天山艾維爾溝地區(qū)侏羅系熱歷史演化及其地質(zhì)意義

張懷惠, 張志誠, 湯文豪, 唐建洲

天山艾維爾溝地區(qū)侏羅系熱歷史演化及其地質(zhì)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(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)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(qū)域艾維爾溝地區(qū)的隆升剝露歷史對于分析中新生代天山及其鄰區(qū)的構(gòu)造格局以及區(qū)域構(gòu)造演化歷史具有重要意義。本次研究通過對研究區(qū)出露的煤層(線)進行了鏡質(zhì)體反射率分析以及對應(yīng)的頂板或底板的砂巖層進行了磷灰石裂變徑跡系統(tǒng)分析, 測試結(jié)果顯示, 研究區(qū)侏羅紀(jì)煤層鏡質(zhì)體反射率主要分布在0.79%～1.19%之間, 相應(yīng)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(jì)地層在早白堊世(130～100 Ma)達(dá)到最大埋深, 并發(fā)生一次快速冷卻事件, 之后處于相對穩(wěn)定期, 新生代最終剝露到達(dá)地表。相比于西天山, 艾維爾溝地區(qū)和東天山在早白堊世的隆升幅度大, 使得天山東部發(fā)生強烈的構(gòu)造運動, 標(biāo)志著早白堊世是東天山構(gòu)造地貌形成關(guān)鍵時期。

艾維爾溝; 裂變徑跡; 鏡質(zhì)體反射率; 熱歷史; 隆升剝露

0 引 言

前人應(yīng)用熱年代學(xué)方法對天山地區(qū)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(nèi)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(qū)的冷卻剝露作用在中生代白堊紀(jì)以前就有相對廣泛的記錄, 白堊紀(jì)以來又發(fā)生多期快速冷卻抬升作用; 而東天山地區(qū)則自白堊紀(jì)開始才出現(xiàn)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(nèi)造山再活化的轉(zhuǎn)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(qū)開展了低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究(Hendrix et al., 1994; 郭召杰等, 2005; 張志誠等, 2007); 同時也對天山內(nèi)部后峽地區(qū)侏羅系剝露過程及中新生代盆山關(guān)系進行了討論(郭召杰等, 2005); 而對于東天山和西天山過渡區(qū)域艾維爾溝地區(qū)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(qū)位于東天山和西天山的過渡區(qū), 是研究天山隆升剝露及侏羅紀(jì)盆地演化的關(guān)鍵區(qū)域之一。該區(qū)僅出露約50 km2的侏羅紀(jì)地層, 卻發(fā)育有大量的“優(yōu)質(zhì)煤”, 對于其成因目前尚無明確認(rèn)識(黃文輝等, 2010)。因此, 研究艾維爾溝地區(qū)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(gòu)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(qū)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(zhì)體反射率分析, 并結(jié)合前人的研究成果, 恢復(fù)侏羅紀(jì)含煤地層所經(jīng)歷的熱歷史, 確定中生代以來艾維爾溝及鄰區(qū)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(zhì)背景及樣品采集

天山山脈是中亞地區(qū)重要的新生代陸內(nèi)造山帶, 夾于準(zhǔn)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(nèi)廣泛發(fā)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(qū)位于東天山和西天山的過渡區(qū)域, 東鄰?fù)鹿璧? 西至后峽地區(qū), 受到周圍深大斷裂的控制, 區(qū)內(nèi)地層總體呈NWW向展布, 該區(qū)盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煉焦煤, 是新疆地區(qū)重要的煤炭產(chǎn)地, 為天山內(nèi)的小型山間構(gòu)造含煤盆地之一(張慧等, 1993; 黃文輝等, 2010)(圖1)。

艾維爾溝地區(qū)斷裂十分發(fā)育, 冰達(dá)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(jì)盆地南緣斷裂; 冰達(dá)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(zhì), 深部向南逆沖, 同時在地表兼右行走滑性質(zhì)(圖2)。除此之外, 研究區(qū)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(qū)以南發(fā)育泥盆系?下石炭統(tǒng)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(gòu)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(fā)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(qū)中下侏羅統(tǒng)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(tǒng)八道灣組自下而上發(fā)育河流?三角洲?濱淺湖相沉積, 代表了小規(guī)模的湖侵過程, 巖性組合為礫巖、粗砂巖、細(xì)砂巖、煤機砂質(zhì)泥巖夾菱鐵礦透鏡體, 厚度約745 m, 底部與中上三疊統(tǒng)小泉溝群呈不整合接觸; 下侏羅統(tǒng)三工河組以湖泊相沉積為主, 發(fā)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(tǒng)西山窯組以湖泊?三角洲沉積的黏土巖、細(xì)砂巖、粗砂巖、淺灰色細(xì)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(tǒng)頭屯河組出露在艾維爾溝南側(cè), 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(xiàn)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(qū)域地質(zhì)簡圖及艾維爾溝地區(qū)位置圖(據(jù)Han et al., 2011; Tang et al., 2014)

為探討東天山和西天山過渡帶的構(gòu)造隆升特點, 本次研究對艾維爾溝?阿克塔西地區(qū)二疊系、侏羅系砂巖進行了系統(tǒng)采樣, 共采集8個磷灰石裂變徑跡樣品和6個鏡質(zhì)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(xué)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(fā)裂變在礦物晶格內(nèi)部產(chǎn)生的物理損傷隨溫度的升高而發(fā)生退火作用(Gallagher, 2003), 來記錄巖石所經(jīng)歷的熱歷史, 進而研究地質(zhì)體熱歷史和構(gòu)造史(張志誠和王雪松, 2004)。在沉積巖中可以根據(jù)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(shù), 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(zhì)服務(wù)有限公司。通過常規(guī)重液磁選方法篩選出磷灰石顆粒。再將磷灰石用環(huán)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(fā)裂變徑跡。該過程在北京大學(xué)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(xué)研究院核反應(yīng)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(fā)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(jié)合自動掃描系統(tǒng)對裂變徑跡進行計數(shù)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(biāo)定方法(Hurford and Green, 1977),值通過磷灰石裂變徑跡標(biāo)樣杜蘭戈州(McDowell et al., 2005)和魚峽谷凝灰?guī)r(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(zhì)解釋時, 考慮年齡及平均徑跡長度的統(tǒng)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(zhì)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(xì)砂巖; 6. 粗砂巖; 7. 礫巖; 8. 凝灰?guī)r; 9. 火山角礫巖; 10. 生物碎屑灰?guī)r; 11. 灰?guī)r; 12. 石英長石砂巖。

鏡質(zhì)體反射率(o)是目前常用的、重要的有機質(zhì)成熟度指標(biāo)之一, 有機質(zhì)經(jīng)歷的成巖或者熱變質(zhì)作用越深, 鏡質(zhì)體反射率越大。鏡質(zhì)體反射率具有如下兩個重要特征: 一是鏡質(zhì)體反射率是其達(dá)到最高溫度的函數(shù); 二是它具有不可逆性, 因此可以有效確定樣品所經(jīng)歷的最高古地溫。鏡質(zhì)體反射率的測量在中國地質(zhì)大學(xué)(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(jié)果

3.1 煤巖鏡質(zhì)體反射率

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

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

3.2 磷灰石裂變徑跡

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

阿克塔西地區(qū)中侏羅統(tǒng)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(yīng)煤層的o測試平均值為0.779%,max為122 ℃。艾維爾溝地區(qū)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(tài)(圖4), 對應(yīng)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(jīng)歷了類似的熱演化歷史, 對應(yīng)煤層的o測試平均值為1.0%,max為155 ℃。

表1 鏡質(zhì)體反射率(Ro)分析及部分對應(yīng)的磷灰石裂變徑跡分析數(shù)據(jù)

表2 艾維爾溝?阿克塔西地區(qū)磷灰石裂變徑跡分析數(shù)據(jù)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(qū)的熱歷史, 本次研究選取封閉徑跡數(shù)目較多的樣品反演該地區(qū)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(shù)為10000次。在模擬過程中, 充分考慮了沉積年齡、相應(yīng)煤層的最高溫度、不整合面、生長地層等因素。熱歷史模擬結(jié)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(jié)果可以接受, 當(dāng)它們值超過50%, 模擬結(jié)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(jié)果可以接受且可信度高。

阿克塔西地區(qū)中侏羅統(tǒng)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(xù)到現(xiàn)今(圖5)。這一特征與郭召杰等(2005)對后峽地區(qū)西山窯組的熱歷史模擬結(jié)果相似。艾維爾溝地區(qū)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(jīng)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(wěn)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(jīng)歷了完全退火作用, 所經(jīng)歷的最大古地溫皆超過120 ℃, 反映樣品經(jīng)歷一個較高的熱演化過程(圖5)。這與艾維爾溝地區(qū)明顯較高的鏡質(zhì)體反射率值相符合。樣品在經(jīng)歷了早白堊世開始的快速冷卻降溫階段后, 溫度就已經(jīng)降低到部分退火帶之外。因此, 艾維爾溝地區(qū)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(jié)果; Good fit. 符合良好的模擬結(jié)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(jié)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(qū)的兩件煤樣的鏡質(zhì)體反射率平均值為0.681%, 與前人測得的后峽地區(qū)及準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)鏡質(zhì)體反射率特征(郭召杰等, 2005)相似, 數(shù)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(nèi)。前人研究表明, 由于受烴源巖有機質(zhì)類型、巖性及鏡質(zhì)體本身的局限, 樣品采集與處理過程以及測定環(huán)節(jié)會對鏡質(zhì)體反射率測定結(jié)果產(chǎn)生影響(趙俊峰等, 2004), 因此所有樣品采集、處理和測定的環(huán)節(jié)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(zhì)體反射率值出現(xiàn)一定差異有可能是烴源巖本身因素所導(dǎo)致。根據(jù)阿克塔西地區(qū)與后峽地區(qū)侏羅紀(jì)地層的連續(xù)性, 以及鏡質(zhì)體反射率值的相似性, 阿克塔西地區(qū)和后峽地區(qū)在侏羅紀(jì)為同一沉積體系——后峽盆地, 結(jié)合后峽地區(qū)與頭屯河地區(qū)沉積相及古流向?qū)Ρ冉Y(jié)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(jì)時期不是一個獨立的盆地, 而是與準(zhǔn)噶爾南緣相連的盆地(方世虎等, 2005), 現(xiàn)今后峽地區(qū)殘留的侏羅系山間坳陷盆地, 是新生代構(gòu)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(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地與塔里木盆地的結(jié)合部位, 由于局部地區(qū)地殼應(yīng)力松弛形成中生代斷陷盆地, 而后峽地區(qū)則處于相對松弛的伸展構(gòu)造環(huán)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(qū)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(jì)之前就具有一定的高度, 但是并沒有達(dá)到現(xiàn)今的海拔, 說明早中侏羅世艾維爾溝地區(qū)與后峽?準(zhǔn)噶爾盆地南緣之間可能已經(jīng)被古生界分隔開來。

艾維爾溝地區(qū)侏羅系樣品鏡質(zhì)體反射率值普遍較高, 明顯不同于后峽地區(qū), 與兩地的沉積環(huán)境和構(gòu)造背景差異有關(guān)。后峽地區(qū)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(dá)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(qū)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(qū)普遍缺失上侏羅統(tǒng)和白堊系, 同時裂變徑跡熱歷史模擬結(jié)果顯示, 早白堊世地層中發(fā)生冷卻剝露。艾維爾溝下侏羅統(tǒng)八道灣組在晚侏羅世經(jīng)歷最大古地溫可達(dá)到170 ℃, 由于侏羅紀(jì)以來研究區(qū)內(nèi)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(tǒng)八道灣組之上至少應(yīng)有5 km地層覆蓋?，F(xiàn)今下侏羅統(tǒng)八道灣組之上約有3 km厚沉積物, 表明其上至少發(fā)生了2 km地層剝露, 這與郭召杰等(2005)報道的后峽地區(qū)大約有2.5 km剝露相一致。

艾維爾溝地區(qū)由于其構(gòu)造屬性的不同, 可能經(jīng)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(xiàn)出高的鏡質(zhì)體反射率特征。在艾維爾溝長約24 km、寬約2 km狹長條形區(qū)域內(nèi), 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(nèi), 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(qū)的深大斷裂有關(guān), 深大斷裂有利于形成隱伏熱異常, 同時為地下水從地殼內(nèi)部獲得熱量提供通道, 熱液造成煤的變質(zhì)作用(楊起等, 1996)。張慧等(1993)研究表明艾維爾溝地區(qū)廣泛發(fā)育熱液石英脈和方解石脈, 煤層圍巖也具有中低溫?zé)嵋何g變現(xiàn)象, 艾維爾溝的煤變質(zhì)屬區(qū)域熱變質(zhì)類型。侏羅紀(jì)時期為成煤時期, 同時也是煤的熱變質(zhì)時期。因此熱液是導(dǎo)致艾維爾溝地區(qū)鏡質(zhì)體反射率出現(xiàn)異常高值原因之一, 但是對應(yīng)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(jīng)歷了足夠長的地下冷卻時間有關(guān), 這也與模擬結(jié)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(jīng)歷了長期穩(wěn)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(qū)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(shù)據(jù)模擬結(jié)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(jù)紅五月橋斷裂南側(cè)的花崗巖裂變徑跡測試結(jié)果得出早白堊世(140～100 Ma)的隆升歷史一致(圖6)。結(jié)合前人的裂變徑跡研究成果, 發(fā)現(xiàn)整個天山地區(qū)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(qū)(呂紅華等, 2013)、北天山斷裂(Wang et al., 2009; 姚志剛等, 2010)、博格達(dá)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(gòu)造抬升的報道(馬前等, 2006)。

西天山地區(qū)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(jì)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(zhǔn)噶爾盆地南緣西段經(jīng)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(zhǔn)噶爾盆地南緣裂變徑跡年齡具有一定的規(guī)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(guān); 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(jié)果顯示北天山在早白堊世和中新世以來經(jīng)歷了兩次明顯的隆升事件, 而且東、西兩側(cè)抬升也存在明顯的差異, 東側(cè)較西側(cè)的裂變徑跡年齡年輕, 西側(cè)中生代和新生代的兩期隆升時間均早于東側(cè)地區(qū)(姚志剛等, 2010)。總體來說, 西天山地區(qū)在晚古生代末期先開始發(fā)生隆升, 至晚侏羅世?早白堊世則出現(xiàn)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?，F(xiàn)象; 山前的冷卻歷史在新生代表現(xiàn)明顯。

圖6 艾維爾溝及其鄰近地區(qū)熱年代學(xué)年齡特征

在東天山地區(qū), 吐哈盆地北側(cè)的博格達(dá)山?阿爾里克山地區(qū)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(fā)生多期隆升, 中新世以來發(fā)生快速隆升(Tang et al., 2015); 而在吐哈盆地南緣地區(qū)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(wěn)定(孫岳等, 2016); 東天山雅滿蘇和哈爾里克山地區(qū)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(nèi)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(fā)生完全退火作用。侏羅系樣品熱歷史模擬結(jié)果顯示, 早白堊世晚期(120～100 Ma),吐哈盆地發(fā)生構(gòu)造抬升, 地層快速冷卻剝露, 新生代發(fā)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(nèi)部不同的是, 艾維爾溝地區(qū)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(fā)生再次埋藏加熱。這可能與艾維爾溝地區(qū)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(gòu)造單元, 新生代就沒有再次接受沉積埋深?？偟膩碚f, 東天山地區(qū)及吐哈盆地中生代前期還是準(zhǔn)平原化地貌, 自白堊紀(jì)時期開始陸續(xù)發(fā)生隆升過程(孫岳等, 2016); 白堊紀(jì)初期, 吐哈盆地北側(cè)的博格達(dá)山開始隆起, 但隆升幅度較小; 晚白堊世, 南側(cè)覺羅塔格山開始發(fā)生隆升, 并產(chǎn)生盆山格局; 中新世以來, 博格達(dá)山發(fā)生快速隆升過程, 吐哈盆地北側(cè)發(fā)生再次沉降, 而南側(cè)及覺羅塔格山則繼續(xù)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(qū)早白堊世開始發(fā)生迅速隆升, 此后處于隆升平靜期。

4.4 地質(zhì)意義

早中侏羅世, 天山地區(qū)地形起伏低、盆地沉積范圍大、廣泛發(fā)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(qū)與現(xiàn)今的準(zhǔn)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(jì)盆地在伸展坳陷構(gòu)造背景下形成, 并且在侏羅紀(jì)位于準(zhǔn)噶爾盆地邊緣, 發(fā)育了巨厚沉積地層和富有機質(zhì)地層(孫永娟, 2007; 劉冬冬等, 2013), 該時期是煤系地層沉積的關(guān)鍵時期, 同時也是煤的熱變質(zhì)時期, 較高的鏡質(zhì)體反射率表明煤系地層不止經(jīng)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(zhuǎn)換為干旱(Morin et al., 2018), 天山局部地區(qū)發(fā)生了差異性隆升, 如: 東部的博格達(dá)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(qū)域的艾維爾溝地區(qū)。艾維爾溝地區(qū)早白堊世(約130～100 Ma)快速隆升事件促使盆地南側(cè)斷層的發(fā)育和活動, 該過程使得已有地層發(fā)生傾斜, 地層變形嚴(yán)重, 標(biāo)志著該時期天山為擠壓構(gòu)造體系。相對其他地區(qū)(北天山山前地區(qū)), 艾維爾溝地區(qū)新生代的冷卻降溫幅度明顯低于早白堊世時期?？偠灾? 艾維爾溝地區(qū)晚侏羅世?早白堊世和新生代的剝露隆升共同形成現(xiàn)今的地貌特征。

盆地的構(gòu)造演化受控于構(gòu)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(gòu)建的關(guān)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(rèn)為是由于歐亞板塊南緣的拉薩地塊拼貼在天山地區(qū)的構(gòu)造活化作用產(chǎn)生構(gòu)造隆升(Hendrix et al., 1992), 而本次研究的艾維爾溝地區(qū)晚侏羅世?早白堊世的隆升事件正好對應(yīng)于早白堊世(140～125 Ma)拉薩地塊的拼貼作用。

5 結(jié) 論

(1) 煤層(線)的鏡質(zhì)體反射率測試結(jié)果顯示艾維爾溝地區(qū)的o值明顯高于阿克塔西地區(qū), 對應(yīng)的地層所經(jīng)歷的最大古地溫可達(dá)到150 ℃。相應(yīng)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(qū)白堊紀(jì)的冷卻事件。模擬結(jié)果表明, 東天山和西天山過渡區(qū)域在早白堊世(130～100 Ma)經(jīng)歷了一次快速隆升剝蝕事件, 之后處于相對穩(wěn)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(qū)顯示出高的鏡質(zhì)體反射率值。早中侏羅世艾維爾溝與后峽地區(qū)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(qū)和東天山早白堊世隆升幅度大, 使得天山東部發(fā)生強烈的構(gòu)造運動, 而新生代艾維爾溝地區(qū)及東部盆地相對穩(wěn)定, 因此早白堊世是東天山構(gòu)造地貌形成的關(guān)鍵時期。早白堊世艾維爾溝地區(qū)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(chǎn)生的內(nèi)動力構(gòu)造隆升作用結(jié)果。

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

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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(xué)基金項目(41872202)資助。

張懷惠(1996–), 女, 博士研究生, 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)。Email: 1801110615@pku.edu.cn

張志誠(1963–), 男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和熱年代學(xué)研究。Email: zczhang@pku.edu.cn

P542

A

1001-1552(2021)03-0431-013

10.16539/j.ddgzyckx.2021.03.001