2006,2008; 杜治利和王清晨, 2007; Wang et al., 2009)探討了中新生代天山大范圍地區(qū)的隆升剝露歷史。但前人的研究主要針對(duì)天山某一部位的采樣來研究該區(qū)的隆升剝露及構(gòu)造演化特征, 缺乏系統(tǒng)性的分析整個(gè)天山山脈隆升剝露的時(shí)空差異特征。本文收集和梳理了前人已發(fā)表的磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)以及本次在阿吾勒拉山、巴音布魯克等地采集的花崗巖和砂巖樣品, 探討了中新生代整個(gè)天山山脈隆升剝露的時(shí)空差異性及其隆升機(jī)制。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

天山山脈是亞洲中部一條重要的板內(nèi)造山帶,長(zhǎng)約2500 km, 寬150～300 km, 呈東西走向, 位于準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地之間, 向西延入哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦境內(nèi)(圖1)。天山山脈由元古代到新生代以來的各類變質(zhì)巖、火成巖和海、陸相沉積巖構(gòu)成(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1993), 出露的地質(zhì)體主體為古生代形成的海相火山沉積巖系, 其內(nèi)為各種侵入巖和變質(zhì)巖, 山脈的山間盆地及山前盆地主要分布中生代以來的陸相沉積巖系(李錦軼等, 2006; 陳正樂等, 2012)。區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列近東西向的走滑斷層、逆沖斷層和山間盆地, 如那拉提南緣–庫米什斷裂、塔里木北緣逆沖斷裂及伊犁盆地、伊塞克湖盆地、吐哈盆地等。

晚古生代隨著古天山–準(zhǔn)噶爾洋、南天山弧后盆地相繼閉合, 塔里木古板塊和哈薩克斯坦古板塊碰撞, 天山縫合帶開始形成并進(jìn)入板內(nèi)演化階段(吳世敏等, 1995; 舒良樹等, 2004; 朱志新等, 2013; Yang et al., 2014)。中新生代期間, 天山山脈經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和隆升過程, 晚新生代以來, 天山山脈的構(gòu)造變形表現(xiàn)為持續(xù)南北向擠壓和縮短, 且縮短量從南向北、從西向東逐步減少(Yin et al., 1998; Chen et al., 1999; 鄧起東等, 2000; 牛之俊等, 2007), GPS監(jiān)測(cè)亦顯示現(xiàn)今天山山脈南北向縮短抬升的特征(王曉強(qiáng)等, 2005; Lei et al., 2013)。為了方便討論天山山脈的隆升特征, 以博羅科努斷裂–阿其克庫都克斷裂和哈爾克山–包爾圖斷裂為界將整個(gè)天山地區(qū)分為北天山、中天山和南天山; 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(圖1)。

2 天山山脈隆升時(shí)間特征

自 20世紀(jì) 90年代以來, 裂變徑跡熱年代學(xué)方法廣泛應(yīng)用于境內(nèi)外天山山脈隆升剝露的研究。本文全面收集整理了前人發(fā)表的磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù),并測(cè)試了西天山阿吾拉勒山等地 31個(gè)樣品(另文報(bào)道), 總共約460個(gè)年齡數(shù)據(jù)(圖1), 樣品巖性以花崗巖為主, 約310個(gè), 部分為砂巖, 約130個(gè), 另有少量火山巖和片巖, 測(cè)試礦物均為磷灰石。結(jié)果顯示天山山脈在二疊紀(jì)有徑跡年齡記錄, 出現(xiàn)初始隆升,在三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)隆升較為普遍, 自白堊紀(jì)以來整個(gè)天山處于相對(duì)活躍的隆升階段, 三個(gè)階段的隆升呈階梯式的特點(diǎn)(圖2)。

2.1 晚古生代末期隆升

磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)記錄最早的時(shí)間是二疊紀(jì),一是花崗巖樣品, 位于獨(dú)庫公路中段旁側(cè), 徑跡年齡為275.4±7.9 Ma(Dumitru et al., 2001), 記錄巖體隆升時(shí)間; 一是頭屯河地區(qū)侏羅系砂巖樣品, 年齡為 253.7±16.5 Ma(郭召杰等, 2006), 記錄了源區(qū)冷卻年齡, 后期埋深較淺, 沒有經(jīng)歷完全退火。這兩個(gè)數(shù)據(jù)大致在同一緯度, 經(jīng)度相差約 3°, 說明在晚古生代天山山脈不同部位已經(jīng)存在隆升剝露的記錄。前人(李錦軼等, 2006; 左國(guó)朝等, 2008; 朱志新等, 2013)根據(jù)巖體時(shí)代和構(gòu)造變形時(shí)代證據(jù)揭示天山古生代洋盆在晚石炭世關(guān)閉, 在二疊紀(jì)開始進(jìn)入造山演化階段。磷灰石徑跡年齡也記錄了該時(shí)段天山地區(qū)進(jìn)入陸內(nèi)演化并開始發(fā)生隆升剝露。

2.2 三疊紀(jì)–侏羅紀(jì)隆升

已整理的三疊紀(jì)–侏羅紀(jì)磷灰石裂變徑跡年齡數(shù)據(jù)有52個(gè), 在花崗巖和砂巖樣品中均有記錄。花崗巖樣品主要分布在伊塞克湖盆地北緣(160～130 Ma, De Grave et al., 2007)、昭蘇(158～157 Ma, 陳正樂等, 2006)、庫魯克塔格(146 Ma, 朱文斌等, 2007; 140～ 135 Ma, Yuan et al., 2007)、獨(dú)庫公路沿線(245～135 Ma, Dumitru et al., 2001; 郭召杰等, 2006; 張志誠(chéng)等, 2007)、烏拉斯臺(tái)(143 Ma, 郭召杰等, 2006)、阿克蘇(240～168 Ma, Dumitru et al., 2001)及庫車(197 Ma, Dumitru et al., 2001)。砂巖樣品主要分布在獨(dú)庫公路(178～140 Ma, 郭召杰等, 2006; 張志誠(chéng)等, 2007)、頭屯河(169～151 Ma, 郭召杰等, 2006)、柯坪塔格(164 Ma、155 Ma, Sobel et al., 2006)、木茲杜克(170 Ma、135 Ma)、喀什盆地邊緣逆沖斷層(216～135 Ma)、瑪拉斯河(187 Ma, Hendrix et al., 1994)和吐魯番盆地(190 Ma, Zhu et al., 2005)。

該時(shí)段在天山山脈不同部位均出現(xiàn)隆升和源區(qū)剝露的徑跡年齡記錄, 年齡集中在侏羅紀(jì), 說明整個(gè)天山已處在隆升剝露階段。磷灰石裂變徑跡年齡記錄應(yīng)證了自侏羅紀(jì)開始, 天山造山帶的演化主要表現(xiàn)為陸內(nèi)褶皺–沖斷隆升活動(dòng)及山體的剝露和山間盆地沉積。關(guān)于該階段的隆升剝露速率, 韓效忠等(2008)根據(jù)徑跡數(shù)據(jù)估算伊犁盆地南緣剝露速率為72～177 m/Ma, 在其他地區(qū)雖然沒有具體估算隆升剝露速率, 但從前人報(bào)道的熱史模擬曲線中可以看出該時(shí)段隆升剝露速率相對(duì)于新生代較為緩慢。

2.3 白堊紀(jì)以來隆升

135 Ma以來記錄的磷灰石裂變徑跡年齡廣泛分布于整個(gè)天山山脈(圖1)。由圖2可知, 白堊紀(jì)以來天山存在115～90 Ma, 75～60 Ma, 50～40 Ma, 30～15 Ma四個(gè)相對(duì)快速隆升時(shí)段, 其中漸新世–中新世的隆升最為明顯。準(zhǔn)噶爾盆地南緣烏蘇附近及巴音布魯克盆地在早白堊世存在隆升剝露, 中新世以來發(fā)生快速隆升; 玉希莫勒蓋達(dá)坂地區(qū)與盆地南緣、冰達(dá)坂南烏拉斯臺(tái)及烏魯木齊以西的頭屯河地區(qū)晚漸新世–中新世(25 Ma左右)發(fā)生快速隆升(郭召杰等, 2006)。學(xué)者研究認(rèn)為依連哈比爾尕山在白堊紀(jì)以來存在多期隆升事件: 沈傳波等(2008)認(rèn)為有5次隆升, 最大隆升發(fā)生在中新世, 速率為306.1 m/Ma; 曹金舟(2009)認(rèn)為晚白堊世、古新世及中新世發(fā)生快速隆升, 最快隆升速率為127 m/Ma; 姚志剛等(2010)認(rèn)為至少經(jīng)歷了早白堊世和中新世以來 2次明顯的隆升事件。雖然初始隆升時(shí)間及隆升速率不同, 但是白堊紀(jì)以來依連哈比爾尕山存在多次隆升, 特別是中新世的快速隆升。博格達(dá)–巴里坤山鏈在新生代隆升有3個(gè)明顯階段(47～42 Ma, 30～20 Ma和19～5.6 Ma), 且隆升由西向東遷移(王宗秀等, 2008)。博格達(dá)山東段和哈爾里克地區(qū)自白堊紀(jì)以來經(jīng)歷了多期隆升事件, 晚白堊世–早新生代中期隆升平均速率為183 m/Ma(朱文斌等, 2006)。吐哈盆地南緣阿齊山–雅滿蘇一帶在晚白堊世–始新世間發(fā)生強(qiáng)烈的隆升剝蝕事件, 最大剝蝕速率達(dá)270～580 m/Ma, 而20～12 Ma以來, 隆升相對(duì)緩慢, 剝蝕速率約 23～50 m/Ma(劉紅旭等, 2014), 與該區(qū)普遍缺少白堊系相吻合。盆地南緣覺羅塔格地區(qū)自晚白堊世以來的平均剝蝕速率為39 m/Ma(Zhu et al., 2008), 與雅滿蘇地區(qū)晚白堊世以來平均隆升速率(43.1 m/Ma)(高洪雷等, 2014)相近, 揭示吐哈盆地南緣地區(qū)在始新世(50 Ma)以后構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定, 未發(fā)生顯著隆升剝蝕過程。

天山西部吉爾吉斯斯坦段楚河盆地以南在中新世發(fā)生快速隆升, 速率為 400 m/Ma(Bullen et al., 2001); 伊犁盆地南緣在白堊紀(jì)–古近紀(jì)經(jīng)歷快速隆升(韓效忠等, 2008); 烏魯木齊–庫爾勒段晚白堊世隆升速率為126 m/Ma, 中新世發(fā)生快速隆升, 速率為306 m/Ma, 巴倫臺(tái)地區(qū)中新世發(fā)生快速隆升, 隆升速率可能>200 m/Ma(馬前等, 2006); 獨(dú)山子–庫車公路一帶在白堊紀(jì)和中新世存在隆升作用(王彥斌等, 2001); 南天山庫車和陽霞斷裂在中新世有一次構(gòu)造隆升, 速率為139～199 m/Ma(楊樹鋒等, 2003)。塔里木盆地北部薩瓦甫齊及塔里克地區(qū)記錄了晚白堊世–始新世末(73～38 Ma)、漸新世–中新世(30～9 Ma)和中新世末(9～4 Ma)3個(gè)階段式隆升階段(劉紅旭等, 2009); 庫魯克塔格地區(qū)存在晚白堊世早期和新生代晚期的隆升, 中新世隆升速率在200～260 m/Ma之間(朱文斌等, 2007)。庫車坳陷庫車河剖面及庫車盆地在白堊紀(jì)以來存在3次隆升剝蝕事件, 晚白堊世剝蝕速率約40～50 m/Ma, 30 Ma以來剝蝕速率為70 m/Ma(賈承造等, 2003; 杜治利等, 2007)。

磷灰石裂變徑跡年齡數(shù)據(jù)表明天山山脈普遍經(jīng)歷白堊紀(jì)以來的多次快速隆升過程, 在中新世除吐哈盆地南緣, 山體其他地區(qū)均發(fā)生快速隆升, 但不同地區(qū)快速隆升剝露的速率差距較大, 西天山快速隆升剝蝕的速率普遍比東天山隆升剝蝕較快。通過GPS監(jiān)測(cè)表明天山山脈現(xiàn)今仍在構(gòu)造變形和隆升中(Abdrakhmatov et al., 1996; 牛之俊等, 2007; Lei et al., 2013)。

圖2 磷灰石裂變徑跡年齡直方圖Fig.2 Histogram of the ages of apatite fission track in the western Tianshan

3 天山山脈隆升空間特征

磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)顯示, 天山山脈的隆升具有空間差異性(圖1)。為此, 我們分別從南北方向上和東西方向上對(duì)天山山脈的隆升規(guī)律進(jìn)行探討。

3.1 南北向隆升差異

南天山裂變徑跡數(shù)據(jù)主要分布在塔里木盆地北緣和獨(dú)庫公路南段, 在阿圖什、阿克蘇、庫車和庫魯克塔格均有三疊紀(jì)–侏羅紀(jì)徑跡年齡記錄, 同時(shí)又有白堊紀(jì)以來的隆升事件。中天山裂變徑跡數(shù)據(jù)分布在伊塞克湖盆地周緣和伊犁盆地南緣察汗烏蘇山。吉爾吉斯境內(nèi)伊塞克湖盆地周緣徑跡年齡主要記錄侏羅紀(jì)和中新世的隆升, 徑跡年齡有向東減小趨勢(shì)(Dobretsov et al., 1996; Dumitru et al., 2001; De Grave et al., 2007)。察汗烏蘇山裂變徑跡除昭蘇煤礦南側(cè) 2個(gè)樣品記錄了侏羅紀(jì)年齡外, 其他徑跡年齡均集中在白堊紀(jì)以來, 且年齡的分布具有自南向北擴(kuò)展的趨勢(shì)(陳正樂等, 2006)。北天山裂變徑跡數(shù)據(jù)主要分布于依連哈比爾尕山、博格達(dá)山和哈爾里克地區(qū)及吐哈盆地周緣, 這些地區(qū)在白堊紀(jì)以來存在多期隆升事件, 以新生代隆升為主, 中新世隆升最強(qiáng)烈(Zhu et al., 2005; 朱文斌等, 2006; 沈傳波等, 2008;王宗秀等, 2008; 曹金舟, 2009; 姚志剛等, 2010)。

天山山脈南北方向上總體隆升具有先南后北的趨勢(shì), 且具有階段性持續(xù)隆升剝露特征, 既有侏羅紀(jì)隆升, 又有白堊紀(jì)以來不同時(shí)期的隆升剝露?？赡苁遣煌瑫r(shí)期不同陸塊向亞洲板塊南緣碰撞增生所致, 局部隆升剝露與構(gòu)造抬升有關(guān)。

3.2 東西向隆升差異

西天山吉爾吉斯境內(nèi)、伊犁盆地東南緣、塔里木北緣的薩瓦甫齊、塔里克、庫車及獨(dú)庫公路一線徑跡年齡在晚古生代、三疊紀(jì)–侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)以來均有記錄, 在中新世存在快速隆升。東天山依連哈比爾尕山、博格達(dá)–巴里坤山鏈、塔里木盆地東北緣磷灰石徑跡年齡記錄的隆升事件均發(fā)生在白堊紀(jì)以來, 隨后又發(fā)生多次隆升。在東天山吐哈盆地南緣阿齊山、雅滿蘇地區(qū)除一個(gè)樣品(F11, 花崗巖)徑跡年齡為146 Ma(朱文斌等, 2007), 其余樣品徑跡年齡記錄了晚白堊世的隆升剝露事件, 而在新生代無徑跡年齡記錄, 與盆地北緣新生代存在快速隆升有所差異。由此可見, 東天山地區(qū)徑跡年齡記錄的主要是白堊紀(jì)以來的年齡, 西天山在白堊紀(jì)以前隆升已相對(duì)普遍; 白堊紀(jì)以來, 東、西天山均出現(xiàn)快速隆升剝蝕, 但東天山吐哈盆地南緣在新生代以來相對(duì)穩(wěn)定。

從地貌特征上看, 西天山山脈發(fā)育較寬且整體海拔較高, 東天山山脈較窄海拔偏低; 從地質(zhì)和地球物理特征上看, 西天山發(fā)育較多的蛇綠巖帶, 大面積分布古生代火山巖和沉積層系, 且具有薄巖石圈厚地殼(熊小松等, 2011), 東天山以出露前寒武紀(jì)角閃巖相變質(zhì)巖系為主, 具有厚巖石圈薄地殼。東、西天山的地質(zhì)和地球物理差異及塔里木盆地的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(Chen et al., 1990; Avouac et al., 1993)可能是導(dǎo)致山脈東西差異隆升的主要原因。

4 天山山脈隆升機(jī)制

目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為不同陸塊對(duì)亞洲板塊南緣的碰撞增生作用是影響天山地區(qū)中新生代構(gòu)造變形與隆升的主要原因, 包括晚三疊世(230～200 Ma)羌塘地塊增生作用, 晚侏羅世(140～125 Ma)拉薩地塊增生作用, 晚白堊世(80～70 Ma)科西斯坦–德拉斯島弧的增生作用以及55 Ma以來印度板塊與歐亞板塊的碰撞增生作用, 這些事件成為天山山脈不同時(shí)期隆升的動(dòng)力來源(Hendrix et al., 1992; Dumitru et al., 2001; Bullen et al., 2001; 朱文斌等, 2007; De Grave et al., 2007; 沈傳波等, 2008; 張志勇等, 2008;劉紅旭等, 2009, 2014; 高洪雷等, 2014)。Chen et al. (1990)和Avouac et al. (1993)根據(jù)古地磁研究以及雷顯權(quán)等(2011)利用有限元數(shù)值模擬方法得出新生代以來的天山山脈的構(gòu)造變形和隆升直接動(dòng)力是塔里木塊體的順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 而第四紀(jì)以來山體變形和隆升除塔里木塊體的旋轉(zhuǎn)外, 還有西部帕米爾高原對(duì)天山的強(qiáng)烈推擠作用(張培震等, 1996; 牛之俊等, 2007)。不論是塔里木塊體的旋轉(zhuǎn)或帕米爾高原的推擠, 其根本的動(dòng)力來源應(yīng)是印度板塊向亞洲板塊的碰撞及俯沖。

關(guān)于天山山脈隆升的差異因素, 不同學(xué)者的觀點(diǎn)不盡相同: (1)東西天山差異隆升的原因?yàn)楣派鷷r(shí)期南天山洋盆的自東向西剪刀狀閉合和塔里木板塊的斜向碰撞(郭召杰等, 2002); (2)天山地區(qū)GPS測(cè)量結(jié)果表明西天山的變形強(qiáng)于東天山的主要原因可能是西部帕米爾高原對(duì)天山的直接俯沖推擠作用,而東天山的構(gòu)造活動(dòng)則是塔里木塊體對(duì)其緩慢推擠的結(jié)果(王曉強(qiáng)等, 2005); (3)天山造山帶不同區(qū)域深部特定條件下的差異性活動(dòng)、熱-流變學(xué)性質(zhì)的差異性以及不同構(gòu)造邊界活動(dòng)的差異性(沈傳波等, 2006, 2008); (4)天山造山帶內(nèi)部先存的晚古生代后形成的剛性塊體和早期發(fā)育的大型斷裂帶影響著新生代山脈的差異隆升(陳正樂等, 2009); (5)深地震探測(cè)顯示的西天山薄的巖石圈、厚地殼及東天山相反特征是不同區(qū)段隆升差異的原因(熊小松等, 2011)。從前人研究得出的結(jié)論可知, 影響山體差異隆升的主要因素是外力作用和山體自身結(jié)構(gòu)特征兩個(gè)方面。

作為中亞巨型造山帶的天山山脈, 是多個(gè)(微)古板塊拼合而成, 古板塊之間及縫合處具有不同的構(gòu)造特征和力學(xué)性質(zhì), 決定了天山內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)的不均一性。深地震探測(cè)也顯示天山山脈巖石圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異, 如南天山上地幔頂部的地震高速異常體, 中天山和北天山的低速異常體, 整個(gè)天山的地殼分層結(jié)構(gòu)及層速度和厚度變化大等(盧德源等, 2000; 郭飚等, 2006)?？梢? 天山山脈內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)特征為差異隆升提供了基礎(chǔ)和前提。對(duì)已有的裂變徑跡年齡分析可知, 天山山脈的快速隆升歷史基本對(duì)應(yīng)著不同陸塊對(duì)亞洲板塊南緣的碰撞增生事件,作用在天山的這些外力和造山帶內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征共同導(dǎo)致了造山帶的隆升具有時(shí)空差異性。此外, 構(gòu)造帶對(duì)徑跡年齡也存在影響, 通過對(duì)已有樣品的位置和徑跡年齡分析, 徑跡年齡的相對(duì)大小與樣品位置是否處在構(gòu)造活動(dòng)部位關(guān)系密切, 不同的構(gòu)造部位決定了徑跡年齡的差異: 靠近構(gòu)造帶的樣品徑跡年齡比非構(gòu)造部位相對(duì)偏小, 可能原因是構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的熱量使得徑跡發(fā)生部分退火, 徑跡縮短減少,另一方面也可能是深部的地質(zhì)體在構(gòu)造活躍處快速隆升至磷灰石部分退火區(qū)間或地表。

新生代以來, 天山山脈隆升的主導(dǎo)因素是印度–歐亞板塊俯沖碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng), 在區(qū)域擠壓應(yīng)力作用下, 整個(gè)天山地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)是一種北(南)天山?jīng)_斷層向南(北)傾, 向北(南)逆沖的雙向逆沖縮短過程, 并伴隨著走滑作用和不同程度的差異隆升剝露作用。天山現(xiàn)今的地貌特征表現(xiàn)為山體由多條平行山脈組成, 且南、北緣山脈海拔明顯高于中部山系(圖 1), 表明天山的形成是一種由于擠壓作用, 地殼逆沖疊加增厚的過程, 與陸陸碰撞造山的機(jī)制有所不同。總之, 天山造山帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和不同時(shí)期的地質(zhì)作用共同導(dǎo)致山脈隆升剝露的時(shí)空差異性。

5 結(jié) 論

(1) 天山山脈呈現(xiàn)出二疊紀(jì)、三疊紀(jì)–侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)以來三個(gè)階梯式隆升特點(diǎn), 白堊紀(jì)以來是天山主要的隆升時(shí)期, 不同部位快速隆升剝蝕速率存在明顯差異, 且山體現(xiàn)今仍處在強(qiáng)烈構(gòu)造變形和隆升階段。

(2) 南北方向上, 裂變徑跡年齡顯示山體的隆升剝露具有從南天山向北天山減小趨勢(shì), 南天山徑跡年齡多處在白堊紀(jì)以前, 北天山徑跡年齡普遍在白堊紀(jì)以來; 東西方向上, 西天山地區(qū)隆升相對(duì)早于東天山, 但在白堊紀(jì)以來, 除東天山南緣只有晚白堊世隆升記錄, 東、西天山其他地區(qū)均存在多期快速隆升剝露。

(3) 天山山脈隆升剝露是不同陸塊對(duì)亞洲板塊南緣碰撞增生的共同結(jié)果, 但造山帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征是差異隆升的基礎(chǔ)和前提。

致謝： 非常感謝兩位匿名審稿人對(duì)本文提出的建設(shè)性修改意見, 在此表示感謝。

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SUN Yue1, 2, 3, CHEN Zhengle1, 2, WANG Yong2, HAN Fengbin2, WU Yu2, MENG Lingtong2and ZHANG Hao3
(1. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China; 2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China; 3. School of Earth Science and Resource, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China)

This paper discusses the characteristics of the Meso-Cenozoic uplift and exhumation of the about 2500 km long Tianshan Mountains, on the basis of more than 460 ages of apatite fission track including our own work and those in the literatures. The results show that the uplift and exhumation history of whole Tianshan Mountains is obviously differential both temporally and spatially. About 14% of apatite fission track datas record the uplift before Cretaceous, and 86% for the uplift since Cretaceous. Local uplift of the Tianshan Mountains took place at the end of Late Paleozoic, and more in Late Jurassic, whereas uplift the whole Tianshan Mountains occurred since Early Cretaceous. The periodic uplift and exhumation of the Tianshan Mountain are heterogeneous. The northward decrease of fission track ages reveals a south to north uplifting. The west Tianshan Mountain uplifted earlier than the east Tianshan Mountain, however, Cretaceous and Cenozoic uplifts were recorded in the whole Tianshan Mountains. The differential uplifting of the Tianshan Mountains is likely the result of collisions of continental blocks and the accretion to the southern Asia plate. The internal structural characteristics and mechanical properties of the Tianshan Mountains are causes of differential uplift and exhumation.

Tianshan Mountains; differential uplifting; fission track; Meso-Cenozoic

P597

A

1001-1552(2016)02-0335-009

10.16539/j.ddgzyckx.2016.02.011

2015-03-21; 改回日期: 2015-06-16

項(xiàng)目資助: 國(guó)家自然科學(xué)基金新疆聯(lián)合重點(diǎn)基金(U1403292)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAB0613-4), 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(12120115033801)和公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201411024-3)聯(lián)合資助。

孫岳(1986–), 男, 博士, 講師, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。Email: sy0136@163.com

陳正樂(1967–), 男, 研究員, 博士生導(dǎo)師, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)與礦田構(gòu)造研究。Email: chenzhengle@263.net