基于弹性板模型的塔里木盆地北部新生代沉降模拟:对南天山隆升的启示

Modeling of the Cenozoic subsidence of northern Tarim Basin using elastic plate numerical model: Implications for uplift of South Tian Shan

摘要

在印度-欧亚板块碰撞远程效应影响下,天山造山带在新生代活化隆升,与其南缘相邻的塔里木盆地北部发生挠曲沉降并沉积了巨厚的新生代地层,该巨厚新生代地层和造山沉积地层为本文进一步探究南天山隆升过程提供了关键的沉积记录。本文采用有限弹性板数值模拟的方法,对盆地新生代不同时期基底沉降剖面分别进行建模研究。结果表明:盆地沉降受沉积负载和构造负载共同控制,66~>5.3 Ma期间沉积负载对盆地沉降的贡献量小于或等于构造负载的贡献量;约5.3 Ma至今沉积负载对盆地沉降的贡献量远大于构造负载。南天山构造负载变化速率表现为66~>26.3 Ma缓慢增长;26.3~>5.3 Ma南天山稳定增长;约5.3 Ma至今南天山造山带构造负载高度快速增长。基于对盆地沉降过程的分析,限制南天山新生代初始隆升时间为古近纪,其相对海拔高度从400 m增长到2 500 m;虽然在约5.3 Ma至今南天山相对海拔高度保持稳定,但构造负载高度仍在增加,这可能是盆地俯冲作用的加剧在一定程度上抑制了造山带平均海拔高度的增长,进而导致南天山的侵蚀和隆升达到相对平衡。

关键词

南天山 / 塔里木盆地北部 / 有限弹性板模拟 / 沉降过程 / 初始隆升

Key words

southern Tian Shan / northern Tarim Basin / finite elastic plate simulation / settlement process / initial uplift

0 引言

新生代印度板块与欧亚板块的碰撞导致青藏高原强烈隆升,并促使欧亚大陆内部的陆内造山带重新复活^[1⇓-3]。受板块碰撞远程效应的影响,远离板块碰撞边界1 000~2 000 km的天山造山带在新生代活化隆升,形成中亚地区最为显著的构造地貌单元^[4-5](图1^[6])。天山造山带成为揭示远程碰撞效应影响下陆内造山过程与机制的天然实验场^[7]。

数十年来,国内外学者对新生代天山的隆升历史开展了大量的研究工作,然而关于其新生代活化隆升的时间一直存在争论。早期基于盆地地层学和挠曲沉降的研究认为天山新生代隆升始于始新世^[6,8];基于低温热年代学分析的研究普遍认为天山新生代隆升始于渐新世晚期—中新世早期^[9⇓⇓-12];褶皱冲断带变形及生长地层定年的研究则表明天山变形始于中新世—上新世^[13⇓-15]。这些方法所获得的天山初始隆升结果或是碎屑岩快速剥蚀造成的,或是天山不同隆升阶段的反映,不能准确定量获得天山的隆升历史。

塔里木盆地北部的沉降过程与南天山造山带的隆升-剥蚀是相互耦合的^{[6,14,16⇓⇓⇓⇓-21]},针对塔里木盆地北部沉降机制的研究,主要基于南天山造山带新生代隆升剥蚀过程中在前陆地区沉积的碎屑沉积地层,盆地新生代构造变形也与南天山的构造活动密切相关。早期的研究主要关注构造负载对盆地沉积-沉降过程的影响,如通过前陆盆地内褶皱冲断带的地壳缩短变形、沉积发育特征及沉积相展布特征的研究表明:塔里木盆地北部自晚白垩世以来盆地挠曲沉降受南天山造山带逆冲推覆作用的影响^{[13,22⇓-24]};天山和塔里木盆地深部地壳变形的研究显示塔里木岩石圈向南天山俯冲^[20]。随着研究深入,越来越多的学者开始关注沉积负载对盆地沉降过程的影响,如Li等^[6]基于塔里木盆地沉降史研究结果揭示,约26 Ma以来披覆沉积厚度占新生代地层约30%。Yang和Liu^[16]利用有限元模型模拟塔里木盆地基底形态变化,得出塔里木盆地新生代基底变形很大程度上(约70%)是沉积负载作用引起的挠曲沉降。综上所述,盆地内的沉积负载和南天山造山带的构造负载都对塔里木盆地北部新生代沉降过程产生了重要影响,二者的相对重要性需要进一步定量分析。

本文的研究主要基于二维有限弹性板模型,在通过塔里木盆地北部高精度二维地震反射剖面解译获得的新生代地层沉积厚度分布的基础上,进一步定量模拟了塔北前陆盆地的新生代沉降过程。该模拟揭示的新生代南天山构造负载的高度变化和造山带相对于塔里木沉积基准面的相对平均海拔高度变化,为恢复南天山新生代隆升过程提供了定量依据。

1 地质背景

塔里木盆地位于中国西北部,被天山、帕米尔、昆仑山和阿尔金山环绕,是发育在前震旦系结晶基底上典型的叠合盆地^[14]。塔里木盆地以巴楚-塔中隆起为界,分为南北两部分,其中盆地北部构造单元为库车坳陷、塔北隆起、北部坳陷、塔中隆起和巴楚隆起^[25]。

塔里木盆地在新生代前经历了漫长的多期构造变革和多个原型盆地叠合、改造的地质演化史^[26]。新生代,塔里木盆地岩石圈作为印亚碰撞体系中相对较坚硬的部分,起到了次级压头的作用,向天山传递碰撞应力,使古生代的天山造山带复活,发生陆内造山作用^{[1,4,14,26-27]}。伴随该陆内造山作用,塔里木盆地北部在中生代周缘前陆盆地基础上发育新生代再生前陆盆地^[28]。塔里木盆地周边构造作用及演化对盆内构造、沉降和沉积演化历史产生了深远的影响。

天山新生代快速活化隆升过程导致前陆盆地发生大规模挠曲沉降,盆地内新生代沉积厚度最大接近约10 km^[18]。上新世末,与天山造山带相邻的库车坳陷已接收的沉积物地层厚度>5 000 m。塔里木盆地北部的新生代沉积层序由老到新依次为库姆格列姆组、苏维依组、吉迪克组、康村组、库车组和西域组^[17](图2^[6,14,29])。库车坳陷的新生代地层主要为陆相沉积,古近纪地层包括库姆格列姆组和苏维依组,前者主要包括含膏盐层的紫色或绿色泥岩和砂泥岩,而后者主要由含砾石和膏盐层的红色砂岩和泥岩构成^[14]。新近纪地层中,吉迪克组主要是含膏盐层的灰绿色或浅绿色的泥岩和砂泥岩;康村组由灰色或褐色泥岩、砂泥岩和砂岩组成;库车组包括黄色,灰褐色和灰色的巨厚层砂岩、泥岩和泥砂岩^[30]。西域组主要包括具有水平和交错层理的弱分选碎屑支撑的巨厚砾岩,这些砾岩由巨砾、块状碎屑和粗砂基质组成^[31]。

前人对塔里木盆地北部新生代地层开展了较多的磁性地层定年^[32],Li等^[6,14]根据Huang等^[17]和Zhang等^[13]的研究结果,限定了库车前陆盆地新生代地层年龄,本文引用了该新生代地层的绝对年龄数据,将新生代主要地层的年龄做如下限定:库姆格列姆组为66~>38 Ma,苏维依组为38~>26.3 Ma,吉迪克组为26.3~>13.4 Ma,康村组为13.4~>5.3 Ma,库车组为5.3~>1.7 Ma,西域组为1.7~0 Ma。

为了揭示塔里木盆地北部新生代沉降过程,本文选取横贯南天山山前及塔里木盆地北部长约300 km的二维地震反射剖面AA'开展沉积模拟研究(图1,3)。沿剖面AA'自下而上可以观察到塔里木盆地北部前新生代的多期构造不整合,新生代地层整体发育完整,地层沉积厚度呈现由山前前渊向塔里木盆地方向减薄的趋势。

2 实验方法与模型设计

2.1 有限弹性板理论

在前陆盆地挠曲沉积模拟研究中,弹性板模型是一种简化岩石圈在长时间尺度下受到载荷应力作用产生挠曲变形过程的方法,它旨在将沉积充填的基底几何形态与所受负载建立定量关系,以确定盆地沉降机制^[33-34]。该方法已被大量应用于前陆盆地的挠曲沉降数值模拟研究中,如北美弧后前陆盆地^[33-34]、玻利维亚安第斯山脉^[35]和塔里木盆地^[6]等。

为了研究新生代各时期南天山对塔里木盆地北部沉降过程所造成的影响,本实验选用二维有限弹性板模型,模拟不同时期构造负载与盆地基底形态相匹配程度。对于一端受载荷作用的弹性有限板,岩石圈的挠度如下^[36]:

(1) \omega \left( x \right) = \frac{{\rho }_{\mathrm{c}}HWg{\alpha }^3}{8D} {\mathrm{e}}^{-\frac{x}{\alpha }} \left(\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\frac{x}{\alpha }+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{x}{\alpha }\right)

式中:ω(x)为x处的挠度(相对于载荷中心的水平距离);ρ_c为地壳的密度;H和W分别为载荷的高度和宽度;g为重力加速度;α为弯曲参数,具体表现为

(2) \alpha = {\left[\frac{4D}{({\rho }_{\mathrm{m}}-{\rho }_{\mathrm{s}})g}\right]}^{\frac{1}{4}}

式中:ρ_m为软流圈密度;ρ_s为盆地沉积物填充密度;D为板块弯曲刚度,表示为

(3) D = E \frac{T_{\mathrm{e}}^3}{12(1-{\upsilon }^2)}

式中:T_e是观察到的最适合岩石圈挠曲的均质弹性板厚度,即岩石圈有效弹性厚度^[37]。在模型中,造山带产生的构造载荷引起盆地基底形态改变,进而导致盆地挠曲接收大量的沉积物,这些沉积物产生的沉积负载也会加剧盆地基底形态的变化(图4)。

2.2 实验模型设计

本文模拟剖面为一条从南天山山前向盆地方向延伸长约300 km的剖面AA',依据反射地震剖面数据构建(图3)。该剖面的地层解释根据邻近的哈得2井、满西1井和塔中20井的钻井地层分层数据和合成地震记录,并结合地震反射特征进行构造解释,将解释完成的时间剖面依据钻井分层速度数据转换为深度剖面。本文分别对AA'剖面中新生代E、N₁j、N₁k、N₂k+Q进行回剥处理,并通过2D Move软件进行平衡剖面恢复和去压实作用(孔隙度值依据文献[38],表1),分别获得约66、23、13和6 Ma等时期的盆地基底形态(图5)。

模型的主要参数为杨氏模量E (5×10¹⁰ Pa)、泊松比υ(0.25)、地壳密度ρ_c (2 700 kg/m³)、地幔密度ρ_m (3 300 kg/m³)和重力加速度g (9.81 m/s²)^[39]。盆地宽度依据从塔里木地块莫霍面的北界向南到塔中隆起的距离,设置为300 km。由于新生代盆地变形量约20 km^[24],该变形量相对于盆地宽度300 km可忽略,因此在新生代各时期的模拟中均保持盆地宽度300 km不变。有效弹性厚度(T_e)依据现今构造形态,通过测试不同T_e值,对比模拟盆地形态和实际盆地形态,优选获得,该优选使用Python软件运行“Matplotlib”模块和“Gflex”脚本^[40]实现。新生代各时期沉积负载的形态依据地质剖面中观测到的地层厚度和分布设置。构造负载的宽度依据从塔里木莫霍面北界到南天山北界的距离确定,设置为约100 km。构造负载的高度依据模拟盆地基底形态与实际恢复的盆地基底形态对比通过模拟优选获得(图6)。

3 实验结果

3.1 确定盆地有效弹性厚度(T_e)值

本文建模的首要任务就是根据现今塔里木盆地北部新生代基底形态确定模型有效弹性厚度T_e的最佳值。根据剖面现今新生代基底形态,本文选择在剖面上以50 km为一个区间计算该区间的平均沉积负载,将此平均沉积负载分别代入程序,同时将现今南天山整体视为一个宽度为100 km、平均海拔高度为2.5 km(图6造山带平均海拔高度是在Google earth采集的地形线通过等面积法近似得出,只代表剖面所处位置的平均海拔高度)、深度为5.5 km(参考图5a盆地新生代基底厚度)的构造负载代入程序中,即可产生模拟结果(图7)。

前人在塔里木盆地北部的研究表明,该研究区大陆岩石圈T_e值为(53±20) km^[41]。使用试错法将T_e的初始值按照10 km的间隔,分别设定为33、43、53、63和73 km(图7a),得到模拟后的结果与实际基底形态相比较,发现当T_e值为33 km时,皮尔森相关系数r值趋近于1,表明模拟结果与实际基底形态拟合较好,但仍然不是最佳T_e值,需要做加密处理。

选择T_e值在30~40 km区间内每隔2 km做一次模拟,得到图7b的模拟结果与实际基底形态拟合结果,当T_e值为34 km时,皮尔森相关系数r值近似为1,因此实验结果表明塔里木盆地北部的有限弹性板建模选用的最佳T_e值是34 km。

本文根据现今塔里木盆地北部新生代基底形态确定模型最佳有效弹性厚度T_e值为34 km,处于该研究区大陆岩石圈T_e值(53±20) km的范围内^[41]。虽然与通过岩石圈热流变结构估计的T_e值(66±7) km^[42]和平均重力估计的45 km^[43]以及挠曲沉降模拟计算的53 km^[6]相比,本文确定的最佳T_e值偏小,但考虑到以下因素的影响:(1)岩石圈的有效弹性厚度在横向上分布不均匀^[44],(2)构造负载引起的挠曲应力会让岩石圈有效弹性厚度值减小^[45],(3)大于5 km的上覆沉积地层也会降低岩石圈有效弹性厚度值^[46],本文设置模型中选用的最佳有效弹性厚度值是合适的。

3.2 沉积负载和构造负载对基底形态的影响

在最佳有效弹性厚度值T_e=34 km的二维有限弹性板上,对各地质历史时期的基底形态(图5)进行建模,设置间隔区间为50 km,读取每个区间的平均沉积厚度,计算得到该时期各区间平均沉积负载数据。将计算得到的沉积负载加载于宽300 km的弹性板上,输出的模拟结果与该时期基底形态进行拟合,若拟合一致则该时期不受构造负载(南天山造山带)的影响,若拟合存在差异,则通过试错法改变另一变量有限弹性板右侧(前陆盆地前渊带)的构造负载大小,直到改变后的模拟结果与该时期基底形态相符合为止。盆地沉降总量(图8中总沉降量D)是由沉积负载和构造负载共同引起,由此可知,模拟结果是计算各时期沉积负载(图8中仅沉积负载导致的沉降量D₁)和构造负载的大小分别贡献了该时期沉降总量的多少(所占比例)。

(4)沉积负载贡献量= \frac{D_1}{D}×100%

(5)构造负载贡献量= \left(1-\frac{D_1}{D}\right)×100%

3.2.1 古新世—渐新世盆地基底形态变化

对库姆格列姆组-苏维依组沉积后的基底形态与模拟结果进行拟合(图8a),拟合结果显示该时期若只加沉积负载,则弹性板右侧与库姆格列姆组-苏维依组沉积后基底形态前端深度相差约100 m,此时在弹性板上只加沉积负载不足以将其一端压至实际位置。在此实验基础上,弹性板右侧需要加载构造负载,将模拟结果与库姆格列姆组-苏维依组沉积后基底形态进行拟合对比,得到的最佳结果是,对前渊带施加0.02×10⁹ Pa的构造负载(图8b),此时可以观察到弹性板与基底形态几乎完全吻合。本次实验可以观察到在基底形态变化过程中,沉积负载贡献了该时期沉降总量的约50%,构造负载贡献了该时期沉降总量的约50%。

3.2.2 渐新世—中新世盆地基底形态变化

在吉迪克组沉积时期,将吉迪克组沉积后的基底形态与模拟结果进行拟合(图8c),拟合结果同样显示该时期若只加沉积负载,则弹性板右侧与吉迪克组基底形态前端深度相差约600 m,这表明仍需要在弹性板右侧加载构造负载。在弹性板右侧施加0.075×10⁹ Pa的构造负载(图8d),此时可以观察到弹性板与基底形态趋势相同但不是完全吻合,观察发现沉积负载贡献了该时期沉降总量的约35%,构造负载贡献了该时期沉降总量的约65%。

3.2.3 新近纪—第四纪盆地基底形态变化

将库车组-西域组沉积后的基底形态与模拟结果进行拟合(图8g),拟合结果显示该时期若只加沉积负载,则弹性板前端与现今基底形态前端深度相差约1.3 km,仍需要施加构造负载。根据本文实验模型设计(图5)的南天山现今构造负载(详见3.1)为0.22×10⁹ Pa,宽100 km(图6),此时可以观察到弹性板与基底形态拟合存在一定差异(图8h),沉积负载贡献了该时期沉降总量的约68%,构造负载贡献了该时期沉降总量的约32%。

3.3 构造负载的变化

根据塔里木盆地北部的地震剖面,本文使用有限弹性板模型模拟重建了塔里木盆地北部挠曲沉降历史。发现自古近纪以来,南天山造山带的构造负载就已经对盆地沉降产生了影响,构造负载从古近纪的0.02×10⁹ Pa逐渐增长到现今的0.22×10⁹ Pa(图9),且造山带构造负载变化速率逐渐加快。将各个时期的构造负载值除以对应的时间段,计算构造负载变化速率发现:66~>26.3 Ma南天山构造负载变化速率为0.5×10⁶ Pa/Ma,南天山造山带正在缓慢隆升;26.3~>13.4 Ma南天山构造负载变化速率为4.2×10⁶ Pa/Ma;13.4~>5.3 Ma南天山构造负载变化速率为6.9×10⁶ Pa/Ma;约5.3 Ma至今南天山构造负载变化速率为17×10⁶ Pa/Ma。

3.4 造山带构造负载高度和相对海拔高度的变化

在保持实验初始条件南天山宽度不变的情况下,本文利用压强计算公式 (p=ρgh) 将不同演化阶段构造负载由压强转化为对应的构造负载高度(图10)。结果显示:66~>26.3 Ma,南天山造山带复活并开始逐渐隆升,其造山带构造负载高度变化速率为(20±1) m/Ma;26.3~>13.4 Ma,南天山造山带稳定增长,其构造负载高度变化速率为(160±3) m/Ma;13.4~>5.3 Ma,造山带构造负载高度变化速率为(250±5) m/Ma;约5.3 Ma至今,造山带构造负载高度仍在快速增加,其构造负载高度变化速率为(660±13) m/Ma。

造山带各历史时期相对海拔高度变化(图10)显示:66~>26.3 Ma,南天山造山带相对海拔高度为(400±10) m,相对海拔高度变化速率为(10±1) m/Ma;26.3~>13.4 Ma,南天山造山带相对海拔高度为(1 700±30) m,相对海拔高度变化速率为(100±2) m/Ma;13.4~>5.3 Ma,南天山造山带相对海拔高度为(2 500±50) m,相对海拔高度变化速率为(100±2) m/Ma;约5.3 Ma至今,造山带相对海拔高度仍维持在(2 500±50) m(仅代表该剖面所处位置的海拔高度)。

4 讨论

基于从南天山山前向塔里木盆地方向延伸的地震剖面,利用弹性板模型构建了塔里木盆地北部新生代挠曲沉降过程和天山造山带的隆升过程。分析实验结果,讨论构造载荷和沉积负载对塔里木盆地北部新生代沉降演化的影响及对南天山造山带初始隆升和隆升过程的启示。

4.1 沉积负载和构造负载对塔里木盆地北部新生代沉降过程的影响

塔里木盆地北部的沉降是多种因素共同作用的结果,其中沉积负载和构造负载是重要的影响因素。众多地质模型和地球物理观测的研究表明新生代受印度-欧亚板块碰撞远程效应影响,相对较硬的塔里木盆地沿着先存薄弱带俯冲到造山带下部导致南天山造山带复活^[1,4-5,8]。此外,造山带产生的构造负载也使得塔里木盆地北部发生构造沉降^{[6,14,16,47⇓⇓-50]}。塔里木盆地北部地势较低,相邻的造山带快速隆升过程中经历地表剥蚀搬运过程产生的大量岩石碎屑等沉积物进入盆地,形成了巨厚的新生代沉积地层,该沉积过程形成的沉积负载对盆地的沉降过程同样产生了显著影响^{[6,16⇓-18,20]}。因此,本文认为南天山的复活隆升(构造负载)与塔里木盆地北部接收造山带隆升-剥蚀的沉积物(沉积负载)共同作用使得塔里木盆地北部基底形态发生变化(图8)。

本文进一步分析了这两种负载对塔里木盆地北部沉降过程的影响,对塔里木盆地北部沉降过程模拟结果的量化分析表明(图8,11),66~<5.3 Ma沉积负载对盆地沉降的贡献量(35%~50%)小于或等于构造负载的贡献量(50%~65%),该时期南天山造山带逆冲推覆作用向盆地方向的扩展是引起盆地发生构造沉降的主要原因^[16,51]。然而约5.3 Ma至今,沉积负载(68%)对盆地沉降的贡献量远大于构造负载(32%),推测该时期南天山平均海拔的增加,阻挡了西风湿气的运移,在塔里木盆地北部形成雨影 ^[52];降雨量的增加加剧了南天山剥蚀搬运,使得塔北前陆盆地内的沉积物增加,沉积负载对盆地沉降的影响大于构造负载。本文基于二维有限弹性板模拟方法得到塔里木盆地北部新生代沉降过程受沉积负载和构造负载共同影响的结果,并将两者的相对比值进行定量化分析。本文研究结果为盆地沉降机制提供了更精确的分析,并可能应用于以主要构造板块汇聚为特征的其他地区。

4.2 盆地内部碰撞响应对南天山初始隆升的启示

南天山新生代初始隆升时间存在较多的争议。通过研究南天山造山带山前库车前陆盆地内的地层学分析结果表明南天山隆升始于早中新世,即24~21 Ma。而通过地震资料所反映的库车前陆盆地内生长地层纪录和断层相关褶皱变形恢复的结果表明南天山初始隆升时间为约25 Ma^[24],这与低温热年代学数据所揭示的结果基本一致^[9-10,12]。也有基于对地层超覆现象和数值模拟的研究结果得到南天山初始隆升时间为约26 Ma^[6,14]。Zhang等^[13]通过对库车褶皱冲断带变形、沉积地层分析和古地磁测年的综合分析认为南天山显著变形和隆升起始于约36 Ma。

前陆盆地内的构造变形不仅是印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应影响^{[1-2,4,53⇓⇓⇓⇓-58]},而且是对南天山造山带隆升过程的响应^[59]。本文通过研究塔里木盆地北部陆内构造变形,再使用二维有限弹性板模型对塔里木盆地北部进行建模分析,可以更好地探究南天山新生代隆升历史。盆地古近纪基底形态的拟合结果显示,该时期在弹性板上只加沉积负载不足以将其一端压至实际位置(图8a),需要在弹性板右侧加载构造负载,即施加0.02×10⁹ Pa的构造负载(图8b),此时可以观察到弹性板与基底形态几乎完全吻合。表明此时南天山造山带作为塔里木盆地北部的构造负载,已经对盆地基底形态形变产生了影响。前人低温热年代学结果也记录了古近纪早期的冷却阶段受南天山造山带强烈局部剥蚀的影响,这一剥蚀事件反映了南天山造山带的新生代早期复活隆升^[60-61]。本文二维弹性板模拟的研究结果揭示,新生代印度-欧亚板块碰撞的远程效应可能在古近纪时期就已经导致南天山造山带活化隆升。

4.3 南天山新生代隆升过程

南天山造山带新生代隆升特征表现为多阶段的幕式隆升,在天山金沟河剖面和库车前陆盆地进行的磁性地层学和热年代学研究表明,天山晚新生代以来可能经历了3个主要的隆升-剥蚀阶段:24~21 Ma,天山造山带构造活化,开始快速隆升;15~10 Ma是天山主要隆升阶段;约11 Ma,天山隆升加速^[31]。古气候研究和同位素测量结果也显示南天山造山带自15~10 Ma隆升至现今高度,但主要增长发生在上新世晚期^{[31,62⇓-64]}。对南天山山前多个褶皱冲断带进行的热年代学结果对比分析显示,天山新生代整体剥蚀不超过10 km,极有可能小于5 km,而根据艾里均衡模型分析,天山造山带自早中新世以来的地壳缩短和侵蚀作用导致天山海拔高度增加了1.0~1.5 km^[8]。

本文根据模型总结南天山造山带构造负载平均高度和相对海拔高度变化规律(图10),观察到:66~>26.3 Ma,南天山造山带复活并开始逐渐隆升^[1,4-5];26.3~>5.3 Ma,南天山造山带处于相对稳定增长时期,该时期南天山造山作用造成构造载荷增长,对盆地基底形态的变化产生持续影响^[6,30],南天山持续隆升;约5.3 Ma至今,造山带构造负载高度仍在增加,但造山带相对海拔高度维持在2 500 m,南天山不再长高。这一现象的出现可能是盆地俯冲作用加剧,抑制了造山带相对海拔高度增长,使南天山造山带的侵蚀和隆升达到相对平衡^[1,4,65]。通过研究准确定量获得南天山的隆升历史,对于重建该地区新生代构造事件的响应时间和强度具有重要意义。

5 结论

本文通过二维弹性有限板模拟的方法模拟了新生代塔里木盆地北部沉降演化过程,并结合前人在该地区的研究成果进一步讨论了南天山新生代隆升对盆地沉降过程的影响,主要结论如下。

(1)新生代塔里木盆地北部沉降受沉积负载和构造负载共同作用,盆地基底形态逐渐变化。66~5.3 Ma,沉积负载对盆地沉降的贡献量(35%~50%)小于或等于构造负载的贡献量(50%~65%)。然而约5.3 Ma至今,沉积负载(68%)对盆地沉降的贡献量却远大于构造负载(32%),认为是降雨量的增加加剧了南天山剥蚀搬运,使得盆地内沉积物增加,沉积负载对盆地的影响大于构造负载。

(2)盆地沉降定量模拟结果显示南天山新生代初始隆升时间为古近纪。南天山造山带构造负载变化速率表现为66~>26.3 Ma缓慢增长;26.3~>5.3 Ma南天山稳定增长;约5.3 Ma至今,南天山造山带构造负载高度快速增长。

(3)南天山造山带新生代相对海拔高度从古近纪的约400 m逐渐增长到现今的约2 500 m;在约5.3 Ma至今,平均海拔高度几乎没有变化,但构造负载高度仍在增加,这是由于盆地俯冲作用的加剧抑制了造山带相对海拔高度的增长,南天山造山带的侵蚀和隆升达到相对平衡。

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基金资助

国家自然科学基金项目(U22B6002)