低温热年代学数据对龙门山推覆构造带南段新生代构造活动的约束

谭锡斌 李元希 徐锡伟 陈玟禹 许 冲 于贵华

1)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029

2)台湾中正大学，嘉义 62102

0 引言

龙门山位于青藏高原东缘的地形陡变地带，剥蚀作用强烈，是研究青藏高原生长过程及生长机制的重点区域之一。许多学者对龙门山及其周边地区进行了低温热年代学研究(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;谭锡斌，2012;Cook et al.，2013)。前人的热年代学资料揭示出龙门山的新生代剥露历史及主要断层的新生代活动性，为了解龙门山的新生代构造演化及其隆升机制提供了较好的约束，同时也为龙门山推覆构造带各主要断层晚更新世以来的活动性提供了重要的背景资料。前人对龙门山中段进行了(U－Th)/He测年，认为龙门山中段的彭灌杂岩开始快速剥露的时间为距今12～5Ma(Kirby et al.，2002)或8～11Ma(Godard et al.，2009)。Wang等(2012)给出的跨越不同高程的低温热年代学数据揭示龙门山中段的彭灌杂岩于距今约30Ma开始快速冷却，并经历了2期快速冷却事件。Li等(2012)的低温热年代学研究结果同样认为龙门山在新生代早期存在快速冷却事件。

总而言之，低温热年代学样品主要采自龙门山推覆构造带中段和北段，南段样品数目较少(尤其是裂变径迹样品)，目前对其新生代的剥蚀历史及断裂活动性还比较模糊。为了更多地了解龙门山推覆带南段的剥蚀历史，我们在前人研究的基础上，对龙门山推覆构造带南段补充了一些裂变径迹资料，对于其新生代以来的剥蚀历史及断裂活动性有了进一步的认识。

1 地质背景

龙门山推覆构造带位于青藏高原东缘与四川盆地交接地带，同时也是松潘－甘孜地块与华南地块相互碰撞作用的界线(图1)。区域上，自NW向SE由松潘－甘孜地块(褶皱带)、龙门山推覆构造带、前陆盆地、前陆隆起带4个单元构成了一个完整的构造系统。岩层明显体现出中间老、两边新的特征，可以简单划分为4类，由老到新分别为:1)扬子克拉通的结晶基底;2)新元古代—二叠纪的被动大陆边缘变质沉积;3)松潘－甘孜褶皱带的三叠纪复理石;4)四川盆地内部的中生代—新生代沉积岩(Kirby et al.，2002)。扬子克拉通的结晶基底由前寒武纪的片麻岩及相关花岗质岩体组成，主要分布在龙门山断裂带中南段的核心部位，北段仅少量出露。根据地名分别称之为彭灌杂岩、雪隆包杂岩、宝兴杂岩、大园包杂岩和轿子顶杂岩。新元古代—二叠纪的被动大陆边缘变质沉积岩分布在前寒武杂岩的周围，主要由浅海相的沉积岩组成。龙门山推覆构造带的西侧为深海沉积的三叠纪复理石，龙门山推覆构造带东侧的四川盆地发育中生代—新生代陆相沉积岩。其中，松潘－甘孜块体上的三叠纪复理石经历强烈构造运动，并伴生同时期的花岗岩，而四川盆地内部的侏罗纪—白垩纪砂岩变形轻微，整体产状近水平。

图1 研究区地形及主要断层分布图Fig.1 The topography of the study area and the distribution of the main faults.

新生代以来，由于印度板块的楔入作用，青藏高原东缘发生大规模的侧向挤出，龙门山推覆构造带“复活”，断裂上盘发生了强烈的隆升，2008年汶川地震以及2013年芦山地震也是这种强烈隆升作用的表现。同时，新生褶皱变形继续向四川盆地内部扩展，主要表现为山前隐伏断裂以及褶皱的发育，尤以龙门山推覆构造带南段最为发育(Hubbard et al.，2009)。

龙门山推覆构造带整体呈NE走向，全长约500km，宽30～60km，主要由多条平行逆冲断裂组成，分别为后山断裂(汶川－茂县断裂、青川断裂)、中央断裂(北川－映秀断裂)、前山断裂(江油－灌县断裂)、山前隐伏断裂等，主要断裂均倾向NW，具有前展式构造特征。部分学者认为后山断裂附近存在正断层，以调整青藏高原和龙门山的剥蚀差异(Burchifiel et al.，2004;Meng et al.，2006)。根据 GPS数据推测，龙门山现今缩短速率 ＜3mm/a(King et al.，1997;Chen et al.，2000;Gan et al.，2007)。2008年汶川MW7.9地震造成龙门山推覆构造带中－北段的2条断层发生了错动，分别沿着北川－映秀断裂和彭灌断裂产生了2条约240km长和约70km长的地表破裂带(Xu et al.，2009)(图1)。汶川地震地表破裂没有往南段发展，但是GPS数据(King et al.，1997;Chen et al.，2000;Gan et al.，2007)显示龙门山南段的缩短速率与中段相当，甚至要大于中段，表明龙门山推覆构造带南段同样存在未来发生破坏性大地震的可能性(谭锡斌，2012)。2013年4月20日发生的芦山MS7.0地震是龙门山南段的地震危险性的具体表现。芦山地震之后，经过详细的野外调查，目前尚未发现真正意义上的地震地表破裂，仅仅在双石－大川断裂沿线出现局部公路水泥路面的挤压破裂和沿断层走向雁行排列的喷砂冒水现象，属于一种典型的盲逆断层型地震(徐锡伟等，2013)。

地貌上，从四川盆地向西穿过龙门山进入青藏高原，在不到50km的距离内，海拔从500m迅速上升到5km以上，形成了青藏高原周缘乃至世界上最陡的地形梯度带(图2)。龙门山及川西地区的地形特征显示(图1，2)，地形南北存在较大差异:龙门山中段是高地形的川西高原与低地形的四川盆地之间的边界，在水平距离约60km内海拔从5km急速降低到500m;龙门山北段海拔仅2km，且在较长的水平距离内向四川盆地的600m海拔高度过渡;龙门山南段海拔和中段一样，达到约5km，与中段不同的是，南段在大约150km范围内，逐渐从5km降低到1km。

2 样品采集、测年

样品采自龙门山南段，主要分布在双石－大川断层上盘的宝兴杂岩(图3)。样品所在位置的经纬度和高程信息由手持便携式GPS测定。

经过对样品的锆石和磷灰石单矿物分选之后，采用外探测器法(external detector method)对样品进行裂变径迹分析，实验测试在台湾中正大学裂变径迹实验室完成。实验步骤和实验条件如下:1)将富集后的锆石和磷灰石矿物颗粒分别制成薄片，然后抛光，蚀刻。锆石的蚀刻条件为:11.2g KOH和8g NaOH，240～260℃。磷灰石的蚀刻条件为:常温，5M硝酸，约20s。2)将蚀刻的薄片加盖后送台湾清华大学反应炉VT－4位置照射。外探测器(白云母片)蚀刻条件为:48%HF，室温，25min。锆石部分采用NBS－610标准玻璃，磷灰石则用CN－5，Zeta(ζ)值分别为:ζ(NBS－610)=29±1，ζ(CN －5)=360±10。3)最后采用颗粒对应法(Grain-by-Grain methods)进行裂变径迹统计，获得样品年龄。实验流程及样品年龄计算详见Liu等(2001)。

图2 龙门山推覆构造带北、中、南段地形剖面，剖面位置见图1Fig.2 The topographic profiles of the north，central and south segments of the Longmenshan thrust belt.

3 测年结果及解释

测年结果见图3，4和表1。4个磷灰石裂变径迹年龄全部为分散在宝兴杂岩不同位置的花岗岩，年龄集中在2.7～5.0Ma。其中Gong－83获得了39个单颗粒年龄，明显呈单峰分布，而另外3个样品颗粒数相对较少，大多数单颗粒年龄集中于0～5Ma，表明宝兴杂岩晚新生代以来的快速冷却。3个锆石裂变径迹年龄分布在宝兴杂岩内，年龄相对年轻，分别为(27.7±2.0)Ma(BX－13)、(43.6±5.5)Ma(BX－14)、(33.0±2.5)Ma(Gong83)。另一个样品BX－16分布在宝兴杂岩东侧的三叠纪砂岩内，年龄为(107.6±7.3)Ma，显示其新生代未发生完全退火。

4 讨论

4.1 龙门山南段新生代快速冷却的起始时间

图3 研究区地质图及低温热年代学资料Fig.3 Geologic map of the study area，and the low-temperature thermochronology data.

图4 裂变径迹样品单颗粒年龄直方图和放射图Fig.4 Fission track age histograms and radial plots.

表1 裂变径迹测年数据Table 1 Fission track data

前人通过低温热年代学方法对龙门山的隆升历史进行了较多的研究，但是对于龙门山新生代以来快速冷却的起始时间仍有不同意见。Xu等(1997)通过裂变径迹研究认为青藏高原东缘(包括龙门山)新近纪以来经历了3期快速隆升，时间分别为距今22，7，2Ma，龙门山南段在此期间总剥蚀量为7～10km。Kirby等(2002)认为龙门山中段在距今150～11Ma开始缓慢降温，速率约0.5℃/Ma，11Ma以来的冷却速率达到15～20℃/Ma。Godard等(2009)的(U－Th)/He研究结果同样揭示出龙门山中段距今8～11Ma开始快速剥蚀，彭灌杂岩8～11Ma以来的平均剥蚀速率约0.65mm/a。Li等(2012)给出龙门山南、北3条剖面的ZFT和AFT数据，认为新生代以来龙门山有3次冷却事件，分别为距今60～40Ma、20～25Ma和9～14Ma。Wang等(2012)对龙门山推覆构造带中段的彭灌杂岩进行了密集的不同高程的热年代学研究，认为其新生代经历了2期快速冷却事件，分别为距今30～25Ma以及15Ma。本研究在龙门山南段补充了一些裂变径迹年龄，其中锆石裂变径迹年龄对于龙门山南段的新生代早期的历史有了一定的约束。位于宝兴杂岩的样品Gong－83的锆石裂变径迹年龄为(33.0±2.5)Ma，并且单颗粒年龄呈明显的单峰分布，集中在30～40Ma之间(图4)，表明其新生代早期(30～40Ma)通过了锆石裂变径迹的封闭温度线。与Gong－83类似，BX－13和BX－14的锆石裂变径迹年龄也显示其新生代早期发生了锆石裂变径迹退火。从图5b中可以看出，宝兴杂岩的锆石裂变径迹年龄、锆石(U－Th)/He和磷灰石裂变径迹年龄基本呈线性分布，揭示其新生代早期以来的均匀快速冷却，因此本研究倾向于龙门山推覆构造带南段在新生代早期存在快速冷却事件。但是，对于龙门山推覆构造带南段，目前研究程度较低，仍然需要进一步的补充热年代学数据，尤其是需要采集不同高程的样品进行热年代学研究，判断其不同时期的剥蚀速率。

4.2 宝兴杂岩和彭灌杂岩新生代剥蚀量及剥蚀速率对比

本文给出了位于宝兴杂岩的3个锆石裂变径迹年龄和4个磷灰石裂变径迹年龄(图3)，对于宝兴杂岩的新生代冷却历史有了初步的认识(图5b)。其中3个锆石裂变径迹年龄分布在27～45Ma，表明宝兴杂岩新生代以来的冷却幅度超过225℃(地表气温约15℃)。2008年汶川地震以后，前人对彭灌杂岩做了大量的低温热年代学研究，以获得其新生代以来的剥露历史，结果(Godard et al.，2009;Wang et al.，2012)揭示出彭灌杂岩的锆石(U －Th)/He的年龄均＜30Ma，而锆石裂变径迹年龄均＞100Ma(图5a)。锆石(U－Th)/He的封闭温度约为180℃(Godard et al.，2009)，而锆石裂变径迹的封闭温度约为240℃(Brandon，1996)，因此彭灌杂岩新生代初期的温度应为180～240℃。这表明新生代以来，宝兴杂岩的冷却幅度高于彭灌杂岩(图5)。

磷灰石裂变径迹年龄同样揭示出宝兴杂岩冷却速率高于彭灌杂岩。本研究给出的宝兴杂岩4个磷灰石裂变径迹年龄为2.7～5Ma，Wilson等(2011)给出的彭灌杂岩3个磷灰石裂变径迹年龄介于4.9～8.9Ma，而Arne等(1997)给出的彭灌杂岩的2个磷灰石裂变径迹年龄分布为4.8Ma和6.5Ma(图3)。总之，宝兴杂岩的裂变径迹年龄小于彭灌杂岩，表明晚新生代以来宝兴杂岩的冷却速率高于彭灌杂岩。

Godard等(2009)通过较多的磷灰石(U－Th)/He测年，认为彭灌杂岩距今8～11Ma以来的平均剥蚀速率约为0.65mm/a，而3～2Ma以来存在着冷却速率降低的趋势(图5a)。与彭灌杂岩相反，宝兴杂岩第四纪以来则存在加速冷却的趋势(图5b)。根据本文给出的4个磷灰石裂变径迹年龄以及Godard等(2009)所采用的地热参数(地表温度约15℃，地温梯度约30℃/km)推算得到，宝兴杂岩距今2.7～5Ma以来的平均剥蚀速率为0.63～1.17mm/a。考虑到彭灌杂岩距今8～11Ma以来的平均剥蚀速率约为0.65mm/a，而3～2Ma以来存在着冷却速率降低的趋势，因此第四纪以来宝兴杂岩的剥蚀速率应该明显大于彭灌杂岩。

在宝兴杂岩与彭灌杂岩的对比中，仅选择了位于河谷地带(高程在1 000～1 500m)且均为花岗岩的样品进行了对比，以尽可能减小其他因素的干扰。但是，仍然存在1个无法避免的外界因素干扰:彭灌杂岩的高度在4 600m左右，而宝兴杂岩的最高峰约3 100m(Google Earth)，这会对地温梯度有一定影响，即在其他条件相同的情况下，宝兴杂岩的地温梯度应略小于彭灌杂岩，因此宝兴杂岩的磷灰石裂变径迹封闭温度线要略深于彭灌杂岩，即本文给出的宝兴杂岩与彭灌杂岩剥蚀速率的差异为其最小可能值。

图5 彭灌杂岩与宝兴杂岩新生代剥蚀历史对比Fig.5 Cooling histories of the Pengguan massif(a)and Baoxing massif(b).

4.3 对断层活动的启示

在龙门山推覆构造带中段，江油－灌县断裂东侧的磷灰石裂变径迹年龄大多为150Ma(图3b)，表明其新生代以来的剥蚀量较低，这些样品的东侧则是第四纪沉积厚度超过1 000m、宽度约100km的成都平原(图6a)，因此彭灌杂岩与四川盆地的差异剥蚀主要被北川－映秀断裂和江油－灌县断裂所吸收。与龙门山推覆构造带中段彭灌杂岩的下盘仅存在2条主要活动断层不同的是，南段存在更多的断裂分支(图1，3和6b)，即宝兴杂岩与四川盆地之间的差异剥蚀被更多的断层和褶皱所吸收。宝兴杂岩东侧的低温热年代学数据显示，部分磷灰石裂变径迹年龄为9、18或27Ma(图3和6b)(Richardson et al.，2008)，进一步证明了宝兴杂岩下盘的逆冲断层和褶皱新生代以来的垂向活动性。这与现代地震活动表现的构造变形特征一致。

龙门山推覆构造带的中段和北段主要由后山断裂(汶川－茂县断裂、青川断裂)、中央断裂(北川－映秀断裂)、前山断裂(江油－灌县断裂)以及山前隐伏断裂所组成，而其南段则较为复杂(图1)，存在多条第四纪以来的活动断层(徐锡伟等，2013)。宝兴杂岩第四纪以来的快速剥蚀表明龙门山推覆构造带南段存在较强的活动性，2013年4月20日发生的芦山MS7.0地震(徐锡伟等，2013;王卫民等，2013)正是这种活动性的体现。但是，与2008年汶川MW7.9地震产生明显的240km长的地表破裂不同是，芦山地震属于一种典型的盲逆断层型地震，未产生明显的地表破裂(徐锡伟等，2013)，表明龙门山推覆构造带中段与南段存在明显的活动差异。

图6 龙门山推覆构造带中段和南段断层及热年代学数据分布剖面图Fig.6 The cross section of the central and south segments of the Longmenshan thrust belt with some low-temperature thermochronology data.

5 结论

本文通过总结龙门山推覆构造带的低温热年代学资料，并对其南段补充了8个裂变径迹年龄，对龙门山南段的新生代剥蚀历史及其新生代断层活动性有了新的认识，主要结论如下:

(1)龙门山推覆构造带南段的宝兴杂岩，从新生代早期开始快速剥蚀降温，新生代以来的降温幅度超过225℃，晚新生代(距今3～5Ma)以来的平均剥蚀速率为0.63～1.17mm/a。宝兴杂岩的新生代总降温幅度和晚新生代以来的平均剥蚀速率均高于彭灌杂岩。

(2)龙门山推覆构造带南段与中段活动存在差异，中段的活动集中在北川－映秀断裂和江油－灌县断裂上，而南段的活动分散在更宽范围的双石－大川断裂(南、北2个分支)及其下盘的断层及褶皱。

谭锡斌.2012.龙门山推覆构造带新生代热演化历史研究及其对青藏高原东缘隆升机制的约束［D］:［学位论文］.北京:中国地震局地质研究所.

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致谢 感谢台湾大学博士后Kristen Lee Cook和李康博士生在野外工作中的帮助。感谢审稿人提出的宝贵意见和建议。