新疆西準噶爾額敏前陸盆地的構造特征及其演化

李永軍, 王祚鵬, 段豐浩, 孫　勇, 王軍年, 萬　閾, 張勝龍

(1.長安大學 地球科學與資源學院, 陜西 西安 710054; 2.國土資源部 巖漿作用成礦與找礦重點實驗室,陜西 西安 710054; 3.新疆地質礦產勘查開發局 第七地質大隊, 新疆 烏蘇 833000)

新疆西準噶爾額敏前陸盆地的構造特征及其演化

李永軍1, 2, 王祚鵬1, 段豐浩1, 孫勇1, 王軍年3, 萬閾3, 張勝龍1

(1.長安大學 地球科學與資源學院, 陜西 西安 710054; 2.國土資源部 巖漿作用成礦與找礦重點實驗室,陜西 西安 710054; 3.新疆地質礦產勘查開發局 第七地質大隊, 新疆 烏蘇 833000)

西準噶爾吾爾喀什爾山與額敏盆地間的“盆”–“山”耦合關系清楚, 盆地邊界平行于造山帶呈狹長帶狀展布。“山”區為志留系–石炭系海相陸源碎屑巖-火山巖沉積組合, “盆”區為二疊系陸相磨拉石與新近系紅色砂礫巖及第四系河流階地堆積, 具有典型的海相-陸相雙層結構。盆緣被巴爾雷克前陸沖斷帶圍限, “山”區發育鏟式逆沖斷層與蛇頭構造、疊瓦扇構造等逆沖推覆構造。表明該“盆”–“山”組合為一典型的前陸盆地系統。額敏前陸盆地形成于早二疊世, 屬后期沖斷變形影響較弱、早期前陸盆地結構特征較明顯的“早衰型”前陸盆地。這一成果為額敏盆地乃至西準噶爾盆地分析、構造演化、沉積作用、“盆”–“山”耦合等研究提供了重要信息。

前陸盆地; “盆”–“山”耦合; 海–陸相雙層結構; 巴爾雷克前陸沖斷帶; 額敏; 西準噶爾

0 引 言

前陸盆地最早由Dickinson于1974提出, 是指與造山帶變形翼部毗連的克拉通邊緣前陸環境中形成的盆地(Dickinson, 1974), 主要由造山楔、逆沖楔頂部帶、前緣帶、前隆帶和隆外凹陷帶構成(Dickinson, 1974; 陳書平等, 2001a; 顧家裕和張興陽, 2005; 彭希齡等, 2006), 最常見的類型為周緣前陸盆地和弧后前陸盆地兩類(圖1)(Gretener, 1982; Jordan et al., 1988; Burbank et al., 1988; Gardo and Jordan, 2001;劉池洋等, 2002)。其涵義雖因人而異, 與時有變, 但其內涵卻大同小異?！捌叫杏谠焐綆А?、“狹長帶狀展布”、“不對稱”、“海、陸相雙層結構”、“逆沖斷層圍限”、“發育鏟式逆沖斷層與蛇頭構造、疊瓦扇構造等逆沖構造”是其主要特征和識別標志(劉池洋等, 2002; 彭希齡等, 2006)。前陸盆地系統是造山帶與前陸耦合的產物(劉和甫等, 2000; 張明利等, 2002),形成于區域構造體制由伸展向擠壓轉換過程中(金之鈞等, 2004), 其橫向演化是由前緣向盆地內部遷移(劉池洋等, 2002)。前陸盆地以其獨特的空間耦合關系、構造組合樣式(圖 2)(Ricci Lucchi, 1986)、沉積作用和演化, 以及作為油氣資源聚集的主要場所(靳久強, 1997; 張明山, 1997; 陳書平等, 2001b; 劉池洋等, 2002; 羅志立和劉樹根, 2002; 羅志立等, 2004b; 金之鈞等, 2004; 蔚遠江等, 2004;劉樹根等, 2005; 彭希齡等, 2006; 宋巖等 2006, 2012; 李本亮等, 2009a、2009b), 成為當前地質學研究的熱點之一。

塔(城)–額(敏)盆地是準噶爾西北緣位列克拉瑪依–烏爾禾盆地之后的第二大中–新生代(陸相)盆地,面積 40000余平方公里, 也是我國地理上最西北隅的重要盆地。額敏盆地屬于塔–額盆地的東部(圖3a)。但是, 有關該盆地的性質、形成與演化等方面的成果及文獻極少, 僅有2篇涉及: ①《中國前陸盆地構造地質特征綜述與油氣勘探》一文之附圖中,將額敏盆地劃為前陸盆地(李本亮, 2009a), 無詳細論述; ②《中國中西部前陸盆地油氣分布控制因素》一文之附圖中, 將額敏盆地劃歸“形成于二疊紀–三疊紀, 后期沖斷變形影響很弱, 早期前陸盆地結構特征較明顯的早衰型”前陸盆地(宋巖等, 2012), 再無細述。因此, 額敏盆地是否為前陸盆地？其沉積過程、物源區特征、構造樣式、斷裂組合、盆山的形成與演化過程等研究, 對全面和正確理解西準噶爾構造演化、沉積作用、“盆”–“山”耦合等研究有重要意義。

圖1　前陸盆地的兩種基本類型(轉引自彭希齡等, 2006)Fig.1 Two basic types of the foreland basins

圖2　前陸盆地剖面類型(據Ricci Lucchi, 1986, 轉引自張明利等, 2002)Fig.2 The cross section types of foreland basin

1 區域地質概況

西準噶爾位于哈薩克斯坦板塊、塔里木板塊和西伯利亞板塊交匯的中亞增生造山帶關鍵部位(肖序常等, 1992; 張弛和黃萱, 1992; 何國琦等, 2004;肖文交等, 2006), 區域性斷裂發育, 主要有達爾布特、瑪依勒、巴爾雷克等斷裂(圖 3d)。這些斷裂主要形成于二疊紀晚期、三疊紀和新生代(徐芹芹等, 2009), 受古亞洲洋和周邊造山帶的發展演化及其構造運動的影響, 經歷了多階段不同性質的構造變革(馮益民, 1987; 肖序常等, 1992; 新疆維吾爾自治區地質礦產局, 1993; 朱寶清和馮益民, 1994; 李錦軼, 2004; 韓寶福等, 2010), 縱橫交錯的區域性大斷裂切割和控制著區內的盆山格局。額敏盆地東緣深入海西期吾爾喀什爾山造山帶內(圖 3a), 明顯受NE-SW向巴爾雷克逆沖斷裂組合帶控制, 后期被近E-W 向謝米斯臺斷裂帶錯斷(圖 3e)?！芭琛敝泻０螢?50～700 m, 而“山”區海拔1700～2300 m, 相對高差達1000～1600 m, “盆”、“山”耦合關系清楚(圖3b)。現今表現為“平行于吾爾喀什爾山造山帶”、“平面上總體呈狹長帶狀展布(魏永明等, 2015)”、“盆地內部不對稱”、“盆地東緣被巴爾雷克逆沖斷裂組合帶圍限”、“吾爾喀什爾山造山帶構造組合樣式以發育多條平行的鏟式逆沖斷層與蛇頭構造、疊瓦扇構造等逆沖構造為特色”。志留系、泥盆系、石炭系海相火山–沉積建造為“山”的主體建造, 而二疊系陸相磨拉石和新生代陸相砂礫巖構成“盆”的主要堆積層,構成了海相、陸相的雙層結構。著名的巴爾雷克斷裂為“盆(額敏盆地)”、“山(吾爾喀什爾山造山帶)”的分界斷裂。筆者等通過1∶5萬區域地質調查證實, 吾爾喀什爾山中NE-SW向近平行的5條大型逆沖斷層和多條次級斷裂構成了壯觀的疊瓦扇(圖3e)。

1. 恰爾尕也組; 2. 沙爾布爾組; 3. 馬拉蘇組; 4. 庫魯木迪組; 5. 鐵列克提組; 6. 黑山頭組; 7. 江孜爾庫都克組; 8. 姜巴斯套組; 9. 第四系; 10. 早二疊世花崗巖; 11. 斷層性質及產狀; 12. 整合界線; 13. 角度不整合界線; 14. 背斜; 15. 向斜; 16. 圖切剖面編號及位置(與圖5　對應)。(a), (b), (c), (e)圖據新疆額敏前進牧場一帶 L44E009024(克拉尕拉)幅、L44E010024(庫魯木蘇)幅、L45E009001(克孜勒克亞)幅、L45E010001(馬拉蘇)幅等 4 幅1∶5萬區域地質調查報告; (d)圖據新疆維吾爾自治區地質礦產局, 1993, 有改動。圖中藍、紅三角位置示意在各小圖中一一對應。圖3　西準噶爾吾爾喀什爾山一帶前陸盆地地質簡圖Fig.3 Simplified geological map showing foreland basin of the Wuerkashier Mountain, West Junggar

2 “盆”–“山”系統的沉積組合

吾爾喀什爾“山”區主要為志留系、泥盆系、石炭系海相陸源碎屑巖–火山巖沉積組合。志留系和下泥盆統為深海復理石, 中泥盆統主要為淺海陸棚建造, 上泥盆統–石炭系為海相磨拉石, 建造組合和火山巖地球化學指示其為典型島弧–弧后盆地產物(易善鑫等, 2014a, 2014b; 向坤鵬等, 2015; 孫勇等, 2015a)。由于劇烈的抬升作用, “山”頂剝蝕強烈。區域地質填圖及部分鉆孔資料證實, “盆”緣區發育巨厚的二疊系陸相磨拉石建造, 而向盆地內部很快變薄甚至尖滅, 如在“盆”緣區的阿勒騰也木勒(83°05′E, 46°00′N)一帶厚達7309.41 m, 向西不足20 km的吉也克南(82°40′E, 46°06′N)僅為 3897.87 m,而再向西、向北進入盆地中心缺失(新疆一區調隊, 2013), 中上部古近系–新近系陸相紅色砂礫巖在盆地中心與盆緣厚度相差較大。因此, 表現為顯著的“盆地內部沉積及堆積體形態明顯不對稱”特征?？傮w具有典型的雙層結構, 主要沉積建造如表1。

下泥盆統馬拉蘇組是區內由深海復理石向海相磨拉石“轉變”的記錄者(表2)。一段主要為斜坡帶之下深海沉積復理石沉積(圖4a、b), 二段為斜坡帶之上淺海沉積(圖 4c), 進入四段后快速轉變為海相磨拉石(圖4d、e)。

表1　西準額敏東吾爾喀什爾山一帶“盆”–“山”系統主要沉積建造※Table 1 The main sedimentary systems of the orogeny-coupled basin in the Wuerkashier Mountain, eastern of the E Min area, West Junggar

表2　西準吾爾喀什爾山一帶馬拉蘇組沉積充填序列特征表Table 2 Sedimentary filling sequence of the Malasu Fromation in Wuerkashier Mountain, West Junggar

3 “山”區斷裂帶構造特征

“山”區斷裂構造極為發育。主要表現為NE-SW向近平行的7條大型逆沖斷層和多條次級斷裂構成的疊瓦狀和背馱狀構造組合。巴爾雷克斷裂(F1)不僅是區內延伸最長規模最大的斷裂, 也是分割額敏盆地與吾爾喀什爾山的邊界斷裂。這些斷裂對“盆”–“山”格局、地質體的產出與分布、褶皺變形、侵入體的就位、盆地的演化和構造樣式具有明顯的控制作用。代表性的斷裂主要特征如表3。

(a)、(b) 馬拉蘇組一段復理石建造中的鮑馬序列; (c) 馬拉蘇組二段細砂巖中的砂巖條帶及底面沖刷構造; (d)、(e) 馬拉蘇組四段中的礫巖及定向性。圖4　西準吾爾喀什爾山一帶馬拉蘇組沉積序列典型照片及基本層序(據楊洋, 2014)Fig.4 Photos of outcrops and plots showing the essential sequences of Malasu Fromation in the Wuerkashier Mountain, West Junggar

表3　西準額敏東吾爾喀什爾山一帶代表性斷裂主要特征Table 3 Major features of the representative faults in th Wuerkashier Mountain of the eastern part of the E Min area, West Junggar

這些斷層均為逆斷層, 野外可見明顯負地形、斷層崖(圖5a, c)等, 發育30～50 m寬的擠壓破碎帶、構造劈理化帶和透鏡化帶(圖 5e, f), 近平行的次級斷裂極為發育(圖5h, i, j), 形成帶狀分布的大量碎裂巖、碎斑巖、碎粒巖及構造角礫巖, 窗欞構造(圖5b)、斷層階步及擦痕極為發育(圖5d, g)。野外調查證實,多數斷層表現為地表傾角較陡(30°～45°), 向深部延伸漸變為低角度(10°～25°), 部分低于10°。在垂直斷層走向的截面上, 這些斷裂組成鏟式逆沖斷層與蛇頭構造、疊瓦扇構造等逆沖構造(圖6), 構成造山帶向盆地大規模逆掩推覆沖斷系統。

“盆”、“山”關系, 首先表現為“盆”與“山”的空間相對關系(相對升與降)、依從關系(剝蝕與補給)、相鄰對峙關系等等, 本質上是成因關系。逆沖推覆構造組合導致了山的隆升、地層大量重復與加厚, 包括早二疊世后造山花崗巖的巨量侵入, 因而才有了大幅度的山體崛起(“盆”、“山”對峙), 也才為盆區提供了巨量剝蝕產物, 形成了盆區的大量充填堆積。“山”區的大花崗巖基和基性巖墻群、脈巖都是典型的深成侵入巖, 現今被剝蝕而暴露于地表, 佐證了“山”區已被巨量剝蝕, 總之, 山體崛起與盆地沉積充填具有必然的耦合演化關系。

綜上所述, 吾爾喀什爾山與額敏盆地間的“盆”–“山”耦合關系清楚, 額敏盆地邊界及形態平行于吾爾喀什爾山造山帶, 平面上呈狹長帶狀展布(魏永明等, 2015), 盆地內部沉積及堆積體形態明顯不對稱, 沉積建造以發育海–陸相雙層結構為特色, 盆地邊緣被逆沖斷層圍限, 吾爾喀什爾山區發育鏟式逆沖斷層與蛇頭構造、疊瓦扇構造等逆沖構造。這些特征清楚地表明該“盆”–“山”組合為一典型的前陸盆地構造。

E-W 向的謝米斯臺斷裂(F6)并非簡單的逆斷層,活動具有多期性, 而且不同期次的力學性質不同。晚石炭世末該區造山隆升, 應力場為 NNW 向擠壓構造體制, 謝米斯臺斷裂發育由南向北的逆沖推覆,并于早二疊世形成前陸盆地格局, 為額敏前陸盆地的形成提供了條件。二疊紀以后, 謝米斯臺斷裂發生大規模左行剪切, 表現為斷層北側地質體顯著西移。至第四紀研究區應力場轉變為伸展體制, 謝米斯臺斷裂向北陡傾并發育正斷層, 導致第四系明顯的臺階狀地貌。

圖5　西準吾爾喀什爾山一帶代表性斷裂及次級斷裂特征Fig.5 Major features of the representative and secondary faults in the Wuerkashier Mountain of West Junggar

圖6　吾爾喀什爾山一帶巴爾雷克斷裂帶構造剖面圖(A-A′等與圖3　e對應)Fig.6 The tectonic sections of the Barleik faults in the Wuerkashier Mountain

區內最為重要的前陸盆地系統的構造作用, 發生于晚石炭世晚期結束海相沉積, 并進入擠壓造山階段, 前陸盆地系統形成, 因而形成一系列逆沖推覆斷裂系。主要表現為:

晚石炭世區內主體仍為海相沉積, 而到早二疊世, 研究區及整個中亞地區結束海相沉積, 進入陸相盆地發展演化階段, 二者間的區域性角度不整合是最大的構造事件;

早二疊世產出的基性巖墻群、脈巖, 均近平行于巴爾雷克斷裂為代表的 NE-SW 向逆沖推覆斷裂系, 表明這些巖墻群、脈巖上侵就位時, NE-SW向逆沖推覆斷裂系已形成;

與泥盆系、石炭系中的構造變形形成鮮明對照的是, 研究區南部的早二疊世馬拉蘇大巖基中不發育NE-SW向斷裂、節理等形變, 據此說明NE-SW向逆沖推覆斷裂系形成的時限為晚石炭世晚期。因此, 前陸盆地系統開始于晚石炭世晚期, 形成于二疊紀(宋巖等, 2012)。

4 前陸盆地構造演化

區內主要的斷裂根據其演化期次可以分為 4期。第一期為近 E-W向的謝米斯臺斷裂(F6)及與其大致平行的次級斷裂(F7～F10), 總體為由北向南的逆斷層, 造成區內古生代地層重復和軸向近E-W向的褶曲; 第二期形成以巴爾雷克斷裂(F1)為代表的NE-SW向逆沖推覆、疊瓦狀斷裂組合(F2～F5)等, 該期構造切割和阻斷第一期近E-W向斷裂, 更為重要的是形成了本區的前陸盆地斷裂系統; 第三期為謝米斯臺斷裂(F6)的再次由北向南的逆沖, 導致志留系推覆于泥盆系之上, 并切割了第二期斷裂; 第四期為謝米斯臺斷裂(F6)發生了左形走滑。

額敏前陸盆地斷裂系統對“山”區地質體的展布、形態、構造變形、地質體間的接觸關系等有明顯的控制作用。歸納起來, 區內構造演化總體可劃分為圖7a簡示的4個階段。

晚石炭世晚期前陸盆地系統形成, 形成一系列NE-SW向逆沖推覆斷裂(圖7b)。早二疊世晚期, 進入造山后大規模巖漿侵入并轉入伸展期, 發育輝綠巖脈; 晚古生代至古近紀, 前陸盆地系統擠壓構造體制持續, 研究區缺失三疊系–中古近系。新近紀以來, 在前陸盆地系統的持續作用下, 額敏盆地充填了較厚的來自地貌高聳的吾爾喀什爾山區的風化剝蝕搬運堆積物(時至今日, “盆”與“山”間仍有 1000～ 1600 m的相對高差), 極好地體現了“盆”“山”耦合的辯證演化特征(吳根耀和馬力, 2004)。

5 結 論

吾爾喀什爾山與額敏盆地間的“盆”–“山”表現為空間相對關系(相對升與降)、物源依從關系(剝蝕與補給)、相鄰對峙關系和本質上的成因配置關系,因而造就了山體崛起與盆地沉積充填具有必然的耦合演化關系。盆地邊界平行于造山帶呈狹長帶狀展布, 盆緣被巴爾雷克前陸沖斷帶圍限, “山”區發育鏟式逆沖斷層與蛇頭構造、疊瓦扇構造等逆沖推覆構造。“盆”內充填了巨量“山”區的剝蝕搬運物。前陸盆地系統始于晚石炭世晚期, 定形于早二疊世, 至今仍在持續的“早衰型”前陸盆地型。這一成果為額敏盆地乃至西準噶爾盆地分析、構造演化、沉積作用、“盆”–“山”耦合等研究提供了重要信息。

圖7　額敏前陸盆地構造階段圖(a)及盆地演化示意圖(b)Fig.7 The schematic tectonic map (a) and the evolution model (b) of the E Min foreland basin

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Tectonics and Evolution of the E Min Foreland Basin in West Junggar, Xinjiang

LI Yongjun1, 2, WANG Zuopeng1, DUAN Fenghao1, SUN Yong1, WANG Junnian3, WAN Yu3and ZHANG Shenglong1
(1. College of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 2. MLR Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 3. No.7 Geological Survey Team, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resource Exploration, Wusu 833000, Xinjiang, China)

The relationship clearly show orogeny-coupled basin formation between Wuerkashier Mountain and E Min basin in West Junggar. The boundary of the basin is somewhat parallel to the orogenic belt. The sedimentary rocks in the “mountain” area include the Silurian-Carboniferous marine terrigenous clastic rocks and volcanic rocks, whereas in the “basin” area sedimentary rocks consist of the Permian continental molasse and Neogene red glutenite and accumulation of Quaternary river terraces, with a typical marine-continental double layered structure. The edge of the basin is limited by the Barleik foreland thrust belt. “Mountain” area develop such thrust nappe as shovel type thrust fault, snakeheads structure and imbricate fan structure. This indicates that the combination of “basin”-“mountain” is a typical foreland basin system. E Min foreland basin formed in the Early Permian, and belongs to the “Premature” foreland basin, which is characterized by weak impact of the later thrust deformation and obvious features of the early structure of foreland basin. This achievement provides important information for basin analysis, tectonic evolution, sedimentation and orogeny-coupled basin formation of the E Min basin as well as the West Junggar basin.

foreland basin; orogeny-coupled basin formation; the marine-continental double-layer structure; Barleik foreland thrust belt; E Min; West Junggar

P542

A

1001-1552(2016)03-0419-010

2015-03-21; 改回日期: 2015-08-13
項目資助: 國家自然科學基金項目(41273033、41303027)、中央高?；痦椖?310827153407)和中國地質調查局地質礦產調查評價專項(1212011120516、121201120619)聯合資助。

李永軍(1961–), 男, 教授, 博士生導師, 主要從事構造地質學、區域地質調查研究。Email: yongjunl@chd.edu.cn