引用本文
葛玉魁, 刘静, 张金玉, 李亚林. 日喀则弧前盆地的埋藏和剥蚀历史——来自低温热年代学的约束[J]. 地震地质, 2019,41(2): 447-466.
GE Yu-kui, LIU-ZENG Jing, ZHANG Jin-yu, LI Ya-lin. BURIAL AND EXHUMATION OF THE XIGAZE FORE-ARC BASIN FROM LOW TEMPERATURE THERMOCHRONOLOGICAL EVIDENCE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(2): 447-466.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.02.012
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日喀则弧前盆地的埋藏和剥蚀历史——来自低温热年代学的约束
葛玉魁1, 刘静1, 张金玉1, 李亚林2
1)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2)中国地质大学(北京), 生物地质与环境地质国家重点实验室, 北京 100083;

〔作者简介〕 葛玉魁, 男, 1986年生, 2016年于中国地质大学(北京)获矿产普查与勘探专业博士学位, 现为中国地震局地质研究所博士后, 主要研究方向为低温热年代学与沉积盆地分析, 电话: 010-62009041, E-mail: yukuige@126.com。

收稿日期: 2018-12-27
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC0600310)、 国家自然科学基金(41225010, 41502188, 41702223)、 中国地震局地质研究所地震动力学重点实验室项目(LED2016A02)、 中国地震局川滇国家地震监测预报实验场课题(2017CESE0102)和中国科学院战略性先导科技专项(XDAXDA20070300)共同资助
摘要

日喀则弧前盆地紧邻印度板块与欧亚大陆碰撞带, 研究其剥蚀历史对理解印度板块与欧亚大陆碰撞对造山带剥蚀的影响具有重要意义。文中利用磷灰石裂变径迹(AFT)及锆石和磷灰石的(U-Th)/He(ZHe和AHe)年龄数据, 结合已发表的低温热年代数据探讨日喀则弧前盆地的热演化和剥露历史。日喀则弧前盆地磷灰石裂变径迹年龄存在明显的南北差异, 南部磷灰石裂变径迹年龄为74~44Ma, 对应的剥蚀速率为0.03~0.1km/Ma, 剥蚀量≤2km; 北部磷灰石裂变径迹年龄为27~15Ma, 剥蚀速率为0.09~0.29km/Ma, 但缺失早新生代的热演化历史。而磷灰石的(U-Th)/He年龄表明15Ma BP之后日喀则弧前盆地整体呈现一致的剥露历史。低温热年代数据表明日喀则弧前盆地南部自新生代以来尽管受到印度板块与欧亚大陆碰撞及后期断层活动的影响, 海拔由海平面抬升至4.2km, 但一直保持缓慢的剥蚀, 表明高原隆升并未直接促使该地区的岩石剥蚀速率加快, 这与快速剥蚀即代表造山带开始隆升的假设不相符。此外, 日喀则弧前盆地北部的低温热年代学研究表明晚渐新世—早中新世Kailas盆地仅发育于日喀则弧前盆地与冈底斯造山带之间的狭长地带, 并在短期内经历了快速的埋藏和剥露。

关键词: 隆升剥蚀; 日喀则弧前盆地; 裂变径迹; 青藏高原
中图分类号:P542 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)02-0447-20
BURIAL AND EXHUMATION OF THE XIGAZE FORE-ARC BASIN FROM LOW TEMPERATURE THERMOCHRONOLOGICAL EVIDENCE
GE Yu-kui1, LIU-ZENG Jing1, ZHANG Jin-yu1, LI Ya-lin2
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, School of Earth Sciences and Resources, Research Center for Tibetan Plateau Geology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract

The Xigaze fore-arc basin is adjacent to the Indian plate and Eurasia collision zone. Understanding the erosion history of the Xigaze fore-arc basin is significant for realizing the impact of the orogenic belt due to the collision between the Indian plate and the Eurasian plate. The different uplift patterns of the plateau will form different denudation characteristics. If all part of Tibet Plateau uplifted at the same time, the erosion rate of exterior Tibet Plateau will be much larger than the interior plateau due to the active tectonic action, relief, and outflow system at the edge. If the plateau grows from the inside to the outside or from the north to south sides, the strong erosion zone will gradually change along the tectonic active zone that expands to the outward, north, or south sides. Therefore, the different uplift patterns are likely to retain corresponding evidence on the erosion information. The Xigaze fore-arc basin is adjacent to the Yarlung Zangbo suture zone. Its burial, deformation and erosion history during or after the collision between the Indian plate and Eurasia are very important to understand the influence of plateau uplift on erosion.

In this study, we use the apatite fission track(AFT)ages and zircon and apatite(U-Th)/He(ZHe and AHe)ages, combined with the published low-temperature thermochronological age to explore the thermal evolution process of the Xigaze fore-arc basin. The samples’ elevation is in the range of 3 860~4 070m. All zircon and apatite samples were dated by the external detector method, using low~U mica sheets as external detectors for fission track ages. A Zeiss Axioskop microscope(1 250×, dry)and FT Stage 4.04 system at the Fission Track Laboratory of the University of Waikato in New Zealand were used to carry out fission track counting. We crushed our samples finely, and then used standard heavy liquid and magnetic separation with additional handpicking methods to select zircon and apatite grains.

The new results show that the ZHe age of the sample M7-01 is(27.06±2.55)Ma(Table 2), and the corresponding AHe age is(9.25±0.76)Ma. The ZHe and AHe ages are significantly smaller than the stratigraphic age, indicating suffering from annealing reset(Table 3). The fission apatite fission track ages are between(74.1±7.8)Ma and(18.7±2.9)Ma, which are less than the corresponding stratigraphic age. The maximum AFT age is(74.1±7.8)Ma, and the minimum AFT age is(18.7±2.9)Ma. There is a significant north~south difference in the apatite fission track ages of the Xigaze fore-arc basin. The apatite fission track ages of the south part are 74~44Ma, the corresponding exhumation rate is 0.03~0.1km/Ma, and the denudation is less than 2km; the apatite fission track ages of the north part range from 27 to 15Ma and the ablation rate is 0.09~0.29km/Ma, but it lacks the exhumation information of the early Cenozoic. The apatite(U-Th)/He age indicates that the north~south Xigaze fore-arc basin has a consistent exhumation history after 15Ma.

The results of low temperature thermochronology show that exhumation histories are different between the northern and southern Xigaze fore-arc basin. From 70 to 60Ma, the southern Xigaze fore-arc basin has been maintained in the depth of 0~6km in the near surface, and has not been eroded or buried beyond this depth. The denudation is less than the north. The low-temperature thermochronological data of the northern part only record the exhumation history after 30Ma because of the young low-temperature thermochronological data. During early Early Miocene, the rapid erosion in the northern part of Xigaze fore-arc basin may be related to the river incision of the paleo-Yarlungzangbo River. The impact of Great Count Thrust on regional erosion is limited. The AHe data shows that the exhumation history of the north-south Xigaze fore-arc basin are consistent after 15Ma. In addition, the low-temperature thermochronological data of the northern Xigaze fore-arc basin constrains geographic range of the Kailas conglomerate during the late Oligocene~Miocene along the Yarlung Zangbo suture zone. The Kailas Basin only develops in the narrow, elongated zone between the fore-arc basin and the Gangdese orogenic belt.

The southern part of the Xigaze fore-arc basin has been uplifted from the sea level to the plateau at an altitude of 4.2km, despite the collision of the Indian plate with the Eurasian continent and the late fault activity, but the plateau has been slowly denuded since the early Cenozoic. The rise did not directly contribute to the accelerated erosion in the area, which is inconsistent with the assumption that rapid erosion means that the orogenic belt begins to rise.

Keyword: uplift and erosion; Xigaze fore-arc basin; fission track; Tibet Plateau
0 引言

日喀则弧前盆地位于拉萨地体南缘, 形成于特提斯洋壳向N俯冲时期的欧亚活动大陆边缘, 是临近印度板块与欧亚板块碰撞缝合带的一个重要的构造单元(Einsele et al., 1994; Dü rr, 1996; 万晓樵等, 2001; Wu et al., 2010; Wang C S et al., 2012; An et al., 2014; Orme et al., 2015; Gou et al., 2016; Wang et al., 2017)。新生代以来印度板块与欧亚大陆的碰撞及持续会聚导致了强烈的地壳缩短和增厚, 形成了 “ 世界第三极” — — 青藏高原。印度板块与欧亚大陆的碰撞以及与碰撞相关的高原隆升过程对青藏高原的剥蚀产生怎样的影响、 不同地体之间是否存在隆升或剥蚀差异目前尚存在疑问。高原不同的隆升模式将形成不同的剥蚀特性。若青藏高原整体抬升, 由于边缘部位活跃的构造作用、 较高的地表起伏及强烈的外流水系作用, 其剥蚀速率和剥蚀量将远大于高原内部; 若高原由内向外或向南北两侧生长, 剥蚀强烈的地带将沿着高原向外扩张的构造活跃带向外或南北两侧逐渐变化。因此, 高原不同的隆升模式很可能会在剥蚀信息上保留相应的证据, 而日喀则弧前盆地紧邻雅鲁藏布江缝合带, 了解其埋藏、 变形以及剥蚀历史, 对理解印度板块与欧亚大陆的碰撞对造山带剥蚀的影响以及青藏高原的隆升模式具有重要意义, 然而目前此方面的研究还比较笼统, 需要开展进一步的工作。

低温热年代学能够获得浅地表岩石热演化和剥露历史, 是研究造山带隆升和剥露历史最有效的方法之一(丁林, 1997; 柏道远等, 2004; 王瑜, 2004; Reiners et al., 2006; 常远等, 2010; 陈文等, 2011; Braun, 2016)。磷灰石裂变径迹是一种有效、 简捷的低温热年代学方法, 是建立在矿物内 238U 自发裂变产生辐射损伤的基础上, 通过分析自发裂变径迹密度和母体 238U 含量进行同位素测年的手段, 其封闭温度为80~120℃, 对近地表(深3~6km)的地貌演化过程非常敏感(Gleadow, 1981; 丁林, 1997; 付明希, 2003)。

本文利用日喀则地区弧前盆地碎屑磷灰石裂变径迹年龄及锆石和磷灰石的(U-Th)/He年龄数据, 结合前人所得的沉积学、 年代学、 低温热年代学等研究成果, 获得日喀则弧前盆地的埋藏和剥露历史, 探讨大陆碰撞、 断层活动、 河流下切等因素对沉积盆地埋藏和剥蚀的影响, 并讨论高原抬升过程中地形生长与热年代学剥露记录的匹配性问题。

1 地质背景

研究区由北向南包括密切相关的5个不同的构造单元(图1): 冈底斯造山带、 日喀则弧前盆地、 日喀则蛇绿岩(雅鲁藏布江缝合带)、 混杂岩带和特提斯喜马拉雅。

图 1 日喀则地区地质图和日喀则弧前盆横向地层序列及采样点位置Fig. 1 Geologic sketch map near Xigaze, lateral extent of Xigaze Group sequences and sampling locations.

日喀则弧前盆地位于冈底斯造山带以南, 雅鲁藏布江缝合带以北。冈底斯造山带沿拉萨地体南部呈EW向展布, 主要由中生代岩浆岩和早新生代火山岩组成, 年代为150~40MaiBP(Ji et al., 2009; Lee et al., 2009)。晚渐新世— 早中新世冈底斯造山带南缘发育一套陆相砾岩沉积地层— — Kailas砾岩或秋乌-大竹卡组(尹集祥等, 1988; 刘宝珺等, 1990; Wang et al., 2015; Li S et al., 2017), 南部与日喀则弧前盆地呈断层接触。雅鲁藏布江缝合带主要包括蛇纹石化地幔橄榄岩、 席状岩墙、 枕状玄武岩和放射性硅质岩(Huang et al., 2015), 蛇绿岩套系列中的锆石U-Pb年龄、 40Ar/39Ar年龄及放射虫生物地层学年龄显示蛇绿岩套主要形成于128~120MaiBP(Dai et al., 2013b)。日喀则弧前盆地地层主要分布于日喀则到萨嘎一带, EW向长约600km, 宽几km至20km(Einsele et al., 1994; Wang C S et al., 2012), 自下而上包括日喀则群和错江顶群(Wang C S et al., 2012), 下部的日喀则群包括桑祖岗组、 冲堆组和昂仁组, 地层年代大致为120~83MaiBP; 错江顶群上部包括帕达那组、 曲贝亚组、 曲下组和加拉孜组, 年代为80~58MaiBP, 其中曲贝亚组、 曲下组、 加拉孜组仅见于仲巴— 萨嘎地区(Wang C S et al., 2012; Gou et al., 2016)。日喀则群冲堆组不整合于蛇绿岩之上, 主要为泥质、 硅质和粉砂质韵律层, 厚度几十m至几百m不等; 昂仁组整合沉积于冲堆组之上, 主体为一套由页岩和砂岩组成的深海复理石, 含少量砾岩和泥灰岩夹层, 形成于海底扇和大陆斜坡环境, 代表着日喀则弧前盆地的深海沉积。错江顶群帕达那组由中厚层砂岩、 灰绿色及红色泥质岩和少量生物屑灰岩组成, 形成于三角洲环境; 曲贝亚组由中厚层粉砂质灰岩组成, 含大量底栖大有孔虫化石。昂仁组、 帕达那组和曲贝亚组之间均为整合接触, 组成了日喀则弧前盆地的完整充填序列(Wang C S et al., 2012; Gou et al., 2016)。研究区主要出露日喀则群的冲堆组和昂仁组, 本文主要针对日喀则弧前盆地主体, 即日喀则群展开研究。

由于沉降中心的迁移和后期褶皱变形及断层的影响, 日喀则弧前盆地不同地区的沉积厚度存在差异。早期研究认为日喀则弧前盆地复理石沉积地层厚度为6~8km, 后被校正为4km, 最厚处可达8km(Einsele et al., 1994)。Wang C S等(2012)对日喀则弧前盆地地层厚度进行了详细的修正, 认为日喀则地区日喀则群厚度应为1i000~4i100m(Wang C S et al., 2012; An et al., 2014)。已有的年代学工作认为日喀则弧前盆地冲堆组的地层年代为119~110MaiBP(Wang et al., 2017); 古生物、 碎屑锆石和凝灰岩锆石的U-Pb年龄数据将日喀则群的年龄限定为106~83Ma(图2), 日喀则群下段、 中段和上段的年龄分别为104~99Ma、 99~88Ma和88~83Ma(Wan et al., 1998; Wu et al., 2010; An et al., 2014; Dai et al., 2015; Orme et al., 2016)。详细的岩石学、 物源区分析和碎屑锆石年代学分析显示, 日喀则弧前盆地的碎屑物质主要来自于北侧的冈底斯造山带(Einsele et al., 1994; Dü rr, 1996; Wu et al., 2010; Wang C S et al., 2012; An et al., 2014)。Wu等(2010)通过碎屑锆石的U-Pb年代学和Hf同位素研究认为日喀则弧前盆地的碎屑物几乎全部来自冈底斯造山带。在单矿物物源研究方面, 郭荣华等(2012)指出日喀则弧前盆地中日喀则群昂仁组的铬尖晶石化学性质与班公— 怒江缝合带的铬尖晶石相似, 而与雅鲁藏布江蛇绿岩套中的铬尖晶石差异明显, 但晚白垩世时期隆起的冈底斯造山带阻挡了班公— 怒江缝合带的物质输入到日喀则弧前盆地沉积区。

图 2 日喀则地区弧前盆地碎屑锆石U-Pb年龄样品位置分布图和年龄直方图
数据来自文献(Wu et al., 2010; An et al., 2014; Dai et al., 2015; Orme et al., 2016)Fig. 2 Zircon U-Pb sample locations of Xigaze fore-arc basin and plots of detrital zircon U-Pb age probability.

受后期印度板块与欧亚大陆碰撞挤压变形的影响, 日喀则弧前盆地整体构成一个复式向斜(Wan et al., 1998), 但缺少相应的构造变形时代约束。向斜近EW向展布, 北翼完整保存了日喀则弧前盆地5段沉积序列, 南翼部分层段缺失, 且保存的地层厚度小于北翼(图3)。

图 3 日喀则弧前盆地地层剖面图、 采样位置和对应低温热年代学年龄
a 日喀则弧前盆地SN横切剖面和对应样品位置(蓝色字体标注样品为本文研究采样点, 其它数据引自Li G W et al., 2017)(图3d据Einsele et al., 1994, Wang C S et al., 2012和Li G W et al., 2017修改); b、 c、 d为低温热年代学年龄-纬度图, 已发表数据主要来自文献(Li G W et al., 2017)Fig. 3 Stratigraphic profile, sampling location and corresponding low-temperature thermochronological age of the Xigaze fore-arc basin.

日喀则弧前盆地在沉积、 埋藏、 剥蚀等演化过程中受到后期强烈的褶皱变形和断层活动的影响, 主要断裂带包括冈底斯逆冲断裂(Gandese Thrust, GT)、 大反冲断裂(Great Counter Thrust, GCT)、 SN正断裂及EW向韧性剪切带。Yin等(1994)提出在藏南日喀则地区存在2套俯冲断裂体系: N倾的冈底斯逆冲断裂系(GT)和S倾的仁布-泽当俯冲断裂系, 活动年代分别为27~23MaiBP 和18~8MaiBP(Yin et al., 1994, 1999)。Yin等(1994)将大反冲断裂称为仁布-泽当断裂系, 并推算出日喀则地区大反冲断裂的活动年代为19~10MaiBP(Yin et al., 1999)。日喀则地区日喀则弧前盆地地层直接推覆到早中新世砾岩(Kailas砾岩)之上, 大反冲断裂的存在易获得野外证实, 但冈底斯断裂仅在泽当地区获得较好的野外地质证据支持, 而日喀则地区的野外地质证据存在较大的争议(Aitchison et al., 2003)。印度板块与欧亚大陆持续会聚, 青藏高原南部、 中部以EW伸展为特征的变形普遍发育, 其中以SN向裂谷为代表(Coleman et al., 1995; Styron et al., 2015), 与日喀则弧前盆地存在空间上的交集, SN向裂谷的启动时间大致为23~8MaiBP(Woodruff et al., 2012; Zhang et al., 2013), 对日喀则弧前盆地的剥蚀存在一定的影响。

2 测试方法

本研究沿日喀则群南北剖面共采集7件新鲜砂岩样品, 每件样品重4~7kg。使用便携式GPS逐样进行定位、 标高, 样品的详细信息见表1。

表1 样品岩性、 GPS坐标和对应的低温热年代学年龄 Table1 Lithology, location and ages of AHe, AFT and ZHe samples from the the Xigaze fore-arc basin

本文使用传统的外部探测法进行磷灰石裂变径迹年龄测定, 采用Gleadow①(① Gleadow A J W, 1984, Fission Track Dating Methods, A Manual of Principles and Techniques, University of Melbourne。)提供的操作步骤。矿物样品处理大致分为碎样、 选矿、 胶埋、 抛磨、 刻蚀、 核反应堆慢中子照射、 径迹年龄测量等步骤。提纯出磷灰石单矿物颗粒, 用环氧基树脂和聚四氟乙丙烯混合剂将磷灰石固定, 晾干制作成薄片, 并研磨抛磨出50%以上的矿物颗粒, 露出晶体内平整表面。在20℃恒温的6.6%HNO3溶液中蚀刻20s以揭示自发径迹。将低铀白云母片作为外探测器盖在光薄片上, 紧密接触矿粒内表面, 与CN5(磷灰石)标准铀玻璃一并接受慢中子辐照, 然后蚀刻外探测器白云母, 揭示诱发径迹。最后在高精度光学显微镜100倍干物镜下观测统计裂变径迹数量、 长度等。应用Zeta常数标定法计算出裂变径迹年龄, 实验室磷灰石的Zeta值为(334± 6.9)a/cm2。本文所有样品碎样、 选矿工作在廊坊矿物挑选中心进行, 裂变径迹样品制片和年代测定在新西兰怀卡托大学科学与工程学院裂变径迹实验室完成。

磷灰石和锆石的(U-Th)/He年龄测试工作在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室进行。测试共分为3步, 即挑样、 He含量分析和U、 Th含量分析。首先在双目镜下挑选完整的自形晶锆石和磷灰石, 尽量确保晶体不含裂隙和包裹体; 测量锆石和磷灰石的晶体参数(长度、 宽度等)以便计算α 校正参数(Ft); 然后将晶体颗粒放入铂金管中并将两端封口, 将磷灰石样品置于800~900℃的激光束下加热5min, 锆石颗粒置于1i300℃的激光束下加热10min, 提取4He。将4He与定量的稀释剂3He混合, 利用四级杆质谱仪测定4He/3He, 计算4He的绝对值。采用同位素稀释法测定U、 Th的含量, 将测试后 4He的磷灰石样品与定量的 229Th 和 238U 一同溶于50%的HNO3。得到的溶液经2次稀释后使用ICP-MS测量 238U/233U和 232Th/229Th, 最后计算出 238U 和 232Th 的绝对值。具体流程参照文献(Evans et al., 2005)。

3 实验结果和数据分析
3.1 实验结果

本文共获得1件AHe数据、 6件AFT数据和1件ZHe数据。研究区地貌相对平缓, 不同样品之间的高程差较小, 样品的海拔为3i860~4i070m。新的(U-Th)/He结果显示样品编号为M7-01的锆石(U-Th)/He年龄为(27.06± 2.55)Ma(表2), 磷灰石的(U-Th)/He年龄为(9.25± 0.76)Ma, ZHe和AHe年龄明显小于地层年龄, 表明后期经历了完全退火重置(表3)。碎屑磷灰石裂变径迹年龄介于(74.1± 7.8)~(18.7± 2.9)Ma, 均小于对应的地层沉积年龄, 最大年龄为(74.1± 7.8)Ma, 最小年龄为(18.7± 2.9)Ma。 碎屑磷灰石裂变径迹池年龄分别为: 样品AR01, (27.1± 4.9)Ma; 样品AR17, (27.1± 9.3)Ma; 样品G-01, (26.1± 6.8)Ma; 样品G-02, (22.2± 4.9)Ma; 样品G-04, (18.7± 2.9)Ma; 样品KD-14, (74.1± 7.8)Ma。 因复理石砂岩样品磷灰石含量少, 6件磷灰石样品的裂变径迹年龄数据存在一定瑕疵(表4), 但与已发表数据(Li G W et al., 2017)相近。P(χ 2) > 5%, 表明样品单颗粒年龄属于同一组年龄, 说明日喀则弧前盆地碎屑砂岩磷灰石裂变径迹沉积后经历了完全退火重置, 其记录了重置后的构造热演化历史, 并未包含物源区的剥蚀信息。日喀则弧前盆地南、 北部磷灰石裂变径迹年龄具有明显的数据差异, 样品T12-62(Li G W et al., 2017)(图3)以南磷灰石样品的裂变径迹年龄> 43Ma, 而以北磷灰石样品的裂变径迹年龄< 27Ma。为便于陈述, 将样品T12-62以南的弧前盆地地层称为日喀则弧前盆地南部, 以北则称为日喀则弧前盆地北部(图3)。总体而言, 日喀则群磷灰石裂变径迹年龄数据显示日喀则弧前盆地复式向斜两翼的磷灰石裂变径迹年龄具有明显的差异, 向斜南翼南部年龄较老, 尤其是靠近日喀则蛇绿岩带地区, 而北部年龄较小。

表2 锆石(U-Th)/He年龄测试结果 Table2 Results of single-grain zircon(U-Th)/He dating
表3 磷灰石(U-Th)/He年龄测试结果 Table3 Results of single-grain apatite(U-Th)/He dating
表4 日喀则弧前盆地磷灰石裂变径迹测试结果 Table4 Apatite fission track ages of Xigaze fore-arc basin
3.2 剥蚀速率计算

因样品之间的海拔高差较小(200m内), 无法获得年龄-高程剖面, 本文采用Willett等(2013)给出的模型和程序计算研究区晚白垩纪以来的剥蚀速率, 该方法的优势在于综合考虑冷却速率在计算中对于封闭温度的依赖性及岩体向地表移动产生的热对流。本文的AFT动力学参数依据Ketcham等(1999)的研究成果, 磷灰石的(U-Th)/He(AHe)数据依据Farley(2002)的研究成果。运行该程序前设置的主要参数为: 1)假定研究区地温梯度介于25~40℃/km; 2)剥蚀持续时间为83Ma, 即地层年龄; 3)地表温度设为为(5+273)K; 4)依据AHe及AFT不同的封闭温度, 相应获取不同样品的平均高程。本文对新获取的及前人已发表的AFT、 AHe和ZHe数据进行剥蚀速率计算, 结果见图4。日喀则弧前盆地剥蚀速率具有明显的差异性, 样品T12-62(Li G W et al., 2017)以南的范围内, 磷灰石裂变径迹年龄为74~43.9Ma, 据此计算的剥蚀速率为0.03~0.1km/Ma; 样品T12-65(Li G W et al., 2017)以北地区的裂变径迹年龄为27~15Ma, 获得的剥蚀速率为0.09~0.29km/Ma(图4)。由磷灰石的(U-Th)/He年龄计算得到15MaiBP之后日喀则弧前盆地的剥蚀速率为0.08~0.31km/Ma。

图 4 日喀则弧前盆地地层和冈底斯造山带的剥蚀速率图
蓝色为日喀则弧前盆地南部样品, 土黄色为北部样品。 细线条样品原始数据引自文献(Li G W et al., 2017); 冈底斯造山带数据引自文献(Pan et al., 1993; 袁万明等, 2007; Dai et al., 2013a; Ge et al., 2017, 2018; Li G W et al., 2017)Fig. 4 Erosion rate plots for Xigaze fore-arc basin and Gangdese batholith.

3.3 研究区热年代学年龄和剥蚀的空间分布特征

研究区内低温热年代学数据表明日喀则弧前盆地偏南的部分地区年龄较老, 日喀则弧前盆地北部和冈底斯造山带年龄较小的特点(图5)。因研究区构造单元主要呈EW向展布(图1), 样品热年代学年龄呈SN向分带的特点在一定程度上反映了新生代以来日喀则弧前盆地南部的剥蚀速率小于其北部和冈底斯造山带的特征。

图 5 研究区内低温热年代学年龄-高程和年龄-纬度图
已发表数据主要来自文献(Pan et al., 1993; 袁万明等, 2007; Dai et al., 2013a; Ge et al., 2017, 2018; Li G W et al., 2017)Fig. 5 Age-elevation and age-latitude plots of low-temperature thermochronometric data in the research region.

日喀则弧前盆地南部锆石的(U-Th)/He年龄为66.4~72Ma(Li G W et al., 2017), 磷灰石的裂变径迹年龄主要为43~74Ma, 地层年代限定了研究区内的日喀则群于83MaiBP结束沉积, 之后被埋藏至锆石的(U-Th)/He部分保留带之下, 并完全退火; 66MaiBP之前冷却至锆石的(U-Th)/He部分保留带之上, 43MaiBP之前又被剥露至磷灰石裂变径迹部分退火带之上, 之后尽管经历了与印度板块和欧亚大陆持续会聚相关的层内褶皱变形、 冈底斯逆冲断裂以及大反冲断裂等断层作用, 但其一直保持在磷灰石裂变径迹部分退火带与地表之间。按20~45℃的地温梯度计算, 该地层一直保存在0~6km的深度范围内, 没有被埋藏或被剥蚀至此范围之外。假定其热演化历史相对单一, 利用Willett等(2013)提出的计算方法, 得到其剥蚀速率为0.03~0.09km/Ma(图4)。

而日喀则弧前盆地北部锆石的(U-Th)/He年龄和磷灰石裂变径迹年龄均< 35Ma, 因其已完全退火, 35MaiBP之前的热演化历史被后期重置, 仅根据磷灰石裂变径迹年龄无法获得80~35MaiBP期间北部是否冷却至磷灰石裂变径迹部分退火带之上。低温热年代学年龄指示日喀则弧前盆地北部30MaiBP以来的剥蚀厚度> 6km, 而日喀则弧前盆地南部60MaiBP以来的剥蚀厚度仅与北部相当。Li G W等(2017)利用盆地沉降中心的演化来解释日喀则弧前盆地SN向热年代学数据的差异, 认为日喀则弧前盆地南部晚自白垩纪起先开始剥蚀, 中部和北部自渐新世— 中新世逐渐冷却剥蚀, 盆地沉降, 剥蚀中心向N迁移(Li G W et al., 2017)。日喀则弧前盆地的低温热年代学数据量有限(图3), 并不能清晰地表明由南向北年龄值渐变的趋势。因此, 日喀则弧前盆地南、 北部地层存在明显的热演化差异(图6), 但目前日喀则弧前盆地南、 北部剥蚀差异的引发机制仍然存在疑问。

图 6 日喀则弧前盆地热演化历史Fig. 6 Thermal paths for samples from the Xigaze fore-arc basin.

4 讨论
4.1 低温热年代学数据对区域主要构造活动的指示意义

日喀则弧前盆地地层后期遭受了强烈的挤压变形, 形成复式向斜, 但很难确定挤压变形发生的确切年代, 基于卷入变形的地层年代以及褶皱变形与大反冲断裂的关系可宽泛地确定褶皱变形发生在83~23MaiBP。研究区的日喀则群地层保存厚度为1~4km, 仅考虑保存的地层厚度, 在未受到褶皱变形或断层影响的条件下地层有可能仍保持在磷灰石裂变径迹的部分退火带之下, 根据上述地层厚度可以推断磷灰石裂变径迹于70MaiBP被抬升至部分退火带之上, 很可能是受后期断层或挤压褶皱作用的影响, 并非因上覆地层遭受剥蚀所致。现有研究尚未发现该地区于70~60MaiBP存在断层活动的证据。另外, 日喀则弧前盆地南部部分锆石(U-Th)/He与磷灰石裂变径迹年龄都集中在60~70Ma, 两者测年体系的封闭温度相差80~100℃, 表明日喀则弧前盆地南部地层70~60MaiBP经历了快速冷却。因此, 更有可能是新特提斯洋向N俯冲导致日喀则弧前盆地地层遭受强烈的挤压变形而发育褶皱, 向斜翼部地层倾角变陡抬升至磷灰石裂变径迹的部分退火带之上, 故褶皱形成的时间可能为70~60MaiBP或更早, 但晚于日喀则群地层的沉积年代, 即83MaiBP。

研究区日喀则弧前盆地的低温热年代学数据为理解Kailas砾岩的演化历史提供了重要约束。晚渐新世— 早中新世日喀则弧前盆地与冈底斯造山带之间发育一套狭长的EW向陆相沉积地层— — Kailas砾岩, 但是目前尚不清楚该地层在SN向的分布范围和盆地演化过程的地貌特征。沉积学和低温热年代学的研究结果表明, 早中新世日喀则弧前盆地与冈底斯造山带之间的Kailas砾岩盆地快速沉降至磷灰石部分退火带之下, 之后约18MaiBP开始又被快速剥蚀至磷灰石部分退火带之上(Carrapa et al., 2014; Ge et al., 2017, 2018), 但是现有研究并未发现日喀则弧前盆地地层发生过如此明显的快速埋藏和剥蚀事件, 尤其是日喀则弧前盆地南部早新生代以来一直保持在磷灰石裂变径迹部分退火带之上。因此, 日喀则弧前盆地低温热年代学数据约束了早中新世的快速沉降和隆升仅发生于冈底斯造山带南缘与日喀则弧前盆地之间的狭长地带, 晚渐新世— 早中新世日喀则弧前盆地与冈底斯造山带之间形成Kailas盆地, 并于23~18MaiBP期间快速沉降3~6km并被快速剥蚀(Carrapa et al., 2014; Ge et al., 2018)。

已有的沉积学研究表明Kailas盆地底部地层秋乌组的物质成分主要来自于北侧的冈底斯造山带, 仅在上部大竹卡组出现来自南部弧前盆地和特提斯喜马拉雅的地层(DeCelles et al., 2011; Wang et al., 2013; Li S et al., 2017)。同时, 对比冈底斯造山带的剥蚀历史, 冈底斯造山带自30MaiBP以来主要的剥蚀期次为27~23MaiBP和20~15MaiBP(Harrison et al., 1992; Copeland et al., 1995; Wang et al., 2007; Yuan et al., 2009; Dai et al., 2013a; Ge et al., 2017, 2018)。我们推断Kailas盆地发育于大反冲断裂的下盘地带, 盆地发育的动力机制仅局限于雅鲁藏布江缝合带和冈底斯造山带之间的狭长地带。日喀则弧前盆地北部靠近雅鲁藏布江地区的低温热年代学年龄显示出1期快速的剥蚀(Carrapa et al., 2014; Ge et al., 2017, 2018), 该时期的快速剥蚀主要受构造作用或古雅鲁藏布江河流下切的影响, 但究竟哪种为主控因素仍存在争议。研究区早中新世主要的断裂为大反冲断裂(Yin et al., 1994, 1999), 了解大反冲断裂对上、 下盘剥蚀的影响对理解该期次的快速剥蚀具有重要意义。日喀则弧前盆地中北部地层磷灰石的裂变径迹年龄均< 23MaiBP, 这一期次的剥蚀在时间上与大反冲断裂的活动或古雅鲁藏布江的形成相关(Pan et al., 1993; Wang et al., 2007; Carrapa et al., 2014; Ge et al., 2017, 2018), 前人的研究也支持这个观点(Li G W et al., 2017)。大反冲断裂的活动可造成断层上盘的剥蚀速率大于下盘, 即断层上盘的日喀则弧前盆地的剥蚀速率应该大于下盘的冈底斯造山带或Kailas砾岩。然而, 低温热年代学数据却并未表现出这种差异性, 其显示Kailas砾岩与日喀则弧前盆地同样自18MaiBP开始出现快速剥蚀(Carrapa et al., 2014; Li G W et al., 2017; Ge et al., 2018), 表明断层上、 下盘的剥蚀速率并没有显著差异, 大反冲断裂并非是该期次剥蚀的主控因素。

除构造作用外, 河流对剥蚀也具有重要作用。日喀则地区弧前盆地地层南、 北剥蚀差异指示20~15MaiBP的快速剥蚀在该地区并非普遍现象, 而是仅在临近古雅鲁藏布江河谷地区有所体现, 针对日喀则弧前盆地北侧冈底斯造山带剥蚀历史的研究也获得了相同的结论。 Ge等(2017)通过对比雅鲁藏布江支流与远离河谷地区的剥蚀差异发现冈底斯造山带早中新世的快速剥蚀主要受雅鲁藏布江和其支流的影响。因此, 我们认为20~15MaiBP冈底斯造山带和日喀则弧前盆地的快速剥蚀受大反冲断裂活动的影响较小, 可能与古雅鲁藏布江的形成有关。Li等(2016)认为拉萨地体南缘22MaiBP发生的快速剥蚀主要是由古雅鲁藏布江河流作用造成的, 与Dai等(2013a)在谢通门雅鲁藏布江支流和Tremblay等(2015)在拉萨市北东拉萨河的一条支流上所得的研究结果相似, 即拉萨地体南部的网状水系河流在17MaiBP之前已经形成。综合我们和前人的热年代学研究结果分析表明, 位于日喀则弧前盆地和冈底斯造山带之间的大反冲断裂的构造作用在区域剥蚀中所起到的控制作用较小, 相应地, 热年代学年龄的分布显示雅鲁藏布江的河流下切作用影响较大。

此外, 青藏高原SN向裂谷与弧前盆地交叉地区受南北正断裂影响较大, 前人得到的朋曲-申扎断裂与日喀则弧前盆地交叉地区的低温热年代学年龄结果显示该地区于4MaiBP经历了快速剥蚀, 剥蚀量也较大(Orme, 2017)。

4.2 研究区剥蚀空间差异与抬升的关系

新生代以来在高原隆升的过程中不同区块是否存在差异性仍存有疑问, 低温热年代学是解决这一问题的很好的手段(Wang et al., 2008; Hetzel et al., 2011; Rohrmann et al., 2012; Wang E et al., 2012)。一定区域范围内整体隆升、 剥蚀情况一致时, 因较老岩石先被剥蚀出地表, 低温热年代学年龄将会出现在同一区域内随高程增加逐渐变大的趋势, 而研究区紧邻雅鲁藏布江缝合带和冈底斯造山带, 区域内低温热年代学数据并未表现出这种趋势。因此, 从低温热年代学角度来看, 藏南可能缺少区域整体隆升的证据。

利用低温热年代学数据研究高原抬升历史的一个假设是随着高原抬升、 地势增加, 剥蚀也会增强。一个地区剥蚀速率增加的时间(低温热年代学中年龄-高程关系图上的拐点对应的时间)往往被认为是(高原)抬升的起始年代。剥蚀的主要原因是存在重力势能差, 高原抬升, 整体势能增加, 但局部范围内的相对势能差未必会增加。因此, 一个区域地表抬升未必会促使全区域范围内剥蚀速率的增加。日喀则弧前盆地南部的热年代学数据表明, 地表抬升并不意味着剥蚀速率必然增加。古高程研究认为早新生代冈底斯造山带可能为安第斯型造山带, 海拔可达数km(Ding et al., 2014, 2017), 而同时期的日喀则弧前盆地可能接近海平面。如果认为印度板块与欧亚大陆的碰撞时间晚于65MaiBP(Hu et al., 2015; Najman et al., 2017), 该地区由碰撞初期的近海平面高度隆升至现今的海拔4i000~5i000m, 但日喀则弧前盆地南部区域地层的剥蚀量和剥蚀速率与早新生代以来缓慢剥蚀的青藏高原中部地区相当(Hetzel et al., 2011; Rohrmann et al., 2012; Haider et al., 2013; Lu et al., 2015), 表明青藏高原在隆升过程中, 地表海拔的增加并未加快该地区剥蚀速率。

类似的现象也出现在拉萨地体北部。 Hetzel等(2011)分析了相关低温热年代学数据, 发现拉萨地体北部靠近班公— 怒江缝合带的区域于80~50MaiBP经历了快速剥蚀(速率约0.3km/Ma), 之后整个新生代均处于非常缓慢的剥蚀状态(速率为6~16m/Ma)。古高程研究结果表明该区域古新世时期海拔只有2i000多m(Xu et al., 2015), 而后抬升至现今的4i000~5i000m, 海拔高度的抬升在热年代学记录中同样没有记录。此外, 在青藏高原东缘, 虽然龙门山地区热年代学结果揭示了20~30MaiBP和15MaiBP之后的2期强烈的剥蚀期(Wang E et al., 2012), 但Tian等(2013)指出距离龙门山以西350km的若尔盖地区经历了晚侏罗— 早白垩纪的快速剥蚀之后, 整个新生代期间剥蚀速率非常缓慢, 与同时期块体边界相比, 即使仅仅与构造前锋地带相距20~30km的距离, 造山带前锋带的腹地剥蚀速率也骤然降低。

日喀则弧前盆地与冈底斯造山带属于不同的构造单元, 因此可以认为在高原演化过程中冈底斯造山带与日喀则弧前盆地可能具有不同的构造或气候背景, 后期的剥露历史也应存在差异。但研究区内低温热年代学数据并没有记录到新生代以来冈底斯造山带与日喀则弧前盆地北部存在显著的剥蚀差异。与此相反, 属于日喀则弧前盆地同一构造单元的南、 北2部分区域的热年代学年龄却存在较大差异。由于日喀则弧前盆地与冈底斯造山带属于不同的构造单元, 雅鲁藏布江南、 北热年代学年龄的空间差异性与构造边界不完全重合值得深入探讨。

低温热年代学数据能够记录岩石热演化信息和剥蚀信息, 但其既受局部构造活动的影响, 又受河流等地表剥蚀作用的影响。以往的研究过于强调热年代学年龄数据的构造指示意义, 弱化了河流等外部作用。而雅鲁藏布江北侧的冈底斯造山带和日喀则弧前盆地北部虽然分属于不同的构造单元, 但中— 晚新生代以来其低温热年代学年龄和剥蚀的相似性表明构造作用对该区域的剥蚀影响相对较弱, 早中新世的快速剥蚀主要受雅鲁藏布江和其支流河流下切作用的影响。

由此, 我们提出以下概念性模式来解释该区域的演化过程(图7): 古高程的研究显示早新生代之前拉萨地体南缘冈底斯为安第斯型造山带, 冈底斯造山带已经达到一定高度, 该区域已发表的低温热年代学数据(磷灰石裂变径迹和(U-Th)/He年龄数据)均未保留早新生代剥露信息, 与拉萨地体北部和羌塘地体具有显著差别, 表明该时期的强烈剥蚀可能主要发生在冈底斯造山带。新生代以来日喀则弧前盆地南部区域可能始终未处于构造活跃的隆升前缘地带, 中新生代之后, 青藏高原隆升的构造前锋地带主要在喜马拉雅地区, 也是断层活动和地势差较大的主要构造作用地带, 喜马拉雅造山带的隆升阻碍了河流水系向S横穿喜马拉雅造山带。之后随着喜马拉雅造山带的隆起和高原的S向扩展, 喜马拉雅造山带以北地区的构造活动减弱、 降雨逐渐减少, 剥蚀速率也逐渐减慢。该概念性模式具有以下2点指示意义: 1)在青藏高原向S扩展的过程中, 构造前锋地带是跳跃的; 2)构造前锋地带受断层活动、 外流水系、 高山地形雨等影响, 作为快速剥蚀地带, 构造前锋地带的低温热年代学对高原(地表)抬升历史可能具有指示意义, 但在构造前锋地带以外的地区, 低温热年代学数据可能指示局部的剥蚀信息。

图 7 青藏高原逐步向S扩展的隆升剥蚀概念模式Fig. 7 The southward growth conceptual model of the Tibet Plateau.

5 结论

低温热年代学结果显示日喀则弧前盆存在SN向的剥蚀差异, 70~60MaiBP至今日喀则地区日喀则弧前盆地南部地层一直保持在近地表0~6km的深度范围内, 未被剥蚀或埋藏至深度以下, 剥蚀厚度小于北部。北部低温热年代学数据仅记录了30MaiBP之后的剥蚀历史, 日喀则弧前盆地北部早— 中新世的快速剥蚀可能与古雅鲁藏布江的河流作用有关, 大反冲断裂对区域剥蚀的影响有限。磷灰石的(U-Th)/He年龄结果显示15MaiBP之后日喀则弧前盆地南、 北部剥蚀历史保持一致。另外, 低温热年代学数据约束了晚渐新世— 中新世早期沿雅鲁藏布缝合带快速沉降和剥露的Kailas砾岩盆地仅发育于弧前盆地与冈底斯造山带之间的狭长地带。

致谢 张佳伟和钱信禹在采样过程中给予了帮助; 论文撰写过程中研究室老师和学生提供了帮助并提出了宝贵意见。在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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