西昆仑晚新生代沉积特征及其对古环境和陆相沉积的响应

西昆仑晚新生代沉积特征及其对古环境和陆相沉积的响应

青藏高原的晋升研究一直是国内外科学家的中心领域。山前盆地沉积物是造山运动的重要标志,位于青藏高原西北缘的西昆仑山北麓发育了中新世晚期—上新世早期巨厚的磨拉石建造,自黄汲清将本段磨拉石上部巨厚的砾岩层命名为西域砾岩以来,已有众多学者从不同角度开展了研究,获得许多有关隆升的认识[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。目前关于高原西北部隆升时代的认识主要有4种不同的观点:①西昆仑山在约25Ma就已经开始整体隆升,中新世为隆升速率较高且全面出现陆相沉积的时期,中新世后期到早更新世隆升加速,中新世晚期还存在一次显著的快速构造隆升事件;②从4.5~5Ma的晚中新世—早上新世开始隆升[6,7,8,9,10,11,12,13];③晚上新世—早更新世为高原西北缘强烈抬升的时期,2Ma或2.4Ma隆升开始加速,1.19Ma开始了另一次强烈隆升,全新世以来隆升速率较高;④阶地研究结果显示约4.71ka是最近强烈抬升的开始时间。造成观点不一致的原因之一是不同学者的研究地点不同,也反映出西昆仑北缘的隆升可能是不均一的。近年来高原西北缘构造隆升的不均一性开始引起注意,但是对西昆仑地区横向隆升差异性的研究仍显不足,本文在前人工作的基础上对西昆仑山前盆地的4条新生代沉积剖面进行了详细考察,自西向东依次为叶城县柯克亚剖面和皮山县克里阳剖面、桑株剖面、杜瓦剖面(图1),通过沉积学、地层学和岩石学等的研究,探讨西昆仑山晚新生代的隆升作用及横向变化。1磨拉石地层特征研究区在古近纪时曾是特提斯外围的一个狭窄的海湾,发育海相沉积地层;新近系以陆相地层为主,包括中新统乌恰群和上新统阿图什组。作为山脉隆升的最直接记录,磨拉石建造包含着指示造山作用的丰富信息。西昆仑山前晚新生代磨拉石地层发育连续,向上变粗的韵律特征明显。磨拉石地层主要包括阿图什组和西域组,阿图什组下伏地层乌恰群主要为河湖相杂色泥岩、粉砂岩与砂岩不等厚互层,下部多见石膏。以第一层细砾岩的出现为界,阿图什组在乌恰群之上连续沉积,由棕色厚层粉砂岩、细砂岩和灰褐色砂砾岩为主体组成,含泥质岩夹层,砂岩层可见大型交错层理,由下而上颜色由深变浅,粒径由细变粗;西域组与下伏阿图什组也为连续接触,是一套暗灰色、灰黑色山麓相厚层块状砾岩沉积。现将剖面特征叙述如下。1.1地震剖面层序剖面位于和田市叶城县柯克亚乡西南方向(N37°23′、E77°10′)。所有地层均呈单斜向北倾。由南向北地层变新,地层倾角逐渐变缓。剖面上部被较新的砾石沉积物(Q2-3?)不整合覆盖,其中有些为固结程度较差的松散堆积物。根据野外观察可将剖面地层分为3套,大致对应于乌恰群(N1wq)、阿图什组(N2a)和西域组(N2-Q1-2x)(图2),现将该剖面3套地层由新到老分别描述如下。第一套与西域组(N2-Q1-2x)大致相当。灰黑色巨厚层粗砾岩夹(含砾)黄褐色粗砂岩,有的层段以砂岩为主,有的层段以砾岩为主,总体砾岩多于砂岩。砾岩单层厚度一般在2m以上,厚者可达30~50m;砂岩单层厚0.5~2m,有时可达5m以上,由下至上砾石逐渐增大,上部许多砂岩层仅以细条带状或透镜体状产出2000m第二套与阿图什组(N2a)大致相当。灰褐色砂岩、粉砂岩和细砾岩层。细砾岩为中层状,层厚由下向上逐渐增大,砾石也逐渐变大800m第三套与乌恰群(N1wq)大致相当。紫红色泥岩、泥质砂岩及灰褐色砂岩互层。夹有薄石膏层,中部的砂岩下层面可见清楚的波痕构造和生物遗迹构造,砂、泥岩比例多变,砂岩表面风化层呈结壳状断续覆盖,岩层中下部地表覆盖严重,仅能根据冲沟的零散露头判断为紫红色砂岩、粉砂岩和泥岩>1500m整条剖面总体沿河展布,剖面追索未发现本区标志性的化石层。1.2剖面地质特征剖面位于皮山县南40km的克里阳村东侧(剖面最北端位置N37°19.437′、E77°52.501′),上部有时被固结程度较差的较新砾石沉积物(Q2-3?)不整合覆盖,部分地区地表覆盖较严重,剖面地层由南到北时代变新,地层产状变缓,开始处地层倾角约80°,在剖面结束处变为50°。根据野外观察,本剖面由底到顶可大致分为5套岩层(图3),现按由新到老的顺序对剖面的特征分段描述如下。第一套与西域组(N2-Q1-2x)大致相当。黄褐色巨厚层块状砾岩夹砂岩,砾石大小混杂,浅紫红色砂质、粉砂质胶结,夹有少量浅紫红色或浅黄褐色砂岩细条带>1200m第二套与阿图什组(N2a)大致相当。砖红色厚层砂岩、粉砂岩夹砾岩,部分砂岩段为灰色,呈不规则的韵律层,向上砾岩层增厚,砾石变大600m第三套与乌恰群(N1wq)大致相当。紫红色互层产出的砂岩、粉砂岩和泥岩,砂岩层厚20~70cm,少数较厚层可达3~4m,地貌上突出成脊状,岩层的重力弯曲特征明显,产状较陡1200m第四套与喀什群(Eks)大致相当。中下部为一套紫红色、玫瑰红色泥岩、砂质泥岩和块状石膏,向上变为灰绿色钙质砂岩、粉砂岩、泥质岩和石灰岩层,夹有石膏层,灰岩层含丰富的瓣腮类化石,露头可见因化石大小不同而成的明显分层,大化石个体可超过10cm,平均约8cm,小化石个体多在1~3cm之间,岩层产状近直立300m第五套与英吉沙群(K2y)上部大致相当。紫红色厚层砾岩、砂砾岩和砂岩,夹石膏层400m1.3砂岩层厚度特征剖面位于皮山县桑株村,北距315国道约35km(剖面最北端位置N37°10.155′、E78°37.136′)。整条剖面几乎都能见到上方不整合覆盖的较新砾石沉积(Q2-3?),由南向北地层时代从老到新,地层产状逐渐变缓,剖面中下部地层几乎直立,到顶部生长地层位置倾角仅约20°(图4)。根据野外观察可将剖面分为3套地层(图4),现按由新到老的顺序分别描述。第一套大致相当于西域组(N2-Q1-2x)。黄褐色巨厚层状砾岩及砂岩,呈不规则互层,砂岩层厚约1~6m,砾岩层厚2~60m,砾岩表面为灰褐色,砾石大小不等,但自下而上总体呈增大趋势,最大可达60cm;砂岩层厚度也相应地呈波动变化,多为中—粗砂岩,自下而上岩层产状逐渐变缓>1000m第二套大致相当于阿图什组(N2a)。紫红色厚层砾岩、中—薄层砂岩与细砂岩互层,砾石多在2~4cm之间,向上逐渐增大,红色砂岩层发育斜层理,层厚由下而上呈变薄趋势800m第三套大致相当于乌恰群(N1wq)。紫红色中层砂岩,局部见有粉砂岩、泥岩夹层,部分层段的河道冲刷特征明显,岩层产状较陡,冲沟发育600m第四套大致相当于喀什群(Eks)。下部为深灰色厚层状砂岩,风化后表面为浅红色,向上出现石膏层、紫红色砂岩和垮塌堆积状灰色石灰岩,石灰岩中可见大量的瓣腮类化石150m杜瓦剖面位于皮山县杜瓦镇附近(最北端位置N37°08.014′、E79°20.740′),北距315国道约15km。有弱固结的砾石层(Q2-3?)沿剖面上部呈断续的不整合覆盖,剖面由南向北时代变新,开始处上白垩统的地层倾角为40~50°,向上逐渐变陡,中新统地层近直立,随后开始变缓,更新统西域砾岩产状近乎水平(10~15°)。根据野外观察可将整个剖面地层分为5套(图5),按照由新到老的顺序分别描述如下。第一套相当于西域组(N2-Q1-2x)。灰色厚层砾岩夹砂岩,产状较缓300m第二套相当于阿图什组(N2a)。灰色、灰绿色砂岩和砾岩互层,砂岩层厚30~120cm,中部1层紫红色砂岩厚度最大可达2m,砾岩层100~180cm,砾石大小较均匀,多数在5cm左右400m第三套相当于乌恰群(N1wq)。紫红色泥岩、粉砂岩、砂岩互层,泥岩层厚约40cm,粉砂岩层和砂岩层厚度较大,自下而上砂岩颗粒呈渐粗的变化特征,上部岩层重力弯曲特征明显260m第四套相当于喀什群(Eks)。灰褐色砂岩、厚石膏层,上部有石灰岩,含丰富的瓣腮类化石,大小混杂,较大个体超过10cm,小者仅约1cm,底部为1层灰白色砾岩80m第五套相当于英吉沙群(K2y)。灰绿色、紫红色砂岩,沿裂隙发育石膏,未见底>200m1.5垂向地层与含孢粉地层柯克亚剖面、克里阳剖面、桑株剖面、杜瓦剖面自西向东依次在青藏高原西北缘的西昆仑山前盆地发育。本文将本区新生代地层分为3套,第一套为含石膏层和化石的灰岩层,除叶城柯克亚剖面以外,克里阳、桑株和杜瓦剖面下部均有出露(图6),这是本区古新世—始新世的标志性地层;灰岩层向上是一套总体以紫红色为主的粉砂岩、砂岩夹泥质岩沉积,且由下而上砂岩增多,泥岩减少或消失,各种沉积构造如波痕、层理、生物遗迹在该套地层中比较发育(图7),根据前人对该段地层所含孢粉化石的研究及区域对比,推测本套地层沉积时代可能为始新世到中新世中期;第三套地层为磨拉石,在下伏地层之上连续沉积,由下而上砾石大小整体呈不断增大的趋势,磨圆度变差,砂岩厚度向上总体变薄,或仅呈透镜状产出,砾岩层厚总体增大,磨拉石底部为砂岩和砾岩交互层,向上变为厚层、巨厚层砾岩夹砂岩,产状变化也具有一致性,磨拉石底部岩层较陡,常呈近直立状,向上则不断变缓直至近水平。综上所述,各剖面垂向上总体变化趋势是相似的,但具体到每一条剖面,各套地层,特别是磨拉石沉积又各具特点。以下就各剖面的磨拉石特征进行对比。2沉积岩与火成-变质岩砾石的组成特点表1参考前人有关本区地层划分的方法,本文将第一层细砾岩的出现作为磨拉石沉积的开始,笔者对各剖面磨拉石沉积层的砾石砾径、岩性进行了粗略的统计,其中岩性分为2部分:沉积岩和火成-变质岩,统计结果如图8所示。柯克亚剖面磨拉石底部砾石的砾径平均仅0.5cm,随剖面向上砾径开始变大,在距磨拉石底部约900m附近已达4~8cm,最大的砾石超过15cm,从900~1250m区间砾径变化不大,1350m附近似乎稍有减小,但很快就再次开始增大,在1600m左右多数砾石的砾径8~10cm,在1600~1900m之间砾径稍有减小,向上又继续增大,在大约2400m处平均砾径已达10~14cm,最大可达30~50cm,继续向上虽有个别层段砾径稍有减小,但砾石整体较大,个别巨砾甚至可达数米。郑洪波曾对该剖面砾石的成分进行过统计,发现剖面下部以紫色泥岩、粉砂岩和深灰色石灰岩为主,还有少量杂砂岩、燧石和砂岩等其他沉积岩。火成岩砾石含量总体较低,但沿剖面向上呈显著增加的趋势。变质岩砾石相对火成岩砾石含量较高,剖面中下部以浅变质岩为主,深变质岩从磨拉石中上部开始出现,且表现为向上不断增加的趋势。本文对其结果的统计分析表明,磨拉石底部砾石近90%是沉积岩,向上逐渐减少,而火成-变质成因的砾石则渐渐增多;在1200m处,2类砾石所占比例已相差不大;大约1600m处沉积岩砾石降至40%,之后火成-变质岩砾石开始占主要地位,最多时占到砾石的70%。与柯克亚剖面相似,皮山克里阳剖面砾石也呈现出自下而上逐渐变粗的变化趋势,距磨拉石底500m位置的第一层砾石大小仅2~5cm,在接近1000m处砾径已经增至4~8cm,1000~1400m区间稍有减小,再向上砾石又变大,在1600m处已增大到6~10cm,从1600m向上砾径持续稳定增大,到2000m附近多数砾石超过了10cm,个别砾石超过100cm。克里阳剖面磨拉石中下部砾石的成分以沉积岩为主,主要为紫红色砂岩、粉砂岩,灰褐色砾岩和少量石灰岩,沉积岩砾石含量近90%,火成-变质岩砾石含量总体较低,但沿剖面向上不断增多。在1000m附近沉积砾石约占60%,主要是火成岩砾石增多,1000~1600m区间2类砾石的比率相对稳定,沉积岩砾石含量45%~60%,火成-变质岩砾石的成分表现为花岗岩稍有增加,片岩和大理岩开始出现;1600~2000m区段该比值波动不大,在2000m附近,沉积岩仍占约40%,但陆源碎屑岩砾石已大大减少,沉积岩砾石主要以石灰岩为主。桑株剖面也表现出相似的特点,从磨拉石底部向顶部砾石不断变粗。剖面下部出现的第一层砾石的砾径大小约1~3cm,向上变粗,在600m附近砾石增大到3~7cm,最大的砾石超过20cm,600~850m区间砾石稍有减小,由850m附近位置向上砾径继续增大,在1400m附近砾石已增大到5~8cm,1400~1800m区段砾径相对稳定,多数砾石约6~10cm,少数巨砾可达100cm左右。剖面第一层砾石主要为石英和紫红色砂岩夹少量泥质岩,剖面约900m位置以下地层中的砾石整体以沉积岩为主,含量60%~80%,主要是灰色和紫红色砂岩、粉砂岩,还有部分石灰岩;1000~1400m区段2类砾石的比率呈右凹弧形,沉积岩砾石先增多又减少,而火成-变质岩砾石则先减少后增多;1400m以上多数砾石为火成-变质岩砾石。与上述3条剖面相比,杜瓦剖面整体厚度较小,尚不足柯克亚剖面厚度的1/3。该剖面下部出现的第一层砾石的砾径约1cm,向上很快增大,在距磨拉石底部约200m附近就达到3~6cm,200~300m区间砾石似乎稍有减小,300m向上继续增大,在400m附近位置砾径为4~8cm,之后砾石大小相对稳定。杜瓦剖面最底部砾石的成分以灰色砂岩、粉砂岩和紫红色砂岩为主,向上石灰岩砾石增多,磨拉石中部见有少量花岗岩砾石,顶部偶尔出现片麻岩成分,整段磨拉石主要以沉积岩砾石较多,但火成-变质岩砾石由底向上呈增多的趋势,在上部层位稍多于沉积岩砾石。综上所述,各剖面砾石均具有相似的变化特征:磨拉石沉积由下而上,砾径呈增大的趋势,但中间有砾径变化不大或减小的层段;底部砾石的成分以沉积岩为主,向上减少,火成岩和变质岩砾石增多;砾径和砾石岩性的变化区间能较好地对应,砾径增大的层段火成岩和变质岩的砾石相应增多,砾石大小稳定或减小的区段沉积岩砾石稍有增加。就磨拉石的厚度而言,柯克亚剖面大于2800m,克里阳剖面和桑株剖面均大于1800m,杜瓦剖面仅大约600m。从磨拉石的特征看,柯克亚剖面和克里阳剖面磨拉石下段的砾石较小,中上段迅速增大,桑株、杜瓦剖面磨拉石开始位置的砾石就相对较大,中上段继续增大,但增幅小于柯克亚和克里阳剖面;深变质岩和火成岩砾石仅在柯克亚剖面磨拉石的中上部大量出现,其余3条剖面都是石灰岩、陆源碎屑岩、浅变质岩和部分火成岩砾石出现较多。3讨论3.1柯克亚剖面的砾石特征古新世—中新世早期西昆仑北缘为相对平静的近海岸滩、咸化湖沼和河湖环境,发育了一套石膏层、含石膏的紫红色砂岩、粉砂岩、泥质岩及产丰富瓣腮类化石的石灰岩地层,这也是本区新生代的标志性地层。磨拉石地层的出现标志着本区沉积环境的巨大转变,目前对于磨拉石沉积开始的时间存在不同看法,黄汲清等认为磨拉石沉积开始于上新世到早更新世,郑洪波等根据柯克亚剖面古地磁研究结果将磨拉石底界的年龄定为4.6Ma,属上新世早期;金小赤等根据从柯克亚剖面磨拉石向上200m处砂岩样品中所获孢粉化石认为磨拉石开始的时间应为中新世晚期。西昆仑北缘山前盆地磨拉石主要为灰褐色、灰黑色的厚层、巨厚层砾岩和黄褐色砂岩的不规则互层,具有典型的向上变粗的特征,与下伏的早期紫红色砂岩、粉砂岩夹泥质岩沉积明显不同。这套山前盆地的磨拉石是西昆仑山隆升的响应。4条山前剖面砾岩的砾石由下而上均呈增大趋势,应当反映了山体的不断隆升,砾石大小稳定的层段可能是构造运动间歇期或平稳期的反映,这种砾石大小的变化可能指示了脉动式的隆升模式;磨拉石底部的砾石以沉积岩为主,向上逐渐减少,而火成岩和变质岩砾石逐渐增多(图8),显示出剥蚀程度的不断加深。就磨拉石的厚度而言,柯克亚剖面大于2800m,克里阳剖面和桑株剖面大于1800m,杜瓦剖面仅大约600m,这反映了西昆仑山自西向东剥蚀量减少。与其他3条剖面相比,杜瓦剖面褶皱构造发育,构造运动对原生地层的后期改造破坏可能是剖面厚度变小的原因。从砾石特征看,柯克亚剖面砾石较大,砾岩层的厚度最大,克里阳和桑株剖面砾石大小和砾岩层厚较为接近,杜瓦剖面砾石相对较小,可能反应了剥蚀强度的差异。此外,柯克亚剖面磨拉石深变质岩和火成岩砾石出现最早,砾石量最多(图8),向东相对应的砾石层的产出变晚,砾石量减少,陆源碎屑岩砾石和较浅部的石灰岩砾石却呈增多趋势,说明西昆仑山的隆升是不均一的,可能西部早,然后向东过渡。剥蚀量和剥蚀强度的差异指示隆升强度可能也存在西部强、向东不断减弱的特征。3.2逆冲构造生长-沉积地层生长地层的概念由Suppe