关于中国天山造山带与库卡洼地之间中新生代盆地-山脉耦合关系的新约束

《Journal of Asian Earth Sciences》：New constraints on Meso–Cenozoic basin–mountain coupling between the Tianshan orogen and Kuqa Depression, China

库车凹陷中新生代碎屑岩的锆石U-Pb年代学、成分统计及 gravel 组成分析表明：源区岩石组合变化反映天山造山带构造抬升与剥露，中三叠世–中侏罗世以稳定克拉通源区为主，晚侏罗世–新生代源区成分离散并出现古元古代组分，指示多次构造活动叠加，建立了四阶段构造–沉积耦合模型。

　　

张文高|庄敏|陈正乐|张青|霍海龙|韩丰斌|王伟|杜晓飞|肖子伟

中国地质科学院地质力学研究所深部地球与矿产勘探国家重点实验室，北京100081

摘要

库卡洼地位于塔里木盆地北部边缘，是一个关键的前陆盆地，记录了南天山造山带的中新生代构造演化过程。然而，反映盆地-山脉耦合关系的时间、机制和物质来源转变仍知之甚少。本研究通过整合53个碎屑岩样本的碎屑成分统计、砾石成分分析以及碎屑锆石U-Pb地质年代学（LA-ICP-MS）数据，对这些问题进行了探讨。研究结果表明：（1）中生代沉积物主要来源于南天山造山带。成分变化表现为稳定矿物含量（如石英）的减少和岩石碎片（石灰岩、片麻岩、花岗岩）的增加，反映了天山源区的逐渐暴露和抬升。（2）碎屑锆石U-Pb年龄谱显示：晚三叠世-中侏罗世地层以450-380 Ma为主；晚侏罗世-古近纪时期前寒武纪成分分布较为分散；新近纪又恢复为约400 Ma的单峰模式。这些时间变化记录了源区和排水模式的系统重组，这是对连续天山抬升的响应。综合沉积学和地质年代学证据，我们提出了一个四阶段的盆地-山脉耦合模型：中侏罗世之前地形平缓；晚侏罗世-早白垩世抬升加速、地貌起伏增大；晚白垩世-古近纪构造活动减弱、地表趋于平坦；新近纪再次发生强烈抬升，形成了现代地貌。这项工作为南天山-库卡系统的长期构造-沉积演化提供了新的见解，并对区域油气、砂岩型铜矿和铀矿勘探具有重要的指导意义。

引言

碎屑成分分析和碎屑地质年代学是重建侵蚀-沉积系统的基本工具（Li等人，1999；Li等人，2006a；Xia等人，2014）。这些方法在古地理重建（Wu和Li，2013；Li和高，2016a；Cao等人，2021）、岩浆-构造成矿作用（Liu 1994；Chen等人，2009）以及盆地-山脉耦合研究（Chen等人，2008；Cawood等人，2012）中已成为不可或缺的手段。前陆盆地作为造山带与前克拉通之间的狭长沉积带，保存了直接反映其源区岩性特征的碎屑成分。成分比例的变化进一步揭示了不同来源区域的相对贡献（Li，2004；Zhao，2021）。随着来源分析和LA-ICP-MS技术的进步，碎屑锆石U-Pb地质年代学已成为确定沉积年龄、源区特征、构造环境和岩浆历史的全球标准（Andersen，2005；Peng等人，2009；Liu等人，2021）。

天山造山带及其前陆盆地库卡洼地构成了一个完整的构造系统。天山造山带的抬升和侵蚀不断为库卡洼地提供碎屑物质，这些沉积物记录了造山演化过程（Li等人，2006a）。晚古生代俯冲-碰撞造山作用之后，天山经历了显著的晚二叠世抬升和剥露（Li等人，2014）。因此，将天山-库卡盆地-山脉耦合作为一个整体系统进行研究，对于理解天山抬升-侵蚀过程以及库卡洼地内的油气/矿产聚集至关重要。以往的研究采用了裂变径迹和(U-Th)/He方法来研究天山抬升（Huang等人，2006；Wang等人，2009；Chang等人，2017；Yin，2018），并辅以相邻盆地中新生代地层的多尺度沉积和来源分析（Li等人，2004；Li等人，2006a；Zhao等人，2014；Zhang，2021）。然而，专门针对库卡洼地的系统高分辨率碎屑研究仍然较少，限制了对中新生代天山抬升的全面理解。同时，天山内部广泛分布的古生代-中生代地层和岩浆岩为追踪库卡洼地砾石来源提供了宝贵的参考资料。

前陆盆地中的碎屑沉积物反映了造山演化过程，记录了沉积过程和盆地-山脉耦合的历史。本研究通过碎屑成分分析和碎屑锆石地质年代学，系统分析了库卡洼地的中新生代碎屑岩。通过将这些结果与天山造山带的构造演化相结合，我们探讨了塔里木盆地北部边缘和南天山造山带的盆地-山脉耦合及构造转变过程。这项研究为丰富区域沉积演化历史和指导矿产勘探提供了宝贵见解。

区域地质背景

近东西向的天山造山带由北天山缝合带和南天山缝合带组成，它们分别由古准噶尔洋和南天山洋的闭合形成（Ding，2012；Li和高，2016b）。这两个缝合带包围了哈萨克斯坦-伊犁地块，该地块西宽东窄（Li等人，2004）。天山造山带可划分为北天山、中天山和南天山造山带。

样品采集与研究方法

本研究从库卡河、白城煤矿、克拉苏河、塔利克河、伊基克利克、卡拉-于尔贡以及卡拉-于尔贡西剖面系统采集了53个中新生代碎屑岩样本（图1）。通过砾石成分分析、碎屑成分分析和碎屑锆石年代学研究方法，我们旨在重建中新生代碎屑岩的沉积环境和物质来源，建立区域构造模型。

典型剖面中砂岩碎屑成分的特征

在库卡河剖面，晚侏罗世齐古组（J₃q）的钙质卵石砂岩（U1635-1）主要以方解石胶结。其中含有约55%的岩石碎片、20%的石英、15%的长石和5%的云母，砾石呈中等圆度（图2a）。晚白垩世八士吉克组（K₂b）的岩石砂岩和砂砾岩以钙质和黏土质胶结为主。成分上，它们含有约57%的岩石碎片（主要为

碎屑锆石地质年代学

为了进一步约束中新生代库卡洼地的构造活动特征，基于包括克拉尤尔贡、伊基克利克、塔利克、库卡河和白城煤矿在内的地层剖面的碎屑成分分析，本研究采用LA-ICP-MS方法对库卡河和白城煤矿剖面进行了详细的碎屑锆石U-Pb地质年代学研究。研究重点在于阐明碎屑来源系统及其相关性

讨论

库卡洼地的中新生代构造-沉积演化提供了一个理想的自然实验室，用于探讨物质来源转变如何反映天山造山带的逐步抬升，以及这种盆地-山脉耦合如何进一步制约煤、天然气、铜和铀矿床的空间分布和成矿环境。因此，以下讨论将来源特征、构造演化和矿化约束结合起来

结论

• (1)
  综合沉积学、岩石学和碎屑锆石U-Pb地质年代学分析表明，库卡洼地的中新生代地层系统记录了天山造山带的抬升-侵蚀历史。从稳定克拉通来源到造山带来源的物质来源转变，反映了南天山的阶段性构造复兴，对应于主要的碰撞和碰撞后阶段。天山抬升与库卡前陆盆地之间的耦合关系

未引用参考文献

Chang等人，2020；Liu等人，2013；Yin等人，2018；Zhong和Peng，2011。

CRediT作者贡献声明

张文高：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。庄敏：撰写 – 原始草稿，监督。陈正乐：数据管理。张青：数据管理。霍海龙：调查，数据管理。韩丰斌：调查。王伟：资源调查。杜晓飞：方法学研究，调查。肖子伟：数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。