馬子寧,韓中鵬,李亞林,畢文軍,徐田堃,肖思祺
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院,北京 100083;3.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024)
片麻巖穹隆是由中下地殼熱動(dòng)力學(xué)過程產(chǎn)生的、與巖漿作用緊密聯(lián)系的穹隆狀構(gòu)造(Eskola,1948;許志琴和馬緒宣,2015)。北喜馬拉雅片麻巖穹隆保存了特提斯喜馬拉雅地區(qū)自印度與歐亞板塊碰撞以來,中下地殼構(gòu)造變形、高級(jí)變質(zhì)、地殼深熔及地表過程的重要信息(曾令森等,2008),查明其剝露歷史能為刻畫陸-陸碰撞后的造山過程提供重要依據(jù)。前人對(duì)穹窿核部巖體與上覆蓋層之間接觸關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程存在不同的認(rèn)識(shí),包括“侵入接觸關(guān)系”(Burg et al.,1984)、較小運(yùn)動(dòng)量的“不整合接觸關(guān)系”(Lee et al.,2000)與上盤相對(duì)下盤向北運(yùn)動(dòng)的“拆離斷層接觸關(guān)系”(Chen et al., 1990; Burchfiel et al., 1992; 王根厚等,1997; Steck et al., 1998;Edwards et al.,1999; Hodges, 2000),這也導(dǎo)致對(duì)整個(gè)穹窿構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制存在不同的觀點(diǎn)??梢姡鞔_穹隆構(gòu)造內(nèi)伸展斷裂的性質(zhì)及活動(dòng)過程是全面認(rèn)識(shí)其形成演化的首要前提。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)是研究地殼淺部熱史演化的重要手段,也是精確刻畫區(qū)域剝露歷史的有效手段。
康巴穹隆位于喜馬拉雅中段、藏南低分水嶺地區(qū)(李德威等, 2003;劉德民等, 2005),在經(jīng)歷自新生代以來持續(xù)性構(gòu)造活動(dòng)的同時(shí),留存有大量冰川和地面徑流等地表過程造成的侵蝕地貌。穹隆核部的花崗片麻巖是進(jìn)行低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究的理想對(duì)象,反演其冷卻歷史不僅能為穹窿構(gòu)造的形成提供可靠依據(jù),也是探討構(gòu)造與氣候的耦合過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
本文在野外基巖樣品采集和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬的基礎(chǔ)上,建立了康巴穹隆區(qū)域地貌的演化模型,獲得了核部巖體自中新世以來的剝露速率及其隆升時(shí)限,明確了康巴穹隆伸展斷裂帶與藏南拆離系(STDS)之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)與氣候條件,探討了核部巖體兩次快速冷卻的構(gòu)造-氣候成因。
北喜馬拉雅片麻巖穹隆帶(NHGD)(Zhang J et al.,2012)位于藏南拆離系(STDS)與雅魯藏布江縫合帶(IYSZ)之間的特提斯喜馬拉雅地區(qū)(張志等,2017,圖1A),是由一系列不連續(xù)的、自西向東近同緯度帶狀分布的穹隆組成。帶內(nèi)穹隆的核部巖體由古生代花崗巖(如康馬穹??;Chen et al., 1990;Lee, et al., 2000)、康巴穹隆(Quigley et al., 2006, 2008; Liu et al., 2016; Lin et al., 2020)或新生代淡色花崗巖(如雅拉香波穹??;Zeng et al., 2009)組成,巖體之上覆以淺變質(zhì)的特提斯喜馬拉雅巖系(董漢文等,2017),兩者多呈伸展斷層接觸。由于大多數(shù)穹隆核部的淡色花崗巖(脈)在巖石組合和地球化學(xué)特征上與高喜馬拉雅淡色花崗巖具有一致性、伸展斷裂帶與藏南拆離系(STDS)具有相似的構(gòu)造特征,所以伸展斷裂帶常被認(rèn)為是藏南拆離系(STDS)在特提斯喜馬拉雅地區(qū)的延伸出露(Chen et al., 1990; Burchfiel et al., 1992;Steck et al., 1998;Edwards et al.,1999;Hodges,2000; Lee et al., 2006; Aoya et al., 2006; 張進(jìn)江,2007; Zhang et al., 2012; 王曉先等,2015)。
康巴穹隆位于北喜馬拉雅片麻巖穹隆帶中部,核部巖體主體由花崗片麻巖組成,出露形態(tài)不規(guī)則,總體呈近東西向展布,面積約為400 km2(周志廣,2008;圖1B)。核部巖體與特提斯喜馬拉雅沉積地層以伸展斷裂接觸(圖1B、D),穹隆區(qū)域內(nèi)留存有大量冰川和地面徑流等地表過程造成的侵蝕地貌。
本研究樣品為遠(yuǎn)離淡色花崗巖巖脈的新鮮花崗片麻巖(圖1B、C),共采集年齡高程剖面樣品3件,用于鋯石FT年齡分析,同時(shí)采集1件基巖樣品用于鋯石U-Pb年齡分析,通過手持GPS確定采樣位置,海拔高度分布為5050~5450m,采樣間隔為200m(圖1C),均位于穹窿體核部。單顆粒鋯石的挑選工作在河北廊坊誠(chéng)信地質(zhì)服務(wù)有限公司完成,是按照標(biāo)準(zhǔn)重礦物分離方法將初碎樣品逐級(jí)破碎至60目,再經(jīng)重液分離法和磁選法等手段進(jìn)行分離提純后,在體視鏡下選出晶形完好、表面無裂隙、內(nèi)部無包裹體的鋯石顆粒。
1—第四系沉積;2—上侏羅統(tǒng)遮拉組;3—下侏羅統(tǒng)日當(dāng)組;4—上三疊統(tǒng)涅如組;5—中、下三疊統(tǒng)呂村組;6—中二疊統(tǒng)康馬組;7—下二疊統(tǒng)破林浦組;8—加里東期花崗片麻巖;9—實(shí)測(cè)、推測(cè)斷層;10—高程剖面位置圖A修改自(Liu et al., 2017; Wang Y et al., 2017, 2021;Khanal et al., 2020),數(shù)據(jù)來源:a(Wang Y et al.,2005),b (Harrison et al., 1999), c (Searle et al.,1997), d (Sch?rer U et al.,1986), e(Murphy, 2007), f(Leloup et al., 2010), g(Wu et al.,1998), h(Edwards et al., 1999);圖B修改自(Quigley et al., 2008; Lin et al., 2020)圖1 喜馬拉雅造山帶地質(zhì)簡(jiǎn)圖(A)、康巴穹隆地質(zhì)圖及剖面圖(B)、穹隆核部巖體(C)、伸展斷裂圖(D)Fig.1 Simplified geologic map of the Himalayan orogen(A), Simplified geologic map of the Kampa dome and NE-SW geological cross-section A-B(B), core of the dome(C) and extensional fault of the dome(D)
鋯石制靶、陰極發(fā)光圖像(CL)采集以及LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年測(cè)試分析工作均在湖北省武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。實(shí)驗(yàn)前期處理是將鋯石顆粒經(jīng)環(huán)氧樹脂粘貼于樣品靶上,根據(jù)陰極發(fā)光圖像遴選鋯石U-Pb同位素測(cè)試點(diǎn)(圖3B)。鋯石U-Pb定年測(cè)試?yán)肔A-ICP-MS儀器分析完成,詳細(xì)的儀器參數(shù)和分析流程見(Zong et al., 2017)。對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Pb同位素比值和年齡計(jì)算)采用軟件ICPMSDataCal(Ludwig, 2003; Liu Y et al., 2008, 2010)完成。
鋯石裂變徑跡(ZFT)樣品的制備與測(cè)試均在北京安普泰德科技有限公司進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)首先將經(jīng)打磨拋光露出礦物顆粒最大面的鋯石靶片在210℃條件下的KOH + NaOH高溫熔融物內(nèi)蝕刻20~35h,以揭示其自發(fā)徑跡(Yuan et al., 2003,2006),再將樣品與無鈾白云母片疊合后,與CN2鋯石標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃(Bellemans et al., 1995)一并接受熱中子輻照(Yuan et al., 2006),利用25℃條件下的40%HF溶液蝕刻白云母外探測(cè)器,揭示樣品誘發(fā)徑跡,礦物的自發(fā)/誘發(fā)徑跡的測(cè)量統(tǒng)計(jì)均采用1200倍高精度光學(xué)顯微鏡。
為了進(jìn)一步還原康巴穹隆的剝露過程,本文使用了Bruan(2012)團(tuán)隊(duì)開發(fā)編寫的三維數(shù)值模型Pecube。該模型的原理是通過賦予研究區(qū)巖石圈地殼幾何參數(shù)、地表地形和構(gòu)造環(huán)境等邊界條件,在經(jīng)歷構(gòu)造抬升、地表侵蝕和地形演化的地質(zhì)塊體中,以有限元的方法解三維熱傳導(dǎo)方程,從而模擬地殼內(nèi)部地溫場(chǎng)(Braun et al., 2012;周祖翼, 2014;張遠(yuǎn)澤, 2015)。將運(yùn)用此“溫度-時(shí)間軌跡”模擬計(jì)算出的熱年代學(xué)年齡,與實(shí)測(cè)熱年代學(xué)年齡對(duì)比,可獲得評(píng)價(jià)模型失配度的指標(biāo)misfit。
在Pecube正演的運(yùn)行代碼中,本文根據(jù)遙感影像確定了康巴穹隆研究區(qū)所需模擬的區(qū)域,并采用ArcGis軟件提取了模型地表的邊界數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù);結(jié)合前人研究資料,設(shè)定了反演模型的其他邊界條件,包括地殼厚度、邊界坐標(biāo)等在內(nèi)的地殼幾何參數(shù),其中巖石密度為地殼密度2700kg·m-3(Valla et al., 2010;Ge et al., 2020)、地幔密度為3200kg·m-3(Pierre et al., 2010),熱擴(kuò)散率為25 km2·Ma-1(Braun et al., 2012)、模型厚度50km (Li et al., 2006; Wang C Y et al., 2010),地表溫度8℃和大氣溫度梯度為4℃/km (Bermudez et al., 2011),建立了與地質(zhì)事實(shí)較相符的正演模型(圖2)。
圖2 康巴穹隆研究區(qū)Pecube模型Fig.2 Pecube model of the Kampa dome
在Pecube反演運(yùn)行代碼中,本文將康巴穹隆3個(gè)樣品的實(shí)測(cè)年代學(xué)數(shù)據(jù)內(nèi)置于低溫測(cè)年體系中,其“剝蝕速率轉(zhuǎn)換時(shí)間”及“階段剝蝕速率”的取值范圍及最優(yōu)結(jié)果見表1。模型反演的次數(shù)參數(shù)為:初始模型500個(gè)、重反演模型200個(gè)、鄰域計(jì)算50次,共計(jì)10500個(gè)模型。本文的三維數(shù)值模擬工作獲得國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心支持,是經(jīng)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)內(nèi)5節(jié)點(diǎn)、120核并行計(jì)算36h完成。
表1 Pecube模型反演參數(shù)及結(jié)果
鋯石樣品的U-Pb年齡諧和鋯石頻率分布直方圖(圖3A)的繪制采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。康巴穹隆核部巖體樣品(MZN-7-4)自形程度較高、呈長(zhǎng)柱狀,長(zhǎng)寬比約為3∶1。鋯石顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰,無包裹體,邊部干凈,具有明顯的韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖3B),鋯石Th和U含量分別在78×10-6~2668×10-6和107×10-6~3066×10-6之間,Th/U比值在0.44~0.99之間(表2),諧和年齡為497.89±1.2Ma(圖3A)。
圖3 康巴穹隆花崗片麻巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb諧和圖(A)、鋯石CL陰極發(fā)光圖像及測(cè)試位置(B)Fig.3 Zircon LA-ICP-MS U-Pb age concordia diagram of the gneiss granite from the Kampa dome(A)、CL images of the representative zircons(B)
表2 康巴穹隆核部巖體花崗片麻巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分析結(jié)果Table 2 Concordia plots of the zircon U-Pb dating data for the granitic gneiss in the core of the Kampa dome
本次實(shí)驗(yàn)的 Zeta常數(shù)為(88.2±2.9)a /cm2,應(yīng)用IUGS推薦的Zeta常數(shù)標(biāo)定法計(jì)算出裂變徑跡中心年齡,實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3。借助Green(1986)提供的方法對(duì)所測(cè)單顆粒年齡是否屬于同一年齡組的概率進(jìn)行評(píng)價(jià),P(χ2)值用于評(píng)價(jià)所測(cè)單顆粒屬于同一年齡組的概率(Galbraith, 1981; Galbraith and Laslett, 1993),若P(χ2)>5,則代表樣品的同組年齡;若P(χ2)<5,則表明樣品單顆粒年齡不均勻分布,此時(shí)應(yīng)代之以權(quán)重平均年齡,即“中心年齡”。所測(cè)樣品MZN-7-1、MZN-7-3和MZN-7-6的P(χ2)<5,數(shù)據(jù)的年齡分布見雷達(dá)圖解(圖4A),其鋯石裂變徑跡中心年齡分別為17±1.0Ma、11±1.0Ma和16±1.0Ma,年齡高程相關(guān)性較弱(圖4B),但均小于巖體形成年齡(ca.497.89Ma)。
圖4 χ2 檢驗(yàn)值小于5%樣品鋯石裂變徑跡年齡分解圖(A)實(shí)測(cè)及模擬年齡-高程圖解(B)Fig.4 Decomposition of zircon fission track age which failed the χ2 test (A), age-elevation diagram of measured and model age (B)
表3 康巴穹隆核部花崗片麻巖鋯石裂變徑跡(ZFT)測(cè)試結(jié)果Table3 Observed results of ZFT and relevant calculated data for the granitic gneiss in the core of the Kampa dome
上述10500個(gè)Pecube三維模型的最低失配函數(shù)(misft)為0.92,各模擬參數(shù)的散點(diǎn)圖(圖5)也具有良好的趨近趨勢(shì)。綜合模擬結(jié)果,康巴穹隆地區(qū)自中新世以來共經(jīng)歷兩次快速剝露(圖4B、圖6),第一次快速剝露起始于中新世15.9Ma,在11.4Ma結(jié)束,其平均速率為1.38mm/yr;第二次快速剝露起始于上新世4.2Ma,平均速率為0.98mm/yr;兩次快速剝露之間是平均速率為0.09 mm/yr的緩慢剝露。
圖5 Pecube模型反演失配函數(shù)散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plots of Pecube inversion misfits
前人對(duì)北喜馬拉雅片麻巖穹隆帶的形成機(jī)制進(jìn)行了大量研究,提出了不同的形成模式(Burg et al., 1984; Harrison et al., 1997;Yin et al., 1999;王根厚等,1999;張進(jìn)江,2007),無論何種模式,穹窿體的隆升剝露過程均與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)聯(lián)系緊密,而區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)所造成的淺地表熱擾動(dòng)會(huì)體現(xiàn)在由低溫?zé)崮甏鷮W(xué)體系所記錄的剝蝕歷史中(李漢敖,2020)。
近年來,針對(duì)康巴穹隆伸展斷裂內(nèi)同構(gòu)造淡色花崗巖巖脈的年代學(xué)研究(Quigley et al., 2006,2008; Liu et al., 2016; Lin et al., 2020)表明,康巴穹隆伸展斷裂在活動(dòng)時(shí)限上與藏南拆離系(STDS)具有相似性,因而被認(rèn)為是藏南拆離系(STDS)在北部的延伸出露(王曉先等,2015)。本文通過數(shù)值模擬得出康巴穹隆第一次快速剝露的時(shí)間為15.9~11.4Ma,在時(shí)限上與康巴穹隆南部錫金地區(qū)的藏南拆離系ca.15~14Ma的活動(dòng)時(shí)限(Kellett et al., 2013)、亞東地區(qū)藏南拆離系ca.15~11Ma的活動(dòng)時(shí)限(劉文燦等, 2004;Xu et al., 2013)一致(圖6),可以將此次快速剝露解釋為是康巴穹隆核部巖體冷卻歷史對(duì)強(qiáng)烈改變淺地表等溫線的藏南拆離系活動(dòng)所產(chǎn)生的響應(yīng),ca.11.4Ma開始的低速剝露則可能與藏南拆離系活動(dòng)的停止有關(guān)。
康巴穹隆核部巖體第二次快速剝露起始于上新世,平均速率為0.98mm/yr。在這一時(shí)期,與穹隆冷卻相關(guān)的大規(guī)模邊界斷層活動(dòng)已停止,此次起始于中新世的冷卻應(yīng)主要受控于氣候作用,且青藏高原的氣候事件在這一時(shí)期已和全球氣候事件相吻合(季軍良等,2013)。北太平洋ODP1021和印度洋ODP722鉆孔(Herbert et al., 2016)所反映的海平面溫度變化(圖6)顯示,東亞及南亞古氣候在上新世發(fā)生明顯變化,總體上呈隨時(shí)間波動(dòng)式變冷,Zhang et al., (2020)通過北太平洋ODP885A鉆孔巖心沉積物化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)的變化(圖6),揭示出亞洲內(nèi)陸地區(qū)在這次全球快速變冷背景下化學(xué)蝕變作用增強(qiáng)的現(xiàn)象。本文的數(shù)值模擬結(jié)果中,康巴穹隆核部巖體的第二次的快速剝露與這次全球氣候變化在時(shí)間上相近。
本文針對(duì)康巴穹隆的野外地質(zhì)調(diào)查表明,康巴穹隆區(qū)內(nèi)地面徑流源于區(qū)域降水而非上游來水,這與喜馬拉雅地區(qū)眾多河流的特征類似(Clift et al., 2008)。區(qū)域降水量增加可在直接加深地表受剝蝕程度的同時(shí)又通過增加河流的徑流量而加強(qiáng)河流下切侵蝕及溯源侵蝕作用(Zheng et al., 2014),造成巖體的階段性快速冷卻。前人對(duì)喜馬拉雅造山帶各地區(qū)氣候(降水)與快速剝蝕事件的耦合關(guān)系進(jìn)行了大量細(xì)致的研究(丁林等,1995;于祥江等,1995; 趙志丹等,2003; Grujic et al., 2006;Zeilinger et al., 2007;Thiede et al., 2009;Deeken et al., 2011;Patel et al., 2011; Adlakha et al., 2013; Zheng et al., 2014),Zheng et al.(2014)認(rèn)為以降水量增加為代表的氣候作用是造成高喜馬拉雅地區(qū)上新世以來經(jīng)歷快速剝蝕的原因。本文數(shù)值模擬所顯示的康巴穹隆核部巖體自上新世發(fā)生的速率為0.98mm/yr的快速剝露,在位置、時(shí)限及強(qiáng)度上與前述研究具有顯著的相關(guān)性,可認(rèn)為此次快速剝露是其對(duì)以降水量增加為代表的氣候變化過程的響應(yīng)。
紅色部分引自(Kellett et al., 2013)、紫色部分引自(劉文燦等, 2004; Xu et al., 2013),所示年齡為區(qū)域內(nèi)藏南拆離系活動(dòng)時(shí)間;綠色折線部分表示北太平洋、印度洋海平面溫度變化;黃色折線部分為北太平洋化學(xué)蝕變指數(shù)變化圖6 中新世以來康巴穹隆剝蝕速率-時(shí)間變化圖Fig.6 Denudation rate-time variation of the Kampa dome since Miocene
針對(duì)康巴穹隆核部U-Pb年齡為497.89Ma的花崗片麻巖的ZFT年代學(xué)與數(shù)值模擬表明:
(1)中新世中期以來,康巴穹隆核部巖體經(jīng)歷兩次快速剝露,第一次快速剝露發(fā)生在15.9~11.4Ma,平均速率為1.38mm/yr,是對(duì)藏南拆離系(STDS)活動(dòng)的響應(yīng)。
(2)第二次快速剝露起始于上新世4.2Ma,平均速率為0.98mm/yr,是對(duì)以降水量增加為代表的氣候變化過程的響應(yīng)。