劉建輝

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

賀蘭山、秦嶺山脈新生代伸展隆升及斷層摩擦生熱磷灰石裂變徑跡分析

劉建輝

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

本文利用磷灰石裂變徑跡(AFT)熱年代學(xué)分析方法對(duì)賀蘭山和秦嶺山脈新生代快速伸展隆升的時(shí)間、剝露作用的空間分布特征、隆升模式及機(jī)制進(jìn)行了研究,揭示了賀蘭山和秦嶺山脈晚新生代的快速伸展隆升作用,測(cè)定了晚新生代與伸展變形有關(guān)的剝露作用的空間分布特征,為賀蘭山和秦嶺山脈晚新生代快速隆升的模式提供了很好的約束。并對(duì)賀蘭山和秦嶺山脈晚新生代快速伸展隆升的變形機(jī)制及其構(gòu)造意義進(jìn)行了探討。根據(jù)本次磷灰石裂變徑跡分析所揭示的秦嶺山脈晚新生代的快速隆升作用,結(jié)合中國(guó)西北及北方等干旱氣候環(huán)境的形成時(shí)間及其分布區(qū)域,以及中國(guó)南北古生物演化等,對(duì)秦嶺山脈晚新生代快速隆升作用的強(qiáng)度及其對(duì)中國(guó)環(huán)境氣候的影響進(jìn)行了研究和探討。此外,以青藏高原東北緣斷裂帶為研究對(duì)象,利用磷灰石裂變徑跡(AFT)熱年代學(xué)分析方法對(duì)斷層滑動(dòng)摩擦生熱的探測(cè)或測(cè)量進(jìn)行了初步探索研究,對(duì)其存在的主要問(wèn)題及前景進(jìn)行了總結(jié)。本博士論文主要取得以下3方面的研究結(jié)果。

1 賀蘭山新生代快速伸展隆升的時(shí)間及模式

賀蘭山位于阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊的結(jié)合部位,中國(guó)南北構(gòu)造帶(地震帶)的北端,是華北克拉通內(nèi)部經(jīng)歷了長(zhǎng)期構(gòu)造演化的板內(nèi)變形帶。新生代以來(lái),該區(qū)主要表現(xiàn)為受賀蘭山東面具有右旋走滑性質(zhì)的正斷層控制的伸展構(gòu)造變形,導(dǎo)致了銀川盆地的形成和賀蘭山的快速隆起。本文根據(jù)賀蘭山新生代以來(lái)的構(gòu)造變形特征,在賀蘭山中南部的蘇峪口及北部的大武口沿垂直賀蘭山東麓斷層走向采集了兩個(gè)磷灰石裂變徑跡樣品剖面,同時(shí)在賀蘭山的西面及北端正誼關(guān)溝采集了少量樣品,總計(jì)18個(gè)樣品。測(cè)試結(jié)果顯示賀蘭山中南部蘇峪口剖面的年齡老,東側(cè)的4個(gè)樣品年齡在88.1～71.7M a之間,西側(cè)的4個(gè)樣品年齡在116～107M a之間;賀蘭山北部大武口剖面及正誼關(guān)溝的樣品年齡在89～10M a之間,靠近賀蘭山東麓斷層年齡變年輕,隨著距離的增大而年齡變老。結(jié)合前人在小松山—汝箕溝所獲得的磷灰石裂變徑跡結(jié)果,對(duì)賀蘭山新生代快速隆升的時(shí)間、剝露作用的空間分布特征及構(gòu)造隆升模式進(jìn)行了測(cè)定,并對(duì)其變形機(jī)制進(jìn)行了探討。主要獲得以下主要認(rèn)識(shí):

(1)采自賀蘭山北部大武口剖面及正誼關(guān)溝的樣品HL07-01、HL07-02、HL07-3a、HL07-05及HL07-06,其磷灰石裂變徑跡平均長(zhǎng)度大(＞13.87μm),標(biāo)準(zhǔn)偏差小(＜1.1μm),揭示了賀蘭山始于約10～12M a的快速隆升剝露冷卻作用;

(2)賀蘭山磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)空間分布特征揭示了始于晚新生代(約10～12M a)的快速隆升剝露冷卻作用向東靠近斷層剝露作用加強(qiáng),向西遠(yuǎn)離斷層剝露作用減弱,北部剝露作用較強(qiáng),向南逐漸減弱的空間分布特征;

(3)賀蘭山起始于晚新生代(約10～12M a)快速剝露冷卻作用的空間分布特征,指示了賀蘭山與平行于山脈的東麓斷層伸展作用有關(guān)的向西向南的掀斜隆升剝露模式;

(4)沿鄂爾多斯地塊周緣北西-南東向的區(qū)域伸展拉張作用,導(dǎo)致了鄂爾多斯地塊西北角晚新生代強(qiáng)烈的拉張作用是造成賀蘭山強(qiáng)烈向西向南掀斜隆升的主要原因。賀蘭山—銀川盆地是在先存褶皺—逆沖構(gòu)造的基礎(chǔ)上,在北西-南東向的區(qū)域伸展背景下,在具有右旋走滑性質(zhì)的賀蘭山東麓斷裂的伸展變形過(guò)程中,下盤賀蘭山快速掀斜隆起成山,上盤傾斜斷陷形成銀川盆地,是板內(nèi)伸展造山作用所形成的盆嶺構(gòu)造。

2 秦嶺山脈新生代快速伸展隆升的時(shí)間、模式、指示意義及其影響

秦嶺山脈位于中國(guó)大陸中部,呈東西走向,是一個(gè)經(jīng)歷了板塊碰撞造山和陸內(nèi)造山作用的典型復(fù)合造山帶。新生代以來(lái),在秦嶺山脈北緣及其內(nèi)部,發(fā)生了平行于造山帶的顯著造山后的伸展構(gòu)造變形,形成斷陷下沉的渭河盆地,并使秦嶺山脈發(fā)生急劇的陸內(nèi)伸展隆升,成為分隔中國(guó)南北地質(zhì)、生物和氣候環(huán)境的天然界線。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)秦嶺山脈進(jìn)行了系統(tǒng)的磷灰石裂變徑跡樣品采集,分別在太白山、華山、中條山、驪山、灃峪口及秦嶺南面進(jìn)行了大量的樣品采集,總計(jì)完成了55個(gè)樣品的測(cè)試,獲得了大量新的磷灰石裂變徑跡年代學(xué)結(jié)果。結(jié)合前人已報(bào)道的磷灰石裂變徑跡結(jié)果,對(duì)秦嶺山脈新生代快速隆升的時(shí)間、隆升剝露作用的空間分布特征、隆升剝露模式、構(gòu)造意義、隆升的幅度及影響進(jìn)行了測(cè)定和討論。獲得了以下主要認(rèn)識(shí):

(1)太白山剖面及華山剖面的磷灰石裂變徑跡分析揭示了秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速隆升剝露冷卻作用;

(2)磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)的空間分布特征,揭示了秦嶺山脈新生代以來(lái)的剝露作用具有秦嶺南側(cè)的剝露作用緩慢而穩(wěn)定,北側(cè)的剝露作用速率快,靠近邊界斷層增強(qiáng),遠(yuǎn)離邊界斷層減弱的空間分布特點(diǎn);

(3)秦嶺山脈新生代剝露作用的空間分布特征,指示了秦嶺山脈與平行于山脈的北部主邊界斷層伸展作用有關(guān)的、向南掀斜的伸展隆升模式;

(4)秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速隆升剝露作用,在時(shí)間上與青藏高原約8M a左右的隆升和對(duì)外擴(kuò)展具有很好的統(tǒng)一性,結(jié)合其所處的特殊構(gòu)造位置,指示了秦嶺山脈起始于10.5～7M a的快速伸展隆升作用與青藏高原晚新生代隆升和對(duì)外擴(kuò)展具有重要的聯(lián)系。同時(shí),秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速伸展隆升作用,為青藏高原隆升和對(duì)外擴(kuò)展的主要時(shí)限提供了重要的佐證,具有重要的構(gòu)造指示意義。

(5)磷灰石裂變徑跡揭示了秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速隆升冷卻作用,結(jié)合中國(guó)西北及北方以風(fēng)成紅粘土堆積為標(biāo)志,干旱氣候的形成時(shí)間及其分布區(qū)域,以及中國(guó)哺乳動(dòng)物南北分異及其形成時(shí)間等,綜合表明秦嶺山脈在此時(shí)已經(jīng)開始大幅度隆起,可能已達(dá)到或接近現(xiàn)今的高度,成為分割中國(guó)南北生物和氣候環(huán)境的天然界線;對(duì)東亞季風(fēng)冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的形成具有促進(jìn)作用,促進(jìn)和加強(qiáng)了中國(guó)北方干旱氣候的形成和向東的擴(kuò)展,是東亞“季風(fēng)三角”形成的關(guān)鍵和基礎(chǔ)之一。

3 利用AFT分析對(duì)斷層摩擦生熱探測(cè)或測(cè)量的初步探討

斷層滑動(dòng)摩擦生熱作用被認(rèn)為是一種普遍現(xiàn)象,但是如何對(duì)天然斷層摩擦生熱,尤其是對(duì)單次地震斷層摩擦生熱進(jìn)行探測(cè)或測(cè)量是現(xiàn)今仍未解決的科學(xué)難題,本文研究的最后部分是以青藏高原東北緣斷裂帶為研究對(duì)象,利用磷灰石裂變徑跡熱年代學(xué)對(duì)地震斷層滑動(dòng)摩擦生熱的探測(cè)或測(cè)量進(jìn)行了初步探討。分別在海原斷裂帶的大溝門、香山—天景山斷裂帶的紅谷梁及小洪溝橫跨斷層采集了3個(gè)樣品剖面,總計(jì)13個(gè)樣品,樣品包括斷層主滑動(dòng)面上的斷層泥、碎裂巖及斷層圍巖。通過(guò)對(duì)橫跨斷層方向的斷層巖及圍巖的磷灰石裂變徑跡年齡及水平圍限徑跡長(zhǎng)度及其分布形態(tài)的對(duì)比分析,結(jié)果并沒(méi)有獲得斷層摩擦生熱的證據(jù),表明這些斷層在地震滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦增溫非常有限,沒(méi)有達(dá)到磷灰石裂變徑跡熱年代計(jì)體系可加載熱信息的溫度-時(shí)間要求。結(jié)合前人已有的相關(guān)研究,對(duì)利用磷灰石裂變徑跡熱年代學(xué)對(duì)地震斷層滑動(dòng)摩擦生熱進(jìn)行探測(cè)或測(cè)量存在的主要問(wèn)題及可行性進(jìn)行了初步總結(jié)和探討,認(rèn)為只適應(yīng)于對(duì)震級(jí)大、斷層滑動(dòng)距離和速率大、摩擦強(qiáng)度大,位于一定深度有大量摩擦熱生成,并使斷層附近增溫達(dá)到或超過(guò)磷灰石裂變徑跡部分或完全退火溫度的斷層進(jìn)行滑動(dòng)摩擦生熱的探測(cè)或測(cè)量。利用磷灰石裂變徑跡的退火動(dòng)力學(xué)方程及斷層摩擦生熱物理方程等,磷灰石裂變徑跡熱年代學(xué)分析將是一種潛在的能對(duì)地震斷層滑動(dòng)摩擦生熱或增溫進(jìn)行測(cè)量的“熱量計(jì)或溫度計(jì)”。

秦嶺;賀蘭山;陸內(nèi)伸展隆升;層摩擦生熱;磷灰石裂變徑跡分析

P56;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.008

(作者電子信箱,劉建輝:liu jianhui1999@163.com)