1、西昆仑山北缘新生代隆升历史的裂变径迹证据 李萌 郭健 汤良杰 刘俊来 逄思宇 中国冶金地质总局矿产资源研究院 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 中化地质矿山总局化工地质调查总院 摘 要： 自新生代以来, 西昆仑地区发生强烈的构造变形和隆升, 其初始隆升和末次快速隆升的时限仍是有待探讨的重大问题。本文沿西昆仑北缘采集一系列砂岩样品, 利用裂变径迹分析方法探讨了西昆仑北缘新生代的冷却历史。结合裂变径迹年龄和径迹长度分布进行分析, 可以将 6 个磷灰石样品分为 2 组。3 个磷灰石样品的径迹年龄远小于所在地层的年龄。平均径迹长度为 (12.02
2、.3) 12.61.3m, 呈不对称单峰形态, 反映样品缓慢地通过部分退火带;另外 3 个磷灰石样品径迹年龄与各自地层的沉积年龄接近, 平均径迹长度介于 (10.72.3) 11.41.3m, 呈现双峰或混合分布的特征, 表明沉积后发生部分退火。热史模拟显示, 自晚白垩世以来, 西昆仑山北缘共经历了 3 期抬升冷却事件。晚始新世 (4030 Ma) , 受早期印度板块向古亚洲大陆板块俯冲碰撞的影响, 西昆仑山北缘已经开始隆升;晚渐新世早中新世 (25 15 Ma) 是西昆仑乃至青藏高原重要的隆升时期;最后一轮强烈隆升则发生在距今 53 Ma 以来, 冷却速率最高达 15/Ma, 剥蚀速率相当于
3、 600m/my。电子自旋共振测试揭示了早中新世 (15 Ma) 和晚上新世以来 (2.6 0.63 Ma) 两期强烈的构造变形和热液活动, 更进一步限定了西昆仑最后一期强烈隆升在 2.6 Ma 以来。关键词： 西昆仑山; 新生代; 裂变径迹; 冷却历史; 隆升; 作者简介：李萌, (1984) , 博士。研究方向:含油气盆地构造研究工作。E-mail:。收稿日期：2017 年 3 月 28 日基金：国家重点研发计划 (2016YFC0600210) Fission Track Evidence for Cenozoic Uplift in the Western Kunlun Mountai
4、nsLI Meng GUO Jian TANG Liang-jie LIU Jun-lai PANG Si-yu Institute of Mineral Resource Research, China Metallurgical Geology Bureau; State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum; School of Earth Science and Resources, China University of Geoscience; Gener
5、al Institute of Chemical Geology Survey, China Chemical Geology and Mine Bureau; Abstract： The Western Kunlun Mountains ( WKL) , which located in the northwestern margin of the QinghaiTibet plateau, has experienced intense tectonic deformation and uplift science the Cenozoic. The timing of the initi
6、al and the last rapid uplift is still a major issue to be explored. In this paper, we collected a series of sandstone samples along the northern WKL and discussed the Cenozoic thermal history according to analysis of fission track.Analysis of apatite fission track ages combined with track length dis
7、tribution suggests that 6 apatite samples can be divided into two groups. Apatite fission track ( AFT) ages of the 3 samples are much younger than their stratigraphic ages and mean track lengths range from ( 12. 0 2. 3) m to ( 12. 6 1. 3) m with single peak distribution, showing that the samples coo
8、led slowly through the partial annealing zone ( PAZ) . The other 3 AFT ages are very close to their stratigraphic ages and mean track lengths range from ( 10. 7 2. 3) m to ( 11. 4 1. 3) m with bimodal or mixed distribution, showing that these samples suffered partial annealing after their deposition
9、.AFT ages and thermal history modeling results reveal that the northern WKL have experienced three rapid uplifting periods since Late Cretaceous. The first uplift event occurred in the Late Eocene ( 40 30 Ma) , which was related to the initial collision event of the Indian plate with the Eurasian pl
10、ate in the Cenozoic. Late Oligocene-Early Miocene ( 25 15 Ma) is an important uplifting period of the WKL and even Qinghai-Tibet plateau. The last rapid uplift event probably started at 5 3 Ma with a relatively high cooling rate of 15. 67 /Ma, and inferred exhumation rate of 626. 8 m/my. Meanwhile,
11、electron spin resonance dating ages indicate that the northern WKL have experienced strong metamorphism and hydrothermal activity in the Early Miocene ( 15 Ma) and Late Pliocene-Pleistocene ( 2. 6 0. 63 Ma) , corresponding well with the last two uplift events revealed by AFT modeling. This ESR age s
12、et a limit of the last rapid uplift of WKL to 2. 6 Ma.Keyword： Western Kunlun; Cenozoic; fission track; cooling history; uplift; Received： 2017 年 3 月 28 日引用格式:李萌, 郭健, 汤良杰, 等.西昆仑山北缘新生代隆升历史的裂变径迹证据J.科学技术与工程, 2017, 17 (33) :614Li Meng, Guo Jian, Tang Liangjie, et al.Fission track evidence for Cenozoic u
13、plift in the Western Kunlun MountainsJ.Science Technology and Engineering, 2017, 17 (33) :614裂变径迹法自 20 世纪 80 年代以来在地学研究中得到广泛应用, 特别适合用于对缺乏有效沉积纪录地区的低温构造演化分析1,2。近年来, 磷灰石、锆石裂变径迹法广泛应用于限定山脉的隆升历史。新生代以来, 印度板块自南向北俯冲至欧亚板块之下, 之后持续的汇聚与碰撞造成了青藏高原的隆升7,8。西昆仑及邻区是青藏高原晚新生代强烈变形的地区之一, 提供了青藏高原抬升剥露等很多重要信息。前人对西昆仑山隆升时限方面也进行了
14、大量的热年代学研究, 确定了距今 267235 Ma9、180130Ma10,11、8060 Ma12,13、5030 Ma 和 25 Ma 以来等一些主要的冷却事件。特别的, 大多数学者认同西昆仑山自晚渐新世 (25 Ma) 以来阶段性隆升的观点。针对热史演化方面, 一些学者认为西昆仑山进入快速冷却阶段的时限为 52 Ma12,20,21, 快速冷却速率为 0.44.5/Ma。尽管前人通过热年代学方法等对西昆仑及邻区的抬升剥露历史进行了大量研究, 而对西昆仑山北缘晚白垩世以来的热事件还缺乏足够的讨论, 有些结论还存在争议之处, 尤其是西昆仑初始隆升和最后一期强烈隆升的时限。本文在西昆仑北缘采
15、集碎屑岩样品, 分析其裂变径迹年龄和径迹长度, 进行热史模拟, 探讨西昆仑山北缘新生代以来的隆升历史。1 地质背景西昆仑作为青藏高原的西北边界, 平均海拔 5 000 m 以上, 是西昆仑山与塔里木两大构造块体之间的结合部位 (图 1) 。西昆仑北部主体由古元古代的深变质岩构成, 周缘零星分布有中、新元古界的火山沉积岩系、早古生代的碎屑岩碳酸盐岩系和晚古生代的碳酸盐碎屑岩系22。中生界在该区中基本缺失, 只有极少出露。新生界主要分布于阿尔塔什断裂以东和铁克里克断裂以北的区域。新生代以来, 受印度板块与欧亚板块的碰撞与持续汇聚作用, 西昆仑山急剧隆升, 在山前堆积了巨厚的沉积。图 1 西昆仑山地
16、质简图 Fig.1 Regional geological sketch map of the Western Kunlun Mountains 下载原图2 采样和样品制备笔者沿西昆仑北缘采集了一系列碎屑岩样品 (采样位置见图 2 和图 3) , 包括中元古界蓟县系、白垩系和古近系砂岩, 从中选出磷灰石进行裂变径迹测年。测试工作在中国地质大学 (北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室进行, 按 Yuan 等23所采用的外探测器法裂变径迹法进行分析。每个样品分离出足够测试需要的磷灰石单矿物, 将其分别制成环氧树脂样片, 并抛光为光薄片。磷灰石自发裂变径迹在恒温 25的 6.6%HNO3溶液中蚀
17、刻 30 s。采用外探测器法定年, 将低铀白云母贴在磷灰石光薄片上, 与标准铀玻璃一起构成定年组件。磷灰石样品在中国原子能科学研究院 492 反应堆进行辐照。照射后的云母外探测器置于 25的 HF 中蚀刻 35 min 以揭示诱发裂变径迹, 磷灰石实验室 Zeta常数为 332.110.5。裂变径迹统计和径迹长度测量用 OLYMPUS 偏光显微镜, 在放大 1 000 倍浸油和反射光源条件下完成围限径迹长度的测量。3 测试数据分析西昆仑山北缘磷灰石裂变径迹测年结果见表 1。n 为测试的颗粒数; d为标准玻璃的诱发径迹密度;N d为标准玻璃的诱发径迹数; s为自发径迹密度;N s为自发径迹数;
18、i为外探测器诱发径迹密度;N i为外探测器诱发径迹数;P () 是在自由度为 Nc-1 时得到的 值的概率;MTL 为围限径迹平均长度;N i为径迹长度测量数。在年龄测试过程中, 选取尽可能多的磷灰石单颗粒进行测量。 用以检验单颗粒年龄是否服从泊松分布来判断颗粒是否属于同一组分24。其中, 4 个样品单颗粒年龄的 检验值大于 5%, 样品颗粒属于同一年龄组分和同一物源区, 采用中心年龄。其他 2 个样品小于 5%, 采用池年龄。在 1100 Ma 的地质时间内, 磷灰石裂变径迹封闭温度为 11025,26。6 个磷灰石样品的平均径迹长度介于 (10.72.3) (12.61.3) m (见表
19、1) , 远小于原始径迹长度 (16.30.9) m27, 表明经历过显著的退火。结合裂变径迹年龄和径迹长度分布进行分析, 可以更好了解磷灰石样品的热历史。6 个磷灰石样品的热史路径可以分成 2 组来讨论。其中, 样品 DW-2-1 采自白垩系克孜勒苏群 (K 1Kz) 暗红色砂岩, 炮江沟样品 PJG-1-1 和 PJG-2-2 取自中元古界蓟县系博查特塔格组 (Jxbc) , 径迹年龄远小于样品所在地层的年龄。这 3 个磷灰石样品的平均径迹长度为 (12.02.3) (12.61.3) m, 呈不对称单峰形态 (图 3) 。该组样品沉积之后发生完全退火, 进入部分退火带 (PAZ) 后经历
20、了缓慢的冷却过程。图 2 西昆仑北缘采样位置 (位置见图 1) Fig.2 Sampling locations of the northern margin of the Western Kunlun Mountains (See Fig.1 for regional location) 下载原图图 3 磷灰石样品的封闭径迹长度分布图 Fig.3 The histograms of length distribution of the confined fission track 下载原图表 1 西昆仑山北缘磷灰石裂变径迹样品数据 Table 1 Apatite and zircon fis
21、sion track data for samples in the northern margin of the western Kunlun Mountains 下载原表 样品 SZ-4-1 采自古新统始新统齐姆根组 (E 1-2q) , 样品 KSL-7-1 和 KSL-8-1取自古新统阿尔塔什组 (E 1a) , 径迹年龄与各自地层的沉积年龄接近。这 3 个磷灰石样品的平均径迹长度介于 (10.72.3) (11.41.3) m, 比上组径迹长度稍短, 呈现双峰或混合分布的特征 (图 3) 。这组样品的热历史较为复杂, 从物源区抬离 PAZ, 沉积埋藏后只遭受了部分退火, 同时存在物源
22、区和沉积区产生的径迹。4 热史模拟4.1 模拟条件为进一步了解样品所经历热史演化过程, 根据裂变径迹的单颗粒年龄和长度数据, 结合区域构造演化, 模拟了所有磷灰石样品的热演化历史。应用的模拟软件为 He FTy (version, 2009) , 选用 Laslett 等27退火模型, 利用 Monte Carlo 拟合法进行了磷灰石样品的时间-温度历史的模拟。本区地温梯度设定为25/km28, 地表温度为 20。GOF 检验值表示径迹模拟值与观测值的吻合程度29。每个样品均模拟 1 000次, 绿色和红色区域分别代表可接受和很好的模拟结果, 黑色粗线代表了最佳模拟拟合时间-温度曲线。4.2
23、模拟结果从图 4 看出, 所有样品的径迹年龄检验值 GOF0.9, 径迹长度检验值 GOF0.95, 表明模拟结果是高质量的。热史模拟的结果表明, 自晚白垩世以来, 西昆仑山北缘共经历了 3 期快速冷却事件:4030 Ma、2515 Ma 和 5 Ma 以来。西昆仑山北缘晚白垩世末期 (7565 Ma) 出现快速冷却, 该区上白垩统英吉沙群和古近系之间的不整合接触关系即为此次抬升事件的反映。杜瓦样品 DW-2-1 在 75 Ma 左右, 开始从 130快速冷却到 75, 之后缓慢冷却, 在 40 Ma 再次快速冷却, 最终抬离 PAZ。桑株样品 SZ-4-1 在 45 Ma 进入沉积区, 经历
24、最高埋藏温度 95, 仅发生部分退火, 从 25 Ma 左右发生快速冷却, 在 15 Ma 已被抬升至地表。炮江沟磷灰石样品的裂变径迹年龄远小于沉积年龄, 在 40 Ma 开始从 120快速冷却进入 PAZ, 30 Ma 之后缓慢冷却, 直到 5 Ma 左右快速抬升至地表。库斯拉甫以样品 KSL-7-1 为例, 在沉积区的最高埋藏温度为 90, 在 40 Ma 开始第一次抬升冷却, 随后是一段缓慢冷却阶段;最后一期冷却始于 3 Ma, 冷却速率达到 15/Ma, 剥蚀速率相当于 600m/my。表 2 西昆仑山北缘磷灰石样品冷却史和冷却速率 Table 2 Inferred thermal h
25、istory and cooling rate for apatite samples in the northern Western Kunlun Mountains 下载原表 5 讨论新生代以来, 受印亚板块碰撞所产生的强烈挤压作用, 青藏高原逐渐崛起成为如今的“世界屋脊”, 处于青藏高原西北缘的西昆仑山也发生了强烈的构造变形和隆升。杜瓦样品 DW-2-1 的径迹年龄为 (686) Ma, 指示了晚白垩世末期的热冷却事件。热史模拟显示, 样品在 7565 Ma 抬升进入部分退火带。该期构造热事件可能与距今 75 Ma 拉萨板块 Karakorum 地体和 Kohistan 岛弧的碰撞有关3
26、0,31。图 4 西昆仑山北缘磷灰石裂变径迹热史模拟结果 Fig.4 Modeled thermal history for the apatite samples of the northern Western Kunlun Mountains 下载原图MA 为模拟年龄;DA 为测试年龄;MTL 为模拟径迹长度;DTL 为测试径迹长度;GOF为拟合度始新世末期, 塔里木盆地西南缘出现大规模海退32,33, 由碳酸盐岩向陆相碎屑岩沉积过渡34。在前人研究中, 关于西昆仑山始新世热事件的报道还比较少, 一般认为反映的是西昆仑南部甜水海地体的抬升剥露9,35。同时, 部分学者持有不同观点。Yin
27、等14认为西昆仑 Puska 地区冲断活动始于或早于 46 Ma, 而 Sun 和 Jiang36认为在新特提斯和塔里木关闭之前, 帕米尔高原北部在 55 Ma 已开始隆升。本次测试中, 炮江沟磷灰石样品产生了 (325) Ma 和 (363) Ma 的表观年龄, 指示了晚始新世早渐新世的冷却事件。热史模拟也表明, 东、西段同时存在 4030 Ma 的快速冷却阶段, 冷却速率最高为 6.0/Ma, 剥蚀速率相当于 240 m/my。西昆仑地区在始新世可能存在水下的古隆起, 隆升的幅度不大, 没有地表的剥露。不仅在西昆仑山, 青藏高原北缘如阿尔金山37、肃北地区38、柴北缘39、东昆仑40也都纪
28、录了 35 Ma 左右的隆升事件。西昆仑山的这期热冷却事件与印亚板块早期的碰撞作用有关, 作为新特提斯洋残留洋盆标志的雅鲁藏布江缝合带在始新世晚期 (4038 Ma) 已经形成41,42。仅桑株样品 SZ-4-1 模拟出 2515 Ma 的冷却阶段, 但同时期的热年代学年龄在西昆仑山广泛分布9,20,35,43。王永等44通过沉积学和古地磁研究认为西昆仑在约 25 Ma 整体快速隆升。西昆仑地区始新统渐新统巴什布拉克组 (E 2-3b) 与上覆中新统克孜洛依组 (N 1k) 假整合接触, 而在青藏高原及周边也遍布约 23 Ma 的沉积缺失和不整合面45。尽管受到断裂热扰动的影响, 但该时期广泛
29、发生的快速隆升对磷灰石样品退火起到主导作用。西昆仑乃至青藏高原这一期重要的隆升事件, 是印度板块与欧亚板块持续碰撞的结果。本次 2515 Ma热事件是西昆仑乃至青藏高原一期重要的隆升事件, 是印度板块与欧亚板块持续碰撞的结果, 对于青藏高原的整体抬升和扩展意义重大。磷灰石样品热史模拟揭示了上新世早期 (53Ma) 的热冷却事件。该区上新统阿图什组 (N 2a) 与上覆更新统西域组 (Q 1x) 之间的不整合接触就是此次隆升事件的沉积响应。Zheng 等46根据西昆仑山磁性地层学测试结果, 推测青藏高原西北缘在 4.5 Ma 出现快速的隆升。黎敦朋等20对西昆仑陡坡带的花岗岩磷灰石裂变径迹研究认
30、为, 青藏高原西北缘 5 Ma 以来的抬升幅度为 2 0003 000 m。在青藏高原北缘, 前人从热年代学12,47,48、构造变形49,50、古磁性22,46,51、气候等方面报道了上新世以来的隆升事件。大量的研究表明, 青藏高原北缘最后一轮强烈隆升应该也发生在距今 53 Ma 以来。造山带的快速隆升往往伴随强烈的变形活动。通过对构造脉体矿物热活化 ESR (电子自旋共振) 测年, 可以大致确定浅层构造变形的时限49,56,57。本次研究对西昆仑北缘逆冲断裂带中充填的方解石和石膏样品进行了 ESR 年代学测定。测试结果显示, 一个样品 ESR 年龄为 15 Ma, 其余 4 个样品年龄分布
31、在2.60.63 Ma 之间 (图 2、表 3) , 分别代表西昆仑山在早中新世和晚上新世以来经历了强烈的构造变形和热液活动。本次 ESR 测试年龄从构造变形的角度验证了热史模拟所揭示的 2515 Ma 和 53 Ma 两期隆升事件。更为重要的是, 2.6 Ma 代表了西昆仑最后一次大规模变形活动的时限, 结合该区最后一期 53 Ma以来的热事件, 我们可以将西昆仑最后一期强烈隆升更加准确的限定在 2.6Ma以来。表 3 西昆仑山北缘方解石和石膏 ESR 样品数据 Table 3 ESR testing data of calcite and gypsum samples in the nor
32、thern Western Kunlun Mountains 下载原表 6 结论裂变径迹数据及热史模拟显示, 自晚白垩世代以来西昆仑山北缘经历了 3 期抬升冷却事件:4030 Ma、2515 Ma 和 5 Ma 以来。晚始新世 (4030Ma) , 受早期印度板块向古亚洲大陆板块俯冲碰撞的影响, 西昆仑山北缘已经开始隆升;晚渐新世早中新世 (2515 Ma) 是西昆仑乃至青藏高原重要的隆升时期;最后一轮强烈隆升则发生在距今 53Ma 以来, 冷却速率最高达 15/Ma, 剥蚀速率相当于 600 m/my。ESR 测试表明, 西昆仑山在早中新世 (15 Ma) 和晚上新世以来 (2.60.63
33、Ma) 经历了强烈的构造变形和热液活动, 验证了热史模拟所揭示的后两期隆升事件。结合 ESR 测试, 我们将西昆仑最后一期强烈隆升更加准确的限定在 2.6 Ma 以来。参考文献1吴堑虹.裂变径迹方法在大地构造学中的一些应用.地质地球化学, 2001;29 (1) :83-89Wu Qianhong.Some cases of application of fission track method in geotectonics.Geology-Geochemistry (in Chinese) , 2001;29 (1) :83-89 2朱文斌, 张志勇, 舒良树, 等.塔里木北缘前寒武基底隆
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