青藏高原西寧西寧和貴德盆地新生代沉積物重礦物變化對構造活動的響應

0區(qū)域構造環(huán)境印度板塊與歐亞相連，垂直上升，形成青藏高原和朱木朗瑪?shù)雀呱缴矫}。高原東北部典型的盆地形成于平面上。高原縱、橫兩向緊密相連的時空關系,使之成為研究造山帶和沉積盆地耦合關系的天然最佳場所。大量的研究結果表明,盆地的沉積記錄是造山帶山脈構造事件及隆升剝蝕的重要信息源,是研究和反演造山帶造山作用的窗口。沉積物重礦物是碎屑物質的重要組成部分,伴隨其它一些碎屑物質產生、搬運、沉積的全部過程,因此重礦物分析是最直觀、有效揭示源區(qū)母巖、構造和沉積過程等重要信息的一種手段。地處高原東北緣祁連山系斷裂、昆侖山斷裂和秦嶺北緣斷裂交匯處的西寧盆地和貴德盆地是高原東北緣重要的新生代沉積盆地,其巨厚的新生代沉積記錄著區(qū)域構造演化的歷史[13,14,15,16,17,18,24]。本文重點通過西寧盆地和貴德盆地沉積物重礦物組合以及重礦物由南向北時空變化特征分析,結合古流向和相關沉積特征,揭示該區(qū)新生代構造與盆地形成和演化關系,為青藏高原東北部盆山格局形成和演化提供依據(jù)。1盆地地質特征西寧盆地和貴德盆地位于青海省的東北部(圖1),近東西向分布的海拔約4000m的拉脊山橫亙其中,將其分列南北。西寧盆地西和北邊界分別為日月山和中祁連山東延部分的達坂山,東部向蘭州盆地開口。貴德盆地西、南和東邊界分別為瓦里貢山、東昆侖山的巴吉山和札馬雜日山。黃河及其支流湟水分別從貴德和西寧盆地流過,切穿整個新生代地層,為研究提供了絕好的天然剖面。盆地基底和周邊山地的基巖主要為:拉脊山和日月山由震旦系(千枚巖、灰?guī)r、白云巖、片巖)、寒武系(玄武巖、安山巖、火山碎屑巖、硅質巖、灰?guī)r)、奧陶系(安山巖、火山碎屑巖、凝灰質粉砂巖、砂礫巖、大理巖)、志留系(礫巖、砂巖、英安巖)和三疊系(板巖)以及加里東花崗巖類組成。達坂山主要由下震旦統(tǒng)(片巖、片麻巖、千枚巖)、下志留統(tǒng)(砂巖、粉砂巖、頁巖、泥灰?guī)r)、上奧陶統(tǒng)(凝灰?guī)r、安山巖、火山碎屑巖)和上三疊統(tǒng)(礫巖、砂巖、頁巖)以及加里東花崗閃長巖和輝長巖組成,東昆侖山的巴吉山主要由三疊系(板巖、砂巖)和燕山期花崗巖和花崗閃長巖組成,它們?yōu)榕璧靥峁┝素S富的物源。兩個盆地內發(fā)育新生代地層,并與下伏元古宙、三疊紀基巖呈不整合接觸。其中古近紀地層稱為西寧群,新近紀地層稱為貴德群。關于貴德盆地和西寧盆地新生代地層的劃分和年代,前人已開展了大量的研究工作,并取得了重要進展。兩盆地各組地層特征及地層對比詳見表1。地層巖性總體為:底部古近系主要由紫紅—桔紅色砂礫巖、砂巖和粉砂巖、泥巖組成,其中上部泥巖含大套石膏沉積。中部中新統(tǒng)主要由雜色(褐紅、灰綠、褐黃)泥巖和粉砂巖夾砂巖和藍灰色泥灰?guī)r組成。上部上新統(tǒng)主要由大套灰黑色礫巖組成,頂部為第四紀灰綠色、灰黃色粉砂巖和黃土沉積。新生代地層在拉脊山兩側和昆侖山北側已經(jīng)被一系列向盆地擴展的生長斷裂所沖斷和褶皺,而盆地中心僅輕微彎折(圖2B)。本文在前人地層年代研究基礎上,對西寧、貴德盆地多個剖面進行了系統(tǒng)研究和樣品采集,并且通過測量礫石最大扁平面和砂巖斜層理前積紋層定向組構統(tǒng)計了古流向,其中莫渠溝剖面位于東昆侖山前的貴德盆地南部,甘家、阿什貢、尕讓和革皮匝剖面位于拉脊山南麓的貴德盆地北部,上新莊剖面位于拉脊山北麓的西寧盆地南部,謝家剖面位于西寧盆地的中部,因此這些剖面在時間和空間上由南向北組成較完整地層對比序列(圖1,2)。2重礦物的分離和鑒定沉積物重礦物是指比重大于2.89,在沉積巖中重礦物含量常小于1%,顆粒比較細,化學性質穩(wěn)定,抗風化能力強的一些礦物,它們是碎屑物質的重要組成部分。沉積重礦物的采集工作在上述多個剖面展開(圖2A),采樣間距除大套礫巖和膏巖、泥巖層外視砂巖的分布,基本控制在50m左右,共采得重砂礦物樣品39塊。自然重砂樣品通過室內篩析,提取碎屑粒徑0.63～0.25mm的樣品,經(jīng)H2O2和稀HCl處理,用三溴甲烷分離富集,獲取密度大于2.89g/cm3的重礦物進行鑒定分析。重礦物鑒定用體視顯微鏡和油浸法(德國Leitz廠生產的ORTHOCUXPOXBX型偏光顯微鏡完成)。重礦物含量計算采用顆粒統(tǒng)計法,每個樣品統(tǒng)計顆粒在1000粒以上。研究共鑒定出重礦物近30種:磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、鈦鐵礦、板鈦礦、銳鈦礦、石榴子石、電氣石、普通角閃石、陽起石、透閃石、直閃石、綠簾石、黝簾石、斜黝簾石、白云石、綠泥石、白云母、黑云母、鋯石、金紅石、錫石、磷灰石、尖晶石、榍石、方硼石等。按重礦物化學性質和抗風化能力歸類為不穩(wěn)定礦物、較穩(wěn)定礦物、穩(wěn)定礦物和最穩(wěn)定礦物,其中穩(wěn)定礦物包括石榴子石、電氣石、鋯石,較穩(wěn)定礦物為磷灰石,不穩(wěn)定礦物主要為綠泥石、黑云母、簾石族礦物和角閃石族礦物。根據(jù)重礦物磨圓情況、含量變化和組合等礦物學特征,依次對甘家—革皮匝剖面、莫渠溝剖面、上新莊—謝家剖面重礦物進行分析討論(表2,圖3)。2.1甘家-皮革旋轉剖面2.1.1不同巖性礦物的地球化學特征位于革皮匝剖面革皮匝組,其地層年代大致對應于古新世—始新世早期。該段穩(wěn)定礦物主要有石榴子石、電氣石、鋯石、磷灰石(該剖面鐵礦類平均含量在14.8%以上)等重礦物,其中石榴子石含量1.8%～5.1%(平均3.4%),電氣石含量3.1%～8.8%(平均5.6%),鋯石含量0.7%～5.2%(平均2.2%),磷灰石含量0～0.7%(平均0.2%)。不穩(wěn)定礦物主要為簾石族礦物和綠泥石,含量分別為9.2%～27.7%(平均21.7%)和0～19.8%(平均5.2%),還有少量的角閃石(平均0.8%)和黑云母(平均2.6%)。因此該段不穩(wěn)定礦物高于穩(wěn)定礦物總和,同時該段礦物粒度較大、分選差、顆粒形態(tài)以次棱角形居多,表明該段重礦物可能是構造不穩(wěn)定時期的產物。2.1.2不同巖性石類礦物含量分布于尕讓剖面中部下尕讓組,其地層年代大致為始新世中期—漸新世晚期。重礦物以次圓—次棱角為主,粒度中等,黑云母表面不新鮮。穩(wěn)定礦物石榴子石平均含量1.4%,電氣石平均含量3.4%,鋯石平均含量0.4%,這三種礦物比前期含量略有下降(但磷灰石從前期的平均0.2%上升到了11.2%)。不穩(wěn)定礦物簾石族礦物平均含量14.9%,綠泥石平均含量4%,黑云母平均含量3.4%和少量角閃石(平均0.6%)?？梢?該階段重礦物相對前期礦物成分成熟和磨圓度增加,可能屬構造相對穩(wěn)定時期的產物。2.1.3礦物顆粒以次角為主,粒度偏大分布于阿什貢剖面和尕讓剖面頂部的下尕讓組上部和貴德門組,其地層年代大致為漸新世末～19.4Ma。重礦物特征相對前期有明顯變化,礦物顆粒以棱角—次棱角為主、粒度偏大,穩(wěn)定礦物中石榴子石含量1.6%～4.4%(平均2.8%),電氣石含量1.2%～5.2%(平均2.5%),鋯石平均含量0.3%,磷灰石含量0.3%～8.9%(平均5%)。不穩(wěn)定礦物主要為綠泥石和簾石族礦物,平均含量分別為8.3%和14.7%,還有少量的角閃石(平均1.1%),明顯不穩(wěn)定礦物高于穩(wěn)定礦物總和,表明該階段重礦物可能屬構造不穩(wěn)定時期的產物。2.1.4相對前期巖石礦物組成分布于阿什貢剖面貴德門組和尕讓組以及甘家剖面的阿什貢組,其磁性地層年代19.4～8.5Ma。該段重礦物相對前期最明顯的變化是出現(xiàn)大量的石榴子石,其含量最高達12.7%(平均8.3%),電氣石平均含量2%,磷灰石平均2.9%,不穩(wěn)定礦物中綠泥石和簾石族礦物平均含量分別為7.7%和14.5%,還有少量蝕變強烈的黑云母(平均5%)和角閃石(平均1.1%)。石榴子石的大量出現(xiàn),表明該階段重礦物可能屬于構造相對穩(wěn)定時期的產物。2.1.5角綠泥石及黑云母礦分布于甘家剖面賀爾加組,其磁性地層年代8.5～3.6Ma。該階段重礦物以穩(wěn)定礦物含量降低、不穩(wěn)定礦物大幅增加以及礦物較新鮮、形態(tài)大多呈棱角—次棱角(尤其是綠泥石)為特征。其中穩(wěn)定礦物平均含量分別為石榴子石4.8%、電氣石0.8%、鋯石0.7%和磷灰石7.6%。不穩(wěn)定礦物綠泥石和黑云母大量增加,前者含量0～71.9%,平均含量從前期的10.9%增加至15.6%。后者含量1.1%～61.2%,平均含量從前期2.9%升至19.4%。另外角閃石也有明顯增加(平均含量為2.7%)以及簾石族礦物平均含量達12.2%。不穩(wěn)定礦物總和明顯大于穩(wěn)定礦物,表明該階段重礦物可能屬構造強烈活動時期的產物。2.2莫霍溝2.2.1巖石學和不穩(wěn)定礦物組成該段位于莫渠溝剖面下部革皮匝組(該剖面鐵礦類平均含量19.2%),對應地層年代屬古新世—始新世早期。該段穩(wěn)定礦物含量為石榴子石0.4%～4.1%(平均2%)、電氣石2%～6.3%(平均4.6%),鋯石和磷灰石平均含量分別為0.4%和1.2%。不穩(wěn)定礦物主要有簾石族礦物和黑云母,前者含量4.8%～20.4%(平均12.2%),后者含量0.2%～55.1%(平均18.8%),不穩(wěn)定礦物總和明顯大于穩(wěn)定礦物。礦物顆粒以棱角—次棱角為主,粒度大。上述特征表明該階段重礦物可能屬構造不穩(wěn)定時期的產物。2.2.2黑云母、樹立不同礦物組成分布于莫渠溝剖面頂部尕讓組,對應地層年代為漸新世末—中新世早期。重礦物顆粒形態(tài)以次棱角形為主,不穩(wěn)定礦物黑云母含量34.6%～93.1%(平均63.9%)、簾石族礦物平均10.7%。穩(wěn)定礦物平均含量分別為石榴子石2.2%、電氣石1.9%、鋯石1.5%、磷灰石6.7%。不穩(wěn)定礦物總和明顯大于穩(wěn)定礦物,特別黑云母相對前期大量增加,表明該階段重礦物可能為構造頻繁活動期的產物。2.3上下莘莊和謝家段2.3.1平均礦物含量分布于上新莊剖面祁家川組(鐵礦類平均含量38.3%),其地層年代屬古新世—始新世早期。穩(wěn)定礦物中石榴子石含量6.7%～12.7%(平均10%)、電氣石含量3.3%～14.6%(平均8.1%)、鋯石含量0.2%～2.6%(平均1.5%)、磷灰石平均含量0.4%。不穩(wěn)定礦物含量很少,其中黑云母平均含量0.8%,簾石族礦物平均含量1.7%,綠泥石平均含量0.3%,未出現(xiàn)角閃石。可見,該段穩(wěn)定礦物總和明顯大于不穩(wěn)定礦物,同時礦物顆粒不新鮮,表面有溶蝕小坑,粒度細,表明重礦物具長期風化、遠距離搬運的沉積特征。2.3.2穩(wěn)定礦物石榴子石、電氣石、鋯石和磷灰石含量分布于謝家剖面車頭溝組和咸水河組,其磁性地層年代24～18.4Ma。該階段重礦物以不穩(wěn)定礦物明顯增加和穩(wěn)定礦物含量減少為特征。其中穩(wěn)定礦物石榴子石含量0.9%～6.3%(平均2.8%),電氣石、鋯石和磷灰石平均含量分別為2.1%、0.5%和2.9%。不穩(wěn)定礦物主要見角閃石、綠泥石和簾石族礦物(平均含量分別為11.6%、23.5%和10.1%),以及極少量的黑云母,其中綠泥石含量急劇的增加,不穩(wěn)定礦物總和遠大于穩(wěn)定礦物,礦物顆粒表面新鮮,多為次棱角形,表明該階段重礦物可能為構造活動期快速沉積產物。3氣候變化與重礦物變化青藏高原的構造隆升和擠壓作用控制著高原腹地及其周邊沉積盆地的形成和演化,而盆地沉積物是地殼差異升降運動的物質記錄。影響重礦物的因素有氣候、構造、沉積環(huán)境和源巖等。根據(jù)該區(qū)域揭示的古新世以來最大氣候事件為Oi-1事件(大概在34Ma左右),而該事件段地層中重礦物組合和礦物含量前后未發(fā)生明顯變化,因此,氣候變化可能不是影響該區(qū)重礦物變化的主導因素;前人通過貴德盆地沉積記錄研究認為8.5Ma以來持續(xù)構造隆升導致該區(qū)沉積環(huán)境發(fā)生了較明顯的變化、使盆地礫巖沉積增多、礫徑變粗、沉積速率增加,拉脊山的隆升使物源區(qū)發(fā)生變化,因此,西寧、貴德盆地影響沉積物重礦物變化主導因素是構造活動使物源區(qū)剝蝕巖性變化所致。通過上述對各個剖面沉積物重礦物組合、形態(tài)、特征指數(shù)及其在地層剖面上變化的研究,結合前人磁性地層年代、沉積—構造等研究成果[13,14,15,16,17,18],將該區(qū)古新世以來的構造演化劃分為4個階段:3.1礦物成分、粒度特征相對穩(wěn)定礦物含量的特征研磨從上述研究可以看出,該時期從昆侖山前由南向北,從貴德盆地南部莫渠溝剖面到北部革皮匝剖面、再至西寧盆地南部上新莊剖面,在礦物的總體組合上具高度的一致性,而重礦物成分成熟度呈逐漸增加(ZTR值平均分別為4.8%、8.0%和9.8%)(表1),并且穩(wěn)定礦物含量逐漸增加、不穩(wěn)定礦物含量遞減的總體趨勢特征(圖4A)。同時該時期由南向北三個剖面位置的古水流方向顯示都具由南向北的流向特征(圖2A),沉積物磨圓度由棱角形向次圓形變化的趨勢、粒度具變細特征。上述證據(jù)說明西寧、貴德盆地可能是一個統(tǒng)一的發(fā)育于東昆侖山前的前陸盆地,分隔西寧、貴德盆地的拉脊山在當時未隆起,沉積物主要從東昆侖向北搬運沉積。3.2古水流方向的古地理該時期貴德盆地北部尕讓剖面重礦物成分成熟度ZTR值0.1%～8%(平均值4.3%),雖然較前期革皮匝剖面略低,但穩(wěn)定礦物與不穩(wěn)定礦物含量總體接近,整體含量不高(各占重礦物總體的15%和21%)。古水流方向在該階段依然主要為由南向北(未有明顯變化)。該時期貴德盆地西寧群上部主要以泥巖、泥灰?guī)r和石膏層為主,而西寧盆地洪溝組和馬哈拉溝組沉積了較厚的膏巖層。自東昆侖山前由南向北沉積相整體表現(xiàn)為由辮狀河流相向湖泊相轉變的特征。上述特征表明該時期該區(qū)處于相對穩(wěn)定的沉積階段。3.3南向北礦物成分特征結果該段時期貴德盆地與西寧盆地重礦物總體特征在時間上和空間上都有較明顯的變化,并且不具始新世礦物由南向北有規(guī)律的變化特征(圖4B)。不論貴德盆地南部莫渠溝剖面,還是其北部的阿什貢剖面和尕讓剖面上部以及西寧盆地中部謝家剖面,不穩(wěn)定礦物含量都明顯大于穩(wěn)定礦物含量,由南向北礦物成分成熟度ZTR值依次為3.5%、3.1%和2.8%,礦物成熟度低。其中綠泥石含量明顯增加(由前期的4%增加至8.3%),礦物顆粒以次棱角形居多,并且拉脊山二側的貴德盆地北部和西寧盆地綠泥石礦物普遍較新鮮,貴德盆地南部樣品表面粗糙暗淡。同時拉脊山南側貴德盆地北部形成古近系與新近系不整合接觸,以及阿什貢組和尕讓組古水流方向相對前期發(fā)生了非常明顯的變化,由前期向北流突變?yōu)橄蚰狭鞯姆较?圖2A)。這些特征表明該段時期西寧、貴德盆地處于比較明顯的構造活動階段,分隔貴德盆地和西寧盆地的拉脊山開始隆升,使盆地早期地層被擠壓變形,形成盆地中最顯著的角度不整合,同時導致貴德盆地北部水系向北轉向南西。同時拉脊山基巖中有震旦系片巖和寒武系玄武巖,其遭受剝蝕導致近拉脊山兩側的沉積物中含有大量新鮮的綠泥石。3.4盆地淺湖—中期構造相對穩(wěn)定階段(中中新世)該段時期甘家—革皮匝剖面重礦物總體特征的變化主要表現(xiàn)在石榴子石的大量出現(xiàn),該時期剖面出露了灰色泥巖和灰綠色泥灰?guī)r,在近盆地邊緣的甘家北部、阿什貢等地區(qū)形成淺湖與半深湖相和三角洲相沉積,反映當時盆地為湖相沉積。證明該區(qū)當時的構造活動比較穩(wěn)定,高原處于相對的穩(wěn)定剝蝕階段。3.5剖面礦物成分該階段貴德盆地北部靠拉脊山的甘家剖面重礦物特征發(fā)生明顯變化,不穩(wěn)定礦物黑云母和綠泥石大量增加,綠泥石含量最高達到71.9%,顆粒極其新鮮,黑云母含量最高達到62.1%,簾石族礦物和角閃石含量都位于剖面段高峰,礦物成分成熟度ZTR值平均降低為1.7%(