西天山構造演化與古生代演化

西天山造山帶是一個由多條斷層、碰撞和破壞形成的復合造山帶。變形和運動圖像非常復雜。大型韌性擠壓-剪切系統(那拉提-紅柳河縫合帶)、疊瓦狀逆沖構造系統、伸展斷陷構造系統(特克斯-昭蘇斷陷盆地)、復雜的線性疊加褶皺干擾格式等都很發育,共同反映了西天山造山帶的變形和構造演化歷史,以及硅鋁殼的形成、韌性再造和脆性改造的流變學演化軌跡。筆者近來所從事區域地質調查項目的研究區自北向南自西向東幾千平方千米,覆蓋西天山造山帶的核心部位,構造的變形和運動圖像豐富,基本反映了中國西天山造山帶的總體大地構造特征。1構造單元劃分按傳統槽臺學說的觀點,天山劃為亞一級構造單元——天山褶皺系,西天山橫跨伊寧中央地塊和哈爾克地槽褶皺帶2個二級構造單元(筆者以那拉提南緣深斷裂為界,將西天山地區一級構造單元自北向南劃分為哈薩克斯坦-準噶爾板塊(Ⅱ)和塔里木-華北板塊(Ⅲ),二者之間為那拉提-紅柳河縫合帶(NHT)。二級構造單元分屬伊犁-伊賽克湖微板塊(Ⅱh伊寧中央地塊具有前震旦紀變質結晶基底(石炭紀混源序列區域范圍內該離散地體西起中吉、中哈邊界,沿那拉提山北緣展布,延伸至獨庫公路拉爾敦達坂以東,中國境內達600km以上。主體大面積分布著石炭紀混源序列侵入體,古元古代木札爾特巖群呈較大的捕虜體形式產出,北部邊緣則有下石炭統大哈拉軍山組中酸性火山熔巖-酸性火山碎屑熔巖-中酸性火山碎屑巖及酸性潛火山巖分布,并有零星出露下石炭統阿克沙克組碳酸鹽巖沉積上疊于大哈拉軍山組火山巖系之上。廣泛分布的石炭紀混源序列侵入體主體分布于那拉提北緣深斷裂以北,有多個侵入次,由早到晚依次為橄欖巖-輝長巖、石英二長巖、閃長巖、石英閃長巖、斜長花崗巖、花崗閃長巖、二長花崗巖、似斑狀二長花崗巖、花崗巖、正長花崗巖和花崗斑巖等。以殼幔混源的鈣性-鈣堿性Ⅰ型花崗巖為主,少量早期侵入體具有堿鈣性S型花崗巖特征,S型花崗巖處于同碰撞區,Ⅰ型花崗巖則處于活動陸緣和碰撞隆起區,代表了石炭紀由后碰撞造山到造山后活動陸緣的巖漿演化趨勢。那拉提-紅柳河縫合帶那拉提-紅柳河縫合帶為哈薩克斯坦-準噶爾板塊與塔里木-華北板塊間的構造縫合帶,其向西延入吉爾吉斯境內,北界為“尼古拉耶夫線”(阿登布拉克—那拉提北緣一線),南界為阿特巴希斷裂(瓊阿烏孜—那拉提南緣一線),向東進入甘肅省境內,總體延伸達1000km以上。那拉提-紅柳河縫合帶是由晚志留世—早泥盆世蛇綠巖和元古界及奧陶—志留系的混雜巖塊組成。沿該縫合帶分布的蛇綠巖由瓊阿吾改—烏瓦門—榆樹溝—紅柳河,縱貫天山中部,兩端均延伸出新疆境外,沿蛇綠巖帶出現大型韌性剪切帶和構造混雜巖帶。西天山沿線還形成雙變質帶。西天山段沿縫合帶展布的“俯沖增生雜巖”經歷了多期變質變形作用的疊加改造和構造混雜作用,特別是早古生代末—晚古生代初期板塊間的俯沖會聚,導致其遭受高壓低溫變質作用改造而形成展布于板塊俯沖帶南側的高壓低溫變質帶,這一變質帶與中天山南緣早古生代蛇綠混雜巖伴生,并與板塊俯沖帶北側離散地體內的高溫中(低)壓變質帶構成俯沖帶兩側的“雙變質帶”。該雙變質帶在板塊聚合碰撞過程中進一步發生構造混雜,使得縫合帶內藍閃石片巖相變質巖石中出現以堇青石、鐵鋁榴石等為代表的高溫低壓變質礦物組合,形成“雙變質帶混雜體”。h東阿萊-哈爾克古生代復合溝弧帶(Ⅲ2野外地質觀察從顯微尺度到造山帶尺度的變形分解作用,是眾多造山帶變質巖的一個共同特征。在西天山造山帶雙變質帶內,多期幕式或遞進變形分解作用使得不同構造變形變質階段的構造學及巖石學記錄保存于不同應變強度的域內。各個階段的變形疊加和改造關系往往可以直接在野外進行觀察和解析。筆者通過近幾年在西天山地區的1∶5萬區域地質填圖和區域上的觀察對比,逐步將與西天山區域構造演化相對應的5個主要構造階段(D1—D5)認別出來。西天山造山帶最古老的變質巖系——古元古代木札爾特巖群中相對剛性的斜長角閃巖構造包體內保存了D區域構造背景該階段區域上以短暫的升降運動、穩定的克拉通蓋層沉積建造及局部的雙峰式火山巖噴發為特點,總體為陸殼基底上的陸表海穩定蓋層,各蓋層巖系內透入性發育的層理構造和震旦紀末局部存在的區域平行不整合界面是該階段構造的直觀反映。區域范圍內該階段的穩定沉積蓋層在科古琴山和博羅科努山地區相對發育,震旦紀時為一套冰磧和冰水沉積(凱拉克提群),寒武紀早期為含磷硅質-碳質、泥質沉積(磷礦溝組及霍城組),寒武紀中晚期為碳酸鹽夾碎屑沉積(肯薩依組、阿合恰特組、將軍溝組、果子溝組)。早奧陶世早期有不同程度的中基性火山活動(物質記錄為奈楞格勒達坂群),早奧陶世晚期為碳酸鹽巖沉積(阿克塔什組和呼獨克達坂組)(西天山造山帶核心部位在該階段總體處于隆起剝蝕狀態而缺失相應的物質記錄。區域構造組合現今觀察到的西天山造山帶的區域構造框架主要是在D3變形變質階段奠定的,是西天山造山帶在古生代構造演化過程中的主期變形變質階段,主要變形形跡在顯微尺度至區域尺度均能觀察到,其主要構造組合樣式為區域性北東東向展布的大型韌性擠壓-剪切構造系統和走滑構造系統,那拉提-紅柳河縫合帶內集中表現為北東東向大型網結狀韌性剪切帶陣列和其邊界深斷裂的遞進走滑活動,東阿萊-哈爾克古生代復合溝弧帶內集中表現為區域性北東東向展布的同劈理同斜倒轉褶皺。巖漿活動以大規模碰撞前-同碰撞-后碰撞混源序列花崗巖漿的多期次就位為特點。D3構造階段可進一步劃分為若干次級發展演化階段。2.3.1面理的垂直分布D3前震旦紀基底巖系中該變形階段的最大特點是剛性體(斜長角閃巖包體)受遞進變形分解作用影響,解體成規模不一的構造透鏡體或布丁體群,應變主要集中于環繞它們的母巖(基質)片麻巖系中,構成殘斑-基質或布丁-基質流變學組合樣式。應變主要集中發育于基質中,剛性體僅以旋轉為主,宏觀上造成其壓扁面與區域面理近平行展布。顯微尺度基質片麻巖系中角閃石和斜長石發生明顯的塑性變形行為,反映的退變質條件相當于低壓低角閃巖相。蓋層巖系在該變形階段于俯沖帶兩側出現較為典型的雙變質帶,即低壓低角閃巖相組合(上志留統科克鐵克達坂巖組為代表,面理(S3線理(L3褶皺(f3同構造分泌脈體和剪切布丁化構造:同構造分泌脈體是深層剪切過程中原巖組分發生分解、遷移,呈脈狀聚集于應變場低壓區間而形成的,其在遞進變形中強烈剪切拉伸旋轉而形成剪切布丁體化構造,布丁體長軸方向平行于總體的剪切拉伸方向。西天山造山帶前震旦紀基底巖系及蓋層巖系中隨處可見此類長英質分泌脈體及剪切布丁體化構造,脈體寬一般為0.5～2cm,布丁體長軸一般為2～3cm,局部可達十幾厘米,延伸方向與區域復合面理傾向線小角度斜交,總體反映了板塊俯沖期中深層次壓扁型自南向北的逆沖型剪切作用和變質分異作用。此類布丁化構造強烈剪切拉長部位則形成了粗大的透鏡體拉伸線理(L32.3.2面理構造的韌性剪切帶目前所觀察到的西天山造山帶的區域構造框架,主要是在D3面理(S3S3線理(L3蓋層巖系中L3褶皺(f3同碰撞期蓋層巖系中f3韌性剪切帶:同碰撞期形成的那拉提-紅柳河大型韌性擠壓-剪切系統總體構造形式為韌性剪切帶(2.3.3p3D3面理(S3線理(L3褶皺(f3拉提南緣緣緣結構這一階段基本上奠定了西天山造山帶逆沖疊覆系統的構造格局,以沿斷裂構造帶的逆沖活動為主,伴生局部的殼源巖漿活動。各逆沖塊體繼承先期形成的構造面大規模逆沖疊覆,主體運動方向為自南向北,后緣局部表現為反沖特點,總體為中淺部層次的韌脆性逆沖活動,具有前展式特點,在其終端(即逆沖斷裂終止位置)逐漸轉化為外緣帶的同向褶斷構造。那拉提南緣深斷裂和那拉提北緣深斷裂南北兩側均出現次一級的近東西向或北東東走向的韌脆性逆沖斷裂,次級斷裂在垂向上及走向上均與主斷裂匯合,平面上多呈弧形展布,構造面南傾或南東傾,傾角大于50°。主要構造單元片體沿深斷裂發生自南向北的逆沖活動,主次級逆沖斷裂宏觀上構成疊瓦狀逆沖疊覆構造格局。各逆沖片體沿韌脆性逆沖斷裂在地殼中淺部構造層次疊覆堆垛,使得早石炭世以來碰接的陸殼板塊最終焊合,形成力學上統一的剛性陸殼板塊。構造揭頂作用該階段以不均一的斷塊升降、陸相含煤沉積盆地發育和小規模的淺成脈巖就位為特點,不同方向斷裂的脆性活動和脈巖的邊界,切割和改造了D1-D4階段的先期面線組構,代表了上地殼造山帶伸展塌陷和構造揭頂作用,使得西天山造山帶變質核心大面積出露于地表。西天山地區現今的地貌學特征,主要是由這一階段的構造事件所約束的。3西天山帶區域構造發育西天山造山帶是在經歷了復雜的裂解、拼合、陸陸碰撞及盆山耦合進程之后而形成的復合型造山帶(晚太古代至古元古代西天山在太古代早期形成古陸核,總體應為塔里木古陸核的一部分,晚太古代至古元古代與塔里木一起構成統一的古陸臺,其大陸基底形成于2000～1700Ma的殼幔分異事件,基底物質主要來源于虧損地幔(克拉通蓋層發育建筑該階段西天山范圍內裂陷作用較弱,除在博羅科努山地區出現少量的基性—酸性火山活動外,大致處于穩定狀態,發育克拉通蓋層沉積建造。震旦紀時為一套冰磧和冰水沉積。寒武紀早期為含磷硅質-碳質、泥質沉積,寒武紀中晚期為碳酸鹽夾碎屑沉積;早奧陶世為碳酸鹽沉積。在此階段,除震旦紀末期有短暫的升降運動之外,寒武紀—早奧陶世基體為連續沉積,表明西天山在震旦紀至早古生代早期同屬一體。3.3.1早古南天山洋盆形成階段組織化時代自中奧陶世開始,因塔里木微板塊北部的古準噶爾洋向南的俯沖作用,導致塔里木-華北板塊北部陸殼逐漸由拉伸解體到擴張,伊犁-伊賽克湖微板塊逐漸從塔里木-華北板塊北部裂解開來,到志留紀時其與塔里木-華北板塊之間出現了具有一定規模的以瓊阿烏孜-庫米什蛇綠混雜巖所代表的早古南天山洋盆,塔里木-華北板塊形成新的北部陸緣。中奧陶統—下志留統在西天山的缺失表明西天山所處伊犁-伊賽克湖微板塊南緣及離散地體在早古南天山洋形成發育時期仍總體處于隆起狀態。中晚志留世塔里木-華北板塊前緣接受活動大陸邊緣淺海陸棚相沉積,出現了中上志留統細碎屑巖夾碳酸鹽巖建造,其沉積過程中構造環境有擴張-匯聚-再擴張特點。3.3.2晚志留世至晚泥盆世晚志留世發育成熟的早古南天山洋殼開始沿瓊阿烏孜—阿爾帕沙里斯—巴音布魯克—巴倫臺南—庫米什一線向北側伊犁-伊賽克湖微板塊下俯沖消減。俯沖帶北側主動陸緣基底巖系(木札爾特巖群)逐漸隆起,地殼加厚,隆起帶后緣在地幔上涌的背景下發生程度不同的火山噴發活動和巖漿侵位活動,形成斷續出露的陸緣火山弧和集中分布于那拉提隆起帶內的志留紀殼幔混源序列中酸性侵入巖體。東西兩側沿該帶均有以上志留統巴音布魯克組為代表的島弧型鈣堿性系列中基性火山巖、火山碎屑巖和濱淺海相碳酸鹽巖-陸源碎屑巖組合。而廣泛分布于那拉提-紅柳河構造帶內的志留紀侵入期花崗閃長巖、二長花崗巖則構成明顯的加里東晚期巖漿弧,其巖漿侵位受控于板塊俯沖機制所誘導的幔源與殼源巖漿的混合作用。由晚志留世至早泥盆世初早古南天山洋殼向北的持續俯沖閉合作用一方面促使塔里木-華北板塊北部被動大陸邊緣發生地殼拉張作用而裂解,另一方面則導致由早古南天山洋殼巖石圈殘塊、塔里木-華北板塊古陸源沉積物及古陸緣陸殼基底巖石等組成的俯沖雜巖與哈薩克斯坦-準噶爾板塊發生構造拼貼,形成哈薩克斯坦-準噶爾板塊南緣的構造縫合帶。板塊俯沖過程中,俯沖帶近緣的陸緣隆起帶基底巖系受地幔上涌增熱和深部構造巖漿增熱的影響,發生高溫低壓區域動力熱流變質作用疊加改造,俯沖帶南側的俯沖雜巖系則因伴隨洋殼板塊的下插而受到高壓低溫變質作用疊加改造形成藍閃石片巖系,沿俯沖帶附近形成雙變質帶,由瓊阿烏孜—巴音布魯克—巴倫臺南—庫米什一線此類雙變質帶斷續出露。早古南天山洋盆最初的閉合作用出現于西天山西段瓊阿烏孜一帶,時限大致在晚志留世末。進入早泥盆世,因俯沖造山作用,伊犁-伊賽克湖微板塊南緣及巴侖臺-星星峽離散地體抬升隆起,海水退出,從而缺失了泥盆系地層的沉積,洋盆閉合作用沿俯沖帶由瓊阿烏孜向東逐漸遷移,穿時性明顯。早泥盆世中后期,南天山微地塊由塔里木-華北板塊北部被動陸緣解體,繼續向哈薩克斯坦-準噶爾板塊之下俯沖,原始的早古南天山洋盆逐漸轉化為殘余海盆,接受巨厚的復理石沉積,中泥盆世以后又逐漸轉化為陸表海,區域范圍內形成淺海相碎屑巖及碳酸鹽巖建造,至晚泥盆世最終閉合。中泥盆世時南天山微地塊與塔里木微板塊之間已由陸間裂谷逐漸發展成為有限的裂陷槽型初始洋盆,即晚古南天山洋。綜合來看,由晚志留世至晚泥盆世,西天山所經歷的俯沖造山可劃分為2個主要階段:第一階段由晚志留世至早泥盆世,以早古南天山洋殼的俯沖消減作用為主,板塊運移速度快,動能巨大,俯沖帶產狀相對較緩,俯沖造山作用劇烈,總體屬于B型俯沖階段;第二階段由中泥盆世至晚泥盆世中后期,以南天山微地塊和哈薩克斯坦-準噶爾板塊南緣離散地體之間的俯沖消減作用為主,板塊運移速度慢,動能小,俯沖帶產狀較陡,俯沖造山作用不劇烈,總體屬于陸殼板塊相向俯沖階段。3.3.3構造巖相特征晚泥盆世末至早石炭世初,南天山微地塊與哈薩克斯坦-準噶爾板塊發生軟碰撞,海水退出,沿瓊阿烏孜-阿爾帕沙里斯—巴倫臺南-庫米什一線形成碰撞縫合帶。縫合帶兩側構造片體均遭受同碰撞期擠壓剪切變形作用改造,伴之以低綠片巖相區域動力退變質作用,同期各構造單元之間的分界深斷裂表現為不同程度的韌性斜沖活動。沿那拉提南緣深斷裂帶兩側展布的泥盆紀二長花崗巖巖漿侵位則是陸陸碰撞造山的構造巖漿響應,其總體屬于受擠壓形成的同碰撞型,巖體內部斑晶的定向趨勢面、黑云母類集合體形成的侵位面理顯示了殼幔混源酸性巖漿在同碰撞期沿深斷裂強力底辟侵位的特征性。與此同時,那拉提-紅柳河構造帶內北東東走向的具網結狀特征的大型韌性剪切帶陣列形成。3.3.4里木-華北板塊早石炭紀構造格局早石炭世初陸陸碰撞造山之后,巴侖臺-星星峽離散地體、伊犁伊賽克湖微板塊與南天山微地塊拼合在一起,隨后晚古南天山洋逐漸閉合,巴侖臺-星星峽離散地體、伊犁-伊賽克湖微板塊與塔里木-華北板塊重新拼合在一起。區域范圍內在早石炭世后期,因伊犁-伊賽克湖微板塊與南側塔里木-華北板塊之間有相向的會聚作用,其內部再次發生大規模裂陷作用,先是在裂陷初級階段有大哈拉軍山期活動陸緣弧邊緣島弧型火山活動,形成堿性-鈣堿性鉀質火山巖系列。其后于早石炭世末期形成大型裂陷盆地,遭受了陸表海海侵,沉積了以下石炭統阿克沙克組為代表的濱-淺海碳酸鹽巖夾碎屑巖建造。這一期間那拉提南北緣深斷裂的強力伸展活動切穿上地幔,誘發了石炭紀混源序列基性—超基性巖漿沿深斷裂巖墻擴展式的侵位,以斷續出露于那拉提構造帶內的輝石橄欖巖、輝長巖體為代表。由早石炭世后期至晚石炭世西天山總體處于板塊碰撞后的均衡調整過程中,那拉提北緣深斷裂帶以北的巴侖臺-星星峽離散地體內以殼-幔混合成因的大量后碰撞花崗巖的發育為其主要特征,其形成機制可能與后碰撞階段幔源巖漿的底侵或巖石圈拆沉有關。晚石炭世早期西天山北緣的伸展裂陷活動導致了不同程度的火山噴發活動,以上石炭統伊什基里克組火山巖系為代表。斯洋的斷裂帶二疊紀之初,現今歐亞板塊雛形主體已開始形成,西天山已成為這一全球性巨型板塊的統一組成部分,但其南側還面臨著古特提斯洋的封閉(C—T)、新特提斯洋的打開與封閉和青藏高原的形成兩期全球性重大構造事件的作用和影響。在此背景下,早二疊世開始,西天山發生大規模的陸陸疊覆造山作用,使軟碰撞以來長期“聯而不合”的哈薩克斯坦-準噶爾板塊與塔里木-華北板塊最終焊合為動力學統一的整體,結束了海侵歷史,山脈雛形形成。晚二疊世發生于歐亞板塊南緣松潘-甘孜地體增生事件產生的擠壓應力加速了調查區所處古天山山脈的進一步隆升,而區域范圍內安加拉植物群的廣泛分布也表明西天山地區在晚二疊世已經焊接為統一的整體。3.5.1中晚三疊世山地區的構造格局早三疊世初,西天山造山帶在二疊紀陸陸疊覆造山的基礎上進一步隆升,形成具有一定高度的山脈,地殼相對加厚并形成明顯的山根。中晚三疊世,受印支運動的影響,西天山遭受北西—南東向擠壓運動,其北部在下石炭統褶皺的背景下出現不同程度的拗陷,西天山地區盆山地貌雛形形成。但因整體的隆升狀態,西天山在三疊紀時期主要是蝕源區,主體缺失三疊系沉積。同時,該時期也是西天山周邊盆地形成演化中的一個主要的萎縮期。3.5.2沉積期及斷陷期侏羅紀正是大區域古特提斯洋封閉之后新特提斯洋打開之時,應力場擠壓應力衰減或撤除,區域范圍內是最廣泛的一個擴展沉陷的沉積期和成煤期,顯示了廣闊地區的夷平沉降和斷陷沉降。在這一區域構造背景下西天山北側昭蘇—特克斯一線的侏羅紀斷陷盆地于侏羅紀初形成,斷陷北部接受了巨厚的煤系堆積,西天山范圍內一方面表現為沿山前斷裂及其次級隱伏斷裂組合的伸展斷陷,另一方面表現為南部山體在伸展構造背景下的伸展塌陷作用和揭頂作用,造山帶核部變質巖系得以出露地表。3.5.3中下侏羅統地層普遍受到構造的制約晚侏羅世至白堊紀,中生代燕山運動從早期的擴張而轉為中后期的擠壓性強烈構造作用,整個天山山脈在燕山運動中后期強烈隆升而普遍缺失上侏羅統和白堊系,早中侏羅世形成的斷陷盆地在這一時期普遍萎縮,區域上中下侏羅統地層普遍遭受構造變動。3.5.4區域構造環境古新世至始新世,西天山仍總體