柴北緣駱駝泉剖面新生代地層磁組構特征及其構造意義

栗兵帥, 王江匯, 顏茂都, 張偉林, 鮑晶

1 東華理工大學地球科學學院, 南昌 330013 2 中國科學院青藏高原研究所, 青藏高原地球系統與資源環境國家重點實驗室, 北京 100101 3 中國科學院大學, 北京 100049

0 引言

青藏高原東北部新生代構造活動十分強烈,其構造演化對理解青藏高原隆升和變形模式具有重要意義(Meyer et al., 1998; Tapponnier et al., 2001; Clark et al., 2010; Duvall et al., 2011).盡管前人已應用多種方法對高原東北部地區開展了一系列研究,但目前對該地區的構造活動過程和演化模式仍存在很大爭議.如一部分觀點認為高原東北部地區的構造活動主要起始于中新世—上新世時期(Meyer et al., 1998; Tapponnier et al., 2001),是印度—歐亞板塊約55 Ma碰撞(Sun et al., 2010; Yang et al., 2015; Ding et al., 2017; Yuan et al., 2021)以來構造變形自碰撞帶逐步北東方向傳遞的結果(Meyer et al., 1998; Tapponnier et al., 2001);而更多的研究表明高原東北部地區構造活動在古新世—始新世(Yin et al., 2002, 2008a; Clark et al., 2010; Duvall et al., 2011; He et al., 2017)或漸新世時期(Fang et al., 2003; Wang W T et al., 2022)就受到印度—歐亞板塊初始碰撞的影響.擠壓應力方向及其轉變特征與山體隆升、地殼縮短和旋轉變形等構造活動密切相關(Lease et al., 2011; Wang et al., 2013; Yin et al., 2008b),其研究可為揭示青藏高原東北部構造變形過程提供直接證據.對于區域擠壓應力方向的研究目前有多種方法,如依據褶皺軸線、斷層和節理走向以及方解石雙晶等應變標志(任收麥等, 2009; Anchuela et al., 2012).而磁組構(本文特指磁化率各項異性)作為一種快速便捷且對樣品無損傷的方法,可以定量評估礦物的優選方位,進而在研究構造應力和區域構造變形方面具有獨特優勢,尤其是在無明顯應變標志的弱變形地區(Parés et al., 1999; Soto et al., 2009; 曹新文等, 2022).

目前在青藏高原東北部已經開展了一系列新生代構造應力方向轉變的研究,對于東部的隴中盆地及其周邊地區,已有研究近一致地揭示出該地區在中中新世發生擠壓應力方向調整,由近N-S向轉變為NE-SW向.如Lease等(2011)通過研究WNW-ESE向拉脊山和NNW-SSE向積石山(圖1a)差異隆升過程,認為高原東北部的構造變形在中中新世發生運動學調整,擠壓應力方向由早期NNE-SSW向轉變為ENE-WSW向,并暗示整個青藏高原在中中新世發生變形調整.Wang等(2013)通過對隴中盆地開展系統野外地質調查和地震剖面分析,認為隴中盆地在約10 Ma發生構造反轉,由NE-SW向伸展轉變為NE-SW向擠壓.Yuan等(2013)通過總結前人研究,認為高原東北部地殼縮短/擠壓方向在約20 Ma發生調整,由NNE-SSW向轉變為NE-SW甚至于更東部的ENE-WSW向.對于高原東北部西部的柴達木盆地及其周邊地區,任收麥等(2009)通過研究柴北緣地區中—新生代地層中發育的節理,認為柴北緣地區晚白堊世受N-S向擠壓,上新統獅子溝組沉積之后由于阿爾金山隆升,轉變為NW-SE向應力,而七個泉組沉積之后,又顯著受N-S向構造應力場的強烈影響.由于該研究中恢復的地層校正前擠壓應力方向為近統一的NE-SW向,而地層校正后比較凌亂,不排除這些節理可能是中—晚中新世以來地層掀斜后才發育的,因此不能反映巖石沉積時期的擠壓應力方向特征.近年來許多學者在柴達木盆地利用磁組構方法開展了一系列擠壓應力方向變化的研究,如Yu等(2014b)通過對柴達木盆地內的七個剖面(尕海、苦水泉/大紅溝、紅柳溝、黑石丘、俄博梁、花土溝和甘森,位置見圖1a,b)的下干柴溝組和下油砂山組地層開展磁組構研究,認為高原北部擠壓應力方向在中新世時期發生轉變,由早期近N-S向轉變為NE-SW向.蘇慶達等(2016)在柴北緣中部偏南的大紅溝剖面(圖1b)開展系統磁組構研究,利用地層組平均方法將擠壓應力方向轉變時間限定為始新世下干柴溝組和漸新世上干柴溝組之間.然而,由于青藏高原東北部不同地區在新生代不同時期可能經歷了不同方式和幅度的旋轉變形(Chen et al., 2002; Dupont-Nivet et al., 2002, 2004; Yan et al., 2006; Yin et al., 2008b; Yu et al., 2014a; Wang W T et al., 2016; Li et al., 2017, 2018, 2021a, 2022; 栗兵帥等, 2019, 2022;蔡火燦等, 2022;孫玲等, 2022),磁線理作為指示擠壓應力方向的被動標志,可能也被動經歷了旋轉變形,因此還需要考慮后期旋轉變形對磁線理恢復的擠壓應力方向變化的影響.最近,Li B S等(2020)通過對柴北緣中部偏北的紅柳溝剖面(圖1b)開展系統磁組構研究,揭示該地區這一擠壓應力方向轉變發生于28～10 Ma,而Li等(2021b)和孫玲等(2022)分別通過對柴達木盆地內部的俄博梁剖面和柴北緣中部偏南的大紅溝剖面(圖1b)細致的磁組構研究,限定兩地區擠壓應力方向的轉變均發生在中—晚中新世時期(15～7 Ma和15～10 Ma).此外,目前對于柴達木盆地新生代地層磁組構的成因也存在分歧,如部分學者將其歸于水動力成因的沉積磁組構(霍斐斐等, 2020; Nie et al., 2020).因此,目前在柴北緣地區利用磁組構方法恢復擠壓應力方向轉變的研究仍存在很大爭議,制約了我們對青藏高原東北部地區新生代擠壓應力方向轉變以及構造變形過程等系列問題的認識.

柴北緣逆沖帶出露有近乎連續、完整的新生代地層,是研究柴達木盆地新生代地層年代、構造和氣候變化等科學問題的關鍵場所,自北西至南東方向,已在紅柳溝、大紅溝、紅溝、紅山和懷頭他拉等剖面開展了一系列高精度磁性地層年代學研究(張偉林, 2006; Fang et al., 2007; Lu and Xiong, 2009; Ji et al., 2017; Wang W T et al., 2017, 2022; Nie et al., 2020; 段磊等, 2022; Lu et al., 2022),為進一步開展細致磁組構研究提供了年齡約束.盡管目前已在柴北緣中部紅柳溝和大紅溝剖面開展了細致磁組構研究(Yu et al., 2014b; 蘇慶達等, 2016; Li B S et al., 2020; 霍斐斐等, 2020; Nie et al., 2020; 孫玲等, 2022),但由于柴北緣逆沖帶不同部位新生代地層的磁組構成因及其進一步揭示的擠壓應力方向轉變的時間等仍存在很大分歧,本文選擇了柴北緣北西部新生代地層出露較好的駱駝泉剖面開展細致磁組構研究,以鄰區紅柳溝剖面已開展的磁性地層年代提供年齡約束(張偉林,2006; Fang et al., 2019; Li B S et al., 2020),通過磁組構特征分析及其與古水流方向對比,確定磁組構成因;綜合柴北緣和青藏高原東北部地區已有擠壓應力方向轉變結果和其他地質證據,揭示該地區新生代擠壓應力方向轉變和構造變形過程,為限定高原東北部地區隆升和變形過程提供證據.

1 研究區地質概況和樣品采集

柴達木盆地是青藏高原北部最大的中—新生代陸相沉積盆地,面積約12萬km2.盆地的形成演化受周緣阿爾金山、祁連山和東昆侖山三大山系及其斷裂系統控制(圖1a).新生代以來,柴達木盆地接受周緣山體巨量剝蝕物,新生代河-湖相地層非常發育,最厚可達13 000 m,是研究高原東北部新生代構造變形和氣候演化的關鍵地區(Yin et al., 2002, 2008a, b; Bao et al., 2017, 2019; Ye et al., 2018; Cheng et al., 2019, 2021; Fang et al., 2019).柴達木盆地新生代地層自老到新依次劃分為路樂河組、下干柴溝組、上干柴溝組、下油砂山組、上油砂山組、獅子溝組和七個泉組(青海省地質礦產局, 1991; Yin et al., 2008a).目前關于柴達木盆地新生代地層的年代仍存在很大爭議,傳統觀點認為新生代路樂河組地層開始沉積于晚古新世—早始新世時期(青海省地質礦產局, 1991; Sun et al., 2005; 張偉林, 2006; Yin et al., 2008a,b; Ji et al., 2017);但最近柴北緣地區部分基于化石錨點的磁性地層年代學研究認為路樂河組地層開始沉積于漸新世或早中新世時期(Wang W T et al., 2017, 2022; Nie et al., 2020; 段磊等, 2022; Lu et al., 2022).由于較年輕的地層年代研究僅局限于柴北緣地區,而依據傳統年齡模型建立的古氣候記錄可與區域和全球古氣候指標宏觀對比(Ye et al., 2018, 2022; Fang et al., 2019; Song et al., 2020; Sun et al., 2020),且依據傳統年齡框架恢復的盆地內斷裂活動與盆地周緣山體的構造隆升過程相吻合(Cheng et al., 2021),因此,本文主要參照傳統年齡模型對柴北緣駱駝泉剖面開展細致磁組構研究,并在統一年齡框架下,分析柴北緣及青藏高原東北部地區新生代擠壓應力方向變化特征.

柴北緣逆沖帶位于祁連山和柴達木盆地之間,整體呈NW-SE向展布,長約500 km,由一系列褶皺和逆沖斷裂組成(Wang and Burchfiel, 2004)(圖1b).依據其典型的反“S”形幾何學特征,柴北緣逆沖帶以賽什騰山和錫鐵山這兩處弧形山脈的轉折端為界分為3部分,北西部和南東部呈WNW-ESE向,中部呈NW-SE向,相鄰兩部位走向之間夾角約為25°～30°(圖1b).古地磁結果表明,柴北緣逆沖帶反“S”形幾何學特征是由阿爾金斷裂兩階段走滑活動導致其各部位發生差異旋轉變形而形成,即柴北緣逆沖帶早期可能為統一WNW-ESE向逆沖帶,33～17 Ma期間其北西部和中部以錫鐵山為旋轉點一并發生25～30°順時針旋轉變形,而17～10 Ma期間僅北西部以賽什騰山為旋轉點發生25～30°逆時針旋轉變形(Chen et al., 2002; Wu et al., 2011; Li et al., 2018, 2021a, 2022; 栗兵帥等, 2019;孫玲等, 2022).另外,橫貫柴北緣逆沖帶的一系列地震反射剖面揭示,靠近阿爾金斷裂帶的北西部地區的構造活動開始于古新世—早始新世時期,并逐步向南東方向擴展,在中—晚中新世時期傳播至其南東部地區(Yin et al., 2008a).

駱駝泉剖面位于柴北緣逆沖帶北西部,該剖面被一條近東-西向斷裂分割為南、北兩部分(圖1c),斷裂北部靠近賽什騰山,表現為一穹窿構造,主要分布有路樂河組、下干柴溝組和上干柴溝組地層;而斷裂南部表現為不對稱背斜構造,核部為上干柴溝組地層,向南依次出露油砂山組(由于該地區油砂山組巖性特征相似,并未細分上油砂山組和下油砂山組)、獅子溝組和七個泉組地層.根據背斜南翼油砂山組和獅子溝組地層產狀相似這一特征(圖1c),推測該地區褶皺活動可能主要發生在獅子溝組地層沉積之后.

由于南-北向沖溝并未切穿穹窿構造核部,駱駝泉剖面未見路樂河組和下干柴溝組地層,僅上干柴溝組以來地層較好出露.其中,上干柴溝組以粉砂巖和泥巖為主;油砂山組以礫巖和砂巖為主,夾粉砂巖和泥巖;獅子溝組和七個泉組則主要以大套厚層礫巖為主,僅局部夾薄層砂巖和細砂巖.野外各地層組界限清晰明確,能與相鄰紅柳溝剖面各地層組巖性特征宏觀對比(張偉林, 2006).為避免水動力作用對磁組構可能產生的影響,我們主要對上干柴溝組和油砂山組地層中粉砂巖和泥巖段開展古地磁采樣工作(圖2).利用便攜式汽油鉆機鉆取古地磁巖心樣品,并使用磁羅盤定向,條件允許時,使用磁羅盤和太陽羅盤共同定向,且兩者差值往往小于5°.根據地層出露情況,共布設了4個采樣剖面(圖1c),其中,斷裂北部穹窿構造NE部布設1個采樣剖面(包括a-1和a-2),根據地層產狀特征和Google Earth衛星影像圖計算出其距離下干柴溝組/上干柴溝組地質界限約150 m(真實地層厚度,下同),由于研究區上干柴溝組地層沉積厚度與南東部紅柳溝地區相似(約700 m)(Bao et al., 2017),確定其屬于上干柴溝組下部地層;采樣剖面b位于斷裂南部的背斜核部附近(包括b-1、b-2和b-3),距離上干柴溝組/油砂山組界限約400 m,為上干柴溝組中部地層;采樣剖面c距離上干柴溝組/油砂山組界限約100 m,為上干柴溝組上部地層(Li et al., 2022);采樣剖面d距離上干柴溝組/油砂山組界限約450 m,由于野外無法確定油砂山組頂面(圖1c),且與紅柳溝地區油砂山組地層厚度差異較大(Bao et al., 2017),所以僅粗略確定其為油砂山組中部地層,年齡誤差值也較大(±5 Ma)(表1).參照紅柳溝剖面已開展的磁性地層年齡框架,即上干柴溝組沉積年齡為31～21 Ma,油砂山組為21～8.7 Ma(張偉林, 2006; Li B S et al., 2020),根據內插法可以限定出采樣剖面a、b和c的確切沉積年齡(表1).單個采樣剖面至少采集7個采點,每個采點至少鉆取8個古地磁巖心樣品,即每個采樣剖面至少采集60個古地磁巖心樣品,以滿足統計需要(Butler, 1992).最終,駱駝泉剖面共采集4個采樣剖面、49個采點的503個古地磁定向巖心樣品.

表1 駱駝泉剖面新生代各采樣剖面磁組構結果

圖2 駱駝泉地區4個采樣剖面野外露頭

2 巖石磁學測試與分析

沉積巖磁組構主要反映各種磁性礦物,尤其是鐵磁性和順磁性礦物的空間方位展布特征(Parés and van der Pluijm, 2002; Tarling and Hrouda, 1993; Parés, 2015).為確定駱駝泉剖面新生代樣品中的主要磁性礦物,我們對代表性樣品開展了系統巖石磁學實驗(磁化率隨溫度變化曲線(κ-T)、等溫剩磁獲得曲線(IRM)及反向場退磁曲線和磁滯回線(hysteresis loop)等).其中,磁化率隨溫度變化曲線測試采用AGICO公司生產的搭配CS-4高溫腔的卡帕橋MFK-FA型多頻磁化率儀完成,粉末樣品在氬氣環境中從室溫逐步加熱至700 ℃,而后再逐步冷卻至室溫.等溫剩磁獲得曲線及反向場退磁曲線和磁滯回線測試采用振蕩樣品磁強計(MicroMag Model 8604,VSM)在室溫下完成,外加磁場為±1.0 T.上述巖石磁學實驗在中國科學院青藏高原研究所古地磁實驗室完成.

所有樣品磁化率隨溫度變化曲線均表現出不可逆特征,且大部分降溫曲線磁化率值高于升溫曲線(圖3a),表明樣品在加熱過程中磁性礦物發生了礦物轉變,生成強磁性礦物,很可能是含鐵硅酸鹽礦物受熱轉變為磁鐵礦顆粒(Deng et al., 2001).所有樣品升溫曲線的磁化率值在約580 ℃時顯著下降,表明樣品中含有磁鐵礦;大部分樣品磁化率值在約680 ℃降至最低,表明樣品中同時存在赤鐵礦.雖然后者磁化率值的下降幅度明顯小于前者,但考慮到在單位體積或質量情況下,磁鐵礦的磁化率值比赤鐵礦要高出2～3個數量級(夏敦勝等, 2006),升溫曲線中赤鐵礦的明顯信號特征表明,赤鐵礦可能是駱駝泉剖面新生代樣品中的主要磁性礦物.

圖3 駱駝泉剖面代表性樣品巖石磁學結果,其中(a)磁化率隨溫度變化(κ-T)曲線(紅色為升溫曲線,藍色為降溫曲線);(b)歸一化的等溫剩磁獲得曲線(IRM)及反向場退磁曲線;(c)歸一化的磁滯回線(Hysteresis loops),紅色為順磁校正后的磁滯回線

等溫剩磁獲得曲線及反向場退磁曲線表明,所有樣品等溫剩磁在0～100 mT快速增加,表明樣品中均存在低矯頑力組分(如磁鐵礦);同時等溫剩磁在1.0 T沒有達到飽和(圖3b),表明樣品中存在高矯頑力組分(如赤鐵礦或針鐵礦等).其中,來自上干柴溝組下部樣品(C43-6和T40-2)的矯頑力Bcr顯著大于其余樣品,表明上干柴溝組下部樣品中高矯頑力磁性礦物的相對含量要明顯高于其余三個采樣剖面.

所有順磁校正后的磁滯回線均表現出典型“蜂腰狀”特征(圖3c),表明樣品中同時存在高矯頑力和低矯頑力組分(Dunlop and ?zdemir, 1997; Evans and Heller, 2003).其中,來自上干柴溝組下部的樣品(C43-6和T40-2)在1.0 T仍未飽和,且矯頑力大于100 mT,同樣表明樣品中高矯頑力組分(如赤鐵礦)占主導地位.此外,依據磁滯回線升、降兩條曲線的均值在高場和低場的斜率可以估算順磁性組分(如層狀硅酸鹽礦物)和鐵磁性組分對磁化率的貢獻率(Fabian and Von Dobeneck, 1997).表2表明,駱駝泉剖面新生代樣品中順磁性組分對磁化率的貢獻均超過了30%,部分樣品(如C43-6)可達到60%.

表2 駱駝泉剖面新生代樣品中順磁性組分和鐵磁性組分對總磁化率的貢獻率

因此,系統巖石磁學結果表明,駱駝泉剖面新生代樣品中主要磁性礦物是赤鐵礦和順磁性組分(如層狀硅酸鹽礦物),同時也存在少量磁鐵礦.其中,上干柴溝組下部地層樣品相比于其余樣品,赤鐵礦等高矯頑力組分占主導.

3 磁組構原理、測試與結果

磁組構通常以磁化率橢球體表示(K1≥K2≥K3,其中K1、K2和K3分別代表磁化率橢球的最大、中間和最小主軸)(Hrouda, 1982).因巖石應變橢球與磁化率橢球的3個主軸互相平行且長度之間存在冪指數關系,所以磁化率橢球可以代替應變橢球指示巖石形成以及變形時期的構造應變方向.磁組構可以分為:(1)典型沉積磁組構,K1與K2組成的磁面理與層面平行,其中,在靜水條件下,K1發散無定向;而在水動力條件下,K1集中分布,磁線理發育,K3偏離層面法線方向而傾向于古水流方向,且弱水流動力條件下(水流流速v<1 cm·s-1),磁線理K1方向往往與古水流方向一致,而強水流動力條件下(v>1 cm·s-1),磁線理K1方向常與古水流方向垂直(Hrouda, 1982; Hrouda and Chadima, 2020).(2)初始弱變形至強劈理組構,最顯著特征是K1在層面內集中分布且與擠壓方向垂直,K3從垂直層面到帶狀或紡錘狀分布再到平行層面分布(Mattei et al., 1997; Parés et al., 1999; Borradaile and Hamilton, 2004; Larrasoaa et al., 2004; Parés, 2004; Soto et al., 2007; Roperch et al., 2010; Tang et al., 2012; Yu et al., 2014b; Hrouda and Chadima, 2020; Li B S et al., 2020; Li S H et al., 2020; Tong et al., 2022).

本研究磁組構測試在中國科學院青藏高原研究所古地磁實驗室完成,采用AGICO公司生產的卡帕橋MFK-FA型多頻磁化率儀完成,單個樣品沿其三個主軸方向分別測試,外場強度為300 A/m,頻率為976 Hz.磁組構各項參數(平均磁化率Km、磁線理L、磁面理F、校正磁化率各向異性度Pj和形狀因子T等)使用Anisoft 4.2 軟件(Chadima and Jelinek, 2009)自動計算.

各采樣剖面地層校正后磁組構等面積投影結果顯示(圖4),三個主軸分布都比較集中,其中最小主軸K3與層面近于垂直,并表現出顯著NNE-SSW或NE-SW向紡錘狀特征,顯示出明顯初始變形磁組構特征(Parés, 2015; 王開等, 2017; Hrouda and

圖4 駱駝泉剖面新生代地層各采樣剖面磁組構特征,包括等面積投影圖(左為地層校正前,右為地層校正后;黃色曲線代表地層產狀,藍色箭頭代表磁線理方向,粉色箭頭代表與磁線理垂直的擠壓應力方向,紅色箭頭代表旋轉校正后的擠壓應力方向)、Pj-Km圖(中)和Pj-T圖(右)

Chadima, 2020; 賈舒斐等, 2023),最大主軸K1和中間主軸K2組成的磁面理與層面近于平行,且磁線理K1方向顯示出系統性變化,由上干柴溝組下部沉積時期WNW-ESE向(276.6°)逐步轉變為上干柴溝組上部和油砂山組沉積時期的NW-SE向(311°);而地層校正之前三個主軸分布則比較分散,表明駱駝泉剖面新生代地層磁組構是地層褶皺之前獲得.所有采樣剖面磁化率值Km都比較低,平均值為302×10-6SI(表1),與巖石磁學實驗分析的磁性礦物以赤鐵礦和順磁性礦物為主一致.另外,磁化率各向異性度Pj與磁化率Km無明顯相關性(圖4),表明磁化率各向異性度Pj與巖性或磁性礦物含量無關(Anchuela et al., 2012).大部分采樣剖面磁化率橢球以扁圓狀為特征,顯示出初始沉積磁組構特征;而上干柴溝組中部采樣剖面b則以扁長狀為主,顯示出較強的應變特征.

4 討論

4.1 駱駝泉剖面新生代地層磁組構來源

由于水動力成因的沉積磁組構與構造成因的初始變形磁組構特征比較相似,導致對柴北緣地區新生代地層磁組構來源存在兩種不同認識,并進一步用于區域古水流(Nie et al., 2020; 霍斐斐等, 2020)或構造擠壓應力方向變化等不同方面的研究(Yu et al., 2014b; 蘇慶達等, 2016; Li B S et al., 2020, 2021b; 孫玲等, 2022).通過分析駱駝泉剖面新生代地層磁組構特征及其與古水流方向對比發現:(1)磁線理方向與古水流方向差異明顯.由于駱駝泉剖面上干柴溝組地層巖性較細,為河-湖相沉積,且樣品主要采自粉砂巖和泥巖,沉積水動力較弱.如果磁組構為水動力成因的沉積磁組構,其磁線理方向應與古水流方向一致.駱駝泉剖面新生代地層磁線理方向主要為WNW-ESE和NW-SE向(圖4),而柴北緣地區重礦物組合特征(付玲等, 2013;李鳳杰等, 2014;林洪等, 2014;李俊武等, 2015)和柴北緣北部礫石或交錯層理等分析(Meng and Fang, 2008; Zhuang et al., 2011)一致表明駱駝泉地區新生代以來的古水流方向主要為南西向,兩者之間相差較大.(2)磁組構特征與古水流作用的沉積磁組構特征差異明顯.沉積磁組構的最大主軸K1方位角往往聚集程度較差,最小主軸K3傾向于古水流方向(Hailwood and Sayre, 1979; Mattei et al., 1997).而駱駝泉剖面磁組構最大主軸K1方位角聚集顯著,最小主軸K3也顯示出明顯NNE-SSW或NE-SW向紡錘狀特征,為明顯初始變形磁組構特征(Tarling and Hrouda, 1993; Parés, 2015; 王開等, 2017).(3)巖石磁學和磁組構參數(如磁化率Km)均表明,樣品中主要磁性礦物是順磁性組分和赤鐵礦,其較強的磁晶各向異性在構造應力影響下往往顯示出較好的趨向性(Borradail and Henry, 1997; Parés et al., 1999).以上分析表明,駱駝泉剖面新生代地層磁組構為構造成因磁組構.另外,由于磁組構是地層褶皺之前獲得,且研究剖面沒有發現劈理、片理、再生成巖作用和變質作用等強烈構造活動痕跡,排除后期強烈構造變形作用統一疊加導致的可能.綜合這些證據,我們認為駱駝泉剖面新生代地層磁組構為巖石固結成巖時期形成的初始變形磁組構,可用于巖石沉積成巖時期的構造應力方向及其變化特征研究.

4.2 柴北緣地區新生代擠壓應力方向變化特征

地震反射剖面結果表明,柴達木盆地自早新生代以來就處于構造擠壓環境,上地殼發生縮短變形(Zhou et al., 2006; Yin et al., 2008a,b; Mao et al., 2016; Wei et al., 2016; Bao et al., 2017; Liu et al., 2019),而在構造擠壓背景下,磁線理K1方向與構造擠壓方向垂直(Mattei et al., 1997; Parés et al., 1999; Larrasoaa et al., 2004; Parés, 2004; Roperch et al., 2010).已有古地磁結果表明,駱駝泉地區新生代發生了一定幅度的順時針和逆時針旋轉變形(Li et al., 2022),而作為被動標志,磁線理方向也會受到后期構造旋轉變形的影響(Li B S et al., 2020, 2021b; 孫玲等, 2022).當去除旋轉變形影響后,駱駝泉地區4個采樣剖面磁組構特征表明,該地區擠壓應力方向由上干柴溝組下部沉積時期(約29 Ma)的NNE-SSW向(約10°)逐步轉變為上干柴溝組上部(約22 Ma)和油砂山組沉積時期的NE-SW向(約45°)(圖5,表1).此外,柴北緣中部紅柳溝和大紅溝剖面以及柴達木盆地內部俄博梁地區磁組構結果一致表明,柴達木盆地北部漸新世或更早時期的擠壓應力方向均為N-S向(圖5).因此,盡管目前還沒有對駱駝泉剖面上干柴溝組沉積之前的新生代地層開展擠壓應力方向研究,我們傾向于認為該地區上干柴溝組沉積之前的擠壓應力方向應該與周邊地區一致,為近N-S向.綜合考慮這些結果并根據駱駝泉剖面已有擠壓應力方向轉變特征反推可知,駱駝泉地區新生代擠壓應力方向轉變的起始時間可能在上干柴溝組下部沉積時期(約31 Ma)(圖5).這一擠壓應力方向轉變特征與柴北緣(Li B S et al., 2020; 孫玲等, 2022)和柴達木盆地內部(Li et al., 2021b)及青藏高原東北部東部地區(Lease et al., 2011; Yuan et al., 2013)的擠壓應力方向轉變特征一致,均由早期近N-S向轉變為NE-SW或ENE-WSW向(圖5).盡管無法排除局部斷層活動對研究區磁線理方向變化的可能影響,但一方面旋轉變形校正會消除局部斷層活動引起的旋轉變形影響,另一方面駱駝泉剖面磁線理揭示的擠壓應力方向及其轉變特征與相鄰地區(如紅柳溝、大紅溝和俄博梁剖面等)結果基本一致,因此我們更傾向于認為駱駝泉地區磁線理方向沒有受到后期局部斷裂活動的影響.其中,早期近N-S向擠壓應力方向與新生代早期印度—歐亞板塊近N-S向碰撞擠壓方向一致(Molnar et al., 1993; Li B S et al., 2020, 2021b; 孫玲等, 2022),表明印度—歐亞碰撞帶的擠壓應力可能在晚始新世—早漸新世時期就已傳播至高原東北部地區(Yin et al., 2002, 2008a; Clark et al., 2010; Duvall et al., 2011; He et al., 2017)(圖6a).而中中新世以來的NE-SW向擠壓應力不僅與GPS觀測的高原東北部上地殼NE向運動特征一致(Shen et al., 2001; Wang et al., 2001; Zhang et al., 2004; Gan et al., 2007; Wang and Shen, 2020),也與柴達木盆地內中—晚中新世形成的一系列NW-SE向褶皺-逆沖帶(Mao et al., 2016; Liu R C et al., 2017, 2019)相吻合(圖1a,圖6c).由于這些褶皺-逆沖帶北西部與阿爾金斷裂相連,而阿爾金斷裂中中新世以來發生構造轉換,其剪切應力開始廣泛傳播至高原東北部內部地區(Chen et al., 2002; Yue et al., 2004; Zhuang et al., 2011; Lu et al., 2016; Li et al., 2017, 2018, 2022; 孫玲等, 2022),因此中中新世以來NE-SW向擠壓應力可能與阿爾金斷裂控制下青藏高原東北部地區的構造格架有關.

圖5 柴達木盆地北部磁組構揭示的擠壓應力方向轉變特征,其中紅柳溝、大紅溝和俄博梁地區結果分別來自Li B S等(2020)、孫玲等(2022)和Li等(2021b).矩形框內年齡是根據擠壓應力方向變化特征獲得的其起始轉變時間

圖6 青藏高原東北部新生代擠壓應力方向轉變和構造變形特征

分析柴北緣逆沖帶擠壓應力方向轉變特征可以發現,自北西向南東方向,駱駝泉、紅柳溝和大紅溝三剖面擠壓應力方向轉變時間分別開始于下干柴溝組底部(約31 Ma)、下干柴溝組下部(28 Ma)和上油砂山組下部(15 Ma)沉積時期;擠壓應力方向最終轉變為統一NE向的時間,分別為上干柴溝組上部(約22 Ma)、上油砂山組上部(約11 Ma)和上油砂山組—獅子溝組(約9 Ma)沉積時期(圖5),表明柴北緣地區擠壓應力方向轉變時間存在自北西向南東方向變年輕的特征.Yin等(2008a)通過對橫貫柴北緣逆沖帶一系列地震反射剖面的研究,發現柴北緣地區新生代構造變形在北西部駱駝泉剖面附近地區起始于早始新世路樂河組,中部紅柳溝剖面附近地區起始于中—晚始新世下干柴溝組,大紅溝剖面附近地區起始于晚漸新世上干柴溝組,而南東部地區開始于中中新世上油砂山組,與擠壓應力方向轉變特征共同揭示了柴北緣逆沖帶的構造活動存在自靠近阿爾金斷裂帶的北西部向南東方向傳播和擴展的特征.

此外,上述沿柴北緣的逆沖斷裂構造活動過程與擠壓應力方向轉變結果對比表明,構造變形的起始時間要稍早于擠壓應力方向的轉變時間.這一差異很可能表明,柴北緣乃至高原東北部地區擠壓應力方向轉變并不是構造變形(逆沖斷裂活動、山體隆升和塊體旋轉變形)的最終驅動因素,反而是構造變形誘發的被動結果,兩者之間的先后機制也有待進一步研究.由于柴北緣地區漸新世以來的構造旋轉變形與阿爾金斷裂的左行走滑活動密切相關(Li et al., 2018, 2022; 孫玲等, 2022),柴北緣地區擠壓應力方向轉變以及構造活動等向南東方向傳播和擴展的特征表明,阿爾金斷裂的左行剪切分量可能通過柴北緣等一系列褶皺—逆沖帶逐漸自北西向南東方向傳播至高原東北部內部地區.這一傳播過程也有助于解釋柴達木盆地漸新世以來,尤其是中中新世以來沉積中心自盆地北西部向南東部的遷移過程(Huang and Shao, 1993; Wang et al., 2006; Yin et al., 2008a,b; Yu et al., 2014b).

由于柴達木盆地新生代地層的年齡仍存在很大爭議,如果依據柴北緣新生代地層較年輕的年齡框架(Wang W T et al., 2017, 2022; Nie et al., 2020; Lu et al., 2022; 段磊等,2022),則駱駝泉、紅柳溝和大紅溝三剖面擠壓應力方向的轉變時間分別開始于約17 Ma、15 Ma和8.5 Ma.盡管由此導致的構造活動和演化的年齡會顯著變年輕,但沿柴北緣逆沖帶擠壓應力方向轉變的時間向南東方向變年輕的趨勢保持不變.

4.3 青藏高原東北部地區擠壓應力方向轉變特征及其構造意義

除了柴北緣逆沖帶外,柴達木盆地內部俄博梁剖面細致磁組構結果揭示該地區相似的擠壓應力方向轉變起始于中中新世(約15 Ma)(圖5),高原東北部東部拉脊山和積石山差異隆升(Lease et al., 2011)和隴中盆地構造分析(Wang et al., 2013; Yuan et al., 2013)等研究近一致表明該地區相似的擠壓應力方向轉變時間也發生在中中新世(約15 Ma)(圖6).因此,擠壓應力方向轉變的時空差異表明,青藏高原東北部擠壓應力方向轉變存在自柴北緣北西部向東、西和南向傳遞的特征(圖6c).

與阿爾金斷裂走滑活動相關的旋轉變形也揭示了相似的特征,如柴北緣北西部和中部地區顯著旋轉變形發生于早漸新世—中中新世時期(33～17 Ma)(Li et al., 2018),而阿爾金斷裂西部的柴西依吞布拉克地區(Li et al., 2017)和庫木庫里盆地(Lu et al., 2016)顯著旋轉變形發生于中—晚中新世時期,阿爾金斷裂東部肅北盆地(Gilder et al., 2001; Chen et al., 2002)和酒西盆地(Yan et al., 2013; Wang W T et al., 2016)以及高原東北部東部的貴德盆地(Yan et al., 2006)顯著旋轉變形都發生于中—晚中新世時期(圖6c).與之相對應,柴北緣北西部和中部的山體隆升和斷裂活動起始于始新世—漸新世時期,并向南東方向傳遞(Yin et al., 2008a; 萬景林等, 2011; Pang et al., 2019),柴達木盆地中西部地區一系列褶皺-逆沖斷裂帶主要在中中新世以來開始活動(Wang et al., 2012; Chang et al., 2015; Mao et al., 2016; Liu R C et al., 2017, 2019; Wu et al., 2019),而阿爾金斷裂東部北祁連逆沖斷裂(Zheng et al., 2010; Pan et al., 2013; Qi et al., 2016; Zhuang et al., 2018)和高原東北部東部的海原斷裂(Duvall et al., 2013)、日月山斷裂(Yuan et al., 2011)和鄂拉山斷裂(Craddock et al., 2011; Yuan et al., 2011; Lu et al., 2012)等一系列走滑斷裂的活動也都開始于中—晚中新世時期,且昆侖斷裂和海原斷裂等也存在明顯向東傳播和擴展的特征(Duvall et al., 2013)(圖6).結合新生代熱年代學數據匯編揭示的在阿爾金斷裂帶中部的熱年代學年齡集中在約30 Ma,而東、西兩側地區集中在約15 Ma和10 Ma這一特征(謝皓等, 2022),上述山體隆升、斷裂活動、塊體旋轉變形和擠壓應力方向轉變等一系列證據均揭示出構造活動自柴北緣北西部向東、西和南向擴展的特征(圖6).

這一擴展過程可能與阿爾金斷裂漸新世以來兩階段走滑活動密切相關(Chen et al., 2002; Yue et al., 2004; Zhuang et al., 2011; Lu et al., 2016; Li et al., 2017, 2018, 2022; 孫玲等, 2022).其中,早漸新世—中中新世時期(33～17 Ma),斷裂的剪切應力主要集中于斷裂本身,其左行走滑量在柴北緣逆沖帶及祁連山—南山褶皺-逆沖帶被吸收和調整,并沿這些褶皺-逆沖帶由靠近阿爾金斷裂的北西部向南東部擴展,這一時期柴達木盆地內部以及高原東北部東部地區還沒有發生顯著構造活動,擠壓應力方向也主要是響應印度—歐亞板塊碰撞擠壓的近N-S向(圖6a,b);中中新世以來,斷裂的剪切應力不再集中于斷裂本身,而是通過一系列NW-SE向褶皺—逆沖帶傳播至青藏高原東北部內部地區,這一過程一方面導致靠近阿爾金斷裂的部位由于斷裂另一側阿爾金山或塔里木盆地的左行摩擦拖曳作用發生顯著逆時針旋轉變形,形成一轉換擠壓帶(Li et al., 2022),另一方面誘發高原東北部東部地區形成一系列走滑斷裂(海原斷裂、日月山斷裂和鄂拉山斷裂等)和逆沖斷裂(北祁連斷裂等),并導致柴達木盆地內部和高原東北部東部地區發生擠壓應力方向轉變和顯著構造活動等(圖6c).

阿爾金斷裂和青藏高原東北部新生代兩階段構造活動特征對理解高原隆升和變形過程也具有重要意義.阿爾金斷裂早漸新世—中中新世時期的快速走滑活動與高原東南部一系列邊界走滑斷裂(如哀牢山—紅河斷裂、崇山斷裂、鮮水河—小江斷裂、高黎貢斷裂和實皆斷裂等)的快速走滑活動時間基本一致(如Gilley et al., 2003; Wang et al., 2008; Cao et al., 2011; Li and Zhang, 2013; Morley and Arboit, 2019; Dong et al., 2022),暗示這一時期青藏高原的構造活動可能以剛性塊體的側向擠出變形為主;而中中新世以來這些巨型走滑斷裂剪切應力開始散布于高原內部地區,滑移速率也相對降低,暗示中中新世以來青藏高原的構造變形以彌散變形和地殼縮短增厚為主(王洋等, 2022).這一構造變形方式的轉變可能與高原中部地區巖石圈地幔拆沉(England and Houseman, 1989)或高原東南和東北地區的下地殼流活動(Clark et al., 2005; Royden et al., 2008)有關.

5 結論

本文通過對柴北緣逆沖帶北西部駱駝泉剖面新生代地層開展細致巖石磁學和磁組構研究,發現磁組構的主要貢獻者是順磁性組分和赤鐵礦,磁組構為初始變形磁組構,并記錄了巖石沉積時期的擠壓應力方向.綜合柴北緣以及高原東北部其他地區擠壓應力方向和構造變形等地質證據,主要得出以下結論:

(1)駱駝泉地區擠壓應力方向在約31～22 Ma發生轉變,由早期近N-S向轉變為NE-SW向;

(2)柴北緣逆沖帶擠壓應力方向轉變時間和構造活動時間存在自靠近阿爾金斷裂的北西部向南東部變年輕的特征,指示構造變形自靠近阿爾金斷裂的北西部向南東方向傳播和擴展過程;

(3)青藏高原東北部地區變形存在自柴北緣北西部向東、西和南向擴展的特征,與阿爾金斷裂早漸新世-中中新世和中中新世以來兩階段走滑活動密切相關.

致謝責任編委和兩位審稿人對本文提出寶貴修改意見,楊永鵬、張大文、關沖、毛子強、彭恒、方小輝和李明剛等參加了野外采樣工作,陳毅和付強在數據處理和論文撰寫過程中提供了幫助,在此一并表示感謝!