青藏高原北羌塘塊體中—晚三疊世古地磁研究

周亞楠，程 鑫，邵瑞琦，張偉杰，衛(wèi)弼天，劉雨純，吳漢寧

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710069)

青藏高原是特提斯構(gòu)造域東段主體,它的形成過程記錄了晚古生代以來特提斯洋及位于其間的若干微板塊所經(jīng)歷的多階段離散、匯聚與碰撞的復(fù)雜演化過程,可為再造特提斯地質(zhì)演化提供很好的素材[1-12]。目前,大量研究表明，青藏高原主要構(gòu)造單元體——羌北塊體,其南北兩側(cè)的西金烏蘭金沙江縫合帶或龍木錯雙湖縫合帶最有可能代表消逝的古特提斯洋遺跡(見圖1),因而,這一地帶不僅成為研究初始高原形成時限的關(guān)鍵位置,還是厘清古特提斯洋形成演化過程的關(guān)鍵區(qū)域[12-19]。

古地磁是研究陸塊運(yùn)動軌跡行有效的方法之一。高質(zhì)量的古地磁數(shù)據(jù)可以確定地體的古緯度及其變化,進(jìn)而恢復(fù)塊體的運(yùn)動軌跡[20]。通過北羌塘地塊與其周邊塊體的絕對位置以及塊體間相對位置的變化量,可恢復(fù)夾持于塊體間的西金烏蘭金沙江特提斯洋或龍木錯雙湖特提斯洋的演化過程。然而,羌北塊體現(xiàn)有的古地磁數(shù)據(jù)還不足以揭示其與歐亞大陸碰撞拼合前的運(yùn)動細(xì)節(jié),只能大致勾勒出它的運(yùn)動主線:該塊體晚古生代位于南半球中低緯度地區(qū)[21-26],至晚三疊世時期就已移至北半球中緯度地區(qū)[27-35]。已有數(shù)據(jù)表明,三疊紀(jì)是羌北塊體持續(xù)北移的關(guān)鍵期,但由于至今仍無中三疊世古地磁數(shù)據(jù)的報道,致使這一關(guān)鍵時期的具體運(yùn)動細(xì)節(jié)仍不清楚,這些不足限制了對古特提斯洋構(gòu)造演化的精細(xì)刻畫與青藏高原的古地理重建。造成羌北塊體中三疊世古地磁數(shù)據(jù)缺乏的主要原因是極端的采樣條件:這些地層僅分布于羌北塊體腹地的無人區(qū)內(nèi),自然環(huán)境極端惡劣,交通條件極差,人跡罕至,平均海拔超過5 200 m。

本文針對現(xiàn)有古地磁數(shù)據(jù)庫的薄弱點(diǎn),對北羌塘地塊中—晚三疊世圖中湖組火山巖及菊花山組灰?guī)r地層開展了系統(tǒng)的巖石磁學(xué)和古地磁學(xué)研究,以期為研究這一關(guān)鍵時期北羌塘塊體位置變化、運(yùn)動學(xué)特征以及古特提斯洋的構(gòu)造演化過程提供關(guān)鍵的古地磁學(xué)佐證。

圖1 青藏高原大地構(gòu)造示意圖(正方形內(nèi)為采樣區(qū)域)Fig.1 Geological structure map showing the major blocks and sutures on the Tibetan Plateau, and the location of paleomagnetic sampling conducted by this study

1 地質(zhì)背景

羌塘塊體地處青藏高原腹地,是青藏高原的主要地體之一,其北鄰松潘—甘孜塊體,南與拉薩塊體相接[36]。羌塘地塊中部發(fā)育一條東西向縫合帶——龍木錯—雙湖縫合帶(LSSZ)，其將羌塘塊體劃分為南羌塘與北羌塘塊體[37-40]。古生代、中生代和新生代地層在北羌塘地塊都有不同程度的出露,其周緣出露多為古生界地層,內(nèi)則廣泛分布著中生界地層。其中,中三疊地層分布零星,僅在熱覺茶卡、圖北湖一線出露,根據(jù)交通情況，選擇圖北湖及照沙山地區(qū)進(jìn)行古地磁樣品的采集。

1.1 中—晚三疊世圖中湖組(T2-3t)

采樣區(qū)位于西藏尼瑪縣圖北湖北東約6 km一線(見圖2a)。圖中湖組(T2-3t)為中三疊世拉丁期—晚三疊世卡尼期沉積的一套硅質(zhì)巖、灰?guī)r夾火山巖的巖石組合。圖中湖組下未見底,其上被中二疊統(tǒng)圖北湖組逆沖推覆所覆蓋,呈斷層接觸。該組下部以硅質(zhì)巖、中基性熔巖、凝灰?guī)r沉積為主,上部為含生物碎屑的微晶灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r、硅質(zhì)條帶灰?guī)r或硅質(zhì)巖互層、角礫狀灰?guī)r。硅質(zhì)巖中含豐富的放射蟲化石,經(jīng)鑒定有放射蟲Sepsagonrobustum,Triassocampecoronatap,Triassocampecf.coronatap以及Pararuesticyrtiumtrattoense等,因而將該地層時代限定為安尼晚期至卡尼期[41]。本組地層中上部灰?guī)r富含豐富的珊瑚腕足類化石,如:珊瑚Stylosmilia,腕足類Rhaetinopsiscf.zadoensis,Amphicjinasp.A.Intermedia,等,均為諾利期常見分子。此外,在玄武巖夾層獲得K-Ar全巖同位素年齡為213 Ma。綜合古生物及同位素定年結(jié)果,認(rèn)為圖中湖組的形成時代應(yīng)為中—晚三疊世(1)陸濟(jì)璞,陸剛,許華，等.中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告查多崗日幅區(qū)域(I45C002001 1∶25000) .2006.。

1.2 晚三疊世菊花山組(T3j)

菊花山組僅分布于拉雄錯、照沙山、黑龍山一帶,出露面積約210 km2。本次采樣區(qū)位于照沙山附近(見圖2b)。上三疊統(tǒng)菊花山組(T3j)為一大套碳酸巖組合,巖性主要是一系列的結(jié)晶灰?guī)r,主要有淺灰色和淺黃色中厚結(jié)晶灰?guī)r、含燧石條帶和含砂屑的結(jié)晶灰?guī)r、淺灰色厚層鮞礫狀灰?guī)r。該組富含上三疊統(tǒng)的常見生物化石分子,如:含Neohinleodellakobayashii等牙形石,Indopectensp.等雙殼類分子,Margarosmiliazieten-Volzeiachagyabensis等珊瑚分子,Rhaetinacaucasica-Sacothyrissinosa等腕足類分子,確定采樣區(qū)菊花山組的形成時代為晚三疊世諾利期①。

圖2 采樣區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)1∶25萬地質(zhì)圖查多崗日幅(2006)修改)Fig.2 Geologic maps of the sampling area

1.3 采樣情況

采樣區(qū)位于青藏高原腹地北羌塘塊體北部,自然環(huán)境惡劣,交通條件極差,人跡罕至。根據(jù)地層出露的情況,在查多崗日圖北湖附近(346°N,849°E)與照沙山(342°N,854°E)的中—晚三疊世圖中湖組及晚三疊世菊花山組地層中(見圖3)布置9個采點(diǎn),利用Model Do26-T6便攜式鉆機(jī)獲得獨(dú)立定向樣品87塊。其中,圖中湖組青黑色火山碎屑巖6個采點(diǎn),57塊樣品;菊花山組灰黑色灰?guī)r3個采點(diǎn),30塊樣品。

2 巖石磁學(xué)結(jié)果

本研究全部實(shí)驗(yàn)工作在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室中完成。分別從各采樣單元中挑選出4組樣品,對其進(jìn)行三軸等溫剩磁的系統(tǒng)熱退磁實(shí)驗(yàn)和飽和等溫剩磁實(shí)驗(yàn),辨別樣品中所含磁性礦物的種類、剩磁成因及其穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過程中,飽和等溫剩磁的獲得與測量分別采用2G-660脈沖磁力儀和JR-5A旋轉(zhuǎn)磁力儀;三軸等溫剩磁的系統(tǒng)熱退磁測試使用MMTD-48熱退磁爐和2G-755R低溫超導(dǎo)磁力儀。

巖石磁學(xué)結(jié)果顯示,中晚三疊世，圖中湖組(見圖4)樣品的飽和等溫剩磁獲得曲線在低場作用下,磁化強(qiáng)度呈近直線上升,小于300 mT外磁場條件時,磁化強(qiáng)度已基本趨于飽和。三軸等溫剩磁的系統(tǒng)熱退磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其中磁成分含量占絕大多數(shù),在350℃有一明顯衰減,說明樣品中可能含有少量中等矯頑力與解阻溫度的磁性礦物,中(40～400 mT)和硬(400～2 700 mT)磁成分均在580℃左右解阻,顯示了磁鐵礦的特征。

圖3 圖中湖組及菊花山組采樣照片F(xiàn)ig.3 The photos showing sampling situation of Tuzhonghu and Juhuashan formations

晚三疊世菊花山組(見圖4)樣品的飽和等溫剩磁獲得曲線，在低場作用下,磁化強(qiáng)度呈近直線上升,在小于400 mT時磁化強(qiáng)度已達(dá)60%以上,而后，隨外場強(qiáng)度的增加緩慢增加,并最終達(dá)到飽和狀態(tài)。三軸熱退磁結(jié)果表明，其中間磁成分含量占絕大多數(shù),中與軟磁成分在580℃左右解阻,硬磁成分的矢量強(qiáng)度在670℃左右衰減至零,說明了赤鐵礦與磁鐵礦共存的特征。

3 古地磁結(jié)果

根據(jù)巖石磁學(xué)結(jié)果,選擇系統(tǒng)熱退磁、交變退磁對本次所采集87塊樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的磁清洗與測試工作。MMTD-48熱退磁爐用于熱退磁處理,溫度間隔的低溫段(80℃)稀疏,高溫度較密集(15～50℃),剩磁測量在2G-755R超導(dǎo)儀上完成。交變退磁的間隔為5～10 mT,退磁與測試使用的儀器為2G-600AF交變退磁系統(tǒng)與2G-755R超導(dǎo)儀。剩磁分量統(tǒng)計分析使用Kirschvink主分量分析法[42],以采點(diǎn)為單位對各剩磁分量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)Fisher統(tǒng)計并求得組平均方向[43],數(shù)據(jù)分析處理所用到的PMGSC軟件是由加拿大地質(zhì)調(diào)查局Randy Enkin博士編制。

3.1 退磁特征

中—晚三疊世，圖中湖組樣品退磁曲線顯示(見圖5),部分樣品具有雙分量特征,當(dāng)溫度達(dá)到150～200℃時,可以將與現(xiàn)代地磁場相近的低溫分量清洗掉。還有部分樣品表現(xiàn)出單分量的特征,其剩磁強(qiáng)度和方向在Z式矢量圖上展現(xiàn)出一條逼近原點(diǎn)的直線,無低溫分量與高溫分量之分,其天然剩磁強(qiáng)度隨溫度或外場強(qiáng)度的升高/增加呈線性逐步衰減,直至500℃或525℃左右完全解阻,極少數(shù)樣品至565℃解阻。大部分菊花山組樣品的退磁曲線具有典型的雙分量特征(見圖5),剩磁方向在200℃或20 mT處明顯改變,在地理坐標(biāo)系中與現(xiàn)代地磁場相近的低溫分量被清洗,揭示出一組與低溫方向截然不同的中—高溫(場)分量,該分量在500℃左右已趨于原點(diǎn)。

圖4 北羌塘地塊中—晚三疊SIRM曲線和三軸等溫剩磁的系統(tǒng)熱退磁曲線Fig.4 Rock magnetic properties of Tuzhonghu Formation and Juhuashan Formation. IRM acquisition curves and thermal demagnetization of three IRM curves

3.2 低溫(場)分量

北羌塘地塊圖中湖與菊花山組共有75塊樣品獲得了低溫(場)剩磁分量,該分量在200℃(或20 mT)之前被清除,且表現(xiàn)為在地理坐標(biāo)系下較為集中且在地層坐標(biāo)系下分散的特征,其平均方向?yàn)?Dg=8.8°,Ig=48.0°,kg=18.2,α95g=3.9,n=75(地理坐標(biāo)系下);Ds=300.7°,Is=80.1°,ks=2.8,α95s=12.3°,n=75(地層坐標(biāo)系下)。該方向接近于現(xiàn)代地磁場偶極子場方向(D=0°,I=53.5°)(見圖6a),可能是現(xiàn)今地磁場的粘滯剩磁。

3.3 中—高溫(場)分量

對中—晚三疊世圖中湖組與菊花山組古地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的分析與比較,可在8個采點(diǎn)(53塊樣品)中獲得一組中—高溫(場)分量(見圖6),該分量普遍在500℃左右獲得。500℃以上的溫度點(diǎn)所對應(yīng)的分量方向較凌亂,很難分離出有效的方向。該分量的平均方向在樣品水平上校正前后分別為:Dg=29.5,Ig=44.9°,kg=18.0,α95g=4.7°,n=53(校正前);Ds=76.4°,Is=79.3°,ks=2.9,α95s=14.0°,n=53(校正后)。在采點(diǎn)水平上校正前后方向分別為:Dg=29.7°,Ig=44.6°,kg=44.6,α95g=8.4°,N=8(校正前);Ds=81.1°,Is=82.4°,ks=3.2,α95s=36.8°,N=8(校正后)((見圖6b)。

圖5 中—晚三疊世部分樣品的退磁矢量Z氏圖 (Zijderveld, 1967)Fig.5 Orthogonal vector plots of demagnetization behaviors in tilt-corrected coordinates from specimens representative of the Middle-Late Triassic Tuzhonghu Formation and Juhuashan Formation

從圖6b中可以看出, 這組分量在樣品地理坐標(biāo)系下集中, 反而在地層坐標(biāo)系下分散, 且在火山巖和灰?guī)r記錄的方向集合中, 均表現(xiàn)出同樣的特征。 該分量無論在樣品水平上還是采點(diǎn)水平上均未通過McElhinny(1964)褶皺檢驗(yàn)(ks/kg=2.9/18.0, 樣品水平;Ks/Kg=3.2/44.6, 采點(diǎn)水平)[44],逐步校正分析表明，其最大集中程度分別出現(xiàn)在(11.9±4.5)%和(12.0±7.3)%的地層傾斜校正水平上(見圖7)[45],說明這組分量方向?yàn)轳薨櫤螳@得的重磁化方向。通過與前人研究的古地磁數(shù)據(jù)的比對,發(fā)現(xiàn)該方向與Chen等(2017)[33]在羌塘塊體(103.8±0.46)Ma火山巖中獲得的特征剩磁方向較為一致,將其換算至本文采樣點(diǎn)所對應(yīng)的古緯度為28.5°N±5.8°。所以，推測這組中—高溫分量很可能是早白堊世時期的重磁化分量方向。

注:三角形(PGF)為現(xiàn)今地磁偶極子場;五角星為帶α95置信圓采點(diǎn)或樣品水平下的總方向圖6 北羌塘塊體中—晚三疊世樣品赤平投影圖Fig.6 Equal-area projections of the low-temperature

注：實(shí)線代表低溫(場)分量檢驗(yàn)結(jié)果,虛線代表中—高溫(場)分量檢驗(yàn)結(jié)果圖7 同褶皺示意圖Fig.7 Results for the low-temperature

4 結(jié) 論

1) 巖石磁學(xué)研究顯示，北羌塘塊體查多崗日地區(qū)中晚三疊世圖中湖組及晚三疊世菊花山組地層中主要載磁礦物為赤鐵礦和磁鐵礦。

2) 本研究采集的大部分樣品的退磁曲線具有明顯的雙分量特征,部分樣品顯示出單分量特征。這揭示出兩組分量,低溫(場)分量為現(xiàn)代地磁場重磁化方向,中高溫(場)分量表現(xiàn)出明顯的負(fù)褶皺特點(diǎn),通過與已有數(shù)據(jù)的對比,推測該分量可能為早白堊世時期的重磁化方向。