引用本文
刘浪涛, 陈杰, 李涛. 帕米尔、 南天山及其会聚带现代河流沉积物碎屑锆石U-Pb测年[J]. 地震地质, 2017,39(3): 497-516.
LIU Lang-tao, CHEN Jie, LI Tao. DETRITAL ZIRCON U-PB DATING OF MODERN RIVERS'DEPOSITS IN PAMIR, SOUTH TIAN SHAN AND THEIR CONVERGENCE ZONE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(3): 497-516.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.03.005
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帕米尔、 南天山及其会聚带现代河流沉积物碎屑锆石U-Pb测年
刘浪涛, 陈杰*, 李涛
中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
*通讯作者: 陈杰, 男, 研究员, E-mail: chenjie@ies.ac.cn。

〔作者简介〕 刘浪涛, 男, 1982年生, 2016年于中国地震局地质研究所获构造地质学专业博士学位, 现为河北工程大学讲师, 主要从事构造地质学、 沉积学以及碎屑锆石年代学研究, 电话: 18832010608, E-mail: cumtliulangtao@163.com。

收稿日期: 2016-03-25
基金项目: 国家自然科学基金(41272195)、 地震动力学国家重点实验室课题(LED2010A04)、 科技部国际科技合作专项(2008DFA20860)与美国国家自然科学基金(EAR 1050070)共同资助
摘要

现代河流沉积物携带了其物源区丰富的地质信息, 通过对现代河流沉积物进行碎屑锆石U-Pb测年, 可以了解其物源区地质体中锆石U-Pb年龄的组成。文中对帕米尔、 南天山及其会聚带14条主干河流采集的现代河沙样品进行了碎屑锆石U-Pb测年, 结合前人在该区域的锆石U-Pb测年结果, 确定了帕米尔、 南天山不同构造单元的碎屑锆石U-Pb年龄特征; 结合区域地质图, 揭示了不同年龄峰可能的物源地质体, 并推测了一些新的地质体的存在。结果显示, 该区域不同构造带具有明显不同的锆石U-Pb年龄峰: 南天山构造带的主要年龄峰为270~289Ma和428~449Ma, 北帕米尔构造带的主要年龄峰为205~224Ma和 448~477Ma, 中帕米尔构造带的主要年龄峰为36~40Ma, 南帕米尔构造带的主要年龄峰为80~82Ma 和102~106Ma。这些年龄峰可以作为识别上述构造单元的特征年龄峰, 为利用前陆盆地沉积地层碎屑锆石U-Pb年龄来示踪帕米尔和南天山在新生代的会聚过程提供了基础数据。

关键词: 碎屑锆石U-Pb测年; 帕米尔; 南天山; 会聚带; 现代河流沉积物
中图分类号:P597 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)03-0497-20
DETRITAL ZIRCON U-PB DATING OF MODERN RIVERS'DEPOSITS IN PAMIR, SOUTH TIAN SHAN AND THEIR CONVERGENCE ZONE
LIU Lang-tao, CHEN Jie, LI Tao
State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology,China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

By dating detrital zircon U-Pb ages of deposition sequence in foreland basins, we can analyze the provenance of these zircons and further infer the tectonic history of the mountain belts. This is a new direction of the zircon U-Pb chronology. The precondition of using this method is that we have to have all-around understanding to the U-Pb ages of the rocks of the orogenic belts, while the varied topography, high altitude of the zircon U-Pb ages of the orogenic belts are very rare and uneven. This restricts the application of this method. Modern river deposits contain abundant geologic information of their provenances, so we can probe the zircon U-Pb ages of the geological bodies in the provenances by dating the detrital zircon U-Pb ages of modern rivers' deposits. We collected modern river deposits of 14 main rivers draining from Pamir, South Tian Shan and their convergence zone and conducted detrital zircon U-Pb dating. Combining with the massive bed rock zircon U-Pb ages of the magmatic rocks and the detrital zircon U-Pb ages of the modern fluvial deposit of other authors, we obtained the distribution characteristics of zircon U-Pb ages of different tectonic blocks of Pamir and South Tian Shan. Overlaying on the regional geological map, we pointed out the specific provenance geological bodies of different U-Pb age populations and speculated the existence of some new geological bodies. The results show that different tectonic blocks have different age peaks. The main age peaks of South Tian Shan are 270~289Ma and 428~449Ma, that of North Pamir are 205~224Ma and 448~477Ma, Central Pamir 36~40Ma, and South Pamir 80~82Ma and 102~106Ma. The Pamir syntaxis locates at the west end of the India-Eurasia collision zone. The northern boundary of the Pamir is the Main Pamir Thrust(MPT)and the Pamir Front Thrust(PFT). In the Cenozoic, because of the squeezing action of the India Plate, the Pamir thrust a lot toward the north and the internal terranes of the Pamir strongly uplifted. For the far-field effect of the India-Eurasia collision, the Tian Shan on the north margin of the Tarim Basin also uplifted intensely during this period. Extensive exhumation went along with these upliftings. The material of the exhumation was transported to the foreland basin by rivers, which formed the very thick Cenozoic deposition sequence. These age peaks can be used as characteristic ages to recognize these tectonic blocks. These results lay a solid foundation for tracing the convergence process of Pamir and South Tian Shan in Cenozoic with the help of detrital zircon U-Pb ages of sediments in the foreland basin.

Keyword: detrital zircon U-Pb dating; Pamir; South Tian Shan; convergence zone; modern river deposit
0 引言

通过对前陆盆地沉积地层进行碎屑锆石U-Pb测年, 分析锆石的物源, 并通过物源区的变化来反演造山带的活动历史, 是近年来锆石U-Pb年代学发展的1个新方向(Amidon et al., 2005; Lease et al., 2007; Gehrels et al., 2008; Li et al., 2010; Cai et al., 2011; Gehrels et al., 2011; Yang et al., 2013; Carroll et al., 2013; Cao et al., 2014, 2015; Jia et al., 2015; Sun et al., 2016)。运用该方法的前提是需要对组成造山带岩体的锆石U-Pb年龄有1个全面的认识。然而由于造山带地形复杂, 海拔较高, 交通不便, 采样困难, 致使造山带岩体的锆石U-Pb年龄非常有限且分布极不均匀, 使得该方法的应用受到一定的限制(Bershaw et al., 2012; Jia et al., 2015)。解决这个问题的方法有2个: 一个是对造山带内的岩浆岩进行大量的锆石U-Pb测年, 但是如上所述较难实现, 而且成本巨大; 另一个就是对发源于造山带的河流现代河沙样进行锆石U-Pb测年, 这样就可以便捷而全面地获得源区岩石的锆石U-Pb年龄(Ren et al., 2011; Lukens et al., 2012; Zhang et al., 2013; Carrapa et al., 2014)。

帕米尔、 南天山及其会聚带面积广阔, 地层时代跨度长, 构造变形非常复杂, 前人对此区域内的岩浆岩露头进行了不少锆石U-Pb测年(Schwab et al., 2004; Robinson et al., 2004; 张传林等, 2005; Konopelko et al., 2007; Seltmann et al., 2011; Huang et al., 2012; Robinson et al., 2012; Jiang et al., 2013; Zhang et al., 2015); 但由于岩浆岩露头多分散分布, 因此获得的年龄大多是孤立的地质体的年龄, 对整个区域上的锆石U-Pb年龄分布仍不清楚。为了更加全面地了解帕米尔、 南天山及其会聚带锆石年龄分布特征, 对发源于帕米尔、 南天山及其会聚带的14条主干河流采集了现代河沙样, 进行了碎屑锆石U-Pb测年, 结合前人的锆石U-Pb测年结果, 比较全面地揭示了帕米尔、 南天山及其会聚带不同构造单元的岩石年龄组成, 为利用前陆盆地沉积地层碎屑锆石U-Pb年龄来示踪帕米尔和南天山在新生代的会聚过程提供了基础数据。

1 区域地质背景

帕米尔构造结位于印度-欧亚碰撞带的西端, 北界为主帕米尔逆断裂(MPT)和帕米尔前缘推覆体(PFT)(Li et al., 2012; Sobel et al., 2013)。MPT与PFT调节了帕米尔北部与塔吉克-阿莱-塔里木盆地之间约300km的缩短(Burtman et al., 1993; Negredo et al., 2007)。在帕米尔东侧, 大型右旋走滑断裂喀喇昆仑断裂(KKF)和喀什-叶城转换体系(KYTS)调节了帕米尔相对于塔里木盆地向N的楔入(Cowgill, 2010)。在帕米尔西侧, 大型左旋走滑断裂达瓦兹-卡拉库尔(DKF)调节了帕米尔相对于塔吉克盆向N的楔入(Strecker et al., 1995)。

帕米尔可划分为北帕米尔、 中帕米尔和南帕米尔3个不同的构造单元, 北、 中帕米尔以塔尼玛斯缝合带(TS)为界, 中、 南帕米尔以汝山-帕萨特缝合带(RPS)为界(Burtman et al., 1993)。北帕米尔出露地层以早古生代的沉积变质岩和结晶岩为主(Burtman et al., 1993), 东北部发育大量三叠纪— 侏罗纪的岩浆岩(Robinson et al., 2004; Schwab et al., 2004; 张传林等, 2005; Zhang et al., 2007; Yang et al., 2010; Robinson et al., 2012; Jiang et al., 2013), 南部则发育了大量的奥陶纪岩浆岩(Yuan et al., 2002; 张传林等, 2006; Jiang et al., 2008; 李广伟等, 2009)。北帕米尔内部昆仑缝合带(KS)中的岛弧岩浆岩、 海相碳酸盐岩和砾岩记录了晚石炭世1个大型洋盆的闭合(Burtman et al., 1993; Schwab et al., 2004)。中帕米尔出露地层以古生代— 中生代的沉积变质岩和沉积岩为主(Burtman et al., 1993), 其间发育了大量的新生代岩浆岩(Weinberg et al., 2000; Robinson et al., 2007; 柯珊等, 2008; Jiang et al., 2012)。南帕米尔出露地层以前寒武纪— 古生代的变质岩、 古生代— 中生代的沉积岩为主(Pashkov et al., 1990; Burtman et al., 1993), 并发育了大量的白垩纪岩浆岩带及少量的新生代岩浆岩(Weinberg et al., 2000; Fraser et al., 2001; Schaltegger et al., 2002; Schwab et al., 2004)。在南帕米尔南部, 什约克缝合带(SS)和印度-雅鲁藏布缝合带(IYS)以及相关的蛇绿岩带可能记录了白垩纪早期印度-科西斯坦弧向亚洲南缘的拼贴过程(Burtman et al., 1993)。

天山是1个古老的造山带, 在古生代经历了碰撞造山作用形成古天山; 在中生代以伸展和沉降为主, 形成准平原地形。新生代时期, 受印度-欧亚碰撞远程效应的影响, 天山发生活化, 出现大规模隆升, 从而形成了今天高耸的山岭地貌(Molnar et al., 1975; Tapponnier et al., 1979; Windley et al., 1990; Gao et al., 1998; Xiao et al., 2004)。天山可以分为南天山、 中天山和北天山, 其中南、 中天山以阿特巴什断裂(AF)为界, 中、 北天山以尼克拉艾线(NL)为界, 南天山和塔里木之间以迈丹断裂(MF)为界(Gao et al., 2009; Han et al., 2011; Long et al., 2011)。天山主体出露地层以古生代的变质岩为主, 局部存在前寒武纪的变质岩; 在南天山主要发育晚古生代的岩浆岩(刘楚雄等, 2004; 王博等, 2007; Konopelko et al., 2007; Seltmann et al., 2011; De Grave et al., 2012; Huang et al., 2012), 在中、 北天山主要发育了早古生代及晚古生代的岩浆岩(韩宝福等, 2004; 胡霭琴等, 2008; Konopelko et al., 2008; Glorie et al., 2010; De Grave et al., 2012)。

塔里木克拉通是中国最大的克拉通之一(Zheng et al., 2013)。它具有新太古代— 古元古代的变质基底, 在塔里木盆地东北部和西南部存在少量露头, 其锆石U-Pb年龄为1, 900~2, 830Ma(Long et al., 2012; Zhang et al., 2013)。这一基底与上覆的巨厚的中元古代— 古生代— 中生代海相-陆相沉积呈角度不整合接触(Shu et al., 2011; Ge et al., 2013)。新生代塔里木盆地的变形与周围造山带的隆起关系密切(Molnar et al., 1978; Yin et al., 2000)。

2 样品采集、 处理和锆石U-Pb测年程序

在西南天山基岩区的河流中采集了5个现代河沙样, 在帕米尔基岩区的河流中采集了4个现代河沙样, 在流经上述基岩区和前陆盆地新生界的河流中采集了5个现代河沙样。现代样采样位置及流域分布见图1。

图1 现代河沙样的采样位置、 汇水区域及区域内的地层
地质图改自新疆地质矿产局, 1999; Schwab et al., 2004; 河南地质调查院, 2005; Cowgill, 2010; Schmidt et al., 2011; Robinson t al., 2012; Stubner et al., 2013; Cao et al., 2014; Yang et al., 2014。 MPT 主帕米尔逆断裂; PFT 帕米尔前缘推覆体; KS 昆仑缝合带; KES 公格尔拉张系; TS 塔尼玛斯缝合带; RPS 汝山-帕萨特缝合带; MT 迈丹断裂; TFF 塔拉斯-费尔干纳断裂Fig. 1 The sample locations and watersheds of the modern river deposits and the regional geological map.

在采样过程中遵循以下原则: 样品采集于河流的心滩或者边滩, 采样位置距离岸边有一定的距离, 以避免岸边物质对样品造成污染; 每个样品由位于河道中心到岸边不同位置的几个分样混合而成, 使样品的代表性更强; 采样时避免上游附近存在大型滑坡体; 如果采样点上游附近有支流汇入, 那么在干流采样时要适当远离支流汇入点, 避免支流沉积物对干流沉积物影响过大; 采样时, 剥去表面约2~3cm厚的表层样品, 以除去可能的风成沉积物对样品的干扰; 样品的粒度以中-细沙为主。样品的采样位置、 所在河流见表1。

表1 帕米尔、 南天山及其汇聚带现代河沙样的采样位置及碎屑锆石U-Pb年龄峰 Table1 The sample locations and detrital zircon U-Pb ages of the modern river deposits draining from Pamir, South Tian Shan and their convergence zone

样品的淘洗、 重液浮选和磁选等前处理工作在河北省廊坊市诚信地质服务公司完成, 获得了样品的重无磁组分。我们并未将重无磁组分中的锆石单独提纯出来, 因为手工挑选可能会对锆石颗粒造成人为分选。我们对重无磁部分的所有颗粒进行制靶, 这样保持了其原有的分布状态, 使最后获得的锆石年龄统计结果更加符合真实情况。样品的制靶和锆石U-Pb测年在美国加利福尼亚州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的ICP-MS实验室完成。将重无磁组分固定在环氧树脂上, 打磨并抛光, 将锆石颗粒大概抛去大约$\frac{1}{3}$, 露出中心部分。锆石U-Pb测年通过LA-ICP-MS测试系统完成, 测试系统使用的激光束斑直径为15μ m, 频率为4Hz, 能量密度为3mJ, 其他仪器参数及测量参数详见文献(Kylander-Clark et al., 2013)。对每个样品随机测试了200多个锆石颗粒, 以保证实验数据具有统计意义(Dodson et al., 1988; Vermeesch, 2004)。

测年结果的普通Pb校正是通过测量 204Pb 和假设初始Pb成分来完成的(Stacey et al., 1975; Andersen, 2002)。在结果筛选过程中, 当年龄< 1, 400Ma时, 选用 206Pb/238U的年龄来代表锆石年龄, 当年龄> 1, 400Ma时, 选用 207Pb/206Pb 的年龄来代表锆石年龄, 这是因为年龄较老的U-Pb体系Pb丢失比较常见, 而 206Pb/207Pb 年龄对Pb丢失的敏感性更差, 因而结果更加精确(Gehrels et al., 2008)。在年龄谐和度的控制上, 前人采用的标准为70%或80%(Lease et al., 2007; Carrapa et al., 2014), 本研究选用了谐和度 ≥ 90% 和反向谐和度 ≤ 5% 的年龄, 这样可保证U-Pb体系基本上处于封闭状态, 获得的年龄可以准确地反映锆石的结晶年龄。

采用Ludwig(2013)的Excel宏程序, 将满足上述条件的碎屑锆石年龄及误差导入并进行运算, 生成标准概率密度曲线图。该程序1次可以处理30个碎屑锆石样品, 由于所有样品的概率密度是同时生成的, 保证了不同样品的概率密度图曲线是完全对齐的, 且其概率密度值具有统一标准, 便于彼此之间进行对比分析。由这些样品的标准概率密度曲线图可知, 所有样品的主要年龄峰都分布在0~600Ma范围内, 为了凸显这部分年龄的分布特征, 将这部分的概率密度曲线进行了放大处理, 置于完整的0~4, 000Ma概率密度曲线的右上方。用虚线将0~600Ma所包含的地质时代划分开来(Gradstein et al., 2012), 这样可以清晰地显示不同年龄峰所属的地质时代。

3 结果与分析

现代河沙样的碎屑锆石U-Pb测年结果集中展示在表1中, 其中包括每个样品的测年颗粒数、 有效颗粒数、 年龄跨度、 主要和次要年龄峰的范围、 峰值及年龄数所占比重。根据样品所属的构造单元, 将其碎屑锆石U-Pb年龄标准概率密度曲线分为南天山、 帕米尔、 前陆盆地3部分分别成图。通过对该地区SRTM DEM数据的处理, 提取了河流水系, 确定了每个现代样的汇水流域。另外, 还收集了该区域已发表的不同比例的地质图, 相互对比, 去伪存真, 绘制了该区域的地质图(图1)。将结合地质图中流域内的地层和地质体的岩性和时代, 分析测年结果中年龄峰可能的物源地质体。

由于帕米尔和南天山地域广大, 本研究所采集的样品无法覆盖整个区域。所幸Lukens等(2012)对中、 西帕米尔基岩区的5条河流的现代河沙样进行了碎屑锆石U-Pb测年, Carrapa等(2014)对东帕米尔部分基岩区的7条河流的现代河沙样进行了碎屑锆石U-Pb测年。另外, 如前所述, 帕米尔和天山存在很多岩浆岩地质体, 前人对它们进行了锆石U-Pb测年研究(Weinber et al., 2000; 韩宝福等, 2004; Schwab et al., 2004; 胡霭琴等, 2008; 柯珊等, 2008; Konopelko et al., 2008; Glorie et al., 2010; Jiang et al., 2013), 我们收集了这些岩浆岩地质体的锆石U-Pb年龄, 以线条图的形式表现出来, 每条线代表1个岩浆岩地质体的年龄(图2— 4底部), 与现代样的概率密度图放在一起对比分析, 希望能够更加全面地反映帕米尔和天山的锆石U-Pb年龄特征。

图2 南天山基岩区现代样碎屑锆石U-Pb年龄0~4, 000Ma标准概率密度曲线
n=129表示该样品碎屑锆石U-Pb年龄的个数, 0~600Ma概率密度曲线是局部放大; 年龄峰上标注的数字为该年龄峰的峰值(Ma); 最下方为天山岩浆岩地质体年龄统计线条图, 每1条线代表1个岩浆岩地质体的年龄Fig. 2 The 0~4, 000Ma normalized probability density curves of detrital zircon U-Pb ages f modern river deposits draining from the bedrock area of South Tian Shan.

3.1 南天山基岩区的样品

图2是南天山基岩区河流现代样的碎屑锆石U-Pb年龄标准概率密度曲线, 样品信息及年龄峰的具体信息见表1。由区域地质图(图1)可以看出, 2011T13和WLKQT-1的汇水区域主要由泥盆纪— 石炭纪的中低级变质岩和碳酸盐岩以及侏罗纪— 白垩纪的沉积岩组成。虽然在南天山山前乌鲁克恰提剖面的侏罗纪地层未发现年龄峰159~168Ma(Yang et al., 2014), 但是该年龄峰在北天山山前宁家河剖面的侏罗纪地层中发现大量出现(Yang et al., 2013), 因此, 166Ma和165Ma的年龄峰可能来自流域内侏罗系— 白垩系, 273Ma和270Ma的年龄峰也可能来自流域内的侏罗系— 白垩系, 而较老的年龄峰365Ma、 432Ma、 356Ma、 445Ma以及812Ma都可能来自泥盆系— 石炭系以及侏罗系— 白垩系。

0506-KS-1的汇水区域主要由侏罗纪的沉积岩、 前寒武的陆源碎屑岩和碳酸盐岩以及泥盆纪的中低级变质岩组成, 因此2个主要年龄峰272Ma和449Ma都是来自侏罗纪的沉积岩。0506-JT-1的汇水区域主要由侏罗纪的沉积岩、 志留纪— 石炭纪的中低级变质岩、 碳酸盐岩以及二叠纪的沉积岩组成, 因此286Ma的主要年龄峰可能主要来自二叠纪的沉积岩和侏罗纪的沉积岩, 444Ma的主要年龄峰可能主要来自志留纪变质岩, 也有可能来自泥盆纪— 石炭纪的中低级变质岩和沉积岩以及更年轻的侏罗纪的沉积岩。与2011T13和WLKQT-1一样, 该样品的次要年龄峰163Ma, 可能来自侏罗纪的沉积岩。0506-JT-2的汇水区域主要由侏罗纪— 新近纪的沉积岩组成, 还有部分的志留纪和石炭纪的沉积岩、 中低级变质岩以及少量二叠纪的沉积岩。因此, 289Ma的主要年龄峰可能主要来自二叠纪的沉积岩, 部分来自侏罗纪— 新近纪的沉积岩。428Ma的主要年龄峰可能主要来自志留纪的沉积岩和变质岩, 部分来自志留纪之后的浅变质岩和沉积岩。

另外, 收集到了天山地区132个岩浆岩地质体的锆石U-Pb测年结果, 年龄跨度为264~991Ma。其线条图呈现出2个主要年龄峰, 一个是273~326Ma, 峰值为293Ma, 约占总年龄数的46%; 另一个是401~482Ma, 峰值为435Ma, 约占总年龄数的33%(图2底部)。

3.2 北帕米尔基岩区的样品

我们在该构造带采集了6个现代样, 但是在测年过程中4个样品的锆石含量极低, 只有2个样品0531-JT-4和2011T55测年颗粒数达到了统计学的要求(表1)。Carrapa等(2014)在北帕米尔构造带采集了6个现代样。通过水系提取发现作者对某些样品汇水区的圈定较为粗略, 造成样品的年龄峰解释存在一定的矛盾, 因此我们重新提取了其样品的汇水流域(图1), 并将其测年结果与我们的结果合并在一起(表1, 图3), 结合区域地质图进行分析。

图3 帕米尔基岩区现代样碎屑锆石U-Pb年龄0~4, 000Ma标准概率密度曲线
n=212表示该样品碎屑锆石U-Pb年龄的个数, 0~600Ma概率密度曲线是局部放大; 年龄峰上标注的数字为该年龄峰的峰值(Ma); 最下方为帕米尔岩浆岩地质体年龄统计线条图, 每1条线代表1个岩浆岩地质体的年龄Fig. 3 The 0~4, 000Ma normalized probability density curves of detrital zircon U-Pb ages f modern river deposits draining from the bedrock area of Pamir.

0531-JT-4流域内主要为早石炭世的变质火山岩和变质沉积岩, 晚石炭世的侵入岩以及早二叠纪的凝灰岩和沉积岩。因此尽管地质图上没有显示三叠纪的岩浆岩, 但是247Ma的主要年龄峰和215Ma的次要年龄峰表明区域内应该存在三叠纪的岩浆岩。301Ma的次要年龄峰应该来自区域内晚石炭世的侵入岩和早二叠世的凝灰岩。2011T55的汇水区主要由奥陶纪的沉积岩、 石炭纪的沉积岩、 侏罗纪的沉积岩, 以及未细分的早古生代沉积岩或者变质岩为主, 在流域的西南部存在少量的奥陶纪侵入岩。我们认为477Ma的主要年龄峰主要来自奥陶纪的侵入岩, 也有可能部分来自奥陶系和石炭纪的沉积岩。另外, 248Ma的次要年龄峰可能来自侏罗纪的沉积岩, 也有可能表明流域内存在三叠纪岩浆岩。

Carrapa等(2014)对北帕米尔构造带的6个现代河沙样(1071-4、 1071-1、 1071-2、 1071-5、 1071-3和1071-7)进行了碎屑锆石U-Pb测年, 共测量了545颗锆石, 年龄跨度为15~3, 270Ma。主要年龄峰有2个, 一个是185~243Ma, 峰值为211Ma, 约占总年龄数的43%; 另一个是416~477Ma, 峰值为448Ma, 约占总年龄数的26%(图3)。结合区域地质图, 我们认为211Ma的年龄峰来自三叠纪的侵入岩和沉积岩, 448Ma的年龄峰是来自奥陶纪的侵入岩。

3.3 中帕米尔基岩区的样品

Lukens(2012)对中帕米尔的4条河流的现代河沙样(TJK-08、 TJK-07、 TJK-06和TJK-04)进行了碎屑锆石U-Pb测年。共计测量了262颗锆石, 年龄跨度为33~3, 364Ma。主要年龄峰是33~42Ma, 峰值为39Ma, 约占总年龄数的35%; 次要年龄峰是100~106Ma, 峰值为103Ma, 约占总年龄数的3%(图3)。结合其地质图(Lukens, 2012), 我们认为39Ma的年龄峰可能来自中帕米尔广泛分布的新生代岩浆岩, 而103Ma的年龄峰可能来自流域覆盖的少量的南帕米尔白垩纪岩浆岩。

3.4 南帕米尔基岩区的样品

Lukens等(2012)的样品TJK-05和 Carrapa 等(2014)的样品1071-6的物源区位于南帕米尔, 这2个样品共计测量了177颗锆石, 年龄跨度为76~2, 629Ma。主要年龄峰2个, 一个是76~90Ma, 峰值为82Ma, 约占总颗粒数的44%; 另一个是97~111Ma, 峰值为103Ma, 约占总颗粒数的28%; 还有一个次要年龄峰166Ma, 只有4个颗粒(图3)。结合地质图, 我们认为82Ma和103Ma的年龄峰来自南帕米尔广泛分布的白垩纪岩浆岩, 而166Ma的年龄峰来自中帕米尔和南帕米尔边界断裂汝山-帕萨特缝合带(RPS)中的少量侏罗纪岩浆岩露头(Schwab et al., 2004)。

3.5 跨越北-中-南帕米尔3个构造带的基岩区的样品

2011T65和2011T60这2个样品, 虽然采样位置位于东帕米尔, 但是其汇水区跨越了北、 中、 南帕米尔3个构造带, 其中大部分属于北帕米尔构造带, 少部分属于中帕米尔构造带和南帕米尔构造带(Schwab et al., 2004), 因此我们决定把这2个样品单独进行分析。

2011T65的汇水流域非常大, 流域内出露面积最大的是奥陶纪的侵入岩和未细分的早古生代沉积岩和变质岩, 还有少量奥陶纪— 志留纪的沉积岩、 侏罗纪— 白垩纪的侵入岩以及侏罗纪的沉积岩。我们认为106Ma的主要年龄峰和81Ma的次要年龄峰应该来自流域内白垩纪的侵入岩。19Ma年龄峰的出现表明流域内存在新生代的岩浆岩露头, 比如规模较大的巴托罗岩基(Baltoro batholith)(Cao et al., 2014)。另外非常奇怪的是, 虽然流域内存在大量的奥陶纪侵入岩露头, 但是测年结果并没有出现非常强烈的奥陶纪的年龄峰, 只是出现了1个400~530Ma的非常微弱的年龄峰。

2011T60的采样位置位于2011T65的下游, 因此该样品的汇水区包含了2011T65全部的地层, 另外又增加了大面积的三叠纪、 白垩纪和新生代的侵入岩, 以及三叠纪的沉积岩和志留纪的沉积岩。我们认为106Ma的主要年龄峰和80Ma的次要年龄峰来自流域内大量出露的白垩纪侵入岩, 而25Ma的次要年龄峰则来自流域西北部的新生代侵入岩露头。与2011T65相同, 该样品也位于叶尔羌河干流, 但是在这2个样品之间, 叶尔羌河的1条支流塔什库尔干河汇入干流中, 使该样品的汇水区域大约增加了1倍, 几乎覆盖了中国境内的整个东帕米尔地区。但是从测年结果我们发现, 该样品的年龄峰与2011T65非常相似, 好像塔什库尔干河的汇入没有对测年结果造成明显的影响。其原因可能是新汇入的河流的汇水区内的地质体与原来河流流域内的地质体在锆石年龄组成上很相似, 造成年龄峰叠加前后没有显著变化。

我们收集到了帕米尔地区50个岩浆岩地质体的锆石U-Pb测年结果, 年龄跨度为10~471Ma。其线条图有2个主要年龄峰, 一个是10~12Ma, 峰值为11Ma, 约占总年龄数的12%; 另一个是208~245Ma, 峰值为227Ma, 约占总年龄数的49%。另外还有几个次要年龄峰, 58Ma、 85Ma、 105Ma和332Ma(图3底部)。

3.6 流经帕米尔、 南天山及其会聚带前陆盆地新生代地层的现代样

在前陆盆地新生代沉积区的河流中采集了5个现代河沙样(表1, 图4)。0522-JT-2的汇水流域包括帕米尔基岩区早石炭世的变质火山岩和变质沉积岩、 早二叠世的凝灰岩夹沉积岩、 晚三叠世的凝灰岩夹沉积岩以及古近纪和新近纪的沉积岩。我们认为288Ma的主要年龄峰来自晚石炭世和早二叠世的凝灰岩地层, 227Ma的次要年龄峰主要来自晚三叠世的凝灰岩地层, 也有少部分锆石来自古近纪和新近纪的沉积岩, 属于再旋回锆石。2011T73位于0522-JT-2的下游, 因此其流域包括了0522-JT-2的全部汇水区, 另外又增加了大面积的早石炭世的变质火山岩和变质沉积岩、 早二叠世的凝灰岩夹沉积岩、 白垩纪的沉积岩、 古近纪— 新近纪的沉积岩, 因此我们认为286Ma的主要年龄峰来自早石炭世的变质火山岩和早二叠世的凝灰岩。223Ma的次要年龄峰来自晚三叠世的凝灰岩和沉积岩, 也有可能部分来自白垩纪或者更年轻的沉积岩。63Ma的年龄峰应该是来自古近纪和新近纪的沉积岩。09BKR-2位于2011T73采样点的下游, 因此其汇水区包括了2011T73全部的汇水区, 另外又增加了面积更大的新近纪和第四纪沉积岩。我们认为290Ma的主要年龄峰来自早石炭世的变质火山岩和早二叠世的凝灰岩。240Ma的次要年龄峰部分来自晚三叠世的凝灰岩和沉积岩, 也有可能部分来自白垩纪或者更年轻的沉积岩。442Ma的次要年龄峰可能主要来自石炭纪和二叠纪的沉积岩, 以及之后更年轻的沉积岩。38Ma、 43Ma和65Ma些年龄应该是来自古近纪— 第四纪的沉积岩, 属于再旋回沉积。

图4 帕米尔、 南天山及其会聚带新生代前陆盆地地层的现代样碎屑锆石U-Pb年龄0~4, 000Ma标准概率密度曲线
n=114表示该样品碎屑锆石U-Pb年龄的个数, 0~600Ma概率密度曲线是局部放大; 年龄峰上标注的数字为该年龄峰的峰值(Ma); 最下方为帕米尔、 天山岩浆岩地质体年龄统计线条图, 每1条线代表1个岩浆岩地质体的年龄Fig. 4 The 0~4, 000Ma normalized probability density curves of detrital zircon U-Pb ages of modern river eposits draining from Pamir, South Tian Shan and the foreland basin of their convergence zone.

2011T2的汇水区主要由志留世和泥盆世的沉积岩组成, 只在南部出露了少部分的白垩纪— 新近纪沉积岩。我们认为198~215Ma和276Ma 2个主要年龄峰是来自白垩纪— 新近纪的沉积岩, 为再旋回锆石。433Ma的主要年龄峰来自流域内广泛存在的志留纪— 泥盆纪沉积岩, 一部分也有可能来自白垩纪— 新近纪沉积岩的再循环。该样品47Ma、 55Ma和104Ma的年龄峰应该是来自古近纪和白垩纪的沉积岩, 属于再旋回沉积。

10BK410的汇水流域非常大, 包括了帕米尔北部的部分古老的基岩区、 南天山南部的部分古老的基岩区以及二者前陆盆地中的中、 新生代地层的大部分地区, 包含了志留纪— 第四纪的地层, 囊括了前面分析的8个现代样(2011T2、 2011T13、 WLKQT-1、 0506-KS-1、 1071-4、 0522-JT-2、 2011T73和09BKR-2)的汇水区域。由前面的分析可知, 213Ma的主要年龄峰来自北帕米尔晚三叠世的凝灰岩地层。276Ma的主要年龄峰部分来自帕米尔晚石炭世和早二叠世的凝灰岩, 部分来自天山的侏罗纪沉积岩, 也有一部分来自更年轻地层的再循环。435Ma的主要年龄峰部分来自天山石炭纪— 志留纪— 泥盆纪沉积岩, 部分来自侏罗纪— 第四纪的年轻地层的再循环。37Ma的次要年龄峰, 来自前陆盆地古近纪— 新近纪的沉积岩。

4 讨论
4.1 南天山基岩区现代样与天山岩浆岩地质体年龄统计结果的比较

二者的2个主要年龄峰基本重合, 分别介于270~293Ma和428~449Ma之间; 2个次要年龄峰也基本重合, 分别介于307~314Ma和356~370Ma之间。不同之处有3点: 1)南天山基岩区的5个现代样中有3个出现了163~166Ma的年龄峰, 而岩浆岩地质体年龄统计结果则没有这个年龄峰, 因此推测163~166Ma的年龄峰主要来自南天山的侏罗纪沉积岩, 中-北天山可能存在侏罗纪的岩浆岩, 但是现在被剥蚀殆尽了(Yang et al., 2013)。2)现代样中均出现了1个次要年龄峰242~250Ma, 而岩浆岩地质体年龄统计结果没有这个年龄峰, 这说明天山可能存在242~250Ma的岩浆岩地质体, 只是尚未被发现。3)天山岩浆岩地质体年龄统计结果显示, 293Ma的年龄峰为中-南天山的特征年龄, 435Ma的年龄峰为北天山的年龄峰。但是现代样结果显示, 南天山同时具有这2个年龄峰。因为所统计的是岩浆岩地质体的年龄, 而现代样则包括了流域内所有地质体的锆石年龄, 有些年龄可能是经过再循环的。天山在在晚古生代— 中生代以伸展和沉降为主(Molnar et al., 1975; Windley et al., 1990; Xiao et al., 2004), 我们认为435Ma年龄峰的物源可能是北天山的岩浆岩地质体, 被风化剥蚀, 经过搬运, 沉积在中-南天山, 因此中-南天山早古生代之后的沉积岩地层中就具有了这个年龄峰。因此, 就现代样来说, 南天山既有270~289Ma的年龄峰, 又有428~449Ma的年龄峰。我们可以看到现代样的年龄峰比岩浆岩地质体年龄统计的年龄峰丰富, 并且能够显示更多细节, 充分展示了现代样在获得基岩区年龄方面的优势。

4.2 帕米尔基岩区现代样与帕米尔岩浆岩地质体年龄统计结果的比较

二者都有211~227Ma的主要年龄峰, 都呈单峰状, 且年龄数很多, 是众多年龄峰中最强的1个, 是北帕米尔的特征年龄峰。其次, 二者都有80~85Ma和101~106Ma这个次要年龄峰, 它们代表南帕米尔广大地区的年龄。不同之处有4点: 1)岩浆岩地质体年龄统计结果显示中帕米尔存在1个非常年轻的年龄峰, 为11Ma, 且年龄数量较多, 该地质体位于塔什库尔干县附近(柯珊等, 2008); 现代样2011T60的流域虽然包括了该区域, 但是测年结果并没有出现这个年龄峰。2)流域跨越北-中-南帕米尔的现代样2011T65和2011T60存在19~25Ma的年龄峰, 表明该区很有可能存在这一时代的岩浆岩地质体, 但是岩浆岩地质体年龄统计结果没有这样的年龄。3)中帕米尔的现代样存在39Ma的年龄峰, 且年龄数量众多, 非常集中, 是个非常强势的年龄峰, 是中帕米尔的特征年龄峰。但是收集到的岩浆岩地质体年龄中没有该年龄峰。4)北帕米尔的现代样0531-JT-4出现了很强的年龄峰247Ma, 2011T55出现了较弱的年龄峰248Ma, 而帕米尔岩浆岩地质体年龄统计则没有出现这个年龄峰。对于现代样中存在而岩浆岩地质体年龄统计中不存在的年龄峰, 可能是由于岩浆岩露头区域地形陡峭, 很难接近采样, 或者是露头区域较小, 尚未被发现。对于岩浆岩地质体年龄统计中存在, 而现代样中不存在的年龄峰, 则可能是汇水流域很大时, 支流水系的稀释作用造成的(Zhang et al., 2013)。该对比再次表明了基岩区现代样在了解基岩区年龄方面的优势, 同时也表明其存在某些不足。

4.3 会聚带前陆盆地新生代地层的现代样与岩浆岩地质体年龄统计的比较

将帕米尔基岩区的所有现代样年龄合并起来, 用1条概率密度曲线表示, 南天山基岩区的现代样年龄也做同样的处理(图4底部), 与岩浆岩地质体年龄统计的线条图进行对比, 以此来分析前陆盆地沉积地层中年龄峰的物源。0522-JT-2和2011T73两个样品的主要年龄峰286~288Ma虽然与天山的主要年龄峰290Ma可对应, 但是从前面的分析可知该年龄峰可能来自于帕米尔东北缘的早二叠世凝灰岩地层, 而不是来自于南天山。这2个样品中几乎没有南天山的另一个特征年龄峰444Ma, 这也说明这2个样品中没有来自南天山的锆石。其次, 2011T2和10BK410中的主要年龄峰275~276Ma和433~435Ma的峰值高度差别不大, 从其流域范围来看, 这2个年龄峰主要来自南天山, 其中前者可能少部分来自帕米尔。第3, 213~227Ma的主要年龄峰的最终物源是北帕米尔。第4, 对于次要年龄峰240~252Ma, 我们发现帕米尔和天山都有这个年龄峰, 因此单从锆石年龄方面很难判断其物源。第5, 2011T2中出现了1个198Ma的年龄峰, 无论是南天山还是帕米尔都没有年龄峰与其对应。第6, < 160Ma的那些次要年龄峰毫无疑问是来自中-南帕米尔的。上述结果表明, 通过与不同物源区现代样、 岩浆岩地质体年龄统计结果的比较, 能够揭示沉积地层中不同年龄峰的物源, 为下一步用碎屑锆石U-Pb年龄来示踪帕米尔、 南天山在新生代的会聚过程打下了基础。

5 结论

本文对帕米尔、 南天山及其会聚带主干河流采集了现代河沙样, 并进行了碎屑锆石U-Pb测年, 结合前人的碎屑锆石U-Pb测年工作, 揭示了帕米尔、 南天山及其会聚带不同构造单元的锆石U-Pb年龄分布特征。结果显示, 南天山构造带的主要锆石U-Pb年龄峰为270~289Ma和428~449Ma, 次要年龄峰为242~250Ma和812~815Ma; 北帕米尔构造带的主要年龄峰为205~224Ma和 448~477Ma; 中帕米尔构造带的主要年龄峰为36~40Ma, 次要年龄峰为19~25Ma 和67Ma; 南帕米尔构造带的主要年龄峰为80~82Ma 和102~106Ma。上述年龄峰可以作为识别不同构造单元的特征年龄峰。结合样品的汇水流域和区域地质图, 分析了这些年龄峰的可能物源地质体, 并推测了一些新的岩浆岩地质体的存在。

致谢 美国加利福尼亚州大学Santa Barbara分校的Jessica Thompson参加了野外部分样品的采集; 感谢Aaron Bufe在锆石U-Pb测年过程中的帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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