长达2500km的天山造山带横亘于中亚大陆的塔里木板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块之间,经历了复杂的地质构造演化过程。 位于轴部的纳伦-那拉提-红柳河构造混杂岩带是两大板块的碰撞缝合带,虽然古天山形成于晚古生代的华力西运动,但现今的天山则是新生代以来的陆-陆碰撞再造山作用形成的。 沿断面天山段的地质、地球物理的综合探测和研究表明,其基本的地质构造单元的组成、深部结构和构造特征反映了这种地质构造演化的动力学过程。 主要特征如下:
一、天山南北两侧构造的对称性
(一)次级地质构造单元发育年代的对称性
天山轴部是纳伦-那拉提-红柳河构造碰撞缝合带,即南北两大板块的结合部,宽达十至数十千米,由一系列构造碰撞造山运动成因的花岗岩类、构造侵位的基性超基性岩类、动力变质岩类等组成。 出露的最老岩石是元古界的片麻岩或糜棱岩化片麻岩。 其北侧依次发育有早古生代、晚古生代和中新生代的次级构造单元,分别是:博罗霍洛早古生代岛弧、依连哈比尔尕晚古生代裂陷槽和准噶尔中新生代拗陷。 所出露的最老岩石亦由老至新。 它们都归属哈萨克-准噶尔板块。 构造碰撞缝合带的南侧同样也依次发育早古生代、晚古生代和中新生代构造单元,分别是:南天山早古生代边缘海盆、南天山晚古生代裂陷槽和塔里木中新生代拗陷。 其构造发育年代亦由老至新。 它们归属于塔里木板块。 从剖面上看,这些次级构造单元的发育年代分布有着明显的对称性。
(二)活动构造发育上的对称性
北天山的乌鲁木齐凹陷归属准噶尔中新生代拗陷,在北天山山前发育着四排新生代活动逆断层-背斜带,即:南部山麓逆断层-背斜带,霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁逆断层-背斜带,独山子-安集海逆断层-背斜带和西湖-呼图壁逆断层-背斜带。 这些逆断层-背斜带至今仍在活动,并伴随有大地震的发生。 同时,在天山南侧的库车山前凹陷,同样发育有四排活动逆断层-背斜带,它们均属于塔里木中新生代拗陷,分别是北部山麓逆断层-背斜带,喀桑托开逆断层-背斜带,秋里塔格逆断层-背斜带和亚肯逆断层-背斜带。 显然,从天山南北两侧的活动构造发育看,亦具有对称特征。
(三)地球物理场的对称性
从布格重力异常特征上看,整个天山区呈现出相对宽缓的负异常分布,在此背景上,天山轴部相当于构造缝合带的部位,则显示出相对高的正异常。 从南北向剖面看,总体异常形态呈一“W”形,即显示出对称形态。 从航磁异常分布图上看,沿天山轴部的板块缝合带部位是一条异常梯度变化强烈的正异常带,地质上体现的是一条基性、超基性深部侵入岩,花岗岩,结晶基底,构造岩等组成的混杂岩带。 而其两侧的天山则显示出相对宽缓的磁异常变化分布,呈现出明显的对称分布特征,这与两侧地质构造单元条带对称相一致。
(四)岩石圈地壳结构、构造上的复杂性和对称性
以浅层地震探测、人工地震宽角反射/折射探测、天然地震转换波探测、大地电磁测深以及深地震反射结果的综合对比研究,得出的横跨天山的地壳结构剖面显示,天山的地壳结构是极其复杂的,尤其是轴部,这表明陆-陆碰撞作用引起的地壳结构的复杂性。但从整体上看,天山南北两侧仍然有着相对好的对称现象。 例如:岩石圈厚度呈现两侧薄,120～140 km,中间厚达170 km左右,只是最厚的部位并不准确位于中天山,而是偏于北天山;上地幔顶部的65 ～75 km的深度存在低速高导层,厚数千米,长度几乎涵盖整个天山;莫霍面的深度变化呈现为“W”,在天山南北两侧的塔里木盆地和准噶尔盆地的莫霍面深度分别都是45km,分别向天山中部加厚为55km,但在天山中部且有变薄为50 km左右;布格重力异常亦相类似,显示出一“W”形的对称变化图像;但如若将天山部位的上地幔顶部的低速高导层的下界面与两侧的莫霍面连接组成的曲线,与岩石圈低界面的曲线形态相当。 显示出陆陆碰撞,在碰撞部位的地壳和岩石圈增厚,两侧薄的形态。 地壳结构上看,尽管横向上的不连续分层和深断裂的切割,使得整个天山的深部构造结构图像显得支离破碎,但仍可区别出相对称来,如壳幔过渡带为两侧低速体中间夹一高速体。 纳伦-那拉提构造缝合带两侧分别存在一大型的深断裂,分别对应两侧晚古生代裂陷槽的部位。 同时,在构造缝合带南北两侧的中地壳和下地壳中均存在低速体的对称分布轮廓。 浅部探测表明,在天山南北两侧的塔里木拗陷和准噶尔拗陷内,中新生代的建造沉积厚度可达十余千米,同样显示出对称特征来。
二、天山南北两侧构造的差异性
(一)地质构造环境上的差异
虽然天山轴部的构造缝合带南北两侧的次级构造单元在发育年代上是对称的,但在构造发育环境上却是不一致的。 如:北侧是早古生代的岛弧环境,而南侧则是早古生代的边缘海盆环境(见第1章)。
(二)构造运动量上的差异
天山南北两侧的山前凹陷的地壳缩短量存在着明显的差异,北侧的乌鲁木齐凹陷第四纪以来的地壳缩短量为13.5～14.6km,而南侧库车凹陷的地壳缩短量为23.1～42km。 南侧的地壳缩短量差不多是北侧的两倍或更多,其构造运动量明显高于北侧。
(三)现代地震活动上的差异
南侧的库车凹陷平均每隔十年左右就发生一次6级地震。 自1900年以来,已发生7次6级以上地震,且震中多数集中在第三排秋里塔格逆断层-背斜带上。 而北侧的乌鲁木齐凹陷则只有3个6级以上地震发生,震中则集中在山前第一排逆断层-背斜带上。5级以上地震频度显示南侧大于北侧,差异是明显的。 活动强度不一样,具体的活动部位亦不一样(见第2章)。
(四)中新生代构造上的差异
天山南北两侧中新生代都形成巨大的拗陷构造盆地,并沉积了厚达十余千米的中新生界。 但从各种地质和地球物理探测综合得到的中新生代构造样式上看,存在着明显的差异。北侧显示为逆冲与拗陷共同作用引起巨厚的中新生代沉积,其形态在剖面上呈向北倒转的向斜。 南侧显示为断阶状逆冲作用,断阶上盘的连续逆冲抬升作用引起巨厚的中新生代沉积。 其形态在剖面上呈现大型的系列断层阶梯。
三、天山的形成和演化及构造动力学意义探讨
对于哈萨克斯坦-准噶尔板块与塔里木板块相对碰撞的纳伦-那拉提-红柳河缝合带来说,当北侧发育博罗霍洛早古生代岛弧,南侧发育南天山早古生代边缘海盆时,意味着两大板块业已开始碰撞。 塔里木板块沿着哈尔克洋槽由南向北俯冲消减,并在那拉提一带产生高温变质带以及加里东期晚期和华力西期早期的花岗岩带。 同时在塔里木板块一侧的晚志留世的基性火山岩中产生高压低温的变质作用形成蓝闪石片岩带。 哈尔克洋槽于志留纪末—早泥盆纪初闭合,局部褶皱隆起。 但仍还有较强烈的构造活动和中基性火山活动。 石炭纪时,由于碰撞作用使北侧的哈萨克斯坦-准噶尔板块南缘产生地壳尺度的变形。靠近缝合带的伊犁地块因隆升而裂陷,其北侧由于碰撞挤压拗陷形成北天山海槽(伊连哈比尔尕裂陷槽),并沿海槽轴部产生深断裂,发育相对完整的蛇绿岩。 位于缝合带南侧的塔里木板块北缘也由于近缝合带的碰撞翘起,南侧的地壳板块因挤压拗陷形成南天山洋(南天山晚古生代裂陷槽),并沿洋槽轴部产生深断裂(哈尔克断裂带),使一系列基性、超基性岩侵入。二叠纪时,强烈的碰撞作用转为大范围的造山隆升,形成天山造山带的基本格局。 经历了早古生代的加里东运动和晚古生代的华力西运动,使缝合带两侧的所有结晶基底以上的地层都经历不同程度的绿片岩相变质作用和强烈的构造变形,从而形成相对统一的褶皱基底。
中生代时,天山地区处于相对稳定的构造时期,没有强烈的构造运动影响,至今未发现燕山期的花岗岩。 整个天山处于剥蚀状态。
天山地区新构造运动由弱至强分为3个阶段
渐新世末—中新世:天山地区构造运动开始增强,首先表现在沉积速率的加大和沉积物颗粒变粗,同时,盆地的沉降中心向山前迁移。 天山也开始较为缓慢的隆升,形成了现今天山的第一级梯级面,断裂活动是在燕山运动所形成的构造基础上的继承性运动,在靠近山前,还没有形成山前推覆运动,山前坳陷中的中新生界基本没有发生变形。
上新世—早更新世:上新世天山急剧隆起,其抬升速率是上一阶段的4倍左右(沈军,1998),形成了天山的第二梯级面,剥蚀作用大大加强。而沉积中心强烈收缩至山前狭长的强坳陷带中,且沉积速率也急剧加大。此时,天山开始向两侧山前推覆,表现出新生特点,并使山前坳陷中的中新生界发生轻度变形,下更新统与上新统之间出现局部不整合。上新世末期,天山的现今地貌特征已基本形成。
早更新世末以来:此时,天山不仅以整体隆升为特征,而且还有向山前扩展,并形成山前坳陷中主要的逆断裂-褶皱带,山前的沉降中心也随着逆冲推覆构造向盆地方向的发展而作同向迁移。
天山地区的推覆构造开始形成的时间、变形强度和构造样式的复杂程度都具有西、南部早、强、复杂,东、北部相对晚、弱、简单的特点。 裂变径迹结果表明,西昆仑帕米尔的地壳缩短和抬升始于25～20Ma(Edward et al.,1997),此时,南天山也开始抬升,但天山的地壳缩短和强烈抬升主要始于10～15Ma。 从沉积特征来看,北天山的强烈抬升主要从上新世—早更新世初(5～3Ma)开始,准噶尔盆地中部的隆起从早更新世末—中更新世初(1±0.2Ma)开始。以上反映了整个构造作用由南向北发展,强度向北减弱,横向上也有西强东弱的特点。
天山造山带南北两侧次级地质构造单元的构造演化时代上,地球物理场以及大尺度的地壳结构上,存在着一些对称特征,可能反映的是新生代以来天山陆-陆碰撞再造山作用的整体构造环境背景。 碰撞造山作用使相当于天山轴部的碰撞缝合带因挤压而隆升,同时造成剥蚀,使缝合带两侧的同时代的构造带对称出露。 同时也由于陆-陆碰撞推挤,同时使中地壳和下地壳产生构造剪切增厚作用,形成低速高导体,并使整个天山的地壳厚度增加,一方面上隆形成雄伟的天山山脉,另一方面地壳增厚使得莫霍面也快速下沉。 破坏了原有的壳-幔之间的物理化学平衡,以至于产生下地壳的拆沉作用,当新的壳幔地质过程达到平衡时,迅速下沉的下地壳则残留下来并在上地幔顶部形成与天山陆陆碰撞带范围相当的低速高导层,其P波速度与下地壳相当,其下界面的起伏变化则仍保留与岩石圈低界面相一致。
天山造山带南北两侧的一些构造差异性的存在,起因可能是复杂的。部分反映的是古板块碰撞造成的构造环境的不同。 而多数则起因于新生代以来再造山作用的主动力源,即从南部印度板块的主动向北推挤将是起主导作用的。导致天山南北两侧在活动构造的活动性、运动量以及浅部中新生代构造样式上的差异。