关键词:
北祁连山
河道陡峭指数
水力侵蚀方程
隆升历史
磷灰石裂变径迹
摘要:
自新生代早期起,印度板块与欧亚板块的相互碰撞和持续汇聚,形成了世界上海拔最高的高原——青藏高原。随着高原的隆升和向外扩张,其对周边地区的构造地质背景、地形地貌特征与河网水系格局等方面产生了深远的影响。因此,青藏高原成为了一个研究岩石圈动力学机制、地壳构造活动以及地貌演化的天然实验场。印度板块与欧亚板块的碰撞究竟是如何引发了青藏高原的形变和隆升,使其成为地球上最大、最高的陆地单元,这一问题一直是地质学界关注的焦点。而祁连山位于青藏高原东北缘,是其扩展的最前缘,因此对于祁连山的构造、地貌演化的研究,对于探索青藏高原动力学机制等具有重要意义。山脉在隆升的过程中伴随着河流的演化和碎屑物质的运移。基岩河道的形态记录了区域构造活动的时空分布,而碎屑物质的低温热年代学记录了流域内山脉剥露的空间分布和隆升历史,因此本文使用河道高程剖面的方法及碎屑裂变径迹反演方法对祁连山北缘区域进行研究探索,从而为探究青藏高原隆升扩展的动力学机制提供一定证据。
1.河流高程剖面法—北祁连山晚中新世隆升历史
北祁连山作为青藏高原隆升与扩展的最前缘,一直以来都是研究的热点和理想地区。由于剥露量有限,低温热年代学无法揭示晚中新世以来的构造活动。而活动构造研究则显示祁连山地区正在经历强烈的变形和隆升。为了弥补活动构造与热年代学方法时间尺度上难以链接的不足,本研究利用河流水力侵蚀模型的方法模拟得出北祁连山河道陡峭指数与部分河流地质隆升历史,为青藏高原扩展隆升机制提供相关证据。
本文主要是基于瞬时线性水力侵蚀模型,求得方程的解析解,推导出线性反演方法,利用现今基岩河道纵剖面形态推测构造抬升速率的时空变化。本文对北祁连山白杨河、洪水坝河、丰乐河、马营河、大渚马河和洪水河这6条流域进行了线性反演,获得了北祁连的河流陡峭指数和基岩河道隆升历史。结果显示河道陡峭指数与距断裂的距离存在显著关系,距离断层越远,河道陡峭系数越低。而在空间上具有从中间向东西两侧减小的特征。6条流域揭示的北祁连山隆升速率大致也呈现自中间向两侧减慢的特征。6条流域的地质隆升历史显示:4 Ma左右,北祁连山隆升速率逐渐增加,且隆升速率大致在0.20~0.38 mm/a之间。直到0.6~1.0 Ma,隆升速率迅速加快,呈现陡增的趋势。因此,本文认为晚中新世以来北祁连山经历了多期隆升事件,至今仍在强烈变形。
2.碎屑磷灰石裂变径迹反演法-北祁连山东段剥露历史
山脉在隆升的过程中伴随着河流的演化和碎屑物质的运移,碎屑物质记录了源区的剥露历史。利用年龄-高程关系,得到研究区的年龄概率密度,进而可以模拟流域内的剥露历史。对于剥露程度较低,无法通过低温热年代学剖面获取快速剥露时间的地区,碎屑热年代学模拟方法也可以获得有效的剥露速率,补充祁连山地区的剥露历史。
北祁连山东段相对于北祁连山中西部而言,总体剥蚀量较小,低温热年代学高程剖面法难以揭示其剥露历史,所以其构造活动历史一直没有得到很好的约束。鉴于此,为了更深入地了解北祁连山东段地区流域整体的侵蚀状况和剥露历史,本文利用碎屑裂变径迹反演法,研究了该地区部分流域的侵蚀和剥露情况,为北祁连山东段的构造演化史提供约束。
碎屑裂变径迹结果揭示出,北祁连山东段河沙碎屑样品单颗粒年龄范围为18.4Ma-346.7Ma,A6、A9、B1三个样品单颗粒年龄范围较为年轻,而A4、A5、SXQ-1、SXQ-2、SXQ-4这5个河沙碎屑样品单颗粒年龄范围较广;各个样品的高程—累计概率密度关系图的结果显示,采集的河沙样品高程在2200-5000米之间。8个河沙碎屑样品模拟计算得到的年龄—侵蚀速率关系图显示,在150-110Ma之间,侵蚀速率明显增大,表明北祁连山东段在白垩纪时期存在剥露速率增加的情况。100-18.4Ma期间剥露速率保持在0.01-0.03mm/a之间。
综上所述,将8个样品的各个时期的侵蚀速率进行对比,可以更直观的看出,样品在110~150Ma之间,各个样品剥露速率发生了变化,但是整体的剥露速率较低,表明大约在白垩纪时期,样品代表的研究区剥露速率发生了变化。
但是需要注意的是,虽然剥露速率在白垩有增加的趋势,但此时的剥露速率依旧维持在较低的水平,均小于0.03mm/a,且此速率一直维持到早中新世,说明白垩纪以来,至中新世早期,祁连山地区一直处于低剥露速率的状态。这与前人认为祁连山地区新生代早期处于构造平均期的观点一致。
综上所述,根据本文的证据,可以判定祁连山地区新生代早期没有明显的构造隆升,晚中新世以来祁连山北缘不均匀的隆升历史可能是印度板块持续向北挤压和岩石圈地幔对流剥离共同影响导致的。