東準(zhǔn)噶爾晚古生代洋陸轉(zhuǎn)換過(guò)程：來(lái)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(guó)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(yáng) 618000；3.中國(guó)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(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250013；5.中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；6.長(zhǎng)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(guó)重要的鐵、銅、金等多金屬礦床的產(chǎn)出地和中國(guó)西部一個(gè)非常重要的含油氣盆地[1-3]。近年來(lái)，新疆北部特別是準(zhǔn)噶爾地區(qū)開(kāi)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(gè)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(shí)間在晚石炭世之前?；诖?，越來(lái)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(kāi)展，對(duì)該套晚石炭世巖漿巖構(gòu)造背景的認(rèn)識(shí)有以下幾種觀點(diǎn)：島弧環(huán)境、活動(dòng)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(kāi)展了大量研究，在火山巖形成時(shí)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(huì)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(duì)涉及巖體形成時(shí)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(duì)構(gòu)造過(guò)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(guò)卡拉麥里造山帶野外剖面實(shí)測(cè)、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(kāi)展系統(tǒng)研究，力圖厘定洋盆的閉合時(shí)限、明確洋陸轉(zhuǎn)換過(guò)程，進(jìn)而梳理卡拉麥里造山帶構(gòu)造演化過(guò)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(lái)構(gòu)造演化最為復(fù)雜的區(qū)域[9-10]。在陸殼演化過(guò)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(gè)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(guò)程，保存了區(qū)域構(gòu)造演化的詳細(xì)信息[12-13]。

作為我國(guó)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(diǎn)和熱點(diǎn)地區(qū)，來(lái)自國(guó)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(kāi)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(lái)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(gè)構(gòu)造背景復(fù)雜、巖漿活動(dòng)強(qiáng)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(cè)量大隊(duì)1∶20萬(wàn)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(cāng)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(shù)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(shí)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(jiàn)閃長(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)安山巖、流紋巖侵入到凝灰?guī)r中。整體來(lái)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(yè)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(cè)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(dòng)作用不明顯，因此該套地層可能與俯沖作用過(guò)程中對(duì)整個(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)改造，巖層產(chǎn)狀近直立

表1 復(fù)理石建造剖面巖性觀測(cè)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(lái)自北側(cè)。松卡爾蘇組底部為黃綠色頁(yè)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(kāi)始，巴塔瑪依內(nèi)山組火山巖的形成時(shí)間晚于磨拉石盆地的形成時(shí)間。

2.4 石錢灘地區(qū)動(dòng)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(dòng)植物化石?？ɡ溊飫倮麥掀拭姘l(fā)現(xiàn)了豐富的有孔蟲(chóng)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(chóng)分為2個(gè)組合。Monotaxinoides-Plectogyra分布于石錢灘弧形梁和雙井子灰?guī)r中，代表時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(bào)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(chóng)等生物化石發(fā)育，屬于板塊構(gòu)造邊緣活動(dòng)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(dòng)物化石、海百合及珊瑚化石多種(圖4)。

海百合屬于棘皮動(dòng)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(jiàn)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(jiàn)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(wèn)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(lái)看，該套化石所代表的時(shí)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(kāi)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(kāi)始的初始時(shí)間。

3 討論

作為準(zhǔn)噶爾盆地東北緣一個(gè)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(gè)中亞造山帶的構(gòu)造演化提供物質(zhì)基礎(chǔ)，前人開(kāi)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(shí)限主要存在以下幾種觀點(diǎn)：

(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(shí)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(duì)蛇綠混雜巖中巖石學(xué)及地球化學(xué)分析給出閉合時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(kāi)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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^(guò)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(yǔ)

(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(kāi)始，巴塔瑪依內(nèi)山組火山巖的形成時(shí)間晚于磨拉石盆地的形成時(shí)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(kāi)始的時(shí)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。