碎屑磷灰石裂变径迹热年代学记录的青藏高原东北缘祁连山新生代构造变形过程

摘要

新生代印度板块与亚洲板块的碰撞挤压导致的青藏高原隆升是地球历史近一亿年发生的最重要的地质事件之一，其对亚洲构造地貌格局以及气候环境产生了深刻影响。因此，青藏高原的形成演化及其环境效应一直是国际地球科学研究的焦点之一，特别是青藏高原隆升扩展过程，对理解大陆碰撞、高原隆升以及岩石圈变形的过程和动力机制及构造-气候耦合关系至关重要。作为青藏高原东北缘边界的祁连山是加里东期造山带，在印度-亚洲板块碰撞挤压的变形应力作用下于新生代构造活化并隆起成山。祁连山的再次活化和变形隆升是青藏高原东北部大陆演化史中的一个重大事件，它不仅控制了两侧盆地及油气和矿产资源的形成、调整和改造，同时作为现今青藏高原东北向扩展的最前缘，其新生代构造变形过程对认识印度-亚洲板块碰撞远程效应以及青藏高原隆升扩展过程及动力机制具有重要意义。尽管前人在祁连山地区已经开展了许多研究工作，但是对该区新生代构造变形的开始时间及发展过程的认识依然不清楚或存在分歧，因此迫切需要更多可靠证据约束。 裂变径迹热年代学能够以矿物的冷却年龄记录其从地壳深部冷却通过特定封闭温度所对应的地壳深度的时间。磷灰石裂变径迹具有较低的封闭温度，记录了载体岩石在浅层地壳发生的冷却剥露历史。而盆地沉积物是造山带构造演化最直接、最具体的地质记录，因此盆地同造山沉积碎屑磷灰石裂变径迹热年代学方法已成为研究区域构造变形、造山带隆升过程等问题的关键手段。本文选取祁连山南北两侧酒泉盆地和柴达木盆地有磁性地层年代控制的新生代剖面以及自祁连山流至两个盆地的现代河流沉积物，重点通过酒泉盆地新生代地层33件样品和2件现代河砂样品以及柴达木盆地北缘新生代地层13件样品和2件现代河砂样品的碎屑磷灰石裂变径迹热年代学系统研究，结合物源分析以及前人研究成果，揭示祁连山新生代构造变形与隆升过程，探讨了祁连山变形机制及青藏高原隆升扩展动力机制。主要取得以下认识和结论： 1. 酒泉盆地和柴达木盆地新生代沉积物碎屑磷灰石裂变径迹拟合年龄组分分别存在峰值年龄在~60-50 Ma和~60-54 Ma的“静态峰”，表明源区祁连山在晚古新世-早始新世（~60-50 Ma）经历了快速剥露过程，说明新生代印度-亚洲板块碰撞初期（~60-50 Ma）构造变形的前缘就已到达高原东北缘祁连山地区，并导致了祁连山新生代早期的隆升剥露。 2. 酒泉盆地新生代沉积物碎屑磷灰石裂变径迹拟合年龄组分存在峰值年龄为~45-37 Ma、~34-30 Ma和~26-21 Ma的“静态峰”，柴达木盆地新生代沉积物碎屑磷灰石裂变径迹拟合年龄组分存在峰值年龄为~45-38 Ma和~34-30 Ma的“静态峰”以及~26.2 Ma的年龄组分，共同指示祁连山分别在中-晚始新世（~45-37Ma）、早渐新世（~34-30 Ma）和晚渐新世-早中新世（~26-21 Ma）发生了快速构造剥露事件。 3. 酒泉盆地新生代沉积物碎屑磷灰石裂变径迹拟合年龄组分存在~16-10 Ma的“静态峰”，柴达木盆地也存在~14.5 Ma的裂变径迹拟合年龄组分，表明祁连山在中-晚中新世（~16-10 Ma）再次经历了快速剥露过程。并且，柴达木盆地碎屑磷灰石裂变径迹拟合年龄组分的峰值年龄组合随着沉积的发展在地层年龄~12 Ma时发生了突然变化，进一步证明了祁连山在中-晚中新世发生了一次构造变形事件。 4. 柴达木盆地碎屑磷灰石裂变径迹拟合年龄组分的峰值年龄组合随着沉积的发展在地层年龄~2.1 Ma再次发生突然变化，重新回到~12 Ma之前的峰值年龄组合，指示祁连山在~2.1 Ma时再次遭受构造变形。 5. 结合前人研究成果，认为祁连山新生代变形在其内部不存在南北定向传递，不同部位构造活化的先后取决于祁连山上地壳构造薄弱带的分布，并且祁连山新生代多期次阶段性变形过程（即重大构造变形事件分别发生于~60-50 Ma、~45-37Ma、~34-30Ma、~26-21 Ma、~16-10Ma、~2.1 Ma）代表了青藏高原东北缘的变形过程。其中，在中-晚中新世（~16-10 Ma）时期的重大构造事件导致了祁连山及青藏高原东北缘基本形成了类似现今的构造和地形格局。

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