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科研快讯 碎屑单矿物多法定年重建长江晚新生代贯通过程

发布日期: 2020-10-28 阅读次数:
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1 选择碎屑锆石or碎屑磷灰石?

锆石和磷灰石(1)常见于火成岩、变质岩和碎屑岩,广泛应用于(碎屑岩或基岩)年代学研究,然而此二者由于其自身抗化学和物理风化能力差异,在-山耦合-过程研究中备受争议。锆石既具极强的抗化学和物理风化能力,又具高UTh和低普通Pb成分特征,成为了年代学物源示踪的首选,但其局限性在于:(1)对于缺少岩浆作用的物源区/或造山带、中低级变质作用过程甄别较难(Moecher and Samson, 2006; O’Sullivan et al., 2016; Mark et al., 2016);(2)搬运沉积过程中多旋回过程导致物源区信息混合(Meinhold et al., 2011; Chew et al., 2020)。磷灰石虽然具低UTh和高普通Pb成分,同时在酸性地下水和风化条件下具弱-中等稳定性,即在沉积物搬运沉积过程中稳定性有限,普遍被认为是碎屑沉积物质首次剥蚀-沉积旋回过程的产物。

 

1  磷灰石和锆石矿物及其裂变径迹(Fission track, FT)特征

近十年来,由于单矿物多法定年和同位素地球化学方法手段和精度的进步(Malusa and Fitzgerald, 2019),极大地提高了地质学家对于复杂盆-山耦合过程中多物源示踪过程的研究程度(2)。单矿物颗粒定年能够同时获得矿物结晶年龄和抬升冷却年龄(裂变径迹(FT)和(U-Th)/He定年)等,因而能够获取物源区结晶-抬升冷却过程和盆地沉积物充填热史等有效信息;同位素地球化学特征(如:143Nd/144NdHf等)通常对于岩浆或变质作用等演化环境具有极强的敏锐性,能够有效示踪源区火成岩和变质作用类型及其相应的古地理环境。磷灰石相对于锆石普遍具有较小或较低的封闭温度(如:AFTAHe系统),因而对于(1-4 km)浅表剥蚀作用过程具有更加敏锐的指示性,尤其是在含油气盆地热史研究过程中得到广泛使用。

2  单矿物多法年代学物源示踪示意图(据Reiners et al., 2005 修改

A)- 复杂源-汇系统中多物源示意图, 其中火山岩源区(AF区)具相似的岩浆结晶和快速冷却年龄、4个地体物源区(B-E源区)具有可能相似U-Pb年龄或AFT/AHe年龄。B) 多法定年峰值年龄模型图,物源区BC锆石年龄具相似性(但具不同热年代学年龄),ABDE裂变径迹年龄和/He年龄分别具有相似性(但不同U-Pb结晶年代学年龄),单矿物多法定年方法尤其是结合微量元素特征能够有效识别物源差异性。


青藏高原东缘现代长江河流演化之争

气候、剥蚀和构造之间的耦合/互馈作用控制着大型河流水系演化过程,青藏高原及其周缘大型河流水系演化是亚洲新生代构造-地貌-气候演化的结果,也是其直观表现。它们主要受控于青藏高原隆升和亚洲气候系统的形成演化。

20世纪之初,国内外地理与地质学家逐渐对青藏高原东缘长江三峡起源、平行的三江带(澜沧江、怒江和金沙江)奇特水系特征及其格局产生了浓厚的兴趣,尤其是对金沙江大拐弯或称长江第一湾,基于早期有限的研究逐渐提出了金沙江河流袭夺或冰川侵蚀等机制(李承三,1956;袁复礼,1957;任美锷,1959)。长江第一湾的形成通常被认为是现今长江诞生的标志。

长江演化过程多解性与科学问题主要包括(但不限于)如下:(1)长江上游(石鼓镇之上)是否汇入红河流域,其袭夺过程与机制是什么?(2)古雅砻江、古大渡河和长江中游(或川江)是否曾一度汇入红河流域,若是,其袭夺过程与机制怎么实现的等?(3)三峡贯通过程与机制?(4)现代长江流域盆地演化与效应?近二十年来,大量基础研究工作聚焦于青藏高原东缘三大水系(澜沧江、怒江和金沙江)形成演化及其高原地貌建造过程,对于现代长江水系的贯通演化也逐渐分歧出两大基本认识:(1)晚期贯通论,即晚中新世以来或更晚全新世-更新世贯通(e.g., Sun et al., 2008; 向芳等,2009; Kong et al., 2009, 2012; Zhang et al., 2017);(2)早期贯通论,即渐新世贯通论(Clark et al., 2004; Clift et al., 2006; Richardson et al., 2010; Zheng et al., 2013)。

尤其是近几年关于古红河和长江上游地区的物源对比分析(如:碎屑锆石和磷灰石裂变径迹、U-Pb年龄、HfNd同位素地球化学、钾长石Pb同位素等),进一步揭示至始新世以来二者未曾发生贯通(Wissink et al., 2016; Zhang et al., 2017, 2019),从而使青藏高原东缘大型河流演化过程更加扑朔迷离。需要指出的,当前广泛采用的碎屑锆石U-Pb年代学方法,由于长江上游(石鼓镇之上)羌塘物源区和长江支流雅砻江、大渡河流域松潘-甘孜物源区二者间具有及其相似的锆石U-Pb年龄特征Gehrels, 2011),因而导致长江水系物源区对比结果具有一定的多解性。


上新统-更新统昔格达组的研究历史与现状

昔格达组是广泛分布于青藏高原东南缘金沙江及其支流雅砻江、 安宁河和大渡河等流域盆地中的一套湖相沉积物,主要由均匀而半胶结、亮黄色或土黄色砂与棕红色/砖红色纹层状粘土组成。它最初由攀枝花之父常隆庆(1937)发现并命名为上新世混旦层,袁复礼(1958)改名为昔格达组,其沉积时代为第四纪中晚期。昔格达组岩性上总体可以分为两段,即上部黄色层段和下部灰色层段。上部为厚层粉砂质粘土岩与厚层粉细砂岩层互层,下部为中厚层粉细砂岩与薄层粘土岩互层,分别代表了干燥的气候环境和湿润的气候环境沉积。昔格达组下伏一套冰水或河湖相成因砾岩(也有部分学者认为黄灰色砂泥岩与砾岩二者间为过渡关系),或者直接不整合于下伏基岩之上。该砾岩层系中砾石分选与磨圆较好、成分复杂(以砂岩、石英岩和花岗岩为主),露头剖面古水流数据统计揭示出由北向南古水流特征(3C)。

由于昔格达组出露厚度和海拔高程各地不一,地层分布不连续,所含化石稀少(缺乏具有断代意义的哺乳动物化石和孢子花粉等),唯有磁性地层学和宇宙核素年代学研究取得了一些地层年代约束(王书兵等,2006;姚海涛等,2007Kong et al., 2009, 2012),但对其时代的认识仍然有较大的分歧和争议。Kong et al. (2009, 2012) 基于宇宙核素定年法揭示攀枝花地区昔格达组年代学主要为5.7-1.1 Ma;钱方等(1984)和姚海涛等(2007)等也基于攀枝花昔格达剖面、冕宁剖面和海子坪剖面等磁性年代学测定昔格达组沉积年龄为4.2 - 1.8 Ma,为上新世-早更新世沉积。空间展布特征上,由北向南昔格达组沉积年龄具有逐渐变小(从大于3.5 Ma 逐渐减小到小于2.5 Ma),由东向西昔格达组出露海拔逐渐降低(从~2000 m海拔降低到~1200 m海拔)的特征(3A-B)。

早期部分学者认为金沙江地区为断陷盆地组成的内流水系(即古金沙江),新生代晚期受长江中下游溯源过程形成现代长江河流水系(杨达源和李徐生,2001)。进一步通过大区域对比和综合研究,陈智梁等(2004)、李海龙和张岳桥(2015)等主张昔格达组为古堰塞湖成因。Kong et al. (2009)认为昔格达组包含长江上游和中下游(川江)物源混合信息,代表着长江中上游的反转袭夺过程。毫无疑问的是,昔格达组形成与晚新生代青藏高原东缘大规模构造走滑挤出、抬升剥蚀和气候变化等密切相关。但昔格达组物源及其成因机制有待进一步精确约束,从而揭示它与长江早期演化、青藏高原东缘地貌建造等重要记录。

3  青藏高原东缘昔格达组沉积年龄、空间展布和部分露头古水流特征图(Deng et al., 2020

A)- 昔格达组沉积年龄和古海拔高度图,揭示由北向南沉积年龄和海拔高程的逐渐减小特征。B)- 昔格达组空间展布与古地貌起伏度特征对比。C)-部分露头昔格达组古水流特征图,揭示主要的南向古水流特征。


上新统-更新统昔格达组新数据:重建长江晚新生代贯通过程

青藏高原东南缘川滇构造带具典型左旋逆冲走滑构造、低地貌坡度和起伏度等构造地貌特征,且地震活动频繁,是追索高原东向物质扩展变形与大型河流水系演化的天然实验室。现今GPS数据、构造地质和古地磁等揭示川滇地区新生代10-15% 构造缩短量、60-100 km左旋走滑和10-30°顺时针旋转变形过程(Zhang et al., 2004; Sato et al., 2001; Li et al., 2013Deng et al., 2018),从而形成其独特的高原地貌和水系汇流特征。

针对上述问题,成都理工大学邓宾教授团队与其国际合作者以青藏高原东南缘攀枝花地区昔格达组为对象,开展磷灰石单矿物FTU-Pb和微量元素三法联合分析,结合金红石单矿物U-Pb和微量元素联合分析、锆石U-Pb定年和区域沉积特征等,综合揭示上新统-更新统昔格达组物源及其古昔格达湖盆形成演化过程,结合前人研究成果重建长江晚新生代贯通过程。

昔格达组碎屑磷灰石AFT年龄普遍小于100 Ma、且径迹长度特征不具有双峰分布特征(即再旋回特征),能够有效排除四川盆地作为昔格达组的主要物源区。碎屑磷灰石U-Pb年龄主要包含晚三叠世-侏罗纪峰值年龄,且微量元素特征表明其主要为铁镁质I-型和铁镁质火成岩成因(来源于火成岩物源区),同时金红石地球化学特征也揭示出其主要为绿片岩-角闪岩相中高级别变质泥岩来源。部分磷灰石具有相似的AFT年龄、U-Pb年龄值(小于40 Ma),表明其快速抬升剥蚀作用产物;同时磷灰石矿物微量元素特征揭示出它们具高级变质岩物源特征(4),这与松潘-甘孜地区或龙门山南段大规模出露的晚中-新生代高级变质岩特征相一致,因此,它们为昔格达组提供了主要的沉积物源。

需要指出的是,如果磷灰石主要为再旋回沉积过程产物,其磷灰石U-Pb年龄应该显示出与金红石和锆石U-Pb年龄相似的特征(即主要的古生代和元古代峰值年龄特征)。昔格达组中磷灰石年代学峰值特征体现出与锆石、金红石U-Pb年代学明显的峰值差异性,也间接地证明了稳定矿物的U-Pb年龄极大地代表了多旋回过程的产物,尤其是碎屑锆石。

4  (A) 磷灰石、金红石和锆石U-Pb年龄分布及其峰值年龄特征图(Deng et al., 2020)。(B)磷灰石裂变径迹年龄(AFT) 雷达,其不同颜色示对应磷灰石单矿物U-Pb年龄值。(C)磷灰石微量元素主成份分析特征图(Principal Component Analysis, PCA),其不同颜色圆点对应于磷灰石单矿物U-Pb年龄值, 不同颜色区块代表不同母源特征,ALK = 碱性火成岩、HM =高级变质岩、 I+M = 铁镁质 I-型和铁镁质火成岩; LMMM =-低级变质岩、S = S-型花岗岩和长英质I-型花岗岩, UM =超基性火成岩。需要指出的是,100-20 Ma U-Pb年龄磷灰石微量元素揭示磷灰石单矿物主要为变质成因(即HM区域)。

由此可知,上新世-更新世古大渡河和古雅砻江为古昔格达湖盆带来大量松潘-甘孜地区或龙门山南段物质(5B),鲜水河-大凉山-小江走滑断裂带上新世强烈构造活动可能导致在青藏高原东缘石棉-攀枝花地区形成大型的古昔格达湖盆。虽然如此,大渡河流域和雅砻江流域现代河流砂和昔格达组碎屑锆石U-Pb年龄具有一定的差异性,其可能归咎于(1)存在不同的古昔格达湖盆沉积中心(即安宁河沉积中心和攀枝花沉积中心)或者(2)锆石多旋回过程不同程度的混染效应。伴随晚期~70-100 km走滑强烈活动导致鲜水河-小江断裂带发生强烈的地表抬升作用,这与现今昔格达组层系出露在巧家-西昌一线海拔高度约为2000 m、而宾川-攀枝花地区约为1200 m相一致。强地表抬升剥蚀作用与长江溯源侵蚀作用可能最终导致古昔格达湖盆的消亡(5C)。

5  新生代古昔格达湖盆形成演化与古长江贯通过程模式图(Deng et al., 2020)。 (A) 始新世-中新世(前4.2 Ma时期),古雅砻江、古大渡河和古长江南向和东向分别汇入古长江下游流域,古雅砻江携带松潘-甘地地区锆石物源信息汇入长江三角洲(Zheng et al., 2013)。基于区域沉积物物源特征揭示始新世以来古长江上游(或古雅砻江)与古红河未发生贯通 (Wissink et al., 2016Zhang et al., 2017),推测始新世以来古长江上游流域地区形成内流湖盆古楚雄盆地。(B) 上新世-更新世(4.2-1.3 Ma时期), 古长江中游流域受走滑构造作用形成古昔格达湖盆,因此龙门山南段中生代白云母碎屑物质沿古大渡河汇入江汉盆地流域停滞(Sun et al., 2018),古大渡河、古雅砻江南向汇入古昔格达湖盆。(C) 更新世(1.3 Ma以来)古昔格达湖盆消亡与长江中上游贯通。


本文作者为成都理工大学教授。本文系作者本人理解与解读,相关问题交流可通过邮箱dengbin13@mail.cdut.edu.cn与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读相关原始文献。


主要参考文献

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