西南天山托云盆地新生代火山岩古地磁

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论 文 第49卷 第10期 2004年5月
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西南天山托云盆地新生代火山岩古地磁
结果及构造意义
王永成 黄宝春 朱日祥 刘 涛
(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029. E-mail: wangych@mail.igcas.ac.cn)
摘要 对西南天山托云盆地新生代火山岩的古地磁研究表明, 绝大多数样品可分离出一以反极性为主
的稳定特征剩磁分量. 正的褶皱检验结果表明此特征分量可能为成岩时获得的原生剩磁. 对比欧亚大
陆60 Ma的极位置, 表明在西南天山南缘至西伯利亚板块南缘之间, 始新世印度/欧亚大陆的碰撞及持
续挤压并未引起显著的南北向构造缩短. 此外, 托云盆地白垩纪~第三纪古地磁结果表明, 托云盆地在
古新世之后很可能发生了20°~35°左右的局部顺时针旋转. 推测此局部旋转很可能与新生代帕米尔弧
北东东向挤压所引起的局部变形有关.
关键词 托云 新生代 古地磁学 构造缩短
近几十年来在中国西部及相邻地区获得了大量
的中,新生代古地磁数据[1~19], 但对认识青藏高原及
中亚地区始新世印度/欧亚大陆碰撞后各个地块的运
动学特征及相互作用过程来说, 这些数据是远远不
够的. 同时, 由于中亚地区白垩纪,第三纪陆相红色
沉积物中普遍存在偏低磁倾角异常的现象[20~23], 也
限制了人们对青藏高原及中亚地区在始新世印度/欧
亚大陆碰撞和持续挤压下所发生的南北向构造缩短
量的正确估计. 火山岩能可靠地记录当时地磁场的
信息, 是古地磁研究的理想对象. 因此, 在中国西部
的造山带地区选择新生代火山岩序列深入开展古地
磁学研究, 对探索中国西部盆山带系统在印度/欧亚
大陆碰撞后的相对运动模式, 正确估计该地区在新
生代构造变形中所发生的南北向构造缩短量, 具有
重要的科学意义. 本文报道西南天山托云山间盆地
老第三纪火山岩的岩石磁学和古地磁学研究的最新
结果.
1 地质概况与采样
天山山脉东西延伸约2500 km, 南北宽约300~
500 km, 是大陆内部典型的复活或再生造山带, 也是
具有重要构造意义的地块(塔里木,准噶尔及哈萨克
地台)的重要边界带[24](图1(a)). 印度板块与欧亚大陆
的碰撞及持续的北向挤压使得天山活动成为大陆内
部新构造运动十分强烈的地区之一[25].
托云盆地位于新疆自治区乌恰县西北, 西与东
阿赖山为邻, 东,南面以中-新生界分布边缘为界, 东
北方向延出国境与吉尔吉斯斯坦的萨拉依盆地相连,
属于南天山褶皱带. 盆地内新构造以北西向为主, 规
模巨大的塔拉斯-费尔干纳断裂呈北西向通过该区,
切割了中,新生代地层(图1(b)). 盆地内主要出露了
第三纪上新世阿图什组,中新世乌恰群,古新世地层,
上白垩英吉沙群,下白垩克孜勒苏群及侏罗纪地层,
其中下白垩与侏罗纪地层及新第三纪与老第三纪地
层之间均为角度不整合接触[26]. 我们选取的剖面是
一套厚约300 m左右火山喷发岩序列. 以生物灰岩和
富钙砂岩为界限分为上玄武岩和下玄武岩, 上玄武
岩为以橄榄玄武岩及玄武岩与红色粗砂岩互层为主
的老第三纪古新世地层, 厚约160 m; 下玄武岩为以
玄武岩,橄榄玄武岩和浅红色粗砂岩为主的白垩纪地
层, 厚约140m. Sobel等人[27]在托云盆地下玄武岩中
获得的40Ar-39Ar同位素年龄为113.3±1.6 Ma, 与李
永安等人[28]早期获得的K-Ar稀释同位素年龄(112.72
±2.4 Ma)相当, 表明李永安等人[28]在上玄武岩获得
的K-Ar稀释同位素年龄(61.7±3.1 Ma)是可靠的. 同
时上下玄武岩之间的生物灰岩中还报道有晚白垩世~
早第三纪的化石, 如: Pycnodonta cf. Iskeschtamensis,
Ostrea striplicata, Gryphaea sp.等[26,27]. 本次研究主
要集中在老第三纪火山喷发岩序列. 在野外从风化
壳和红色夹层至少可清晰识别出20多个喷发期次,
用便携式采样钻机在不同期次上各布置1个采点, 相
邻采点至少8 m以上, 每个采点至少采9块独立定向
岩芯, 共采集了204块定向岩芯样品, 用太阳罗盘定
向. 火山岩的产状即古水平面方向主要依据大量的
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图1 托云盆地地质简图及采样剖面示意图
红色夹层和部分喷发期次的风化壳来确定. 实验室
内每个采点中选取7~8块用于古地磁方向研究, 剩余
的部分用于岩石磁学研究.
2 古地磁结果
2.1 岩石磁学结果
岩石磁学实验主要在中国科学院地质与地球物
理研究所古地磁实验室的居里称(VFTB)上测定的,
在外加场为180 mT下, 选取全参数得到磁化强度-温
度(J-T)曲线和磁滞回线及相关参数.
对托云地区新生代火山岩代表性样品的岩石磁
学研究表明, 主要载磁矿物为磁铁矿和少量的赤铁
矿. 这类样品J-T曲线相对比较简单, 升温和冷却曲
线大致可逆. 在磁铁矿的居里点附近, 磁化强度均明
显降低(图2(a)). 少数几个采点则可能以钛磁铁矿为
主要载磁矿物. 这部分样品的J-T曲线表现为升温和
冷却曲线明显不可逆, 且升温曲线在200~250℃磁化
强度明显降低(图2(b)). 同时, 代表样品的磁滞回线
形态为高而瘦(图2(c)), 磁性矿物的剩磁矫顽力在
10~75 mT之间. 由饱和剩余磁化强度(Mrs)和饱和磁
化强度(Ms)以及剩磁矫顽力(Hcr)和矫顽力(Hc)比值
的关系可知, Mrs/Ms值在0.14~0.58之间, Hcr /Hc值
在1.3~2.6之间, 表明样品的主要载磁矿物以似单畴
颗粒为主[29](图2(d)).
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图2
(a), (b) 代表样品的剩余磁化强度-温度曲线(J-T); (c) 磁滞回线; (d) 磁滞参数的Day图
2.2 退磁结果
全部样品的剩磁均在JR-5旋转磁力仪和
2G-755R超导磁力仪上测试的. 系统热退磁采用
MMTD60退磁炉, 低温阶段热退磁温度间隔为
50~100℃, 高温段为10~20℃. 为与热退磁结果相比
较, 部分样品采用了磁场间隔为5~10 mT的系统交变
退磁. 各剩磁分量是利用主向量分析法[30]得出的, 最
后对各剩磁方向进行Fisher统计平均[31]以求得剩磁组
分的平均方向. 如图3所示, 无论是系统热退磁还是
系统交变退磁均揭示出样品具有双成分特征: 在
250~300℃或5 mT之前的退磁初始阶段有一可能为
现代场的粘滞剩磁被逐步退去; 之后绝大多数样品,
均揭示出一逐步趋向正交矢量投影图原点的稳定剩
磁分量. 这一稳定剩磁分量以反极性为主且通常具
有550~650℃的阻挡温度和小于100 mT的剩磁矫顽
力. 表1给出了21个采点的统计平均方向及相关参
数. 其中, 采点Ty8和Ty36由于具有较大的点内离散
度(α95>15°)而舍弃; 对剩下19个采点进行统计得到,
托云盆地新生代火山岩样品在地理和层面坐标下的
方向分别为: Dg=235.3°, Ig= 53.6°, α95=14.3°和
Ds=226.1°, Is= 46.3°, α95=8.1°(图4). 倾斜校正
后, 特征分量采点平均方向的集中程度有很大的提
高(精度参数由6.5增加到18.0), 在99%置信水平下
通过了McFadden[32]褶皱检验(校正前ξ 2=14.643; 校
正后ξ 2=0.445, N=19时的临界值ξ =7.112). 由各采点
平均方向对应的虚古地磁极位置进行统计, 得到层
面坐标下极位置为166.9°E, 50.5°N, A95=8.5°.
3 讨论
岩石磁学和系统退磁实验表明, 托云盆地新生
代火山岩的主要载磁矿物以似单畴的磁铁矿为主,
含有一定量的赤铁矿. 个别采点则可能以钛磁铁矿
为主要载磁矿物. 从19个采点中分离出来的稳定特
征分量通过了McFadden[32]褶皱检验, 且ξ 1在地层
100%完全展平后达到最小, 表明特征分量是岩石发
生倾斜之前获得的原生剩磁. 另一方面, 从野外观察
和退磁特征来看, 各采点分别独立地代表了地磁场
点记录, 平均统计结果足以平均掉长期变的影响.
托云盆地上玄武岩古地磁结果和Gilder等人[17]
从下玄武岩得出的古地磁结果相比较, 在95%置信
椭圆下有重叠部分(图5), 尽管可能存在较小的水平
旋转运动(R=15.6°±13.8°), 但没有明显的纬向运动
(F=3.8°±11.8°), 说明托云盆地在白垩纪到早第三
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图3 倾斜校正前代表样品的系统退磁矢量图
实心圆和空心圆分别代表水平和垂直投影
纪期间相对比较稳定. 利用Besse等人[33]重新建立的
200 Ma以来欧亚大陆以10 Ma为滑动窗口, 5 Ma为间
隔的古地磁视极移曲线, 以欧亚大陆60 Ma的极位置
为参照, 托云盆地未发生明显的或仅有较小的纬向
运动(F=6.9°±7.6°)(图5). 同时与欧亚大陆早第三
纪(37~66 Ma)平均古地磁极[34]相比较, 也同样没有
明显的纬向运动(F=7.8°±7.5°). Chen等人[35]认为,
白垩纪以来, 在青藏高原北缘塔里木与西伯利亚间
至少存在1000多公里的构造缩短量, 但由于该缩短
量由红层中获得, 而中亚地区陆相红色沉积物中又
普遍观测到15°~30°偏低磁倾角异常[20~22], 因此,
实际的构造缩短量可能要比Chen等人提出的构造缩
短量小得多. 另一方面, 现今GPS观测到西南天山每
年有17±0.9 mm[36]的缩短量, 说明天山地块挟持于
坚硬的塔里木和准噶尔地块之间, 在青藏和帕米尔
高原的共同推挤和西伯利亚的阻挡下正发生强烈的
整体地壳缩短. 如果我们假定始新世印度与欧亚碰
撞以来, 西南天山均具有现今GPS观测到的构造缩短
率, 则在西南天山南缘至西伯利亚南缘之间似应存
在近千公里的构造缩短量. 然而, 现今的运动速率能
否反推到数十个百万年之前, 目前尚不得而知. 同时,
我们注意到托云盆地下玄武岩的古纬度以及相邻的
塔吉克斯坦Tekelik火山岩(约54 Ma)的古纬度与欧亚
大陆古地磁视极移曲线[33]计算得出的期望值分
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表1 中国西南天山托云盆地老第三纪火山岩古地磁数据表a)
采样点 走向/倾角 n/n0R/N Dg/(°) Ig/(°) Ds/(°) Is/(°) κ α95/(°)
剖面1 (40.23°N, 75.25°E)
TY1 253.5°/15° 8/8 8/0 254.9 52.8 235.9 50.6 80.4 6.2
TY2 253.5°/11° 8/8 8/0 263.4 50.2 250.0 50.8 89.3 5.9
TY3 248.5°/14° 8/8 8/0 258.1 53.4 239.1 53.4 32.9 9.8
TY4 248.5°/14° 8/8 8/0 250.4 55.4 230.8 53.5 72.8 6.5
TY5 260.5°/15° 8/8 8/0 259.3 54.3 239.7 51.3 181.2 4.1
TY6 263.5°/16° 8/8 8/0 253.5 56.8 232.7 51.1 201.1 3.9
TY7 250.5°/22° 8/8 8/0 209.3 72.6 183.1 54.2 334.5 3.0
TY8#333.5°/26° 9/9 9/0 176.0 39.4 190.9 26.1 9.5 17.6
TY9 341.5°/26° 9/9 9/0 221.5 78.1 241.6 53.3 24.9 10.5
TY10 285.5°/33° 7/8 1/6 344.5 66.4 1.7 35.3 72.1 7.2
TY11 289.5°/42° 8/8 8/0 332.7 57.8 252.2 60.8 231.2 3.7
TY12 323.5°/32° 8/8 8/0 226.9 66.6 230.3 34.7 55.8 7.5
TY13 323.5°/48° 8/8 8/0 228.6 85.5 233.0 37.6 83.8 6.1
TY15 328.5°/52° 8/10 8/0 247.0 80.1 240.1 28.2 29.3 10.4
剖面2 (40.20°N, 75.26°E)
TY35 158.5°/26° 6/6 2/4 40.2 20.9 31.2 42.9 67.8 8.2
TY36#144.5°/17° 5/9 0/5 6.7 58.3 337.4 66.5 19.6 17.7
TY39 140.5°/20° 10/10 10/0 226.6 4.0 226.5 15.9 39.6 7.8
TY40 130.5°/33° 9/10 9/0 218.9 17.7 218.9 15.3 43.3 7.9
TY41 159.5°/26° 8/8 8/0 215.8 22.8 205.0 43.2 56.1 7.5
TY42 131.5°/19° 3/3 3/0 233.7 46.0 241.3 64.3 224.0 8.3
TY43 131.5°/19° 8/8 8/0 218.1 33.2 216.9 52.1 38.1 9.1
19/21 17/2 235.3 53.6 6.5 14.3
平均
226.1 46.3 18.0 8.1
a) n/n0: 参加统计的样品数(采样点数)/参加磁清洗的样品数(采样点数); R/N: 反极性/正极性; D/I: 剩磁偏角/倾角(g和s分别代表地理和层
面坐标系); κ : Fisher统计精度参数; α95: 95%置信圆锥半顶角. #表示被拒绝参加统计平均的采点. 详见文中退磁结果的分析
图4 托云盆地老第三纪火山岩采点平均方向的等面积投影图
空心和实心符号分别代表上,下半球投影, 五角星代表总平均方向, 圆代表采点的平均方向, 三角代表最后统计时舍去的采点的平均方向
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图5 托云盆地新生代,早白垩古地磁极和欧亚大陆古地磁视极移曲线的等面积投影图
实心正方形代表古地磁极, 实心圆代表欧亚大陆200 Ma以来每10 Ma为滑动窗口统计得出5 Ma的平均古地磁极, 欧亚大陆视极移曲线由
200 Ma以来每5 Ma的极绘制而成
别相差3.9°±8.1°[17]和5.3°±4.6°[37], 这表明在西
南天山至西伯利亚南缘之间, 很可能不存在明显的
南北向构造缩短, 至少可以说不存在上千公里的构
造缩短量.
另一方面, 托云盆地上,下玄武岩及白垩纪砂岩
古地磁结果还揭示出托云盆地在始新世印度/欧亚大
陆碰撞之后, 相对于欧亚大陆分别发生了19.0°±
12.0°[17]和24.5°±5.8°[17]至35.9°±8.9°的顺时针水
平旋转运动. 尽管在塔拉斯-费尔干纳断裂西侧的费
尔干纳盆地的早白垩到中新世地层中均观察到20°~
30°的逆时针旋转[38,39], 但Huang等人[19]最近提出中
新世以来, 塔拉斯-费尔干纳断裂以东的天山山间盆
地相对于周边地区很可能未发生明显的水平旋转运
动. 同时前人在西南塔里木的乌恰地区白垩纪地层
中也未发现显著的水平旋转运动[35,40]. 因此, 在托云
盆地上下玄武岩中观察到20°~35°顺时针水平旋转
运动, 很可能与费尔干纳断裂两侧尤其是帕米尔弧
顶地区在帕米尔北向挤压下局部变形有关, 这与早
期古地磁结果[13, 28]是一致的.
4 结论
对西南天山托云盆地上玄武岩古地磁研究揭示
出, 在西南天山至西伯利亚南缘之间很可能未发生
明显的南北向构造缩短, 至少可以说未发生上千公
里的南北向构造缩短.另一方面, 印度/欧亚大陆碰撞
以来, 在帕米尔弧的北东东向挤压下, 托云盆地很可
能发生了20°~35°局部顺时针旋转.
致谢 新疆地质矿产局地质矿产研究所李永安,孙东江参
加了本项研究的野外工作. 感谢杨振宇教授和审稿专家对
本项研究所提供的热情指导和帮助. 本工作受国家重点基
础研究发展规划前期研究专项(2002CCA05100)和国家自
然科学基金(批准号: 40172081, 40221402)资助.
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