羌塘盆地白堊紀以來快速隆升剝蝕的熱年代學證據(jù)

宋春彥， 王 劍， 付修根， 陳文彬， 謝尚克， 何 利

( 1. 中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081； 2. 國土資源部 沉積盆地與油氣資源重點實驗室，四川 成都 610081 )

0 引言

青藏高原的隆升歷史是地學界研究的熱點問題之一。青藏高原腹地在始新世印度板塊—歐亞大陸板塊碰撞之前的白堊紀開始構造隆升，如Murphy M A等[1]認為，在99.0 Ma之前，受拉薩地塊—羌塘地塊的碰撞影響，青藏高原中部隆升到3.0～4.0 km的海拔高度；Kapp P等[2]認為，白堊紀時期，由于拉薩地塊與羌塘地塊的碰撞導致羌塘地區(qū)開始隆升，形成羌塘高原(Qiangtang Plateau)；Zhang K J等[3]認為，90.0～78.0 Ma期間，羌塘—拉薩構造的碰撞及新特提斯洋殼的俯沖，導致青藏高原中部地區(qū)隆升；Li Y L等[4]認為，90.0～55.0 Ma期間，青藏高原中部地區(qū)隆升幅度為3.0～4.0 km。

位于青藏高原腹地的羌塘盆地自白堊紀以來的隆升歷史，是研究青藏高原隆升的重點內(nèi)容之一。人們利用熱年代學方法研究羌塘盆地的隆升歷史，如Wang Y等[5]在羌塘盆地東部獲得150.0 Ma和120.0 Ma的冷卻年齡；Song C Y等[6-7]對羌塘盆地進行鋯石和磷灰石裂變徑跡測年研究，認為羌塘盆地自晚中生代以來經(jīng)歷三個不同階段的冷卻歷史；王立成等[8]在南、北羌塘盆地采集磷灰石裂變徑跡樣品進行對比，認為白堊紀中期南、北羌塘盆地的熱演化歷史具有一定差異；Ren Z L等[9-10]認為，羌塘盆地的隆升冷卻年齡可劃分為早白堊世晚期—晚白堊世，以及始新世中、晚期—中新世晚期等階段。

羌塘盆地自白堊紀開始構造隆升和剝蝕。以往的研究樣品多來自羌塘盆地東部，不能完全反映整個羌塘盆地的隆升剝蝕過程，并且隆升的時間起點和階段存在爭議。以羌塘盆地為研究對象，利用磷灰石裂變徑跡測年方法，通過對羌塘盆地中部大型雜巖體的熱年代學研究，揭示羌塘盆地自白堊紀以來的構造隆升和冷卻歷史，為研究青藏高原腹地的隆升過程提供參考資料。

1 地質(zhì)背景

青藏高原作為特提斯構造帶的一部分，內(nèi)部并不是均一的，是由岡瓦納大陸裂解出來的眾多塊體向北漂移并不斷拼貼而成的。青藏高原自北向南可劃分為昆侖—柴達木地體、松潘—甘孜地體、羌塘地體、拉薩(岡底斯)地體及喜馬拉雅構造帶；不同地體之間被斷裂帶和縫合帶分割，包括青藏高原北緣的昆侖—阿爾金—祁連斷裂帶、金沙江縫合帶、班公湖—怒江縫合帶和雅魯藏布江縫合帶等[11]。

羌塘盆地是發(fā)育于前寒武紀結晶基底之上的復雜疊合盆地，結晶基底之上發(fā)育一套厚度約為30.0 km的沉積蓋層，最古老地層的沉積時代為晚古生代泥盆紀，由下至上可劃分出4套構造層：古生代構造層；早三疊世—晚三疊世卡尼期構造層；晚三疊世諾利期—早白堊世構造層；晚白堊世—新生代構造層[11-13]。其中，晚三疊世諾利期—早白堊世構造層是羌塘盆地中生代的主要沉積地層，在盆地出露面積最廣、沉積最連續(xù)。該構造層是以晚三疊世古風化殼為界，風化殼上部上三疊統(tǒng)那底崗日組火山—火山碎屑巖為最底部地層，下白堊統(tǒng)雪山組、白龍冰河組為最頂部地層[11]。晚三疊世—早白堊世時期，羌塘盆地經(jīng)歷一輪盆地開啟、擴張、萎縮與消亡的演化過程，沉積演化表現(xiàn)為多旋回的海侵與海退[14-16]。

圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)地形Fig.1 Location of the study area and geological topographic map

羌塘盆地白堊系阿布山組出露極為零星，以陸相紅色磨拉石建造及火山巖相為主，與下伏侏羅紀地層呈角度不整合接觸，阿布山組下部的火山巖夾層鋯石年齡為75.0～69.0 Ma[17]，為晚白堊世沉積。

羌塘盆地中央隆起帶發(fā)育一套較老的構造雜巖體，其中前奧陶系片巖、二疊紀玄武巖和晚三疊世花崗閃長巖最為發(fā)育，晚三疊世花崗閃長巖的鋯石U-Pb測年結果為222.0～214.0 Ma[18]。

2 樣品采集與測試

在羌塘盆地中央隆起帶自東向西連續(xù)采樣，共采集15件磷灰石裂變徑跡樣品，包括5件前奧陶系片巖(AnO)、4件二疊紀玄武巖(P)和6件晚三疊世花崗閃長巖(T3)，采樣過程中記錄樣品的坐標和高程(見表1)。首先，對采集樣品進行粉碎、研磨、粗選、重液分離和磁選等，逐步分選提純磷灰石單礦物。其次，利用環(huán)氧樹脂固定、研磨拋光，露出磷灰石單礦物內(nèi)表面，在25 ℃溫度下用質(zhì)量分數(shù)為7%的HNO3蝕刻30 s，揭示自發(fā)徑跡；將低鈾白云母外探測器與礦物一并放入中子反應堆并進行輻照，在25 ℃溫度下用質(zhì)量分數(shù)為40%的HF蝕刻20 min，揭示誘發(fā)徑跡，其中中子注量利用CN5鈾玻璃進行標定。最后，用光學顯微鏡統(tǒng)計自發(fā)徑跡、誘發(fā)徑跡的數(shù)量和密度，根據(jù)ξ常數(shù)法和標準裂變徑跡年齡方程計算年齡[19]。磷灰石單礦物分選在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所完成，裂變徑跡測年在中國地質(zhì)大學(北京)完成。

3 測試結果分析

3.1 年齡特征

磷灰石裂變徑跡表觀年齡能夠反映樣品冷卻到部分退火帶(60～120 ℃)[20]的時間。15件樣品的磷灰石裂變徑跡表觀年齡為(57.0±5.0)～(118.0±7.0)Ma(見表1)，小于所在地層的形成年齡(地層年齡最小的是晚三疊世花崗閃長巖，年齡為222.0～214.0 Ma[18])，表明這些樣品經(jīng)歷完全退火。

表1 研究區(qū)樣品磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)

注：ρs、ρi和ρd分別為自發(fā)徑跡密度、誘發(fā)徑跡密度和標準徑跡密度；Ns、Ni和Nd分別為統(tǒng)計的自發(fā)徑跡數(shù)量、誘發(fā)徑跡數(shù)量和標準徑跡數(shù)量；P(χ2)為Chi-sp檢驗概率

磷灰石裂變徑跡容易受到多期熱事件的影響，且在部分退火帶中的停留時間導致磷灰石單顆粒年齡具有復雜組成的特征。因此，Galbraith R F等[21]提出，應用χ2檢驗判斷裂變徑跡樣品的單顆粒年齡是否屬于同一年齡組分：如果P(χ2)>5%，則屬于同組年齡；否則，屬于混合年齡。

15件樣品中，有8件樣品(C1、C3、C6、C10、C11、C12、C13、C15)的P(χ2)>5%(見表1)，表明樣品的單顆粒年齡屬于同組年齡，并且在部分退火帶內(nèi)的停留時間較短，樣品的表觀年齡能夠準確反映冷卻時間。8件樣品的表觀年齡為(60.0±5.0)～(116.0±8.0)Ma，表明羌塘盆地中央隆起帶在白堊紀發(fā)生比較快速的構造隆升和剝蝕。

15件樣品中，有7件樣品(C2、C4、C5、C7、C8、C9、C14)的P(χ2)<5%(見表1)，表明樣品的單顆粒年齡屬于混合年齡，樣品的表觀年齡無意義。這種情況下，一般需要對樣品的單顆粒年齡進行分解，分解的峰年齡是樣品的冷卻年齡。應用Radial Plotter軟件，對7件樣品的單顆粒年齡進行分解，得到兩組峰年齡(見圖2)。7件樣品共分解出5個早白堊世峰年齡((132.0±7.0)、(122.0±13.0)、(116.0±9.0)、(104.0±6.0)、(103.0±7.0)Ma)、5個晚白堊世峰年齡((84.0±5.0)、(76.0±4.0)、(73.0±6.0)、(73.0±4.0)、(72.0±5.0)Ma)，以及4個新生代峰年齡((64.0±4.0)、(62.0±9.0)、(35.0±6.0)、(33.0±6.0)Ma)。7件樣品分解的峰年齡表明，樣品共經(jīng)歷早白堊世、晚白堊世和新生代三期構造隆升與剝蝕，最晚一次構造隆升的年齡為始新世(33.0±6.0)Ma，與P(χ2)>5%樣品的表觀年齡基本一致。

圖2 研究區(qū)樣品磷灰石裂變徑跡單顆粒年齡雷達圖Fig.2 Radar map of the single particle ages from apatite fission-track dating of the samples in the study area

根據(jù)15件樣品的磷灰石裂變徑跡表觀年齡和采樣高程關系(見圖3)，兩者之間表現(xiàn)為較好的正相關關系，即海拔越高的樣品，其磷灰石裂變徑跡年齡越大；海拔越低的樣品，其磷灰石裂變徑跡年齡越小。該特征符合地殼隆升和構造剝蝕的規(guī)律，受剝蝕影響，海拔高的樣品較早地被冷卻到封閉溫度之下，年齡較大；海拔低的樣品較晚地被冷卻到封閉溫度之下，年齡較小。

圖3 研究區(qū)樣品磷灰石裂變徑跡表觀年齡與高程關系Fig.3 Relationships between apatite fission-track apparent ages and elevations of the samples in the study area

3.2 裂變徑跡長度特征

地質(zhì)體內(nèi)磷灰石裂變徑跡的標準徑跡長度為16.3 μm[22]。當樣品冷卻到封閉溫度(120 ℃)之下，開始生成徑跡；在部分退火帶(60～120 ℃)內(nèi)，生成的徑跡逐漸縮短，不斷有新的徑跡生成[23]。因此，當樣品在部分退火帶內(nèi)的停留時間較長時，徑跡長度分布范圍較寬，短徑跡較多，常呈偏向短徑跡的不對稱分布特征；當樣品經(jīng)歷兩次加熱事件時，徑跡長度分布呈雙峰特征；當樣品經(jīng)歷單一快速冷卻過程時，徑跡長度分布范圍較窄，常呈對稱的正態(tài)分布特征[24]。

15件樣品的磷灰石裂變徑跡長度分布直方圖(見圖4)顯示，多數(shù)樣品的徑跡長度呈不對稱分布形式，大部分具有偏向長徑跡的右傾分布特征；徑跡長度分布范圍較寬，多數(shù)樣品的徑跡長度位于8.0～16.0 μm區(qū)間，表明經(jīng)歷比較復雜的熱演化史。

圖4 研究區(qū)樣品磷灰石裂變徑跡長度直方圖Fig.4 Histograms of the apatite fission track length data of the samples in the study area

圖5 研究區(qū)樣品磷灰石裂變徑跡長度與標準差關系Fig.5 Relationship between apatite fission-track length and standard deviation of the samples in the study area

根據(jù)Galbraith R F[25]總結的五類裂變徑跡分布形式(誘發(fā)型、火山巖型、混合型、雙峰型和基巖型)，混合型的裂變徑跡長度范圍變化較大，為11.5～14.0 μm，標準差大于2.0 μm。15件樣品的磷灰石裂變徑跡長度為11.0～13.9 μm，標準差為1.6～2.7 μm(見圖5)。樣品的裂變徑跡分布具有典型的混合型特征，表明研究區(qū)經(jīng)歷比較復雜的構造隆升與剝蝕過程。

15件樣品的磷灰石裂變徑跡長度與標準差之間具有負相關關系(見圖5)，磷灰石裂變徑跡長度越長，標準差越小。這是因為較短徑跡的生成時間較早，在部分退火帶內(nèi)的停留時間較長，導致徑跡不斷縮短；較長徑跡的生成時間較晚，沒有經(jīng)過部分退火帶內(nèi)的復雜演化，標準差較小。因此，標準差較高的樣品比標準差較低的樣品具有更復雜的構造熱演化史[24]。

4 熱演化史模擬

磷灰石裂變徑跡熱演化史反演有助于研究羌塘盆地的隆升與剝蝕過程。為揭示具有復雜熱演化史的樣品的熱演化過程，利用Ketcham R A等[26]提出的退火模型進行熱演化史反演。選擇封閉徑跡數(shù)量高于100 條的8件樣品(C2、C6、C8、C9、C10、C12、C14、C15)進行熱演化史反演模擬(見圖6)，應用K-S檢驗和GOF檢驗的吻合程度驗證模擬結果。其中，綠色部分代表可接受區(qū)域，紅色部分代表較好區(qū)域，黑色實線代表模擬的最佳路線。所有樣品的K-S檢驗值和GOF檢驗值大于0.05，表明模擬結果良好。

根據(jù)磷灰石裂變徑跡樣品的熱演化史模擬結果，樣品主要經(jīng)歷三個熱演化階段：第一階段，年齡為145.0～120.0 Ma，冷卻作用不明顯，溫度大于120 ℃；第二階段，年齡為120.0～80.0 Ma，特別是100.0～80.0 Ma時，發(fā)生快速冷卻，樣品從120 ℃冷卻到60 ℃；第三階段，年齡為80.0～0 Ma，屬于緩慢冷卻過程，樣品從60 ℃冷卻到地表20 ℃，其中20.0～0 Ma時的冷卻速度有所加快。

圖6 研究區(qū)樣品磷灰石裂變徑跡熱演化史模擬Fig.6 Thermal history simulations based on apatite fission-track data of the samples in the study area

5 討論

5.1 晚侏羅世—早白堊世緩慢隆升階段

Kapp P[27]研究尼瑪?shù)貐^(qū)白堊紀非海相地層與下伏強變形的海相侏羅紀—白堊紀地層的不整合接觸，認為班公湖—怒江縫合帶形成時間為125.0～118.0 Ma。廣泛出露于岡底斯北帶和中帶的、年齡為145.0～74.0 Ma的強過鋁花崗巖[28]，以及出露于南羌塘盆地的、年齡為149.9 Ma的埃達克質(zhì)花崗閃長巖[29]，是班公湖—怒江洋閉合及拉薩地塊與羌塘盆地俯沖、碰撞拼合的直接證據(jù)。晚侏羅世—早白堊世期間，在新特提斯洋殼俯沖作用下，拉薩地塊與羌塘地塊之間發(fā)生俯沖、碰撞，羌塘盆地開始構造隆升，從海相盆地逐漸轉變?yōu)殛懴嗯璧?，盆地?nèi)接受的最晚連續(xù)沉積地層為下白堊統(tǒng)白龍冰河組、雪山組，巖性主要為一套海陸過渡相的紫紅色碎屑巖。

羌塘盆地侏羅紀地層總厚度超過7.0 km[6]，所有三疊系及更老地層的樣品埋藏深度應超過7.0 km。根據(jù)2.5 ℃/100m的地溫梯度及20 ℃的地表溫度，計算樣品埋藏最深時期的地溫可達155 ℃，溫度足以使樣品全部退火，與所有樣品的磷灰石裂變徑跡年齡遠小于其地層年齡的判斷結果一致。

15件樣品的最老磷灰石裂變徑跡表觀年齡為118.0、116.0 Ma(見表1)，分解的14個峰年齡中，有5件為早白堊世年齡(132.0～103.0 Ma)，表明樣品開始冷卻的最早時間是早白堊世中期，即羌塘盆地最早從早白堊世中期(132.0～118.0 Ma)開始構造隆升。南羌塘盆地最年輕的海陸過渡相地層中發(fā)現(xiàn)大量Classopollis的孢粉組合，其時代為晚白堊世巴雷姆期(129.0～125.0 Ma)[30]，再次印證羌塘盆地在早白堊世中期，因拉薩地塊—羌塘地塊碰撞，盆地發(fā)生反轉，由海相逐漸過渡為陸相，并開啟緩慢的構造隆升過程。

Wang Y等[5]認為，羌塘盆地在130.0～110.0 Ma之間發(fā)生構造隆升；根據(jù)鋯石裂變徑跡測年，Song C Y等[6]認為羌塘盆地在早白堊世(148.0～94.0 Ma)發(fā)生構造隆升。磷灰石裂變徑跡的退火溫度比鋯石裂變徑跡的低，根據(jù)研究區(qū)樣品磷灰石裂變徑跡的熱演化史模擬結果，大部分樣品在早白堊世處于緩慢冷卻過程，只有樣品C2記錄到較為明顯的早白堊世隆升過程。因此，羌塘盆地在早白堊世處于盆地轉換階段，構造隆升幅度非常有限。

5.2 晚白堊世快速隆升階段

受新特提斯洋殼向北俯沖到拉薩地塊之下的推擠作用影響，羌塘盆地與拉薩地塊之間的構造碰撞在晚白堊世達到高峰[7]。根據(jù)羌塘盆地的沉積特征，羌塘盆地在晚白堊世缺少大面積的沉積地層，僅在局部發(fā)育少量的上白堊統(tǒng)阿布山組磨拉石沉積[11]。晚白堊世，受拉薩地塊—羌塘地塊碰撞的影響，羌塘盆地開始大面積的構造隆升與剝蝕。

15件樣品中，有12件樣品的表觀年齡為92.0～66.0 Ma(見表1)；分解的14個峰年齡中，有5個為晚白堊世年齡(84.0～72.0 Ma)(見圖2)。大量晚白堊世磷灰石裂變徑跡年齡的存在，表明羌塘盆地在晚白堊發(fā)生快速的構造隆升與剝蝕。

Xiao X等[31]提出青藏高原存在白堊紀隆升，且羌塘盆地東部木乃花崗巖的熱年代學資料顯示，青藏高原晚白堊世以來的隆升幅度為9.55～9.95 km[32]；Zhang K J等[3]認為，90.0～78.0 Ma期間的羌塘—拉薩構造碰撞，導致青藏高原中部地區(qū)開始隆升；Li Y L等[4]認為，在90.0～55.0 Ma期間，由于拉薩—羌塘地塊間碰撞，青藏高原中部地區(qū)的地殼發(fā)生大規(guī)?？s短、加厚和隆升；于俊秋等[33]認為，羌塘盆地晚白堊世(100.0～65.0 Ma)處于快速隆升剝蝕階段，降溫速率和剝蝕速率分別為1.46～4.26 ℃/Ma、50～140 m/Ma。

根據(jù)樣品磷灰石裂變徑跡的熱演化史模擬結果，大部分樣品在100.0～80.0 Ma期間發(fā)生快速冷卻，從140 ℃快速冷卻到60 ℃；根據(jù)2.5 ℃/100m的地溫梯度計算，隆升剝蝕厚度約為3.200 km，剝蝕速率約為160 m/Ma。

5.3 新生代緩慢隆升階段

大約在65.0 Ma(即古新世—始新世)，印度板塊與歐亞大陸板塊發(fā)生重要的構造碰撞，導致青藏高原的南部邊界發(fā)生初始構造隆升[34-35]，羌塘盆地內(nèi)部發(fā)育一套古近系河流—湖泊相沉積(康托組和嗩納湖組)。15件樣品中，有1件樣品的年齡為新生代表觀年齡；14個分解的峰年齡中，有4個新生代年齡峰，為64.0～33.0 Ma。樣品磷灰石裂變徑跡年齡表明，羌塘盆地新生代發(fā)生一定程度的構造隆升與剝蝕。

青藏高原內(nèi)部新生代巖漿巖演化研究表明，青藏高原在印度—歐亞板塊碰撞之后自南向北開始隆升，高原南部在晚漸新世結束隆升[36]。青藏高原腹地倫坡拉盆地的氧同位素研果表明，35.0 Ma時的古海拔為4.0 km左右[37]。Wang C S等[38]認為，青藏高原中部的拉薩和羌塘地塊約在40.0 Ma時達到目前的海拔高度。北羌塘康托組和嗩吶湖組的碳氧同位素重建的古高程顯示，羌塘盆地約在28.0 Ma時達到5.0 km的高程[39]。羌塘盆地新生代構造隆升大約止步于古近紀末期，即羌塘盆地新生代的隆升僅限于古近紀的隆升。

根據(jù)樣品磷灰石裂變徑跡的熱演化史模擬結果，樣品在 80.0～20.0 Ma之間的冷卻過程比較緩慢，在20.0～0 Ma之間的冷卻過程比較快。羌塘盆地新生代的構造抬升過程總體較為緩慢，在20.0 Ma之后有所加快。樣品的埋藏溫度從60 ℃冷卻到地表的20 ℃；根據(jù)2.5 ℃/100m的地溫梯度計算，隆升剝蝕厚度約為1.600 km。

6 結論

(1)羌塘盆地中央隆起構造雜巖體的15件樣品磷灰石裂變徑跡表觀年齡為(57.0±5.0)～(118.0±7.0)Ma，均小于所在地層的形成年齡，其中2件樣品的年齡屬于早白堊世，12件樣品的年齡屬于屬于晚白堊世，1件樣品的年齡屬于新生代。

(2)7件樣品磷灰石裂變徑跡混合年齡分解出14個峰值年齡，為(33.0±6.0)～(132.0±7.0)Ma，其中5個年齡屬于早白堊世，5個年齡屬于晚白堊世，4個年齡屬于新生代。

(3)羌塘盆地的構造隆升主要發(fā)生于早白堊世、晚白堊世和新生代；主體的構造隆升發(fā)生于晚白堊世(100.0～80.0 Ma)，構造隆升剝蝕厚度約為3. 200 km。