引用本文
栗兵帅, 颜茂都, 张伟林, 杨永鹏, 张大文, 陈毅, 关冲. 阿尔金断裂南侧弧形地貌单元成因及其构造意义[J]. 地震地质, 2019,41(2): 300-319.
LI Bing-shuai, YAN Mao-du, ZHANG Wei-lin, YANG Yong-peng, ZHANG Da-wen, CHEN Yi, GUAN Chong. THE MECHANISMS OF ARCUATE STRUCTURES ON THE SOUTH SIDE OF THE ALTYN TAGH FAULT AND THEIR TECTONIC IMPLICATIONS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(2): 300-319.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.02.004
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阿尔金断裂南侧弧形地貌单元成因及其构造意义
栗兵帅1,2, 颜茂都2,3,*, 张伟林2,3, 杨永鹏4, 张大文5, 陈毅6, 关冲2,7
1)东华理工大学, 核资源与环境国家重点实验室, 南昌 330013
2)中国科学院青藏高原研究所, 大陆碰撞与高原隆升重点实验室, 北京 100101
3)中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101
4)中国自然资源航空物探遥感中心, 北京 100083
5)枣庄学院, 枣庄 277160
6)清华大学, 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084
7)中国科学院大学, 北京 100049
*通讯作者: 颜茂都, 男, 研究员, 构造古地磁学专业, E-mail: maoduyan@itpcas.ac.cn。

〔作者简介〕 栗兵帅, 男, 1988年生, 2018年于中国科学院青藏高原所获构造地质学专业博士学位, 现为东华理工大学地球科学学院讲师, 主要研究方向为构造古地磁学, 电话: 18907005441, E-mail: flyerli005@126.com。

收稿日期: 2018-12-05
基金项目: 国家重点研发计划(2017YFC0602803)、 中国科学院战略性先导科技专项(XDA20070201)、 第二次青藏高原综合科学考察研究项目、 国家自然科学基金(41804065, 41272185, 41672358, 41620104002)、 东华理工大学博士启动项目(DHBK2018013)和中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升重点实验室开放课题(LCPU201903)共同资助
摘要

巨型左旋走滑的阿尔金断裂是青藏高原的北部边界, 在印度-欧亚板块碰撞过程中起重要的调节作用, 控制着青藏高原东北部的构造演化, 认识其活动演化对理解青藏高原的构造变形过程和机制具有重要意义。阿尔金断裂南侧存在一系列弧形地貌单元, 知晓这些弧形带是原始弧形弯曲还是后期由于阿尔金断裂左旋走滑拖曳而形成的, 对认识阿尔金断裂的构造演化具有重要意义。文中在前期阿尔金断裂南侧柴西英雄岭和柴北缘2条弧形带不同部位已开展的精细古地磁旋转变形研究的基础上, 综合研究区和阿尔金断裂附近已有的古地磁旋转变形研究结果和弧形带几何形态学等其它地质证据, 分析发现这2条弧形带的几何学特征是由其不同部位发生旋转变形所导致的, 且旋转变形与该时段阿尔金断裂的快速左旋走滑活动密切相关。通过上述工作, 更加全面地了解了阿尔金断裂新生代2阶段的走滑特征, 进一步限定了阿尔金断裂早渐新世以来左旋滑移量, 以柴西段为参照系滑移量至少约350~430km, 以柴北缘段为参照系至少约380~460km, 平均滑移速率至少约10.6~13.9mm/a。

关键词: 阿尔金断裂; 弧形带; 柴北缘; 英雄岭; 古地磁旋转变形
中图分类号:P931.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)02-0300-20
THE MECHANISMS OF ARCUATE STRUCTURES ON THE SOUTH SIDE OF THE ALTYN TAGH FAULT AND THEIR TECTONIC IMPLICATIONS
LI Bing-shuai1,2, YAN Mao-du2,3, ZHANG Wei-lin2,3, YANG Yong-peng4, ZHANG Da-wen5, CHEN Yi6, GUAN Chong2,7
1)State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
2)Key Laboratory of Continental Collision and Plateau Uplift, Institute of Tibetan Plateau Research, Beijing 100101, China
3)Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
4)China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China
5)Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China
6)State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
7)University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

The giant sinistral Altyn Tagh Fault(ATF)is the northern boundary of the Tibetan Plateau. It has been playing important role in adjusting the India-Eurasia collision and the tectonic evolution of the northeastern Tibetan Plateau. Knowledge of the evolution of the ATF can provide comprehensive understanding of the processes and mechanisms of the deformation of the Tibetan Plateau. However, its timing of commencement, amount of displacement and strike-slip rate, as well as the tectonic evolution of the region are still under debate. South of the ATF, there exist a series of oroclinal-like arcuate structures. Knowledge of whether these curved geometries represent original curvatures or the bending of originally straight/aligned geological units has significant tectonic implications for the evolution of the ATF. The Yingxiongling arcuate belt in the western Qaidam Basin and the northern Qaidam marginal thrust belt(NQMTB)north of the Qaidam Basin are the two typical arcuate thrust belts, where the former has a “7-types” structure, and the latter has a reverse “S-type” structure. Successive Cenozoic sediments are well exposed and magnetostratigraphically dated in both belts.

Paleomagnetic declination has great advantage to reveal vertical-axis rotations of geological bodies since they become magnetized. Recently conducted paleomagnetic rotation studies in different parts of these two thrust belts revealed detailed Cenozoic rotation patterns and magnitudes of the region. By integrating these paleomagnetic rotation results with regional geometric features and lines of geological evidence, we propose that these two arcuate thrust belts were most likely caused by different rotations in different parts of these curvatures, due to the sinistral strike-slip faulting along the ATF, rather than originally curved ones. The Yingxiongling arcuate belt was shaped by the significant counterclockwise(CCW)rotations of its northwestern half(the Akatengnengshan anticline)near the ATF during ~16~11Ma BP, while its southeastern half(the Youshashan anticline)had no significant rotations since at least ~20Ma BP. The geometry of the NQMTB was developed firstly by remarkable clockwise rotations of its middle part during ~33~14Ma BP, and later possibly CCW rotations of its northwestern part during the Middle to Late Miocene, similar to that of the northwestern part of the Yingxiongling arcuate belt. The characteristics of two-stage strike-slip evolution of the ATF since the Early Oligocene were enriched: 1)During the Early Oligocene to mid-Miocene, fast strike-slip faulting along the ATF was proposed to accommodate the eastward extrusion of the northern Tibetan Plateau with its sinistral shear confined to the fault itself. While in the NQMTB and farther east area in the Qilian Shan, its sinistral shear was transferred to the interior of the plateau and was accommodated by deformation of differential crustal shortenings and block rotations in these regions. Thus, the displacement along the ATF west of the NQMTB is larger than that east of the NQMTB. 2)Since the mid-late Miocene, sinistral shear of the ATF was widespread distributed within the northern Tibetan Plateau, instead of concentrated to the fault itself. Its sinistral offsets were partially absorbed by the shortening deformation within the Qaidam Basin and the Qilian Shan, leading the offsets along the ATF decreasing to the east. With the sinistral frictional drag of blocks(the Tarim Basin and the Altyn Tagh Range)on the other side during the second stage evolution of the ATF, a transitional zone south of the ATF was likely developed by remarkable CCW rotations during the Middle to Late Miocene, which is probably confined to east of the Tula syncline. Combining the sinistral offsets along the ATF derived from the paleomagnetic rotations during the Early Oligocene to mid-late Miocene and that by piercing points since the Late Miocene, the post Oligocene strike-slip offsets were constrained as at least ~350~430km for the reference in the western Qaidam Basin and ~380~460km for the reference in the NQMTB, with an average slip rate of at least ~10.6~13.9mm/a. The post Early Oligocene offsets are consistent with the widely accepted offsets of ~300~500km obtained by piercing point analyses.

Keyword: Altyn Tagh Fault; arcuate structure; northern Qaidam marginal thrust belt; Yingxiongling; paleomagnetic rotations
0 引言

阿尔金断裂作为青藏高原北部的控制性边界, 是新生代亚洲构造带的主要构造单元之一, 呈NEE向展布, 长约1i600km, 其不仅在印度-欧亚板块碰撞过程中起重要的调节作用, 且影响着高原北部的几何学特征及基本的构造格架。因此, 研究阿尔金断裂的活动演化对认识青藏高原东北部乃至整个高原的形成演化(侧向挤出或遍布式地壳加厚模型等)具有重要意义(Burchfiel et al., 1989; Meyer et al., 1998; Cowgill et al., 2003; Gehrels et al., 2003)。目前针对阿尔金断裂的活动演化过程, 众学者已应用不同的方法(大地测量学、 地震剖面、 低温热年代学、 锆石物源示踪、 GPS、 古地磁学等)开展了诸多研究, 但是对断裂的活动时间(Meyer et al., 1998; Yue et al., 1999, 2003; 李海兵等, 2001, 2006; 刘永江等, 2001, 2007; Wu et al., 2012a, b; Yin et al., 2002)、 滑移量和滑移速率(Peltzer et al., 1988; Wang, 1997; Yin et al., 2000; Shen et al., 2001; Gehrels et al., 2003; Yue et al., 2005; He et al., 2013; Cheng et al., 2015, 2016)以及演化模式(Meyer et al., 1998; Yue et al., 1999; Wu et al., 2012a, b; Yin et al., 2002)等仍存在诸多争议。

通过卫星影像分析和野外地质调查可以发现, 在阿尔金断裂南侧存在一系列弧形带, 其范围包括: 从阿尔金断裂东北端的祁连山起, 至断裂中部的祁曼塔格山; 垂直于阿尔金断裂, 自断裂带至距离断裂约200km的柴北缘逆冲断裂带和祁曼塔格断裂带东南端(图1a)。

图 1 研究区位置及周缘构造地质简图
a 柴达木盆地及周缘构造地质简图(修改自Wang et al., 2008), 一系列NE向黑色线段是恢复柴达木盆地上地壳缩短率的7条地震剖面(来自Yin et al., 2008b), 红色圆点为已开展新生代磁性地层年代研究的剖面位置; b 柴西英雄岭弧形带地质简图及依吞布拉克、 西岔沟和老茫崖3条剖面采样点的位置(修改自Wang et al., 2012); c 柴北缘弧形带地质简图及剖面位置; d 红柳沟剖面地质简图及采样点位置; e 红柳沟剖面新生代地层产状的等积投影图Fig. 1 Location and the geological sketch of the study area and its adjacent regions(modified from Wang et al., 2008).

这些弧形带在其东南部远离阿尔金断裂带处的走向为NWW向, 至中部转变为NW向, 其北西部靠近阿尔金断裂带处则再转变为NWW向, 在空间上呈现明显的数字 “ 7” 或反 “ S” 形特征, 部分学者亦将这些弧形带描述为 “ 旋卷构造” 或 “ 旋转构造” (孙殿卿等, 1956; 李相博等, 2001; 王萍等, 2004)。了解这些弧形带形成的年代以及其所呈现的几何学格局特征的成因, 即它们是原始的弧形弯曲, 还是早期为走向一致的地质单元、 后期由于断裂活动导致其不同部位旋转变形、 走向发生弯曲, 对认识阿尔金断裂的构造演化过程、 限定塔里木盆地和青藏高原北部地体之间的水平滑移量等具有重要的启示意义(Meyer et al., 1998; 李海兵等, 2006)。古地磁磁偏角在定量研究块体旋转方面具有独特优势, 虽然目前已在青藏高原东北部地区开展了大量的古地磁旋转变形研究(Gilder et al., 2001; Chen et al., 2002; Dupont-Nivet et al., 2002, 2003, 2004; Yan et al., 2006; Lu et al., 2012, 2016; 孙知明等, 2012; Yu et al., 2014; 裴军令等, 2016; Wang et al., 2016; Li et al., 2017, 2018), 但针对弧形带的研究很有限, 且不同学者提出了不同的认识。Dupont-Nivet等(2004)通过对柴西吐拉向斜弧形带两翼开展古地磁旋转变形研究, 发现弧形带两翼的磁偏角差异远小于两翼的几何学夹角, 进而认为该弧形带可能为一原始的弧形弯曲; 而Chen等(2002)在柴北缘中部马海地区开展的古地磁研究表明, 该地区经历了约15° 的顺时针旋转。此外, 在阿尔金断裂南侧靠近断裂的地区也有大幅度逆时针旋转变形的记录(Gilder et al., 2001; Chen et al., 2002; 孙知明等, 2012; Wang et al., 2016), 表明靠近阿尔金断裂的不同部位可能存在不同方式和幅度的旋转变形, 进而说明这些弧形带可能是后期不同部位旋转变形形成的。因此, 目前这些弧形带的成因仍不清楚, 使得阿尔金断裂的走滑性质和构造演化等问题存在争议。

近年来, 有学者对柴达木盆地西部英雄岭和柴北缘逆冲带这2条弧形带的不同部位开展了细致的古地磁旋转变形研究(Li et al., 2017, 2018), 这2条弧形带都出露近乎连续的新生代地层, 其中柴西英雄岭弧形带北西部依吞布拉克剖面、 南东部西岔沟和老茫崖剖面出露新近纪以来的地层, 柴北缘中部红柳沟剖面出露几乎整个新生代地层。细致的古地磁旋转变形结果表明, 2条弧形带的不同部位在不同时期经历了不同方式和幅度的旋转变形。本文在综合2条弧形带细致的古地磁旋转变形研究结果的基础上, 结合研究区和阿尔金断裂带附近已有的古地磁旋转变形结果, 从宏观上探讨弧形带的几何学格局成因及其与阿尔金断裂走滑活动的关系, 进一步理解阿尔金断裂新生代的走滑活动历史。

1 研究区地质概况

阿尔金断裂作为青藏高原北部的控制性边界, 是新生代亚洲构造带的主要构造单元之一, 呈NEE向展布, 长约1i600km, 在印度-欧亚板块碰撞过程中起着重要的调节作用, 影响着高原北部的几何学特征并控制其基本的构造格架。该断裂被认为是一条具转换性质的巨型走滑断裂, 通过左旋斜向走滑活动将其部分左旋走滑组分转换为祁连山和柴达木盆地内部一系列转换挤压性质的褶皱和逆冲带(Meyer et al., 1998; Cowgill et al., 2003; Wang E et al., 2004; Yin et al., 2008a)(图1a)。柴达木盆地位于青藏高原东北部, 东西长约850km, 南北宽约300km, 面积约121i000km2。盆地北西、 南西、 南、 北东和东部分别以阿尔金山、 祁曼塔格山、 东昆仑山、 祁连山和鄂拉山为界(图1a), 是中国西部重要的中— 新生代大型陆相含油气盆地。盆地内发育和出露完整的新生代沉积地层, 最厚可达13i000m。目前针对柴达木盆地新生代地层学的研究比较深入, 地层划分已被广泛接受, 从老到新依次为路乐河组、 下干柴沟组、 上干柴沟组、 下油砂山组、 上油砂山组、 狮子沟组以及七个泉组(青海省地质矿产局, 1991; 常宏, 2004; Sun et al., 2005; 张伟林, 2006; Fang et al., 2007; 方小敏等, 2008; 杨用彪等, 2009; Song et al., 2014; Chang et al., 2015; Ji et al., 2017)(图2)。

图 2 柴达木盆地各部位新生代磁性地层时代划分Fig. 2 Magnetostratigraphic age constraints on the Cenozoic sedimentary formations in the Qaidam Basin.

英雄岭弧形带位于柴西地区, 根据其平面几何学和地貌学特征, 可以将其分为2段(图1b): 北西段为靠近阿尔金断裂的阿卡腾能山背斜带, 近EW向展布, 分割了北部的索尔库里盆地和南部的柴达木盆地, 其核部为部分元古代片麻岩和花岗岩、 侵入其中的早古生代变质基性火山岩以及大范围覆盖其上且变形严重的下— 中侏罗统碎屑岩, 新近纪地层不整合于背斜带南北两翼; 南东段为油砂山背斜带, 是柴达木盆地内最大的雁列式背斜, 主要由新近纪以来的连续沉积地层所组成。两背斜带约呈55° 角度斜交, 呈现不完整的反 “ S” 形特征(图1b)。对于柴西英雄岭弧形构造带, 地震剖面揭示其北西翼阿卡腾能山背斜带和南东翼油砂山背斜带附近断裂开始活动于、 或构造带可能形成于早— 中中新世时期, 更强烈地活动于狮子沟组沉积时期(Yin et al., 2007; Cheng et al., 2014; Mao et al., 2016; Li et al., 2017)。

其中, 依吞布拉克剖面位于阿卡腾能山背斜带西部, 为一套包括下油砂山组顶部— 狮子沟组的约1i600m厚的晚新生代河湖相连续沉积, 常宏(2004)对该剖面开展了详细的高精度磁性地层年代学研究, 认为该剖面新生代地层的年代约17.6~2.5MaiBP; 西岔沟剖面位于油砂山背斜带北西部, 位于著名的干柴沟断鼻构造南西翼, 出露下干柴沟组— 狮子沟组约4i600m厚的连续地层, 张伟林(2006)和Chang等(2015)分别对该剖面开展了详细的高精度磁性地层年代学研究, 其中张伟林(2006)研究的剖面更为完整, 结果显示该剖面新生代地层的年代约31.5~7MaiBP(图2); 老茫崖剖面位于油砂山背斜带中南部, 只出露下油砂山组— 狮子沟组地层(图1b), 由于该剖面距离西岔沟剖面较近, 各地层单元的年龄可依据西岔沟剖面已得到的磁性地层年龄框架进行限定。在该地区已获得的高精度磁性地层年代学研究结果为针对3剖面开展细致古地磁旋转变形研究提供了精细的年代学制约。

柴北缘逆冲带为NW-SE向展布的线性山脉, 长约500km, 位于祁连山和柴达木盆地之间, 其南、 北界分别为2条近乎平行且倾向相向的逆冲断裂(Wang E et al., 2004)(图1c)。根据柴北缘地区断裂和山脉的平面几何学及地貌学特征, 以北部的赛什腾山和南部的锡铁山这2座弧形山脉的转折处为界限, 可将其分为3段: 北西段位于赛什腾山转折处以西, 呈NWW向; 中段位于赛什腾山和锡铁山转折处之间, 呈NW向; 南东段位于锡铁山转折处以东, 呈NWW向, 其中北西段与中段、 中段与南东段走向之间的夹角约25° ~30° , 整体呈典型的反 “ S” 形特征(图1c)。柴达木盆地近乎连续完整的新生代地层沿柴北缘北西部和中部都有沉积和出露, 而南东翼或柴达木盆地东部仅沉积下干柴沟组上部以来的地层(Yin et al., 2008b)。Yin等(2008a)对柴北缘地区8条NE向地震剖面平衡恢复的结果表明, 柴北缘逆冲带北西翼开始活动于路乐河组沉积时期(古新世— 早始新世), 中部红柳沟剖面附近开始活动于下干柴沟组下部沉积时期(中— 晚始新世), 大红沟剖面附近地区开始活动于下干柴沟组上部沉积时期(早渐新世), 在埃姆尼克— 欧龙布鲁克地区, 断裂开始活动于上油砂山组沉积时期(中— 晚中新世), 表明柴北缘地区的断裂活动可能存在自阿尔金断裂向SE方向扩展的趋势。此外, 柴北缘中部地区的沉积学、 地层学、 物源分析(Zhuang et al., 2011; Song et al., 2013)和热年代学(Wang F et al., 2004; 万景林等, 2011)等研究结果揭示的一期早渐新世时期山体快速隆升活动与Yin等(2008a)揭示的断裂活动时间基本一致。而柴达木盆地内部的断裂活动和褶皱作用相对较晚, 基本都发生在中— 晚中新世时期(Mao et al., 2014), 表明柴北缘中北部地区至少自早渐新世以来可能就是独立于柴达木盆地的统一地质单元。

红柳沟剖面位于柴北缘逆冲断裂带中部地区, 马海农场以北, 被鱼卡— 红山坳陷、 赛南坳陷、 马海凸起和南祁连山所围限(图1c)。其背斜核部为侏罗纪红水沟组和白垩纪犬牙沟组地层, 向SW依次出露路乐河组— 七个泉组近乎连续完整的新生代地层, 总厚度超过4i800m, 是柴达木盆地出露最为完整且连续的新生代地层的天然剖面之一。张伟林(2006)对该剖面开展了详细的高精度磁性地层年代学研究, 将该剖面新生代地层的年代限定为约53.4~2.7MaiBP(图2), 为针对该剖面开展细致的古地磁旋转变形研究提供了精细的年代学制约。

2 古地磁旋转变形结果

Li等(2017, 2018)对上述2个弧形构造带开展了详细的古地磁旋转变形研究。样品主要采集于细碎屑沉积的泥岩、 粉砂质泥岩和粉砂岩等, 采样点间距100~500m不等。按照Butler(1992)提出的古地磁旋转变形采样方法, 在单个采样点(5m× 10m范围内)钻取古地磁样品≥ 8个; 单个时间节点的采样点数≥ 5个, 以平均地磁场长期变化的影响。最终, 在柴西英雄岭依吞布拉克剖面共采集古地磁样品585个, 分布于67个采样点、 11个时间点; 在西岔沟剖面共采集古地磁样品648个, 分布于67个采样点、 7个时间点; 在老茫崖剖面共采集古地磁样品183个, 分布于17个采样点、 3个时间点; 在柴北缘红柳沟剖面新生代地层共采集古地磁样品1i289个, 分布于111个采样点、 16个时间点。通过系统热退磁处理和分析, 发现这2个弧形带地区几乎所有样品的剩磁方向都具有双组分特征, 其中低温黏滞剩磁组分为近现代地磁场方向, 而各种野外检验, 如褶皱检验、 倒转检验和砾石检验等, 其结果均表明各剖面获得的高温特征剩磁方向(依吞布拉克剖面429个(56个采样点)、 西岔沟剖面574个(65个采样点)、 老茫崖剖面172个(16个采样点)、 柴北缘红柳沟剖面695个(84个采样点)可能为原生剩磁方向(Li et al., 2017, 2018)。

根据Demarest(1983)和Butler(1992)计算各时间节点所获得平均磁偏角与基于同时期稳定的塔里木极(Wu et al., 2017)、 欧亚极(Besse et al., 2002)和东亚极(Cogné et al., 2013)计算的该地区预期磁偏角的对比结果及其随时间的变化曲线可以发现, 无论选择哪个参考极, 研究区均经历了相似幅度的旋转变形(Li et al., 2018)。为方便计算后期沿阿尔金断裂的滑移量, 选择基于研究区附近的塔里木极(Wu et al., 2017)所计算的结果为代表。可以发现, 柴西英雄岭北西翼依吞布拉克剖面经历了2期旋转变形: 约16.2~11.1MaiBP期间, 显著的逆时针旋转变形(约49.7° ± 11.5° ); 约11.1~7.6MaiBP期间, 幅度不大的顺时针旋转变形(约 26.0° ± 9.3° )。而南东翼西岔沟和老茫崖剖面的结果则表明油砂山背斜带约在20~8MaiBP期间没有发生显著旋转变形(图3a)。柴北缘红柳沟地区在新生代至少经历了3期旋转变形: 约45~33MaiBP期间, 较小幅度的逆时针旋转变形(约12.5° ± 15.7° ); 约33~14MaiBP期间, 显著的顺时针旋转变形(约32.2° ± 15.4° ); 约14MaiBP之后, 幅度不大的逆时针旋转变形(约8.7° ± 9.4° )(图3b)。

图 3 柴西英雄岭弧形带(a)和柴北缘弧形带(b)旋转变形结果随时间变化特征Fig. 3 Vertical-axis rotation results as a function of time from the Yingxiongling arcuate belt(a) and the northern Qaidam marginal thrust arcuate belt(b).

此外, 对于柴北缘逆冲带, 前人已在该弧形带的不同部位开展了古地磁构造旋转变形和磁性地层年代学方面的研究(Chen et al., 2002; Dupont-Nivet et al., 2002; Fang et al., 2007; Lu et al., 2009; 杨用彪等, 2009; Yu et al., 2014; Ji et al., 2017; Wang et al., 2017)。已开展的古地磁旋转变形研究对该地区新生代是否经历显著旋转变形仍存在很大争议(Chen et al., 2002; Dupont-Nivet et al., 2002; Yu et al., 2014)。上述红柳沟剖面的旋转变形结果表明, 柴北缘地区在新生代可能经历了不同方式和幅度的旋转变形(Li et al., 2018), 而没有精确年龄限定、 长时间尺度平均的古地磁结果可能会掩盖该地区真实的旋转变形情况(Yan et al., 2013, Li et al., 2018)。柴北缘地区的磁性地层年代学研究主要集中在柴北缘弧形带中部的大红沟地区(Lu et al., 2009; Ji et al., 2017)。大红沟剖面位于红柳沟剖面东南约80km处, 绿梁山— 锡铁山逆冲断裂带下盘。 与红柳沟剖面类似, 该区也出露了近乎连续完整的新生代地层, 总厚度> 5i000m(苏庆达等, 2016; Ji et al., 2017; Wang et al., 2017)。Ji等(2017)对该剖面开展了详细的高精度磁性地层年代学研究, 将其年代限定为约52~7MaiBP。按照目前普遍采用的标准对该剖面的磁性地层样品结果进行筛选(Vandamme, 1994; Fang et al., 2007; Chang et al., 2015), 剔除虚地磁极VGP< 30° 的特征剩磁方向, 并对剩余样品的方向进行统计(< 40MaiBP时, 以2Ma为间隔计算样品的Fisher平均方向; > 40MaiBP时, 由于样品数较少, 以3Ma或4Ma为间隔计算, 一般单个时间节点的样品数都> 26个, 平均为53个, 满足Fisher统计要求)。通过对比各时间节点所获得的平均磁偏角与基于同时期的塔里木极(Wu et al., 2017)计算的该地区预期磁偏角并分析其随时间的变化曲线可以发现, 大红沟剖面在新生代经历了与红柳沟剖面旋转变形方式和幅度相似的3期旋转变形(图3b): 约43.5~32MaiBP期间, 较小幅度的逆时针旋转变形(约8.0° ± 8.4° ); 约32~18MaiBP期间, 显著的顺时针旋转变形(约23.8° ± 6.7° ); 约14MaiBP之后, 幅度不大的逆时针旋转变形(约7.8° ± 7.0° )。其中, 2剖面约在18~14MaiBP期间发生了局部旋转变形, 导致2剖面的旋转变形结果在约45~18MaiBP期间有约20° 的幅度差, 而在约14MaiBP之后又近乎一致。红柳沟和大红沟的旋转变形结果表明, 尽管2个地区在中中新世时期受局部旋转变形的影响(Li et al., 2018), 但其乃至柴北缘中部地区在新生代处于同一构造背景下, 经历了相同方式和相似幅度的旋转变形。

3 讨论
3.1 阿尔金断裂南侧弧形带的几何学成因(范围和年代)

古地磁旋转变形结果表明, 靠近阿尔金断裂的英雄岭弧形带北西翼(阿卡腾能山背斜)西部的依吞布拉克剖面在约16~11MaiBP期间经历了与弧形带两翼几何学夹角幅度相似的逆时针旋转变形(约50° )(图1, 3a)。此外, 柴西英雄岭弧形带附近逆冲断裂的走向与2背斜带褶皱轴的走向近平行, 且地震剖面资料揭示与逆冲断裂活动相关的生长地层发育开始于中中新世或早中新世(Li et al., 2017), 表明该地区逆冲断裂的活动时间与英雄岭北西翼大幅度逆时针旋转变形的时间近乎一致。因此, 英雄岭两翼古地磁旋转变形的结果和该地区的几何学特征以及弧形带附近逆冲断裂的活动时间等地质证据综合表明, 英雄岭弧形带的几何学格局特征应该是由于弧形带北西翼相对于南东翼发生了大幅度逆时针旋转变形而形成的, 而该大幅度逆时针旋转变形可能反映了该时段阿尔金断裂的1期快速的左旋走滑活动, 并由此提出了柴西英雄岭弧形带及阿尔金断裂中段新近纪时期可能存在的2阶段走滑活动特征(图4): 阶段一(约16MaiBP之前), 阿尔金断裂没有经历快速左旋走滑或经历了快速左旋走滑但其剪切应力主要集中于断裂本身, 阿卡腾能山和油砂山2条背斜带可能初步形成统一走向的构造带, 阿尔金断裂的走滑活动没有引起该构造带旋转变形; 阶段二(约16~11MaiBP期间), 阿尔金断裂经历1期快速的左旋走滑活动, 且其剪切应力不再集中于断裂本身, 而是分布到高原内部地区, 由于阿尔金断裂的转换挤压和走滑, 导致临近的阿卡腾能山背斜带受到断裂另一侧阿尔金山或塔里木盆地的拖曳而发生显著的逆时针旋转变形, 而距离断裂较远的油砂山背斜带没有受到显著影响, 进而形成了英雄岭弧形带现今的几何学特征(Li et al., 2017)。

图 4 英雄岭和柴北缘弧形带新生代3阶段旋转变形特征(a)和这2条弧形带不同部位旋转变形所对应的沿阿尔金断裂的左旋滑移量(b)
①~⑦为揭示柴达木盆地上地壳缩短率差异的7条地震剖面Fig. 4 Three-stage Cenozoic rotation evolution of the Yingxiongling and northern Qaidam marginal thrust arcuate belts(a)and corresponding sinistral strike-slip offsets along the Altyn Tagh Fault at different parts with different rotations of these two arcuate belts(b).

柴北缘中部地区(红柳沟和大红沟剖面)新生代以来经历了3阶段相似幅度的旋转变形, 其中, 44~33MaiBP和约14MaiBP之后的2期不显著逆时针旋转变形的误差较大, 可能是由于该时段沉积的岩石颗粒相对较粗导致的; 如果不显著的逆时针旋转变形是真实存在的, 其动力学机制目前并不清楚, 也暂时没有相关的地质证据佐证, 亟待更好的古地磁数据或地质证据来证明。而约33~14MaiBP期间的显著顺时针旋转变形是本文论述的重点。在约33~14MaiBP期间, 柴北缘中部地区经历了与柴北缘弧形带中部和南东部两翼几何学夹角相似幅度的顺时针旋转变形(图1, 3b)。对于柴北缘弧形带, Wang E等(2004)通过对柴北缘逆冲带区域的调查研究发现, 与柴北缘逆冲带相关的山体沿NW向越靠近阿尔金断裂, 其规模越大, 对应山体的海拔和出露基岩的年龄也分别逐步升高和变老, 表明柴北缘逆冲带的缩短量或变形量沿NW向靠近阿尔金断裂逐渐增加。 Yin等(2008b)通过对横贯柴达木盆地的7条地震剖面进行平衡恢复, 发现柴达木盆地上地壳的缩短率由NW(48%)向SE方向(< 1%)递减(图4b), 进而推测出新生代柴西和东昆仑山地区至少经历了约12° 的顺时针旋转变形, 且幅度向E递减。 然而通过分析这几条地震剖面可以发现, 除地震剖面⑦(变形最强、 缩短量最大(48%)位于紧邻阿尔金断裂的柴西南地区外, 其余6条地震剖面都横贯柴北缘和柴西南地区, 且这6条地震剖面显示变形最强烈的地区均位于柴北缘地区, 而非盆地的西南地区, 同时柴北缘地区断裂的活动时间(晚始新世— 早渐新世)(Yin et al., 2008a)比盆地西南部地区(中— 晚中新世)(Mao et al., 2014)要早得多。 因此, 对盆地上地壳缩短率向SE方向递减这一变形现象起关键作用的地区应该是柴北缘地区, 即柴北缘地区应该经历了相应的顺时针旋转变形。 Wu等(2011)对柴北缘地区晚侏罗— 早白垩纪地层开展了研究, 发现该地区早白垩世地层的古构造线(岩相和褶皱轴线等)向N均被南祁连山脉以约25° 的角度切断, 而该地区新生代地层的构造线走向与南祁连山脉的走向平行, 进而推测柴北缘地区乃至靠近阿尔金断裂的柴达木盆地自早白垩世以来相对于南祁连地区经历了约25° 的顺时针旋转变形。因此, 上述柴北缘地区的地貌学特征、 几何形态学特征、 区域地震剖面平衡恢复以及新老地层的构造线差异等均表明, 柴北缘地区新生代经历了显著的顺时针旋转变形(约25° ), 这与古地磁结果揭示的旋转变形的方式和幅度一致。因此, 我们认为柴北缘弧形带中部和南东部的几何学格局特征应该是由于其中部相对于南东部发生了显著的顺时针旋转变形(约25° ~30° )所导致的, 而这一大幅度的顺时针旋转变形可能反映了该时段阿尔金断裂的1期快速左旋走滑活动(图4b), 这与在阿尔金断裂附近地区利用系统的沉积学、 地层学和物源分析方法(Yin et al., 2002; Wang et al., 2003; Sun et al., 2005; Zhuang et al., 2011; Wu et al., 2012a, b; Song et al., 2013)以及裂变径迹等热年代学方法(陈正乐等, 2001; Jolivet et al., 2001; 刘永江等, 2003; Wang F et al., 2004; 万景林等, 2011)得出的阿尔金断裂附近山体(阿尔金山和南祁连山等)在早渐新世时期(约30MaiBP)经历了1期快速山体隆升事件相吻合, 而这一时期山体的快速隆升活动可能也反映了阿尔金断裂该时段的1期快速走滑活动。

此外, 柴北缘弧形带的北西部和中部(即赛什腾山弧形带), 其几何学夹角也约25° ~30° 。虽然目前柴北缘北西部只有黑石丘地区开展过粗略的古地磁旋转变形研究, 其结果揭示该地区没有经历显著的逆时针旋转变形(< 10° ; 图3b)(Yu et al., 2014), 但是由于其结果是下干柴沟组和下油砂山组2组采样点结果的平均值, 很可能会平均或掩盖该地区这一时期真实的旋转变形量。由于柴北缘弧形带北西部靠近阿尔金断裂, 和弧形带中部组成的几何学特征与柴西英雄岭弧形带几何学特征相似。根据前文对英雄岭弧形带取得的认识, 我们推测柴北缘北西部与中部几何学特征的成因可能与柴西英雄岭弧形带相似, 是由于其北西部相对于中部发生了一定幅度(约25° ~30° )的逆时针旋转变形所导致的, 且根据靠近阿尔金断裂的南侧地区发生显著逆时针旋转变形的时间基本都集中在中— 晚中新世(Gilder et al., 2001; Chen et al., 2002; 孙知明等, 2012; Wang et al., 2016; Li et al., 2017), 我们认为柴北缘北西部的逆时针旋转变形可能也发生在中— 晚中新世。

综上所述, 古地磁旋转变形结果、 弧形带地貌学、 几何形态学、 地震剖面平衡恢复以及古构造轴线差异等地质证据共同表明, 柴西英雄岭和柴北缘2条弧形带所形成的几何学特征可能是由后期弧形带的不同部位发生旋转变形所导致, 而非原始的弧形弯曲, 且弧形带不同部位的旋转变形与阿尔金断裂的走滑活动密切相关(Li et al., 2017, 2018)。其中, 柴北缘中部在早渐新世— 中中新世时期(约33~14MaiBP)的显著顺时针旋转变形、 柴北缘北西部和英雄岭弧形带北西翼阿卡腾能山在中— 晚中新世时期(约16~11MaiBP)的显著逆时针旋转变形分别反映了阿尔金断裂新生代的2期次快速左旋走滑活动, 且2期次左旋走滑活动的性质可能不同。新生代早期(约33MaiBP之前), 柴北缘弧形逆冲带可能表现为统一走向的逆冲带并通过其北西部与阿尔金断裂相连(Yin et al., 2008a)(图4a, 5a); 早渐新世— 中中新世时期(约33~14MaiBP), 阿尔金断裂经历了1期快速左旋走滑活动, 通过柴北缘及其以东等地区(祁连山— 南山褶皱逆冲带)弧形带北西翼的变形将阿尔金断裂的部分左旋滑移量传播至高原内部地区, 并通过柴北缘及其以东地区上地壳的差异缩短和显著顺时针旋转变形调节, 距离阿尔金断裂越近的地区, 其变形量(上地壳缩短率)也越大(图4, 5b)(Li et al., 2018); 中— 晚中新世时期, 阿尔金断裂主要表现为斜向转换挤压性质的左旋走滑活动, 导致靠近阿尔金断裂的柴北缘和英雄岭等弧形带的北西翼发生了显著的逆时针旋转变形(图4a, 5c)(Li et al., 2017)。

然而, Dupont-Nivet等(2004)通过古地磁旋转变形研究, 认为柴达木盆地西部的吐拉弧形带更可能是一个原始的弧形弯曲, 而非因阿尔金断裂走滑拖曳所致。之所以与根据英雄岭和柴北缘这2条弧形带研究得出的结果和结论不同, 一方面可能在于其研究样品本身年代范围宽泛, 涵盖侏罗纪至白垩纪, 且这一时期吐拉地区发生了显著的构造活动(Robinson et al., 2003), 可能会叠加局部变形的影响; 另一方面可能是由于阿尔金断裂本身的复杂性, 不同时空范围可能存在不同方式的构造变形和演化。此外, 对于阿尔金断裂南侧的一些地区, 其地表虽没有显著的弧形带特征, 然而靠近阿尔金断裂的部位也有大幅度逆时针旋转变形的记录(酒西盆地、 肃北地区、 布拉巴石地区等)(图5c)(Gilder et al., 2001; Chen et al., 2002; 孙知明等, 2012; Wang et al., 2016)。目前已有的古地磁结果显示, 从阿尔金断裂东北部的祁连山酒西盆地至柴西布拉巴石等靠近阿尔金断裂南侧的地区有大幅度逆时针旋转变形的记录, 且旋转变形的时间基本都发生在中— 晚中新世, 表明阿尔金断裂自东北部的祁连山酒西盆地至柴西布拉巴石段, 断裂的快速遍布式剪切走滑发生于中— 晚中新世; 而西部的吐拉弧形带可能为原始的弧形弯曲, 目前在吐拉弧形段阿尔金断裂的剪切应力可能仍集中于断裂本身, 而没有分布到断裂附近的其他地区。因此, 青藏高原东北部阿尔金断裂的遍布式剪切应力可能存在空间局限性(图5c)。

图 5 阿尔金断裂及高原东北部3阶段活动特征
a 约33MaiBP之前, 阿尔金断裂无大规模左旋走滑或有大规模左旋走滑但其剪切应力集中于断裂本身, 此时柴北缘为统一走向的逆冲带; b 约33~14MaiBP期间, 阿尔金断裂发生大规模左旋走滑活动, 其部分滑移量通过柴北缘及其以东地区上地壳的差异缩短和显著顺时针旋转变形被调节和吸收; c 中— 晚中新世时期, 阿尔金断裂遍布式左旋走滑, 在其南侧形成一显著逆时针旋转变形的转换带; d 高原东北部现今的构造格局特征Fig. 5 Three-stage Cenozoic evolution of the Altyn Tagh Fault and the northeastern Tibetan Plateau.

3.2 阿尔金断裂新生代走滑特征

虽然目前对阿尔金断裂起始活动的时间仍存在很大争议(Meyer et al., 1998; Yue et al., 1999, 2003; 李海兵等, 2001, 2006; 刘永江等, 2001, 2007; Yin et al., 2002; Wu et al., 2012a, b; Cheng et al., 2015, 2016), 但最新的古地磁结果表明, 阿尔金断裂的快速左旋走滑活动至少开始于早渐新世时期(约33MaiBP)(Li et al., 2018), 该结果也进一步补充和完善了阿尔金断裂新生代的2阶段走滑模式(图4): 早渐新世— 中中新世时期, 由于印度板块约60~55MaiBP与欧亚块体碰撞(Chen et al., 2010; 黄宝春等, 2010; Sun et al., 2010; Yi et al., 2011; Li et al., 2015)并持续快速向N挤压推进, 阿尔金断裂经历了1期快速左旋走滑活动以调整高原东北部块体的侧向挤出, 这一时期阿尔金断裂的剪切应力主要集中于断裂本身。 但在柴北缘及其以东等地区, 阿尔金断裂的部分左旋滑移量通过柴北缘及其以东地区传播至高原内部, 并通过该地区上地壳的差异缩短和旋转变形等方式调节和吸收, 塔里木盆地与柴北缘逆冲带西侧地区之间的侧向滑移量等于阿尔金断裂本身的滑移量, 而与柴北缘逆冲带东侧地区之间的侧向滑移分量由于柴北缘等地区的调节和吸收而小于西侧地区(图5b)。 中中新世之后, 阿尔金断裂的性质由与边界平行走滑转变为斜向挤压走滑, 其剪切应力不再集中于断裂本身, 而是开始遍布于阿尔金断裂附近乃至高原东北部的内部地区, 导致阿尔金断裂南侧靠近断裂的带状地区(即弧形带北西翼)由于断裂另一侧块体的左旋走滑摩擦拖曳而发生了显著的逆时针旋转变形, 且断裂的左旋走滑量被柴达木盆地和祁连山内部变形所吸收, 这一时期塔里木盆地与高原东北部之间的侧向滑移量表现为沿着阿尔金断裂自西向东递减(图5c)。这一模型与前人通过阿尔金断裂地区的古地磁旋转变形分析(Chen et al., 2002; Lu et al., 2016)、 刺穿点分析滑移量(Yue et al., 2003, 2005)以及利用沉积学、 地层学和物源分析等综合分析(Zhuang et al., 2011)提出的阿尔金断裂于新生代存在2期次走滑活动的观点相似, 但本文在上述2期次走滑模型的基础上, 进一步限定了阿尔金断裂的走滑时间、 性质和影响范围。

此外, 古地磁旋转变形研究表明, 柴西英雄岭和柴北缘2条弧形带早期可能是走向统一的地质单元, 现今的几何学特征是后期由于阿尔金断裂走滑活动引起弧形带不同部位发生旋转变形而形成的, 其中柴西英雄岭弧形带是由于其北西翼(阿卡腾能山背斜带)以两翼转折处为欧拉极在约16~11MaiBP期间发生显著的逆时针旋转变形而形成的, 柴北缘弧形带是由于弧形带中北部地区以锡铁山转折处为欧拉极在约33~14MaiBP期间发生显著的顺时针旋转变形、 其北西部在中— 晚中新世时期以赛什腾山转折处为欧拉极发生显著的逆时针旋转变形而形成的(图4b), 进而可以依据弧形带不同部位的旋转量计算所对应的沿阿尔金断裂的左旋滑移量。计算结果表明, 阿尔金断裂柴西段在约16~11MaiBP期间的左旋滑移量至少约50km; 柴北缘段在约33~14MaiBP期间的左旋滑移量至少为220~280km, 推测在中— 晚中新世期间的左旋滑移量至少约90km(图4b)(Li et al., 2017, 2018)。因此, 早渐新世至中— 晚中新世时期, 阿尔金断裂在柴北缘段的左旋滑移量至少310~370km, 在柴西段至少270~330km。此外, Chen等(2004)通过对比研究发现, 柴西地区阿尔金断裂南侧的依吞布拉克盆地和北侧的库木塔什盆地的沉积环境相似, 进而认为晚中新世之前(约8MaiBP)两者可能为统一沉积的小盆地, 之后被阿尔金断裂左旋走滑分割, 进而计算出晚中新世以来该部位阿尔金断裂的滑移量和滑移速率分别约80~100km和10~12.5mm/a(图4b); Wang(1997)通过对比研究阿尔金断裂北东部细水沟地区(靠近柴北缘段)的地质体错移关系, 计算出该处阿尔金断裂的左旋滑移量约为69~90km(图4b), 但该滑移量对应的滑移时间并不确定, 其范围从中中新世(约16MaiBP)到中新世、 上新世之交, 甚至于早第四纪。若上述前人计算的阿尔金断裂柴西段和柴北缘段对应的左旋滑移量均发生在晚中新世之后, 结合本文依据古地磁旋转变形所计算的阿尔金断裂在早渐新世至中— 晚中新世的左旋滑移量, 可得出阿尔金断裂早渐新世以来的左旋滑移量, 以柴西段为参照系至少约350~430km, 以柴北缘段为参照系至少约380~460km, 两者近乎一致, 断裂的平均滑移速率至少约10.6~13.9mm/a。这一渐新世以来的滑移量与目前利用其他地质学方法(如刺穿点法等)计算的阿尔金断裂的左旋滑移量集中分布在300~500km(Peltzer et al., 1988; Ritts et al., 2000; Sobel et al., 2001; Yin et al., 2002; Gehrels et al., 2003; Yue et al., 2005; Cheng et al., 2015, 2016; Dai et al., 2017)的结果是一致的。

4 结论

在柴西英雄岭和柴北缘2条弧形带已开展的细致古地磁旋转变形研究的基础上, 综合研究区和阿尔金断裂附近已有的古地磁旋转变形结果, 以及该地区几何形态学等其它地质证据进行分析和讨论, 主要取得了以下几点认识:

(1)柴西英雄岭和柴北缘弧形带的几何学格局特征可能是由于阿尔金断裂的快速左旋滑移, 导致2弧形带不同部位发生旋转变形而形成的, 并非原始的弧形弯曲。

(2)补充了阿尔金断裂新生代2阶段走滑活动的特征: 早渐新世— 中中新世时期(约33~14MaiBP), 由于印度板块与欧亚块体碰撞并持续快速向N挤压推进, 阿尔金断裂开始快速左旋走滑以调整高原东北部块体的侧向挤出, 这一时期阿尔金断裂的剪切应力主要集中于断裂本身, 但在柴北缘逆冲带及其以东地区, 断裂的部分左旋滑移量传播至高原东北部的内部地区, 并通过该地区上地壳的差异缩短和旋转变形等方式调节和吸收; 中— 晚中新世时期, 阿尔金断裂的剪切应力不再集中于断裂本身, 而是开始遍布于阿尔金断裂附近乃至高原东北部地区, 这一时期断裂的左旋滑移量被柴达木盆地和祁连山内部变形所吸收, 靠近阿尔金断裂的南侧地区由于断裂另一侧块体的左旋走滑拖曳而形成显著逆时针旋转的变形带。

(3)阿尔金断裂自早渐新世以来的左旋滑移量, 以柴西段为参照系至少约350~430km, 以柴北缘段为参照系至少约380~460km, 平均滑移速率至少约10.6~13.9mm/a。

致谢 孟庆泉、 赵艳、 毛子强、 方小辉和李明刚等参加了部分野外采样工作; 王二七研究员对数据的解释提出了建设性意见; 审稿专家和主编对本文提出了宝贵的修改意见; 在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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