青藏高原東北緣新生代沉積盆地的形成與形成機制

青藏高原東北緣新生代沉積盆地的形成與形成機制

在60.50ma的印度板塊和歐亞板塊之間的碰撞不僅形成了喜馬拉雅造山帶，而且還從印度和歐亞板塊縫合帶以北2000公里的廣大地區(qū)逐漸崛起，形成了青藏高原，被稱為“世界屋脊”。青藏高原的形成對歐亞大陸的構(gòu)造格局、中亞地區(qū)乃至全球的氣候變化產(chǎn)生了深遠的影響。除此之外,高原的隆升及其構(gòu)造變形過程也是研究陸—陸板塊碰撞的動力學機制、大陸內(nèi)部構(gòu)造變形樣式以及氣候變化的天然實驗室。介于東昆侖斷裂、阿爾金斷裂和祁連山—海原斷裂之間的青藏高原東北緣地區(qū)是青藏塊體向北東方向擠壓擴展的最前緣部位,是正在形成的高原。新生代以來該區(qū)經(jīng)歷了強烈的構(gòu)造變形、地殼縮短,并且伴隨著垂直隆升作用,致使這一區(qū)域發(fā)育了眾多的近東西向山脈,同時還形成了大量的新生代沉積盆地。這些新生代沉積盆地與周圍狹長的山脈間隔分布,構(gòu)成了青藏高原東北緣地區(qū)獨特的盆—嶺地貌。青藏高原東北緣廣泛分布的新生代沉積盆地是在變形過程中形成的,與此同時,地殼因逆沖-褶皺變形而強烈縮短形成山脈,山脈的隆升總是伴隨著風化、剝蝕作用,河流將造山帶內(nèi)的侵蝕產(chǎn)物搬運到山脈周邊的盆地中沉積下來,于是,沉積盆地記錄了其在接受沉積物充填過程中的動力學性質(zhì)和周圍造山帶的構(gòu)造活動特征與氣候變化信息。因此,以青藏高原東北緣新生代盆地為研究對象,以盆地中沉積物為紐帶,建立盆地與周圍山脈的耦合關(guān)系,是了解高原隆升和高原向內(nèi)陸擴展的重要途徑。寧夏南部地區(qū)因廣泛出露第三系沉積物,而被命名為寧夏南部盆地。該盆地位于現(xiàn)今青藏高原東北緣的邊界斷裂,祁連山—海原斷裂的東端(105°00′～106°40′E,35°～37°30′N),向南收斂于六盤山,向西北撒開,構(gòu)成“掃帚”狀;面積約10000km本次研究我們選擇了寧夏南部盆地作為重點研究區(qū),通過對盆地內(nèi)新生代沉積物,以及盆地內(nèi)的斷裂帶進行沉積演化與構(gòu)造變形的研究,明確盆地與斷裂之間的相互關(guān)系。根據(jù)我們所獲得的相關(guān)資料,結(jié)合青藏高原東北緣地區(qū)已有的構(gòu)造變形、新生代沉積地層年代等方面的資料,本文取得的主要結(jié)論如下:寧夏南部盆地西南隅,寺口子剖面新生代地層出露連續(xù)并且齊全,本文在張廣良博士年代研究的基礎(chǔ)上,對寺口子剖面進行了詳細的沉積序列研究,并在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所朱日祥院士的親自指導下,重新系統(tǒng)地測試了張廣良博士采集的古地磁樣品,用以建立精確的地層時間序列。在古生物(Plesiaceratheriumsp.)年代控制下,寺口子剖面由下向上依次劃分為:寺口子組,其時代劃歸為晚漸新世(E寧夏南部盆地內(nèi)寺口子組由南向北巖性變化明顯,盆地南部靠近六盤山,馬東山地區(qū)主要為厚層紫紅色含礫長石石英粗砂巖、厚層—巨厚層紫紅色長石石英中砂巖夾細砂巖薄層,盆地北部主要為紫紅色厚層礫巖夾紫紅色泥巖,粉砂巖以及砂巖薄層。盡管寺口子組巖相由南向北劇烈變化,但是寺口子組頂部發(fā)育一套厚約3～10m以鈣質(zhì)結(jié)核、生物鈣質(zhì)鑄模、鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖等為特征的古風化殼,代表了寺口子組與清水營組之間經(jīng)歷較長時間的沉積間斷。清水營組在研究區(qū)分布最為廣泛,巖性主要由薄層—中厚層暗紫紅色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖,薄層—厚層綠色—灰白色石膏以及中厚層灰白色的砂巖組成,由南向北石膏層厚逐漸增厚。紅柳溝組巖性主要為桔紅色厚層—中厚層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,夾有薄層灰色中細砂巖、粉砂巖等。干河溝組以土黃色、淺黃綠色礫巖為主,夾薄層或透鏡狀砂巖、粉砂巖以及泥巖,第四紀松散礫石堆積。2007—2009年,我們在寧夏南部盆地內(nèi)固原寺口子剖面紅柳溝組底部處采集到大量的Plesiaceratheriumsp.,海原天子埫剖面紅柳溝組底部采集到Kubanochoerussp.,中寧紅柳溝剖面紅柳溝組中部采集到Platybelodonsp.等化石。在上述化石與已發(fā)現(xiàn)的同心丁家二溝動物群,海原袁家窩窩動物群,寺口子組頂部的古風化殼(古土壤)、區(qū)域可供對比的厚層石膏等標志層的基礎(chǔ)上,以寺口子剖面磁性地層學年代為約束,我們通過盆地內(nèi)新生代沉積物的顏色、巖相對比,將整個盆地內(nèi)寺口子組厘定為晚漸新世(E寺口子組作為寧夏南部盆地內(nèi)的第一套新生代沉積物,代表了盆地的開始。晚白堊紀以來,寧夏南部地區(qū)一直處于剝蝕狀態(tài),直至晚漸新世寺口子組的沉積,這是否意味著構(gòu)造事件的發(fā)生?這一事件與青藏高原的隆升及其向北東的擴展是否存在著內(nèi)在的聯(lián)系呢?鉆井剖面、野外實測剖面揭示寺口子組由南向北沉積相變化非常劇烈,呈現(xiàn)出南部粒度細,北部粒度粗的特點。同時穿過寺口子盆地的反射地震剖面,揭示寧夏南部盆地的寺口子組受控于盆地北部的天景山斷裂和煙筒山斷裂。厚度超過800m厚的寺口子組位于緊鄰天景山斷裂的南西一側(cè),向西南方向寺口子組厚度迅速減薄,盆地的構(gòu)造屬性表現(xiàn)為典型的半地塹。寺口子組沉積時期,位于煙筒山斷裂上盤的沉積中心也顯示出類似的特征,證明寧夏南部地區(qū)在晚漸新世可能處于局部伸展的構(gòu)造背景之下,這與鄂爾多斯盆地西緣一系列的地塹,半地塹(河套盆地、銀川盆地、渭河盆地)構(gòu)造背景相似,卻與以擠壓為特征的青藏高原變形樣式存在顯著的區(qū)別。因此,寺口子組沉積時期寧夏南部盆地的成因可能與鄂爾多斯塊體的南西向運動緊密相關(guān),而與印度—歐亞板塊的碰撞并無直接關(guān)系。平面上,寧夏南部盆地內(nèi)的寺口子組以沖積扇相和辮狀河相沉積為主,盆地北部(同心以北)主要為沖積扇相,物源主要來自天景山斷裂,煙筒山斷裂的北東盤(斷層的下盤)以及鄂爾多斯西緣的隆起地區(qū);盆地南部(海原以南)主要為辮狀河相沉積;向北,北東的古水流,顯示其物質(zhì)可能來自六盤山以西以及西秦嶺地區(qū);中部(同心—海原之間)則表現(xiàn)為沖積扇相向辮狀河相的轉(zhuǎn)變。垂向上,寺口子組表現(xiàn)為典型的由下向上粒度逐漸變細的正粒序。寺口子組等厚線顯示盆地有多個沉積中心,位于寧夏南部盆地北部,靠近天景山斷裂與煙筒山斷裂。寺口子組的沉積環(huán)境、古水流、物源分析、地層等厚線等證據(jù)均支持天景山斷裂,煙筒山斷裂早第三紀可能為正斷層的結(jié)論。清水營組(23.8～16.7Ma)分布較為廣泛,以石膏和細顆粒碎屑沉積物為代表。向南清水營組越過西華山—南華山與隴中盆地相連通,向北清水營組超覆于天景山斷裂與煙筒山斷裂之上,可能與寧夏北部的銀川地塹相連通。清水營組地層厚度在寧夏南部盆地內(nèi)較為穩(wěn)定,沉積環(huán)境以北部的干鹽湖沉積和南部的正常湖相沉積為主。干旱時期,盆地沉積范圍迅速萎縮在寧夏南部盆地的中部和北部地區(qū)形成若干個干鹽湖沉積環(huán)境;濕潤時期湖平面上升,盆地沉積范圍擴大,形成統(tǒng)一的泛盆地。這一時期(23.8～16.7Ma)青藏高原東北角的構(gòu)造活動較弱,氣候變化可能是控制盆地沉積環(huán)境,湖平面升級的主要因素。紅柳溝組中下段(16.7～10.5Ma)是青藏高原東北緣分布最廣的地層,以細顆粒的泥巖、粉砂巖、砂巖等為特征。紅柳溝組中下段與清水營組相似,主要以河湖相為主。沉積相的顯著變化發(fā)生在紅柳溝組中段與上段之間(約10.5Ma)。沉積環(huán)境由淺湖—濱湖相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯热侵蕖p狀河相,證明盆地周圍開始抬升,盆地范圍逐漸縮小。與此同時,寺口子剖面(盆地南緣)的沉積速率由之前的約9cm/a增加至約13cm/a。紅柳溝組沉積相的顯著變化、沉積速率的持續(xù)增加可能代表了盆地西南海原斷裂、六盤山斷裂此時開始向北東逆沖推覆,造成六盤山—南華山—西華山于約10.5Ma開始快速隆升。紅柳溝組地層厚度分布與清水營組地層等厚線之間存在巨大的差別,清水營組地層由南向北厚度相近,紅柳溝組靠近海原—六盤山斷裂帶,地層厚度>800m,向北東方向厚度迅速減薄,至煙筒山斷裂帶(同心地區(qū))厚度<200m,顯示出壓陷型撓曲盆地的特征。盆地性質(zhì)由清水營組時期的整體凹陷向紅柳溝組晚期的撓曲盆地轉(zhuǎn)變,表明盆地在晚中新世受到北東方向的擠壓,這無疑與青藏高原向北東方向的推擠、擴展、隆升直接相關(guān)。因此,海原—六盤山斷裂約10.5Ma的活動以及相應(yīng)六盤山—南華山—西華山的快速隆升,表明青藏高原首次影響到寧夏南部地區(qū),這一地區(qū)成為青藏高原的最新組成部分。干河組分布范圍迅速縮小,主要沿海原—六盤山斷裂帶北東一側(cè)呈帶狀分布,地層厚度南厚北薄,天景山弧形斷裂帶與煙筒山弧形斷裂帶地區(qū)缺失干河溝組,更北牛首山西麓一帶出露干河組地層。在南西—北東向,干河溝組地層厚度變化趨勢與前陸盆地前淵—前隆—隆后凹陷的幾何形態(tài)極為相似。干河溝組發(fā)育典型的磨拉石建造,沉積環(huán)境主要由河流相和沖積扇相為主,顯示盆地逐漸消亡。第四系與新世干河溝組靠近六盤山—馬東山,天景山等地區(qū)呈角度不整合接觸,向盆地方向兩者表現(xiàn)為平行不整合及其整合接觸關(guān)系。第四系以辮狀河相和沖積扇相沉積環(huán)境為主,顯示寧夏南部盆地在第四紀初物源區(qū)快速隆升、盆地遭受強烈構(gòu)造變形,形成現(xiàn)今被六盤山—海原斷裂、天景山斷裂、煙筒山斷裂以及羅山—牛首山斷裂切割的小型壓陷盆地。通過對寧夏南部盆地的沉積演化與構(gòu)造變形研究,寧夏南部盆地在晚漸新世表現(xiàn)為局部伸展的斷陷盆地,早、中中新世為整體的凹陷盆地,晚中新世以來才表現(xiàn)為壓陷性質(zhì)的前陸盆地。晚中新世壓陷盆地的形成與海原—六盤山逆沖褶皺帶北東向的擠壓緊密相關(guān),上新世—第四紀海原—六盤山斷裂帶以北的天景山斷裂與煙筒山斷裂相繼開始活動,致使上新世干河組與第四系不整合接觸,甚至干河組逆沖至第四系之上,寧夏南部盆地經(jīng)受改造、裂解形成現(xiàn)今褶皺變形帶與壓陷盆地間隔分布的盆—山構(gòu)造系統(tǒng)。寧夏南部盆地演化過程和模式表明,青藏高原東北緣的擴展可能是向北東方向的逐漸增生過程。生長地層是指在前陸盆地與褶皺構(gòu)造變形同期沉積的地層,是識別盆地相鄰造山帶構(gòu)造活動的重要標志。在寺口子剖面中我門識別出一套生長地層,這套生長地層開始于約5.4Ma,一直持續(xù)至1.8Ma.大比例尺構(gòu)造填圖顯示寺口子剖面由寺口子背斜和一對次級的向斜和背斜組成,是構(gòu)成馬東山北部的主要構(gòu)造。毫無疑問,寺口子剖面的生長地層反映了馬東山構(gòu)造變形以及寺口子背斜的形成。鑒于馬東山位于海原斷裂的最東端,其變形樣式與六盤山截然不同,本文分析馬東山可能由于吸收了海原斷裂的左旋走滑量而褶皺變形。因此,寺口子剖面生長地層較好地限定了海原斷裂左旋走滑的開始時間。根據(jù)沉積盆地對區(qū)域構(gòu)造活動的響應(yīng)關(guān)系,揭示青藏高原東北緣的邊界斷裂海原斷裂晚中