鄂尔多斯盆地对秦岭造山过程的构造沉积响应

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秦岭造山带是横贯于中国中部的长期分割华北与扬子两大陆块的分界线,其演化历史漫长,变形变质程度强烈,尽管对其研究成果丰硕,但仍存在许多悬而未解的问题。本论文从与秦岭构造带呈过渡接触关系的鄂尔多斯盆地入手,倡导“山前有盆,盆后有山,盆山一体化”的研究思路,依靠沉积盆地的构造沉积演化过程来响应相邻造山带的幕式活动。论文在研究过程中,将室内系统编图、野外露头剖面观察、岩石镜下特征鉴定、锆石同位素测年、岩石地球化学分析等手段和方法进行了有机结合,同时注重了盆地内钻井取心资料、岩心分析资料、测井资料和地震资料的综合运用。室内图件的编制重点集中在了盆地古构造及古沉积图件的编制,对盆地各个时期古构造及古沉积格局的刻画重点立足于盆地内1000余口钻井资料,并结合了区域露头和部分地震资料。锆石同位素测年主要集中在鄂尔多斯盆地基底和中晚奥陶世的凝灰岩段,对盆地基底的研究重点集中在了基底的岩性、变质程度、锆石特征、锆石同位素年龄及其与华北地台基底、秦岭造山带基底之间的关系,对于奥陶系凝灰岩段的研究重点关注凝灰岩形成时期的岩性组合特征、凝灰岩的地球化学特征、形成时代及其所反映的大地构造背景,同时对盆地内钻井取心中的下奥陶统凝灰岩夹层的形成时代进行了厘定,二者相结合对于确定秦岭加里东期的造山性质具有重要的参考价值。地球化学分析资料除了关注与大地构造活动密切相关的火山岩、凝灰岩的地球化学成分、微量元素、稀土元素特征外,对整个晚古生代的及中生代的沉积岩也做了部分的研究工作,进而根据沉积岩的地球化学特征来响应其周缘造山带的大地构造属性,这一成果对于研究晚古生代秦岭造山带的活动性给出了重要的启示,在一定程度上弥补了对于研究晚古生代秦岭造山活动过程的空白。野外露头剖面的观察集中于与秦岭造山带关系更为密切的鄂尔多斯盆地南缘地区,将构造变形特征及沉积物源特征进行了有机的结合,构造变形特征的研究一方面注重了点、线、面及立体三维空间的结合,另一方面注重了野外露头剖面与地震剖面的结合。从整体研究得出的结论来看,鄂尔多斯盆地南缘各个时期的沉积特征、构造变形特征、岩浆活动特征、岩石地球化学特征能够较好的响应秦岭造山带的造山过程,进而弥补了秦岭造山过程研究中的某些空白,这一研究方法为今后在非成熟地区开展盆山响应关系的研究提供了重要的参考价值。从鄂尔多斯盆地构造沉积演化与秦岭造山过程的响应关系来看,主要经历了以下五个阶段:(1)前寒武纪,鄂尔多斯盆地的结晶基底与秦岭造山带的结晶基底之间关系更为密切,具有统一的演化背景,锆石特征及测年数据表明至少2.0 Ga左右鄂尔多斯盆地结晶基底与华北克拉通东部结晶基底之间还存在一定的距离,而地层沉积特征、岩性特征及形成时代方面与秦岭造山带的古元古代秦岭群之间关系更为密切;(2)早古生代,随着秦岭海向鄂尔多斯古陆的洋陆俯冲,鄂尔多斯盆地南缘经历了寒武纪-早奥陶世被动大陆边缘,中晚奥陶世主动大陆边缘和其后的碰撞造山演化阶段。在主动大陆边缘演化阶段盆地南缘及秦岭造山带之问具有完整的沟-弧-盆体系,发育了弧后盆地重力流及凝灰岩组合特征,从地球化学元素所反映的凝灰岩的形成环境来看,具有典型的岛弧环境,凝灰岩的形成时代为450Ma左右,与秦岭造山带大量的具有岛弧环境的花岗岩侵入体的年龄基本一致。盆地南缘早古生代的奥陶系和晚古生代不同时代的地层之间均以角度不整合关系接触,证明了鄂尔多斯盆地南缘加里东造山运动的存在,其造山作用的性质为具有商丹洋盆的俯冲碰撞造山;(3)晚古生代秦岭造山带北缘主要位于造山期后的板内伸展阶段,构造活动相对稳定,此阶段秦岭造山带已不作为一个独立的构造单元对鄂尔多斯盆地施加影响,而是作为鄂尔多斯盆地南缘的一部分,具有相同的演化背景。利用这一时期碎屑岩成分及地球化学特征所反映的大地构造属性来看,盆地中北部山西组和石盒子组所有样品都落入再旋回造山带物源区,而南部有一部分样品点落入大陆块区,反映了盆地南部构造相对稳定的特点。同时,盆地南部石千峰组的所有样品点均落入了再旋回造山带物源区,反映了盆地南部自山西组、石盒子组至石千峰组沉积时期构造活动性逐步加强的特点,同时也说明了这一时期秦岭造山带的活动性由加里东造山后的板内伸展阶段逐步向印支期造山阶段过渡;(4)中生代,秦岭造山带北缘不断向鄂尔多斯盆地俯冲,在鄂尔多斯盆地南缘形成了构造变形强烈的逆冲推覆构造带,在盆地边缘随之产生了一系列与构造运动响应的岩浆活动。印支期的构造变形主要以整体隆升为特征,而燕山期以强烈的褶皱冲断和逆冲推覆构造为主,这些逆冲推覆构造是秦岭造山带北侧向北逆冲的巨大逆掩推覆体的一部分。盆地南缘的岩浆活动表现为多期活动的特点,大多数沿着深大断裂带或基底断裂带分布,与秦岭造山运动的每期大的构造运动具有很好的吻合性;(5)新生代,秦岭地区先拉张造成差异升降,而后挤压造成平移扭动,结果在鄂尔多斯盆地南缘产生了渭河地堑等一系列的新生代断陷盆地,成为稳定的鄂尔多斯盆地与活动的秦岭造山之间的过渡地带。论文的创新点主要集中于四个方面:(1)利用锆石测年法对鄂尔多斯盆地的基底年龄进行了重新的测试,虽然由于沉积地层的缺失,而不能代表基底的最新年龄,但两口井207Pb/206Pb的加权平均年龄分别为2031±10 Ma,2035+10 Ma,数据相对集中,比较一致,没有太古代年龄的出现,代表了古元古代的年龄。本次研究成果在一定程度上支持了华北西部陆块和东部陆块在1.85Ga碰撞拼合的观点,至少在2.0 Ga左右二者是彼此孤立存在的。同时,也支持了秦岭造山带中古元古代秦岭岩群具有与华北克拉通南部统一的古老结晶基底的观点。(2)对鄂尔多斯盆地南缘露头剖面中的中晚奥陶世凝灰岩夹层和钻井取心中的早奥陶世凝灰岩夹层的年龄分别进行了测定,结果二者的年龄具有很好的一致性,总体上都集中在450Ma左右。这一年龄数据说明了盆地钻井取心中早奥陶世的凝灰岩夹层为风化壳表面沿着孔洞充填的产物,并非同沉积的夹层,也说明了早奥陶世期间秦岭造山带构造活动性相对稳定,而中晚奥陶世才是由稳定向相对活动性转化的关键时期,是北秦岭加里东期造山活动的开始。(3)利用晚古生代鄂尔多斯盆地的沉积特征、砂泥岩的碎屑成分、地球化学特征,对晚古生代鄂尔多斯盆地南北造山带的构造活动性进行了研究。结果表明晚古生代早期,盆地北缘阴山造山带的活动性远远强于盆地南缘秦岭造山带,而随着盆地进一步演化,至晚古生代晚期,南缘的活动性逐渐加强,二者在横向上受力逐渐趋于平衡。反映了晚古生代秦岭造山带处于加里东造山期后的相对稳定期向印支期造山运动的强烈活动期的孕育发展过程。(4)利用鄂尔多斯盆地南缘印支期和燕山期不同的构造变形特征,说明了秦岭造山带印支期和燕山期构造活动性的差异。印支期表现为纵向上的整体快速隆升,燕山期表现为横向上的大型逆冲推覆。
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