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  中国地质 2019, Vol. 46 Issue (5): 1079-1093  
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邵浩浩, 陈宣华, 张达, 邵兆刚, 李冰, 王增振, 张义平, 徐盛林, 史建杰, 苗慧心. 2019. 河西走廊平山湖盆地早白垩世构造变形期次及其碎屑锆石U-Pb年龄约束[J]. 中国地质, 46(5): 1079-1093.  
Shao Haohao, Chen Xuanhua, Zhang Da, Shao Zhaogang, Li Bing, Wang Zengzhen, Zhang Yiping, Xu Shenglin, Shi Jianjie, Miao Huixin. 2019. The Early Cretaceous tectonic deformation stages and detrital zircon U-Pb ages of Pingshanhu Basin in Hexi Corridor[J]. Geology in China, 46(5): 1079-1093. (in Chinese with English abstract).  

河西走廊平山湖盆地早白垩世构造变形期次及其碎屑锆石U-Pb年龄约束
邵浩浩1,2, 陈宣华1, 张达2, 邵兆刚1, 李冰1, 王增振1, 张义平1, 徐盛林1, 史建杰1, 苗慧心1    
1. 中国地质调查局-中国地质科学院地球深部探测中心, 北京 100037;
2. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要: 河西走廊北部的平山湖盆地,被围限于龙首山、北大山和合黎山之间,是一个在早白垩世受南北两侧逆冲断层共同控制形成并发展的盆地。笔者通过研究盆地内下白垩统沉积特征、构造变形、生长地层以及碎屑锆石U-Pb年代学特征,划分了平山湖盆地在早白垩世的构造演化期次,并恢复其形成演化过程。盆地内发育一套由下向上总体变细的下白垩统庙沟群沉积序列,盆地内构造变形以NE-SW向挤压和近E-W向伸展为主,庙沟群上岩组的碎屑锆石最小年龄为(129.3±1.8)Ma,可能代表了地层沉积和同期地堑发育的最早时间。由此得出,在早白垩世早期发育挤压构造盆地,同构造生长地层为挤压盆地的形成与构造演化提供了时代约束;在早白垩世晚期发育伸展断陷盆地,由挤压到伸展的转换时间晚于129.3 Ma。
关键词: 平山湖盆地    早白垩世    沉积特征    构造变形    生长地层    形成演化    深地探测工程    
中图分类号:P542;P597            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2019)05-1079-15
The Early Cretaceous tectonic deformation stages and detrital zircon U-Pb ages of Pingshanhu Basin in Hexi Corridor
SHAO Haohao1,2, CHEN Xuanhua1, ZHANG Da2, SHAO Zhaogang1, LI Bing1, WANG Zengzhen1, ZHANG Yiping1, XU Shenglin1, SHI Jianjie1, MIAO Huixin1    
1. SinoProbe Center-China Deep Exploration Center, Chinese Academy of Geological Sciences & China Geological Survey, Beijing 100037, China;
2. College of Earth Science and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: Pingshanhu basin, located in the north of Hexi Corridor, is bounded by the Longshou Mountain in the south, the Beida Mountain in the north, and Heli Mountain in the west. The deposition and evolution of Pingshanhu basin were controlled by overthrust fault in the Early Cretaceous. In this paper, the authors deepened the study of the Early Cretaceous Miaogou Group, mainly about the geometry of the basin, the tectonic stress field and detrital zircon. The authors made a detail discussion on the tectonic evolution of Pingshanhu Basin. In Pingshanhu Basin, Miaogou Group exhibits an upward-fining sedimentary sequence. The tectonic deformation is dominated by NE-SW trending compression and E-W trending extension. The latest zircon age is (129.3±1.8) Ma, which may represent the earlieset time of the upper rock formation and the formation age of graben. On the basis of the sedimentary facies of Early Cretaceous Miaogou Group, the tectonic style, tectonic stress field and zircon ages of clastic rocks, the authors hold that Pingshanhu Basin was a compressional basin in the early Early Cretaceous. The growth strata restricted the compressional structure ages. It was an extensional rifted basin in late Early Cretaceous. The conversion time was posterior to 129.3 Ma.
Key words: Pingshanhu Basin    Early Cretaceous    sedimentary characteristics    tectonic deformation    growth strata    tectonic evolution    deep exploration engineering    

1 引言

平山湖盆地位于河西走廊北部,总体围限于龙首山、北大山与合黎山之间,盆地在早白垩世受南北两侧的龙首山断裂和北大山南缘断裂共同控制(图 1),南北宽约30 km,东西长约40 km,是甘肃省河西地区发现的煤炭资源前景较好的区块之一(李雄,2010琚惠姣等,2016),对其进行沉积与构造演化研究具有重要意义。

图 1 平山湖盆地区域地质图❶❷ (线A—A’, B—B’为图切剖面线;黄色折线为实测剖面线;蓝色虚线框内为平山湖盆地边界) Fig. 1 Regional geological map of Pingshanhu Basin❶❷ (Line A—A'and B—B'are secant section lines, the yellow broken line is the measured section line, and the blue dotted line is the boundary of basin)

在侏罗纪末期,冈底斯地块与北方大陆的碰撞和拼接,使青藏高原东北部边界处的祁连山区域发生隆升,并且在祁连山北侧发育了一系列的具有前陆盆地性质的早白垩世走廊盆地(刘金辉等,2005曹珂,2013陈军等,2013梅冥相, 2014a, b陈宣华等,2019),而平山湖盆地就位于这一系列走廊盆地中的潮水盆地西部,潮水盆地西部下白垩统庙沟群中曾发现一批铀矿床、铀矿点(陈祖伊,1988—1989王正其等,2004陈静等,2015陈江源等,2017杨昆等,2017),但在白垩纪末期与古近纪之间的喜马拉雅地块与北方大陆的碰撞、拼接,使得祁连山地区进一步隆升,盆地抬升为陆,造成盆地内部上白垩统普遍缺失(梅冥相, 2014a, b郭荣涛,2015),平山湖盆地早白垩世沉积与构造演化对研究祁连山地区构造隆升以及盆地找矿工作有具有重要意义。本文通过对平山湖盆地开展1:2000实测地层剖面调查与野外综合地质填图,结合沉积学、构造应力场以及碎屑锆石U-Pb年代学分析,划分了平山湖盆地早白垩世构造演化期次,恢复了盆地早白垩世构造演化历史,为本区开展盆山耦合过程研究及区域找矿工作等提供参考。

2 地质背景

平山湖盆地是一个由南北两条逆冲断裂控制形成的中新生代盆地(图 1),由于逆冲断裂的控制,盆地内构造变形强烈、构造样式丰富。基底地层绝大部分位于盆地的南北两侧,在平山湖盆地北侧出露有早中震旦纪地层,在盆地南部和东部可见中上石炭统及华力西中期花岗闪长岩、斜长花岗岩等,其中,中、上石炭统含煤泥质岩、粉砂岩、炭质板岩出露较为广泛,并呈条带状沿NW-SE向分布,内部发育有强烈褶皱和断层,与白垩系呈断层或不整合接触。沉积盖层在盆地内出露下白垩统庙沟群以及第四纪沉积,庙沟群可以分为两个岩性组:下岩组、上岩组。下岩组由紫红色巨厚层、厚层砾岩和砂砾岩组成,砾石成分复杂、磨圆度较差且分选性差,花岗质、砂质砾石混杂堆积,局部夹紫红色、黄褐色含砾粗砂岩、粉砂岩等,产介形类Cypridea sp.,轮藻Tolypella stipitataStellatochara mundulaEuaclistochara mundula等化石(宋杰己,1993);上岩组主要为一套黄褐色中厚层中细粒砂岩、杂色粉砂岩、粉砂质泥岩、灰色泥灰岩等,局部夹有泥质、钙质结核和石膏,在砂岩中发育有交错层理等原生构造。

2.1 盆地构造样式

平山湖盆地构造样式丰富,通过野外综合观察,发现平山湖盆地南侧和北侧以挤压构造为主,中部和南部也发育有一系列伸展(地堑)正断层。

根据实测剖面调查并综合已有区域地质资料,在平山湖盆地内部作了2条比例尺分别为1:20万和1:5万的构造剖面(图 2, 图 3),由图可看出,盆地受北侧北大山南缘逆冲断裂及其分支断裂与南侧龙首山逆冲断裂的控制,盆地内部断层及褶皱构造发育。受龙首山断裂NE-SW向挤压,在盆地南部形成了仁宗口背斜,同时,平山湖盆地形成于北大山南缘逆冲断裂的前缘,具有前陆盆地的性质。

图 2 平山湖盆地1:20万构造剖面(深部断裂据张进等,2007) Fig. 2 1:200, 000 structural sections of Pingshanhu basin(The deep faults are modified fromZhang et al., 2007)
图 3 平山湖盆地1:5万构造剖面(深部断裂据张进等,2007) Fig. 3 1:50, 000 structural sections of Pingshanhu basin(The deep fault are modified from Zhang et al., 2007)
2.2 盆内挤压和伸展构造应力场

在构造演化的一定阶段,区域构造应力场相对统一,主应力方向相对一致。通过对盆地内构造应力场的分析可以恢复平山湖区域内地壳变动历史,了解盆地形成的动力学背景。平山湖盆地的形成受龙首山逆冲断裂和北大山南缘逆冲断裂的控制,盆地内发育的褶皱具有纵弯褶皱特征。在纵弯褶皱中,主应力σ1方向与轴面垂直,枢纽相当于σ2σ3则包含在轴面内并与枢纽垂直。通过分析平山湖盆地内正断层的应力方向可以判断盆地伸展的方向。正断层主应力方向为:最大主应力直立,中间和最小主应力水平。中间主应力和断层走向相同,断层上盘沿着断层面向下运动。在此基础上,对盆地内褶皱和正断层产状的极射赤平投影产状进行统计(表 1表 2)。

表 1 平山湖盆地的褶皱产状赤平投影统计 Table 1 The stereographic projection of attitudes of the folds in Pingshanhu basin
表 2 平山湖盆地的正断层产状赤平投影统计 Table 2 The stereographic projection of the normal faults in Pingshanhu basin

赤平投影中,两翼产状的交点就是褶皱枢纽的产状,那么垂直于枢纽线的走向的方向可以大致认为是褶皱形成的挤压方向。由平山湖盆地内的褶皱两翼产状和枢纽产状极射赤平投影的极密点(图 4)可以看出,几乎所有的枢纽走向的垂向都为NESW方向。因此可以认为,平山湖盆地先期形成于大致为NE-SW向的构造应力场中。

图 4 平山湖盆地挤压和伸展构造应力场 (黑色折线为剖面线;赤平投影为褶皱两翼产状和正断层赤平投影;灰色阴影为褶皱枢纽;紫色区域为伸展区;红五角星为代表性样品点) Fig. 4 The compresses and stretches tectonic stress field in Pinshanhu basin (The black broken line is section line, the stereographic projections are for folds and normal faults, the gray shadow is fold hub, the purple area is the extension area, and the red five-pointed stars are location of samples)

赤平投影中,最小主应力(σ3)的方向就可以认为是正断层的运动方向即平山湖盆地伸展的方向。对平山湖盆地内发育的正断层的产状进行赤平投影分析可以看出(图 4),最小主应力(σ3)的方向近似为E-W方向,也就是平山湖盆地的伸展方向。

2.3 盆内生长地层

生长地层自其被定义以来,国内外的地质学家在世界范围内发现了不少生长地层典型发育地区(Vergés,2002Nigro,2004),例如安第斯地区(Zapata et al., 1996)、伊朗西南部波斯湾地区(Fereshth Ghaseminia,2016)、天山(陈杰等, 2001a, b郭召杰等,2006)、龙门山(Li et al., 2016)等地,作为一种同沉积变形构造,其既反映了地层的构造变形,同时记录了沉积历史信息,是构造地质学和沉积地质学的重要研究内容之一。

平山湖盆地内发育了多处生长地层,其中最具代表性的是仁宗口背斜北翼处的生长地层和平易背斜南翼的生长地层(图 5)。仁宗口背斜位于龙首山逆冲推覆的前缘,其形成受下部逆冲断裂的控制。背斜北翼地层的倾角由22°逐渐变化为12°,倾角逐渐变缓。其沉积物粒度自下而上呈现出由粗到细的变化,说明这套地层为一套典型的发育在山前坳陷的磨拉石建造,符合同褶皱生长地层的特点。庙沟群下岩组下部的砾岩为前生长地层,其砾岩上部的含砾砂岩、粗砂岩为生长地层。此处生长地层代表了平山湖盆地南部的仁宗口背斜构造是盆地演化早期的挤压构造。平易背斜位于北大山南缘断裂的前缘地带,其南翼地层倾角呈现出由49°到35°逐渐变化的特点。其沉积物粒度自下而上也呈现出由粗到细的变化,为同沉积褶皱生长地层。庙沟组上岩组上部的灰色、土黄色粉砂岩、泥岩为前生长地层,砂泥岩上部的灰黑色炭质板岩、泥岩为生长地层,为平山湖盆地晚期的挤压构造。

图 5 平山湖盆地内发育的生长地层 (a, b—仁宗口背斜北翼生长地层;c—平易背斜南翼生长地层) Fig. 5 The growth strata in Pingshanhu basin (a, b-The growth strata on the north wing slope of Renzongkou anticline; c-The growth strata on the south wing slope of Pingyi anticline)
3 碎屑锆石U-Pb年代学 3.1 样品来源与实验条件

碎屑锆石U-Pb同位素测年的样品采集于平山湖盆地庙沟群下岩组和上岩组中。砂岩样品分别为CQL2016-L1-25、CQL2016-L1-42、CQL2016- L1- 88、CQL2016- L1- 154、CQL2016- L1- 183。CQL2016-L1-25样品采集于下岩组仁宗口背斜处;CQL2016-L1-42样品采集于下岩组和上岩组的分界处上岩组一侧;CQL2016-L1-88样品采集于上岩组的地堑构造中;CQL2016-L1-154样品采集于平易背斜处;CQL2016-L1-183样品采集于剖面结束处红大坂背斜处(图 4)。

碎屑锆石U-Pb同位素测年的样品粉碎和挑选工作在河北省区域地质矿产研究所完成。在室内先将岩石样品粉碎至80~120目,之后用水清洗颗粒表面,再用磁选方法分离出锆石,最后在双目镜下进行观察、记录,选出晶型较好的锆石颗粒。锆石制靶的工作在北京锆年领航科技有限公司的电子探针室完成。将锆石在显微镜下进行反射光、透射光拍照,在扫描电镜下进行阴极发光拍照。LAMC-ICP-MS碎屑锆石U-Pb测年在中国地质科学院矿产资源研究所的等离子质谱实验室里完成。分析仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS以及配套的Newwave UP213激光剥蚀系统。激光剥蚀系统以氦气为载体,频率为10 Hz,束斑直径为30 μm,能量密度为6~8 J/cm2。激光剥蚀系统采用单点剥蚀的方式,碎屑锆石U-Pb同位素定年以锆石标准GJ-1为外标,U、Th含量以锆石PLE1为外标。用ICPMSDataCal程序处理数据,用Isoplot4.15程序进行绘制锆石年龄谐和图。由于年龄小于1000 Ma的锆石中放射性成因的Pb含量低,分析易产生较大的误差,因而采用206Pb/238U年龄。而年龄大于1000 Ma的锆石中含有放射性成因Pb较多,故采用207Pb/206Pb年龄(数据见电子版附表 1)。

附表1 平山湖盆地样品CQL2017-L1-25碎屑锆石U-Pb同位素测年数据表 Table 1 Zircon U-Pb age data from sample CQL2017-L1-25 in Pingshanhu basin
附表2 平山湖盆地样品CQL2017-L1-42碎屑锆石U-Pb同位素测年数据表 Table 2 Zircon U-Pb age data from sample CQL2017-L1-42 in Pingshanhu basin
附表3 平山湖盆地样品CQL2017−L1−88碎屑锆石U−Pb同位素测年数据表 Table 3 Zircon U-Pb age data from sample CQL2017-L1-88 in Pingshanhu basin
附表4 平山湖盆地样品CQL2017-L1-154碎屑锆石U−Pb同位素测年数据表 Table 4 Zircon U-Pb age data from sample CQL2017-L1-154 in Pingshanhu basin
附表5 平山湖盆地样品CQL2017-L1-183碎屑锆石U−Pb同位素测年数据表 Table 5 Zircon U-Pb age data from sample CQL2017-L1-183 in Pingshanhu basin
3.2 样品分析结果 3.2.1 样品CQL2016-L1-25

样品CQL2016-L1-25共测试样品点80个,得到有效数据63组。分选出的锆石大多都为柱状和粒状,锆石粒径在80~150 μm。Th/U比值介于0.12~ 1.81。49颗锆石的Th/U大于0.4,且大多具有良好的岩浆振荡环带,因此样品CQL2016-L1-25的锆石以岩浆锆石为主(图 6a)。样品里的碎屑锆石年龄介于283.2~3214 Ma,最年轻年龄为283.2 Ma(图 7a)。年龄峰值集中在400~600 Ma、800~1000 Ma和2400~2600 Ma,3组相对年龄峰值分别为(466.3± 5.1) Ma、(955.9±4.6) Ma和(2505±6.1) Ma。

图 6 平山湖盆地样品碎屑锆石阴极发光图 Fig. 6 Cathodoluminescence images of detrital zircon samples from Pingshanhu basin
图 7 平山湖盆地样品碎屑锆石U-Pb年龄谐和图 Fig. 7 Concordia diagram of the clastic zircons U-Pb data of the samples from Pingshanhu basin
3.2.2 样品CQL2016-L1-42

样品CQL2016-L1-42共测试样品点80个,得到有效数据75组。分选出的锆石大多都为柱状和粒状,锆石粒径在100~150 μm。忽略个别测试点,Th/U比值介于0.03~25.11。61颗锆石的Th/U比值大于0.4,且大多具有良好的岩浆振荡环带,因此样品CQL2016-L1-42的锆石以岩浆锆石为主(图 6b)。样品里的碎屑锆石年龄介于408.9~3116.4 Ma,最年轻年龄为408.9 Ma(图 7b)。年龄峰值集中在800~1000 Ma和2400~2600 Ma两组,相对年龄峰值分别为(976.5±2.7) Ma和(2483.0±12.0) Ma。

3.2.3 样品CQL2016-L1-88

样品CQL2016-L1-88共测试样品点80个,得到有效数据49组。分选出的锆石大多都为柱状和粒状,锆石粒径在50~100 μm。Th/U比值介于0.12~ 1.55。40颗锆石的Th/U比值大于0.4,且大多具有良好的岩浆振荡环带,因此样品CQL2016-L1-88的锆石以岩浆锆石为主(图 6c)。样品里的碎屑锆石年龄介于129.3~2686.1 Ma,最年轻年龄为129.3 Ma(图 7c)。年龄峰值集中在200~300 Ma和400~ 500 Ma,相对年龄峰值分别为(275.1 ± 1.0) Ma和(450.3±2.2) Ma。

3.2.4 样品CQL2016-L1-154

样品CQL2016-L1-154共测试样品点75个,得到有效数据60组。分选出的锆石大多都为柱状和粒状,锆石粒径在80~150 μm。Th/U比值介于0.08~ 3.73。43颗锆石的Th/U大于0.4,且大多具有良好的岩浆振荡环带,因此样品CQL2016-L1-154的锆石以岩浆锆石为主(图 6d)。样品里的碎屑锆石年龄介于209.0~2077.8 Ma,最年轻年龄为209.0 Ma(图 7d)。年龄峰值集中在200~400 Ma和1800~ 2000 Ma两组,相对年龄峰值分别为(302.7±3.9) Ma和(1826±19) Ma。

3.2.5 样品CQL2016-L1-183

样品CQL2016-L1-183共测试样品点75个,得到有效数据71组。分选出的锆石大多都为柱状和粒状,锆石粒径在100~150 μm。Th/U比值介于0.03~2.17。61颗锆石的Th/U大于0.4,且大多具有良好的岩浆振荡环带,因此样品CQL2016-L1-183的锆石以岩浆锆石为主(图 6e)。样品里的碎屑锆石年龄介于235.8~2622.2 Ma,最年轻年龄为235.8 Ma(图 7e)。年龄峰值集中在200~300 Ma和400~ 500 Ma两组,相对年龄峰值分别为(257.7±1.6) Ma和(427.2±2.6) Ma。

3.3 碎屑锆石年龄及其物源分析

物源分析在盆地的演化与相邻造山带的研究中扮演着桥梁的作用,可以作为古陆或侵蚀区存在的证据,并且可以恢复古陆地形起伏特征和古河流体系(彭楠等,2013)。平山湖盆地北部以北大山断裂与阿拉善地块相邻,南部为祁连造山带。因此,盆地东北侧的北大山地区或邻近的阿拉善地块与南部的祁连造山带可能为平山湖盆地沉积的潜在物源区。

3.3.1 古元古代—新元古代

平山湖盆地中的古元古代碎屑锆石主要出现在样品CQL2016-L1-25和CQL2016-L1-42中,即庙沟群下岩组和上、下岩组的分界处的沉积岩层中,还有部分在样品CQL2016-L1-154中。年龄峰值主要集中在1800~2000 Ma和2400~2600 Ma的年龄区间。平山湖盆地中的新元古代碎屑锆石主要出现在样品CQL2016-L1-25和CQL2016-L1-42中,即庙沟群下岩组和上、下岩组的分界处的沉积岩层中,年龄峰值主要集中在800~1000 Ma的年龄区间(图 8)。阿拉善地块东部区域存在着古元古代的岩浆构造热事件(耿元生等, 2007, 2010a)。阿拉善西部地区在新元古代早期也存在岩浆事件(耿元生等,2010b)。花岗岩在阿拉善南缘龙首山地区也有分布(段俊等,2015)。因此,庙沟群下岩组沉积地层中的部分碎屑锆石应该来自于其北部的阿拉善地块(北大山)。

图 8 平山湖盆地样品碎屑锆石U-Pb年龄谱图 Fig. 8 Histogram plot of the clastic zircons U-Pb data of the samples from Pingshanhu basin
3.3.2 早古生代

平山湖盆地中的早古生代碎屑锆石主要出现在样品CQL2016-L1-88和CQL2016-L1-183中,即庙沟群上岩组的沉积岩层中。还有部分在样品CQL2016-L1-25中。其年龄峰值主要集中在400~ 600 Ma的年龄区间(图 8)。早古生代,北祁连洋向南俯冲,形成了两期有关的花岗质作用,第一次岩浆作用在512~501 Ma, 第二次岩浆作用在477 Ma(吴才来,2010)。而后向北俯冲消减、增生,在490~ 440 Ma形成了以中-基性火山岩为主的北祁连洋岛弧。而到了S—D时期,中祁连地块与北部的阿拉善地块碰撞拼贴,形成了同碰撞期的花岗闪长岩、二长花岗岩和二云母花岗岩等(彭楠等,2013)。加里东运动时期,南部祁连造山带向北挤压,造成了多次中酸性岩浆活动,在龙首山中东部地区形成了一系列的花岗岩带(祁程等,2017)。因此,庙沟群上岩组沉积地层中的部分碎屑锆石应该来自于其南部的祁连造山带(龙首山)。

3.3.3 晚古生代晚期

平山湖盆地中的晚古生代碎屑锆石主要出现在样品CQL2016- L1- 88、CQL2016- L1- 154和CQL2016-L1-183中,即庙沟群上岩组的沉积岩层中。其年龄峰值主要集中在200~300 Ma的年龄区间(图 8)。阿拉善地块在晚古生代期间受到古亚洲洋关闭的强烈影响,发育很多岩浆岩和火山岩(Li et al., 2014)。阿拉善地块南缘的北大山地区至少存在3期构造岩浆事件,即晚石炭世—早二叠世、早二叠世—晚二叠世、二叠纪末,可能主要与古亚洲洋关闭、俯冲或俯冲之后的伸展作用相关(焦建刚等,2017)。因此,庙沟群上岩组沉积地层中的部分碎屑锆石应该来自于其北部的阿拉善地块(北大山)。

4 讨论 4.1 平山湖盆地早白垩世构造先后期次的判定——来自沉积学分析、构造特征以及碎屑锆石年代学的证据

由于受到南北两侧逆冲断裂的控制,平山湖盆地在早白垩世期间形成了两期构造。一期是盆地广泛存在的大规模的挤压构造,另一期是发育于盆地中部的伸展(地堑)构造。通过沉积学分析、构造应力场特征、生长地层的发现以及碎屑锆石U-Pb年代学分析可以判断盆地内挤压以及伸展构造发育的先后期次。

通过沉积特征分析可知,平山湖盆地内下白垩统庙沟群地层由下到上是一个总体变细的沉积序列。其岩性由砾岩、含砾砂岩逐渐过渡为粉砂岩、泥岩和泥灰岩。地层沉积相经历了由冲积扇相到河流相再到湖泊相的转变。反映了一套水进的沉积体系,其沉积时潮水基准面是逐渐上升的。由此说明,平山湖盆地早白垩世期间盆地经历了由山前快速沉积转变成稳定沉积的整个过程。因此从侧面证明了平山湖盆地在早白垩世早期经历了大规模的挤压,造成盆地平山湖盆地周边龙首山地区快速隆升,进而盆地内部接受沉积的过程。

由盆地内构造赤平投影可知,平山湖盆地褶皱枢纽走向的垂向大致为NE-SW方向,则平山湖盆地遭受龙首山逆冲断裂和北大山南缘逆冲断裂挤压方向为NE-SW向。并且盆地南部部分褶皱受挤压方向为近似NW-SE向,可以认为是龙首山逆冲断裂具有NW-SE向走滑的性质。在平山湖盆地内发育的正断层的赤平投影中,其最小主应力(σ3)的方向近似为E-W方向,则平山湖盆地的伸展方向近似为E-W方向。在伸展作用形成的地堑和半地堑组合中,其地层产状平缓,未遭受挤压变形,认为伸展构造发育于挤压构造之后。综上所述,平山湖盆地先期受到龙首山逆冲断裂和北大山南缘逆冲断裂NE-SW向挤压,形成了一系列的挤压褶皱。其中龙首山断裂还带有NW-SE向走滑的性质。而后期则发生了近E-W向的伸展,形成了草沟地堑、半地堑组合和庙沟群下岩组的一系列正断层构造。

平山湖盆地内挤压构造发育的先后顺序可以通过生长地层来判定。在仁宗口背斜北翼同褶皱生长地层中,庙沟群下岩组下部的砾岩为前生长地层,其砾岩上部的含砾砂岩、粗砂岩为生长地层。此处生长地层的发现,代表了平山湖盆地南部的仁宗口背斜构造是盆地演化早期的挤压构造。在平易背斜南翼为同沉积褶皱生长地层中,庙沟组上岩组上部的灰色、土黄色粉砂岩、泥岩为前生长地层,砂泥岩上部的灰黑色炭质板岩、泥岩为生长地层。平易背斜南翼生长地层的发现代表了平易背斜及其相邻褶皱为平山湖盆地晚期的挤压构造。

根据锆石年龄分析,庙沟群下岩组的碎屑锆石年龄较早,主要为古元古代—新元古代和早古生代的锆石;上岩组的碎屑锆石年龄较晚,为新元古代和早古生代—晚古生代的锆石。而从物源分析得知,平山湖盆地下白垩统庙沟群下岩组沉积阶段的物源区可能为其北部的阿拉善地块(北大山),上岩组沉积阶段物源区为其南部的祁连造山带(龙首山)以及北部的阿拉善地块(北大山)。则说明在平山湖盆地形成之前,其北部的北大山南缘断裂发生了大规模的逆冲事件,造成了古元古代—新元古代岩层出露地表遭受剥蚀。从而造成了年龄较早的锆石沉积在下部地层中。此外,庙沟群上岩组地堑系样品CQL2016-L1-88中测得的最年轻年龄为(129.3±1.8) Ma,代表了上岩组沉积的年龄和同时期地堑的发育在其之后。

4.2 平山湖盆地早白垩世构造演化期次划分

根据平山湖盆地内地层及沉积相分析、构造特征以及构造应力场分析,可以初步认为平山湖盆地是一个在挤压构造基础上发育的断陷盆地,在早白垩世经历了由挤压到伸展的转换。其中早白垩世庙沟群下岩组和上岩组中段发育的生长地层为盆地构造演化阶段的划分提供了时限上的证据。平山湖盆地早白垩世构造演化可分为4个阶段:早白垩世早期北大山南缘断裂NE-SW向逆冲阶段、早白垩世中期NE-SW向挤压伴随局部NW-SE向挤压阶段、早白垩世中晚期NE-SW向挤压阶段和早白垩世后期近E-W向伸展阶段。

4.2.1 早期北大山南缘断裂NE-SW向逆冲阶段

早白垩世早期,在平山湖盆地形成之前,其北部的北大山南缘断裂发生了大规模的NE-SW逆冲事件,北大山开始凸起,造成了古元古代—新元古代岩层出露地表从而遭受剥蚀(图 9a)。早期北大山南缘断裂NE-SW向逆冲为平山湖盆地的形成提供了物源区,奠定了平山湖挤压盆地形成的基础。

图 9 平山湖盆地构造演化模式 Fig. 9 The tectonic evolutionary model of Pingshanhu basin
4.2.2 中期龙首山断裂NE-SW向逆冲伴随NW-SE向走滑阶段

早白垩世中期,受到龙首山逆冲断裂的NESW向挤压,平山湖南部地区形成一系列的NE-SW向挤压褶皱。其中在平山湖南部仁宗口地区形成一背斜褶皱,在背斜的北翼发育有同褶皱沉积的生长地层(图 9b)。仁宗口背斜北翼同褶皱沉积生长地层的发育表明此期挤压构造发育在早白垩世早期庙沟群下岩组地层沉积时期。

此外,龙首山逆冲断裂附近局部地区还发育有NW-SE向挤压的褶皱。表明龙首山逆冲断裂伴随有NW-SE向走滑的性质,在断裂附近形成NW-SE向的挤压隆起。早期龙首山逆冲断裂NE-SW向挤压,在仁宗口背斜北侧形成一背驼式盆地,表明平山湖盆地开始形成。

4.2.3 中晚期北大山南缘断裂NE-SW向逆冲阶段

早白垩世中晚期,受到北大山南缘逆冲断裂的NE-SW向挤压,在平山湖地区中部形成一系列的NE-SW向挤压褶皱。如沙坡墩断弯褶皱、平易背斜褶皱等。在平易背斜的南翼发育有同褶皱沉积的生长地层(图 9d)。其地层为早白垩世上岩组粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质页岩等。平易背斜南翼同褶皱生长地层的发育表明此期挤压构造发育在早白垩世中晚期上岩组地层沉积时期。

4.2.4 后期近E-W向伸展阶段

早白垩世后期,在平山湖地区中部发育有伸展性质的地堑、半地堑组合。同时在南部也发育有显著的正断层作用(图 9e)。地堑组合构造内地层产状平缓,没有受到挤压破坏。表明伸展构造发育于挤压构造之后。结合地质资料表明,早白垩世晚期在酒泉盆地等一系列盆地中在NW-SE方向上表现为长时间的伸展作用(王崇孝等,2005郭庆银等,2006王晓丰等,2008)。在平山湖盆地内发育的这期显著的伸展作用可能与此有关。早白垩世后期的近E-W向的伸展表明平山湖盆地开始了从挤压到伸展的转换。

5 结论

通过平山湖盆地早白垩世地层沉积特征、构造应力场分析与沉积地层的碎屑锆石U-Pb年代学分析,得到以下几点认识:

(1)平山湖盆地早白垩世早期构造样式以挤压变形及其相关褶皱为主,挤压构造应力场为NESW向;早白垩世晚期发育有一期显著的伸展构造,伸展构造应力场为近E-W向。

(2)平山湖盆地为龙首山断裂(逆冲断层)作用下形成的龙首山背驼式盆地,具有类前陆盆地的性质。

(3)平山湖盆地下白垩统庙沟群下岩组沉积阶段的物源区可能为北部的阿拉善地块(北大山),上岩组沉积阶段物源区为南部的祁连造山带(龙首山)以及北部的阿拉善地块(北大山)。庙沟群上岩组地堑系样品中测得的最年轻年龄为(129.3±1.8) Ma,代表了上岩组沉积的年龄和同时期地堑的发育的最早时期。(4)平山湖盆地是早白垩世早期发育的挤压构

造盆地,同构造生长地层为挤压盆地的形成与构造演化提供了时代约束;晚期发育伸展断陷盆地,由挤压到伸展的转换时间大致在129.3 Ma之后。平山湖盆地早白垩世构造演化可分为四个阶段:早期北大山南缘断裂NE-SW向逆冲阶段、中期龙首山断裂NE-SW向逆冲伴随局部NW-SE向走滑阶段、中晚期北大山南缘断裂NE-SW向逆冲阶段和后期近E-W向伸展阶段。

注释

❶甘肃省地质局. 1973.张掖幅J-47-11 1:20万地质图.

❷甘肃省地质局. 1973.平川幅J-47-5 1:20万地质图.

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