5Ma以来祁连山侵蚀速率研究——宇生核素10Be记录

摘要

构造运动、地表过程与气候变化之间的关系是现代地球科学研究的一个重要课题。地表侵蚀作为地表过程是明晰三者之间耦合关系的重要一环，成为研究的热点问题。研究表明，地表剥蚀速率与山地高差、坡度、流域的降雨量以及岩性密切相关。获取时间序列上的地表侵蚀速率相对困难，一方面是由于缺少较好的侵蚀速率自然记录档案，另一方面是受测量精度的限制，所得数据的可靠性存有争议。当前，关于晚新生代侵蚀速率的变化主要有两种观点：一是上新世-更新世气候驱动增大论；二是基于沉积记录的稳定论。
　　定量化研究长时间尺度剥蚀速率的方法主要有三种：(Ⅰ)基于蚀源区基岩矿物热年代的矿物封闭温度年代法；(Ⅱ)基于造山带邻近盆地的沉积记录的裂变径迹热年代学方法；(Ⅲ)宇生核素方法。(Ⅰ)(Ⅱ)两种方法所得的为几个至几十个百万年内的平均剥蚀速率，而方法(Ⅲ)可以得到几万至几十万年内的平均剥蚀速率，这样，建立晚新生代数百万年侵蚀速率时间序列成为可能。宇生核素方法的基本原理是：现代河流沉积物中的宇宙成因核素浓度可以反映流域平均侵蚀速率；如果能找到地质时期河流沉积物的出露地层且能确定其年代，其中的核素浓度经过放射性衰变校正，就可以反映当时的流域侵蚀速率。
　　在古老河流沉积物中，通过加速器测量获得的核素积累量包括三个组分：一是这些沉积物在源区暴露过程中获得的核素，与源区侵蚀速率有关；二是在堆积区沉积后到上覆沉积物足够厚以遮蔽宇宙射线的这段时间里积累的核素，这段时间的长短与地层的沉积速率有关；三是近期出露地表积累的近期核素，与剖面近期暴露历史有关。因此，如果能扣除后面的两个组分，即可获得源区的侵蚀速率。基于这一认识，我们在祁连山北麓酒泉盆地晚新生代老君庙背斜剖面进行采样测试，获得了约5Ma以来的祁连山侵蚀速率。
　　青藏高原北缘的酒泉盆地是山地侵蚀过程的自然记录档案，而且盆地沉积地层在本研究工作区所在的老君庙背斜出露良好。本研究采用宇生核素埋藏年代与古地磁年代综合解释，建立了较为可靠的老君庙地层年代序列。老君庙地层年代结果如下：下玉门砾石层(H1-H2)年代范围为4.92-3.11Ma；中玉门砾石层(H2-H3)年代范围为3.11-1.25Ma；上玉门砾石层(H3-H4)年代范围为1.25-0.84Ma。由于石油河深切，在老君庙背斜依次出露中新世到第四纪的地层，但在3.11-1.25Ma间因不整合存在地层缺失。样品采自玉门砾岩和酒泉砾石层中。此剖面已有古地磁年代控制，可以提供剖面的沉积速率，即可获得沉积阶段积累的核素组分。在石油河侧向侵蚀近百米高的石油河岸陡壁形成的凹洞内采样，可以完全遮蔽现代宇宙射线的轰击，因此可以规避近期暴露所积累的核素。
　　我们获取的数据显示：0-5Ma侵蚀速率普遍在10-300m/Ma之间，而0.8-1.2Ma之间的侵蚀速率却在180-3000m/Ma之间；在山地抬升模式中，0-1.25Ma的侵蚀速率在55-230m/Ma之间，3-5Ma的侵蚀速率在30-112m/Ma之间，0-1.25Ma时段的侵蚀速率大于3-5Ma时段的；在高程恒定模式中，0-1.25Ma的侵蚀速率在60-285m/Ma之间，3-5Ma的侵蚀速率在4-300m/Ma之间，两时段侵蚀速率基本一致：河床沙和砾石记录的现代山地的侵蚀速率分别为85m/Ma和288m/Ma；侵蚀速率在1.25Ma以来，尤其在0.5-0.8Ma旋回特征明显。
　　祁连山区河流水文观测站监测的侵蚀速率值分布在20-200m/Ma之间，祁连山区的平均侵蚀速率为80m/Ma；Hetzel等所做的河西走廊榆木山10Be记录的平均剥蚀速率为317±100m/Ma，龙首山的为155±25m/Ma，祁连山中西部的为315±65m/Ma；据Hetzel等所做的石油河现代河床样品10Be浓度值推算，现代流域侵蚀速率为175±33m/Ma。本研究获取的现代侵蚀速率在数量级上与以上研究基本一致。
　　0-5Ma侵蚀速率普遍分布在10-300m/Ma范围内，这说明5Ma以来祁连山山地侵蚀过程总体上是稳定的，且与现代山地的侵蚀速率基本一致。但在0.8-1.2Ma之间有一短期核素浓度低值期，对应侵蚀速率特别高值期(数十倍高)，0.8-1.2Ma之间侵蚀速率的大幅突增可能有三方面的原因：(Ⅰ)与构造活动有关(昆黄运动)，但很难用单一的构造事件解释侵蚀速率的大幅度变化；(Ⅱ)与中更新世气候转型有关；(Ⅲ)与10Be浓度信号的真实性有关，老君庙剖面在3.11-1.25Ma地层缺失，而在背斜南部发现一个“背驮盆地”，可能是在3.11Ma左右老君庙背斜的快速隆升，石油河没有立即切穿老君庙背斜，因而在背斜南部形成了一个“背驮盆地”，在近百万年的时段内，山地剥蚀物便囤积于此，在1.25Ma左右，老君庙背斜才被重新切穿，因此，峰值样品可能混杂有来自“背驮盆地”内的二次搬运物而产生了“稀释效应”；此外，这些样品正处于老君庙背斜褶皱生长楔中，这一瞬时信号可能是由于背斜本身组成物质(玉门砾岩)在强烈褶皱隆起时被侵蚀，发生二次搬运产生的“稀释效应”的影响。在山地抬升模式中，0-1.25Ma时段的侵蚀速率小幅度偏大于3-5Ma时段的，这可能是由于样品混入较老成分所致。1.25Ma以来侵蚀速率的旋回特征可能与第四纪气候波动有关。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究晚新生代侵蚀速率的科学意义

1.2 选题依据与拟解决的科学问题

1.2.1 研究区的选择

1.2.2 研究方法的选择-宇生核素法

1.2.3 拟解决的科学问题

1.3 技术路线、可行性分析及论文工作量

1.3.1 技术路线

1.3.2 可行性分析

1.3.3 论文工作量

第二章 利用10Be估算古侵蚀速率的原理

2.1 宇生核素的概念及其形成

2.1.1 宇生核素的概念

2.1.2 宇生核素的形成

2.2 宇生核素的地学应用概述及意义

2.3 利用加10Be估算古侵蚀速率的原理

第三章 研究区地貌、地质背景概况

3.1 酒西盆地构造背景

3.2 酒西盆地地貌特征

3.3 酒西盆地沉积地层及老君庙剖面对酒西盆地晚新生代构造变形记录

第四章 基于10Be的古侵蚀速率序列的建立

4.1 样品的采集、实验室处理及测试

4.1.1 样品的采集

4.1.2 样品的实验室处理及测试

4.2 老君庙剖面的年代问题

4.2.110Be/26Al的埋藏测年基本原理

4.2.2 埋藏测年结果

4.2.3 老君庙剖面的古地磁解释

4.2.4 两种年龄比对及分析

4.3 侵蚀速率的计算

4.4 测试结果的精度分析

第五章 地表侵蚀过程与构造、气候耦合关系分析

5.1 晚新生代祁连山构造变形与侵蚀速率变化

5.2 晚新生代气候变化与侵蚀速率变化

5.3 构造-气候-侵蚀关系综合讨论

5.4 侵蚀速率的多角度比对分析

5.5 结论及问题

参考文献

附录

致谢辞