印度-歐亞板塊碰撞后的青藏高原古近代古地理事件

印度-歐亞板塊碰撞后的青藏高原古近代古地理事件

sigui格拉森（196）首次提出了將40年或39年替換為土地的可能性。它的原則和技術(shù)細節(jié)由mercioh等人完成。此后,經(jīng)Dalrymple等和McDougall等對分析方法的完善,40Ar/39Ar定年方法日趨成熟。20世紀70年代以來,激光技術(shù)被引進到40Ar/39Ar年齡測定法中,使得沉積巖中碎屑礦物的單顆粒或原位微區(qū)40Ar/39Ar定年成為可能,由此開啟了碎屑礦物研究的新篇章。90年代,以美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(U-CLA)的研究小組為代表,碎屑礦物40Ar/39Ar年代學(xué)方法開始被廣泛地應(yīng)用于地學(xué)研究當中。與其他地球化學(xué)研究的要求一樣,新鮮、未蝕變樣品的選取對碎屑礦物的40Ar/39Ar熱年代學(xué)研究至關(guān)重要。理想的沉積巖樣品是沒有經(jīng)歷后期變質(zhì)作用的雜砂巖或長石砂巖。現(xiàn)代沉積物的選取也是同樣的道理,要盡量挑選高豐度的富鉀礦物。絕大多數(shù)40Ar/39Ar分析只針對單一礦物,通常為鉀長石、二八面體的白云母或多硅白云母、三八面體的黑云母或金云母。然而,由于長石、三八面體的云母和多硅白云母在沉積后容易發(fā)生蝕變,并且一些黑云母和多硅白云母中含有過剩40Ar,因此白云母被認為是進行碎屑礦物40Ar/39Ar定年的最佳選擇對象。由于現(xiàn)階段激光微探針技術(shù)的高精度和樣品處理的高速度,越來越多的學(xué)者用40Ar/39Ar年代學(xué)來揭示物質(zhì)在盆山關(guān)系中的交換方式。這些探索主要集中于對物源造山帶隆升時間的厘定和冷卻剝落速率的估算。與碎屑鋯石U-Pb定年一樣,40Ar/39Ar定年方法也可以用來指示沉積物源,還可以用來建立物源地體的冷卻歷史,約束沉積作用的時間和確定物源造山帶隆升的方式。1通過探索地球形態(tài)逃避的歷史方法1.1封閉-等溫-地層格架gs滯后時間是由Zeitler等和Cerveny等在對巴基斯坦北部新近系磨拉石沉積物中的碎屑鋯石進行裂變徑跡研究時提出的。Ruiz等將其定義為:滯后時間(Lg)是指來自物源造山帶的礦物顆粒在物源造山帶下經(jīng)過封閉溫度區(qū)域時和在盆地中沉積時之間的時間間隔,可表示為:Lg=tc-td(圖1)。隨著巖體沿垂向方向向上抬升到地表,在tc時刻,它經(jīng)過封閉溫度(Tc)的等溫線區(qū)域。此時放射性Ar開始在白云母中聚集;接著巖體繼續(xù)抬升,在經(jīng)過Dc距離后出露于地表,并在te時刻接受剝蝕;隨后經(jīng)過搬運于td時刻沉積于盆地中。因而來自沉積盆地地層1和2中的沉積物就記錄著巖體從物源造山帶下封閉溫度區(qū)域剝露抬升到地表的信息。需要注意的是,如果在物源造山帶地體中存在明顯的斷層熱液活動,封閉溫度等溫線將受到干擾而發(fā)生擾動(圖1)。其中時間(tc-te)是礦物所在巖體從其封閉等溫線區(qū)域的深度經(jīng)充分剝蝕到地表所需要的時間,時間(te-td)則是礦物從物源區(qū)地表經(jīng)河流體系剝蝕搬運到它最終的沉積位置所需要的時間。因此,滯后時間較短,說明物源造山帶構(gòu)造活動頻繁而且經(jīng)歷了快速抬升和剝蝕,反之,滯后時間越長,反映物源造山帶經(jīng)歷的抬升剝落速率較為緩慢。1.2白云母年齡對沉積物的影響由于滯后時間可由礦物顆粒經(jīng)過白云母封閉溫度時的時間tc減去沉積物的沉積年齡td得出,但計算剝落及隆升速率所需要的卻是礦物所在巖體從其封閉等溫線區(qū)域的深度經(jīng)充分剝蝕到地表所需要的時間(Δt),即為(tc-te)。幸運的是,在活動造山帶中,對物源區(qū)的侵蝕、搬運和沉積這一系列過程所需要的時間很短,與物源地體緩慢的冷卻抬升過程相比可忽略不計。因此滯后時間也被認為是巖體從封閉等溫線區(qū)域的深度經(jīng)剝蝕抬升到地表所需要的時間,可表示為Lg≈tc-te=Δt。對沉積物中自生礦物(如綠泥石)的定年可準確地得到沉積物的沉積年齡,不過由于自生礦物往往容易發(fā)生后期蝕變和受到沉積后變質(zhì)作用的影響,因此在一般情況下,沉積物的沉積時間往往由樣品中定年所得年齡最小的顆粒年齡來約束。物源造山帶在一段時期內(nèi)的平均剝落速率可表示為:式中:Te為地表平均溫度;Tc為白云母的封閉溫度;G為地溫梯度;Δt為巖體從封閉等溫線區(qū)域的深度經(jīng)剝蝕抬升到地表所需要的時間;Lg為滯后時間;Dc為物源造山帶中封閉溫度區(qū)域的深度到地表的距離(圖1)。關(guān)于白云母的封閉溫度尚未統(tǒng)一,但一般接受的是375℃±50℃,與區(qū)域變質(zhì)相中的綠片巖相溫度范圍一致。因此,白云母40Ar/39Ar年齡記錄了經(jīng)歷最后一次主要造山事件的巖體的冷卻和剝落信息。大陸地殼的線性地溫梯度無論用25℃/km還是用30℃/km均可,因為這不是該問題的關(guān)鍵,主要由于隆升速率對線性地溫梯度的干擾難以估計,垂向上上升速度越快,對地溫梯度的干擾就越大。雖然地溫梯度會受到隆升速率的影響,但現(xiàn)在被廣泛接受的事實是白云母40Ar/39Ar年齡記錄著包含該礦物的巖體向上抬升經(jīng)過物源造山帶下8~10km處的時間。需要注意的是,在這層關(guān)系下計算出來的剝落速率是建立在物源造山帶在特定地質(zhì)歷史時期的地溫梯度與現(xiàn)今無太大差異這一假定條件的基礎(chǔ)之上的,只能稱為模式剝落或隆升速率。2構(gòu)造山帶的構(gòu)造年齡雖然喜馬拉雅造山帶已有150多年的研究歷史,但至今仍是地球科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。關(guān)于喜馬拉雅造山帶的其他各方面研究,前人均已取得了顯著的成果,但對其由印度-歐亞板塊碰撞造山以來的整個剝落歷史的認識仍然不是很清楚。而整個剝落歷史的認識對理解一些影響遍及全球的地質(zhì)作用起著關(guān)鍵的作用,例如青藏高原的隆升方式、環(huán)境變遷等。對全面理解喜馬拉雅造山帶的演化來說,對其整個剝落歷史和青藏高原各邊界對碰撞造山的不同反應(yīng)的認識無疑是必需的。因此,本文試圖通過系統(tǒng)地對物源均來自喜馬拉雅造山帶的喜馬拉雅前陸盆地和孟加拉海扇中不同層位的碎屑白云母40Ar/39Ar資料的詳細分析來追索和恢復(fù)其整個剝落歷史。出露于巴基斯坦和印度北部的同造山沉積物記錄了喜馬拉雅造山帶于早—中始新世(約52Ma)已開始造山的證據(jù)。最近對尼泊爾物源來自喜馬拉雅逆沖推覆帶的中始新世地層中碎屑沉積物年代學(xué)和地球化學(xué)的研究表明,喜馬拉雅中部開始造山的時間比最先開始造山的西北部最多只晚大約2Ma。由此可見,兩板塊在接觸碰撞時的不等時性造成一側(cè)碰撞造山隆升、另一側(cè)為殘余洋盆關(guān)閉的現(xiàn)象在喜馬拉雅造山帶表現(xiàn)得并不明顯。出露于巴基斯坦北部前陸盆地中的哈扎拉-克什米爾構(gòu)造結(jié)(Hazara-KashmirSyntaxis)地區(qū)的Balakot組陸相沉積物被認為是從喜馬拉雅造山帶剝蝕搬運形成的最古老的沉積(表1)。而在印度北部,出露于不同逆沖巖席中的Dagshai組陸相沉積物和Dharmsala群下部沉積物(同時異相)是物源來自喜馬拉雅造山帶的最老的沉積物。Dagshai組和下Dharmsala群底部沉積物中的碎屑白云母40Ar/39Ar年齡顯示其沉積年齡應(yīng)小于22Ma。Dagshai組和下Dharmsala群之上為Kasauli組和上Dharmsala群,碎屑白云母40Ar/39Ar年齡顯示Kasauli組的沉積年齡應(yīng)小于22Ma,而上Dharmsala群則小于16Ma。喜馬拉雅前陸盆地中最年輕的地層單元為出露于印度西北部的Siwalik群,通過磁性地層學(xué)對比,認為其沉積年齡為12~1Ma。但碎屑白云母40Ar/39Ar年齡的資料僅限于Siwalik群的下部,而大洋鉆探計劃116航次(O-ceanDrillingProgramLeg116)取自孟加拉扇中的巖心樣品經(jīng)40Ar/39Ar定年,其沉積年齡為0~18Ma,這就彌補了Siwalik群上部年齡資料的匱乏。本文試圖通過對喜馬拉雅前陸盆地和孟加拉扇中各地層的碎屑白云母40Ar/39Ar資料的系統(tǒng)分析,來揭示喜馬拉雅造山帶自印度-歐亞板塊碰撞開始造山以來的整個剝落歷史。樣品中碎屑礦物年齡的頻率分布通常用直方圖或概率密度函數(shù)曲線圖來描述,由于直方圖沒有考慮誤差,概率密度函數(shù)曲線無法明確表示樣品中特定年齡段數(shù)據(jù)的分布頻率,因此本文采用Sircombe設(shè)計的EXCEL工作薄:AgeDisplay,即結(jié)合箱狀頻率直方圖和概率密度分布曲線來表示碎屑白云母40Ar/39Ar年齡資料(圖2)。這些圖清晰地顯示了每個地層單元中40Ar/39Ar年齡的不同分布區(qū)間,而且每個區(qū)間的峰值年齡也可以準確地獲得,每個圖中的峰值年齡和沉積年齡的差值可視為該地層單元的滯后時間。在分析過程中,將Dharmsala群下部依據(jù)不同的沉積年齡分為3段,古地磁資料很好地限制了這3段的不同沉積年齡,這樣做的目的是提高此階段內(nèi)計算結(jié)果的精確性。3不同層序古氣候發(fā)育時期的冷卻和剝削階段如果在沉積過程中物源沒有發(fā)生變化,那么可通過對比不同層位的滯后時間來得出物源區(qū)冷卻和剝落速率的變化。由于喜馬拉雅前陸盆地和孟加拉海扇的沉積物均來自喜馬拉雅造山帶,即沉積物源沒有發(fā)生變化,因此也可用該方法來確定喜馬拉雅造山帶冷卻和剝落速率的變化關(guān)系。每套地層單元的滯后時間(L)與最老地層的滯后時間(L0)的比值即可闡明不同時期冷卻和剝落速率的變化趨勢(圖3)。滯后時間的平穩(wěn)變化(L/L0=1)指示了物源地體的冷卻和剝落的穩(wěn)定性,可作為實際變化的參考來反應(yīng)其變化趨勢。圖3顯示了喜馬拉雅前陸盆地和孟加拉海扇中不同地層單元滯后時間的變化趨勢,但需要注意,其橫坐標是每套地層單元的最小沉積年齡,并不能代表滯后時間變化的真實時間。計算出的剝落速率的演化趨勢基本上與上述各地層滯后時間的變化相吻合(圖4)?？蓪⑵浞譃?個階段。階段1:37.5~31Ma,剝落速率保持在0.65~0.8mm/a之間;階段2:速率逐漸升高,在25Ma左右達到1.5~1.8mm/a;階段3:速率明顯增大,在24Ma左右達到3.0~3.8mm/a;階段4~5:變化趨勢與階段3~4相同,速率分別在22Ma和21Ma達到3.2~4.0mm/a和4.0~5.0mm/a,后者為整個變化過程的峰值;階段6:速率顯著下降,在18Ma降至0.7~0.9mm/a;階段7~8:速率逐漸緩慢上升,分別在12Ma和6Ma達到1.4~1.7mm/a和1.6~2.0mm/a;階段9:變化趨于平穩(wěn),速率維持在1.6~2.0mm/a之間。4區(qū)域運動與區(qū)域損害的解釋青藏高原北緣的阿爾金斷裂表現(xiàn)為大型的左旋走滑斷裂。大量的熱年代學(xué)研究顯示,沿著阿爾金斷裂和柴達木盆地周緣在30Ma左右存在一次重要的熱構(gòu)造事件,剝落速率約為0.25km/Ma,同時阿爾金山的剝落事件主要集中于漸新世。如前所述,喜馬拉雅造山帶在50Ma左右開始碰撞造山,在30Ma左右剝落速率為0.8mm/a。那么,如何解釋兩者在剝落事件開始的時間和剝落速率之間的差異呢?Bayly提出的擠彎模型(bucklingmodel),即球面彎曲時的幾何縮短使俯沖板塊形成2個應(yīng)力集中區(qū)域,給問題的解釋帶來了重要的提示。結(jié)合Wang等提出的柴達木盆地向東運動的模型,即柴達木盆地在印度-歐亞板塊碰撞之前應(yīng)與塔里木地塊在一起,可以這樣認為:青藏高原北緣通過大規(guī)模的走滑運動吸收喜馬拉雅造山帶的擠壓力,直到柴達木地塊的向東運動受到華北板塊的阻擋,無法繼續(xù)通過走滑來吸收擠壓力時,阿爾金山開始隆起,造成在30Ma左右發(fā)生了一次重要的構(gòu)造熱事件。不同學(xué)者計算出的阿爾金斷裂大規(guī)模走滑位移量(約為400km)也支持這種解釋。青藏高原東緣以龍門山逆沖推覆帶為界。從侏羅紀到晚中新世—早上新世,該地區(qū)的剝落速率一直很低(<0.1mm/a),即在喜馬拉雅隆升剝落速率較高的31~18Ma期間,青藏高原東緣無明顯的反應(yīng),直到晚中新世—早上新世,開始經(jīng)歷顯著的構(gòu)造熱事件,冷卻速率為30~50℃/Ma,相對應(yīng)的剝落速率達到1~2mm/a。該速率與所計算出的喜馬拉雅在該時間段的剝落速率一致,這表明該時期來自喜馬拉雅方向的擠壓主要被青藏高原東緣龍門山地區(qū)的抬升剝落作用所吸收,導(dǎo)致青藏高原向東方向的側(cè)向生長。對印度-歐亞板塊碰撞區(qū)域運動學(xué)的現(xiàn)今觀測和對大規(guī)模山崩、河流侵蝕造成的快速剝蝕作用導(dǎo)致龍門山造山帶在晚新生代垂向擠出這一現(xiàn)象的闡明從不同方面證實了上述推測。需要注意的是,在青藏高原北緣于30Ma左右經(jīng)歷了一期次重要的構(gòu)造熱事件后直到18Ma左右,無論是北緣還是東緣,均未發(fā)生顯著的抬升剝落事件,而該時間段喜馬拉雅造山帶的剝落速率則相對較高,因此該段時間的構(gòu)造擠壓力是造成青藏高原地殼加厚、整體抬升的重要原因。5青海湖北緣及東緣國家造山帶對區(qū)域構(gòu)造的調(diào)整通過對喜馬拉雅前陸盆地和孟加拉扇中各地層的碎屑白云母40Ar/39Ar資料的系統(tǒng)分析,揭示了喜馬拉雅造山帶自印度-歐亞板塊碰撞開始造山以來的整個剝落歷史。通過計算,剝落速率顯示了與滯后時間相同的變化規(guī)律:開始保持平穩(wěn),在31~18Ma期間剝落速率相對較高,峰值出現(xiàn)在22Ma左右,隨后顯著下降,在18Ma左右又開始緩慢上升直至保持平穩(wěn)。通過分別對比青藏高原北緣、東緣與喜馬拉雅造山帶的剝落歷史,揭示了青藏高原北緣和東緣對來自喜馬拉雅造山帶方向的擠壓在不同時期的不同反應(yīng)。從喜馬拉雅造山帶開始造山(約50Ma)到30Ma左右,反應(yīng)主要集中在青藏高原北緣,主要通過阿爾金斷裂的大型左旋走滑使柴達木地塊的向東運動來吸收擠壓力,直到柴達木地塊的向東運動受到華北板塊的阻撓而停滯。導(dǎo)致沿著阿爾金斷裂和柴達木盆地周緣在30Ma左右曾發(fā)生一期重要的熱構(gòu)造事件,隨后阿爾金山開始隆起,其剝落