譚錫斌 李元希 徐錫偉 陳玟禹 許 沖 于貴華

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)臺(tái)灣中正大學(xué)，嘉義 62102

0 引言

龍門山位于青藏高原東緣的地形陡變地帶，剝蝕作用強(qiáng)烈，是研究青藏高原生長(zhǎng)過(guò)程及生長(zhǎng)機(jī)制的重點(diǎn)區(qū)域之一。許多學(xué)者對(duì)龍門山及其周邊地區(qū)進(jìn)行了低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究(Arne et al.，1997;Xu et al.，2000;Kirby et al.，2002;Richardson et al.，2008)，尤其是在 2008 年汶川地震之后(Godard et al.，2009;Li et al.，2012;Wang et al.，2012;譚錫斌，2012;Cook et al.，2013)。前人的熱年代學(xué)資料揭示出龍門山的新生代剝露歷史及主要斷層的新生代活動(dòng)性，為了解龍門山的新生代構(gòu)造演化及其隆升機(jī)制提供了較好的約束，同時(shí)也為龍門山推覆構(gòu)造帶各主要斷層晚更新世以來(lái)的活動(dòng)性提供了重要的背景資料。前人對(duì)龍門山中段進(jìn)行了(U－Th)/He測(cè)年，認(rèn)為龍門山中段的彭灌雜巖開(kāi)始快速剝露的時(shí)間為距今12～5Ma(Kirby et al.，2002)或8～11Ma(Godard et al.，2009)。Wang等(2012)給出的跨越不同高程的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)揭示龍門山中段的彭灌雜巖于距今約30Ma開(kāi)始快速冷卻，并經(jīng)歷了2期快速冷卻事件。Li等(2012)的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究結(jié)果同樣認(rèn)為龍門山在新生代早期存在快速冷卻事件。

總而言之，低溫?zé)崮甏鷮W(xué)樣品主要采自龍門山推覆構(gòu)造帶中段和北段，南段樣品數(shù)目較少(尤其是裂變徑跡樣品)，目前對(duì)其新生代的剝蝕歷史及斷裂活動(dòng)性還比較模糊。為了更多地了解龍門山推覆帶南段的剝蝕歷史，我們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，對(duì)龍門山推覆構(gòu)造帶南段補(bǔ)充了一些裂變徑跡資料，對(duì)于其新生代以來(lái)的剝蝕歷史及斷裂活動(dòng)性有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)背景

龍門山推覆構(gòu)造帶位于青藏高原東緣與四川盆地交接地帶，同時(shí)也是松潘－甘孜地塊與華南地塊相互碰撞作用的界線(圖1)。區(qū)域上，自NW向SE由松潘－甘孜地塊(褶皺帶)、龍門山推覆構(gòu)造帶、前陸盆地、前陸隆起帶4個(gè)單元構(gòu)成了一個(gè)完整的構(gòu)造系統(tǒng)。巖層明顯體現(xiàn)出中間老、兩邊新的特征，可以簡(jiǎn)單劃分為4類，由老到新分別為:1)揚(yáng)子克拉通的結(jié)晶基底;2)新元古代—二疊紀(jì)的被動(dòng)大陸邊緣變質(zhì)沉積;3)松潘－甘孜褶皺帶的三疊紀(jì)復(fù)理石;4)四川盆地內(nèi)部的中生代—新生代沉積巖(Kirby et al.，2002)。揚(yáng)子克拉通的結(jié)晶基底由前寒武紀(jì)的片麻巖及相關(guān)花崗質(zhì)巖體組成，主要分布在龍門山斷裂帶中南段的核心部位，北段僅少量出露。根據(jù)地名分別稱之為彭灌雜巖、雪隆包雜巖、寶興雜巖、大園包雜巖和轎子頂雜巖。新元古代—二疊紀(jì)的被動(dòng)大陸邊緣變質(zhì)沉積巖分布在前寒武雜巖的周圍，主要由淺海相的沉積巖組成。龍門山推覆構(gòu)造帶的西側(cè)為深海沉積的三疊紀(jì)復(fù)理石，龍門山推覆構(gòu)造帶東側(cè)的四川盆地發(fā)育中生代—新生代陸相沉積巖。其中，松潘－甘孜塊體上的三疊紀(jì)復(fù)理石經(jīng)歷強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，并伴生同時(shí)期的花崗巖，而四川盆地內(nèi)部的侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)砂巖變形輕微，整體產(chǎn)狀近水平。

圖1 研究區(qū)地形及主要斷層分布圖Fig.1 The topography of the study area and the distribution of the main faults.

新生代以來(lái)，由于印度板塊的楔入作用，青藏高原東緣發(fā)生大規(guī)模的側(cè)向擠出，龍門山推覆構(gòu)造帶“復(fù)活”，斷裂上盤發(fā)生了強(qiáng)烈的隆升，2008年汶川地震以及2013年蘆山地震也是這種強(qiáng)烈隆升作用的表現(xiàn)。同時(shí)，新生褶皺變形繼續(xù)向四川盆地內(nèi)部擴(kuò)展，主要表現(xiàn)為山前隱伏斷裂以及褶皺的發(fā)育，尤以龍門山推覆構(gòu)造帶南段最為發(fā)育(Hubbard et al.，2009)。

龍門山推覆構(gòu)造帶整體呈NE走向，全長(zhǎng)約500km，寬30～60km，主要由多條平行逆沖斷裂組成，分別為后山斷裂(汶川－茂縣斷裂、青川斷裂)、中央斷裂(北川－映秀斷裂)、前山斷裂(江油－灌縣斷裂)、山前隱伏斷裂等，主要斷裂均傾向NW，具有前展式構(gòu)造特征。部分學(xué)者認(rèn)為后山斷裂附近存在正斷層，以調(diào)整青藏高原和龍門山的剝蝕差異(Burchifiel et al.，2004;Meng et al.，2006)。根據(jù) GPS數(shù)據(jù)推測(cè)，龍門山現(xiàn)今縮短速率 ＜3mm/a(King et al.，1997;Chen et al.，2000;Gan et al.，2007)。2008年汶川MW7.9地震造成龍門山推覆構(gòu)造帶中－北段的2條斷層發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)，分別沿著北川－映秀斷裂和彭灌斷裂產(chǎn)生了2條約240km長(zhǎng)和約70km長(zhǎng)的地表破裂帶(Xu et al.，2009)(圖1)。汶川地震地表破裂沒(méi)有往南段發(fā)展，但是GPS數(shù)據(jù)(King et al.，1997;Chen et al.，2000;Gan et al.，2007)顯示龍門山南段的縮短速率與中段相當(dāng)，甚至要大于中段，表明龍門山推覆構(gòu)造帶南段同樣存在未來(lái)發(fā)生破壞性大地震的可能性(譚錫斌，2012)。2013年4月20日發(fā)生的蘆山MS7.0地震是龍門山南段的地震危險(xiǎn)性的具體表現(xiàn)。蘆山地震之后，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的野外調(diào)查，目前尚未發(fā)現(xiàn)真正意義上的地震地表破裂，僅僅在雙石－大川斷裂沿線出現(xiàn)局部公路水泥路面的擠壓破裂和沿?cái)鄬幼呦蜓阈信帕械膰娚懊八F(xiàn)象，屬于一種典型的盲逆斷層型地震(徐錫偉等，2013)。

地貌上，從四川盆地向西穿過(guò)龍門山進(jìn)入青藏高原，在不到50km的距離內(nèi)，海拔從500m迅速上升到5km以上，形成了青藏高原周緣乃至世界上最陡的地形梯度帶(圖2)。龍門山及川西地區(qū)的地形特征顯示(圖1，2)，地形南北存在較大差異:龍門山中段是高地形的川西高原與低地形的四川盆地之間的邊界，在水平距離約60km內(nèi)海拔從5km急速降低到500m;龍門山北段海拔僅2km，且在較長(zhǎng)的水平距離內(nèi)向四川盆地的600m海拔高度過(guò)渡;龍門山南段海拔和中段一樣，達(dá)到約5km，與中段不同的是，南段在大約150km范圍內(nèi)，逐漸從5km降低到1km。

2 樣品采集、測(cè)年

樣品采自龍門山南段，主要分布在雙石－大川斷層上盤的寶興雜巖(圖3)。樣品所在位置的經(jīng)緯度和高程信息由手持便攜式GPS測(cè)定。

經(jīng)過(guò)對(duì)樣品的鋯石和磷灰石單礦物分選之后，采用外探測(cè)器法(external detector method)對(duì)樣品進(jìn)行裂變徑跡分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試在臺(tái)灣中正大學(xué)裂變徑跡實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)條件如下:1)將富集后的鋯石和磷灰石礦物顆粒分別制成薄片，然后拋光，蝕刻。鋯石的蝕刻條件為:11.2g KOH和8g NaOH，240～260℃。磷灰石的蝕刻條件為:常溫，5M硝酸，約20s。2)將蝕刻的薄片加蓋后送臺(tái)灣清華大學(xué)反應(yīng)爐VT－4位置照射。外探測(cè)器(白云母片)蝕刻條件為:48%HF，室溫，25min。鋯石部分采用NBS－610標(biāo)準(zhǔn)玻璃，磷灰石則用CN－5，Zeta(ζ)值分別為:ζ(NBS－610)=29±1，ζ(CN －5)=360±10。3)最后采用顆粒對(duì)應(yīng)法(Grain-by-Grain methods)進(jìn)行裂變徑跡統(tǒng)計(jì)，獲得樣品年齡。實(shí)驗(yàn)流程及樣品年齡計(jì)算詳見(jiàn)Liu等(2001)。

圖2 龍門山推覆構(gòu)造帶北、中、南段地形剖面，剖面位置見(jiàn)圖1Fig.2 The topographic profiles of the north，central and south segments of the Longmenshan thrust belt.

3 測(cè)年結(jié)果及解釋

測(cè)年結(jié)果見(jiàn)圖3，4和表1。4個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡全部為分散在寶興雜巖不同位置的花崗巖，年齡集中在2.7～5.0Ma。其中Gong－83獲得了39個(gè)單顆粒年齡，明顯呈單峰分布，而另外3個(gè)樣品顆粒數(shù)相對(duì)較少，大多數(shù)單顆粒年齡集中于0～5Ma，表明寶興雜巖晚新生代以來(lái)的快速冷卻。3個(gè)鋯石裂變徑跡年齡分布在寶興雜巖內(nèi)，年齡相對(duì)年輕，分別為(27.7±2.0)Ma(BX－13)、(43.6±5.5)Ma(BX－14)、(33.0±2.5)Ma(Gong83)。另一個(gè)樣品BX－16分布在寶興雜巖東側(cè)的三疊紀(jì)砂巖內(nèi)，年齡為(107.6±7.3)Ma，顯示其新生代未發(fā)生完全退火。

4 討論

4.1 龍門山南段新生代快速冷卻的起始時(shí)間

圖3 研究區(qū)地質(zhì)圖及低溫?zé)崮甏鷮W(xué)資料Fig.3 Geologic map of the study area，and the low-temperature thermochronology data.

圖4 裂變徑跡樣品單顆粒年齡直方圖和放射圖Fig.4 Fission track age histograms and radial plots.

表1 裂變徑跡測(cè)年數(shù)據(jù)Table 1 Fission track data

前人通過(guò)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法對(duì)龍門山的隆升歷史進(jìn)行了較多的研究，但是對(duì)于龍門山新生代以來(lái)快速冷卻的起始時(shí)間仍有不同意見(jiàn)。Xu等(1997)通過(guò)裂變徑跡研究認(rèn)為青藏高原東緣(包括龍門山)新近紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了3期快速隆升，時(shí)間分別為距今22，7，2Ma，龍門山南段在此期間總剝蝕量為7～10km。Kirby等(2002)認(rèn)為龍門山中段在距今150～11Ma開(kāi)始緩慢降溫，速率約0.5℃/Ma，11Ma以來(lái)的冷卻速率達(dá)到15～20℃/Ma。Godard等(2009)的(U－Th)/He研究結(jié)果同樣揭示出龍門山中段距今8～11Ma開(kāi)始快速剝蝕，彭灌雜巖8～11Ma以來(lái)的平均剝蝕速率約0.65mm/a。Li等(2012)給出龍門山南、北3條剖面的ZFT和AFT數(shù)據(jù)，認(rèn)為新生代以來(lái)龍門山有3次冷卻事件，分別為距今60～40Ma、20～25Ma和9～14Ma。Wang等(2012)對(duì)龍門山推覆構(gòu)造帶中段的彭灌雜巖進(jìn)行了密集的不同高程的熱年代學(xué)研究，認(rèn)為其新生代經(jīng)歷了2期快速冷卻事件，分別為距今30～25Ma以及15Ma。本研究在龍門山南段補(bǔ)充了一些裂變徑跡年齡，其中鋯石裂變徑跡年齡對(duì)于龍門山南段的新生代早期的歷史有了一定的約束。位于寶興雜巖的樣品Gong－83的鋯石裂變徑跡年齡為(33.0±2.5)Ma，并且單顆粒年齡呈明顯的單峰分布，集中在30～40Ma之間(圖4)，表明其新生代早期(30～40Ma)通過(guò)了鋯石裂變徑跡的封閉溫度線。與Gong－83類似，BX－13和BX－14的鋯石裂變徑跡年齡也顯示其新生代早期發(fā)生了鋯石裂變徑跡退火。從圖5b中可以看出，寶興雜巖的鋯石裂變徑跡年齡、鋯石(U－Th)/He和磷灰石裂變徑跡年齡基本呈線性分布，揭示其新生代早期以來(lái)的均勻快速冷卻，因此本研究?jī)A向于龍門山推覆構(gòu)造帶南段在新生代早期存在快速冷卻事件。但是，對(duì)于龍門山推覆構(gòu)造帶南段，目前研究程度較低，仍然需要進(jìn)一步的補(bǔ)充熱年代學(xué)數(shù)據(jù)，尤其是需要采集不同高程的樣品進(jìn)行熱年代學(xué)研究，判斷其不同時(shí)期的剝蝕速率。

4.2 寶興雜巖和彭灌雜巖新生代剝蝕量及剝蝕速率對(duì)比

本文給出了位于寶興雜巖的3個(gè)鋯石裂變徑跡年齡和4個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡(圖3)，對(duì)于寶興雜巖的新生代冷卻歷史有了初步的認(rèn)識(shí)(圖5b)。其中3個(gè)鋯石裂變徑跡年齡分布在27～45Ma，表明寶興雜巖新生代以來(lái)的冷卻幅度超過(guò)225℃(地表氣溫約15℃)。2008年汶川地震以后，前人對(duì)彭灌雜巖做了大量的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究，以獲得其新生代以來(lái)的剝露歷史，結(jié)果(Godard et al.，2009;Wang et al.，2012)揭示出彭灌雜巖的鋯石(U －Th)/He的年齡均＜30Ma，而鋯石裂變徑跡年齡均＞100Ma(圖5a)。鋯石(U－Th)/He的封閉溫度約為180℃(Godard et al.，2009)，而鋯石裂變徑跡的封閉溫度約為240℃(Brandon，1996)，因此彭灌雜巖新生代初期的溫度應(yīng)為180～240℃。這表明新生代以來(lái)，寶興雜巖的冷卻幅度高于彭灌雜巖(圖5)。

磷灰石裂變徑跡年齡同樣揭示出寶興雜巖冷卻速率高于彭灌雜巖。本研究給出的寶興雜巖4個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡為2.7～5Ma，Wilson等(2011)給出的彭灌雜巖3個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡介于4.9～8.9Ma，而Arne等(1997)給出的彭灌雜巖的2個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡分布為4.8Ma和6.5Ma(圖3)。總之，寶興雜巖的裂變徑跡年齡小于彭灌雜巖，表明晚新生代以來(lái)寶興雜巖的冷卻速率高于彭灌雜巖。

Godard等(2009)通過(guò)較多的磷灰石(U－Th)/He測(cè)年，認(rèn)為彭灌雜巖距今8～11Ma以來(lái)的平均剝蝕速率約為0.65mm/a，而3～2Ma以來(lái)存在著冷卻速率降低的趨勢(shì)(圖5a)。與彭灌雜巖相反，寶興雜巖第四紀(jì)以來(lái)則存在加速冷卻的趨勢(shì)(圖5b)。根據(jù)本文給出的4個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡以及Godard等(2009)所采用的地?zé)釁?shù)(地表溫度約15℃，地溫梯度約30℃/km)推算得到，寶興雜巖距今2.7～5Ma以來(lái)的平均剝蝕速率為0.63～1.17mm/a?？紤]到彭灌雜巖距今8～11Ma以來(lái)的平均剝蝕速率約為0.65mm/a，而3～2Ma以來(lái)存在著冷卻速率降低的趨勢(shì)，因此第四紀(jì)以來(lái)寶興雜巖的剝蝕速率應(yīng)該明顯大于彭灌雜巖。

在寶興雜巖與彭灌雜巖的對(duì)比中，僅選擇了位于河谷地帶(高程在1 000～1 500m)且均為花崗巖的樣品進(jìn)行了對(duì)比，以盡可能減小其他因素的干擾。但是，仍然存在1個(gè)無(wú)法避免的外界因素干擾:彭灌雜巖的高度在4 600m左右，而寶興雜巖的最高峰約3 100m(Google Earth)，這會(huì)對(duì)地溫梯度有一定影響，即在其他條件相同的情況下，寶興雜巖的地溫梯度應(yīng)略小于彭灌雜巖，因此寶興雜巖的磷灰石裂變徑跡封閉溫度線要略深于彭灌雜巖，即本文給出的寶興雜巖與彭灌雜巖剝蝕速率的差異為其最小可能值。

圖5 彭灌雜巖與寶興雜巖新生代剝蝕歷史對(duì)比Fig.5 Cooling histories of the Pengguan massif(a)and Baoxing massif(b).

4.3 對(duì)斷層活動(dòng)的啟示

在龍門山推覆構(gòu)造帶中段，江油－灌縣斷裂東側(cè)的磷灰石裂變徑跡年齡大多為150Ma(圖3b)，表明其新生代以來(lái)的剝蝕量較低，這些樣品的東側(cè)則是第四紀(jì)沉積厚度超過(guò)1 000m、寬度約100km的成都平原(圖6a)，因此彭灌雜巖與四川盆地的差異剝蝕主要被北川－映秀斷裂和江油－灌縣斷裂所吸收。與龍門山推覆構(gòu)造帶中段彭灌雜巖的下盤僅存在2條主要活動(dòng)斷層不同的是，南段存在更多的斷裂分支(圖1，3和6b)，即寶興雜巖與四川盆地之間的差異剝蝕被更多的斷層和褶皺所吸收。寶興雜巖東側(cè)的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)顯示，部分磷灰石裂變徑跡年齡為9、18或27Ma(圖3和6b)(Richardson et al.，2008)，進(jìn)一步證明了寶興雜巖下盤的逆沖斷層和褶皺新生代以來(lái)的垂向活動(dòng)性。這與現(xiàn)代地震活動(dòng)表現(xiàn)的構(gòu)造變形特征一致。

龍門山推覆構(gòu)造帶的中段和北段主要由后山斷裂(汶川－茂縣斷裂、青川斷裂)、中央斷裂(北川－映秀斷裂)、前山斷裂(江油－灌縣斷裂)以及山前隱伏斷裂所組成，而其南段則較為復(fù)雜(圖1)，存在多條第四紀(jì)以來(lái)的活動(dòng)斷層(徐錫偉等，2013)。寶興雜巖第四紀(jì)以來(lái)的快速剝蝕表明龍門山推覆構(gòu)造帶南段存在較強(qiáng)的活動(dòng)性，2013年4月20日發(fā)生的蘆山MS7.0地震(徐錫偉等，2013;王衛(wèi)民等，2013)正是這種活動(dòng)性的體現(xiàn)。但是，與2008年汶川MW7.9地震產(chǎn)生明顯的240km長(zhǎng)的地表破裂不同是，蘆山地震屬于一種典型的盲逆斷層型地震，未產(chǎn)生明顯的地表破裂(徐錫偉等，2013)，表明龍門山推覆構(gòu)造帶中段與南段存在明顯的活動(dòng)差異。

圖6 龍門山推覆構(gòu)造帶中段和南段斷層及熱年代學(xué)數(shù)據(jù)分布剖面圖Fig.6 The cross section of the central and south segments of the Longmenshan thrust belt with some low-temperature thermochronology data.

5 結(jié)論

本文通過(guò)總結(jié)龍門山推覆構(gòu)造帶的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)資料，并對(duì)其南段補(bǔ)充了8個(gè)裂變徑跡年齡，對(duì)龍門山南段的新生代剝蝕歷史及其新生代斷層活動(dòng)性有了新的認(rèn)識(shí)，主要結(jié)論如下:

(1)龍門山推覆構(gòu)造帶南段的寶興雜巖，從新生代早期開(kāi)始快速剝蝕降溫，新生代以來(lái)的降溫幅度超過(guò)225℃，晚新生代(距今3～5Ma)以來(lái)的平均剝蝕速率為0.63～1.17mm/a。寶興雜巖的新生代總降溫幅度和晚新生代以來(lái)的平均剝蝕速率均高于彭灌雜巖。

(2)龍門山推覆構(gòu)造帶南段與中段活動(dòng)存在差異，中段的活動(dòng)集中在北川－映秀斷裂和江油－灌縣斷裂上，而南段的活動(dòng)分散在更寬范圍的雙石－大川斷裂(南、北2個(gè)分支)及其下盤的斷層及褶皺。

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致謝 感謝臺(tái)灣大學(xué)博士后Kristen Lee Cook和李康博士生在野外工作中的幫助。感謝審稿人提出的寶貴意見(jiàn)和建議。