東準(zhǔn)噶爾晚古生代洋陸轉(zhuǎn)換過程：來自沉積學(xué)的約束

鄭有偉，曾洋，彭傳凱，李汶渝，劉翔，樊海龍,6

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000；3.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；4.山東省水利勘測設(shè)計院，濟(jì)南 250013；5.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅省油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000；6.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064)

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地位于中亞造山帶西段，在構(gòu)造上屬于哈薩克斯坦板塊，夾持于天山造山帶和阿爾泰造山帶之間，是中亞造山帶重要的組成部分，也是我國重要的鐵、銅、金等多金屬礦床的產(chǎn)出地和中國西部一個非常重要的含油氣盆地[1-3]。近年來，新疆北部特別是準(zhǔn)噶爾地區(qū)開展了大量研究，石炭紀(jì)被認(rèn)為是準(zhǔn)噶爾地體構(gòu)造演化的重要轉(zhuǎn)折期，陸梁隆起、滴西凸起、卡拉麥里—三個泉—達(dá)爾布特等構(gòu)造帶可能為地殼拼貼帶；卡拉麥里地區(qū)早石炭世地層為陸間殘余海盆，發(fā)育菊石化石Castrioceras sp.和Eoasianites sp.，晚石炭世花崗巖切穿了卡拉麥里蛇綠巖帶，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為卡拉麥里蛇綠巖帶代表的古大洋閉合時間在晚石炭世之前?；诖?，越來越多的研究在東準(zhǔn)噶爾扎河壩、卡拉麥里2條蛇綠巖帶兩側(cè)的三塘湖、陸東、五彩灣、老鴉泉等巖體開展，對該套晚石炭世巖漿巖構(gòu)造背景的認(rèn)識有以下幾種觀點：島弧環(huán)境、活動大陸邊緣、弧前環(huán)境、弧后盆地及后造山伸展環(huán)境[1,4-8]。

前人在東準(zhǔn)噶爾開展了大量研究，在火山巖形成時限、巖石地球化學(xué)特征等方面取得諸多突破。但是，由于造山帶體系的復(fù)雜性，陸殼、洋殼物質(zhì)都會混在其中，火山巖的層位往往發(fā)生很多改造，具有諸多不確定性，僅僅依靠精確定年技術(shù)而不考慮其所處的構(gòu)造位置和巖石組合特征，將不能對涉及巖體形成時代進(jìn)行準(zhǔn)確的約束，甚至產(chǎn)生誤判。沉積學(xué)特征是對構(gòu)造過程響應(yīng)最敏感、最可靠的記錄之一，筆者在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，通過卡拉麥里造山帶野外剖面實測、構(gòu)造現(xiàn)象描述、典型巖石觀察，選取典型復(fù)理石、磨拉石剖面及古生物化石開展系統(tǒng)研究，力圖厘定洋盆的閉合時限、明確洋陸轉(zhuǎn)換過程，進(jìn)而梳理卡拉麥里造山帶構(gòu)造演化過程，為區(qū)域構(gòu)造演化研究工作提供依據(jù)。

圖1 歐亞大陸構(gòu)造示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.1 Geotectonic sketch of Eurasian continent

1 區(qū)域地質(zhì)背景

中亞造山帶向西延伸至烏拉爾山脈，東至太平洋，在構(gòu)造上位于西伯利亞板塊和哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾板塊之間，由一系列地體、島弧、增生楔和蛇綠巖帶、洋底高原和微陸塊拼貼而成，是顯生宙最大的增生型造山帶之一，也是全球顯生宙以來構(gòu)造演化最為復(fù)雜的區(qū)域[9-10]。在陸殼演化過程中，中亞造山帶經(jīng)歷了陸緣增生、后碰撞伸展和板內(nèi)三個階段，形成了全球典型的陸內(nèi)盆山體系，多期次、多類型的殼幔相互作用使得中亞造山帶(圖1)[11]記錄了華北、塔里木、東歐以及西伯利亞板塊之間相互碰撞、拼貼的過程，保存了區(qū)域構(gòu)造演化的詳細(xì)信息[12-13]。

作為我國重要的多金屬成礦區(qū)，準(zhǔn)噶爾盆地是區(qū)域構(gòu)造研究的重點和熱點地區(qū)，來自國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位的工作人員先后在該區(qū)域開展研究，在基礎(chǔ)地質(zhì)、地球物理勘探、礦產(chǎn)普查等方面取得大量研究成果[14-15]。東準(zhǔn)噶爾位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，北接阿爾泰造山帶，南緣與北天山造山帶相鄰，是在古生代洋內(nèi)弧系統(tǒng)上發(fā)展起來的復(fù)雜地質(zhì)體，包含多條蛇綠巖帶、大量古生代花崗巖及火山巖，古生代構(gòu)造單元主要有額爾齊斯泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)蛇綠巖帶、薩烏爾地區(qū)泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)大洋島弧、阿爾曼太寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)蛇綠巖帶、野馬泉地區(qū)奧陶紀(jì)安第斯型島弧和卡拉麥里地區(qū)泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)蛇綠巖帶[16]，是一個構(gòu)造背景復(fù)雜、巖漿活動強烈的地區(qū)[17-18]。

東準(zhǔn)噶爾地區(qū)出露地層以古生界為主，在卡拉麥里造山帶邊緣有少量中生界地層。依據(jù)1965年新疆維吾爾自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)測量大隊1∶20萬地質(zhì)填圖及《新疆維吾爾自治區(qū)巖石地層》等資料，結(jié)合野外觀察情況，區(qū)內(nèi)出露地層主要有：中泥盆統(tǒng)卡拉麥里組(D2k)、北塔山組(D2b)、平頂山組(D2p)，上泥盆統(tǒng)塔木崗組(D3t)，下石炭統(tǒng)南明水組(C1n)、清水組(C1q)、松喀爾蘇組(C1s)，上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組(C2b)、雙井子組(C2s)，下二疊統(tǒng)赤底組(P1c)，上二疊統(tǒng)平地泉組(P2p)，中下三疊統(tǒng)倉房溝組(T1+2c)，上三疊統(tǒng)老鷹溝組(T3l)，下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)，中侏羅統(tǒng)三工河組(J2s)、西山窯組(J2x)，上侏羅統(tǒng)石樹組(J3s)，下白堊統(tǒng)吐谷魯組(K1t)及第四系堆積物。

2 沉積-巖石學(xué)特征

2.1 卡拉麥里山西南側(cè)火山巖建造

卡拉麥里造山帶南部白堿溝—火燒山地區(qū)、雙井子地區(qū)和老鴉泉地區(qū)出露大量火山巖[19]?？ɡ溊飻嗔褞П眰?cè)主要出露晚石炭世巖石，以火山碎屑巖為主，同時有陸緣碎屑巖和火山熔巖分布。斷裂帶南部白堿溝、帳篷溝地區(qū)以中酸性火山巖為主，含少量基性、超基性巖，流紋巖侵入接觸到巴塔瑪依內(nèi)山組凝灰?guī)r地層中；在卡拉麥里山組中可見閃長玢巖和輝綠玢巖不整合接觸。在白堿溝南部五彩城處早白堊世吐谷魯組中可見大量磚紅色燒變巖，向北西山窯組煤層呈灰黑色，在八道灣組底部為粗礫巖；向北可見流紋巖侵入到巴塔瑪依內(nèi)山組凝灰?guī)r中，安山玢巖與輝綠玢巖不整合接觸，在靠近西大溝的位置可見安山巖、流紋巖侵入到凝灰?guī)r中。整體來講，巴塔瑪依內(nèi)山組是一套富含火山巖的地層，發(fā)育大量凝灰?guī)r，并有安山巖、流紋巖等中酸性巖體不整合侵入到凝灰?guī)r地層里，夾少量基性、超基性巖。

2.2 白堿溝—紅尖山復(fù)理石建造

復(fù)理石最早指的是瑞士Siemmenthal地區(qū)互層的砂巖、泥巖和頁巖，之后逐漸被賦予構(gòu)造含義，主要是指巨厚的海相地層，少含化石，具有薄的遞變層理，由泥巖、砂巖構(gòu)成的具有明顯韻律層的巖石組合，為前造山階段的沉積產(chǎn)物[20]。在卡拉麥里造山帶白堿溝—紅尖山地區(qū)中泥盆世卡拉麥里組發(fā)育明顯的復(fù)理石建造(圖2)，延伸寬度5～8 km。復(fù)理石建造剖面巖性觀測結(jié)果如表1所述。

區(qū)內(nèi)復(fù)理石建造延伸范圍廣，主要沉積構(gòu)造集中在鮑馬序列的B段至E段，巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，局部有泥巖出露。受俯沖—碰撞和后期構(gòu)造改造，在造山帶核心部位該套沉積巖層面近于垂直，并在砂巖、粉砂巖層間和層內(nèi)發(fā)育多組共軛剪節(jié)理，鮑馬序列E段泥巖大多完整保存，褶皺不發(fā)育，表明該套地層受后期改造，以層間剪切為主，層內(nèi)滑動作用不明顯，因此該套地層可能與俯沖作用過程中對整個上覆沉積地層的掀斜作用有關(guān)，而不是傳統(tǒng)意義上的相互擠壓造成小尺度褶皺。同時，復(fù)理石建造所處的地層為中泥盆世卡拉麥里組，表明該時期可能仍處于板塊俯沖階段，由于復(fù)理石建造是碰撞造山前的產(chǎn)物，因此該套地層最晚的碎屑鋯石年齡可作為碰撞初始時間的下限。

圖2 白堿溝—紅尖山地區(qū)復(fù)理石建造Fig.2 Flysch formation in Baijiangou-Hongjianshan areaa.鮑馬序列C-D段；b.鮑馬序列B-E段白堿溝北部卡拉麥里組復(fù)理石建造部分露頭，受構(gòu)造活動改造，巖層產(chǎn)狀近直立

表1 復(fù)理石建造剖面巖性觀測結(jié)果Table 1 Lithological description of flysch section

2.3 雙井子地區(qū)磨拉石建造

雙井子地區(qū)松卡爾蘇組分布在弧形梁—臥龍崗的深灰色、灰綠色礫巖夾砂巖薄層以北，北邊為卡拉麥里蛇綠巖帶。松卡爾蘇組為一套具有磨拉石特征的碎屑巖沉積，與下伏塔木崗組呈角度不整合接觸，其上部為一套火山巖、火山碎屑巖建造，以灰綠色基性噴發(fā)巖和中酸性火山巖為主，夾火山角礫巖和凝灰?guī)r；在雙井子地區(qū)主要為粗粒碎屑巖，指示近緣快速堆積(圖3a、圖3b)?，F(xiàn)代板塊構(gòu)造理論認(rèn)為磨拉石建造是陸—陸碰撞的標(biāo)志性沉積，是一種邊緣拗陷的典型沉積建造，以陸相礫巖、砂巖為主，相變急劇，分選差，層理不明顯[20]。野外觀察到雙井子地區(qū)松卡爾蘇組礫石分選和磨圓較差，巖性以礫巖、砂礫巖為主，夾粗砂巖、砂巖；礫石成分復(fù)雜，主要成分為紅色硅質(zhì)巖和火山巖，礫石層理很少發(fā)育，橫向上礫石粒徑變化較快，部分礫石向南排列，指示其物源來自北側(cè)。松卡爾蘇組底部為黃綠色頁巖夾細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖組成的磨拉石建造(圖3b)；該地層腕足類化石發(fā)育，化石內(nèi)膜和外膜完整，內(nèi)部構(gòu)造清晰，關(guān)于該組腕足類化石的種類還須進(jìn)一步鑒定(圖3c)。

綜上，該區(qū)松卡爾蘇組具磨拉石建造的特征，是造山后快速堆積產(chǎn)物，基本代表區(qū)內(nèi)碰撞作用的開始，巴塔瑪依內(nèi)山組火山巖的形成時間晚于磨拉石盆地的形成時間。

2.4 石錢灘地區(qū)動植物化石特征

在東準(zhǔn)噶爾卡拉麥里造山帶東部石錢灘和雙井子地區(qū)南部出露大量動植物化石。卡拉麥里勝利溝剖面發(fā)現(xiàn)了豐富的有孔蟲化石，共分為12屬、59種。根據(jù)Monotaxinoides和Tetrataxis及其種屬可將區(qū)內(nèi)有孔蟲分為2個組合。Monotaxinoides-Plectogyra分布于石錢灘弧形梁和雙井子灰?guī)r中，代表時代為晚石炭世早期；Tetrataxis-Plectogyra以Tetrataxis大量繁盛為特征，包含化石以晚石炭世早期為主，存在個別華北地區(qū)晚石炭世的分子。根據(jù)各門化石資料，將卡拉麥里石錢灘組的時代定為晚石炭世[21]。

圖3 雙井子—石錢灘地區(qū)磨拉石建造Fig.3 Molasse formation in Shuangjingzi-Shiqiantan area

圖4 雙井子—石錢灘地區(qū)古生物化石Fig.4 Fossils from Shuangjingzi-Shiqiantan area

石錢灘因其漫山遍野分布的各種海洋化石形似銅錢而得名，這些石質(zhì)化石中間都有一個圓孔，取名石錢。1930年地質(zhì)學(xué)家袁復(fù)禮在《新疆東準(zhǔn)噶爾東部地質(zhì)報告》中提出石錢灘組的概念，以代表該套地層，本組下部為粗碎屑沉積，以砂礫巖為主，少含化石；上部為生物碎屑灰?guī)r與砂泥巖，底棲生物化石增加[22]。石錢灘地區(qū)面積約36 km2，由海相碎屑巖、生物碎屑巖和泥巖組成，珊瑚、雙殼類、腕足類及有孔蟲等生物化石發(fā)育，屬于板塊構(gòu)造邊緣活動區(qū)的濱淺海環(huán)境[22]。本次研究在石錢灘地區(qū)發(fā)現(xiàn)雙殼類動物化石、海百合及珊瑚化石多種(圖4)。

海百合屬于棘皮動物門，海百合綱，古生代晚石炭世海百合數(shù)量極其龐大，主要在淺海底棲，在石錢灘地區(qū)有大量海百合莖化石發(fā)現(xiàn)?；瘷M切面為圓形，中心部位發(fā)育有孔，部分中心孔被后期物質(zhì)充填，一般橫切面直徑0.5～1.2 cm，縱切面上可見清晰的環(huán)形條帶(圖4a—圖4d)。

珊瑚化石主要分布在雙井子地區(qū)南部石錢灘組中，與海百合莖化石伴生，以四射珊瑚為主(圖4e—圖4f)。外壁上可見縱脊或橫的皺紋，主要以單體四射珊瑚居多，復(fù)體四射珊瑚較少，鈣質(zhì)骨骼。根據(jù)單體外形的頂角和彎曲程度可劃分為闊錐狀、狹錐狀、陀螺狀和拖鞋狀4種類型。根據(jù)橫切面的形態(tài)可劃分出如下種屬：Caninia Michelin(犬齒珊瑚，石炭紀(jì))；Dibunphyllum vaghani(棚珊瑚，石炭紀(jì))；Pseudouralinia tangpakouensis(假烏拉珊瑚，早石炭世)；Waagenophyllum indica(衛(wèi)根珊瑚，二疊紀(jì))；Wentzellophyllum kueichowensis(似問采爾珊瑚，早二疊世)；Kueichouphyllum sinense(貴州珊瑚，早石炭世晚期)；Tachylasma(速壁珊瑚，石炭紀(jì)—二疊紀(jì))；Liangshanophyllum wenchengense(衛(wèi)根珊瑚，二疊紀(jì))。石錢灘地區(qū)珊瑚數(shù)量豐富但屬種單調(diào)，以雙帶型單體珊瑚為主，與烏拉爾等地的珊瑚相似，屬Caniniids所代表的北方大區(qū)，而與低緯度的華北、華南及東歐等地有明顯區(qū)別[22-23]。

雙殼類化石也在此處大量出現(xiàn)(圖4g—圖4h)，主要有Eumporphotis multiformis regulaecosta(正海扇)、Myophoria(褶翅蛤)等。

從上述古生物化石的層位來看，該套化石所代表的時間應(yīng)為早石炭世晚期或晚石炭世早期，該套砂巖地層與上伏磨拉石盆地底部砂礫巖接觸，而磨拉石建造可作為碰撞事件開始的標(biāo)志，因此，石錢灘組可能經(jīng)歷了準(zhǔn)噶爾洋從俯沖到碰撞轉(zhuǎn)折的階段，富含化石的石錢灘組底部沉積物的最新年齡可界定為碰撞開始的初始時間。

3 討論

作為準(zhǔn)噶爾盆地東北緣一個很重要的構(gòu)造單元，卡拉麥里造山帶的研究為東準(zhǔn)噶爾乃至整個中亞造山帶的構(gòu)造演化提供物質(zhì)基礎(chǔ)，前人開展了詳細(xì)的地質(zhì)和地球化學(xué)研究，關(guān)于卡拉麥里洋最終閉合時限主要存在以下幾種觀點：

(1)中泥盆世。上泥盆統(tǒng)地層不整合關(guān)系表明洋盆閉合時間為中泥盆世[24]。

(2)早石炭世。斷裂帶南部早石炭世后碰撞花崗巖鋯石U-Pb年齡為341.1 Ma，指示洋殼在早石炭世中期已經(jīng)閉合[25]；對蛇綠混雜巖中巖石學(xué)及地球化學(xué)分析給出閉合時限為早石炭世謝爾普霍夫期(329.9 Ma)[26]，滴南早石炭世火山巖的鋯石U-Pb年齡將洋盆閉合時代約束為早石炭世中晚期(337.2 Ma)[5]，梁礫石組陸相粗碎屑巖西鋯石年齡限定了洋盆閉合時間在早石炭世早期[27]。

(3)晚石炭世。有部分學(xué)者認(rèn)為早石炭世仍存在洋殼俯沖，閉合時間發(fā)生在晚石炭世[5,28-29]。

(4)另有研究認(rèn)為直到二疊紀(jì)洋殼才完全閉合[7,30]。

在早石炭世中期(350 Ma)之前，東準(zhǔn)噶爾野馬泉島弧、陸梁島弧以濱海相沉積為主，白堿溝—清水地區(qū)發(fā)育復(fù)理石建造；早石炭世中期開始，卡拉麥里北部洋盆閉合，烏倫古島弧和陸梁島弧拼貼，首先在卡拉麥里造山帶西北部發(fā)生碰撞，雙井子地區(qū)松卡爾蘇組頂部的磨拉石建造是對這一碰撞事件的響應(yīng)，在卡拉麥里造山帶內(nèi)部采集的流紋巖樣品顯示出低的氧逸度，年齡為339.4 Ma，與磨拉石建造的時間吻合，也與火山巖噴發(fā)的間歇期一致。因此，區(qū)內(nèi)構(gòu)造體制由俯沖向碰撞轉(zhuǎn)變的時間為339.4 Ma左右[31]。從早石炭世中期至早石炭世晚期(339.4 Ma—330 Ma)，演變?yōu)殛懕砗ｋA段。洋盆從將軍廟地區(qū)自東西兩側(cè)逐漸閉合，卡拉麥里造山帶東南部石錢灘地區(qū)在初始碰撞后海水并未全部退去，而是出現(xiàn)一段時期的陸表海環(huán)境，在石錢灘地區(qū)的粉砂巖—含礫砂巖地層中沉積海百合、珊瑚等化石；之后沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹ｊ戇^渡相，三塘湖北部海水退卻，形成潮坪相、潟湖相和三角洲相沉積。

4 結(jié)語

(1)東準(zhǔn)噶爾卡拉麥里造山帶白堿溝—紅尖山地區(qū)的卡拉麥里組發(fā)育復(fù)理石建造，沉積構(gòu)造集中在鮑馬序列的B段到E段，巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，局部有泥巖出露?？ɡ溊锝M復(fù)理石建造為巨厚的海相地層，是碰撞造山前的產(chǎn)物。

(2)雙井子地區(qū)松卡爾蘇組頂部發(fā)育磨拉石建造，是造山后快速堆積的產(chǎn)物，基本代表了區(qū)內(nèi)碰撞作用的開始，巴塔瑪依內(nèi)山組火山巖的形成時間晚于磨拉石盆地的形成時間。

(3)石錢灘組可能經(jīng)歷了準(zhǔn)噶爾洋從俯沖到碰撞轉(zhuǎn)折的階段，其底部沉積物富含化石的最新年齡可界定為碰撞開始的時間——早石炭世中期340 Ma±。

(4)早石炭世中晚期(343.5 Ma—339.0 Ma±)，卡拉麥里地區(qū)發(fā)生洋陸轉(zhuǎn)換，之后隨著板片斷離和俯沖板塊后撤，區(qū)內(nèi)進(jìn)入后碰撞演化階段。