龍門山推覆構(gòu)造帶新生代熱演化歷史研究及其對青藏高原東緣隆升機制的約束

譚錫斌

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

龍門山作為青藏高原的東邊界，是一個從青藏高原到四川盆地的陡直的過渡地帶，其新生代的造山運動受到約50 Ma年前印度板塊和歐亞板塊碰撞的影響。2008汶川地震及其后續(xù)的研究證明了其晚更新世以來的活躍性，但是對于龍門山推覆構(gòu)造帶及其鄰近地區(qū)的新生代的演化過程的認識還較缺乏。另外前人對于青藏高原東緣的隆升起始時間以及隆升機制等問題，做了大量研究，但仍存在不一致的看法。高原東緣隆升起始時間主要有兩類觀點：①高原東緣隆升開始于距今20～30 Ma，并經(jīng)歷過幾次冷卻事件；②距今約10 Ma以來高原東緣開始隆升，之前處于穩(wěn)定狀態(tài)。對于青藏高原東緣龍門山推覆構(gòu)造帶的隆升機制，存在兩種截然不同的看法：①剛性塊體的側(cè)向擠出；②下地殼流動。

本研究采用鋯石和磷灰石裂變徑跡法，對龍門山推覆構(gòu)造帶不同地區(qū)的巖石進行系統(tǒng)的新生代以來的熱演化歷史研究。結(jié)合前人已有的熱年代學數(shù)據(jù)，揭示龍門山推覆構(gòu)造帶及其鄰近構(gòu)造單元的巖石新生代剝露過程，以及它與斷層活動的關(guān)系，并對青藏高原東緣的隆升機制進行了討論。

龍門山推覆構(gòu)造帶整體表現(xiàn)為從南向北裂變徑跡年齡逐漸變老的特征，表明新生代平均剝蝕速率從南往北逐漸降低的趨勢。南段斷層上盤離斷層較近的位置，樣品鋯石裂變徑跡(ZFT)年齡大多為11～14 Ma，隨著離斷層距離的增加，年齡增大到25～35 Ma，高原內(nèi)部樣品的ZFT年齡進一步增大到200 Ma左右；中段的ZFT最年輕的年齡出現(xiàn)在位于汶川—茂縣斷層上盤的雪隆包雜巖，為10.6 Ma，其余樣品均大于(或等于)40 Ma；北段ZFT則全部大于60 Ma，表明其新生代未發(fā)生退火。對于磷灰石裂變徑跡(AFT)年齡來說，南段大部分樣品年齡分布在1.9～5 Ma之間，高原內(nèi)部的樣品年齡則大于10 Ma；中段最年輕的樣品仍出現(xiàn)在雪隆包雜巖，為2.1 Ma，其他AFT年齡大多在8 Ma附近，盆地內(nèi)的AFT年齡則大多30 Ma；北段AFT年齡明顯較老，分布在30～189 Ma之間。南段最快剝蝕速率達約2.1 mm/a(約1.9 Ma以來)，中段最快剝蝕速率達約1.9 mm/a(2.1 Ma以來)，北段最快剝蝕速率為0.1 mm/a(33 Ma以來)。另外，南段、中段、北段多條斷層表現(xiàn)出上盤年齡較小、下盤年齡較大的現(xiàn)象，表明新生代以來斷層兩側(cè)存在差異剝蝕，且全部斷層表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)。南段和中段斷層兩側(cè)的差異剝蝕量較大，而北段較小，表明南段和中段的斷層逆沖運動速率大于北段。龍門山推覆構(gòu)造帶中段的總剝蝕寬度明顯較大，揭示出其主斷層的低傾角(約30°)特征。南段斷層活動有逐漸向盆地遷移的特征，青藏高原和四川盆地現(xiàn)今的運動差異主要被山前斷裂和盆地內(nèi)的隱伏斷層所吸收。

位于龍門山推覆構(gòu)造帶西南的貢嘎山巖體新生代晚期快速冷卻，也表現(xiàn)出南快北慢的特征。南端約1 Ma以來的隆升速率超過(3.3±0.8) mm/a，北端隆升速率約(1.0～1.9) mm/a (約6 Ma以來)。巖體周邊的三疊系地層剝蝕較慢，表明青藏高原在整體橫向擠出、緩慢隆升的基礎(chǔ)上，還存在著一些特殊的局部快速隆升區(qū)域。通過對川滇地塊水平運動的矢量分析，我們認為貢嘎山花崗巖體是鮮水河斷裂至安寧河斷裂間擠壓彎曲段吸收、轉(zhuǎn)換青藏高原塊體向東、向南東水平運動，導致局部快速隆升的產(chǎn)物。

位于龍門山推覆構(gòu)造帶南段西側(cè)的丹巴背斜，出露了一套從前寒武雜巖到三疊系變質(zhì)巖的完整地層，是研究松潘—甘孜褶皺帶中生代-新生代的變質(zhì)、構(gòu)造變形的重要“窗口”。前人做了大量研究，但是30 Ma以來冷卻歷史仍然模糊不清。本研究在丹巴背斜獲得了30個AFT和ZFT年齡，給出了丹巴背斜不同部位新生代以來的冷卻歷史。研究顯示丹巴背斜地區(qū)的巖石從約25 Ma開始持續(xù)冷卻至今，平均冷卻速率從核心部位的(13.0±1.2)℃/Ma，降低到次核心的(10.5±1.1)℃/Ma，進一步降低到背斜邊緣的(6.0±1.0)℃/Ma，約25 Ma以來的總剝蝕量從核心的13～15千米降低到邊緣的5～7千米。根據(jù)巖石的最高變質(zhì)溫度以及新生代的冷卻量，新生代以來丹巴背斜的變形占總變形的1/4～1/2。研究表明，丹巴背斜地區(qū)距今約25 Ma開始受到印度板塊和歐亞板塊碰撞的影響，表現(xiàn)為北東向縮短，且新生代的構(gòu)造變形受到中生代或更老的構(gòu)造背景所影響。

龍門山推覆構(gòu)造帶北段西側(cè)的岷山為新生代晚期快速抬升的山體(Kirby et al,2002)。本研究在岷山地區(qū)獲得了12個AFT年齡和徑跡長度分布。通過Hefty軟件，對這些數(shù)據(jù)進行熱歷史模擬，獲得了10個樣品的冷卻歷史，揭示出其新生代經(jīng)歷了兩次冷卻事件，時間分別為距今30～50 Ma和5～0 Ma。距今5～0 Ma的總冷卻量約40℃，對應的剝蝕量約1～2 km，剝蝕速率0.2～0.4 mm/a。岷山地區(qū)的斷層活動也表現(xiàn)出隨時間向東轉(zhuǎn)移的特征。GPS資料揭示的岷山地區(qū)2～3 mm/a的縮短速率，可以造成岷山0.2～0.4 mm/a的隆升，不需要下地殼流動假說的支持。

通過對以上不同構(gòu)造單元的冷卻歷史的研究，揭示出研究區(qū)在距今約30 Ma開始受到印度板塊和歐亞板塊碰撞的影響而逐漸抬升，冷卻速率總體表現(xiàn)為南快北慢的特征。龍門山推覆構(gòu)造帶以及岷江斷裂帶的斷層活動均表現(xiàn)出向盆地轉(zhuǎn)移的趨勢。本研究所揭示的上地殼變形樣式，以及抬升的起始時間等結(jié)論，均不支持下地殼流動假說對青藏高原東緣隆升機制的解釋。主要表現(xiàn)在以下5個方面：

(1) 龍門山推覆構(gòu)造帶汶川—茂縣斷層表現(xiàn)為逆沖運動性質(zhì)，并非下地殼流動所認為的正斷性質(zhì)；剝蝕量最大的區(qū)域位于后山斷裂上盤，與下地殼流動假說所認為的剝蝕量最大的區(qū)域(寶興雜巖和彭灌雜巖)有所不同。

(2) 龍門山推覆構(gòu)造帶中段的汶川—茂縣斷裂、北川—映秀斷裂以及彭灌斷層控制的抬升區(qū)域很寬，表明其斷層較緩，即斷層傾角較低，而下地殼流動假說通常認為龍門山推覆構(gòu)造帶為高角度逆斷層。

(3) 高原東緣龍門山區(qū)及其附近地區(qū)的抬升起始時間在距今30 Ma左右，而下地殼流動假說通常認為高原東緣不同區(qū)域的抬升起始時間較一致，且非常年輕，距今約10 Ma (Clark等，2005)。

(4) 丹巴背斜的變形，受到中生代老構(gòu)造的控制，表明青藏高原并非均勻的連續(xù)變形的物質(zhì)。丹巴背斜的變形表現(xiàn)出北東向上地殼擠壓縮短，這種現(xiàn)象用下地殼流動假說無法解釋。

(5) 岷山大部分地區(qū)的剝蝕速率較低，僅0.2～0.4 mm/a，GPS揭示的岷山2～3 mm/a的縮短速率可以通過虎牙斷裂的逆沖運動控制岷山的隆升，無需下地殼流動的支持。