Geophysical Research Letters:青藏高原东南缘安宁河流域多期次剥露历史:来自碎屑热年代学和地貌分析的启示

青藏高原是地球上最高的高原,其平均海拔逾4000米,面积超过250万平方公里,素有“世界屋脊”之称。自新生代早期,印度-欧亚板块碰撞以来,青藏地区经历了强烈的隆升与构造变形,不仅主导了大型断裂系统的活动,还控制了地形地貌和水系格局,对区域气候乃至全球大气环流形式也产生了重大影响。因此,一直以来,青藏高原都是了解陆陆碰撞造山过程、地表景观演化和气候变化的天然实验室。高原东南缘,在水平~1500公里的距离上,海拔高度从高原腹地∼5000米下降至约500米(图1),这种典型的长波长地形使得高原东南缘明显区别于其他的陡峭边缘(如高原与四川盆地、塔里木盆地的边缘地带)。

高原东南缘的长波地形是如何形成的?数十年来,许多学者提出不同的模型来解释相关地球动力学机制。其中,大量模型都关注于上地壳缩短和/或地壳中下部软弱物质流动对地形演化所起的作用。前者认为,中新世早期-渐新世,沿大型断层的侧向滑移挤压和上地壳缩短,形成了高原东南缘的早期地形;而后者认为地壳增厚的驱动力来自低粘度牛顿流体沿下地壳通道流动,并预测地形快速增长和剥露发生在中-晚中新世以来。由于这两个模型,一个关注于地壳块体刚性运动,另一个则主张粘滞性流体的主导作用,所以这两个模型一直也被称作端元模型。不同的模型预测了不同的地形生长时间,所以研究区域剥露历史,对于解释地形生长的动力学机制有重要作用。原位基岩年龄-高程剖面是传统的研究手段,但是碎屑沉积的年龄分布可以提供具有多个地质单元的整个物源区的详细信息,尤其适用于地势陡峭、人力不可达的区域。

安宁河地处青藏高原东南缘,由北向南汇入雅砻江,其流域主干道与安宁河断裂在空间分布上大致吻合(图1和2)。安宁河断裂是鲜水河断裂向南转向的一条分支,以左旋走滑为主兼具逆冲分量。前人低温热年代学研究表明,安宁河断裂在渐新世和晚中新世发生两期活动,而且该流域在早更新世被大渡河袭夺,所以是研究构造活动与地表演化的良好区域。

在中国科学院广州地球化学研究所郑德文研究员的指导下,我所新构造与年代学实验室王一舟副研究员、刘春茹研究员等,以安宁河流域为研究区,开展沉积碎屑低温热年代学研究。我们试图通过分析安宁河现代河床沉积物的年龄分布与流域地形特征,探讨区域剥露模式和新生代侵蚀历史。我们在安宁河干流东西两侧支流的现代河床上采集了共12个沉积碎屑样品,挑选磷灰石进行裂变径迹测年(AFT)。

图1 青藏高原东南缘地貌图。彩色圆点表示前人在该区域的低温热年代研究。

图2 安宁河地貌、岩性特征与干流河道高程剖面分析结果。

 

碎屑AFT年龄结果如表1,单颗粒年龄从∼0.1至>160 Ma,表现出较大的分散性。大多数样本(ANH-3、-7和-11除外)未通过χ2检验,表明这些颗粒代表不同年龄组分的混合物。中心年龄范围为4.3±0.8至20.1±1.7 Ma,可能表明该时期内发生过快速剥露。我们利用DensityPlotter.jar分解年龄,识别了4个组分,组分峰值P1至P4(表1)。十个样本都解析出晚中新世年龄峰(P3),从6.57±0.51到13±2 Ma。特别是在西侧,所有年龄数据都包含这一时期的峰值,西侧支流的样本ANH-6甚至呈单峰(∼9.0±0.6 Ma)分布。7个样本存在上新世的年龄峰(P2),峰值介于3.27±0.64和5.7±1.1 Ma之间。其余还有更新世年龄峰(P1,0.92±0.19至2.03±0.51 Ma)和早中新世-渐新世年龄峰(P4,18.6±3.5至34.3±5.5 Ma)。

 

 

我们假设研究区AFT封闭深度基本保持水平,岩体剥露以垂向运动为主,不存在显著的水平方向的对流运动。同时,还假设支流流域内剥露速率空间差异很小。这样,AFT颗粒年龄就只是高程的函数。我们基于马尔科夫链-蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,MCMC)方法和Kuiper统计检验,编写了碎屑颗粒年龄的反演程序,模拟得到了流域剥露历史。模拟结果(图3)表明,安宁河流域经历了四个阶段的剥露过程,即早中新世-渐新世,中-晚中新世,上新世以及第四纪早期。虽然我们的模拟基于一系列假设,但与实际年龄峰值分布基本一致,因此是可信的。


图3 通过碎屑颗粒年龄分布反演源区剥露历史。

 

此外,碎屑年龄分布与区域地形特征也存在一致性。由表1可见,每一个年龄组分,东侧支流的峰值总是较西侧年轻,而干流同一侧南北差异却不显著,这可能反应东西两侧支流剥露速率的差异。地形分析结果显示,流域整体和局部地形起伏、坡度以及河道平均陡峭指数,都呈东高西低的特征。因此,峰值年龄空间特征与地形陡峭程度的一致性表明,自渐新世以来,安宁河干流东西两侧存在剥露速率的空间差异。

结合本文与前人研究结果,我们认为,青藏高原东南缘的地形演化不仅有来自中下地壳软弱物质流动、上地壳块体滑移和缩短的构造驱动,局部地形还会受到第四纪河流袭夺的影响,而上新世剥露可能是安宁河流域吸收了鲜水河断裂走滑分量的结果。

 

以上研究成果发表于国际地学顶刊GRL:Wang, Y., Liu, C., Zheng, D., Zhang, H., Yu, J., Pang, J., et al. (2021). Multistage exhumation in the catchment of the Anninghe River in the SE Tibetan Plateau: Insights from both detrital thermochronology and topographic analysis. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL092587. https://doi.org/10.1029/2021GL092587。

原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL092587